(57)【要約】【課題】高価なVを添加しないV無添加鋼でありながら強度特性及び被削性の良好なクランクシャフト用非調質鋼を提供する。【解決手段】クランクシャフト用非調質鋼を重量％で、C：0.35〜0.55％，Si：0.4〜2％，Mn：0.4〜1.5％，P：0.01〜0.1％，Cu：0.05〜1％，Ni：0.05〜1％，Cr：0.01〜1％，s-Al：0.005〜0.05％，N：0.005〜0.030％，残部実質的にFeから成る組成を有し、熱間鍛造後の組織がフェライト＋パーライトであるものとする。また熱間鍛造後の室温の引張試験で得られる耐力と引張強さとの比である耐力比が0.50以上で且つ加工硬化指数が0.1〜0.4を満足するものとする。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、
C ：0.35〜0.55％
Si：0.4〜2％
Mn：0.4〜1.5％
P ：0.01〜0.1％
Cu：0.05〜1％
Ni：0.05〜1％
Cr：0.01〜1％
s-Al：0.005〜0.05％
N ：0.005〜0.030％
残部実質的にFeから成り、熱間鍛造後の組織がフェライト＋パーライトであるクランクシャフト用非調質鋼。
【請求項２】
請求項１において、熱間鍛造後の室温の引張試験で得られる耐力と引張強さとの比である耐力比が0.50以上で、加工硬化指数が0.1〜0.4を満足することを特徴とするクランクシャフト用非調質鋼。
【請求項３】
請求項２において、更に、初析フェライト面積率：10〜40％で、且つ以下の式(１)を満たすことを特徴とするクランクシャフト用非調質鋼。
0.7≦1.34[C%]-0.036[Si%]+0.24[Mn%]+0.22[Cu%]+0.32[Ni%]+0.3[Cr%]+0.41[N%]≦1.1・・・式（１）
【請求項４】
請求項１〜３の何れかにおいて、S，Pb，Bi，Te，Caの何れか１種若しくは２種以上を重量％で、
S ：0.01〜0.30％
Pb：0.02〜0.30％
Bi：0.01〜0.30％
Te：0.002〜0.30％
Ca：0.0004〜0.01％
の範囲で含有していることを特徴とするクランクシャフト用非調質鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、熱間鍛造によって製作され、機械加工後に高強度化を目的としてフィレットロール加工が施されるクランクシャフト用非調質鋼に関し、特にフィレットロール加工により効果的に強度を向上させることができ且つ被削性に優れた安価なクランクシャフト用非調質鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃往復エンジン用として使用されるクランクシャフトは、エンジンの作動中ピン及びジャーナル部のフィレット部（隅肉部）に大きな曲げと捩り応力が作用する。
そこでかかるクランクシャフトにあっては、ピン，ジャーナル部の疲労強度を向上させるため、通常フィレットロール加工が施される。
ここでフィレットロール加工は、フィレット部にロールを一定荷重で押し当てて「しごく」ことにより、疲労破壊の起点となるフィレット部の強度を向上させる加工手法である。
【０００３】
従来、クランクシャフトの強度を確保する手法としては、例えば下記特許文献１に開示されているように、クランクシャフト用の材料としてV添加型非調質鋼、即ち所定量のVを添加し、Vのカーバイド若しくはナイトライドの析出による析出強化を利用したV添加型非調質鋼を用いる手法や、或いは部品自体即ちクランクシャフト自体の硬さを上げることにより対応して来た。
【０００４】
しかしながらV添加型非調質鋼は、高価なVを添加していて材料自体のコストが高く、近年のクランクシャフト製造に対しての更なる低コスト化の要請に対し十分に答えることができない。
更にクランクシャフトはオイル穴等の深穴ドリル加工が必須となっており、硬さの上昇はドリル加工時の弊害となって、これもまたコストを高める要因となる。
即ち上記した従来の手法では現在要請されている低コスト化の要請に対し十分な対応策とはならない問題がある。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２３９７８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はこのような事情を背景とし、高価なVを添加しないV無添加鋼でありながら強度特性及び被削性の良好なクランクシャフト用非調質鋼を提供することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
而して請求項1のものは、重量％で、C ：0.35〜0.55％，Si：0.4〜2％，Mn：0.4〜1.5％，P：0.01〜0.1％，Cu：0.05〜1％，Ni：0.05〜1％，Cr：0.01〜1％，s-Al：0.005〜0.05％，N：0.005〜0.030％残部実質的にFeから成り、熱間鍛造後の組織がフェライト＋パーライトであることを特徴とする。
【０００８】
請求項２のものは、請求項１において、熱間鍛造後の室温の引張試験で得られる耐力と引張強さとの比である耐力比が0.50以上で、加工硬化指数が0.1〜0.4を満足することを特徴とする。
【０００９】
請求項３のものは、請求項２において、更に、初析フェライト面積率：10〜40％で、且つ以下の式(１)を満たすことを特徴とする。
0.7≦1.34[C%]-0.036[Si%]+0.24[Mn%]+0.22[Cu%]+0.32[Ni%]+0.3[Cr%]+0.41[N%]≦1.1・・・式(１)
【００１０】
請求項４のものは、請求項１〜３の何れかにおいて、S，Pb，Bi，Te，Caの何れか１種若しくは２種以上を重量％で、S：0.01〜0.30％，Pb：0.02〜0.30％，Bi：0.01〜0.30％，Te：0.002〜0.30％， Ca：0.0004〜0.01％の範囲で含有していることを特徴とする。
【発明の作用・効果】
【００１１】
本発明の非調質鋼はV無添加の安価な調質鋼であり、かかる本発明の非調質鋼を用いることで、従来のV添加非調質鋼を用いた場合と同等程度若しくはそれ以上の部品（クランクシャフト）強度を得ることが可能である。
【００１２】
ここでクランクシャフト製造に際してフィレットロール加工のような冷間加工を施す場合、加工硬化指数ｎが大きいほど、同一フィレットロール荷重時の塑性変形量が大きくなり、圧縮残留応力が増加する。
【００１３】
ここにおいて請求項２のものはこのような知見に基づいて、材料の基礎特性である耐力比を0.50以上とし、且つ加工硬化指数ｎを0.1〜0.4の条件を満たすようにしたもので、この請求項２によれば、高価なVを添加したV添加型の非調質鋼を用いず、V無添加の非調質鋼を用いてもフィレットロール加工のような冷間加工を施すことにより、疲れ限度をV添加の非調質鋼を用いた場合に比べて遜色の無いものとすることが可能である。
【００１４】
ここで加工硬化指数とは、引張試験の際の真応力と真歪の関係を次の式(２)で近似させたときのｎの値である。
σ＝Ｋ・εｎ・・・式(２)
但しＫ：強度係数(N/mm２)
この場合のｎ値は対数座標系では直線の傾きで表される。
このｎ値は、その値が大きい程加工硬化が大で、引張変形における塑性不安定（くびれの発生）が起り難く、変形の一様性がより広い歪の範囲で得られるので、大きい変形を得ることができる。
【００１５】
クランクシャフト用鋼では、被削性特にオイル穴等を加工する際の深穴ドリル加工性の改善が重要であるが、その際ドリルの寿命のみならず切屑の排出性、つまり切屑の破砕性が重要な要素となる。
その場合フェライト＋パーライト組織鋼の切削加工時の切屑は、軟質相であるフェライトが優先的に剪断変形を受け亀裂を促進するため、切屑の破砕性はフェライトが多い程有利となる。
【００１６】
請求項３はこのような知見の下に、初析フェライト面積率を10〜40％となすもので、これによりドリル加工時の良好な切屑破砕性を得ることができる。
更に請求項３に従って
0.7≦1.34[C%]-0.036[Si%]+0.24[Mn%]+0.22[Cu%]+0.32[Ni%]+0.3[Cr%]+0.41[N%]≦1.1・・・式(１)
を満足することで、良好なドリル寿命と切屑破砕性を得ることが可能となる。
【００１７】
次に請求項４は、合金成分としてS，Pb，Bi，Te，Caの何れか１種若しくは２種以上を所定含有量で鋼中に含有させるもので、請求項４によれば被削性を更に効率的に高めることができる。
【００１８】
次に本発明における各化学成分等の限定理由を以下に詳述する。
C：0.35〜0.55％
Cは鍛造品の強度を確保するのに有効な元素であり、このような効果を得るためには0.35％以上含有させることが必要である。
しかし多過ぎると硬さが高くなり、被削性が低下するので0.55％以下とする。
【００１９】
Si：0.4〜2％
Siは鋼溶製時において脱酸作用及び脱硫作用を有しているとともに、フェライト中に固溶してフェライト強度を有効に向上させ、硬さや引張強さを向上させずに疲労強度を高める作用を有している。
而して軟質相であるフェライト強度を有効に向上させる上でその含有量を0.4％以上とする必要がある。
しかし多量の含有は、硬さを高くし過ぎて被削性を劣化させたり、熱間鍛造時の加熱により表面で著しい脱炭が生じるので2％以下とすることが必要である。
【００２０】
Mn：0.4〜1.5％
Mnはパーライトラメラ間隔を微細化し、耐力を向上させるのに有効である。
しかし多量に添加すると空冷でもベイナイトが発生して被削性を著しく低下させるため0.4〜1.5％とする。
【００２１】
P：0.01〜0.1％
通常Pは粒界に偏析して粒界強度を低下する元素として知られており、靭性低下を回避するために一般の鋼ではできるだけ低減することが望まれている。
しかし通常機械構造用鋼に用いられている30HRC以下の材料でフェライト・パーライト組織を有する場合には、Pによる脆化の影響が少ないのみでなく、適正量のPの添加は軟質相であるフェライトの強度を増加し、耐力や疲労強度といった部品強度を有効に向上させる。
このようなPの効果を得るために本発明ではPを0.01〜0.1％で含有させる。
【００２２】
Cu，Ni：0.05〜1％
Cu，Niは何れも組織を緻密化するのに有効な元素であり、強度を確保するのに有効である。
一方、添加量が多過ぎると鍛造後の冷却中にベイナイトが生成し、硬さが高くなり過ぎ、被削性を低下させるので0.05〜1％とする。
【００２３】
Cr：0.01〜1％
CrはMnと同様にパーライトラメラ間隔を微細化し、強度と靭性を高め、疲労強度を有効に向上させる働き有する元素であるが、Mnと同様Crの過剰添加はベイナイト発生の原因となるため、範囲を0.01〜1％とする。
【００２４】
s-Al：0.005〜0.05％
酸溶解性Alは鋼中のNと窒化物を形成し、微細に分散して熱間鍛造時の結晶粒成長を抑制する。
この効果を確実にするために0.005％以上の存在が必要である。
一方多量に存在しても効果が飽和するのみでなく、疲れ限度を低下させるため上限値を0.05％とする。
【００２５】
N：0.005〜0.030％
NはAlと窒化物を形成し、この窒化物の微細な析出により熱間鍛造後の結晶粒成長を抑制する。
またNはロール加工等の圧縮加工によって導入される可動転位を固着、つまり歪時効作用により耐力や疲労強度の改善に有効な元素である。
このような効果を得るためにも0.005％以上の添加が必要である。
但し多量に添加してもその効果は飽和するので上限を0.030％とした。
【００２６】
室温での引張試験で得られる耐力比が0.50以上且つ加工硬化指数が0.1〜0.4
フィレットロール加工のような冷間加工を施す場合、加工硬化指数ｎが大きい程、同一フィレットロール荷重時の塑性変形量が大きくなり、圧縮残留応力が増加することにより疲れ限度が増加する。
この効果を得るためには耐力比が0.50以上且つ加工硬化指数ｎが0.1以上である必要がある。
しかし加工硬化指数ｎが0.4を超えると耐力比の低下を余儀なくされてしまうため0.1〜0.4の範囲とする。
尚、本発明に規定するクランクシャフトは熱間鍛造により製造されるが、このような耐力比および加工硬化指数を得るための鍛造条件は加熱温度：900〜1300℃，加熱保持時間：5〜7200sec、および鍛造温度：750〜1250℃であることが望ましい。
【００２７】
フェライト面積率：10〜40％且つ
0.7≦1.34[C%]-0.036[Si%]+0.24[Mn%]+0.22[Cu%]+0.32[Ni%]+0.3[Cr%]+0.41[N%]≦1.1（式(１)）
クランクシャフト用鋼では、オイル穴等で深穴ドリル加工が必要となって来る。
深穴ドリル加工を行う場合、ドリルの寿命のみならず切屑の排出性が重要な要素となってくるが、切屑の排出性の確保のためには切屑の破砕性が重要な指標となってくる。
フェライト＋パーライト組織鋼の切削加工時の切屑は、軟質相であるフェライトが優先的に剪断変形を受け亀裂を促進するため、切屑の破砕性はフェライトが多い方が有利となるが、フェライトへの量が多くなりすぎると剪断変形時のフェライトへの導入転位量が少なくなってしまい、逆に切屑の破砕性は悪化する。よって、このドリル加工時の良好な切屑破砕性を得るためにはフェライト面積率：10〜40％が必要となって来る。
【００２８】
更に式(１)  0.7≦1.34[C%]-0.036[Si%]+0.24[Mn%]+0.22[Cu%]+0.32[Ni%]+0.3[Cr%]+0.41[N%]≦1.1を満足することにより、良好なドリル寿命と切屑破砕性を得ることが可能となる。
【００２９】
S：0.01〜0.30％，Pb：0.02〜0.30％，Bi：0.01〜0.30％，Te：0.002〜0.30％，Ca：0.0004〜0.01％
S，Pb，Bi，Te，Caはいずれも被削性を向上させるのに有効な元素であるので、鍛造品において更に良好な被削性が要求される場合には、必要に応じてこれらのうちから選ばれる１種又は２種以上を適量添加するのも良い。
これらの合金元素の効果と含有量を限定する理由について説明する。
【００３０】
SはMnSとして鋼中に分散し、切欠き効果で切削抵抗を減らすことで被削性を改善する元素である。しかし0.01％より少ないとMnSの密度が減少し、十分な被削性改善効果が得られない。しかし過剰添加はPb，Biと同様熱間鍛造性を低下するため添加するとしてもS：0.01〜0.30％が望ましい。
【００３１】
Pb，Biは金属粒として鋼中に分散し、切欠き効果で切削抵抗を減らすとともに切削熱により溶融することで工具と切屑の摩擦を減らし被削性の更なる改善効果が得られる。しかしPb：0.02％，Bi：0.01％未満ではPb，Bi粒の密度が減少し十分な被削性改善効果が得られない。しかし過剰添加はその鋼の熱間鍛造性を低下させるので添加するとしてもPb：0.02〜0.30％，Bi：0.01〜0.30％が望ましい。
【００３２】
Teは鋼中でMn(Te，S)を形成し、熱間加工時の硫化物伸展を抑制する。その結果、硫化物は切欠き効果の大きい球状〜紡錘形となり、切削抵抗が減少して被削性を改善する。しかし0.002％より少ないと硫化物が伸展し、十分な被削性改善効果が得られないため下限を0．002％とする。しかし過剰添加はその鋼の熱間鍛造性を低下させるので上限を0.30％とする。
【００３３】
Caは鋼中でアノールサイト，ゲーレナイトといったCaを含有した酸化物系介在物を形成し、切削時に工具すくい面にベラーグと呼ばれる皮膜を形成することで特に旋削工具寿命を改善する。しかし0.0004％より少ないと工具すくい面のベラーグ形成が不十分となり、十分な被削性改善効果が得られないため下限を0.0004％とする。しかし0.01％を超えると鋳造工程に多大なる障害をもたらすため、その含有量を0.0004〜0.01％に限定する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
次に本発明の実施形態を以下に詳述する。
表１に示す本発明例No.１〜２０及び比較例Ａ〜Ｏ,従来鋼を溶製した後造塊し、φ80mmの圧延素材を製造した。この圧延材を所定の長さに切断した後、高周波誘導加熱炉を用い1200℃で10分間加熱保持した後、直径22mmの丸棒に熱間鍛造を行い適当な間隔をおいて配置し、そのまま室温まで冷却した。なおここで冷却速度は100℃／min以下であった。
【００３５】
【表１】
2005179753.tif 000002
【００３６】
この直径22mmの丸棒材より試験片を切り出し試験に供した。
ここで疲労特性の評価は、フィレットロール加工を模擬した試験方法により評価を行った。
詳しくは、図１に示す試験片（小野式切欠疲労試験片）１０の中央部のＵノッチ部１２に、図２に示す方法でロール１４を用いてロール加工を施し、小野式回転曲げ疲労試験に供した。
結果を表２に示す。
【００３７】
【表２】
2005179753.tif 000003
【００３８】
また耐力は、常温での引張試験により0.2％耐力を測定した結果を示しており、耐力比は0.2％耐力を引張強さで除した値（0.2％耐力／引張強さ）を用いた。
加工硬化指数ｎは、上記の常温引張試験で得られた応力−歪曲線を、塑性変形領域内で均一伸びまで2％の伸びごとに応力を読み取り、swift式（σ=ａ（ｂ＋εP）ｎ）にてフィッティングを行った。
またswift式中のｂ値については0.002に固定し定量化を行った。
【００３９】
更に表２の硬さ（HRC）は、各鍛造品の中心部硬さをロックウェル硬度計で測定した結果を示しており、表２の初析フェライト面積率（ｆα）は画像解析により測定した。
更に表２の工具寿命は、下記に示すドリル寿命試験条件の下でのドリル試験を行い、従来鋼を100とした場合の相対的な値をドリル加工能率として表した。
【００４０】
また下記のドリル切屑破砕性評価試験条件で切削した場合の切屑を採取し、その長さによって０〜４点の点数を付け、３０切削条件の合計点数を切屑破砕性指数として表２に示した。
ここでは従来鋼に比べて切屑破砕性指数が同点若しくは高い場合を良好（○印）、低い場合を×印とし、同様に表２に示した。
尚、試作した鋼には不純物として0.002％以下の酸素が含まれていた。
【００４１】
＜ドリル寿命試験条件＞
工具：SKH51
送り：0.1mm／rev
穴深さ：10mm
切削油：なし
工具寿命測定：切削不能
【００４２】
＜ドリル切屑破砕性評価試験条件＞
速度：150m／分
送り：0.025〜0.200mm／rev
穴深さ：5〜20mm
工具：SKH51
切削油：なし
【００４３】
＜結果の考察＞
本発明例のものは、Vを添加していないのにも拘わらず、S40Cに対してVを0.1％添加した従来の非調質鋼（従来例ａ）と同等以上の疲労強度が得られている。
またドリル被削性，切屑破砕性に関しても良好な結果が得られている。
更にまた快削元素を添加したNo.１７〜２０のものは、同程度のNo.２の発明例のものに比べて被削性が大幅に改善されている。
【００４４】
これに対して比較例のものは以下のような問題点を有している。
比較例Ａ：C含有量が低く、そのため硬さが13.4と低く、機械構造用鋼としては適さないものとなっている。
硬さが低いため疲れ限度が低くなっている。
【００４５】
比較例Ｂ：Cの含有量が高過ぎるため硬さが硬く、被削性の点で問題があるとともに初析フェライト面積率が低いため、切屑破砕性が悪くなっている。
【００４６】
比較例Ｃ：Siの含有量が本発明の範囲を超えて高過ぎるため硬さが高く、被削性が悪化している。
【００４７】
比較例Ｄ，Ｅ：Mn，Crの含有量が高過ぎるため、熱間鍛造後空冷状態でもベイナイトが発生し、硬さが著しく硬く、被削性が悪化している。
【００４８】
比較例Ｆ，Ｇ：Cu，Niの含有量が高過ぎるため、熱間鍛造後空冷状態でもベイナイトが発生し、硬さが著しく硬く、被削性が悪化しているとともに、フェライト面積率が低く切屑破砕性が悪化している。
【００４９】
比較例Ｈ：Pが高過ぎるため熱間鍛造時に鍛造割れが発生している。
【００５０】
比較例Ｉ：s-Al，Nの含有量が高過ぎるため、疲れ限度が低下している。
【００５１】
比較例Ｊ：成分は発明鋼の中に入っているが、耐力比が（請求項２で規定する0.50以上よりも低い）0.47であり、フィレットロール（加工）実施後の疲れ限度が低下している。
【００５２】
比較例Ｋ：成分は発明鋼の範囲内であるが、加工硬化指数が（請求項２で規定する0.1以上に比べて）0.09と低く、フィレットロール加工後の疲れ限度が低下している。
【００５３】
比較例Ｌ：成分は発明鋼の範囲内であるが、初析フェライト面積率が（請求項３に規定する10〜40％に対して）低く、また、
式（１）：0.7≦1.34[C%]-0.036[Si%]+0.24[Mn%]+0.22[Cu%]+0.32[Ni%]+0.3[Cr%]+0.41[N%]≦1.1
を満足しないため、被削性，切屑破砕性は悪い。
【００５４】
比較例Ｍ〜Ｏ：快削元素を過剰に添加しているので、熱間鍛造時に割れが発生している。
【００５５】
以上本発明の実施形態を詳述したがこれはあくまで一例示であり、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形態で構成可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施形態において用いた試験片を示す図である。
【図２】同実施形態において行ったフィレットロール加工の説明図である。
【図１】
2005179753.tif 000004
【図２】
2005179753.tif 000005