JP3585034B2

JP3585034B2 - 高強度レース及びその製造方法

Info

Publication number: JP3585034B2
Application number: JP2000380666A
Authority: JP
Inventors: 晋司浅野; 陽一渡辺; 達雄井口; 完治上野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-12-14
Filing date: 2000-12-14
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2020-12-14
Also published as: JP2002180183A; DE60127925T2; EP1215292B1; US7083688B2; US20020112787A1; DE60127925D1; EP1215292A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ドライブシャフトの高強度レースに係り、更に詳細には、転動疲労特性や耐面疲労強度に優れ、しかも生産性が良好な高強度レースの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境保全の立場から、自動車については低燃費や低公害のニーズが高まっている。パワートレインユニットとしては、燃料消費効率の向上及び原価低減を目的として、構成部品の高強度化による、小型・軽量化の要望が高い。ドライブシャフトを小型化する場合、レース、特にアウターレースの転動疲労特性を向上させる必要がある。アウターレースには、安全性を保証するために高い衝撃特性を備えるだけでなく、ロングライフを確保するために優れた転動疲労特性が要求されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ドライブシャフトを小型・軽量化しようとすると、特にゼッパ型ではアウターレースとボールの接触面積が小さいため、面圧が高くなり、発熱が生じ易いので、転動部の表層が高温になって焼戻されて軟化し、早期にフレーキングやピッチングが発生するという課題があった。
【０００４】
また、アウターレース転動部の面疲労強度を向上させるには、高温硬さを上げることが有効である。高温硬さを上げるには、初期硬さを向上させる方策と高温軟化抵抗を上げる方策がある。
高周波焼入れでは、初期硬さをさほど上げられない。初期硬さを向上させる方策としては、浸炭焼入れがある。また、高温軟化抵抗を上げる方策としては、既に特開平６−１７３９６７号公報に、窒化後、高周波焼入れを行う複合熱処理が提案されているが、いずれの工法も生産リードタイムや製造コストが大幅に悪化する。また、浸炭焼入れでは、衝撃強度が低下するという課題があった。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高い衝撃特性のみならず高い転動疲労特性を有し、しかも製造性にも優れた高強度レースの製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成すべく、ドライブシャフトのレースの転動疲労特性を向上させるため、生産性の高い高周波焼入れを前提として研究を行った。この際、常温での表面硬さがさほど高くなくても、高温軟化抵抗を高めることにより、転動疲労特性が向上すると考え、この観点に立ち、鍛造性や機械加工性等の製造性を悪化させることなく、高温軟化抵抗を高める方策を鋭意検討した。その結果、Ｓｉ、Ｍｏ及びＣｒの所定量を合金化し、所定の鍛造条件や粗材熱処理条件を組み合わせることにより、強度、転動疲労特性及び製造性を兼備させ得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
即ち、本発明の高強度レースの製造方法は、Ｃを０．３０〜０．６０％、Ｓｉを０．３０〜１．３０％、Ｍｎを０．５〜１．５％、Ｂを０．００５０％以下、Ｃｒを０．１〜０．５％、Ｍｏを０．１〜０．５％、Ｓｉ＋Ｍｏを０．５〜１．４％、Ｎｉを０．０２〜１．０％の割合で含有し、残部の主要成分がＦｅである鋼材を用いて成り、高周波焼入れ後の表面硬さが５８ＨＲＣ以上、３００℃焼戻し後の表面硬さが５２ＨＲＣ以上である高強度レースを製造するに当たり、
上記鋼材を７２０〜７９０℃に加熱して温間鍛造を行い、次いで、８５０±１０℃で保持し、更に、３〜１０℃／分にて冷却し、５５０℃にて２０分以上保持し、大気放冷することにより焼準を行い、
しかる後、機械加工により所定形状に成形加工し、高周波焼入れ及び焼戻しを行い、更に仕上げ加工を施す、ことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の高強度レースの製造方法の好適形態は、高周波焼入れ部組織のマルテンサイト率が９０％以上の均一なマルテンサイト組織であることを特徴とする。
【００１０】
【作用】
本発明においては、特定元素を所定量含む鋼材、特にＳｉ、Ｃｒ及びＭｏの所定量を複合添加した鋼材を用いることにした。
これにより、焼戻し軟化抵抗が増加し、従来の鋼に対し転動疲労強度を大幅に向上させることが可能になり、且つ従来鋼と同等の温間鍛造性をも具備させることが可能になった。
【００１１】
なお、アウターレースの高強度化については、例えば特開平６−９３３７４号公報に、所定の化学成分組成を有する鋼を高周波焼入れする技術が提案されている。しかし、この技術は粗大な酸化物系化合物と窒化チタン（ＴｉＮ）介在物が転動疲労強度に有害であるという観点から、これらを低減することを主眼とするものであり、本発明とでは動機付けや契機が基本的に異なる技術である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の高強度レースについて詳細に説明する。なお、本明細書において、「％」は特記しない限り質量百分率を表す。
上述の如く、本発明の高強度レースは、Ｃ（炭素）、Ｓｉ（珪素）、Ｍｎ（マンガン）、Ｂ（ホウ素）、Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｉ（ニッケル）及びＳ（硫黄）を所定量含有し、Ｓｉとモリブデンの合計量を所定値に制御し、残部がＦｅ（鉄）と不純物である鋼材を用いて成る。
【００１３】
以下、かかる鋼材における各成分の含有量及びその限定理由につき説明する。
Ｃ：０．３０〜０．６０％
Ｃは、機械部品の強度確保するために必須の元素であるが、０．３０％未満では、焼入れ性を向上させる元素を添加しても、高周波焼入れ後の部品の表面層の硬さを５８ＨＲＣ以上とすることができない。また、０．６０％を超えると、高周波焼入れ時に焼割れを発生するおそれがある。
【００１４】
Ｓｉ：０．３０〜１．３０％
Ｓｉは、焼戻し軟化抵抗を高める元素であるが、その一方で変形能が低下し、鍛造時に割れが発生し易くなるので、上限は１．３０％とした。
【００１５】
Ｍｎ：０．５０〜１．５０％
Ｍｎは、焼入れ性を向上させ表面硬さを増加させるのに有効な元素であるが、０．５０％未満では効果は不十分である。また、１．５０％を超えて添加してもその硬化は飽和し、鍛造時に割れが発生し易くなる。
【００１６】
Ｂ：０．００５％以下
溶解性のＢは、高周波焼入れ性を向上させるとともに、耐衝撃曲げ及び耐衝撃ねじり特性を改善する効果を有する元素である。これらの効果を確実に得るためには少なくとも０．０００５％の割合で含有させることが好ましい。但し、０．００５％を超えて含有させても、その効果が飽和し、圧延や鍛造などの熱間加工で割れを発生し易くなるなどの弊害が生ずる。
【００１７】
Ｃｒ：０．１〜０．５％
Ｃｒは、Ｍｎと同様に鋼の焼入れ性を向上させる元素である。高周波焼入れする部品の直径又は厚さが２５ｍｍ以下の場合には、Ｃｒ添加は不要であるが、比較的大型の部品を高周波焼入れする場合には、焼入れ性を改善するために添加することが望ましい。
その添加量は０．１％未満では効果が不十分で、また０．５％を超えて添加すると、被削性や熱間加工性などの製造性が悪化する。
【００１８】
Ｍｏ：０．１〜０．５％
Ｍｏは、鋼の靱性を向上するとともに、高周波焼入れ部、非焼入れ部の衝撃特性を改善し、耐衝撃曲げや耐衝撃ねじり特性を向上させる。
但し、０．５％を超えて添加すると、被削性や熱間加工性などの製造性を悪化させる。
【００１９】
Ｎｉ：０．０２〜１．０％
Ｎｉは、鋼の靱性を向上させるが、０．０２％未満では効果が不十分であり、また、１．０％を超えて含有させると、被削性や温間鍛造性の悪化を助長させることになる。
【００２０】
Ｓｉ＋Ｍｏ：０．５〜１．４％
Ｓｉ及びＭｏは、高温焼戻し軟化抵抗を高める効果がある。しかしこの一方で、上述のように被削性や鍛造性を悪化させる。両者の和が０．５％未満であると、高温焼戻し軟化抵抗の向上効果は不十分であり、１．４％を超えて添加すると、製造性を損なう。
【００２１】
なお、本発明のレースに用いる鋼材は、上述の元素を必須成分とするが、これ以外にも、０．０５％以下のＢｉ（ビスマス）、０．１０％以下のＳ、０．０１％以下のＣａ（カルシウム）、０．１０％以下のＺｒ（ジルコニウム）、０．１０％以下のＳｂ（アンチモン）又は０．０１％以下のＰｂ（鉛）、及びこれらの任意の組合せに係る元素を添加することできる。
このような添加元素を用いることにより、高い耐面疲労特性を実現でき、且つ従来鋼と同等の被削性を確保できるようになるので、必要に応じてこれら添加元素を含有させることが好ましい。
【００２２】
上述した鋼材を用いて成る本発明の高強度レースは、その高周波焼入れ後の表面硬さは５８ＨＲＣ以上で、３００℃焼戻し後の表面硬さは５２ＨＲＣ以上である。
このように、本レースでは、３００℃焼戻し後の表面硬さを５２ＨＲＣ以上に制御することにより、軟化抵抗性を高めて、高周波焼入れ部品の疲れ特性を有効に向上させた。また、高周波焼入れ後の表面硬さを５８ＨＲＣ以上に制御することにより、耐摩耗性を有意に改善したものである。
【００２３】
また、本発明の高強度レースにおいては、高周波焼入れ部組織のマルテンサイト率が９０％以上の均一なマルテンサイト組織であることが好ましい。
即ち、マルテンサイト率が低く、フェライト、パーライト組織を含む場合は、耐衝撃性が低下することがある。そのため、マルテンサイト率は９０％以上とすることが好ましい。
【００２４】
次に、本発明の高強度レースの製造方法について説明する。
上述の如く、本発明の製造方法においては、上記鋼材を７２０〜７９０℃に加熱して温間鍛造を行い、８５０±１０℃で保持し、更に、３〜１０℃／分で冷却し、５５０℃で２０分以上保持し、大気放冷することにより焼準を行い、次いで、機械加工により所定形状に成形加工し、高周波焼入れ及び焼戻しを行い、更に仕上げ加工を施すことにより、上述の如き高強度レースを得る。
【００２５】
ここで、温間鍛造時の加熱温度については、高温にした方が鍛造成形性が向上する反面、材料強度が低下して鍛造時に軸部で座屈が発生することがある。また、加熱温度を上げすぎると型寿命に悪影響を与える。
これらのことを考慮すると、本発明において、温間鍛造時の好適加熱温度は７２０〜７９０℃となる。
【００２６】
また、本発明の製造方法においては、上述の条件下で焼準をおこなうことにより、９１〜９６ＨＲＢの硬さが実現される。
この範囲を逸脱すると、工具摩耗量の増加や切り屑処理性の悪化により、工具寿命の低下を招き、結果としてレースの製造性を低減させることになり、好ましくない。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００２８】
（実施例１）
下記表１に示した成分組成の鋼を溶製し、ビレットにした後、熱間圧延してφ５０ｍｍの丸棒にした。得られた丸棒から、φ３０ｍｍ、高さ４５ｍｍの円柱状試験片を機械加工により製造し、この製造性により、各成分組成の鋼の温間鍛造性を評価した。
得られた円柱状試験片を７２０℃及び７８０℃に加熱し、プレス加工機によって加工率５０％の温間鍛造を行った。また、その後、焼準条件（冷却速度）と硬さの関係を調査した。その結果を表２に示す。
【００２９】
一方、面疲労強度を評価するため、ローラーピッチング試験を実施した。直径２６ｍｍ、長さ２８ｍｍの試験部位に対して以下の作業を行った。
まず、高周波加熱により試験表面温度が８５０℃になるまで０．９秒間で昇温する。更に、１１５０℃まで１．９秒間で昇温して水焼入れし、１７０℃で１２０分間の焼戻しを行う。
比較鋼のローラーピッチング寿命は、１０^５のレベルにあるが、発明鋼では比較鋼に対し１０倍以上の寿命延長が確認された。ローラーピッチング試験条件を以下に記載し、同試験の結果を図１に示す。
【００３０】
［ローラーピッチング試験条件］
▲１▼付加荷重：１８．６ｋＮ（１９００ｋｇｆ）
▲２▼面圧：４５００ＭＰａ（４５９ｋｇｆ／ｍｍ^２）
▲３▼回転数（駆動側）
▲４▼すべり率：２０％
▲５▼駆動ローラー：小ローラー（供試品）
▲６▼従動ローラー：大ローラー（ＳＵＪ２）
▲７▼潤滑油温度：１００〜１１０℃
▲８▼ピッチング検出方法：振動センサー
【００３１】
【表１】

【００３２】
【表２】

【００３３】
（実施例２）
発明鋼及び比較鋼にて、アウターレースを図２に示す工程に従って製造した。
発明鋼の素材の硬さは比較鋼に比べて高いが、温間鍛造の成形性には問題はない。機械加工前の焼準硬さの結果を表３に示す。なお、表３の条件１は、８５０℃で４０分間保持した後、冷却速度１０℃／分で３０分間かけて５５０℃まで冷却し、更に大気放冷するもので、条件２は、８５０℃で４０分間保持した後、冷却速度３．３℃／分で９０分間かけて５５０℃まで冷却し、５５０℃で３０分間保持した後に大気放冷するものである。
発明鋼の焼準時の冷却速度を３〜１０℃／分とすることにより、従来鋼である比較鋼１と同程度の硬さが得られる。機械加工時の工具摩耗量の測定結果が表４に示したデータである。焼準時の冷却速度を最適化することにより、所定の硬さが得られ、十分な機械加工性が確保できる。また、表５には、高周波焼入れ部の硬化層硬さ及び表面硬さの測定結果を示した。
【００３４】
面疲労強度を評価するため、ドライブシャフト組立状態で、回転耐久試験を実施した。耐久試験では、発明鋼１、２及び比較鋼１の３鋼種を比較した。耐久試験の結果を図３に示す。
同図に示すように、実ワークでも、ローラーピッチング試験と同様に、発明鋼が高い耐久強度を有することが確認された。
以上より、アウターレースを製造して生産性を確認した結果、鍛造成形性、旋削加工性及び研削加工性も良好であることが確認された。また、強度性能及び生産性が適切にバランスされており、本発明に属する上記実施例の作用効果は産業上極めて有効であるといえる。
【００３５】
【表３】

【００３６】
【表４】

【００３７】
【表５】

【００３８】
以上、本発明を好適実施例により詳細に説明したが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。
例えば、上記実施例では、レースとしてアウターレースを例に採って説明したが、本発明はインナーレースにも適用できる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、Ｓｉ、Ｍｏ及びＣｒの所定量を合金化し、所定の鍛造条件や粗材熱処理条件を組み合わせることなどとしたため、高い衝撃特性のみならず高い転動疲労特性を有し、しかも製造性にも優れた高強度レースの製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】ローラーピッチング試験の結果を示すグラフである。
【図２】アウターレースの製造工程を示すフローチャートである。
【図３】アウターレースの低角回転耐久結果を示すグラフである。

Claims

Ｃを０．３０〜０．６０％、Ｓｉを０．３０〜１．３０％、Ｍｎを０．５〜１．５％、Ｂを０．００５０％以下、Ｃｒを０．１〜０．５％、Ｍｏを０．１〜０．５％、Ｓｉ＋Ｍｏを０．５〜１．４％、Ｎｉを０．０２〜１．０％の割合で含有し、残部の主要成分がＦｅである鋼材を用いて成り、高周波焼入れ後の表面硬さが５８ＨＲＣ以上、３００℃焼戻し後の表面硬さが５２ＨＲＣ以上である高強度レースを製造するに当たり、
上記鋼材を７２０〜７９０℃に加熱して温間鍛造を行い、次いで、８５０±１０℃で保持し、更に、３〜１０℃／分にて冷却し、５５０℃にて２０分以上保持し、大気放冷することにより焼準を行い、
しかる後、機械加工により所定形状に成形加工し、高周波焼入れ及び焼戻しを行い、更に仕上げ加工を施す、ことを特徴とする高強度レースの製造方法。
上記鋼材が、Ｆｅ以外の残部として、０．０５％以下のＢｉ、０．１０％以下のＳ、０．０１％以下のＣａ、０．１０％以下のＺｒ、０．１０％以下のＳｂ及び０．０１％以下のＰｂから成る群より選ばれた少なくも１種の元素を含有することを特徴とする請求項１記載の高強度レースの製造方法。
高周波焼入れ部組織のマルテンサイト率が９０％以上の均一なマルテンサイト組織であることを特徴とする請求項１又は２記載の高強度レースの製造方法。