CN101517098A - 磨擦压接的构件 - Google Patents

Abstract

磨擦压接的构件包括钢管和短截棒。钢管具有相反末端。短截棒磨擦压接到钢管的相反末端中的至少一个上。钢管在磨擦压接到短截棒之前经受了正火处理。

Description

磨擦压接的构件

技术领域

本发明涉及通过磨擦压接钢管和短截棒(stab)制成的磨擦压接的构件。

背景技术

为了减轻向车轮传送驱动力以驱动机动车的传动轴或驱动轴的重量以增加机动车的行使距离，已使用磨擦压接的构件制造传动轴或驱动轴。已通过磨擦压接钢管和短截棒制成了磨擦压接的构件。

通常要求这种磨擦压接的构件表现出尺寸精确性。因此，实践中通常使用由以下方式制成的钢管。例如，对钢管进行冷拔，然后，为了使得冷拔的钢管没有应变和残余应力，在Ac₁转变温度下进行退火处理。但是，在磨擦压接已经进行了冷拔和随后的退火处理的管、和短截棒时，会出现得到的磨擦压接的构件表现出不稳定的疲劳强度使得它们不能提供目标强度的问题。因此，如在日本未审查的专利公开公报(特开平)10-267027中公开的那样，必须在磨擦压接钢管和短截棒之后进行热处理以获得预定的强度。作为替代方案，需要在考虑强度降低容限的同时设计得到的磨擦压接的构件的强度。

但是，通过在磨擦压接钢管和短截棒之后进行热处理确保赋予磨擦压接的构件希望的强度并不合适，原因是这种对策不仅增加生产成本而且降低生产率。并且应注意得到的磨擦压接的构件的强度降低容限依赖于磨擦压接的条件。因此，在考虑强度降低容限的同时设计得到的磨擦压接的构件的强度根本是不切实际的，另外，难以保证得到的磨擦压接的构件的品质。因此，希望开发即使在经过磨擦压接之后强度也几乎不降低的磨擦压接的构件。

发明内容

鉴于上述情况，完成了本发明。因此，本发明的一个目的是提供磨擦压接的构件，该磨擦压接的构件即使在进行磨擦压接之后也具有良好的疲劳特性即表现出的疲劳强度基本上等于在经受磨擦压接之前的适当钢管的疲劳强度。

根据本发明的磨擦压接的构件包括：

具有相反末端的钢管；

磨擦压接到所述钢管的相反末端中的至少一个末端的短截棒；和

所述钢管在磨擦压接到所述短截棒之前经受了正火处理。

本发明的磨擦压接的构件是通过磨擦压接已经经受了正火处理的钢管、和短截棒制成的。因此，能够抑制钢管和短截棒之间的接合部分表现出降低的疲劳强度。此外，即使在经受磨擦压接之后，本发明的磨擦压接的构件也可保持表现出的疲劳强度基本上等于在经受磨擦压接之前的适当钢管的疲劳强度。因此，在与短截棒磨擦压接之后不必为了进一步提高强度而对本发明的磨擦压接的构件进行热处理。另外，由于本发明的磨擦压接的构件的疲劳强度基本上等于在经受磨擦压接之前的单个钢管的疲劳强度，因此能够保证本发明的磨擦压接的构件的品质与合适钢管的品质一样好，表现出经受磨擦压接之前的强度。

在本发明的磨擦压接的构件中，已经经受了正火处理的钢管可优选具有主要成分为珠光体的金属组织。由于珠光体组织表现出相对好的淬透性，因此珠光体组织可降低本发明磨擦压接的构件中钢管和短截棒之间的接合部分附近出现的残余拉应力。注意：措辞“主要成分为珠光体的金属组织”此处表示：在以放大倍数×400拍摄的正火钢管的金属组织的金属显微照片中，珠光体占金属显微照片的总面积的50～100％、优选80～98％、更优选90～98％，其余的为除珠光体以外的金属组织。

在本发明的磨擦压接的构件中，钢管可优选包含钢合金。包含高强度钢合金的钢管可使得得到的本发明磨擦压接的构件的重量更轻。更具体而言，建议钢管可优选包含：0.3～0.5质量％的碳(C)、0.01～0.5质量％的硅(Si)、0.5～2质量％的锰(Mn)、和余量的铁(Fe)以及不可避免的杂质。另外，钢管还可优选包含0.34～0.48质量％、更优选0.39～0.46质量％的C；0.10～0.40质量％、更优选0.15～0.35质量％的Si；1.10～1.80质量％、更优选1.30～1.70质量％的Mn；和余量的Fe以及不可避免的杂质。

由于本发明的磨擦压接的构件即使在经受磨擦压接之后也不会表现出降低的疲劳强度，即，本发明的磨擦压接的构件可确保表现出良好的疲劳强度，达到能够确保在经受磨擦压接之前的单个钢管的疲劳强度的程度。因此，能够容易地确保本发明磨擦压接的构件的品质。

此外，本发明的磨擦压接的构件可通过单独使用作为构成元件之一的经受磨擦压接之前的单个钢管确保表现出良好的疲劳强度。因此，不需要为了进一步提高疲劳强度而对本发明的磨擦压接的构件进行热处理。因此，通过简单地磨擦压接钢管和短截棒并随后使所得磨擦压接的构件冷却，能够制成可表现出希望的疲劳强度的磨擦压接的构件。因此，本发明的磨擦压接的构件的制造方法如此简单使得其能够以显著提高的生产率制造本发明的磨擦压接的构件。

附图说明

当结合附图和详细说明考虑时参考以下详细描述能够更好地理解并由此容易地获得对本发明的更全面的了解及其许多优点，所有的这些附图和说明均为本公开的一部分。

图1是用于说明钢管和由其制成的磨擦压接的构件的扭转疲劳特性的概念图：其中(a)表示当使用正火的钢管“P1”时的钢管和由其制成的磨擦压接的构件的扭转疲劳特性；(b)表示当使用退火的钢管“P2”时的钢管和由其制成的磨擦压接的构件的扭转疲劳特性。

图2是用于说明在冷却期间在磨擦压接部分周围的应力变化的说明性图。

图3是用于说明根据本发明的实施例的管轴的部分横截面图。

图4是用于说明适当正火的钢管“P1”和适当退火的钢管“P2”的疲劳试验结果的τ-N线图。

图5是用于说明根据本发明实施例的管轴“1a”的疲劳试验结果的τ-N线图。

图6是用于说明根据对比例的管轴“1b”的疲劳试验的结果的τ-N线图。

图7是为比较而同时包括根据本发明实施例的管轴“1a”和根据对比例的管轴“1b”的疲劳试验结果的τ-N线图。

具体实施方式

虽然概括地描述了本发明，但是，参照这里出于举例说明而不是限制所附的权利要求的范围的目的而提供的具体优选实施方案，可以进一步理解本发明。

虽然分别由相同材料制成并成形为相同形状的钢管未表现出基于热处理的任何疲劳特性的变化，但是本发明的发明人发现，当磨擦压接钢管和短截棒以制成磨擦压接的构件时，得到的磨擦压接的构件基于对钢管的热处理或预处理而表现出疲劳特性的变化。例如，图1(a)显示了用于说明由经受作为预处理中的一种的正火处理的钢管“P1”表现出的扭转疲劳特性(由实线表示)和由利用该正火的钢管“P1”制成的磨擦压接的构件“A”表现出的扭转疲劳特性(由虚线表示)之间的比较的概念图。另一方面，图1(b)表示用于说明由经受作为预处理中的另一种的退火处理的钢管“P2”表现出的扭转疲劳特性(由实线表示)和由利用该退火的钢管“P2”制成的磨擦压接的构件“B”表现出的扭转疲劳特性(由虚线表示)之间的比较的概念图。

如从图1(a)可以看出的，使用正火处理的钢管“P1”的磨擦压接的构件“A”表现出的疲劳特性与经受磨擦压接之前的单个钢管表现出的疲劳特性基本上一致。换句话说，即使在经受磨擦压接之后，得到的磨擦压接的构件“A”也未表现出疲劳特性的任何变化。但是，相反地，如从图1(b)可以看出的，使用退火处理的钢管“P2”的磨擦压接的构件“B”表现出的疲劳特性与经受磨擦压接之前的单个钢管表现出的疲劳特性不同。具体而言，当经受磨擦压接时，得到的磨擦压接的构件“B”表现出劣化的疲劳特性。

认为上述现象源于如下事实：由于在根据本发明的磨擦压接的构件“A”中使用的正火处理的钢管“P1”和在根据对比例的磨擦压接的构件“B”中使用的退火处理的钢管“P2”因经受的热处理温度不同从而具有不同的金属组织。

当磨擦压接钢管和短截棒时，它们之间的接合部分和与接合部分相邻的受热影响的部分(以下统一简称为“接合部”)具有由于磨擦压接期间产生的热而暂时转变成奥氏体结构的金属组织。然后，没有经受磨擦压接的一般部分夺取所得奥氏体结构的热，使得奥氏体结构迅速冷却以最终转变成马氏体结构或珠光体组织。具体地，接合部随着其冷却发生体积收缩，然后，当冷却进一步进行到引发马氏体转变时，接合部随着马氏体转变的进行而发生体积膨胀。在这种情况下，由于接合部体积的收缩，管的邻近接合部的一般部分中出现压缩应力。此外，由于接合部体积膨胀，管的邻近接合部的一般部分中出现拉应力。由此产生的压缩应力和拉应力的总应力转变成残余应力，从而残留在得到的磨擦压接的构件的钢管的邻近接合部的一般部分中。

图2在概念上示出在冷却期间在接合部中出现的应力随时间的变化。在图2中，实线表示使用正火处理的钢管“P1”制成的根据本发明的磨擦压接的构件中出现的应力随时间的变化。另一方面，虚线表示使用退火处理的钢管“P2”制成的常规磨擦压接的构件中出现的应力随时间的变化。注意：纵轴表示应力，拉应力在正轴侧绘图，压缩应力在负轴侧绘图。由于钢管“P1”已经经受了正火处理，因此它整体具有主要成分为珠光体组织的金属组织，在所述正火处理中一旦完全转变成奥氏体单相的预处理之后是空气冷却。因此，虽然接合部由于磨擦压接中产生的热再次转变成奥氏体结构，但接合部受到冷却使得它经受源自冷却的体积收缩，直到出现马氏体转变的时间t₂。因此，在开始冷却和时间t₂之间的时间间隔中，在正火处理的钢管“P1”的邻近接合部的一般部分中出现压缩应力σ₁。随后，由于接合部经受体积膨胀直到马氏体转变完成的时间t₄，因此，随着马氏体转变的进行，在一般部分中出现拉应力以抵消其中的压缩应力σ₁，使得在接合部中残留拉应力σ₄。然后，一直到接合部冷却至室温的时间t₅，接合部经受体积收缩以减小拉应力σ₄，使得最终在接合部中残留拉应力σ₅。

另一方面，在图2中用虚线表示的常规磨擦压接的构件使用在低于A₁线(即，723℃下的共析线)的预定温度下退火处理的钢管“P2”。因此，退火处理的钢管“P2”的金属组织转变成富含球状渗碳体的软化的金属组织。通常，与珠光体组织相比，球状渗碳体结构在加热时表现出较慢的渗碳体固溶速率。因此，如在磨擦压接期间那样，球状渗碳体结构在短时期加热时趋于表现出较低的淬透性。结果，在磨擦压接之后在冷却期间的时刻t₁时，在接合部和一般部分之间的边界处易于发生珠光体转变。当比较奥氏体结构和珠光体组织时，珠光体组织的热收缩比奥氏体结构的热收缩小。因此，在退火处理的钢管“P2”的一般部分中出现压缩应力σ₂直至出现马氏体转变的时间t₃，并且，压缩应力σ₂的绝对值比利用正火处理的钢管“P1”制成的根据本发明的磨擦压接的构件中出现的压缩应力的绝对值小。然后，如图2所示，以与根据本发明的磨擦压接的构件经受的体积膨胀和体积收缩相同的方式，除了所述边界以外的接合部经历源自马氏体转变进行的体积膨胀，然后经受源自冷却到室温的体积收缩。因此，当利用退火处理的钢管“P2”制成的常规磨擦压接的构件冷却到室温时，在一般部分中残留的拉应力比在利用正火处理的钢管“P1”制成的根据本发明的磨擦压接的构件的一般部分中残留的拉应力大。具体地，由于因珠光体转变导致的降低的压缩量而被加大的较大的拉应力σ₆残留在常规的磨擦压接的构件的接合部中，并且比残留在根据本发明的磨擦压接的构件的接合部中的拉应力σ₅大(即，σ₆＞σ₅)。众所周知，残余拉应力越小疲劳强度越高，因此，根据上述机理出现较大的残余拉应力的一般部分是表现出最低疲劳强度的部分。因此，使用正火处理的钢管“P1”不仅使得能够制造与使用退火处理的钢管“P2”相比具有更高疲劳强度的磨擦压接的构件，而且，由于正火处理的钢管“P1”具有较小的残余应力，因此还使得能够制造疲劳强度基本上等于经受磨擦压接之前的单个钢管的疲劳强度的磨擦压接的构件。

作为用于制成根据本发明的磨擦压接的构件的钢管的原材料，优选将由低碳钢、中碳钢和高碳钢制成的结构钢管或由合金钢制成的结构钢管切割为预定的长度以备使用。至于前者由低碳钢、中碳钢和高碳钢制成的结构钢管，能够提及的是由根据日本工业标准(以下简写为“JIS”)的S30C到S50C制成的那些、和由根据JIS的STKM11到STKM17制成的那些。至于后者由合金钢制成的结构钢管，能够提及的是由诸如根据JIS的SMn433到SMn443、SMnC443、SCr430到SCr445和SCM430到SCM445的合金钢制成的那些。此外，至于制成后者结构钢管的合金钢，能够进一步向上述合金钢中添加质量比为5～30ppm的B、和量为0.01～0.03质量％的Ti以备使用。另外，虽然不具体限制用于制成根据本发明的磨擦压接的构件的短截棒的原材料，但优选使用组成与上述结构钢管的组成相同的条钢。

注意，作为上述合金钢的例子的SMn438可被限定为具有以下组成。即，根据JIS，SMn438包含0.40～0.46质量％的C、0.15～0.35质量％的Si、1.35～1.65质量％的Mn、和余量的Fe以及不可避免的杂质。

如上所述，用于制成根据本发明的磨擦压接的构件的钢管包括正火处理的钢管。例如，为了使得得到的正火处理的钢管在制成单个钢管时没有应变并且没有源于其的残余应力，钢管可优选经受正火处理，在该正火处理中，经受磨擦压接之前的单个钢管加热到奥氏体区域(即，A3线或更高，例如，在850～950℃的温度下)并在该奥氏体区域中保持1～30分钟，然后在空气中冷却。进一步优选将经受磨擦压接之前的单个钢管加热到850～950℃、更优选880～940℃、还更优选910～935℃的温度，并在该温度下保持1～30分钟、优选4～26分钟、更优选8～22分钟。正火处理的钢管可优选整体上具有主要成分为珠光体的金属组织。但是，只要不影响所得的正火处理的钢管的淬透性和机械加工性，金属组织还可包含甚至少许的铁素体组织或贝氏体组织。

实施例

以下参照具体的实施例和对比例更详细地描述根据本发明的磨擦压接的构件。

(磨擦压接的构件)

图3示出作为根据本发明的一个实施例的磨擦压接的构件的管轴。

如图3所示，管轴1包括钢管2、成对的短截棒3、3和成对的磨擦压接部分4、4。以以下方式制造管轴1。将钢管2切割为预定长度。将短截棒3、3机械加工为预定尺寸，然后磨擦压接到管2的相反末端以制成磨擦压接部分4、4。注意：得到的管轴1在相反末端上具有成对的花键5、5。花键5、5设置为用于将恒速万向接头连接到所得的管轴1，并通过轧制进行加工。

管轴1的钢管2由作为用于结构钢管的合金钢的根据JIS的SMn438制成。具体地，JIS SMn438合金钢包含0.41质量％的C、0.2质量％的Si、1.55质量％的Mn、和余量的Fe以及不可避免的杂质。此外，钢管2车削成外径为40mm、厚度为4mm的正火处理的钢管“P1”。得到的正火处理的钢管“P1”表现出以下的力学性能：

拉强度为840MPa；

屈服强度为540MPa；和，

当用切出的JIS#12试样进行测试时，纵向的伸长率为20％。

另外，钢管2在如下条件下经受正火处理：将原料钢管2加热到920℃并保温10分钟，然后空气冷却到室温。

另一方面，通过车削由与上述的用于结构钢管的JIS SMn438合金钢相同的材料制成的条钢料，将短截棒3、3机械加工为图3所示的形状。得到的短截棒3、3分别设置有花键5、5，然后，它们的***层经受感应加热淬火处理，然后是回火处理。

(磨擦压接方法)

使用自动磨擦压接机，在下述条件下将正火处理的钢管“P1”和短截棒3、3磨擦压接在一起。由此，制成根据本发明实施例的管轴“1a”。

正火处理的钢管“P1”和短截棒3、3经受如下的磨擦加热步骤：它们通过以1800转/分钟的磨擦速度旋转而被磨擦加热，然后，用23kN的磨擦推力使其相互接触，磨擦挤压接触时间为8秒。然后，正火处理的钢管“P1”和短截棒3、3经受这样的镦锻步骤，使得它们通过45kN的镦锻推力以4mm的干扰容限(interference allowance)相互接触。在完成镦锻步骤之后，使正火处理的钢管“P1”和短截棒3、3冷却。

对比例

除了将由根据JIS的SMn40制成的退火处理的钢管“P2”代替由根据JIS的SMn480制成的正火处理的钢管“P1”用作钢管2以外，以与根据本发明实施例的管轴“1a”相同的方式制成根据对比例的管轴“1b”。

(测试方法)

分别检查正火处理的单个钢管“P1”、退火处理的单个钢管“P2”、根据本发明实施例的管轴“1a”的磨擦压接部分4、4和根据对比例的管轴“1b”的磨擦压接部分4、4的扭转疲劳特性。

在控制施加到试样上的扭矩的同时，按照JIS Z2273，“用于金属材料的疲劳试验的通用规则(General Rule on Fatigue Testing Method forMetallic Material)”进行扭转疲劳试验。注意：主要的测试条件如下所述：

应力比为-1；和

重复周期为1～3Hz。

(试验结果)

图4～7示出扭转疲劳试验的结果。

图4示出表示正火处理的单个钢管“P1”和退火处理的单个钢管“P2”的疲劳试验结果的τ-N线图。注意：纵轴表示施加到正火处理的单个钢管“P1”和退火处理的单个钢管“P2”上的剪应力τ，横轴表示正火处理的单个钢管“P1”和退火处理的单个钢管“P2”断裂时的重复数目N(次数)。通过使用下式(1)，由测试扭矩T(kgf·m)和作为试样的正火处理的单个钢管“P1”和退火处理的单个钢管“P2”的外径D₀(mm)和内径D₁(mm)，以kgf/mm²为单位计算剪应力τ，即，在正火处理的单个钢管“P1”和退火处理的单个钢管“P2”的***表面处产生的剪应力。

式(1)：

τ＝{16D₀T/π(D₀ ⁴-D₁ ⁴)}×100

在图4中，实心圆●表示正火处理的单个钢管“P1”的试验结果，实心正方形■表示退火处理的单个钢管“P2”的试验结果。从图4可以看出，正火处理的单个钢管“P1”和退火处理的单个钢管“P2”表现出不依赖于它们经受的热处理的基本上相同的疲劳特性。

图5示出表示根据本发明实施例的管轴“1a”的疲劳试验结果的τ-N线图。注意，在图5中，同时示出在图4中示出的正火处理的单个钢管“P1”的疲劳试验结果。在图5中，空心圆○表示根据本发明实施例的管轴“1a”的试验结果，实心圆●表示正火处理的单个钢管“P1”的试验结果。从图5可以明显地看出，管轴“1a”的试验结果在回归线“L1”上与正火处理的单个钢管“P1”的试验结果非常好地一致。换句话说，可以理解，管轴“1a”在通过磨擦压接制成时确实表现出未劣化的疲劳强度，并因此保持了正火处理的单个钢管“P1”所表现出的疲劳强度。

另一方面，图6示出表示根据对比例的管轴“1b”的疲劳试验结果的τ-N线图。注意：在图6中，同时示出在图4中示出的退火处理的单个钢管“P2”的疲劳试验结果。在图6中，空心正方形□表示根据对比例的管轴“1b”的试验结果，实心正方形■表示退火处理的单个钢管“P2”的试验结果。从图6可以明显地看出，管轴“1b”表现出比退火处理的单个钢管“P2”低的疲劳强度；即，通过将短截棒3、3磨擦接压到退火处理的单个钢管“P2”的相反末端制成的管轴“1b”具有磨擦压接部分4、4，在经历磨擦压接加工后所述磨擦压接部分4、4的疲劳强度比退火处理的单个钢管“P2”表现出的疲劳强度低。具体地，例如，在相同的重复数目N(次数)时，管轴“1b”表现出比退火处理的单个钢管“P2”表现出的疲劳强度低约40％的疲劳强度。

此外，图7是同时示出根据本发明实施例的管轴“1a”的疲劳试验结果和根据对比例的管轴“1b”的试验结果的τ-N线图。从图7可以理解，根据本发明实施例的管轴“1a”的疲劳特性优于根据对比例的管轴“1b”的疲劳特性。

工业实用性

因此，磨擦压接的构件适于制成需要表现出预定强度的构件，诸如向车轮传送驱动力以驱动机动车的传动轴或驱动轴、或用于机动车悬挂的下控制臂、上控制臂和扭转杆。

Claims (7)

1.一种磨擦压接的构件，包括：

具有相反末端的钢管；

磨擦压接到所述钢管的相反末端中的至少一个末端的短截棒；和

所述钢管在磨擦压接到所述短截棒之前经受了正火处理。

2.根据权利要求1的磨擦压接的构件，其中，已经经受了正火处理的所述钢管具有主要成分为珠光体的金属组织。

3.根据权利要求1的磨擦压接的构件，其中，所述钢管包含：

0.3～0.5质量％的碳(C)；

0.01～0.5质量％的硅(Si)；

0.5～2质量％的锰(Mn)；和

余量的铁(Fe)以及不可避免的杂质。

4.根据权利要求1的磨擦压接的构件，其中，所述钢管包括选自低碳钢、中碳钢和高碳钢中的至少一种。

5.根据权利要求1的磨擦压接的构件，其中，所述钢管包含合金钢。

6.根据权利要求5的磨擦压接的构件，其中，所述钢管还包含：

以质量计为5～30ppm的硼(B)；和

0.01～0.03质量％的钛(Ti)。

7.根据权利要求1的磨擦压接的构件，其中，所述钢管经受如下的正火处理：将原料钢管加热到850～950℃的温度并在该温度下保持1～30分钟，然后在空气中冷却。

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