JPWO2008123363A1 - 一体成形型ドライブシャフト用冷間仕上継目無鋼管およびそれを用いたドライブシャフト、並びにその冷間仕上継目無鋼管の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、外面側については、仮に疲労強度に問題を生じる程度の疵があった場合においても、外面検査が容易なため、対応が容易である。
内径縮径率={(ID−IDf)/ID}×100(%) ・・・ (3)
ただし、Ti、NおよびBを含有量%とし、N−14×Ti/47.9≧0の場合に
Beff=B−10.8×(N−14×Ti/47.9)/14 ・・・(1a)
同様に、N−14×Ti/47.9<0の場合に
Beff=B ・・・(1b)
ただし、(2)式において、D:定径圧延後の管外径(mm)、t:定径圧延後の管肉
厚(mm)およびln(x):xの自然対数とし、
βmin≧1.13×10×ln(t/D×l00)+1.37×102・・・(2)
(a)Cu:1%以下、Ni:1%以下およびMo:1%以下のうちから選ばれた1種または2種以上
(b)V:0.1%以下、Nb:0.1%以下およびZr:0.1%以下のうちから選ばれた1種または2種以上
(c)Ca:0.01%以下、Mg:0.01%以下および希土類元素(REM):0.01%以下のうちから選ばれた1種または2種以上
図2は、継目無鋼管の縮径加工における内面しわの初期深さと内径縮径率との関係を示す図である。
図3は、一体成形型ドライブシャフトの構成を例示する図であり、左半分の構成は外観構成を示し、右半分は断面構成を示している。
図4は、一体成形型ドライブシャフトの両端に設けられた縮径部の疲労特性を評価するためにスプライン加工部を模擬した試験片の概略形態を示す図である。
図6は、本発明に用いる孔型圧延ロールを規定するためにエッジ部に引いた接線の成す角度の算出要領を説明する図である。
図7は、ストレッチレデューサに用いられる他の圧延ロールにおける部分的な孔型プロフィールを示す図である。
図8は、実施例2で用いた捩り疲労試験に供した試験片のスプライン加工形状を示す断面図である。
C:0.30〜0.38%
Cは、鋼の強度を増加し耐疲労強度を向上させる元素であるが、靭性を低下させ、焼き割れ感受性を高める作用がある。その含有量が0.30%未満であると、十分な強度が得られない。一方、含有量が0.38%を超えると、冷間加工性および靭性を低下させるとともに、需要家の工程である高周波焼入れ段階で焼き割れが生じるおそれがある。
Siは、脱酸剤として必要な元素である。しかし、その含有量が0.5%を超えると冷間加工性が確保できないので、0.5%以下とした。Si含有量は少なくなればなるほど、冷間加工性が向上する。したがって、より過酷な冷間加工にも対応できるように、Si含有量は0.22%以下にするのが望ましく、さらに大きな加工を受ける場合には、0.14%以下にするのがより望ましい。
Mnは、熱処理時の焼入れ性を確保し、強度と靱性を改善するのに有効な元素である。その効果を発揮し全肉厚に亘り内面まで十分に硬化させるには、Mn含有量を0.3%以上にする必要である。一方、Mnを2.0%超えて含有させると、冷間加工性が低下する。このため、Mn含有量は0.3〜2.0%とした。また、良好なバランスで焼入れ性および冷間加工性を確保するには、Mn含有量は1.1〜1.7%とするのが望ましく、さらに1.2〜1.4%にするのがより望ましい。
Pは、鋼中に不純物として含まれ、凝固時に最終凝固位置近傍に濃化し、かつ粒界に偏析して熱間加工性、靱性および疲労強度を低下させる。P含有量が0.025%を超えると、粒界偏析による靭性低下が顕著となり、粒界破壊を誘起して捩り疲労強度を不安定にする。駆動軸の靭性および疲労強度を高水準で維持するには、望ましいP含有量は0.009%以下である。
Sは、鋼中に不純物として含まれ、凝固時に粒界に偏析し、熱間加工性および靱性を低下させるとともに、シームレス鋼管を中空軸素材として採用するとき、特に冷間加工性および捩り疲労強度を低下させる。このため、ドライブシャフトの中空軸素材に用いられるシームレス鋼管として必要な冷間加工性および熱処理後の捩り疲労強度を確保するには、S含有量は0.005%以下にする必要がある。
Crは、冷間加工性をあまり低下させずに疲労強度を高める元素であり、Bと同様に焼入れ性の向上にも有効な元素である。したがって、Cr含有量は、所定の疲労強度を確保するため、0.15%以上とする。一方、Crは1.0%を超えて含有すると、冷間加工性の低下が顕著となる。このため、Cr含有量は0.15〜1.0%とした。
さらに、良好なバランスで疲労強度、冷間加工性および焼入れ性を確保するには、Cr含有量は0.2〜0.8%にするのが望ましく、0.3〜0.6%とするのがより望ましい。
Alは、脱酸剤として作用する元素である。脱酸剤としての効果を得るためには、0.001%以上の含有が必要であるが、その含有量が0.05%を超えると、アルミナ系介在物が増加し疲労強度が低下するとともに、切削面の表面性状を低下させる。このため、Al含有量は0.001〜0.05%とした。さらに、安定した表面品質を確保するには、Al含有量は0.001〜0.03%とするのが望ましい。
Tiは、鋼中のNをTiNとして固定する作用を有している。しかし、Ti含有量が0.005%未満では、Nを固定する能力が十分に発揮されず、一方、0.05%を超えると、鋼の冷間加工性および靱性が低下する。このため、Ti含有量は0.005〜0.05%とする。
Nは、靱性を低下させる元素であり、鋼中でBと結合し易い。N含有量が0.02%を超えると、冷間加工性および靱性が著しく低下するので、その含有量は0.02%以下とした。冷間加工性および靱性を向上させる観点からは、0.01%以下が好ましく、0.007%以下がより好ましい。
Bは、焼入れ性を向上させる元素である。その含有量が0.0005%未満では、焼入れ性が不足し、一方、0.01%を超えて含有すると、冷間加工性および靱性が低下する。そのため、B含有量は0.0005〜0.01%とした。
さらに、Bが焼入れ性を向上させる前提として、下記(1a)または(1b)式で規定するBeffが0.0001以上を満足する必要がある。
Beff=B−10.8×(N−14×Ti/47.9)/14 ・・・(1a)
同様に、N−14×Ti/47.9<0の場合に
Beff=B ・・・(1b)
Oは、靭性および疲労強度を低下させる不純物である。O含有量が0.0050%を超えると、靭性および疲労強度が著しく低下するので、0.0050%以下と規定した。
Cu、NiおよびMoは、いずれも焼入れ性を向上させて鋼の強度を高め、疲労強度の向上に有効な元素である。これらの効果を得たい場合には、いずれかを1種または2種以上を含有させることができる。前記の効果を得るためには、Cu、NiおよびMoのいずれの元素の場合も、0.05%以上含有させることが望ましい。しかし、その含有量が1%を超えると、冷間加工性が著しく低下する。このため、含有させる場合には、Ni、MoおよびCu、いずれの場合も1%を上限とする。
V、NbおよびZrは、いずれも炭化物を形成し、結晶粒粗大化の防止により靱性を向上させるのに有効な元素である。したがって、鋼の靱性を向上させる場合に、いずれか1種または2種以上を含有させることができる。前記の効果を得るためには、V、NbおよびZrのいずれの元素の場合も、0.005%以上含有させることが望ましい。しかし、いずれも0.1%を超える含有になると、粗大な析出物が生成し、かえって靱性を低下させる。このため、含有させる場合には、V、NbおよびZrの含有量は、0.1%を上限とした。
Ca、MgおよびREMは、冷間加工性および捩り疲労強度の向上に寄与する元素である。これらの効果を得たい場合に、いずれか1種または2種を含有させることができる。Ca、MgおよびREMのいずれの元素も、0.0005%以上の含有で顕著な効果が得られる。しかし、いずれも0.01%を超える含有になると、粗大な介在物が生成し、かえって疲労強度を低下させる。このため、含有させる場合には、Ca、MgおよびREMの含有量は、いずれも0.0005〜0.01%とするのが望ましい。
2−1.熱間工程での製造条件
本発明の一体成形型ドライブシャフト用冷間仕上鋼管の製造方法の一例として、前記図1に示すように、マンドレルミルおよびストレッチレデューサを用いたマンネスマン製管法を挙げることができる。このとき、ストレッチレデューサでの定径圧延において、圧延される管内面の真円度を適切に向上させ、圧延過程での内面形状の多角化を抑え、内面しわの発生および進展を有効に抑制することができる。
βmin≧1.13×10×ln(t/D×l00)+1.37×102・・・(2)
前述の通り、ストレッチレデューサによる定径圧延された素管は、外径絞り圧延にともなって2〜4方向から圧延ロールによる圧下を受けることから、圧延ロールのエッジ部相当位置で内面しわを発生したり、角張りを生ずることがある。特に、上記(2)式を満足する孔型圧延ロールを用いない場合には、内面しわや角張りの発生が顕著になる。
一体成形型ドライブシャフトの概略形状は、前記図3に示すとおりである。一体成形型ドライブシャフトの製作は、本発明の製管方法に基づき冷間仕上継目無鋼管を作製し、そのうち鋼管内面の最大しわ深さを抑制した鋼管の両端部にスウェージ加工等により、縮径部を設けて厚肉化の加工を行う。縮径加工における内径縮径率は、少なくとも30%以上とする。内径縮径率が30%未満では、管端部において十分な捩り剛性を確保することができない。
また、図2に示すように、内径縮径率が30%未満では、縮径加工に伴なう管内面のしわ深さの増加が顕著とはならないので、冷間仕上の状態で内面しわ深さが0.1mm以下であることが必ずしも要求されない。このため、本願発明の一体成形型ドライブシャフトは、縮径加工部の少なくとも一部が内径縮径率30%以上であるものとする。
実施例では、表1に示す化学組成を有するビレットを用いた。そして、表2の熱間製管の欄に示すように、通常のマンネスマン−マンドレルミル仕上げによる穿孔圧延により、3ロール式ストレッチレデューサの孔型形状(孔型圧延ロールの最小フランジ接触角βmin)を変化させ、外径45.0mm、肉厚7.0〜7.4mmの冷間抽伸用の素管を製造した。
断面減少率={(A−Af)/A}×100(%) ・・・ (4)
肉厚加工度={(T−Tf)/T}×100(%) ・・・ (5)
実施例1で縮径加工された供試材A〜Iを用い、ねじり疲労試験を実施した。縮径加工が施された供試材は、前記図4に示すように、試験片の長手中央部を冷間抽伸後の外径から3.5mm切削し(肉厚を1.75mm減肉し)、150mmの長さの平行部を形成し、この部分に切削加工でスプラインを形成、一体成形型ドライブシャフトのスプライン加工部を模擬するための試験片とした。
Claims (7)
- 質量%で、C:0.30〜0.38%、Si:0.50%以下、Mn:0.30〜2.00%、P:0.025%以下、S:0.005%以下、Cr:0.15〜1.0%、Al:0.001〜0.05%、Ti:0.005〜0.05%、N:0.02%以下、B:0.0005〜0.01%およびO(酸素):0.0050%以下を含み、残部がFeおよび不純物であり、
下記(1a)または(1b)式で定義されるBeffが0.0001%以上を満足する化学組成からなり、
長手方向に垂直な断面における内表面に残存する内面しわの最大深さが0.10mm以下であることを特徴とする一体成形型ドライブシャフト用冷間仕上継目無鋼管。
ただし、Ti、NおよびBを含有量%とし、N−14×Ti/47.9≧0の場合に
Beff=B−10.8×(N−14×Ti/47.9)/14 ・・・(1a)
同様に、N−14×Ti/47.9<0の場合に
Beff=B ・・・(1b) - Feの一部に代えて、さらに下記の(a)〜(c)の群のうちから選ばれた1群または2群以上の元素を含有する請求項1に記載の一体成形型ドライブシャフト用冷間仕上継目無鋼管。
(a)Cu:1%以下、Ni:1%以下およびMo:1%以下のうちから選ばれた1種または2種以上
(b)V:0.1%以下、Nb:0.1%以下およびZr:0.1%以下のうちから選ばれた1種または2種以上
(c)Ca:0.01%以下、Mg:0.01%以下および希土類元素(REM):0.01%以下のうちから選ばれた1種または2種以上 - 継目無鋼管に縮径部を設ける縮径加工を施して一体成形されたドライブシャフトであって、
質量%で、C:0.30〜0.38%、Si:0.50%以下、Mn:0.30〜2.00%、P:0.025%以下、S:0.005%以下、Cr:0.15〜1.0%、Al:0.001〜0.05%、Ti:0.005〜0.05%、N:0.02%以下、B:0.0005〜0.01%およびO(酸素):0.0050%以下を含み、残部がFeおよび不純物であり、
下記(1a)または(1b)式で定義されるBeffが0.0001%以上を満足する化学組成からなり、
前記縮径加工の際に、縮径部の少なくとも一部の加工度が内径縮径率で30%以上であり、前記縮径部の長手方向に垂直な断面における内表面に残存する内面の最大しわ深さが0.20mm以下であることを特徴とするドライブシャフト。
ただし、Ti、NおよびBを含有量%とし、N−14×Ti/47.9≧0の場合に
Beff=B−10.8×(N−14×Ti/47.9)/14 ・・・(1a)
同様に、N−14×Ti/47.9<0の場合に
Beff=B ・・・(1b) - Feの一部に代えて、さらに下記の(a)〜(c)の群のうちから選ばれた1群または2群以上の元素を含有する請求項3に記載のドライブシャフト。
(a)Cu:1%以下、Ni:1%以下およびMo:1%以下のうちから選ばれた1種または2種以上
(b)V:0.1%以下、Nb:0.1%以下およびZr:0.1%以下のうちから選ばれた1種または2種以上
(c)Ca:0.01%以下、Mg:0.01%以下および希土類元素(REM):0.01%以下のうちから選ばれた1種または2種以上 - 質量%で、C:0.30〜0.38%、Si:0.50%以下、Mn:0.30〜2.00%、P:0.025%以下、S:0.005%以下、Cr:0.15〜1.0%、Al:0.001〜0.05%、Ti:0.005〜0.05%、N:0.02%以下、B:0.0005〜0.01%およびO(酸素):0.0050%以下を含み、残部がFeおよび不純物であり、かつ下記(1a)または(1b)式で定義されるBeffが0.0001%以上を満足する化学組成からなるビレットを用いた冷間仕上継目無鋼管の製造方法であって、
前記ビレットを用いてマンネスマン製管法による穿孔圧延に次いで延伸圧延したのち、
少なくとも2個の孔型圧延ロールを備えた複数のスタンドからなる定径圧延装置を用いて定径圧延する際に、前記各スタンドにおいて互いに隣接する孔型圧延ロールの対向するエッジ部に接線を引き、それぞれの接線の成す角度β(度)のうち全スタンドで最小の角度をβmin(度)とした場合に、下記(2)式の関係を満足する孔型圧延ロールを用いて素管を圧延し、
さらに前記素管を冷間抽伸する際に、当該素管の最小肉厚部におけるに肉厚加工度を10%以上とすることを特徴とする一体成形型ドライブシャフト用冷間仕上継目無鋼管の製造方法。
ただし、(1a)および(1b)式において、Ti、NおよびBを含有量%とし、
N−14×Ti/47.9≧0の場合に
Beff=B−10.8×(N−14×Ti/47.9)/14 ・・・(1a)
同様に、N−14×Ti/47.9<0の場合に
Beff=B ・・・(1b)
ただし、(2)式において、D:定径圧延後の管外径(mm)、t:定径圧延後の管肉
厚(mm)およびln(x):xの自然対数とし、
βmin≧1.13×10×ln(t/D×l00)+1.37×102・・・(2) - 前記ビレットの化学組成が、Feの一部に代えて、さらに下記の(a)〜(c)の群のうちから選ばれた1群または2群以上の元素を含有する請求項5に記載の一体成形型ドライブシャフト用冷間仕上継目無鋼管の製造方法。
(a)Cu:1%以下、Ni:1%以下およびMo:1%以下のうちから選ばれた1種または2種以上
(b)V:0.1%以下、Nb:0.1%以下およびZr:0.1%以下のうちから選ばれた1種または2種以上
(c)Ca:0.01%以下、Mg:0.01%以下および希土類元素(REM):0.01%以下のうちから選ばれた1種または2種以上 - 前記冷間抽伸の後に焼鈍また焼準を行うことを特徴とする請求項5または6に記載の一体成形型ドライブシャフト用冷間仕上継目無鋼管の製造方法。
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