JP2010247188A - 等速ジョイント用外輪の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】等速ジョイント用外輪の製造方法において鍛造用金型のダイの寿命の向上を図ることにより、安定した等速ジョイント用外輪の製造を図る。
【解決手段】パンチ１３と、内面にＣｒＮ層とＴｉＡｌＮ層との積層構造を有する被膜１１を形成したダイ１２とを備えた鍛造用金型を使用し、ダイ１２内にワーク１０を挿入した後、そのワーク１０を後方押し出し成形する。ダイ１２の内面の被膜１１は、硬質のＴｉＡｌＮ層を軟質で密着性の良いＣｒＮ層で挟み込む構造であるため、ＴｉＡｌＮ層は剥離し難い。また、ダイ１２とワーク１０が摺動する部位においては、最表層のＣｒＮ層が優先的に摩耗しても、その下から硬質のＴｉＡｌＮ層が出現し、ダイ１２の寿命が向上する。これにより、安定した等速ジョイント用外輪の製造が図られる。
【選択図】図１

Description

この発明は、パンチと、ワークの外面を成形するダイとを備えた鍛造用金型を使用し、そのダイ内にワークを挿入し、パンチで加圧して成形する等速ジョイント用外輪の製造方法に関するものである。

一般に、自動車部品である等速ジョイント用外輪は、パンチとワークの外面を成形するダイとを備えた鍛造用金型のダイ内にワークを挿入し、パンチで加圧して鍛造することにより製造されている。

この鍛造工程では、一度の鍛造加工によるワークのダイに対する摺動距離が長く、表面積拡大比（鍛造により生じた新生面を加えたワークの表面積の、鍛造前の表面積に対する比率）が大きい。このため、潤滑剤による被膜が摺動時に追従しきれず、ワークとダイとの間に金属接触が生じ易い。また、ワークの摺動によってダイが摩耗し、あるいは一部が欠損する、いわゆるかじりが発生することもある。

鍛造時で加熱されるワークの温度は、通常、７００〜９００℃であり、更に摺動による発熱が大きいため、熱衝撃が大きくヒートクラックが発生しやすい。さらに、ワークの外面を形成するダイの構造上、潤滑剤を均一に付着させることが難しい。

このように、自動車の等速ジョイント用外輪の鍛造工程は、ダイに対して過酷な鍛造条件であり、かじりやヒートクラックの発生を抑制するために、従来から、ダイの内面に窒化層を形成したり、硬質膜をコーティングしたりする手法が多数提案されている。

例えば、ダイの母材の内面にイオン窒化処理により窒化層を形成し、その窒化層の上にＰＶＤ法によりＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、ＴａおよびＣｒの少なくとも１種の窒化物、炭化物あるいは炭窒化物からなる硬質膜をコーティングする手法（特許文献１参照）、ダイの母材の内面に窒化処理により窒化層を形成し、その窒化層の上にＣｒＮとＴｉＮとを積層した硬質膜をコーティングする手法（特許文献２参照）、または、ダイの母材の内面にチタン、クロムおよびアルミニウムの合金の窒化物によって構成される硬質膜をコーティングする手法（特許文献３参照）などが提案されている。

特許第２９８９７４６号公報 特許第３１５４４０３号公報 特開２０００−３８６５３号公報

しかし、特許文献１〜３に記載された硬質膜を形成した鍛造用金型のダイは、上述の自動車の等速ジョイント用外輪の鍛造工程のような過酷な鍛造条件下では、その硬質膜が早期に剥離、摩耗する。このため、被膜としての機能に対する要求を満たすものでなく、鍛造用金型のダイの十分な寿命が得られない。その結果、生産性の低下や、製造コストの上昇を招き、安定した等速ジョイント用外輪の製造が図れない。

そこで、この発明の課題は、鍛造用金型のダイの寿命の向上を図ることにより、安定した等速ジョイント用外輪の製造を図ることである。

前記課題を解決するために、この発明の等速ジョイント用外輪の製造方法では、パンチと、内面にＣｒＮ層とＴｉＡｌＮ層との積層構造を有する被膜を形成したダイとを備えた鍛造用金型を使用し、前記ダイ内にワークを挿入した後、前記ワークを後方押し出し成形するようにしたのである。

この鍛造用金型のダイの内面の被膜は、硬質のＴｉＡｌＮ層と、このＴｉＡｌＮ層よりも軟質で密着性の良いＣｒＮ層とが積層する構造を有している。この構造では、硬質のＴｉＡｌＮ層を、軟質の密着性の良いＣｒＮ層で挟み込むので、ＴｉＡｌＮ層は容易に剥離しにくくなる。

また、鍛造用金型のダイの摩耗が激しい部位においては、最表層のＣｒＮ層が優先的に摩耗しても、その下から硬質のＴｉＡｌＮ層が出現する。その結果、被膜の耐剥離性、耐摩耗性が維持され、ワークとダイの表面との間の摺動による被膜の剥離、摩耗を抑制することができ、ダイの寿命が向上する。

前記製造方法において、前記ダイ内のワークを前記パンチで加圧してカップ部を形成し、その後、ノックアウトピンにより押し出して、前記ダイから成形品を取り出すようにすることができる。

このようにすると、パンチにより加圧されたワークの肉がパンチの加圧方向の後方側に押し出されて、カップ部が形成される後方押し出し成形が行われる。後方押し出し成形は、通常、ワークのダイに対する摺動距離が長く、表面積拡大比が大きい成形である。上述のように内面に耐剥離性、耐摩耗性の優れた被膜を備えたダイは、後方押し出し成形に適しており、その被膜が剥離、摩耗しにくく、寿命の向上が図られて、等速ジョイント用外輪の生産性が向上する。ここで、表面積拡大比とは、鍛造により生じた新生面を加えたワークの表面積の、鍛造前の表面積に対する比率をいう。

また、前記ダイの被膜の全体膜厚を、２〜１０μｍとすることができる。被膜の剥離、摩耗の抑制効果の面から下限として２μｍ必要であり、上限としては応力割れの問題があるため、１０μｍ以下が好ましいからである。

さらに、前記ダイの被膜は、ＣｒＮ層とＴｉＡｌＮ層とが交互に積層されその積層数が１μｍ当り３〜５００とすることができる。このように積層することにより、外側の層が摩耗して消失しても、次の層が表出して、耐摩耗性、耐剥離性が維持される。

ここで、被膜の積層数が２以下であれば、ＣｒＮ層とＴｉＡｌＮ層の単層に近い特性となるので、積層による効果が得られない。積層数が５００を超えると、積層数の増加による効果が変わらず、積層数を増やすために、例えば、成膜装置に設置するターゲットを増設するか、あるいは被成膜部材を載せるターンテーブルの回転速度を上げる必要があり、成膜装置が大掛かりになる。

また、後方押し出し成形時、被膜とダイの母材との界面での応力集中による剥離を防止し、耐剥離性を向上させるために、前記ダイの母材を鉄系素材により形成し、そのダイの母材と前記被膜の間に中間窒化層を有するものとすることができる。

前記ダイの被膜は、その成膜方法として、例えば、ＣｒターゲットとＴｉＡｌターゲットとを用いたＰＶＤ法（物理蒸着法）を適用することができる。ＰＶＤ法を適用すると、成膜するダイの母材への熱影響、ダイに発生する熱歪みや変形等を抑制することができ、成形品である等速ジョイント用外輪の寸法精度が向上する。

また、鍛造時、ダイの母材と被膜との界面での応力集中による被膜剥離を防止し、耐剥離性を向上させるために、前記ダイの母材を鉄系素材により形成し、前記ダイがその母材と前記被膜の間に中間窒化層を有するものとすることができる。

中間窒化層を形成する窒化処理は、その方法としてガス窒化法、塩浴窒化法など種々考えられるが、例えば、プラズマを用いた窒化処理を採用することができる。

このプラズマを用いた窒化処理は、プラズマによりイオン化されたガス成分を高速に加速し、金型母材表面に衝突させて、これを加熱し、同時にスパッタリング作用等により窒化することで行われる。このようなプラズマを利用した窒化処理を施すことで、ダイの母材表面に酸化層が形成され難くなり、特別な前処理の必要がなく窒化を行うことができるとともに、処理時間を著しく短縮することができる。

また、鍛造用金型は、ワークに対して大きい塑性変形を伴う鍛造による成形、例えば、ワークの外面形成金型に対する摺動距離が長く、表面積拡大比が大きい後方押し出し成形に適しており、具体的には、ワークを表面積拡大比が４〜１０となるように成形するときに使用することができる。

さらに、前記ワークをＪＩＳ Ｇ ４０５１に規定されるＳ４０Ｃ、Ｓ４３Ｃ、Ｓ４５Ｃ、Ｓ４８Ｃ、Ｓ５０Ｃ、Ｓ５３Ｃ、Ｓ５５Ｃ、またはＳ５８Ｃから選択される一の機械構造用炭素鋼とした構成を採用することができる。

機械構造用炭素鋼を素材とするワークを温間または熱間鍛造しても、ダイの被膜は耐剥離、耐摩耗性が維持され、例えば、そのワークを６００〜１０００℃に加熱して成形することが可能である。

以上のように、この発明の等速ジョイント用外輪の製造方法では、鍛造用金型のダイの内面に耐摩耗性と耐剥離性に優れた被膜を備えているので、鍛造工程において、その被膜の剥離、摩耗を抑制することができ、鍛造用金型のダイの寿命が向上し、成形品の生産性が向上して、安定した等速ジョイント用外輪の製造を図ることが可能となる。

（ａ）この発明の実施例の押し出し成形中の状態を示す縦断面図、（ｂ）同上の実施例の押し出し成形後の状態を示す縦断面図 同上の実施例により製造された等速ジョイント用外輪を示す斜視図 評価試験機の概略図

以下、この発明の等速ジョイント用外輪の製造方法の実施例を図１および図２に基づいて説明する。

この実施例は、図１に示すように、パンチ１３と、内面にＣｒＮ層とＴｉＡｌＮ層との積層構造を有する被膜１１を形成したダイ１２とを備えた鍛造用金型を使用し、ダイ１２内にワーク１０を挿入した後、ワーク１０を後方押し出し成形して、等速ジョイント用外輪を成形する。

すなわち、自動車部品としての等速ジョイント用外輪の製造方法としては、まず、機械構造用炭素鋼製のワーク１０を所要温度（例えば、８００℃）に加熱し、表面に被膜１１を備える鍛造用金型内に配置する。

その後、ワーク１０に対してパンチ１３により加圧することにより（図１（ａ）参照）、ワーク１０の肉をパンチ１３の加圧方向の後方側に押し出してカップ部１６を形成する後方押し出し成形を行う（図１（ｂ）参照）。

後方押し出し成形後、ノックアウトピン１４により成形品を鍛造用金型から取り出し、カップ部１６の一端に軸１７が一体に形成された等速ジョイント用外輪１５が成形される（図２参照）。

この実施例で成形されるワーク１０は、機械構造用炭素鋼であればよいが、ＪＩＳ Ｇ ４０５１に規定されるＳ４０Ｃ、Ｓ４３Ｃ、Ｓ４５Ｃ、Ｓ４８Ｃ、Ｓ５０Ｃ、Ｓ５３Ｃ、Ｓ５５Ｃ、Ｓ５８Ｃから選択される一の機械構造用炭素鋼が好ましい。

また、この実施例で使用する鍛造用金型のダイ１２は、その母材として、超硬合金、セラミックス、冷間ダイス鋼、熱間ダイス鋼、高速度工具鋼または鋳鉄を採用することができる。

ダイ１２の母材の表面に形成される被膜１１は、硬質のＴｉＡｌＮ層と、このＴｉＡｌＮ層よりも軟質で密着性の良いＣｒＮ層とが交互に積層する構造をなし、その全体膜厚が２〜１０μｍであり、ＣｒＮ層とＴｉＡｌＮ層との積層数は、１μｍ当り３〜５００となっている。

このため、鍛造時、被膜１１のワーク１０が摺動する部位では、最表層のＣｒＮ層が優先的に摩耗しても、その下から硬質のＴｉＡｌＮ層が出現するため、被膜１１は優れた耐剥離性、耐摩耗性が維持され、ダイ１２の寿命が向上する。

ダイ１２の被膜１１の成膜方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、ＣｒターゲットとＴｉＡｌターゲットを用いたＰＶＤ法（物理蒸着法）を適用することができる。ＰＶＤ法としては、アークプラズマ式イオンプレーティング、ホローカソード式イオンプレーティング、アンバランスド・マグネトロン・スパッタリングなどを採用することができる。

また、鍛造用金型のダイ１２の母材を、上述した冷間ダイス鋼、熱間ダイス鋼、高速度工具鋼または鋳鉄などの鉄系素材により形成した場合、その母材に対する被膜１１の耐剥離性を向上させるために、母材と被膜１１との間に中間窒化層を形成することができる。

この中間窒化層を形成する窒化処理の方法としては、母材の表面に硬い窒化層が形成されるものであれば特に限定されないが、処理時間の観点からプラズマ窒化法とすることが好ましい。

この実施例の鍛造による後方押し出し成形は、ワーク１０の表面積拡大比が大きく、また、ワーク１０の肉がダイ１２の被膜１１に対して摺動するとともに、熱衝撃の加わる熱間鍛造である。このような鍛造条件で使用されるダイ１２は、その被膜１１が優れた耐摩耗性、耐剥離性を有するため、ヒートクラック、かじり等の発生が抑制され、寿命が向上する。これにより、生産性が向上し、安定した等速ジョイント用外輪の製造を図ることができる。

この発明の効果を確認するために、本発明者が行った試験について説明する。この試験は、実施例で使用される鍛造用金型のダイの被膜についての耐久性を評価するものである。

実験例１、２および比較例１〜４は、下記の試験片にイオン窒化処理を施して中間窒化層を形成し、その中間窒化層上に被膜を形成したものである。この被膜は、金属成分の蒸発源である各種金属製ターゲットならびに反応ガスとしてＮ_２ガスをベースに、各種ＰＶＤ法により形成される。この被膜を形成した試験片をパンチ試験片とした。

（試験片）
材質：高速度工具鋼（日立金属(株)製 商品名ＹＸＲ７、標準熱処理品）
サイズ：直径１０ｍｍ、長さ５０ｍｍ

得られたパンチ試験片について、その被膜の耐久性を評価する摩擦摩耗試験を行った。試験条件、試験方法は以下に示す。

この試験方法としては、図３に示す試験機を使用し、角柱状のワーク２０を送り出し装置２１により架台２２上を間欠直線運動させ、機械式プレス機２３に設置したパンチ試験片２４を連続的にワーク２０に押し込み、凹部を形成する鍛造加工を行い、その鍛造加工によってパンチ試験片２４の被膜に対しワーク２０を摺動させるようにしたものである。このワーク２０はヒータ２５により鍛造加工前に所定の温度に加熱される。

また、この試験は短期間で試験結果を得るために無潤滑条件で行い、パンチ試験片２４の温度を所要の範囲内に調節するために、パンチ試験片２４に冷却水をエアスプレーガン２６により吹き付ける。

各パンチ試験片２４に対して鍛造加工を１０００ショット行い、試験前後のパンチ試験片２４の摺動部（鍛造によりワーク２０が摺動する部分）の断面曲線を測定し、画像解析によって、パンチ試験片２４の断面における摩耗面積を算出することにより評価した。

（試験条件）
表面積拡大比：５
ワーク材質：Ｓ５０Ｃ
ワーク温度：８００℃
潤滑剤：なし（水のみエアスプレーガンにより吹きつけ）
ショット数：１０００回

表１に実験例および比較例に関する被膜の詳細と、各種評価の結果を示す。

この試験結果としては、表１に示すように、実験例１、２は、比較例１〜４と比して、摩耗面積が小さく、耐摩耗性に優れていることが確認できた。また、実験例１、２および比較例１〜４について被膜の剥離、およびクラックは認められなかった。

以上のように、実験例１、２は、その表面にＣｒＮ層とＴｉＡｌＮ層との積層構造を有する被膜を備えているので、優れた耐摩耗性、耐剥離性を有し、鍛造用金型のダイの寿命を向上させることが可能となり、この鍛造用金型を使用することで、安定した等速ジョイント用外輪の製造を図ることができる。

１０、２０ ワーク
１１ 被膜
１２ ダイ
１３ パンチ
１４ ノックアウトピン
１５ 等速ジョイント用外輪
１６ カップ部
１７ 軸
２１ 送り出し装置
２２ 架台
２３ 機械式プレス機
２４ パンチ試験片
２５ ヒータ
２６ エアスプレーガン

Claims (10)

1. パンチと、内面にＣｒＮ層とＴｉＡｌＮ層との積層構造を有する被膜を形成したダイとを備えた鍛造用金型を使用し、前記ダイ内にワークを挿入した後、前記ワークを後方押し出し成形する等速ジョイント用外輪の製造方法。
2. 前記ダイ内のワークを前記パンチで加圧してカップ部を形成し、その後、ノックアウトピンにより押し出して、前記ダイから成形品を取り出す請求項１に記載の等速ジョイント用外輪の製造方法。
3. 前記ダイの被膜の全体膜厚を２〜１０μｍとした請求項１または２に記載の等速ジョイント用外輪の製造方法。
4. 前記ダイの被膜は、ＣｒＮ層とＴｉＡｌＮ層とが交互に積層されその積層数が１μｍ当り３〜５００である請求項１から３のいずれか１つに記載の等速ジョイント用外輪の製造方法。
5. 前記ダイの被膜を、ＣｒターゲットとＴｉＡｌターゲットとを用いたＰＶＤ法により成膜した請求項１から４のいずれか１つに記載の等速ジョイント用外輪の製造方法。
6. 前記ダイの母材を鉄系素材により形成し、前記ダイがその母材と前記被膜の間に中間窒化層を有する請求項１から５のいずれか１つに記載の等速ジョイント用外輪の製造方法。
7. 前記中間窒化層をプラズマを用いた窒化処理により形成した請求項６に記載の等速ジョイント用外輪の製造方法。
8. 前記鍛造用金型を、そのダイ内のワークを表面積拡大比が４〜１０となるように成形するときに使用する請求項１から７のいずれか１つに記載の等速ジョイント用外輪の製造方法。
9. 前記ダイ内のワークを、ＪＩＳ Ｇ ４０５１に規定されるＳ４０Ｃ、Ｓ４３Ｃ、Ｓ４５Ｃ、Ｓ４８Ｃ、Ｓ５０Ｃ、Ｓ５３Ｃ、Ｓ５５Ｃ、またはＳ５８Ｃから選択される一の機械構造用炭素鋼とした請求項１から８のいずれか１つに記載の等速ジョイント用外輪の製造方法。
10. 前記ダイ内のワークを６００〜１０００℃に加熱して成形をする請求項９に記載の等速ジョイント用外輪の製造方法。

Images