(57)【要約】      （修正有）【課題】熱間鍛造後の焼準処理を省略しても軟窒化後の矯正処理が容易で、低Ｐｂ含有量でも切削加工が容易な鋼からなるクランクシャフトを提供する。【解決手段】クランクシャフト表面に軟窒化処理が施され、該鋼の組成(単位：質量％)が、Ｃ：０．３５以上０．４５以下、Ｓｉ：０．１以上０．４以下、Ｍｎ：０．４以上０．７以下、Ｓ：０．０４以上０．０７以下、Ｃａ：０．０００５以上０．００５０以下、Ｔｉ：０．００５０以上０．０１２０以下、Ｎ：０．００４２以上０．０４８０以下、残部はＦｅ及び不可避不純物からなる。Ｔｉ／Ｎ（質量含有率の比）が０．２５以上１．２以下、Ｐｂ：０．０３質量％以下である。また、鋼断面組織はフェライト＋パーライト組織で、視野面積１６０ｍｍ２当たりの寸法１μｍ以上の硫化物の総数は１２０００以上３１０００個以下、結晶粒の平均寸法は１４以上２０以下μｍである。【選択図】図３
2005264270.tif 000002
【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クランクシャフトであって、前記鋼の組成が、
Ｃ：０．３８質量％以上０．４２質量％以下、
Ｓｉ：０．１５質量％以上０．３５質量％以下、
Ｍｎ：０．４５質量％以上０．６質量％以下、
Ｓ：０．０４質量％以上０．０６質量％以下、
Ｃａ：０．００１０質量％以上０．００５０質量％以下、
Ｔｉ：０．００５０質量％以上０．０１２０質量％以下、
Ｎ：０．００４２質量％以上０．０４８０質量％以下、
残部Ｆｅ及び不可避不純物からなり、
Ｔｉ／Ｎ（質量含有率の比）が０．２５以上１．２以下の範囲にあり、
また、軟窒化処理層を除く鋼断面組織がフェライト＋パーライト組織を有し、該フェライト＋パーライト組織上において、視野面積１６０ｍｍ２当たりに観察される寸法１μｍ以上の硫化物の総数が１２０００個以上３１０００個以下であり、かつ、組織をなすパーライト結晶粒の平均寸法が１４μｍ以上２０μｍ以下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：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、Ｏ含有量が０．０００５質量％以上０．０１質量％以下である請求項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含有量をＷS（質量％）、Ｏ含有量をＷO（質量％）として、ＷS／ＷOが８以上５０以下に調整される請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クランクシャフトに関するものであり、特に優れた曲げ矯正性を示す非鉛系非調質軟窒化鋼からなるクランクシャフトに関する。
【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、軟窒化処理を用いたクランクシャフトでは、鍛造時または軟窒化時に発生する曲りを修正するために、軟窒化後の矯正工程が不可欠である。従来は、良好な曲げ矯正性を確保するために、鋼組織の整粒および歪み除去を目的とした焼準処理（いわゆる焼きならし処理）を熱間鍛造後に施していたが、焼準処理が追加される分だけ工数が増え、コストの増大を招いていた。
【０００５】
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ついたり、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。
【０００６】
本発明の課題は、熱間鍛造後の焼準処理を省略しても軟窒化後の矯正処理を容易に行なうことができ、しかも、Ｐｂ含有量が低いにもかかわらず切削加工が容易な鋼からなるクランクシャフト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】
【０００７】
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クランクシャフトであって、前記鋼の組成が、
Ｃ：０．３８質量％以上０．４２質量％以下、
Ｓｉ：０．１５質量％以上０．３５質量％以下、
Ｍｎ：０．４５質量％以上０．６質量％以下、
Ｓ：０．０４質量％以上０．０６質量％以下、
Ｃａ：０．００１０質量％以上０．００５０質量％以下、
Ｔｉ：０．００５０質量％以上０．０１２０質量％以下、
Ｎ：０．００４２質量％以上０．０４８０質量％以下、
残部Ｆｅ及び不可避不純物からなり、
Ｔｉ／Ｎ（質量含有率の比）が０．２５以上１．２以下の範囲にあり、
また、軟窒化処理層を除く鋼断面組織がフェライト＋パーライト組織を有し、該フェライト＋パーライト組織上において、視野面積１６０ｍｍ２当たりに観察される寸法１μｍ以上の硫化物の総数が１２０００個以上３１０００個以下であり、かつ、組織をなすパーライト結晶粒の平均寸法が１４μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする。
【０００８】
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。
【０００９】
なお、本発明でいう「硫化物数」は、以下のようにして測定した値のことをいう。まず、鋼材の鍛伸方向と平行な鏡面研磨断面（以下、縦断面という）上に、任意に視野１６０ｍｍ２を設定し、倍率４００倍のＣＣＤカメラを用いて該視野を画像スキャンするともに、画像解析装置により母相と色調の異なる領域を抽出し、各領域の面積を個別に算出する。そして、個々の領域の寸法を、該領域と同一面積を有する円の直径として算出し、当該寸法が１μｍ以上の領域の数を計数する。本発明にて採用する鋼組成においては、上記のような色調の異なる領域の９９％以上が、カチオンの主体がＭｎである硫化物であることが、別途実施したＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analisys）分析により判明しており、上記の領域の計数値を「硫化物数」として採用することができる。
【００１０】
一方、フェライト＋パーライト組織の「パーライト結晶粒の平均寸法」とは、熱間鍛造にて製造したクランクシャフトのクランクピンの表層から３ｍｍ以内の領域（ただし、軟窒化処理層を除く）において、縦断面における金属組織を光学顕微鏡によって観察し、その観察画像上に表れている各パーライト結晶粒について、直交する２本の基準線が各々切り取る２つの粒寸法の平均値を、基準線の向きを種々に変えて測定したとき、その値が最大となる基準線位置での粒寸法の平均値を、当該パーライト結晶粒の寸法として定める。そして、該寸法を、１視野０．５ｍｍ２として、任意の３０視野に含まれるすべてのパーライト結晶粒について求め、その寸法の平均値をパーライト結晶粒の平均寸法とした。
【００１１】
上記の鋼組成を採用して熱間鍛造後、空冷すれば、その組織はフェライト＋パーライト組織を必然的に呈するものとなり、かつ、硫化物の総数と、組織をなす結晶粒の平均寸法とが上記の数値範囲を充足するものとなる（これは、軟窒化処理を行なっても変化しない）。そして、該組織の形成により、熱間鍛造後の焼準処理を省略しても軟窒化後の矯正処理を容易に行なうことができるようになり、しかも、Ｐｂ含有量を低くしても良好な被削性を示し、軟窒化処理を施したクランクシャフトを安価に製造することが可能となる。
【００１２】
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：０．３８質量％以上０．４２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、０．３８質量％未満では強度が確保されない。一方、０．４２質量％を超えると硬さが過剰となり、切削加工性を劣化させる。
【００１３】
Ｓｉ：０．１５質量％以上０．３５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。０．１５質量％未満では所望の効果が得られず、０．３５質量％を超えて多量に添加されるとフェライト相を硬化させて、矯正性を悪化させる。
【００１４】
Ｍｎ：０．４５質量％以上０．６質量％以下
Ｍｎは被削性向上に寄与するＭｎ系硫化物の必須形成元素である。０．４５質量％未満ではＭｎ系硫化物の生成量が不足して被削性が不十分となる。他方、０．６質量％を超えると硬さが過剰となり、被削性が却って低下する。
【００１５】
Ｓ：０．０４質量％以上０．０６質量％以下
ＳはＭｎとともに、被削性向上に寄与するＭｎ系硫化物の必須形成元素である。０．０４質量％未満では硫化物の生成量が不足して被削性が不十分となる。他方、０．０６質量％を超えると鋼の靭性と延性が損われるほか、熱間鍛造時に割れ等が発生しやすくなる。
【００１６】
Ｃａ：０．００１０質量％以上０．００５０質量％以下
後述のごとく、本発明で採用する鋼は、被削性向上元素として従来積極添加していたＰｂを低減し、具体的には不可避不純物レベルの０．０３質量％以下に留めるようにする。Ｃａは、それによる被削性低下を補うために添加するものであり、効果を顕著なものとするには０．００１０質量％以上の含有が必須である。一方、０．００５０質量％を超える過剰なＣａの添加は、高融点のＣａＳを多量に生成し、溶鋼の鋳造工程に多大な障害をもたらすことにつながる。なお、被削性向上元素としては、ＢｉやＴｅも知られているが、Ｃａはその一部がＭｎＳ中に固溶し、熱間鍛造時の硫化物の変形を抑制するので、被削性向上効果がより顕著である。
【００１７】
Ｔｉ：０．００５０質量％以上０．０１２０質量％
Ｔｉは鋼中のＯと結合して、微細な酸化物を形成する。これがＭｎ系硫化物の析出に対し核として働くので、後述のごとくＭｎ系硫化物を微細に分散させるのに役立つ。また、Ｔｉは鋼中のＣ、Ｎとも結合して、微細な窒化物あるいは炭窒化物を形成する。これが、クランクシャフトの熱間鍛造時のオーステナイト結晶粒の粗大化を防止し、冷却後のフェライト＋パーライト組織においてフェライトの析出を促進し、パーライト結晶粒を微細化させる作用がある。０．００５０質量％未満ではこの効果が発揮されず、０．０１２０質量％を超えると、粗大なＴｉ窒化物を生成し、これが応力集中源となって部品の疲労強度を却って低下させることにつながる。
【００１８】
Ｔｉ／Ｎ（質量含有率の比）：０．２５以上１．２以下
オーステナイト結晶粒の粗大化防止ひいてはパーライト結晶粒を微細化を図るには、Ｔｉの窒化物あるいは炭窒化物を一定量微細に分散形成する必要があり、ＴｉとＮとの含有比率が重要となる。Ｔｉ／Ｎの比率が０．２５未満の場合は、窒化物あるいは炭窒化物の生成が十分でなく、パーライト結晶粒の粗大化が発生する。他方、Ｔｉ／Ｎの比率が１．２を超えると大型の窒化物あるいは炭窒化物が生成し、これが破壊の起点となって部品の疲労強度を低下させることにつながる。また、前述したＴｉ含有量の範囲を充足しつつ、Ｔｉ／Ｎを０．２５以上１．２以下とするには、Ｎ含有量は０．００４２質量％以上０．０４８０質量％以下とする必要がある。
【００１９】
Ｐｂ：０．０３質量％以下
Ｐｂは前述のごとく使用が制限されつつあり、含有量が極力少ないことが望ましい。自動車工業会では「ハーフ鉛鋼」と称して、０．０４質量％以上０．０９質量％を含有する鉛快削鋼を定義し、その切削性改善効果を認めている。また、製鋼工程において、０．０３質量％以下の微量のＰｂはスクラップや合金等から混入する可能性がある。従って、本発明においては、０．０３質量％を超えるＰｂは意図的に添加したと考え、不純物として混入不可避の０．０３質量％以下、いわゆる「非鉛」と定義する。
【００２０】
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。
【００２１】
また、非調質快削鋼の内部に存在する介在物としては、芯部がＣａ，Ｍｇ，ＳｉないしＡｌの酸化物であり、その周囲を、ＣａＳを含有するＭｎＳが取り囲んだ二重構造粒子とすることが、鋼の被削性を改善する観点において望ましい。この場合、鋼の酸素含有量が０．０００５質量％未満では、二重構造粒子の芯部（核）となる酸化物が不足し、ひいては該二重構造粒子形成による被削性向上効果が顕著でなくなる。他方、Ｏ鋼の酸素含有量が０．０１質量％を超えると、形成される酸化物の融点が下がり、二重構造粒子の芯部として機能しない遊離形態の酸化物を多く生ずるので、同様に被削性向上効果が顕著でなくなる。従って、鋼の酸素含有量が０．０００５質量％以上０．０１質量％に調整することが望ましい。
【００２２】
さらに、上記鋼は、Ｓ含有量をＷS（質量％）、Ｏ含有量をＷO（質量％）として、ＷS／ＷOが８以上５０以下に調整されていることが望ましい。ＷS／ＷOを上記の範囲に調整することで、二重構造粒子を主体とした介在物の形成形態が適正化され、従来の鉛系快削鋼に匹敵する被削性を達成することができるようになる（以下、ＷS／ＷOを、単に「Ｓ／Ｏ」とも記す）。
【００２３】
また、熱間鍛造温度は、脱炭抑制を図りつつ変形抵抗を十分に低減し、所期のクランクシャフト形状への加工を効率よく行なう観点から、１０００℃以上１３００℃以下（当然、Ａ１変態点以上である）にて施すのがよい。そして、その熱間鍛造後の冷却を空冷により行なう際に、クランクピンの外径が３０ｍｍ以上６０ｍｍ以下の自動車用クランクシャフトへの適用を前提とした場合は、Ａ３変態点を通過する際の冷却速度が３０℃／分以上１５０℃／分以下程度となる。そして、フェライト＋パーライト組織を得るためには、鋼のベイナイト生成の臨界冷却速度が、上記冷却速度範囲の上限値よりも大きくなっている必要があり、採用する鋼の上記必須成分の含有量及び副成分の種類及び含有量は、ベイナイト生成の臨界冷却速度が上記のように調整されるように選定する。
【００２４】
硫化物個数：視野面積１６０ｍｍ２当たり１２０００個以上３１０００個以下
硫化物を形成するＭｎ量が０．４５質量％以上含有される場合、硫化物総体積はＳ含有量に依存する。総体積量が一定であることを前提とすると、硫化物の数の増大は、硫化物の微細化を意味する。硫化物は、切削時には応力集中源となって、切屑の破砕性向上に寄与する。硫化物数が増大するに従い、応力集中源の数が増大し、切屑の破砕性を向上させる。観察視野面積１６０ｍｍ２当たり１２０００個未満では、切屑の破砕が十分でなく、生成した長い切屑がクランクシャフト自身に絡み付いたり、あるいは詰まりを生じて、切削工程の進行を阻害することにつながる。他方、硫化物個数が３１０００個を超えると、硫化物が微細化しすぎて切削工具の磨耗を増大させることにつながる。
【００２５】
フェライト＋パーライト組織上において、組織をなすパーライト結晶粒の平均寸法が１４μｍ以上２０μｍ以下
熱間鍛造、軟窒化処理において生じた歪みを修正するために矯正を施すが、この際、フェライト＋パーライト組織のパーライト結晶粒の平均寸法が２０μｍを超えると靭性が低下し、十分な矯正性が得られなくなる。他方、パーライト結晶粒の平均寸法が１４μｍ未満になると細かな結晶粒界からのフェライトの生成が増大し、硬度低下による強度不足となる不具合につながる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
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。
【００２７】
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、以下のようにして形成される。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。常圧大気中での空冷により、フェライト＋パーライト組織が得られるが、前述の組成を採用していることで、視野面積１６０ｍｍ２当たりに観察される寸法１μｍ以上の硫化物の総数が１２０００個以上３１０００個以下であり、かつ、組織をなすパーライト結晶粒の平均寸法が１４μｍ以上２０μｍ以下の組織が得られる。
【００２８】
その後、切削によりクランクシャフト形状に加工するが、硫化物総数が上記のように調整されていることで鋼の被削性が向上し、また切り屑破砕性も良好なので、Ｐｂ含有量が低いにもかかわらず切削加工を非常に能率的に行なうことができる。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。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。本発明にて採用する鋼は、軟窒化処理後においても内部はパーライト結晶粒の平均寸法が１４μｍ以上２０μｍ以下の組織を保つ。これにより、軟窒化後の矯正処理を容易に行なうことができる。
【実施例】
【００２９】
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。
まず、表１に示す組成が得られるように原料を配合し、電気炉で５ｔｏｎの鋼塊を溶製した。この鋼塊を熱間圧延にて直径８８ｍｍの圧延棒鋼とし、１２５０℃に加熱してクランクシャフトの形状に熱間鍛造した後、空冷により冷却した。その冷却後の部材にガンドリル穴あけ加工を施し、異音や工具折損により切削不能と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、切削には、直径６ｍｍ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：
切削速度：１５０ｍ／分
送り：０．０４ｍｍ／回転
穴深さ：６０ｍｍ
【００３０】
【表１】
2005264270.tif 000003
【００３１】
また、上記各組成の鋼を同様にクランクシャフトの形状に熱間鍛造した後、ガンドリル穴あけを含む機械加工を行なった後、アンモニア雰囲気中で５６０℃にて１２０分保持することによりガス軟窒化処理を施して、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は、両端部を支点間距離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、亀裂発生までの最大たわみ量をそのクランクシャフトの曲げ矯正性として求めた。
【００３２】
次に、同様にガス軟窒化処理を施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ない、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。以上の結果を、表２に示す。また、各部材はクランクピンの中心軸線と直交する断面にて切断して鏡面研磨後、既に説明した方法により硫化物数（視野面積１６０ｍｍ２当たり）を測定した。また同じ組織をピクリン酸にてエッチングし、フェライト−パーライト組織のパーライト結晶粒の平均寸法を既に説明した方法により測定した。硫化物数の結果を表１、パーライト結晶粒の平均寸法の結果を表２にそれぞれ示す。
【００３３】
【表２】
2005264270.tif 000004
【００３４】
この結果からも明らかなように、組成、硫化物数及びパーライト結晶粒の平均寸法のいずれかが本発明の範囲外となるた比較例１〜９の鋼を用いたクランクシャフトは、切削性、切屑破砕性、曲げ矯正性及び疲労強度のいずれかが、クランクシャフト部品として必要なレベルに届いていないのに対し、組成、硫化物数及びパーライト結晶粒の平均寸法が本発明の要件を満たす発明例１〜６の鋼を用いたクランクシャフトは、いずれも５００穴を越える良好な切削性を有し、切屑の部品への巻付きや詰まりがなく、４ｍｍ以上の曲げ矯正性と５００ＭＰａ以上の疲労強度を有していることがわかる。特に、Ｓ／Ｏを８以上５０以下とした発明例１〜５において、効果が顕著である。なお、図２は、発明例５の硫化物形態を比較例６の硫化物形態と比較して示す光学顕微鏡観察画像である（倍率２００倍）。また、図３は、発明例５の結晶粒を比較例６の結晶粒と比較して示す光学顕微鏡観察画像である（倍率４００倍）。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】クランクシャフトの一例を示す正面図。
【図２】発明例５の硫化物形態を比較例６の硫化物形態と比較して示す光学顕微鏡観察画像。
【図３】発明例５の結晶粒を比較例６の結晶粒と比較して示す光学顕微鏡観察画像。
【図１】
2005264270.tif 000005
【図２】
2005264270.tif 000006
【図３】
2005264270.tif 000007