(57)【要約】【課題】スパイダ等、捩り強度や靭性が希求される部材の原材料として好適な鋼材を提供する。【解決手段】スパイダ１８は、浸炭処理が施されることで設けられた有効硬化層を表層部として有する鋼材からなる。有効硬化層の下層である母材は、質量％で、Ｃ：０．１〜０．２％、Ｓｉ：０．０３〜０．１５％、Ｍｎ：０．２〜０．６％、Ｃｒ：０．７〜１．５％、Ｔｉ：０．１〜０．１８％、Ｂ：０．０００５〜０．００３％、Ｎ：０．０１％以下、Ｎｉ：０．３〜１％を含有する。該スパイダ１８は、この成分・組成比の鋼材に対して熱簡鍛造加工、浸炭焼入れ処理、焼戻し処理が施されることで作製され、前記有効硬化層の厚みは０．４〜１．１ｍｍに設定される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材の表層部に、該母材に浸炭処理が施されることでビッカース硬度が５５０以上である有効硬化層が設けられた鋼材であって、
前記母材は、質量％で、Ｃ：０．１〜０．２％、Ｓｉ：０．０３〜０．１５％、Ｍｎ：０．２〜０．６％、Ｃｒ：０．７〜１．５％、Ｔｉ：０．１〜０．１８％、Ｂ：０．０００５〜０．００３％、Ｎ：０．０１％以下、Ｎｉ：０．３〜１％を含有し、
前記有効硬化層の厚みが０．４〜１．１ｍｍであることを特徴とする鋼材。
【請求項２】
請求項１記載の鋼材において、結晶粒度番号が７以上であることを特徴とする鋼材。
【請求項３】
請求項１又は２記載の鋼材において、前記母材が質量％で０．００３〜０．０３％のＳをさらに含有することを特徴とする鋼材。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋼材において、前記母材が質量％で０．０３％以下のＰをさらに含有することを特徴とする鋼材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材に関し、一層詳細には、例えば、等速ジョイントを構成するスパイダの素材として好適な鋼材に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車には、内燃機関等のエンジンの駆動力をタイヤまで伝達するための駆動力伝達機構が組み込まれる。この駆動力伝達機構は複数の回転軸を有し、該回転軸同士は、等速ジョイントによって連結中継される。
【０００３】
等速ジョイントの１種であるトリポート型等速ジョイントを例示すると、第１回転軸がアウタ部材に連結される一方、第２回転軸の先端にスパイダが嵌合され、該スパイダがアウタ部材の開口端部内に挿入される。スパイダは、環状部と、該環状部の外周面から互いに１２０°の間隔で離間して突出した３本のトラニオンとを有し、この中のトラニオンに転動自在に通されたローラが前記アウタ部材の内周壁に設けられた案内溝に挿入される。
【０００４】
このような構成のスパイダは、一般的に、クロム鋼であるＳＣｒ４２０や、クロムモリブデン鋼であるＳＣＭ４１５、ＳＣＭ４２０（いずれもＪＩＳ規格）等の所定の鋼材を鍛造成形し、その後、得られた成形品に浸炭焼入れ処理を施すことで作製される。
【０００５】
ところで、近年における環境保護への関心の高まりに伴い、ＣＯ2やＮＯｘ等の排ガス量を低減するべく、自動車の燃費を向上させることが種々検討されている。この観点から、自動車の構成部材を軽量化することが試みられている。軽量化が実現すれば、前記エンジンへの負荷が低減するからである。
【０００６】
しかしながら、軽量な材質は概して軟質であり、上記のスパイダ等、捩り強度や転動疲労強度が優れていることが希求される部材に採用することは困難である。そこで、軽量でありながらも捩り強度及び転動疲労強度等に優れた材質を得ることが種々検討されている。
【０００７】
例えば、特許文献１には、鋼材にＭｏを添加する一方でＣｒの組成比を所定範囲内に調整することで熱間鍛造の段階で所定の硬度を発現させるとともに、該鋼材にＮｂ、Ａｌ、Ｔｉを所定量添加することで結晶粒の粗大化を防止して、バーフィールド型等速ジョイント用のケージの材質とすることが提案されている。
【０００８】
また、特許文献２には、低炭素モリブデン鋼にＴｉとＢを複合添加することに加え、表面の炭素濃度を０．８％超とする高濃度浸炭を行うことで、捩り強度及び転動疲労強度等に優れたスパイダが得られるとの記載がある。
【０００９】
【特許文献１】特許第３２４０６２７号公報
【特許文献２】特開２００２−２６６０３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記した技術が提案されながらもなお、捩り強度や転動疲労強度をはじめとする諸特性が優れたスパイダを得ることが可能な材質が希求されている。
【００１１】
本発明はこの要望に対応するべくなされたもので、諸特性に優れたスパイダを構成することが可能な鋼材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の目的を達成するために、本発明は、母材の表層部に、該母材に浸炭処理が施されることでビッカース硬度が５５０以上である有効硬化層が設けられた鋼材であって、
前記母材は、質量％で、Ｃ：０．１〜０．２％、Ｓｉ：０．０３〜０．１５％、Ｍｎ：０．２〜０．６％、Ｃｒ：０．７〜１．５％、Ｔｉ：０．１〜０．１８％、Ｂ：０．０００５〜０．００３％、Ｎ：０．０１％以下、Ｎｉ：０．３〜１％を含有し、
前記有効硬化層の厚みが０．４〜１．１ｍｍであることを特徴とする。
【００１３】
すなわち、この鋼材は、上記組成比の各成分を含有する母材に対して浸炭処理が施されることで設けられたものであり、このため、有効硬化層では、母材に比して炭素の組成比（質量％）が若干大きくなっている。
【００１４】
上記した組成比のＢを添加することによって、粒界強度が向上する。この効果は、遊離Ｎが過剰に存在すると阻害されるが、本発明では、Ｔｉを添加して遊離Ｎを捕捉するようにしているので、Ｂの前記添加効果が確保される。その上、Ｔｉは、微細なＴｉ炭化物ないしＴｉ含有複合炭化物を析出させ、これにより浸炭時にオーステナイト結晶粒が粗大化することを抑制する。さらに、Ｎｉが添加されているので、靭性が向上する。
【００１５】
以上のような理由から、本発明に係る鋼材は、ＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４１５、ＳＣＭ４２０等に比して機械的強度（特に、捩り強度）及び靭性に優れる。換言すれば、諸特性に優れた鋼材が得られる。
【００１６】
しかも、表層部に有効硬化層が存在するので、耐摩耗性も良好である。なお、有効硬化層の厚みが過度に小さいとこの効果に乏しく、一方、過度に大きいと機械的強度が低下する。従って、有効硬化層の厚みは、０．４〜１．１ｍｍに設定される。
【００１７】
この鋼材の結晶粒度番号は、７以上であることが好ましく、９以上であることがより好ましい。なお、結晶粒度番号についてはＪＩＳ Ｇ ０５５１に規定されており、数値が大きいほど結晶粒が小さいことを意味する。
【００１８】
このように微細な結晶粒では、亀裂が生じ難い。このため、静的曲げ強度が大きくなる。
【００１９】
この鋼材の母材には、一般的な鋼材と同様に、質量％で０．００３〜０．０３％のＳがさらに含有されていてもよい。Ｓが存在する場合、鋼材の組織中で該ＳがＭｎ、ＴｉとともにＭｎＳ、ＴｉＳを形成する。その結果、鋼材の切削性が向上するという利点が得られる。
【００２０】
母材には、さらに、一般的な鋼材と同様に、質量％で０．０３％以下のＰが存在していてもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、所定の組成比のＢを添加することで粒界強度を向上させ、その一方で、この効果を阻害する遊離ＮをＴｉで捕捉し、さらに、Ｔｉによって結晶粒の粗大化を抑制するとともにＮｉを添加することで靭性を向上させるようにしているので、ＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４１５、ＳＣＭ４２０等に比して機械的強度（特に、捩り強度）及び靭性に優れた鋼材を構成することができる。
【００２２】
しかも、表層部に所定厚みの有効硬化層が存在するので、機械的強度を損なうことなく耐摩耗性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明に係る鋼材につき、等速ジョイントを構成するスパイダを例示して好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２４】
図１は、トリポート型等速ジョイント１０の要部概略斜視図であり、図２は、その一部切欠側面図である。このトリポート型等速ジョイント１０は、有底筒状部１２を有するアウタ部材１４と、回転軸１６の一端に嵌合されて前記アウタ部材１４の内部に挿入されたスパイダ１８（図２参照）とを有し、アウタ部材１４の端部から前記回転軸１６に至るまでが蛇腹状の継手用ブーツ２０で覆われている。この継手用ブーツ２０の内部には、グリース組成物が封入される。後述するように、この中のスパイダ１８は、本実施の形態に係る鋼材からなる。
【００２５】
アウタ部材１４の有底筒状部１２の内壁面には、図３及び図４に示すように、該アウタ部材１４の軸線方向に沿って延在するとともに互いに１２０°離間した３本の案内溝２２ａ〜２２ｃが形成される。これら案内溝２２ａ〜２２ｃは、有底筒状部１２の外周面に沿って延在する方向に設けられた天井部２４と、該天井部２４から略直交する方向に沿って互いに対向する摺動部としての転動面２５とから構成される。
【００２６】
一方、スパイダ１８には、該スパイダ１８の概略全体斜視図である図５に示すように、案内溝２２ａ〜２２ｃに指向して膨出するとともに、互いに１２０°離間した３本のトラニオン２６ａ〜２６ｃが一体的に形成されている。また、スパイダ１８には、回転軸１６の先端に設けられた歯部１６ａ（図２及び図３参照）と噛合させるための内歯２７が形成されている。歯部１６ａに内歯２７が噛合されたスパイダ１８は、前記有底筒状部１２の中空内部に挿入される（図２及び図３参照）。
【００２７】
トラニオン２６ａ〜２６ｃの側壁部には、それぞれ、転動機構２８が外嵌されている（図３及び図４参照）。各転動機構２８は、構成部材としてのホルダ３０及びローラ３２を有し、ホルダ３０とローラ３２との間には複数本のニードルベアリング３４が介装されている。ニードルベアリング３４同士は、互いに略同一寸法の円柱体形状に形成されている。
【００２８】
図６に示すように、ホルダ３０は略円筒体であり、その下端面には直径方向外方に突出したフランジ部３６が設けられている。また、等径部３８の側周壁には環状溝４０が設けられ、この環状溝４０には、Ω字形状のオームバンド４２が嵌合される。すなわち、転動機構２８は、ワックスないしロウを介してニードルベアリング３４を保持した状態のローラ３２がホルダ３０の等径部３８に通されてフランジ部３６で堰止された後、ニードルベアリング３４からホルダ３０の上端面の一部までを覆うリング体４４がオームバンド４２で位置決めされ、さらに、このオームバンド４２が環状溝４０に嵌合されることで構成される。
【００２９】
ホルダ３０の等径部３８の内周面は直線状に形成され、一方、トラニオン２６ａ〜２６ｃの側壁部は湾曲している（図４参照）。このため、トラニオン２６ａ〜２６ｃは、図４における矢印Ａ方向、すなわち、ホルダ３０の軸線方向に沿って摺動自在であり、且つホルダ３０に対して矢印Ｂ方向に所定角度で傾動自在となる。さらに、トラニオン２６ａ〜２６ｃは、矢印Ｃ方向に回動自在にもなる。
【００３０】
ホルダ３０の上端部は、トラニオン２６ａ〜２６ｃの平滑先端面に比して天井部２４側に突出するとともに、天井部２４との間に若干のクリアランスが生じるように位置決めされている。
【００３１】
ローラ３２は、前記ニードルベアリング３４を介してホルダ３０の等径部３８の外周部に外嵌されている。このローラ３２の湾曲した側壁部が案内溝２２ａ〜２２ｃの転動面２５に対して摺接することにより、該ローラ３２が転動面２５に案内されながら有底筒状部１２内で図２及び図３における矢印Ｘ方向に沿って摺動し、その結果、スパイダ１８、ひいては回転軸１６が有底筒状部１２に対して相対的に変位する。
【００３２】
以上の構成において、継手用ブーツ２０は、アウタ部材１４の一端部及び回転軸１６の各々に緊締バンド４６、４８を介して位置決め固定される（図１参照）。参照符号５０、５２は、これら緊締バンド４６、４８が加締められて形成された加締め部を表す。
【００３３】
また、前記スパイダ１８は、母材と、該母材の表層部に設けられた有効硬化層とを有する鋼材からなる。この中、母材は、Ｃ：０．１〜０．２％、Ｓｉ：０．０３〜０．１５％、Ｍｎ：０．２〜０．６％、Ｃｒ：０．７〜１．５％、Ｔｉ：０．１〜０．１８％、Ｂ：０．０００５〜０．００３％、Ｎ：０．０１％以下、Ｎｉ：０．３〜１％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である。なお、各成分の数字は質量％を示し、以下においても同様である。
【００３４】
Ｃは、浸炭焼入れ処理を施した後のスパイダ１８の心部の強度や硬度等を確保するための成分であり、その組成比は０．１〜０．２％に設定される。０．１％未満であると、心部の硬度等を確保することが困難となる。また、０．２％よりも多いと心部の靭性が低下し、冷間加工時や温間加工時の変形抵抗が増加する。換言すれば、冷間加工性や温間加工性が低下する。
【００３５】
Ｓｉは、脱酸に有用な元素であり、スパイダ１８に０．０３〜０．１５％の割合で含まれる。０．０３％未満では脱酸効果に乏しい。一方、０．１５％を超えると、冷間加工性や温間加工性が低下する。
【００３６】
Ｍｎは、スパイダ１８の焼入れ性を向上させる。すなわち、Ｍｎが存在することにより、スパイダ１８の製造過程で該スパイダ１８となる成形品に対して焼入れ処理を行った場合、焼入れ処理前に比して硬度が顕著に上昇する。この効果を確実に得るべく、Ｍｎの組成比は、０．２〜０．６％に設定される。０．６％を超えると、冷間加工性や温間加工性が低下する。
【００３７】
Ｃｒは、スパイダ１８の焼入れ性を向上させる成分である。換言すれば、Ｃｒが存在することにより、焼入れ処理を行った後のスパイダ１８の硬度が顕著に上昇する。Ｃｒの組成比は、０．７〜１．５％に設定される。０．７％未満では、この効果を得ることが困難となる。一方、１．５％を超えると、冷間加工性や温間加工性が低下する。
【００３８】
Ｔｉは、スパイダ１８中の遊離Ｎを捕捉して後述するＢの添加効果を一層顕著とする。また、組織中に微細なＴｉ炭化物ないしＴｉ含有複合炭化物を析出させ、これにより、浸炭時にオーステナイト結晶粒が粗大化することを抑制する役割を果たす。なお、Ｔｉの組成比は、０．１〜０．１８％に設定される。０．１％未満では、オーステナイト結晶粒の粗大化を抑制する効果に乏しい。一方、０．１８％を超えると、ＴｉＮが過剰に析出するようになるので、冷間加工性や温間加工性が低下する。
【００３９】
Ｂは、粒界強度を向上させる成分である。また、スパイダ１８の焼入れ性も向上させる。この効果は、Ｎが過剰量存在する場合には低減する。Ｂと余剰のＮとでＢＮが生成するからである。従って、上記したように、所定量のＴｉでＮを捕捉することにより、この効果を確保する。
【００４０】
Ｂの組成比は、０．０００５〜０．００３％（５〜３０ｐｐｍ）に設定される。５ｐｐｍ未満であると、粒界強度を向上させる効果に乏しい。また、３０ｐｐｍを超えると、焼入れ性を低下させる。
【００４１】
ここで、遊離Ｎがスパイダ１８中に過剰に存在すると、上記したようにＢと結合してＢＮが生成し、その結果、焼入れ性等が低下する。また、Ｔｉと結合したＴｉＮが過剰に生成した場合、冷間加工性や温間加工性が低下する。さらに、多量に含有すると溶鋼凝固時に大型の晶出物を生成し、冷間加工時の割れ起点となる。このような事態を回避するべく、本実施の形態においては、スパイダ１８中のＮの組成比が０．０１％以下に設定される。
【００４２】
Ｎｉは、亀裂の伝播を抑制して捩り強度を向上させる成分であり、その組成比は、０．３〜１％に設定される。０．３％未満であると、捩り強度の向上効果に乏しい。また、１％を超える量としても捩り強度の向上効果は飽和するのでコスト的に不利であり、冷間加工性や温間加工性も低下する。
【００４３】
ここで、上記の各成分を上述の範囲内の組成比とし、Ｎｉの組成比（質量％）のみを変化させた１０ｍｍ×１０ｍｍ×７０ｍｍの直方体形状試験片を種々用いて３点曲げ試験を行った結果を図７、図８に示す。なお、直方体形状試験片には浸炭焼入れ処理及び焼戻し処理を施して０．９ｍｍの有効硬化層を形成し、その後、深さ２ｍｍのＶノッチを設けた。
【００４４】
これら図７及び図８から、Ｎｉの組成比が大きくなるほど、亀裂が発生した荷重、及び破断した際の荷重の双方が大きくなることが諒解される。また、破断面の電子顕微鏡観察を行ったところ、Ｎｉが添加されていない直方体形状試験片では粒界に沿って破断する粒界破壊であったのに対し、Ｎｉが増加するにつれて延性破壊に移行していくことが確認された。
【００４５】
本実施の形態に係る鋼材（スパイダ１８）には、以上の成分に加え、０．００３〜０．０３％のＳが含まれていてもよい。このＳは、鋼材の組織中でＭｎ、ＴｉとともにＭｎＳ、ＴｉＳを形成し、これにより鋼材の切削性を向上させる機能を営む。Ｓの組成比は、０．００３〜０．０３％に設定される。０．００３％未満では切削性を向上させることが困難であり、０．０３％を超えると、冷間加工性を低下させる。
【００４６】
さらに、スパイダ１８には、ＳＣｒ４２０やＳＣＭ４１５、ＳＣＭ４２０と同様に、０．０３％以下のＰが含まれていてもよい。
【００４７】
以上のように、スパイダ１８におけるＳｉ及びＭｎの組成比は、ＳＣｒ４２０やＳＣＭ４１５、ＳＣＭ４２０に比して小さく、また、該スパイダ１８には、クロム鋼及びクロムモリブデン鋼に含まれないＮｉが添加されている。このＮｉによってスパイダ１８に高靭性がもたらされ、このため、該スパイダ１８では、亀裂の伝播が抑制される。これにより、捩り強度も向上する。
【００４８】
しかも、スパイダ１８にはＢが添加されているので、粒界強度が向上する。このことによっても、スパイダ１８における破壊形態が延性破壊となり、結局、機械的強度が向上する。さらに、遊離Ｎを捕捉するＴｉが添加されているので、Ｂの前記添加効果が阻害されることが回避される。
【００４９】
スパイダ１８の表層部に存在する有効硬化層は、該スパイダ１８を作製する際に成形品に対して浸炭処理が施されることで形成されたものである。従って、有効硬化層中のＣの組成比は、母材に比して若干大きい。このため、有効硬化層は母材に比して高硬度であり、例えば、スパイダ１８に耐摩耗性をもたらす。
【００５０】
このように、有効硬化層は、Ｃを表面側から拡散させる浸炭処理によって形成されたものであるから、該有効硬化層の硬度は、スパイダ１８の表面から内部に向かうに従って小さくなる。本実施の形態においては、最終的にビッカース硬度が５５０となる深さまでが、有効硬化層として定義される。
【００５１】
有効硬化層の厚みは、０．４〜１．１ｍｍに設定される。０．４ｍｍ未満であると、硬度等を向上させる効果に乏しい。また、１．１ｍｍよりも大きいと機械的強度が低下してしまう。
【００５２】
スパイダ１８は、上記したような成分及び組成比の原料鋼材から所定の寸法に切り出されたワークに対し、例えば、熱間鍛造加工を行うことによって作製される。この熱間鍛造加工により、ワークがスパイダ１８の形状に対応する形状に成形され、第１次成形品が設けられる。次に、この第１次成形品に対して打ち抜き加工が施され、前記回転軸１６（図１及び図２参照）の歯部１６ａに噛合させるための内歯２７が形成される。さらに、所定の寸法に仕上げる仕上げ加工としての切削加工が行われ、その結果、スパイダ１８と略同一寸法の第２次成形品が得られる。
【００５３】
そして、この第２次成形品に対し、浸炭焼入れ処理を施す。すなわち、第２次成形品を固体浸炭剤、液体浸炭剤、気体浸炭剤のいずれかの存在下で、好ましくは９００℃以上に加熱して第２次成形品の表層部に炭素を拡散させ、これにより有効硬化層を設ける。さらに、この加熱後に急冷することで焼入れを行う。
【００５４】
次に、有効硬化層が形成された第２次成形品に対して焼戻しを行えば、スパイダ１８が得られるに至る。
【００５５】
なお、有効硬化層の厚みは、浸炭焼入れ処理時のカーボンポテンシャルや処理時間、処理温度等を適宜設定することにより、０．４〜１．１ｍｍに制御することができる。
【００５６】
また、有効硬化層、すなわち、スパイダ１８の表層部の硬度は、Ｃの組成比が同一である場合、焼戻し処理時の温度を高く設定すると低くなる。従って、Ｃの組成比が０．１〜０．２％である本実施の形態においては、ビッカース硬度で５５０以上を示す有効硬化層を確実に形成するべく、焼戻し処理時の温度を２００℃以下とすることが好適である。その一方で、過度に低温とすると有効硬化層の硬度が過度に上昇して脆性を示すことから、これを回避するべく、１６０℃以上とすることが好ましい。
【００５７】
焼戻し処理の時間は、例えば、２時間に設定すればよいが、特にこれに限定されるものではない。
【００５８】
このようにして作製されたスパイダ１８では、粒界酸化層の厚みは１８μｍ程度であり、ＳＣｒ４２０やＳＣＭ４１５、ＳＣＭ４２０製のスパイダでの粒界酸化層の厚みが２５μｍ程度であるのに対して小さくなる。このため、疲労強度も大きくなる。
【００５９】
なお、この実施の形態では、鋼材製の部材としてスパイダ１８を例示して説明したが、本発明に係る鋼材から設けられる部材は、特にこれに限定されるものではない。例えば、ホルダ３０やローラ３２、ニードルベアリング３４等をこの鋼材で構成するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本実施の形態に係るスパイダが組み込まれたトリポート型等速ジョイントの要部概略斜視図である。
【図２】図１の等速ジョイントの一部切欠側面図である。
【図３】ブーツが取り外された図１の等速ジョイントの要部概略断面図である。
【図４】図１の等速ジョイントの要部拡大正面図である。
【図５】本実施の形態に係るスパイダの概略全体斜視図である。
【図６】前記スパイダを構成するトラニオンにホルダが装着された状態を示す要部概略斜視図である。
【図７】３点曲げ試験において、Ｎｉの組成比と亀裂発生荷重との関係を示すグラフである。
【図８】前記３点曲げ試験において、Ｎｉの組成比と最大荷重との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６１】
１０…トリポート型等速ジョイント        １４…アウタ部材
１８…スパイダ                          ２２ａ〜２２ｃ…案内溝
２６ａ〜２６ｃ…トラニオン              ２８…転動機構
３０…ホルダ                            ３２…ローラ
３４…ニードルベアリング                ３６…フランジ部
３８…等径部                            ４２…オームバンド
４４…リング体                          ４６、４８…緊締バンド
【図１】
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【図２】
2009057610.tif 000004
【図３】
2009057610.tif 000005
【図４】
2009057610.tif 000006
【図５】
2009057610.tif 000007
【図６】
2009057610.tif 000008
【図７】
2009057610.tif 000009
【図８】
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