(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２５％、Ｓｉ：０．０３〜０．１５％、Ｍｎ：０．２０〜０．６０％、Ｓ：０．００３〜０．０３０％、Ｃｒ：１．００〜１．５０％、Ｔｉ：０．０５〜０．２０％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、Ｎ：０．０１％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可逆不純物からなる鋼を、熱間圧延もしくは鍛造し、そのままもしくは軟化熱処理により７５ＨＲＢ以下とした鋼材を用い、冷間鍛造により部品を成形後、浸炭焼入れ焼戻し時に、有効硬化層深さ（５５０ＨＶを有する表面からの距離）が０．４〜０．９ｍｍを有し、浸炭異常層が１５μｍ以下であり、ＪＩＳ  Ｇ０５５１に規定するオーステナイト結晶粒度番号を７以上とすることを特徴とする加工性および強度特性に優れた等速ジョイント用内輪の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷間加工性、被削性および転動疲労寿命、曲げ強度に優れたボロンを含有する自動車部品である等速ジョイント用内輪の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より自動車の等速ジョイントの内輪には、ＳＣＭ４２０（ＪＩＳ規格）鋼やその相当鋼に浸炭焼入れ焼戻し処理を施し使用されている。しかし、近年の地球環境問題に対して燃費向上を実現するには部品の軽量化が必要である。一方、生産コストの低減のためには、冷鍛性や被削性等の加工性を阻害してはならない。そのためには、冷鍛性および被削性を阻害することなく転動疲労寿命および曲げ強度に優れた等速ジョイント用内輪の開発が必要である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、ＳＣＭ４２０（ＪＩＳ規格）やＳＣＭ４２０相当鋼を用いて、冷鍛性および被削性を阻害することなく、転動疲労寿命および曲げ強度特性に優れた自動車等の等速ジョイント用内輪を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題に対し、本発明者等は転動疲労寿命を向上させるためには、研磨を施さない転動面において浸炭異常層を低減し、曲げ強度を向上させるためには、脆性破壊領域を低減させる必要があることを知見した。
【０００５】
そこで本発明では、冷間加工性や被削性を加味した上で、最適な添加元素、添加量を見出し、さらに浸炭焼入れ時の有効硬化深さの適性範囲を見出し、本問題を解決した。
【０００６】
すなわち、上記課題の解決するための発明の手段は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２５％、Ｓｉ：０．０３〜０．１５％、Ｍｎ：０．２０〜０．６０％、Ｓ：０．００３〜０．０３０％、Ｃｒ：１．００〜１．５０％、Ｔｉ：０．０５〜０．２０％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、Ｎ：０．０１％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可逆不純物からなる鋼を、熱間圧延もしくは鍛造し、そのままもしくは軟化熱処理により７５ＨＲＢ以下とした鋼材を用い、冷間鍛造により部品を成形後、浸炭焼入れ焼戻し時に、有効硬化層深さ（５５０ＨＶを有する表面からの距離）が０．４〜０．９ｍｍを有し、浸炭異常層が１５μｍ以下であり、ＪＩＳ  Ｇ０５５１に規定するオーステナイト結晶粒度番号を７以上とすることを特徴とする強度特性に優れた等速ジョイント用内輪の製造方法である。
【０００７】
本発明は、鋼成分において酸素との親和力の高いＳｉ、Ｍｎを低減し、切欠効果がある上に軟質である浸炭異常層を低減することにより、研磨を施さない転動面において転動疲労寿命の向上を図った。また、Ｓｉ、Ｍｎはフェライト強化元素であるため、低減することにより、冷間加工性および被削性を改善することができる。
【０００８】
さらに本発明は、結晶粒界強度を向上させるためにＢを添加し、さらにＴｉ添加によりＴｉ炭化物またはＴｉ炭窒化物による冷間加工後の浸炭時の結晶粒成長を抑制し、ＪＩＳに規定するオーステナイト結晶粒度番号を７以上とした。それらのことによって、脆性破壊を低減することが可能となった。
【０００９】
さらに、５５０ＨＶを有する表面からの距離である浸炭層の有効硬化層深さを制限することにより、浸炭層への集中する曲げ負荷応力の低減と曲げ応力の負荷時に初期に発生する脆性的な亀裂を小さくすることで、高強度化が可能となった。
【００１０】
本発明は、上記成分系の鋼材を用いる製造方法により、冷間加工性および被削性を損なうことなく転動疲労寿命および曲げ強度特性に優れた図１に示す自動車などの等速ジョイント用内輪の製造方法である。
【００１１】
本発明の限定理由を以下に示す。なお、％は質量％を示す。
【００１２】
Ｃ：０．１０〜０．２５％
Ｃは焼入性を著しく上昇させる元素であり、曲げ強度を向上させるために必要な元素であるが、０．１０％未満では十分な強度が得られない。一方、０．２５％を超えると熱間鍛造ままもしくは軟化熱処理後の硬さが上昇し冷間加工性や被削性が低下するだけでなく、衝撃特性が低下する。そのため、含有量を０．１０〜０．２５％とする。
【００１３】
Ｓｉ：０．０３〜０．１５％
Ｓｉは脱酸のために必要な元素であるが、０．０３％未満ではその効果が十分に得られず、０．１５％を超えて含有させると焼鈍後の硬度が上昇し冷間加工性や被削性を低下させるだけでなく、浸炭時生成する浸炭異常層が深くなり、転動疲労寿命が低下する。そのため含有量を０．０３〜０．１５％とする。
【００１４】
Ｍｎ：０．２０〜０．６０％
Ｍｎは安価で焼入性を確保するのに必要な元素であるが、０．２０％未満ではその効果が不十分であり、０．６０％を超えて含有させると硬度が上昇し、冷間加工性や被削性を低下させるだけでなく、浸炭時生成する浸炭異常層が深くなり、転動疲労寿命が低下する。そのため、含有量を０．２０〜０．６０％とする。
【００１５】
Ｓ：０．００３〜０．０３０％
Ｓは鋼中でＭｎＳ、ＴｉＳを形成し被削性を向上させる元素であるが、０．００３％未満ではその効果が少なく、０．０３０％を超えると、冷間での割れ発生限界が低下する。そのため、含有量を０００３〜０．０３０％とする。
【００１６】
Ｃｒ：１．００〜１．５０％
Ｃｒは焼入性を向上させ強度を得るのに有効な元素であるが、１．００％未満の場合、部品としての十分な強度が得られず、１．５０％を超えて添加すると硬度の上昇を招き、冷間加工性や被削性を低下させるだけでなく、浸炭時生成する浸炭異常層が深くなり、転動疲労寿命が低下する。そのため、含有量を１．００〜１．５０％とする。
【００１７】
Ｔｉ：０．０５〜０．２０％
Ｔｉは鋼中のｆｒｅｅ−Ｎを固定し、Ｂの焼入れ性向上効果を促進させる元素であるとともに、炭化物、炭窒化物を形成し結晶粒の微細化に寄与する元素であるとともに、微細炭化物、炭窒化物の分散強化により面疲労強度が向上する。しかしながら、０．０５％未満の場合その効果は少なく、また０．２０％を超えて含有させてもその効果が飽和するばかりでなく硬度を上昇させる。そこで、含有量を０．０５〜０．２０％とする。
【００１８】
Ｂ：０．０００５〜０．００５０％
Ｂは粒界に偏析し粒界強度を向上させ、大幅に焼入性を向上させる元素であるが、０．０００５％未満ではその効果が十分に得られず、０．００５０％を超えて添加すると逆に焼入性が低下する。そこで、含有量を０．０００５〜０．００５０％とする。
【００１９】
Ｎ：０．０１％以下
Ｎは０．０１％を越えて含有するとＴｉＮが増加し、被削性が低減される。そこで、含有量を０．０１％以下とする。
【００２０】
熱間圧延或いは鍛造のままもしくは軟化熱処理後の硬さ：７５ＨＲＢ以下
熱間圧延或いは鍛造のままもしくは軟化熱処理後の硬さが７５ＨＲＢより高い場合、冷間加工性を劣化させる。そのため、７５ＨＲＢ以下とする。
【００２１】
浸炭焼入焼戻し後の有効硬化深さ：０．４〜０．９ｍｍ
浸炭焼入れ焼戻し処理を行った時、５５０ＨＶを有する表面からの距離である有効硬化深さが０．４ｍｍ未満の場合、ボールによる転動面の陥没が起こるため、内輪の機能が得られない。一方、０．９ｍｍを超えると、曲げ応力により発生する脆性的な亀裂の長さが大きくなり強度が低下することで内輪に必要な強度が得られない。そのため、有効硬化深さを０．４〜０．９ｍｍとする。
【００２２】
浸炭異常層：１５μｍ以下
浸炭異常層は粒界酸化層およびそれにともなう周辺の焼入性向上元素の欠乏からくる軟質な不完全焼入れ層であり、浸炭後に研磨されない転動面においては、軟質な表層部は転動寿命低下を誘発する。１５μｍを超えると寿命低下が顕著となるため、浸炭異常層は１５μｍ以下とする。
【００２３】
オーステナイト結晶粒度：７以上
浸炭焼入後のオーステナイト結晶粒度番号が７未満であると、脆性破壊領域が顕著に増加し曲げ強度が低下するため、オーステナイト結晶粒度番号を７以上とした。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下に実施例および比較例を通じて示す。
実施例および比較例における鋼組成を表１のNo.１〜８に示す。表において発明鋼とは、本発明における鋼を指す。発明鋼１、２はＪＩＳに規定するＳＣＭ４２０およびＳＣＭ４１５の鋼に対し、Ｓｉ、Ｍｎを低減し、Ｃｒを増量し、Ｂ、Ｔｉを添加した鋼である。それに対し、比較鋼３はＳＣＭ４２０の鋼であり、比較鋼４はＪＩＳに規定するＳＮＣＭ４２０の鋼である。
【００２５】
比較鋼５はＳＣＭ４１５の鋼に対し、Ｍｎを低減し、Ｃｒを増量し、Ｂ、Ｔｉを添加した鋼であり、比較鋼６は、発明鋼１に対し、大幅にＣｒを増量した鋼である。比較鋼７は、本発明鋼１に対し、Ｂを添加していない成分の鋼である。比較鋼８は、本発明鋼１に対し、Ｔｉを低減した成分の鋼である。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
表１に示す化学成分組成（質量％、残部は実質上Ｆｅ）をもつ鋼材をそれぞれ１００ｋｇ真空溶解炉にて溶製後、１２５０℃に加熱後熱間鍛造でφ４５へ鍛造した。その後球状化焼鈍処理処理により軟化させ、機械加工によりφ３８×３０ｍｍのビレットを作製した。その後、冷間鍛造により内輪形状とし、切削加工により図１に示す形状の内輪に加工し、８８０℃×３時間保持後１３０℃へ油冷し、１８０℃×１時間焼戻す、浸炭焼入焼戻しを行った後、旋削、研磨工程を経て最終製品を製造した。ただし、転動面１は浸炭のままで研磨は施していない。
【００２８】
【実施例】
実施の形態に記載の製品について以下の試験を行い、以下にその結果を示す。
自動車において内輪にかかる最大負荷条件を考慮し、図２に示すように、評価部品である内輪と等速ジョイントの構成部品である外輪２、リテーナー３、ボール４、ドライブシャフト５を組合わせ、外輪２を固定した条件下で、外輪２に対しドライブシャフト５を４０度傾斜させた状態で捻りトルクを負荷し、内輪１のスプライン部に高い曲げ応力を負荷することで評価した。また、浸炭層の有効硬化深さは、ビッカース硬度計での測定で５５０ＨＶとなる位置とし、焼なまし後の硬さは、ロックウェル硬度計にて測定した。
【００２９】
また転動疲労寿命試験は、一定面圧を負荷した状態で１００時間試験を行い、６ヶ所の転動ボール溝のうち１ヶ所でも剥離が生じた時の面圧で評価した。つまり、剥離が生じる時の面圧が高いほど転動疲労寿命に優れることを示している。
【００３０】
球状化焼鈍後の硬さについて表１に示す。本発明鋼１および比較鋼７、８は同一Ｃ量である比較鋼３のＪＩＳ鋼であるＳＣＭ４２０に対し、Ｓｉ、Ｍｎの低減により低硬度が得られており、発明鋼２はさらに低Ｃであるため軟化されている。比較鋼４、５、６はそれぞれＮｉ、Ｓｉ、Ｃｒ量が高いため、発明鋼に対し硬度が高い。
【００３１】
浸炭焼入後の有効硬化深さの測定結果とあわせて、表２に静捻り試験結果を示す。本発明鋼１、２ともに、比較鋼３に対し、Ｂ添加により粒界強化が図られ、またＴｉ添加により細粒となり優れた強度が得られている。比較鋼４はＮｉが添加されているため、破断トルクは高いものの、高硬度であるため冷鍛性および被削性に問題が残る。比較鋼５、６は粒界強化および細粒化効果により高強度が得られているが、比較鋼７はＢが添加されておらず粒界強化されていないため、比較鋼８はＴｉが添加されていないため結晶粒度が大きく、発明鋼程の強度は得られていない。
【００３２】
【表２】
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【００３３】
浸炭深さの影響を調査するため、有効硬化深さを０．４〜１．２ｍｍの範囲とした本発明鋼１を用い、静ねじり強度を調査した結果を表３に示す。
【００３４】
【表３】
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【００３５】
有効硬化深さを浅くすると脆性破壊領域が低減されることにより強度が上昇していくが、０．４ｍｍ未満になると、転動面が陥没することで内輪の機能が果たせなくなる。一方、有効硬化深さが０．９ｍｍを超えると、脆性破壊領域が顕著に増加するため著しい強度劣化が起こる。従って内輪に要求される強度を得るには、有効硬化深さは０．４〜０．９ｍｍが必要となる。
【００３６】
８８０℃×３時間保持後１３０℃へ油冷し、１８０℃×１時間焼戻しする浸炭焼入焼戻しを行い、浸炭後の有効硬化深さを０．４〜０．９ｍｍとした内輪を用い、転動疲労寿命試験を実施した。その結果を表４に示す。
【００３７】
【表４】
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【００３８】
発明鋼１、２および比較鋼７、８は、Ｓｉ、Ｍｎの低減により、比較鋼３、４、５、６に比べ浸炭異常層が低減されている。転動疲労寿命試験の試験面に当たるボール転動溝は、浸炭焼入焼戻し後に研磨等による表層部の除去がなされないため、浸炭異常層低減による亀裂発生抑制効果により、発明鋼１、２および比較鋼７、８は比較鋼３、４、５、６に比べ剥離発生面圧が高くなっている。またそれらの中でもＴｉの添加されている発明鋼１、２および比較鋼７は高い強度が得られている。
【００３９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の等速ジョイント用内輪の製造方法による効果を以下に示す。
１）鋼組成においてＴｉ：０．０５〜０．２０％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％を添加することにより、細粒化ならびに粒界強化を図ることにより、曲げ強度特性に優れた等速ジョイント用内輪の製造が可能となった。
２）さらに、Ｓｉ、Ｍｎの添加量を限定することにより、浸炭異常層の低減により転動疲労寿命特性に優れ、かつ冷間加工性や被削性を阻害することなく等速ジョイント用内輪の製造が可能となった。
３）浸炭焼入れ時の有効硬化層深さを限定することにより、曲げ特性に優れた等速ジョイント用内輪の製造が可能となった。
以上本発明により、被削性を損なうことなく、強度特性に優れた等速ジョイント用内輪の製造が可能となり、自動車の軽量化を図ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】ねじり強度試験に用いた等速ジョイント内輪の形状を一部破断、一部省略して示す図で、ａ）は平面図、ｂ）は正面図である。
【図２】ねじり強度試験および転動寿命試験時の等速ジョイントの内輪、外輪、ボール、リテーナー、ドライブシャフトの組立図である。
【符号の説明】
１  等速ジョイント内輪転動面
２  等速ジョイント外輪
３  リテーナー
４  ボール
５  ドライブシャフト
【図１】
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【図２】
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