JP2011153364A - クランクシャフトおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】熱間鍛造後に冷却され、金属組織におけるベイナイトの面積率が70%以上であり、下記数1〜数3において、3.80<Kf、Hf<19.5、Hg>18.8を満たす。
[数1]
Kf=5[C%]−0.168[Si%]+1.8[Mn%]+0.4[Cr%]+2.5[Mo%]+1.5[V%]−1
[数2]
Hf=24.96×([C%]−(1/18)[Si%]+(1/12)[Mn%]+(1/6)[Cr%]+0.01+(1/7)[Mo%]+(4/5)[V%])
[数3]
Hg=32.16×([C%]+(3/13)[Si%]+(1/22)[Mn%]+(1/18)[Cr%]+(3/10)[Mo%]+(5/7)[V%])
【選択図】なし
Description
[数1]
Kf=5[C%]−0.168[Si%]+1.8[Mn%]+0.4[Cr%]+2.5[Mo%]+1.5[V%]−1
[数2]
Hf=24.96×([C%]−(1/18)[Si%]+(1/12)[Mn%]+(1/6)[Cr%]+0.01+(1/7)[Mo%]+(4/5)[V%])
[数3]
Hg=32.16×([C%]+(3/13)[Si%]+(1/22)[Mn%]+(1/18)[Cr%]+(3/10)[Mo%]+(5/7)[V%])
[数1]
Kf=5[C%]−0.168[Si%]+1.8[Mn%]+0.4[Cr%]+2.5[Mo%]+1.5[V%]−1
[数2]
Hf=24.96×([C%]−(1/18)[Si%]+(1/12)[Mn%]+(1/6)[Cr%]+0.01+(1/7)[Mo%]+(4/5)[V%])
[数3]
Hg=32.16×([C%]+(3/13)[Si%]+(1/22)[Mn%]+(1/18)[Cr%]+(3/10)[Mo%]+(5/7)[V%])
Cは、強度を確保すると共に、軟窒化処理中に炭化物を析出して析出強化に寄与する元素である。しかしながら、C含有量が0.1%未満では、これらの効果が得られない。一方、C含有量が0.4%を超えると、熱間鍛造後硬度が過剰となり、機械加工性が劣化する。よって、Cの含有量は0.1〜0.4%とした。
Siは、鋼精錬時には脱酸剤として作用し、また、鋼材の焼入れ性向上にも寄与すると共に、焼戻し軟化抵抗を高めて軟窒化処理後の強度を向上させる効果がある。しかしながら、Si含有量が0.1%未満の場合、その効果が得られない。一方、Si含有量が1.0%を超えると、熱間鍛造品の機械加工性が劣化する。よって、Siの添加量は0.1〜1.0%とした。
Mnは、鋼材の焼入れ性向上及び熱間鍛造品のミクロ金属組織のベイナイト化に寄与する元素である。しかしながら、Mn含有量が1.0質量%未満の場合、これらの効果が得られない。一方、Mn含有量が2.4%を超えると、熱間鍛造品の機械加工性が劣化する。よって、Mnの添加量は1.0〜2.4%とした。
Crは、鋼材の焼入れ性向上及び窒化性を高めることで表面硬度を硬くし、疲労強度向上に寄与する元素である。しかしながら、Cr含有量が0.1%未満の場合、これらの効果が得られない。一方、Cr含有量が1.0%を超えると、熱間鍛造品の機械加工性が劣化する。よって、Crの添加量は0.1〜1.0%とした。
Moは、鋼材の焼入れ性の向上及び熱間鍛造品のミクロ金属組織のベイナイト化に寄与するとともに、析出強化により軟窒化処理後の疲労強度を向上させる元素である。しかしながら、Mo含有量が0.1%未満の場合、これらの効果が得られない。一方、Mo含有量が1.0%を超えると、熱間鍛造成形性かつ熱間鍛造品の機械加工性が劣化する。よって、Moの添加量は0.1〜1.0%とした。
VもMoと同様の効果を持つ元素である。0.05%未満では、これらの効果が得られない。一方、0.5%を超えると、熱間鍛造品の機械加工性が劣化する。よって、Vの添加量は0.05〜0.5%とした。
Sは、鋼材中で硫化物を形成し、切削加工性を向上させる効果がある。しかしながら、S含有量が0.01%未満の場合、その効果が得られない。一方、S含有量が0.1%を超えると、疲労強度の向上を阻害する。よって、Sの含有量はS:0.01〜0.1%とした。
Pは鋼材中に含まれる不可避的不純物であり、P含有量が0.02%を超えると疲労強度が低下する。よって、Pの含有量は0.02%以下とした。
クランクシャフトは質量の大きい部品であり、寸法や形状、部位によって熱間鍛造時に導入される加工歪量や冷却速度が異なるため、0.25〜1.5℃/secの広い冷却速度範囲でベイナイト組織が得られることが望ましい。クランクシャフトの熱間鍛造は、一般には1200℃程度の温度にて2%前後の歪量で行われる。このような条件において、[数1]で表されるKfが3.80を超える場合には、図2に示すように、フェライト率を30%以下にすることが可能である。よって、Kf>3.80とした。なお、図2における「歪量(%)」は、鍛造CAE解析により算出される。
熱間鍛造品の硬度が硬くなりすぎないようにし、機械加工性を良好にするためには[数2]で表されるHfの値を制限する必要がある。ベイナイト主体の組織においては、Hfが19.5以上であると、合金元素の過剰添加となり、熱間鍛造品硬度が300Hv以上に高硬度化して機械加工性が著しく低下する。よって、Hf<19.5とした。
軟窒化後の内部硬度を適度に増加させ、高疲労強度を得るためには、[数3]で表されるHgを所定以上確保する必要がある。ベイナイト主体の組織においては、Hgが18.8以下では軟窒化後の内部硬度が280Hv以下となり、十分な疲労強度が得られない。よって、Hg>18.8とした。
Tiは、鋼材の焼入れ性の向上に寄与する元素である。しかしながら、鋼中への固溶が不安定な元素でもあるため、0.01%以上含有すると製造工程において溶体化時に完全固溶できないこともある。その場合、未固溶のTiCが旧γ粒径の微細化に寄与し、フェライト生成を助長してしまい、熱間鍛造品のミクロ金属組織の70%以上をベイナイト組織とすることが困難となる。したがって、Tiの添加量は0.01%以下とする。
したがって、Tiの添加量は0.01%以下とする。
Niは、軟窒化処理後の鋼製軟窒化機械部品の強度を高める効果、及び不可避不純物であるCuにより生じる熱間圧延傷を防止する効果もある。しかしながら、Niの添加量が0.05%未満の場合、これらの効果が得られない。一方、Niの添加量が1.5%を超えると、熱間鍛造品の硬度が高くなりすぎて切削加工性が低下する。よって、Niの添加量は0.05〜1.5%とする。
Nは、TiN、NbNおよびAlN等の窒化物を形成して結晶粒を微細化し、鋼材の衝撃特性を向上させる効果がある。しかしながら、Nの含有量が0.002%未満では充分な量の窒化物が生成せず、粗大粒が生成するために鋼材の衝撃特性が低下する。一方、Nの含有量が0.010%を超えると、軟窒化処理の際に炭化物の生成が阻害され、析出強化特性が低下する。よって、Nの含有量は0.002〜0.010%とする。
Alは表面硬さを増加するために添加することができる。ただし、添加量が0.003%未満ではそのような作用が不充分である。一方、Alの添加量が増加するに従って表面硬さが増加するが、軟窒化時における窒素の内部への拡散を阻害し硬化層深さを浅くするため、硬化層深さへの悪影響が小さく、表面硬さの増加のみにその作用が基体できる範囲としてAlの添加量の上限は0.1%とする。
Caは機械加工における被削性を改善するために用いる元素であり、MnSやCa酸化物、Ca硫化物を素地に分散させることによって、被削性の改善を図る。Caの添加量が0.001未満では被削性改善の効果が充分でなく、0.005%上限値を超えると鋼の靭性低下を招く。よって、Caの添加量は0.001〜0.005%とする。
Bは、鋼材の焼入れ性の向上に寄与する元素である。しかしながら、Bの添加量が0.0005%未満の場合、そのような効果を充分に得ることはできない。一方、Bの添加量が0.003%を超えても上記効果のそれ以上の向上は望めない。よって、Bの含有量は0.0005〜0.002%とする。
表1に示す組成の鋼を真空溶解炉にて溶製した後、熱間圧延して直径が90mmの熱間圧延棒鋼を作製した。次に各熱間圧延棒鋼を1300℃で0.5時間溶体化後、1200℃で熱間鍛造により直径が45mmになるように加工し、0.5℃/秒で冷却した。なお、表1において本発明の範囲を逸脱する数値には下線を付してある。
Claims (3)
- 熱間鍛造後に冷却され、金属組織におけるベイナイトの面積率が70%以上であり、質量比で、C:0.1%以上0.4%以下、Si:0.3%以上1.0%以下、Mn:1.0%以上2.4%以下、Cr:0.1%以上1.0%以下、Mo:0.1%以上1.0%以下、V:0.05%以上0.5%以下、S:0.01%以上0.10%以下、P:0.02%以下、残部がFe及び不可避的不純物からなる組成を有し、C含有量を[C%]、Si含有量を[Si%]、Mn含有量を[Mn%]、Cr含有量を[Cr%]、Mo含有量を[Mo%]、V含有量を[V%]としたときに、下記数1〜数3において、3.80<Kf、Hf<19.5、Hg>18.8を満たすことを特徴とするクランクシャフト。
[数1]
Kf=5[C%]−0.168[Si%]+1.8[Mn%]+0.4[Cr%]+2.5[Mo%]+1.5[V%]−1
[数2]
Hf=24.96×([C%]−(1/18)[Si%]+(1/12)[Mn%]+(1/6)[Cr%]+0.01+(1/7)[Mo%]+(4/5)[V%])
[数3]
Hg=32.16×([C%]+(3/13)[Si%]+(1/22)[Mn%]+(1/18)[Cr%]+(3/10)[Mo%]+(5/7)[V%]) - 前記組成に加えてTi:0.01質量%以下、Ni:0.05〜1.5質量%、Cu:0.01〜0.5質量%、Al:0.003〜0.1質量%、N:0.002〜0.02質量%、Ca:0.001〜0.01質量%、B:0.001〜0.006質量%を含有することを特徴とする請求項1に記載のクランクシャフト。
- 質量比で、C:0.1%以上0.4%以下、Si:0.3%以上1.0%以下、Mn:1.0%以上2.4%以下、Cr:0.1%以上1.0%以下、Mo:0.1%以上1.0%以下、V:0.05%以上0.5%以下、S:0.01%以上0.10%以下、P:0.02%以下、残部がFe及び不可避的不純物からなる組成を有し、C含有量を[C%]、Si含有量を[Si%]、Mn含有量を[Mn%]、Cr含有量を[Cr%]、Mo含有量を[Mo%]、V含有量を[V%]としたときに、下記数1〜数3において、3.80<Kf、Hf<19.5、Hg>18.8を満たす鋼材を、1150℃以上で加熱した後、1000℃以上で熱間鍛造で成形し、その後0.25℃/秒〜1.5℃/秒の冷却速度で冷却して、ミクロ金属組織中のベイナイト組織の比率が70%以上の熱間鍛造品を得る工程と、前記熱間鍛造品を機械加工後、550〜650℃で30分以上軟窒化する工程とを有することを特徴とするクランクシャフトの製造方法。
[数1]
Kf=5[C%]−0.168[Si%]+1.8[Mn%]+0.4[Cr%]+2.5[Mo%]+1.5[V%]−1
[数2]
Hf=24.96×([C%]−(1/18)[Si%]+(1/12)[Mn%]+(1/6)[Cr%]+0.01+(1/7)[Mo%]+(4/5)[V%])
[数3]
Hg=32.16×([C%]+(3/13)[Si%]+(1/22)[Mn%]+(1/18)[Cr%]+(3/10)[Mo%]+(5/7)[V%])
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