JP2007046717A - ジョイント用爪付き転動軸 - Google Patents

Abstract

【課題】 転走面の転動疲労寿命の向上と爪部の静的破壊強度（ねじり強度）の向上とを両立させたジョイント用爪付き転動軸を提供する。
【解決手段】 ジョイント用爪付き転動軸１は、端部にジョイント用爪部２を有し、外周面の一部が針状ころ軸受５の転動体としての針状ころ６の転走面３として機能し、かつ鋼からなる。ジョイント用爪部２には誘導加熱による焼戻が実施されている。そして、ジョイント用爪付き転動軸１の表層部に窒素富化層が形成されており、窒素富化層におけるオーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超えている。さらに、ジョイント用爪付き転動軸１の水素含有量は０．５ｐｐｍ以下である。
【選択図】 図１

Description

本発明はジョイント用爪付き転動軸に関し、より特定的には、端部にジョイント用爪部を有し、外周面の一部が軸受の転動体の転走面として機能し、かつ鋼からなるジョイント用爪付き転動軸に関するものである。

動力を伝達するための軸部品として、端部に形成された爪部によって隣接する他の軸と連結され、かつ外周面の一部が軸受の転動体の転走面として機能するジョイント用爪付き転動軸が採用される場合がある。たとえば、ブレーキアクチュエータなどに使用される転動軸は、外周面の一部が当該外周面の一部に接触して配置された転動体としての針状ころにより取り囲まれ、内輪を有さない針状ころ軸受によって回転自在に支持される場合がある。すなわち、転動軸は内輪に相当する機能を果たし、当該外周面の一部は転動体である針状ころの転走面として機能する場合がある。

このような場合、当該外周面の一部には転動疲労寿命が要求される。そのため、転動軸の素材にはたとえば軸の形状や製造コストなどを考慮して機械構造用中炭素鋼（ＪＩＳ規格Ｓ５３Ｃなど）が採用され、転走面となる部分など硬度が要求される部位に高周波熱処理（高周波焼入）が実施される。また、転動軸を支持する軸受よりも早期に転動軸に剥離が発生する場合、転動軸の転動疲労寿命を向上させるため、素材には高炭素クロム軸受鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２など）が採用され、転動軸に対して高周波熱処理（高周波焼入）、光輝熱処理、浸炭窒化熱処理（浸炭窒化焼入）などが実施される。さらに、機械構造用マンガン鋼（ＪＩＳ規格ＳＭｎ４２０など）、マンガンクロム鋼（ＪＩＳ規格ＳＭｎＣ４２０など）、クロム鋼（ＪＩＳ規格ＳＣｒ４２０など）、クロムモリブデン鋼（ＪＩＳ規格ＳＣＭ４１５など）、ニッケルクロム鋼（ＪＩＳ規格ＳＮＣ４１５など）、ニッケルクロムモリブデン鋼（ＪＩＳ規格ＳＮＣＭ４２０）などが素材として採用され、高周波熱処理（高周波焼入）、高濃度浸炭を含む浸炭熱処理（浸炭焼入）、浸炭窒化熱処理（浸炭窒化焼入）などが実施される場合もある。

一方、近年、ブレーキアクチュエータなどの部品には、小型化、軽量化、省スペース化などが要求されている。これに対し、ブレーキアクチュエータなどの部品に使用される転動軸において、省スペース化のために端部にジョイント用の爪部を形成する対策が考えられる（たとえば特許文献１および２参照）。このようなジョイント用爪部が形成された転動軸は、軸同士を連結するための部材であるカップリングを使用することなく軸同士が直接連結されることにより、省スペース化のみならず、部品点数の低減を可能にし、製造コストの抑制にも寄与することができる。
特開平６−２４７２５３号公報 特開平６−２８６５７７号公報

上述のように、ブレーキアクチュエータなどの部品には小型化、軽量化、省スペース化などが要求されているため、そこに使用される軸受についても小型化、軽量化、省スペース化が要求されている。たとえば、前述の内輪を有さない針状ころ軸受によって回転自在に支持された転動軸においては、針状ころ軸受が小型化された場合、内輪に相当する機能を果たす転動軸も小型化されて外径も小さくなる。そのため、同一の荷重が負荷された場合、針状ころと転動軸の外周面との接触面圧は上昇する。その結果、転動軸の当該外周面の一部には、転動疲労寿命の向上が必要とされる。一方、転動軸が小型化された場合において、転動軸がジョイント用爪部において他の部材と連結されている場合、当該爪部に負荷されるねじり応力も大きくなり、爪部のねじり強度の向上も必要とされる。

転動軸の転動疲労寿命を向上させるためには、転走面の高硬度化、素材である鋼に含有されるＣｒなどの合金成分量の増加、浸炭または浸炭窒化熱処理の実施などの対策が考えられる。しかし、このような対策は必ずしも爪部のねじり強度等の静的破壊強度を向上させるものではなく、むしろ劣化させる場合もある。すなわち、上述した従来の転動疲労寿命を向上させるための対策では、転動軸の転走面の転動疲労寿命と爪部のねじり強度とを両立させることは困難である。

そこで、本発明の目的は、転走面の転動疲労寿命の向上と爪部の静的破壊強度（ねじり強度）の向上とを両立させたジョイント用爪付き転動軸を提供することである。

本発明に従ったジョイント用爪付き転動軸は、端部にジョイント用爪部を有し、外周面の一部が軸受の転動体の転走面として機能し、かつ鋼からなるジョイント用爪付き転動軸である。ジョイント用爪部には誘導加熱による焼戻が実施されている。そして、ジョイント用爪付き転動軸の表層部に窒素富化層が形成されており、窒素富化層におけるオーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超えている。さらに、ジョイント用爪付き転動軸の水素含有量は０．５ｐｐｍ以下である。

本発明のジョイント用爪付き転動軸は、表層部において、窒素富化層が形成されているため金属疲労に対する抵抗性が向上し、オーステナイト結晶粒が小さくなっているため金属組織が微細化され、水素量が低減されているため金属組織の脆化が回避されている。そのため、転走面における転動疲労寿命が向上し、ジョイント用爪付き転動軸の転動疲労寿命が向上している。さらに、ジョイント用爪部において、オーステナイト結晶粒が小さくなっているため金属組織が微細化され、水素量が低減されているため金属組織の脆化が回避され、誘導加熱による焼戻が実施されていることにより、転走面の硬度等への影響を抑制しつつ、ジョイント用爪部に対して焼戻が実施されている。そのため、転走面における高い転動疲労寿命を保持しつつ、ジョイント用爪部の靭性を確保して静的破壊強度（ねじり強度）を向上させることができる。すなわち、誘導加熱は局所的な加熱が可能であるため、ジョイント用爪部の焼戻に誘導加熱を採用することで、転走面の硬度などに影響を与えることなく、ジョイント用爪部に適切な焼戻を実施することができる。以上の結果、本発明のジョイント用爪付き転動軸によれば、転走面の転動疲労寿命の向上とジョイント用爪部の静的破壊強度（ねじり強度）の向上とを両立させたジョイント用爪付き転動軸を提供することができる。

なお、ジョイント用爪付き転動軸の転動疲労寿命を一層向上させるためには、窒素富化層は表面から０．２ｍｍ以上の厚みを有していることが好ましく、０．３ｍｍ以上の厚みを有していることがより好ましい。また、ジョイント用爪付き転動軸の転動疲労寿命およびジョイント用爪部の静的破壊強度を一層向上させるためには、オーステナイト結晶粒の粒度番号が１１番を超えていることが好ましく、水素量は４．０ｐｐｍ以下であることが好ましい。

ここで、ジョイント用爪部とは、転動軸に形成され、隣接する他の部材と嵌め合うことにより当該他の部材と連結される部位をいう。また、転走面とはジョイント用爪付き転動軸の表面において、針状ころなどの転動体が転走する部分をいう。また、ジョイント用爪付き転動軸の表層部とは、ジョイント用爪付き転動軸の表面から０．２ｍｍ以内の領域をいう。さらに、オーステナイト結晶粒の粒度番号とは、ＪＩＳ Ｇ ０５５１に記載されたオーステナイト結晶粒の粒度番号をいう。また、窒素富化層とは、ジョイント用爪付き転動軸の表層部に形成されたジョイント用爪付き転動軸の芯部に比べて窒素含有量が高い層であって、例えば浸炭窒化、窒化、浸窒などの処理によって形成することができる。また、窒素の含有量は、たとえばＥＰＭＡ（波長分散型Ｘ線マイクロアナライザ）を用いて測定することができる。

上記ジョイント用爪付き転動軸において好ましくは、窒素富化層のうち、少なくとも表面が転走面として機能する部分における残留オーステナイト量は、１１体積％以上２５体積％以下である。残留オーステナイトはジョイント用爪付き転動軸の転走面（表面）における損傷に起因した表面起点型の破損に対する転動疲労寿命の向上に顕著な効果を有しており、この効果を奏するためには少なくとも１１体積％以上必要であり、１５体積％以上とすることが好ましい。

一方、窒素富化層においては窒素含有量が高いため、焼入を実施した際のマルテンサイト変態の開始温度が低下し、残留オーステナイト量が多くなる傾向にある。残留オーステナイトは軸受の使用中において経年的にマルテンサイトに変態する。そして、その変態に際しては体積の変化を伴うため、残留オーステナイトはジョイント用爪付き転動軸における寸法の経年的変化（経年寸法変化）の原因となる。残留オーステナイト量が２５体積％を超えると経年寸法変化が一般的な寸法変化の許容値を超えるため、窒素富化層における残留オーステナイト量は２５体積％以下とすることが好ましい。さらに、寸法変化に対する要求が厳格な用途に対しては、２０体積％以下とすることがより好ましい。以上より、上記ジョイント用爪付き転動軸において、窒素富化層のうち、少なくとも表面が転走面として機能する部分における残留オーステナイト量を１１体積％以上２５体積％以下とすることにより、表面起点型の破損に対する転動疲労寿命が向上し、かつ経年寸法変化を小さくすることができる。ここで、残留オーステナイト量の測定は、たとえばＸ線回折計（ＸＲＤ）を用いて、マルテンサイトα（２１１）面とオーステナイトγ（２２０）面との回折強度とを測定することにより、算出することができる。

なお、上記ジョイント用爪付き転動軸において、転走面として機能する表面からの深さが５０μｍの領域における窒素富化層の残留オーステナイト量は、１１体積％以上２５体積％以下とされてもよい。上述のように、残留オーステナイトはジョイント用爪付き転動軸の転走面（表面）における損傷に起因した表面起点型の破損に対する転動疲労寿命の向上に顕著な効果を有している。この効果を奏するためには、特に表面起点型の破損に対する転動疲労寿命への影響の大きい、転走面として機能する表面からの深さが５０μｍ付近の領域における残留オーステナイト量が重要となる。したがって、転走面として機能する表面からの深さが５０μｍの領域における窒素富化層の残留オーステナイト量を１１体積％以上２５体積％以下とすることで、特にジョイント用爪付き転動軸の表面起点型の破損に対する転動疲労寿命を向上させることができる。

上記ジョイント用爪付き転動軸において好ましくは、窒素富化層における窒素含有量は、０．１質量％以上０．７質量％以下である。窒素含有量が０．１質量％以下では、金属疲労に対する抵抗性が小さく、転動疲労寿命向上の効果、特に表面起点型の破損に対する転動疲労寿命向上の効果が小さい。さらに、顕著な転動疲労寿命向上のためには、窒素富化層における窒素含有量は０．１５質量％以上であることが好ましい。一方、窒素含有量が０．７質量％を超えると、表層部において微小な空孔であるボイドが発生するおそれがあり、かつ残留オーステナイト量が必要以上に増加して表面の硬度が低下する。そのため、ジョイント用爪付き転動軸の転走面の転動疲労寿命が低下する。さらに、転動疲労寿命に対する要求特性の高い用途に使用される場合、窒素富化層における窒素含有量は０．６質量％以下とすることが好ましい。以上より、上記ジョイント用爪付き転動軸において、窒素富化層における窒素含有量を０．１質量％以上０．７質量％以下とすることにより、転動疲労寿命、特に表面起点型の破損に対する転動疲労寿命を向上させることができる。

なお、上記ジョイント用爪付き転動軸において、表面からの深さが５０μｍの領域における窒素富化層の窒素含有量は、０．１質量％以上０．７質量％以下としてもよい。上述のように、窒素富化層は特にジョイント用爪付き転動軸の転走面（表面）における表面起点型の破損に対する転動疲労寿命の向上に顕著な効果を有している。この効果を奏するためには、特に表面起点型の破損に対する転動疲労寿命への影響の大きい、表面からの深さが５０μｍ付近の領域における窒素含有量が重要となる。したがって、表面からの深さが５０μｍの領域における窒素富化層の窒素含有量を０．１質量％以上０．７質量％以下とすることにより、特にジョイント用爪付き転動軸の表面起点型の破損に対する転動疲労寿命を向上させることができる。

上記ジョイント用爪付き転動軸において好ましくは、ジョイント用爪付き転動軸を構成する鋼は、表層部以外の部位において０．１質量％以上１．２質量％以下の炭素と、０．２質量％以上２．０質量％以下のクロムとを含有している。

ジョイント用爪付き転動軸において、熱処理などの影響により成分組成が変化し得る表層部以外における炭素含有量すなわち素材の炭素含有量が０．１質量％未満では、十分な転動疲労寿命を確保するために必要な表面硬度を得るためには、長時間の浸炭などの熱処理が必要となる。そのため、熱処理工程が複雑になり、熱処理時間も長くなる。その結果、上記ジョイント用爪付き転動軸の製造コストが上昇する。また、炭素含有量が０．１質量％未満の鋼において、転動疲労寿命の向上に効果のあるＣｒなどが添加された鋼は一般的ではなく、材料の入手が困難である。一方、素材の炭素含有量が１.２質量％を超えると、鋼中に巨大な鉄の炭化物（大きさ１０μｍ以上）が生成しやすくなる。このような鉄炭化物はジョイント用爪付き転動軸の製造工程において実施される熱処理によって消滅させることは困難である。そして、このような鉄炭化物は転走面における転動疲労寿命を低下させるとともに、ジョイント用爪部のねじり強度を低下させる。

また、Ｃｒは転動疲労寿命の向上に有効な合金元素であるが、０.２質量％未満では実質的に効果がない。一方、２.０質量％を超えると鋼中にクロム炭化物を多く形成し、ジョイント用爪部のねじり強度を低下させる。

以上より、表層部以外、すなわちジョイント用爪付き転動軸の素材である鋼の炭素含有量およびクロム含有量を上述の範囲とすることにより、転走面における転動疲労寿命を向上させるとともに、ジョイント用爪部のねじり強度を向上させることができる。

上記ジョイント用爪付き転動軸において好ましくは、ジョイント用爪付き転動軸の素材である鋼は、０．１５質量％以上１．１質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．７％以下の珪素と、０．１質量％以上１．１５質量％以下のマンガンと、０．４質量％以上１．６質量％以下のクロムとを含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼である。

また、上記ジョイント用爪付き転動軸において、ジョイント用爪付き転動軸の素材である鋼は、上記組成に加えてさらに、０．３質量％以下のモリブデンを含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼であってもよい。

上記ジョイント用爪付き転動軸において好ましくは、ジョイント用爪部の表面硬度は５２０ＨＶ以上７２０ＨＶ以下である。本発明者は、ジョイント用爪部の静的破壊強度（ねじり強度）とジョイント用爪部の表面硬度との関係について詳細に検討を行なった。その結果、ジョイント用爪部の表面硬度が５２０ＨＶ未満ではジョイント用爪部にねじり荷重が負荷された場合、当該ジョイント用爪部に塑性流動または塑性変形が生じてジョイント用爪部としての機能を果たさなくなること、および７２０ＨＶを超えるとジョイント用爪部が脆くなり、ねじり強度が低下することを見出した。さらに、５４０ＨＶ以上７００ＨＶ以下の範囲において、ジョイント用爪部のねじり強度が特に高くなることを見出した。すなわち、ジョイント用爪付き転動軸の転走面の表面硬度を転動疲労寿命向上の観点から特に好ましい硬さ、たとえば７３０ＨＶ以上とした場合、ジョイント用爪部の表面硬度をこれと同一の硬さとすることは最良の構成とはいえず、転走面の表面硬度より低くすることが好ましいことを見出した。以上より、ジョイント用爪部の表面硬度を５２０ＨＶ以上７２０ＨＶ以下とすることにより、ジョイント用爪部の静的破壊強度（ねじり強度）を向上させることができる。なお、特にジョイント用爪部の静的破壊強度（ねじり強度）の要求値の高い環境で使用されるジョイント用爪部の表面硬度は５４０ＨＶ以上７００ＨＶ以下とすることが好ましい。

上記ジョイント用爪付き転動軸において、ジョイント用爪部に対して誘導加熱による焼戻が実施された後、転走面を含む部位は誘導加熱を利用して焼入硬化されていてもよい。すなわち、転走面を含む部位にはたとえば高周波焼入が実施されていてもよい。

これにより、ジョイント用爪付き転動軸の形状に起因して、たとえばジョイント用爪部と転走面との距離が近いため、ジョイント用爪部に対して実施される誘導加熱による焼戻の際に、転走面の表面硬度が低下するような場合であっても、転走面の表面硬度を再度上昇させることができるため、転走面の転動疲労寿命を一層向上させることができる。

以上の説明から明らかなように、本発明のジョイント用爪付き転動軸によれば、転走面の転動疲労寿命の向上と爪部の静的破壊強度（ねじり強度）の向上とを両立させたジョイント用爪付き転動軸を提供することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

図１は、本発明の一実施の形態におけるジョイント用爪付き転動軸の構成および使用状態を示す概略断面図である。また、図２はジョイント用爪部付近の詳細を説明するための図である。図１および図２を参照して、本発明の一実施の形態におけるジョイント用爪付き転動軸の構成について説明する。

図１を参照して、本実施の形態のジョイント用爪付き転動軸１は、一方の端部にジョイント用爪部２が形成されており、２つの玉軸受４、４と、２つの玉軸受４、４の間に配置された針状ころ軸受５によって支持されている。玉軸受４は環状の内輪１１と、環状の外輪１２と、内輪１１の外周面および外輪１２の内周面に接触して配置された転動体としての複数の玉１３とを備えている。そして、内輪１１の内周面とジョイント用爪付き転動軸１とが嵌め合うようにジョイント用爪付き転動軸１および玉軸受４、４は構成されている。一方、針状ころ軸受５は環状の外輪７と、外輪７の内周面に接触して配置される転動体としての複数の針状ころ６と、環状の保持器８とを備えている。そして、外輪７はジョイント用爪付き転動軸１の外周面の一部を取り囲むように配置されるとともに、複数の針状ころ６は外輪７の内周面およびジョイント用爪付き転動軸１の外周面の一部に接触するように配置されている。さらに、複数の針状ころ６は保持器８により周方向に所定のピッチで配置され、かつ転動自在に保持されている。ここで、ジョイント用爪付き転動軸１の外周面において、針状ころ６が転走する部分がジョイント用爪付き転動軸１の転走面３である。以上の構成により、ジョイント用爪付き転動軸１は、玉軸受４、４の外輪１２および針状ころ軸受５の外輪７に対して、相対的に回転可能となっている。

図２を参照して、ジョイント用爪部２は、たとえば隣接する他の軸９に回転等の動力を伝達するために、他の軸９と連結される部分である。ジョイント用爪部２は、たとえば図２に示すように、ジョイント用爪付き転動軸１の一方の端部に形成された平板状の部分であり、他の軸９の端部に形成されたスリット１０と嵌め合うことにより、ジョイント用爪付き転動軸１と他の軸９とは連結される。ジョイント用爪部２の形状は種々の形状から選択することができ、たとえば上述のように平板状の形状を有しており、かつ先端に切欠が形成されたものであってもよいし、軸方向に垂直な断面における断面形状が正方形状とされたものであってもよい。

図１および図２を参照して、上述のように、本実施の形態のジョイント用爪付き転動軸１は、一方の端部にジョイント用爪部２を有し、外周面の一部が針状ころ軸受５の転動体である針状ころ６の転走面３として機能しており、かつ鋼からなるジョイント用爪付き転動軸である。ジョイント用爪部２には誘導加熱による焼戻が実施されている。そして、表層部に窒素富化層が形成されており、窒素富化層におけるオーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超えている。さらに、水素含有量は０．５ｐｐｍ以下である。

本実施の形態のジョイント用爪付き転動軸１は、表層部において、窒素富化層が形成されているため金属疲労に対する抵抗性が向上し、オーステナイト結晶粒が小さくなっているため金属組織が微細化され、水素量が低減されているため金属組織の脆化が回避されている。そのため、転走面３の転動疲労寿命が向上している。さらに、ジョイント用爪部２において、オーステナイト結晶粒が小さくなっているため金属組織が微細化され、水素量が低減されているため金属組織の脆化が回避され、誘導加熱による焼戻が実施されていることにより、転走面３の硬度等への影響を抑制しつつ、ジョイント用爪部２に対して焼戻が実施されている。そのため、転走面３における高い転動疲労寿命が保持されつつ、ジョイント用爪部２の靭性が確保されてねじり強度が向上している。以上の結果、本実施の形態のジョイント用爪付き転動軸１においては、転走面３の転動疲労寿命の向上とジョイント用爪部２の静的破壊強度の向上とが両立されている。

さらに、本実施の形態のジョイント用爪付き転動軸１においては、窒素富化層のうち、少なくとも表面が転走面として機能する部分における残留オーステナイト量は、１１体積％以上２５体積％以下であることが好ましい。これにより、転走面３における表面起点型の破損に対する転動疲労寿命が向上し、かつジョイント用爪付き転動軸１の経年寸法変化を小さくすることができる。

なお、ジョイント用爪付き転動軸１において、転走面として機能する表面からの深さが５０μｍの領域における窒素富化層の残留オーステナイト量は、１１体積％以上２５体積％以下とされてもよい。上述のように、残留オーステナイトはジョイント用爪付き転動軸の転走面（表面）における損傷に起因した表面起点型の破損に対する転動疲労寿命の向上に顕著な効果を有している。この効果を奏するためには、特に表面起点型の破損に対する転動疲労寿命への影響の大きい、表面からの深さが５０μｍ付近の領域における残留オーステナイト量が重要となる。したがって、表面からの深さが５０μｍの領域における窒素富化層の残留オーステナイト量を１１体積％以上２５体積％以下とすることで、特にジョイント用爪付き転動軸の表面起点型の破損に対する転動疲労寿命を向上させることができる。

上記ジョイント用爪付き転動軸１においては、窒素富化層における窒素含有量は、０．１質量％以上０．７質量％以下であることが好ましい。これにより、転動疲労寿命、特に表面起点型の破損に対する転動疲労寿命を向上させることができる。

なお、上記ジョイント用爪付き転動軸１において、表面からの深さが５０μｍの領域における窒素富化層の窒素含有量は、０．１質量％以上０．７質量％以下としてもよい。これにより、特にジョイント用爪付き転動軸１の表面起点型の破損に対する転動疲労寿命を向上させることができる。

さらに、ジョイント用爪付き転動軸１において、ジョイント用爪付き転動軸１を構成する鋼は、表層部以外の部位において０．１質量％以上１．２質量％以下の炭素と、０．２質量％以上２．０質量％以下のクロムとを含有していることが好ましい。これを満たす鋼としては、たとえば高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２、ＳＵＪ３など）、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４２０など）が挙げられる。これにより、転走面における転動疲労寿命を向上させるとともに、ジョイント用爪部のねじり強度を向上させることができる。

さらに、ジョイント用爪付き転動軸１において、ジョイント用爪部２の表面硬度は５２０ＨＶ以上７２０ＨＶ以下である。これにより、ジョイント用爪部の静的破壊強度（ねじり強度）を向上させることができる。

さらに、ジョイント用爪付き転動軸１において、ジョイント用爪部２に対して誘導加熱による焼戻が実施された後、転走面３を含む部位は誘導加熱を利用して焼入硬化されていてもよい。すなわち、転走面３を含む部位にはたとえば高周波焼入が実施されていてもよい。

これにより、ジョイント用爪部２に対して実施された誘導加熱による焼戻の際に、転走面３の表面硬度が低下した場合であっても、転走面３の表面硬度を再度上昇させることができるため、転走面３の転動疲労寿命を向上させることができる。

なお、図１および図２を参照して、玉軸受４はたとえば深溝玉軸受であり、外輪１２はたとえば図示しないハウジングの内壁の一部に嵌め合うことにより固定されている。また、針状ころ軸受５の外輪７は、ローラとして用いられるものであってもよいし、図示しないハウジングなどに固定されるものであってもよい。また、転走面３は、ジョイント用爪付き転動軸１の外周面において、他の部分と同心かつ同径の部分に設けられてもよいし、偏心軸となった部分に設けられてもよい。さらに、転走面３は、ジョイント用爪付き転動軸１の外周面において一箇所のみ設けられてもよいし、複数箇所設けられてもよい。また、転走面３の軸方向における幅は、針状ころ８の長さに対して５％以上大きくなるように設けられることが好ましく、１０％以上大きくなるように設けられることがより好ましい。これにより、転走面３の転動疲労寿命が一層安定する。

次に、本実施の形態におけるジョイント用爪付き転動軸の製造方法について説明する。図３は本実施の形態におけるジョイント用爪付き転動軸の製造方法の概略を示す図である。また、図４は本実施の形態におけるジョイント用爪付き転動軸の製造方法の変形例の概略を示す図である。図３および図４を参照して、本実施の形態におけるジョイント用爪付き転動軸の製造方法について説明する。

図３を参照して、まず、ジョイント用爪付き転動軸の形状に成形された成形部材を準備する成形部材準備工程が実施される。具体的には、たとえば棒鋼などの素材に対して鍛造、旋削などの加工が実施されることにより、図１に示したジョイント用爪付き転動軸１の形状に成形された成形部材が準備される。

次に、図３を参照して、ジョイント用爪付き転動軸が硬化される焼入硬化工程が実施される。具体的には、図１を参照して、成形部材準備工程において準備された成形部材としてのジョイント用爪付き転動軸１が焼入硬化される。このとき、ジョイント用爪付き転動軸１の表層部に窒素富化層を形成するための浸炭窒化処理が実施される。さらに、図３を参照して、焼入硬化されたジョイント用爪付き転動軸１のうち、ジョイント用爪部２に対して高周波加熱を利用した焼戻を行なう高周波焼戻工程が実施される。この焼入硬化工程および高周波焼戻工程を有する熱処理工程の詳細については後述する。

さらに、図３を参照して、仕上げ工程が実施される。具体的には、図１を参照して、焼入硬化および焼戻が実施されたジョイント用爪付き転動軸１に対して研削加工などの仕上げ加工が実施されることにより、ジョイント用爪付き転動軸１が仕上げられる。

図４を参照して、本実施の形態におけるジョイント用爪付き転動軸の製造方法の変形例は、基本的には図３に基づいて説明したジョイント用爪付き転動軸の製造方法と同様の構成を有している。しかし、本実施の形態におけるジョイント用爪付き転動軸の製造方法の変形例においては、高周波焼戻工程と仕上げ工程との間に、ジョイント用爪付き転動軸の転走面を焼入硬化する高周波焼入工程が実施される点において、図３の製造方法とは異なっている。すなわち、高周波焼戻工程においてジョイント用爪部２に対して高周波加熱による焼戻が実施された後、高周波焼入工程においては、転走面３を含む部位が高周波加熱を利用して焼入硬化される。

これにより、ジョイント用爪部２に対して実施された高周波加熱による焼戻の際に、転走面３の表面硬度が低下した場合であっても、転走面３の表面硬度を再度上昇させることができるため、転走面３の転動疲労寿命を向上させることができる。

次に、熱処理工程について詳細に説明する。図５は本実施の形態におけるジョイント用爪付き転動軸の製造方法に含まれる熱処理工程の詳細を説明するための図である。図５において、横方向は時間を示しており右に行くほど時間が経過していることを示している。また、図５において、縦方向は温度を示しており上に行くほど温度が高いことを示している。図５を参照して、本実施の形態のジョイント用爪付き転動軸１に対して実施される熱処理工程の詳細を説明する。

図５を参照して、成形部材準備工程において準備された成形部材としてのジョイント用爪付き転動軸１はＡ_１点以上の温度である８００℃以上９００℃以下の温度Ｔ_１、たとえば８４５℃に加熱され、６０分間以上２４０分間以下の時間、たとえば１５０分間保持される。このとき、ＲＸガスにアンモニア（ＮＨ_３）を添加した雰囲気において加熱されることにより、ジョイント用爪付き転動軸１の表層部の炭素濃度および窒素濃度は所望の濃度に調整される。その後、ジョイント用爪付き転動軸１は、たとえば油中に浸漬されることにより（油冷）、Ａ_１点以上の温度からＭ_ｓ点以下の温度に冷却される。これにより、１次焼入が完了する。

さらに、１次焼入が実施されたジョイント用爪付き転動軸１はＡ_１点以上の温度である７８０℃以上８２０℃以下の温度Ｔ_２、たとえば８００℃に再び加熱され、３０分間以上１２０分間以下の時間、たとえば９０分間保持される。このとき、浸炭窒化処理において調整された炭素濃度および窒素濃度が所望の濃度となるように、たとえば脱炭を防止するため、たとえばＲＸガスを含む雰囲気において加熱される。その後、ジョイント用爪付き転動軸１は、たとえば油冷されることにより、Ａ_１点以上の温度からＭ_ｓ点以下の温度に急冷されて焼入硬化される。これにより、２次焼入が完了する。

さらに、２次焼入が完了したジョイント用爪付き転動軸１はＡ_１点以下の温度である１６０℃以上２００℃以下の温度、たとえば１８０℃に加熱され、６０分間以上２４０分間以下の時間、たとえば１２０分間保持されて、その後冷却される。これにより、焼戻が完了する。このとき、ジョイント用爪付き転動軸１の表面硬さは６０ＨＲＣ（６９７ＨＶ）以上あることが好ましい。

さらに、２次焼入および焼戻が完了したジョイント用爪付き転動軸１は、ジョイント用爪部２が高周波加熱により２００℃以上４５０℃以下の温度に加熱され、３０秒以下の時間保持されて、その後水を吹き付けられることで冷却される（水冷）。これにより、ジョイント用爪部２の高周波焼戻が完了する。このとき、熱伝導によりジョイント用爪付き転動軸１のジョイント用爪部２以外の部分、特に転走面３付近に高周波焼戻の影響が及ぶことを回避するため、ジョイント用爪部２が加熱されて保持される時間は短いことが好ましく、たとえば５秒以下とし、水冷などによって速やかに冷却されることが好ましい。以上の手順により、本実施の形態におけるジョイント用爪付き転動軸１の製造方法に含まれる熱処理工程は完了する。

ここで、温度Ｔ_１およびＴ_２は、鋼中に侵入する水素濃度を低減する観点から前述のようにそれぞれ８００℃以上８５０℃以下および７８０℃以上８２０℃以下とすることが望ましい。また、温度Ｔ_２はオーステナイト結晶粒を小さくする観点から、Ｔ_１よりも低い温度とすることが好ましい。

なお、Ａ_１点とは鋼を加熱した場合に、鋼の組織がフェライトからオーステナイトに変態を開始する温度に相当する点をいう。また、Ｍ_ｓ点とはオーステナイト化した鋼が冷却される際に、マルテンサイト化を開始する温度に相当する点をいう。

図６は、本実施の形態におけるジョイント用爪付き転動軸の製造方法に含まれる熱処理工程の変形例の詳細を示す図である。図６において、横方向は時間を示しており右に行くほど時間が経過していることを示している。また、図６において、縦方向は温度を示しており上に行くほど温度が高いことを示している。図６を参照して、本実施の形態におけるジョイント用爪付き転動軸の製造方法に含まれる熱処理工程の変形例の詳細を説明する。

図６を参照して、本変形例における図６に示す熱処理工程と上述の図５に示す熱処理工程とは温度条件を含めて基本的には同様の工程となっている。しかし、図６の熱処理工程においては浸炭窒化処理に引き続いて油冷を実施して１次焼入を完了するのではなく、まずＡ_１変態点以下の温度に冷却した後、室温（常温）まで冷却することなく再びＡ_１変態点以上の温度Ｔ_２に加熱する点において、図５の熱処理工程とは異なっている。

これにより、１度焼入を実施した後に再度温度Ｔ_２まで加熱する場合に比べて再加熱に要する時間およびエネルギーを小さくすることが可能となるため、製造コストを低減し得る点において有利である。なお、浸炭窒化後に引き続く冷却温度はＡ_１変態点よりも低い温度であればよく、たとえば６００℃以上７００℃以下とすることができる。

また、図６の熱処理工程においては、高周波焼戻工程の後に高周波焼入工程が実施される点においても、図５の熱処理工程とは異なっている。すなわち、ジョイント用爪部２に対する高周波焼戻が実施された後において、転走面３を含み、かつジョイント用爪部２を含まない領域が高周波加熱により８００℃以上８７０℃以下の温度に加熱され、１０秒以下の時間保持され、その後水冷される。このとき、熱伝導によりジョイント用爪付き転動軸１のジョイント用爪部２付近に高周波焼入の影響が及ぶことを回避するため、転走面３が加熱されて保持される時間は短いことが好ましく、たとえば２秒以下とし、かつ水冷などによって速やかに冷却されることが好ましい。さらに、高周波焼入工程の後、焼入が実施された部位の靭性の向上等を目的として、少なくとも焼入が実施された部位がＡ_１点以下の温度に加熱された後冷却される焼戻工程が実施される。この焼戻工程における加熱は、誘導加熱により実施されてもよい。

これにより、ジョイント用爪付き転動軸１の形状に起因して、たとえばジョイント用爪部２と転走面３との距離が近いため、ジョイント用爪部２に対して実施される誘導加熱による焼戻の際に、転走面３の表面硬度が低下するような場合であっても、転走面３の表面硬度を再度上昇させることができるため、転走面３の転動疲労寿命を一層向上させることができる。

上記熱処理工程により、ジョイント用爪付き転動軸１には、表層部に窒素富化層が形成される。そして、窒素富化層におけるオーステナイト結晶粒の粒度番号は１０番を超えており、かつジョイント用爪付き転動軸１における水素含有量は０．５ｐｐｍ以下とすることができる。さらに、窒素富化層のうち、少なくとも表面が転走面として機能する部分、特に表面からの深さが５０μｍの領域における残留オーステナイト量を、１１体積％以上２５体積％以下とすることができる。また、窒素富化層、特に表面からの深さが５０μｍの領域における窒素含有量を、０．１質量％以上０．７質量％以下とすることができる。さらに、ジョイント用爪部２には誘導加熱による焼戻が実施されており、ジョイント用爪部の表面硬度は５２０ＨＶ以上７２０ＨＶ以下とすることができる。さらに、ジョイント用爪付き転動軸１の素材として０．１質量％以上１．２質量％以下の炭素と、０．２質量％以上２．０質量％以下のクロムとを含有している鋼を採用することで、ジョイント用爪付き転動軸１を構成する鋼は表層部以外の部位において０．１質量％以上１．２質量％以下の炭素と、０．２質量％以上２．０質量％以下のクロムとを含有する。

図７は、本実施の形態におけるジョイント用爪付き転動軸の表層部に形成された窒素富化層におけるミクロ組織、特にオーステナイト粒を示す図である。ここでは、素材として軸受鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）を採用し、熱処理工程としては図５に示す工程を採用した場合について示している。一方、図８は、従来のジョイント用爪付き転動軸の表層部におけるミクロ組織、特にオーステナイト粒を示す図である。ここでは、素材として軸受鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）を採用し、熱処理工程としては従来の熱処理方法である光輝熱処理を採用した場合について示している。また、図９および図１０は、上記図７および図８のオーステナイト結晶粒を模式的に示した図である。図７〜図１０を参照して、本実施の形態におけるジョイント用爪付き転動軸の表層部に形成された窒素富化層おけるオーステナイト結晶粒について説明する。

図７〜図１０を参照して、従来のジョイント用爪付き転動軸の表層部におけるオーステナイト結晶粒径は粒度番号で１０番であるのに対し、本実施の形態におけるジョイント用爪付き転動軸の表層部に形成された窒素富化層におけるオーステナイト結晶粒径は粒度番号で１２番となっている。また、図７におけるオーステナイト結晶粒の平均粒径は、切片法で測定した結果、５．６μｍであった。

上述の浸炭窒化処理を含む焼入硬化工程が実施されたジョイント用爪付き転動軸は、表層部において、窒素富化層が形成されているため金属疲労に対する抵抗性が向上し、オーステナイト結晶粒が小さくなっているため金属組織が微細化され、水素量が低減されているため金属組織の脆化が回避されている。そのため、転走面３における転動疲労寿命が向上し、ジョイント用爪付き転動軸１の転動疲労寿命が向上している。しかし、素材である鋼が合金成分としてＣｒ等を含んでおり、かつ表層部の炭素濃度や窒素濃度が高いため、何ら手当てなくジョイント用爪付き転動軸を製造した場合、ジョイント用爪部２のねじり強度は必ずしも高いとはいえない。たとえば、機械構造用中炭素鋼（ＪＩＳ規格Ｓ５３Ｃなど）を素材として採用し、転走面を高周波焼入れした従来のジョイント用爪付き転動軸と比較すると、上述の焼入硬化工程が実施されたジョイント用爪付き転動軸におけるジョイント用爪部のねじり強度は低くなるおそれがある。これに対し、本実施の形態のジョイント用爪付き転動軸１においては、ジョイント用爪部２に対して上述の高周波焼戻が実施されるため、ジョイント用爪部２の靭性が上昇し、ねじり強度が向上する。これにより、転走面３の転動疲労寿命の向上と、ジョイント用爪部２のねじり強度の向上との２つの相反する要求を満足することができる。

以下、本発明の実施例１について説明する。ＪＩＳ規格ＳＵＪ２材（１．０質量％Ｃ−０．２５質量％Ｓｉ−０．４質量％Ｍｎ−１．５質量％Ｃｒ）を素材として用いて、熱処理工程における熱処理履歴がジョイント用爪付き転動軸の各種特性に及ぼす影響を調査する試験を行なった。調査した特性は（１）水素含有量、（２）オーステナイト結晶粒度、（３）シャルピー衝撃値、（４）破壊応力値、（５）転動疲労寿命である。

試験の試料は試料Ａ〜Ｈの８種類とした。各試料の熱処理履歴は次のとおりである。試料Ａ〜Ｄ（本発明例）はＲＸガスとアンモニア（ＮＨ_３）ガスとの混合ガス雰囲気中において８５０℃の温度で１５０分間保持することにより浸炭窒化された。熱処理パターンは図５に示す熱処理工程のうち高周波焼戻を除いた工程と同様の工程が採用され、浸炭窒化処理温度である８５０℃から１次焼入された後、浸炭窒化処理温度より低い温度域である７８０℃〜８３０℃に加熱され、その後急冷されることにより２次焼入が実施された。なお、２次焼入温度が７８０℃の試料Ａは十分に焼入硬化されなかったため、特性調査の試験対象から除外された。

また、試料ＥおよびＦ（比較例）については基本的には試料Ａ〜Ｄと同様の熱処理が実施されたが、２次焼入温度が浸炭窒化温度である８５０℃以上の８５０℃〜８７０℃とされた。さらに、試料Ｇ（比較例；従来の浸炭窒化処理）についてはＲＸガスとアンモニアガスとの混合ガス雰囲気中において８５０℃の温度で１５０分間保持することにより浸炭窒化された。その後、浸炭窒化処理温度である８５０℃からそのまま急冷されて焼入が実施され、２次焼入は実施されなかった。また、試料Ｈ（比較例；通常の焼入）については、浸炭窒化処理は実施されず、８５０℃に加熱された後、急冷されることにより焼入が実施された。２次焼入は実施されなかった。

次に、各種特性を調査する試験の試験方法について説明する。
（１）水素含有量
水素含有量については、ＬＥＣＯ社製ＤＨ−１０３型水素分析装置を用いて、鋼中の非拡散性水素量を分析した。拡散性水素量は測定してない。このＬＥＣＯ社製ＤＨ−１０３型水素分析装置の仕様は以下のとおりである。分析範囲は０．０１〜５０．００質量ｐｐｍ、分析精度は±０．１質量ｐｐｍまたは±３質量％Ｈ（いずれか大きいほう）、分析感度は０．０１質量ｐｐｍ、検出方式は熱伝導度法である。また、試料重量範囲は１０ｍｇ〜３５ｍｇ（試料サイズは最大で直径１２ｍｍ×長さ１００ｍｍ）、加熱炉温度範囲は５０℃〜１１００℃、試薬はアンハイドロン Ｍｇ（ＣｌＯ₄）₂、アスカライト ＮａＯＨ、キャリアガスは窒素ガス、ガスドージングガスは水素ガスであり、いずれのガスも純度９９．９９質量％以上、圧力は４０ｐｓｉ（２．８ｋｇｆ／ｃｍ²）である。

測定手順の概要は以下のとおりである。専用のサンプラーで採取した試料をサンプラーごとに上記の水素分析装置に挿入する。内部の拡散性水素は窒素キャリアガスによって熱伝導度検出器に導かれる。この拡散性水素は本実施例では測定しない。次に、サンプラーから試料を取り出し、抵抗加熱炉内で加熱し、非拡散性水素を窒素キャリアガスによって熱伝導度検出器に導く。熱伝導度検出器において熱伝導度を測定することによって非拡散性水素量を知ることができる。

（２）オーステナイト結晶粒度
オーステナイト結晶粒度の測定は、ＪＩＳ Ｇ ０５５１の鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法に基づいて行なった。

（３）シャルピー衝撃値
シャルピー衝撃値の測定は、ＪＩＳ Ｚ ２２４２の金属材料のシャルピー衝撃試験方法に基づいて行なった。試験片は、ＪＩＳ Ｚ ２２０２に示されたＵノッチ試験片（ＪＩＳ規格３号試験片）を用いた。

（４）破壊応力値
図１１は、破壊応力値を測定するための静圧壊強度試験の試験片を示す図である。図１１を参照して、破壊応力値を測定するための静圧壊強度試験の試験方法について説明する。

図１１を参照して、静圧壊強度試験片５１は外径６０ｍｍ、内径４５ｍｍ、幅１５ｍｍの円環状の形状を有している。そして、荷重方向５２の向きに荷重が徐々に負荷されて、静圧壊強度試験片５１が破壊された時点における荷重が測定される。その後、得られた破壊荷重が、下記に示す曲がり梁の応力計算式（Ａ）〜（Ｃ）により応力値に換算される。なお、静圧壊強度試験片５１は図１１に示す試験片に限られず、他の形状の静圧壊強度試験片５１を用いてもよい。

図１１の試験片の凸表面における繊維応力をσ_１、凹表面における繊維応力をσ_２とすると、σ_１およびσ_２は下記の式によって求められる（機械工学便覧Ａ４編材料力学Ａ４−４０参照）。ここで、Ｎは静圧壊強度試験片５１の軸を含む断面の軸力、Ａは横断面積、ｅ_１は外半径、ｅ_２は内半径（図１１参照）を表わす。また、κは曲がり梁の断面係数である。
σ_１＝（Ｎ／Ａ）＋｛Ｍ／（Ａρ_０）｝［１＋ｅ_１／｛κ（ρ_０＋ｅ_１）｝］・・・（Ａ）
σ_２＝（Ｎ／Ａ）＋｛Ｍ／（Ａρ_０）｝［１−ｅ_２／｛κ（ρ_０−ｅ_２）｝］・・・（Ｂ）
κ＝−（１／Ａ）∫Ａ｛η／（ρ_０＋η）｝ｄＡ・・・（Ｃ）
（５）転動疲労寿命
転動疲労寿命試験片に与えられた熱処理履歴は、ジョイント用爪付き転動軸の転走面付近に与えられる熱処理履歴と同様であり、本転動疲労寿命試験は、ジョイント用爪付き転動軸の転走面の転動疲労寿命の試験に相当する。転動疲労寿命試験の試験条件を表１に示す。

表１を参照して、直径１２ｍｍ、長さ２２ｍｍの円筒状の試験片が用いられ、３／４インチ（１９．０５ｍｍ）の鋼球と接触面圧５．８８ＧＰａで接触しつつ、１分間に４６２４０回の荷重が負荷される。そして、試験片に剥離が発生するまでの荷重の負荷回数（寿命）が調査される。得られた寿命は統計的に解析され、累積破損確率が１０％となる寿命（Ｌ_１０寿命）が算出される。また、試験数は各試料について１０回とし、潤滑油にはタービンＶＧ６８が採用され強制循環により給油される。

次に、転動疲労寿命試験の試験機について説明する。図１２は、転動疲労寿命試験機の概略正面図である。また、図１３は、転動疲労寿命試験機の概略側面図である。図１２および図１３を参照して、転動疲労寿命試験の試験機について説明する。

図１２および図１３を参照して、転動疲労寿命試験機６０は、駆動ロール６１と、案内ロール６２と、鋼球６３とを備えている。そして、転動疲労寿命試験片６９は、駆動ロール６１によって駆動され、鋼球６３と接触して回転する。鋼球６３は、案内ロール６２にガイドされて、転動疲労寿命試験片６９との間で高い面圧を及ぼし合いながら転動する。

次に試験結果について説明する。表２に上記（１）〜（５）の試験結果を示す。

（１）水素含有量
表２を参照して、２次焼入が実施されていないの従来の浸炭窒化処理品である試料Ｇは、０．７２ｐｐｍと非常に高い値となっている。これは、浸炭窒化処理の雰囲気に含まれるアンモニア（ＮＨ_３）が分解して水素が鋼中に浸入したためと考えられる。これに対し、試料Ｂ〜Ｄは、水素量は０．３７〜０．４０ｐｐｍと半分近くまで減少している。この水素量は通常の焼入品である試料Ｈと同レベルである。

上記の水素含有量の低減により、水素の固溶に起因する鋼の脆化を軽減することができる。すなわち、水素含有量の低減により、本発明例の試料Ｂ〜Ｄのシャルピー衝撃値は試料Ｇに比べて大きく改善されている。

（２）オーステナイト結晶粒度
表２を参照して、２次焼入温度が浸炭窒化処理時の焼入（１次焼入）の温度より低い場合、すなわち試料Ｂ〜Ｄの場合、オーステナイト結晶粒度は粒度番号１１〜１２と顕著に微細化されている。一方、２次焼入温度が１次焼入温度以上である試料ＥおよびＦならびに２次焼入が実施されていない試料Ｇおよび試料Ｆの場合、オーステナイト結晶粒度は粒度番号１０であり、本発明例の試料Ｂ〜Ｄより粗大な結晶粒となっている。

（３）シャルピー衝撃値
表２を参照して、従来の浸炭窒化処理品である試料Ｇのシャルピー衝撃値は５．３３Ｊ／ｃｍ²であるのに対して、本発明例の試料Ｂ〜Ｄのシャルピー衝撃値は６．３０〜６．６５Ｊ／ｃｍ^２と高くなっている。さらに、この中でも２次焼入温度の低い試料ほどシャルピー衝撃値が高くなる傾向がある。通常の焼入品である試料Ｈのシャルピー衝撃値は６．７０Ｊ／ｃｍ²と高くなっている。

（４）破壊応力値
表２を参照して、従来の浸炭窒化処理品である試料Ｇの破壊応力値は２３３０ＭＰａとなっている。これに対して、試料Ｂ〜Ｄの破壊応力値は２６５０〜２８４０ＭＰａと改善された値となっている。一方、通常の焼入品である試料Ｈの破壊応力値は２７７０ＭＰａである。この破壊応力値と水素含有量およびオーステナイト結晶粒度との関係から、試料Ｂ〜Ｄの改善された静的破壊強度は、オーステナイト結晶粒の微細化と並んで、水素含有量の低減による効果が大きいと推定される。

（５）転動疲労寿命
表２を参照して、通常の焼入品である試料Ｈは窒素富化層を表層部に有していない。そのため、転動疲労寿命Ｌ₁₀は最も短い。これに対して、従来の浸炭窒化処理品である試料Ｇの転動疲労寿命は３．１倍となった。さらに、試料Ｂ〜Ｆのうち、２次焼入が浸炭窒化処理温度より低い温度で実施された試料Ｂ〜Ｄの転動疲労寿命は従来の浸炭窒化処理品である試料Ｇよりも大幅に向上した。一方、２次焼入が浸炭窒化処理温度以上の温度で実施された試料Ｅ，Ｆは、従来の浸炭窒化処理品である試料Ｇと同等か、それより低い値となった。

以上の試験結果より、本発明のジョイント用爪付き転動軸に相当する本発明例の試料Ｂ〜Ｄは、表層部に窒素富化層が形成され、結晶粒が細かく、かつ水素含有量も少ないので、他の試料に比べて耐衝撃強度、静的破壊強度および転動疲労寿命にすぐれたものとなっていることが分かる。

以下、本発明の実施例２について説明する。ＪＩＳ規格ＳＵＪ２材（１．０質量％Ｃ−０．２５質量％Ｓｉ−０．４質量％Ｍｎ−１．５質量％Ｃｒ）を素材として用いて、熱処理工程における熱処理履歴がジョイント用爪付き転動軸の各種特性に及ぼす影響を調査する試験を行なった。調査した特性は（１）転動疲労寿命、（２）シャルピー衝撃値、（３）静的破壊靭性値、（４）破壊応力値、（５）経年寸法変化率、（６）異物混入下における転動疲労寿命である。

試験の試料はＸ材、Ｙ材およびＺ材の３種類とした。各試料の熱処理履歴は次のとおりである。Ｘ材（比較例；通常の焼入）については、浸炭窒化処理は実施されずに焼入が実施された。２次焼入は実施されなかった。Ｙ材（比較例；従来の浸炭窒化処理）についてはＲＸガスとアンモニアガスとの混合ガス雰囲気中において８４５℃の温度で１５０分間保持されることにより浸炭窒化された。その後、浸炭窒化処理温度である８４５℃からそのまま急冷されて焼入が実施され、２次焼入は実施されなかった。Ｚ材（本発明例）はＲＸガスとアンモニアガスとの混合ガス雰囲気中において８４５℃の温度で１５０分間保持されることにより浸炭窒化された。熱処理パターンは図５に示す熱処理工程が採用され、浸炭窒化処理温度である８４５℃から１次焼入された後、浸炭窒化処理温度より低い温度域である８００℃に加熱され、その後急冷されることにより２次焼入が実施された。

次に、試験方法および試験結果について説明する。
（１）転動疲労寿命
実施例１と同様に、本転動疲労寿命試験は、ジョイント用爪付き転動軸の転走面の転動疲労寿命試験に該当する。試験条件および試験装置は、実施例１と同様である。試験結果を表３に示す。

表３を参照して、浸炭窒化が実施され、窒素富化層が形成されたＹ材（比較例）のＬ_１０寿命（統計的に試験片１０個中１個が破損するまでの寿命）は、通常の焼入のみが実施されたＸ材（比較例）のＬ_１０寿命の３．１倍となり、窒素富化層の形成による長寿命化の効果が認められる。これに対して、本発明例であるＺ材は、Ｙ材の１．７４倍、またＸ材の５．４倍の長寿命となった。この長寿命化の主因は窒素富化層の形成による長寿命化に加えて、オーステナイト結晶粒の細粒化に起因した鋼組織（ミクロ組織）の微細化であると考えられる。

（２）シャルピー衝撃値
試験方法は実施例１と同様である。試験結果を表４に示す。

表４を参照して、従来の浸炭窒化処理が実施されたＹ材（比較例）のシャルピー衝撃値は、通常の焼入れが実施されたＸ材（比較例）よりも低い値となった。一方、Ｚ材（本発明例）はＸ材と同等の値となった。

（３）静的破壊靭性値
図１４は静的破壊靭性値を測定するための試験方法を説明するための図である。図１４を参照して、静的破壊靭性値を測定するための試験方法を説明する。

図１４を参照して、静的破壊靭性値測定装置７０は、下部支持用ころ７１、７１と、荷重負荷用ころ７２とを備えている。一方、静的破壊靭性試験片７９は長さＡ、高さＷの四角柱状の形状を有している。そして、長手方向に沿う面の１つから、反対側の面に向けてノッチ７９Ａが形成されている。ノッチ７９Ａは当該長手方向に沿う面の１つに隣り合い、かつ長手方向に沿う２つの面に貫通するように形成されている。さらに、ノッチ７９Ａの先端には長さ約１ｍｍの予き裂７９Ｂが形成され、前述の長手方向に沿う面から予き裂７９Ｂの先端までの距離はａとなっている。

次に、試験手順について説明する。図１４を参照して、２つの下部支持用ころ７１、７１が間隔２Ｌをおいて配置され、下部支持用ころ７１、７１の上に接触するように静的破壊靭性試験片７９が前述の長手方向に沿う面の１つが下になるようにセットされる。このとき、ノッチ７９Ａの開口から２つの下部支持用ころ７１、７１までの距離が等しくなるように静的破壊靭性試験片７９はセットされる。さらに、前述の長手方向に沿う面の１つとは反対側の面に接触するように、荷重負荷用ころ７２がセットされる。この荷重負荷用ころ７２は前述の長手方向に沿う面の１つとは反対側の面において予き裂７９Ｂの先端から最も近い位置に配置される。そして、荷重負荷方向７３の向きに荷重が徐々に負荷され（３点曲げ）、静的破壊靭性試験片７９が破壊した時点における荷重（破壊荷重Ｐ）が測定される。破壊靭性値（Ｋ_1Ｃ値）の算出には以下に示す式（Ｄ）を用いる。試験結果を表５に示す。
Ｋ_１Ｃ＝（ＰＬ√ａ／ＢＷ^２）｛５．８−９．２（ａ／Ｗ）＋４３．６（ａ／Ｗ）^２−７５．３（ａ／Ｗ）^３＋７７．５（ａ／Ｗ）^４｝・・・（Ｄ）

表５を参照して、予き裂深さａが浸炭窒化層深さよりも大きくなったため、比較例であるＸ材とＹ材との破壊靭性値には差異は見られなかった。一方、本発明例であるＺ材は比較例であるＸ材およびＹ材に対して約１．２倍の破壊靭性値を有していた。

（４）破壊応力値
試験方法は実施例１と同様である。試験結果を表６に示す。

表６を参照して、従来の浸炭窒化処理が実施されたＹ材の破壊応力値は、通常の焼入が実施されたＸ材よりもやや低い値となった。一方、本発明例のＺ材は、Ｙ材よりも破壊応力値が向上しており、Ｘ材と遜色ないレベルとなっている。

（５）経年寸法変化率
１３０℃の温度で５００時間保持した場合の、試験片の寸法変化率を測定した。測定結果を、表面硬度、残留オーステナイト量（試験片の表面から５０μｍの深さにおける測定値）と併せて表７に示す。

表７を参照して、残留オーステナイト量の多いＹ材の寸法変化率に比べて、本発明例のＺ材の寸法変化率は大きく抑制されていることがわかる。

（６）異物混入下における転動疲労寿命
玉軸受６２０６（ＪＩＳ Ｂ １５１３に記載）を用い、所定の異物を所定量潤滑油中に混入させた異物混入下での転動疲労寿命を評価した。本転動疲労寿命試験も、ジョイント用爪付き転動軸の転走面の転動疲労寿命試験に該当し、特に表面起点型の剥離に対する転動疲労寿命試験に該当する。試験条件を表８に、試験結果を表９に示す。

表９を参照して、浸炭窒化処理が実施されていないＸ材に比べて、従来の浸炭窒化処理が実施されたＹ材は寿命が約２．５倍となった。一方、本発明例のＺ材は寿命がＸ材の約２．３倍となった。本発明例のＺ材は、比較例のＹ材に比べて残留オーステナイト量が少ないものの、窒素富化層におけるオーステナイト結晶粒が微細であるため、鋼組織（ミクロ組織）が微細化されている。その結果、本発明例のＺ材は比較例のＹ材とほぼ同等の長寿命となった。

以上の結果より、Ｚ材、すなわち本発明例は、従来の浸炭窒化処理では困難であった転動疲労寿命の長寿命化、破壊応力値の向上、経年寸法変化率の低減の３項目を同時に満足することができることがわかる。

以下、本発明の実施例３について説明する。ＪＩＳ規格ＳＵＪ２、ＳＣＭ４２０、Ｓ５３Ｃを素材として用いて、一方の端部にジョイント用爪部を有するジョイント用爪付き転動軸を作製した。そして、熱処理工程における熱処理履歴がジョイント用爪付き転動軸の各種特性に及ぼす影響を調査する試験を行なった。調査した特性は（１）オーステナイト結晶粒度、（２）ジョイント用爪部の水素含有量、（３）転走面の残留オーステナイト量、（４）転走面の窒素含有量、（５）ジョイント用爪部の表面硬さ、（６）ジョイント用爪部のねじり強度である。

試験の試料は実施例Ａ、Ｂ（本発明のジョイント用爪付き転動軸）、比較例Ｃ、Ｄ、Ｅ（従来のジョイント用爪付き転動軸）の５種類とした。各試料の熱処理履歴は次のとおりである。

実施例Ａおよび実施例Ｂは、図５と同様の熱処理パターンにより熱処理された。すなわち、ＲＸガスとアンモニア（ＮＨ_３）ガスとの混合ガス雰囲気中において８５０℃の温度で１５０分間保持されることにより浸炭窒化された後、浸炭窒化処理温度である８５０℃から１次焼入された。そして、浸炭窒化処理温度より低い温度である８００℃の温度で６０分間保持された後急冷（油冷）されることにより２次焼入が実施された。さらに、１８０℃の温度で１２０分間保持することにより焼戻が実施された後、ジョイント用爪部周辺のみについて高周波焼戻が実施された。

図１５は、比較例Ｃに対して実施された熱処理パターンを示す図である。また、図１６は、比較例Ｄに対して実施された熱処理パターンを示す図である。図１７は、比較例Ｅに対して実施された熱処理パターンを示す図である。図１５〜図１７において、横方向は時間を示しており右に行くほど時間が経過していることを示している。また、図１５〜図１７において、縦方向は温度を示しており上に行くほど温度が高いことを示している。比較例Ｃは、図１５の熱処理パターンにより熱処理された。すなわち、高周波加熱により約９００℃に加熱された後、急冷（水冷）されることにより焼入硬化された。さらに、１８０℃の温度で１２０分間保持することにより焼戻が実施された。比較例Ｄは、図１６の熱処理パターンにより熱処理された。すなわち、ＲＸガスとアンモニア（ＮＨ_３）ガスとの混合ガス雰囲気中において８５０℃の温度で１５０分間保持されることにより浸炭窒化された後、浸炭窒化処理温度である８５０℃から急冷（油冷）されることにより焼入硬化された。さらに、１８０℃の温度で１２０分間保持することにより焼戻が実施された。比較例Ｅは、図１７の熱処理パターンにより熱処理された。すなわち、ＲＸガスとアンモニア（ＮＨ_３）ガスとの混合ガス雰囲気中において８５０℃の温度で１５０分間保持されることにより浸炭窒化された後、浸炭窒化処理温度である８５０℃から急冷（油冷）されることにより焼入硬化された。さらに、１８０℃の温度で１２０分間保持することにより焼戻が実施された後、ジョイント用爪部周辺のみについて高周波焼戻が実施された。

次に、試験方法について説明する。オーステナイト結晶粒度、ジョイント用爪部の水素含有量、転走面の残留オーステナイト量の調査については、実施例１と同様の方法が採用された。ただし、転走面の残留オーステナイト量は転走面（表面）から深さ５０μｍの領域におけるオーステナイト量が測定された。転走面の窒素含有量はＥＰＭＡが用いられ、転走面（表面）から深さ５０μｍの領域における窒素含有量量が測定された。ジョイント用爪部の表面硬さは、ビッカース硬度計が用いられ、荷重１ｋｇｆの条件で測定された。ジョイント用爪部のねじり強度の測定方法は図に基づいて説明する。図１８はねじり強度試験機の構成を説明するための概略図である。（Ａ）はねじり強度試験機の概略正面図であり、（Ｂ）はねじり強度試験機の概略右側面図である。また、図１９は、ジョイント用爪部付近の詳細を示す図である。図１８および図１９を参照して、ジョイント用爪部のねじり強度の測定方法について説明する。

図１８を参照して、ねじり強度試験機は一方側（図１８（Ａ）では左側）に試験片であるジョイント用爪付き転動軸４１を固定するための試験片固定用チャック２１と、モータ２３と、減速機２４とを備えており、他方側（図１８（Ａ）では右側）に試験片であるジョイント用爪付き転動軸４１のジョイント用爪部４２と嵌合するための嵌合用チャック２２と、支持体２５と、チャック軸２６と、アーム２７と、固定台２８と、ロードセル２９と、レーザ変位計３０とを備えている。試験片固定用チャック２１は減速機２４を介してモータ２３に接続されており、モータ２３にはモータ２３に電力を供給するための図示しない電源部が接続されている。一方、嵌合用チャック２２は支持体２５により回転自在かつ軸方向に移動自在に保持されており、かつチャック軸２６を介してアーム２７が接続されている。そして、図１８（Ｂ）に示すように、アーム２７と不動の固定台２８とはロードセル２９を介して接続されている。さらに、図１８（Ａ）に示すように、嵌合用チャック２２にはレーザ変位計が設置されている。そして、ロードセル２９は増幅器３１を介してＸＹレコーダ３２に接続されており、かつレーザ変位計３０もＸＹレコーダ３２に接続されている。

次に、ねじり強度試験の手順を説明する。図１９を参照して、試験片であるジョイント用爪付き転動軸４１の一端側に形成されたジョイント用爪部４２と嵌合用チャック２２の先端部に形成されたスリット２２ａとが嵌合するようにジョイント用爪付き転動軸４１が配置され、かつジョイント用爪付き転動軸４１の他端側が試験片固定用チャック２１により保持され、固定される。ここで、ジョイント用爪部４２の先端面には直径が爪幅の１／３程度の半径を有する半円状の切欠（図示せず）が形成されている。なお、前述のジョイント用爪部４２の表面硬さとしては、当該切欠の底から０.５ｍｍ先端とは反対側に離れた位置の表面における硬さが測定されている。そして、図１８を参照して、図示しない電源部から電力が供給されたモータ２３の回転が減速機２４により減速されつつ試験片固定用チャック２１に伝達されることにより、ジョイント用爪付き転動軸４１には矢印αの向きに回転トルクが負荷される。このとき、レーザ変位計３０により測定された回転角度θは、Ｘ値としてＸＹレコーダ３２に記録される。一方、ロードセル２９により測定されたトルク値Ｔは、増幅器３１により増幅さて、Ｙ値としてＸＹレコーダ３２に記録される。そして、ＸＹレコーダに記録された測定結果から、ジョイント用爪部４２のねじり強度が算出される。なお、試験は回転速度０.０２回転／分の条件のもとで実施された。

次に、試験結果について説明する。上記試験の結果を表１０に示す。

（１）オーステナイト結晶粒度
本発明に係る実施例Ａおよび実施例Ｂは、結晶粒度の粒度番号が１１以上となっており、結晶粒が顕著に微細化されている。一方、転走面付近のみに対して高周波焼入が実施された従来のジョイント用爪付き転動軸である比較例Ｃと、従来の浸炭窒化処理および焼入が実施された比較例Ｄおよび比較例Ｅは、結晶粒度の粒度番号が７〜９.５となっており、実施例Ａおよび実施例Ｂに比べて結晶粒が粗大になっている。

（２）ジョイント用爪部の水素含有量
比較例Ｄ以外に試料は０.５質量ｐｐｍ以下であるのに対し、比較例Ｄは０.６８質量ｐｐｍと高い値になっている。これは、浸炭窒化処理の際の雰囲気中に含まれるアンモニア、メタンおよびエタンなどの分解により生成して鋼中に侵入した水素が、実施例Ａ、実施例Ｂおよび比較例Ｅでは熱処理工程の最後に実施された高周波焼戻により外部に放出されたのに対し、比較例Ｄでは放出されなかったためであると考えられる。さらに、実施例Ａおよび実施例Ｂでは、１次焼入の際に侵入した水素が２次焼入の加熱の際に一度放出されている。そして、高周波焼戻の前の段階で、浸炭窒化温度より低い８００℃、浸炭窒化時間より短い３０分の加熱の際に侵入した少量の水素のみが鋼中に残存しているため、０.３５質量ｐｐｍ以下と一層低い値となっている。なお、浸炭窒化処理が実施されず、高周波焼入のみが実施された比較例Ｃでは、水素含有量は低く、０.１８質量ｐｐｍとなっていた。

（３）転走面の残留オーステナイト量
本発明の実施例Ａおよび実施例Ｂでは、１８〜２２体積％となっており、転動疲労寿命の向上に好ましい量の残留オーステナイト（１１〜２５体積％）が存在していた。一方、比較例Ｃでは５体積％となっており、好ましい量の範囲を下回っていた。さらに、比較例Ｄおよび比較例Ｅでは２８〜３０体積％となっており、好ましい量の範囲を外れていた。

（４）転走面の窒素含有量
比較例Ｄおよび比較例Ｅでは０.５０質量％であったのに対し、本発明の実施例Ａおよび実施例Ｂでは、０.４０〜０.４２質量％と若干低い傾向にあった。これは、実施例Ａおよび実施例Ｂが比較例Ｄおよび比較例Ｅと同様の浸炭窒化処理が実施された後、さらに浸炭窒化処理温度よりも低い８００℃に加熱されて２次焼入が実施されたためであると考えられる。なお、浸炭窒化処理が実施されていない比較例Ｃでは、０質量％であった。

（５）ジョイント用爪部の表面硬さ
本発明の実施例Ａおよび実施例Ｂと、比較例Ｃおよび比較例Ｅとは５８０〜６８０ＨＶであり、ジョイント用爪部の強度向上に好ましい範囲（５２０〜７２０ＨＶ）の硬さとなっている。一方、比較例Ｄは７３０ＨＶであり、ジョイント用爪部の強度向上に好ましい範囲を外れている。なお、この硬さでは比較例Ｄのジョイント用爪部はその機能を十分果たさない可能性がある。

（６）ジョイント用爪部のねじり強度
本発明の実施例Ａおよび実施例Ｂは４８〜５３Ｎ・ｍであり、ジョイント用爪部として必要なねじり強度が確保されている。また、比較例Ｃおよび比較例Ｅは３８〜４４Ｎ・ｍであり、本発明の実施例Ａおよび実施例Ｂよりは低いものの、ジョイント用爪部として必要なねじり強度は確保されている。一方、比較例Ｄは２４Ｎ・ｍであり、必要なねじり強度が確保されていない。なお、ねじり強度は各試料とも５０個の平均値である。

さらに、実施例Ａおよび比較例Ｅについては、熱処理工程の最後に実施される高周波焼戻の条件を変えることでジョイント用爪部の表面硬さを変えた試験片を作製し、ジョイント用爪部のねじり強度に及ぼすジョイント用爪部の表面硬さの影響を調査する試験を行なった。図２０は、ジョイント用爪部の表面硬さとねじり強度との関係を示す図である。図２０において、三角は本発明の実施例Ａを、丸は比較例Ｅを示している。また、中抜きの三角および丸はねじり強度の値が高く、かつ安定している領域に含まれる値を示しており、内部が塗りつぶされた三角および丸はねじり強度の値が低下している値を示している。図２０を参照して、当該試験の結果を説明する。

図２０を参照して、試験を実施したすべての硬さの範囲において、実施例Ａのねじり強度は比較例Ｅのねじり強度を上回っている。これは、比較例Ｅの窒素富化層におけるオーステナイト結晶粒が粒度番号９.５であり、かつジョイント用爪部の水素含有量が０.４６質量ｐｐｍであったのに対し、実施例Ａの窒素富化層におけるオーステナイト結晶粒は粒度番号１２まで微細化され、かつ水素含有量も０.２８質量ｐｐｍまで低減されていたためであると考えられる。また、実施例Ａでは５２０〜７２０ＨＶの範囲において、比較例Ｅでは５２０〜６８０ＨＶの範囲において、ねじり強度が高く、かつ安定していることが分かる。これは、ジョイント用爪部の硬さが低すぎる場合には、ジョイント用爪部に塑性変形が生じて、ねじり強度が低下し、一方、ジョイント用爪部の硬さが高すぎる場合には、亀裂の発生および伝播が容易となり、ねじり強度が低下したものと考えられる。このことから、高いねじり強度を確保するためには、ジョイント用爪部の表面硬さを５２０ＨＶ以上７２０ＨＶ以下とすることが好ましく、５２０ＨＶ以上６８０ＨＶ以下とすることがより好ましいことが分かる。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明のジョイント用爪付き転動軸は、端部にジョイント用爪部を有し、外周面の一部が軸受の転動体の転走面として機能し、かつ鋼からなるジョイント用爪付き転動軸に特に有利に適用され得る。

本発明の一実施の形態におけるジョイント用爪付き転動軸の構成および使用状態を示す概略断面図である。 ジョイント用爪部付近の詳細を説明するための図である。 本実施の形態におけるジョイント用爪付き転動軸の製造方法の概略を示す図である。 本実施の形態におけるジョイント用爪付き転動軸の製造方法の変形例の概略を示す図である。 本実施の形態におけるジョイント用爪付き転動軸の製造方法に含まれる熱処理工程の詳細を説明するための図である。 本実施の形態におけるジョイント用爪付き転動軸の製造方法に含まれる熱処理工程の変形例の詳細を示す図である。 本実施の形態におけるジョイント用爪付き転動軸の表層部に形成された窒素富化層におけるミクロ組織、特にオーステナイト粒を示す図である。 従来のジョイント用爪付き転動軸の表層部におけるミクロ組織、特にオーステナイト粒を示す図である。 図７のオーステナイト結晶粒を模式的に示した図である。 図８のオーステナイト結晶粒を模式的に示した図である。 破壊応力値を測定するための静圧壊強度試験の試験片を示す図である。 転動疲労寿命試験機の概略正面図である。 転動疲労寿命試験機の概略側面図である。 静的破壊靭性値を測定するための試験方法を説明するための図である。 比較例Ｃに対して実施された熱処理パターンを示す図である。 比較例Ｄに対して実施された熱処理パターンを示す図である。 比較例Ｅに対して実施された熱処理パターンを示す図である。 ねじり強度試験機の構成を説明するための概略図であり、（Ａ）はねじり強度試験機の概略正面図、（Ｂ）はねじり強度試験機の概略右側面図である。 ジョイント用爪部付近の詳細を示す図である。 ジョイント用爪部の表面硬度とねじり強度との関係を示す図である。

符号の説明

１ ジョイント用爪付き転動軸、２ ジョイント用爪部、３ 転走面、４ 玉軸受、５ 針状ころ軸受、６ 針状ころ、７ 外輪、８ 保持器、９ 他の軸、１０ スリット、１１ 内輪、１２ 外輪、１３ 玉、２１ 試験片固定用チャック、２２ 嵌合用チャック、２２ａ スリット、２３ モータ、２４ 減速機、２５ 支持体、２６ チャック軸、２７ アーム、２８ 固定台、２９ ロードセル、３０ レーザ変位計、３１ 増幅器、３２ ＸＹレコーダ、５１ 静圧壊強度試験片、５２ 荷重方向、６０ 転動疲労寿命試験機、６１ 駆動ロール、６２ 案内ロール、６３ 鋼球、６９ 転動疲労寿命試験片、７０ 静的破壊靭性値測定装置、７１ 下部支持用ころ、７２ 荷重負荷用ころ、７３ 荷重負荷方向、７９ 静的破壊靭性試験片、７９Ａ ノッチ、７９Ｂ 予き裂。

Claims (5)

1. 端部にジョイント用爪部を有し、外周面の一部が軸受の転動体の転走面として機能し、かつ鋼からなるジョイント用爪付き転動軸であって、
   前記ジョイント用爪部には誘導加熱による焼戻が実施されており、
   表層部に窒素富化層が形成されており、
   前記窒素富化層におけるオーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超えており、
   水素含有量が０．５ｐｐｍ以下である、ジョイント用爪付き転動軸。
2. 前記窒素富化層のうち、少なくとも表面が前記転走面として機能する部分における残留オーステナイト量は、１１体積％以上２５体積％以下である、請求項１に記載のジョイント用爪付き転動軸。
3. 前記窒素富化層における窒素含有量は、０．１質量％以上０．７質量％以下である、請求項１または２に記載のジョイント用爪付き転動軸。
4. 前記鋼は前記表層部以外の部位において０．１質量％以上１．２質量％以下の炭素と、０．２質量％以上２．０質量％以下のクロムとを含有している、請求項１〜３のいずれか１項に記載のジョイント用爪付き転動軸。
5. 前記ジョイント用爪部の表面硬度は５２０ＨＶ以上７２０ＨＶ以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のジョイント用爪付き転動軸。

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