JP2854685B2 - 軟窒化用鋼 - Google Patents

軟窒化用鋼

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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、特に自動車のクランクシャフト用材料とし
て好適な軟窒化用鋼に関する。
(従来の技術) 自動車のクランクシャフトは、機械構造用炭素鋼を鍛
造などの方法により所定形状に加工した後、主に疲労強
度の向上を目的として軟窒化処理により表面を硬化させ
て製造されることも多い。
従来、このような用途には、JIS−S45C(0.45C−0.75
Mn)やJIS−S48C(0.48C−0.75Mn)などの機械構造用炭
素鋼が用いられていた。
しかし、これらの鋼は、軟窒化処理後の有効硬化深度
(微小ビッカース硬さHv=300に対応する表面からの距
離)が0.10mm程度と浅く、表面硬さ(表面下25μmでの
微小ビッカース硬さ)もHv=400程度と硬くないために
クランクシャフトとして適用した場合には疲労強度の点
で十分ではなく、高出力のエンジンには利用できなかっ
た。
そこで、より高い疲労強度が要求される場合には、窒
化物形成元素であるAl及びCrを多量に添加したJIS−SAC
M 645(0.45C−0.4Si−1.5Cr−0.2Mo−1.0Al)や炭素鋼
にVを添加した鋼(0.45C−0.75Mn−0.10V)が用いられ
ていた。
(発明が解決しようとする課題) このようにJIS−SACM 645等の従来の軟窒化用鋼は、A
l、Cr、V等の窒化物形成元素を含んでおり、表層の硬
化が顕著であるため疲労強度の向上の要請にはある程度
満足できるものの、クランクシャフト用材料として適用
する場合には、次のような新たな問題がある。
軟窒化用鋼によりクランクシャフトを製造する場合に
は、通常、クランクシャフト形状に加工し、軟窒化処理
した後、仕上げ工程において途中の製造工程で生じた曲
がりを矯正処理する。しかし、上記したような従来の軟
窒化用鋼では、窒化層が高硬度であるため曲げ矯正処理
時にクランクシャフト表面の窒化層に割れが生じる(即
ち、曲げ矯正性が悪い)という問題がある。
このように従来の軟窒化用鋼には、疲労強度向上のた
めに軟窒化処理をした場合に曲げ矯正性が低下してしま
い、自動車のクランクシャフト材料として不適当である
という問題がある。
そこで本発明は上記問題点を解決し、疲労強度向上の
目的で軟窒化処理した場合であっても、曲げ矯正が容易
で、かつ曲げ矯正時に窒化層に割れ等が生じることがな
い(即ち、曲げ矯正性が優れている)軟窒化用鋼を提供
することを目的とする。
(課題を解決するための手段及び作用) 上記の問題点を解決するため鋭意検討を行った結果、
Siの増加は軟窒化処理後の表面硬さや硬化深さを低下さ
せることが分かった。従って、Siは、疲労強度は若干低
下させるものの、曲げ矯正性の改善には非常に有効な元
素であるといえる。そして、このようなSiの増加による
疲労強度の低下は、C及び窒化物を形成しない元素であ
るMnの増加による心部硬さの向上により、補完できるこ
とが判明した。特に、Mnは、窒化層の靭性を構造させる
ことにより、曲げ矯正性の改善にも有効であることも分
かった。以上の知見に基づき、従来にはない高Si−高Mn
タイプの軟窒化用鋼を開発するに至った。
本発明は、C:0.35〜0.65重量%、Si:0.35〜2.00重量
%、Mn:0.80〜2.50重量%、Cr:0.20重量%以下及びAl:
0.035重量%以下を含有し、残部がFe及び不可避的不純
物からなることを特徴とする軟窒化用鋼(以下「第1の
軟窒化用鋼」という)を提供する。
また、本発明は、第1の軟窒化用鋼に、更にNi:3.0重
量%以下、Cu:1.0重量%以下及びMo:0.5重量%以下から
なる群より選ばれる1種以上を含有させた軟窒化用鋼
(以下「第2の軟窒化用鋼」という); 第1の軟窒化用鋼に、更にPb:0.03〜0.35重量%、Ca:
0.0010〜0.0100重量%及びS:0.04〜0.13重量%からなる
群より選ばれる1種以上を含有させた軟窒化用鋼; 第1の軟窒化用鋼に、更にBを0.0080重量%以下含有
させた軟窒化用鋼; 第2の軟窒化用鋼に、更にBを0.0080重量%以下含有
させた軟窒化用鋼; 第2の軟窒化用鋼に、更にPb:0.03〜0.35重量%、Ca:
0.0010〜0.0100重量%及びS:0.04〜0.13重量%からなる
群より選ばれる1種以上を含有させた軟窒化用鋼(以下
「第3の軟窒化用鋼」という);並びに 第3の軟窒化用鋼に、更にBを0.0080重量%以下含有
させた軟窒化用鋼、を提供する。
本発明の軟窒化用鋼を構成する元素の組成を、上記の
範囲内に限定した理由は以下のとおりである。
Cは、Siの増加により低下した疲労強度を補うために
重要な元素である。Cの含有量を0.35〜0.65重量%とし
たのは、0.35重量%未満であると芯部硬さが低下し、全
体の強度が低下するためであり、0.65重量%を超えると
靭性や加工性が低下するためである。好ましいCの含有
量は0.45〜0.58重量%である。
Siは曲げ矯正性を確保するために重要な元素である。
Siの含有量を0.35〜2.00重量%としたのは、0.35重量%
未満であると軟窒化処理後の曲げ矯正性が悪く、2.00重
量%を超えると疲労強度の低下が著しく、また、靭性や
加工性も低下するためである。好ましいSiの含有量は0.
35〜1.00重量%である。
MnはSiの増加により低下した疲労強度を補うために重
要な元素である。Mnの含有量を0.80〜2.50重量%とした
のは、0.80重量%未満であると芯部硬度や靭性が低下す
るためであり、2.50重量%を超えると加工性が低下する
ためである。好ましいMnの含有量は1.20〜1.60重量%で
ある。
Crの含有量を0.20重量%以下としたのは、Crは軟窒化
処理時において侵入Nと結合し、表面硬さを高め、硬化
深さを大きくし疲労強度を向上させるという利点がある
ものの、0.20重量%を超えて添加すると曲げ矯正性の低
下が著しいためである。好ましいCrの含有量は0.15重量
%以下である。
Alの含有量を0.035重量%以下としたのはCrと同様の
理由である。なお、Alは溶融時において脱酸剤としても
作用する成分である。好ましいAlの含有量は0.020重量
%以下である。
Ni、Cu及びMoは、軟窒化処理時において侵入Nと結合
することがないため、その添加により曲げ矯正性が低下
することなく、一方で固溶強化により強度を向上させ
る。
Niの含有量を3.0重量%以下とし、Cuの含有量を1.0重
量%以下とし、Moの含有量を0.5重量%以下としたの
は、いずれの元素も含有量の上限を超えると加工性が低
下するためである。好ましい含有量はNiが1.50重量%以
下、Cuが0.50重量%以下、Moが0.50重量%以下である。
Pb、Ca及びSは、軟窒化処理時において侵入Nと結合
することがないため、その添加により曲げ矯正性が低下
することはなく、一方で軟窒化処理前の鋼に快削性を付
与する。また、Pbは、軟窒化特性を低下させ、曲げ矯正
性を向上させる。
Pbの含有量を0.03〜0.35重量%としたのは、0.03重量
%未満であると快削性が低下し、0.35重量%を超えると
強度及び靭性が低下するためである。好ましいPbの含有
量は0.15〜0.30重量%である。
Caの含有量を0.0010〜0.0100重量%としたのは、0.00
10重量%未満であると快削性が低下し、0.0100重量%を
超えて添加することは鋼の溶製上困難だからである。好
ましいCaの含有量は0.0005〜0.0025重量%である。
Sの含有量を0.04〜0.13重量%としたのは、0.04重量
%未満であると快削性が低下し、0.13重量%を超えると
強度及び靭製が低下するためである。好ましいSの含有
量は0.04〜0.07重量%である。
Bは、軟窒化処理時に侵入Nと結合してBNとなるが、
BNは硬度が低いので却って軟窒化特性が向上し、曲げ矯
正性が低下することはない。また、Bを所定量含有させ
ると焼入後の芯部硬さを向上させることができ、特に太
物部品にした場合の強度向上に有効である。
Bの含有量を0.0080重量%以下としたのは、0.0080重
量%を超えて添加しても、増量したことによる効果の向
上はなく、製造コストの上昇を招くだけだからである。
好ましいBの含有量は0.0040重量%以下である。
(実施例) 実施例1〜19及び比較例1〜8 第1表に示す組成の各元素を含有し、残部が鉄と不可
避的不純物からなる軟窒化用鋼材料(比較例1はJIS−S
48C、比較例2はJIS−SACM645である)を、小型真空溶
解炉により溶製して、各々50kgの棒状のインゴットを得
た。次に、このインゴットを、1200℃の温度下、第1段
の鍛造で直径70cmの丸棒にし、更に同温度下、第2段の
鍛造で直径20cmの丸棒にした。
その後、前記丸棒を870℃で2時間加熱し、空冷する
焼きならし処理をして、直径10cm、長さ130cmの供試体
(切欠係数 α=1.84)を調製した。次に、この供試体
に580℃、90分間の条件で軟窒化処理(タフトライド処
理)した。
この軟窒化処理した供試体について、以下の方法によ
り軟窒化性の評価、回転曲げ疲れ試験及び曲げ矯正試験
をした。結果を第1表に示す。
軟窒化性評価:表面のビッカース硬度、ビッカース硬
度が300までの表面からの深さ及び内部(供試体の芯部
付近)のビッカース硬度を測定した。
回転曲げ疲労試験:疲労限度を小野式により測定し
た。
曲げ矯正試験:供試体を、100cm間隔の二つの支点上
に水平に置き、供試体の前記支点間の中間部に荷重を加
えた場合(二点支持中央集中荷重)に、シャフト表面に
割れが生じるまでのたわみ量で評価した。
(発明の効果) 本発明の軟窒化用鋼は、所定量のC、Si、Mn、Cr及び
Alを含有し、残部がFeと不可避不純物からなるものであ
り、更に、前記軟窒化用鋼に所定量のNi、Cu及びMO;P
b、Ca及びS並びにBを適宜組み合わせて含有させてな
るものである。
本発明の軟窒化用鋼はこのような組成であることか
ら、従来の軟窒化用鋼と比べて、同程度の芯部硬さを保
持したまま、表面硬さを低くすることができる。従っ
て、本発明の軟窒化用鋼は、優れた疲労強度を保持した
まま、曲げ矯正性が向上されており、曲げ矯正時におい
て窒化層に割れ等が生じることがない。
本発明の軟窒化用鋼は、特に自動車のクランクシャフ
ト用材料として好適である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 水野 孝樹 埼玉県和光市中央1丁目4番1号 株式 会社本田技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭59−16949(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C22C 38/00 - 38/60

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】C:0.35〜0.65重量%、Si:0.35〜2.00重量
    %、Mn:0.80〜2.50重量%、Cr:0.20重量%以下及びAl:
    0.035重量%以下を含有し、残部がFe及び不可避的不純
    物からなることを特徴とする軟窒化用鋼。
  2. 【請求項2】更にNi:3.0重量%以下、Cu:1.0重量%以下
    及びMo:0.5重量%以下からなる群より選ばれる1種以上
    を含有する請求項1記載の軟窒化用鋼。
  3. 【請求項3】更にPb:0.03〜0.35重量%、Ca:0.0010〜0.
    0100重量%及びS:0.04〜0.13重量%からなる群より選ば
    れる1種以上を含有する請求項1記載の軟窒化用鋼。
  4. 【請求項4】更にBを0.0080重量%以下含有する請求項
    1又は2記載の軟窒化用鋼。
  5. 【請求項5】更にPb:0.03〜0.35重量%、Ca0.0010〜0.0
    100重量%及びS:0.04〜0.13重量%からなる群より選ば
    れる1種以上を含有する請求項2記載の軟窒化用鋼。
  6. 【請求項6】更にBを0.0080重量%以下含有する請求項
    5記載の軟窒化用鋼。
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