JP2004162125A - 中空ドライブシャフト - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の中空ドライブシャフトは、電縫鋼管を用いた中空ドライブシャフトであって、高周波焼き入れによって高強度化したことを特徴とする。
そして、本発明の中空ドライブシャフトは、(電縫部硬さ積分値)/ (一般部硬さ積分値)>0.8で、かつ、(フェライトバンド残存領域)/(鋼管肉厚)<0.2であり、さらに、(電縫部肉厚)/(一般部肉厚)<0.2である特性を有することが望ましい。
【選択図】図4
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は車両の中空ドライブシャフトに関する。
【0002】
【従来の技術】
自動車に使用されている鋼管はほとんどが電縫鋼管で、シームレス管は一部の重要保安部品に使用されているにすぎない。シームレス管は継ぎ目が無いために電縫鋼管に比べて溶接などの欠陥が少ないという利点はあるが、製造コストが高い。このため、電縫鋼管の品質改善が積極的に進められ(特許文献1参照)、最近ではシームレス管から電縫鋼管への移行が図られるものが多い。
【0003】
ディファレンシャルから駆動輪に動力を伝達するドライブシャフトにおいても軽量化を目的として中空化が実用化されているが、より低コスト化を目的としてシームレス管に代わって、浸炭焼き入れによる電縫鋼管が用いられるようになった。しかし、ドライブシャフトに要求されるねじり強度に対する高強度化のためには、1mm以上の硬化層が必要なため、例えば、RXガスとブタンガスとによる浸炭焼き入れでは、950℃で1.5〜6時間という長時間の浸炭処理が必要とされている。このような長時間の浸炭処理は、生産性を阻害すると同時にコストアップ要因ともなっており、電縫鋼管の使用にも係わらず、シームレス管の使用と比較して十分なコストダウンが実現されないという問題がある。
【0004】
【特許文献1】
特開平11−323442号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
高いねじり強度を必要とするドライブシャフトに、高周波焼き入れによって高強度化した電縫鋼管を用いることは知られていない。これは、電縫鋼管の電縫部は成分の偏析が大きく、高周波焼き入れではこの成分偏析を十分に拡散することができないためであるとされている。すなわち、溶接時に生成したフェライトバンドの残存や硬さの上昇が不十分であり、ドライブシャフトに静的なねじり応力が付与された場合に、電縫部に沿って縦方向の亀裂が進展して低応力で破損に至ってしまうためである。
【0006】
本願発明の課題は、高周波焼き入れによって電縫部を高強度化した電縫鋼管を用いた中空ドライブシャフトを提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記の課題を解決するために鋭意研究を重ね、高周波焼き入れによって高強度化した電縫鋼管を用いた中空ドライブシャフトの具備すべき特性を見いだして本発明を完成した。
【0008】
すなわち、本発明の中空ドライブシャフトは、電縫鋼管を用いた中空ドライブシャフトであって、高周波焼き入れによって高強度化したことを特徴とする。
【0009】
そして、本発明の中空ドライブシャフトは、(電縫部硬さ積分値)/ (一般部硬さ積分値)>0.8で、かつ、(フェライトバンド残存領域)/(鋼管肉厚)<0.2であり、さらに、(電縫部肉厚)/(一般部肉厚)<0.2である特性を有することが望ましい。
【0010】
ここで、電縫鋼管の材質は、少なくともCを0.3〜0.6重量%、含有する鋼材であって、さらにMnを0.6〜1.70質量%およびSiを0.1〜0.4重量%含有するマンガン鋼であることが望ましい。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明の中空ドライブシャフトは、電縫鋼管を用いた中空ドライブシャフトであって、高周波焼き入れによって高強度化したことを特徴とする。すなわち、本発明の中空ドライブシャフトは、鋼帯から電縫鋼管を形成し、高周波焼き入れを施した電縫鋼管をドライブシャフト素材とする。
【0012】
ここで、電縫鋼管による中空ドライブシャフトの製造工程を簡単に説明する。まず、鋼帯を成形ロールで管状に成形し、次に連続して鋼帯のエッジ部を加熱し、加圧ロールによって加圧圧接することにより溶接(電縫)して電縫鋼管に形成する。また、その際に、鋼管の内外面のエッジ部に生じるビードを切削バイトなどで連続的に切削除去する。その後、ドライブシャフト形状に成形し、高周波コイルで加熱し、冷却水などで急冷して高強度化する。続いて必要に応じて高周波コイルによる焼き鈍しを行い所望の高強度中空ドライブシャフトを得る。
【0013】
図1は電縫鋼管の断面を示す模式図であり、厚さtの鋼帯を外径Dの鋼管に成形し、A部で溶接した電縫鋼管を示している。電縫部Aでは成分偏析が著しいために、高周波による短時間の焼き入れ処理では、偏析成分の拡散が十分ではない。また、鋼管を高周波加熱した場合には、鋼管の外周部の方が内周部に比べて昇温速度も速く高温となりやすい。そして、外周部では十分な焼き入れ効果が得られるが、全体の加熱時間も短いために外周部に比べて内周部では、必ずしも十分な焼き入れ効果を得ることができない場合がある。すなわち、鋼管に高周波焼き入れを施した場合には、鋼管の硬さは肉厚方向に変化して外周部の方が内周部より硬度が高い傾向となる。
【0014】
また、電縫部Aの組織を顕微鏡観察すると、幅wの中央部付近に、鋼管の外周面から内周面に向かってバンド状にフェライトが残存することが多い。これをフェライトバンドと称するが、このフェライトバンドは、鋼帯を加圧溶接(電縫)して電縫鋼管を形成した時に生成し、高周波焼き入れによりある温度以上に加熱保持されることにより消失する。しかし、鋼管の外周部は偏析成分が十分拡散できる温度にまで加熱保持されるので、フェライトバンドは消失するが、熱の伝わり難い内径部側では残存して、静的ねじり強度を低下させる原因となる。フェライトバンドの一例を図2に示す。図2は電縫部Aの断面を示した金属顕微鏡観察写真である。Bは電縫鋼管の内側面であり、F(白い筋)がフェライトバンドである。なお、電縫部AのマトリックスMは焼き入れにより形成されたマルテンサイト組織である。
【0015】
本発明の中空ドライブシャフトは、(電縫部硬さ積分値)/ (一般部硬さ積分値)>0.8で、かつ、(フェライトバンド残存領域)/(鋼管肉厚)<0.2であり、さらに、(電縫部肉厚)/(一般部肉厚)>0.95であることが望ましい。
【0016】
電縫鋼管は全面高周波焼き入れを施すことにより、電縫部と共に鋼管それ自身の硬度も増加する。ドライブシャフトに静的ねじりを加えることで電縫部の破損を生じないためには、まず、電縫部とそれ以外の鋼管部分(以降、一般部という)との硬さができるだけ均一であることが望ましい。しかし、高周波加熱を施すことにより前記のように加熱される鋼管には、その厚さ方向に温度勾配が発生する。従って、鋼管の硬さも厚さ方向に硬さ分布が変化する。そこで、(電縫部硬さ積分値)/ (一般部硬さ積分値)>0.8であれば、概ね電縫部と一般部との硬さが均一であると判断することができる。この値が0.8以下、つまり、電縫部硬さの積分値が一般部硬さの積分値の80%以下では、静的ねじりを加えることによって、ドライブシャフトは電縫部から破損するおそれがあり適当ではない。ここで、硬さ積分値とは、鋼管断面の外径部表層から内径部表層まで、所望の頻度で硬さを測定し、縦軸に硬さ、横軸に外径部表層から内径部表層までの距離(肉厚)をとって硬さ分布曲線を求めた時に、横軸と左右の縦軸および硬さ分布曲線とによって囲まれた面積と定義する。
【0017】
硬さ積分値について図3〜5によりさらに具体的に説明する。硬さの測定個所は図3に示す電縫部Aの中心部と、電縫部Aと断面中心を挟んで向き合った一般部Cで、それぞれの硬さは、例えば、鋼管の内径側に向かって矢印の方向に順次測定する。
【0018】
図4は電縫部Aの硬さ測定結果である。外径部表面のa点から内径部表面のb点まで、肉厚tにわたって順次(測定点は5点/mm以上が望ましい)ビッカース硬度(HV0.3kg)を測定して、得られた結果を模式的に示したものである。ここで、a点での硬さはHVa、b点での硬さはHVbと表記し、肉厚tの範囲の硬さの変化は、a点からb点に向かって徐々に低下する硬さ分布曲線▲1▼で表すことができる。即ち、a−HVa−▲1▼−HVb−b−aで囲まれる面の面積Iが電縫部硬さ積分値である。なお、ビッカース硬度の測定荷重は0.3kgに限定されるものではないが、電縫部の硬度低下領域の幅と測定精度とを考慮すると、0.05〜0.5kg程度が適当である。
【0019】
同様にして、図5のように一般部Cの硬さ分布曲線▲2▼を測定して、d−HVd−▲2▼−HVe−e−dの面積IIを求め一般部硬さ積分値とする。このようにして得られた値から各積分値の比、I/IIを求めれば、この値が0.8を越えているか否かを判定することができる。
【0020】
次に、(フェライトバンド残存領域)/(鋼管肉厚)<0.2であることが望ましい。フェライトバンドは、1μm未満の厚さで電縫部の長さ方向に層状に形成された周囲の組織よりも強度の低い組織である。従って、この値が0.2以上(すなわち、フェライトバンドの残存領域が大きい)では、ドライブシャフトに静的ねじりを加えることによって、電縫部から破損するおそれがあるので適当ではない。なお、フェライトバンドは、高周波焼き入れ後に電縫部の一部を切り取り、採取したサンプルの断面を研磨した後、ナイタルで腐食して、金属顕微鏡で観察して測定することができる。
【0021】
さらに、(電縫部肉厚)/(一般部肉厚)>0.95であることが望ましい。
【0022】
電縫鋼管は、管状に曲げられた鋼帯のエッジ部を連続的に加熱し、加圧ロールによって加圧圧接して溶接(電縫)することにより形成される。その際に、鋼管の内外面の電縫部に生じるビードを切削バイトなどで連続的に切削除去する。このため電縫部は一般部に比べて薄肉となりやすい。従って、一般部の肉厚に対する電縫部の肉厚が95%以下となると、ドライブシャフトに静的ねじりを加えることによって、電縫部から破損するおそれがあり適当ではない。なお、肉厚の測定方法は特に限定されるものではなく、通常用いられるノギス又はマイクロメータなどによって測定すればよい。
【0023】
本発明の中空ドライブシャフトの電縫鋼管の材質は、特に限定されるものではなく、少なくともCを0.3〜0.6重量%含有する通常の自動車用電縫鋼管に用いられるものであればよい。中でも、Cを0.3〜0.6重量%、Mnを0.6〜1.70重量%およびSiを0.1〜0.4重量%含有するマンガン鋼などは焼き入れ性が高いので好適に使用することができる。さらに、Bを0.0005〜0.0030重量%含有するボロン鋼などを例示することができる。
【0024】
以上のように、(電縫部硬さ積分値)/ (一般部硬さ積分値)>0.8で、かつ、(フェライトバンド残存領域)/(鋼管肉厚)<0.2であり、さらに、(電縫部肉厚)/(一般部肉厚)>0.95である特性を有する高周波焼き入れした電縫鋼管は、中空ドライブシャフトとして好適に使用することができる。
【0025】
【実施例】
SMn40(SAE1541)相当材を用いて電縫鋼管を形成し、シャフト形状に加工後高周波焼き入れ、焼き鈍しを施して図6の中空ドライブシャフトを得た。すなわち、肉厚:7mm、外径:40mm、長さ:600mm、スプライン加工部3の長さ:30mm、胴部2の長さ:540mmのドライブシャフト1である。なお、鋼管の主な組成は、C:0.4重量%(以下、%は重量%である)、Mn:1.55%、Si:0.25%、P:0.014%、Cr:0.03%、Al:0.036%、S:0.001%であった。
【0026】
高周波焼き入れは、出力:75KW以上、送り速度:25mm/sec以下の電縫鋼管の全面焼き入れとし、この範囲で条件を変化させて、表1の8水準の中空ドライブシャフトを作成した。
【0027】
得られたドライブシャフトを静的ねじり試験により評価した。静的ねじり試験は、ドライブシャフトの一端側のスプライン加工部を治具で固定し、他端側のスプライン加工部を0.25〜1.0゜/secのねじり速度で破断するまでねじる方法とし、破断時のトルクを測定すると共にドライブシャフトの破断位置を観察した。結果を表1に併記する。
【0028】
【表1】
【0029】
ここで、説明の便宜上、X(硬さ積分値比)=(電縫部硬さ積分値)/ (一般部硬さ積分値)、Y(フェライトバンド比)=(フェライトバンド残存領域)/(鋼管肉厚)、Z(電縫部肉厚比)=(電縫部肉厚)/(一般部肉厚)とする。
【0030】
実施例1〜3は、いずれもX>0.8で、かつY<0.2で、さらに、Z>0.95と本発明の請求項2の要件を満足しており、ねじりトルクはいずれも7400N・m以上で、電縫部ではなく固定したスプライン部で破損した。
【0031】
比較例1と比較例2は、フェライトバンド比Yおよび電縫部肉厚比Zについては満足べき値が得られた。しかし、硬さ積分値比Xは、比較例1が0.76、比較例2が0.7といずれも0.8未満であった。このためねじり試験ではいずれのドライブシャフトも胴部の電縫部で破損した。なお、破損時のトルクは比較例1、2共に5400N・m以下であり、実施例1〜3に比べて極めて低い値であった。
【0032】
比較例3は、XとZのいずれの値も満足しているが、フェライトバンド比Yが0.25と0.2よりも大きい場合である。この場合もやはり4300N・mという低いねじりトルクで胴部の電縫部で破損した。
【0033】
比較例4は、X=0.77,Y=0.3と電縫部における高周波加熱による成分元素の拡散が不十分な場合である。電縫部肉厚比Zは0.97と好ましい値を示しているが、XおよびYの値が不適当なために、ねじりトルクが4200N・mという低い値で胴部の電縫部で破損した。
【0034】
比較例5は、X=0.9,Y=0.1とこれらについては実施例1と同等の値が得られたが、電縫部肉厚比Zが0.91と低い値であった。これは、ビードの切削時に何らかの原因で切削過剰となったためで、結果として胴部の電縫部で5200N・mのねじりトルクで破損した。
【0035】
以上のように、X、Y、Zの各値すべてが請求の範囲を満足しなければ、ドライブシャフトは低いねじりトルクで胴部の電縫部を起点として破損することが分かった。
【0036】
【発明の効果】
本発明の中空ドライブシャフトは、電縫鋼管を用いているので、軽量でかつシームレス管に比べて極めて安価である。従来は、バッチ処理の長時間を要する浸炭処理によって高強度化を図っていたが、本発明によればドライブシャフト素材を連続生産することができるので、生産性の向上とコストダウンに寄与するところは大きい。また、本発明の特性を適用することによって、静的ねじり試験によらなくともドライブシャフトとしての適否を判定することができる。さらに、肉厚や径といったドライブシャフトの大きさにより変化する製造条件に対して、最適な製造条件(高周波焼き入れ条件など)を見いだすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】電縫鋼管の断面を示す模式図である。
【図2】電縫鋼管の電縫部に発生するフェライトバンドを示す写真である。
【図3】電縫鋼管の硬さ測定部を示す模式図である。
【図4】電縫部の硬さ積分値を求める説明図である。
【図5】鋼管の一般部の硬さ積分値を求める説明図である。
【図6】供試材のドライブシャフトの概要を示す模式図である。
【符号の説明】
A:電縫部 B:電縫部の内径側表面 C:一般部硬度測定位置 F:フェライトバンド M:電縫部マトリックス(マルテンサイト組織) 1:中空ドライブシャフト 2:胴部 3:スプライン部
Claims (4)
- 電縫鋼管を用いた中空ドライブシャフトであって、
高周波焼き入れによって高強度化したことを特徴とする中空ドライブシャフト。 - 前記中空ドライブシャフトは、
(電縫部硬さ積分値)/ (一般部硬さ積分値)>0.8で、
かつ、(フェライトバンド残存領域)/(鋼管肉厚)<0.2であり、
さらに、(電縫部肉厚)/(一般部肉厚)>0.95
である請求項1に記載の中空ドライブシャフト。 - 前記電縫鋼管は、少なくともCを0.3〜0.6重量%、含有する鋼材である請求項1又は2に記載の中空ドライブシャフト。
- 前記電縫鋼管は、Cを0.3〜0.6重量%、Mnを0.6〜1.70重量%およびSiを0.1〜0.4重量%含有するマンガン鋼である請求項1〜3のいずれかに記載の中空ドライブシャフト。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002329726A JP2004162125A (ja) | 2002-11-13 | 2002-11-13 | 中空ドライブシャフト |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2002329726A JP2004162125A (ja) | 2002-11-13 | 2002-11-13 | 中空ドライブシャフト |
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Publication Number | Publication Date |
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Family
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JP2002329726A Pending JP2004162125A (ja) | 2002-11-13 | 2002-11-13 | 中空ドライブシャフト |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012097797A (ja) * | 2010-11-01 | 2012-05-24 | Ntn Corp | 後輪用ドライブシャフト |
WO2014045590A1 (ja) * | 2012-09-24 | 2014-03-27 | Jfeスチール株式会社 | 電縫溶接部の耐hic性および低温靭性に優れた電縫鋼管およびその製造方法 |
-
2002
- 2002-11-13 JP JP2002329726A patent/JP2004162125A/ja active Pending
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JP2014062309A (ja) * | 2012-09-24 | 2014-04-10 | Jfe Steel Corp | 電縫溶接部の耐hic性および低温靭性に優れた電縫鋼管およびその製造方法 |
US9873164B2 (en) | 2012-09-24 | 2018-01-23 | Jfe Steel Corporation | Electric resistance welded steel pipe or steel tube having excellent HIC resistance and low-temperature toughness in electric resistance welded part, and method for manufacturing the same |
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