JP2008087003A - 摩擦圧接部材 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦圧接後の疲労強度が圧接前の鋼管単体の疲労強度とほぼ同等であり優れた疲労特性を有する摩擦圧接部材を提供する。
【解決手段】摩擦圧接部材Ａは、鋼管の両端にスタブを摩擦圧接して形成される摩擦圧接部材であって、摩擦圧接前の鋼管は焼きならし処理を施した鋼管Ｐ_１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼管とスタブとを摩擦圧接して形成した摩擦圧接部材に関する。

自動車の駆動力を車輪に伝達するためのプロペラシャフトやドライブシャフトのシャフトには、軽量化による燃費向上を目的として、鋼管とスタブとを摩擦圧接した摩擦圧接部材が使用されている。

このような摩擦圧接部材には、従来から寸法精度が必要なために冷間引き抜きを行った後、歪や残留応力を開放するためにＡｃ_１変態温度以下で焼き鈍し処理された鋼管を用いるのが一般的であった。しかしながら、冷間引き抜き後焼き鈍し処理を施した鋼管とスタブとを摩擦圧接すると疲労強度が安定せず、狙いとする摩擦圧接部材の強度が得られないという問題があった。そのため、一定の強度を得るためには摩擦圧接後に熱処理を実施する（特許文献１参照）か、低下代を考慮して強度設計する必要があった。

しかし、摩擦圧接後に熱処理を施して所望の強度を保証することは、製造コストを増大させるとともに生産性を低下させるので適当ではない。また、摩擦圧接条件によって低下代は変化するため、低下代を考慮して強度設計することは現実的ではなく、摩擦圧接部材の品質保証が困難である。このため、摩擦圧接しても強度が低下しない摩擦圧接部材の開発が望まれていた。
特開平１０−２６７０２７号公報

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、摩擦圧接後の疲労強度が圧接前の鋼管単体の疲労強度とほぼ同等である優れた疲労特性を有する摩擦圧接部材を提供することを課題とする。

本発明の摩擦圧接部材は、鋼管の端部にスタブを摩擦圧接して形成される摩擦圧接部材であって、摩擦圧接前の鋼管は焼きならし処理を施した鋼管であることを特徴とする。

本発明の摩擦圧接部材は、焼きならし処理した鋼管を用いてスタブと摩擦圧接さてるので、接合部における疲労強度の低下を抑制することができ、摩擦圧接部材の疲労強度を鋼管単体の疲労強度とほぼ同等に維持することができる。このため、摩擦圧接後さらに強度を向上させるために熱処理を施さなくてもよい。また、摩擦圧接部材の疲労強度が鋼管単体の疲労強度とほぼ同等となるため、鋼管単体の強度で摩擦圧接部材の品質を保証できる。

本発明の摩擦圧接部材において、焼きならし処理を施された鋼管の金属組織はパーライト組織を主体とすることが望ましい。パーライト組織は比較的焼入れ性が良好なので摩擦圧接部材の接合部近傍に生じる引張残留応力を低減することができる。

また、本発明の摩擦圧接部材において、鋼管は、質量比でＣ：０．３〜０．５％、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．５〜２％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる合金鋼としてもよい。鋼管に強度の高い合金鋼を用いることで摩擦圧接部材をさらに軽量化できる。

本発明の摩擦圧接部材は、摩擦圧接後に疲労強度低下を生じないので、鋼管単体の疲労強度が保証されていれば摩擦圧接部材の疲労強度を保証することができる。従って、摩擦圧接部材の品質保証が容易となる。

また、鋼管単体で疲労強度が保証できるので、摩擦圧接部材に疲労強度を向上させる熱処理を施す必要がない。このため、圧接後に大気中で放冷させるだけで所望の疲労強度を有する摩擦圧接部材を得ることができ、製造が簡便で生産性を飛躍的に向上することができる。

本発明者らは、同一材質で同一形状の鋼管では、熱処理により疲労特性に差はないが、鋼管をスタブに摩擦圧接して摩擦圧接部材とした場合には、鋼管の熱処理（前処理）によりその疲労特性に差異の生じることを見出した。図１ａは、前処理が焼きならし（焼準ともいう）処理である鋼管Ｐ１（実線）とそれを用いた摩擦圧接部材Ａ（破線）との捻り疲労特性を比較した概念図であり、図１ｂは前処理が焼き鈍し処理である鋼管Ｐ２（実線）とそれを用いた摩擦圧接部材Ｂ（破線）との捻り疲労特性を比較した概念図である。

図１ａの鋼管Ｐ１では鋼管単体の疲労特性と摩擦圧接部材Ａの疲労特性とはほぼ一致しており、摩擦圧接しても疲労特性に変化はない。ところが、図１ｂの鋼管Ｐ２では、鋼管単体の疲労特性と摩擦圧接部材Ｂの疲労特性とは異なり、摩擦圧接することで疲労特性は低下する。

これは、焼きならし処理を施した本発明の鋼管Ｐ１と焼き鈍し処理を施した従来の鋼管Ｐ２とでは熱処理温度によりその金属組織が異なるためであると考えられる。

鋼管とスタブとを摩擦圧接した場合には、それらの接合部と接合部近傍の熱影響部（以後、単に接合部という）の金属組織は、摩擦圧接時の発熱により一旦はオーステナイト組織となる。そして、このオーステナイト組織は接合後周辺の一般部に熱を奪われ、急冷されて最終的にマルテンサイト組織やパーライト組織に変態する。すなわち、接合部は冷却に伴って体積収縮し、さらに冷却が進んでマルテンサイト変態が開始すると変態の進行につれて体積膨張する。この時、接合部に隣接する鋼管の一般部には接合部の体積収縮時に圧縮応力が、また、接合部の体積膨張時には引張応力が発生し、この圧縮応力と引張応力とを加算した応力が残留応力となって摩擦圧接部材の接合部に隣接する鋼管の一般部に残留することになる。

冷却中の接合部に生じる応力の冷却時間による変化を図２に概念的に示す。図２の実線は焼きならし処理を施した鋼管Ｐ１を用いた本発明の摩擦圧接部材であり、破線は焼き鈍し処理を施した鋼管Ｐ２を用いた従来の摩擦圧接部材である。なお、縦軸は応力であり、引張応力をプラス、圧縮応力をマイナスで示してある。

鋼管Ｐ１は前処理として全体をオーステナイト１相とした後空冷する焼きならし処理が施されているので、全体的にパーライトを主体とする組織になっている。このため、接合部は摩擦圧接時の発熱により再度オーステナイト組織となるが、放冷されてマルテンサイト変態が生じるｔ２点までは冷却による体積収縮を生じる。つまり、この間では接合部に隣接する鋼管の一般部に圧縮応力σ１が発生するわけである。その後マルテンサイト変態が終了するｔ４までは変態の進行に伴って接合部が体積膨張するので一般部に引張応力が発生して圧縮応力σ１を打ち消し且つ引張応力σ４が残存する。その後常温となるｔ５までは冷却とともに体積収縮するので引張応力は低減して、接合部には最終的に引張応力σ５が残留することになる。

一方、破線で示す鋼管Ｐ２は、Ａ１線（共析線：７２３℃）未満の所定の温度で焼き鈍しされているので、その金属組織は多くの球状セメンタイトを含む軟化組織となっている。一般に球状セメンタイト組織は、パーライト組織と比べて加熱時のセメンタイトの固溶が遅く、摩擦圧接のような短時間の加熱では焼入れ性が低くなる傾向にあり、摩擦圧接後の冷却途中ｔ１で接合部と一般部との境界にパーライト変態Ｐを生じやすい。オーステナイト組織とパーライト組織とではパーライト組織の方が熱収縮が小さいために、マルテンサイト変態が発生するｔ３点までに生じる一般部の圧縮応力は前記の鋼管Ｐ１を用いた摩擦圧接部材よりも小さいσ２となる。その後の境界部以外の接合部のマルテンサイト変態の進行による膨張と常温までの冷却による収縮とは前記の摩擦圧接部材の挙動と同様であるので、常温まで冷却された鋼管Ｐ２を用いた摩擦圧接部材の一般部には鋼管Ｐ１の場合より大きな引張応力が残留することになる。すなわち、パーライト変態による収縮量の低下分だけ大きな引張応力σ６（＞σ５）が残留することになる。

周知のように、引張残留応力が小さいほど疲労強度は高いので、摩擦圧接部材では、前記のような機構で発生した引張残留応力のある一般部が疲労強度の最も低い部位である。従って、焼きならし処理した鋼管Ｐ１を用いる方が、焼き鈍し処理を施した従来の鋼管Ｐ２を用いるよりも高い疲労強度を有する摩擦圧接部材を得ることができるとともに、焼きならし材の残留応力は小さいので摩擦圧接前の鋼管とほぼ同等の疲労強度を得ることができる。

本発明の摩擦圧接部材に用いる鋼管の素材としては、焼きならし処理を施した低、中・高炭素鋼の構造用鋼管や合金鋼の構造用鋼管を所要の長さに切断して用いればよい。前者の例としては、Ｓ３０Ｃ〜Ｓ５０ＣやＳＴＫＭ１１〜１７などを、後者の例としては、ＳＭｎ４３３〜４４３、ＳＭｎＣ４４３、ＳＣｒ４３０〜４４５、ＳＣＭ４３０〜４４５、さらに、これら合金鋼に５〜３０ｐｐｍのＢと０．０１〜０．０３％のＴｉを含んでいるものなどを挙げることができる。

また、スタブの素材としては特に限定はないが、前記の鋼管と同一成分の棒鋼を用いることができる。

なお、合金鋼の一例であるＳＭｎ４３８の成分組成は、質量比でＣ：０．４０〜０．４６％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：１．３５〜１．６５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物、と規定することができる。

上記のように本発明の摩擦圧接部材に用いる鋼管は、鋼管製造時の歪みや残留応力を開放するためにオーステナイト領域（Ａ_３線以上、例えば、８５０〜９５０℃）で１〜３０分加熱保持した後空気中で放冷する焼きならし処理を施したものであり、その金属組織は全体としてパーライトを主体とする組織であることが望ましいが、焼入れ性や、切削性などに支障のない範囲で僅かなフェライト組織やベイナイト組織を含んでいても良い。

以下実施例と比較例により本発明の摩擦圧接部材についてさらに詳しく説明する。

（実施例）
［摩擦圧接部材］
図３に本実施例の摩擦圧接部材であるチューブシャフトを示す。

このチューブシャフト１は、所要の長さに切断された鋼管２の両端に、所要の寸法に加工されたスタブ３が摩擦圧接部４で接合されている。チューブシャフト１の両端部には等速ジョイントを取り付けるためのスプライン５が転造されている。

ここで、鋼管２はＳＭｎ４３８（Ｃ：０．４１質量％、Ｓｉ：０．２％、Ｍｎ：１．５５％、残部Ｆｅ）で、外径４０ｍｍ、厚さ４ｍｍの焼きならし鋼管Ｐ１であり、その機械的性質は、引張強さ：８４０ＭＰａ、耐力：５４０ＭＰａ、伸び：１２号試験片縦方向２０％であった。なお、鋼管ＳＰ１の焼きならし条件は、９２０℃×１０分加熱後空冷である。

また、スタブ３はＳＭｎ４３８（Ｃ：０．４１質量％、Ｓｉ：０．２％、Ｍｎ：１．５５％、残部Ｆｅ）の鋼材から図３に示す形状に旋削し、スプライン５を転造した後、その外周表層に高周波焼入れ、焼戻し処理を施したものである。

［摩擦圧接方法］
上記の鋼管Ｐ１とスタブ３とを自動式摩擦圧接機を用い、以下の条件で圧接してチューブシャフト１ａを得た。

摩擦発熱工程は、摩擦推力：２３ＫＮ、摩擦時間：８秒、摩擦速度：１８００ｒｐｍとして摩擦発熱させ、その後、アプセット工程は、アプセット推力：４５ＫＮ、寄り代：４ｍｍとし、アプセット終了後放冷とした。

（比較例）
鋼管２にＳＭｎ４０の焼き鈍し鋼管Ｐ２を用いた以外は実施例と同様にしてチューブシャフト１ｂを得た。

［試験方法］
それぞれの鋼管単体Ｐ１、Ｐ２と、チューブシャフト１ａ、１ｂの接合部の捻り疲労特性を調べた。

捻り疲労試験は、ＪＩＳ Ｚ２２７３「金属材料の疲労試験方法通則」に準拠してトルク制御で行い、試験条件は、応力比：−１、繰り返し速度：１〜３Ｈｚとした。

［試験結果］
疲労試験結果を図４〜７に示す。

図４は鋼管単体Ｐ１、Ｐ２の疲労試験結果を示すτ−Ｎ線図である。縦軸は剪断応力τ（ＭＰａ）、横軸は破断までの繰り返し回数Ｎ（回）である。なお、τ（ｋｇｆ／ｍｍ^２）は外表面の剪断応力であり、試験トルクＴ（ｋｇ・ｆ・ｍ）と試験片の鋼管の外径Ｄ_０（ｍｍ）、内径Ｄ_１（ｍｍ）から以下の数式１を用いて算出した。

鋼管Ｐ１の測定結果を●、鋼管Ｐ２の測定結果を■で示した。鋼管単体では、熱処理による疲労特性の差がないことが分かる。

図５は実施例のチューブシャフト１ａの疲労試験結果を示すτ−Ｎ線図である。なお、図５には、図４に示す鋼管Ｐ１単体の試験結果を併記した。チューブシャフト１ａの疲労試験結果（○）と鋼管Ｐ１単体の疲労試験結果（●）とは回帰線Ｌ１上で良く一致し、焼きならし鋼管Ｐ１をスタブに摩擦圧接して得られるチューブシャフト１ａでは、摩擦圧接することで接合部の疲労強度は低下せず、鋼管Ｐ１単体の疲労特性を維持することが分かる。

図６は比較例であるチューブシャフト１ｂの疲労試験結果を示すτ−Ｎ線図である。なお、図６には、図４に示した鋼管Ｐ２単体の試験結果を併記した。チューブシャフト１ｂの疲労試験結果（□）は鋼管Ｐ２単体の疲労試験結果（■）より低く、焼き鈍し鋼管Ｐ２をスタブに摩擦圧接して得られるチューブシャフト１ｂでは、摩擦圧接することで接合部の疲労強度は鋼管Ｐ２単体の疲労強度よりも低下することが分かる。例えば、同一繰り返し回数における剪断応力τは、鋼管Ｐ２単体の場合に比べ約４０％低下した。

図７は、実施例と比較例との疲労試験結果を併記したτ−Ｎ線図である。実施例のチューブシャフト１ａは比較例のチューブシャフト１ｂに比べて優れた疲労特性を有することが分かる。

本発明の摩擦圧接部材は、自動車の駆動力を車輪に伝達するためのプロペラシャフトやドライブシャフト、あるいはロアアーム、トルクロッドなどの強度部材として好適である。

鋼管と摩擦圧接部材の捻り疲労特性を示す概念図である。（ａ）は焼きならし処理鋼管Ｐ１を用いた場合であり、（ｂ）は焼き鈍し鋼管Ｐ２を用いた場合である。 摩擦圧接後の接合部における冷却中の応力変化を説明する説明図である。 実施例のチューブシャフトを示す部分断面図である。 鋼管単体Ｐ１、Ｐ２の疲労試験結果を示すτ−Ｎ線図である。 実施例のチューブシャフト１ａの疲労試験結果を示すτ−Ｎ線図である。 比較例であるチューブシャフト１ｂの疲労試験結果を示すτ−Ｎ線図である。 実施例と比較例との疲労試験結果を併記したτ−Ｎ線図である。

符号の説明

１：チューブシャフト ２：鋼管 ３：スタブ ４：接合部 ５：スプライン

Claims (3)

1. 鋼管の端部にスタブを摩擦圧接して形成される摩擦圧接部材であって、摩擦圧接前の前記鋼管は焼きならし処理を施した鋼管であることを特徴とする摩擦圧接部材。
2. 前記焼きならし処理を施した鋼管の金属組織はパーライトを主体とする組織である請求項１に記載の摩擦圧接部材。
3. 前記鋼管は、質量比でＣ：０．３〜０．５％、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．５〜２％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物である請求項１又は２に記載の摩擦圧接部材。

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