(57)【要約】      （修正有）【課題】鍛造品の両端部において疲労強度が高く、しかも鍛造品の半径方向において疲労強度のバラツキが少ない、疲労特性に優れた鍛造品、および該鍛造品から製造されるクランク軸を提供する。【解決手段】鍛造品の軸方向に垂直な断面の軸位置に観察される長径が５μｍ超の介在物の密度（Ｄ0）を７０個／ｃｍ2以下とし、且つ、鍛造品の半径をＲとしたときに軸位置から半径方向に向かってＲ／３位置に観察される長径が５μｍ超の介在物の密度（ＤR）と上記密度Ｄ0との比が下記（１）式を満足させる。０．５≦ＤR／Ｄ0≦１．５０・・・（１）【選択図】図１
2010082662.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ  ：０．１５〜０．７５％ （「質量％」の意味。以下同じ。）、
Ｓｉ：０．１〜０．６％、
Ｍｎ：０．３〜１．４％、
Ｎｉ：０．１〜２％、
Ｃｒ：０．５〜２．５％、
Ｍｏ：０．１〜０．５％、
Ｖ  ：０．０１〜０．２０％、
Ａｌ：０．０１５〜０．０４％を含有し、
Ｔｉ：０．００３％以下（０％を含まない）、
Ｓ  ：０．０００６％以下（０％を含まない）、
Ｎ  ：０．０１％以下（０％を含まない）、
Ｏ  ：０．００２％以下（０％を含まない）を満足し、
残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼塊を熱間鍛造して得られた柱状の鍛造品であって、
鍛造品の軸方向に垂直な断面の軸位置に観察される長径が５μｍ超の介在物の密度（Ｄ0）が７０個／ｃｍ2以下であり、且つ、
鍛造品の半径をＲとしたときに軸位置から半径方向に向かってＲ／３位置に観察される長径が５μｍ超の介在物の密度（ＤR）と上記密度Ｄ0との比が下記（１）式を満足することを特徴とする鍛造品。
０．５≦ＤR／Ｄ0≦１．５０      ・・・（１）
【請求項２】
前記鍛造品は円柱状であり、該鍛造品の両端面において上記（１）式を満足するものである請求項１に記載の鍛造品。
【請求項３】
請求項１または２に記載の鍛造品から製造されるクランク軸。
【請求項４】
請求項３に記載のクランク軸であって、軸径が２００ｍｍ以上であり、発電用または船舶用のディーゼル機関に用いられるクランク軸。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼塊を熱間鍛造して得られた鍛造品、およびこれを用いて得られるクランク軸に関するものであり、特に鋼中に存在する介在物の分散状態を制御した鍛造品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
機械や船舶、発電機等では、駆動源のエネルギーを伝達する部材として回転運動部品（例えば、クランク軸）が用いられる。回転運動部品は、例えば、造塊法により製造される鋼塊を熱間鍛造して得られた鍛造品を用いて製造され、過酷な使用環境下でも疲労破壊を生じ難い疲労特性が要求される。
【０００３】
船舶用クランク軸に採用される低合金鋼について、非特許文献１には、（１）介在物は疲労破壊の起点となりやすく、鋼の高強度化に伴いその傾向が顕著となること、（２）介在物サイズが大きいほど疲労特性は低下すること、（３）伸長した介在物を含む鋼材は、疲労強度の異方性が表れやすいこと、などが記載されている。そして、鍛造品の疲労特性を向上させるには、介在物の形状を球形とし、寸法を小さくすることが有効であることが記載されている。
【０００４】
ところで、船舶等で用いられる大型のクランク軸を製造するには、当然のことながら大型の鋼塊が必要となる。大型の鋼塊を造塊法により製造すると、鋼塊の底部（重力方向の端部を意味する。）に沈殿晶帯が形成される。沈殿晶とは、鋳型に溶鋼を注入する間や注入後に、溶湯表面（保温材や酸化防止剤と溶鋼との界面）で生成した鋼の結晶核が、鋳型内の溶鋼対流により、その根元から溶融し、物理的に分断され、溶鋼との密度差によって溶鋼内を沈降していく結晶核を指す。この結晶核が溶鋼内を沈降していく間に、溶鋼中の介在物の一部が巻き込まれ、鋼塊の底部に介在物が偏析してしまう。こうして形成された沈殿晶と介在物が集合したものが沈殿晶帯である。沈殿晶帯が生成すると、鋼塊の底部における疲労特性が劣化する原因となる。なお、この沈殿晶帯は、連続鋳造法で製造される鋼塊には認められないものである。
【０００５】
沈殿晶帯における介在物の集積を軽減・抑制する技術として、特許文献１には、下注ぎ法または上注ぎ法によってキルド鋼を製造するに当たって、溶鋼の注入中またはその直後に、早期燃焼型高カロリー保温剤で鋳型内湯面上を被覆することが開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、鋼塊のボトム部に介在物が集中して残留しないように、断熱性の頭部保温剤兼酸化防止剤を使用し、溶鋼の鋳込温度を融点以上７５〜１００℃の範囲とし、かつ該頭部保温剤兼酸化防止剤の９０％以上を溶鋼の注入前または全体の注入時間の６０％以内に添加することが記載されている。
【非特許文献１】「高強度クランク軸材の疲労強度特性に関する研究」，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＪＩＭＥ，平成１３年，Ｖｏｌ．３６，Ｎｏ．６，ｐ．３８５−３９０
【特許文献１】特開昭４９−３５２３２号公報
【特許文献２】特開昭５９−１７８１５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１や特許文献２のように、沈殿晶帯の生成を抑制するには、鋼塊の上部（底部とは反対側の端部を意味する。）を保温することが有効であるが、鋼塊の上部と底部における疲労強度にバラツキが生じる場合があり、均質な鍛造品が得られないことがあった。また、鋼塊の軸位置と、該軸位置から半径方向に離れた周辺部の疲労強度を測定すると、測定位置によって疲労強度に差が認められる。
【０００８】
本発明は、この様な状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、鍛造品の両端部において疲労強度が高く、しかも鍛造品の半径方向において疲労強度のバラツキが少ない、疲労特性に優れた鍛造品、および該鍛造品から製造されるクランク軸を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決することのできた本発明に係る鍛造品は、Ｃ：０．１５〜０．７５％（「質量％」の意味。以下同じ。）、Ｓｉ：０．１〜０．６％、Ｍｎ：０．３〜１．４％、Ｎｉ：０．１〜２％、Ｃｒ：０．５〜２．５％、Ｍｏ：０．１〜０．５％、Ｖ：０．０１〜０．２０％、Ａｌ：０．０１５〜０．０４％を夫々含有し、Ｔｉ：０．００３％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０００６％以下（０％を含まない）、Ｎ：０．０１％以下（０％を含まない）、Ｏ：０．００２％以下（０％を含まない）を満足し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼塊を熱間鍛造して得られた柱状の鍛造品であって、鍛造品の軸方向に垂直な断面の軸位置に観察される長径が５μｍ超の介在物の密度（Ｄ0）が７０個／ｃｍ2以下であり、且つ、鍛造品の半径をＲとしたときに軸位置から半径方向に向かってＲ／３位置に観察される長径が５μｍ超の介在物の密度（ＤR）と上記密度Ｄ0との比が下記（１）式を満足する点に要旨を有する。
０．５≦ＤR／Ｄ0≦１．５０      ・・・（１）
前記鍛造品は円柱状であり、該鍛造品の両端面において上記（１）式を満足することが好ましい。
【００１０】
本発明には、上記鍛造品から製造されるクランク軸も包含される。このクランク軸の軸径は２００ｍｍ以上であってもよく、例えば、発電用または船舶用のディーゼル機関に用いることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、鍛造品の疲労特性に影響を及ぼす因子のうち、長径が５μｍを超える粗大な介在物に注目し、この粗大な介在物を鍛造品中に均一に分散させているため、鍛造品の疲労強度が大きく、しかも鋳造品の軸位置と、該軸位置から半径方向に離れた周辺部における疲労強度の差が少ない、疲労特性に優れた鍛造品を提供することができる。この鍛造品から製造されるクランク軸は、疲労特性に優れたものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
上記特許文献１や特許文献２に開示されているように、鋼塊上部の保温を強化することにより鋼塊底部に生成する沈殿晶帯を低減しても、鋼塊の上部と底部における疲労強度にはバラツキが生じることが分かった。そのためこの鋼塊から得られる鍛造品についても、両端部における疲労強度に差が生じていた。また、鍛造品の軸位置と、該軸位置から離れた周辺部においても疲労強度に差があり、この差は、鍛造品が大きくなるほど顕著になることが分かった。
【００１３】
そこで本発明者らは、鍛造品の両端部において疲労強度が高く、しかも鍛造品の疲労強度を軸位置から半径方向に向かって測定したときであっても、疲労強度のバラツキが少ない、疲労特性に優れた鍛造品を提供するために鋭意検討を重ねてきた。その結果、長径が５μｍを超える粗大な介在物を鍛造品中に均一に分散させれば、鍛造品の疲労強度を均一化できることを見出し、本発明を完成した。即ち、本発明の鍛造品は、軸方向に垂直な断面を観察したときに、下記（Ａ）と（Ｂ）の要件を満足しているところに特徴がある。
（Ａ）軸位置に観察される長径が５μｍ超の介在物の密度（Ｄ0）が７０個／ｃｍ2以下であること。
（Ｂ）鍛造品の半径をＲとしたときに軸位置から半径方向に向かってＲ／３位置に観察される長径が５μｍ超の介在物の密度（ＤR）と上記密度Ｄ0との比が下記（１）式を満足していること。
０．５≦ＤR／Ｄ0≦１．５０      ・・・（１）
【００１４】
各要件について説明する前に、本発明の鍛造品の形状について説明する。本発明の鍛造品は、半径がＲの柱状であり、本明細書では、鍛造品の軸位置を「０Ｒ位置」、鍛造品の表面を「Ｒ位置」と表記する。従ってＲ／３位置とは、軸位置から鍛造品表面に向かってＲ／３の長さ離れた位置を指す。また、本明細書では、０（ゼロ）Ｒ位置を「軸位置」、Ｒ／３位置を「周辺部」と呼ぶこととする。なお、柱状とは、その軸方向に垂直な断面形状が真円である必要はなく、多少偏平したり、多角形であってもよい。好ましくは円柱状である。
【００１５】
［（Ａ）について］
本発明者らが検討したところ、鍛造品の軸位置を観察したときに、長径が５μｍを超える介在物の密度（Ｄ0）が７０個／ｃｍ2以下であれば、鍛造品の疲労特性が向上することが分かった。鍛造品の軸位置における介在物の密度Ｄ0が７０個／ｃｍ2を超えると、鍛造品の軸位置に偏析する粗大な介在物が多くなるため、この粗大な介在物が疲労破壊の起点となり、軸位置で疲労破壊が発生して鍛造品の疲労特性が劣化するからである。従って介在物の密度Ｄ0は７０個／ｃｍ2以下とする。好ましくは６０個／ｃｍ2以下、より好ましく５０個／ｃｍ2以下である。
【００１６】
鍛造品の軸位置には介在物が偏析し易い。この原因は、鍛造品の製造工程にある。即ち、鍛造品を製造する際に用いる鍛造前の鋼塊は、溶鋼を鋳込んで製造されるため、この溶鋼は周囲から凝固し、鋼塊の軸位置（中心部）は、最後に凝固する。そのため、鋼塊の上部では、正偏析による影響を受け、底部では、沈殿晶帯の生成が原因となり、軸位置における介在物の密度は、周辺部における介在物の密度よりも増加する傾向がある。この傾向は、鋼塊の大きさ（半径）が大きくなるほど顕著となる。
【００１７】
鍛造品の軸位置における長径が５μｍを超える介在物の密度Ｄ0の下限は、後述する（１）式を満足する範囲であればよいが、鍛造品の軸位置における密度Ｄ0が小さくなり過ぎ、４０個／ｃｍ2をおおきく下回ると、残りの介在物は周辺部に偏析することとなる。そのため、周辺部における疲労特性が劣化する。そこで、鍛造品の軸位置における介在物の密度Ｄ0は、４０個／ｃｍ2以上であることが好ましい。より好ましくは５０個／ｃｍ2以上である。
【００１８】
［（Ｂ）について］
上記（Ａ）では、鍛造品の軸位置における長径が５μｍを超える介在物の密度Ｄ0を規定したが、この密度Ｄ0を小さくするだけでは、鍛造品の疲労特性を充分に向上させることができない。鍛造品の軸位置における粗大な介在物の密度Ｄ0を７０個／ｃｍ2以下に抑えたとしても、鍛造品の周辺部（Ｒ／３位置）に粗大な介在物が多く存在すると、周辺部に偏析した粗大な介在物が疲労破壊の起点となり、疲労破壊が発生して鍛造品全体の疲労特性が低下するからである。例えば、鍛造品内に含まれる長径が５μｍを超える粗大な介在物のうち、軸位置における粗大な介在物の密度Ｄ0が小さくなると、その反面、周辺部における粗大な介在物の密度ＤRが大きくなる。そのため、粗大な介在物の半径方向における分散バランスが悪くなり、鍛造品全体の疲労特性が悪くなるのである。
【００１９】
そこで本発明の鍛造品は、半径をＲとしたとき、軸位置から半径方向に向かってＲ／３位置に観察される長径が５μｍを超える介在物の密度（ＤR）を測定し、この密度ＤRと上記密度Ｄ0との比が下記（１）式を満足する必要がある。
０．５≦ＤR／Ｄ0≦１．５０      ・・・（１）
【００２０】
ＤR／Ｄ0の値が０．５を下回ると、鍛造品の軸位置に粗大な介在物が偏って存在することとなり、軸位置の疲労特性が劣化する。そのため、周辺部の疲労特性は向上するが、鍛造品全体としての疲労特性は悪くなる。従ってＤR／Ｄ0の値は０．５以上とする。好ましくは０．６以上、より好ましくは０．７以上である。一方、ＤR／Ｄ0の値が１．５０を超えると、鍛造品の周辺部に粗大な介在物が偏って存在することとなり、周辺部の疲労特性が劣化する。そのため、軸位置の疲労特性は向上するが、鍛造品全体としての疲労特性は悪くなる。従ってＤR／Ｄ0の値は１．５０以下とする。好ましくは１．４以下、より好ましくは１．３以下である。
【００２１】
上記（Ａ）と（Ｂ）の要件は、鍛造品の両端面で満足していることが好ましい。鍛造品の上部と底部の端面において、軸位置に観察される長径が５μｍ超の介在物の密度（Ｄ0）が７０個／ｃｍ2以下で、且つ、軸位置から半径方向に向かってＲ／３位置に観察される長径が５μｍ超の介在物の密度（ＤR）と上記密度Ｄ0との比が上記（１）式を満足すれば、鍛造品の高さ方向および半径方向のいずれの方向においても粗大な介在物が均一に分散していることになるため、軸位置と周辺部における疲労強度のバラツキが少なく、鍛造品全体の疲労特性が向上する。
【００２２】
鍛造品の軸位置と周辺部における介在物の密度は、例えば、走査型電子顕微鏡とＥＰＭＡを用いて測定すればよい。介在物の密度は、分析対象元素を、Ａｌ，Ｓ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｓｉ，Ｏ，Ｎ，Ｍｇ，Ｃａとし、これらの元素の酸化物、硫化物、窒化物、或いはいずれかを含む複合介在物を観察対象とする介在物とし、観察される介在物のうち、長径が５μｍを超える介在物の個数を測定し、これを観察視野面積で除することにより算出できる。
【００２３】
なお、本発明では、測定対象とする介在物の大きさは長径が５μｍを超えるものとする。長径が５μｍ以下の微細な介在物は、疲労破壊の起点となり難いため、軸位置や周辺部に偏析しても鍛造品の疲労特性には大きく影響を及ぼさないと考えているからである。
【００２４】
鍛造品の軸位置と周辺部における粗大な介在物の密度のバランスを適切に制御するには、鋼塊の底部における介在物を低減するために、鋳型に溶鋼を鋳込んだ後、鋼塊の上部を保温しつつ溶鋼を凝固させたうえで、鋼塊底部の一部を切断除去すると共に、鋼塊上部における介在物の分布状態を把握した上で、鋼塊上部の一部を切断除去すればよい。鋼塊底部と鋼塊上部における切り捨て量を多くするほど、鋼塊底部における沈殿晶帯や鋼塊上部における粗大な介在物が凝集した部分を確実に除去することができるが、切り捨て量を多くするほど、歩留まりが悪くなり、コスト高となる。
【００２５】
そこで本発明では、造塊法にて製造された鋼塊を鍛造して得られた鍛造材について、軸位置に観察される長径が５μｍを超える介在物の密度（Ｄ0）が７０個／ｃｍ2以下で、上記ＤR／Ｄ0の値が０．５〜１．５０の範囲となるように端部からの切り捨て量を決定すればよい。具体的には、まず、鍛造材の端部を数箇所で切断し、各切断面において長径が５μｍを超える介在物の密度を測定し、該介在物の密度が７０個／ｃｍ2以下で、上記ＤR／Ｄ0の値が０．５〜１．５０の範囲となるように切断したときの切断部分の重量を測定しておく。次に鍛造材を切断するときは、この重量となるように鍛造材の直径と比重から切断位置を決定すればよい。
【００２６】
一方、周辺部に観察される長径が５μｍを超える介在物の密度（ＤR）と上記密度Ｄ0との比が上記（１）式を満足するように粗大な介在物を分散させるには、鋳込み完了直後の鋼塊上部（押湯）の保温を強化すればよい。即ち、押湯の保温を強化することによって鋼塊上部において、急冷凝固による初晶の生成を抑制することができる。この初晶の生成が抑制されることで、沈殿晶が低減され、鋼塊の底部に沈殿晶帯が生成するのを抑制できる。その結果、鋼塊の底部においては、沈殿晶帯の生成による粗大な介在物の生成が抑えられるため、粗大な介在物は軸位置に偏析することなく、周辺部にも均一に分散するように析出する。
【００２７】
押湯の保温を強化するには、鋳込み完了直後の鋼塊上部の上に載せる保温材の厚みを従来よりも２〜３倍程度厚くすればよい。即ち、保温材厚みは、鋼塊のサイズによって異なるが、従来６０〜２００ｍｍであった保温材厚みを１５０〜４００ｍｍにすればよい。具体的には、６５トンレベルの鋼塊を製造する際には、従来では、保温材の厚みを約７５ｍｍとしていたが、本発明では、保温材の厚みを３５０ｍｍ程度とすればよい。
【００２８】
本発明で使用できる保温材の種類は特に限定されず、公知のものを用いることができる。例えば、籾殻や焼き籾殻、発熱性の保温材、断熱性の保温材、膨張性の保温材などである。
【００２９】
＜鋼の化学成分＞
以上説明したように、本発明の鍛造品は、長径が５μｍを超える粗大な介在物の分散状態を適切に制御したところに特徴を有しており、鋼の基本組成は特に制限されないが、例えば、クランク軸等として求められる強度や靭性、更には疲労特性を満足するには、鋼材の一般的技術水準に照らして下記基本組成を満たすことが望ましい。
【００３０】
［Ｃ：０．１５〜０．７５％］
Ｃは、鍛造品の強度向上に寄与する元素であり、充分な強度を確保するには、０．１５％以上含有させる。好ましくは０．３０％以上、より好ましくは０．３４％以上含有させるのがよい。しかしＣ量が多過ぎると鍛造品の靭性を劣化させるので、０．７５％以下とする。好ましくは０．６％以下、より好ましくは０．５％以下である。
【００３１】
［Ｓｉ：０．１〜０．６％］
Ｓｉは、鍛造品の強度を向上する元素として作用し、充分な強度を確保するために、０．１％以上含有させる。好ましくは０．１５％以上、より好ましくは０．２０％以上、更に好ましくは０．２５％以上含有させるのがよい。しかしＳｉ量が多過ぎると逆Ｖ偏析が著しくなって清浄な鋼塊が得られ難くなるので、０．６％以下とする。好ましくは０．４％以下、より好ましくは０．３５％以下とするのがよい。
【００３２】
［Ｍｎ：０．３〜１．４％］
Ｍｎは、焼入れ性を高めると共に強度向上に寄与する元素であり、充分な焼入れ性と強度を確保するには、０．３％以上とする。好ましくは０．８％以上、より好ましくは０．９％以上含有することが望ましい。しかしＭｎ量が多過ぎると逆Ｖ偏析を助長するので、１．４％以下とする。好ましくは１．２％以下、より好ましくは１．１％以下とする。
【００３３】
［Ｎｉ：０．１〜２％］
Ｎｉは、靭性向上元素として有用な元素であり、０．１％以上とする。好ましくは０．２％以上含有させる。しかしＮｉ量が過剰になるとコストアップとなるので、２％以下とする。好ましくは１．７５％以下である。
【００３４】
［Ｃｒ：０．５〜２．５％］
Ｃｒは、焼入れ性を高めると共に靭性を向上させるために有効な元素であり、それらの作用は０．５％以上含有させることによって発揮される。好ましくは０．７％以上、より好ましくは１％以上、更に好ましくは１．７５％以上含有させるのがよい。しかし多過ぎると逆Ｖ偏析を助長して高清浄鋼の製造を困難にするので、２．５％以下とする。好ましくは２．０％以下とする。
【００３５】
［Ｍｏ：０．１〜０．５％］
Ｍｏは、焼入れ性、強度、靭性の全てを向上させるのに有効に作用する元素であり、それらの作用を発揮させるには０．１％以上含有させる。好ましくは０．２％以上、より好ましくは０．２５％以上とする。しかし、Ｍｏは平衡分配係数が小さく、ミクロ偏析（正常偏析）を生じ易くするので、０．５％以下とする。好ましくは０．３５％以下である。
【００３６】
［Ｖ：０．０１〜０．２０％］
Ｖは、析出強化および組織を微細化し、高強度化に有用な元素である。この様な作用を発揮させるには、０．０１％以上含有させる。好ましくは０．０３５％以上含有させる。但し、過剰に含有させても上記作用は飽和してしまい、経済的に無駄であるので、０．２０％以下とする。好ましくは０．１７％以下、より好ましくは０．１５％以下とする。
【００３７】
［Ａｌ：０．０１５〜０．０４％］
Ａｌは、製鋼工程における脱酸元素として有効に作用し、また鋼の耐割れ性にも有効に作用する。従って、Ａｌは０．０１５％以上含有させる。好ましくは０．０２％以上とする。しかし、Ａｌ量が多くなると、介在物としてＡｌ2Ｏ3が生成し、この介在物が凝固時に偏析・凝集して粗大な介在物を生成し、鍛造品の疲労特性が悪化する。従って上限は０．０４％とする。好ましくは０．０３％以下である。
【００３８】
［Ｔｉ：０．００３％以下（０％を含まない）］
Ｔｉは、ＴｉＮやＴｉＣ、Ｔｉ4Ｃ2Ｓ2のような微細介在物を形成して鋼中に分散し、固溶限を超えた鋼中の余剰水素を吸蔵捕捉することにより、鋼の耐水素割れ性を改善する元素である。しかしＴｉ量が過剰になると、介在物として粗大な窒化物を形成し、鍛造品の疲労強度を低下させてしまう。従って、Ｔｉは、０．００３％以下とする。好ましくは０．００２５％以下、より好ましくは０．００２％以下とする。
【００３９】
Ｔｉ量は、例えば、副原料中の不純物Ｔｉ量が多い合金（低品位合金）と、不純物Ｔｉ量が少ない合金（高品位合金）との使用量比を調節することによって調整できる。
【００４０】
［Ｓ：０．０００６％以下（０％を含まない）］
Ｓは、不可避的に含有する元素であり、凝固時の偏析によって介在物として粗大な硫化物を形成し、鍛造品の疲労強度を低下させる元素である。従ってＳ量は、０．０００６％以下とする。好ましくは０．０００５％以下、より好ましくは０．０００４％以下とする。
【００４１】
Ｓ量は、例えば、溶製時のスラグ組成を制御することによって調整できる。具体的には、スラグの塩基度（スラグ中のＣａＯ濃度とＳｉＯ2濃度の比、ＣａＯ／ＳｉＯ2、以下、「Ｃ／Ｓ」と記載することがある。）を高くすることにより溶鋼中のＳ量を低下させることができる。Ｓ量を少なくしたい場合は、溶鋼とスラグとの反応を促進させることを目的として、溶鋼中にスラグを積極的に巻き込ませればよい。逆に、Ｓ量を多くしたい場合は、Ｃ／Ｓが小さくなるようにスラグ組成を調整すると共に、溶鋼とスラグとの反応を抑えるために、溶鋼の撹拌を弱めればよい。溶鋼中にスラグを巻き込ませる手段としては、真空脱ガス処理を実施することが非常に有効である。特に、取鍋脱ガス装置による処理は、スラグと溶鋼とを同時に撹拌することが可能であるため、Ｓ量を少なくしたい場合に非常に有効な手段となる。さらに、この真空脱ガス処理を適宜複数回実施することで、Ｓ量をさらに少なくすることができる。
【００４２】
そのほか補足的手段として、スラグのＣａＯ濃度とＡｌ2Ｏ3濃度の比（ＣａＯ／Ａｌ2Ｏ3、以下、「Ｃ／Ａ」と記載することがある）を高くすることにより、鋼中のＳ量を低下させることができる。逆に、Ｓ量を多くしたい場合は、「Ｃ／Ｓ」および／または「Ｃ／Ａ」が小さくなるようにスラグ組成を調整すればよい。
【００４３】
［Ｎ：０．０１％以下（０％を含まない）］
Ｎは、不可避的に含有する元素であり、凝固時の偏析によって粗大な窒化物を形成し、鍛造品の疲労強度を低下させる元素である。従ってＮ量は、０．０１％以下とする。好ましくは０．００７％以下、より好ましくは０．００５％以下とする。
【００４４】
Ｎ量は、溶製時の真空脱ガス処理時間を制御することで調整でき、造塊時に大気が混入するのを防止することで、Ｎ量の増加を抑制できる。
【００４５】
［Ｏ：０．００２％以下（０％を含まない）］
Ｏ（酸素）は、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＣａＯ等の酸化物系介在物を形成し、鍛造品の疲労強度を低下させる元素である。従ってＯ量は極力低減することが好ましく、トータル酸素量は、０．００２％以下とする。好ましくは０．００１５％以下、より好ましくは０．００１％以下とする。
【００４６】
本発明の鍛造品に使用される基本成分は上記の通りであり、残部成分は実質的に鉄であるが、微量の不可避的不純物の含有が許容される。
【００４７】
また、本発明の作用効果に悪影響を与えない範囲で更に他の元素を積極的に含有させることも可能である。積極添加が許容される他の元素の例としては、焼入れ性改善効果を有するＢ（ホウ素）や、固溶強化元素または析出強化元素であるＷ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｕ，Ｃｅ，Ｚｒ，Ｔｅなどが挙げられ、それらは単独であるいは２種以上を複合添加できる。これらの添加元素は、例えば、合計量で０．１％程度以下とすることが望ましい。
【００４８】
本発明の鍛造品は、クランク軸（特に、一体型クランク軸）を製造する用途に好ましく用いられる。クランク軸としては、特に、軸径が２００ｍｍ以上であり、発電用または船舶用のディーゼル機関の用途に好ましく用いられる。本発明の鍛造品は、機械、船舶、発電機等の産業分野で広く有効に活用されるものであり、特に回転運動部品のように高い疲労強度が要求される部品に適している。
【実施例】
【００４９】
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更して実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００５０】
［試験鋼材の製造］
電極アーク加熱機能と真空脱ガス処理機能を備える溶鋼処理設備によって表１に示す化学成分の鋼（残部は鉄および不可避不純物）を溶製した後、溶鋼を下注ぎ造塊法によって造塊した鋼塊を鍛造することにより試験鋼材を製造した。具体的には、成分調整した溶鋼を下注ぎ造塊法によって３０〜６４トンクラス（全高は２〜４ｍ）の鋳型に注ぎこんで鋳込んだ。鋳込み完了後、鋼塊の上部（押湯）の上に保温材を乗せて鋼塊を保温した。保温材としては、発熱剤として金属Ａｌを含み、Ａｌ2Ｏ2を主成分としたものを用いた。この保温材は、膨張性を有しており、膨張後の保温材の厚みが８０〜３７０ｍｍとなるように押湯の上に保温材を乗せた。鋼塊の質量と、膨張後の保温材の厚みを下記表２に示す。
【００５１】
鋼塊の質量に対して、保温材の厚みが従来程度であれば「保温効果無し（×）」、従来よりも厚い場合は「保温効果有り（○）」とし、下記表２に示す。保温材の厚みの基準は次の通りである。
＜基準＞
鋼塊が３０トンの場合は保温材の厚みは１５０ｍｍ程度
鋼塊が４０トンの場合は保温材の厚みは１８０ｍｍ程度
鋼塊が５０トンの場合は保温材の厚みは２００ｍｍ程度
鋼塊が６０トンの場合は保温材の厚みは３００ｍｍ程度
鋼塊が７０トンの場合は保温材の厚みは４００ｍｍ程度
【００５２】
鋳型から凝固して得られた鋼塊を脱型した後、約１２００℃まで加熱し、熱間鍛造を施し、断面直径が２００〜７００ｍｍの鍛造材に仕上げた。熱間鍛造は、鋼塊本体をプレス機により伸ばした後、専用工具を用いて丸断面に成形することにより行った。得られた鍛造材の両端部（鋼塊上部と鋼塊底部）から鍛造材の一部を切捨て、本体部（製品）と分離した。
【００５３】
下記表２に鍛造材を切断した位置を示す。なお、切断した位置は、鍛造材の全長を１００％とし、該鍛造材の底面（重力方向の最下端面）からの距離を百分率で示した。即ち、鍛造材の底面は０％で、最上面は１００％となる。
【００５４】
鋼塊上部と鋼塊底部において、切捨てた鍛造材の切断面（製品側の切断面）から試験鋼材を採取し、介在物の密度と疲労強度を次の手順で測定した。
【００５５】
［試験鋼材の評価］
＜ＥＤＳによる介在物の密度の測定＞
鋼塊上部と鋼塊底部から切捨てた鍛造材の切断面において、軸位置（０Ｒ位置）と周辺部（Ｒ／３位置）から試料を採取し、これを樹脂に埋め込み、検鏡研磨処理を施した後、走査型電子顕微鏡にて４００倍の倍率で観察を行なった。
【００５６】
＜ＥＤＳによる介在物の同定＞
上記の直径２００〜７００ｍｍの鍛造材の端部の中心部位から試料を採取し、樹脂に埋め込んで検鏡研磨処理を施した後、走査型電子顕微鏡にて１００〜２００倍の倍率で鋼断面の観察を行なった。各試料において、１０ｍｍ×１０ｍｍの観察エリア内に存在する長径５μｍ超の介在物について、ＥＰＭＡを用いて成分組成を測定し、介在物の数を測定した。詳細には、ＥＰＭＡ（日本電子株式会社製  ＪＸＡ−８９００ＲＬ）に付設のＥＤＳ（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ：特性Ｘ線のエネルギー分散型Ｘ線分光器  日本電子株式会社製  ＸＭ−Ｚ００４３Ｔ）を用い、電子線の照射条件を、加速電圧：１５ｋＶ、ビーム電流：１．７０×１０-9Ａ、ビーム径：１μｍとして介在物の重心位置で定量分析した。分析時間（ビームを当てる時間）は、１点につき１０秒、デッドタイムは２０％を目安とした。以上のように介在物の成分組成を測定して介在物を同定し、介在物の個数を測定し、単位面積当たりの存在個数を算出した。
【００５７】
軸位置に観察される長径が５μｍ超の介在物の密度をＤ0、周辺部に観察される長径が５μｍ超の介在物の密度をＤRとし、鋼塊上部と鋼塊底部について夫々測定した結果を下記表３に示す。また、鋼塊上部と鋼塊底部におけるＤRとＤ0の比（ＤR／Ｄ0）を夫々算出し、結果を下記表３に示す。
【００５８】
＜疲労強度＞
鋼塊上部と鋼塊底部から切捨てた鍛造材の切断面において、軸位置（０Ｒ位置）から疲労強度測定用試験片を採取し、以下に示す条件で回転曲げ疲労試験を行った。
試験片          ：直径１０ｍｍの平滑試験片
試験方法        ：回転曲げ疲労試験（応力比＝−１，回転数：３６００ｒｐｍ）
疲労強度評価方法：階差法
階差応力        ：２０ＭＰａ
試験片本数      ：各５本
各試験片の疲労強度＝（破断応力）−（階差応力）
【００５９】
鋼塊上部と鋼塊底部から切捨てた鍛造材から夫々採取した５本の試験片を用いて疲労強度を測定し、測定結果の平均値を下記表３に示す。また、表３には、鋼塊上部の疲労強度と鋼塊底部の疲労強度の差を算出して示した。
【００６０】
表３から明らかなように、本発明で規定する要件を満足するＮｏ．２１〜２９は、鋼塊上部と鋼塊底部の疲労強度の差が小さく、５０ＭＰａ以内に収まっている。一方、本発明で規定する要件を満足しないＮｏ．１、４〜７、９〜１２、１４、１５、１８〜２０は、鋼塊上部と鋼塊底部の疲労強度の差が大きくなっている。なお、Ｎｏ．２、３、８、１３、１６、１７も本発明で規定する要件を満足しない例であるが、鋼塊上部と鋼塊底部の疲労強度の差は小さく、５０ＭＰａ以内に収まっている。しかし、Ｎｏ．２、３、１６、１７は、鋼塊上部における軸位置（Ｄ0）に粗大な介在物が多く生成しているため、疲労強度自体が低くなっている。Ｎｏ．８と１３は、鋼塊底部におけるＤR／Ｄ0の値が適切に制御できていないため、鋼塊底部の疲労強度が低くなっている。
【００６１】
次に、鋼塊上部におけるＤRとＤ0の比（ＤR／Ｄ0）と、鋼塊上部における疲労強度との関係を図１に示す。図１中、◆は表３のＮｏ．１〜２０、□は表３のＮｏ．２１〜２９の結果を夫々示している。表３と図１から明らかなように、鋼塊の上部においては、ＤRとＤ0の比（ＤR／Ｄ0）と疲労強度には殆んど相関関係が認められないことが分かる。
【００６２】
次に、鋼塊底部におけるＤRとＤ0の比（ＤR／Ｄ0）と、鋼塊底部における疲労強度との関係を図２に示す。図２中、◆は表３のＮｏ．１〜２０、□は表３のＮｏ．２１〜２９の結果を夫々示している。表３と図２から明らかなように、鋼塊の底部においては、ＤRとＤ0の比（ＤR／Ｄ0）を０．５〜１．５０の範囲に制御することで、疲労強度を高めることができることが分かる。
【００６３】
【表１】
2010082662.tif 000003
【００６４】
【表２】
2010082662.tif 000004
【００６５】
【表３】
2010082662.tif 000005
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】図１は、鋼塊上部におけるＤRとＤ0の比（ＤR／Ｄ0）と疲労強度との関係を示すグラフである。
【図２】図２は、鋼塊底部におけるＤRとＤ0の比（ＤR／Ｄ0）と疲労強度との関係を示すグラフである。
【図１】
2010082662.tif 000006
【図２】
2010082662.tif 000007