(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で
C ：0.35〜0.55％
Si：0.05〜0.5％
Mn：0.6〜1.2％
Cu：0.01〜0.5％
Ni：0.01〜0.5％
Cr：0.05〜0.6％
V ：0.01〜0.40％
S ：0.04〜0.1％
s-Al：0.001〜0.01％
Ca：0.0005〜0.02％
N ：0.001〜0.04％
残部Fe及び不可避的不純物からなる組成を有するとともに、焼準加熱時のオーステナイ
ト中に固溶できるV量を［V］、炭素当量C［eq.］としたとき、
C［eq.］＝C＋0.07×Si＋0.16×Mn＋0.19×Cu＋0.17×Ni＋0.2×Cr＋［V］
が0.58〜0.89％を満たすように各成分が調整されて成る材料を溶製し、
溶製した上記材料の熱間鍛造を行い、その後に当該熱間鍛造材に対して処理温度780℃以上800℃未満の温度範囲で焼準処理を施すことによりフェライト＋パーライトの組織とし、軟窒化処理による曲がりを矯正する歪矯正加工を施し、歪矯正能を３５μｍ以上４０μｍ以下とすること、
を特徴とする軟窒化クランクシャフト用素材の製造方法。
【請求項２】
処理温度780℃以上800℃未満の温度範囲で前記焼準処理が施された後、処理温度580℃，処理時間100分の条件で塩浴軟窒化処理が施され、その後に塩浴軟窒化処理による曲がりを矯正する上記歪矯正加工が施されること、
を特徴とする請求項１記載の軟窒化クランクシャフト用素材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面処理としての軟窒化処理が施される軟窒化クランクシャフト用素材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、機械構造部品の素材として、非調質鋼が広く適用されるようになっている。例えば、V（バナジウム）が添加された非調質鋼では、微量に添加されているVが微細な炭化物を形成し、部品の高強度化に寄与する。
例えば、機械構造部品としてのクランクシャフトには、耐摩耗性や疲労強度を高める目的で、上記の機械加工後に塩浴窒化処理，ガス軟窒化処理，イオン窒化処理等の軟窒化処理が施されることがある。一般に、軟窒化処理は熱処理後の歪み発生量が小さいことが知られているが、クランクシャフトの製造時には、より精度を高めるため、軟窒化処理により不可避的に生じた曲がりを矯正するための歪矯正加工が施される。ところが、軟窒化処理された非調質鋼は、軟窒化処理された調質鋼に比べて歪矯正能が低く、また、歪矯正加工時に表面に生じる応力歪みの影響で疲労強度が低下し易いという問題があった。そこで、非調質鋼における歪矯正能及び疲労強度の向上を図るべく、種々の提案がなされている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００７−２３１３０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
クランクシャフトのように高い精度と強度が求められる部材においては、歪矯正能が少なからず生産性に影響するため、歪矯正能のさらなる向上が期待されており、疲労強度においても同様の期待がある。
そこで本発明は、軟窒化処理される非調質鋼の強度および歪矯正加工の際の歪矯正能のさらなる向上を図ることにより、より一層の生産性の向上を図ることが可能な軟窒化クランクシャフト用素材及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の軟窒化クランクシャフト用素材の製造方法は、質量％で、C：0.35〜0.55％，Si：0.05〜0.5％，Mn：0.6〜1.2％，Cu：0.01〜0.5％，Ni：0.01〜0.5％，Cr：0.05〜0.6％，V：0.01〜0.40％，S：0.04〜0.1％，s-Al：0.001〜0.01％，Ca：0.0005〜0.02％，N：0.001〜0.04％，残部Fe及び不可避的不純物からなる組成を有するとともに、焼準加熱時のオーステナイト中に固溶できるV量を［V］、炭素当量C［eq.］としたとき、C［eq.］＝C＋0.07×Si＋0.16×Mn＋0.19×Cu＋0.17×Ni＋0.2×Cr＋［V］が0.58〜0.89％を満たすように各成分が調整されて成る材料を溶製し、溶製した上記材料の熱間鍛造を行い、その後に当該熱間鍛造材に対して処理温度780℃以上800℃未満の温度範囲で焼準処理を施すことによりフェライト＋パーライトの組織とし、軟窒化処理による曲がりを矯正する歪矯正加工を施し、歪矯正能を３５μｍ以上４０μｍ以下とすること、を特徴とする。
この場合、軟窒化処理が施されるクランクシャフト用の素材を、熱間鍛造の後に、上記材料のＡｃ３変態点の下限を超える780℃相当の低温で焼準処理が施されるものとすることで、軟窒化処理による曲がりを矯正する歪矯正加工における歪矯正能を高く保つことができる。すなわち、焼準処理における温度を上記材料のＡｃ３変態点の下限を超える780℃相当の低温とすることで、焼準処理時に硬度が過度に高められることで歪矯正能を低下させることがなく、前工程としての熱間鍛造の影響を確実に排除するとともに、好ましい硬度を確保して疲労強度を高めることができる。これにより、高い疲労強度と高い歪矯正能とを合わせ持ち、歪矯正加工における歩留まりをさらに向上させ、より一層の生産性の向上を図ることが可能な軟窒化クランクシャフト用素材を製造できる。
また、本発明は、処理温度780℃以上800℃未満の温度範囲で前記焼準処理が施された後、処理温度580℃，処理時間100分の条件で塩浴軟窒化処理が施され、その後に塩浴軟窒化処理による曲がりを矯正する上記歪矯正加工が施されることとしてもよい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、高い疲労強度と高い歪矯正能とを合わせ持ち、歪矯正加工における歩留まりをさらに向上させ、より一層の生産性の向上を図ることが可能な軟窒化クランクシャフト用素材を提供できる。また、軟窒化処理後の歪矯正加工により歪みを容易に矯正し、より高精度のクランクシャフトを高い歩留まりで製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に本発明の実施形態を以下に説明する。
本発明を適用した軟窒化クランクシャフト用素材は、質量％で、C：0.35〜0.55％，Si：0.05〜0.5％，Mn：0.6〜1.2％，Cu：0.01〜0.5％，Ni：0.01〜0.5％，Cr：0.05〜0.6％，V：0.01〜0.40％，S：0.04〜0.1％，s-Al：0.001〜0.01％，Ca：0.0005〜0.02％，N：0.001〜0.04％，残部Fe及び不可避的不純物からなる組成を有するとともに、焼準加熱時のオーステナイト中に固溶できるV量を［V］、炭素当量C［eq.］としたとき、C［eq.］＝C＋0.07×Si＋0.16×Mn＋0.19×Cu＋0.17×Ni＋0.2×Cr＋［V］が0.58〜0.89％を満たすように各成分が調整されたものである。
【０００９】
Vを含む非調質鋼から成る軟窒化クランクシャフト用素材に対して軟窒化処理後に歪矯正時に亀裂が発生し易い原因は、軟窒化処理の際にVが表層に硬い窒化物を形成して鋼の表層を硬くすることにある。Vが硬い炭化物を微細に析出することで鋼が硬く高強度となり、クランクシャフトの耐久疲労特性（疲労強度）が高まるが、その一方で、軟窒化処理後の歪矯正加工では、鋼が硬いほど歪矯正に必要な荷重が高くなり、発生する応力が高くなるので、亀裂が発生し易くなる。
【００１０】
そこで、焼準加熱時のオーステナイト（γ）中に固溶できるV量を［V］、炭素当量C［eq.］としたとき、
C［eq.］＝C＋0.07×Si＋0.16×Mn＋0.19×Cu＋0.17×Ni＋0.2×Cr＋［V］
で表される炭素当量C［eq.］を0.58〜0.89％とすることによって、即ち炭素当量C［eq.］がそのような値となるように各成分を調整することによって、必要な硬さが得られるとともに歪矯正加工後においてもクランクシャフトが良好な疲労強度を実現できる。すなわち、C［eq.］が0.58％以上であれば軟窒化処理後の硬度が高く、所望の疲労強度が得られるので好ましく、C［eq.］が0.89％以下であれば、軟窒化処理後の硬度が硬くなり過ぎず、歪矯正能が損なわれず、さらに必要な被削性が保持されるので、好ましい。
ここで、炭素当量C［eq.］を左右するVを単なる鋼への添加量ではなく、γ（オーステナイト）中への固溶量［V］で規定しているのは、γ中に固溶したVだけが、その後の冷却によって微細な炭化物や窒化物を析出し、鋼の硬さを高めるよう作用し、即ちクランクシャフトとしての疲労強度を直接左右するためである。
【００１１】
また、軟窒化クランクシャフト用素材の組織については、以下のように考察される。
・歪矯正加工時の歪みの小さい初期において表面の化合物層に亀裂が発生し、歪みが増加すると化合物層に接した１単位のパーライト粒（以下パーライトブロックと言う）に亀裂が発生し、更に歪みが増加するとその１単位のパーライトブロックに生じた亀裂を初期亀裂として、より内部のフェライト又はパーライトに亀裂が進行し、これがクランクシャフトの耐久疲労寿命を損なう。
・従って化合物層に接した１単位のパーライトブロックの大きさが小さいほど初期亀裂の長さが短くなり、そしてその初期亀裂の長さが短いほど亀裂の進行が起り難い。
・そのため、歪矯正能を向上させるためには、パーライトブロックの大きさを小さくする必要がある。
・軟窒化クランクシャフト用素材を含む非調質鋼は通常1200℃以上に加熱後950℃以上で鍛造を終了し、そのまま放冷却されるため、その組織は旧オーステナイト粒界に沿って析出する初析フェライトと残りの部分からなるパーライトの混合組織から構成され、一方調質鋼は800℃付近の温度領域に加熱し冷却されるため、旧オーステナイト粒は粗大化せずに微細となり、微細なフェライトとパーライトの混合組織から構成されたものとなる。
・軟窒化クランクシャフト用素材を含む非調質鋼は調質鋼と比較して旧オーステナイト粒が大きく、焼入性が大きいためにフェライト変態が抑制されてフェライトが析出し難く、オーステナイトの大部分がパーライトとなり易い。
・そのためパーライトブロックの大きさが調質鋼より大きくなり易く、これが歪矯正能を低下させる原因となる。
【００１２】
そこで、本実施形態においては、上記素材の歪矯正能を高めるべく、軟窒化クランクシャフト用素材を製造するに際して焼準（焼ならし）処理を施し、結晶粒を微細化して、生成するパーライトブロックの大きさを微細化し、且つ均一分散させる。
特に、この焼準処理を、処理温度780℃〜850℃の温度範囲で行うことにより、歪矯正能が高められる上、疲労強度をより一層高めることが可能となる。
焼準処理の処理温度を780℃以上とすると、オーステナイト変態により前加工である熱間鍛造の影響を除去し、結晶粒の微細化を図るとともに、Vを固溶させることで硬度を高め、疲労強度をより一層高めることができる。その一方で、焼準処理の温度を850℃以下とすることにより、軟窒化処理後の歪矯正能（曲げ矯正性ともいう）の低下を招かない範囲で硬度を高めることができ、歪矯正加工時に亀裂を生じる可能性が極めて低くなる。これにより、歩留まりの向上等による生産効率のさらなる向上を図ることができる。
【００１３】
焼準温度の下限を780℃とした点について詳述する。
焼準処理は、材料の変態点であるＡｃ３を約５０℃上回る温度に加熱して均一なオーステナイト組織にした後、大気中で放冷する処理であることが一般的に知られている。このような処理を行うことによって、（１）鍛造品の金属組織の微細化、機械的性質の改善、（２）切削製の向上等、を実現することが期待できる。
ところで-、Ａｃ３変態点の温度は、式
Ac3(℃)：854-180×(％C)-14×(％Mn)+44×(％Si)-17.8×(％Ni)-1.7×(％Cr)  …（１）
により求められることが知られており、本実施形態における材料では、730℃〜804℃の範囲内にＡｃ３点が存在することになる。従って、本実施形態における焼準温度の下限は、本実施形態の材料におけるＡｃ３点の下限（730℃）に50℃を加えた780℃とすることが、好ましい。
【００１４】
また、上記素材の組成に関する限定理由は、以下に詳述する通りである。
C：0.35〜0.55％
Cは強度の向上を目的として添加され、必要な強度の向上を得るために含有量が0.35％以上であることが好ましく、被削性及び靭性の低下を招かないために0.55％を超えないことが好ましい。
Si：0.05〜0.5％
Siは脱酸及び初析フェライトの強化を目的として含有させる元素であり、これらの効果を得ることができ、熱間加工性及び靭性の低下を招かない含有量として、0.05〜0.5％が好適である。
【００１５】
Mn：0.6〜1.2％
Mnは、上記素材を用いた機械部品の内部の硬さを効果的に高めるための有効な元素として、また、靭性を向上させる目的で含有させる元素であり、必要な硬さ及び靭性を得るために0.6％以上であることが好ましく、熱間加工後や焼準時にベイナイトが生成して靭性が低下しないように、その含有量を1.2％以下とすることが好ましい。
また、Mnは次に述べるSとともに硫化物を生成するために重要な元素であり、被削性を向上させるために有効な元素である。
S：0.04〜0.1％
Sは被削性を向上させるために有効な元素で、必要な被削性を得るために含有量が0.04％以上であることが好ましく、その一方で、熱間加工性や疲れ強度を低下させたり、Caと高融点のCaSを形成して鋳造時にノズルを閉塞させたりしないように、その含有量が0.1％以下であることが好ましい。
【００１６】
Cu：0.01〜0.5％
Ni：0.01〜0.5％
Cu，Niともに、上記素材を用いた機械部品の内部の硬さを効果的に高めるための有効な元素として、また靭性を向上させることを目的として含有させる元素である。これらの効果を得るために含有量が0.01％以上であることが好ましい。一方、Cuを0.5％，Niを0.5％より多くしてもその効果が飽和するばかりでなく、経済的な観点からも機械部品のコスト高となるため、その含有量が0.5％以下であることが好ましい。
【００１７】
Cr：0.05〜0.6％
Crは上記素材を用いた機械部品の内部の硬さを効果的に高めるための有効なものであり、また靭性を向上させるために含有させる元素で、必要な靭性を得るために含有量は0.05％以上であることが好ましい。一方、含有量が0.6％以下であれば、熱間加工後の空冷でベイナイトが生成して靭性が低下したり、更にCrの影響により軟窒化処理時に窒化層に微細な窒化物が析出して硬さを増加させて歪矯正能を低下させたりすることがないので、0.6％以下であることが好ましい。
【００１８】
Ca：0.0005〜0.02％
Caは硫化物中にCaSとして存在させることにより旋削加工時に工具に保護膜を形成させ、工具寿命を大幅に向上させるために含有させる元素で、0.0005％以上であればその効果が得られ、その含有量が0.02％以下であれば、高融点のCaSを形成して鋳造時にノズルを閉塞させることがないので好適である。
【００１９】
s-Al：0.001〜0.01％
s-AlはSiと同様に鋼を溶製する際に脱酸元素として用いる。
その含有量は少なくても0.001％以上必要である。また、その含有量が0.01％より多いと軟窒化処理時に窒化層に微細な窒化物を析出させ硬さを増加させるので、過度の添加による歪矯正能の低下を回避するために、0.01％以下であることが好ましい。
【００２０】
N：0.001〜0.04％
Nは結晶粒の粗大化を防止するために含まれる元素であり、その含有量が0.001％以上であれば、結晶粒の粗大化を防止する効果が得られ、その一方で含有量が0.04％より多くてもその効果が飽和するので、0.04％以下であることが好ましい。
【００２１】
V：0.01〜0.40％
Vは熱間加工後の冷却中に炭窒化物を微細に析出させて強度を高くするために含有させる元素で、0.01％以上であればその効果が得られ、0.40％より多くしてもその効果が飽和して経済的に不利になるばかりでなく歪矯正能を低下させてしまうため、その含有量は0.40％以下であることが好ましい。
【００２２】
上記の素材として、本実施形態では、次の表１に示す１４種類の材料を例として用いた。これらの材料は、いずれも、本発明に規定された組成からなる。なお、表１において、[V]，C［eq.］は、焼準処理で800℃に加熱した場合の値を記載している。
【００２３】
【表１】
0005580517.tif 000002
【００２４】
本実施形態では、表１に示す化学組成の鋼を溶製した後、1200℃の温度で熱間鍛造を行い、寸法，形状がφ50×1000mmのクランクシャフトを得た。
このクランクシャフトに、セ氏750℃〜1000℃の範囲における様々な温度において焼準処理を行った。この焼準処理では、上記温度でそれぞれ60分間加熱保持した後室温まで放冷する条件とした。
【００２５】
続いて、上記クランクシャフトに、塩浴剤（シアン酸ソーダ(NaCNO)、シアン酸カリ(KCNO)等を含む混合塩）を用いて塩浴軟窒化処理を施した。この塩浴軟窒化処理の温度は580℃、時間は100分とした。
【００２６】
そして、歪矯正能、切削性、及び疲労強度の各特性を評価した。これらの具体的な評価方法は下記の通りである。
＜歪矯正能＞
上記各組成の鋼を溶製した後、1200℃の温度でクランクシャフトの形状に熱間鍛造し、その後上記の温度で焼準処理を施し、この焼準処理の後でガンドリル穴あけを含む機械加工を行い、機械加工後に、塩浴軟窒化処理（580℃×100分）を施して、実用クランクシャフトとした。
得られたクランクシャフトを、両端ジャーナル部を支点間距離400mmにて支えながら、中央ジャーナル部に集中荷重を加えることにより３点曲げ試験を行った。
この試験において、中央ジャーナル部に亀裂が発生するまで荷重を加え、除荷後の最大歪み量（振れ変化量）をそのクランクシャフトの歪矯正能として求めた。
【００２７】
＜切削性＞
上記各組成の鋼を溶製した後、1200℃の温度でクランクシャフトの形状に熱間鍛造した後、上記の温度で焼準処理を施すことで試験片を作成した。この試験片に対し、ガンドリル穴あけ加工を施し、この穴明け加工に伴う刃具の摩耗の程度を切削性の指標として評価した。
尚、切削には、直径5.4mmの超硬合金製ガンドリルを用い、切削条件は以下の通りとした。
回転速度：4300r.p.m.（回転／分）
送り：0.06mm／回転
穴深さ：67mm
＜疲労強度＞
歪矯正能の評価と同様に作成した実用クランクシャフトを用意して、回転曲げ疲労試験を実施した。この試験は最大負荷荷重を種々に変えて行い、回転1000万回にて破壊を生じない最大負荷荷重を疲労強度として求めた。
【００２８】
図１は、軟窒化クランクシャフト用素材の歪矯正能を示す図表である。
この図１において、縦軸は、歪矯正能の指標としての亀裂発生後の歪み量（μｍ）であり、横軸は、焼準処理の温度条件である。
図１に示すように、焼準温度が低いほど歪矯正能が高い傾向が現れた。詳細には、焼準処理の温度が850℃以下であれば、好ましい歪矯正能として設定された基準値（２５μｍ）よりも良好な歪矯正能が得られることが明らかになった。これは、焼準処理時の温度が高いほどVの固溶が進んで硬度が高められることによると考えられる。また、焼準処理の温度が800℃未満であっても、歪矯正能が基準値を下回ることはなかった。
【００２９】
図２は、軟窒化クランクシャフト用素材の刃具摩耗性を示す図表である。
図２において縦軸は刃具の摩耗の程度を示し、横軸は焼準処理の温度条件である。
この図２に示すように、焼準温度が低いほど刃具の摩耗が小さい、すなわち切削性が良いことが明らかになった。焼準温度が880℃を超える程度で、刃具の摩耗が、好ましいとされる基準値を超えてしまうので、本発明のように、焼準処理の温度を850℃以下とすれば、好ましい切削性の基準値を満たすことが明らかになり、焼準処理の温度が800℃未満となっても、切削性が基準値を超えることはなかった。ここで、基準値は、例えば0.3mmである。
【００３０】
図３は、軟窒化クランクシャフト用素材の疲労強度を示す図表である。
図３において縦軸は疲労強度を示す指標としての上述した最大負荷荷重（ＭＰａ）であり、横軸は焼準処理の温度条件である。
この図３に示すように、焼準温度が高いほど疲労強度が高いことが明らかになった。これは、焼準処理時の温度が高いほどVの固溶が進んで硬度が高められることによると思われる。焼準温度が780℃以上となり、1000℃以下となる範囲の全体において、疲労強度が好ましい基準値を下回ることはなかった。
【００３１】
このように、質量％で、C：0.35〜0.55％，Si：0.05〜0.5％，Mn：0.6〜1.2％，Cu：0.01〜0.5％，Ni：0.01〜0.5％，Cr：0.05〜0.6％，V：0.01〜0.40％，S：0.04〜0.1％，s-Al：0.001〜0.01％，Ca：0.0005〜0.02％，N：0.001〜0.04％，残部Fe及び不可避的不純物からなる組成を有するとともに、焼準加熱時のオーステナイト中に固溶できるV量を［V］、炭素当量C［eq.］としたとき、C［eq.］＝C＋0.07×Si＋0.16×Mn＋0.19×Cu＋0.17×Ni＋0.2×Cr＋［V］が0.58〜0.89％を満たすように各成分が調整されて成る軟窒化クランクシャフト用素材を用い、この素材を溶製し、溶製した上記材料の熱間鍛造を行い、その後に当該熱間鍛造材を処理温度780℃〜850℃の温度範囲で焼準処理することによりフェライト＋パーライトの組織として、処理温度500〜650℃，処理時間１〜５時間の条件で軟窒化処理を行い、この軟窒化処理による曲がりを矯正する歪矯正加工を施す場合には、焼準処理時の温度を780℃〜850℃の範囲に収まる温度とすることで、良好な疲労強度を確保しながら、軟窒化処理後に歪みを除去する歪矯正加工における歪矯正能を高めることができ、この歪矯正加工の歩留まりを高め、生産効率の向上を図ることができる。また、焼準処理を上記の温度で施すことによって、好適な切削性を持たせることが可能となる。
【００３２】
つまり、上記素材を用いてクランクシャフトを製造する場合、
・上記の組成を満たす鋼を溶製し、
・溶製した鋼を熱間鍛造してクランクシャフトの形状とし、
・熱間鍛造の後に、780℃〜850℃の温度で焼準処理を施し、
・焼準処理の後で機械加工を行い、
・機械加工後に、処理温度500〜650℃，処理時間１〜５時間の条件で軟窒化処理を施して、実用クランクシャフトとする、
工程を含むことが好ましい。
【００３３】
これにより、高い疲労強度と高い歪矯正能とを合わせ持ち、歪矯正加工における歩留まりをさらに向上させ、より一層の生産性の向上を図ることが可能な軟窒化クランクシャフト用素材を提供できる。また、軟窒化処理を行うことで十分に強度が高められ、かつ、歪矯正能が高い状態で歪矯正加工が施されるので、軟窒化処理後の歪矯正加工により歪みを容易に矯正し、より高精度のクランクシャフトを高い歩留まりで製造できる。
【００３４】
以上本発明の実施形態を詳述したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、上記素材を評価する際に、軟窒化処理の一例として塩浴軟窒化処理を施した場合を挙げて説明したが、ガス軟窒化処理やイオン窒化処理等を施すことも勿論可能であるし、軟窒化処理の条件についても任意である。同様に、上記素材の溶製、熱間鍛造、機械加工時の条件についても、適宜変更可能である。
また、本発明の軟窒化処理クランクシャフト用素材は、四輪自動車、自動二輪車、或いは他の用途に用いられる各種内燃機関のクランクシャフトに適用可能であり、その用途については何ら限定されず、その他本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた態様で実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明を適用した軟窒化クランクシャフト用素材の歪矯正能を示す図表である。
【図２】軟窒化クランクシャフト用素材の刃具摩耗性を示す図表である。
【図３】軟窒化クランクシャフト用素材の疲労強度を示す図表である。
【図１】
0005580517.tif 000003
【図２】
0005580517.tif 000004
【図３】
0005580517.tif 000005