JP2004162125A

JP2004162125A - 中空ドライブシャフト

Info

Publication number: JP2004162125A
Application number: JP2002329726A
Authority: JP
Inventors: Kinsei Kino; 欣成嬉野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-11-13
Filing date: 2002-11-13
Publication date: 2004-06-10

Abstract

【課題】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。
【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

【０００１】
【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

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。