(57)【要約】【課題】インライン化に対応でき、高周波熱処理後にスケールの発生を抑制し、寸法変化が小さく、更に高温雰囲気で使用しても浸炭処理されたものと同等以上の転動寿命の固定式等速自在継手を提供する。【解決手段】内球面２１に複数のトラック溝２２が形成された外方部材と、外球面２４に複数のトラック溝２５が形成された内方部材と、外方部材のトラック溝２２と内方部材のトラック溝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、外方部材の内球面と内方部材の外球面との間に介在してボール２７を保持するケージ２８とを備えた固定式等速自在継手である。内方部材および外方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加工を行わないボール接触部位の表面硬化層３０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。【選択図】図１
2007232033.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内球面に複数のトラック溝が形成された外方部材と、外球面に複数のトラック溝が形成された内方部材と、前記外方部材のトラック溝と内方部材のトラック溝との間に介在してトルクを伝達する複数のボールと、前記外方部材の内球面と内方部材の外球面との間に介在してボールを保持するケージとを備えた固定式等速自在継手において、
内方部材および外方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加工を行わないボール接触部位の表面硬化層に、浸炭焼入れ層を形成したことを特徴とする固定式等速自在継手。
【請求項２】
前記表面硬化層に残留オーステナイトが生成されていることを特徴とする請求項１の固定式等速自在継手。
【請求項３】
内球面に複数のトラック溝が形成された外方部材と、外球面に複数のトラック溝が形成された内方部材と、前記外方部材のトラック溝と内方部材のトラック溝との間に介在してトルクを伝達する複数のボールと、前記外方部材の内球面と内方部材の外球面との間に介在してボールを保持するケージとを備えた固定式等速自在継手の製造方法において、
内方部材および外方部材の少なくともどちらか一方を、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固定式等速自在継手の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固定式等速自在継手及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
等速自在継手は例えば自動車や各種産業機械の動力伝達系において使用されるものであり、自動車のエンジンから車輪に回転力を等速で伝達する手段として使用される等速自在継手の一種に固定式等速自在継手がある。この固定式等速自在継手は、駆動側と従動側の二軸を連結してその二軸が作動角をとっても等速で回転トルクを伝達し得る構造を備えている。一般的に、前述した固定式等速自在継手としては、バーフィールド型（ＢＪ）やアンダーカットフリー型（ＵＪ）が広く知られている。
【０００３】
例えば、ＢＪタイプの固定式等速自在継手は、内球面に複数のトラック溝が外方部材としての外輪と、外球面に外輪のトラック溝と対をなす複数のトラック溝が形成された内方部材としての内輪と、外輪のトラック溝と内輪のトラック溝との間に介在してトルクを伝達する複数のボールと、外輪の内球面と内輪の外球面との間に介在してボールを保持するケージとを備えている。また、内輪にはシャフト（図示省略）が嵌入されている。
【０００４】
ところで、自動車のドライブシャフトに使用される等速自在継手は燃費性能や動力性能向上のため、軽量やコンパクト化が求められている。軽量やコンパクト化には、サイズダウン（小型化）が有効である。ところが、トルク伝達部材として、前記のような等速自在継手では、ボール（鋼球）を使用している。このため、内輪や外輪のトラック溝、ケージポケットのボール転動面（ボール接触部位）の耐久性向上が課題となっていた。
【０００５】
そこで、従来には、浸炭熱処理した内輪にショットピーニング処理を行うことによって、寿命を向上させるものがある（特許文献１）。また、等速自在継手のように転動体を有する機械部品において、浸炭窒化焼入れを行って残留オーステナイトを析出させて寿命を向上させるものもある（特許文献２）。さらに、等速自在継手の内方継手部材の加熱処理方法において、高周波焼入れの加熱方法を適切化することによって、寿命を向上させるものもある（特許文献３）。
【０００６】
非特許文献１には、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いての記載がある。すなわち、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て、耐摩耗性を向上させる旨が記載されている。また、鋼製品（ボールねじ軸）において、高周波焼入れした後、スケールを除去するためのバフ処理を施すことが特許文献４に記載されている。さらに、スケール除去として、高周波焼入れ後に電解研磨を行うものもあり（特許文献５）、高周波焼き入れ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６）。
【特許文献１】特開平１−１８２６２５号公報
【特許文献２】特開平５−２４０２５３号公報
【特許文献３】特開２０００−２２７１２３号公報
【特許文献４】特開２００３−１１９５１８号公報
【特許文献５】特開２００３−２５１５２号公報
【特許文献６】特開２００２−１２９２３１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巻（１９７７）第６３９頁〜第６４６頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記特許文献１に記載のものでは、浸炭処理は高温で長時間行うため、インライン化が出来ない問題がある。さらに、ショットピーニング処理を行うことで、加工コストが増加する問題もあった。また、特許文献２に記載のように、浸炭窒化処理を行うものでは、浸炭窒化処理は、摩耗粉が発生する雰囲気での寿命向上に有効であるが、前記特許文献１の記載と同様にインライン化ができない問題点等がある。
【０００８】
前記特許文献３に記載のものでは、高周波焼入れを行うので、インライン化が可能であるが、浸炭処理に比較して軟化抵抗が低く、高温雰囲気や転動体のすべりによる発熱が発生するような場合に寿命が低下する問題があった。また、高周波焼入れの表面硬化は、マルテンサイトの生成による組織的な硬さと圧縮残留応力による硬さからなる。このため、高周波焼入れ部品を高温雰囲気で使用すると、圧縮残留による硬さが急激に減少し表面硬さが低下する。この硬度低下により転動寿命が低下する問題がある。
【０００９】
また、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。これにより、面粗さが低下して、寿命が低下する問題があった。更に、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。
【００１０】
なお、非特許文献１には、等速自在継手ではないが、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が、この場合、真空装置が必要で装置自体が高価で、インライン化に対応できない問題がある。また、高周波焼入れを行えば、表層にスケールが生じるので、このスケールを除去する必要があり、その除去方法に、前記特許文献４〜６に記載のものがある。しかしながら、特許文献４に記載のように、後に生じるスケールをバフ処理にて処理する場合、完全に除去しきれない場合があるとともに、加工時間が長い問題があった。また、特許文献５に記載のように、電解研磨によりスケールを除去する場合、スケールを完全に除去することも可能であるが、加工時間が大幅に長くなり、表面の面荒れ、化学反応熱による表面の軟化等の問題がある。さらに、特許文献６に記載のように、高周波焼入れ時の冷却水の圧力を除去するものでは、均一に除去できず、斑点状に黒色のスケールが微小に残り、別途スケール除去加工を必要とする。
【００１１】
このように、浸炭処理ではインライン化に対応できず、また、高周波焼入れではスケールの発生と発熱が多い雰囲気での寿命低下の問題があった。
【００１２】
本発明は、上記課題に鑑みて、インライン化に対応でき、高周波熱処理後にスケールの発生を抑制し、寸法変化が小さく、更に高温雰囲気で使用しても浸炭処理されたものと同等以上の転動寿命の固定式等速自在継手を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の固定式等速自在継手は、内球面に複数のトラック溝が形成された外方部材と、外球面に複数のトラック溝が形成された内方部材と、前記外方部材のトラック溝と内方部材のトラック溝との間に介在してトルクを伝達する複数のボールと、前記外方部材の内球面と内方部材の外球面との間に介在してボールを保持するケージとを備えた固定式等速自在継手において、内方部材および外方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加工を行わないボール接触部位の表面硬化層に、浸炭焼入れ層を形成したものである。
【００１４】
本発明の固定式等速自在継手では、油中高周波焼入れによりボール接触部位に形成された浸炭焼入れ層は、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、雰囲気の油からボール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ている。
【００１５】
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、耐摩耗性や耐剥離性が向上し、寿命（転動寿命）が増加する。
【００１６】
表面硬化層に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硬化により寿命はさらに向上する。
【００１７】
本発明の固定式等速自在継手の製造方法は、内球面に複数のトラック溝が形成された外方部材と、外球面に複数のトラック溝が形成された内方部材と、前記外方部材のトラック溝と内方部材のトラック溝との間に介在してトルクを伝達する複数のボールと、前記外方部材の内球面と内方部材の外球面との間に介在してボールを保持するケージとを備えた固定式等速自在継手の製造方法において、内方部材および外方部材の少なくともどちらか一方を、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ものである。
【００１８】
本発明の固定式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。
【００１９】
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、耐摩耗性や耐剥離性が向上し、寿命（転動寿命）が増加する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明では、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、ボール接触部位の表面が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。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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明に係る固定式等速自在継手の実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。
【００２２】
この固定式等速自在継手は、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方部材としての外輪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方部材としての内輪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。
【００２３】
前記外輪２３のトラック溝２２は、その曲率中心Ｏ１を継手中心Ｏから軸方向に外輪２３の開口側にずらし、内輪２６のトラック溝２５は、その曲率中心Ｏ２を継手中心Ｏから軸方向に外輪２３のトラック溝２２の曲率中心Ｏ１と反対側の奥側に等距離ｆだけ離して設けている。なお、外輪２３にステム２９が設けられている。
【００２４】
この等速自在継手では、外輪２３及び内輪２６の各トラック溝２２，２５の内面であるボール接触部位（ボール接触面）を硬化層３０としている。この硬化層３０は、油中で高周波焼入れを行うことになる。例えば、外輪２３や内輪２６を油中に浸漬した状態で高周波焼入れを行うことになる。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℃以上で１３５０℃以下が好ましい。
【００２５】
油中での高周波焼入れにより、ボール接触部位に形成された表面硬化層の浸炭焼入れ層３０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、雰囲気の油からボール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ている。
【００２６】
また、硬化層３０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っている。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、耐摩耗性や耐剥離性が向上し、寿命（転動寿命）が増加する。
【００２７】
しかも、図３に示すように、硬化層３０（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）が形成されている。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、この残ったものである。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３０は、耐なじみ性向上と面圧の緩和硬化により寿命はさらに向上することになる。
【００２８】
このように、本発明では、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、ボール接触部位の表面が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。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。特に、高周波加熱の温度を９００℃以上で１３５０℃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℃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１３５０℃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。
【００２９】
ところで、前記実施形態では、外輪２３及び内輪２６の各トラック溝２２，２５の内面であるボール接触部位（ボール接触面）を硬化層３０としていたが、このどちらか一方であってもよい。すなわち、外輪２３のトラック溝２２の内面のみを硬化層３０としたり、内輪２６のトラック溝２５のみを硬化層３０としたりすることができる。また、外輪２３の内球面２１は、トラック溝２２を油中で高周波焼入れするときに同時に処理しても良い。内輪２６に関しても同様である。
【実施例】
【００３０】
図１に示す構造の固定式等速自在継手の内輪について、従来の浸炭処理を行った従来品Ａと、通常の高周波焼入れを行った従来品Ｂと、油中で高周波焼入れを行った発明品Ａ、Ｂ、Ｃ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。従来品Ａは浸炭鋼であるＳＣＭ４２０（クロムモリブデン鋼）を使用し、従来品Ｂ、発明品Ａ〜発明品Ｃは中炭素鋼を使用した。また、従来品Ｂの炭素含有量が０．５３ｗｔ％とし、発明品Ａ〜発明品Ｃの炭素含有量が０．４６ｗｔ％とした。そして、従来品Ａ、Ｂ及び発明品Ａ、Ｂ、Ｃは、冷間鍛造後、切削加工を行って、外径（トラック溝）研削を行った。なお、焼入れ後の冷却は従来品Ｂのみ水冷却を行い、他は油中冷却を行った。また、発明品Ａ、Ｂ、Ｃにおける油中高周波焼入れは、焼入れ油の雰囲気中での高周波加熱後過熱電源を切ると同時に冷却を開始し焼入れした。
【００３１】
【表１】
2007232033.tif 000003
【００３２】
表１から分かるように、発明品Ａはスケールが少し発生したが、発明品Ｂ、Ｃはスケールがほとんど発生しなかった。また、通常の高周波焼入れを行った従来品Ｂにはスケールが大量に発生した。なお、浸炭処理を行った従来品Ａでもスケールがわずかに発生する。
【００３３】
また、表面硬さにおいては、深さが０．１ｍｍの位置では、従来品Ａ、Ｂと発明品Ａ、Ｂ、Ｃ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ＡがＨｖ６００であり、従来品ＢがＨｖ７１２であるのに対して、発明品ＡがＨｖ７７０であり、発明品ＢがＨｖ７８５であり、発明品ＣがＨｖ７９５である。このように、発明品Ａ、Ｂ、Ｃの表面側が硬く、特に、発明品Ｂ、Ｃが硬い。また、発明品Ｂでは表面から５μｍの範囲に残留オーステナイトが生成し、発明品Ｃでは表面から１０μｍの範囲に残留オーステナイトが生成しており、炭素の拡散が発明品Ａより増加している。
【００３４】
回転数６００ｒ／ｍｉｎ、面圧３ＧＰａ、作動角０〜４５度、運転時間１５時間の振動耐久試験を行った。表１の従来品Ｂの×は、継続運転できない損傷の発生を示し、従来品Ａ及び発明品Ａの○は、軽微な損傷の発生を示し、発明品Ｂ、Ｃの◎は、損傷の発生ないことを示している。
【００３５】
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】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態を示す固定式等速自在継手の要部断面図である。
【図２】前記固定式等速自在継手の硬化層の硬さを示すグラフ図である。
【図３】前記固定式等速自在継手の浸炭層の範囲を示す簡略図である。
【図４】前記固定式等速自在継手の硬化層の炭素量を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００３７】
２１    内球面
２２    トラック溝
２３    外輪
２４    外球面
２５    トラック溝
２６    内輪
２７    ボール
２８    ケージ
２９    ステム
３０    硬化層
【図１】
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【図２】
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【図３】
2007232033.tif 000006
【図４】
2007232033.tif 000007