JP2007270343A - 外輪部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼材に対して塑性変形加工を施し、等速ジョイントの外輪部材を効率よく作製する。
【解決手段】第１工程Ｓ１でＡｃ１点以上又はＡｃ１点未満の適切な温度に加熱され、塑性変形加工によって外輪部材の形状に塑性変形されたワークは、加工自熱を保持している状態で熱処理炉に導入される。この熱処理炉において、外輪部材は、Ａｃ１〜Ａｃ３点間の温度まで昇温されて保持される（第２工程Ｓ２）。昇温・保持は、１０分以内で十分であり、好ましくは３分程度である。外輪部材は、次に、好ましくは５〜４５℃／分、一層好ましくは５〜１０℃／分の冷却速度で除冷される（第３工程Ｓ３）。
【選択図】図１

Description

本発明は、塑性変形加工を施した後に熱処理を行う外輪部材の製造方法に関する。

自動車の走行機関を構成する等速ジョイントの外輪部材は、一般的に、円柱体からなる炭素鋼製ワークに対し、前方押し出し成形、据え込み成形、後方押し出し成形を順次行い、該炭素鋼製ワークを外輪部材の形状に塑性変形することによって製造されている。なお、以上の鍛造加工を行う前に、炭素鋼製ワークを所定の温度に加熱することもある。すなわち、外輪部材を製造する場合、温間鍛造ないし熱間鍛造が行われることもある。

このようにして成形加工された外輪部材は、室温まで冷却された後、熱処理設備まで搬送される。そして、外輪部材を軟化させて変形能を向上させたり、又は硬度の均質化を図るべく、この熱処理設備において、低温焼き鈍し、球状化焼き鈍し、又は焼きならし等の各種の熱処理が施される。

次に、前記熱処理の際に発生する酸化スケール等を除去するショットブラスト処理が行われ、さらに、外輪部材の外表面にリン酸亜鉛等からなる潤滑用化成皮膜が形成される。その後、外輪部材に対してしごき加工（サイジング成形）が行われ、これにより該外輪部材が最終的な寸法に仕上げられるに至る。なお、このしごき加工は、通常、冷間鍛造である。

ところで、このような製造過程を経る場合、熱処理を施す前の外輪部材を保管しておくための広大なスペースが必要であるが、保管の目的のみにスペースを確保することは経済的に不利である。

また、熱処理は、例えば、ベルトコンベア上に載置された外輪部材を連続式加熱炉内で移動させながら行われるが、外輪部材が連続式加熱炉内に搬入されてから搬出されるまでの時間、換言すれば、処理時間が長く、このために外輪部材の生産効率が低いという不具合が顕在化している。なお、バッチ式加熱炉に変更しても、処理時間を短縮することはできない。

さらに、低温焼き鈍し、球状化焼き鈍し、又は焼きならしを行うための熱処理設備は、いずれも大規模な設備が必要であり、従って、設備投資が高騰してしまう。

しかしながら、このような不具合を回避するべく熱処理を省略すると、外輪部材が軟化することも硬度が均質になることもないので、しごき加工の際に割れが発生したり、外輪部材の軸部に歯部を設ける際に該歯部の寸法精度が低下する等の不都合を招く。

以上のような観点から、短時間で終了し、且つ簡素な設備で実施することが可能な熱処理方法を確立することが希求されており、例えば、特許文献１には、焼入れを省いて焼き戻しのみを行うようにすることが提案されている。また、特許文献２には、鋼製ワークをＡｃ１〜Ａｃ３点間の温度で加工度４５〜６５％の塑性変形加工を行い、その後、空冷（自然放冷）することが開示されている。

特開平５−３０２１１７号公報 特開平５−２５５７３９号公報

特許文献１に記載された熱処理方法では、鍛造加工後の成形品が放冷される。このため、成形品を保管するスペースを確保しなければならない。換言すれば、特許文献１記載の熱処理方法では、保管スペースを狭小化することができない。

また、特許文献２記載の加工方法は温間鍛造であり、冷間鍛造や熱間鍛造を行った場合に適用することはできないという問題がある。

さらに、成分・組成比が規定された鋼材に対して各種の熱処理を行っても、例えば、切削性が向上しないことがある。

しかも、例えば、熱間鍛造を行った場合、鍛造時から温度が降下した鋼材では金属組織中に存在する相が変態を起こし、このことに起因して金属組織が不均一化することがある。このような事態が生じると、鋼材の諸特性が部位によって相違するという不具合を招くので、金属組織を可及的に均一化する熱処理方法が希求される。しかしながら、金属組織を可及的に均一化可能で、しかも、効率に優れる熱処理方法はこれまでのところ知られていない。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、保管スペースを不要とし、短時間で、しかも、簡素な設備で実施することが可能であり、さらに、金属組織の均一化を図ることが容易な外輪部材の製造方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、等速ジョイントを構成する鋼材製の外輪部材の製造方法であって、
０．３５〜０．５５質量％のＣ、１．０質量％以下のＳｉ、０．２〜１．５質量％のＭｎ、０．０３質量％以下のＰ、０．１５質量％以下のＳ、０．５質量％以下のＣｕ、０．５質量％以下のＮｉ、０．０５〜３．２質量％のＣｒ、１．３質量％以下のＭｏ、０．００２〜０．１％のＡｌを少なくとも含有する鋼材に対して塑性変形加工を施し、外輪部材を得る第１工程と、
前記塑性変形加工が施されることに伴って加工熱を帯びた前記外輪部材を、加工熱が残留している時点で加熱してＡｃ１〜Ａｃ３点間の温度に保持する第２工程と、
加熱保持された前記鋼材を、パーライトの析出が終了する温度となるまで冷却する第３工程と、
を有することを特徴とする。

各種の成分を所定の割合で含有する鋼材を原材料とし、この鋼材に対して塑性変形加工（第１工程）を施して、外輪部材とする。この外輪部材が第２工程及び第３工程を経ることによって軟化するとともに、該外輪部材の硬度が部位や表面からの距離によらず略同等となる。換言すれば、しごき成形等の後加工において全部位を略同等の度合いで変形させることができる。従って、外輪部材に割れが発生し難くなるとともに、該外輪部材の寸法精度が良好となる。

また、塑性変形加工が施された後、温度が降下した鋼材では、金属組織が若干不均一である場合があるが、本発明においては、この鋼材をＡｃ１〜Ａｃ３点間の温度に保持し、これにより該鋼材にオーステナイトとフェライトが共存する金属組織を略均等に形成するようにしている。このため、鋼材の金属組織を略均一化することが可能となる。

しかも、本発明においては、加工熱が残留している時点で熱処理を行うので、塑性変形加工が施された外輪部材を保管する必要がない。従って、保管のためのスペースを用意することも不要となるので、スペースを他の用途に有効活用することができる。

なお、鋼材の温度をＡｃ１点以上の温度に上昇させて外輪部材への塑性変形加工を行った場合、該鋼材の加熱（昇温）は、該鋼材の温度がＡｒ１点以下且つ５００℃以上の範囲内である時点で開始することが好ましい。

Ａｒ１点は、鋼材を冷却する際、オーステナイトからフェライトとセメンタイトへの共析変態が開始する温度として定義される。従って、Ａｒ１点以下まで降下した鋼材の金属組織は、フェライトとパーライトを含む略均一組織となる。このため、第２工程を経た鋼材の最終的な金属組織が一層均一化され、諸特性が略均質な鋼材を得ることができる。

また、鋼材をＡｃ１点未満の温度まで加熱して外輪部材への塑性変形加工を行った場合、該鋼材の加熱（昇温）は、５００℃以上である時点で開始することが好ましい。

さらに、鋼材に対する外輪部材への塑性変形加工として冷間鍛造を実施した場合、加工自熱を保有している時点、すなわち、塑性変形加工が施される前の温度以上である時点で昇温を開始すればよい。

そして、前記第１工程中、鋼材がＡｃ１〜Ａｃ３点間の温度に到達するまでの昇温速度は、１５〜５０℃／分とすることが好ましい。１５℃／分未満では、鋼材の熱処理効率が低下する。また、５０℃／分を超えると、鋼材の金属組織に欠陥が発生することがある。

ここで、本発明における「塑性変形加工」には、鋼材に対して圧力を付与して塑性変形を生じさせる加工が含まれる。具体的には、鍛造加工、鍛圧加工、圧延加工等が例示される。

前記鋼材には、さらに、０．１質量％以下のＴｉ、０．０１質量％以下のＢが含有されていてもよい。

第３工程の冷却速度は、５〜４５℃／分であることが好ましい。この場合、金属組織が微細化し、その結果、硬度のバラツキが一層抑制される。金属組織の一層の微細化を図るに際してより好適な冷却速度は、５〜１０℃／分である。

第２工程での保持時間は、１０分で十分である。すなわち、本発明によれば、保持時間を１０分以内とすることも可能であるので、熱処理設備の規模を球状化焼き鈍し設備等の従来の熱処理設備に比して小さくすることができる。このため、設備投資が高騰することが回避される。その上、熱処理効率が向上するので、熱処理に要するエネルギが低減されるとともに、生産効率が向上する。結局、コスト的に有利となる。

なお、鋼材のパーライト析出終了温度は、第２工程における冷却速度や鋼材の種類に応じて相違するが、概ね６００〜６８０℃の範囲内である。従って、第３工程は、６００〜６８０℃となるまで行えば十分である。

本発明によれば、加工熱が残留している状態の外輪部材（鋼材）に対し、所定の条件下で熱処理を施すようにしている。この熱処理によって外輪部材が軟化するとともに、該外輪部材の硬度が略一定となる。このため、しごき成形時に割れが発生し難くなるとともに、該しごき成形において成形される部位の寸法精度が良好となる。

また、加工熱が残留している時点で熱処理を行うので、保管のためのスペースを用意する必要もない。

さらに、保持時間を１０分以内とすることが可能であるので、熱処理設備の構成が簡素になる。しかも、保持時間が短いので熱処理効率が向上し、その上、熱処理に要するエネルギが低減されるとともに、生産効率が向上する。

以下、本発明に係る外輪部材の製造方法につき、鋼材製のワークをＡｃ１点以上の温度、又はＡｃ１点未満の適切な温度まで加熱した後に鍛造加工を施して外輪部材に塑性変形する場合を例として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。

本実施の形態に係る外輪部材の製造方法をフローチャートにして図１に示す。この熱処理方法は、原料鋼から外輪部材を得る第１工程Ｓ１と、得られた外輪部材をＡｃ１〜Ａｃ３点間の温度に保持する第２工程Ｓ２と、加熱保持が終了した外輪部材を冷却する第３工程Ｓ３とを有する。

図２Ａ〜図２Ｅは、第１工程Ｓ１において、鋼材からなる円柱体形状のワーク１０に対して鍛造加工（塑性変形加工）を施し、外輪部材２８を作製するまでの過程を示すフローチャートである。

先ず、ワーク１０の材質である鋼材につき説明する。本実施の形態において、この鋼材は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｂを含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である。

Ｃは、ワーク１０、ひいては外輪部材２８の焼入れ性を向上させる役割を果たす。すなわち、外輪部材２８は、焼入れが施されると焼入れ前に比して硬度が顕著に上昇する。また、Ｃは、引っ張り強度及び曲げ強度を上昇させる機能も有する。

Ｃの組成比は、０．３５〜０．５５％（数字は質量％、以下同じ）に設定される。０．３５％未満であると、十分な強度を確保することが困難となる。また、０．５５％よりも多いと、熱間加工後の硬度が過度に大きくなるので被削性が低下するとともに、耐衝撃性が低下する。

Ｓｉは、外輪部材２８中の酸素を低減させる脱酸剤として機能する元素であるが、その割合が１．０％を超えると熱間加工後の外輪部材２８の硬度が過度に上昇し、被削性が低下する。このため、Ｓｉの組成比は、１．０％以下に設定される。

Ｍｎは、外輪部材２８の焼入れ性及び強度を向上させる。この効果を確実に得るべく、Ｍｎの組成比は、０．２〜１．５％に設定される。Ｍｎが１．５％を超えると、外輪部材２８の硬度が過度に上昇するので被削性が低下する。

Ｐは、粒界に偏析して粒界強度を低下するとともに、ワーク１０の硬度を過度に上昇させる。これを回避するべく、Ｐの組成比は、０．０３％以下に設定される。

Ｓは、ワーク１０の金属組織中でＭｎ、ＴｉとともにＭｎＳ、ＴｉＳを形成することにより、該ワーク１０の被削性を向上させる成分である。Ｓの組成比は、０．１５％以下に設定される。０．１５％を超えると、ワーク１０の加工率が低減する。

Ｃｕは、ワーク１０の焼入れ性及び靱性を向上させる成分であるが、０．５％を超えるとこの効果が飽和するので、コスト的に不利となる。従って、Ｃｕの組成比は、０．５％に設定される。

Ｎｉは、Ｃｕ同様にワーク１０の焼入れ性及び靱性を向上させる機能を営み、その組成比は、０．５％以下に設定される。０．５％を超える組成比としてもこの効果が飽和するので、コスト的に不利であるからである。

Ｃｒは、Ｍｎ同様に外輪部材２８の焼入れ性及び強度を向上させる。Ｃｒの組成比は、０．０５〜３．２％に設定される。０．０５％未満では、外輪部材２８として希求される強度を確保することが困難となる。一方、３．２％を超えると、熱間鍛造後の硬度が過度に上昇するので被削性が低下する。

Ｍｏもまた、外輪部材２８の焼入れ性及び強度を向上させるが、その組成比が１．３％を超えると、熱間加工後にベイナイト組織が生成するので外輪部材２８の硬度が過度に上昇し、加工率が低減する。これを回避するべく、Ｍｏの組成比は１．３％以下に設定される。

Ａｌは、Ｓｉと同様に脱酸に寄与する成分である。Ａｌの組成比が０．００２％未満では、脱酸効果が乏しい。また、Ａｌが過剰に存在すると、Ａｌ₂Ｏ₃等の酸化物系不純物が増加し、その結果、疲労特性、塑性変形加工時の変形能が低下する。このため、Ａｌの上限は、０．１％に設定される。

Ｔｉは、ワーク１０中における遊離Ｎを捕捉する機能を有する。このように遊離Ｎが捕捉された場合、後述するＢの添加効果が一層顕著となる。また、Ｃと結合して炭化物を形成することによって、結晶粒の微細化に寄与する。

Ｔｉの組成比は、０．１％以下に設定される。０．１％を超えると、微細化効果が飽和するのでコスト的に不利となり、また、熱間鍛造後の硬度が過度に上昇するので被削性が低下する。

Ｂは、粒界強度を向上させる成分である。また、Ｂが存在することにより、ワーク１０の焼入れ性も向上する。しかしながら、０．００１％を超えると焼入れ性を低下させるので、Ｂの組成比は０．００１％以下に設定される。

ワーク１０は、所定の温度、例えば、６００〜１２５０℃に加熱される。ただし、７２０超〜８００℃未満には炭素鋼の変態点が存在するため、この温度域を避けることが好ましい。すなわち、ワーク１０の温度は、６００〜７２０℃、又は８００〜１２５０℃とすることが好ましい。

その後、このワーク１０に対して前方押し出し成形を施す。すなわち、ワーク１０の一端面を支持した状態で該ワーク１０を他端面側から押圧する。これに伴って他端面が圧潰され、その結果、図２Ｂに示すように、大径部１２、テーパ状に縮径した縮径部１４、軸部１６が形成された第１次成形品１８が得られる。その後、前方押し出し成形が再度行われ、図２Ｃに示すように、第２次成形品２０が設けられる。

次に、第２次成形品２０に対して据え込み成形を行う。具体的には、図２Ｄに示すように、第２次成形品２０の大径部１２のみを圧縮することによって該大径部１２を拡径し、カップ部２２を有する第３次成形品２４とする。

次に、第３次成形品２４に対して後方押し出し成形を行い、カップ部２２を伸張するとともに該カップ部２２に６個のボール溝２６ａ〜２６ｆを形成する。すなわち、ボール溝２６ａ〜２６ｆを形成するための突出部を有するパンチをカップ部２２の一端面の中央部に当接させ、続いて、軸部１６の先端部を押圧して第３次成形品２４を該パンチに指向して変位させる。これにより、図２Ｅに示す外輪部材２８が得られる。

なお、各鍛造加工は別個の鍛造成形装置で行われ、ワーク１０、第１次成形品１８、第２次成形品２０、第３次成形品２４は、各鍛造成形装置間をトランスファー等の搬送装置によって移送される。

以上の鍛造加工が施された外輪部材２８は、図３に示すように、鍛造加工ステーション３０から熱処理炉３２に移送される間、ロボット３４の作業によって、トランスファー３６上で軸部１６が上方を臨むようにして整列される。

上記したように、外輪部材２８は、鍛造加工が行われる前に予め所定温度に加熱されている。また、外輪部材２８は、鍛造加工が施されて塑性変形を起こすことに伴い、加工熱を帯びて高温となっている。

本実施の形態においては、外輪部材２８は、この高温が保たれている時点で熱処理炉３２内に導入される。

鍛造加工を、Ａｃ１点未満の温度、又はＡｃ１点以上の温度で行った場合における一般的な温度パターンを、図４及び図５にそれぞれ示す。この中の図４は、Ａｃ１点未満の比較的高温で鍛造加工を行った場合を示している。この場合、ワーク１０がＡｃ１点よりも低温であるので、後方押し出し成形が終了した直後の外輪部材２８では、結晶粒中でフェライトとパーライトが延伸した形状となっている。

図４に示す温度パターンで鍛造加工を施す場合、鍛造加工時のワーク１０の温度は、例えば、Ａｃ１点の数値から１８０℃差し引いた値に設定することが好ましく、Ａｃ１点の数値から１５０℃差し引いた値（およそ５８０℃）とすることがより好ましい。

一方、図５は、Ａｃ１点を上回る高温で鍛造加工を行い、外輪部材２８がＡｃ１点を下回る温度となった後に熱処理炉３２内に導入した場合を示す。なお、この図５に示されるように、Ａｃ１点を上回る高温とする場合、Ａｃ３点以上に設定することが好ましい。この場合、ワーク１０の温度がフェライトのオーステナイトへの変態が完了するＡｃ３点を上回っているので、後方押し出し成形が終了した直後の外輪部材２８の金属組織は、オーステナイトが大半を占めるようになる。また、前記金属組織では再結晶が起こり、このために転位が著しく低減する。すなわち、Ａｃ３点以上に設定することにより、金属組織の一層の均一化を図ることができる。

鍛造加工ステーション３０から熱処理炉３２までの距離は、鍛造加工が施された外輪部材２８を速やかに熱処理炉３２内に導入するべく、可及的に短く設定されている（図３参照）。また、トランスファー３６による搬送速度は、外輪部材２８の単位時間当たりの生産数に合わせて設定される。

このように、本実施の形態によれば、塑性変形された直後で熱を帯びた外輪部材２８を熱処理炉３２に可及的に速やかに導入するようにしている。このため、外輪部材２８を保管するスペースが不要となり、従って、スペースを他の用途に有効利用することができるようになる。

外輪部材２８は、後方押し出し成形を行った金型から取り出されて熱処理炉３２に至るまでの間に大気に露呈され、このために該外輪部材２８の温度が若干降下するが、上記したように、外輪部材２８は、高温を保った状態で熱処理炉３２内に導入される。

ここで、熱処理炉３２に導入される直前の外輪部材２８の温度は、鍛造加工時のワークの温度がＡｃ１点以上であるかＡｃ１点未満であるかに関わらず、５００℃以上とすることが好ましい。５００℃を下回るまで温度が降下した外輪部材２８を熱処理炉３２に導入すると、Ａｃ１〜Ａｃ３点まで短時間で昇温するために昇温速度を大きく設定する必要があるが、この場合、結晶粒が粗大化することに起因して金属組織に欠陥が生じたりすることがあり、外輪部材２８としては強度が十分でないものとなることがある。

また、これを回避するべく、５００℃を下回る温度まで降下した外輪部材２８を緩慢な昇温速度で昇温するには、熱処理炉３２を大規模なものとして設ける必要があり、設備投資の高騰を招く。

Ａｃ１点以上の温度で鍛造加工を行った場合、熱処理炉３２に導入される直前の外輪部材２８の温度は、一般的には６００〜７２０℃程度であるが、図５に示すように、冷却時におけるオーステナイトからフェライトとセメンタイトへの共析変態の開始温度であるＡｒ１点を下回る温度、例えば、Ａｒ１点の数値から５０℃を差し引いた程度の温度まで、さらには５００℃まで降下した時点で、外輪部材２８が熱処理炉３２に導入されるようにしてもよい。この場合、外輪部材２８の金属組織からオーステナイトが消失するので、フェライトとパーライトが共存する略均一な金属組織が形成された外輪部材２８を容易に得られるからである。

Ａｒ１点の数値は温度降下速度の相違に応じて変化し、一定ではないが、温度降下速度が２０〜４０℃／分である場合、概ね７１０〜７２０℃である。

この場合、熱処理炉３２は、昇温炉３８、均熱炉４０、除冷炉４２の３炉を有する。このうち、昇温炉３８と均熱炉４０は同一温度に保持されている。なお、３炉の内部にＮ₂ガスを導入してＮ₂雰囲気で加熱・保持・除冷が行われるようにしてもよい。

外輪部材２８は、トランスファー３６上に載置された状態で、先ず、昇温炉３８に導入され、図１に示す第１工程Ｓ１が開始される。

昇温炉３８に導入された外輪部材２８は、Ａｃ１〜Ａｃ３点の間の温度となるまで加熱される。

ここで、上記したように、昇温速度を過度に大きく設定すると、結晶粒が粗大化して金属組織に欠陥が発生することがある。このことを回避するべく、昇温炉３８の温度は、５０℃／分以下の昇温速度が得られるように設定することが好ましい。なお、昇温速度が１５℃／分未満であると、外輪部材２８の熱処理効率が低下する。また、１５℃／分未満の昇温速度でも熱処理効率を低下させないようにするには、熱処理炉３２を大規模化する必要があるので設備投資が高騰してしまう。結局、好適な昇温速度は１５〜５０℃／分であり、１７〜４６℃／分とすることが一層好ましい。

本実施の形態においては、この昇温速度を得るべく、昇温炉３８の温度が８００〜８５０℃に設定される。昇温炉３８の導入前に５００〜７２０℃であった外輪部材２８は、昇温炉３８を通過する前までに７２０〜７８０℃に達する。

そして、昇温炉３８を通過した外輪部材２８は、次に、均熱炉４０に導入される。この均熱炉４０では、昇温炉３８で７２０〜７８０℃程度に昇温された外輪部材２８が、その温度に保持される。

以上の昇温・保持は、合わせて１０分以内とすれば十分である。加熱処理をこれ以上行うようにした場合、熱処理炉３２やトランスファー３６が長くなるので熱処理設備が大規模となる。すなわち、設備投資が高騰する。また、１０分を超える加熱保持を行っても、軟化や硬度の均質化の度合いは１０分以内の場合とほとんど同等であるので、コスト的に不利である。昇温・保持時間は、合わせて５分以内であっても十分であり、例えば、３分とすることができる。

Ａｃ１〜Ａｃ３点の間の温度に保持された外輪部材２８では、オーステナイトとフェライトが共存する金属組織となる。

なお、外輪部材２８の最終的な温度がＡｃ１点未満である場合、該外輪部材２８を軟化することや硬度の均質化を図ることが困難となる。また、Ａｃ３点を超える温度まで昇温・保持した場合、オーステナイトの粗大化（異常粒成長）が起こる。このため、図６に示すように、異なる部位間や、表面からの距離によって硬度にバラツキが認められる。なお、図６中のＡ〜Ｄは、図７に示すように、軸部１６の先端部から５０ｍｍの位置の部位Ａ〜Ｄにおける測定値を表し、各測定値は、表面から水平断面内部に向かって測定されたものであり、以下においても同様である。

このようにして加熱保持された外輪部材２８は、次に、除冷炉４２に導入され、これにより第２工程Ｓ２が開始される。

本実施の形態においては、除冷炉４２内の外輪部材２８の冷却速度が所定の範囲内、具体的には、５〜４５℃／分となるように設定される。冷却速度をこのような範囲に設定することにより、表面から内部に至るまで略均一な組織が得られ、図８に示すように、硬度のバラツキがほとんど認められなくなる。

冷却速度は、５〜１０℃／分であることがより好ましい。この場合、球状化組織が形成されるようになり、図９に示すように、表面から内部に至る硬度が一層均一になるとともに、外輪部材２８の伸びや絞りが向上する。

ここで、鍛造加工後に熱処理を施さなかった外輪部材２８における硬度を図１０に示す。前記図８、図９とこの図１０とを比較すれば、本実施の形態に係る熱処理を施すことによって、外輪部材２８が軟化すること、また、該外輪部材２８の硬度のバラツキを抑制することができることが明らかである。

除冷は、パーライトの析出が終了する温度まで行えばよい。この析出終了温度は、降温速度や鋼材の種類に応じて相違するが、概ね６８０〜６００℃の間である。従って、除冷は、温度が６８０〜６００℃の間となるまで続行することが好ましく、例えば、６５０℃に低下するまで行えばよい。この温度降下に伴い、外輪部材２８には、フェライトとパーライトが共存する金属組織が形成される。

このように、本実施の形態においては、外輪部材２８が昇温炉３８、均熱炉４０、除冷炉４２を短時間で通過するようにしている。このため、昇温炉３８から除冷炉４２に至る熱処理設備を簡素な構成とすることができる。

第２工程Ｓ２が終了した外輪部材２８は、トランスファー３６で除冷炉４２から搬出され、室温まで冷却された後、ショットブラスト処理、潤滑用化成皮膜形成処理が行われ、しごき成形が行われる鍛造加工ステーションに移送される。

このしごき成形では、外輪部材２８の伸びや絞りが向上しているため、該外輪部材２８が容易に変形する。また、外輪部材２８の硬度は、部位に関わらず略同等であり、しかも、表面から内部に至るまで略一定である。このため、変形能はすべての部位にわたって略同等となり、従って、変形する度合いも略同等である。このため、歯部等の比較的小形状の部位に至るまで寸法精度に優れた外輪部材２８を作製することができる。

以上のように、各種の成分を所定の割合とした場合、割れの発生を著しく抑制することができる。

なお、上記した実施の形態では、ワーク１０をＡｃ１点以上の温度又はＡｃ１点未満の適切な温度に加熱して鍛造加工を行うようにしているが、冷間鍛造を行うようにしてもよい。この場合においても、ワーク１０は塑性変形に伴って加工熱を帯びる。この加工熱が保持されている時点で、換言すれば、塑性変形加工が施される前よりも高温となっている時点で、ワーク１０に対して上記の熱処理を行うようにすればよい。

さらに、塑性変形加工は鍛造加工に特に限定されるものではなく、ワークに圧力を付与して該ワークを変形させる加工であればよい。例えば、圧延加工が含まれる。

さらにまた、Ｔｉ及びＢを含有しない鋼材をワークとして外輪部材２８を設けるようにしてもよい。

図１１に示す組成（数字は質量％）を有する鋼１〜７の各々からなり、直径２３．８ｍｍ×長さ４８ｍｍの円柱体形状の試験片を作製した。この試験片を高周波加熱装置によって所定の温度まで昇温し、１分間の温度保持後、空冷によって５０℃だけ温度を低下させた。その後、減面率６５％の前方押し出し成形を実施した。なお、図１１中、元素名の前に付された「ｓ−」は、その元素が鋼材内に固溶した状態で存在することを意味する。

次いで、６００℃まで温度が低下した試験片を熱処理炉に導入して、所定の温度まで加熱して保持し、さらに、６８０℃まで冷却速度を制御しながら除冷した。そして、試験片を熱処理炉から導出し、室温となるまで放冷した。

その後、押し出し部の表面から深さ０．５ｍｍの位置と、中心部におけるビッカース硬度を３点測定して平均値を計算した。さらに、表層硬度と中心硬度との硬度差を算出した。

以上の鍛造温度、加熱保持温度、冷却速度、表層硬度、中心硬度、硬度差を図１２に一括して示す。表層硬度が低く、且つ硬度差が小さいほど、しごき成形で割れ難く、成形後の寸法精度が良好となるものであることを意味する。

また、比較のため、同一寸法の試験片に対し、加熱保持温度をＡｃ１点未満又はＡｃ３点超として熱処理を施した。この場合における加熱保持温度、冷却速度、表層硬度、中心硬度、硬度差を図１２に併せて示す。図１２から、比較例の試験片では硬度差が大きいことが明らかである。

図１１中の鋼１〜鋼６につき同一寸法の試験片を作製し、各試験片を個別に加熱した後、所定の温度に降下するまで空冷した。さらに、図１３に示す各々のＡｃ１〜Ａｃ３点の間の温度まで所定の昇温速度で加熱した。降下温度及び昇温速度を図１３に併せて示す。

そして、Ａｃ１〜Ａｃ３点の間の温度で保持した後、６５０℃まで冷却速度を制御しながら除冷した後、試験片を熱処理炉から導出し、室温となるまで放冷した。各試験片の金属組織を走査型電子顕微鏡で観察したところ、該金属組織はフェライトとパーライトの略均一な組織であり、欠陥がほとんど存在しないことが確認された。

本実施の形態に係る外輪部材の製造方法のフローチャートである。 図２Ａ〜図２Ｅは、ワークから外輪部材に塑性変形されるまでを示す工程説明図である。 外輪部材を鍛造加工ステーションから熱処理炉に移送するまでの作業場を説明する模式図である。 Ａｃ１点未満の温度で鍛造加工を行った場合における一般的な温度パターンを示すグラフである。 Ａｃ１点以上の温度で鍛造加工を行った場合における一般的な温度パターンを示すグラフである。 Ａｃ３を超える温度まで昇温・保持した場合における軸部の硬度のバラツキを説明するグラフである。 図６中のＡ〜Ｄの部位を説明する軸部の先端部から５０ｍｍの位置の水平断面図である。 第２工程を経た外輪部材の軸部の表面から内部に向かう硬度を示すグラフである。 第２工程での冷却速度を５〜１０℃／分とした場合の外輪部材の軸部の表面から内部に向かう硬度を示すグラフである。 鍛造加工後に熱処理を施さなかった外輪部材の軸部の表面から内部に向かう硬度を示すグラフである。 試験片の鋼材の組成比を示す図表である。 試験片の鍛造温度、加熱保持温度、冷却速度、表層硬度、中心硬度及び硬度差を示す図表である。 試験片のＡｃ１点、Ａｃ３点及び昇温速度を示す図表である。

符号の説明

１０…ワーク １８、２０、２４…成形品
２２…カップ部 ２８…外輪部材
３０…鍛造加工ステーション ３２…熱処理炉
３８…昇温炉 ４０…均熱炉
４２…除冷炉

Claims (6)

1. 等速ジョイントを構成する鋼材製の外輪部材の製造方法であって、
   ０．３５〜０．５５質量％のＣ、１．０質量％以下のＳｉ、０．２〜１．５質量％のＭｎ、０．０３質量％以下のＰ、０．１５質量％以下のＳ、０．５質量％以下のＣｕ、０．５質量％以下のＮｉ、０．０５〜３．２質量％のＣｒ、１．３質量％以下のＭｏ、０．００２〜０．１％のＡｌを少なくとも含有する鋼材に対して塑性変形加工を施し、外輪部材を得る第１工程と、
   前記塑性変形加工が施されることに伴って加工熱を帯びた前記外輪部材を、加工熱が残留している時点で加熱してＡｃ１〜Ａｃ３点間の温度に保持する第２工程と、
   加熱保持された前記鋼材を、パーライトの析出が終了する温度となるまで冷却する第３工程と、
   を有することを特徴とする外輪部材の製造方法。
2. 請求項１記載の製造方法において、前記鋼材として、０．１質量％以下のＴｉ、０．０１質量％以下のＢをさらに含有するものを使用することを特徴とする外輪部材の製造方法。
3. 請求項１又は２記載の製造方法において、前記第３工程での冷却速度を５〜４５℃／分とすることを特徴とする外輪部材の製造方法。
4. 請求項３記載の製造方法において、前記第３工程での冷却速度を５〜１０℃／分とすることを特徴とする外輪部材の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の製造方法において、前記第２工程での保持時間を１０分以内とすることを特徴とする外輪部材の製造方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の製造方法において、前記第３工程を鋼材が６００〜６８０℃となるまで行うことを特徴とする外輪部材の製造方法。

Images