JP2008208940A - 等速自在継手用部品及びその製造方法 - Google Patents

等速自在継手用部品及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】大幅な工程変更を伴うことなく高強度化が可能であって、小型化及び軽量化に貢献できる等速自在継手用部品とその製造方法を提供する。
【解決手段】鋭角部１５を有する等速自在継手用部品とそれを製造する等速自在継手用部品製造方法である。冷間塑性加工を行った後、機械加工で鋭角部１５を形成する。その後、表面炭素濃度が０．４５ｍａｓｓ％〜０．６０ｍａｓｓ％未満となる浸炭処理を行った後焼入れを行う。次に高周波誘導加熱焼入を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、等速自在継手用ケージ等の等速自在継手用部品及びその製造方法に関する。
等速自在継手は、自動車や各種産業機械の動力伝達系において、駆動側の回転軸と従動側の回転軸を連結して等角速度でトルクを伝達するもので、トルク伝達要素であるボールを用いたボールタイプの等速自在継手として、ボールフィックス型等速自在継手（ＢＪ）、ダブルオフセット型等速自在継手（ＤＯＪ）やレブロ型等速自在継手（ＬＪ）など種々のものがある。また、トルク伝達ボールの個数は６個または８個が代表的である。
これら等速自在継手は、外側継手部材としての外輪、内側継手部材としての内輪、トルク伝達ボールおよびケージを主要な構成要素として成り立っている。外輪の内周面には軸方向に延びるトラック溝が形成され、また、内輪の外周面にも軸方向に延びるトラック溝が形成されている。これら外輪と内輪に、駆動側の回転軸と従動側の回転軸が連結されている。外輪のトラック溝と内輪のトラック溝とが対をなしてボールトラックを形成し、各ボールトラックにトルク伝達ボールが組み込んである。トルク伝達ボールは、ケージの周方向に形成されたポケット内に収容されて転動自在に保持されている。
このような等速自在継手は近年小型化・軽量化を図れている。ところが、等速自在継手の小型化・軽量化で最も困難なことは、高作動角時に十分な強度を確保することである。
この高角強度を評価するのに、等速自在継手では準静捩り試験を行うことによって評価している（特許文献１）。ここで、準静捩り試験とは、実車状況を考慮して等速自在継手に回転を与えながらトルクを加えて破壊トルクを測定する試験である。
準静捩り強度は、ケージや内輪等の浸炭部品の強度に強く依存している。したがって、等速自在継手の小型・軽量化を達成するためには、浸炭部品（特にケージ）の強靭化が課題である。そこで、等速自在継手用のケージの製造は、一般に、低炭素鋼（ＳＣｒ４１５）の素材を冷間で塑性加工を加えた後、機械加工を行い、その後、浸炭焼入れを行って仕上加工を行う（特許文献２）。
そして、浸炭部品の高強度化の対策としては、例えば特許文献３に記載されているように提案されている。すなわち、冷間で塑性加工を受けた部品を高温で長時間保持すると、オーステナイト結晶粒の粗大化が発生し強度が著しく低下する。このため、材料に特殊な元素を添加しオーステナイト粒の成長を抑制し強度を向上させるものである。
また、０．６〜０．９％の炭素を浸炭後、高周波焼入れをすることによって、炭化物などの偏析の減少とオーステナイト結晶粒の微細化（♯１０以上）をすることで強度を向上する処理方法も提案されている（特許文献４）。
さらには、窒化処理後高周波焼入れし、機械的強度を向上させるものも提案されている（特許文献５）。また、浸炭後徐冷し表面のみを高周波焼入れし高強度化するものも提案されている（特許文献６）。
特開２０００−１０４７４９号公報 特開平５−３３１６１６号公報 特開２００２−３７１３２０号公報 特開２００５−４８２９２号公報 特許第３３８１７３８号公報 特許第３３９５２５２号公報
前記したように、等速自在継手の小型化・軽量化を達成するためには、浸炭部品の強靭化が課題である。しかしながら、前記特許文献３に記載のように、材料に特殊な元素を添加しオーステナイト粒の成長を抑制し強度を向上させるものでは、Nb、Ti、V等の特殊な材料は、調達性に問題がある。また、浸炭による粒界へのＰ、Ｓ、炭化物等の析出は避けられないため、粒界破壊を完全に防止できない。ケージは、冷間で強加工されるため、Nb、Ti、V等の特殊な材料を使用しても、浸炭加熱時に結晶粒の局部的な粗大化が発生し、微細な部分と著しく粗大化した部分が混在した混粒状態を呈し、強度の向上は望めない。
また、冷間で塑性加工を行い、機械加工により鋭い鋭角部を有するケージ等の等速自在継手用部品においては、前記特許文献４に記載の処理方法では効果がない。すなわち、ケージ等のように鋭角部を有し表面に高濃度の炭素を浸炭焼入れ処理された部品では、鋭角部は平坦な部位より炭素濃度が増加し、焼入れ後セメンタイトが析出し強度を著しく低下させる。そのため、応力が作用すると低応力で降伏が開始し、高炭素な鋭角部より亀裂が粒界に沿って脆性的に破壊するためである。
さらに、ケージのような窓の孔があり、断続的な形状を有する部品の高周波加熱は、均一に加熱されないため、熱拡散を利用し焼入れ温度に加熱せざるを得ないため、加熱温度をオーステナイト変態温度よりも高める必用がある。したがって、ケージの高周波焼入れ時の加熱温度は局部的にオーステナイト変態温度直上では、局部的に不完全焼入れ部が生じる。
特許文献５に記載のように、中炭素鋼を窒化処理後高周波焼入れし、機械的強度を向上させるものでは、中炭素鋼は、浸炭の肌焼鋼（Ｃ：０．１０mass％〜０．２０mass％、ＳＣｒ４１５、ＳＣｒ４２０等）と比較し、炭素量が増加するため、冷間で塑性加工を行う場合、変形能が低下し製品の割れや型寿命の低下を招く問題がある。また、特許文献６に記載の場合、浸炭時の浸炭量は一般的に行われる量であり、十分に粒界を強化できず、鋭角な部品を有する部品の高強度化には十分ではない。
本発明は、上記課題に鑑みて、従来の浸炭焼入れ処理された部品の大幅な工程変更を伴うことなく高強度化が可能であって、小型化及び軽量化に貢献できる等速自在継手用部品及びその製造方法を提供する。
本発明の等速自在継手用部品は、等速自在継手用浸炭部品であって、冷間塑性加工を行った後、機械加工で鋭角部が形成される等速自在継手用部品で、肌焼鋼を用いて、浸炭焼入れ後短時間2次焼入れ処理により、表面に０．４５ｍａｓｓ％〜０．６０ｍａｓｓ％未満の浸炭層を有し、旧オーステナイト粒の混粒の生成がないものである。ここで、肌焼鋼とは、JIS G 4104、4105相当の鋼材である。また、旧オーステナイト粒の混粒とは、JIS G O551参照、2つ以上の異なった粒度指数（番号）系列に属する結晶粒が含まれることである。
本発明の等速自在継手用部品は、低濃度浸炭であるため、炭化物の粒界への析出や鋭角部の高炭素化が抑制される。また、高周波誘導加熱での短時間２次焼入れにより浸炭時の混粒が改善され、強度が大幅に向上する。すなわち、本発明は、鋭角部を有する等速自在継手用部品の強度向上させる発明である。
本発明の第１の等速自在継手用部品の製造方法は、鋭角部を有する等速自在継手用部品を製造する等速自在継手用部品製造方法であって、冷間塑性加工を行った後、機械加工で前記鋭角部を形成し、その後、表面炭素濃度が０．４５ｍａｓｓ％〜０．６０ｍａｓｓ％未満となる浸炭処理を行った後焼入れを行い、次に高周波誘導加熱焼入を行うものである。
本発明の第１の等速自在継手用部品の製造方法によれば、低濃度浸炭であるため、炭化物の粒界への析出が抑制される。また、高周波誘導加熱での２次焼入れにより浸炭時の粗大化が改善される。
本発明の第２の等速自在継手用部品の製造方法は、鋭角部を有する等速自在継手用部品を製造する等速自在継手用部品製造方法であって、冷間塑性加工を行った後、機械加工で前記鋭角部を形成し、その後、表面炭素濃度が０．４５ｍａｓｓ％〜０．６０ｍａｓｓ％未満となる浸炭処理を行った後、Ａr1点以下まで徐冷し、ベイナイト、標準組織、又はベイナイトと標準組織との混合組織とし、次に高周波誘導加熱焼入を行うものである。
本発明の第２の等速自在継手用部品の製造方法によれば、浸炭後徐冷し、組織をベイナイト、標準組織、又はベイナイトと標準組織との混合組織とするので、高周波焼入れ後の熱処理変形を低減できる。すなわち、浸炭後焼入れするより、徐冷する方が均一に冷却されるため熱歪が小さく、次の高周波加熱で熱歪が開放されて変形を来たすが、熱歪が小さいため高周波焼入れ後の変形が少ない。
本発明の第３の等速自在継手用部品の製造方法は、鋭角部を有する等速自在継手用部品を製造する等速自在継手用部品製造方法であって、冷間塑性加工を行った後、機械加工で前記鋭角部を形成し、その後、表面炭素濃度が０．４５ｍａｓｓ％〜０．６０ｍａｓｓ％未満となる浸炭処理を行った後、Ａr1点以下の温度で恒温変態させ、次に高周波誘導加熱焼入を行うものである。
本発明の第３の等速自在継手用部品の製造方法によれば、Ａr1点以下の温度で恒温変態させ、次に高周波誘導加熱焼入を行うものであるので、より一層高周波誘導焼入れ後の変形が少ない。
本発明の等速自在継手用部品は、低濃度浸炭層が表面に生成し、炭化物の粒界への析出や鋭角部の高炭素化が抑制され、また、高周波誘導加熱での短時間２次焼入れにより浸炭時の粗大化が改善される。このため、新たな清浄度の高い微細な粒界が全断面に形成され、より高強度化できる。したがって、製造した等速自在継手用部品を用いた等速自在継手の小型化を図ることができる。また、製造した等速自在継手用部品としては、従来の既存の部品と同一形状であっても、強度的に優れたものとなる。このため、この従来と同一形状のものを使用することによって、他の部品を従来の既存のものを使用して、従来と同一形状同一大きさの等速自在継手を構成することができる。このように、本発明によれば、継手高角度強度の最弱部品である浸炭部品の高強度化が可能となり、継手の小型化が可能で、従来形状と同一で使用できるため、大幅な工程変更を伴うことなく高強度化が可能である。特に、小型化できたことにより、コストの低減や車両の燃費向上に寄与することができる
本発明の第１の等速自在継手用部品の製造方法では、低濃度浸炭であるため、炭化物の粒界への析出が抑制され、また、高周波誘導加熱での短時間２次焼入れにより浸炭時の粗大化が改善される。このため、新たな清浄度の高い粒界が全断面に形成されるため、より高強度化できる。
本発明の第２の等速自在継手用部品の製造方法であっても、低濃度浸炭であるため、炭化物の粒界への析出や鋭角部の高炭素化が抑制され、高周波誘導加熱での短時間２次焼入れにより浸炭時の粗大化が改善される。このため、前記第１の等速自在継手用部品の製造方法と同様の作用効果を奏することができる。しかも、浸炭後焼入れすることにより、高周波焼入れ後の変形が少なく、高品質の等速自在継手用部品の製造が可能となる。
本発明の第３の等速自在継手用部品の製造方法であっても、低炭素浸炭であるため、炭化物の粒界への析出や鋭角部の高炭素化が抑制され、高周波誘導加熱での２次焼入れにより浸炭時の粗大化が改善される。このため、前記第１の等速自在継手用部品の製造方法と同様の作用効果を得ることができる。しかも、Ａr1点以下の温度で恒温変態させ、次に高周波誘導加熱焼入を行うものであるので、高周波焼入れ後の変形がより一層少なく、高品質の等速自在継手用部品の製造が可能となる。
以下本発明の実施の形態を図１〜図７に基づいて説明する。
図１に本発明に係る等速自在継手用部品の製造方法にて製造された等速自在継手用部品（この場合、ケージ）を使用した等速自在継手を示している。この等速自在継手は、外側継手部材としての外輪１、内側継手部材としての内輪２、トルク伝達ボール３およびケージ４を主要な構成要素として成り立っている。
外輪１の内周面（内径面）５には軸方向に延びるトラック溝６が形成され、また、内輪２の外周面７にも軸方向に延びるトラック溝８が形成されている。外輪１のトラック溝６と内輪２のトラック溝８とが対をなしてボールトラックを形成し、各ボールトラックにトルク伝達ボール３が組み込んである。トルク伝達ボール３は、ケージ４の周方向に形成されたポケット1１内に収容されて転動自在に保持されている。また、内輪２の中心孔にシャフト１０が嵌入されている。
図２と図３に示すように、ケージ４には周方向に沿って所定ピッチ（図例では、４５度ピッチ）で８個のポケット１１が形成されている。このため、周方向に沿って隣合うポケット1１間に柱部１２（この場合、８個）が形成されることになる。
ところで、ケージ４は、図２に示すように、各柱部１２においては、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ等で示す部位に鋭角部が形成され、各ポケット１１では１５ｄ等で示す部位に鋭角部が形成される。
この等速自在継手用部品は、冷間塑性加工を行った後、機械加工で鋭角部が形成される等速自在継手用部品で、肌焼鋼を用いて、浸炭焼入れ後短時間2次焼入れ処理により、表面に０．４５ｍａｓｓ％〜０．６０ｍａｓｓ％未満の浸炭層を有し、旧オーステナイト粒の混粒の生成がないものである。ここで、肌焼鋼とは、JIS G 4104、4105相当の鋼材である。また、旧オーステナイト粒の混粒とは、JIS G O551参照、2つ以上の異なった粒度指数（番号）系列に属する結晶粒が含まれることである。
次に前記のように構成されるケージ４の製造方法を説明する。まず、鋼管（例えば、ＳＣｒ４１５）を所定の長さに切断後プレス機にて据え込み球状に膨らませる。この据え込んだ短球状の素形材の内外面及び端面を切削して、球形外面及び球形内面を有する素材を形成する。次に、この素材を打抜きプレスして複数のポケット１１を素形材周方向に形成するプレス工程を行って素材を形成する。ポケット１１のケージ軸方向で対向する一対の側面１４，１４を切削するシェービング工程を行う。すなわち、素材は冷間で塑性加工を受けかつ機械加工で鋭角部が形成される。
その後は、焼入れ硬化処理を行う。この場合、表面炭素濃度が０．４５ｍａｓｓ％〜０．６０ｍａｓｓ％未満となる浸炭処理を行った後焼入れを行い、次に高周波誘導加熱焼入を行うものである。ここで、浸炭処理とは、炭素を多く含むガス、液体、固体などの浸炭剤中で鋼を加熱することにより、表面層から炭素を含浸させる処理である。この処理には、真空浸炭処理装置やプラズマ浸炭処理装置を使用することができる。また、浸炭焼入れ処理時にアンモニアガスを流し窒素を拡散させて、表面の軟化特性をより向上させるようにしてもよい。
高周波誘導加熱焼入は、高周波電流の通じているコイルの間に部品（この場合、ケージ）を入れ、その表面に生じる過電流に伴うジュール熱によって加熱する焼入れである。その後は、必要に応じて最終的に旋削・研削等の仕上工程を行うことによって、製品を完成させる。
本発明によれば、低濃度浸炭であるため、炭化物の粒界への析出が抑制され、また、高周波誘導加熱での短時間２次焼入れにより浸炭時の粗大化が改善される。このため、新たな清浄度の高い粒界が全断面に形成されるため、より高強度化できる。したがって、製造した等速自在継手用部品を用いた等速自在継手の小型化を図ることができる。また、製造した等速自在継手用部品としては、従来の既存の部品と同一形状であっても、強度的に優れたものとなる。このため、この従来と同一形状のも使用することによって、他の部品（部材）を従来の既存のものを使用して、従来と同一形状同一大きさの等速自在継手を構成することができる。このように、本発明によれば、継手高角度強度の最弱部品である浸炭部品の高強度化が可能となり、継手の小型化が可能で、従来形状と同一で使用できるため、大幅な工程変更を伴うことなく高強度化が可能である。特に、小型化できたことにより、コストの低減や車両の燃費向上に寄与することができる。
本発明の他の実施形態として、冷間塑性加工を行った後、機械加工で前記鋭角部を形成し、その後、表面炭素濃度が０．４５ｍａｓｓ％〜０．６０ｍａｓｓ％未満となる浸炭処理を行った後、Ａr1点以下まで徐冷し、ベイナイト組織とし、次に高周波誘導加熱焼入を行うようにしてもよい。
ベイナイトとは、オーステナイトの冷却変態生成物の一つで、パーライトの生成温度（Ａr1）とマルテンサイト生成温度（Ms点）との中間の温度範囲で生じる組織である。このため、前記素材を、Ａr1とMs変態点との中間温度の熱浴に焼入れして恒温変態をおこさせればよい。
このように、浸炭後徐冷し、組織をベイナイトとすれば、高周波焼入れ後の熱処理変形を低減できる。すなわち、浸炭後焼入れすることにより、徐冷する方が均一に冷却されるため熱歪が小さく、次の高周波加熱で熱歪が開放されて変形を来たすが、熱歪が小さいため高周波焼入れ後の変形が少ない。
また、ベイナイト組織とせずに、標準組織としたり、ベイナイトと標準組織との混合組織としたりしてもよい。ここで、標準組織とは、オーステナイト状態から徐冷（例えば空冷）して、平衡状態図にほぼ従って生成した組織である。
このように、標準組織としたり、ベイナイトと標準組織との混合組織としたりしても、高周波焼入れ後の熱処理変形を低減できる。
本発明の別の実施形態として、表面炭素濃度が０．４５ｍａｓｓ％〜０．６０ｍａｓｓ％未満となる浸炭処理を行った後、Ａr1点以下の温度で恒温変態させ、次に高周波誘導加熱焼入を行うようにしてもよい。
このように、Ａr1点以下の温度で恒温保持後高周波誘導加熱焼入を行うことによって、高周波焼入れ後の熱処理変形をより一層低減できる。
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、等速自在継手用部品として以外に、内輪や外輪等であってもよい。また、等速自在継手用部品がケージの場合、ポケット数としては、８個に限るものではなく、その増減は任意であるが、８個や６個とするのが、ボールＰＣＤを小さくしてコンパクト化を図る上で有効である
次に実施例を示す。材質がＳＣｒ４１５（主要化学成分 ０．１６Ｃ−０．２０Ｓｉ−０．７Ｍｎ−０．０２Ｐ−０．０２５Ｓ−１．０Ｃｒ）を使用したケージ（第１〜第６のサンプルと従来品）を製造し、これらを、図１に示す等速自在継手に組み込んで準静捩り試験を試供した。次の表１に各サンプルと従来品との性状を示す。表１において、ＣＰｃ値は浸炭時のカーボンポテンシャルであり、ＣＰｄ値は浸炭拡散工程のカーボンポテンシャルであり、ＴＩＱは高周波加熱温度である。なお、表１において、サンプル２、３、４が本発明に対応し、浸炭焼入れのみの欄のものが従来品であり、サンプル１、５、６が比較品である。
図８に従来品の熱処理条件を示し、図４にサンプル１〜サンプル６の熱処理条件を示している。また、高周波加熱装置は、１０ｋＨｚ、出力１０ｋＷでケージの外周より加熱するものを使用した。準静捩り試験の試験結果を図５に示す。この図５から分かるように、炭素量が０．６ｍａｓｓ％を切ると、強度が著しく増加することが分かる。なお、図５において、No,１の◇がサンプル１を示し、No,２の◇がサンプル２を示し、No,３の◇がサンプル３を示し、No,４の◇がサンプル４を示し、No,５の◇がサンプル５を示し、No,６の◇がサンプル６を示し、＊は従来品を示している。準静捩り試験は、実車状況を考慮して等速自在継手に回転を与えながらトルクを加えて破壊トルクを測定する試験である。図９は従来の浸炭品の旧オーステナイト粒の状況を示し、図１０は本発明の前記No,３の旧オーステナイト粒の状況を示す。このように、本発明にかかるサンプル品では粗大化は見られない。
また、ケージを角度８°、回転数１５００ｒｐｍ，トラック面圧１．５ＧＰａで１００ｈｒ運転後、ケージのボール接触部の摩耗量を測定した。その結果を図６に示す。この図６から分かるように、０．４５ｍａｓｓ％になるとケージの摩耗量が増加するため、浸炭時の表面炭素量は、０．４５ｍａｓｓ％から０．６ｍａｓｓ％未満とするのがよい。なお、図６においても、No,１の◇がサンプル１を示し、No,２の◇がサンプル２を示し、No,３の◇がサンプル３を示し、No,４の◇がサンプル４を示し、No,５の◇がサンプル５を示し、No,６の◇がサンプル６を示している。
また、浸炭焼入れのみしたケージと、浸炭後徐冷し高周波焼入れしたケージと、浸炭後３５０℃のソルトバスで恒温３０分保持後、空冷し高周波焼入れしたケージとを、試作した。浸炭と高周波焼入れの条件は、前記サンプル４と同じである。この３種類のケージの窓（ポケット）の幅の変化量を測定し、恒温保持したケージの変化量を１００としたときの各ケージの変化量を図７に示した。この図７に示すように、浸炭後徐冷したものが１２５程度であり、浸炭後焼入れしたものが１４０程度であり、これらが恒温保持したものに比べて大きく窓幅の変化量が大きいことが分かる。
本発明の実施形態を示す等速自在継手用部品の製造方法で製造した部品を用いた等速自在継手の断面図である。 前記等速自在継手用部品であるケージの断面図である。 前記等速自在継手用部品であるケージの側面図である。 前記等速自在継手用部品の製造方法の熱処理条件を示すグラフ図である。 前記等速自在継手用部品の表面炭素量と準静捩り強度との関係を示すグラフ図である。 前記等速自在継手用部品の表面炭素量とケージ転走面の摩耗量との関係を示すグラフ図である。 前記等速自在継手用部品であるケージの窓幅の変化量を示すグラフ図である。 従来の熱処理条件を示すグラフ図である。 従来品の旧オーステナイト粒の顕微鏡写真である。 実施例のNo,３の旧オーステナイト粒の顕微鏡写真である。
符号の説明
１５ 鋭角部

Claims (4)

  1. 冷間塑性加工を行った後、機械加工で鋭角部が形成される等速自在継手用部品であって、肌焼鋼を用いて、浸炭焼入れ後短時間2次焼入れ処理により、表面に０．４５ｍａｓｓ％〜０．６０ｍａｓｓ％未満の炭素濃度を有し、旧オーステナイト粒の混粒の生成がないことを特徴とする等速自在継手用浸炭部品。
  2. 鋭角部を有する等速自在継手用部品を製造する等速自在継手用部品製造方法であって、
    冷間塑性加工を行った後、機械加工で前記鋭角部を形成し、その後、表面炭素濃度が０．４５ｍａｓｓ％〜０．６０ｍａｓｓ％未満となる浸炭処理を行った後焼入れを行い、次に高周波誘導加熱焼入を行うことを特徴とする等速自在継手用部品製造方法。
  3. 鋭角部を有する等速自在継手用部品を製造する等速自在継手用部品製造方法であって、
    冷間塑性加工を行った後、機械加工で前記鋭角部を形成し、その後、表面炭素濃度が０．４５ｍａｓｓ％〜０．６０ｍａｓｓ％未満となる浸炭処理を行った後、Ａr1点以下まで徐冷し、ベイナイト、標準組織、又はベイナイトと標準組織との混合組織とし、次に高周波誘導加熱焼入を行うことを特徴とする等速自在継手用部品製造方法。
  4. 鋭角部を有する等速自在継手用部品を製造する等速自在継手用部品製造方法であって、
    冷間塑性加工を行った後、機械加工で前記鋭角部を形成し、その後、表面炭素濃度が０．４５ｍａｓｓ％〜０．６０ｍａｓｓ％未満となる浸炭処理を行った後、Ａr1点以下の温度で恒温変態させ、次に高周波誘導加熱焼入を行うことを特徴とする等速自在継手用部品製造方法。
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