(57)【要約】【課題】各種車両等に使用されるギヤや等速ジョイントのインナーレース等の中空軸部品の熱処理歪を除去するための切削や研磨等の仕上げ工程の合理化に関するものである。【解決手段】連続鋳造法による鋼片素材１０の軸方向に塑性流動を伴う塑性加工を施して所定形状とした後、該所定形状の中心部から軸芯挿入部２０を打抜いて中空軸部品３０とし、該中空軸部品内に残存する組織Ａの体積比率を１８％以下より好ましくは１４％以下とする。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続鋳造法による鋼片素材の軸方向に塑性流動を伴う塑性加工を施して所定形状とした後、該所定形状の中心部から軸芯挿入部を打抜いて中空軸部品とし、該中空軸部品内に残存する組織Ａの体積比率を１８％以下より好ましくは１４％以下としたことを特徴とする中空軸部品。
【請求項２】
前記連続鋳造法による鋼片素材の炭素含有量が０．１から０．５質量％の機械構造用鋼（機械構造用浸炭鋼および機械構造用合金鋼）であることを特徴とする請求項１に記載の中空軸部品。
【請求項３】
連続鋳造法による鋼片素材の軸方向に塑性流動を伴う塑性加工を施して所定形状とした後、該所定形状の中心部から軸芯挿入部を打抜いて中空軸部品とし、該中空軸部品内に残存する組織Ａの体積比率を１８％以下より好ましくは１４％以下とすることを特徴とする中空軸部品の製造方法。
【請求項４】
前記連続鋳造法による鋼片素材の炭素含有量が０．１から０．５質量％の浸炭用鋼であることを特徴とする請求項３に記載の中空軸部品    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、各種車両等に使用されるギヤや等速ジョイントのインナーレース等の中空軸部品（回転軸となる部分が中空をなし相手部品の軸相当部が挿入嵌合される部品）の寸法精度や表面精度の向上のために、製造の最終工程で行われる熱処理後の切削や研磨等の仕上げ工程の合理化に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、各種車両等に使用されるギヤや等速ジョイントのインナーレース等の中空軸部品は、一般的に連続鋳造法によって製造され、所定の長さに切断された鋼片素材を軸方向に塑性流動を伴う塑性加工を行い、その後外表面の強度や硬度を上げるために、浸炭焼き入れ等の熱処理が行われるが、この熱処理によって真円度や端面の平坦度等が低下するため、熱処理後に切削や研磨の加工が必要となる。
【０００３】
しかし、この切削加工や研磨加工が部品コストを押し上げる要因となっており、これらの歪を極力小さくするために、たとえば、引用文献１に示されている熱処理時の冷却方法の改善、引用文献２に示されている予め浸炭ないし浸炭浸窒処理を行った冷間加工成形用素材を用い所定の形状に冷間加工成形する方法、引用文献３に示されている各種元素の添加により材料特性を改善する方法、特許文献４に示されている連続鋳造法による鋼片素材中の偏析帯を軸対称の形状にする方法等の各種の研究が行なわれてきた。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭５９−２３８２１
【特許文献２】
特開昭５９−１８５７２３
【特許文献３】
特開昭６１−２１０１５４
【特許文献４】
特開平１１−３４２４５４
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来から行われてきた、たとえば上記引用文献１乃至４に示された方法は何れの場合にも、歪を小さく抑えるためには製造条件の制御や成分制御に厳密さが要求されたり、製造設備の変更等により費用が嵩むという問題があり、歪に起因する部品の寸法精度や表面精度の低下を十分制御できていないのが実情であった。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、従来設備を使用しながら、簡単にして必要な寸法精度や表面精度を確保し、熱処理後の切削や研磨等の仕上げ工程の合理化ができる中空軸部品およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための第１の発明は、連続鋳造法による鋼片素材の軸方向に塑性流動を伴う塑性加工を施して所定形状とした後、該所定形状の中心部から軸芯挿入部を打抜いて中空軸部品とし、該中空軸部品内に残存する組織Ａの体積比率を１８％以下より好ましくは１４％以下としたことを特徴とする中空軸部品である。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、前記連続鋳造法による鋼片素材の炭素含有量が０．１から０．５質量％の浸炭用鋼であることを特徴とする中空軸部品である。
【０００９】
第３の発明は、連続鋳造法による鋼片素材の軸方向に塑性流動を伴う塑性加工を施して所定形状とした後、該所定形状の中心部から軸芯挿入部を打抜いて中空軸部品とし、該中空軸部品内に残存する組織Ａの体積比率を１８％以下より好ましくは１４％以下とすることを特徴とする中空軸部品の製造方法である。
【００１０】
第４の発明は、第３の発明において、前記連続鋳造法による鋼片素材の炭素含有量が０．１から０．５質量％の浸炭用鋼であることを特徴とする中空軸部品の製造方法である。
【００１１】
なお、本発明に係る連続鋳造法による鋼片素材は、低ニッケルクロム鋼等の炭素以外の成分を含有するものでもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
一般に、鋼片素材の塑性加工後の熱処理工程で発生する体積変化は炭素の含有率と相関性があり、鋼片素材内の炭素含有率が熱処理時の歪の量に大きな影響を及ぼすことが知られている。図１は本発明の実施の形態に係る連続鋳造法による鋼材素片の断面で示した凝固パターン図であり、連続鋳造法により角形水冷鋳型を用いて得た断面４角形状の鋳片に圧延加工を行い断面丸形状とした圧延材の横断面を酸性の溶液で腐食したものである。
【００１３】
組織Ａは凝固の過程で中心部に液相が残り、凝固する際に発生する炭素含有率の高い偏析帯が、４角形状を保ちつつ軸芯部に向かって縮小し残ったものであり、組織Ｂは組織Ａの外周を取巻き組織Ａより先に冷却凝固した部分である。
【００１４】
組織Ａは炭素含有率が高いために、熱処理歪（寸法変化）が大きく、組織Ｂは炭素含有率が低く、熱処理歪（寸法変化）が小さく、さらに連続鋳造法の鋳型が角形の場合は組織Ａの形状が４角形となるため、熱処理時に発生する寸法変化が周方向で不均一となり、これに対し成形品の断面の外形が丸形状の場合は熱処理歪の影響が顕著に表れることが種々の調査検討の結果判明した。
【００１５】
本発明は、成形品に占める組織Ａの体積比率を最適に低減すれば、成形品における組織Ａの部分の対称性を確保しなくても、従来の連続鋳造法によって得られた組織Ａの断面が４角形で成形品の断面の外形が丸形状であっても、熱処理歪のばらつきを低減できることに着目してなされたものである。ただし、炭素含有量が０．５質量％を超える場合は、成型品に占める組織Ａの体積比率を小さくしても熱処理歪のばらつきを研磨レスレベルに低減することは困難である。何故ならば、熱処理歪発生量は炭素含有量に依存しており、炭素含有量が０．５質量％超える場合は熱処理歪発生量も著しく、熱処理中に不可避的に発生する偏熱、冷却速度の不均一性などのため、炭素含有量が低い場合に比べ大きな熱処理歪のばらつきが発生してしまうためである。
【００１６】
図２は本発明の実施の形態に係る中空軸部品の鍛造過程における組織Ａの分布イメージ図（平面視）、図３は本発明の実施の形態に係る中空軸部品の鍛造過程における組織Ａの分布イメージ図（正面視）である。
【００１７】
図２、図３において、連続鋳造法で得られた組織Ａの断面が４角形で外形が丸形状の鋼片素材１０（図２（Ａ）、図３（Ａ））を鍛造により軸芯挿入部２０を凹部とする断面が長円形に加工し（図２（Ｂ）、図３（Ｂ））、その後軸芯挿入部２０を打抜いて、組織Ａが大部分を占める中心部を除去することによって、成形品３０に占める組織Ａの体積比率を有効に低減させている（図２（Ｃ）、図３（Ｃ））。
【００１８】
図４は本発明の実施の形態に係る組織Ａの縦横比および体積比率（鋼片素材に対する）とＰＣＤ（ピッチ円直径）のバラツキとの関係を示すグラフであり、組織Ａの縦横比が大きくなるとＰＣＤのバラツキが大きくなり、逆に縦横比が小さくなるとＰＣＤのバラツキが小さくなることを示している。また組織Ａの体積比率が高くなるとＰＣＤのバラツキが大きくなり、体積比率が低くなるとＰＣＤのバラツキが小さくなることを示している。
【００１９】
また、組織Ａの縦横比と体積比率の一方が一定値以下であるか、縦横比と体積比率の両方が一定値以下であれば研磨工程も不要となることを示している。
【００２０】
これにより、丸形水冷鋳型を用いかつ鋳片を垂直に引抜く垂直式連続鋳造の実施を必須とする特許文献４に示されている製造方法と異なり、設備上の制約を受けることなく、各種車両等に使用されるギヤや等速ジョイントのインナーレース等の中空軸部品の切削や研磨等の仕上げ工程の削減または廃止が可能となる。
【００２１】
【実施例】
図５は本発明の実施例に係るＣＶＪ（等速ジョイント）のインナーレースの形状図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図を示し、図６は本発明の実施例に係るＣＶＪのインナーレースの熱処理条件を示すグラフである。また図７は本発明の実施例に係るＣＶＪのインナーレースのＰＣＤの測定状況を示す図であり、図８は本発明の実施例に係る鋼片素材内に残存する組織Ａの体積比率とＰＣＤのバラツキとの関係を示すグラフである。
【００２２】
以下、図２、図３および図５乃至図１０を参照しながら実施例について説明する。
【００２３】
クロム鋼ＳＣｒ４１５（炭素含有量＝０．１５質量％）、ＳＣｒ４４０（炭素含有量＝０．４０質量％）および炭素鋼Ｓ５５Ｃ（炭素含有量＝０．５５質量％）を４角形状の角形水冷鋳型を用いて得た断面４角形状の鋳片（３８０ｍｍ×４９０ｍｍ）に対して分塊圧延を行って直径３７ｍｍの丸棒に圧延加工し、さらに引抜き加工により直径（ＤＯ）３６ｍｍに縮径し、厚み（ＴＳ）４５ｍｍに切断して円筒形の鋼片素材とし、その後、冷間鍛造にて図５に示す外径５９ｍｍ、内径３８．５ｍｍ、厚さ１９．５ｍｍ、ボール溝径１９ｍｍのＣＶＪ（等速ジョイント）のインナーレースに加工成形し、次いで図６に示すＣＰ（カーボンポテンシャル）０．８％で浸炭処理（９２０℃×２．５ｈ＋８５０℃×０．５ｈ）を施し、焼入れ（１３０℃のオイル中）、焼戻し（１７０℃×２．０ｈ）を行った。
【００２４】
その後、図７に示すＰＣＤ（ピッチ円直径）の測定を行い、ＰＣＤのバラツキを求めた。ＰＣＤのバラツキは図７に示す、対向するボール溝間Ａ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’の３つの直径の最大値と最小値の差をいう。
【００２５】
また、冷間鍛造を行う際に、組織Ａの体積比率が異なる鋼片素材（図２、図３の１０相当）を製作し、さらに素材寸法（外形ＤＯ×厚さＴＳ）およびせん断で打抜く厚み（図２の寸法Ｔに相当）を変更して鍛造を行うことにより、成形品内に残存する組織Ａの体積比率を１０から２２％に変化させた。成形品内に残存する組織Ａの体積比率は３次元変形解析コード「ＤＥＦＯＲＭ−３Ｄ」を用いて鍛造解析を行い、鋼片素材の組織Ａと組織Ｂとの境界面をトラッキングして鍛造終了時の成形品における位置を算出し、その算出結果からその体積比率を求めた。
【００２６】
また、分塊圧延におけるパススケジュール（加工率）を変化させて、鋼片素材内に残存する組織Ａの縦横比を変化させた。縦横比の変動幅は１．４〜１．８であり、本実施例における鋳型の形状と鋼片素材の形状においては、縦横比の変動幅は限られたものとなっている。
【００２７】
図８乃至図１０は本発明の実施例に係るＳＣｒ４１５、ＳＣｒ４４０、Ｓ５５Ｃの各鋼片素材内に残存する組織Ａの体積比率とＰＣＤのバラツキとの関係を示すグラフである。
【００２８】
図８に示す通り、ＳＣｒ４１５では鋼片素材内に残存する組織Ａの体積比率を低くするとＰＣＤのバラツキが低減され、体積比率を１８％以下とすると縦横比が１．８の場合でもＰＣＤのバラツキは従来レベルより良くなり、熱処理後の研磨工程を廃止することができた。なお、体積比率を１４％以下としたときのＰＣＤのバラツキは６σ（σは標準偏差）で４０μｍ以下であった。
【００２９】
また、図９に示す通り、ＳＣｒ４４０においても同様に鋼片素材中に残存する組織Ａの体積比率を１４％以下とすると縦横比が１．８の場合でもＰＣＤバラツキは６σで４０μｍ以下となり熱処理後の研磨工程を廃止することができた。
【００３０】
しかし、図１０に示す通り、Ｓ５５Ｃにおいては組織Ａの体積比率を１０％以下としても、組織Ａの縦横比によっては研磨レスレベルのＰＣＤバラツキが得られない場合があった。
【００３１】
【発明の効果】´
第１の発明は、連続鋳造法による鋼片素材の軸方向に塑性流動を伴う塑性加工を施して所定形状とした後、該所定形状の中心部から軸芯挿入部を打抜いて中空軸部品とし、該中空軸部品内に残存する組織Ａの体積比率を１８％以下より好ましくは１４％以下としたことを特徴とする中空軸部品であり、第２の発明は、第１の発明において、前記連続鋳造法による鋼片素材の炭素含有量が０．１から０．５質量％の浸炭用鋼であることを特徴とする中空軸部品であるから、既存の設備を利用し、簡単に熱処理歪を低減することができ、熱処理後の切削や研磨等の仕上げ工程を削減または廃止できる中空軸部品を提供できるという効果がある。
【００３２】
また、第３の発明は、連続鋳造法による鋼片素材の軸方向に塑性流動を伴う塑性加工を施して所定形状とした後、該所定形状の中心部から軸芯挿入部を打抜いて中空軸部品とし、該中空軸部品内に残存する組織Ａの体積比率を１８％以下より好ましくは１４％以下としたことを特徴とする中空軸部品の製造方法であり、第４の発明は、第３の発明において、前記連続鋳造法による鋼片素材の炭素含有量が０．１から０．５質量％の浸炭用鋼であることを特徴とする中空軸部品の製造方法であるから、既存の設備を利用し、簡単に熱処理歪を低減することができ、熱処理後の切削や研磨等の仕上げ工程を削減または廃止できる中空軸部品の製造方法を提供できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る連続鋳造法による鋼材素片の凝固パターン図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る中空軸部品の鍛造過程における組織Ａの分布イメージ図（平面視）である。
【図３】本発明の実施の形態に係る中空軸部品の鍛造過程における組織Ａの分布イメージ図（正面視）である。
【図４】本発明の実施の形態に係る組織Ａの縦横比および体積比率とＰＣＤのバラツキとの関係を示すグラフである。
【図５】本発明の実施例に係るＣＶＪのインナーレースの形状図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図を示す
【図６】本発明の実施例に係るＣＶＪのインナーレースの熱処理条件を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例に係るＣＶＪのインナーレースのＰＣＤの測定状況を示す図である。
【図８】本発明の実施例に係るＳＣｒ４１５鋼片素材内に残存する組織Ａの体積比率とＰＣＤのバラツキとの関係を示すグラフである。
【図９】本発明の実施例に係るＳＣｒ４４０鋼片素材内に残存する組織Ａの体積比率とＰＣＤのバラツキとの関係を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施例に係るＳ５５Ｃ鋼片素材内に残存する組織Ａの体積比率とＰＣＤのバラツキとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０・・・鋼片素材
２０・・・軸芯挿入部
３０・・・成形品（中空軸部品）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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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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【図１０】
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