Carburizing method of a member having an inner peripheral surface tooth profile

本発明は、内周面に歯形形状を有する部材に対して浸炭処理を施す内周面に歯形形状を有する部材の浸炭方法に関する。

従来から、金属製部材の表層部に炭素を拡散させて焼入れ処理を行うことにより、前記表層部を硬化させる浸炭方法が知られている。

例えば、バーフィールドタイプの等速自在継手を構成するインナレース等のように内周面にセレーションが形成された部品に対して浸炭方法を用いた場合、インナレースの外周面及び内周面を含む全表面に均一の深さで硬化層が形成されるため、使用時に力が加わると内周面のセレーション部分にクラックが発生するおそれがある。 インナレースの内周面に必要以上に硬化層が形成されるからである。 なお、クラックが発生する点については、トリポートタイプの等速自在継手を構成するスパイダも同様である。

クラックの発生を防止するために、セレーション部分に浸炭防止剤（例えば、ニッケルメッキ等）を塗布する防炭処理を施し、あるいは前記セレーション部分の表面を硬化させないために該セレーション部分を平面スペーサ、防炭プレート等によって囲繞する方法が採用されている。

しかしながら、浸炭防止剤を用いる前者の方法では、浸炭焼入れ処理をした後に前記浸炭防止剤をインナレースから剥離除去する作業が必要となって煩雑であると共に、前記インナレースの表層部に対する硬化層の深さを調整することができないという不都合がある。

また、平面スペーサ、防炭プレート等を用いる後者の方法では、平面スペーサ等の設置作業を人力によって行わなければならないため、多大な労力と時間を要し、生産効率が低下するという不都合がある。

このような不具合を克服するために、本出願人は、パイプ等からなる支軸部材にワークとなるインナレースを挿通し、複数のインナレースを支軸部材に対して順次積層させ、前記インナレースの内周面と、支軸部材の外周面との間に形成される環状の間隙を一定距離に保持することにより、前記間隙を介して供給されるガスによってインナレースの内周面に形成される硬化層の深さを略均一とすると共に、インナレースの内周面に形成される硬化層を、外周面の硬化層よりも浅く形成する浸炭方法を提案している（特許文献１参照）。

特開平９−３２４２５７号公報

本発明は、前記の提案に関連してなされたものであり、簡便な方法によってワークの外周面と歯形形状を有する内周面とに対してそれぞれ異なる深さの硬化層を形成し、前記歯形形状を有する内周面の寸法精度を均一に保持することが可能な内周面に歯形形状を有する部材の浸炭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、内周面の孔部を介して基台に立設された軸部材に対して挿通可能なワークを有し、前記ワークの内周面に形成された歯形形状部と前記軸部材との間に所定の離間間隔からなる間隙を形成し、前記ワークの内周径より拡径した第１孔部を有する第１調整部材を前記軸部材の軸線方向に沿って前記ワークの下部側に配置した後、前記軸部材の軸線方向に沿って複数のワークを順次積層し、前記ワークの内周径より縮径した第２孔部を有し且つ軸線方向に沿った幅寸法が前記第１調整部材より小さい第２調整部材を前記積層されたワークの最上部に配置することにより、複数のワークによって形成された間隙と第１及び第２調整部材の第１及び第２孔部と軸部材との間に形成された所定の離間間隔からなる間隙とを前記軸部材の軸線方向に沿って連通させる工程と、
所定の離間間隔からなる間隙の連通状態を保持しながら積層された複数のワークを熱処理炉内に搬入し、前記複数のワークを所定温度に加熱すると共に、前記熱処理炉内に浸炭剤を供給して、前記第１調整部材の第１孔部を介して前記ワークの前記歯形形状部と前記軸部材との間の間隙に前記浸炭剤を流入させると同時に、前記第２調整部材の第２孔部を介して前記ワークの前記歯形形状部と前記軸部材との間の間隙に前記浸炭剤を流入させて浸炭処理を施す工程と、
を有することを特徴とする。

本発明によれば、軸部材の軸線方向に沿って第１孔部を介して第１調整部材を挿通し、その後に複数のワークを順次挿通して、最後に第２孔部を介して第２調整部材を挿通させることにより、下部側の第１調整部材と上部側の第２調整部材との間に複数のワークが積層されている。 そして、ワークの歯形形状部と軸部材との間に所定間隔を有する間隙を形成すると共に、前記ワークの内周径より拡径した第１調整部材の第１孔部と軸部材との間、及び前記ワークの内周径より縮径した第２調整部材の第２孔部と軸部材との間にも間隙を形成する。

次に、軸部材に保持された複数のワークを熱処理炉の内部に搬入し、前記ワークを所定温度に加熱すると共に、前記熱処理炉の内部に浸炭剤を供給することにより、ワークの内周径より拡径して形成された第１調整部材の第１孔部を介してワークの歯形形状部と軸部材との間の間隙に浸炭剤を流入させ、同時に、ワークの内周径より縮径して形成された第２調整部材の第２孔部を介してワークの歯形形状部と軸部材との間の間隙内に浸炭剤を流入させ、それぞれの間隙を介して流通する浸炭剤によって歯形形状部を有するワークの内周面に対して浸炭処理が施される。

その際、ワークの内周径より拡径した第１孔部を有する第１調整部材と、前記ワークの内周径より縮径した第２孔部を有する第２調整部材によって、ワークと軸部材との間の間隙内を流通する浸炭剤の流量が制限される。 そのため、ワークの内周面に、その外周面よりも浅い硬化層を形成することができる。

また、第１孔部を有する第１調整部材を積層された複数のワークの最下部に設けると共に、第２孔部を有する第２調整部材を積層された複数のワークの最上部に設けることにより、浸炭剤を積層された複数のワークの内周面に対してそれぞれ略均等に流通させることができるため、前記複数のワーク間において、その内周面に対して略均等に焼入れ処理を施すことができ、ワークの内周面に形成される歯形形状部の形状のバラツキが抑制されることにより、前記複数のワークの内周面の寸法精度を好適に保持することができる。

さらに、ワークに浸炭処理を施して硬化層を形成する工程の後に、
前記軸部材の軸線方向に沿って積層された複数のワークを冷却用媒体で満たされた槽の内部に浸し、前記第１調整部材の第１孔部を介して前記ワークの前記歯形形状部と前記軸部材との間の間隙に前記冷却用媒体を流入させると同時に、前記第２調整部材の第２孔部を介して前記ワークの前記歯形形状部と前記軸部材との間の間隙に前記冷却用媒体を流入させ、加熱されたワークを所定温度に冷却させる工程を有している。

これにより、浸炭処理によって硬化層が形成された複数のワークを、槽の内部に浸して冷却用媒体によって冷却する際、積層された複数のワークの歯形形状を有する内周面と軸部材との間の間隙に流入する冷却用媒体の流量を、第１及び第２調整部材によって好適に制御することができる。 そのため、複数のワークの内周面に形成される歯形形状部に対して焼入れ処理を均一に行うことができる。

本発明によれば、以下の効果が得られる。

すなわち、軸部材に沿って積層された複数のワークに対して第１及び第２調整部材を設けることにより、前記ワークの内周面と軸部材との間に流通する浸炭剤の流量を制限し、ワークの外周面と歯形形状を有する内周面とにそれぞれ異なる深さの硬化層を形成することができる。

また、積層された複数のワークの最下部に第１調整部材を設け、同様に、複数のワークの最上部に第２調整部材を設け、浸炭剤をワークの内周面に対してそれぞれ略均等に流通させることにより、複数のワーク間における歯形形状部のバラツキを抑制し、前記複数のワークの内周面の寸法精度を好適に保持することができる。

さらに、浸炭処理によって硬化層が形成された複数のワークを槽の内部に浸して冷却用媒体によって冷却する際、積層された複数のワークの歯形形状を有する内周面と軸部材の外周面との間の間隙に流入する冷却用媒体の流量を第１及び第２調整部材によって制御することができる。 そのため、複数のワークの内周面に形成される歯形形状部に対して均一な焼入れ処理がなされる。

本発明に係る内周面に歯形形状を有する部材の浸炭方法について、これを実施する熱処理装置との関係において好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。

この熱処理装置は、複数のワークを上下方向に積層した状態で保持するワーク保持機構１０（以下、単に保持機構１０という）を含む（図１参照）。 保持機構１０は、略平行に並設された複数の枠体１２と、前記枠体１２の長手方向に沿って所定間隔離間する複数の支軸部材（軸部材）１４とを有する。 支軸部材１４は軸線方向に沿って貫通孔が形成されたパイプからなり、隣接する一組の枠体１２間に、例えば、溶接等の方法によって固着されている。

また、浸炭処理が施されるワークとしては、バーフィールドタイプの等速自在継手を構成するインナレース１８が用いられる。 このインナレース１８は、例えば、図示しない冷間鍛造加工装置等によって予め製造され、軸線方向に沿って所定の直径を有する貫通孔２０が形成され、前記貫通孔２０には一端部側に所定角度傾斜して開口した開口部２２が形成されている。 インナレース１８の外周面には、図４に示されるように、実質的にボール転動溝として機能する半円形状溝部２４が円周方向に沿って所定角度離間して複数個形成され、前記貫通孔２０の内周面には、ドライブシャフトを嵌合するためのセレーションからなる歯形形状部２６が形成されている。

支軸部材１４には、図２及び図３に示されるように、前記支軸部材１４の下部に配置されるリング状の第１スペーサ（第１調整部材）２８が挿通孔（第１孔部）３０ａを介して挿通され、前記第１スペーサ２８が、支軸部材１４の軸線に沿って枠体１２上に載置される。 そして、貫通孔２０を介してインナレース１８が挿通され、複数（例えば、５個）の第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅを支軸部材１４の軸線に沿って挿通させた後、前記支軸部材１４に挿通孔（第２孔部）３０ｂを介して前記支軸部材１４の上部に配置されるリング状の第２スペーサ（第２調整部材）３２が挿通されている。

すなわち、支軸部材１４に挿通された複数の第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅにおいて、その最下部の第１インナレース１８ａの下端面側に第１スペーサ２８が配設されると共に、その最上部の第５インナレース１８ｅの上端面側に第２スペーサ３２が配設されている。

第１及び第２スペーサ２８、３２は、図３に示されるように、ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０９）より形成され、その外周径Ａ１、Ａ２が略同一直径（Ａ１＝Ａ２）に形成されると共に、下部側の第１スペーサ２８の挿通孔３０ａの直径Ｂ１が、上部側の第２スペーサ３２の挿通孔３０ｂの直径Ｂ２より大きく形成されている（Ｂ１＞Ｂ２）。

また、第１スペーサ２８の軸線方向に沿った幅寸法Ｃ１は、第２スペーサ３２の軸線方向に沿った幅寸法Ｃ２より大きく形成されている（Ｃ１＞Ｃ２）。

本発明の実施の形態に係る浸炭方法を実施する熱処理装置は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作並びに作用効果について説明する。

先ず、挿通孔３０ａを介して第１スペーサ２８を、保持機構１０における支軸部材１４の軸線方向に沿って挿通し、次に、貫通孔２０を介して第１インナレース１８ａから順番に開口部２２が上方となるように支軸部材１４の軸線方向に沿って挿通する。 そして、複数の第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅを支軸部材１４に沿って第１スペーサ２８の上方に順番に積層させた後、第２スペーサ３２を、挿通孔３０ｂを介して支軸部材１４に沿って挿通させて前記第５インナレース１８ｅの上部へと載置する（図２及び図３参照）。

その際、第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅの内周面に形成された歯形形状部２６と支軸部材１４の外周面との間には、所定の離間間隔を有する第１間隙３４が形成されると共に、同様に、第１スペーサ２８の挿通孔３０ａと支軸部材１４の外周面の間に所定の離間間隔を有する第２間隙３６が形成され、第２スペーサ３２の挿通孔３０ｂと支軸部材１４の外周面との間に、所定の離間間隔を有する第３間隙３８が形成されている。

なお、第１スペーサ２８の挿通孔３０ａの直径Ｂ１は、第２スペーサ３２の挿通孔３０ｂの直径Ｂ２より大きく形成されているため、それに伴って、第１スペーサ２８と支軸部材１４の外周面との間の第２間隙３６が、第２スペーサ３２と支軸部材１４の外周面との間の第３間隙３８より大きくなる。 また、歯形形状部２６と支軸部材１４の外周面との間に形成される第１間隙３４は、第１スペーサ２８の第２間隙３６より小さく形成されると共に、第２スペーサ３２の第３間隙３８よりも大きく形成されている。

そして、第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅと支軸部材１４の外周面との間に、軸線方向に沿って連通して形成された第１間隙３４の一端部は、図３に示されるように、第２スペーサ３２によって閉塞されることなく外部と連通状態にある。 また、支軸部材１４の下部側に形成された第１間隙３４の他端部側も同様に、第１スペーサ２８によって閉塞されることなく、枠体１２によって形成された空間３９（図１参照）を介して外部と連通状態にある。

このように、第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅの内周面に形成された歯形形状部２６と支軸部材１４の外周面、第１及び第２スペーサ２８、３２の挿通孔３０ａ、３０ｂと支軸部材１４の外周面とが、それぞれ所定間隔離間した状態を維持しながら、複数の第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅが積層された保持機構１０を図示しない熱処理炉の室内に搬入し、前記第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅに対して浸炭処理を施す。

この第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅに対して浸炭処理を施す場合には、図５に示されるように、熱処理炉の閉塞された室内において、図示しない加熱手段を介して前記第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅを所定温度に加熱する昇温工程が行われ、次に、図示しないガス供給手段を介して浸炭剤としてのガス（例えば、メタンガス、プロパンガス等）を供給する浸炭工程が行われる。 そして、熱処理炉の室内に供給されたガス中の炭素成分が第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅの外周面に吸収されることによって、前記外周面の表層部に所定の深さの硬化層が形成される。

一方、第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅの内周面には、複数の第１インナレース１８ａの下面側に設けられた第１スペーサ２８の挿通孔３０ａを介してガスが流入すると共に、第５インナレース１８ｅの上面側に設けられた第２スペーサ３２の挿通孔３０ｂを介して同様にガスが流入する。

その際、第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅの下部側に設けられた第１スペーサ２８の挿通孔３０ａは、第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅの貫通孔２０の内周径より拡径して形成されているため、該第１スペーサ２８の挿通孔３０ａを介して第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅの下部側より流入されるガスの流量が増大され、反対に、第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅの上部側に設けられた第２スペーサ３２の挿通孔３０ｂが、貫通孔２０の内周径より縮径して形成されているため、該第２スペーサ３２の挿通孔３０ｂを介して第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅの上部側より流入されるガスの流量が抑制される。

これにより、第１スペーサ２８の挿通孔３０ａから第１間隙３４へと流入されるガスの流量と、第２スペーサ３２の挿通孔３０ｂから第１間隙３４へと流入されるガスの流量とを略同等になるように制限することができる。

また、それに加えて、第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅの内周面に形成された歯形形状部２６は、所定の離間間隔を有する第１間隙３４を介して支軸部材１４の外周面と対峙しているため、前記第１間隙３４に沿って循環するガスの流量がさらに制限される。 従って、第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅの外周面と比較して、該第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅの内周面に形成された歯形形状部２６に対してガス中の炭素成分が吸収される量が制限されることから、前記歯形形状部２６には外周面よりも浅い硬化層が形成される。

上記のように、第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅに対して浸炭工程が行われた後に、順次、熱処理炉の閉塞された室内のガスを排気する拡散工程、前記熱処理炉の内部の温度を略一定の焼入れ保持温度に保持する均熱工程がなされる。 そして、次に、前記加熱された第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅを所定温度に冷却するための冷却工程が行われる。

この冷却工程では、図６に示されるように、浸炭処理が施されて所定温度に加熱された複数の第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅを、図示しない移送装置を介して支軸部材１４に挿通した状態のまま、前記保持機構１０と共に冷却用油（冷却用媒体）４０で満たされた油槽（槽）４２の内部へと浸している。 複数の第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅを、冷却用油４０の内部に所定時間浸しておくことにより所定温度へと冷却している。

そして、第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅの外周面は、油槽４２内の冷却用油４０と接することにより好適に冷却される。

一方、第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅの内周面には、第１スペーサ２８の挿通孔３０ａを介して下方より冷却用油４０が、上方へと向うように第１インナレース１８ａの歯形形状部２６と支軸部材１４の外周面との間の第１間隙３４に徐々に浸入すると共に、第２スペーサ３２の挿通孔３０ｂを介して上方より冷却用油４０が、下方へと向うように第５インナレース１８ｅの歯形形状部２６と支軸部材１４の外周面との間の第１間隙３４に徐々に浸入する。

その際、第１スペーサ２８の挿通孔３０ａの直径Ｂ１は、第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅの歯形形状部２６の内周径より大きく形成されているため、第１スペーサ２８の挿通孔３０ａから支軸部材１４の外周面と第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅの内周面との間の第１間隙３４へと浸入する冷却用油４０の流量が制御される。

一方、第２スペーサ３２の挿通孔３０ｂの直径Ｂ２は、第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅの歯形形状部２６の内周径より小さく形成されているため、第２スペーサ３２の挿通孔３０ｂから支軸部材１４の外周面とインナレース１８の内周面との間の第１間隙３４へと浸入する冷却用油４０の流量が制御される。

そのため、第１スペーサ２８の挿通孔３０ａから前記第１間隙３４へと浸入する冷却用油４０と、第２スペーサ３２の挿通孔３０ｂから第１間隙３４へと浸入する冷却用油４０とによって、第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅの内周面に対して均一な焼入れ処理を行うことが可能となる。

本実施の形態に係る浸炭方法では、冷却工程において、インナレース１８と支軸部材１４の外周面との間の第１間隙３４に浸入する冷却用油４０の流量が、第１及び第２スペーサ２８、３２によって所定量だけ制御され、それに伴って、前記冷却用油４０によって冷却される第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅの歯形形状部２６の内部を流通する冷却用油４０の流量を制御することができる。 その結果、第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅにおける歯形形状部２６に対する焼入れ処理の均一化を図ることができる。

このように外周面及び歯形形状部２６を含む第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅの全体が所定温度まで冷却された後、前記第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅが保持された保持機構１０を、図示しない移送装置を介して油槽４２の内部より外部へと引き上げることにより冷却工程が終了する。 そして、第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅの外周面と比較して、内周面に形成された歯形形状部２６の硬化層が浅く形成された第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅの浸炭処理が終了する。

その際、支軸部材１４に沿って複数積層された第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅに対して一組の第１及び第２スペーサ２８、３２を最上部、最下部にそれぞれ設けることにより、複数の第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅに浸炭処理を施した際に、前記第１及び第２スペーサ２８、３２には、第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅと同様に浸炭処理が施される。

このように、支軸部材１４の軸線方向に沿って積層された複数の第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅに浸炭処理を施す場合においては、その最上部及び最下部に配設される第１及び第５インナレース１８ａ、１８ｅの内周面が、略中央部近傍に配設される第２〜第４インナレース１８ｂ〜１８ｄ等の内周径と比較してバラツキが生じる場合がある。

その場合においても、第１及び第２スペーサ２８、３２を、複数の第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅの最上部と最下部とに配設することにより、浸炭処理を行った際に、前記第１及び第２スペーサ２８、３２を第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅの最上部及び最下部にさらに設けられたインナレースの代わりとすることができる。 そのため、第１及び第５インナレース１８ａ、１８ｅ等の最上部及び最下部に近いインナレースにおいても、その内周面の寸法精度を第２〜第４インナレース１８ｂ〜１８ｄにおける内周面の寸法精度と略同等に保持することができる。

さらに、本実施の形態に係る浸炭方法では、積層されたワークの上方に載置された第２スペーサ３２の挿通孔３０ｂの内径が第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅの貫通孔２０の内周径よりも小さく形成され、前記第２スペーサ３２の挿通孔３０ｂと支軸部材１４の外周面との間のクリアランスが狭小となっているため、例えば、浸炭ガスとしてプロパン（Ｃ３Ｈ８）（比重；１．５２０）を用いて図示しない熱処理炉の室の上方から前記プロパンを導出した場合、前記プロパンが第２スペーサ３２と支軸部材１４との間の狭小なクリアランスによって第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅの貫通孔２０の内部に進入することが抑制され、一方、積層されたワークの下方に載置された第１スペーサ２８の挿通孔３０ａの内径が第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅの貫通孔２０の内周径よりも大きく形成され、前記第１スペーサ２８の挿通孔３０ａと支軸部材１４の外周面との間のクリアランスが幅広となっているため、冷却工程において供出される冷却用油４０が第１〜第５インナレース１８ａ〜１８ｅの貫通孔２０の内部に浸入することが促進される。

このように、本実施の形態では、積層されたワークの上部側と下部側とで第１及び第２スペーサ２８、３２の挿通孔３０ａ、３０ｂの口径が異なるように設定することにより加熱及び冷却処理においてワークの外周面と内周面との間で異なる深さの硬化層を好適に形成することができる。

なお、本実施の形態に係る浸炭方法においては、等速継手部材におけるインナレース１８に対して浸炭処理を行う場合について説明したが、内周面に歯形を有するワーク（例えば、内歯車）であれば、特にワークの形状に限定されるものではない。 その場合、第１間隙３４は、前記ワークの形状及びそのワークの表面層に要求される硬度に応じて設定すればよい。

本発明に係る内周面に歯形形状を有する部材の浸炭方法を実施する熱処理装置における保持機構の一部省略斜視図である。

図１に示す保持機構によって複数のワークを積層した状態を示す斜視図である。

図２の縦断面図である。

図２の平面図である。

熱処理装置によってワークに浸炭焼入れを施す際の工程説明図である。

加熱されたインナレースを保持機構に保持された状態で油槽によって冷却を行う際の概略動作説明図である。

符号の説明

１０…保持機構 １２…枠体１４…支軸部材 １８、１８ａ〜１８ｅ…インナレース２０…貫通孔 ２４…半円形状溝部２６…歯形形状部 ２８…第１スペーサ３０ａ、３０ｂ…挿通孔 ３２…第２スペーサ３４…第１間隙 ３６…第２間隙３８…第３間隙 ４０…冷却用油４２…油槽