(57)【要約】      （修正有）【課題】機械加工性と高い疲労強度を両立させたクランクシャフトを提供する。【解決手段】表面に軟窒化処理が施され、該鋼が合金成分として、Ｃ：０．１０質量％以上０．３０質量％以下、Ｓｉ：０．０５質量％以上０．３質量％以下、Ｍｎ：０．５質量％以上１．５質量％以下、Ｍｏ：０．８質量％以上２．０質量％以下、Ｃｒ：０．１質量％以上１．０質量％以下、  Ｖ：０．１質量％以上０．５質量％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、中心部から採片した鋼試料を１２００℃にて１時間オーステナイト化後、９００℃〜３００℃までの冷却速度が０．５℃／秒となるように冷却したとき、組織に占めるベイナイトの比率が８０％以上であり、断面にて測定したビッカース硬さが２６０Ｈｖ以上３３０Ｈｖ以下であり、軟窒化層の表面硬さが６５０Ｈｖ以上、全硬化層深さ０．３ｍｍ以上、心部硬さが３４０Ｈｖ以上である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に軟窒化処理が施された鋼よりなるピン部及びジャーナル部を有したクランクシャフトであって、前記鋼が合金成分として、
Ｃ：０．１０質量％以上０．３０質量％以下、
Ｓｉ：０．０５質量％以上０．３質量％以下、
Ｍｎ：０．５質量％以上１．５質量％以下、
Ｍｏ：０．８質量％以上２．０質量％以下、
Ｃｒ：０．１質量％以上１．０質量％以下
Ｖ：０．１質量％以上０．５質量％以下、
を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、
２．３質量％≦Ｃ＋Ｍｏ＋５Ｖ≦３．７質量％
２．０質量％≦Ｍｎ＋Ｃｒ＋Ｍｏ≦３．０質量％
２．７質量％≦２．１６Ｃｒ＋Ｍｏ＋２．５４Ｖ≦４．０質量％
の各範囲にあり、
かつ、軟窒化処理の影響を受けていない中心部から採片した鋼試料を１２００℃にて１時間オーステナイト化した後、９００℃〜３００℃までの温度範囲を通過する際の冷却速度が０．５℃／秒となるように室温まで冷却したときの、鋼組織に占めるベイナイトの比率が８０％以上であり、かつ、断面にて測定したビッカース硬さが２６０Ｈｖ以上３３０Ｈｖ以下であり、
さらに、前記ピン部及びジャーナル部にて、前記軟窒化層の表面硬さが６５０Ｈｖ以上、軟窒化層の形成深さが０．３ｍｍ以上であり、中心部硬さが３４０Ｈｖ以上であることを特徴とするクランクシャフト。
【請求項２】
前記鋼は、Ｐｂの含有量が０．０３質量％以下である請求項１記載のクランクシャフト。
【請求項３】
前記鋼は、
Ｎｂ：０．０２質量％以上０．２質量％以下、
Ｔｉ：０．００５質量％以上０．２質量％以下、及び、
Ａｌ：０．００３質量％以上０．１質量％以下
の１種又は２種以上を含有する請求項１又は請求項２に記載のクランクシャフト。
【請求項４】
前記鋼は、
Ｓ：０．０１質量％以上０．１質量％以下、及び、
Ｃａ：０．００１０質量％以上０．０１０質量％以下
の一種又は２種を含有する請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のクランクシャフト。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のクランクシャフトの製造方法であって、
前記鋼を、前記ピン部及びジャーナル部を有した形状に、９００℃以上鋼の融点未満で熱間鍛造後又は該熱間鍛造に続いて溶体化処理した後に、前記ピン部及びジャーナル部にて冷却速度が０．３℃／秒以上２℃／秒以下となるように冷却することにより、鋼組織に占めるベイナイトの比率を８０％以上とし、
その後、該ピン部及びジャーナル部を切削加工し、さらに表面に軟窒化処理を施すことを特徴とするクランクシャフトの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面に軟窒化層を有した鋼からなるクランクシャフトと、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開平１０−０３０６３２号公報
【特許文献２】特開平０６−１２８６９０号公報
【特許文献３】特開平０５−２７９７９５号公報
【特許文献４】特開平０５−２７９７９４号公報
【０００３】
自動車用のクランクシャフトは、大きなねじり負荷と曲げ負荷とが繰り返し作用する環境下で使用されるため、静的強度と疲労強度とに優れていることが要求される。他方、非常に大形で形状も複雑な部材なので、基本的には熱間鍛造後、焼入焼き戻しを行なわない非調質鋼にて製造するのが一般的である。この場合、強度確保のため最終的には鋼表面の硬化処理が必要であるが、特許文献１〜４には、その表面効果処理として軟窒化処理を用いる方法が開示されている。軟窒化処理は、Ａ１変態点以下、一般には５７０℃程度の温度で、例えばアンモニアガス雰囲気中で被処理物を処理して、窒素とともに一部の炭素を鋼中に浸入させ、窒化物や炭窒化物を生成させて表層部を硬化させるものである。このような軟窒化処理は、浸炭焼入法のように被処理物に歪を生じることが少なく、また窒化法のように処理に長時間を要することもないため、自動車用の大形エンジン部品であるクランクシャフトの量産に適している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、軟窒化処理においては、クランクシャフト表層部は窒素の侵入によって大幅な硬さの増加が期待されるが、一般的に実施されている数時間の軟窒化処理では、０．５ｍｍ以上の深さで窒素拡散させることは難しく、クランクシャフト内部を強化することはできない。むしろ、軟窒化処理では、鋼が６００℃前後で加熱保持されることになるため、窒素の侵入しない内部は軟窒化の熱履歴により軟化し、処理前よりも却って低硬度となることが一般的である。
【０００５】
他方、軟窒化処理前の鋼内部の強度を鋼への成分添加等により高めようとした場合、鋼の機械加工性が大幅に損なわれ、軟窒化前に実施するクランクシャフト形状への加工の能率が下がって、工業的な部品生産が困難となる。また、機械加工後に焼入れ処理などを施して、軟窒化前の硬さを高めることもできるが、焼入れ処理によって部品に変形が生じたり、焼入れ時のスケール除去などの工程も必要となるなど、品質を低下させる上、加工コストを大幅に増加させることになる。
【０００６】
また、一般的なクランクシャフトは形状が複雑であり、熱間鍛造後の切削加工が必須である。ここで、従来のクランクシャフトでは、焼準処理後の切削加工工程において、発生する切屑が製品に巻き付いたり、あるいは工具磨耗を低減する観点から、切屑破砕性向上元素としてＰｂを含有させることが一般的に行なわれていた。しかしながら、Ｐｂは、環境保護に対する関心が地球規模で高まりつつある近年では次第に敬遠されるようになっており、その使用も制限されつつある。
【０００７】
本発明の課題は、表面に軟窒化処理が施されているにも拘わらず、優れた機械加工性を備え、高い疲労強度を両立させたクランクシャフトと、その製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明のクランクシャフトは、
表面に軟窒化処理が施された鋼よりなるピン部及びジャーナル部を有したクランクシャフトであって、前記鋼が合金成分として、
Ｃ：０．１０質量％以上０．３０質量％以下、
Ｓｉ：０．０５質量％以上０．３質量％以下、
Ｍｎ：０．５質量％以上１．５質量％以下、
Ｍｏ：０．８質量％以上２．０質量％以下、
Ｃｒ：０．１質量％以上１．０質量％以下
Ｖ：０．１質量％以上０．５質量％以下、
を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、
２．３質量％≦Ｃ＋Ｍｏ＋５Ｖ≦３．７質量％
２．０質量％≦Ｍｎ＋Ｃｒ＋Ｍｏ≦３．０質量％
２．７質量％≦２．１６Ｃｒ＋Ｍｏ＋２．５４Ｖ≦４．０質量％
の各範囲にあり、
かつ、軟窒化処理の影響を受けていない中心部から採片した鋼試料を１２００℃にて１時間オーステナイト化した後、９００℃〜３００℃までの温度範囲を通過する際の冷却速度が０．５℃／秒となるように室温まで冷却したときの、鋼組織に占めるベイナイトの比率が８０％以上であり、かつ、断面にて測定したビッカース硬さが２６０Ｈｖ以上３３０Ｈｖ以下であり、
さらに、ピン部及びジャーナル部にて、軟窒化層の表面硬さが６５０Ｈｖ以上、軟窒化層の形成深さが０．３ｍｍ以上であり、中心部硬さが３４０Ｈｖ以上であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明のクランクシャフトの製造方法は、上記本発明のクランクシャフトの製造方法であって、
前記鋼を、前記ピン部及びジャーナル部を有した形状に、９００℃以上鋼の融点未満で熱間鍛造後又は該熱間鍛造に続いて溶体化処理した後に、前記ピン部及びジャーナル部にて冷却速度が０．３℃／秒以上２℃／秒以下となるように冷却することにより、鋼組織に占めるベイナイトの比率を８０％以上とし、
その後、該ピン部及びジャーナル部を切削加工し、さらに表面に軟窒化処理を施すことを特徴とする。
【００１０】
クランクシャフトは、回転軸線方向に所定の間隔にて配置されたクランクアームを、前記回転軸線と中心軸線が一致するように配置されるクランクジャーナルと、前記回転軸線から半径方向に一定距離隔たった位置に中心軸線を有するクランクピンとにより、交互に連結した構造を有するものとして構成できる。
【００１１】
上記本発明のクランクシャフト及びその製造方法においては、軟窒化処理前の素材硬さを低減して機械加工性を確保することができ、かつ、軟窒化処理によって高い表面硬さが得られるとともに、軟窒化処理時の加熱保持によって、鋼内部も硬化させることができ、優れた疲労強度も両立することができる。
【００１２】
本発明のクランクシャフトは、軟窒化処理時の加熱保持によって内部硬さを増加できる鋼組成を採用している。該鋼は、必須合金成分としてＭｏ、Ｖ及びＴｉを含有する。これらの元素は、炭化物生成元素として知られているが、本発明のクランクシャフトの構成素材となる鋼においては、これらは炭化物生成元素として機能させるに留まらず、クランクシャフト形状を得るために熱間鍛造後に空冷した場合の、鋼マトリックスの組織制御、具体的にはベイナイト組織に制御するための元素としても機能するように、その添加量が調整される。
【００１３】
Ｍｏ、Ｖ及びＴｉの添加により、軟窒化処理温度前後で鋼を保持すると、これら元素の炭化物による２次析出強化が期待できる。しかし、軟窒化処理前の素材状態を、焼入れ焼戻し処理によるマルテンサイト組織にすると、素材状態Ｆでの硬さが増大しすぎて加工性に問題を生ずる上、焼入れ歪による問題も生じやすいし、炭化物析出による硬さ向上効果も顕著でなくなり、高価な炭化物析出元素を敢えて添加する意義も明確でなくなる。そこで、本発明では、Ｍｏ、Ｖ及びＴｉの含有量を適切に調整することで、軟窒化処理前の鋼の素材状態をベイナイト組織とする。ベイナイト組織はマルテンサイト組織の比較すると低硬度であり、切削加工も含めた機械的加工も比較的容易である。その結果、軟窒化処理前の良好な加工性を確保しつつ、軟窒化処理により内部硬さを十分に増加でき、疲労強度の向上を図ることができる。さらに、ベイナイト組織となることで、切削切り屑の連続化を抑制でき、クランクシャフト形状に切削加工する際も、切り屑が加工治具に巻き付く等の不具合を効果的に抑制できる。
【００１４】
クランクシャフトは熱間鍛造などによって素形を製造されるが熱間鍛造後の冷却速度は、クランクの寸法や形状によって異なり、広い冷却範囲でベイナイト組織が得られることが望ましい。本発明のクランクシャフトに採用する鋼は、軟窒化処理前の組織に占めるベイナイトの比率（面積）が８０％以上であり、かつ、硬さが２６０Ｈｖ以上３３０Ｈｖ以下の硬さとなるように組成調整される。しかし、最終的に軟窒化処理を施したクランクシャフトにおいては、軟窒化処理前の組織を直接特定することはできない。他方、実部品での冷却速度を求めた結果、クランク熱間鍛造後に空冷した場合の平均の冷却速度は強度が必要とされるピン部、ジャーナル部で０．３℃／秒以上２℃／秒以下の範囲にあることが確認された。そこで、軟窒化後の鋼の、該軟窒化処理の影響を受けていない中心部から鋼試料を採片し、軟窒化処理の影響を受けていない中心部から採片した鋼試料を１２００℃にて１時間オーステナイト化した後、９００℃〜３００℃までの温度範囲を通過する際の冷却速度が０．５℃／秒となるように冷却する。これにより、鋼組織に占めるベイナイトの比率が８０％以上であり、かつ、断面にて測定したビッカース硬さが２６０Ｈｖ以上３３０Ｈｖ以下であれば、熱間鍛造後に空冷するクランクシャフトの製造工程において、軟窒化前においてほぼ同様の範囲のベイナイト比率及び硬さレベルを達成することができる。
【００１５】
以下、本発明にて採用する鋼組成及び数値パラメータの限定理由について説明する。
Ｃ：０．１０質量％以上０．３０質量％以下
Ｃは強度を確保するために必要な元素であるが、０．１０質量％未満では強度が確保されない。一方、０．３０質量％を超えると、切削加工前の素材（熱間鍛造後、焼準処理後、あるいは溶体化後の素材）の硬さが過剰となり、切削加工性を劣化させる。
【００１６】
Ｓｉ：０．０５質量％以上０．３０質量％以下
Ｓｉは鋼溶製時の脱酸剤として含有され、また疲労強度を向上させる元素である。０．０５質量％未満では所望の効果が得られず、０．３０質量％を超えて多量に添加されると軟窒化性が低下し、所定の表面硬さを得ることができなくなる。
【００１７】
Ｍｎ：０．３質量％以上１．５質量％以下
Ｍｎは本発明において重要な役割を果たす元素であり、軟窒化前の素材の組織においてベイナイト組織を生成させるために不可欠な元素である。詳細にはＣｒ、Ｍｏの含有量によって調整されるが、０．３質量％未満ではベイナイト組織の生成が安定しないため０．３質量％以上の添加が必要である。一方、１．５質量％を越して多量に含有すると素材硬さが増加すると同時に、軟窒化処理後の内部硬さの増加が期待できなくなる。
【００１８】
Ｍｏ：０．８質量％以上２．０質量％以下
Ｖ：０．１質量％以上０．５質量％以下
Ｍｏ，Ｖは本発明において重要な役割を果たす元素であり、軟窒化処理時の加熱によって内部硬さを増加させるために積極的に添加する。Ｍｏは添加量の増加に伴って内部硬さを増加させる作用を有するが、０．８質量％以下の含有量では目標とする硬さ増加の効果を得ることができない。他方、２．０質量％を超えて添加すると、内部硬さの増加は達成されるものの、素材状態でのベイナイトの硬さが過剰となり、被削性が低下する。Ｖは熱間鍛造後の放冷によってＶ炭化物を析出し素材硬度を上昇させる作用を有するが、添加量の増加に伴って内部硬さを増加させる作用を有するが、０．１質量％以下の含有量では目標とする硬さ増加の効果を得ることができない。他方、０．５質量％を超えて添加すると、内部硬さの増加は達成されるものの、素材状態でのベイナイトの硬さが過剰となり、被削性が低下する。
【００１９】
Ｃｒ：０．１質量％以上１．０質量％以下
Ｃｒも本発明において重要な役割を果たす元素であり、軟窒化処理後の表面硬さを安定させ６５０Ｈｖ以上の硬さを得るために添加する。０．１質量％以下の添加量では軟窒化処理後の硬さが十分に得られず、１．０質量％を超えて含有させてもその効果は飽和する。
【００２０】
２．０質量％≦Ｍｎ＋Ｃｒ＋Ｍｏ≦３．０質量％
２．３質量％≦Ｃ＋Ｍｏ＋５Ｖ≦３．７質量％
２．７質量％≦２．１６Ｃｒ＋Ｍｏ＋２．５４Ｖ≦４．０質量％
本発明においては、軟窒化処理時の加熱保持によって内部硬さを増加させることを特徴としているが、炭化物生成元素としてＭｏ，Ｖ（あるいは、任意添加元素として後述のＴｉ、Ｎｂ）を単純に添加しても十分な効果を得る事はできない。炭化物の２次析出は６００℃前後の温度域で認められる現象であり、焼入れ焼戻し処理では一般に用いられている技術である。しかし、焼入れ焼戻し処理のように素材状態をマルテンサイト組織とした場合には、炭化物の析出によって内部硬さを高めることは困難であり、焼入れ硬さよりも高い硬さを得る事はできない。
【００２１】
本発明の要旨は、この問題を解決するために、素材状態をベイナイト組織とすることで、素材状態では低硬度であり、６００℃程度の温度で加熱保持を行う事で内部硬さを増加でき、素材状態よりも硬さを増加できるようにする。本発明者らは、種々の調査によって安定してベイナイト組織を得るための合金元素の添加量を検討した結果、２．０質量％≦Ｍｎ＋Ｃｒ＋Ｍｏ≦３．０質量％であることを見出した。クランクシャフトは熱間鍛造などによって素形を製造されるが熱間鍛造後の冷却速度は、クランクの寸法や形状によって異なり、広い冷却範囲でベイナイト組織が得られることが望ましい。前述のごとく、クランクシャフト形状に熱間鍛造後に空冷した場合の平均の冷却速度が、強度が必要とされるピン部、ジャーナル部で０．３℃／秒以上２℃／秒以下の範囲にある。
【００２２】
そして、さらに鋭意検討した結果、熱間鍛造過程でベイナイト組織を得るためには、２．０質量％＞Ｍｎ＋Ｃｒ＋Ｍｏでは、ベイナイトの生成割合が８０％以上の面積率とならず、加熱保持による硬度の増加が期待できないことがわかった。他方、ベイナイト組織の生成はＣ量とも関係するが、Ｍｎ＋Ｃｒ＋Ｍｏ＞３．０質量％では、素材硬さが増加しすぎて被削性が悪化する。
【００２３】
また、加熱保持により硬度を適度に増加させるには、２．３質量％≦Ｃ＋Ｍｏ＋５Ｖ≦３．７質量％とすることが必要である。２．３質量％＞Ｃ＋Ｍｏ＋５Ｖでは加熱保持による硬度の増加代が不十分となり、Ｃ＋Ｍｏ＋５Ｖ＞３．７質量％では、素材硬さが増加しすぎて被削性が悪化する。さらに、窒化により表面硬度を適度に増加させるには、２．７質量％≦２．１６Ｃｒ＋Ｍｏ＋２．５４Ｖ≦４．０質量％とすることが必要である。２．７質量％＞２．１６Ｃｒ＋Ｍｏ＋２．５４Ｖでは窒化による硬度の増加代が不十分となり、２．１６Ｃｒ＋Ｍｏ＋２．５４Ｖ＞４．０質量％では、素材硬さが増加しすぎて被削性が悪化する。
【００２４】
また、軟窒化処理前の組織に占めるベイナイト組織の比率を８０％以上とし、ビッカース硬さを２６０Ｈｖ以上３３０Ｈｖ以下とするのは、以下の通りである。既に説明したごとく、軟窒化処理と同時に内部硬さを増加させるためには、軟窒化前の組織状態をベイナイト組織とすることが必要である。その理由は、軟窒化前の組織形態に関係なく６００℃程度の温度域に鋼を加熱保持すると炭化物が析出するが、析出強化による硬度の向上を顕著とするためには、素材状態の組織をベイナイト組織とすることが必要であるからである。また、熱間鍛造後の組織を焼きなまし処理などによって軟化させて機械加工した後に、再度、加熱冷却して組織調整・硬さ調整をすることは可能であるが、熱処理の追加によるコストの増加を生じ、また、加熱冷却による酸化スケールの発生などの課題が発生する。そこで、熱間鍛造ままの状態で所定の組織、硬さに調整されることが望ましいといえる。この際には、熱間鍛造後の状態で機械加工されることになるため、被削性の確保が必要であり、強度とのバランスを考慮して、上記のビッカース硬さを２６０Ｈｖ以上３３０Ｈｖ以下とする。
【００２５】
さらに、軟窒化処理後の表面硬さが６５０Ｈｖ以上、全硬化層深さ０．３ｍｍ以上、かつ、心部硬さが３３０Ｈｖ以上とする理由は以下の通りである。すなわち、クランクには曲げ応力やねじり応力が繰返し作用するので、曲げ疲労強度とねじり疲労強度が必要とされる。いずれの疲労現象においても最大の負荷応力は最表面に作用するので、疲労強度を改善するには表層硬さを増加することが重要であり表層硬さが硬いほど有利であるといえる。軟窒化処理においてはＣｒ、Ａｌなどの添加によって表面硬さが増加することが確認されているが、これらの元素が添加されると硬化層深さが浅くなる傾向にある。本発明者らが実部品による強度評価を行った結果、表層硬度を高めても硬化層深さが浅い場合には強度が低下することが確認された。そこで、十分な疲労強度を確保するための最適な表層硬さと硬化層深さのバランスについて鋭意検討した結果、表層硬さを６５０Ｈｖ以上（例えば９５０Ｈｖ以下）とし、全硬化層深さ０．３ｍｍ以上（例えば１．５ｍｍ以下）、さらに心部の硬さを３３０Ｈｖ以上（例えば４３０Ｈｖ以下）とすることが好適であることが判明した。
【００２６】
本発明のクランクシャフトに採用する鋼には、さらに以下の元素を含有させることができる。
Ｎｂ：０．０２質量％以上０．２質量％以下、
Ｔｉ：０．００５質量％以上０．２質量％以下
Ｎｂ、ＴｉはＭｏと同様に軟窒化時の加熱保持によって炭化物を析出することによって内部硬さを増加する作用を有するので、必要に応じて添加する。また、Ｎｂ、Ｔｉは、軟窒化時の加熱保持によって炭化物を析出して心部硬さを増加する作用を有するので、必要に応じて添加する。しかし、上記上限値を超えて過剰に添加すると、鋼を通常の方法で製造する際の鋳造工程において大型の晶出物を生成し、内部硬さの増加に寄与する有効なＮｂ、Ｔｉを得ることができなくなるので、Ｎｂ、Ｔｉ量の上限は、それぞれ０．２質量％とする。
【００２７】
Ａｌ：０．００３質量％以上０．１質量％以下
Ａｌは表面硬さを増加する目的で添加可能である。ただし、０．００３質量％以下では表面硬さを増加させる効果が顕著でなくなる。他方、Ａｌ量が増加すると表面硬さも比例して増加するが、軟窒化時の窒素の内部への拡散を阻害し硬化層深さを浅くするため、硬化層深さへの悪影響は小さく、表面硬さの増加のみにその作用が期待できる範囲として、Ａｌ添加量の上限は０．１質量％に限定する。
【００２８】
Ｓ：０．０１質量％以上０．１質量％以下
Ｃａ：０．００１０質量％以上０．０１０質量％以下
Ｓ、Ｃａは機械加工における被削性を改善するために用いる元素であり、ＭｎＳやＣａ酸化物、Ｃａ硫化物を素地に分散させることによって、被削性の改善を図る。いずれも上記下限値未満では被削性改善の効果が顕著でなく、上限値を超えると鋼の靭性低下を招く。
【００２９】
なお、本発明にて使用する鋼には、本発明の前述の効果が損なわれない範囲にて上記必須成分以外の成分、例えばＣｕ、Ｎｉ、Ｐ及びＯなどが含有されていてもよい。Ｃｕ及びＮｉは、０．１０質量％程度までであれば、スクラップ等から不可避不純物として混入する可能性もある。また、Ｐ及びＯは製鋼工程上の不可避不純物として混入しうる元素であるが、Ｐは鋼の靭性を低下させるので、その含有率は０．００３０質量％以下とするのがよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
図１は、本発明のクランクシャフトの一例を示すものである。該クランクシャフト１は、回転軸線Ｏの方向に所定の間隔にて配置されたクランクアーム２を、回転軸線Ｏと中心軸線が一致するように配置されるクランクジャーナル４と、回転軸線Ｏから半径方向に一定距離隔たった位置に中心軸線を有するクランクピン５とにより、交互に連結した構造を有してなる。クランクピン５には、注油用の孔部８が形成されている。クランクアーム２は、隣接するクランクアーム２と対向する面が平面状の基面２ａとされた基面形成部を形成する。クランクジャーナル４及びクランクピン５（軸状部）の突出基端部には、基面２ａ側に向かうほど外径を漸増させるフィレット部７が形成されている。突出基端縁は凹状であり、曲げ負荷が作用したときに応力集中しやすいが、上記のようなフィレット部７を形成しておくと、応力集中が緩和され、曲げ強度を高めることができる。
【００３１】
クランクジャーナル４及びクランクピン５はいずれも円形断面の軸状に形成されてなり、既に説明した組成の鋼を熱間鍛造後、その外周面全体に軟窒化処理層が形成されている。このようなクランクシャフト１は、以下のようにして製造される。まず、既に詳しく説明した組成の鋼が得られるように原料を溶解・鋳造後、分塊された鋼素材を熱間鍛造後、空冷する。空冷により、クランクジャーナル４及びクランクピン５での冷却速度は０．３℃／秒以上２℃／秒以下の範囲となるが、上記の組成の採用により、軟窒化前の鋼素材は窒化処理前の組織に占めるベイナイトの比率（面積）が８０％以上となり、かつ、硬さが２６０Ｈｖ以上３３０Ｈｖ以下となる。組織が主としてベイナイトになっていることで、切削によりクランクシャフト形状に容易に加工できる。該切削加工後、部材にはアンモニアガス雰囲気中で軟窒化処理を施す。軟窒化処理は５５０℃以上７００℃以上（例えば６００℃）で行なわれるが、内部がベイナイト組織になっているため、マルテンサイトからなる焼入れ組織と異なり、該軟窒化処理中に微細な炭化物が顕著に析出し、鋼内部の強度が向上する。軟窒化処理後の表面硬さは６５０Ｈｖ以上、全硬化層深さは０．３ｍｍ以上、かつ、心部硬さは３４０Ｈｖ以上とする。その後、矯正ロール等を用いた周知の冷間矯正加工を施して、軟窒化処理時に生じた部材の変形や歪等を矯正する。
【実施例】
【００３２】
以下、本発明の効果を確認するために行なった実験結果について説明する。
表１に示す化学組成を有する鋼を５ｔｏｎアーク炉、又は１５０ｋｇ高周波真空誘導炉にて溶製した。得られた鋼塊は、直径９０ｍｍの丸棒に圧延又は鍛造した。
【００３３】
【表１】
2006291310.tif 000002
【００３４】
まず、発明鋼の基礎特性を求めるために９０ｍｍ丸棒を熱間鍛造し、４５ｍｍ丸棒を製造した。続いて、長さ２５０ｍｍに切断し、大気炉中に装入して９００℃に加熱して６０分保持し、０．５℃／秒の冷却速度で常温まで冷却して評価用の素材とした。通常のクランクシャフトの製造工程では熱間鍛造ままの状態で用いることも有るが、ここでは、鍛造時のバラツキなどを極力抑える目的から焼準処理を追加した。なお、汎用のクランクシャフトのピン部、ジャーナル部の直径が４０ｍｍ以上５０ｍｍ程度であり、熱間鍛造後に空冷された場合の冷却速度が０．４℃以上０．７℃／秒の範囲にあることが確認されたので、焼準処理時の冷却速度も上記の範囲に制御した。
【００３５】
次に、直径４５ｍｍ、長さ２５０ｍｍの丸棒中央部の横断面で表層下１０ｍｍ位置の硬さをビッカース硬度計で５点測定した。また、同一位置における組織観察を行ってベイナイト組織の面積率を画像解析装置によって求めた。また、本発明鋼では、疲労強度の改善と同時に機械加工性を維持させることも目的としているので、４５ｍｍ丸棒の被削性の評価を行った。被削性の評価は、クランクシャフトの加工の中で最も重要とされておる油孔の加工を模擬したガンドリル加工性の評価を行った。ガンドリル穴あけ加工の評価は、異音や工具折損による切削不能になるまでの加工穴数を切削性の指標として評価した。なお、切削条件は、直径６ｍｍの超硬製ガンドリルで、切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ、送り：０．０４ｍｍ／ｒｅｖ、穴深さ：６０ｍｍとした。以上の結果を表１に示す。
【００３６】
次に、軟窒化処理後の硬化特性と疲労強度の評価を行った。上記で得られた直径４５ｍｍ、長さ２５０ｍｍの丸棒から機械加工によって直径１５ｍｍ、長さ２１０ｍｍに試験片素材を採取し、さらに、機械加工で切欠を有する小野式回転曲げ疲労試験片を作製した。切欠は試験へ中央部にノッチ底１Ｒ、ノッチ底直径８ｍｍであり、応力集中係数（α）は約１．８である。この小野式回転曲げ試験片を量産に適用されているガス軟窒化炉に装入し、６００℃、１２０分の軟窒化処理を施した。各試験片について、軟窒化前の内部硬さ（試験片断面の中心位置）、軟窒化後の表層硬さ、全硬化層深さ、内部硬さをビッカース硬度計で測定した。また、丸棒素材については、ミクロ観察用の試料を製造して、１質量％ナイタル試薬で組織を腐食して顕微鏡観察を行い、画像解析装置によって光学顕微鏡５視野（各視野の寸法：１．０×１．５ｍｍ）における平均のベイナイトの面積率を算出した。なお、このベイナイト比率は、軟窒化後において、軟窒化の影響を受けていない心部から寸法１０×１０×７０ｍｍの小寸法の試験片を切り出し、これを１２００℃にて１時間オーステナイト化した後、９００℃〜３００℃までの温度範囲を通過する際の冷却速度が０．５℃／秒となるように冷却したときの、鋼組織に占めるベイナイトの比率とほぼ一致した。さらに、小野式回転曲げ疲労試験機により、１０７回で破壊しない繰り返し応力を測定し、これを疲労限度とした。以上の結果を表１に示す。すなわち、本発明の要件を充足するクランクシャフトは、表面に軟窒化処理が施されているにも拘わらず、被削性にも優れ、高い疲労強度も同時に達成できていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】クランクシャフトの一例を示す正面図。
【図１】
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