JP2007182606A

JP2007182606A - 動力伝達シャフト及びその製造方法

Info

Publication number: JP2007182606A
Application number: JP2006001343A
Authority: JP
Inventors: Hiroo Morimoto; 洋生森本
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2006-01-06
Filing date: 2006-01-06
Publication date: 2007-07-19

Abstract

【課題】高価な合金元素を多量に添加することなく、簡便な手段により、高強度で接合性に優れた動力伝達シャフトを提供する。
【解決手段】Ｃ：０．３〜０．４８ｗｔ％を含む炭素鋼にＶ：０．０５〜０．１５ｗｔ％、Ｓ：０．００５〜０．０２５ｗｔ％を添加した鋼を９００〜１０５０℃で高周波焼入れし、１５０〜２００℃で焼戻しすることにより、その高周波加熱処理により形成された硬化層の旧オーステナイト粒径を５〜３０μｍとし、半径に対する有効硬化深さの比を０．４０以上とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車や各種産業機械の動力伝達機構においてトルク伝達用に使用され、例えば、自動車の動力伝達系の一部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）に使用される動力伝達シャフトに関する。

例えば自動車の動力伝達系に組み込まれるドライブシャフトやプロペラシャフトなどに使用される動力伝達シャフトでは、通常、素材として炭素鋼が用いられ、さらに熱処理により表面を硬化させて所定の強度が確保されている。さらに、動力伝達シャフトには、中実の一体シャフトと溶接や圧接を用いた接合シャフトが存在する。

近年では、自動車の高出力化、あるいは安全性指向による車両重量の増加などに対応して動力伝達シャフトの更なる高強度化が望まれている。また、燃費向上の観点から動力伝達シャフトの軽量化要求が顕在化しており、これを達成する上でも動力伝達シャフトの高強度化が急務である。そのため、この動力伝達シャフトの高強度化を図ることを目的として、種々の提案がなされている（例えば、特許文献１，２参照）。

特許文献１に開示された動力伝達シャフトでは、素材である炭素鋼にＢを添加することにより、焼入れ性向上、粒界強化、焼割れ感受性の低下を図っており、また、Ｎｂ，Ｖ，Ｚｒを添加することにより、結晶粒の微細化による靭性の向上を図っている。

特許文献２に開示された動力伝達シャフトでは、鋼材にＭｏやＢを添加することにより、母材組織をベイナイト化し、焼入れ性を極端に向上させることで、結晶粒の微細化により耐焼割れ性および疲労強度の向上を図っている。
特開２０００−２３４１４１号公報特開２００５−０６０７１８号公報

前述した動力伝達シャフトでは、焼入れ性向上や結晶粒の微細化効果がある特殊な合金元素を添加することにより、動力伝達シャフトの高強度化を図っている。

しかしながら、従来のように高価な合金元素を多量に添加することは、製品のコストアップを招くという問題があった。また、動力伝達シャフトの高強度化のために素材組織をベイナイト化することは、素材硬さの上昇により加工性が低下して製品のコストアップを招くという問題もあった。

また、Ｂを添加した効果を十分に引き出すため、Ｔｉを合わせて添加するが、その際に生成されるＴｉＮの硬く大きい介在物が、旋削のチップ欠けなどを誘発し、工具寿命が低下するという問題もあった。さらに、Ｍｏなどを添加することで焼入れ性を向上させることは、一般的に溶接性が悪化するという問題もあった。また、Ｓが増加すると接合性（溶接・摩擦接合性）が低下する問題があった。

そこで、本発明は前述の問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、高価な合金元素を多量に添加することなく、高強度で接合性に優れた中実および接合された動力伝達シャフトを提供することにある。

前述の目的を達成するため、本発明に係る動力伝達シャフトは、Ｃ：０．３〜０．４８ｗｔ％を含む炭素鋼にＶ：０．０５〜０．１５ｗｔ％、Ｓ：０．００５〜０．０２５ｗｔ％を添加した鋼からなり、高周波焼入れ焼戻し処理により形成された硬化層の旧オーステナイト粒径を５〜３０μｍとし、半径に対する有効硬化深さの比を０．４０以上としたことを特徴とする。この高周波焼入れ焼戻し処理としては、焼入れ温度を９００〜１０５０℃とし、焼戻し温度を１５０〜２００℃とすることが望ましい。また、本発明に係る動力伝達シャフトの製造方法は、Ｃ：０．３〜０．４８ｗｔ％を含む炭素鋼にＶ：０．０５〜０．１５ｗｔ％、Ｓ：０．００５〜０．０２５ｗｔ％を添加した鋼を９００〜１０５０℃で高周波焼入れし、１５０〜２００℃で焼戻しすることにより、その高周波加熱処理により形成された硬化層の旧オーステナイト粒径を５〜３０μｍとし、半径に対する有効硬化深さの比を０．４０以上としたことを特徴とする。ここで、有効硬化深さとは、ＪＩＳＧ０５５９にて定義された有効硬化深さを意味する。

本発明では、等速自在継手が連結される動力伝達シャフトとしてＣ：０．３〜０．４８ｗｔ％を含む炭素鋼にＶ：０．０５〜０．１５ｗｔ％、Ｓ：０．００５〜０．０２５ｗｔ％を添加した鋼を用いることにより、中実シャフト、中空シャフト、ならびに溶接や圧接を用いた接合シャフトの静的および疲労強度を向上させることができる。

なお、Ｃ量が０．３ｗｔ％未満であると、焼入れ焼戻し後に十分な硬さと硬化深さが得られず、強度低下の問題がある。また、Ｃ量が０．４８ｗｔ％を超えると、著しく溶接性を阻害し、さらに機械加工性の阻害と焼き割れが発生し易くなるという問題がある。

また、Ｓ量が０．００５ｗｔ％未満であると、機械加工性を著しく阻害という問題がある。また、Ｓ量が０．０２５ｗｔ％を超えると、溶接割れが発生しやすくなり、脆性破壊をきたすという問題がある。

さらに、Ｖ量が０．０５ｗｔ％未満であると、旧オーステナイト粒の微細化効果が十分に得られないという問題がある。また、Ｖ量が０．１５ｗｔ％を超えると、著しく機械加工性を阻害するという問題がある。

焼入れ温度および焼戻し温度を前述の範囲に規定したのは以下の理由による。つまり、高周波焼入れ温度が９００℃より小さいと、焼入れ時のＣの固溶が不十分となることで、強度低下の問題がある。この高周波焼入れ温度が１０５０℃より大きいと、硬化層の旧オーステナイト粒径が粗大化し、強度低下の問題がある。また、焼戻し温度が１５０℃より小さいと、十分な焼戻し効果が得られないために靭性が低下することによる強度低下の問題がある。焼戻し温度が２００℃より大きいと、表面硬度が低下することにより強度低下の問題がある。

焼入れ深さを前述の範囲に規定したのは以下の理由による。つまり、半径に対する有効硬化深さの比が０．４０未満であると、内部起点による破壊が発生し、著しく強度が低下するという問題がある。

旧オーステナイト粒径を前述の範囲に規定したのは以下の理由による。つまり、５μｍ未満のものを得るためには、焼入れの加熱温度を下げるか、加熱時間を短縮する必要があり、十分な表面硬さと硬化深さが得られないという問題がある。３０μｍを超えると粒界強度が著しく低下し、焼割れの発生や脆性破壊することで急激に強度が低下するという問題がある。

本発明によれば、等速自在継手が連結される動力伝達シャフトとしてＣ：０．３〜０．４８ｗｔ％を含む炭素鋼にＶ：０．０５〜０．１５ｗｔ％、Ｓ：０．００５〜０．０２５ｗｔ％を添加した鋼を用いることにより、硬化層の旧オーステナイト粒径を５〜３０μｍに微細化することができ、静的および疲労強度を向上させることができる。その結果、高強度で接合性に優れた中実および接合された動力伝達シャフトを容易に提供することができる。

本発明に係る動力伝達シャフトおよびその製造方法の実施形態を以下に詳述する。

図１は動力伝達シャフトの実施形態として、例えば、自動車のドライブシャフトに使用される場合を例示する。ドライブシャフトは、動力伝達シャフトである中間シャフト１の一方の軸端部２に摺動式等速自在継手（図示せず）がスプライン嵌合などにより連結され、他方の軸端部３に固定式等速自在継手（図示せず）がスプライン嵌合などにより連結される。なお、この中間シャフト１は、中実の棒材から加工された中実シャフト、あるいは鋼管などから加工された中空シャフト、あるいは溶接や圧接を用いた接合シャフトのいずれであってもよい。

この中間シャフト１では、Ｃ：０．３〜０．４８ｗｔ％を含む炭素鋼にＶ：０．０５〜０．１５ｗｔ％、Ｓ：０．００５〜０．０２５ｗｔ％を添加した鋼からなる素材を高周波加熱し、その高周波加熱により表面に硬化層４を形成する。この高周波加熱処理では、焼入れ温度を９００〜１０５０℃とし、焼戻し温度を１５０〜２００℃とする。その硬化層深さは半径に対する有効硬化深さの比を０．４０以上とする。その結果、焼入れ焼戻し処理により形成された硬化層４の旧オーステナイト粒径は５〜３０μｍとなる。

素材の成分を前述の範囲に規定したのは以下の理由による。つまり、Ｃ量が０．３ｗｔ％未満であると、焼入れ焼戻し後に十分な硬さと硬化深さが得られず、強度低下の問題がある。またＣ量が０．４８ｗｔ％を超えると、著しく溶接性を阻害し、さらに機械加工性の阻害と焼き割れが発生し易くなるという問題がある。

焼入れ温度および焼戻し温度を前述の範囲に規定したのは以下の理由による。つまり、焼入れ温度が９００℃より小さいと、焼入れ時のＣの固溶が不十分となることで、強度低下の問題がある。この焼入れ温度が１０５０℃より大きいと、硬化層４の旧オーステナイト粒径が粗大化し、強度低下の問題がある。また、焼戻し温度が１５０℃より小さいと、十分な焼戻し効果が得られないために靭性が低下することによる強度低下の問題がある。焼戻し温度が２００℃より大きいと、表面硬度が低下することにより強度低下の問題がある。

この実施形態の中間シャフト１では、Ｃ：０．３〜０．４８ｗｔ％を含む炭素鋼にＶ：０．０５〜０．１５ｗｔ％、Ｓ：０．００５〜０．０２５ｗｔ％を添加した鋼を用いることにより、硬化層の旧オーステナイト粒径を５〜３０μｍに微細化することができ、静的および疲労強度を向上させることができる。

図１に示す形状を有する中間シャフト１について、Ｃ：０．４５ｗｔ％、Ｓｉ：０．２３ｗｔ％、Ｍｎ：１．０８ｗｔ％、Ｐ：０．０２９ｗｔ％、Ｓ：０．０２６ｗｔ％、Ｃｕ：０．０１ｗｔ％、Ｎｉ：０．０２ｗｔ％、Ｃｒ：０．０７ｗｔ％、Ｖ：０．１１５ｗｔ％を基本成分とした鋼で本発明品Ｉ，IIをシャフト素材とし、焼入れ温度９７０℃、焼戻し温度１５０℃（本発明品Ｉ）および２００℃（本発明品II）、焼戻し時間１時間（本発明品Ｉ，II）として処理した。また、従来品については、シャフト素材としてＳＡＥ１０４１を使用し、焼入れ温度１１００℃、焼戻し温度１８０℃、焼戻し時間１時間として高周波加熱処理した。

上表に示すように焼入れ硬化部の旧オーステナイト粒径について、本発明品Ｉでは７μｍ、本発明品IIでは１０μｍに対して、従来品では１５μｍとなっている。なお、「スプライン部」とは、中間シャフト１の軸端部２，３であり、また、「平滑部」とは、中間シャフト１の中央部分である。

これら本発明品Ｉ，IIと従来品について静捩り試験を実施した結果を下表に示す。

上表に示すように従来品を基準とした場合、本発明品Ｉでは静捩り強度が３４％、捩り疲労強度が２５％向上し、本発明品IIでは静捩り強度が２７％、捩り疲労強度が２３％向上した。

本発明に係る動力伝達シャフトの実施形態を示す正面図である。

符号の説明

１中間シャフト（動力伝達シャフト）
４硬化層

Claims

等速自在継手が連結される動力伝達シャフトであって、Ｃ：０．３〜０．４８ｗｔ％を含む炭素鋼にＶ：０．０５〜０．１５ｗｔ％、Ｓ：０．００５〜０．０２５ｗｔ％を添加した鋼からなり、高周波焼入れ焼戻し処理により形成された硬化層の旧オーステナイト粒径を５〜３０μｍとし、半径に対する有効硬化深さの比を０．４０以上としたことを特徴とする動力伝達シャフト。
前記高周波焼入れ焼戻し処理は、焼入れ温度を９００〜１０５０℃とし、焼戻し温度を１５０〜２００℃とした請求項１に記載の動力伝達シャフト。
等速自在継手が連結される動力伝達シャフトの製造方法であって、Ｃ：０．３〜０．４８ｗｔ％を含む炭素鋼にＶ：０．０５〜０．１５ｗｔ％、Ｓ：０．００５〜０．０２５ｗｔ％を添加した鋼を９００〜１０５０℃で高周波焼入れし、１５０〜２００℃で焼戻しすることにより、その高周波加熱処理により形成された硬化層の旧オーステナイト粒径を５〜３０μｍとし、半径に対する有効硬化深さの比を０．４０以上としたことを特徴とする動力伝達シャフトの製造方法。