(57)【要約】【課題】静的ねじり強度を１９００ＭＰａ以上に確保すると共に、寿命までの繰り返し数１０６回における疲労強度を５５０ＭＰａ以上に確保して、静的疲労強度とねじり疲労強度を高いレベルで両立できる高周波焼入れ軸状部品を提供する。【解決手段】本発明の高周波焼入れ軸状部品は、所定の化学成分組成を満足すると共に、高周波焼入れ前の硬さが２４０ＨＶ以上であり、高周波焼入れ後の熱処理部における残留オーステナイト量が２〜２０体積％である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ  ：０．４０〜０．５６％（質量％の意味、以下同じ）、
Ｓｉ：０．５超〜３．０％、
Ｍｎ：０．２０〜２．０％、
Ｎｉ：０．１〜２．０％、
Ｍｏ：０．１〜１．０％、
Ｂ  ：０．０００５〜０．００３０％、
Ｔｉ：０．００５〜０．０５％、
Ｎ  ：０．００５％以下（０％を含む）、
Ｃｒ：０．２％以下（０％を含まない）、
Ａｌ：０．０１〜０．１％、
Ｐ  ：０．０１５％以下（０％を含む）、
Ｓ  ：０．００５〜０．０３％、
Ｏ  ：０．００２５％以下（０％を含む）、
を満たし、残部が鉄および不可避不純物である鋼からなり、高周波焼入れ前の硬さが２４０ＨＶ以上であり、高周波焼入れ後の熱処理部における残留オーステナイト量が２〜２０体積％であることを特徴とするねじり疲労強度と静的ねじり強度に優れた高周波焼入れ軸状部品。
【請求項２】
高周波焼入れ後にサブゼロ処理を行なうことによって残留オースナイト量を低減したものである請求項１に記載の高周波焼入れ軸状部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、５〜４０ＫＨｚの周波数で高周波焼入れすることによって製造される、自動車部品のドライブシャフトや外輪のような各種シャフト類の素材として有用な高周波焼入れ軸状部品に関し、特に良好なねじり疲労強度および静的ねじり強度を両立した高周波焼入れ軸状部品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上記各種シャフト類には、優れたねじり疲労強度と静的ねじり強度が要求されるが、こうした特性を高めるための有効な手段として高周波焼入れが代表的な方法として挙げられる。この高周波焼入れでは、加工費が比較的廉価である上に処理時間が短くて効率がよく、しかも、表面硬化と圧縮残留応力を効果的に高めることができ、環境にやさしく、製品に殆ど歪を与えることなく綺麗な表面に仕上げることができる、といった様々の特徴を有していることから、各種機械部品の有用な強化法として活用されている。
【０００３】
高周波焼入れ工程で製造される各種シャフト類は、近年の自動車エンジンの高出力化および環境規制対策に伴って、高強度化の指向が強くなっている。こうした状況の下で、鋼材の高強度化を実現するための技術が各種提案されている。
【０００４】
例えば特許文献１には、化学成分組成を適切に調整すると共に、フェライト結晶粒度番号：６以上、ミクロ組織：フェライトとパーライト、硬さ：ＨＲＢ（ロックウエルＢスケール）８0〜９０、ＪＩＳ  Ｇ０５５８に規定する脱炭深さ：ＤＭ−Ｔ０．２ｍｍ以下（顕微鏡観察による測定方法で全脱炭深さが０．２ｍｍ以下）である直接切削・高周波焼入れ用鋼材が提案されている。またこの鋼材では、被削性を高めるために、Ｓ，Ｃａ、Ｐｂ、Ｔｅ等の快削性成分を含み得ることについても開示されている。
【０００５】
この技術では、Ｂ添加鋼を適用し、脱炭深さを規定することを特徴とするものであるが、ねじり疲労強度と静的ねじり強度については何ら考慮されていない。また組織もフェライト−パーライト組織であり、急加熱、短時間保持後急冷される高周波焼入れ処理では、炭化物の拡散が十分に進まず、部分的に硬さが確保できず、良好なねじり疲労強度が確保できないことが十分予想される。
【０００６】
また、特許文献２には、上記特許文献１で規定する化学成分組成において、Ｍｎ含有量を増大させた鋼材について示されている。そして、この技術ではＭｎ含有量を増大させることによって、静的ねじり強度が向上することが示されているが、ねじり疲労強度については何ら考慮されていない。また組織も上記技術と同様にフェライト−パーライト組織であり、良好なねじり疲労強度が確保できないことが十分予想される。
【０００７】
他方、特許文献３には、鋼材の成分組成を特定すると共に、高周波焼入れによって表面硬さをＨＲＣ５５以上とし、且つ焼入れ硬化層深さとシャフト半径との比を０．４５以上とすることでねじり疲労強度を高めることが提案されている。そしてこの技術によれば、ねじりせん断応力（静的ねじり強度）で１．４７ＧＰａ（１４７０ＭＰａ）以上が得られることを強調しているが、実績値としては１．８１ＧＰａ（１８１０ＭＰａ）までが限度であり、それ以上に静的ねじり特性（例えば、１９００ＭＰａ以上）を高めることには成功していない。
【０００８】
また特許文献４には、耐焼割れ性および疲労特性に優れるドライブシャフトとその製造方法に関する技術が提案されている。この技術では、所定量のＭｏおよびＮｉを含有させることによって高強度化が図れることが示されている。しかしながら、これらの元素は多量に含有させると、硬さが却って低下してしまい、十分な静的ねじり強度（１９００ＭＰａ以上）とねじり疲労強度（寿命までの繰り返し数１０６回における疲労強度が５５０ＭＰａ以上）を両立することは困難である。
【０００９】
上記特許文献４と同様の観点から、ＭｏやＮｉを含有させることによってねじり疲労強度を向上させたものとして、特許文献５、６等の技術も提案されている。これらの技術は、冷間鍛造−高周波焼入れ用鋼（特許文献５）や、高周波焼入れ軸部品鋼材（特許文献６）関するものであり、ＭｏやＮｉを含有させることによって十分なねじり疲労強度が実現できているのであるが、十分な静的ねじり強度が確保されていない。
【特許文献１】特開平３−１７７５３７号公報、特許請求の範囲等
【特許文献２】特開平５−１７９４００号公報、特許請求の範囲等
【特許文献３】特許第３５３９９８１号公報、特許請求の範囲等
【特許文献４】特開２００５−６０７１８号公報、特許請求の範囲等
【特許文献５】特開平９−２８７０５４号公報、特許請求の範囲等
【特許文献６】特開平８−２５３８４２号公報、特許請求の範囲等
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、静的ねじり強度を１９００ＭＰａ以上に確保すると共に、寿命までの繰り返し数１０６回における疲労強度を５５０ＭＰａ以上に確保して、静的疲労強度とねじり疲労強度を高いレベルで両立できる高周波焼入れ軸状部品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決することのできた本発明の高周波焼入れ軸状部品とは、
Ｃ  ：０．４０〜０．５６％（質量％の意味、以下同じ）、
Ｓｉ：０．５超〜３．０％、
Ｍｎ：０．２０〜２．０％、
Ｎｉ：０．１〜２．０％、
Ｍｏ：０．１〜１．０％、
Ｂ  ：０．０００５〜０．００３０％、
Ｔｉ：０．００５〜０．０５％、
Ｎ  ：０．００５％以下（０％を含む）、
Ｃｒ：０．２％以下（０％を含まない）、
Ａｌ：０．０１〜０．１％、
Ｐ  ：０．０１５％以下（０％を含む）、
Ｓ  ：０．００５〜０．０３％、
Ｏ  ：０．００２５％以下（０％を含む）、
を満たし、残部が鉄および不可避不純物である鋼からなり、高周波焼入れ前の硬さが２４０ＨＶ以上であり、高周波焼入れ後の熱処理部における残留オーステナイト量が２〜２０体積％である点に要旨を有するものである。
【００１２】
本発明の高周波焼入れ軸状部品において、残留オーステナイト量を上記のように低減するには、高周波焼入れ後にサブゼロ処理を行なうことが最も有効である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、用いる鋼材の成分組成を特定すると共に、高周波焼入れ後の熱処理部における残留オーステナイト量を厳密に規定することによって、良好な静的ねじり強度とねじり疲労強度の両立できる高周波焼入れ軸状部品が実現できた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明者らは、従来の鋼材では良好な静的ねじり強度とねじり疲労強度の両立が実現できない原因について検討した。鋼材の高強度化のためには、芯部まで強化される必要があり、高い焼入れ性が必要となる。Ｍｏは高い焼入れ性改善効果あることが知られている。また高強度化して高い疲労強度を発揮させるためには、亀裂発生後の伝播の抑制を図ることが有効である。Ｎｉはマルテンサイトの靭性を高める作用を発揮するといわれている。
【００１５】
こうした観点から、高周波焼入れ部品の高強度化を図るために、ＭｏとＮｉの複合添加することが一般的に行われてきたのであるが、こうした複合添加を行っただけでは、十分な硬さを確保することができなかったのである。
【００１６】
本発明者らが、鋼材の組織を観察したところ、高強度化のためにＭｏやＮｉを複合添加した中炭素鋼では高周波焼入れした段階でも相当量の残留オーステナイト（以下、「残留γ」と記す）が含まれており、これが疲労特性の向上を阻害していると考えられた。これは、ＭｏやＮｉはマルテンサイトの変態温度を下げる作用を発揮し（例えば、変態駆動力の低下）、室温までオーステナイトを残り易くしていることによるものと推察された。
【００１７】
即ち、残留γはマルテンサイトに比較すると軟質な相であり、ハッドフィールド鋼等の高炭素オーステナイト鋼の例から推察して、残留γの硬さは３００ＨＶ（ビッカース硬さ）程度であると考えられる。一方、高強度シャフト用鋼で扱われる鋼材を高周波焼入れして得られるマルテンサイトの硬さは、７００ＨＶ程度であり、残留γが多量に含まれると硬さが大幅に低下することになる。このため、残留γを多量に含む鋼材では硬さが大幅に低下し、目標とする疲労特性が得られないものと考えられた。
【００１８】
本発明者らは、こうした着想の下で、良好な静的ねじり強度とねじり疲労強度の両立しえる高周波焼入れ軸状部品の実現を目指して、様々な角度から検討を加えた。その結果、所定の化学成分を満たす鋼材を選択使用すると共に、高周波焼入れ後の残留γ量を所定の範囲となるように制御してやれば、良好なねじり疲労強度と静的ねじり強度を両立し得ることを見出し、本発明を完成した。
【００１９】
本発明の高周波焼入れ軸状部品では、高周波焼入れ後の残留γ量を２〜２０体積％とする必要がある。上記のように、残留γが多量に含まれると、硬さが大幅に低下して、希望するねじり疲労強度を確保することができない。こうした観点から、残留γは２０体積％以下とする必要があるが、静的ねじり強度を確保するためには、或る一定量の残留γの存在が必要となる。残留γは、加工誘起変態によって延性を改善する作用を発揮する相であり、静的ねじり特性のような大きな変形を伴う場合には、脆性的な破壊を抑え、静的強度を高める働きがある。こうした観点から、残留γは２体積％以上を確保する必要がある。尚、残留γの好ましい下限は５体積％であり、好ましい上限は１５体積％である。
【００２０】
ところで、残留γの量は、化学成分組成だけでなく、焼入れ時の冷却速度や冷却停止温度にも依存することになる。本発明の高周波焼入れ軸状部品において残留γを上記の範囲に制御するための条件としては、下記に示す化学成分組成を満足する鋼材に対して、８００℃以上のγ域で圧延を終了した後、冷却する際に３５０℃までは放冷し、３５０〜２００℃までの温度範囲を１℃／秒以下の平均冷却速度で除冷することが挙げられる。
【００２１】
こうした処理条件によって、残留γを所定の範囲に確保できるのであるが、それでも残留γ量が多くなることが予想される場合（例えば、ＮｉやＭｏが多い場合）は、適切な冷媒を用いて、高周波焼入れ後にサブゼロ処理を行なうことによって、残留するオースナイトのマルテンサイト変態を促進することも有効である。
【００２２】
本発明の高周波焼入れ軸状部品では、高周波焼入れ前の硬さが２４０ＨＶ以上であることも必要であるが、これは高周波焼入れ後における良好な静的ねじり疲労強度（１９００ＭＰａ）以上を確保するために基本的に必要となる硬さである。尚、高周波焼入れ前の硬さを２４０ＨＶ以上とするためには、ベイナイト組織とすれば良い。
【００２３】
次に、本願発明で使用する鋼材の化学成分を定めた理由について説明する。
【００２４】
Ｃ：０．４０〜０．５６％
Ｃは、高周波焼入れ後の部品に強度を付与するのに有効な元素であるが、０．４０％未満では必要な強度を確保することができない。しかし、Ｃ含有量が過剰になると、硬くなり過ぎて冷間加工性が劣化するので、０．５６％以下に抑えなければならない。Ｃ含有量の好ましい下限は０．４５％であり、好ましい上限は０．５０％である。
【００２５】
Ｓｉ：０．５％超〜３．０％
Ｓｉは、鋼の脱酸に有効な元素であると共に、鋼に必要な強度、焼入れ性を与え、低温での焼戻し軟化抵抗を向上させ、焼入れ時の変態潜熱による焼戻し進行を抑制するのに有効に作用する。本発明では、こうした観点からＳｉを比較的多く含ませるものであり、少なくとも０．５％よりも多く含有させる必要がある。しかしながら、Ｓｉ含有量が過剰になると、硬さの上昇を招き被削性が劣化するので３．０％以下とする必要がある。特に、高強度化を指向するときのＳｉ含有量の好ましい下限は１．０％であり、好ましい上限は２．０％である。
【００２６】
Ｍｎ：０．２０〜２．０％
Ｍｎは高周波焼入れ性の向上に有効な元素である。良好なねじり疲労強度を得るために十分な硬化層深さを確保するためには、０．２０％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｍｎ含有量が過剰になって２．０％を超えると、残留γが多量に残存し易くなる。尚、Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．５％であり、好ましい上限は１．０％である。
【００２７】
Ｎｉ：０．１〜２．０％
Ｎｉはマルテンサイトの靭性を改善し疲労強度を改善に寄与する元素である。こうした効果を発揮させるためには、０．１％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｎｉ含有量が過剰になって２．０％を超えると残留γが多量に残存し、目標内に下げることが困難になる。尚、Ｎｉ含有量の好ましい下限は０．２％であり、好ましい上限は１．０％である。
【００２８】
Ｍｏ：０．１〜１．０％
Ｍｏは鋼材に強度、焼入れ性を与えると共に、高周波焼入れの粒界強度を向上させて強度特性を増加させるのに有効な元素である。こうした効果を発揮させるためには、０．１％以上含有させる必要があるが、１．０％を超えて過剰に含有されると被削性が劣化する。Ｍｏ含有量の好ましい下限は０．２％であり、好ましい上限は０．５％である。
【００２９】
Ｂ：０．０００５〜０．００３０％
Ｂは鋼の焼入れ性を高めると共に、高周波焼入れ材の粒界強度を向上させるのに有効な元素である。こうした効果を有効に発揮させるには、少なくとも０．０００５％以上含有させなければならないが、その効果は０．００３０％で飽和するので、それ以上の含有は不経済である。尚、Ｂ含有量の好ましい下限は０．００１０％であり、好ましい上限は０．００２０％である。
【００３０】
Ｔｉ：０．００５〜０．０５％
Ｔｉは固溶ＮをＴｉＮ等として低減し、ＢとＮとの結合を抑制することによって上記Ｂによる効果を確保するために含有される。こうした効果は０．００５％以上含有させることによって有効に発揮されるが、０．０５％を超えて過剰に含有されるとＴｉＣによる析出硬化が顕著になり、被削性が劣化することになる。尚、Ｔｉ含有量の好ましい下限は０．０１０％であり、好ましい上限は０．０３０％である。
【００３１】
Ｎ：０．００５％以下（０％を含む）
Ｎ含有量は、ＴｉでＴｉＮになって析出する量以下に抑える必要がある。このため、その含有量を０．００５％以下とする必要がある。好ましくは、０．００３％以下とするのが良い。
【００３２】
Ｃｒ：０．２％以下（０％を含まない）
Ｃｒはセメンタイト中に固溶してセメンタイトを安定化させる元素である。このために、高周波焼入れの短時間加熱にセメンタイトの溶け込み不良を起こし、硬さムラの原因となり、ねじり疲労強度の低下をもたらすことになる。こうした挙動は、０．２％以下では比較的発現しないので、Ｃｒ含有量は０．２％以下とする必要がある。好ましくは０．１５％以下に抑えるのがよい。
【００３３】
Ａｌ：０．０１〜０．１％
Ａｌは、脱酸剤として有用な元素であり、その効果を発揮させるためには０．０１％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ａｌ含有量が過剰になって０．１％を超えると、Ａｌ２Ｏ３が過度に生成することになり、内部欠陥が増大すると共に、冷間加工性を劣化させることになる。尚、Ａｌ含有量の好ましい下限は０．０２％であり、好ましい上限は０．０４％である。
【００３４】
Ｐ：０．０１５％以下（０％を含む）
Ｐは高周波焼入れ、焼戻し後の部品の結晶粒界を脆化させることによって、最終製品の疲労強度を低下させるので、できるだけ低減することが好ましい。こうした観点から、Ｐ含有量は０．０１５％以下とする必要があり、好ましくは０．０１０％以下とするのが良い。
【００３５】
Ｓ：０．００５〜０．０３％
Ｓは鋼中でＭｎＳを形成し、これによる被削性の向上を目的として含有させるが、０．００５％未満ではその効果が不十分になる。一方、Ｓ含有量が０．０３％を超えると、ねじり疲労強度の低下を招くことになる、尚、Ｓ含有量の好ましい下限は０．０１０％であり、好ましい上限は０．０２０％である。
【００３６】
Ｏ：０．００２５％以下（０％を含む）
Ｏは鋼中でＡｌ２Ｏ３等の酸化物系介在物を形成し、この酸化物系介在物が鋼中に多量に存在すると、冷間加工性が劣化することになる。Ｏ含有量が０．００２５％を超えると、特にその傾向が顕著になるので、その含有量は０．００２５％以下とする必要がある。好ましくは、０．００１５％以下に抑制するのが良い。
【００３７】
本発明で用いる鋼材の必須元素は上記の通りであり、残部はＦｅと不可避不純物であるが、場合によっては上記元素に加えてＣａ，Ｍｇ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ等の元素を適量有させることによって所望に応じた改質を行なうことも可能である。
【００３８】
本発明の高周波焼入れ軸状部品は、上記化学成分の鋼材を用い、残留γを確保する条件以外は、常法に従って溶製、鋳造、圧延などを経て棒状に加工し、鍛造、研削加工などによりドライブシャフト等の形状とした後、高周波焼入れ処理される。この高周波焼入れに当たっては、周波数や温度、加熱時間などを制御することによって硬化層深さを調整することができる。焼入れのための周波数は特に制限されないが、処理の均一性や処理効率などを総合的に考慮すると３〜２０ＫＨｚの範囲が好ましい。加熱時間は０．１〜２．０秒程度が好ましい。
【実施例】
【００３９】
以下、実験例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００４０】
実施例
通常の溶製法に従って下記表１に示す成分組成の鋼を溶製し、鋳造および鍛造を行った後、切削加工により図１に示す形状の試験片（ねじり試験用テストピース）を作製した。残留γ量は冷却パターンや冷却速度、サブゼロ処理条件によって変化するが、ここでは各試験片の残留γ量を高周波焼入れ後のサブゼロ処理条件を変えることによって変化させた。このときの各条件は下記の通りである。
（１）Ａ１：液体窒素（−１９６℃）に１時間浸漬後、１５０℃で焼戻し
（２）Ａ２：液体窒素（−１９６℃）に３０分浸漬後、１５０℃で焼戻し
（３）Ａ３：ドライアイス＋アルコール（−７０℃）に２時間浸漬後、１５０℃で焼戻し
（４）Ａ４：ドライアイス＋アルコール（−７０℃）に１時間浸漬後、１５０℃で焼戻し
（５）Ａ５：ドライアイス＋アルコール（−７０℃）に３０分浸漬後、１５０℃で焼戻し
（６）Ａ６：ドライアイス＋アルコール（−７０℃）に１０分浸漬後、１５０℃で焼戻し
（７）Ａ７：ドライアイス＋アルコール（−７０℃）に５分浸漬後、１５０℃で焼戻し
（８）Ａ８：焼入れ後、１５０℃で焼戻し（サブゼロ処理なし）
（９）Ａ９：塩水焼入れ後、１５０℃で焼戻し
（10）Ａ10：１５℃の水で焼入れ後、１５０℃で焼戻し
(11)Ｂ１〜Ｏ１：ドライアイス＋アルコール（−７０℃）に１０分浸漬後、１５０℃で焼戻し
【００４１】
【表１】
2007177256.tif 000002
【００４２】
図１に示した試験片について、下記の高周波焼入れ処理を施した後、下記の方法で残留γ量を測定すると共に、ねじり疲労強度および静的ねじり強度を評価した。
【００４３】
［高周波焼入れ条件］
静的ねじり試験片については、電圧：７．５ＫＶ、電流：８．２Ａ、送り速度：８ｍｍ／秒、使用コイル：φ３２×２０Ｌ（ｍｍ）、冷却剤：ソルブルクエンチ［「ＹＳ１６」商品名：ヤナセ製油（株）社製、濃度：２．２％］とし、ねじり疲労試験片では、電圧：６．５ＫＶ、電流：７．０Ａとした（他の条件については、上記と同じ）。
【００４４】
［残留γ測定法］
残留γ量は、Ｘ線回折実験によって求めた。
【００４５】
［ねじり疲労強度測定法］
ねじり疲労試験には、焼入れ深さを半径の５割狙いで高周波焼入れした試験片を用い、正弦波形のねじりトルクをかけて（繰り返し数：１０６回）、その際の最大トルクにより求めた最大せん断応力を疲労強度（疲れ限界）とした。
【００４６】
［静的ねじり強度測定法」
静的ねじり試験には、焼入れ深さを半径の８割狙いで高周波焼入れした試験片を用い、ねじり角度を徐々に増加させながら順次トルクを測定し、破断するときの最大トルクにより最大せん断応力を求めた。
【００４７】
これらの試験結果を、残留γ量と共に下記表２に一括して示す。この結果から、次のように考察できる。まず、記号Ａ１〜Ａ10は、残留γ量を変化させることによって、残留γと疲労特性（ねじり疲労強度および静的ねじり強度）の関係について調査したものであるが、残留γ量を２〜２０体積％の範囲内に制御することによって、良好なねじり疲労強度と静的ねじり強度が確保できていることが分かる。また、記号Ｂ１〜Ｏ１のものは、化学成分組成を変化させたものであるが（Ｂ１〜４はＣ含有量、Ｃ１〜６はＳｉ含有量、Ｄ１〜４はＭｎ含有量、Ｅ１〜２はＮｉ含有量、Ｆ１〜３はＭｏ含有量、Ｇ１はＢ含有量、Ｈ１、２はＴｉ含有量、Ｉ１はＮ含有量、Ｊ１、２はＣｒ含有量、Ｌ１はＡｌ含有量、Ｎ１、２はＰ含有量、Ｍ１、２はＳ含有量、Ｏ１はＯ含有量）、本発明で規定する化学成分組成を満足させることによって、良好な疲労特性が得られていることが分かる。
【００４８】
【表２】
2007177256.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】疲労試験に用いた試験片の形状を示す説明図である。
【図１】
2007177256.tif 000004