JP7167482B2 - 窒化用非調質鋼およびクランクシャフト - Google Patents
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Description
この発明は、窒化処理後の曲げ矯正性が要求されるクランクシャフト等の部品に好適に用いられる窒化用非調質鋼およびこれを用いたクランクシャフトに関する。
自動車用クランクシャフトは、一般的には鋳造もしくは鍛造にて製造され、強度や剛性が重視される場合は、炭素鋼もしくは低合金鋼に熱間鍛造を施したものが用いられる。そして、更に高強度化が必要とされる場合は、高周波焼入れやガス軟窒化処理等の表面硬化処理が施される。
ガス軟窒化処理は、ＮＨ3を含んだ雰囲気中でＡ１変態点以下の温度（５００℃～６５０℃程）に加熱することにより、鋼材表面に窒素および炭素を浸入させ、窒素の固溶または微細な炭窒化物の析出により表層を硬化させる方法である。かかるガス軟窒化処理は、高周波焼入れや調質処理（焼入、焼戻し処理）に比べて、熱処理温度が低く熱処理歪みが小さいという特徴がある。しかしながら、ガス軟窒化処理においてもクランクシャフトのような部品では曲がりが生じ易く、その結果、真直性が確保出来なくなった場合には、曲り矯正加工を行うこととなる。
このため、クランクシャフトの製造に用いられる鋼材には強度とともに十分な曲げ矯正性が求められる。ここで曲げ矯正性とは、窒化処理や軟窒化処理を施すことで生じる変形（曲り）の矯正加工（元の形状に戻す加工）を、容易且つ厳密に行うことができることを意味する。矯正性が低い場合、変形矯正の際に、元の形状に戻らなかったり、部品表面に疲労強度の低下に繋がる亀裂が入ったりする。
このため、クランクシャフトの製造に用いられる鋼材には強度とともに十分な曲げ矯正性が求められる。ここで曲げ矯正性とは、窒化処理や軟窒化処理を施すことで生じる変形（曲り）の矯正加工（元の形状に戻す加工）を、容易且つ厳密に行うことができることを意味する。矯正性が低い場合、変形矯正の際に、元の形状に戻らなかったり、部品表面に疲労強度の低下に繋がる亀裂が入ったりする。
しかしながら、一般的に強度（疲労強度）と曲げ矯正性はトレードオフの関係にあり、疲労強度を高めるために表層の硬度を高くすると、曲げ矯正性は逆に低下する傾向が認められ、例えば７００ＭＰａ以上といった高い疲労強度が求められるクランクシャフトでは、特に曲げ矯正性が悪化してしまう問題があった。
このような問題に対し、下記特許文献１では「非調質型窒化クランクシャフト」についての発明が示され、そこにおいて表面から０．０５ｍｍ位置のＨＶ硬さを３８０～６００とし、かつ、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を５μｍ以下とすることで、高い曲げ疲労強度とともに十分な曲げ矯正性を得るようになした点が開示されている。しかしながらこの特許文献１に記載のものは、窒化処理後に所定部位での化合物層深さを５μｍ以下とするための追加工や軟窒化処理条件の変更が必要となり製造コストが増加してしまう。
また、下記特許文献２では「軟窒化クランクシャフト及びその製造方法」についての発明が示され、そこにおいて、熱間鍛造および機械加工の後に歪開放熱処理を施すことで、蓄積された残留応力を解放するとともに残留γを分解し、その後に実施される軟窒化処理での曲りを防止するようになした点が開示されている。しかしながらこの特許文献２に記載のものも、新たに熱処理工程（歪開放熱処理）が追加されるため、製造コストが増加してしまう問題がある。
本発明は以上のような事情を背景とし、製造コストの増加に繋がるような新たな工程を追加することなく所定の疲労強度を確保しつつ十分な曲げ矯正性を確保することが可能な窒化用非調質鋼およびこれを用いたクランクシャフトを提供することを目的としてなされたものである。
而して本発明の請求項１は、「窒化用非調質鋼」に関するもので、質量％で、Ｃ：０．２０～０．５０％、Ｓｉ：０．０５～０．６０％、Ｍｎ：０．８０～１．７０％、Ｓ：０．００１～０．２０％、Ｃｕ：０．６０～１．２０％、Ｎｉ：０．０１～１．００％、Ｃｒ：０．０５～０．５０％、Ｔｉ：０．００２～０．０４０％、Ｎ：０．００５～０．０４０％、残部がＦｅ及び不可避的不純物であり、且つ下記式（１），式（２）を満たし、主としてフェライト・パーライトの２相組織からなることを特徴とする。
Ｆ１≧０．３０・・式(１)
Ｆ２≧１１．９・・式(２)
但しＦ１＝0.20[C]＋0.04[Mn]＋0.18[Cu]＋[Cr]
Ｆ２＝－13[C]－25[Si]＋3[Mn]＋2[Cu]＋5[Ni]－15[Cr]＋15
（Ｆ１，Ｆ２の式中[ ]は、[ ]内元素の含有質量％を表す）
Ｆ１≧０．３０・・式(１)
Ｆ２≧１１．９・・式(２)
但しＦ１＝0.20[C]＋0.04[Mn]＋0.18[Cu]＋[Cr]
Ｆ２＝－13[C]－25[Si]＋3[Mn]＋2[Cu]＋5[Ni]－15[Cr]＋15
（Ｆ１，Ｆ２の式中[ ]は、[ ]内元素の含有質量％を表す）
請求項２のものは、請求項１において、質量％で、Ｍｏ：０．１０％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｃａ：０．０００３～０．００６０％、Ｐｂ：０．３００％以下、の何れか１種若しくは２種以上を更に含有することを特徴とする。
請求項３は、「クランクシャフト」に関するもので、請求項１，２の何れかに記載の鋼からなり、表層に窒化層が形成されていることを特徴とする。
窒化処理された部品（鋼材）は表層に窒化層が形成される。窒化層は、主としてFe2～3Ｎ（ε相）およびFe4Ｎ（γ′相）から成る化合物層と、その直下に形成されマトリックス中に窒素が拡散している窒素拡散層（以下、単に拡散層と称する）から成る。ガス軟窒化処理では窒素に加え炭素の浸入も加わる。
本発明者が、窒化層の性状が曲げ矯正性に及ぼす影響を調べたところ、化合物層の厚みの減少に伴い曲げ矯正性が高まること、また化合物層に占めるγ′相の比率の増加に伴い曲げ矯正性が高まることを確認した。そして、化合物層の厚みの減少および化合物層に占めるγ′相の比率の増加は、いずれも鋼中のＣｕ量を増やすことで実現可能であることを見出した。
本発明者が、窒化層の性状が曲げ矯正性に及ぼす影響を調べたところ、化合物層の厚みの減少に伴い曲げ矯正性が高まること、また化合物層に占めるγ′相の比率の増加に伴い曲げ矯正性が高まることを確認した。そして、化合物層の厚みの減少および化合物層に占めるγ′相の比率の増加は、いずれも鋼中のＣｕ量を増やすことで実現可能であることを見出した。
また曲げ矯正性を高めるためには、窒化層におけるパーライト延性を向上させることも有効であり、鋼中のＮｉ量およびＭｎ量を増やすことでパーライト延性を向上させることが可能であることを見出した。
本発明は、これらの知見に基づいて、化合物層厚さ・構造等を制御することにより疲労強度と曲げ矯正性の両立を図ったものである。具体的には、疲労強度に及ぼす合金成分の影響を定式化した指数Ｆ１と、曲げ矯正性に及ぼす合金成分の影響を定式化した指数Ｆ２とを設け、これら指数Ｆ１、Ｆ２を満たすように各合金元素の含有量を規定することで、所定の疲労強度と十分な曲げ矯正性の両立を図っている。
次に本発明における各化学成分の限定理由を以下に詳述する。尚、以降の説明では、特にことわりがない限り「％」は「質量％」を意味するものとする。
「請求項１の化学成分について」
Ｃ：０．２０～０．５０％
Ｃは、強度を高めるのに有効な元素である。必要な強度を得るには０．２０％以上の添加を必要とする。但し、過剰な添加は鍛造硬度が高くなりすぎ機械加工性が悪化する。また曲げ矯正性も悪化する。このため、その上限を０．５０％とする。好適なＣの範囲は、諸特性のバランスに優れた０．３０～０．４５％である。
「請求項１の化学成分について」
Ｃ：０．２０～０．５０％
Ｃは、強度を高めるのに有効な元素である。必要な強度を得るには０．２０％以上の添加を必要とする。但し、過剰な添加は鍛造硬度が高くなりすぎ機械加工性が悪化する。また曲げ矯正性も悪化する。このため、その上限を０．５０％とする。好適なＣの範囲は、諸特性のバランスに優れた０．３０～０．４５％である。
Ｓｉ：０．０５～０．６０％
Ｓｉは、鋼の脱酸元素として有効な元素である。また硬度を高める効果もある。その効果を得るため０．０５％以上の添加が必要である。但し、０．６０％より多く添加されると曲げ矯正性の悪化を招くため、その上限を０．６０％とする。好適なＳｉの範囲は、諸特性のバランスに優れた０．０５～０．３５％である。
Ｓｉは、鋼の脱酸元素として有効な元素である。また硬度を高める効果もある。その効果を得るため０．０５％以上の添加が必要である。但し、０．６０％より多く添加されると曲げ矯正性の悪化を招くため、その上限を０．６０％とする。好適なＳｉの範囲は、諸特性のバランスに優れた０．０５～０．３５％である。
Ｃｕ：０．６０～１．２０％
Ｃｕは、化合物層の厚さ・構造を変化させ曲げ矯正性を高めるのに有効な元素である。またＣｕは耐力を高める効果もある。これらの効果を得るため０．６０％以上添加する。
但し、過剰な添加は熱間鍛造後の硬さが高くなり被削性の低下を招くほか、コストアップの要因にもなることから、その上限を１．２０％とする。好適なＣｕの範囲は、諸特性のバランスに優れた０．７０～１．１０％である。
Ｃｕは、化合物層の厚さ・構造を変化させ曲げ矯正性を高めるのに有効な元素である。またＣｕは耐力を高める効果もある。これらの効果を得るため０．６０％以上添加する。
但し、過剰な添加は熱間鍛造後の硬さが高くなり被削性の低下を招くほか、コストアップの要因にもなることから、その上限を１．２０％とする。好適なＣｕの範囲は、諸特性のバランスに優れた０．７０～１．１０％である。
図１（Ａ）は化合物層の厚さに及ぼすＣｕ量の影響を示す。
図１（Ａ）では、０．４０Ｃ－０．１０Ｓｉ－１．４０Ｍｎ－０．５０Ｎｉ－０．０５０Ｓ－０．１５Ｃｒ－０．０２５Ｔｉ－０．０２５Ｎを基本成分とし、Ｃｕ量を０．１５％、０．４９％、０．９９％、１．５％と変化させた４種類の試験片を、６００℃、２時間の条件でガス軟窒化処理した際、試験片表面に形成された化合物層の厚みを示している。同図によれば、Ｃｕ量の増加に伴い化合物層の厚みが減少していることが分かる。
図１（Ａ）では、０．４０Ｃ－０．１０Ｓｉ－１．４０Ｍｎ－０．５０Ｎｉ－０．０５０Ｓ－０．１５Ｃｒ－０．０２５Ｔｉ－０．０２５Ｎを基本成分とし、Ｃｕ量を０．１５％、０．４９％、０．９９％、１．５％と変化させた４種類の試験片を、６００℃、２時間の条件でガス軟窒化処理した際、試験片表面に形成された化合物層の厚みを示している。同図によれば、Ｃｕ量の増加に伴い化合物層の厚みが減少していることが分かる。
図１（Ｂ）は化合物層の構造に及ぼすＣｕ量の影響を示す。
図１（Ｂ）では、上記４種類の試験片での化合物層に占めるε相の比率およびγ′相の比率を示している。同図によれば、Ｃｕ量の増加に伴い化合物層に占めるγ′相の比率が増加（一方、ε相の比率が低下）していることが分かる。
図１（Ｂ）では、上記４種類の試験片での化合物層に占めるε相の比率およびγ′相の比率を示している。同図によれば、Ｃｕ量の増加に伴い化合物層に占めるγ′相の比率が増加（一方、ε相の比率が低下）していることが分かる。
図２は、上記試験片における窒化層組織を示している。同図において最表層の白く見える層は試料保護のためのＮｉメッキで、その下に化合物層及び主にフェライト・パーライトを呈する拡散層が認められる。同図に示すように化合物層は、ポーラス層と緻密層からなる。図１（Ａ）で示す化合物層厚さは、ポーラス層を含んだ化合物層の厚さである。また図２では、化合物層におけるε相およびγ′相を濃淡（ε相を白、γ′相を灰色）で区別して表している。
この図２を見ても、鋼中のＣｕ含有量を高めることで、形成される化合物層の厚さを薄くするとともに化合物層に占めるγ′相の比率を高めることが可能であることが分かる。
尚、図２において、拡散層の、化合物層と接する領域の一部において、他とは異なる色で表されているのは、Ｎ濃度の高い領域に生じたオーステナイトである。
この図２を見ても、鋼中のＣｕ含有量を高めることで、形成される化合物層の厚さを薄くするとともに化合物層に占めるγ′相の比率を高めることが可能であることが分かる。
尚、図２において、拡散層の、化合物層と接する領域の一部において、他とは異なる色で表されているのは、Ｎ濃度の高い領域に生じたオーステナイトである。
Ｎｉ：０．０１～１．００％
Ｎｉは、窒化層におけるパーライト延性を高めて曲げ矯正性を向上させるために有効な元素である。その効果を得るため０．０１％以上含有させる。但し、過剰な添加は熱間鍛造後の硬さが高くなり被削性の低下を招くほか、コストアップの要因にもなることから、その上限を１．００％とする。好適なＮｉの範囲は、諸特性のバランスに優れた０．２０～１．００％である。
Ｎｉは、窒化層におけるパーライト延性を高めて曲げ矯正性を向上させるために有効な元素である。その効果を得るため０．０１％以上含有させる。但し、過剰な添加は熱間鍛造後の硬さが高くなり被削性の低下を招くほか、コストアップの要因にもなることから、その上限を１．００％とする。好適なＮｉの範囲は、諸特性のバランスに優れた０．２０～１．００％である。
Ｍｎ：０．８０～１．７０％
Ｍｎは、強度を高めるのに有効な元素である。またＮｉと同様に曲げ矯正性を向上させる効果がある。またＭｎ系硫化物を形成し被削性を向上させる効果もある。
０．８０％より少ないと疲労強度が低下し、１．７０％より多いと高硬度化により機械加工性の悪化を招き、また曲げ矯正性が悪化する。このため含有量は０．８０～１．７０％とする。好適なＭｎの範囲は、諸特性のバランスに優れた０．９０～１．６０％である。
Ｍｎは、強度を高めるのに有効な元素である。またＮｉと同様に曲げ矯正性を向上させる効果がある。またＭｎ系硫化物を形成し被削性を向上させる効果もある。
０．８０％より少ないと疲労強度が低下し、１．７０％より多いと高硬度化により機械加工性の悪化を招き、また曲げ矯正性が悪化する。このため含有量は０．８０～１．７０％とする。好適なＭｎの範囲は、諸特性のバランスに優れた０．９０～１．６０％である。
Ｓ：０．００１～０．２０％
Ｓは、鋼材中で硫化物を形成し機械加工性を向上させる効果がある。その効果を得るため０．００１％以上添加する。但し、過剰な添加は介在物量を増加させ疲労強度の低下を招くため、その上限を０．２０％とする。好適なＳの範囲は、諸特性のバランスに優れた０．０３０～０．１００％である。
Ｓは、鋼材中で硫化物を形成し機械加工性を向上させる効果がある。その効果を得るため０．００１％以上添加する。但し、過剰な添加は介在物量を増加させ疲労強度の低下を招くため、その上限を０．２０％とする。好適なＳの範囲は、諸特性のバランスに優れた０．０３０～０．１００％である。
Ｃｒ：０．０５～０．５０％
Ｃｒは、疲労強度向上に寄与する元素である。その効果を得るため０．０５％以上添加する。但し、過剰に添加すると窒化物が多量に生成し曲げ矯正性の悪化を招くため、その上限を０．５０％とする。好適なＣｒの範囲は、諸特性のバランスに優れた０．０５～０．３０％である。
Ｃｒは、疲労強度向上に寄与する元素である。その効果を得るため０．０５％以上添加する。但し、過剰に添加すると窒化物が多量に生成し曲げ矯正性の悪化を招くため、その上限を０．５０％とする。好適なＣｒの範囲は、諸特性のバランスに優れた０．０５～０．３０％である。
Ｔｉ：０．００２～０．０４０％
Ｔｉは、鍛造時のオーステナイト粒の粗大化を防止し、曲げ矯正性向上に寄与する元素である。その効果を得るため０．００２％以上添加する。但し、過剰な添加はコストアップの要因となるため、その上限を０．０４０％とする。好適なＴｉの範囲は、諸特性のバランスに優れた０．００５～０．０３５％である。
Ｔｉは、鍛造時のオーステナイト粒の粗大化を防止し、曲げ矯正性向上に寄与する元素である。その効果を得るため０．００２％以上添加する。但し、過剰な添加はコストアップの要因となるため、その上限を０．０４０％とする。好適なＴｉの範囲は、諸特性のバランスに優れた０．００５～０．０３５％である。
Ｎ：０．００５～０．０４０％
Ｎは、鍛造時のオーステナイト粒の粗大化を防止し、曲げ矯正性向上に寄与する元素である。その効果を得るため０．００５％以上添加する。但し、過剰な添加は粗大な炭窒化物を生成し、疲労強度低下の要因となるため、その上限を０．０４０％とする。好適なＮの範囲は、諸特性のバランスに優れた０．００７～０．０３５％である。
Ｎは、鍛造時のオーステナイト粒の粗大化を防止し、曲げ矯正性向上に寄与する元素である。その効果を得るため０．００５％以上添加する。但し、過剰な添加は粗大な炭窒化物を生成し、疲労強度低下の要因となるため、その上限を０．０４０％とする。好適なＮの範囲は、諸特性のバランスに優れた０．００７～０．０３５％である。
Ｆ１≧０．３０・・式(１)
但しＦ１＝0.20[C]＋0.04[Mn]＋0.18[Cu]＋[Cr]
Ｆ１は、疲労強度に関する指数である。Ｃ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｃｒは、疲労強度を高める効果がある。Ｃ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｃｒの係数は、それぞれ疲労強度向上に対する寄与度を表している。本発明では、Ｆ１の値を０．３０以上とすることで７００ＭＰａ以上の高い曲げ疲労強度を得ることができる。Ｆ１の値は、好ましくは０．３５以上である。
但しＦ１＝0.20[C]＋0.04[Mn]＋0.18[Cu]＋[Cr]
Ｆ１は、疲労強度に関する指数である。Ｃ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｃｒは、疲労強度を高める効果がある。Ｃ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｃｒの係数は、それぞれ疲労強度向上に対する寄与度を表している。本発明では、Ｆ１の値を０．３０以上とすることで７００ＭＰａ以上の高い曲げ疲労強度を得ることができる。Ｆ１の値は、好ましくは０．３５以上である。
Ｆ２≧１１．９・・式(２)
但しＦ２＝－13[C]－25[Si]＋3[Mn]＋2[Cu]＋5[Ni]－15[Cr]＋15
Ｆ２は、曲げ矯正性に関する指数である。Ｃｕは化合物層厚さ・構造を変化させ、またＭｎ，Ｎｉはマトリックスの延性を高めて、それぞれ曲げ矯正性を高める効果がある。
一方、Ｃ，Ｓｉ，Ｃｒは、曲げ矯正性を悪化させる元素である。
Ｆ２におけるＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒの係数は、それぞれ曲げ矯正性向上に対する寄与度を表している。本発明では、Ｆ２の値が１１．９以上あれば実際のクランクシャフト製造工程において、亀裂の発生なく矯正加工を行なうことができるとの知見の下、指数Ｆ２の下限値を１１．９と規定している。Ｆ２の値は、好ましくは１２．０以上である。
但しＦ２＝－13[C]－25[Si]＋3[Mn]＋2[Cu]＋5[Ni]－15[Cr]＋15
Ｆ２は、曲げ矯正性に関する指数である。Ｃｕは化合物層厚さ・構造を変化させ、またＭｎ，Ｎｉはマトリックスの延性を高めて、それぞれ曲げ矯正性を高める効果がある。
一方、Ｃ，Ｓｉ，Ｃｒは、曲げ矯正性を悪化させる元素である。
Ｆ２におけるＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒの係数は、それぞれ曲げ矯正性向上に対する寄与度を表している。本発明では、Ｆ２の値が１１．９以上あれば実際のクランクシャフト製造工程において、亀裂の発生なく矯正加工を行なうことができるとの知見の下、指数Ｆ２の下限値を１１．９と規定している。Ｆ２の値は、好ましくは１２．０以上である。
本発明の窒化用非調質鋼は、上記のような組成を有するとともに、熱間鍛造後においてその組織が主としてフェライト・パーライトの２相組織からなるものである。
一般に、非調質鋼を用いたクランクシャフトは、熱間鍛造→機械加工→研削仕上→軟窒化→曲げ矯正（室温）→研磨仕上げの各工程を経て製造されるが、本発明の窒化用非調質鋼は、曲げ矯正性に優れているため、軟窒化処理の後に曲げ矯正加工を経て製造されるクランクシャフトに好適に用いることができる。
一般に、非調質鋼を用いたクランクシャフトは、熱間鍛造→機械加工→研削仕上→軟窒化→曲げ矯正（室温）→研磨仕上げの各工程を経て製造されるが、本発明の窒化用非調質鋼は、曲げ矯正性に優れているため、軟窒化処理の後に曲げ矯正加工を経て製造されるクランクシャフトに好適に用いることができる。
「請求項２の化学成分について」
Ｍｏ：０．１０％以下
Ｍｏは、強度向上に寄与する元素である。但し、過剰に添加すると硬度が高くなり被削性が悪化するため、添加量は０．１０％以下とする。
Ｍｏ：０．１０％以下
Ｍｏは、強度向上に寄与する元素である。但し、過剰に添加すると硬度が高くなり被削性が悪化するため、添加量は０．１０％以下とする。
Ａｌ：０．０５％以下
Ａｌは、溶製時の脱酸剤として使用される元素である。但し、過剰に添加されると軟窒化時に窒化物が生成し曲げ矯正性が悪化するため、その上限を０．０５％とする。
Ａｌは、溶製時の脱酸剤として使用される元素である。但し、過剰に添加されると軟窒化時に窒化物が生成し曲げ矯正性が悪化するため、その上限を０．０５％とする。
Ｃａ：０．０００３～０．００６０％
Ｃａは、被削性を向上させる効果を有する元素である。その効果を得るためには０．０００３％以上添加する必要がある。但し、過剰に添加しても効果は飽和するため、上限を０．００６０％とする。
Ｃａは、被削性を向上させる効果を有する元素である。その効果を得るためには０．０００３％以上添加する必要がある。但し、過剰に添加しても効果は飽和するため、上限を０．００６０％とする。
Ｐｂ：０．３００％以下
Ｐｂは、被削性を向上させる効果を有する元素である。但し、０．３００％より多く添加しても効果は飽和するため、その上限を０．３００％とする。
Ｐｂは、被削性を向上させる効果を有する元素である。但し、０．３００％より多く添加しても効果は飽和するため、その上限を０．３００％とする。
以上のような本発明によれば、製造コストの増加に繋がるような新たな工程を追加することなく所定の疲労強度を確保しつつ十分な曲げ矯正性を確保することが可能な窒化用非調質鋼およびこれを用いたクランクシャフトを提供することができる。
次に本発明の実施例を以下に説明する。ここでは、溶解・鋳造→粗鍛造→熱間模擬鍛造→機械加工→軟窒化処理の工程を経て製造された試験片を用いて、曲げ疲労強度および曲げ矯正性について評価した。
１．試験片の製造
真空誘導溶解炉にて下記表１に示す化学成分の鋼塊１５０ｋｇを溶製し、熱間で粗鍛造してΦ７０ｍｍの丸棒に加工し、その後大気中で放冷して室温まで冷却した。その後、
Φ７０ｍｍ丸棒材を図３に示すように１２５０℃加熱し、１０００～１１５０℃の温度で鍛造し、４５ｍｍ角の棒状片を作製した。熱間鍛造後は大気中で放冷して室温まで冷却した。棒状片の鍛造後の組織はフェライト・パーライトであった。
次に４５ｍｍ角の棒状片に機械加工を施し、図４に示す形状の試験片１０を作製した。
真空誘導溶解炉にて下記表１に示す化学成分の鋼塊１５０ｋｇを溶製し、熱間で粗鍛造してΦ７０ｍｍの丸棒に加工し、その後大気中で放冷して室温まで冷却した。その後、
Φ７０ｍｍ丸棒材を図３に示すように１２５０℃加熱し、１０００～１１５０℃の温度で鍛造し、４５ｍｍ角の棒状片を作製した。熱間鍛造後は大気中で放冷して室温まで冷却した。棒状片の鍛造後の組織はフェライト・パーライトであった。
次に４５ｍｍ角の棒状片に機械加工を施し、図４に示す形状の試験片１０を作製した。
２．ガス軟窒化処理
上記のようにして作製した試験片１０に対しガス軟窒化処理を行った。
ガス軟窒化処理は、オリエンタルエンヂニアリング(株)製の多目的表面改質装置を使用し、（ＮＨ3＋ＣＯ2＋Ｎ2）の混合ガスを用いて、図５で示すように６００℃で１２０分保持して行なった、その後、試験片１０を１２０℃の油中にて冷却した。
上記のようにして作製した試験片１０に対しガス軟窒化処理を行った。
ガス軟窒化処理は、オリエンタルエンヂニアリング(株)製の多目的表面改質装置を使用し、（ＮＨ3＋ＣＯ2＋Ｎ2）の混合ガスを用いて、図５で示すように６００℃で１２０分保持して行なった、その後、試験片１０を１２０℃の油中にて冷却した。
３．曲げ疲労強度評価および曲げ矯正性評価
得られた軟窒化後の試験片を用いて、曲げ疲労強度および曲げ矯正性について評価した。
得られた軟窒化後の試験片を用いて、曲げ疲労強度および曲げ矯正性について評価した。
（曲げ疲労強度評価）
軟窒化後の試験片を用いて、ＪＩＳ Ｚ ２２７４に準拠した方法で小野式回転曲げ疲労試験を行った。試験条件は回転数２５００ｒｐｍ，試験温度は室温の条件である。
疲労強度の評価は、繰返し数１０7回で破断しない最大応力を疲労限度とし、疲労限度が７００ＭＰａ以上であった場合を「○」、７００ＭＰａ未満であった場合を「×」とした。その結果が表１に示してある。尚、表中ではこれら○、×の評価と併せて、括弧書きで実際に測定された疲労限度（単位：ＭＰａ）も併せて示してある。
軟窒化後の試験片を用いて、ＪＩＳ Ｚ ２２７４に準拠した方法で小野式回転曲げ疲労試験を行った。試験条件は回転数２５００ｒｐｍ，試験温度は室温の条件である。
疲労強度の評価は、繰返し数１０7回で破断しない最大応力を疲労限度とし、疲労限度が７００ＭＰａ以上であった場合を「○」、７００ＭＰａ未満であった場合を「×」とした。その結果が表１に示してある。尚、表中ではこれら○、×の評価と併せて、括弧書きで実際に測定された疲労限度（単位：ＭＰａ）も併せて示してある。
図７は、各実施例および比較例のＦ１値と疲労限度との関係を示した図である。同図によれば、Ｆ１値と疲労限度との間には一定の相関が認められ、Ｆ１を０．３０以上とすることで７００ＭＰａ以上の疲労限度が得られていることが分かる。
（曲げ矯正性評価）
曲げ疲労強度の評価と同様に、軟窒化後の試験片１０を用いて曲げ矯正性を評価した。図６に示すように試験片１０の平行部１４両側のＲ部１２，１２に歪ゲージを接着した後、試験片１０の両端部を支点間距離１８２ｍｍで支持した状態で、平行部１４に治具を用いて下向きの荷重を加え、Ｒ部１２，１２に接着した何れかの歪ゲージが断線した時点での平行部１４の下向きの変位量δ（ｍｍ）を測定した。
ここで、変位量δ（ｍｍ）と試験片１０の表層硬さ（Ｈｖ）との間には、δ＝－０．１[Ｈｖ]＋３８．６で表される比例関係があり、その傾きは略一定であることから、この評価では、上記変位量δに加えて試験に供した試験片１０の硬さ（Ｈｖ）を求め、上記関係式を利用して表層硬さ０Ｈｖのときの変位量を算出し、これを同一硬さに換算した場合の各試験片の限界変位量δ0とした。
曲げ疲労強度の評価と同様に、軟窒化後の試験片１０を用いて曲げ矯正性を評価した。図６に示すように試験片１０の平行部１４両側のＲ部１２，１２に歪ゲージを接着した後、試験片１０の両端部を支点間距離１８２ｍｍで支持した状態で、平行部１４に治具を用いて下向きの荷重を加え、Ｒ部１２，１２に接着した何れかの歪ゲージが断線した時点での平行部１４の下向きの変位量δ（ｍｍ）を測定した。
ここで、変位量δ（ｍｍ）と試験片１０の表層硬さ（Ｈｖ）との間には、δ＝－０．１[Ｈｖ]＋３８．６で表される比例関係があり、その傾きは略一定であることから、この評価では、上記変位量δに加えて試験に供した試験片１０の硬さ（Ｈｖ）を求め、上記関係式を利用して表層硬さ０Ｈｖのときの変位量を算出し、これを同一硬さに換算した場合の各試験片の限界変位量δ0とした。
そして曲げ矯正性の評価は、限界変位量δ0が２８ｍｍ以上の場合を「○」、２８ｍｍ未満の場合を「×」とした。その結果が表１に示してある。尚、表中ではこれら○、×の評価と併せて、括弧書きで実際に算出された限界変位量δ0（単位：ｍｍ）も併せて示してある。
ここで評価基準となる限界変位量δ0の値を２８ｍｍとしたのは、限界変位量δ0がこれ以上あれば、実際のクランクシャフト製造工程において、亀裂の発生なく矯正加工を行なうことができるとの知見に基づいている。
ここで評価基準となる限界変位量δ0の値を２８ｍｍとしたのは、限界変位量δ0がこれ以上あれば、実際のクランクシャフト製造工程において、亀裂の発生なく矯正加工を行なうことができるとの知見に基づいている。
なお、試験片の硬さ測定ではビッカース硬さ試験機を用い、ＪＩＳ Ｚ２２４４に規定された試験方法により、表面下０．０５ｍｍの位置の硬さの５点平均を表層硬さとして測定した。この時の試験荷重は３００ｇとした。
図８は、各実施例および比較例のＦ２値と限界変位量δ0との関係を示した図である。同図によれば、Ｆ２値と限界変位量δ0との間には一定の相関が認められ、Ｆ２を１１．９以上とすることで２８ｍｍ以上の限界変位量δ0が得られていることが分かる。
表１の評価結果により、以下のことが分かる。
比較例１は、Ｃｕ量とＮ量、更に曲げ矯正性を表す指数Ｆ２の値が本発明の下限値を下回っており、曲げ矯正性の評価が「×」であった。
比較例２は、Ｃｕ量が本発明の上限値を上回って過剰に添加されるも、曲げ矯正性を表す指数Ｆ２の値は本発明の下限値を下回っている例である。この比較例２においても、曲げ矯正性の評価が「×」であった。
比較例１は、Ｃｕ量とＮ量、更に曲げ矯正性を表す指数Ｆ２の値が本発明の下限値を下回っており、曲げ矯正性の評価が「×」であった。
比較例２は、Ｃｕ量が本発明の上限値を上回って過剰に添加されるも、曲げ矯正性を表す指数Ｆ２の値は本発明の下限値を下回っている例である。この比較例２においても、曲げ矯正性の評価が「×」であった。
比較例３および比較例４は、各元素の個別含有量は本発明の成分範囲を満足するも、いずれも疲労強度を表す指数Ｆ１の値が本発明の下限値を下回っており、疲労強度の評価が「×」であった。
比較例５は、Ｃｕ量と曲げ矯正性を表す指数Ｆ２の値が本発明の下限値を下回っており、曲げ矯正性の評価が「×」であった。
比較例６は、Ｔｉ量が本発明の上限値を上回って過剰に添加される一方、Ｃｕ量と曲げ矯正性を表す指数Ｆ２の値が本発明の下限値を下回っている例であるが、曲げ矯正性の評価が「×」であった。
比較例６は、Ｔｉ量が本発明の上限値を上回って過剰に添加される一方、Ｃｕ量と曲げ矯正性を表す指数Ｆ２の値が本発明の下限値を下回っている例であるが、曲げ矯正性の評価が「×」であった。
これに対し、指数Ｆ１，Ｆ２を含めて各元素が本発明の成分範囲を満たす実施例１～２０は、疲労強度、曲げ矯正性ともに評価は「○」で、疲労強度と曲げ矯正性の両立が図られており、本実施例の組成から成る鋼であれば、軟窒化処理の後に曲げ矯正加工を経て製造されるクランクシャフトに好適に用いることができる。
以上本発明の窒化用非調質鋼について詳しく説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
Claims (3)
- 質量％で
Ｃ：０．２０～０．５０％
Ｓｉ：０．０５～０．６０％
Ｍｎ：０．８０～１．７０％
Ｓ：０．００１～０．２０％
Ｃｕ：０．６０～１．２０％
Ｎｉ：０．０１～１．００％
Ｃｒ：０．０５～０．５０％
Ｔｉ：０．００２～０．０４０％
Ｎ：０．００５～０．０４０％
残部がＦｅ及び不可避的不純物であり、且つ下記式（１），式（２）を満たし、
主としてフェライト・パーライトの２相組織からなることを特徴とする窒化用非調質鋼。
Ｆ１≧０．３０・・式(１)
Ｆ２≧１１．９・・式(２)
但しＦ１＝0.20[C]＋0.04[Mn]＋0.18[Cu]＋[Cr]
Ｆ２＝－13[C]－25[Si]＋3[Mn]＋2[Cu]＋5[Ni]－15[Cr]＋15
（Ｆ１，Ｆ２の式中[ ]は、[ ]内元素の含有質量％を表す） - 請求項１において、質量％で
Ｍｏ：０．１０％以下
Ａｌ：０．０５％以下
Ｃａ：０．０００３～０．００６０％
Ｐｂ：０．３００％以下
の何れか１種若しくは２種以上を更に含有することを特徴とする窒化用非調質鋼。 - 請求項１，２の何れかに記載の鋼からなり、表層に窒化層が形成されていることを特徴とするクランクシャフト。
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