CN101652197A - 一体成型式驱动轴用冷加工无缝钢管及使用该无缝钢管的驱动轴和该冷加工无缝钢管的制造方法 - Google Patents

一体成型式驱动轴用冷加工无缝钢管及使用该无缝钢管的驱动轴和该冷加工无缝钢管的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种一体成型式驱动轴用冷加工无缝钢管及使用该无缝钢管的驱动轴和该冷加工无缝钢管的制造方法。通过曼内斯曼制管法来对热轧的管坯进行冷拔而得到的一体成型式驱动轴用冷加工无缝钢管，为了确保能够应用于其用途的无缝钢管的最大内表面褶皱深度0.1mm以下及在缩径部中内径缩径率在30％以上的条件下内表面的最大褶皱深度在0.20mm以下，使用由特定的化学组成构成的钢种类，通过曼内斯曼制管法进行的穿孔轧制、延伸轧制之后的定型轧制中的孔型形态的调整、其后对冷拔的壁厚加工度进行调整。由此，作为两端部设置缩径部的一体成型式的汽车用驱动轴而能够确保良好的扭转疲劳特性，能够作为轻量化、静音性最佳的中空构件而使用。通过使用于这些，能够高效率地制造汽车用驱动轴。

Description

一体成型式驱动轴用冷加工无缝钢管及使用该无缝钢管的驱动轴和该冷加工无缝钢管的制造方法
技术领域
本发明涉及一种驱动轴用冷加工无缝钢管、使用该无缝钢管的驱动轴及驱动轴用冷加工无缝钢管的制造方法，更详细地说，涉及一种对一体成型式汽车用驱动轴的轻量化、静音性最佳的、扭转疲劳特性良好的作为中空构件使用的冷加工无缝钢管、高效率地制造该无缝钢管的方法及使用这些冷加工无缝钢管制造的驱动轴。
背景技术
近年来，保护地球环境的必要性越来越提高，在汽车工业领域中，也要求谋求实现汽车车身的轻量化且有进一步提高节能的效果。因此，从车体轻量化的观点出发，尝试将汽车用零件从实心构件替换为中空构件，汽车驱动轴也采用将原材料本身为中空的钢管作为原材料的中空构件。
中空驱动轴有接合式的驱动轴和一体成型式的驱动轴。接合式的驱动轴为以下结构：中间部使用没有实施高频淬火等热处理的钢管，在连接在等速接头、差动齿轮上的两端使用实心材料、锻造材料，通过摩擦压接、焊接来接合到上述中间部。一体成型式的驱动轴公知存在例如如下驱动轴：使用钢管构件，对成为与等速接头之间的连接部的两个管端部进行缩径壁厚化，实施作为连接要素的花键(spline)加工，并对整体实施高频淬火而成的驱动轴。
汽车用驱动轴是将发动机的旋转轴的扭矩传递到轮胎的重要安全零件，因此需要确保充分的扭转刚性、扭转疲劳强度。
另外，在使用无缝钢管作为驱动轴用的中空原材料的情况下，有时根据制造条件在钢管的内表面残留有褶皱状缺陷、即在与长度方向垂直的剖面的内表面上形成的凹凸缺陷(以下称为“内表面褶皱”)。当残留有内表面褶皱时，该内表面褶皱较容易成为疲劳裂痕的起点等破损的重要原因，从而显著地降低驱动轴的抗疲劳强度。
图1是说明通过热加工来制造无缝钢管的曼内斯曼制管法的制造工序的一例的图。关于该制管方法，将加热到规定温度的实心的圆钢坯1作为轧件，利用穿孔轧制机3在轴芯部进行穿孔而制造中空管坯2，输送到后续的芯棒式无缝管轧机4的延伸轧制装置而进行延伸轧制。通过了芯棒式无缝管轧机4的中空管坯2接着被装入到再热炉5里，再次进行加热之后，通过拉伸缩径轧机6的定径轧制装置来制造用于冷加工用的管坯等的无缝钢管。
在这种制管法中，在图示的拉伸缩径轧机6的结构中，压下中空管坯2的一对轧辊6r由以轧制线为中心相向地进行配置的3个孔型轧辊6r构成，这些孔型轧辊6r被配置在多个轧机上，将各个孔型轧辊6r在相邻的辊轧机之间相对于轧制线垂直的面内每60°错开压下方向地交替配置。
作为其它拉伸缩径轧机6的结构，采用具备在相对于轧制线垂直的面内每90°错开压下方向地交替配置的4个孔型轧辊的4辊式定径轧制装置，并且还采用各轧机具备相向的2个孔型轧辊的2辊式定径轧制装置。
另外，在作为定径轧制装置使用的拉伸缩径轧机中，不使用芯棒式无缝管轧机等内表面限制工具，而通过外径缩径轧制来完成中空管坯，因此热轧后的钢管内表面容易产生纵条纹状的褶皱。
并且，在上述图1所示的拉伸缩径轧机6的示例中，由3个轧辊构成外径缩径轧制，因此中空管坯相对于轧制线从3个方向上被压下。因此，热加工后的钢管的内表面形状不会成为正圆，而成为有棱角、多角形化了的圆，在其内表面容易形成凹凸形状。
为了解决这种无缝钢管的内表面皱褶的问题，在日本专利第2822849号公报中提出有如下一种方法：在各轧机之间使拉伸缩径轧机的压下量成为均匀状态，并且通过喷丸磨削等来对所制造的钢管的内表面进行内表面切削，从而制造驱动轴等汽车用无缝钢管。根据该制造方法，通过对热轧后的无缝钢管的内表面进行20μm～500μm切削加工，去除在钢管内表面产生的褶皱，谋求提高抗疲劳强度。
但是，这种用喷丸磨削等对内表面的磨削需要庞大的处理时间。具体地说，作为驱动轴用而采用的钢管以内径(下面，只要没有特别的说明，内径、外径都表示直径。)为15～25mm左右的小径构件为对象，但是为了确保上述磨削量而对这些管内表面实施喷丸加工，需要数十分钟至数小时的庞大的处理时间。因此，在上述日本专利第2822849号公报中提出的制造方法中存在制造成本增加并且无法确保工业上所需的批量生产这种较大的问题。
如上所述，在无缝钢管的情况下，特别是经过了广泛采用于工业上的、拉伸缩径轧机那样的无内部限制工具的轧制工序的无缝钢管存在由于其轧制机构而容易在钢管产生内表面褶皱这种问题。因而，在驱动轴用无缝钢管中，抑制内表面褶皱的产生成为重要问题。
特别是，在将无缝钢管作为一体成型式驱动轴的原材料利用的情况下，担心缩径加工对内表面褶皱或者扭转疲劳强度带来的影响。对于将电焊钢管作为原材料来利用，由于具有将尺寸精度、加工精度良好的钢板成型为管状而通过电阻焊进行对接焊的结构，因此几乎不用担心内表面褶皱，因此开始采用于一体成型式驱动轴(例如，参照日本特开2002-356742号公报)，但是对于无缝钢管，由于存在上述问题，因此还没有正式采用。
然而，电焊钢管存在沿着其轴线方向延伸的焊接部分(电焊部)容易产生破损而导致作为传动轴强度下降的问题。在将无缝钢管作为原材料利用的情况下，不用担心这些，因此强烈要求对无缝钢管进行面向正式采用的改进。
如上所述，在驱动轴用无缝钢管中，从确保疲劳强度的观点出发，如何抑制内表面褶皱成为较大的问题，但是在将无缝钢管用作一体成型式驱动轴的情况下，对于限制产生内表面褶皱的要求变得更加严格。
即，在摩擦压接式等接合式驱动轴的情况下，在对所使用的无缝钢管进行了冷加工的情况下，其冷加工后的内表面褶皱保持原状态成为驱动轴的内表面。此时，在制造一体成型式驱动轴的情况下，在进行了冷加工的两端部实施缩径加工而使两端部接受壁厚化的加工，但是担心随着该缩径加工而使管内表面的褶皱深度明显增加。
并且，在将无缝钢管用作中空原材料并制造一体成型式的中空驱动轴的情况下，要求不会产生因管端的缩径加工、滚轧成型加工而导致的裂纹。另外，为了提高驱动轴的性能，也要求通过冷加工后的热处理来硬化到钢管内表面的同时确保高韧性，且兼具有淬透性和韧性。
换言之，在用作一体成型式驱动轴用的最佳的冷加工无缝钢管中，需要满足以下所有条件：能够没有问题地获得复杂成型的冷加工性、通过适当的热处理而兼具淬透性和韧性及作为驱动轴的疲劳强度(扭转疲劳强度)。
发明内容
本发明是鉴于上述技术背景而完成的，其目的在于提供一种在扭矩疲劳特性中确保充分的强度、并且能够具备冷加工性、兼备淬透性和韧性的一体成型式驱动轴用无缝钢管及该一体成型式驱动轴用无缝钢管的低廉的制造方法，并且提供一种能够发挥良好的扭转疲劳特性、韧性的一体成型式驱动轴。
驱动轴是将汽车发动机的旋转轴扭矩传递给轮胎的零件，因此期望不会产生能够成为疲劳破坏的起点的缺陷。如上所述，在将无缝钢管作为中空驱动轴的原材料利用情况下，在拉伸缩径轧机等定径轧制装置中，不使用内表面限制工具而通过外径缩径轧制来加工中空管坯，因此在热轧后的钢管上容易产生纵条纹状的内表面褶皱。
通常，在传递旋转轴扭矩时，在驱动轴的外表面作用有大于内表面的剪切应力。因此，在驱动轴的内表面没有褶皱等缺陷的状态下，在内外表面的疲劳极限剪切应力都非常大的情况下，疲劳裂纹从所受的剪切应力大于内表面的剪切应力的外表面侧产生、成长。
另外，对于外表面侧，即使假设存在使疲劳强度出现问题的程度的缺陷的情况下，也容易进行外表面检查，因此容易应对。
因而，即使在内表面存在内表面褶皱的情况下，只要能够对内表面侧产生的内表面褶皱进行管理以使内表面侧的疲劳极限剪切应力不超过在外表面侧规定的剪切应力，则即使是残留于制造成中空构件的钢管内的内表面褶皱，也不会对驱动轴的疲劳寿命带来影响，在实际应用上不会成为问题。
从这种观点出发，本发明人对给驱动轴的疲劳寿命带来影响的、在冷加工后的钢管内残存的内表面褶皱的深度和扭转疲劳强度的关系进行了详细的调查，结果获知对于摩擦压接式驱动轴，需要将其内表面褶皱的深度设为0.20mm以下，首先提出了限定残留在内表面的内表面褶皱的深度的驱动轴用无缝钢管(如果需要请参照WO 2007/111258号公报)。
另外，在一体成型式驱动轴中，两端部上设有缩径部并在该缩径部进行壁厚化的加工，因此在该缩径加工过程中产生管内表面的褶皱深度明显增加这种问题。
图2是表示在无缝钢管的缩径加工中的内表面褶皱的初期深度与内径缩径率之间的关系的图。在图2中使用的样品管是冷拔为外径36mm、壁厚8.0mm的无缝钢管，对在缩径加工过程中残留于样品管的内表面的内表面褶皱的深度最大值的变化进行了调查。
在以下说明中，在表示内表面褶皱的深度的数值时，只要没有特别的说明则表示褶皱深度的最大值。另外，在将缩径加工前的内径设为ID、将缩径加工后的内径设为IDf的情况下，将内径缩径率(％)设为用下述(3)式定义的值。
内径缩径率＝{(ID-IDf)/ID}×100(％)    …(3)
在上述图2中，初期褶皱深度0.2mm的样品管是对管内表面施加深度0.2mm的人工缺陷的冷加工无缝钢管(内径缩径加工前的钢管内表面的最大褶皱深度为0.2mm)，在改变内径缩径率(％)而进行了内径缩径加工的情况下，可知缩径加工前的0.2mm的褶皱深度在内径缩径率为40％的情况下增加到0.32mm、在内径缩径率为61.9％的情况下增加到0.44mm。
同样地，初期褶皱深度0.1mm的样品管是对管内表面施加深度0.1mm的人工缺陷的冷加工无缝钢管，在改变内径缩径率(％)而进行了缩径加工的情况下，缩径加工前的管内表面最大深度为0.1mm，而在内径缩径率为61.9％的情况下增加到0.30mm。
换言之，在制造接合式驱动轴用无缝钢管的情况下，如上述本发明人的见解那样，即使作为残留于钢管内的内表面褶皱而允许0.2mm的深度，在一体成型式驱动轴用无缝钢管中，也需要预计在构件加工阶段中随着内径缩径的加工而使褶皱深度增加，从而需要对内表面褶皱的深度进行更严格的管理。
图3是例示一体成型式驱动轴的结构的图，左半部分的结构表示外观结构，右半部分表示剖面结构。在一体成型式驱动轴的两端设置有作为连接要素的花键7，并且加工有缩颈(Boots)部8。图3所示的缩径部9是通过锻造(swage)加工等来实施缩径加工的区域，设在驱动轴用钢管的两端部上。
图4是表示为了用于对上述图3所示那样的设置在一体成型式驱动轴的两端上的缩径部的疲劳特性进行评价而模拟了花键加工部的试样的概略形态的图。花键7加工部借助摩擦压接部11被两端的夹具10保持。本发明人使用图4所示对花键7加工部进行了模拟的试样来对扭转疲劳试验特性进行了模拟调查。
作为模拟调查的结果，只要是在使用由规定的化学组成构成的无缝钢管的情况下，通过对使缩径部壁厚化了的钢管构件的外表面实施了进行花键加工的扭转疲劳试验可辩明，只要缩径加工后的管内表面的最大褶皱深度在0.2mm以下，则不会从管内表面产生疲劳破坏，全部为来自外表面的疲劳破坏。
另外，在使用不满足规定的化学组成的无缝钢管的情况下，可知即使例如在缩径加工后的管内表面的最大褶皱深度为0.2mm以下，也无法确保满意的疲劳强度。
并且，根据模拟调查的结果，管内表面的最大褶皱深度如上述图2所示那样具有由于内径缩径率的增加而急剧增加的趋势，因此极力抑制内径缩径率对抑制内表面褶皱的深度是有效的。但是，为了确保驱动轴两端部的扭转刚性，需要缩径部的形成和壁厚化，在驱动轴两管端部需要至少30％的内径缩径率。
假设现实中对两个管端进行的缩径加工的内径缩径率通常为50％左右。根据这种现实性的假设，判断能够应用于一体成型式驱动轴的用途的无缝钢管的最大内表面褶皱深度需要在0.1mm以下。
并且，通过反复研究各种无缝钢管的制管条件，可知能够通过利用曼内斯曼制管法进行的穿孔轧制、延伸轧制之后的定型轧制中的孔型形态的调整和其后的利用冷拔进行的壁厚加工度的调整来达到作为在管内表面残留的内表面褶皱为0.1mm以下的深度。
本发明是根据上述见解而完成的，是一种下述(1)、(4)的一体成型式驱动轴用冷加工无缝钢管、(2)、(4)的驱动轴及(3)、(4)的一体成型式驱动轴用冷加工无缝钢管的制造方法。
(1)一种一体成型式驱动轴用冷加工无缝钢管，其特征在于，具有如下的化学组成：以质量％计，包含C：0.30～0.38％、Si：0.50％以下、Mn：0.30～2.00％、P：0.025％以下、S：0.005％以下、Cr：0.15～1.0％、Al：0.001～0.05％、Ti：0.005～0.05％、N：0.02％以下、B：0.0005～0.01％及O(氧)：0.0050％以下，剩余部分为Fe及杂质，由下述(1a)或者(1b)式来定义的Beff满足0.0001％以上，残留在与长度方向垂直的剖面上的内表面处的内表面褶皱的最大深度在0.10mm以下。
其中，将Ti、N及B设为含量％，在N-14×Ti/47.9≥0的情况下，
Beff＝B-10.8×(N-14×Ti/47.9)/14…(1a)
同样地，在N-14×Ti/47.9＜0的情况下，
Beff＝B                         …(1b)。
(2)一种驱动轴，其是实施对无缝钢管设置缩径部的缩径加工而一体地形成的，该驱动轴的特征在于，具有如下的化学组成：以质量％计，包含C：0.30～0.38％、Si：0.50％以下、Mn：0.30～2.00％、P：0.025％以下、S：0.005％以下、Cr：0.15～1.0％、Al：0.001～0.05％、Ti：0.005～0.05％、N：0.02％以下、B：0.0005～0.01％及O(氧)：0.0050％以下，剩余部分为Fe及杂质，由上述(1a)或者(1b)式来定义的Beff满足0.0001％以上，在进行上述缩径加工时，缩径部的至少一部分的加工度的内径缩径率为30％以上，上述缩径部的残留在与长度方向垂直的剖面上的内表面处的内表面最大褶皱深度为0.20mm以下。
(3)一种一体成型式驱动轴用冷加工无缝钢管的制造方法，该加工方法使用具有如下的化学组成的钢坯：以质量％计，包含C：0.30～0.38％、Si：0.50％以下、Mn：0.30～2.00％、P：0.025％以下、S：0.005％以下、Cr：0.15～1.0％、Al：0.001～0.05％、Ti：0.005～0.05％、N：0.02％以下、B：0.0005～0.01％及O(氧)：0.0050％以下，剩余部分为Fe及杂质，由上述(1a)或者(1b)式来定义的Beff满足0.0001％以上，其特征在于，使用上述钢坯而通过曼内斯曼制管法进行穿孔轧制，接着进行延伸轧制之后，在使用由至少具备两个孔型轧辊的多个轧机构成的定径轧制装置来进行定径轧制时，在上述各轧机中相互相邻的孔型轧辊的相向的边缘部绘制切线，在将各个切线所成角度β(度)中、全部轧机中的最小角度设为βmin(度)的情况下，使用满足下述(2)式的关系的孔型轧辊来轧制管坯，并且，在对上述管坯进行冷拔时，使该管坯的最小壁厚部处的壁厚加工度设为10％以上。
其中，在(2)式中，设为D：定径轧制后的管外径(mm)、t：定径轧制后的管壁厚(mm)及ln(x)：x的自然对数，
βmin≥1.13×10×ln(t/D×100)+1.37×102…(2)
在本发明的一体成型式驱动轴用冷加工无缝钢管的制造方法中，优选在冷拔后进行退火或者正火。
(4)作为上述(1)、(2)的化学组成，另外作为在上述(3)的制造方法中使用的钢坯组成，优选代替Fe的一部分，还含有下述的(a)～(c)的组中选择的一组或者两组以上的元素。
(a)Cu：1％以下、Ni：1％以下及Mo：1％以下中选择的一种或者两种以上
(b)V：0.1％以下、Nb：0.1％以下及Zr：0.1％以下中选择的一种或者两种以上
(c)Ca：0.01％以下、Mg：0.01％以下及稀土类元素(REM)：0.01％以下中选择的一种或者两种以上
根据本发明的一体成型式驱动轴用冷加工无缝钢管，通过利用曼内斯曼制管法使用热轧后的钢坯实施冷拔，从而不特别实施管内表面的磨削等切削加工，就能够制造具备良好的扭转疲劳特性、冷加工特性的同时能够兼备淬透性和韧性的、并具有可靠性的一体成型式驱动轴，能够有助于其制造工序的合理化，并且有助于提高汽车用驱动轴的轻量化、静音性。
因而，通过应用本发明的制造方法，能够以低廉的制造成本且高效率地制造汽车用驱动轴，因此工业性效果较大，并能够广泛应用。
附图说明
图1是说明利用热加工来制造无缝钢管的曼内斯曼制管法的制造工序的一例的图。
图2是表示无缝钢管的缩径加工中的内表面褶皱的初期深度与内径缩径率之间的关系的图。
图3是例示一体成型式驱动轴的结构的图，左半部分的结构表示外观结构，右半部分表示剖面结构。
图4是表示为了用于对设置在一体成型式驱动轴的两端上的缩径部的疲劳特性进行评价而模拟了花键加工部的试样的概略方式的图。
图5是表示用于3辊式的拉伸缩径轧机的轧辊中的孔型形状的图。
图6是说明为了限定使用于本发明的孔型轧辊而在边缘部绘制的切线的所成角度的算出要领的图。
图7是表示用于拉伸缩径轧机的其它轧辊中的局部孔型轮廓的图。
图8是表示供于实施例2中使用的扭转疲劳试验的试样的花键加工形状的剖面图。
具体实施方式
分项说明本发明的一体成型式驱动轴用冷加工无缝钢管为了发挥上述特征所需的钢组成及制造条件。在下面的说明中，以“质量％”来表示钢的化学组成。
1.钢组成
C：0.30～0.38％
C是增加钢的强度并提高抗疲劳强度的元素，具有使韧性下降、提高淬裂敏感性的作用。当其含量不足0.30％时，无法得到充分的强度。另一方面，当含量超过0.38％时，使冷加工性和韧性下降，并且有可能在作为需求者的工序的高频淬火阶段产生淬裂。
Si：0.50％以下
Si是作为脱氧剂所需的元素。但是，当其含量超过0.5％时无法确保冷加工性，因此设为0.5％以下。Si含量越少冷加工性越提高。因而，为了也能够与更苛刻的冷加工对应，优选将Si含量设为在0.22％以下，并且在进行较大的加工的情况下，更优选设在0.14％以下。
Mn：0.30～2.00％
Mn是确保热处理时的淬透性并有效于改进强度和韧性的元素。为了发挥其效果在整个全部壁厚上充分硬化到内表面为止，需要将Mn含量设为0.3％以上。另一方面，当Mn含量超过2.0％时，冷加工性下降。因此，将Mn含量设为0.3～2.0％。另外，为了以良好的平衡来确保淬透性和冷加工性，优选将Mn含量设为1.1～1.7％，更优选设为1.2～1.4％。
P：0.025％以下
P作为杂质被包含在钢中，凝固时在最终凝固位置附近变浓，并且在晶界偏析而使热加工性、韧性及疲劳强度下降。当P含量超过0.025％时，由晶界偏析引起的韧性下降较明显，引起晶界破坏并使扭转疲劳强度变得不稳定。为了以高水平保持驱动轴的韧性和疲劳强度，优选P含量在0.009％以下。
S：0.005％以下
S作为杂质被包含在钢中，在凝固时在晶界偏析，使热加工性和韧性下降，并且在采用无缝钢管作为中空轴原材料时，特别是使冷加工性和扭转疲劳强度下降。因此为了确保使用于驱动轴的中空轴原材料的无缝钢管所需的冷加工性及热处理后的扭转疲劳强度，需要S含量在0.005％以下。
Cr：0.15～1.0％
Cr是不太使冷加工性下降而提高疲劳强度的元素，与B同样地也是对于提高淬透性有效的元素。因而，将Cr含量设为0.15％以上，以确保规定的疲劳强度。另一方面，当Cr含量超过1.0％时，冷加工性的下降较明显。因此，将Cr含量设为0.15～1.0％。
并且，为了以良好的平衡确保疲劳强度、冷加工性及淬透性，优选将Cr含量设为0.2～0.8％，更优选设为0.3～0.6％。
Al：0.001～0.05％
Al是作为脱氧剂起作用的元素。为了获得作为脱氧剂的效果，需要含量在0.001％以上，但是当其含量超过0.05％时，氧化铝系夹杂物增加而使疲劳强度下降，并且使切削面的表面性状下降。因此，将Al含量设为0.001～0.05％。并且，为了确保稳定的表面品质，优选Al含量为0.001～0.03％。
关于以下Ti、N及B，为了确保钢的淬透性，分别限定元素含量，并且需要满足限定相互的含量平衡的条件式。
Ti：0.005～0.05％
Ti具有作为TiN固定钢中的N的作用。但是，在Ti含量不足0.005％时，无法充分发挥固定N的能力，另一方面，当超过0.05％时，钢的冷加工性及韧性下降。因此，将Ti含量设为0.005～0.05％。
N：0.02％以下
N是使韧性下降的元素，在钢中容易与B相结合。当N含量超过0.02％时，冷加工性及韧性明显下降，因此将其含量设为0.02％以下。从提高冷加工性及韧性的观点出发，优选在0.01％以下，更优选在0.007％以下。
B：0.0005～0.01％
B是提高淬透性的元素。在其含量不足0.0005％时，淬透性不足，另一方面，当含量超过0.01％时，冷加工性及韧性下降。因此，将B含量设为0.0005～0.01％。
并且，以B提高淬透性作为前提，用以下(1a)或者(1b)式来规定的Beff需要满足0.0001以上。
即，在N-14×Ti/47.9≥0的情况下，
Beff＝B-10.8×(N-14×Ti/47.9)/14    …(1a)
同样地，在N-14×Ti/47.9＜0的情况下，
Beff＝B                             …(1b)。
为了使B发挥提高淬透性的能力，需要消除钢中的N的影响。B容易与N相结合，当钢中存在自由的N时，与N相结合而生成BN，无法发挥B所具备的提高淬透性的作用。因此，根据N含量来添加Ti，固定为TiN，由此为了使B存在于钢中并有效作用于淬透性，需要用上述(1a)或者(1b)式规定的Beff满足为0.0001以上。
另外，Beff的值越大淬透性越提高，因此优选Beff满足0.0005以上，更优选Beff满足0.001以上。
O(氧)：0.0050％以下
O是使韧性及疲劳强度下降的杂质。当O含量超过0.0050％时，韧性及疲劳强度明显下降，因此规定为0.0050％以下。
并且，关于本发明的一体成型式驱动轴用冷加工无缝钢管，除了抗疲劳强度以外，为了改进各种特性，除了上述钢组成以外，可以含有Cu：1％以下、Ni：1％以下、Mo：1％以下、V：0.1％以下、Nb：0.1％以下、Zr：0.1％、Ca：0.01％以下、Mg：0.01％以下及稀土类元素(REM)：0.01％以下中的一种或者两种以上。
Cu：1％以下、Ni：1％以下、Mo：1％以下
Cu、Ni及Mo都是提高淬透性而提高钢的强度、提高疲劳强度较有效的元素。在欲得到这些效果的情况下，可以使钢含有一种或者两种以上。为了得到上述效果，在Cu、Ni及Mo的任一种元素的情况下，优选使其含有0.05％以上。但是，当其含量超过1％时，冷加工性明显下降。因此，在含有它们的情况下，Ni、Mo及Cu的任一种的情况下都将上限设为1％。
V：0.1％以下、Nb：0.1％以下及Zr：0.1％以下
V、Nb及Zr都是形成碳化物、通过防止晶粒粗大化来提高韧性较有效的元素。因而，在提高钢的韧性的情况下，能够使含有其中的任一种或者两种以上。为了获得上述效果，在V、Nb及Zr的任一种元素的情况下，优选使含有0.005％以上。但是，当任一种的含量超过0.1％时，生成粗大的析出物，反而使韧性下降。因此，在含有它们的情况下，将V、Nb及Zr的含量的上限设为0.1％。
Ca：0.01％以下、Mg：0.01％以下及REM(稀土类元素)：0.01％以下
Ca、Mg及REM是有助于提高冷加工性及扭转疲劳强度的元素。在欲获得这些效果的情况下，可以含有任一种或者两种。对于Ca、Mg及REM中的任一种元素，其含量为0.0005％以上则能获得明显的效果。但是，当任一种的含量超过0.01％时，生成粗大的夹杂物，反而使疲劳强度下降。因此，在含有它们的情况下，优选将Ca、Mg及REM的含量都设为0.0005～0.01％。
2.制造条件
2-1.热加工工序中的制造条件
如上述图1所示那样，作为本发明的一体成型式驱动轴用冷加工钢管的制造方法的一例，能够举出使用芯棒式无缝管轧机及拉伸缩径轧机的曼内斯曼制管法。此时，在拉伸缩径轧机的定径轧制中，适当地提高所轧制的管内表面的圆度，抑制轧制过程中的内表面形状的多角化，能够有效抑制内表面褶皱的产生及发展。
具体地说，在进行穿孔轧制之后接着进行延伸轧制后，在使用由多个轧机构成的拉伸缩径轧机等定径轧制装置来进行定径轧时，在上述各轧机中相互相邻的孔型轧辊的相向的边缘部绘制切线，在将各个切线所成的角度β(度)中、全部轧机中最小的角度设为βmin(度)的情况下，需要使用满足以下(2)式的孔型轧辊。
此时，设为D：定径轧制后的管外径(mm)、t：定径轧制后的管壁厚(mm)及ln(x)：x的自然对数。
βmin≥1.13×10×ln(t/D×100)+1.37×102…(2)
图5是表示使用于3辊式的拉伸缩径轧机的轧辊中的孔型形状的图。配置在拉伸缩径轧机上的孔型轧辊6r的孔型形状具有从偏移(偏移量S)到位于轧制线的孔型中心O的外侧的孔型中心O’起半径R的圆弧，构成孔型轮廓PR使得该圆弧与轧辊6r的凸缘侧壁面F直接交叉。并且，轧辊6r的边缘部E成为孔型轮廓PR的端部，相当于上述半径R的圆弧的端部。
如上所述，在利用拉伸缩径轧机进行定径轧制时，被轧制管的在相当于轧辊边缘部的位置产生内表面褶皱，因此适当地设计孔型轮廓，并且由于在边缘部相当位置上的管的内表面的曲率半径、平均内半径(短径与长径的平均值)及内表面褶皱的深度之间存在一定的关系，因此只要如上述(2)式所示那样相对于t/D将角度β设定为规定值即可。
图6是说明为了限定使用于本发明的孔型轧辊而在边缘部绘制的切线的所成角度的算出要领的图。首先，在被配置在拉伸缩径轧机的各轧机上的轧辊6ra的边缘部Ea上绘制切线(边缘部Ea附近的孔型轮廓的切线)La，在与轧辊6ra相邻的轧辊6rb的边缘部中，在与边缘部Ea相向的边缘部Eb上绘制切线(边缘部Eb附近的孔型轮廓的切线)Lb，并算出两个切线La、Lb所形成的角度β。
接着，将分别算出的角度β中在全部轧机中成为最小的角度设为βmin，以满足上述(2)式的方式设定孔型轧辊6r的孔型轮廓即可。如果使用上述那样进行设定的轧辊6r的拉伸缩径轧机进行定径轧制，则能够抑制被轧制管内产生内表面褶皱，即使在产生内表面褶皱的情况下，也能够有效抑制其发展。
图7是表示使用于拉伸缩径轧机的其它轧辊中的局部孔型轮廓的图。本发明中对象的轧辊6r的孔型轮廓并不限于上述图5及图6，如图7的(a)所示那样，作为孔型轧辊6r的孔型轮廓PR，还能够采用由半径不同的多个圆弧构成并与凸缘侧壁面F直接交叉的形状。在这种情况下，孔型轧辊6r的边缘部E相当于最靠凸缘侧的圆弧(半径Rn)的端部。
并且，如图7的(b)、(c)所示，还能够采用在孔型轮廓PR与孔型轧辊6r的凸缘侧壁面F之间设置由圆弧构成的“避让面”、由直线构成的“避让面”的形状的情况。在这种情况下，孔型轧辊6r的边缘部E相当于构成孔型轮廓PR的圆弧的端部(最靠凸缘侧的圆弧的端部)。
2-2.冷加工工序的制造条件
如上所述，利用拉伸缩径轧机进行定径轧制后的管坯随着外径缩径轧制从2～4方向受到轧辊的压下，因此有时在轧辊的边缘部相当位置上产生内表面褶皱，或者产生棱角。特别是，在没有使用满足上述(2)式的孔型轧辊的情况下，内表面褶皱、棱角的产生变得明显。
在本发明的驱动轴用冷加工钢管中，在通过热轧来制造管坯之后，实施冷拔加工，由此不仅抑制内表面褶皱的助长，还能够改进所产生的棱角。并且，还能够谋求作为产品的钢管的内外表面整体的平滑化。
在本发明中所应用的冷拔加工只要进行芯棒(顶头)牵拉，则可以使用圆筒顶头及SF顶头(半浮式芯棒)中的任一个。
在本发明中所应用的冷拔加工中，不特别限定截面减少率、平均壁厚加工度，但是需要将热加工制管后的钢管的圆周方向最小壁厚部处的冷拔阶段中的壁厚加工度确保在10％以上。
如上所述，热轧后的钢管的内表面形状不是正圆而是棱角、多角形化，因此壁厚不均等也相互起作用，在该钢管的最小壁厚部(棱角底部)处，无法确保规定的壁厚加工度而具有助长内表面褶皱的趋势。但是，通过将上述最小壁厚部处的冷拔阶段中的壁厚加工度确保在10％以上，能够抑制内表面褶皱的助长，通过与满足上述(2)式的关系的定径轧制之间的组合，能够将钢管内表面的最大褶皱深度抑制在0.1mm以下。
并且，优选对冷拔后的钢管进行退火或者正火的热处理。这是由于，在加工一体成型式驱动轴时，容易在两端部进行缩径加工。优选在进行正火处理的情况下为850℃～950℃、在进行退火处理的情况下为680℃～720℃的温度范围内进行热处理。
2-3.对一体成型式驱动轴的加工
上述图3为一体成型式驱动轴的概略形状。关于一体成型式驱动轴的制作，根据本发明的制管方法来制作冷加工无缝钢管，其后，在抑制了钢管内表面最大褶皱深度的钢管的两端部通过锻造加工等来设置缩径部，进行壁厚化加工。将缩径加工中的内径缩径率设为至少30％以上。如果内径缩径率不足30％，则在管端部无法确保充分的扭转刚性。
另外，如图2所示，如果内径缩径率不足30％，伴随缩径加工的管内表面的褶皱深度不会明显增加，因此在冷加工的状态下，不一定要求内表面褶皱深度在0.1mm以下。因此，对于本申请的发明的一体成型式驱动轴，缩径加工部的至少一部分的内径缩径率在30％以上。
对于内径缩径率的上限不进行特别限定，但是当超过60％时，只要冷拔后的管内表面褶皱深度不是相当小，就难以将残留在缩径部的管内表面的最大褶皱深度抑制在0.2mm以下。因此，优选内径缩径率的上限为60％，更优选为52％以下。
如上述图3所示，在驱动轴的两端部进行作为连接要素的花键加工等必要的加工。为了确保必要的机械特性，优选进行高频淬火、退火。通过该淬火退火，能够确保硬度Hv：550～595。但是，当硬度超过Hv600时疲劳特性有可能下降。
[实施例]
实施例1
在实施例中，使用具有表1所示的化学组成的钢坯。然后，如表2的热加工制管一栏所示，通过普通的曼内斯曼芯棒式无缝管轧机加工进行穿孔轧制，改变3辊式拉伸缩径轧机的孔型形状(孔型轧辊的最小凸缘接触角βmin)，制造外径45.0mm、壁厚7.0～7.4mm的冷拔用的管坯。
[表1]
Figure A20088001115500241
此时，测量管圆周方向的最小壁厚及所产生的内表面褶皱的深度。在表2的热加工制管一栏中还表示此时的热加工制管工序中的加工条件(除了拉伸缩径轧机的轧辊条件以外)和最小壁厚及内表面褶皱深度的测量结果。
对上述冷拔用管坯进行冷拔，最终加工成外径36.0mm、壁厚6.2mm的成品，其后，作为最终热处理实施正火(在870℃中均热5min)，制造冷加工无缝钢管。
在表2的冷拔一栏中表示冷拔后的成品尺寸、截面减少率、平均壁厚加工度、最小壁厚部的壁厚加工度、内表面褶皱深度及冷拔后的维氏硬度。在此，在将冷拔加工前的剖面面积设为A、将冷拔加工后的剖面面积设为Af的情况下，截面减少率是用以下(4)式来定义的值。
截面减少率＝{(A-Af)/A}×100(％)    …(4)
另外，在将冷拔加工前的壁厚设为T、将冷拔加工后的壁厚设为Tf的情况下，壁厚加工度是用以下(5)式来定义的值。
壁厚加工度＝{(T-Tf)/T}×100(％)    …(5)
为了评价上述冷加工无缝钢管的作为一体成型式驱动轴的疲劳特性，将上述钢管切断成管端的缩径加工用，实施内径缩径率32.6％、50％及61.9％的轴缩径加工。在表2中表示缩径加工的条件及缩径加工后的褶皱深度的测量结果。此外，在与钢管的长度方向垂直的剖面上，从管端采集微观察用的试样，通过内表面全周的微观察来进行内表面褶皱测量深度。
[表2]
Figure A20088001115500261
注释)在表中附标＊的部分表示脱离本发明中规定的范围。
表2中的样品材料A～C的结果表示以下情况：在拉伸缩径轧机的定径轧制阶段中使用本申请中限定的孔型形状辊，将冷拔时的管坯的最小壁厚部的壁厚加工度设为10％以上，由此能够将冷加工状态下的内表面褶皱深度抑制在0.1mm以下。
然后，样品材料A及B将缩径加工时的内径缩径率设为32.9％及50％，能够将缩径后的最大褶皱深度抑制为0.12mm及0.16mm。但是，缩径加工时的内径缩径率为61.9％的样品材料C，缩径后的内表面褶皱深度增加到0.30mm。
在表2中，关于样品材料D、E，在使用偏离本发明中规定的范围的拉伸缩径轧机的定径轧制阶段中的孔型形状辊，使冷拔时的管坯的最小壁厚部的壁厚加工度为10％以上的情况下，热加工制管后的褶皱深度已经大到0.14mm，冷拔后增加到0.17mm，缩径加工时的内径缩径率不论在50％的情况下还是61.9％的情况下，结果是缩径加工后的内表面褶皱都大大超过0.20mm。
在表2中，关于样品材料F、G，拉伸缩径轧机的定径轧制阶段中使用本发明中限定的孔型形状的辊，使冷拔时的管坯的最小壁厚部的壁厚加工度为6.1％。在这种情况下，尽管热加工制管后的内表面褶皱深度为0.05mm，冷拔后也增加到0.13mm，缩径加工后，不论是内径缩径率为50％的情况下还是内径缩径率为61.9％的情况下，结果是，缩径加工后的内表面褶皱都大大超过0.20mm。
在表2中，关于样品材料H、I，在拉伸缩径轧机的定径轧制阶段中使用本发明中限定的孔型形状的辊，使冷拔时的管坯的最小壁厚部的壁厚加工度设为12.7％。在这种情况下，能够将热加工制管后的内表面褶皱深度抑制为0.02mm，将冷拔后也抑制为0.03mm，缩径加工后，甚至内径缩径率在61.9％的情况下，也能够将内表面褶皱深度抑制为0.07mm。
实施例2
使用实施例1中进行缩径加工后的样品材料A～I，实施扭转疲劳试验。如上述图4所示，关于实施缩径加工的样品材料，对试样的长度中央部从冷拔后的外径切削掉3.5mm(将壁厚减少1.75mm)，形成150mm长度的平行部，通过切削加工在该部分形成花键，作为用于模拟一体成型式驱动轴的花键加工部的试样。
图8是表示供给在实施例2中使用的扭转疲劳试验的试样的花键加工形状的剖面图。花键加工部的齿数因上述外径切削后的外径的不同而有些不同，但是在25～31的范围内，使凹部的深度为0.98mm，使凹部底的曲率半径为0.4mm，凹部的壁面的倾斜角度设为25度(°)。
在对这样得到的一体成型式驱动轴的两端部的缩径加工后的状态进行模拟的试样中，在实施高频淬火(920℃整体淬火)及(150℃×3Hr)的热处理之后，在最大剪切应力τ＝427N/mm2(脉动)的条件下，实施扭转疲劳试验，对直到断裂为止的重复数(次)进行了测量和利用电子显微镜对破坏起点部进行断面观察。
表3表示扭转疲劳试验的结果。此时的合格的判断基准为重复数在30万次以上，并且破坏以外表面为起点，在满足该判断基准的情况下评价为O，在未满足的情况下评价为×。
[表3]
  样品材料   缩径加工后的褶皱深度(mm)   重复数(次)   断裂位置   评价   备注
  A   0.12   332876   外表面侧起点   ○   本发明示例
  B   0.16   329585   外表面侧起点   ○   本发明示例
  C   ＊0.30   287394   内表面褶皱部起点   ×   比较例
  D   ＊0.27   313274   内表面褶皱部起点   ×   比较例
  E   ＊0.36   253734   内表面褶皱部起点   ×   比较例
  F   ＊0.24   323789   内表面褶皱部起点   ×   比较例
  G   ＊0.34   265739   内表面褶皱部起点   ×   比较例
  H   0.04   328794   外表面侧起点   ○   本发明示例
  I   0.07   335408   外表面侧起点   ○   本发明示例
注释)最大剪切应力τ为427N/mm2(脉动)的条件。
在表中附标＊的部分表示脱离本发明中规定的范围。
根据表3示出的结果可知，在内径缩径加工后的内表面褶皱深度超过0.20mm的情况下(样品材料C～G)，以内表面褶皱为起点产生疲劳破坏，内表面褶皱的存在成为缩径加工后的扭转疲劳特性的障碍。
与此相对，在将缩径加工后的内表面褶皱深度控制在0.20mm以下的情况下(样品材料A、B、H及I)，结果成为以外表面的花键加工部为起点的破坏，直到断裂为止的重复数也超过30万次。根据这些结果，能够确认对于一体成型式驱动轴的内径缩径部的扭转疲劳而言，缩径部中的内表面褶皱的允许深度为0.20mm。
产业上的可利用性
本发明的一体成型式驱动轴用冷加工无缝钢管利用曼内斯曼制管法使用热轧的管坯实施冷拔，由此能够抑制管内表面残留的褶皱深度，作为两端部设置缩径部的一体成型式汽车用驱动轴也能够确保良好的疲劳特性，能够作为轻量化、静音性最佳的中空构件而使用。由此，通过应用本发明的制造方法，能够以低廉的成本且高效率地制造汽车用驱动轴，因此工业性效果较大，并能够广泛应用。

Claims (7)

1.一种一体成型式驱动轴用冷加工无缝钢管，其特征在于，
具有如下的化学组成：以质量％计，包含C：0.30～0.38％、Si：0.50％以下、Mn：0.30～2.00％、P：0.025％以下、S：0.005％以下、Cr：0.15～1.0％、Al：0.001～0.05％、Ti：0.005～0.05％、N：0.02％以下、B：0.0005～0.01％及O(氧)：0.0050％以下，剩余部分为Fe及杂质，
由下述(1a)或者(1b)式定义的Beff满足0.0001％以上；
残留在与长度方向垂直的剖面上的内表面处的内表面褶皱的最大深度在0.10m m以下，
其中，将Ti、N及B设为含量％，在N-14×Ti/47.9≥0的情况下，
Beff＝B-10.8×(N-14×Ti/47.9)/14…(1a)
同样地，在N-14×Ti/47.9＜0的情况下，
Beff＝B    …(1b)。
2.根据权利要求1所述的-体成型式驱动轴用冷加工无缝钢管，其中，
代替Fe的一部分，还含有下述(a)～(c)的组中选择的一组或者两组以上的元素，
(a)Cu：1％以下、Ni：1％以下及Mo：1％以下中选择的一种或者两种以上，
(b)V：0.1％以下、Nb：0.1％以下及Zr：0.1％以下中选择的一种或者两种以上，
(c)Ca：0.01％以下、Mg：0.01％以下及稀土类元素(REM)：0.01％以下中选择的一种或者两种以上。
3.一种驱动轴，其是实施对无缝钢管设置缩径部的缩径加工而一体地形成的，其特征在于，
具有如下的化学组成：以质量％计，包含C：0.30～0.38％、Si：0.50％以下、Mn：0.30～2.00％、P：0.025％以下、S：0.005％以下、Cr：0.15～1.0％、Al：0.001～0.05％、Ti：0.005～0.05％、N：0.02％以下、B：0.0005～0.01％及O(氧)：0.0050％以下，剩余部分为Fe及杂质，
由下述(1a)或者(1b)式来定义的Beff满足0.0001％以上；
在进行上述缩径加工时，缩径部的至少一部分的加工度以内径缩径率计为30％以上，上述缩径部的残留在与长度方向垂直的剖面上的内表面处的内表面最大褶皱深度为0.20mm以下，
其中，将Ti、N及B设为含量％，在N-14×Ti/47.9≥0的情况下，
Beff＝B-10.8×(N-14×Ti/47.9)/14…(1a)
同样地，在N-14×Ti/47.9＜0的情况下，
Beff＝B    …(1b)。
4.根据权利要求3所述的驱动轴，其中，
代替Fe的一部分，还含有下面的(a)～(c)的组中选择的一组或者两组以上的元素，
(a)Cu：1％以下、Ni：1％以下及Mo：1％以下中选择的一种或者两种以上，
(b)V：0.1％以下、Nb：0.1％以下及Zr：0.1％以下中选择的一种或者两种以上，
(c)Ca：0.01％以下、Mg：0.01％以下及稀土类元素(REM)：0.01％以下中选择的一种或者两种以上。
5.一种一体成型式驱动轴用冷加工无缝钢管的制造方法，该加工方法使用具有如下的化学组成的钢坯：以质量％计，包含C：0.30～0.38％、Si：0.50％以下、Mn：0.30～2.00％、P：0.025％以下、S：0.005％以下、Cr：0.15～1.0％、Al：0.001～0.05％、Ti：0.005～0.05％、N：0.02％以下、B：0.0005～0.01％及O(氧)：0.0050％以下，剩余部分为Fe及杂质，由用下述(1a)或者(1b)式来定义的Beff满足0.0001％以上，其特征在于，
使用上述钢坯而通过曼内斯曼制管法进行穿孔轧制，接着进行延伸轧制之后，在使用由至少具备两个孔型轧辊的多个轧机构成的定径轧制装置来进行定径轧制时，在上述各轧机中相互相邻的孔型轧辊的相向的边缘部绘制切线，在将各个切线所成后角度β(度)中、全部轧机中的最小角度设为βmin(度)的情况下，使用满足下述(2)式的关系的孔型轧辊来轧制管坯，
并且，在对上述管坯进行冷拔时，将该管坯的最小壁厚部处的壁厚加工度设为10％以上；
其中，在(1a)及(1b)式中，将Ti、N及B设为含量％，
在N-14×Ti/47.9≥0的情况下，
Beff＝B-10.8×(N-14×Ti/47.9)/14…(1a)
同样地，在N-14×Ti/47.9＜0的情况下，
Beff＝B    …(1b)
其中，在(2)式中，设为D：定径轧制后的管外径(mm)、t：定径轧制后的管壁厚(mm)及ln(x)：x的自然对数，
βmin≥1.13×10×ln(t/D×100)+1.37×102…(2)。
6.根据权利要求5所述的一体成型式驱动轴用冷加工无缝钢管的制造方法，其中，
代替Fe的一部分，上述钢坯的化学组成还含有下面的(a)～(c)的组中选择的一组或者两组以上的元素，
(a)Cu：1％以下、Ni：1％以下及Mo：1％以下中选择的一种或者两种以上，
(b)V：0.1％以下、Nb：0.1％以下及Zr：0.1％以下中选择的一种或者两种以上，
(c)Ca：0.01％以下、Mg：0.01％以下及稀土类元素(REM)：0.01％以下中选择的一种或者两种以上。
7.根据权利要求5或者6所述的一体成型式驱动轴用冷加工无缝钢管的制造方法，其特征在于，
在上述冷拔之后进行退火或者正火。
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