JPH09157795A - シャフト部品及びシャフト部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 セレーション転造性焼き入れ加工化構成及び
歪みに問題を生じずシャフト部品の疲労強度を向上させ
る。 【構成】 重量％で、炭素を０．２２〜０．４３％、ケ
イ素を０．１２〜０．２８％、マンガンを０．６０〜
０．９０％、クロムを０．０３〜０．３３％、ホウ素を
０．００１０〜０．００１８％含有し、残部が鉄と不可
避の不純物の鋼からなり、高周波焼き入れが施されたシ
ャフト部品１０であって、これには、潤滑用に形成され
た潤滑油穴１０ｃ内部に丸棒１２を通過させることによ
り、潤滑油穴１０ｃに圧縮残留応力が付与されており、
丸棒１２は、焼結超硬合金からなり、シャフト部品１０
の潤滑油穴１０ｃの最大公差を含む内径寸法に対し１０
〜５０μｍ大きい直径を有し、先端部の形状が半球状を
なしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、シャフト部品及
びシャフト部品の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のシャフト部品としては、一般に炭
素鋼や合金鋼からなり、潤滑用に油穴が設けられている
ものが多く、その製造方法としては、炭素鋼や合金鋼に
転造加工や機械加工が施されて製造され、油穴による強
度の低下を補うために、高周波焼き入れが施されて疲労
強度を向上させているものが多い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来のシャフト部品及びその製造方法では、シャ
フト部品が繰り返しねじり応力を受けた場合、高周波焼
き入れの焼き境（すなわち、高周波焼き入れによる表面
硬化層と、焼き入れの影響を受けていない内部との境）
を起点としてシャフト部品の最弱部位である油穴内部に
疲労破壊が起きることがある。

【０００４】このような場合、疲労強度を向上させるた
めに、熱処理により内部硬さを増加させたり、高周波焼
き入れの深さを増加させたりすることが考えられるが、
内部硬さを増加すると転造加工性や機械加工性が低下
し、また、高周波焼き入れの深さを増加すると、シャフ
ト部品が曲がったり割れたりするなどの問題が生じる。

【０００５】このため、熱処理によらない疲労強度向上
策として、ショットピーニングにより圧縮残留応力を付
与する方法や、油穴にベアリングの球を通して冷間加工
する方法などがとられる。

【０００６】しかしながら、ショットピーニングにより
圧縮残留応力を付与する方法では、油穴内部にまで投射
が及ばず、疲労強度が向上しないという問題がある。ま
た、油穴にベアリングの球を通して冷間加工する方法で
は、疲労強度は向上するが、ベアリングの球を設置し、
これを押し込む作業が自動化しずらいという問題や、球
を回収するのに手間がかかるという問題がある。

【０００７】本発明は、セレーション転造性や機械加工
性及び歪みに問題を生じず疲労強度が大きいシャフト部
品及びシャフト部品の製造方法を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前述した目的を達成させ
るために、本発明のうちで請求項１記載の発明は、重量
％で、炭素を０．２２〜０．４３％、ケイ素を０．１２
〜０．２８％、マンガンを０．６０〜０．９０％、クロ
ムを０．０３〜０．３３％、ホウ素を０．００１０〜
０．００１８％含有し、残部が鉄と不可避の不純物の鋼
からなり、高周波焼き入れが施されたシャフト部品（１
０）であって、該シャフト部品（１０）には、潤滑用に
形成された潤滑油穴（１０ｃ）内部に丸棒（１２）を通
過させることにより、前記潤滑油穴（１０ｃ）に圧縮残
留応力が付与されていることを特徴としたものである。

【０００９】ここで、シャフト部品を構成する炭素は、
高周波焼き入れ性を決定する重要な元素であり、通常高
周波焼き入れには、重量％で０．４％以上の中炭素鋼が
用いられるが、炭素量の増加にともない変形抵抗が著し
く増加するため、セレーション部の転造加工性を悪化さ
せ、油穴内部に塑性加工を施す際にクラックが発生する
可能性がある。このため、炭素量を０．２２〜０．４３
％とすることにより、上記問題を解決し、これにより低
下する高周波焼き入れ性に関しては、後述するホウ素を
添加することにより補う。また、炭素量を低減すること
により、切欠感受性の低減による強化にも寄与する。ま
た、ケイ素は、高周波焼き入れ性を増加させる元素であ
り、フェライトへの固溶強化により炭素に次いで変形抵
抗を増大させるため、高周波焼き入れ性が低下すること
なく、クラックの生じない０．１２〜０．２８％の範囲
に設定されている。また、マンガン及びクロムは、変形
抵抗を増大させる元素であるが、セレーション部を冷間
転造で加工硬化させ、セレーション部の強度を向上させ
るため、セレーション冷間転造性を大きく妨げず、かつ
転造後の加工硬化が期待できるマンガンが０．６０〜
０．９０％、クロムが０．０３〜０．３３％の範囲に設
定されている。更に、ホウ素は、変形抵抗を増大させる
ことなく、高周波焼き入れ性を向上させる元素であり、
焼き入れ性に対する効果は、１０ｐｐｍ以上の添加で飽
和し、１８ｐｐｍを越えると有害であるため、０．００
１０〜０．００１８％の範囲に設定されている。これに
より、シャフト部品は、高い高周波焼き入れ性を有する
とともに、クラックの発生が抑えられており、製造時の
セレーション転造性や機械加工性も向上している。

【００１０】また、本発明のうちで請求項２記載の発明
は、請求項１記載の発明において、前記丸棒（１２）
が、前記シャフト部品（１０）の潤滑油穴（１０ｃ）の
最大公差を含む内径寸法に対し１０〜５０μｍ大きい直
径を有し、先端部の形状が半球状をなす焼結超硬合金か
らなることを特徴としている。

【００１１】ここで、丸棒１２の材質の焼結超硬合金
は、Ｈｖ１３００〜３０００の硬さを有するため、表面
がＨＲＣ５０〜６０の硬さを有する高周波焼き入れされ
たシャフト部品を冷間加工させるために必要な硬さであ
る少なくともＨＲＣ７０以上（すなわち、Ｈｖ１０００
以上）の硬さを有しており、丸棒１２の繰り返し使用に
耐えられる耐磨耗性に優れており、また、潤滑油穴１０
ｃへの挿入作業で丸棒１２にかかる衝撃力にも耐えられ
る耐衝撃強度にも優れ、また、一般の工業生産を行うこ
とが可能な量産された容易に入手可能な素材である。ま
た、丸棒１２の直径寸法は、潤滑油穴１０ｃの最大寸法
公差を考慮した内径に対し、小さい場合には、冷間加工
量が小さく効果のある圧縮残留応力が得られず、逆に大
きすぎる場合には、冷間加工で割れが発生する危険性が
あるため、潤滑油穴１０ｃの最大寸法公差を含む内径寸
法に対し１０〜５０μｍ大きい直径寸法に設定されてい
る。また、丸棒１２の先端部を半球状の形状にしたの
は、丸棒１２を潤滑油穴１０ｃに導かれ易くするためで
ある。

【００１２】また、本発明のうちで請求項３記載の発明
は、潤滑油穴（１０ｃ）が設けられたシャフト部品（１
０）に高周波焼き入れを施し、前記シャフト部品（１
０）の潤滑油穴（１０ｃ）に対する丸棒（１２）の位置
を決めた後に、前記潤滑油穴（１０ｃ）内部に前記丸棒
（１２）を通過させ、前記潤滑油穴（１０ｃ）に圧縮残
留応力を付与することを特徴としている。

【００１３】このように、シャフト部品１０の潤滑油穴
１０ｃに丸棒１２を通過させることにより、大きな残留
応力を得ることができる。

【００１４】

【実施例】図１に実施例を示す。シャフト（シャフト部
品）１０には、これの軸心に、軸方向途中位置で所定間
隔をあけて２本の軸方向油穴１０ａ及び１０ｂが形成さ
れており、一方の軸方向油穴１０ａの軸方向途中位置に
は、径方向に貫通する潤滑油穴１０ｃが形成されてい
る。シャフト１０は、重量％で炭素を０．３０％、ケイ
素を０．１５％、マンガンを０．６２％、クロムを０．
２８％及びホウ素を０．００１４％含有し、残部が鉄と
不可避の不純物の鋼よりなり、長さが３００ｍｍ、外径
寸法が２２ｍｍ、内径寸法（すなわち、軸方向油穴１０
ａ及び１０ｂの径方向寸法）が８ｍｍ、潤滑油穴１０ｃ
の径方向寸法が４ｍｍに構成されている。また、シャフ
ト１０には、深さ３ｍｍの高周波焼き入れが全面に施さ
れており、表面硬さはＨｖ６３３である。潤滑油穴１０
ｃには、丸棒１２を通すことにより、冷間加工が施され
ている。

【００１５】丸棒１２は、ＷＣが８８％及びコバルトが
１２％の焼結超硬合金からなり、硬さは、Ｈｖ１３００
である。また、丸棒１２は、径方向寸法が４．０１〜
４．０５ｍｍであり、先端部の形状が半球状に構成され
ている。

【００１６】潤滑油穴１０ｃの冷間加工は、まず、丸棒
１２の先端部を潤滑油穴１０ｃの軸方向に向けて、潤滑
油穴１０ｃに対する位置決めを行い、木製ハンマーで丸
棒１２を潤滑油穴１０ｃの軸方向に通過させることによ
り行う。これにより、シャフト１０の最弱部位である潤
滑油穴１０ｃに冷間加工による圧縮残留応力を付与する
ことができる。

【００１７】次に、図２に、シャフト１０と形状寸法は
同一であるが、鋼種をＪＩＳ ＳＣｒ４２０Ｈとし、シ
ャフト１０と同じ深さの高周波焼き入れを施し、潤滑油
穴へは冷間加工を施していないシャフトＡと、シャフト
１０と、をこれらの両端にねじりトルクを繰り返し付加
した疲労試験の結果を示す。これに示されるように、シ
ャフト１０はシャフトＡよりも疲労強度が大きいことが
わかる。

【００１８】次に、図３に、シャフト１０、シャフトＡ
において、それぞれの潤滑油穴１０ｃの中央を通るシャ
フト断面を切り出し、Ｘ線にて残留応力を測定した結果
を示す。これに示されるように、疲労クラックの発生領
域である入口から３ｍｍ程度の深さ位置では、潤滑油穴
１０ｃの円周方向の残留応力がシャフトＡの場合は約５
ｋｇｆ／ｍｍ²の引っ張り応力であり、シャフト１０の
場合は、約３０ｋｇｆ／ｍｍ²の圧縮残留応力である。
したがって、シャフトＡのように潤滑油穴１０ｃに冷間
加工を施さない場合は、引っ張り残留応力しか発生せ
ず、また、シャフト１０のように丸棒１２を潤滑油穴１
０ｃに貫通させたものでは、大きな圧縮残留応力が発生
する。これにより、図２に示された疲労強度は、丸棒１
２による冷間加工によって付与された圧縮残留応力によ
って決定するものであることがわかる。

【００１９】このように、最弱部位である潤滑油穴１０
ｃに丸棒１２を貫通させ、潤滑油穴１０ｃに圧縮残留応
力を付与することにより、通常の高周波焼き入れのみで
は得られない疲労強度を得、歪みが問題になることな
く、セレーション転造性や機械加工性を向上させたシャ
フト１０を得ることができる。

【００２０】なお、上記実施例において、シャフト１０
を、重量％で、炭素を０．２２〜０．４３％、ケイ素を
０．１２〜０．２８％、マンガンを０．６０〜０．９０
％、クロムを０．０３〜０．３３％及びホウ素を０．０
０１０〜０．００１８％含有し、残部が鉄と不可避の不
純物の鋼からなるものとしてもよい。また、丸棒１２の
径方向寸法及び硬さは、上記実施例に示したものに限ら
ず、径方向寸法を、シャフト１０の潤滑油穴１０ｃの最
大公差を含む内径寸法に対し１０〜５０μｍ大きいもの
とし、硬さをＨｖ１３００以上のものとしてもよい。ま
た、シャフト１０に施す高周波焼き入れの深さは、上記
実施例に示した３ｍｍに限らない。

【００２１】

【発明の効果】請求項１記載の本発明によれば、シャフ
ト部品を、重量％で、炭素を０．２２〜０．４３％、ケ
イ素を０．１２〜０．２８％、マンガンを０．６０〜
０．９０％、クロムを０．０３〜０．３３％、ホウ素を
０．００１０〜０．００１８％含有し、残部が鉄と不可
避の不純物の鋼からなるものとすることにより、シャフ
ト部品の高周波焼き入れ性を高め、クラックの発生を抑
えつつ製造時のセレーション転造性や機械加工性を向上
させることができる。また、潤滑油穴に丸棒を通過させ
ることにより、シャフト部品の疲労強度を向上させるこ
とができる。

【００２２】また、請求項２記載の発明によれば、丸棒
の材質を焼結超硬合金にしたため、高周波焼き入れされ
たシャフト部品に冷間加工を施すことができ、また、耐
磨耗性に優れるので丸棒を繰り返し使用することがで
き、また、耐衝撃強度にも優れるので潤滑油穴への挿入
作業で加えられる衝撃力にも耐えられ、また、量産され
た容易に入手可能なものであるため一般の工業生産を行
うことが可能になる。また、丸棒の直径寸法を潤滑油穴
の最大寸法公差を含む内径寸法に対し１０〜５０μｍ大
きい直径寸法に設定することにより、シャフト部品に割
れを発生させることなく、効果のある圧縮残留応力をシ
ャフト部品に付与することができる。また、丸棒の先端
部を半球状の形状にしたことにより、丸棒を潤滑油穴に
導かれ易くすることができる。

【００２３】また、請求項３記載の発明によれば、シャ
フト部品の潤滑油穴に丸棒を通過させることにより、大
きな残留応力をシャフト部品に付与することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す断面図である。

【図２】実施例、シャフトＡの両端にねじりトルクを繰
り返し加えた実験結果である。

【図３】実験後の実施例、シャフトＡの潤滑油穴の残留
応力を示す図である。

【符号の説明】

１０ シャフト（シャフト部品） １０ｃ 潤滑油穴 １２ 丸棒

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、炭素を０．２２〜０．４３
   ％、ケイ素を０．１２〜０．２８％、マンガンを０．６
   ０〜０．９０％、クロムを０．０３〜０．３３％、ホウ
   素を０．００１０〜０．００１８％含有し、残部が鉄と
   不可避の不純物の鋼からなり、高周波焼き入れが施され
   たシャフト部品（１０）であって、 該シャフト部品（１０）には、潤滑用に形成された潤滑
   油穴（１０ｃ）内部に丸棒（１２）を通過させることに
   より、前記潤滑油穴（１０ｃ）に圧縮残留応力が付与さ
   れている、 シャフト部品。
2. 【請求項２】 前記丸棒（１２）は、焼結超硬合金から
   なり、前記シャフト部品（１０）の潤滑油穴（１０ｃ）
   の最大公差を含む内径寸法に対し１０〜５０μｍ大きい
   直径を有し、先端部の形状が半球状をなしている、 請求項１記載のシャフト部品。
3. 【請求項３】 潤滑油穴（１０ｃ）が設けられたシャフ
   ト部品（１０）に高周波焼き入れを施し、前記シャフト
   部品（１０）の潤滑油穴（１０ｃ）に対して丸棒（１
   ２）の位置を決めた後に、前記潤滑油穴（１０ｃ）内部
   に前記丸棒（１２）を通過させ、前記潤滑油穴（１０
   ｃ）に圧縮残留応力を付与する、 シャフト部品の製造方法。