(57)【要約】【課題】優れた耐焼割れ性と高いねじり疲労強度を併せ持つドライブシャフトを安定して提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．３５〜０．７  ％、Ｓｉ：０．３０〜１．１  ％、Ｍｎ：０．２  〜２．０  ％、Ａｌ：０．００５  〜０．２５％、Ｔｉ：０．００５  〜０．１  ％、Ｍｏ：０．０５〜０．６  ％、Ｂ：０．０００３〜０．００６  ％、Ｓ：０．０６％以下、Ｐ：０．０２％以下およびＣｒ：０．２  ％以下を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物の組成にすると共に、母材組織を、ベイナイト組織および／またはマルテンサイト組織を有し、かつこれらベイナイト組織とマルテンサイト組織の合計の組織分率が１０％以上とし、さらに高周波焼入れ後の硬化層の旧オーステナイト粒径を硬化層全厚にわたり１２μｍ  以下とする。【選択図】        図１
2005060718.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．３５〜０．７  ｍａｓｓ％、
Ｓｉ：０．３０〜１．１  ｍａｓｓ％、
Ｍｎ：０．２  〜２．０  ｍａｓｓ％、
Ａｌ：０．００５  〜０．２５ｍａｓｓ％、
Ｔｉ：０．００５  〜０．１  ｍａｓｓ％、
Ｍｏ：０．０５〜０．６  ｍａｓｓ％、
Ｂ：０．０００３〜０．００６  ｍａｓｓ％、
Ｓ：０．０６ｍａｓｓ％以下、
Ｐ：０．０２ｍａｓｓ％以下および
Ｃｒ：０．２  ｍａｓｓ％以下
を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物の組成になり、母材組織が、ベイナイト組織および／またはマルテンサイト組織を有し、かつこれらベイナイト組織とマルテンサイト組織の合計の組織分率が１０％以上であり、さらに高周波焼入れ後の硬化層の旧オーステナイト粒径が硬化層全厚にわたり１２μｍ  以下であることを特徴とする、耐焼割れ性および疲労特性に優れるドライブシャフト。
【請求項２】
請求項１において、鋼材の成分組成が、さらに
Ｃｕ：１．０  ｍａｓｓ％以下、
Ｎｉ：３．５  ｍａｓｓ％以下、
Ｃｏ：１．０  ｍａｓｓ％以下、
Ｎｂ：０．１  ｍａｓｓ％以下および
Ｖ：０．５  ｍａｓｓ％以下
のうちから選んだ１種または２種以上を含有する組成になることを特徴とする、耐焼割れ性および疲労特性に優れるドライブシャフト。
【請求項３】
請求項１または２において、高周波焼入れ後の硬化層厚みが２ｍｍ以上であることを特徴とする、耐焼割れ性および疲労特性に優れるドライブシャフト。
【請求項４】
Ｃ：０．３５〜０．７  ｍａｓｓ％、
Ｓｉ：０．３０〜１．１  ｍａｓｓ％、
Ｍｎ：０．２  〜２．０  ｍａｓｓ％、
Ａｌ：０．００５  〜０．２５ｍａｓｓ％、
Ｔｉ：０．００５  〜０．１  ｍａｓｓ％、
Ｍｏ：０．０５〜０．６  ｍａｓｓ％、
Ｂ：０．０００３〜０．００６  ｍａｓｓ％、
Ｓ：０．０６ｍａｓｓ％以下、
Ｐ：０．０２ｍａｓｓ％以下および
Ｃｒ：０．２  ｍａｓｓ％以下
を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物の組成になる鋼素材を、熱間加工後、０．２  ℃／ｓ以上の速度で冷却したのち、所定の長さに切断し、ついで切削加工後、スプライン部の転造加工を施したのち、焼入れ時の加熱温度：８００  〜１０００℃の条件下で高周波焼入れを行うことを特徴とする、耐焼割れ性および疲労特性に優れるドライブシャフトの製造方法。
【請求項５】
請求項４において、前記鋼素材が、さらに
Ｃｕ：１．０  ｍａｓｓ％以下、
Ｎｉ：３．５  ｍａｓｓ％以下、
Ｃｏ：１．０  ｍａｓｓ％以下、
Ｎｂ：０．１  ｍａｓｓ％以下および
Ｖ：０．５  ｍａｓｓ％以下
のうちから選んだ１種または２種以上を含有する組成になることを特徴とする、耐焼割れ性および疲労特性に優れるドライブシャフトの製造方法。
【請求項６】
請求項４または５において、高周波焼入れを複数回繰り返すものとし、その際、最終の高周波焼入れ時の加熱温度を  ８００〜１０００℃とすることを特徴とする、耐焼割れ性および疲労特性に優れるドライブシャフトの製造方法。
【請求項７】
請求項６において、前記複数回の高周波焼入れの全てについて、高周波焼入れ時の加熱温度を  ８００〜１０００℃とすることを特徴とする、耐焼割れ性および疲労特性に優れるドライブシャフトの製造方法。
【請求項８】
請求項４〜７のいずれかにおいて、前記加熱温度範囲での加熱時間を、１回の高周波焼入れ当たり５秒以下とすることを特徴とする、耐焼割れ性および疲労特性に優れるドライブシャフトの製造方法。
【請求項９】
請求項４〜８のいずれかにおいて、高周波焼入れによる鋼材表面の硬化層厚みが２ｍｍ以上であることを特徴とする、耐焼割れ性および疲労特性に優れるドライブ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、表面に高周波焼入れによる硬化層をそなえる、耐焼割れ性および疲労特性に優れるドライブシャフトおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来，機械構造用部材である自動車用ドライブシャフトは、熱間圧延棒鋼に、熱間鍛造、さらには切削、冷間鍛造などを施して所定の形状に加工したのち、高周波焼入れ−焼戻しを行うことにより、機械構造用部材としての重要な特性であるねじり疲労強度を確保しているのが一般的である。
また、近年、環境問題から自動車用部材に対する軽量化への要求が強く、この観点から自動車用部材のねじり疲労強度の一層の向上が要求されている。
【０００３】
さらに、ドライブシャフトのスプライン部のような切欠き形状を有する部位に高周波焼入れを施すと、焼割れが発生する場合があり、ねじり疲労強度の低下の原因となるので、この点についての改善も望まれている。
なお、上記した焼割れを助長する元素は、主にＣやＰであるため、焼割れの抑制には、これらの元素を低減することが有効である。しかしながら、Ｃはねじり疲労強度の向上に有効な元素であるため、Ｃの積極的な低減はねじり疲労強度の観点からは好ましくない。
【０００４】
ねじり疲労強度を向上させるためには、例えば高周波焼入れによる焼入れ深さを増加させることが考えられる。しかしながら、焼入れ深さを増加してもある深さで疲労強度は飽和する。
また、ねじり疲労強度の向上には、粒界強度の向上も有効であり、この観点から、ＴｉＣを分散させることによって旧オーステナイト粒径を微細化する技術が提案されている（例えば特許文献１参照のこと）。
【０００５】
上記の特許文献１に記載された技術では、高周波焼入れ加熱時に微細なＴｉＣを多量に分散させることで、旧オーステナイト粒径の微細化を図るものであるため、焼入れ前にＴｉＣを溶体化しておく必要があり、熱間圧延工程で１１００℃以上に加熱する工程を採用している。そのため、熱延時に加熱温度を高くする必要があり、生産性に劣るという問題があった。
また、上記の特許文献１に開示された技術をもってしても、近年のねじり疲労強度および耐焼割れ性に対する要求には十分に応えられないところにも問題を残していた。
【０００６】
また、特許文献２には、硬化層深さＣＤと高周波焼入れ軸物部品の半径Ｒとの比（ＣＤ／Ｒ）を  ０．３〜０．７  に制限した上で、このＣＤ／Ｒと高周波焼入れ後の表面から１ｍｍまでのオーステナイト結晶粒径γｆ、高周波焼入れままの（ＣＤ／Ｒ）＝０．１  までの平均ビッカース硬さＨｆおよび高周波焼入れ後の軸中心部の平均ビッカース硬さＨｃで規定される値Ａを、Ｃ量に応じて所定の範囲に制御することによってねじり疲労強度を向上させた機械構造用軸物部品が提案されている。
しかしながら、この部品では、焼入れ硬化層の全厚にわたる旧オーステナイト粒径に考慮が払われていないため、やはり近年のねじり疲労強度に対する要求には十分に応えることができない。
また、特許文献２では、高周波焼入れ時における焼割れの発生については何ら考慮が払われていない。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−１５４８１９号公報（特許請求の範囲、段落〔０００８〕）
【特許文献２】
特開平８−５３７１４  号公報（特許請求の範囲）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、従来よりもねじり疲労強度に優れ、かつ高周波焼入れ時における耐焼割れ性にも優れたドライブシャフトを、その有利な製造方法と共に提案することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
さて、発明者らは、ねじり疲労強度および耐焼割れ性を効果的に向上させるべく、鋭意検討を行った。
その結果、以下に述べるように、ドライブシャフトの化学組成、組織、焼入れ条件および焼入れ後の硬化層全厚にわたる旧オーステナイト粒径を最適化することにより、優れたねじり疲労強度および耐焼割れ性を有するドライブシャフトが得られるとの知見を得た。
【００１０】
（１）  適正な化学組成に調整したドライブシャフトに、焼入れを施し、焼入れ硬化層全厚にわたる旧オーステナイト粒径を１２μｍ  以下とすることで、ねじり疲労強度および耐焼割れ性が顕著に向上する。具体的には、化学組成に関しては、特にＳｉおよびＭｏを適正な範囲で添加することで、高周波焼入れ加熱時におけるオーステナイトの核生成サイト数が増加し、またオーステナイト粒の成長が抑制されることにより、焼入れ硬化層の粒径が効果的に微細化し、その結果ねじり疲労強度および耐焼割れ性が顕著に向上する。特にＳｉを０．３０ｍａｓｓ％以上添加することにより、高周波焼入れ後に、硬化層全厚にわたり粒径：１２μｍ  以下の硬化層が得られる。
【００１１】
（２）  ドライブシャフトの母材の組織、すなわち焼入れ前の組織を、ベイナイト組織および／またはマルテンサイト組織が特定の分率で含有された組織にすると、ベイナイト組織あるいはマルテンサイト組織がフェライト−パーライト組織に比べて炭化物が微細に分散した組織であるため、焼入れ加熱時にオーステナイトの核生成サイトであるフェライト／炭化物の界面の面積が増えて、生成したオーステナイトが微細化する。その結果、焼入れ硬化層の粒径が微細となり、これにより粒界強度が向上し、ねじり疲労強度および耐焼割れ性が向上する。
【００１２】
（３）  上記したように、化学組成および組織を調整したドライブシャフトに対し、高周波焼入れ条件（加熱温度、時間、焼入れ回数）を適正に制御することで、硬化層粒径が顕著に微細化し、粒界強度が向上する。具体的には、加熱温度：８００〜１０００℃、加熱時間：５秒以下とすることにより、硬化層全厚にわたり粒径：１２μｍ  以下の微細粒を安定して得ることができる。さらに、上記条件での焼入れ処理を２回以上繰り返すことにより、１回の焼入れに比べてさらに微細な硬化層粒径が得られる。その結果、さらにねじり疲労強度および耐焼割れ性が向上する。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。
【００１３】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．Ｃ：０．３５〜０．７  ｍａｓｓ％、
Ｓｉ：０．３０〜１．１  ｍａｓｓ％、
Ｍｎ：０．２  〜２．０  ｍａｓｓ％、
Ａｌ：０．００５  〜０．２５ｍａｓｓ％、
Ｔｉ：０．００５  〜０．１  ｍａｓｓ％、
Ｍｏ：０．０５〜０．６  ｍａｓｓ％、
Ｂ：０．０００３〜０．００６  ｍａｓｓ％、
Ｓ：０．０６ｍａｓｓ％以下、
Ｐ：０．０２ｍａｓｓ％以下および
Ｃｒ：０．２  ｍａｓｓ％以下
を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物の組成になり、母材組織が、ベイナイト組織および／またはマルテンサイト組織を有し、かつこれらベイナイト組織とマルテンサイト組織の合計の組織分率が１０％以上であり、さらに高周波焼入れ後の硬化層の旧オーステナイト粒径が硬化層全厚にわたり１２μｍ  以下であることを特徴とする、耐焼割れ性および疲労特性に優れるドライブシャフト。
【００１４】
２．上記１において、鋼材の成分組成が、さらに
Ｃｕ：１．０  ｍａｓｓ％以下、
Ｎｉ：３．５  ｍａｓｓ％以下、
Ｃｏ：１．０  ｍａｓｓ％以下、
Ｎｂ：０．１  ｍａｓｓ％以下および
Ｖ：０．５  ｍａｓｓ％以下
のうちから選んだ１種または２種以上を含有する組成になることを特徴とする、耐焼割れ性および疲労特性に優れるドライブシャフト。
【００１５】
３．上記１または２において、高周波焼入れ後の硬化層厚みが２ｍｍ以上であることを特徴とする、耐焼割れ性および疲労特性に優れるドライブシャフト。
【００１６】
４．Ｃ：０．３５〜０．７  ｍａｓｓ％、
Ｓｉ：０．３０〜１．１  ｍａｓｓ％、
Ｍｎ：０．２  〜２．０  ｍａｓｓ％、
Ａｌ：０．００５  〜０．２５ｍａｓｓ％、
Ｔｉ：０．００５  〜０．１  ｍａｓｓ％、
Ｍｏ：０．０５〜０．６  ｍａｓｓ％、
Ｂ：０．０００３〜０．００６  ｍａｓｓ％、
Ｓ：０．０６ｍａｓｓ％以下、
Ｐ：０．０２ｍａｓｓ％以下および
Ｃｒ：０．２  ｍａｓｓ％以下
を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物の組成になる鋼素材を、熱間加工後、０．２  ℃／ｓ以上の速度で冷却したのち、所定の長さに切断し、ついで切削加工後、スプライン部の転造加工を施したのち、焼入れ時の加熱温度：８００  〜１０００℃の条件下で高周波焼入れを行うことを特徴とする、耐焼割れ性および疲労特性に優れるドライブシャフトの製造方法。
【００１７】
５．上記４において、前記鋼素材が、さらに
Ｃｕ：１．０  ｍａｓｓ％以下、
Ｎｉ：３．５  ｍａｓｓ％以下、
Ｃｏ：１．０  ｍａｓｓ％以下、
Ｎｂ：０．１  ｍａｓｓ％以下および
Ｖ：０．５  ｍａｓｓ％以下
のうちから選んだ１種または２種以上を含有する組成になることを特徴とする、耐焼割れ性および疲労特性に優れるドライブシャフトの製造方法。
【００１８】
６．上記４または５において、高周波焼入れを複数回繰り返すものとし、その際、最終の高周波焼入れ時の加熱温度を  ８００〜１０００℃とすることを特徴とする、耐焼割れ性および疲労特性に優れるドライブシャフトの製造方法。
【００１９】
７．上記６において、前記複数回の高周波焼入れの全てについて、高周波焼入れ時の加熱温度を  ８００〜１０００℃とすることを特徴とする、耐焼割れ性および疲労特性に優れるドライブシャフトの製造方法。
【００２０】
８．上記４〜７のいずれかにおいて、前記加熱温度範囲での加熱時間を、１回の高周波焼入れ当たり５秒以下とすることを特徴とする、耐焼割れ性および疲労特性に優れるドライブシャフトの製造方法。
【００２１】
９．上記４〜８のいずれかにおいて、高周波焼入れによる鋼材表面の硬化層厚みが２ｍｍ以上であることを特徴とする、耐焼割れ性および疲労特性に優れるドライブシャフトの製造方法。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的に説明する。
まず、本発明において、ドライブシャフトの成分組成を上記の範囲に限定した理由について説明する。
Ｃ：０．３５〜０．７  ｍａｓｓ％
Ｃは、焼入れ性への影響が最も大きい元素であり、焼入れ硬化層の硬さおよび深さを高めてねじり強度の向上に有効に寄与する。しかしながら、含有量が０．３５ｍａｓｓ％に満たないと必要とされるねじり強度を確保するためには焼入れ硬化深さを飛躍的に高めねばならず、その際焼割れの発生が顕著となり、またベイナイト組織も生成し難くなるため、０．３５ｍａｓｓ％以上を添加する。一方、０．７  ｍａｓｓ％を超えて含有させると粒界強度が低下し、それに伴いねじり疲労強度が低下し、また切削性、冷間鍛造性および耐焼割れ性も低下する。このためＣは、０．３５〜０．７  ｍａｓｓ％の範囲に限定した。好ましくは  ０．４〜０．６  ｍａｓｓ％の範囲である。
【００２３】
Ｓｉ：０．３０〜１．１  ｍａｓｓ％
Ｓｉは、焼入れ加熱時にオーステナイトの核生成サイト数を増加させると共に、オーステナイトの粒成長を抑制し、焼入れ硬化層の粒径を微細化する作用を有する。また、炭化物生成を抑制し、炭化物による粒界強度の低下を抑制する。さらに、ベイナイト組織の生成にも有用な元素であり、これらのことによりねじり疲労強度および耐焼割れ性を向上させる。
このように、Ｓｉは、本発明において非常に重要な元素であり、０．３０ｍａｓｓ％以上の含有を必須とする。というのは、Ｓｉ量が０．３０ｍａｓｓ％に満たないと、製造条件および焼入れ条件をいかように調整しても硬化層全厚にわたって粒径が１２μｍ  以下の微細粒とすることができないからである。しかしながら、Ｓｉ量が  １．１ｍａｓｓ％を超えると、フェライトの固溶硬化により硬さが上昇し、切削性、冷間鍛造性および耐焼割れ性の低下を招く。従って、Ｓｉは、０．３０〜１．１  ｍａｓｓ％の範囲に限定した。好ましくは０．４０〜１．０  ｍａｓｓ％の範囲である。
【００２４】
Ｍｎ：０．２  〜２．０  ｍａｓｓ％
Ｍｎは、焼入れ性を向上させ、焼入れ時の硬化深さを確保する上で不可欠の成分であるため、積極的に添加するが、含有量が  ０．２ｍａｓｓ％未満ではその添加効果に乏しいので、０．２  ｍａｓｓ％以上とした。好ましくは  ０．３ｍａｓｓ％以上である。一方、Ｍｎ量が  ２．０ｍａｓｓ％を超えると焼入れ後の残留オーステナイトが増加し、かえって表面硬度が低下し、ひいてはねじり疲労強度の低下を招き、また耐焼割れ性も低下するので、Ｍｎは  ２．０ｍａｓｓ％以下とした。なお、Ｍｎは含有量が多いと、母材の硬質化を招き、被削性に不利となるきらいがあるので、１．２  ｍａｓｓ％以下とするのが好適である。さらに好ましくは  １．０ｍａｓｓ％以下である。
【００２５】
Ａｌ：０．００５  〜０．２５ｍａｓｓ％
Ａｌは、脱酸に有効な元素である。また、焼入れ加熱時におけるオーステナイト粒成長を抑制することによって焼入れ硬化層の粒径を微細化する上でも有用な元素である。しかしながら、含有量が  ０．００５ｍａｓｓ％に満たないとその添加効果に乏しく、一方０．２５ｍａｓｓ％を超えて含有させてもその効果は飽和し、むしろ成分コストの上昇を招く不利が生じるので、Ａｌは  ０．００５〜０．２５ｍａｓｓ％の範囲に限定した。好ましくは０．０５〜０．１０ｍａｓｓ％の範囲である。
【００２６】
Ｔｉ：０．００５  〜０．１  ｍａｓｓ％
Ｔｉは、不可避的不純物として混入するＮと結合することで、ＢがＢＮとなってＢの焼入れ性向上効果が消失するのを防止し、Ｂの焼入れ性向上効果を十分に発揮させる作用を有する。この効果を得るためには、少なくとも  ０．００５ｍａｓｓ％の含有を必要とするが、０．１  ｍａｓｓ％を超えて含有されるとＴｉＮが多量に形成される結果、これが疲労破壊の起点となってねじり疲労強度の著しい低下を招くので、Ｔｉは  ０．００５〜０．１  ｍａｓｓ％の範囲に限定した。好ましくは０．０１〜０．０７ｍａｓｓ％の範囲である。さらに、Ｎを確実に固定して、Ｂによる焼入れ性向上により、ベイナイトとマルテンサイト組織を得る観点からは、Ｔｉ（ｍａｓｓ％）／Ｎ（ｍａｓｓ％）≧３．４２を満足させることが好適である。
【００２７】
Ｍｏ：０．０５〜０．６  ｍａｓｓ％
Ｍｏは、ベイナイト組織の生成を促進することにより、焼入れ加熱時のオーステナイト粒径を微細化し、焼入れ硬化層の粒径を細粒化する作用がある。また、焼入れ加熱時におけるオーステナイトの粒成長を抑制することにより、焼入れ硬化層の粒径を微細化する作用がある。さらに、焼入れ性の向上に有用な元素であるため、焼入れ性を調整するために用いられる。加えて、Ｍｏは、炭化物の生成を抑制し、炭化物による粒界強度の低下を有効に阻止する元素でもある。
このように、Ｍｏは、本発明において非常に重要な元素であり、含有量が０．０５ｍａｓｓ％に満たないと、製造条件や焼入れ条件をいかように調整しても硬化層全厚にわたって粒径が１２μｍ  以下の微細粒とすることができない。しかしながら、  ０．６ｍａｓｓ％を超えて含有させると、圧延材の硬さが著しく上昇し、加工性の低下を招く。また、Ｍｏが  ０．６ｍａｓｓ％を超えると耐焼割れ性も低下する。従って、Ｍｏは０．０５〜０．６  ｍａｓｓ％の範囲に限定した。好ましくは  ０．１〜０．６  ｍａｓｓ％の範囲である。
【００２８】
Ｂ：０．０００３〜０．００６  ｍａｓｓ％
Ｂは、ベイナイト組織あるいはマルテンサイト組織の生成を促進する効果を有する。またＢは、微量の添加によって焼入れ性を向上させ、焼入れ時の焼入れ深さを高めることによりねじり強度を向上させる効果もある。さらにＢは、粒界に優先的に偏析して、粒界に偏析するＰの濃度を低減し、粒界強度を向上させ、もってねじり疲労強度を向上させる作用もある。また、粒界強化により耐焼割れ性も向上させる。
このため、本発明では、Ｂを積極的に添加するが、含有量が０．０００３ｍａｓｓ％に満たないとその添加効果に乏しく、一方  ０．００６ｍａｓｓ％を超えて含有させるとその効果は飽和し、むしろ成分コストの上昇を招くため、Ｂは０．０００３〜０．００６  ｍａｓｓ％の範囲に限定した。好ましくは０．０００５〜０．００４  ｍａｓｓ％の範囲である。
【００２９】
Ｓ：０．０６ｍａｓｓ％以下
Ｓは、鋼中でＭｎＳを形成し、切削性を向上させる有用元素であるが、０．０６ｍａｓｓ％を超えて含有させると粒界に偏析して粒界強度を低下させるため、Ｓは０．０６ｍａｓｓ％以下に制限した。好ましくは０．０４ｍａｓｓ％以下である。
【００３０】
Ｐ：０．０２ｍａｓｓ％以下
Ｐは、オーステナイトの粒界に偏析し、粒界強度を低下させることにより、ねじり疲労強度を低下させる。また、焼割れを助長する弊害もある。従って、Ｐの含有は極力低減することが望ましいが、０．０２ｍａｓｓ％までは許容される。
【００３１】
Ｃｒ：０．２  ｍａｓｓ％以下
Ｃｒは、炭化物を安定化させて残留炭化物の生成を助長し、粒界強度を低下させてねじり疲労強度を劣化させる。さらにＣｒは焼割れを助長する。従って、Ｃｒの含有は極力低減することが望ましいが、０．２  ｍａｓｓ％までは許容できる。好ましくは０．０５ｍａｓｓ％以下である。
【００３２】
以上、基本成分について説明したが、本発明ではその他にも、以下に述べる元素を適宜含有させることができる。
Ｃｕ：１．０  ｍａｓｓ％以下
Ｃｕは、焼入れ性の向上に有効であり、またフェライト中に固溶し、この固溶強化によって、ねじり疲労強度を向上させる。また炭化物の生成を抑制することにより、炭化物による粒界強度の低下を抑制し、ねじり疲労強度を向上させる。しかしながら、含有量が  １．０ｍａｓｓ％を超えると熱間加工時に割れが発生したり、また耐焼割れ性も低下するため、１．０  ｍａｓｓ％以下の添加とする。なお好ましくは０．５  ｍａｓｓ％以下である。
【００３３】
Ｎｉ：３．５  ｍａｓｓ％以下
Ｎｉは、焼入れ性を向上させる元素であるので、焼入れ性を調整する場合に用いる。また、炭化物の生成を抑制し、炭化物による粒界強度の低下を抑制して、ねじり疲労強度を向上させる元素でもある。しかしながら、Ｎｉは極めて高価な元素であり、３．５  ｍａｓｓ％を超えて添加すると鋼材のコストが上昇するので、３．５  ｍａｓｓ％以下の添加とする。なお、０．０５ｍａｓｓ％未満の添加では焼入れ性の向上効果および粒界強度の低下抑制効果が小さいので、０．０５ｍａｓｓ％以上含有させることが望ましい。好ましくは  ０．１〜１．０  ｍａｓｓ％である。
【００３４】
Ｃｏ：１．０  ｍａｓｓ％以下
Ｃｏは、炭化物の生成を抑制して、炭化物による粒界強度の低下を抑制し、ねじり強度およびねじり疲労強度を向上させる元素である。しかしながら、Ｃｏは極めて高価な元素であり、１．０  ｍａｓｓ％を超えて添加すると鋼材のコストが上昇するので、１．０  ｍａｓｓ％以下の添加とする。なお、０．０１ｍａｓｓ％未満の添加では、粒界強度の低下抑制効果が小さいので、０．０１ｍａｓｓ％以上添加することが望ましい。好ましくは０．０２〜０．５  ｍａｓｓ％である。
【００３５】
Ｎｂ：０．１  ｍａｓｓ％以下
Ｎｂは、焼入れ性の向上効果があるだけでなく、鋼中でＣ，  Ｎと結合し析出強化元素として作用する。また、焼もどし軟化抵抗性を向上させる元素でもあり、これらの効果によってねじり疲労強度を向上させる。しかしながら、０．１  ｍａｓｓ％を超えて含有させてもその効果は飽和するので、０．１  ｍａｓｓ％を上限とする。なお、０．００５  ％未満の添加では、析出強化作用および焼もどし軟化抵抗性の向上効果が小さいため、０．００５  ｍａｓｓ％以上添加することが望ましい。好ましくは０．０１〜０．０５ｍａｓｓ％である。
【００３６】
Ｖ：０．５  ｍａｓｓ％以下
Ｖは、鋼中でＣ，  Ｎと結合し析出強化元素として作用する。また、焼もどし軟化抵抗性を向上させる元素でもあり、これらの効果によりねじり疲労強度を向上させる。しかしながら、０．５  ｍａｓｓ％を超えて含有させてもその効果は飽和するので、０．５  ｍａｓｓ％以下とする。なお、０．０１ｍａｓｓ％未満の添加では、ねじり疲労強度の向上効果が小さいので、０．０１ｍａｓｓ％以上添加することが望ましい。好ましくは０．０３〜０．３  ｍａｓｓ％である。
【００３７】
以上、好適成分組成範囲について説明したが、本発明では、成分組成を上記の範囲に限定するだけでは不十分で、鋼組織の調整も重要である。
すなわち、本発明においては、ドライブシャフトの母材組織、すなわち焼入れ前の組織（高周波焼入れ後の硬化層以外の組織に相当）が、ベイナイト組織および／またはマルテンサイト組織を有し、かつこれらベイナイト組織とマルテンサイト組織の合計の組織分率を体積分率（  ｖｏｌ％）で１０％以上とする必要がある。この理由は、ベイナイト組織あるいはマルテンサイト組織は、フェライト−パーライト組織に比べて炭化物が微細に分散した組織であるため、焼入れ加熱時にオーステナイトの核生成サイトである、フェライト／炭化物界面の面積が増加し、生成したオーステナイトが微細化するため、焼入れ硬化層の粒径を微細化するのに有効に寄与するからである。そして、焼入れ硬化層の粒径の微細化により、粒界強度が上昇し、ねじり疲労強度および耐焼割れ性が向上する。
ここに、ベイナイト組織とマルテンサイト組織の合計の組織分率は２０  ｖｏｌ％以上とすることがより好ましい。
【００３８】
なお、ベイナイト組織あるいはマルテンサイト組織以外の残部組織は、フェライト、パーライト等いずれでもよく、特に規定しない。
また、焼入れ後の硬化層の粒径の微細化に関しては、マルテンサイト組織もベイナイト組織と同程度の効果を有するが、工業的な観点からは、マルテンサイト組織に比べてベイナイト組織の方がより合金元素の添加量が少なくて済み、また低冷却速度で生成させることが可能であるため、製造上有利となる。また、母材組織でマルテンサイトの組織分率が大きくなると、スプラインの転造性が悪化する。すなわち、転造ダイスの欠損等の問題が生じるため、この意味から母材組織は、ベイナイト１０％以上、好ましくはベイナイト２０％以上とし、残部はフェライトおよび／またはパーライト組織とすることが好ましい。
【００３９】
また、本発明のドライブシャフトでは、高周波焼入れ後の硬化層の旧オーステナイト粒径の調整も重要である。すなわち、高周波焼入れ後の硬化層に関し、その全厚にわたって旧オーステナイト粒径を１２μｍ  以下とする必要がある。というのは、焼入れ硬化層の全厚にわたる粒径が１２μｍ  を超えると、十分な粒界強度が得られず、満足いくほどのねじり疲労強度の向上が望めないからである。なお、好ましくは１０μｍ  以下、さらに好ましくは５μｍ  以下である。
【００４０】
ここに、焼入れ硬化層の全厚にわたる旧オーステナイト粒径の測定は、次のようにして行う。
高周波焼入れ後の本発明のドライブシャフトでは、高周波焼入れした部分の最表層は面積率で  １００％のマルテンサイト組織を有する。そして、表面から内部にいくに従い、ある深さまでは  １００％マルテンサイト組織の領域が続くが、ある深さから急激にマルテンサイト組織の面積率が減少する。
本発明では、高周波焼入れした部分について、鋼材表面から、マルテンサイト組織の面積率が９８％に減少するまでの深さ領域を硬化層と定義する。
そして、この硬化層について、表面から硬化層厚の  １／５位置、１／２  位置および４／５  位置それぞれの位置における平均旧オーステナイト粒径を測定し、いずれの平均旧オーステナイト粒径も１２μｍ  以下である場合に、焼入れ硬化層の全厚にわたる旧オーステナイト粒径が１２μｍ  以下であるとする。
なお、平均旧オーステナイト粒径の測定は、光学顕微鏡により、４００  倍（１視野の面積：０．２５ｍｍ×０．２２５  ｍｍ）から１０００倍（１視野の面積：０．１０ｍｍ×０．０９ｍｍ）で、各位置毎に５視野観察し、画像解析装置により平均粒径を測定することにより行う。
【００４１】
さらに、本発明において、高周波焼入れによる硬化層厚みは２ｍｍ以上とすることが好適である。というのは、所望特性が転動疲労寿命のような極表層付近の組織のみに依存するような場合には、硬化層厚みが１ｍｍ程度でもそれなりの効果は得られるが、本発明のようにねじり疲労強度を問題とする場合には、硬化層厚みは厚いほど好ましいからである。従って、より好ましい硬化層厚みは  ２．５ｍｍ以上、さらに好ましくは３ｍｍ以上である。
【００４２】
次に、本発明の製造条件について説明する。
所定の成分組成に調整した鋼材を、棒鋼圧延または熱間鍛造後、所定の長さに切断し、ついで表面切削加工を施したのち、図１に示すように、スプライン部２について転造加工を施し、ついでドライブシャフト１全体に高周波焼入れ−焼戻し処理を施して、製品とする。
【００４３】
本発明では、ドライブシャフトの母材組織を、上述したベイナイト組織および／またはマルテンサイト組織を有し、かつこれらベイナイト組織とマルテンサイト組織の合計の組織分率が１０  ｖｏｌ％以上の組織とするために、圧延・鍛造等の熱間加工後は、０．２  ℃／ｓ以上の速度で冷却する必要がある。というのは、冷却速度が０．２  ℃／ｓ未満の場合には、ベイナイトあるいはマルテンサイト組織が得られ難くなり、これら組織の合計の組織分率が１０  ｖｏｌ％に達しない場合が生じるからである。熱間加工後の冷却速度の好適範囲は  ０．３〜３０℃／ｓである。
なお、熱間加工は  ９００℃超〜１１５０℃の温度範囲で行うことが好ましい。９００  ℃以下では、必要なベイナイト組織および／またはマルテンサイト組織が得られず、一方１１５０℃超では加熱コストが大きくなるため、経済的に不利となるからである。
【００４４】
また、本発明において、表面切削加工およびスプライン部の転造加工は、特に制限されるものではなく、従来公知の方法を用いれば良い。
【００４５】
次に、本発明では、スプライン部の転造加工後、上述した硬化層を得るために高周波焼入れを施すが、この高周波焼入れ時の加熱温度範囲は  ８００〜１０００℃とする必要がある。というのは、加熱温度が  ８００℃未満の場合、オーステナイト組織の生成が不十分となり、上述した硬化層組織の生成が不十分となる結果、十分なねじり疲労強度および耐焼割れ性を確保することができず、一方、加熱温度が１０００℃超えの場合、オーステナイト粒の成長が促進されて粗大となり、硬化層の粒径が粗大となるため、やはりねじり疲労強度および耐焼割れ性の低下を招くからである。より好ましい加熱温度範囲は  ８００〜９５０  ℃である。
【００４６】
上記した高周波焼入れを複数回繰り返す場合には、少なくとも最終の高周波焼入れを、加熱温度：８００  〜１０００℃として行えばよい。ここに、高周波焼入れを複数回繰り返す場合には、全ての高周波焼入れについて、加熱温度：８００  〜１０００℃とすることが最も望ましい。そして、２回以上の繰り返し焼入れを行うことで、１回焼入れに比べてさらに微細な硬化層粒径を得ることができる。
なお、高周波焼入れを複数回繰り返す場合、少なくとも最終の高周波焼入れによる焼入れ深さは、それ以前の高周波焼入れによる焼入れ深さと同等またはそれ以上とすることが好ましい。というのは、硬化層の結晶粒径は、最後の高周波焼入れに一番強く影響されるので、最後の高周波焼入れによる焼入れ深さが、それ以前の高周波焼入れによる焼入れ深さよりも小さいと、硬化層全厚にわたる平均結晶粒径がむしろ大きくなり、かえってねじり疲労強度および耐焼割れ性が低下する傾向にあるからである。
【００４７】
また、本発明においては、高周波焼入れは、上記加熱温度範囲における加熱時間を５秒以下とすることが好ましい。というのは、加熱時間を５秒以下とした場合には、５秒を超える場合に比べて、オーステナイトの粒成長をさらに抑制することができ、非常に微細な硬化層粒径を得ることができる。より好ましい加熱時間は３秒以下である。
【００４８】
【実施例】
表１に示す成分組成になる鋼素材を、転炉により溶製し、連続鋳造により鋳片とした。鋳片サイズは  ３００×４００ｍｍ  であった。この鋳片を、ブレークダウン工程を経て１５０  ｍｍ角ビレットに圧延したのち、２４ｍｍφの棒鋼に圧延した。圧延の仕上温度はベイナイトあるいはマルテンサイト組織生成の観点から好適な温度として９００  ℃超とした。圧延後の冷却は表２に示す条件とした。
ついで、この棒鋼を所定の長さに切断後、表面切削加工およびスプライン部の転造加工を施して、図１に示す寸法・形状になるスプライン部２を有するドライブシャフト１を作製した。このドライブシャフトに、周波数：１５  ｋＨｚの高周波焼入れ装置を用いて、表２に示す条件下で焼入れを行った後、加熱炉を用いて  １７０℃×３０分の条件で焼もどしを行い、その後ねじり疲労強度について調査した。
なお、ねじり疲労強度は、ドライブシャフトのねじり疲労試験において破断繰り返し数が１×１０５  回の時のトルク値（Ｎ・ｍ）で評価した。ねじり疲労試験は、油圧式疲労試験機を用い、図２に示すように、スプライン部２ａ，２ｂをそれぞれ円盤状のつかみ具３ａ，３ｂに組み込み、つかみ具３ａ，３ｂとの間に周波数：１〜２Ｈｚで繰り返しねじりトルクを負荷することにより行った。
【００４９】
また、同じドライブシャフトについて、鋼材の母材組織、焼入れ後の硬化層厚み、硬化層の全厚にわたって得られる平均硬化層粒径（旧オーステナイト粒径）を、光学顕微鏡を用いて測定した。
ここで、硬化層厚みについては、前述したように、鋼材表面からマルテンサイト組織の面積率が９８％に減少する深さまでとした。また、高周波焼入れを複数回実施したものについては、それぞれの焼入れ後の硬化層厚みを測定した。さらに、硬化層粒径については、表面から硬化層厚の  １／５位置、１／２  位置および４／５  位置それぞれの位置における平均旧オーステナイト粒径を測定し、それらの最大値を示した。なお、高周波焼入れを複数回実施したものについては、最終焼入れ後の平均旧オーステナイト粒径を測定した。
【００５０】
さらに、同じドライブシャフトについて、耐焼割れ性についても調査した。
この耐焼割れ性は、高周波焼入れ後のスプライン部のＣ断面５ヶ所を切断・研磨し、光学顕微鏡（倍率：１００  〜２００  倍）で観察した時の焼割れ発生個数で評価した。
また、それぞれのドライブシャフトにスプラインの転造加工を施したのち、転造ダイスの欠損の有無を目視で観察し、欠損有りの場合を転造性不良（×）、欠損なしの場合を転造性良好（○）として評価した。
得られた結果を表２に併記する。
【００５１】
【表１】
2005060718.tif 000003
【００５２】
【表２】
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【００５３】
表２から明らかなように、本発明で規定した成分組成範囲を満足し、かつ本発明の高周波焼入れ条件を満たす条件で製造したドライブシャフトはいずれも、硬化層の旧オーステナイト粒径が全厚にわたって１２μｍ  以下を満たしており、その結果  ９９５  Ｎ・ｍ  以上という高いねじり疲労強度および焼割れ個数：０という優れた耐焼割れ性を得ることができた。
また、表２中のＮｏ．１と２あるいはＮｏ．４と５を比較すると、焼入れ回数を１回から２回に増やすことで、硬化層の粒径が微細化し、ねじり疲労強度がさらに上昇することが分かる。
こらに、Ｎｏ．８，  Ｎｏ．３７，  Ｎｏ．３８を比較すると、焼入れ回数を１回から２回に増やした場合において、２回目の焼入れ深さの方が浅い場合（Ｎｏ．３７）には、１回しか施さなかった場合よりもねじり疲労強度はむしろ低下するのに対し、２回目の焼入れ深さを深くした場合（Ｎｏ．３８）には、１回しか施さなかった場合に比べてねじり疲労強度は大幅に向上した。Ｎｏ．３８  では、硬化層厚方向で、表面から硬化層厚の４／５  位置で最も旧オーステナイト粒径が大きく、３．５  μｍ  であったが、表層近傍（表面から硬化層厚の  １／５位置）では旧オーステナイト粒径は  ２．６μｍ  であり、表層の粒径が微細化していることが、疲労強度の向上に寄与したものと考えられる。
なお、Ｎｏ．７は、得られたドライブシャフトは焼割れもなく、ねじり疲労強度も高いものであったが、母材組織がマルテンサイト主体であったことから、スプラインの転造加工中に転造ダイスに欠損が生じた。
【００５４】
これに対し、Ｎｏ．１１  は、加工後の冷却速度が小さいため、ベイナイトとマルテンサイトの合計組織分率が１０％未満となっており、その結果、硬化層粒径が粗大となり、ねじり疲労強度が低い。また、焼割れ個数が５個と耐焼割れ性にも劣っている。
Ｎｏ．２４  は、硬化層粒径は微細であるものの、Ｃ含有量が本発明の範囲より高いため、粒界強度の低下を招き、そのためねじり疲労強度が劣っている。
Ｎｏ，２５，  ２６，  ２７  は、それぞれＣ，  Ｓｉ，  Ｍｏの含有量が本発明の適正範囲よりも低いため、硬化層粒径が粗大となり、ねじり疲労強度および耐焼割れ性が共に劣っている。
Ｎｏ．２８  はＢ含有量が低く、またＮｏ．２９  はＭｎ含有量が、Ｎｏ．３０  はＳおよびＰ含有量が、Ｎｏ．３１  はＣｒ含有量が、それぞれ本発明の適正範囲を超えているため、いずれも粒界強度の低下を招き、ねじり疲労強度が劣っている。特にＮｏ．２８，  Ｎｏ．２９は耐焼割れ性にも劣っている。
Ｎｏ．３２  は、Ｔｉ含有量が本発明の適正範囲を超えているため、ねじり疲労強度が劣っており、逆にＮｏ．３５  はＴｉ含有量が低いため、硬化層粒径が粗大となり、ねじり疲労強度および耐焼割れ性に劣っている。
Ｎｏ．３３  は、高周波焼入れ時の加熱温度が高すぎるために硬化層の粒径が粗大となり、ねじり疲労強度および耐焼割れ性に劣っており、一方Ｎｏ．３４  は、高周波焼入れ時の加熱温度が低すぎるため硬化層が形成されず、ねじり疲労強度に劣っている。
Ｎｏ．３６  は、Ｓｉ量が本発明の下限に満たない０．２８ｍａｓｓ％の場合であるが、この例のように、Ｓｉ量が本発明の下限をわずかでも下回る場合には、硬化層全厚にわたって１２μｍ  以下の粒径を得ることができず、その結果、ねじり疲労強度および耐焼割れ性に劣っている。
【００５５】
【発明の効果】
かくして、本発明によれば、耐焼割れ性に優れかつ高いねじり疲労強度を有するドライブシャフトを安定して得ることができ、その結果、自動車用部材の軽量化の要求に対して偉功を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】代表的なドライブシャフトの正面図である。
【図２】ドライブシャフトのねじり疲労試験における試験要領を示す図である。
【符号の説明】
１  ドライブシャフト
２  スプライン部
３  つかみ具
【図１】
2005060718.tif 000006
【図２】
2005060718.tif 000007