JP4618189B2

JP4618189B2 - ボールケージ用高強度肌焼鋼管

Info

Publication number: JP4618189B2
Application number: JP2006119635A
Authority: JP
Inventors: 邦夫近藤; 勇次荒井
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Priority date: 2006-04-24
Filing date: 2006-04-24
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2026-04-24
Also published as: JP2007291436A

Description

この発明は、自動車等の等速ジョイントの部品として使用されるボールケージの素材に適した鋼管に関する。

自動車の駆動車軸から被駆動車軸に動力を伝達する等速継手（以下、ＣＶＪと略す）は、図１に示すように、駆動軸１に固設されたアウターレース（外輪）３と被駆動軸２に固設されたインナーレース（内輪）４との間に複数個のボール５を介挿し、これらのボールをボールケージ６にて保持した構造のものである。このボールケージ６とインナーレース４は、機構上非常に大きな回転力を伝達しようとするものであるため、高い強度、靱性および疲労強度が必要である。

従って、これら部品には浸炭・焼入によって高い表面硬度と転動疲労性が付与される肌焼鋼が適用されており、従来はＪＩＳのＳＣｒ４１５、ＳＣＭ４１５、ＳＮＣ４１５、ＳＮＣＭ４１５といったＣｒ系、Ｃｒ−Ｍｏ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系の機械構造用合金鋼が肌焼鋼として用いられていた。

一方、従来の肌焼鋼では、静的強度、靱性および疲労強度が十分でなく、例えば、下記の特許文献１〜５に、合金組成を工夫することによって前記の問題点を解決する技術が開示されている。しかしながら、昨今、ＣＶＪに対する小型軽量化の要求が大きく、従来に比べてボールケージに作用する応力が大きくなり、上記の特許文献で提案された肌焼鋼であっても、寿命が従来に比べて低下するという問題が生じている。

特公平６−３７６８７号公報特開平５−１１７８０６号公報特開平９−５３１５０号公報特開平９−５３１６９号公報特開２００５−１０５３７９号公報

本発明の目的は、従来のものよりも小型軽量化されたＣＶＪにおいて、従来より大きな負荷応力が作用するボールケージに適用しても、十分な耐用寿命が得られるボールケージ用鋼管を提供することにある。

肌焼き鋼でも、用途によって重視する特性が異なる。ボールケージとして肌焼き鋼を使用する時に、寿命を向上させるための材料設計指標は、切欠引張強度を上げることである。すなわち、ボールケージを小型軽量化する場合に、結果として、負荷される応力が大きくなるが、その場合に従来と同等以上の寿命を確保しようとして、表面硬度を高めたり、単純に引張強度を高めたり、あるいは靱性を高めたりしても、寿命の向上には繋がらず、かえって寿命が低下する場合も多い。

唯一、切欠引張強度が寿命との相関が大きく、材料設計上、切欠引張強度の向上が特に重要な因子である。そこで、ボールケージ用としての肌焼き鋼の切欠引張特性を向上させる検討を実施した。その結果、従来は切削性が低下することを懸念したために、低減することを検討されていなかった鋼中のＳ含有量を低減させることによって、切欠引張特性を著しく向上させることができることを見出した。

肌焼き鋼は、浸炭後に焼入れ処理を実施するため、表層の硬度が著しく高く、切削性は一般に良好ではない。切削性を確保するためには、製鋼過程において、脱硫処理を適当なレベルで終了し、適切な量のＳを積極的に含有させた鋼を使用するのが通常であった。

一方、前述のとおり、ＣＶＪの小型軽量化は必然の流れであり、従来のものよりも小型のボールケージで従来と同等レベルの応力負荷に耐える必要があり、切欠引張強度の向上が必須である。

そこで、Ｓ含有量の低減効果を調査したところ、Ｓ含有量を下げることによって、静的引張強度や靱性は変化しないものの、切欠引張強度が大幅に向上することを見出したのである。すなわち、切欠引張強度を改善するためには、切削性の多少の低減が見込まれても、Ｓ含有量を低減することが唯一の方法であることが明らかになった。

本発明は、上記の知見を基礎としてなされたもので、その要旨は下記のＣＶＪボールケージ用高強度肌焼鋼管にある。

（１）質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２５％、Ｓｉ：０．０５〜０．７０％、Ｍｎ：０．０５〜１．２０％、Ｃｒ：０．３〜１．２％、Ｍｏ：０．１５〜１．００％、sol.Ａｌ：０．００５〜０．１００％およびＢ：０．０１００質量％以下、ならびに、それぞれ０．３００質量％以下のＴｉ、Ｎｂ、ＶおよびＺｒの１種以上を含有し、残部はＦｅと不純物からなり、不純物中のＰは０．０３％以下、Ｓは０．０００９％以下、Ｎは０．０２％以下、Ｏ（酸素）は０．０１％以下であることを特徴とするＣＶＪボールケージ用高強度肌焼鋼管。

本発明の鋼管をＣＶＪボールケージ用として用いることによって、従来のものよりも小型で軽量のＣＶＪを実用化することができて、自動車の軽量化と燃費の向上が可能になる。

以下に、本発明のＣＶＪボールケージ用高強度肌焼鋼管を構成する成分の作用効果と含有量の限定理由を説明する。なお、含有量に関する「％」は「質量％」を意味する。

Ｃ：０．１０〜０．２５％
Ｃは、鋼の硬度あるいは強度を決める基本的な元素であるので、要求される強度に応じて、添加する元素である。ボールケージとして最低の強度を確保するためには、０．１０％以上の含有が必要である。一方、Ｃの含有量が高くなりすぎると、靱性が低下するので、上限を０．２５％とした。

Ｓｉ：０．０５〜０．７０％
Ｓｉは、鋼の脱酸に効果があり、また、焼入れ性を高めて、鋼を強化する元素であり、０．０５％以上の含有が必要である。しかしながら、Ｓｉの含有量が０．７０％を超えると、浸炭焼入れ時に粒界酸化を助長して、切欠強度を低下させるので、０．７０％を上限とした。切欠強度の面からは、Ｓｉ含有量は低い方が好ましい。脱酸レベルとの兼ね合いもあるが、好ましいのは０．５０％以下、より好ましいのは０．３０％以下、さらに好ましいのは０．１５％以下である。

Ｍｎ：０．０５〜１．２０％
ＭｎもＳｉ同様、鋼の脱酸に効果があり、また、焼入れ性を高めて、鋼を強化する元素であり、０．０５％以上の含有が必要である。しかしながら、Ｍｎの含有量が１．２０％を超えると、浸炭焼入れ時に粒界酸化を助長して、切欠強度を低下させるので、１．２０％以下とした。切欠強度の面からは、Ｍｎ含有量は低い方が好ましい。脱酸レベルとの兼ね合いもあるが、好ましいのは１．００％以下、より好ましいのは０．８０％以下、さらに好ましいのは０．６０％以下、最も好ましいのは０．４０％以下である。

Ｃｒ：０．３〜１．２％
ＣｒはＣとの親和性が大きく、短時間で浸炭を進行させるのには必要な元素である。また、浸炭焼入れ時の焼入れ性の確保にも重要な元素である。その効果を得るためには、０．３％以上の含有が必要である。一方、Ｃｒの含有量が１．２％を超えると、Ｃｒ炭化物が析出して、靱性を低下させる。したがって、Ｃｒ含有量は０．３〜１．２％とした。

Ｍｏ：０．１５〜１．００％
Ｍｏは、浸炭部の焼入れ性を確保するために重要な元素である。十分な焼入れ性を確保するためには、０．１５％以上の含有が必要である。上記の効果を得るためにはＭｏ含有量は多い方が好ましいが、１．００％までの含有で十分な効果が得られること、およびＭｏは高価な元素であることから、上限を１．００％と定めた。

sol.Ａｌ：０．００５〜０．１００％
Ａｌは、鋼の脱酸に必要な元素であり、０．００５％以上の含有が必要である。一方、０．１００％を超えると、クラスター状の非金属介在物が生成して、靱性が低下するので０．００５％〜０．１００％とした。

本発明のＣＶＪボールケージ用高強度肌焼鋼管の一つは、上記の成分のほか、残部がＦｅと不純物からなるものである。そして、不純物中のＰ、Ｓ、ＮおよびＯは次に述べるように含有量を抑制する必要がある。

Ｐ：０．０３％以下
Ｐは粒界の結合力を小さくして、靱性を低下させる元素であり、可及的に少ない方が好ましいが、低位に押さえようとすると、製鋼コストが上昇するので、経済性を考慮して、０．０３％以下とした。０．０３％以下であれば、ボールケージとして十分な靱性が得られる。

Ｓ：０．０００９％以下
Ｓの含有量を著しく低く抑えたことは、本発明の鋼管の最も重要な特徴である。一般にＳは、鋼の靱性を低下させると言われているので、製鋼コストが著しく上昇しない範囲で、低減するに超したことはない。しかし、Ｓの低減にともない切削加工性が低下するという問題があるので、従来、ボールケージ用鋼では、０．０１％程度のＳを含有させてきた。しかしながら、ボールケージ用鋼の強度をさらに高めると、使用中に破壊が起きるという問題があり、それを解決するためには切欠引張強度の改善が有効である。

そこで、切欠強度に及ぼす合金元素の影響を鋭意検討した結果、唯一、Ｓ含有量を低下させることが有効であることが判明した。従って、ボールケージ用鋼において、十分な切欠強度を確保できるレベルまでＳを低減したのが、本発明の鋼管である。後述する実施例に示すような多数の試験結果から、Ｓ含有量の上限を０．０００９％とした。なお、好ましいのは０．０００６％以下であり、さらに好ましいのは０．０００４％以下である。

Ｎ：０．０２％以下、Ｏ：０．０１％以下
ＮおよびＯ（酸素）も不純物であり、それぞれの含有量が０．０２％および０．０１％を超えると鋼管の靱性が低下する。したがって、それぞれ０．０２％以下および０．０１％以下とした。

本発明のＣＶＪボールケージ用高強度肌焼鋼管の他の一つは、上記の成分のほか、Ｂ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、ＺｒおよびＮｉの中から選んだ１種以上をさらに含有するものである。なお、この鋼管においても、不純物の中のＰ、Ｓ、ＮおよびＯを上記のように低く抑える必要があることは同じである。

Ｂ：０．０１００％以下
Ｂは添加しなくてもよいが、添加すると粒界の結合を強化して、切欠引張強度を上昇させる元素である。この効果を得るためには、０．０００５％以上の含有が好ましい。一方０．０１００％を超えると、粒界に硼炭化物が析出して、切欠引張強度を低下させるので、添加する場合の含有量の範囲は０．０１００％以下、好ましくは０．０００５〜０．０１００％とするのがよい。

Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒ：それぞれ０．３００％以下
これらの元素は添加しなくてもよいが、浸炭焼入れ時の結晶の粗粒化を抑制する作用があり、靱性を向上させる元素であるから、これらの効果を得たいときに１種または２種以上添加すればよい。それぞれ、０．３００％を超えるとかえって靱性が低下するので、添加する場合は含有量をそれぞれ０．３００％以下とするのがよい。なお、０．００３％未満の含有量では効果が小さいので、下限を０．００３％とするのが望ましい。

Ｎｉ：５．０％以下
Ｎｉも添加しなくてもよい。しかし、Ｎｉは、鋼の強度と靱性を向上させる元素である。ＣｒやＭｏと異なり、多量に添加しても悪影響が少ない元素であるので、特に強度の高い材質を設計するのに有効な成分である。従って、この効果を活用する場合に添加することができる元素である。この効果を得るには０．２％以上の含有量とするのが好ましい。一方、Ｎｉは高価な元素であるので、経済性を考慮して上限を５．０％とした。

なお、本発明の鋼管は、ボールケージの形状に加工した後、浸炭焼入れ処理を経て、製品として使用される。

表１に示す化学組成の鋼材を溶製し、熱間鍛造および熱間圧延を行って２５ｍｍ厚、１２０ｍｍ幅、５５０ｍｍ長の板材を作製し、９２０℃で焼ならしを行った後、７２０℃で焼戻しを実施して軟化させた。次に、表面スケールを除去した後、１７ｍｍ厚まで冷間加工し、再度７２０℃で焼戻しを施して軟化させた。

上記の素材から、平行部の直径が８ｍｍの平滑引張試験片と、同じく平行部の直径は８ｍｍで、深さ１ｍｍの切欠を有する切欠引張試験片を、圧延長手方向であるＬ方向と、圧延方向に垂直な方向であるＴ方向から、それぞれ採取した。次いで、以下の条件で浸炭処理および熱処理を実施した。

まず、カーボンポテンシャル０．９％、９３０℃で、１１０分浸炭し、続いて、カーボンポテンシャル０．８％、８７０℃で３０分浸炭し、その後油焼入れを行った。次いで１６０℃で２時間の焼戻しを行い、機械的性能を評価した。得られた結果を図２に示す。

図２は、引張強度に及ぼす鋼の組成の影響を示すグラフである。その（ａ）はＬ方向の平滑引張試験の結果、（ｂ）はＴ方向の平滑引張試験の結果である。また、（ｃ）はＬ方向の切欠引張試験の結果、（ｄ）はＴ方向の切欠引張試験の結果である。

まず、平滑引張試験では、図２の（ａ）および（ｂ）に示すとおり、合金元素を変化させても、Ｓ含有量を低減しても、強度はほとんど変化していない。ところが、切欠引張試験では、（ｃ）および（ｄ）に示すように、Ｓ含有量の変化に応じて強度が大きく変化している。すなわち、鋼マークの５〜７番の、Ｓ含有量を大きく低減したもののみ、切欠引張強度が大きく改善されている。

上記の低Ｓ化による切欠引張強度の向上は、図２の（ｄ）に見られるように、特にＴ方向で顕著である。これは、圧延方向に伸長して存在するＭｎＳの存在が、切欠引張強度を低下させる要因であることを示唆している。従って、鋼中のＳ量を低減すると、予想を超える大幅な切欠引張強度の向上が得られるのである。

以上の実験結果と、その切欠引張強度向上のメカニズムから、低Ｓ化によって切欠引張強度が向上するという現象は、一般的な浸炭鋼においては、普遍的に成り立つことが明白である。

本発明の鋼管は、ＣＶＪボールケージ用としての優れた特性を有するものである。従って、この鋼管を用いることによって、従来のものよりも小型で軽量のＣＶＪを実現することができる。本発明は、自動車の軽量化と燃費の向上に大きく寄与する発明である。

等速継手の一例を示す断面図である。平滑引張試験と切欠引張試験に及ぼす合金元素の影響を示すグラフである。

符号の説明

１：駆動軸、２：被駆動軸、３：アウターレース、４：インナーレース、
５：ボール、６：ボールケージ

Claims

質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２５％、Ｓｉ：０．０５〜０．７０％、Ｍｎ：０．０５〜１．２０％、Ｃｒ：０．３〜１．２％、Ｍｏ：０．１５〜１．００％、sol.Ａｌ：０．００５〜０．１００％およびＢ：０．０１００質量％以下、ならびに、それぞれ０．３００質量％以下のＴｉ、Ｎｂ、ＶおよびＺｒの１種以上を含有し、残部はＦｅと不純物からなり、不純物中のＰは０．０３％以下、Ｓは０．０００９％以下、Ｎは０．０２％以下、Ｏ（酸素）は０．０１％以下であることを特徴とするＣＶＪボールケージ用高強度肌焼鋼管。