(57)【要約】【課題】優れた強度を保持するとともに、軟窒化処理に続く曲げ矯正加工の際の曲げ矯正性に優れた、軟窒化クランクシャフト用素材を提供する。【解決手段】軟窒化クランクシャフト用素材を、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、焼ならし加熱時の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＋0.07Si＋0.16Mn＋0.19Cu＋0.17Ni＋0.2Cr＋[V]が0.58〜0.89％を満たすように各成分が調整された、フェライト＋パーライトの組織を有するものとする。【選択図】        なし【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、焼ならし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り、熱間鍛造及び焼ならし処理後の組織がフェライト＋パーライトである、軟窒化処理による曲がりを矯正する曲げ矯正加工が後に施される、強度及び曲げ矯正性に優れた軟窒化クランクシャフト用素材。
【請求項２】
請求項１の組成を有する鋼を溶製した後、熱間鍛造を行い、その後に該熱間鍛造材に対し処理温度800〜1000℃，保持時間0.5〜10時間で保持した後室温まで放冷する条件で焼ならし処理を行い、その後処理温度500〜650℃，処理時間１〜５時間の条件で軟窒化処理を行うことを特徴とする強度及び曲げ矯正性に優れた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】
この発明は非調質鋼からなるクランクシャフト用素材、特に表面処理としての軟窒化処理が施され、その軟窒化処理の際に生じた曲がりを矯正する曲げ矯正加工が後に行われてクランクシャフト製品とな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は機械構造用炭素鋼（JIS  S40C）或いは合金鋼が用いられ、熱間鍛造した後焼入れ焼戻し処理（調質処理）され、その後に機械加工が施されて製品とされていた。
しかしながら焼入れ焼戻し処理、即ち調質処理を施すと工程数が多くなり、また機械加工の際の加工量も多くなるため、コスト低減，省エネルギー等の観点から、近年、焼入れ焼戻し処理等の調質処理の工程を省略できる非調質鋼が開発され、炭素鋼に微量のVを添加したフェライト・パーライト組織を有する非調質鋼が機械構造部品に広く適用されるようになって来ている。
このV添加の非調質鋼では、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。
【０００３】
ところで機械構造部品としてのクランクシャフトの場合、耐摩耗性や疲労強度を改善する目的で、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て使用される。
一般に軟窒化処理は、浸炭処理に比べて熱処理後の歪み発生量が小さいことが知られているが、長尺材や僅かな曲がりでも問題となるクランクシャフトでは、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曲げ矯正加工が実施されている。
クランクシャフト用素材として上記の非調質鋼を用いた場合においても、従来の調質鋼を用いた場合と同様にこの軟窒化処理及びその後の曲げ矯正加工が施される。
【０００４】
ところで非調質鋼の場合、上記調質鋼と異なってこの軟窒化処理後の曲げ矯正加工が大きな課題となる。
上記調質処理は鋼の硬さ，強靭性を調整するために行われるが、同時に熱間鍛造により粗大化した組織がこの調質処理により微細・均質化されるため、軟窒化処理において軟窒化が均等に行われ、また軟窒化処理に続く曲げ矯正加工の際の曲げ矯正性の改善にも役立っている。
【０００５】
一方Vを含有する上記の非調質鋼の場合、軟窒化処理を施した後に曲げ矯正加工を行うと、曲げ矯正加工時に表面に応力歪みが生じてクランクシャフト用素材が強度低下し易く、矯正が困難であったり、或いは矯正時に生じた微細な亀裂が疲労強度を低下させるといった課題が生ずる。
【０００６】
またフェライト・パーライト組織を有する従来の非調質鋼の場合、焼入れ焼戻し材即ち調質鋼に比べて靭性が低く、表面に発生した亀裂が内部に伝播し易いため、調質鋼に比べて疲労強度の低下が大きいといった問題を生ずる。
尚、本願発明に対する先行技術として下記特許文献１に開示されたものがある。
ただしこの特許文献１には、曲げ矯正加工の際の曲げ矯正性を改善する手段については何ら開示されていない。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−３５００６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は以上のような事情を背景とし、優れた強度を保持するとともに、軟窒化処理に続く曲げ矯正加工の際の曲げ矯正性に優れた、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してなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
而して請求項１は軟窒化クランクシャフト用素材に係るもので、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、焼ならし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り、熱間鍛造及び焼ならし処理後の組織がフェライト＋パーライトである、軟窒化処理による曲がりを矯正する曲げ矯正加工が後に施されることを特徴とする。
【００１０】
請求項２は軟窒化クランクシャフト用素材の製造方法に係るもので、請求項１の組成を有する鋼を溶製した後、熱間鍛造を行い、その後に該熱間鍛造材に対し処理温度800〜1000℃，保持時間0.5〜10時間で保持した後室温まで放冷する条件で焼ならし処理を行い、その後処理温度500〜650℃，処理時間１〜５時間の条件で軟窒化処理を行うことを特徴とする。
【発明の作用・効果】
【００１１】
本発明者等は、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曲げ矯正加工を施したときに亀裂発生し易いことの原因を追求した結果、以下の知見を得た。
V添加の非調質鋼の場合、Vが硬い炭化物を微細に析出させることで鋼を高強度化するが、このVは軟窒化処理の際に表層に硬い窒化物を形成して鋼の表層を硬くし、このことが矯正加工の際に亀裂を発生させ易くする。
【００１２】
詳しくは、Vの炭化物は鋼を高強度化してクランクシャフトの疲労強度を高める働きをするが、これは次の理由による。
即ち、クランクシャフトは動力伝達する際に荷重を受け、その際に変位，歪みを生ずるが、鋼が硬く高強度であればクランクシャフトに働く一定荷重の下でその変位や歪みは小さくなる。その結果クランクシャフトの耐久疲労特性（疲労強度）は高くなる。
つまりVが硬い炭化物を微細に析出することでクランクシャフトの疲労強度が効果的に高められる。
【００１３】
一方軟窒化処理後の曲げ矯正加工では、曲がりの量に応じた量で強制的にシャフトが戻し変形させられる。
このとき鋼が硬いほど発生する歪み，応力は大きなものとなる。
即ちこの場合には鋼が硬いほど亀裂は発生し易く、また亀裂は大きなものとなる。そして結果的にそのことがクランクシャフトの使用時の疲労強度を低下させる原因となる。
つまり亀裂のない状態では、鋼の硬さが硬く高強度化するのに伴ってクランクシャフトの疲労強度は高くなるが、一方で曲げ矯正加工を行う場合には表層の硬さが硬くなるほど亀裂が発生し易くなり、このことが使用時の疲労強度を低下せしめる。
【００１４】
そこで本発明者等は鋼の硬さを適正化することによって、曲げ矯正加工後におけるクランクシャフトの疲労強度を高め得るのではないかとの知見の下に研究を行った結果、上記の式で定義される炭素当量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曲げ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するとの知見を得た。
本発明はこうした知見に基づいてなされたものである。
【００１５】
この場合においてVの量はその硬さを左右する大きな要因となる。
但し本発明では、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。
これは次の理由による。
即ち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、これが鋼の硬さを高めるため、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、炭素当量C［eq.］をVの固溶量［V］にて規定している。
【００１６】
曲げ矯正加工の際に亀裂を生ぜしめる要因として、上記の他に鋼の組織も重要である。
本発明者等は、非調質軟窒化鋼及び調質軟窒化鋼について亀裂を発生する機構を調べたところ、更にまたパーライト粒の径が均一で且つ小さい軟窒化非調質鋼について研究したところ、次の知見を得た。
【００１７】
即ち、曲げ矯正加工時の歪みの小さい初期においては、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こと、
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こと、
それ故曲げ矯正性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のあること、
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放冷されるため、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こと、
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こと、
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、これが曲げ矯正性を低下させる原因となること、
などが判明した。
【００１８】
従って軟窒化クランクシャフト用素材を製造するに際しては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調質鋼と同等程度に微細化且つ均一分散させることが有効である。
但し焼ならしを高温で行うと結晶粒の粗大化が始まり、パーライトブロックの大きさは部位によりばらつきを生じ、曲げ矯正性にばらつきが生じるため、焼ならし温度を適正化することが必要である。
【００１９】
本願の請求項２の製造方法はこうした知見の下になされたものである。
かかる本発明によれば、軟窒化処理後における曲げ矯正加工を容易に行うことができるとともに、曲げ矯正加工後において優れた強度及び疲労特性を有するクランクシャフトを得ることができる。
【００２０】
次に本発明における各化学成分の限定理由を以下に詳述する。
C：0.35〜0.55％
Cは強度を向上させるために含有させる元素で、0.35％より少ないと必要な強度が得られず、逆に0.55％を超えると被削性及び靭性が低下するので、その含有量を0.35〜0.55％とする。
【００２１】
Si：0.05〜0.5％
Siは脱酸させるため及び初析フェライトを強化させるために含有させる元素で、0.05％より少ないとこれらの効果が得られず、逆に0.5％を超えると熱間加工性及び靭性が低下するので、その含有量を0.05〜0.5％とする。
【００２２】
Mn：0.6〜1.2％
Mnは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、0.6％より少ないと必要な硬さ，靭性が得られず、逆に1.2％より多いと熱間加工後や焼ならし時にベイナイトが生成して靭性が低下するので、その含有量を0.6〜1.2％とする。
更にMnは硫化物生成するの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。
【００２３】
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、0.04％より少ないと必要な被削性が得られず、0.1％より多いと熱間加工性や疲れ強度を低下させるばかりでなく、Caと高融点のCaSを形成して鋳造時にノズルを閉塞させるので、その含有量を0.04〜0.1％とする。
【００２４】
Cu：0.01〜0.5％
Ni：0.01〜0.5％
Cu，Niともに0.01％以上含有するものであるが、両元素とも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ある。
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、その含有量を上記の通りとする。
【００２５】
Cr：0.05〜0.6％
Crは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、0.05％より少ないと必要な靭性が得られず、0.6％より多いと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、更にCrは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ため、過度の添加は曲げ矯正加工工程において曲げ矯正性を著しく低下させるので、その含有量を0.05〜0.6％とする。
【００２６】
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％より少ないとその効果が得られず、0.02％より多いと高融点のCaSを形成して鋳造時にノズルを閉塞させるので、その含有量を0.0005〜0.02％とする。
【００２７】
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、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ため、過度の添加は曲げ矯正加工工程において曲げ矯正性を著しく低下させるので、その含有量を0.001〜0.01％とする。
【００２８】
N：0.001〜0.04％
Nは結晶粒の粗大化を防止するために必要な元素で、0.001％より少ないと結晶粒の粗大化を防止する効果が得られず、0.04％より多くてもその効果が飽和するので、その含有量を0.001〜0.04％とする。
【００２９】
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％より少ないとその効果が得られず、0.40％より多くしてもその効果が飽和し、経済的に不利になるばかりでなく曲げ矯正性を低下させてしまうため、その含有量を0.01〜0.40％とする。
【００３０】
また本発明においては、焼ならし加熱時の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］
と定義したC［eq.］が0.58〜0.89％となるように各成分の組成を調整する。
C［eq.］が0.58％より小さいと軟窒化処理後の素材硬さが軟らかく、所望の疲労強度が得られない一方、C［eq.］が0.89％より大きいと、軟窒化処理後の素材硬さが硬くなり過ぎ、曲げ矯正性が損われるとともに必要な被削性が得られなくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
次に本発明の実施形態を以下に説明する。
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の熱間鍛造材を得た。
この熱間鍛造材を、表１に示しているように800℃，1000℃，1050℃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で焼ならし処理を行った。
【００３２】
続いて下記の条件で軟窒化処理を行った。
雰囲気：アンモニア＋N２の混合ガス
温度 ：600℃
時間 ：２時間
【００３３】
そして鍛造後の組織，焼ならし後の硬さ，結晶粒度，軟窒化処理後の表層近傍硬さ，切削性，曲げ矯正性，疲労強度の各特性を評価した。
この結果が表２に示してある。
表２中No.１〜No.14が本発明例で、No.15〜No.23が比較例である。
尚No.24は請求項１の条件を満たしているが、請求項２の条件から外れたものの例である。
尚、表２の鍛造後組織の欄のFはフェライトを、Pはパーライトを、Bはベイナイトをそれぞれ表している。
【００３４】
【表１】
2007231302.tif 000002
【００３５】
【表２】
2007231302.tif 000003
【００３６】
ここで焼ならし後の硬さ，組織と結晶粒度，表層近傍硬さ，切削性，曲げ矯正性，疲労強度の各特性の評価は次のようにして行った。
＜焼ならし後の硬さ＞
JIS  Z  2244
軸垂直断面の中心から半径の1/2の位置を十字方向に４点の平均値
【００３７】
＜鍛造後組織＞
軸垂直断面の中心から半径の1/2の位置を十字方向に４点
目視で観察
【００３８】
＜結晶粒度＞
JIS  G  0551
軸垂直断面の中心から半径の1/2の位置を十字方向に４点
【００３９】
＜表層近傍硬さ＞
JIS  Z  2244
化合物層を除いた表層から50μmの位置
ｎ＝４の平均
【００４０】
＜切削性＞
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。
尚、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。
1000穴以上を○、1000穴未満を×とした。
切削速度：150ｍ／分
送り  ：0.04mm／回転
穴深さ ：60mm
【００４１】
＜曲げ矯正性＞
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撓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。
【００４２】
＜疲労強度＞
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。
【００４３】
この表２の結果に見られるように、C量が0.32％で本発明の下限値である0.35％よりも低いNo.15については、焼ならし温度800℃でのC［eq.］が0.53％と本発明の下限値である0.58％よりも低く、その結果焼ならし後の硬さが169HVと目標値の下限値である180HVよりも低いものとなっており、そのため疲労強度が悪いものとなっている。
【００４４】
逆にC量が0.60％で本発明の上限値である0.55％よりも多いNo.16のものは、焼ならし温度1000℃でのC［eq.］が0.95％で本発明の上限値である0.89％よりも高く、焼ならし後の硬さも275HVで目標値の上限値である260HVよりも高くなっている。
このため切削性が悪く、曲げ矯正性も悪くなっている。
【００４５】
次にNo.17のものは、Si量が0.58％で本発明の上限値である0.5％よりも多く、曲げ矯正性及び疲労強度が悪いものとなっている。
【００４６】
No.18は、Mn量が0.48％で本発明の下限値である0.6％よりも少なく、焼ならし温度800℃でのC［eq.］も0.54％と本発明の下限値である0.58％よりも低く、焼ならし後の硬さも171HVと目標値の下限値である180HVよりも低くなっている。
このため曲げ矯正性，疲労強度ともに悪いものとなっている。
【００４７】
No.19は逆にMn量が1.38％で本発明の上限値である1.2％よりも多く、焼ならし温度1000℃でのC［eq.］が0.93％と本発明の上限値である0.89％よりも高くなっている。
これに伴って焼ならし後の硬さが271HVと目標値の上限値である260HVよりも高くなっており、従って切削性，曲げ矯正性が悪くなっている。
【００４８】
次にNo.20はCr量が0.71％で本発明の上限値である0.6％よりも高く、焼ならし温度1000℃でのC［eq.］が0.91％と本発明の上限値である0.89％よりも高く、また焼ならし後の硬さも266HVで目標値の上限値である260HVよりも高くなっており、また表層近傍硬さも高い値となっている。
従って切削性，曲げ矯正性，疲労強度ともに悪いものとなっている。
【００４９】
更にNo.21のものはV量が0.41％で本発明の上限値である0.40％よりも多く、焼ならし温度1000℃でのC［eq.］が0.97％で本発明の上限値である0.89％よりも高く、焼ならし後の硬さ並びに表層近傍硬さが高く、従って切削性が悪く、また曲げ矯正性，疲労強度ともに悪いものとなっている。
【００５０】
次にNo.22は焼ならし温度800℃，1000℃でのC［eq.］が0.54％，0.57％と何れも本発明の下限値である0.58％よりも低く、これに伴って焼ならし後の硬さが不十分で、疲労強度も低くなっている。
【００５１】
またNo.23のものは、C［eq.］が本発明の上限値である0.89％を超えて高く、これにより焼ならし後の硬さが何れも目標値の上限値である260HVを上回っており、更に表層近傍硬さも高い値となっている。
そのため切削性，曲げ矯正性，疲労強度ともに悪いものとなっている。
【００５２】
これに対しC，Si，Mn，Cu，Ni，Cr，V，S，s-Al，Ca，Nの各成分及びC［eq.］が本発明の条件を満たすNo.１〜No.14（本発明例）のものは、何れも良好な特性を示している。
【００５３】
以上本発明の実施形態を詳述したが、本発明は二輪用のクランクシャフトにも適用であるし、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。