JP3988662B2

JP3988662B2 - 非調質鋼

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Publication number: JP3988662B2
Application number: JP2003073038A
Authority: JP
Inventors: 達也長谷川; 宏二渡里
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2023-03-18
Also published as: JP2004277840A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非調質鋼に関し、詳しくは、被削性及び破断分割性に優れるとともに耐疲労特性も良好で、自動車エンジンなどのコネクティングロッドの素材として好適な被削性、破断分割性及び耐疲労特性に優れた非調質鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車エンジンなどのコネクティングロッド（以下、コンロッドという）は、ピストンとクランクシャフトを連結するエンジン部品であり、爆発力を駆動軸に伝達する役割を担っている。このため、コンロッドには高い疲労限度（以下、疲労強度ともいい、σｗの記号で表す）が要求される。特に、近年のエンジンの高出力化にともなって、コンロッドに要求される疲労強度はますます大きくなっている。また、コンロッドのボルト穴及び、ピストンやクランクシャフトと連結する部分は切削加工されるため、その素材には良好な被削性が要求される。
【０００３】
ＪＩＳに規定されたＳ４８Ｃ等の機械構造用炭素鋼は、これに焼入れ−焼戻しのいわゆる調質処理を施せば、安定して大きな疲労限度比（疲労限度σｗを引張強さＴＳで除した値で、以下、耐久比ともいい、σｗ／ＴＳの記号で表す）が確保できる。このため、従来のコンロッドは、Ｓ４８Ｃ等の機械構造用炭素鋼を調質処理して製造されてきた。
【０００４】
しかしながら、最近の厳しい経済情勢を反映して、各種自動車部品の製造コスト低減の動きが活発化しており、この動きはエンジン部品であるコンロッドにおいても例外ではなくなってきている。このため、製造コストが嵩む焼入れ−焼戻しの調質処理を行うことなく、つまり非調質で、前記機械構造用炭素鋼を調質処理した場合と同等の耐久比が得られるコンロッドに対する要望が大きくなり、一部の車種では採用され始めた。
【０００５】
図１にコンロッドを示すが、従来のコンロッド１は、別の工程で熱間鍛造されたコンロッド本体２とコンロッドキャップ３に対して、切削加工によるボルト穴の加工と仕上げ整形加工を施し、その後でボルト４によって形状の複雑なクランクシャフトに結合して組み立てるという工程を経る必要がある。したがって、非調質化は達成できても、次に述べる「クラッキングコンロッド」ほどにはコスト低減の点で満足のいくものではない。
【０００６】
つまり、最近では、非調質鋼化に加えて、更に一層の製造コスト低減のために、コンロッド本体２とコンロッドキャップ３の両者を熱間鍛造で一体成形した後、大端部５でコンロッド本体２とコンロッドキャップ３にクラッキング（分割）するいわゆる「クラッキングコンロッド」が検討されている。
【０００７】
なお、上記のクラッキングには、一体成形材の分割したい部位である大端部５の穴（例えば図１におけるＮ部）に治具を挿入し、応力を負荷して破断させる方法が適用される。
【０００８】
クラッキングされたコンロッド１（つまり、クラッキングコンロッド）は、クラッキングした際の破断面が平滑な脆性破面であれば、それをクランクシャフトと連結する際には、コンロッド本体２とコンロッドキャップ３とでクランクシャフトを挟み込んだ後、破断面を合わせ、コンロッド本体２とコンロッドキャップ３とをボルト４で連結するだけでよい。
【０００９】
したがって、クラッキングコンロッドは、その破断面が平滑な脆性破面であれば、クランクシャフトを挟む部分である合わせ面の切削加工が不要になって製造コストを低減することができるし、破断面で連結が行われるために締結剛性すなわち強度に優れている。
【００１０】
上記のクラッキングコンロッドについては、特許文献１に開示された質量％で０．７％程度のＣ（炭素）を含む非調質鋼を素材とするものが欧州で既に実用化されている。しかし、上記の欧州で実用化されたコンロッドは従来の機械構造用炭素鋼を調質処理したコンロッドに比べて耐久比が劣り、耐疲労特性の面では必ずしも産業界の要望に応えきれていない。
【００１１】
そこで、欧州で実用化されているものと同等以上の破断分割性（以下、クラッキング性という）を有するとともに、非調質の状態で、調質処理したコンロッドと少なくとも同等の耐久比を有し、且つ、被削性にも優れたコンロッド用鋼に対する要望が極めて大きくなっている。
【００１２】
特許文献２〜１５には、鋼の化学組成を制御してクラッキング性を高めた「低延性非調質鋼」、或いは、化学組成と炭硫化物を制御してクラッキング性と被削性を高めた「低延性非調質鋼」が開示されている。しかし、この特許文献２〜１５で提案されたいずれの非調質鋼も、必ずしも耐疲労特性に対する配慮がなされたものではない。
【００１３】
特許文献１６には、Ｃ含有量が重量％で０．２〜０．３５％未満の低炭素域で、Ｍｎの含有量を低減するとともに高Ｖ組成として延性の大きなフェライトを脆化させ、更に、粗大なＴｉＣ粒子を分散させることによって破断分離性を高めた「破断分離性と耐久強さに優れた機械構造用鋼」が開示されている。しかし、この公報で提案された機械構造用鋼は、被削性向上のために単にＳを重量％で、０．０１〜０．２％含有させただけのものであり、したがって、必ずしもコンロッドに要求される被削性を満足できるものではない。
【００１４】
【特許文献１】
米国特許第５１３５５８７号公報
【特許文献２】
特開平９−３５８９号公報
【特許文献３】
特開平９−３１５９４号公報
【特許文献４】
特開平９−１１１４１２号公報
【特許文献５】
特開平９−１７６７８５号公報
【特許文献６】
特開平９−１７６７８６号公報
【特許文献７】
特開平９−１７６７８７号公報
【特許文献８】
特開平１１−５０１８４号公報
【特許文献９】
特開平１１−１９９９６７号公報
【特許文献１０】
特開平１１−１９９９６８号公報
【特許文献１１】
特開平１１−２３６６４３号公報
【特許文献１２】
特開平１１−２８６７４６号公報
【特許文献１３】
特開平１１−２８６７５０号公報
【特許文献１４】
特開平１１−３０２７７８号公報
【特許文献１５】
特開２０００−３４５２９８号公報
【特許文献１６】
特開平１１−３１５３４０号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、その目的は、被削性及び破断分割性に優れるとともに耐疲労特性も良好で、自動車エンジンなどのコンロッドの素材として好適な非調質鋼を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記（１）〜（４）に示す非調質鋼にある。
【００１７】
（１）質量％で、Ｃ：０．２０〜０．４０％、Ｓｉ：０．０５〜１．５０％、Ｍｎ：０．３０〜２．００％、Ｐ：０．０７０％を超えて０．１５０％まで、Ｓ：０．０４０〜０．１３０％、Ｖ：０．１０〜０．５０％、Ｔｉ：０．１０％を超えて０．５０％まで、Ａｌ：０．００２〜０．１００％及びＮ：０．００２〜０．０２０％を含み、残部はＦｅ及び不純物からなり、下記▲１▼式で表されるＣeqの値が０．８０未満の化学組成で、組織がフェライトの割合が４０％以上であるフェライト・パーライト組織で、更に、フェライトの硬さがビッカース硬さで２５０以上、且つ、フェライトの硬さと全硬さの比が０．８０以上であることを特徴とする非調質鋼。
【００１８】
Ｃeq＝Ｃ＋（Ｓｉ／１０）＋（Ｍｎ／５）＋（５Ｃｒ／２２）＋１．６５Ｖ−（５Ｓ／７）・・・・・▲１▼、ここで、▲１▼式中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。
【００１９】
（２）質量％で、Ｃ：０．２０〜０．４０％、Ｓｉ：０．０５〜１．５０％、Ｍｎ：０．３０〜２．００％、Ｐ：０．０７０％を超えて０．１５０％まで、Ｓ：０．０４０〜０．１３０％、Ｖ：０．１０〜０．５０％、Ｔｉ：０．１０％を超えて０．５０％まで、Ａｌ：０．００２〜０．１００％、Ｎ：０．００２〜０．０２０％及びＣｒ：０．５０％以下を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、前記▲１▼式で表されるＣeqの値が０．８０未満の化学組成で、組織がフェライトの割合が４０％以上であるフェライト・パーライト組織で、更に、フェライトの硬さがビッカース硬さで２５０以上、且つ、フェライトの硬さと全硬さの比が０．８０以上であることを特徴とする非調質鋼。
【００２０】
（３）質量％で、Ｃ：０．２０〜０．４０％、Ｓｉ：０．０５〜１．５０％、Ｍｎ：０．３０〜２．００％、Ｐ：０．０７０％を超えて０．１５０％まで、Ｓ：０．０４０〜０．１３０％、Ｖ：０．１０〜０．５０％、Ｔｉ：０．１０％を超えて０．５０％まで、Ａｌ：０．００２〜０．１００％及びＮ：０．００２〜０．０２０％を含むとともに、Ｐｂ：０．３０％以下、Ｔｅ：０．３０％以下、Ｃａ：０．０１０％以下及びＢｉ：０．３０％以下から選択される１種以上を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、前記▲１▼式で表されるＣeqの値が０．８０未満の化学組成で、組織がフェライトの割合が４０％以上であるフェライト・パーライト組織で、更に、フェライトの硬さがビッカース硬さで２５０以上、且つ、フェライトの硬さと全硬さの比が０．８０以上であることを特徴とする非調質鋼。
【００２１】
（４）質量％で、Ｃ：０．２０〜０．４０％、Ｓｉ：０．０５〜１．５０％、Ｍｎ：０．３０〜２．００％、Ｐ：０．０７０％を超えて０．１５０％まで、Ｓ：０．０４０〜０．１３０％、Ｖ：０．１０〜０．５０％、Ｔｉ：０．１０％を超えて０．５０％まで、Ａｌ：０．００２〜０．１００％、Ｎ：０．００２〜０．０２０％及びＣｒ：５０％以下を含むとともに、Ｐｂ：０．３０％以下、Ｔｅ：０．３０％以下、Ｃａ：０．０１０％以下及びＢｉ：０．３０％以下から選択される１種以上を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、前記▲１▼式で表されるＣeqの値が０．８０未満の化学組成で、組織がフェライトの割合が４０％以上であるフェライト・パーライト組織で、更に、フェライトの硬さがビッカース硬さで２５０以上、且つ、フェライトの硬さと全硬さの比が０．８０以上であることを特徴とする非調質鋼。
【００２２】
ここで、フェライト・パーライト組織とは、フェライトとパーライトの混合組織をいう。前記した各相は、光学顕微鏡や電子顕微鏡を用いた観察によって確認することができる。
【００２３】
フェライトの硬さとしてのビッカース硬さは、０．０９８０７Ｎの試験力で測定した値をいい、全硬さとしてのビッカース硬さは、９８．０７Ｎの試験力で測定した値をいう。
【００２４】
また、全硬さとはランダムに４箇所測定した場合の平均値を指す。
【００２５】
なお、本発明でいうフェライトには、セメンタイトとともにパーライトを形成するフェライトは含まない。
【００２６】
以下、上記（１）〜（４）の非調質鋼に係る発明をそれぞれ（１）〜（４）の発明という。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、前記した目的を達成するために種々検討を行い、下記(イ)〜（ト）の知見を得た。
【００２８】
（イ）クラッキング性と被削性がともに良好になる場合の鋼の組織はフェライト・パーライト組織である。
【００２９】
（ロ）フェライト・パーライト組織におけるフェライトの硬さはクラッキング性、被削性及び耐疲労特性に影響する。
【００３０】
（ハ）フェライト・パーライト組織におけるフェライトの割合を大きくすれば耐久比が高くなって耐疲労特性が向上する。
【００３１】
（ニ）フェライト・パーライト組織におけるフェライトの硬さと全硬さの比が大きい場合のクラッキング性は良好であるし、耐久比も大きく耐疲労特性に優れ、更に、被削性も良好である。
【００３２】
（ホ）適正量のＴｉとＶを複合添加することによって、従来のＶを単独添加する非調質鋼に比べてフェライトを大幅に強化することができる。しかも、ＴｉとＶの複合添加によるフェライトの強化は、フェライト・パーライト組織における全硬さとフェライトの硬さとの差を小さくするので、上記したフェライトの硬さと全硬さの比が大きくなって、クラッキング性、被削性及び耐疲労特性がいずれも向上する。
【００３３】
（ヘ）適正量のＴｉとＶの複合添加によるフェライトの大幅な強化によって、前記▲１▼式で表されるＣ当量（つまりＣeq）の値が小さい場合にも大きな強度が得られる。したがって、小さいＣeqの値で大きな疲労強度が確保でき、更に、フェライトの強度が大きい分被削性は良好になる。
【００３４】
（ト）Ｐを多量に添加し、特に、質量％で、０．０７０％を超えるＰを含有させれば、クラッキング性が大きく向上する。
【００３５】
前記（１）〜（４）の本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものである。
【００３６】
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。
（Ａ）鋼の化学組成
Ｃ：０．２０〜０．４０％、
Ｃは、鋼の強度を高める作用を有し、０．２０％以上含有させることで効果が得られる。しかし、その含有量が０．４０％を超えると、フェライト・パーライト組織におけるフェライトの割合が少なくなって、高い耐久比が得られず耐疲労特性が低下する。したがって、Ｃの含有量を０．２０〜０．４０％とした。なお、Ｃの含有量は０．２０〜０．３５％とすることが好ましい。
【００３７】
Ｓｉ：０．０５〜１．５０％
Ｓｉは、鋼の脱酸に有効であるとともに固溶強化によって鋼の強度を高める作用を有する。しかし、その含有量が０．０５％未満では添加効果に乏しい。一方、Ｓｉを１．５０％を超えて含有させても上記の効果は飽和しコストが嵩むばかりである。しかも、鋼の熱間加工性が低下する。したがって、Ｓｉの含有量を０．０５〜１．５０％とした。なお、Ｓｉの含有量は０．１５〜０．９０％とすることが好ましい。
【００３８】
Ｍｎ：０．３０〜２．００％
Ｍｎは、鋼の脱酸作用を有するとともに、焼入れ性を高めて鋼の強度を向上させる作用を有する。これらの効果を得るためにはＭｎの含有量を０．３０％以上とする必要がある。しかし、Ｍｎの含有量が２．００％を超えると鋼の熱間加工性が低下する。更に、焼入れ性が高くなりすぎてベイナイト組織を生じ、クラッキング性及び被削性の低下をきたす。したがって、Ｍｎの含有量を０．３０〜２．００％とした。なお、Ｍｎの含有量は０．３０〜１．４０％とすることが好ましく、０．６０〜１．２０％とすることが一層好ましい。
【００３９】
Ｐ：０．０７０％を超えて０．１５０％まで
Ｐは、結晶粒界に偏析して鋼を脆化させ、クラッキング性を高める作用を有する。特に、その含有量が０．０７０％を超えるとクラッキング性が大きく向上する。しかし、その含有量が過多になると、鋼の熱間加工性が低下し、特に、その含有量が０．１５０％を超えると熱間加工性の低下が著しくなる。したがって、Ｐの含有量を０．０７０％を超えて０．１５０％までとした。
【００４０】
Ｓ：０．０４０〜０．１３０％
Ｓは、ＭｎやＴｉとともに硫化物を形成して鋼の被削性を高める作用を有する。この効果を得るには、Ｓの含有量を０．０４０％以上とする必要がある。しかし、Ｓの含有量が０．１３０％を超えると、鋼の熱間加工性が低下することがある。したがって、Ｓの含有量を０．０４０〜０．１３０％とした。なお、大きな被削性と十分な熱間加工性とを確保するためには、Ｓの含有量は０．０７０％を超えて０．１３０％までとすることが好ましい。
【００４１】
Ｖ：０．１０〜０．５０％
Ｖは、本発明において重要な元素である。すなわち、Ｖはフェライト中に炭窒化物として析出して強度を向上させる作用を有する他に、後述するＴｉと複合して添加することによってクラッキング性を高める作用を有する。こうした効果を得るには、Ｖの含有量を０．１０％以上とする必要がある。しかし、Ｖを０．５０％を超えて含有させても前記した効果の増大はほとんどなく、コストが極めて大きくなってしまう。したがって、Ｖの含有量を０．１０〜０．５０％とした。なお、Ｖの含有量は０．１０〜０．３５％とすることが好ましく、０．１５〜０．３５％とすることが一層好ましい。
【００４２】
Ｔｉ：０．１０％を超えて０．５０％まで
Ｔｉは、本発明において重要な元素である。すなわち、ＴｉはＶと同様にフェライト中に炭窒化物として析出して強度を高め、更に、Ｖと複合して添加することによってフェライトを大幅に強化する作用を有する。このフェライトの強化は、フェライト・パーライト組織における全硬さとフェライトの硬さとの差を小さくするので、良好なクラッキング性が確保でき、更に、フェライトの強化は疲労亀裂発生の抑制につながるため大きな耐久比を確保することもできる。また、Ｔｉには硫化物を形成して被削性を改善する作用もある。前記した効果を顕著に得るためには、Ｔｉを０．１０％を超えて含有させる必要がある。しかし、Ｔｉの含有量が０．５０％を超えると熱間加工性の低下を招く。したがってＴｉの含有量を０．１０％を超えて０．５０％までとした。なお、Ｔｉの含有量は０．１０％を超えて０．３０％までとすることが好ましい。
【００４３】
Ａｌ：０．００２〜０．１００％
Ａｌは、鋼の脱酸剤として有効な元素である。本発明の特徴のひとつは上述したようにＴｉとＶの複合添加であるが、Ｔｉは脱酸力が強いため酸化物を形成してしまい、炭窒化物を形成する割合が相対的に減少してしまう。そのため、ＴｉがＶとともにフェライトを強化する作用が低下する。また、Ｔｉの歩留りを低下させて製造コストの上昇を招くことが懸念される。Ａｌを添加する理由は、Ａｌで鋼を脱酸して脱酸の安定化を図ると同時に、炭窒化物を形成してフェライトの強化に効くＴｉを確保し、Ｔｉの歩留まり低下を防ぐという意味も兼ねている。そのために必要なＡｌの含有量は０．００２％以上であるが、０．１００％でその効果は飽和する。したがってＡｌの含有量を０．００２〜０．１００％とした。Ａｌの含有量は０．００２〜０．０５０％とすることが好ましい。
【００４４】
なお、上述のＡｌで鋼を脱酸して脱酸の安定化を図ると同時に、ＴｉがＶとともにフェライトを強化する作用を確保し、また、Ｔｉの歩留まり低下を防ぐためには、例えば、Ａｌで十分脱酸してからＴｉを添加する、すなわち、添加順序をＡｌ、Ｔｉの順とするのがよい。
【００４５】
Ｎ：０．００２〜０．０２０％
Ｎは、Ｖ及びＴｉと炭窒化物を形成して鋼の強化に寄与する。この効果を得るには、Ｎは０．００２％以上の含有量が必要である。しかし、Ｎを０．０２０％を超えて含有させても上記の効果は飽和する。したがって、Ｎの含有量を０．００２〜０．０２０％とした。
【００４６】
Ｃeqの値：０．８０未満
一般に、前記▲１▼式で表されるＣeqの値（つまり、Ｃ当量の値）が大きい場合にはコンロッドの被削性が低下し、Ｃeqの値が小さい場合には強度が小さくなって疲労強度も小さくなるが、前記した量のＴｉとＶを含有させた非調質鋼の場合には、フェライトが大幅に強化されるため前記▲１▼式で表されるＣeqの値が小さい場合にも大きな強度が得られ、更に、フェライトの強度が大きい分被削性は良好になる。しかし、前記した量のＴｉとＶを含有させてフェライトを強化させた本発明に係る非調質鋼の場合にも、Ｃeqの値が０．８０以上になると大きな疲労強度が確保できるものの被削性が低下することがある。したがって、前記▲１▼式で表されるＣeqの値を０．８０未満とした。なお、コンロッドに要求される強度にもよるが、Ｃeqの下限値はほぼ０．６０程度である。
【００４７】
前記（１）の発明に係る非調質鋼は、上記のＣからＮまでの元素と、残部がＦｅ及び不純物からなり、前記▲１▼式で表されるＣeqの値が０．８０未満の化学組成を有する鋼である。
【００４８】
前記（２）の発明に係る非調質鋼は、強度を高めることを目的として、前記（１）の発明の鋼のＦｅの一部に代えて、Ｃｒ：０．５０％以下を含有させた化学組成を有する鋼である。
【００４９】
上記のＣｒは鋼の焼入れ性を向上させて強度を高める作用を有するので、以下に述べる範囲内で含有させてもよい。
【００５０】
Ｃｒ：０．５０％以下
Ｃｒは、添加すれば、鋼の焼入れ性を向上させて強度を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｃｒは０．０２％以上の含有量とすることが望ましい。しかし、その含有量が０．５０％を超えるとベイナイト組織を生じ、クラッキング性及び被削性の低下をきたす。したがって、Ｃｒを添加する場合には、その含有量を０．５０％以下とするのが好ましい。Ｃｒの含有量を０．３０％以下とするのが更に好ましい。
【００５１】
前記（３）の発明に係る非調質鋼は、被削性を一層高めることを目的として、前記（１）の発明の鋼のＦｅの一部に代えて、Ｐｂ：０．３０％以下、Ｔｅ：０．３０％以下、Ｃａ：０．０１０％以下及びＢｉ：０．３０％以下から選択される１種以上を含有させた化学組成を有する鋼である。
【００５２】
上記のＰｂからＢｉまでのいずれの元素も鋼の被削性を高める作用を有するので、ＰｂからＢｉまでの元素は、以下に述べる範囲内でそれぞれを単独で含有させてもよいし、２種以上を複合して含有させてもよい。
【００５３】
Ｐｂ：０．３０％以下
Ｐｂは、鋼の被削性を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｐｂは０．０２％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．３０％を超えると熱間加工性の低下を招く。したがって、Ｐｂを添加する場合には、その含有量を０．３０％以下とするのがよい。
【００５４】
Ｔｅ：０．３０％以下
Ｔｅは、鋼の被削性を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｔｅは０．００２％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．３０％を超えると熱間加工性の低下を招く。したがって、添加する場合のＴｅの含有量は０．３０％以下とするのがよい。
【００５５】
Ｃａ：０．０１０％以下
Ｃａは、鋼の被削性を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｃａは０．０００５％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．０１０％を超えると熱間加工性の低下を招く。したがって、Ｃａを添加する場合には、その含有量を０．０１０％以下とするのがよい。
【００５６】
Ｂｉ：０．３０％以下
Ｂｉは、鋼の被削性を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｂｉは０．０３％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．３０％を超えると熱間加工性の低下を招く。したがって、添加する場合のＢｉの含有量は０．３０％以下とするのがよい。
【００５７】
前記（４）の発明に係る非調質鋼は、強度を高めること、及び被削性を一層高めることを目的として、前述の（１）の発明の鋼のＦｅの一部に代えて、Ｃｒ：０．５０％以下とともに、Ｐｂ：０．３０％以下、Ｔｅ：０．３０％以下、Ｃａ：０．０１０％以下及びＢｉ：０．３０％以下から選択される１種以上を含有させた化学組成を有する鋼である。
（Ｂ）非調質鋼の組織
本発明に係る非調質鋼の組織は、フェライトの割合が４０％以上であるフェライト・パーライト組織とする必要がある。
【００５８】
先ず、フェライト・パーライト組織とするのは、クラッキング性と被削性をともに良好にするためである。マルテンサイト、ベイナイトやオーステナイトを含む組織のクラッキング性は低く、更に、フェライト・パーライト組織に比べて被削性にも劣る。ここで、既に述べたように、「フェライト・パーライト組織」とはフェライトとパーライトの混合組織を指す。
【００５９】
フェライト・パーライト組織において、固溶及び／又は析出によって強化されたフェライトの割合を４０％以上とすることで、耐久比が高くなって耐疲労特性を高めることができる。
【００６０】
したがって、本発明に係る非調質鋼においては、その組織をフェライトの割合が４０％以上であるフェライト・パーライト組織とした。なお、フェライト・パーライト組織におけるフェライトの割合の上限は９０％程度である。
【００６１】
ここで、或る相の体積割合は面積割合に等しいことが知られており、したがって、上記フェライトが組織に占める割合は、例えば、通常の２次元的な評価方法、すなわち、光学顕微鏡や電子顕微鏡を用いた観察によって求めたフェライトの割合から決定すればよい。
（Ｃ）フェライトの硬さ及びフェライトの硬さと全硬さの比
本発明に係る非調質鋼は、その硬さに関し、フェライトの硬さがビッカース硬さで２５０以上、且つ、フェライトの硬さと全硬さの比が０．８０以上でなければならない。
【００６２】
すなわち、フェライト・パーライト組織におけるフェライトの硬さはクラッキング性、被削性及び耐疲労特性に影響し、フェライトの硬さをＨｖ２５０以上とすることが良好な、クラッキング性、被削性及び耐疲労特性を確保するための条件となる。また、フェライト・パーライト組織における全硬さとフェライトの硬さとの差を小さくすること、換言すればフェライトの硬さと全硬さの比を大きくすること、特に、上述の比を０．８０以上と大きくすること、によって良好なクラッキング性、大きな耐久比（したがって、良好な耐疲労特性）及び、良好な被削性を確保することができる。
【００６３】
したがって、本発明に係る非調質鋼においては、フェライト・パーライト組織におけるフェライトの硬さをビッカース硬さで２５０以上、且つ、フェライトの硬さと全硬さの比を０．８０以上とした。
【００６４】
ここで、フェライトの硬さとしてのビッカース硬さは、０．０９８０７Ｎの試験力で測定した値をいい、全硬さとしてのビッカース硬さは、９８．０７Ｎの試験力で測定した値をいうこと、また、全硬さがランダムに４箇所測定した場合の平均値を指すことは既に述べたとおりである。
【００６５】
ここで、本発明におけるフェライトには、セメンタイトとともにパーライトを形成するフェライトは含まないことも既に述べたとおりである。
【００６６】
前記（Ａ）項に記載の化学組成を有する鋼は、Ａｌで鋼を脱酸して脱酸の安定化を図ると同時に、ＴｉがＶとともにフェライトを強化する作用を確保し、また、Ｔｉの歩留まり低下を防ぐために、例えば、Ａｌで十分脱酸してからＴｉを添加する、すなわち、添加順序をＡｌ、Ｔｉの順として溶製された後に鋼塊や鋼片とされる。そして次に、鋼塊や鋼片のままで、或いは更に通常の方法で熱間での圧延及び／又は鍛造を施された後で、例えば、鍛造のための加熱温度を１２００〜１３５０℃、鍛造仕上げ温度を８００℃を超えて１３００℃まで、鍛造後の８００〜６００℃における冷却速度を１００〜１５０℃／分とした熱間鍛造と冷却によって、コンロッド本体２とコンロッドキャップ３がつながった一体物に成形され、更に、ボルト穴加工を施された後、大端部５でコンロッド本体２とコンロッドキャップ３にクラッキングされる。次いで、分割されたコンロッド本体２及びコンロッドキャップ３はボルト４でクランクシャフトに結合されて組み立てられる。
【００６７】
なお、上述の熱間鍛造条件における温度と冷却速度は鋼片や一体物成形材の表面における値であり、８００〜６００℃の温度域を上記のように冷却した後の冷却は特に制限されるものではない。
【００６８】
以下、実施例により本発明を更に詳しく説明する。
【００６９】
【実施例】
表１に示す化学組成を有する鋼を真空溶解炉を用いて溶製し、鋼塊とした。なお、鋼１〜１４については、Ａｌで十分脱酸してからＴｉを添加（つまり、ＡｌとＴｉの添加順序はＡｌ、Ｔｉの順）して溶製した後、鋳造した。一方、鋼１５は、成分調整した最後にＡｌを添加（つまり、添加順序がＴｉ、Ａｌの順）し、その後直ちに鋳造した。表１において、鋼１〜７及び鋼１３〜１５は化学組成が本発明で規定する範囲内の本発明例の鋼であり、鋼８〜１２、鋼１６及び鋼１７は成分のいずれかが本発明で規定する含有量の範囲から外れた比較例の鋼である。なお、比較例の鋼のうち鋼１６と鋼１７はそれぞれ、ＪＩＳのＳ４８Ｃに相当する鋼と特許文献１で開示され欧州で既に実用化されているクラッキングコンロッド用鋼に相当する鋼である。
【００７０】
【表１】

【００７１】
次いで、これらの本発明例の鋼及び比較例の鋼を通常の方法によって鋼片とした後、鋼１〜１２及び鋼１７については鍛造のための加熱温度を１２５０℃、鍛造仕上げ温度を１０５０℃として直径２０ｍｍの丸棒に熱間鍛造し、鍛造終了後は８００〜６００℃における冷却速度を１１０℃／分として冷却し、６００℃を下回る温度域は通常の大気中放冷とした。
【００７２】
一方、鋼１３及び鋼１４については鍛造のための加熱温度を１３００℃、鍛造仕上げ温度を１２００℃として直径２０ｍｍの丸棒に熱間鍛造し、鍛造終了後は８００〜６００℃における冷却速度を１１０℃／分として冷却し、６００℃を下回る温度域は通常の大気中放冷とした。また、鋼１５については鍛造のための加熱温度を１１５０℃、鍛造仕上げ温度を１０００℃として直径２０ｍｍの丸棒に熱間鍛造し、鍛造終了後は８００〜６００℃における冷却速度を１１０℃／分として冷却し、６００℃を下回る温度域は通常の大気中放冷とした。
【００７３】
なお、比較例の鋼のうちＪＩＳのＳ４８Ｃに相当する鋼である鋼１６については、１２５０℃に加熱後通常の方法で熱間鍛造して得た直径２０ｍｍの丸棒に、１１００℃に加熱して油焼入れ後５００℃で焼戻しする調質処理を施した。
【００７４】
このようにして得た直径が２０ｍｍの丸棒から各種の試験片を採取して、ミクロ組織、ビッカース硬さ（以下、Ｈｖ硬さという）、引張特性、耐疲労特性、衝撃特性及び被削性を調査した。
【００７５】
すなわち、前記した各丸棒から鍛錬軸に垂直な面を観察面とするミクロ試験片を切り出し、鏡面研磨してナイタル腐食した後、倍率を４００倍とした光学顕微鏡で観察して、ミクロ組織の判定を行った。
【００７６】
上記のようにして観察した組織がフェライト・パーライトであったものについて、更に、通常の方法で画像解析し、フェライト・パーライト組織におけるフェライトの割合を測定した。組織がフェライト・パーライトであったものについては、フェライトのＨｖ硬さ（αＨｖ）を０．０９８０７Ｎの試験力で測定した。
【００７７】
また、各丸棒から鍛錬軸に垂直な面を試験面とする試験片を切り出して鏡面研磨した後、全硬さとしてのＨｖ硬さ（ＴＨｖ）を９８．０７Ｎの試験力で測定した。
【００７８】
引張特性は、各丸棒から平行部の直径が７ｍｍのＪＩＳ１４Ａ号引張試験片を切り出し、通常の方法により室温で引張試験を行い、引張強さ（ＴＳ）を測定した。
【００７９】
耐疲労特性は、各丸棒から平行部の直径が８ｍｍの小野式回転曲げ疲労試験片を切り出し、通常の方法により室温で回転曲げ疲労試験を行い、疲労強度（σｗ）を測定した。このσｗと前記のＴＳとから耐久比（σｗ／ＴＳ）を求めた。なお、調質処理したＪＩＳのＳ４８Ｃ相当鋼である鋼１６を用いた試験番号１６の耐久比である「０．４７９」を基準性能とし、これ以上の耐久比が得られた場合に耐疲労特性が良好と判断した。
【００８０】
衝撃特性は、各丸棒からJIS Z 2202(1998)に記載の幅１０ｍｍのＶノッチ試験片を切り出し、通常の方法により室温でシャルピー衝撃試験を行い、衝撃値を測定した。この幅１０ｍｍのＶノッチ試験片を用いた室温でのシャルピー衝撃値（ｖＥ_RT）は、クラッキング性を評価する１つの指標となり得るもので、その値が小さいほどクラッキング性が良好といえる。このため、欧州で既に実用化されているクラッキングコンロッド用鋼に相当する鋼である鋼１７を用いた試験番号１７の衝撃値である「７．０Ｊ／ｃｍ² 」を基準性能とし、これ以下の衝撃値が得られた場合に衝撃特性が低く、したがって、クラッキング性が良好と判断した。
【００８１】
被削性は、丸棒から１０ｍｍ×１０ｍｍの断面を有する板状試験片を切り出し、深さ１０ｍｍの貫通孔をドリルで穿孔し、孔を１００個あけた後のドリルのコーナー摩耗量（ドリル最外周部の摩耗量）を測定して評価した。なお、欧州で既に実用化されているクラッキングコンロッド用鋼に相当する鋼である鋼１７を用いて穿孔試験した試験番号１７の場合の上記コーナー摩耗量を基準性能とし、その５０％未満のコーナー摩耗量の場合に被削性が良好と判断した。
【００８２】
穿孔試験条件は次に示すとおりである。
【００８３】
ドリル：ＳＫＨ５１の直径８ｍｍのストレートシャンクドリル、
回転数：７５４ｒｐｍ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、
潤滑：水溶性潤滑剤。
【００８４】
なお、調質処理したＪＩＳのＳ４８Ｃ相当鋼である鋼１６の丸棒については被削性試験を行わなかった。
【００８５】
表２に上記の各試験結果をまとめて示す。表２におけるαＨｖ及びＴＨｖはそれぞれ、ビッカース硬さでのフェライトの硬さ及び全硬さを表し、また、ｖＥ_RTが幅１０ｍｍのＶノッチ試験片を用いた室温でのシャルピー衝撃値を表すことは既に述べたとおりである。被削性の欄における「◎」、「○」、「△」及び「×」はそれぞれ、コーナー摩耗量が鋼１７を穿孔試験した場合のコーナー摩耗量の２５％未満、２５％以上５０％未満、５０〜１００％及び１００％を超えることを示す。
【００８６】
なお、試験番号９においては、フェライト面積率が小さいため０．０９８０７Ｎの試験力では圧子がパーライトにもかかってフェライト単独の硬さを測定することができなかった。
【００８７】
【表２】

【００８８】
表２から明らかなように、本発明で定める化学組成、組織、フェライトの硬さ及びフェライトの硬さと全硬さの比を有する試験番号１〜７の場合は、いずれも目標とする被削性、クラッキング性及び耐疲労特性が得られている。すなわち、ドリルのコーナー摩耗量は、鋼１７を用いて穿孔試験した試験番号１７の場合の摩耗量の５０％未満（マークで「◎」又は「○」）であり、被削性は良好である。クラッキング性を評価する１つの指標となり得るｖＥ_RTは、同じく鋼１７を用いた試験番号１７の場合のｖＥ_RTである７．０Ｊ／ｃｍ² を下回り、したがって、クラッキング性は良好である。更に、耐疲労特性は、ＪＩＳのＳ４８Ｃ相当鋼である鋼１６を調質処理した試験番号１６の場合の耐久比である０．４７９を上回り、耐疲労特性も良好である。
【００８９】
上記試験番号のうちでも、試験番号３〜７の被削性は一段と良好なことが明らかである。
【００９０】
これに対して、試験番号８〜１２の場合は、少なくとも化学組成が本発明で規定する条件から外れているため、被削性、クラッキング性及び耐疲労特性のいずれか１つ以上において目標に達していない。
【００９１】
ＪＩＳのＳ４８Ｃ相当鋼である鋼１６を調質処理した試験番号１６の場合は、ｖＥ_RTが鋼１７を用いた試験番号１７の場合のｖＥ_RTである７．０Ｊ／ｃｍ² を上回り、少なくともクラッキング性に劣る。
【００９２】
また、欧州で既に実用化されているクラッキングコンロッド用鋼に相当する鋼である鋼１７を用いた試験番号１７の場合は、上記ＪＩＳのＳ４８Ｃ相当鋼である鋼１６を調質処理した試験番号１６の場合の耐久比である０．４７９を下回り、耐疲労特性に劣る。
【００９３】
一方、試験番号１３及び試験番号１４の場合は、鋼１３及び鋼１４は本発明で定める化学組成を有するものの、組織が本発明で規定する条件から外れている。このため、試験番号１３の場合は、被削性に劣るし、耐久比が低くて耐疲労特性も低い。また、試験番号１４の場合は、被削性、クラッキング性及び耐疲労特性のいずれの特性にも劣っている。
【００９４】
試験番号１５の場合、鋼１５は本発明で定める化学組成を有するものの、Ｔｉ及びＶによる十分なフェライトの強化がなされておらず、ビッカース硬さでのフェライトの硬さ（αＨｖ）及びフェライトの硬さと全硬さの比（αＨｖ／ＴＨｖ）が本発明で規定する条件から外れている。このためｖＥ_RTが７．０Ｊ／ｃｍ² を上回り、クラッキング性に劣る。
【００９５】
【発明の効果】
本発明の非調質鋼は、被削性、破断分割性（クラッキング性）及び耐疲労特性に優れているので、自動車エンジンなどのクラッキングコンロッドの素材として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】コンロッドの詳細を示す図である。
【符号の説明】
１：コンロッド、
２：コンロッド本体、
３：コンロッドキャップ、
４：ボルト、
５：大端部

Claims

質量％で、Ｃ：０．２０〜０．４０％、Ｓｉ：０．０５〜１．５０％、Ｍｎ：０．３０〜２．００％、Ｐ：０．０７０％を超えて０．１５０％まで、Ｓ：０．０４０〜０．１３０％、Ｖ：０．１０〜０．５０％、Ｔｉ：０．１０％を超えて０．５０％まで、Ａｌ：０．００２〜０．１００％及びＮ：０．００２〜０．０２０％を含み、残部はＦｅ及び不純物からなり、下記▲１▼式で表されるＣeqの値が０．８０未満の化学組成で、組織がフェライトの割合が４０％以上であるフェライト・パーライト組織で、更に、フェライトの硬さがビッカース硬さで２５０以上、且つ、フェライトの硬さと全硬さの比が０．８０以上であることを特徴とする非調質鋼。
Ｃeq＝Ｃ＋（Ｓｉ／１０）＋（Ｍｎ／５）＋（５Ｃｒ／２２）＋１．６５Ｖ−（５Ｓ／７）・・・・・▲１▼
ここで、▲１▼式中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。
質量％で、Ｃ：０．２０〜０．４０％、Ｓｉ：０．０５〜１．５０％、Ｍｎ：０．３０〜２．００％、Ｐ：０．０７０％を超えて０．１５０％まで、Ｓ：０．０４０〜０．１３０％、Ｖ：０．１０〜０．５０％、Ｔｉ：０．１０％を超えて０．５０％まで、Ａｌ：０．００２〜０．１００％、Ｎ：０．００２〜０．０２０％及びＣｒ：０．５０％以下を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、下記▲１▼式で表されるＣeqの値が０．８０未満の化学組成で、組織がフェライトの割合が４０％以上であるフェライト・パーライト組織で、更に、フェライトの硬さがビッカース硬さで２５０以上、且つ、フェライトの硬さと全硬さの比が０．８０以上であることを特徴とする非調質鋼。
Ｃeq＝Ｃ＋（Ｓｉ／１０）＋（Ｍｎ／５）＋（５Ｃｒ／２２）＋１．６５Ｖ−（５Ｓ／７）・・・・・▲１▼
ここで、▲１▼式中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。
質量％で、Ｃ：０．２０〜０．４０％、Ｓｉ：０．０５〜１．５０％、Ｍｎ：０．３０〜２．００％、Ｐ：０．０７０％を超えて０．１５０％まで、Ｓ：０．０４０〜０．１３０％、Ｖ：０．１０〜０．５０％、Ｔｉ：０．１０％を超えて０．５０％まで、Ａｌ：０．００２〜０．１００％及びＮ：０．００２〜０．０２０％を含むとともに、Ｐｂ：０．３０％以下、Ｔｅ：０．３０％以下、Ｃａ：０．０１０％以下及びＢｉ：０．３０％以下から選択される１種以上を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、下記▲１▼式で表されるＣeqの値が０．８０未満の化学組成で、組織がフェライトの割合が４０％以上であるフェライト・パーライト組織で、更に、フェライトの硬さがビッカース硬さで２５０以上、且つ、フェライトの硬さと全硬さの比が０．８０以上であることを特徴とする非調質鋼。
Ｃeq＝Ｃ＋（Ｓｉ／１０）＋（Ｍｎ／５）＋（５Ｃｒ／２２）＋１．６５Ｖ−（５Ｓ／７）・・・・・▲１▼
ここで、▲１▼式中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。
質量％で、Ｃ：０．２０〜０．４０％、Ｓｉ：０．０５〜１．５０％、Ｍｎ：０．３０〜２．００％、Ｐ：０．０７０％を超えて０．１５０％まで、Ｓ：０．０４０〜０．１３０％、Ｖ：０．１０〜０．５０％、Ｔｉ：０．１０％を超えて０．５０％まで、Ａｌ：０．００２〜０．１００％、Ｎ：０．００２〜０．０２０％及びＣｒ：５０％以下を含むとともに、Ｐｂ：０．３０％以下、Ｔｅ：０．３０％以下、Ｃａ：０．０１０％以下及びＢｉ：０．３０％以下から選択される１種以上を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、下記▲１▼式で表されるＣeqの値が０．８０未満の化学組成で、組織がフェライトの割合が４０％以上であるフェライト・パーライト組織で、更に、フェライトの硬さがビッカース硬さで２５０以上、且つ、フェライトの硬さと全硬さの比が０．８０以上であることを特徴とする非調質鋼。
Ｃeq＝Ｃ＋（Ｓｉ／１０）＋（Ｍｎ／５）＋（５Ｃｒ／２２）＋１．６５Ｖ−（５Ｓ／７）・・・・・▲１▼
ここで、▲１▼式中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。