驱动轴用无缝钢管及其制造方法
2020-01-07

驱动轴用无缝钢管及其制造方法

通过对利用满乃斯曼制管法热精加工的钢管施行简单的内表面切削及其后的冷拔,规定形成钢管内表面的凹凸形状的凹部深度(d)、表面粗糙度(Ra)、凹部入口宽度(w),或者,同样地,规定凹凸形状的凹部深度(d)、内表面层的维氏硬度(Hv)、凹部入口宽度(w),可以制造疲劳强度优异、并且最适合于车身轻量化的驱动轴用的中空构件。从而,可以以低廉的制造成本高效率地制造汽车用驱动轴,所以,在工业上获得很大的效果。

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题,大多显露出来。发明内容本发明鉴于伴随着现有的驱动轴等汽车用无缝钢管的制造中存在的问题,其目的是,提供一种驱动轴用无缝钢管及其制造方法,所述无缝钢管,通过对利用满乃斯曼制管法热精加工的钢管进行比较少的内表面切削加工,以及在其后施行冷拔,其疲劳强度优异,同时,最适合于车身的轻本发明人等,为了解决上述课题,进行了各种研究,结果,明确地确定了,在前述冷减径加工中的皱褶的成长、发展,并不一定依赖于存在在热轧后的钢管中的皱褶的深度,以及,作为最终制品的驱动轴的疲劳寿命,只依赖于冷减径加工前的钢管内表面的皱褶深度。下面,说明本发明人等搞清楚的见解。由于驱动轴是将汽车发动机的旋转轴转矩传递给轮胎的重要安全部件,所以,希望不会发生能够成为疲劳破坏起点的表面皱疤。由该中空构件精加工成最终制品形状的工序,在构件钢管的两端施行冷减径加工,整体成形驱动轴。但是,随着该冷减径加工,有时,以垂直于钢管的长度方向的截面的内表面形成的凹凸形状,发生并发展内表面皱褶。从而,作为驱动轴使用的中空构件的性能,有必要在施行冷减径加工、精加工成最终制品的阶段进行评价。从上述观点出发,在前述特许第2822849号公报中提出的制造方法中,由于在冷减径加工前的热精加工钢管中,即,在作为驱动轴的半成品的阶段,采用除去内表面铍褶的方法,所以,只会导致制造成本的增大和生产率的降低。换句话说,与其简单地着眼于改善冷减径加工前的驱动轴用钢管的铍褶深度,倒不如通过搞清楚可以抑制在其后的冷减径加工中成长的内表面皱褶的进展的钢管的内表面品质,掌握在冷减径加工前可以允许的皱褶深度,不必徒劳地施行长时间的内表面磨削加工,能够以低制造成本高效率地确保规定的疲劳强度。

表3<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row>

加工成规定的尺寸,但是,为了获得平滑的内表面,必须反复进行多次拉拔加工和中间退火,存在着制造成本高的问题。为了解决上述问题,在特许第2822849号公报中,提出了一种利用满乃斯曼(Mannesmann)制管法,利用拉伸縮径轧机,高效率地制造无缝钢管,通过喷丸磨削等对该钢管的内表面进行内表面切削,制造驱动轴等汽车用无缝钢管的方法。根据这种制造方法,尽管增加了利用喷丸进行的内表面的磨削量,但是,通过比较少的内表面切削,可以恰当地提高驱动轴用中空构件的疲劳强度。利用热法制造无缝钢管的满乃斯曼制管法,由以下工序构成:将实心的钢坯的中心部开孔的穿孔工序,以该穿孔的中空管坯的壁厚加工为主要目的的延伸轧制工序,縮小管坯的直径、精加工成所需的尺寸的定径轧制工序。通常,在穿孔工序中,使用满乃斯曼穿轧机、交叉型穿孔轧钢机,压力穿轧机等穿孔轧机,在延伸轧制工序中,使用心轴轧机、心棒轧管机、阿塞尔(Assel)轧机等轧机,进而,在定径轧制工序中,使用拉伸缩径轧机及定径机等孔型轧机。图1是说明以热法制造无缝钢管的满乃斯曼制管法的制造工序的一个例子的图示。该制造方法,将加热到规定温度的实心圆钢坯1作为被轧制材料,将该圆钢坯1进给到穿孔轧机(所谓穿轧机)3,在其轴心部开设穿孔,制造中空管坯2。然后将所制造的中空管坯2直接、或者根据需要通过与上述穿孔轧机具有相同结构的延伸轧机进行扩径,进行薄壁化,之后,进给到后续的延伸轧制装置(心轴轧机4)进行延伸轧制。在用心轴轧机4进行延伸轧制时,在利用装入中空管坯2的心棒4b和限制管坯的外表面的轧制辊4r进行拉伸的同时将其冷却。因此,接着将通过了心轴轧机4的中空管坯2装入再加热炉5,再次加热。然后,通过拉伸缩径轧机6,经过进行磨管、形状修正以及定径的精整工序,制造成为制品的无缝钢管。在这种制管方法中,在穿孔轧机3、心轴轧机4及拉伸縮径轧机6中,将中空管坯2压下的轧辊,以被轧制材料行进的轧制线为中心,对向地配置一组或者多组。例如,在拉伸縮径轧机6中,使由穿孔轧机3及心轴轧机4获得的中空管坯2通过轧辊6r,进行外径减径轧制,加工成成品尺寸。因此,如图1所示,拉伸縮径轧机6,以与轧制线和轧机中心一致的方式设置,将中空管坯2压下的一对轧辊,由以轧制线作为中心对向配置的3个轧辊6r构成,这些轧辊6r配置在多组纵列上。在邻接的轧机架之间,各个轧辊6r在相对于轧制线垂直的面内,将压下方向每隔60。错开地交叉配置。但是,如上所述,在拉伸縮径轧机中,由于不用心轴等内表面限制工具,而是通过外径减径轧制进行精加工,所以,在热精加工的钢管的内表面上,容易发生竖条状的皱褶。在前述特许第2822849号公报中,通过将热轧的无缝钢管的内表面切削加工2(Him〜500nm,除去在钢管的表面发生的皱褶,以期提高疲劳强度。但是,这种利用喷丸进行的内表面的磨削,需要大量的处理时间。具体地说,作为驱动轴用所采用的钢管,以内径15mm〜25mm左右的小直径钢管作为对象,为了对这些钢的内表面施行确保上述磨削量的喷丸加工,需要从几十分钟到几个小时的大量的处理时间。因此,在前述特许第2822849号公报中提出的制造方法中,存在着制造成本增高,同时,不能确保在工业上所必需的大量生产的性能的问题。进而,由于在拉伸縮径轧机中,是由3个轧辊构成的外径减径轧制,所以,中空管坯相对于轧制线从3个方向接受压下。因此,热精加工的钢管的内表面形状,不是正圆,而是变成有棱角的或者多角形化的圆,在其内表面上形成凹凸的形状。将这种内表面上的凹凸形状矫正成正圆,只用喷丸等磨削加工是很困难的。另外,驱动轴用钢管,利用旋锻机等,对两个管端部施行冷减径加工,精加工成外径、壁厚沿长度方向变化的产品形状。伴随着这种冷减径加工,内径的减径率为50〜70%左右,当内表面上具有这种凹凸形状的管材接受这种加工时,以该凹凸形状作为起点,使更深的皱褶成长。通常,在利用中空构件的驱动轴中,通过淬火使之高强度化,但是,在高强度化的材料中,以内表面铍褶作为起点的疲劳裂纹容易发展,疲劳强度的降低变得非常显著。从而,在上述981MPa以上的高强度的构件中,伴随着高强度化,疲劳裂纹发生的应力集中敏感性增高,内表面的品质问

接着,进行冷拔。在上述(1)及(2)的驱动轴用无缝钢管中,在凹部深度d不足50pm的情况下,不管是什么样的凹部入口宽度w,冷减径加工后,作为驱动轴都可以确保必要的疲劳强度。因此,在凹部深度d不足50nm的情况下,对其凹部的入口宽度w没有限制。在本发明中,所谓"形成内表面的凹凸形状",是表示作为驱动轴用无缝钢管,冷减径加工前的内表面质量状态。更详细地说,表示起因于热精加工的钢管的棱角及多角形化、或者竖条状的内表面皱褶的发生,受到在其后的内表面磨削以及冷拔的影响的内表面皱褶等的发生状况。从而,在下面的说明中,有时同时使用"凹凸形状"及"内表面皱褶"的表达方式。附图说明图1是说明利用热法制造无缝钢管的满乃斯曼制管法的制造工艺的一个例子的图示。图2是概括地说明在传递旋转轴转矩时,作用到驱动轴的内表面及外表面上的剪切应力的分布的图示。图3是作为形成在垂直于钢管的长度方向的截面上的内表面上的凹凸形状、表示发生在钢管的内表面上的条状皱褶及棱角的状况的图示。图4是表示拉伸縮径轧机的轧辊中的孔型形状的图示。图5是表示在实施例中使用的疲劳特性的评价试验片的图示。具体实施方式在本发明的驱动轴用无缝钢管中,其特征在于,为了使驱动轴能够发挥优异的疲劳强度,在形成内表面的凹凸形状中,不仅是平均的凹凸形状的大小控制在规定的范围之内,而且,通盘观察整个钢管的内表面,将其中最大的凹凸形状,控制在规定的范围之内。图3是作为垂直于钢管的长度方向的截面上的、形成内表面的凹凸形状,表示在钢管内表面上发生的条状皱褶及棱角的状况的图示,(a)表示

<table>注)表中的带有*的部分,表示在本发明的规定范围之外。如下所述的钢管在冷减径加工后的疲劳试验中,扭转负荷转矩变成高的数值,所述钢管为:形成垂直于钢管长度方向的截面上的内表面的凹凸形状,直到凹部的底部的深度d在100pm以下,其中,在直到凹部的底部的深度d在50|im以上的情况下,其凹部的入口宽度w在0.5d以上(w/cfe0.5),内表面的表面粗糙度,以中心线平均粗糙度Ra计为1〜4pm。这里,中心线平均粗糙度Ra,是将钢管沿轴向方向对开,g卩,竖着切开,用表面粗糙度计沿轴向方向测定内表面。另一方面,如果直到凹部的底部的最大深度dmax不足50fim而平滑化的话,即使在凹部的入口宽度w不具备前述条件的情况下,也不会发生以内表面侧作为起点的破坏(试样No.9)如上所述,在实施例1中,通过对热精加工的钢管进行冷拔,促进表面粗糙度Ra的改善,将凹凸形状的控制和钢管内表面的平滑化相结合,驱动轴用钢管的疲劳特性被显著改善。(实施例2)在施行和实施例1同样的热工艺和磨削处理之后,进行冷拔,制造驱动轴用钢管。对供试验的驱动轴用钢管施行约38%的冷减径加工,评价作为最终制品的驱动轴使用的情况下的疲劳寿命。这里的评价尺寸为,外径28mm、内径9mm、壁厚9.5mm。冷减径加工的内径縮径率约71%,用比实施例1更严格的条件评价疲劳特性。在评价时,和实施例l同样,制造显微观察用试样,调查dmax以及w/d,同时,测定在钢管内表面层500^im处的维氏硬度Hv。其中,令冷减径加工前的热处理条件为均匀加热到780〜79(TC,通过调整其后的徐冷时间,调整钢管的内表面层500(im处的硬度。各种试验条件和试验结果示于表2。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row>

<table>注)表中的带有*的部分,表示在本发明的规定范围之外。如从表3的结果可以看出的,如果是在本发明规定的条件下制造的驱动轴用钢管的话,内表面磨削无需很长的时间,可以确保优异的疲劳强度。另外,对于磨削量,因钢管的内径尺寸而变动,但是确认了,如果能够确保在壁厚方向20^im〜30^im的话,就足够了。然后,如果进行冷拔的话,由于通过冷拔,钢管的内表面平滑化,所以,可以高效率地获得疲劳强度优异的驱动轴用中空构件。工业上的利用可能性根据本发明的驱动轴用无缝钢管,通过对利用满乃斯曼制管法热精加工的钢管施行简单的内表面切削加工以及之后的冷拔,规定形成钢管的内表面的凹凸形状的凹部深度d、表面粗糙度Ra、凹部入口宽度w,或者,同样地,通过规定凹凸形状的凹部深度d、内表面层的维氏硬度Hv、凹部入口宽度w,可以制造疲劳强度优异、并且最适合于车身轻量化的驱动轴用的中空构件。从而,通过应用本发明的制造方法,可以以低廉的制造成本高效率地制造汽车用驱动轴,所以,在工业上获得很大的效果。

驱动轴用无缝钢管及其制造方法技术领域本发明涉及驱动轴用无缝钢管及其制造方法,更详细地说,涉及适合于汽车用驱动轴的轻量化、并且疲劳强度优异的作为中空构件使用的无缝钢管,以及高效率地制造无缝钢管的方法。背景技术最近,保护地球环境的必要性增高,其中,要求使汽车车身轻量化,进一步有效地达到节能的效果。因此,从车身轻量化的观点出发,尝试将汽车用部件从实心材料替换成中空材料。在这种尝试当中,对于汽车的驱动轴,一部分也开始采用中空构件。具体地说,为了一面确保汽车用驱动轴所要求的扭转刚性,一面进一步谋求轻量化,对于使构件的中间部薄壁大直径化,同时,将与等速联轴节连结的两个端部制成小直径厚壁的、整体成形的驱动轴的采用进行了研究。为了用钢管制造这种驱动轴,通过在中空构件的两个端部施行冷减径加工,使两个轴端部减径,同时,使壁厚增加,整体成形。汽车用驱动轴是将发动机的旋转轴的转矩传递给轮胎的重要的安全部件。因此,由于为了确保驱动轴的疲劳强度,优选提高其强度、刚性,所以,施行淬火等热处理。在施行淬火的情况下,能够一面通过热处理保持良好的疲劳强度,一面达到981Mpa以上的高强度。通常,在前述冷减径加工中,由于在加工时不使用限制钢管内表面的工具,所以,根据加工条件,在加工后的驱动轴的内表面上有时会发生皱褶。当在驱动轴上发生内表面皱褶时,使疲劳强度显著降低。因此,为了制造用于驱动轴的中空构件的钢管,研究了将心棒或其它心铁插入钢管内,反复进行冷拔直到规定的尺寸的方法。不过,在反复冷拔的方法中,可以将钢管的内表面加工成光滑的,精

加工成规定的尺寸,但是,为了获得平滑的内表面,必须反复进行多次拉拔加工和中间退火,存在着制造成本高的问题。为了解决上述问题,在特许第2822849号公报中,提出了一种利用满乃斯曼(Mannesmann)制管法,利用拉伸縮径轧机,高效率地制造无缝钢管,通过喷丸磨削等对该钢管的内表面进行内表面切削,制造驱动轴等汽车用无缝钢管的方法。根据这种制造方法,尽管增加了利用喷丸进行的内表面的磨削量,但是,通过比较少的内表面切削,可以恰当地提高驱动轴用中空构件的疲劳强度。利用热法制造无缝钢管的满乃斯曼制管法,由以下工序构成:将实心的钢坯的中心部开孔的穿孔工序,以该穿孔的中空管坯的壁厚加工为主要目的的延伸轧制工序,縮小管坯的直径、精加工成所需的尺寸的定径轧制工序。通常,在穿孔工序中,使用满乃斯曼穿轧机、交叉型穿孔轧钢机,压力穿轧机等穿孔轧机,在延伸轧制工序中,使用心轴轧机、心棒轧管机、阿塞尔(Assel)轧机等轧机,进而,在定径轧制工序中,使用拉伸缩径轧机及定径机等孔型轧机。图1是说明以热法制造无缝钢管的满乃斯曼制管法的制造工序的一个例子的图示。该制造方法,将加热到规定温度的实心圆钢坯1作为被轧制材料,将该圆钢坯1进给到穿孔轧机(所谓穿轧机)3,在其轴心部开设穿孔,制造中空管坯2。然后将所制造的中空管坯2直接、或者根据需要通过与上述穿孔轧机具有相同结构的延伸轧机进行扩径,进行薄壁化,之后,进给到后续的延伸轧制装置(心轴轧机4)进行延伸轧制。在用心轴轧机4进行延伸轧制时,在利用装入中空管坯2的心棒4b和限制管坯的外表面的轧制辊4r进行拉伸的同时将其冷却。因此,接着将通过了心轴轧机4的中空管坯2装入再加热炉5,再次加热。然后,通过拉伸缩径轧机6,经过进行磨管、形状修正以及定径的精整工序,制造成为制品的无缝钢管。在这种制管方法中,在穿孔轧机3、心轴轧机4及拉伸縮径轧机6中,将中空管坯2压下的轧辊,以被轧制材料行进的轧制线为中心,对向地配置一组或者多组。例如,在拉伸縮径轧机6中,使由穿孔轧机3及心轴轧机4获得的中空管坯2通过轧辊6r,进行外径减径轧制,加工成成品尺寸。因此,如图1所示,拉伸縮径轧机6,以与轧制线和轧机中心一致的方式设置,将中空管坯2压下的一对轧辊,由以轧制线作为中心对向配置的3个轧辊6r构成,这些轧辊6r配置在多组纵列上。在邻接的轧机架之间,各个轧辊6r在相对于轧制线垂直的面内,将压下方向每隔60。错开地交叉配置。但是,如上所述,在拉伸縮径轧机中,由于不用心轴等内表面限制工具,而是通过外径减径轧制进行精加工,所以,在热精加工的钢管的内表面上,容易发生竖条状的皱褶。在前述特许第2822849号公报中,通过将热轧的无缝钢管的内表面切削加工2(Him〜500nm,除去在钢管的表面发生的皱褶,以期提高疲劳强度。但是,这种利用喷丸进行的内表面的磨削,需要大量的处理时间。具体地说,作为驱动轴用所采用的钢管,以内径15mm〜25mm左右的小直径钢管作为对象,为了对这些钢的内表面施行确保上述磨削量的喷丸加工,需要从几十分钟到几个小时的大量的处理时间。因此,在前述特许第2822849号公报中提出的制造方法中,存在着制造成本增高,同时,不能确保在工业上所必需的大量生产的性能的问题。进而,由于在拉伸縮径轧机中,是由3个轧辊构成的外径减径轧制,所以,中空管坯相对于轧制线从3个方向接受压下。因此,热精加工的钢管的内表面形状,不是正圆,而是变成有棱角的或者多角形化的圆,在其内表面上形成凹凸的形状。将这种内表面上的凹凸形状矫正成正圆,只用喷丸等磨削加工是很困难的。另外,驱动轴用钢管,利用旋锻机等,对两个管端部施行冷减径加工,精加工成外径、壁厚沿长度方向变化的产品形状。伴随着这种冷减径加工,内径的减径率为50〜70%左右,当内表面上具有这种凹凸形状的管材接受这种加工时,以该凹凸形状作为起点,使更深的皱褶成长。通常,在利用中空构件的驱动轴中,通过淬火使之高强度化,但是,在高强度化的材料中,以内表面铍褶作为起点的疲劳裂纹容易发展,疲劳强度的降低变得非常显著。从而,在上述981MPa以上的高强度的构件中,伴随着高强度化,疲劳裂纹发生的应力集中敏感性增高,内表面的品质问

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接着,进行冷拔。在上述(1)及(2)的驱动轴用无缝钢管中,在凹部深度d不足50pm的情况下,不管是什么样的凹部入口宽度w,冷减径加工后,作为驱动轴都可以确保必要的疲劳强度。因此,在凹部深度d不足50nm的情况下,对其凹部的入口宽度w没有限制。在本发明中,所谓"形成内表面的凹凸形状",是表示作为驱动轴用无缝钢管,冷减径加工前的内表面质量状态。更详细地说,表示起因于热精加工的钢管的棱角及多角形化、或者竖条状的内表面皱褶的发生,受到在其后的内表面磨削以及冷拔的影响的内表面皱褶等的发生状况。从而,在下面的说明中,有时同时使用"凹凸形状"及"内表面皱褶"的表达方式。附图说明图1是说明利用热法制造无缝钢管的满乃斯曼制管法的制造工艺的一个例子的图示。图2是概括地说明在传递旋转轴转矩时,作用到驱动轴的内表面及外表面上的剪切应力的分布的图示。图3是作为形成在垂直于钢管的长度方向的截面上的内表面上的凹凸形状、表示发生在钢管的内表面上的条状皱褶及棱角的状况的图示。图4是表示拉伸縮径轧机的轧辊中的孔型形状的图示。图5是表示在实施例中使用的疲劳特性的评价试验片的图示。具体实施方式在本发明的驱动轴用无缝钢管中,其特征在于,为了使驱动轴能够发挥优异的疲劳强度,在形成内表面的凹凸形状中,不仅是平均的凹凸形状的大小控制在规定的范围之内,而且,通盘观察整个钢管的内表面,将其中最大的凹凸形状,控制在规定的范围之内。图3是作为垂直于钢管的长度方向的截面上的、形成内表面的凹凸形状,表示在钢管内表面上发生的条状皱褶及棱角的状况的图示,(a)表示