JP2006083987A

JP2006083987A - 中空状動力伝達シャフト

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Publication number: JP2006083987A
Application number: JP2004271277A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Sakurai; 勝弘櫻井; Akira Nakagawa; 亮中川
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2004-09-17
Publication date: 2006-03-30

Abstract

【課題】電縫管に高周波焼入を行う時に電縫部付近の強度ばらつきを少なくすることを目的とする。
【解決手段】動力伝達シャフト１は、鋼材から形成した電縫管に塑性加工を施して、軸方向中間部に大径部、軸方向両側部に小径部を有する中空状シャフト素材を成形し、この中空状シャフト素材に所要の機械加工を施した後、高周波焼入れ処理を施すものであって、電縫管を構成する鋼材を、熱間圧延方向に平行な断面の組織のフェライトバンドの評点が１〜５のものを選択するものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、等速自在継手等に連結される中空状動力伝達シャフトに関するもので、例えば、自動車の動力伝達系を構成するドライブシャフト（駆動軸）やプロペラシャフト（推進軸）に適用することができる。

例えば、自動車の動力伝達系において、減速装置（ディファレンシャル）から駆動輪に動力を伝達する動力伝達シャフトは、ドライブシャフト（駆動軸）と呼ばれることがある。特に、ＦＦ車に使用されるドライブシャフトでは、前輪操舵時に大きな作動角と等速性が要求され、また、懸架装置との関係で軸方向の変位を吸収する機能が要求されるので、その一端部をダブルオフセット型等速自在継手やトリポード型等速自在継手等の摺動型等速自在継手を介して減速装置側に連結し、その他端部をバーフィールド型等速自在継手（ゼッパジョイントと呼ばれることもある。）等の固定型等速自在継手を介して駆動輪側に連結する機構が多く採用されている。

上記のようなドライブシャフトとしては、従来、また現在においても、中実シャフトが多く使用されているが、自動車の軽量化、ドライブシャフトの剛性増大による機能向上、曲げ一次固有振動数のチューニング最適化による車室内の静粛性向上等の観点から、近時では、ドライブシャフトを中空シャフト化する要求が増えてきている。

ドライブシャフト等に適用される中空状動力伝達シャフトは、例えば、鋼素管に塑性加工を施して、軸方向中間部に大径部、軸方向両側部に小径部を有する中空状シャフト素材を成形し、この中空状シャフト素材に必要に応じて所要の機械加工を施した後、熱処理を施すことによって製造される（例えば、特許文献１、２）。

また、中空状動力伝達シャフトの鋼材となる鋼素管としては、いわゆる電縫管やシームレス管が用いられているが、肉厚精度、内径キズレベル、脱炭レベルが良く、製品の形状品質を確保しやすい点では、電縫管の方が鋼材として優れているということができる。ここで、電縫管は、周知のように、鋼材をパイプ状に成形し、鋼材の有端同士の突合せ部を電気抵抗溶接で相互に溶着したものである。

しかし、電縫管は、軸線方向に沿って延びる溶接部分の電縫部が強度の面で弱くなる傾向があり、その懸念を払拭するために、電縫管を構成する鋼材の組成、電縫部の硬度を工夫し、また、熱処理方法として高周波焼入れを採用することが提案されている（特許文献３）。
特開平１１−１０１２５９号公報特開２００１―２０８０３７号公報特開２００２−３５６７４２号公報

しかし、電縫管を構成する鋼材の組成に粗大なフェライトバンドが存在すると、電縫管に高周波焼入処理を行った場合に電縫部付近のフェライトバンドが立った部位の強度が低くなり、強度ばらつきが大きくなるという問題があった。

これは、高周波焼入れを採用すると、通常加熱の場合の焼入れ性に比較して、高周波焼入れ性は急速加熱のために、前組織の影響を大きく受けるためである。

すなわち、粗大なフェライトがフェライトバンドとして列状に存在すると、炭化物の溶体化が不十分であり、高周波焼入れ後、硬さ不足や硬さムラを生じ、硬化層深さも浅くなる。この状態では、高周波焼入れ後の強度特性が不足する。つまり、高周波焼入れ後の高強度特性を確保するためには、前組織を適正な組織として、炭化物の溶体化不良を制限することがポイントである。

図５は、高周波焼入れ前の組織にフェライトバンドが存在すると、高周波焼入れ後にどのような影響がでるかを模式的に表した図である。フェライトバンドが顕著であると、図５に示したように、高周波焼入れ後、元々パーライト組織の部分が高炭素マルテンサイト、元々フェライトバンドの部分が低炭素マルテンサイトとなり、硬い層と軟らかい層が軸方向に沿って層状に存在することになる。

このような鋼材に、捩り応力を負荷した場合、軸方向がせん断応力最大の方向になるため、軟らかい低炭素マルテンサイト層に沿って、せん断亀裂が発生・伝播し、低強度での破壊を招く。

さらに、フェライト粒径が粗大なほど炭素の拡散距離が長くなり、上記の硬さムラは顕著になるため、硬さムラの防止と硬化層深さを深くするためには、フェライト粒径の微細化も重要である。

以上から、フェライトの結晶粒径をある値以下に制限し、フェライトバンドを抑制することが必須である。

そこで、本発明の課題は、鋼材として電縫管を用いた中空状動力伝達シャフトの強度ばらつきを少なくすることである。

前記目的を達成するため、本発明は、鋼材から形成された電縫管に塑性加工を施して所要形状に成形した後に高周波焼入による熱処理をおこない、その両端部に連結要素を設けた中空状動力伝達シャフトであって、電縫管を構成する鋼材の熱間圧延方向に平行な断面の組織のフェライトバンドの評点が１〜５である構成を提供する。

上記構成において、電縫管を構成する鋼材はミクロ組織が実質的にフェライト・パーライト組織であり、フェライト結晶粒径が２５μｍ以下であることが好ましい。

本発明によれば、電縫管を構成する鋼材の組織のフェライトバンドの評点を１〜５にしたので、電縫管を構成したとき、電縫部付近のフェライトバンドが立った部位の強度が向上し、強度ばらつきが少なくなる。そのため、この電縫管を鋼材して製造された中空状動力伝達シャフトは強度ばらつきが少なく、強度品質が安定したものとなる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、中空状の動力伝達シャフト１と、動力伝達シャフト１の一端部に連結された摺動型等速自在継手２と、動力伝達シャフト１の他端部に連結された固定型等速自在継手３とを備えた自動車の動力伝達機構を示している。

この実施の形態の動力伝達機構において、摺動型等速自在継手２は減速装置（ディファレンシャル）に連結され、固定型等速自在継手３は駆動輪側に連結される。動力伝達シャフト１の一端部は摺動型等速自在継手２のトリポード部材２ａにスプライン連結され、摺動型等速自在継手２の外輪２ｂの端部外周と動力伝達シャフト１の外周にブーツ２ｃがそれぞれ固定されている。

また、動力伝達シャフト１の他端部は固定型等速自在継手３の内輪３ａにスプライン連結され、固定型等速自在継手３の外輪３ｂの端部外周と動力伝達シャフト１の外周にブーツ３ｃがそれぞれ固定されている。

尚、同図には、摺動型等速自在継手２としてトリポード型等速自在継手が例示され、固定型等速自在継手３としてバーフィールド型等速自在継手が例示されているが、他の型式の等速自在継手が用いられる場合もある。

図２は、動力伝達シャフト（ドライブシャフト）１を示している。この動力伝達シャフト１は、軸方向全域に亘って中空状をなし、軸方向中間部に大径部１ａ、大径部１ａよりも軸方向両側部にそれぞれ小径部１ｂを備えている。小径部１ｂは、等速自在継手（２、３）との連結に供される端部側の連結部１ｄを一体に有し、連結部１ｄには、等速自在継手（２、３）にスプライン連結されるスプラインが形成されている。
上記構成の動力伝達シャフト１は、例えば、電縫管に塑性加工、例えばスウェージング加工を施して、軸方向中間部に大径部、軸方向両側部に小径部を有する中空状シャフト素材を成形し、この中空状シャフト素材に所要の機械加工（スプラインのプレス加工や転造加工等）を施した後、高周波焼入れを施すことによって製造される。

中空状シャフト素材となる電縫管は、寸法精度や仕上げ精度が良好な鋼材をパイプ状に成形し、鋼材の有端同士の突合せ部を電気抵抗溶接で相互に溶着したものである。電縫管の電縫部は、内外面に生じるビードを切削バイトなどで連続的に切削除去している。このような電縫管を鋼材して製造された動力伝達シャフト１は、図３に示すように、軸線方向に沿って延びる電縫部４を有している。

前記中空シャフト素材となる電縫管の鋼材としては、構造用炭素鋼鋼管（ＳＴＫＭ）等が主に使用される。この鋼材は、Ｃが０．３０ｗｔ％以上で０．４５ｗｔ％以下、Ｓｉが０．０５ｗｔ％以上で０．３５ｗｔ％以下、Ｍｎが１．０ｗｔ％以上で２．０ｗｔ％以下、Ａｌが０．０５ｗｔ％以下、Ｓが０．０１ｗｔ％以下で含有して残部がＦｅおよび不可避不純物を有する材料を使用できる。

ここで、中空状動力伝達シャフト１における捩り疲労強度に対して硬さが大きな要因となっていることは一般的に知られており、硬さは鋼材の成分にも大きく左右される。つまり、焼入れ後の硬さを決める元素はＣであるが、深さ方向の焼入れ後の硬さを決めるには、その他の元素（例えば、Ｓｉ、Ｍｎ等）が有効に作用する点でこれら成分を調整する必要がある。

Ｃは、中空状動力伝達シャフト１の捩り疲労強度を確保するために必要な元素であり、所定の熱処理後の硬さを得るためには、０．３０ｗｔ％以上必要である。また、０．４５ｗｔ％を超えた場合は、鋼材の硬さが増加しすぎて加工性を低下させる点でこれを上限とする。

Ｓｉは、鋼材の脱酸剤として若干量だけ必要であるとともに、鋼材の高周波焼入れ性を確保するためにも必要な元素であり、その含有量が０．０５ｗｔ％未満ではこの効果が小さい。また、０．３５ｗｔ％を超えて添加すると、加工性が著しく低下するのでこれを上限とする。

Ｍｎは、鋼材の高周波焼入れ性を高く確保するためには１．０ｗｔ％以上の添加量が必要である。しかしながら、２．０ｗｔ％を超えて添加すると、加工性が著しく低下するのでこれを上限とする。

Ａｌは、鋼材の脱酸剤として添加するものであり、鋼材の清浄度を害さないために低減することが望ましく、０．０５ｗｔ％を上限とする。

また、Ｓは、冷間加工時の変形能を低下させ、０．０１ｗｔ％を超えると変形能の低下が著しくなることから、０．０１ｗｔ％を上限とする。

なお、鋼材の高周波焼入れ性を補うために、Ｃｒが０．１ｗｔ％以上で０．３５ｗｔ％以下、Ｂが０．０００５ｗｔ％以上で０．００５ｗｔ％以下で含有させてもよい。ＣｒとＢの両者は、少なくともいずれか一方を含有させればよい。Ｃｒは、その含有量が０．１ｗｔ％未満であると、鋼材の高周波焼入れ性を補う効果が小さく、また、０．３５ｗｔ％を超えて添加すると、鋼材のコストアップを招来する。また、Ｂは、その含有量が０．０００５ｗｔ％未満であると、鋼材の高周波焼入れ性を補う効果が小さく、０．００５ｗｔ％を超えて添加しても高周波焼入れ性の効果は変わらない。

また、高周波焼入れ、焼戻し処理の後に、中空状動力伝達シャフト１の全周にショットピーニング処理を施してもよい。動力伝達シャフト１の表面部の残留圧縮応力を増加させることによって捩り疲労強度をより一層向上させることができる。ここで、前記ショットピーニング処理とは、一般的に小さな鋼粒を圧縮空気または遠心力で金属表面にたたきつけて表面の応力を均一化することである。

さらに、上記電縫管を構成する鋼材は、例えば、そのミクロ組織が実質的にフェライト・パーライト組織であり、フェライト結晶粒径が２５μｍ以下であり、熱間圧延方向に平行な断面の組織のフェライトバンドの評点が１〜５の範囲内のものである。

ここで、フェライトバンドの程度は、図４に示すように、昭和４５年社団法人日本金属学会発行「日本金属学会誌第３４巻第９号第９６１頁」において１〜７の７段階に評点化されている。すなわち、上記の日本金属学会誌第３４巻第９号の第９５７頁〜９６２頁には、標題のとおり「フェライト縞状組織におよぼすオーステナイト結晶粒度と鍛造比の影響について」が記載されており、第９６１頁左欄第７〜８行には「縞状組織の程度を数量的に表示するために、Ｐｈｏｔｏ．４の基準写真を作成した。」と記載されており、同頁の「Ｐｈｏｔｏ．４Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｆｅｒｒｉｔｅｂａｎｄｓ（×５０×２／３×５／６）」には１〜７の基準写真が掲載されている。該評点では、評点の番号が小さいほどフェライトバンドが軽微であり、評点の番号が大きいほどフェライトバンドが顕著であることを示している。

また、熱間加工後の鋼材のフェライトバンドの程度を軽減するためには、熱間加工時の加熱温度を１０５０℃以上と高めに設定し、圧延後の仕上げ温度・冷却速度条件を最適化すればよい。

この熱間加工後の鋼材のベイナイト組織の生成を抑えてフェライト・パーライト組織主体にするためには、圧延後の仕上げ温度・冷却条件を最適化する必要がある。

なお、高周波焼入れ材及び通常焼入れ焼戻し材の材質特性を向上させるためには、旧オーステナイト粒界の粒界強化がポイントである。旧オーステナイト粒界の粒界強化には、低Ｐ化、Ｂ添加が有効である。

また、ミクロ組織が実質的にフェライト・パーライト組織であり、フェライト結晶粒径が２５μｍ以下とした理由を以下に述べる。

ミクロ組織をフェライト・パーライト組織主体としたのは、ミクロ組織にベイナイトやマルテンサイト組織のような硬質組織が混入すると、鍛造性が著しく劣化するためである。

次に、高周波焼入れは急速加熱であるために、高周波焼入れ前の組織のフェライトが粗大であると、フェライトの部分は、オーステナイト後、炭素の拡散が不十分であり、炭素濃度が添加炭素濃度よりも低くなり、焼入れ後、その位置での硬さが小さくなる。

ここで、一般に熱間圧延後の鋼材の圧延方向に平行な断面ではフェライトバンドと呼ばれる縞状組織が認められる。粗大なフェライトがフェライトバンドとして列状に連続して存在すると、図５に示すように、焼入れ硬さムラが特に顕著になり、長手方向に元のフェライトバンドに対応して硬さの軟らかいバンドを形成する。そのため、最終製品に捩りモーメントを負荷した時に、この軟質なバンドに沿ってせん断亀裂力が生成し、低い強度で破壊する。この現象は、フェライト粒径が２５μｍを超え、フェライトバンドの評点が５を超えると特に顕著になる。

以上の理由から、フェライト結晶粒径を２５μｍ以下に制限し、かつ熱間圧延方向に平行な断面の組織のフェライトバンドの評点を１〜５とした。好適範囲は、フェライト結晶粒径を２０μｍ以下、熱間圧延方向に平行な断面の組織のフェライトバンドの評点が１〜４の範囲である。

また、熱間圧延時の加熱温度を１０５０℃以上にすると、熱間圧延時の加熱温度が１０５０℃未満では、フェライトバンドが評点５を超えるほどに顕著になり、その後の高周波焼入れ後の硬さムラが増大する。したがって、熱間圧延時の加熱温度を１０５０℃以上とすることが望ましい。

また、熱間圧延の仕上げ温度を８００〜１０００℃にすると、仕上げ温度が８００℃未満では、フェライトバンドが評点５を超えるほどに顕著になり、その後の高周波焼入れ後の硬さムラが増大する。一方、仕上げ温度が１０００℃を超えると、圧延材の硬さが硬くなって鍛造性が劣化する。したがって、熱間圧延の仕上げ温度を８００〜１０００℃、好適範囲は８４０〜９６０℃とすることが望ましい。

次に、熱間圧延に引き続いて８００〜５００℃の温度範囲を１℃／秒以下の冷却速度で徐冷することにより、冷却速度が１℃／秒を超えると、圧延ままでの硬さの増加が顕著になり、鍛造性が劣化するのを防止する。そのため、冷却速度を１℃／秒以下、好適範囲は０．７℃／秒以下である。なお、冷却速度を小さくする方法としては、圧延ラインの後方に保温カバーまたは熱源付き保温カバーを設置し、これにより、徐冷を行う方法が挙げられる。

本発明では、鋳片のサイズ、凝固時の冷却速度、分塊圧延条件については特に限定するものではなく、本発明の要件を満足すればいずれの条件でもよい。

したがって、動力伝達シャフト１において、電縫部４付近のフェライトバンドが立った部位の強度を高め、強度ばらつきを少なくするためには、上記の日本金属学会誌第３４巻第９６１頁で定義されたフェライトバンドの評点を１〜５にすることが有効である。

また、フェライトバンドの評点を１〜５にすることは、高周波焼入れ後の硬さムラを抑制するためにも有効である。なお、フェライトバンドの影響は、球状化焼鈍等の焼鈍後の組織にも引き継がれるため、フェライトの結晶粒径を２５μｍ以下に制限し、フェライトバンドを抑制することは有効である。
上記のような鋼材より電縫管を形成して製造されたこの実施形態の動力伝達シャフト１は、電縫部４付近のフェライトバンドが立った部位の強度が向上するので、強度ばらつきが少なく、強度品質が安定したものである。

自動車の動力伝達機構を示す縦断面図である。中空状動力伝達シャフトを示す一部縦断面図である。図２の横断面図である。鋼材の縞状組成の程度を数量的に表示する金属組成の写真である。高周波焼入前のフェライトバンド組成が高周波焼き入れ後に及ぼす影響を示す図である。

符号の説明

１動力伝達シャフト
４電縫部

Claims

鋼材から形成された電縫管に塑性加工を施して所要形状に成形し、その両端部に連結要素を設けた中空状動力伝達シャフトであって、前記電縫管を構成する鋼材の熱間圧延方向に平行な断面の組織のフェライトバンドの評点が１〜５であることを特徴とする中空状動力伝達シャフト。
前記鋼材は実質的にフェライト・パーライト組織であり、フェライト結晶粒径が２５μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の中空状動力伝達シャフト。