JP2007107027A

JP2007107027A - 鋼材及びその製造方法

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Publication number: JP2007107027A
Application number: JP2005296841A
Authority: JP
Inventors: Koki Usui; 好己薄井; Yutaka Sato; 佐藤　　裕
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-10-11
Filing date: 2005-10-11
Publication date: 2007-04-26
Also published as: WO2007043315A1

Abstract

【課題】小寸法のドライブシャフト等を作製した場合においても、優れた強度や靱性等を確保することが可能で、しかも、切削性も良好な鋼材及びその製造方法を提供する。
【解決手段】所定量のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｂを含有し、残部が鉄及び不可避的不純物であり、且つフェライトの占有面積率が３０％以上、Ｈ_RBが８５〜９３である鋼材に対し、高周波焼入れを施す。焼入れが施された後の鋼材の表面は、Ｈ_Vで６５０〜７３０を示す。また、Ｈ_Vで３９２を示す部位に至るまでの表面からの距離を有効硬化層深さｔ、鋼材の半径又は厚さをｒとするとき、硬化層比率ｔ／ｒは０．５以上である。
【選択図】図２

Description

本発明は、鋼材及びその製造方法に関し、一層詳細には、例えば、ドライブシャフトの素材として好適な鋼材及びその製造方法に関する。

自動車の走行機関を構成するドライブシャフトは、鋼材から作製されるのが一般的である。この種の鋼材には、切削加工等を施すことが比較的容易であることが要求される。その一方で、ドライブシャフトとしての耐久性を確保するべく、捩りトルクを付加した際に破断に至るせん断応力が高いこと、換言すれば、捩り強度が大きいことが必要である。このようなドライブシャフトを得るべく、鋼材として、例えば、ＪＩＳ−Ｓ４０Ｃ相当材が選定される。

ところで、近年における環境保護への関心の高まりに伴い、ＣＯ₂やＮＯｘ等の排ガス量を低減するべく、自動車の燃費を向上させることが種々検討されている。この観点から、自動車の構成部材の寸法を小さくすることによって軽量化を図ることが試みられている。

同一鋼材から小寸法のドライブシャフトを作製すると、通常、強度等が低下してしまう。このため、小寸法のドライブシャフトを作製した場合であっても、十分な強度等を確保可能な鋼材が希求されている。

この希求に応えるべく、例えば、特許文献１には、構成元素の組成比、表面硬度、マルテンサイト率、硬化深さ比が所定の数値を満足する鋼材でドライブシャフトを構成することが提案されている。

また、特許文献２には、含有Ｃに対するフェライトの組織面積率、フェライトの結晶粒径が所定値以下である高周波焼入れ用鋼が開示されている。該特許文献２によれば、この高周波焼入れ用鋼は、ドライブシャフトの素材として好適である、とされている。

特開平１０−３６９３７号公報特開２００２−６９５６６号公報

本発明は上記した技術に関連してなされたもので、部材が小寸法であっても該部材が優れた諸特性を示す鋼材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、本発明に係る鋼材は、質量％で、Ｃ：０．４７〜０．５２％、Ｓｉ：０．４５〜０．５５％、Ｍｎ：０．６５〜０．７５％、Ｓ：０．０２５〜０．０３５％、Ｔｉ：０．０２〜０．０３％、Ｃｒ：０．０５〜０．１５％、Ｂ：０．００１〜０．００３％を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物であり、
表面のビッカース硬度が６５０〜７３０であり、
ビッカース硬度で３９２を示す部位に至るまでの表面からの距離を有効硬化層深さｔ、半径又は厚さをｒとするとき、硬化層比率ｔ／ｒが０．５以上であることを特徴とする。

硬度及び硬化層比率をこのように設定することにより、硬度及び強度が確保される。硬度が大きい物質は、概ね強度も大きくなるからである。また、硬度が過度に大きくないので靱性も確保され、脆性破壊を起こし難くなる。

しかも、上記した成分・組成比とすることにより、切削性に優れた鋼材とすることもできる。

この鋼材におけるＮは、質量％で０．０１％以下であることが好ましい。この場合、ＢＮやＴｉＮが生成し難い。従って、焼入れが阻害されることなく進行する一方、硬度が過度に上昇して加工性や切削性が低下することを回避することができる。

さらに、鋼材の粒界強度を向上させるＭｏ、又は脱酸効果を有するＡｌの少なくともいずれか一方が含まれていることが好ましい。Ｍｏ、Ａｌの割合は、それぞれ、０．０４〜０．０９％、０．００２〜０．００４％（質量％）とすればよい。勿論、０．０４〜０．０９％のＭｏと、０．００２〜０．００４％のＡｌが同時に存在していてもよい。

また、本発明は、表面のビッカース硬度が６５０〜７３０、表面からビッカース硬度で３９２を示す部位に至るまでの距離を有効硬化層深さｔ、半径又は厚さをｒとするとき、ｔ／ｒが０．５以上である鋼材の製造方法であって、
質量％で、Ｃ：０．４７〜０．５２％、Ｓｉ：０．４５〜０．５５％、Ｍｎ：０．６５〜０．７５％、Ｓ：０．０２５〜０．０３５％、Ｔｉ：０．０２〜０．０３％、Ｃｒ：０．０５〜０．１５％、Ｂ：０．００１〜０．００３％を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物であり、フェライトの占有面積率が３０％以上、Ｂスケールのロックウェル硬度が８５〜９３である原材料鋼に対し、高周波焼入れを施すことを特徴とする。

すなわち、上記した成分・組成比の原材料鋼に対して高周波焼入れを施すことにより、硬度及び強度に優れ、且つ切削性が良好な鋼材を得ることができる。

このような特性を示す鋼材を使用することにより、小寸法であっても強度に優れる部材を作製することが可能となる。この鋼材は、例えば、ドライブシャフトの素材として好適に採用することができる。

また、上記したように、鋼材の粒界強度を向上させるＭｏ、又は脱酸効果を有するＡｌの少なくともいずれか一方が含まれていることが好ましい。Ｍｏの割合は質量％で０．０４〜０．０９％とすればよく、Ａｌの割合は０．００２〜０．００４％とすればよい。

本発明によれば、成分、組成比、硬度、硬化層比率を設定して鋼材を構成するようにしている。これにより、強度、特に捩り強度に優れ、且つ切削性も良好な鋼材が得られる。

この鋼材は、切削性が良好であり、且つ組成変形能にも富むため、加工を施すことが極めて容易である。このような特性を示す鋼材を使用することにより、小寸法であっても強度に優れる部材を作製することが可能となる。また、靱性に優れるので、加工中に割れが生じ難い。

しかも、この鋼材は捩り強度が高いので、長尺な軸部材、例えば、ドライブシャフトの素材として好適である。

以下、本発明に係る鋼材及びその製造方法につき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、ドライブシャフト１０の長手方向に沿う全体概略側面図である。このドライブシャフト１０は、長尺な中実体であり、図１中に参照符号１２が付された測定部位の直径は、２４ｍｍである。

ここで、ドライブシャフト１０の材質である鋼材は、鉄及び不可避的不純物の他、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｂを含有する。

Ｃは、焼入れ・焼戻し処理を施した後のドライブシャフト１０の強度や硬度等を確保するための成分であり、その組成比は０．４７〜０．５２％（数字は質量％、以下同じ）に設定される。０．４７％未満であると、硬度を確保することが困難となる。また、０．５２％よりも多いと、硬度が過度に上昇するので塑性変形加工や切削加工等を施すことが容易でなくなるとともに、脆性破壊を示すようになるので強度が低下する。特に、冷間加工における変形能が低減する。

Ｓｉは、ドライブシャフト１０の脱酸に有用な元素であり、該ドライブシャフト１０に０．４５〜０．５５％の割合で含まれる。０．４５％未満では脱酸効果に乏しい。一方、０．５５％を超えると、硬度が過度に上昇するので塑性変形加工や切削加工等を施すことが容易でなくなる。特に、冷間加工における変形能が低減する。

Ｍｎは、ドライブシャフト１０の高周波焼入れ性を向上させる。すなわち、Ｍｎが存在することにより、ドライブシャフト１０に対して高周波焼入れを行った場合、焼入れ前に比して硬度が顕著に上昇する。この効果を確実に得るべく、Ｍｎの組成比は、０．６５〜０．７５％に設定される。０．７５％を超えると、硬度が過度に上昇するので塑性変形加工や切削加工等を施すことが容易でなくなる。特に、冷間加工における変形能が低減する。

Ｓは、Ｍｎとともにドライブシャフト１０の組織中でＭｎＳを形成し、これにより該ドライブシャフト１０の切削性を向上させる成分である。Ｓの組成比は、０．０２５〜０．０３５％に設定される。０．０２５％未満では切削性を向上させることが困難であり、０．０３５％を超えると、特に冷間加工時の変形能が低減する。

Ｔｉは、ドライブシャフト１０中の遊離Ｎを捕捉する役割を果たす。このように遊離Ｎが捕捉された場合、後述するＢの添加効果が一層顕著となる。なお、Ｔｉの組成比は、０．０２〜０．０３％に設定される。０．０２％未満では、遊離Ｎを捕捉する効果に乏しい。一方、０．０３％を超えると、Ｔｉが過剰に存在するようになるので、切削性、冷間加工時の変形能が低減する。

Ｃｒは、ドライブシャフト１０の焼入れ性を向上させる成分である。換言すれば、Ｃｒが存在することにより、焼入れを行った後のドライブシャフト１０の硬度が顕著に上昇する。Ｃｒの組成比は、０．０５〜０．１５％に設定される。０．０５％未満では、この効果を得ることが困難となる。一方、０．１５％を超えると、Ｃｒがセメンタイト中に濃縮するので、焼入れ時に炭素が鋼材に固溶することを妨げるようになる。

Ｂは、粒界強度を向上させる成分である。また、ドライブシャフト１０の焼入れ性も向上する。この効果は、Ｎが過剰量存在する場合には低減する。Ｂと余剰のＮとでＢＮが生成するからである。従って、上記したように、所定量のＴｉでＮを捕捉することにより、この効果を確保する。

Ｂの組成比は、０．００１〜０．００３％（１０〜３０ｐｐｍ）に設定される。１０ｐｐｍ未満であると、粒界強度を向上させる効果に乏しい。また、３０ｐｐｍを超えると、焼入れ性を低下させる。

ここで、遊離Ｎがドライブシャフト１０中に過剰に存在すると、上記したようにＢと結合してＢＮが生成し、その結果、焼入れ性等が低下する。また、Ｔｉと結合してＴｉＮが生成した場合、硬度が過度に上昇して加工を施すことが困難となるとともに、靱性が低下する。このような事態を回避するべく、本実施の形態においては、ドライブシャフト１０中に存在するＮの組成比が０．０１％以下に設定される。

ドライブシャフト１０には、さらに、Ｍｏ、Ａｌが含まれていてもよい。

Ｍｏは、ドライブシャフト１０の焼入れ後の粒界強度を向上させ、特に捩り強度を向上させるのに有用な元素である。Ｍｏの組成比は、０．０４〜０．０９％に設定される。０．０４％未満では、粒界強度を向上させることが困難である。また、０．０９％を超えると、硬度が過度に上昇するので塑性変形加工や切削加工等を施すことが容易でなくなる。特に、冷間加工時の変形能が低減する。

Ａｌは、Ｓｉと同様に脱酸に寄与する成分である。Ａｌの組成比が０．００２％未満では、脱酸効果が乏しい。また、Ａｌが過剰に存在すると、Ａｌ₂Ｏ₃等の酸化物系不純物が増加し、その結果、疲労特性、塑性変形加工時の変形能が低下する。このため、Ａｌの上限は、０．００４％に設定される。

また、ドライブシャフト１０の組織を観察した場合、該組織中に存在するフェライトの占有面積率は、３０％以上である。すなわち、全視野の面積を１００％とした場合、フェライトは３０％以上を占める。フェライトがこのような割合で存在することにより、焼入れ後のドライブシャフト１０が優れた靱性を示す。

さらに、ドライブシャフト１０の表面の硬度は、Ｂスケールのロックウェル硬度（Ｈ_RB）で表すとき、８５〜９３である。表面の硬度をこの範囲に設定することにより、焼入れ・焼戻し処理後のドライブシャフト１０の強度が確保される。

このドライブシャフト１０は、例えば、上記の成分・組成比の鋼材からなる円柱体形状ワークに対し、旋削加工や転造加工等が施されることによって作製される。

次に、このドライブシャフト１０に対し、焼入れ・焼戻し処理が施される。

本実施の形態において、焼入れとしては、高周波によって加熱が行われる高周波焼入れ法が採用される。すなわち、先ず、ドライブシャフト１０の表面が高周波誘導電流によって急激に加熱され、その後、該表面に対して冷却液が噴射されることによって急冷が行われる。なお、焼入れ条件は、例えば、誘導電流の周波数及び出力を概ね１〜４０ｋＨｚ、５０〜１００ｋＷ程度とした場合、加熱時間を１〜５秒とすればよい。

次に、１００℃〜Ａ１点直下までの温度範囲内で、ドライブシャフト１０に対して焼戻し処理を行う。これにより、ドライブシャフト１０から残留応力が除去されるとともに、該ドライブシャフト１０に経年変化が生じたり割れが発生したりすることが抑制されるようになる。

以上のようにして焼入れ・焼戻し処理が施されたドライブシャフト１０の表面のビッカース硬度（Ｈ_V）は、６５０〜７３０である。硬度が高い鋼材は概して強度も高く、また、この程度の硬度であれば、靱性が不十分となることもない。

また、該ドライブシャフト１０では、半径方向、すなわち、表面から内部になるに従って、図２に示すように、硬度が低下する。本実施の形態においては、このようにドライブシャフト１０の硬度を表面側から測定し、Ｈ_Vで３９２を示す部位までの距離（深さ）を有効硬化層深さｔとする。なお、上記したように測定部位１２の直径は２４ｍｍであるから、図２のグラフの横軸における１２ｍｍは、測定部位１２における半径方向の中心を表す。

ドライブシャフト１０の半径をｒとするとき、有効硬化層深さｔと半径ｒの比である硬化層比率ｔ／ｒは、０．５以上である。０．５未満の場合、有効硬化層の厚みが十分ではなく、このため、ドライブシャフト１０の捩り強度が小さくなる。

すなわち、表面のＨ_Vを６５０〜７３０、硬化層比率ｔ／ｒを０．５以上とすることにより、強度及び靱性に優れるドライブシャフト１０が得られる。

なお、上記した実施の形態では、鋼材としてドライブシャフト１０を例示して説明したが、最終製品は特にこれに限定されず、その他のもの、例えば、等速ジョイントを構成するアウタ部材であってもよい。

Ｃを０．４８％、Ｓｉを０．５０％、Ｍｎを０．７２％、Ｓを０．０２９％、Ｃｒを０．０８％、Ｂを２０ｐｐｍ、さらに、Ｎｉを０．０１％、Ｐを０．００６％、Ｃｕを０．０２％、Ｏを１１ｐｐｍ、Ｎを３５ｐｐｍ含有する鋼材のインゴットを作製した。次に、このインゴットに対して熱間鍛造加工、高周波焼入れを行って直径１８．５ｍｍの円柱体形状ワークを１５本作製した。このドライブシャフト１０に対して様々な条件下で高周波焼入れ・焼戻し処理を施し、有効硬化層深さｔ及び硬化層比率ｔ／ｒを種々変化させた。その後、各円柱体形状ワークのせん断応力を測定した。結果を図３に併せて示す。せん断強度の数値が大きいことは、静捩り強度が大きいことを意味する。

なお、図４は、硬化層比率ｔ／ｒとせん断応力との関係（平均値）を示すグラフである。比較のため、同寸法のＳ４０Ｃにおけるｔ／ｒとせん断応力との関係も示した。

図３及び図４から、硬化層比率ｔ／ｒを大きくし、且つ各成分を所定の組成比とすることによって、せん断応力が大きな円柱体形状ワークを構成できることが明らかである。

このような特性を示すワークは、ドライブシャフト１０の原材料として好適である。

本実施の形態に係る鋼材からなるドライブシャフトの長手方向に沿う全体概略側面図である。図１のドライブシャフトにおける表面からの距離と硬度との関係を示すグラフである。各円柱体形状ワークにおける有効硬化層深さｔ、硬化層比率ｔ／ｒ、せん断応力を示す図表である。円柱体形状ワーク及びＳ４０Ｃ製円柱体形状ワークにおける硬化層比率ｒ／ｔと、せん断応力との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０…ドライブシャフト

Claims

質量％で、Ｃ：０．４７〜０．５２％、Ｓｉ：０．４５〜０．５５％、Ｍｎ：０．６５〜０．７５％、Ｓ：０．０２５〜０．０３５％、Ｔｉ：０．０２〜０．０３％、Ｃｒ：０．０５〜０．１５％、Ｂ：０．００１〜０．００３％を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物であり、
表面のビッカース硬度が６５０〜７３０であり、
ビッカース硬度で３９２を示す部位に至るまでの表面からの距離を有効硬化層深さｔ、半径をｒとするとき、硬化層比率ｔ／ｒが０．５以上であることを特徴とする鋼材。
請求項１記載の鋼材において、Ｎが質量％で０．０１％以下であることを特徴とする鋼材。
請求項１又は２記載の鋼材において、質量％で、Ｍｏ：０．０４〜０．０９％、Ａｌ：０．００２〜０．００４％の少なくともいずれか一方をさらに含有することを特徴とする鋼材。
表面のビッカース硬度が６５０〜７３０、表面からビッカース硬度で３９２を示す部位に至るまでの距離を有効硬化層深さｔ、半径又は厚さをｒとするとき、ｔ／ｒが０．５以上である鋼材の製造方法であって、
質量％で、Ｃ：０．４７〜０．５２％、Ｓｉ：０．４５〜０．５５％、Ｍｎ：０．６５〜０．７５％、Ｓ：０．０２５〜０．０３５％、Ｔｉ：０．０２〜０．０３％、Ｃｒ：０．０５〜０．１５％、Ｂ：０．００１〜０．００３％を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物であり、フェライトの占有面積率が３０％以上、Ｂスケールのロックウェル硬度が８５〜９３である原材料鋼に対し、高周波焼入れを施すことを特徴とする鋼材の製造方法。
請求項４記載の製造方法において、前記原材料鋼として、質量％でＭｏ：０．０４〜０．０９％、Ａｌ：０．００２〜０．００４％をさらに含有するものを使用することを特徴とする鋼材の製造方法。