(57)【要約】【課題】所要の精度の高強度部を有する一方で、接合部における所要の強度を維持できる溶融接合製品を提供すること。【解決手段】本発明は、Ｃの含有量が０．４５％未満の低炭素鋼よりなる第一低炭素鋼部分と、Ｃの含有量が０．４５％以上の高炭素鋼よりなる高炭素鋼部分と、が摩擦圧接で一体とされて構成された第一中間加工製品と、Ｃの含有量が０．４５％未満の第二低炭素鋼よりなる第二低炭素鋼部分を有する第二中間加工製品と、を備え、第一中間加工製品の高炭素鋼部分には、予め所望の形状に成形され焼入れされた高強度部が設けられており、第二中間加工製品の第二低炭素鋼部分は、予め所定の形状に成形されており、第一中間加工製品の第一低炭素鋼部分と第二中間加工製品の第二低炭素鋼部分とが、溶融溶接によって接合されていることを特徴とする高強度部を有する溶融接合製品である。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃの含有量が０．４５％未満の低炭素鋼よりなる第一低炭素鋼部分（Ｌ１）と、Ｃの含有量が０．４５％以上の高炭素鋼よりなる高炭素鋼部分（Ｈ）と、が摩擦圧接で一体とされて構成された第一中間加工製品（２ａ）と、
Ｃの含有量が０．４５％未満の第二低炭素鋼よりなる第二低炭素鋼部分（Ｌ２）を有する第二中間加工製品（２ｂ）と、
を備え、
第一中間加工製品（２ａ）の高炭素鋼部分（Ｈ）には、予め所望の形状に成形され焼入れされた高強度部（９）が設けられており、
第二中間加工製品（２ｂ）の第二低炭素鋼部分（Ｌ２）は、予め所定の形状に成形されており、
第一中間加工製品（２ａ）の第一低炭素鋼部分（Ｌ１）と第二中間加工製品（２ｂ）の第二低炭素鋼部分（Ｌ２）とが、溶融溶接によって接合されている
ことを特徴とする高強度部を有する溶融接合製品。
【請求項２】
高強度部（９）は、歯形である
ことを特徴とする請求項１に記載の高強度部を有する溶融接合製品。
【請求項３】
第一中間加工製品（２ａ）は、第一デフケースを構成し、
第二中間加工製品（２ｂ）は、第二デフケースを構成し、
第一中間加工製品（２ａ）の第一低炭素鋼部分（Ｌ１）と第二中間加工製品（２ｂ）の第二低炭素鋼部分（Ｌ２）とが、溶融溶接によって接合されて、デフケース（２）が構成されている
ことを特徴とする請求項２に記載の高強度部を有する溶融接合製品。
【請求項４】
高炭素鋼部分（Ｈ）のＣの含有量は、０．４５％乃至０．６０％である
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の高強度部を有する溶融接合製品。
【請求項５】
第一低炭素鋼部分（Ｌ１）のＣの含有量は、０．１０％乃至０．４０％である
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の高強度部を有する溶融接合製品。
【請求項６】
第二低炭素鋼部分（Ｌ２）のＣの含有量は、０．１０％乃至０．４０％である
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の高強度部を有する溶融接合製品。
【請求項７】
Ｃの含有量が０．４５％未満の低炭素鋼よりなる第一予備素材（２０）と、Ｃの含有量が０．４５％以上の高炭素鋼よりなる第二予備素材（２１）と、を摩擦圧接して一体の第一素材（２３）を成形する工程と、
前記第一素材（２３）の摩擦圧接によるバリ（２２）を除去する工程と、
前記第一素材（２３）の第二予備素材（２１）の領域に所定の形状の焼き入れ予定部（９ａ）を成形すると共に、前記第一素材（２３）の第一予備素材（２０）の領域に所定の形状の第一低炭素鋼部分（Ｌ１）を形成して、第一中間加工製品（２ａ）を形成する工程と、
前記焼き入れ予定部（９ａ）を焼入れして高強度部（９）を形成する工程と、
Ｃの含有量が０．４５％未満の第二低炭素鋼よりなる第二素材（４０）から、所定の形状の第二低炭素鋼部分（Ｌ２）を有する第二中間加工製品（２ｂ）を形成する工程と、
第一中間加工製品（２ａ）の第一低炭素鋼部分（Ｌ１）と第二中間加工製品（２ｂ）の第二低炭素鋼部分（Ｌ２）とを、溶融溶接によって接合する工程と、
を備えたことを特徴とする高強度部を有する溶融接合製品の製造方法。
【請求項８】
所定の形状の焼き入れ予定部（９ａ）は、鍛造によって成型される
ことを特徴とする請求項７に記載の高強度部を有する溶融接合製品の製造方法。
【請求項９】
所定の形状の第一低炭素鋼部分（Ｌ１）は、鍛造によって成型される
ことを特徴とする請求項７または８に記載の高強度部を有する溶融接合製品の製造方法。
【請求項１０】
所定の形状の第二低炭素鋼部分（Ｌ２）は、鍛造によって成型される
ことを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載の高強度部を有する溶融接合製品の製造方法。
【請求項１１】
炭素当量が０．６０％未満の鋼材よりなる第一鋼材部分（Ｌ１）と、炭素当量が０．６０％以上の鋼材よりなる焼入れ用鋼材部分（Ｈ）と、が摩擦圧接で一体とされて構成された第一中間加工製品（２ａ）と、
炭素当量が０．６０％未満の鋼材よりなる第二鋼材部分（Ｌ２）を有する第二中間加工製品（２ｂ）と、
を備え、
第一中間加工製品（２ａ）の焼入れ用鋼材部分（Ｈ）には、予め所望の形状に成形され焼入れされた高強度部（９）が設けられており、
第二中間加工製品（２ｂ）の第二鋼材部分（Ｌ２）は、予め所定の形状に成形されており、
第一中間加工製品（２ａ）の第一鋼材部分（Ｌ１）と第二中間加工製品（２ｂ）の第二鋼材部分（Ｌ２）とが、溶融溶接によって接合されている
ことを特徴とする高強度部を有する溶融接合製品。
【請求項１２】
高強度部（９）は、歯形である
ことを特徴とする請求項１１に記載の高強度部を有する溶融接合製品。
【請求項１３】
第一中間加工製品（２ａ）は、第一デフケースを構成し、
第二中間加工製品（２ｂ）は、第二デフケースを構成し、
第一中間加工製品（２ａ）の第一鋼材部分（Ｌ１）と第二中間加工製品（２ｂ）の第二鋼材部分（Ｌ２）とが、溶融溶接によって接合されて、デフケース（２）が構成されている
ことを特徴とする請求項１２に記載の高強度部を有する溶融接合製品。
【請求項１４】
第一鋼材部分（Ｌ１）の高温割れ感受性の値と第二鋼材部分（Ｌ２）の高温割れ感受性の値との和が７以下であるように、第一鋼材部分（Ｌ１）及び第二鋼材部分（Ｌ２）が選定されている
ことを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれかに記載の高強度部を有する溶融接合製品。
【請求項１５】
炭素当量が０．６０％未満の鋼材よりなる第一予備素材（２０）と、炭素当量が０．６０％以上の鋼材よりなる第二予備素材（２１）と、を摩擦圧接して一体の第一素材（２３）を成形する工程と、
前記第一素材（２３）の摩擦圧接によるバリ（２２）を除去する工程と、
前記第一素材（２３）の第二予備素材（２１）の領域に所定の形状の焼き入れ予定部を成形すると共に、前記第一素材（２３）の第一予備素材（２０）の領域に所定の形状の第一鋼材部分（Ｌ１）を形成して、第一中間加工製品（２ａ）を形成する工程と、
前記焼き入れ予定部（９ａ）を焼入れして高強度部（９）を形成する工程と、
炭素当量が０．６０％未満の第二鋼材よりなる第二素材（４０）から、所定の形状の第二鋼材部分（Ｌ２）を有する第二中間加工製品（２ｂ）を形成する工程と、
第一中間加工製品（２ａ）の第一鋼材部分（Ｌ１）と第二中間加工製品（２ｂ）の第二鋼材部分（Ｌ２）とを、溶融溶接によって接合する工程と、
を備えたことを特徴とする高強度部を有する溶融接合製品の製造方法。
【請求項１６】
所定の形状の焼き入れ予定部（９ａ）は、鍛造によって成型される
ことを特徴とする請求項１５に記載の高強度部を有する溶融接合製品の製造方法。
【請求項１７】
所定の形状の第一鋼材部分（Ｌ１）は、鍛造によって成型される
ことを特徴とする請求項１５または１６に記載の高強度部を有する溶融接合製品の製造方法。
【請求項１８】
所定の形状の第二鋼材部分（Ｌ２）は、鍛造によって成型される
ことを特徴とする請求項１５乃至１７のいずれかに記載の高強度部を有する溶融接合製品の製造方法。
【請求項１９】
第一予備素材（２０）の高温割れ感受性の値と第二素材（４０）の高温割れ感受性の値との和が７以下であるように、第一予備素材（２０）及び第二素材（４０）が選定される
ことを特徴とする請求項１５乃至１８のいずれかに記載の高強度部を有する溶融接合製品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度部を有する溶融接合製品及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、形状の異なる二つの部材を接合して接合製品を成形する技術として、摩擦圧接が知られている。例えば、特開平５−８４６１４号公報には、精密鍛造により成形された歯形を有する第一中間加工製品と第二中間加工製品とが、摩擦圧接によって接合されて、歯形部を有する複合歯車が成形されることが開示されている。
【０００３】
また、形状の異なる二つの部材を接合して接合製品を成形する他の技術として、レーザ溶接が知られている。例えば、特表２００６−５０９１７２号公報には、高強度を要するリングギヤとデフケースとが、レーザ溶接されて、歯形部を有するデフケースが成形されることが開示されている。
【０００４】
特開平５−８４６１４号公報に開示された技術、すなわち、精密鍛造により成形された歯形を有する第一中間加工製品及び第二中間加工製品を摩擦圧接により接合する技術においては、第一中間加工製品及び第二中間加工製品の何れか一方が高速回転されながら他方に圧接されて、第一中間加工製品の端部及び第二中間加工製品の端部が摩擦熱により溶融して接合が果たされる。このため、摩擦圧接された接合製品は、第一中間加工製品の軸心と第二中間加工製品の軸心とがずれた状態で接合されてしまったり、第一中間加工製品の端部と第二中間加工製品の端部との溶融によって軸線方向長さがばらつくことがある。このような場合には、摩擦圧接された接合製品において必要な精度を得ることができないという問題がある。摩擦圧接された接合製品について必要な精度を得ようとすると、摩擦圧接された接合製品に切削加工を施さなければならず、加工コストが著しく高くなる。
【０００５】
一方、特表２００６−５０９１７２号公報に開示された技術では、特に当該文献の段落００１７及び図１Ｂに示されているように、第一中間加工製品である第一デフケースと、第二中間加工製品であるリングギヤを有する第二デフケースと、が各々固定されて、レーザ溶接によって接合されて接合製品であるデフケースが成形される。このように第一デフケースと第二デフケースとが固定されて溶接される場合、固定時に第一デフケースの軸心と第二デフケースの軸心とが一致するように調整されれば、接合されて形成されるデフケースにおいても、軸心のずれが発生せず、必要な精度を得ることができる。
【０００６】
しかしながら、リングギヤは高強度が必要であるために、Ｃ（炭素）を多く含んでいる高炭素鋼で構成されることが多い。そのような場合、高炭素鋼からなる第二デフケースがレーザ溶接のような溶融溶接にさらされると、高炭素鋼の溶融した接合部が硬化して、接合部に割れが発生することがある。すなわち、第一デフケースと第二デフケースの接合部の強度が弱くなるという問題が生じることがある。
【特許文献１】特開平５−８４６１４号公報
【特許文献２】特表２００６−５０９１７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、高強度部を有する高炭素鋼部分と低炭素鋼部分とからなる溶融接合製品であって、所要の精度の高強度部を有する一方で、接合部における所要の強度を維持できる溶融接合製品を提供することを目的とする。また、その製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、Ｃの含有量が０．４５％未満の低炭素鋼よりなる第一低炭素鋼部分と、Ｃの含有量が０．４５％以上の高炭素鋼よりなる高炭素鋼部分と、が摩擦圧接で一体とされて構成された第一中間加工製品と、Ｃの含有量が０．４５％未満の第二低炭素鋼よりなる第二低炭素鋼部分を有する第二中間加工製品と、を備え、第一中間加工製品の高炭素鋼部分には、予め所望の形状に成形され焼入れされた高強度部が設けられており、第二中間加工製品の第二低炭素鋼部分は、予め所定の形状に成形されており、第一中間加工製品の第一低炭素鋼部分と第二中間加工製品の第二低炭素鋼部分とが、溶融溶接によって接合されていることを特徴とする高強度部を有する溶融接合製品である。
【０００９】
本発明によれば、第一中間加工製品の高炭素鋼部分の高強度部に焼入れがされていることにより、所要の強度を得ることができる。また、第一中間加工製品の第一低炭素鋼部分と第二中間加工製品の第二低炭素鋼部分とが溶融溶接により接合されているため、当該接合部において高炭素鋼部分の溶融による硬化が生じることが防止され、当該硬化による割れの発生を防止することができる。すなわち、第一中間加工製品と第二中間加工製品との接合部において、所要の強度を維持することができる。また、溶融溶接は、第一中間加工製品と第二中間加工製品とを固定した状態で行うことができるので、所要の精度を有する接合製品を得ることが容易である。更に、Ｃの含有量が０．４５％以上の高炭素鋼とＣの含有量が０．４５％未満の低炭素鋼とを摩擦圧接して第一素材を成形し、その後に、所定の形状の第一中間加工製品に成形できるため、摩擦圧接による第一素材の軸心のずれや軸線方向長さのばらつきが、その後の成形工程において修正可能である。
【００１０】
例えば、高強度部は、歯形に形成され得る。
【００１１】
また、例えば、第一中間加工製品は、第一デフケースを構成し、第二中間加工製品は、第二デフケースを構成し、第一中間加工製品の第一低炭素鋼部分と第二中間加工製品の第二低炭素鋼部分とが、溶融溶接によって接合されて、デフケースが構成され得る。この場合、ボルト等の接合部品を少なくすることができ、デフケースの軽量化を実現することができる。
【００１２】
高炭素鋼部分のＣの含有量は、例えば、０．４５％乃至０．６０％程度である。また、第一低炭素鋼部分のＣの含有量は、例えば、０．１０％乃至０．４０％である。また、第二低炭素鋼部分のＣの含有量も、例えば、０．１０％乃至０．４０％である。
【００１３】
また、本発明は、Ｃの含有量が０．４５％未満の低炭素鋼よりなる第一予備素材と、Ｃの含有量が０．４５％以上の高炭素鋼よりなる第二予備素材と、を摩擦圧接して一体の第一素材を成形する工程と、前記第一素材の摩擦圧接によるバリを除去する工程と、前記第一素材の第二予備素材の領域に所定の形状の焼き入れ予定部を成形すると共に、前記第一素材の第一予備素材の領域に所定の形状の第一低炭素鋼部分を形成して、第一中間加工製品を形成する工程と、前記焼き入れ予定部を焼入れして高強度部を形成する工程と、Ｃの含有量が０．４５％未満の第二低炭素鋼よりなる第二素材から、所定の形状の第二低炭素鋼部分を有する第二中間加工製品を形成する工程と、第一中間加工製品の第一低炭素鋼部分と第二中間加工製品の第二低炭素鋼部分とを、溶融溶接によって接合する工程と、を備えたことを特徴とする高強度部を有する溶融接合製品の製造方法である。
【００１４】
本発明によれば、高炭素鋼よりなる焼き入れ予定部に焼入れがされることにより、所要の強度の高強度部を得ることができる。また、第一中間加工製品の第一低炭素鋼部分と第二中間加工製品の第二低炭素鋼部分とが溶融溶接により接合されるため、当該接合部において高炭素鋼部分の溶融による硬化が生じることが防止され、当該硬化による割れの発生を防止することができる。すなわち、第一中間加工製品と第二中間加工製品との接合部において、所要の強度を維持することができる。また、溶融溶接は、第一中間加工製品と第二中間加工製品とを固定した状態で行うことができるので、所要の精度を有する接合製品を得ることが容易である。更に、Ｃの含有量が０．４５％以上の高炭素鋼（第二予備素材）とＣの含有量が０．４５％未満の低炭素鋼（第一予備素材）とを摩擦圧接して第一素材を成形し、その後、所定の形状の第一中間加工製品に成形するため、摩擦圧接による第一素材の軸心のずれや軸線方向長さのばらつきが、その後の成形工程において修正可能である。
【００１５】
例えば、所定の形状の焼き入れ予定部は、鍛造によって成型され得る。また、所定の形状の第一低炭素鋼部分も、鍛造によって成型され得る。さらには、所定の形状の第二低炭素鋼部分も、鍛造によって成型され得る。これらの場合、第一素材もしくは第二素材の歩どまりがよい。また、摩擦圧接による第一素材の軸心のずれや軸線方向長さのばらつきも鍛造工程中に修正できるため、加工コストを低減することができる。
【００１６】
以上の考察は、主として、炭素量によって鋼材の性質が概ね決定される炭素鋼材についてなされたものである。本件発明者は、さらに、炭素以外の鋼材成分の量によって鋼材の性質が影響される構造用鋼鋼材について検討した。その結果、そのような構造用鋼鋼材については、炭素量の代わりに炭素当量を基準にすべきであることを知見した。
【００１７】
炭素当量とは、ＪＩＳにおいて、以下のように規定されている。
炭素当量＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋Ｓｉ／２４＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４
ここで、Ｃは炭素量（％）、Ｍｎはマンガン量（％）、Ｓｉはシリコン量（％）、Ｎｉはニッケル量（％）、Ｃｒはクロム量（％）、Ｍｏはモリブデン量（％）、Ｖはバナジウム量（％）である。
【００１８】
そして、本件発明者が当初知見した閾値である「０．４５％」という炭素量の炭素鋼材は、一般の炭素鋼材（例えばＳ４５Ｃ等）の成分データを用いて換算すれば、「０．６０％」という炭素当量の構造用鋼鋼材と等価であり、本件発明においてもそのような置換が可能であることが実際に確かめられた。（Ｓ４５Ｃの一例：Ｃ＝０．４６、Ｍｎ＝０．７２、Ｓｉ＝０．１８、Ｎｉ＝０．０４、Ｃｒ＝０．１１、Ｖ＝０．００：炭素量＝０．４６％、炭素当量＝０．６１３％）
【００１９】
すなわち、本発明は、炭素当量が０．６０％未満の鋼材よりなる第一鋼材部分と、炭素当量が０．６０％以上の鋼材よりなる焼入れ用鋼材部分と、が摩擦圧接で一体とされて構成された第一中間加工製品と、炭素当量が０．６０％未満の鋼材よりなる第二鋼材部分を有する第二中間加工製品と、を備え、第一中間加工製品の焼入れ用鋼材部分には、予め所望の形状に成形され焼入れされた高強度部が設けられており、第二中間加工製品の第二鋼材部分は、予め所定の形状に成形されており、第一中間加工製品の第一鋼材部分と第二中間加工製品の第二鋼材部分とが、溶融溶接によって接合されていることを特徴とする高強度部を有する溶融接合製品である。
【００２０】
本発明によれば、第一中間加工製品の焼入れ用鋼材部分の高強度部に焼入れがされていることにより、所要の強度を得ることができる。また、第一中間加工製品の第一鋼材部分と第二中間加工製品の第二鋼材部分とが溶融溶接により接合されているため、当該接合部において焼入れ用鋼材部分の溶融による硬化が生じることが防止され、当該硬化による割れの発生を防止することができる。すなわち、第一中間加工製品と第二中間加工製品との接合部において、所要の強度を維持することができる。また、溶融溶接は、第一中間加工製品と第二中間加工製品とを固定した状態で行うことができるので、所要の精度を有する接合製品を得ることが容易である。更に、炭素当量が０．６０％以上の焼入れ用鋼材と炭素当量が０．６０％未満の第一鋼材とを摩擦圧接して第一素材を成形し、その後に、所定の形状の第一中間加工製品に成形できるため、摩擦圧接による第一素材の軸心のずれや軸線方向長さのばらつきが、その後の成形工程において修正可能である。
【００２１】
この場合も、例えば、高強度部は、歯形に形成され得る。
【００２２】
また、この場合も、例えば、第一中間加工製品は、第一デフケースを構成し、第二中間加工製品は、第二デフケースを構成し、第一中間加工製品の第一鋼材部分と第二中間加工製品の第二鋼材部分とが、溶融溶接によって接合されて、デフケースが構成され得る。この場合、ボルト等の接合部品を少なくすることができ、デフケースの軽量化を実現することができる。
【００２３】
なお、第一中間加工製品の第一鋼材部分と第二中間加工製品の第二鋼材部分とが溶融溶接により接合される際、第一鋼材部分の高温割れ感受性の値と第二鋼材部分の高温割れ感受性の値との和が７以下であれば、割れの発生をより確実に防止することができる。ここで、高温割れ感受性の値は、以下の式で算出される。
高温割れ感受性＝１０００×Ｃ（Ｓ＋Ｐ＋（Ｓｉ／２５）＋（Ｎｉ／１００））／（３Ｍｎ＋Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）
ここで、Ｃは炭素量（％）、Ｓは硫黄量（％）、Ｐはリン量（％）、Ｓｉはシリコン量（％）、Ｎｉはニッケル量（％）、Ｍｎはマンガン量（％）、Ｃｒはクロム量（％）、Ｍｏはモリブデン量（％）、Ｖはバナジウム量（％）である。
【００２４】
また、本発明は、炭素当量が０．６０％未満の鋼材よりなる第一予備素材と、炭素当量が０．６０％以上の鋼材よりなる第二予備素材と、を摩擦圧接して一体の第一素材を成形する工程と、前記第一素材の摩擦圧接によるバリを除去する工程と、前記第一素材の第二予備素材の領域に所定の形状の焼き入れ予定部を成形すると共に、前記第一素材の第一予備素材の領域に所定の形状の第一鋼材部分を形成して、第一中間加工製品を形成する工程と、前記焼き入れ予定部を焼入れして高強度部を形成する工程と、炭素当量が０．６０％未満の第二鋼材よりなる第二素材から、所定の形状の第二鋼材部分を有する第二中間加工製品を形成する工程と、第一中間加工製品の第一鋼材部分と第二中間加工製品の第二鋼材部分とを、溶融溶接によって接合する工程と、を備えたことを特徴とする高強度部を有する溶融接合製品の製造方法である。
【００２５】
本発明によれば、第二予備素材よりなる焼き入れ予定部に焼入れがされることにより、所要の強度を得ることができる。また、第一中間加工製品の第一鋼材部分と第二中間加工製品の第二鋼材部分とが溶融溶接により接合されるため、当該接合部において第二予備素材の溶融による硬化が生じることが防止され、当該硬化による割れの発生を防止することができる。すなわち、第一中間加工製品と第二中間加工製品との接合部において、所要の強度を維持することができる。また、溶融溶接は、第一中間加工製品と第二中間加工製品とを固定した状態で行うことができるので、所要の精度を有する接合製品を得ることが容易である。更に、炭素当量が０．６０％以上の第二予備素材と炭素当量が０．６０％未満の第一予備素材とを摩擦圧接して第一素材を成形し、その後、所定の形状の第一中間加工製品に成形するため、摩擦圧接による第一素材の軸心のずれや軸線方向長さのばらつきが、その後の成形工程において修正可能である。
【００２６】
この場合も、例えば、所定の形状の焼き入れ予定部は、鍛造によって成型され得る。また、所定の形状の第一鋼材部分も、鍛造によって成型され得る。さらには、所定の形状の第二鋼材部分も、鍛造によって成型され得る。これらの場合、第一素材もしくは第二素材の歩どまりがよい。また、摩擦圧接による第一素材の軸心のずれや軸線方向長さのばらつきも鍛造工程中に修正できるため、加工コストを低減することができる。
【００２７】
また、この場合も、第一中間加工製品の第一鋼材部分と第二中間加工製品の第二鋼材部分とが溶融溶接により接合される際、第一鋼材部分の高温割れ感受性の値と第二鋼材部分の高温割れ感受性の値との和が７以下であれば、割れの発生をより確実に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図１は、本発明の一実施の形態の溶融接合製品であるディファレンシャル装置の断面図である。図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の一実施の形態の製造方法における、第一素材の成形工程を説明する断面図である。図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の一実施の形態の製造方法における、第一素材から第一デフケースを成形する成形工程を説明する断面図である。図４は、本発明の一実施の形態の溶融接合製品における第一中間加工製品の断面図である。図５Ａ乃至図５Ｃは、本発明の一実施の形態の製造方法における、第二素材から第二中間加工製品を成形する成形工程を説明する断面図である。図６は、本発明の一実施の形態の溶融接合製品であるディファレンシャル装置の、溶接前の状態の断面図である。
【００２９】
まず、図１を参照して、ディファレンシャル装置１を説明する。本発明の一実施の形態の溶融接合製品であるディファレンシャル装置１のデフケース２は、第一中間加工製品である第一デフケース２ａと、第二中間加工製品である第二デフケース２ｂとから構成されている。第一デフケース２ａは、車軸方向に延びる第一ボス部１３を有してＣの含有量が０．４５％以上である高炭素鋼部分Ｈと、Ｃの含有量が０．４５％未満である第一低炭素鋼部分Ｌ１と、を有している。第二デフケース２ｂは、車軸方向に成形された第二ボス部１４を有し、Ｃの含有量が０．４５％未満である第二低炭素鋼部分Ｌ２からなる。
【００３０】
高炭素鋼部分ＨのＣの含有量は、例えば、０．４５％乃至０．６０％程度である。また、第一低炭素鋼部分Ｌ１のＣの含有量は、例えば、０．１０％乃至０．４０％である。また、第二低炭素鋼部分Ｌ２のＣの含有量も、例えば、０．１０％乃至０．４０％である。
【００３１】
第一デフケース２ａの高炭素鋼部分Ｈには、高強度部である歯形９が成形されている。第一デフケース２ａの第一低炭素鋼部分Ｌ１には、後述されるピニオンシャフト３を第一デフケース２ａ内に挿入するためのデフケース孔１０、後述される固定ピン１５を第一デフケース２ａ内に挿入するための固定ピン挿入孔１６、及び、嵌合用の凹部１１、が成形されている。また、第二デフケース２ｂの第二低炭素鋼部分Ｌ２には、嵌合用の凸部１２が成形されている。嵌合用の凹部１１と嵌合用の凸部１２とが、電子ビーム溶接、レーザ溶接、及び抵抗溶接の何れか一の溶接方法によって接合されている。これにより、デフケース２が構成されている。
【００３２】
デフケース２内には、デフケース２と一体に回転するピニオンシャフト３、ピニオンシャフト３をデフケース２内に固定する固定ピン１５、デフケース孔１０に挿入されるピニオンシャフト３によって回転自在に軸支されるピニオンギヤ６、ピニオンギヤ６とデフケースと２の間に取り付けられるピニオンギヤ用スラストワッシャー４、ピニオンギヤ６と噛合する第一サイドギヤ１７及び第二サイドギヤ１８、第一サイドギヤ１７及び第二サイドギヤ１８とデフケース２との間に取り付けられるサイドギヤ用スラストワッシャー５、が配置されている。
【００３３】
次に、第一デフケース２ａの成形方法について、図２Ａ乃至図４に基づいて説明する。
【００３４】
図２Ａに示すように、まず、Ｃの含有量が０．４５％未満である低炭素鋼の第一予備素材２０と、Ｃの含有量が０．４５％以上である高炭素鋼の第二予備素材２１と、が準備される。そして、これらの第一予備素材２０及び第二予備素材２１が、図示しない摩擦圧接装置に取り付けられ、第一予備素材２０のみが高速回転されながら、第二予備素材２１に摩擦圧接される。これにより、図２Ｂに示すように、第一予備素材２０及び第二予備素材２１が接合され、接合部の周りにバリ２２を有する第一素材２３が成形される。
【００３５】
次に、第一素材２３のバリが除去されて、図３Ａに示すように、Ｃの含有量が０．４５％以上である高炭素鋼部分Ｈと、Ｃの含有量が０．４５％未満である第一低炭素鋼部分Ｌ１と、を有する第一素材２３が成形される。ここでの摩擦圧接では、第一予備素材２０と第二予備素材２１とが軟化することによって接合されるので、接合部におけるブローホールの発生や、接合部における硬化による割れの発生が、防止される。すなわち、高炭素鋼部分Ｈ及び第一低炭素鋼部分Ｌ１を有する第一素材２３は、強固に一体に接合されている。
【００３６】
第一素材２３は、熱間鍛造による塑性変形によって、Ｃの含有量が０．４５％以上の高炭素鋼部分Ｈの領域に、焼き入れ予定部９ａである歯形、第一ボス部１３、及び、第一ボス部１３の内部の第一貫通孔３１、が成形される。また、高炭素鋼部分Ｈ及び低炭素鋼部分Ｌ１の内部には、第一予備ギヤ室３２が成形される。さらに、低炭素鋼部分Ｌ１の外周端部には、周状の嵌合用凹部１１が形成される。以上により、予備第一デフケース３０が完成される。
【００３７】
図４に示すように、予備第一デフケース３０の第一貫通孔３１には、内径仕上がなされ、第一潤滑溝３３が切削加工される。また、第一予備ギヤ室３２の内部は、当接するピニオンギヤ用スラストワッシャー４及びサイドギヤ用スラストワッシャー５の形状に対応するように切削加工されて、第一ギヤ室３５が形成される。更に、予備第一デフケース３０の外周と第一ギヤ室３５との間にデフケース孔１０が切削加工され、当該デフケース孔１０に直交するように固定ピン挿入孔１６が切削加工される。加えて、焼き入れ予定部９ａである歯形についても、所要の形状に切削加工される。そして、焼き入れ予定部９ａである歯形部分のみに高周波焼入れが施され、所要の形状及び硬度の歯形９を有する第一デフケース２ａが完成される。
【００３８】
次に、第二デフケース２ｂの成形方法について、図５に基づいて説明する。まず、図５Ａに示すように、Ｃの含有量が０．４５％未満の低炭素鋼からなる第二素材４０が用意される。そして、熱間鍛造によって、図５Ｂに示すように、外部に第二ボス部１４が成形され、内部に第二貫通孔４１及び第二予備ギヤ室４２が成形され、外周端部に予備第一デフケース３０の嵌合用凹部１１と嵌合する周状の嵌合用凸部１２が成形されて、予備第二デフケース５０が完成される。
【００３９】
そして、図５Ｃに示すように、第二予備ギヤ室４２の内部が、当接するピニオンギヤ用スラストワッシャー４及びサイドギヤ用スラストワッシャー５の形状に対応するように切削加工されて、第二ギヤ室４５が形成される。また、第二貫通孔４１には、内径仕上がなされ、第二潤滑溝４３が切削加工される。以上により、第二デフケース２ｂが完成される。
【００４０】
続いて、図６に基いて、ディファレンシャル装置１の組み付け方法について説明する。
【００４１】
最初に、第一デフケース２ａ内に、サイドギヤ用スラストワッシャー５が反歯形側に取り付けられた第一サイドギヤ１７が、当該第一サイドギヤ１７の歯形側がデフケース中央Ｙに向くように、デフケース２の回転軸Ｘ上に載置される。
【００４２】
次に、ピニオンギヤ用スラストワッシャー４が反歯形側に取り付けられたピニオンギヤ６が、第一サイドギヤ１７の上に載置される。このとき、各ピニオンギヤ６の歯形は、デフケース２の回転軸Ｘに向くと共に、デフケース回転軸Ｘを中心に互いに対向する。また、ピニオンギヤ６のピニオンギヤ孔７と第一デフケース２ａのデフケース孔１０とピニオンギヤ用スラストワッシャー４の孔とが、同一直線上に整列される。
【００４３】
そして、ピニオンシャフト３が、デフケース孔１０、ピニオンギヤ用スラストワッシャー４の孔、及び、ピニオンギヤ６に成形されたピニオンギヤ孔７を貫通して、デフケース２の回転軸Ｘまで挿入され、更に、当該回転軸Ｘを挟んで対称のピニオンギヤ孔７、ピニオンギヤ用スラストワッシャー４の孔、及び、デフケース孔１０に案内される。次に、第一デフケース２ａにピニオンギヤ６が位置決めされる。そして、第一デフケース２ａの固定ピン挿入孔１６及びピニオンシャフト３の固定ピン挿通孔１９に固定ピン１５が挿入される。これにより、ピニオンギヤ６が第一デフケース２ａに対して抜け落ち不能に組付けられる。
【００４４】
続いて、サイドギヤ用スラストワッシャー５が反歯形側に取り付けられた第二サイドギヤ１８が、ピニオンギヤ６の上に載置される。このとき、第二サイドギヤ１８の歯形がピニオンギヤ６側に向くように載置される。
【００４５】
そして、第二デフケース２ｂの嵌合用凸部１２と第一デフケース２ａの嵌合用凹部１１とが嵌合される。そして、第一低炭素鋼部分Ｌ１の嵌合用凹部１１と第二低炭素鋼部分Ｌ２の嵌合凸部１２とが電子ビーム溶接によって溶融接合されて、ディファレンシャル装置１のデフケース２の組み付けが完了する。
【００４６】
以上のようなデフケース２によれば、第一デフケース２ａの高炭素鋼部分Ｈの焼き入れ予定部９ａに焼入れがなされることにより、所要の強度の高強度部９を得ることができる。また、第一デフケース２ａの第一低炭素鋼部分Ｌ１と第二デフケース２ｂの第二低炭素鋼部分Ｌ２とが電子ビーム溶接により接合されているため、接合部において高炭素鋼部分Ｈの溶融による硬化が生じることがなく、当該硬化による割れの発生を防止することができる。すなわち、第一デフケース２ａと第二デフケース２ｂとの接合部において、所要の強度を有することができる。また、電子ビーム溶接は、第一デフケース２ａと第二デフケース２ｂとを固定した状態で行うことができるので、所要の精度を有する接合製品を得ることが容易である。更に、Ｃの含有量が０．４５％以上の高炭素鋼とＣの含有量が０．４５％未満の低炭素鋼とを摩擦圧接して第一素材２３を成形し、その後、所定の形状の第一デフケース２ａに成形するため、摩擦圧接による第一素材２３の軸心のずれや軸線方向長さのばらつきが、その後の成形工程において修正可能である。
【００４７】
また、第一デフケース２ａと第二デフケース２ｂとが、溶接によって接合されることにより、ボルト等の接合部品を少なくすることができる。すなわち、ボルト等の接合部品の部品点数を削減することができる。従って、デフケース２の軽量化を実現することができる。
【００４８】
また、焼き入れ予定部９ａである歯形の成形、第一デフケース２ａの成形、及び、第二デフケース２ｂの成形が鍛造により行われる場合、それらを切削加工する場合より、第一デフケース２ａ及び第二デフケース２ｂの歩どまりがよい。また、摩擦圧接による第一素材２３の軸心のずれや軸線方向長さのばらつきが、鍛造工程中に修正できるので、所要の寸法精度の達成に必要な加工コストを削減することができる。
【００４９】
尚、以上の実施の形態では、高強度部９として歯形が成形されているが、高強度が必要な部分は、異なる形状に成形されてもよい。また、摩擦圧接工程の後の第一デフケース２ａ及び第二デフケース２ｂの成形は、熱間鍛造によって行われる他、冷間鍛造、温間鍛造、あるいは、切削加工によって行われても良い。
【００５０】
また、以上の実施の形態では、デフケース２について説明されているが、異なる接合製品にも本発明は適用され得る。また、第一デフケース２ａと第二デフケース２ｂとを溶融させて接合する一例として、電子ビーム溶接での接合が説明されているが、レーザ溶接、抵抗溶接など、他の溶融溶接が用いられてもよい。
【００５１】
また、第一デフケース２ａに嵌合用凹部１１が成形され、第二デフケース２ｂに嵌合用凸部１２が成形されて、溶接の際の位置決めが行われているが、第一デフケース２ａに嵌合用凸部が成形され、第二デフケース２ｂに嵌合用凹部が成形されて位置決めが行われてもよい。
【００５２】
また、第二デフケース２ｂは、第二低炭素鋼部分Ｌ２のみから構成されているが、溶融溶接による接合部が低炭素鋼部分であれば、高炭素鋼部分を有していてもよい。
【００５３】
また、焼き入れとして、高周波焼き入れが採用されているが、更に高度を高めるために、浸炭焼き入れが採用されてもよい。
【００５４】
以上の説明は、主として、炭素量によって鋼材の性質が概ね決定される炭素鋼材についてなされたものである。本件発明者は、さらに、炭素以外の鋼材成分の量によって鋼材の性質が影響される構造用鋼鋼材について検討した。その結果、そのような構造用鋼鋼材については、炭素量の代わりに炭素当量を基準にすべきであることを知見した。
【００５５】
炭素当量とは、ＪＩＳにおいて、以下のように規定されている。
炭素当量＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋Ｓｉ／２４＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４
ここで、Ｃは炭素量（％）、Ｍｎはマンガン量（％）、Ｓｉはシリコン量（％）、Ｎｉはニッケル量（％）、Ｃｒはクロム量（％）、Ｍｏはモリブデン量（％）、Ｖはバナジウム量（％）である。
【００５６】
そして、本件発明者が当初知見した閾値である「０．４５％」という炭素量の炭素鋼材は、一般の炭素鋼材（例えばＳ４５Ｃ等）の成分データを用いて換算すれば、「０．６０％」という炭素当量の構造用鋼鋼材と等価であり、本件発明においてもそのような置換が可能であることが実際に確かめられた。（Ｓ４５Ｃの一例：Ｃ＝０．４６、Ｍｎ＝０．７２、Ｓｉ＝０．１８、Ｎｉ＝０．０４、Ｃｒ＝０．１１、Ｖ＝０．００：炭素量＝０．４６％、炭素当量＝０．６１３％）
【００５７】
すなわち、前記の実施の形態との対比において、高炭素鋼部分Ｈの替わりに、炭素当量が０．６０％以上の鋼材（焼入れ用鋼材）を用いることができ、第一低炭素鋼部分Ｌ１の替わりに、炭素当量が０．６０％未満の鋼材よりなる第一鋼材部分を用いることができ、
第二低炭素鋼部分Ｌ２の替わりに、炭素当量が０．６０％未満の鋼材よりなる第二鋼材部分を用いることができる。
【００５８】
この場合でも、第一デフケース２ａの焼入れ用鋼材Ｈの焼き入れ予定部９ａに焼入れがなされることにより、所要の強度の高強度部９を得ることができる。また、第一デフケース２ａの第一鋼材部分Ｌ１と第二デフケース２ｂの第二鋼材部分Ｌ２とが電子ビーム溶接等により接合されて、接合部において焼入れ用鋼材Ｈの溶融による硬化が生じることがなく、当該硬化による割れの発生を防止することができる。すなわち、第一デフケース２ａと第二デフケース２ｂとの接合部において、所要の強度を有することができる。また、電子ビーム溶接は、第一デフケース２ａと第二デフケース２ｂとを固定した状態で行うことができるので、所要の精度を有する接合製品を得ることが容易である。更に、炭素当量が０．６０％以上の焼入れ用鋼材Ｈと炭素当量が０．６０％未満の第一鋼材部分とを摩擦圧接して第一素材２３を成形し、その後、所定の形状の第一デフケース２ａに成形することにより、摩擦圧接による第一素材２３の軸心のずれや軸線方向長さのばらつきが、その後の成形工程において修正可能である。
【００５９】
なお、第一中間加工製品の第一鋼材部分Ｌ１と第二中間加工製品の第二鋼材部分Ｌ２とが溶融溶接により接合される際、第一鋼材部分の高温割れ感受性の値と第二鋼材部分の高温割れ感受性の値との和が７以下である時、割れの発生をより確実に防止することができる。ここで、高温割れ感受性の値は、以下の式で算出される。
高温割れ感受性＝１０００×Ｃ（Ｓ＋Ｐ＋（Ｓｉ／２５）＋（Ｎｉ／１００））／（３Ｍｎ＋Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）
ここで、Ｃは炭素量（％）、Ｓは硫黄量（％）、Ｐはリン量（％）、Ｓｉはシリコン量（％）、Ｎｉはニッケル量（％）、Ｍｎはマンガン量（％）、Ｃｒはクロム量（％）、Ｍｏはモリブデン量（％）、Ｖはバナジウム量（％）である。
【００６０】
図７に、本件発明者が実際に検討した鋼材のデータを示す。表中、Ｃｅｑが炭素当量であり、ＨＣＳが高温割れ感受性である。そして、図７に示された各鋼材を、前記実施の形態における焼入れ用鋼材Ｈないし溶融接合用鋼材Ｌ１，Ｌ２として用いた際の評価結果を、図８及び図９に示す。
【００６１】
図８に示すように、焼入れ用鋼材Ｈとしては、焼き入れ後の歯形９の硬度（強度）という観点で、Ｓ４５Ｃ、Ｓ５０Ｃ、Ｓ５５Ｃが好ましかった。その他の鋼材は、所望の歯形の高度を実現することができず、焼入れ用鋼材Ｈとしては不適格であった。
【００６２】
一方、図９に示すように、溶融接合用鋼材Ｌ１，Ｌ２としては、炭素量０．４５％ないし炭素当量０．６０％を閾値として適否が分かれた。また、接合される二つの鋼材の高温割れ感受性の値の和が７以下であるとき、割れの発生がより確実に防止されることも実際に知見された。
【００６３】
なお、鋼材選択の際には、その加工性が合わせて考慮される（所望の加工が困難であるような加工性の悪い鋼材は利用されない）ことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の一実施の形態の溶融接合製品であるディファレンシャル装置のデフケースの断面図。
【図２Ａ】本発明の一実施の形態の製造方法における、第一素材の成形工程を説明する断面図である。
【図２Ｂ】本発明の一実施の形態の製造方法における、第一素材の成形工程を説明する断面図である。
【図３Ａ】本発明の一実施の形態の製造方法における、第一素材から第一デフケースを成形する成形工程を説明する断面図。
【図３Ｂ】本発明の一実施の形態の製造方法における、第一素材から第一デフケースを成形する成形工程を説明する断面図。
【図４】本発明の一実施の形態の溶融接合製品における第一中間加工製品の断面図。
【図５Ａ】本発明の一実施の形態の製造方法における、第二素材から第二中間加工製品を成形する成形工程を説明する断面図。
【図５Ｂ】本発明の一実施の形態の製造方法における、第二素材から第二中間加工製品を成形する成形工程を説明する断面図。
【図５Ｃ】本発明の一実施の形態の製造方法における、第二素材から第二中間加工製品を成形する成形工程を説明する断面図。
【図６】本発明の一実施の形態の溶融接合製品であるディファレンシャル装置のデフケースの、溶接前の状態の断面図。
【図７】本件発明者が実際に検討した鋼材のデータを示す表。
【図８】図７の鋼材についての、焼入れ用鋼材としての評価結果を示す表。
【図９】図７の鋼材についての、溶融溶接用鋼材としての評価結果を示す表。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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