JP5686582B2 - アクスルケースの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は差動歯車を収容するアクスルケースの製造方法に係り、特に、断面四角形状の鋼材とＦＣＤ材とを接合してなるアクスルケースの製造方法に関する。

アクスルケースは、鋼板をプレス加工して形成したプレス材を溶接組立したバンジョー部品、または、球状黒鉛鋳鉄（Ferrum Casting Ductile；ＦＣＤ）製バンジョー部品、または、鋳鋼製バンジョー部品と、熱間鍛造で成形したチューブを接合して製造されている。

一般的に、鋼材とＦＣＤ材とを直接溶接接合することは困難であることから、鋼材とＦＣＤ材との健全な異材継手を得るべく、従来から様々な工夫が為されてきた。

例えば、アクスルハウジング本体を形成するためＦＣＤ材を鋳型に鋳造する際に、鋳型内に耐酸化被膜を形成した鋼製リングをセットし、溶けたＦＣＤ材で鋼製リングを鋳ぐるみ、鋳ぐるまれた鋼製リングを切削加工によりＦＣＤ材から露出させ、その鋼製リングと鋼製チューブとをアーク溶接にて接合してアクスルケースを製造する技術がある（例えば、特許文献１、非特許文献１）。しかしながら、この手法は、湯が流れてきたときの熱を利用するため、鋼製リング表面の耐酸化被膜とＦＣＤ、耐酸化被膜と鋼製リングとの接合界面との拡散が不十分となること、接合界面にボイドが発生することがまれにあり、品質維持のために、超音波検査による確認が必要である。また、接合部の強度を確保するためには接合部近傍の肉厚を厚くする必要があり、アクスルの重量増加となる。さらに、文献では、鋼製チューブが丸断面形状であり、旋盤で容易に切削、剥き出しにすることが可能であるが、接合部位が角断面になると、その切削は容易ではない。

これに対し、鋼製リングとＦＣＤ材との間にアモルファス金属を挿入し、接合部を加熱して拡散接合を行うことが示された（例えば、非特許文献２）。アモルファス金属を接合部に介在させて拡散接合を行うことで、鋼材とＦＣＤ材とを直接に接合することができる。ただし、接合部に断面変化を伴わない（すなわち、接合部を増肉するためのアプセット加工を伴わない）接合であるため、接合部の強度を向上させることはできず、直接、強度が必要な部分への適用は難しい。増肉された接合部は、接合部に作用する応力を低減できるため、強度が必要な部分へ適用される接合部は、増肉されていることが望ましい。

非特許文献３では、アモルファス金属を使わずにアモルファス金属に相当する金属を電気めっき法で鋼材側に塗着させ拡散接合させる方法が示されているが、基礎研究であり、工業量産製品への適用については、触れられていない。

特許文献２および非特許文献４では、アモルファス金属シートやアモルファス粉末バインダを接合する面の間に挟み、拡散接合させ、さらに力を加え、接合部を増肉させる手法が提案された。しかし、この手法は丸断面パイプや中実丸棒に対してのみ適用され、また鋼同士の接合であり、断面四角形状を有するパイプ材の鋼材とＦＣＤ材との接合については検討されていない。

また、非特許文献５では丸パイプ形状のＳ４５Ｃ（炭素鋼）とＦＣＤ６００のアモルファス金属シートを使った拡散接合の基礎実験結果について述べられており、断面四角形状を有するパイプ材同士の接合については検討されていない。加えて、接合後の界面近傍の硬さは５００ＨＶ超で、アクスルケースの工業製品としての使用は難しい。

特許文献３〜５には、拡散接合に使用するＮｉベースの合金粉末（あるいはアモルファス粉末）に関する塗布方法、その成分について述べている。

つまり、以上の検討は何れも丸形状のパイプ材同士を接合する手法について示されており、断面四角形状のパイプ材同士の接合部の変形（増肉）を伴う接合は未検討である。さらに、融点の異なる金属同士（例えば、鋼材とＦＣＤ材）を接合して製造する量産品を、使用可能なレベルとする結果は得られていないのが現状である。

近年では、特許文献６〜９に示されるように、軸筒部分が断面四角形状のアクスルケースが開発されつつある。このような構造のアクスルケースでは、アクスルケースの製造に係る部品点数・工程数を減少させ、製造コストを削減することができる。しかし特許文献６〜９では、その接合部が増肉形状にあることは示されておらず、接合部の強度を向上させることは示されていない。

一方、本発明者は、断面四角形状で接合しつつ、その接合部を増肉したアクスルケースの構造を提案した（特許文献１０）。

図１２は、提案したアクスルケースの構造を示す図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）は接合部近傍の拡大図である。

このアクスルケース１００は、アクスルハウジング１０１と異形チューブ１０３とからなる。

アクスルハウジング１０１は、差動ギアを収容するための空洞を有する環状のバンジョー１０５を有し、そのバンジョー１０５から断面四角形状の軸筒１０２が軸方向に延出するように形成されている。このアクスルハウジング１０１は、鋼板（低合金鋼、高張力鋼など）をプレス加工して形成した断面コ字状の上部部材１０６と下部部材１０７とを、突き合わせ接合して形成される。

また異形チューブ１０３は、断面四角形状の軸筒１０４と、円筒１０８と、軸筒１０４および円筒１０８との間で断面形状を四角形から円形に徐々に変化させる異形連結部１０９と、を有する。さらに異形チューブ１０３の軸筒１０４には、ブレーキ支持体１１０が設けられる。この異形チューブ１０３は、ＦＣＤ材を鋳造して一体形成される。

しかる後、アクスルハウジング１０１に形成された断面四角形状の軸筒１０２と、同じく異形チューブ１０３に形成された断面四角形状の軸筒１０４と、を接合して、アクスルケース１００が製造される。

この接合部１１１は増肉された増肉部１１２，１１３を有しており、接合部１１１に作用する応力を減少させることで、接合部１１１の強度を向上させている。

また、増肉された接合部１１１は、接合前に予め形成した増肉部１１２，１１３との間にアモルファス金属１１４を挟み込み、これを加熱して拡散接合することで形成される。

特開２００４−２４９８８１号公報 特開２００３−３３８８４号公報 独国特許出願公開第１０２００６０４１９０１号明細書 独国特許出願公開第１０２００６０５１７１８号明細書 独国特許出願公開第１０２００７００６０３９号明細書 国際公開第２００６／０２４４２５号 国際公開第２００６／１３６３１７号 独国特許出願公開第１０２５５２０９号明細書 特開２００９−２０２８４８号公報 特開２０１０−１８８９２４号公報

黒木俊昭ほか，「鋳造同時拡散接合によるアクスルハウジングのＦＣＤ化」，自動車技術，第５８巻，第９号，２００４年，ｐ．９７−１０２ 黒木俊昭ほか，「拡散接合による部品コストの削減」，自動車技術，第５２巻，第１２号，１９９８年，ｐ．７６−８０ 益本広久ほか，「球状黒鉛鋳鉄と鋼の拡散接合性に及ぼすニッケルめっき層の効果，−球状黒鉛鋳鉄の固相接合（第１１報）−」，溶接学会全国大会講演概要，第５８集，１９９６年４月，ｐ．２１０−２１１ 小溝裕一ほか，「アモルファス接合システム」，溶接学会誌，第６６巻，第７号，１９９７年，ｐ．１０−１３ 竹之内優ほか，「鋳鉄／鋼液相拡散接合継手の機械的特性に及ぼす接合条件の影響」，電気製鋼，第６７巻，第３号，１９９６年，ｐ．１６１−１７０

ところで、このアクスルケース１００を製造する際には、断面四角形状の鋼材とＦＣＤ材との間にアモルファス金属（Ｂ，Ｓｉ，Ｎｉ等を有する）を介在させ、これを高周波誘導加熱し、加熱された接合部材同士を拡散接合してアクスルケース１００を製造することが行われる。

拡散接合を行いつつ接合部を押付けて増肉すると、接合部を予め増肉しておくプロセスを省略できるため好適であるが、断面四角形状の鋼材とＦＣＤ材とを増肉しつつ接合する技術については未だ課題があり、アクスルケースに実用可能なレベルに達していないのが現状である。

アクスルケースのような強度部材を接合する際には、接合部の強度を増肉して向上させることに加えて、接合中の入熱による金属組織や特性が変化する領域（熱影響部）を狭めることが求められる。そこで、１ターンコイルからなるインダクターを用いるが、図１３に示すように、１ターンコイルは給電リードの出側と入り側を絶縁する必要があり、給電リード位置での接合部材（ワーク）では低温加熱領域となる。

低温加熱領域では拡散接合後の強度が他の部分と比べて低下する虞があるため、丸断面を有する接合部材では、誘導加熱しつつ丸形状のコイル内で接合部材を回転させて低温加熱領域を解消することが行われる。

しかしながら、角断面形状を有する軸筒と、これを均等に加熱すべく四角形状とされたコイルでは、誘導加熱しつつコイル内で接合部材を回転させることができないため、低温加熱領域の低強度を解消することができず、接合部の強度がアクスルケースに求められるレベルに達しない虞がある。

また、鋼材およびＦＣＤ材を拡散接合した接合部の近傍では、ＦＣＤ材中の黒鉛が片状となったり、金属組織に焼きが入って硬化したりするため、工業製品として使用できない場合がある。

すなわち、より継手性能の高いアクスルケースを製造するためには、断面四角形状の鋼材とＦＣＤ材とを増肉接合する際に、入熱による接合部近傍への熱影響を低減しつつ、接合継手の品質（強度、延性、疲労強度など）を向上できる製造プロセスを開発する必要がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、断面四角形状を有するＦＣＤ材と鋼材とを増肉させつつ拡散接合する際に、接合部近傍の熱影響を低減し、接合継手の品質を向上できるアクスルケースの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、鋼材からなるアクスルハウジングに形成された断面四角形状の軸筒とＦＣＤ材からなる異形チューブの断面四角形状の軸筒とを突き合わせ、その接合部にアモルファス金属を介在させ、その軸筒同士の接合部の板厚を増肉させつつ拡散接合するアクスルケースの製造方法において、前記接合部の外周を覆うように四角形状に形成した１ターンコイルからなるインダクターを配置し、そのインダクターで前記接合部を誘導加熱して１回目の拡散接合を行う際に、インダクターの軸方向の配置位置を接合中心から前記アクスルハウジング側にずらして誘導加熱し、前記アクスルハウジングと前記異形チューブとの間に加熱温度差を設けて拡散接合すると共に、その接合部を軸方向に押付けて前記接合部の板厚を増肉させるアプセット加工を施しつつ前記接合部の１回目の拡散接合を行った後冷却し、しかる後、インダクターの給電リード部位置での低温加熱領域を誘導加熱すべく、インダクターを前記軸筒周りに１８０度あるいは９０度回転し再配置して前記接合部の２回目の拡散接合を行うようにしたアクスルケースの製造方法である。

前記１回目の拡散接合の温度は、前記アモルファス金属のろう付け温度以上、前記ＦＣＤ材の固相温度以下の範囲とするとよい。

前記インダクターは、前記軸筒の軸方向に対するコイル長さが前記突き合わせた接合部の板厚の１．６〜２倍の長さを有し、前記アプセット加工は、前記軸筒の軸方向に対するアプセット量を前記板厚の３０〜５０％の範囲とするとよい。

前記２回目の拡散接合の温度は、前記１回目の拡散接合の温度と同じであり、前記２回目の拡散接合を行う際に、前記インダクターの軸方向の配置位置を前記接合部の接合中心とし、前記インダクターを用いて前記接合部を誘導加熱して拡散接合するとよい。

前記２回目の拡散接合を行った後、前記接合部を冷却速度１〜３℃／ｓｅｃで空冷するとよい。

前記２回目の拡散接合の後、前記接合部の前記ＦＣＤ材中の黒鉛を球状化すべく、前記接合部をインダクターで誘導加熱して、後熱処理を行うとよい。

前記後熱処理の温度は、前記ＦＣＤ材のＡ₁変態点を中心に７００〜７５０℃の範囲とし、前記後熱処理を行う際に、前記インダクターの軸方向の配置位置を前記接合部の接合中心とし、前記インダクターを用いて前記接合部を誘導加熱して、後熱処理するとよい。

前記後熱処理を行った後、前記接合部を冷却速度１〜３℃／ｓｅｃで空冷するとよい。

前記１回目の拡散接合を行う際に、前記１ターンコイルの内幅が前記アクスルハウジングに向けて小さくなるように５〜１５°の範囲のテーパを設けて形成された前記インダクターを用いるとよい。

本発明によれば、断面四角形状を有するＦＣＤ材と鋼材とを増肉させつつ拡散接合する際に、接合部近傍の熱影響を低減し、接合継手の品質を向上できるアクスルケースの製造方法を提供できる。

本発明に係るアクスルケースの製造方法の概念を模式的に示す図であり、（ａ）〜（ｆ）は接合部断面を示している。 本発明に係るアクスルケースの製造方法を実施するための装置構成を示す模式図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。 接合中の温度曲線、変位曲線および荷重曲線を示す図である。 本発明で使用するインダクターを示す断面図である。 本発明に係る接合部とインダクターとの位置関係を示す断面図である。 本発明で使用するインダクターを示す断面図である。 本発明の実施例に係る接合部の断面写真を示す図である。 本発明の実施例に係る接合部の断面硬さ分布を示す図である。 本発明の比較例に係る接合部の荷重−変位曲線を示す図である。 本発明の比較例に係る接合部を示す図であり、（ａ）は断面写真、（ｂ）は外観写真である。 本発明の比較例に係る接合部の外観写真を示す図である。 本発明が適用されるアクスルケースの構造を示す図である。 誘導加熱の原理を説明する図である。

以下に、本発明の好適な実施の形態について図面に基づき説明する。

本発明が適用されるアクスルケースの構造は、上述した図１２に示すアクスルケースの構造と同じである。

図１は、本発明の好適な実施の形態に係るアクスルケースの製造方法の概念を示す図であり、本発明者が断面四角形状の鋼材とＦＣＤ材との健全な接合継手を得るために使用した製造装置（実験装置）である。

また、図２は、本実施の形態に係るアクスルケースを製造するための装置構成を示す模式図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。

図２に示すように、本実施の形態に係るアクスルケースの製造装置１５ｂは、鋼材からなるアクスルハウジング２１に形成された軸筒１０と、ＦＣＤ材からなる異形チューブ２２の軸筒１１とをアモルファス金属１３を介し突き合わせた接合部材１４の、接合部１２を誘導加熱により接合してアクスルケースを製造するためのものである。

製造装置１５ｂは、接合部１２の周囲に配されて接合部１２を誘導加熱するインダクター２０と、加熱圧接時に接合部およびその近傍をＮ ₂ ガス雰囲気にするためにＮ ₂ ガスを噴出される噴出孔を有しかつそれを囲むチャンバー装置１７と、アクスルハウジング２１を支持・固定するための荷重受治具１９ｂと、異形チューブ２２をアモルファス金属１３を介してアクスルハウジング２１側（図２中では下方向）に押付けるための押付け治具１８ｂと、接合部１２の周囲においてアクスルハウジング２１および異形チューブ２２に装着されて接合部１２の周囲を冷却するための冷却ジャケット２３と、を備える。

四角形状の１ターンコイルからなるインダクター２０が収納されたチャンバー装置１７は、空冷用のエア吹付け孔を有すると共に、Ｎ ₂ ガスなどを用いて接合部１２を非酸化雰囲気とするためのガスシールド治具を備える。

荷重受治具１９ｂは円柱状に形成され、アクスルハウジング２１のバンジョー２４の空洞に挿入された荷重受治具１９ｂはバンジョー２４の内側からアクスルハウジング２１を載置して支持・固定できるようにしている。また、押付け治具１８ｂは中実の直方体形状に形成され、異形チューブ２２の円筒２５に軸方向（図２では上下方向）から当接させた押付け治具１８ｂが、異形チューブ２２をアクスルハウジング２１側に押圧できるようにしている。ただし、本発明は荷重受治具１９ｂおよび押付け治具１８ｂの形状などを特に限定するものではない。例えば、荷重受治具１９ｂは、バンジョー２４を把持してアクスルハウジング２１を固定するように保持部材を備えるなどしても良いし、押付け治具１８ｂは、異形チューブ２２を当接位置へ誘導するためのガイド棒を備えても良い。

図１には、接合部１２（すなわち、図２に示されるアクスルハウジング２１の軸筒１０、異形チューブ２２の軸筒１１、アモルファス金属１３）近傍を抜き出して示しており、アクスルケースの製造プロセスを詳細に説明している。以下、鋼材からなるアクスルハウジングの軸筒１０およびＦＣＤ材からなる異形チューブの軸筒１１とを、単に鋼材１０、ＦＣＤ材１１と略称する。

図１に示した製造装置１５ａは、本発明者が断面四角形状の鋼材とＦＣＤ材との健全な接合継手を得るための実験に使用した実験装置である。この製造装置１５ａは、Ｎ ₂ ガスなどで接合環境を無酸化雰囲気状態にするためのカバー部材１６からなるシールド治具と、接合部材１４を載置すると共に上下動して接合部材に荷重を負荷するための荷重受治具１９ａと、接合部材１４を押付けるための押付け治具１８ａと、接合部１２を加熱するためのインダクター２０と、を備える。ここでは便宜上、カバー部材１６に押付け治具１８ａが固定されると共に荷重受治具１９ａが上下動して接合部材１４を押付け加工するようにしているが、本実施の形態は、これに限られるものではなく、図２に示したように荷重受治具１９ｂを固定して押付け治具１８ｂを上下動するようにしてもよい。また、押付け治具、荷重受治具とも上下動するようにしてもよい。

さて、本実施の形態に係るアクスルケースの製造方法においては、まず、断面四角形状の鋼材１０をプレス加工・溶接により形成すると共に、断面四角形状のＦＣＤ材１１を鋳造により形成する。その後、図１（ａ）に示すように、接合部１２の接合表面（突き合わせ面）を機械加工または研磨し、研磨した鋼材１０とＦＣＤ材１１との間にアモルファス金属１３を挟んで接合部材１４として、この接合部材１４を製造装置１５ａ内にセットする。

本発明は接合部１２に介在させるアモルファス金属１３を特に限定するものではなく、鋼材１０およびＦＣＤ材１１に拡散接合可能であり、ＦＣＤ材１１の融点よりもろう付け温度が低くなるものから適宜選択可能である。例えば、Ｎｉ−Ｂ系アモルファス金属からなるシート材を接合界面にスポット接合などで仮付けして使用できる。また、Ｎｉ−Ｂ−Ｓｉ系アモルファス金属粉末をバインダ樹脂と混練したものを、接合界面に塗布・乾燥して使用してもよい。

製造装置１５ａ内に接合部材１４をセットし、接合部１２近傍の接合部材１４の内外表面を、例えばＮ ₂ ガスを用いて無酸化雰囲気状態にした後、図１（ｂ）に示すように、荷重受治具１９ａを用いて接合部材１４を軸方向（図１では上方向）に押圧し、接合界面に３０ＭＰａ程度の圧縮応力が作用するように加圧する。図３に示すように、この設置時間ｐ₁における接合部材１４では、加熱および加工を行っていないので温度および変位は一定値で推移すると共に、固定の際に接合部材１４に付与した圧縮応力に応ずる荷重が発生している。なお、インダクター２０は、接合部１２がインダクター２０のコイル内に位置するように、インダクター２０と接合部１２との位置関係を調節される。

しかる後、接合界面において板厚方向（図１では左右方向）の温度分布が一様となるように、接合部材１４の板厚に応じた発信器周波数で、インダクター２０により、接合部１２近傍を加熱する。図３に示す加熱時間ｐ₂では、加熱に伴う接合部材１４の熱膨張により、接合界面の荷重（圧縮応力）が自然に増加しており、変位（荷重受治具１９ａのストローク長さ）は減少している。

ここで、加熱に使用するインダクター２０は、接合部１２の外周を覆うように四角形状に形成した１ターンコイルからなることが望ましい。１ターンコイルからなるインダクター２０を使用することで、接合部１２近傍に発生する加熱領域を狭め、接合中の入熱による接合部材１４の金属組織および特性が変化する領域を狭めることができる。

本実施の形態で使用するインダクター２０の形状を図４に示している。

図４（ａ）に示すように、インダクター２０は１ターンコイルであり、断面四角形状の接合部１２を覆うように略四角形状に形成した導体４０と、その導体４０に給電する給電リード部４１と、を有する。導体４０には、通電中の導体４０を冷却するための冷却水路（図示せず）が内部に形成されている。

インダクター２０の給電リード部４１の出側と入り側の間では、電流のショートおよびスパークを防止するための絶縁体４２が配される。また、給電リード部４１間の絶縁体４２の影響およびインダクターが折曲がる部分は入り側、出側でお互い磁束を打ち消すことになる（図１３）ので、給電リード部４１位置での接合部１２では、加熱温度が他の部分と比べて低くなり、低温加熱領域４３が生ずる。

さて、このようなインダクター２０を用いて接合部１２を誘導加熱し、接合界面の拡散が進む温度に達した後、１分間その温度を保持する（図３、保持時間ｐ₃）。このとき、ＦＣＤ材１１の融点は鋼材１０の融点に比べ低いため、ＦＣＤ材１１の溶損を防ぐべく、温度制御は接合部１２近傍のＦＣＤ材１１側の温度を特に厳密に管理し、実施することとする。接合部１２の温度（以下、単に接合温度という）は、アモルファス金属１３のろう付け温度（例えば、アモルファス金属がＮｉ−Ｂ−Ｓｉ系成分からなるときには、９５０℃程度）以上、ＦＣＤ材１１の固相温度（例えば、約１１５０℃）以下とする。

ここで、インダクター２０の軸方向の配置位置は、図５に示すように、接合部１２の接合中心から鋼材１０側（すなわち、アクスルハウジング側）にずらし、鋼材１０側の加熱温度をＦＣＤ材１１側の加熱温度より大きくすることが好ましい。

接合部１２を接合温度に１分間保持した後、図１（ｃ）に示すように、荷重受治具１９ａを用いて軸方向（図１中では上下方向）からさらに圧縮負荷を加え接合部１２をアプセット加工し、同部の増肉を図る（図３、増肉拡散時間ｐ₄）。

アプセット加工では、接合部１２の温度を接合温度に維持し、増肉部と非増肉部との連続形状が応力集中を受けるような形状とならないアプセット量（軸方向への押付け量）で、接合部１２を押付けて増肉する。

アプセット量と接合部１２の増肉形状との関係には、接合部１２の加熱領域、すなわちインダクター２０の寸法が大きく影響する。この関係について本発明者が鋭意研究を行ったところ、アクスルケースにおける接合部１２の板厚（例えば、１２ｍｍ程度）においては、板厚方向に均等に熱を発生させるべく、図５に示すようにインダクター２０の軸方向に対するコイル長さＨを設置時間ｐ₁の際の板厚（すなわち、突き合わせた接合部の板厚）ｔ₀の１．６〜２倍の長さとし、かつ、アプセット量を板厚ｔ₀の３０〜５０％とすると、接合部１２の増肉部と非増肉部との連続形状が緩やかとなり、応力集中を受けるような形状とならず、好適であることを見出した。

なお、アプセット加工時に、インダクター２０の軸方向の配置位置が接合中心となっている場合、比較的融点の低いＦＣＤ材１１の変形が大きくなり、増肉部と非増肉部との連続形状が急峻となり、応力集中を受ける形状となるため、好ましくない。そのため、上述のようにインダクター２０の軸方向の配置位置は、接合部１２の接合中心から鋼材１０側にずらされていると良い（図５）。より具体的には、インダクター２０の配置位置は、接合中心からＦＣＤ材１１側へのコイル長さｈ₁と、接合中心から鋼材１０側へのコイル長さｈ₂との比が、ｈ₁：ｈ₂＝１：３となるようにされることが望ましい。このようにすると、アプセット加工時の鋼材１０とＦＣＤ材１１の変形を均等とし、アプセット加工時にインダクター２０の配置位置が設置時間ｐ₁の際の位置から変化しても、ＦＣＤ材１１が溶損するような加熱温度となることを防止することができる。

アプセット加工後は接合部１２を拡散温度に２分間保持し、アモルファス金属１３の成分を接合部材１４へ（鋼材１０およびＦＣＤ材１１へ）さらに拡散させる。２分保持後、高周波誘導加熱装置の電源を切り、加圧を止め、１回目の拡散接合を終了する。

しかる後、図１（ｄ）に示すように、接合されたアクスルケースは、次工程へと移り、エア吹付け孔（図示せず）から接合部１２へエアを吹付けるなどして、接合部１２を冷却する（図３、冷却時間ｐ₅）。

ところで、１ターンコイルからなるインダクター２０では、上述したように低温加熱領域４３（すなわち、導体４０の給電リード部４１位置での接合部１２）の加熱温度が他の部分と比べて低くなるため、１回目の拡散接合後では低温加熱領域４３の接合強度が不十分である。

接合部材１４およびインダクター２０の形状がともに円環状である場合には、誘導加熱しつつ接合部材１４およびインダクター２０を軸筒周りに相対回転させることで、導体４０の給電リード部位置に起因する低温加熱領域４３を解消し、一様な接合強度を得ることができるが、断面四角形状の接合部材１４においては、誘導加熱しつつ接合部材１４とインダクター２０とを相対回転させることができない。

加えて、アプセット加工による加工組織が接合部１２に残留すると、金属組織が安定せず、特に接合部１２のコーナー部では組織および特性の変化が顕著であり、接合部１２近傍のＦＣＤ材１１が低引張負荷で破断を示すなど、継手強度が低下する虞がある。

そこで本実施の形態では、１回目の拡散接合の後、インダクター２０の給電リード部位置を変更すべくインダクター２０を軸筒周りに１８０度あるいは９０度回転させて再配置し、接合部１２を再加熱して２回目の拡散接合を行う（図１（ｅ））。鋼材１０およびＦＣＤ材１１の断面形状が長方形である場合には、インダクター２０の回転角度は１８０度とするが、断面形状が略正方形である場合には、インダクター２０の回転角度を９０度としてもよい。

２回目の拡散接合の際の温度は、１回目の拡散接合温度（すなわち、アモルファス金属１３のろう付け温度以上、ＦＣＤ材１１の固相温度以下）とされ、昇温後、３分間保持する。また、インダクター２０の軸方向の配置位置は、接合部１２の接合中心とする。

このとき、鋼材１０とＦＣＤ材１１との接合界面は既に接合されており、接合界面の酸化による接合不良の虞がないことから、接合部１２の表面にスケール防止剤を塗布する程度で、Ｎ ₂ ガスなどの無酸化雰囲気で加熱を行う必要はなく、図１（ｅ）に示すように、シールド手段を不要とすることができる。また、アプセット加工を行わないので押付け治具１８ａおよび荷重受治具１９ａは不要であり、荷重受治具１９ａに替えて載置台を使用したり、別の製造ラインに移動することもできる。

２回目の拡散接合の後、エア吹付け孔からエアを吹付けて接合部１２を空冷（冷却）するが、この際の冷却速度は１〜３℃／ｓｅｃとするとよい。冷却速度が上記範囲よりも大きい場合、接合部１２近傍の急速収縮により割れが発生しやすく、また冷却速度が上記範囲よりも小さい場合、接合部１２近傍が過度に軟化することとなり、好ましくない。

このように２回目の拡散接合を行うことで、１回目の拡散接合において低温加熱領域４３となった接合部１２の強度を向上させ、接合部１２の継手強度を一様とすることができる。また、接合部１２のコーナー部に増肉加工による加工組織が残留した場合には、金属組織の回復・再結晶（あるいは変態）による加工組織の解消を促進することができる。

さらに本実施の形態では、２回目の拡散接合（および空冷）後、接合部１２の調質を目的とした後熱処理を行うとよい。

２回目の拡散接合（および空冷）を行ったままの接合部１２では、ＦＣＤ材１１側の接合部１２近傍において球状黒鉛が片状黒鉛となってＦＣＤ材１１の延性が低下し、また、接合部１２近傍の金属組織には焼きが入って硬化する（例えば、約５００ＨＶ程度となる）ため、製品として使用する際に要求される特性を満足できない場合がある。

そこで、ＦＣＤ材１１中の黒鉛を球状化し、接合部１２近傍の硬化組織を焼戻すことを目的として、２回目の拡散接合（および空冷）を行った接合部材１４に対し、インダクター２０を用いて誘導加熱し３分間の後熱処理を行う（図１（ｆ））。インダクター２０の軸方向の配置位置は、接合中心とする。

後熱処理の温度は、ＦＣＤ材１１のＡ₁変態点（すなわち、共析変態の開始温度）を中心に、７００〜７５０℃の範囲であればよい。温度を高くすると引張強さが低下するが伸びは向上し、逆に温度が低いと引張強さが向上するが伸びは低下する。要求される特性に応じて、後熱処理の温度を決定するとよい。

なお、後熱処理を行った後、インダクター２０に備えられたエア吹付け孔からエアを吹付け、接合部１２を冷却速度１〜３℃／ｓｅｃで空冷するとよい。冷却速度が上記範囲よりも大きい場合、接合部１２近傍の急速収縮により割れが発生しやすく、また冷却速度が上記範囲よりも小さい場合、接合部１２近傍が過度に軟化することとなり、好ましくない。

以上のように、本実施の形態に係るアクスルケースの製造方法は、断面四角形状の鋼材１０およびＦＣＤ材１１の接合部１２にアモルファス金属１３を介在させ、１ターンコイルからなるインダクター２０を用いて拡散接合を行うことにより、接合部１２近傍が硬化するなどの熱影響を低減でき、高品質の接合継手を有するアクスルケースを製造できる。

また、アプセット加工と１回目の拡散接合を同時に行うため、突き合わせ時の接合界面の鋼材１０、アモルファス金属１３、およびＦＣＤ材１１間に凹凸による間隙が存在した場合には、誘導加熱により軟化したアモルファス金属１３がアプセット加工により間隙に充填されて、空隙などの接合欠陥が接合部１２に形成されることを防止できる。

拡散接合後に後熱処理を行った際には、製品に要求される特性に応じた接合継手を有するアクスルケースを提供できる。

なお、この製造装置により製造されるアクスルケースの構造は、アクスルハウジング側をプレス加工・溶接により形成し、比較的複雑な形状を有する異形チューブ側を鋳造により一体化形成しているため、アクスルハウジングの組立製造コストを削減できる。さらに、軸筒の長さを変更するなど、異なる形状を有するアクスルケースを製造する場合、アクスルハウジング側の鋼板のブランク長さ（プレス加工・溶接により軸筒部となる部分）の変更、または異形チューブの部品形状の変更で対応できるため、型投資することなく、アクスルケースの形状変更を達成することが可能になり、製造コスト削減が図れる。

本発明は上記実施の形態に限られるものではなく、種々の変更が可能である。

例えば、１回目の拡散接合において使用するインダクター２０の形状を、図６に示すように、１ターンコイルの内幅が鋼材１０側（すなわち、アクスルハウジング側）に向けて小さくなるように、５〜１５°の範囲のテーパ６０を設けてもよい。これにより、鋼材１０とＦＣＤ材１１との加熱温度差がさらに大きくなり、接合品質をより向上させることができる。

また、２回目の拡散接合および後熱処理を行うためのインダクターは、１回目の拡散接合を行う際に使用するインダクター２０と同一である必要はなく、例えば１回目の拡散接合終了後、接合部材を別の製造ラインに移動し、低温加熱領域を解消するために給電リード部位置を変えた別のインダクターを用いて、２回目の拡散接合を行うようにしてもよい。

以下に、本発明の実施例について説明する。

［実施例］
まず、鋼材（高張力鋼）をプレス加工・溶接して断面四角形状の軸筒を形成すると共に、ＦＣＤ材を鋳造して断面四角形状の軸筒を形成した。鋼材およびＦＣＤ材の軸筒の板厚は、共に１２ｍｍであった。

これら軸筒の突き合わせ面の初期酸化膜を研削加工で除去しておき、鋼材側にＮｉ−Ｂ系アモルファスシートをスポット溶接で仮付けした。仮付けしたアモルファスシートを鋼材およびＦＣＤ材で挟み込み、接合部とした。

この接合部を、図１に示したような製造装置内にセットし、接合界面に３０ＭＰａ程度の応力が作用するように初期固定荷重を接合部材に加圧した。接合装置内にＮ ₂ ガスを導入して１気圧の非酸化雰囲気とした。ここでは、ＦＣＤ材の接合界面直近に熱電対を取り付け、接合温度を直接に測温・管理した。インダクターの軸方向の配置位置は、ＦＣＤ材側の長さ：鋼材側の長さ＝１：３となるようにした。

この接合部を１ターンコイルからなるインダクターを用いて１１００℃に加熱して１分間保持した後、アプセット量を５．４ｍｍ（初期板厚１２ｍｍ×４５％）にてアプセット加工し、接合部を増肉した。アプセット加工後、１１００℃でさらに２分間保持して１回目の拡散接合を行った後、接合部を冷却した。

その後、接合部周りにインダクターを１８０度回転させて再配置すると共に、接合部に酸化スケール防止剤を塗布しておき、これをインダクターで誘導加熱した。インダクターの軸方向の配置位置は、接合中心と同じとした。接合部を１１００℃に３分間保持して２回目の拡散接合を行った後、接合品を拡散接合装置から取外し、エア吹付け孔からエアを吹付けて平均冷却速度１〜３℃／ｓｅｃで空冷した。

冷却後、インダクターを用いて接合部をＦＣＤ材のＡ₁変態点に誘導加熱し、３分間保持して後熱処理した。インダクターの軸方向の配置位置は、接合中心と同じとした。後熱処理を行った後、接合品を拡散接合装置から取外し、エア吹付け孔からエアを吹付けて平均冷却速度１〜３℃／ｓｅｃで空冷した。

図７に、上記の手順により製造した接合部の断面形状および金属組織写真を示す。

図７（ａ）に示すように、本実施例で製造した接合部の断面形状は、増肉部と非増肉部との連続形状が緩やかであり、応力集中を受けにくい形状となった。

また、接合部近傍の断面組織は、空隙および接合不足などの接合欠陥が無く、健全に接合されていると共に、ＦＣＤ側の金属組織では黒鉛の球状化が進んでいることが解る（図７（ｂ））。

この接合部に対してマイクロビッカース硬さ分布を測定したところ、接合界面の最大硬さは３５０ＨＶ以下の値を示し、アクスルケースの製品として使用に耐えうる硬さであった（図８）。また、鋼材側、ＦＣＤ材側とも一様な硬さ分布を示しており、接合中の入熱による金属組織への熱影響が低減されていることが解る。

さらに、接合部材に対して引張耐久および曲げ耐久試験を行った結果、接合部材の強度はＦＣＤ材の母材強度を満足した。

［比較例１］
上記実施例と同じ手順で１回目の拡散接合を行った後、冷却し、２回目の拡散接合および後熱処理を省略した接合部材のコーナー部から引張試験片を作製し、引張試験を行った結果を図９に示す。

この試験片は降伏後の塑性変形域がほとんど見られず、低引張強さのままＦＣＤ材側の接合部近傍で破壊した。

つまり、本発明に係るアクスルケースの製造方法では、２回目の拡散接合を行うことで、接合継手の性能を向上できることが解る。

［比較例２］
上記実施例と同じ手順で接合装置内にセットした接合部材を１ターンコイルからなるインダクターを用いて１１００℃に加熱し、１分間保持した後、アプセット量８．７ｍｍ（初期板厚１２ｍｍ×７２％）にてアプセット加工し、接合部を増肉した。アプセット加工後、１１００℃でさらに２分間保持して１回目の拡散接合を行った後、接合部を冷却した。

以降、実施例と同じ手順で２回目の拡散接合および冷却、後熱処理および冷却を行った。

この手順により製造した接合部の断面形状は、図１０（ａ）に示すように、増肉部と非増肉部との連続形状が急峻であり、応力集中を受けやすい形状となった。

また、この接合部材のコーナー部では、図１０（ｂ）に示すようにＦＣＤ材の変形限界による割れが観察された。

つまり、本発明のアクスルケースの製造方法に係るアプセット量の範囲は、接合部の増肉部と非増肉部との連続形状を応力集中を受けにくい形状としつつ、強度を向上させる好適な範囲であり、かつ、加工性に乏しいＦＣＤ材に割れが発生することなく増肉接合できる範囲であることが解る。

［比較例３］
上記実施例と同じ手順で接合装置内にセットした接合部材を１ターンコイルからなるインダクターを用いてＦＣＤ材の固相温度より高温に加熱し、１分間保持した後、アプセット量５．４ｍｍ（初期板厚１２ｍｍ×４５％）にてアプセット加工し、接合部を増肉した。アプセット加工後、さらにＦＣＤ材の固相温度より高温に２分間保持して１回目の拡散接合を行った後、接合部を冷却した。

以降、実施例と同じ手順で２回目の拡散接合および冷却、後熱処理および冷却を行った。

この手順により製造した接合部では、図１１に示すように、ＦＣＤ材の溶け落ちが発生しており、接合部の品質が低下した。

つまり、１回目の拡散接合時の温度は、ＦＣＤ材の固相温度以下の範囲とされることが好ましいことが解る。

１０ 軸筒（鋼材）
１１ 軸筒（ＦＣＤ材）
１２ 接合部
２０ インダクター
４１ 給電リード部
４３ 低温加熱領域

Claims (9)

1. 鋼材からなるアクスルハウジングに形成された断面四角形状の軸筒とＦＣＤ材からなる異形チューブの断面四角形状の軸筒とを突き合わせ、その接合部にアモルファス金属を介在させ、その軸筒同士の接合部の板厚を増肉させつつ拡散接合するアクスルケースの製造方法において、
   前記接合部の外周を覆うように四角形状に形成した１ターンコイルからなるインダクターを配置し、そのインダクターで前記接合部を誘導加熱して１回目の拡散接合を行う際に、インダクターの軸方向の配置位置を接合中心から前記アクスルハウジング側にずらして誘導加熱し、前記アクスルハウジングと前記異形チューブとの間に加熱温度差を設けて拡散接合すると共に、その接合部を軸方向に押付けて前記接合部の板厚を増肉させるアプセット加工を施しつつ前記接合部の１回目の拡散接合を行った後冷却し、
   しかる後、インダクターの給電リード部位置での低温加熱領域を誘導加熱すべく、インダクターを前記軸筒周りに１８０度あるいは９０度回転し再配置して前記接合部の２回目の拡散接合を行うようにしたことを特徴とするアクスルケースの製造方法。
2. 前記１回目の拡散接合の温度は、前記アモルファス金属のろう付け温度以上、前記ＦＣＤ材の固相温度以下の範囲とした請求項１に記載のアクスルケースの製造方法。
3. 前記インダクターは、前記軸筒の軸方向に対するコイル長さが前記突き合わせた接合部の板厚の１．６〜２倍の長さを有し、
   前記アプセット加工は、前記軸筒の軸方向に対するアプセット量を前記板厚の３０〜５０％の範囲とした請求項１または２に記載のアクスルケースの製造方法。
4. 前記２回目の拡散接合の温度は、前記１回目の拡散接合の温度と同じであり、
   前記２回目の拡散接合を行う際に、前記インダクターの軸方向の配置位置を前記接合部の接合中心とし、前記インダクターを用いて前記接合部を誘導加熱して拡散接合する請求項１〜３いずれかに記載のアクスルケースの製造方法。
5. 前記２回目の拡散接合を行った後、前記接合部を冷却速度１〜３℃／ｓｅｃで空冷する請求項１〜４いずれかに記載のアクスルケースの製造方法。
6. 前記２回目の拡散接合の後、前記接合部の前記ＦＣＤ材中の黒鉛を球状化すべく、前記接合部をインダクターで誘導加熱して、後熱処理を行う請求項１〜５いずれかに記載のアクスルケースの製造方法。
7. 前記後熱処理の温度は、前記ＦＣＤ材のＡ1変態点を中心に７００〜７５０℃の範囲とし、
   前記後熱処理を行う際に、前記インダクターの軸方向の配置位置を前記接合部の接合中心とし、前記インダクターを用いて前記接合部を誘導加熱して、後熱処理する請求項６記載のアクスルケースの製造方法。
8. 前記後熱処理を行った後、前記接合部を冷却速度１〜３℃／ｓｅｃで空冷する請求項６または７に記載のアクスルケースの製造方法。
9. 前記１回目の拡散接合を行う際に、前記１ターンコイルの内幅が前記アクスルハウジングに向けて小さくなるように５〜１５°の範囲のテーパを設けて形成された前記インダクターを用いる請求項１〜８いずれかに記載のアクスルケースの製造方法。