(57)【要約】【課題】  スプライン端部に十分な圧縮残留応力を付加することが可能な，耐疲労特性に優れたスプラインを有する鋼製部品及びその疲労強度向上方法を提供する。【解決手段】  本発明に係るスプラインを有する鋼製部品は，質量％で，Ｃ：０．１〜０．８％，Ｓｉ：０．０５〜２．５％，Ｍｎ：０．２〜３％，Ａｌ：０．００５〜０．１％，Ｎ：０．００１〜０．０２％を含有し，残部がＦｅおよび不可避不純物からなり，スプライン端部の表層における圧縮残留応力が，−２．４＜（残留応力［ＭＰａ］）／（表面ビッカース硬度Ｈｖ．）＜−１．５の関係式を満足することを特徴とする。また，本発明に係るスプラインを有する鋼製部品の疲労強度向上方法は，上記スプライン端部を，振動数１０ｋ〜６０ｋＨｚ，振幅０．５〜５０μｍで振動する振動端子で打撃することを特徴とする。【選択図】    図２
2006328466.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で，
Ｃ  ：０．１〜０．８％，
Ｓｉ：０．０５〜２．５％，
Ｍｎ：０．２〜３％，
Ａｌ：０．００５〜０．１％，
Ｎ  ：０．００１〜０．０２％
を含有し，残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり，
スプライン端部の表層における圧縮残留応力が，下記式（Ａ）を満足することを特徴とする，スプラインを有する鋼製部品。
−２．４＜（残留応力［ＭＰａ］）／（表面ビッカース硬度Ｈｖ．）＜−１．５
・・・（Ａ）
【請求項２】
質量％で，
Ｃｒ：０．１〜２％，
Ｎｉ：０．１〜２％，
Ｍｏ：０．１〜２％，
Ｃｕ：０．１〜２％，
Ｔｉ：０．００３〜０．２％，
Ｖ  ：０．０５〜０．５％，
Ｎｂ：０．０１〜０．１％
の１種または２種以上をさらに含有することを特徴とする，請求項１に記載のスプラインを有する鋼製部品。
【請求項３】
請求項１または２に記載のスプラインを有する鋼製部品の疲労特性向上方法であって，
前記スプライン端部を，振動数１０ｋ〜６０ｋＨｚ，振幅０．５〜５０μｍで振動する振動端子で打撃することを特徴とする，スプラインを有する鋼製部品の疲労特性向上方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，機械部品の疲労破壊の起点となるスプライン端部を強化した，疲労強度に優れたスプラインを有する鋼製部品およびその疲労強度向上方法に関する。さらに詳しくは，スプライン部を有するシャフトの動力伝達系を構成する鋼製の機械部品およびその疲労特性向上方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車などのエンジンに用いられるドライブシャフトやギヤシャフトには，エンジンの回転に伴い大きな変動負荷が作用するため，強い強度が求められる。特に，動力伝達系部品に設けられたスプライン端部は応力集中部であるため，最も強度が弱い部位となっている。
【０００３】
スプライン端部に関わらず，応力集中部の強化方法に関しては従来から種々の提案がなされており，例えば，特許文献１には，高周波焼入により応力集中部である油穴周りの強度を上げ，かつ，油穴表層に圧縮の残留応力を導入する方法に関する発明が開示されている。また，この特許文献１には，クランクシャフトを回転させながら半解放型の高周波加熱コイルで加熱する際に，油穴が加熱コイルの対面に位置したときに回転を遅くし，油穴開口部の近傍の加熱層を厚くして焼入硬化層を深くし，油穴周りを強化する方法が開示されている。
【０００４】
しかしながら，焼入れを行う境界部であるいわゆる「焼き境」では，引張の残留応力が発生するため，焼割れが発生しやすいうえに，「焼き境」から疲労亀裂が発生するため，部品として疲労強度の大幅向上は困難である，という問題があった。
【０００５】
また，スプライン部を有するシャフトに関する技術としては，例えば，特許文献２には，動力伝達シャフト先端の自在継ぎ手組付け用のスプライン加工部位と非加工部位であるシャフトの中間部位とで，焼入れ深さに差を持たせる方法が開示されている。
【０００６】
これは，動力伝達シャフトにおいては，シャフトの中間部位はシャフトの先端部であるスプライン加工部位に比較して静的強度が低いこと，シャフトの軽量化に伴う小径化によってシャフト中間部位とスプライン加工部との静的強度の差が大きくなること等を考慮したものであり，シャフトの中間部位のみ静的強度の補強を図っているものである。なお，シャフトの先端部位であるスプライン部については，その疲労強度向上を図るべく，残留応力付与のためのショットピーニング処理が行われている。
【０００７】
同様に，特許文献３ではシャフト全体を熱処理し，これによって強度を高め，応力集中部であるスプライン端部にショットピーニングを行うことにより，圧縮残留応力を付与し，部品としての疲労強度を高める方法が記載されている。
【０００８】
しかしながら，特許文献２および３に記載されたようなショットピーニングを用いた残留応力付与法では，疲労破壊を防止するような十分な残留応力を付与することが困難で，また，十分な残留応力を付与することができたとしても処理に時間が掛かり，処理表面が荒れるため実用的ではない，という問題があった。
【０００９】
また，特許文献４には，スプライン端部の形状を調整して応力集中を緩和する方法が開示されている。
【００１０】
しかしながら，特許文献４の記載の方法では，最適な形状についての数値条件が示されておらず，十分な効果を得るためには多数の試作が必要になる。また，形状が複雑になるため，工程数の増加を招きコスト上昇が否めない，という問題があった。
【００１１】
【特許文献１】特開２００２−０３８２２０号公報
【特許文献２】特開２０００−２４０６６９号公報
【特許文献３】特開２００３−３０７２１１号公報
【特許文献４】特開２００４−１２５０００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
そこで，本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的は，スプライン端部に十分な圧縮残留応力を付加することが可能な，新規かつ改良された耐疲労特性に優れたスプラインを有する鋼製部品及びその疲労強度向上方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は，上記課題を解決するために鋭意検討の結果なされたものであり，スプライン端部に超音波打撃処理を施して強化することによって，スプライン端部に十分な圧縮残留応力を付加することができる，耐疲労特性に優れたスプラインを有する鋼製部品，及びその簡便な疲労強度向上方法を提供するものであり，その要旨とするところは，以下のとおりである。
【００１４】
（１）  質量％で，Ｃ：０．１〜０．８％，Ｓｉ：０．０５〜２．５％，Ｍｎ：０．２〜３％，Ａｌ：０．００５〜０．１％，Ｎ：０．００１〜０．０２％を含有し，残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり，スプライン端部の表層における圧縮残留応力が，下記式（Ａ）を満足することを特徴とする，スプラインを有する鋼製部品。
−２．４＜（残留応力［ＭＰａ］）／（表面ビッカース硬度Ｈｖ．）＜−１．５
・・・（Ａ）
（２）  質量％で，Ｃｒ：０．１〜２％，Ｎｉ：０．１〜２％，Ｍｏ：０．１〜２％，Ｃｕ：０．１〜２％，Ｔｉ：０．００３〜０．２％，Ｖ  ：０．０５〜０．５％，Ｎｂ：０．０１〜０．１％の１種または２種以上をさらに含有することを特徴とする，(1)に記載のスプラインを有する鋼製部品。
（３）  上記(1)または(2)に記載のスプラインを有する鋼製部品の疲労特性向上方法であって，前記スプライン端部を，振動数１０ｋ〜６０ｋＨｚ，振幅０．５〜５０μｍで振動する振動端子で打撃することを特徴とする，スプラインを有する鋼製部品の疲労特性向上方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば，スプライン端部に十分な圧縮残留応力を付加することができる，耐疲労特性に優れたスプラインを有する鋼製部品，及びその簡便な疲労強度向上方法を提供することができる。その結果，本発明に係るスプラインを有する鋼製製品においては，スプライン端部から破壊することがなくなり部品の信頼性が増すうえ，強化分相応の部品の軽量化が可能となり燃費向上・コスト削減に寄与するなど，産業上有用な著しい効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１７】
本発明を実施するための最良の形態について，図１〜図３を用いて詳細に説明する。
【００１８】
まず，本発明の根幹をなす技術思想は以下の通りである。すなわち，シャフトに設けられたスプライン端部は応力集中形状であり，さらに，場合によっては断面積が減少する形状であるため，疲労亀裂の発生起点となっている。すなわち，スプライン端部の疲労強度が，シャフト全体の疲労強度を決定している。
【００１９】
スプライン端部の周りの疲労強度を向上させるためには，スプライン端部の周りの強度を上げるか，圧縮の残留応力を導入するかの２通りの対策が考えられる。
【００２０】
本発明者らは，超音波振動する振動端子で鋼材を打撃することにより，上記２通りの対策を共に満足することが可能であることを見出した。
【００２１】
すなわち，スプライン端部表面に大きな圧縮の残留応力を付与し，かつ，ショットピーニングと同様に表面を塑性加工することにより加工硬化させ，スプライン端部を有するシャフトの疲労強度の大幅な向上が可能であることを見出した。
【００２２】
図１は，本発明が対象とするスプラインを有する鋼製部品，シャフトの一例を示す。図１（ａ）は，シャフト中のスプライン部の外観を示す図であり，図１（ｂ）は，そのスプラインのスプライン端部１およびその周辺の領域の側面拡大図である。図１（ｂ）に示すように，スプライン端部１の歯溝は平滑部に向かって溝の深さが連続的に浅くなる形状を有しており，溝の深さが０ｍｍになる部分，すなわち溝が解消された部分から平滑部へ移行する。
【００２３】
図２および図３は，本発明におけるシャフトのスプライン端部を打撃する実施形態を示す図である。また，図２において，（ａ）はスプラインの端部近傍の軸に垂直な断面を，（ｂ）はスプライン歯溝部の軸方向断面を示している。図中，２はスプラインの歯，３は超音波振動端子を示しており，スプライン端部の歯溝が徐々に浅くなる領域（歯溝終端部分，より具体的には歯溝部から平滑部に至る領域）における処理方法を示している。
【００２４】
この時，図２（ａ）に示すように，超音波振動端子３は，その長さ方向に振動しているが，シャフト半径方向へのエネルギー伝達を効率的に行うため，超音波振動端子３を歯元（歯溝部の最深部）からの垂線に対して±５°以下の角度で振動させることによって，圧縮残留応力を効果的に付与することができる。
【００２５】
また，超音波振動端子３の先端部の曲率半径Ｒが歯元の曲率半径以上の場合には，歯元，すなわち，歯溝部の最深部まで超音波振動端子３の先端が到達することができないため，超音波振動によるエネルギー付与が不可能となる。従って，超音波振動端子３の先端部の曲率半径Ｒは，歯元の曲率半径以下であることが必要である。また，歯元の曲率半径の半分以下の曲率半径では，超音波振動端子３を押し付けたとき，塑性変形が大きくなりすぎ，かえって疲労寿命を低下させるため，最小の曲率半径を歯元の曲率半径の半分以上の曲率半径とする。
【００２６】
従って，超音波振動端子３の先端部の曲率半径Ｒは，下記式（Ｂ）の範囲が好ましい。
（歯元の曲率半径）≧Ｒ≧（歯元の曲率半径）／２・・・（Ｂ）
【００２７】
図３では，スプライン端部の歯２が無い平滑部分の処理法を示している。（ａ）は，図２（ｂ）同様，スプライン端部近傍の軸方向断面を示したものであり，（ｂ）はスプライン付きのシャフトを旋盤等に挟んで回転させ，それに超音波振動子を接触させて軸方向に走査することにより効率よく面処理を行う方法を示している。なお，図３では平滑部分の径の変化が無いシャフトについて描いたが，平滑部分の径が変化する場合においても有効である。
【００２８】
本発明において，打撃処理を行う部位をシャフトのスプライン端部に限定したのは，シャフトにおいて疲労破壊が主たる問題となるのが，シャフト端部だからである。ここで言うスプライン端部とは，スプラインの歯溝が徐々に浅くなる領域およびスプライン端部の近傍の平滑部のことを指している。スプライン端部の近傍の平滑部の幅（軸方向の長さ）は特に規定しないが，スプライン端部の近傍の平滑部の軸半径に相当する領域（スプライン端部の近傍の平滑部の幅を，軸半径と同一の長さとした領域）に超音波処理を行うことが望ましい。また，スプライン端部周辺において疲労亀裂の入る位置があらかじめわかっているときは，その部位を集中的に処理すればよい。超音波処理をすることにより，超音波振動端子による打撃痕が生じる。打撃痕の深さは，１０μｍ以下では，疲労強度の向上効果が十分でなく，また，５０μｍを超えると加工硬化が飽和するため，１０〜５０μｍの範囲が好ましい。
【００２９】
ここで，スプライン端部表面の残留応力は，下記式（Ａ）を満足することが好ましい。
【００３０】
−２．４＜（残留応力［ＭＰａ］）／（表面ビッカース硬度Ｈｖ．）＜−１．５
・・・（Ａ）
【００３１】
ここで，本実施形態においては，表面ビッカース硬度の測定は，加工後の部品を軸方向に垂直に切断し，その断面における表面から深さ５０μｍの部位に３００ｇｆの力を荷重することにより行う。
【００３２】
疲労特性を向上させるためには，表面ビッカース硬度が大きいほど，すなわち，強度が高いほど好ましいが，本発明では更に，圧縮残留応力を表面ビッカース硬度に比例して高めることを要求している。
【００３３】
本発明に用いる超音波打撃処理では，（残留応力［ＭＰａ］）／（表面ビッカース硬度Ｈｖ．）を−２．４以下にすることは困難であることから，その下限を−２．４としている。一方，（残留応力［ＭＰａ］）／（表面ビッカース硬度Ｈｖ．）が−１．５以上では十分な疲労強度向上が認められないことから，その上限を−１．５としている。
【００３４】
スプライン端部を処理する場合に，超音波振動端子３の先端の形状は，半球状，蒲鉾状，鞍状等が考えられるが特に限定されない。ただし，スプライン端部の歯２が無い平滑部分の処理を行う際には，半球状または蒲鉾状の先端形状では，凸と凸とをつきあわせることになるので処理が不安定になる可能性がある。最も好ましいものは，凸と凹を組み合わせることになる鞍状であるが，超音波振動端子３の製造コストが高くなる可能性がある。
【００３５】
また，本発明に用いる超音波振動子の振動数を１０ｋ〜６０ｋＨｚと限定したのは，鋼材に与えられる圧縮の残留応力がこの領域で大きくなるからである。同様に，超音波振動する振動端子の先端の振幅を０．５〜５０μｍと限定したのも，０．５μｍ未満の振幅では十分な圧縮残留応力を鋼材に与えることができないからである。振幅は大きいほど残留応力が増すが，５０μｍ超では塑性変形が大きくなり過ぎ，部品の寸法精度が低下するとともに疲労強度も低下するため，振幅の上限を５０μｍに限定している。
【００３６】
次に，本発明のシャフトを構成する鋼材の成分の限定理由について以下に説明する。
Ｃは，鋼を強化するのに有効な元素であるが，０．１％未満では充分な強度が得られない。一方，過剰に添加すると靭性が低下するため，添加量の上限を０．８％とする。
Ｓｉは，鋼の強化元素として有効であるが，０．０５％未満ではその効果がない。一方，過剰に添加すると靭性および被削性が低下するため，添加量の上限を２．５％とする。
Ｍｎは，鋼の強化に有効な元素であるが，０．２％未満では充分な効果が得られない。一方，過剰に添加すると靭性および被削性が低下するため，添加量の上限を３％とする。
Ａｌは，鋼の脱酸および結晶粒の微細化のために有効な元素であるが，０．００５％未満ではその効果がない。一方，過剰に添加すると被削性が低下するため，添加量の上限を０．１％とする。
Ｎは，Ｖ炭窒化物やＮｂ炭窒化物を生成し，析出強化のために必要な元素であるが，０．００１％未満では充分な効果が得られない。一方，過剰に添加すると靭性が劣化するため，添加量の上限を０．０２％とする。
Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｕはいずれも適量の添加においては靱性を損なうことなく強度を増大する元素である。Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｕは，いずれも０．１％未満ではその効果はなく，２％を越えると靱性が大きく劣化するため，その添加量の下限をそれぞれ０．１％，上限を２％とする。
Ｔｉは，窒化物・炭化物を生成し，析出強化により強度が上昇するため有効な元素である。さらに，Ｔｉの窒化物は高温まで固溶せずに残るため，加熱時のオーステナイト粗大化を防止するのに有効である。０．００３％未満ではこれらの効果は現れず，０．２％を越えると靱性が劣化するため，その添加量の下限を０．００３％，上限を０．２％とする。
Ｖも，Ｔｉと同様に窒化物・炭化物を生成し，析出強化により強度が上昇するため有効な元素であるが，その効果が生じるためには０．０５％以上の添加が必要である。一方，過剰に添加すると靭性が劣化するため，添加量の上限を０．５％とする。
Ｎｂも，Ｔｉと同様に窒化物・炭化物を生成し，析出強化により強度が上昇するため有効な元素であるが，その効果が生じるためには０．０１％未満では充分な効果が得られない。一方，過剰に添加すると靭性が劣化するため，添加量の上限を０．１％とする。
【００３７】
また，これらの元素以外にも，被削性を向上させる元素として，例えば，Ｐｂ，Ｓ，Ｂｉ等を添加してもよく，その場合も本発明に含まれる。
【００３８】
なお，上記の元素以外に，例えばＰ等の不可避的不純物が含まれるが，その場合も本発明に含まれる。
【実施例】
【００３９】
下記表１に示す成分の鋼から，スプライン端部を模した溝，及び平滑部を模した溝を設けた小野式回転曲げ試験片を切り出した。また，表１中に示す鋼番号Ｓの成分の鋼については，上記と同様の形状の小野式回転曲げ試験片に切り出した後，図５の条件で浸炭を行った。
【００４０】
図４に試験片の詳細を示す。ＪＩＳ  Ｚ  ２２７４，１号試験片，記号１−６に準拠した試験片を用意し，この試験片に図４（ａ）に示したようなスプラインを模した軸方向の溝および平滑部を模した周方向の溝を加工した。図４（ｂ）は試験片の軸方向断面を示す。スプラインを模した軸方向の溝の長さは１５ｍｍとした。図４（ｃ）に，図４（ａ）のＡ−Ａ’断面を示す。スプラインを模した溝は，４５°刻みで計８本，溝の曲率半径は０．８Ｒ，溝の深さは０．５ｍｍとした。図４（ｄ）に平滑部を模した溝近傍の軸方向断面の拡大図を示す。平滑部を模した溝の曲率半径は０．５Ｒ，深さは０．５ｍｍとした。
【００４１】
この試験片に本発明の超音波処理を施した実施例，および無処理または本発明の数値限定の範囲外の処理を施した比較例を用意し，小野式回転曲げ疲労試験を行ない，疲労強度を求めた。その結果を下記表２に示す。
【００４２】
なお，超音波処理は，曲率半径０．５ｍｍの半球状の先端を持つ振動子を用いて行ない，スプラインを模した溝については振動子が各溝を１往復するように，平滑部を模した溝については振動子が溝を２周するようにして，超音波処理を行った。
【００４３】
また，表１に示した表面ビッカース硬度の値は，部品加工後，軸方向に垂直に切断した断面の表面から深さ５０μｍの部位に荷重３００ｇｆの条件でビッカース硬度を３点測定し，その平均値を採用したものである。
【００４４】
表２に示した残留応力の測定値は，疲労試験を行っていない試験片を別途用意し，接合部表層の残留応力を測定したものである。なお，残留応力の測定はＸ線を用いて行ない，回折Ｘ線の強度を測定しピーク強度の半値幅から求めている。
【００４５】
超音波打撃処理無しの試料は，超音波打撃処理有りの試験片に比べ，低い疲労強度しか得られていない。これは，スプライン端部が疲労強度を低下させていることが原因であると考えられる。一方，適正な超音波打撃処理を行うことにより，スプライン端部の強度を増し，圧縮の残留応力を導入することで，疲労強度を向上することが可能となっている。
【００４６】
その結果，本発明の疲労強度向上方法を用いた実施例は，比較例に比べて，大幅な疲労強度向上が認められた。
【００４７】
【表１】
2006328466.tif 000003
【００４８】
【表２】
2006328466.tif 000004
2006328466.tif 000005
【００４９】
以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は，機械部品の疲労破壊の起点となるスプライン端部を強化した，疲労強度に優れたスプラインを有する鋼製部品およびその疲労強度向上方法に適用可能である。特に，スプライン部を有するシャフトの動力伝達系を構成する鋼製の機械部品およびその疲労特性向上方法に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】スプラインを有するシャフトの形態を例示する図である。
【図２】本発明におけるスプラインを有するシャフトのスプライン端部を打撃する際のスプライン部を打撃する実施形態を例示する図である。
【図３】本発明におけるスプラインを有するシャフトのスプライン端部を打撃する際の平滑部を打撃する実施形態を例示する図である。
【図４】本発明の実施例に用いた試験片を示す図である。
【図５】本発明の実施例に用いた浸炭焼入条件を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１      スプライン端部
２      スプラインの歯
３      超音波振動端子
【図１】
2006328466.tif 000006
【図２】
2006328466.tif 000007
【図３】
2006328466.tif 000008
【図４】
2006328466.tif 000009
【図５】
2006328466.tif 000010