JP2005503528A - 鋼から形成された部材及び鋼から形成された部材を熱処理する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、鋼から形成された部材、特に等速ジョイントの外部ジョイント部材及び内部ジョイント部材と、鋼から形成されたこのような部材を熱処理する方法に関する。熱処理作業は、窒化、表層高周波焼入れ及び焼戻しの処理段階を含んでおり、これらの処理は相前後して行われる。窒化作業の結果、ジョイント部材には、窒化物とこの窒化物の下側に配置された拡散層１８とを含む表層１５が提供される。引き続き高周波焼入れ処理により拡散層１８が硬化され、これにより、拡散層１８は、拡散層の上側に配置された表層１５を支持するための良好な支持特性を有する。
【選択図】図３

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、転動する接触部材との接触を形成するための鋼から形成された部材、特に等速ジョイントの外部ジョイント部材（２）及び内部ジョイント部材（３）及び、球体案内式長手方向摺動部材のスリーブ及びジャーナルと、このような部材を熱処理する方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
外部ジョイント部材と、内部ジョイント部材と、外部ジョイント部材と内部ジョイント部材とにおける走行溝内に保持されていてかつこの走行溝内で転動する、トルク伝達転動接触部材とを備えた等速ジョイントにおいて、転動接触部材と、内部部材と外部部材とにおける走行溝との間には高い圧力が生じる。ヘルツ圧力の形式で存在するこのような負荷は点腐食を生じさせるおそれがあり、この点腐食は、結局は、等速ジョイントを役に立たなくさせる。同様の条件は、トルク伝達目的のために設けられた、球体案内式長手方向摺動部材の場合にも生じ、この場合、スリーブ及びジャーナルはそれぞれ長手方向の溝を有しており、この溝に球体が保持され、この溝において球体が転動する。
【０００３】
ドイツ連邦共和国特許第３１３２３６３号明細書から、等速ボールジョイントの外部ジョイント部材と内部ジョイント部材とにおける走行溝を部分的に表面硬化させる方法が知られており、この場合、球体を案内する、走行溝とケージとの接触面が、形成された誘導体によって硬化される。走行溝の硬化深さは０．５ｍｍである。走行溝の間に位置決めされていてかつケージを案内するために働く、内部ジョイント部材と外部ジョイント部材との案内面は、より小さな硬化深さを生じさせる第２の硬化処理によって硬化される。この目的のために、レーザ又は電子ビーム硬化処理、又は択一的に、窒化等の熱化学的表面硬化処理が提供される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明の課題は、転動する接触部材との接触を形成するための鋼から形成された部材と、鋼から形成された部材を熱処理する方法とを提供することであり、この場合、転動する接触部材の表面の走行特性が改良され、摩耗保護が改良され、ひいては部材の寿命が延長される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題は、鋼から形成された前記タイプの部材によって達成され、この部材は、焼かれた窒化鉄の孔含有シームと、この孔含有シームの下側に配置された、窒化鉄の非金属結合領域とから成る表層を有しており、さらにこの部材は、窒素濃縮された混晶と、マルテンサイト−窒素構造のマトリックスにおける沈殿された窒化物とから成る隣接する拡散領域を有しており、拡散領域に少なくとも部分的に重ねらされた高周波焼入れされた層を有しており、高周波焼入れされた層の下側に配置された、熱処理可能な鋼から成るコアを有している。
【０００６】
さらに、課題は、鋼から形成された前記タイプの部材を熱処理する方法によって達成され、この方法は、相前後した以下に示す方法のステージ、すなわち、窒化、表層高周波焼入れ、及び焼き戻しを含む。
【０００７】
本発明に基づく解決手段の利点は、高周波焼入れ処理の前に窒化処理を行うことによって、窒化鉄から成る外部表層及び、窒素濃縮された混晶とＮ−マルテンサイトのマトリックスにおける沈殿された窒化物とから成る隣接する拡散領域が提供されることである。表層と、この表層の下側に配置された拡散領域との協働は極めて重要である。初期には表面領域に対して比較的柔軟である拡散領域は、高周波焼入れの後、より高い強度及び硬度を有する。高周波焼入れは、急冷した後、硬質のマルテンサイト−窒素構造を生じさせる。このように、外部表層の下側に配置され高周波焼入れされた拡散領域が表層をしっかりと支持することが確実となる。作動条件下での転動接触部材の走行面における点腐食の形成が回避され、その結果、部材の寿命が延長される。
【０００８】
好適な実施形態によれば、表層はジョイント部材の表面全体に亘って延びていることが提案される。さらに、部材の少なくとも部分的な領域、特に走行溝及び案内面が高周波焼入れされている。
【０００９】
好適な実施形態によれば、表層は約１０〜３０μｍの厚さを有する。表層の厚さは特に、使用される窒化処理に依存する。プラズマ窒化を使用する場合、１０〜２０μｍの表層厚さを得ることができるのに対して、塩浴窒化の場合には、２０〜３０μｍの層厚さが生じる。
【００１０】
表層は、焼かれた窒化鉄の孔含有シームと、この孔含有シームの下側に設けられた窒化鉄の結合領域とを有している。孔シームは、約２〜３μｍの厚さを有しており、窒化処理に応じて、結合領域は、１０〜３０μｍの前記厚さに表層厚さを補足する。焼かれた窒化鉄の孔含有シームは多孔質構造を有する。その結果、潤滑剤は作動中に孔に進入することができ、その結果、２つの接触する部材の間の潤滑が著しく改善されることができる。このように、２つの部材の腐食傾向、ひいては部材の磨耗が減じられる。孔含有シームの厚さは、潤滑がより重要でないならば、ほとんどゼロにまで減じられることができる。
【００１１】
結合領域は、ε−窒化鉄を含み、このε−窒化鉄は高い硬度と、高い疲労強度と、高い耐摩耗性とを有する。したがって、窒化され、次いで高周波焼入れされた走行面を備えた部材は、改良された走行特性を有しており、その結果、寿命が延長される。
【００１２】
拡散領域は好適には約０．８ｍｍの厚さである。高周波焼入れされた層の厚さは、約１．８〜２ｍｍである。窒化の後に高周波焼入れ作業が行われる結果、拡散領域の構造は、より高い硬度及び強度を得る。このことは、比較的薄い表層が拡散領域によって支持されるという点で有利である。このように、作動条件下での点腐食の危険性が減じられる。
【００１３】
本発明の好適な実施形態によれば、部材のために使用される鋼は合金ではない。このことは、材料コストが比較的安いという点で有利である。好適には、Ｃｆ５３、すなわち０．５３％の炭素濃度を有する鋼が使用される。
【００１４】
本発明の択一的な実施形態において、部材のベース材料は、合金でない鋼よりも高価であるが熱処理の後により高い強度値を有する合金鋼である。
【００１５】
合金成分の存在は排除されない。
【００１６】
本発明を実施するために使用される窒化処理は、プラズマ窒化、塩浴窒化又はガス窒化である。ガス窒化は、０．６ｍｍの窒化深さのために約１００時間の長い窒化時間を必要とする。プラズマ窒化中にグロー放電による窒素のイオン化の結果として及び水素及びメタンを付加する等の付加的な手段を提供することによって、窒化時間は、ガス窒化の場合よりも短くなることができる。さらに短い窒化時間は塩浴窒化によって達成されるが、使用されるシアン化物塩浴は常に表層の僅かな復炭につながる。
【００１７】
本発明の方法の好適な実施形態によれば、部材は約５８０℃の温度において窒化される。原則的に、より低い温度で窒化することもできるが、その場合、部材への窒素の内方拡散にかかる時間がより長くなる。
【００１８】
方法の好適な別の実施形態によれば、表層の高周波焼入れは中周波数で行われ、電流浸透深さ、ひいては硬化の有効深さは、周波数が増大すると減少する。有利な実施形態によれば、中周波数は１０〜２０キロヘルツの範囲である。１０キロヘルツの周波数の場合、硬化の有効深さは約１．８〜２ｍｍであり、３０キロヘルツの周波数の場合、硬化の有効深さは１．５〜１．７ｍｍである。
【００１９】
焼戻しは、好適には約１７５℃の温度において生じる。硬度応力を減じるために、部材は炉において前記温度にまで加熱され、この温度が約１時間の間維持される。より高い焼戻し温度は、拡散領域及び高周波焼入れされた層の硬度を減じるおそれがある。
【００２０】
方法の好適な実施形態によれば、窒化される前に部材が焼ならしされることが提案されている。択一的に、部材は窒化される前に熱処理されることができる。ある引張強度値において高い強度と微細な粒子とを得るために、部材は、熱処理工程の間に急冷及び焼戻しされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
好適な実施形態を図面を参照に説明する。
【００２２】
図１及び図２をまとめて以下に説明する。図１及び図２は、環状の外部ジョイント部材２と、環状の内部ジョイント部材３と、２つのジョイント部材の間でトルクを伝達するための球体４と、さらに球体４を案内するためのケージ５とを備えるＶＬジョイントの形式の摺動型等速ジョイント１を示している。外部ジョイント部材２は、ケージ５を案内するための円筒状の案内面６と、外部走行溝７とを有している。内部ジョイント部材３は、外面８と、内部走行溝９とを有している。内部及び外部の走行溝７，９は、外部ジョイント部材２及び内部ジョイント部材３の長手方向軸線との、周方向で交互に配置された交差角度を形成している。互いに関連した内部及び外部の走行溝７，９において、ケージ５の窓１０に保持された球体４が案内されている。
【００２３】
外部ジョイント部材２には、フランジにボルト留めするためのボア１１が設けられている。内部ジョイント部材３には、シャフト（図示せず）を挿入するための、長手方向に歯形が形成された開口１２が設けられている。
【００２４】
外部ジョイント部材２及び内部ジョイント部材３は、０．５３％の平均炭素含有量を備えた、合金でない熱処理可能な鋼（Ｃｆ ５３）から成っている。熱処理される前に、ジョイント部材は焼きならしされた条件で存在する。熱処理の過程で、２つのジョイント部材２，３はまず窒化され、次いで高周波焼入れされ、最後に焼戻しされる。熱処理される前に、ジョイント部材２，３は既に精密に機械加工されている。熱処理の後にジョイント部材２，３の表面のさらなる機械加工は行われない。
【００２５】
ジョイント部材２，３を窒化するために、プラズマ窒化が好適である。プラズマ窒化の場合、窒化は、真空炉におけるグロー放電によって生じられる窒素含有プラズマにおいて行われる。炉壁と工作物との間に高い直流電流を加えることにより、窒素イオンが著しく加速されて工作物表面に高速で衝突し、ジョイント部材は、工作物に衝突する窒素イオンによって解放されるエネルギによって加熱される。この時、窒化物の形成は、ジョイント部材２，３の表面から内部への拡散により進行する。
【００２６】
窒化は、約３時間の期間保持される約５８０℃の温度において行われる。拡散の結果、窒素は、その小さな原子半径のために、ジョイント部材２，３の上層の鉄の格子に容易に浸透することができる。処理において、ジョイント部材２，３の硬さが増大し、この増大は、窒化物の形成と、混合された鉄結晶における窒素の溶解とにより生じる。窒化の後、ジョイント部材２，３の外層は、窒化鉄を備えた外部表層と、隣接する拡散領域とを有しており、この拡散領域は、窒素濃縮された混晶と部分的に沈殿された窒化物とを備えている。
【００２７】
窒化の後、外部ジョイント部材２の内面、すなわち走行溝７及び案内面６の表面と、内部ジョイント部材３の外面、すなわち走行溝９及び外面８の表面とは、高周波焼入れされる。高周波焼入れの経過において、ジョイント部材２，３の外層は、誘発された電流によって中周波数コイルにおいて加熱され、オーステナイト化温度に達した後、ジョイント部材はシャワー又は浴槽において急冷され、ポリマエマルジョンを冷媒として使用することができる。加熱された表層の深さ、ひいては表層硬度は、スキン効果により、周波数が高くなると小さくなる。１０キロヘルツの中周波数の場合、硬化の有効深さは約１〜２．８ｍｍであり、３０キロヘルツの中周波数の場合、硬化の有効深さは約１〜１．３ｍｍである。しかしながら、硬化の有効深さは、結合領域の噴散を回避するためにできるだけ低く保たれなければならない。
【００２８】
高周波焼入れの後、ジョイント部材２，３は、硬度応力を減じるために焼戻しされる。焼戻しは、約１時間の間、１７５℃の温度で、電気的に加熱される焼戻し炉において行われる。
【００２９】
図３は、外部ジョイント部材２と内部ジョイント部材３とが窒化及び高周波焼入れされた後におけるこれらのジョイント部材の外層の構造を示している。図示された層の厚さは実寸ではない。
【００３０】
表層１５が孔シーム１６と、この孔シーム１６の下側における結合領域１７とを有することが見られる。孔シーム１６は約２〜３マイクロメートルの厚さを有する。約７〜２７マイクロメートルの厚さを有する結合領域１７と相俟って、表層１５のために約１０〜３０マイクロメートルの合計厚さが得られる。表層１５の厚さは、特に使用される窒化処理に依存する。プラズマ窒化の場合には、１０〜２０マイクロメートルの表面厚さを達成することができるのに対し、塩浴窒化の場合、２０〜３０マイクロメートルの層厚さが生じられる。
【００３１】
孔含有シーム１６は、焼かれた窒化鉄から成り、多孔質構造を有する。したがって、ジョイントが作動しているときに潤滑剤が孔に進入することができ、その結果、摺動型等速ジョイントの球体と走行溝との間の潤滑が著しく改良される。この形式において、ジョイント部材が腐食及び摩耗する傾向が著しく減じられる。結合領域１７は、高い硬度と、高い疲労強度値と、高い耐摩耗性とを有するε−窒化鉄から成る。したがって、結合領域１７は、摺動型等速ジョイントの走行特性を改良し、その結果、寿命が延長される。
【００３２】
結合領域１７の下方に配置された拡散領域１８は、窒素濃縮された混晶を備えたフェライト−パーライトマトリックスと、沈殿された窒化物とから成る。窒素が基本構造内へ拡散される、拡散領域１８の深さは０．８ｍｍである。前記拡散領域１８は、この拡散領域の上方に位置決めされた表層１５よりも柔軟であるので、さらに熱処理を行わないと、表層１５が拡散領域１８に押し込まれる危険性がある。拡散領域１８の下方には、ジョイント部材のコア１９が配置されており、このコアは、窒化処理によって影響されない。コア１９の構造は、（焼ならしされた）パーライト及びフェライトから成っており、粒子寸法はＡＳＴＭ（試験及び材料のための米国ソサエティ）規格Ｅ１１２によれば５〜８である。
【００３３】
窒化作業に続く高周波焼入れ処理の結果、ジョイント部材の硬度はさらに増大される。高周波焼入れされた層２０の厚さは、約１．８〜２ｍｍである。図示したように、高周波焼入れされた層２０は、拡散領域１８に重ねられており、拡散領域を越えて延びている。急冷作業中に、高周波焼入れより生じる硬化は、拡散領域１８におけるマルテンサイト−窒素構造を形成し、この構造は、高い硬度と強度値を有する。したがって、高周波焼入れされた拡散領域１８は、球体及びケージそれぞれと接触した比較的薄い表層１５を支持するのに十分に硬い。走行面における点腐食の形成により生じられる摩耗は減じられ、その結果、摺動型等速ジョイントの寿命が延長される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明による摺動型等速ジョイントの軸方向断面図である。
【図２】図１に示した本発明による摺動型等速ジョイントの直交した方向の断面図である。
【図３】窒化及び高周波焼入れ後の表層の一部を示している。
【符号の説明】
【００３５】
１ 等速ジョイント
２ 外部ジョイント部材
３ 内部ジョイント部材
４ 球体
５ ケージ
６ 案内面
７ 外部走行溝
８ 外面
９ 内部走行溝
１０ 窓
１１ ボア
１２ 開口
１５ 表層
１６ 孔含有シーム
１７ 結合領域
１８ 拡散領域
１９ コア
２０ 高周波焼入れされた層

Claims (22)

1. 転動する接触部材との接触を確立するための鋼から形成された部材、特に等速ジョイントの外部ジョイント部材（２）及び内部ジョイント部材（３）、及び球体案内される長手方向摺動部材のスリーブ及びジャーナルであって、
   焼かれた窒化鉄の孔含有シーム（１６）と、該孔含有シームの下側に設けられた窒化鉄の非金属結合領域（１７）とから成る表層（１５）を有しており、
   窒素濃縮された混晶と、マルテンサイト−窒素構造のマトリックスにおける沈殿された窒化物との隣接する拡散領域（１８）を有しており、
   拡散領域（２）に少なくとも部分的に重ねられた高周波焼入れされた層（２０）を有しており、
   この層の下側に配置された熱処理可能な鋼のコア（１９）を有することを特徴とする、転動する接触部材との接触を確立するための鋼から形成された部材。
2. 前記孔含有シーム（１６）及び前記結合領域（１５）から形成された前記表層（１５）が表面全体に亘って延びていることを特徴とする、請求の範囲第１項記載の部材。
3. 前記表面の少なくとも一部、特に走行溝（７，９）及び案内面（６）が高周波焼入れされていることを特徴とする、請求の範囲第１項又は第２項記載の部材。
4. 前記孔含有シーム（１６）及び前記結合領域から形成された前記表層（１５）が約１０〜３０μｍの厚さを有することを特徴とする、請求の範囲第１項から第３項までのいずれか１項記載の部材。
5. 前記孔含有シーム（１５）が約２〜３μｍの厚さを有することを特徴とする、請求の範囲第４項記載の部材。
6. 前記拡散領域（１８）が約０．８μｍの厚さを有することを特徴とする、請求の範囲第１項から第５項までのいずれか１項記載の部材。
7. 高周波焼入れされた前記層（２０）が約１．８〜２ｍｍの厚さを有することを特徴とする、請求の範囲第１項から第６項までのいずれか１項記載の部材。
8. 前記コア（１９）が焼ならしされていることを特徴とする、請求の範囲第１項から第７項までのいずれか１項記載の部材。
9. 合金でない熱処理可能な鋼から成っていることを特徴とする、請求の範囲第１項から第８項までのいずれか１項記載の部材。
10. Ｃｆ５３から成っていることを特徴とする、請求の範囲第９項記載の部材。
11. 合金鋼から成っていることを特徴とする、請求の範囲第１項から第８項までのいずれか１項記載のジョイント部材。
12. 鋼から成る部材、特に等速ジョイントの外部ジョイント部材及び内部ジョイント部材、及び球体案内される長手方向摺動部材のスリーブ及びジャーナルを熱処理する方法において、相前後して以下のプロセス：
    −窒化処理
    −表層高周波焼入れ処理
    −焼戻し処理
    を含むことを特徴とする、鋼から成る部材を熱処理する方法。
13. 使用される前記窒化処理がプラズマ窒化であることを特徴とする、請求の範囲第１２項記載の方法。
14. 使用される前記窒化処理が塩浴窒化であることを特徴とする、請求の範囲第１２項記載の方法。
15. 使用される前記窒化処理がガス窒化であることを特徴とする、請求の範囲第１２項記載の方法。
16. 前記窒化処理が約５８０℃の温度において行われることを特徴とする、請求の範囲第１２項から第１５項までのいずれか１項記載の方法。
17. 前記表層高周波焼入れ処理が、１０〜３０ｋＨｚの中周波数で行われることを特徴とする、請求の範囲第１２項から第１６項までのいずれか１項記載の方法。
18. 前記焼戻し処理が約１７５℃の温度において行われることを特徴とする、請求の範囲第１２項から第１７項までのいずれか１項記載のプロセス。
19. 合金でない鋼、特にＣｆ５３から形成された前記部材が使用されることを特徴とする、請求の範囲第１２項から第１８項までのいずれか１項記載の方法。
20. 合金鋼から形成された部材が使用されることを特徴とする、請求の範囲第１２項から第１８項までのいずれか１項記載の方法。
21. 前記窒化処理される前に前記部材が前記焼ならし処理されることを特徴とする、請求の範囲第１２項から第２０項までのいずれか１項記載の方法。
22. 前記窒化処理される前に前記部材が熱処理されることを特徴とする、請求の範囲第１２項から第２１項までのいずれか１項記載の方法。