JPH06336650A - ねじり特性の優れた駆動伝達系部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ねじり特性に優れた駆動伝達系部品。 【構成】 重量比で、Ｃ；０．４５〜０．６０％、Ｓ
ｉ；１．５０〜２．５０％、Ｍｎ；０．４０〜１．２０
％、Ｐ；０．０２０％以下、Ｓ；０．０１０％以下、Ｎ
ｉ；０．１０〜１．００％、Ｃｒ；０．２０〜０．４０
％、Ｍｏ；０．２０〜０．４０％と、Ｖ；０．０５〜
０．４０％、Ｎｂ；０．０３〜０．４０％のうち１種ま
たは２種、Ｏ；０．００２０％以下、Ｎ；０．００５０
〜０．０２００％を含有し、残部がＦｅおよび不純物元
素からなる鋼に高周波焼入を行った後、焼戻しを施した
駆動伝達系部品である。本発明はＳｉを１．５％以上添
加したので必要なねじり強度が確保しつつ、Ｃ含有量の
上限を０．６０％に抑えることができ、焼割れと加工性
の劣化を防止することができた。また、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍ
ｏの適量添加により焼入性を向上させ、優れたねじり特
性を有する駆動伝達系部品を得ることができた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は機械装置等、特に自動車
等におけるシャフト等軸形状を有する部品であって、か
つ高いねじり応力を受ける部位への使用に適した駆動伝
達系部品に関する。

【０００２】

【従来の技術】シャフト等軸形状を有する自動車部品等
においては、ねじりトルクが負荷されるため、高い静ね
じり強度、ねじり疲労強度が要求される。従来、これら
の部品に対しては、高周波焼入処理を前提として、ＪＩ
Ｓ Ｓ４３Ｃ〜Ｓ５３Ｃ等の中炭素鋼が広く使用されて
いる。

【０００３】高周波焼入処理は、浸炭焼入、窒化等の他
の表面硬化法に比べて、硬化層深さが深くできるため
に、静ねじり強度、ねじり疲労強度等のねじり特性の向
上方法としては非常に有効的な方法であり、また、高周
波焼入処理においては、硬化層の硬さを高くする必要が
あり、そのため比較的炭素量の多いＳ４３Ｃ〜Ｓ５３Ｃ
等の中炭素鋼が用いられている。

【０００４】また、高周波焼入によって、高強度化を可
能とする公知先行技術として、特開昭６０−１６９５４
４号公報に示される出願がある。この発明は、必須成分
として、Ｃ：０．３０〜０．８０％、Ｓｉ：０．４０〜
２．０％、Ｍｎ：０．４０〜２．０％、Ｐ：０．０１０
％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｏ：０．００３０％以
下、残部Ｆｅおよび不純物からなる鋼に高周波焼入を行
って、疲労強度を高めた高強度機械構造用部品およびそ
の製造方法に関するものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】近年、自動車用エンジ
ンは急速に高性能化が進められ、特に等速ジョイント、
プロペラシャフト等のシャフト類の駆動伝達系部品に対
しては、エンジンの高出力化とともに負荷されるねじり
トルクが高くなっている。このねじりトルクの増加に対
する対応として、重量増や部品のサイズアップを行うこ
とは技術的に容易であるが、軽量化の要請が極めて強く
なってきているため、部品の高強度化により、できるだ
け重量増加を行わずに対応できる技術が要求されてい
る。しかしながら、Ｓ４３Ｃ〜Ｓ５３Ｃ等の中炭素鋼に
対し高周波焼入を施しても、この要求を満足することは
不可能である。

【０００６】従来より高い静ねじり強度、ねじり疲労強
度を得るために、炭素量を０．６０％超に高めた鋼の使
用も考えられるが、炭素量を高めると鍛造時の割れ、高
周波焼入による割れ、歪み等の問題点の解決が必要にな
る。また、部品成形面においては、従来の熱間鍛造から
温間鍛造、冷間鍛造への移行傾向があり、炭素量の増加
は加工性の著しい低下をまねき、適切でない。

【０００７】また、前記公報に記載された発明は、疲労
強度の向上を重視した発明であるが、主として歯車を対
象とした発明であって、ねじり強度の向上に関しては全
く検討されていない。そしてこの発明は請求項２、３に
おいて、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎ、Ｎｂ、Ｖ等を含んでも
良いと文言上書かれているが、実施例ではたとえばＮｉ
を含んだものにはＣｒやＭｏは含まれず、またＭｏを含
んだものにはＮｉやＣｒが含まれないなど、十分な硬化
深さが得られるかどうかについては何ら考慮されないも
のである。従って、硬化深さ、さらには焼割れの防止や
部品成形時の加工性まで考慮した優れたねじり強度を有
する駆動伝達系部品の開発が強く望まれていた。

【０００８】本発明は自動車用等の高周波焼入部品に使
用される従来鋼の前記のごとき問題点に鑑みてなされた
ものであって、従来技術では得ることが困難な、高い静
ねじり強度、および、ねじり疲労強度を有し、かつ鍛造
等の加工性にも優れた駆動伝達系部品を提供することを
目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明においては、焼割
れの防止と加工性の確保を重視しているため、Ｃ含有量
の上限は０．６０％に規制しなければならず、Ｃ量の調
整のみでは静ねじり強度及びねじり疲労強度の向上に対
する要求を満足することができない。そこで、本発明者
等は、Ｓｉ添加による焼戻し軟化抵抗性の向上に着目
し、ねじり強度との関係について調査し、以下に示す知
見を得た。

【００１０】すなわち、Ｓｉ含有量の下限を１．５０％
に規制して焼戻し軟化抵抗性を向上させることにより、
従来にない、高い静ねじり強度及びねじり疲労強度が得
られることを見出した。Ｓｉ量の多量添加により、炭素
量を焼割れや加工性の劣化が起きない範囲に規制しても
十分満足できるねじり特性を得ることができる。

【００１１】静ねじり強度及びねじり疲労強度を向上さ
せるためには、鋼の焼入性を向上させ、高周波焼入によ
る硬化深さを大きくすることが必要である。そのために
Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ等の合金の添加が考えられるが、これ
らの合金を添加すると高周波焼入れ時の部品の歪、割れ
等が増大し、また鍛造性が著しく阻害される等の部品の
製造性の低下を招く。そこで、さらに研究を進めた結
果、従来のＳＣｒ、ＳＣＭ等のＪＩＳ鋼に比べ少ないＣ
ｒ量に抑え、代わりにＮｉを添加することによって製造
性の低下を招くことなく必要な焼入性を確保できること
を見出した。具体的には、Ｎｉ；０．１０〜１．００
％、Ｃｒ；０．２０〜０．４０％、Ｍｏ；０．２０〜
０．４０％の添加によって高周波焼入において必要な硬
化深さを得られることを知見した。なお、硬化層（焼入
後の組織が５０％以上のマルテンサイト組織である層）
の深さを部品の半径の０．５倍以上とすることによっ
て、優れたねじり特性を得ることができる。

【００１２】また、高い静ねじり強度及びねじり疲労強
度を得るために硬化深さを大きくするには比較的長時間
の加熱時間を要するが、その結果ミクロ組織が粗大化し
て靱性の低下を招く可能性がある。従って、本発明では
Ｖ、Ｎｂを適量添加するとともに、Ｎ含有量を５０〜２
００ｐｐｍに規制することで高周波焼入層のミクロ組織
の微細化を図った。なお、Ｖ、Ｎｂは前記組織の微細化
効果とともに析出強化によりねじり特性向上にも寄与す
る。さらに、高周波焼入層の靱性の確保のためには、Ｍ
ｏを０．２０％以上添加しＰ、Ｓ、Ｏの含有量を低減す
ることが有効である。本発明は、これらの複合効果によ
り、強靱な深い高周波焼入層が得られ、その後焼もどし
を施すことにより、高い静ねじり強度及びねじり疲労強
度を有する駆動伝達系部品の提供を可能としたものであ
る。

【００１３】本発明であるねじり特性の優れた駆動伝達
系部品は、前記の知見に基づいて完成されたものであっ
て、重量比で、Ｃ；０．４５〜０．６０％、Ｓｉ；１．
５０〜２．５０％、Ｍｎ；０．４０〜１．２０％、Ｐ；
０．０２０％以下、Ｓ；０．０１０％以下、Ｎｉ；０．
１０〜１．００％、Ｃｒ；０．２０〜０．４０％、Ｍ
ｏ；０．２０〜０．４０％と、Ｖ；０．０５〜０．４０
％、Ｎｂ；０．０３〜０．４０％のうち１種または２
種、Ｏ；０．００２０％以下、Ｎ；０．００５０〜０．
０２００％を含有し、残部がＦｅおよび不純物元素から
なる鋼に高周波焼入を行った後、焼戻しを施したことを
特徴とする。なお、本発明で言う駆動伝達系部品とは、
例えば自動車のＣＶＪの中間シャフト等駆動力を伝達す
るために高いねじり応力が負荷される部品のことを指
す。

【００１４】

【作用】本発明対象鋼は、Ｓｉを１．５％以上添加して
ねじり強度の向上を図っているので、必要な強度を確保
しつつＣ含有量の上限を０．６０％に抑えることがで
き、焼割れと加工性の劣化を防止することができた。ま
た、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏの適量添加により焼入性を向上さ
せ、かつＶ、Ｎｂの添加、Ｎの適量化を行ったので、硬
化深さの確保と焼入層のミクロ組織の粗大化防止を図る
ことができた。本発明は、これらの複合効果により、製
造性を低下させることなく高い静ねじり強度及びねじり
疲労強度を有する駆動伝達系部品を得ることができた。

【００１５】本発明の駆動伝達系部品に使用する鋼の組
成範囲を限定した理由について以下に説明する。 Ｃ；０．４５〜０．６０％ Ｃは必要な高周波焼入硬さおよび内部硬さを得るために
必要な元素であり、所望の焼入れ硬さおよび内部硬さを
確保するためには、０．４５％以上含有させることが必
要である。しかし、０．６０％を越えて含有すると、高
周波焼入時に割れが発生し易くなるので、上限を０．６
０％とした。

【００１６】Ｓｉ；１．５０〜２．５０％ Ｓｉは焼戻し軟化抵抗を高め、優れたねじり特性を得る
ために必要な元素であり、前記効果を得るためには少な
くとも１．５０％以上、望ましくは２．００％を越えて
含有させる必要がある。しかし、２．５０％を越えて含
有させると、脱炭による影響で優れたねじり特性を安定
して確保することが困難となるので、上限を２．５０％
とした。

【００１７】Ｍｎ；０．４０〜１．２０％ Ｍｎは製鋼時の溶鋼の脱酸に必要な元素であると共に、
基地を強化するために必要な元素であって、前記効果を
得るためには、少なくとも０．４０％以上含有させる必
要がある。しかし、１．２０％を越えて含有させると、
加工性並びに被削性が低下し、かつ高周波焼入れ時に割
れが発生し易くなるので上限を１．２０％とした。

【００１８】Ｐ；０．０２０％以下 Ｐは粒界に偏析して、ねじり強度、靱性を低下する有害
な元素であるので、可及的に少ない方が好ましく、上限
を０．０２０％以下とした。

【００１９】Ｓ；０．０１０％以下 Ｓは硫化物系介在物を生成し、ねじり強度と鍛造性を阻
害する。また、高周波焼入層の靱性を確保するためにも
できるだけ低減することが望ましく、上限を０．０１０
％以下とした。

【００２０】Ｎｉ；０．１０〜１．００％ Ｎｉは鋼の焼入性を向上させる元素であり、特に高周波
焼入による硬化深さの増大に大きな効果がある。また、
Ｎｉの添加により必要なＣｒ添加量を抑え、高周波焼入
時の歪、割れ発生等の防止を図るために不可欠な元素で
ある。前記効果を得るためには少なくとも０．１０％以
上含有させる必要がある。しかし、１．００％を越えて
含有させると、加工性および被削性を低下し、高周波焼
入時の割れの発生が却って起きやすくなるため、上限を
１．００％とした。

【００２１】Ｃｒ；０．２０〜０．４０％ Ｃｒは鋼の焼入性を向上させる元素であり、高周波焼入
における硬化深さの増大に大きな効果がある。そのため
少なくとも０．２０％以上含有させる必要がある。しか
し、０．４０％を越えて含有させると鍛造性を低下し、
高周波焼入時の割れが発生を助長するため、上限を０．
４０％とした。

【００２２】Ｍｏ；０．２０〜０．４０％ Ｍｏは鋼の焼入性と靱性を向上させる元素であり、特に
高周波焼入による硬化深さの増大に大きな効果がある。
そのため少なくとも０．２０％以上含有させる必要があ
る。しかし、０．４０％を越えて含有させると、高周波
焼入時の割れが発生の可能性があるため、上限を０．４
０％とした。

【００２３】Ｖ；０．０５〜０．４０％、Ｎｂ；０．０
３〜０．４０％ ＶおよびＮｂは、高周波焼入層のミクロ組織微細化によ
る靱性の確保及び析出強化によるねじり特性向上のため
に必要な元素である。前記効果を得るためにはＶにあっ
ては０．０５％以上、Ｎｂにあっては０．０３％以上の
少なくとも１種を含有させる必要がある。しかし、いず
れの元素も０．４０％を越えて含有させても、その効果
が飽和するので、上限を０．４０％とした。

【００２４】Ｏ；０．００２０％以下 Ｏは酸化物系介在物を生成し、高周波焼入層の靱性を低
下させる元素であり極力低減させる必要がある。所望の
高周波焼入層の靱性を確保するためには、その含有量を
０．００２０％以下にする必要がある。

【００２５】Ｎ；０．００５０〜０．０２００％ Ｎは、結晶粒を微細化し高周波焼入層の靱性の確保のた
めに必要な元素である。前記効果を得るためには少なく
とも０．００５０％以上含有させる必要がある。しか
し、０．０２００％を越えて含有させても、その効果が
飽和するので、その上限を０．０２００％とした。

【００２６】以上説明した各成分が添加された鋼を用
い、高周波焼入を施した後、焼もどしを行うことによっ
て、優れたねじり強度を有する駆動伝達系部品を製造す
ることができる。なお、焼もどし条件は前記した成分範
囲内の各鋼に応じて適切に調整することが必要である
が、温度を１５０〜３５０℃、加熱時間を３０〜１２０
分とすることによって、優れたねじり強度を確保するこ
とができる。

【００２７】

【実施例】本発明の実施例を比較例および従来例と対比
して説明し本発明の効果を明らかにする。表１に示す化
学成分からなる本発明鋼、比較鋼および従来鋼を電気炉
にて溶製し、分塊圧延後、熱間圧延した丸棒より、試験
片を作製した。表１において、Ｎｏ．１〜１０鋼は本発
明鋼であり、Ｎｏ．１１〜２１は比較鋼であり、Ｎｏ．
２２は従来鋼Ｓ５３Ｃである。なお、比較鋼のうちＮ
ｏ．１１鋼はＣ含有量が本発明の組成範囲より少ない比
較鋼、Ｎｏ．１２鋼はＣ含有量が本発明の組成範囲より
多い比較鋼、Ｎｏ．１３鋼はＳｉ含有量が本発明の組成
範囲より少ない比較鋼、Ｎｏ．１４鋼はＳｉ含有量が著
しく低い比較鋼、Ｎｏ．１５鋼はＳｉ含有量が本発明の
組成範囲より多い比較鋼、Ｎｏ．１６〜１８鋼はＭｎ、
Ｎｉ、Ｃｒ含有量がそれぞれ本発明の組成範囲より少な
い比較鋼、Ｎｏ．１９鋼はＣｒ含有量が本発明の組成範
囲より多い比較鋼、Ｎｏ．２０鋼はＭｏ含有量が本発明
の組成範囲より少ない比較鋼、Ｎｏ．２１鋼はＶ、Ｎｂ
含有量が本発明の組成範囲より少ない比較鋼である。

【００２８】

【表１】

【００２９】これら供試鋼について、静ねじり強度、ね
じり疲労強度、焼割れおよび硬化深さについて評価し
た。得られた結果は表２に示した。なお、静ねじり強度
については、３５φの中実試験片を２０ＫＨｚで高周波
焼入れし、１８０℃で９０分焼もどしを行い、ねじり試
験機を用いて破断したときの最大剪断応力を測定して評
価した。また、ねじり疲労強度は、同試験片を用い、共
振型ねじり疲労試験機により、繰り返し数２００万回に
おける疲労強度を測定して評価した。また、表２に示す
硬化深さは、前記条件にて高周波焼入れして硬化深さが
半径の０．５倍以上のものについては○、０．５倍未満
のものについては×で示したものである。

【００３０】

【表２】

【００３１】表２から明らかなように、従来鋼であるＮ
ｏ．２２は、静ねじり強度が１４５０ＭＰａ、ねじり疲
労強度が３５０ＭＰａであった。一方、比較鋼のうちＮ
ｏ．１１鋼はＣ含有量が本発明の組成範囲より少なかっ
たので、静ねじり特性およびねじり疲労強度が不足し、
比較鋼Ｎｏ．１２鋼はＣ含有量が本発明の組成範囲より
多かったので、焼割れが発生しねじり強度が測定できな
かった。

【００３２】比較鋼Ｎｏ．１３およびＮｏ．１４はＳｉ
含有量が本発明の組成範囲より少なかったので、ねじり
強度、ねじり疲労強度ともに低かった。Ｎｏ．１５鋼は
Ｓｉ含有量が本発明の組成範囲より多かったので、表面
の脱炭が他の鋼種に比べて多くなり、静ねじり強度が１
６４０ＭＰａ程度、ねじり疲労強度が４５０ＭＰａ程度
と低いものであった。比較鋼Ｎｏ．１６、Ｎｏ．１８お
よびＮｏ．２０鋼はＭｎ、Ｃｒ、Ｍｏ含有量がそれぞれ
本発明の組成範囲より少なかったので、必要な硬化深さ
が得られず、ねじり強度が１５８２〜１６４１ＭＰａ、
ねじり疲労強度は４２０〜４５０ＭＰａであって、所期
のねじり強度が得られなかった。また、比較鋼Ｎｏ．２
１はＶおよびＮｂの含有量が本発明の組成範囲より少な
かったので、硬化深さは得られたものの、同様に所期の
ねじり特性が得られなかった。なお、比較鋼Ｎｏ．１７
はＮｉ含有量が少なく、比較鋼Ｎｏ．１９はＣｒ含有量
が高かったので、焼割れが発生しねじり強度が測定でき
なかった。

【００３３】これに対して本発明の組成範囲内の鋼であ
るＮｏ．１〜１０は、Ｃ含有量の適正化を図り、Ｎｉ、
Ｃｒ、Ｍｏ量の適正化によって焼割れを防止できるとと
もに、静ねじり強度が１７２２〜１９３２ＭＰａ、ねじ
り疲労強度が４６０〜６２０ＭＰａという非常に優れた
ねじり特性を得ることができた。さらに、以上記載した
結果をもとにＣＶＪの中間シャフトを従来より高応力設
計して試作し、テストを行ったが、問題なく使用できる
ことが確認できた。

【００３４】

【発明の効果】本発明のねじり特性の優れた駆動伝達系
部品は以上説明したように、重量比で、Ｃ；０．４５〜
０．６０％、Ｓｉ；１．５０〜２．５０％、Ｍｎ；０．
４０〜１．２０％、Ｐ；０．０２０％以下、Ｓ；０．０
１０％以下、Ｎｉ；０．１０〜１．００％、Ｃｒ；０．
２０〜０．４０％、Ｍｏ；０．２０〜０．４０％と、
Ｖ；０．０５〜０．４０％、Ｎｂ；０．０３〜０．４０
％のうち１種または２種、Ｏ；０．００２０％以下、
Ｎ；０．００５０〜０．０２００％を含有し、残部がＦ
ｅおよび不純物元素からなる鋼に高周波焼入を行った
後、焼戻しを施したことを特徴とするものであって、Ｓ
ｉを１．５％以上添加してねじり強度の向上を図ってい
るので、必要な強度を確保しつつＣ含有量の上限を０．
６０％に抑えることができ、焼割れと加工性の劣化を防
止することができた。また、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏの適量添
加により焼入性を向上させ、かつＶ、Ｎｂの添加、Ｎの
適量化を行ったので、硬化深さの確保と焼入層のミクロ
組織の粗大化防止を図ることができた。本発明は、これ
らの複合効果により、製造性を低下させることなく高い
静ねじり強度及びねじり疲労強度を有する駆動伝達系部
品を得ることができた。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高田 八束 愛知県東海市荒尾町ワノ割１番地 愛知製 鋼株式会社内 (72)発明者 宮本 典孝 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 大西 昌澄 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比で、Ｃ；０．４５〜０．６０％、
   Ｓｉ；１．５０〜２．５０％、Ｍｎ；０．４０〜１．２
   ０％、Ｐ；０．０２０％以下、Ｓ；０．０１０％以下、
   Ｎｉ；０．１０〜１．００％、Ｃｒ；０．２０〜０．４
   ０％、Ｍｏ；０．２０〜０．４０％と、Ｖ；０．０５〜
   ０．４０％、Ｎｂ；０．０３〜０．４０％のうち１種ま
   たは２種、Ｏ；０．００２０％以下、Ｎ；０．００５０
   〜０．０２００％を含有し、残部がＦｅおよび不純物元
   素からなる鋼に高周波焼入を行った後、焼戻しを施した
   ことを特徴とするねじり特性の優れた駆動伝達系部品。