WO2009150928A1 - 等速ジョイント用ボール及びその製造方法 - Google Patents

等速ジョイント用ボール及びその製造方法 Download PDF

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村上貴文
柴田直人
大迫俊太
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本田技研工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a constant velocity joint ball interposed between an outer ring member and an inner ring member constituting the constant velocity joint, and a manufacturing method thereof.
  • the car body is equipped with a driving force transmission mechanism that has a plurality of rotating shafts and constant velocity joints interposed between the rotating shafts in order to transmit the driving force from an engine such as an internal combustion engine to the tires.
  • a driving force transmission mechanism that has a plurality of rotating shafts and constant velocity joints interposed between the rotating shafts in order to transmit the driving force from an engine such as an internal combustion engine to the tires.
  • the drive shaft and the hub are movably connected to each other via a barfield type constant velocity joint in which a constant velocity joint ball (hereinafter also referred to as a rolling ball) is interposed between the outer ring member and the inner ring member.
  • a constant velocity joint ball hereinafter also referred to as a rolling ball
  • small members generally have low rigidity. That is, when the outer ring member, the rolling ball, or the like constituting the Barfield type constant velocity joint is downsized, the durability thereof is lowered.
  • the surface roughness of the ball grooves of the outer ring member and the inner ring member is set to 10 to 30 ⁇ m, and after the chemical conversion treatment, a lubricant film is further formed. It has been proposed.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-122145 adopts a bearing steel or a material equivalent to the bearing steel as the material of the rolling ball and performs nitriding treatment on the surface of the rolling ball. There is a disclosure that it is effective to increase the amount of retained austenite and then perform a pressure-crushing load treatment.
  • JP-A-2002-122145 as a specific example of the pressure crushing load treatment, tempering treatment is performed in a temperature range of 180 to 230 ° C. That is, in this case, since the brittleness increases as the hardness increases during the nitriding treatment, the surface hardness is increased to 60 to 64 by HRC (C scale Rockwell hardness) by performing the tempering treatment in the above temperature range. I try to lower it.
  • the constant velocity joint ball is in sliding contact with the ball groove of the outer ring member or the ball groove of the inner ring member when the rotating shaft connected through the constant velocity joint rotates.
  • relative rolling / sliding occurs between the rolling ball and the outer ring member and the inner ring member, and along with this, frictional heat is generated along with shear stress.
  • the present inventors considered that carbon is reduced by generating shear stress and frictional heat in this way.
  • the compressive residual stress at a portion having a depth of 0.1 to 0.2 mm from the surface was set to ⁇ 1000 MPa or more, it was found that peeling occurred from the surface of the constant velocity joint ball.
  • the present inventors have found that cracks are generated when the depth from the surface of the constant velocity joint ball is between 0.02 and 0.03 mm, particularly in the vicinity of 0.025 mm. . From this knowledge, the present inventors have found that the starting point of the crack is the extreme outermost surface of the ball for the constant velocity joint as the compressive residual stress is increased at the site having a depth of 0.1 to 0.2 mm from the surface. It was inferred that it moved to, and further intensive studies were made, leading to the present invention.
  • the main object of the present invention is to provide a ball for a constant velocity joint that is excellent in durability and wear resistance despite being made of an inexpensive material.
  • Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a constant velocity joint ball capable of manufacturing the constant velocity joint ball described above.
  • a constant velocity joint that is interposed between an outer ring member and an inner ring member constituting a constant velocity joint and transmits a rotational force from the outer ring member to the inner ring member or in the opposite direction.
  • a ball for High carbon chrome bearing steel equivalent material stipulated in Japanese Industrial Standard is formed as raw steel, The compressive residual stress in the region from the first part having a depth of 0.1 mm from the surface to the second part having a depth of 0.2 mm is ⁇ 1000 MPa or more, Further, there is provided a constant velocity joint ball in which austenite is present in the metal structure from 10% to 25% by volume in the metal structure from the surface to the first part.
  • ⁇ 1000 MPa or more in the present invention means a negative numerical value having an absolute value larger than ⁇ 1000 MPa. That is, for example, -1200 MPa is a compressive residual stress larger than -1000 MPa, while -950 MPa is a compressive residual stress smaller than -1000 MPa.
  • high carbon chromium bearing steel refers to a steel material having a composition equivalent to any of SUJ1 to SUJ5 defined in JIS G-4805, which is a Japanese industrial standard.
  • austenite is contained in an amount of 10 to 25% by volume in the metal structure from the surface to the first part (part where the depth from the surface is 0.1 mm).
  • Austenite is a soft precipitate compared with pearlite or martensite, and therefore, the toughness from the surface to the first part is improved. Thereby, it is suppressed that the crack which causes peeling arises in the surface vicinity. That is, the occurrence of peeling is avoided, and as a result, the rolling ball is ensured in durability.
  • the surface hardness can be 62 to 68 in HRC.
  • the compressive residual stress at the portion having a depth of 0.1 mm from the surface may be set to ⁇ 1150 MPa or more, for example.
  • an outer ring member is interposed between an outer ring member and an inner ring member constituting a constant velocity joint, and transmits a rotational force from the outer ring member to the inner ring member or in the opposite direction.
  • a method of manufacturing a ball for a quick joint A sphere made of a high carbon chromium bearing steel equivalent material stipulated by the Japanese Industrial Standard is heated to 840 to 900 ° C. and then 10 to 25% by volume of austenite from the surface to the first part having a depth of 0.1 mm.
  • a shot peening process is performed on the sphere that has been tempered, and a compressive residual stress of ⁇ 1000 MPa or more is applied from the first part to a second part having a depth of 0.2 mm from the surface.
  • a method of manufacturing a constant velocity joint ball having the following is provided.
  • the compressive residual stress is increased in a portion where the white structure that causes defects in the constant velocity joint ball is easily generated (depth 0.1 to 0.2 mm from the surface).
  • the austenite is contained in an amount of 10 to 25% by volume in the metal structure of a portion of 1 mm so as to increase the toughness. For this reason, since generation
  • the compressive residual stress at the site having a depth of 0.1 to 0.2 mm from the surface is increased to ⁇ 1000 MPa or more, and the amount of austenite in the metal structure on the extreme surface is increased, thereby reducing the cost.
  • Even a constant velocity joint ball made of a high carbon chrome bearing steel equivalent material can be constructed with excellent durability.
  • SUJ2 equivalent material can be mentioned as a suitable example of high carbon chromium bearing steel equivalent material. Since the SUJ2-equivalent material is inexpensive, it is advantageous in terms of cost.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a Barfield type constant velocity joint constructed by incorporating a constant velocity joint ball (rolling ball) according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a main part of the rolling ball of FIG.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the depth from the surface and the compressive residual stress in the rolling ball according to the present embodiment and the rolling balls of Comparative Examples 1 and 2.
  • FIG. 4 is a graph showing the amount of austenite in the metal structure from the surface to the depth of 0.5 mm in the rolling ball according to the present embodiment and the rolling ball made of SUJ2.
  • FIG. 5 is a Weibull probability plot of the rolling ball according to the present embodiment, the rolling ball in which the amount of austenite in the region from the surface to the depth of 0.1 mm is less than 10%, and the rolling ball made of SUJ2.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a Barfield type constant velocity joint (hereinafter, also simply referred to as a constant velocity joint) 10.
  • the constant velocity joint 10 includes an outer ring member 12 and an inner ring member 14, and the rolling ball 16 (constant velocity joint ball) according to the present embodiment is interposed between the outer ring member 12 and the inner ring member 14. Is intervened.
  • the outer ring member 12 includes a shaft portion 18 and an open cylindrical portion 20, and six ball grooves 22 a to 22 f spaced apart from each other at equal angles are provided on the curved inner wall of the cylindrical portion 20. ing.
  • the inner ring member 14 is inserted into the cylindrical portion 20 while being held by a retainer 24.
  • the inner ring member 14 has the same number of inner side ball grooves 26a to 26f as the ball grooves 22a to 22f of the outer ring member 12 so as to cut out the outer peripheral surface curved so as to bulge outward in the diameter direction. Is provided.
  • a through hole 27 is provided from one end surface to the other end surface. The drive shaft DS is fitted into the through hole 27.
  • the retainer 24 is provided with a window 28 penetrating from the inner wall to the outer wall of the retainer 24.
  • the rolling ball 16 is accommodated in the window 28 and is inserted into the ball grooves 22a to 22f of the outer ring member 12 and the inner side ball grooves 26a to 26f of the inner ring member 14.
  • FIG. 1 the cross section near the surface of the rolling ball 16 is enlarged and shown in FIG.
  • Reference numerals 30, 32, and 34 in FIG. 2 are the surface of the rolling ball 16, a first portion having a depth of 0.1 mm from the surface 30, and a depth of 0.1 from the surface 30, respectively.
  • Reference symbol O is the center of the rolling ball 16.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the depth from the surface 30 of the rolling ball 16 having a diameter of 19/32 inches and the compressive residual stress.
  • the compressive residual stresses at the surface 30, the first portion 32, and the second portion 34 are -1200 MPa, -1180 MPa, and -1020 MPa, respectively, and all are -1000 MPa or more.
  • the compressive residual stress in the region extending from the first region 32 to the second region 34 also shows ⁇ 1000 MPa or more.
  • the rolling ball 16 is formed of SUJ2 which is a kind of high carbon chromium bearing steel as a raw steel.
  • the constant velocity joint 10 (see FIG. 1) in which the rolling ball 16 having such a configuration is incorporated constitutes a driving force transmission mechanism mounted on the automobile body, and transmits the driving force from the engine to the tire. Fulfill.
  • the rolling ball 16 is in sliding contact with the ball grooves 22 a to 22 f of the outer ring member 12 and the inner side ball grooves 26 a to 26 f of the inner ring member 14. That is, relative rolling / sliding occurs between the rolling ball 16 and the outer ring member 12 and the inner ring member 14, and frictional heat is generated along with shear stress.
  • the shear stress and the frictional heat exert a load on a part extending from the first part 32 to the second part 34 (see FIG. 2) of the rolling ball 16 in particular. This load reduces carbon from the metal structure at the site.
  • the metal structure in which carbon is reduced becomes a so-called white structure that exhibits a white color when corroded with a nital etchant.
  • This white structure is brittle and therefore causes peeling and cracking.
  • the compressive residual stress is set to ⁇ 1000 MPa or more from the first portion 32 to the second portion 34.
  • the shear stress is absorbed when the shear stress is applied. Therefore, it is difficult for the structure to change to a white structure due to a decrease in carbon.
  • the depth from the surface 30 is reduced from 0.1 mm (the first portion 32) to 0 with the large compressive residual stress applied to the second portion 34 of the rolling ball 16 in advance. Since the compressive residual stress of the part over 2 mm (second part 34) is increased to thereby absorb the shear stress in the part, it is possible to suppress the generation of white tissue in this part.
  • the white tissue is hardly generated originally. Therefore, it is possible to avoid the generation of a white structure that causes peeling and cracking over the entire rolling ball 16 only by increasing the compressive residual stress in the region extending from the first region 32 to the second region 34. .
  • the rolling ball 16 is made of an inexpensive steel material such as SUJ2, it is prevented that peeling or cracking occurs. That is, it is possible to produce the rolling ball 16 exhibiting a long life at low cost.
  • the amount of austenite in the metal structure from the surface 30 of the rolling ball 16 to a depth of 0.5 mm is the same as the metal from the surface of the rolling ball made of general SUJ2 to a depth of 0.5 mm.
  • FIG. 4 shows the austenite in the structure.
  • the amount of austenite is about 9% by volume at the maximum.
  • the amount of austenite on the surface 30 is about 16% by volume, and the first part 32 is 14.8% by volume.
  • the austenite content exceeds 14% by volume up to a depth of 0.5 mm.
  • the rolling ball 16 has a larger amount of austenite present in the metal structure in the region from the surface 30 to the first portion 32 as compared with the rolling ball made of SUJ2. Since austenite is softer than pearlite and martensite, toughness is improved in this region where the amount of austenite is large. For this reason, cracks that cause peeling are unlikely to occur on the extreme surface, that is, the region from the surface 30 to the first portion 32.
  • the rolling ball 16 has high toughness on the surface 30, the surface hardness can be increased. Specifically, it can be 62 to 68 in HRC. Thereby, the abrasion resistance of the surface 30 is also ensured.
  • the rolling ball 16 can be manufactured as follows.
  • a sphere made of SUJ2 equivalent material (element steel) is subjected to quenching treatment. That is, the sphere is heated to 840 to 900 ° C., and then the sphere is cooled. Here, this cooling is performed under the condition that 10 to 25% by volume of austenite remains in the region extending from the surface 30 of the sphere to the first portion 32 having a depth of 0.1 mm.
  • pearlite is present in the metal structure of the base steel. This pearlite changes to austenite by the heating.
  • austenite is transformed into martensite during cooling in the subsequent process, but in the present embodiment, the cooling rate is reduced to delay the time until the martensite precipitation start temperature (Ms point) is reached. . Thereby, the amount of austenite remaining in the metal structure after cooling can be increased.
  • Ms point martensite precipitation start temperature
  • the actual cooling rate may be set according to the diameter of the rolling ball 16.
  • the sphere is tempered at 150 ° C. or higher. Thereby, the metal structure formed by the quenching process is stabilized.
  • compressive residual stress is applied to the sphere.
  • a known processing method / apparatus described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-270331 or Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-19828 may be used. That is, a plurality of rolling balls 16 that have been quenched and tempered are accommodated in a barrel, and then the barrel is rotated so that the rolling balls 16 collide with the inner wall of the barrel or the rolling balls 16. That's fine. By repeating this collision, compressive residual stress is applied to the rolling ball 16.
  • the depth at which the compressive residual stress is maximum varies depending on the diameter size of the rolling ball 16 and the processing conditions. For example, when the rolling ball 16 having a diameter of 3/8 inch is processed using the apparatus described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-19828, the barrel and the axis are the same and rotate in the opposite direction to the barrel. When the rotation speed of the supporting shaft is 50 rpm and the processing time is 90 minutes, the residual compressive stress at the portion (first portion 32) having a depth of 0.1 mm from the surface 30 is maximized, and the value is about ⁇ 960 MPa. It is. Further, when the rotation speed of the support shaft is 65 rpm and the processing time is 90 minutes, the residual compressive stress at the portion having a depth of 0.15 mm from the surface 30 is maximum, and the value is about ⁇ 1000 MPa.
  • the rotational speed of the support shaft by increasing the rotational speed of the support shaft, it is possible to control the maximum value of the compressive residual stress in the rolling ball 16 and the depth at which this maximum value is obtained.
  • the rotational speed of the support shaft Is set to 50 rpm, and the rotation time may be 2.5 hours.
  • FIG. 3 shows that the compression residual stress of the portion where the rotation speed of the support shaft is low, the diameter is 19/32 inches, and the depth from the surface 30 is 0.1 mm and 0.2 mm is ⁇ 870 MPa
  • the relationship between the depth from the depth and the compressive residual stress is also shown. That is, in the rolling balls of Comparative Examples 1 and 2, the compressive residual stress at the portion where the white structure is likely to be generated is ⁇ 1000 MPa or less.
  • FIG. 5 shows the rolling ball 16 according to the present embodiment, although the compressive residual stress in the region where the depth from the surface reaches 0.1 mm to 0.2 mm is substantially the same as that of the rolling ball 16. It is a Weibull probability plot of the rolling ball A in which the amount of austenite in the region reaching 0.1 mm is less than 10%, and the rolling ball B made of SUJ2, and the horizontal axis is time. From FIG. 5, it is clear that the life of the rolling ball B, the rolling ball A, and the rolling ball 16 is prolonged in this order.
  • the rolling ball 16 made of SUJ2 as a base steel has been described as an example.
  • the material of the rolling ball 16 is not limited to SUJ2, and a high carbon chrome bearing is used. Any steel equivalent material may be used. That is, it may be a SUJ1-equivalent material, a SUJ3-equivalent material, a SUJ4-equivalent material, or a SUJ5-equivalent material.

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Abstract

　本発明は、等速ジョイント用ボール（１６）及びその製造方法に関する。この等速ジョイント用ボール（１６）は、日本工業規格に規定される高炭素クロム軸受鋼相当材からなる球体に対し、８４０～９００℃に加熱した後、表面（３０）から深さが０．１ｍｍである第１部位（３２）までオーステナイトが１０～２５体積％残留する条件下で冷却を行う焼入れ処理工程と、前記球体に対して１５０℃以上で焼戻し処理を施す焼戻し処理工程と、前記球体に対してショットピーニング処理を施し、前記第１部位（３２）から、表面（３０）からの深さが０．２ｍｍである第２部位（３４）に至る領域に－１０００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を付与するショットピーニング処理工程とを経て製造される。

Description

等速ジョイント用ボール及びその製造方法
　本発明は、等速ジョイントを構成する外輪部材と内輪部材との間に介在される等速ジョイント用ボール及びその製造方法に関する。
　自動車車体には、内燃機関等のエンジンからの駆動力をタイヤまで伝達するべく、複数個の回転軸と、回転軸同士の間に介装された等速ジョイントとを有する駆動力伝達機構が搭載される。例えば、ドライブシャフトとハブとは、外輪部材と内輪部材との間に等速ジョイント用ボール（以下、転動ボールともいう）が介在されたバーフィールド型等速ジョイントを介して互いに変位自在に連結されている。
　近年、自動車の燃料消費率を向上させる目的で、自動車車体、ひいては該自動車車体を構成する各種の部材を軽量化することが種々検討されている。この観点から、バーフィールド型等速ジョイントにも一層の軽量化、換言すれば、小型化が希求されている。
　しかしながら、小型の部材は一般的に剛性が低い。すなわち、バーフィールド型等速ジョイントを構成する外輪部材や転動ボール等を小型化した場合、その耐久性が低下することになる。これを回避するべく、特開２０００－１４５８０４号公報では、外輪部材及び内輪部材のボール溝の表面粗さを１０～３０μｍに設定するとともに、化成処理を施した後、さらに潤滑剤皮膜を形成することが提案されている。
　一方、転動ボールの長寿命化に関しては、特開２００２－１２２１４５号公報に、転動ボールの材質として軸受鋼ないし軸受鋼相当材を採用するとともに、この転動ボールに窒化処理を施して表面残留オーステナイト量を増加させ、その後、耐圧砕荷重処理を施すことが有効であるとの開示がある。
　ここで、特開２００２－１２２１４５号公報記載の従来技術において、耐圧砕荷重処理を施す理由は、窒化処理が施されたのみの転動ボールでは圧砕荷重が低下して、却って割れが生じ易くなるためである（段落［０００５］参照）。なお、該特開２００２－１２２１４５号公報には、耐圧砕荷重処理の具体例として、焼戻し処理を１８０～２３０℃の温度範囲で行うことが挙げられている。すなわち、この場合、窒化処理時に硬度が上昇することに伴って脆性が高くなるので、上記の温度範囲で焼戻し処理を行うことによって表面硬度をＨＲＣ（Ｃスケールのロックウェル硬度）で６０～６４に下げるようにしている。
　本発明者らの鋭意検討によれば、特開２０００－１４５８０４号公報及び特開２００２－１２２１４５号公報に記載されるような対処を行うと、転動ボールの表面から剥離が起こる場合が認められた。換言すれば、特開２０００－１４５８０４号公報及び特開２００２－１２２１４５号公報記載の従来技術では、転動ボールの耐久性を確保することが容易ではない。
　また、特開２００２－１２２１４５号公報記載の従来技術では、転動ボールの表面硬度を低下させるようにしているが、転動ボールには耐摩耗性が希求されることから、本来、転動ボールの表面硬度は高い方が望ましい。表面硬度が高い方が、耐摩耗性が良好となるからである。
　本発明者らは、ＳＵＪ２等の安価な鋼材からなる等速ジョイント用ボールを小型化すると割れ等の欠陥が発生し易くなる原因につき究明する過程で、前記欠陥が生じた部位の金属組織に、ナイタール腐食液を用いた際に白色を呈する白色組織が生成しているとの知見を得た。そして、白色組織が、鋼材に含まれる炭素が減少することに起因して生成することから、欠陥が発生する理由が、金属組織（鋼材）に含まれる炭素が減少して強度・靭性が低下したためであると推察した。
　等速ジョイント用ボールは、等速ジョイントを介して連結された回転軸が回転動作する際、外輪部材のボール溝、又は内輪部材のボール溝に対して摺接する。換言すれば、転動ボールと、外輪部材及び内輪部材との間で相対的な転がり・滑りが生じ、これに伴ってせん断応力とともに摩擦熱が発生する。本発明者らは、このようにしてせん断応力及び摩擦熱が発生することによって、炭素が減少すると考えた。
　そこで、等速ジョイント用ボールに大きな圧縮残留応力を付与することが想起される。この場合、前記の転がり・滑りに伴ってせん断応力が生じると、圧縮残留応力がこれを吸収するからである。しかしながら、例えば、等速ジョイント用ボールの表面の圧縮残留応力を－１０００ＭＰａと大きくしても、欠陥が生じることを回避することは困難である。
　本発明者らは、この理由につき鋭意検討を重ねる過程で、等速ジョイント用ボールの表面からの深さが０．１～０．２ｍｍである部位に集中して欠陥が発生しているとの知見を得た。この知見から、ヘルツ応力の理論と同様に、表面よりも内部でせん断応力が最大となっているとの結論に達した。
　そこで、表面からの深さが０．１～０．２ｍｍの部位の圧縮残留応力を－１０００ＭＰａ以上としたところ、等速ジョイント用ボールの表面から剥離が起こることが認められるようになった。この点につき、本発明者らは、等速ジョイント用ボールの表面からの深さが０．０２～０．０３ｍｍの間、特に０．０２５ｍｍ近傍で、亀裂が生じているとの知見を得た。この知見から、本発明者らは、表面からの深さが０．１～０．２ｍｍの部位の圧縮残留応力が大きくなったことに伴い、亀裂の起点が等速ジョイント用ボールの極最表面に移動したと推察し、さらなる鋭意検討を重ね、本発明をするに至った。
　本発明の主たる目的は、安価な材質からなるにも関わらず、耐久性及び耐摩耗性に優れる等速ジョイント用ボールを提供することにある。
　本発明の別の目的は、上記した等速ジョイント用ボールを製造することが可能な等速ジョイント用ボールの製造方法を提供することにある。
　本発明の一実施形態によれば、等速ジョイントを構成する外輪部材と内輪部材との間に介在され、前記外輪部材から前記内輪部材に、又はその逆方向に回転力を伝達する等速ジョイント用ボールであって、
　日本工業規格に規定される高炭素クロム軸受鋼相当材を素鋼として形成され、
　表面からの深さが０．１ｍｍである第１部位から０．２ｍｍである第２部位に至る領域の圧縮残留応力が－１０００ＭＰａ以上を示し、
　且つ前記表面から前記第１部位にわたって、金属組織内にオーステナイトが１０～２５体積％存在する等速ジョイント用ボールが提供される。
　ここで、本発明における「－１０００ＭＰａ以上」は、－１０００ＭＰａよりも絶対値が大きい負の数値であることを意味する。すなわち、例えば、－１２００ＭＰａは－１０００ＭＰａよりも大きい圧縮残留応力であり、一方、－９５０ＭＰａは－１０００ＭＰａよりも小さい圧縮残留応力である。
　また、「高炭素クロム軸受鋼」とは、日本工業規格であるＪＩＳ Ｇ ４８０５に規定されるＳＵＪ１～ＳＵＪ５の中のいずれかと同等の組成を有する鋼材を指称する。
　上記したように、金属組織からの炭素の減少、ひいてはせん断応力の作用は、等速ジョイント用ボールの表面からの深さが０．１～０．２ｍｍである部位で最も大きくなると推察される。そこで、表面からの深さが０．２ｍｍである部位における圧縮残留応力を－１０００ＭＰａ以上と大きくする。これにより、該等速ジョイント用ボールと外輪部材及び内輪部材との間に相対的な転がり・滑りが生じて該等速ジョイント用ボールの内部にせん断応力が発生した際、該せん断応力が前記圧縮残留応力によって効果的に吸収され、その結果、炭素が減少することが抑制される。
　このことから諒解されるように、所定の深さの圧縮残留応力を大きくすることにより、炭素が減少すること、ひいては強度や靭性が低下して欠陥が発生することを回避することができる。このため、等速ジョイント用ボールの材質として安価な鋼材を採用することも可能となるので、耐久性に優れる等速ジョイント用ボールを低コストで作製することもできる。
　その一方で、表面から第１部位（表面からの深さが０．１ｍｍである部位）に至るまでの金属組織中に、オーステナイトを１０～２５体積％含ませる。オーステナイトは、パーライトやマルテンサイトに比して軟質な析出物であり、従って、表面から第１部位にかけての靭性が向上する。これにより、剥離の原因となる亀裂が表面近傍に発生することが抑制される。すなわち、剥離が起こることが回避され、その結果、耐久性が確保された転動ボールとなる。
　しかも、金属組織中にオーステナイトを１０～２５体積％含ませて靭性を向上させたことにより、該転動ボールの表面硬度が高い場合であっても剥離が起こり難くなる。例えば、この転動ボールでは、表面硬度をＨＲＣで６２～６８とすることも可能である。
　そして、これにより、耐摩耗性も確保される。
　なお、一般的な転動ボールでは、亀裂は、表面から前記第１部位の間の領域で発生し易い傾向にある。このため、表面からの深さが０．１ｍｍである部位の圧縮残留応力は、深さが０．２ｍｍである部位に比して大きいことが好ましい。このように表面側の方の圧縮残留応力を大きくすることにより、該表面側に亀裂が発生することを抑制することができるからである。
　表面からの深さが０．１ｍｍである部位の圧縮残留応力は、例えば、－１１５０ＭＰａ以上に設定すればよい。
　本発明の別の一実施形態によれば、等速ジョイントを構成する外輪部材と内輪部材との間に介在され、前記外輪部材から前記内輪部材に、又はその逆方向に回転力を伝達する等速ジョイント用ボールの製造方法であって、
　日本工業規格に規定される高炭素クロム軸受鋼相当材からなる球体に対し、８４０～９００℃に加熱した後、表面から深さが０．１ｍｍである第１部位までオーステナイトが１０～２５体積％残留する条件下で冷却を行う焼入れ処理工程と、
　焼入れ処理が施された前記球体に対し、１５０℃以上で焼戻し処理を施す焼戻し処理工程と、
　焼戻し処理が施された前記球体に対してショットピーニング処理を施し、前記第１部位から、前記表面からの深さが０．２ｍｍである第２部位に至る領域に－１０００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を付与するショットピーニング処理工程と、
　を有する等速ジョイント用ボールの製造方法が提供される。
　このような過程を経ることにより、上記したように、表面から内部にわたって欠陥が発生し難く、耐久性に優れた等速ジョイント用ボールを得ることが可能となる。
　以上のように、本発明においては、等速ジョイント用ボールにおける欠陥発生の原因となる白色組織が生成し易い部位（表面からの深さ０．１～０．２ｍｍ）の圧縮残留応力を大きくすることで、該等速ジョイント用ボールと外輪部材及び内輪部材との間に相対的な転がり・滑りが生じたときに該部位に発生したせん断応力を吸収するとともに、表面～表面からの深さ０．１ｍｍの部位の金属組織中にオーステナイトを１０～２５体積％含ませ、靭性を大きくするようにしている。このため、内部で白色組織が生成することが抑制され、且つ極表面で剥離が生じることが回避されるので、安価な鋼材であっても欠陥が発生し難くなる。
　換言すれば、表面からの深さが０．１～０．２ｍｍである部位の圧縮残留応力を－１０００ＭＰａ以上と大きくし、且つ極表面の金属組織中のオーステナイト量を多くしたことにより、安価な高炭素クロム軸受鋼相当材からなる等速ジョイント用ボールであっても、耐久性に優れるものを構成することができる。
　なお、高炭素クロム軸受鋼相当材の好適な例としては、ＳＵＪ２相当材を挙げることができる。ＳＵＪ２相当材は安価であるので、コスト的に有利となる。
図１は、本実施の形態に係る等速ジョイント用ボール（転動ボール）が組み込まれて構成されたバーフィールド型等速ジョイントの概略断面図である。 図２は、図１の転動ボールの要部拡大断面図である。 図３は、本実施の形態に係る転動ボール、及び比較例１、２の転動ボールにおける表面からの深さと圧縮残留応力との関係を示すグラフである。 図４は、本実施の形態に係る転動ボール、及びＳＵＪ２からなる転動ボールにおける表面から深さ０．５ｍｍに至るまでの金属組織中のオーステナイト量を示すグラフである。 図５は、本実施の形態に係る転動ボール、表面～深さ０．１ｍｍに至る領域のオーステナイト量が１０％を下回る転動ボール、及びＳＵＪ２からなる転動ボールのワイブル確率プロットである。
　以下、本発明に係る等速ジョイント用ボール及びその製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
　図１は、バーフィールド型等速ジョイント（以下、単に等速ジョイントともいう）１０の概略断面図である。この等速ジョイント１０は、外輪部材１２と、内輪部材１４とを有し、これら外輪部材１２と内輪部材１４との間に、本実施の形態に係る転動ボール１６（等速ジョイント用ボール）が介在されている。
　外輪部材１２は、軸部１８と、開口した筒状部２０とを有し、該筒状部２０の湾曲した内壁には、互いに等角度で離間した６個のボール溝２２ａ～２２ｆが設けられている。
　筒状部２０の内部には、前記内輪部材１４がリテーナ２４に保持された状態で挿入されている。ここで、内輪部材１４には、直径方向外方に膨出するように湾曲した外周面を切り欠くようにして、外輪部材１２のボール溝２２ａ～２２ｆと同数個のインナ側ボール溝２６ａ～２６ｆが設けられている。また、一端面から他端面にかけて貫通孔２７が設けられている。この貫通孔２７には、ドライブシャフトＤＳが嵌合される。
　一方、リテーナ２４には、該リテーナ２４の内壁から外壁まで貫通した窓２８が設けられている。前記転動ボール１６は、この窓２８に収容されるとともに、外輪部材１２のボール溝２２ａ～２２ｆと内輪部材１４のインナ側ボール溝２６ａ～２６ｆに挿入されている。
　ここで、前記転動ボール１６の表面近傍の断面を拡大して図２に示す。該図２中の参照符号３０、３２、３４は、それぞれ、転動ボール１６の表面、該表面３０からの深さが０．１ｍｍである第１部位、該表面３０からの深さが０．２ｍｍである第２部位を表す。また、参照符号Ｏは、転動ボール１６の中心である。
　図３に、直径が１９／３２インチである転動ボール１６の表面３０からの深さと圧縮残留応力との関係をグラフにして示す。本実施の形態に係る転動ボール１６において、表面３０、第１部位３２、第２部位３４における圧縮残留応力は、それぞれ、－１２００ＭＰａ、－１１８０ＭＰａ、－１０２０ＭＰａであり、いずれも－１０００ＭＰａ以上である。また、図３から諒解されるように、第１部位３２から第２部位３４にわたる部位の圧縮残留応力も－１０００ＭＰａ以上を示す。
　なお、この場合、転動ボール１６は、高炭素クロム軸受鋼の１種であるＳＵＪ２を素鋼として形成されている。
　このような構成の転動ボール１６が組み込まれた前記等速ジョイント１０（図１参照）は、自動車車体に搭載されて駆動力伝達機構を構成し、エンジンからの駆動力をタイヤまで伝達する役割を果たす。
　自動車が走行する際に運転者がステアリングを操作することで進路変更が行われたり、凹凸が大きな道路を通過したりすることに伴い、ドライブシャフトＤＳが変位する。このため、等速ジョイント１０では、転動ボール１６が外輪部材１２のボール溝２２ａ～２２ｆ、内輪部材１４のインナ側ボール溝２６ａ～２６ｆに摺接する。すなわち、転動ボール１６と、外輪部材１２及び内輪部材１４との間で相対的な転がり・滑りが生じ、せん断応力とともに摩擦熱が発生する。
　このせん断応力及び摩擦熱は、特に、転動ボール１６の第１部位３２から第２部位３４（図２参照）にわたる部位に負荷を及ぼす。この負荷により、該部位の金属組織から炭素が減少する。
　炭素が減少した金属組織は、ナイタール腐食液で腐食させた際に白色を呈する、いわゆる白色組織となる。この白色組織は脆性であり、従って、剥離や亀裂の原因となる。
　しかしながら、本実施の形態においては、図３に示されるように、第１部位３２から第２部位３４にわたって圧縮残留応力が－１０００ＭＰａ以上に設定されている。圧縮残留応力がこのように大きい部位では、前記のせん断応力が作用した際、該せん断応力が吸収される。従って、炭素が減少して白色組織となる組織変化が起こり難くなる。
　すなわち、本実施の形態によれば、転動ボール１６の第２部位３４に大きな圧縮残留応力を予め付与したことに伴って表面３０からの深さが０．１ｍｍ（第１部位３２）から０．２ｍｍ（第２部位３４）にわたる部位の圧縮残留応力を大きくし、これにより該部位にせん断応力を吸収させるようにしたので、この部位に白色組織が生成することを抑制することができる。
　第２部位３４よりも深い部位では、白色組織が元々生成し難い。従って、第１部位３２から第２部位３４にわたる部位の圧縮残留応力を大きくすることのみで、転動ボール１６全体にわたって、剥離や亀裂の原因である白色組織が生成することを回避することができる。
　そして、このように白色組織が生成することを回避するようにした結果、ＳＵＪ２のような安価な鋼材からなる転動ボール１６であっても、剥離や亀裂が生じることが防止される。すなわち、長寿命を示す転動ボール１６を低コストで作製することが可能となる。
　ここで、転動ボール１６の表面３０から深さ０．５ｍｍに至るまでの金属組織中のオーステナイト量を、一般的なＳＵＪ２からなる転動ボールにおける表面から深さ０．５ｍｍに至るまでの金属組織中のオーステナイトと併せて図４に示す。この図４から諒解されるように、ＳＵＪ２からなる転動ボールでは、オーステナイト量は最大でも約９体積％である。これに対し、本実施の形態に係る転動ボール１６では、表面３０におけるオーステナイト量は約１６体積％であり、第１部位３２では１４．８体積％である。さらに、深さ０．５ｍｍに至るまで、オーステナイト量は１４体積％を超える。
　このように、転動ボール１６は、ＳＵＪ２からなる転動ボールに比して、表面３０から第１部位３２に至るまでの領域の金属組織中に存在するオーステナイト量が多い。オーステナイトは、パーライトやマルテンサイトに比して軟質であるため、オーステナイト量が多いこの領域では靭性が向上する。このため、極表面、すなわち、表面３０～第１部位３２までの領域に、剥離の原因である亀裂が発生し難い。
　その上、この転動ボール１６は、表面３０の靭性が大きいので、表面硬度を大きくすることができる。具体的には、ＨＲＣで６２～６８とすることが可能である。これにより、表面３０の耐摩耗性も確保される。
　この転動ボール１６は、以下のようにして製造することができる。
　先ず、ＳＵＪ２相当材（素鋼）からなる球体に対して焼入れ処理を施す。すなわち、該球体を８４０～９００℃に加熱し、その後、この球体を冷却する。ここで、この冷却は、該球体の表面３０から深さ０．１ｍｍである第１部位３２に至る領域に、オーステナイトが１０～２５体積％残留する条件下で行う。
　通常、素鋼の金属組織中にはパーライトが存在する。このパーライトは、前記加熱によってオーステナイトに変化する。一般的に、オーステナイトは、後過程の冷却時にマルテンサイトに変態するが、本実施の形態においては、冷却速度を小さくしてマルテンサイト析出開始温度（Ｍｓ点）に到達するまでの時間を遅くする。これにより、冷却後に金属組織中に残留するオーステナイト量を多くすることができる。
　なお、実際の冷却速度は、転動ボール１６の直径に応じて設定すればよい。
　次に、前記球体に対し、１５０℃以上で焼戻し処理を施す。これにより、前記焼入れ処理によって形成された金属組織が安定化する。
　次に、前記球体に対して圧縮残留応力を付与する。この付与にあたっては、例えば、特開昭６１－２７０３３１号公報又は特開平１１－１９８２８号公報に記載された公知の処理方法・装置を用いるようにすればよい。すなわち、焼入れ・焼戻しが施された転動ボール１６を複数個バレルに収容し、次に、バレルを回転させて転動ボール１６とバレルの内壁、又は転動ボール１６同士を衝突させるようにすればよい。この衝突が繰り返されることにより、転動ボール１６に圧縮残留応力が付与される。
　転動ボール１６において、圧縮残留応力が最大となる深さは、転動ボール１６の直径寸法や処理条件に応じて変化する。例えば、直径が３／８インチの転動ボール１６に対し、特開平１１－１９８２８号公報に記載の装置を用いて処理を行う場合、バレルと軸線が同一であり且つ該バレルと逆方向に回転する支持軸の回転数を５０ｒｐｍ、処理時間を９０分としたとき、表面３０からの深さが０．１ｍｍの部位（第１部位３２）の残留圧縮応力が最大となり、その値はおよそ－９６０ＭＰａである。また、前記支持軸の回転数を６５ｒｐｍ、処理時間を９０分としたとき、表面３０からの深さが０．１５ｍｍの部位の残留圧縮応力が最大となり、その値はおよそ－１０００ＭＰａである。
　このことから諒解されるように、支持軸の回転数を上昇させることによって、転動ボール１６における圧縮残留応力の最大値と、この最大値をとる深さとを制御することが可能となる。例えば、図３に示すように、直径１９／３２インチの転動ボール１６における第１部位３２及び第２部位３４の各圧縮残留応力を－１１８０ＭＰａ、－１０２０ＭＰａとするには、支持軸の回転数を５０ｒｐｍに設定し、回転時間を２．５時間とすればよい。
　前記図３には、支持軸の回転数を低くし、直径が１９／３２インチであり且つ表面３０からの深さが０．１ｍｍ、０．２ｍｍである部位の各圧縮残留応力が－８７０ＭＰａ、－５００ＭＰａである比較例１、同一直径で且つ表面からの深さが０．１ｍｍ、０．２ｍｍである部位の各圧縮残留応力が－５１０ＭＰａ、－３８０ＭＰａである比較例２の転動ボールにおける表面からの深さと圧縮残留応力との関係が併せて示されている。すなわち、比較例１、２の転動ボールにおいては、白色組織が生成し易い部位の圧縮残留応力は、－１０００ＭＰａ以下である。
　この図３から、本実施の形態に係る転動ボール１６と、比較例２の転動ボールとで表面の圧縮残留応力が略同等であるにも関わらず、両ボールの耐久性に著しい差があることも分かる。このことから、第２部位３４における圧縮残留応力を－１０００ＭＰａ以上とし、これにより白色組織が生成し易い第１部位３２から第２部位３４にわたって圧縮残留応力を大きくすることで、転動ボールの耐久性が向上することが認められる。
　図５は、本実施の形態に係る転動ボール１６、表面からの深さが０．１ｍｍ～０．２ｍｍに至る領域の圧縮残留応力が転動ボール１６と略同等ではあるものの表面～深さ０．１ｍｍに至る領域のオーステナイト量が１０％を下回る転動ボールＡ、及びＳＵＪ２からなる転動ボールＢのワイブル確率プロットであり、横軸は時間である。この図５から、転動ボールＢ、転動ボールＡ、転動ボール１６の順で寿命が長期化していることが明らかである。
　以上のように、本実施の形態によれば、耐久性に優れた転動ボール１６を得ることができる。
　なお、上記した実施の形態においては、ＳＵＪ２を素鋼として作製された転動ボール１６を例示して説明したが、転動ボール１６の材質はＳＵＪ２に限定されるものではなく、高炭素クロム軸受鋼相当材であればよい。すなわち、ＳＵＪ１相当材であってもよく、ＳＵＪ３相当材、ＳＵＪ４相当材又はＳＵＪ５相当材であってもよい。

Claims (7)

  1. 　等速ジョイント（１０）を構成する外輪部材（１２）と内輪部材（１４）との間に介在され、前記外輪部材（１２）から前記内輪部材（１４）に、又はその逆方向に回転力を伝達する等速ジョイント用ボール（１６）であって、
    　日本工業規格に規定される高炭素クロム軸受鋼相当材を素鋼として形成され、
    　表面（３０）からの深さが０．１ｍｍである第１部位（３２）から０．２ｍｍである第２部位（３４）に至る領域の圧縮残留応力が－１０００ＭＰａ以上を示し、
    　且つ前記表面（３０）から前記第１部位（３２）にわたって、金属組織内にオーステナイトが１０～２５体積％存在することを特徴とする等速ジョイント用ボール（１６）。
  2. 　請求項１記載の等速ジョイント用ボール（１６）において、前記第１部位（３２）での圧縮残留応力が－１１５０ＭＰａ以上であることを特徴とする等速ジョイント用ボール（１６）。
  3. 　請求項１又は２記載の等速ジョイント用ボール（１６）において、前記第１部位（３２）での圧縮残留応力が前記第２部位（３４）に比して大きいことを特徴とする等速ジョイント用ボール（１６）。
  4. 　請求項１～３のいずれか１項に記載の等速ジョイント用ボール（１６）において、日本工業規格に規定されるＳＵＪ２相当材からなることを特徴とする等速ジョイント用ボール（１６）。
  5. 　請求項１～４のいずれか１項に記載の等速ジョイント用ボール（１６）において、前記表面（３０）でのＣスケールのロックウェル硬度が６２～６８であることを特徴とする等速ジョイント用ボール（１６）。
  6. 　等速ジョイント（１０）を構成する外輪部材（１２）と内輪部材（１４）との間に介在され、前記外輪部材（１２）から前記内輪部材（１４）に、又はその逆方向に回転力を伝達する等速ジョイント用ボール（１６）の製造方法であって、
    　日本工業規格に規定される高炭素クロム軸受鋼相当材からなる球体に対し、８４０～９００℃に加熱した後、表面（３０）から深さが０．１ｍｍである第１部位（３２）までオーステナイトが１０～２５体積％残留する条件下で冷却を行う焼入れ処理工程と、
    　焼入れ処理が施された前記球体に対し、１５０℃以上で焼戻し処理を施す焼戻し処理工程と、
    　焼戻し処理が施された前記球体に対してショットピーニング処理を施し、前記第１部位（３２）から、前記表面（３０）からの深さが０．２ｍｍである第２部位（３４）に至る領域に－１０００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を付与するショットピーニング処理工程と、
    　を有することを特徴とする等速ジョイント用ボール（１６）の製造方法。
  7. 　請求項６記載の製造方法において、高炭素クロム軸受鋼相当材として日本工業規格に規定されるＳＵＪ２相当材を選定することを特徴とする等速ジョイント用ボール（１６）の製造方法。
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