JP2005163118A - 機械構造軸部品とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 疲労強度をより向上させ、製造性も確保された機械構造軸部品の製造方法と、それを用いた機械構造軸部品とを提供する。
【解決手段】 鋼材組成をＦｅ：９６質量％以上、Ｃ：０．４５質量％〜０．５５質量％、Ｓｉ：０．０２質量％〜０．１５質量％、Ｍｎ：０．５０質量％〜１．２０質量％、Ｐ：０．００５質量％〜０．０２０質量％、Ｓ：０．００５質量％〜０．０３０質量％、Ｃｒ：０．１０質量％〜０．３０質量％、Ａｌ：０．００２質量％〜０．０５０質量％、Ｔｉ：０．０２０質量％〜０．０５０質量％、Ｂ：０．０００５質量％〜０．００３０質量％、Ｎｂ：０．０２０質量％〜０．１００質量％とし、溶解後、鋳片中心部の冷却速度が２℃／分以上となるように凝固させ、加熱温度を９５０℃〜１０５０℃、加工中の温度を８００℃〜１０５０℃として製品圧延または鍛造を行って軸状にし、高周波焼入れと焼き戻しを行う。
【選択図】図３
【解決手段】 鋼材組成をＦｅ：９６質量％以上、Ｃ：０．４５質量％〜０．５５質量％、Ｓｉ：０．０２質量％〜０．１５質量％、Ｍｎ：０．５０質量％〜１．２０質量％、Ｐ：０．００５質量％〜０．０２０質量％、Ｓ：０．００５質量％〜０．０３０質量％、Ｃｒ：０．１０質量％〜０．３０質量％、Ａｌ：０．００２質量％〜０．０５０質量％、Ｔｉ：０．０２０質量％〜０．０５０質量％、Ｂ：０．０００５質量％〜０．００３０質量％、Ｎｂ：０．０２０質量％〜０．１００質量％とし、溶解後、鋳片中心部の冷却速度が２℃／分以上となるように凝固させ、加熱温度を９５０℃〜１０５０℃、加工中の温度を８００℃〜１０５０℃として製品圧延または鍛造を行って軸状にし、高周波焼入れと焼き戻しを行う。
【選択図】図３
Description
本発明は、高周波焼入れを施される機械構造用部品で、例えば等速ジョイント用アウターレース・ドライブシャフトなど、曲げ強度およびねじり強度が要求される機械構造軸部品とその製造方法に関する。
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０．４０〜０．６０質量％含有する中炭素鋼が一般的に使用されている。
一般に、鋼材の強度は、硬さの増加にともない上昇する傾向にある。高周波焼入れ材において、ねじりや曲げに対する疲労強度を十分に高め、さらに高強度化を図るためには、表面硬さの増加が必須となる。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、結晶粒界を起点とした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。この問題に対し、粒界強度を向上させるＢ添加を行うことにより強度は改善されることが確認されている。しかし、上記の方法のみでは高強度化の限界に達しており、現状さらなる高強度化に対応できていない。
そこでＮｂを添加し結晶粒を微細化し、Ｍｏを添加することによって粒界を強化する方法が開示されている（特許文献１）。
しかしこの方法によると、径が太い部品では強度を上げることが難しく、太い径の部品の強度をも上げるために、焼入性を上げることが必要となり、Ｍｎの添加量を増やすと、Ｍｎによって硬くなるために製造性が悪くなる。
本発明の課題は、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、さらに製造性も確保された機械構造軸部品の製造方法と、それを用いた機械構造軸部品とを提供することにある。
上記課題を解決するために本発明の機械構造軸部品の製造方法は、
鋼材組成をＦｅ：９６質量％以上、Ｃ：０．４５質量％以上０．５５質量％以下、Ｓｉ：０．０２質量％以上０．１５質量％以下、Ｍｎ：０．５０質量％を超え１．２０質量％以下、Ｐ：０．００５質量％以上０．０２０質量％以下、Ｓ：０．００５質量％以上０．０３０質量％以下、Ｃｒ：０．１０質量％以上０．３０質量％以下、Ａｌ：０．００２質量％以上０．０５０質量％以下、Ｔｉ：０．０２０質量％以上０．０５０質量％以下、Ｂ：０．０００５質量％以上０．００３０質量％以下、Ｎｂ：０．０２０質量％以上０．１００質量％以下、
となるように原料配合し、溶解後、
１２００℃以上１４００℃以下の温度範囲で、鋳片中心部の冷却速度が２℃／分以上となるように凝固させる工程と、
加熱温度を９５０℃以上１０５０℃以下、加工中の温度を８００℃以上１０５０℃以下として製品圧延または鍛造を行って、この鋼材を軸状の部品形状を有した加工体とする工程と、
前記加工体に高周波焼入れを行う工程と、
その高周波焼入れ後の前記加工体に焼戻しを行う工程と、
を含む。
鋼材組成をＦｅ：９６質量％以上、Ｃ：０．４５質量％以上０．５５質量％以下、Ｓｉ：０．０２質量％以上０．１５質量％以下、Ｍｎ：０．５０質量％を超え１．２０質量％以下、Ｐ：０．００５質量％以上０．０２０質量％以下、Ｓ：０．００５質量％以上０．０３０質量％以下、Ｃｒ：０．１０質量％以上０．３０質量％以下、Ａｌ：０．００２質量％以上０．０５０質量％以下、Ｔｉ：０．０２０質量％以上０．０５０質量％以下、Ｂ：０．０００５質量％以上０．００３０質量％以下、Ｎｂ：０．０２０質量％以上０．１００質量％以下、
となるように原料配合し、溶解後、
１２００℃以上１４００℃以下の温度範囲で、鋳片中心部の冷却速度が２℃／分以上となるように凝固させる工程と、
加熱温度を９５０℃以上１０５０℃以下、加工中の温度を８００℃以上１０５０℃以下として製品圧延または鍛造を行って、この鋼材を軸状の部品形状を有した加工体とする工程と、
前記加工体に高周波焼入れを行う工程と、
その高周波焼入れ後の前記加工体に焼戻しを行う工程と、
を含む。
そして本発明の機械構造軸部品は、
鋼材組成をＦｅ：９６質量％以上、Ｃ：０．４５質量％以上０．５５質量％以下、Ｓｉ：０．０２質量％以上０．１５質量％以下、Ｍｎ：０．５０質量％を超え１．２０質量％以下、Ｐ：０．００５質量％以上０．０２０質量％以下、Ｓ：０．００５質量％以上０．０３０質量％以下、Ｃｒ：０．１０質量％以上０．３０質量％以下、Ａｌ：０．００２質量％以上０．０５０質量％以下、Ｔｉ：０．０２０質量％以上０．０５０質量％以下、Ｂ：０．０００５質量％以上０．００３０質量％以下、Ｎｂ：０．０２０質量％以上０．１００質量％以下、
となるように原料配合し、溶解後、
１２００℃以上１４００℃以下の温度範囲で、鋳片中心部の冷却速度が２℃／分以上となるように凝固させ、加熱温度を９５０℃以上１０５０℃以下、加工中の温度を８００℃以上１０５０℃以下として製品圧延または鍛造を行って、軸状に形成され、高周波焼入れ、焼戻しを行って製造され、
軸の半径をａ、中心からの距離をｒ、中心からの距離ｒにおける硬さをｈ（ｒ）として、平均硬さをｘ（Ｈｖ）を、
として定義したとき、ねじり強度をｙ（ＭＰａ）とすると、
ｙ＞２．５ｘとなることを特徴とする。
鋼材組成をＦｅ：９６質量％以上、Ｃ：０．４５質量％以上０．５５質量％以下、Ｓｉ：０．０２質量％以上０．１５質量％以下、Ｍｎ：０．５０質量％を超え１．２０質量％以下、Ｐ：０．００５質量％以上０．０２０質量％以下、Ｓ：０．００５質量％以上０．０３０質量％以下、Ｃｒ：０．１０質量％以上０．３０質量％以下、Ａｌ：０．００２質量％以上０．０５０質量％以下、Ｔｉ：０．０２０質量％以上０．０５０質量％以下、Ｂ：０．０００５質量％以上０．００３０質量％以下、Ｎｂ：０．０２０質量％以上０．１００質量％以下、
となるように原料配合し、溶解後、
１２００℃以上１４００℃以下の温度範囲で、鋳片中心部の冷却速度が２℃／分以上となるように凝固させ、加熱温度を９５０℃以上１０５０℃以下、加工中の温度を８００℃以上１０５０℃以下として製品圧延または鍛造を行って、軸状に形成され、高周波焼入れ、焼戻しを行って製造され、
軸の半径をａ、中心からの距離をｒ、中心からの距離ｒにおける硬さをｈ（ｒ）として、平均硬さをｘ（Ｈｖ）を、
として定義したとき、ねじり強度をｙ（ＭＰａ）とすると、
ｙ＞２．５ｘとなることを特徴とする。
上記のように配合した原料を上記の製造方法にて行うことにより、Ｍｎを増やすことによる焼入れ効果を上げ、さらにＮｂ添加による結晶粒微細化効果も上げることができ、焼入れ硬化層の粒界強度を向上させることができる。従来、平均硬さを大きくすると、ねじり強度の上昇が鈍化する傾向があったが、これによって得られた本発明の機械構造軸部品は、平均硬さを上げつつ、ねじり強度も向上させることができる。
より具体的には、本発明の機械構造軸部品の製造方法は、
前記高周波焼入れは、前記機械構造軸部品の軸の半径方向において、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軸表面からの距離で定義される厚さｔと、軸半径Ｒとの比ｔ／Ｒで表される硬化層比が、０．４以上０．８以下になるように行い、前記焼戻しは、１５０℃以上２２０℃以下で２分以上１５０分以下行う。
前記高周波焼入れは、前記機械構造軸部品の軸の半径方向において、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軸表面からの距離で定義される厚さｔと、軸半径Ｒとの比ｔ／Ｒで表される硬化層比が、０．４以上０．８以下になるように行い、前記焼戻しは、１５０℃以上２２０℃以下で２分以上１５０分以下行う。
これにより焼入れ硬化層の靭性が高められ、疲労耐久性が向上する。焼き戻し温度が低すぎたり、焼き戻し保持時間が短すぎたりすると靭性効果が乏しくなる。また焼入れ硬化層の硬さが高すぎたり、焼き戻し保持時間が長すぎたりすると、焼入れ硬化層の硬さが減少しすぎて、強度を十分確保することができなくなる。
さらに前記鋼材として、必要に応じ、Ｍｏ：０．０５質量％以上０．５０質量％以下を含有したものを使用することもできる。Ｍｏ添加により粒界を強化することができる。
また前記鋼材として、Ｐｂ：０．０１質量％以上０．２０質量％以下、Ｂｉ：０．０１質量％以上０．１０質量％以下、Ｃａ：０．０００５質量％以上０．００５０質量％以下の少なくともいずれかを含有したものを使用することもできる。これらを含有させることにより、快削性を向上させることができる。
以下、本発明における鋼材の組成限定理由を述べる。
Ｃ：０．４５質量％以上０．５５質量％以下
Ｃは、添加量によって強度を決定する元素であり、本発明では、部品強度を維持するための表層硬さを得るため０．４５質量％以上含有させる。しかし０．５５質量％を超えて含有させると、被削性が劣化し、高周波焼入時の焼割れが生じるため、上限を０．５５質量％とする。
Ｃ：０．４５質量％以上０．５５質量％以下
Ｃは、添加量によって強度を決定する元素であり、本発明では、部品強度を維持するための表層硬さを得るため０．４５質量％以上含有させる。しかし０．５５質量％を超えて含有させると、被削性が劣化し、高周波焼入時の焼割れが生じるため、上限を０．５５質量％とする。
Ｓｉ：０．０２質量％以上０．１５質量％以下
Ｓｉは、脱酸素剤として作用するとともに、粒界強化元素、軟化抵抗改善元素として有効に作用する。このため０．０２質量％以上含有させる必要がある。しかし多すぎると、冷却時にベイナイト組織を生じやすくなり、被削性の低下を招くほか、冷間加工性も低下しやすいので０．１５質量％以下とする。
Ｓｉは、脱酸素剤として作用するとともに、粒界強化元素、軟化抵抗改善元素として有効に作用する。このため０．０２質量％以上含有させる必要がある。しかし多すぎると、冷却時にベイナイト組織を生じやすくなり、被削性の低下を招くほか、冷間加工性も低下しやすいので０．１５質量％以下とする。
Ｍｎ：０．５０質量％を超え１．２０質量％以下
Ｍｎは、脱硫剤として作用し、焼入性を確保するために必要である。また強度や靭性を高める作用も有するので、強度確保のため０．５０質量％以上含有させる。しかし過度に含まれると、冷却時にベイナイト組織を生じやすくなり切削性が低下し、冷間加工性も低下する。したがって１．２０質量％以下とする。
Ｍｎは、脱硫剤として作用し、焼入性を確保するために必要である。また強度や靭性を高める作用も有するので、強度確保のため０．５０質量％以上含有させる。しかし過度に含まれると、冷却時にベイナイト組織を生じやすくなり切削性が低下し、冷間加工性も低下する。したがって１．２０質量％以下とする。
Ｐ：０．００５質量％以上０．０２０質量％以下
Ｐは、粒界強度を減少させる元素であり、粒界強度を向上するため０．０２０質量％以下とする。しかし粒界強度向上効果は飽和すること、過度に減少させても材料コストの高騰につながることから、０．００５０質量％以上とする。
Ｐは、粒界強度を減少させる元素であり、粒界強度を向上するため０．０２０質量％以下とする。しかし粒界強度向上効果は飽和すること、過度に減少させても材料コストの高騰につながることから、０．００５０質量％以上とする。
Ｓ：０．００５質量％以上０．０３０質量％以下
Ｓは、粒界強度を減少させる元素であり、粒界強度を向上するため０．０３０質量％以下とする。しかし被削性を高める作用があること、過度に減少させても粒界強度向上効果が飽和することから０．００５質量％以上とする。
Ｓは、粒界強度を減少させる元素であり、粒界強度を向上するため０．０３０質量％以下とする。しかし被削性を高める作用があること、過度に減少させても粒界強度向上効果が飽和することから０．００５質量％以上とする。
Ｃｒ：０．１０質量％以上０．３０質量％以下
Ｃｒは、マルテンサイトの靭性を確保するために必要である。また軟化抵抗改善元素として作用するため、０．１０質量％以上含有させる。しかし過度に含有されると冷却時にベイナイト組織が生成しやすくなり、被削性が低下するので０．３０質量％以下とする。
Ｃｒは、マルテンサイトの靭性を確保するために必要である。また軟化抵抗改善元素として作用するため、０．１０質量％以上含有させる。しかし過度に含有されると冷却時にベイナイト組織が生成しやすくなり、被削性が低下するので０．３０質量％以下とする。
Ａｌ：０．００２質量％以上０．０５０質量％以下
Ａｌは、脱酸素原子として作用し、Ｎと結合してＡｌＮを形成し、オーステナイト粒の粗大化を抑制し、組織の微細化に寄与する。しかし過度に含有しても効果は飽和し、Ａｌ２Ｏ３が増加することで、靭性低下を招くので、０．０５０質量％以下とする。
Ａｌは、脱酸素原子として作用し、Ｎと結合してＡｌＮを形成し、オーステナイト粒の粗大化を抑制し、組織の微細化に寄与する。しかし過度に含有しても効果は飽和し、Ａｌ２Ｏ３が増加することで、靭性低下を招くので、０．０５０質量％以下とする。
Ｔｉ：０．０２０質量％以上０．０５０質量％以下
Ｔｉは、Ｎと化合してＴｉＮを形成し、これを核とした結晶粒微細化効果を有するので、耐力のさらなる向上に寄与する。さらにＢの焼き入れ性を確保するためにも必要である。そこで０．０２０質量％以上とする。しかし、多量に添加すると鋼の清浄度を害するし、効果も飽和し、靭性が低下するので０．０５０質量％を上限とする。
Ｔｉは、Ｎと化合してＴｉＮを形成し、これを核とした結晶粒微細化効果を有するので、耐力のさらなる向上に寄与する。さらにＢの焼き入れ性を確保するためにも必要である。そこで０．０２０質量％以上とする。しかし、多量に添加すると鋼の清浄度を害するし、効果も飽和し、靭性が低下するので０．０５０質量％を上限とする。
Ｂ：０．０００５質量％以上０．００３０質量％以下
Ｂは、焼入性を確保したり、粒界強化元素としての効果を有し、０．０００５質量％以上とする。しかし多量に添加すると効果が飽和するうえ、熱間加工性が劣化するため０．００３０質量％以下とする。
Ｂは、焼入性を確保したり、粒界強化元素としての効果を有し、０．０００５質量％以上とする。しかし多量に添加すると効果が飽和するうえ、熱間加工性が劣化するため０．００３０質量％以下とする。
Ｎｂ：０．０２０質量％以上０．１００質量％以下
Ｎｂは、結晶粒を微細化する。しかしＮｂは、過度に含有しても効果が飽和する上、固溶度が低いため、靭性低下につながる場合があるので、０．１００質量％を上限とする。
Ｎｂは、結晶粒を微細化する。しかしＮｂは、過度に含有しても効果が飽和する上、固溶度が低いため、靭性低下につながる場合があるので、０．１００質量％を上限とする。
Ｍｏ：０．０５質量％以上０．５０質量％以下
Ｍｏは、マルテンサイトの靭性を確保したり、粒界を強化する効果を有する。さらに軟化抵抗改善元素としても機能する。しかし過度に含有すると材料の被削性を低下させることになる。
Ｍｏは、マルテンサイトの靭性を確保したり、粒界を強化する効果を有する。さらに軟化抵抗改善元素としても機能する。しかし過度に含有すると材料の被削性を低下させることになる。
Ｐｂ：０．０１質量％以上０．２０質量％以下
Ｐｂは、被削性を向上する元素であるが、過度に含有しても効果は飽和するので、０．２０質量％を上限とする。
Ｐｂは、被削性を向上する元素であるが、過度に含有しても効果は飽和するので、０．２０質量％を上限とする。
Ｂｉ：０．０１質量％以上０．１０質量％以下
Ｂｉは、被削性を向上する元素であるが、過度の添加は靭性を劣化させるし、効果も飽和するので、０．１０質量％を上限とする。
Ｂｉは、被削性を向上する元素であるが、過度の添加は靭性を劣化させるし、効果も飽和するので、０．１０質量％を上限とする。
Ｃａ：０．０００５質量％以上０．００５０質量％以下
Ｃａは、被削性を向上する元素であるが、過度に含有しても効果は飽和するので、０．００５０質量％を上限とする。
Ｃａは、被削性を向上する元素であるが、過度に含有しても効果は飽和するので、０．００５０質量％を上限とする。
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。このスプラインシャフト１２には、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。
この機械構造軸部品用鋼材の製造方法を説明する。まず、原料を溶解し鋳造する。鋳造時、鋳片中心部を２℃／分以上の冷却速度で凝固させ、製品圧延または鍛造により軸形状に加工する。製品圧延または鍛造は、分塊された素材を９５０〜１０５０℃に加熱し、さらに加工中の温度を８００〜１０５０℃として行う。冷却速度を２℃／分とすることで、Ｎｂを固溶した状態とし、また９５０〜１０５０℃に加熱して製品圧延または鍛造を行うことにより、固溶しているＮｂを部分的に析出させることができ、これによって結晶微細化元素としての効果を得ることができる。
次に雄スプライン部６４，６６の溝加工を転造あるいは切削により行う。さらに高周波焼入れ硬化層１２ａは、以下のようにして形成される。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℃となるように周波数１０ｋＨｚで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、大気炉にて１８０℃で６０分保持した後、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。
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、このｔ／Ｒは、０．４〜０．８、望ましくは０．５となるように調整した。ｔ／Ｒがこの値から大きくずれると、ねじり疲労強度が却って低下する場合がある。
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。この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。
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、この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６４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。
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。本発明の機械構造軸部品は、Ｍｎによる焼入れ性が高められており、半径２５ｍｍ以上の部品でも十分なねじり強度を得ることができる。
本発明の効果を調べるために、以下の実験を行った。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７０ｔｏｎの鋼塊を溶製した後、鋳塊のサイズが３７０ｍｍ×５１０ｍｍとなるように連続鋳造を行った。その後、直径５０ｍｍに圧延した。鋳造時は、１２００℃以上１４００℃以下の温度範囲で、鋳片中心部の冷却速度が２℃／分以上となるように凝固させ、圧延は、加熱温度を９５０℃以上１０５０℃以下、加工中の温度を８００℃以上１０５０℃以下で行った。但し、比較例７のみ、７．１ｔｏｎ鋼塊鋳込みを行った。表１に本発明の発明例１ないし８と比較例１ないし１０の各組成を示す。
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。
工具寿命の測定は、直径５０ｍｍ×長さ３００ｍｍの試験片を作製し、切削試験を行った。切削工具としてＰ１０超硬工具を用い、切削速度３００ｍ／分、一回転当りの切り込み量２．０ｍｍ、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した。工具寿命は、比較例１０に対する工具寿命比として表している。
ねじり強度試験は、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した。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℃）、移動焼入を行い、硬化層比が０．４〜０．６となるように調整した。その後空冷して１８０℃で６０分ＡＣで焼き戻し処理を行った。
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２×１０５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。
なお、焼き戻し後の試験片の表面硬さをＪＩＳ：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ＨＶ２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ＨＶｍ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、ＪＩＳ：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。以上の試験結果を表２に示す。
比較例では、強度不足や製造性の劣化が見られるのに対し、発明例は、強度を上げつつ、製造性も確保することができていることがわかる。
さらに本発明の効果を確認するため、平均硬さに対するねじり強度を図３に示す。ここで平均硬さｘ（Ｈｖ）は、軸の半径をａ、中心からの距離をｒ、中心からの距離ｒにおける硬さをｈ（ｒ）として、
として定義する。比較例では、平均硬さが大きくなっても、ねじり強度は必ずしも向上しない。しかし本発明例は、ねじり強度の向上が見られることが分かる。特に平均硬さｘ（Ｈｖ）と、ねじり強度ｙ（ＭＰａ）とは、
ｙ＞２．５ｘ
の関係がある。
ｙ＞２．５ｘ
の関係がある。
上記の結果から、本発明の組成範囲を満たし、本発明の製造工程によって作成された鋼材は、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、被削性も良好である。また従来、平均硬さを向上させても、ねじり強度が必ずしも向上しなかったが、本発明例では、平均硬さに対するねじり強度の向上を得ることができた。
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
６４，６６ 雄スプライン部
１２ スプラインシャフト
６４，６６ 雄スプライン部
Claims (7)
- 鋼材組成をＦｅ：９６質量％以上、Ｃ：０．４５質量％以上０．５５質量％以下、Ｓｉ：０．０２質量％以上０．１５質量％以下、Ｍｎ：０．５０質量％を超え１．２０質量％以下、Ｐ：０．００５質量％以上０．０２０質量％以下、Ｓ：０．００５質量％以上０．０３０質量％以下、Ｃｒ：０．１０質量％以上０．３０質量％以下、Ａｌ：０．００２質量％以上０．０５０質量％以下、Ｔｉ：０．０２０質量％以上０．０５０質量％以下、Ｂ：０．０００５質量％以上０．００３０質量％以下、Ｎｂ：０．０２０質量％以上０．１００質量％以下、
となるように原料配合し、溶解後、
１２００℃以上１４００℃以下の温度範囲で、鋳片中心部の冷却速度が２℃／分以上となるように凝固させる工程と、
加熱温度を９５０℃以上１０５０℃以下、加工中の温度を８００℃以上１０５０℃以下として製品圧延または鍛造を行って、この鋼材を軸状の部品形状を有した加工体とする工程と、
前記加工体に高周波焼入れを行う工程と、
その高周波焼入れ後の前記加工体に焼戻しを行う工程と、
を含むことを特徴とした機械構造軸部品の製造方法。 - 前記高周波焼入れは、前記機械構造軸部品の軸の半径方向において、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軸表面からの距離で定義される厚さｔと、軸半径Ｒとの比ｔ／Ｒで表される硬化層比が、０．４以上０．８以下になるように行い、前記焼戻しは、１５０℃以上２２０℃以下で２分以上１５０分以下行う請求項１に記載の機械構造軸部品の製造方法。
- 前記鋼材として、Ｍｏ：０．０５質量％以上０．５０質量％以下を含有したものを使用する請求項１または２に記載の機械構造軸部品の製造方法。
- 前記鋼材として、Ｐｂ：０．０１質量％以上０．２０質量％以下、Ｂｉ：０．０１質量％以上０．１０質量％以下、Ｃａ：０．０００５質量％以上０．００５０質量％以下の少なくともいずれかを含有したものを使用する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の機械構造軸部品の製造方法。
- 鋼材組成をＦｅ：９６質量％以上、Ｃ：０．４５質量％以上０．５５質量％以下、Ｓｉ：０．０２質量％以上０．１５質量％以下、Ｍｎ：０．５０質量％を超え１．２０質量％以下、Ｐ：０．００５質量％以上０．０２０質量％以下、Ｓ：０．００５質量％以上０．０３０質量％以下、Ｃｒ：０．１０質量％以上０．３０質量％以下、Ａｌ：０．００２質量％以上０．０５０質量％以下、Ｔｉ：０．０２０質量％以上０．０５０質量％以下、Ｂ：０．０００５質量％以上０．００３０質量％以下、Ｎｂ：０．０２０質量％以上０．１００質量％以下、
となるように原料配合し、溶解後、
１２００℃以上１４００℃以下の温度範囲で、鋳片中心部の冷却速度が２℃／分以上となるように凝固させ、加熱温度を９５０℃以上１０５０℃以下、加工中の温度を８００℃以上１０５０℃以下として製品圧延または鍛造を行って、軸状に形成され、高周波焼入れ、焼戻しを行って製造され、
軸の半径をａ、中心からの距離をｒ、中心からの距離ｒにおける硬さをｈ（ｒ）として、平均硬さをｘ（Ｈｖ）を、
ｙ＞２．５ｘとなることを特徴とする機械構造軸部品。 - 前記鋼材として、Ｍｏ：０．０５質量％以上０．５０質量％以下を含有したものを使用する請求項５に記載の機械構造軸部品。
- 前記鋼材として、Ｐｂ：０．０１質量％以上０．２０質量％以下、Ｂｉ：０．０１質量％以上０．１０質量％以下、Ｃａ：０．０００５質量％以上０．００５０質量％以下の少なくともいずれかを含有したものを使用する請求項５または６に記載の機械構造軸部品。
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