(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％にて、Ｃ：0.2〜0.6％、Ｓｉ：0.05〜1.5％、Ｍｎ：0.1〜3.0％、Ｐ：0.08％以下、Ｓ：0.01〜0.2％、Ｔｉ：0.04〜1.0％、Ｎ：0.008％以下、Ｃｒ：5％以下（但し0％を除く）、Ｍｏ：1.0％以下（但し0％を除く）およびＡｌ：1％以下（但し0％を除く）を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、かつＴｉおよびＳの含有量は、下式（１）で示されるｆn１が正（ｆn１＞0）であり、高周波焼入れ後に仕上げ研削されてクランク軸に用いられることを特徴とする熱間鍛造用鋼。
ｆn１＝Ｔｉ（％）−1.2×Ｓ（％）・・・（１）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱間で型鍛造してクランク軸に用いられる鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
クランク軸の熱間鍛造品は、切削代をできるだけ少なくするよう、最終必要形状近くにまで鋼が熱間鍛造加工されるが、他部品との結合や組み合わせなどの際の精度確保のため、必然的に切削、研削など機械加工が加えられる。
【０００３】
熱間鍛造品としての製造工程は、一例を図１に示すように、素材インゴット（ビレット）を加熱後、熱間鍛造して所望の形状とし、次いで焼入れ焼戻しなどの熱処理をおこなって鋼としての必要な機械的性質に調質する。非調質鋼を用いる場合は、鍛造後の冷却の管理により、所要の機械的性質を得る。これらの鍛造品は、寸法精度を要求される他部品との接合部や取り付け部などを、切削や穿孔など機械加工し、さらには耐摩耗性向上や疲労強度改善のため、高周波焼き入れおよび仕上げ研削などが施される。
【０００４】
一般に鋼中のＳは、熱間加工性を悪くし、介在物となって鋼の靱性や延性を劣化させる。このため鋼の圧延や鍛造のなどの塑性加工、および強度部材としての用途には、Ｓの含有量は低いほど好ましいとされている。ところがＳ量が少なくなると、切削抵抗や切削工具寿命など被削性が低下し、切削面や研削面の仕上がりが悪くなるという問題がある。熱間鍛造して用いられる鋼においても、鍛造製品の性能の点からは、Ｓ含有量はできるだけ低いのが望ましいが、調質後など強度の高い状態で切削加工や穿孔加工をおこなわねばならないことから、素材となる鋼には、被削性を配慮してＳの含有量を高くしておくことが多い。Ｓは通常ＭｎＳを主成分とする硫化物系介在物を形成し、これが鋼の変形とともに展伸して鋼中に分散している。そして、切削などの工具の刃先近傍にて亀裂の開始点になって切削抵抗を下げ、仕上げ面を美麗にしたり、工具と鋼との間の潤滑効果性をもたらすとされている。
【０００５】
ところが熱間鍛造品の場合、被削性を改善するためＳの含有量を増すと、このＭｎＳ系の介在物が増加し、仕上げの研削時に研削割れの起点になったり、通常用いられる磁粉探傷検査時に、この介在物があたかも傷であるかのように認識されることがある。磁粉探傷は鋼の磁化の際、傷があれば磁化の乱れが生じ、磁粉の集積が異なって傷が検出される。ＭｎＳは非磁性であるため、磁化が乱れて傷の疑似模様が生じ、時には鍛造品としての欠陥は無いにもかかわらず不良品としてスクラップダウンされることもあり、また場合によっては浸透探傷試験までおこなって、開口性の問題ある欠陥かどうかを追加検査せざるを得ず、検査工数を増加させていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、Ｓにより被削性を向上させ、しかも硫化物系の介在物による研削割れを抑止し、製品の磁粉探傷検査時に傷の疑似模様の発生することのない、高周波焼入れ後に仕上げ研削されてクランク軸に用いられる熱間鍛造用鋼を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
鋼の被削性を向上させるには、より多くのＳの添加や、Ｐｂ、Ｃａなどの被削性を向上させる元素の添加、その他組織の調整や黒鉛化などの方法がある。しかしながら、熱間鍛造品を対象とするとき、熱間加工性を阻害せず、強度の高い調質後の被削性をも改善し、鍛造製品の靱性や疲労強度を劣化させことなく、しかもコスト的にも不利にならない方法となると、Ｓの添加以外の手段はほとんど考えられない。
【０００８】
本発明者らは、通常熱間鍛造にて製造される部品に適用されるＣの含有量が0.2〜0.6％の、炭素鋼ないしは低合金鋼を対象に、Ｓの含有量を低下することなく、すなわち被削性をそのままか、さらに向上させて、研削割れが抑制され、傷の疑似模様の発生しない鋼の可能性について検討をおこなうことにした。通常、Ｓは鋼中でＭｎＳを主とする硫化物系の介在物となり、それらは粘性変形して鋼のメタルフローの方向に引き延ばされた形となる。近年の製鋼技術の進歩により、鋼中の介在物が低減され酸素などが減少すると、この傾向はますます強くなり、展伸した硫化物による研削割れや、傷の疑似模様が多く生ずるようになってきている。
【０００９】
鋼中の硫化物系介在物の形態を変える方法としては、特定元素の添加を種々試みることとした。硫化物系介在物の形態を変え得る添加元素では、従来よりＣａ、希土類元素、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂなどが知られている。そこでまず、これらの元素について、熱間鍛造性、被削性、効果の安定性、経済性等を、研削割れや傷の疑似模様の発生と合わせて調査したが、いずれの元素もこれらのすべてについて十分であるとはいえなかった。しかし、その中で比較的有意と思われたＴｉについてさらに調査を進めたところ、特に窒素含有量を低下させた場合に、被削性の向上と、研削割れ抑制および傷の疑似模様低減の効果が顕著に現れることを見出したのである。
【００１０】
Ｔｉの添加は、鋼板に用いられる比較的Ｃの低い低炭素鋼には、よく利用されている。例えば冷延鋼板においては、極低炭素とし鋼中のＣをすべてＴｉＣとして固定すれば、非時効性で深絞り性の極めて優れた鋼板が得られる。またＣが0.25％以下の鋼により熱間圧延のままで高強度とする鋼板を製造する場合、少量添加することなどである。しかながら、熱間鍛造などによく用いられるＣが0.4％前後の高Ｃ鋼においては、前述のＭｎに代わってＳによる熱間脆性を抑止できること以外、その添加の効果はほとんど知られていない。これは、一つにはＣと結合してＴｉＣとなってしまい、その影響がほとんど出てこないためであり、さらにはＮと結合して硬いＴｉＮ介在物を作り、被削性を悪くするためと思われた。
【００１１】
これに対し、Ｎをできるだけ低くすると上記のような効果が現れるのは、凝固直後の高温で、Ｎが高ければＴｉＮとなるところ、Ｎが少なくかつＳ量に対応する十分な量のＴｉがあれば、ＴｉＳがまず形成され、温度低下とともにこれが炭硫化物に変化していくためと推定される。炭硫化物は形成されたときは比較的大きいが、ＭｎＳのように粘性変形することなく、加工により破壊され分散する。それによって、研削割れが抑止され、磁粉探傷の際の、傷の疑似模様が低減する。そして、ＭｎＳと同様に切削抵抗を下げる効果があり、その上介在物としては比較的軟質なためＭｎＳよりは潤滑効果があり、被削性をより向上させるのではないかと思われる。Ｎの低下は、溶鋼真空処理など鋼の製錬技術の進歩によって、容易にできるようになってきている。
【００１２】
このような、熱間鍛造用鋼におけるＴｉ添加の効果について、さらにその効果を十分に発揮できる適用限界を明確にして、本発明を完成させた。本発明の要旨とするところは、重量％にて、Ｃ：0.2〜0.6％、Ｓｉ：0.05〜1.5％、Ｍｎ：0.1〜3.0％、Ｐ：0.08％以下、Ｓ：0.01〜0.2％、Ｔｉ：0.04〜1.0％、Ｎ：0.008％以下、Ｃｒ：5％以下（但し0％を除く）、Ｍｏ：1.0％以下（但し0％を除く）およびＡｌ：1％以下（但し0％を除く）を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、かつ下式（１）で示されるｆn１が正（ｆn１＞0）であるＴｉおよびＳの含有量であり、高周波焼入れ後に仕上げ研削されてクランク軸に用いられることを特徴とする熱間鍛造用鋼、
ｆn１＝Ｔｉ（％）−1.2×Ｓ（％）・・・（１）、
である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明において、鋼組成を限定した理由は次のとおりである。
【００１４】
Ｃ：0.2〜0.6％
Ｃは強度など鋼の特性を決定する基本的な元素である。熱間鍛造後、調質非調質の如何にかかわらず必要な強度を得るためには、0.2％以上の含有が必要であるが、多くなりすぎると鍛造の加工性低下、熱処理時の焼き割れ、被削性の低下等の問題が生じてくるので、多くても0.6％までとする。
【００１５】
Ｓｉ：0.05〜1.50％
Ｓｉは鋼溶製時に脱酸のため添加する。含有量が0.05％未満では脱酸不十分となり、鋳片の健全性が低下する。しかし、多くなりすぎると鍛造時に表面脱炭が生じやすくなり、また鍛造品表面のスケール残りなど外観を悪くするので、1.50％までとする。
【００１６】
Ｍｎ：0.1〜3.0％
Ｍｎは、鋼の脱酸、Ｓによる熱間加工脆性の抑止、熱処理時の焼入れ性向上等の効果がある。このような効果を得るためには、通常は0.3％程度以上の含有が必要であるが、本発明の鋼ではＳ量に対し十分な量のＴｉを含有させるので、0.1以上の含有で同様な効果が得られる。0.1％未満では焼入れ性向上等の効果が不十分となる。しかし過剰の添加は、熱処理時の焼割れの原因となり、また被削性を低下させるので多くても3.0％までとする。
【００１７】
Ｐ：0.08％以下
Ｐは不可避的不純物の一つであり、鋼の靱性を劣化させるので、通常はその含有量は少なければ少ないほどよい。しかし、鍛造品によってはＰの含有量を増すと疲労強度増す場合があり、必要に応じ添加する。ただし、多すぎると靱性が劣化するので、悪影響が顕著でない範囲として多くても0.08％までとする。
【００１８】
Ｓ：0.01〜0.2
熱間鍛造品にて十分な被削性を得るには、少なくとも0.01％以上の含有が必要である。しかし、過剰の添加は熱間鍛造時の割れ発生を招き、また得られた鍛造品の靱性を悪くするので、多くても0.2％までである。すなわちＳの含有範囲は0.01〜0.2％とする。なお、望ましいのは0.04％以上の含有である。
【００１９】
Ｔｉ：0.04〜1.0％
Ｔｉは、硫化物の形態を変えることにより、鍛造後の被削性を向上させ、研削割れを抑制し、傷の疑似模様を低減させる重要な元素である。この効果を得るためには少なくとも0.04％以上の含有が必要である。しかし、1.0％を超えて含有させてもその効果は飽和し、さらには鋼の靱性を低下させ、コストも嵩んでくる。
ｆn１＝Ｔｉ（％）−1.2×Ｓ（％）：正（ｆn１＞0）
Ｔｉの含有量からＳの含有量の1.2倍を引いた数をｆn１とする。ｆn１はＳを十分にＴｉと結合させるのに必要なＴｉの量を示すもので、本発明の場合ｆn１＞0とする。ｆn１≦0になると、Ｔｉと結合する以外のＳは、Ｍｎと結合した硫化物となる。この場合、Ｓが十分含有されておれば、被削性は確保できても研削割れや傷の疑似模様の抑止は不十分になる。またこのようにＳに対し十分にＴｉを含有させれば、Ｍｎ量が少なくても、熱間加工割れは防止できる。
【００２０】
Ｎの含有量は0.008％以下とするが、本発明においては少なければ少ないほど好ましい。Ｎが0.008％を超えると、たとえ（１）式を満足するＴｉ量であっても、十分な被削性向上、研削割れ防止、および傷の疑似模様の抑止の効果が得られなくなる。これは、ＴｉはＳよりもＮと結合しやすいため、Ｎが多く存在すると、先にＴｉＮを作ってしまい、Ｓと硫化物を作るためのＴｉが不足してしまうからである。望ましいのはＮを0.006％以下とすることである。
【００２３】
Ｃｒ：5％以下（但し0％を除く）
Ｃｒは、焼入れ性向上の効果がある。多量になると被削性を悪くするので、5％までとする必要がある。したがって、Ｃｒの含有量を、5％以下（但し0％を除く）とした。
【００２４】
Ｍｏ：1.0％以下（但し0％を除く）
Ｍｏは、焼入れ性の向上、焼戻し軟化抵抗の向上、および靭性向上の効果がある。ただし、多く添加しても効果は飽和し、コストも上昇するので、1.0％までとする必要がある。したがって、Ｍｏの含有量を、1.0％以下（但し0％を除く）とした。
【００２５】
Ａｌ：1％以下（但し0％を除く）
Ａｌは、強力な脱酸作用があり、鋳片の健全性を確実にするため含有させる。しかし、多く含有させてもその効果は飽和し表面傷などを増すだけなので、1％までとする必要がある。したがって、Ａｌの含有量を、1％以下（但し0％を除く）とした。
【００３２】
【実施例】
表１に示す化学組成の鋼をそれぞれ1tonの高周波真空溶解炉にて溶製した。鋼番号1〜6はＴｉを含有させたもの、鋼番号7〜12はＴｉを添加しないものである。これらは、それぞれＳの含有量を変え、それ以外の組成はできるだけ同一になるようにした。ただし、Ｔｉを添加した場合では（１）式のｆn１が正（ｆn１＞0）となるよう、Ｓ含有量の増加とともにＴｉの含有量も増加させ、Ｔｉを添加しないものでは、熱間脆性を抑止するために、Ｍｎの含有量を増加させた。得られた鋼塊は圧延して100mm角のビレットとした。これらのビレットを1250℃に加熱後打ち上げ温度1100℃として、ピンジャーナル径が60mmφのクランク軸に型鍛造し、空冷した。鍛造後、通常条件にて焼入れ焼戻しをおこない、硬さをＨＢ250とした。ピン部より直径55mm、長さ60mmの丸棒試験片を切り出し、被削性については長さ方向に6mmφの貫通穴を明け、穿孔可能な穴の数にて評価した。このような丸棒試験片の円周面部を高周波焼入れし、研磨後電流値2500Ａの軸通電法にて磁粉探傷における円周面部の疑似模様発生の有無を調査し、認められた場合にはその長さの総長を測定した。また、丸棒試験片の円周面部について、高周波焼入れ後、重研削条件にて研削をおこない、電流値1000Ａの磁粉探傷にて研削割れの有無を調査し、認められた場合にはその長さの総長を測定した。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
これらの調査結果について、横軸にＳ含有量を取り、縦軸にそれぞれの測定値をプロットした結果を図２〜図４に示す。図２では、Ｓ含有量が少ない場合、ドリル穴明け数が少なく被削性がよくないが、Ｓ含有量の増加とともに穴明け個数が増加し、被削性が向上している。そして、同じＳ含有量で比較すると、本発明のＴｉを添加したものは、添加のないものよりも被削性がすぐれていることがわかる。また、図３、または図４に示されるように、Ｓ量の増加とともに探傷時の疑似模様も研削時の割れも増加するが、本発明のＴｉを添加した鋼では、疑似模様および研削割れのどちらも、添加しない鋼に比較して著しく減少している。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の鋼は、鍛造後の調質、あるいは非調質鋼とする場合は鍛造ままにてすぐれた被削性を示し、しかも磁粉探傷時の疑似模様の発生がなく、研削時の割れ発生も少ない。このような鋼をクランク軸に用いることにより、製品の製造コストを大幅に低下させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱間鍛造品の製造工程を示す図である。
【図２】鋼のＳ含有量と鍛造鋼の被削性の関係を示す図である。
【図３】鋼のＳ含有量と磁粉探傷時の疑似欠陥模様の発生との関係を示す図である。
【図４】鋼のＳ含有量と表面硬化後研削したときの研削割れ発生との関係を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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