專利名稱：驅(qū)動軸用冷精加工無縫鋼管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及驅(qū)動軸用冷精加工無縫鋼管及其制造方法，更詳細(xì)地講，是涉及可用作汽車用驅(qū)動軸的輕量化和靜音性最佳、高強度且耐疲勞強度優(yōu)良的空心構(gòu)件的冷精加工無縫鋼管、以及高效地制造該無縫鋼管的方法。

背景技術(shù)：
最近，針對保護(hù)地球環(huán)境的必要性的提高，謀求汽車車體的輕量化，更進(jìn)一步要求達(dá)到節(jié)能效果。因此，從車體輕量化的方面考慮，嘗試將汽車用零件由實心構(gòu)件替換為空心構(gòu)件。針對這樣的嘗試，可在汽車的驅(qū)動軸中采用空心構(gòu)件。
具體地講，為了在具有汽車車體的輕量化的同時還具有操縱性、靜音性，開始在局部采用3段(使用對構(gòu)件的中間部未實施高頻淬火等熱處理的鋼管，在等速萬向節(jié)、連結(jié)于差動齒輪的端部使用中空材料、鍛造材料)摩擦加壓焊接型的空心驅(qū)動軸。
由于汽車用驅(qū)動軸是向驅(qū)動輪傳遞發(fā)動機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩的重要保護(hù)零件，因此，需要確保充分的耐疲勞強度，但在將無縫鋼管用作空心構(gòu)件的情況下，根據(jù)鋼管的制造條件，有時候會在空心構(gòu)件的內(nèi)表面殘留折皺狀傷痕、即在與長度方向垂直的截面內(nèi)表面形成的凹凸傷痕(以下稱作“內(nèi)表面折皺”)。在內(nèi)表面折皺殘留時，其成為疲勞裂縫的起點等而易于導(dǎo)致破損，顯著降低驅(qū)動軸的耐疲勞強度。
因此，對于制造驅(qū)動軸的空心構(gòu)件所采用的鋼管，研究出向鋼管內(nèi)插入除頂頭之外的芯棒而反復(fù)冷拔到規(guī)定尺寸的方法，在反復(fù)冷拔的方法中，可以將鋼管的內(nèi)外表面加工成平滑，將其精加工為規(guī)定尺寸，但由于為了獲得平滑的內(nèi)表面而需要反復(fù)地數(shù)次進(jìn)行拉拔加工和中間退火，因此，存在制造成本增加這樣的問題。
為了解決這樣的問題，在日本專利第2822849號公報中，提出了這樣的方法，即，利用曼內(nèi)斯曼(Mannersmann)制管法，使用張力減徑機(stretch reducer)來高效地制造無縫鋼管，通過噴丸磨削等切削該鋼管內(nèi)表面而制造驅(qū)動軸等汽車用無縫鋼管。采用該制造方法，通過將熱軋后的無縫鋼管的內(nèi)表面切削加工20μm～500μm，去除產(chǎn)生于鋼管內(nèi)表面的折皺，從而謀求提高耐疲勞強度。
但是，采用這樣的噴丸的內(nèi)表面磨削需要大量的處理時間。具體地講，可用作驅(qū)動軸用的鋼管的對象是內(nèi)徑為15φ～25φ左右的小徑構(gòu)件，但為了確保上述磨削量而對它們的管內(nèi)表面實施噴丸加工需要幾十分鐘到幾個小時的大量的處理時間。因此，在日本專利第2822849號公報中提出的制造方法中，存在制造成本增加、且無法確保產(chǎn)業(yè)上必要的量產(chǎn)性這樣的大問題。
以熱加工制造無縫鋼管的曼內(nèi)斯曼制管法由在實心鋼坯的中心部開孔的穿孔工序、以該穿孔后的空心管坯的壁厚加工為目的的延伸軋制工序、和減小管坯外徑而將其精加工為目標(biāo)尺寸的定徑軋制工序構(gòu)成。
通常，在穿孔工序中采用曼內(nèi)斯曼穿孔機、交叉型穿孔軋制機、壓力穿孔機等穿孔軋制機，在延伸軋制工序中采用芯棒式無縫管軋機、自動軋管機、阿塞爾穿孔機等軋制機、并且，在定徑軋制工序中采用張力減徑機、定徑機等孔型軋制機。
圖1是說明以熱加工制造無縫鋼管的曼內(nèi)斯曼制管法的制造工序一個例子的圖。該制管方法將被加熱為規(guī)定溫度的實心的圓鋼坯1作為被軋制材料，用穿孔軋制機3在其軸心部開設(shè)穿孔而制造空心管坯2，將其進(jìn)給到后續(xù)的芯棒式無縫管軋機4的延伸軋制裝置而將其延伸軋制。通過芯棒式無縫管軋機4的空心管坯2接著被裝入再熱爐5而被再次加熱之后，通過張力減徑機6的定徑軋制裝置而制造出可用于冷加工用管坯等的無縫鋼管。
在這樣的制管法中，對于圖示的張力減徑機6的構(gòu)造，按壓空心管坯2的一對軋制輥由3個以軋制線(pass line)為中心相面對配置的孔型軋制輥6r構(gòu)成，這些孔型軋制輥6r配置于多個軋制機，在相鄰的軋制機之間，各個孔型軋制輥6r在與軋制線垂直的面內(nèi)使其按壓方向各錯開60°地交叉配置。
作為其它的張力減徑機的構(gòu)造，可采用包括在與軋制線垂直的面內(nèi)使其按壓方向各錯開90°地交叉配置的4個孔型軋制輥的4輥式定徑軋制裝置、以及包括面向各軋制機的2個孔型軋制輥的2輥式定徑軋制裝置。
但是，由于可用作定徑軋制裝置的張力減徑機不使用芯軸等內(nèi)表面限制工具而通過外徑縮徑軋制來精加工空心管坯，因此，易于在熱軋制后的鋼管內(nèi)表面產(chǎn)生縱筋狀的折皺。
并且，在上述圖1所示的張力減徑機的例子中，由于是由3個軋制輥構(gòu)成的外徑縮徑軋制，因此，空心管坯相對于軋制線從3個方向受到按壓。因此，熱精加工后的鋼管的內(nèi)表面形狀不是正圓，而是有棱角或多邊形化的圓，易于在其內(nèi)表面形成凹凸形狀。僅通過噴丸等磨削加工來將該內(nèi)表面的凹凸形狀矯正為正圓較為困難。
通常，采用空心構(gòu)件的驅(qū)動軸為了確保耐疲勞強度而謀求高強度化，但在被該高強度化的材料中，以內(nèi)表面折皺為起點的疲勞裂紋易于發(fā)展，有時會顯著降低耐疲勞強度。因而，隨著驅(qū)動軸用空心構(gòu)件的高強度化，疲勞裂紋產(chǎn)生的應(yīng)力集中敏感性升高，強烈要求確保內(nèi)表面品質(zhì)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明即是鑒于隨著制造以往的驅(qū)動軸等汽車用無縫鋼管產(chǎn)生的問題點而做成的，其目的在于提供這樣的冷精加工無縫鋼管及其制造方法，即，通過使用由曼內(nèi)斯曼制管法熱軋制后的管坯來實施冷拔，特別是作為摩擦焊接型等接合型的空心驅(qū)動軸，汽車用驅(qū)動軸的輕量化、靜音性最佳，高強度且耐疲勞強度優(yōu)良。
由于驅(qū)動軸是將汽車發(fā)動機的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩傳遞到驅(qū)動輪的零件，因此，期望不產(chǎn)生可成為疲勞破壞起點的缺陷，但如上所述，由于張力減徑機等定徑軋制裝置不使用內(nèi)表面限制工具而通過外徑縮徑軋制來精加工空心管坯，因此，易于在熱軋制后的鋼管中產(chǎn)生縱筋狀的內(nèi)表面折皺。
因此，對于將作為空心構(gòu)件而制造的鋼管保持原樣地使用的摩擦焊接型驅(qū)動軸，對影響疲勞壽命的內(nèi)表面折皺、特別是內(nèi)表面折皺的深度對耐疲勞強度的影響進(jìn)行了研究。
圖2是以具有傳動軸的汽車的驅(qū)動系統(tǒng)來例示連結(jié)于驅(qū)動輪的驅(qū)動軸的整體概略構(gòu)造的圖。在圖示的構(gòu)造中，驅(qū)動軸7由外端連結(jié)于驅(qū)動輪的等長軸7a、和將一端連接于差動齒輪裝置10且配置于中間部的中間軸(Intermediate Shaft)7b構(gòu)成。差動齒輪裝置10固定于車體，其輸入軸借助聯(lián)軸器11連結(jié)于傳動軸12，但在車體構(gòu)造上無法配置于車體的中心部。
另外，在本發(fā)明中的傳動軸用是指使用于構(gòu)成上述傳動軸7的軸7a或7b等。
作為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的動力傳遞效率，使用等長軸7a連結(jié)于驅(qū)動輪較為有效，因此，在中間部配置中間軸(Intermediate Shaft)7b，可利用等長軸7a來連結(jié)。將鋼管照原樣使用的摩擦加壓焊接型驅(qū)動軸通常用作連結(jié)于驅(qū)動輪的驅(qū)動軸中的中間軸(Intermediate Shaft)7b。
例如，在作為中間軸傳遞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩時，對驅(qū)動軸的外表面作用大于內(nèi)表面的剪切應(yīng)力。因此，在驅(qū)動軸的內(nèi)表面沒有折皺等缺陷的狀態(tài)下，內(nèi)外表面的疲勞極限剪切應(yīng)力均足夠大的情況下，疲勞裂紋自作用有大于內(nèi)表面的剪切應(yīng)力的外表面?zhèn)犬a(chǎn)生、發(fā)展。
因而，即使在內(nèi)表面存在內(nèi)表面折皺的情況下，若可以控制產(chǎn)生于內(nèi)表面?zhèn)鹊膬?nèi)表面折皺，使得內(nèi)表面?zhèn)鹊钠跇O限剪切應(yīng)力不超過在外表面?zhèn)纫?guī)定的剪切應(yīng)力，即使是殘留于作為空心構(gòu)件而制造的鋼管的內(nèi)表面折皺，作為結(jié)果，也不會影響驅(qū)動軸的疲勞壽命，在實用上也沒有問題。
由這樣的觀點詳細(xì)調(diào)查殘留于被冷精加工后的鋼管的內(nèi)表面折皺對驅(qū)動軸的疲勞壽命的影響，結(jié)果，得出作為其界限的深度為0.20mm的見解。
并且，作為上述見解的前提，對在利用張力減徑機等進(jìn)行的定徑軋制中的內(nèi)表面折皺的產(chǎn)生動作進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在定徑軋制時，在被軋制管的孔型軋制輥的輥邊部相當(dāng)位置集中產(chǎn)生內(nèi)表面折皺，因此，內(nèi)表面折皺導(dǎo)致軋制輥的孔型輪廓為橢圓形狀，通過做成更接近正圓的孔型輪廓，并使輥邊部相當(dāng)位置的管的形狀比(內(nèi)表面的曲率半徑與平均內(nèi)半徑之比)適當(dāng)，可以將內(nèi)表面折皺的深度控制為不影響驅(qū)動軸的疲勞壽命。
另外可明確，即使在被定徑軋制后的管坯中產(chǎn)生內(nèi)表面折皺的情況下，此后的冷拔時，只要可以在還由于管坯偏厚等因素而產(chǎn)生的最小壁厚部(棱角底部)確保規(guī)定的壁厚加工度，就可以抑制助長內(nèi)表面折皺。
還發(fā)現(xiàn)，對于鋼的成分設(shè)計，可以通過降低含有的S量來改善驅(qū)動軸的疲勞試驗中的高循環(huán)側(cè)的疲勞壽命，從而也可明確，采用低S鋼作為驅(qū)動軸用鋼管較為有效。
本發(fā)明是基于這樣的技術(shù)見解而完成的，其將下記(1)、(5)的驅(qū)動軸用冷精加工無縫鋼管、以及(2)～(6)的驅(qū)動軸用冷精加工無縫鋼管的制造方法作為主旨。
(1)一種驅(qū)動軸用冷精加工無縫鋼管，其特征在于，鋼組成為，以質(zhì)量％計，含有C0.30～0.47％、Si0.50％以下、Mn0.50～2.00％、P0.020％以下、S0.005％以下及Al0.001～0.050％，剩余部分由Fe及雜質(zhì)構(gòu)成；抗拉強度為784Mpa以上、且950Mpa以下；在與長度方向垂直的截面中的內(nèi)表面殘留的內(nèi)表面折皺的深度為0.20mm以下。
(2)一種驅(qū)動軸用冷精加工無縫鋼管的制造方法，其特征在于，以質(zhì)量％計，使用含有C0.30～0.47％、Si0.50％以下、Mn0.50～2.00％、P0.020％以下、S0.005％以下及Al0.001～0.050％、剩余部分由Fe及雜質(zhì)構(gòu)成的鋼坯，在利用曼內(nèi)斯曼制管法進(jìn)行穿孔軋制之后接著進(jìn)行延伸軋制，之后使用由至少包括2個孔型軋制輥的多個軋制機構(gòu)成的定徑軋制裝置進(jìn)行定徑軋制時，在上述各軋制機中互相相鄰的孔型軋制輥的相面對的輥邊部引出切線，將各個切線所成的角度β(度)中的、全部軋制機中最小的角度設(shè)為βmin(度)的情況下，使用滿足下記(1)式的孔型軋制輥來軋制管坯，并進(jìn)一步對上述管坯實施冷拔。
βmin≥1.13×10×ln(t/D×100)+1.37×102...(1) 其中，D定徑軋制后的管外徑(mm)、t定徑軋制后的管壁厚(mm)、ln(x)x的自然對數(shù)。
(3)在上記(2)的驅(qū)動軸用冷精加工無縫鋼管的制造方法中，通過在對管坯進(jìn)一步冷拔時使該管坯的最小壁厚部的壁厚加工度為10％以上，可以使在與其長度方向垂直的截面中的內(nèi)表面殘留的內(nèi)表面折皺的深度為0.10mm以下。在此，在將拉拔加工前的管坯壁厚設(shè)為t、拉拔加工后的精加工壁厚設(shè)為tf的情況下，壁厚加工度是由下面的(2)式定義的值。
壁厚加工度＝{(t-tf)/t}×100(％)...(2) (4)一種驅(qū)動軸用冷精加工無縫鋼管的制造方法，其特征在于，以質(zhì)量％計，使用含有C0.30～0.47％、Si0.50％以下、Mn0.50～2.00％、P0.020％以下、S0.005％以下及Al0.001～0.050％、剩余部分由Fe及雜質(zhì)構(gòu)成的鋼坯，通過曼內(nèi)斯曼制管法并利用穿孔軋制、延伸軋制及定徑軋制來軋制管坯，對上述管坯冷抽絲時，以該管坯的最小壁厚部的壁厚加工度為10％以上的程度進(jìn)行加工。
(5)在上述(1)的驅(qū)動軸用冷精加工無縫鋼管及上述(2)～(4)的其制造方法中，可以替代Fe的一部分而含有下述中的1種或2種以上Cr1.5％以下、Ti0.05％以下、Nb0.05％以下、V0.1％以下、Mo1％以下、Ni0.5％以下、Cu0.5％以下、B0.05％以下及Ca0.01％以下。
(6)在上述(2)～(5)的驅(qū)動軸用冷精加工無縫鋼管的制造方法中，通過在對熱軋制后的管坯冷拔之后進(jìn)行應(yīng)力去除退火，可以使抗拉強度為784Mpa以上、950Mpa以下。
采用本發(fā)明的驅(qū)動軸用冷精加工無縫鋼管，通過使用由曼內(nèi)斯曼制管法熱軋制后的管坯來實施冷拔，可以將其用作汽車用驅(qū)動軸的輕量化、靜音性最佳的、高強度且耐疲勞強度優(yōu)良的空心構(gòu)件。因而，通過應(yīng)用本發(fā)明的制造方法，可以用低廉的制造成本且高效地制造汽車用驅(qū)動軸，因此，可以在工業(yè)上效果顯著地廣泛地應(yīng)用。



圖1是說明熱制造無縫鋼管的曼內(nèi)斯曼制管法的制造工序一個例子的圖。
圖2是表示連結(jié)于驅(qū)動輪的驅(qū)動軸的整體概略構(gòu)造的圖。
圖3是作為與鋼管的長度方向垂直的截面的形狀而表示殘留在鋼管內(nèi)表面的內(nèi)表面折皺的狀況的圖。
圖4是作為與鋼管的長度方向垂直的截面的形狀而表示殘留在鋼管內(nèi)表面的另一形態(tài)的內(nèi)表面折皺的狀況的圖。
圖5是表示外徑加工度為50％以上的情況下的、管坯的輥邊部相當(dāng)位置的管的形狀比(內(nèi)表面曲率半徑與平均內(nèi)半徑之比)在全部軋制機(No.1～N)中的平均值α、與產(chǎn)生于管坯中的內(nèi)表面折皺的深度的關(guān)系的圖。
圖6是表示在定徑軋制裝置的各軋制機中互相相鄰的孔型軋制輥的相面對的輥邊部引出切線，各個切線所成的角度β(度)中的、全部軋制機中最小的角度βmin(度)與定徑軋制后的管尺寸t/D的關(guān)系的圖。
圖7是表示張力減徑機所采用的軋制輥的孔型形狀的圖。
圖8是說明為了規(guī)定本發(fā)明所采用的孔型軋制輥而在輥邊部引出的切線所成的角度的計算要領(lǐng)的圖。
圖9是表示張力減徑機所采用的其它軋制輥的局部的孔型輪廓的圖。
圖10是說明在實施例中實施的扭轉(zhuǎn)疲勞試驗所采用的實驗片的構(gòu)造的圖。

具體實施例方式 本發(fā)明的驅(qū)動軸用冷精加工無縫鋼管的特征在于，殘留于內(nèi)表面的內(nèi)表面折皺的深度為0.20mm以下，從而，保持原樣地使用鋼管的空心驅(qū)動軸、特別是摩擦加壓焊接型等的接合型空心驅(qū)動軸可以發(fā)揮優(yōu)良的耐疲勞強度。
在此，縱觀鋼管的整個內(nèi)表面，規(guī)定的內(nèi)表面折皺的深度設(shè)為其中最深的內(nèi)表面折皺的深度。另外，內(nèi)表面折皺的深度測定例如，可以自鋼管的管端提取顯微觀察用的試驗材料，并通過顯微觀察內(nèi)表面整周來進(jìn)行。
圖3及圖4是作為與鋼管的長度方向垂直的截面的形狀而表示殘留在鋼管內(nèi)表面的、形態(tài)各異的內(nèi)表面折皺的狀況的圖，在各自的(b)中表示規(guī)定內(nèi)表面折皺的深度的方法。即，內(nèi)表面折皺的深度由從折皺的兩肩頂部A、B中的、較高的頂部(圖中為A部)到折皺底部的距離來規(guī)定。
通過將殘留于內(nèi)表面的內(nèi)表面折皺的深度控制為0.20mm以下，可以抑制內(nèi)表面折皺前端的疲勞極限剪切應(yīng)力不超過由外表面?zhèn)纫?guī)定的剪切應(yīng)力。通過控制該內(nèi)表面折皺的深度，如后述的實施例那樣地，在最大剪切應(yīng)力τ＝±145N/mm2(完全對稱)的條件下實施扭轉(zhuǎn)疲勞試驗的情況下，到斷裂為止的重復(fù)次數(shù)為100萬次以上，不會影響汽車用驅(qū)動軸的疲勞壽命，不會產(chǎn)生實用上的問題。
在本發(fā)明的驅(qū)動軸用冷精加工無縫鋼管中，使抗拉強度大于等于784Mpa、且小于等于950Mpa。為了確保驅(qū)動軸的耐疲勞強度，期望提高其強度、剛性，因此使抗拉強度大于等于784Mpa。另一方面，在抗拉強度大于950Mpa時，韌性降低，因此設(shè)置上限。
并且，通過降低鋼管所含有的S量，可以改善驅(qū)動軸的疲勞試驗中的高循環(huán)側(cè)的疲勞壽命。因而，本發(fā)明的驅(qū)動軸用冷精加工無縫鋼管的特征還在于，使用低S鋼(S0.005％以下)，其抗拉強度為大于等于784Mpa、且小于等于950Mpa的高強度。
分項說明本發(fā)明的驅(qū)動軸用冷精加工無縫鋼管發(fā)揮上述特征所需要的鋼組成以及制造條件。在以下說明中，鋼的化學(xué)組成用“質(zhì)量％”表示。
1.鋼組成 C0.30～0.47％ C是增加鋼的強度、提高耐疲勞強度的元素，但具有降低韌性的作用。在其含有量小于0.30％時，無法獲得充分的強度。另一方面，在其含有量大于0.47％時，冷加工后的強度過高而韌性降低。因此，使C含有量為0.30～0.47％。
Si0.50％以下 Si是有助于鋼的脫氧及增加強度的元素，但在其含有量大于0.5％時，無法確保冷加工性。因而，為了確保良好的冷加工性，使Si含有量為0.5％以下。
Mn0.50～2.00％ Mn是有助于提高鋼的強度和韌性的元素，但在其含有量小于0.5％時，無法獲得充分的強度和韌性，另外，在其含有量大于2.00％時，冷加工性降低。因此，使Mn含有量為0.50～2.00％。
P0.020％以下 P作為雜質(zhì)包含于鋼中，凝固時在最終凝固位置附近濃度較大，且偏析于晶界而降低熱加工性、韌性以及耐疲勞強度。在P含有量大于0.020％時，因晶界偏析而導(dǎo)致韌性降低及耐疲勞強度降低，因此，P作為雜質(zhì)的上限為0.020％。
S0.005％以下 S是與P同樣地作為雜質(zhì)包含于鋼中的元素，凝固時偏析于晶界，降低熱加工性及韌性。并且，在S含有量大于0.005％時，鋼中的MnS增加，并且耐疲勞強度顯著降低。因此，作為雜質(zhì)的S含有量的上限為0.005％。
Al0.001～0.050％ Al是起到脫氧劑作用的元素。為了獲得作為脫氧劑的效果，需要含有0.001％以上，另一方面，在其含有量大于0.050％時，鋼中的鋁系夾雜物增加，導(dǎo)致耐疲勞強度降低。因此，使Al含有量為0.001～0.050％。
并且，本發(fā)明的驅(qū)動軸用冷精加工無縫鋼管為了在提高耐疲勞強度的基礎(chǔ)之上改善諸性能，可以在上述鋼組成的基礎(chǔ)之上還含有下述中的1種或2種以上的成分Cr1.5％以下、Ti0.05％以下、Nb0.05％以下、V0.1％以下、Mo1％以下、Ni0.5％以下、Cu0.5％以下、B0.05％以下及Ca0.01％以下。
2.制造條件 熱工序中的制造條件 如上述圖1所示，作為本發(fā)明的驅(qū)動軸用冷精加工鋼管的制造方法的一個例子，可以列舉采用芯棒式無縫管軋機以及張力減徑機的曼內(nèi)斯曼制管法。
此時，利用張力減徑機進(jìn)行的定徑軋制可以適當(dāng)?shù)靥岣弑卉堉频墓軆?nèi)表面的真圓度，抑制在軋制過程中內(nèi)表面形狀的多邊形化，有效地抑制內(nèi)表面折皺的產(chǎn)生及發(fā)展(若需要，參照同一申請人的WO 2005/092531A1小冊子)。
圖5是表示外徑加工度為50％以上的情況下的、管坯的輥邊部相當(dāng)位置的管的形狀比(內(nèi)表面曲率半徑與平均內(nèi)半徑之比)在全部軋制機(No.1～N)中的平均值α、與產(chǎn)生于管坯中的內(nèi)表面折皺的深度的關(guān)系的圖。
在圖5中，表示在對各軋制機所具有的孔型軋制輥6的孔型輪廓的條件進(jìn)行各種改變的同時，將外徑為100mm、壁厚為11mm的碳素鋼管定徑軋制為外徑為40mm、壁厚為9.6mm的情況下的關(guān)系。但是，在將定徑軋制前的管外徑設(shè)為Di，定徑軋制后的管外徑設(shè)為D的情況下，外徑加工度由下面的(3)式定義。
外徑加工度＝{(Di-D)/Di}×100(％)...(3) 另外，平均值α是這樣的值，即，在各軋制機出口側(cè)使用三維形狀測定器(東京精密公司制)來測定管坯的輥邊部相當(dāng)位置的內(nèi)表面的曲率半徑以及平均內(nèi)半徑，以全部軋制機個數(shù)對基于該測定值而針對各軋制機出口側(cè)逐個計算出的管的形狀比求得的平均值。另一方面，內(nèi)表面折皺的深度是在定徑軋制裝置6的出口側(cè)測定的管坯折皺深度的最大值，是切下軋制后的管坯的一部分作為樣品，顯微觀察并測定截面而得到的值。折皺深度的測定方法依據(jù)上述圖3及圖4中規(guī)定的方法。
由圖5所示的關(guān)系可知，以平均值α為0.55前后為界，若平均值小于0.55，則內(nèi)表面折皺的深度急劇增大，反之，若平均值α大于等于0.55，則可以有效地抑制產(chǎn)生于鋼管內(nèi)表面的折皺的產(chǎn)生及發(fā)展。
圖6是表示在定徑軋制裝置的各軋制機中互相相鄰的孔型軋制輥的相面對的輥邊部引出切線，各個切線所成的角度β(度)中的、全部軋制機中最小的角度βmin(度)與定徑軋制后的管尺寸t/D的關(guān)系的圖。在圖6所示的關(guān)系中，以“○”繪制的數(shù)據(jù)表示被軋制后的管坯的上述平均值α為0.55，以“●”繪制的數(shù)據(jù)表示被軋制后的管坯的上述平均值α大于0.55，以“×”繪制的數(shù)據(jù)表示上述平均值α小于0.55。
由圖6所示的關(guān)系可知，為了使管坯的上述平均值α大于等于0.55，相對于各t/D，將全部軋制機中最小的角度βmin設(shè)定在規(guī)定值以上即可。即，對于各t/D，使管坯的上述平均值α為0.55的βmin的值近似于以t/D為變量的函數(shù)(自然對數(shù)變量)，將軋制輥6的孔型輪廓設(shè)定為βmin為該近似函數(shù)以上的值即可。
具體地講，在接著穿孔軋制地進(jìn)行延伸軋制之后，使用由多個軋制機構(gòu)成的張力減徑機等定徑軋制裝置來定徑軋制時，在上述各軋制機中互相相鄰的孔型軋制輥的相面對的輥邊部引出切線，將各個切線所成的角度β(度)中的、全部軋制機中最小的角度設(shè)為βmin(度)的情況下，需要使用滿足下記(1)式的孔型軋制輥。其中，D定徑軋制后的管外徑(mm)、t定徑軋制后的管壁厚(mm)、以及l(fā)n(x)x的自然對數(shù)。
βmin≥1.13×10×ln(t/D×100)+1.37×102...(1) 圖7是表示3輥式張力減徑機所采用的軋制輥的孔型形狀的圖。配置于張力減徑機的孔型軋制輥6r的孔型形狀具有以自位于軋制線的孔型中心O向外方偏心(偏心量S)的孔型中心O’為中心的半徑R的圓弧，該圓弧以與軋制輥6r的凸緣側(cè)壁面F直接交叉的方式構(gòu)成孔型輪廓PR。而且，軋制輥6r的輥邊部E成為孔型輪廓PR的端部，相當(dāng)于上述半徑R的圓弧的端部。
如上所述，在利用張力減徑機進(jìn)行定徑軋制時，由于在被軋制管的軋制輥的輥邊部相當(dāng)位置產(chǎn)生內(nèi)表面折皺，所以在使孔型輪廓適當(dāng)?shù)耐瑫r，輥邊部相當(dāng)位置的管的形狀比(內(nèi)表面曲率半徑與平均內(nèi)半徑之比，平均值α)與內(nèi)表面折皺的深度之間存在恒定的關(guān)系，因此，如上記(1)式所示地相對于t/D將角度β設(shè)定為規(guī)定值即可。
圖8是說明為了規(guī)定本發(fā)明所采用的孔型軋制輥而在輥邊部引出的切線所成的角度的計算要領(lǐng)的圖。首先，在配置于張力減徑機的各軋制機的軋制輥6ra的輥邊部Ea引出切線(輥邊部Ea附近的孔型輪廓的切線)La，在與軋制輥6ra相鄰的軋制輥6rb的輥邊部中的、與輥邊部Ea相面對的輥邊部Eb引出切線(輥邊部Eb附近的孔型輪廓的切線)Lb，計算兩切線La、Lb所成的角度β。
其次，將分別計算出的角度β中的、全部軋制機中最小的角度設(shè)為βmin，以滿足上記(1)式的方式設(shè)定孔型軋制輥6r的孔型輪廓即可。若使用如上述那樣設(shè)定的軋制輥6r、利用張力減徑機進(jìn)行定徑軋制，則可以抑制產(chǎn)生被軋制管的內(nèi)表面折皺，即使在產(chǎn)生了內(nèi)表面折皺的情況下，也可以有效地抑制其發(fā)展。
圖9是表示張力減徑機所采用的其它軋制輥的局部的孔型輪廓的圖。在本發(fā)明中作為對象的軋制輥6r的孔型輪廓并不限定于上述圖7、圖8，如圖9的(a)所示，作為孔型軋制輥6r的孔型輪廓PR，也可以采用由半徑不同的多個圓弧構(gòu)成的、與凸緣側(cè)壁面F直接交叉的形狀。這種情況下的孔型軋制輥6r的輥邊部E相當(dāng)于位于最靠近凸緣側(cè)的圓弧(半徑Rn)的端部。
并且，也可以采用如圖9的(b)、(c)所示的在孔型輪廓PR與孔型軋制輥6r的凸緣側(cè)壁面F之間設(shè)有由圓弧構(gòu)成的“避讓部”、由直線構(gòu)成的“避讓部”的形狀的情況。這種情況下的孔型軋制輥6r的輥邊部E相當(dāng)于構(gòu)成孔型輪廓PR的圓弧的端部(位于最靠近凸緣側(cè)的圓弧的端部)。
冷工序中的制造條件 如上所述，被張力減徑機定徑軋制后的管坯隨著外徑縮徑軋制而從2～4個方向受到軋制輥的按壓，因此，有時在軋制輥的輥邊部相當(dāng)位置產(chǎn)生內(nèi)表面折皺，或產(chǎn)生棱角。特別是在不使用滿足上記(1)式的孔型軋制輥的情況下，會顯著產(chǎn)生內(nèi)表面折皺、棱角。
在本發(fā)明的驅(qū)動軸用冷精加工鋼管中，通過在利用熱軋制來制造管坯之后實施拉拔加工，不僅可以抑制助長內(nèi)表面折皺，也可以改善產(chǎn)生的棱角。并且，還可以謀求加工管整個內(nèi)外表面的平滑化。
本發(fā)明中應(yīng)用的拉拔加工只要可拉拽芯棒(頂頭)，則也可以使用圓筒頂頭及SF頂頭(半浮式頂頭)中的任一種。
在本發(fā)明中應(yīng)用的拉拔加工中，并不限定截面減少率、壁厚加工度，但如上所述，由于被熱軋制后的管坯的內(nèi)表面形狀不是正圓，而是棱角、多邊形化，再加上管坯偏厚等因素，所以在管坯的最小壁厚部(棱角底部)無法確保規(guī)定的壁厚加工度，存在助長內(nèi)表面折皺的傾向。因此，期望可以通過將管坯的最小壁厚部的壁厚加工度確保在10％以上，來抑制助長內(nèi)表面折皺。
并且，對本發(fā)明的驅(qū)動軸用冷精加工無縫鋼管不實施高頻淬火等熱處理，而需要在抗拉強度大于等于784Mpa、且小于等于950Mpa的高強度條件下進(jìn)行控制，因此，為了在利用冷拔進(jìn)行精加工之后調(diào)整最終的抗拉強度，在大于等于450℃、且小于等于Ac1的溫度下實施應(yīng)力去除退火較佳。具體的應(yīng)力去除退火的溫度條件可考慮冷拔中的加工條件、鋼組成來決定。
實施例 使用由表1所示的化學(xué)組成的鋼種A～D構(gòu)成的4種鋼坯，利用曼內(nèi)斯曼制管法并通過穿孔機穿孔軋制、芯棒式無縫管軋機以及張力減徑機來制造冷加工用管坯。
表1
注)·表中標(biāo)注了*的部分表示超出了本發(fā)明所規(guī)定的范圍。
在將各鋼坯加熱至穿孔溫度(例如1250℃)之后，使用穿孔機將其做成空心管坯，在利用芯棒式無縫管軋機將其延伸軋制之后，改變配置于張力減徑機的孔型軋制輥的最小凸緣接觸角βmin，制造出外徑為50.8mm、壁厚為8.5、8.2及8.0mm的3種尺寸的管坯。
測定此時管圓周方向上的最小壁厚、以及產(chǎn)生的內(nèi)表面折皺的深度，將此時熱工序中的加工條件(除張力減徑機的軋制輥條件之外)及最小壁厚、以及內(nèi)表面折皺深度的測定結(jié)果表示于表2中。

通過對獲得的冷加工用管坯實施拉拔加工，將其加工為外徑為40.0mm、壁厚為7.0mm的精加工尺寸，之后，為了調(diào)整最終的抗拉強度，在大于等于450℃、且小于等于Ac1的溫度下實施應(yīng)力去除退火，制造出冷精加工無縫鋼管。作為冷拔的條件，計算出截面減少率以及壁厚加工度。其中，截面減少率是在將拉拔加工前的截面面積設(shè)為A、拉拔加工后的精加工截面面積設(shè)為Af的情況下，由下面的(4)式定義的值。
截面減少率＝{(A-Af)/A}×100(％)...(4) 壁厚加工度為，計算出平均壁厚加工度和最小壁厚部的壁厚加工度，在表3的上層表示平均壁厚加工度，在下層表示最小壁厚部的壁厚加工度。同時，測定在冷拔之后殘留的內(nèi)表面折皺的深度及應(yīng)力去除退火后的抗拉強度。表3中一并表示了冷工序中的加工條件、內(nèi)表面折皺的深度以及應(yīng)力去除退火后的抗拉強度。

對內(nèi)表面折皺深度的影響的評價 由上述表1～3的結(jié)果，調(diào)查張力減徑機的孔型軋制輥、及冷拔中最小壁厚部的壁厚加工度對產(chǎn)生于管坯的內(nèi)表面折皺的深度的影響。
如供試驗材料1、3所示的那樣，使用滿足本發(fā)明中規(guī)定的(1)式的孔型軋制輥來軋制管坯，并確保冷拔中最小壁厚部的壁厚加工度為10％以上，從而，可以將殘留于精加工后的管的內(nèi)表面折皺的深度抑制在0.10mm以下。
另一方面，如供試驗材料2所示的那樣，在不使用滿足本發(fā)明中規(guī)定的(1)式的孔型軋制輥而軋制管坯的情況下，也確保冷拔中最小壁厚部的壁厚加工度為10％以上，從而可以使殘留于精加工后的管的內(nèi)表面折皺的深度為0.20mm以下。
另外，如供試驗材料5所示的那樣，若使用滿足本發(fā)明中規(guī)定的(1)式的孔型軋制輥來軋制管坯，即使冷拔中最小壁厚部的壁厚加工度小于10％，也可以使殘留于精加工后的管的內(nèi)表面折皺的深度為0.20mm以下。
接著，如供試驗材料4、6所示的那樣，在不使用滿足本發(fā)明中規(guī)定的(1)式的孔型軋制輥而軋制管坯，并且，冷拔中最小壁厚部的壁厚加工度小于10％的情況下，殘留于精加工后的管的內(nèi)表面折皺的深度大于0.20mm。
由于供試驗材料7、8所應(yīng)用的鋼組成均超出本發(fā)明的規(guī)定范圍，因此，無法將抗拉強度確保在784Mpa以上的高強度。
由上述供試驗材料1、2、3的結(jié)果可知，通過將冷拔中最小壁厚部的壁厚加工度確保在10％以上，可以抑制助長內(nèi)表面折皺，并進(jìn)一步謀求改善內(nèi)表面折皺。
扭轉(zhuǎn)疲勞試驗的評價 圖10是說明在實施例中實施的扭轉(zhuǎn)疲勞試驗所采用的實驗片的構(gòu)造的圖。將上述供試驗材料1～9切斷為短管7，確認(rèn)兩管端的內(nèi)表面折皺的深度。之后，如圖10所示，在保持鋼管原狀態(tài)的短管7上摩擦加壓焊接夾具8而制作實驗片，在最大剪切應(yīng)力τ＝±145N/mm2(完全對稱)的條件下實施扭轉(zhuǎn)疲勞試驗，統(tǒng)計到斷裂為止的重復(fù)次數(shù)(次)，并利用電子顯微鏡對破損起點部進(jìn)行斷面觀察。
此時合格的判定基準(zhǔn)為重復(fù)次數(shù)在100萬次以上，在大于100萬次的情況下，將評價記作○。將扭轉(zhuǎn)疲勞試驗的結(jié)果表示于表4中。
表4
注)·內(nèi)表面折皺深度由連接于加壓焊接部的部位表示。·斷裂位置均為加壓焊接部。
由表4的結(jié)果可知，在冷拔之后殘留的內(nèi)表面折皺的深度為0.20mm以下的情況下，供試驗材料的重復(fù)次數(shù)均大于100萬次，斷裂位置也在加壓焊接部的內(nèi)表面折皺部之外。相對于此，在冷拔之后殘留的內(nèi)表面折皺的深度大于0.20mm時，自加壓焊接部的內(nèi)表面折皺部產(chǎn)生破損，重復(fù)次數(shù)也低于100萬次。
由這些結(jié)果可確認(rèn)，對驅(qū)動軸的疲勞壽命產(chǎn)生影響的內(nèi)表面折皺的容許深度為0.20mm。
并且，對于鋼的化學(xué)組成，因C、Mn的含有量較少而抗拉強度小于784Mpa時無法確保強度的供試驗材料7、8以及應(yīng)用高S鋼(S＝0.012％)的供試驗材料9，殘留于鋼管的內(nèi)表面折皺的深度為0.20mm以下，但重復(fù)次數(shù)低于100萬次。
由這些結(jié)果可知，為了確保驅(qū)動軸的耐疲勞強度而到達(dá)長疲勞壽命化，必須使鋼管高強度化并應(yīng)用低S鋼。
工業(yè)實用性 采用本發(fā)明的驅(qū)動軸用冷精加工無縫鋼管，使用通過曼內(nèi)斯曼制管法熱軋制后的管坯來實施冷拔，從而可以將其用作汽車用驅(qū)動軸的輕量化、靜音性最佳的、高強度且耐疲勞強度優(yōu)良的空心構(gòu)件。因而，通過應(yīng)用本發(fā)明的制造方法，可以用低廉的制造成本且高效地制造汽車用驅(qū)動軸，因此，可以在工業(yè)上效果顯著地廣泛地應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種驅(qū)動軸用冷精加工無縫鋼管，其特征在于，鋼組成為，以質(zhì)量％計，含有C0.30～0.47％、Si0.50％以下、Mn0.50～2.00％、P0.020％以下、S0.005％以下及Al0.001～0.050％，剩余部分由Fe及雜質(zhì)構(gòu)成；
抗拉強度為784Mpa以上、且950Mpa以下；
在與長度方向垂直的截面中的內(nèi)表面殘留的內(nèi)表面折皺的深度為0.20mm以下。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動軸用冷精加工無縫鋼管，其特征在于，
替代Fe的一部分，含有下述中的1種或2種以上Cr1.5％以下、Ti0.05％以下、Nb0.05％以下、V0.1％以下、Mo1％以下、Ni0.5％以下、Cu0.5％以下、B0.05％以下及Ca0.01％以下。
3.一種驅(qū)動軸用冷精加工無縫鋼管的制造方法，其特征在于，
以質(zhì)量％計，使用含有C0.30～0.47％、Si0.50％以下、Mn0.50～2.00％、P0.020％以下、S0.005％以下及Al0.001～0.050％、剩余部分由Fe及雜質(zhì)構(gòu)成的鋼坯，在利用曼內(nèi)斯曼制管法進(jìn)行穿孔軋制后接著進(jìn)行延伸軋制，之后使用由至少包括2個孔型軋制輥的多個軋制機構(gòu)成的定徑軋制裝置進(jìn)行定徑軋制時，在上述各軋制機中互相相鄰的孔型軋制輥的相面對的輥邊部引出切線，將各個切線所成的角度β(度)中的、全部軋制機中最小的角度設(shè)為βmin(度)的情況下，使用滿足下記(1)式的孔型軋制輥來軋制管坯；
進(jìn)一步對上述管坯實施冷拔；
βmin≥1.13×10×ln(t/D×100)+1.37×102...(1)
其中，D定徑軋制后的管外徑(mm)、t定徑軋制后的管壁厚(mm)、ln(x)x的自然對數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的驅(qū)動軸用冷精加工無縫鋼管的制造方法，其特征在于，
在對上述管坯冷拔時，該管坯的最小壁厚部的壁厚加工度為10％以上。
5.一種驅(qū)動軸用冷精加工無縫鋼管的制造方法，其特征在于，
以質(zhì)量％計，使用含有C0.30～0.47％、Si0.50％以下、Mn0.50～2.00％、P0.020％以下、S0.005％以下及Al0.001～0.050％、剩余部分由Fe及雜質(zhì)構(gòu)成的鋼坯，通過曼內(nèi)斯曼制管法并利用穿孔軋制、延伸軋制及定徑軋制來軋制管坯，對上述管坯冷抽絲時，以該管坯的最小壁厚部的壁厚加工度為10％以上的程度進(jìn)行加工。
6.根據(jù)權(quán)利要求3～5中任一項所述的驅(qū)動軸用冷精加工無縫鋼管的制造方法，其特征在于，
在對熱軋制后的管坯冷拔之后進(jìn)行應(yīng)力去除退火。
7.根據(jù)權(quán)利要求3～6中任一項所述的驅(qū)動軸用冷精加工無縫鋼管的制造方法，其特征在于，
替代Fe的一部分，含有下述中的1種或2種以上Cr1.5％以下、Ti0.05％以下、Nb0.05％以下、V0.1％以下、Mo1％以下、Ni0.5％以下、Cu0.5％以下、B0.05％以下及Ca0.01％以下。
全文摘要
本發(fā)明提供驅(qū)動軸用冷精加工無縫鋼管及其制造方法。對于鋼的成分設(shè)計，降低含有的S量，并且，在利用張力減徑機進(jìn)行的定徑軋制中將軋制輥做成更接近正圓的孔型輪廓，使輥邊部相當(dāng)位置的管的形狀比(內(nèi)表面的曲率半徑與平均內(nèi)半徑之比)適當(dāng)，或者即使在被定徑軋制后的管坯中產(chǎn)生內(nèi)表面折皺的情況下，在之后的冷拔時通過確保規(guī)定的壁厚加工度，可以作為可用作汽車用驅(qū)動軸的、輕量化、靜音化最佳的、高強度且耐疲勞強度優(yōu)良的空心構(gòu)件來使用。由此，可以用低廉的制造成本且高效地制造汽車用驅(qū)動軸。
文檔編號B21B27/02GK101410194SQ20078001107
公開日2009年4月15日 申請日期2007年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月29日
發(fā)明者山本忠之 申請人:住友金屬工業(yè)株式會社