(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摺動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６が形成された外側継手部材１を備え、角度変位及び軸方向変位を許容する摺動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１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、角度変位及び軸方向変位を許容する摺動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摺動型等速自在継手。
【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の摺動型等速自在継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動型等速自在継手に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、摺動型等速自在継手には、トルク伝達部材にボールを使用するタイプと、トルク伝達部材にローラを使用するタイプとがある。ローラを使用するタイプ（トリポード型等速自在継手）は、外側継手部材と、内側継手部材としてのトリポード部材と、トルク伝達部材としてのローラを主要な構成要素としている。
【０００３】
外側継手部材は一体に形成されたマウス部とステム部とからなる。マウス部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が形成してある。マウス部は、横断面で見ると、大径部と小径部が交互に現れる非円筒形状である。すなわち、マウス部は、大径部と小径部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が形成される。各トラック溝の円周方向で向き合った側壁にローラ案内面が形成される。
【０００４】
トリポード部材はボスと脚軸とを備える。ボスにはシャフト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ョン孔が形成してある。脚軸はボスの円周方向三等分位置から半径方向に突出している。トリポード部材の各脚軸はローラを担持している。
【０００５】
すなわち、トリポード型等速自在継手では、ローラ外周面と外側継手部材のトラック溝のローラ案内面が転がりとすべり接触することでトルク伝達がなされる。そのため、外側継手部材には一般には中炭素鋼が用いられ、高面圧が作用するローラ案内面にのみ高周波焼入が施されているものがある（特許文献１及び特許文献２）。
【０００６】
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、等速自在継手の外側継手部材はコンパクト化される方向にあり、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傾向にある。
【特許文献１】実開昭５８−１１１４３１号公報
【特許文献２】特開２００３−１７０８６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。前記各特許文献１及び特許文献２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。
【０００８】
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摺動型等速自在継手を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の摺動型等速自在継手は、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、角度変位及び軸方向変位を許容する摺動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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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】
【００１８】
本発明の摺動型等速自在継手は、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に優れ、製造コスト低減を達成できる。
【００１９】
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。しかも、合金成分量を従属変数として、硬度を目的変数として重回帰分析を行って、外側継手部材の硬度の予測値を算出でき、安定した品質の摺動型等速自在継手を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下本発明の実施の形態を図１と図３に基づいて説明する。
【００２１】
この摺動型等速自在継手は、図１と図３に示すように、外側継手部材１と、内側継手部材としてのトリポード部材２と、トルク伝達部材としてのローラ３とを備えたトリポード型等速自在継手である。
【００２２】
外側継手部材１は一体に形成されたマウス部４とステム部５とからなる。マウス部４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６が形成してある。マウス部４は、横断面で見ると、大径部４ａと小径部４ｂが交互に現れる非円筒形状である。すなわち、マウス部４は、大径部４ａと小径部４ｂ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６が形成される。各トラック溝６の円周方向で向き合った側壁にローラ案内面７、７が形成される。
【００２３】
トリポード部材２はボス８と脚軸９とを備える。ボス８にはシャフト１０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ョン孔１1が形成してある。脚軸９はボス８の円周方向三等分位置から半径方向に突出している。トリポード部材２の各脚軸９には、トルク伝達部材としても前記ローラ３が軸線（軸心）を中心として回転自在に外嵌されている。そして、各ローラ３は外側継手部材１のそれぞれのトラック溝６内に収容される。なお、ローラ３として、内側ローラと外側ローラとを有するダブルローラタイプであっても、１個のみのシングルローラタイプであってもよい。
【００２４】
この外側継手部材１には、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ている。
【００２５】
また、外側継手部材１において、トルク伝達時に高面圧が作用するトラック溝６、特にこのトラック溝６の有効接触範囲（ローラが転動する部位であって、ローラ案内面７）には高周波焼入が施され、硬化部が形成されている。すなわち、硬化部の表面が前記ローラ案内面７を構成する。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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
また、外側継手部材１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。
【００３１】
【数１】
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【００３２】
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。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。
【００３３】
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。
【００３４】
このように、前記のような鋼材を使用した外側継手部材１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。
【００３５】
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。
【００３６】
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、摺動型等速自在継手の外側継手部材１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、ローラにこの鋼材を用いてもよい。また摺動型等速自在継手として、ボールを用いたものであってもよい。
【実施例１】
【００３７】
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。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
【表２】
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【００４３】
外側継手部材１の転がりすべり接触部（ローラ案内面７）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。
【００４４】
外側継手部材１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：ビッカース硬さ）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】
【００４５】
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。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。
【００４６】
各試験品は、直径３０ｍｍ、長さ３０ｍｍの棒状体とした。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。
【００４７】
【表３】
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【００４８】
図２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】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態を示す摺動型等速自在継手の横断面図である。
【図２】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３】摺動型等速自在継手の縦断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１    外側継手部材
６    トラック溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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