JP5071038B2 - Ｃｖｊボールケージ用鋼 - Google Patents

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Description

本発明は、自動車等の等速ジョイント（ＣＶＪ）のボールケージ部品に用いる鋼に関するものである。
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に固設されたインナーレース（内輪）３と被駆動軸２に固設されたアウターレース（外輪）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３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。
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っている。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いので、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提案されている。
特許文献１にはＣｒ−Ｍｏ量を適正化し、さらにＮｂまたはＴｉを添加した鋼が、そして、特許文献２にはＣｒ−Ｍｏ量を適正化するとともにＮｂまたはＴｉを添加し、さらに、ＢやＮｉを添加した鋼が、それぞれ開示されている。特許文献３及び４には、Ｃｒ−Ｍｏ量を適正化するとともにＢを添加した鋼が開示されている。また、特許文献５には、Ｃｒ鋼にＢを添加した鋼が開示されている。
特開平１−３９３５１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
しかしながら、これらの特許文献で提案された肌焼鋼は、いずれもＪＩＳに規定された鋼に比べて、合金コストが高く製造性も低下する問題があった。また、寿命が従来に比べて低下するという問題があった。
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、従来よりも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ＣＶＪボールケージ用鋼を提供することにある。
本発明者らは、従来のものよりも小型軽量化されたＣＶＪにおいて、従来よりも大きな負荷応力が作用するボールケージに関して、それが短期間で使用できなくなる事例を詳細に調査して、最も寿命に影響を及ぼす要因を分析し、その寿命を延ばす方策を検討した。その結果、次の(a)〜(h)に示す知見を得た。
(a)高速回転中にＣＶＪのジョイント切れ角を大きくしたときに、ボールケージに負荷される応力が、材料強度を上回り、ボールケージが破断に至る。従って、材料強度を向上させることが重要である。
(b)強度の高い材料を用いてＣＶＪのボールケージを作成して耐久試験を実施したが、高強度材であっても、実際のＣＶＪで高速回転中にＣＶＪのジョイント切れ角を大きくしたときに、ボールケージの破壊を抑制することはできず、ボールケージが破壊に至るかどうかと、単純な材料強度との対応は相関しなかった。
(c)表面硬度を高めたり、靱性を高めたりしてボールケージの破壊が抑制されるかどうかを調査したが、いずれも破壊強度の向上には繋がらず、かえって低下する場合も多かった。
(d)実際のＣＶＪで高速回転中にＣＶＪのジョイント切れ角を大きくすることと、ボールケージが破壊することの対応関係の調査結果により、ボールケージ破断は、ボールを固定するための窓のコーナー部分の応力集中部から発生することが判明した。よって、切欠き付き引張試験による強度と良い対応を示すことが分かった。
(e)従って、ボールケージという特徴的な形状の部材に肌焼き鋼を使用する時の、破断強度を向上させるための材料設計指標は、切欠き引張強度を上げることであるが分かった。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破断強度を確保したいときには切欠き付き引張強度の向上を図ればよいことが分かった。
(f)次に、ボールケージ用としての肌焼き鋼の切欠き付き引張強度を向上させる検討を実施した。その結果、後述するとおり、切欠き付き引張強度は特にＳ含有量に大きく依存することが判明した。これに対して、引張強度はＳ含有量には依存しなかった。肌焼き鋼はギア等、種々の用途にも用いられているが、切削加工することが多い。しかしながら、切削性を確保する観点から、Ｓは通常積極的に添加されているが、今回発想を転換して、鋼中のＳ含有量を低減させたところ、切欠き付き引張強度が著しく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。
(g)Ｓを低減した時の切欠き付き引張強度の向上は、引張試験後の破面観察により、伸長したＭｎＳ系介在物の多寡に起因すると考えられる。切欠き付き引張試験では、試験時に切欠き部に応力が集中し、応力集中部直下に伸長したＭｎＳが存在すると、破壊の起点になって、浸炭部が脆性破壊を生じるとともに、浸炭されていない中心部の靱性も伸長したＭｎＳにより低下するので、一旦、早期にき裂が発生すると、き裂進展は止められずに低応力で破断する。通常の引張試験では、伸長したＭｎＳが存在しても、応力集中する切欠きが存在しないので、浸炭部の脆性破壊が発生しにくく、破断応力が高くなると考えられる。従って、Ｓ含有量を低減して、ＭｎＳ系介在物量を低減させた時、通常の引張強度はほとんど上昇しないが、切欠き付き引張強度は大きく改善される。本発明の用途である、ボールケージの使用中の破壊強度はこの切欠付き引張強度に支配されるので、Ｓ量を低減することにより、小型化しても破壊しにくい、信頼性の高いＣＶＪを提供できることが可能となる。なお、本効果は、ボールケージという特有の形状の部品に好適な技術であって、通常の引張強度や、疲労強度に支配される他の用途には、このＳ量低減の効果はほとんど期待できず、かえって被削性を低下させるので、適用できる技術ではない。
(h)図２〜１７は、後述する実施例において用いた種々の化学組成を有する鋼について、Ｓの含有量をＸ軸に、そして、機械的性質をＹ軸にプロットしたものである。なお、機械的性質としては、通常の引張強度（平滑引張強度）と切欠き付き引張強度をその指標として用いた。
図２及び３は、ＳＣｒ４１５系をベースにＳ含有量を変化させた鋼（鋼No．１〜８）の浸炭後の平滑及び切欠き引張強度を整理したグラフである。図２に示すように、Ｓ含有量を低減しても平滑引張強度はほとんど変化しない。ところが、図３に示すように、切欠き付き引張り強度はＳ含有量によって大きく変化し、鋼中のＳ含有量を低減すると大幅に強度が上昇することが分かる。
次に、図４及び５は、ＳＣＭ４１５系をベースにＳ含有量を変化させた鋼（鋼No．９〜１６）について、図６及び７はＳＣｒ４２０系をベースにＳ含有量を変化させた鋼（鋼No．１７〜２４）について、図８及び９はＳＣＭ４２０系をベースにＳ含有量を変化させた鋼（鋼No．２５〜３２）について、図１０及び１１はＳＡＥ８６１７系をベースにＳ含有量を変化させた鋼（鋼No．３３〜４１）について、図１２及び１３はＳＣｒ４１５系にＴｉを添加した鋼をベースにＳ含有量を変化させた鋼（鋼No．４２〜４９）について、図１４及び１５はＳＣＭ４２０系にＮｂを添加した鋼をベースにＳ含有量を変化させた鋼（鋼No．５０〜５７）について、そして、図１６及び１７はＳＡＥ８６１７系にＴｉ、Ｎｂを添加した鋼をベースにＳ含有量を変化させた鋼（鋼No．５８〜６５）について、それぞれ、浸炭後の平滑及び切欠き引張強度を整理したグラフである。図２及び３と同様に、Ｓ含有量を低減しても平滑引張強度はほとんど変化しないが、切欠き付き引張り強度は鋼中のＳ含有量を低減すると大幅に上昇することが分かる。
本発明は、上記の知見に基づいて完成したものであって、その要旨は下記の(1)〜(4)に係るＣＶＪボールケージ用鋼にある。
(1)質量％で、Ｃ：０．１〜０．２５％、Ｓｉ：０．０５〜０．７％、Ｍｎ：０．０５〜１．２％、Ｃｒ：０．３〜１．２％、Ｓ：０．００５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｎ：０．０２％以下、Ｏ（酸素）：０．０１％以下およびsol.Ａｌ：０．００５〜０．１％を含有し、残部はＦｅと不純物からなることを特徴とするＣＶＪボールケージ用鋼。
(2)質量％で、Ｆｅの一部に代えてさらにＭｏ：０．７％以下を含有することを特徴とする、上記(1)のＣＶＪボールケージ用鋼。
(3)質量％で、Ｆｅの一部に代えてさらにＮｉ：１％以下を含有することを特徴とする、上記(1)又は(2)のＣＶＪボールケージ用鋼。
(4)質量％で、Ｆｅの一部に代えてさらに、Ｔｉ：０．３％以下、Ｎｂ：０．３％以下、Ｖ：０．３％以下及びＺｒ：０．３％以下のうちの１種以上を含有することを特徴とする、上記(1)〜(3)のいずれかのＣＶＪボールケージ用鋼。
本発明によれば、従来のものよりも小型軽量化されたＣＶＪにおいて、従来よりも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ＣＶＪボールケージ用鋼を提供することにある。
以下に、本発明に係るＣＶＪボールケージ用鋼を構成する化学組成の限定理由について述べる。なお、各元素の含有量の「％」は「質量％」を表す。
Ｃ：０．１〜０．２５％
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％以上含有させる必要がある。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：０．０５〜０．７％
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％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｓｉの含有量が０．７％を超えると、浸炭焼入れ時に粒界酸化を助長して、切欠き付き引張強度を低下させるので、０．７％を上限とした。なお、切欠き付き引張強度の面からは、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０．５％以下、より好ましいのは０．３％以下である。
Ｍｎ：０．０５〜１．２％
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％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｍｎの含有量が１．２％を超えると、浸炭焼入れ時に粒界酸化を助長して、切欠き付き引張強度を低下させるので、１．２％以下とした。なお、切欠き付き引張強度の面からは、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１．０％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％以上含有させる必要がある。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。
Ｓ：０．００５％以下
Ｓの含有量を低く抑えることは、本発明に係る鋼の最も重要な特徴であり、その含有量が０．００５％を超えると、必要な切欠き付き引張強度を確保することができない。したがって、Ｓの含有量は０．００５％以下とした。より好ましくは０．００３％以下、さらに好ましくは、０．００１５％以下であり、低減すればするほど切欠き付き引張強度が向上する。しかしながら、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上にＳを低減すると製鋼コストが上昇するので、これらを考慮する場合には、Ｓの好ましい下限は０．０００９％を超える含有量である。
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは鋼中に不純物として含有される。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。
Ｎ：０．０２％以下
Ｎは鋼中に不純物として含有される。Ｎの含有量が０．０２％を超えると靱性が低下するため、その含有量は０．０２％以下とした。より好ましい上限は０．０１％、さらに好ましい上限は０．００７％である。
Ｏ（酸素）：０．０１％以下
Ｏは鋼中に不純物として含有される。Ｏの含有量が０．０１％を超えると靱性が低下するため、その含有量は０．０１％以下とした。
sol.Ａｌ：０．００５〜０．１％
Ａｌは、鋼の脱酸に必要な元素であり、０．００５％以上含有させる必要がある。一方、０．１％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％〜０．１％とした。
本発明のＣＶＪボールケージ用高強度肌焼鋼管は、上記の成分のほか、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ及びＺｒのうちの１種以上をさらに含有してもよい。なお、この場合も、Ｐ、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。
Ｍｏ：０．７％以下
Ｍｏは、浸炭部の焼入れ性を向上させ、鋼の強度を向上させる作用を有する。したがって、この効果を発現させたい場合には、Ｍｏを含有させることができる。しかし、０．７％を超えて含有させても、効果が飽和して、コストが上昇するだけである。したがって、Ｍｏを含有させる場合でも、その含有量の上限は０．７％とした。なお、この効果を確実に得るには、その含有量を０．１％以上とするのが好ましい。
Ｎｉ：１％以下
Ｎｉは、鋼の強度と靱性を向上させる作用を有する。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。したがって、この効果を発現させたい場合には、Ｎｉを含有させることができる。しかし、１％を超えて含有させても、効果が飽和して、コストが上昇するだけである。したがって、Ｎｉを含有させる場合でも、その含有量の上限は１％とした。なお、この効果を確実に得るには、その含有量を０．１％以上とするのが好ましい。
Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ及びＺｒ：それぞれ、０．３％以下
これらの元素は、浸炭焼入れ時の結晶粒の粗粒化を抑制し、靱性を向上させる作用を有する。したがって、この効果を発現させたい場合には、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ及びＺｒのうち、１種以上を含有させることができる。しかし、それぞれ、０．３％を超えて含有させると、かえって靱性が低下するので、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ及びＺｒのうち、１種以上を含有させる場合でも、その含有量の上限は、それぞれ０．３％以下とした。なお、この効果を確実に得るには、その含有量を０．００３％以上とするのが好ましい。
なお、本発明に係るＣＶＪボールケージ用鋼は、ボールケージの形状に加工した後、浸炭焼入れと焼戻し処理を経て、ＣＶＪの部品として使用される。
表１及び表２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、１６ｍｍ厚まで冷間加工し、再度７２０℃で焼戻しを施して軟化させた。
Figure 0005071038
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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き付き引張試験片を、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。そして、以下の条件で試験片に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、１３０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時間焼き戻して、平滑引張強度と切欠き付き引張強度を測定し、その機械的性質を評価した。平滑引張強度と切欠き付き引張強度の測定結果を表１及び表２に示す。
図２〜１７は、この表２のデータを用いて、鋼種毎に、Ｓの含有量をＸ軸に、そして、機械的性質（平滑引張強度、切欠き付き引張強度）をＹ軸にプロットしたグラフであることは前述したとおりである。Ｓ含有量を低減しても平滑引張強度はほとんど変化しないが、切欠き付き引張り強度は鋼中のＳ含有量を低減すると大幅に上昇することが分かる。
本発明に係るＣＶＪボールケージ用鋼は、小型軽量化されたＣＶＪにおいて、より大きな負荷応力が作用するボールケージに適用すると、十分な耐用寿命が得られる。したがって、自動車の軽量化と燃費の向上に大きく寄与する。
等速継手の一例を示す断面図である。 ＳＣｒ４１５系の鋼種でのＳの含有量と平滑引張強度の関係を示す。 ＳＣｒ４１５系の鋼種でのＳの含有量と切欠き付き引張強度の関係を示す。 ＳＣＭ４１５系の鋼種でのＳの含有量と平滑引張強度の関係を示す。 ＳＣＭ４１５系の鋼種でのＳの含有量と切欠き付き引張強度の関係を示す。 ＳＣｒ４２０系の鋼種でのＳの含有量と平滑引張強度の関係を示す。 ＳＣｒ４２０系の鋼種でのＳの含有量と切欠き付き引張強度の関係を示す。 ＳＣＭ４２０系の鋼種でのＳの含有量と平滑引張強度の関係を示す。 ＳＣＭ４２０系の鋼種でのＳの含有量と切欠き付き引張強度の関係を示す。 ＳＡＥ８６１７系の鋼種でのＳの含有量と平滑引張強度の関係を示す。 ＳＡＥ８６１７系の鋼種でのＳの含有量と切欠き付き引張強度の関係を示す。 ＳＣｒ４１５系にＴｉを添加した鋼種でのＳの含有量と平滑引張強度の関係を示す。 ＳＣｒ４１５系にＴｉを添加した鋼種でのＳの含有量と切欠き付き引張強度の関係を示す。 ＳＣＭ４２０系にＮｂを添加した鋼種でのＳの含有量と平滑引張強度の関係を示す。 ＳＣＭ４２０系にＮｂを添加した鋼種でのＳの含有量と切欠き付き引張強度の関係を示す。 ＳＡＥ８６１７系にＴｉとＮｂを添加した鋼種でのＳの含有量と平滑引張強度の関係を示す。 ＳＡＥ８６１７系にＴｉとＮｂを添加した鋼種でのＳの含有量と切欠き付き引張強度の関係を示す。
符号の説明
１ 駆動軸
２ 被駆動軸
３ インナーレース
４ アウターレース
５ ボール
６ ボールケージ

Claims (4)

  1. 質量％で、Ｃ：０．１〜０．２５％、Ｓｉ：０．０５〜０．７％、Ｍｎ：０．０５〜１．２％、Ｃｒ：０．３〜１．２％、Ｓ：０．００５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｎ：０．０２％以下、Ｏ（酸素）：０．０１％以下およびsol.Ａｌ：０．００５〜０．１％を含有し、残部はＦｅと不純物からなることを特徴とするＣＶＪボールケージ用鋼。
  2. 質量％で、Ｆｅの一部に代えてさらにＭｏ：０．７％以下を含有することを特徴とする、請求項１に記載のＣＶＪボールケージ用鋼。
  3. 質量％で、Ｆｅの一部に代えてさらにＮｉ：１％以下を含有することを特徴とする、請求項１又は２に記載のＣＶＪボールケージ用鋼。
  4. 質量％で、Ｆｅの一部に代えてさらに、Ｔｉ：０．３％以下、Ｎｂ：０．３％以下、Ｖ：０．３％以下及びＺｒ：０．３％以下のうちの１種以上を含有することを特徴とする、請求項１から３までのいずれかに記載のＣＶＪボールケージ用鋼。
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