JP4658695B2

JP4658695B2 - 耐水素割れ性にすぐれた鍛造用鋼およびクランク軸

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Publication number: JP4658695B2
Application number: JP2005164539A
Authority: JP
Inventors: 亘漆原; 俊樹佐藤; 荘吾深谷; 宣之藤綱
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2005-06-03
Filing date: 2005-06-03
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2025-06-03
Also published as: CN100489142C; KR20060126375A; JP2006336092A; CN1873042A

Description

本発明は、船舶や発電機等の動力伝達用大型クランク軸等に使用される鍛造用鋼であって、とくに高疲労強度ならびに耐水素割れ性にすぐれた高清浄鋼に関する。

船舶や発電機等の動力伝達用大型クランク軸等に使用される鍛造用鋼として、従来から、ＩＳＯ規格の３６ＣｒＮｉＭｏ６、ＤＩＮ規格の３２ＣｒＭＯ１２あるいはＩＳＯ規格の４２ＣｒＭｏ４に代表されるいわゆるＣｒ−Ｍｏ鋼が使用されている。

クランク軸はその使用中に過酷な繰り返し応力に曝されるため、これらのＣｒ−Ｍｏ鋼を用いて製造するにしても、疲労破壊の起点となるＭｎＳ等の介在物がきわめて少ない高清浄鋼が要求される。一方、クランク軸は、当然のことながら、今後ますますより軽量で高性能の品質、つまりより高疲労強度の製品要求度を増していく。

ところが、Ｃｒ−Ｍｏ鋼の場合、高清浄度化および高疲労度化を追求するにしたがって、水素割れ性が発生しやすくなるために、鋼の材質面および精練技術の両面から対策が考えられている。たとえば、溶鋼の精練時における水素量の上限値を規制し、それを超えるときには脱水素処理することにより、耐水素割れ性のよい鋼を製造している。

あるいは、下記特許文献１は、大型鍛鋼品の耐水素割れ性を向上する目的で鋼中のＳ含有量を増加させる従来法が、ＭｎＳ介在物を増加し、鋼の清浄度を低下して疲労強度を抑制するのを改良しようとする。同特許は、溶鋼中のＳ量を、水素量とのかねあいで過不足なく調整することにより、耐水素割れ性を向上させる方法を提案する。あるいは、下記特許文献２は、クランク用鋼の清浄度を改善するための従来の一方法が、２次精練にて介在物を低減させるのを改良し、ＲＨ真空脱ガス時、取鍋と脱ガス槽間にて溶鋼を還流して介在物を除去しようとする方法を提案する。

上記したような脱水素処理は時間および処理費の点で、水素量の低減化に限界があり、一般的には１〜数ｐｐｍレベルで製造管理しているが、水素割れは微量の水素により発生するため、この程度の管理では水素割れは完全に防止できない。また、上記したＳ濃度を調整しつつ硫化物を形成する方法は、かえって製品鋼の清浄度および機械的性質、疲労強度の劣化を招き、より以上の高清浄、高疲労強度を期待することが容易ではない。

その他、下記特許文献がこの種鍛造用鋼の改良案を開示する。特許文献３は、Ｃｒ系耐熱鋼の高温強度を向上するために、鋼中のＴａ、Ｎｂ等の酸化物の粒径と形状を調整して分散させている。また、特許文献４は、ＣｒＭｏＶ系耐熱鋼の高温クリープ強度および低温靭性をよくする方法として、製品の熱処理を改善する。また、特許文献５は、３６ＣｒＮｉＭｏ６系クランクの強度、靭性、焼入れ性をよくするために、低ＮｉによるコストダウンおよびＶ、Ｎｂ、Ｔａの添加さらには固溶Ｎによる強度の向上をはかっている。なお、冷延鋼製造の分野における水素脆化の抑制法として、腐食等の外的要因による水素の侵入の抑制、あるいは焼き戻しによる析出炭窒化物を利用した水素拡散の抑制が知られている。しかし、これらは、冷却中あるいは常温放置中のように、腐食が生ずるより短時間のあいだに生ずる水素割れとは、水素の挙動が相異する。
特開２００３−２６８４３８号公報特開２００３−１８３７２２号公報特開平７−１５０２８９号公報特開平９−１９４９４６号公報特開平２００２−２４１８９２号公報

本発明は、クランク軸のような大型鍛鋼品に要求される軽量化および疲労強度等のさらなる高性能化された高清浄度鋼が耐水素割れ性を損なう点に着目し、この種鍛造用鋼の水素割れ感受性を効果的に低減することを解決課題とする。

本発明は、上記課題を解決するために、
（１）Ｃ：０．２〜０．６％（質量％。以下同じ。）、Ｓｉ：０．１〜０．４％、Ｍｎ：０．７〜１．５％、Ｎｉ：１.０％以下、Ｃｒ：１．２〜３．５％、Ｍｏ：０．１〜０．６％、Ａｌ：０．０１〜０．０５％、Ｎ：０．０２％以下、Ｓ：０．００５６％以下およびＴｉ、Ｚｒ、ＨｆまたはＮｂの１種以上を合計で０．００５〜０．１０％含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなる鋼であって、鋼中に含まれる最大弦長が１μｍ以上の介在物の円形度の平均値（以下、平均円形度という。）が０．５以上、最大弦長が２０μｍ以上の介在物の個数が１００ｍｍ²あたり４０個未満で、その平均円形度が０．２５以上、および最大弦長が１〜１０μｍの介在物の個数が１００ｍｍ²あたり１００個以上である耐水素割れ性にすぐれた鍛造用鋼、
（２）鋼中に含まれる最大弦長が１〜１０μｍの介在物のうち、１０％以上の個数を占める介在物がＴｉ、Ｚｒ、ＨｆまたはＮｂの１種以上を合計で１％以上含有する上記（１）に記載の耐水素割れ性にすぐれた鍛造用鋼、
（３）Ｖ：０．０３５〜０．３０％を含有する上記（１）または２の耐水素割れ性にすぐれた鍛造用鋼、
（４）大型クランク軸の製造を用途とする上記（１）（２）または（３）に記載の耐水素割れ性にすぐれた鍛造用鋼、および
（５）上記（１）、（２）、（３）または（４）の鍛造用鋼を鍛造して製造されたクランク軸である。

本発明は、鍛造用鋼に通常含まれるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｎの各含有量をそれぞれの機能に応じて特定の範囲に限定し、かつＴｉ、Ｚｒ、ＨｆまたはＮｂをも併添する組成とし、さらに鋼中介在物の形状、大きさおよび個数を厳密に特定した。この二つの条件により、高清浄度を確保したまま、耐水素割れ性がきわめて優秀で、しかも軽量にして高疲労強度の鍛造用鋼が提供でき、大型クランク軸等に有効に使用できる効果がある。

本発明の耐水素割れ性にすぐれた鍛造用鋼は、鋼の成分組成を特定するとともに、鋼中介在物の形状、大きさならびに個数等の特性値を相対的に調整したことを特徴とする。

まず、鋼の成分組成について説明する。

Ｃ：０．２〜０．６％を含有させることにより、鋼の焼き入れ性および強度を高めることができ、このためには０．２％以上必要であるが、０．６％より多くなると、鋼の靭性が劣化し、逆Ｖ偏析を助長する。より好ましくは、０．３〜０．５％の範囲がよい。

Ｓｉ：０．１〜０．４％を含有させるのは、鋼の強度向上作用を期待するためで、十分な強度を確保するためには０．１％以上必要であり、多すぎると逆V偏析が著しくなって、鋼の清浄度を阻害するので、０．４％以下、より好ましくは０．３％以下がよい。

Ｍｎ：０．７〜１．５％を含有させるのは、鋼の焼き入れ性および強度をより向上するためで、１．５％以上を超えると、逆Ｖ偏析を助長するので、０．８〜１．２％の範囲がより好ましい。

Ｎｉ：１．０％以下で含有させるのは、Ｎｉが鋼中に固溶して鋼の焼き入れ性を向上するとともに靭性を付与するためであり、高価なＮｉは１．０％以下でよい。

Ｃｒ：１．２〜３．５％の含有も鋼の焼き入れ性および靭性を向上させるためで、多すぎると逆Ｖ偏析の助長を招くので、より好ましくは１．５〜２．５％がよい。

Ｍｏ：０．１〜０．６％の含有は、鋼の焼き入れ性、強度および靭性のすべてを有効に向上させるが、より好ましくは０．１５％以上の含有がよい。しかし、Ｍｏの平衡分配係数は小さく、ミクロ偏析（正常偏析）をつくりやすいので、０．６％以下、より好ましくは０．３５％以下におさえるとよい。

その他、Ｓの存在は鋼中でＭｎＳ等の硫化物を形成し、鋼の疲労特性を劣化する原因となるので、０．００５％以下、より好ましくは、０．００３％以下がよい。

本発明の鍛造用鋼は、上述の各成分を必須的に含有してこの種鋼の基本的組成を構成するのに加えて、さらに下記成分の含有を特徴とする。

まず、Ａｌ：０．０１〜０．０５％の含有は、Ａｌの脱酸性を期待するためで、０．０１％以上を必要とし、それにより生成するＡｌ₂Ｏ₃系介在物が微細であれば、水素割れの起点になることがなく、水素を捕捉して製品鋼の耐水素割れ性の向上に貢献する。これは上記Ａｌ₂Ｏ₃が硫化物に比較して、後述する円形度が大きい傾向を示すからである。一方、ＡｌはおもにＡｌＮの形でＮを固定し、ＮおよびＶ等の配合による鋼の強化作用を妨害すると同時に、その他多くの元素とも結合し、非金属介在物や金属間化合物を生成し、鋼の靭性に悪影響を及ぼすので、０．０５％を限度とする。

つぎに、Ｔｉ、Ｚｒ、ＨｆまたはＮｂの１種または２種以上を０．００５％以上含有させる。これらの金属元素は鋼中にあって、Ｔｉ₄Ｃ₂Ｓ₂のような微細介在物を構成して鋼中に分散し、固溶限をこえた鋼中の余剰水素を吸蔵捕捉し、鋼の耐水素割れ性を改善する大きな効果がある。しかも、これらＴｉ等の介在物が水素を捕捉するさいの化学結合エネルギーは強力であって、鋼の冷却時に生起する水素拡散を、より高温時から抑制する。このことは、これらＴｉ等の介在物の方がＭｎＳやＡｌ₂Ｏ₃等の介在物よりも水素割れ抑止効果がすぐれていることを意味する。

そして、以上の作用効果を期待するために、Ｔｉ等は０．００５％以上必要であるが、活性元素であるために、溶鋼中の不純物や耐火物成分とも反応して巨大な介在物をつくるおそれがある。この介在物は鋼の機械的性質および耐水素割れ性を著しく劣化するおそれがあるので、０．１０％以下、より安全には０．０３％以下に制御するのが好ましい。

なお、Ｔｉ等の上記介在物の量や大きさあるいは種類は、Ｔｉ等の含有量とは別に、溶鋼の撹拌等の精錬状態や鋳造時の引き抜き速度あるいは冷却速度にも支配される面があるが、本発明ではとくに限定しない。

また、本発明において、上記Ｔｉ等の含有とあいまって、Ｎの含有量を０．０２％以下に制御してよいのは、Ｔｉ等と結合して窒化物や炭窒化物を形成し、鋼の水素割れ感受性の抑制に寄与するからである。Ｎの含有量が０．０２％を超えると、生成する窒化物等が粗大化して鋼の機械的性質を劣化するので、０．０１％以下に抑えるのがより好ましい。

本発明の鋼は、さらにＶ：０．０３５〜０．３０％を含有することができる。Ｖは鋼の焼き入れ時に炭窒化物を生成することにより、鋼中のオーステナイト粒を微細化する効果があり、より好ましくは、０．００７〜０．２５％の範囲がよい。

本発明は、以上に説明した組成に加えて、鋼中に存在する介在物の形状、個数あるいは大きさ等の特性値を下記のように制御することが特徴である。
・最大弦長が１μｍ以上の介在物の平均円形度が０．５以上、
・最大弦長が２０μｍ以上の介在物が４０個／１００ｍｍ²未満で、その平均円形度が０．２５以上、および、
・最大弦長が１〜１０μｍの介在物が１００個／１００ｍｍ²以上。

鋼中に分散して存在する各種介在物は、組成や生成過程等から形状や大きさは多様であるが、形状に着目すると、球状より楕円球状の方が応力集中割れの起点になりやすい。加えて、応力場に歪みが集中して水素の濃化を誘発しやすく、これが鋼の水素割れを起こしやすくすることが考えられる。この状況を定量的に検討すべく、鋼断面を観察して介在物を２次元でとらえ、その形状を楕円球状の弦長ならびに下記（数式１）で表わすことができる円形度で計測し、鋼の水素割れ性との関係を多数の実験データ分析により検討した。その結果、円形度が小さいほど水素割れが起こりやすいことを見出した。

(数式１) 円形度＝４π×面積／（周長）²
すなわち、最大弦長が１μｍ以上の介在物の平均円形度が０．５未満の場合および２０μｍ以上の介在物の平均円形度が０．２５未満の場合、その鋼は水素割れが生じやすいことが把握できた。より安全には、最大弦長が１μｍ以上の介在物の平均円形度は０．６以上、２０μｍ以上の介在物の平均円形度は０．４以上に制御することにより、鋼の水素割れは有効に抑制できる。

また、これら介在物の鋼中における存在個数の多少も鋼の水素割れ感受性に影響することを見出した。すなわち、最大弦長が２０μｍ以上の介在物になると、その個数が水素割れ性に対する影響が大で、１００ｍｍ²あたり４０個以上では、同介在物を起点にする水素割れが起こりやすい。より安全のためには、30個未満に制御するのがよい。

最大弦長が１〜１０μｍの介在物は、その界面が水素を捕捉するように作用して水素拡散が抑制できるとともに、水素割れの起点になり難いことを見出した。なお、１μｍ未満の介在物も同様の機能を持つから、それらの含有は妨げられない。

本発明は、鋼中水素の捕捉性能を効率よく実現するために、Ｔｉ、Ｚｒ、ＨｆまたはＮｂもしくはこれらの2種以上を０．００５％以上含有させるが、これらの活性元素は既述したような介在物を形成して鋼中に分散する。そして、この介在物の最大弦長が１０μｍ以下の微細であると、分散しやすく、固溶限を超えた余剰水素の捕捉性が向上する。しかも、この介在物の強力な化学結合エネルギーは水素の捕捉作用がとくにすぐれており、鋼の冷却時におこる水素の拡散を、より高温時から抑制できる大きな利点があり、この効果は、ＭｎＳやＡｌ₂Ｏ₃等の介在物よりも大きい。

また、これらＴｉ等由来の介在物の水素に対する効果は、その最大弦長が１０μｍ以下の場合に顕著で、しかもこの微細介在物の個数が同種介在物中の１０％以上、より好ましくは２０％以上である方が顕著である。また、これらＴｉ等の介在物のその他全介在物中に占める量が、合計で１％以下の微量では上記効果が期待できず、より望ましくは２０％以上に制御するのが効果的である。

なお、介在物の各種特性値を以上のように定量化する手法は定めないが、例えば以下の手法にて得ることができる。Alが本発明範囲に制御した上で、スラグの塩基度（CaO/SiO2）を3.0以上とすることにより、酸化物の個数を著しく抑制し、スピネルを中心とする微細介在物とすることができる。また介在物を形成するS、N量を本発明範囲に制御することにより硫化物や窒化物のサイズのみならず組成を制御することができる。それら介在物は凝集や展伸しての粗大化が生じにくく、本発明の特性値に制御しやすい。なお、それに加えて、鋳込み速度や撹拌方法・速度、冷却速度、焼き入れ・焼き戻し温度を各鋼種毎にカスタマイズすることにより、より細かい介在物制御を行うことができる。また、介在物の上記したような弦長、周長、面積あるいは個数等は、ＳＥＭ-ＥＰＭＡ（日本電子株式会社製ＪＸＡ・８９００ＲＬ、ＸＭ・Ｚ００４３Ｔ、ＸＭ・８７５６２）での画像解析により、容易に計測できる。

本発明は、上記の化学組成を有し、同時に大きさや形状等を制御した介在物を含有する鋼材を鍛造加工して製造された舶用の大型クランク軸を含むものであるが、このクランク軸は上述したとおりの耐水素割れ性を具備した軽量かつ高性能の製品であるのはいうまでもない。
（実施例）
本発明の実施鋼および比較鋼として、（表１）および（表２）に示す化学成分を含有し、スラグ塩基度を3.0に調整した鍛造用鋼を１５０ｋｇ真空炉で溶製し供試鋼とした。各インゴットを鍛造し、冷却後、引張り強度が９５０ＭＰａ前後となるように、焼入れ（８７０℃×１時間）および焼き戻し（６００℃×１３時間）をした。各供試鋼から、２０ｍｍ角×５ｍｍ厚サイズの試験片を、１鋼種につき３個ずつ切り出し、各断面を研磨した。

各試験片を自動ＥＰＭＡ（日本電子株式会社製ＪＸＡ・８９００ＲＬ、ＸＭ・Ｚ００４３Ｔ、ＸＭ・８７５６２）により、１００倍の倍率で、視野が１０×１０ｍｍ²の反射電子像をとらえ、最大弦長が１μｍ以上の全介在物を認識させた。同時に、介在物の最大弦長以外の円周、面積ならびに円形度を自動的に計算するとともに、ＥＤＳにより、介在物の重心点を、１点につき１０秒で自動分析した。

各試験片について、介在物の最大弦長を基準に下記４種を算出し、これを１鋼種につきそれぞれ３回ずつ実施し、各値を平均化した。
・最大弦長１〜１０μｍの介在物の個数。
・その内、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂの１種または２種以上を合計１％以上含有する介在物の割合。
・最大弦長１μｍ以上および２０μｍ以上の介在物の円形度の平均値。
・最大弦長２０μｍ以上の介在物の個数。

他方、各試験片の水素割れ感受性を、（図１）に示す鍛造用鋼の水素割れ感受性の比較試験法により、実験的に比較評価した。丸棒形の試験片（１）は、長さ１５０ｍｍ、標線間距離を１０ｍｍのダンベル状に加工し、中央部分を直径４ｍｍに、両端のつかみ具部分を直径８ｍｍにして長さ１５ｍｍにわたってねじを設けた。この試験片を、０．５Ｍｏｌ／１Ｈ₂ＳＯ₄＋０．０１Ｍｏｌ／１ＫＳＣＮ水溶液からなる環境で囲むように浸漬して試験に供した。

各試験片を上記水溶液に浸漬し、電流密度０．５Ａ／ｄｍ²にて陰極電解し、水素を添加しつつ（図１）の装置に試験片（１）を装着する。そして、ＳＳＲＴ（低歪み速度試験）により、試験片（１）に長軸方向の引張り負荷を与えてその応力Ｓ₁（伸び）を測定した。このときの試験装置のクロスヘッドの引張り速度を２×１０^-3ｍｍ／ｍｉｎとした。これとは別に、上記水溶液への浸漬を省略し、大気中で上記と同じ引張り条件下にてＳＳＲＴ試験を実施し、この群の試験片の破断応力Ｓ₀を測定した。

そして、以上の各測定値を下記（数式２）に代入して水素割れ感受性S値を算出した。

(数式２) S値＝（１−S₁／Ｓ₀）×１００
得られたS値を下記基準に従って鋼の水素割れ感受性を評価した。

× S値が５０以上・・・耐水素割れ性が劣る。

△ S値が４０〜５０・・・耐水素割れ性は普通。

○ S値が３０〜４０・・・耐水素割れ性がすぐれている。

◎ S値が３０未満・・・耐水素割れ性がきわめて優秀である。

上記基準に従って、各試験片の介在物特性値と鋼の耐水素割れ性との関係を（表３）に示すが、本発明鋼の実施例は、鋼としての耐水素割れ性がすぐれていることが明白である。たとえば、実施例Aのように、Ａｌ含有量が比較的に少なければ、Ａｌ₂Ｏ₃系介在物の析出量も少なく、全体として微細介在物の円形度が比較的に低い。また、実施例Bのように、Ti系成分の含有量が少ない場合は、微細介在物が少なく、円形度も低い。

（図２）は、鋼中介在物の電子顕微鏡写真の１例を示す。同図中の微細介在物Ｔｉ₄Ｃ₂S₂は、ＡｌおよびＴｉ系の活性元素を含有させて生じたもので、これらの微細介在物を多数生成しておくと、鋼の水素割れ感受性がより抑制されることが理解できる。なお、とくに、Ｔｉ添加がもっとも効果的である。さらに、実施例F〜Ｊのように、Ｓ含有量を下げると、水素割れ感受性が低下する。

これらに対して、比較例Ｋ〜Ｏの場合は、介在物の特性値が本発明の規定から外れているために、鋼の水素割れ感受性が一様に高くなっていることがわかる。

鍛造用鋼の耐水素割れ感受性試験装置の概略図。（１）試験片、（２）Ｈ₂ＳＯ₄＋KSCN水溶液の環境鋼中介在物の電子顕微鏡写真。

Claims

Ｃ：０．２−０．６％（質量％。以下同じ。）、Ｓｉ：０．１〜０．４％、Ｍｎ：０．７〜１．５％、Ｎｉ：１.０％以下、Ｃｒ：１．２〜３．５％、Ｍｏ：０．１〜０．６％、Ａｌ：０．０１〜０．０５％、Ｎ：０．０２％以下、Ｓ：０．００５６％以下およびＴｉ、Ｚｒ、ＨｆまたはＮｂの１種以上を合計で０．００５〜０．１０％含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなる鋼であって、鋼中に含まれる最大弦長が１μｍ以上の介在物の円形度の平均値（以下、平均円形度という。）が０．５以上、最大弦長が２０μｍ以上の介在物の個数が１００ｍｍ²あたり４０個未満で、その平均円形度が０．２５以上、および最大弦長が１〜１０μｍの介在物の個数が１００ｍｍ²あたり１００個以上であることを特徴とする耐水素割れ性にすぐれた鍛造用鋼。
鋼中に含まれる最大弦長が１〜１０μｍの介在物のうち、１０％以上の個数を占める介在物がＴｉ、Ｚｒ、ＨｆまたはＮｂの１種以上を合計で１％以上含有することを特徴とする請求項１の耐水素割れ性にすぐれた鍛造用鋼。
Ｖ：０．０３５〜０．３０％を含有することを特徴とする請求項１または２の耐水素割れ性にすぐれた鍛造用鋼。
大型クランク軸の製造を用途とすることを特徴とする請求項１、２または３の耐水素割れ性にすぐれた鍛造用鋼。
請求項１、２、３、または４の鍛造用鋼を鍛造して製造されたことを特徴とするクランク軸。