WO2006104023A1

WO2006104023A1 - 高周波焼入れ中空駆動軸

Info

Publication number: WO2006104023A1
Application number: PCT/JP2006/305910
Authority: WO
Inventors: Kunio Kondo; Kouichi Kuroda
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2005-03-25
Filing date: 2006-03-24
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2007-09-25
Also published as: JP4687712B2; US20090023506A1; KR20070107140A; JPWO2006104023A1

Abstract

　高周波焼入れ中空駆動軸は、質量％で、Ｃ：０．３０～０．４７％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．３～２．０％、Ｐ：０．０１８％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｒ：０．１５～１．０％、Ａｌ：０．００１～０．０５％、Ｔｉ：０．００５～０．０５％、Ｃａ：０．００４％以下、Ｎ：０．０１％以下、Ｂ：０．０００５～０．００５％およびＯ（酸素）：０．００５０％以下を含み、下記（ａ）または（ｂ）式を満たし、焼入れ後のオーステナイト結晶粒度番号（ＪＩＳ　Ｇ０５５１）が９以上からなる。ただし、Ｎeff＝Ｎ－１４×Ｔｉ／４７．９≧０の場合に、Ｂeff＝Ｂ－１０．８×（Ｎ－１４×Ｔｉ／４７．９）／１４・・・（ａ）、その他の場合に、Ｂeff＝Ｂ・・・（ｂ）。これにより、優れた冷間加工性、焼入れ性、靱性および捩り疲労強度を同時に備え、安定した疲労寿命を発揮する中空駆動軸が得られ、広く利用することができる。

Description

明細書

高周波焼入れ中空駆動軸

技術分野

[0001] 本発明は、自動車のエンジン推進力を各車輪に伝達する駆動軸、例えば、ドライブシャフトなどの軽量ィ匕に適した高周波焼入れ中空駆動軸に関し、さらに詳しくは、駆動軸の基本特性として要求される冷間加工性、焼入れ性、靱性および捩り疲労強度に優れる高周波焼入れ中空駆動軸に関するものである。

背景技術

[0002] 自動車部品のうち、エンジン推進力を車輪に伝達する駆動軸として用いられるドライブシャフトは、自動車エンジンの高出力化にともない、高強度化への要請が高まつている。通常、ドライブシャフトに必要な強度特性として捩り疲労強度が挙げられることから、従来から、中実構造のドライブシャフトを用いて、優れた捩り疲労強度特性を発揮するドライブシャフトやそれに用いられる鋼にっ、て提案されて、る。

[0003] 特開 2000— 154819号公報では、駆動軸の疲労強度は硬化層深さが深いほど向上するが、過度に深くすると焼き割れのおそれがあることから、高強度ドライブシャフトを得るために、硬化層深さの上限を規定するとともに、硬化層の硬さを確保できるように、成分設計にぉ、て高 C化と Cr量の低減を図った高強度ドライブシャフトが提案されている。

[0004] また、特開 2002— 69566号公報では、高周波焼入れ部材の捩り疲労破壊は、表面または硬化層と芯部の境界で軸方向に平行な面でき裂が発生し、軸方向に平行な面でき裂が初期伝播することから、軸方向に伸長 MnSが存在すると、伸長 MnSに沿ってき裂の発生と初期伝播は促進されるので、 MnSを粒状化、微細化すること〖こよって、き裂の発生 ·初期伝播を抑制し、捩り疲労強度を向上させることができる高周波焼入れ用鋼が提案されてヽる。

[0005] 上述の特開 2000 - 154819号公報および特開 2002— 69566号公報で提案される高強度ドライブシャフトや高周波焼入れ用鋼は、中実構造を前提とする駆動軸の捩り疲労強度を向上させる手段として適用され、所定の強度特性を発揮することが期待されている。

[0006] ところが、最近における一層の地球環境保護の観点から、自動車車体の軽量化を図り、燃費を向上させることが強く求められていることから、自動車用部品における中実部材を中空部材に置き換える様々な試みがなされており、その試みの中で駆動軸として、中空構造を採用することが検討されている。自動車用部品を中空構造にする狙いとして、単純な軽量ィ匕だけでなぐ捩り剛性の向上による加速レスポンスの改善や、振動特性の向上による走行中の室内静粛性の改善も期待できる。

[0007] このような期待を達成するため、特殊形状に加工された中空駆動軸の開発要請が高い。例えば、両軸端部を等速ジョイントに締結するシャフトの設計において、駆動軸の中間部をなるベく薄肉大径ィ匕して、捩り剛性を高めると同時に、振動特性も改善する一方で、等速ジョイントに締結する両軸端部を従来用、られてきた中実部材の直径と同等にすることにより、既存の等速ジョイントをそのまま使用できるメリットがある

[0008] 中空駆動軸の製造方法として、中空素管の両端部に中空または中実のシャフトを摩擦圧接等で締結して製造する方法があるが、この方法では中空部の径を大きくして両端部の径を小さくするのは困難である。上述の理由力も中間部をなるベく薄肉大径化して、両端部の径が小さい形状の駆動軸を成形すベぐ鋼管材料を用いて冷間加工を施し中間部を薄肉にしたのち、鋼管材料の両端に冷間絞り加工等を施して、両軸端部の外径を減ずるとともに増肉させることにより、一体成形型の中空駆動軸を製造している。

[0009] 一体成形型の中空駆動軸は、その特殊な形状を確保するため、複雑な冷間加工を施して成形されるため、冷間加工による成形時に発生する割れをなくし、成形後の捩り疲労強度を確保するため、一体成形型の中空駆動軸の素材として、例えば、シームレス鋼管を採用することが要請されている。

[0010] 鋼管を中空軸素材に用い一体成形型の中空駆動軸を製造する場合に、管端の絞り加工や転造加工に起因する割れを防止することが重要である。さらに冷間加工後の熱処理により、鋼管の全肉厚に亘り外面から内面まで硬化させると同時に高靱性を確保し、また製品として高寿命が得られるように捩り疲労強度を確保することが要求される。

[0011] 換言すれば、鋼管を素材とする中空駆動軸には、複雑な成形が問題なく得られる冷間加工性、熱処理にともなう焼入れ性、並びに靱性および捩り疲労強度を満足させ、駆動軸として安定した疲労寿命を達成することが必須になる。し力しながら、従来力提案の中空駆動軸においては、これらの観点に基づき材質面や粒界強度につ

V、て検討したものは殆どな、。

[0012] 例えば、特開平 6— 341422号公報には、駆動軸用鋼管に回転振れまわりを低減するためのバランスウェイトを取り付けたドライブシャフトが開示されており、この駆動軸用鋼管およびバランスウェイトの炭素当量（Ceq = C + Si/24 + Mn/6 + Cr/5 + Mo/4 + Ni/40 + V/ 14)の値を規定することで、バランスウェイトを溶接した部位力発生する疲労破壊を改善できることが開示されている。

[0013] し力しながら、駆動軸用鋼管とバランスウェイトの炭素当量 (Ceq)を規定するだけでは、冷間加工性および疲労特性がともに優れた駆動軸用鋼管を得ることができない。このため、前記特開 2000— 154819号公報で開示される自動車推進軸を一体成形型の中空駆動軸として適用することは困難である。

[0014] 次に、特開平 7— 18330号公報には、自動車の足まわりに使用される高強度部材に適した高強度高靱性鋼管の製造方法が提案されて、る。この提案の製造方法には具体的な成分系が規定されている力 Tiを添加せず、 Nについての規定もないことから、 Bを添加したとしても十分に焼入れ性が確保できる成分系になっていない。さらに、冷間加工性や疲労特性をも考慮した成分設計となっていないため、特開平 7 - 18330号公報で提案の製造方法では、一体成形型の中空ドライブシャフトを得ることが難しい。

[0015] 一方、特開 2000— 204432号公報には、黒鉛鋼を高周波焼入れし、表層を硬化させるとともに、芯部にフェライトとマルテンサイトの 2相組織を生成させたドライブシャフトが開示されている。しかし、特開 2000— 204432号公報が開示する化学組成は、摩擦圧接型の中空駆動軸用鋼材に好適な成分系を示しており、黒鉛化鋼を得るために長時間の熱処理が必要となる。また Crを含有しない成分系であるため、焼入れ性および疲労強度が十分でなぐ一体成形型の駆動軸とすることができない。 [0016] そして、特開 2001— 355047号公報は、ドライブシャフトの素材として、セメンタイトの粒径を 1 μ m以下とした冷間加工性および高周波焼入れ性に優れた高炭素鋼管を提案している。しかし、特開 2001— 355047号公報で提案する高炭素鋼管では、狙いの金属組織を得るために温間加工が必要となり、製造コストが上昇すると同時に、開示された成分組成では、冷間加工性、焼入れ性および疲労特性を同時に満足する一体成形型の中空駆動軸を構成することができなヽ。

[0017] このように、単に自動車車体の軽量ィ匕を図るだけでなぐ捩り剛性の向上による加速レスポンスの改善や、振動特性の向上による走行中の室内静粛性を達成するには、中空駆動軸の開発が必要になる。中実駆動軸を製造する場合に、その熱処理は表面焼入れが行われるのに対し、中空駆動軸を製造する場合には、強度を充分に確保するために、駆動軸の内面まで全肉厚に亘つて焼入れを行うことが必要になる。

[0018] 特開 2002— 69566号公報に記載されるように、中実駆動軸における捩り疲労破壊は、表面または硬化層と芯部の境界で軸方向に平行な面でき裂が発生することになる。これに対し、本発明者らの検討によれば、中空駆動軸における捩り疲労破壊は、軸方向と 45度の方向であって主応力面で発生する。これは、中実駆動軸であれば、捩りトルクの負荷にともなう変形エネルギーが中実軸内部の低硬度領域で吸収されるのに対し、中空駆動軸ではこのような変形エネルギーの吸収作用が生じないことによる。

[0019] 本発明者らのさらなる検討によれば、中空駆動軸では、捩りトルクの負荷にともない粒界破壊が発生し易くなる。特に、初期に粒界破壊が発生すると急激に捩り疲労破壊が進展し、駆動軸の疲労寿命が不安定になることが明らかになる。この疲労寿命の不安定化も、中空駆動軸では捩りトルクにともなう変形エネルギーが軸内部の低硬度領域で吸収されないことに起因していると推定される。

[0020] このように、中空駆動軸と中実駆動軸とでは、熱処理による焼入れ組織の相違から捩りトルク負荷時の破壊挙動が異なり、中空駆動軸の捩り疲労破壊の改善や疲労寿命の安定ィ匕には、特開 2000— 154819号公報および特開 2002— 69566号公報で提案された捩り疲労強度の向上手段を適用することができない。すなわち、中空駆動軸では捩りトルクの負荷にともない粒界破壊が発生し易くなることから、中空駆動軸の捩り疲労破壊の改善や疲労寿命の安定ィ匕には、オーステナイト結晶粒界の強度を確保することが必要になる。

[0021] 一方、中空駆動軸の素材として鋼管を用いる場合には、管端の絞り加工や転造カロェにともなって発生する割れを防止するとともに、冷間成形加工後の熱処理により、鋼管内面まで全肉厚に亘つて硬化させると同時に高靱性を確保し、さらに中空駆動軸として優れた性能を発揮するため、冷間加工性、焼入れ性、靱性および捩り疲労強度を同時に確保することが必要になる。

[0022] ところが、特開平 6— 341422号公報、特開平 7— 18330号公報、特開 2000— 20 4432号公報および特開 2001— 355047号公報の提案によれば、鋼管を素材とした中空駆動軸として、優れた冷間加工性、焼入れ性、靱性および捩り疲労強度特性を発揮できるように材質面や粒界強度の観点力検討を加え、化学組成や結晶粒度を特定する試みは殆どなされて、な、。

[0023] 言い換えれば、中空駆動軸が要求するこれらの特性は、単独で改善するのはそれ程困難ではないが、全ての特性を同時に満足させることは、従来の知見では困難とされていた。例えば、高い疲労強度を確保するには、鋼の強度を上昇させることが有効であることから、素材として使用する鋼管を高強度にすると、それに起因して冷間加工性が低下することになる。

発明の開示

[0024] 本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、中空駆動軸に要求される特性に基づき材質面から検討を加え、化学組成を特定するとともに、捩りトルク負荷時の破壊挙動に応じてオーステナイト結晶粒界の強度を確保することによって、冷間加工性、焼入れ性、靱性および捩り疲労強度に優れ、安定した疲労寿命を発揮することができる高周波焼入れ中空駆動軸を提供することを目的として!/、る。

[0025] 本発明者らは、上記の課題を解決するため、冷間加工性、焼入れ性、靱性および捩り疲労強度に及ぼす合金元素の影響について、種々の検討を重ねた。まず、冷間加工性に及ぼす、 Siおよび Crの影響を検討した。

[0026] 図 1は、冷間加工性 (冷間鍛造）に及ぼす Siの影響を示す図である。ベース鋼として 0. 35%C- 1. 3%Mn-0. 17%Cr— 0. 015%Ti— 0. 001%B鋼を用い、 Si含有量を変化させた場合の 14mm φ X 21mm長さの圧縮試験片における割れが発生しない限界加工度（％)と硬度 (HRB)との関係を示して、る。

[0027] 図 2は、冷間加工性 (冷間鍛造）に及ぼす Crの影響を示す図である。ベース鋼として 0. 35%C-0. 2%Si- l. 3%Mn-0. 015%Ti— 0. 001%B鋼を用い、 Cr含有量を変化させた場合の 14mm φ X 21mm長さの圧縮試験片における割れが発生しない限界加工度（％)と硬度 (HRB)との関係を示して、る。

[0028] 図 1に示すように、 Si含有量を低減させることによって、冷間加工時の割れ発生限界加工度が大きく向上することが判明した。また、図 2に示すように、 Crを増量することによって冷間加工性が若干改善されることが分力つた。これに対し、他の元素は冷間加工性をやや低下させるか、殆ど影響を示さなかった。

[0029] ところが、冷間加工性を向上させるために Si含有量を低減すると、焼入れ性が低下することになり、鋼管の熱処理後に内面の強度が確保できなくなる。このため、 Si含有量の低減による冷間加工性の向上に併せ、焼入れ性の向上を検討する必要がある。

[0030] 図 3は、焼入れ性に及ぼす Bおよび Crの影響を示す図である。ベース鋼は 0. 35% C-O. 05%Si- l. 3%Mn-0. 015%Ti— 0. 004%N鋼とし、 B— Cr含有量を変化させた試験片を準備し、ジョミニ一一端焼入れ試験を行った。図中に水冷端からの距離と硬度分布の一例が示されているが、硬度低下の傾きが急に大きくなる地点の水冷端からの距離を焼入れ深さとした。図 3に示すように、 Bまたは/および Crの含有量を増加させることによって、焼入れ性を向上できる。

[0031] 図 4は、焼入れ性に及ぼす B、 Nおよび Tiの影響を示す図である。ベース鋼は (0.

35〜0. 40) %C- (0. 05〜0. 3) %Si—（1. 0〜1. 5) %Mn—（0. 1〜0. 5) %Cr 鋼とし、 B、 Nおよび Tiの含有量を変化させ、前記図 3と同様に、ジョミニ一一端焼入れ試験を行い、焼入れ深さを測定した。

[0032] このとき、試験片の焼入れ深さに及ぼす B、 Nおよび Tiの含有バランスによる影響を調査するため、下記（a)または（b)式で規定する Beff^用いた。

Neff=N— 14 XTi/47. 9≥0の場合に

BelF=B- 10. 8 X (N- 14 XTi/47. 9) /14 · · · (a) Neff=N— 14 XTi/47. 9く 0の場合に

Beff=B · · · (b)

[0033] 図 4に示す焼入れ深さと Beffの関係から、鋼の焼入れ性の確保には B、 Tiおよび N の含有バランスが重要な要件となり、 Beff≥0. 0001の条件を満足しなければ十分な焼入れ性が得られな、ことが分かる。

[0034] 図 5は、疲労強度および耐久比に及ぼす Crの影響を示す図である。ベース鋼として 0. 35%C-0. 2%Si- l. 3%Mn-0. 015%Ti— 0. 001%B鋼を用い、 Cr含有量を変化させ、小野式回転曲げ試験により疲労強度および耐久比を測定した。ただし、耐久比は (疲労強度 Z引張強度)で示した。

[0035] 図 5に示すように、 Crの含有を増加させると、疲労強度の上昇にともなって耐久比がほぼ同等に上昇していることから、引張強度を高めることなく疲労強度を上昇できる。このことから、 Crを増加して疲労強度を上昇させることは、冷間加工性ゃ靱性には悪影響を及ぼすことが少な、ことが分力る。

[0036] 従来力疲労強度を上昇させるには、引張強度を上昇させる必要があることが知られており、疲労強度を上昇させるために C含有量を増加させることが行われていたが、 Cの含有量の増加により冷間加工性ゃ靱性が低下する問題があった。しかし、前記図 5に示す知見から、 Crの含有量を増加し疲労強度を上昇させることにより、 Cの含有量を増加させずに冷間加工性ゃ靱性の低下を抑制しつつ、疲労強度の確保が図れること〖こなる。

[0037] 図 6は、熱処理後のオーステナイト結晶粒度が駆動軸の捩り疲労強度に及ぼす影響を示す図である。供試材としてシームレス鋼管を使用し、準備した供試材から平行部が 29mm φ X 5mmtの試験片を削り出し、高周波焼入れ (最高加熱温度 1000°C )の後、 160°Cで焼き戻しを行った。得られた試験片に 2300N'mの片振繰り返しねじりトルクを負荷し、疲労破壊を起こした繰り返し数を測定した。

[0038] 供試材は（0. 30〜0. 47) %C— (0. 05〜0. 5) %Si— (0. 3〜2. 0) %Mn— (0 . 15〜： L 0) %Cr- (0. 001〜0. 05) %A1— (0. 005〜0. 05) %Ti— (0. 0005 〜0. 005) %B鋼とし、いずれの供試材も本発明で規定する化学組成を具備するものであった。 [0039] 図 6に示すように、オーステナイト結晶粒度番号 (JIS G0551)が 8以下と結晶粒径が粗、試験片を用いた場合には、疲労破壊が起きる繰り返し回数が著しくばらつヽているのに対し、オーステナイト結晶粒度番号が 9以上と結晶粒径が微細な試験片を用いた場合には、疲労破壊が起きる繰り返し回数が高水準に安定している。したがつて、オーステナイト結晶粒度番号 CFIS G0551)が 9以上と結晶粒径が微細な条件を満足することによって、駆動軸として安定した、良好な疲労寿命を発揮できることが分かる。

[0040] 上記図 1〜図 6に示される技術知見に基づいて、素材となる鋼管の化学組成を特定するとともに、高周波焼入れ後のオーステナイト結晶粒界の強度を確保することによって、優れた冷間加工性、焼入れ性、靱性および捩り疲労強度を確保することができ、安定した疲労寿命を発揮する一体成形型の中空駆動軸を得ることができる。

[0041] 本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、本発明の高周波焼入れ中空駆動軸は、質量％で、 C:0.30〜0.47%、 Si:0.5%以下、 Mn:0.3〜2.0 %、P:0.018%以下、 S:0.015%以下、 Cr:0.15〜： L 0%、A1:0.001〜0.05 %、 Ti:0.005〜0.05%、 Ca:0.004%以下、 N:0.01%以下、 B:0.0005〜0. 005%および 0(酸素）：0.0050%以下を含み、残部が Feおよび不純物であり、下記 (a)または (b)式で規定する Beff^O.0001以上である鋼管を素材とし、焼入れ後のオーステナイト結晶粒度番号 (JIS G0551)が 9以上である。

ただし、 Ti、 Nおよび Bを含有量⁰ /₀とし、 Nelf=N-14XTi/47.9≥0の場合に、 Belf=B-10.8X (Ν-14ΧΤΪ/47.9)/14 ··· (a)

同様に、 Neff=N— 14XTiZ47.9く 0の場合に、 Beff=B ··· (b)

[0042] 上記の高周波焼入れ中空駆動軸では、さらに、質量％で、 Cu: 1%以下、 Ni: 1% 以下および Mo: 1%以下のうちから 1種または 2種以上を含有すること、または Zおよび質量％で、 V:0.1%以下および Nb:0. 1%以下のうちから 1種または 2種を含有するのが望ましい。

[0043] 本発明の高周波焼入れ中空駆動軸によれば、優れた冷間加工性、焼入れ性、靱性および捩り疲労強度を同時に備えることができるので、中空軸素材として鋼管を用い管端の絞り加工や転造加工を行う場合に、加工にともなう割れを防止できるとともに、冷間成形加工後の高周波焼入れにより、鋼管内面まで全肉厚に亘つて硬化させると同時に高靱性を確保し、駆動軸として安定した疲労寿命を達成することができる図面の簡単な説明

[0044] 図 1は、冷間加工性に及ぼす Siの影響を示す図である。

図 2は、冷間加工性に及ぼす Crの影響を示す図である。

図 3は、焼入れ性に及ぼす Bおよび Crの影響を示す図である。

図 4は、焼入れ性に及ぼす B、 Nおよび Tiの影響を示す図である。

図 5は、疲労強度および耐久比に及ぼす Crの影響を示す図である。

図 6は、熱処理後のオーステナイト結晶粒度が駆動軸の捩り疲労強度に及ぼす影響を示す図である。

図 7は、実施例で行った疲労試験に用いた試験片の形状を示す図である。発明を実施するための最良の形態

[0045] 本発明が対象とする中空駆動軸を上記のように規定した理由について、詳細に説明する。以下の説明において、化学組成は「質量％」で示す。

[0046] C : 0. 30〜0. 47%

Cは、強度を増加し疲労強度を向上させる元素であるが、冷間加工性および靭性を低下させる元素である。 C含有量が 0. 30%未満であると、十分な硬さが得られない。一方、 C含有量が 0. 47%を超えると、冷間成形性が低下すると同時に、焼入後の硬さが高くなりすぎて靭性が低下し、粒界破壊を助長することによって、捩り疲労強度を低下させる。

[0047] 中空駆動軸では、中実構造の駆動軸に比べ、その形状から冷却速度が速くなり焼入れ硬さが過大になり易ぐ粒界破壊を誘発するおそれがある。このため、 C含有量の上限を 0. 42%にするのが望ましぐさらに上限を 0. 40%にするのがより望ましい

[0048] Si : 0. 5%以下

Siは、脱酸剤として必要な元素である。しかし、その含有量が 0. 5%を超えると冷間加工性が確保できないので、 0. 5%以下とした。前記図 1に示すように、 Si含有量は少なくなればなるほど、冷間加工性が向上する。したがって、より過酷な冷間加工にも対応できるように、 Si含有量は 0. 22%以下にするのが望ましぐさらに大きな加ェを受ける場合には、 0. 14%以下にするのがより望ましい。

[0049] Mn: 0. 3〜2. 0%

Mnは、熱処理時の焼入れ性を確保し、強度と靱性を改善するのに有効な元素である。その効果を発揮し全肉厚に亘り内面まで十分に硬化させるには、 Mn含有量は 0. 3%以上が必要である。一方、 Mnを 2. 0%超えて含有させると、冷間加工性が低下する。このため、 Mn含有量は 0. 3〜2. 0%とした。また、良好なバランスで焼入れ性および冷間加工性を確保するには、 Mn含有量は 1. 1〜1. 7%とするのが望ましく、さらに 1. 2〜1. 4%にするのがより望ましい。

[0050] P : 0. 018%以下

Pは、鋼中に不純物として含まれ、凝固時に最終凝固位置近傍に濃化し、かつ粒界に偏祈して熱間加工性、靱性および疲労強度を低下させる。 P含有量が 0. 018% を超えると、粒界偏析による靭性低下が顕著となり、粒界破壊を誘起して捩り疲労強度を不安定にする。駆動軸の靭性および疲労強度を高水準で維持するには、望ましい P含有量は 0. 009%以下である。

[0051] S : 0. 015%以下

sは、鋼中に不純物として含まれ、凝固時に粒界に偏祈し、熱間加工性および靱性を低下させる。 S含有量が 0. 015%を超えると、 MnSが多発し冷間加工性を低下させるとともに、捩り疲労強度の低下につながる。さらに大きな加工を受ける場合には、 S含有量は 0. 005%以下にするのが望ましい。

[0052] Cr: 0. 15〜1. 0%

Crは、前記図 2および図 5に示すように、冷間加工性をあまり低下させずに疲労強度を高める元素であり、さらに前記図 3に示すように、 Bと同様に焼入れ性の向上にも有効な元素である。したがって、 Cr含有量は、所定の疲労強度を確保するため、 0. 15%以上とする。一方、 Crは 1. 0%を超えて含有すると、冷間加工性の低下が顕著となる。このため、 Cr含有量は 0. 15〜： L . 0%とした。

さら〖こ、良好なバランスで疲労強度、冷間加工性および焼入れ性を確保するには、 Cr含有量は 0. 2〜0. 8%にするのが望ましぐ 0. 3〜0. 6%とするのがより望ましい

[0053] A1: 0. 001〜0. 05%

A1は、脱酸剤として作用する元素である。脱酸剤としての効果を得るためには、 0. 001%以上の含有が必要である力その含有量が 0. 05%を超えると、アルミナ系介在物が増加し疲労強度が低下するとともに、切削面の表面性状を低下させる。このため、 A1含有量は 0. 001-0. 05%とした。さら〖こ、安定した表面品質を確保するには、 A1含有量は 0. 001-0. 03%とするのが望ましい。

[0054] 下記する Ti、 Nおよび Bは、鋼の焼入れ性を確保するため、それぞれの元素含有量を規定すると同時に、さらにお互いの含有量バランスを規定する条件式を満足する必要がある。

[0055] Ti: 0. 005〜0. 05%

Tiは、鋼中の Nを TiNとして固定する作用を有している。し力し、 Ti含有量が 0. 00 5%未満では、 Nを固定する能力が十分に発揮されず、一方、 0. 05%を超えると、鋼の冷間加工性および靱性が低下する。このため、 Ti含有量は 0. 005-0. 05%とする。

[0056] N: 0. 01%以下

Nは、靱性を低下させる元素であり、鋼中で Bと結合し易い。 N含有量が 0. 01%を超えると、冷間加工性および靱性が著しく低下するので、その含有量は 0. 01%以下とした。冷間加工性および靱性を向上させる観点からは、 0. 007%以下が望ましい。

[0057] B: 0. 0005〜0. 005%

Bは、焼入れ性を向上させる元素である。その含有量が 0. 0005%未満では、焼入れ性が不足し、一方、 0. 005%を超えて含有すると、粒界に析出して粒界破壊を誘起し、捩り疲労強度を低下させる。

[0058] さらに、前記図 4に示すように、 Bが焼入れ性を向上させる前提として、下記 (a)または（b)式で規定する Beff^O. 0001以上を満足する必要がある。

すなわち、 Neff=N— 14 XTi/47. 9≥0の場合に

BelF=B- 10. 8 X (N- 14 XTi/47. 9) /14 · · · (a) 同様に、 Neff=N— 14 XTi/47. 9く 0の場合に

Beff=B · · · (b)

[0059] Bが焼入れ性を向上させる能力を発揮するには、鋼中の Nの影響をなくす必要がある。 Bは Nと結合し易ぐ鋼中にフリーな Nが存在すると、 Nと結合して BNが生成し、 B が具備する焼入れ性を向上させる作用が発揮されない。このため、 N含有量に応じて Tiを添カ卩し、 TiNとして固定することにより、 Bを鋼中に存在させ焼入れ性に有効に作用させるため、上記 Beff^O. 0001以上を満足する必要がある。

また、 Beffの値は大きくなればなるほど、焼入れ性が向上するので、 Beff¾ O. 0005 以上を満足するのが望ましぐさらに Beff^O. 001以上を満足するがより望ましい。

[0060] Ca: 0. 004%以下

Caは、鋼を铸込む際に作業性を改善するためやむを得ず添加する場合があるが、 0. 004%を超えて含有すると、介在物が増加し冷間加工性および切削面の表面性状を著しく低下させる。したがって、 Ca含有量は、 0. 004%以下にする。 Ca含有量は、 0. 0004%以下にするのが望ましい。

[0061] 0 (酸素）： 0. 0050%以下

Oは、靭性および疲労強度を低下させる不純物である。 O含有量が 0. 0050%を超えると、靭性および疲労強度が著しく低下するので、 0. 0050%以下とした。

[0062] 以下の元素は必ずしも添加しなくてもよいが、必要に応じて、 1種または 2種以上を含有することによって、冷間加工性、焼入れ性、靱性および捩り疲労強度を一層向上させることができる。

[0063] Cu: 1%以下、 Ni: 1%以下および Mo : 1%以下

Cu、 Niおよび Moは、添加させなくてもよいが、いずれも焼入れ性を向上させて鋼の強度を高め、疲労強度の向上に有効な元素である。これらの効果を得たい場合には、いずれかを 1種または 2種以上を含有させることができる。 Cu、 Niおよび Moのいずれの元素も、含有量が 0. 05%未満であると、強度を高め、疲労強度を改善する効果が低い。しかし、その含有量が 1%を超えると、冷間加工性が著しく低下する。このため、添カ卩させる場合には、 Ni、 Moおよび Cuの含有量は、いずれも 0. 05〜1%とした。 [0064] V: 0. 1%以下および Nb : 0. 1%以下

Vおよび Nbは、添加させなくてもよいが、いずれも炭化物を形成し、結晶粒粗大化の防止により靱性を向上させるのに有効な元素である。したがって、鋼の靱性を向上させる場合に、いずれか 1種または 2種を含有させることができる。その効果は、 Vおよび Nbのいずれの元素も、含有量が 0. 005%以上で得られる。し力し、いずれも 0. 1%を超える含有になると、粗大な析出物が生成し、力えって靱性を低下させる。このため、添加させる場合には、 Vおよび Nbの含有量は、いずれも 0. 005-0. 1%とした。

[0065] オーステナイト結晶粒度番号 (JIS G0551) : 9以上

本発明の中空駆動軸は、上記化学組成の鋼管を素材とし、管端の絞り加工や転造加工、さらに切削加工により所定の形状に成形加工し、その後に高周波焼入れを行うことにより、オーステナイト結晶粒度番号 (JIS G0551)で 9以上とする。

[0066] 前述の通り、中空駆動軸に起こる捩り疲労破壊は、軸方向と 45度の方向であって主応力面で発生することから、捩りトルクの負荷にともない粒界破壊が発生し易くなる。このため、中空駆動軸において優れた疲労強度を確保するには、オーステナイト結晶粒界の強度を高めることが必要になるが、粒度番号が 8以下とオーステナイト結晶粒径が大きくなると、捩り疲労試験での粒界破壊の発生率が増し、疲労強度が著しく低下する場合がある。このため、中空駆動軸の疲労寿命にばらつきが生じ、安定した疲労寿命を確保することができなくなる。

[0067] 本発明の中空駆動軸では、強度を確保するため全肉厚に亘つて焼入を行うことが必要になるので、通常、 l〜50kHzの周波数で高周波焼入れすることにより製造される。周波数が高すぎると、加熱域が表面部に限定されるのを回避するためである。さらに、高周波焼入れ後の靱性を回復させ、捩り疲労強度を向上させるため、高周波焼入れ後に 150〜200°Cの条件で焼戻しを行うのが望ましい。

実施例

[0068] 真空溶解し、表 1に示す化学組成の鋼 No. l〜No. 23の鋼を溶製し、そのうち本発明で規定する化学組成を満足する鋼を発明鋼 (鋼 No. l〜No. 13)とし、その他の鋼を比較鋼 (鋼 No. 14〜No. 23)として示した。溶製された鋼を素材 (ビレット）として外径 50. 8mm,肉厚 7. 9mmの鋼管を製管圧延した。このとき、鍛造比を小さくしオーステナイト結晶粒径の粗い供試鋼を作製するため、鋼 No. l l〜No. 13ではビレット径の小さな素材を使用した。

[表 1]

得られた鋼管を用い、外径 40mm、肉厚 7mmに冷間抽伸を実施し、さらに外径 28 mm、肉厚 9mmにスウェージカ卩ェを実施し、その後、冷間加工性を評価するために 40%の偏平プレス加工を実施し、割れの有無を観察した。割れ観察の結果を表 2に示すが、割れが発生しない場合を〇で示し、割れが発生した場合を Xで示した。

[0071] その後、外径 28mm、肉厚 9mmの素材に高周波焼入れ (加熱温度 920〜1000°C )を実施し、焼入れ性を調査した。この場合に、外表面のビッカース硬度と内表面のビッカース硬度を測定し、その差が 50以下であると焼入れ性は良好として〇で示し、その差が 50を超えると焼入れ性は十分でなく Xで示した。

[0072] 次に、疲労寿命を評価するため、素材（ビレット）力外径 46mm、肉厚 10. 6mm の鋼管を製管圧延し、外削後、さらに冷間抽伸を実施して外径 38mm、肉厚 9. 5m mの鋼管を得た。得られた鋼管力も管長さ Lが 300mmの短管を切り出し、疲労試験片を作製した。

[0073] 図 7は、実施例で行った疲労試験に用いた試験片の形状を示す図である。鋼管から切り出された短管 1の両端に疲労試験用治具 2を摩擦圧接し、摩擦圧接部 3で一体に構成された試験片を作製した。その後、図 7に示すように、中央部を形成するため、短管 1の肉厚を外側力も深さ 4. 5mm切削し、中央部の長さ 1が 150mm、外径が 29mm,肉厚が 5. Ommとなる試験片を削り出した。得られた試験片に高周波焼入れ (加熱温度 920〜1000°C)の後、 160°Cで 1時間の焼き戻しを行い、次いで 2300 N'mの片振繰り返し捩りトルクを負荷し、各試験片の疲労寿命を評価した。

[0074] 疲労寿命の評価に際しては、上記負荷トルク 2300N'mでの捩り疲労試験で 50万回まで疲労破壊を起こさない場合を〇で示し、寿命にばらつきが観測され一部にお Vヽて 50万回未満で疲労破壊を起こした場合を△で示し、 50万回未満で疲労破壊を起こした場合を Xで示した。

[0075] [表 2]

注)表中で *を付したものは、本発明で規定する条件を外れたことを示す。

疲労寿命 O： 2300Nm片振りで 50万回まで疲労破壊を起こさない場合。

△： 2300Nm片振りでばらつきが大きく一部 50万回未満で疲労破壊する場合。 X： 2300Nm片振りで 50万回未満で疲労破壊を起こした場合。

[0076] 表 2に示すように、鋼 No. l〜No. 10の鋼は、本発明で規定する条件 (ィ匕学組成、オーステナイト結晶粒度）を満足する発明例であり、いずれの場合にも中空駆動軸として要求される冷間加工性、焼入れ性、靱性および捩り疲労強度の基本性能は良好な結果であり、さらに中空駆動軸として安定した疲労寿命を発揮できることが分かる。

[0077] 一方、鋼 No. l l〜No, 23の比較鋼のうち、鋼 No. l l〜No, 13は本発明で規定するオーステナイト結晶粒度を満足しておらず、また鋼 No. 14〜No. 23は本発明で規定する化学組成を満足していないため、いずれかの比較鋼も冷間加工性、焼入れ性、靱性および捩り疲労強度の基本性能は同時に具備することができず、本発明の中空駆動軸として適用することができな、。産業上の利用の可能性

本発明の高周波焼入れ中空駆動軸によれば、優れた冷間加工性、焼入れ性、靱性および捩り疲労強度を同時に備えることができるので、中空軸素材として鋼管を用い管端の絞り加工や転造加工を行う場合に、加工にともなう割れを防止できるとともに、冷間成形加工後の高周波焼入れにより、鋼管内面まで全肉厚に亘つて硬化させると同時に高靱性を確保し、駆動軸として安定した疲労寿命を達成することができる。これにより、一体成形型の中空駆動軸として最適であり、自動車部品用として広く採用することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 質量⁰ /₀で、 C:0.30〜0.47%、 Si:0.5%以下、 Mn:0.3〜2.0%、 P:0.018 %以下、 S:0.015%以下、 Cr:0. 15〜： L 0%、 A1:0.001〜0.05%、Ti:0.00 5〜0.05%、 Ca:0.004%以下、 N:0.01%以下、 B:0.0005〜0.005%および 0(酸素） :0.0050%以下を含み、残部が Feおよび不純物であり、

下記（a)または (b)式で規定する Beff^O.0001以上である鋼管を素材とし、焼入れ後のオーステナイト結晶粒度番号 (JIS G0551)が 9以上であることからなる高周波焼入れ中空駆動軸。

ただし、 Ti、 Nおよび Bを含有量％とし、 Nelf=N-14XTi/47.9≥0の場合に

BelF=B-10.8 X (N- 14 XTi/47.9)/14 ··· (a)

同様に、 Neff=N— 14 XTi/47.9く 0の場合に

Beff=B ··· (b)

[2] さらに、質量％で、 V:0.1%以下および Nb:0.1%以下のうちから 1種または 2種を含有することを特徴とする請求項 1に記載の高周波焼入れ中空駆動軸。

[3] 質量％で、 C:0.30〜0.47%、 Si:0.5%以下、 Mn:0.3〜2.0%、 P:0.018

%以下、 S:0.015%以下、 Cr:0. 15〜： L 0%、 A1:0.001〜0.05%、Ti:0.00 5〜0.05%、 Ca:0.004%以下、 N:0.01%以下、 B:0.0005〜0.005%および 0(酸素） :0.0050%以下を含み、さらに、 Cu:l%以下、 Ni:l%以下および Mo:l %以下のうちから 1種または 2種以上を含有し、残部が Feおよび不純物であり、下記（a)または (b)式で規定する Beff^O.0001以上である鋼管を素材とし、焼入れ後のオーステナイト結晶粒度番号 (JIS G0551)が 9以上であることからなる高周波焼入れ中空駆動軸。

ただし、 Ti、 Nおよび Bを含有量％とし、 Nelf=N- 14 XTi/47.9≥0の場合に

BelF=B-10.8 X (N- 14 XTi/47.9)/14 ··· (a)

同様に、 Neff=N— 14 XTi/47.9く 0の場合に

Beff=B ··· (b)

[4] さらに、質量％で、 V:0.1%以下および Nb:0.1%以下のうちから 1種または 2種を含有することを特徴とする請求項 3に記載の高周波焼入れ中空駆動軸。