JP7009938B2

JP7009938B2 - アクスルシャフト

Info

Publication number: JP7009938B2
Application number: JP2017214564A
Authority: JP
Inventors: 新一荒木; 孝浩浜田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2017-11-07
Filing date: 2017-11-07
Publication date: 2022-01-26
Anticipated expiration: 2037-11-07
Also published as: JP2019085615A

Description

本発明は、アクスルシャフトに関する。より詳細には、本発明は、アクスルシャフトの疲労耐久性を向上させるための技術に関する。

アクスルシャフトは、車両においてエンジンや電動モータ等の駆動源からの駆動力をタイヤに伝達する役割を果たす重要保安部品である。図１に示すように、アクスルシャフト１は、軸部２と、車輪が取り付けられるフランジ部３とを有する。軸部２は、疲労強度向上や耐摩耗性向上のために、焼入れ処理が施された焼入れ部４を有する。

特許文献１では、所定の成分組成及び結晶構造を有する高周波焼入れ用鋼が開示されている。特許文献１によると、当該高周波焼入れ用鋼を用いることにより、静捩り破壊強度及び捩り疲労強度に優れた高周波焼入れ部品が得られる、とある。また、特許文献１には、当該高周波焼入れ用鋼から形成され、高周波焼入れ・焼戻しによる有効硬化層深さ／半径の比が０．４～０．６であり、焼入れ部の結晶粒度が７．０以上である部品が開示されている。

特開２０１０－１８９７０２号公報

しかしながら、熱間鍛造などの熱間加工を経た鋼は粗大な結晶粒を有し、これに焼入れ処理を施すと疲労強度が低下するという問題を有していた。

そこで本発明は、疲労耐久性に優れたアクスルシャフトを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った。その結果、所定のホウ素（Ｂ）含有量を有する鋼を用いてアクスルシャフトを形成し、かつ、焼入れ部の有効硬化層深さ及び結晶粒度を所定の範囲に制御することにより、上記課題が解決されることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明の一形態に係るアクスルシャフトは、軸部と、フランジ部と、を備え、質量％で、Ｃ：０．３５％以上０．６０％以下、Ｓｉ：０．０５％以上０．３５％以下、Ｍｎ：０．５％以上０．９％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ｃｒ：０．４％以下、及びＢ：０．００１％以上０．００７％以下、を含有し、残部は鉄及び不可避不純物からなる鋼から形成される。そして軸部の焼入れ部における有効硬化層深さの割合が、軸部の軸半径に対して３０％以上５５％以下であり、焼入れ部におけるＪＩＳＧ０５５１：２０１３により測定された旧オーステナイト結晶粒度番号が３．０以上７．０未満であることを特徴とする。

本発明によれば、所定のホウ素（Ｂ）含有量を有する鋼を用いてアクスルシャフトを形成し、かつ、焼入れ部の有効硬化層深さ及び結晶粒度を所定の範囲に制御することにより、焼入れによって効率的に硬さを向上させるとともに、内部に発生する引張残留応力に起因する内部割れ（置き割れ）を抑制することができる。その結果、アクスルシャフトの疲労耐久性が向上する。

本発明の一形態に係るアクスルシャフトを示す図である。

以下、本発明の実施形態を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみに制限されない。なお、本明細書において、範囲を示す「Ｘ～Ｙ」は「Ｘ以上Ｙ以下」を意味する。また、特記しない限り、操作及び物性等の測定は室温２０～２５℃／相対湿度４０～５０％ＲＨの条件で行う。

本発明の一形態に係るアクスルシャフトは、軸部と、フランジ部と、を備え、質量％で、Ｃ：０．３５％以上０．６０％以下、Ｓｉ：０．０５％以上０．３５％以下、Ｍｎ：０．５％以上０．９％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ｃｒ：０．４％以下、及びＢ：０．００１％以上０．００７％以下、を含有し、残部は鉄及び不可避不純物からなる鋼から形成される。そして軸部の焼入れ部における有効硬化層深さの割合が、軸部の軸半径に対して３０％以上５５％以下であり、焼入れ部におけるＪＩＳＧ０５５１：２０１３により測定された旧オーステナイト結晶粒度番号が３．０以上７．０未満であることを特徴とする。

図１は、本発明の一形態に係るアクスルシャフトを示す図である。図１に示すように、アクスルシャフト１は、軸部２と、フランジ部３とを有する。軸部２は、アクスルチューブに収容され、先端側で軸受を介して回転自在に支持される。軸部２は、エンジンや電動モータ等の駆動源で発生した回転が伝達されて回転する。フランジ部３は、軸部２よりも大径の円板形状であり、複数のボルトによってブレーキドラム及び車輪のホイールが取り付けられる。軸部２は、疲労強度向上や耐摩耗性向上のために、焼入れ処理が施された焼入れ部４を有する。なお、焼入れ処理が施された箇所（焼入れ部４）及び焼入れ処理が施されていない箇所や、それらの境となる焼境は目視により判別することができる。焼入れ部は、軸部の全長に対して、９０％長さ以上の領域にわたって施されていることが好ましく、９５％長さ以上の領域にわたって施されていることがより好ましい。

本形態のアクスルシャフトは、質量％で、Ｃ：０．３５％以上０．６０％以下、Ｓｉ：０．０５％以上０．３５％以下、Ｍｎ：０．５％以上０．９％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ｃｒ：０．４％以下、及びＢ：０．００１％以上０．００７％以下、を含有し、残部は鉄及び不可避不純物からなる鋼から形成される点に特徴を有する。

Ｃ（炭素）は、アクスルシャフトの強度を確保するために必須の元素である。焼入れ後の表面部の硬さを所望の値以上とするために、Ｃは０．３５％以上とすることが必要である。一方、焼入れ時の割れを防ぐために、Ｃは０．６０％以下とすることが必要である。

Ｓｉ（ケイ素）は、脱酸剤としての役割を果たすとともに、焼入れ性を高める元素である。十分な脱酸効果を得るために、Ｓｉは０．０５％以上とすることが必要である。一方、靭性を維持して加工時の割れを防ぐために、Ｓｉは０．３５％以下とすることが必要である。

Ｍｎ（マンガン）は、上記Ｓｉと同様に、脱酸剤としての役割を果たすとともに、焼入れ性を高くする元素である。十分な脱酸効果を得るために、Ｍｎは０．５％以上とすることが必要である。一方、靭性を維持して加工時の割れを防ぐために、Ｓｉは０．９％以下とすることが必要である。

Ｐ（リン）は、粒界に偏析して粒界を脆化させる作用を有し、鋼の脆性を低下させる。よって、Ｐは０．０５％以下とすることが必要であり、少ないほど好ましい。

Ｓ（硫黄）は、切削性を向上させる元素であるが、疲労強度を低下させる作用を有する。よって、Ｓは０．０５％以下とすることが必要であり、少ないほど好ましい。

Ｃｒ（クロム）は、焼入れ性を高める元素であるが、含有量が多いと焼入れ性が高すぎて割れが生じるおそれがある。よって、Ｃｒは０．４％以下とすることが必要である。

Ｂ（ホウ素）は、焼入れ性を向上させる元素である。よって、有効硬化層深さを増大させるために、Ｂは０．００１％以上とすることが必要である。一方、Ｂが０．００７％超となっても焼入れ性向上効果は飽和し、圧延や鍛造等の熱間加工において割れが生じやすくなる。よって、Ｂは０．００７％以下とすることが必要である。本形態においては、軸部の疲労耐久性をより向上させる観点から、Ｂの含有量は、０．００２％以上０．００６％以下であることが好ましく、０．００３％以上０．００５％以下であることがより好ましい。

鋼は、上記元素以外に残部としてＦｅ（鉄）及び不可避不純物を含む。不可避不純物は０．１０質量％以下であることが好ましく、０．０１０質量％以下であることがさらに好ましく、０．００１０質量％以下であることがさらに好ましい。なお、本明細書において、鋼に含まれる各元素の含有量は、ＪＩＳ評価法に準拠した定量分析法により得られる値を採用するものとする。

本形態のアクスルシャフトは、焼入れ部における有効硬化層深さの割合が、軸部の軸半径に対して３０％以上５５％以下である点にも特徴を有する。割合が３０％未満であると焼入れによって硬さを十分に向上させることができないため、所望の疲労耐久性が発揮されないおそれがある。一方、割合が５５％を超えると内部の引張残留応力が大きくなりすぎて、内部割れを招くおそれがある。軸部の疲労耐久性をより向上させる観点から、割合は、３５％以上５５％以下であることがより好ましく、４０％以上５５％以下であることがさらに好ましい。なお、本明細書において、有効硬化層深さは、後述の実施例に記載のＪＩＳＧ０５５９：２００８に準じた測定方法により得られる値を採用するものとする。

本形態においては、焼入れ部の少なくとも一部が上記割合を有していればよく、焼入れ部のうちの一部は上記割合を有していなくても構わない。例えば、焼入れ部の両端部は、上記割合が３０％未満となっていてもよい。軸部の疲労耐久性をより向上させる観点から、焼入れ部の全長に対して５０％長さ以上の領域において上記割合を有していることが好ましく、８０％長さ以上の領域において上記割合を有していることがより好ましい。

なお、有効硬化層深さは、当業者であれば、鋼の組成や焼入れ条件（例えば、高周波焼入れにおける、加熱温度や保持時間）等を制御することにより容易に調整することが可能である。

本形態のアクスルシャフトは、焼入れ部におけるＪＩＳＧ０５５１：２０１３により測定された旧オーステナイト結晶粒度番号が３．０以上７．０未満である点にも特徴を有する。特許文献１に開示されている高周波焼入れ部品は、結晶粒度番号が７．０以上であるが、本発明者らの検討によると、このような結晶粒度が小さい（結晶粒度番号が大きい）鋼は、焼入れを深く行っても、引張残留応力が大きくなりにくく、内部割れが生じにくい。一方、本発明によると、熱間加工を経た比較的大きな結晶粒（当該結晶粒度番号が７．０未満）を有する鋼材を用いた場合であっても、十分な疲労耐久性を有するアクスルシャフトを提供することができる。当該結晶粒度番号が３．０未満である（結晶粒度が大きい）と、焼入れによって内部の引張残留応力が大きくなりすぎて、内部割れを招くおそれがある。本発明の効果をより一層発揮させる観点から、当該結晶粒度番号は３．０以上６．０以下であることが好ましく、３．０以上５．５以下であることがより好ましく、３．０以上５．０以下であることがさらに好ましく、３．０以上４．５以下であることが特に好ましい。なお、本明細書において、当該結晶粒度番号は、後述の実施例に記載のＪＩＳＧ０５５１：２０１３に準じた測定方法により得られる値を採用するものとする。

なお、特許文献１に開示された発明では、捩り疲労試験において１０^７回の繰り返しの捩りでも破断しない最大トルクを疲労強度として評価している。このような高サイクル疲労における耐久性は、軸部表面（焼入れ部）の圧縮残留応力を大きくすることにより向上しうる。一方、本発明では１０^３～１０^５回における疲労強度を評価し、特に１０^４回における疲労強度の向上を図っている。このような低サイクル疲労における耐久性は、軸部の内部（未硬化部）の引張残留応力に影響されると考えられる。すなわち、内部の引張残留応力が大きいほど、内部割れ（表面に貫通しない内部割れ）が発生するリスクが高くなり、内部割れが発生すると疲労強度が著しく低下する。したがって、本発明では、軸部の内部の引張残留応力の増加を抑制し、内部割れのリスクを抑えることで、低サイクル疲労における耐久性の向上を図っている。

本形態においては、焼入れ部の少なくとも一部が上記結晶粒度番号を有していればよく、焼入れ部のうちの一部は上記結晶粒度番号を有していなくても構わない。軸部の疲労耐久性をより向上させる観点から、焼入れ部の全長に対して５０％長さ以上の領域において上記結晶粒度番号を有していることが好ましく、８０％長さ以上の領域において上記結晶粒度番号を有していることがより好ましい。

なお、結晶粒度番号は、当業者であれば、鋼の加熱処理、熱間加工、冷間加工の条件を制御することにより、容易に調整することが可能である。例えば、熱間鍛造後の冷却速度を早くする、冷間押出における減面率を大きくすることにより、結晶粒度番号を大きくする（結晶粒度を小さくする）ことができる。

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。なお、特記しない限り、「％」は「質量％」を意味する。

＜アクスルシャフトの製造＞
［実施例１～４及び比較例１～６］
鋼として、大同特殊鋼株式会社製のＢ鋼ＳＢ４０Ｃ（実施例１～４、比較例５～６）又は炭素鋼Ｓ４０Ｃ（比較例１～４）を用いてアクスルシャフトを製造した。なお、下記表１に記載されたホウ素（Ｂ）の含有量以外の鋼の元素組成については、実施例１～４及び比較例１～６ともに同じであった。アクスルシャフト（試験片）は、フランジ部を直径１５０ｍｍ、軸部を直径３２ｍｍ×長さ１００ｍｍとし、フランジと反対側にスプラインを加工した形状とした。熱間鍛造を１０００℃から１３００℃の温度で行い、放冷時の冷却速度を変える、あるいは、鍛造後に焼準を行うことで、結晶粒度を下記表１に記載の値となるように調整した鍛造粗材を作成した。そして、高周波焼入れの電圧及び加熱時間等の条件を制御することにより、下記表１に記載の有効硬化層深さの割合を有するアクスルシャフト（試験片）を製造した。

＜有効硬化層深さの割合＞
上記実施例及び比較例で製造したアクスルシャフト（試験片）の焼入れ部（軸部）における有効硬化層深さをＪＩＳＧ０５５９：２００８に準じて測定した。より詳細には、軸部の端部（フランジ部の反対側の端部）から長さ５０ｍｍ位置）における切断面における有効硬化層深さを測定した。そして、軸部の半径１６ｍｍに対する有効硬化層深さ（ｍｍ）の割合を百分率（％）として求めた。

＜結晶粒度＞
上記実施例及び比較例で製造したアクスルシャフト（試験片）の焼入れ部（軸部）における結晶粒度をＪＩＳＧ０５５１：２０１３に準じて測定した。より詳細には、軸部の端部（フランジ部の反対側の端部）から長さ５０ｍｍ位置）から試験片を採取し、初析フェライト法を用いて旧オーステナイト結晶粒界を現出させ、軸半径の４分の１の箇所で標準図に基づいて結晶粒度番号を測定した。

＜疲労試験＞
上記実施例及び比較例で製造したアクスルシャフト（試験片）について、ＪＩＳＺ２２７３：１９７８に準じて両振りねじり疲れ試験を行った。より詳細には、試験機に試験片のフランジ部をボルトで取り付けて、反対側の軸部はスプライン支持し、フランジ部側から試験速度１Ｈｚ両振りのねじり負荷を加えた。１０^３回から１０^５回付近で破損するトルク水準で、試験本数を３～５本実施して、トルクと繰り返し回数の線図から１０^４回の時間強度を求めた。得られた値から、比較例６における疲労強度を１．０としたときの相対値を算出した。

結果を下記表１に示す。

表１の結果より、本発明に係る実施例１～４のアクスルシャフトは、優れた疲労耐久性を有することが示された。

１アクスルシャフト、
２軸部、
３フランジ部、
４焼入れ部。

Claims

軸部と、フランジ部と、を備えるアクスルシャフトであって、
質量％で、
Ｃ：０．３５％以上０．６０％以下、
Ｓｉ：０．０５％以上０．３５％以下、
Ｍｎ：０．５％以上０．９％以下、
Ｐ：０．０５％以下、
Ｓ：０．０５％以下、
Ｃｒ：０．４％以下、及び
Ｂ：０．００１％以上０．００７％以下、
を含有し、残部は鉄及び不可避不純物からなる鋼から形成され、
前記軸部の焼入れ部における有効硬化層深さの割合が、軸部の軸半径に対して３０％以上５５％以下であり、
前記焼入れ部の表面から半径１／４部におけるＪＩＳＧ０５５１：２０１３により測定された旧オーステナイト結晶粒度番号が３．０以上７．０未満である、アクスルシャフト。