CN100419107C - 转向齿条用棒钢、其制造方法、以及使用其的转向齿条 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种转向齿条用棒钢，含有C：0.50～0.60质量%、Si：0.05～0.5质量%、Mn：0.2～1.5质量%、B：0.0005～0.003质量%、Ti：0.005～0.05质量%、Al：0.0005～0.1质量%、以及N：0.002～0.02质量%。设棒钢的直径为D，棒钢的距表面深度D/4的部分的淬火·回火组织满足下述Ⅰ)、Ⅱ)以及Ⅲ)的条件。Ⅰ)回火贝氏体组织以及回火马氏体组织的合计面积百分比为30～100%。Ⅱ)再生珠光体组织的面积百分比为0～50%。Ⅲ)回火贝氏体组织、回火马氏体组织以及再生珠光体组织的合计面积百分比为50～100%。

Description

转向齿条用棒钢、其制造方法、以及使用其的转向齿条

技术领域

本发明涉及用于汽车的转向装置的转向齿条用棒钢、其制造方法、以及使用其的转向齿条。

背景技术

汽车的转向分类为通过油压的助力方式(油压式转向助力)和通过电的助力方式(电动式转向助力)。

油压式转向助力，是现有的主流，其利用发动机输出由从运转的油泵所喷出的压力油而对操作力进行助力。但是在油压式转向助力中，因为以发动机的输出为动力源使用，所以会有降低汽车燃油利用率的问题。

对此，电动式转向助力利用由电池的电能驱动运转的电机辅助转向力。电动转向助力装置与上述油压式转向助力相比较，因为使汽车的燃料利用率得到提高，所以近年来逐渐普及。

在汽车中，对向左右方向延伸的转向齿条有如下要求：

1)即使汽车开上路缘等受到冲击也不会破损的程度的优异的耐冲击特性，

2)即使弯曲应力作用也不会断裂的特性(耐破裂性)，以及

3)齿条齿的耐磨性

在如此的转向齿条中，以往使用的是S45C钢(例如，参照特开昭62-178472号公报以及特开昭62-180018号公报)、中碳钢(例如，参照特开2000-153336号公报以及特开2001-79639号公报)等。还有，通过由高频淬火在表面形成表面硬化层而提高耐磨性，并且也提高相对弯曲应力的强度(耐破裂性)。

例如即使通过高频淬火提高转向齿条的弯曲强度，但如果过大的负载作用在高频淬火层暂时发生龟裂，则有可能此龟裂向内部扩大，直至断裂。

此外，在近年逐渐普及的电动式转向助力中，转向齿条和小齿轮(Pinion Gear)的接触面压有比油压式转向助力高的倾向，在S45C钢中，其耐磨性不足。还有在中碳钢中，假使提高C的含有量来提高耐磨性，但是耐冲击性会下降。

例如在特开平10-8189号公报中记载了：在添加B而进行高频淬火的情况下，即使过大负载作用也没有脆性破坏发生的弯曲变形的转向齿条用钢。此转向齿条用钢，是省略了淬火回火处理的钢，其组织实质上为铁素体·珠光体。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改善耐磨性并且耐冲击性也优异，而且能够防止龟裂的扩大的转向齿条用钢棒、及其制造方法以及使用其的转向齿条。

本发明者们根据如下发现而完成了本发明：即使增加C量，但如果添加B则能够防止耐冲击性的下降，此外如果将回火贝氏体组织、回火马氏体组织以及再生珠光体组织控制在规定的范围内则可以提高弯曲变形能，从而即使龟裂一点发生也能够防止龟裂的扩大·贯通。

即，本发明的转向齿条用棒钢，含有C：0.50～0.60质量％、Si：0.05～0.5质量％、Mn：0.2～1.5质量％、B：0.0005～0.003质量％、Ti：0.005～0.05质量％、Al：0.0005～0.1质量％、以及N：0.002～0.02质量％。设上述转向齿条用棒钢的直径为D，将棒钢的距表面深度D/4的部分的淬火·回火组织调整为满足下述I)、II)以及III)的条件

I)回火贝氏体组织以及回火马氏体组织的合计面积百分比为30～100％。

II)再生珠光体组织的面积百分比为0～50％。

III)回火贝氏体组织、回火马氏体组织以及再生珠光体组织的合计面积百分比为50～100％。

还有，上述传动齿条用棒钢，还可以含有Cr。另外也可以含有易切削性元素(S、Pb、Bi、Te、Mg、Ca、稀土元素、Zr等)。

本发明的转向齿条用棒钢，可以通过如下方法进行制造，将轧制钢片而得的棒钢从温度780℃以上进行淬火，使深度D/4的部分的贝氏体组织以及马氏体组织以合计为30～100％(面积百分比)后，放入加热至温度660～720℃的氛围温度的炉内，进行20分钟以下的短时间回火处理，冷却至室温。

附图说明

图1是表示制造本发明的转向齿条用棒钢时的热处理时的时间和温度的关系的曲线图。

图2是表示实验例中所用的试验盘的形状的概略立体图。

图3是表示本发明的一实施方式的包含转动齿条的电动转向助力装置的概略结构的模式图。

图4A是转向齿条8的局部剖开的侧视图，图4B是沿图4A的4B-4B线的剖面图。

图5是正输入静止破坏试验的试验装置的概略图。

图6是逆输入静止破坏试验的试验装置的概略图。

图7是逆输入冲击试验的试验装置的概略图。

图8是弯曲强度试验的试验装置的概略图。

图9是正输入耐久试验的试验装置的概略图。

图10是逆输入耐久试验的试验装置的概略图。

图11A是试验片的概略正视图，图11B是弯曲疲劳试验的试验装置的概略图。

具体实施方式

本发明的转向齿条用棒钢，含有C：0.50～0.60质量％、Si：0.05～0.5质量％、Mn：0.2～1.5质量％、B：0.0005～0.003质量％、Ti：0.005～0.05质量％、Al：0.0005～0.1质量％、N：0.002～0.02质量％。另外，优选为含有1.5质量％以下(不包含0质量％)的Cr。还有剩余部为Fe以及不可避免的杂质。

上述成分的限定理由，如下所述。

将C含有量设为0.50质量％以上，是因为可以充分地提高作为转向齿条(例如，电动式转向助力用的转向齿条)时的耐磨性。优选C含有量为0.52质量％以上。但是C含有量过多，则会降低转向齿条的耐冲击特性。因此，C含有量设为0.60质量％以下、优选为0.58质量％以下、进一步优选为0.56质量％以下。

将Si含有量设为0.05质量％以上，是因为进行钢材的脱氧。优选Si的含有量为0.10质量％以上，特别优选为0.15质量％以上。但是Si的含有量过多，则会降低形成齿条齿时的切削性。因此，Si的含有量设为0.5质量％以下，优选为0.35质量％以下、进一步优选为0.30质量％以下。

将Mn含有量设为0.2质量％以上，不仅是因为为了提高钢材的强度，还为了通过提高淬火性使其容易生成贝氏体组织，从而提高将钢材加工成转向齿条时的弯曲变形能。优选Mn的含有量为0.5质量％以上，特别优选为0.7质量％以上。但是Mn的含有量过多，则由高频淬火的硬化层过深，降低弯曲变形能。因此，Mn的含有量设为1.5质量％以下，优选为1.3质量％以下、进一步优选为1.2质量％以下。

将B含有量设为0.0005质量％以上，是为了在增加了C量的本发明钢中确保耐冲击特性。优选B的含有量为0.0007质量％以上。但是B的含有量过多，则会生成有害的B系化合物相反会降低耐冲击特性。因此，B的含有量设为0.003质量％以下，优选为0.0025质量％以下、进一步优选为0.0020质量％以下。

Ti通过与钢中的N结合形成TiN而抑制BN的形成，对确保B的上述效果有效。因此Ti的含有量为0.005质量％以上，优选为0.010质量％以上，进一步优选为0.012质量％以上。但是Ti的含有量过多，则相反会降低转向齿条的耐冲击特性。因此Ti的含有量设为0.05质量％以下，优选为0.04质量％以下，进一步优选为0.035质量％以下。

使其含有Al以及N，是因为通过形成AlN，能够细化高频淬火时的奥氏体粒。Al的含有量为0.0005质量％以上，优选为0.010质量％以上，进一步优选为0.020质量％以上。还有N的含有量为0.002质量％以上，优选为0.003质量％以上，进一步优选为0.004质量％以上。但是Al、N的含有量过多则降低耐冲击特性。因此，Al的含有量设为0.1质量％以下，优选为0.08质量％以下、进一步优选为0.05质量％以下。N的含有量设为0.02质量％以下，优选为0.01质量％以下、进一步优选为0.007质量％以下。

使其含有Cr，是为了提高淬火性。虽然Cr的含有量的下限没有进行特别限定，但是例如0.05质量％左右，优选为0.08质量％左右，进一步优选为0.10质量％左右。但是Cr的含有量过多，则由高频淬火形成的硬化层过深，弯曲变形能不足。因此Cr的含有量，例如设为1.5质量％以下，优选为1.0质量％以下，进一步优选为0.50质量％以下。

还有本发明的转向齿条用棒钢，根据需要还可以含有易切削性元素(S、Pb、Bi、Te、Mg、Ca、稀土元素、Zr等)。这些易切削性元素的量如以下程度，例如，S：0.06质量％以下(不含0质量％)、Pb：0.3质量％以下(不含0质量％)、Bi：0.2质量％以下(不含0质量％)、Te：0.1质量％以下(不含0质量％)、Mg：0.01质量％以下(不含0质量％)、Ca：0.01质量％以下(不含0质量％)、稀土元素(REM)：0.01质量％以下(不含0质量％)、Zr：0.3质量％以下(不含0质量％)。这些易切削性元素，可以单独添加或两种以上组合添加。

作为稀土元素，可以例举出Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu。

于是本发明的转向齿条用棒钢，棒钢的距表面的深度D/4(D表示棒钢直径)的部分的淬火·回火组织可以如下述1)、2)以及3)进行调整。

1)回火贝氏体组织和回火马氏体组织的合计(以下，有时会表示为“TB+TM”)为30～100％(面积百分比)。

2)再生珠光体组织为0～50％(面积百分比)。

3)回火贝氏体组织、回火马氏体组织以及再生珠光体组织的合计(以下，有时会表示为“TB+TM+RP”)为50～100％(面积百分比)。

以下，将上述棒钢的距表面的深度D/4的部分简称为D/4部。

以下，对这些组织控制的理由进行说明。

回火贝氏体组织以及回火马氏体组织，是通过将轧制后的棒钢经淬火·回火而得到的组织，对防止作为转向齿条时高频淬火层所发生的龟裂的扩大·贯通有效。

即，转向齿条因为高频淬火部(表层部)极硬，如果施予较大的弯曲则转向齿的根部附近(通常，D/4部附近)的高频淬火层容易发生破裂，如果在高频淬火部和未实施高频淬火部的边界有回火贝氏体组织和回火马氏体组织残存，则可以防止在高频淬火层发生的龟裂向内部扩大，能够防止转向齿条自身的破裂。因此D/4部分的火贝氏体组织以及回火马氏体组织的合计(TB+TM)为30％以上。优选为40％以上，进一步优选为50％以上。

再生珠光体组织是在回火工序中产生的组织，是与轧制后的钢的珠光体组织相区别的组织。再生珠光体组织、与回火贝氏体组织以及回火马氏体组织不同，对防止龟裂的扩大·贯通不起作用，再生珠光体组织过多，还会降低弯曲变形能。因此再生珠光体组织设为50％以下。优选为40％以下，进一步优选为30％以下。还有再生珠光体组织变少，耐冲击特性有进一步变好的倾向。

还有即使通过淬火·回火得到回火贝氏体组织以及回火马氏体组织，但如果来自轧制材(保持轧制后状态的材料)的铁素体·珠光体组织或软质铁素体组织残留，则不能够防止龟裂的扩大·贯通。

因此，有必要降低这些来自轧制材的组织，换而言之即有必要增加回火贝氏体组织以及回火马氏体组织。通过这些淬火·回火工序所生成的3组织的合计(TB+TM+RP)为)50％以上，优选为60％以上，进一步优选为70％以上。

本发明的转向齿条用棒钢的直径并没有进行特别限定，但是考虑到加工成转向齿条，通常为10～40mm左右。优选为15～38mm左右，进一步优选为20～36mm左右。

如上所述的转向齿条用棒钢，能够通过如下方式进行制造，例如，对上述成分组成的钢片进行轧制，对所得的棒钢进行淬火，在得到贝氏体组织以及马氏体组织后，进行高温·短时间的回火处理。

在此制造方法中淬火的加热温度为780℃以上，优选为800℃以上。淬火的加热温度过低，则回火后的TB+TM+RP有变小的倾向。还有会生成柔软的铁素体层，使得转向齿条的强度不足。加热温度的上限，例如为860℃左右，优选为850℃左右。加热温度过高则淬火时棒钢的弯曲有变大的倾向。

淬火的冷却条件，有必要使通过淬火所形成的上述的D/4部的贝氏体组织以及马氏体组织的合计为30％(面积百分比)以上，优选为40％(面积百分比)以上，进一步优选为50％(面积百分比)以上。这样的控制冷却的条件，可以根据钢的组成等进行适当的设定，例如，希望在温度800～300℃(优选为750～350℃)左右的区域，以冷却速度30～80℃/秒(优选为40～70℃/秒)进行冷却。

如此所得到的导入了贝氏体组织以及马氏体组织的中间体，参照图1，包括升温过程在内以20分钟以下，优选为15分钟以下的处理时间t进行回火处理，空冷至室温。使回火处理所使用的炉的氛围温度T2为660～720℃左右，优选为680～700℃左右。

炉的氛围温度T2如果设为660℃以上，即使进行20分钟以下的短时间的回火，也能够降低经回火时的维氏硬度(例如可以得到320HV以下)，其后能够提高加工成转向齿条时的切削加工性。还有，炉的氛围温度T2优选为680～700℃。

为了控制回火后的组织，成为在上述的D/4部27，回火贝氏体组织以及回火马氏体组织的合计的面积百分比为30～100％，再生珠光体组织的面积百分比为0～50％，并且回火贝氏体组织、回火马氏体组织以及再生珠光体组织的合计的面积百分比为50～100％，优选在上述回火条件(660℃以上，20分钟以内)的范围内，不使回火温度过高，回火时间过长。

这是因为如果回火温度过高，回火时间过长，则由控制冷却所形成的贝氏体组织以及马氏体组织的面积百分比容易降低，并且珠光体容易再生，弯曲特性下降。

如此得到的本发明的转向齿条用棒钢，因为耐磨性得到改善并且耐冲击性也优异，而且弯曲变形能优异，所以对转向齿条(特别是电动式转向助力用转向齿条)极其有用。

实验例1～36

熔炼下述的表1～2所示成分的钢材，轧制成直径30mm的棒钢。接着加热至表1～2所示的温度后，通过控制冷却至室温而完成淬火。还有在此控制冷却中，变换水量和水冷时间而控制棒钢的组织。冷却后的棒钢，通过在加热至表1～2所示的氛围温度的炉中滞留表1～2所示的时间而完成回火。回火后的棒钢进行放冷。

对淬火后的棒钢的D/4部的组织以及回火后的棒钢的D/4部的组织，通过电子显微镜进行观察(倍率5000倍)，求出马氏体组织以及贝氏体组织、和回火马氏体组织、回火贝氏体组织、以及再生珠光体组织的面积率。

实验例1～19其成分以及组织双方均适当包含在本发明的即技术的范围内，实验例20～36其成分以及组织至少一方不合适，在本发明的范围之外。

还有为了调查回火后的棒钢作为转向齿条时的耐破裂性(弯曲变形能)、耐冲击特性、耐磨性，而进行了以下实验。

弯曲试验

对回火后的棒钢进行拉拔加工形成直径27.5mm后，切削形成齿条齿。齿条齿的深度大约为D/4左右。接着以下述条件通过对齿部进行高频淬火，

制成转向齿条。

高频淬火条件

使用线圈：面淬火用(直径40mm、厚度2mm)

电压：4.0kV

电流：4.5A

频率：40kHz

加热方式：移动淬火(移动速度3.0mm/秒)

冷却：水溶性油和水的混合溶剂

使用所得的转向齿条，进行了以400mm为支点间距、转向齿条的齿相反一侧为按压位置的3点弯曲试验，根据以下标准进行了评价。

×：在高频淬火层发生的龟裂扩大·贯通到内部，转向齿条断裂为二

○：龟裂中途停止，没有断裂

冲击试验

对回火后的棒钢进行拉拔加工形成直径27.5mm后，从D/4部切出JIS3号U切口试验片，对切口形成侧的表面进行高频淬火。高频淬火条件除移动速度为3.5mm/秒以外，与上述弯曲试验的情况相同。对所得的试验片根据JIS-Z2242进行摆锤冲击实验(试验温度：室温)，求出冲击值。

磨损试验

调制成具有与由实验例所得的回火棒钢相同特征的圆板。即熔炼与实验例的棒钢相同成分的钢材，由热锻成直径53mm，切断成厚度15mm的圆板后，以与各实验例相同的条件进行淬火、回火、

接着机械加工成如图2所示的2层形状的半圆板(上层的直径44mm，上层的厚度3mm；下层的直径50mm，下层的厚度5mm)，对上层部进行了高频淬火。高频淬火的条件，除移动速度为2.5mm/秒以外，与上述弯曲试验的情况相同。对所得到的试验盘进行针盘法(pin on disk)磨损试验，测定试验片的磨损削减量。还有磨损试验的详细条件，如下所示。

润滑：干式

试验片表面粗糙度：Ra0.25μm

周速：0.05m/秒

面压：0.05Gpa

销：SUJ2(直径5mm，洛氏硬度(HRC)64)

结果在表1～2中表示。

表2中的实验例20～28是设计成分不合适的例。即在实验例20中因为C量不足所以耐磨性不充分。实验例21相反因为C量过多所以耐冲击特性不充分。

在实验例22中因为Mn量少淬火性差，所以回火贝氏体组织以及回火马氏体组织的合计量不足，弯曲变形能不充分。

实验例23因为Mn量过量，所以高频淬火时的硬化层变深，弯曲变形能不充分。

在实验例24～27中，因为B或Ti量不合适所以耐冲击性不充分。

实验例28因为Cr量过量，所以高频淬火时的硬化层变深，弯曲变形能不充分。

还有，从实验例29～36可知，即使成分设计适当，但组织不合适各特性也会不充分。即在实验例29～31中回火贝氏体组织以及回火马氏体组织的合计量不足，所以弯曲变形变得不充分。

在实验例32～34中，因为再生珠光体组织过多，所以弯曲变形能变得不充分。在实验例35～36中，因为回火贝氏体组织、回火马氏体组织以及再生珠光体组织的合计量不足，所以弯曲变形能不充分。

相对与此，实验例1～19，因为成分设计以及组织双方都很合适，所以耐冲击特性以及耐磨性的双方优异，而且能够防止龟裂的扩大·贯通。

根据本发明的转向齿条用棒钢，因为对成分以及组织双方进行适当地控制，所以耐磨性得到改善并且耐冲击特性也优异，而且能够防止龟裂的扩大·贯通。

接着，图3是表示含有使用了上述本发明的转向齿条用棒钢的转向齿条的电动转向助力装置的概略结构的模式图。

参照图3，电动转向助力装置(EPS：Electric Power Steering System)1，具有：连接于方向盘即转向构件2上的转向轴3；通过万向接头4连接于转向轴3上的中间轴5；通过万向接头6连接于中间轴5的小齿轮轴7；具有与设于小齿轮轴7前端部的小齿轮7a相啮合的齿条齿8a并且作为向汽车的左右方向延伸的转向轴的转向齿条8。

转向齿条8通过未图示的多个轴承被支撑在车身上固定的壳体(housing)17内，可以自由地进行直线往复移动。转向齿条8的一对端部向壳体17的两侧突出，在各端部分别与横拉杆9结合。各横拉杆9通过对应的转向臂(未图示)连接于对应的转向用车轮10上。

转向构件2受操作使转向轴3旋转，则此旋转通过小齿轮7a以及齿条齿8a变换成沿汽车的左右方向的转向齿条8的直线运动。由此，实现转向用车轮10的转向。

转向轴3，被分割成连于转向构件2的输入轴3a和连于小齿轮轴7的输出轴3b，这些输入、输出轴3a、3b通过扭力杆11在同一轴线上相连接，并相互可以相对旋转。

设有通过输入、输出轴3a、3b间经由扭力杆11的相对旋转位移量来检测扭矩的扭矩传感器12，此扭矩传感器12的扭矩检测结果，输入ECU(Electric Control Unit：电子控制单元)13。在EUC13中，根据扭矩检测结果和从未图示的车速传感器所得的车速检测结果，通过驱动回路14对转向辅助用电动马达15的驱动进行控制。

电动马达15的输出旋转通过减速机构16而减速，通过输出轴3b、中间轴5而传送至小齿轮轴7，变换成转向齿条8的直线运动，从而辅助转向。

作为减速机构，是一种能够示例的齿轮机构，具有：连接于电动马达15的未图示的旋转轴并可一起旋转的蜗杆轴等的小齿轮16a；啮合于此小齿轮16a并连接于输出轴16b可一起旋转的蜗轮等的大齿轮16b。

图4A是转向齿条8的部分剖面正视图，图4B是沿图4A的4B-4B线的剖面图。转向齿条8具有：直径D的圆棒状的主体20；设于此主体20的周面20a的一部的平坦部21；设于此平坦部21的齿条齿形成部22。

平坦部21，具有平行于主体20的轴线23以规定长度延伸的规定宽度。齿条齿形成部22包括：设置多个的上述齿条齿8a、设于相邻的齿条齿8a间的齿底部24。

转向齿条8使用上述本发明的转向齿条用棒钢而形成。即转向齿条8所使用的转向齿条用棒钢，含有C：0.50～0.60质量％、Si：0.05～0.5质量％、Mn：0.2～1.5质量％、B：0.0005～0.003质量％、Ti：0.005～0.05质量％、Al：0.0005～0.1质量％、以及N：0.002～0.02质量％。

还有棒钢的距表面深度D/4(以棒钢的直径为D)的部分的淬火·回火组织满足下述I)、II)以及III)的条件。

I)回火贝氏体组织以及回火马氏体组织的合计面积百分比为30～100％。

II)再生珠光体组织的面积百分比为0～50％。

III)回火贝氏体组织、回火马氏体组织以及再生珠光体组织的合计面积百分比为50～100％。

在用于形成转向齿条8的上述转向齿条用棒钢中，优选含有1.5质量％以下(不含0质量％)的Cr。

含有在用于形成转向齿条8的上述转向齿条用棒钢中，还含有以下任选至少一种，S：0.06质量％以下(不含0质量％)、Pb：0.3质量％以下(不含0质量％)、Bi：0.2质量％以下(不含0质量％)、Te：0.1质量％以下(不含0质量％)、Mg：0.01质量％以下(不含0质量％)、Ca：0.01质量％以下(不含0质量％)、稀土元素：0.01质量％以下(不含0质量％)、Zr：0.3质量％以下(不含0质量％)。

如上所述，形成转向齿条8的钢的碳含有量为0.50～0.60质量％。将碳含有量设为0.50质量％，是因为通过对钢材进行后述的高频淬火，从而提高齿条齿8a的耐磨性。但是，碳含有量超过0.60质量％，则转向齿条8的耐冲击特性就会下降，还有高频热处理时容易发生热裂纹。因此，碳含有量设为0.60质量％以下，优选为0.58质量％以下，进一步优选为0.58质量％以下。

还有，在形成转向齿条8的钢中，含有B为5～30ppm。通过添加5ppm以上的B，可以强化高频淬火部分的晶界，特别能够增加韧性提高弯曲变形能(耐破裂性)，另一方面，即使使其含有B超过30ppm，由于其效果饱和，所以优选设定在5～30ppm的范围内。

通过齿条齿8a形成后进行的高频淬火以及回火，转向齿条8的至少在齿条齿形成部22设有硬化层25。齿条齿形成部22的表面硬度设定为以维氏硬度计680～800HV。

这是因为，低于680HV，则齿条齿形成部22的表面硬度不充分，相对弯曲疲劳的疲劳界限变低，另一方面，超过800HV，则表层部的韧性下降，相对于静载荷或拟静载荷的弯曲强度不足。

因此，通过将齿条齿形成部的表面硬度设为680～800HV，可以提高相对弯曲疲劳的疲劳界限，并且确保相对于静载荷或拟静载荷的充分的弯曲强度。

还有，在齿条齿形成部22中，齿条齿8a间的齿底部24的硬化层25的有效硬化层深度d，优选为距齿底部24的表面0.1～1.5mm的范围。这里，硬化层25的有效硬化层深度d，被定义为从表面到450HV的硬度位置的距离，相当于有效硬化层深度。

齿底部24的硬化层25的有效硬化层深度d超过1.5mm的情况下，受到高冲击时，在转向齿条8的纵长方向的中间部的一处局部弯曲，有弯成山形状的倾向，其结果，有可能小齿轮7a在转向齿条8上变得不能移动。另一方面，硬化层25的有效硬化层深度d低于0.1mm时，有可能齿条齿8a的齿根附近的弯曲强度不足。

因此，通过将齿底部24的硬化层25的有效硬化层深度d设为0.1～1.5mm的范围，可以确保齿条齿8a的齿根弯曲强度，并且在大载荷作用时转向齿条8整体缓和弯曲，确保非常时的转向性能。齿底部24的硬化层25的有效硬化层深度d更有选为0.3～1.2mm。

例如，齿底部位于D/4左右的深度而形成齿条齿8a。因此，在主体21的周面20a，距沿径向与齿条齿形成部22对向的部分26表面的深度为(3/4)D的部分27(也称作(3/4)D部27)，成为经淬火部分和未经淬火部分的大致边界。

在上述(3/4)D部27中，设定为回火贝氏体组织以及回火马氏体组织的合计面积百分比为30～100％，再生珠光体组织的面积百分比为0～50％，并且回火贝氏体组织、回火马氏体组织以及再生珠光体组织的合计面积百分比为50～100％。这可以通过转向齿条8的切断面的电子显微镜照片进行观察。

即使受到大载荷的齿条发生过大的弯曲变形，在其一部分生成裂纹，通过在上述(3/4)D部至少残存的30％的面积百分比的回火贝氏体组织和回火马氏体组织防止裂纹的传播，也能够防止齿条发生破裂分割成两段的破损。还有，在上述的(3/4)D部，再生珠光体组织的面积百分比设为50％以下，是因为不使韧性下降

还有，优选从上述齿底部24的表面到0.1mm深度为止不使残留铁素体生成。残留铁素体生成，则因为有可能会使局部强度下降，所以要将其排除。

接着，对本转向齿条8的制造方法进行说明。通过在具有上述成分组成以及组织(例如实验例1～19的成分组成以及组织)的本发明的转向齿条用棒钢的周面的一部实施铣刀加工，形成平坦部21，通过在此平坦部21实施拉削加工，形成包括多个齿条齿8a的齿条齿形成部22。接着，在齿条齿形成部22，实施例如加热时间5.5秒，水冷的冷却时间10秒的高频淬火后，进行例如在170℃1.5小时的条件下的回火处理，从而在齿条齿形成部22的表面实现以维氏硬度计680～800HV，形成转向齿条8。

在如此而得到的转向齿条8中，如上所述，能够确保作为齿条齿8a的必要的耐磨性和必要的弯曲强度。还有，通过(3/4)D部中残存的回火贝氏体组织和回火马氏体组织防止裂纹向内部的传播，从而能够防止转向齿条8破裂为两段的破损。

而且，通过将齿底部24的硬化层25的有效硬化层深度设为距齿底部24的表面0.1～1.5mm，可以确保齿条齿8a的齿根弯曲强度，并且在大载荷作用时转向齿条8整体缓和弯曲，确保非常时的转向性能。有效硬化层深度d优选为距齿底部24的表面0.3～1.2mm。

以下，列举实施例对本发明的转向齿条进行更具体地说明。

实施例

使用C含有量0.53质量％、Si含有量0.23质量％、Mn含有量0.8质量％、S含有量0.018质量％、Cr含有量0.30质量％、B含有量0.015质量％的钢材，经轧制形成直径30mm的棒钢后，加热至780℃，接着控制冷却至室温。冷却后的棒钢，通过在加热至氛围温度660℃的炉中滞留15分钟而完成回火。回火后的棒钢进行放冷。更优选为上述加热温度为820℃，回火时的氛围温度为690℃。

将如此得到的棒钢进行拉拔加工形成直径27.5mm后，经切削加工形成平坦部21，在此平坦部21形成齿条齿8a，作为齿条齿形成部22。接着，在齿条齿形成部22进行加热时间5.5秒，由水冷的冷却时间10秒的高频淬火后，在170℃1.5小时的条件下进行回火处理，在齿条齿形成部22设置硬化层25，制造成实施例的齿条。

在实施例中，齿条齿形成部22的表面硬度为710HV。在齿条齿形成部22的距背面部26的表面的深度(3/4)D部27，回火贝氏体组织和回火马氏体组织的合计面积百分比为90％，并且再生珠光体组织以面积百分比计为0％。齿条齿形成部22的齿底部24的硬化层25的有效深度d为距齿底部24的表面0.7mm。

比较例

使用C含有量0.46质量％、Si含有量0.19质量％、Mn含有量0.86质量％、S含有量0.053质量％、Cr含有量0.13质量％，不含有B的钢材，通过轧制形成棒钢后，加热至850℃，接着冷却至室温。冷却后的棒钢，通过在加热至氛围温度610℃的炉中滞留30分钟以上而完成回火。回火后的棒钢进行放冷。使用如此得到的棒钢，其后与实施例相同，制造成比较例的转向齿条。

在比较例中，在齿条齿形成部进行通常的淬火、回火。齿条齿的表面硬度为650HV。在(3/4)D部，回火贝氏体组织和回火马氏体组织的合计面积百分比为70％，并且再生珠光体组织以面积百分比计为20％。齿底部的硬化层的有效深度为距齿底部的表面0.3mm。

分别使用两个这些实施例以及比较例，进行了如下试验。

正输入静止破坏试验

使用如图5所示的试验装置。将从实施例的转向齿条8到比较例的转向齿条插入壳体17中，分别将壳体17的两端固定于固定支柱31。以中立位置固定转向齿条8，从连接于小齿轮轴7上的回转式驱动器(rotoryactuator)向小齿轮轴7施予驱动扭矩。使驱动扭矩不断增大，直至使其破坏。

转向齿条中发生龟裂时的载荷，相对实施例的305J，比较例为188J，将实施例的破坏强度与比较里的破坏强度相比较，判明大约增加了62％。

逆输入静止破坏试验

使用如图6示的试验装置。将从实施例的转向齿条8到比较例的转向齿条插入壳体17中，分别将壳体17的两端通过支撑杆33固定于固定支柱31。将小齿轮轴7通过万向节(joint)34固定于中立位置，将转向齿条8的端部通过测力仪(load cell)压入负载圆筒35中，直至确认到龟裂发生声音为止施加载荷。将连接于测力仪36的动态应变仪37的输出储存至记录器38中。

其结果，相对实施例的龟裂发生荷载的平均92N·m，比较例的龟裂发生荷载平均为51N·m，将实施例的破坏强度与比较例的破坏强度相比较，判明大约增加了80％。

逆输入动态破坏试验

使用如图7示的试验装置。将从实施例的转向齿条8到比较例的转向齿条插入壳体17中，将壳体17的两端固定于固定支柱39上所固定的一对固定臂40上。壳体17使其与小齿轮轴7相近侧的端部向上立起而配置。小齿轮轴7在中立位置固定于固定支柱41上。在小齿轮轴7相近侧的转向齿条8的端部固定承受构件42。

在承受构件42的上方，通过导杆43设有支撑自由上下移动的重锤44，在此重锤44的下部固定有测力仪45。固定测力仪45的重锤44的重量为100Kg，测力仪45和承受构件42的距离设为20cm，使重锤44以及测力仪45落下，与承受构件42冲撞，调查直至破损的落下次数。

动态应变仪46与测力仪45相连接，将动态应变仪46的输出记录在示波器47中。

试验结果，相对比较例的破坏为止的平均3次，实施例到破坏为止平均15次。从而证实实施例的逆输入冲击强度比比较例更优异。

弯曲强度试验

使用如图8所示的试验装置。将从实施例的转向齿条8到比较例的转向齿条插入壳体17中，分别将壳体17的两端固定于固定支柱48上。使转向齿条8从接近于小齿轮轴7的壳体17的端部最大限度地突出，以此状态，通过测力仪51由负载圆筒50压住固定于转向齿条8的前端的承受构件49，直至对转向齿条8所能得到的最大载荷为止施加负载。

将连接于测力仪51的动态应变仪52的输出导入测力计53，测定负载。其结果，最大承担负载，实施例为8.6KN，比较例为7.4KN。由此，确认到实施例与比较例相比较具有大约增加16％的弯曲强度。还有，确认到双方均是没有断裂的“弯曲”。

正输入耐久试验

使用如图9所示的试验装置。将从实施例的转向齿条8到比较例的转向齿条插入壳体17中，分别将壳体17的两端固定于固定支柱54。在转向齿条8的两端，分别连接有伺服执行机构(servo actuator)55。通过万向节56以及扭矩仪57将回转式驱动器58连接于小齿轮轴7，由此回转式驱动器58向小齿轮轴7施予驱动扭矩。通过驱动扭矩为50N·m，频率为0.1～0.2Hz，反复进行3万次。

试验完成后，测定向小齿轮的啮合部分的磨损量，相对实施例的平均8.7μm，比较例平均为27.8μm，从而证实实施例与比较例相比减少大约70％的磨损量。

逆输入耐久试验

使用如图10所示的试验装置。将从实施例的转向齿条8到比较例的转向齿条插入壳体17中，分别将壳体17的两端固定于固定支柱59上。将小齿轮轴7通过万向节60固定于中立位置，通过连于小齿轮轴7相近一侧的转向齿轮8的端部的横拉杆9，向从伺服执行机构61的转向齿条8负载轴力。负载于转向齿条8的轴力为9.8kN，以频率为5Hz进行直至破损为止。其结果，相对比较例破损为止的35万次，实施例直至70万次也没有破损。

弯曲疲劳试验

由与实施例相同的原材料制成图11A所示的试验片62。试验片62为全长90mm的大致圆型的轴。以距试验片62的一端62a的距离N为40mm的位置为中心，形成具有R5的断面弯曲的缩颈部65。缩颈部65的最小直径R为8mm。夹住缩颈部65一端62a侧成为直径P为12mm的圆柱部62。还有，夹住缩颈部65另一端62b侧随着另一端的62b侧以此扩径形成1/20锥形的锥形部64。锥形部64的最大直径Q为14mm。比较例也制成相同的比较试验片。

使用图11B所示的试验装置进行了从试验片62至比较试验片的弯曲疲劳实验。使距试验片62的一端62a距离M为到50mm为止的部分以悬臂状突出，以此状态，将剩余锥形部64固定于固定支柱66的锥形支撑孔67。通过被固定的试验片62的一端62a附近的转动辊68，由负载圆筒69以频率20Hz反复负载载荷，测定应力和反复次数，求出S-N曲线。

试验的结果，在S-N曲线的平滑部分(应力收缩部分)中，相对比较例试验片的应力1270MPa，试验片62的应力为1450MPa，从而证实耐疲劳强度大约提高了15％。

Claims (12)

1. 一种转向齿条用棒钢，其特征在于，含有0.50～0.60质量％的C、0.05～0.5质量％的Si、0.2～1.5质量％的Mn、0.0005～0.003质量％的B、0.005～0.05质量％的Ti、0.0005～0.1质量％的Al、以及0.002～0.02质量％的N，

在设棒钢的直径为D时，棒钢的距表面深度D/4的部分的淬火/回火组织被调整为满足下述I)、II)以及III)的条件，

I)回火贝氏体组织以及回火马氏体组织的合计的面积百分比为30～100％；

II)再生珠光体组织的面积百分比为0～50％；

III)回火贝氏体组织、回火马氏体组织以及再生珠光体组织的合计的面积百分比为50～100％。

2. 根据权利要求1所述转向齿条用棒钢，其特征在于，含有1.5质量％以下并且不包含0质量％的Cr。

3. 根据权利要求1所述转向齿条用棒钢，其特征在于，还含有从以下任选的至少一种，

S：0.06质量％以下并且不含0质量％、Pb：0.3质量％以下并且不含0质量％、Bi：0.2质量％以下并且不含0质量％、Te：0.1质量％以下并且不含0质量％、Mg：0.01质量％以下并且不含0质量％、Ca：0.01质量％以下并且不含0质量％、稀土元素：0.01质量％以下并且不含0质量％、Zr：0.3质量％以下并且不含0质量％。

4. 一种转向齿条用棒钢的制造方法，其特征在于，轧制含有如下成分的钢片，C：0.50～0.60质量％、Si：0.05～0.5质量％、Mn：0.2～1.5质量％、B：0.0005～0.003质量％、Ti：0.005～0.05质量％、Al：0.0005～0.1质量％、以及N：0.002～0.02质量％，

对由轧制所得的棒钢从温度780℃以上进行淬火，使棒钢的距表面深度D/4的部分的贝氏体组织以及马氏体组织的合计的面积百分比为30～100％后，

放入加热至温度660～720℃的氛围温度的炉内，进行20分钟以下的短时间回火处理，冷却至室温，由此，使上述棒钢的距表面深度D/4的部分的再生珠光体组织的面积百分比为0～50％，并且使上述棒钢的距表面深度D/4的部分的回火贝氏体组织、回火马氏体组织以及再生珠光体组织的合计的面积百分比为50～100％，

其中，D表示棒钢的直径。

5. 根据权利要求4所述的转向齿条用棒钢的制造方法，其特征在于，上述钢片含有1.5质量％以下并且不含0质量％的Cr。

6. 根据权利要求4所述的转向齿条用棒钢的制造方法，其特征在于，上述钢片，还含有以下任选出的至少一种，

S：0.06质量％以下并且不含0质量％、Pb：0.3质量％以下并且不含0质量％、Bi：0.2质量％以下并且不含0质量％、Te：0.1质量％以下并且不含0质量％、Mg：0.01质量％以下并且不含0质量％、Ca：0.01质量％以下并且不含0质量％、稀土元素：0.01质量％以下并且不含0质量％、Zr：0.3质量％以下并且不含0质量％。

7. 一种转向齿条，其特征在于，使用权利要求1、2或3所述的转向齿条用棒钢而形成。

8. 根据权利要求7所述的转向齿条，其特征在于，

具有：主体和形成于上述主体的周面的局部并且含有多个齿条齿的齿条齿形成部，

至少在齿条齿形成部设置有被进行了高频淬火处理以及回火处理而得到的硬化层；

上述齿条齿形成部的表面硬度以维氏硬度计为680～800HV。

9. 根据权利要求8所述的转向齿条，其特征在于，

上述主体含有沿径向与齿条齿形成部对向的部分、和距沿径向与上述齿条齿形成部对向的部分表面的深度为3/4D的部分；

上述深度3/4D的部分的淬火/回火组织，调整为满足下述I)、II)以及III)的条件，

I)回火贝氏体组织以及回火马氏体组织的合计的面积百分比为30～100％；

II)再生珠光体组织的面积百分比为0～50％；

III)回火贝氏体组织、回火马氏体组织以及再生珠光体组织的合计的面积百分比为50～100％，

其中，D表示棒钢的直径。

10. 根据权利要求8所述的转向齿条，其特征在于，

上述齿条齿形成部含有齿底部；

上述齿底部的有效硬化层深度为距齿底部的表面0.1～1.5mm。

11. 根据权利要求8所述的转向齿条，其特征在于，

上述齿条齿形成部含有齿底部；

上述齿底部的有效硬化层深度为距齿底部的表面0.3～1.2mm。

12. 根据权利要求8所述的转向齿条，其特征在于，

上述齿条齿形成部含有齿底部；

直到距上述齿底部的表面0.1mm的深度为止的区域不含有残留铁素体。

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