WO2007102533A1

WO2007102533A1 - 機械要素、等速自在継手及びそれらの製造方法

Info

Publication number: WO2007102533A1
Application number: PCT/JP2007/054406
Authority: WO
Inventors: Kazuhiko Yoshida
Original assignee: Ntn Corporation
Priority date: 2006-03-07
Filing date: 2007-03-07
Publication date: 2007-09-13

Abstract

　本発明は、高周波焼入れ後のスケール除去加工が不要でインライン化対応が可能となり、コストの低減を達成でき、しかも、高周波焼入れ後の変形を減少させることができ、高温雰囲気中での耐久寿命を延ばすことができる機械要素およびその製造方法を提供する。本発明は、転動体が転動する転動溝を有し、少なくとも転動溝の溝表層を高周波焼入れにより硬化層とした機械要素である。転動溝の硬化層に母材の炭素濃度よりも増加させて浸炭層を形成した。浸炭層は油中にて高周波焼入れを行って形成する。

Description

明細書

機械要素、等速自在継手及びそれらの製造方法

技術分野

[0001] 本発明は、自動車、産業用の転動体が転動する溝を有する機械要素、等速自在継手及びそれらの製造方法に関するものである。

背景技術

[0002] 転動体が転動する溝を有する機械要素として、たとえばボールねじや等速自在継手がある。ボールねじは、一般的には、図 8に示すように、外周面に螺旋状の転動溝 102を有する軸部材 101と、内周面に前記軸部材 101の転動溝 102に対応した螺旋状の転動溝 103を有するナット部材 104と、前記両転動溝 102、 103の間に転動自在に介装されている複数の転動体 105とを備える。そして、軸部材 101 (またはナット部材 104)の回転動力を、転動体 105を介してナット部材 104 (または軸部材 101 )の推力に変換するものである。一方、等速自在継手には例えばダブルオフセット型等速自在継手やトリボード型等速自在継手などが知られてレ、る。トリボード型等速自在継手ではトルク伝達部材としてローラが用いられ、その他の等速自在継手ではトノレク伝達部材としてボールが用いられる。

[0003] ボールねじのボール転動溝、等速自在継手のローラ摺接面あるいは等速自在継手の内外輪相互の摺接面における耐摩耗性を向上させるために、これらの表面に高周波焼入れをしたものがある。

[0004] 高周波焼入れをするとその焼入面に酸化スケールが生成する。このスケールにより面粗さが低下して寿命が低下する問題があった。また、このスケールは剥がれ落ちたり、肉厚が一定でなかったりするので、寸法精度の低下と寸法ばらつきが増加する問題もあった。球状の転動体が作動する場合、点状の接触状態 (純転がりに近い状態）で作動するため、焼入れ時に生じたスケール等の異物が接触面に嚙み込んだりしてレ、ると、転動体の動きが急変し異音が発生しやすくなる。このため、スケールの除去は必須工程となる。

[0005] 従来、熱処理にて発生したスケールを除去するためにバフ処理を施すものがある（特許文献 1)。すなわち、中炭素鋼を用いて転造力卩ェを行い、その後、転動溝の溝表層を高周波焼入れにより HRC55〜62の範囲の硬化処理を行った後、バフ処理を行つていた。また、プレス機等で転造カ卩ェ及び高周波焼入れ工程で生じた変形を矯正するため高周波焼入れ後に曲がり矯正をする必要があり、コスト増加を招く場合がある。

[0006] また、高周波焼入後に電解研磨によりスケール除去と仕上げを実施するものもある

(特許文献 2)。さらに、高周波焼入時の冷却水の圧力を高めてスケールを除去するものもある（特許文献 3)。

[0007] さらに、非特許文献 1には、真空油焼入れにより表層に残留オーステナイトを生成し

、耐摩耗性を向上させることができる真空油焼入れにより生成した白層（残留オーステナイト）を有する高速度鋼につレ、ての記載がある。

特許文献 1 :特開 2003— 119518号公報

特許文献 2 :特開 2003— 25152号公報

特許文献 3 :特開 2002— 129231号公報

特許文献 4 :特開平 10— 148216号公報

特許文献 5：特開平 5— 240253号公報

非特許文献 1 :論文「真空油焼入れにより生成した白層を有する高速度鋼の耐摩耗性について」金属学会誌 41卷（1977)第 639頁〜第 646頁

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] し力しながら、特許文献 2に記載のものでは、後に生じるスケールをバフ処理にて処理する場合、パフ加工のみでは、完全にスケールを除去しきれない場合があり、し力も、加工時間が長いという問題があった。また、引用文献 2に記載のものは、電解研磨によりスケールを除去する場合、完全にスケールを除去できるものの、加工時間が大幅に長ぐ表面の面荒れ、化学反応熱による表層の軟化などの問題があった。さらに、引用文献 3のものでは、高周波焼入れ時の冷却水の圧力で除去するものの、スケールを均一に除去できず、微小な黒色のスケールが斑点状に残り、完全にスケール除去加工を廃止できないという問題があった。 [0009] また、この様な高周波焼入されるボールねじにおいて、熱処理後の変形やスケールの発生を抑制すれば、振動の問題は解決する。しかし、高周波焼入部品を、高温の雰囲気（エンジン内または周辺やブレーキ付近など）で使用すると、軟化し転動寿命が低下する問題がある。すなわち、高周波焼入の表面硬度は、マルテンサイトの生成による組織的な圧縮残留応力による硬さに依存するので、このような高周波焼入部品を高温雰囲気で使用すると、圧縮残留応力による硬さが急減し、表面硬度が低下する。このため、この硬度低下により転動寿命が低下することになる。

[0010] さらに、高温で長時間加熱し真空浸炭処理をすれば、高温での軟化抵抗を高めることができる力 s、長時間の処理でインラインィ匕ができず効率の悪い処理となっていた。また、もともと炭素を多く含む材料を使用し真空焼入れするとスケールが無ぐ軟化抵抗も増加するが、高炭素の材料となり、溝部の冷間加工性が著しく低下する問題がある。

[0011] なお、非特許文献 1では、転動する溝を有する機械要素ではないが、真空油焼入れを行って、耐摩耗性の向上を図ることが記載されている。し力しながら、真空油焼入れでは、真空装置が必要であるが装置自体が高価であり、インライン化に対応できない問題がある。

[0012] 本発明は、上記課題に鑑みて、高周波焼入れ後のスケール除去加工が不要でインライン化対応が可能となり、コストの低減を達成でき、しかも、高周波焼入れ後の変形を減少させることができ、高温雰囲気中での耐久寿命を延ばすことができる機械要素と等速自在継手およびそれらの製造方法を提供する。

課題を解決するための手段

[0013] 本発明の機械要素は、転動体が転動する転動溝を有し、少なくとも転動溝の溝表層を高周波焼入れにより硬化層とした機械要素において、前記転動溝の溝表層を母材の炭素濃度よりも増加させて浸炭層を形成したものである。

[0014] 本発明の機械要素では、浸炭層は、その組織が母材 (硬化層以外の部位）より炭素濃度が増加している。これは、雰囲気の油から転動溝の表面に炭素が拡散 (浸炭）したためである。この浸炭により酸化反応が抑制されてスケールの発生が抑制されている。炭素量の増加により、浸炭層（硬化層）は通常の高周波焼入れされた表面硬さより高くなる。

[0015] 浸炭層の表面には残留オーステナイトが生成されている。これにより、耐なじみ性向上と面圧の緩和効果により寿命はさらに向上する。

[0016] 本発明の機械要素は、素形材に冷間加工にて転動溝を成形した後、油中にて高周波焼入れを行って、前記転動溝の溝表層に母材の炭素濃度よりも増加させて浸炭層を形成することにより製造される。

[0017] 本発明の機械要素の製造方法では、油中における高周波焼入れにて、形成される硬化層の浸炭層は、炭素が拡散 (浸炭)して母材 (硬化層以外の部位)より炭素濃度が増加する。このため、硬化層では酸化反応が抑制されてスケールの発生が抑制されている。また、この浸炭による炭素量の増加にて、硬化層は通常の高周波焼入れされた表面硬さより高くなる。

[0018] 本発明のトリボード型等速自在継手は、少なくとも外側継手部材のローラ摺接面を、高周波焼入れ後の仕上げ加工を行わない摺接面に、浸炭焼入れ層を形成したものである。ここで、「少なくとも外側継手部材のローラ摺接面」とは、外側継手部材のロ一ラ摺接面だけでなぐ内側継手部材のローラ摺接面にも前記硬化層を形成してよレ、ことを意味する。

[0019] 本発明のトリボード型等速自在継手では、少なくとも外側継手部材のローラ摺接面に高周波焼入れにより形成された浸炭焼入れ硬化層は、その組織が母材 (硬化層以外の部位）より炭素濃度が増加している。これは、高周波焼入れ雰囲気の油からローラ摺接部位の表面に炭素が拡散 (浸炭）したためである。この浸炭により酸化反応が抑制されてスケールの発生が抑制されている。

[0020] また、この浸炭により、この硬化層は通常の高周波焼入れされた表面硬さより高くなる。この硬さは、炭素量の増加によるものであり、高温雰囲気での軟化抵抗が増加し、初期の硬さが維持され、耐摩耗性ゃ耐剥離性が向上し、転動寿命が増加する。

[0021] 高周波浸炭焼入れ硬化層の表面には残留オーステナイトが生成されている。これにより、耐なじみ性向上と面圧の緩和効果により寿命はさらに向上する。

[0022] 本発明のトリボード型等速自在継手の製造方法は、少なくとも外側継手部材のローラ摺接面に、油中にて高周波焼入れを行って、浸炭焼入れ硬化層を形成するものである。

[0023] 本発明のトリボード型等速自在継手の製造方法では、油中における高周波焼入れにて、形成される硬化層は、油の炭素が拡散（浸炭）して母材 (硬化層以外の部位）より炭素濃度が増加する。このため、硬化層では酸化反応が抑制されてスケールの発生が抑制される。

[0024] また、この浸炭による炭素量の増加にて、硬化層は通常の高周波焼入れされた表面硬さより高くなる。このため、高温雰囲気での軟化抵抗が増加し、長時間使用後も初期の硬さが維持され、耐摩耗性ゃ耐剥離性が向上し、転動寿命が増加する。

[0025] 本発明では、高周波浸炭焼入れ硬化層を形成することによって、この硬化層でのスケールの発生が抑制され、寸法精度が向上する。このため、外輪の完成品を多くの寸法ランクに層別する必要がなくなり、内輪（内側継手部材）とのマッチングの組合せを減少させることができ、製造工程が簡略化する。また、寸法精度の向上により、外輪 (外側継手部材)ひいてはこの外輪を使用した等速自在継手の品質バラツキの低減が可能となる。さらに、摺接面材料を低炭素鋼にしても、必要な表面硬度が得られる。このため、素材を低炭素化でき、変形能が向上し、型寿命が向上する。また、高周波焼入れの短時間処理で残留オーステナイトが生成するため、転動寿命も向上する。

[0026] 本発明の摺動型等速自在継手は、外側継手部材および内側継手部材の少なくともどちらか一方の高周波熱処理後の仕上げ力卩ェを行わない摺動部位に、浸炭焼入れ層を形成したものである。

[0027] 本発明の摺動型等速自在継手では、浸炭焼入れ層の炭素濃度が母材 (硬化層以外の部位）より増加している。これは、高周波焼入れの雰囲気の油から摺動部位の表面に炭素が拡散（浸炭）したためである。この浸炭により酸化反応が抑制されてスケールの発生が抑制されてレ、る。

[0028] また、この浸炭により、この硬化層は通常の高周波焼入れされた表面硬さより高くなる。この硬さは、炭素量の増加によるものであり、高温雰囲気での軟化抵抗が増加し、初期の硬さが維持され、耐摩耗性ゃ耐剥離性が向上し、転動寿命が増加する。

[0029] 表面硬化層の表面には残留オーステナイトが生成されている。これにより、耐なじみ性向上と面圧の緩和効果により寿命はさらに向上する。

[0030] 本発明の摺動型等速自在継手は、外側継手部材および内側継手部材の少なくともどちらか一方の摺動部位に、油中にて高周波焼入れを行って、高周波浸炭焼入れ硬化層を形成することにより製造される。

[0031] 本発明の摺動型等速自在継手の製造方法では、油中における高周波焼入れにて、形成される硬化層は、油の炭素が拡散 (浸炭）して母材 (硬化層以外の部位)より炭素濃度が増加する。このため、硬化層では酸化反応が抑制されてスケールの発生が抑制されている。

[0032] また、この浸炭による炭素量の増加にて、硬化層は通常の高周波焼入れされた表面硬さより高くなる。このため、高温雰囲気での軟化抵抗が増加し、長時間使用後も初期の硬さが維持され、耐摩耗性ゃ耐剥離性が向上し、転動寿命が増加する。

[0033] 本発明では、スケールの発生が抑制され、スライド抵抗を低減させることができ、車両の振動を低減できる。また、油中高周波焼入れにより、表面より浸炭されて高硬度となって、耐焼き付き性が向上する。さらに、材料を低炭素鋼にしても、必要な表面硬度が得られる。このため、素材を低炭素化でき、変形能が向上し、型寿命が延びる。また、高周波焼入れの短時間処理で残留オーステナイトが生成するため、初期なじみ性が向上し、運転初期時のスライド抵抗を安定して低減させることができる。

発明の効果

[0034] 本発明はスケールの発生を抑制することができる。しかも、浸炭層は炭素量の増加により表面硬さが高くなり、高温雰囲気での軟化抵抗が増加し、初期の硬さが維持され、耐摩耗性ゃ耐剥離性が向上し、転動寿命が増加する。また、素材を低炭素鋼にしても必要な表面硬度が得られる。このため、素材を低炭素化できることから素材の変形能が向上し、浸炭と同様に冷間加工も可能となる。すなわち、本発明では、高周波焼入れ後のスケール除去加工が不要でインライン化対応が可能となり、コストの大幅低減を達成できる。しかも、高周波焼入れ後の変形を大幅に減少させることができ、高温雰囲気中での耐久寿命（転動寿命）を大幅に延ばすことができる。

発明を実施するための最良の形態

[0035] 以下、本発明を機械要素としてのボールねじに適用した実施形態と等速自在継手に適用した実施例を図に基づいて説明する。

[0036] 図 1は、本発明に係る機械要素としてのボールねじを示している。ボールねじは、外周面に螺旋状の転動溝 5を有する軸部材 1と、内周面に前記軸部材 1の転動溝 5に対応した螺旋状の転動溝 4を有するナット部材 3と、前記両転動溝 4、 5の間に転動自在に介装されている複数の転動体 6と、前記ナット部材 3に設けられた駒部材 7とを備える。前記駒部材 7は、ナット 3に内外面に貫通して形成された嵌合用開口 8に嵌合している。また、この駒部材 7には連結溝 9が設けられ、この連結溝 9によって、ナツト 3に形成された螺旋状の転動溝 5の隣合う部分同士を連結している。

[0037] 前記連結溝 9により、ねじ軸 2とナット 3の転動溝 4、 5間で形成される螺旋状のボール転送路が周回経路を構成することができ、ボール 6がこの周回経路を循環移動する。なお、ボーノレ 6は、連結溝 9を通過するときは、ねじ軸 2の転動溝（ねじ溝） 5のねじ山を乗り越えることになる。

[0038] この機械要素では、軸部材 2の外周面及びナット部材 3の内周面である転動体 6の接触部位（転動溝 4、 5)の溝表層を硬化層としている。この硬化層は、油中で高周波焼入れを行うことで形成する。例えば、軸部材 2やナット部材 3を油中に浸漬した状態で高周波焼入れを行う。ここで、高周波焼入れとは、焼入れ用コイルに高周波電流を流すことによって、誘導体 (被加工体）の表面部分に誘導電流を生じさせて発熱させ、この熱により被加工体の表面を急速に加熱して焼入れを行う方法である。この場合の高周波加熱の温度は、 900°C以上で 1350°C以下が好ましい。

[0039] 油中での高周波焼入れにより、形成された硬化層（浸炭層）は、その組織が母材（硬化層以外の部位）より炭素濃度が増加する。これは、雰囲気の油から転動体接触部位の表面に炭素が拡散 (浸炭）したためである。この浸炭により酸化反応が抑制されてスケールの発生が抑制される。

[0040] また、硬化層（浸炭層）の硬さは、図 2に示すようになり、通常の高周波焼入れされた表面硬さより高くなつている。これは前記のように浸炭処理されたからであり、この硬さは、図 4に示すように、炭素量の増加によるものである。このため、高温雰囲気での軟化抵抗が増加し、初期の硬さが維持され、耐摩耗性ゃ耐剥離性が向上し、転動寿命が増加する。 [0041] し力も、図 3に示すように、硬化層（図 3における浸炭層）の表面部には、残留オーステナイト（ γ )が多く形成されてレ、る。ここで、残留オーステナイトとは、鋼を焼入れた場合、その鋼のマルテンサイト変態終了温度 (Mf点）が室温以下になると、まだ変態を完了していないオーステナイトは、そのまま焼入れ後も残ることになり、この残ったオーステナイトのことである。この残留オーステナイトは、じん性、転がり疲れ強さを向上させる。このため、硬化層は、耐なじみ性向上と面圧の緩和効果により寿命はさらに向上することになる。

[0042] このように、本発明では、スケールの発生が抑制され、し力も、浸炭層は炭素量の増加により、表面硬さが高くなり、高温雰囲気での軟化抵抗が増加し、初期の硬さが維持され、耐摩耗性ゃ耐剥離性が向上し、転動寿命が増加する。また、素材を低炭素鋼にしても、必要な表面硬度が得られる。このため、素材を低炭素化でき、変形能が向上し、浸炭と同様に冷間加工も可能となる。すなわち、本発明では、高周波焼入れ後のスケール除去加工が不要でインライン化対応が可能となり、コストの大幅低減を達成できる。しかも、高周波焼入れ後の変形を大幅に減少させることができ、高温雰囲気中での耐久寿命（転動寿命）を大幅に延ばすことができる。特に、高周波加熱の温度を 900°C以上で 1350°C以下とすることよって、浸炭による酸化反応を安定して抑制できてスケールの発生を確実に抑制できる。なお、高周波加熱の温度が 900 °C未満では、十分な硬度が得られず、酸化反応が促進されスケールの発生が増加し、浸炭量も少なくなり、高周波加熱の温度が 1350°Cを越えれば、浸炭層は増加するが結晶粒が粗大化し脆化する。

[0043] ところで、前記実施形態では、軸部材 2の外周面及びナット部材 3の内周面である転動体 6の接触部位 (転動溝 4、 5)の溝表層を硬化層とした力このどちらか一方であってもよレ、。すなわち、ナット部材 3の内周面である転動溝 4の溝表層のみを硬化層としたり、軸部材 2の外周面である転動溝 5の溝表層のみを硬化層とすることができる。また、機械要素として、ボールねじに限るものではなぐ転動体が転動する転動溝を有するものであればよぐボールねじとしては、図 1に示すものに限るものではない。さらに、転動体としてボールではなぐころやローラ等であってもよぐ転動体が転動する転動溝としても螺旋状でなくてもよい。 [0044] 図 1に示す構造のボールねじについて、大気中で高周波焼入れを行った従来品 A と、大気中で高周波焼入れを行った後パフ加工を施した従来品 Bと、油中で高周波焼入れを行った発明品 A、 Bとを製造して、これらの特性を比較し、その結果を次の表 1に示した。いずれも、こま 2列のボールねじを使用し、ねじ軸は、材質が AISI105 0であり、軸径 16mmで、リード 3mmのものを使用した。また、転動体の径（ボール径 ) 3/32"とした。耐久条件として、回転数を 1500rZmとし、荷重を 700Nとして、試験雰囲気温度が 80°Cとして試験を行った。なお、焼入れ後の冷却は、従来品 A、 B では水溶性の焼入液でスプレイ冷却を行レ、、発明品 A、 Bでは、焼入れ油の油中冷却を行った。また、発明品 A、 Bにおける油中高周波焼入れは、焼入れ油の雰囲気中で高周波加熱後加熱電源を切ると同時に冷却を開始し焼入れした。

[0045] [表 1]

表 1から分かるように、従来品 Aには黒色状でポーラスなスケールが大量に発生し、従来品 Bには、濃灰色なスケールが大量に発生した。これに対して、発明品 A及び発明品 Bは灰色のスケールが少し発生した力黒色状のスケールはほとんど発生しなかった。 [0047] また、従来品 Aでは回転時において、異音が発生した。従来品 Bでは、パフ加工前では回転時に異音があつたが、パフ加工後回転時には異音は発生しなかった。これに対して、発明品 A、 Bは、回転時の異音は発生しなかった。すなわち、発明品 A、 B は、パフ加工を施さなくても回転時の異音は発生しない。

[0048] また、高周波焼入れ後の曲がり（振れ量）においては、従来品 Aは 0. 68mmであり、従来品 Bが 0. 65mmであるのに対して、発明品 A、 Bが 0. 130mmである。また、耐久寿命は、従来品 Aは 400hrであり、従来品 Bは 460hrであるのに対して、発明品 Aは 758hrであり、発明品 Bは 950hrである。このように、発明品 A、 Bの曲がり（振れ量）が少なぐ耐久寿命が長レ、。これは、従来品 A、 Bでは残留オーステナイトが 2体積％であったのに対し、発明品 Aは残留オーステナイトが 10体積％であり、発明品 B は残留オーステナイトが 45体積％生成したからである。このように、本発明では、黒色状のスケールの発生が抑制され、高周波焼入れ後の変形も大幅に減少でき、さらに耐久寿命が著しく増加してレ、る。

[0049] 次に、本発明をトリボード型等速自在継手に適用した実施形態を図 5、図 6に基づき説明する。この等速自在継手では、外側継手部材 1のローラ摺接面 7を硬化層 Sとしている。従来、このような等速自在継手においては、外輪の寸法精度のばらつきを考慮して、外輪の完成品を多くの寸法ランクに層別し、内輪と合う外輪を選択する組合せマッチングを行う必要があった。この組合せマッチングは複雑な工程でありコストアップになる。そこで、寸法精度の向上により、内輪（内側継手部材)等とのマツチングの組合せ数を減少させて製造工程の簡略化を図っているものがある（特許文献 4)

[0050] 特許文献 4に記載の等速自在継手は、外輪 (外側継手部材)を、鋼材料から亜熱間鍛造によって所定形状に予備成形した後、調質処理を経て、案内溝等を冷間鍛造によって最終形状および寸法に仕上成形するものである。これは、亜熱間鍛造後の素材組織は均一化されていないため、外輪の寸法精度や品質に差が生じるので、冷間鍛造 (仕上げ鍛造)前に無酸化調質処理を追加した。したがって、特許文献 4のものは、亜熱間鍛造と冷間鍛造との間にボンデ処理及び調質処理を行う工程を付カロすることで、材料歪みの除去と機械的性質の改善を図っていた。この場合、冷間鍛造後に熱処理として高周波焼入れを行うので、焼入れ面に寿命低下や寸法精度低下の要因となる酸化スケールが生成する。

[0051] 表面硬化の別法として浸炭窒化焼入れがある。浸炭窒化とは、鉄鋼を変態点以上に加熱して、ガス雰囲気から炭素と窒素を浸透させて表面硬化する方法である。この方法ではスケールの発生を抑えつつ、残留オーステナイトを析出させて寿命を向上させることができる（特許文献 5参照）。しかし、この方法は摩耗粉が発生する雰囲気での寿命向上に有効であるが、処理時間が長く高温加熱するため寸法変化が大きい問題がある。

[0052] ところで、従来の外輪の材料は、高周波焼入れ後の硬さを考慮し、一般には炭素含有量が 0. 55%相当の炭素鋼や低合金鋼が採用されているが、冷間鍛造性は浸炭材料などと比較すると低下する。従って、硬い材料を冷間で加工すると加工後にひずみが多く残留し、その後の旋削加工でも硬さが増加すると表面にひずみが多く残留する。熱処理前にひずみが多く残留すると、熱処理の加熱によりひずみが開放され、大きな寸法変化が生じる。従って、硬さ（炭素量)の低い材料を使用することが好ましレ、。し力しながら、炭素量の低い材料は、焼入れ後に十分な硬さが得られないという問題もある。

[0053] さらに、高周波焼入れは、通常冷却液を噴き掛け焼入れする。噴き掛けが均一でなレ、ことや、トリボード型等速自在継手の外輪は肉厚変動が大きいために、製品の冷却速度のむらにより、寸法変化が大きくなる場合がある。従って、トリボード型等速自在継手の外輪はダブルオフセット型等速自在継手と比較してより均一に冷却することが望まれている。

[0054] このように、高周波焼入れでは、製造工程の簡略化や品質のばらつきの低減を図ることができず、種々の寸法の外輪を形成して内輪との組合せマッチングを行う必要があった。また、浸炭窒化処理では、寸法変化が大きい問題があった。

[0055] 本発明は、スケールの発生を抑制して、寸法精度の向上を図ることができ、内側継手部材とのマッチングの組合せを減少させて製造工程の簡略化を図ることが可能なトリボード型等速自在継手を提供する。

[0056] 等速自在継手は、図 5〜図 6に示すように、外側継手部材 21と、内側継手部材としてのトリポード部材 22と、トルク伝達部材としてのローラ 23とを備える。

[0057] 外側継手部材 21は一体に形成されたマウス部 24とステム部 37とからなる。マウス部 24は一端にて開口したカップ状で、内周の円周方向三等分位置に軸方向に延びるトラック溝 26が形成してある。マウス部 24は、横断面で見ると、大径部 24aと小径部 24bが交互に現れる非円筒形状である。すなわち、マウス部 24は、大径部 24aと小径部 24bとを形成することによって、その内周面に、軸方向に延びる 3本の前記トラック溝 26が形成される。各トラック溝 26の円周方向で向き合った側壁にローラ案内面（ローラ摺接面） 27、 27が形成される。

[0058] トリポード部材 22はボス 28と脚軸 29とを備える。ボス 28にはシャフト 30とトルク伝達可能に結合するスプラインまたはセレーシヨン孔 31が形成してある。脚軸 29はボス 2 8の円周方向三等分位置力半径方向に突出している。

[0059] また、ローラ 23はその外径面 33が凸球面とされたリング状体力、らなり、このローラ 2 3にリング 32が内嵌されている。そして、ローラ 23とリング 32とが前記複数のころ 25を介してユニットィ匕され、これら等でローラアセンブリ 34を構成している。この場合、ローラ 23を外側ローラと呼び、リング 32を内側ローラと呼ぶ。

[0060] すなわち、内側ローラ 32は脚軸 29の外周面に外嵌している。内側ローラ 32の円筒形外周面を内側軌道面とし、外側ローラ 23の円筒形内周面を外側軌道面として、これらの内外軌道面間に針状ころ 25が転動自在に介在する。針状ころ 25は、できるだけ多くのころを入れた、保持器のない、いわゆる総ころ状態で組み込まれている。なお、外側ローラ 23の端部内周面に形成した環状溝には、針状ころ 25の抜け止め用のヮッシャ 35が装着されてレ、る。

[0061] この等速自在継手では、外側継手部材 21のローラ摺接面 27を硬化層 Sとしている。この硬化層 Sは、油中で高周波焼入れを行うことにより形成される。例えば、外側継手部材 1を油中に浸漬した状態で高周波焼入れを行うことにより形成される。ここで、高周波焼入れとは、焼入用コイルに高周波電流を流すことによって、誘導体 (被加工体）の表面部分に誘導電流を生じさせて発熱させ、この熱により被加工体の表面を急速に加熱して焼入れを行う方法である。この場合の高周波加熱の温度は、 900°C 以上で 1350°C以下が好ましい。 [0062] 油中での高周波焼入れにより、外側継手部材 21のローラ摺接面 27に形成された浸炭焼入れ硬化層 Sは、その組織が母材 (硬化層以外の部位)より炭素濃度が増加している。これは、雰囲気の油から外側継手部材 1のローラ摺接面 7の表面に炭素が拡散（浸炭）したためである。この浸炭により酸化反応が抑制されてスケールの発生が抑制されている。

[0063] また、硬化層 Sの硬さは、図 2と同様になり、通常の高周波焼入れされた表面硬さより高くなつている。これは前記のように浸炭処理されたからであり、この硬さは図 4に示すように炭素量の増加によるものである。このため、高温雰囲気での軟化抵抗が増加し、初期の硬さが維持され、耐摩耗性ゃ耐剥離性が向上し、転動寿命が増加する。

[0064] しかも、図 3に示すように、硬化層（浸炭層） Sの表面部には、残留オーステナイト（ γ )が形成されている。このため、硬化層 Sは、耐なじみ性向上と面圧の緩和効果により寿命はさらに向上することになる。この場合、残留オーステナイトは、下限が 20体積％、上限は 50面積％が好ましい。残留オーステナイトが 20面積％未満では、面圧の緩和効果が十分に得られず、 50面積％を超えると硬度が著しく低下し摩耗が増加する。そのため、残留オーステナイトは 20面積％から 50面積％が好ましい。

[0065] このように、本発明では、油中で高周波浸炭焼入れ硬化層を形成することによって、この硬化層でのスケールの発生が抑制され、寸法精度が向上する。このため、内輪 (内側継手部材）とのマッチングの組合せを減少させることができ、製造工程が簡略化する。また、摺接面材料を低炭素鋼にしても、必要な表面硬度が得られる。このため、素材を低炭素化でき、変形能が向上し、型寿命が向上する。また、高周波焼入れの短時間処理で残留オーステナイトが生成するため、熱処理時間が短くかつ転動寿命も向上する。特に、高周波加熱の温度を 900°C以上で 1350°C以下とすることによって、浸炭による酸化反応を安定して抑制できてスケールの発生を確実に抑制できる。なお、高周波加熱の温度が 900°C未満では、十分な硬さが得られず酸化反応が促進されスケールの発生が増加し、浸炭量も少なくなり、高周波加熱の温度が 13 50°Cを越えれば、浸炭層は増加するが結晶粒が粗大化し脆ィ匕する。

[0066] ところで、前記実施形態では、外側継手部材 21のローラ摺接面 27を硬化層 Sとしていたが、内側継手部材のローラ摺接面 (脚軸 29の外周面）を硬化層 Sとしてもよい。また、ローラ 23として、前記実施形態では、いわゆるダブルローラタイプであつたが、シングルローラタイプであってもよい。さらに、ローラ 23の表面を高周波浸炭焼入れ硬化層としたりすることができる。

[0067] 図 5に示す構造のトリボード型等速自在継手の外側継手部材 21について、従来の浸炭処理を行った従来品と、油中で高周波焼入れを行った発明品とを製造して、これらの特性を比較し、その結果を表 2に示した。従来品は炭素含有量が 0. 53wt% の中炭素鋼を使用し、発明品は炭素含有量が 0. 46wt%の中炭素鋼を使用した。そして、従来品及び発明品は、冷間鍛造後、旋削加工を行って、外径 (トラック溝)研削を行った。また、従来品では大気中において高周波焼入れを行い、発明品での油中高周波焼入れは、焼入れ油の雰囲気中で高周波加熱後加熱電源を切ると同時に冷却を開始し焼入れした。なお、焼入れ後の冷却は、従来品では水冷却を行い、発明品では油中冷却を行った。

[0068] [表 2]

[0069] 表 2から分かるように、従来品は黒色のスケールが大量に発生した力発明品は母材と同等色のスケールがわずかに発生したのみであった。 [0070] また、表面硬さにおいては、深さが 0. 1mmの位置では、従来品と発明品とはほとんど変わらないが、深さが 0. 05mmの位置では、従来品が Hv700であるのに対して、発明品が Hv785である。このように、発明品の表面側が硬い。これは、発明品では表面から 5 a mの範囲に 30体積％もの残留オーステナイトが生成したからである。なお、表 2の従来品の△は短寿命を示し、発明品の◎は長寿命を示している。このように、発明品においては、スケールの発生が抑制され、し力、も、硬化層の表面硬さが向上していることが分かる。また、スラスト抵抗 (誘起スラスト抵抗）は、従来品では大きく、発明品では小さかった。

[0071] 次に、本発明をダブルオフセット型等速自在継手に適用した実施形態を図 7に基づき説明する。この等速自在継手では、外輪 43の内周面 41を硬化層 51としている。一般に、ダブルオフセット型等速自在継手では、外輪と内輪とが軸方向に相対移動すると、保持器の外周面と外輪の内周面との間で滑りが生じる。このため、このスライド抵抗を極力低下させることが望まれる。一方、外輪の摺動面は強度向上を図るため、熱処理がなされる。熱処理としては高周波焼入れが行われる。高周波焼入れされた面には、酸化によりスケールが生成する。このようにスケールが発生すれば、面性状が極めて悪くなるとともに、表面のなじみ性が悪くなる。またスケールが嚙み込んだり、グリース中に混入したりして、摩擦係数を増加させる。これによつて、スライド抵抗を増加させる要因となっていた。

[0072] ダブルオフセット型等速自在継手は、円筒状の内周面 41に複数 (例えば、 8本）の直線状の案内溝 42を軸方向に形成した外側継手部材としての外輪 43と、球面状の外周面 44に前記外輪 43の案内溝 42と同数の直線状の案内溝 45を軸方向に形成した内側継手部材としての内輪 46と、外輪 43の案内溝 42と内輪 46の案内溝 45との間に介在するトルク伝達ボール 47と、トルク伝達ボール 47を保持する保持器 48とを備える。また、内輪 46の内周面に図示しない軸を連結するためのセレーシヨン (又はスプライン） 49を形成してレ、る。

[0073] 保持器 48は、トルク伝達ボール 47を収容する複数 (この場合、 8個）のポケット 50とを備えた環体であり、球面状の外周面 48aが外輪 43の内周面 41に接触案内され、球面状の内周面 48bが内輪 46の外周面 44に接触案内される。外周面 48aの球面中心 Olと内周面 48bの球面中心 02とは、それぞれ、ポケット 50の中心〇に対して軸方向に等距離だけ反対側にオフセットされている。

[0074] 上記構成の等速自在継手において、外輪 43および内輪 46のうち、駆動軸に連結された側（例えば外輪 3)は駆動軸の回転に伴って回転し、トルク伝達ボール 47を介して従動側（例えば内輪 46)に回転トルクを伝達する。また、外輪 43と内輪 46との間に作動角が付与された場合、保持器 48に案内されたトルク伝達ボール 47はどの作動角においても、常に作動角の 2等分面内に維持され、継手の等速性が確保される。さらに、外輪 43と内輪 42とが軸方向に相対移動すると、保持器 48の外周面 48aと外輪 43の内周面 41との間で滑りが生じることにより、円滑な軸方向移動を可能とし、駆動軸と従動軸との間の軸方向変位を吸収している。

[0075] 前述の硬化層 51は、油中で高周波焼入れを行うことにより形成される。例えば、外輪 43を油中に浸漬した状態で高周波焼入れを行うことにより形成される。ここで、高周波焼入れとは、焼入れ用コイルに高周波電流を流すことによって、誘導体 (被加工体）の表面部分に誘導電流を生じさせて発熱させ、この熱により被加工体の表面を急速に加熱して焼入れを行う方法である。この場合の高周波加熱の温度は、 900°C 以上で 1350°C以下が好ましい。なお、この実施形態においては、保持器 48の外周面 48aとの摺動部位と、ボール 47が転動する案内溝 42の内面とを硬化層 51としている。油中での高周波焼入れにより、外輪 43の案内溝 42に形成された浸炭焼入れ硬化層 51は、その組織が母材 (硬化層以外の部位）より炭素濃度が増加している。この浸炭により酸化反応が抑制されてスケールの発生が抑制されている。

[0076] 硬化層 51の硬さは、図 2と同様に通常の高周波焼入れされた表面硬さより高くなつている。し力も、図 3に示すように、硬化層 51 (図 3における浸炭層）の表面部には、残留オーステナイト（ _Ί )が形成されているので、耐なじみ性向上と面圧の緩和効果により寿命はさらに向上することになる。

[0077] 本発明は硬化層 51を形成したので、スケールの発生が抑制される。これにより、スライド抵抗を低減させることができ、車両の振動を低減できる。また、油中高周波焼入れにより、表面より浸炭されて高硬度となって、耐焼き付き性が向上する。さらに、材料を低炭素鋼にしても、必要な表面硬度が得られる。このため、素材を低炭素化でき、変形能が向上し、型寿命が延びる。また、高周波焼入れの短時間処理で残留ォーステナイトが生成するため、初期なじみ性が向上し、運転初期時のスライド抵抗を安定して低減させることができる。特に、高周波加熱の温度を 900°C以上で 1350°C以下とすることによって、浸炭による酸化反応を安定して抑制できてスケールの発生を確実に抑制できる。なお、高周波加熱の温度が 900°C未満では、十分な硬度が得られず、酸化反応が促進されスケールの発生が増加し、浸炭量も少なくなり、高周波加熱の温度が 1350°Cを越えれば、浸炭層は増加するが結晶粒が粗大化し脆ィ匕する。

[0078] 残留オーステナイトは前述したように 20体積％から 50体積％が好ましい。残留ォーステナイトが 20体積％未満では、面圧の緩和効果が十分に得られず、 50体積％を超えると硬度が著しく低下し摩耗が増加する。そのため、残留オーステナイトは 20 体積％から 50体積％が好ましい。

[0079] 前記実施形態では、外輪 43の内周面 1に硬化層 51を形成していた力これに加えて保持器 48の外周面 48aの摺動部位に硬化層 51を形成してもよい。このように、外輪 43の内周面 41及び保持器 48の外周面 48aに硬化層 51を形成すれば、外輪 43 の内周面 41及び保持器 48の外周面 48aでのスケールの発生が抑制され、寸法精度が安定化し、さらに硬度増加により耐久寿命が著しく向上する。また、外輪 43の摺動部位に硬化層 51を形成せずに、保持器 48の摺動部位にのみ硬化層 51を形成してもよレ、。さらに、内側継手部材である内輪 46の外周面 44、特に案内溝 46の内面に硬化層 51を形成してもよレヽ。

[0080] 図 7に示す構造の摺動型等速自在継手の外輪について、従来の通常の高周波焼入れを行った従来品と、油中で高周波焼入れを行った発明品とを製造して、これらの特性を比較した結果、前述した表 2と同様の結果が得られた。従来品は炭素含有量が 0. 53wt%の中炭素鋼を使用し、発明品は炭素含有量が 0. 46wt%の中炭素鋼を使用した。従来品及び発明品は、冷間鍛造後、切削加工を行って、外径研削を行つた。また、従来品では、大気中での高周波焼入れを行い、その焼入れ後に水冷却を行った。これに対して、発明品では、焼入れ油の雰囲気中で高周波加熱後加熱電源を切ると同時に冷却を開始し焼入れした。

[0081] 回転数 600r/min、面圧 0. 9GPa、作動角 8度、周波数 1kHzで振幅 0. 1mmの加振の 5秒間のスライド抵抗試験を行った。表 2の型寿命の従来品の△は短寿命を示し、発明品の◎は長寿命を示している。

[0082] 表 2から分かるように、発明品のスケールの発生は極小であり、発生したスケールの母材と同等色であった。これに対して、従来品のスケールの発生は大であり、発生したスケールは黒色であった。また、表面硬さにおいては、深さが 0. 1mmの位置では、従来品と発明品とはほとんど変わらないが、深さが 0. 05mmの位置では、従来品が Hv700であるのに対して、発明品が Hv785である。これは、発明品では表面から 5 z mの範囲に 30面積％もの残留オーステナイト層が生成したからである。また、スラスト抵抗 (誘起スラスト抵抗）は、従来品では大きぐ発明品では小さかった。

[0083] このように、発明品においてはスケールの発生が抑制され、耐久寿命が増加することが分かる。また、油中高周波焼入れにより、表面より浸炭されるため材料を低炭素鋼にしても、必要な表面硬度が得られるため、素材を低炭素化でき変形能が向上し浸炭と同様に冷間加工も可能となる。

図面の簡単な説明

[0084] [図 1]本発明の実施形態を示す機械要素の要部断面図である。

[図 2]前記機械要素の硬化層の硬さを示すグラフ図である。

[図 3]前記機械要素の浸炭層の範囲を示す簡略図である。

[図 4]前記機械要素の硬化層の炭素量を示すグラフである。

[図 5]本発明の実施形態を示すトリボード型等速自在継手の縦断面図である。

[図 6]前記トリボード型等速自在継手の横断面図である。

[図 7]本発明の実施形態を示す摺動型等速自在継手の要部断面図である。

[図 8]従来の機械要素の要部断面図である。

Claims

請求の範囲

[1] 転動体が転動する転動溝を有し、少なくとも転動溝の溝表層を高周波焼入れにより硬化層とした機械要素において、前記転動溝の硬化層に母材の炭素濃度よりも増加させて浸炭層を形成したことを特徴とする機械要素。

[2] 前記浸炭層の表面に残留オーステナイトを生成したことを特徴とする請求項 1の機械要素。

[3] 前記機械要素が、円周方向に向き合って配置された円筒状のローラ案内面を有する三つのトラック溝が形成された外側継手部材と、半径方向に突出した三つの脚軸を備えたトリポード部材と、前記トラック溝に挿入されたローラとを備え、前記ローラが前記ローラ案内面に沿って外側継手部材の軸方向に移動可能なトリボード型等速自在継手であって、

少なくとも外側継手部材のロ一ラ摺接面を、高周波焼入れ後の仕上げ加工を行わない摺接面に、浸炭焼入れ層を形成したことを特徴とするトリボード型等速自在継手

[4] 前記機械要素が、円筒状の内周面に複数の直線状の案内溝を軸方向に形成した外側継手部材と、球面状の外周面に複数の直線状の案内溝を軸方向に形成した内側継手部材と、前記外側継手部材の案内溝と前記内側継手部材の案内溝との間に介在するトルク伝達ボールと、前記トルク伝達ボールを保持する保持器とを備え、外側継手部材と内側継手部材とが軸方向に相対移動すると、保持器の外周面と外側継手部材の内周面との間で滑りが生じる摺動型等速自在継手であって、

外側継手部材および内側継手部材の少なくともいずれか一方の高周波熱処理後の仕上げ加工を行わない摺動部位に、浸炭焼入れ層を形成したことを特徴とする摺動型等速自在継手。

[5] 前記浸炭焼入れ層の表面に残留オーステナイトを生成したことを特徴とする請求項 1 のトリボード型等速自在継手。

[6] 残留オーステナイトの下限を 20面積％および上限を 50面積％としたことを特徴とする請求項 1のトリボード型等速自在継手。

[7] 素形材に冷間加工にて転動溝を成形した後、油中にて高周波焼入れを行って、前記転動溝の溝表層に母材の炭素濃度よりも増加させて浸炭層を形成すること特徴とする請求項 1の機械要素を製造する方法。

[8] 少なくとも外側継手部材のローラ摺接面に、油中にて高周波焼入れを行って、浸炭焼入れ硬化層を形成することを特徴とする請求項 3のトリボード型等速自在継手を製造する方法。

[9] 外側継手部材および内側継手部材の少なくともどちらか一方に、油中にて高周波焼入れを行って、浸炭焼入れ層を形成することを特徴とする請求項 4の摺動型等速自在継手を製造する方法。