JP2005256134A

JP2005256134A - 高周波焼入れ用鋼材及びこれを用いたクランク軸

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Publication number: JP2005256134A
Application number: JP2004072418A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Yoshino; 健吉野; Hiroaki Taira; 裕章多比良
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-03-15
Filing date: 2004-03-15
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2024-03-15
Also published as: JP4175276B2

Abstract

【課題】高周波焼入れ又は低温焼戻しを行った後に研削を行っても研削割れを生じることがないために、クランク軸用鋼材として好適に用いることができる高周波焼入れ鋼材及びこれを用いたクランク軸を提供する。
【解決手段】Ｃ：0.2〜0.4％、Si：0.4〜2.0％、Mn：0.8〜2.0％、Cr：0.05〜2.0％、Ｓ：0.04〜0.1％、Al：0〜0.050％、Ｎ：0.002〜0.025％、残部Fe及び不可避的不純物からなる鋼組成を有するとともに、圧延後縦断面における鋼中のMnSの個数が300個／mm²以下であって、さらに、高周波焼入れを行った後、あるいは、高周波焼入れ及び250℃以下での焼戻しを行った後における、試験片の形状：外径5mm、長さ10mmの円柱体、及び試験温度：400℃との条件での示差式熱膨張試験における試験片の長手方向への収縮量が15μm 以下である高周波焼入れ用鋼材である。
【選択図】図6

Description

本発明は、高周波焼入れ用鋼材及びこれを用いたクランク軸に関する。本発明は、例えば、被削性に優れた素材を製品形状に加工してから高周波焼入れを行い、低温での焼き戻しを行うか又は焼戻しを行うことなく、研削することによって製造される往復動機関のクランク軸用の高周波焼入れ用鋼材及びこれを用いたクランク軸に関する。

ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の往復動機関のクランク軸には、シリンダで発生した爆発圧力がコネクティングロッドを介して回転力に変換されて伝達されるため、高い応力が繰り返し作用する。このため、クランク軸は、一般的に、素材に穿削を行って製品形状に加工してから高周波焼入れ及び焼戻しを行った後に研削することによって製造されてきた。しかしながら、近年、クランク軸の疲労強度を向上するために、焼戻しを例えば250℃以下の低温で行ったり(本明細書では「低温焼戻し」という)、あるいは焼戻し自体を省略することが検討されるようになってきた。

しかし、単に低温焼戻しを行ったり、あるいは焼戻しを省略してしまうと、高周波焼入れ又は低温焼戻しの後に行われる研削においていわゆる研削割れを生じてしまう。
この研削割れは、研削により発生する研削熱によって、製品が80〜160℃の温度にあるときにマルテンサイト中にε炭化物が析出すること、又は製品が260〜360℃の温度にあるときにはマルテンサイト中にセメンタイトが析出することに起因して製品の内部に引張残留応力が発生し、これにより、硫化物等の介在物が存在する部位に応力集中を生じるために、発生する。

このため、高周波焼入れ後又は低温焼戻し後における研削割れの発生を防止するためには、Ｃ、CrさらにはMn等の介在物を生成する元素の含有量を低減することが有効であると考えられる。しかし、Ｃ、CrさらにはMn等の元素の含有量を低減してしまうと、高周波焼入後の製品の機械特性を所望の程度に維持することが難しくなってしまう。

このため、高周波焼入れ後に低温焼戻しを行ったり、あるいは焼戻しを省略して研削を行っても研削割れを生じないことから、クランク軸用鋼材として好適に用いることができる高周波焼入れ用鋼材が要求されている。

特許文献１には、Si含有量を0.01〜0.15％(本明細書では特にことわりがない限り「％」は「質量％」を意味するものとする)と低下することにより低熱処理歪み特性に優れた高周波焼入れ用鋼材に係る発明が開示されている。
特願平10−57404号公報

しかし、この発明によっても、高周波焼入れ又は低温焼戻しを行った後に研削を行うと、研削による温度上昇によりマルテンサイト中に炭化物が析出するために引張残留応力が発生し、硫化物等の介在物が存在する部位に応力集中を生じて研削割れが発生してしまう。

本発明は、高周波焼入れ又は低温焼戻しを行った後に研削を行っても研削割れを生じることがないために、クランク軸用鋼材として好適に用いることができる高周波焼入れ鋼材及びこれを用いたクランク軸を提供することである。

本発明は、Ｃ：0.2〜0.4％、Si：0.4〜2.0％、Mn：0.8〜2.0％、Cr：0.05〜2.0％、Ｓ：0.04〜0.1％、Al：0〜0.050％、Ｎ：0.002〜0.025％、残部Fe及び不可避的不純物からなる鋼組成を有するととに、圧延後縦断面における鋼中のMnSの個数が300個／mm²以下であって、さらに、高周波焼入れを行った後、あるいは、高周波焼入れ及び250℃以下での焼戻しを行った後における、下記試験条件での示差式熱膨張試験における試験片の長手方向への収縮量が15μm 以下であることを特徴とする高周波焼入れ用鋼材である。

［試験条件］
測定方法：示差膨張式
試験片の形状：外径5mm、長さ10mmの円柱体
試験温度：400℃
この本発明に係る高周波焼入れ用鋼材は、(i)Ca：0.0005〜0.020％、(ii)Ｖ：0.20％以下、又は(iii)Ｐ：0.030％以下及び／又はCu：0.30％以下を含有することが望ましい。

別の観点からは、本発明は、上述した本発明に係る高周波焼入れ用鋼材を用いた、往復動機関のクランク軸である。

本発明により、高周波焼入れ又は低温焼戻しを行った後に研削を行っても研削割れを生じることがないために、クランク軸用鋼材として好適に用いることができる高周波焼入れ鋼材及びこれを用いたクランク軸を提供できた。

以下、本発明に係る高周波焼入れ鋼材及びこれを用いたクランク軸を実施するための最良の形態を以下に詳細に説明する。
本実施の形態では、略述すると、高周波焼入れ後に、あるいは、高周波焼入れを行ってから250℃以下の低温で焼戻しを行った後に研削を行っても研削割れを生じずにクランク軸を製造するために、クランク軸用鋼材のＣ、Cr、Mn含有量を低下するのではなく、耐摩耗性及び被削性を損なわない範囲でSi含有量を高めるとともに高周波焼入れ後の性能を確保するために必要となるＣ量を設定することによって、研削割れの発生を抑制し、これにより、生産能率の向上を図るものである。まず、本実施の形態で組成を限定する理由を説明する。

Ｃ：0.2〜0.4％
Ｃは、高周波焼入れ硬化層の硬度、マルテンサイト変態時の膨張及び焼戻し効果(高周波焼入れ後の研削による発生熱)による収縮に影響する。Ｃ含有量が0.4％以下であると、高周波焼入れ後の研削工程において、マルテンサイト中のε炭化物、セメンタイトの析出量がいずれも低下していくために収縮量が減少し、これにより、研削割れの発生を抑制できる。Ｃ含有量が0.4％を超えると、研削における発生熱により収縮量が大きくなり研削割れの発生頻度が大きくなる。

一方、Ｃ含有量が0.2％未満であると、高周波焼入れ後の表面硬度が不足する等の機械的性質を確保できなくなる。そこで、本実施の形態では、Ｃ含有量は0.2％以上0.4％以下と限定する。同様の観点から、Ｃ含有量の上限は0.35％であることが望ましい。

Si：0.4〜2.0％
Siは、脱酸作用及び強化作用を奏する。Si含有量が0.4％以上であると、高周波焼入れ又は低温焼戻し後の研削によりマルテンサイト中のε炭化物、炭化物析出を抑制し収縮開始温度を上昇することができるという、本実施の形態では重要な役割を奏する作用がある。

一方、Si含有量が2.0％を超えると、靱性が劣化し、研削割れを生じることから生産性が低下する。そこで、本実施の形態では、Si含有量は0.4％以上2.0％以下と限定する。同様の観点から、Si含有量の下限は0.5％、上限は1.5％であることがそれぞれ望ましい。

Mn：0.8〜2.0％
Mnは、0.8％以上含有することにより、強度及び靭性を高め、さらに焼入れ性を向上してＣの共析濃度を上げて初析フェライトの析出を抑制する作用を奏する。一方、Mn含有量が2.0％を超えると、ベイナイト組織の生成を招いて耐摩耗性及び被削性が顕著に低下する。そこで、本実施の形態では、Mn含有量は0.8％以上2.0％以下と限定する。同様の観点から、Mn含有量の上限は1.50％であることが望ましく、下限は0.80％であることが望ましい。

Cr：0.05〜2.0％
Crは、0.05％以上含有することにより、フェライト率の低減及びAc₁、Ac₃変態点の低下作用を奏するとともに、Ac₁とAc₃の変態点の間隔を狭めてマルテンサイト粒界へのベイナイトの析出、未固溶フェライトの残存がなくなることによって均一なマルテンサイトを得ることが可能となる。一方、Cr含有量が2.0％を超えると、ベイナイト組織の生成を招き、耐摩耗性及び被削性を顕著に低下させる。そこで、本実施の形態では、Cr含有量は0.05％以上2.0％以下と限定する。同様の観点から、Cr含有量の上限は1.50％であることが望ましく、下限は0.10％であることが望ましい。

Ｓ：0.04〜0.1％
Ｓは、0.04％以上含有することにより、硫化物として析出して被削性を改善することができる。しかし、S含有量が0.1％を超えると、鋼中に硫化物の個数が増加し研削割れの発生頻度が増加する。また、Ｓの増加により熱間加工性が低下する。そこで、Ｓ含有量は、0.04％以上0.10％以下と限定する。

Al：0〜0.050％
本実施の形態では、Alは任意添加元素であり添加しなくともよい。しかし、Al含有量を0.003％以上とすることにより脱酸作用を有する。一方、Al含有量が0.050％を超えると、硬質の介在物が増加して被削性に悪影響を及ぼすとともに、被削性が顕著に低下する。そこで、本実施の形態では、Al含有量は0％以上0.050％以下と限定する。

なお、Alは、本実施の形態ではSiによって脱酸が図られているので必須ではないが、十分な脱酸を行いたいときには積極的に添加してSiと併用するようにしてもよい。
Ｎ：0.002〜0.025％
Ｎは、0.002％以上含有することにより窒化物や炭窒化物を形成して組織の微細化、或いは析出効果に寄与する。しかし、Ｎ含有量が0.025％を超えると青熱脆性を顕著に生じる。そこで、本実施の形態では、Ｎ含有量は0.002％以上0.025％以下と限定する。同様の観点から、Ｎ含有量の下限は0.007％であることが望ましい。

さらに、本実施の形態では、任意添加元素として、Ca、Ｖ、Ｐ又はCuを含有してもよい。そこで、これらの任意添加元素についても説明する。
Ca：0.0005〜0.020％
Caは、0.0005％以上含有することにより被削性を高める作用を有する。しかし、Ca含有量が0.020％を超えるとかかる効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。そこで、本実施の形態でCaを添加する場合には、Ca含有量は0.0005％以上0.020％以下と限定する。

Ｖ：0.20％以下
Ｖは含有することにより析出強化の効果を奏するが、Ｖ含有量が0.20％を超えると、効果が飽和しコストが嵩むばかりとなるため、Ｖ含有量は0.20％以下であることが望ましい。

上記以外はFe及び不可避的不純物である。
不可避的不純物としては、P、Cuがある。これらはいずれも不可避的不純物であり、これらの元素の含有量を低下することにより粒界が強化されることから研削割れに対し有効であると考えられる。そこで、本実施の形態では、P含有量：0.030％以下、Cu含有量：0.30％以下は許容される。

また、不可避的不純物として、Ni、Mo及びTiが例示される。Ni、Mo及びTiの含有量は少ないほうが望ましいが、Ni：0.30％以下、Mo：0.15％以下又はTi：0.100％以下の範囲であれば研削割れについて悪影響を与えることはないため、Ni：0.30％以下、Mo：0.15％以下又はTi：0.100％以下の範囲で含有することは許容される。

本発明に係る高周波焼入れ用鋼材は、このような鋼組成を有するとともに、圧延後縦断面における鋼中のMnSの個数が300個/mm²以下であって、かつ、高周波焼入れを行った後、あるいは、高周波焼入れ及び250℃以下での焼戻しを行った後における、下記試験条件での示差式熱膨張試験における試験片の長手方向への収縮量が15μm 以下である。

［試験条件］
測定方法：示差膨張式
試験片の形状：外径5mm、長さ10mmの円柱体
試験温度：400℃
そこで、これらについても以下に説明する。

MnS個数
鋼中の圧延後縦断面におけるMnSの個数が増加すると、研削割れが発生し易い。鋼中の圧延後縦断面におけるMnSの個数が300個／mm²以下であれば、研削割れの発生頻度が低減される。なお、Ｓ含有量が0.070％以上の場合には、300個/mm²以下のMnＳ個数を得るためには、Caを添加することが望ましい。

高周波焼入れ後収縮量（400℃）：：15μm以下
高周波焼入れ後の研削では、発生熱によりマルテンサイト中にε炭化物、セメンタイトが析出し収縮作用が生じるために研削割れが発生する。

後述する実施例に示すように、外径5mm、長さ10mmの円柱体からなる試験片に400℃の試験温度で示差式熱膨張試験を行ったところ、研削割れが発生しなかった鋼種は、いずれも、高周波焼入れ後収縮量が15μm以下であった。よって、研削割れを防止するには、高周波焼入れ後にこの条件で行った収縮量が15μm以下であればよい。

本実施の形態により、高周波焼入れ後に低温焼戻しを行ったり、あるいは焼戻し自体を省略しても研削割れを生じることがないために生産性を低下させずにクランク軸を製造することができる。このため、本実施の形態の高周波焼入れ用鋼材は、クランク軸用鋼材として好適に用いることができる。

さらに、本発明を実施例を参照しながら具体的に説明する。
表１に示す組成を有する鋼材を150kgの真空誘導加熱炉で溶製し、直径210mmのインゴットにした。

このインゴットを通常の方法により1250℃に加熱した後、1000℃の仕上温度で熱間鍛造し、室温まで大気放冷することにより直径65mmの丸棒とした。大気放冷後、試験片の表面に垂直に切断した面を研磨して被検面とし、被検面を腐食して顕微鏡によって組織を確認した。

また、研削割れ発生頻度を比較するため表2に示す条件で研削試験を行った。そして、材質毎に研削割れの個数及び長さを調査して比較した。試験結果を表3にまとめて示す。

表1及び表3に示すように、Ｃ含有量が少ないとともにSi含有量が高い鋼材では、研削割れの発生頻度が少ない傾向があることがわかる。

研削時の温度が高温になるとマルテンサイト中にε炭化物やセメンタイトが析出し、収縮することで引張残留応力が発生するために研削割れを生じると考えられる。
そこで、また、表1に示す組成を有する各試料1〜15から外径5mm、長さ10mmの円柱体からなる試験片を切り出し、室温から700℃までの熱膨張試験を示唆膨張式熱膨張試験機を用いて行って、研削時に発生する熱による各温度での各試料の収縮量を材質毎に調査した。なお、試験片は各試料を880℃で焼入れした後160℃で焼戻しを施してマルテンサイト組織とし実体クランク軸の研削前と同一な状態としている。また、試料4、7、12は焼戻しを行っていない。なお、収縮量として、焼入れ−焼戻し材と焼戻し材との差を示す。詳細な試験条件及び要領を表４にまとめて示す。

また、これらの試験の結果を図１〜7にグラフで示す。Ｃ含有量(％)と400℃収縮量(μm )との関係を図1にグラフで示し、Si含有量(％)と400℃収縮量(μm )との関係を図２にグラフで示し、Ｃ含有量(％)と割れ発生頻度との関係を図３にグラフで示し、Si含有量(％)と割れ発生頻度との関係を図４にグラフで示し、S含有量と割れ発生頻度との関係を図5にグラフで示し、収縮量(μm )と研削割れ発生頻度との関係を図6にグラフで示し、さらに、MnS個数(個)と研削割れ発生頻度との関係を図7にグラフで示す。

これらの図1〜図7も参照しながら、(i)400℃における高周波焼入れ後収縮量及び(ii)MnS個数が、研削割れの発生に及ぼす影響を説明する。
(i)収縮量
図3〜5に示すように、C及びSの含有量を増加することにより研削割れの発生頻度が増加する傾向を示すとともに、Siの含有量を増加することにより研削割れの発生頻度が減少する傾向にある。

Sの含有量が増加するにつれて、研削割れの起点となる硫化物(MnS)が鋼中で増加するために、研削割れの発生頻度が増加する傾向にあるものと考えられる。
また、図1、2に示すように、400℃下では、Ｃの含有量を増加することにより収縮量が増加するとともにSiの含有量を増加することにより収縮量が減少する。このため、Ｃ及び Siの含有量を増減することにより変動する収縮量が、研削割れの発生頻度に大きく影響することが分かる。

ここで、図6に示すように、本実施の形態のクランク軸用鋼材は、400℃での熱膨張試験における収縮量が15μm以下であるため、研削割れを発生しない。
(ii)MnS個数
図7に示すように、鋼中の圧延後縦断面におけるMnSの個数が増加すると研削割れが発生し易い。今回の試験において、鋼中の圧延後縦断面におけるMnSの個数が300個／mm²以下であれば研削割れの発生頻度が減少する。なお、Ｓ含有量が0.070％以上である場合に、鋼中の圧延後縦断面におけるMnSの個数が300個／mm²以下とするためには、Caを添加することが望ましい。

実施例における、Ｃ含有量(％)と400℃収縮量(μm )との関係を示すグラフである。実施例における、Si含有量(％)と400℃収縮量(μm )との関係を示すグラフである。実施例における、Ｃ含有量(％)と割れ発生頻度との関係を示すグラフである。実施例における、Si含有量(％)と割れ発生頻度との関係を示すグラフである。実施例における、S含有量と割れ発生頻度との関係を示すグラフである。実施例における、Ｃ収縮量(μm )と研削割れ発生頻度との関係を示すグラフである。実施例における、MnS個数(個)と研削割れ発生頻度との関係を示すグラフである。

Claims

質量％で、Ｃ：0.2〜0.4％、Si：0.4〜2.0％、Mn：0.8〜2.0％、Cr：0.05〜2.0％、Ｓ：0.04〜0.1％、Al：0〜0.050％、Ｎ：0.002〜0.025％、残部Fe及び不可避的不純物からなる鋼組成を有するとともに、圧延後縦断面における鋼中のMnSの個数が300個／mm²以下であって、さらに、高周波焼入れを行った後、あるいは、高周波焼入れ及び250℃以下での焼戻しを行った後における、下記試験条件での示差式熱膨張試験における試験片の長手方向への収縮量が15μm 以下であることを特徴とする高周波焼入れ用鋼材。
［試験条件］
試験片の形状：外径5mm、長さ10mmの円柱体
試験温度：400℃
さらに、Ca：0.0005〜0.020質量％を含有する請求項1に記載された高周波焼入れ用鋼材。
さらに、Ｖ：0.20質量％以下を含有する請求項1又は請求項2に記載された高周波焼入れ用鋼材。
質量％で、Ｐ：0.030％以下及び／又はCu：0.30％以下を含有する請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載された高周波焼入れ用鋼材。
請求項1から請求項４までのいずれか1項に記載された高周波焼入れ用鋼材を用いた、往復動機関のクランク軸。