專利名稱：驅(qū)動(dòng)軸用無(wú)縫鋼管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及驅(qū)動(dòng)軸用無(wú)縫鋼管及其制造方法，更詳細(xì)地說(shuō)，涉及適合于汽車用驅(qū)動(dòng)軸的輕量化、并且疲勞強(qiáng)度優(yōu)異的作為中空構(gòu)件使用的無(wú)縫鋼管，以及高效率地制造無(wú)縫鋼管的方法。
背景技術(shù)：
最近，保護(hù)地球環(huán)境的必要性增高，其中，要求使汽車車身輕量化，進(jìn)一步有效地達(dá)到節(jié)能的效果。因此，從車身輕量化的觀點(diǎn)出發(fā)，嘗試將汽車用部件從實(shí)心材料替換成中空材料。在這種嘗試當(dāng)中，對(duì)于汽車的驅(qū)動(dòng)軸，一部分也開始采用中空構(gòu)件。
具體地說(shuō)，為了一面確保汽車用驅(qū)動(dòng)軸所要求的扭轉(zhuǎn)剛性，一面進(jìn)一步謀求輕量化，對(duì)于使構(gòu)件的中間部薄壁大直徑化，同時(shí)，將與等速聯(lián)軸節(jié)連結(jié)的兩個(gè)端部制成小直徑厚壁的、整體成形的驅(qū)動(dòng)軸的采用進(jìn)行了研究。為了用鋼管制造這種驅(qū)動(dòng)軸，通過(guò)在中空構(gòu)件的兩個(gè)端部施行冷減徑加工，使兩個(gè)軸端部減徑，同時(shí)，使壁厚增加，整體成形。
汽車用驅(qū)動(dòng)軸是將發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩傳遞給輪胎的重要的安全部件。因此，由于為了確保驅(qū)動(dòng)軸的疲勞強(qiáng)度，優(yōu)選提高其強(qiáng)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(guò)熱處理保持良好的疲勞強(qiáng)度，一面達(dá)到981Mpa以上的高強(qiáng)度。
通常，在前述冷減徑加工中，由于在加工時(shí)不使用限制鋼管內(nèi)表面的工具，所以，根據(jù)加工條件，在加工后的驅(qū)動(dòng)軸的內(nèi)表面上有時(shí)會(huì)發(fā)生皺褶。當(dāng)在驅(qū)動(dòng)軸上發(fā)生內(nèi)表面皺褶時(shí)，使疲勞強(qiáng)度顯著降低。因此，為了制造用于驅(qū)動(dòng)軸的中空構(gòu)件的鋼管，研究了將心棒或其它心鐵插入鋼管內(nèi)，反復(fù)進(jìn)行冷拔直到規(guī)定的尺寸的方法。
不過(guò)，在反復(fù)冷拔的方法中，可以將鋼管的內(nèi)表面加工成光滑的，精加工成規(guī)定的尺寸，但是，為了獲得平滑的內(nèi)表面，必須反復(fù)進(jìn)行多次拉拔加工和中間退火，存在著制造成本高的問(wèn)題。
為了解決上述問(wèn)題，在特許第2822849號(hào)公報(bào)中，提出了一種利用滿乃斯曼(Mannesmann)制管法，利用拉伸縮徑軋機(jī)，高效率地制造無(wú)縫鋼管，通過(guò)噴丸磨削等對(duì)該鋼管的內(nèi)表面進(jìn)行內(nèi)表面切削，制造驅(qū)動(dòng)軸等汽車用無(wú)縫鋼管的方法。根據(jù)這種制造方法，盡管增加了利用噴丸進(jìn)行的內(nèi)表面的磨削量，但是，通過(guò)比較少的內(nèi)表面切削，可以恰當(dāng)?shù)靥岣唑?qū)動(dòng)軸用中空構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度。
利用熱法制造無(wú)縫鋼管的滿乃斯曼制管法，由以下工序構(gòu)成將實(shí)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(jī)、交叉型穿孔軋鋼機(jī)，壓力穿軋機(jī)等穿孔軋機(jī)，在延伸軋制工序中，使用心軸軋機(jī)、心棒軋管機(jī)、阿塞爾(Assel)軋機(jī)等軋機(jī)，進(jìn)而，在定徑軋制工序中，使用拉伸縮徑軋機(jī)及定徑機(jī)等孔型軋機(jī)。
圖1是說(shuō)明以熱法制造無(wú)縫鋼管的滿乃斯曼制管法的制造工序的一個(gè)例子的圖示。該制造方法，將加熱到規(guī)定溫度的實(shí)心圓鋼坯1作為被軋制材料，將該圓鋼坯1進(jìn)給到穿孔軋機(jī)(所謂穿軋機(jī))3，在其軸心部開設(shè)穿孔，制造中空管坯2。然后將所制造的中空管坯2直接、或者根據(jù)需要通過(guò)與上述穿孔軋機(jī)具有相同結(jié)構(gòu)的延伸軋機(jī)進(jìn)行擴(kuò)徑，進(jìn)行薄壁化，之后，進(jìn)給到后續(xù)的延伸軋制裝置(心軸軋機(jī)4)進(jìn)行延伸軋制。
在用心軸軋機(jī)4進(jìn)行延伸軋制時(shí)，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(jìn)行拉伸的同時(shí)將其冷卻。因此，接著將通過(guò)了心軸軋機(jī)4的中空管坯2裝入再加熱爐5，再次加熱。然后，通過(guò)拉伸縮徑軋機(jī)6，經(jīng)過(guò)進(jìn)行磨管、形狀修正以及定徑的精整工序，制造成為制品的無(wú)縫鋼管。
在這種制管方法中，在穿孔軋機(jī)3、心軸軋機(jī)4及拉伸縮徑軋機(jī)6中，將中空管坯2壓下的軋輥，以被軋制材料行進(jìn)的軋制線為中心，對(duì)向地配置一組或者多組。
例如，在拉伸縮徑軋機(jī)6中，使由穿孔軋機(jī)3及心軸軋機(jī)4獲得的中空管坯2通過(guò)軋輥6r，進(jìn)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(jī)6，以與軋制線和軋機(jī)中心一致的方式設(shè)置，將中空管坯2壓下的一對(duì)軋輥，由以軋制線作為中心對(duì)向配置的3個(gè)軋輥6r構(gòu)成，這些軋輥6r配置在多組縱列上。在鄰接的軋機(jī)架之間，各個(gè)軋輥6r在相對(duì)于軋制線垂直的面內(nèi)，將壓下方向每隔60°錯(cuò)開地交叉配置。
但是，如上所述，在拉伸縮徑軋機(jī)中，由于不用心軸等內(nèi)表面限制工具，而是通過(guò)外徑減徑軋制進(jìn)行精加工，所以，在熱精加工的鋼管的內(nèi)表面上，容易發(fā)生豎條狀的皺褶。
在前述特許第2822849號(hào)公報(bào)中，通過(guò)將熱軋的無(wú)縫鋼管的內(nèi)表面切削加工20μm～500μm，除去在鋼管的表面發(fā)生的皺褶，以期提高疲勞強(qiáng)度。但是，這種利用噴丸進(jìn)行的內(nèi)表面的磨削，需要大量的處理時(shí)間。
具體地說(shuō)，作為驅(qū)動(dòng)軸用所采用的鋼管，以內(nèi)徑15mm～25mm左右的小直徑鋼管作為對(duì)象，為了對(duì)這些鋼的內(nèi)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(gè)小時(shí)的大量的處理時(shí)間。因此，在前述特許第2822849號(hào)公報(bào)中提出的制造方法中，存在著制造成本增高，同時(shí)，不能確保在工業(yè)上所必需的大量生產(chǎn)的性能的問(wèn)題。
進(jìn)而，由于在拉伸縮徑軋機(jī)中，是由3個(gè)軋輥構(gòu)成的外徑減徑軋制，所以，中空管坯相對(duì)于軋制線從3個(gè)方向接受壓下。因此，熱精加工的鋼管的內(nèi)表面形狀，不是正圓，而是變成有棱角的或者多角形化的圓，在其內(nèi)表面上形成凹凸的形狀。將這種內(nèi)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(qū)動(dòng)軸用鋼管，利用旋鍛機(jī)等，對(duì)兩個(gè)管端部施行冷減徑加工，精加工成外徑、壁厚沿長(zhǎng)度方向變化的產(chǎn)品形狀。伴隨著這種冷減徑加工，內(nèi)徑的減徑率為50～70％左右，當(dāng)內(nèi)表面上具有這種凹凸形狀的管材接受這種加工時(shí)，以該凹凸形狀作為起點(diǎn)，使更深的皺褶成長(zhǎng)。
通常，在利用中空構(gòu)件的驅(qū)動(dòng)軸中，通過(guò)淬火使之高強(qiáng)度化，但是，在高強(qiáng)度化的材料中，以內(nèi)表面皺褶作為起點(diǎn)的疲勞裂紋容易發(fā)展，疲勞強(qiáng)度的降低變得非常顯著。從而，在上述981MPa以上的高強(qiáng)度的構(gòu)件中，伴隨著高強(qiáng)度化，疲勞裂紋發(fā)生的應(yīng)力集中敏感性增高，內(nèi)表面的品質(zhì)問(wèn)題，大多顯露出來(lái)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于伴隨著現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)軸等汽車用無(wú)縫鋼管的制造中存在的問(wèn)題，其目的是，提供一種驅(qū)動(dòng)軸用無(wú)縫鋼管及其制造方法，所述無(wú)縫鋼管，通過(guò)對(duì)利用滿乃斯曼制管法熱精加工的鋼管進(jìn)行比較少的內(nèi)表面切削加工，以及在其后施行冷拔，其疲勞強(qiáng)度優(yōu)異，同時(shí)，最適合于車身的輕量化。
本發(fā)明人等，為了解決上述課題，進(jìn)行了各種研究，結(jié)果，明確地確定了，在前述冷減徑加工中的皺褶的成長(zhǎng)、發(fā)展，并不一定依賴于存在在熱軋后的鋼管中的皺褶的深度，以及，作為最終制品的驅(qū)動(dòng)軸的疲勞壽命，只依賴于冷減徑加工前的鋼管內(nèi)表面的皺褶深度。下面，說(shuō)明本發(fā)明人等搞清楚的見解。
由于驅(qū)動(dòng)軸是將汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩傳遞給輪胎的重要安全部件，所以，希望不會(huì)發(fā)生能夠成為疲勞破壞起點(diǎn)的表面皺疤。由該中空構(gòu)件精加工成最終制品形狀的工序，在構(gòu)件鋼管的兩端施行冷減徑加工，整體成形驅(qū)動(dòng)軸。
但是，隨著該冷減徑加工，有時(shí)，以垂直于鋼管的長(zhǎng)度方向的截面的內(nèi)表面形成的凹凸形狀，發(fā)生并發(fā)展內(nèi)表面皺褶。從而，作為驅(qū)動(dòng)軸使用的中空構(gòu)件的性能，有必要在施行冷減徑加工、精加工成最終制品的階段進(jìn)行評(píng)價(jià)。
從上述觀點(diǎn)出發(fā)，在前述特許第2822849號(hào)公報(bào)中提出的制造方法中，由于在冷減徑加工前的熱精加工鋼管中，即，在作為驅(qū)動(dòng)軸的半成品的階段，采用除去內(nèi)表面皺褶的方法，所以，只會(huì)導(dǎo)致制造成本的增大和生產(chǎn)率的降低。
換句話說(shuō)，與其簡(jiǎn)單地著眼于改善冷減徑加工前的驅(qū)動(dòng)軸用鋼管的皺褶深度，倒不如通過(guò)搞清楚可以抑制在其后的冷減徑加工中成長(zhǎng)的內(nèi)表面皺褶的進(jìn)展的鋼管的內(nèi)表面品質(zhì)，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(zhǎng)時(shí)間的內(nèi)表面磨削加工，能夠以低制造成本高效率地確保規(guī)定的疲勞強(qiáng)度。
圖2是概括地說(shuō)明在傳遞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩時(shí)，作用到驅(qū)動(dòng)軸的內(nèi)表面及外表面上的剪切應(yīng)力的分布的圖示。如可以從圖2所示的剪切應(yīng)力分布看出的，與在內(nèi)表面上相比，在驅(qū)動(dòng)軸的外表面上，作用更大的剪切應(yīng)力。
從而，在驅(qū)動(dòng)軸的內(nèi)表面上完全沒(méi)有皺褶的狀態(tài)下，在內(nèi)表面上疲勞極限剪切應(yīng)力十分大的情況下，疲勞裂紋從作用有比內(nèi)表面更大的剪切應(yīng)力的外表面?zhèn)劝l(fā)生并成長(zhǎng)。
但是，當(dāng)內(nèi)表面存在皺疤時(shí)，由于龜裂以該皺褶作為起點(diǎn)發(fā)展，所以，有時(shí)即使所作用的剪切應(yīng)力小，也從內(nèi)表面?zhèn)劝l(fā)生疲勞裂紋。
換句話說(shuō)，在內(nèi)表面上存在皺褶的情況下，如果能夠以內(nèi)表面?zhèn)鹊钠跇O限剪切應(yīng)力超過(guò)在外表面?zhèn)纫?guī)定的剪切應(yīng)力的方式控制內(nèi)表面?zhèn)劝l(fā)生的皺褶的話，在冷減徑加工中發(fā)生、成長(zhǎng)的皺褶，作為結(jié)果，不會(huì)對(duì)制品的疲勞壽命產(chǎn)生影響，在實(shí)際應(yīng)用上，沒(méi)有問(wèn)題。
本發(fā)明，基于上述見解，進(jìn)行研究，進(jìn)一步弄清楚了整體成形的驅(qū)動(dòng)軸可以確保充分的疲勞特性的條件，完成了可以高效率地制造該中空構(gòu)件的方法，本發(fā)明，以下述(1)、(2)的驅(qū)動(dòng)軸用無(wú)縫鋼管、以及(3)的驅(qū)動(dòng)軸用無(wú)縫鋼管的制造方法作為要點(diǎn)。
(1)一種驅(qū)動(dòng)軸用無(wú)縫鋼管，其特征在于，垂直于鋼管的長(zhǎng)度方向的截面上的、形成內(nèi)表面的凹凸形狀，直到凹部的底部的深度(d)為100μm以下，并且，鋼管的內(nèi)表面的表面粗糙度以中心線平均粗糙度(Ra)計(jì)為1～4μm，在所述鋼管中，當(dāng)前述直到凹部的底部的深度(d)為50μm以上時(shí)，其凹部的入口寬度為0.5d以上。
(2)一種驅(qū)動(dòng)軸用無(wú)縫鋼管，其特征在于，垂直于鋼管的長(zhǎng)度方向的截面上的、形成內(nèi)表面的凹凸形狀，直到凹部的底部的深度(d)為100μm以下，并且，在鋼管的內(nèi)表面層500μm處的硬度，以維氏硬度(Hv)計(jì)，為200以下，在所述鋼管中，當(dāng)前述直到凹部的底部的深度(d)為50μm以上時(shí)，其凹部的入口寬度為0.5d以上。
(3)一種驅(qū)動(dòng)軸用無(wú)縫鋼管的制造方法，其特征在于，在利用滿乃斯曼制管法熱加工無(wú)縫鋼管時(shí)，令延伸軋制后的再加熱條件為800～1050℃，在以定徑軋制中的最大孔型橢圓率(長(zhǎng)半徑/短半徑)為1.1以下的條件軋制、熱精加工之后，對(duì)前述熱精加工后的鋼管用噴砂施行內(nèi)表面磨削，接著，進(jìn)行冷拔。
在上述(1)及(2)的驅(qū)動(dòng)軸用無(wú)縫鋼管中，在直到凹部的底部的深度d不足50μm的情況下，不管是什么樣的凹部入口寬度w，冷減徑加工后，作為驅(qū)動(dòng)軸都可以確保必要的疲勞強(qiáng)度。
因此，在直到凹部的底部的深度d不足50μm的情況下，對(duì)其凹部的入口寬度w沒(méi)有限制。
在本發(fā)明中，所謂“形成內(nèi)表面的凹凸形狀”，是表示作為驅(qū)動(dòng)軸用無(wú)縫鋼管，冷減徑加工前的內(nèi)表面質(zhì)量狀態(tài)。更詳細(xì)地說(shuō)，表示起因于熱精加工的鋼管的棱角及多角形化、或者豎條狀的內(nèi)表面皺褶的發(fā)生，受到在其后的內(nèi)表面磨削以及冷拔的影響的內(nèi)表面皺褶等的發(fā)生狀況。從而，在下面的說(shuō)明中，有時(shí)同時(shí)使用“凹凸形狀”及“內(nèi)表面皺褶”的表達(dá)方式。


圖1是說(shuō)明利用熱法制造無(wú)縫鋼管的滿乃斯曼制管法的制造工藝的一個(gè)例子的圖示。
圖2是概括地說(shuō)明在傳遞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩時(shí)，作用到驅(qū)動(dòng)軸的內(nèi)表面及外表面上的剪切應(yīng)力的分布的圖示。
圖3是作為形成在垂直于鋼管的長(zhǎng)度方向的截面上的內(nèi)表面上的凹凸形狀、表示發(fā)生在鋼管的內(nèi)表面上的條狀皺褶及棱角的狀況的圖示。
圖4是表示拉伸縮徑軋機(jī)的軋輥中的孔型形狀的圖示。
圖5是表示在實(shí)施例中使用的疲勞特性的評(píng)價(jià)試驗(yàn)片的圖示。
具體實(shí)施例方式
在本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)軸用無(wú)縫鋼管中，其特征在于，為了使驅(qū)動(dòng)軸能夠發(fā)揮優(yōu)異的疲勞強(qiáng)度，在形成內(nèi)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(guī)定的范圍之內(nèi)，而且，通盤觀察整個(gè)鋼管的內(nèi)表面，將其中最大的凹凸形狀，控制在規(guī)定的范圍之內(nèi)。
圖3是作為垂直于鋼管的長(zhǎng)度方向的截面上的、形成內(nèi)表面的凹凸形狀，表示在鋼管內(nèi)表面上發(fā)生的條狀皺褶及棱角的狀況的圖示，(a)表示凹部的入口寬度窄時(shí)的情況，(b)表示凹部的入口寬度寬時(shí)的情況。在本發(fā)明中，為了識(shí)別部分地分散在鋼管截面的內(nèi)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(guī)定為d，將其入口的寬度規(guī)定為w。
并且，為了確保疲勞強(qiáng)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，由于不管凹部的入口寬度w如何，冷減徑加工之后，作為驅(qū)動(dòng)軸都可以確保必要的疲勞強(qiáng)度，所以，不限制該凹部的入口寬度w。
進(jìn)而，在本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)軸用無(wú)縫鋼管中，有必要在規(guī)定的距離的范圍內(nèi)，測(cè)定鋼管的內(nèi)表面的凹凸形狀，將平均的凹凸形狀水平指標(biāo)控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。即，將鋼管內(nèi)表面的表面粗糙度以中心線平均粗糙度Ra計(jì)，控制在1～4μm。這里所說(shuō)的中心線平均粗糙度Ra，是在JIS B0601中規(guī)定的。
如前面所述，由于在用拉伸縮徑軋機(jī)進(jìn)行的外徑縮徑軋制中，中空管坯相對(duì)于軋制線從3個(gè)方向接受由軋輥進(jìn)行的壓下，不利用內(nèi)表面限制工具，所以，發(fā)生多個(gè)條狀皺褶及棱角，然后，通過(guò)施行拉拔加工，可以改進(jìn)條狀皺褶以及棱角，同時(shí)，將內(nèi)外表面整體平滑化。
根據(jù)本發(fā)明者等人的研究，在拉伸縮徑軋機(jī)軋制后保持不動(dòng)的熱精加工鋼管中，其中心線平均粗糙度Ra充其量不過(guò)5～10μm，但是，通過(guò)冷拔，中心線平均粗糙度Ra被平滑到1～4μm，借此，獲得疲勞壽命顯著改善的效果。因此，本發(fā)明的鋼管的內(nèi)表面的表面粗糙度，以中心線平均粗糙度Ra計(jì)，有必要為1～4μm。
如上所述，在形成鋼管的內(nèi)表面的凹凸形狀中，通過(guò)將大的凹凸控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，同時(shí)，將鋼管的內(nèi)表面的凹凸形狀的平均水平指標(biāo)控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，將它們的作用相結(jié)合，充分抑制最終階段的冷減徑加工的皺褶深度的進(jìn)展，可以提高疲勞強(qiáng)度。
冷減徑加工量，根據(jù)驅(qū)動(dòng)軸制品的形狀決定，但是，一般地，將外徑縮徑率設(shè)定在30％左右，將內(nèi)徑縮徑率設(shè)定在60％左右。在以這種冷減徑加工量作為對(duì)象的情況下，由于本發(fā)明的鋼管規(guī)定的內(nèi)表面的凹凸形狀及內(nèi)表面的表面粗糙度的條件，使疲勞強(qiáng)度提高，所以發(fā)揮顯著的效果。
在本發(fā)明的另外的驅(qū)動(dòng)軸用無(wú)縫鋼管中，為了確保驅(qū)動(dòng)軸的優(yōu)異的疲勞強(qiáng)度，在形成鋼管的內(nèi)表面的凹凸形狀中，通過(guò)將大的凹凸形狀控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，同時(shí)，令鋼管的內(nèi)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(fā)揮優(yōu)異的效果。
在這種情況下，所謂在鋼管的內(nèi)表面層500μm處的硬度，是指在從垂直于鋼管的長(zhǎng)度方向的截面上的內(nèi)表面?zhèn)绕穑虮诤穹较虻木嚯x為100μm、200μm、300μm、400μm以及500μm的各點(diǎn)上測(cè)定的硬度的平均值。
研究了硬度分布對(duì)內(nèi)表面?zhèn)鹊陌欛薨l(fā)生的影響的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)，即使外表面?zhèn)鹊挠捕壬杂凶兓?，?duì)內(nèi)表面?zhèn)鹊陌欛薜陌l(fā)生也沒(méi)有直接的影響。另外，在內(nèi)表面?zhèn)鹊膸讉€(gè)μm～幾十μm的最表層附近，由于在冷拔時(shí)由內(nèi)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(shí)硬度稍稍增高。但是，如果用維氏硬度測(cè)定上述鋼管的內(nèi)表面層500μm處的硬度并整理其結(jié)果的話，即得到與皺褶的進(jìn)展的關(guān)聯(lián)。
在本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)軸用無(wú)縫鋼管中，作為對(duì)象的鋼的種類的化學(xué)組成沒(méi)有特別的規(guī)定，但是，作為適合于驅(qū)動(dòng)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％，余量為P、S等雜質(zhì)以及Fe構(gòu)成的組成。
進(jìn)而，為了改進(jìn)疲勞強(qiáng)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(fā)明的驅(qū)動(dòng)軸用鋼管的制造方法的一個(gè)例子，如前述圖1所示，可以列舉出利用心軸軋機(jī)以及拉伸縮徑軋機(jī)的滿乃斯曼制管法。
具體地說(shuō)，在熱法制造無(wú)縫鋼管時(shí)，令利用心軸軋機(jī)軋制后的再加熱條件為800～1050℃，令拉伸縮徑軋機(jī)中的軋制溫度為足夠的高溫，以期達(dá)到均勻化。借此，恰當(dāng)?shù)靥岣咄ㄟ^(guò)拉伸縮徑軋機(jī)軋制的鋼管的內(nèi)表面的圓度，可以有效地抑制軋制過(guò)程中的內(nèi)表面的多角化的發(fā)生。
圖4是表示在拉伸縮徑軋機(jī)的軋輥中的孔型的形狀的圖示。如前面所述，設(shè)置在拉伸縮徑軋機(jī)上的軋制機(jī)架，由3個(gè)軋輥6r構(gòu)成。通常，軋輥6r上的孔型的形狀，用以輥孔型的長(zhǎng)半徑ra/短半徑rb之比表示的最大空隙橢圓率控制。
在本發(fā)明的制造方法中，在用拉伸縮徑軋機(jī)軋制高溫并且均勻地再加熱后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(guò)規(guī)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(jī)軋制后的鋼管的內(nèi)表面上的圓度，可以有效地抑制內(nèi)表面的多角化。在本發(fā)明的制造方法中，如前面所述，磨削已提高了圓度的熱精加工鋼管的內(nèi)表面，然后，利用冷拔提高內(nèi)表面的平滑度，從而高效率地制成疲勞強(qiáng)度優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)軸用鋼管的內(nèi)表面質(zhì)量。
即，在將熱精加工的鋼管的內(nèi)表面用噴砂磨削后，利用冷拔使內(nèi)表面平滑化，所以，可以比較簡(jiǎn)單容易地進(jìn)行利用噴砂的前期切削處理，可以以短時(shí)間的處理和很少的切削量達(dá)到目的。例如，如后面所述的實(shí)施例所示，在本發(fā)明中，以10分鐘左右的磨削時(shí)間，并且磨削量能夠確保20μm～30μm的話，就可以應(yīng)用。
另外，在冷拔中，由于使心棒的內(nèi)表面限制工具與鋼管內(nèi)表面接觸，精整內(nèi)表面，所以，不僅可以縮小外表面的粗糙度，而且可以縮小內(nèi)表面的粗糙度。只通過(guò)熱精加工鋼管的磨削加工，就可以使內(nèi)表面的表面粗糙度以中心線表面粗糙度Ra計(jì)達(dá)到5～10μm左右，而通過(guò)施行冷拔加工，可以平滑到1～4μm。
下面根據(jù)實(shí)施例1～3具體說(shuō)明本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)軸用鋼管及其制造方法。
(實(shí)施例1)對(duì)熱精加工后冷拔的鋼管，或者熱精加工后原封不動(dòng)的鋼管，施行冷減徑加工，通過(guò)研究扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度，施行制品的評(píng)價(jià)試驗(yàn)。試驗(yàn)用材料的化學(xué)組成為，以質(zhì)量％計(jì)，C0.40％、Si0.28％、Mn1.07％、Cr0.14％、Ti0.032％以及B0.0014％，余量為Fe。
首先，對(duì)圓鋼坯進(jìn)行穿孔軋制后，利用心軸軋機(jī)施行延伸軋制，在900℃的條件下進(jìn)行再加熱，用拉伸縮徑軋機(jī)將外徑減徑軋制，制造了外徑51mm、內(nèi)徑35mm、壁厚8mm的熱精加工鋼管。然后，改變磨削時(shí)間，在各種條件下，通過(guò)噴砂施行內(nèi)表面磨削。
其次，對(duì)內(nèi)表面磨削后的鋼管施行酸洗、潤(rùn)滑處理，利用圓筒心棒進(jìn)行冷拔后，施行700℃×20分鐘的退火處理，制造了外徑45mm、內(nèi)徑31mm、壁厚7mm的驅(qū)動(dòng)軸用鋼管。
進(jìn)而，作為比較例，為了確認(rèn)有無(wú)冷拔所產(chǎn)生的影響，利用拉伸縮徑軋機(jī)，制造外徑45mm、內(nèi)徑31mm、壁厚7mm的熱精加工的鋼管，和上面所述同樣，施行內(nèi)表面磨削，制造驅(qū)動(dòng)軸用鋼管。
其次，將供試驗(yàn)用的各個(gè)驅(qū)動(dòng)軸用鋼管，切斷成500mm，從切斷的鋼管的兩個(gè)管端，分別取一個(gè)顯微觀察用的試樣，顯微觀察在垂直于鋼管的長(zhǎng)度方向的截面上的內(nèi)表面上顯示出來(lái)的凹凸形狀。
在這種顯微觀察中，測(cè)定直到存在于垂直截面上的凹部的底部的最大深度dmax，同時(shí)，測(cè)定d為50μm以上的凹部的深度d和入口寬度w，研究w/d。進(jìn)而，施行所獲得的各個(gè)驅(qū)動(dòng)軸用鋼管的內(nèi)表面的表面粗糙度Ra的測(cè)定。
進(jìn)而，對(duì)于供試驗(yàn)用的驅(qū)動(dòng)軸用鋼管，施行約30％的冷減徑加工，評(píng)價(jià)作為最終制品的驅(qū)動(dòng)軸使用時(shí)的疲勞壽命。這里的評(píng)價(jià)尺寸為，外徑32mm、內(nèi)徑14mm、壁厚9mm，冷減徑加工的內(nèi)徑縮徑率約為55％。由于供試驗(yàn)用的驅(qū)動(dòng)軸用鋼管的內(nèi)表面的品質(zhì)的不同，冷減徑加工的皺褶成長(zhǎng)狀況也不同，將它們作為疲勞試驗(yàn)的結(jié)果。
如圖5所示，疲勞特性試驗(yàn)片7，在外表面上，在試驗(yàn)片中央部切削形成適當(dāng)長(zhǎng)度范圍平行的試驗(yàn)部7a，在其兩端側(cè)形成夾持部7b。將圖5所示形狀的各個(gè)試驗(yàn)片7進(jìn)行淬火、回火后，將其負(fù)荷轉(zhuǎn)矩進(jìn)行各種改變，進(jìn)行扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)。
以上的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)結(jié)果示于表1。這里，在熱精加工后進(jìn)行冷拔的鋼管，以及熱精加工后保持不變的鋼管中，將供驅(qū)動(dòng)軸用鋼管試驗(yàn)的鋼管，作為試驗(yàn)用鋼管。
表1

注)表中的帶有*的部分，表示在本發(fā)明的規(guī)定范圍之外。
如下所述的鋼管在冷減徑加工后的疲勞試驗(yàn)中，扭轉(zhuǎn)負(fù)荷轉(zhuǎn)矩變成高的數(shù)值，所述鋼管為形成垂直于鋼管長(zhǎng)度方向的截面上的內(nèi)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(nèi)表面的表面粗糙度，以中心線平均粗糙度Ra計(jì)為1～4μm。
這里，中心線平均粗糙度Ra，是將鋼管沿軸向方向?qū)﹂_，即，豎著切開，用表面粗糙度計(jì)沿軸向方向測(cè)定內(nèi)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(huì)發(fā)生以內(nèi)表面?zhèn)茸鳛槠瘘c(diǎn)的破壞(試樣No.9)如上所述，在實(shí)施例1中，通過(guò)對(duì)熱精加工的鋼管進(jìn)行冷拔，促進(jìn)表面粗糙度Ra的改善，將凹凸形狀的控制和鋼管內(nèi)表面的平滑化相結(jié)合，驅(qū)動(dòng)軸用鋼管的疲勞特性被顯著改善。
(實(shí)施例2)在施行和實(shí)施例1同樣的熱工藝和磨削處理之后，進(jìn)行冷拔，制造驅(qū)動(dòng)軸用鋼管。對(duì)供試驗(yàn)的驅(qū)動(dòng)軸用鋼管施行約38％的冷減徑加工，評(píng)價(jià)作為最終制品的驅(qū)動(dòng)軸使用的情況下的疲勞壽命。
這里的評(píng)價(jià)尺寸為，外徑28mm、內(nèi)徑9mm、壁厚9.5mm。冷減徑加工的內(nèi)徑縮徑率約71％，用比實(shí)施例1更嚴(yán)格的條件評(píng)價(jià)疲勞特性。
在評(píng)價(jià)時(shí)，和實(shí)施例1同樣，制造顯微觀察用試樣，調(diào)查dmax以及w/d，同時(shí)，測(cè)定在鋼管內(nèi)表面層500μm處的維氏硬度Hv。
其中，令冷減徑加工前的熱處理?xiàng)l件為均勻加熱到780～790℃，通過(guò)調(diào)整其后的徐冷時(shí)間，調(diào)整鋼管的內(nèi)表面層500μm處的硬度。各種試驗(yàn)條件和試驗(yàn)結(jié)果示于表2。
表2

注)表中的帶有*的部分，表示在本發(fā)明的規(guī)定范圍之外。
從表2的結(jié)果可以看出，在以下所述的鋼管中，如果在材料內(nèi)表面層的硬度，維氏硬度Hv≤200的話，則疲勞強(qiáng)度提高，其中所述鋼管為形成垂直于鋼管長(zhǎng)度方向的截面上的內(nèi)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)。
并且，確認(rèn)了如果能夠進(jìn)而確保Hv≤180的話，則疲勞特性能夠進(jìn)一步提高。
(實(shí)施例3)對(duì)于本發(fā)明的制造條件進(jìn)行了確認(rèn)。供試驗(yàn)材料的化學(xué)組成為，以質(zhì)量％計(jì)，含有C0.45％、Si0.23％、Mn0.76％以及Cr0.16％，余量為Fe。
如前述圖1所示，利用滿乃斯曼值制管法，對(duì)圓鋼坯進(jìn)行穿孔軋制后，以心軸軋機(jī)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(lái)的拉伸縮徑軋機(jī)中，利用20組3輥軋制機(jī)架軋制再加熱后的中空管坯。在進(jìn)行這種軋制時(shí)，不用心棒或其它心軸，用多組軋輥組進(jìn)行軋制。
對(duì)于利用拉伸縮徑軋機(jī)進(jìn)行了熱精加工的鋼管，利用噴砂進(jìn)行內(nèi)表面磨削之后，施行酸洗、潤(rùn)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，制造外徑45mm、內(nèi)徑31mm、壁厚7mm的驅(qū)動(dòng)軸用鋼管。
另外，和實(shí)施例1同樣，為了調(diào)查由制造工藝的不同引起的疲勞特性的不同，作為確認(rèn)冷拔的有無(wú)造成的影響的比較例，用拉伸縮徑軋機(jī)軋制制造了外徑45mm、內(nèi)徑31mm、壁厚7mm的熱精加工鋼管，施行內(nèi)表面磨削，接著進(jìn)行700℃×20分鐘退火處理，制造驅(qū)動(dòng)軸用鋼管。
借此，作為冷減徑加工前的驅(qū)動(dòng)軸用鋼管的硬度，在內(nèi)表面層500μm處，精加工成Hv193～196。
進(jìn)而，利用和實(shí)施例1同樣的條件，對(duì)供試驗(yàn)用的驅(qū)動(dòng)軸用鋼管施行約30％的外徑減徑加工后，最終進(jìn)行淬火處理，評(píng)價(jià)作為最終制品的驅(qū)動(dòng)軸用時(shí)的疲勞壽命。這里的評(píng)價(jià)尺寸為，外徑32mm、內(nèi)徑14mm、壁厚9mm。
表3中表示內(nèi)表面的凹凸?fàn)顩r、表面粗糙度、冷拔的有無(wú)、以及對(duì)應(yīng)于利用噴砂進(jìn)行的內(nèi)表面磨削時(shí)間的疲勞壽命的評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果。
表3

注)表中的帶有*的部分，表示在本發(fā)明的規(guī)定范圍之外。
如從表3的結(jié)果可以看出的，如果是在本發(fā)明規(guī)定的條件下制造的驅(qū)動(dòng)軸用鋼管的話，內(nèi)表面磨削無(wú)需很長(zhǎng)的時(shí)間，可以確保優(yōu)異的疲勞強(qiáng)度。
另外，對(duì)于磨削量，因鋼管的內(nèi)徑尺寸而變動(dòng)，但是確認(rèn)了，如果能夠確保在壁厚方向20μm～30μm的話，就足夠了。然后，如果進(jìn)行冷拔的話，由于通過(guò)冷拔，鋼管的內(nèi)表面平滑化，所以，可以高效率地獲得疲勞強(qiáng)度優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)軸用中空構(gòu)件。
工業(yè)上的利用可能性根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)軸用無(wú)縫鋼管，通過(guò)對(duì)利用滿乃斯曼制管法熱精加工的鋼管施行簡(jiǎn)單的內(nèi)表面切削加工以及之后的冷拔，規(guī)定形成鋼管的內(nèi)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(guò)規(guī)定凹凸形狀的凹部深度d、內(nèi)表面層的維氏硬度Hv、凹部入口寬度w，可以制造疲勞強(qiáng)度優(yōu)異、并且最適合于車身輕量化的驅(qū)動(dòng)軸用的中空構(gòu)件。從而，通過(guò)應(yīng)用本發(fā)明的制造方法，可以以低廉的制造成本高效率地制造汽車用驅(qū)動(dòng)軸，所以，在工業(yè)上獲得很大的效果。
權(quán)利要求
1.一種驅(qū)動(dòng)軸用無(wú)縫鋼管，其特征在于，垂直于鋼管的長(zhǎng)度方向的截面上的、形成內(nèi)表面的凹凸形狀，直到凹部的底部的深度(d)為100μm以下，并且，鋼管的內(nèi)表面的表面粗糙度以中心線平均粗糙度(Ra)計(jì)為1～4μm，在所述鋼管中，當(dāng)前述直到凹部的底部的深度(d)為50μm以上時(shí)，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(méi)有限制。
2.一種驅(qū)動(dòng)軸用無(wú)縫鋼管，其特征在于，垂直于鋼管的長(zhǎng)度方向的截面上的、形成內(nèi)表面的凹凸形狀，直到凹部的底部的深度(d)為100μm以下，并且，在鋼管的內(nèi)表面層500μm處的硬度，以維氏硬度(Hv)計(jì)，為200以下，在所述鋼管中，當(dāng)前述直到凹部的底部的深度(d)為50μm以上時(shí)，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(méi)有限制。
3.一種驅(qū)動(dòng)軸用無(wú)縫鋼管的制造方法，其特征在于，在利用滿乃斯曼制管法熱加工無(wú)縫鋼管時(shí)，令延伸軋制后的再加熱條件為800～1050℃，在以定徑軋制中的最大孔型橢圓率(長(zhǎng)半徑/短半徑)為1.1以下的條件軋制、熱精加工之后，對(duì)前述熱精加工后的鋼管用噴砂施行內(nèi)表面磨削，接著，進(jìn)行冷拔。
4.如權(quán)利要求3所述的驅(qū)動(dòng)軸用無(wú)縫鋼管的制造方法，其特征在于，在內(nèi)表面磨削中，至少確保20μm的磨削量，其次，通過(guò)進(jìn)行冷拔，將鋼管內(nèi)表面的表面粗糙度變成為，以中心線平均粗糙度(Ra)計(jì)1～4μm。
全文摘要
通過(guò)對(duì)利用滿乃斯曼制管法熱精加工的鋼管施行簡(jiǎn)單的內(nèi)表面切削及其后的冷拔，規(guī)定形成鋼管內(nèi)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(guī)定凹凸形狀的凹部深度(d)、內(nèi)表面層的維氏硬度(Hv)、凹部入口寬度(w)，可以制造疲勞強(qiáng)度優(yōu)異、并且最適合于車身輕量化的驅(qū)動(dòng)軸用的中空構(gòu)件。從而，可以以低廉的制造成本高效率地制造汽車用驅(qū)動(dòng)軸，所以，在工業(yè)上獲得很大的效果。
文檔編號(hào)B21B17/02GK1744955SQ200480003328
公開日2006年3月8日 申請(qǐng)日期2004年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月31日
發(fā)明者黑田浩一, 奧井達(dá)也, 一入啟介 申請(qǐng)人:住友金屬工業(yè)株式會(huì)社