阅读说明：本技术 轴构件以及轴构件的制造方法 (Shaft member and method for manufacturing shaft member ) 是由 喜多昭彦 小泽诚也 森孝弘 井口昭司 松本修 于 2018-12-27 设计创作，主要内容包括：实施方式的轴构件具备：轴状的基材,以钢为材料；低磷镀层,层积于所述基材并且含有磷,所述磷的含量为4.5质量％以下；以及基底镀层,作为电解镍磷镀层或高磷镀层而形成,层积在所述基材与所述低磷镀层之间,因此能够实现轴构件的高强度化,进而能够实现轴构件的小型化。(The shaft member of the embodiment is provided with: a shaft-shaped base material made of steel; a low-phosphorus plating layer which is laminated on the base material and contains phosphorus, wherein the content of the phosphorus is less than or equal to 4.5 mass%; and an undercoat plating layer formed as an electrolytic nickel-phosphorus plating layer or a high-phosphorus plating layer and laminated between the base material and the low-phosphorus plating layer, whereby the shaft member can be made stronger and can be made smaller.)

轴构件以及轴构件的制造方法

技术领域

本发明涉及轴构件以及轴构件的制造方法。

背景技术

理想情况下，轴构件、齿轮部件等机械部件的表面坚硬且耐磨损性强，并且内部具有粘度以能够承受冲击性的载荷。

作为为此使用的合金钢，已知作为机械结构用合金钢之一的SCM420H等铬钼钢。

上述SCM420H是一种表面硬化钢，抗回火、机械性能优异，也具有韧性，因此多用于曲轴、飞轮等汽车部件。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-270860号公报

发明内容

发明要解决的课题

然而，为了使表面硬化钢用作轴构件，期望实现表面的耐磨损性的提高。

因此，通常对表面硬化钢的表面进行镀敷处理。

具体而言，例如采用如下结构：对作为基材的SCM420H(表面硬化钢)进行电解脱脂作为预处理，在实施了中磷或高磷的无电解镍磷镀敷之后，为了确保强度通过烘烤以除去氢来形成轴构件。

在此，将无电解镍磷镀敷镀膜中的磷含量小于4.5％的情况下的无电解镍磷镀敷定义为低磷(镀敷)，将磷含量为4.5％以上且小于10.5％的定义为中磷(镀敷)，将磷含量为10.5％以上定义为高磷(镀敷)。

然而，在上述现有的轴构件中，中磷或高磷的无电解镍磷镀敷在进行烘烤时有时在镀层中产生较多的Ni₃P，镀层会脆化。即，正如将轴构件用于差速器用的小齿轮轴的情况那样，在由于弯曲载荷而导致内部应力增加这样的应用中，为了确保疲劳强度而无法实现小型化。进而，也无法实现使用轴构件的装置的小型化。另外，如果不进行烘烤，则大多数镀敷的结构成为非晶结构，会有镀敷的硬度降低、小齿轮轴的耐磨损性变差之虞。

另一方面，中磷或高磷的无电解镍磷镀敷与基材的密合性良好，但为了避免镀层的脆化等，在使用低磷的无电解镍磷镀敷的情况下，密合性降低，有容易从基材剥离之虞。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种轴构件以及轴构件的制造方法，能够维持与基材的密合性，并实现轴构件的高强度化，进而能够实现轴构件的小型化。

用于解决课题的技术方案

实施方式的轴构件具备：轴状的基材，以钢为材料；低磷镀层，层积于所述基材并且含有磷；以及基底镀层，作为电解镍磷镀层或高磷镀层而形成，层积在所述基材与所述低磷镀层之间。

另外，实施方式的轴构件的制造方法具备：对构成轴构件的以钢为材料的基材实施规定时间的无电解脱脂或阳极电解脱脂的脱脂工序；以及实施磷含量为4.5质量％以下的低磷型的镀敷的镀敷工序。

发明效果

根据上述结构，能够抑制Ni₃P的产生，抑制脆化，并且还抑制非晶结构的形成，并且能够在维持与基材的密合性的同时实现轴构件的耐磨损性的提高以及高强度化，进而能够实现轴构件的小型化。

附图说明

图1是差速器的剖视图。

图2是表示适用于实施方式的轴构件的镀镍磷的结晶状态的状态图。

图3是实施方式的轴构件的制造流程图。

图4是实施例和比较例的说明图。

具体实施方式

接着，参照附图，对轴构件以及轴构件的制造方法进行说明。

首先，对实施方式的原理进行说明。

在对轴构件反复施加弯曲应力的情况下，期望提高轴构件的内部硬度以提高疲劳强度，其中，疲劳强度指即使无限次有效地重复弯曲应力也不会产生破坏的应力振幅的上限。

因此，在本实施方式中，使用内部硬度高的高碳钢作为轴构件的基材(材质)。

另一方面，在使用高碳钢作为轴构件的情况下，韧性降低，因此对缺口敏感，在为了提高耐磨耗性而对轴构件的表面实施了镀层的情况下，有可能以镀层的裂纹为起点而发生疲劳破坏。特别是在使用镀镍磷作为镀层的情况下，若在镀层中存在Ni₃P，则镀层有可能脆化而产生裂纹。

因此，在本实施方式中，通过不实施烘烤来抑制Ni₃P的产生。

但是，若不实施烘烤则镀层的硬度不足，因此使用即使在镀敷析出状态下镀膜的硬度也高的、磷含量为4wt％左右以下的所谓低磷型的镀敷(层)。

进而，在不实施烘烤的情况下，氢可能残留在钢铁材料中，这可能导致延迟断裂。因此，在脱脂工序中，避免可能混入氢的阴极电解脱脂来进行浸渍脱脂或阳极电解脱脂。

进而，由于低磷型的镀敷(层)与原材料(基材)的密合性差，因此作为基底镀敷(层)，进行电解镍镀敷处理或中磷～高磷的无电解镍镀敷处理。

在该情况下，在形成采用非晶结构作为基底镀层的高磷无电解镍镀层的情况下，使高磷无电解镍镀层的厚度比低磷无电解镍镀层的厚度薄。其结果，能够得到抑制镀层的脆化、维持镀敷的硬度且不会损害对基材的密合性的轴构件。

其结果，能够在不损害轴构件的耐磨损性和耐烧结性的情况下抑制镍磷镀层的裂纹的产生，提高疲劳强度。

以下，对更具体的实施方式进行说明。

首先，对将轴构件应用于要求高疲劳强度和耐磨损性的差速器用小齿轮轴的情况进行说明。

图1是差速器的剖视图。

如图1所示，差速器10具有一对(两个)小齿轮11和固定于各个驱动轴12(12L、12R)并且与一对小齿轮11成直角地啮合的一对(两个)侧齿轮13(13L、12R)。

另外，差速器10具备：作为支撑一对小齿轮11的轴构件的小齿轮轴14；以及收纳一对小齿轮11以及一对侧齿轮13(13L、13R)并且连结(固定)差速器齿圈15的差速器壳体16(第一差速器壳体17、第二差速器壳体18)。

在以下的说明中，在无需特别区分驱动轴12L和驱动轴12R的情况下，简称为“驱动轴12”。同样地，在不特别区分与驱动轴12L连接的左侧的侧齿轮13L和与驱动轴12R连接的右侧的侧齿轮13R的情况下，简称为“侧齿轮13”。

在上述结构中，小齿轮11和侧齿轮13构成为直齿圆柱齿轮。

在差速器10中，差速器齿圈15直接连结有差速器壳体16，其中，差速器壳体16收纳连接至左右的驱动轴30连接的左右的侧齿轮13和连接至左右的侧齿轮13的小齿轮11，当连接至左右的驱动轴12L、12R的左右的驱动轮之间没有旋转差时，差速器10连同差速器壳体16一起旋转。

其结果，左右的驱动轮向相同方向旋转。另外，若因转弯等在左右的驱动轮产生旋转差，则在差速器齿圈15被固定的状态下侧齿轮13的一方旋转，经由小齿轮11使另一方侧齿轮13向反方向旋转。其结果，能够抵消转弯中的左右的驱动轮产生的旋转差，从而顺畅地进行转弯。

以下，更详细地说明差速器10的构造。

在差速器10中，与未图示的齿轮机构的驱动小齿轮啮合的差速器齿圈15通过螺栓19与差速器壳体16(第一差速器壳体17、第二差速器壳体18)一体化。

在此，第一差速器壳体17由圆筒状的支撑部17a和凸缘状的固定部17b形成。第一差速器壳体17由安装在支撑部17a的外周面与未图示的变速箱之间的未图示的轴承转动自如地支撑。

另外，第二差速器壳体18由圆筒状的小径支撑部18a和圆筒状的大径支撑部18b形成。第二差速器壳体18由安装在小径支撑部18a的外周面与未图示的变速箱之间的轴承转动自如地支撑。在第二差速器壳体18的大径支撑部18b，固定有朝向内侧贯通该大径支撑部18b的小齿轮轴14，小齿轮11被转动自如地支撑。

并且，差速器齿圈15与差速器壳体16(第一差速器壳体17、第二差速器壳体18)构成为以驱动轴12的轴为中心而一体地旋转。

能够与驱动轴12一体旋转的侧齿轮13啮合与小齿轮11。侧齿轮13具有圆筒部21和齿轮部22。侧齿轮13L的圆筒部21构成为，该圆筒部21的轴向一侧(侧齿轮13的情况下，非齿轮侧)的端部23位于形成在未图示的变速箱的开口部的内部，并且能够与从该轴向一侧***的驱动轴12L一体地旋转。

另外，在圆筒部21的轴向另一侧(侧齿轮13L的情况下，齿轮侧)设置有齿轮部24(侧齿轮部)。

而且，在圆筒部21的第二内周面25中的例如齿轮部26的形成侧形成有花键St。另一方面，在驱动轴12L的表面中的被圆筒部21***的部分形成有花键Ss。并且，通过使花键St与花键Ss啮合，侧齿轮13L与驱动轴12L一体地旋转。

同样地，侧齿轮12R的圆筒部27构成为，该圆筒部27的轴向另一侧(侧齿轮12R的情况下，非齿轮侧)的端部28位于形成在未图示的变速箱的开口部的内部，并且能够与从该轴向另一侧***的驱动轴12R一体地旋转。

另外，在圆筒部27的轴向一侧设置有齿轮部29(侧齿轮部)。并且，在圆筒部27的内周面30中的例如齿轮部29的形成侧形成有花键St。另一方面，在驱动轴12R的表面中的被圆筒部27***的部分形成有花键Ss。并且，通过使花键St与花键Ss啮合，侧齿轮13R与驱动轴12R一体地旋转。

接着，对作为轴构件的小齿轮轴14的构成进行详细说明。

[1]轴构件的基材

作为轴构件的小齿轮轴14的基材(材料)在不仅是表面而且内部考虑硬度高的、碳含量(质量百分比：质量％)为0.6质量％以上的高碳钢、更优选为碳含量为0.85～1.10质量％的高碳钢。

进而，考虑到耐磨损性，使用高碳合金钢。

作为高碳合金钢，例如可以举出轴承钢和已知的高碳铬轴承钢。

作为JIS中规定的代表性的高碳铬轴承钢，可举出JIS G 4805标准中定义的标号SUJ2(＝碳含量为0.95～1.10质量％)的高碳铬轴承钢。但是，也可以使用标号SUJ3、SUJ4、SUJ5(＝碳含量为0.95～1.10质量％)等其他高碳铬轴承钢。

通过使用上述高碳钢或高碳合金钢，能够具有充分的内部硬度以应对内部应力，并且能够使小齿轮轴14的疲劳强度为足够大的值。

[2]关于镀敷

接着，对镀敷及镀敷处理进行说明。

图2是表示适用于实施方式的轴构件的镀镍磷的结晶状态的状态图。

如图2所示，若磷的混合比率的重量％(wt％)为1～4.5wt％的范围且温度为400℃、450℃以下，则形成β层。

该β相成为微晶结构，该微晶结构中形成了在镍中含有磷的结晶固溶体的均匀相。

另外，α层成为在镍中含有0.17％以下的磷的固溶体的状态。

进而，γ层为非晶均一层。

在本实施方式中，如上所述不进行烘烤，因此使用即使在镀敷析出状态下镀膜的硬度也高的、磷含量为4质量％左右以下的所谓低磷型的镀敷(层)。

在该情况下，虽然磷含量为1～4质量％下的镀层的硬度不变，但从镀敷的生产率的观点出发，优选使析出速度快的磷含量为1～1.5质量％。

另外，虽然说明了不进行烘烤，但只要能够在镀层的整个区域单独维持β层，则即使进行烘烤(加热)也没有问题。

即，在图2的例子的情况下，只要磷含量为4质量％左右以下且烘烤温度为400℃以下，就能够应用。

需要说明的是，根据各条件，结晶状态未必如图2所示，因此为了确保作为制品的可靠性，如图2中斜线部AP所示，优选磷含量为1～1.5质量％且烘烤温度100℃以下。

使烘烤温度为100℃以下能够抑制Ni₃P的生成，因此是优选的。

需要说明的是，在进行100℃以下的烘烤的情况下，在图3所示的制造流程图中，在步骤S15的清洗、干燥处理之后进行即可。

另外，为了抑制原材料的氢脆化，优选浸渍脱脂或阳极电解脱脂作为镀敷的预处理。

进而，由于低磷型的镀敷(层)相对于基材(高碳钢)的密合性差，因此作为粘合剂层可以实施高磷镀(层)或电解镍镀敷(层)。在该情况下，作为粘合剂层，基底镀层的厚度在镀层的厚度为10μm的情况下为1μm左右。即，高磷镀敷(层)或电解镍镀敷(层)的厚度设定得比低磷镀层薄。

由此，能够利用表面的低磷镀层保持镀层的硬度，并且能够通过基底镀层确保对基材的密合性，能够提高轴构件的可靠性。

接着，对实施方式的轴构件的制造方法进行说明。

图3是实施方式的轴构件的制造流程图。

在以下的说明中，虽然省略说明，但如果在各工序后需要则进行水洗处理等。

首先，进行作为轴构件的基材的高碳钢(更优选为作为高碳合金钢的轴承钢(例如SUJ2))的成形处理(加工处理)，使轴构件的形状为期望的形状(步骤S11)。

接着，进行镀敷预处理(步骤S12)。

作为镀敷预处理，虽然进行脱脂处理，但若进行阴极电解脱脂则氢有可能侵入钢铁材料中。因此，进行规定时间的浸渍脱脂(例如20分钟)或阳极电解脱脂(例如，1～3分钟)。

通过进行在镀敷析出状态下也满足硬度的低磷镀敷，能够简化镀敷后的烘烤工序。

接着，为了提高镀层的密合性，进行基底镀敷处理(步骤S13)。

作为基底镀敷处理，优选实施中磷～高磷镀敷处理或电解镍镀敷处理。

接着，进行用于形成镀层的镀敷处理(步骤S14)。

作为实施的镀敷处理，进行低磷镀敷处理。具体而言，进行磷含量为1～1.5质量％的镀镍磷，不进行烘烤或不进行有效地烘烤。

其结果，能够消除或大幅降低由于烘烤引起的镀层的脆化，能够抑制导致疲劳破坏的镀层的裂纹的产生。

接着，对镀敷后的轴构件进行清洗并干燥，进行产品检查，并结束处理(步骤S15)。

根据以上的轴的制造方法，由于使用作为轴构件的基材的高碳钢(更优选为作为高碳合金钢的轴承钢(例如SUJ2))，因此能够提高内部硬度，就材料而言，可以充分确保疲劳强度。

进而，由于不对镀层进行促进导致镀层变脆的Ni₃P的形成的有效地烘烤，因此能够抑制镀层的脆化。

另外，对于不进行有效地烘烤而引起的镀层的硬度降低，使用了低磷镀敷(层)，为了避免使用低磷镀敷而导致的密合性的降低，作为基底镀层(粘合剂层)形成中磷～高磷镀层或电解镍镀层，因此能够确保硬度和密合性这两者。

其结果，能够形成疲劳强度、耐磨损性以及可靠性高的轴构件。

在以上的说明中，对将轴构件用作差速器的小齿轮轴的情况进行了说明，但不限于此，只要是要求疲劳强度和耐磨损性的轴构件就能够同样地应用。

实施例

以下，对将本发明具体化的实施例进行详细说明。

图4是实施例和比较例的说明图。

[1]第一实施例

在第一实施例中，如图4所示，使用进行了淬火(热处理)的轴承钢SUJ2作为基材，作为镀敷处理使用磷量1～1.5质量％的镀镍磷(低磷镀敷)。然后，在没有进行有效的烘烤的情况下，进行20分钟的无电解脱脂作为预处理，形成1μm的电解镍磷镀敷作为基底镀敷，并进行处理以使膜厚为10μ。

这样，电解镍镀敷(层)的厚度设定得比低磷镀层薄。

由此，能够利用表面的低磷镀层保持镀层的硬度，并且能够通过基底镀层确保对基材的密合性，提高轴构件的可靠性。

其结果是，根据第一实施例，镀层(镀膜)的硬度＝Hv663，实现了超过作为3万次时的疲劳强度的目标、即1456MPa的疲劳强度。

[2]第二实施例

在第二实施例中，如图4所示，使用进行了淬火(热处理)的轴承钢SUJ2作为基材，作为镀敷处理使用磷量1～1.5质量％的镀镍磷(低磷镀敷)。然后，在没有进行有效的烘烤的情况下，进行20分钟的阳极电解脱脂作为预处理，形成1μm的高磷镀敷(层)作为基底镀敷，进行处理以使膜厚为10μ。

这样，高磷镀敷(层)的厚度设定得比低磷镀层薄。

由此，能够利用表面的低磷镀层保持镀层的硬度，并且能够通过基底镀层确保对基材的密合性，提高轴构件的可靠性。

其结果，第二实施例的镀层(镀膜)的硬度＝Hv663，实现了超过3万次时的疲劳强度的目标、即1456MPa的疲劳强度。

[3]比较例

在比较例中，如图4所示，使用进行了渗碳渗氮(热处理)的铬钼钢SCM420H作为基材，作为镀敷处理使用磷量为8～10质量％的镀镍磷，进行20分钟的无电解脱脂作为预处理，不进行基底镀敷而进行处理以使膜厚成为10μ。

其结果是，根据第一实施例，镀层(镀膜)的硬度＝Hv722、为905MPa，为未达到3万次时的疲劳强度的目标的1456MPa。

[4]结论

如上所述，根据第一实施例和第二实施例，能够得到镀层的硬度足够大且具有超过作为3万次时的疲劳强度的目标的性能的轴构件。

另一方面，根据比较例，镀层的硬度足够大，但无法超过作为3万次时的疲劳强度的目标，无法得到所期望的性能。

对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式仅是示例性的，并不意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种方式实施，并且在不脱离发明的主旨的范围内可以进行各种省略、替换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围和主旨中，并且包含在权利要求书所记载的发明及其等同范围内。

另外，本实施方式的轴构件至少具备以下的结构。

本实施方式的轴构件(14)具备：轴状的基材，以钢为材料；低磷镀层，层积于所述基材并且含有磷；以及基底镀层，作为电解镍磷镀层或高磷镀层而形成，层积在所述基材与所述低磷镀层之间。

根据该结构，能够实现轴构件的高强度化，进而能够实现轴构件的小型化。

另外，基材可以是高碳钢或高碳合金钢。

根据该结构，能够提高轴构件的内部硬度，能够有足够的强度应对弯曲应力，实现疲劳强度的提高。

另外，高碳钢或高碳合金钢中的碳含量也可以为0.85～1.10质量％。

根据该结构，能够充分提高轴构件的内部硬度，实现疲劳强度的提高。

另外，基底镀层的厚度也可以设定为比低磷镀层的厚度薄。

根据该结构，能够利用表面的低磷镀层保持镀层的硬度，并且能够通过基底镀层确保对基材的密合性，能够提高轴构件的可靠性。

另外，低磷镀层中的磷含量可以设为4.5质量％以下。

根据该结构，能够使低磷镀层的结晶状态成为在镍中具有微小结晶结构的结晶固溶体的均一层，能够形成稳定的镀层。

另外，低磷镀层中的磷含量也可以设为1.0～1.5质量％。

根据该构成，能够可靠地使低磷镀层的结晶状态成为结晶固溶体的均一层，能够抑制Ni₃P的含量，形成强度高的更稳定的镀层。

另外，轴构件也可以使表面为所述低磷镀层。

根据该结构，能够在确保与基材的密合性的同时，稳定地维持表面的硬度。

另外，本实施方式的轴构件的制造方法至少具备以下的结构。

本实施方式的轴构件的制造方法具备：对构成轴构件的以钢为材料的基材实施规定时间的无电解脱脂或阳极电解脱脂的脱脂工序(步骤S12)；以及实施磷含量为4.5质量％以下的低磷型的镀敷的镀敷工序(步骤S14)。

根据该结构，能够容易地制造内部硬度足够高并且实现了疲劳强度的提高的轴构件。

另外，在低磷镀敷工序中，可以实施磷含量为1.0～1.5质量％的镀敷作为低磷型的镀敷。

根据该构成，能够可靠地使低磷镀层的结晶状态成为结晶固溶体的均一层，能够抑制Ni₃P的含量，形成强度高的更稳定的镀层。

另外，也可以在脱脂工序(步骤S12)与镀敷工序(步骤S14)之间具备进行电解镍磷镀敷处理或高磷镀敷处理的基底镀敷工序(步骤S13)。

根据该结构，能够改善基材与低磷镀层之间的密合性，制造实现了疲劳强度的进一步提高的轴构件。

附图文字说明

14：小齿轮轴(轴构件)、S12：镀敷预处理工序、S13：基底镀敷处理工序、S14：镀敷处理工序。