JPH09195000A - 非調質鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】中Ｃの機械構造用炭素鋼などに調質処理と軟窒
化処理を施したのと同等の耐疲労特性を有するシャフト
類用鋼として好適な非調質鋼を提供する。 【解決手段】重量％で、C ：0.20〜0.50％、Si：0.05〜
0.70％、Mn：0.60％を超え1.00％まで、S ：0.01〜0.07
％、V ：0.02〜0.50％、N ：0.002 〜0.03％、P ： 0〜
0.050 ％、Cu： 0〜0.30％、Ni： 0〜0.30％、Cr： 0〜
1.00％、Mo：0〜0.30％、Al： 0〜0.050 ％、Pb： 0〜
0.30％、Ca： 0〜0.0100％、Te： 0〜0.10％、Bi： 0〜
0.100 ％を含有し、残部はFe及び不可避不純物からな
り、且つC＋（Si／10）＋（Mn／6 ）＋（Cr／3 ）＋5N
＋1.65V −0.6 ≧0 及び｛C ／（fn1 ＋0.6 ）｝−0.6
≦0 であることを特徴とする非調質鋼。但し、上記式に
おける元素記号は重量％での含有量を意味する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱間での加工後に
調質処理及び軟窒化処理を施さなくとも良好な耐疲労特
性を有し、自動車エンジン部品のクランクシャフトなど
シャフト類の素材として好適な非調質鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】機械構造用部品、なかでも自動車エンジ
ン部品のクランクシャフトやピニオンシャフトなどシャ
フト類は、従来、熱間加工や機械加工によって所定の形
状に加工された後、焼入れ焼戻しの調質処理を受け、そ
の後耐疲労特性を高める目的で軟窒化処理を施されて製
造されることが多かった。すなわち、従来はＪＩＳの機
械構造用炭素鋼であるＳ４５ＣやＳ５０Ｃ、あるいはこ
れらにＳ、Ｐｂ、Ｃａなどの快削元素を添加した鋼を所
要の形状に加工した後、調質処理と軟窒化処理を施して
製造されることが多かった。

【０００３】ところが、前記の熱処理には多くのエネル
ギーとコストを費やす。そのため近年、先ず省エネルギ
ーと低コスト化の観点から熱間加工の状態で調質鋼と同
等の特性を持つ非調質鋼、なかでも中炭素鋼をベースと
してこれに炭化物や炭窒化物を形成するＶ、ＮｂやＴｉ
といった元素を添加した鋼が開発され、これに軟窒化処
理を施してシャフト類を製造することが試みられてき
た。

【０００４】しかしながら、上記背景の下に提案された
非調質鋼に対しては、耐疲労特性を高めるために、上述
のようにやはり５３０〜５７０℃で５〜８時間の軟窒化
処理が行われており、経済性の点で問題があった。

【０００５】あるいは軟窒化処理を施さないで非調質鋼
の疲労強度を高めるために、引張強度を高くする手段も
講じられているが、引張強度を高めることは被削性の劣
化につながるので好ましくない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記現状に
鑑みなされたもので、調質処理と軟窒化処理の両方共を
施さずに、上記機械構造用炭素鋼などに調質処理した後
軟窒化処理を施す場合と同等の耐疲労特性を付与でき
る、各種シャフト類の素材として好適な非調質鋼を提供
することを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の課題
を解決するため種々検討を重ねた結果、下記の知見を得
た。

【０００８】Ｎは非調質鋼の静的強度（引張強度）を
高めるだけではなく、疲労強度の向上に対しても極めて
大きな効果を有する。

【０００９】鋼の化学組成が重量％で、Ｃ：０．２０
〜０．５０％、Ｓｉ：０．０５％以上、Ｍｎ：０．６０
％超、Ｃｒ：１．００％以下、Ｖ：０．０２％以上及び
Ｎ：０．００２％以上の場合において、熱間加工ままの
状態での疲労強度は下記ｆｎ１で整理できる。

【００１０】ｆｎ１＝Ｃ＋（Ｓｉ／１０）＋（Ｍｎ／
６）＋５Ｎ＋１．６５Ｖ＋（Ｃｒ／３）−０．６ 但し、次に記すｆｎ２の値が０以下の場合に限る。

【００１１】 ｆｎ２＝｛Ｃ／（ｆｎ１＋０．６）｝−０．６ なお、前記のｆｎ１、ｆｎ２における元素記号はその元
素の重量％での含有量を表す。

【００１２】上記のｆｎ１の値が０以上、且つｆｎ２
の値が０以下であれば、従来の機械構造用炭素鋼などに
調質処理した後軟窒化処理を施す場合と同等の３２０Ｍ
Ｐa 以上の疲労強度を得ることができる。

【００１３】上記知見に基づく本発明は、下記の非調質
鋼を要旨とする。

【００１４】「重量％で、Ｃ：０．２０〜０．５０％、
Ｓｉ：０．０５〜０．７０％、Ｍｎ：０．６０％を超え
１．００％まで、Ｓ：０．０１〜０．０７％、Ｖ：０．
０２〜０．５０％、Ｎ：０．００２〜０．０３％、Ｐ：
０〜０５％、Ｃｕ：０〜０．３０％、Ｎｉ：０〜０．３
０％、Ｃｒ：０〜１．００％、Ｍｏ：０〜０．３０％、
Ａｌ：０〜０．０５０％、Ｐｂ：０〜０．３０％、Ｃ
ａ：０〜０．０１００％、Ｔｅ：０〜０．１０％、Ｂ
ｉ：０〜０．１００％を含有し、残部はＦｅ及び不可避
不純物からなり、且つ前記ｆｎ１≧０及びｆｎ２≦０で
あることを特徴とする非調質鋼。」

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明における鋼の化学
組成を上記のように限定する理由について説明する。な
お、「％」は「重量％」を意味する。

【００１６】Ｃ：Ｃは鋼に所望の静的強度を付与するの
に必要な元素であるが、反面被削性を低下させ、又、一
定量を超えると疲労強度を低下させる元素でもある。最
低限の静的強度（引張強度で６００ＭＰa 以上）を得る
には０．２０％以上の含有量が必要である。一方、０．
５０％を超えて含有させると、被削性が低下すると共に
疲労強度（疲労限度、σw ）の低下を招く。従って、Ｃ
の含有量を０．２０〜０．５０％とした。

【００１７】Ｓｉ：Ｓｉは脱酸を促進すると共にフェラ
イト中に固溶してフェライトを強化し、静的強度と疲労
強度を高める作用がある。しかし、その含有量が０．０
５％未満では所望の効果が得られず、一方、０．７０％
を超えて含有すると切削性の劣化をきたすようになるの
で、その含有量を０．０５〜０．７０％とした。

【００１８】Ｍｎ：Ｍｎは静的強度を向上させる作用を
有する。しかし、その含有量が０．６０％以下では添加
効果に乏しい。一方、１．００％を超えて含有してもそ
の効果は飽和し、コストのみが上昇し経済性を損う。従
って、Ｍｎの含有量を０．６０％を超え１．００％まで
とした。

【００１９】Ｓ：Ｓは被削性を高める作用がある。その
効果を充分発揮させるためには０．０１％以上の含有量
が必要である。一方、０．０７％を超えて含有させると
疲労強度の劣化をきたす。従って、Ｓの含有量を０．０
１〜０．０７％とした。

【００２０】Ｖ：Ｖは静的強度及び疲労強度を高める作
用がある。しかし、その含有量が０．０２％未満では添
加効果に乏しく、０．５０％を超えて含有しても前記効
果は飽和して経済性を損うようになるので、その含有量
を０．０２〜０．５０％とした。

【００２１】Ｎ：Ｎは非調質鋼の静的強度を高めるだけ
ではなく、疲労強度の向上に対しても極めて大きな効果
を有する。これらの効果を充分発揮させるためには、Ｎ
は０．００２％以上含有させることが必要である。一
方、０．０３％を超えて含有させてもその効果は飽和す
るばかりか、熱間加工性の劣化を招くようになる。従っ
て、Ｎの含有量を０．００２〜０．０３％とした。な
お、総合的な面からＮの含有量は０．００５〜０．０２
２％とすることが好ましい。

【００２２】Ｐ：Ｐは含有させなくても良い。含有させ
れば疲労強度を高める作用がある。この効果を確実に得
るには、Ｐは０．００５％以上の含有量とすることが好
ましい。

【００２３】しかし、その含有量が０．０５％を超える
と靭性の大きな劣化をきたすようになって疲労強度が却
って劣化するので、その含有量を０〜０．０５％とし
た。

【００２４】Ｃｕ：Ｃｕは添加しなくても良い。添加す
れば焼入れ性を高める作用がある。この効果を確実に得
るには、Ｃｕは０．０１％以上の含有量とすることが好
ましい。しかし、その含有量が０．３０％を超えると熱
間加工性の劣化を招くようになる。

【００２５】従って、Ｃｕの含有量を０〜０．３０％と
した。

【００２６】Ｎｉ：Ｎｉも添加しなくても良い。添加す
れば焼入れ性を向上させると共に靱性を向上させる作用
を有する。この効果を確実に得るには、Ｎｉは０．０１
％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含
有量が０．３０％を超えると被削性の劣化をきたすよう
になるし、経済性の面でも不利になる。従って、Ｎｉの
含有量を０〜０．３０％とした。

【００２７】Ｃｒ：Ｃｒは添加しなくても良い。添加す
れば焼入れ性を高めると共に疲労強度を向上させる作用
を有する。これらの効果を確実に得るには、Ｃｒは０．
０２％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、
１．００％を超えて含有させてもその効果は飽和し、コ
ストのみが上昇して経済性を損うことになる。従って、
Ｃｒの含有量を０〜１．００％とした。

【００２８】Ｍｏ：Ｍｏは添加しなくても良い。添加す
れば焼入れ性を向上させると共に靱性を向上させる作用
を有する。この効果を確実に得るには、Ｍｏは０．０１
％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含
有量が０．３０％を超えると前記効果は飽和して経済性
を損なうこととなる。従って、Ｍｏの含有量を０〜０．
３０％とした。

【００２９】Ａｌ：Ａｌは添加しなくても良い。添加す
れば鋼の脱酸の安定化及び均質化の作用がある。この効
果を確実に得るには、Ａｌは０．００１％以上の含有量
とすることが望ましい。しかし、その含有量が０．０５
０％を超えると酸化物系の介在物が増加して切削時に工
具寿命の低下を招く。従って、Ａｌの含有量を０〜０．
０５０％とした。なお被削性を高めるために、鋼にＰ
ｂ、Ｃａ、Ｔｅ、Ｂｉを添加する場合には、Ａｌ含有量
の上限を０．０１０％に規制することが好ましい。

【００３０】Ｐｂ：Ｐｂは添加しなくても良い。添加す
れば被削性を高める作用を有する。この効果を確実に得
るには、Ｐｂは０．０１％以上の含有量とすることが好
ましい。しかし、その含有量が０．３０％を超えると耐
疲労特性の劣化をきたすようになる。従って、Ｐｂの含
有量を０〜０．３０％とした。

【００３１】Ｃａ：Ｃａは添加しなくても良い。添加す
れば被削性を高める作用を有する。この効果を確実に得
るには、Ｃａは０．０００３％以上の含有量とすること
が好ましい。しかし、０．０１００％を超えて含有させ
てもその効果は飽和し、経済性を損うこととなる。従っ
て、Ｃａの含有量を０〜０．０１００％とした。

【００３２】Ｔｅ：Ｔｅも添加しなくても良い。添加す
れば被削性を高める作用を有する。この効果を確実に得
るには、Ｔｅは０．０１％以上の含有量とすることが好
ましい。しかし、０．１０％を超えて含有させてもその
効果は飽和し、経済性を損うこととなる。従って、Ｔｅ
の含有量を０〜０．１０％とした。

【００３３】Ｂｉ：Ｂｉは添加しなくても良い。添加す
れば被削性を高める作用を有する。この効果を確実に得
るには、Ｂｉは０．００５％以上の含有量とすることが
好ましい。

【００３４】しかし、０．１００％を超えて含有させて
もその効果は飽和し、経済性を損うこととなる。従っ
て、Ｂｉの含有量を０〜０．１００％とした。

【００３５】ｆｎ１：鋼の化学組成が重量％で、Ｃ：
０．２０〜０．５０％、Ｓｉ：０．０５％以上、Ｍｎ：
０．６０％超、Ｃｒ：１．００％以下、Ｖ：０．０２％
以上及びＮ：０．００２％以上の場合において、熱間加
工ままの状態での疲労強度は前記ｆｎ１で整理できる。
そして、このｆｎ１が０以上で且つ前記したｆｎ２が０
以下の場合に、従来の機械構造用炭素鋼などに調質処理
した後軟窒化処理を施す場合と同等の３２０ＭＰa 以上
の疲労強度を得ることができる。従って、ｆｎ１を０以
上とした。

【００３６】ｆｎ２：ｆｎ２の値が０を超えると上記し
たｆｎ１の値が０以上であってもフェライトを強化する
元素の量が不足するため、非調質鋼の耐疲労特性が劣化
してしまう。

【００３７】従って、ｆｎ２を０以下とした。

【００３８】上記の化学組成を有する鋼は通常の方法で
溶製された後、例えば通常の方法による熱間での圧延及
び鍛造を受け、更に必要に応じて機械加工されて所定形
状のシャフト類に仕上げられる。

【００３９】

【実施例】表１〜３に示す化学組成の鋼を通常の方法に
よって試験炉を用いて２００ｋｇ真空溶製した。表１、
２における鋼１〜１５は本発明鋼、表２、３における鋼
１６〜３０は成分のいずれかが本発明で規定する範囲か
ら外れた比較鋼である。なお、比較鋼のうち鋼２５はＪ
ＩＳ規格のＳ４５Ｃに相当する鋼である。

【００４０】次いで、これらの鋼を通常の方法によって
鋼片となした後、１２５０℃に加熱してから、１２００
〜９５０℃の温度で直径２０ｍｍの丸棒に熱間鍛造し、
その後常温まで空冷した。

【００４１】こうして得られた丸棒から平行部径が８ｍ
ｍの小野式回転曲げ疲労試験片を切り出して常温、大気
中、３０００ｒｐｍの条件で疲労試験を行なった。又、
ＪＩＳ４号引張試験片を切り出し常温で引張試験を行っ
た。

【００４２】なお参考のために、鋼２５の上記２０ｍｍ
丸棒を８７０℃に加熱して水焼入れし、６００℃で焼戻
ししてから平行部径が８ｍｍの小野式回転曲げ疲労試験
片とＪＩＳ４号引張試験片を切り出し、これらに５３０
℃で６時間の軟窒化処理を行って上記の条件で疲労試験
と引張試験を行った。

【００４３】試験結果を表４に示す。

【００４４】本発明鋼である鋼１〜１５については、い
ずれも所望の６００ＭＰa 以上の引張強度と３２０ＭＰ
a 以上の疲労強度が得られている。

【００４５】これに対して、成分のいずれかが本発明で
規定する含有量の範囲から外れた比較鋼のうち、Ｃ量、
Ｓｉ量、Ｍｎ量、Ｎ量、Ｖ量及びｆｎ１がそれぞれ低目
に外れた鋼１６、１８、１９、２１、２２、２３と２９
は疲労強度が３２０ＭＰａに達していない。更に上記の
鋼のうち鋼１６、１８、１９、２２及び２９では引張強
度も６００ＭＰａに未達である。

【００４６】又、Ｃ量、Ｐ量、Ｐｂ量及びｆｎ２がそれ
ぞれ高目に外れた鋼１７、２０、２４〜２８及び３０で
は、引張強度は６００ＭＰａを超えているものの、疲労
強度が３２０ＭＰａに達していない。

【００４７】なお表４に参考例として示したように、鋼
２５に焼入れ焼戻しの調質処理を施し、その後軟窒化処
理した従来タイプの場合には引張強度と疲労強度は共に
目標値（引張強度：６００ＭＰａ、疲労強度：３２０Ｍ
Ｐａ）に達している。

【００４８】

【表１】

【００４９】

【表２】

【００５０】

【表３】

【００５１】

【表４】

【００５２】

【発明の効果】本発明による非調質鋼を用いれば、調質
処理と軟窒化処理の両方を施すことなく、機械構造用炭
素鋼などに調質処理した後軟窒化処理を施す場合と同等
の耐疲労特性をシャフト類に付与できるので、産業上の
効果は大きい。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、Ｃ：０．２０〜０．５０％、Ｓ
   ｉ：０．０５〜０．７０％、Ｍｎ：０．６０％を超え
   １．００％まで、Ｓ：０．０１〜０．０７％、Ｖ：０．
   ０２〜０．５０％、Ｎ：０．００２〜０．０３％、Ｐ：
   ０〜０５％、Ｃｕ：０〜０．３０％、Ｎｉ：０〜０．３
   ０％、Ｃｒ：０〜１．００％、Ｍｏ：０〜０．３０％、
   Ａｌ：０〜０．０５０％、Ｐｂ：０〜０．３０％、Ｃ
   ａ：０〜０．０１００％、Ｔｅ：０〜０．１０％、Ｂ
   ｉ：０〜０．１００％を含有し、残部はＦｅ及び不可避
   不純物からなり、且つｆｎ１≧０及びｆｎ２≦０である
   ことを特徴とする非調質鋼。但し、 ｆｎ１＝Ｃ＋（Ｓｉ／１０）＋（Ｍｎ／６）＋１．６５
   Ｖ＋５Ｎ＋（Ｃｒ／３）−０．６、 ｆｎ２＝｛Ｃ／（ｆｎ１＋０．６）｝−０．６、 なお、式中の元素記号はその元素の重量％での含有量を
   表す。