JP2002241892A - 高強度鍛造用鋼およびこれを用いたクランク軸 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高価な合金元素、特にＮｉ含有量が少なく、
低コストで高強度を有し、例えば船舶用大型クランク軸
などの素材などとして有用な高強度鍛造用鋼を提供する
こと。 【解決手段】 Ｎｉ含有率が０．７％（質量％を意味す
る、以下同じ）以下であり、且つＶ，Ｎｂ，Ｔａよりな
る群から選択される少なくとも１種の元素：合計で０．
０３〜０．３５％と、Ｎ：３０〜２５０ｐｐｍを含有す
る他、下記式(1)の関係を満たし、ベイナイトとマルテ
ンサイト主体の組織からなる高強度鍛造用鋼を開示する
もので、この鍛造用鋼は特に大型クランク軸用の素材と
して有用である。 ［Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの総和（質量％）］＋0.001×固溶Ｎ
（ppm）≧0.068……(1)

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高強度鍛造用鋼に関
し、より詳細には、高価な合金元素、特にＮｉ含有量が
少なく、低コストで高強度を有する高強度鍛造用鋼に関
するものであり、この鍛造用鋼は、例えば船舶用駆動源
の伝達部材として用いられる大型クランク軸用の素材な
どとして有効に活用できる。従って本発明は、かかる低
コスト、高強度鍛造用鋼からなるクランク軸もその対象
に含まれる。

【０００２】

【従来の技術】船舶などの駆動力伝達に使用されるクラ
ンク軸用の鋼としては、従来よりＩＳＯ規格の３６Ｃｒ
ＮｉＭｏ６、ＤＩＮ規格３２ＣｒＭｏ１２、ＩＳＯ規格
４２ＣｒＭｏ４に代表されるＣｒ−Ｍｏ鋼が使用されて
いる。これらのうちＩＳＯ規格の４２ＣｒＭｏ４は、相
対的にＣ含有量を多くし、Ｃｒ，Ｍｏ含有量を相対的に
低く抑えた鋼種であり、強度的にはやや劣るものの比較
的低コストであることから、それほど高負荷がかからな
い用途に使用されており、一方ＩＳＯ規格の３６ＣｒＮ
ｉＭｏ６は、合金元素として多量のＮｉを含むもので、
強度や靭性などにおいては最も優れていることから、高
負荷を受けるクランク軸用として使用されている。また
ＤＩＮ規格３２ＣｒＭｏ１２は、上記２種のＣｒ−Ｍｏ
鋼に対して中間的なコストと強度特性を有するもので、
特に靭性が重視されるクランク軸用としては優れた性能
を有するものとされている。

【０００３】しかし最近では、海難事故などを未然に防
止するため、船舶の大型クランク軸用としては、高コス
トではあるが高レベルの強度特性を有する高Ｎｉ含量の
ＩＳＯ規格の３６ＣｒＮｉＭｏ６が汎用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、Ｎｉ−Ｃｒ
−Ｍｏ鋼である上記ＩＳＯ規格の３６ＣｒＮｉＭｏ６
は、強度や靭性において優れたものではあるが、強化用
の合金元素として高価なＮｉが多量含まれているため、
鍛造用の他のＣｒ−Ｍｏ鋼に比べると高価であり、汎用
化を進めていく上で大きな障害となっている。

【０００５】本発明は上記の様な事情に着目してなされ
たものであって、その目的は、高強度Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ
鍛造用鋼として実用化されているＩＳＯ規格の３６Ｃｒ
ＮｉＭｏ６などに比べて低コストであり、しかもこれに
匹敵する強度や靭性を有し、更には、近年需要者の要求
が高まっている「焼入れ性」においても、上記高強度Ｎ
ｉ−Ｃｒ−Ｍｏ鍛造用鋼に匹敵し、或いはこれを上回る
性能を備えた鍛造用鋼を提供し、或いは更に該鍛造用鋼
を用いた安価で強度、靭性、焼入れ性に優れたクランク
軸を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すること
のできた本発明に係る高強度鍛造用鋼とは、Ｎｉ含有率
が０．７％（質量％を意味する、以下同じ）以下であ
り、且つＶ，Ｎｂ，Ｔａよりなる群から選択される少な
くとも１種の元素：合計で０．０３〜０．３５％、Ｎ：
３０〜２５０ｐｐｍを含有する他、下記(1)式の関係を
満たし、ベイナイトおよびマルテンサイト主体の組織か
らなる鋼からなるところに要旨を有している。

【０００７】 ［Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの総和（質量％）］＋0.001×固溶Ｎ（ppm）≧0.068……(1) 本発明にかかる高強度鍛造用鋼は、上記の様にＮｉ含有
量を制限した鋼成分系において、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａよりな
る群から選択される少なくとも１種の元素と窒素（Ｎ）
を積極的に含有させると共に、これら（Ｖ，Ｎｂ，Ｔ
ａ）含量の総和と固溶Ｎとの関係を前記式(１)を満たす
ように特定し、更にベイナイトとマルテンサイト主体の
金属組織からなる鋼であって、高レベルの引張強度と靭
性を有すると共に焼入れ性も非常に良好で、且つ比較的
安価な鍛造用鋼を提供し得たものである。

【０００８】それら各元素の含有率を定めた根拠につい
ては追って詳述していくが、鍛造用鋼の基本成分組成に
は関わりなくＮｉ量、（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）量、Ｎ（トー
タル窒素）および固溶Ｎ量の要件を満たす限り本発明の
特徴は有効に発揮される。しかし、本発明にかかる上記
作用効果が特に有効に発揮される鍛造用鋼の基本成分
は、Ｃ ：０．３〜０．５％、より好ましくは０．３６
〜０．４５％、Ｓｉ：０．１〜０．４％、より好ましく
は０．１５〜０．４％、Ｍｎ：０．７〜１．５％、より
好ましくは０．８〜１．２％、Ｃｒ：１．２〜３．５
％、より好ましくは１．５〜２．５％、Ｍｏ：０．１〜
０．６％、より好ましくは０．１５〜０．３５％、を含
み、残部が実質的にＦｅからなる鋼である。

【０００９】上記基本組成の鍛造用鋼には、脱酸性元素
として少量のＡｌが含まれてくることがあり、こうした
Ａｌの作用は０．００１％以上含有させることによって
有効に発揮されるが、その効果は０．０４０％で飽和す
るので、それ以下に抑えるべきである。また、Ｓも有害
元素として混入してくることが多く、該Ｓも鍛造用鋼と
しての靭性や疲労強度などに与える悪影響を回避するた
め、０．００６％以下に抑えることが望ましい。

【００１０】更に本発明の鍛造用鋼は、その優れた焼入
れ性を活かす上で、ＤＩ値（水冷で中心部が５０％マル
テンサイト硬さとなる臨界直径）が３０ｍｍ以上である
ものが好ましく、かかる特性を備えた本発明の鍛造用鋼
は、船舶用の如き大型クランク軸等の素材として極めて
優れた性能を発揮する。従って、本発明の鍛造用鋼を素
材として用いて鍛造してなるクランク軸、とりわけ大型
のクランク軸も、本発明の対象となる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明者らは前述した様な課題の
下で、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系の高強度鍛造用鋼として知ら
れている特に「ＩＳＯ規格の３６ＣｒＮｉＭｏ６」を対
象とし、合金元素として含まれるＮｉ量を低減して低コ
スト化を図りつつ、これに匹敵する強度や靭性を有し、
更には高強度の大型鍛造製品を製造する際に重要となる
焼入れ性ついても優れた特性を発揮し得る様な鍛造用鋼
の開発を期して鋭意研究を進めてきた。

【００１２】その結果、前述した様なＣｒ−Ｍｏ系の鍛
造用鋼において、強化元素としてのＮｉ量を０．７％以
下に抑えた鋼種では、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａよりなる群から選
択される元素の少なくとも１種とＮをごく少量含有さ
せ、且つ、これら（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの総和）と固溶Ｎを
前記式(1)の関係を満たす様に含有せしめたものは、Ｎ
ｉ量低減による強度不足を補って余りある強度および靭
性の向上が図られると共に、焼入れ性においても著しく
優れた鍛造用鋼が得られることを知り、上記本発明に想
到したものである。

【００１３】すなわちＮｉは、前述した如く鍛造用鋼と
して汎用されているＣｒ−Ｍｏ系鋼の強度や靭性を高め
ると共に、焼入れ性の向上にも極めて有効な元素であ
り、高級Ｃｒ−Ｍｏ系鍛造用鋼にとっては有用な元素で
ある。しかしＮｉは高価な元素であるため、その含有率
を過度に高めることは鍛造用鋼のコストアップを招き、
需要者の価格上の要求を満たし得なくなる。そこで本発
明では、Ｎｉ量を可及的に低減しつつ、従来のＮｉ−Ｃ
ｒ−Ｍｏ系鍛造用鋼に匹敵する強度特性と焼入れ性を確
保可能にすることを最大の課題として開発されたもので
あり、Ｎｉ量低減によるコストダウンの目的を果たすに
は、Ｎｉ含有量を多くとも０．７％以下、好ましくは
０．５％以下、更に好ましくは０．３％以下に抑えるこ
とが望まれる。

【００１４】但し、Ｎｉ量の低減は、Ｎｉによる上記強
度、靭性および焼入れ性の向上効果が得られ難くなるこ
とを意味しており、性能面からの需要者の要求を満たし
得なくなる。そこで本発明では、Ｎｉ量の低減による性
能不足をその他の元素によって補い、コスト的にも又性
能面でも共に要求を満たすような鍛造用鋼の開発を期し
て鋭意研究を重ねた結果、特にＮｉ含有量を低く抑えた
Ｃｒ−Ｍｏ系鍛造用鋼においては、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａより
なる群から選択される少なくとも１種の元素と、従来は
有害元素として認識されている微量元素であるＮを含有
させると共に、上記（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）と、Ｎのうち固
溶Ｎとを、前記式(1)の関係を満たすように含有せしめ
てやれば、コストと性能の両面を満たす鍛造用鋼が得ら
れることを確認したのである。

【００１５】こうしたＶ，Ｎｂ，ＴａとＮ、或いは更に
固溶Ｎの効果を実用規模で有効に発揮させるには、上記
の様にＮｉ量を０．７％以下に制限された鍛造用鋼中
に、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａよりなる群から選択される少なくと
も１種の元素を０．０３％以上、より好ましくは０．０
４５％以上で、０．３５％以下、より好ましくは０．１
５％以下含有させると共に、Ｎを３０ｐｐｍ以上、より
好ましくは４０ｐｐｍ以上で２５０ｐｐｍ以下、より好
ましくは１００ｐｐｍ以下の範囲で含有せしめ、更には
前記（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの総和）と固溶Ｎとが前記式(1)
の関係を満たすように含有させることが必須の要件とな
る。

【００１６】ちなみに、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの含有量とＮ
量、更には前記式(1)の要件を外れるときは、本願発明
で意図するレベルの強度、靭性が得られなくなるばかり
でなく、焼入れ性についても満足なものが得られない。

【００１７】上記Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの総和とＮ、更にはそ
のうち固溶Ｎを加味した前記式(1)の要件を満たすよう
に含有させることによって、低Ｎｉ系鍛造用鋼の強度や
靭性が著しく向上する理由については、本発明者らの追
究にもかかわらず未だ明確にされていないが、Ｖ，Ｎ
ｂ，ＴａがＮとの間で窒化物を形成すると共に、固溶Ｎ
そのものが優れた強度向上効果を発揮するものと考えら
れる。また、これらＶ，Ｎｂ，Ｔａなどの強度向上元素
は非常に高価な元素であり、少量とはいえかなりのコス
トアップを招くが、本発明ではこれら元素の少量添加と
共に、安価なＮを活用した固溶Ｎ量の増大によって強度
向上を図ることにより、Ｖなどの多量添加による経済的
負担を軽減することが可能となる。

【００１８】そしてこうしたＶなどやＮ、更には固溶Ｎ
による強度向上作用は、Ｎｉ含量を０．７％以下に抑え
たＣｒ−Ｍｏ系鍛造用鋼に対して有効に発揮されるもの
で、Ｎｉ含有量が０．７％を超える高級鍛造用鋼の場合
は殆ど発揮されないという極めて特異な現象として現わ
れるのである。

【００１９】従って本発明の鍛造用鋼は、Ｎｉ含有量を
０．７％以下に抑えたＣｒ−Ｍｏ系鍛造用鋼を対象と
し、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの総和とＮ（トータル窒素）および
固溶Ｎを上記要件を満たすように特定の含有比率で含有
させることにより、相対的に安価でしかもＮｉ含有率の
多い高級Ｃｒ−Ｍｏ系鍛造用鋼に匹敵する強度、靭性と
焼入れ性を兼ね備えたものとして位置付けられる。

【００２０】本発明の鍛造用鋼は、上記の様にＮｉ含量
が制限され、それに代わってＶ，Ｎｂ，Ｔａの少なくと
も1種とＮ、或いは更にこれらと固溶Ｎとを特定量含有
せしめたところに特徴を有しており、鍛造用鋼の基本組
成は特に制限されないが、例えばクランク軸などとして
求められる強度や靭性、更には本発明で特徴とする焼入
れ性をより有効に活かす上では、下記基本組成を有する
Ｃｒ−Ｍｏ系鍛造用鋼を選択することが望ましい。Ｃ
：０．３〜０．５％、より好ましくは０．３６〜０．
４５％、Ｓｉ：０．１〜０．４％、より好ましくは０．
１５〜０．４％、Ｍｎ：０．７〜１．５％、より好まし
くは０．８〜１．２％、Ｃｒ：１．２〜３．５％、より
好ましくは１．５〜３．０％、Ｍｏ：０．１〜０．６
％、より好ましくは０．１５〜０．３５％、を含むもの
であり、それら各元素の好ましい含有率を定めた理由は
下記の通りである。

【００２１】Ｃ ：０．３〜０．５％、より好ましくは
０．３６〜０．４５％ Ｃは焼入れ性を高めると共に強度向上に寄与する元素で
あり、十分な強度と焼入れ性を確保するには０．３％以
上、より好ましくは０．３６％以上、更に好ましくは
０．３８％以上含有するものが望ましいが、多過ぎると
靭性を劣化させると共に逆Ｖ偏析を助長するので、０．
５％以下、より好ましくは０．４５％以下、更に好まし
くは０．４２％以下に抑えるのがよい。

【００２２】Ｓｉ：０．１〜０．４％、より好ましくは
０．１５〜０．４％ Ｓｉは強度向上元素として作用し、十分な強度を確保す
るには０．１％以上、より好ましくは０．１５％以上、
更に好ましくは０．２０％以上含有させるのがよいが、
多過ぎると逆Ｖ偏析が著しくなって清浄な鋼塊が得られ
難くなるので、０．４％以下、より好ましくは０．３％
以下に抑えるのがよい。

【００２３】Ｍｎ：０．７〜１．５％、より好ましくは
０．８〜１．２％ Ｍｎも焼入れ性を高めると共に強度向上に寄与する元素
であり、十分な強度と焼入れ性を確保するには０．７％
以上、より好ましくは０．８％以上、更に好ましくは
０．９％以上含有するものが望ましいが、多過ぎると逆
Ｖ偏析を助長するので、１．５％以下、より好ましくは
１．２％以下、更に好ましくは１．１％以下に抑えるの
がよい。

【００２４】Ｃｒ：１．２〜３．５％、より好ましくは
１．５〜２．５％ Ｃｒは焼入れ性を高めると共に靭性を向上させる有効な
元素であり、それらの作用は１．２％以上、好ましくは
１．５％以上、更に好ましくは１．７５％以上含有させ
ることによって有効に発揮される。しかし多過ぎると逆
Ｖ偏析を助長して高清浄鋼の製造を困難にするので、
３．５％以下、より好ましくは２．５％以下に抑えるの
がよい。

【００２５】Ｍｏ：０．１〜０．６％、より好ましくは
０．１５〜０．３５％ Ｍｏは、焼入れ性、強度、靭性の全ての向上に有効に作
用する元素であり、それらの作用を有効に発揮させるに
は０．１％以上、より好ましくは０．１５％以上、更に
好ましくは０．２０％以上含有させることが望ましい。
しかし、Ｍｏは平衡分配係数が小さくミクロ偏析（正常
偏析）を生じ易くするので、０．６％以下、より好まし
くは０．３５％以下、更に好ましくは０．３０％以下に
抑えるのがよい。

【００２６】本発明で使用される鍛造用鋼の好ましい基
本成分は上記の通りであり、残部成分は実質的にＦｅで
あるが、該鍛造用鋼中には微量の不可避不純物の含有が
許容されることは勿論のこと、前記本発明の作用に悪影
響を与えない範囲で更に他の元素を積極的に含有させた
鍛造用鋼を使用することも可能である。積極添加が許容
される他の元素の例としては、焼入れ性改善効果を有す
るB、脱酸効果を有するＴｉ、ＭｎＳ形態制御作用を有
するＣａ，Ｍｇ，Ｃｅ，Ｚｒ，Ｔｅなどが挙げられ、そ
れらは単独で或いは２種以上を複合添加できるが、それ
らは合計量で０．０３％程度以下に抑えることが望まし
い。

【００２７】また上記基本組成の鍛造用鋼に不可避的に
混入してくるＡｌは、鋼中の酸素量を低減するための脱
酸性元素として含まれてくる元素であり、脱酸作用を有
効に発現させるには０．００１％程度以上含有させるこ
とが好ましい。しかし、Ａｌは主にＡｌＮの形でＮを固
定し、ＮとＶ等の配合による強化効果を発現させ難くす
るばかりでなく、他の多くの元素と結合して非金属介在
物や金属間化合物を生成して靭性に悪影響を及ぼすの
で、０．１０％以下、より好ましくは０．０４％以下に
抑えることが望ましい。すなわちＶ等とＮによる強化機
構の観点から考えると、ＡｌＮを如何に発生させない様
にするかがポイントであり、具体的には、Ａｌ含有量が
０．００１％程度と非常に少ない場合には、Ｎ含有量が
３０ｐｐｍ程度であってもＡｌＮの発生量が少ないため
強度向上効果を生じるが、Ａｌ含有量が０．０３％程度
になるとＡｌＮの生成量が多くなるため、強化効果を有
効に発現させるにはＮ含有量を２５０ｐｐｍ程度に高め
るか、Ｖ含量を高めることが必要となる。

【００２８】またＳは、製鉄原料であるコークス由来の
硫化物として含まれてくる有害成分であり、特に鋼中で
ＭｎＳなどの硫化物を形成して疲労特性を劣化させる原
因となる。従って、こうした障害を未然に防止するに
は、Ｓ含有量を０．００６％以下、より好ましくは０．
００５％以下に抑えることが望ましい。

【００２９】更に本発明の鍛造溶鋼は、前述した成分組
成に加えて、ベイナイトとマルテンサイト主体の金属組
織を有しているところに重要な特徴があり、例えばフェ
ライトやパーライトの面積分率が１０％を超えるもので
は、本発明で意図するレベルの強度を確保できない。こ
こでベイナイトおよびマルテンサイト主体とは、光学顕
微鏡等によって確認することのできる断面組織の大部分
がベイナイトとマルテンサイト組織であり、フェライト
やパーライトの面積率が１０％程度以下であるものを意
味する。ちなみに現在のところ、ベイナイトやマルテン
サイトの面積率を定量的に評価する方法は確立されてい
ないが、現状でも断面組織写真から経験的にベイナイト
とマルテンサイト主体の金属組織であることは確認でき
る。

【００３０】そしてこの様なベイナイトとマルテンサイ
ト主体の組織は、前述した化学成分を満たす鋼材を使用
し、焼入れ時における８７０〜５００℃の温度域を０．
５〜１００℃／ｍｉｎ程度の平均冷却速度で冷却するこ
とによって得ることができる。

【００３１】本発明にかかる鍛造用鋼の化学成分は上記
の通りであり、Ｎｉ量を０．７％以下に抑えた鋼種であ
るにもかかわらず、少量のＶ，ＮｂまたはＴａの少なく
とも１種とＮを含有せしめ、或いは更に固溶Ｎ量の関係
を規定することにより、添加合金成分によるコストアッ
プを招くことなく安価でしかも高い強度特性を示す鍛造
用鋼を得ることが可能となる。しかもこの鍛造用鋼は焼
入れ性においても非常に優れたものであり、後記実施例
で明らかにする如くジョミニー試験法によって確認する
ことのできるＤＩ値（水冷で中心部が５０％マルテンサ
イト硬さとなる臨界直径）で３０ｍｍ以上、より焼入れ
性の優れたものでは３２ｍｍ以上であり、従って鍛造後
焼入れ処理により強化して使用されるクランク軸、特に
船舶用の如き大型クランク軸用の素材として極めて有効
に活用できる。

【００３２】即ちＤＩ値の高められた本発明の鍛造用鋼
は優れた焼入れ性を有しており、クランク軸の如く焼入
れ処理後の状態で表層側と心部側の何れも高強度が求め
られる鍛造製品、例えば直径が１５０〜１０００ｍｍと
いった大型で質量効果の大きい鍛造製品を得るための素
材として極めて有用である。

【００３３】本発明にかかる上記鍛造用鋼の製法は特に
制限がなく、常法に従って高周波溶解炉や電気炉、転炉
などを用いて所定化学成分に調整してから鋳造すればよ
い。また、成分調整後に真空処理を施すことも有効であ
る。鋳造は、大型鍛造用鋼の場合は主としてインゴット
鋳造が採用されるが、比較的小型の鍛造材の場合は連続
鋳造法を採用することも可能である。なお本発明では、
鍛造用鋼中のＮ含有量を厳密に制御する必要があり、そ
のための好ましい手段しては、窒化マンガンや窒化クロ
ムの如き窒素含有金属を添加したり窒素ガスを吹込んで
Ｎ含有量を増大し、またＮ含有量を減ずる場合は真空脱
ガス処理を行なってその条件を適正に制御する方法等を
採用すればよい。

【００３４】また該鍛造用鋼を用いて例えばクランク軸
などを製造する方法も特に制限されず、例えば、電気炉
などで所定成分組成の鋼を溶製する工程→真空精錬など
によりＳなどの不純元素やＯなどのガス成分を除去する
工程→造塊する工程→鋼塊を加熱してから素材鍛造を行
なう工程→中間検査の後加熱してクランク軸形状に鍛造
する工程→熱処理により均質化すると共に焼入れ処理し
て硬質化する工程→仕上げ機械加工を行なう工程、を順
次実施すればよい。

【００３５】尚クランク軸への鍛造加工法としては、自
由鍛造法（クランクアームとクランクピンを一体とした
ブロックとして鍛造し、ガス切断および機械加工によっ
てクランク軸形状に仕上る方法）と、Ｒ．Ｒ．および
Ｔ．Ｒ．鍛造法（鋼塊の軸心がクランク軸の軸心部とな
る様に鍛造加工し、中心偏析により特性の劣化を起こし
易い部分をクランク軸の全ての軸心部となる様に一体に
鍛造加工する方法）が例示されるが、特に後者の鍛造法
を採用すれば、シャフト表層側を清浄度の高い部分で占
めさせることができ、強度や疲労特性に優れたクランク
軸が得られ易いので好ましい。

【００３６】但し本発明の鍛造用鋼は、その優れた強度
特性と低コストであることの利点を生かし、クランク軸
以外にも、船舶用の中間軸、推進軸、組立て型クランク
軸のスロー、中空素材の如く溶接を施すことのない高強
度製品などを鍛造成形するための素材としても有効に活
用できる。

【００３７】

【実施例】次に実験例を挙げて本発明をより具体的に説
明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を
受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲
で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それ
らはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

【００３８】実験例 高周波炉を用いて表１，２に示す成分の鍛造用鋼を溶製
し、鋳造して直径１５８〜１３２×長さ３２３ｍｍの鋼
塊（５０ｋｇ）を製造した。この際、窒化マンガン添加
量および雰囲気ガスを調整することによって鋼中のＮ量
を調整すると共に、所定量のＶ，ＮｂまたはＴａを外部
添加することにより、鋼中に所定量のＶ，Ｎｂ，Ｔａを
歩留らせた。

【００３９】得られた各鋼塊の押湯部分を切除し、１２
３０℃で５〜１０時間加熱した後、自由鍛造プレス機を
用いて高さ比で１／２まで圧縮し、鋼塊中心線を９０°
回転させて鍛造して９０ｍｍ×９０ｍｍ×４５０ｍｍに
まで引き伸ばした後、大気中で放冷した。室温にまで放
冷した各素材は、その後、小型シミュレート炉を用いて
オーステナイト化処理を施した。なおオーステナイト化
処理は、各素材を昇温速度４０℃／ｈｒで８７０℃まで
昇温して１時間保持した後、８７０〜５００℃の温度域
を平均冷却速度２０℃／ｍｉｎで冷却し、焼戻し処理と
して６１０℃で１３時間保持してから炉冷する方法を採
用した。

【００４０】なお供試材中のＮ量は、固溶Ｎと化合物型
Ｎの合計量を示し、その分析は不活性ガス溶解法を採用
した。なお固溶Ｎ量は、図５に示す如く、電解抽出法に
より鋼中の析出物を分離した後、インドフェノール吸光
光度法を採用して化合物などのＮ量を測定し、前述の方
法によって求めたトータルＮ量から差し引くことによっ
て求めた。

【００４１】また、オーステナイト化処理および焼戻し
処理後に、各供試材の断面をナイタールでエッチングし
てから１００倍の光学顕微鏡により２視野以上を撮影
し、該写真からフェライトおよびパーライトに分類され
る領域の面積分率を求めることによって金属組織を調べ
た。その結果、いずれの実施例、比較例についてもフェ
ライト・パーライトの面積分率は実質的にゼロであり、
ベイナイト・マルテンサイト主体の組織であることを確
認した。

【００４２】また、得られた各鋼材について、下記の方
法で機械的性質と焼入れ性を調べ、表３，４および図
１，２に示す結果を得た。

【００４３】［機械的性質の評価法：室温］引張試験
は、ＩＳＯ ６８９２に準拠して行なった。試験片形状
はＬ₀＝５．６５√Ｓ₀とした。シャルピー衝撃試験は、
ＩＳＯ １４８に準拠して行ない、試験片形状はＩＳＯ
１４８に記載の２ｍｍＶノッチを採用した。

【００４４】［焼入れ性評価法］ＩＳＯ ６４２に記載
されたジョミニー試験法に準拠して行なった。試験片形
状はフランジ付き試験片とし、水冷で中心部が５０％マ
ルテンサイトとなる臨界直径（ＤＩ）を求めた。加熱温
度は８７０℃とした。

【００４５】

【表１】

【００４６】

【表２】

【００４７】

【表３】

【００４８】

【表４】

【００４９】図１，２は、上記表１〜４に示したデータ
から、Ｎｉ含有量と引張強さの関係およびＮ量と引張強
度の関係を整理して示したグラフであり、図１からは、
（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）とＮを添加することによる強度向上
効果は、Ｎｉ含有量が０．７％以下の鋼種に対して有効
に発揮されること、図２からは、Ｎ含有の効果がＮ量で
３０ｐｐｍ以上、より好ましくは４０ｐｐｍ以上、更に
確実には５０ｐｐｍ以上で発揮されることを確認でき
る。またこうしたＮ含有の効果は、Ｎ量が６０〜７０ｐ
ｐｍ程度でほぼ飽和状態に達していることから、それ以
上の含有、特に１００ｐｐｍを超える含有は、強度向上
という目的からは殆ど無意味であり、むしろ窒化物の増
大による靭性劣化が懸念されるので、Ｎ量は１００ｐｐ
ｍ以下、より好ましくは８０ｐｐｍ以下に抑えることが
望ましいことが分かる。

【００５０】図３は、上記実験例で得た鍛造用鋼におけ
る実施例材と比較材のＤＩ値を対比して示したものであ
り、実施例材は比較材に比べてＤＩ値も高く、焼入れ性
に優れたものであることが分かる。

【００５１】更に図４は、Ｖ含有量と固溶Ｎ量が引張強
度に与える影響を整理して示したグラフであり、Ｖ量と
固溶Ｎ量の関係が前記式(1)の関係を満たすものは、高
レベルの強度特性を発揮することがわかる。なおこの図
からも明らかなように、（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの総和）で
０．０６８以上を確保できる場合は、固溶Ｎ量が実質的
にゼロであっても十分は強度特性を確保できることが分
かる。

【００５２】

【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、相
対的に多くのＮｉを含むＮｉ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｍｏ系鍛造
用鋼などに対し、Ｎｉ含有量を抑えてコスト低減を図る
と共に、ごく少量のＶ，ＮｂまたはＴａとＮを所定量含
有させることによって高強度化を図ることができ、低コ
ストで高性能の鍛造用鋼を提供し得ることになった。し
かもこの鍛造用鋼は焼入れ性においても非常に優れたも
のであり、その優れた焼入れ性を活かして、大型鍛造製
品の素材として有効に活用することができ、特に船舶用
などの大型クランク軸用の素材などとして極めて有用で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実験で用いた鍛造用鋼のＮｉ含有量と引張強さ
の関係を示すグラフである。

【図２】実験で用いた鍛造用鋼のＮ含有量と引張強さの
関係を示すグラフである。

【図３】実施例材と比較材ＤＩ値を対比して示すグラフ
である。

【図４】鋼中のＶ含有量と固溶Ｎ量が引張強さに与える
影響を整理して示すグラフである。

【図５】固溶Ｎの分析手順を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土山 友博 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目３番１号 株式会社神戸製鋼所高砂製作所内 Ｆターム(参考） 3J033 AA02 AB03 AC01 4E087 BA02 CA02 CB01 DA03 DB14 DB24 HA32

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｎｉ含有率が０．７％（質量％を意味す
   る、以下同じ）以下であり、且つＶ，Ｎｂ，Ｔａよりな
   る群から選択される少なくとも１種の元素：合計で０．
   ０３〜０．３５％、Ｎ：３０〜２５０ｐｐｍを含有する
   他、下記(1)式の関係を満たし、ベイナイトおよびマル
   テンサイト主体の組織からなることを特徴とする高強度
   鍛造用鋼。 ［Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの総和（質量％）］＋0.001×固溶Ｎ（ppm）≧0.068……(1)
2. 【請求項２】 鋼が、基本成分としてＣ ：０．３〜
   ０．５％、Ｓｉ：０．１〜０．４％、Ｍｎ：０．７〜
   １．５％、Ｃｒ：１．２〜３．５％、Ｍｏ：０．１〜
   ０．６％、を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物から
   なるものである請求項２に記載の高強度鍛造用鋼。
3. 【請求項３】 鋼が、Ｃ ：０．３６〜０．４５％、Ｓ
   ｉ：０．１５〜０．４％、Ｍｎ：０．８〜１．２％、Ｃ
   ｒ：１．５〜２．５％、Ｍｏ：０．１５〜０．３５％、
   Ｖ ：０．０３５〜０．１７％を含み、残部がＦｅおよ
   び不可避不純物からなるものである請求項１または２に
   記載の高強度鍛造用鋼。
4. 【請求項４】 鋼が、他の成分としてＡｌ：０．００１
   〜０．０４０％を含むものである請求項１〜３のいずれ
   かに記載の鍛造用鋼。
5. 【請求項５】 鋼のＳ含有量が０．００６％以下である
   請求項１〜４のいずれかに記載の高強度鍛造用鋼。
6. 【請求項６】 ＤＩ値（水冷で中心部が５０％マルテン
   サイトとなる臨界直径）が３０ｍｍ以上である請求項１
   〜５のいずれかに記載の高強度鍛造用鋼。
7. 【請求項７】 大型クランク軸の製造用として用いられ
   るものである請求項１〜６のいずれかに記載の鍛造用
   鋼。
8. 【請求項８】 船舶用大型クランク軸の製造に用いられ
   るものである請求項７に記載の高強度鍛造用鋼。
9. 【請求項９】 前記請求項１〜８のいずれかに記載の鋼
   を鍛造して得たものであるクランク軸。
10. 【請求項１０】 船舶用の大型クランク軸である請求項
    ９に記載のクランク軸。