JP3961982B2

JP3961982B2 - 作業機用エンジンの非調質クランクシャフト

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Publication number: JP3961982B2
Application number: JP2003130155A
Authority: JP
Inventors: 大輔鈴木; 斉松本; 譲田原; 真吾清水; 徹谷口; 義和山田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2003-05-08
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2023-05-08
Also published as: US6712914B2; US20040000360A1; JP2004084061A; CN1468971A; CN1203205C

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、芝刈機、発電機、除雪機、ポンプ、船外機等の作業機用エンジンと称される汎用エンジン用として好適な、“熱間鍛造後の調質処理を省略した場合でも優れた強度、低温靱性、耐摩耗性を示す非調質鋼”を用いた作業機用エンジンの非調質クランクシャフトに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車や建設機械等に用いられる機械構造部品は、機械構造用鋼（例えばJIS G 4051で規定される機械構造用炭素鋼鋼材であるＳ４８Ｃ等）を用い、これを熱間鍛造により所要部品形状に成形してから、必要な強度や靱性を付与するための焼入れ−焼戻し処理（いわゆる調質処理）を施して製造されるのが一般的であった。
【０００３】
しかし、近年、コスト削減やリードタイム低減の要求に応えて“調質処理を省略して熱間鍛造のままで使用することが可能な非調質鋼”の開発が進められ、現在では前記自動車や建設機械等の分野を中心として非調質鋼の適用範囲が急速に拡大している。
【０００４】
そして、非調質鋼の需要が拡大するにつれて非調質鋼の高性能化、コスト低減への要求も高まり、調質処理を省略しても良好な靱性が確保される高靱性型非調質鋼や、高周波焼入れ等の表面硬化処理を省略しても良好な耐摩耗性を示す耐摩耗性型非調質鋼が提案されるに至っている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、特定割合のＣ、Ｍｎ、Ｐ及びＮに加えて更にＶ、Ｔｉ及びＮｂのうちの１種以上を含有するか、特定割合のＣ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ及びＢに加えて更にＮｉ、Ｃｕ及びＭｏのうちの１種以上を含有する鋼片を熱間圧延して、オ−ステナイト粒度番号が特定範囲に調整された鋼を製造した後、この鋼に加熱温度、昇温速度、加熱保持時間を規制した熱間鍛造を施すことによってフェライト・パーライト主体の組織とする、「非調質高強度高靱性熱間鍛造部品の製造方法」が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、炭素当量（Ｃeq．）が０．７０〜１．３０の範囲内で、特定割合のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎ及びＡｌを含有する溶鋼を連続鋳造する際に、冷却条件を規制して熱鋼片とした後、この鋼片を特定の条件で加熱、圧延して棒鋼とする、「高靱性熱間鍛造用非調質棒鋼の製造方法」が開示されている。
【０００７】
そして、特許文献３には、Ｃ含有量が０．４０〜０．７０％で（以降、成分割合を表す「％」は「質量％」とする）、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ａｌ及びＮを特定割合で含むか、あるいは必要に応じて更に、被削性向上元素であるＰｂ、Ｓ、Ｔｅ、Ｃａ及びＢｉの１種以上をも含有するとともに、熱間鍛造後の組織がフェライト・パーライトであり、かつ初析フェライトの面積率が１０％以下である、「耐摩耗性に優れた熱間鍛造非調質鋼」の提案がなされている。
【０００８】
更に、特許文献４には、特定割合でＣ、Ｓｉ及びＭｎを含有するか、あるいは必要に応じて更に、炭化物、窒化物形成元素であるＶ、Ｎｂ及びＴｉや、焼入れ性改善元素であるＣｒや、オ−ステナイト細粒化元素であるＡｌや、被削性向上元素であるＳ、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｔｅ及びＢｉの１種以上をも含有するとともに、特定粒径以上の酸化物系介在物の数量を規制した、「耐摩耗性に優れた熱間鍛造用非調質鋼」が開示されている。
【０００９】
ところで、今日では一般家庭にまで普及しつつある芝刈機や発電機等といった作業機には“作業機用エンジン”と称される汎用エンジンが搭載されている。そして、このような作業機用エンジンでは、そのクランクシャフトに芝刈用カッターブレード等といった作業用部材が直接的に固定される構造が採られる場合が多いため、作業用部材への衝撃負荷がクランクシャフトへ直接伝達されるのを余儀なくされている。
【００１０】
例えば、図１は、芝刈機におけるエンジンの内部構造例を示した縦断面概要説明図であるが、クランクシャフト１の軸端に作業用部材としての芝刈用カッターブレード２が剛体接続されており、この芝刈ブレード２への衝撃負荷がクランクシャフト１へ直接伝達される構造となっている。
【００１１】
そのため、このような用途に供されるクランクシャフトには、一般的要求特性である強度及び耐摩耗性に加え、作業機の使用環境温度域での靱性、特に寒冷地での使用にも耐えるような極めて良好な低温靱性が必要となる。
【００１２】
従って、これまで非調質鋼に関する多くの提案がなされてきたものの、強度及び耐摩耗性に加えて低温靱性にも優れることが必要とされる前記作業機用エンジンのクランクシャフト等のような機械構造部品に対しては、従来と同様に、前記Ｓ４８Ｃ等の機械構造用鋼を熱間鍛造した後に焼入れ−焼戻しの調質処理を施すことにより、所定の低温靱性、耐摩耗性及び強度を付与するのが一般的であった。
【００１３】
なぜなら、前記のような機械構造部品については、焼入れ−焼戻しの調質処理を省略した熱間鍛造のままで、従来の非調質鋼を用いると、十分に満足できる低温靱性と耐摩耗性を兼備させることができなかったためである。
【００１４】
即ち、鋼材の低温靱性と耐摩耗性は相反する関係にあるために従来提案された非調質鋼では前記の両性質を同時に高めることは困難であった。例えば、前述した特許文献１〜４に開示されている非調質鋼では、何れも、調質処理を省略した状態で作業機用エンジンのクランクシャフトとして満足できる低温靱性と耐摩耗性とを確保することができず、調質処理の省略によるコスト削減、リードタイム低減の要求に対して十分に対処することができなかった。
【００１５】
【特許文献１】
特開平８−１２０３４２号公報
【特許文献２】
特開平１０−２７７７０５号公報
【特許文献３】
特開２０００−２６５２４２号公報
【特許文献４】
特開２０００−３２８１９３号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、その目的は、熱間鍛造後の調質処理を省略しても優れた強度、耐摩耗性及び靱性を有する作業機用エンジンの非調質クランクシャフトを提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記（１）〜（４）に示すクランクシャフトにある。
【００１８】
（１）質量％で、Ｃ：０．３０〜０．３５％、Ｓｉ：０．４０〜０．８０％、Ｍｎ：１．００〜２．００％、Ｓ：０．０４０〜０．０８０％、Ｃｒ：０．１０〜０．３０％、Ｖ：０．０５〜０．２０％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、組織がフェライト分率αが０．２０〜０．６０及び平均パーライト粒径Ｄｐが０．０８ｍｍ以下のフェライト・パーライト組織で、かつ下記(1)式で規定されるＦｎ１の値が０．７３以上、下記(2)式で規定されるＦｎ２の値が１．２０以上及び下記(3)式で規定されるＦｎ３の値が０．６４以上を満足する作業機用エンジンの非調質クランクシャフト。
Ｆｎ１＝Ｃ＋０．１０Ｓｉ＋０．２０Ｍｎ−０．７１Ｓ＋０．２３Ｃｒ＋１．６５Ｖ・・・(1)、
Ｆｎ２＝１．４−１．１（１−α）＋０．１６Ｄｐ^-1/2 ・・・(2)、
Ｆｎ３＝（１−α）＋α（０．３Ｓｉ＋０．８Ｖ）・・・(3)。
但し、(1)式及び(3)式中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。
【００１９】
（２）Ｆｅの一部に代えて、Ｐｂ：０．３０％以下及びＣａ：０．０１０％以下から選択される１種以上を含有する上記（１）に記載の作業機用エンジンの非調質クランクシャフト。
【００２０】
（３）質量％で、Ｃ：０．３０〜０．３５％、Ｓｉ：０．４０〜０．８０％、Ｍｎ：１．００〜２．００％、Ｓ：０．０４０〜０．０８０％、Ｃｒ：０．１０〜０．３０％、Ｖ：０．０５〜０．２０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる鋼材であって、熱間鍛造後に大気冷却した際の金属組織がフェライト・パ−ライトであるとともに、フェライト分率αが０．２０〜０．６０、平均パ−ライト粒径Ｄｐが０．０８ｍｍ以下であり、かつ前記(1)式で規定されるＦｎ１の値が０．７３以上、前記(2)式で規定されるＦｎ２の値が１．２０以上、そして前記(3)式で規定されるＦｎ３の値が０．６４以上の何れをも満足する鋼材にて構成された作業機用エンジンのクランクシャフト。
【００２１】
（４）質量％で、更にＰｂ：０．３０％以下及びＣａ：０．０１０％以下の１種以上を含有する鋼材にて構成された、上記（３）に記載の作業機用エンジンのクランクシャフト。
【００２２】
ここで、「フェライト・パーライト組織」とは、フェライト相とパーライト相の混合組織を意味する。
【００２３】
また、「フェライト分率α」とは、光学顕微鏡観察にて確認されたフェライト・パーライト組織に占めるフェライト相の面積割合を意味し、「フェライト分率αが０．２０〜０．６０」とは、観察視野に占めるフェライト相の割合が２０〜６０％であることをいう。
【００２４】
「平均パーライト粒径Ｄｐ」とは、光学顕微鏡観察にて確認されたパーライト相の結晶粒の大きさの算術平均値をいう。なお、本発明でいう「パーライト相の結晶粒」とは、いわゆる「パーライトコロニー」を指す。
【００２５】
本発明者らは、非調質鋼の強度、耐摩耗性及び靱性に及ぼす鋼の化学組成と組織の影響に関して種々検討を行った。その結果、下記（ａ）〜（ｄ）の知見が得られた。
【００２６】
（ａ）フェライト・パーライト型非調質鋼、つまり、その組織がフェライト・パーライト組織である非調質鋼の靱性、なかでも低温靱性を改善するためには、Ｃ量を低減して組織に占めるフェライトの割合を高めるとともに、Ｓの作用を活用してパーライト組織（パーライト粒径）の微細化を図る方法が有効である。即ち、フェライト・パーライト型非調質鋼に適量のＳを確保すると、鋼中に分散したＭｎＳが熱間加工後の冷却過程でフェライトの析出サイトとなってパーライト組織が微細化し、Ｃ量低減によるフェライト割合の増加と相俟って低温靱性が改善される。
【００２７】
（ｂ）特定の化学組成を有するフェライト・パーライト型非調質鋼の引張強さは、前記(1)式で表されるＦｎ１と相関があり、Ｆｎ１の値を０．７３以上に調整すると、所望の靱性を確保するためにＣを低減した場合でも７５０ＭＰａ以上の引張強さが安定して得られる。
【００２８】
（ｃ）フェライト・パーライト型非調質鋼の耐摩耗性を向上させるためには、所定のＣ量を確保して組織に占めるパーライトの割合をある程度大きくするとともに、Ｓｉ、Ｖ等のフェライトの硬さを高める作用を有する元素の添加が有効である。
【００２９】
（ｄ）しかし、フェライト・パーライト型非調質鋼の構成成分を単に調整するだけでは耐摩耗性と低温靱性の両者を十分に高いレベルに安定させることはできない。
【００３０】
組織におけるフェライト分率αとパーライト粒径Ｄｐとの関係を、前記(2)式で表されるＦｎ２の値が１．２０以上となるように調整した場合に、−４０℃において５０Ｊ／ｃｍ²以上という良好な衝撃値が安定して得られるようになる。前記(2)式で表されるＦｎ２の値を１．２０以上とした上で、更に、フェライト分率αと質量％でのＳｉ及びＶの含有量との関係を前記(3)式で表されるＦｎ３の値が０．６４以上となるように調整すれば、十分に優れた耐摩耗性が同時に確保されるようになって、耐摩耗性と低温靱性の両者が十分に高いレベルに安定する。
【００３１】
即ち、特定の範囲の化学組成と組織を有するフェライト・パーライト型非調質鋼では、フェライト分率αを大きくすると延性が改善されて衝撃吸収エネルギーが大きくなって靱性が向上し、パーライト粒径Ｄｐを小さくすると延性−脆性遷移温度が低下して靱性が向上する。そして、これらフェライト分率αとパーライト粒径Ｄｐを前記Ｆｎ２式の値が１．２０以上となるように調整することにより低温靱性が極めて良好になる。更に、このようなフェライト・パーライト型非調質鋼では、パーライト分率が大きくなるほど耐摩耗性が改善され、パーライトに比べて耐摩耗性に劣るフェライトについてはＳｉ及びＶによって強化がなされて耐摩耗性が改善されるので、フェライト分率αと質量％でのＳｉ及びＶの含有量を前記Ｆｎ３式の値が０．６４以上となるように調整すると、十分に優れた耐摩耗性も同時に確保されるようになって高い耐摩耗性と低温靱性が付与される。
【００３２】
本発明は上記の知見事項等に基づいて完成されたものである。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の要件について詳しく説明する。なお、先に述べたとおり、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。
【００３４】
（Ａ）鋼の化学成分
Ｃ：
Ｃは、鋼の引張強さを高めるとともに、パーライトを形成して耐摩耗性を高める作用を有している。鋼に十分な耐摩耗性を付与するためには０．３０％以上のＣ含有量を必要とする。一方、０．３５％を超えてＣを含有させると組織に占めるフェライトの割合が減少して靱性が低下する場合がある。従って、Ｃの含有量を０．３０〜０．３５％と定めた。
【００３５】
Ｓｉ：
Ｓｉは、溶鋼の脱酸を促進する作用の他に、フェライト中に固溶して硬さを高め、鋼の引張強さと耐摩耗性を向上させる作用を有する。この作用による効果を確実に得るためには、Ｓｉの含有量を０．４０％以上とすることが必要である。しかし、Ｓｉを０．８０％を超えて過剰に含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。従って、Ｓｉの含有量を０．４０〜０．８０％と定めた。
【００３６】
Ｍｎ：
Ｍｎには、溶鋼の脱酸作用に加え、焼入れ性を高めて鋼の引張強さを向上させる作用がある。この作用による効果を確実に得るためには、Ｍｎの含有量を１．００％以上とする必要がある。しかし、２．００％を超えてＭｎを含有させると焼入れ性が上がりすぎてベイナイトが生成し、耐摩耗性の向上効果が飽和する場合がある。従って、Ｍｎの含有量を１．００〜２．００％と定めた。
【００３７】
Ｓ：
Ｓは、Ｍｎと結合してＭｎＳを形成し鋼の被削性を高める作用を有しているほか、特に注目すべきは、熱間鍛造後の冷却過程でフェライトの析出サイトとして作用し、パーライトの微細化に寄与する。そして、このパーライトの微細化を通じて鋼の靱性を高める。これらの作用による効果を得るためには、Ｓの含有量を０．０４０％以上とする必要がある。しかし、Ｓを過剰に添加すると熱間鍛造性が劣化し、特に、Ｓの含有量が０．０８０％を超えると熱間鍛造性の低下が著しくなる場合がある。従って、Ｓの含有量を０．０４０〜０．０８０％と定めた。
【００３８】
Ｃｒ：
Ｃｒは、鋼の焼入れ性を高めるのに有効な元素である。この効果を確実に得るためには、Ｃｒを０．１０％以上含有させる必要がある。しかし、Ｃｒを過剰に添加すると、コストが嵩むばかりか、焼入れ性が高くなりすぎてベイナイトが生成し、耐摩耗性向上の効果が飽和する場合がある。従って、Ｃｒの含有量を０．１０〜０．３０％と定めた。
【００３９】
Ｖ：
Ｖは、鋼を熱間鍛造した後の冷却過程でＶ炭窒化物としてフェライト中に析出し、フェライトの硬さを高めて引張強さとともに耐摩耗性を向上させる元素である。これらの効果を確実に得るにはＶを０．０５％以上含有させる必要がある。一方、Ｖを０．２０％を超えて過剰に含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。従って、Ｖの含有量を０．０５〜０．２０％と定めた。
【００４０】
Ｐｂ及びＣａ：
Ｐｂ及びＣａは添加しなくてもよい。添加すれば、何れも鋼の被削性を向上させる効果を有している。このため、本発明においては必要に応じてＰｂ及びＣａの１種あるいは２種を含有させる。しかし、Ｐｂを過剰に含有させると鋼の熱間鍛造性が劣化する場合があり、またＣａを過剰に含有させると介在物が増加して逆に鋼の被削性が低下する場合がある。従って、Ｐｂ含有量の上限を０．３０％に、そしてＣａ含有量の上限を０．０１０％とそれぞれ定めた。
【００４１】
（Ｂ）鋼の組織
（Ｂ−１）フェライト分率α
フェライトに比べて衝撃特性に劣るパーライトの割合が増加するとフェライト・パーライト組織を有する鋼の靱性は低下する。一方、パーライトに比べて耐摩耗性に劣るフェライトの割合が増加するとフェライト・パーライト組織を有する鋼の耐摩耗性は低下する。
【００４２】
即ち、本発明に係る化学組成のフェライト・パーライト型非調質鋼のフェライト分率αが０．２０を下回ると十分な靱性が確保されず、なかでも試験温度が−４０℃での靱性として、５０Ｊ／ｃｍ²以上という良好なシャルピー衝撃値を確保することが難しくなる。そして、上記フェライト分率αが０．６０を上回ると良好な耐摩耗性を付与することができなくなる。
【００４３】
従って、フェライト・パーライト組織におけるフェライト分率αを０．２０〜０．６０と定めた。
【００４４】
なお、フェライト分率αはＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ及びＶの含有量の調整等によって制御することができる。
【００４５】
（Ｂ−２）平均パーライト粒径Ｄｐ
本発明に係る化学組成のフェライト・パーライト型非調質鋼では、フェライト・パーライト組織の微細化、とりわけパーライトの微細化によって、その靱性、なかでも低温靱性を向上させることができる。しかし、平均パーライト粒径Ｄｐが０．０８ｍｍを上回ると十分な靱性を確保することができず、−４０℃で５０Ｊ／ｃｍ²以上という良好なシャルピー衝撃値を確保することが困難となる。このため平均パーライト粒径Ｄｐを０．０８ｍｍ以下と規定した。
【００４６】
なお、パーライト粒径は、熱間鍛造時のオ−ステナイト粒の調整や、前述したＳ添加の作用等を活用することにより制御することができる。
【００４７】
（Ｃ）Ｆｎ１、Ｆｎ２及びＦｎ３の値
前記の(1)式、(2)式及び(3)式で表されるＦｎ１、Ｆｎ２及びＦｎ３はフェライト・パーライト型非調質鋼の強度、靱性（衝撃値）及び耐摩耗性と密接に関係している。
【００４８】
即ち、Ｆｎ１の値を０．７３以上とすることによって、引張強さが７５０ＭＰａ以上の高強度が確保される。これに加えてＦｎ２の値を１．２０以上とすることによって、−４０℃でのシャルピー衝撃値が５０Ｊ／ｃｍ²以上という優れた靱性も同時に確保され、更に、Ｆｎ３の値を０．６４以上とすることによって、作業機用エンジンのクランクシャフトとして十分に満足できる耐摩耗性も確保することができる。
【００４９】
以下、上記の事項について更に具体的に説明する。
【００５０】
表１に示す化学組成を有する各種の鋼を後述する実施例と同様にして溶製し、鍛伸及び焼ならしした後、組織観察、硬さ調査、引張試験、試験温度が常温と−４０℃でのシャルピー衝撃試験、及び摩耗試験を行った。
【００５１】
なお、摩耗試験は、後述する実施例と同様のピン−ディスク式摩耗試験によって行った。
【００５２】
表１には、化学組成に加えて、組織観察結果、及び化学組成と組織観察結果から計算されるＦｎ１、Ｆｎ２、Ｆｎ３の値も併記した。なお、表１の「相」欄における「Ｆ」、「Ｐ」及び「Ｂ」はそれぞれフェライト、パーライト及びベイナイトを指し、「Ｆ＋Ｐ」はフェライト・パーライト組織、つまり、フェライトとパーライトの混合組織を意味する。また、「Ｆ＋Ｐ＋Ｂ」はフェライト、パーライト及びベイナイトの混合組織を意味する。
【００５３】
【表１】

【００５４】
表２に、硬さ調査の結果、引張試験の結果、試験温度が常温と−４０℃でのシャルピー衝撃試験の結果、及び摩耗試験の結果を示す。
【００５５】
【表２】

【００５６】
図２は、前記表２の引張試験結果（引張強さ）とＦｎ１の値との関係を整理したものである。図中の○印は、表１に示した鋼のうち化学組成が本発明の規定範囲内にある鋼A、鋼B及び鋼Cである。一方、図中の●印は、表１に示した鋼のうち化学組成が本発明の規定から外れた鋼D〜Oである。
【００５７】
この図２からも確認できるように、鋼のＦｎ１の値を０．７３以上とすることによって、７５０ＭＰａ以上の引張強さが安定して確保されている。
【００５８】
図３は、前記表２の−４０℃におけるシャルピー衝撃試験結果としての衝撃値（UＥ_-40 ）とＦｎ２の値との関係を整理したものである。図２の場合と同様に、図３中の○印は表１に示した鋼のうち化学組成が本発明の規定範囲内にある鋼A〜Cである。また、図３中の●印は表１に示した鋼のうち化学組成が本発明の規定から外れた鋼D〜Oである。
【００５９】
この図３から確認できるように、鋼のＦｎ２の値を１．２０以上とすることによって、−４０℃でのシャルピー衝撃値として５０Ｊ／ｃｍ²以上という大きな値が安定して確保されている。
【００６０】
図４は、前記表２の摩耗試験結果（摩耗量）とＦｎ３の値との関係を整理したものである。この図４においても、図中の○印は表１に示した鋼のうち化学組成が本発明の規定範囲内にある鋼A〜Cであり、●印は表１に示した鋼のうち化学組成が本発明の規定から外れた鋼D〜Oである。
【００６１】
この図４から、鋼のＦｎ３の値を０．６４以上とすることによって十分な耐摩耗性が確保され、摩耗量を２００ｍｇ以下にできることが確認できる。
【００６２】
以下、実施例により本発明を更に具体的に説明する。
【００６３】
【実施例】
表３に示す化学組成を有する鋼を１８０ｋｇ真空溶解炉を用いて溶製し、これらの鋼を鋼片とした後、鋼１、鋼２及び鋼８については、前記鋼片を１２００℃以上に加熱してから、直径が２０ｍｍと直径が１００ｍｍの丸棒に熱間鍛造した。また、鋼６、鋼７、鋼９及び鋼１０については、前記鋼片を１２００℃以上に加熱してから、直径が２０ｍｍ、６０ｍｍ及び１００ｍｍの各丸棒、並びに、長さが２００ｍｍ、幅が１００ｍｍで厚さが２５ｍｍの板に熱間鍛造した。
【００６４】
鋼１、鋼２及び鋼６〜９の直径が２０ｍｍの丸棒については、更に１１５０℃で１時間加熱保持した後、大気中で放冷した。
【００６５】
この直径が２０ｍｍの丸棒の中心部から、ＪＩＳ１４Ａ号引張試験片及びJIS Z 2202(1998)に記載の幅１０ｍｍのＵノッチ試験片（JIS Z 2202(1980)に記載の３号シャルピー衝撃試験片)を採取し、室温での引張試験と、室温及び−４０℃での衝撃試験を実施した。
【００６６】
硬さについては、前記の直径が２０ｍｍの丸棒の鍛伸方向と直角な面をロックウェル硬度計にて測定した。
【００６７】
組織観察は次のようにして行った。即ち、前記の直径が２０ｍｍの丸棒の鍛伸方向と直角な面を研磨した後５％ナイタールで腐食し、その直径をＤとしてＤ／４の部位（表面と中心との中間部分）を倍率を２００倍として光学顕微鏡で観察し、観察した視野面積に占めるフェライトの割合（フェライト分率α）とパーライトの平均粒径（平均パーライト粒径Ｄｐ）とを測定した。
【００６８】
鋼１、鋼２及び鋼６〜９の直径が１００ｍｍの丸棒から、直径が１００ｍｍで厚さが２０ｍｍの試料を採取し、１２００℃に１時間加熱保持した後、大気中で放冷した。次いで、この試料を直径が８５ｍｍで厚さが１３ｍｍに仕上げ加工し、図５（ａ）に示すピン−ディスク式摩耗試験の“ディスク状試験片”とした。また、相手材として、JIS G 4805で規定される高炭素クロム軸受鋼鋼材のＳＵＪ２に相当する鋼を焼入れ−焼戻ししたものから、図５（ｂ）に示す直径が１０ｍｍで長さが３５ｍｍの“ピン状試験片”を採取した。そして、図６に示したように、室温にて、無潤滑状態でピン−ディスク式摩耗試験を行った。
【００６９】
なお、上記摩耗試験の試験条件は、ピン状試験片の押付け荷重を４９Ｎ（５ｋｇｆ）、ディスク状試験片の回転数を５００ｒｐｍとし、１００００ｍ摺動後のディスク状試験片の摩耗質量を測定した。
【００７０】
従来から使用されてきた機械構造用炭素鋼鋼材であるＪＩＳのＳ４８Ｃに相当する表３に記載の鋼１０に付いては、直径が２０ｍｍと１００ｍｍの各丸棒を、８５０℃に１時間加熱保持した後に水冷し、更に、５５０℃に１．５時間加熱保持して水冷してから、前記の鋼１、鋼２及び鋼６〜９と同様の試験片を採取し、引張試験、シャルピー衝撃試験、硬さ調査、組織観察及び摩耗試験を行った。
【００７１】
鋼６、鋼７、鋼９及び鋼１０については、前記の直径が６０ｍｍの丸棒及び、長さが２００ｍｍ、幅が１００ｍｍで厚さが２５ｍｍの板を用いて、被削性評価のためのドリル穿孔試験及び旋削試験も行った。
【００７２】
ドリル穿孔試験及び旋削試験は次の要領で実施した。
【００７３】
即ち、鋼６、鋼７及び鋼９の前記直径が６０ｍｍの丸棒及び、長さが２００ｍｍ、幅が１００ｍｍで厚さが２５ｍｍの板には、１２００℃に１時間加熱保持してから大気中で放冷する処理を施した。また、ＪＩＳのＳ４８Ｃに相当する鋼１０の前記直径が６０ｍｍの丸棒及び、長さが２００ｍｍ、幅が１００ｍｍで厚さが２５ｍｍの板には、８５０℃で１時間加熱保持してから水冷し、更に５５０℃に２時間加熱保持した後に水冷する処理を施した。
【００７４】
前記の長さが２００ｍｍ、幅が１００ｍｍで厚さが２５ｍｍの板から、長さが１８０ｍｍ、幅が９０ｍｍで厚さが２０ｍｍの板状試験片を採取し、JIS G 4403に規定されている高速度工具鋼鋼材のＳＫＨ５１からなる直径が６ｍｍのドリルを用いて、次の条件でドリル穿孔試験を行い、板と直角方向に２０ｍｍの貫通孔を２００個開けたときの工具の逃げ面摩耗量を測定した。
切削速度：２０ｍ／分、
送り量：０．１０ｍｍ／ｒｅｖ、
潤滑：湿式。
【００７５】
また、前述した直径が６０ｍｍの丸棒から直径が５８ｍｍの丸棒状試験片を採取し、ＴｉＮコ−ティングを施した超硬工具Ｐ２０のチップを用いて、次の条件で旋削試験を行い、試験片の長手方向に外周を２０分旋削した時の工具の逃げ面摩耗量を測定した。
切削速度：１６０ｍ／分、
送り量：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み：２．０ｍｍ、
潤滑：乾式。
【００７６】
表３には、化学組成に加えて、組織観察結果、及び化学組成と組織観察結果から計算されるＦｎ１、Ｆｎ２、Ｆｎ３の値も併記した。なお、表３の「相」欄における「Ｆ」、「Ｐ」及び「Ｍ」はそれぞれフェライト、パーライト及びマルテンサイトを指し、「Ｆ＋Ｐ」はフェライトとパーライトの混合組織を意味する。
【００７７】
なお、表３における鋼８及び鋼９はＦｎ１、Ｆｎ２、Ｆｎ３の値の１つ以上が本発明の規定から外れた比較例である。また、既に述べたように鋼１０はJIS G 4051で規定された機械構造用炭素鋼鋼材であるＳ４８Ｃに相当する鋼である。
【００７８】
【表３】

【００７９】
表４に、引張試験、シャルピー衝撃試験、硬さ調査、組織観察、摩耗試験、ドリル穿孔試験及び旋削試験の結果を示す。
【００８０】
【表４】

【００８１】
図７、図８及び図９は、鋼１、鋼２及び鋼６〜９について、それぞれ、前記表４の引張試験結果（引張強さ）とＦｎ１の値との関係、−４０℃におけるシャルピー衝撃試験結果としての衝撃値（UＥ_-40 ）とＦｎ２の値との関係、及び摩耗試験結果（摩耗量）とＦｎ３の値との関係、を整理したものである。これらの図における○印は、表３に示した鋼のうち化学組成が本発明の規定範囲内にある鋼１、鋼２、鋼６及び鋼７である。一方、図中の●印は、表３に示した鋼のうちＦｎ１、Ｆｎ２、Ｆｎ３の値の１つ以上が本発明の規定から外れた鋼８及び鋼９である。
【００８２】
表３、表４、図７、図８及び図９に示される結果から、次のことが確認できる。
【００８３】
即ち、鋼の化学組成、組織観察の結果、更にＦｎ１、Ｆｎ２、Ｆｎ３の値が本発明で規定する範囲内にある鋼１、鋼２、鋼６及び鋼７は、従来から使用されてきた機械構造用炭素鋼材のＳ４８Ｃ相当材である鋼１０の調質材と比較して、引張強さ、衝撃値、耐摩耗性が同等以上であることが分かる。
【００８４】
一方、比較例の鋼８は、本発明で規定する化学組成とフェライト分率α、平均パーライト粒径Ｄｐを満足するものではあるが、Ｆｎ１及びＦｎ３の値が本発明の規定値に達しておらず、強度が低く、耐摩耗性に劣っている。
【００８５】
また、比較例の鋼９は、本発明で規定する化学組成とフェライト分率α及び、平均パーライト粒径Ｄｐを満足してはいるが、Ｆｎ２の値が本発明の規定値に達しておらず、衝撃値が低くなっている。
【００８６】
更に、本発明例に係る鋼６及び鋼７では、工具摩耗量が比較例に係る鋼９及び、従来例であるＳ４８Ｃに相当する鋼１０の調質材と比べて小さくなっていることが分かる。
【００８７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、７５０ＭＰａ以上の引張強さを有し、かつ従来材であるＪＩＳに規定された機械構造用炭素鋼鋼材Ｓ４８Ｃに相当する鋼を焼入れ−焼戻ししたものと同等の低温靱性（シャルピー衝撃値）及び耐摩耗性を有する作業機用エンジンの非調質クランクシャフトが実現される。このように、本発明に係る作業機用エンジンの非調質クランクシャフトは、調質処理しなくても優れた強度、低温靱性及び耐摩耗性を示すため、芝刈機、発電機、除雪機、ポンプ、船外機等の作業機用エンジンに適用することによって、寒冷地等での過酷な使用にも十分に耐えうる高性能が発揮されるなど、産業上有用な効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】芝刈機におけるエンジンの内部構造の例を示す縦断面概要説明図である。
【図２】表２の引張試験結果（引張強さ）をＦｎ１の値との関係で整理して示した図である。
【図３】表２の−４０℃でのシャルピー衝撃試験の結果（衝撃値）をＦｎ２の値との関係で整理して示した図である。
【図４】表２の摩耗試験の結果（摩耗量）をＦｎ３の値との関係で整理して示した図である。
【図５】摩耗試験に供した試験片の形状を示す図で、（ａ)はディスク状試験片、（ｂ）は、ピン状試験片である。
【図６】ピン−ディスク式摩耗試験の要領を説明する概略図である。
【図７】表４の引張試験結果（引張強さ）をＦｎ１の値との関係で整理して示した図である。
【図８】表４の−４０℃でのシャルピー衝撃試験の結果（衝撃値）をＦｎ２の値との関係で整理して示した図である。
【図９】表４の摩耗試験の結果（摩耗量）をＦｎ３の値との関係で整理して示した図である。
【符号の説明】
１：クランクシャフト、
２：ブレード。

Claims

質量％で、Ｃ：０．３０〜０．３５％、Ｓｉ：０．４０〜０．８０％、Ｍｎ：１．００〜２．００％、Ｓ：０．０４０〜０．０８０％、Ｃｒ：０．１０〜０．３０％、Ｖ：０．０５〜０．２０％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、組織がフェライト分率αが０．２０〜０．６０及び平均パーライト粒径Ｄｐが０．０８ｍｍ以下のフェライト・パーライト組織で、かつ下記(1)式で規定されるＦｎ１の値が０．７３以上、下記(2)式で規定されるＦｎ２の値が１．２０以上及び下記(3)式で規定されるＦｎ３の値が０．６４以上を満足する作業機用エンジンの非調質クランクシャフト。
Ｆｎ１＝Ｃ＋０．１０Ｓｉ＋０．２０Ｍｎ−０．７１Ｓ＋０．２３Ｃｒ＋１．６５Ｖ・・・(1)
Ｆｎ２＝１．４−１．１（１−α）＋０．１６Ｄｐ^-1/2 ・・・(2)
Ｆｎ３＝（１−α）＋α（０．３Ｓｉ＋０．８Ｖ）・・・(3)
但し、(1)式及び(3)式中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。
Ｆｅの一部に代えて、Ｐｂ：０．３０％以下及びＣａ：０．０１０％以下から選択される１種以上を含有する請求項１に記載の作業機用エンジンの非調質クランクシャフト。
質量％で、Ｃ：０．３０〜０．３５％、Ｓｉ：０．４０〜０．８０％、Ｍｎ：１．００〜２．００％、Ｓ：０．０４０〜０．０８０％、Ｃｒ：０．１０〜０．３０％、Ｖ：０．０５〜０．２０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる鋼材であって、熱間鍛造後に大気冷却した際の金属組織がフェライト・パ−ライトであるとともに、フェライト分率αが０．２０〜０．６０、平均パ−ライト粒径Ｄｐが０．０８ｍｍ以下であり、かつ下記(1)式で規定されるＦｎ１の値が０．７３以上、下記(2)式で規定されるＦｎ２の値が１．２０以上、そして下記(3)式で規定されるＦｎ３の値が０．６４以上の何れをも満足する鋼材にて構成された作業機用エンジンのクランクシャフト。
Ｆｎ１＝Ｃ＋０．１０Ｓｉ＋０．２０Ｍｎ−０．７１Ｓ＋０．２３Ｃｒ＋１．６５Ｖ・・・(1)
Ｆｎ２＝１．４−１．１（１−α）＋０．１６Ｄｐ^-1/2 ・・・(2)
Ｆｎ３＝（１−α）＋α（０．３Ｓｉ＋０．８Ｖ）・・・(3)
但し、(1)式及び(3)式中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。
質量％で、更にＰｂ：０．３０％以下及びＣａ：０．０１０％以下の１種以上を含有する鋼材にて構成された、請求項３に記載の作業機用エンジンのクランクシャフト。