(57)【要約】【課題】接触表面で潤滑剤や混入した微量の水が分解して水素が発生しても、それが鋼中に侵入することによって起きる早期剥離を抑制することができる固定型等速自在継手を提供する。【解決手段】トルク伝達部材転動用のトラック溝２５が形成された外側継手部材を備え、２軸間の角度変位のみを許容する固定型等速自在継手である。合金元素としてＣ：０．４５〜０．６５ｗｔ％、Ｓｉ：０．１〜１．０ｗｔ％、Ｍｎ：０．１〜１．５ｗｔ％、Ｖ：０．０５〜０．３ｗｔ％をそれぞれの範囲内で含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼材を、外側継手部材に用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トルク伝達部材転動用のトラック溝が形成された外側継手部材を備え、２軸間の角度変位のみを許容する固定型等速自在継手において、合金元素として、Ｃ：０．４５〜０．６５ｗｔ％、Ｓｉ：０．１〜１．０ｗｔ％、Ｍｎ：０．１〜１．５ｗｔ％、Ｖ：０．０５〜０．３ｗｔ％をそれぞれの範囲内で含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼材を、少なくとも前記外側継手部材に用いることを特徴とする固定型等速自在継手。
【請求項２】
合金成分量に基づいた外側継手部材の硬度の予測値が２３≦ＨＲＣ≦３０となることを特徴とする請求項１の固定型等速自在継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定型等速自在継手に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、固定型等速自在継手は、図４に示すように、内球面１に複数のトラック溝２が円周方向等間隔に軸方向に沿って形成された外側継手部材としての外輪３と、外球面４に外輪３のトラック溝２と対をなす複数のトラック溝５が円周方向等間隔に軸方向に沿って形成された内側継手部材としての内輪６と、外輪３のトラック溝２と内輪６のトラック溝５との間に介在してトルクを伝達する複数のボール７と、外輪３の内球面１と内輪６の外球面４との間に介在してボール７を保持するケージ８とを備えている。また、内輪６にはシャフト１１が嵌入されている。
【０００３】
このような固定型等速自在継手が一定の作動角をとってトルク伝達する際、ボールは外輪のトラック溝底と内輪のトラック溝底とに接触して転がりと滑りを伴いながら揺動する。そのため、外輪には中炭素鋼が用いられ、トラック溝を包含する領域に焼入れ（例えば高周波焼入れ）が施されているものがある（特許文献１）。一方、一般的に内輪には浸炭鋼が用いられ、全周に浸炭焼入れが施されている。
【０００４】
今後の技術動向として、省資源化、省エネ化、コンパクト化などに対応するため、固定型等速自在継手もコンパクト化、常用角の高角化などがなされる方向にあり、それに伴って転がりすべり接触の受け持つ負荷が高まるともに揺動距離が長くなって滑りが増大する傾向にある。
【特許文献１】特開２０００−２１３５５３号公報（第５頁、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
高面圧下で転がりすべり接触すると、接触表面で潤滑剤や混入した微量の水が分解して水素が発生し、それが鋼中に侵入することがある。水素は鋼の疲労強度を著しく低下させるため、早期剥離を引き起こす原因となる。早期剥離における初期亀裂は、すべりが作用したときに接触領域の縁で大きくなる引っ張り応力によって発生する。前記特許文献１等に記載のものでは、そのような水素が関与する早期剥離に対する耐性は備えていない。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みて、接触表面で潤滑剤や混入した微量の水が分解して水素が発生しても、それが鋼中に侵入することによって起きる早期剥離を抑制することができる固定型等速自在継手を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の固定型等速自在継手は、トルク伝達部材転動用のトラック溝が形成された外側継手部材を備え、２軸間の角度変位のみを許容する固定型等速自在継手において、合金元素としてＣ（炭素）：０．４５〜０．６５ｗｔ％、Ｓｉ（ケイ素）：０．１〜１．０ｗｔ％、Ｍｎ（マンガン）：０．１〜１．５ｗｔ％、Ｖ（バナジウム）：０．０５〜０．３ｗｔ％をそれぞれの範囲内で含有し、残部がＦｅ（鉄）及び不可避的不純物からなる鋼材を、少なくとも前記外側継手部材に用いるものである。
【０００８】
高周波焼入した後の焼戻しで微小なＶ炭化物が析出される。この微小なＶ炭化物は、素地との整合性がよく、引張疲労特性の劣化を招く拡散性水素を強力にトラップする。このため、水素侵入下における引張疲労特性の劣化を小さく抑えることができる。
【０００９】
Ｃ量の下限を０．４５ｗｔ％としたのは、高周波焼入によって安定した高硬度を得るのに最低限必要なためである。一方、上限を０．６５ｗｔ％としたのは、多すぎると素材硬度が上昇して加工性が著しく低下することと、成分偏析防止のための高温拡散熱処理や炭化物の球状化など、特別な熱処理が必要でコストアップにつながるためである。
【００１０】
Ｓｉ量の下限を０．１ｗｔ％としたのは、Ｓｉはもともと鋼中に含まれるもので、それ以下に減らすことの意義が希薄だからである。一方、上限を１．０ｗｔ％としたのは、Ｓｉは焼戻による軟化を抑える効果があり、高温用途で用いる安価な鋼材には欠かせないが、多すぎると冷間加工性、熱間加工性が低下するためである。
【００１１】
Ｍｎ量の下限を０．１ｗｔ％としたのは、不純物として微量に含まれるＳが粒界に偏析するのを防ぐため、Ｍｎと化合させてＭｎＳとして析出させるためである。一方、上限を１．５ｗｔ％としたのは、Ｍｎは焼入性を向上させる有効な元素であるが、セメンタイトの中のＦｅ原子と置換して複合炭化物を形成し、素材硬度を上昇させるので、添加しすぎると加工性や被削性が低下するためである。
【００１２】
ＶはＣと親和性が強いため、焼入前には両者が結合した炭化物の状態で存在する。焼戻によって素地との整合性がよい微小なＶ炭化物を析出させるためには、焼入加熱時に一旦Ｖを素地に溶け込ませる必要がある。Ｖ量の下限を０．０５ｗｔ％としたのは、１０００℃前後の高周波焼入加熱温度で最低限必要なＶを素地に溶け込ませるためである。一方で、Ｖは非調質状態の素材硬度を著しく高めるので、多く添加しすぎると加工性や成形性が損なわれる。そのため、上限は０．３ｗｔ％とした。
【００１３】
このため、この外側継手部材は、水素が侵入しても引張疲労強度の低下が小さく、しかも、高硬度を得ることができるとともに、焼入れ性や加工性等に優れる。
【００１４】
合金成分量に基づいた外側継手部材の硬度の予測値が２３≦ＨＲＣ≦３０となるのが好ましい。
【００１５】
ところで、外側継手部材を構成する鋼材は、鍛造後に空冷された状態では非調質状態となる。この非調質状態での硬度が高すぎると、後の機械加工がしにくくなる。一方、軟らかすぎると、非焼入硬化部の疲労強度が十分に得られない。このため、加工性の面からはＨＲＣ３０以下に抑えるのが望ましい。また、非焼入硬化部の疲労強度としては、従来の中炭素鋼Ｓ５３Ｃに対して平均で３００ＭＰａであることから、４００ＭＰａ以上必要ということになる。回転曲げ疲労限度σＷｂと硬度（ＨＶ）との間にσＷｂ＝１．５４ＨＶなる関係があり、この式にσＷｂ＝４００ＭＰａを代入して必要な硬度を求めるとＨＲＣ２３となる。したがって、非焼入硬化部の疲労強度の面からはＨＲＣ２３以上であることが望ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の固定型等速自在継手は、外側継手部材に、水素が侵入しても引張疲労強度の低下が小さい鋼を用いることで、コンパクト化などに伴って転がりすべり接触条件が厳しくなって、接触表面で潤滑材や混入した微量の水が分解して水素が発生しても、それが鋼中に侵入することによって起きる早期剥離を抑制することができる。また、外側継手部材は高硬度を得ることができ、安定した強度を発揮することができる。しかも、焼入れ性及び加工性等に優れ、製造コスト低減を達成できる。
【００１７】
特に、外側継手部材の硬度の予測値が２３≦ＨＲＣ≦３０とすることによって、外側継手部材は、加工性及び強度性において優れたものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下本発明の実施の形態を図１〜図３に基づいて説明する。
【００１９】
この固定型等速自在継手は、図１に示すように、内球面２１に複数のトラック溝２２が円周方向等間隔に軸方向に沿って形成された外側継手部材としての外輪２３と、外球面２４に外輪２３のトラック溝２２と対をなす複数のトラック溝２５が円周方向等間隔に軸方向に沿って形成された内側継手部材としての内輪２６と、外輪２３のトラック溝２２と内輪２６のトラック溝２５との間に介在してトルクを伝達する複数のボール２７と、外輪２３の内球面２１と内輪２６の外球面２４との間に介在してボール２７を保持するケージ２８とを備えている。複数のボール２７は、ケージ２８に形成されたポケット２９に収容されて円周方向等間隔に配置されている。
【００２０】
トラック溝２２、２６とボール２７の接点がトラック２２、２６から外れずに大きな作動角を取り得る構造とするため、外輪２３のトラック溝２２の曲率中心Ｏ１と内輪６のトラック溝２５の曲率中心Ｏ２とを、継手中心Ｏに対して等距離だけ軸方向に逆向きにオフセットさせている。すなわち、外輪２３のトラック溝２２の曲率中心Ｏ１を開口側とし、内輪２６のトラック溝５の曲率中心Ｏ２を奥側にしている。これによって、両トラック溝２２、２５のそれぞれは、その軸方向中央から外輪底側（奥側）で浅く、外輪開口側で深くなっており、その結果、外輪２３の底側（奥側）から開口側へ向けて径方向間隔が徐々に増加する楔状のボールトラックが形成されている。
【００２１】
そして、この外輪２３には、合金元素としてＣ（炭素）：０．４５〜０．６５ｗｔ％、Ｓｉ（ケイ素）：０．１〜１．０ｗｔ％、Ｍｎ（マンガン）：０．１〜１．５ｗｔ％、Ｖ（バナジウム）：０．０５〜０．３ｗｔ％をそれぞれの範囲内で含有し、残部がＦｅ（鉄）及び不可避的不純物からなる鋼材を用いる。
【００２２】
外輪２３において、トラック溝を包含する領域に高周波焼入が施され、硬化部が形成されている。ここで、高周波焼入れとは、高周波による表皮硬化を利用した処理物の表面のみを加熱して焼き入れを行うものである。なお、硬化部を形成する場合、高周波焼入れ以外の他の金属熱処理にて行ってもよい。
【００２３】
Ｃ量の下限を０．４５ｗｔ％としたのは、高周波焼入によって安定した高硬度を得るのに最低限必要なためである。一方、Ｃ量の上限を０．６５ｗｔ％としたのは、多すぎると素材硬度が上昇して加工性が著しく低下することと、成分偏析防止のための高温拡散熱処理や炭化物の球状化など、特別な熱処理が必要でコストアップにつながるためである。
【００２４】
Ｓｉ量の下限を０．１ｗｔ％としたのは、Ｓｉはもともと鋼中に含まれるもので、それ以下に減らすことの意義が希薄だからである。一方、Ｓｉ量の上限を１．０ｗｔ％としたのは、Ｓｉは焼戻による軟化を抑える効果があり、高温用途で用いる安価な鋼材には欠かせないが、多すぎると冷間加工性、熱間加工性が低下するためである。
【００２５】
Ｍｎ量の下限を０．１ｗｔ％としたのは、不純物として微量に含まれるＳが粒界に偏析するのを防ぐため、Ｍｎと化合させてＭｎＳとして析出させるためである。一方、上限を１．５ｗｔ％としたのは、Ｍｎは焼入性を向上させる有効な元素であるが、セメンタイトの中のＦｅ原子と置換して複合炭化物を形成し、素材硬度を上昇させるので、添加しすぎると加工性や被削性が低下するためである。
【００２６】
ＶはＣと親和性が強いため、焼入前には両者が結合した炭化物の状態で存在する。焼戻によって素地との整合性がよい微小なＶ炭化物を析出させるためには、焼入加熱時に一旦Ｖを素地に溶け込ませる必要がある。Ｖ量の下限を０．０５ｗｔ％としたのは、１０００℃前後の高周波焼入加熱温度で最低限必要なＶを素地に溶け込ませるためである。一方で、Ｖは非調質状態の素材硬度を著しく高めるので、多く添加しすぎると加工性や成形性が損なわれる。そのため、Ｖ量の上限は０．３ｗｔ％とした。
【００２７】
また、外輪２３の硬度は、合金成分量に基づいた硬度の予測値が２３≦ＨＲＣ（ロックウエル硬さ）≦３０となるようにする。合金成分量がわかれば、素材硬度を高精度で予測可能である。実際には、次の数１の式に各合金成分量を代入して求めることができる。
【００２８】
【数１】
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【００２９】
ところで、外輪２３を構成する鋼材は、鍛造後に空冷された状態では非調質状態となる。この非調質状態での硬度が高すぎると、後の機械加工がしにくくなる。一方、軟らかすぎると、非焼入硬化部の疲労強度が十分に得られない。今後、コンパクト化などにより、非焼入硬化部にも大きな負荷がかかることを考えると、焼入硬化部だけでなく非焼入硬化部の疲労強度も重要になる。このため、加工性の面からはＨＲＣ３０以下に抑えるのが望ましい。
【００３０】
また、非焼入硬化部の疲労強度としては、従来の中炭素鋼Ｓ５３Ｃに対して平均で３００ＭＰａであることから、４００ＭＰａ以上必要ということになる。従来から、回転曲げ疲労限度σＷｂと硬度（ＨＶ）との間にσＷｂ＝１．５４ＨＶなる関係が知られている。この式にσＷｂ＝４００ＭＰａを代入して必要な硬度を求めるとＨＲＣ２３となる。したがって、非焼入硬化部の疲労強度の面からはＨＲＣ２３以上であることが望ましい。
【００３１】
このように、前記のような鋼材を使用した外輪２３は、合金元素に０．０５ｗｔ％以上のＶを含有しているので、水素が侵入しても引張疲労強度の低下が小さいものとなる。これは、高周波焼入した後の焼戻しで微小なＶ炭化物が析出され、この微小なＶ炭化物は、素地との整合性がよく、引張疲労特性の劣化を招く拡散性水素を強力にトラップするためである。このため、コンパクト化などに伴って転がりすべり接触条件が厳しくなり、接触表面で潤滑剤や混入した微量の水が分解して水素が発生しても、それが鋼中に侵入することによって起きる早期剥離を抑制することができる。また、外側継手部材は高硬度を得ることができ、安定した強度を発揮することができる。しかも、焼入れ性及び加工性等に優れ、製造コスト低減を達成できる。
【００３２】
特に、外側継手部材の硬度の予測値が２３≦ＨＲＣ≦３０とすることによって、外側継手部材は、加工性及び強度性において優れたものとなる。
【００３３】
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、固定型等速自在継手の外輪２３のみを、合金元素としてＣ：０．４５〜０．６５ｗｔ％、Ｓｉ：０．１〜１．０ｗｔ％、Ｍｎ：０．１〜１．５ｗｔ％、Ｖ：０．０５〜０．３ｗｔ％をそれぞれの範囲内で含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼材を用いたが、内輪２６（内側継手部材）にこの鋼材を用いてもよい。また、固定型等速自在継手として、前記実施形態ではバーフィールド型（ＢＪ）を示したが、軸方向と平行なストレート底を持つアンダーカットフリー型（ＵＪ）の固定式等速自在継手にも適用可能である。さらに、これらバーフィールド型やアンダーカットフリー型以外のトラック溝形状を有する他の固定式等速自在継手にも適用可能である。
【実施例１】
【００３４】
表１に示す化学成分のＣ−１〜Ｃ−１０の試験品（実施品）とＣ−１１〜Ｃ−１７の試験品（比較品）とを製作して、軸荷重疲労試験を行った。各試験品は最小径部の直径が４ｍｍで長さが約８０ｍｍの砂時計状体である。最小径部の中心まで均一に硬化するように、加熱温度１０００℃をねらって高周波焼入し、その後に１７０℃で焼戻を施した。なお、比較品Ｃ−１１はＳ５３Ｃである。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
疲労試験に先立ち、試験品に陰極電解法により水素チャージを施した。水素チャージには、１．４ｇ／Ｌのチオ尿素を添加した０．０５ｍｏｌ／Ｌの希硫酸水溶液を用いた。鋼種によって水素の拡散速度が異なり、また、同じ電流密度でも表面の水素濃度が異なる。それらを予め求めておいた上で、電流密度とチャージ時間を調整し、最小径部の中心まで拡散性水素濃度を均一に３ｗｔ−ｐｐｍとなるようにした。なお、ここでいう拡散性水素濃度とは、サンプルを１８０℃／ｈで昇温したときに常温から３５０℃までに放出される水素重量のサンプル重量に対する分率のことである。
【００３７】
試験品に水素チャージした後、直ちに常温大気中で疲労試験を行った。試験における応力比はＲ＝−１であり、負荷周波数は２０ｋＨｚである。負荷回数が１０８回に達しても未破断であった場合は試験を打切った。なお、試験品に導入された拡散性水素は、常温でも鋼中を拡散し、時間が経てば散逸してしまう。しかし、今回行った試験はきわめて高速な負荷であり、ごく短時間で負荷回数が１０８回に達するので、拡散性水素が散逸する余地がない。したがって、疲労強度に及ぼす拡散性水素の影響を合理的に評価することができる。
【００３８】
表２に疲労試験で得られたＳ／Ｎ線図を回帰して求めた１０７回における疲労強度を示す。Ｖを０．０５ｗｔ％以上含む実施品は、そうでない比較品に対して疲労強度が高かった。これは、高周波焼入した後の焼戻で析出する、素地との整合性がよい微小なＶ炭化物が、引張疲労特性の劣化を招く拡散性水素を強力にトラップしたためと考えられる。なお、比較品Ｃ−１４、１５も微量のＶを含むが、それらの疲労強度が低かったのは、焼戻によって析出するＶ炭化物が不十分であったためと考えられる。
【００３９】
【表２】
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【００４０】
外輪２３の転がりすべり接触部に作用する最大接触面圧は、今後の使用条件の過酷化を考慮して高く見積もると４ＧＰａ程度である。その場合に接触縁に繰返し作用する引張応力は、摩擦を高く見積もって計算上６００ＭＰａ程度である。また、今回の疲労試験では３ｗｔ−ｐｐｍの拡散性水素を強制的に導入して影響を見たが、実際にはそれほど多量の水素が侵入するのはごく稀なケースと考えられる。すなわち、１０７回における疲労強度が６００ＭＰａ以上であれば、実用に十分に耐えうるものと考えられる。この観点から表２の実施品の１０７回における疲労強度を見ると、いずれも６００ＭＰａ以上である。したがって、合金元素として少なくともＶを０．０５ｗｔ％以上含有し、高周波焼入後の焼戻でＶ炭化物を析出させることが、水素侵入下における疲労強度の低下を抑制するための必要条件といえる。
【００４１】
外輪２３にとって、非調質状態とは鍛造後に空冷された状態である。その状態での硬度が高すぎると、後の機械加工がしにくくなる。一方、軟らかすぎると、非焼入硬化部の疲労強度が十分に得られない。今後、コンパクト化などにより、非焼入硬化部にも大きな負荷がかかることを考えると、焼入硬化部だけでなく非焼入硬化部の疲労強度も重要になる。具体的には、加工性の面からはＨＲＣ３０以下に抑えることが望ましい。一方、非焼入硬化部の疲労強度としては、従来の中炭素鋼Ｓ５３Ｃに対して平均で３００ＭＰａであることから、４００ＭＰａ以上必要ということになる。従来から、回転曲げ疲労限度σＷｂと硬度（ＨＶ）との間にσＷｂ＝１．５４ＨＶなる関係が知られている。この式にσＷｂ＝４００ＭＰａを代入して必要な硬度を求めるとＨＲＣ２３となる。したがって、非焼入硬化部の疲労強度の面からはＨＲＣ２３以上であることが望ましい。
【実施例２】
【００４２】
Ｃ−１ａ〜Ｃ−１０ａの試験品（実施品）と、Ｃ−１１ａ〜Ｃ−１７ａの試験品（比較品）とを製作して、非調質状態の素材硬度を調べた。その結果、表３に示す。各試験品の化学成分は、Ｃ−１ａはＣ−１に対応し、Ｃ−２ａはＣ−２に対応し、Ｃ−３ａはＣ−３に対応し、Ｃ−４ａはＣ−４に対応し、Ｃ−５ａはＣ−５に対応し、Ｃ−６ａはＣ−６に対応し、Ｃ−７ａはＣ−７に対応し、Ｃ−８ａはＣ−８に対応し、Ｃ−９ａはＣ−９に対応し、Ｃ−１０ａはＣ−１０に対応し、Ｃ−１１ａはＣ−１１に対応し、Ｃ−１２ａはＣ−１２に対応し、Ｃ−１３ａはＣ−１３に対応し、Ｃ−１４ａはＣ−１４に対応し、Ｃ−１５ａはＣ−１５に対応し、Ｃ−１６ａはＣ−１６に対応し、Ｃ−１７ａはＣ−１７に対応する。
【００４３】
【表３】
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各試験品は、直径３０ｍｍ、長さ３０ｍｍの中実体とした。各試験品を９００℃で１時間保持した後、直ちに自然空冷し、試験品の中心付近の硬度を測定した。その結果、表３に示す結果を得た。実施品の硬度は２３≦ＨＲＣ≦３０の範囲にある。一方、比較品はＣ−１６ａを除きＨＲＣ２３未満である。ここで、合金元素Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｖの各量を従属変数とし、硬度を目的変数として重回帰分析を行った結果、前記数１の式を得た。表３中に示した硬度の予測値とは、各合金成分量を数１の式に代入して求めた値である。図３に硬度の実測値と予測値の関係を示すように、両者にはよい相関が見られる。すなわち、合金成分量がわかれば、素材硬度を高精度で予測可能であることを意味している。したがって、今回の実施品の合金成分Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｖの構成だけでなく、前記数１の式から求まる硬度の予測値が２３≦ＨＲＣ≦３０の条件を満たすような構成であればよいといえる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施形態を示す固定型等速自在継手の縦断面図である。
【図２】前記図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】硬度の実測値と予測値との関係を示すグラフ図である。
【図４】従来の固定型等速自在継手の縦断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
２２    トラック溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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