(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量比で、Ｃ：０．４３％を超え０．５０％以下、Ｓｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：０．１０〜０．８８％、Ｃｕ：０．５０％以下、Ｎｉ：０．２０％以下、Ｃｒ：０．２０〜１．００％、Ｍｏ：０．０５％以下を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつＣ＋Ｓｉ／６＋Ｍｎ／４．５＋Ｃｕ／１５＋Ｎｉ／１５＋Ｃｒ／４＋Ｍｏ／２．５≧０．７４を満足することを特徴とする熱間鍛造用非調質クランクシャフト鋼。
【請求項２】
質量比で、Ｃ：０．４３％を超え０．５０％以下、Ｓｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：０．１０〜０．８８％、Ｃｕ：０．５０％以下、Ｎｉ：０．２０％以下、Ｃｒ：０．２０〜１．００％、Ｍｏ：０．０５％以下、およびＳ：０．１２０％以下、Ｐｂ：０．３０％以下、Ｃａ：０．０１％以下、Ｂｉ：０．３０％以下のうちから選ばれる１種または２種以上を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつＣ＋Ｓｉ／６＋Ｍｎ／４．５＋Ｃｕ／１５＋Ｎｉ／１５＋Ｃｒ／４＋Ｍｏ／２．５≧０．７４を満足することを特徴とする熱間鍛造用非調質クランクシャフト鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車用ガソリンエンジンのクランクシャフトに好適に用いられる熱間鍛造用非調質クランクシャフト鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、熱間鍛造用非調質クランクシャフト鋼としては、ＨＲＣで１５〜２５程度の硬さを備えた鋼が必要とされ、Ｃ：０．３７〜０．４３％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：０．６０〜０．９０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０７０％以下、Ｎｉ：０．２０％以下、Ｃｒ：０．２〜０．４０％、Ｃｕ：０．３５％以下、Ｍｏ：０．０５％以下、Ｖ：０．０８０〜０．１５０％、Ｐｂ：０．０９％以下を含有し、残部が実質的にＦｅからなる鋼が使用されていたが、Ｖを含有していることから高価なため、例えば特開平１０−６０５８８号公報において提案されている鋼、すなわちＣ：０．３７〜０．４３％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：０．６０〜０．９０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３５％以下、Ｎｉ：０．２０％以下、Ｃｒ：０．２０〜０．４０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｍｏ：０．０５％以下、Ｐｂ：０．０４〜０．０９％、残部実質的にＦｅからなり、かつＣ＋Ｓｉ／６＋Ｍｎ／４．５＋Ｎｉ／１５＋Ｃｒ／４＋Ｍｏ／２．５≧０．６６％の式を満足する鋼も並行して使用されている。
【０００３】
【本発明が解決しようとする課題】
一方、近年におけるエンジンの高出力化に伴い、クランクシャフトに使用するボルトサイズが大きくなっている（Ｍ１０→Ｍ１１）ことから、上記したような従来の安価な熱間鍛造用非調質クランクシャフト鋼を使用したエンジンにおいては、その整備時に過大なトルクでボルトの締付けを行った場合、クランクシャフトに設けた雌ねじが潰れてクランクシャフトが再使用できなくなる可能性があるという問題点がある。また、クランクシャフトに作用する入力も増大するため、上記のような安価な熱間鍛造用非調質クランクシャフト鋼では、疲れ限度が不足し使用できない欠点もあり、このような問題を解消することのできる強度を有する鋼の開発が課題となっていた。
【０００４】
【発明の目的】
本発明は、従来のクランクシャフト鋼における上記課題に着目してなされたものであって、安価で高強度な熱間鍛造用非調質クランクシャフト鋼を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決する手段】
上記目的を達成するために、本発明者らは、クランクシャフトの強度について鋭意検討を重ねた結果、クランクシャフトを再使用するためには、Ｍ１１のボルトサイズの場合でもボルトが先に折損してクランクシャフトに設けた雌ねじが破損することがなく、しかも増大したクランクシャフトへの入力にも耐えうる疲れ限度を確保することができる硬度として、図１および図２にそれぞれ示すように、クランクシャフトの内部硬さが１５ＨＲＣ以上であればよいとの知見を得るに至った。加えて、１５ＨＲＣ以上の内部硬さを得るためには、Ｃ量を増量すれば必ずしもＶを使用しなくてもよく、Ｃ＋Ｓｉ／６＋Ｍｎ／４．５＋Ｃｕ／１５＋Ｎｉ／１５＋Ｃｒ／４＋Ｍｏ／２．５、すなわち炭素当量（Ｃｅｑ）を０．７４％以上になるようにコントロールすればよいとの知見を得た。
【０００６】
すなわち、図１は、クランクシャフトフライホイールボルト捩じ切り試験の結果を示すものであって、Ｍ１０ボルトおよびＭ１１ボルトをクランクシャフトに形成した雌ねじにねじ込んだ場合に、ボルトと雌ねじのどちらが先に破損するかをボルト硬さおよびクランクシャフトの内部硬さに対してプロットしたものである。この図から明らかなように、１２Ｔボルトの硬さ上限であっても、クランクシャフトの内部硬さが１５ＨＲＣ以上であれば、ボルトサイズがＭ１１の場合でもクランクシャフトの雌ねじが破損されるようなことがなく、クランクシャフトの再使用が可能になることが判る。
【０００７】
また、図２は、クランクシャフトの内部硬さと疲れ限度の関係を示すものであって、従来のエンジンのクランク入力に対し、高出力エンジンでは１．３倍程度に向上していることから、高出力エンジンに対応するには、その内部硬さが１５ＨＲＣ以上であることが理解される。
【０００８】
本発明はこのような知見に基づくものであって、本発明に係わる第１の熱間鍛造用非調質クランクシャフト鋼は、質量比で、Ｃ：０．４３％を超え０．５０％以下、Ｓｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：０．１０〜０．８８％、Ｃｕ：０．５０％以下、Ｎｉ：０．２０％以下、Ｃｒ：０．２０〜１．００％、Ｍｏ：０．０５％以下を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつＣ＋Ｓｉ／６＋Ｍｎ／４．５＋Ｃｕ／１５＋Ｎｉ／１５＋Ｃｒ／４＋Ｍｏ／２．５≧０．７４を満足する構成とし、本発明に係わる第２の熱間鍛造用非調質クランクシャフト鋼は、同じく質量比で、Ｃ：０．４３％を超え０．５０％以下、Ｓｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：０．１０〜０．８８％、Ｃｕ：０．５０％以下、Ｎｉ：０．２０％以下、Ｃｒ：０．２０〜１．００％、Ｍｏ：０．０５％以下、およびＳ：０．１２０％以下、Ｐｂ：０．３０％以下、Ｃａ：０．０１％以下、Ｂｉ：０．３０％以下のうちから選ばれる１種または２種以上を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつＣ＋Ｓｉ／６＋Ｍｎ／４．５＋Ｃｕ／１５＋Ｎｉ／１５＋Ｃｒ／４＋Ｍｏ／２．５≧０．７４を満足する構成としており、熱間鍛造用非調質クランクシャフト鋼におけるこのような構成を上記した従来の課題を解決するための手段としたことを特徴としている。なお、本発明に係わる熱間鍛造用非調質クランクシャフト鋼は、熱間鍛造した後、空冷した状態でフェライト＋パーライト混合組織になるものである。また、本発明における各成分は、Ｓ，Ｐｂ，Ｃａなどの選択的成分以外はすべて必須成分であって、ＣｕやＮｉなど上限のみを規定した成分についても含有量０％の場合は含まれない。
【０００９】
【作用】
本発明に係わる熱間鍛造用非調質クランクシャフト鋼は、Ｖを含有していないため、原料コストが削減され安価なクランクシャフト鋼となる。また、炭素当量、すなわちＣ＋Ｓｉ／６＋Ｍｎ／４．５＋Ｃｕ／１５＋Ｎｉ／１５＋Ｃｒ／４＋Ｍｏ／２．５を０．７４以上にすることによってクランクシャフトに鍛造した状態における内部硬さが１５ＨＲＣ以上となり、クランクシャフトに使用するボルトがＭ１１のボルトサイズであっても、ボルトの方が先に折損し、クランクシャフトに設けた雌ねじが破損することがなくなり、しかも増大したクランクシャフトへの入力にも耐えうるだけの疲れ限度が確保されることになる。
【００１０】
次に、本発明に係わる熱間鍛造用非調質クランクシャフト鋼において、各成分組成を上記範囲に限定した理由について説明する。
【００１１】
Ｃ：０．４３％を超え０．５０％以下
Ｃは、高周波焼入れ性、硬さおよび強度を高くするために含有させる元素であり、０．４３％以下では、必要な硬さおよび強度が得られず、また０．５０％より多くなると靱性および被削性が低下するので、その含有量を０．４３％より多く、０．５０％までの範囲とした。なお、上記した特開平１０−６０５８８号公報記載のクランクシャフト鋼においては、Ｃ量が０．４３％を超えると靭性が低下するとしているが、本発明鋼においては、Ｍｎの添加上限を拡大するすることによって、靭性の低下を防止するようにしている。
【００１２】
Ｓｉ：０．１０〜１．００％
Ｓｉは、脱酸、焼入れ性の向上、およびフェライトに固溶させて硬さおよび強度を高めるために含有させる元素である。しかし、０．１０％より少ないと十分な硬さおよび強度を得ることができず、逆に１．００％より多いと靱性および被削性が低下するので、その含有量を０．１０〜１．００％の範囲とした。
【００１３】
Ｍｎ：０．１０〜０．８８％
Ｍｎは、パーライトのラメラ間隔を微細化し、パーライト部の靭性の向上、硬さおよび強度を高くするために含有させる元素であって、０．１０％より少ないと必要な硬さおよび強度を得ることができない。一方、０．８８％を超えるとパーライト部の靭性の向上効果以上に硬さの向上による靱性低下が大きくなり、しかも被削性も低下するので、その含有量を０．１０〜０．８８％の範囲とした。
【００１４】
Ｎｉ：０．２０％以下
Ｎｉは、焼入れ性、硬さおよび強度を向上させるために有効な元素である。しかし、０．２０％を超えて多くすると、高価になるので、その含有量を０．２０％以下とした。なお、０．２０％以下とは０％の場合を含まない。
【００１５】
Ｃｒ：０．２０〜１．００％
Ｃｒは、高周波焼入れ性、硬さおよび強度を高くするために有効な元素であるが、その含有量が０．２０％より少ないと、必要な高周波焼入れ性、硬さおよび強度が得られず、また安価な原料（屑鉄）を使用することができない。一方、１．００％を超えると高価になるので、その含有量を０．２０〜１．００％の範囲とした。
【００１６】
Ｃｕ：０．５０％以下
Ｃｕは、不純物として混入することが多い成分であるが、硬さおよび強度を高くするために有効な元素である。しかし、０．５０％を超えて多くすると、熱間加工性が低下するので、その含有量を０．５０％以下とした。なお、０．５０％以下とは０％の場合を含まない。
【００１７】
Ｍｏ：０．０５％以下
Ｍｏも不純物として混入することが多い成分であるが、基地に固溶して硬さおよび焼入れ性を高める元素でもある。しかし、０．０５％を超えると高価になるので、その含有量を０．０５％以下とした。なお、Ｍｏも必須の成分であって０％の場合を含まない。
【００１８】
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クランクシャフトに鍛造した状態における内部硬さを１５ＨＲＣ以上にして、クランクシャフトの雌ねじの破損を防止し、クランクシャフトの疲れ限度を確保するには、炭素等量（Ｃｅｑ）を０．７４％以上にすることが必要となる。
【００１９】
Ｓ：０．１２０％以下、
Ｐｂ：０．３０％以下、
Ｃａ：０．０１％以下、
Ｂｉ：０．３０％以下のうちから選ばれる１種または２種以上
これら元素は、鋼の被削性を向上させるのに有効な成分であるので、必要に応じて添加することができる。しかしながら、これら元素の添加量が多すぎると熱間鍛造性や疲労強度を低下させることがあるので、添加するとしても、Ｓは０．１２０％以下、Ｐｂは０．３０％以下、Caは０．０１％以下、Ｂｉは０．３０％以下とする必要がある。
【００２０】
【実施例】
以下に本発明を実施例に基づいてさらに具体的にを説明する。なお、本発明は、これら実施例に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更を加え得ることは言うまでもない。
【００２１】
表１に示した成分を有する鋼を８０ｔの電気アーク炉を用いて溶製したのち、各鋼を熱間圧延加工により９０mm×９０mmの棒鋼にしたのち、１２００℃に加熱してクランクシャフトに鍛造した。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
これらクランクシャフトから引張り試験片、硬さ試験片を切り出し、強度、硬さを測定した。その結果を表２に示す。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
表２の結果から明らかなように、各合金成分組成が上記範囲内にある本発明に係わるクランクシャフト鋼においては、クランクシャフトの雌ねじが破損することなく、しかも必要な疲れ限度が得られる硬さであるＨＲＣ１５以上となると共に、引張強さにおいてもクランクシャフトに必要な値を確保することができることが確認された。
【００２６】
これに対し、Ｃ含有量が低く、特にＣｅｑが０．７４に満たない比較例に係わる鋼においては、上記硬さＨＲＣ１５を得ることができないことが判明し、雌ねじ破損や、疲れ限度の低下が予測される結果となった。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係わる熱間鍛造用非調質クランクシャフト鋼においては、上記構成、すなわち質量比で、Ｃ：０．４３％を超え０．５０％以下、Ｓｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：０．１０〜０．８８％、Ｃｕ：０．５０％以下、Ｎｉ：０．２０％以下、Ｃｒ：０．２０〜１．００％、Ｍｏ：０．０５％以下を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつＣ＋Ｓｉ／６＋Ｍｎ／４．５＋Ｃｕ／１５＋Ｎｉ／１５＋Ｃｒ／４＋Ｍｏ／２．５≧０．７４を満足する構成としたものであるから、次のような優れた効果を奏する。
（１）クランクシャフトに鍛造した状態における内部硬さが１５ＨＲＣ以上となることから、クランクシャフトに使用するボルトサイズが大きくなったとしても、ボルトの方が先に折損し、クランクシャフトに設けた雌ねじの破損を防止して、クランクシャフトの再使用が可能になると共に、クランクシャフト入力の増大に対しても必要な疲れ限度を確保することができる。
（２）Ｖを使用していないので、製造コストの低減が可能になる。
（３）製造時に炭素当量（Ｃｅｑ）が０．７４％以上になることにさえ配慮すれば、個々の成分を狭い特定の範囲内に調整することなく、比較的広い範囲にコントロールすることによって所望の内部硬さ、強度、疲れ限度を備えた熱間鍛造用非調質クランクシャフト鋼を製造することができ、当該クランクシャフト鋼の製造が容易なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】クランクシャフトフライホイールボルト捩じ切り試験結果に及ぼすクランクシャフとの内部硬さとボルト硬さの関係を示すグラフである。
【図２】クランクシャフとの内部硬さと疲れ強さの関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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