JP7184209B2 - クランクシャフト及びクランクシャフト用素形材の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、クランクシャフト及びクランクシャフト用素形材の製造方法に関する。
クランクシャフトは、鋼材を熱間鍛造によって素形材にした後、切削、研削や孔開け等の機械加工を施し、さらに必要に応じて高周波焼入れ等の表面硬化処理を施して製造される。
高周波焼入れされて使用されるクランクシャフトの疲労強度を向上させるためには、高周波焼入れされる部分（以下「高周波焼入れ部」という。）だけではなく、高周波焼入れされない部分（以下「非高周波焼入れ部」という。）の硬さも向上させる必要がある。高周波焼入れ部及び非高周波焼入れ部の両方の硬さを向上させるためには、鋼材のＣ含有量を高くすることが有効である。しかし、Ｃ含有量を高くすると、被削性が低下して加工コストが高くなるという問題がある。
Ｃ含有量の増加によらずに硬さを向上させる方法として、鋼材にＶを添加し、ＶＣによる析出強化を利用する方法が知られている。しかし、Ｖは比較的高価な元素であり価格変動のリスクも大きいため、商業的な観点からはＶを用いないことが好ましい。
国際公開第２０１０／１４０５９６号には、Ｎ、Ｔｉ、Ｂ、及びＡｌの４元素を特定の関係を満たすようにバランスさせることによって、被削性及び熱間加工性を改善した機械構造用鋼が開示されている。また、国際公開第２０１１／１５５６０５号には、鋼に含まれるＣ量に応じて金属組織に含まれるベイナイトの面積率を適切に制御することによって、被削性を改善した高強度鋼が開示されている。
特開２００９－３０１６０号公報には、所定量のＡｌを含有する機械構造鋼が開示されている。国際公開第２０１０－１１６６７０号公報には、所定量のＡｌを含有する浸炭鋼部品が開示されている。特開２０１２－１６２７８０号公報には、一つの部品内に、高強度化させる部分と低強度化させる部分とを非調質で形成することができる鍛造部品の製造方法が開示されている。
中名悟ほか、「被削性に優れた高強度高周波焼入れ用鋼」、Sanyo Technical Report Vol. 11 (2004) No.1, pp57-60
藤原正尚ほか、「加工熱処理を用いた材質制御鍛造技術」、大同特殊鋼技報、第８２巻第２号（２０１１）、pp.157-163
上述した国際公開第２０１０／１４０５９６号及び国際公開第２０１１／１５５６０５号の技術は、具体的な適用対象として歯車を想定しており、クランクシャフトに要求される疲労強度（曲げ疲労強度）については十分な検討がなされていない。
本発明の課題は、疲労強度及び被削性に優れたクランクシャフトを提供することである。
本発明の一実施形態によるクランクシャフトは、ピン及びジャーナルを有するクランクシャフトであって、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．４０～０．６０％、Ｓｉ：０．０１～１．５０％、Ｍｎ：０．４～２．０％、Ｃｒ：０．０１～０．５０％、Ａｌ：０．２０～０．５０％、Ｎ：０．００１～０．０２％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００５～０．２０％、Ｎｂ：０．００５～０．０６０％、Ｔｉ：０～０．０６０％、残部：Ｆｅ及び不純物であり、前記ピン及びジャーナルの各々において、表層から各々の直径の１／４の深さの位置の硬さがＨＶ２４５よりも高く、同位置の組織が、フェライト・パーライトを主体とする組織であり、かつ、フェライト分率が１６％以上である。
本発明の一実施形態によるクランクシャフト用素形材の製造方法は、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．４０～０．６０％、Ｓｉ：０．０１～１．５０％、Ｍｎ：０．４～２．０％、Ｃｒ：０．０１～０．５０％、Ａｌ：０．２０～０．５０％、Ｎ：０．００１～０．０２％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００５～０．２０％、Ｎｂ：０．００５～０．０６０％、Ｔｉ：０～０．０６０％、残部：Ｆｅ及び不純物である鋼材を準備する工程と、仕上鍛造直前の温度が８００℃超１１００℃未満となるように前記鋼材を熱間鍛造する工程と、前記熱間鍛造後、８００～６５０℃の温度域の平均冷却速度が２．５℃／秒以下になるように前記鋼材を冷却する工程とを備える。
本発明の一実施形態によるクランクシャフト用素形材の製造方法は、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．４０～０．６０％、Ｓｉ：０．０１～１．５０％、Ｍｎ：０．４～２．０％、Ｃｒ：０．０１～０．５０％、Ａｌ：０．２０～０．５０％、Ｎ：０．００１～０．０２％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００５～０．２０％、Ｎｂ：０．００５～０．０６０％、Ｔｉ：０．００５～０．０６０％、残部：Ｆｅ及び不純物である鋼材を準備する工程と、仕上鍛造直前の温度が８００℃超１１８０℃以下となるように前記鋼材を熱間鍛造する工程と、前記熱間鍛造後、８００～６５０℃の温度域の平均冷却速度が０．０７℃／秒以下になるように前記鋼材を冷却する工程とを備える。
本発明によれば、疲労強度及び被削性に優れたクランクシャフトが得られる。
本発明者らは、クランクシャフトの疲労強度及び被削性を改善する手段を検討し、以下の知見を得た。
上述のとおり、高周波焼入れされて使用されるクランクシャフトは、高周波焼入れ部と非高周波焼入れ部（母材）とを有している。高周波焼入れ部はマルテンサイト又は焼戻しマルテンサイトを主体とする組織からなり、非高周波焼入れ部はフェライト・パーライトを主体とする組織からなる。
高Ｃ化で被削性が低下するのは、高Ｃ化で硬さが向上することに加えて、フェライト・パーライト中のフェライト分率が低下することにも起因する。一方、Ｃ含有量が同じ鋼材間で比較した場合、フェライト分率を高くしても、疲労強度は同等かむしろ向上するという報告がある（中名悟ほか、「被削性に優れた高強度高周波焼入れ用鋼」、Sanyo Technical Report Vol. 11 (2004) No.1, pp57-60）。これは、フェライト分率が高くなることで、実質的に結晶粒が微細化されるためと考えられる。
したがって、Ｃ含有量が同等の場合における通常のフェライト・パーライト鋼と比較してフェライト分率を高くすれば、被削性及び疲労強度の両方を向上させることができる。Ｃ含有量が０．４０～０．６０質量％の場合、フェライト分率を１６％以上にすれば、疲労強度及び被削性のバランスに優れた鋼材が得られる。
熱間鍛造工程の仕上鍛造温度を低温化することで、フェライト分率を高くできることが報告されている（藤原正尚ほか、「加工熱処理を用いた材質制御鍛造技術」、大同特殊鋼技報、第８２巻第２号（２０１１）、pp.157-163）。しかし、鍛造温度を低温化すると、金型の寿命が顕著に低下する。生産性の観点からは、鍛造温度を過度に低温下せずに、フェライト分率を高くできることが好ましい。
本発明者らは、鋼材に適量のＡｌとＮｂとを複合添加することで、鍛造温度を過度に低温下しなくても、フェライト分率を高くできることを見出した。これは、以下の機構によるものと考えられる。
熱間鍛造によって加工を受けたオーステナイト粒（以下「γ粒」という。）は、加工によって導入された歪みを解放するために再結晶を起こす。このとき、γ粒内に析出したＮｂＣ、ＮｂＮ、及びＮｂ（ＣＮ）によって、再結晶後のγ粒の粒成長が抑制される。これによって、γ粒を微細化することができる。γ粒が微細化することで、フェライトの核生成サイトとなる単位面積あたりの結晶粒界が増加し、フェライト分率が増加する。
Ａｌは、フェライト形成元素であり、Ａ３点を顕著に上昇させ、初析フェライトの生成領域を高温側に拡大する。Ａｌはまた、共析炭素濃度を増加させる効果があり、平衡状態から予測される最大の初析フェライト分率を増加させる。適量のＡｌを含有した鋼は、熱間鍛造後の冷却過程における初析フェライトの析出領域が広く、平衡状態から予測される最大の初析フェライト分率も高いので、熱間鍛造後のフェライト分率が高くなる。
このように、Ｎｂはγ粒の微細化によりフェライト分率を増加させ、Ａｌは初析フェライトの析出領域の拡大とＡｌ自体による初析フェライト増化効果によってフェライト分率を増加させる。ＡｌとＮｂとを複合添加することで、これらの効果が重畳し、フェライト分率を顕著に増加させることができる。
本発明者らはまた、Ａｌ及びＮｂに加えて、鋼材に適量のＴｉを含有させること、並びに８００～６５０℃の温度域の平均冷却速度を小さくすることによっても、フェライト分率をさらに高くできることを見出した。そして、鋼材に適量のＡｌ、Ｎｂ、及びＴｉを複合添加し、８００～６５０℃の温度域の平均冷却速度を０．０７℃／秒以下にすることで、鍛造温度をさらに高くしても、所定のフェライト量を確保できることを見出した。
本発明は、以上の知見に基づいて完成された。以下、本発明の一実施形態によるクランクシャフト及びクランクシャフト用素形材の製造方法について詳述する。
［クランクシャフト］
［化学組成］
本実施形態によるクランクシャフトは、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「％」は、質量％を意味する。
［化学組成］
本実施形態によるクランクシャフトは、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「％」は、質量％を意味する。
Ｃ：０．４０～０．６０％
炭素（Ｃ）は、高周波焼入れ部及び非高周波焼入れ部の硬さを向上させ、疲労強度の向上に寄与する。一方、Ｃ含有量が高すぎると、耐焼割れ性及び被削性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．４０～０．６０％である。Ｃ含有量の下限は、好ましくは０．４５％であり、さらに好ましくは０．４８％である。Ｃ含有量の上限は、好ましくは０．５５％であり、さらに好ましくは０．５２％である。
炭素（Ｃ）は、高周波焼入れ部及び非高周波焼入れ部の硬さを向上させ、疲労強度の向上に寄与する。一方、Ｃ含有量が高すぎると、耐焼割れ性及び被削性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．４０～０．６０％である。Ｃ含有量の下限は、好ましくは０．４５％であり、さらに好ましくは０．４８％である。Ｃ含有量の上限は、好ましくは０．５５％であり、さらに好ましくは０．５２％である。
Ｓｉ：０．０１～１．５０％
シリコン（Ｓｉ）は、脱酸作用及びフェライトを強化する作用を有する。一方、Ｓｉ含有量が高すぎると、被削性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．０１～１．５０％である。Ｓｉ含有量の下限は、好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．４０％である。Ｓｉ含有量の上限は、好ましくは１．００％であり、さらに好ましくは０．６０％である。
シリコン（Ｓｉ）は、脱酸作用及びフェライトを強化する作用を有する。一方、Ｓｉ含有量が高すぎると、被削性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．０１～１．５０％である。Ｓｉ含有量の下限は、好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．４０％である。Ｓｉ含有量の上限は、好ましくは１．００％であり、さらに好ましくは０．６０％である。
Ｍｎ：０．４～２．０％
マンガン（Ｍｎ）は、鋼の焼入れ性を高め、高周波焼入れ部の硬さの向上に寄与する。一方、Ｍｎ含有量が高すぎると、熱間鍛造後の冷却過程においてベイナイトが生成し、被削性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は０．４～２．０％である。Ｍｎ含有量の下限は、好ましくは１．０％であり、さらに好ましくは１．２％である。Ｍｎ含有量の上限は、好ましくは１．８％であり、さらに好ましくは１．６％である。
マンガン（Ｍｎ）は、鋼の焼入れ性を高め、高周波焼入れ部の硬さの向上に寄与する。一方、Ｍｎ含有量が高すぎると、熱間鍛造後の冷却過程においてベイナイトが生成し、被削性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は０．４～２．０％である。Ｍｎ含有量の下限は、好ましくは１．０％であり、さらに好ましくは１．２％である。Ｍｎ含有量の上限は、好ましくは１．８％であり、さらに好ましくは１．６％である。
Ｃｒ：０．０１～０．５０％
クロム（Ｃｒ）は、鋼の焼入れ性を高め、高周波焼入れ部の硬さの向上に寄与する。一方、Ｃｒ含有量が高すぎると、熱間鍛造後の冷却過程においてベイナイトが生成し、被削性が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は０．０１～０．５０％である。Ｃｒ含有量の下限は、好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．１０％である。Ｃｒ含有量の上限は、好ましくは０．３０％であり、さらに好ましくは０．２０％である。
クロム（Ｃｒ）は、鋼の焼入れ性を高め、高周波焼入れ部の硬さの向上に寄与する。一方、Ｃｒ含有量が高すぎると、熱間鍛造後の冷却過程においてベイナイトが生成し、被削性が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は０．０１～０．５０％である。Ｃｒ含有量の下限は、好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．１０％である。Ｃｒ含有量の上限は、好ましくは０．３０％であり、さらに好ましくは０．２０％である。
Ａｌ：０．２０～０．５０％
アルミニウム（Ａｌ）は、フェライト形成元素であり、Ａ３点を顕著に上昇させ、初析フェライトの生成領域を高温側に拡大する。Ａｌはまた、共析炭素濃度を増加させる効果があり、平衡状態から予測される最大の初析フェライト分率を増加させる。一方、Ａｌ含有量が高すぎると、アルミナ系介在物の生成量が過大となり、被削性が低下する。したがって、Ａｌ含有量は０．２０～０．５０％である。Ａｌ含有量の下限は、好ましくは０．２５％である。Ａｌ含有量の上限は、好ましくは０．４５％であり、さらに好ましくは０．４０％である。
アルミニウム（Ａｌ）は、フェライト形成元素であり、Ａ３点を顕著に上昇させ、初析フェライトの生成領域を高温側に拡大する。Ａｌはまた、共析炭素濃度を増加させる効果があり、平衡状態から予測される最大の初析フェライト分率を増加させる。一方、Ａｌ含有量が高すぎると、アルミナ系介在物の生成量が過大となり、被削性が低下する。したがって、Ａｌ含有量は０．２０～０．５０％である。Ａｌ含有量の下限は、好ましくは０．２５％である。Ａｌ含有量の上限は、好ましくは０．４５％であり、さらに好ましくは０．４０％である。
Ｎ：０．００１～０．０２％
窒素（Ｎ）は、窒化物や炭窒化物を形成し、結晶粒の微細化に寄与する。一方、Ｎ含有量が高すぎると、鋼の熱間延性が低下する。したがって、Ｎ含有量は０．００１～０．０２％である。Ｎ含有量の下限は、好ましくは０．００２％である。Ｎ含有量の上限は、好ましくは０．０１５％であり、さらに好ましくは０．０１％である。
窒素（Ｎ）は、窒化物や炭窒化物を形成し、結晶粒の微細化に寄与する。一方、Ｎ含有量が高すぎると、鋼の熱間延性が低下する。したがって、Ｎ含有量は０．００１～０．０２％である。Ｎ含有量の下限は、好ましくは０．００２％である。Ｎ含有量の上限は、好ましくは０．０１５％であり、さらに好ましくは０．０１％である。
Ｐ：０．０３％以下
リン（Ｐ）は、不純物である。Ｐは、鋼の耐焼割れ性を低下させる。したがって、Ｐ含有量は０．０３％以下である。Ｐ含有量は、好ましくは０．０２５％以下であり、さらに好ましくは０．０２％以下である。
リン（Ｐ）は、不純物である。Ｐは、鋼の耐焼割れ性を低下させる。したがって、Ｐ含有量は０．０３％以下である。Ｐ含有量は、好ましくは０．０２５％以下であり、さらに好ましくは０．０２％以下である。
Ｓ：０．００５～０．２０％
硫黄（Ｓ）は、ＭｎＳを形成し、鋼の被削性を高める。一方、Ｓ含有量が高すぎると、鋼の熱間加工性が低下する。したがって、Ｓ含有量は０．００５～０．２０％である。Ｓ含有量の下限は、好ましくは０．０１０％であり、さらに好ましくは０．０３０％であり、さらに好ましくは０．０３５％である。Ｓ含有量の上限は、好ましくは０．１５％であり、さらに好ましくは０．１０％である。
硫黄（Ｓ）は、ＭｎＳを形成し、鋼の被削性を高める。一方、Ｓ含有量が高すぎると、鋼の熱間加工性が低下する。したがって、Ｓ含有量は０．００５～０．２０％である。Ｓ含有量の下限は、好ましくは０．０１０％であり、さらに好ましくは０．０３０％であり、さらに好ましくは０．０３５％である。Ｓ含有量の上限は、好ましくは０．１５％であり、さらに好ましくは０．１０％である。
Ｎｂ：０．００５～０．０６０％
ニオブ（Ｎｂ）は、ＮｂＣ、ＮｂＮ、及びＮｂ（ＣＮ）を形成してγ粒を微細化する。これによって、フェライトの核生成サイトとなる単位面積当たりの粒界を増加させ、フェライト分率を増加させる。Ｎｂはまた、高周波焼入れ後の組織、すなわち高周波焼入れ部の組織の微細化にも寄与する。一方、Ｎｂ含有量を過剰に高くしても、熱間鍛造の加熱時にマトリックス中に固溶できないＮｂが粗大な未固溶ＮｂＣを形成するため、細粒化に寄与しない。また、過剰なＮｂの添加は鋳込み段階での割れの原因になる。したがって、Ｎｂ含有量は、０．００５～０．０６０％である。Ｎｂ含有量の下限は、好ましくは０．００８％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。Ｎｂ含有量の上限は、好ましくは０．０５０％であり、さらに好ましくは０．０３０％である。
ニオブ（Ｎｂ）は、ＮｂＣ、ＮｂＮ、及びＮｂ（ＣＮ）を形成してγ粒を微細化する。これによって、フェライトの核生成サイトとなる単位面積当たりの粒界を増加させ、フェライト分率を増加させる。Ｎｂはまた、高周波焼入れ後の組織、すなわち高周波焼入れ部の組織の微細化にも寄与する。一方、Ｎｂ含有量を過剰に高くしても、熱間鍛造の加熱時にマトリックス中に固溶できないＮｂが粗大な未固溶ＮｂＣを形成するため、細粒化に寄与しない。また、過剰なＮｂの添加は鋳込み段階での割れの原因になる。したがって、Ｎｂ含有量は、０．００５～０．０６０％である。Ｎｂ含有量の下限は、好ましくは０．００８％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。Ｎｂ含有量の上限は、好ましくは０．０５０％であり、さらに好ましくは０．０３０％である。
本実施形態によるクランクシャフトの化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物である。ここでいう不純物は、鋼の原料として利用される鉱石やスクラップから混入する元素、あるいは製造過程の環境等から混入する元素をいう。
本実施形態によるクランクシャフトの化学組成は、Ｆｅの一部に代えて、Ｔｉを含有してもよい。Ｔｉは選択元素である。すなわち、本実施形態によるクランクシャフトの化学組成は、Ｔｉを含有していなくてもよい。
Ｔｉ：０～０．０６０％
チタン（Ｔｉ）は、ＴｉＣ、ＴｉＮ、及びＴｉ（ＣＮ）を形成してγ粒を微細化する。これによって、フェライトの核生成サイトとなる単位面積当たりの粒界を増加させ、フェライト分率を増加させる。特にＮｂとともに含有させるとγ粒の微細化効果が大きくなる。一方、Ｔｉ含有量を過剰に高くしてもその効果が飽和する。したがって、Ｔｉ含有量は、０～０．０６０％である。Ｔｉ含有量の下限は、好ましく０．００５％であり、さらに好ましくは０．０２０％である。Ｔｉ含有量の上限は、好ましくは０．０５０％であり、さらに好ましくは０．０３０％である。
チタン（Ｔｉ）は、ＴｉＣ、ＴｉＮ、及びＴｉ（ＣＮ）を形成してγ粒を微細化する。これによって、フェライトの核生成サイトとなる単位面積当たりの粒界を増加させ、フェライト分率を増加させる。特にＮｂとともに含有させるとγ粒の微細化効果が大きくなる。一方、Ｔｉ含有量を過剰に高くしてもその効果が飽和する。したがって、Ｔｉ含有量は、０～０．０６０％である。Ｔｉ含有量の下限は、好ましく０．００５％であり、さらに好ましくは０．０２０％である。Ｔｉ含有量の上限は、好ましくは０．０５０％であり、さらに好ましくは０．０３０％である。
［組織及び硬さ］
本実施形態によるクランクシャフトは、ピン及びジャーナルの各々において、表層から各々の直径の１／４の深さの位置（以下「１／４深さ位置」という。）の硬さがＨＶ２４５よりも高く、同位置の組織が、フェライト・パーライトを主体とする組織であり、かつ、フェライト分率が１６％以上である。１／４深さ位置を測定位置とするのは、高周波焼入れの影響を受けていない母材の硬さ及び組織を規定するのに好適なためである。
本実施形態によるクランクシャフトは、ピン及びジャーナルの各々において、表層から各々の直径の１／４の深さの位置（以下「１／４深さ位置」という。）の硬さがＨＶ２４５よりも高く、同位置の組織が、フェライト・パーライトを主体とする組織であり、かつ、フェライト分率が１６％以上である。１／４深さ位置を測定位置とするのは、高周波焼入れの影響を受けていない母材の硬さ及び組織を規定するのに好適なためである。
１／４深さ位置の硬さは、ＨＶ２４５よりも高い。１／４深さ位置の硬さがＨＶ２４５以下の場合、必要な疲労強度を得ることが困難になる。１／４深さ位置の硬さの下限は、好ましくはＨＶ２５０であり、さらに好ましくはＨＶ２５５である。一方、１／４深さ位置の硬さが高すぎると、被削性が低下する。１／４深さ位置の硬さの上限は、好ましくはＨＶ３５０であり、さらに好ましくはＨＶ３００であり、さらに好ましくはＨＶ２８０である。
１／４深さ位置の硬さは、ピン及びジャーナルから、軸方向と垂直な面が試験面となるように試料を採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（２００９）に準拠して測定する。試験力は３００ｇｆ（２．９４２Ｎ）とする。
１／４深さ位置の組織は、フェライト・パーライトを主体とする組織である。１／４深さ位置のフェライト・パーライトの面積率は、好ましくは９０％以上であり、さらに好ましくは９５％以上である。
１／４深さ位置の組織は、さらに、フェライト分率が１６％以上である。１／４深さ位置の組織のフェライト分率の下限は、好ましくは１８％であり、より好ましくは２０％であり、さらに好ましくは２２％である。フェライト分率の上限は特に設定しないが、フェライト分率が高くなり過ぎると必要な疲労強度を得られないとも考えられる。１／４深さ位置の組織のフェライト分率の上限は、好ましくは３０％である。
１／４深さ位置の組織のフェライト分率は、次のように測定する。ピン及びジャーナルから、軸方向と垂直な面が観察面となるように試料を採取する。観察面を研磨し、エタノールと硝酸との混合溶液（ナイタール）を用いてエッチングする。光学顕微鏡（観察倍率１００～２００倍）を用いて、エッチングされた面におけるフェライトの面積率を、画像解析を用いて測定する。測定されたフェライトの面積率（％）をフェライト分率と定義する。
本実施形態によるクランクシャフトは、好ましくは、ピン及びジャーナルの表面に、マルテンサイト又は焼戻しマルテンサイトを主体とする組織を有する高周波焼入れ層を有する。高周波焼入れ層におけるマルテンサイト又は焼戻しマルテンサイトの面積率は、好ましくは９０％以上であり、さらに好ましくは９５％以上である。高周波焼入れ層の厚さは、好ましくは２ｍｍ以上であり、さらに好ましくは４ｍｍ以上である。
［クランクシャフトの製造方法］
本実施形態によるクランクシャフトは、これに限定されないが、以下に説明するクランクシャフト用素形材に切削、研削や孔開け等の機械加工を施すことで製造することができる。機械加工後、必要に応じて高周波焼入れを施してもよい。また、高周波焼入れ後、必要に応じて焼戻しを施してもよい。
本実施形態によるクランクシャフトは、これに限定されないが、以下に説明するクランクシャフト用素形材に切削、研削や孔開け等の機械加工を施すことで製造することができる。機械加工後、必要に応じて高周波焼入れを施してもよい。また、高周波焼入れ後、必要に応じて焼戻しを施してもよい。
［クランクシャフト用素形材の製造方法］
以下、本実施形態によるクランクシャフトに好適なクランクシャフト用素形材の製造方法を説明する。
以下、本実施形態によるクランクシャフトに好適なクランクシャフト用素形材の製造方法を説明する。
図１は、本実施形態によるクランクシャフト用素形材の製造方法のフロー図である。この製造方法は、鋼材を準備する工程（ステップＳ１）、鋼材を熱間鍛造する工程（ステップＳ２）、及び熱間鍛造した鋼材を冷却する工程（ステップＳ３）を備えている。
まず、上述した化学組成の鋼材を準備する（ステップＳ１）。例えば、上述した化学組成を有する鋼を溶製し、連続鋳造又は分塊圧延を実施して鋼片にする。鋼片は、連続鋳造又は分塊圧延に加えて、熱間加工や冷間加工、熱処理等を施したものであってもよい。
次に、鋼材を熱間鍛造してクランクシャフトの粗形状に加工する（ステップＳ２）。
熱間鍛造の加熱条件は、これに限定されないが、加熱温度は例えば１０００～１３００℃であり、保持時間は例えば１秒～２０分である。加熱温度は、好ましくは１２２０～１２８０℃であり、さらに好ましくは１２４０～１２６０℃である。
本実施形態では、仕上鍛造直前の温度（より詳しくは、仕上鍛造直前の鋼材の表面温度）を８００℃超１１００℃未満にする。なお、特定の条件下では仕上鍛造直前の温度をさらに高温にすることができるが、これについては後述することとし、先に仕上鍛造直前の温度を８００℃超１１００℃未満にする場合について説明する。
熱間鍛造は、複数回に分けて実施してもよい。この場合、最終の仕上鍛造直前の温度が８００℃超１１００℃未満になるようにすればよい。
仕上鍛造直前の温度（以下、単に「仕上鍛造温度」と呼ぶ。）が１１００℃以上になると、γ粒が粗大化し、冷却後にフェライト分率の高い組織を得ることが困難になる。一方、仕上鍛造温度が８００℃以下になると、変形抵抗が著しく増大するので金型の寿命が著しく低下し、工業的な生産が不可能ではないものの困難になる。また、パーライト変態温度が上昇してラメラ間隔が増大するため、必要な硬さが得られない場合がある。仕上鍛造温度の下限は、好ましくは８５０℃であり、さらに好ましくは９００℃である。仕上鍛造温度の上限は、好ましくは１０７５℃であり、さらに好ましくは１０２５℃である。
熱間鍛造後の鋼材を冷却する（ステップＳ３）。このとき、８００～６５０℃の温度域の平均冷却速度を２．５℃／秒以下にする。８００～６５０℃の温度域の平均冷却速度を２．５℃／秒よりも大きくすると、ベイナイトが生成し、フェライト・パーライトを主体とする組織が得られない場合がある。８００～６５０℃の温度域の平均冷却速度を２．５℃／秒以下にすれば、フェライト・パーライトを主体とし、かつ、１６％以上のフェライト分率を有する組織が得られる。
なお、熱間鍛造と冷却との前において、鋼材を再加熱しないことが好ましい。熱間鍛造後の鋼材を再加熱すると、熱間鍛造によって微細化したγ粒が粗大化する。これによってフェライトの核生成サイトとなる単位面積あたりの結晶粒界が減少し、１６％以上のフェライト分率を有する組織が得られなくなる場合がある。
８００～６５０℃の温度域の平均冷却速度を小さくするほど、フェライトの析出量が増え、冷却後のフェライト分率を高くすることができる。この場合、８００～６５０℃の温度域を徐冷することによって平均冷却速度を小さくしてもよいし、８００～６５０℃の任意の温度で鋼材を所定時間保持する保定処理をすることによって平均冷却速度を小さくしてもよい。８００～６５０℃の温度域の平均冷却速度は、好ましくは１．０℃／秒以下であり、さらに好ましくは０．５℃／秒以下であり、さらに好ましくは０．０７℃／秒以下である。なお、６５０℃より低い温度域での冷却速度は任意である。
鋼材に０．００５～０．０６０％のＴｉを含有させ、かつ、８００～６５０℃の温度域の平均冷却速度を０．０７℃／秒以下にすれば、仕上鍛造温度をさらに高温にしても、冷却後の組織のフェライト分率を１６％以上にすることができる。具体的には、仕上鍛造直前の温度を１１００℃以上１１８０℃以下にしても、冷却後の組織のフェライト分率を１６％以上にすることができる。鋼材に０．００５～０．０６０％のＴｉを含有させ、かつ、８００～６５０℃の温度域の平均冷却速度を０．０７℃／秒以下にする場合における仕上鍛造直前の温度の上限は、好ましくは１１５０℃であり、さらに好ましくは１１２０℃である。
以上の工程によって、クランクシャフト用素形材が製造される。本実施形態によって製造されるクランクシャフト用素形材は、硬さがＨＶ２４５よりも高く、組織が、フェライト・パーライトを主体とする組織であり、かつ、フェライト分率が１６％以上である。
以上、本発明の一実施形態によるクランクシャフト及びクランクシャフト用素形材の製造方法を説明した。本実施形態によれば、疲労強度及び被削性に優れたクランクシャフトが得られる。
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。本発明はこれらの実施例に限定されない。
表１に示す化学組成を有する鋼を１５０ｋｇ真空誘導溶解炉（ＶＩＭ）によって溶製し、インゴットを作製した。このインゴットを熱間鍛造によって外径３５ｍｍの丸棒に加工した。この丸棒を９５０℃で３０分間保持後、空冷する焼準処理を施して試験用の素材とした。なお、表１中の「－」は、該当する元素の含有量が不純物レベルであることを示す。
この素材から外径８ｍｍ、高さ１２ｍｍの試験片を採取し、加工フォーマスターによる熱間鍛造模擬実験を行った。図２～図６に、熱間鍛造模擬実験のヒートパターンを示す。
図２のヒートパターンは、一般的な鍛造条件を模擬したものである。このヒートパターンでは、試験片を１２５０℃に１０秒間保持後、１１００℃で鍛造を模擬した熱間圧縮加工を行って高さ６ｍｍまで加工し、室温まで空冷した。
図３のヒートパターンは、図２の熱間鍛造後、７００℃での保定処理を加えたものである。このヒートパターンでは、図２の熱間鍛造後、７００℃で３０分間保持する保定処理をしてから室温まで空冷した。
図４のヒートパターンは、仕上鍛造温度を低温化したものである。このヒートパターンでは、試験片を１２５０℃に１０秒間保持後、１１００℃で粗鍛造を模擬した１段目の熱間圧縮加工を行って高さ９ｍｍまで加工し、さらに１０００℃で仕上鍛造を模擬した２段目の熱間圧縮加工を行って高さ６ｍｍまで加工した。
図５のヒートパターンは、仕上鍛造温度を低温化し、かつ７００℃での保定処理を加えたものである。このヒートパターンでは、試験片を１２５０℃に１０秒間保持後、１１００℃で粗鍛造を模擬した１段目の熱間圧縮加工を行って高さ９ｍｍまで加工し、さらに１０００℃又は７８０℃で仕上鍛造を模擬した２段目の熱間圧縮加工を行って高さ６ｍｍまで加工した。その後、７００℃で３０分間保持する保定処理をしてから室温まで空冷した。
図６のヒートパターンは、図４の熱間鍛造後の冷却速度を大きくしたものである。
図７のヒートパターンでは、試験片を１２５０℃に１０秒間保持後、１２００℃で粗鍛造を模擬した１段目の熱間圧縮加工を行って高さ９ｍｍまで加工し、さらに１１５０℃で仕上鍛造を模擬した２段目の熱間圧縮加工を行って高さ６ｍｍまで加工した。その後、７００℃で３０分間保持する保定処理をしてから室温まで空冷した。
鍛造模擬実験の条件を表２に示す。
冷却後の試験片から試料を採取し、試験片の中心部近傍におけるフェライト分率及びビッカース硬さを測定した。試験結果を表３に示す。
表３の「組織」の欄の「Ｆ／Ｐ」は、試験片の組織がフェライト・パーライトを主体とする組織であったことを示す。同欄の「Ｆ／Ｐ／Ｂ」は、試験片の組織がフェライト・パーライトとベイナイトとの混合組織であったことを示す。表３の「Ｆα」欄の数値は、試験片の組織のフェライト分率である。
表３の「ドリル寿命推定値」の値は、外径５ｍｍ、ＳＫＨ５１製のドリルで切削速度５０ｍ／分、送り０．２ｍｍ／ｒｅｖ、切削油なし、穿孔深度１５ｍｍの条件で穿孔したときに穿孔不能になるまでの孔数の推定値である。このドリル寿命推定値は、他の実験結果からの推測値である。
試験記号１Ａ、１Ｂ、２Ａ、２Ｂ、２Ｄ、１Ｇ、及び２Ｈの試験片は、硬さがＨＶ２４５よりも高く、フェライト分率が１６％以上であった。特に、試験記号２Ｄ及び２Ｈの試験片は、仕上鍛造直前の温度がそれぞれ１１００℃及び１１５０℃と比較的高温であったのにもかかわらず、フェライト分率が１６％以上である組織が得られていた。
試験記号３Ｂ、４Ｂ、５Ｂ、６Ａ、７Ｂ、８Ａの試験片は、フェライト分率が１６％よりも低かった。これは、鋼番号３～８の鋼のＡｌ含有量及びＮｂ含有量の少なくとも一方が少なすぎたためと考えられる。
試験記号９Ｂ、１０Ａ、１０Ｂ、及び９Ｃの試験片は、硬さがＨＶ２４５以下であった。これは、鋼番号９及び１０の鋼のＣ含有量が低すぎたためと考えられる。
試験記号１Ｃ、１Ｄ、２Ｃの試験片は、フェライト分率が１６％よりも低かった。これは、仕上鍛造直前の温度が高すぎたためと考えられる。
試験記号３Ｃ及び７Ｃの試験片は、フェライト分率が１６％よりも低かった。これは、鋼番号３及び７の鋼材のＡｌ含有量及びＮｂ含有量が少なすぎるとともに、仕上鍛造直前の温度が高すぎたためと考えられる。
試験記号１Ｅの試験片は、硬さがＨＶ２４５以下であった。これは、仕上鍛造直前の温度が低すぎたためと考えられる。
試験番号１Ｆの試験片は、フェライト分率が１６％よりも低く、さらに組織にベイナイトが混入していた。これは、８５０～６００℃の温度域の平均冷却速度が大きすぎたためと考えられる。
以上、本発明の一実施形態を説明したが、上述した実施形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施形態を適宜変形して実施することが可能である。
Claims (5)
- ピン及びジャーナルを有するクランクシャフトであって、
化学組成が、質量％で、
Ｃ ：０．４０～０．６０％、
Ｓｉ：０．０１～１．５０％、
Ｍｎ：０．４～２．０％、
Ｃｒ：０．０１～０．５０％、
Ａｌ：０．２０～０．５０％、
Ｎ ：０．００１～０．０２％、
Ｐ ：０．０３％以下、
Ｓ ：０．００５～０．２０％、
Ｎｂ：０．００５～０．０６０％、
Ｔｉ：０～０．０６０％、
残部：Ｆｅ及び不純物であり、
前記ピン及びジャーナルの各々において、表層から各々の直径の１／４の深さの位置の硬さがＨＶ２４５よりも高く、同位置の組織が、フェライト・パーライトの面積率が９０％以上である組織であり、かつ、フェライト分率が１６％以上である、クランクシャフト。 - 請求項１に記載のクランクシャフトであって、
前記化学組成が、質量％で、
Ｔｉ：０．００５～０．０６０％、
を含有する、クランクシャフト。 - 化学組成が、質量％で、Ｃ：０．４０～０．６０％、Ｓｉ：０．０１～１．５０％、Ｍｎ：０．４～２．０％、Ｃｒ：０．０１～０．５０％、Ａｌ：０．２０～０．５０％、Ｎ：０．００１～０．０２％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００５～０．２０％、Ｎｂ：０．００５～０．０６０％、Ｔｉ：０～０．０６０％、残部：Ｆｅ及び不純物である鋼材を準備する工程と、
仕上鍛造直前の温度が８００℃超１１００℃未満となるように前記鋼材を熱間鍛造する工程と、
前記熱間鍛造後、８００～６５０℃の温度域の平均冷却速度が２．５℃／秒以下になるように前記鋼材を冷却する工程とを備え、
前記クランクシャフト用素形材は、硬さがＨＶ２４５よりも高く、組織が、フェライト・パーライトの面積率が９０％以上である組織であり、かつ、フェライト分率が１６％以上である、クランクシャフト用素形材の製造方法。 - 化学組成が、質量％で、Ｃ：０．４０～０．６０％、Ｓｉ：０．０１～１．５０％、Ｍｎ：０．４～２．０％、Ｃｒ：０．０１～０．５０％、Ａｌ：０．２０～０．５０％、Ｎ：０．００１～０．０２％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００５～０．２０％、Ｎｂ：０．００５～０．０６０％、Ｔｉ：０．００５～０．０６０％、残部：Ｆｅ及び不純物である鋼材を準備する工程と、
仕上鍛造直前の温度が８００℃超１１８０℃以下となるように前記鋼材を熱間鍛造する工程と、
前記熱間鍛造後、８００～６５０℃の温度域の平均冷却速度が０．０７℃／秒以下になるように前記鋼材を冷却する工程とを備え、
前記クランクシャフト用素形材は、硬さがＨＶ２４５よりも高く、組織が、フェライト・パーライトの面積率が９０％以上である組織であり、かつ、フェライト分率が１６％以上である、クランクシャフト用素形材の製造方法。 - 請求項４に記載のクランクシャフト用素形材の製造方法であって、
前記仕上鍛造直前の温度が１１００℃以上１１８０℃以下である、クランクシャフト用素形材の製造方法。
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