(57)【要約】【課題】  等速ジョイント用ボールとして、従来のボールに比し、より安価で耐焼付性及び耐異物性に優れたボールを提供する。【解決手段】  等速ジョイント用ボールにおいて、ＳＵＪ２のコイル状の線材を所定長さに切断後、冷間鍛造、バリ取り、ずぶ焼処理および焼き戻し後、ピーニング，グライディング，ピーニングの工程をその順序で加工し、最後にラッピング処理してボール表面の残留炭化物の面積率が５〜８％で、ラッピング後の該ボール表面のロックウエル硬さが平面換算値でＨＲＣ６６〜６９の硬さを有するようにした。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と外輪との間に転動体が介在し、内外輪の軸線の交わる角度が自由に変化してこれら内外輪間に回転を伝える等速ジョイントの転動体（ボール）において、前記転動体がＳＵＪ２であって、ＳＵＪ２のコイル状の線材を所定長さに切断後、冷間鍛造、バリ取り、ずぶ焼、焼戻し、ピーニング、グライディング、ラッピング工程をその順序で製造されたボールであって、ボール表面の残留炭化物の面積率が５〜８％で、ラッピング後の該ボール表面のロックウエル硬さが平面換算値でＨＲＣ６６〜６９の硬さを有していることを特徴とする等速ジョイント用ボール。
【請求項２】
前記ボールの残留オーステナイト量が１０％を超え、１９％以下の範囲である請求項１記載の等速ジョイント用ボール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は主として自動車用，産業機械用等に使用される等速ジョイント、特に自動車用の等速ジョイントに使用されるボールの長寿命化に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
等速ジョイントは自動車のエンジンの動力を車輪に伝えるドライブシャフトのジョイント部に使われている部品で、内外輪，ケージ及び複数個のボールから構成されている。この等速ジョイントはドライブシャフトの回転とともに一方の軸に伝達された動力が、ボールを介して他方の軸に等速で伝達される機能を備えており、近年自動車のエンジンの高出力化に伴う高トルク化，あるいは省燃費性を目的とした軽量化のために、等速ジョイントの小型化が求められている。しかし、単なる小型化では等速ジョイントの耐久性の低下を招いてしまう。そこで、ボールの耐摩耗性，疲労強度を向上させるために表面付近に窒素を固溶させる浸炭窒化または窒化処理を行い、ボール表面層をＨＲＣ６０〜６３の範囲に硬化したもの（例えば特許文献１，２参照）や稼働中の付加に伴って発生するボール内部の白色組織により生じる早期剥離を低減するために、ボールのせん断応力付近に圧縮残留力を付加したもの（例えば特許文献３参照）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３０４７０８８号公報
【特許文献２】特開２００２−１２２１４５号公報
【特許文献３】特開２００８−１６４０９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記の特許文献１及び２に記載された発明は、ボールに浸炭窒化または窒化処理を行うことにより等速ジョイントで使用されるボールの耐摩耗性・疲労強度を向上させるものであり、この処理は通常のずぶ焼処理とは異なり表面に窒素を固溶させるため熱処理時間が長く、アンモニアガス等を処理中に投入する必要があり、処理コストが高くなる難がある。
【０００５】
また、特許文献３記載の発明はボールのせん断応力付近に圧縮残留応力を付加したもので、この方法は、鋼球内部で発生する白色組織を抑制するためだけのものにすぎない。およそ、自動車などの等速ジョイントは内外輪およびケージとボールとのすべりと転がりによってトルクを伝達するという特徴があり、すべりによる耐焼付性と転がり疲労寿命特性が要求される。また等速ジョイント稼働中に、内外輪及びケージから金属粉が発生することによって、等速ジョイント用ボールは異物環境下で使用されることが多い。そのためこのような環境下では、ボール表面に圧痕または線キズが発生し、これらのキズの周りに生じるエッジ部に応力集中が発生し、表面起点型の剥離に至ることがよく知られているため、等速ジョイントに使用されるボールには異物環境下での転がり疲労寿命特性も要求されるが、これらの点についてはまだ充分でない。
【０００６】
本発明は、上述したような実状に鑑み、特にこれら要求に適応する特性を見出すことにより上記の要求に呼応し、より安価で、耐焼付性および耐異物性に優れた等速ジョイント用ボールを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
即ち、上記目的に適合する本発明は、内輪と外輪との間に転動体（ボール）が介在し、内外輪の軸線の交わる角度が自由に変化してこれら内外輪間に回転を伝える等速ジョイントにおける前記転動体（ボール）であってＳＵＪ２のコイル状の線材を所定の長さに切断後、冷間鍛造、バリ取り，ずぶ焼，焼戻し，ピーニング，グライディング，ラッピングの各工程をその順序で製造されたボールよりなり、ボール表面の残留炭化物の面積率が５〜８％で、かつラッピング後の該ボール表面のロックウエル硬さが平面換算値でＨＲＣ６６〜６９の硬さを有していることを特徴とする。
【０００８】
また、上記ボールは残留オーステナイト量が１０％を超え、１９％以下の範囲にされていることが好適である。なお、ここで上記本発明ボールは素材としてＳＵＪ２が用いられ、上記の如くそのコイル状線材を所定長さに切断し、切断後、冷間鍛造，バリ取り，ずぶ焼，焼戻し，ピーニング，グライディング，ラッピングの各工程をその順序で経ることによって製造されるが、特にグライディングに先立ってピーニング工程を行うことは従来と異なり本発明において頗る重要である。
【発明の効果】
【０００９】
上記本発明ボールは、ボール用材料としては比較的安価で入手が容易なＳＵＪ２を使用し、ずぶ焼処理を実施することで、低コスト化が可能となり、また、ずぶ焼処理のオーステナイト化温度を高くし、炭素をマルテンサイト中に多く固溶させることでボール表面を硬くし、ボールの耐焼付性と異物環境下での耐久性を向上させることができる。なお、ボールに施されるピーニング処理の工程順序を変更し、グライディングの前にピーニング処理を行うことで、更にボール表面を硬くし、より一層、ボールの耐焼付性と異物環境下での耐久性を向上させることが可能となった。本発明は、主として、鋼球の表面起点型剥離に対する長寿命化に顕著な効果を有するが、一般軸受やボールネジの鋼球としても応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来品ならびに比較品と、本発明ボールとのミクロ組織を示したもので、（ａ）は従来品のミクロ組織、（ｂ）は比較品である試験番号Ａのミクロ組織、（ｃ）は本発明に係る試験番号Ｂのミクロ組織、（ｄ）は比較品である試験番号Ｃのミクロ組織（倍率；３０００倍、腐食液；ピクリン酸アルコール）である。
【図２】従来品および本発明実施例（試験番号Ｂ）ならびに比較例（試験番号Ａ，Ｃ）に係るボールの残留応力分布で、横軸にボール表面からの深さ、縦軸に圧縮残留応力を示した図である。
【図３】従来品および本発明実施例（試験番号Ｂ）と比較例（試験番号Ａ，Ｃ）の４球式試験の結果で、縦軸に焼付時間の比を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、更に本発明の具体的実施形態について詳述する。前述したように浸炭窒化処理等の表面効果処理を実施することで、ボール表面に硬化層を付与し、ボール表面の残留オーステナイト量を増加させることができる。この残留オーステナイトは、応力集中を緩和するとの報告があり、異物環境下での耐久性を向上させる効果があるが、表面効果処理を実施すると処理コストが高くなる。
【００１２】
そこで、本発明では、ボール用材料としては比較的安価で入手が容易なＳＵＪ２を使用し、上述したような表面効果処理を用いず、ずぶ焼処理を実施することで、低コスト化を図ることにした。また、ボール表面硬化のため、ずぶ焼処理時のオーステナイト化温度を高くし、炭化物をマルテンサイト中に多く固溶させるとともに、表面の残留オーステナイト量を増加させることでボールの耐焼付性と耐異物環境下での耐久性を向上させることとした。
【００１３】
更にボールに施されるピーニング処理の工程順序を変更し、グライディング（精研磨）の前とすることで、よりボール表面を硬くし、ボールの耐焼付性と異物環境下での耐久性の向上を図るようにしたものである。
【００１４】
即ち、本発明は上記の状態をふまえてＳＵＪ２を使用し、表面硬化処理を用いることなく、切断後、冷間鍛造，バリ取り，ずぶ焼，焼戻し，ピーニング，グライディング，ラッピングの順序工程で製造されたボールに関し、その残留炭化物の面積率，ラッピング後のボール表面のロックウエル硬さを限定するものである。
【００１５】
より具体的にはボール表面の残留炭化物の面積率が５〜８％であることが好ましく、ボール表面の硬さを平面換算値でＨＲＣ６６〜６９にするのが好ましい。これは、ＨＲＣ６６以下及び残留炭化物の面積率が１０％以上では耐焼付性および耐異物性に大きな向上が見られず、ＨＲＣ６９以上および残留炭化物の面積率が５％以下では圧砕荷重の顕著な低下が生じるからである。また、ボール表面の残留オーステナイト量は１０％を超え、１９％以下の範囲であることが好ましい。これは、残留オーステナイト量は１０％以下では耐焼付性および耐異物性に大きな向上が見られないからである。また、２０％を超えるように余り大きくするまでもない。
【００１６】
なお、従来、軸受や等速ジョイント用に使用される転動体用のボールは、通常、鋼線を一定の長さに切断したピースを圧縮して球形状に成形し、次に２枚の硬質鋳物盤の間に挟んで圧力をかけて転動させ、バリを除去した後、硬さと靱性を確保するため熱処理が行われる。その後、グライディング（精研磨），ピーニング，ラッピングの工程で最終製品となる。グライディング（精研磨）・ラッピングはバリの除去工程では、ボール表面近傍に大きな圧縮残留応力が付与され、ボールサイズが１７ｍｍ前後においては２０μｍ程度の深さまで硬化層が形成される。ピーニング工程では所定の大きさのドラム内にボールを所定量投入し、ドラムを回転させてボールとボールもしくはボールとドラム壁面の衝突によって、鋼球表面付近に硬化層が形成され、ボールサイズが１７ｍｍ前後においてはボール表面より深さ５００μｍ程度まで圧縮残留応力が付加される。ピーニング工程をグライディング（精研磨）後に実施した場合、後工程のラッピング工程では表面からの削り代が小さくなり、圧縮残留応力の極大値が内部に存在するボールができる。
【００１７】
しかしながら、上述したように等速ジョイント用ボールには、表面起点型の剥離が生じ易いため、長寿命化にはボールの最表面付近の圧縮残留応力の増加による硬化が効果的である。更に稼働中に異物によってボール表面に生じる圧痕または線キズの周辺の応力集中を緩和させるため、残留オーステナイト量を増やす手法も効果的である。
【００１８】
本発明においては具体的に例えばサイズ２１／３２インチのＳＵＪ２製ボールを通常のずぶ焼、焼戻し後にピーニングを実施し、その後、グライディング、ラッピングの工程順序で加工した。ＳＵＪ２の熱処理は通常、８３０〜８５０℃付近の高温でオーステナイト化処理を実施した後、冷却されるが、本発明では、残留炭化物をマルテンサイト中に多く固溶させるとともに、表面の残留オーステナイト量を増加させることを目的としているため、焼入れ温度を更に高温の８４０〜９００℃に設定した。以下、更に本発明の実施例を説明する。
【実施例】
【００１９】
サイズ２１／３２インチのＳＵＪ２製ボールを下記表１に示す各製造工程で製造し、夫々オーステナイト化温度でオーステナイト化処理を実施して従来品ならびに本発明に係る試験番号Ｂ及び比較品である試験番号Ａ，Ｃを作成した。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
上記作成された表１の各ボールの各種特性を表２に示し、各ボールの表面付近のミクロ組織写真を図１に示す。また図２にはそれぞれのボールの表面から内面にかけての残留応力分布を示した。表２中、ボール表面のロックウエル硬さはロックウエル硬度計でボール球面をそのまま測定し、測定値はＪＩＳ  Ｂ１５０１に従って平面換算した。ボールの残留炭化物の面積率はボールを半割りにして測定を行った。また、ボール表面の残留オーステナイト量は（株）リガク製微小部Ｘ線応力測定装置を用いて測定し、ボール内部の圧縮残留応力はボール表層を電解研磨にて除去した後に測定した。圧砕荷重は、２個の鋼球を角度１２０°の上下２個の円すい座に両円すい軸が一致するように挟んだ後、荷重を３．９ｋＮ／ｓｅｃのスピードで負荷し、鋼球が圧砕に至った時の荷重を測定した。異物環境下での寿命比は下記異物環境試験条件における前記各試験番号ボールのボール破損までの時間を従来品のボール破損までの時間で除した値である。
〈異物環境試験条件〉
試験荷重：ラジアル荷重１３．４ｋＮ、スラスト荷重１１．０ｋＮ
回転数：４５００ｒｐｍ
潤滑油：オートマティックオイル
異物材質：硬質鉄粉
異物混入量：０．２ｇ／Ｌ
【００２２】
【表２】
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【００２３】
上記表２より、従来品に対して試験番号Ａは精研磨前にピーニング処理を行っているため、図２に示すように圧縮残留応力の極大値がボールの最表面付近まで移動し、従来品と比較してＨＲＣで１程度硬くなったが、その他の残留炭化物の面積率、ボール表面残留オーステナイト量、及び圧砕荷重の値については別段大きな差異は見られない。
【００２４】
これに対し試験番号Ｂ（本発明）および試験番号Ｃにおいてはオーステナイト化温度が高くなると、いずれも鋼球硬さが高くなり、また、残留炭化物の面積率もマルテンサイト中に固溶する炭化物が多くなるため低下した。圧砕荷重はオーステナイト化温度が高くなると低下する傾向が見られ、特に試験番号Ｃは図１（ｄ）に示すように、残留炭化物の溶け込み量が大きく、マルテンサイトの針状組織が粗くなっており、このことから圧砕荷重の低下が大きい。
【００２５】
また、異物環境下での寿命特性は、試験番号Ａでは従来品と同程度と変わらなかったが、試験番号Ｂおよび試験番号Ｃでは大きな効果が確認された。これは、試験番号Ａと比較して試験番号Ｂおよび試験番号Ｃのボール表面の残留オーステナイト量が多いため、異物によって生じた圧痕のエッジ部での応力集中が緩和され、クラックの進展を遅らせたことに起因するものと考えられる。以上のことから、本発明の特性を有する試験番号Ｂのボールは総合して従来品ならびに比較例の試験番号Ａ，Ｃに比し頗る優れていることが分かる。
【００２６】
一方、等速ジョイントは、荷重を受けたボールがすべりと転がりによりトルクを伝達するという特徴があり、ボールの耐焼付性が重要になる。そのため、４球式試験機にてボールの耐焼付性を確認した。図３は４球式試験機による耐摩耗性の確認を行った結果を示す。試験機には高千穂精機株式会社高速４球式試験機を使用し、以下の試験条件で試験を実施した、試験は当該ボール３球の上部に当該ボール１球を設置し、潤滑が乏しい状態で上部ボールを回転させ、回転トルクが初期トルクの２．５倍に達した時点で試験を終了し、試験開始から試験終了までの試験時間によって焼付性を評価した。
〈焼付性試験条件〉
試験荷重：５３．９Ｎ
回転数：２５００ｒｐｍ
測定機の型式：ＣＨ−ＨＳＦ−１０Ｋ
図３から明らかなように、焼付性は従来品の焼付性に対して、試験番号Ａで約１．６倍、本発明に係る試験番号Ｂで約２．２倍になり、焼付性の向上が認められた。これは、従来品よりもボール表面が硬化しているためである考えられるが、最もボール表面が硬い試験番号Ｃについては約１．４倍に留まり、試験番号Ｂよりも改善が認められなかった。これは、図１（ｄ）で示したように、マルテンサイトの組織が粗くなったため、焼付性が低下したものと考える。以上の結果から、表面のＨＲＣ硬さが６６〜６９ＨＲＣの試験番号Ｂが最も焼付性が優れることが理解される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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