KR20240013186A - 강재, 및, 그 강재를 소재로 하는 크랭크 샤프트 - Google Patents

강재, 및, 그 강재를 소재로 하는 크랭크 샤프트 Download PDF

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KR20240013186A
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시게후미 니시타니
마사토 유야
히토시 마쓰모토
쇼타 하마
히로키 마스다
히데키 마쓰다
히로마사 다카하시
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닛폰세이테츠 가부시키가이샤
혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
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Abstract

피삭성, 굽힘 피로 강도, 내마모성, 굽힘 교정성이 뛰어난 강재를 제공한다. 강재는, 질량%로, C: 0.25%~0.35%, Si: 0.05~0.35%, Mn: 0.85~1.20%, P: 0.080% 이하, S: 0.030~0.100%, Cr: 0.10% 이하, Ti: 0.050% 이하, Al: 0.050% 이하, N: 0.005~0.024%, O: 0.0100% 이하, 및, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 명세서에 규정된 Fn1이 1.00~2.05이며, Fn2가 0.42~0.60이다. 원상당경이 5.0μm 이상인 MnS 단독 개재물 및 MnS 복합 개재물의 면 수밀도가 20개/mm2 이상이고, 개재물의 총 개수에 대한, MnS 단독 개재물 및 MnS 복합 개재물의 총 개수의 비율이 70% 이상이고, 산화물의 총 개수에 대한, MnS 복합 산화물의 개수의 비율이 30% 이상이다.

Description

강재, 및, 그 강재를 소재로 하는 크랭크 샤프트
본 발명은, 강재, 및, 크랭크 샤프트에 관한 것이며, 더 상세하게는, 크랭크 샤프트의 소재가 되는 강재, 및, 그 강재를 질화 처리하여 제조되는 크랭크 샤프트에 관한 것이다.
자동차, 트럭 및 건설 기계로 대표되는 수송기에서는, 크랭크 샤프트가 이용되고 있다. 크랭크 샤프트에는 뛰어난 굽힘 피로 강도가 요구된다. 또한, 최근에는 환경 부하의 저감을 목적으로 하여, 엔진의 시동 및 정지를 반복하는 아이들링 스톱 기술이 보급되어 있다. 엔진의 시동 및 정지를 반복하는 빈도가 높아지면, 크랭크 샤프트의 핀부나 저널부와 같은 슬라이딩부에 유막(엔진 오일에 의한 유막)이 충분히 형성되기 전에, 크랭크 샤프트가 가동하는 빈도가 높아진다. 또한, 최근에는, 연비 향상을 목적으로 하여, 엔진 오일의 저점도화가 진행되고 있다. 그 때문에, 크랭크 샤프트의 슬라이딩부를 보호하는 유막의 두께가 감소하는 경향이 있다. 따라서, 크랭크 샤프트에는, 뛰어난 굽힘 피로 강도뿐만 아니라, 뛰어난 내마모성도 요구된다.
또한, 상술한 연비 향상의 요구에 수반하여, 수송기의 부품 경량화가 진행되고 있다. 그 결과, 종래에는 적용되지 않았던 복잡하고 가공이 곤란한 형상의 크랭크 샤프트가 등장하고 있다. 따라서, 크랭크 샤프트의 소재가 되는 강재에는, 뛰어난 피삭성이 요구된다.
상술한 굽힘 피로 강도, 내마모성, 및, 피삭성 중, 크랭크 샤프트의 굽힘 피로 강도 및 내마모성을 높이는 기술로서, 질화 처리가 알려져 있다. 여기서, 본 명세서에 있어서의 질화 처리는, 연질화 처리도 포함한다. 질화 처리는, A1 변태점 이하의 온도에서 질소(또는 질소 및 탄소)를 강재의 표층에 확산 침투시키는 열처리 기술이다. 질화 처리가 실시된 크랭크 샤프트의 표층에는, 화합물층과 확산층으로 이루어지는 질화층이 형성된다. 화합물층은 크랭크 샤프트의 최표층에 형성되며, Fe3N으로 대표되는 질화물을 주체로 하고, 깊이는 수10μm~30μm 정도이다. 확산층은, 화합물층보다 내부에 형성되며, 강재 내부에 확산된 질소에 의해 경화된 영역이고, 깊이는 수100μm 정도이다. 질화 처리는, 고주파 담금질 처리나 침탄 담금질 처리 등의 다른 표면 경화 열처리와 비교하여, 열처리 후에 발생하는 변형이 작다고 하는 특징이 있다.
그러나, 질화 처리여도, 열처리 후의 변형을 전무하게 할 수는 없다. 그리고, 크랭크 샤프트는 특히, 높은 진직성이 요구된다. 그 때문에, 통상적으로는, 질화 처리 후의 크랭크 샤프트에 대해 굽힘 교정 공정을 실시하여, 크랭크 샤프트의 진직성을 높인다. 굽힘 교정 시에 있어서 크랭크 샤프트에 균열이 발생하면, 굽힘 피로 강도가 현저하게 저하된다. 따라서, 질화 처리 용도의 강재에서는, 뛰어난 굽힘 교정성, 즉, 굽힘 교정 공정에 있어서 크랙의 발생을 억제하는 특성이 요구된다.
크랭크 샤프트로 대표되는 질화 부품의 굽힘 피로 강도 및 내마모성을 높이는 기술이, 국제공개 제2016/182013호(특허문헌 1), 및, 일본국 특허공개 2013-7077호 공보(특허문헌 2)에 개시되어 있다.
특허문헌 1에 개시된 질화 부품은, 질화로 내의 질화 포텐셜을 제어하여, 화합물층을 감마프라임(γ')상(Fe4N) 주체로 하고, γ'상 주체의 화합물층을 후막화하고 있다. 화합물층을 γ'상 주체로 함으로써, 질화 부품의 피로 강도를 유지하면서, 내마모성을 높일 수 있다고 특허문헌 1에는 기재되어 있다.
특허문헌 2에서는, 불화 처리에 의한 전처리를 실시한 후, 질화 처리를 실시한다. 이에 의해, 강재의 표층에, 탄소가 농화된 상태에서 질소도 농화된 내마모층(제1 확산층)과, 제1 확산층보다 강재 내부에, 질소 농도가 낮은 탄소 주체의 확산층(제2 확산층)이 형성된다. 이와 같은 구성을 갖는 질화층을 형성함으로써, 피로 강도 및 내마모성이 뛰어나다고 특허문헌 2에는 기재되어 있다.
국제공개 제2016/182013호 일본국 특허공개 2013-7077호 공보
특허문헌 1 및 2에 개시된 기술 이외의 다른 기술에 의해, 크랭크 샤프트의 피로 강도 및 내마모성을 높여도 된다. 그러나, 특허문헌 1 및 2에는, 크랭크 샤프트의 소재가 되는 강재의 피삭성이나, 크랭크 샤프트의 굽힘 교정성에 관한 검토가 이루어져 있지 않다.
본 개시의 목적은, 피삭성이 뛰어나며, 질화 처리를 실시하여 크랭크 샤프트로 한 경우에 뛰어난 굽힘 피로 강도, 뛰어난 내마모성, 및, 뛰어난 굽힘 교정성을 갖는, 크랭크 샤프트의 소재가 되는 강재, 및, 그 강재를 소재로 하는 크랭크 샤프트를 제공하는 것이다.
본 개시에 의한 강재는,
질량%로,
C: 0.25%~0.35%,
Si: 0.05~0.35%,
Mn: 0.85~1.20%,
P: 0.080% 이하,
S: 0.030~0.100%,
Cr: 0.10% 이하,
Ti: 0.050% 이하,
Al: 0.050% 이하,
N: 0.005~0.024%, 및,
O: 0.0100% 이하를 함유하며,
잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고,
식 (1)로 정의되는 Fn1이 1.00~2.05이며,
식 (2)로 정의되는 Fn2가 0.42~0.60이고,
상기 강재 중의 개재물 중,
Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 80.0% 이상인 개재물을 MnS 단독 개재물이라고 정의하고,
Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 15.0~80.0% 미만인 개재물을 MnS 복합 개재물이라고 정의하고,
Al 함유량, Ca 함유량 및 O 함유량의 합계가 질량%로 80.0% 이상이며, 또한, Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 15.0% 미만인 개재물을 단독 산화물이라고 정의하고,
Al 함유량, Ca 함유량 및 O 함유량의 합계가 질량%로 15.0~80.0% 미만이며, 또한, Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 15.0~80.0% 미만인 개재물을 MnS 복합 산화물이라고 정의했을 때,
상기 강재 중에 있어서,
원상당경이 5.0μm 이상인 상기 MnS 단독 개재물 및 원상당경이 5.0μm 이상인 상기 MnS 복합 개재물의 합계의 면 수밀도가 20개/mm2 이상이고,
원상당경이 1.0μm 이상인 개재물의 총 개수에 대한, 원상당경이 1.0μm 이상인 상기 MnS 단독 개재물, 및, 원상당경이 1.0μm 이상인 상기 MnS 복합 개재물의 총 개수의 비율이 70% 이상이고,
원상당경이 1.0μm 이상인 상기 단독 산화물, 및, 원상당경이 1.0μm 이상인 상기 MnS 복합 산화물의 총 개수에 대한, 원상당경이 1.0μm 이상인 상기 MnS 복합 산화물의 개수의 비율이 30% 이상이다.
Fn1=Mn+7.24Cr+6.53Al …(1)
Fn2=C+0.10Si+0.19Mn+0.23Cr-0.34S …(2)
여기서, 식 (1) 및 식 (2) 중의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량이 질량%로 대입된다.
본 개시에 의한 크랭크 샤프트는,
핀부와,
저널부와,
상기 핀부 및 상기 저널부 사이에 배치되는 아암부를 구비하고,
적어도 상기 핀부 및 상기 저널부는,
표층에 형성되어 있는 질화층과,
상기 질화층보다 내부의 심부(芯部)를 구비하며,
상기 심부는, 질량%로,
C: 0.25%~0.35%,
Si: 0.05~0.35%,
Mn: 0.85~1.20%,
P: 0.080% 이하,
S: 0.030~0.100%,
Cr: 0.10% 이하,
Ti: 0.050% 이하,
Al: 0.050% 이하,
N: 0.005~0.024%, 및,
O: 0.0100% 이하를 함유하며,
잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고,
식 (1)로 정의되는 Fn1이 1.00~2.05이며,
식 (2)로 정의되는 Fn2가 0.42~0.60이고,
상기 심부의 개재물 중,
Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 80.0% 이상인 개재물을 MnS 단독 개재물이라고 정의하고,
Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 15.0~80.0% 미만인 개재물을 MnS 복합 개재물이라고 정의하고,
Al 함유량, Ca 함유량 및 O 함유량의 합계가 질량%로 80.0% 이상이며, 또한, Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 15.0% 미만인 개재물을 단독 산화물이라고 정의하고,
Al 함유량, Ca 함유량 및 O 함유량의 합계가 질량%로 15.0~80.0% 미만이며, 또한, Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 15.0~80.0% 미만인 개재물을 MnS 복합 산화물이라고 정의했을 때,
상기 심부에 있어서,
원상당경이 5.0μm 이상인 상기 MnS 단독 개재물 및 원상당경이 5.0μm 이상인 상기 MnS 복합 개재물의 합계의 면 수밀도가 20개/mm2 이상이고,
원상당경이 1.0μm 이상인 개재물의 총 개수에 대한, 원상당경이 1.0μm 이상인 상기 MnS 단독 개재물, 및, 원상당경이 1.0μm 이상인 상기 MnS 복합 개재물의 총 개수의 비율이 70% 이상이고,
원상당경이 1.0μm 이상인 상기 단독 산화물, 및, 원상당경이 1.0μm 이상인 상기 MnS 복합 산화물의 총 개수에 대한, 원상당경이 1.0μm 이상인 상기 MnS 복합 산화물의 개수의 비율이 30% 이상이다.
Fn1=Mn+7.24Cr+6.53Al …(1)
Fn2=C+0.10Si+0.19Mn+0.23Cr-0.34S …(2)
여기서, 식 (1) 및 식 (2) 중의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량이 질량%로 대입된다.
본 개시에 의한 강재는, 피삭성이 뛰어나며, 질화 처리를 실시하여 크랭크 샤프트로 한 경우에 뛰어난 굽힘 피로 강도, 뛰어난 내마모성, 및, 뛰어난 굽힘 교정성을 갖는다. 본 개시에 의한 크랭크 샤프트는, 뛰어난 굽힘 피로 강도, 뛰어난 내마모성, 및, 뛰어난 굽힘 교정성을 갖는다.
도 1은, 크랭크 샤프트의 소재가 되는 강재로부터 개재물 특정용의 샘플을 채취하는 위치를 설명하기 위한 모식도이다.
도 2는, 본 실시 형태의 크랭크 샤프트의 주요부의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은, 도 2 중의 크랭크 샤프트의 핀부 또는 저널부의 표층 근방의 단면도이다.
도 4는, 실시예의 오노식 회전 굽힘 피로 시험용의 굽힘 피로 시험편의 측면도이다.
도 5는, 실시예의 4점 굽힘 시험용의 굽힘 시험편의 정면도, 측면도 및 평면도이다.
도 6은, 실시예에 있어서의 블록 온 링 마모 시험기를 나타내는 사시도이다.
본 발명자들은, 크랭크 샤프트의 제조 공정 중에 있어서, 뛰어난 피삭성이 얻어지며, 또한, 질화 처리를 실시하여 크랭크 샤프트로 한 경우에, 뛰어난 굽힘 피로 강도, 뛰어난 내마모성, 및, 뛰어난 굽힘 교정성을 나타내는, 크랭크 샤프트의 소재가 되는 강재를 검토했다.
먼저, 본 발명자들은, 상술한 피삭성을 높일 수 있으며, 크랭크 샤프트로 한 경우의 굽힘 피로 강도, 내마모성, 및, 굽힘 교정성을 높일 수 있는 강재의 화학 조성에 대하여 검토를 행했다. 그 결과, 질량%로, C: 0.25%~0.35%, Si: 0.05~0.35%, Mn: 0.85~1.20%, P: 0.080% 이하, S: 0.030~0.100%, Cr: 0.10% 이하, Ti: 0.050% 이하, Al: 0.050% 이하, N: 0.005~0.024%, O: 0.0100% 이하, Cu: 0~0.20%, Ni: 0~0.20%, Mo: 0~0.10%, Nb: 0~0.050%, Ca: 0~0.0100%, Bi: 0~0.30%, Te: 0~0.0100%, Zr: 0~0.0100%, Pb: 0~0.09%, 및, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성을 갖는 강재라면, 피삭성을 높일 수 있으며, 또한, 질화 처리하여 크랭크 샤프트로 한 경우에 있어서, 굽힘 피로 강도, 내마모성, 굽힘 교정성을 높일 수 있는 가능성이 있다고 생각했다. 이에, 상술한 화학 조성에 의거하여, 피삭성, 굽힘 피로 강도, 내마모성, 및, 굽힘 교정성에 대하여 검토를 행했다.
질화 처리 후의 굽힘 피로 강도는, 질화 처리 후의 강재의 표층에 형성된 질화층의 경도, 및, 질화층보다 내부의 심부의 경도와 양의 상관을 갖는다. 한편, 질화 처리 후의 굽힘 교정성은, 질화 처리 후의 강재의 질화층의 경도와 음의 상관을 갖는다. 또한, 피삭성은 질화 처리 전의 강재(즉, 질화 처리 후의 강재라면, 질화 처리의 영향을 받지 않은 심부)의 경도와 음의 상관을 갖는다. 따라서, 질화 처리 후에 있어서 굽힘 피로 강도, 내마모성, 굽힘 교정성을 높이고, 또한, 크랭크 샤프트의 제조 공정 중에 있어서의 강재의 피삭성을 높이기 위해서는, 질화 처리 후의 강재의 질화층의 경도와, 질화 처리 후의 강재의 심부의 경도를 일정 범위로 제어할 필요가 있다.
질화 처리 후의 강재의 질화층의 경도는, 질화 처리 전의 강재의 경도와, 질화 처리에 의한 강재 표층의 경도의 상승대에 의해 정해진다. 여기서, 「질화 처리에 의한 강재 표층의 경도의 상승대」란, 질화 처리에 의해 형성된 질화층의 경도와 질화 처리 전의 강재의 경도의 차분을 의미한다. 즉, 질화 처리 전의 강재(즉, 질화 처리 후의 강재의 심부)의 경도가 높을수록, 그리고, 질화 처리에 의한 강재 표층의 경도의 상승대가 클수록, 질화 처리 후의 강재의 질화층의 경도가 높아진다.
여기서, 상술한 화학 조성을 갖는 강재에서는, 질화 처리 전의 강재(즉, 질화 처리 후의 심부)의 경도는, 고용 강화에 의해 강재의 경도를 높이는 원소인 C, Si, Mn, Cr의 함유량과, 강재를 취화하는 원소인 S의 함유량에 의존한다고 본 발명자들은 생각했다. 또한, 질화 처리에 의한 강재 표층의 경도의 상승대는, 질소와의 친화력이 높은 원소인 Mn, Cr, Al의 함유량에 의존한다고 본 발명자들은 생각했다.
이에 본 발명자들은, 화학 조성 중의 각 원소 함유량이 상술한 범위 내인 강재에 있어서, 질화 처리 후의 강재 표층의 경도를 높이는 원소(Mn, Cr, Al)의 함유량과, 질화 처리 후의 심부 경도에 영향을 주는 원소(C, Si, Mn, Cr 및 S)의 함유량과, 피삭성, 굽힘 피로 강도, 내마모성 및 굽힘 교정성의 관계에 대하여 검토를 행했다. 그 결과, 본 발명자들은 다음의 지견을 얻었다.
Fn1을 식 (1)로 정의하고, Fn2를 식 (2)로 정의한다.
Fn1=Mn+7.24Cr+6.53Al …(1)
Fn2=C+0.10Si+0.19Mn+0.23Cr-0.34S …(2)
여기서, 식 (1) 및 식 (2) 중의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량이 질량%로 대입된다.
Fn1은, 화학 조성 중의 각 원소 함유량이 상술한 범위 내인 강재에 있어서, 질화 처리에 의한 강재 표층의 경도의 상승대의 지표이다. 즉, Fn1은, 강재의 화학 조성 중의 각 원소 함유량이 상술한 범위 내인 것을 전제로, 질화 처리 후의 강재의 굽힘 피로 강도와, 굽힘 교정성에 관계한다. Fn1이 1.00 미만이면, 화학 조성의 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이며, Fn2가 본 실시 형태의 범위 내여도, 질화 처리 후의 강재인 크랭크 샤프트에 있어서 충분한 굽힘 피로 강도가 얻어지지 않는다. 한편, Fn1이 2.05를 초과하면, 화학 조성의 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이며, Fn2가 본 실시 형태의 범위 내여도, 질화 처리 후의 강재의 굽힘 교정성이 저하된다. Fn1이 1.00~2.05이면, 화학 조성의 각 원소가 본 실시 형태의 범위 내이며, Fn2가 본 실시 형태의 범위 내인 것을 전제로 하여, 크랭크 샤프트에 있어서, 충분한 굽힘 피로 강도와, 충분한 굽힘 교정성이 얻어진다.
Fn2는, 화학 조성 중의 각 원소 함유량이 상술한 범위 내인 강재에 있어서, 질화 처리 전의 강재(즉, 질화 처리 후의 강재의 심부)의 경도의 지표이다. Fn2는, 강재의 화학 조성이 상술한 범위 내인 것을 전제로, 강재의 피삭성과, 질화 처리 후의 강재의 굽힘 피로 강도에 관계한다. Fn2가 0.42 미만이면, 화학 조성의 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이며, Fn1이 본 실시 형태의 범위 내여도, 질화 처리 후의 강재인 크랭크 샤프트에 있어서 충분한 굽힘 피로 강도가 얻어지지 않는다. 한편, Fn2가 0.60을 초과하면, 화학 조성의 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이며, Fn1이 본 실시 형태의 범위 내여도, 강재에 있어서 충분한 피삭성이 얻어지지 않는다. Fn2가 0.42~0.60이면, 화학 조성의 각 원소가 본 실시 형태의 범위 내이며, Fn1이 본 실시 형태의 범위 내인 것을 전제로 하여, 강재에 있어서 충분한 피삭성이 얻어지고, 또한, 크랭크 샤프트에 있어서 충분한 굽힘 피로 강도가 얻어진다.
이상과 같이, 화학 조성을 적정한 범위로 함으로써, 강재의 피삭성과, 질화 처리 후의 강재의 굽힘 피로 강도 및 굽힘 교정성을 어느 정도 높일 수 있다. 이에, 본 발명자들은 또한, 화학 조성 이외의 요소에 의해, 강재의 피삭성, 및, 질화 처리 후의 강재의 내마모성을 높이는 검토를 행했다. 여기서, 본 발명자들은, 피삭성 뿐만 아니라, 내마모성에 대해서도, 개재물에 주목하여 검토를 행했다. 그 결과, 피삭성 및 내마모성에 영향을 미치는 개재물에 대하여, 다음의 지견을 얻었다. 이후의 설명에 있어서, 개재물을 이하와 같이 정의한다.
(a) 개재물의 질량%를 100%로 한 경우에 있어서, Mn 및 S의 합계 함유량이 질량%로 80.0% 이상인 개재물을 「MnS 단독 개재물」이라고 정의한다.
(b) 개재물의 질량%를 100%로 한 경우에 있어서, Mn 및 S의 합계 함유량이 질량%로 15.0~80.0% 미만인 개재물을 「MnS 복합 개재물」이라고 정의한다.
(c) 개재물의 질량%를 100%로 한 경우에 있어서, Al, Ca 및 O의 합계 함유량이 질량%로 80.0% 이상이며, 또한, Mn 및 S의 합계 함유량이 질량%로 15.0% 미만인 개재물을 「단독 산화물」이라고 정의한다.
(d) 개재물의 질량%를 100%로 한 경우에 있어서, Mn 및 S의 합계 함유량이 질량%로 15.0~80.0% 미만이며, 또한, Al, Ca 및 O의 합계 함유량이 질량%로 15.0~80.0% 미만인 개재물을 「MnS 복합 산화물」이라고 정의한다.
이하, MnS 단독 개재물 및 MnS 복합 개재물을 총칭하여, 「MnS계 개재물」이라고도 한다. 또한, 상술한 정의와 같이, MnS 복합 산화물은, MnS 복합 개재물에 포함된다.
피삭성은, 질화 처리 전의 강재(질화 처리 후의 강재의 심부)의 경도 뿐만 아니라, 개재물의 영향도 받는다. 구체적으로는, 강재 중에 존재하는 MnS계 개재물(MnS 단독 개재물 및 MnS 복합 개재물)의 면 수밀도(개/mm2)가 높을수록, 피삭성은 높아진다. 단, MnS계 개재물의 사이즈가 지나치게 작으면, 피삭성에 대한 영향이 작다. 구체적으로는, MnS계 개재물의 원상당경이 5.0μm 미만이면, 강재의 피삭성에 대한 영향이 매우 작다. 따라서, 강재의 피삭성을 높이기 위해서는, 원상당경이 5.0μm 이상인 MnS계 개재물의 면 수밀도를 높이는 것이 유효하다. 또한, 원상당경이란, 각 개재물의 면적을, 같은 면적을 갖는 원으로 환산한 경우의 원의 직경을 의미한다.
또한, 질화 처리 후의 강재의 내마모성에도, 개재물은 영향을 준다. 질화 처리 후의 강재의 표층에 형성되는 질화층의 최표층에는, 화합물층이 형성되어 있다. 질화 처리를 실시하여 제조하는 크랭크 샤프트에서는, 이 화합물층에 균열이 발생 및 진전하여, 화합물층이 박리됨으로써, 마모가 진행된다. 화합물층은, 원래는 강재였던 부분이 질화 처리에 의해 질소를 다량으로 함유함으로써 변질되어 생성되는 것이다. 질화 처리 전의 강재의 표층에 개재물이 존재하는 경우, 질화 처리에 의해 그 표층이 화합물층으로 변질되면, 화합물층 내에 개재물이 포함되게 된다.
본 발명자들은, 화합물층의 균열의 발생이, 화합물층 중의 개재물에 기인하는 것은 아닌지 생각했다. 이에 본 발명자들은, 개재물의 종류에 주목하여, 화합물층의 균열의 발생과의 관계에 대하여 검토를 행했다. 그 결과, 마모의 원인이 되는 화합물층의 균열은, 그 대부분이, 경질인 산화물을 기점으로 하고 있는 것이 판명되었다. 또, 연질인 MnS계 개재물은, 화합물층의 균열의 기점이 되기 어렵고, 또한, MnS계 개재물과 단독 산화물의 복합 개재물인 MnS 복합 산화물도, 화합물층의 균열의 기점이 되기 어려운 것이 판명되었다. 이에, 본 발명자들은, 질화 처리하여 제조되는 크랭크 샤프트에 있어서, 내마모성을 높이기 위해서는, 단독 산화물을 가능한 한 저감하거나, 단독 산화물을 MnS와의 복합 개재물(MnS 복합 산화물)로 하는 것이 유효하다고 생각했다.
그러나, 용강 중의 산화물은, MnS계 개재물의 생성핵이 되기 때문에, MnS계 개재물의 생성에는 용강 중의 산소가 어느 정도 필요하다. 따라서, 단독 산화물도 강재 중에 어느 정도 생성되어 버린다. 이에, 본 발명자들은, 강재의 피삭성을 확보한 후에, 질화 처리 후의 강재의 내마모성을 높이기 위하여, 상술한 MnS계 개재물(MnS 단독 개재물, 및, MnS 복합 개재물), 단독 산화물, MnS 복합 산화물에 주목하여, 강재 중의 개재물과, 피삭성 및 내마모성의 관계에 대하여 추가로 검토를 행했다. 그 결과, 강재 중의 개재물이 다음의 (I)~(III)을 만족하면, 화학 조성의 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이며, Fn1 및 Fn2가 본 실시 형태의 범위 내인 것을 전제로 하여, 강재의 피삭성, 및, 강재를 질화 처리하여 제조한 크랭크 샤프트의 내마모성을 더 높일 수 있다는 것을 발견했다.
(I) 강재 중에 있어서, 원상당경이 5.0μm 이상인 MnS 단독 개재물 및 원상당경이 5.0μm 이상인 MnS 복합 개재물의 합계의 면 수밀도가 20개/mm2 이상이다.
(II) 강재 중에 있어서, 원상당경이 1.0μm 이상인 개재물의 총 개수에 대한, 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 단독 개재물 및 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 개재물의 총 개수의 비율이 70% 이상이다.
(III) 강재 중에 있어서, 원상당경이 1.0μm 이상인 단독 산화물, 및, 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 산화물의 총 개수에 대한, 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 산화물의 개수의 비율이 30% 이상이다.
본 실시 형태의 크랭크 샤프트의 소재가 되는 강재 및 크랭크 샤프트는, 상술한 바와 같이, 화학 조성과, 질화층(특히 화합물층)의 크랙의 기점이 될 수 있는 개재물에 주목하여 검토를 행한 결과, 완성된 것이며, 다음의 구성을 갖는다.
[1]
강재로서,
질량%로,
C: 0.25%~0.35%,
Si: 0.05~0.35%,
Mn: 0.85~1.20%,
P: 0.080% 이하,
S: 0.030~0.100%,
Cr: 0.10% 이하,
Ti: 0.050% 이하,
Al: 0.050% 이하,
N: 0.005~0.024%, 및,
O: 0.0100% 이하를 함유하며,
잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고,
식 (1)로 정의되는 Fn1이 1.00~2.05이며,
식 (2)로 정의되는 Fn2가 0.42~0.60이고,
상기 강재 중의 개재물 중,
Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 80.0% 이상인 개재물을 MnS 단독 개재물이라고 정의하고,
Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 15.0~80.0% 미만인 개재물을 MnS 복합 개재물이라고 정의하고,
Al 함유량, Ca 함유량 및 O 함유량의 합계가 질량%로 80.0% 이상이며, 또한, Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 15.0% 미만인 개재물을 단독 산화물이라고 정의하고,
Al 함유량, Ca 함유량 및 O 함유량의 합계가 질량%로 15.0~80.0% 미만이며, 또한, Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 15.0~80.0% 미만인 개재물을 MnS 복합 산화물이라고 정의했을 때,
상기 강재 중에 있어서,
원상당경이 5.0μm 이상인 상기 MnS 단독 개재물 및 원상당경이 5.0μm 이상인 상기 MnS 복합 개재물의 합계의 면 수밀도가 20개/mm2 이상이고,
원상당경이 1.0μm 이상인 개재물의 총 개수에 대한, 원상당경이 1.0μm 이상인 상기 MnS 단독 개재물, 및, 원상당경이 1.0μm 이상인 상기 MnS 복합 개재물의 총 개수의 비율이 70% 이상이고,
원상당경이 1.0μm 이상인 상기 단독 산화물, 및, 원상당경이 1.0μm 이상인 상기 MnS 복합 산화물의 총 개수에 대한, 원상당경이 1.0μm 이상인 상기 MnS 복합 산화물의 개수의 비율이 30% 이상인,
강재.
Fn1=Mn+7.24Cr+6.53Al …(1)
Fn2=C+0.10Si+0.19Mn+0.23Cr-0.34S …(2)
여기서, 식 (1) 및 식 (2) 중의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량이 질량%로 대입된다.
[2]
[1]에 기재된 강재로서,
상기 Fe의 일부를 대신하여,
Cu: 0.20% 이하,
Ni: 0.20% 이하,
Mo: 0.10% 이하,
Nb: 0.050% 이하,
Ca: 0.0100% 이하,
Bi: 0.30% 이하,
Te: 0.0100% 이하,
Zr: 0.0100% 이하, 및,
Pb: 0.09% 이하
로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1원소 또는 2원소 이상을 함유하는,
강재.
[3]
핀부와,
저널부와,
상기 핀부 및 상기 저널부 사이에 배치되는 아암부를 구비하고,
적어도 상기 핀부 및 상기 저널부는,
표층에 형성되어 있는 질화층과,
상기 질화층보다 내부의 심부를 구비하며,
상기 심부는, 질량%로,
C: 0.25%~0.35%,
Si: 0.05~0.35%,
Mn: 0.85~1.20%,
P: 0.080% 이하,
S: 0.030~0.100%,
Cr: 0.10% 이하,
Ti: 0.050% 이하,
Al: 0.050% 이하,
N: 0.005~0.024%, 및,
O: 0.0100% 이하를 함유하며,
잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고,
식 (1)로 정의되는 Fn1이 1.00~2.05이며,
식 (2)로 정의되는 Fn2가 0.42~0.60이고,
상기 심부의 개재물 중,
Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 80.0% 이상인 개재물을 MnS 단독 개재물이라고 정의하고,
Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 15.0~80.0% 미만인 개재물을 MnS 복합 개재물이라고 정의하고,
Al 함유량, Ca 함유량 및 O 함유량의 합계가 질량%로 80.0% 이상이며, 또한, Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 15.0% 미만인 개재물을 단독 산화물이라고 정의하고,
Al 함유량, Ca 함유량 및 O 함유량의 합계가 질량%로 15.0~80.0% 미만이며, 또한, Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 15.0~80.0% 미만인 개재물을 MnS 복합 산화물이라고 정의했을 때,
상기 심부에 있어서,
원상당경이 5.0μm 이상인 상기 MnS 단독 개재물 및 원상당경이 5.0μm 이상인 상기 MnS 복합 개재물의 합계의 면 수밀도가 20개/mm2 이상이고,
원상당경이 1.0μm 이상인 개재물의 총 개수에 대한, 원상당경이 1.0μm 이상인 상기 MnS 단독 개재물, 및, 원상당경이 1.0μm 이상인 상기 MnS 복합 개재물의 총 개수의 비율이 70% 이상이고,
원상당경이 1.0μm 이상인 상기 단독 산화물, 및, 원상당경이 1.0μm 이상인 상기 MnS 복합 산화물의 총 개수에 대한, 원상당경이 1.0μm 이상인 상기 MnS 복합 산화물의 개수의 비율이 30% 이상인,
크랭크 샤프트.
Fn1=Mn+7.24Cr+6.53Al …(1)
Fn2=C+0.10Si+0.19Mn+0.23Cr-0.34S …(2)
여기서, 식 (1) 및 식 (2) 중의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량이 질량%로 대입된다.
[4]
[3]에 기재된 크랭크 샤프트로서,
상기 심부는 또한, 상기 Fe의 일부를 대신하여,
Cu: 0.20% 이하,
Ni: 0.20% 이하,
Mo: 0.10% 이하,
Nb: 0.050% 이하,
Ca: 0.0100% 이하,
Bi: 0.30% 이하,
Te: 0.0100% 이하,
Zr: 0.0100% 이하, 및,
Pb: 0.09% 이하
로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1원소 또는 2원소 이상을 함유하는,
크랭크 샤프트.
이하, 본 실시 형태의 크랭크 샤프트의 소재가 되는 강재 및 크랭크 샤프트에 대하여 설명한다. 또한, 원소에 관한 「%」는 특별히 언급이 없는 한, 질량%를 의미한다. 또, 본 명세서에 있어서, 「질화 처리」는, 연질화 처리도 포함한다.
[화학 조성]
본 실시 형태의 강재는, 크랭크 샤프트의 소재가 된다. 본 실시 형태의 강재의 화학 조성은, 다음의 원소를 함유한다.
C: 0.25%~0.35%
탄소(C)는, 질화 처리 후의 강재(크랭크 샤프트)의 굽힘 피로 강도를 높인다. C 함유량이 0.25% 미만이면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 상기 효과가 충분히 얻어지지 않는다. 한편, C 함유량이 0.35%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 크랭크 샤프트의 심부의 경도가 지나치게 높아지고, 또한, 질화층의 경도도 지나치게 높아진다. 이 경우, 크랭크 샤프트의 굽힘 교정성이 저하된다. 따라서, C 함유량은 0.25~0.35%이다. C 함유량의 바람직한 하한은 0.26%이고, 더 바람직하게는 0.27%이다.
Si: 0.05~0.35%
실리콘(Si)은 크랭크 샤프트의 굽힘 피로 강도를 높인다. Si은 또한, 강을 탈산한다. Si 함유량이 0.05% 미만이면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 상기 효과가 충분히 얻어지지 않는다. 한편, Si 함유량이 0.35%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 크랭크 샤프트의 질화층의 경도가 지나치게 높아져, 크랭크 샤프트의 굽힘 교정성이 저하된다. 따라서, Si 함유량은 0.05~0.35%이다. Si 함유량의 바람직한 하한은 0.07%이고, 더 바람직하게는 0.09%이며, 더 바람직하게는 0.10%이다. Si 함유량의 바람직한 상한은 0.33%이고, 더 바람직하게는 0.31%이며, 더 바람직하게는 0.30%이다.
Mn: 0.85~1.20%
망간(Mn)은 크랭크 샤프트의 굽힘 피로 강도를 높인다. Mn은 또한, 강을 탈산한다. Mn 함유량이 0.85% 미만이면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 상기 효과가 충분히 얻어지지 않는다. 한편, Mn 함유량이 1.20%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 크랭크 샤프트의 질화층의 경도가 지나치게 높아져, 크랭크 샤프트의 굽힘 교정성이 저하된다. 따라서, Mn 함유량은 0.85~1.20%이다. Mn 함유량의 바람직한 하한은 0.87%이고, 더 바람직하게는 0.89%이며, 더 바람직하게는 0.90%이다. Mn 함유량의 바람직한 상한은 1.18%이고, 더 바람직하게는 1.16%이며, 더 바람직하게는 1.14%이다.
P: 0.080% 이하
인(P)은 불가피하게 함유되는 불순물이다. 즉, P 함유량은 0% 초과이다. P 함유량이 0.080%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 크랭크 샤프트의 굽힘 피로 강도가 저하된다. 따라서, P 함유량은 0.080% 이하이다. P 함유량의 바람직한 상한은 0.050%이고, 더 바람직하게는 0.030%이다. P 함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 그러나, P 함유량의 과잉한 저감은, 제조 비용을 인상시킨다. 따라서, P 함유량의 바람직한 하한은 0.001%이고, 더 바람직하게는 0.002%이다.
S: 0.030~0.100%
황(S)은 강재의 피삭성을 높인다. S 함유량이 0.030% 미만이면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 상기 효과가 충분히 얻어지지 않는다. 한편, S 함유량이 0.100%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 강재의 주조성이 저하된다. 따라서, S 함유량은 0.030~0.100%이다. S 함유량의 바람직한 하한은 0.035%이고, 더 바람직하게는 0.037%이며, 더 바람직하게는 0.040%이다. S 함유량의 바람직한 상한은 0.095%이고, 더 바람직하게는 0.090%이며, 더 바람직하게는 0.085%이고, 더 바람직하게는 0.080%이다.
Cr: 0.10% 이하
크롬(Cr)은 불가피하게 함유되는 불순물이다. 즉, Cr 함유량은 0% 초과이다. Cr 함유량이 0.10%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 크랭크 샤프트의 굽힘 교정성이 저하된다. 따라서, Cr 함유량은 0.10% 이하이다. Cr 함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 그러나, Cr 함유량의 과잉한 저감은, 제조 비용을 인상시킨다. 따라서, Cr 함유량의 바람직한 하한은 0.01%이고, 더 바람직하게는 0.02%이다.
Ti: 0.050% 이하
티탄(Ti)은 불가피하게 함유된다. 즉, Ti 함유량은 0% 초과이다. Ti은 N와 결합하여 TiN을 형성하고, 핀닝 효과에 의해 결정립의 조대화를 억제하여, 크랭크 샤프트의 굽힘 피로 강도를 높인다. Ti 함유량이 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 그러나, Ti 함유량이 0.050%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 조대한 TiN이 형성되어 크랭크 샤프트의 굽힘 피로 강도가 저하된다. 따라서, Ti 함유량은 0.050% 이하이다. Ti 함유량의 바람직한 하한은 0.001%이고, 더 바람직하게는 0.003%이며, 더 바람직하게는 0.005%이다. Ti 함유량의 바람직한 상한은 0.045%이고, 더 바람직하게는 0.040%이며, 더 바람직하게는 0.030%이다.
Al: 0.050% 이하
알루미늄(Al)은 불가피하게 함유된다. 즉, Al 함유량은 0% 초과이다. Al은, 질화 처리 시에 질소와 결합하여 AlN을 형성하고, 크랭크 샤프트의 질화층의 경도를 높여, 크랭크 샤프트의 굽힘 피로 강도를 높인다. Al이 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 그러나, Al 함유량이 0.050%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 크랭크 샤프트의 질화층의 경도가 지나치게 높아져, 크랭크 샤프트의 굽힘 교정성이 저하된다. 따라서, Al 함유량은 0.050% 이하이다. Al 함유량의 바람직한 상한은 0.045%이고, 더 바람직하게는 0.040%이며, 더 바람직하게는 0.035%이고, 더 바람직하게는 0.030%이다. Al 함유량의 바람직한 하한은 0.001%이고, 더 바람직하게는 0.002%이며, 더 바람직하게는 0.005%이다. 여기서 말하는 Al 함유량은, 강 중의 산화물을 포함하는 Al(전체 Al)의 함유량을 의미한다.
N: 0.005~0.024%
질소(N)는 Ti과 결합하여 TiN을 형성하고, 핀닝 효과에 의해 결정립의 조대화를 억제하여, 크랭크 샤프트의 굽힘 피로 강도를 높인다. N 함유량이 0.005% 미만이면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 상기 효과가 충분히 얻어지지 않는다. 한편, N 함유량이 0.024%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 강재의 열간 가공성이 저하된다. 따라서, N 함유량은 0.005~0.024%이다. N 함유량의 바람직한 하한은 0.006%이고, 더 바람직하게는 0.008%이며, 더 바람직하게는 0.010%이다. N 함유량의 바람직한 상한은 0.022%이고, 더 바람직하게는 0.021%이며, 더 바람직하게는 0.020%이다.
O: 0.0100% 이하
산소(O)는 불가피하게 함유되는 불순물이다. 즉, O 함유량은 0% 초과이다. O는 강재 중에 산화물을 생성한다. O 함유량이 0.0100%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 조대한 산화물이 생성되어, 크랭크 샤프트의 굽힘 피로 강도가 저하되고, 내마모성도 저하된다. 따라서, O 함유량은 0.0100% 이하이다. O 함유량의 바람직한 상한은 0.0080%이고, 더 바람직하게는 0.0060%이며, 더 바람직하게는 0.0050%이다. O 함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 그러나, O 함유량의 과잉한 저감은, 제조 비용을 인상시킨다. 따라서, O 함유량의 바람직한 하한은 0.0001%이고, 더 바람직하게는 0.0005%이다.
본 실시 형태의 강재의 화학 조성의 잔부는, Fe 및 불순물로 이루어진다. 여기서, 불순물이란, 강재를 공업적으로 제조할 때에, 원료로서의 광석, 스크랩, 또는 제조 환경 등으로부터 혼입되는 것으로, 의도적으로 강재에 함유시킨 것이 아닌 성분을 의미한다. 이와 같은 불순물로서는, 예를 들어, 이하의 것이 있다. Co: 0.02% 이하, Sn: 0.02% 이하, Zn: 0.02% 이하.
[임의 원소에 대하여]
[제1군 임의 원소]
본 실시 형태의 강재의 화학 조성은 또한, Fe의 일부를 대신하여, Cu, Ni, Mo 및 Nb로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1원소 또는 2원소 이상을 함유해도 된다. 이들 원소는 임의 원소이며, 모두, 크랭크 샤프트의 굽힘 피로 강도를 높인다.
Cu: 0.20% 이하
구리(Cu)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Cu 함유량은 0%여도 된다. 함유되는 경우, 즉, Cu 함유량이 0% 초과인 경우, Cu는 강재에 고용되어, 크랭크 샤프트의 굽힘 피로 강도를 높인다. Cu 함유량이 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 그러나, Cu 함유량이 0.20%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 크랭크 샤프트의 굽힘 교정성이 저하된다. 따라서, Cu 함유량은 0.20% 이하이다. 즉, Cu 함유량은 0~0.20%이다. Cu 함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이고, 더 바람직하게는 0.01%이며, 더 바람직하게는 0.02%이고, 더 바람직하게는 0.05%이며, 더 바람직하게는 0.07%이다. Cu 함유량의 바람직한 상한은 0.19%이고, 더 바람직하게는 0.18%이며, 더 바람직하게는 0.17%이다.
Ni: 0.20% 이하
니켈(Ni)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Ni 함유량은 0%여도 된다. 함유되는 경우, 즉, Ni 함유량이 0% 초과인 경우, Ni은 강재에 고용되어, 크랭크 샤프트의 굽힘 피로 강도를 높인다. Ni 함유량이 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 그러나, Ni 함유량이 0.20%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 크랭크 샤프트의 굽힘 교정성이 저하된다. 따라서, Ni 함유량은 0.20% 이하이다. 즉, Ni 함유량은 0~0.20%이다. Ni 함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이고, 더 바람직하게는 0.01%이며, 더 바람직하게는 0.02%이고, 더 바람직하게는 0.05%이며, 더 바람직하게는 0.07%이다. Ni 함유량의 바람직한 상한은, 0.19%이고, 더 바람직하게는 0.18%이며, 더 바람직하게는 0.17%이다.
Mo: 0.10% 이하
몰리브덴(Mo)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Mo 함유량은 0%여도 된다. 함유되는 경우, 즉, Mo 함유량이 0% 초과인 경우, Mo은 강재에 고용되어, 크랭크 샤프트의 굽힘 피로 강도를 높인다. Mo 함유량이 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 그러나, Mo 함유량이 0.10%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 크랭크 샤프트의 굽힘 교정성이 저하된다. 따라서, Mo 함유량은 0.10% 이하이다. 즉, Mo 함유량은 0~0.10%이다. Mo 함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이고, 더 바람직하게는 0.01%이며, 더 바람직하게는 0.02%이고, 더 바람직하게는 0.03%이다. Mo 함유량의 바람직한 상한은, 0.09%이고, 더 바람직하게는 0.08%이다.
Nb: 0.050% 이하
니오브(Nb)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Nb 함유량은 0%여도 된다. 함유되는 경우, 즉, Nb 함유량이 0% 초과인 경우, Nb는 탄화물, 질화물 또는 탄질화물을 형성하고, 핀닝 효과에 의해 결정립을 미세화하여, 크랭크 샤프트의 굽힘 피로 강도를 높인다. Nb가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 그러나, Nb 함유량이 0.050%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 크랭크 샤프트의 굽힘 교정성이 저하된다. 따라서, Nb 함유량은 0.050% 이하이다. 즉, Nb 함유량은, 0~0.050%이다. Nb 함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이고, 더 바람직하게는 0.001%이며, 더 바람직하게는 0.003%이고, 더 바람직하게는 0.005%이다. Nb 함유량의 바람직한 상한은 0.040%이고, 더 바람직하게는, 0.030%이다.
[제2군 임의 원소]
본 실시 형태의 강재는 또한, Fe의 일부를 대신하여, Ca, Bi, Te, Zr, 및 Pb로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1원소 또는 2원소 이상을 함유해도 된다. 이들 원소는 임의 원소이며, 모두, 강재의 피삭성을 높인다.
Ca: 0.0100% 이하
칼슘(Ca)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Ca 함유량은 0%여도 된다. 함유되는 경우, 즉, Ca 함유량이 0% 초과인 경우, Ca은 강재의 피삭성을 높인다. Ca이 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 그러나, Ca 함유량이 0.0100%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 조대한 산화물을 형성하여, 크랭크 샤프트의 굽힘 피로 강도가 저하된다. 따라서, Ca 함유량은 0.0100% 이하이다. 즉, Ca 함유량은 0~0.0100%이다. Ca 함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이고, 더 바람직하게는 0.0001%이며, 더 바람직하게는 0.0002%이고, 더 바람직하게는 0.0003%이다. Ca 함유량의 바람직한 상한은 0.0090%이고, 더 바람직하게는 0.0080%이다.
Bi: 0.30% 이하
비스무트(Bi)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Bi 함유량은 0%여도 된다. 함유되는 경우, 즉, Bi 함유량이 0% 초과인 경우, Bi는 강재의 피삭성을 높인다. Bi가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 그러나, Bi 함유량이 0.30%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 크랭크 샤프트의 굽힘 피로 강도가 저하된다. 따라서, Bi 함유량은 0.30% 이하이다. 즉, Bi 함유량은 0~0.30%이다. Bi 함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이고, 더 바람직하게는 0.01%이며, 더 바람직하게는 0.02%이고, 더 바람직하게는 0.05%이다. Bi 함유량의 바람직한 상한은 0.27%이고, 더 바람직하게는 0.25%이다.
Te: 0.0100% 이하
텔루르(Te)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Te 함유량은 0%여도 된다. 함유되는 경우, 즉, Te 함유량이 0% 초과인 경우, Te는 강재의 피삭성을 높인다. Te가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 그러나, Te 함유량이 0.0100%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 크랭크 샤프트의 굽힘 피로 강도가 저하된다. 따라서, Te 함유량은 0.0100% 이하이다. 즉, Te 함유량은 0~0.0100%이다. Te 함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이고, 더 바람직하게는 0.0001%이며, 더 바람직하게는 0.0002%이고, 더 바람직하게는 0.0003%이다. Te 함유량의 바람직한 상한은 0.0090%이고, 더 바람직하게는 0.0080%이다.
Zr: 0.0100% 이하
지르코늄(Zr)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Zr 함유량은 0%여도 된다. 함유되는 경우, 즉, Zr 함유량이 0% 초과인 경우, Zr은 강재의 피삭성을 높인다. Zr이 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 그러나, Zr 함유량이 0.0100%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 크랭크 샤프트의 굽힘 피로 강도가 저하된다. 따라서, Zr 함유량은 0.0100% 이하이다. 즉, Zr 함유량은 0~0.0100%이다. Zr 함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이고, 더 바람직하게는 0.0001%이며, 더 바람직하게는 0.0002%이고, 더 바람직하게는 0.0003%이다. Zr 함유량의 바람직한 상한은 0.0090%이고, 더 바람직하게는 0.0080%이다.
Pb: 0.09% 이하
납(Pb)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Pb 함유량은 0%여도 된다. 함유되는 경우, 즉, Pb 함유량이 0% 초과인 경우, Pb은 강재의 피삭성을 높인다. Pb이 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 그러나, Pb 함유량이 0.09%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 크랭크 샤프트의 굽힘 피로 강도가 저하된다. 따라서, Pb 함유량은 0.09% 이하이다. 즉, Pb 함유량은 0~0.09%이다. Pb 함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이고, 더 바람직하게는 0.01%이며, 더 바람직하게는 0.02%이고, 더 바람직하게는 0.05%이다. Pb 함유량의 바람직한 상한은 0.08%이고, 더 바람직하게는 0.07%이다.
[Fn1 및 Fn2에 대하여]
본 실시 형태의 강재의 화학 조성은 또한, 화학 조성 중의 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내인 것을 전제로 하여, 식 (1)로 정의되는 Fn1이 1.00~2.05이며, 또한, 식 (2)로 정의되는 Fn2가 0.42~0.60%이다.
Fn1=Mn+7.24Cr+6.53Al …(1)
Fn2=C+0.10Si+0.19Mn+0.23Cr-0.34S …(2)
여기서, 식 (1) 및 식 (2)의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량이 질량%로 대입된다.
[Fn1에 대하여]
식 (1)로 정의되는 Fn1은, 화학 조성에 있어서, 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이며, Fn2가 본 실시 형태의 범위 내인 것을 전제로 하여, 질화 처리 후의 강재(크랭크 샤프트)의 표층에 형성된 질화층의 경도의 지표가 된다. 따라서, 화학 조성 중의 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내인 강재에 있어서, Fn1은, 크랭크 샤프트의 굽힘 피로 강도와, 크랭크 샤프트의 굽힘 교정성에 관계한다. 구체적으로는, Fn1이 1.00 미만이면, 화학 조성의 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이며, Fn2가 본 실시 형태의 범위 내여도, 크랭크 샤프트에 있어서 충분한 굽힘 피로 강도가 얻어지지 않는다. 한편, Fn1이 2.05를 초과하면, 화학 조성의 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이며, Fn2가 본 실시 형태의 범위 내여도, 크랭크 샤프트의 굽힘 교정성이 저하된다. Fn1이 1.00~2.05이면, 화학 조성의 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이며, Fn2가 본 실시 형태의 범위 내인 것을 전제로 하여, 크랭크 샤프트에 있어서 충분한 굽힘 피로 강도가 얻어지고, 또한, 크랭크 샤프트의 굽힘 교정성도 충분히 높아진다. Fn1의 바람직한 하한은 1.02이고, 더 바람직하게는 1.03이다. Fn1의 바람직한 상한은 2.03이고, 더 바람직하게는 2.01이며, 더 바람직하게는 2.00이다.
[Fn2에 대하여]
식 (2)로 정의되는 Fn2는, 화학 조성에 있어서, 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이며, 또한, Fn1이 본 실시 형태의 범위 내인 것을 전제로 하여, 질화 처리 전의 강재(즉, 크랭크 샤프트의 심부에 상당한다)의 경도의 지표가 된다. 따라서, 화학 조성의 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내인 강재에 있어서, Fn2는, 크랭크 샤프트의 굽힘 피로 강도와, 강재의 피삭성에 관계한다. 구체적으로는, Fn2가 0.42 미만이면, 화학 조성의 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이며, Fn1이 본 실시 형태의 범위 내여도, 크랭크 샤프트에 있어서 충분한 굽힘 피로 강도가 얻어지지 않는다. 한편, Fn2가 0.60을 초과하면, 화학 조성의 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이며, Fn1이 본 실시 형태의 범위 내여도, 강재에 있어서 충분한 피삭성이 얻어지지 않는다. Fn2가 0.42~0.60이면, 화학 조성의 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이며, Fn1이 본 실시 형태의 범위 내인 것을 전제로 하여, 크랭크 샤프트에 있어서 충분한 굽힘 피로 강도가 얻어지고, 강재의 피삭성도 충분히 높아진다. Fn2의 바람직한 하한은 0.43이고, 더 바람직하게는 0.44이며, 더 바람직하게는 0.45이다. Fn2의 바람직한 상한은 0.58이고, 더 바람직하게는 0.57이며, 더 바람직하게는 0.56이다.
[강재 중의 개재물에 대하여]
본 실시 형태의 강재에 있어서, 다음와 같이 정의한다.
(a) 개재물의 질량%를 100%로 한 경우에 있어서, Mn 및 S의 합계 함유량이 질량%로 80.0% 이상인 개재물을 「MnS 단독 개재물」이라고 정의한다.
(b) 개재물의 질량%를 100%로 한 경우에 있어서, Mn 및 S의 합계 함유량이 질량%로, 15.0~80.0% 미만인 개재물을 「MnS 복합 개재물」이라고 정의한다.
(c) 개재물의 질량%를 100%로 한 경우에 있어서, Al, Ca 및 O의 합계 함유량이 질량%로 80.0% 이상이며, 또한, Mn 및 S의 합계 함유량이 질량%로 15.0% 미만인 개재물을 「단독 산화물」이라고 정의한다.
(d) 개재물의 질량%를 100%로 한 경우에 있어서, Mn 및 S의 합계 함유량이 질량%로 15.0~80.0% 미만이며, 또한, Al, Ca 및 O의 합계 함유량이 질량%로 15.0~80.0% 미만인 개재물을 「MnS 복합 산화물」이라고 정의한다.
상술한 정의와 같이, MnS 복합 산화물은, MnS 복합 개재물에 포함된다.
본 실시 형태의 강재에서는, 개재물이 다음의 규정을 만족한다.
(I) 강재 중에 있어서, 원상당경이 5.0μm 이상인 MnS 단독 개재물 및 원상당경이 5.0μm 이상인 MnS 복합 개재물의 합계의 면 수밀도는, 20개/mm2 이상이다.
(II) 강재 중에 있어서, 원상당경이 1.0μm 이상인 개재물의 총 개수에 대한, 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 단독 개재물 및 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 개재물의 총 개수의 비율은 70% 이상이다.
(III) 강재 중에 있어서, 원상당경이 1.0μm 이상인 단독 산화물, 및, 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 산화물의 총 개수에 대한, 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 산화물의 개수의 비율이 30% 이상이다.
이하, (I)~(III)에 대하여 설명한다.
[(I)에 대하여]
MnS 단독 개재물 및 MnS 복합 개재물을 「MnS계 개재물」이라고 정의한다. MnS계 개재물은, 강재의 피삭성을 높인다. 그 때문에, MnS계 개재물의 면 수밀도(개/mm2)가 높으면, 강재의 피삭성이 높아진다. 그러나, MnS계 개재물의 사이즈가 지나치게 작으면, 강재의 피삭성의 향상에 기여하지 않는다. 상술한 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이며, 또한, Fn1 및 Fn2가 본 실시 형태의 범위 내인 화학 조성을 갖는 강재의 경우, 원상당경이 5.0μm 미만인 MnS계 개재물은 강재의 피삭성의 향상에 기여하기 어렵다. 한편, 원상당경이 5.0μm 이상인 MnS계 개재물은 강재의 피삭성을 현저하게 높인다.
원상당경이 5.0μm 이상인 MnS계 개재물(MnS 단독 개재물 및 MnS 복합 개재물)의 면 수밀도를 면 수밀도 SN(개/mm2)이라고 정의한다. 면 수밀도 SN이 20개/mm2 이상이면, 상술한 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이며, 또한, Fn1 및 Fn2가 본 실시 형태의 범위 내인 화학 조성을 갖는 강재의 피삭성을 충분히 높일 수 있다. 원상당경이 5.0μm 이상인 MnS계 개재물의 면 수밀도의 바람직한 하한은 22개/mm2이고, 더 바람직하게는 25개/mm2이다. 또한, 원상당경이 5.0μm 이상인 MnS계 개재물의 면 수밀도의 상한은 특별히 한정되지 않으나, 상술한 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이며, 또한, Fn1 및 Fn2가 본 실시 형태의 범위 내인 화학 조성을 갖는 강재의 경우, 원상당경이 5.0μm 이상인 MnS계 개재물의 면 수밀도의 상한은 예를 들어 250개/mm2이고, 바람직하게는 200개/mm2이다. 또한, 본 실시 형태에 있어서, 개재물의 원상당경의 상한은 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 상술한 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이며, 또한, Fn1 및 Fn2가 본 실시 형태의 범위 내인 화학 조성을 갖는 강재의 경우, MnS계 개재물의 원상당경의 상한은, 예를 들어, 75μm이다.
[(II)에 대하여]
본 실시 형태의 크랭크 샤프트는, 표층에 질화층을 구비한다. 질화층은, 질화 처리에 의해, 강재의 표면으로부터 소정의 깊이에 형성된다. 질화층은, 화합물층과 확산층을 구비한다. 화합물층은 질화층의 표면으로부터 소정 깊이의 범위에 형성된다. 확산층은 화합물층보다 강재 내부에 형성된다. 크랭크 샤프트 중, 질화층보다 내부를 심부라고 칭한다. 여기서, 질화 처리 전의 강재 중, 화합물층이 형성되는 영역에도, 개재물은 존재한다. 그 때문에, 질화 처리 후의 화합물층에도 당연히 개재물이 잔존한다. 화합물층에 포함되는 개재물 중, 산화물은, 크랭크 샤프트의 사용 중에 있어서, 크랭크 샤프트의 핀부 및 저널부의 화합물층의 크랙의 기점이 되기 쉽다. 그 때문에, 산화물은, 크랭크 샤프트의 내마모성을 저하시킨다. 따라서, 강재 중의 개재물의 총 개수에 대한, MnS계 개재물의 총 개수의 비율이 높아지면, 산화물의 개수 비율을 저하시킬 수 있어, 크랭크 샤프트의 핀부 및 저널부의 내마모성이 높아진다.
여기서, 원상당경으로 1.0μm 이상인 개재물의 총 개수에 대한 MnS 단독 개재물 및 MnS 복합 개재물의 총 개수의 비율을 「MnS계 개재물 개수 비율 RAMnS」라고 정의한다. 원상당경이 1.0μm 미만인 개재물은, 질화층(화합물층)을 구비하는 크랭크 샤프트의 내마모성에 큰 영향을 주지 않는다. 한편, 원상당경이 1.0μm 이상인 개재물은, 질화층(화합물층)을 구비하는 크랭크 샤프트의 내마모성에 영향을 미칠 수 있다. 그 때문에, MnS계 개재물 개수 비율 RAMnS의 대상으로 하는 개재물의 원상당경을 1.0μm 이상으로 한다. 또한, 본 실시 형태에 있어서, 개재물의 원상당경의 상한은 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 상술한 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이며, 또한, Fn1 및 Fn2가 본 실시 형태의 범위 내인 화학 조성을 갖는 강재의 경우, 개재물의 원상당경의 상한은, 예를 들어, 75μm이다.
상술한 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이며, 또한, Fn1 및 Fn2가 본 실시 형태의 범위 내인 화학 조성을 갖는 강재에 있어서, 원상당경으로 1.0μm 이상인 개재물의 총 개수에 대한 MnS 단독 개재물 및 MnS 복합 개재물의 총 개수의 비율(즉, MnS계 개재물 개수 비율 RAMnS)이 70% 이상이면, 크랭크 샤프트에서의 내마모성을 충분히 높일 수 있다. MnS계 개재물 개수 비율 RAMnS의 바람직한 하한은 70% 초과이고, 더 바람직하게는 72%이며, 더 바람직하게는 73%이다. MnS계 개재물 개수 비율 RAMnS의 상한은 특별히 한정되지 않으며, 100%여도 된다.
[(III)에 대하여]
본 명세서에 있어서, 단독 산화물과, MnS 복합 산화물의 총칭을 「산화물」이라고 정의한다. 상술한 크랭크 샤프트에 있어서, 모든 개재물 중의 MnS계 개재물의 개수 비율이 높아도, 산화물 중의 MnS 복합 산화물의 개수 비율이 낮으면, 산화물 중에 있어서의 단독 산화물의 개수 비율이 많아진다. 이 경우, 화합물층 중에 경질의 단독 산화물이 존재하는 비율이 높아진다. 단독 개재물은 화합물층의 크랙의 기점이 되기 쉽다. 그 때문에, 화합물층 중에 존재하는 산화물 중, 단독 산화물의 비율이 높으면, 질화층을 갖는 크랭크 샤프트의 내마모성이 저하된다. 따라서, MnS계 개재물 개수 비율 RAMnS를 높일 뿐만 아니라, 산화물(단독 산화물 및 MnS 복합 산화물)의 총 개수에 대한, MnS 복합 산화물의 개수 비율을 높이는 것이, 질화층을 갖는 크랭크 샤프트의 내마모성이 높아진다.
강재 중의 원상당경이 1.0μm 이상인 산화물(단독 산화물 및 MnS 복합 산화물)의 총 개수에 대한, 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 산화물의 개수 비율을 MnS 복합 산화물 개수 비율 RAOX라고 정의한다. 상술한 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이며, 또한, Fn1 및 Fn2가 본 실시 형태의 범위 내인 화학 조성을 갖는 강재에 있어서, 상기 (I) 및 (II)를 만족하면서, 또한, 강재 중의 원상당경이 1.0μm 이상인 산화물(단독 산화물 및 MnS 복합 산화물)의 총 개수에 대한, 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 산화물의 개수의 비율(MnS 복합 산화물 개수 비율 RAOX)이 30% 이상이면, 크랭크 샤프트에 있어서, 충분한 내마모성이 얻어진다. MnS 복합 산화물 개수 비율 RAOX의 바람직한 하한은 32.0%이고, 더 바람직하게는 34.0%이며, 더 바람직하게는 35.0%이다. MnS 복합 산화물 개수 비율 RAOX의 상한은 특별히 한정되지 않으며, 100.0%여도 된다. 또한, 본 실시 형태에 있어서, 산화물의 원상당경의 상한은 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 상술한 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이며, 또한, Fn1 및 Fn2가 본 실시 형태의 범위 내인 화학 조성을 갖는 강재의 경우, 산화물의 원상당경의 상한은, 예를 들어, 75μm이다.
[개재물의 측정 방법]
면 수밀도 SN, MnS계 개재물 개수 비율 RAMnS, MnS 복합 산화물 개수 비율 RAOX는, 다음의 방법으로 구할 수 있다.
강 중의 MnS계 개재물(MnS 단독 개재물 및 MnS 복합 개재물)의 개수, 및, 산화물(단독 산화물 및 MnS 복합 산화물)의 개수에 대해서는, 다음의 방법으로 측정할 수 있다. 강재로부터, 샘플을 채취한다. 구체적으로는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 강재(1)의 중심 축선 C1로부터 경방향(徑方向)으로 R/2 위치(R은 강재(1)의 반경)에서, 샘플을 채취한다. 샘플의 관찰면의 사이즈는 특별히 한정되지 않는다. 샘플의 관찰면은, 예를 들어, L1×L2이며, L1을 10mm로 하고, L2를 5mm로 한다. 관찰면과 수직의 방향인 샘플 두께 L3은 예를 들어, 5mm로 한다. 관찰면의 법선 N은, 중심 축선 C1에 수직(즉, 관찰면은, 강재의 축방향과 평행)으로 하고, R/2 위치는, 관찰면의 대략 중앙 위치로 한다.
채취된 샘플의 관찰면을 경면 연마하고, 주사형 전자현미경(SEM)을 이용하여 2000배의 배율로 랜덤으로 50시야(1시야당 시야 면적 125μm×75μm)를 관찰한다.
각 시야 중의 개재물을 특정한다. 개재물은, 콘트라스트에 의해 특정 가능하다. 특정한 각 개재물에 대해, 에너지 분산형 X선 분광법(EDX)을 이용하여, MnS 단독 개재물, MnS 복합 개재물, 단독 산화물, MnS 복합 산화물을 특정한다. 구체적으로는, 시야 중의 각 개재물에 대해 빔을 조사하여, 특성 X선을 검출하고, 개재물 중의 원소 분석을 실시한다. 각 개재물의 원소 분석 결과에 의거하여, 다음과 같이 개재물을 특정한다.
(a) 개재물의 질량%를 100%로 한 경우에 있어서, 개재물 중의 Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 80.0% 이상인 경우, 그 개재물을 「MnS 단독 개재물」이라고 정의한다.
(b) 개재물의 질량%를 100%로 한 경우에 있어서, 개재물 중의 Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 15.0~80.0% 미만인 경우, 그 개재물을 「MnS 복합 개재물」이라고 정의한다.
(c) 개재물의 질량%를 100%로 한 경우에 있어서, 개재물 중의 Al 함유량, Ca 함유량 및 O 함유량의 합계가 질량%로 80.0% 이상이며, 또한, Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 15.0% 미만인 경우, 그 개재물을 「단독 산화물」이라고 정의한다.
(d) 개재물의 질량%를 100%로 한 경우에 있어서, 개재물 중의 Al 함유량, Ca 함유량 및 O 함유량의 합계가 질량%로 15.0~80.0% 미만이며, 또한, Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 15.0~80.0% 미만인 경우, 그 개재물을 「MnS 복합 산화물」이라고 정의한다.
상기 특정 대상으로 하는 개재물은, 원상당경이 1.0μm 이상인 개재물로 한다. 여기서, 원상당경이란, 각 개재물의 면적을, 같은 면적을 갖는 원으로 환산한 경우의 원의 직경을 의미한다. 특정된 각 개재물의 원상당경(μm)을, 주지의 화상 해석에 의해 구한다.
여기서, 본 실시 형태에 있어서, 개재물의 특정에 사용하는 EDX의 빔 직경은 50nm 정도로 한다. 그 결과, 원상당경이 1.0μm 미만인 개재물은, EDX에 의해 지철(地鐵)의 성분을 검출하여, 원소 분석의 정밀도가 충분히 얻어지지 않는 경우가 있다. 원상당경 1.0μm 미만의 개재물은 또한, 피삭성, 및, 내마모성에 대한 영향이 작다. 따라서, 본 실시 형태에 있어서는, 상술한 바와 같이, 원상당경이 1.0μm 이상인 개재물을 특정 대상으로 한다.
50시야에서 특정된 개재물 중, 원상당경이 5.0μm 이상인 MnS 단독 개재물, 및, 원상당경이 5.0μm 이상인 MnS 복합 개재물(즉, 원상당경이 5.0μm 이상인 MnS계 개재물)의 총 개수를 구한다. 원상당경이 5.0μm 이상인 MnS계 개재물의 총 개수와, 50시야의 총 면적에 의거하여, 원상당경이 5.0μm 이상인 MnS계 개재물의 면 수밀도 SN(개/mm2)을 구한다. 또한, 면 수밀도 SN은, 소수 첫째 자리를 반올림하여 얻어진 값으로 한다.
또한, 50시야에서 특정된 개재물 중, 원상당경이 1.0μm 이상인 개재물의 총 개수를 구한다. 또한, 50시야에서 특정된 개재물 중, 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 단독 개재물, 및, 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 개재물의 총 개수를 구한다. 원상당경이 1.0μm 이상인 개재물의 총 개수와, 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 단독 개재물 및 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 개재물의 총 개수에 의거하여, 다음 식에 의해, MnS계 개재물 개수 비율 RAMnS(%)를 구한다.
RAMnS=(원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 단독 개재물 및 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 개재물의 총 개수)/(원상당경이 1.0μm 이상인 개재물의 총 개수)×100
또한, MnS계 개재물 개수 비율 RAMnS는, 소수 첫째 자리를 반올림하여 얻어진 값으로 한다.
또한, 50시야에서 특정된 개재물 중, 원상당경이 1.0μm 이상인 단독 산화물 및 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 산화물의 총 개수를 구한다. 또한, 50시야에서 특정된 개재물 중, 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 산화물의 총 개수를 구한다. 원상당경이 1.0μm 이상인 단독 산화물 및 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 산화물의 총 개수(즉, 원상당경이 1.0μm 이상인 산화물의 총 개수)와, 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 산화물의 총 개수에 의거하여, 다음 식에 의해, MnS 복합 산화물 개수 비율 RAOX(%)를 구한다.
RAOX=(원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 산화물의 총 개수)/(원상당경이 1.0μm 이상인 산화물의 총 개수)×100
또한, MnS 복합 산화물 개수 비율 RAOX는, 소수 첫째 자리를 반올림하여 얻어진 값으로 한다.
이상과 같이, 본 실시 형태의 강재는, 각 원소가 본 실시 형태의 범위 내이고, 또한, 식 (1)로 정의되는 Fn1이 1.00~2.05이며, 식 (2)로 정의되는 Fn2가 0.42~0.60이고, 또한, 다음의 (I)~(III)을 만족한다.
(I) 강재 중에 있어서, 원상당경이 5.0μm 이상인 MnS 단독 개재물 및 원상당경이 5.0μm 이상인 MnS 복합 개재물의 합계의 면 수밀도가 20개/mm2 이상이다.
(II) 강재 중에 있어서, 원상당경이 1.0μm 이상인 개재물의 총 개수에 대한, 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 단독 개재물 및 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 개재물의 총 개수의 비율이 70% 이상이다.
(III) 강재 중에 있어서, 원상당경이 1.0μm 이상인 단독 산화물 및 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 산화물의 총 개수에 대한, 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 산화물의 개수의 비율이 30% 이상이다.
상기 구성을 가짐으로써, 본 실시 형태의 강재에서는, 뛰어난 피삭성이 얻어지며, 또한, 강재에 질화 처리를 실시하여 크랭크 샤프트로 한 경우, 뛰어난 내마모성, 뛰어난 굽힘 피로 강도, 및, 뛰어난 굽힘 교정성이 얻어진다.
[크랭크 샤프트에 대하여]
본 실시 형태의 크랭크 샤프트는, 상술한 본 실시 형태의 강재를 열간 단조 후, 질화 처리를 실시하여 제조된다. 도 2는, 본 실시 형태의 크랭크 샤프트의 주요부의 일례를 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하여, 본 실시 형태의 크랭크 샤프트(10)는, 핀부(11)와, 저널부(12)와, 아암부(13)를 구비한다. 저널부(12)는, 크랭크 샤프트(10)의 회전축과 동축으로 배치된다. 핀부(11)는, 크랭크 샤프트(10)의 회전축으로부터 어긋나서 배치된다. 아암부(13)는, 핀부(11)와 저널부(12) 사이에 배치되며, 핀부(11)와 저널부(12)에 연결된다. 크랭크 샤프트(10)는, 핀부(11)의 아암부(13)와의 인접 부분에 도시하지 않는 필렛부를 구비하고 있어도 되고, 저널부(12)의 아암부(13)와의 인접 부분에 도시하지 않는 필렛부를 구비해도 된다.
저널부(12)는, 도시하지 않는 베어링에 의해 회전 가능하게 지지되며, 엔진 등의 구동원과 연결된다. 핀부(11)는, 도시하지 않는 커넥팅 로드의 대단부(大端部)에 삽입된다. 구동원으로부터의 구동력을 받아 크랭크 샤프트(10)가 축 둘레를 회전함으로써, 커넥팅 로드가 상하 운동을 행한다. 이 때, 핀부(11) 및 저널부(12)는, 외력을 받으면서 슬라이딩한다.
도 3은, 도 2 중의 크랭크 샤프트(10)의 핀부(11) 또는 저널부(12)의 표층 근방의 단면도이다. 크랭크 샤프트(10)의 적어도 핀부(11) 및 저널부(12)는, 표층에 형성된 질화층(20)과, 질화층(20)보다 내부의 심부(23)를 구비한다. 질화층(20)은, 질화 처리에 의해 형성되며, 화합물층(21)과, 확산층(22)을 포함한다. 화합물층(21)은, 크랭크 샤프트(10)의 최표층에 형성되어 있으며, Fe 질화물인 ε상을 포함한다. 확산층(22)은, 화합물층보다 내부에 형성되며, 고용 N 및/또는 Al 질화물, Cr 질화물, Mo 질화물 등의 질화물에 의해 강화되어 있다. 심부(23)는, 질화층(20)보다 내부의 모재 부분으로서, 질화 처리의 영향을 받지 않은 부분이다.
질화층(20)의 깊이는 질화 처리의 조건에 의해, 적절히 조정 가능하다.
[심부의 화학 조성에 대하여]
크랭크 샤프트의 핀부 및 저널부의 심부의 화학 조성은, 본 실시 형태의 강재의 화학 조성과 같다. 즉, 크랭크 샤프트의 심부의 화학 조성은, 질량%로, C: 0.25%~0.35%, Si: 0.05~0.35%, Mn: 0.85~1.20%, P: 0.080% 이하, S: 0.030~0.100%, Cr: 0.10% 이하, Ti: 0.050% 이하, Al: 0.050% 이하, N: 0.005~0.024%, O: 0.0100% 이하, Cu: 0~0.20%, Ni: 0~0.20%, Mo: 0~0.10%, Nb: 0~0.050%, Ca: 0~0.0100%, Bi: 0~0.30%, Te: 0~0.0100%, Zr: 0~0.0100%, Pb: 0~0.09%, 및, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 식 (1)로 정의되는 Fn1이 1.00~2.05이며, 식 (2)로 정의되는 Fn2가 0.42~0.60이다.
심부에서는 또한, 다음의 (I)~(III)을 만족한다.
(I) 심부에 있어서, 원상당경이 5.0μm 이상인 MnS 단독 개재물 및 원상당경이 5.0μm 이상인 MnS 복합 개재물의 면 수밀도 SN이, 20개/mm2 이상이다.
(II) 심부에 있어서, 원상당경이 1.0μm 이상인 개재물의 총 개수에 대한, 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 단독 개재물 및 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 개재물의 총 개수의 비율(즉, MnS계 개재물 개수 비율 RAMnS)은 70% 이상이다.
(III) 심부에 있어서, 원상당경이 1.0μm 이상인 산화물(단독 산화물 및 MnS 복합 산화물)의 총 개수에 대한, 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 산화물의 개수의 비율(즉, MnS 복합 산화물 개수 비율 RAOX)이 30% 이상이다.
크랭크 샤프트의 핀부 및 저널부의 심부에서의 (I)~(III)의 조건은, 강재에서의 (I)~(III)과 같다. 따라서, 심부에서의 면 수밀도 SN의 바람직한 하한값, MnS계 개재물 개수 비율 RAMnS의 바람직한 하한값, MnS 복합 산화물 개수 비율 RAOX의 바람직한 하한값은, 강재에서의 면 수밀도 SN의 바람직한 하한값, MnS계 개재물 개수 비율 RAMnS의 바람직한 하한값, MnS 복합 산화물 개수 비율 RAOX의 바람직한 하한값과 같다.
[제조 방법]
이하, 본 실시 형태의 강재의 제조 방법의 일례, 및, 크랭크 샤프트의 제조 방법의 일례를 설명한다. 또한, 본 실시 형태의 강재, 및, 크랭크 샤프트는, 상기 구성을 가지면, 제조 방법은 이하의 제조 방법으로 한정되지 않는다. 단, 이하에 설명하는 제조 방법은, 본 실시 형태의 강재, 및, 크랭크 샤프트를 제조하는데 적합한 일례이다.
먼저, 본 실시 형태의 강재의 제조 방법의 일례에 대하여 설명한다. 강재의 제조 방법의 일례는, 제강 공정과, 열간 가공 공정을 포함한다. 이하, 각 공정에 대하여 설명한다.
[제강 공정]
제강 공정은, 정련 공정과, 연속 주조 공정을 포함한다.
[정련 공정]
정련 공정에서는, 전로를 이용한 1차 정련을 실시하고, 그 후, LF(Ladle Furnace) 및 RH(Ruhrstahl-Hausen)를 이용한 2차 정련을 실시한다.
[1차 정련]
정련 공정에서는 먼저, 주지의 방법으로 제조된 용선(溶銑)에 대해 주지의 용선 예비 처리를 실시하여, 탈황 처리, 탈규 처리 및 탈인 처리를 실시한다. 탈황 처리, 탈규 처리 및 탈인 처리된 용선에 대해, 전로를 이용한 정련(1차 정련)을 실시하여, 용강을 제조한다. 1차 정련 시, 또는, 1차 정련 후에 용강에 합금 원소를 투입하여, 용강의 성분을 조정해도 된다.
[2차 정련]
1차 정련 후의 용강에 대해, 2차 정련을 실시한다. 2차 정련에서는, LF에서의 정련을 실시하고, 이어서, RH 진공 탈가스 처리를 실시하여, 강재의 개재물의 형태가 (I)~(III)을 만족하도록 한다.
[LF에서의 정련]
2차 정련에서는 먼저, LF에 의한 탈황 처리를 실시하고, 또한, 용강 중의 개재물을 제거한다. LF에서의 정련에서는, 다음의 조건을 만족하도록 조업한다.
(i) LF에서의 정련 중의 용강의 산소 함유량을 40ppm 이하로 한다.
(ii) LF에서의 정련 중의 용강 온도를 1550℃ 이상으로 한다.
[조건 (i)에 대하여]
LF에서의 정련 중인 용강 중의 산소 함유량과 용강 온도는, MnS계 개재물의 형태에 영향을 준다. LF에서의 정련 중인 용강 중의 산소 함유량이 40ppm을 초과하면, 용강 온도가 1550℃ 이상이어도, 조대한 덩어리 형상의 MnS계 개재물이 정출된다. 이 경우, 덩어리 형상 MnS계 개재물은 부상하여 슬래그에 흡수되어 버려, 제품으로서의 강재 중의 MnS계 개재물(MnS 단독 개재물 및 MnS 복합 개재물)의 개수가 저하된다. 또는, MnS계 개재물이 조대한 형태로서 강 중에 잔존하기 때문에, 제품으로서의 강재 중의 MnS계 개재물의 개수가 저하된다. 그 결과, 강재 중의 원상당경이 5.0μm 이상인 MnS계 개재물의 면 수밀도 SN이 20개/mm2 미만이 된다.
[조건 (ii)에 대하여]
마찬가지로, LF에서의 정련 중의 용강 온도가 1550℃ 미만이면, 용강의 산소 함유량이 40ppm 이하여도, 조대한 덩어리 형상의 MnS계 개재물이 정출된다. 이 경우, 덩어리 형상 MnS계 개재물은 부상하여 슬래그에 흡수되어 버리거나, 또는, MnS계 개재물이 조대한 형태로서 강 중에 잔존하기 때문에, 제품으로서의 강재 중의 MnS계 개재물의 개수가 저하된다. 그 결과, 강재 중의 원상당경이 5.0μm 이상인 MnS계 개재물의 면 수밀도 SN이 20개/mm2 미만이 된다.
LF에서의 정련 중의 용강의 산소 함유량을 40ppm 이하로 조정하고, 또한, LF에서의 정련 중의 용강 온도를 1550℃ 이상으로 조정함으로써, LF에서의 정련에 있어서 MnS계 개재물이 정출되는 것을 억제한다. 또한, LF에서의 정련에 있어서, 합금 원소를 용강에 투입하여 성분 조정을 실시해도 된다.
[RH 진공 탈가스 처리]
LF에서의 정련 후, RH(Ruhrstahl-Hausen) 진공 탈가스 처리를 실시하여, 탈가스(용강 중의 N, H의 제거) 및 개재물의 분리 제거를 실시한다. RH 진공 탈가스 처리에서는, 필요에 따라, 합금 원소를 용강에 투입하여 성분 조정을 실시한다. RH 진공 탈가스 처리에 있어서, 다음의 조건 (iii)~(v)를 만족하도록 조업한다.
(iii) RH 진공 탈가스 처리 중의 용강 온도를 1550℃ 이상으로 한다.
(iv) RH 진공 탈가스 처리의 종료 5분 전의 용강의 용존 산소량이 40~120ppm의 범위 내가 되도록 한다.
(v) RH 진공 탈가스 처리의 종료 전에 용강에 Al을 투입하여 탈산 처리를 실시하며, Al 투입에 의한 탈산 처리 시간을 5분 이내로 한다.
[조건 (iii)에 대하여]
RH 진공 탈가스 처리 중의 용강 온도가 1550℃ 미만이면, 용강의 산소 함유량이 40~120ppm이어도, 조대한 덩어리 형상의 MnS계 개재물이 정출된다. 이 경우, 덩어리 형상 MnS계 개재물은 부상하여 슬래그에 흡수되어 버리거나, 또는, MnS계 개재물이 조대한 형태로서 강 중에 잔존하기 때문에, 제품으로서의 강재 중의 MnS계 개재물의 개수가 저하된다. 그 결과, 강재 중의 원상당경이 5.0μm 이상인 MnS계 개재물의 면 수밀도 SN이 20개/mm2 미만이 된다.
[조건 (iv)에 대하여]
RH 진공 탈가스 처리의 종료 5분 전의 용강의 용존 산소량이 40ppm 미만이면, 산화물을 생성핵으로 하지 않는 MnS가 다수 발생하고, MnS 복합 산화물의 생성량이 적어진다. 그 때문에, 강재 중에 있어서, 원상당경이 1.0μm 이상인 산화물(단독 산화물 및 MnS 복합 산화물)의 총 개수에 대한, 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 산화물의 개수의 비율(즉, MnS 복합 산화물 개수 비율 RAOX)이 30% 미만이 된다.
한편, RH 진공 탈가스 처리의 종료 5분 전의 용강의 용존 산소량이 120ppm을 초과하면, 조대한 MnS계 개재물이 생성된다. 이 경우, 강재 중에 조대한 MnS계 개재물이 생성되기 때문에, MnS계 개재물의 개수 자체가 적어진다. 그 결과, 강재 중의 원상당경이 5.0μm 이상인 MnS계 개재물의 면 수밀도 SN이 20개/mm2 미만이 된다. 또, 제품인 강재 중에 있어서, 원상당경이 1.0μm 이상인 개재물의 총 개수에 대한, 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 단독 개재물 및 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 개재물의 총 개수의 비율(즉, MnS계 개재물 개수 비율 RAMnS)이 70.0% 미만이 된다.
[조건 (v)에 대하여]
RH 진공 탈가스 처리의 종료 전에 있어서의 Al 투입에 의한 탈산 처리 시간이 5분을 초과한 경우, 용강 중에 조대한 단독 산화물이 다수 생성된다. 이 경우, 주조 공정에 있어서, 조대한 단독 산화물은 MnS계 개재물의 생성핵으로서 기능하지 않는다. 그 결과, 단독 산화물과 결합하지 않는 MnS 단독 개재물이 생성되고, MnS 복합 산화물의 생성이 억제된다. 그 결과, 제품인 강재 중에 있어서, 원상당경이 1.0μm 이상인 산화물의 총 개수에 대한, 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 산화물의 개수의 비율(즉, MnS 복합 산화물 개수 비율 RAOX)이 30% 미만이 된다.
RH 진공 탈가스 처리 중의 용강 온도를 1550℃ 이상으로 조정하고, 또한, RH 진공 탈가스 처리의 종료 5분 전의 용강의 용존 산소량이 40~120ppm이 되도록, RH 진공 탈가스 처리에서의 용강 중의 용존 산소량을 조정하고, 또한, RH 진공 탈가스 처리의 종료 전에 실시하는 Al 투입에 의한 탈산 처리의 처리 시간을 5분 이내라고 하면, 다음 공정의 주조 공정 전의 용강에 있어서, 조대한 MnS계 개재물의 생성을 억제하고, 또한, 다음 공정의 주조 공정에 있어서 MnS 생성의 핵으로서 기능하는 미세한 산화물을 다수 생성할 수 있다.
[연속 주조 공정]
연속 주조 공정에서는, 상기 정련 공정 후의 용강을 이용하여, 연속 주조법에 의해 블룸을 제조한다. 연속 주조 공정에서는, 다음의 조건으로 주조를 실시한다.
(vi) 연속 주조 개시에서 연속 주조 종료까지의 주조 속도를 0.6~1.0m/분으로 한다.
[조건 (vi)에 대하여]
연속 주조 공정에서의 주조 속도가 0.6m/분 미만이면, 주조 속도가 지나치게 느리다. 이 경우, 응고 단계에 있어서, MnS계 개재물이 생성되지만 조대화하기 때문에, 결과적으로 MnS계 개재물의 개수 자체는 적어진다. 그 결과, 제품인 강재 중에 있어서, 원상당경이 1.0μm 이상인 개재물의 총 개수에 대한, 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 단독 개재물 및 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 개재물의 총 개수의 비율(즉, MnS계 개재물 개수 비율 RAMnS)이 70% 미만이 된다.
한편, 연속 주조 공정에서의 주조 속도가 1.0m/분을 초과하면, 주조 속도가 지나치게 빠르기 때문에, 농화 용강에 있어서 MnS계 개재물이 생성된다. 이 때, MnS는 단독 산화물과 결합하지 않고, MnS 단독 개재물로서 생성된다. 그 결과, 제품인 강재 중에 있어서, 원상당경이 1.0μm 이상인 산화물의 총 개수에 대한, 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 산화물의 개수의 비율(즉, MnS 복합 산화물 개수 비율 RAOX)이 30% 미만이 된다.
이상의 정련 공정 및 주조 공정에 의해, 상기 (I)~(III)을 만족하는 개재물을 포함하는 블룸이 제조된다.
[열간 가공 공정]
열간 가공 공정에서는, 연속 주조 공정에 의해 제조된 블룸에 대해, 열간 가공을 실시하여, 강재를 제조한다. 강재의 형상은 봉강이다.
열간 가공 공정은, 조압연 공정과, 마무리 압연 공정을 포함한다. 조압연 공정에서는, 소재를 열간 가공하여 빌릿을 제조한다. 조압연 공정은 예를 들어, 분괴 압연기를 이용한다. 분괴 압연기에 의해 블룸에 대해 분괴 압연을 실시하여, 빌릿을 제조한다. 분괴 압연기의 하류에 연속 압연기가 설치되어 있는 경우, 분괴 압연 후의 빌릿에 대해 추가로, 연속 압연기를 이용해서 열간 압연을 실시하여, 사이즈가 더 작은 빌릿을 제조해도 된다. 연속 압연기에서는, 한 쌍의 수평 롤을 갖는 수평 스탠드와, 한 쌍의 수직 롤을 갖는 수직 스탠드가 교대로 일렬로 배열된다. 이상의 공정에 의해, 조압연 공정에서는, 블룸으로부터 빌릿을 제조한다. 조압연 공정에 있어서의 가열로에서의 가열 온도는 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어, 1100~1300℃이다.
마무리 압연 공정에서는, 먼저 가열로를 이용하여 빌릿을 가열한다. 가열 후의 빌릿에 대해, 연속 압연기를 이용해서 열간 압연을 실시하여, 강재인 봉강을 제조한다. 마무리 압연 공정에 있어서의 가열로에서의 가열 온도는 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어, 1000~1250℃이다. 또, 마무리 압연에 있어서, 최종의 압하를 행한 압연 스탠드의 출측에서의 강재 온도를 마무리 온도라고 정의한다. 이 때, 마무리 온도는 예를 들어, 900~1150℃이다. 마무리 온도는, 최종의 압하를 행한 압연 스탠드의 출측에 설치된 측온계로 측정된다. 마무리 압연 후의 강재에 대해, 방랭 이하의 냉각 속도로 냉각을 행하여, 본 실시 형태의 강재를 제조한다.
또한, 상술한 제조 방법에서는, 열간 가공 공정에 있어서, 조압연 공정 및 마무리 압연 공정을 실시하여, 강재를 제조한다. 그러나, 열간 가공 공정에서의 마무리 압연 공정을 생략해도 된다. 또, 상술한 제조 방법 중, 열간 가공 공정을 생략해도 된다. 이들 제조 방법이어도, 상술한 화학 조성의 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이며, 또한, Fn1 및 Fn2가 본 실시 형태의 범위 내인 화학 조성을 갖고, 또한, 상술한 (I)~(III)을 만족하는 본 실시 형태의 강재를 제조할 수 있다.
[크랭크 샤프트의 제조 방법]
다음으로, 본 실시 형태의 강재를 이용한, 본 실시 형태의 크랭크 샤프트의 제조 방법의 일례에 대하여 설명한다.
본 실시 형태의 크랭크 샤프트의 제조 방법의 일례는, 열간 단조 공정과, 절삭 가공 공정과, 질화 처리 공정을 구비한다.
[열간 단조 공정]
상술한 본 실시 형태의 강재에 대해, 열간 단조를 실시하여, 크랭크 샤프트의 형상을 갖는 중간품을 제조한다. 열간 단조 전의 강재의 가열 온도는 예를 들어, 1100~1350℃이다. 여기서 말하는 가열 온도는, 가열로의 노온(℃)을 의미한다. 가열 온도에서의 유지 시간은 특별히 한정되지 않으나, 강재의 온도가 노온과 동등해질 때까지 유지한다. 열간 단조에서의 마무리 온도는 예를 들어, 1000~1300℃이다.
열간 단조 후의 중간품을 주지의 방법으로 냉각한다. 냉각 방법은 예를 들어 방랭이다. 필요에 따라, 냉각 후의 중간품에 대해, 쇼트 블라스트 등의 블라스트 처리를 실시하여, 열간 단조 시에 생성된 산화 스케일을 제거한다.
[절삭 가공 공정]
열간 단조 공정 후의 중간품에 대해, 절삭 가공을 실시한다. 절삭 가공에 의해, 중간품을, 제품 형상에 더 가까운 형상으로 한다.
[질화 처리 공정]
절삭 가공 후의 중간품에 대해, 질화 처리를 실시한다. 본 실시 형태에서는, 주지의 질화 처리가 채용된다. 질화 처리는 예를 들어, 가스 질화, 염욕 질화, 이온 질화 등이다. 질화 중의 노 내 분위기는, NH3 뿐이어도 되고, NH3와 N2 및/또는 H2를 함유하는 혼합기여도 된다. 또, 이들 가스에, 침탄성의 가스를 함유시켜, 연질화 처리를 실시해도 된다. 즉, 본 명세서에서 말하는 질화 처리는, 연질화 처리를 포함한다.
가스 연질화 처리를 실시하는 경우, 예를 들어, 흡열형 변성 가스(RX 가스)와 암모니아 가스를 1:1로 혼합한 분위기를 이용하고, 질화 처리 온도를 500~650℃, 질화 처리 온도에서의 유지 시간을 0.5~8.0시간으로 한다. 질화 처리 후의 중간품을 급랭한다. 급랭 방법은 수랭 또는 유랭이다. 질화 처리 조건은 상기로 한정되지 않으며, 질화층이 원하는 깊이가 되도록, 적절히 조정하면 된다.
이상의 질화 처리 공정에 의해, 표층에 질화층이 형성된 크랭크 샤프트가 제조된다.
실시예
이하, 실시예(제1 실시예 및 제2 실시예)에 의해 본 실시 형태의 강재 및 크랭크 샤프트의 효과를 더 구체적으로 설명한다. 이하의 실시예에서의 조건은, 본 실시 형태의 강재 및 크랭크 샤프트의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위해 채용한 일 조건예이다. 따라서, 본 실시 형태의 강재 및 크랭크 샤프트는 이 일 조건예로 한정되지 않는다.
[제1 실시예]
[시험재의 제조]
표 1 및 표 2의 화학 조성을 갖는 용강을, 70톤의 전로에서 용제했다.
Figure pct00001
Figure pct00002
표 1 중의 「그 외」란에는, 임의 원소의 함유량을 나타낸다. 예를 들어, 「0.20Cu」라고 기재되어 있는 경우, Cu 함유량이 0.20%인 것을 의미한다. 「-」라고 기재되어 있는 경우, 임의 원소의 함유량이 검출 한계 미만이며, 임의 원소가 함유되어 있지 않았던 것을 의미한다. 용강에 대해 1차 정련을 실시한 후, 2차 정련을 실시했다. 2차 정련에서는, 먼저, LF에서의 정련을 실시했다. LF에서의 정련 중의 용강 온도를 표 3 중의 「LF」란의 「용강 온도(℃)」란에 나타내고, LF에서의 정련 중의 용강의 산소 함유량을 표 3 중의 「LF」란의 「용존 산소량(ppm)」란에 나타낸다.
Figure pct00003
LF에서의 정련 후, RH 진공 탈가스 처리를 실시했다. RH 진공 탈가스 처리 중의 용강 온도를 표 3의 「RH」란의 「용강 온도(℃)」란에 나타낸다. RH 진공 탈가스 처리의 종료 5분 전의 용강의 용존 산소량을 표 3의 「RH」란의 「용존 산소량(ppm)」란에 나타낸다. RH 진공 탈가스 처리의 종료 전의 Al 투입에 의한 탈산 처리 시간을 표 3의 「RH」란의 「Al 탈산 시간(분)」란에 나타낸다. 「LF」란의 「용강 온도(℃)」란에 있어서, 「X1-X2」란, LF에서의 정련 중의 용강 온도가 X1~X2℃의 범위 내에서 변동한 것을 의미한다. 「LF」란의 「용존 산소량(ppm)」란에 있어서, 「X3-X4」란, LF에서의 정련 중의 용강의 산소 함유량이 X3~X4ppm의 범위 내에서 변동한 것을 의미한다. 「RH」란의 「용강 온도(℃)」란에 있어서, 「X5-X6」이란, RH 진공 탈가스 처리 중의 용강 온도가 X5~X6℃의 범위 내에서 변동한 것을 의미한다. 「RH」란의 「용존 산소량(ppm)」란에 있어서, 「X7-X8」이란, RH 진공 탈가스 처리의 종료 5분 전의 용강의 용존 산소량이 X7~X8ppm의 범위 내에서 변동한 것을 의미한다. 「RH」란의 「Al 탈산 시간(분)」란에 있어서, 「X9」란, RH 진공 탈가스 처리의 종료 전의 Al 투입에 의한 탈산 처리 시간이 X9분인 것을 의미한다.
2차 정련 후의 용강을 이용하여, 연속 주조법에 의해 블룸을 제조했다. 연속 주조의 개시에서 종료까지의 주조 속도는 표 3 중의 「연속 주조」란의 「주조 속도(m/분)」란에 나타낸다. 「연속 주조」란의 「주조 속도(m/분)」란에 있어서, 「X10-X11」이란, 연속 주조의 개시에서 종료까지의 주조 속도가 X10~X11m/분의 범위 내에서 변동한 것을 의미한다.
제조된 블룸에 대해 조압연 공정을 실시하여, 길이 방향에 수직인 단면이 180mm×180mm의 직사각형 형상인 빌릿을 제조했다. 조압연 공정에서의 가열 온도는 모두, 1200~1260℃의 범위 내였다. 제조된 빌릿을 이용하여 마무리 압연 공정을 실시하고, 대기 중에서 방랭하여, 직경이 80mm의 봉강인 강재를 제조했다. 마무리 압연 공정에서의 가열 온도는, 1050~1200℃이고, 마무리 온도는 900~1150℃였다. 이상의 제조 공정에 의해, 크랭크 샤프트의 소재가 되는 강재를 제조했다.
각 시험 번호의 강재에 대해, 다음의 평가 시험을 실시했다.
[평가 시험]
[개재물 측정 시험]
각 시험 번호의 강재에 대해, 면 수밀도 SN, MnS계 개재물 개수 비율 RAMnS, MnS 복합 산화물 개수 비율 RAOX를, 다음의 방법으로 구했다.
각 시험 번호의 강재로부터, 샘플을 채취했다. 구체적으로는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 강재(1)의 중심 축선 C1로부터 경방향으로 R/2 위치(R은 강재의 반경)에서, 샘플을 채취했다. 샘플의 관찰면은 L1×L2이며, L1을 10mm로 하고, L2를 5mm로 하고, 관찰면과 수직의 방향인 샘플 두께 L3을 5mm로 했다. 관찰면의 법선 N은, 중심 축선 C1에 수직(즉, 관찰면은, 강재의 축방향과 평행)으로 하고, R/2 위치는, 관찰면의 대략 중앙 위치로 했다.
채취된 샘플의 관찰면을 경면 연마하고, 주사형 전자현미경(SEM)을 이용하여 2000배의 배율로 랜덤으로 50시야(1시야당 시야 면적 125μm×75μm)를 관찰했다.
각 시야에 있어서, 콘트라스트에 의거하여 개재물을 특정했다. 이어서, 에너지 분산형 X선 분광법(EDX)을 이용하여, 특정된 개재물 중에서, MnS 단독 개재물, MnS 복합 개재물, MnS 복합 산화물을 특정했다. 구체적으로는, 시야 중의 각 개재물에 대해 빔을 조사하여, 특성 X선을 검출하고, 개재물 중의 원소 분석을 실시했다. 각 개재물의 원소 분석 결과에 의거하여, 다음과 같이 개재물을 특정했다.
(a) 개재물 중의 Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 80.0% 이상인 경우, 그 개재물을 「MnS 단독 개재물」이라고 정의했다.
(b) 개재물 중의 Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 15.0~80.0% 미만인 경우, 그 개재물을 「MnS 복합 개재물」이라고 정의했다.
(c) 개재물 중의 Al 함유량, Ca 함유량 및 O 함유량의 합계가 질량%로 80.0% 이상이며, 또한, Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 15.0% 미만인 경우, 그 개재물을 「단독 산화물」이라고 정의했다.
(d) 개재물 중의 Al 함유량, Ca 함유량 및 O 함유량의 합계가 질량%로 15.0~80.0% 미만이며, 또한, Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 15.0~80.0% 미만인 경우, 그 개재물을 「MnS 복합 산화물」이라고 정의했다.
상기 특정 대상으로 하는 개재물은, 원상당경이 1.0μm 이상인 개재물로 했다. 개재물의 특정에 사용하는 EDX의 빔 직경은 50nm 정도로 했다.
[면 수밀도 SN의 결정]
50시야에서 특정된 개재물 중, 원상당경이 5.0μm 이상인 MnS 단독 개재물, 및, 원상당경이 5.0μm 이상인 MnS 복합 개재물의 총 개수를 구했다. 원상당경이 5.0μm 이상인 MnS 단독 개재물, 및, 원상당경이 5.0μm 이상인 MnS 복합 개재물의 총 개수와, 50시야의 총 면적에 의거하여, 면 수밀도 SN(개/mm2)을 구했다.
[MnS계 개재물 개수 비율 RAMnS의 결정]
50시야에서 특정된 개재물 중, 원상당경이 1.0μm 이상인 개재물의 총 개수를 구했다. 또한, 50시야에서 특정된 개재물 중, 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 단독 개재물, 및, 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 개재물의 총 개수를 구했다. 원상당경이 1.0μm 이상인 개재물의 총 개수와, 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 단독 개재물 및 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 개재물의 총 개수에 의거하여, 다음 식에 의해, MnS계 개재물 개수 비율 RAMnS(%)를 구했다.
RAMnS=(원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 단독 개재물 및 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 개재물의 총 개수)/(원상당경이 1.0μm 이상인 개재물의 총 개수)×100
[MnS 복합 산화물 개수 비율 RAOX의 결정]
50시야에서 특정된 개재물 중, 원상당경이 1.0μm 이상인 산화물(단독 산화물 및 MnS 복합 산화물)의 총 개수를 구했다. 또한, 50시야에서 특정된 개재물 중, 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 산화물의 총 개수를 구했다. 원상당경이 1.0μm 이상인 산화물의 총 개수와, 원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 산화물의 총 개수에 의거하여, 다음 식에 의해, MnS 복합 산화물 개수 비율 RAOX(%)를 구했다.
RAOX=(원상당경이 1.0μm 이상인 MnS 복합 산화물의 총 개수)/(원상당경이 1.0μm 이상인 산화물의 총 개수)×100
[굽힘 피로 시험]
각 시험 번호의 강재(직경 80mm의 봉강)에 대해, 크랭크 샤프트의 제조 공정에 있어서의 열간 단조 공정을 상정한, 열간 단신(鍛伸)을 실시했다. 구체적으로는, 강재를 1200℃에서 가열했다. 가열된 강재에 대해 열간 단신을 실시하고, 대기 중에서 상온까지 방랭하여, 직경 50mm의 단신재를 제조했다. 열간 단신에서의 마무리 온도는 1000~1050℃였다.
단신재의 R/2 위치로부터, 도 4에 나타내는 오노식 회전 굽힘 피로 시험편(이하, 피로 시험편이라고 한다)을 채취했다. 피로 시험편의 길이 방향은, 단신재의 길이 방향과 평행이었다. 피로 시험편의 중심축은, R/2 위치와 거의 일치했다. 도 4 중의 mm가 부여된 수치는 치수(단위는 mm)를 나타낸다. 도 4 중의 「φ」는 직경을 나타내고, 「R」은 곡률 반경을 나타낸다.
제작한 피로 시험편에 대해, 크랭크 샤프트의 제조 공정의 질화 처리를 상정한, 연질화 처리를 실시했다. 연질화 처리에서의 처리 온도를 580~600℃로 하고, 처리 온도에서의 유지 시간을 1.5~2.0시간으로 했다. 연질화 처리에서의 분위기 가스는, 주지의 분위기 가스(NH3+RX 가스)로 했다. 유지 시간 경과 후의 피로 시험편을 수랭하여, 크랭크 샤프트를 모의한 피로 시험편을 제작했다.
제작한 피로 시험편을 이용하여, 오노식 회전 굽힘 피로 시험을 실시했다. 구체적으로는, 상온, 대기 중에서, 회전 속도를 3000rpm(50Hz)으로 하고, 시험 중단 횟수를 1×107회로 했다. 응력 진폭을 600MPa, 630MPa, 660MPa의 3개 조건 각각으로 실시하고, 각 응력 진폭에서의 시험 횟수 N=2로 했다. 얻어진 결과에 의거하여, 다음과 같이 굽힘 피로 강도를 평가했다.
평가 A: 응력 진폭 660MPa에서 2회 모두 파단되지 않음(내구)
평가 B: 응력 진폭 630MPa에서 2회 모두 파단되지 않고(내구), 응력 진폭 660MPa에서 1회 이상 파단
평가 C: 응력 진폭 600MPa에서 2회 모두 파단되지 않고(내구), 응력 진폭 630MPa에서 1회 이상 파단
평가 D: 응력 진폭 600MPa에서 1회 이상 파단
평가 A~C의 경우, 회전 굽힘 피로 강도가 뛰어나다고 판단하고, 평가 D의 경우, 회전 굽힘 피로 강도가 낮다고 판단했다.
[굽힘 교정성 평가 시험]
각 시험 번호의 강재(직경 80mm의 봉강)에 대해, 크랭크 샤프트의 제조 공정에 있어서의 열간 단조 공정을 상정한, 열간 단신을 실시했다. 구체적으로는, 강재를 1200℃에서 가열했다. 가열된 강재에 대해 열간 단신을 실시하고, 대기 중에서 상온까지 방랭하여, 직경 50mm의 단신재를 제조했다. 열간 단신에서의 마무리 온도는 1000~1050℃였다.
단신재의 R/2 위치로부터, 도 5에 나타내는 4점 굽힘 시험편을 채취했다. 도 5에는, 4점 굽힘 시험편의 정면도(210)와, 측면도(220)와, 평면도(230)를 나타낸다. 도면 중에 있어서 「mm」가 부여된 수치는, 치수를 나타낸다. 도면 중의 「R」이 부여된 치수는, 곡률 반경을 의미한다. 4점 굽힘 시험편의 길이 방향의 중앙 위치에는, 길이 방향과 수직인 방향으로 연장되는 반원 형상의 노치부(노치 바닥의 곡률 반경 3mm, 깊이 2mm)를 형성했다.
제작한 4점 굽힘 시험편에 대해, 크랭크 샤프트의 제조 공정의 질화 처리를 상정한, 연질화 처리를 실시했다. 연질화 처리에서의 처리 온도를 580~600℃로 하고, 처리 온도에서의 유지 시간을 1.5~2.0시간으로 했다. 연질화 처리에서의 분위기 가스는, 주지의 분위기 가스(NH3+RX 가스)로 했다. 유지 시간 경과 후의 피로 시험편을 수랭하여, 크랭크 샤프트를 모의한 4점 굽힘 시험편을 제작했다.
제작된 4점 굽힘 시험편에 대해, 굽힘 교정 시험을 실시했다. 먼저, 4점 굽힘 시험편의 노치부의 노치 바닥에 게이지 길이 2mm의 변형 게이지를 붙였다(접착했다). 그 후, 변형 게이지가 단선될 때까지 4점 굽힘 방식으로 노치 바닥에 인장 변형을 부여하는 4점 굽힘 시험을 실시했다. 4점 굽힘 시험에서는, 내측 지점 간 거리를 30mm로 하고, 외측 지점 간 거리를 80mm로 한 4점 굽힘을 실시했다. 4점 굽힘 시의 변형 속도는 2mm/분으로 했다. 변형 게이지가 단선됐을 때의 최대 변형량(με)을 구했다. 4점 굽힘 시험은, 각 시험 번호마다 10회 실시하여, 10회의 시험에서 얻어진 최대 변형량의 평균을, 굽힘 교정 변형량으로 했다. 얻어진 굽힘 교정 변형량에 의거하여, 다음과 같이 굽힘 교정성을 평가했다.
평가 A: 굽힘 교정 변형량이 40000με 이상이다.
평가 B: 굽힘 교정 변형량이 30000~40000με 미만이다.
평가 C: 굽힘 교정 변형량이 20000~30000με 미만이다.
평가 D: 굽힘 교정 변형량이 20000με 미만이다.
평가 A~C의 경우, 굽힘 교정성이 뛰어나다고 판단하고, 평가 D의 경우, 굽힘 교정성이 뒤떨어진다고 판단했다.
[피삭성 평가 시험]
각 시험 번호의 강재(직경 80mm의 봉강)에 대해, 크랭크 샤프트의 제조 공정에 있어서의 열간 단조 공정을 상정한, 열간 단신을 실시했다. 구체적으로는, 강재를 1200℃에서 가열했다. 가열된 강재에 대해 열간 단신을 실시하고, 대기 중에서 상온까지 방랭하여, 직경 50mm의 단신재를 제조했다. 열간 단신에서의 마무리 온도는 1000~1050℃였다. 단신재를 길이 방향에 수직인 방향으로 절단하여, 직경 50mm, 길이 200mm의 샘플을 채취했다.
샘플의 길이 방향에 수직인 표면(절단면)의 R/2 위치에, 건 드릴을 이용한 천공 가공을 실시하여, 피삭성을 평가했다. 구체적으로는, R/2 위치에, 직경 9.5mm의 표준 건 드릴(Tungaloy Corporation 제조, 브레이커 없음)을 이용하여, 축방향과 평행하게 천공 가공을 실시했다. 천공 가공 시의 절삭 속도를 107mm/분(드릴 회전수는 3600rpm)으로 하고, 전송 속도를 0.023mm/rev로 하고, 천공 거리를 90mm/구멍으로 했다. 이상의 조건으로, 200 구멍의 천공 가공을 실시한 후, 건 드릴의 여유면의 마모량을 측정했다. 얻어진 마모량에 따라, 다음과 같이 피삭성을 평가했다.
평가 A: 마모량이 30μm 미만
평가 B: 마모량이 30~40μm 미만
평가 C: 마모량이 40~50μm 미만
평가 D: 마모량이 50μm 이상
평가 A~C의 경우, 피삭성이 뛰어나다고 판단하고, 평가 D의 경우, 피삭성이 뒤떨어진다고 판단했다.
[내마모성 평가 시험]
피삭성 평가 시험에서 제작한 직경 50mm의 단신재의 R/2 위치로부터, 10mm×15mm×6.35mm의 블록재를 채취했다. 15mm×6.35mm의 시험면은, 단신재의 중심축과 평행으로 했다.
블록재에 대해, 크랭크 샤프트의 제조 공정의 질화 처리를 상정한, 연질화 처리를 실시했다. 연질화 처리에서의 처리 온도를 580~600℃로 하고, 처리 온도에서의 유지 시간을 1.5~2.0시간으로 했다. 연질화 처리에서의 분위기 가스는, 주지의 분위기 가스(NH3+RX 가스)로 했다. 유지 시간 경과 후의 블록재를 수랭하여, 크랭크 샤프트를 모의한 블록 시험편을 제작했다.
블록 시험편의 시험면(10mm×6.35mm)에 대해 랩핑 가공을 실시하고, 시험면의 산술 평균 거칠기 Ra를 0.2로 했다. 여기서, 산술 평균 거칠기 Ra는 JIS B 0601(2013)에 준거하여 측정하고, 기준 길이를 5mm로 했다.
샘플재를 이용하여, 도 6에 나타내는 블록 온 링 마모 시험을 실시했다. 도 6을 참조하여, 블록 온 링 마모 시험기(100)는, 윤활유(102)를 채운 욕조(101)와, 링 시험편(103)을 구비했다. 윤활유(102)는, 점도가 0W-20인 시판의 엔진 오일을 사용했다. 링 시험편(103)의 소재는, 일반적인 베어링 메탈재인 Al 합금으로 했다. Al 합금은, 질량%로 12%의 Sn과, 3%의 Si을 함유하고, 잔부는 Al이었다. 링 시험편(103)의 외경 D는 35mm이며, 링 시험편(103)의 폭 W는 8.7mm였다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 링 시험편(103)의 하부를 욕조(101) 중의 윤활유(102) 내에 담갔다. 그리고, 링 시험편(103)의 상방에 블록 시험편(50)을 배치했다. 이 때, 블록 시험편(50)의 시험면(51)이, 링 시험편(103)에 대향하도록, 블록 시험편(50)을 배치했다. 블록 시험편(50)의 상방으로부터 하방을 향하여 100N의 하중 P로, 블록 시험편(50)을 링 시험편(103)의 외주면에 밀어붙인 채로, 링 시험편(103)을 회전시켜, 마모 시험을 실시했다. 이 때, 링 시험편(103)의 회전 속도를 700rpm으로 하고, 미끄럼 속도를 1.28m/초로 했다. 시험을 개시하고 나서 60분마다 시험을 중단하여, 블록 시험편(50)의 시험면(51) 중, 링 시험편(103)의 외주면과의 접촉 부분(52)의 윤활유를 닦아내고, 그 후 시험을 재개하는 행위를 반복하여, 슬라이딩 시간(시험 시간)의 합계가 100시간이 될 때까지 시험을 계속했다. 슬라이딩 시간(시험 시간)이 100시간을 경과했을 때, 시험을 종료했다.
시험 종료 후의 블록 시험편(50)의 시험면(51)의 접촉 부분(52)에 대하여, SEM을 이용하여 1000배의 배율로 임의의 5시야(각 시야 모두 250μm×150μm)를 관찰하여, 화합물층의 박리의 유무, 및, 화합물층에서의 미세 크랙의 유무를 조사했다. 조사 결과에 의거하여, 다음과 같이 내마모성을 평가했다.
평가 A: 박리 없음, 미세 크랙 없음
평가 B: 박리 없음, 미세 크랙 있음
평가 D: 박리 있음
평가 A 및 B의 경우, 내마모성이 뛰어나다고 판단하고, 평가 D의 경우, 내마모성이 뒤떨어진다고 판단했다.
[시험 결과]
표 4 및 표 5에 시험 결과를 나타낸다.
Figure pct00004
Figure pct00005
표 4 및 표 5를 참조하여, 시험 번호 1~63의 화학 조성 중의 각 원소 함유량은 적절하고, Fn1은 1.00~2.05이며, Fn2는 0.42~0.60이었다. 또한, 제조 조건도 적절했다. 그 때문에, 면 수밀도 SN은 20개/mm2 이상이고, MnS계 개재물 개수 비율 RAMnS는 70% 이상이고, MnS 복합 산화물 개수 비율 RAOX는 30% 이상이었다. 그 때문에, 뛰어난 회전 굽힘 피로 강도가 얻어지고, 뛰어난 굽힘 교정성이 얻어지고, 뛰어난 피삭성이 얻어지고, 뛰어난 내마모성이 얻어졌다.
한편, 시험 번호 64의 C 함유량은 지나치게 높았다. 그 때문에, 굽힘 교정 변형량이 20000με 미만이며, 굽힘 교정성이 낮았다.
시험 번호 65의 C 함유량은 지나치게 낮았다. 그 때문에, 오노식 회전 굽힘 피로 시험에 있어서, 응력 진폭 600MPa에서 1×107회에 도달하기 전에 파단되어, 굽힘 피로 강도가 낮았다.
시험 번호 66의 Si 함유량은 지나치게 높았다. 그 때문에, 굽힘 교정 변형량이 20000με 미만이며, 굽힘 교정성이 낮았다.
시험 번호 67의 Si 함유량은 지나치게 낮았다. 그 때문에, 오노식 회전 굽힘 피로 시험에 있어서, 응력 진폭 600MPa에서 1×107회에 도달하기 전에 파단되어, 굽힘 피로 강도가 낮았다.
시험 번호 68의 Mn 함유량은 지나치게 높았다. 그 때문에, 굽힘 교정 변형량이 20000με 미만이며, 굽힘 교정성이 낮았다.
시험 번호 69의 Mn 함유량은 지나치게 낮았다. 그 때문에, 오노식 회전 굽힘 피로 시험에 있어서, 응력 진폭 600MPa에서 1×107회에 도달하기 전에 파단되어, 굽힘 피로 강도가 낮았다.
시험 번호 70의 P 함유량은 지나치게 높았다. 그 때문에, 오노식 회전 굽힘 피로 시험에 있어서, 응력 진폭 600MPa에서 1×107회에 도달하기 전에 파단되어, 굽힘 피로 강도가 낮았다.
시험 번호 71의 S 함유량은 지나치게 낮았다. 그 때문에, 피삭성 평가 시험에 있어서 건 드릴의 여유면의 마모량이 50μm 이상이 되어, 피삭성이 낮았다.
시험 번호 72의 Cr 함유량은 지나치게 높았다. 그 때문에, 굽힘 교정 변형량이 20000με 미만이며, 굽힘 교정성이 낮았다.
시험 번호 73의 Ti 함유량은 지나치게 높았다. 그 때문에, 오노식 회전 굽힘 피로 시험에 있어서, 응력 진폭 600MPa에서 1×107회에 도달하기 전에 파단되어, 굽힘 피로 강도가 낮았다.
시험 번호 74의 Al 함유량은 지나치게 높았다. 그 때문에, 굽힘 교정 변형량이 20000με 미만이며, 굽힘 교정성이 낮았다.
시험 번호 75의 N 함유량은 지나치게 낮았다. 그 때문에, 오노식 회전 굽힘 피로 시험에 있어서, 응력 진폭 600MPa에서 1×107회에 도달하기 전에 파단되어, 굽힘 피로 강도가 낮았다.
시험 번호 76의 O 함유량은 지나치게 높았다. 그 때문에, 오노식 회전 굽힘 피로 시험에 있어서, 응력 진폭 600MPa에서 1×107회에 도달하기 전에 파단되어, 굽힘 피로 강도가 낮았다. 또, 블록 온 링 마모 시험 후의 블록 시험편의 시험면에, 화합물층의 박리가 관찰되어, 내마모성이 낮았다.
시험 번호 77에서는, 각 원소 함유량은 본 실시 형태의 범위 내였으나, 식 (1)로 정의되는 Fn1이 상한을 초과했다. 그 때문에, 굽힘 교정 변형량이 20000με 미만이며, 굽힘 교정성이 낮았다.
시험 번호 78에서는, 각 원소 함유량은 본 실시 형태의 범위 내였으나, 식 (1)로 정의되는 Fn1이 하한 미만이었다. 그 때문에, 오노식 회전 굽힘 피로 시험에 있어서, 응력 진폭 600MPa에서 1×107회에 도달하기 전에 파단되어, 굽힘 피로 강도가 낮았다.
시험 번호 79에서는, 각 원소 함유량은 본 실시 형태의 범위 내였으나, 식 (2)로 정의되는 Fn2가 상한을 초과했다. 그 때문에, 피삭성 평가 시험에 있어서 건 드릴의 여유면의 마모량이 50μm 이상이 되어, 피삭성이 낮았다.
시험 번호 80에서는, 각 원소 함유량은 본 실시 형태의 범위 내였으나, 식 (2)로 정의되는 Fn2가 하한 미만이었다. 그 때문에, 오노식 회전 굽힘 피로 시험에 있어서, 응력 진폭 600MPa에서 1×107회에 도달하기 전에 파단되어, 굽힘 피로 강도가 낮았다.
시험 번호 81에서는, 화학 조성의 각 원소 함유량은 본 실시 형태의 범위 내이며, Fn1 및 Fn2도 본 실시 형태의 범위 내였으나, LF에서의 정련 중의 용존 산소량이 40ppm을 초과했다. 그 때문에, 면 수밀도 SN이 20개/mm2 미만이 되었다. 그 결과, 피삭성 평가 시험에 있어서 건 드릴의 여유면의 마모량이 50μm 이상이 되어, 피삭성이 낮았다.
시험 번호 82에서는, 화학 조성의 각 원소 함유량은 본 실시 형태의 범위 내이며, Fn1 및 Fn2도 본 실시 형태의 범위 내였으나, 연속 주조 공정에서의 주조 속도가 0.6m/분 미만이 되었다. 그 때문에, MnS계 개재물 개수 비율 RAMnS가 70% 미만이 되었다. 그 결과, 블록 온 링 마모 시험 후의 블록 시험편의 시험면에, 화합물층의 박리가 관찰되어, 내마모성이 낮았다.
시험 번호 83에서는, 화학 조성의 각 원소 함유량은 본 실시 형태의 범위 내이며, Fn1 및 Fn2도 본 실시 형태의 범위 내였으나, RH 진공 탈가스 처리의 종료 5분 전의 용강의 용존 산소량이 40ppm 미만이었다. 그 때문에, MnS 복합 산화물 개수 비율 RAOX가 30% 미만이 되었다. 그 결과, 블록 온 링 마모 시험 후의 블록 시험편의 시험면에, 화합물층의 박리가 관찰되어, 내마모성이 낮았다.
[제2 실시예]
[시험재의 제조]
표 6의 화학 조성을 갖는 용강을, 70톤의 전로에서 용제했다.
Figure pct00006
용강에 대해 2차 정련을 실시했다. 2차 정련에서는, 먼저, LF에서의 정련을 실시했다. LF에서의 정련 중의 용강의 산소 함유량을 표 7 중의 「LF」란의 「용존 산소량(ppm)」란에 나타내고, LF에서의 정련 중의 용강 온도를 표 7 중의 「LF」란의 「용강 온도(℃)」란에 나타낸다.
Figure pct00007
LF에서의 정련 후, RH 진공 탈가스 처리를 실시했다. RH 진공 탈가스 처리 중의 용강 온도를 표 7의 「RH」란의 「용강 온도(℃)」란에 나타낸다. RH 진공 탈가스 처리의 종료 5분 전의 용강의 용존 산소량을 표 7의 「RH」란의 「용존 산소량(ppm)」란에 나타낸다. RH 진공 탈가스 처리의 종료 전의 Al 투입에 의한 탈산 처리 시간을 표 7의 「RH」란의 「Al 탈산 시간(분)」란에 나타낸다. 「LF」란의 「용강 온도(℃)」란에 있어서, 「X1-X2」란, LF에서의 정련 중의 용강 온도가 X1~X2℃의 범위 내에서 변동한 것을 의미한다. 「LF」란의 「용존 산소량(ppm)」란에 있어서, 「X3-X4」란, LF에서의 정련 중의 용강의 산소 함유량이 X3~X4ppm의 범위 내에서 변동한 것을 의미한다. 「RH」란의 「용강 온도(℃)」란에 있어서, 「X5-X6」이란, RH 진공 탈가스 처리 중의 용강 온도가 X5~X6℃의 범위 내에서 변동한 것을 의미한다. 「RH」란의 「용존 산소량(ppm)」란에 있어서, 「X7-X8」이란, RH 진공 탈가스 처리의 종료 5분 전의 용강의 용존 산소량이 X7~X8ppm의 범위 내에서 변동한 것을 의미한다. 「RH」란의 「Al 탈산 시간(분)」란에 있어서, 「X9」란, RH 진공 탈가스 처리의 종료 전의 Al 투입에 의한 탈산 처리 시간이 X9분인 것을 의미한다.
2차 정련 후의 용강을 이용하여, 연속 주조법에 의해 블룸을 제조했다. 연속 주조의 개시에서 종료까지의 주조 속도는 표 7의 「연속 주조」란의 「주조 속도(m/분)」란에 나타낸다. 「연속 주조」란의 「주조 속도(m/분)」란에 있어서, 「X10-X11」이란, 연속 주조의 개시에서 종료까지의 주조 속도가 X10~X11m/분의 범위 내에서 변동한 것을 의미한다.
제조된 블룸에 대해 조압연 공정을 실시하여, 길이 방향에 수직인 단면이 180mm×180mm의 직사각형 형상인 빌릿을 제조했다. 조압연 공정에서의 가열 온도는 모두, 1200~1260℃의 범위 내였다.
제조된 빌릿을 이용하여 마무리 압연을 실시하고, 대기 중에서 방랭하여, 직경이 80mm의 봉강인 강재를 제조했다. 각 시험 번호의 강재에 대해, 다음의 평가 시험을 실시했다.
[평가 시험]
[개재물 측정 시험]
각 시험 번호의 강재에 대해, 면 수밀도 SN, MnS계 개재물 개수 비율 RAMnS, MnS 복합 산화물 개수 비율 RAOX를, 제1 실시예와 같은 방법에 의해 구했다.
[피삭성 평가 시험]
각 시험 번호에 있어서, 제1 실시예와 같은 방법으로 피삭성 평가 시험을 실시하고, 제1 실시예와 같은 기준으로, 피삭성을 평가했다.
[내마모성 평가 시험]
각 시험 번호에 있어서, 제1 실시예와 같은 방법으로 내마모성 평가 시험을 실시하고, 제1 실시예의 내마모성 평가 시험과 같은 기준으로, 내마모성을 평가했다.
[시험 결과]
시험 결과를 표 7에 나타낸다. 표 7을 참조하여, 시험 번호 84~90의 화학 조성 중의 각 원소 함유량은 적절하고, Fn1은 1.00~2.05이며, Fn2는 0.42~0.60이었다. 또한, 제조 조건도 적절했다. 그 때문에, 면 수밀도 SN은 20개/mm2 이상이고, MnS계 개재물 개수 비율 RAMnS는 70.0% 이상이고, MnS 복합 산화물 개수 비율 RAOX는 30.0% 이상이었다. 그 때문에, 뛰어난 회전 굽힘 피로 강도가 얻어지고, 뛰어난 굽힘 교정성이 얻어지고, 뛰어난 피삭성이 얻어지고, 뛰어난 내마모성이 얻어졌다.
한편, 시험 번호 91에서는, 화학 조성의 각 원소 함유량은 본 실시 형태의 범위 내이며, Fn1 및 Fn2도 본 실시 형태의 범위 내였으나, LF에서의 정련 중의 용강 온도가 1550℃ 미만이었다. 그 때문에, 면 수밀도 SN이 20개/mm2 미만이 되었다. 그 결과, 피삭성 평가 시험에 있어서 건 드릴의 여유면의 마모량이 50μm 이상이 되어, 피삭성이 낮았다.
시험 번호 92에서는, 화학 조성의 각 원소 함유량은 본 실시 형태의 범위 내이며, Fn1 및 Fn2도 본 실시 형태의 범위 내였으나, LF에서의 정련 중의 용존 산소량이 40ppm을 초과했다. 그 때문에, 면 수밀도 SN이 20개/mm2 미만이 되었다. 그 결과, 피삭성 평가 시험에 있어서 건 드릴의 여유면의 마모량이 50μm 이상이 되어, 피삭성이 낮았다.
한편, 시험 번호 93에서는, 화학 조성의 각 원소 함유량은 본 실시 형태의 범위 내이며, Fn1 및 Fn2도 본 실시 형태의 범위 내였으나, RH 진공 탈가스 처리 중의 용강 온도가 1550℃ 미만이었다. 그 때문에, 면 수밀도 SN이 20개/mm2 미만이 되었다. 그 결과, 피삭성 평가 시험에 있어서 건 드릴의 여유면의 마모량이 50μm 이상이 되어, 피삭성이 낮았다.
시험 번호 94에서는, 화학 조성의 각 원소 함유량은 본 실시 형태의 범위 내이며, Fn1 및 Fn2도 본 실시 형태의 범위 내였으나, RH 진공 탈가스 처리의 종료 5분 전의 용강의 용존 산소량이 120ppm을 초과했다. 그 때문에, 면 수밀도 SN이 20개/mm2 미만이 되었다. 또한, MnS계 개재물 개수 비율 RAMnS가 70% 미만이 되었다. 그 결과, 블록 온 링 마모 시험 후의 블록 시험편의 시험면에, 화합물층의 박리가 관찰되어, 내마모성이 낮았다. 또한, 피삭성 평가 시험에 있어서 건 드릴의 여유면의 마모량이 50μm 이상이 되어, 피삭성이 낮았다.
시험 번호 95에서는, 화학 조성의 각 원소 함유량은 본 실시 형태의 범위 내이며, Fn1 및 Fn2도 본 실시 형태의 범위 내였으나, RH 진공 탈가스 처리의 종료 5분 전의 용강의 용존 산소량이 40ppm 미만이었다. 그 때문에, MnS 복합 산화물 개수 비율 RAOX가 30% 미만이 되었다. 그 결과, 블록 온 링 마모 시험 후의 블록 시험편의 시험면에, 화합물층의 박리가 관찰되어, 내마모성이 낮았다.
시험 번호 96에서는, 화학 조성의 각 원소 함유량은 본 실시 형태의 범위 내이며, Fn1 및 Fn2도 본 실시 형태의 범위 내였으나, RH 진공 탈가스 처리의 종료 전에 있어서의 Al 투입에 의한 탈산 처리 시간이 5분을 초과했다. 그 때문에, MnS 복합 산화물 개수 비율 RAOX가 30% 미만이 되었다. 그 결과, 블록 온 링 마모 시험 후의 블록 시험편의 시험면에, 화합물층의 박리가 관찰되어, 내마모성이 낮았다.
시험 번호 97에서는, 화학 조성의 각 원소 함유량은 본 실시 형태의 범위 내이며, Fn1 및 Fn2도 본 실시 형태의 범위 내였으나, 연속 주조 공정에서의 주조 속도가 1.0m/분을 초과했다. 그 때문에, MnS 복합 산화물 개수 비율 RAOX가 30% 미만이 되었다. 그 결과, 블록 온 링 마모 시험 후의 블록 시험편의 시험면에, 화합물층의 박리가 관찰되어, 내마모성이 낮았다.
시험 번호 98에서는, 화학 조성의 각 원소 함유량은 본 실시 형태의 범위 내이며, Fn1 및 Fn2도 본 실시 형태의 범위 내였으나, 연속 주조 공정에서의 주조 속도가 0.6m/분 미만이 되었다. 그 때문에, MnS계 개재물 개수 비율 RAMnS가 70% 미만이 되었다. 그 결과, 블록 온 링 마모 시험 후의 블록 시험편의 시험면에, 화합물층의 박리가 관찰되어, 내마모성이 낮았다.
이상, 본 발명의 실시의 형태를 설명했다. 그러나, 상술한 실시의 형태는 본 발명을 실시하기 위한 예시에 지나지 않는다. 따라서, 본 발명은 상술한 실시의 형태로 한정되는 일 없이, 그 취지를 벗어나지 않는 범위 내에서 상술한 실시의 형태를 적절히 변경하여 실시할 수 있다.
1: 강재
10: 크랭크 샤프트
11: 핀부
12: 저널부
13: 아암부
20: 질화층
23: 심부

Claims (4)

  1. 강재로서,
    질량%로,
    C: 0.25%~0.35%,
    Si: 0.05~0.35%,
    Mn: 0.85~1.20%,
    P: 0.080% 이하,
    S: 0.030~0.100%,
    Cr: 0.10% 이하,
    Ti: 0.050% 이하,
    Al: 0.050% 이하,
    N: 0.005~0.024%, 및,
    O: 0.0100% 이하를 함유하며,
    잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고,
    식 (1)로 정의되는 Fn1이 1.00~2.05이며,
    식 (2)로 정의되는 Fn2가 0.42~0.60이고,
    상기 강재 중의 개재물 중,
    Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 80.0% 이상인 개재물을 MnS 단독 개재물이라고 정의하고,
    Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 15.0~80.0% 미만인 개재물을 MnS 복합 개재물이라고 정의하고,
    Al 함유량, Ca 함유량 및 O 함유량의 합계가 질량%로 80.0% 이상이며, 또한, Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 15.0% 미만인 개재물을 단독 산화물이라고 정의하고,
    Al 함유량, Ca 함유량 및 O 함유량의 합계가 질량%로 15.0~80.0% 미만이며, 또한, Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 15.0~80.0% 미만인 개재물을 MnS 복합 산화물이라고 정의했을 때,
    상기 강재 중에 있어서,
    원상당경이 5.0μm 이상인 상기 MnS 단독 개재물 및 원상당경이 5.0μm 이상인 상기 MnS 복합 개재물의 합계의 면 수밀도가 20개/mm2 이상이고,
    원상당경이 1.0μm 이상인 개재물의 총 개수에 대한, 원상당경이 1.0μm 이상인 상기 MnS 단독 개재물, 및, 원상당경이 1.0μm 이상인 상기 MnS 복합 개재물의 총 개수의 비율이 70% 이상이고,
    원상당경이 1.0μm 이상인 상기 단독 산화물, 및, 원상당경이 1.0μm 이상인 상기 MnS 복합 산화물의 총 개수에 대한, 원상당경이 1.0μm 이상인 상기 MnS 복합 산화물의 개수의 비율이 30% 이상인, 강재.
    Fn1=Mn+7.24Cr+6.53Al …(1)
    Fn2=C+0.10Si+0.19Mn+0.23Cr-0.34S …(2)
    여기서, 식 (1) 및 식 (2) 중의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량이 질량%로 대입된다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 Fe의 일부를 대신하여,
    Cu: 0.20% 이하,
    Ni: 0.20% 이하,
    Mo: 0.10% 이하,
    Nb: 0.050% 이하,
    Ca: 0.0100% 이하,
    Bi: 0.30% 이하,
    Te: 0.0100% 이하,
    Zr: 0.0100% 이하, 및,
    Pb: 0.09% 이하
    로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1원소 또는 2원소 이상을 함유하는, 강재.
  3. 핀부와,
    저널부와,
    상기 핀부 및 상기 저널부 사이에 배치되는 아암부를 구비하고,
    적어도 상기 핀부 및 상기 저널부는,
    표층에 형성되어 있는 질화층과,
    상기 질화층보다 내부의 심부(芯部)를 구비하며,
    상기 심부는, 질량%로,
    C: 0.25%~0.35%,
    Si: 0.05~0.35%,
    Mn: 0.85~1.20%,
    P: 0.080% 이하,
    S: 0.030~0.100%,
    Cr: 0.10% 이하,
    Ti: 0.050% 이하,
    Al: 0.050% 이하,
    N: 0.005~0.024%, 및,
    O: 0.0100% 이하를 함유하며,
    잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고,
    식 (1)로 정의되는 Fn1이 1.00~2.05이며,
    식 (2)로 정의되는 Fn2가 0.42~0.60이고,
    상기 심부의 개재물 중,
    Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 80.0% 이상인 개재물을 MnS 단독 개재물이라고 정의하고,
    Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 15.0~80.0% 미만인 개재물을 MnS 복합 개재물이라고 정의하고,
    Al 함유량, Ca 함유량 및 O 함유량의 합계가 질량%로 80.0% 이상이며, 또한, Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 15.0% 미만인 개재물을 단독 산화물이라고 정의하고,
    Al 함유량, Ca 함유량 및 O 함유량의 합계가 질량%로 15.0~80.0% 미만이며, 또한, Mn 함유량 및 S 함유량의 합계가 질량%로 15.0~80.0% 미만인 개재물을 MnS 복합 산화물이라고 정의했을 때,
    상기 심부에 있어서,
    원상당경이 5.0μm 이상인 상기 MnS 단독 개재물 및 원상당경이 5.0μm 이상인 상기 MnS 복합 개재물의 합계의 면 수밀도가 20개/mm2 이상이고,
    원상당경이 1.0μm 이상인 개재물의 총 개수에 대한, 원상당경이 1.0μm 이상인 상기 MnS 단독 개재물, 및, 원상당경이 1.0μm 이상인 상기 MnS 복합 개재물의 총 개수의 비율이 70% 이상이고,
    원상당경이 1.0μm 이상인 상기 단독 산화물, 및, 원상당경이 1.0μm 이상인 상기 MnS 복합 산화물의 총 개수에 대한, 원상당경이 1.0μm 이상인 상기 MnS 복합 산화물의 개수의 비율이 30% 이상인, 크랭크 샤프트.
    Fn1=Mn+7.24Cr+6.53Al …(1)
    Fn2=C+0.10Si+0.19Mn+0.23Cr-0.34S …(2)
    여기서, 식 (1) 및 식 (2) 중의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량이 질량%로 대입된다.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 심부는 또한, 상기 Fe의 일부를 대신하여,
    Cu: 0.20% 이하,
    Ni: 0.20% 이하,
    Mo: 0.10% 이하,
    Nb: 0.050% 이하,
    Ca: 0.0100% 이하,
    Bi: 0.30% 이하,
    Te: 0.0100% 이하,
    Zr: 0.0100% 이하, 및,
    Pb: 0.09% 이하
    로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1원소 또는 2원소 이상을 함유하는, 크랭크 샤프트.
KR1020237044482A 2021-05-26 2021-05-26 강재, 및, 그 강재를 소재로 하는 크랭크 샤프트 KR20240013186A (ko)

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