(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：０．４７〜０．５５％、Ｓｉ：０．０３〜０．１５％、Ｍｎ：０．２０〜０．５０％、Ｍｏ：０．０８〜０．３０％、Ｓ：０．００５〜０．０３５％、Ｂ：０．０００５〜０．００５％、Ｔｉ：０．０５〜０．２０％、Ｎ：０．０１％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０５％、Ｍｎ＋Ｍｏ：０．４５〜０．７０％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなり、かつ加熱温度をＡｃ３〜１０５０℃とした後、減面率３０％以上で圧延または鍛造し、圧延または鍛造後の硬さを８５〜９７ＨＲＢとした鋼材を用い、高周波焼入れ後に硬化層比率（表面から５００ＨＶとなる点までの距離／部品半径）を０．２５以上、ＪＩＳＧ０５５１に規定するオーステナイト結晶粒度番号を７以上とすることを特徴とした高強度シャフトの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、切削加工性、冷間加工性、高周波焼入性及びねじり強度に優れたボロンを含有するシャフトの製造方法に関するものであり、特に自動車のドライブシャフト等のシャフトの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から自動車のシャフト用鋼として使用されているＳ４０Ｃ（ＪＩＳ規格）相当の鋼種に対し、生産コストの低減や燃費向上を実現するために、部品の軽量化が望まれている。そのためには、Ｓ４０Ｃに対し、更なる高強度化が必要である。
【０００３】
例えば、特公平８−３２９４６では、Ｓ４０Ｃに対し、Ｓｉ、Ｍｎを低減し、Ｂで焼入性を補うことによって切削加工性及び冷間加工性を向上させたボロン鋼が開示されているが、この鋼はＣ量が０．４５重量％以下であり、Ｓ４０Ｃと同レベルのＣ量である。そのため、Ｓ４０Ｃに対し積極的に高強度化を図ったものではない。
【０００４】
高強度化を実現するためには、Ｃ量を更にＵＰする必要があるが、本発明者等が検討した結果によると、Ｃ量を０．４７重量％以上含有させると、ねじり強度試験において、破壊形態が延性破壊から脆性（粒界）に移行し、ねじり強度が向上しないことが分かっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ねじり強度を向上させるためには、Ｃ量を増加する必要がある。しかし、Ｃ量を増加した場合、破壊形態が延性破壊から脆性破壊に移行し、ねじり強度が向上しない。そのため、ねじり強度を向上させるため、脆性破壊を抑制する必要がある。そこで、本発明は、切削加工性及び冷間加工性を加味した上で、脆性破壊を抑制するための最適な添加元素及び添加量を見いだし、Ｓ４０Ｃに対し、切削加工性及び冷間加工性を損なうことなく、高強度化を図ったシャフトの製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するためのこの発明の手段は、重量％で、Ｃ：０．４７〜０．５５％、Ｓｉ：０．０３〜０．１５％、Ｍｎ：０．２０〜０．５０％、Ｍｏ：０．０８〜０．３０％、Ｓ：０．００５〜０．０３５％、Ｂ：０．０００５〜０．００５％、Ｔｉ：０．０５〜０．２０％、Ｎ：０．０１％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０５％、Ｍｎ＋Ｍｏ：０．４５〜０．７０％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなり、かつ加熱温度をＡｃ３〜１０５０℃とした後、減面率３０％以上で圧延または鍛造し、圧延または鍛造後の硬さを８５〜９７ＨＲＢとすることを特徴とする。脆性破壊の抑制方法としては、Ｂ：０．０００５〜０．００５％、Ｍｏ：０．０８〜０．３０％添加することにより粒界強度の向上を図った。
【０００７】
そして、更にＴｉ：０．０５〜０．２０％添加することにより鋼中にＴｉ炭化物或いはＴｉ炭窒化物を微細に析出させ、圧延後のフェライト粒度を微細にし、かつ高周波焼入焼戻し等の焼入焼戻し処理時のオーステナイト結晶粒の成長を抑制し、ＪＩＳに規定するオーステナイト結晶粒度番号を７以上とした。そのことによって、オーステナイト結晶粒の微細化を図り、粒界強度を向上させた。そして、これらの添加元素を複合添加することにより、Ｃ：０．４７〜０．５５％の範囲で、脆性破壊を抑制することが可能となった。また、切削加工性及び冷間加工性を改善するために、フェライト強化元素であるＳｉ、Ｍｎを低減した。そして、更に圧延または鍛造時の加熱温度を規定し、Ｔｉ炭化物またはＴｉ炭窒化物を微細に析出させることにより、圧延または鍛造時のオーステナイト粒を微細にし、フェライト面積率を増加させた。そして、これらの複合効果により、圧延または鍛造後の硬さを８５〜９７ＨＲＢにし、切削加工性及び冷間加工性の改善を図った。
【０００８】
本発明は、上記成分系の鋼材を用いる製造方法により、切削加工性及び冷間加工性を損なうことなく、高強度化を図ったシャフトを提供するものである。
【０００９】
（本発明の限定理由）
本発明の限定理由を以下に示す。以下、％は重量％を示す。
Ｃ：Ｃは機械構造用部品として焼入焼戻し後の強度を確保するために必要な元素であり、０．４７％未満では、強度が不十分であり、０．５５％を超えると破壊形態が延性破壊から脆性破壊に移行し、逆に強度が低下する。そのため、含有量を０．４７〜０．５５％とした。
【００１０】
Ｓｉ：Ｓｉは脱酸のため必要元素であり、０．０３％未満ではその効果が十分に得られず、０．１５％を超えて含有させると加工性を低下させる。そのため、含有量を０．０３〜０．１５％  とした。
【００１１】
Ｍｎ：Ｍｎは焼入性を確保するのに必要な元素であり、０．２０％未満ではその効果が充分に得られず、０．５０％を超えて含有させると圧延或いは鍛造後の硬さを上げ、加工性を低下させる。そのため、含有量を０．２０〜０．５０％とした。
【００１２】
Ｍｏ：Ｍｏは、焼入性を向上させる元素であり、かつ粒界強度を増し、脆性破壊を抑制し延性破壊に移行させるために必要な元素であり、０．０８％未満では脆性破壊抑制効果が十分ではなく、０．３０％を超えて含有させると圧延あるいは鍛造後の硬さを上げ、加工性を著しく低下させる。そのため、含有量を０．０８〜０．３０％とした。
【００１３】
Ｓ：Ｓは、ＭｎＳ、ＴｉＳとなり、被削性を改善する元素であるが０．００５％未満ではその効果が十分に得られず、０．０３５％を超えると冷間加工性を低下させる。そのため含有量を０．００５〜０．０３５％とした。
【００１４】
Ｂ：Ｂは、粒界強度を向上させ、かつ焼入性を向上させる元素であり、０．０００５％未満ではその効果は十分ではなく、０．００５％を超えて含有させると逆に焼入性を低下させる。そのため、含有量を０．０００５〜０．００５％とした。
【００１５】
Ｔｉ：Ｔｉは鋼中のｆｒｅｅ−Ｎを固定してＢの焼入性への効果を向上させると共にＴｉ炭化物、Ｔｉ炭窒化物を形成し、圧延または鍛造時のオーステナイト結晶粒を微細にし、かつ高周波焼入焼戻等の焼入焼戻処理時のオーステナイト結晶粒の成長を抑制するものであり、加工性改善、粒界強度向上に必要な元素である。０．０５％未満ではその効果は十分でなく、０．２０％を超えると析出物の量が過剰となり加工性を低下させる。そのため、含有量を０．０５％〜０．２０％とした。
【００１６】
Ｎ：Ｎは０．０１％を超えて含有するとＴｉＮが増加し、疲労特性に悪影響を及ぼす。そのため、含有量を０．０１５％以下とした。
【００１７】
Ａｌ：Ａｌは、脱酸材として必要な元素であり、０．００５％未満ではその効果は十分ではなく、０．０５％を超えて含有させるとアルミナ系酸化物が増加し、疲労特性、加工性を低下させる。そのため含有量は、０．００５〜０．０５％とした。
【００１８】
Ｍｎ＋Ｍｏ：Ｍｎ、Ｍｏ共に高周波焼入性に寄与すると共に鋼材の硬さを上げる元素であり、その和が０．４５％未満では、ねじり疲労強度を満足するための適正な硬化層深さが得られず、０．７０％を超えると、９７ＨＲＢ以下の硬さを満足しなくなる。そのため、Ｍｎ＋Ｍｏ量を０．４５〜０．７０％とした。
【００１９】
硬さ：圧延または鍛造後の硬さが、８５ＨＲＢより低い場合、芯部強度（高周波焼入れ後の非硬化部）が不足し、９７ＨＲＢより高い場合は、被削性を劣化させる。そのため、圧延または鍛造後の硬さを８５〜９７ＨＲＢとした。
【００２０】
圧延・鍛造条件：Ａｃ３以上に加熱する理由は、炭化物やフェライトを残さず均質にオーステナイト化するためであり、フェライトが残留した場合、圧延または鍛造後の組織において均質なフェライト粒度の組織が得られず、焼入焼戻処理後に熱処理歪みが大きくなる。また１０５０℃以上の加熱温度になると、微細析出物の成長が起こり析出物が比較的大きくなるため、圧延または鍛造時のオーステナイト結晶粒が大きくなり、圧延または鍛造後のフェライト量を減少させ、加工性を劣化させると共に、焼入焼戻処理後の結晶粒が大きくなり、粒界強度が低下する。そのため、圧延または鍛造時の加熱温度をＡｃ３〜１０５０℃とした。減面率については、３０％以下ではフェライトの生成量が減少し加工性が低下する。
【００２１】
硬化層深さ：硬化層比率（表面から５００ＨＶとなる点までの距離／部品半径）が０．２５未満の場合、ねじり疲労試験にて破壊起点が内部起点となり、ねじり疲労強度が低下する。そのため、硬化層比率を０．２５以上とした。
【００２２】
オーステナイト結晶粒度：高周波焼入後のオーステナイト結晶粒度番号が７未満であると破壊形態が延性破壊から脆性破壊に移行し、強度が低下する。そのため、オーステナイト結晶粒度番号を７以上とした。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下に、実施例及び比較例を通じて示す。実施例及び比較例における鋼組成をを表１のＮｏ．１〜８に示す。発明鋼Ｎｏ．１〜３は、それぞれＳ４８Ｃ、Ｓ５３Ｃ、Ｓ５５Ｃ相当の鋼に対しＳｉ、Ｍｎを低減し、Ｍｏ、Ｂを添加し、さらにＴｉを０．０８〜０．１４２％と多量に添加した鋼である。それに対し、比較鋼Ｎｏ．４、５はそれぞれＳ４０Ｃ、Ｓ４８Ｃの鋼である。比較鋼Ｎｏ．６はＳ４８Ｃ相当の鋼にＢとＴｉを０．０３５％添加した鋼である。比較鋼Ｎｏ．７はＳ５５Ｃ相当の鋼にＭｏ、Ｂ、Ｔｉ（０．０３８％）を添加した鋼である。Ｎｏ．８はＳ５３Ｃ相当の鋼にＭｏ、Ｂ、Ｔｉ（０．１３２％）を添加した鋼であるが、Ｍｎ＋Ｍｏが０．７５％となり、０．４０％≦Ｍｎ＋Ｍｏ≦０．７０％を満足していない鋼である。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
表１に示す化学成分組成の供試鋼（発明鋼１〜３、比較鋼４〜７）をそれぞれ１００ｋｇ真空溶解炉にて溶製し、９５０℃に加熱後、熱間鍛造でφ２７に鍛造した。そして、切削加工及び転造加工を加え、図１に示す形状のシャフトに加工し、高周波焼入焼戻し（焼戻条件：１８０℃で１時間）を行い、ついで、硬化層比率が約０．５０となるように高周波焼入焼戻しを行った。
【００２６】
【実施例】
以下に、実施の形態に記載の製品について以下の試験を行ない、その結果を示す。
シャフトの両端のセレーション部１を固定し、ねじり強度試験及びねじり疲労試験を実施した。ただし、ねじり強度試験片は、上記のとおり硬化層比率が約０．５０となるように高周波焼入焼戻しを行ったものである。また、結晶粒度測定は、ＪＩＳＧ０５５１に記載の方法で行い、硬化層深さの測定はビッカース硬度計で５００ＨＶとなる位置を測定し硬化層比率を求めた。また、素材の硬さは、ロックウェル硬度計を用いて測定した。
【００２７】
（素材硬さ及びねじり強度試験結果について）
高周波焼入焼戻し後の硬化層比率を約０．５０にしたときの破壊形態とねじり強度、高周波焼入焼戻し後の表面硬さ、オーステナイト結晶粒度番号そして素材硬さを表２に示す。本発明鋼は、Ｃ量がそれぞれ同レベルの比較鋼に対し、表面硬さはほぼ同じである。しかし、同Ｃ量レベルで比較し、素材硬さが低く加工性に優れており、また高周波焼入焼戻し後のオーステナイト結晶粒が小さく、破壊形態が延性破壊となっており、高い強度を示している。また、比較鋼８においては、Ｍｏ、Ｔｉの効果により強度も高い値を示しているが、素材硬さが１０１ＨＲＢであり、加工性が良好ではない。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
（硬化層比率とねじり疲労強度の関係について）
次に、発明鋼２を用い、高周波焼入焼戻し後の硬化層比率を変化させ、負荷トルクを１３０Ｋｇ・ｍとしねじり疲労試験を実施し、破断までの応力繰り返し数で評価した。その結果を表３に示す。その結果、硬化層比率が０．１１、０．２１のものについては、内部起点であり疲労強度が表面起点のものに対し、低い値を示している。また、表面起点のものについては硬化層比率が０．２６から０．５１の範囲では、高くなるに連れ疲労強度があがる傾向にある。
【００３０】
【表３】
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【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の高強度シャフトの製造方法による効果を以下に示す。
１）鋼組成において、Ｂ：０．０００５〜０．００５％、Ｍｏ：０．０８〜０．３０％、Ｔｉ：０．０５〜０．２０％を複合添加することにより、脆性破壊を抑制し、優れた強度を有するシャフトの製造が可能となった。
【００３２】
２）さらに、鋼組成において、Ｍｏ、Ｍｎの添加量及び圧延または鍛造条件を限定し、かつＴｉを０．０５〜０．２０％添加することにより、優れた加工性を有するシャフトの製造が可能となった。
【００３３】
３）高周波焼入れ時の硬化層比率を限定することにより、疲労強度特性に優れたシャフトを製造することが可能となった。
【００３４】
以上本発明により、切削加工性及び冷間加工性を損なうことなく、強度特性、疲労強度特性に優れたシャフトの製造が可能となり、自動車部品等の軽量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ねじり強度試験及びねじり疲労試験に用いたシャフト形状を示す図である。
【符号の説明】
１  セレーション部
【図１】
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