JP2014129607A - Non-refining type nitrided crankshaft - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a non-refining type nitrided crankshaft having high flexure fatigue strength with 700 MPa or more and efficient flexure correction property, and excellent in peeling resistance of a compound layer.SOLUTION: There is provided a non-refining type nitrided crankshaft containing C:0.25 to 0.60%, Si:0.10 to 1.0%, Mn:0.60 to 2.0%, P≤0.08%, S≤0.10%, Cr:0.20 to 1.0% and N:0.0030 to 0.0250%, one or more kind of Cu, Ni, Mo, V, Ti and Ca and the balance Fe with impurities and satisfying [40-C+2Mn+5.5Cr≥43.0], and having HV hardness of 0.05 mm position of depth from a surface of 380 to 600, and depth of the compound layer of at least a pin fillet part, a journal fillet part and a pin part of 5 μm or less.

Description

本発明は、非調質型の窒化処理が施されたクランクシャフトに関する。より詳しくは、自動車、産業機械、建設機械などに用いられる、所要の形状に鍛造および機械加工した後で、焼入れ−焼戻しの調質処理を行うことなく、窒化処理を施して製造されるクランクシャフトに関する。   The present invention relates to a crankshaft subjected to non-tempering nitriding treatment. More specifically, a crankshaft used for automobiles, industrial machines, construction machines, etc., which is manufactured by nitriding without forging and tempering after forging and machining into a required shape. About.

以下、上記の「窒化処理が施されたクランクシャフト」を「窒化クランクシャフト」という。焼入れ−焼戻しの調質処理を受けず、生地の組織がフェライトとパーライトの混合組織である窒化クランクシャフトを「非調質型窒化クランクシャフト」と称する。   Hereinafter, the above-mentioned “nitriding crankshaft” is referred to as “nitriding crankshaft”. A nitrided crankshaft that is not subjected to a quenching-tempering tempering treatment and whose dough structure is a mixed structure of ferrite and pearlite is referred to as a “non-tempered nitrided crankshaft”.

高い耐摩耗性および高い疲労強度(なかでも、高い曲げ疲労強度)が要求されるクランクシャフトには、鍛造と機械加工の後に高周波焼入れ処理、窒化処理などの表面硬化処理が施される。   A crankshaft requiring high wear resistance and high fatigue strength (in particular, high bending fatigue strength) is subjected to surface hardening treatment such as induction hardening and nitriding after forging and machining.

窒化処理は、A点以下の温度で窒素、または窒素と炭素を拡散浸透処理するものであり、熱処理温度が低い。このため、窒化処理では、高周波焼入れ処理などに比べて、熱処理ひずみが小さくなるので、近年、窒化処理が適用されるクランクシャフトが増えている。窒化処理を施したクランクシャフトの表面には、ナイタル腐食により白く観察される数μmから40μm深さの化合物層(おもに、FeNなどの窒化物が生成した層)が、さらに、化合物層と生地の間には浸透した窒素、または窒素と炭素により硬化された数100μm深さの拡散層が形成される。 The nitriding treatment is a diffusion permeation treatment of nitrogen or nitrogen and carbon at a temperature of A 1 point or less, and the heat treatment temperature is low. For this reason, in the nitriding treatment, the heat treatment strain is reduced as compared with the induction hardening treatment or the like, and in recent years, the number of crankshafts to which the nitriding treatment is applied has increased. On the surface of the crankshaft that has been subjected to nitriding treatment, a compound layer (mainly a layer in which a nitride such as Fe 3 N is formed) having a depth of several μm to 40 μm, which is observed white due to nitral corrosion, further includes a compound layer and A diffusion layer having a depth of several hundreds of μm is formed between the dough and is cured by permeated nitrogen or nitrogen and carbon.

上述のように、窒化処理した場合の熱処理ひずみは、高周波焼入れ処理した場合に比べて小さいが、皆無ではない。したがって、回転軸部品であるクランクシャフトでは、軽微な熱処理ひずみによる寸法精度の低下が問題となることがある。そのため、窒化処理後に曲げ矯正を行って寸法精度を高める必要がある。   As described above, the heat treatment strain in the nitriding treatment is smaller than that in the induction hardening treatment, but it is not completely absent. Therefore, in a crankshaft that is a rotating shaft component, a decrease in dimensional accuracy due to slight heat treatment strain may be a problem. Therefore, it is necessary to increase the dimensional accuracy by performing bending correction after the nitriding treatment.

ところが、窒化クランクシャフトに曲げ矯正を行うと、表層からき裂が発生する場合がある。このようなき裂は応力が集中するため曲げ疲労強度を低下させる。したがって、窒化クランクシャフトには、曲げ矯正を行った場合にもき裂が発生しないこと、すなわち、曲げ矯正性にも優れることが求められる。   However, when bending correction is performed on a nitrided crankshaft, cracks may occur from the surface layer. Such cracks reduce the bending fatigue strength because stress concentrates. Therefore, the nitrided crankshaft is required to have no crack even when it is subjected to bending correction, that is, to be excellent in bending correction.

さらに、近年、環境に対する配慮が要求されるようになり、窒化クランクシャフトも例外ではなく軽量小型化が志向され、例えば、700MPa以上という高い曲げ疲労強度が求められるようになっている。このような高い曲げ疲労強度を得るためには、拡散層の最表層部の硬さ(以下、「表層硬さ」ともいう。)が、ビッカース硬さ(以下、「HV硬さ」という。)で少なくとも380以上であることが必要である。「拡散層の最表層部」とは、具体的には、窒化処理後の、表面から深さ0.05mmの位置を意味する。   Furthermore, in recent years, consideration for the environment has been demanded, and the nitrided crankshaft is not an exception, and light weight and downsizing are desired. For example, a high bending fatigue strength of 700 MPa or more is required. In order to obtain such a high bending fatigue strength, the hardness of the outermost layer portion of the diffusion layer (hereinafter also referred to as “surface hardness”) is Vickers hardness (hereinafter referred to as “HV hardness”). And at least 380 or more. The “outermost layer portion of the diffusion layer” specifically means a position having a depth of 0.05 mm from the surface after nitriding.

しかしながら、表層硬さが、HV硬さで380以上になると、窒化クランクシャフトに曲げ矯正を行った際に、き裂が発生しやすくなる。   However, if the surface hardness is 380 or higher in HV hardness, cracks are likely to occur when bending correction is performed on the nitride crankshaft.

加えて、近年、低コスト化、省資源化、排出COの削減のため、製造時の熱処理を簡略化することも求められている。したがって、窒化クランクシャフトの素材となる鋼として、焼入れ−焼戻しの調質処理を施さない、フェライトとパーライトの混合組織(以下、「フェライト・パーライト組織」という。)を有する非調質鋼が使用されている。 In addition, in recent years, it is also required to simplify the heat treatment during production in order to reduce costs, save resources, and reduce exhaust CO 2 . Therefore, non-tempered steel having a mixed structure of ferrite and pearlite (hereinafter referred to as “ferrite / pearlite structure”) that is not subjected to tempering treatment of quenching and tempering is used as the material for the nitride crankshaft. ing.

しかし、一般に、フェライト・パーライト組織は、焼入れ−焼戻し組織に比べて粗大である。このため、非調質鋼は、調質処理した鋼に比べて、曲げ疲労強度および曲げ矯正性に劣る。   However, in general, the ferrite-pearlite structure is coarser than the quenched-tempered structure. For this reason, non-tempered steel is inferior in bending fatigue strength and bending straightness compared with tempered steel.

このような状況の下、700MPa以上という高い曲げ疲労強度と十分な曲げ矯正性を有する非調質型窒化クランクシャフトに対する要望がきわめて大きくなり、例えば、次のような技術が開示されている。   Under such circumstances, there has been a great demand for a non-tempered nitrided crankshaft having a high bending fatigue strength of 700 MPa or more and sufficient bend straightening properties. For example, the following techniques are disclosed.

すなわち、特許文献1に、
質量%で、C:0.2〜0.6%、Si:0.05〜1.0%、Mn:0.25〜1.0%、S:0.03〜0.2%、Cr:0.2%以下、s−Al:0.045%以下、Ti:0.002〜0.010%、N:0.005〜0.025%およびO:0.001〜0.005%を含有し、必要に応じてさらに、Pb:0.01〜0.40%、Ca:0.0005〜0.0050%およびBi:0.005〜0.40%のうちの1種または2種以上を含有し、かつ0.12×Ti%<O%<2.5×Ti%および0.04×N%<O%<0.7×N%の条件を満たし、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、
熱間鍛造後の組織がフェライトとパーライトの混合組織であること、
を特徴とする「軟窒化用非調質鋼」が開示されている。
That is, in Patent Document 1,
In mass%, C: 0.2-0.6%, Si: 0.05-1.0%, Mn: 0.25-1.0%, S: 0.03-0.2%, Cr: 0.2% or less, s-Al: 0.045% or less, Ti: 0.002 to 0.010%, N: 0.005 to 0.025%, and O: 0.001 to 0.005% If necessary, Pb: 0.01 to 0.40%, Ca: 0.0005 to 0.0050%, and Bi: 0.005 to 0.40% And satisfying the conditions of 0.12 × Ti% <O% <2.5 × Ti% and 0.04 × N% <O% <0.7 × N%, with the balance being Fe and inevitable impurities Become
The structure after hot forging is a mixed structure of ferrite and pearlite,
“Non-tempered steel for soft nitriding” is disclosed.

特許文献2に、
表面に窒化処理または軟窒化処理が施された鋼よりなる、ピン部およびジャーナル部を有するクランクシャフトであって、
前記鋼が合金成分として、C:0.07質量%以上0.12質量%以下、Si:0.05質量%以上0.25質量%以下、Mn:0.1質量%以上0.5質量%以下、Cu:0.8質量%以上1.5質量%以下、Ni:2.4質量%以上4.5質量%以下、Al:0.8質量%以上1.5質量%以下、Ti:0.5質量%以上1.5質量%以下を含有し、必要に応じてさらに、S:0.01質量%以上0.10質量%、Ca:0.0010質量%以上0.0050質量%のうちの1種または2種を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなり、
かつ、窒化処理の影響を受けていない中心部から採片した鋼試料を1200℃にて1時間溶体化した後、900℃以上300℃以下までの温度範囲を0.3℃/秒以上1.5℃/秒以下に設定される適当な冷却速度にて冷却することにより、鋼組織に占めるベイナイトの比率を80%以上、HV硬さを200以上300以下とすることができ、
前記窒化処理又は軟窒化処理が施された前記ピン部および前記ジャーナル部の内部硬さがHV硬さで350以上500以下であり、かつ表面から0.05mmの位置におけるHV硬さが650以上950以下であること、
を特徴とする「クランクシャフト」が開示されている。
In Patent Document 2,
A crankshaft having a pin portion and a journal portion, made of steel having a surface subjected to nitriding treatment or soft nitriding treatment,
The steel is an alloy component, C: 0.07 mass% or more and 0.12 mass% or less, Si: 0.05 mass% or more and 0.25 mass% or less, Mn: 0.1 mass% or more and 0.5 mass% or less. Hereinafter, Cu: 0.8% by mass to 1.5% by mass, Ni: 2.4% by mass to 4.5% by mass, Al: 0.8% by mass to 1.5% by mass, Ti: 0 0.5% by mass or more and 1.5% by mass or less, and if necessary, S: 0.01% by mass to 0.10% by mass, Ca: 0.0010% by mass to 0.0050% by mass 1 type or 2 types, and the balance consists of Fe and inevitable impurities,
In addition, after a steel sample taken from the center not affected by the nitriding treatment is melted at 1200 ° C. for 1 hour, the temperature range from 900 ° C. to 300 ° C. is 0.3 ° C./second or more. By cooling at an appropriate cooling rate set to 5 ° C./second or less, the ratio of bainite in the steel structure can be 80% or more, and the HV hardness can be 200 or more and 300 or less,
The pin portion and the journal portion subjected to the nitriding treatment or soft nitriding treatment have an HV hardness of 350 to 500 in HV hardness, and an HV hardness of 650 to 950 at a position 0.05 mm from the surface. That
A "crankshaft" featuring the above is disclosed.

特開2002−226939号公報JP 2002-226939 A 特開2007−177309号公報JP 2007-177309 A

特許文献1に開示されている技術によって、非調質型窒化クランクシャフトを得ることができる。しかしながら、得られた窒化クランクシャフトは、表層硬さが低いため、曲げ疲労強度が低く、700MPaに達しない。   By the technique disclosed in Patent Document 1, a non-tempered nitrided crankshaft can be obtained. However, since the obtained nitride crankshaft has a low surface hardness, the bending fatigue strength is low and does not reach 700 MPa.

特許文献2に開示されている技術によって、高い疲労強度を有する窒化クランクシャフトを得ることができる。しかしながら、得られた窒化クランクシャフトは、表層硬さが高くなりすぎる。したがって、窒化処理時に生じた熱処理ひずみを解消するために曲げ矯正を行うと、表層からき裂が発生することを避けがたい。   With the technique disclosed in Patent Document 2, a nitrided crankshaft having high fatigue strength can be obtained. However, the nitrided crankshaft obtained has a surface hardness that is too high. Therefore, if bending correction is performed in order to eliminate the heat treatment strain generated during nitriding, it is difficult to avoid the occurrence of cracks from the surface layer.

さらに、窒化部品の化合物層はHV硬さで500以上という硬い層であり、従来は窒化部品の摺動面の耐摩耗性を高める効果があるといわれてきた。しかしながら、化合物層が耐摩耗性に優れるのは摺動面の面圧の小さい場合であり、700MPa以上という曲げ疲労強度が求められるような面圧の高い環境下では化合物層が剥離して粉状になり、粉状の化合物層は窒化部品の摺動面においてむしろ研磨剤のように作用し、窒化部品の耐摩耗性を著しく低下させることが問題となってきた。   Further, the compound layer of the nitrided part is a hard layer having an HV hardness of 500 or more, and conventionally, it has been said that there is an effect of improving the wear resistance of the sliding surface of the nitrided part. However, the compound layer has excellent wear resistance when the surface pressure of the sliding surface is small, and the compound layer peels off in an environment where the surface pressure is high such that a bending fatigue strength of 700 MPa or more is required. Thus, the powdery compound layer acts more like an abrasive on the sliding surface of the nitrided part, and it has become a problem that the wear resistance of the nitrided part is significantly reduced.

特許文献1および特許文献2では、このような高い面圧下で使用する窒化部品において生じる化合物層の剥離についても何ら考慮されていない。   In Patent Document 1 and Patent Document 2, no consideration is given to peeling of a compound layer that occurs in a nitrided part used under such a high surface pressure.

本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、700MPa以上という高い曲げ疲労強度および十分な曲げ矯正性を有し、かつ化合物層の耐剥離性に優れた、非調質型窒化クランクシャフトを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described situation, and provides a non-tempered nitrided crankshaft having a high bending fatigue strength of 700 MPa or more, sufficient bending straightening properties, and excellent peeling resistance of a compound layer. The purpose is to provide.

本発明者らは、前記した課題を解決するために種々の検討を実施した結果、下記(A)〜(K)の知見を得た。   As a result of conducting various studies to solve the above-described problems, the present inventors have obtained the following findings (A) to (K).

(A)窒化処理した鋼材の表層から薄板試験片を採取して引張試験を行ったところ、化合物層を除去した試験片では化合物層を除去していない試験片に比べ、引張試験の伸びが大幅に向上する。   (A) When a thin plate test piece was collected from the surface layer of a nitrided steel material and subjected to a tensile test, the test piece from which the compound layer was removed showed a significant increase in tensile test compared to the test piece from which the compound layer was not removed. To improve.

(B)上記引張試験後の薄板試験片の破面を観察した結果、化合物層を除去していない試験片では化合物層が脆性破壊して割れの起点となっているのに対して、化合物層を除去した試験片では延性破面である。   (B) As a result of observing the fracture surface of the thin plate test piece after the tensile test, in the test piece from which the compound layer was not removed, the compound layer was brittlely fractured and became the starting point of cracking, whereas the compound layer In the test piece from which is removed, it is a ductile fracture surface.

(C)窒化処理した鋼材の表層の化合物層を除去することにより、曲げ矯正時の破壊形態が化合物層を起点とした脆性破壊から延性破壊へと変化し、このため窒化クランクシャフトの曲げ矯正性を改善することができる。   (C) By removing the compound layer on the surface of the nitrided steel material, the fracture mode during bending correction changes from brittle fracture starting from the compound layer to ductile fracture. Can be improved.

(D)窒化部品の表層の化合物層を除去すれば、窒化処理後の表層硬さをHV硬さで380以上としても、実用上十分な曲げ矯正性を得ることができる。   (D) By removing the compound layer on the surface of the nitrided part, practically sufficient bend straightening can be obtained even if the surface hardness after nitriding is 380 or higher in terms of HV hardness.

(E)但し、窒化クランクシャフトの表層硬さが、HV硬さで600以上と過剰に高くなった場合には、たとえ化合物層を除去しても、実用上十分な曲げ矯正性を得ることができない。   (E) However, if the surface hardness of the nitrided crankshaft is excessively high at 600 or more in HV hardness, even if the compound layer is removed, practically sufficient bending straightening can be obtained. Can not.

(F)曲げ疲労強度は、化合物層除去前後でほとんど変化がなく、表層硬さがHV硬さで380以上であれば、700MPa以上の高い曲げ疲労強度を得ることができる。   (F) The bending fatigue strength hardly changes before and after the removal of the compound layer, and a high bending fatigue strength of 700 MPa or more can be obtained if the surface layer hardness is 380 or more in terms of HV hardness.

(G)しかしながら、化合物層を除去しようとしても、HV硬さで380以上の表層硬さを付与した拡散層を除去せずに、化合物層だけを完全に除去することは難しい。   (G) However, even if an attempt is made to remove the compound layer, it is difficult to completely remove only the compound layer without removing the diffusion layer imparted with a surface hardness of 380 or higher in HV hardness.

(H)そして、化合物層が除去されずに残ってしまうと、700MPa以上という曲げ疲労強度が求められるような面圧の高い環境下では、前述のように化合物層が剥離して粉状になり、研磨剤のように作用し窒化クランクシャフトの耐摩耗性を著しく低下させてしまう。   (H) And, if the compound layer remains without being removed, the compound layer peels and becomes powdery as described above in an environment with high surface pressure that requires a bending fatigue strength of 700 MPa or more. It acts like an abrasive and significantly reduces the wear resistance of the nitrided crankshaft.

(I)化合物層は上記(B)のように脆性破壊するものの、意外にも化合物層はその硬さが高いほど化合物層の耐剥離性が向上する。   (I) Although the compound layer breaks brittlely as in the above (B), surprisingly, the higher the hardness of the compound layer, the better the peel resistance of the compound layer.

(J)そして、生地の鋼材のC、Cr、MnおよびMoの含有量を適正に制御すれば化合物層の硬さは高くなる。   (J) And if the contents of C, Cr, Mn, and Mo in the steel material are appropriately controlled, the hardness of the compound layer increases.

(K)生地の鋼材のC、Cr、MnおよびMoの含有量を適正に制御し、かつ、化合物層の深さを5μm以下に制御することにより、化合物層の耐剥離性にも優れた窒化クランクシャフトを得ることができる。   (K) Nitriding excellent in peeling resistance of the compound layer by appropriately controlling the contents of C, Cr, Mn and Mo in the steel material and controlling the depth of the compound layer to 5 μm or less. A crankshaft can be obtained.

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記(1)に示す非調質型窒化クランクシャフトにある。 The present invention has been completed based on the above findings, and the gist thereof resides in the non-heat treated nitrided crankshaft shown in the following (1 ) .

(1)生地の鋼材が、質量%で、C:0.25〜0.60%、Si:0.10〜0.80%、Mn:0.60〜2.0%、P:0.08%以下、S:0.10%以下、Al:0.05%以下、Cr:0.20〜1.0%およびN:0.0030〜0.0250%を含有するとともに、下記の〈1〉から〈3〉までに掲げる元素から選択される1種以上を含有し、残部はFeおよび不純物からなり、かつ、下記の(1')式を満たす非調質型窒化クランクシャフトであって、表面から深さ0.05mm位置のHV硬さが380〜600であり、かつ、少なくともピンフィレット部、ジャーナルフィレット部およびピン部の化合物層深さが5μm以下であることを特徴とする非調質型窒化クランクシャフト。
〈1〉Cu:1.0%以下、Ni:0.5%以下、Mo:0.5%以下およびV:0.3%以下
〈2〉Ti:0.050%以下
〈3〉Ca:0.010%以下
40−C+2Mn+5.5Cr+26Mo≧44.4・・・(1')
上記の(1')式中の元素記号は、その元素の質量%での含有量を意味する。
(1) Steel material of dough is mass%, C: 0.25 to 0.60%, Si: 0.10 to 0.80 %, Mn: 0.60 to 2.0%, P: 0.08 %: S: 0.10% or less, Al: 0.05% or less, Cr: 0.20 to 1.0% and N: 0.0030 to 0.0250%, and the following <1> To <3>, the balance is a non-tempered nitrided crankshaft comprising at least one element selected from the elements listed in the following, with the balance being Fe and impurities, and satisfying the following formula (1 '): Non-refining type characterized in that the HV hardness at a position of 0.05 mm from the surface is 380 to 600, and the compound layer depth of at least the pin fillet portion, journal fillet portion and pin portion is 5 μm or less Nitride crankshaft.
<1> Cu: 1.0% or less, Ni: 0.5% or less, Mo: 0.5% or less, and V: 0.3% or less <2> Ti: 0.050% or less <3> Ca: 0 .010% or less 40−C + 2Mn + 5.5Cr + 26Mo ≧ 44.4 (1 ′)
The element symbol in the above formula (1 ′) means the content of the element in mass%.

「非調質型窒化クランクシャフト」とは、焼入れ−焼戻しの調質処理を受けず、生地の組織がフェライトとパーライトの混合組織である窒化クランクシャフトを指す。   The “non-tempered nitrided crankshaft” refers to a nitrided crankshaft that is not subjected to a tempering treatment of quenching and tempering and whose fabric structure is a mixed structure of ferrite and pearlite.

残部としての「Feおよび不純物」における「不純物」とは、鉄鋼材料を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、または製造環境などから混入するものを指す。   The “impurities” in the remaining “Fe and impurities” refer to those mixed from ore as a raw material, scrap, or the manufacturing environment when the steel material is industrially produced.

化合物層深さは、クランクシャフトのピンフィレット部、ジャーナルフィレット部およびピン部において5μm以下であれば十分であり、少なければ少ないほど望ましい。また、表面から深さ0.05mm位置のHV硬さが380〜600を確保できていれば、化合物層はなくても構わない。   It is sufficient that the compound layer depth is 5 μm or less at the pin fillet portion, journal fillet portion and pin portion of the crankshaft. Moreover, as long as HV hardness of the depth 0.05mm position from the surface has ensured 380-600, it does not need to have a compound layer.

本発明の非調質型窒化クランクシャフトは、焼入れ−焼戻しによる調質処理を必要とせず、700MPa以上の曲げ疲労強度および十分な曲げ矯正性を有するとともに、化合物層の耐剥離性にも優れる。このため、本発明の非調質型窒化クランクシャフトは、自動車、産業機械、建設機械などのクランクシャフトとして用いることができ、クランクシャフトの軽量小型化という要求に応えることが可能である。   The non-tempered nitrided crankshaft of the present invention does not require a tempering treatment by quenching and tempering, has a bending fatigue strength of 700 MPa or more and sufficient bending straightening properties, and is excellent in the peel resistance of the compound layer. For this reason, the non-refined nitrided crankshaft of the present invention can be used as a crankshaft for automobiles, industrial machines, construction machines, etc., and can meet the demand for lighter and smaller crankshafts.

化合物層の深さ方向の中央位置におけるHV硬さと「40−C+2Mn+5.5Cr+26Mo」との関係を示す図である。なお、図では、「40−C+2Mn+5.5Cr+26Mo」を「fn1」として表記した。It is a figure which shows the relationship between the HV hardness in the center position of the depth direction of a compound layer, and " 40-C + 2Mn + 5.5Cr + 26Mo". In the figure , “ 40−C + 2Mn + 5.5Cr + 26Mo” is represented as fn1”. クランクシャフトの要部を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the principal part of a crankshaft. 実施例で用いた溝付き小野式回転曲げ疲労試験片の形状を示す図である。図における寸法の単位は「mm」である。It is a figure which shows the shape of the Ono type | formula rotation bending fatigue test piece with a groove | channel used in the Example. The unit of the dimension in the figure is “mm”. 実施例で用いた4点曲げ試験片の形状を示す図である。図における寸法の単位は「mm」である。It is a figure which shows the shape of the 4-point bending test piece used in the Example. The unit of the dimension in the figure is “mm”. 実施例で用いたスクラッチ試験片の形状を示す図である。図における寸法の単位は「mm」である。It is a figure which shows the shape of the scratch test piece used in the Example. The unit of the dimension in the figure is “mm”. 図5のスクラッチ試験片の表面を、70Nの荷重をかけたビッカース圧子で直径20mmの円状に1周スクラッチし、形成された溝を走査電子顕微鏡で観察して化合物層の剥離状況を調査した結果のうちで、化合物層に剥離が生じた場合の一例を模式的に示す図である。The surface of the scratch specimen in FIG. 5 was scratched once in a circle having a diameter of 20 mm with a Vickers indenter with a load of 70 N, and the formed groove was observed with a scanning electron microscope to investigate the peeling state of the compound layer. It is a figure which shows typically an example when peeling arises in a compound layer among results. 図5のスクラッチ試験片の表面を、70Nの荷重をかけたビッカース圧子で直径20mmの円状に1周スクラッチし、形成された溝を走査電子顕微鏡で観察して化合物層の剥離状況を調査した結果のうちで、化合物層に剥離が生じなかった場合の一例を模式的に示す図である。The surface of the scratch specimen in FIG. 5 was scratched once in a circle having a diameter of 20 mm with a Vickers indenter with a load of 70 N, and the formed groove was observed with a scanning electron microscope to investigate the peeling state of the compound layer. It is a figure which shows typically an example when peeling does not arise in a compound layer among results.

以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、以下の説明における各元素の含有量の「%」表示は「質量%」を意味する。   Hereinafter, each requirement of the present invention will be described in detail. In the following description, “%” of the content of each element means “mass%”.

<生地の鋼材の化学組成>
C:0.25〜0.60%
Cは、表層硬さを高めることによって曲げ疲労強度を高める効果を有する。この効果を得るためには、0.25%以上のCを含有する必要がある。しかしながら、Cの含有量が0.60%を超えると、表層硬さがあまりにも大きくなって曲げ矯正性が低下し、さらに、表面の化合物層の硬さが低くなって、化合物層の耐剥離性も低下する。したがって、Cの含有量を0.25〜0.60%とした。Cの含有量は0.27%以上、0.50%以下とすることが好ましい。
<Chemical composition of steel material of dough>
C: 0.25 to 0.60%
C has the effect of increasing the bending fatigue strength by increasing the surface layer hardness. In order to acquire this effect, it is necessary to contain 0.25% or more of C. However, if the C content exceeds 0.60%, the surface layer hardness becomes too large and the bend straightening property is lowered, and the hardness of the compound layer on the surface becomes low, and the compound layer is resistant to peeling. The nature is also reduced. Therefore, the content of C is set to 0.25 to 0.60%. The C content is preferably 0.27% or more and 0.50% or less.

Si:0.10〜1.0%
Siは、溶製時の脱酸用として必要な元素であり、また、曲げ疲労強度を高める効果を有する。このような効果を得るためには少なくとも0.10%の含有量とする必要がある。しかしながら、Siの含有量が1.0%を超えると、表層硬さがあまりにも高くなって、曲げ矯正性が低下する。したがって、Siの含有量を0.10〜1.0%とした。なお、Siの含有量は、0.15%以上、0.80%以下とすることが望ましい。
Si: 0.10 to 1.0%
Si is an element necessary for deoxidation at the time of melting, and has an effect of increasing bending fatigue strength. In order to obtain such an effect, the content must be at least 0.10%. However, if the Si content exceeds 1.0%, the surface hardness becomes too high, and the bending straightness decreases. Therefore, the content of Si is set to 0.10 to 1.0%. The Si content is preferably 0.15% or more and 0.80% or less.

Mn:0.60〜2.0%
Mnは、窒化した場合の表層硬さを高めることによって、曲げ疲労強度を高める効果を有する。Mnは、表面の化合物層の硬さを高め、化合物層の耐剥離性を高める作用も有する。このような効果を得るためには、少なくとも0.60%のMnを含有させる必要がある。一方、Mnの含有量が2.0%を超えると、表層硬さがあまりにも高くなって、曲げ矯正性が低下する。したがって、Mnの含有量を0.60〜2.0%とした。なお、Mnの含有量は、0.65%以上、1.8%以下とすることが望ましい。
Mn: 0.60 to 2.0%
Mn has the effect of increasing the bending fatigue strength by increasing the surface hardness when nitriding. Mn increases the hardness of the compound layer on the surface and also has an effect of increasing the peel resistance of the compound layer. In order to obtain such an effect, it is necessary to contain at least 0.60% of Mn. On the other hand, if the Mn content exceeds 2.0%, the surface hardness becomes too high, and the bending straightness is lowered. Therefore, the content of Mn is set to 0.60 to 2.0%. The Mn content is desirably 0.65% or more and 1.8% or less.

P:0.08%以下
Pは、不純物として含有される元素であり、曲げ疲労強度を低下させてしまう。特に、その含有量が0.08%を超えると、曲げ疲労強度の低下が著しくなる。したがって、Pの含有量を0.08%以下とした。なお、Pの含有量は、0.04%以下とすることが望ましい。
P: 0.08% or less P is an element contained as an impurity, and lowers the bending fatigue strength. In particular, when the content exceeds 0.08%, the bending fatigue strength is significantly reduced. Therefore, the content of P is set to 0.08% or less. Note that the P content is preferably 0.04% or less.

S:0.10%以下
Sは、不純物として含有される元素である。また、Sは、積極的に含有させると、被削性を高める作用を有する。その含有量が多くなりすぎ、0.10%を超えると、曲げ疲労強度および曲げ矯正性が低下する。したがって、Sの含有量を0.10%以下とした。なお、Sの含有量は、0.08%以下とすることが望ましい。被削性向上効果を得たい場合には、0.02%以上のSを積極的に含有させることが望ましい。
S: 0.10% or less S is an element contained as an impurity. Moreover, S has the effect | action which improves machinability, when it contains positively. When the content is too large and exceeds 0.10%, the bending fatigue strength and the bending straightness are lowered. Therefore, the content of S is set to 0.10% or less. The S content is preferably 0.08% or less. When it is desired to obtain a machinability improving effect, it is desirable to positively contain 0.02% or more of S.

Al:0.05%以下
Alは、不純物として含有される元素である。また、Alは、脱酸のため添加する場合のある元素である。その含有量が多くなりすぎ、0.05%を超えると、曲げ矯正性が低下する。したがって、Alの含有量を0.05%以下とした。なお、Alの含有量は、0.04%以下とすることが望ましい。脱酸効果を得たい場合には、0.02%以上のAlを積極的に含有させることが望ましい。
Al: 0.05% or less Al is an element contained as an impurity. Al is an element that may be added for deoxidation. If the content is too large and exceeds 0.05%, the bend straightening property decreases. Therefore, the Al content is set to 0.05% or less. The Al content is preferably 0.04% or less. In order to obtain a deoxidizing effect, it is desirable to positively contain 0.02% or more of Al.

Cr:0.20%〜1.0%
Crは、表層硬さを高めることによって、曲げ疲労強度を高める作用を有する。Crは、表面の化合物層の硬さを高め、化合物層の耐剥離性を高める作用も有する。このような効果を得るためには、0.20%以上のCrを含有させる必要がある。しかしながら、Crの含有量が1.0%を超えると、表層硬さがいたずらに高くなって、曲げ矯正性が低下する。このため、Crの含有量を0.20〜1.0%とした。なお、Crの含有量は、0.25%以上、0.9%以下とすることが望ましい。
Cr: 0.20% to 1.0%
Cr has the effect of increasing the bending fatigue strength by increasing the surface layer hardness. Cr also has the effect of increasing the hardness of the compound layer on the surface and increasing the peel resistance of the compound layer. In order to acquire such an effect, it is necessary to contain 0.20% or more of Cr. However, if the Cr content exceeds 1.0%, the surface layer hardness becomes unnecessarily high, and the bending straightness decreases. For this reason, the Cr content is set to 0.20 to 1.0%. The Cr content is preferably 0.25% or more and 0.9% or less.

N:0.0030%〜0.0250%
Nは、曲げ疲労強度および曲げ矯正性を向上させる元素である。このような効果を得るためには、0.0030%以上のNを含有させる必要がある。しかしながら、Nを0.0250%を超えて含有させてもその効果は飽和するばかりか、製造コストがいたずらに高くなる。したがってNの含有量を0.0030〜0.0250%とした。なお、Nの含有量は0.0040%以上、0.0220%以下とすることが望ましい。
N: 0.0030% to 0.0250%
N is an element that improves the bending fatigue strength and the bending straightness. In order to obtain such an effect, it is necessary to contain 0.0030% or more of N. However, even if N is contained in excess of 0.0250%, the effect is saturated and the manufacturing cost is unnecessarily high. Therefore, the content of N is set to 0.0030 to 0.0250%. The N content is preferably 0.0040% or more and 0.0220% or less.

本発明の非調質型窒化クランクシャフトは、生地の鋼材が、上述のCからNまでの元素を含有するとともに、前記〈1〉から〈3〉までに掲げた元素から選択される1種以上を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、かつ、前記の(1')式を満足するものである。 Microalloyed type nitride crankshaft bets invention, one in which the fabric of the steel, along with containing an element from the above C to N, is selected from the elements listed in up to <3> from the <1> It contains the above, the remainder consists of Fe and impurities, and satisfies the above formula (1 ′).

以下、〈1〉〜〈3〉のそれぞれに属する元素の作用効果と、含有量の限定理由について説明する。   Hereafter, the effect of the element which belongs to each of <1>-<3> and the reason for limitation of content are demonstrated.

〈1〉Cu:1.0%以下、Ni:0.5%以下、Mo:0.5%以下およびV:0.3%以下
〈1〉に属する元素であるCu、Ni、MoおよびVは、いずれも、曲げ疲労強度を高める作用を有する。したがって、上記の効果を得たい場合には、これらの元素を以下に述べる範囲で含有させてもよい。
<1> Cu: 1.0% or less, Ni: 0.5% or less, Mo: 0.5% or less and V: 0.3% or less Cu, Ni, Mo and V which are elements belonging to <1> are , Both have the effect of increasing the bending fatigue strength. Therefore, when it is desired to obtain the above effects, these elements may be contained within the range described below.

Cu:1.0%以下
Cuは、曲げ疲労強度を向上させる作用を有する。このため、必要に応じてCuを含有させてもよい。しかしながら、Cuの含有量が1.0%を超えると、熱間加工性の低下をきたす。したがって、含有させる場合のCuの量を1.0%以下とした。含有させる場合のCuの量は、0.4%以下とすることが望ましく、0.3%以下とすることが一層望ましい。一方、前記したCuの効果を安定して得るためには、含有させる場合のCuの量は、0.05%以上とすることが望ましい。
Cu: 1.0% or less Cu has an effect of improving bending fatigue strength. For this reason, you may contain Cu as needed. However, when the Cu content exceeds 1.0%, the hot workability is lowered. Therefore, the amount of Cu in the case of inclusion is set to 1.0% or less. When Cu is contained, the amount of Cu is preferably 0.4% or less, and more preferably 0.3% or less. On the other hand, in order to stably obtain the effects of Cu described above, the amount of Cu in the case of inclusion is preferably 0.05% or more.

Ni:0.5%以下
Niは、曲げ疲労強度を向上させる作用を有する。このため、必要に応じてNiを含有させてもよい。しかしながら、0.5%以上のNiを含有させても、上記の効果が飽和するので経済性を損なう。したがって、含有させる場合のNiの量を0.5%以下とした。含有させる場合のNiの量は、0.3%以下とすることが望ましく、0.2%以下とすることが一層望ましい。一方、前記したNiの効果を安定して得るためには、含有させる場合のNiの量は、0.05%以上とすることが望ましい。
Ni: 0.5% or less Ni has the effect of improving the bending fatigue strength. For this reason, you may contain Ni as needed. However, even if Ni of 0.5% or more is contained, the above effect is saturated, and thus economical efficiency is impaired. Therefore, the amount of Ni in the case of inclusion is set to 0.5% or less. When Ni is contained, the amount of Ni is preferably 0.3% or less, and more preferably 0.2% or less. On the other hand, in order to stably obtain the effect of Ni described above, the amount of Ni in the case of inclusion is preferably 0.05% or more.

Mo:0.5%以下
Moは、曲げ疲労強度を向上させる作用を有する。Moは、表面の化合物層の硬さを高め、化合物層の耐剥離性を高める作用も有する。このため、必要に応じてMoを含有させてもよい。しかしながら、0.5%以上のMoを含有させても、上記の効果が飽和するので経済性を損なう。したがって、含有させる場合のMoの量を0.5%以下とした。含有させる場合のMoの量は、0.4%以下とすることが望ましい。一方、前記したMoの効果を安定して得るためには、含有させる場合のMoの量は、0.05%以上とすることが望ましく、0.10%以上とすることがさらに望ましい。
Mo: 0.5% or less Mo has an effect of improving bending fatigue strength. Mo also has the effect | action which raises the hardness of the compound layer of a surface and improves the peeling resistance of a compound layer. For this reason, you may contain Mo as needed. However, even if 0.5% or more of Mo is contained, the above effect is saturated, and thus the economic efficiency is impaired. Therefore, the amount of Mo in the case of inclusion is set to 0.5% or less. When Mo is included, the amount of Mo is desirably 0.4% or less. On the other hand, in order to stably obtain the effect of Mo described above, the amount of Mo in the case of inclusion is desirably 0.05% or more, and more desirably 0.10% or more.

V:0.3%以下
Vは、曲げ疲労強度を向上させる作用を有する。このため、必要に応じてVを含有させてもよい。しかしながら、Vの含有量が0.3%を超えると、曲げ矯正性が低下する。したがって、含有させる場合のVの量を0.3%以下とした。含有させる場合のVの量は、0.25%以下とすることが望ましい。一方、前記したVの効果を安定して得るためには、含有させる場合のVの量は、0.05%以上とすることが望ましく、0.1%以上とすることが一層望ましい。
V: 0.3% or less V has an effect of improving bending fatigue strength. For this reason, you may contain V as needed. However, when the content of V exceeds 0.3%, the bending straightness deteriorates. Therefore, when V is included, the amount of V is set to 0.3% or less. When V is contained, the amount of V is preferably 0.25% or less. On the other hand, in order to stably obtain the effect of V described above, the amount of V when contained is preferably 0.05% or more, and more preferably 0.1% or more.

上記のCu、Ni、MoおよびVは、そのうちのいずれか1種のみ、または、2種以上の複合で含有させることができる。含有させる場合、上記元素の合計含有量は、Cuが1.0%、NiとMoがそれぞれ0.5%で、Vが0.3%の場合の2.3%であっても構わないが、0.8%以下とすることが望ましい。   Said Cu, Ni, Mo, and V can be contained only in any 1 type in them, or 2 or more types of composites. When it is included, the total content of the above elements may be 2.3% when Cu is 1.0%, Ni and Mo are 0.5% and V is 0.3%, respectively. , 0.8% or less is desirable.

〈2〉Ti:0.050%以下
Tiは、窒化物を形成し、結晶粒を微細化して、曲げ矯正性を向上させる作用を有する。このため、必要に応じてTiを含有させてもよい。しかしながら、Tiの含有量が0.050%を超えると、窒化物が粗大となり、曲げ疲労強度が低下する。したがって、含有させる場合のTiの量を0.050%以下とした。含有させる場合のTiの量は、0.035%以下とすることが望ましい。一方、前記したTiの効果を安定して得るためには、含有させる場合のTiの量は、0.005%以上とすることが望ましい。
<2> Ti: 0.050% or less Ti has the action of forming nitrides, refining crystal grains, and improving the bending straightness. For this reason, you may contain Ti as needed. However, if the Ti content exceeds 0.050%, the nitride becomes coarse and the bending fatigue strength decreases. Therefore, when Ti is included, the amount of Ti is set to 0.050% or less. When Ti is contained, the amount of Ti is preferably 0.035% or less. On the other hand, in order to stably obtain the effect of Ti described above, the amount of Ti in the case of inclusion is preferably 0.005% or more.

〈3〉Ca:0.010%以下
Caは、被削性を向上させる効果を有する。このため、必要に応じてCaを含有させてもよい。しかしながら、Caの含有量が0.010%を超えると、粗大介在物が生じることが避けられないので、曲げ疲労強度が低下する。したがって、含有させる場合のCaの量を0.010%以下とした。含有させる場合のCaの量は、0.005%以下とすることが望ましい。一方、前記したCaの効果を安定して得るためには、含有させる場合のCaの量は、0.0003%以上とすることが望ましく、0.0005%以上とすることが一層望ましい。
<3> Ca: 0.010% or less Ca has an effect of improving machinability. For this reason, you may contain Ca as needed. However, if the Ca content exceeds 0.010%, the formation of coarse inclusions cannot be avoided, so the bending fatigue strength decreases. Therefore, the Ca content in the case of inclusion is set to 0.010% or less. When Ca is contained, the amount of Ca is preferably 0.005% or less. On the other hand, in order to stably obtain the effect of Ca described above, the amount of Ca when contained is preferably 0.0003% or more, and more preferably 0.0005% or more.

40−C+2Mn+5.5Cr+26Mo〕:43.0以上
本発明の非調質型窒化クランクシャフトは、〔40−C+2Mn+5.5Cr+26Mo〕が43.0以上、つまり、
40−C+2Mn+5.5Cr+26Mo≧43.0・・・(1')
で表される(1')式を満たす必要がある。上記の各式におけるC、Mn、CrおよびMoは、その元素の質量%での含有量を意味する。
[ 40-C + 2Mn + 5.5Cr + 26Mo]: 43.0 or more In the non-tempered nitrided crankshaft of the present invention , [ 40-C + 2Mn + 5.5Cr + 26Mo] is 43.0 or more,
40−C + 2Mn + 5.5Cr + 26Mo ≧ 43.0 (1 ′)
In represented by (1 ') is fully plus requires expression. C, Mn, Cr and Mo in the above formulas mean the content of the element in mass%.

窒化処理した場合、化合物層の硬さが高いほど化合物層の耐剥離性が高くなる。   When nitriding is performed, the higher the hardness of the compound layer, the higher the peel resistance of the compound layer.

CからCaまでの各元素が前述した範囲内にある生地の鋼材を窒化処理した場合、(1')式の左辺を「fn1」と表記すれば、図1に示すように、化合物層のHV硬さはfn1と正の相関関係を有する。なお、図1は、化合物層の深さ方向の中央位置におけるHV硬さとfn1との関係を示す図である。 When nitriding a base steel material in which each element from C to Ca is in the above-described range, if the left side of the formula ( 1 ′) is expressed as “ fn1”, as shown in FIG. Hardness has a positive correlation with fn1. In addition, FIG. 1 is a figure which shows the relationship between HV hardness and fn1 in the center position of the depth direction of a compound layer.

40−C+2Mn+5.5Cr+26Mo〕が43.0を下回る場合には、後述の化合物層深さを満たす場合であっても、化合物層の耐剥離性が低下する。したがって、〔40−C+2Mn+5.5Cr+26Mo〕が43.0以上を満たす必要がある。〔40−C+2Mn+5.5Cr+26Mo〕は43.2以上であることが好ましい。一方、〔40−C+2Mn+5.5Cr+26Mo〕の上限は、Cの下限値、Mn、CrおよびMoのそれぞれの上限値から求められる値である。 When [ 40-C + 2Mn + 5.5Cr + 26Mo] is less than 43.0, the peel resistance of the compound layer is lowered even when the compound layer depth described below is satisfied. Therefore , [ 40-C + 2Mn + 5.5Cr + 26Mo] needs to satisfy 43.0 or more . [ 40-C + 2Mn + 5.5Cr + 26Mo] is preferably 43.2 or more. On the other hand , the upper limit of [ 40-C + 2Mn + 5.5Cr + 26Mo] is a value obtained from the lower limit value of C and the upper limit values of Mn, Cr and Mo.

<表層硬さ>
生地の鋼材が前述の元素からなる非調質型窒化クランクシャフトは、表層硬さ(つまり、表面から深さ0.05mm位置の硬さ)がHV硬さで380〜600でなければならない。
表層硬さがHV硬さで380以上であれば、700MPa以上の高い曲げ疲労強度を得ることができる。しかしながら、表層硬さがHV硬さで600を超える場合には、実用上十分な曲げ矯正性を得ることができない。表層硬さはHV硬さで400以上であることが望ましく、550以下であることが望ましい。
<Surface hardness>
The non-tempered nitrided crankshaft in which the steel material is made of the aforementioned elements must have a surface hardness (that is, a hardness at a depth of 0.05 mm from the surface) of HV hardness of 380 to 600.
If the surface hardness is 380 or more in terms of HV hardness, a high bending fatigue strength of 700 MPa or more can be obtained. However, when the surface layer hardness exceeds 600 in terms of HV hardness, practically sufficient bending straightness cannot be obtained. The surface hardness is preferably 400 or more in terms of HV hardness, and more preferably 550 or less.

<化合物層深さ>
生地の鋼材が前述の元素からなる非調質型窒化クランクシャフトは、さらに、少なくとも応力集中部および摺動面の化合物層深さが5μm以下でなければならない。
<Depth of compound layer>
The non-tempered nitrided crankshaft in which the steel material is made of the above-described elements should further have a compound layer depth of at least 5 μm or less at the stress concentration portion and the sliding surface.

応力集中部とは、クランクシャフトのピンフィレット部およびジャーナルフィレット部であり、応力集中部の化合物層深さを5μm以下とすることにより、曲げ疲労強度を低下させることなく、曲げ矯正性を向上させることができる。ピンフィレット部およびジャーナルフィレット部とは、図2に例示したクランクシャフトの要部の模式図のそれぞれ、1および2の部分をいう。   The stress concentration portion is a pin fillet portion and a journal fillet portion of the crankshaft, and by making the compound layer depth of the stress concentration portion 5 μm or less, the bending straightness is improved without reducing the bending fatigue strength. be able to. The pin fillet portion and the journal fillet portion refer to portions 1 and 2, respectively, in the schematic diagram of the main part of the crankshaft illustrated in FIG.

摺動面とは、すべり軸受および潤滑油を介してコネクティングロッドと摺動するクランクシャフトのピン部であり、摺動面についても、化合物層深さが5μm以下であれば、700MPa以上という高い曲げ疲労荷重がかかる状況においても、化合物層が剥離しない。このため、上記のような過酷な環境下でも耐摩耗性が低下することがない。ピン部とは、図2に例示したクランクシャフトの模式図の3の部分をいう。   A sliding surface is a pin portion of a crankshaft that slides with a connecting rod via a sliding bearing and lubricating oil. If the compound layer depth is 5 μm or less, the sliding surface also has a high bending of 700 MPa or more. Even in a situation where fatigue load is applied, the compound layer does not peel off. For this reason, the wear resistance does not deteriorate even under the severe environment as described above. A pin part means the part 3 of the schematic diagram of the crankshaft illustrated in FIG.

クランクシャフトのピンフィレット部、ジャーナルフィレット部およびピン部の化合物層深さは、好ましくは4μm以下であり、少なければ少ないほど望ましい。また、表面から深さ0.05mm位置のHV硬さが380〜600を確保できていれば、化合物層はなくても構わない。   The compound layer depth of the pin fillet portion, journal fillet portion and pin portion of the crankshaft is preferably 4 μm or less, and it is desirable that the compound layer depth is as small as possible. Moreover, as long as HV hardness of the depth 0.05mm position from the surface has ensured 380-600, it does not need to have a compound layer.

所望の表層硬さと化合物層深さは、例えば、次の(i)〜(iv)の処理によって得ることができる。   The desired surface hardness and compound layer depth can be obtained, for example, by the following treatments (i) to (iv).

(i)本発明で規定する化学組成を満たす鋼を熱間鍛造して、または、熱間鍛造後、さらに焼きならし処理を行って、フェライト・パーライト組織を有する鋼材を作製する。   (I) A steel material having a ferrite / pearlite structure is produced by hot forging a steel satisfying the chemical composition defined in the present invention, or after hot forging and further performing a normalizing treatment.

(ii)次いで、上記のフェライト・パーライト組織を有する鋼材を所定形状のクランクシャフトに機械加工する。   (Ii) Next, the steel material having the ferrite-pearlite structure is machined into a crankshaft having a predetermined shape.

(iii)上記の機械加工して得たクランクシャフトを、RXガスとアンモニアガスを1:1に混合した、温度が600℃の雰囲気中で2時間保持して軟窒化処理し、その後90℃の油中に冷却する。   (Iii) The crankshaft obtained by the above machining was subjected to soft nitriding by mixing RX gas and ammonia gas in a 1: 1 ratio and maintaining the temperature in an atmosphere of 600 ° C. for 2 hours, and then at 90 ° C. Cool in oil.

(iv)その後、ピンフィレット部、ジャーナルフィレット部およびピン部をラッピングなどの機械加工によって研磨する。   (Iv) Thereafter, the pin fillet portion, journal fillet portion and pin portion are polished by machining such as lapping.

なお、上記の「RXガス」は変成ガスの一種で、ガスの商標名である。   The above “RX gas” is a kind of metamorphic gas and is a trade name of gas.

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

表1に示す化学組成の鋼A〜Mを、真空溶解炉にて150kg溶製した後、熱間鍛造して直径90mmの棒鋼に加工した。熱間鍛造後は、大気中で放冷して室温まで冷却した。   Steels A to M having the chemical compositions shown in Table 1 were melted in a vacuum melting furnace, and then hot forged and processed into a steel bar having a diameter of 90 mm. After hot forging, it was allowed to cool in the atmosphere and cooled to room temperature.

表1における鋼B〜FおよびHは、化学組成が本発明で規定する範囲内にある鋼である。一方、鋼I〜Mは、化学組成が本発明で規定する条件から外れた鋼である。また、鋼AおよびGは、参考例の鋼である。 Steels B to F and H in Table 1 are steels whose chemical compositions are within the range defined by the present invention. On the other hand, steels I to M are steels whose chemical compositions deviate from the conditions defined in the present invention. Steels A and G are reference steels.

なお、表1には、(1')式の左辺である「40−C+2Mn+5.5Cr+26Mo」を「fn1」として併記した。以下、(1')式の左辺を「fn1」という。 In Table 1, “40−C + 2Mn + 5.5Cr + 26Mo” which is the left side of the formula ( 1 ′) is also shown as “fn1”. Hereinafter , the left side of the expression ( 1 ′) is referred to as “ fn1”.

Figure 2014129607
Figure 2014129607

このようにして得た各鋼の直径90mmの棒鋼を、1200℃に加熱し、1050〜1000℃の仕上温度で熱間鍛造して、直径50mmの棒鋼を作製した。熱間鍛造後は、大気中で放冷して室温まで冷却した。   The steel bar having a diameter of 90 mm of each steel thus obtained was heated to 1200 ° C. and hot forged at a finishing temperature of 1050 to 1000 ° C. to produce a steel bar having a diameter of 50 mm. After hot forging, it was allowed to cool in the atmosphere and cooled to room temperature.

鋼Gおよび鋼Hについては、上記の直径50mmの棒鋼をさらに、900℃に加熱して1時間保持した後、大気中で放冷して室温まで冷却した。   Regarding Steel G and Steel H, the above-mentioned steel bar having a diameter of 50 mm was further heated to 900 ° C. and held for 1 hour, and then allowed to cool in the atmosphere to cool to room temperature.

鋼A〜Fおよび鋼I〜Mの熱間鍛造した直径50mmの棒鋼ならびに、鋼Gおよび鋼Hの900℃で熱処理した直径50mmの棒鋼のR/2部(「R」は棒鋼の半径を表す。)から鍛錬軸に平行に、図3に示す形状の溝付き小野式回転曲げ疲労試験片、図4に示す形状の4点曲げ試験片および図5に示す形状のスクラッチ試験片を切り出した。図3の試験片においては3Rの溝底が応力集中部となる。同様に、図4の試験片においては3Rのノッチ底が応力集中部となる。なお、図3〜5に示した前述の各試験片における寸法の単位は全て「mm」である。   Hot-forged 50 mm diameter steel bars of steels A to F and steels I to M, and R / 2 part of steel steels G and H having a diameter of 50 mm heat treated at 900 ° C. (“R” represents the radius of the steel bar) 3), a grooved Ono type rotary bending fatigue test piece having the shape shown in FIG. 3, a four-point bending test piece having the shape shown in FIG. 4, and a scratch test piece having the shape shown in FIG. 5 were cut out in parallel with the forging axis. In the test piece of FIG. 3, the 3R groove bottom is the stress concentration part. Similarly, in the test piece of FIG. 4, the 3R notch bottom is a stress concentration portion. In addition, the unit of the dimension in each above-mentioned test piece shown in FIGS. 3-5 is "mm".

上記のようにして得た3種類の試験片を、RXガスとアンモニアガスを1:1に混合した、温度が600℃の雰囲気中で2時間保持して軟窒化処理し、その後90℃の油中に冷却した。なお、既に述べたように、上記の「RXガス」は変成ガスの1種で、ガスの商標名である。   The three types of test pieces obtained as described above were subjected to soft nitriding by mixing RX gas and ammonia gas in a ratio of 1: 1 and holding in an atmosphere at a temperature of 600 ° C. for 2 hours, and then an oil at 90 ° C. Cooled in. As described above, the above “RX gas” is a kind of metamorphic gas and is a trade name of gas.

上記の軟窒化処理と油冷の後(以下、単に「軟窒化後」という。)、スクラッチ試験片を用いて、化合物層の硬さを調査した。   After the above soft nitriding treatment and oil cooling (hereinafter simply referred to as “after soft nitriding”), the hardness of the compound layer was examined using a scratch test piece.

具体的には、スクラッチ試験片の縦断面が被検面になるようにして樹脂に埋め込み、鏡面研磨した後、SHIMADZU社製ダイナミック超微小硬度計を用いて、化合物層の深さ方向の中央位置のダイナミック硬度を測定した。測定は15点実施し、それらの算術平均値を、標準硬さ試料によって作成した検量線を用いてビッカース硬さに換算し、これを化合物層の硬さとした。   Specifically, after embedding in a resin so that the longitudinal section of the scratch specimen becomes the test surface and mirror polishing, using a dynamic ultra-micro hardness meter manufactured by SHIMADZU, the center of the compound layer in the depth direction The dynamic hardness of the position was measured. Measurement was carried out at 15 points, and the arithmetic average value thereof was converted to Vickers hardness using a calibration curve prepared with a standard hardness sample, and this was regarded as the hardness of the compound layer.

表2に、上記のようにして求めた化合物層の硬さを示す。   Table 2 shows the hardness of the compound layer determined as described above.

Figure 2014129607
Figure 2014129607

溝付き小野式回転曲げ疲労試験片の溝底、4点曲げ試験片のノッチ底およびスクラッチ試験片のスクラッチ面について、化合物層を5μm以下にするために、電解研磨法を用いた。電解研磨法は研磨面表面積によって研磨時間が異なるため、所望の研磨量を得るためには各試験片の研磨面積に適した研磨時間で実施する必要がある。そこで、下記の条件で各試験片ごとに研磨時間を変えながら電解研磨を実施し、化合物層深さが5μm以下となるのに十分な電解研磨時間をあらかじめ求めた。   Electrolytic polishing was used to make the compound layer 5 μm or less of the groove bottom of the grooved Ono-type rotating bending fatigue test piece, the notch bottom of the 4-point bending test piece, and the scratch surface of the scratch test piece. Since the electrolytic polishing method differs in polishing time depending on the surface area of the polishing surface, it is necessary to carry out the polishing time suitable for the polishing area of each test piece in order to obtain a desired polishing amount. Therefore, electropolishing was performed while changing the polishing time for each test piece under the following conditions, and an electropolishing time sufficient for the compound layer depth to be 5 μm or less was obtained in advance.

・電解液:過塩素酸(HClO):酢酸(CHCOOH)=1:9、
・電流値:0.14A、
・研磨面積:小野式回転曲げ疲労試験片の場合:160mm
4点曲げ試験片の場合:96mm
スクラッチ試験片の場合:552mm
Electrolyte: perchloric acid (HClO 4 ): acetic acid (CH 3 COOH) = 1: 9
・ Current value: 0.14A,
-Polishing area: Ono type rotating bending fatigue test piece: 160 mm 2
For 4-point bend specimen: 96 mm 2
For scratch specimens: 552 mm 2 .

その結果、小野式回転曲げ疲労試験片の場合には970秒、4点曲げ試験片の場合には590秒、スクラッチ試験片の場合には、3350秒の研磨時間で電解研磨を行えば、全ての鋼について化合物層深さが5μm以下となるのに十分であることが判った。   As a result, in the case of Ono type rotating bending fatigue test piece, 970 seconds, in the case of 4-point bending test piece, 590 seconds, in the case of scratch test piece, if electrolytic polishing is performed with a polishing time of 3350 seconds, This steel was found to be sufficient for the compound layer depth to be 5 μm or less.

そこで、軟窒化後の各鋼の溝付き小野式回転曲げ疲労試験片の溝底、4点曲げ試験片のノッチ底およびスクラッチ試験片のスクラッチ面について、上記条件によって、上記の研磨時間で電解研磨を実施し、
・小野式回転曲げ疲労試験による曲げ疲労強度の調査、
・4点曲げ試験による曲げ矯正性の調査、
・スクラッチ試験による化合物層の耐剥離性の調査、
を実施した。
Therefore, the electrolytic polishing of the grooved Ono type rotary bending fatigue test piece of each steel after soft nitriding was performed for the above polishing time according to the above conditions for the notch bottom of the 4-point bending test piece and the scratch surface of the scratch test piece. Carried out
・ Investigation of bending fatigue strength by Ono type rotating bending fatigue test,
・ Investigation of bending straightness by 4-point bending test,
・ Investigation of peel resistance of compound layer by scratch test,
Carried out.

また、溝付き小野式回転曲げ疲労試験片、4点曲げ試験片およびスクラッチ試験片を用いて、表層硬さ(つまり、試験片の表面から深さ0.05mm位置の硬さ)と化合物層深さを調査した。   Further, using a grooved Ono-type rotating bending fatigue test piece, a 4-point bending test piece, and a scratch test piece, the surface layer hardness (that is, the hardness at a depth of 0.05 mm from the surface of the test piece) and the compound layer depth Investigate.

鋼Aおよび鋼Bについては、軟窒化後の電解研磨を行わないものについても上記の各調査を実施した。   Regarding the steel A and the steel B, each of the above-mentioned investigations was carried out for those not subjected to electrolytic polishing after soft nitriding.

以下、上記各調査の内容について説明する。   The contents of each survey will be described below.

〈1〉曲げ疲労強度の調査:
溝付き小野式回転曲げ疲労試験を、室温、大気中、回転数3000rpmの両振りの条件で行い、曲げ疲労強度(以下、「σw」という。)を調査した。σwの目標は、700MPa以上であることとした。
<1> Investigation of bending fatigue strength:
A grooved Ono-type rotating bending fatigue test was conducted under the conditions of swinging at 3000 rpm at room temperature and in the air, and the bending fatigue strength (hereinafter referred to as “σw”) was investigated. The target of σw was 700 MPa or more.

〈2〉曲げ矯正性の調査:
4点曲げ試験片のノッチ底に2mmの歪ゲージを接着し、ゲージが断線するまで曲げ矯正歪を付与した。ゲージが断線した時点でのゲージの読みを曲げ矯正性として評価した。曲げ矯正性の目標は、ゲージの読みが10000μ(曲げ矯正歪1.0%に相当)以上であることとした。
<2> Investigation of bending straightness:
A 2 mm strain gauge was bonded to the notch bottom of the 4-point bending test piece, and bending correction strain was applied until the gauge was disconnected. The reading of the gauge at the time when the gauge was disconnected was evaluated as the bending straightness. The target of the bending straightness was that the gauge reading was 10000 μ (corresponding to a bending straightening strain of 1.0%) or more.

〈3〉化合物層の耐剥離性の調査
スクラッチ試験片の表面を、70Nの荷重をかけたビッカース圧子で直径20mmの円状に1周スクラッチし、得られた溝を走査電子顕微鏡にて詳細に観察した。
<3> Investigation of peel resistance of compound layer The surface of the scratch specimen was scratched once in a circle with a diameter of 20 mm with a Vickers indenter with a load of 70 N, and the obtained groove was examined in detail with a scanning electron microscope. Observed.

図6に化合物層に剥離が生じた場合の一例を、図7に化合物層に剥離が生じなかった場合の一例を、それぞれ模式的に示す。   FIG. 6 schematically shows an example of the case where peeling occurs in the compound layer, and FIG. 7 schematically shows an example where no peeling occurs in the compound layer.

図6に示すように、化合物層の剥離はスクラッチ溝の縁から発生しており、最大幅が50μmを超える化合物層剥離の存在の有無によって化合物層の耐剥離性を評価した。化合物層の耐剥離性の目標は、最大幅が50μmを超える化合物層剥離が生じないこととした。   As shown in FIG. 6, the peeling of the compound layer occurred from the edge of the scratch groove, and the peeling resistance of the compound layer was evaluated based on the presence or absence of the peeling of the compound layer having a maximum width exceeding 50 μm. The target of the peel resistance of the compound layer was that no peeling of the compound layer with a maximum width exceeding 50 μm occurred.

〈4〉表層硬さ:
溝付き小野式回転曲げ疲労試験片の溝底縦断部位、4点曲げ試験片のノッチ底縦断部位およびスクラッチ試験片の縦断面が被検面になるようにして樹脂に埋め込んだ後、前記の面が鏡面仕上げになるように研磨し、ビッカース硬さ計を使用して表層硬さを調査した。
<4> Surface hardness:
After embedding in the resin so that the groove bottom longitudinal section of the grooved Ono-type rotating bending fatigue test specimen, the notch bottom longitudinal section of the four-point bending specimen and the longitudinal section of the scratch specimen are the test surface, the above surface Was polished to a mirror finish, and the surface hardness was examined using a Vickers hardness tester.

具体的には、JIS Z 2244に記載の「ビッカース硬さ試験−試験方法」に準拠して、溝付き小野式回転曲げ疲労試験片の溝底部表面および4点曲げ試験片のノッチ底部の表面から、それぞれ深さ0.05mmの位置における任意の6点でのHV硬さを、試験力を2.94Nとしてビッカース硬さ計で測定し、その値を算術平均して表層硬さとした。   Specifically, in accordance with “Vickers hardness test-test method” described in JIS Z 2244, from the groove bottom surface of the grooved Ono type rotary bending fatigue test piece and the surface of the notch bottom of the four-point bending test piece. The HV hardness at arbitrary 6 points at a position of 0.05 mm in depth was measured with a Vickers hardness tester with a test force of 2.94 N, and the value was arithmetically averaged to obtain the surface hardness.

〈5〉化合物層深さ:
前記〈4〉で用いた樹脂埋めした試験片を再度鏡面研磨した試料を、ナイタールで腐食した。次いで、溝付き小野式回転曲げ疲労試験片は溝底部、4点曲げ試験片はノッチ底部、スクラッチ試験片は任意の表面部を、400倍の倍率で5視野光学顕微鏡を用いて撮影した。各視野で撮影した白く観察された部分を「化合物層」として、それぞれの深さを測定し、その値を算術平均して化合物層深さとした。
<5> Compound layer depth:
A sample obtained by mirror polishing the resin-filled test piece used in <4> above was corroded with nital. Next, the grooved Ono-type rotating bending fatigue test piece was photographed using a five-field optical microscope at a magnification of 400 times at the groove bottom, the four-point bending test piece at the notch bottom, and the scratch test piece at an arbitrary surface part. The portion observed white in each field of view was defined as a “compound layer”, the depth of each was measured, and the value was arithmetically averaged to obtain the compound layer depth.

表3に、上記の各調査結果をまとめて示す。表3の「化合物層の耐剥離性」欄における「○」および「×」は、それぞれ、最大幅が50μmを超える化合物層剥離が生じなかったこと、および生じたことを示す。   Table 3 summarizes the results of the above investigations. “◯” and “x” in the “Release Resistance of Compound Layer” column of Table 3 indicate that the compound layer with a maximum width exceeding 50 μm did not peel and that it occurred.

Figure 2014129607
Figure 2014129607

表3から、生地の鋼材が本発明で規定する化学組成条件を満たし、かつ、表層硬さ、化合物層深さが本発明で規定する条件を満たす試験番号2〜6および8の場合、目標とする曲げ疲労強度、曲げ矯正性および化合物層の耐剥離性を有することが明らかである。 From Table 3, in the case of test numbers 2 to 6 and 8 in which the steel material of the fabric satisfies the chemical composition conditions specified in the present invention and the surface hardness and the compound layer depth satisfy the conditions specified in the present invention, It is clear that it has bending fatigue strength, bending straightening property and peeling resistance of the compound layer.

これに対して、試験番号9および試験番号10の場合、生地の鋼材は本発明で規定する化学組成条件を満足するが、化合物層深さが本発明で規定する条件を満たさないため、化合物層の耐剥離性、あるいは曲げ矯正性と化合物層の耐剥離性が目標に達していない。   On the other hand, in the case of Test No. 9 and Test No. 10, the steel material of the dough satisfies the chemical composition conditions specified in the present invention, but the compound layer depth does not satisfy the conditions specified in the present invention. The peel resistance, or the bending straightness and the peel resistance of the compound layer have not reached the target.

試験番号11〜15の場合は、鋼I〜Mの化学組成が本発明で規定する条件から外れているので、曲げ疲労強度、曲げ矯正性あるいは化合物層の耐剥離性のいずれかに劣っている。   In the case of test numbers 11 to 15, since the chemical compositions of the steels I to M deviate from the conditions specified in the present invention, they are inferior in any of bending fatigue strength, bending straightening property, or compound layer peeling resistance. .

すなわち、試験番号11の場合は、生地の鋼材である鋼IのCr含有量が本発明で規定する範囲を下回り、このため表層硬さも規定の硬さを下回り、曲げ疲労強度に劣っている。さらに、鋼Iのfn1が本発明で規定する範囲を下回り、このため化合物層の硬さが低く、化合物層の耐剥離性にも劣っている。   That is, in the case of test number 11, the Cr content of steel I, which is the steel material of the fabric, is below the range defined by the present invention, and therefore the surface hardness is also below the specified hardness, and the bending fatigue strength is inferior. Furthermore, the fn1 of the steel I is below the range defined in the present invention, and therefore the hardness of the compound layer is low and the peel resistance of the compound layer is inferior.

試験番号12の場合は、生地の鋼材である鋼JのC含有量が本発明で規定する範囲を下回り、このため表層硬さも規定の硬さを下回り、曲げ疲労強度に劣っている。   In the case of test number 12, the C content of steel J, which is a steel material, is less than the range defined in the present invention. For this reason, the surface layer hardness is also lower than the specified hardness, and the bending fatigue strength is inferior.

試験番号13の場合は、生地の鋼材である鋼KのMn含有量が本発明で規定する範囲を下回り、このため表層硬さが規定の硬さを下回り、曲げ疲労強度に劣っている。さらに、鋼Kのfn1が本発明で規定する範囲を下回り、このため化合物層の硬さが低く、化合物層の耐剥離性にも劣っている。   In the case of test number 13, the Mn content of steel K, which is the steel material of the fabric, is below the range specified in the present invention, and therefore the surface hardness is below the specified hardness and the bending fatigue strength is inferior. Further, the fn1 of the steel K is below the range specified in the present invention, so that the hardness of the compound layer is low and the peel resistance of the compound layer is inferior.

試験番号14の場合は、生地の鋼材である鋼LのCr含有量が本発明で規定する範囲を上回り、このため表層硬さも規定の硬さを超え、曲げ矯正性に劣っている。   In the case of test number 14, the Cr content of steel L, which is the steel material of the fabric, exceeds the range specified in the present invention, and thus the surface hardness exceeds the specified hardness and is inferior in bending straightness.

試験番号15の場合は、生地の鋼材である鋼Mのfn1が本発明で規定する範囲を下回り、このため化合物層の硬さが低く、化合物層の耐剥離性が劣っている。   In the case of test number 15, the fn1 of steel M, which is a steel material of the fabric, is below the range defined in the present invention, and therefore the hardness of the compound layer is low and the peel resistance of the compound layer is inferior.

本発明の非調質型窒化クランクシャフトは、焼入れ−焼戻しによる調質処理を必要とせず、700MPa以上の曲げ疲労強度および十分な曲げ矯正性を有するとともに、化合物層の耐剥離性にも優れる。このため、本発明の非調質型窒化クランクシャフトは、自動車、産業機械、建設機械などのクランクシャフトとして用いることができ、クランクシャフトの軽量小型化という要求に応えることが可能である。   The non-tempered nitrided crankshaft of the present invention does not require a tempering treatment by quenching and tempering, has a bending fatigue strength of 700 MPa or more and sufficient bending straightening properties, and is excellent in the peel resistance of the compound layer. For this reason, the non-refined nitrided crankshaft of the present invention can be used as a crankshaft for automobiles, industrial machines, construction machines, etc., and can meet the demand for lighter and smaller crankshafts.

1:ピンフィレット部
2:ジャーナルフィレット部
3:ピン

1: Pin fillet part 2: Journal fillet part 3: Pin

Claims (1)

生地の鋼材が、質量%で、C:0.25〜0.60%、Si:0.10〜0.80%、Mn:0.60〜2.0%、P:0.08%以下、S:0.10%以下、Al:0.05%以下、Cr:0.20〜1.0%およびN:0.0030〜0.0250%を含有するとともに、下記の〈1〉から〈3〉までに掲げる元素から選択される1種以上を含有し、残部はFeおよび不純物からなり、かつ、下記の(1')式を満たす非調質型窒化クランクシャフトであって、表面から深さ0.05mm位置のHV硬さが380〜600であり、かつ、少なくともピンフィレット部、ジャーナルフィレット部およびピン部の化合物層深さが5μm以下であることを特徴とする非調質型窒化クランクシャフト。
〈1〉Cu:1.0%以下、Ni:0.5%以下、Mo:0.5%以下およびV:0.3%以下
〈2〉Ti:0.050%以下
〈3〉Ca:0.010%以下
40−C+2Mn+5.5Cr+26Mo≧44.4・・・(1')
上記の(1')式中の元素記号は、その元素の質量%での含有量を意味する。

Steel material of dough is mass%, C: 0.25 to 0.60%, Si: 0.10 to 0.80 %, Mn: 0.60 to 2.0%, P: 0.08% or less, S: 0.10% or less, Al: 0.05% or less, Cr: 0.20 to 1.0% and N: 0.0030 to 0.0250%, and the following <1> to <3 The non-tempered nitrided crankshaft containing one or more elements selected from the elements listed up to <1>, the balance being Fe and impurities, and satisfying the following formula (1 '), having a depth from the surface Non-refined nitriding crankshaft having HV hardness of 380 to 600 at 0.05 mm and compound layer depth of at least pin fillet portion, journal fillet portion and pin portion being 5 μm or less .
<1> Cu: 1.0% or less, Ni: 0.5% or less, Mo: 0.5% or less, and V: 0.3% or less <2> Ti: 0.050% or less <3> Ca: 0 .010% or less 40−C + 2Mn + 5.5Cr + 26Mo ≧ 44.4 (1 ′)
The element symbol in the above formula (1 ′) means the content of the element in mass%.

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