焼準省略可能な高強度軟窒化クランク用鋼の開発
佐 野 直 幸松本斉
浅 井 鉄 也1 瀧 谷 善 弘
)

.

はじ

めにエンジンの主要な構成部品であるクランクシャフトは，エンジンの高出力化や軽量化のためにさらなる高強度化が求められるとともに，製造工程における CO2 排出量の削減や低コスト化につながる工程の合理化も求められている．一般の乗用車のクランクシャフトは，中炭素鋼を熱間鍛造しその後

図1

軟窒化クランクに要求される疲労強度と曲げ矯正性．に表面硬化処理を施して製造されることが多い．この表面硬化処理のひとつに軟窒化処理がある．軟窒化とは窒化の一種に高い疲労強度と優れた曲げ矯正性が両立できる軟窒化クラで，浸炭性の雰囲気を共存させながらフェライト域の 600°Cンク用鋼が求められるが，高出力エンジン用のクランクシャ前後の温度で数時間，窒化する処理である(1)．浸炭焼入れやフトのように一層高い疲労強度が必要となる場合には，素材高周波焼入れのように高温のオーステナイトからの相変態をの硬度自体も高く，拡散層の硬度も一層高くなるので，曲げ伴わないので熱処理歪みが小さく，ガス処理なので複数本の矯正におけるき裂の発生や伝播を抑制することは非常に難し

クランクシャフトをまとめてバッチ処理することができ，個く，軟窒化を行う前に結晶粒の細粒化を図るための焼準処理々のクランクシャフトの細かい段差部やコーナー部，およびを施さないと所望の曲げ矯正性を得ることができなかった．

潤滑油を供給するための細径の油穴の周囲もよく硬化でき

今回，焼準処理を行わなくても軟窒化処理後には，従来の焼る．また表面には白色層(または化合物層)と呼ばれる窒化物準処理した鋼と同等以上の疲労強度と曲げ矯正性が得られる層が形成され耐摩耗性の向上にも寄与する．ただし，真直性高強度軟窒化クランク用鋼を開発したので，その概要を紹介が重要であるクランクシャフトでは，処理品の変形量が小さする．

いことが特徴のひとつである軟窒化によってしても，ゆがみの矯正は必要となる．これは軟窒化処理で反ってしまったク.

従来技術

ランクシャフトを真っ直ぐになるように押し戻す作業で，曲げ矯正と呼ばれる(図)．白色層の直下深さ数百 mm の表層

高強度化のためには素材硬度を上げることが最も簡単であ部分は窒素が拡散侵入して硬化した拡散層であり，硬化が著り，従来の高強度軟窒化クランク用鋼には例えば炭素濃度がしいほど疲労強度は増大するが，曲げ矯正の際に表面から内0.48の S48C 鋼が使われてきた．ただし，焼準処理によっ部に向かって脆性的にクラックが進展してしまうと，所望のて結晶粒(特にパーライトコロニー)を微細化しないと所望の疲労強度は得られなくなってしまう．従って，軟窒化処理後曲げ矯正性は得られなかった．これはパーライト分率の高い

住友金属工業株式会社総合技術研究所 主任研究員
株式会社住友金属小倉商品開発部 室長
株式会社本田技術研究所四輪開発センター 1)研究員
Development of a New Class Steel Requiring no Normalizing
Heat Treatment before Nitrocarburization for the Application,of High Strength Nitrocarburized Crankshaft; Naoyuki Sano,,TetsuyaAsai
Yoshihiro
HitoshiMatsumoto(Sumitomo Metal Industries, Ltd., 
SumitomoTakitani
Honda R&D Co., Ltd.)
Metals(Kokura) Ltd., 
2008年10月31日受理



鋼では粗大なパーライトコロニーが発達し易く，曲げ矯正の際にき裂の進展が容易に起こってしまうためである．図は高強度用の従来鋼およびすでに焼準省略を達成している疲労強度がやや低目の通常強度鋼の光学顕微鏡組織と，疲労強度(切欠き付曲げ疲労試験での値)と曲げ矯正性の関係を模式的に示したものである．従来鋼( S48C )は焼準処理をしないとパーライトコロニーサイズが数百 mm に達し，疲労強度は高
くとも曲げ矯正性が著しく低下する．通常強度鋼では素材硬新技術・新製品

表1

図2

切欠き付き曲げ疲労試験片の軟窒化後の疲労強度と曲げ矯正性の両立に及ぼす焼準処理の効果と開発鋼の位置づけ．

開発鋼の代表的な化学成分(mass)．

CSiMnPSMo

Ti

N

0.380.200.800.010.070.170.010.018

図30.2Mo 添加した開発鋼の熱間鍛造後の光顕写真．

度を下げられる分，炭素濃度を下げられるので粗大なパーラパーライトコロニーが粒内フェライトで微細分断化されたよ

イトコロニーを抑制し易く，また軟質なフェライトの分率がうな組織となっていることがわかる．これは Mo が鋼の焼入増大するので，曲げ矯正性は向上するが，疲労強度は低下しれ性を高めるがゆえの結果であり，適量のベイナイトがフェがちになる．そこで，曲げ矯正性はそのまま維持しながら高ライト＋パーライト組織に混在したこのような微細組織にな疲労強度化を図り，これまでは焼準処理の適用によって達成れば曲げ矯正性の改善に非常に効果的であることがわかっしていた高疲労強度と曲げ矯正性の両立を，焼準処理なしでた．また，ベイナイトの混在によって素材の硬度もフェライ実現することを本開発のターゲットとした．

ト＋パーライト組織に比べて高くなるので，軟窒化部品の芯部強度が増大して部品としての強度レベルが底上げされる．

.

開発鋼の特徴Mo のさらなる微視的な効果については次節で詳しく述べる．
クランクシャフト向けのような機械構造用鋼には被削性を開発鋼の代 表的な化学 成分を表 に示す．炭 素濃度を高めるために鉛が添加されてきたが，鉛は環境影響物質であ0.38 に設定してフェライト分率を 50 程度にまで増大さり自動車メーカーでは鉛フリー化を志向する動きが活発になせ，曲げ矯正性の向上を図った．高目の窒素濃度と約0.01っている．本開発鋼でも鉛を非添加としており，そのかわりの Ti の添加は，熱間鍛造時の高温保持でのオーステナイト被削性の確保に硫化物を活用する目的で S を 0.07 程度添粒の粗大化の抑制を狙ったものである．一方，フェライト地加している．

を強化する目的で約 0.2 の Mo を添加しており，従来から軟窒化鋼の強化において当然のごとく添加されていた V や.

モリブデンの微視的挙動の解析

Cr は添加されていないことが本開発鋼の最大の特徴である．
V や Cr は窒化物を作って析出強化に寄与するが，その分フ機械部品の疲労強度は材料の降伏強度を高めると改善されェライト地の延性を大きく下げるので曲げ矯正にとっては不る．これは疲労き裂が局所的な微視的降伏の繰り返しによっ利である．特に Cr は窒化物として析出しない0.2程度の存て発生するからである．軟窒化クランクシャフトのような表在でも白色層直下の固溶窒素量を大きく高めることが明らか

面硬化処理を施した機械部品では表層に最大応力が負荷されとなり(2)，焼準省略を前提とした高強度材で曲げ矯正性を確る場合が多く，軟窒化で硬化する表層の降伏強度を増大させ保するには，Cr 含有量を大きくしないことが好ましい．切ることが効果的である．降伏強度が増大すると曲げ矯正には欠き付き曲げ疲労試験片をクランクシャフトの製造を模擬しより高い荷重が必要になるが，その増大しろは曲げ矯正の工た条件で軟窒化処理して疲労強度を評価した．疲労強度は程上問題になるようなオーダーではなく，むしろ通常の析出Mo の含有量とともに増大していくが Mo 添加による曲げ矯強化のように降伏強度が増大すると引張り破断強度も増大し正性の劣化は Cr の場合ほど顕著ではなく，疲労強度と曲げて材料の延性(最大塑性伸び)が低下してしまうことが問題と矯正との両立の面で最もバランスのよい約 0.2 を Mo の添なる．したがって，軟窒化後の曲げ矯正性，すなわち，部品加量とした． 0.2  Mo 添加した開発鋼の熱間鍛造後の光学表層の塑性変形能が重要視される軟窒化部品では，引張り破顕微鏡組織を図に示す．旧オーステナイト粒界に生成した断強度はあまり増大せずに，降伏強度だけが増大することが初析フェライトに加えて，パーライトコロニー内にはベイニ好ましい．こうした特性を，炭化物として析出しない程度ティックフェライトも分散した組織となっており，あたかもの，適量(0.2)の Mo が有していることがわかった．

ま て り あ 第48巻 第 2 号(2009)Materia Japan



図4

図5

開発鋼において 0.2Mo が時効処理の前後で降伏強度に及ぼす影響．

0.2Mo 添加開発鋼における600°
C2 h 時効前後での Mo 原子の空間分布と Mo の濃度プロファイルの比較．

図は 0.2  Mo 添加した開発鋼と開発鋼から Mo を除い伏強度を数十 MPa 程度増大させるのに寄与しているものとた試作鋼の応力‐ひずみ曲線であり，軟窒化処理の熱履歴に考えられる．開発鋼においては，こうした Mo の存在状態相当する600°
C 2 h という時効処理を行った前後で，降伏挙と，適量のベイナイトがフェライト＋パーライト組織に混在動が現れる変形初期の部分を比較したものである．Mo フリした微細組織となっていることが相まって，焼準処理を省略

ー鋼では時効の前後で降伏強度は殆ど同一であり，引張り破して軟窒化処理を行っても，高い疲労強度と優れた曲げ矯正断強度も変化しなかった．一方， 0.2  Mo を添加した開発性を両立させることができた．

鋼では時効前(熱鍛まま)で，Mo フリー鋼に比べて降伏強度が約 30 MPa 増大しており，Mo の固溶強化によるものと解.

実 用 化 状 況釈される．次に時効処理を行うと降伏強度はさらに約 30MPa 増大したが，このとき引張り破断強度は殆ど変化しな

本開発鋼はすでに実用化，量産されており，本開発鋼を用かった．すなわち，開発鋼では軟窒化処理を行うと表層部分いて焼準処理を省略して製造した軟窒化クランクシャフト(3)は専ら拡散侵入した固溶窒素によって強化されるが，同時には 2006 年から市販の乗用車に搭載され始め，順次適用車種

軟窒化処理による熱履歴によって Mo が降伏強度を増大させが拡張されている．焼準処理を省略できたことで製造コストる効果を合わせてもたらしていることが示唆された．そこで，は約 8 低減され，熱間鍛造以降の製造工程で排出される600 °C 2 h 時効前後の Mo の存在状態を三次元アトムプロー

CO2 量が最大で約22低減されていると試算された．

ブ電界イオン顕微鏡(3D APFIM )によって調査した．図は Mo 原子の空間分布と，深さ方向(z 軸)に沿って検出され.

特許

た原子をブロック分けして各ブロックでの Mo 濃度を求めてプロットした Mo の局所的な濃度プロファイルを時効の前後

国際公開 WO 2005/021816 をはじめとして，関連特許はで比較したものである．濃度プロファイルを比較すると時効4 件が出願されており，中国および北米ではすでに成立して処理によって Mo 濃度が立ち上がったスパイク(矢印)の頻度いる．

が増大しており，数個の Mo が凝集して Mo クラスターを形成したものと推察できる．Mo は鉄よりも原子半径が大きいので，数個の Mo が凝集すると，運動転位を停止させて自身がカッティングされたりバイパスされたりする析出粒子ほどの抵抗は無いにしても，孤立して固溶している固溶 Mo 原子の場合よりは転位運動に対しての粘性抵抗が強くなって，降文

献( 1 ) 例えば，D. Pye: Practical Nitriding and Ferritic Nitrocarburization, ASM International, Ohio, (2003).
( 2 ) 江頭 誠，祐谷将人，佐野直幸，西谷成史材料とプロセス，21(2008), 538.
( 3 ) 浅井鉄也，瀧谷善弘，佐野直幸，松本 斉 Honda R&D
Technical Review, 19(2007), No. 1 86.

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