JP2007185668A

JP2007185668A - 中空ラック軸の製造方法

Info

Publication number: JP2007185668A
Application number: JP2006003507A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Takio; 和弘瀧尾
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2006-01-11
Filing date: 2006-01-11
Publication date: 2007-07-26

Abstract

【課題】必要な耐久性を備えた中空ラック軸を、低荷重で精度よく製造する。
【解決手段】中空ラック軸１を、Ｃ含有率が０．２０質量％以上０．４０質量％以下で、Ｓｉ含有率が０．５質量％以下で、Ｍｎ含有率が２．０質量％以下で、Ｃｒ含有率が０．１質量％以上１．２質量％以下で、残部がＦｅ及び不可避不純物である組成の鋼管を使用し、鋼管の長さ方向の一部に塑性加工でラック１Ａを形成した後、鋼管の全長に、その表層部のＣ及びＮの合計含有率が０．４０質量％以上となるように窒化処理を施し、その後、ラック１Ａに、その表層部の硬さがＨｖ６００以上となるように高周波焼入れ処理と焼戻し処理を施して作製する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車や工作機械等のステアリング装置で使用される中空ラック軸の製造方法に関する。

近年、自動車等のステアリング装置の軽量化を図るために、このステアリング装置に使用されるラック軸を中空にしたものが提案されている。
特許文献１及び特許文献２には、鋼管の長さ方向の一部に塑性加工でラックを形成する工程を備えた中空ラック軸の製造方法が提案されている。
ところで、中空ラック軸に必要な耐久性（例えば、ラックの歯面強度、ラック歯元応力、曲げ強度）を付与するためには、中炭素鋼（例えば、Ｃ含有率が０．５質量％程度の機械構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃ）を素材とする鋼管を使用することが一般的である。
特開２００４−２３７３１６号公報特開２００４−３５１４６８号公報

しかしながら、中炭素鋼を素材とする鋼管を使用して、上述した特許文献１及び特許文献２に記載の方法で中空ラック軸を製造する場合には、ラックを精度よく成形するために高荷重が必要となるため、型枠に破損が生じたり、生産性が良好ではないという問題がある。
ここで、塑性加工によるラックの成形を低荷重で精度良く行うためには、低炭素鋼（例えば、Ｃ含有率が０．２質量％程度の機械構造用炭素鋼Ｓ２０Ｃや、Ｃ含有率が０．４０質量％程度の機械構造用炭素鋼Ｓ４０Ｃ）を素材とする鋼管を用いて成形すればよいが、低炭素鋼を素材とする鋼管を用いて成形すると、ラックに必要な耐久性が得られなくなる場合がある。
そこで、本発明は、必要な耐久性を備えた中空ラック軸を、低荷重で精度よく製造できる方法を提供することを課題としている。

このような課題を解決するために、本発明は、鋼管の長さ方向の一部に塑性加工でラックを形成する工程を備えた中空ラック軸の製造方法において、Ｃ含有率が０．２０質量％以上０．４０質量％以下で、Ｓｉ含有率が０．５質量％以下で、Ｍｎ含有率が２．０質量％以下で、Ｃｒ含有率が０．１質量％以上１．２質量％以下で、残部がＦｅ及び不可避不純物である組成の鋼管を使用し、前記ラック形成加工後、鋼管の全長に、その表層部のＣ及びＮの合計含有率が０．４０質量％以上となるように窒化処理を施し、その後、ラックに、その表層部の硬さがＨｖ６００以上となるように高周波焼入れ処理と焼戻し処理を施す工程を備えたことを特徴とする中空ラック軸の製造方法を提供する。

本発明によれば、Ｃ含有率が０．２０質量％以上０．４０質量％以下である組成の鋼管を使用して、ラック形成加工後、鋼管の全長に、その表層部のＣ及びＮの合計含有率が０．４質量％以上となるように窒化処理を施し、その後、ラックに、その表層部の硬さがＨｖ６００以上となるように高周波焼入れと焼戻しを施す工程を備えたことによって、低炭素鋼を素材とする鋼管を用いても、鋼管の全長とラックにそれぞれ必要な耐久性を備えることができる。

以下、本発明に係る中空ラック軸の製造方法に関して詳細に説明する。
＜鋼管について＞
本発明の中空ラックは、Ｃ含有率が０．２０質量％以上０．４０質量％以下で、Ｓｉ含有率が０．５質量％以下で、Ｍｎ含有率が２．０質量％以下で、Ｃｒ含有率が０．１質量％以上１．２質量％以下で、残部がＦｅ及び不可避不純物である組成の鋼管を使用して製造する。

ここで、鋼中のＣ含有率は、中空ラック軸に必要な耐久性を付与するために０．２０質量％以上とし、ラックの加工精度を良好にするために０．４０質量％以下とする。また、鋼中のＳｉ含有率及びＭｎ含有率は、焼入れ性を向上させるとともに、焼入れ性を向上させるために必要な元素であるが、素材コストの低減を図るために、Ｓｉ含有率は０．５質量％以下とし、Ｍｎ含有率は２．０質量％以下とする。さらに、鋼中のＣｒ含有率は、中空ラック軸に必要な耐久性を付与するために０．１質量％以上とする必要があるが、素材コストの低減を図るために１．２質量％以下とする。

＜ラック形成工程後の熱処理について＞
まず、上述した鋼管の長さ方向の一部に、冷間加工等の塑性加工でラックを形成した後、鋼管の全長に、その表層部（表面から所定深さ、例えば、５００μｍまでの部分）のＣ及びＮの合計含有率が０．４０質量％以上となるように、窒化処理を施す。この窒化処理は、例えば、アンモニアガスを導入した炉内で４００〜７００℃、１〜２０時間加熱保持する軟窒化処理とし、窒化処理後には焼入れを施すことが好ましい。また、鋼管の全長に必要な耐久性を付与するために、この窒化処理を、鋼管の全長をなす表層部の硬さがＨｖ３００以上となるような条件で行うことが好ましい。
次に、鋼管の長さ方向の一部に形成されたラックに、その表層部（表面から所定深さ、例えば、１ｍｍまでの部分）の硬さがＨｖ６００以上となるように、周波数１０〜３０ｋＨｚで、３〜１０秒加熱保持する高周波焼入れを施した後、１５０〜３００℃で１〜１０時間加熱保持することによる焼戻し処理を施す。

本発明によれば、Ｃ含有率が０．２０質量％以上０．４０質量％以下である組成の鋼管を使用して、ラック形成加工後、鋼管の全長に、その表層部のＣ及びＮの合計含有率が０．４質量％以上となるように窒化処理を施し、その後、ラックに、その表層部の硬さがＨｖ６００以上となるように高周波焼入れと焼戻しを施す工程を備えたことによって、必要な耐久性を備えた中空ラック軸を低荷重で精度よく製造できる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る中空ラック軸の一例を示す斜視図である。
この中空ラック軸１は、図１に示すように、鋼管の長さ方向の周面１ａの略半分にラック形成部となる凹部１ｂが設けられ、この凹部１ｂの底面をなす平坦部にラック１Ａが設けられている。
本実施形態では、中空ラック軸１における耐久性（曲げ強度及びラック歯面強度）を検証するために、中空ラック軸１と同一形状の破壊検査用サンプル、曲げ強度測定用サンプル、及び歯面強度測定用サンプルを、以下に示す手順でそれぞれ作製した。
まず、表１に示すように、塑性加工性に優れた低炭素鋼管を用意し、各鋼管に６００〜８００℃で１０〜３０時間加熱保持することによる焼鈍処理を施した。

次に、この鋼管を中空ラック軸形成用型枠に嵌め込んで、荷重１００〜２００ｔｏｎで、１０〜１００℃の冷間プレス加工（塑性加工）を施すことにより、鋼管の長さ方向の周面の略半分に、凹部及びラックを形成し、中空ラック軸の最終形状とした。
このとき、冷間プレス加工は、上述した特許文献２と同様に、鋼管の全周面を取り囲み、且つ、鋼管のラック形成部に貫通する孔を有する第一型枠と、第一型枠の孔に挿入可能で、ラック形成用の歯面を有する第二型枠とからなる型枠を用いて行った。そして、上述した特許文献２と同様の手順で、鋼管を第一型枠に入れた後、まず、第一型枠の孔に第二型枠を挿入して冷間プレスすることで鋼管に凹部を形成した後、この第二型枠の歯面を凹部の底面をなす平坦部に接触保持した状態で、鋼管の内部にマンドレルを押し込むことにより、凹部の底面をなす平坦部にラックを形成した。

次に、アンモニアガスが導入された炉内で、５００〜６００℃で１〜２０時間保持することにより、鋼管の全長に、軟窒化処理と油焼入れを施した。
次に、鋼管に形成されたラックに、周波数１０〜３０ｋＨｚで１〜１０秒間加熱保持することによる高周波焼入れを施した後、１５０〜３００℃で１〜１０時間加熱保持することによる焼戻しを施し、その後、ラックに研削加工を施した。
このようにして得られた破壊検査用サンプルを用いて、鋼管の周面をなす表層部（表面から５００μｍまでの部分）のＣ含有率及びＮ含有率（質量比）を、電子線マイクロアナライザ( ＥＰＭＡ）を用いて測定し、その合計含有率（Ｃ＋Ｎ含有率）を、表１に併せて示した。

また、得られた破壊検査用サンプルを用いて、ラックの表層部（表面から深さ２ｍｍまでの部分）の硬さ（Ｈｖ）を、ＪＩＳＺ２２４４に規定されたビッカース硬さ試験法により測定した。そして、ラックの表面から深さ１ｍｍ位置の硬さを、表１に併せて示した。また、Ｎｏ．１の結果に基づいて、ラックの表面からの深さ位置と硬さとの関係を示す図２のグラフを作成した。
図２に示すように、Ｎｏ．１では、ラックの表面から深さ１ｍｍまでの部分にＨｖ６５０以上の高周波焼入れ層が形成されていることが分かる。
また、本実施形態では、比較例として、中空ラック軸１と同一形状の曲げ強度測定用サンプル及び歯面強度測定用サンプルを、中炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）を素材とした鋼管を用いて本発明の熱処理の内、窒化処理を施さずに作製した。

次に、得られた曲げ強度試験用サンプルを、図３に示す曲げ強度測定試験機に組み込んで、曲げ強度試験を行った。この曲げ強度試験機は、図３に示すように、固定支柱１１で固定されたハウジング１０に、試験用サンプル２０の一端部２０ａを支持するとともに、他端部２０ｂに部材３０を固定した後、この部材３０に負荷シリンダ４０からロードセル４１を介して、荷重が加えられるように構成されている。そして、部材３０に加えられた荷重は、ロードセル４１に接続された動歪み計５０を介して荷重計６０で測定される。この曲げ試験では、試験用サンプル２０が破断するまで加える荷重を徐々に大きくし、試験用サンプル２０が破断せずに曲がる最大荷重を曲げ強度として測定した。

この曲げ強度試験の結果を、比較例として作製したサンプルの曲げ強度を１とした時の比で、表１に併せて示した。
また、得られた曲げ強度測定試験の結果に基づいて、鋼管の周面をなす表層部のＣ及びＮの合計含有率と、曲げ強度との関係を示す図４のグラフを作成した。
次に、得られた歯面強度測定用サンプルを、その周面が円筒体（直径３０ｍｍ）の周面と接触するようにローラピッチング試験機に組み込んで、歯面強度試験を行った。この歯面強度試験は、ラックの歯面にピッチング（剥離損傷）が生じるまで、回転速度が６４ｍｉｎ^-1、滑り率が２５％の条件下で、歯面強度測定用サンプル及び円筒体を回転させることで行った。また、この歯面強度試験は、歯面強度測定用サンプルと円筒体との接触面に加わる面圧を、２．０〜４．０ＧＰａの間で種々変更させて行った。

そして、得られた結果のうち、Ｎｏ．１，Ｎｏ．５，Ｎｏ．６のサンプルと、比較例として作製したサンプルの結果を用いて、ピッチングが生じるまでのサイクル（歯面強度）と、面圧との関係を示す図５のグラフを作成した。また、３．０ＭＰａの面圧を加えた時の歯面強度を、比較例として作製したサンプルの歯面強度を１とした時の比で、表１に併せて示した。さらに、３．０ＭＰａの面圧を加えた場合において、鋼管全長の周面をなす表層部のＣ＋Ｎの合計含有率と、歯面強度との関係を示す図６のグラフを作成した。

表１及び図４〜図６に示すように、Ｃ含有率が０．２０質量％以上０．４０質量％以下で、Ｓｉ含有率が０．５質量％以下で、Ｍｎ含有率が２．０質量％以下で、Ｃｒ含有率が０．１質量％以上１．２質量％以下である組成の鋼管を使用して、鋼管全長の周面をなす表層部のＣ及びＮの合計含有率を０．４０質量％以上とし、ラックの表層部の硬さをＨｖ６００以上としたＮｏ．１，Ｎｏ．２では、それ以外のＮｏ．３〜Ｎｏ．６と比べて、曲げ強度が大きく、且つ、歯面強度が大きくなっていることが分かる。

一方、本発明構成の鋼管を使用して、鋼管の全長の周面をなす表層部のＣ及びＮの合計含有率を０．４０質量％未満としたＮｏ．３〜Ｎｏ．６では、曲げ強度及び歯面強度の両方を、比較例として作製したサンプルよりも大きくすることが出来なかった。
以上の結果から、中空ラック軸１を、Ｃ含有率が０．２０質量％以上０．４０質量％以下の低炭素鋼を素材とする鋼管に塑性加工でラック１Ａを形成した後、鋼管の全長に窒化処理を施し、その後、ラック１Ａに高周波焼入れと焼戻しを施すことで作製し、鋼管の全長をなす周面の表層部のＣ及びＮの合計含有率を０．４質量％以上とし、ラック１Ａの表層部の硬さをＨｖ６００以上とすることによって、優れた曲げ強度及び歯面強度が得られることを確認できた。

本発明に係る中空ラック軸の一例を示す斜視図である。ラックの表面からの深さと、ラックの表層部の硬さとの関係を示すグラフである。曲げ強度試験機を示す概略構成図である。鋼管全長の周面をなす表層部のＣ及びＮの合計含有率と、曲げ強度との関係を示すグラフである。歯面強度と、面圧との関係を示すグラフである。３．０ＭＰａの面圧を加えた場合において、鋼管全長の周面をなす表層部のＣ＋Ｎの合計含有率と、歯面強度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１中空ラック軸
１ａ周面
１ｂ凹部
１Ａラック

Claims

鋼管の長さ方向の一部に塑性加工でラックを形成する工程を備えた中空ラック軸の製造方法において、
Ｃ含有率が０．２０質量％以上０．４０質量％以下で、Ｓｉ含有率が０．５質量％以下で、Ｍｎ含有率が２．０質量％以下で、Ｃｒ含有率が０．１質量％以上１．２質量％以下で、残部がＦｅ及び不可避不純物である組成の鋼管を使用し、
前記ラック形成加工後、鋼管の全長に、その表層部のＣ及びＮの合計含有率が０．４０質量％以上となるように窒化処理を施し、その後、ラックに、その表層部の硬さがＨｖ６００以上となるように高周波焼入れ処理と焼戻し処理を施す工程を備えたことを特徴とする中空ラック軸の製造方法。