(57)【要約】マンネスマン製管法によって熱間仕上げされた鋼管に簡易な内面切削加工と、その後の冷間抽伸を施すことによって、鋼管内表面を形成する凹凸形状の凹部深さｄと、表面粗さＲａと、凹部入り口幅ｗとを規定し、または、同様に、凹凸形状の凹部深さｄと、内表面層のビッカース硬度Ｈｖと、凹部入り口幅ｗとを規定することにより、疲労強度に優れると同時に、車体軽量化に最適なドライブシャフト用の中空部材を製造することができる。これにより、自動車用ドライブシャフトを低廉な製造コストで、かつ効率的に製造できるので、工業的に効果が大きなものとなる。
2004071686.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼管の長手方向に垂直な断面における内表面を形成する凹凸形状が、凹部の底までの深さｄが１００μｍ以下であり、かつ、鋼管の内表面の表面粗さが中心線平均粗さＲａで１〜４μｍである鋼管であって、前記凹部の底までの深さｄが５０μｍ以上である場合に、その凹部の入り口幅ｗが０．５ｄ以上であることを特徴とするドライブシャフト用継目無鋼管。
ただし、前記凹部の底までの深さｄが５０μｍ未満である場合に、その凹部の入り口幅ｗを制限しないものとする
【請求項２】
鋼管の長手方向に垂直な断面における内表面を形成する凹凸形状が、凹部の底までの深さｄが１００μｍ以下であり、かつ、鋼管の内表面層５００μｍにおける硬度がビッカース硬度Ｈｖで２００以下である鋼管であって、前記凹部の底までの深さｄが５０μｍ以上である場合に、その凹部の入り口幅ｗが０．５ｄ以上であることを特徴とするドライブシャフト用継目無鋼管。
ただし、前記凹部の底までの深さｄが５０μｍ未満である場合に、その凹部の入り口幅ｗを制限しないものとする
【請求項３】
マンネスマン製管法によって継目無鋼管を熱間加工する際に、延伸圧延後の再加熱条件を８００〜１０５０℃とし、定径圧延での最大孔型楕円率（長半径／短半径）を１．１以下の条件で圧延して熱間仕上げした後、前記熱間仕上げの鋼管にサンドブラストで内面研削を施し、次いで冷間抽伸を行うことを特徴とするドライブシャフト用継目無鋼管の製造方法。
【請求項４】
内面研削で少なくとも２０μｍの研削量を確保し、次いで冷間抽伸を行うことにより鋼管内表面の表面粗さを中心線平均粗さＲａで１〜４μｍとすることを特徴とする請求項３に記載のドライブシャフト用継目無鋼管の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、ドライブシャフト用継目無鋼管およびその製造方法に関し、さらに詳しくは、自動車用ドライブシャフトの軽量化に最適で、かつ疲労強度に優れる中空部材として用いられる継目無鋼管、およびこの継目無鋼管を効率的に製造する方法に関するものである。
【背景技術】  最近では、地球環境を保護する必要性が高まるなかで、自動車車体の軽量化を図り、一層、省エネルギー効果を達成することが要請されている。このため、車体軽量化の観点から、自動車用部品を中実部材から中空部材に切り替える試みがなされている。このような試みのなかで、自動車のドライブシャフトについても中空部材が一部で採用されはじめている。
具体的には、自動車用ドライブシャフトに要求されるねじり剛性を確保しつつ、さらなる軽量化を図るために、部材の中間部を薄肉で大径化するとともに、等速ジョイントと締結する両端部を小径で厚肉化した、一体成形のドライブシャフトの採用が検討されている。このようなドライブシャフトを鋼管から製造するには、中空部材の両端部に冷間で軸絞り加工等を施して、両軸端部の外径を減少させると同時に肉厚を増加させることによって一体成形される。
自動車用ドライブシャフトは、エンジンの回転軸トルクをタイヤに伝達する重要保安部品である。そこで、ドライブシャフトの疲労強度を確保するため、その強度、剛性を高めておくことが好ましいことから、焼入れなどの熱処理が施される。焼入れを施した場合には、そうした熱処理によって良好な疲労強度を保ちつつ、９８１ＭＰａ以上の高強度化を図ることも可能となる。
通常、前述の冷間軸絞り加工では、加工に際して鋼管内面を規制する工具を用いないため、加工条件によっては加工後のドライブシャフトの内面にしわが発生する場合がある。ドライブシャフトに内面しわが発生すると、著しく疲労強度を低下させることになる。そこで、ドライブシャフトの中空部材に用いられる鋼管の製造には、鋼管内にプラグその他の芯金を挿入して、冷間抽伸を所定寸法まで繰り返す方法が検討されている。
ところが、冷間抽伸を繰り返す方法では、鋼管の内表面が滑かに加工でき、所定寸法に仕上げられるが、平滑な内面を得るには、数回に亘る抽伸加工と中間焼鈍を繰り返す必要があるため、製造コストが嵩むという問題がある。
上記の問題を解決するため、特許第２８２２８４９号公報では、マンネスマン製管法でストレッチレデューサーを用いて能率的に継目無鋼管を製造して、この鋼管内面をショットブラスト研削等によって内面切削して、ドライブシャフト等の自動車用継目無鋼管を製造する方法が提案されている。この製造方法によれば、ショットブラストによる内面研削量が増加するものの、比較的僅少な内面切削によって、ドライブシャフト用中空部材の疲労強度を適切に向上させることができるとしている。
継目無鋼管を熱間で製造するマンネスマン製管法は、中実のビレットの中心部に孔を明ける穿孔工程と、この穿孔された中空素管の肉厚加工を主たる目的とする延伸圧延工程と、素管外径を減径して目標寸法に仕上げる定径圧延工程とによって構成される。
通常、穿孔工程ではマンネスマンピアサ、交叉型穿孔圧延機、プレスピアシングミル等の穿孔圧延機が、延伸圧延工程ではマンドレルミル、プラグミル、アッセルミル等の圧延機が、さらに定径圧延工程ではストレッチレデューサやサイザー等の孔型圧延機がそれぞれ用いられる。
図１は、継目無鋼管を熱間で製造するマンネスマン製管法の製造工程の一例を説明する図である。この製管方法は、所定温度に加熱された中実の丸ビレット１を被圧延材とし、この丸ビレット１を穿孔圧延機（いわゆる、ピアサ）３に送給して、その軸心部に穿孔を明けて中空素管２を製造する。次いで、製造された中空素管２をそのまま、あるいは必要に応じて上記穿孔圧延機と同一構成のエロンゲータに通して拡径、薄肉化を行った後、後続する延伸圧延装置（マンドレルミル４）に送給して延伸圧延する。
マンドレルミル４で延伸圧延される際に、中空素管２は装入されたマンドレルバー４ｂと素管外面を規制する圧延ロール４ｒによって延伸と同時に冷却される。このため、マンドレルミル４を通過した中空素管２は、次いで再熱炉５に装入され、再加熱される。その後、ストレッチレデューサ６に通して磨管、形状修正およびサイジングを行う精整工程を経て製品となる継目無鋼管が製造される。
このような製管法において、穿孔圧延機３、マンドレルミル４およびストレッチレデューサ６では、中空素管２を圧下する圧延ロールが被圧延材が進行するパスラインを中心にして、１組または複数組で対向配置されている。
例えば、ストレッチレデューサ６では、穿孔圧延機３およびマンドレルミル４で得られた中空素管２を圧延ロール６ｒに通して、外径絞り圧延して仕上げ寸法に加工する。このため、図１に示すように、ストレッチレデューサ６はパスラインとミルセンターが一致するように設けられ、中空素管２を圧下する一対の圧延ロールは、パスラインを中心として対向配置された３個の圧延ロール６ｒからなり、これらの圧延ロール６ｒが複数組タンデムに配される。隣接するロールスタンド間ではそれぞれの圧延ロール６ｒがパスラインに対して垂直な面内で圧下方向を６０°毎ずらして交差配置される。
ところが、上述の通り、ストレッチレデューサでは、マンドレルなどの内面規制工具を用いることなく、中空素管を外径絞り圧延によって仕上げるので、熱間仕上げされた鋼管の内面に縦筋状のしわが発生し易い。
前記特許第２８２２８４９号公報では、熱間圧延された継目無鋼管の内面を２０μｍ〜５００μｍ切削加工することによって、鋼管内面に発生したしわを除去して、疲労強度の向上を図ることとしている。しかし、このようなショットブラストによる内面研削には膨大な処理時間が必要になる。
具体的には、ドライブシャフト用として採用される鋼管は、内径が１５ｍｍ〜２５ｍｍ程度の小径管が対象となるが、これらの管内面に対して、上記研削量を確保するためにショット加工を施すには、数十分から数時間の膨大な処理時間が必要となる。このため、前記特許第２８２２８４９号公報で提案された製造方法では、製造コストが嵩むとともに、工業上必要とされる量産性が確保できないという大きな問題となる。
さらに、ストレッチレデューサでは３個の圧延ロールからなる外径絞り圧延であるため、中空素管はパスラインに対し３方向から圧下を受ける。このため、熱間仕上げされた鋼管の内面形状は、真円にならず、角張りや多角形化した円となり、その内表面には凹凸形状が形成される。このような内表面の凹凸形状を真円に矯正することは、ショットブラスト等の研削加工だけでは困難である。
また、ドライブシャフト用鋼管は、スウェージングマシン等により、両管端部に冷間軸絞り加工が施されて、長手方向に外径、肉厚が変化した製品形状に仕上げられる。この冷間軸絞り加工に伴う内径縮径率は５０〜７０％程度になり、内表面に凹凸形状を有する管材がこのような加工を受けると、この凹凸形状を起点として、さらに深いしわを成長させることになる。
通常、中空部材を用いたドライブシャフトでは、焼入により高強度化されるが、高強度化された材料では、内面しわを起点とする疲労き裂が容易に進展し、疲労強度の低下が顕著となる。したがって、上述した９８１ＭＰａ以上の高強度の部材では、高強度化にともなって疲労き裂発生の応力集中感受性が高まり、内面品質の問題が顕在化することが多い。
【発明の開示】
本発明は、従来のドライブシャフト等の自動車用継目無鋼管の製造にともなう問題点に鑑みてなされたものであり、マンネスマン製管法によって熱間仕上げされた鋼管に比較的少ない内面切削加工と、その後の冷間抽伸を施すことによって、疲労強度に優れると同時に、車体軽量化に最適なドライブシャフト用継目無鋼管およびその製造方法を提供することを目的としている。
本発明者らは、上述の課題を解決するため、種々の検討を加えた結果、前述の冷間軸絞り加工におけるしわの成長、進展は、必ずしも熱間圧延後の鋼管に存在するしわ深さに依存するのではないこと、および最終製品としてのドライブシャフトの疲労寿命は、冷間軸絞り加工前の鋼管内面しわ深さのみに依存するのではないことを明確にした。以下に、本発明者らが明らかにした知見を説明する。
ドライブシャフトは、自動車エンジンの回転軸トルクをタイヤに伝達する重要保安部品であるため、疲労破壊の起点となり得る表面しわ疵は発生させないことが望ましい。その中空部材から最終製品形状への仕上げ工程は、部材鋼管の両端に冷間軸絞り加工が施されて、ドライブシャフトに一体成形される。
しかしながら、この冷間軸絞り加工にともなって、鋼管の長手方向に垂直な断面の内表面に形成された凹凸形状で、内面しわが発生し、成長する場合がある。したがって、ドライブシャフトとして用いられる中空部材の性能は、冷間軸絞り加工が施されて最終製品に仕上げられた段階で評価する必要がある。
上記の観点からでは、前記特許第２８２２８４９号公報で提案された製造方法では、冷間軸絞り加工前の熱間仕上げ鋼管であって、すなわちドライブシャフトとして半製品の段階で内面しわを除去する方法を採用しているので、製造コストの増大と生産効率の低下を招来するに過ぎないことになる。
換言すると、単に冷間軸絞り加工前のドライブシャフト用鋼管のしわ深さを改善することに着目するのではなく、むしろ、その後の冷間軸絞り加工において成長する内面しわの進展を抑制できる鋼管の内面品質を明確にすることによって、冷間軸絞り加工前に許容できるしわ深さを把握し、徒に長時間の内面研削を施すことなく、低い製造コストで効率的に所定の疲労強度を確保することができる。
図２は、回転軸トルクを伝達する際にドライブシャフトの内表面および外表面に作用するせん断応力の分布を概念的に説明する図である。図２に示すせん断応力分布から明らかなように、ドライブシャフトの外表面には、内表面に比べて大きなせん断応力が作用する。
したがって、ドライブシャフトの内表面に完全にしわの無い状態で、内表面とも疲労限度せん断応力が十分に大きい場合には、疲労き裂は、内表面より大きなせん断応力の作用する外面側から発生、成長することになる。
しかしながら、内表面にしわ疵が存在すると、そのしわを起点としてき裂が進展するため、作用するせん断応力が小さくても内表面側から疲労き裂が発生する場合がある。
言い換えると、内表面にしわが存在する場合でも、内表面側の疲労限度せん断応力が外面側で規定されるせん断応力を超えるように、内表面側に発生するしわを管理できれば、冷間軸絞り加工で発生、成長するしわは、結果として製品の疲労寿命に影響を与えることがなく、実用上、問題とならない。
本発明は、上記の知見に基づいて検討され、さらに一体成形されたドライブシャフトが十分な疲労特性を確保できる条件、およびこの中空部材を効率的に製造できる方法を明らかにして完成されたものであり、下記（１）、（２）のドライブシャフト用継目無鋼管、および（３）のドライブシャフト用継目無鋼管の製造方法を要旨としている。
（１）鋼管の長手方向に垂直な断面における内表面を形成する凹凸形状が、凹部の底までの深さｄが１００μｍ以下であり、かつ、鋼管の内表面の表面粗さが中心線平均粗さＲａで１〜４μｍである鋼管であって、前記凹部の底までの深さｄが５０μｍ以上である場合に、その凹部の入り口幅ｗが０．５ｄ以上であることを特徴とするドライブシャフト用継目無鋼管である。
（２）鋼管の長手方向に垂直な断面における内表面を形成する凹凸形状が、凹部の底までの深さｄが１００μｍ以下であり、かつ、鋼管の内表面層５００μｍにおける硬度がビッカース硬度Ｈｖで２００以下である鋼管であって、前記凹部の底までの深さｄが５０μｍ以上である場合に、その凹部の入り口幅ｗが０．５ｄ以上であることを特徴とするドライブシャフト用継目無鋼管である。
（３）マンネスマン製管法によって継目無鋼管を熱間加工する際に、延伸圧延後の再加熱条件を８００〜１０５０℃とし、定径圧延での最大孔型楕円率（長半径／短半径）を１．１以下の条件で圧延して熱間仕上げした後、前記熱間仕上げの鋼管にサンドブラストで内面研削を施し、次いで冷間抽伸を行うことを特徴とするドライブシャフト用継目無鋼管の製造方法である。
上記（１）および（２）のドライブシャフト用継目無鋼管では、凹部の底までの深さｄが５０μｍ未満である場合には、いかなる凹部の入り口幅ｗであっても、冷間軸加工の後にドライブシャフトとして必要な疲労強度を確保することができる。
このため、凹部の底までの深さｄが５０μｍ未満である場合には、その凹部の入り口幅ｗを制限しないものとする。
本発明において「内表面を形成する凹凸形状」とは、ドライブシャフト用継目無鋼管として、冷間軸加工される前の内面品質状況を示すものである。さらに詳しくは、熱間仕上げされた鋼管の角張りや多角形化、または縦筋状の内面しわの発生に起因し、その後の内面研削および冷間抽伸の影響を受けた内面しわ等の発生状況を示すものである。したがって、以下の説明においては「凹凸形状」および「内面しわ」の表現を併用する場合がある。
【図面の簡単な説明】  図１は、継目無鋼管を熱間で製造するマンネスマン製管法の製造工程の一例を説明する図である。
図２は、回転軸トルクを伝達する際にドライブシャフトの内表面および外表面に作用するせん断応力の分布を概念的に説明する図である。
図３は、鋼管内面に発生した筋状しわや角張りの状況を、鋼管の長手方向に垂直な断面における内表面を形成する凹凸形状として示した図である。
図４は、ストレッチレデューサーの圧延ロールにおける孔型形状を示す図である。
図５は、実施例で使用した疲労特性の評価試験片を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】  本発明のドライブシャフト用継目無鋼管では、ドライブシャフトが優れた疲労強度が発揮できるように、内表面を形成する凹凸形状のうち、平均的な凹凸形状の大きさのみならず、鋼管の内表面の全体を見渡して、その中で最も大きい凹凸形状を所定の範囲で管理することを特徴としている。
図３は、鋼管内面に発生した筋状しわや角張りの状況を、鋼管の長手方向に垂直な断面における内表面を形成する凹凸形状として示した図であり、（ａ）は凹部の入り口幅が狭い場合を、（ｂ）は凹部の入り口幅が広い場合を示している。本発明では、鋼管断面の内表面に部分的に点在する凹凸形状の大きさを識別するため、図３に示すように、その凹部の底までの深さをｄ、およびその入り口の幅をｗと規定する。
そして、疲労強度を確保するため、ｄが１００μｍ以下であることを前提条件とし、そのうち凹部の底までの深さが比較的深く、ｄが５０μｍ以上である場合には、ｗが０．５ｄ以上で管理する。
ところが、凹部の底までの深さが浅く、ｄが５０μｍ未満である場合には、いかなる凹部の入り口幅ｗであっても、冷間軸加工の後にドライブシャフトとして必要な疲労強度を確保することができるので、その凹部の入り口幅ｗを制限しない。
さらに、本発明のドライブシャフト用継目無鋼管では、鋼管の内表面の凹凸形状を所定の距離にわたって測定して、平均的な凹凸形状のレベル指標を所定の範囲で管理する必要がある。すなわち、鋼管の内表面の表面粗さを中心線平均粗さＲａで１〜４μｍで管理する。ここでいう中心線平均粗さＲａは、ＪＩＳ  Ｂ０６０１に規定するものである。
前述の通り、ストレッチレデューサでの外径絞り圧延では、中空素管がパスラインに対し３方向から圧延ロールによる圧下を受けるが、内面規制工具を用いないため、多数の筋状しわや角張りが発生する。その後、抽伸加工を施すことによって、筋状しわや角張りを改善できるとともに、内外面全体の平滑化が図られる。
本発明者らの検討によれば、ストレッチレデューサ圧延ままの熱間仕上げ鋼管では、せいぜい中心線平均粗さＲａで５〜１０μｍであるが、冷間抽伸によって中心線平均粗さＲａで１〜４μｍにまで平滑化され、それによって疲労寿命の改善に顕著な効果が得られる。このため、本発明の鋼管の内表面の表面粗さは、中心線平均粗さＲａで１〜４μｍとする必要がある。
上述したように、鋼管の内表面を形成する凹凸形状のうち、大きい凹凸形状を所定の範囲で管理するとともに、鋼管の内表面の凹凸形状の平均的なレベル指標を所定の範囲に管理することによって、これらの作用が相まって、最終段階での冷間軸絞り加工でのしわ深さの進展が十分に抑制され、疲労強度を向上させることができる。
冷間軸絞り加工量は、ドライブシャフト製品形状に応じて決まるのであるが、一般的には、外径縮径率が３０％および内径縮径率が６０％前後に設定される。このような冷間軸絞り加工量を対象とした場合に、本発明の鋼管が規定する内表面の凹凸形状および内表面の表面粗さの条件は、疲労強度を向上させるために、著しい効果を発揮する。
本発明の他のドライブシャフト用継目無鋼管では、ドライブシャフトが優れた疲労強度を確保するため、鋼管の内表面を形成する凹凸形状のうち、大きい凹凸形状を所定の範囲で管理するとともに、鋼管の内表面層５００μｍにおける硬度をビッカース硬度Ｈｖ≦２００とすることによって、前記の冷間軸絞り加工量がより高い場合にも、前記の場合と同様に、優れた効果を発揮することができる。
この場合に、鋼管の内表面層５００μｍにおける硬度とは、鋼管の長手方向に垂直な断面における内表面側から肉厚方向への距離が１００μｍ、２００μｍ、３００μｍ、４００μｍおよび５００μｍの各点で測定した硬度の平均値をいう。
内面側でのしわ発生に及ぼす硬度分布の影響を検討した結果、外面側の硬度が多少変化しても、内面側のしわ発生には直接的な影響を及ぼさない。また、内面側の数μｍ〜数１０μｍの最表層の近傍では、冷間抽伸時に内面規制工具によるせん断変形が作用するので、肉厚部での平均的な硬度分布に比べ、硬度が多少高くなる場合がある。しかし、上述した鋼管の内表面層５００μｍにおける硬度をビッカース硬度で測定して結果を整理すれば、しわ進展との相関が得られる。
本発明のドライブシャフト用継目無鋼管では、対象とする鋼種の化学組成を規定していないが、ドライブシャフトに好適な組成例として、Ｃ：０．２０〜０．５０％、Ｓｉ：０．１〜０．５％およびＭｎ：０．４〜２．０％を含有し、残部はＰ、Ｓ等の不純物およびＦｅからなる組成を例示することができる。
さらに、疲労強度に加え諸特性を改善するには、上記の組成に加え、Ｃｒ：０〜１．５％、Ｔｉ：０〜０．０５％、Ｎｂ：０〜０．０５％、Ｖ：０〜０．１％、Ｍｏ：０〜１％、Ｎｉ：０〜０．５％、Ｃｕ：０〜０．５％、Ｂ：０〜０．０５％およびＣａ：０〜０．０１％のうち１種または２種以上の成分を含有させることができる。
本発明のドライブシャフト用鋼管の製造方法の一例として、前記図１に示すように、マンドレルミルおよびストレッチレデューサーを用いたマンネスマン製管法を挙げることができる。
具体的には、継目無鋼管を熱間製管する際に、マンドレルミルによる圧延後の再加熱条件を８００〜１０５０℃として、ストレッチレデューサーでの圧延温度を充分に高温にするとともに、均一化を図ることとしている。これにより、ストレッチレデューサー圧延による鋼管内面の真円度を適切に向上させ、圧延過程での内面の多角化の発生を有効に抑制することができる。
図４は、ストレッチレデューサーの圧延ロールにおける孔型形状を示す図である。前述の通り、ストレッチレデューサに設けられる圧延スタンドは、３個の圧延ロール６ｒからなる。通常、圧延ロール６ｒにおける孔型形状は、ロール孔型の長半径ｒａ／短半径ｒｂの比で示される最大孔型楕円率で管理される。
本発明の製造方法では、高温、かつ均一に再加熱された中空素管をストレッチレデューサーで圧延する場合に、最大孔型楕円率（ｒａ／ｒｂ）が１．１以下の圧延ロールを用いて、圧下量の均一性を高めることとしている。
上述の再加熱条件および圧延ロールの最大孔型楕円率（ｒａ／ｒｂ）を規定することによって、ストレッチレデューサー圧延後の鋼管内面における真円度を向上させ、内面多角化を有効に抑制することができる。本発明の製造方法では、前述の通り、真円度が高められた熱間仕上げ鋼管の内面を研削し、その後、冷間抽伸で内面の平滑度を高めることによって、効率的に疲労強度に優れたドライブシャフト用鋼管の内面品質を作り込める。
すなわち、熱間仕上げ鋼管の内面をサンドブラスト研削した後に、冷間抽伸にて内表面の平滑化が図れるため、前段のサンドブラストによる切削処理を比較的簡易にでき、短時間の処理および僅かな切削量で目的を達成することができる。例えば、後述する実施例で示すように、本発明では、研削時間は１０分程度で、かつ研削量は２０μｍ〜３０μｍ確保できれば適用することができる。
また、冷間抽伸では、鋼管内面にプラグの内面規制工具を接触させて内面を仕上げるため、外面のみならず内面粗さを小さくすることができる。熱間仕上げ鋼管の研削加工のみでは、内表面の表面粗さは、中心線表面粗さＲａで５〜１０μｍ程度であったものが、冷間抽伸加工を施すことで、１〜４μｍにまで平滑化できる。
本発明のドライブシャフト用鋼管およびその製造方法の効果を、実施例１〜３に基づいて具体的に説明する。
【実施例１】  熱間仕上げ後に冷間抽伸した鋼管、または熱間仕上げままの鋼管に、冷間軸絞り加工を施し、ねじり疲労強度を調査することにより製品の評価試験を実施した。供試材の化学組成は、質量％でＣ：０．４０％、Ｓｉ：０．２８％、Ｍｎ：１．０７％、Ｃｒ：０．１４％、Ｔｉ：０．０３２％およびＢ：０．００１４％を含有し、残部はＦｅとした。
まず、丸ビレットに穿孔圧延を行った後、マンドレルミルで延伸圧延を施して、９００℃の条件で再加熱を行い、ストレッチレデューサで外径絞り圧延して、外径５１ｍｍ、内径３５ｍｍ、肉厚８ｍｍの熱間仕上げ鋼管を製造した。その後に、研削時間を変えて、種々の条件でサンドブラストによる内面研削を施した。
次に、内面研削後の鋼管に酸洗、潤滑処理を施して、円筒プラグを用いて冷間抽伸を行った後、７００℃×２０分の焼鈍処理を施して、外径４５ｍｍ、内径３１ｍｍ、肉厚７ｍｍのドライブシャフト用鋼管を製造した。
さらに、比較例として、冷間抽伸の有無による影響を確認するため、ストレッチレデューサで圧延して外径４５ｍｍ、内径３１ｍｍ、肉厚７ｍｍの熱間仕上げ鋼管を製造し、上記と同様に内面研削を施して、ドライブシャフト用鋼管を製造した。
次に、供試された各ドライブシャフト用鋼管を５００ｍｍに切断し、切断した鋼管の両管端からミクロ観察用の試料をそれぞれ１個採取して、鋼管の長手方向に垂直な断面の内表面に現れる凹凸形状をミクロ観察した。
このミクロ観察では、垂直な断面に存在する凹部の底までの最大深さｄｍａｘを測定するとともに、ｄが５０μｍ以上の凹部の深さｄと入り口の幅ｗとを測定し、ｗ／ｄを調査した。さらに、得られた各ドライブシャフト用鋼管の内表面の表面粗さＲａの測定を実施した。
さらに、供試されたドライブシャフト用鋼管に、約３０％の冷間軸絞り加工を施して、最終製品のドライブシャフトとして用いられた際の疲労寿命を評価した。ここでの評価寸法は、外径３２ｍｍ、内径１４ｍｍ、肉厚９ｍｍとし、冷間軸絞り加工での内径縮径率は約５５％とした。供試されたドライブシャフト用鋼管の内面品質の相違によって、冷間軸絞り加工でのしわ成長状況に相違が生じるが、それらを疲労試験結果として評価した。
図５に示すように、疲労特性の評価試験片７は、外面において適当な長さ範囲の平行な試験部７ａを試験片中央部に削り出して形成し、その両端側に掴持部７ｂを形成した。図５に示す形状の各試験片７に焼入れ、焼戻した後、その負荷トルクを種々に変え、ねじり疲労試験を行なった。
以上の試験条件と試験結果を表１に示す。ここでは、熱間仕上げ後冷間抽伸された鋼管、および熱間仕上げままの鋼管であって、ドライブシャフト用鋼管に供試されたものを供試鋼管とする。
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鋼管の長手方向に垂直な断面における内表面を形成する凹凸形状が、凹部の底までの深さｄが１００μｍ以下であり、そのうち凹部の底までの深さｄが５０μｍ以上である場合にその凹部の入り口幅ｗが０．５ｄ以上（ｗ／ｄ≧０．５）となっており、内表面の表面粗さが中心線平均粗さＲａで１〜４μｍである鋼管では、冷間軸絞り加工後の疲労試験においてねじり負荷トルクが高い値となっている。
ここで、中心線平均粗さＲａは、鋼管を軸方向に半割、すなわち、縦割して、内表面を軸方向に表面粗さ計で測定した。
一方、凹部の底までの最大深さｄｍａｘが５０μｍ未満と平滑化されていれば、凹部の入り口幅ｗが前記の条件を具備しない場合であっても、内面側を起点とする破壊は発生しない（供試Ｎｏ．９）。
上述の通り、実施例１では、熱間仕上げままの鋼管に冷間抽伸を行うことによって、表面粗さＲａの改善が促進され、凹凸形状の制御と鋼管内表面の平滑化とが相まって、ドライブシャフト用鋼管の疲労特性が顕著に改善された。
【実施例２】  実施例１と同様の熱間工程と研削処理を施した後、冷間抽伸を行ってドライブシャフト用鋼管を製造した。供試されたドライブシャフト用鋼管に約３８％の冷間軸絞り加工を施して、最終製品のドライブシャフトとして使用する場合の疲労寿命を評価した。
ここでの評価寸法は、外径２８ｍｍ、内径９ｍｍ、肉厚９．５ｍｍとした。冷間軸絞り加工での内径縮径率は約７１％となっており、実施例１よりも厳しい条件で疲労特性を評価した。
評価に際しては、実施例１と同様に、ミクロ観察用の試料を作製し、ｄｍａｘおよびｗ／ｄを調査するとともに、鋼管の内表面層５００μｍにおけるビッカース硬度Ｈｖを測定した。
ただし、鋼管の内表面層５００μｍにおける硬度は、冷間軸絞り加工前の熱処理条件を７８０〜７９０℃に均熱し、その後の徐冷時間を種々調整することによって調整した。それぞれの試験条件と試験結果を表２に示す。
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表２に示す結果から、鋼管の長手方向に垂直な断面における内表面を形成する凹凸形状が、凹部の底までの深さｄが１００μｍ以下であり、そのうち凹部の底までの深さｄが５０μｍ以上である場合にその凹部の入り口幅ｗが０．５ｄ以上（ｗ／ｄ≧０．５）である鋼管であって、材料内表面層における硬度がビッカース硬度Ｈｖ≦２００であれば、疲労強度が向上していることが分かる。
さらに、望ましくはＨｖ≦１８０を確保すれば、一層、疲労特性を向上できることが確認できた。
【実施例３】  本発明の製造条件について確認を行った。供試材の化学組成は、質量％でＣ：０．４５％、Ｓｉ：０．２３％、Ｍｎ：０．７６％およびＣｒ：０．１６％を含有し、残部はＦｅとした。
前記図１に示すように、マンネスマン製管法によって丸ビレットに穿孔圧延を行った後、マンドレルミルで主として肉厚加工を施した後、次いで再熱炉に装入し、９００℃にて再加熱した。
次のストレッチレデューサーでは、再加熱された中空素管を２０組の３ロール圧延スタンドによって圧延を施した。この圧延に際しては、マンドレルバーその他の芯金を用いることなく多数組のロール群で圧延した。
ストレッチレデューサーによって熱間仕上げされた鋼管に対して、サンドブラストによる内面研削を行った後、酸洗、潤滑処理を施して、円筒プラグを用いて冷間抽伸加工を加えた、次いで７００℃×２０分の焼鈍処理を施して、外径４５ｍｍ、内径３１ｍｍ、肉厚７ｍｍのドライブシャフト用鋼管を製造した。
また、実施例１と同様に、製造工程の相違による疲労特性の相違を調査するため、冷間抽伸の有無による影響を確認する比較例として、ストレッチレデューサでの圧延ままで外径４５ｍｍ、内径３１ｍｍ、肉厚７ｍｍの熱間仕上げ鋼管を製造し、内面研削を施して、次いで７００℃×２０分の焼鈍処理してドライブシャフト用鋼管を製造した。
これによって、冷間軸絞り加工前のドライブシャフト用鋼管としての硬度は、内表面層５００μｍにおいてＨｖ１９３〜１９６に仕上げられた。
さらに、実施例１と同じ条件で、供試されたドライブシャフト用鋼管に約３０％の外径絞り加工を施した後、最終的に焼き入れ処理を行い、最終製品のドライブシャフトとして用いられる際の疲労寿命を評価した。ここでの評価寸法は、外径３２ｍｍ、内径１４ｍｍ、肉厚９ｍｍとした。
表３に内表面の凹凸状況、表面粗さ、冷間抽伸の有無、およびサンドブラストによる内面研削時間とに応じた疲労寿命の評価試験結果を示す。
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表３の結果から明らかなように、本発明で規定する条件で製造されたドライブシャフト用鋼管であれば、内面研削に長時間を要することなく、優れた疲労強度を確保することができる。
また、研削量については鋼管の内径寸法によって変動するが、肉厚で２０μｍ〜３０μｍ確保できれば充分であることを確認している。その後に冷間抽伸すれば、冷間抽伸によって鋼管内面が内面平滑化するので、効率的に疲労強度に優れたドライブシャフト用の中空部材を得ることができる。
【産業上の利用の可能性】
本発明のドライブシャフト用継目無鋼管によれば、マンネスマン製管法によって熱間仕上げされた鋼管に簡易な内面切削加工と、その後の冷間抽伸を施すことによって、鋼管内表面を形成する凹凸形状の凹部深さｄと、表面粗さＲａと、凹部入り口幅ｗとを規定し、または、同様に、凹凸形状の凹部深さｄと、内表面層のビッカース硬度Ｈｖと、凹部入り口幅ｗとを規定することにより、疲労強度に優れると同時に、車体軽量化に最適なドライブシャフト用の中空部材を製造することができる。したがって、本発明の製造方法を適用することによって、自動車用ドライブシャフトを低廉な製造コストで、かつ効率的に製造できるので、工業的に効果が大きなものとなる。
【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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【国際調査報告】
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