JP4687712B2 - 高周波焼入れ中空駆動軸 - Google Patents

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Description

本発明は、自動車のエンジン推進力を各車輪に伝達する駆動軸、例えば、ドライブシャフトなどの軽量化に適した高周波焼入れ中空駆動軸に関し、さらに詳しくは、駆動軸の基本特性として要求される冷間加工性、焼入れ性、靱性および捩り疲労強度に優れる高周波焼入れ中空駆動軸に関するものである。
自動車部品のうち、エンジン推進力を車輪に伝達する駆動軸として用いられるドライブシャフトは、自動車エンジンの高出力化にともない、高強度化への要請が高まっている。通常、ドライブシャフトに必要な強度特性として捩り疲労強度が挙げられることから、従来から、中実構造のドライブシャフトを用いて、優れた捩り疲労強度特性を発揮するドライブシャフトやそれに用いられる鋼について提案されている。
特開２０００−１５４８１９号公報では、駆動軸の疲労強度は硬化層深さが深いほど向上するが、過度に深くすると焼き割れのおそれがあることから、高強度ドライブシャフトを得るために、硬化層深さの上限を規定するとともに、硬化層の硬さを確保できるように、成分設計において高Ｃ化とＣｒ量の低減を図った高強度ドライブシャフトが提案されている。
また、特開２００２−６９５６６号公報では、高周波焼入れ部材の捩り疲労破壊は、表面または硬化層と芯部の境界で軸方向に平行な面でき裂が発生し、軸方向に平行な面でき裂が初期伝播することから、軸方向に伸長ＭｎＳが存在すると、伸長ＭｎＳに沿ってき裂の発生と初期伝播は促進されるので、ＭｎＳを粒状化、微細化することによって、き裂の発生・初期伝播を抑制し、捩り疲労強度を向上させることができる高周波焼入れ用鋼が提案されている。
上述の特開２０００−１５４８１９号公報および特開２００２−６９５６６号公報で提案される高強度ドライブシャフトや高周波焼入れ用鋼は、中実構造を前提とする駆動軸の捩り疲労強度を向上させる手段として適用され、所定の強度特性を発揮することが期待されている。
ところが、最近における一層の地球環境保護の観点から、自動車車体の軽量化を図り、燃費を向上させることが強く求められていることから、自動車用部品における中実部材を中空部材に置き換える様々な試みがなされており、その試みの中で駆動軸として、中空構造を採用することが検討されている。自動車用部品を中空構造にする狙いとして、単純な軽量化だけでなく、捩り剛性の向上による加速レスポンスの改善や、振動特性の向上による走行中の室内静粛性の改善も期待できる。
このような期待を達成するため、特殊形状に加工された中空駆動軸の開発要請が高い。例えば、両軸端部を等速ジョイントに締結するシャフトの設計において、駆動軸の中間部をなるべく薄肉大径化して、捩り剛性を高めると同時に、振動特性も改善する一方で、等速ジョイントに締結する両軸端部を従来用いられてきた中実部材の直径と同等にすることにより、既存の等速ジョイントをそのまま使用できるメリットがある。
中空駆動軸の製造方法として、中空素管の両端部に中空または中実のシャフトを摩擦圧接等で締結して製造する方法があるが、この方法では中空部の径を大きくして両端部の径を小さくするのは困難である。上述の理由から中間部をなるべく薄肉大径化して、両端部の径が小さい形状の駆動軸を成形すべく、鋼管材料を用いて冷間加工を施し中間部を薄肉にしたのち、鋼管材料の両端に冷間絞り加工等を施して、両軸端部の外径を減ずるとともに増肉させることにより、一体成形型の中空駆動軸を製造している。
一体成形型の中空駆動軸は、その特殊な形状を確保するため、複雑な冷間加工を施して成形されるため、冷間加工による成形時に発生する割れをなくし、成形後の捩り疲労強度を確保するため、一体成形型の中空駆動軸の素材として、例えば、シームレス鋼管を採用することが要請されている。
鋼管を中空軸素材に用い一体成形型の中空駆動軸を製造する場合に、管端の絞り加工や転造加工に起因する割れを防止することが重要である。さらに冷間加工後の熱処理により、鋼管の全肉厚に亘り外面から内面まで硬化させると同時に高靱性を確保し、また製品として高寿命が得られるように捩り疲労強度を確保することが要求される。
換言すれば、鋼管を素材とする中空駆動軸には、複雑な成形が問題なく得られる冷間加工性、熱処理にともなう焼入れ性、並びに靱性および捩り疲労強度を満足させ、駆動軸として安定した疲労寿命を達成することが必須になる。しかしながら、従来から提案の中空駆動軸においては、これらの観点に基づき材質面や粒界強度について検討したものは殆どない。
例えば、特開平６−３４１４２２号公報には、駆動軸用鋼管に回転振れまわりを低減するためのバランスウェイトを取り付けたドライブシャフトが開示されており、この駆動軸用鋼管およびバランスウェイトの炭素当量（Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｎｉ／４０＋Ｖ／１４）の値を規定することで、バランスウェイトを溶接した部位から発生する疲労破壊を改善できることが開示されている。
しかしながら、駆動軸用鋼管とバランスウェイトの炭素当量（Ｃｅｑ）を規定するだけでは、冷間加工性および疲労特性がともに優れた駆動軸用鋼管を得ることができない。このため、前記特開２０００−１５４８１９号公報で開示される自動車推進軸を一体成形型の中空駆動軸として適用することは困難である。
次に、特開平７−１８３３０号公報には、自動車の足まわりに使用される高強度部材に適した高強度高靱性鋼管の製造方法が提案されている。この提案の製造方法には具体的な成分系が規定されているが、Ｔｉを添加せず、Ｎについての規定もないことから、Ｂを添加したとしても十分に焼入れ性が確保できる成分系になっていない。さらに、冷間加工性や疲労特性をも考慮した成分設計となっていないため、特開平７−１８３３０号公報で提案の製造方法では、一体成形型の中空ドライブシャフトを得ることが難しい。
一方、特開２０００−２０４４３２号公報には、黒鉛鋼を高周波焼入れし、表層を硬化させるとともに、芯部にフェライトとマルテンサイトの２相組織を生成させたドライブシャフトが開示されている。しかし、特開２０００−２０４４３２号公報が開示する化学組成は、摩擦圧接型の中空駆動軸用鋼材に好適な成分系を示しており、黒鉛化鋼を得るために長時間の熱処理が必要となる。またＣｒを含有しない成分系であるため、焼入れ性および疲労強度が十分でなく、一体成形型の駆動軸とすることができない。
そして、特開２００１−３５５０４７号公報は、ドライブシャフトの素材として、セメンタイトの粒径を１μｍ以下とした冷間加工性および高周波焼入れ性に優れた高炭素鋼管を提案している。しかし、特開２００１−３５５０４７号公報で提案する高炭素鋼管では、狙いの金属組織を得るために温間加工が必要となり、製造コストが上昇すると同時に、開示された成分組成では、冷間加工性、焼入れ性および疲労特性を同時に満足する一体成形型の中空駆動軸を構成することができない。
このように、単に自動車車体の軽量化を図るだけでなく、捩り剛性の向上による加速レスポンスの改善や、振動特性の向上による走行中の室内静粛性を達成するには、中空駆動軸の開発が必要になる。中実駆動軸を製造する場合に、その熱処理は表面焼入れが行われるのに対し、中空駆動軸を製造する場合には、強度を充分に確保するために、駆動軸の内面まで全肉厚に亘って焼入れを行うことが必要になる。
特開２００２−６９５６６号公報に記載されるように、中実駆動軸における捩り疲労破壊は、表面または硬化層と芯部の境界で軸方向に平行な面でき裂が発生することになる。これに対し、本発明者らの検討によれば、中空駆動軸における捩り疲労破壊は、軸方向と４５度の方向であって主応力面で発生する。これは、中実駆動軸であれば、捩りトルクの負荷にともなう変形エネルギーが中実軸内部の低硬度領域で吸収されるのに対し、中空駆動軸ではこのような変形エネルギーの吸収作用が生じないことによる。
本発明者らのさらなる検討によれば、中空駆動軸では、捩りトルクの負荷にともない粒界破壊が発生し易くなる。特に、初期に粒界破壊が発生すると急激に捩り疲労破壊が進展し、駆動軸の疲労寿命が不安定になることが明らかになる。この疲労寿命の不安定化も、中空駆動軸では捩りトルクにともなう変形エネルギーが軸内部の低硬度領域で吸収されないことに起因していると推定される。
このように、中空駆動軸と中実駆動軸とでは、熱処理による焼入れ組織の相違から捩りトルク負荷時の破壊挙動が異なり、中空駆動軸の捩り疲労破壊の改善や疲労寿命の安定化には、特開２０００−１５４８１９号公報および特開２００２−６９５６６号公報で提案された捩り疲労強度の向上手段を適用することができない。すなわち、中空駆動軸では捩りトルクの負荷にともない粒界破壊が発生し易くなることから、中空駆動軸の捩り疲労破壊の改善や疲労寿命の安定化には、オーステナイト結晶粒界の強度を確保することが必要になる。
一方、中空駆動軸の素材として鋼管を用いる場合には、管端の絞り加工や転造加工にともなって発生する割れを防止するとともに、冷間成形加工後の熱処理により、鋼管内面まで全肉厚に亘って硬化させると同時に高靱性を確保し、さらに中空駆動軸として優れた性能を発揮するため、冷間加工性、焼入れ性、靱性および捩り疲労強度を同時に確保することが必要になる。
ところが、特開平６−３４１４２２号公報、特開平７−１８３３０号公報、特開２０００−２０４４３２号公報および特開２００１−３５５０４７号公報の提案によれば、鋼管を素材とした中空駆動軸として、優れた冷間加工性、焼入れ性、靱性および捩り疲労強度特性を発揮できるように材質面や粒界強度の観点から検討を加え、化学組成や結晶粒度を特定する試みは殆どなされていない。
言い換えれば、中空駆動軸が要求するこれらの特性は、単独で改善するのはそれ程困難ではないが、全ての特性を同時に満足させることは、従来の知見では困難とされていた。例えば、高い疲労強度を確保するには、鋼の強度を上昇させることが有効であることから、素材として使用する鋼管を高強度にすると、それに起因して冷間加工性が低下することになる。
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、中空駆動軸に要求される特性に基づき材質面から検討を加え、化学組成を特定するとともに、捩りトルク負荷時の破壊挙動に応じてオーステナイト結晶粒界の強度を確保することによって、冷間加工性、焼入れ性、靱性および捩り疲労強度に優れ、安定した疲労寿命を発揮することができる高周波焼入れ中空駆動軸を提供することを目的としている。
本発明者らは、上記の課題を解決するため、冷間加工性、焼入れ性、靱性および捩り疲労強度に及ぼす合金元素の影響について、種々の検討を重ねた。まず、冷間加工性に及ぼす、ＳｉおよびＣｒの影響を検討した。
図１は、冷間加工性（冷間鍛造）に及ぼすＳｉの影響を示す図である。ベース鋼として０．３５％Ｃ−１．３％Ｍｎ−０．１７％Ｃｒ−０．０１５％Ｔｉ−０．００１％Ｂ鋼を用い、Ｓｉ含有量を変化させた場合の１４ｍｍφ×２１ｍｍ長さの圧縮試験片における割れが発生しない限界加工度（％）と硬度（ＨＲＢ）との関係を示している。
図２は、冷間加工性（冷間鍛造）に及ぼすＣｒの影響を示す図である。ベース鋼として０．３５％Ｃ−０．２％Ｓｉ−１．３％Ｍｎ−０．０１５％Ｔｉ−０．００１％Ｂ鋼を用い、Ｃｒ含有量を変化させた場合の１４ｍｍφ×２１ｍｍ長さの圧縮試験片における割れが発生しない限界加工度（％）と硬度（ＨＲＢ）との関係を示している。
図１に示すように、Ｓｉ含有量を低減させることによって、冷間加工時の割れ発生限界加工度が大きく向上することが判明した。また、図２に示すように、Ｃｒを増量することによって冷間加工性が若干改善されることが分かった。これに対し、他の元素は冷間加工性をやや低下させるか、殆ど影響を示さなかった。
ところが、冷間加工性を向上させるためにＳｉ含有量を低減すると、焼入れ性が低下することになり、鋼管の熱処理後に内面の強度が確保できなくなる。このため、Ｓｉ含有量の低減による冷間加工性の向上に併せ、焼入れ性の向上を検討する必要がある。
図３は、焼入れ性に及ぼすＢおよびＣｒの影響を示す図である。ベース鋼は０．３５％Ｃ−０．０５％Ｓｉ−１．３％Ｍｎ−０．０１５％Ｔｉ−０．００４％Ｎ鋼とし、Ｂ−Ｃｒ含有量を変化させた試験片を準備し、ジョミニー一端焼入れ試験を行った。図中に水冷端からの距離と硬度分布の一例が示されているが、硬度低下の傾きが急に大きくなる地点の水冷端からの距離を焼入れ深さとした。図３に示すように、Ｂまたは／およびＣｒの含有量を増加させることによって、焼入れ性を向上できる。
図４は、焼入れ性に及ぼすＢ、ＮおよびＴｉの影響を示す図である。ベース鋼は（０．３５〜０．４０）％Ｃ−（０．０５〜０．３）％Ｓｉ−（１．０〜１．５）％Ｍｎ−（０．１〜０．５）％Ｃｒ鋼とし、Ｂ、ＮおよびＴｉの含有量を変化させ、前記図３と同様に、ジョミニー一端焼入れ試験を行い、焼入れ深さを測定した。
このとき、試験片の焼入れ深さに及ぼすＢ、ＮおよびＴｉの含有バランスによる影響を調査するため、下記（ａ）または（ｂ）式で規定するＢeffを用いた。
Ｎeff＝Ｎ−１４×Ｔｉ／４７．９≧０の場合に
Ｂeff＝Ｂ−１０．８×（Ｎ−１４×Ｔｉ／４７．９）／１４ ・・・ （ａ）
Ｎeff＝Ｎ−１４×Ｔｉ／４７．９＜０の場合に
Ｂeff＝Ｂ ・・・ （ｂ）
図４に示す焼入れ深さとＢeffの関係から、鋼の焼入れ性の確保にはＢ、ＴｉおよびＮの含有バランスが重要な要件となり、Ｂeff≧０．０００１の条件を満足しなければ十分な焼入れ性が得られないことが分かる。
図５は、疲労強度および耐久比に及ぼすＣｒの影響を示す図である。ベース鋼として０．３５％Ｃ−０．２％Ｓｉ−１．３％Ｍｎ−０．０１５％Ｔｉ−０．００１％Ｂ鋼を用い、Ｃｒ含有量を変化させ、小野式回転曲げ試験により疲労強度および耐久比を測定した。ただし、耐久比は（疲労強度／引張強度）で示した。
図５に示すように、Ｃｒの含有を増加させると、疲労強度の上昇にともなって耐久比がほぼ同等に上昇していることから、引張強度を高めることなく疲労強度を上昇できる。このことから、Ｃｒを増加して疲労強度を上昇させることは、冷間加工性や靱性には悪影響を及ぼすことが少ないことが分かる。
従来から疲労強度を上昇させるには、引張強度を上昇させる必要があることが知られており、疲労強度を上昇させるためにＣ含有量を増加させることが行われていたが、Ｃの含有量の増加により冷間加工性や靱性が低下する問題があった。しかし、前記図５に示す知見から、Ｃｒの含有量を増加し疲労強度を上昇させることにより、Ｃの含有量を増加させずに冷間加工性や靱性の低下を抑制しつつ、疲労強度の確保が図れることになる。
図６は、熱処理後のオーステナイト結晶粒度が駆動軸の捩り疲労強度に及ぼす影響を示す図である。供試材としてシームレス鋼管を使用し、準備した供試材から平行部が２９ｍｍφ×５ｍｍｔの試験片を削り出し、高周波焼入れ（最高加熱温度１０００℃）の後、１６０℃で焼き戻しを行った。得られた試験片に２３００Ｎ・ｍの片振繰り返しねじりトルクを負荷し、疲労破壊を起こした繰り返し数を測定した。
供試材は（０．３０〜０．４７）％Ｃ−（０．０５〜０．５）％Ｓｉ−（０．３〜２．０）％Ｍｎ−（０．１５〜１．０）％Ｃｒ−（０．００１〜０．０５）％Ａｌ−（０．００５〜０．０５）％Ｔｉ−（０．０００５〜０．００５）％Ｂ鋼とし、いずれの供試材も本発明で規定する化学組成を具備するものであった。
図６に示すように、オーステナイト結晶粒度番号（ＪＩＳ Ｇ０５５１）が８以下と結晶粒径が粗い試験片を用いた場合には、疲労破壊が起きる繰り返し回数が著しくばらついているのに対し、オーステナイト結晶粒度番号が９以上と結晶粒径が微細な試験片を用いた場合には、疲労破壊が起きる繰り返し回数が高水準に安定している。したがって、オーステナイト結晶粒度番号（ＪＩＳ Ｇ０５５１）が９以上と結晶粒径が微細な条件を満足することによって、駆動軸として安定した、良好な疲労寿命を発揮できることが分かる。
上記図１〜図６に示される技術知見に基づいて、素材となる鋼管の化学組成を特定するとともに、高周波焼入れ後のオーステナイト結晶粒界の強度を確保することによって、優れた冷間加工性、焼入れ性、靱性および捩り疲労強度を確保することができ、安定した疲労寿命を発揮する一体成形型の中空駆動軸を得ることができる。
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、本発明の高周波焼入れ中空駆動軸は、質量％で、Ｃ：０．３０〜０．４７％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｐ：０．０１８％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｒ：０．１５〜１．０％、Ａｌ：０．００１〜０．０５％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５％、Ｃａ：０．００４％以下、Ｎ：０．０１％以下、Ｂ：０．０００５〜０．００５％およびＯ（酸素）：０．００５０％以下を含み、残部がＦｅおよび不純物であり、下記（ａ）または（ｂ）式で規定するＢeffが０．０００１以上である鋼管を素材とし、高周波焼入れ後のオーステナイト結晶粒度番号（ＪＩＳ Ｇ０５５１）が９以上である。
ただし、Ｔｉ、ＮおよびＢを含有量％とし、Ｎeff＝Ｎ−１４×Ｔｉ／４７．９≧０の場合に、Ｂeff＝Ｂ−１０．８×（Ｎ−１４×Ｔｉ／４７．９）／１４ ・・・ （ａ）
同様に、Ｎeff＝Ｎ−１４×Ｔｉ／４７．９＜０の場合に、Ｂeff＝Ｂ ・・・ （ｂ）
上記の高周波焼入れ中空駆動軸では、さらに、質量％で、Ｃｕ：１％以下、Ｎｉ：１％以下およびＭｏ：１％以下のうちから１種または２種以上を含有すること、または／および質量％で、Ｖ：０．１％以下およびＮｂ：０．１％以下のうちから１種または２種を含有するのが望ましい。
本発明の高周波焼入れ中空駆動軸によれば、優れた冷間加工性、焼入れ性、靱性および捩り疲労強度を同時に備えることができるので、中空軸素材として鋼管を用い管端の絞り加工や転造加工を行う場合に、加工にともなう割れを防止できるとともに、冷間成形加工後の高周波焼入れにより、鋼管内面まで全肉厚に亘って硬化させると同時に高靱性を確保し、駆動軸として安定した疲労寿命を達成することができる。
図１は、冷間加工性に及ぼすＳｉの影響を示す図である。
図２は、冷間加工性に及ぼすＣｒの影響を示す図である。
図３は、焼入れ性に及ぼすＢおよびＣｒの影響を示す図である。
図４は、焼入れ性に及ぼすＢ、ＮおよびＴｉの影響を示す図である。
図５は、疲労強度および耐久比に及ぼすＣｒの影響を示す図である。
図６は、熱処理後のオーステナイト結晶粒度が駆動軸の捩り疲労強度に及ぼす影響を示す図である。
図７は、実施例で行った疲労試験に用いた試験片の形状を示す図である。
本発明が対象とする中空駆動軸を上記のように規定した理由について、詳細に説明する。以下の説明において、化学組成は「質量％」で示す。
Ｃ：０．３０〜０．４７％
Ｃは、強度を増加し疲労強度を向上させる元素であるが、冷間加工性および靭性を低下させる元素である。Ｃ含有量が０．３０％未満であると、十分な硬さが得られない。一方、Ｃ含有量が０．４７％を超えると、冷間成形性が低下すると同時に、焼入後の硬さが高くなりすぎて靭性が低下し、粒界破壊を助長することによって、捩り疲労強度を低下させる。
中空駆動軸では、中実構造の駆動軸に比べ、その形状から冷却速度が速くなり焼入れ硬さが過大になり易く、粒界破壊を誘発するおそれがある。このため、Ｃ含有量の上限を０．４２％にするのが望ましく、さらに上限を０．４０％にするのがより望ましい。
Ｓｉ：０．５％以下
Ｓｉは、脱酸剤として必要な元素である。しかし、その含有量が０．５％を超えると冷間加工性が確保できないので、０．５％以下とした。前記図１に示すように、Ｓｉ含有量は少なくなればなるほど、冷間加工性が向上する。したがって、より過酷な冷間加工にも対応できるように、Ｓｉ含有量は０．２２％以下にするのが望ましく、さらに大きな加工を受ける場合には、０．１４％以下にするのがより望ましい。
Ｍｎ：０．３〜２．０％
Ｍｎは、熱処理時の焼入れ性を確保し、強度と靱性を改善するのに有効な元素である。その効果を発揮し全肉厚に亘り内面まで十分に硬化させるには、Ｍｎ含有量は０．３％以上が必要である。一方、Ｍｎを２．０％超えて含有させると、冷間加工性が低下する。このため、Ｍｎ含有量は０．３〜２．０％とした。また、良好なバランスで焼入れ性および冷間加工性を確保するには、Ｍｎ含有量は１．１〜１．７％とするのが望ましく、さらに１．２〜１．４％にするのがより望ましい。
Ｐ：０．０１８％以下
Ｐは、鋼中に不純物として含まれ、凝固時に最終凝固位置近傍に濃化し、かつ粒界に偏析して熱間加工性、靱性および疲労強度を低下させる。Ｐ含有量が０．０１８％を超えると、粒界偏析による靭性低下が顕著となり、粒界破壊を誘起して捩り疲労強度を不安定にする。駆動軸の靭性および疲労強度を高水準で維持するには、望ましいＰ含有量は０．００９％以下である。
Ｓ：０．０１５％以下
Ｓは、鋼中に不純物として含まれ、凝固時に粒界に偏析し、熱間加工性および靱性を低下させる。Ｓ含有量が０．０１５％を超えると、ＭｎＳが多発し冷間加工性を低下させるとともに、捩り疲労強度の低下につながる。さらに大きな加工を受ける場合には、Ｓ含有量は０．００５％以下にするのが望ましい。
Ｃｒ：０．１５〜１．０％
Ｃｒは、前記図２および図５に示すように、冷間加工性をあまり低下させずに疲労強度を高める元素であり、さらに前記図３に示すように、Ｂと同様に焼入れ性の向上にも有効な元素である。したがって、Ｃｒ含有量は、所定の疲労強度を確保するため、０．１５％以上とする。一方、Ｃｒは１．０％を超えて含有すると、冷間加工性の低下が顕著となる。このため、Ｃｒ含有量は０．１５〜１．０％とした。
さらに、良好なバランスで疲労強度、冷間加工性および焼入れ性を確保するには、Ｃｒ含有量は０．２〜０．８％にするのが望ましく、０．３〜０．６％とするのがより望ましい。
Ａｌ：０．００１〜０．０５％
Ａｌは、脱酸剤として作用する元素である。脱酸剤としての効果を得るためには、０．００１％以上の含有が必要であるが、その含有量が０．０５％を超えると、アルミナ系介在物が増加し疲労強度が低下するとともに、切削面の表面性状を低下させる。このため、Ａｌ含有量は０．００１〜０．０５％とした。さらに、安定した表面品質を確保するには、Ａｌ含有量は０．００１〜０．０３％とするのが望ましい。
下記するＴｉ、ＮおよびＢは、鋼の焼入れ性を確保するため、それぞれの元素含有量を規定すると同時に、さらにお互いの含有量バランスを規定する条件式を満足する必要がある。
Ｔｉ：０．００５〜０．０５％
Ｔｉは、鋼中のＮをＴｉＮとして固定する作用を有している。しかし、Ｔｉ含有量が０．００５％未満では、Ｎを固定する能力が十分に発揮されず、一方、０．０５％を超えると、鋼の冷間加工性および靱性が低下する。このため、Ｔｉ含有量は０．００５〜０．０５％とする。
Ｎ：０．０１％以下
Ｎは、靱性を低下させる元素であり、鋼中でＢと結合し易い。Ｎ含有量が０．０１％を超えると、冷間加工性および靱性が著しく低下するので、その含有量は０．０１％以下とした。冷間加工性および靱性を向上させる観点からは、０．００７％以下が望ましい。
Ｂ：０．０００５〜０．００５％
Ｂは、焼入れ性を向上させる元素である。その含有量が０．０００５％未満では、焼入れ性が不足し、一方、０．００５％を超えて含有すると、粒界に析出して粒界破壊を誘起し、捩り疲労強度を低下させる。
さらに、前記図４に示すように、Ｂが焼入れ性を向上させる前提として、下記（ａ）または（ｂ）式で規定するＢeffが０．０００１以上を満足する必要がある。
すなわち、Ｎeff＝Ｎ−１４×Ｔｉ／４７．９≧０の場合に
Ｂeff＝Ｂ−１０．８×（Ｎ−１４×Ｔｉ／４７．９）／１４ ・・・ （ａ）
同様に、Ｎeff＝Ｎ−１４×Ｔｉ／４７．９＜０の場合に
Ｂeff＝Ｂ ・・・ （ｂ）
Ｂが焼入れ性を向上させる能力を発揮するには、鋼中のＮの影響をなくす必要がある。ＢはＮと結合し易く、鋼中にフリーなＮが存在すると、Ｎと結合してＢＮが生成し、Ｂが具備する焼入れ性を向上させる作用が発揮されない。このため、Ｎ含有量に応じてＴｉを添加し、ＴｉＮとして固定することにより、Ｂを鋼中に存在させ焼入れ性に有効に作用させるため、上記Ｂeffが０．０００１以上を満足する必要がある。
また、Ｂeffの値は大きくなればなるほど、焼入れ性が向上するので、Ｂeffが０．０００５以上を満足するのが望ましく、さらにＢeffが０．００１以上を満足するがより望ましい。
Ｃａ：０．００４％以下
Ｃａは、鋼を鋳込む際に作業性を改善するためやむを得ず添加する場合があるが、０．００４％を超えて含有すると、介在物が増加し冷間加工性および切削面の表面性状を著しく低下させる。したがって、Ｃａ含有量は、０．００４％以下にする。Ｃａ含有量は、０．０００４％以下にするのが望ましい。
Ｏ（酸素）：０．００５０％以下
Ｏは、靭性および疲労強度を低下させる不純物である。Ｏ含有量が０．００５０％を超えると、靭性および疲労強度が著しく低下するので、０．００５０％以下とした。
以下の元素は必ずしも添加しなくてもよいが、必要に応じて、１種または２種以上を含有することによって、冷間加工性、焼入れ性、靱性および捩り疲労強度を一層向上させることができる。
Ｃｕ：１％以下、Ｎｉ：１％以下およびＭｏ：１％以下
Ｃｕ、ＮｉおよびＭｏは、添加させなくてもよいが、いずれも焼入れ性を向上させて鋼の強度を高め、疲労強度の向上に有効な元素である。これらの効果を得たい場合には、いずれかを１種または２種以上を含有させることができる。Ｃｕ、ＮｉおよびＭｏのいずれの元素も、含有量が０．０５％未満であると、強度を高め、疲労強度を改善する効果が低い。しかし、その含有量が１％を超えると、冷間加工性が著しく低下する。このため、添加させる場合には、Ｎｉ、ＭｏおよびＣｕの含有量は、いずれも０．０５〜１％とした。
Ｖ：０．１％以下およびＮｂ：０．１％以下
ＶおよびＮｂは、添加させなくてもよいが、いずれも炭化物を形成し、結晶粒粗大化の防止により靱性を向上させるのに有効な元素である。したがって、鋼の靱性を向上させる場合に、いずれか１種または２種を含有させることができる。その効果は、ＶおよびＮｂのいずれの元素も、含有量が０．００５％以上で得られる。しかし、いずれも０．１％を超える含有になると、粗大な析出物が生成し、かえって靱性を低下させる。このため、添加させる場合には、ＶおよびＮｂの含有量は、いずれも０．００５〜０．１％とした。
オーステナイト結晶粒度番号（ＪＩＳ Ｇ０５５１）：９以上
本発明の中空駆動軸は、上記化学組成の鋼管を素材とし、管端の絞り加工や転造加工、さらに切削加工により所定の形状に成形加工し、その後に高周波焼入れを行うことにより、オーステナイト結晶粒度番号（ＪＩＳ Ｇ０５５１）で９以上とする。
前述の通り、中空駆動軸に起こる捩り疲労破壊は、軸方向と４５度の方向であって主応力面で発生することから、捩りトルクの負荷にともない粒界破壊が発生し易くなる。このため、中空駆動軸において優れた疲労強度を確保するには、オーステナイト結晶粒界の強度を高めることが必要になるが、粒度番号が８以下とオーステナイト結晶粒径が大きくなると、捩り疲労試験での粒界破壊の発生率が増し、疲労強度が著しく低下する場合がある。このため、中空駆動軸の疲労寿命にばらつきが生じ、安定した疲労寿命を確保することができなくなる。
本発明の中空駆動軸では、強度を確保するため全肉厚に亘って焼入を行うことが必要になるので、通常、１〜５０ｋＨｚの周波数で高周波焼入れすることにより製造される。周波数が高すぎると、加熱域が表面部に限定されるのを回避するためである。さらに、高周波焼入れ後の靱性を回復させ、捩り疲労強度を向上させるため、高周波焼入れ後に１５０〜２００℃の条件で焼戻しを行うのが望ましい。
真空溶解し、表１に示す化学組成の鋼Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２３の鋼を溶製し、そのうち本発明で規定する化学組成を満足する鋼を発明鋼（鋼Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１３）とし、その他の鋼を比較鋼（鋼Ｎｏ．１４〜Ｎｏ．２３）として示した。溶製された鋼を素材（ビレット）として外径５０．８ｍｍ、肉厚７．９ｍｍの鋼管を製管圧延した。このとき、鍛造比を小さくしオーステナイト結晶粒径の粗い供試鋼を作製するため、鋼Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．１３ではビレット径の小さな素材を使用した。
Figure 0004687712
得られた鋼管を用い、外径４０ｍｍ、肉厚７ｍｍに冷間抽伸を実施し、さらに外径２８ｍｍ、肉厚９ｍｍにスウェージ加工を実施し、その後、冷間加工性を評価するために４０％の偏平プレス加工を実施し、割れの有無を観察した。割れ観察の結果を表２に示すが、割れが発生しない場合を○で示し、割れが発生した場合を×で示した。
その後、外径２８ｍｍ、肉厚９ｍｍの素材に高周波焼入れ（加熱温度９２０〜１０００℃）を実施し、焼入れ性を調査した。この場合に、外表面のビッカース硬度と内表面のビッカース硬度を測定し、その差が５０以下であると焼入れ性は良好として○で示し、その差が５０を超えると焼入れ性は十分でなく×で示した。
次に、疲労寿命を評価するため、素材（ビレット）から外径４６ｍｍ、肉厚１０．６ｍｍの鋼管を製管圧延し、外削後、さらに冷間抽伸を実施して外径３８ｍｍ、肉厚９．５ｍｍの鋼管を得た。得られた鋼管から管長さＬが３００ｍｍの短管を切り出し、疲労試験片を作製した。
図７は、実施例で行った疲労試験に用いた試験片の形状を示す図である。鋼管から切り出された短管１の両端に疲労試験用治具２を摩擦圧接し、摩擦圧接部３で一体に構成された試験片を作製した。その後、図７に示すように、中央部を形成するため、短管１の肉厚を外側から深さ４．５ｍｍ切削し、中央部の長さｌが１５０ｍｍ、外径が２９ｍｍ、肉厚が５．０ｍｍとなる試験片を削り出した。得られた試験片に高周波焼入れ（加熱温度９２０〜１０００℃）の後、１６０℃で１時間の焼き戻しを行い、次いで２３００Ｎ・ｍの片振繰り返し捩りトルクを負荷し、各試験片の疲労寿命を評価した。
疲労寿命の評価に際しては、上記負荷トルク２３００Ｎ・ｍでの捩り疲労試験で５０万回まで疲労破壊を起こさない場合を○で示し、寿命にばらつきが観測され一部において５０万回未満で疲労破壊を起こした場合を△で示し、５０万回未満で疲労破壊を起こした場合を×で示した。
Figure 0004687712
表２に示すように、鋼Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０の鋼は、本発明で規定する条件（化学組成、オーステナイト結晶粒度）を満足する発明例であり、いずれの場合にも中空駆動軸として要求される冷間加工性、焼入れ性、靱性および捩り疲労強度の基本性能は良好な結果であり、さらに中空駆動軸として安定した疲労寿命を発揮できることが分かる。
一方、鋼Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．２３の比較鋼のうち、鋼Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．１３は本発明で規定するオーステナイト結晶粒度を満足しておらず、また鋼Ｎｏ．１４〜Ｎｏ．２３は本発明で規定する化学組成を満足していないため、いずれかの比較鋼も冷間加工性、焼入れ性、靱性および捩り疲労強度の基本性能は同時に具備することができず、本発明の中空駆動軸として適用することができない。
 産業上の利用の可能性
本発明の高周波焼入れ中空駆動軸によれば、優れた冷間加工性、焼入れ性、靱性および捩り疲労強度を同時に備えることができるので、中空軸素材として鋼管を用い管端の絞り加工や転造加工を行う場合に、加工にともなう割れを防止できるとともに、冷間成形加工後の高周波焼入れにより、鋼管内面まで全肉厚に亘って硬化させると同時に高靱性を確保し、駆動軸として安定した疲労寿命を達成することができる。これにより、一体成形型の中空駆動軸として最適であり、自動車部品用として広く採用することができる。

Claims (4)

  1. 質量％で、Ｃ：０．３０〜０．４７％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｐ：０．０１８％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｒ：０．１５〜１．０％、Ａｌ：０．００１〜０．０５％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５％、Ｃａ：０．００４％以下、Ｎ：０．０１％以下、Ｂ：０．０００５〜０．００５％およびＯ（酸素）：０．００５０％以下を含み、残部がＦｅおよび不純物であり、
    下記（ａ）または（ｂ）式で規定するＢeffが０．０００１以上である鋼管を素材とし、
    高周波焼入れ後のオーステナイト結晶粒度番号（ＪＩＳ Ｇ０５５１）が９以上であることからなる高周波焼入れ中空駆動軸。
    ただし、Ｔｉ、ＮおよびＢを含有量％とし、Ｎeff＝Ｎ−１４×Ｔｉ／４７．９≧０の場合に
    Ｂeff＝Ｂ−１０．８×（Ｎ−１４×Ｔｉ／４７．９）／１４ ・・・ （ａ）
    同様に、Ｎeff＝Ｎ−１４×Ｔｉ／４７．９＜０の場合に
    Ｂeff＝Ｂ ・・・ （ｂ）
  2. さらに、質量％で、Ｖ：０．１％以下およびＮｂ：０．１％以下のうちから１種または２種を含有することを特徴とする請求項１に記載の高周波焼入れ中空駆動軸。
  3. 質量％で、Ｃ：０．３０〜０．４７％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｐ：０．０１８％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｒ：０．１５〜１．０％、Ａｌ：０．００１〜０．０５％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５％、Ｃａ：０．００４％以下、Ｎ：０．０１％以下、Ｂ：０．０００５〜０．００５％およびＯ（酸素）：０．００５０％以下を含み、さらに、Ｃｕ：１％以下、Ｎｉ：１％以下およびＭｏ：１％以下のうちから１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不純物であり、
    下記（ａ）または（ｂ）式で規定するＢeffが０．０００１以上である鋼管を素材とし、
    高周波焼入れ後のオーステナイト結晶粒度番号（ＪＩＳ Ｇ０５５１）が９以上であることからなる高周波焼入れ中空駆動軸。
    ただし、Ｔｉ、ＮおよびＢを含有量％とし、Ｎeff＝Ｎ−１４×Ｔｉ／４７．９≧０の場合に
    Ｂeff＝Ｂ−１０．８×（Ｎ−１４×Ｔｉ／４７．９）／１４ ・・・ （ａ）
    同様に、Ｎeff＝Ｎ−１４×Ｔｉ／４７．９＜０の場合に
    Ｂeff＝Ｂ ・・・ （ｂ）
  4. さらに、質量％で、Ｖ：０．１％以下およびＮｂ：０．１％以下のうちから１種または２種を含有することを特徴とする請求項３に記載の高周波焼入れ中空駆動軸。
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