JP2017122500A

JP2017122500A - 大型クランク軸

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Publication number: JP2017122500A
Application number: JP2016003012A
Authority: JP
Inventors: 宏行高岡; Hiroyuki Takaoka; 真理子山田; Mariko Yamada
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2016-01-08
Filing date: 2016-01-08
Publication date: 2017-07-13
Also published as: WO2017119224A1; EP3401412A1; CN108291269A; KR20180099865A; EP3401412A4; US20190010589A1

Abstract

【課題】本発明は疲労強度が比較的大きい大型クランク軸を提供することを課題とする。【解決手段】本発明の大型クランク軸は、ピンフィレット部を有する大型クランク軸であって、上記ピンフィレット部の表面から深さ５００μｍまでの表層領域の平均初期圧縮応力が５００ＭＰａ以上であり、上記ピンフィレット部の表面の平均ビッカース硬さが６００以上であり、上記ピンフィレット部の表面の算術平均粗さＲａが１．０μｍ以下であり、金属組織の旧オーステナイト平均粒径が１００μｍ以下であることを特徴とする。Ｃ：０．２質量％以上０．４質量％以下、Ｓｉ：０質量％以上１．０質量％以下、Ｍｎ：０．２質量％以上２．０質量％以下、Ａｌ：０．００５質量％以上０．１質量％以下、及びＮ：０．００１質量％以上０．０２質量％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である組成を有するとよい。【選択図】図１

Description

本発明は、大型クランク軸に関する。

一般的な内燃機関は、燃焼により生じる熱エネルギーをクランク軸の回転エネルギーに変換する。例えば船舶、発電機等に用いられる内燃機関であるディーゼル機関等は、大きな出力を得るために大型のクランク軸を備える。このような大型クランク軸は、通常、鍛鋼から形成され、一体型のものや組立型のものがある。

このような大型のディーゼル機関には出力向上及び小型化が求められているため、大型クランク軸にはその大きさに比して比較的大きな負荷がかかる設計とされる。具体的には、大型クランク軸には、９００ＭＰａ以上、好ましくは１０００ＭＰａ以上の大きい引張強度が要求される。

このように引張強度の大きい大型クランク軸の一例である船舶用ディーゼルエンジン用大型クランク軸を形成するための大型鍛鋼品用鋼としては、ＮｉＣｒＭｏ系の高強度鋼が実用化されている（例えば、特開２０１０−２４８５４０号公報及び特開２００５−３４４１４９号公報参照）。

また、大型クランク軸のように繰り返し負荷を受ける部材は、疲労強度（疲労試験時の破断応力）が大きいことも要求される。疲労強度は通常、材料の引張強度に比例して増大するが、一般に、引張強度がある程度大きくなると材料内に不可避的に存在する介在物等の欠陥感受性が大きくなる。このため、上記各公報に記載の鋼材のように、引張強度が比較的大きい鋼材では、疲労限度比（疲労強度／引張強度）が小さくなるため、疲労強度が制限される。つまり、従来の大型クランク軸では、疲労強度を大きくできないことにより、内燃機関の小型化や大出力化が制限されるという不都合がある。

特開２０１０−２４８５４０号公報特開２００５−３４４１４９号公報

上記不都合に鑑みて、本発明は、疲労強度が比較的大きい大型クランク軸を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた発明は、ピンフィレット部を有する大型クランク軸であって、上記ピンフィレット部の表面から深さ５００μｍまでの表層領域の平均初期圧縮応力が５００ＭＰａ以上であり、上記ピンフィレット部の表面の平均ビッカース硬さが６００以上であり、上記ピンフィレット部の表面の算術平均粗さＲａが１．０μｍ以下であり、金属組織の旧オーステナイト平均粒径が１００μｍ以下であることを特徴とする大型クランク軸である。

当該大型クランク軸は、最も応力集中しやすいピンフィレット部の表面から深さ５００μｍまでの表層領域の平均初期圧縮応力が上記下限以上であることによって、引張強度が大きい場合にも疲労限度比を大きくすることができ、ピンフィレット部にクラックが生じ難いので全体として見たときの疲労強度が相対的に大きくなる。さらに、当該大型クランク軸は、ピンフィレット部の表面の平均ビッカース硬さ及び算術平均粗さＲａ、並びに金属組織の旧オーステナイト平均粒径がそれぞれ上記範囲内であることによって、上記表層領域の平均初期圧縮応力が上記下限以上であることとの相乗効果により疲労強度をより大きくできる。なお、「大型クランク軸」とは、ピン（フィレット部を除く）の直径が２００ｍｍ以上であるものを意味する。また、「平均初期圧縮応力」は、未使用品について歪みゲージ法によって測定される値とされる。「表面平均ビッカース硬さ」は、ＪＩＳ−Ｚ２２４４（２００９）に準拠して測定される。「算術平均粗さ」は、ＪＩＳ−Ｂ０６０１（２００１）に準拠して測定される。「旧オーステナイト平均粒径」は、ＪＩＳ−Ｇ０５５１（２０１３）に準拠して測定される。

当該大型クランク軸は、Ｃ：０．２質量％以上０．４質量％以下、Ｓｉ：０質量％以上１．０質量％以下、Ｍｎ：０．２質量％以上２．０質量％以下、Ａｌ：０．００５質量％以上０．１質量％以下、及びＮ：０．００１質量％以上０．０２質量％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である組成を有するとよい。このような組成を有することによって、当該大型クランク軸は、引張強度及び靱性をより大きくすることができる。

当該大型クランク軸は、Ｃｕ：０．１質量％以上２質量％以下、Ｎｉ：０．１質量％以上２質量％以下、Ｃｒ：０．１質量％以上２．５質量％以下、Ｍｏ：０．１質量％以上１質量％以下、及びＶ：０．０１質量％以上０．５質量％以下の少なくとも１種をさらに含有するとよい。このような組成を有することによって、当該大型クランク軸は、引張強度及び靱性がより向上する。

以上のように、本発明の大型クランク軸は、疲労強度が比較的大きい。

本発明の一実施形態の大型クランク軸を示す模式的正面図である。

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳説する。

［大型クランク軸］
図１に示す本発明の一実施形態の大型クランク軸は、同一軸心上に並設される複数のジャーナル１と、隣り合う一対のジャーナル１間に偏心状態で配設されるクランクピン２と、隣接するクランクピン２及びジャーナル１間を連結する板状のウェブ３とを備え、クランクピン２の表面とウェブ３の表面とをある程度大きい曲率で接続するピンフィレット部４とされている。

当該大型クランク軸は、後で詳しく説明する組成を有する鍛造用鋼から形成され、マルテンサイトを主体とする。当該大型クランク軸は、型入れ鍛造によって製造することができる。

当該大型クランク軸のピンフィレット部４の表面から深さ５００μｍまでの表層領域の平均初期圧縮応力（使用開始時の圧縮残留応力）の下限としては、５００ＭＰａであり、５５０ＭＰａが好ましく、６００ＭＰａがより好ましい。一方、ピンフィレット部４の上記表層領域の平均初期圧縮応力の上限としては、特に限定されないが、その他の条件を考慮した技術的限界として８００ＭＰａ、より現実的には７００ＭＰａと考えられる。ピンフィレット部４の上記表層領域の平均初期圧縮応力が上記上限を超える場合、ピンフィレット部４における亀裂の発生を十分に抑制できず、疲労強度が不十分となるおそれがある。なお、表層領域の範囲をピンフィレット部４の表面から深さ５００μｍまでとするのは、この範囲の圧縮残留応力が疲労強度の向上に対する寄与が大きいことによる。また、ピンフィレット部４の表層領域の圧縮残留応力は、使用によって徐々に減少するが、例えばウェブ３等の使用状態で大きな応力を受けない部分の表層領域の圧縮残留応力を測定することによって、ピンフィレット部４の表層領域の平均初期圧縮応力を類推することができる。

ピンフィレット部４の表面の平均ビッカース硬さ（Ｈｖ）の下限としては、６００であり、６５０が好ましく、７００がより好ましい。一方、ピンフィレット部４の表面の平均ビッカース硬さの上限としては、特に限定されないが、その他の条件を考慮した技術的限界として１０００、より現実的には９００と考えられる。ピンフィレット部４の表面の平均ビッカース硬さが上記下限に満たない場合、この硬さと略比例関係にある疲労強度が不十分となるおそれがある。

ピンフィレット部４の表面の算術平均粗さＲａの下限としては、０．００５μｍが好ましく、０．０１μｍがより好ましい。一方、ピンフィレット部４の表面の算術平均粗さＲａの上限としては、１．０μｍであり、０．８μｍが好ましく、０．６μｍがより好ましい。ピンフィレット部４の表面の算術平均粗さＲａが上記下限に満たない場合、不必要に製造コストが増大するおそれがある。逆に、ピンフィレット部４の表面の算術平均粗さＲａが上記上限を超える場合、微視的な応力集中によりクラックが生じ易くなることで疲労強度が不十分となるおそれがある。

本発明者らは、当該大型クランク軸の金属組織において、旧オーステナイト平均粒径が小さいほど、窒化処理により疲労特性を向上し易いことを見いだした。この新しい知見に基づいてさらに研究した結果得られた、当該大型クランク軸の金属組織における旧オーステナイト平均粒径の下限としては、１０μｍが好ましく、２０μｍがより好ましい。一方、当該大型クランク軸の金属組織における旧オーステナイト平均粒径の上限としては、１００μｍであり、８０μｍが好ましく、７０μｍがより好ましい。当該大型クランク軸の金属組織における旧オーステナイト平均粒径が上記下限に満たない場合、初析フェライトの増加により却って疲労強度が不十分となるおそれがある。逆に、当該大型クランク軸の金属組織における旧オーステナイト平均粒径が上記上限を超える場合、疲労強度が不十分となるおそれがある。

当該大型クランク軸の引張強度の下限としては、９００ＭＰａが好ましく、９５０ＭＰａがより好ましく、１０００ＭＰａがさらに好ましい。当該大型クランク軸の引張強度が上記下限に満たない場合、機械的強度が不十分であり、当該大型クランク軸を用いるエンジンの信頼性が不十分となるおそれがある。なお、「引張強度」は、ＪＩＳ−Ｚ２２４１（２０１１）に準拠して測定される。

当該大型クランク軸のシャルピー衝撃値（吸収エネルギー）の下限としては、５０Ｊが好ましく、８０Ｊがより好ましい。当該大型クランク軸のシャルピー衝撃値が上記下限に満たない場合、靱性が不十分であり、当該大型クランク軸を用いるエンジンの信頼性が不十分となるおそれがある。なお、「シャルピー衝撃値」は、ＪＩＳ−Ｚ２２４２（２００５）に準拠して測定される。

当該大型クランク軸の疲労強度の下限としては、５００ＭＰａが好ましく、５５０ＭＰａがより好ましい。当該大型クランク軸の疲労強度が上記下限に満たない場合、当該大型クランク軸を用いるエンジンの耐久性が不十分となるおそれがある。なお、「疲労強度」は、ＪＩＳ−Ｚ２２７４（１９７８）に準拠して測定される。

＜鍛造用鋼＞
当該大型クランク軸を形成する鍛造用鋼は、Ｃ（炭素）：０．２質量％以上０．４質量％以下、Ｓｉ（ケイ素）：０質量％以上１．０質量％以下、Ｍｎ（マンガン）：０．２質量％以上２．０質量％以下、Ａｌ（アルミニウム）：０．００５質量％以上０．１質量％以下、及びＮ（窒素）：０．００１質量％以上０．０２質量％以下を含有し、残部がＦｅ（鉄）及び不可避的不純物である組成を有することが好ましい。

また、当該大型クランク軸を形成する鋳鋼は、上記組成に加え、Ｃｕ（銅）：０．１質量％以上２質量％以下、Ｎｉ（ニッケル）：０．１質量％以上２質量％以下、Ｃｒ（クロム）：０．１質量％以上２．５質量％以下、Ｍｏ（モリブデン）：０．１質量％以上１質量％以下、及びＶ（バナジウム）：０．０１質量％以上０．５質量％以下の少なくとも１種をさらに含有するとよい。

（Ｃ：０．２質量％以上０．４質量％以下）
炭素の含有量の下限としては、０．２質量％が好ましく、０．３質量％がより好ましい。一方、炭素の含有量の上限としては、０．４質量％が好ましく、０．３９質量％がより好ましい。炭素は、焼入性を高めると共に強度向上に寄与する。炭素含有量が上記下限に満たない場合、十分な焼入性と強度とを得ることが困難になるおそれがある。逆に、炭素含有量が上記上限を超える場合、靭性が極端に低下すると共に大型鋳塊では逆Ｖ偏析を助長するおそれがある。

（Ｓｉ：０質量％以上１．０質量％以下、）
ケイ素の含有量の下限としては、特に限定されず、０質量％であり、０．１質量％が好ましい。一方、ケイ素の含有量の上限としては、１．０質量％が好ましく、０．５質量％がより好ましい。ケイ素は、脱酸及び強度向上に寄与する。ケイ素の含有量が上記下限に満たない場合、この効果を十分に発揮させることができないおそれがある。逆に、ケイ素の含有量が上記上限を超える場合、逆Ｖ遍析が著しくなり靱性が低下するおそれがある。

（Ｍｎ：０．２質量％以上２．０質量％以下）
マンガンの含有量の下限としては、０．２質量％が好ましく、０．５質量％がより好ましい。一方、マンガンの含有量の上限としては、２．０質量％が好ましく、１．５質量％がより好ましい。マンガンは、焼入性及び強度を向上させる。マンガンの含有量が上記下限に満たない場合、この効果を発揮できないおそれがある。逆に、マンガンの含有量が上記上限を超える場合、焼戻し脆化を助長して靱性が低下するおそれがある。

（Ａｌ：０．００５質量％以上０．１質量％以下）
アルミニウムの含有量の下限としては、０．００５質量％が好ましく、０．００８質量％がより好ましい。一方、アルミニウムの含有量の上限としては、０．１質量％が好ましく、０．０３質量％がより好ましい。アルミニウムは、脱酸元素として用いられる。また、例えばアルミニウムはＡｌＮ等の微細な化合物を生成させ、このアルミニウムＮが、結晶粒の成長を止めることで結晶を細粒化させることができる。アルミニウムの含有量が上記下限に満たない場合、これらの効果を十分に発揮させることができないおそれがある。逆に、アルミニウムの含有量が上記上限を超える場合、アルミニウムが例えば酸素等の他の元素とも結合して酸化物や金属間化合物を生成して被削性を低下させるおそれがある。

（Ｎ：０．００１質量％以上０．０２質量％以下）
窒素の含有量の下限としては、０．００１質量％が好ましく、０．００３質量％がより好ましい。一方、窒素の含有量の上限としては、０．０２質量％が好ましく、０．０１質量％がより好ましい。窒素は、各種炭窒化物を生成して析出することによって強度を向上する。窒素の含有量が上記下限に満たない場合、上記効果を十分に発揮できないおそれがある。逆に、窒素の含有量が上記上限を超える場合、靭性のが低下することで疲労強度を低下させるおそれがある。

（Ｃｕ：０．１質量％以上２質量％以下）
銅の含有量の下限としては、０．１質量％が好ましく、０．２質量％がより好ましい。一方、銅の含有量の上限としては、２質量％が好ましく、１質量％がより好ましい。銅は、組織を緻密化することによって強度を向上する。銅の含有量が上記下限に満たない場合、上記効果を十分に発揮できないおそれがある。逆に、銅の含有量が上記上限を超える場合、靱性が低下することで疲労強度が不十分となるおそれがある。

（Ｎｉ：０．１質量％以上２質量％以下）
ニッケルの含有量の下限としては、０．１質量％が好ましく、０．２質量％がより好ましい。一方、ニッケルの含有量の上限としては、２質量％が好ましく、１．５質量％がより好ましい。ニッケルは、組織を緻密化することによって強度を向上する。ニッケルの含有量が上記下限に満たない場合、上記効果を十分に発揮できないおそれがある。逆に、ニッケルの含有量が上記上限を超える場合、靱性が低下することで疲労強度が不十分となるおそれがある。

（Ｃｒ：０．１質量％以上２．５質量％以下）
クロムの含有量の下限としては、０．１質量％が好ましく、０．５質量％がより好ましい。一方、クロムの含有量の上限としては、２．５質量％が好ましく、２．２質量％がより好ましい。クロムは、焼入れ性、強度及び靱性を向上する。クロムの含有量が上記下限に満たない場合、上記効果を十分に発揮できないおそれがある。逆に、クロムの含有量が上記上限を超える場合、逆Ｖ偏析を助長して却って靱性を低下させるおそれがある。

（Ｍｏ：０．１質量％以上１質量％以下）
モリブデンの含有量の下限としては、０．１質量％が好ましく、０．２質量％がより好ましい。一方、モリブデンの含有量の上限としては、１質量％が好ましく、０．６質量％がより好ましい。モリブデンは、焼入れ性、強度及び靭性を向上させる。モリブデン含有量が上記下限に満たない場合、上記効果を十分に発揮することができないおそれや、逆Ｖ遍析を助長するおそれがある。逆に、モリブデン含有量が上記上限を超える場合、鋼塊中のミクロ遍析を助長したり重量遍析が生じ易くなることによって却って靱性を低下させるおそれがある。

（Ｖ：０．０１質量％以上０．５質量％以下）
バナジウムの含有量の下限としては、０．０１質量％が好ましく、０．０５質量％がより好ましい。一方、バナジウムの含有量の上限としては、０．５質量％が好ましく、０．３質量％がより好ましい。バナジウムは、窒化物や炭化物を生成して析出することで焼入れ性及び強度を向上させる。バナジウム含有量が上記下限に満たない場合、十分な強度を確保することができないおそれがある。逆に、バナジウム含有量が上記上限を超える場合、ミクロ遍析の発生を助長することによって靱性を低下させるおそれがある。

（その他の元素）
また、当該大型クランク軸を形成する鍛造用鋼は、上記各元素の作用効果に悪影響を与えない範囲で、さらに他の元素を積極的に含有していてもよい。このような他の元素としては、Ｔｉ、Ｃａ、Ｍｇ等が挙げられる。これらの他の元素の合計含有量の上限としては、０．５質量％が好ましく、０．３質量％がより好ましい。他の元素の合計含有量が上記上限を超える場合、粗大介在物が生成されて強度を低下させるおそれがある。

（不可避的不純物）
当該大型クランク軸を形成する鍛造用鋼は、上記各元素以外が鉄（Ｆｅ）であることが好ましいが、例えばリン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）等の元素が不可避的不純物として微量に含まれることを排除しない。

＜製造方法＞
当該大型クランク軸は、上記組成に調製した鋼を鋳造する工程と、鋳造工程で得られる鋼塊を鍛造する工程と、鍛造工程で得られる鍛造品（ワーク）を調質処理（焼入れ及び焼き戻し）する工程と、調質工程後のワークを複数回に亘り窒化処理する工程と、窒化処理後のワークの表面を研削する工程とを備える方法によって製造することができる。

（鋳造工程）
鋳造工程では、先ず、電気炉、高周波熔解炉、転炉などを用いて上述した所定成分組成に調製した鋼を熔解する。この後、真空精錬等により不純物（硫黄、酸素等）の除去（低減）を行う。不純物の除去後、この鋼を鋳造により造塊する。

（鍛造工程）
鍛造工程では、鍛造工程で得られる鋳鋼を丸棒状に鍛造した後、一体型クランク軸の形状に鍛造する多段階の鍛造を行うとよい。具体的には、鍛造工程で得られる鋳鋼の押湯部分を切除したものを加熱した後、例えば自由鍛造プレス機等を用いて鍛造し、得られた丸棒状のワークを加熱した後、例えばＣＧＦ（ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＧｒａｉｎＦｌｏｗ）鍛造法により所望のクランク軸の形状に成形するとよい。

上記鋳鋼の加熱温度としては、鋼の変形能が良好な範囲で鍛造を行うために１，１５０℃以上、より好ましくは１，２００℃以上とするとよい。この加熱温度が低い場合は、変形抵抗の増大を招来し、製造効率が低下する。また、加熱時間としては３時間以上とするとよい。この加熱時間は、鋼塊の表面と内部との温度を均一化するために必要である。この加熱時間は、一般的に被加工物の直径の二乗に比例するとされ、当該大型クランク軸の製造の場合は、上記のように３時間以上とすることが望ましい。

鋳鋼から丸棒状へのワークの鍛造は、好ましくはＣＧＦ鍛造法により行うことができる。ＣＧＦ鍛造法とは、鋼塊の軸心が一体型クランク軸の軸心部となるように鍛造加工し、中心偏析により特性の劣化を起こし易い部分を一体型クランク軸の全ての軸心部となるように一体に鍛造加工する方法である。上記ＣＧＦ鍛造としては、例えば共にＪＩＳ−Ｂ０１１２（１９９４）に規定されるＲＲ鍛造法及びＴＲ鍛造法が挙げられる。これらは、クランク軸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一体型クランク軸が得られ易いので好ましい。

以下、ＲＲ鍛造法を例に具体的に鍛造方法を説明する。

ＲＲ鍛造においては、得られたワークを加熱して、各スローブを熱間成形する。具体的手順としては、先ず、上述の手順で得られた丸棒状のワークを機械加工し、ＲＲ鍛造用ワークとする。その後、一気筒分に相当するジャーナル１、クランクピン２及び一対のウェブ３を部分加熱し、プレスの圧下力をくさび機構により横方向の力に変換することで、ワークに横圧縮力と偏芯力とを同時に加えて一気筒を鍛造する。この作業を必要な気筒数回繰り返して、一本のクランク軸に仕上げる。

ＲＲ鍛造後、調質処理（焼入れ、焼戻し処理）を行う前に、鍛造物に含まれる残留オーステナイト（γ）を分解する処理を行ってもよい。組織微細化のためには調質処理の際の相変態が活用されるが、鍛造後に存在する残留オーステナイトが安定である場合は、調質処理での加熱時に残留オーステナイトはＡｃ１変態点を超えるまで存在し続ける。この残留オーステナイトは鍛造熱処理中のオーステナイトが残ったものであり、鍛造後の旧オーステナイト粒内ではそもそも同一方位を有する。そのため、オーステナイト変態が進行し残留オーステナイト同士が接すると、その界面は粒界となりえず、オーステナイト変態完了時のオーステナイト粒径は元のオーステナイト粒径と同様に粗大なものとなる。このため、残留オーステナイトを分解する処理を行う。

残留オーステナイトを分解する方法として、例えば、Ａｃ１変態点以下の温度（５５０℃以上６８０℃以下）で加熱保持する時効処理等を挙げることができる。この際の加熱保持時間としては、５時間以上であり、好ましくは１０時間以上とするとよい。このような時効処理により、残留オーステナイトが分解され、残留オーステナイトを体積率で１％以下にすることができる。その他、残留オーステナイトを分解する方法として、サブゼロ処理を用いることができる。

（調質処理工程）
調質処理工程では、先ず、焼入れ前に、Ａｃ３変態点以上の温度（８４０℃以上９５０℃以下）まで徐加熱（昇温速度３０℃／時間以上７０℃／時間以下）し、一定時間（３時間以上９時間以下）保持する。旧オーステナイト結晶粒の粗大化抑制の観点から、焼入れはＡｃ３以上の比較的低温で処理することが好ましい。また、大型品の場合、加熱時に材料の内外で温度差が生じるため、焼入れ前の加熱温度まで徐加熱し、鋼材の表面と内部との温度を均一にするために一定時間保持する。なお、必要な保持時間は、鋼材直径等に依存し、大型材ほど保持時間は長くなる。このため、十分な保持時間をとり、鋼材内部まで温度が均一になってから以下の焼入れを行う。

焼入れは、油又はポリマー等の冷媒を使用して行ない、マルテンサイトを主体とする組織を得る。このような組織を得るためには、焼入れにおける平均冷却速度の下限としては、３℃／分が好ましく、５℃／分がより好ましく、１０℃／分がさらに好ましい。一方、焼入れにおける平均冷却速度の上限としては、１００℃／分が好ましく、６０℃／分がさらに好ましい。

大型鍛鋼品では、水焼入れを行うと割れる危険性があることから、当該大型クランク軸の焼入れは油焼入れや、ポリマー焼入れ等が一般的である。焼入れの際の冷却速度は鍛鋼品のサイズによって異なるが、直径５００ｍｍクラスのクランク軸においては、８００℃から５００℃までの間の平均冷却速度は、油の場合約２０℃／分程度、ポリマーの場合約５０℃／分となり、それよりさらに大きい直径（例えば、１，０００ｍｍ）になると冷却速度はさらに小さなものとなる。

また、焼入れに際しては、２００℃以下まで冷却後、焼戻しすることが好ましい。このように２００℃以下まで冷却することで、完全に変態を完了させることができる。冷却が不十分である場合、未変態の残留オーステナイトが残存し、特性がばらつく原因となる。

焼戻しは、所定の焼戻し温度（５５０℃以上６２０℃以下）まで徐加熱（昇温速度３０℃／時間以上７０℃／時間以下）し、一定時間保持（５時間以上２０時間以下）する。この焼戻しは、強度と靭性とのバランスを調整すると共に、焼入れ時の内部応力（残留応力）を除去するために、５５０℃以上で行う。一方、焼戻し温度は、高過ぎると、炭化物の粗大化、転位組織の回復等により軟化して十分な強度が確保できないため、６２０℃以下にする。

（窒化処理工程）
窒化処理工程では、上記調質工程後のワークをアンモニア（ＮＨ_３）ガス雰囲気中で加熱し、一定時間温度を保持してから冷却する工程を２回以上繰り返す。これにより、アンモニアが分解して生じる窒素をワークの表面に導入することでワークの表層領域に圧縮応力を付与することができる。この窒素の導入工程を２回以上行うことによって、より多くの窒素を導入してより大きな圧縮応力を付与することができ、当該大型クランク軸の疲労強度をより確実に向上できる。

窒化処理の具体的な方法としては、例えばワークを収容し、アンモニアガスを封入した大型容器を加熱炉の中に配置して所定の窒化温度まで加熱し、この窒化温度を一定時間保持した後、炉冷する工程を繰り返して行う。

上記窒化温度の下限としては、４７０℃が好ましく、５００℃がより好ましい。一方、上記窒化温度の上限としては、５８０℃が好ましく、５５０℃がより好ましい。窒化温度が上記下限に満たない場合、アンモニアを熱分解することができず、窒素をワークに導入できないおそれがある。逆に、窒化温度が上記上限を超える場合、ワークの組織がオーステナイト化して強度が損なわれるおそれがある。

上記窒化温度の保持時間の下限としては、１５時間が好ましく、２０時間がより好ましい。一方、窒化温度の保持時間の上限としては、６０時間が好ましく、４０時間がより好ましい。窒化温度の保持時間が上記下限に満たない場合、窒素の導入が不十分となることで疲労強度を十分に向上できないおそれがある。逆に、窒化温度の保持時間が上記上限を超える場合、不必要に製造コストが増大するおそれがある。

（研削工程）
研削工程では、窒化処理後のワークの例えばピンフィレット部４等の表面を研削する仕上げ機械加工を施す。これによって、ピンフィレット部４表面の算術平均粗さＲａを上記範囲とすることで、微視的な応力集中が生じ難いようにすることができるので、当該大型クランク軸の疲労強度がさらに向上する。この研削工程において除去されるワーク表面の厚さとしては、上記窒化工程において窒素を導入することで付与した表層領域の圧縮残留応力を実質的に保持できる程度とされ、具体的な上限としては、１０μｍ程度とされる。

［その他の実施形態］
上記実施形態は、本発明の構成を限定するものではない。従って、上記実施形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて上記実施形態各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能であり、それらは全て本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。

当該大型クランク軸は、複数のクランクピン及び複数対のウェブを備えてもよい。

また、当該大型クランク軸は、クランクピン、ウェブ及びジャーナルが一体に鍛造成形された一体型であってもよく、クランクピン及びウェブを一体に鍛造成形したものにジャーナルを焼嵌めした組立型であってもよい。

以下、実施例に基づき本発明を詳述するが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるものではない。

以下の要領で大型クランク軸のピンフィレット部を模した試験片を試作し、後述するように、各種の物性を測定することにより、本発明の効果を確認した。

下記表１に示す化学成分組成を示す各種溶鋼を、通常の溶製法によって溶製し、この溶鋼を冷却して１００トン鋼塊とした。得られた各鋼塊の押湯部分を切除し、１２３０℃に加熱して５時間乃至１０時間保持した後、自由鍛造プレス機を用いて高さ比で１／２まで圧縮し、さらに鋼塊中心線を９０°回転させて鍛造して直径６００ｍｍ、長さ２００００ｍｍの円柱状に引き伸ばした後、最終鍛造温度が表２に示す温度となるよう鍛造し、その後大気中で放冷した。室温にまで放冷した各ワークを、焼入れ処理前に５５０℃乃至６５０℃に加熱し（５００℃以上では５０℃／時間以下で加熱）、１０時間以上保持してから炉冷した。

その後、熱処理炉にて焼入れ処理を施した。なお焼入れ処理は、各ワークを昇温速度５０℃／時間で８５０℃乃至９５０℃まで昇温して４時間保持した後、焼入れ温度から５００℃までの平均冷却速度２０℃／ｍｉｎ（軸中心位置）で冷却した。その後、焼戻し処理として、６００℃に加熱し、５時間乃至１５時間保持してから空冷した。

熱処理した鍛造品から、引張試験用試験片及びシャルピー衝撃試験用試験片を切り出して、引張強度及びシャルピー衝撃値（吸収エネルギー）を測定した（表２参照）。

（引張強度）
引張強度は、ＪＩＳ−Ｚ２２４１（２０１１）に準拠して測定した。

（シャルピー衝撃値）
シャルピー衝撃値は、ＪＩＳ−Ｚ２２４２（２００５）に準拠して測定した。

引張強度が９００Ｎ／ｃｍ^２以上であり、かつシャルピー衝撃値が５０Ｊ以上であった試作品については、上記鍛造品から、ピンフィレット部を模した環状半円溝付き小野式回転曲げ試験用試験片を切り出した。回転曲げ試験用試験片の軸径は６ｍｍ、環状半円溝の曲率は０．５ｍｍ、溝部の軸径は５ｍｍとした。この回転曲げ試験用試験片を、アンモニアガス雰囲気中で、表２に示す温度に加熱して、２０時間乃至４０時間保持してから炉冷することによって表面を窒化した。さらに、回転曲げ試験用試験片の表面を、住友電工社の円形ポジチップ「ＲＣＭＴ１０００３ＭＯＮ−ＲＸ」を用いて研磨した。このとき、回転するクランク軸に対してのポジチップの送り量（ｍｍ／ｒｅｖ）を調整することによって表面の算術平均粗さＲａを表２に示す値とした。この上記表面を研磨した小野式回転曲げ試験用試験片について、表層領域の圧縮残留応力（残留応力）、表面のビッカース硬さ（表面硬さ）、旧オーステナイト平均粒径（旧γ粒径）及び疲労強度を測定した（表２参照）。一方、引張強度又はシャルピー衝撃値が上記基準に満たないものは、表面硬さ等も不十分となると予想されるため、これらの測定は省略した。なお、表中の窒化温度における「なし」は、窒化処理を行っていないことを意味する。

（算術平均粗さ）
算術平均粗さＲａは、ＪＩＳ−Ｂ０６０１（２００１）に準拠して測定した。

（圧縮残留応力）
圧縮残留応力は、歪みゲージ法によって測定した。具体的には、試験片の表面に歪みゲージを貼着し、この歪みゲージを貼着した部分を含む小片を切り出して残留応力を開放し、この切り出し前後で歪みゲージによって測定される歪みの変化を測定することで、圧縮残留応力を算出した。

（ビッカース硬さ）
ビッカース硬さは、ＪＩＳ−Ｚ２２４４（２００９）に準拠して測定した。

（旧オーステナイト粒径）
結晶粒度の測定は、ＪＩＳ−Ｇ０５５１（２０１３）に準拠して測定した。

（疲労強度）
疲労強度は、小野式回転曲げ試験機を用い、ＪＩＳ−Ｚ２２７４（１９７８）に準拠して測定した。

表に示すように、大型クランク軸は、表層領域の平均初期圧縮応力が５００ＭＰａ以上であり、表面の平均ビッカース硬さが６００以上であり、表面の算術平均粗さＲａが１．０μｍ以下であり、かつ旧オーステナイト平均粒径が１００μｍ以下であることによって、初めて５００ＭＰａ以上の十分な疲労強度を有することができると考えられる。

当該大型クランク軸は、例えば船舶用ディーゼルエンジン等に好適に利用することができる。

１ジャーナル
２クランクピン
３ウェブ
４ピンフィレット部

Claims

ピンフィレット部を有する大型クランク軸であって、
上記ピンフィレット部の表面から深さ５００μｍまでの表層領域の平均初期圧縮応力が５００ＭＰａ以上であり、
上記ピンフィレット部の表面の平均ビッカース硬さが６００以上であり、
上記ピンフィレット部の表面の算術平均粗さＲａが１．０μｍ以下であり、
金属組織の旧オーステナイト平均粒径が１００μｍ以下であることを特徴とする大型クランク軸。
Ｃ：０．２質量％以上０．４質量％以下、
Ｓｉ：０質量％以上１．０質量％以下、
Ｍｎ：０．２質量％以上２．０質量％以下、
Ａｌ：０．００５質量％以上０．１質量％以下、及び
Ｎ：０．００１質量％以上０．０２質量％以下
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である組成を有する請求項１に記載の大型クランク軸。
Ｃｕ：０．１質量％以上２質量％以下、
Ｎｉ：０．１質量％以上２質量％以下、
Ｃｒ：０．１質量％以上２．５質量％以下、
Ｍｏ：０．１質量％以上１質量％以下、及び
Ｖ：０．０１質量％以上０．５質量％以下
の少なくとも１種をさらに含有する請求項２に記載の大型クランク軸。