专利名称：：Cvj滚珠隔离圈用钢的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种汽车等的等速万向节(CVJ)的滚珠隔离圈(ballcage)零件所采用的钢。
背景技术：
：如图1所示，汽车的用于从驱动车轴向被驱动车轴传递动力的等速接头(以下简称作CVJ)是这样的构造，即，在固定设置于驱动轴1上的内图(innerrace)(内环)3与固定设置于被驱动轴2上的外圈(outerrace)(外环)4之间插入多个滚珠5，利用滚珠隔离圈6保持这些滚珠。由于该滚珠隔离圈6和内圈3在机构上要传递非常大的旋转力，因此，需要较高的强度、韧性及疲劳强度。因而，对于这些零件应用通过渗碳、淬火而被付与了较高的表面硬度和转动疲劳性的渗碳钢(case-hardenedsteel)，作为渗碳钢，以往采用JIS的SCr415、SCM415、SNC415、SNCM415这样的Cr系、Cr-Mo系、Ni-Cr系、Ni-Cr-Mo系的机械结构用合金钢。但是，近来，对于CVJ小型轻量化的要求增大，与以往相比作用于滚珠隔离圈的应力变大。在以往的渗碳钢中，由于静态强度、韧性及疲劳强度不够，因此，例如像下述专利文献15那样提出了通过研究合金组成来解决上述问题点的技术。在专利文献1中公开有使Cr-Mo量适当化、并且添加Nb或Ti而成的钢，在专利文献2中公开有使Cr-Mo量适当化并添加Nb或Ti、并且添加B、Ni而成的钢。在专利文献3及4中公开有使Cr-Mo量适当化、并添加B而成的钢。另外，在专利文献5中公开有向Cr钢中添加B而成的钢。专利文献1日本特开平1-39351号公报专利文献2日本特开平5-117806号公报专利文献3日本特开平9-53150号公报专利文献4日本特开平9-53169号公报专利文献5日本特开2005-105379号公报但是，在这些专利文献中提出的渗碳钢与JIS所规定的钢相比均存在合金成本较高、制造性也降低的问题。还存在与以往相比寿命降低这样的问题。
发明内容本发明的目的在于提供一种CVJ滚珠隔离圈用钢，该CVJ滚珠隔离圈用钢即使在比以往更加小型轻量化的CVJ中应用于作用有比以往更大的负荷应力的滚珠隔离圈、也能获得足够的耐用寿命。本发明人详细地调查比以往更加小型轻量化的CVJ中的、作用有比以往更大的负荷应力的滚珠隔离圈在短时间内就无法使用的事例，并分析最影响寿命的原因，研究了延长其寿命的方法。结果，获得以下(a)(h)所示的见解。(a)在高速旋转过程中增大CVJ的接头切角时，滚珠隔离圈所负荷的应力超过材料强度，导致滚珠隔离圈断裂。因而，提高材料强度是很重要的。(b)采用强度较高的材料制作CVJ的滚珠隔离圈而实施了耐久试验，但即使是高强度材料，以实际的CVJ在高速旋转过程中增大CVJ的接头切角时，也无法抑制滚珠隔离圈的破坏，是否导致滚珠隔离圈破坏与单纯的材料强度无对应关系。(c)对提高表面硬度或者提高韧性而是否能抑制滚珠隔离圈破坏进行了调查，但均无法提高破坏强度，反而降低的情况也很多。(d)根据以实际的CVJ在高速旋转过程中增大CVJ的接头切角和滚珠隔离圈破坏的对应关系的调查结果可明确，滚珠隔离圈断裂是从用于固定滚珠的窗的拐角部分的应力集中部开始发生的。因此，可知与缺口拉伸试验的强度显示出良好的对应关系。(e)因而可知，用于提高将渗碳钢用作滚珠隔离圈这样的特征性形状的构件时的断裂强度的材料设计指标是提高缺口拉伸强度(Notchedtensilestrength)。S卩，在使滚珠隔离圈小型轻量化的情况下，所负荷的应力变大，但在这种情况下，在欲确保与以往同等程度以上的断裂强度时，只要提高缺口拉伸强度即可。(f)接着，对提高用作滚珠隔离圈的渗碳钢的缺口拉伸强度实施了研究。结果可明确，像后述那样，缺口拉伸强度很大程度地依赖于S含有量。与此相对，通常的拉伸强度并不依赖于S含有量。渗碳钢也可用于齿轮等各种用途，大多进行切削加工。但是，从确保切削性的方面考虑，通常积极地添加S，但这次转换思路而降低钢中的S含有量，结果发现缺口拉伸强度明显升高。即，为了改良缺口拉伸强度，即使能预计切削性会降低一些，降低S含有量也是唯一的方法。(g)根据拉伸试验后的断面观察，降低S后的缺口拉伸强度的提高取决于伸长了的MnS系夹杂物的多少。在缺口拉伸试验中，在试验时应力集中于缺口部，若在应力集中部正下方存在有伸长了的MnS，则会成为破坏的起点，渗碳部产生脆性破坏，并且，由于未渗碳的中心部的韧性也因伸长了的MnS而降低，因此，一旦在早期产生裂纹，则裂纹发展不停止而会在低应力下断裂。在通常的拉伸试验中，即使存在伸长了的MnS，也不存在应力集中的缺口，因此，渗碳部难以产生脆性破坏，断裂应力升高。因而，在降低S含有量而降低MnS系夹杂物量时，通常的拉伸强度几乎不会上升，但能够大大地改良缺口拉伸强度。本发明的用途、即滚珠隔离圈使用中的破坏强度受该缺口拉伸强度的支配，因此，通过降低S量，能够提供即使小型化也难以破坏的、可靠性较高的CVJ。另外，该效果适合滚珠隔离圈这样的特有形状零件的技术，对于受通常的拉伸强度、疲劳强度支配的其他用途，几乎无法期待该S量降低的效果，反而会降低被切削性，因此，不是能够应用的技术。(h)图217是对于在后述的实施例中采用的具有各种化学组成的钢以S含有量为X轴、以机械性质为Y轴地绘制而成的。另外，作为机械性质，将通常的拉伸强度(平滑拉伸强度)和缺口拉伸强度用作其指标。图2及图3是整理以SCr415系为基础而改变S含有量的钢(钢No.18)的渗碳后的平滑拉伸强度及缺口拉伸强度而成的曲线图。如图2所示，即使降低S含有量，平滑拉伸强度也几乎不变。但是，如图3所示，缺口拉伸强度因S含有量而变化较大，当降低钢中的S含有量时，其强度大幅度上升。接着，图4及图5是整理了以SCM415系为基础而改变S含有量的钢(钢No.916)的、渗碳后的平滑拉伸强度及缺口拉伸强度的曲线图；图6及图7是整理了以SCr420系为基础而改变S含有量的钢(钢No.1724)的、渗碳后的平滑拉伸强度及缺口拉伸强度的曲线图；图8及图9是整理了以SCr420系为基础而改变S含有量的钢(钢No.2532)的、渗碳后的平滑拉伸强度及缺口拉伸强度的曲线图；图10及图11是整理了以SAE8617系为基础而改变S含有量的钢(钢No.3341)的、渗碳后的平滑拉伸强度及缺口拉伸强度的曲线图；图12及图13是整理了以向SCr415系中添加Ti而成的钢为基础而改变S含有量的钢(钢No.4249)的、渗碳后的平滑拉伸强度及缺口拉伸强度的曲线图；图14及图15是整理了以向SCM420系中添加Nb而成的钢为基础而改变S含有量的钢(钢No.5057)的、渗碳后的平滑拉伸强度及缺口拉伸强度的曲线图；图16及图17是整理了以向SAE8617系中添加Ti、Nb而成的钢为基础而改变S含有量的钢(钢No.5865)的、渗碳后的平滑拉伸强度及缺口拉伸强度的曲线图。与图2及图3同样，即使降低S含有量，平滑拉伸强度也几乎不变，但当降低钢中的S含有量时，缺口拉伸强度大幅度上升。本发明即是根据上述见解完成的，其主旨在于下述⑴⑷的CVJ滚珠隔离圈用钢。(1)一种CVJ滚珠隔离圈用钢，其特征在于，以质量％计含有C:0.10.25%、Si0.050.7%、Mn0.051.2%、Cr0.31.2%、S0.005%以下、P0.03%以下、N0.02%以下、0(氧)0.01%以下及sol.Al:0.0050.1%，其余部分由Fe和杂质构成。(2)上述(1)的CVJ滚珠隔离圈用钢，其特征在于，以质量％计，替代Fe的一部分而还含有Mo0.7%以下。(3)上述⑴或⑵的CVJ滚珠隔离圈用钢，其特征在于，以质量％计，替代Fe的一部分而还含有Ni以下。(4)上述⑴⑶中任一项的CVJ滚珠隔离圈用钢，其特征在于，以质量％计，替代Fe的一部分而还含有Ti0.3%以下、Nb0.3%以下、V0.3%以下及Ir0.3%以下中的一种以上。采用本发明，提供一种CVJ滚珠隔离圈用钢，该CVJ滚珠隔离圈用钢即使在比以往更加小型轻量化的CVJ中应用于作用有比以往更大的负荷应力的滚珠隔离圈，也能获得足够的耐用寿命。图1是表示等速接头的一个例子的剖视图。图2表示SCr415系钢种中的S含有量与平滑拉伸强度的关系。图3表示SCr415系钢种中的S含有量与缺口拉伸强度的关系。图4表示SCM415系钢种中的S含有量与平滑拉伸强度的关系。图5表示SCM415系钢种中的S含有量与缺口拉伸强度的关系。图6表示SCr420系钢种中的S含有量与平滑拉伸强度的关系。图7表示SCr420系钢种中的S含有量与缺口拉伸强度的关系。图8表示SCM420系钢种中的S含有量与平滑拉伸强度的关系。图9表示SCM420系钢种中的S含有量与缺口拉伸强度的关系。图10表示SAE8617系钢种中的S含有量与平滑拉伸强度的关系。图11表示SAE8617系钢种中的S含有量与缺口拉伸强度的关系。图12表示向SCr415系中添加Ti而成的钢种中的S含有量与平滑拉伸强度的关系。图13表示向SCr415系中添加Ti而成的钢种中的S含有量与缺口拉伸强度的关系。图14表示向SCM420系中添加Nb而成的钢种中的S含有量与平滑拉伸强度的关系。图15表示向SCM420系中添加Nb而成的钢种中的S含有量与缺口拉伸强度的关系。图16表示向SAE8617系中添加Ti和Nb而成的钢种中的S含有量与平滑拉伸强度的关系。图17表示向SAE8617系中添加Ti和Nb而成的钢种中的S含有量与缺口拉伸强度的关系。附图标记说明1、驱动轴；2、被驱动轴；3、内圈；4、外圈；5、滚珠；6、滚珠隔离圈。具体实施例方式下面，对构成本发明的CVJ滚珠隔离圈用钢的化学组成的限定理由进行说明。另夕卜，各元素的含有量的“％，，表示“质量％”。C:0·10.25%由于C是决定钢的硬度或强度的基本元素，因此，是根据所要求的强度而添加的元素。为了确保作为滚珠隔离圈的最低强度，需要使C的含有量为0.10%以上。另一方面，若C的含有量过高，则韧性降低，因此，使C含有量的上限为0.25%。Si0.050.7%Si具有使钢脱氧的效果，而且，是提高淬透性而强化钢的元素，需要使Si的含有量为0.05%以上。但是，若Si的含有量大于0.7%，则在渗碳淬火时助长晶界氧化，使缺口拉伸强度降低，因此，使Si含有量的上限为0.7%。另外，从缺口拉伸强度的方面考虑，优选Si含有量较低。也考虑到与脱氧程度(deacidificationlevel)的平衡，优选Si的含有量为0.5%以下，更优选为0.3%以下。Mn0.051.2%Mn也与Si同样地具有使钢脱氧的效果，而且，是提高淬透性而强化钢的元素，需要使Mn的含有量为0.05%以上。但是，若Mn的含有量大于1.2%，则在渗碳淬火时助长晶界氧化，使缺口拉伸强度降低，因此，使Mn的含有量为1.2%以下。另外，从缺口拉伸强度的方面考虑，优选Mn含有量较低。也考虑到与脱氧程度的平衡，优选Mn的含有量为1.0%以下。Cr0.31.2%Cr与C的亲和性较大，是在短时间内进行渗碳所必需的元素。另外，也是确保渗碳淬火时的淬透性的重要的元素。为了获得该效果，需要使Cr的含有量为0.3%以上。另一方面，若Cr的含有量大于1.2%，则Cr碳化物析出而使韧性降低。因而，使Cr含有量为0.31.2%。S:0.005%以下将S含有量抑制得较低是本发明的钢的最重要的特征，若S含有量大于0.005%,则无法确保需要的缺口拉伸强度。因而，使S的含有量为0.005%以下，更优选为0.003%以下，进一步优选为0.0015%以下，S含有量越低，缺口拉伸强度越高。但是，随着S的降低存在切削加工性降低这样的问题，而且若减少S，则会导致制钢成本上升，因此，在考虑这些问题的情况下，优选S含有量的下限大于0.0009%。P0.03%以下P作为杂质包含在钢中。P是减小晶界的结合力而使韧性降低的元素，优选尽可能地少，但若欲将P的含有量抑制在低水平，则制钢成本会上升，因此，考虑到经济性，使P的含有量为0.03%以下。若使P的含有量为0.03%以下，则能获得作为滚珠隔离圈的充分的韧性。N0.02%以下N作为杂质包含在钢中。若N的含有量大于0.02%，则韧性降低，因此，使N的含有量为0.02%以下。更优选N的含有量的上限为0.01%，进一步优选的上限为0.007%。0(氧)0·01%以下0作为杂质包含在钢中。若0的含有量大于0.01%，则韧性降低，因此，使0的含有量为0.01%以下。sol.Al:0·0050.Al是钢脱氧所必需的元素，需要含有0.005%以上。另一方面，若Al的含有量大于0.1%，则会生成束状的非金属夹杂物而使韧性降低，因此，使sol.Al的含有量为0.0050.1%。本发明的CVJ滚珠隔离圈用高强度渗碳钢除上述成分之外也可以还含有Mo、Ni、Ti、Nb、V及&中的一种以上。在这种情况下，也同样地需要如上所述地将P、N及0抑制得较低。Mo0.7%以下Mo具有提高渗碳部的淬透性、提高钢强度的作用。因而，在欲体现该效果的情况下，可以含有Mo。但是，Mo的含有量为0.7%时效果就会饱和，即使Mo的含有量大于0.7%，也只不过是导致成本上升。因而，即使在含有Mo的情况下，也使其含有量的上限为0.7%。另外，为了获得该效果，优选使Mo的含有量为0.以上。Ni以下Ni具有提高钢的强度和韧性的作用。与Cr、Mo不同，其是即使大量地添加不良影响也较少的元素，因此，对于设计强度较高的材质是特别有效的成分。因而，在欲体现该效果的情况下，可以含有Ni。但是，Ni的含有量为时效果就会饱和，即使Ni的含有量大于1%，也只不过是导致成本上升。因而，即使在含有Ni的情况下，也使其含有量的上限为1%。另外，为了获得该效果，优选使Ni的含有量为0.以上。Ti、Nb、V及Zr各自0.3%以下这些元素具有抑制渗碳淬火时晶粒的粗晶化、提高韧性的作用。因而，在欲体现上述效果的情况下，可以含有Ti、Nb、V及&中的一种以上。但是，若各自的含有量大于0.3%，则韧性反而降低，因此，即使在含有Ti、Nb、V及&中的一种以上的情况下，也使各自的含有量的上限为0.3%以下。另外，为了可靠地获得该效果，优选使Ti、Nb、V及&的含有量为0.003%以上。另外，本发明的CVJ滚珠隔离圈用钢在加工为滚珠隔离圈的形状之后，经过渗碳淬火和回火处理而用作CVJ的零件。实施例熔炼表1及表2所示的化学组成的钢材，对其进行热锻造及热轧制而制作25mm厚、120mm宽、550mm长的板材，在以920°C进行正火之后，以720°C实施回火而使其软化。接着，除去表面氧化皮，之后将其冷加工至16mm厚，再次以720°C实施回火而使其软化。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>从上述原料上沿与轧制方向垂直的方向即T方向分别采取平行部的直径为8mm的平滑拉伸试验片和同样地平行部的直径为8mm且具有深度lmm的缺口的缺口拉伸试验片。然后，在以下的条件下对试验片实施渗碳处理及热处理。首先，以碳势o．9％、930℃渗碳130分钟，接着，以碳势o．8％、870℃渗碳30分钟，之后进行油淬火。接着，以160℃回火2小时，测定平滑拉伸强度和缺口拉伸强度，评价其机械性质。将平滑拉伸强度和缺口拉伸强度的测定结果示于表1及表2中。图217是如上所述的、采用该表2的数据针对每种钢种以S的含有量为X轴、以机械性质(平滑拉伸强度、缺口拉伸强度)为Y轴绘制而成的曲线图。即使降低S含有量，平滑拉伸强度也几乎不变，但缺口拉伸强度在钢中的S含有量降低时会大幅度上升。工业实用件本发明的CVJ滚珠隔离圈用钢在小型轻量化的CVJ中应用于作用有更大的负荷应力的滚珠隔离圈时，能获得足够的耐用寿命。因而，大大有助于提高汽车的轻量化和燃料消耗费。权利要求一种CVJ滚珠隔离圈用钢，其特征在于，以质量％计，含有C0.1～0.25％、Si0.05～0.7％、Mn0.05～1.2％、Cr0.3～1.2％、S0.005％以下、P0.03％以下、N0.02％以下、O(氧)0.01％以下及sol.Al0.005～0.1％，其余部分由Fe和杂质构成。2.根据权利要求1所述的CVJ滚珠隔离圈用钢，其特征在于，以质量％计，替代Fe的一部分而还含有Mo:0.7%以下。3.根据权利要求1或2所述的CVJ滚珠隔离圈用钢，其特征在于，以质量％计，替代Fe的一部分而还含有Ni以下。4.根据权利要求13中任一项所述的CVJ滚珠隔离圈用钢，其特征在于，以质量％计，替代Fe的一部分而还含有Ti0.3%以下、Nb0.3%以下、V0.3%以下及&0.3%以下中的一种以上。全文摘要本发明提供一种CVJ滚珠隔离圈用钢。该CVJ滚珠隔离圈用钢即使在小型轻量化的CVJ中应用于作用有比以往更大的负荷应力的滚珠隔离圈，也能获得足够的耐用寿命。以质量％计，含有C0.1～0.25％、Si0.05～0.7％、Mn0.05～1.2％、Cr0.3～1.2％、S0.005％以下、P0.03％以下、N0.02％以下、O(氧)0.01％以下及sol.Al0.005～0.1％，其余部分由Fe和杂质构成。替代Fe的一部分而还含有Mo、Ni、Ti、V及Zr中的一种以上。文档编号C21D1/06GK101835916SQ20088011282公开日2010年9月15日申请日期2008年10月22日优先权日2007年10月22日发明者山本忠之,近藤邦夫申请人:住友金属工业株式会社