JP6299864B2 - 非調質クランクシャフト用鋼及び非調質クランクシャフト - Google Patents
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Description
0.86≦C+Si/7+Mn/5+Cu/15+Ni/15+Cr/9+Mo/4+V≦1.10 (1)
Ti/N≦1.5 (2)
521−353C−22.0Si−24.3Mn−7.7Cu−17.3Ni−17.7Cr−25.8Mo≧305 (3)
ここで、式(1)〜式(3)の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。元素が含有されない場合、対応する元素記号には、「0」が代入される。
本実施形態の非調質クランクシャフト用鋼の化学組成は、次の元素を含有する。
炭素(C)は、鋼(つまり、クランクシャフトの母材)の硬さを高め、クランクシャフトの曲げ疲労強度を高める。C含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、C含有量が高すぎれば、クランクシャフト用鋼の硬さが高くなりすぎ、被削性が低下する。したがって、Cの含有量は0.37〜0.50%である。C含有量の好ましい下限は0.37%よりも高く、さらに好ましくは0.39%であり、さらに好ましくは0.40%である。C含有量の好ましい上限は0.50%未満であり、さらに好ましくは0.45%であり、さらに好ましくは0.44%である。
シリコン(Si)は、鋼を脱酸する。Siはさらに、固溶して鋼中のフェライトの硬さを高め、鋼の硬さを高める。Si含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Si含有量が高すぎれば、鋼の硬さが高くなりすぎ、被削性が低下する。したがって、Si含有量は0.15〜0.79%である。Si含有量の好ましい下限は0.15%よりも高く、さらに好ましくは0.20%であり、さらに好ましくは0.24%である。Si含有量の好ましい上限は0.79%未満であり、さらに好ましくは0.70%であり、さらに好ましくは0.67%である。
マンガン(Mn)は、Siと同様に鋼を脱酸する。Mnはさらに、鋼の硬さを高め、強度を高める。Mn含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Mn含有量が高すぎれば、クランクシャフト用鋼の硬さが高くなり過ぎ、被削性が低下する。したがって、Mn含有量は1.15%〜1.40%である。Mn含有量の好ましい下限は1.15%よりも高く、さらに好ましくは1.18%である。Mn含有量の好ましい上限は1.40%未満であり、さらに好ましくは1.35%であり、さらに好ましくは1.30%である。
燐(P)は不純物である。Pは、鋼の曲げ疲労強度を低下する。したがって、P含有量は0.040%以下である。P含有量の好ましい上限は0.040%未満であり、さらに好ましくは0.030%である。P含有量はなるべく低い方が好ましい。
硫黄(S)は鋼の被削性を高める。S含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、S含有量が高すぎれば、鋼の曲げ疲労強度が低下する。したがって、S含有量は0.040〜0.10%である。S含有量の好ましい下限は0.040%よりも高く、さらに好ましくは0.050%であり、さらに好ましくは0.055%であり、さらに好ましくは0.060%を超える。S含有量の好ましい上限は0.10%未満であり、さらに好ましくは0.080%であり、さらに好ましくは0.070%である。
クロム(Cr)は、鋼の硬さを高めて曲げ疲労強度を高める。Cr含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Cr含有量が高すぎれば、鋼の硬さが高くなりすぎ、被削性が低下する。したがって、Cr含有量は0.10〜0.30%である。Cr含有量の好ましい下限は0.10%よりも高く、さらに好ましくは0.20%であり、さらに好ましくは0.22%である。Cr含有量の好ましい上限は0.30%未満であり、さらに好ましくは0.28%であり、さらに好ましくは0.27%である。
アルミニウム(Al)は、Siと同様に鋼を脱酸する。Al含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Al含有量が高すぎれば、鋼中に粗大な酸化物が形成され、鋼の曲げ疲労強度が低下する。したがって、Al含有量は0.022〜0.050%である。Al含有量の好ましい下限は0.022%よりも高く、さらに好ましくは0.025%であり、さらに好ましくは0.030%である。Al含有量の好ましい上限は0.050%未満であり、さらに好ましくは0.040%であり、さらに好ましくは0.038%である。本明細書におけるAl含有量は、sol.Al(酸可溶Al)の含有量を意味する。
チタン(Ti)は、窒素と結合してTi窒化物を形成する。Ti窒化物は、結晶粒の粗大化を抑制し、結晶粒を微細化する。フィレットロール加工が実施されたフィレット部(ピンフィレット部21及びジャーナルフィレット部31)の表面近傍にて、仮に、疲労き裂が発生した場合、フィレット部の結晶粒が微細であれば、疲労き裂の伝播は結晶粒界により阻止される。したがって、Tiはクランクシャフトの曲げ疲労強度を高める。Ti含有量が低すぎれば、上記効果が得られない。一方、Ti含有量が高すぎれば、粗大なTi窒化物又は粗大な炭窒化物が形成される。粗大なTi窒化物及びTi炭窒化物は破壊の起点となり、鋼の曲げ疲労強度を低下する。したがって、Ti含有量は0.005〜0.025%である。Ti含有量の好ましい下限は0.005%よりも高く、さらに好ましくは0.007%であり、さらに好ましくは0.008%である。Ti含有量の好ましい上限は0.025%未満であり、さらに好ましくは0.020%であり、さらに好ましくは0.015%である。
バナジウム(V)は、V炭化物又はV炭窒化物を形成して、鋼の硬さを高め、曲げ疲労強度を高める。V含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、V含有量が高すぎれば、鋼の硬さが高くなりすぎ、鋼の被削性が低下する。したがって、V含有量は0.20〜0.30%である。V含有量の好ましい下限は0.20%よりも高く、さらに好ましくは0.22%であり、さらに好ましくは0.24%である。V含有量の好ましい上限は0.30%未満であり、さらに好ましくは0.28%であり、さらに好ましくは0.26%である。
窒素(N)は、Tiと結合してTi窒化物を形成し、結晶粒を微細化する。そのため、Nは鋼の曲げ疲労強度を高める。N含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、N含有量が高すぎれば、上記効果が飽和する。したがって、N含有量は0.0080〜0.0180%である。N含有量の好ましい下限は0.0080%よりも高く、さらに好ましくは0.085%であり、さらに好ましくは0.0090%である。N含有量の好ましい上限は0.0180%未満であり、さらに好ましくは0.0160%であり、さらに好ましくは0.0150%である。
モリブデン(Mo)任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Moは固溶して鋼中のフェライトの硬さを高める。この場合、鋼の硬さが高まり、曲げ疲労強度が高まる。しかしながら、Mo含有量が高すぎれば、上記効果が飽和し、製造コストが高くなる。したがって、Mo含有量は0〜0.30%である。Mo含有量の好ましい下限は0.05%であり、さらに好ましくは0.07%であり、さらに好ましくは0.1%である。Mo含有量の好ましい上限は0.30%未満であり、さらに好ましくは0.25%であり、さらに好ましくは0.20%である。
銅(Cu)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Cuは鋼の硬さを高め、鋼の曲げ疲労強度を高める。しかしながら、Cu含有量が高すぎれば、鋼の熱間加工性が低下する。したがって、Cu含有量は0〜0.8%である。Cu含有量の好ましい下限は0.05%であり、さらに好ましくは0.07%であり、さらに好ましくは0.1%である。Cu含有量の好ましい上限は0.8%未満であり、さらに好ましくは0.4%であり、さらに好ましくは0.3%である。
ニッケル(Ni)は任意元素であり、含有されなくてもよい。Cuが含有される場合、「Cuチェッキング」と称される熱間割れが発生しやすくなる。Niが含有されれば、Cuチェッキングの発生が抑制される。しかしながら、Ni含有量が高すぎれば、この効果が飽和する。したがって、Ni含有量は0〜0.50%である。Ni含有量の好ましい下限は0.01%であり、さらに好ましくは0.05%であり、さらに好ましくは.08%である。Ni含有量の好ましい上限は0.50%未満であり、さらに好ましくは0.20%であり、さらに好ましくは0.15%である。Ni含有量は好ましくはさらに、Ni/Cu≧0.5を満足する。
本発明による非調質クランクシャフト用鋼は、さらに、式(1)〜式(3)を満たす。
0.86≦C+Si/7+Mn/5+Cu/15+Ni/15+Cr/9+Mo/4+V≦1.10 (1)
Ti/N≦1.5 (2)
521−353C−22.0Si−24.3Mn−7.7Cu−17.3Ni−17.7Cr−25.8Mo≧305 (3)
ここで、式(1)〜式(3)の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。元素が含有されていない場合、対応する元素記号には「0」が代入される。
fn1=C+Si/7+Mn/5+Cu/15+Ni/15+Cr/9+Mo/4+Vと定義する。fn1は、非調質クランクシャフト用鋼の硬さに関する指標である。上述のとおり、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo及びVはいずれも、鋼の硬さを高める。fn1が低すぎれば、鋼の硬さが低く、曲げ疲労強度が低い。一方、fn1が高すぎれば、鋼の硬さが高くなりすぎ、被削性が低下する。
fn2=Ti/Nと定義する。fn2が高すぎれば、N含有量に対してTi含有量が高すぎる。この場合、粗大なTi窒化物及び粗大なTi炭窒化物が形成される。そのため、鋼の曲げ疲労強度が低下する。fn2が1.5以下であれば、粗大なTi窒化物及び粗大なTi炭窒化物の生成が抑制される。そのため、疲労き裂の起点の発生が抑制される。さらに、微細なTi窒化物により結晶粒が微細化され、疲労き裂の伝播が、結晶粒界により阻止される。そのため、フィレットロール加工されたクランクシャフトの曲げ疲労強度が高まる。fn2の好ましい上限は、1.5未満であり、さらに好ましくは1.40であり、さらに好ましくは1.30である。
fn3=521−353C−22.0Si−24.3Mn−7.7Cu−17.3Ni−17.7Cr−25.8Moと定義する。fn3は、クランクピン2及びクランクジャーナル3に対して高周波焼入れが実施された場合における、焼割れの発生に関する指標である。C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr及びMoはいずれも、鋼に固溶して鋼の焼入れ性を高める。fn3が低すぎれば、鋼の焼入れ性が高くなりすぎる。この場合、クランクピン及びクランクジャーナルに相当する部分に高周波焼入れを実施すれば、焼割れが発生する。fn3が305以上であれば、焼割れの発生が抑制される。fn3の好ましい下限は305よりも高く、さらに好ましくは315であり、さらに好ましくは320である。
上述の本実施形態のクランクシャフト用鋼及び非調質クランクシャフトの製造方法の一例を説明する。
表1に示す化学組成を有する試験番号1〜26の溶鋼を、70トン転炉を用いて製造した。
製造された直径90mmの棒鋼に対してピーリング加工を実施して、直径80mmの棒鋼の試験材を製造した。製造された試験材に対して、切削加工の一種である旋削加工を実施した。切削工具として、コーティング処理されていないP種超硬工具を使用した。切削速度:160m/min、送り速度:0.25mm/rev、切込み:2.0mm、及び、潤滑油無しでの条件で旋削加工を実施した。上記の条件で30分間旋削加工を実施して、旋削加工後の切削工具のフランク摩耗量(mm)を測定した。
直径90mmの棒鋼の横断面において、棒鋼の外周面と中心軸との間の距離R(半径)を二等分する位置を、R/2位置と定義した。直径90mmの棒鋼のR/2位置を中心とした、直径30mm、長さ70mmの丸棒試験片を、直径90mmの棒鋼から採取した。丸棒試験片の長さ方向は、直径90mmの棒鋼の軸方向と平行とした。丸棒試験片の長さ中央位置の外周面において、円周方向に延びる溝(深さ5mm、幅10mm)を形成した。
図2に示すとおり、直径90mmの棒鋼のR/2位置を中心軸として有し、その中心軸が鍛錬軸に平行である、小野式回転曲げ疲労試験片(以下、単に疲労試験片という)を、直径90mmの棒鋼から採取した。図2を参照して、疲労試験片の横断面は円形状であり、疲労試験片は、環状溝を含む直径10mmの平行部を有していた。環状溝は平行部の中央に形成され、環状溝の断面は、半径1.5mmの半円弧であった。図2中の数値は、寸法を意味する。
試験結果を表2に示す。
Claims (4)
- 質量%で、
C:0.37〜0.50%、
Si:0.15〜0.79%、
Mn:1.15〜1.40%、
P:0.040%以下、
S:0.040〜0.10%、
Cr:0.10〜0.30%、
Al:0.022〜0.050%、
Ti:0.005〜0.025%、
V:0.20〜0.30%、
N:0.0080〜0.0180%、
Mo:0〜0.30%、
Cu:0〜0.8%、及び、
Ni:0〜0.50%を含有し、残部がFe及び不純物からなり、
式(1)〜式(3)を満たす、非調質クランクシャフト用鋼。
0.86≦C+Si/7+Mn/5+Cu/15+Ni/15+Cr/9+Mo/4+V≦1.10 (1)
Ti/N≦1.5 (2)
521−353C−22.0Si−24.3Mn−7.7Cu−17.3Ni−17.7Cr−25.8Mo≧305 (3)
ここで、式(1)〜式(3)の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。元素が含有されない場合、対応する元素記号には、「0」が代入される。 - 請求項1に記載の非調質クランクシャフト用鋼であって、
Mo:0.05〜0.30%を含有する、非調質クランクシャフト用鋼。 - 請求項1又は請求項2に記載の非調質クランクシャフト用鋼であって、
Cu:0.05〜0.8%、及び、
Ni:0.01〜0.50%を含有する、非調質クランクシャフト用鋼。 - 質量%で、
C:0.37〜0.50%、
Si:0.15〜0.79%、
Mn:1.15〜1.40%、
P:0.040%以下、
S:0.040〜0.10%、
Cr:0.10〜0.30%、
Al:0.022〜0.050%、
Ti:0.005〜0.025%、
V:0.20〜0.30%、
N:0.0080〜0.0180%、
Mo:0〜0.30%、
Cu:0〜0.8%、及び、
Ni:0〜0.50%を含有し、残部がFe及び不純物からなり、
式(1)〜式(3)を満たす化学組成を有し、クランクピン、クランクジャーナル、クランクアーム、ピンフィレット部及びジャーナルフィレット部を備える、非調質クランクシャフト。
0.86≦C+Si/7+Mn/5+Cu/15+Ni/15+Cr/9+Mo/4+V≦1.10 (1)
Ti/N≦1.5 (2)
521−353C−22.0Si−24.3Mn−7.7Cu−17.3Ni−17.7Cr−25.8Mo≧305 (3)
ここで、式(1)〜式(3)の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。元素が含有されない場合、対応する元素記号には、「0」が代入される。
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