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JP2008144200A - 軟窒化鋼製品の製造方法 - Google Patents

軟窒化鋼製品の製造方法 Download PDF

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JP2008144200A JP2006330364A JP2006330364A JP2008144200A JP 2008144200 A JP2008144200 A JP 2008144200A JP 2006330364 A JP2006330364 A JP 2006330364A JP 2006330364 A JP2006330364 A JP 2006330364A JP 2008144200 A JP2008144200 A JP 2008144200A
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Shinsaku Fukuda
晋作 福田
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Isuzu Motors Ltd
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Isuzu Motors Ltd
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Abstract

【課題】調質処理を施すことなく、軟窒化処理のみで、高い曲げ疲労限度及び優れた曲げ矯正性が得られる軟窒化鋼製品の製造方法を提供するものである。
【解決手段】本発明に係る軟窒化鋼製品の製造方法は、質量％で、
Ｃ：０．４０〜０．４６％、
Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、
Ｍｎ：１．３０〜１．７０％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｒ：０．３５％以下、
Ｎｉ：０．２５％以下、
Ｃｕ：０．３０％以下、
を含有し、
残部がＦｅ及び不純物である鋼材に、熱間で鍛造加工を施して製品粗材を鍛造形成した後、その製品粗材に調質処理を施すことなく軟窒化処理のみを施すものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、軟窒化鋼製品の製造方法、特に、自動車のクランク軸製品の製造方法に関するものである。
自動車のクランク軸は、処理の仕方により、軟窒化クランク軸と高周波クランク軸に大別される。
従来のクランク軸は、例えば、熱間鍛造→調質処理→軟窒化処理又は高周波焼入れ処理→曲り直しの工程を経て製造されている。曲り直しは、軟窒化処理によって生じた変形を、逆方向の曲げ変形を加えることによって矯正する曲げ矯正加工である。
近年、クランク軸の製造コスト低減のため、調質処理無しでも従来と同等の機械的特性が得られる非調質鋼をクランク軸用鋼として採用することが実施されている（非調質鋼化）。この非調質鋼には、調質処理を実施しなくても良好な機械的特性が得られるように、Ｖなどの特殊元素が添加されている。
非調質鋼を用いた軟窒化クランク軸の場合では、軟窒化処理後、Ｖの影響によって窒化層（化合物層）が硬くなり過ぎるため、その後に曲り直しなどを行うことができなくってしまう。つまり、非調質鋼を用いた軟窒化クランク軸の場合、軟窒化処理後の製造性が悪くなってしまう。
そこで、Ｖを含まない鋼で構成された非調質のクランク軸で、かつ、高い曲げ疲労限度及び優れた曲げ矯正性を確保した軟窒化非調質クランク軸が提案されている（特許文献１，２）。
特開２００１−２５４１４３号公報 特開平１０−０４６２８７号公報
特許文献１記載のクランク軸用窒化鋼は、Ｃｕ及びＮｉを比較的多く含有させると共に、数種類の微量元素を含有させることで、クランク軸としての強度を確保している。
しかしながら、特許文献１記載のクランク軸用窒化鋼は、これらの元素の含有量を細かく規定していることから、その調整に手間を要し、製造時間及び製造コストの上昇を招くという問題があった。
そこで本発明の目的は、調質処理を施すことなく、軟窒化処理のみで、高い曲げ疲労限度及び優れた曲げ矯正性が得られる軟窒化鋼製品の製造方法を提供することにある。
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、質量％で、
Ｃ：０．４０〜０．４６％、
Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、
Ｍｎ：１．３０〜１．７０％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｒ：０．３５％以下、
Ｎｉ：０．２５％以下、
Ｃｕ：０．３０％以下、
を含有し、
残部がＦｅ及び不純物である鋼材に、熱間で鍛造加工を施して製品粗材を鍛造形成した後、その製品粗材に調質処理を施すことなく軟窒化処理のみを施すことを特徴とする軟窒化鋼製品の製造方法である。
請求項２の発明は、上記製品粗材がクランク軸粗材である請求項１記載の軟窒化鋼製品の製造方法である。
請求項３の発明は、上記軟窒化処理が、Ｎ2ガスとＮＨ3ガスの混合ガス雰囲気下で加熱処理を施すガス軟窒化処理である請求項１又は２記載の軟窒化鋼製品の製造方法である。
請求項４の発明は、上記軟窒化処理後、曲げ矯正加工を施す請求項１から３いずれかに記載の軟窒化鋼製品の製造方法である。
鋼材に、熱間鍛造加工を施した後、調質処理を行わずに、直接、軟窒化処理を施してなる軟窒化鋼製品は、従来の調質処理を行った軟窒化鋼製品と同等以上の高い曲げ疲労限度及び優れた曲げ矯正性を有する。
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基いて説明する。
本発明者が鋭意研究した結果、Ｖを含む従来の非調質鋼を用いず、かつ、熱間鍛造後に調質処理を施すことなく軟窒化処理を施すのみで、十分な強度及び良好な製造性が得られ、かつ、安価な軟窒化鋼製品のための製造方法を見出した。
本実施の形態においては、軟窒化鋼製品、具体的には軟窒化クランク軸を構成するための鋼材として、自動車の足廻り部品に用いられている既存の鋼材、具体的には焼入れ性を保証した構造用鋼鋼材（Ｈ鋼）であるＳＭｎ４４３Ｈ（ＪＩＳ規格、ＡＳＭｎ４４３Ｈとも言う）を用いることに特徴がある。
本実施の形態に係る製造方法に用いる鋼材は、このＳＭｎ４４３Ｈで構成され、かつ、軟窒化処理を施してなる軟窒化鋼製品に用いられる鋼材であり、質量％で、
Ｃ：０．４０〜０．４６％、
Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、
Ｍｎ：１．３０〜１．７０％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｒ：０．３５％以下、
Ｎｉ：０．２５％以下、
Ｃｕ：０．３０％以下、
を含有し、
残部がＦｅ及び不純物のものである。ここで、ＳＭｎ４４３Ｈは、Ｖを含有しないことが規格で定められたものである。よって、当然のことながら、本実施の形態に係る製造方法に用いる鋼材においても、Ｖは含まない。
一方、従来のＳＭｎ４４３Ｈで構成される足廻り部品は、ＳＭｎ４４３Ｈの鋼材に、熱間で鍛造加工を施して足廻り部品粗材を鍛造形成した後、その足廻り部品粗材に調質処理（焼入れ・焼戻し処理）を施し、その後、高周波焼入れ処理を施すことで製造される高周波鋼製品であった。
これに対して、本実施の形態に係る軟窒化鋼製品は、ＳＭｎ４４３Ｈで構成される鋼材に、熱間で鍛造加工を施して製品粗材を鍛造形成した後、その製品粗材に調質処理（焼入れ・焼戻し処理）を施すことなく、直接、軟窒化処理を施すことで製造されるものである。軟窒化処理後の軟窒化鋼製品には、順次、曲げ矯正加工としての曲り直し、仕上げ加工が施され、最終製品が得られる。また、熱間鍛造処理と軟窒化処理の間に粗加工を施してもよい。
軟窒化処理（ガス軟窒化処理）は、例えば、Ｎ2ガス雰囲気下又はＲＸガス（吸熱型変成ガス）とＮＨ3ガスの比（ＮＨ3ガス／ＲＸガス）が０．８〜１．２の雰囲気下、５８０〜６００℃×１〜５ｈｒ（好ましくは５７０℃×３ｈｒ）の加熱処理を施した後、油冷するという条件で行われる。例えば、ＲＸガスは、ＣＯ２０％、Ｈ2４０％、Ｎ2４０％という組成のガスである。また、熱間鍛造は、加熱温度１１５０〜１２５０℃の範囲、好ましくは１２５０℃で行われる。
次に、本実施の形態の作用を説明する。
本実施の形態の製造方法で得られた軟窒化鋼製品（以下、本軟窒化鋼製品という）は、既存のＨ鋼（ＳＭｎ４４３Ｈ）で構成されるものであるが、調質処理（焼入れ・焼戻し処理）を施さないものであるから、軟窒化処理前の段階では、従来の調質軟窒化鋼製品（以下、従来軟窒化鋼製品という）よりも機械的特性が劣っている。ここで言う本軟窒化鋼製品は、ＳＭｎ４４３Ｈで構成される鋼材に、順に、鍛造加工（１２５０℃加熱）→粗加工→軟窒化処理（５７０℃×３ｈｒ）→曲り直し→仕上げ加工を施したものであり、また、従来軟窒化鋼製品は、既存の軟窒化処理用の調質鋼（Ｓ５０Ｃ）で構成される鋼材に、順に、鍛造加工（１２５０℃加熱）→調質処理（８５０℃加熱→水焼入れ，６００℃焼戻し）→粗加工→軟窒化処理（５７０℃×３ｈｒ）→曲り直し→仕上げ加工を施したものである。
ところが、本実施の形態に係る製造方法に用いる鋼材に軟窒化処理を施すことで、本軟窒化鋼製品は製品表面に窒化層が形成され、焼入れ・焼戻し処理を施さなくても製品の強度が改善され、従来軟窒化鋼製品と同等以上の機械的特性、すなわち高い曲げ疲労限度及び優れた曲げ矯正性が得られるようになる。例えば、高い曲げ疲労限度としては、小野回転式曲げ試験において±３７５ＭＰａが±５５０ＭＰａ以上となる。
また、本実施の形態に係る製造方法に用いる鋼材（既存のＨ鋼）は、Ｖを含まないことから、軟窒化処理を施しても、窒化層（及び／又は窒化層直下の拡散層の表面硬さ）が硬くなり過ぎるおそれはなく、その後、容易に曲り直しを行うことができる。さらに、本実施の形態に係る製造方法に用いる鋼材は、前述した特許文献１，２記載のクランク軸用鋼（軟窒化用鋼）と比較して多量のＭｎ（Ｍｎ含有量：１．３０〜１．７０ｍａｓｓ％）を含ませており、これによって疲労強度の向上が図れる。また、本実施の形態に係る製造方法に用いる鋼材は、既存のＨ鋼、すなわち汎用品を軟窒化処理用の非調質鋼として用いるものであるため、前述した特許文献１，２記載のクランク軸用鋼（軟窒化用鋼）と比較して、原料コストを大幅に低減することができる。
更に、図１に本軟窒化鋼製品の曲り直し試験結果の一例を示すように、線１で示す本軟窒化鋼製品は、発生歪み１７２００μまで亀裂が発生せず、従来と同等以上の曲がり直し性を有している。
また、図２に本軟窒化鋼製品及び従来軟窒化鋼製品の小野回転式曲げ労試験結果の一例を示すように、線１で示す本軟窒化鋼製品及び線２で示す従来軟窒化鋼製品の疲労回数が１．０×１０7回となる応力振幅はそれぞれ５５０ＭＰａ、３７５ＭＰａである。このことからわかるように、本軟窒化鋼製品１は、従来軟窒化鋼製品２と比較して疲労強度が約４５％も向上していた。よって、本軟窒化鋼製品１でクランク軸を製造する際、クランク軸サイズを従来と同サイズにした場合はエンジン出力の向上を図ることが可能となり、クランク軸の疲労強度を従来と同レベルにした場合はクランク軸の軽量化を図ることが可能となる。
更に、本実施の形態に係る製造方法に用いる鋼材は、その用途をクランク軸だけに限定するものではなく、軟窒化処理を施した後に曲げ矯正加工が施されることが多い部品の素材としても適用可能である。
本発明の好適一実施の形態に係る軟窒化鋼製品の曲り直し試験結果の一例を示す図である。 本発明の好適一実施の形態に係る軟窒化鋼製品の疲労試験結果の一例を示す図である。
符号の説明
１ 本軟窒化鋼製品（軟窒化鋼製品）

Claims (4)

  1. 質量％で、
    Ｃ：０．４０〜０．４６％、
    Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、
    Ｍｎ：１．３０〜１．７０％、
    Ｐ：０．０３０％以下、
    Ｓ：０．０３０％以下、
    Ｃｒ：０．３５％以下、
    Ｎｉ：０．２５％以下、
    Ｃｕ：０．３０％以下、
    を含有し、
    残部がＦｅ及び不純物である鋼材に、熱間で鍛造加工を施して製品粗材を鍛造形成した後、その製品粗材に調質処理を施すことなく軟窒化処理のみを施すことを特徴とする軟窒化鋼製品の製造方法。
  2. 上記製品粗材がクランク軸粗材である請求項１記載の軟窒化鋼製品の製造方法。
  3. 上記軟窒化処理が、Ｎ2ガスとＮＨ3ガスの混合ガス雰囲気下で加熱処理を施すガス軟窒化処理である請求項１又は２記載の軟窒化鋼製品の製造方法。
  4. 上記軟窒化処理後、曲げ矯正加工を施す請求項１から３いずれかに記載の軟窒化鋼製品の製造方法。
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