驅動軸用無縫鋼管及其製造方法
2023-06-03 09:41:16
專利名稱：驅動軸用無縫鋼管及其製造方法
技術領域：
本發明涉及驅動軸用無縫鋼管及其製造方法，更詳細地說，涉及適合於汽車用驅動軸的輕量化、並且疲勞強度優異的作為中空構件使用的無縫鋼管，以及高效率地製造無縫鋼管的方法。
背景技術：
最近，保護地球環境的必要性增高，其中，要求使汽車車身輕量化，進一步有效地達到節能的效果。因此，從車身輕量化的觀點出發，嘗試將汽車用部件從實心材料替換成中空材料。在這種嘗試當中，對於汽車的驅動軸，一部分也開始採用中空構件。
具體地說，為了一面確保汽車用驅動軸所要求的扭轉剛性，一面進一步謀求輕量化，對於使構件的中間部薄壁大直徑化，同時，將與等速聯軸節連結的兩個端部製成小直徑厚壁的、整體成形的驅動軸的採用進行了研究。為了用鋼管制造這種驅動軸，通過在中空構件的兩個端部施行冷減徑加工，使兩個軸端部減徑，同時，使壁厚增加，整體成形。
汽車用驅動軸是將發動機的旋轉軸的轉矩傳遞給輪胎的重要的安全部件。因此，由於為了確保驅動軸的疲勞強度，優選提高其強度、剛性，所以，施行淬火等熱處理。在施行淬火的情況下，能夠一面通過熱處理保持良好的疲勞強度，一面達到981Mpa以上的高強度。
通常，在前述冷減徑加工中，由於在加工時不使用限制鋼管內表面的工具，所以，根據加工條件，在加工後的驅動軸的內表面上有時會發生皺褶。當在驅動軸上發生內表面皺褶時，使疲勞強度顯著降低。因此，為了製造用於驅動軸的中空構件的鋼管，研究了將心棒或其它心鐵插入鋼管內，反覆進行冷拔直到規定的尺寸的方法。
不過，在反覆冷拔的方法中，可以將鋼管的內表面加工成光滑的，精加工成規定的尺寸，但是，為了獲得平滑的內表面，必須反覆進行多次拉拔加工和中間退火，存在著製造成本高的問題。
為了解決上述問題，在特許第2822849號公報中，提出了一種利用滿乃斯曼(Mannesmann)制管法，利用拉伸縮徑軋機，高效率地製造無縫鋼管，通過噴丸磨削等對該鋼管的內表面進行內表面切削，製造驅動軸等汽車用無縫鋼管的方法。根據這種製造方法，儘管增加了利用噴丸進行的內表面的磨削量，但是，通過比較少的內表面切削，可以恰當地提高驅動軸用中空構件的疲勞強度。
利用熱法製造無縫鋼管的滿乃斯曼制管法，由以下工序構成將實心的鋼坯的中心部開孔的穿孔工序，以該穿孔的中空管坯的壁厚加工為主要目的的延伸軋制工序，縮小管坯的直徑、精加工成所需的尺寸的定徑軋制工序。
通常，在穿孔工序中，使用滿乃斯曼穿軋機、交叉型穿孔軋鋼機，壓力穿軋機等穿孔軋機，在延伸軋制工序中，使用心軸軋機、心棒軋管機、阿塞爾(Assel)軋機等軋機，進而，在定徑軋制工序中，使用拉伸縮徑軋機及定徑機等孔型軋機。
圖1是說明以熱法製造無縫鋼管的滿乃斯曼制管法的製造工序的一個例子的圖示。該製造方法，將加熱到規定溫度的實心圓鋼坯1作為被軋制材料，將該圓鋼坯1進給到穿孔軋機(所謂穿軋機)3，在其軸心部開設穿孔，製造中空管坯2。然後將所製造的中空管坯2直接、或者根據需要通過與上述穿孔軋機具有相同結構的延伸軋機進行擴徑，進行薄壁化，之後，進給到後續的延伸軋制裝置(心軸軋機4)進行延伸軋制。
在用心軸軋機4進行延伸軋制時，在利用裝入中空管坯2的心棒4b和限制管坯的外表面的軋制輥4r進行拉伸的同時將其冷卻。因此，接著將通過了心軸軋機4的中空管坯2裝入再加熱爐5，再次加熱。然後，通過拉伸縮徑軋機6，經過進行磨管、形狀修正以及定徑的精整工序，製造成為製品的無縫鋼管。
在這種制管方法中，在穿孔軋機3、心軸軋機4及拉伸縮徑軋機6中，將中空管坯2壓下的軋輥，以被軋制材料行進的軋制線為中心，對向地配置一組或者多組。
例如，在拉伸縮徑軋機6中，使由穿孔軋機3及心軸軋機4獲得的中空管坯2通過軋輥6r，進行外徑減徑軋制，加工成成品尺寸。因此，如圖1所示，拉伸縮徑軋機6，以與軋制線和軋機中心一致的方式設置，將中空管坯2壓下的一對軋輥，由以軋制線作為中心對向配置的3個軋輥6r構成，這些軋輥6r配置在多組縱列上。在鄰接的軋機架之間，各個軋輥6r在相對於軋制線垂直的面內，將壓下方向每隔60°錯開地交叉配置。
但是，如上所述，在拉伸縮徑軋機中，由於不用心軸等內表面限制工具，而是通過外徑減徑軋制進行精加工，所以，在熱精加工的鋼管的內表面上，容易發生豎條狀的皺褶。
在前述特許第2822849號公報中，通過將熱軋的無縫鋼管的內表面切削加工20μm～500μm，除去在鋼管的表面發生的皺褶，以期提高疲勞強度。但是，這種利用噴丸進行的內表面的磨削，需要大量的處理時間。
具體地說，作為驅動軸用所採用的鋼管，以內徑15mm～25mm左右的小直徑鋼管作為對象，為了對這些鋼的內表面施行確保上述磨削量的噴丸加工，需要從幾十分鐘到幾個小時的大量的處理時間。因此，在前述特許第2822849號公報中提出的製造方法中，存在著製造成本增高，同時，不能確保在工業上所必需的大量生產的性能的問題。
進而，由於在拉伸縮徑軋機中，是由3個軋輥構成的外徑減徑軋制，所以，中空管坯相對於軋制線從3個方向接受壓下。因此，熱精加工的鋼管的內表面形狀，不是正圓，而是變成有稜角的或者多角形化的圓，在其內表面上形成凹凸的形狀。將這種內表面上的凹凸形狀矯正成正圓，只用噴丸等磨削加工是很困難的。
另外，驅動軸用鋼管，利用旋鍛機等，對兩個管端部施行冷減徑加工，精加工成外徑、壁厚沿長度方向變化的產品形狀。伴隨著這種冷減徑加工，內徑的減徑率為50～70％左右，當內表面上具有這種凹凸形狀的管材接受這種加工時，以該凹凸形狀作為起點，使更深的皺褶成長。
通常，在利用中空構件的驅動軸中，通過淬火使之高強度化，但是，在高強度化的材料中，以內表面皺褶作為起點的疲勞裂紋容易發展，疲勞強度的降低變得非常顯著。從而，在上述981MPa以上的高強度的構件中，伴隨著高強度化，疲勞裂紋發生的應力集中敏感性增高，內表面的品質問題，大多顯露出來。
發明內容
本發明鑑於伴隨著現有的驅動軸等汽車用無縫鋼管的製造中存在的問題，其目的是，提供一種驅動軸用無縫鋼管及其製造方法，所述無縫鋼管，通過對利用滿乃斯曼制管法熱精加工的鋼管進行比較少的內表面切削加工，以及在其後施行冷拔，其疲勞強度優異，同時，最適合於車身的輕量化。
本發明人等，為了解決上述課題，進行了各種研究，結果，明確地確定了，在前述冷減徑加工中的皺褶的成長、發展，並不一定依賴於存在在熱軋後的鋼管中的皺褶的深度，以及，作為最終製品的驅動軸的疲勞壽命，只依賴於冷減徑加工前的鋼管內表面的皺褶深度。下面，說明本發明人等搞清楚的見解。
由於驅動軸是將汽車發動機的旋轉軸轉矩傳遞給輪胎的重要安全部件，所以，希望不會發生能夠成為疲勞破壞起點的表面皺疤。由該中空構件精加工成最終製品形狀的工序，在構件鋼管的兩端施行冷減徑加工，整體成形驅動軸。
但是，隨著該冷減徑加工，有時，以垂直於鋼管的長度方向的截面的內表面形成的凹凸形狀，發生並發展內表面皺褶。從而，作為驅動軸使用的中空構件的性能，有必要在施行冷減徑加工、精加工成最終製品的階段進行評價。
從上述觀點出發，在前述特許第2822849號公報中提出的製造方法中，由於在冷減徑加工前的熱精加工鋼管中，即，在作為驅動軸的半成品的階段，採用除去內表面皺褶的方法，所以，只會導致製造成本的增大和生產率的降低。
換句話說，與其簡單地著眼於改善冷減徑加工前的驅動軸用鋼管的皺褶深度，倒不如通過搞清楚可以抑制在其後的冷減徑加工中成長的內表面皺褶的進展的鋼管的內表面品質，掌握在冷減徑加工前可以允許的皺褶深度，不必徒勞地施行長時間的內表面磨削加工，能夠以低製造成本高效率地確保規定的疲勞強度。
圖2是概括地說明在傳遞旋轉軸轉矩時，作用到驅動軸的內表面及外表面上的剪切應力的分布的圖示。如可以從圖2所示的剪切應力分布看出的，與在內表面上相比，在驅動軸的外表面上，作用更大的剪切應力。
從而，在驅動軸的內表面上完全沒有皺褶的狀態下，在內表面上疲勞極限剪切應力十分大的情況下，疲勞裂紋從作用有比內表面更大的剪切應力的外表面側發生並成長。
但是，當內表面存在皺疤時，由於龜裂以該皺褶作為起點發展，所以，有時即使所作用的剪切應力小，也從內表面側發生疲勞裂紋。
換句話說，在內表面上存在皺褶的情況下，如果能夠以內表面側的疲勞極限剪切應力超過在外表面側規定的剪切應力的方式控制內表面側發生的皺褶的話，在冷減徑加工中發生、成長的皺褶，作為結果，不會對製品的疲勞壽命產生影響，在實際應用上，沒有問題。
本發明，基於上述見解，進行研究，進一步弄清楚了整體成形的驅動軸可以確保充分的疲勞特性的條件，完成了可以高效率地製造該中空構件的方法，本發明，以下述(1)、(2)的驅動軸用無縫鋼管、以及(3)的驅動軸用無縫鋼管的製造方法作為要點。
(1)一種驅動軸用無縫鋼管，其特徵在於，垂直於鋼管的長度方向的截面上的、形成內表面的凹凸形狀，直到凹部的底部的深度(d)為100μm以下，並且，鋼管的內表面的表面粗糙度以中心線平均粗糙度(Ra)計為1～4μm，在所述鋼管中，當前述直到凹部的底部的深度(d)為50μm以上時，其凹部的入口寬度為0.5d以上。
(2)一種驅動軸用無縫鋼管，其特徵在於，垂直於鋼管的長度方向的截面上的、形成內表面的凹凸形狀，直到凹部的底部的深度(d)為100μm以下，並且，在鋼管的內表面層500μm處的硬度，以維氏硬度(Hv)計，為200以下，在所述鋼管中，當前述直到凹部的底部的深度(d)為50μm以上時，其凹部的入口寬度為0.5d以上。
(3)一種驅動軸用無縫鋼管的製造方法，其特徵在於，在利用滿乃斯曼制管法熱加工無縫鋼管時，令延伸軋制後的再加熱條件為800～1050℃，在以定徑軋制中的最大孔型橢圓率(長半徑/短半徑)為1.1以下的條件軋制、熱精加工之後，對前述熱精加工後的鋼管用噴砂施行內表面磨削，接著，進行冷拔。
在上述(1)及(2)的驅動軸用無縫鋼管中，在直到凹部的底部的深度d不足50μm的情況下，不管是什麼樣的凹部入口寬度w，冷減徑加工後，作為驅動軸都可以確保必要的疲勞強度。
因此，在直到凹部的底部的深度d不足50μm的情況下，對其凹部的入口寬度w沒有限制。
在本發明中，所謂「形成內表面的凹凸形狀」，是表示作為驅動軸用無縫鋼管，冷減徑加工前的內表面質量狀態。更詳細地說，表示起因於熱精加工的鋼管的稜角及多角形化、或者豎條狀的內表面皺褶的發生，受到在其後的內表面磨削以及冷拔的影響的內表面皺褶等的發生狀況。從而，在下面的說明中，有時同時使用「凹凸形狀」及「內表面皺褶」的表達方式。
圖1是說明利用熱法製造無縫鋼管的滿乃斯曼制管法的製造工藝的一個例子的圖示。
圖2是概括地說明在傳遞旋轉軸轉矩時，作用到驅動軸的內表面及外表面上的剪切應力的分布的圖示。
圖3是作為形成在垂直於鋼管的長度方向的截面上的內表面上的凹凸形狀、表示發生在鋼管的內表面上的條狀皺褶及稜角的狀況的圖示。
圖4是表示拉伸縮徑軋機的軋輥中的孔型形狀的圖示。
圖5是表示在實施例中使用的疲勞特性的評價試驗片的圖示。
具體實施例方式
在本發明的驅動軸用無縫鋼管中，其特徵在於，為了使驅動軸能夠發揮優異的疲勞強度，在形成內表面的凹凸形狀中，不僅是平均的凹凸形狀的大小控制在規定的範圍之內，而且，通盤觀察整個鋼管的內表面，將其中最大的凹凸形狀，控制在規定的範圍之內。
圖3是作為垂直於鋼管的長度方向的截面上的、形成內表面的凹凸形狀，表示在鋼管內表面上發生的條狀皺褶及稜角的狀況的圖示，(a)表示凹部的入口寬度窄時的情況，(b)表示凹部的入口寬度寬時的情況。在本發明中，為了識別部分地分散在鋼管截面的內表面上的凹凸形狀的大小，如3所示，將直到其凹部的底部的深度規定為d，將其入口的寬度規定為w。
並且，為了確保疲勞強度，以d在100μm以下作為前提條件，其中，在直到凹部的底部的深度比較深、d在50μm以上的情況下，將w控制在0.5d以上。
但是，在直到凹部的底部的深度比較淺、d不足50μm的情況下，由於不管凹部的入口寬度w如何，冷減徑加工之後，作為驅動軸都可以確保必要的疲勞強度，所以，不限制該凹部的入口寬度w。
進而，在本發明的驅動軸用無縫鋼管中，有必要在規定的距離的範圍內，測定鋼管的內表面的凹凸形狀，將平均的凹凸形狀水平指標控制在規定的範圍內。即，將鋼管內表面的表面粗糙度以中心線平均粗糙度Ra計，控制在1～4μm。這裡所說的中心線平均粗糙度Ra，是在JIS B0601中規定的。
如前面所述，由於在用拉伸縮徑軋機進行的外徑縮徑軋制中，中空管坯相對於軋制線從3個方向接受由軋輥進行的壓下，不利用內表面限制工具，所以，發生多個條狀皺褶及稜角，然後，通過施行拉拔加工，可以改進條狀皺褶以及稜角，同時，將內外表面整體平滑化。
根據本發明者等人的研究，在拉伸縮徑軋機軋制後保持不動的熱精加工鋼管中，其中心線平均粗糙度Ra充其量不過5～10μm，但是，通過冷拔，中心線平均粗糙度Ra被平滑到1～4μm，藉此，獲得疲勞壽命顯著改善的效果。因此，本發明的鋼管的內表面的表面粗糙度，以中心線平均粗糙度Ra計，有必要為1～4μm。
如上所述，在形成鋼管的內表面的凹凸形狀中，通過將大的凹凸控制在規定的範圍內，同時，將鋼管的內表面的凹凸形狀的平均水平指標控制在規定的範圍內，將它們的作用相結合，充分抑制最終階段的冷減徑加工的皺褶深度的進展，可以提高疲勞強度。
冷減徑加工量，根據驅動軸製品的形狀決定，但是，一般地，將外徑縮徑率設定在30％左右，將內徑縮徑率設定在60％左右。在以這種冷減徑加工量作為對象的情況下，由於本發明的鋼管規定的內表面的凹凸形狀及內表面的表面粗糙度的條件，使疲勞強度提高，所以發揮顯著的效果。
在本發明的另外的驅動軸用無縫鋼管中，為了確保驅動軸的優異的疲勞強度，在形成鋼管的內表面的凹凸形狀中，通過將大的凹凸形狀控制在規定的範圍內，同時，令鋼管的內表面層500μm處的硬度為維氏硬度Hv≤200，從而在前述冷減徑加工量更高的情況下，和前述情況一樣，可以發揮優異的效果。
在這種情況下，所謂在鋼管的內表面層500μm處的硬度，是指在從垂直於鋼管的長度方向的截面上的內表面側起，向壁厚方向的距離為100μm、200μm、300μm、400μm以及500μm的各點上測定的硬度的平均值。
研究了硬度分布對內表面側的皺褶發生的影響的結果，發現，即使外表面側的硬度稍有變化，對內表面側的皺褶的發生也沒有直接的影響。另外，在內表面側的幾個μm～幾十μm的最表層附近，由於在冷拔時由內表面限制工具引起的剪切變形作用，與壁厚部處的平均硬度分布相比，有時硬度稍稍增高。但是，如果用維氏硬度測定上述鋼管的內表面層500μm處的硬度並整理其結果的話，即得到與皺褶的進展的關聯。
在本發明的驅動軸用無縫鋼管中，作為對象的鋼的種類的化學組成沒有特別的規定，但是，作為適合於驅動軸的組成例，可以列舉出含有C0.20～0.50％、Si0.1～0.5％以及Mn0.4～2.0％，餘量為P、S等雜質以及Fe構成的組成。
進而，為了改進疲勞強度以及除此之外的各種特性，除上述組成之外，還可以使之含有Cr0～1.5％、Ti0～0.05％、Nb0～0.05％、V0～0.1％、Mo0～1％、Ni0～0.5％、Cu0～0.5％、B0～0.5％以及Ca0～0.01％中的一種或者兩種以上的成分。
作為本發明的驅動軸用鋼管的製造方法的一個例子，如前述圖1所示，可以列舉出利用心軸軋機以及拉伸縮徑軋機的滿乃斯曼制管法。
具體地說，在熱法製造無縫鋼管時，令利用心軸軋機軋制後的再加熱條件為800～1050℃，令拉伸縮徑軋機中的軋制溫度為足夠的高溫，以期達到均勻化。藉此，恰當地提高通過拉伸縮徑軋機軋制的鋼管的內表面的圓度，可以有效地抑制軋制過程中的內表面的多角化的發生。
圖4是表示在拉伸縮徑軋機的軋輥中的孔型的形狀的圖示。如前面所述，設置在拉伸縮徑軋機上的軋制機架，由3個軋輥6r構成。通常，軋輥6r上的孔型的形狀，用以輥孔型的長半徑ra/短半徑rb之比表示的最大空隙橢圓率控制。
在本發明的製造方法中，在用拉伸縮徑軋機軋制高溫並且均勻地再加熱後的中空管坯的情況下，利用最大孔型橢圓率(ra/rb)為1.1以下的軋輥，提高壓下量的均勻性。
通過規定上述再加熱條件和軋輥的最大孔型橢圓率(ra/rb)，提高拉伸縮徑軋機軋制後的鋼管的內表面上的圓度，可以有效地抑制內表面的多角化。在本發明的製造方法中，如前面所述，磨削已提高了圓度的熱精加工鋼管的內表面，然後，利用冷拔提高內表面的平滑度，從而高效率地製成疲勞強度優異的驅動軸用鋼管的內表面質量。
即，在將熱精加工的鋼管的內表面用噴砂磨削後，利用冷拔使內表面平滑化，所以，可以比較簡單容易地進行利用噴砂的前期切削處理，可以以短時間的處理和很少的切削量達到目的。例如，如後面所述的實施例所示，在本發明中，以10分鐘左右的磨削時間，並且磨削量能夠確保20μm～30μm的話，就可以應用。
另外，在冷拔中，由於使心棒的內表面限制工具與鋼管內表面接觸，精整內表面，所以，不僅可以縮小外表面的粗糙度，而且可以縮小內表面的粗糙度。只通過熱精加工鋼管的磨削加工，就可以使內表面的表面粗糙度以中心線表面粗糙度Ra計達到5～10μm左右，而通過施行冷拔加工，可以平滑到1～4μm。
下面根據實施例1～3具體說明本發明的驅動軸用鋼管及其製造方法。
(實施例1)對熱精加工後冷拔的鋼管，或者熱精加工後原封不動的鋼管，施行冷減徑加工，通過研究扭轉疲勞強度，施行製品的評價試驗。試驗用材料的化學組成為，以質量％計，C0.40％、Si0.28％、Mn1.07％、Cr0.14％、Ti0.032％以及B0.0014％，餘量為Fe。
首先，對圓鋼坯進行穿孔軋制後，利用心軸軋機施行延伸軋制，在900℃的條件下進行再加熱，用拉伸縮徑軋機將外徑減徑軋制，製造了外徑51mm、內徑35mm、壁厚8mm的熱精加工鋼管。然後，改變磨削時間，在各種條件下，通過噴砂施行內表面磨削。
其次，對內表面磨削後的鋼管施行酸洗、潤滑處理，利用圓筒心棒進行冷拔後，施行700℃×20分鐘的退火處理，製造了外徑45mm、內徑31mm、壁厚7mm的驅動軸用鋼管。
進而，作為比較例，為了確認有無冷拔所產生的影響，利用拉伸縮徑軋機，製造外徑45mm、內徑31mm、壁厚7mm的熱精加工的鋼管，和上面所述同樣，施行內表面磨削，製造驅動軸用鋼管。
其次，將供試驗用的各個驅動軸用鋼管，切斷成500mm，從切斷的鋼管的兩個管端，分別取一個顯微觀察用的試樣，顯微觀察在垂直於鋼管的長度方向的截面上的內表面上顯示出來的凹凸形狀。
在這種顯微觀察中，測定直到存在於垂直截面上的凹部的底部的最大深度dmax，同時，測定d為50μm以上的凹部的深度d和入口寬度w，研究w/d。進而，施行所獲得的各個驅動軸用鋼管的內表面的表面粗糙度Ra的測定。
進而，對於供試驗用的驅動軸用鋼管，施行約30％的冷減徑加工，評價作為最終製品的驅動軸使用時的疲勞壽命。這裡的評價尺寸為，外徑32mm、內徑14mm、壁厚9mm，冷減徑加工的內徑縮徑率約為55％。由於供試驗用的驅動軸用鋼管的內表面的品質的不同，冷減徑加工的皺褶成長狀況也不同，將它們作為疲勞試驗的結果。
如圖5所示，疲勞特性試驗片7，在外表面上，在試驗片中央部切削形成適當長度範圍平行的試驗部7a，在其兩端側形成夾持部7b。將圖5所示形狀的各個試驗片7進行淬火、回火後，將其負荷轉矩進行各種改變，進行扭轉疲勞試驗。
以上的試驗條件和試驗結果示於表1。這裡，在熱精加工後進行冷拔的鋼管，以及熱精加工後保持不變的鋼管中，將供驅動軸用鋼管試驗的鋼管，作為試驗用鋼管。
表1
注)表中的帶有*的部分，表示在本發明的規定範圍之外。
如下所述的鋼管在冷減徑加工後的疲勞試驗中，扭轉負荷轉矩變成高的數值，所述鋼管為形成垂直於鋼管長度方向的截面上的內表面的凹凸形狀，直到凹部的底部的深度d在100μm以下，其中，在直到凹部的底部的深度d在50μm以上的情況下，其凹部的入口寬度w在0.5d以上(w/d≥0.5)，內表面的表面粗糙度，以中心線平均粗糙度Ra計為1～4μm。
這裡，中心線平均粗糙度Ra，是將鋼管沿軸向方向對開，即，豎著切開，用表面粗糙度計沿軸向方向測定內表面。
另一方面，如果直到凹部的底部的最大深度dmax不足50μm而平滑化的話，即使在凹部的入口寬度w不具備前述條件的情況下，也不會發生以內表面側作為起點的破壞(試樣No.9)如上所述，在實施例1中，通過對熱精加工的鋼管進行冷拔，促進表面粗糙度Ra的改善，將凹凸形狀的控制和鋼管內表面的平滑化相結合，驅動軸用鋼管的疲勞特性被顯著改善。
(實施例2)在施行和實施例1同樣的熱工藝和磨削處理之後，進行冷拔，製造驅動軸用鋼管。對供試驗的驅動軸用鋼管施行約38％的冷減徑加工，評價作為最終製品的驅動軸使用的情況下的疲勞壽命。
這裡的評價尺寸為，外徑28mm、內徑9mm、壁厚9.5mm。冷減徑加工的內徑縮徑率約71％，用比實施例1更嚴格的條件評價疲勞特性。
在評價時，和實施例1同樣，製造顯微觀察用試樣，調查dmax以及w/d，同時，測定在鋼管內表面層500μm處的維氏硬度Hv。
其中，令冷減徑加工前的熱處理條件為均勻加熱到780～790℃，通過調整其後的徐冷時間，調整鋼管的內表面層500μm處的硬度。各種試驗條件和試驗結果示於表2。
表2
注)表中的帶有*的部分，表示在本發明的規定範圍之外。
從表2的結果可以看出，在以下所述的鋼管中，如果在材料內表面層的硬度，維氏硬度Hv≤200的話，則疲勞強度提高，其中所述鋼管為形成垂直於鋼管長度方向的截面上的內表面的凹凸形狀，直到凹部的底部的深度d在100μm以下，其中，在直到凹部的底部的深度d在50μm以上的情況下，其凹部的入口寬度w在0.5d以上(w/d≥0.5)。
並且，確認了如果能夠進而確保Hv≤180的話，則疲勞特性能夠進一步提高。
(實施例3)對於本發明的製造條件進行了確認。供試驗材料的化學組成為，以質量％計，含有C0.45％、Si0.23％、Mn0.76％以及Cr0.16％，餘量為Fe。
如前述圖1所示，利用滿乃斯曼值制管法，對圓鋼坯進行穿孔軋制後，以心軸軋機為主施行壁厚加工，其次，裝入再加熱爐，在900℃再加熱。
在接下來的拉伸縮徑軋機中，利用20組3輥軋制機架軋制再加熱後的中空管坯。在進行這種軋制時，不用心棒或其它心軸，用多組軋輥組進行軋制。
對於利用拉伸縮徑軋機進行了熱精加工的鋼管，利用噴砂進行內表面磨削之後，施行酸洗、潤滑處理，利用圓筒心棒給予冷拔加工，其次施行700℃×20分鐘的退火處理，製造外徑45mm、內徑31mm、壁厚7mm的驅動軸用鋼管。
另外，和實施例1同樣，為了調查由製造工藝的不同引起的疲勞特性的不同，作為確認冷拔的有無造成的影響的比較例，用拉伸縮徑軋機軋制製造了外徑45mm、內徑31mm、壁厚7mm的熱精加工鋼管，施行內表面磨削，接著進行700℃×20分鐘退火處理，製造驅動軸用鋼管。
藉此，作為冷減徑加工前的驅動軸用鋼管的硬度，在內表面層500μm處，精加工成Hv193～196。
進而，利用和實施例1同樣的條件，對供試驗用的驅動軸用鋼管施行約30％的外徑減徑加工後，最終進行淬火處理，評價作為最終製品的驅動軸用時的疲勞壽命。這裡的評價尺寸為，外徑32mm、內徑14mm、壁厚9mm。
表3中表示內表面的凹凸狀況、表面粗糙度、冷拔的有無、以及對應於利用噴砂進行的內表面磨削時間的疲勞壽命的評價試驗結果。
表3
注)表中的帶有*的部分，表示在本發明的規定範圍之外。
如從表3的結果可以看出的，如果是在本發明規定的條件下製造的驅動軸用鋼管的話，內表面磨削無需很長的時間，可以確保優異的疲勞強度。
另外，對於磨削量，因鋼管的內徑尺寸而變動，但是確認了，如果能夠確保在壁厚方向20μm～30μm的話，就足夠了。然後，如果進行冷拔的話，由於通過冷拔，鋼管的內表面平滑化，所以，可以高效率地獲得疲勞強度優異的驅動軸用中空構件。
工業上的利用可能性根據本發明的驅動軸用無縫鋼管，通過對利用滿乃斯曼制管法熱精加工的鋼管施行簡單的內表面切削加工以及之後的冷拔，規定形成鋼管的內表面的凹凸形狀的凹部深度d、表面粗糙度Ra、凹部入口寬度w，或者，同樣地，通過規定凹凸形狀的凹部深度d、內表面層的維氏硬度Hv、凹部入口寬度w，可以製造疲勞強度優異、並且最適合於車身輕量化的驅動軸用的中空構件。從而，通過應用本發明的製造方法，可以以低廉的製造成本高效率地製造汽車用驅動軸，所以，在工業上獲得很大的效果。
權利要求
1.一種驅動軸用無縫鋼管，其特徵在於，垂直於鋼管的長度方向的截面上的、形成內表面的凹凸形狀，直到凹部的底部的深度(d)為100μm以下，並且，鋼管的內表面的表面粗糙度以中心線平均粗糙度(Ra)計為1～4μm，在所述鋼管中，當前述直到凹部的底部的深度(d)為50μm以上時，其凹部的入口寬度為0.5d以上，其中，在前述直到凹部的底部的深度(d)不足50μm的情況下，其凹部的入口寬度(w)沒有限制。
2.一種驅動軸用無縫鋼管，其特徵在於，垂直於鋼管的長度方向的截面上的、形成內表面的凹凸形狀，直到凹部的底部的深度(d)為100μm以下，並且，在鋼管的內表面層500μm處的硬度，以維氏硬度(Hv)計，為200以下，在所述鋼管中，當前述直到凹部的底部的深度(d)為50μm以上時，其凹部的入口寬度為0.5d以上，其中，前述直到凹部的底部的深度(d)不足50μm的情況下，其凹部的入口寬度w沒有限制。
3.一種驅動軸用無縫鋼管的製造方法，其特徵在於，在利用滿乃斯曼制管法熱加工無縫鋼管時，令延伸軋制後的再加熱條件為800～1050℃，在以定徑軋制中的最大孔型橢圓率(長半徑/短半徑)為1.1以下的條件軋制、熱精加工之後，對前述熱精加工後的鋼管用噴砂施行內表面磨削，接著，進行冷拔。
4.如權利要求3所述的驅動軸用無縫鋼管的製造方法，其特徵在於，在內表面磨削中，至少確保20μm的磨削量，其次，通過進行冷拔，將鋼管內表面的表面粗糙度變成為，以中心線平均粗糙度(Ra)計1～4μm。
全文摘要
通過對利用滿乃斯曼制管法熱精加工的鋼管施行簡單的內表面切削及其後的冷拔，規定形成鋼管內表面的凹凸形狀的凹部深度(d)、表面粗糙度(Ra)、凹部入口寬度(w)，或者，同樣地，規定凹凸形狀的凹部深度(d)、內表面層的維氏硬度(Hv)、凹部入口寬度(w)，可以製造疲勞強度優異、並且最適合於車身輕量化的驅動軸用的中空構件。從而，可以以低廉的製造成本高效率地製造汽車用驅動軸，所以，在工業上獲得很大的效果。
文檔編號B21B17/02GK1744955SQ200480003328
公開日2006年3月8日 申請日期2004年1月28日 優先權日2003年1月31日
發明者黑田浩一, 奧井達也, 一入啟介 申請人:住友金屬工業株式會社