(57)【要約】【課題】焼入れと同時に高い圧縮残留応力を得ることができて、疲労強度の向上を図ることができる動力伝達軸及びその製造方法を提供する。【解決手段】表面硬化層４を有する動力伝達軸である。炭素量が０．３０〜０．４８ｗｔ％である炭素鋼に対して、高周波焼入れの冷却剤に粒子を混入して、この混合剤を吹き付ける。これにより表面硬化層４を生成する。表面硬化層４の残留応力を−８００ＭＰａ以下とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却剤に粒子を混入した混合剤を吹き付ける高周波焼入れにて形成した表面硬化層を有することを特徴とする動力伝達軸。
【請求項２】
炭素量が０．３０〜０．４８ｗｔ％の炭素鋼であることを特徴とする請求項１の動力伝達軸。
【請求項３】
前記粒子がセラミック粒子であることを特徴とする請求項１又は請求項２の動力伝達軸。
【請求項４】
前記表面硬化層の残留応力を−８００ＭＰａ以下としたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかの動力伝達軸。
【請求項５】
表面硬化層を有する動力伝達軸の製造方法において、炭素量が０．３０〜０．４８ｗｔ％である炭素鋼に対して、高周波焼入れの冷却剤に粒子を混入して、この混合剤を吹き付けて前記表面硬化層を生成することを特徴とする動力伝達軸の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車や各種産業機械における動力の伝達に用いられる動力伝達軸に関し、特に等速自在継手に使用される動力伝達軸及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車の動力伝達系に組み込まれるドライブシャフトやプロペラシャフトなどに使用される動力伝達軸では、通常、素材として炭素鋼が用いられ、さらに熱処理により表面を硬化させて所定の強度が確保されている。さらに、動力伝達軸には、中実の一体シャフトと溶接や圧接を用いた接合シャフトが存在する。
【０００３】
近年では、自動車の高出力化、あるいは安全性指向による車両重量の増加などに対応して動力伝達軸の更なる高強度化が望まれている。また、燃費向上の観点から動力伝達軸の軽量化要求が顕在化しており、これを達成する上でも動力伝達軸の高強度化が急務である。そのため、この動力伝達軸の高強度化を図ることを目的として、種々の提案がなされている（例えば、特許文献１〜特許文献３参照）。
【０００４】
特許文献１に開示された動力伝達軸では、素材である炭素鋼にＢを添加することにより、焼入れ性向上、粒界強化、焼割れ感受性の低下を図っており、また、Ｎｂ，Ｖ，Ｚｒを添加することにより、結晶粒の微細化による靭性の向上を図っている。
【０００５】
特許文献２に開示された動力伝達軸では、鋼材にＭｏやＢを添加することにより、母材組織をベイナイト化し、焼入れ性を極端に向上させることで、結晶粒の微細化により耐焼割れ性および疲労強度の向上を図っている。
【０００６】
このように、特許文献１及び特許文献２に記載の動力伝達軸では、焼入れ性向上や結晶粒の微細化効果がある特殊な合金元素を添加することにより、動力伝達軸の高強度化を図っている。
【０００７】
ところで、このような動力伝達軸の熱処理は、高周波焼入れや浸炭焼入れ後に、焼戻し処理を行うのが一般的である。そこで、特許文献３に開示された動力伝達軸では、焼入れ焼戻し後に、さらにショットピーニング処理を追加することで高強度化を図っている。
【特許文献１】特開２０００−２３４１４１号公報
【特許文献２】特開２００５−０６０７１８号公報
【特許文献３】特開２００３−３０７２１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来のように特殊な合金元素を多量に添加することは、製品のコストアップを招くという問題があった。また、動力伝達軸の高強度化のために素材組織をベイナイト化することは、素材硬さの上昇により加工性が低下して製品のコストアップを招くという問題もあった。さらに、熱処理において、通常の焼入れ焼戻し工程が実施された上で、さらにショットピーニング処理を追加することは、コスト上昇につながる。
【０００９】
また、前記特許文献１に記載のように、Ｂを添加した場合、このＢの添加の効果を十分に引き出すため、Ｔｉを合わせて添加する必要がある。Ｔｉを添加した場合に生成されるＴｉＮの硬く大きい介在物が、旋削のチップ欠けなどを誘発し、工具寿命が低下するという問題もあった。さらに、前記特許文献２に記載のように、Ｍｏなどを添加することで焼入れ性を向上させることは、一般的に溶接性が悪化するという問題もあった。また、Ｓが増加すると接合性（溶接・摩擦圧接性）が低下する問題があった。
【００１０】
そこで、本発明は前述の問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、焼入れと同時に高い圧縮残留応力を得ることができて、疲労強度の向上を図ることができる動力伝達軸及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の動力伝達軸は、冷却剤に粒子を混入した混合剤を吹き付ける高周波焼入れにて形成した表面硬化層を有するものである。
【００１２】
本発明の動力伝達軸では、高周波焼入れにおいて、冷却剤とともに粒子を吹き付けているので、焼入れ中にショットピーニングを行ったことになる。
【００１３】
炭素量が０．３０〜０．４８ｗｔ％の炭素鋼を使用する。炭素量が０．３０ｗｔ％未満であれば、焼入れ焼戻し後に十分な硬さと深さが得られず、強度低下の問題がある。また、炭素量が０．４８ｗｔ％を越えると、著しく溶接性を阻害し、さらには機械加工性の阻害と焼割れが発生し易くなる。
【００１４】
残留応力を−８００ＭＰａ以下とする。これにより、強度向上が得られる。残留応力が−８００ＭＰａを越えると、十分な強度（例えば、捩り疲労試験による強度）を得ることができない。また、吹き付ける粒子としてセラミック粒子を使用することができる。
【００１５】
本発明の動力伝達軸の製造方法は、表面硬化層を有する動力伝達軸の製造方法において、炭素量が０．３０〜０．４８ｗｔ％である炭素鋼に対して、高周波焼入れの冷却剤に粒子を混入して、この混合剤を吹き付けて前記表面硬化層を生成するものである。
【００１６】
本発明の動力伝達軸の製造方法では、高周波焼入れにおいて、冷却剤とともに粒子を吹き付けるので、焼入れと同時にショットピーニングを行うことになる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の動力伝達軸は、高周波焼入れの冷却剤の中に、粒子（高硬さの粒子）を混入することで、冷却と同時にピーニング効果を得ることができる。このため、焼入れと同時に高い圧縮残留応力が得られ、これにより疲労強度の向上を図ることができる。また、焼戻し工程後にショットピーニング工程をさらに行う必要がなく、製造時間の短縮及びコスト低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明に係る動力伝達軸およびその製造方法の実施形態を以下に詳述する。
【００１９】
図１は動力伝達軸の実施形態として、例えば、自動車のドライブシャフトに使用される場合を例示する。ドライブシャフトは、動力伝達軸である中間シャフト１の一方の軸端部２に摺動式等速自在継手（図示せず）がスプライン嵌合などにより連結され、他方の軸端部３に固定式等速自在継手（図示せず）がスプライン嵌合などにより連結される。
【００２０】
また、シャフト１の端部２、３には夫々スプライン部５、６が形成されている。なお、この中間シャフト１は、中実の棒材から加工された中実シャフト、あるいは鋼管などから加工された中空シャフト、あるいは溶接や摩擦圧接を用いた接合シャフトのいずれであってもよい。
【００２１】
この中間シャフト１は、炭素量が０．３〜０．４８ｗｔ％の炭素鋼を用いている。すなわち、Ｃ：０．３〜０．４８ｗｔ％を含む炭素鋼からなる素材を高周波加熱し、その高周波加熱により表面に硬化層４を形成する。この高周波加熱処理では、焼入れ温度を例えば、１０００℃とする。
【００２２】
素材の成分を前述の範囲に規定したのは以下の理由による。つまり、Ｃ量が０．３ｗｔ％未満であると、焼入れ焼戻し後に十分な硬さと硬化深さが得られず、強度低下の問題がある。またＣ量が０．４８ｗｔ％を超えると、著しく溶接性を阻害し、さらに機械加工性の阻害と焼き割れが発生し易くなるという問題がある。
【００２３】
ところで、高周波焼入れは、円筒状に巻いた高周波コイルに通電して、鋼の表面温度を変態点以上にまで急速に加熱し、内部温度が上昇する前に、急冷する熱処理方法である。このため、冷却剤を噴射装置にて吹き付けて冷却することになる。この際、本発明では、この冷却剤に、粒子（ショットピーニングに使用されるショット材であって、硬質な小球）を混入し、この混合剤を吹き付けるものである。なお、冷却剤としては、水、油等を使用することができる。
【００２４】
すなわち、高周波焼入れの冷却剤の中に、高硬さの粒子を混入することで、冷却と同時にピーニング効果を得ることができる。このため、焼入れと同時に高い圧縮残留応力が得られ、これにより疲労強度の向上を図ることができる。この際、圧縮残留応力として、−８００ＭＰａ以下とする。この圧縮残留応力は、粒子の吹き付け圧力や粒子径等によって変更できる。圧縮残留応力が−８００ＭＰａを越えると、十分な強度（例えば、捩り疲労試験による強度）を得ることができない。
【００２５】
また、前記粒子の材質としては、金属、セラミックス等の種々のものを採用することができる。粒子の硬さとしてはロックウェル硬さ（ＨＲＣ）５８以上が好ましい。ＨＲＣが５８未満であれば、被処理物に対して硬さが低くなるため、十分なピーニング効果を得ることができない。さらに、硬化層深さは半径ｒに対する有効硬化深さｔの比（ｔ／ｒ）を０．４０以上とする。半径に対する有効硬化深さの比が０．４０未満であると、内部起点による破壊が発生し、著しく強度が低下するという問題がある。
【００２６】
本発明によれば、焼入れと同時に高い圧縮残留応力が得られ、これにより疲労強度の向上を図ることができる。また、焼戻し工程後にショットピーニング工程をさらに行う必要がなく、製造時間の短縮及びコスト低減を図ることができる。
【００２７】
炭素量が０．３０〜０．４８ｗｔ％の炭素鋼を使用しているので、硬化層４は十分な硬さと深さを得ることができ、安定した強度を発揮することができる。また、溶接性に優れ、さらには機械加工性の向上と焼割れを防止することができる。
【００２８】
残留応力として、−８００ＭＰａ以下とすることにより、強度向上（特に捩り疲労試験に対する強度）が得られる。冷却剤に混入する粒子に金属、セラミックス等の種々のもの使用することができ、コスト低減を図ることができる。
【実施例１】
【００２９】
表１に示すように、図１に示す形状を有する中間シャフト１となる発明品と、この中間シャフト１と同一形状をなす従来品とを形成して、各発明品と従来品とについて捩り試験を行った。発明品及び従来品の各シャフト素材にＳＡＥ１０４１を使用した。また、各素材に対して、焼入れ温度が１０００℃となる高周波焼入れを行い、従来品においては、炉焼戻しによって１８０℃で１時間の焼戻しを行った。また、発明品については、冷却剤に粒子を混入して、高周波焼入れにおいてショットピーニングを行なった。
【００３０】
【表１】
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図１に示すように、発明品及び従来品ではスプライン部の硬化比（ｔ／ｒ）を０．４とし、平滑部の硬化比（ｔ／ｒ）を０．６としている。ここで、「平滑部」とは、中間シャフト１の中央部分である。また、残留応力は、発明品では−８００ＭＰａとなり、従来品では−５００ＭＰａとなった。
【００３１】
これら本発明品と従来品について捩り疲労強度試験を実施した結果を次の表２に示す。
【００３２】
【表２】
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【００３３】
表２に示すように従来品を基準とした場合、本発明品は、破断寿命が１０倍延びた。なお、τは試験片の基準径を用いて算出した応力である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の動力伝達軸の実施形態を示す正面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１     動力伝達軸
４     表面硬化層
【図１】
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