專利名稱：鍛造曲軸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及曲軸，具體而言，涉及熱鍛后未實(shí)施調(diào)質(zhì)處理、另外也未實(shí)施表面硬化熱處理而使用的鍛造曲軸。
背景技術(shù)：
最近提供省略了調(diào)質(zhì)處理的鍛造曲軸。調(diào)質(zhì)處理指的是改善強(qiáng)度等鋼的機(jī)械特性的淬火處理和回火處理。以下將省略了調(diào)質(zhì)處理的鍛造曲軸也稱為非調(diào)質(zhì)鍛造曲軸。構(gòu)成非調(diào)質(zhì)鍛造曲軸的鋼材通常含有釩(V)。通過(guò)將非調(diào)質(zhì)鋼熱鍛、在大氣中自然冷卻，從而制造非調(diào)質(zhì)鍛造曲軸。構(gòu)成非調(diào)質(zhì)鍛造曲軸的鋼材的組織為鐵素體-珠光體組織。鋼中的V形成微細(xì)的碳化物，提高鋼的強(qiáng)度和硬度。總之，即使省略調(diào)質(zhì)處理，含有V的非調(diào)質(zhì)鍛造曲軸也具有優(yōu)異的強(qiáng)度和硬度。但是由于V價(jià)格昂貴，非調(diào)質(zhì)鍛造曲軸的制造成本升高。因此，謀求即使不含有V，也具有優(yōu)異的強(qiáng)度和硬度的非調(diào)質(zhì)鍛造曲軸。另外，對(duì)于鍛造曲軸的表面要求耐磨耗性。鍛造曲軸的曲柄銷被插入到連桿的大端部。曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，曲柄銷與連桿的大端部的內(nèi)表面通過(guò)滑動(dòng)軸承旋轉(zhuǎn)。因此，對(duì)于曲柄銷的表面要求優(yōu)異的耐磨耗性。日本特開2000-328193號(hào)公報(bào)和日本特開2002-256384號(hào)公報(bào)公開了不含有V、目的在于提高耐磨耗性的非調(diào)質(zhì)鋼。日本特開2000-328193號(hào)公報(bào)中公開的熱鍛用非調(diào)質(zhì)鋼為鐵素體-珠光體組織。進(jìn)而，專利文獻(xiàn)I中公開的熱鍛用非調(diào)質(zhì)鋼通過(guò)S1、Mn固溶在鐵素體中來(lái)強(qiáng)化鐵素體。由此實(shí)現(xiàn)耐磨耗性的提高。日本特開2002-256384號(hào)公報(bào)中公開的非調(diào)質(zhì)曲軸用鋼具有初析鐵素體比例小于3%的珠光體主體的組織，且含有厚度為20 μ m以下的硫化物系夾雜物。進(jìn)而，Si含量為0.60%以下，Al含量小于0.005%。由此，實(shí)現(xiàn)耐磨耗性和切削性的提高。但是，為了提高鍛造曲軸的耐磨耗性，通常對(duì)鍛造曲軸實(shí)施表面硬化熱處理。表面硬化熱處理例如指的是高頻淬火處理、氮化處理。通過(guò)高頻淬火處理在鍛造曲軸的表面上形成淬火層。另外，通過(guò)氮化處理在鍛造曲軸的表面上形成氮化層。淬火層、氮化層具有高的硬度。因此，鍛造曲軸的表面的耐磨耗性提高。但是，如果實(shí)施表面硬化熱處理則制造成本升高。因此謀求即使不含有V且省略了表面硬化熱處理，也具有優(yōu)異的耐磨耗性的非調(diào)質(zhì)鍛造曲軸。利用日本特開2000-328193號(hào)公報(bào)和日本特開2002-256384號(hào)公報(bào)中公開的非調(diào)質(zhì)鋼制造的鍛造曲軸，在省略了表面硬化熱處理時(shí)，耐磨耗性有可能降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供即使熱鍛后不實(shí)施調(diào)質(zhì)處理、另外也不實(shí)施表面硬化熱處理來(lái)使用，也具有優(yōu)異的耐 磨耗性的非調(diào)質(zhì)鍛造曲軸。本發(fā)明的一實(shí)施方式的鍛造曲軸由非調(diào)質(zhì)鋼材構(gòu)成，該非調(diào)質(zhì)鋼材的基體由初析鐵素體的面積率小于10%的鐵素體-珠光體組織或珠光體組織構(gòu)成，該非調(diào)質(zhì)鋼材的化學(xué)組成按質(zhì)量 ％ 計(jì)含有 C:0.45 0.70%、Si:0.75 L 30%、Mn:L 00 2.00%、S:0.03 0.30%、Cr:0.05 0.30%、Al:0.005 0.050% 和 N:0.005 0.020%,剩余部分包含 Fe 和雜質(zhì)，并且滿足式(I)。1.lC+Mn+0.2Cr > 2.0 (I)其中，將各元素的含量(質(zhì)量％)代入式(I)中的各元素符號(hào)。此時(shí)，鍛造曲軸即使不含有V，省略了高頻淬火處理、氮化處理等表面硬化熱處理，也具有優(yōu)異的耐磨耗性。構(gòu)成上述鍛造曲軸的非調(diào)質(zhì)鋼材的化學(xué)組成可以含有T1:0.03%以下來(lái)替代Fe的一部分。優(yōu)選鍛造曲軸具有省略了表面硬化熱處理的曲柄銷。


圖1為表示本發(fā)明的實(shí)施方式的鍛造曲軸的主要部分的圖。圖2為表示構(gòu)成圖1所示的鍛造曲軸的非調(diào)質(zhì)鋼材的C量、Mn量及Cr量與初析鐵素體的面積率的關(guān)系的圖。
具體實(shí)施例方式以下參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行具體說(shuō)明。對(duì)圖中相同或相當(dāng)部分附上相同附圖標(biāo)記，不重復(fù)其說(shuō)明。[本實(shí)施方式的鍛造曲軸的概要]本發(fā)明人等為了提高省略了表面硬化熱處理的非調(diào)質(zhì)鍛造曲軸的耐磨耗性、強(qiáng)度和硬度而進(jìn)行了調(diào)查和研究。其結(jié)果本發(fā)明人等得到以下發(fā)現(xiàn)。(A)構(gòu)成鍛造曲軸的非調(diào)質(zhì)鋼材的基體由初析鐵素體的面積率小于10%的鐵素體-珠光體組織或珠光體組織構(gòu)成。其中，“初析鐵素體”指的是冷卻鋼時(shí)在共析轉(zhuǎn)變之前從奧氏體析出的鐵素體。另外，“鐵素體-珠光體組織”指的是由初析鐵素體和珠光體構(gòu)成的組織，“珠光體組織”指的是初析鐵素體的面積率為0%的實(shí)質(zhì)為珠光體單相的組織。以下的說(shuō)明中，將初析鐵素體的面積率稱為“初析鐵素體率”。初析鐵素體比珠光體柔軟,初析鐵素體的耐磨耗性低。如果初析鐵素體率小于10%則即使省略了表面硬化熱處理，鍛造曲軸也具有優(yōu)異的耐磨耗性。(B)為了使鐵素體-珠光體組織內(nèi)的初析鐵素體率小于10%或使其為珠光體組織，構(gòu)成鍛造曲軸的非調(diào)質(zhì)鋼材的化學(xué)組成有必要滿足以下的式(I)。1.lC+Mn+0.2C r > 2.0 (I)其中，將各元素的 含量(質(zhì)量％)代入式(I)中的各元素符號(hào)。碳(C)、錳(Mn)和鉻(Cr)均抑制初析鐵素體的析出。如果這些元素的含量滿足式
(I)則熱鍛后自然冷卻的鍛造曲軸I的初析鐵素體率小于10%，得到優(yōu)異的耐磨耗性。(C)使Si含量為0.75 1.30%。Si強(qiáng)化珠光體內(nèi)的鐵素體。因此，即使不含有V,也能提高非調(diào)質(zhì)鍛造曲軸的強(qiáng)度和硬度?；谝陨习l(fā)現(xiàn)，本發(fā)明人等完成了本實(shí)施方式的鍛造曲軸。以下對(duì)本實(shí)施方式的鍛造曲軸進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。[鍛造曲軸的結(jié)構(gòu)]圖1為表示本實(shí)施方式的鍛造曲軸I的主要部分的圖。鍛造曲軸I具有曲柄銷2、曲軸軸頸3和曲柄臂4。曲柄臂4配置在曲柄銷2與曲軸軸頸3之間，連接曲柄銷2與曲軸軸頸3。鍛造曲軸I還具有圓角部5。圓角部5相當(dāng)于曲柄銷2與曲柄臂4的連接點(diǎn)部分。曲柄銷2對(duì)于未圖示的連桿安裝成能夠旋轉(zhuǎn)。曲柄銷2從鍛造曲軸I的旋轉(zhuǎn)軸偏離來(lái)配置。曲軸軸頸3與鍛造曲軸I的旋轉(zhuǎn)軸同軸地配置。曲柄銷2介由滑動(dòng)軸承相對(duì)于連桿的大端部的內(nèi)表面旋轉(zhuǎn)。因此對(duì)于曲柄銷2的表面要求耐磨耗性。如上所述，對(duì)于通常的鍛造曲軸實(shí)施表面硬化熱處理。表面硬化熱處理例如為高頻淬火處理、氮化處理。通過(guò)表面硬化熱處理，曲柄銷的表面硬化，耐磨耗性提高。但是，本實(shí)施方式的鍛造曲軸I具有省略了表面硬化熱處理的曲柄銷2。換而言之，未對(duì)曲柄銷2實(shí)施表面硬化熱處理。由此制造成本降低。需要說(shuō)明的是，可以對(duì)曲柄銷2和曲軸軸頸3 —起省略表面硬化熱處理，還可以對(duì)鍛造曲軸I整體省略表面硬化熱處理。鍛造曲軸I通過(guò)將以下說(shuō)明的非調(diào)質(zhì)鋼材熱鍛來(lái)制造。由此，鍛造曲軸I即使省略了表面硬化熱處理也具有優(yōu)異的耐磨耗性。另外即使不含有V，鍛造曲軸I也具有優(yōu)異的強(qiáng)度和硬度。以下對(duì)構(gòu)成鍛造曲軸I的非調(diào)質(zhì)鋼材的化學(xué)組成、組織以及該非調(diào)質(zhì)鋼材的制造方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。[化學(xué)組成]構(gòu)成鍛造曲軸I的非調(diào)質(zhì)鋼材具有以下的化學(xué)組成。以下涉及元素的％指的是質(zhì)量％。C:0.45 0.70%碳(C)降低鋼中的初析鐵素體率，增大鋼中的珠光體的面積率。由此，鋼的強(qiáng)度和硬度提高，耐磨耗性也提高。如果C含量過(guò)少則在鋼的組織中，初析鐵素體率超過(guò)10%。另一方面，如果C含量過(guò)多則鋼過(guò)度硬化，鋼的切削性降低。因此C含量為0.45 0.70%。優(yōu)選的C含量為0.48 0.60%,進(jìn)一步優(yōu)選為0.50 0.58%。Si:0.75 1.30%硅(Si)固溶在珠光體內(nèi)的鐵素體中而強(qiáng)化鐵素體。Si還稍微固溶在初析鐵素體中而強(qiáng)化初析鐵素體。因此，Si提高鋼的強(qiáng)度和硬度。另外Si將鋼脫氧。如果Si含量過(guò)少則鋼的強(qiáng)度和硬度降低。另一方面，如果Si含量過(guò)多則在熱鍛時(shí)鋼脫碳。因此，Si含量為0.75 1.30%O優(yōu)選的Si含量為0.90 1.20%。Mn:1.00 2.00%錳(Mn)固溶在鋼中而提高鋼的強(qiáng)度和硬度。Mn還抑制初析鐵素體的生成。如果Mn含量過(guò)少則初析鐵素體率超過(guò)10%。另一方面，如果Mn含量過(guò)多則生成貝氏體。貝氏體降低鋼的耐磨耗性和切削性。所以，不優(yōu)選生成貝氏體。因此，Mn含量為1.00 2.00%ο優(yōu)選的Mn含量為1.20 1.70%，進(jìn)一步優(yōu)選為1.30 1.50%。

S:0.03 0.30%硫(S)生成MnS等硫化物，提高鋼的切削性。另一方面，如果S含量過(guò)多則鋼的熱加工性降低。因此，S含量為0.03 0.30%。優(yōu)選的S含量為0.04 0.06%。
Cr:0.05 0.30%鉻(Cr)提高鋼的強(qiáng)度和硬度。Cr還抑制鋼中的初析鐵素體的生成。如果Cr含量過(guò)少則初析鐵素體率超過(guò)10%。另一方面，如果Cr含量過(guò)多則生成貝氏體。由于貝氏體降低鋼的耐磨耗性和切削性，因此不優(yōu)選生成貝氏體。因此，Cr含量為0.05 0.30%。優(yōu)選的Cr含量為0.08 0.20%οAl:0.005 0.050%鋁(Al)將鋼脫氧。Al還生成氮化物，將晶粒微細(xì)化。通過(guò)使晶粒微細(xì)化，鋼的強(qiáng)度、硬度和韌性提高。另一方面，如果Al含量過(guò)多則生成Al2O3夾雜物。Al2O3夾雜物降低鋼的切削性。因此，Al含量為0.005 0.050%。優(yōu)選的Al含量為0.010 0.040%。本實(shí)施方式中的Al含量為酸可溶Al (Sol.Al)的含量。N:0.005 0.020%氮(N)生成氮化物、碳氮化物。氮化物、碳氮化物將晶粒微細(xì)化，進(jìn)而通過(guò)析出強(qiáng)化而提高鋼的強(qiáng)度、硬度和韌性。另一方面，如果N含量過(guò)多則鋼中容易產(chǎn)生空隙等缺陷。因此N含量為0.005 0.020%。優(yōu)選的N含量為0.008 0.020%,進(jìn)一步優(yōu)選為0.012
0.018%。構(gòu)成鍛造曲軸I的非調(diào)質(zhì)鋼材的化學(xué)組成的剩余部分由F e和雜質(zhì)形成。這里所稱的雜質(zhì)指的是從用作鋼的原料的礦石、廢料或者制造過(guò)程的環(huán)境等混入的元素。雜質(zhì)例如為磷⑵、氧(O)等。構(gòu)成本發(fā)明的鍛造曲軸I的非調(diào)質(zhì)鋼材還可以含有Ti來(lái)替代Fe的一部分。Ti:0.03% 以下(不包含 0%)Ti形成氮化物和碳氮化物，將鋼的晶粒微細(xì)化。因此，提高鋼的強(qiáng)度、韌性和疲勞強(qiáng)度。另一方面，如果Ti含量過(guò)多則生成大量的氮化物，鋼的切削性降低。因此Ti含量為
0.03%以下(不包含0%)。如果Ti含量為0.005%以上則顯著地得到上述效果。構(gòu)成鍛造曲軸I的非調(diào)質(zhì)鋼材實(shí)質(zhì)上不含有V?？傊?，鍛造曲軸I所使用的非調(diào)質(zhì)鋼材中，V為雜質(zhì)，優(yōu)選不含有V。即使不含有V，也會(huì)由于Si含量多而非調(diào)質(zhì)鋼材的強(qiáng)度和硬度高。[組織]構(gòu)成鍛造曲軸I的非調(diào)質(zhì)鋼材的化學(xué)組成進(jìn)一步滿足式(I)。1.lC+Mn+0.2Cr > 2.0(1)其中，將各元素的含量(質(zhì)量％)代入式(I)中的各元素符號(hào)。

如上所述，C、Mn和Cr均抑制初析鐵素體的生成。通過(guò)使鋼的化學(xué)組成滿足式(1)，構(gòu)成鍛造曲軸I的非調(diào)質(zhì)鋼材的基體形成初析鐵素體率小于10%的鐵素體-珠光體組織或珠光體組織。構(gòu)成鍛造曲軸I的非調(diào)質(zhì)鋼材的組織的初析鐵素體率可以為0%，即可以為珠光體單相的組織。以下對(duì)式(I)與初析鐵素體率的關(guān)系進(jìn)行說(shuō)明。圖2為表示式(2)所示的F值與初析鐵素體率的關(guān)系的圖。F=L lC+Mn+0.2Cr (2)式⑵為非調(diào)質(zhì)鋼材中的C含量、Mn含量和Cr含量的關(guān)系式，為式⑴的左邊。圖2通過(guò)以下的方法得到。
將C含量、Mn含量和Cr含量不同的多種鋼熔煉，制造50kg的鋼錠。將所制造的多種鋼錠加熱到1250°C。將所加熱的多種鋼錠熱鍛，制造具有50mm外徑的多種圓棒鍛造品。以下將圓棒鍛造品僅稱為“圓棒”。所制造的各圓棒中，從中心軸與表面之間的中間位置(以下稱為R/2)采集組織觀察用的試樣(以下稱為微型試樣)。使用所采集的微型試樣，觀察各圓棒的組織。具體而言，將各微型試樣的表面鏡面拋光。然后將拋光后的微型試樣的表面用硝酸乙醇腐蝕液腐蝕。對(duì)腐蝕后的微型試樣的表面用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。所制造的圓棒的基體均為鐵素體-珠光體組織或珠光體組織。因此，測(cè)定各圓棒的初析鐵素體率。具體而言，通過(guò)400倍的光學(xué)顯微鏡，對(duì)任意的20個(gè)視野各觀察(150 μ mX 200 μ m/視野)0.03mm2的區(qū)域。對(duì)各區(qū)域的顯微鏡照片(倍率400倍)進(jìn)行圖像處理，求出初析鐵素體在各區(qū)域中所占的面積率。將所求得的20個(gè)初析鐵素體的面積率的平均值定義為初析鐵素體面積率(換而言之初析鐵素體率、單位為％)基于通過(guò)以上方法得到的初析鐵素體率得到圖2。圖2的橫軸表示由式(2)定義的F值。圖2的縱軸表示初析鐵素體率(％)。參照?qǐng)D2，在F值大于1.4且為2.0以下時(shí)，初析鐵素體率為10%以上。而且，即使F值增大，初析鐵素體率也不會(huì)大幅變動(dòng)。另一方面，F(xiàn)值超過(guò)2.0時(shí)初析鐵素體率小于10%。而且，隨著F值的增大而初析鐵素體率急速降低。進(jìn)而，F(xiàn)值超過(guò)2.25%時(shí)初析鐵素體率為0%?？傊?，圖2中的曲線“C”在F=2.0附近具有拐點(diǎn)。因此，如果非調(diào)質(zhì)鋼材的化學(xué)組成滿足式(I)則非調(diào)質(zhì)鋼材的基體為初析鐵素體率小于10%的鐵素體-珠光體組織或珠光體組織。鍛造曲軸I由于進(jìn)行熱鍛來(lái)制造，因此鍛造曲軸I的基體也為初析鐵素體率小于10%的鐵素體-珠光體組織或珠光體組織。優(yōu)選的F值為2.05以上。通過(guò)使非調(diào)質(zhì)鋼材的組織形成這種組織，鍛造曲軸I具有優(yōu)異的耐磨耗性。因此即使對(duì)曲柄銷2的表面省略了表面硬化熱處理，曲柄銷2的耐磨耗性也高。另外，構(gòu)成鍛造曲軸I的非調(diào)質(zhì)鋼材不含有V且省略了調(diào)質(zhì)處理。但是，通過(guò)具有上述化學(xué)組成，并且滿足式(1)，鍛造曲軸I具有高的強(qiáng)度和硬度。[制造方法]對(duì)鍛造曲軸I的制造方法的一例進(jìn)行說(shuō)明。制造上述化學(xué)組成的鋼液。通過(guò)連續(xù)鑄造法將鋼液形成鑄坯。還可以通過(guò)鑄錠法將鋼液形成鋼錠(ingot)。還可以將鑄還或鋼錠熱加工而形成鋼還(billet)、棒鋼。接著將鑄還、鋼徒、鋼還或棒鋼熱鍛，在大氣中自然冷卻，制造曲軸的粗形狀的中間品。對(duì)曲軸的中間品不實(shí)施調(diào)質(zhì)處理。換而言之，曲軸的中間品為非調(diào)質(zhì)。將曲軸的中間品通過(guò)機(jī)械加工而切削加工為規(guī)定的形狀，從而制造鍛造曲軸I。所制造的鍛造曲軸I中，至少曲柄銷2省略了表面硬化熱處理。換而言之，至少曲柄銷2的表面不實(shí)施高頻淬火處理、氮化處理。需要說(shuō)明的是，對(duì)于圓角部5可以實(shí)施圓角滾壓加工，通過(guò)加工硬化而改善圓角部5的表面硬度。圓角滾壓加工中，旋轉(zhuǎn)鍛造曲軸1，同時(shí)對(duì)圓角部5的表面按壓輥。由此，對(duì)圓角部5的表面進(jìn)行塑性加工，使其加工硬化。對(duì)于圓角部5也可以不實(shí)施圓角滾 壓加工。構(gòu)成通過(guò)以上工序制造的鍛造曲軸I的非調(diào)質(zhì)鋼材的基體由初析鐵素體率小于10%的鐵素體-珠光體組織或珠光體組織構(gòu)成。因此，即使不含有V、省略了調(diào)質(zhì)處理和表 面硬化熱處理，鍛造曲軸1的表面也具有優(yōu)異的耐磨耗性，且鍛造曲軸1具有優(yōu)異的強(qiáng)度和硬度。實(shí)施例將表1所示的化學(xué)組成的標(biāo)記1 10的鋼用真空感應(yīng)加熱爐熔解，形成鋼液。將 鋼液鑄錠，制造柱狀的鋼錠。所制造的鋼錠具有50kg的重量，具有100mm的外徑。[表 1]
權(quán)利要求
1.一種鍛造曲軸，其由非調(diào)質(zhì)鋼材構(gòu)成，所述非調(diào)質(zhì)鋼材的化學(xué)組成按質(zhì)量％計(jì)含有C:0.45 0.70%,S1:0.75 1.30%、Mn:1.00 2.00%,S:0.03 0.30%,Cr:0.05 0.30%、Al:0.005 0.050%和N:0.005 0.020%,剩余部分包含F(xiàn) e和雜質(zhì)，并且滿足式(I)，所述非調(diào)質(zhì)鋼材的基體由初析鐵素體的面積率小于10%的鐵素體-珠光體組織或珠光體組織構(gòu)成， .1.lC+Mn+0.2Cr > 2.0 (I) 其中，將各元素的含量(質(zhì)量％)代入式(I)中的各元素符號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍛造曲軸，其中，所述非調(diào)質(zhì)鋼材的所述化學(xué)組成含有Ti:0.03%以下來(lái)替代Fe的一部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的鍛造曲軸，其具有省略了表面硬化熱處理的曲柄銷。
全文摘要
本發(fā)明提供具有優(yōu)異的耐磨耗性的鍛造曲軸。本實(shí)施方式的鍛造曲軸由非調(diào)質(zhì)鋼材構(gòu)成。非調(diào)質(zhì)鋼材的化學(xué)組成按質(zhì)量%計(jì)含有C0.45～0.70%、Si0.75～1.30%、Mn1.00～2.00%、S0.03～0.30%、Cr0.05～0.30%、Al0.005～0.050%和N0.005～0.020%，剩余部分包含F(xiàn)e和雜質(zhì)，并且滿足式(1)。非調(diào)質(zhì)鋼材的基體由初析鐵素體按面積率計(jì)小于10%的鐵素體-珠光體組織或珠光體組織構(gòu)成。1.1C+Mn+0.2Cr＞2.0(1)其中，將各元素的含量(質(zhì)量%)代入式(1)中的各元素符號(hào)。
文檔編號(hào)C22C38/60GK103080350SQ201180029539
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2011年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月16日
發(fā)明者金基成, 多比良裕章, 前島健人 申請(qǐng)人:新日鐵住金株式會(huì)社