JP3896365B2 - 高強度鍛造用鋼およびこれを用いた大型クランク軸 - Google Patents

Description

本発明は高強度鍛造用鋼に関し、より詳細には、高価な合金元素、特にＮｉ含有量が少なく、低コストで高強度を有する大型クランク軸製造用高強度鍛造用鋼に関するものであり、この鍛造用鋼は、例えば船舶用駆動源の伝達部材として用いられる大型クランク軸用の素材などとして有効に活用できる。従って本発明は、かかる低コスト、高強度鍛造用鋼からなるクランク軸もその対象に含まれる。

船舶などの駆動力伝達に使用される大型クランク軸用の鋼としては、従来よりＩＳＯ規格の３６ＣｒＮｉＭｏ６、ＤＩＮ規格３２ＣｒＭｏ１２、ＩＳＯ規格４２ＣｒＭｏ４に代表されるＣｒ−Ｍｏ鋼が使用されている。これらのうちＩＳＯ規格の４２ＣｒＭｏ４は、相対的にＣ含有量を多くし、Ｃｒ，Ｍｏ含有量を相対的に低く抑えた鋼種であり、強度的にはやや劣るものの比較的低コストであることから、それほど高負荷がかからない用途に使用されており、一方ＩＳＯ規格の３６ＣｒＮｉＭｏ６は、合金元素として多量のＮｉを含むもので、強度や靭性などにおいては最も優れていることから、高負荷を受けるクランク軸用として使用されている。またＤＩＮ規格３２ＣｒＭｏ１２は、上記２種のＣｒ−Ｍｏ鋼に対して中間的なコストと強度特性を有するもので、特に靭性が重視されるクランク軸用としては優れた性能を有するものとされている。

しかし最近では、海難事故などを未然に防止するため、船舶の大型クランク軸用としては、高コストではあるが高レベルの強度特性を有する高Ｎｉ含量のＩＳＯ規格の３６ＣｒＮｉＭｏ６が汎用されている。

ところが、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ鋼である上記ＩＳＯ規格の３６ＣｒＮｉＭｏ６は、強度や靭性において優れたものではあるが、強化用の合金元素として高価なＮｉが多量含まれているため、鍛造用の他のＣｒ−Ｍｏ鋼に比べると高価であり、汎用化を進めていく上で大きな障害となっている。

本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、高強度Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ鍛造用鋼として実用化されているＩＳＯ規格の３６ＣｒＮｉＭｏ６などに比べて低コストであり、しかもこれに匹敵する強度や靭性を有し、更には、近年需要者の要求が高まっている「焼入れ性」においても、上記高強度Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ鍛造用鋼に匹敵し、或いはこれを上回る性能を備えた鍛造用鋼を提供し、或いは更に該鍛造用鋼を用いた安価で強度、靭性、焼入れ性に優れた大型クランク軸を提供することにある。

上記課題を解決することのできた本発明に係る高強度鍛造用鋼とは、大型クランク軸の製造に用いられる高強度鍛造用鋼であって、
Ｃ ：０．３６〜０．４５％（質量％を意味する、以下同じ）、
Ｓｉ：０．１５〜０．４％、
Ｍｎ：０．８〜１．２％、
Ｃｒ：１．５〜２．５％、
Ｍｏ：０．１５〜０．３５％、
Ｖ ：０．０３５〜０．１７％
を夫々含むと共に、Ｎｉ含有率が０．７％以下（０％を含まない）であり、且つＶ，Ｎｂ，Ｔａよりなる群から選択される少なくとも１種の元素：合計で０．０３５〜０．３５％、Ｎ：３０〜２５０ｐｐｍを含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、更に下記(1)式の関係を満たし、ベイナイトおよびマルテンサイト主体の組織からなる点に要旨を有するものである。
［Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの総和（質量％）］＋0.001×固溶Ｎ（ppm）≧0.068……(1)

本発明にかかる高強度鍛造用鋼は、上記の様に化学成分組成を制限した鋼成分系において、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａよりなる群から選択される少なくとも１種の元素と窒素（Ｎ）を積極的に含有させると共に、これら（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）含量の総和と固溶Ｎとの関係を前記式(１)を満たすように特定し、更にベイナイトとマルテンサイト主体の金属組織からなる鋼であって、高レベルの引張強度と靭性を有すると共に焼入れ性も非常に良好で、且つ比較的安価な鍛造用鋼を提供し得たものである。

上記基本組成の鍛造用鋼には、脱酸性元素として少量のＡｌが含まれてくることがあり、こうしたＡｌの作用は０．００１％以上含有させることによって有効に発揮されるが、その効果は０．０４０％で飽和するので、それ以下に抑えるべきである。また、Ｓも有害元素として混入してくることが多く、該Ｓも鍛造用鋼としての靭性や疲労強度などに与える悪影響を回避するため、０．００６％以下に抑えることが望ましい。

更に本発明の鍛造用鋼は、その優れた焼入れ性を活かす上で、ＤＩ値（水冷で中心部が５０％マルテンサイト硬さとなる臨界直径）が３０ｍｍ以上であるものが好ましく、かかる特性を備えた本発明の鍛造用鋼は、船舶用の如き大型クランク軸等の素材として極めて優れた性能を発揮する。

本発明では、相対的に多くのＮｉを含むＮｉ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｍｏ系鍛造用鋼などに対し、Ｎｉ含有量を抑えてコスト低減を図ると共に、ごく少量のＶ，ＮｂまたはＴａとＮを所定量含有させることによって高強度化を図ることができ、低コストで高性能の鍛造用鋼を提供し得ることになった。しかもこの鍛造用鋼は焼入れ性においても非常に優れたものであり、その優れた焼入れ性を活かして、大型鍛造製品の素材として有効に活用することができ、特に船舶用などの大型クランク軸用の素材として極めて有用である。

本発明者らは前述した様な課題の下で、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系の高強度鍛造用鋼として知られている特に「ＩＳＯ規格の３６ＣｒＮｉＭｏ６」を対象とし、合金元素として含まれるＮｉ量を低減して低コスト化を図りつつ、これに匹敵する強度や靭性を有し、更には高強度の大型鍛造製品を製造する際に重要となる焼入れ性ついても優れた特性を発揮し得る様な鍛造用鋼の開発を期して鋭意研究を進めてきた。

その結果、前述した様なＣｒ−Ｍｏ系の鍛造用鋼において、強化元素としてのＮｉ量を０．７％以下に抑えた鋼種では、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａよりなる群から選択される元素の少なくとも１種とＮをごく少量含有させ、且つ、これら（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの総和）と固溶Ｎを前記式(1)の関係を満たす様に含有せしめたものは、Ｎｉ量低減による強度不足を補って余りある強度および靭性の向上が図られると共に、焼入れ性においても著しく優れた鍛造用鋼が得られることを知り、上記本発明に想到したものである。

すなわちＮｉは、前述した如く鍛造用鋼として汎用されているＣｒ−Ｍｏ系鋼の強度や靭性を高めると共に、焼入れ性の向上にも極めて有効な元素であり、高級Ｃｒ−Ｍｏ系鍛造用鋼にとっては有用な元素である。しかしＮｉは高価な元素であるため、その含有率を過度に高めることは鍛造用鋼のコストアップを招き、需要者の価格上の要求を満たし得なくなる。そこで本発明では、Ｎｉ量を可及的に低減しつつ、従来のＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系鍛造用鋼に匹敵する強度特性と焼入れ性を確保可能にすることを最大の課題として開発されたものであり、Ｎｉ量低減によるコストダウンの目的を果たすには、Ｎｉ含有量を多くとも０．７％以下、好ましくは０．５％以下、更に好ましくは０．３％以下に抑えることが望まれる。

但し、Ｎｉ量の低減は、Ｎｉによる上記強度、靭性および焼入れ性の向上効果が得られ難くなることを意味しており、性能面からの需要者の要求を満たし得なくなる。そこで本発明では、Ｎｉ量の低減による性能不足をその他の元素によって補い、コスト的にも又性能面でも共に要求を満たすような鍛造用鋼の開発を期して鋭意研究を重ねた結果、特にＮｉ含有量を低く抑えたＣｒ−Ｍｏ系鍛造用鋼においては、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａよりなる群から選択される少なくとも１種の元素と、従来は有害元素として認識されている微量元素であるＮを含有させると共に、上記（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）と、Ｎのうち固溶Ｎとを、前記式(1)の関係を満たすように含有せしめてやれば、コストと性能の両面を満たす鍛造用鋼が得られることを確認したのである。

こうしたＶ，Ｎｂ，ＴａとＮ、或いは更に固溶Ｎの効果を実用規模で有効に発揮させるには、上記の様にＮｉ量を０．７％以下に制限された鍛造用鋼中に、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａよりなる群から選択される少なくとも１種の元素を０．０３５％以上、より好ましくは０．０４５％以上で、０．３５％以下、より好ましくは０．１５％以下含有させると共に、Ｎを３０ｐｐｍ以上、より好ましくは４０ｐｐｍ以上で２５０ｐｐｍ以下、より好ましくは１００ｐｐｍ以下の範囲で含有せしめ、更には前記（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの総和）と固溶Ｎとが前記式(1)の関係を満たすように含有させることが必須の要件となる。

ちなみに、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの含有量とＮ量、更には前記式(1)の要件を外れるときは、本願発明で意図するレベルの強度、靭性が得られなくなるばかりでなく、焼入れ性についても満足なものが得られない。

上記Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの総和とＮ、更にはそのうち固溶Ｎを加味した前記式(1)の要件を満たすように含有させることによって、低Ｎｉ系鍛造用鋼の強度や靭性が著しく向上する理由については、本発明者らの追究にもかかわらず未だ明確にされていないが、Ｖ，Ｎｂ，ＴａがＮとの間で窒化物を形成すると共に、固溶Ｎそのものが優れた強度向上効果を発揮するものと考えられる。また、これらＶ，Ｎｂ，Ｔａなどの強度向上元素は非常に高価な元素であり、少量とはいえかなりのコストアップを招くが、本発明ではこれら元素の少量添加と共に、安価なＮを活用した固溶Ｎ量の増大によって強度向上を図ることにより、Ｖなどの多量添加による経済的負担を軽減することが可能となる。

そしてこうしたＶなどやＮ、更には固溶Ｎによる強度向上作用は、Ｎｉ含量を０．７％以下に抑えたＣｒ−Ｍｏ系鍛造用鋼に対して有効に発揮されるもので、Ｎｉ含有量が０．７％を超える高級鍛造用鋼の場合は殆ど発揮されないという極めて特異な現象として現われるのである。

従って本発明の鍛造用鋼は、Ｎｉ含有量を０．７％以下に抑えたＣｒ−Ｍｏ系鍛造用鋼を対象とし、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの総和とＮ（トータル窒素）および固溶Ｎを上記要件を満たすように特定の含有比率で含有させることにより、相対的に安価でしかもＮｉ含有率の多い高級Ｃｒ−Ｍｏ系鍛造用鋼に匹敵する強度、靭性と焼入れ性を兼ね備えたものとして位置付けられる。

本発明の鍛造用鋼は、上記の様にＮｉ含量が制限され、それに代わってＶ，Ｎｂ，Ｔａの少なくとも1種とＮ、或いは更にこれらと固溶Ｎとを特定量含有せしめたところに特徴を有するものであるが、大型クランク軸などとして求められる強度や靭性、更には本発明で特徴とする焼入れ性をより有効に活かす上では、下記基本組成を有するＣｒ−Ｍｏ系鍛造用鋼を選択することが必要である。
Ｃ ：０．３６〜０．４５％（好ましくは０．３８〜０．４５％）
Ｓｉ：０．１５〜０．４％（好ましくは０．２０〜０．４％）
Ｍｎ：０．８〜１．２％（好ましくは０．９〜１．２％）
Ｃｒ：１．５〜２．５％（好ましくは１．７５〜２．５％）
Ｍｏ：０．１５〜０．３５％（好ましくは０．２０〜０．３５％）
を含むものであり、それら各元素の含有率を定めた理由は下記の通りである。

Ｃ ：０．３６〜０．４５％
Ｃは焼入れ性を高めると共に強度向上に寄与する元素であり、十分な強度と焼入れ性を確保するには０．３６％以上含有させる必要がある。Ｃは好ましくは０．３８％以上含有するものが望ましいが、多過ぎると靭性を劣化させると共に逆Ｖ偏析を助長するので、０．４５％以下にする必要があり、好ましくは０．４２％以下に抑えるのがよい。

Ｓｉ：０．１５〜０．４％
Ｓｉは強度向上元素として作用し、十分な強度を確保するには０．１５％以上含有させる必要がある。Ｓｉは好ましくは０．２０％以上含有させるのがよいが、多過ぎると逆Ｖ偏析が著しくなって清浄な鋼塊が得られ難くなるので、０．４％以下にする必要があり、好ましくは０．３％以下に抑えるのがよい。

Ｍｎ：０．８〜１．２％
Ｍｎも焼入れ性を高めると共に強度向上に寄与する元素であり、十分な強度と焼入れ性を確保するには０．８％以上含有させる必要があり、好ましくは０．９％以上含有するものが望ましい。しかしながら、多過ぎると逆Ｖ偏析を助長するので、１．２％以下にする必要があり、好ましくは１．１％以下に抑えるのがよい。

Ｃｒ：１．５〜２．５％
Ｃｒは焼入れ性を高めると共に靭性を向上させる有効な元素であり、それらの作用は１．５％以上、好ましくは１．７５％以上含有させることによって有効に発揮される。しかし多過ぎると逆Ｖ偏析を助長して高清浄鋼の製造を困難にするので、２．５％以下に抑えるのがよい。

Ｍｏ：０．１５〜０．３５％
Ｍｏは、焼入れ性、強度、靭性の全ての向上に有効に作用する元素であり、それらの作用を有効に発揮させるには０．１５％以上含有させる必要があり、好ましくは０．２０％以上含有させることが望ましい。しかし、Ｍｏは平衡分配係数が小さくミクロ偏析（正常偏析）を生じ易くするので、０．３５％以下、好ましくは０．３０％以下に抑えるのがよい。

本発明で使用される鍛造用鋼の好ましい基本成分は上記の通りであり、残部成分は実質的にＦｅであるが、該鍛造用鋼中には微量の不可避不純物の含有が許容されることは勿論のこと、前記本発明の作用に悪影響を与えない範囲で更に他の元素を積極的に含有させた鍛造用鋼を使用することも可能である。積極添加が許容される他の元素の例としては、焼入れ性改善効果を有するB、脱酸効果を有するＴｉ、ＭｎＳ形態制御作用を有するＣａ，Ｍｇ，Ｃｅ，Ｚｒ，Ｔｅなどが挙げられ、それらは単独で或いは２種以上を複合添加できるが、それらは合計量で０．０３％程度以下に抑えることが望ましい。

また上記基本組成の鍛造用鋼に不可避的に混入してくるＡｌは、鋼中の酸素量を低減するための脱酸性元素として含まれてくる元素であり、脱酸作用を有効に発現させるには０．００１％程度以上含有させることが好ましい。しかし、Ａｌは主にＡｌＮの形でＮを固定し、ＮとＶ等の配合による強化効果を発現させ難くするばかりでなく、他の多くの元素と結合して非金属介在物や金属間化合物を生成して靭性に悪影響を及ぼすので、０．０４％以下に抑えることが望ましい。すなわちＶ等とＮによる強化機構の観点から考えると、ＡｌＮを如何に発生させない様にするかがポイントであり、具体的には、Ａｌ含有量が０．００１％程度と非常に少ない場合には、Ｎ含有量が３０ｐｐｍ程度であってもＡｌＮの発生量が少ないため強度向上効果を生じるが、Ａｌ含有量が０．０３％程度になるとＡｌＮの生成量が多くなるため、強化効果を有効に発現させるにはＮ含有量を２５０ｐｐｍ程度に高めるか、Ｖ含量を高めることが必要となる。

またＳは、製鉄原料であるコークス由来の硫化物として含まれてくる有害成分であり、特に鋼中でＭｎＳなどの硫化物を形成して疲労特性を劣化させる原因となる。従って、こうした障害を未然に防止するには、Ｓ含有量を０．００６％以下、より好ましくは０．００５％以下に抑えることが望ましい。

更に本発明の鍛造用鋼は、前述した成分組成に加えて、ベイナイトとマルテンサイト主体の金属組織を有しているところに重要な特徴があり、例えばフェライトやパーライトの面積分率が１０％を超えるものでは、本発明で意図するレベルの強度を確保できない。ここでベイナイトおよびマルテンサイト主体とは、光学顕微鏡等によって確認することのできる断面組織の大部分がベイナイトとマルテンサイト組織であり、フェライトやパーライトの面積率が１０％程度以下であるものを意味する。ちなみに現在のところ、ベイナイトやマルテンサイトの面積率を定量的に評価する方法は確立されていないが、現状でも断面組織写真から経験的にベイナイトとマルテンサイト主体の金属組織であることは確認できる。

そしてこの様なベイナイトとマルテンサイト主体の組織は、前述した化学成分を満たす鋼材を使用し、焼入れ時における８７０〜５００℃の温度域を０．５〜３０℃／ｍｉｎ程度の平均冷却速度で冷却することによって得ることができる。

本発明にかかる鍛造用鋼の化学成分は上記の通りであり、Ｎｉ量を０．７％以下に抑えた鋼種であるにもかかわらず、少量のＶ，ＮｂまたはＴａの少なくとも１種とＮを含有せしめ、或いは更に固溶Ｎ量の関係を規定することにより、添加合金成分によるコストアップを招くことなく安価でしかも高い強度特性を示す鍛造用鋼を得ることが可能となる。しかもこの鍛造用鋼は焼入れ性においても非常に優れたものであり、後記実施例で明らかにする如くジョミニー試験法によって確認することのできるＤＩ値（水冷で中心部が５０％マルテンサイト硬さとなる臨界直径）で３０ｍｍ以上、より焼入れ性の優れたものでは３２ｍｍ以上であり、従って鍛造後焼入れ処理により強化して使用されるクランク軸、特に船舶用の如き大型クランク軸用の素材として極めて有効に活用できる。

即ちＤＩ値の高められた本発明の鍛造用鋼は優れた焼入れ性を有しており、クランク軸の如く焼入れ処理後の状態で表層側と心部側の何れも高強度が求められる鍛造製品、例えば直径が１５０〜１０００ｍｍといった大型で質量効果の大きい鍛造製品を得るための素材として極めて有用である。

本発明にかかる上記鍛造用鋼の製法は特に制限がなく、常法に従って高周波溶解炉や電気炉、転炉などを用いて所定化学成分に調整してから鋳造すればよい。また、成分調整後に真空処理を施すことも有効である。鋳造は、大型鍛造用鋼の場合は主としてインゴット鋳造が採用されるが、比較的小型の鍛造材の場合は連続鋳造法を採用することも可能である。なお本発明では、鍛造用鋼中のＮ含有量を厳密に制御する必要があり、そのための好ましい手段しては、窒化マンガンや窒化クロムの如き窒素含有金属を添加したり窒素ガスを吹込んでＮ含有量を増大し、またＮ含有量を減ずる場合は真空脱ガス処理を行なってその条件を適正に制御する方法等を採用すればよい。

また該鍛造用鋼を用いて例えばクランク軸などを製造する方法も特に制限されず、例えば、電気炉などで所定成分組成の鋼を溶製する工程→真空精錬などによりＳなどの不純元素やＯなどのガス成分を除去する工程→造塊する工程→鋼塊を加熱してから素材鍛造を行なう工程→中間検査の後加熱してクランク軸形状に鍛造する工程→熱処理により均質化すると共に焼入れ処理して硬質化する工程→仕上げ機械加工を行なう工程、を順次実施すればよい。

尚クランク軸への鍛造加工法としては、自由鍛造法（クランクアームとクランクピンを一体としたブロックとして鍛造し、ガス切断および機械加工によってクランク軸形状に仕上る方法）と、Ｒ．Ｒ．およびＴ．Ｒ．鍛造法（鋼塊の軸心がクランク軸の軸心部となる様に鍛造加工し、中心偏析により特性の劣化を起こし易い部分をクランク軸の全ての軸心部となる様に一体に鍛造加工する方法）が例示されるが、特に後者の鍛造法を採用すれば、シャフト表層側を清浄度の高い部分で占めさせることができ、強度や疲労特性に優れたクランク軸が得られ易いので好ましい。

但し本発明の鍛造用鋼は、その優れた強度特性と低コストであることの利点を生かし、クランク軸以外にも、船舶用の中間軸、推進軸、組立て型クランク軸のスロー、中空素材の如く溶接を施すことのない高強度製品などを鍛造成形するための素材としても有効に活用できる。

次に実験例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

実験例
高周波炉を用いて表１，２に示す成分の鍛造用鋼を溶製し、鋳造して直径１５８〜１３２×長さ３２３ｍｍの鋼塊（５０ｋｇ）を製造した。この際、窒化マンガン添加量および雰囲気ガスを調整することによって鋼中のＮ量を調整すると共に、所定量のＶ，ＮｂまたはＴａを外部添加することにより、鋼中に所定量のＶ，Ｎｂ，Ｔａを歩留らせた。

得られた各鋼塊の押湯部分を切除し、１２３０℃で５〜１０時間加熱した後、自由鍛造プレス機を用いて高さ比で１／２まで圧縮し、鋼塊中心線を９０°回転させて鍛造して９０ｍｍ×９０ｍｍ×４５０ｍｍにまで引き伸ばした後、大気中で放冷した。室温にまで放冷した各素材は、その後、小型シミュレート炉を用いてオーステナイト化処理を施した。なおオーステナイト化処理は、各素材を昇温速度４０℃／ｈｒで８７０℃まで昇温して１時間保持した後、８７０〜５００℃の温度域を平均冷却速度２０℃／ｍｉｎで冷却し、焼戻し処理として６１０℃で１３時間保持してから炉冷する方法を採用した。

なお供試材中のＮ量は、固溶Ｎと化合物型Ｎの合計量を示し、その分析は不活性ガス溶解法を採用した。なお固溶Ｎ量は、図５に示す如く、電解抽出法により鋼中の析出物を分離した後、インドフェノール吸光光度法を採用して化合物などのＮ量を測定し、前述の方法によって求めたトータルＮ量から差し引くことによって求めた。

また、オーステナイト化処理および焼戻し処理後に、各供試材の断面をナイタールでエッチングしてから１００倍の光学顕微鏡により２視野以上を撮影し、該写真からフェライトおよびパーライトに分類される領域の面積分率を求めることによって金属組織を調べた。その結果、いずれの実施例、比較例についてもフェライト・パーライトの面積分率はゼロであり、ベイナイト・マルテンサイト主体の組織であることを確認した。

また、得られた各鋼材について、下記の方法で機械的性質と焼入れ性を調べ、表３，４および図１，２に示す結果を得た。

［機械的性質の評価法：室温］
引張試験は、ＩＳＯ ６８９２に準拠して行なった。試験片形状はＬ_０＝５．６５√Ｓ_０とした。シャルピー衝撃試験は、ＩＳＯ １４８に準拠して行ない、試験片形状はＩＳＯ １４８に記載の２ｍｍＶノッチを採用した。

［焼入れ性評価法］
ＩＳＯ ６４２に記載されたジョミニー試験法に準拠して行なった。試験片形状はフランジ付き試験片とし、水冷で中心部が５０％マルテンサイトとなる臨界直径（ＤＩ）を求めた。加熱温度は８７０℃とした。

図１，２は、上記表１〜４に示したデータから、Ｎｉ含有量と引張強さの関係およびＮ量と引張強度の関係を整理して示したグラフであり、図１からは、（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）とＮを添加することによる強度向上効果は、Ｎｉ含有量が０．７％以下の鋼種に対して有効に発揮されること、図２からは、Ｎ含有の効果がＮ量で３０ｐｐｍ以上、より好ましくは４０ｐｐｍ以上、更に確実には５０ｐｐｍ以上で発揮されることを確認できる。またこうしたＮ含有の効果は、Ｎ量が６０〜７０ｐｐｍ程度でほぼ飽和状態に達していることから、それ以上の含有、特に１００ｐｐｍを超える含有は、強度向上という目的からは殆ど無意味であり、むしろ窒化物の増大による靭性劣化が懸念されるので、Ｎ量は１００ｐｐｍ以下、より好ましくは８０ｐｐｍ以下に抑えることが望ましいことが分かる。

図３は、上記実験例で得た鍛造用鋼における実施例材と比較材のＤＩ値を対比して示したものであり、実施例材は比較材に比べてＤＩ値も高く、焼入れ性に優れたものであることが分かる。

更に図４は、Ｖ含有量と固溶Ｎ量が引張強度に与える影響を整理して示したグラフであり、Ｖ量と固溶Ｎ量の関係が前記式(1)の関係を満たすものは、高レベルの強度特性を発揮することがわかる。なおこの図からも明らかなように、（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの総和）で０．０６８％以上を確保できる場合は、固溶Ｎ量が実質的にゼロであっても十分は強度特性を確保できることが分かる。

実験で用いた鍛造用鋼のＮｉ含有量と引張強さの関係を示すグラフである。 実験で用いた鍛造用鋼のＮ含有量と引張強さの関係を示すグラフである。 実施例材と比較材ＤＩ値を対比して示すグラフである。 鋼中のＶ含有量と固溶Ｎ量が引張強さに与える影響を整理して示すグラフである。 固溶Ｎの分析手順を示す図である。

Claims (7)

1. 大型クランク軸の製造に用いられる高強度鍛造用鋼であって、
   Ｃ ：０．３６〜０．４５％（質量％を意味する、以下同じ）、
   Ｓｉ：０．１５〜０．４％、
   Ｍｎ：０．８〜１．２％、
   Ｃｒ：１．５〜２．５％、
   Ｍｏ：０．１５〜０．３５％、
   Ｖ ：０．０３５〜０．１７％
   を夫々含むと共に、Ｎｉ含有率が０．７％以下（０％を含まない）であり、且つＶ，Ｎｂ，Ｔａよりなる群から選択される少なくとも１種の元素：合計で０．０３５〜０．３５％、Ｎ：３０〜２５０ｐｐｍを含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、更に下記(1)式の関係を満たし、ベイナイトおよびマルテンサイト主体の組織からなることを特徴とする高強度鍛造用鋼。
   ［Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの総和（質量％）］＋0.001×固溶Ｎ（ppm）≧0.068……(1)
2. 鋼が、他の成分としてＡｌ：０．００１〜０．０４０％を含むものである請求項１に記載の高強度鍛造用鋼。
3. 鋼のＳ含有量が０．００６％以下である請求項１または２に記載の高強度鍛造用鋼。
4. ＤＩ値（水冷で中心部が５０％マルテンサイトとなる臨界直径）が３０ｍｍ以上である請求項１〜３のいずれかに記載の高強度鍛造用鋼。
5. 船舶用大型クランク軸の製造に用いられるものである請求項１〜４のいずれかに記載の高強度鍛造用鋼。
6. 前記請求項１〜５のいずれかに記載の鋼を鍛造して得たものである大型クランク軸。
7. 船舶用の大型クランク軸である請求項６に記載のクランク軸。

Images