JP2008510070A - 硬化鍛鋼部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は鋼材の製造方法であって、特にはネットシェイプ鍛造ギヤ歯を有するステアリングラックのような部材に適した鋼材の製造方法に関するものである。本発明による鋼材の製造方法は、少なくとも鋼ブランクの部分を少なくとも６００℃の第１の温度まで加熱するステップと、前記部分を成形のため鍛造するステップと、前記部分を２００℃よりも高温の第２の温度まで制御手法で冷却するステップと、少なくとも前記部分の表面部を少なくともオーステナイト温度まで加熱するステップと、前記部分を焼入れることにより前記表面を硬化するステップとを有する。

Description

本発明は表面硬化鍛鋼部材の製造方法に関するものであり、特には、ステアリングラックのような鋳造されたギヤ歯を有する部材の製造に関するものである。

高周波焼入れによる鋼材の表面硬化は周知である。本工程は、比較的柔軟で強靭な内部を保持する一方、硬質で耐磨耗性の外層を設け、大量生産にかなり適している。高周波焼入れは一般的に中炭素鋼に処理され、この中炭素鋼は０．３％〜０．８％の炭素量（０．３％〜０．８％のＣ量）を有し、より一般的には約０．４％のＣ量を有する。鋼の高周波焼入れの理論と手法は周知である。簡単に説明すると、高周波焼入れには通常少なくとも１回巻コイルの形態の導体を用い、本導体を硬化する表面領域付近に配置し、適した周波数の電流により導体にエネルギーを与える。高周波焼入れは、鋼材の表面層をオーステナイト温度よりも高温に加熱し、その後、一般的に水のような冷却剤を用いる焼入れにより急速に冷却することで表面層を硬化する。特別に開発された焼入れシステムを、歪みを最小にするために用いることができる。硬化の後、部材はその靭性向上のため焼戻される。

ギヤ歯及び特に自動車のラックピニオン型ステアリング用のステアリングラックの歯には、一般に高周波焼入れ処理が行われる。高周波焼入れギヤ歯における問題は、歯の先端及び根元の間で均一な硬化深度を得ることが難しいということである。根元で充分な硬化深度を得るために、多くの場合、歯の先端はほぼ完全に硬化される。他の問題としては、冷たい部材の表面の加熱及び焼入れによりひびが入り、過度の歪みが生じることがある。高周波焼入れ前に本部材の温度をオーステナイト温度未満で予熱することによりこれらの問題は減少するということがわかっている。また、オーステナイト温度に達するのに必要なエネルギーが小さくなるため、予熱した部材を高周波焼入れするためのエネルギーは、冷たい部材を高周波焼入れするよりも著しく小さくなる。また、部材の表面及び内側間の減少した温度差により、表面からの伝導が小さい。予熱の１つの方法として、誘導加熱法に２つの周波数を用いる方法がある。鋳造されたべベルギアの歯に処理されるものとして、この方法は米国特許６３１５８４１号明細書（フィッシャー他）において説明される。硬化目的でまさに表面層を更に加熱するためより高い周波数へ変換する前に、第１の低い周波数を用いて本部材を予熱する。本方法の不利な点は、高周波焼入れ装置の追加的コスト及び複雑さである。

一般にあまり用いられないが、伝導加熱法は誘導加熱法の別の方法である。硬化すべき各端に１つずつ、２つの電気接点を部材に設け、部材の中を通るよう高周波電流を流す。高周波焼入れに類似した手法で、表面付近に配置される誘導体は、部材の表面付近を電流が流れるよう誘導し、表面層に加熱を集中させる。加熱の後、部材を焼入れて硬化する。高周波焼入れ同様に、伝導硬化は主に表面層を加熱するだけであるので、高周波焼入れと同様の問題を有し、また、予熱が有効である。

鋼の温間鍛造は周知である。温間鍛造に用いる実際の温度は、約６００℃から最高１００００℃まで用途によって変化する。温間鍛造の熱間鍛造を超える利点は、スケールの最小化及び鍛造精度の向上である。温間鍛造は、特にネットシェイプギヤ歯の鍛造に応用できる。ネットシェイプでは鍛造の後に歯の仕上げ加工が必要とならない。丸棒からネットシェイプへのステアリングラックの温間鋳造は周知であり、本出願において温間鍛造温度は代表的に６５０℃〜８５０℃である。ステアリングラックの温間鍛造用の装置は米国特許５８６２７０１号明細書（ビショップ他）において開示される。

ステアリングラックを温間鋳造した後、制御手法で一般的に常温に冷却され、その後高周波焼入れする。したがって部材は２回加熱されることになる。１回目は鍛造温度に達するまで、２回目は高周波焼入れのためであり、これはエネルギーを浪費する。

中炭素鋼であって、鋳造及び高周波焼入れされた部材を製造するために通常用いられ、特にステアリングラックを製造するために用いられる中炭素鋼は、ＳＡＥ１０４０及びＤＩＮ３７ＣｒＳ４を含有する。ベイナイト組織（ベイナイト）を有す中炭素鋼もまた用いられる。ベイナイト組織を有す鋼の利点は、延性の良好なレベルを未だ維持する一方、パーライト組織よりも強いということである。その他のベイナイト組織の利点は、米国特許５６６７６０５号明細書（ベルス他）にて示されるように、それが長時間温度を保たなければ、再加熱後にその硬度を維持するということである。これは、ベイナイト組織を有する鋼がオーステナイトへの変態に他の組織よりも時間がかかるためである。米国特許５６６７６０５号明細書において開示される鋼種であって、０．３５％Ｃ、１．８％Ｍｎ、０．１２％Ｖ及び他成分（ＤＩＮ３５ＭｎＶ７に等しい）の組成を有している鋼種は、特に鍛造用途のためのベイナイト組織を製造するのに適している。

例えばベイナイト又は微細パーライト及びフェライトの混合のような、細密な微細組織は、まず第１に、オーステナイト温度からマンテンサイトへの変態が始まる温度よりも高い温度へ急速に冷却し、次に、本組織がベイナイト又は微細パーライト及びフェライトの混合に変態するまで、この温度を保持することで、例えばＳＡＥ１０４０又は３７ＣｒＳ４のような平坦な鉄炭素鋼中で得られる。マンテンサイトへの変態が始まる温度は鋼種により変化し、一般的に２３０℃〜３５０℃である。変態が生じる細密な微細組織の実際の種類は、鋼を急速に冷却する温度及び冷却速度に依存する。ベイナイトのように、微細パーライト及びフェライトの混合は延性の良好なレベルを維持する一方、強度が向上する。

本発明の目的は、先行技術の少なくともいくつかの問題を改善することである。

本発明は鋼材の製造方法からなり、
ａ）少なくとも鋼ブランクの部分を少なくとも６００℃の第１の温度まで加熱するステップと、
ｂ）前記部分を成形のため鍛造するステップと、
ｃ）前記部分を２００℃よりも高温の第２の温度まで制御手法で冷却するステップと、
ｄ）少なくとも前記部分の表面部を少なくともオーステナイト温度まで加熱するステップと、
ｅ）前記部分を焼入れることにより前記表面を硬化するステップと
を有する鋼材の製造方法に関するものである。

前記第１の温度は１０００℃未満であるのが好ましく、より好ましくは前記第１の温度が７５０℃〜８５０℃であるのがよい。

前記第２の温度は５００℃未満であるのが好ましく、より好ましくは前記第２の温度が３００℃よりも高温であるのがよい。

前記鋼ブランクは高周波焼入れに適した中炭素鋼から作られるのが好ましい。

ある好適実施例においては、前記鋼ブランクはベイナイト組織を有する鋼から作られており、前記第２の温度が６００℃よりも高温であって、より好ましくは前記第２の温度が６５０℃〜７００℃であるのがよい。

他の好適実施例においては、ステップ(ｃ)が前記部分を前記第２の温度まで急速に冷却する工程と、前記部分が細密な微細組織を形成するまで前記第２の温度に保つ工程とを有しており、より好ましくは前記急速な冷却時間が２０秒未満であり、前記第２の温度が４００℃〜５５０℃であるのがよい。

ステップ（ｄ）において、表面を誘導加熱法により加熱することが好ましい。前記誘導加熱法の周波数が１ｋＨｚ〜６００ｋＨｚであることが好ましい。前記表面を、前記表面を共に横切る誘導コイル及びクエンチリングによって次第に局所的に加熱し焼入れるのが好ましい。或いは又、ステップ（ｄ）において、表面を伝導加熱法により加熱する。

ステップ（ｂ）において、前記部分はネットシェイプギヤ歯を具える形状に鋳造するのが好ましい。また、前記部材がステアリングラックであり、前記ブランクが丸棒であるのが好ましい。

更に、ステップ（ｅ）の後、前記製造方法が前記部分を焼戻すステップを有するのが好ましい。

ある好適実施例において、本発明は鋼の丸棒からのステアリングラックの製造方法からなり、
ａ）少なくとも前記棒の部分を７５０℃〜８５０℃の第１の温度まで加熱するステップと、
ｂ）前記部分上にネットギヤ歯を鋳造するステップと、
ｃ）前記部分を２０秒未満で４００℃〜５５０℃の第２の温度まで冷却するステップと、
ｄ）前記部分が細密な微細組織を形成するまで、前記部分をほぼ前記第２の温度に保つステップと、
ｅ）少なくとも前記歯の表面を少なくともオーステナイト温度まで加熱するステップと、
ｆ）前記部分を焼入れることにより前記表面を硬化するステップと
ｇ）前記部分を焼戻すステップと
を有する鋼材の製造方法に関するものである。

本発明はステアリングラックに応用されるものとして後述するが、本発明は表面硬化を要する他の鍛鋼部材にも同じように応用でき、特には、べベルギア、リングギヤ、クラウン歯車、ハイポイドギヤ、ステアリングピニオン又はディファレンシャル・ピニオンのようなネットシェイプ鍛造されたギヤ歯によって形成される他の部材にも応用できる。

図１は、ステップ１〜５を具える本発明に関連した表面硬化鍛鋼スチールステアリングラックの製造方法を模式的に示す。

ステップ１では、鋼ブランクを丸棒の形で６００℃よりも高温の温度まで加熱する。本棒を温間鍛造に適した６００℃〜１０００℃まで加熱するのが好ましく、７５０℃〜８５０℃であるのがより好ましい。また、加熱は誘導加熱法により行い、鍛造する棒の一部だけ加熱するのが好ましい。本丸棒はＳＡＥ１０４０又はＤＩＮ３７ＣｒＳ４のような高周波焼入れに適した中炭素鋼から作る。中炭素鋼はベイナイト組織を有し、その場合はＤＩＮ３５ＭｎＶ７種であるのが好ましい。

ステップ２では、丸棒の加熱部分から歯状部分を鍛造する。図２は、米国特許第５８６２７０１号明細書にて説明されるように、型装置で加熱された丸棒から鍛造されるステアリングラック１０を示す。鍛造された歯状部分１１は米国特許５８６２７０１号明細書にて説明される装置で鍛造される結果、「Ｙ」形の断面を有する。しかしながら、他の種類鍛造用型を用いる場合、鋳造された歯状部分１１の断面は従来の「Ｄ」形のような他の形状を有する。鋳造された歯１２はネットシェイプであるため、仕上げ加工は必要ない。

ステップ３では２００℃よりも高温の温度まで制御手法で鋳造された歯状部分１１を冷却し、ＳＡＥ１０４０又はＤＩＮ３７ＣｒＳ４のような通常の中炭素鋼の好ましい温度域は３００℃〜５００℃である。しかし、ラック１０がＤＩＮ３５ＭｎＶ７のようなベイナイト組織を有す鋼から鋳造されている場合、６００℃よりも高温の温度までだけ冷却するのが好ましく、６５０℃〜７００℃がより好ましい。これはベイナイト組織により、鋼をその構造体を変態することなく通常の鋼より長く高温で保つことができるためである。ラック１０が固定具に固定される間、鋳造された歯状部分１１上に空気を吹き付けることが冷却法として適している。本冷却は、ラック１０の歪み及びたわみを最小にするよう制御される。

ラック１０がＳＡＥ１０４０のような平坦な鉄炭素鋼から鋳造されている場合、即ちベイナイト又は微細パーライト及びフェライトの混合のような細密な微細組織を形成することが望ましい場合、代わりの冷却法が用いられる。又この場合、発明の背景で述べたように、まず第１にマンテンサイトへの変態が始まる温度より高温の温度まで、鋳造された歯状部分１１に対し急冷を行う。水ミスト、流動層又はエアーパルスウォーターミストスプレーにより冷却が行われる。その後、その組織が細密な微細組織に変態するまで、鋳造された部分１１を前記温度に保つ。ＳＡＥ１０４０の微細パーライト及びフェライトの混合を形成するために、鋳造された部分１１を第１に２０秒未満で鍛造温度から４００℃〜５５０℃まで冷却するのが好ましい。その後、微細組織がベイナイト又は微細パーライト及びフェライトの混合に変態するまで、鋳造された部分１１を本温度に保つ。これには約６０秒必要である。

ステップ４はステップ３で示した温度まで冷却した鍛造された部分１１から始まる。発明の背景で述べられる通り、後述する次の表面硬化工程は予熱の利点を有する。ステップ４では、オーステナイト温度より上の温度で鋳造された歯１２の表面を具える鋳造された歯状部分１１の表面を加熱する。表面だけが急速に加熱されるため、鋳造された歯状部分１１の内部はほぼステップ３で冷却した温度のままである。鍛造された歯状部分１１がステアリングギア組み立ての際にラックパッド内ですべり落ちるため、ステアリングラックは鍛造された歯１２だけではなく、歯状部分１１の全面を硬化する必要がある。表面の加熱は、誘導加熱法により行われるのが好ましい。これは鋳造された歯状部分１１を囲み、その長さより長い誘導コイルにより行われる。誘導加熱に用いる周波数は用途に依存する。ステアリングラックに適した周波数は１ｋＨｚ〜６００ｋＨｚまで変動する。或いは又、発明の背景で述べられる通り、加熱は伝導加熱法により行われる。鋳造された歯状部分１１を効果的に予熱することで、十分な深度で表面層を加熱するのに必要とされた時間及びエネルギーは、冷たい部材の表面を加熱するのと比較して著しく減少する。

ステップ５では、鋳造された歯状部分１１をオーステナイト温度よりも高温の温度で加熱した直後に、それを焼入れる。これはマンテンサイトの形成により表面を硬化する。焼入れがラックの歪み量を制御するように、焼入れを行うのが好ましい。硬化の後、鋳造された歯状部分１１は硬化表面層の靭性を向上させるため焼戻される。ラック１０がＤＩＮ３５ＭｎＶ７のようなベイナイト組織を有す鋼から鋳造され、ステップ３で６００℃以上の温度まで冷却されるだけである場合、歪みを最小にするよう鋳造された歯状部分１１をプレス焼入れする必要がある。プレス焼入れは、焼入れの間、相応に成形された固定具に対して鍛造された歯状部分１１をプレスすることを含む。

図３は、ステップ１〜５終了後における鋳造された歯状部分１１の図２に示す線分III〜IIIに沿った断面図である。硬化表層を参照番号１３として示す。図４は、鋳造された歯１２の図３に示す線分IV〜IVに沿った断面図である。示すように、歯１２がそれ自身完全には硬化せず、歯１２の根元１４は疲れ破壊に抵抗する十分な硬化深度１６を有する。歯の根元の十分な硬化深度及び歯自身における過剰でない硬度深度のこの好ましいバランスは、部分的に、ステップ３の冷却のあと持続する熱によるものである。

ステップ４の表面の加熱及びステップ５の焼入れは、図５に示すように鋳造された歯状部分１１に沿って交互に次第に行われる。誘導加熱コイル１７は鋳造された歯状部分１１の長さに対して狭く、それに隣接して焼入れリング１８（双方は断面として示される）がある。コイル１７及び焼入れリング１８は鋳造された歯状部分１１を囲み、矢印２１により示されるように、歯状部分１１に沿って一緒に横断する。コイル１７は局所的に鋳造された歯状部分１１の領域１９を加熱し、コイル１７の後に続いて直ちに焼入れリング１８から吹き付けられる冷却剤２０により局所的に加熱した領域１９を焼入れ、硬化する。従って鋳造された歯状部分１１は、次第にその長さに沿って硬化する。焼入れリング１８は、焼入れの間、歯状部分１１の直線度を制御するためにスプレーホールが異なる軸方向の位置にあるよう分割されてもよい。例えば、歯に冷却剤を向けるスプレーホールは、ラックの後ろで向けられるスプレーホールよりコイル１７に近くてもよい。

図１は、本発明に関連した表面硬化鍛鋼スチールステアリングラックの製造方法を模式的に示す。 図２は、本発明に関連して製造されるステアリングラックを示す。 図３は、図２に示すステアリングラックの線分III〜IIIに沿った断面図である。 図４は、図３に示すステアリングラックの線分IV〜IVに沿った断面図である。 図５は、図２に示すステアリングラックの歯状部分の高周波焼入れ方法を示す。

Claims (18)

1. 鋼材の製造方法であって、
   ａ）少なくとも鋼ブランクの部分を少なくとも６００℃の第１の温度まで加熱するステップと、
   ｂ）前記部分を成形のため鍛造するステップと、
   ｃ）前記部分を２００℃よりも高温の第２の温度まで制御手法で冷却するステップと、
   ｄ）少なくとも前記部分の表面部を少なくともオーステナイト温度まで加熱するステップと、
   ｅ）前記部分を焼入れることにより前記表面を硬化するステップと
   を有する鋼材の製造方法。
2. 請求項１に記載の鋼材の製造方法であって、
   前記第１の温度が１０００℃未満である鋼材の製造方法。
3. 請求項２に記載の鋼材の製造方法であって、
   前記第１の温度が７５０℃〜８５０℃である鋼材の製造方法。
4. 請求項１に記載の鋼材の製造方法であって、
   前記第２の温度が５００℃未満である鋼材の製造方法。
5. 請求項４に記載の鋼材の製造方法であって、
   前記第２の温度が３００℃よりも高温である鋼材の製造方法。
6. 請求項１に記載の鋼材の製造方法であって、
   前記鋼ブランクが高周波焼入れに適した中炭素鋼から作られる鋼材の製造方法。
7. 請求項１に記載の鋼材の製造方法であって、
   前記鋼ブランクがベイナイト組織を有する鋼から作られており、前記第２の温度が６００℃よりも高温である鋼材の製造方法。
8. 請求項７に記載の鋼材の製造方法であって、
   前記第２の温度が６５０℃〜７００℃である鋼材の製造方法。
9. 請求項１に記載の鋼材の製造方法であって、ステップ(ｃ)が
   前記部分を前記第２の温度まで前記部分を急速に冷却する工程と、
   前記部分が細密な微細組織を形成するまで前記部分を前記第２の温度に保つ工程と
   を有する製造方法。
10. 請求項９に記載の鋼材の製造方法であって、
    前記急速な冷却時間が２０秒未満であり、前記第２の温度が４００℃〜５５０℃である鋼材の製造方法。
11. 請求項１に記載の鋼材の製造方法であって、
    ステップ（ｄ）において、前記表面を誘導加熱法により加熱する鋼材の製造方法。
12. 請求項１１に記載の鋼材の製造方法であって、
    前記誘導加熱法の周波数が１ｋＨｚ〜６００ｋＨｚである鋼材の製造方法。
13. 請求項１１に記載の鋼材の製造方法であって、
    前記表面を、前記表面を共に横切る誘導コイル及び焼入れリングによって次第に局所的に加熱し焼入れる鋼材の製造方法。
14. 請求項１に記載の鋼材の製造方法であって、
    ステップ（ｄ）において、前記表面を伝導加熱法により加熱する鋼材の製造方法。
15. 請求項１に記載の鋼材の製造方法であって、
    ステップ（ｂ）において、前記部分をネットシェイプギヤ歯を具える形状に鋳造する鋼材の製造方法。
16. 請求項１５に記載の鋼材の製造方法であって、
    前記部材がステアリングラックであり、前記ブランクが丸棒である鋼材の製造方法。
17. 請求項１に記載の鋼材の製造方法であって更に、
    ステップ（ｅ）の後、前記部分を焼戻すステップを有する鋼材の製造方法。
18. 鋼の丸棒からのステアリングラックの製造方法であって、
    ａ）少なくとも前記棒の部分を７５０℃〜８５０℃の第１の温度まで加熱するステップと、
    ｂ）前記部分上にネットギヤ歯を鋳造するステップと、
    ｃ）前記部分を２０秒未満で４００℃〜５５０℃の第２の温度まで冷却するステップと、
    ｄ）前記部分が細密な微細組織を形成するまで、前記部分をほぼ前記第２の温度に保つステップと、
    ｅ）少なくとも前記歯の表面を少なくともオーステナイト温度まで加熱するステップと、
    ｆ）前記部分を焼入れることにより前記表面を硬化するステップと
    ｇ）前記部分を焼戻すステップと
    を有する鋼材の製造方法。

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