JP2003253394A - 機械構造軸部品用鋼材及びそれを用いた機械構造軸部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ねじりや曲げに対する疲労強度をより向上さ
せ、ひいては重負荷条件でも十分な耐久性を確保できる
機械構造軸部品用鋼材と、それを用いた機械構造軸部品
とを提供する。 【解決手段】 Ｆｅ含有率が９５質量％以上であり、か
つ、必須添加元素として、０．４５〜０．５８質量％の
Ｃ、０．０２〜０．１５質量％のＳｉ、０．２〜０．５
質量％のＭｎ、０．００５〜０．０１５質量％のＰ、
０．００５〜０．０１５質量％のＳ（ただし、ＰとＳと
の合計含有量が０．０２５質量％以下）、０．１〜０．
３質量％のＣｒ、０．０２〜０．５質量％のＭｏ、０．
００２〜０．０５質量％のＡｌ及び０．０００５〜０．
００３質量％のＢを含有する鋼材を使用する。該鋼材を
用いて、軸状に形成され、かつ、表層部に高周波焼入れ
による焼入れ硬化層が形成されてなる機械構造軸部品１
２を構成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車用のドライ
ブシャフトなど、ねじり負荷に対する高耐久性が要求さ
れる機械構造軸部品に使用される鋼材と、それを用いた
機械構造軸部品とに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】機械構造用軸部品、例えば等速ジョイン
ト用アウターレース型ドライビングシャフトをはじめと
する自動車用のドライビングシャフトなどの動力用軸部
品は、大きなねじり負荷と曲げ負荷とが繰り返し作用す
る環境下で使用されるため、静的強度と疲労強度とに優
れていることが要求される。従来、こうした軸部品は、
鋼材を熱間、温間あるいは冷間での加工（たとえば鍛造
加工）により、所望の軸形状に成型された後、高周波焼
入れにより表面に焼入れ硬化層を形成し、疲労強度を高
めることが行われている。鋼材としては、例えばＣを
０．４〜０．６質量％含有する中炭素鋼が一般的に使用
されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、鋼材の強度
は、一般的には硬さが大きくなるほど高くなる傾向にあ
る。ねじりや曲げに対する疲労強度を十分に高めるため
には、鋼材表層部の硬さをより大きくしなければならな
い。しかし、高周波焼入れを施して用いられる鋼材の場
合、硬さを過度に増大させることは、粒界破壊を生じや
すくなるため切欠脆性の感受性を高めることにつなが
り、思ったほど強度が向上しない問題がある。この問題
を解決するために、鋼材に少量のＢを添加して粒界強化
を行い、強度改善を図ることも行われているが、部品に
対する高強度化の要求はますます高まっており、該方法
での強度改善は既に限界に達している状況である。

【０００４】本発明は、ねじりや曲げに対する疲労強度
をより向上させ、ひいては重負荷条件でも十分な耐久性
を確保できる機械構造軸部品用鋼材と、それを用いた機
械構造軸部品とを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】上記の課
題を解決するために、本発明の機械構造軸部品用鋼材
は、Ｆｅ含有率が９５質量％以上であり、かつ、必須添
加元素として、０．４５〜０．５８質量％のＣ、０．０
２〜０．１５質量％のＳｉ、０．２〜０．５質量％のＭ
ｎ、０．００５〜０．０１５質量％のＰ、０．００５〜
０．０１５質量％のＳ（ただし、ＰとＳとの合計含有量
が０．０２５質量％以下）、０．１〜０．３質量％のＣ
ｒ、０．０２〜０．５質量％のＭｏ、０．００２〜０．
０５質量％のＡｌ及び０．０００５〜０．００３質量％
のＢを含有することを特徴とする。

【０００６】また、本発明の機械構造軸部品は、上記本
発明のの鋼材により軸状に形成され、かつ、表層部に高
周波焼入れによる焼入れ硬化層が形成されてなることを
特徴とする。

【０００７】軸部品にねじり負荷を加えたとき、軸半径
方向において表面に近づくほど、部品に作用する剪断応
力は高く作用する。従って、軸部品に高い耐久性を付与
するためには、剪断応力が強く作用する表層部の焼入れ
硬さを大きくし、かつ焼入れ深さもある程度深くするこ
とが有効である。しかし、従来使用されていた鋼材は、
Ｂ添加等を行っても焼入れ組織の粒界強度が必ずしも十
分に向上せず、耐久性の顕著な向上は望むべくもなかっ
た。

【０００８】本発明においては、軸部品を構成する鋼材
に対し、従来のＢ添加に加え、一定量のＭｏ添加と、Ｐ
及びＳの含有量抑制とを行うことにより、焼入れ硬化層
の粒界強度を従来の限界を破って向上させることに成功
し、ひいては、さらに厳しさを増す耐久性要求にも十分
応じることが可能な軸部品を実現するに至ったのであ
る。

【０００９】なお、本発明の機械構造軸部品に形成する
焼入れ硬化層は、高周波焼入れの後、２００〜３５０℃
にて２０〜６０秒保持した後、水冷する短時間焼き戻し
処理を行うことにより、焼入れ硬化層の靭性が高めら
れ、疲労耐久性がより向上する。焼き戻し温度が低すぎ
る場合、あるいは焼き戻し保持時間が短すぎる場合は、
靭性向上効果に乏しく、焼き戻し温度が高すぎるか焼き
戻し保持時間が長くなりすぎると、焼入れ硬化層の硬さ
が減少しすぎて、強度を十分に確保することができなく
なる。

【００１０】以下、本発明の機械構造軸部品用鋼材にお
ける各成分の組成限定理由について説明する。まず、Ｃ
は材料の強度確保のために必須の元素である。その含有
率が０．４５質量％未満では、部品強度維持に必要な硬
さの焼入れ硬化層を形成することが不可能となる。他
方、０．５８質量％を超えると材料の被削性が劣化し、
高周波焼入れ時の焼き割れも発生しやすくなる。

【００１１】Ｓｉは脱酸剤として添加されるものである
が、粒界強化あるいは軟化抵抗改善元素としても機能
し、強度向上、特に焼入れ硬化層の強度向+上に寄与す
る。ただし、その含有率が０．０２質量％未満では脱酸
効果あるいは強度向上効果が少なく、０．１５質量％を
超えると冷間加工性や被削性が損なわれることにつなが
る。

【００１２】Ｍｎは、粒界強度を落とすＳをＭｎＳの形
で固定する脱粒元素として機能するほか、焼入れ性を向
上させる働きを有する。その結果、強度の高い焼入れ硬
化層を安定的に形成することに寄与する。しかし、含有
率が０．２質量％未満では効果に乏しく、０．５質量％
を超えると冷間加工性や被削性が損なわれることにつな
がる。

【００１３】Ｐ及びＳは、粒界強度を低下させる元素で
あり、本発明においてはその含有量を各々単独では０．
０１５質量％以下、両元素の合計含有量においては０．
０２５質量％以下に制限することにより、強度向上（特
に焼入れ硬化層）を図ることができる。ただし、Ｐ及び
Ｓを各々０．００５質量％未満に減少させても、強度向
上効果は飽和し、また材料コストの高騰にもつながる。

【００１４】Ｃｒは材料の、マルテンサイト相の靭性を
向上させ、焼入れ硬化層の硬さと靭性、ひいては強度の
向上に寄与する。また、軟化抵抗改善元素としても機能
する。しかし、含有量が０．１質量％未満では効果に乏
しく、０．３質量％を超えると材料の被削性を低下させ
ることにつながる。

【００１５】Ｍｏは、適量添加された場合に、焼入れ硬
化層に焼き戻し処理を行ったとき、粒界に析出する炭化
物（特にセメンタイト）を微細化して、粒界強度を大幅
に向上させるので、強度向上効果、特に焼入れ硬化層の
強度向上効果が非常に顕著である。また、マルテンサイ
ト相の靭性を向上させ、さらには軟化抵抗改善元素とし
ても機能する。しかし、含有量が０．０２質量％未満で
は効果に乏しく、０．５質量％を超えると材料の被削性
を低下させることにつながる。

【００１６】Ａｌは脱酸剤として機能するほか、鋼材中
のＮと結合してＡｌＮを析出させるので、結晶粒粗大化
ひいてはそれによる強度あるいは靭性低下を抑制する効
果がある。ただし、含有率が０．００２質量％未満では
効果に乏しく、０．０５質量％を超えて含有させると、
鋼材基質中の不要な介在物を増加させ、強度や靭性の低
下につながる。

【００１７】Ｂは粒界強度を向上させ、焼入れ効果層の
強度向上に寄与する。ただし、添加量が０．０００５質
量％未満では効果に乏しく、０．００３質量％を超えて
含有させると、熱間加工性の劣化につながる。

【００１８】また、本発明の鋼材には、上記以外にも下
記の添加元素を必要に応じて含有させることができる。 （１）０．０２〜０．１５質量％のＮｂ Ｎｂの添加は、結晶粒微細化による靭性向上効果をもた
らす。しかし、含有量が０．０２質量％未満では顕著な
効果が望めず、０．１５質量％を超えると、鋼材の靭性
低下につながる。 （２）０．０２〜０．１５質量％のＴｉ 前記したＢとの共添加を行うことにより、Ｂ添加による
粒界強度向上効果をより顕著なものにする作用を有す
る。Ｂは鋼材基質に含有されるＮと結合すると、ＢＮと
して析出するため、粒界強度改善効果を発揮できなくな
る。しかし、Ｔｉを添加しておくと、ＴｉＮの形成を促
進してＮ成分を固定し、ＢがＢＮ析出の形で消費される
ことが防止される。その結果、Ｂ添加による粒界強度向
上効果が顕著となる。しかし、含有量が０．０２質量％
未満では顕著な効果が望めず、０．１５質量％を超える
と、鋼材の靭性低下につながる。

【００１９】（３）０．０１〜０．２質量％のＰｂ、
０．０１〜０．１質量％のＢｉ、及び０．０００５〜
０．００５質量％のＣａの少なくともいずれか これらの元素は、いずれも快削性付与元素として機能
し、鋼材に切削加工等の除去加工を施す場合に、その加
工コストを大幅に削減することができる。しかし、各元
素とも添加量が下限値未満となった場合は快削性付与効
果に乏しく、上限値を超えた添加は効果が飽和するので
無駄が多い。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の機械構造軸部品
用鋼材により構成した、自動車用ドライビングシャフト
機構に使用するスプラインシャフトの一例を示すもので
ある。該スプラインシャフト１２は、軸両端部にジョイ
ント用の雄スプライン部６４，６６が形成されている。
雄スプライン部６４，６６を含むシャフトの外周面全体
に、高周波焼入れ硬化層１２ａが形成されている。この
高周波焼入れ硬化層１２ａは、以下のようにして形成さ
れる。まず、原料を溶解・鋳造後、分塊された素材を、
熱間鍛造により軸形状に加工し、さらに雄スプライン部
６４，６６の溝加工を転造あるいは切削により行う。そ
して、得られた軸部材を加熱用コイル内に挿入して、表
層部を温度９００〜１１００℃となるように高周波誘導
加熱して１０〜４０秒保持した後、水冷することにより
高周波焼入れを行う。その後、例えば同じ加熱用コイル
を用いて、焼入れ硬化層を再び温度２００〜３５０℃と
なるように高周波誘導加熱して２０〜６０秒保持した
後、水冷することにより焼き戻し処理を行って、最終的
な焼入れ硬化層１２ａとする。

【００２１】焼入れ硬化層の厚さｔは、軸表面から半径
方向において、マルテンサイト形成量５０％に相当する
硬さとなる位置までの距離にて定義される。この厚さｔ
と軸半径Ｒとの比ｔ／Ｒを硬化層比として定義したと
き、該ｔ／Ｒは０．３〜０．７となるように調整するこ
とが望ましい。ｔ／Ｒが該範囲外となると、ねじり疲労
強度が却って低下する場合がある。

【００２２】図２は、スプラインシャフト１２を用いた
等速ジョイント型ドライビングシャフト機構の一例を示
す。該ドライビングシャフト機構１０は、スプラインシ
ャフト１２と、前記スプラインシャフト１２の一端部に
設けられ、図示しない車輪に回転駆動力を伝達するバー
フィールドタイプの第１等速ジョイント１４と、前記ス
プラインシャフト１２の軸線方向に沿った他端部に設け
られ、図示しない差動装置側に連結されるトリポートタ
イプの第２等速ジョイント１６とから構成される。

【００２３】車輪側（アウトボード側）に設けられた第
１等速ジョイント１４は、カップ部１８と軸部２０とが
一体的に形成されてアウタカップをなし、該アウタカッ
プの内側にて、ユニバーサルジョイントを形成するボー
ル２４が、インナ部材３２上を転動する。このインナ部
材３２の中心部に、雌スプライン部３６が貫通形成さ
れ、ここにスプラインシャフト１２の雄スプライン部６
４が嵌合する。他方、差動装置側（インボード側）に設
けられた第２等速ジョイント１６は、有底円筒部４０と
軸部４２とが一体的に形成されてアウタカップをなし、
アウタカップの内空部には、リング状のスパイダボス部
４８が設けられ、ここに貫通形成された雌スプライン部
４６がスプラインシャフト１２の雄スプライン部６６に
嵌合する。スパイダボス部４８には等角度離間する略円
柱状の３本のトラニオン５０が半径外方向に向かって膨
出形成される。

【００２４】このスプラインシャフト１２は、本発明の
機械構造軸部材用鋼材にて構成されることにより、ねじ
りや曲げに対する疲労強度が大幅に向上し、ひいては重
負荷条件でも十分な耐久性を確保できる。

【００２５】

【実施例】本発明の効果を調べるために、以下の実験を
行った。 （実施例１）表１に示す組成が得られるように原料を配
合し、電気炉で１５０ｋｇの鋼塊を溶製した後、８５０
℃にて熱間鍛造し、さらに１０００℃にて２時間保持し
た後空冷して、直径２０ｍｍ及び５０ｍｍの棒材を作製
した。

【００２６】

【表１】

【００２７】この試験品の外周面のロックウェルＢスケ
ール硬さＨRBを、ＪＩＳ：Ｚ２２４５に規定された方法
により測定した。また、上記棒材を用いて、以下の各種
試験を行った。

【００２８】工具寿命比測定 上記素材を切断して直径５０ｍｍ長さ３００ｍｍの試験
片を作製し、切削試験を行う。切削工具としてＰ１０超
硬工具を用い、周速３００ｍ／ｍｉｎ、一回転当りの切
り込み量２ｍｍ、一回転当りの送り量０．２ｍｍで、乾
式にて切削を継続し、フランク摩耗量が０．２ｍｍとな
った時点を工具寿命とする。工具寿命は、比較例１２
（ＪＩＳ，Ｓ５３Ｃ）に対する工具寿命比として表して
いる。

【００２９】静ねじり強度試験及びねじり疲労試験 上記素材を切断して直径２０ｍｍ、長さ２００ｍｍの試
験片を作製し、両端部に冷間転造により、ピッチ円直径
２０ｍｍ、モジュール１．０のスプライン部を形成す
る。次いで、その試験片をコイル内に挿入し、コイルを
軸線方向に移動させながら周波数１０ｋＨｚにて高周波
誘導加熱し（温度約１０００℃）、水冷することにより
高周波焼入れを行った。この焼入れ後、同じコイルを用
いて、表層部を２５０℃にて３０秒加熱し、その後空冷
して焼き戻し処理を行った。

【００３０】次に、上記試験片を、スプライン部にてね
じり強度試験機のチャックに保持させ、ねじり剪断歪速
度０．０８３°／秒にてねじり変位を加え、破断時の荷
重から静ねじり強度を測定した。他方、同種の試験片を
ねじり疲労試験機に装着し、繰り返し破断回数が１０^５
回となる繰り返し応力の値をねじり疲労強度として求め
た。

【００３１】なお、焼き戻し後の試験片の表面硬さをＪ
ＩＳ：Ｚ２２４４（１９９８）に規定された方法によ
り、試験荷重２．９４Ｎにて微小ビッカース硬さＨＶ１
を測定した。また、ねじり試験に供さない試験品を用意
しておき、軸を非スプライン部にて切断し、半径方向に
おける微小ビッカース硬さ分布を測定するとともに、軸
中心位置でのビッカース硬さＨＶ２を測定した。なお、
光学顕微鏡観察画像上での面積率測定により、軸表面で
のマルテンサイト量はほぼ１００％、中心部でのマルテ
ンサイト量は０％であることを確認している。そして、
５０％マルテンサイト量に相当する硬さＨＶｍを、硬さ
がマルテンサイト量に比例すると仮定して、ＨＶ１とＨ
Ｖ２との値を用いた比例補間により算出し、半径方向に
測定した微小ビッカース硬さ分布において、硬さがＨＶ
ｍとなる位置から焼入れ硬化層厚さｔを求め、ｔ／Ｒを
算出した。また、断面表層部の光学顕微鏡写真から、Ｊ
ＩＳ：Ｇ０５５１に記載の方法により、オーステナイト
結晶粒度番号を求めた。表層部のオーステナイト結晶粒
度が小さいほど破壊の基点となる粒界の初期亀裂寸法を
縮小でき、強度を向上させることができる。

【００３２】また、焼入れ硬化層部分から薄片試料を電
解研磨により作製し、これを用いて透過電子顕微鏡観察
を行うとともに、制限視野電子線回折法により粒界セメ
ンタイト層部分を同定し、さらにその暗視野像から粒界
セメンタイト層部分の厚さを測定した。

【００３３】以上の結果を表２に示す。

【表２】

【００３４】この結果によると、本発明の組成範囲を満
たす鋼材は、静ねじり強度およびねじり疲労強度のいず
れにおいても高く、非焼入れ状態での切削性も良好であ
ることがわかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の機械構造軸部品用鋼材を用いたスプラ
インシャフトの一例を示す正面図及び断面模式図。

【図２】図１のスプラインシャフトを用いた等速ジョイ
ント型ドライビングシャフト機構の一例を示す断面図。

【符号の説明】 １０ 等速ジョイント型ドライビングシャフト機構 １２ スプラインシャフト

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4K042 AA14 BA04 BA05 CA02 CA03 CA06 CA08 CA09 CA12 DA01 DA02 DB01 DD02

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｆｅ含有率が９５質量％以上であり、 かつ、必須添加元素として、０．４５〜０．５８質量％
   のＣ、０．０２〜０．１５質量％のＳｉ、０．２〜０．
   ５質量％のＭｎ、０．００５〜０．０１５質量％のＰ、
   ０．００５〜０．０１５質量％のＳ（ただし、ＰとＳと
   の合計含有量が０．０２５質量％以下）、０．１〜０．
   ３質量％のＣｒ、０．０２〜０．５質量％のＭｏ、０．
   ００２〜０．０５質量％のＡｌ及び０．０００５〜０．
   ００３質量％のＢを含有したことを特徴とする機械構造
   軸部品用鋼材。
2. 【請求項２】 ０．０２〜０．１５質量％のＮｂ及び
   ０．０２〜０．１５質量％のＴｉとの少なくともいずれ
   かを含有する請求項１記載の機械構造軸部品用綱材。
3. 【請求項３】 ０．０１〜０．２質量％のＰｂ、０．０
   １〜０．１質量％のＢｉ、及び０．０００５〜０．００
   ５質量％のＣａの少なくともいずれかを含有する請求項
   １又は２に記載の機械構造軸部品用鋼材。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれか１項に記載
   の鋼材により軸状に形成され、 かつ、表層部に高周波焼入れによる焼入れ硬化層が形成
   されてなることを特徴とする機械構造軸部品。
5. 【請求項５】 前記焼入れ硬化層は、高周波焼入れの
   後、２００〜３５０℃にて２０〜６０秒保持した後、水
   冷する短時間焼き戻し処理を行うことにより形成された
   ものである請求項４に記載の機械構造軸部品。
6. 【請求項６】 軸両端部にジョイント用の雄スプライン
   部が形成され、自動車用ドライビングシャフト機構のス
   プラインシャフトとして使用される請求項４又は５に記
   載の機械構造軸部品。