(57)【要約】  【課題】鍛鋼と同等レベルの強度を有するとともに、鋳鉄と同等レベルの被削性を有することから、中空クランクシャフト用として好適に用いられるクランクシャフト用鋳鋼を提供する。  【解決手段】Ｃ：０．３〜０．６％、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：０．０５〜２．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０５〜０．５％、Ｎ：０．００３〜０．０２％、Ａｌ：０．００１〜０．２％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる組成を有するクランクシャフト用鋳鋼である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．３〜０．６％、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：０．０５〜２．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０５〜０．５％、Ｎ：０．００３〜０．０２％、Ａｌ：０．００１〜０．２％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる組成を有するクランクシャフト用鋳鋼。
【請求項２】
さらに、質量％で、Ｂ：０．０００３〜０．００３０％、及び／又は、Ｔｉ：０．００３〜０．２％を含有する請求項１に記載されたクランクシャフト用鋳鋼。
【請求項３】
さらに、質量％で、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、及び／又は、Ｖ：０．０１〜０．２０％を含有する請求項１又は請求項２に記載されたクランクシャフト用鋳鋼。
【請求項４】
さらに、質量％で、Ｃａ：０．０００５〜０．０２％を含有する請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載されたクランクシャフト用鋳鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クランクシャフト用鋳鋼に関し、特に被削性に優れた中空クランクシャフト用鋳鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車の容積形機関のクランクシャフトは、クランクケース内のメインベアリングにより軸支され、コネクティングロッドによって伝えられた燃焼行程のピストンの下降運動を回転運動に変換するための部材である。このクランクシャフトは、大きな荷重を受けながら高速回転するために強度や剛性が求められることから、これまで、高炭素鋼やクロムモリブデン鋼さらにはニッケルクロム鋼などを型打鍛造したものが多用されてきたが、最近ではエンジンの高速化によりよりいっそうの剛性を付与するために例えばミーハナイト鋳鉄や球状黒鉛鋳鉄等の鋳鉄も用いられるようになってきた。
【０００３】
近年、自動車のよりいっそうの低燃費化を図るために、クランクシャフトに対しても軽量化が強く望まれており、そのために、軸部を中空化した中空クランクシャフトが積極的に開発されている。
【０００４】
このような中空クランクシャフトを例えば鋳鉄により製造すると、要求される剛性を満足することができない。一方、鍛造により製造しようとしても軸部を中空化することが難しい。
【０００５】
特許文献１には、中空クランクシャフトを適用対象とするものではないが、Ｃ：０．５〜１．５％（本明細書では特にことわりがない限り「％」は「質量％」を意味するものとする）、Ｓｉ：１．５〜３．５％、Ｍｎ：０．７％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．１％以下、残部Ｆｅからなる組成を有する鋳鋼によりクランクシャフトを製造する発明が記載されている。鋳鋼を用いることにより、鋳鉄並の軽量化を図ることが可能である。
【０００６】
【特許文献１】特開昭６１−２８４５５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載された鋳鋼を用いて中空クランクシャフトを製造する場合には、鋳込み後に切削等の機械加工を行って軸部の中空化を図ることとなる。しかしながら、上述したように、特許文献１により開示された発明は、中実のクランクシャフトを対象とするものであって中空のクランクシャフトを対象とするものではない。このため、この発明では
その被削性を何ら考慮していない。
【０００８】
本発明者らの検討結果によれば、特許文献１により開示された鋳鋼は、鋳鉄と同等なレベルのハイスドリル加工性を有していないため、特許文献１に記載された鋳鋼を用いて中空クランクシャフトを製造することはできない。
【０００９】
本発明は、鍛鋼と同等レベルの強度を有するとともに、鋳鉄と同等レベルの被削性を有することから、中空クランクシャフト用として好適に用いられるクランクシャフト用鋳鋼を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、Ｃ：０．３〜０．６％、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：０．０５〜２．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０５〜０．５％、Ｎ：０．００３〜０．０２％、Ａｌ：０．００１〜０．２％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる組成を有するクランクシャフト用鋳鋼である。
【００１１】
この本発明に係るクランクシャフト用鋳鋼では、（ｉ）Ｂ：０．０００３〜０．００３０％、及び／又は、Ｔｉ：０．００３〜０．２％、（ｉｉ）Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、及び／又は、Ｖ：０．０１〜０．２０％、又は（ｉｉｉ）Ｃａ：０．０００５〜０．０２％を含有することが望ましい。
【００１２】
これらの本発明に係るクランクシャフト用鋳鋼において「鋳鋼」とは、溶製後に鍛造を行われることなく鋳造を行われ、必要に応じてさらに適宜機械加工を行われて製造される製品に供されるＦｅ−Ｃ系合金を意味する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、鍛鋼と同等レベルの強度を有するとともに、鋳鉄と同等レベルの被削性を有することから、例えば中空クランクシャフト用といった複雑な形状の部材用として好適に用いられるクランクシャフト用鋳鋼を提供できた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
まず、本実施の形態で用いるクランクシャフト用鋳鋼の組成を限定する理由を説明する。
【００１５】
Ｃ：０．３％以上０．６％以下
Ｃ含有量が０．３％未満であると、高周波焼入れ後の表面硬さが低下し、所望の強度を確保することができない。一方、０．６％を超えると、強度及び硬さは増加するものの被削性が低下する。そこで、本発明では、Ｃ含有量は０．３％以上０．６％以下と限定する。同様の観点からＣ含有量の下限は0．３２％であることが望ましく、上限は０．５０％であることが望ましい。
【００１６】
Ｓｉ：０．１％以上２．０％以下
０．１％以上含有することにより溶製時に脱酸剤として作用するとともに、軟質なフェライト相を硬くし、疲労強度の向上に有効であり、鋳造性も向上する。しかし、２．０％を超えると、靱性が低下する。そこで、本発明では、Ｓｉ含有量は０．１％以上２．０％以下と限定する。同様の観点からＳｉ含有量の下限は０．３％であることが望ましく、上限は１．５％であることが望ましい。
【００１７】
Ｍｎ：０．１％以上２．０％以下
０．１％以上含有することにより強度及び靱性を高め、焼入れ性を向上してＣの共析濃度を上げて初析フェライトの析出を抑制する。しかし、２．０％超含有すると、ベイナイト組織の生成を招いて耐摩耗性、被削性に悪影響を及ぼすこととなり、特にＭｎ含有量が２．０％を超えると耐摩耗性及び被削性の低下が著しくなる。そこで、本発明では、Ｍｎ含有量は０．１％以上２．０％以下と限定する。同様の観点からＭｎ含有量の下限は０．５％であることが望ましく、上限は１．６％であることが望ましい。
【００１８】
Ｃｒ：０．０５％以上２．０％以下
Ｃｒは、０．０５％以上含有することによりフェライト率の低減、及びＡｃ１とＡｃ３の変態点の間隔を狭め、マルテンサイト粒界へのベイナイト析出、未固溶フェライトの残存がなくなることにより均一なマルテンサイトを得ることが可能となる。しかし、Ｃｒ含有量が２．０％を超えると、ベイナイトの生成を招き、耐摩耗性及び被削性に悪影響を及ぼし、特にその含有量が２．０％を超えると、耐摩耗性及び被削性の低下が著しくなる。そこで、本発明では、Ｃｒ含有量は０．０５％以上２．０％以下と限定する。同様の観点からＣｒ含有量の下限は０．０５％であることが望ましく、上限は１．２％であることが望ましい。
【００１９】
Ｓ：０．０５以上０．５％以下
Ｓは、０．０５％以上含有することにより硫化物として析出して被削性を改善する。しかし、Ｓ含有量が０．５％を超えると、鋳造性が低下する。そこで、本発明では、Ｓ含有量は０．０５％以上０．５％以下と限定する。同様の観点からＳ含有量の下限は０．０５％であることが望ましく、上限は０．２％であることが望ましい。
【００２０】
Ｎ：０．００３％以上０．０２％以下
Ｎは、０．００３％以上含有することによりＡｌＮ等の炭窒化物を析出して高周波加熱時のオーステナイト結晶粒を微細化する作用がある。しかし、Ｎ含有量が０．０２％を超えると、粒界に固溶Ｎが多量に存在し、さらにＢＮを形成し固溶Ｂの減少を招き、逆に粒界強度が低下し、遅れ破壊が発生し易くなる。そこで、本発明では、Ｎ含有量は０．００３％以上０．０２％以下と限定する。同様の観点からＮ含有量の下限は０．００５％であることが望ましく、上限は０．０１％であることが望ましい。
【００２１】
Ａｌ：０．００１％以上０．２％以下
Ａｌは、０．００１％以上含有することにより、脱酸元素及び結晶粒微細化元素として添加する。また、鋼中でＮと結合してＡｌＮとなるが、固溶Ｎを完全に固定し、ＢＮ析出防止のために添加する。Ａｌ含有量が０．００１％未満ではかかる効果は不充分であり、一方０．２％を超えるとかかる効果は飽和し、むしろ靱性が低下する。そこで、本発明では、Ａｌ含有量は０．００１％以上０．２％以下と限定する。同様の観点からＡｌ含有量の下限は０．００２％であることが望ましく、上限は０．１％であることが望ましい。
【００２２】
以下任意添加元素についても説明する。
Ｂ：０．０００３％以上０．００３０％以下、及び／又は、Ｔｉ：０．００３％以上０．２％以下
Ｂは０．０００３％以上含有することにより、高周波焼入れなどにより表面の強度を上昇する際に懸念される耐遅れ破壊性の向上に有効である。Ｂは固溶状態でオーステナイト粒界に偏析し易く、Ｐ、Ｃｕ等の脆化元素を粒界から排除し粒界強度を増加させる。しかし、０．００３０％を超えると、逆に粒界強度の低下を招く。そこで、Ｂを添加する場合には、その含有量は０．０００３％以上０．００３０％以下と限定することが望ましい。
【００２３】
一方、Ｔｉは、鋼中にあっては疲労強度の向上作用を奏する。また、ＢはＮと結合して炭窒化物を析出させ、固溶Ｎを完全に固定し、ＢＮ析出防止に効果的である。このような観点から、ＴｉはＢと複合添加することが望ましく、その際の含有量は０．００３％以上０．２％以下とすることが望ましい。
【００２４】
Ｎｂ：０．０１％以上０．１０％以下、及び／又は、Ｖ：０．０１〜０．２０％
Ｎｂ及びＶは、いずれも、鋼中にあっては疲労強度の向上に寄与し、母材強度の向上に寄与する。そこで、Ｎｂを添加する場合にはその含有量は０．０１％以上０．１０％以下と限定することが望ましく、Ｖを添加する場合にはその含有量は０．０１％以上０．２０％以下と限定することが望ましい。
【００２５】
Ｃａ：０．０００５％以上０．０２％以下
Ｃａは０．０００５％以上含有することにより被削性が向上する。しかし、Ｃａ含有量が０．０２％を超えると、このような効果は飽和し、コストが嵩むだけとなる。そこで、Ｃａを添加する場合にはその含有量は０．０００５％以上０．０２％以下と限定することが望ましい。
【００２６】
上記以外の残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。不可避的不純物としては、Ｐ：０．０３％以下を例示することができる。Ｐ含有量が０．０３％を超えると、オーステナイト粒界に粒界偏析を起こし粒界強度を低下させ、遅れ破壊が発生し易くなる。そこで、Ｐ含有量は０．０３％以下であることが望ましい。
【００２７】
以上の組成を有する本実施の形態のクランクシャフト用鋳鋼は、熱間鍛造品よりも鋳鉄並に複雑な形状に対応することができるばかりではなく、鋳鉄に比較すると疲労強度あるいはヤング率が高い。
【００２８】
また、被削性に関しても、これまで熱間鍛造で割れ発生の原因とされるＭｎＳを抑制する必要がないために、多量にＳを添加して被削性を確保できる。また、鍛鋼の場合にはＭｎＳが伸びて研削割れ発生の起点となり易いが、鋳造品では研削割れが発生し難い。
【００２９】
このため、本実施の形態のクランクシャフト用鋳鋼は、鍛鋼と同等レベルの強度を有するとともに、鋳鉄と同等レベルの被削性を有することから、例えば中空クランクシャフト用といった複雑な形状の部材用として好適に用いることができる。
【００３０】
このため、本実施の形態のクランクシャフト用鋳鋼からなるクランクシャフトは、中空化しても、高強度を維持できるとともに中空化のための機械加工の際に優れた被削性を発揮することができる。このため、本実施の形態のクランクシャフト用鋳鋼は、エンジンの軽量化及び低燃費化に大きく寄与することができる。
【実施例１】
【００３１】
さらに、本発明を実施例を参照しながらより具体的に説明する。
表１に示す化学組成を有する鋼材を１５０ｋｇの真空誘導加熱炉で溶製し、鍛鋼の場合は、直径２１０ｍｍのインゴットに鋳造し、鋳鋼ならびに鋳鉄の場合は直径６５mmのインゴットに鋳造した。
【００３２】
鍛鋼については上記のインゴットを１２５０℃に加熱した後、熱間鍛造を行って６５ｍｍの丸棒に鍛伸した。なお、鍛造仕上温度は１０７５℃とし、熱間鍛造後は室温まで大気放冷した。また、鋳鉄及び鋳鋼は、８５０℃、１時間焼準し、放冷して供試鋼とした。
【００３３】
そして、以下に示す試験方法で、疲労強度、被削性試験（超硬ドリル、ハイスドリル）、及び研削試験を行った。結果を表１にまとめて示す。
【００３４】
［疲労強度］
小野式回転曲げ疲労試験（平滑）を行って、疲労強度を測定した。３００ＭＰａ超を合格とした。
【００３５】
［被削性試験（超硬ドリル）］
直径６ｍｍの超硬ドリルで、切削速度１００ｍ／分、送り速度０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、深さ１００ｍｍで、合成エステルからなる潤滑材（５ｃｃ／Ｈｒ）をもちいながら深さ２００ｍｍまで安定して穿孔することができるか否かを判定した。
【００３６】
［被削性試験（ハイスドリル）］
直径６ｍｍのハイスドリルで、切削速度１８．５ｍ／分、送り速度０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、深さ５０ｍｍで、水溶性クーラントからなる潤滑材（２０Ｌ／ｍｉｎ）をもちいながら深さ１００ｍｍまで穿孔した後の工具摩耗を測定した。そして、摩耗量が３０μｍ未満を合格とした。
【００３７】
［研削試験］
上述した直径６５ｍｍの丸棒に、通常の方法で旋削加工を行い、外径６０ｍｍ、内径２４ｍｍ、高さ１５ｍｍのリングを作製し、Ｈｖ≧４５０の深さが３ｍｍとなるように高周波焼入れを施し、以下の条件で研削を行って、研削割れの有無を確認した。
【００３８】
（研削条件）
砥石（８０Ａ  ８０Ｎ  ８Ｖ  ２０１、寸法：外径４０５ｍｍ、幅２５ｍｍ、穴径１５２．４ｍｍ）
湿式プランジ研削方式、砥石周速６０ｍ／ｓ（ワーク０．２ｍ／ｓ）、送り２．０ｍｍ／ｓ、切込み速度０．５ｍｍ／ｍｉｎ、取りしろ直径０．２ｍｍ／１カット
【００３９】
【表１】
2005264265.tif 000002
【００４０】
表１におけるＮｏ．Ａ〜Ｊは、本発明で規定する組成を満足する鋳鋼により製造した本発明例であるが、いずれも、疲労強度３００ＭＰａ超、研削割れ無、ハイス摩耗量３０μｍ未満、超硬寿命２００ｍｍｍの目標を全て満足しており、中空化しても、高強度を維持できるとともに中空化のための機械加工の際に優れた被削性を発揮することがわかる。
【００４１】
これに対し、表１におけるＮｏ．１は、鋳鉄であるために疲労強度が足りなかった。
Ｎｏ．２は、鍛鋼であるとともに、Ｓ含有量が本発明の下限を下回っているため、超硬寿命、ハイス摩耗量及び研削割れがいずれも不芳な値となった。
【００４２】
Ｎｏ．３は、鍛鋼であるとともに、Ｃ含有量は本発明の範囲の上限を上回っているとともにＳ含有量が本発明の下限を下回っているため、超硬寿命、ハイス摩耗量及び研削割れがいずれも不芳な値となった。
【００４３】
Ｎｏ．４は、鍛鋼であるために、研削割れが不芳な値となった。
Ｎｏ．５は、Ｓ含有量が本発明の範囲の下限を下回っているため、超硬寿命及びハイス摩耗量ともに不芳な値となった。
【００４４】
Ｎｏ．６は、Ｃ含有量が本発明の範囲の上限を上回っているため、超硬寿命、ハイス摩耗量及び研削割れがいずれも不芳な値となった。
Ｎｏ．７は、Ｃ含有量が下限を下回っているため疲労強度が低下した。
【００４５】
Ｎｏ．８は、Ｎ含有量が本発明の範囲の上限を上回っているため、ハイス摩耗量及び研削割れが不芳であった。
さらに、Ｎｏ．９は、Ｐ含有量が本発明の範囲の上限を上回っているため、研削割れを生じた。