(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中実軸にセレーション軸部を有する駆動軸用中実軸において、この中実軸を、Ｃ：０．３８〜０．４５重量％、Ｓｉ：０．３５重量％以下、Ｍｎ：０．８〜１．５重量％、Ｂ：０．０００５〜０．００３５重量％、Ｔｉ：０．０１〜０．０５重量％およびＡｌ：０．０１〜０．０６重量％を含有し、Ｎ：０．０１重量％以下であって、残部が実質上Ｆｅからなる合金組成物から成形すると共に、その表面に、高周波焼入れによる表面硬さがＨR Ｃ５５以上の焼入硬化層を、層厚／軸半径の比が０．４５以上となるよう形成し、捩り強度が最大せん断応力（τｍａｘ）値で１．４７ＧＰａ以上であることを特徴とする駆動軸用中実軸。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、自動車等の駆動軸用中実軸に関し、さらに詳しくは、等速ジョイントを用いた自動車等の駆動軸用中実軸に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、自動車等のエンジンにて発生したトルクは、トランスミッション、デファレンシャルから等速ジョイントを介して中実軸に伝達され、さらに等速ジョイントを介してハブ、タイヤに伝達される。このような駆動軸系に介在する中実軸１は、たとえば図１に示すように、その両端が等速ジョイント２嵌合用のセレーション軸部３であり、この部分に前記のトルクが負荷される。
【０００３】
したがって、駆動軸用中実軸は、その全体に所要の捩れ強度が必要であり、かつセレーション軸部には、応力集中を招かないようにピッチ等を精密に加工する必要がある。
【０００４】
このため、従来の駆動軸用中実軸は、圧延用鋼ＡＩＳＩ１５４１またはＳ４０Ｃ等の中炭素鋼を成形材料として、焼なましを行なって機械加工性を高めて転造、切削等の加工を行なった後、最終工程にて高周波焼入れを行ない、その表面を硬化して所要の捩れ強度を確保していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｓ４０Ｃ等の従来の中炭素鋼から成形され、高周波焼入れされた駆動軸用中実軸は、焼割れ感受性に問題があり、前記焼入れによる硬化層を充分な層厚で形成できないため、捩り強度が最大せん断応力（τｍａｘ）にて１．２７ＧＰａ（１３０kgｆ／mm2 ）に止まり、このような中実軸では部品や装置の小型化、軽量化の要求に対応できないという問題点がある。
【０００６】
具体的には、中実軸の小型化を計るため、捩り強度を最大せん断応力（τｍａｘ）にて少なくとも１．４７ＧＰａ（１５０kgｆ／mm2 ）以上とする必要があるが、このような捩り強度は、従来構造の中実軸では得られなかった。
【０００７】
そこで、この発明は、上記した問題点を解決し、駆動軸用中実軸を、最大せん断応力が所定の値以上となるように捩り強度を向上させ、かつ加工精度がよく、セレーション軸部も応力集中のないものとして、充分に小型化し得る高性能の中実軸とすることを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、この発明においては、中実軸にセレーション軸部を有する駆動軸用中実軸において、この中実軸を、Ｃ：０．３８〜０．４５重量％、Ｓｉ：０．３５重量％以下、Ｍｎ：０．８〜１．５重量％、Ｂ：０．０００５〜０．００３５重量％、Ｔｉ：０．０１〜０．０５重量％およびＡｌ：０．０１〜０．０６重量％を含有し、Ｎ：０．０１重量％以下であって、残部が実質上Ｆｅからなる合金組成物から成形すると共に、その表面に、高周波焼入れによる表面硬さがＨR Ｃ５５以上の焼入硬化層を、層厚／軸半径の比が０．４５以上となるよう形成し、捩り強度が最大せん断応力（τｍａｘ）値で１．４７ＧＰａ以上である構成を採用したのである。
【０００９】
以下、その詳細を述べる。
【００１０】
この発明に用いる合金組成物のうち炭素元素（Ｃ）の含有量は、０．３８〜０．４５重量％（以下、単に％と略記する）である。なぜなら、０．３８％未満の少量では、中実軸の捩り強度、耐衝撃性が充分でなく、０．４５％を越える多量では、被削性が著しく低下すると共に、転造性も低下し、焼割れ感受性は増大して不都合となるからである。
【００１１】
またケイ素元素（Ｓｉ）の合金組成物中の含有量は、０．３５％以下である。このものは、鋼材の生産性を高める脱酸剤として若干量必要であるが、０．３５％を越えて多量に存在する場合には、冷間転造性が低下する。
【００１２】
マンガン元素（Ｍｎ）の前記含有量は０．８〜１．５％である。なぜなら、このものは、所定範囲内の含有量にて高周波焼入れ性を高め、硫化マンガン化合物となって被削性を向上させる。しかし、０．８％未満の少量では、焼入れ性の改善効果が充分に得られず、１．５％を越える多量では、冷間鍛造性を阻害するので、好ましくない。
【００１３】
ホウ素元素（Ｂ）の前記含有量は、０．０００５〜０．００３５％である。Ｂは、上記所定範囲内の含有量にて焼入れ性、粒界強化および耐衝撃性を改善するが、０．０００５％未満ではそのような改善効果が充分にない。一方、０．００３５％を越えると、添加量に見合った焼入れ性の向上効果が発揮されないばかりか、冷間加工時にＦｅ2 Ｂを析出して、いわゆる冷間割れの原因となるからである。
【００１４】
チタン元素（Ｔｉ）、アルミニウム元素（Ａｌ）の前記含有量は、それぞれ０．０１〜０．０５％、０．０１〜０．０６％である。これらは共に材料中のＮおよびＯを固定する作用がある。たとえば、固溶したＮがあると、窒化ホウ素化合物を形成してＢの焼入れ性向上効果が阻害されるが、ＴｉやＡｌがあれば、ＴｉＮ、ＡｌＮの生成が優先して、Ｂの効果が効率よく発揮される。このためには、どちらも０．０１％以上の存在が必要であり、一方、多量に添加しても意味がなくなるから、清浄度を害しないようにとの配慮によって、Ｔｉは０．０５％、Ａｌは０．０６％を限界量とした。
【００１５】
チッ素元素（Ｎ）の前記含有量は０．０１％以下である。なぜなら、０．０１％を越える多量では、窒化ホウ素（ＢＮ）が形成されるので、焼入れ性に有効に作用するフリーボロンが減少して好ましくないからである。
【００１６】
なお、この発明における合金組成物の被削性を更に改善する為、Ｓ、Ｐｂ、Ｔｅ、Ｃａ等の元素を含有させてもよく、また、焼入れ性を改善する為、加工性を著しく低下させない範囲でＣｒ：０．５％以下、Ｍｏ：０．２％以下でそれぞれ、または両者併用して添加してもよい。また、Ｎｂ：０．１％以下を添加すれば耐衝撃性および焼割れ感受性が改善される。
【００１７】
上記の合金組成物から成形された中実軸には、高周波焼入れにより、表面硬さがＨR Ｃ（ロックウェルＣ硬さ）５５以上で焼入硬化層を、層厚／軸半径の比が０．４５以上となるよう形成する。なぜなら、この比が０．４５未満の場合には、中実軸の捩り強度が充分に改善されず、最大せん断応力（τｍａｘ）の値も１．４７ＧＰａ（１５０kgｆ／mm2 ）未満となって、所期の目的である中実軸の小型化を達成できないからである。なお、前記焼入硬化層は、ＪＩＳＧＯ５５９の測定法に従い、表面からビッカース硬さＨV ３９２（ＨR Ｃ４０相当）までの距離とした。
【００１８】
【作用】
この発明の駆動軸用中実軸は、マルテンサイト変態温度が従来材料より高い合金組成物であると共に、ホウ素元素（Ｂ）が所定範囲の組成割合からなり、細粒組織（フェライト結晶粒度番号６以上）を形成して、焼割れ感受性は低下したものとなる。高周波焼入れによって、所定の表面硬さでかつ所定の深さまで形成された焼入硬化層は、中実軸の捩れ強度を充分に高めるので、最大せん断応力が１．４７ＧＰａ（１５０kgｆ／mm2 ）以上に高まる。
【００１９】
【実施例】
この発明の実施例を以下、図面を参照しつつ説明する。
【００２０】
［実施例１〜２１］
Ｃ：０．３８〜０．４５重量％、Ｓｉ：０．３５重量％以下、Ｍｎ：０．８〜１．５重量％、Ｂ：０．０００５〜０．００３５重量％、Ｔｉ：０．０１〜０．０５重量％およびＡｌ：０．０１〜０．０６重量％を含有し、Ｎ：０．０１重量％以下であって、残部が実質上Ｆｅからなる合金組成物を、加熱温度１１００℃以下、仕上げ温度９５０℃以下で、減面率７０％以上の低温圧延を施して、図１に示す８７ＡＣおよび１０９ＡＣ（等速ジョイントのサイズ別名称）の中実軸１の素材を成形した。主な諸元を表１に示す。
【００２１】
【表１】
0003539981.tif 000002
【００２２】
図１に示すように、中実軸１には、セレーション軸部３の他、端部に止め輪４装着用の周溝５および、中程にブーツ６嵌合用の周溝７を形成した。
【００２３】
そして、上記中実軸１に対して、以下の条件にて高周波焼入れを行ない、表２に示す表面硬さ（ＨR Ｃ）および焼入硬化層の層厚／軸半径の比（γ）とした。（高周波焼入れ条件）
周波数  ：８ＫＨｚ
出力    ：２５０ＫＷ
移動速度：５．７〜９．３mm／ｓｅｃ
【００２４】
【表２】
0003539981.tif 000003
【００２５】
得られた中実軸に対し、静捩り強度試験による最大せん断応力（τｍａｘ）を調べ、この結果を表２に示した。また、τｍａｘと焼入硬化層の層厚／軸半径の比γの関係を図２中に、前記表２の表面硬さ毎に一致した符号をプロットして示した。
【００２６】
［比較例１〜７］
従来材であるＳ４０Ｃ相当材（Ｃ：０．３７〜０．４３％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：０．６０〜０．９０％、Ｐ：０．０３０以下、Ｓ：０．０３５以下）を用いる以外は、実施例と全く同様にして製造した中実軸（８７ＡＣ、１０９ＡＣ）について、焼入硬化層の層厚／軸半径の比γと、最大せん断応力を調べ、この結果を図２中に×印にてプロットした。
【００２７】
表２および図２の結果から明らかなように、比較例１〜７のγは０．４５未満で捩り強度は、いずれも１．４７ＧＰａを下回ったが、実施例１〜２１（ＨR Ｃ５５以上）のγは０．４５以上で充分な焼入れ深さであり、しかも１．４７ＧＰａを越える最大せん断応力を有して、中実軸の小型化に充分な捩り強度であった。
【００２８】
［実施例２２〜２４］
実施例１〜２１と全く同様にして、実施例２２；◆印（軸径φＤ２８．１mm、表面硬さＨR Ｃ５５以上、γ＝０．５５）、実施例２３；△印（軸径φＤ２２．２mm、表面硬さＨR Ｃ５５以上、γ＝０．６４）、実施例２４；●印（軸径φＤ２８．１mm、表面硬さＨR Ｃ５５以上、γ＝０．７５）の中実軸を各４本ずつ得た。得られた中実軸について、実施例別にトルクを負荷して両振り捩り疲労強度を調べ、この結果を図３に示した。なお、前記した比較例６；×印（軸径φＤ２８．１mm、γ＝０．３３）についても同様に両振り捩り疲労強度を調べ、この結果を図３中に併記した。
【００２９】
すなわち、負荷トルクと破断部軸径より換算した最大せん断応力τｍａｘをＹ軸に、破断までの繰り返し回数Ｎ（常用対数）をＸ軸に採り、破断面部軸半径に対する焼入深さの比γをパラメーターとして示した。なお、図３中の直線は、試験結果より求めた回帰直線である。
【００３０】
図３の結果から明らかなように、実施例の両振り捩り強度は、焼入深さ比γに比例して増加するが、実施例２３（△印、γ＝０．６４）と実施例２４（●印、γ＝０．７５）の強度は同レベルであり、静捩り強度と、同様にγ＝０．６５近辺より飽和する傾向にあった。また、τｍａＸで１．２７ＧＰａ（１３０kgｆ／mm2 ）の静捩り保証強度を有する比較例６（×印、γ＝０．３３）と前記の実施例２２〜２４の捩り疲労強度を比較すると、後者が顕著に向上していた。
【００３１】
なお、上記いずれの実施例においてもセレーション軸部に焼割れの発生はなく、量産加工機での加工性評価結果も、素材切断については比較例と同等、それ以外のセンタリング、外径旋削、セレーション転造、止め輪溝加工性は、比較例よりいずれも良好であった。特に、比較例１〜７では、セレーションのピッチ誤差が平均ｘ＝０．０６であったが、実施例１〜２４のものは平均ｘ＝０．０３と半分以下に改善されており、セレーションの各歯に作用する応力も均一となることが判明した。
【００３２】
【効果】
この発明は、以上説明したように、所定の合金組成物から、高周波焼入れにより所定の表面硬さで、かつ焼入硬化層を所定の層厚にて形成した駆動軸用中実軸としたので、最大せん断応力が１．４７ＧＰａ（１５０kgｆ／mm2 ）となって、捩り強度が向上し、かつ、セレーション軸も精密なピッチで応力集中のないものとなり、充分に小型化し得る高性能の中実軸となる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の正面図
【図２】最大せん断応力と焼入深さ／軸半径および表面硬度の関係を示すグラフ
【図３】中実軸の両振り捩り疲労強度を示すグラフ
【符号の説明】
１  中実軸
２  等速ジョイント
３  セレーション軸部
４  止め輪
５、７  周溝
６  ブーツ
【図１】
0003539981.tif 000004
【図２】
0003539981.tif 000005
【図３】
0003539981.tif 000006