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JP2005344149A - 大型鍛鋼品用高強度鋼およびクランク軸 - Google Patents

大型鍛鋼品用高強度鋼およびクランク軸 Download PDF

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Abstract

【課題】 高強度Ni−Cr−Mo鍛鋼品用鋼として提案されている3.5NiCrMo鋼に比べて低コストであり、しかも実用化されているDIN規格34CrNiMo6などに比べて優れた強度や靭性を有する大型鍛鋼品用高強度鋼を提供し、或は更に大型鍛鋼品用高強度鋼を用いた安価で強度、靭性に優れた大型クランク軸を提供する。
【解決手段】 大型鍛鋼品用高強度鋼であって、C:0.30〜0.50%(質量%を意味する、以下同じ)、Si:0.15超〜0.40%、Mn:0.80〜1.20%、Ni:0.80〜2.5%、Cr:1.0〜3.0%、Mo:0.35〜0.70%、V:0.10〜0.25%を夫々含し、残部がFeおよび不可避不純物からなる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、船舶用や発電機に使用されるディーゼル機関等に用いられる、一体型、鍛鋼製組立型の大型クランク軸の製造用の大型鍛鋼品用高強度鋼およびクランク軸に関し、殊に高価な合金元素であるNi含有量が少なく、低コストで高強度を有する大型鍛鋼品用高強度鋼およびこうした特性発揮する大型クランク軸に関するものである。
船舶用ディーゼルエンジンや発電用ディーゼルエンジンの出力向上、コンパクト化を実現するために、これらの部品に使用する鋼材の高強度化が必要となっている。こうした部品は鍛造用鋼を鍛造して製造されるのが一般的であるが、こうした鍛造用鋼の引張強さの上限は950N/mm2程度であり、上記要求に応えるためには、1000N/mm2以上の強度を有する鍛造用鋼が要求されている。
1000N/mm2以上の強度を有する大型鍛鋼品用鋼としては、ロータで使用されている3.5NiCrMo鋼などが知られている(例えば、非特許文献1)。この鋼材は、強度や靭性などにおいては最も優れていることから、高負荷を受ける発電機用ローター(回転軸)として使用されている。
しかしながら上記鋼種は、強化用の合金元素として高価なNiが多量に含有されると共に、靭性確保のために二段焼き戻し処理を行ったり、粒径微細化のための特殊な焼入れ前処理を行うことが好ましいとされ、コストが高くなるという問題がある。
一方、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DIN規格の34CrNiMo6、同32CrMo12、ISO規格42CrMo4などに代表されるCr−Mo鋼が使用されてきた。これらの鋼種は、上記3.5NiCrMo鋼と比べてNi含有量が少ないものであり、比較的低コストであるという利点を有しているものの、上記鋼種と比べて強度や靭性などにおいては近年の要求に応え得るものとなっていないのが実情である。
「鉄と鋼」 vol.89(2003)No.6、Table2等
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鍛鋼品用鋼として提案されている3.5NiCrMo鋼に比べて低コストであり、しかも実用化されているDIN規格34CrNiMo6などに比べて優れた強度や靭性を有する大型鍛鋼品用高強度鋼を提供し、或は更に大型鍛鋼品用高強度鋼を用いた安価で強度、靭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大型鍛鋼品用高強度鋼とは、C:0.30〜0.50%(質量%を意味する、以下同じ)、Si:0.15超〜0.40%、Mn:0.80〜1.20%、Ni:0.80〜2.5%、Cr:1.0〜3.0%、Mo:0.35〜0.70%、V:0.10〜0.25%を夫々含し、残部がFeおよび不可避不純物からなる点に要旨を有するものである。
本発明の大型鍛鋼品用高強度鋼においては、金属組織の結晶粒度がASTMによる粒度番号で2〜6であることが好ましい。また、本発明の大型鍛鋼品用高強度鋼は、オーステナイト化した鋼材を、200℃以下まで焼入れした後、焼戻し処理したものであることが好ましい。
上記のような大型鍛鋼品用高強度鋼を鍛造することによって、希望する特性を有する大型クランク軸が得られる。こうしたクランク軸は、船舶用または発電機に使用されるディーゼル機関用クランク軸として有用である。
本発明の鍛鋼品用高強度鋼では、高強度Ni−Cr−Mo鍛鋼品用鋼として提案されている3.5NiCrMo鋼に対し、Ni含有量を抑えてコスト低減を図ると共に、Si,Mn,Cr等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鋼品用鋼を提供し得ることになった。しかもこの鍛鋼品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、大型鍛鋼品の素材として有効に活用することができ、特に船舶や発電機に使用されるディーゼル機関用のクランク軸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系の高強度鍛鋼品用鋼として知られている特に3.5NiCrMo鋼を対象とし、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鋼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鋼品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Ni―Cr−Mo系の鍛鋼品用鋼において、強化元素としてのNi量をできるだけ抑えると共に、Si,Mn,Cr等の元素を適正量含有させたものは、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鋼品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。
即ち、Niは、前述した如く鍛鋼品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鋼品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量をできるだけ低減しつつ、従来のNi−Cr−Mo系鍛鋼品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2.5%以下に抑えることが望まれる。
本発明の鍛鋼品用鋼は、上記の様にNi含有量が制限され、それに代わってSi,Mn,Cr等の合金元素を適正量含有させたところに特徴を有するものであるが、これらの成分も含めて本発明で規定する化学成分組成の限定理由は次の通りである。
C:0.30〜0.50%
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0.30%以上含有させる必要がある。しかしながら、C含有量が過剰になると靭性を極端に低下させると共に、大型鋳塊では逆V偏析を助長するので、0.50%以下に抑えるのがよい。
Si:0.15超〜0.40%
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%を超えて含有させる必要がある。しかしながら、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、0.40%以下にする必要がある。
Mn:0.80〜1.20%
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0.80%以上含有させる必要がある。しかしながら、Mn含有量が過剰になると逆V偏析を助長するので、1.20%以下にする必要がある。
Cr:1.0〜3.0%
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、それらの効果を有効に発揮させるためには1.0%以上含有させる必要がある。しかしながら、過剰に含有されると、逆V偏析を助長して高清浄鋼の製造を困難にするので、3.0%以下とする必要がある。
Mo:0.35〜0.70%
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0.35%以上含有させる必要があり、これより少なくなると逆V偏析を助長することにもなるので望ましくない。しかしながら、Mo含有量が過剰になると、鋼塊中のミクロ偏析を助長することになり、またMoは重い元素であり、重量偏析が発生しやすくなるので、0.70%以下とする必要がある。
V:0.10〜0.25%
Vは少量で焼入れ性、強度を向上させるのに有効に作用する元素であり、こうした効果を発揮させるためには0.10%以上含有させる必要がある。しかしながら、Vは平衡分配係数が低いので、過剰に含有されるとミクロ偏析(正常偏析)が発生しやすくなるので、0.25%以下とする必要がある。
本発明で使用される鍛鋼品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、該鍛鋼品用鋼中には微量の不可避不純物(例えば、P,O,N,Al等)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、Ti,Ca,Mg,S等が挙げられるが、粗大介在物の生成抑制という観点からして合計で0.5%程度以下に抑えることが望ましい。
ところで、結晶粒径を微細化すれば鋼材の靭性が改善されることは良く知られている。結晶粒径を微細化するためには、その前提としてオーステナイト化処理が必要であるが、大型鍛鋼品のオーステナイト化処理では、内部までオーステナイト変態させるためには、保持時間が長時間となる。そのため、大型になればなるほど内部での粒径差が生じやすくなり、粒径微細化のために二段以上の多段オーステナイト化等の特殊な処理が施される場合がある。
一方、鋼材の靭性を改善する手段としてはNiを含有させることが有用であることも知られているが、Ni含有量が多くなり過ぎると結晶粒が粗大化する傾向があると共に、焼入れ時にオーステナイトが残留しやすくなる。焼入れ時に残留オーステナイトが多量に存在する、その後の焼戻し時にマルテンサイト変態し、硬くて脆い組織が混在することになって、靭性を劣化させることがある。こうしたことから、厳しい靭性が要求される場合には、焼戻し時に生成したマルテンサイトを再度焼戻す必要が生じ、二段の焼戻し処理が行われることもある。
本発明者らは、こうした観点から、結晶粒が粗大であっても十分な靭性が確保でき、しかも焼入れ時の残留オーステナイトを抑制し、靭性確保のための二段焼入れなどの特殊な処理が不要となるような鋼材の開発を目指して検討を重ねた。その結果、上記のような化学成分組成を有する鍛鋼品用高強度鋼では、金属組織の結晶粒度がASTMで6番以下であっても十分な靭性が確保され、しかも1回の焼戻し処理でも十分であることが明らかになったのである。但し、ASTMの結晶粒度番号で2未満となると、結晶粒の粗大化が顕著になって鍛鋼品材の靭性が劣化することになるので、少なくとも結晶粒度は2以上であることが好ましい。
船舶用または発電機に使用されるディーゼル機関用クランク軸は、そのジャーナル径が小さいものでも約150mmあり、自動車用のクランク軸(例えば、15mm程度)と比べて極めて大きいものとなる。また、大型鍛鋼品では、水焼入れを行うと割れる危険性があることから、大型クランク軸の焼入れは油冷、ポリマー焼入れ、空冷等が一般的である。本発明で対象とする大型クランク軸では、焼入れの際の冷却速度はクランク軸の直径によっても異なるが、油焼入れの場合には50℃/分以下であり、直径500mmクラスのものでは約20℃/分程度となり、それより更に大きい直径(例えば、1000mm)になると冷却速度は更に小さなものとなる。
大型鍛鋼品用高強度鋼における強度および靭性を両立させるためには、ベイナイトとマルテンサイトからなる組織に制御することが好ましく、直径150mm以上の大型クランク軸に適用するために焼入れ冷却速度が20℃/分程度であっても(油焼入れの場合)こうした組織を実現するための条件について検討した結果、上記のような化学成分組成に到達したのである。
尚、より大型のクランク軸となると、油焼入れでは希望する焼入れ冷却速度(20℃/分)が達成されないことがあるので、こうした場合には上記「ポリマー焼入れ」を実施することが推奨される。このポリマー焼入れは、グリコール類(例えば、ジエチレングリコールやポリエチレングリコール等)等の有機溶媒を水に溶解させたものを冷却媒体として使用して冷却するものであるが、こうしたポリマー焼入れでは、油焼入れよりも高い冷却速度を実現できることになる。従って、ポリマー焼入れは、水焼入れによる割れ発生を防止しつつ、大きな冷却速度を実現して比較的大型の大型鍛鋼品に対して20℃/分よりも大きい冷却速度を実現するために有用な冷却方式である。
また、焼入れに際しては、完全に変態を完了させるという観点からして、オーステナイト化した鋼材を、200℃以下まで焼入れした後、焼戻しすることが好ましい。この焼入れ温度(即ち、焼戻し開始温度)が200℃を超えると、未変態の残留オーステナイトが残存し、特性ばらつきの原因となる。
本発明に係る鍛鋼品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、比較的小型の鍛鋼品の場合は連続鋳造法を採用することも可能である。
また鍛鋼品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等、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。こうして得られたクランク軸は、船舶用または発電機に使用されるディーゼル機関用クランク軸として有用である。
以下実施例によって本発明の作用効果をより具体的に示すが、下記実施例は本発明を制限するものではなく、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。
実施例1
下記表1に示す化学成分組成を有する鍛鋼品用鋼を、高周波炉を用いて溶製し、直径158〜132×長さ323mmの鋼塊(40kg)を鋳造した。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×600mmにまで鍛伸した後、大気中で放冷した。
Figure 2005344149
素材が室温になった後、直径500mmのクランク軸の表面下50mm(直径の1/10)位置に相当する加熱・冷却速度を模擬した焼入れ処理を施した。具体的には、小型シミュレート炉を用いて、昇温速度40℃/時で870℃まで昇温し、その温度で1時間保持後、870〜500℃の温度範囲の平均冷却速度が20℃/分となる冷却で、オーステナイト化処理を実施した。また、焼戻し処理として、580〜630℃の温度で13時間保持し、炉冷した後各鍛鋼品用鋼の機械的性質を下記の方法によって測定した。また金属組織における結晶の大きさをASTMに基づいて求めた(結晶粒度番号)。
[機械的性質の測定方法]
(A)各鋼材についてJIS Z2241に基づいて引張試験を実施した。このとき試験片形状は、JIS Z2201の14号試験片でφ6×G.30とし、機械的性質[降伏応力(YS)、引張強さ(TS)、伸び(EL)、絞り(RA)]を測定した。
(B)また1000N/mm2以上の引張強さTSが得られた鋼種について、シャルピー衝撃試験を実施した。シャルピー衝撃試験はJIS Z2242に基づいて実施し、吸収エネルギーvEを測定した。このときの試験片形状は、JIS Z2202の2mmVノッチを採用した。また同一強度における靭性を評価するために、下記に示す計算方法によって1000N/mm2での吸収エネルギーvEat(1000N/mm2)を求め、靭性の評価を行った。
1000N/mm2前後となる焼戻し温度における吸収エネルギーをEu,Edとし、夫々の引張強さをSu、Sdとする。
Eu:1000N/mm2以上の強度が得られる焼戻し温度(Td)での吸収エネルギー
Su:上記における引張強さ
Ed:1000N/mm2以下の強度となる焼戻し温度(Td)での吸収エネルギー
Sd:上記における引張強さ
vEat(1000N/mm2
=Eu+(Ed−Eu)/(Su−Sd)×(Su−1000)
これらの結果を、焼入れ温度および焼戻し温度と共に、下記表2に示すが、この結果から次のように考察できる。まず試験No.1〜3、13、14のものでは、本発明で規定する化学成分のいずれかが規定範囲を外れるものであり、いずれも引張強さTSが1000N/mm2に達していない(強度未達)ことが分かる。
これに対して、本発明で規定する範囲を満足する試験N.4〜12のものでは、1000N/mm2以上の引張強さが得られていることが分かる。またこれらのものでは、シャルピー吸収エネルギーvEは、Ni含有量に依存する傾向があることが確認された。
尚、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ところ、いずれもフェライト・パーライトの面積分率は実質的にゼロであり、ベイナイトおよびマルテンサイトからなる組織であることを確認した。
Figure 2005344149
この結果に基づいて、1000N/mm2での吸収エネルギーに換算した値とNi含有量の関係を図1に示す。また、Ni含有量と結晶粒度番号の関係を図2に示す。図1から明らかなように、Ni含有量が0.80%以上2.5%以下で良好な衝撃特性が得られていることが分かる。一般にNi含有量が多くなると共に靭性が向上することが知られており、Ni含有量が0.8%以上でNiによる効果が顕著に現れたものと考えられる。一方、Ni含有量が2.5%よりも多くなると、靭性が却って低下していることが分かる。これは、図2に示すように、Ni含有量の増大に伴って結晶粒径が大きくなり、こうした結晶粒粗大化によって靭性が低下したものと考えられた。また、図1、2から明らかなように、結晶粒度番号が2以上であれば良好な靭性が確保できることが分かる。
実施例2
大型鍛鋼品では、焼入れ・焼戻しの工程で変形能力や熱応力による割れ防止の観点から、室温まで降温させずに200〜300℃まで冷却した後、連続的に焼戻し処理を実施するのが一般的である。
こうした観点から、表2の試験No.1,9のものについて(表1の鋼種A,I)、焼戻し開始温度(焼入れ終了温度)が機械的性質[引張強さ(TS)、0.2%耐力(0.2PS)、伸び(EL)、絞り(RA)、吸収エネルギー(vE)]に与える影響について調査した(他の条件は実施例と同じ)。その結果を、下記表3に示す。また、この結果に基づいて、焼戻し開始温度と引張強さTSの関係を図3に、焼戻し開始温度と衝撃値(吸収エネルギー)の関係を図4に夫々示す。
Figure 2005344149
これらの結果から、次のように考察できる。試験No.1のものでは、焼戻し開始温度の影響がそれほど認められないが、試験No.9のものでは焼戻し開始温度の影響が明瞭に認められる。こうした結果によって、焼戻し開始温度(焼入れ終了温度)を200℃以下とすることによって、靭性を劣化させずに強度を安定して確保できることが確認できた。
また、本発明で規定する化学成分において、引張強さが焼戻し開始温度の影響を受ける要因は明らかでないが、本発明で規定する成分範囲では完全なベイナイト組織とはならず、部分的にマルテンサイト組織となり、焼戻し開始温度がこのような変態組織の生成に影響をしているものと考えられる。
1000N/mm2での吸収エネルギーに換算した値とNi含有量の関係を示すグラフである。 Ni含有量と結晶粒度番号の関係を示すグラフである。 焼戻し開始温度と引張強さTSの関係を示すグラフである。 焼戻し開始温度と衝撃値(吸収エネルギー)の関係を示すグラフである。

Claims (5)

  1. 大型鍛鋼品用高強度鋼であって、C:0.30〜0.50%(質量%を意味する、以下同じ)、Si:0.15超〜0.40%、Mn:0.80〜1.20%、Ni:0.80〜2.5%、Cr:1.0〜3.0%、Mo:0.35〜0.70%、V:0.10〜0.25%を夫々含し、残部がFeおよび不可避不純物からなることを特徴とする大型鍛鋼品用高強度鋼。
  2. 金属組織の結晶粒度がASTMによる粒度番号で2〜6である請求項1に記載の大型鍛鋼品用高強度鋼。
  3. オーステナイト化した鋼材を、200℃以下まで焼入れした後、焼戻し処理したものである請求項1または2に記載の大型鍛鋼品用高強度鋼。
  4. 請求項1〜3のいずれかに記載の大型鍛鋼品用高強度鋼を鍛造して得られたものである大型クランク軸。
  5. 船舶用または発電機に使用されるディーゼル機関用クランク軸である請求項4に記載のクランク軸。

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