JP6826624B2 - ドライブシャフト及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、自動車において走行駆動力発生機構が発生した走行駆動力を車輪に伝達するためのドライブシャフト及びその製造方法に関する。
自動車のドライブシャフトは、軽量でありながら、等速ジョイント等が設けられる端部の剛性が優れるものである必要がある。この要請に対応するべく、軸部を中空管体とし、且つ中実スタブシャフトとしてこれら軸部と中実スタブシャフトを接合することが行われている（例えば、特許文献１参照）。接合手法としては、例えば、摩擦圧接が採用される。
特開２００８−８７００３号公報
中空管体の肉厚が外径と内径の差であるのに対し、中実スタブシャフトの肉厚は直径である。このことから諒解されるように、中空管体と中実スタブシャフトでは、互いの肉厚差が大きい。このように肉厚差が大きな接合品に対して焼入れを施すと、焼割れが発生することがある。
また、焼入れ条件を、中実スタブシャフトにおける硬化層深さが確保されるように設定すると、中空管体では結晶粒が粗大化して強度が低下する。これを回避するべく、中空管体に対して焼入れを施さないことも考えられる。しかしながら、この場合、中空管体の強度を十分なものとするため、外径又は肉厚を大きくしなければならない。以上のように、中空管体と中実スタブシャフトを接合してドライブシャフトを得る場合、軽量化を図りながら十分な強度を確保することが容易ではないという不都合が顕在化している。
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、中空管体と中実スタブシャフトが接合されてなり、軽量でありながら十分な強度を示すドライブシャフト及びその製造方法を提供することを目的とする。
前記の目的を達成するために、本発明の一実施形態によれば、中炭素鋼からなる中空管体の両端に対し、中炭素鋼からなる中実スタブシャフトが接合されたドライブシャフトであって、
前記中空管体と前記中実スタブシャフトの接合部における結晶粒度を粒度番号で表すとき、前記中空管体側が＃５〜＃９であり、且つ前記中実スタブシャフト側が＃１０〜＃１２であるドライブシャフトが提供される。
また、本発明の別の一実施形態によれば、中炭素鋼からなる中空管体の両端に対し、中炭素鋼からなる中実スタブシャフトを接合してドライブシャフトを得るドライブシャフトの製造方法であって、
前記中実スタブシャフトを冷間鍛造で得る工程と、
前記中空管体と前記中実スタブシャフトを摩擦圧接で接合し、前記中空管体と前記中実スタブシャフトの接合部における結晶粒度を粒度番号で表すとき、前記中空管体側を＃５〜＃９、前記中実スタブシャフト側を＃１０〜＃１２とする工程と、
を有するドライブシャフトの製造方法が提供される。
本発明によれば、中空管体と中実スタブシャフトが接合された接合部の結晶粒度を、中空管体側で＃５〜＃９、中実スタブシャフト側で＃１０〜＃１２に設定するようにしている。接合部の結晶粒をこのように微細化することにより、接合強度が優れたドライブシャフトが得られる。また、このようにして得られたドライブシャフトは、捩り強度や疲労強度も優れる。
しかも、この場合、中空管体が中空体であるためにドライブシャフトの軽量化を図ることができる。
本発明の実施の形態に係るドライブシャフトの長手方向に沿った一部断面側面図である。 中空管体と中実スタブシャフトの接合部近傍を示した顕微鏡写真である。 前記接合部近傍の顕微鏡写真である。 図３中にＣ１で示した部分の要部拡大写真である。 図３中にＣ２で示した部分の要部拡大写真である。 本発明の実施の形態に係るドライブシャフトの製造方法の概略フローである。 一般的な中炭素鋼（比較例）と、所定の組成を満足する中炭素鋼（実施例１〜３）とに対して同一条件下で高周波焼入れを行った後の、深さとＣスケールのロックウェル硬度（ＨＲＣ）との関係を示すグラフである。 実施例１〜３の中炭素鋼の組成比である。 実施例２における中炭素鋼と、比較例における中炭素鋼で静破壊試験を行った結果を示すグラフである。 実施例２における中炭素鋼と、比較例における中炭素鋼で疲労強度試験を行った結果を示すグラフである。
以下、本発明に係るドライブシャフトにつき、その製造方法との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施の形態に係るドライブシャフト１０の長手方向に沿った一部断面側面図である。このドライブシャフト１０は、中空管体１２と、該中空管体１２の両端部に設けられた中実スタブシャフト１４とを備える。
本実施の形態において、中空管体１２は中炭素鋼からなる。該中炭素鋼の好適な例としては、重量割合で０．４３〜０．４７％のＣ、０．２０％以下のＳｉ、０．６０〜０．９０％のＭｎ、０．０１０％以下のＰ、０．００８〜０．０２０％のＳ、０．１％以下のＣｕ、０．１％以下のＮｉ、０．０５以下％のＣｒ、少なくとも、０．０５％以下のＭｏ、０．０１〜０．０３％のＮｂ、０．０１〜０．０５％のＴｉのいずれか１つ、０．０２〜０．０４％のＡｌを含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物であるものが挙げられる。また、該中炭素鋼の結晶粒度は、粒度番号で表すと＃４〜＃９である。
中実スタブシャフト１４も中炭素鋼からなる。該中炭素鋼の好適な例としては、重量割合で０．４５〜０．５１％のＣ、０．２５％以下のＳｉ、０．３０〜０．５０％のＭｎ、０．０１５％以下のＰ、０．００８〜０．０２０％のＳ、０．２％以下のＣｕ、０．１％以下のＮｉ、０．１〜０．２％のＣｒ、少なくとも、０．０５〜０．２５％のＭｏ、０．０３〜０．０８％のＮｂ、０．０１〜０．０５％のＴｉのいずれか１つ、０．０２〜０．０４％のＡｌ、１０〜３０ｐｐｍのＢを含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物であるものが挙げられる。
すなわち、中実スタブシャフト１４の素材である中炭素鋼には、中空管体１２の素材である中炭素鋼に比して多くのＭｏ、Ｎｂ、Ｔｉが含まれている。また、中実スタブシャフト１４をなす中炭素鋼の結晶粒度は、粒度番号で表すと＃９〜＃１１である。
図２は、中空管体１２と中実スタブシャフト１４の接合部近傍を示した顕微鏡写真である。なお、図２中の破線は接合界面を示す。中空管体１２と中実スタブシャフト１４の接合は、後述する摩擦圧接によって行われるが、図２から、中空管体１２の一部が中実スタブシャフト１４に食い込む（巻き込まれる）ように変形していることが分かる。
中空管体１２の食い込んだ部位の厚み（食い込み量）は、１〜３０μｍであることが好ましい。食い込み量が１μｍよりも小さいと、接合強度が十分でなくなる懸念がある。一方、食い込み量が３０μｍよりも大きいと、中空管体１２にクラックが発生して破断する懸念がある。中空管体１２の好ましい食い込み量は、１５μｍ程度である。
図３は、接合部近傍の顕微鏡写真である。さらに、図３中にＣ１、Ｃ２で示した部分の要部拡大写真をそれぞれ図４、図５に示す。なお、図４及び図５中の枠は、結晶粒界を表す。顕微鏡写真の倍率及び枠の寸法に基づいて中空管体１２、中実スタブシャフト１４のそれぞれの結晶粒度を求めた結果、粒度番号で表すと＃５〜＃９、＃１０〜＃１２であった。このことから、中実スタブシャフト１４及び中空管体１２の双方ともに、接合部近傍では結晶粒が微細化している。
結晶粒の粒界近傍につき分析を行うと、Ｍｏ2Ｃ、ＮｂＣ、ＴｉＣが析出粒子として存在していることが認められる。このことから、Ｍｏ2Ｃ、ＮｂＣ、ＴｉＣが結晶粒の成長を抑制していると推察される。また、Ｍｏ2Ｃ、ＮｂＣ、ＴｉＣは、脆弱物であるＦｅ3Ｃの生成を妨げ、これにより結晶粒界の強度を向上させる。従って、ドライブシャフト１０につき引っ張り試験を行うと、接合部ではなく、中空管体１２が破断する。
次に、本実施の形態に係るドライブシャフト１０の製造方法につき、図６に示す概略フローに基づいて説明する。この製造方法は、中実スタブシャフト１４を得るスタブ作製工程Ｓ１と、中空管体１２と中実スタブシャフト１４を接合する接合工程Ｓ２と、焼鈍工程Ｓ３と、焼入れ工程Ｓ４とを有する。
中実スタブシャフト１４を得るための素材としては、上記したように、重量割合で０．４５〜０．５１％のＣ、０．２５％以下のＳｉ、０．３０〜０．５０％のＭｎ、０．０１５％以下のＰ、０．００８〜０．０２０％のＳ、０．２％以下のＣｕ、０．１％以下のＮｉ、０．１〜０．２％のＣｒ、少なくとも、０．０５〜０．２５％のＭｏ、０．０３〜０．０８％のＮｂ、０．０１〜０．０５％のＴｉのいずれか１つ、０．０２〜０．０４％のＡｌ、１０〜３０ｐｐｍのＢを含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物である中炭素鋼が好ましい。なお、該中炭素鋼の結晶粒度は、粒度番号で表すと＃９〜＃１１である。
上記したような組成比の中炭素鋼からなる鋼材に対し、８５０℃以下の温度で圧延加工を施す。このような温度領域での圧延により、鋼材に歪みが残留する。また、オーステナイトからフェライトへの変態が起こるとともに、歪みが残留した凹凸からフェライトが析出する。以上の結果として、結晶粒が微細で且つ成形加工が容易な軟質組織が形成される。
その後、鋼材に対して球状化焼鈍を施す。その際、例えば、７２０〜７６０℃に所定時間保持した後、６００℃までの冷却速度を０．５℃／分以下とする徐冷を行えばよい。これによりセメンタイト（Ｆｅ3Ｃ）の球状化が進行し、比較的軟質なフェライトが多く存在する組織となる。
次に、スタブ作製工程Ｓ１において、球状化焼鈍後の鋼材に対して冷間鍛造を施す。冷間鍛造では、結晶粒が粗大化することを回避することができる。換言すれば、冷間鍛造の前後で結晶粒が微細な状態に保たれる。しかも、鋼材が軟質であるので、冷間鍛造であっても中実スタブシャフト１４の形状に成形することが容易である。
次に、接合工程Ｓ２を行う。この際には、中実スタブシャフト１４又は中空管体１２の一方を保持具に保持して回転させるとともに、残る一方を保持した保持具に推進力を付与し、両部材を圧接させる摩擦圧接を行う。なお、接合時の表面温度が８００〜８７０℃に達するように、回転速度や推進力等の条件を設定する。
中空管体１２の素材である中炭素鋼は、上記したように、重量割合で０．４３〜０．４７％のＣ、０．２０％以下のＳｉ、０．６０〜０．９０％のＭｎ、０．０１０％以下のＰ、０．００８〜０．０２０％のＳ、０．１％以下のＣｕ、０．１％以下のＮｉ、０．０５以下％のＣｒ、少なくとも、０．０５％以下のＭｏ、０．０１〜０．０３％のＮｂ、０．０１〜０．０５％のＴｉのいずれか１つ、０．０２〜０．０４％のＡｌを含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物であるものが好ましい。なお、該中炭素鋼の結晶粒度は、粒度番号で表すと＃４〜＃９である。
このような中炭素鋼からなる中空管体１２に対し、上記したようにＭｏ、Ｎｂ、Ｔｉを含む中実スタブシャフト１４を摩擦圧接により接合すると、結晶粒界にＭｏ2Ｃ、ＮｂＣ、ＴｉＣの少なくともいずれかが析出する。これによりＦｅ3Ｃが生成することが妨げられるので、結晶粒界の強度が向上する。
次に、焼鈍工程Ｓ３を行う。すなわち、ドライブシャフト１０を所定の温度に加熱する。この焼鈍により、摩擦圧接の際に発生した歪みが除去されるとともに、再結晶化が促進される。再結晶によって結晶粒が２０μｍ程度の微細組織となる。また、焼鈍によっても、結晶粒界にＮｂＣ、ＶＣ、Ｍｏ2Ｃ等が析出する。以上の結晶粒の微細化、及び結晶粒界での炭化物の析出により、接合部に優れた強度が発現する。なお、焼鈍の温度は６５０〜７２０℃、保持時間は３０〜９０分とすることが好ましい。
次に、ドライブシャフト１０に対して整形を行うための所定の機械加工を行った後、焼入れ工程Ｓ４を行う。この際には、高周波焼入れを行うことが好ましい。高周波焼入れには、熱効率に優れる等の様々な利点があるからである。
本実施の形態では、ドライブシャフト１０の全体にわたって焼入れを施すことができる。ここで、上記したような組成の中炭素鋼からなる中実スタブシャフト１４では、それ以外の中炭素鋼に比して焼入れが容易に進行する。具体例を挙げて説明すると、図７は、一般的な中炭素鋼（比較例）と、上記の組成を満足する中炭素鋼（実施例１〜３）とに対して同一条件下で高周波焼入れを行った後の、Ｃスケールのロックウェル硬度（ＨＲＣ）の測定結果である。なお、横軸は深さであり、縦軸がＨＲＣである。また、実施例１〜３の具体的な組成比は、図８に示している。ここで、図８中の「Ｓｏｌ−」は、固溶体であることを表す。
図７に示すように、実施例１〜３の中炭素鋼はいずれも、比較例である従来技術に係る中炭素鋼に比して高い硬度を示す。このことから、実施例１〜３では、従来技術よりも焼入れが容易に進行し、十分な硬化層が形成されていることが明らかである。
従って、本実施の形態では、中空管体１２に十分な深さの硬化層が形成される条件で焼入れを施しても、中実スタブシャフト１４における硬化層深さが確保される。上記したように、中実スタブシャフト１４の素材である中炭素鋼が、焼入れ性に優れるからである。すなわち、焼入れが施された中空管体１２の組織中で結晶粒が粗大化することが回避される。このため、焼入れによって、結晶粒が粗大化することを回避しつつ中空管体１２の強度を向上させることができる。
このため、中空管体１２に焼入れを施さずに外径又は肉厚を大きくして強度を確保する必要がない。この分、ドライブシャフト１０の軽量化を図ることができる。また、中空管体１２が過度の加熱処理に曝されることがないので、ドライブシャフト１０に焼割れが発生することが回避される。
しかも、該ドライブシャフト１０では、接合部の結晶粒が微細であり、且つ結晶粒界に炭化物が析出している。この炭化物によって、いわゆる粒子分散強化効果が得られる。以上のような理由から、接合部が強度や靭性に優れたものとなる。
さらに、図９に、前記実施例２における中炭素鋼と、前記比較例における中炭素鋼で静破壊試験を行った結果をグラフにして示す。また、図１０は、前記実施例２における中炭素鋼と、前記比較例における中炭素鋼で疲労強度試験を行った結果である。これら図９及び図１０から、実施例２における中炭素鋼が、従来技術に比して優れたせん断応力、疲労強度を示すことが明らかである。すなわち、中実スタブシャフト１４は、優れたせん断応力、疲労強度を示す。
従って、ドライブシャフト１０につき引っ張り試験を行うと、接合部ではなく、中空管体１２が破断する。
また、中空管体１２が軽量であるので、ドライブシャフト１０の軽量化を図ることができる。すなわち、本実施の形態では、中空管体１２と中実スタブシャフト１４を接合したドライブシャフト１０であっても、軽量化を図りながら十分な強度を確保することが可能となる。
本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
１０…ドライブシャフト １２…中空管体
１４…中実スタブシャフト

Claims (10)

  1. 中炭素鋼からなる中空管体の両端に対し、中炭素鋼からなる中実スタブシャフトが接合されたドライブシャフトであって、
    前記中空管体と前記中実スタブシャフトの接合部における結晶粒度を粒度番号で表すとき、前記中空管体側が＃５〜＃９であり、且つ前記中実スタブシャフト側が＃１０〜＃１２であるドライブシャフト。
  2. 請求項１記載のドライブシャフトにおいて、前記中実スタブシャフトの素材である中炭素鋼は、重量割合で、Ｃ：０．４５〜０．５１％、Ｓｉ：０．２５％以下、Ｍｎ：０．３０〜０．５０％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．００８〜０．０２０％、Ｃｕ：０．２％以下、Ｎｉ：０．１％以下、Ｃｒ：０．１〜０．２％、Ｍｏ：０．０５〜０．２５％、Ｎｂ：０．０３〜０．０８％、Ｔｉ：０．０１〜０．０５％（ただし、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔｉは少なくともいずれか１つ）、Ａｌ：０．０２〜０．０４％、Ｂ：１０〜３０ｐｐｍを含み、残部がＦｅ及び不可避不純物であり、粒度番号が＃９〜＃１１であるドライブシャフト。
  3. 請求項２記載のドライブシャフトにおいて、前記中実スタブシャフトの金属組織中の結晶粒界にＮｂＣ、Ｍｏ2Ｃ、ＴｉＣの少なくともいずれかが析出したドライブシャフト。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のドライブシャフトにおいて、前記中空管体の素材である中炭素鋼は、重量割合で、Ｃ：０．４３〜０．４７％、Ｓｉ：０．２０％以下、Ｍｎ：０．６０〜０．９０％、Ｐ：０．０１０％以下、Ｓ：０．００８〜０．０２０％、Ｃｕ：０．１％以下、Ｎｉ：０．１％以下、Ｃｒ：０．０５％以下、Ｍｏ：０．０５％以下、Ｎｂ：０．０１〜０．０３％、Ｔｉ：０．０１〜０．０５％（ただし、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔｉは少なくともいずれか１つ）、Ａｌ：０．０２〜０．０４％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物であり、粒度番号が＃４〜＃９であるドライブシャフト。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のドライブシャフトにおいて、前記接合部では、前記中空管体の一部が前記中実スタブシャフトに１〜３０μｍの厚みで食い込んでいるドライブシャフト。
  6. 中炭素鋼からなる中空管体の両端に対し、中炭素鋼からなる中実スタブシャフトを接合してドライブシャフトを得るドライブシャフトの製造方法であって、
    前記中実スタブシャフトを冷間鍛造で得る工程と、
    前記中空管体と前記中実スタブシャフトを摩擦圧接で接合し、前記中空管体と前記中実スタブシャフトの接合部における結晶粒度を粒度番号で表すとき、前記中空管体側を＃５〜＃９、前記中実スタブシャフト側を＃１０〜＃１２とする工程と、
    を有するドライブシャフトの製造方法。
  7. 請求項６記載の製造方法において、前記摩擦圧接では、互いに相対的に回転する中空管体と中実スタブシャフトを接触させて推力付与装置により推力を付与し、前記中空管体に対して前記中実スタブシャフトを相対的に押接させて発生した摩擦熱で前記中空管体及び前記中実スタブシャフトを軟化させ、その後、推力をさらに付与して前記中空管体と前記中実スタブシャフトを固相接合させるドライブシャフトの製造方法。
  8. 請求項６又は７記載の製造方法において、前記中実スタブシャフトの素材として、重量割合で、Ｃ：０．４５〜０．５１％、Ｓｉ：０．２５％以下、Ｍｎ：０．３０〜０．５０％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．００８〜０．０２０％、Ｃｕ：０．２％以下、Ｎｉ：０．１％以下、Ｃｒ：０．１〜０．２％、Ｍｏ：０．０５〜０．２５％、Ｎｂ：０．０３〜０．０８％、Ｔｉ：０．０１〜０．０５％（ただし、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔｉは少なくともいずれか１つ）、Ａｌ：０．０２〜０．０４％、Ｂ：１０〜３０ｐｐｍを含み、残部がＦｅ及び不可避不純物であり、粒度番号が＃９〜＃１１である中炭素鋼を用いるドライブシャフトの製造方法。
  9. 請求項８記載の製造方法において、摩擦圧接による接合後、保持温度６５０〜７２０℃、保持時間３０〜９０分の条件下でドライブシャフトに対して焼鈍を施す工程と、焼鈍後のドライブシャフトに対して焼入れを施す工程と、
    を有し、
    前記中実スタブシャフトの金属組織中の結晶粒界に、ＮｂＣ、Ｍｏ2Ｃ、ＴｉＣとして析出させるドライブシャフトの製造方法。
  10. 請求項６〜９のいずれか１項に記載の製造方法において、前記中空管体の素材として、重量割合で、重量割合で、Ｃ：０．４３〜０．４７％、Ｓｉ：０．２０％以下、Ｍｎ：０．６０〜０．９０％、Ｐ：０．０１０％以下、Ｓ：０．００８〜０．０２０％、Ｃｕ：０．１％以下、Ｎｉ：０．１％以下、Ｃｒ：０．０５％以下、Ｍｏ：０．０５％以下、Ｎｂ：０．０１〜０．０３％、Ｔｉ：０．０１〜０．０５％（ただし、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔｉは少なくともいずれか１つ）、Ａｌ：０．０２〜０．０４％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物であり、粒度番号が＃４〜＃９である中炭素鋼を用いるドライブシャフトの製造方法。
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