JP6721972B2 - 熱変形低減ステアリングラックバー用炭素鋼組成物、ステアリングラックバー、およびステアリングラックバー用炭素鋼組成物の製造方法 - Google Patents
熱変形低減ステアリングラックバー用炭素鋼組成物、ステアリングラックバー、およびステアリングラックバー用炭素鋼組成物の製造方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は熱変形低減ステアリングラックバー用炭素鋼組成物およびその製造方法に係り、より詳しくは、炭素鋼の組成比を変化させることにより製造工程を単純化させた熱変形低減ステアリングラックバー用炭素鋼組成物およびその製造方法に関する。
近年の世界的な環境問題への関心の高まりと共に、産業の全範囲で環境問題に対応するために燃料節減をする方法が模索されている。燃料節減のために、自動車産業分野では自動車エンジンの効率向上と自動車の軽量化が検討されている。車両の軽量化は、自動車の燃費向上のための良い対策となる。しかし、自動車の軽量化には、車両に求められる強度と耐久性が満たせなくなるという問題が発生する。よって、これらを解決することが自動車産業の最大の目標となっている。
自動車のステアリングラックバー（Ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｒａｃｋ ｂａｒ）は、運転者の操作に応じて自動車の進行方向を変更するために、自動車の軸の角度を調整する装置の一部分である。図１は、従来技術によるステアリングギアボックスアセンブリーおよびラックバーの斜視図である。ステアリングハンドルを回転すれば、ステアリングコラム（Ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｃｏｌｕｍｎ）１００のステアリング主軸を介してユニバーサルジョイント（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｊｏｉｎｔ）２００に回転力が伝達され、ユニバーサルジョイント２００に伝達された回転力はギアボックス（Ｇｅａｒ ｂｏｘ）３００内のピニオンギア（Ｐｉｎｉｏｎ ｇｅａｒ）とラックギア（Ｒａｃｋ ｇｅａｒ）を介して自動車のホイール（Ｗｈｅｅｌ）に伝達されて自動車の進行方向を変えることができる。
ラックギアはラックバー４００に連結されている。そして、ラックバー４００にはラックバー歯５００が形成されており、ピニオンギアからの回転力が伝達されることにより、ラックバー４００は自動車ホイールのステアリング角を変化させ、自動車が方向転換ができるように自動車ホイールの角度を変更させる。
自動車のステアリングラックバー（Ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｒａｃｋ ｂａｒ）は、運転者の操作に応じて自動車の進行方向を変更するために、自動車の軸の角度を調整する装置の一部分である。図１は、従来技術によるステアリングギアボックスアセンブリーおよびラックバーの斜視図である。ステアリングハンドルを回転すれば、ステアリングコラム（Ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｃｏｌｕｍｎ）１００のステアリング主軸を介してユニバーサルジョイント（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｊｏｉｎｔ）２００に回転力が伝達され、ユニバーサルジョイント２００に伝達された回転力はギアボックス（Ｇｅａｒ ｂｏｘ）３００内のピニオンギア（Ｐｉｎｉｏｎ ｇｅａｒ）とラックギア（Ｒａｃｋ ｇｅａｒ）を介して自動車のホイール（Ｗｈｅｅｌ）に伝達されて自動車の進行方向を変えることができる。
ラックギアはラックバー４００に連結されている。そして、ラックバー４００にはラックバー歯５００が形成されており、ピニオンギアからの回転力が伝達されることにより、ラックバー４００は自動車ホイールのステアリング角を変化させ、自動車が方向転換ができるように自動車ホイールの角度を変更させる。
上記のとおりステアリングラックバーは自動車の荷重を受けるため、ステアリングラックバー用素材は強度が大きく、引っ張る力に耐える性質、すなわち、靱性が十分に大きくなければならない。そして、自動車が道路上を運行中に、ステアリングラックバーが破損すると運転者の安全上に大きな問題が発生するため、ステアリングラックバーの素材は強度が高くなければならず、十分な衝撃強度を有しなければならない。一方、ステアリングラックバーを製造する場合には、炭素鋼組成物を切削加工するため、切削加工が容易であるための性質も必要である。
上記の要求を満たすために、従来技術では２つの解決策が提示されている。第１の解決策として、高強度素材を開発することである。そして、第２の解決策として、ステアリングラックバーの直径を大きくする方法である。
上記の要求を満たすために、従来技術では２つの解決策が提示されている。第１の解決策として、高強度素材を開発することである。そして、第２の解決策として、ステアリングラックバーの直径を大きくする方法である。
従来技術では、高強度素材を開発する方法において、従来開発された高強度素材は高強度化に応じた衝撃強度および加工性が低下し、熱変形が発生するという問題が発生した（例えば、特許文献１参照）。
このため、従来は、ステアリングラックバーの強度、靱性および衝撃強度を向上させるためにステアリングラックバーの直径を大きくする方法が多くとられてきた。しかし、ステアリングラックバーの直径が大きくなると、ラックバーの体積が大きくなり、周辺部品との干渉によって部品の設計的な限界を有していた。また、ステアリングラックバー自体の重量が増えるため、自動車のステアリング感覚が落ち、燃費が減少するという問題もあった。
それに加え、最近電動式パワーステアリングＲタイプ（Ｒ−ＭＤＰＳ）等の技術が開発されることによって、高いトルク（Ｔｏｒｑｕｅ）に適用できる高強度の素材が必要となった。これによって、単にステアリングラックバーの直径を大きくする従来の方法は適用できなくなった。
さらに、従来技術は、ステアリングラックバーの高強度化のために、高周波熱処理をして強度を確保した。しかし、切削加工前に熱処理をすると、素材が高強度化することによって加工が難しいだけでなく、素材の熱変形が発生してさらに補整をしなければならなかった。そのため、生産時間が延び、生産効率が落ちるだけでなく、生産費用も増加する等の問題があった。
このため、従来は、ステアリングラックバーの強度、靱性および衝撃強度を向上させるためにステアリングラックバーの直径を大きくする方法が多くとられてきた。しかし、ステアリングラックバーの直径が大きくなると、ラックバーの体積が大きくなり、周辺部品との干渉によって部品の設計的な限界を有していた。また、ステアリングラックバー自体の重量が増えるため、自動車のステアリング感覚が落ち、燃費が減少するという問題もあった。
それに加え、最近電動式パワーステアリングＲタイプ（Ｒ−ＭＤＰＳ）等の技術が開発されることによって、高いトルク（Ｔｏｒｑｕｅ）に適用できる高強度の素材が必要となった。これによって、単にステアリングラックバーの直径を大きくする従来の方法は適用できなくなった。
さらに、従来技術は、ステアリングラックバーの高強度化のために、高周波熱処理をして強度を確保した。しかし、切削加工前に熱処理をすると、素材が高強度化することによって加工が難しいだけでなく、素材の熱変形が発生してさらに補整をしなければならなかった。そのため、生産時間が延び、生産効率が落ちるだけでなく、生産費用も増加する等の問題があった。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、炭素鋼組成物の強度を高める工程を、窒化熱処理に変更にすることよって熱変形を低減して生産過程を短縮することができる熱変形低減ステアリングラックバー用炭素鋼組成物とその製造方法を提供することにある。
本発明のさらに他の目的とするところは、ステアリングラックバーの強度を確保して自動車の安全性を高め、生産効率性を高めて自動車の生産費用を節減することにある。
本発明のさらに他の目的とするところは、ステアリングラックバーの強度を確保して自動車の安全性を高め、生産効率性を高めて自動車の生産費用を節減することにある。
上記目的を達成するためになされた本発明のステアリングラックバー用炭素鋼組成物は、鉄（Ｆｅ）を主成分とし、炭素（Ｃ）を０．３９〜０．４３ｗｔ％、珪素（Ｓｉ）を０．１５〜０．３５ｗｔ％、マンガン（Ｍｎ）を０．９０〜１．１０ｗｔ％、ニオブ（Ｎｂ）を０．０１〜０．０２ｗｔ％、バナジウム（Ｖ）を０．１０〜０．１５ｗｔ％含むことを特徴とする。
本発明において、ステアリングラックバー用組成物はクロム（Ｃｒ）をさらに含むことが好ましい。
クロム（Ｃｒ）は１．００〜２．００ｗｔ％であることが好ましい。
本発明において、ステアリングラックバー用炭素鋼組成物はアルミニウム（Ａｌ）をさらに含むことが好ましい。
アルミニウム（Ａｌ）は０．０８〜０．１４ｗｔ％であることが好ましい。
クロム（Ｃｒ）は１．００〜２．００ｗｔ％であることが好ましい。
本発明において、ステアリングラックバー用炭素鋼組成物はアルミニウム（Ａｌ）をさらに含むことが好ましい。
アルミニウム（Ａｌ）は０．０８〜０．１４ｗｔ％であることが好ましい。
本発明において、ステアリングラックバー用炭素鋼組成物はクロム（Ｃｒ）およびアルミニウム（Ａｌ）をさらに含むことが好ましい。
クロム（Ｃｒ）は１．００〜２．００ｗｔ％であり、アルミニウム（Ａｌ）は０．０８〜０．１４ｗｔ％であることが好ましい。
また、本発明のステアリングラックバーは、上記のステアリングラックバー用炭素組成物から製造されたことを特徴とする。
クロム（Ｃｒ）は１．００〜２．００ｗｔ％であり、アルミニウム（Ａｌ）は０．０８〜０．１４ｗｔ％であることが好ましい。
また、本発明のステアリングラックバーは、上記のステアリングラックバー用炭素組成物から製造されたことを特徴とする。
なお、本発明のステアリングラックバー用炭素鋼組成物の製造方法は、炭素鋼組成物を充填および引抜きするステップ、充填および引抜きされた炭素鋼組成物をブローチングするステップ、ブローチングされた炭素鋼組成物の表面に窒化熱処理するステップ、および窒化熱処理された炭素鋼組成物を検査するステップを含むことを特徴とする。
本発明の製造方法における炭素鋼組成物は、鉄（Ｆｅ）を主成分とし、炭素（Ｃ）が０．３９〜０．４３ｗｔ％、珪素（Ｓｉ）が０．１５〜０．３５ｗｔ％、マンガン（Ｍｎ）が０．９０〜１．１０ｗｔ％、ニオブ（Ｎｂ）が０．０２〜０．０４ｗｔ％、バナジウム（Ｖ）が０．１０〜０．１５ｗｔ％であることが好ましい。
本発明において、製造方法における炭素鋼組成物は１．００〜２．００ｗｔ％のクロム（Ｃｒ）をさらに含むことが好ましい。
本発明において、製造方法における炭素鋼組成物は１．００〜２．００ｗｔ％のクロム（Ｃｒ）をさらに含むことが好ましい。
本発明において、製造方法における炭素鋼組成物は０．０８〜０．１４ｗｔ％のアルミニウム（Ａｌ）をさらに含むことが好ましい。
本発明において、製造方法における炭素鋼組成物は０．０８〜０．１４ｗｔ％のアルミニウム（Ａｌ）および１．００〜２．００ｗｔ％のクロム（Ｃｒ）をさらに含むことが好ましい。
本発明において、製造方法における炭素鋼組成物は０．０８〜０．１４ｗｔ％のアルミニウム（Ａｌ）および１．００〜２．００ｗｔ％のクロム（Ｃｒ）をさらに含むことが好ましい。
本発明によると、本発明のステアリングラックバー用炭素鋼組成物は、炭素鋼組成物の強度を高め、それによってステアリングラックバーに求められる強度を確保して、自動車の安全性を高めたステアリングラックバー用素材である炭素鋼組成物を提供する効果がある。
また、本発明のステアリングラックバーの製造方法は、熱変形が低減し、従来の生産工程を短縮することによって、自動車の生産ステップのうち一部が省略される製造方法を提供する効果がある。さらに、加工前の熱処理が省略されて炭素鋼組成物の加工が容易となり、生産過程の省略によって生産時間および生産費用が節減される効果がある。
また、本発明のステアリングラックバーの製造方法は、熱変形が低減し、従来の生産工程を短縮することによって、自動車の生産ステップのうち一部が省略される製造方法を提供する効果がある。さらに、加工前の熱処理が省略されて炭素鋼組成物の加工が容易となり、生産過程の省略によって生産時間および生産費用が節減される効果がある。
以下、添付した図面に基づいて本発明の熱変形低減ステアリングラックバー用炭素鋼組成物とその製造方法について、その好ましい実施例を基に詳細に説明する。
本発明は、熱変形低減ステアリングラックバー用炭素鋼組成物およびその製造方法に関するものである。
表１は従来技術の炭素鋼組成物の成分比に関するものである。従来技術のステアリングラックバー用炭素鋼組成物は下記の表１に記載した成分比で製造していた。単位は重量％に該当し、残りは主成分の鉄（Ｆｅ）である。
表１は従来技術の炭素鋼組成物の成分比に関するものである。従来技術のステアリングラックバー用炭素鋼組成物は下記の表１に記載した成分比で製造していた。単位は重量％に該当し、残りは主成分の鉄（Ｆｅ）である。
従来技術のステアリングラックバー用炭素鋼組成物は引張強度７００ＭＰａ程度の素材が主に用いられた。通常ステアリングラックバーを作るためには、素材の状態で直接切削加工をして作成されていた。ラックバーは自動車のホイール側から入ってくる荷重を受けるため、従来はそれを支えるために強度を高くしなければならなかった。そのために、表面に高周波熱処理を行って強度を高める方法が採用されていた。しかし、高周波熱処理をすると、付随的な効果として素材に熱変形が発生した。ステアリングラックバーに熱変形が生じると、自動車の安全を確保することができないため、必ずそれを補整する作業が必要であった。
また、従来のステアリングラックバー用素材の強度を高めるために他の合金成分を追加も検討された。しかし、他成分を追加すると、熱変形量が増大して補整時間が長くなるために生産効率が落ち、生産費用も増加するという問題が生じていた。
それを解決するために、本発明では熱変形低減ステアリングラックバー用炭素鋼組成物を検討した。以下、本発明の熱変形低減ステアリングラックバー用炭素鋼組成物の成分について説明する。
また、従来のステアリングラックバー用素材の強度を高めるために他の合金成分を追加も検討された。しかし、他成分を追加すると、熱変形量が増大して補整時間が長くなるために生産効率が落ち、生産費用も増加するという問題が生じていた。
それを解決するために、本発明では熱変形低減ステアリングラックバー用炭素鋼組成物を検討した。以下、本発明の熱変形低減ステアリングラックバー用炭素鋼組成物の成分について説明する。
表２は本発明の炭素鋼組成物の成分比に関するものである。本発明の熱変形低減ステアリングラックバー用炭素鋼組成物は、鉄（Ｆｅ）を主成分とし、さらに炭素（Ｃ）、珪素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）から構成される。より具体的には、本発明の熱変形低減ステアリングラックバー用炭素鋼組成物は、表２のとおり、鉄（Ｆｅ）を主成分とし、炭素（Ｃ）が０．３９〜０．４３ｗｔ％、珪素（Ｓｉ）が０．１５〜０．３５ｗｔ％、マンガン（Ｍｎ）が０．９０〜１．１０ｗｔ％、バナジウム（Ｖ）が０．１０〜０．１５ｗｔ％、ニオブ（Ｎｂ）が０．０２〜０．０４ｗｔ％、クロム（Ｃｒ）が１．００〜２．００ｗｔ％、アルミニウム（Ａｌ）が０．０８〜０．１４ｗｔ％とからなる。単位は重量％である。
炭素（Ｃ）は炭素鋼の強度を増加させるために添加される成分である。炭素（Ｃ）含量は０．３９〜０．４３重量％であることが好ましい。炭素（Ｃ）含量が０．３９重量％未満であると、炭素鋼が十分な強度を得ることができない。また、炭素（Ｃ）含量が０．４３重量％を超過すると、硬度が過度に増加して脆性が増加するという問題があり、また、延性が減少して加工性が落ちるという問題がある。本発明は、従来技術に比べて炭素（Ｃ）の成分比を減らすことによって衝撃に対して靱性を確保することができる。
珪素（Ｓｉ）は脱酸作用（Ｄｅａｃｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）および強度確保のために添加される成分である。珪素（Ｓｉ）の含量は０．１５〜０．３５重量％であることが好ましい。珪素（Ｓｉ）含量が０．１５重量％未満であると、脱酸作用が弱まり、また、強度確保が難しい。また、珪素（Ｓｉ）含量が０．３５重量％を超過すれば、炭素鋼の強度が過度に増加して加工性が落ちるという問題がある。
マンガン（Ｍｎ）は、炭素鋼のパーライト（Ｐｅａｒｌｉｔｅ）を微細化し、フェライト（Ｆｅｒｒｉｔｅ）を固溶強化して炭素鋼の降伏強度を向上させるために添加される成分である。したがって、炭素（Ｃ）の成分比を減らすことによって強度が低下するのを防止する役割を果たす。マンガン（Ｍｎ）の含量は０．９０〜１．１０重量％であることが好ましい。マンガン（Ｍｎ）の含量が０．９０重量％未満であると、十分な降伏強度を達成し難く、また、マンガン（Ｍｎ）の含量が１．１０重量％を超過すると、炭素鋼の靱性を阻害する要素として作用するという問題がある。
珪素（Ｓｉ）は脱酸作用（Ｄｅａｃｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）および強度確保のために添加される成分である。珪素（Ｓｉ）の含量は０．１５〜０．３５重量％であることが好ましい。珪素（Ｓｉ）含量が０．１５重量％未満であると、脱酸作用が弱まり、また、強度確保が難しい。また、珪素（Ｓｉ）含量が０．３５重量％を超過すれば、炭素鋼の強度が過度に増加して加工性が落ちるという問題がある。
マンガン（Ｍｎ）は、炭素鋼のパーライト（Ｐｅａｒｌｉｔｅ）を微細化し、フェライト（Ｆｅｒｒｉｔｅ）を固溶強化して炭素鋼の降伏強度を向上させるために添加される成分である。したがって、炭素（Ｃ）の成分比を減らすことによって強度が低下するのを防止する役割を果たす。マンガン（Ｍｎ）の含量は０．９０〜１．１０重量％であることが好ましい。マンガン（Ｍｎ）の含量が０．９０重量％未満であると、十分な降伏強度を達成し難く、また、マンガン（Ｍｎ）の含量が１．１０重量％を超過すると、炭素鋼の靱性を阻害する要素として作用するという問題がある。
クロム（Ｃｒ）は炭素鋼の窒化物層の機械的強度を向上させ、不動態（Ｐａｓｓｉｖｅ ｓｔａｔｅ）被膜を形成して耐食性を向上させる。そして、炭素鋼のパーライトのラメラ間隔を微細化する。したがって、クロム（Ｃｒ）の含量は１．００〜２．００重量％であることが好ましい。クロム（Ｃｒ）の含量が１．００重量％未満であると、十分な耐食性を確保し難い。また、クロム（Ｃｒ）の含量が２．００重量％を超過すれば、炭素鋼の延性が弱くなるという問題がある。
バナジウム（Ｖ）は、炭化物を形成する能力が大きくなり、炭素鋼の強度および靱性を改善できる微粒炭化物を十分に作って炭素鋼の組織を微細化する役割をする。バナジウム（Ｖ）の含量は０．１０〜０．１５重量％であることが好ましい。バナジウム（Ｖ）の含量が０．１０重量％未満であると、炭素鋼の組織を微細化し難い。また、バナジウム（Ｖ）の含量が０．１５重量％を超過すれば、炭素鋼の延性が低下するという問題がある。
ニオブ（Ｎｂ）は、炭素鋼に窒化物を形成させ、窒化になる温度で脆性を減少させる。ニオブ（Ｎｂ）の含量は０．０２〜０．０４重量％であることが好ましい。ニオブ（Ｎｂ）の含量が０．０２重量％未満であると、炭素鋼に窒化物を形成することができない。また、ニオブ（Ｎｂ）の含量が０．０４重量％を超過すれば、炭素鋼が窒化する温度で脆性が増加して素材が砕けるという問題が発生する。
バナジウム（Ｖ）は、炭化物を形成する能力が大きくなり、炭素鋼の強度および靱性を改善できる微粒炭化物を十分に作って炭素鋼の組織を微細化する役割をする。バナジウム（Ｖ）の含量は０．１０〜０．１５重量％であることが好ましい。バナジウム（Ｖ）の含量が０．１０重量％未満であると、炭素鋼の組織を微細化し難い。また、バナジウム（Ｖ）の含量が０．１５重量％を超過すれば、炭素鋼の延性が低下するという問題がある。
ニオブ（Ｎｂ）は、炭素鋼に窒化物を形成させ、窒化になる温度で脆性を減少させる。ニオブ（Ｎｂ）の含量は０．０２〜０．０４重量％であることが好ましい。ニオブ（Ｎｂ）の含量が０．０２重量％未満であると、炭素鋼に窒化物を形成することができない。また、ニオブ（Ｎｂ）の含量が０．０４重量％を超過すれば、炭素鋼が窒化する温度で脆性が増加して素材が砕けるという問題が発生する。
アルミニウム（Ａｌ）は窒化物層の厚さを増加させる役割をする。アルミニウム（Ａｌ）の含量は０．０８〜０．１４重量％であることが好ましい。アルミニウム（Ａｌ）の含量が０．０８重量％未満であれば、窒化物層の厚さが薄くなり、十分な強度を確保することができない。また、アルミニウム（Ａｌ）の含量が０．１４重量％を超過すれば、炭素鋼の強度が増加して加工性が落ちるという問題がある。
以上のとおり、本発明の炭素鋼組成物は従来技術と比較して、炭素（Ｃ）の成分比を減らし、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）の成分比を増加させ、珪素（Ｓｉ）を同等または類似するように添加して衝撃に耐える性質を高め、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、そしてアルミニウム（Ａｌ）の添加を通じて窒化層物を容易に形成できる性質を確保する。
ステアリングラックバーの場合、ピニオンギアと噛み合って駆動されることから、ステアリングラックバーに摩擦が多く加えられるため、表面の材質、すなわち、表面の強度がステアリングラックバーの素材の選択に重要な要素となる。したがって、窒化物層の厚さと表面硬度の保持深さの相関関係が重要となる。
以上のとおり、本発明の炭素鋼組成物は従来技術と比較して、炭素（Ｃ）の成分比を減らし、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）の成分比を増加させ、珪素（Ｓｉ）を同等または類似するように添加して衝撃に耐える性質を高め、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、そしてアルミニウム（Ａｌ）の添加を通じて窒化層物を容易に形成できる性質を確保する。
ステアリングラックバーの場合、ピニオンギアと噛み合って駆動されることから、ステアリングラックバーに摩擦が多く加えられるため、表面の材質、すなわち、表面の強度がステアリングラックバーの素材の選択に重要な要素となる。したがって、窒化物層の厚さと表面硬度の保持深さの相関関係が重要となる。
以下において、従来技術と比較したクロム（Ｃｒ）とアルミニウム（Ａｌ）の含量に応じた窒化程度と材質の特性について具体的に検討する。
クロム（Ｃｒ）の場合、窒化した炭素鋼においてクロム（Ｃｒ）の含量が増加すると、窒化物層の硬度と耐摩耗性が高くなるだけでなく、傷に対する抵抗性が大きくなる。しかし、クロム（Ｃｒ）が過多に添加されると、窒化物層の厚さが減少するという問題が発生する。
アルミニウム（Ａｌ）は強力に窒化物を形成する元素であり、アルミニウム（Ａｌ）の添加量が増加するほど窒化物層の厚さが増加する。しかし、アルミニウム（Ａｌ）が過多に添加されると、硬度が下がり、剥離され易い窒化物層が形成されるという問題がある。
下記の表３に、クロム（Ｃｒ）とアルミニウム（Ａｌ）の成分比の増加に応じて変わる性質を記号で示した。クロム（Ｃｒ）成分が増加するほど、窒化物層の厚さが減少し硬化深さが急激に減少する（「↓」で表示）。それに対し、クロム（Ｃｒ）成分が増加するほど、表面の硬度は高くなり（「↑」で表示）、表面硬度の保持深さは増加する（「↑」で表示）ことを確認することができる。また、アルミニウム（Ａｌ）成分が増加するに伴い、窒化物層の厚さは増加し（「↑」で表示）、表面の硬度も急激に増加する（「↑↑」で表示）ことを確認することができる。しかし、硬化深さは同等レベルであるか低下し（「＝↓」表示）、表面硬度の保持深さは減少することを確認することができる（「↓」で表示）。
クロム（Ｃｒ）の場合、窒化した炭素鋼においてクロム（Ｃｒ）の含量が増加すると、窒化物層の硬度と耐摩耗性が高くなるだけでなく、傷に対する抵抗性が大きくなる。しかし、クロム（Ｃｒ）が過多に添加されると、窒化物層の厚さが減少するという問題が発生する。
アルミニウム（Ａｌ）は強力に窒化物を形成する元素であり、アルミニウム（Ａｌ）の添加量が増加するほど窒化物層の厚さが増加する。しかし、アルミニウム（Ａｌ）が過多に添加されると、硬度が下がり、剥離され易い窒化物層が形成されるという問題がある。
下記の表３に、クロム（Ｃｒ）とアルミニウム（Ａｌ）の成分比の増加に応じて変わる性質を記号で示した。クロム（Ｃｒ）成分が増加するほど、窒化物層の厚さが減少し硬化深さが急激に減少する（「↓」で表示）。それに対し、クロム（Ｃｒ）成分が増加するほど、表面の硬度は高くなり（「↑」で表示）、表面硬度の保持深さは増加する（「↑」で表示）ことを確認することができる。また、アルミニウム（Ａｌ）成分が増加するに伴い、窒化物層の厚さは増加し（「↑」で表示）、表面の硬度も急激に増加する（「↑↑」で表示）ことを確認することができる。しかし、硬化深さは同等レベルであるか低下し（「＝↓」表示）、表面硬度の保持深さは減少することを確認することができる（「↓」で表示）。
次に、本発明の炭素鋼組成物の最適な窒化物層の厚さと表面硬度の保持深さを得るための適切なアルミニウム（Ａｌ）とクロム（Ｃｒ）の成分比範囲を決定する実験を行った。実験用組成物としては、鉄（Ｆｅ）を主成分とし、炭素（Ｃ）は０．４１ｗｔ％、珪素（Ｓｉ）は０．２５ｗｔ％、マンガン（Ｍｎ）は１．００ｗｔ％、バナジウム（Ｖ）は０．１２ｗｔ％、ニオブ（Ｎｂ）は０．０３ｗｔ％とする。その後、アルミニウム（Ａｌ）とクロム（Ｃｒ）成分比を変化させながら適切な成分比範囲を探した。
図２に本発明の実施例によるアルミニウム（Ａｌ）成分を０．１ｗｔ％に固定し、クロム（Ｃｒ）成分の重量比を変化させたときの表面硬度の保持深さと窒化物層の厚さを示すグラフを示した。
図２の水平軸はクロム（Ｃｒ）の成分比に該当し、単位はｗｔ％該当し、垂直軸は表面からの距離を意味し、単位はμｍに該当する。アルミニウム（Ａｌ）を０．１％に固定し、クロム（Ｃｒ）の成分比を変化させながら実験を進めた。クロム（Ｃｒ）の成分比を０．２ｗｔ％から開始して０．２ｗｔ％ずつ増加させて３．０ｗｔ％まで実験し、それぞれの実験での窒化物層の厚さと表面硬度の保持深さを測定した。化合物層の厚さは窒化物層の厚さをいい、クロム（Ｃｒ）の成分比が増加するほど、表面硬度の維持深さは４０μｍから７３μｍに増加する反面、化合物層の厚さ、すなわち、窒化物層の厚さは１６．８μｍから２．２μｍに減少した。
図３に本発明の実施例によるクロム（Ｃｒ）成分を１．４ｗｔ％に固定し、アルミニウム（Ａｌ）成分の重量比を変化させたときの表面硬度の保持深さと窒化物層の厚さを示すグラフを示した。
図３の水平軸はアルミニウム（Ａｌ）の成分比に該当し、単位はｗｔ％に該当し、垂直軸は表面からの距離を意味し、単位はμｍに該当する。クロム（Ｃｒ）を１．４ｗｔ％に固定し、アルミニウム（Ａｌ）を０．０２ｗｔ％から開始して０．０２ｗｔ％ずつ増加させて０．２ｗｔ％まで実験し、それぞれの化合物層の厚さ、すなわち、窒化物層の厚さと表面硬度の保持深さに対して測定した。化合物層の厚さ、すなわち、窒化物層の厚さは６μｍから１２．５μｍに増加する反面、表面硬度の維持深さは６３μｍから４０μｍに減少することが確認された。
図２に本発明の実施例によるアルミニウム（Ａｌ）成分を０．１ｗｔ％に固定し、クロム（Ｃｒ）成分の重量比を変化させたときの表面硬度の保持深さと窒化物層の厚さを示すグラフを示した。
図２の水平軸はクロム（Ｃｒ）の成分比に該当し、単位はｗｔ％該当し、垂直軸は表面からの距離を意味し、単位はμｍに該当する。アルミニウム（Ａｌ）を０．１％に固定し、クロム（Ｃｒ）の成分比を変化させながら実験を進めた。クロム（Ｃｒ）の成分比を０．２ｗｔ％から開始して０．２ｗｔ％ずつ増加させて３．０ｗｔ％まで実験し、それぞれの実験での窒化物層の厚さと表面硬度の保持深さを測定した。化合物層の厚さは窒化物層の厚さをいい、クロム（Ｃｒ）の成分比が増加するほど、表面硬度の維持深さは４０μｍから７３μｍに増加する反面、化合物層の厚さ、すなわち、窒化物層の厚さは１６．８μｍから２．２μｍに減少した。
図３に本発明の実施例によるクロム（Ｃｒ）成分を１．４ｗｔ％に固定し、アルミニウム（Ａｌ）成分の重量比を変化させたときの表面硬度の保持深さと窒化物層の厚さを示すグラフを示した。
図３の水平軸はアルミニウム（Ａｌ）の成分比に該当し、単位はｗｔ％に該当し、垂直軸は表面からの距離を意味し、単位はμｍに該当する。クロム（Ｃｒ）を１．４ｗｔ％に固定し、アルミニウム（Ａｌ）を０．０２ｗｔ％から開始して０．０２ｗｔ％ずつ増加させて０．２ｗｔ％まで実験し、それぞれの化合物層の厚さ、すなわち、窒化物層の厚さと表面硬度の保持深さに対して測定した。化合物層の厚さ、すなわち、窒化物層の厚さは６μｍから１２．５μｍに増加する反面、表面硬度の維持深さは６３μｍから４０μｍに減少することが確認された。
本発明の熱変形低減ステアリングラックバー用炭素鋼組成物は「窒化物性指数Ｎ」によって成分範囲を選定した。指数は、窒化熱処理する時、主要な物理的性質である表面硬度の保持深さと窒化層に対するクロム（Ｃｒ）／アルミニウム（Ａｌ）成分比に応じた物理的性質の変化を示す指数であり、窒化物性指数（Ｎ）は、Ｎ＝クロム（Ｃｒ）／アルミニウム（Ａｌ）に該当する。
図４に本発明の一実施例による窒化物性指数（Ｎ）に対する単品の静的強度を示すグラフを示した。図４の水平軸は窒化物性指数に該当し、垂直軸は単品の静的強度であり、その単位はｋＮに該当する。
図４に示したとおり、窒化物性指数が１０から２０の間で単品の静的強度が急激に上昇して６ｋＮを満たすことを確認することができる。
１０＜Ｎ＜２０の時、本発明は、表面硬度の維持深さは５０μｍ以上であり、窒化物層の厚さは７μｍ以上の物理的性質を持つようになり、本発明の静的強度は６．０ｋＮのステアリングラックバー用素材の強度特性を満たすことができる。指数が１０以下である時には、窒化物層の厚さは１２μｍ以上として良好であるが、表面硬度の保持深さが５０μｍ以下に落ちてステアリングラックバー用素材として強度の低下が発生し、指数が２０以上である時には、表面硬度の維持深さは６５μｍ以上として良好であるが、窒化物層の厚さは７μｍに減ってステアリングラックバー用素材として満足できないほどの強度の低下が発生する。
図４に本発明の一実施例による窒化物性指数（Ｎ）に対する単品の静的強度を示すグラフを示した。図４の水平軸は窒化物性指数に該当し、垂直軸は単品の静的強度であり、その単位はｋＮに該当する。
図４に示したとおり、窒化物性指数が１０から２０の間で単品の静的強度が急激に上昇して６ｋＮを満たすことを確認することができる。
１０＜Ｎ＜２０の時、本発明は、表面硬度の維持深さは５０μｍ以上であり、窒化物層の厚さは７μｍ以上の物理的性質を持つようになり、本発明の静的強度は６．０ｋＮのステアリングラックバー用素材の強度特性を満たすことができる。指数が１０以下である時には、窒化物層の厚さは１２μｍ以上として良好であるが、表面硬度の保持深さが５０μｍ以下に落ちてステアリングラックバー用素材として強度の低下が発生し、指数が２０以上である時には、表面硬度の維持深さは６５μｍ以上として良好であるが、窒化物層の厚さは７μｍに減ってステアリングラックバー用素材として満足できないほどの強度の低下が発生する。
また他の観点から、本発明は、熱変形低減ステアリングラックバー用炭素鋼組成物に窒化熱処理を行い、ステアリングラックバーを製造する製造方法に関する。
従来技術は、既に存在していたステアリングラックバー用素材を用いて充填／引抜きするステップ、応力除去（ＳＲＡ）熱処理するステップ、ブローチングステップ、歯面の高周波熱処理ステップ、７秒間の背面の高周波熱処理ステップ、４０秒間の補整ステップ、および検査するステップを順次に経る工程を利用した。しかし、熱処理するステップが応力除去（ＳＲＡ）熱処理と高周波熱処理ステップの２つのステップがあって生産時間が長くなっていた。また、高周波熱処理をすると炭素鋼組成物の熱変形が発生し、それを補整する作業が必要となり、生産効率が落ち、生産費用が増加するという問題が発生した。
この問題を解決するために、本発明は、上記の従来技術中、応力除去（ＳＲＡ）熱処理ステップと高周波熱処理をするステップを削除した。それによって熱変形が減少し、補整ステップも省略できるようになった。但し、熱処理を省略して発生する強度の低下は、本発明の熱変形低減ステアリングラックバー用炭素鋼組成物を用い、本発明の炭素鋼組成物の表面に窒化熱処理をすることによって強度を確保する方法によって解決した。
したがって、本発明の組成物を生産方法は、熱変形低減ステアリングラックバー用炭素鋼組成物を充填／引抜きするステップ、ブローチングステップ、表面に窒化熱処理するステップ、検査ステップを通じて生産ステップを減らして生産効率を高めた。
従来技術は、既に存在していたステアリングラックバー用素材を用いて充填／引抜きするステップ、応力除去（ＳＲＡ）熱処理するステップ、ブローチングステップ、歯面の高周波熱処理ステップ、７秒間の背面の高周波熱処理ステップ、４０秒間の補整ステップ、および検査するステップを順次に経る工程を利用した。しかし、熱処理するステップが応力除去（ＳＲＡ）熱処理と高周波熱処理ステップの２つのステップがあって生産時間が長くなっていた。また、高周波熱処理をすると炭素鋼組成物の熱変形が発生し、それを補整する作業が必要となり、生産効率が落ち、生産費用が増加するという問題が発生した。
この問題を解決するために、本発明は、上記の従来技術中、応力除去（ＳＲＡ）熱処理ステップと高周波熱処理をするステップを削除した。それによって熱変形が減少し、補整ステップも省略できるようになった。但し、熱処理を省略して発生する強度の低下は、本発明の熱変形低減ステアリングラックバー用炭素鋼組成物を用い、本発明の炭素鋼組成物の表面に窒化熱処理をすることによって強度を確保する方法によって解決した。
したがって、本発明の組成物を生産方法は、熱変形低減ステアリングラックバー用炭素鋼組成物を充填／引抜きするステップ、ブローチングステップ、表面に窒化熱処理するステップ、検査ステップを通じて生産ステップを減らして生産効率を高めた。
図５は従来技術による高周波熱処理後の素材変形を示す素材の断面拡大写真であり、従来技術のステアリングラックバー素材に高周波熱処理後に素材が変形されたことを確認することができる。変形は、１次高周波熱処理後にマルテンサイト（ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ）組織が変態し、熱変形量が増大して生じたことが分かる。
一方、図６は本発明の一実施例による窒化熱処理後の素材変形を示す素材の断面拡大写真であり、窒化熱処理ステップを経ても、高周波熱処理に比べ最外角表面の熱変形量が減少したことを確認することができる。
一方、図６は本発明の一実施例による窒化熱処理後の素材変形を示す素材の断面拡大写真であり、窒化熱処理ステップを経ても、高周波熱処理に比べ最外角表面の熱変形量が減少したことを確認することができる。
また、下記の表４は従来技術と本発明の変形量の平均、補整回数および補整時間を比較した表である。従来技術の炭素鋼組成物に高周波熱処理をした場合、変形量が２５１μｍであり、補整回数が約４回であり、補整時間が約４１秒に該当することを確認することができる。また、応力除去（ＳＲＡ）熱処理温度は約５３０℃に該当し、生産費用が増加することを確認することができる。
一方、本発明の熱変形低減ステアリングラックバー用炭素鋼組成物に窒化熱処理を加えた場合、変形量が５２μｍに減少し、補整作業を行うことなく、より効率的に製造することができる。また、応力除去（ＳＲＡ）熱処理が省略されて生産費用を低減することができる。
したがって、本発明の製造方法を利用する場合、窒化熱処理をするため、高周波熱処理と比較して素材の表面だけ硬化させるので、熱処理による熱変形がほぼないことを確認することができる。また、強度が向上し、応力除去（ＳＲＡ）熱処理と補整作業を省略することを可能にし、また、高周波熱処理を１回省略することによって生産ステップを単純化することができ、生産時間の短縮および生産費用を節減して生産効率を上げることができる。
一方、本発明の熱変形低減ステアリングラックバー用炭素鋼組成物に窒化熱処理を加えた場合、変形量が５２μｍに減少し、補整作業を行うことなく、より効率的に製造することができる。また、応力除去（ＳＲＡ）熱処理が省略されて生産費用を低減することができる。
［実施例］
以下、実施例によって本発明をより詳細に説明する。これらの実施例は単に本発明を例示するためのものであって、本発明の範囲がこれらの実施例によって制限されると解釈されないのは当業界で通常の知識を有する者にとって明らかなことである。
以下、実施例によって本発明をより詳細に説明する。これらの実施例は単に本発明を例示するためのものであって、本発明の範囲がこれらの実施例によって制限されると解釈されないのは当業界で通常の知識を有する者にとって明らかなことである。
本発明の実施例において、ステアリングラックバー用炭素鋼組成物の組成比は次の通りである。鉄（Ｆｅ）を主成分とし、炭素（Ｃ）を０．４１ｗｔ％、珪素（Ｓｉ）を０．２５ｗｔ％、マンガン（Ｍｎ）を１．００ｗｔ％、バナジウム（Ｖ）を０．１２ｗｔ％、ニオブ（Ｎｂ）を０．０３ｗｔ％、アルミニウム（Ａｌ）を０．１１ｗｔ％、そしてクロム（Ｃｒ）を０．１５ｗｔ％とした。下記の表５は従来の炭素鋼組成物と本発明の物理的性質を比較したものである。
本発明は、従来技術に比べて、引張強度が７００ＭＰａから１０００ＭＰａに３０％向上した。また、衝撃靱性が３．５ｋｇｆ・ｍ／ｃｍ２から７ｋｇｆ・ｍ／ｃｍ２に１００％増加し、加工性が向上し、ブローチング金型の寿命が増大し、金型１セットで４０００個を生産していたものが５０００個を生産するようになって生産費用が向上した。また、降伏強度が６２９ＭＰａから８１５ＭＰａに約３０％上昇し、延伸率が１４．３％から１５．２％に向上した。それに加え、硬度が２２３ＨＢから２６２ＨＢに上昇し、強度も６．５ｋＮから９．０ｋＮに約４０％向上した。
さらに熱変形低減を通じて応力除去（ＳＲＡ）熱処理工程を削除し、さらに、強度を確保して背面の高周波熱処理ステップを削除した。さらに、熱変形が減少して補整ステップを減らすことができた。それによって生産効率性が増加し、また、生産時間と生産費用を減少することができた。
本発明は、従来技術に比べて、引張強度が７００ＭＰａから１０００ＭＰａに３０％向上した。また、衝撃靱性が３．５ｋｇｆ・ｍ／ｃｍ２から７ｋｇｆ・ｍ／ｃｍ２に１００％増加し、加工性が向上し、ブローチング金型の寿命が増大し、金型１セットで４０００個を生産していたものが５０００個を生産するようになって生産費用が向上した。また、降伏強度が６２９ＭＰａから８１５ＭＰａに約３０％上昇し、延伸率が１４．３％から１５．２％に向上した。それに加え、硬度が２２３ＨＢから２６２ＨＢに上昇し、強度も６．５ｋＮから９．０ｋＮに約４０％向上した。
従来技術のステアリングラックバー用素材の場合、外部の衝撃を耐える強度が不足して高周波熱処理をラックバーの歯面と背面の全てに実施した。しかし、高周波熱処理をする場合、熱変形が過多に発生するため、それを修正するための補整ステップがさらに必要となり、そのために生産費用も増加するという問題が発生した。しかし、本発明の熱変形低減ステアリングラックバー用炭素鋼組成物によれば、それに含まれる成分を調節して熱処理ステップを減らし、窒化熱処理を通じて強度を確保すると同時に、熱変形の減少によって補整ステップを省略して生産費用を減少させる効果がある。
その上、本発明の熱変形低減ステアリングラックバー用炭素鋼組成物を用い、本発明の製造方法を用いて作ったステアリングラックバーは、十分な強度が確保されて車両の安全性を図ることができ、熱変形が少なくて車両の騒音減少と車両をステアリングする性能が向上する。それによって車両の不要な摩擦が減って燃費を向上させるという効果がある。
その上、本発明の熱変形低減ステアリングラックバー用炭素鋼組成物を用い、本発明の製造方法を用いて作ったステアリングラックバーは、十分な強度が確保されて車両の安全性を図ることができ、熱変形が少なくて車両の騒音減少と車両をステアリングする性能が向上する。それによって車両の不要な摩擦が減って燃費を向上させるという効果がある。
以上、本発明の具体的な実施形態と関連して本発明を説明したが、これは例示に過ぎず、本発明はこれに制限されるものではない。本発明が属する技術分野で通常の知識を有した者であれば、本発明の範囲を逸脱せずに説明された実施形態を変更または変形することができ、本発明の技術思想と下記に記載された特許請求の範囲の均等範囲内で様々な修正および変形が可能である。
１００ ・・・ステアリングコラム
２００ ・・・ユニバーサルジョイント
３００ ・・・ギアボックス
４００ ・・・ラックバー
５００ ・・・ラックバー歯
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- 炭素（Ｃ）を０．３９〜０．４３ｗｔ％、珪素（Ｓｉ）を０．１５〜０．３５ｗｔ％、マンガン（Ｍｎ）を０．９０〜１．１０ｗｔ％、ニオブ（Ｎｂ）を０．０２〜０．０４ｗｔ％、バナジウム（Ｖ）を０．１０〜０．１５ｗｔ％含み、さらに、１．００〜２．００ｗｔ％のクロム（Ｃｒ）、および、０．０８〜０．１４ｗｔ％のアルミニウム（Ａｌ）の少なくとも一方を含み、残部が鉄（Ｆｅ）及び不可避不純物からなることを特徴とするステアリングラックバー用炭素鋼組成物。
- 前記クロム（Ｃｒ）とアルミニウム（Ａｌ）成分比を示す窒化物性指数が、クロム（Ｃｒ）／アルミニウム（Ａｌ）成分比で１０から２０であることを特徴とする請求項１に記載のステアリングラックバー用炭素鋼組成物。
- 請求項１に記載の炭素鋼組成物から製造されたことを特徴とするステアリングラックバー。
- 炭素（Ｃ）を０．３９〜０．４３ｗｔ％、珪素（Ｓｉ）を０．１５〜０．３５ｗｔ％、マンガン（Ｍｎ）を０．９０〜１．１０ｗｔ％、ニオブ（Ｎｂ）を０．０２〜０．０４ｗｔ％、バナジウム（Ｖ）を０．１０〜０．１５ｗｔ％含み、さらに、１．００〜２．００ｗｔ％のクロム（Ｃｒ）、および、０．０８〜０．１４ｗｔ％のアルミニウム（Ａｌ）の少なくとも一方を含み、残部が鉄（Ｆｅ）及び不可避不純物からなる炭素鋼組成物を引抜きするステップ、
前記引抜きされた炭素鋼組成物をブローチングするステップ、
前記ブローチングされた炭素鋼組成物の表面に窒化熱処理するステップ、および
前記窒化熱処理された炭素鋼組成物を検査するステップを含むことを特徴とするステアリングラックバー用炭素鋼組成物の製造方法。 - 前記クロム（Ｃｒ）とアルミニウム（Ａｌ）成分比を示す窒化物性指数が、クロム（Ｃｒ）／アルミニウム（Ａｌ）成分比で１０から２０であることを特徴とする請求項４に記載のステアリングラックバー用炭素鋼組成物の製造方法。
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