(57)【要約】【課題】  静的強度が高くかつ疲労特性に優れた軸状部を有する高周波焼入れ鋼部品を提供する。【解決手段】  Ｃ：０．３０〜０．５０％（質量％の意味、以下同じ）、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｃｒ：０．１０〜１．０％、Ａｌ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｎ：２０〜２００ｐｐｍを満たし、残部鉄及び不可避不純物からなる、軸状部を有する高周波焼入れ鋼部品であって、有効硬化層深さ（ｔ）と軸状部の最小半径（ｒ）との比（ｔ／ｒ）が０．７５以上であることを特徴とする静的強度と疲労特性に優れた軸状部を有する高周波焼入れ鋼部品。【選択図】  図１
2006328513.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．３０〜０．５０％（質量％の意味、以下同じ）、
Ｓｉ：０．５〜２．０％、
Ｍｎ：０．５〜２．０％、
Ｃｒ：０．１０〜１．０％、
Ａｌ：０．１％以下（０％を含まない）、
Ｎ：２０〜２００ｐｐｍ
を満たし、残部が鉄及び不可避不純物からなる、
軸状部を有する高周波焼入れ鋼部品であって、
有効硬化層深さ（ｔ）と軸状部の最小半径（ｒ）との比（ｔ／ｒ）が０．７５以上であることを特徴とする静的強度と疲労特性に優れた軸状部を有する高周波焼入れ鋼部品。
【請求項２】
更に、
Ｖ：０．２％以下（０％を含まない）、
Ｎｉ：０．１〜２．０％、及び
Ｍｏ：０．１〜１．０％
よりなる群から選択される１種以上
を含む請求項１に記載の高周波焼入れ鋼部品。
【請求項３】
更に、
Ｔｉ：０．００５〜０．０５％、及び
Ｂ：５〜３０ｐｐｍ
を含む請求項１または２に記載の高周波焼入れ鋼部品。
【請求項４】
更に、
Ｓ：０．０３０〜０．２０％と、
Ｃａ：０．０００５〜０．００５％及び／又はＭｇ：０．０００１〜０．００２０％とを
含む請求項１〜３のいずれかに記載の高周波焼入れ鋼部品。
【請求項５】
表層圧縮残留応力が４００ＭＰａ以上である請求項１〜４のいずれかに記載の高周波焼入れ鋼部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静的強度が高くかつ疲労特性に優れた、軸状部を有する高周波焼入れ鋼部品に関するものである。尚、本発明の高周波焼入れ鋼部品は、例えば自動車分野、建設機械分野または産業機械分野など広範囲にわたる産業分野で広く使用されるものであるが、以下では、代表例として自動車用動力伝達部品に適用した場合を例に説明を進める。
【背景技術】
【０００２】
自動車の動力伝達部品であるドライブシャフト等の軸状鋼部品には、エンジンの高出力化に対応すべく、高い静的強度と共に優れた疲労特性を発揮することが求められる。上記鋼部品は、高周波焼入れを施して得られることが一般的である。該高周波焼入れを行えば、表面硬化と圧縮残留応力の付与を効果的に達成でき、疲労強度や静的強度の向上に有用だからである。また高周波焼入れは、加工費が安く、処理時間が極めて短いため効率よく処理できることに加え、環境に優しいという利点も有している。
【０００３】
この様な高周波焼入れを採用して鋼部品の疲労強度を高めた技術として、例えば特許文献１には、高周波焼入れ処理を施して圧縮残留応力を付与することにより疲労強度を向上させた技術が提案されている。しかし特許文献１の様に、歯部に高周波焼入れを施して硬化層深さをコントロールすることは非常に難しい。
【０００４】
特許文献２は、高周波焼入れ軸物部品に関するものであり、該部品の高周波焼入れ後の硬化層深さ比を０．３〜０．７に制御し、更にショットピーニングを施すことにより、ねじり疲労特性を向上できる旨提案されている。また特許文献３も、高周波焼入れ部品に関する技術であり、高周波焼入れ後の硬化層深さ比を０．３〜０．８とすれば、ねじり強度を向上できる旨提案されている。これらの技術では、疲労特性の確保を目的に、圧縮残留応力を付与すべく高周波焼入れ後の硬化層深さの上限を規定しているが、該疲労特性と共に静的強度を高めることは難しいと考えられる。
【特許文献１】特公平５−５８０５５号公報
【特許文献２】特公平７−９０３７９号公報
【特許文献３】特許第２９１６０６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、高い静的強度と優れた疲労特性を併せて発揮する、軸状部を有する高周波焼入れ鋼部品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る軸状部を有する高周波焼入れ鋼部品は、
Ｃ：０．３０〜０．５０％（質量％の意味、以下同じ）、
Ｓｉ：０．５〜２．０％、
Ｍｎ：０．５〜２．０％、
Ｃｒ：０．１０〜１．０％、
Ａｌ：０．１％以下（０％を含まない）、
Ｎ：２０〜２００ｐｐｍ
を満たし、残部が鉄及び不可避不純物からなるものであって、
有効硬化層深さ（ｔ）と軸状部の最小半径（ｒ）との比（ｔ／ｒ）が０．７５以上であるところに特徴を有する。
【０００７】
上記高周波焼入れ鋼部品は、更に他の元素として、
（ａ）Ｖ：０．２％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：０．１〜２．０％、及びＭｏ：０．１〜１．０％よりなる群から選択される１種以上
（ｂ）Ｔｉ：０．００５〜０．０５％及びＢ：５〜３０ｐｐｍ
（ｃ）Ｓ：０．０３０〜０．２０％と、Ｃａ：０．０００５〜０．００５％及び／又はＭｇ：０．０００１〜０．００２０％
を含んでいてもよい。
【０００８】
また本発明の高周波焼入れ鋼部品は、表層圧縮残留応力が４００ＭＰａ以上のものが疲労特性により優れているので好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、静的強度が高くかつ疲労特性に優れた、自動車用動力伝達部品として最適な軸状部を有する高周波焼入れ鋼部品を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
軸状部を有する高周波焼入れ部品の静的強度を向上させる観点からは、硬化層深さ比や表面硬さを増加させることが有効である。しかしこの様に硬化層深さ比を著しく増加させたり、表面硬さを増加させると、圧縮残留応力の低下や高硬度化に伴う切欠き感受性の増加を招き、疲労強度が低下するといった問題がある。そこで本発明者は、高い静的強度確保のために硬化層深さ比を高めた状態で、疲労特性を向上させるべく鋭意研究を行なった。その結果、硬化層深さの比較的大きい鋼部品において、Ｓｉ量を積極的に含有させることが大変有効であることを見出した。以下、本発明について詳述する。
【００１１】
まず本発明では、高い静的強度を達成すべく、軸状部を有する高周波焼入れ鋼部品の有効硬化層深さ（ｔ）と該部品の軸状部の最小半径（ｒ）との比（ｔ／ｒ）を、０．７５以上（好ましくは０．８０以上）とする。この様に有効硬化層深さを確保することが、高い静的強度の確保に最も有効だからである。
【００１２】
そして、上記ｔ／ｒを高めることによって、圧縮残留応力が低下し、その結果劣化する疲労特性を向上させるには、Ｓｉを、積極的に含有させて従来の鋼部品よりも高めとすることが大変重要であることを見出した。この様に比較的多量のＳｉを含有させることによって疲労強度を高め得た理由として、Ｓｉにより、疲労亀裂伝播時の亀裂先端部における疲労軟化が抑制され（亀裂先端で加工硬化が生じているものと思われる）、亀裂伝播抵抗が高まる結果、粒内破壊および粒界破壊が共に生じ難くなり、疲労亀裂伝播寿命が長くなるためと考えられる。
【００１３】
上記効果を十分に発揮させるには、Ｓｉ量を０．５％以上とする必要がある。好ましくは０．６％以上、より好ましくは０．７％以上である。しかしＳｉが過剰になると、脱炭が促進したり被削性が低下するので、２．０％以下（好ましくは１．５％以下）に抑える。
【００１４】
尚、圧縮残留応力の低下を抑制する観点からは、上記ｔ／ｒが０．９０以下であることが好ましい。
【００１５】
本発明は、上記の通り、軸状部を有する高周波焼入れ鋼部品の静的強度と疲労特性を併せて向上させるべく、特に、有効硬化層深さ（ｔ）と軸状部の最小半径（ｒ）との比（ｔ／ｒ）と鋼中Ｓｉ量を制御する点に特徴を有しているが、該作用効果を確実に発揮させるには、その他の成分を下記の通り制御する必要がある。
【００１６】
〈Ｃ：０．３０〜０．５０％〉
Ｃは、高周波焼入れ後の疲労強度を高めるのに不可欠な元素である。該効果を発揮させるには、Ｃを０．３０％以上、好ましくは０．４０％以上含有させる必要がある。しかしＣが過剰になると、焼入れ時に焼き割れが生じたり切欠き感受性が高くなり、疲労強度が却って低下するので、０．５０％以下（好ましくは０．４８％以下）に抑える。
【００１７】
〈Ｍｎ：０．５〜２．０％〉
Ｍｎは、鋼材の焼入れ性を向上させる元素であり、０．５％以上（好ましくは０．６％以上）必要である。しかし、Ｍｎを過剰に含有させるとベイナイト組織が生じて、被削性の低下や焼入れ部の割れ感受性増大を招くので、２．０％以下（好ましくは１．５％以下）に抑える。
【００１８】
〈Ｃｒ：０．１０〜１．０％〉
Ｃｒは、鋼材の焼入れ性を向上させる元素であり、本発明では０．１０％以上（好ましくは０．４％以上）含有させる。しかし、Ｃｒを過剰に含有させるとベイナイト組織が生じて被削性が低下するので、１．０％以下（好ましくは０．８％以下）に抑える。
【００１９】
〈Ａｌ：０．１％以下（０％を含まない）〉
Ａｌは、脱酸と結晶粒微細化に有効な元素であり、これらの効果を発揮させるには０．０１％以上含有させることが好ましい。しかしＡｌを過剰に含有させても、上記結晶粒微細化効果は飽和し、むしろ酸素と結合して生成する不純介在物が増大し、被削性が悪化するといった悪影響が生じるので、０．１％以下（好ましくは０．０５％以下）に抑える。
【００２０】
〈Ｎ：２０〜２００ｐｐｍ〉
Ｎは、Ａｌや後述するＴｉと結合して高周波焼入れ後のオーステナイト結晶粒の成長を抑制し、結晶粒の微細化に有用な元素である。この様な効果を発揮させるべく、Ｎ量を２０ｐｐｍ以上（より好ましくは５０ｐｐｍ以上）とする。しかし、Ｎ量が過剰になると連続鋳造時の表面割れが顕著になるので、２００ｐｐｍ以下に抑える。好ましくは１５０ｐｐｍ以下である。
【００２１】
本発明で規定する含有元素は上記の通りであって、残部は鉄及び不可避不純物であり、該不可避不純物として、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれるＰや０．００２０％以下のＯ等の混入が許容され得る。Ｐは、粒界偏析を起こして粒界強度を低下させ、脆化の原因となるので、０．０１５％以下（好ましくは０．０１０％以下）に抑えることが推奨される。
【００２２】
更に、本発明の作用に悪影響を与えない範囲で、下記元素を積極的に含有させることも可能である。
【００２３】
〈Ｖ：０．２％以下（０％を含まない）、
Ｎｉ：０．１〜２．０％、及び
Ｍｏ：０．１〜１．０％
よりなる群から選択される１種以上〉
Ｖは、鋼部品の非高周波焼入れ部の硬さおよび疲労強度を確保するのに有効な元素であり、該効果を発揮させるには、０．１％以上含有させることが好ましい。しかし、Ｖが過剰でもその効果は飽和するので、０．２％以下（より好ましくは０．１８％以下）に抑えることが好ましい。
【００２４】
Ｎｉは、鋼材の焼入れ性を増加させるのに有用な元素であり、該効果を発揮させるには０．１％以上含有させることが好ましく、より好ましくは０．２％以上である。しかし、Ｎｉが過剰であると被削性が低下するので、２．０％以下に抑えることが好ましい。より好ましくは１．５％以下である。
【００２５】
Ｍｏも、鋼材の焼入れ性を増加させるのに有用な元素であり、該効果を発揮させるには０．１％以上含有させることが好ましく、より好ましくは０．２％以上である。しかし、Ｍｏが過剰であると被削性が低下するので、１．０％以下に抑えることが好ましい。より好ましくは０．７％以下である。
【００２６】
〈Ｔｉ：０．００５〜０．０５％〉
Ｔｉは、ＮやＯとの親和性が強いためこれらの元素と結合して、後述するＢを固溶状態のままとし、Ｂの焼入れ性改善効果や粒界強化効果を有効に発揮させる元素である。また結晶粒の微細化にも有効であり、これらの効果を発揮させるには、Ｔｉ量を０．００５％以上とすることが好ましい。より好ましくは０．０１％以上である。しかしＴｉが過剰であると、被削性が阻害されるため、０．０５％を上限とすることが好ましい。より好ましくは０．０３％以下である。
【００２７】
〈Ｂ：５〜３０ｐｐｍ〉
Ｂは、少量で焼入れ性を高める効果を有すると共に、粒界強度を上昇させる効果も有する。これらの効果を発揮させるには、Ｂ量を５ｐｐｍ以上とすることが好ましい。より好ましくは１０ｐｐｍ以上である。しかし、Ｂが過剰となっても上記効果は飽和するだけであるので、Ｂ量は３０ｐｐｍ以下とすることが好ましい。より好ましくは２５ｐｐｍ以下である。
【００２８】
〈Ｓ：０．０３０〜０．２０％と、
Ｃａ:０．０００５〜０．００５％及び／又はＭｇ:０．０００１〜０．００２０％〉
Ｓは、ＭｎＳを形成して被削性の確保に有効な元素であり、更にＣａ及び／又はＭｇを添加することで上記ＭｎＳの延伸が抑制され、被削性及び異方性が改善される。
【００２９】
上記効果を有効に発揮させるには、Ｓを０．０３０％以上（より好ましくは０．０４０％以上）とすることが好ましい。また、Ｃａを含有させる場合には０．０００５％以上（より好ましくは０．００１０％以上）、Ｍｇを含有させる場合には０．０００１％以上（より好ましくは０．０００５％以上）とするのがよい。
【００３０】
しかしＳが過剰であると、熱間加工割れ等が発生し易くなるため、Ｓは、０．２０％以下（より好ましくは０．１５％以下）に抑えることが好ましい。また、ＣａやＭｇが過剰となってもその効果は飽和するだけであるので、Ｃａは、０．００５％以下（より好ましくは０．００３％以下）、Ｍｇは、０．００２０％以下（より好ましくは０．００１５％以下）とすることが好ましい。
【００３１】
本発明の鋼部品の疲労強度を更に高めるには、該鋼部品の表層圧縮残留応力を４００ＭＰａ以上とすることが好ましく、より好ましくは５００ＭＰａ以上である。この様に部品の表層圧縮残留応力を高めるには、高周波焼入れ後にショットピーニング処理を施すことが有効である。本発明は、該ショットピーニングの条件まで規定するものではなく一般的な条件を採用できるが、上記の通り表層圧縮残留応力を効率よく４００ＭＰａ以上とするには、ショットピーニングを下記条件で行うことが推奨される。
【００３２】
・ショット硬さ：ＨＲＣ５０以上
・ショット粒径：φ０．３〜０．８ｍｍ
・投射速度：５０ｍ／ｓ以上
上記条件以外については、特に限定されず、一般的な製造条件で溶解・鋳造後、熱間鍛造や温間鍛造、冷間鍛造を行い、更には切削を適宜施し、その後、上記の通りｔ／ｒが０．７５以上となるよう高周波焼入れを施すことによって、本発明の鋼部品を得ることができる。
【００３３】
本発明の高周波焼入れ鋼部品は、その形状まで規定するものではないが、最小直径が８〜４０ｍｍの軸状部を有する部品に適用すれば、本発明の効果を有効に発揮させることができる。また本発明の高周波焼入れ鋼部品は、自動車分野、建設機械分野または産業機械分野など広範囲にわたる産業分野で用いられるが、特にドライブシャフト、トランスミッション等の軸状部を有する自動車用動力伝達部品として最適である。
【００３４】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例】
【００３５】
表１に示す化学成分（尚、Ｐ量は、表１のＡ５が０．００７％、Ｂ８が０．０２５％、その他は０．０１５〜０．０２５％である）の鋼を通常の溶製法に従って溶解・鋳造後、熱間鍛造してから焼ならしを行い、その後、切削を施して平行部がφ８ｍｍの疲労試験用試験片を作製した。得られた疲労試験用試験片に、下記の条件で高周波焼入れを施した後、有効硬化層深さ（ｔ）をＪＩＳＧ ０５５９に記載の通り測定し、有効硬化層深さ（ｔ）と部品の最小半径（ｒ；本実施例では４ｍｍ）との比（ｔ／ｒ）を求めた。
【００３６】
また、高周波焼入れ後の試験片の表層の残留応力を、Ｘ線残留応力測定装置で測定した（尚、表１のＡ７については、下記のショットピーニング後に残留応力を測定した）。
【００３７】
〈高周波焼入れ条件〉
下記条件で加熱した後、水冷し、次いで、２００℃×６０分の条件で焼戻しを行った。
【００３８】
・周波数：４０ｋＨｚ
・電圧：７．５ｋＶ
・電流：２．５Ａ
・二次電流：７．０Ａ
・ワークコイル移動速度：６ｍｍ／ｓｅｃ
表１のＡ７については、上記高周波焼入れ後、下記条件でショットピーニング処理を行った。
【００３９】
〈ショットピーニング（Ｓ／Ｐ）処理条件〉
・ショット粒硬さ：ＨＲＣ６１〜６４
・ショット粒径：φ０．６ｍｍ
また、引張試験を行い引張強度（静的強度）を測定すると共に、下記条件で疲労試験を行った。
【００４０】
〈疲労試験〉
上記試験片に引張圧縮荷重［応力比Ｒ（最小応力／最大応力）＝−１］を負荷し、寿命１×１０６回を達成する最大応力を疲労強度とした。
【００４１】
これらの結果を表１に併記する。
【００４２】
【表１】
2006328513.tif 000003
【００４３】
表１より次の様に考察できる（尚、下記Ａ１〜Ｂ９は、表１中の記号を示す）。Ａ１〜Ａ８は、本発明で規定する要件を満たしているので、静的強度が高く、かつ疲労特性にも優れている。
【００４４】
これに対し、Ｂ１〜Ｂ９は、本発明で規定するいずれかの条件を満たしていないため、静的強度が小さいか、疲労特性に劣る結果となった。詳細には、Ｂ１，Ｂ２は、硬化層深さ比（ｔ／ｒ）が小さいため、疲労特性は確保できているが、静的強度が不足する結果となった。Ｂ３，Ｂ４は、Ｓｉ量が不足している例であり、疲労特性はある程度高いが、硬化層深さ比が規定する範囲内にないため静的強度が小さい。
【００４５】
Ｂ５は、硬化層深さ比が小さいため静的強度が低く、またＳｉ量が不足しているため疲労特性にも劣っている。Ｂ６、Ｂ７は、Ｓｉ量が不足しているため疲労特性に劣っている。Ｂ８は、Ｓｉ量が不足しているため疲労特性に劣っている。またＢ９は、硬化層深さ比（ｔ／ｒ）が小さいため静的強度が低くなっている。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】硬化層深さ比（ｔ／ｒ）と疲労強度との関係を示すグラフである。
【図１】
2006328513.tif 000004