CN103080356A - 高频淬火用钢及使用其制造的曲柄轴 - Google Patents

Abstract

本发明提供即使省略高频淬火后的回火，也不易产生裂纹且具有优异的硬度和抗咬死性的高频淬火用钢。本实施方式的高频淬火用钢以质量%计含有C：0.20～0.34%、Si：0.20%以下、Mn：0.75～2.0%、P：0.03%以下、S：0.20%以下、Cr：0.05～1.2%、Ti：0.002%以上且不足0.030%、Al：0.005～0.04%、N：0.0040～0.020%，剩余部分由Fe和杂质组成，满足式(1)。1.20≤Mn+Cr≤2.10(1)，此处，对式(1)中的各元素符号代入各元素的含量(质量%)。

Description

高频淬火用钢及使用其制造的曲柄轴

技术领域

本发明涉及高频淬火用钢及使用其制造的曲柄轴，更详细而言，涉及用于通过高频淬火制造的曲柄轴的高频淬火用钢及使用其制造的曲柄轴。

背景技术

曲柄轴有实施高频淬火和回火后进行磨削而制造的曲柄轴。通过高频淬火，钢中产生残留应力。残留应力导致淬火裂纹、磨削裂纹这样的裂纹。回火降低残留应力，抑制裂纹的产生。

若省略回火，则制造成本降低。然而，高频淬火时产生的残留应力导致的裂纹变得容易产生。因此，需要即使在曲柄轴的制造工序中省略回火也不易产生裂纹的高频淬火用钢。

日本特开昭61－186419号公报、日本特开2000－26933号公报、日本特开2005－256134号公报和日本特开2007－113063号公报公开了用于热锻产品和曲柄轴的制造的、不易产生由高频淬火导致的裂纹的钢。

日本特开昭61－186419号公报中公开的驱动轴的制造方法通过降低钢构件的C含量来抑制由高频淬火导致的淬火裂纹的产生。日本特开昭61－186419号公报还为了补偿由降低C含量引起的淬火性的降低而使钢构件含有B。

日本特开2000－26933号公报中公开的热锻用钢通过含有0.04重量%以上的Ti来改变硫化物的形态，提高锻造后的切削性，抑制磨削时产生的磨削裂纹。

日本特开2005－256134号公报中公开的曲柄轴用钢材含有0.4质量%以上的Si。通过大量含有Si，减小由磨削时产生的热导致碳化物产生时的收缩量，抑制磨削裂纹。

日本特开2007－113063号公报中公开的热锻部件具有fn2=521－353C－22Si－25Mn－8Cu－17Ni－18Cr－26Mo为300以上的化学组成。通过将式fn2设为300以上来抑制淬火裂纹的产生。

发明内容

然而，像日本特开昭61－186419号公报中公开的钢构件那样含有B的高频淬火用钢的淬火性偏差大，品质难以稳定。另外，日本特开2000－26933号公报中公开的热锻用钢由于含有大量的Ti，制造成本变高。日本特开2005－256134号公报和日本特开2007－113063号公报中公开的钢材含有大量的Si。因此，氧化皮的产生量变多。因此，通过与上述专利文献不同的其它方法而能够抑制伴随高频淬火的裂纹的产生是优选的。

进而，曲柄轴的硬度高是优选的。另外，曲柄轴的销被装入连杆的大端部中，曲柄轴的销与连杆的大端部的内表面借助滑动轴承旋转。因此，曲柄轴的表面也需要优异的抗咬死性。因此，用于制造曲柄轴的高频淬火用钢需要高硬度和优异的抗咬死性。

本发明的目的在于，提供即使省略高频淬火后的回火，也不易产生裂纹且具有高硬度和优异的抗咬死性的高频淬火用钢。

本发明的一个实施方式的高频淬火用钢以质量%计含有C：0.20～0.34%、Si：0.20%以下、Mn：0.75～2.0%、P：0.03%以下、S：0.20%以下、Cr：0.05～1.2%、Ti：0.002%以上且不足0.030%、Al：0.005～0.04%、N：0.0040～0.020%，剩余部分由Fe和杂质组成，满足式(1)。

1.20≤Mn+Cr≤2.10(1)

此处，对式(1)中的各元素符号代入各元素的含量(质量%)。

本发明的一个实施方式的高频淬火用钢即使省略高频淬火后的回火，也不易产生裂纹且具有高硬度和优异的抗咬死性。

本发明的一个实施方式的曲柄轴是将上述高频淬火用钢高频淬火而制造的。另外，曲柄轴也可以省略回火而制造。

具体实施方式

以下，对本发明的实施方式进行详细说明。以下，与元素相关的%是指质量%。

[本实施方式的高频淬火用钢的概要]

本发明人等为了提高省略了回火的高频淬火用钢的耐裂纹性、硬度和抗咬死性而进行了调查和研究。其结果，本发明人等得到以下见解。

(1)制造曲柄轴时高频淬火用钢中产生的裂纹(淬火裂纹、磨削裂纹)是由高频淬火时、磨削时钢中产生的残留应力导致的。对于减少残留应力，减少钢中的碳(C)含量是有效的。若减少C含量，则能够抑制由热导致的钢的体积变化，因此能够减少残留应力。因此，变得不易产生裂纹。即，钢的耐裂纹性提高。C含量为0.34%以下时，即使省略回火处理，也能够抑制裂纹的产生。

(2)C提高钢的硬度。因此，若减少C含量，则高频淬火用钢的硬度降低。因此，含有满足式(1)的锰(Mn)和铬(Cr)来代替C，提高钢的硬度。

(3)若钢的热导率降低，则钢的抗咬死性降低。硅(Si)降低钢的热导率。将Si含量设为0.20%以下时，能够将钢的热导率维持在高水平，能够得到优异的抗咬死性。

基于以上见解，本发明人等完成了本实施方式的高频淬火用钢。以下，对本实施方式的高频淬火用钢进行详述。

[化学组成]

本实施方式的高频淬火用钢包含以下的化学组成。

C：0.20～0.34%

碳(C)提高钢的强度和硬度。另一方面，C含量过多时，由热导致的钢的体积变化变大，钢中容易产生残留应力。因此，变得容易产生裂纹。因此，C含量为0.20～0.34%。优选的C含量为0.28～0.34%，进一步优选为0.30～0.33%。

Si：0.20%以下

硅(Si)降低钢的热导率，降低钢的抗咬死性。另一方面，Si含量过多时，热锻时产生的氧化皮量增多，锻造后的钢的表面粗糙。因此，Si含量少是优选的。Si含量为0.20%以下。优选的Si含量为0.18%以下，进一步优选为0.10%以下。

Mn：0.75～2.0%

锰(Mn)固溶在钢中，提高钢的强度和韧性。Mn还提高高频淬火前的钢的硬度。Mn还生成MnS，抑制FeS生成。通过抑制FeS的生成，提高钢的热延性，锻造时变得不易产生裂纹。另一方面，Mn含量过多时，生成贝氏体。贝氏体降低钢的切削性。因此，生成贝氏体是不优选的。另外，Mn含量过多时，钢的硬度变得过高，变得容易产生裂纹。进而，钢的热导率降低。因此，Mn含量为0.75～2.0%。优选的Mn含量为1.10～1.70%，进一步优选为1.30～1.60%。

P：0.03%以下

磷(P)为杂质。P降低热延性。P还降低高频淬火时的耐裂纹性。因此，P含量少是优选的。P含量为0.03%以下。优选的P含量为0.020%以下，进一步优选为0.010%以下。

S：0.20%以下

硫(S)为杂质。然而，若含有S，则生成MnS，钢的切削性提高。另一方面，S含量过多时，钢的热加工性降低。进而，S含量过多时，钢中的硫化物的数量增加，变得容易产生磨削裂纹。因此，S含量为0.20%以下。使其发挥提高钢的切削性的效果时，优选的S含量的下限为0.02%以上。进一步优选的S含量为0.02～0.07%。

Cr：0.05～1.2%

铬(Cr)提高钢的强度和硬度。具体而言，Cr降低A_C3相变点。通过A_C3相变点的降低，在高频淬火中钢的表层变得容易形成均匀的马氏体组织。另外，Cr也提高高频淬火前的钢的硬度。另一方面，Cr含量过多时，高频淬火前的坯料中生成贝氏体。由于贝氏体降低切削性，生成贝氏体是不优选的。因此，Cr含量为0.05～1.2%。优选的Cr含量为0.10～0.50%，进一步优选为0.15～0.30%。

Ti：0.002%以上且不足0.030%

钛(Ti)生成氮化物、碳氮化物，通过钉扎效应使晶粒微细化。通过晶粒微细化，钢的延性和韧性提高，变得不易产生由高频淬火导致的裂纹。另一方面，Ti含量过多时，生成粗大的氮化物，钢的切削性降低。进而，制造成本变高。因此，Ti含量为0.002%以上且不足0.030%。优选的Ti含量为0.005%以上且不足0.030%。

Al：0.005～0.04%

铝(Al)将钢脱氧。Al还生成氮化物，通过钉扎效应使晶粒微细化。通过晶粒微细化，钢的延性和韧性提高，变得不易产生由高频淬火导致的裂纹。另一方面，Al含量过多时，钢的韧性反而降低。因此，Al含量为0.005～0.04%。优选的Al含量为0.008～0.030%。本实施方式中的Al含量为酸溶Al(Sol.Al)的含量。

N：0.0040～0.020%

氮(N)与Al、Ti结合而生成氮化物、碳氮化物。这些氮化物、碳氮化物通过钉扎效应使晶粒微细化。通过晶粒微细化，钢的延性和韧性提高，变得不易产生由高频淬火导致的裂纹。另一方面，N含量过多时，钢中变得容易产生孔洞(voids)等缺陷。因此，N含量为0.0040～0.020%。优选的N含量为0.0080～0.020%。

本实施方式的高频淬火用钢的化学组成的剩余部分由Fe和杂质组成。此处所说的杂质是指：从用作钢的原料的矿石、废料或制造过程的环境等中混入的元素。在本实施方式中，杂质例如有铜(Cu)、镍(Ni)、钼(Mo)、氧(O)等。

本实施方式的高频淬火用钢的化学组成还满足式(1)。

1.20≤Mn+Cr≤2.10(1)

此处，对式(1)中的各元素符号代入各元素的含量(质量%)。

Mn含量和Cr含量的总和为1.20%以上时，即使C含量少，也能得到高硬度。另一方面，Mn含量与Cr含量的总和超过2.10%时，钢中生成贝氏体，钢的切削性降低。进而，硬度变得过高，变得容易产生裂纹。

[组织]

本实施方式的高频淬火用钢的组织为铁素体-珠光体组织或珠光体组织。

[制造方法]

对使用了本实施方式的高频淬火用钢的曲柄轴的制造方法的一个例子进行说明。

制造具有上述化学组成的钢水。通过连铸法使钢水形成铸坯(slab)。也可以通过铸锭法使钢水形成铸锭(钢块)。也可以将铸坯或铸锭热加工，形成钢坯(钢片)、钢条。

接着，将铸坯、铸锭、钢坯或钢条热锻，在大气中冷却，制造曲柄轴的粗略形状的中间产品。接着，对曲柄轴的中间产品在周知的条件下实施高频淬火。

不对高频淬火后的曲柄轴的中间产品实施回火。即，省略回火。通过机械加工将省略回火的曲柄轴的中间产品磨削成规定形状，制造曲柄轴。

曲柄轴是使用具有上述化学组成的高频淬火用钢制造的。因此，实施高频淬火后，即使省略回火，也不易产生裂纹。进而，由于Mn和Cr含量满足式(1)，因此高频淬火用钢具有高硬度。进而，由于Si含量低，因此高频淬火用钢的抗咬死性优异。

实施例

调查具有各种化学组成的高频淬火用钢的组织、硬度、热导率和耐裂纹性。

[试验方法]

用真空感应加热炉将具有表1所示的化学组成的标记A～X的钢熔解，形成钢水。将钢水铸锭，制造柱状的铸锭。制造的铸锭具有50kg的重量，并具有150mm的外径。

[表1]

表1中的“F值”栏示出以下式(2)所示的F的值。

F=Mn+Cr(2)

此处，对式(2)中的各元素符号代入各元素的含量(质量%)。

参照表1，标记A～J的钢的化学组成处于本实施方式的高频淬火用钢的化学组成的范围内，并且满足式(1)。

另一方面，标记K～X的钢的化学组成或处于本实施方式的高频淬火用钢的化学组成的范围外，或不满足式(1)。具体而言，标记K的C含量、Si含量和Al含量、标记L的C含量和Al含量、标记M的Si含量、标记N的C含量、标记O和P的Mn含量、标记Q和R的Cr含量、标记S的S含量、标记T的N含量、标记U的Al含量以及标记V的Ti含量分别处于本实施方式的高频淬火用钢的化学组成的范围外。另外，标记P的F值不足式(1)的下限，标记O和Q的F值超过式(1)的上限。

标记W和标记X的化学组成处于本实施方式的高频淬火用钢的化学组成的范围内。然而，标记W的F值超过式(1)的上限，标记X的F值不足式(1)的下限。

将各标记的铸锭热锻，制造锻件。具体而言，用周知的加热炉将各铸锭加热至1250℃。将加热了的铸锭热锻，制造具有65mm的外径的圆钢锻件(以下简称为圆钢)。热锻时的终轧温度为1000℃。热锻后，将圆钢在大气中冷却。

[组织观察试验]

将冷却后的各标记的圆钢与轴方向垂直地切割，获取试验片。试验片的切割面的法线为圆钢的轴方向。对试验片的切割面进行研磨。研磨后，用硝酸乙醇腐蚀液腐蚀切割面。腐蚀后，用400倍的光学显微镜观察腐蚀后的切割面的R/2位置(将圆钢切割面(圆形)的中心点与外周之间二等分的点)的组织。

[晶粒度测定试验]

在组织观察试验中，还使用JISG0551的晶粒度标准图求出各标记的圆钢的切割面的R/2位置的任意五个视野中的奥氏体晶粒度。此时，将被先共析铁素体包围的区域认定为一个晶粒。对于各标记，将各视野中求出的奥氏体晶粒度的五个视野的平均值定义为该标记的奥氏体晶粒度。

[硬度试验]

将各圆钢与轴方向垂直地切割。将切割面镜面研磨后，在切割面中，在R/2位置的任意三点上测定根据JISZ2244的维氏硬度(Hv)。试验力为98.07N。将得到的三个维氏硬度的平均值定义为各标记的硬度。

[裂纹试验]

通过周知的方法对各标记的圆钢进行车削加工，制作外径60mm、内径40mm、宽15mm的环形试验片(以下简称环)。对各环的外周面实施高频淬火。高频淬火是以频率150kHz、100kW将环的外周面加热1.2秒。加热后，将环用水冷却。

进行高频淬火后，通过圆柱滑杆磨削对环的外周面进行磨削。磨石使用Kure Grinding Wheel K.K.制的商品“80A80N8V201”。磨石的外径405mm、内径152.4mm、宽25mm。磨削时的磨石的圆周速度为60m/s，切入速度为0.5mm/分钟。公差设为φ0.3mm/Cut。即，对各环的外周面进行磨削，直至环的外径达到59.7mm。

将磨削后的环的外周面浸渍在4.1%盐酸中10分钟。浸渍后，利用荧光磁粉探伤试验，通过目视确认裂纹的有无。

[热导率测定试验]

从各圆钢的R/2位置获取直径5mm、厚度1mm的试验片。使用获取的试验片，根据JIS R1611通过激光闪光法测定各标记的试验片的热导率(W/(m·K))。

[试验结果]

将试验结果示于表1。表1中的“组织”栏中示出通过组织观察试验观察到的组织。“硬度”栏中示出通过硬度试验得到的硬度(Hv)。“粒度”栏中示出通过晶粒度测定试验得到的晶粒度。“热导率”栏中示出通过热导率测定试验得到的热导率(W/(m·K))。“裂纹”栏中示出裂纹试验结果。“无”表示未确认到裂纹。“有”表示确认到裂纹。

参照表1，标记A～J的化学组成处于本实施方式的高频淬火用钢的化学组成的范围内，并且，F值满足式(1)。因此，各标记的圆钢的R/2位置的硬度以维氏硬度计均为200Hv以上。另外，热导率均为40W/(m·K)以上，显示出优异的抗咬死性。进而，晶粒度均为2.0以上，在裂纹试验中，各标记的试验片中均未确认到裂纹。此外，组织均为铁素体-珠光体组织。

另一方面，标记K和L的C含量超过本实施方式的高频淬火用钢的C含量的上限。因此，在裂纹试验中，确认到裂纹。另外，标记K和M的Si含量超过本实施方式的高频淬火用钢的Si含量的上限。因此，标记K和M的热导率不足40W/(m·K)，可以预测抗咬死性低。

标记N的C含量不足本实施方式的高频淬火用钢的C含量的下限。因此，维氏硬度不足200Hv。

标记O的Mn含量超过本实施方式的高频淬火用钢的Mn含量的上限。另外，F值超过式(1)的上限。因此，在组织观察中观察到贝氏体。进而，维氏硬度为256Hv，过高，在裂纹试验中确认到裂纹，热导率也不足40W/(m·K)。

标记P的Mn含量不足本实施方式的高频淬火用钢的Mn含量的下限，并且，F值不足式(1)的下限。因此，维氏硬度不足200Hv。

标记Q的Cr含量超过本实施方式的高频淬火用钢的Cr含量的上限，并且，F值超过式(1)的上限。因此，在组织观察中确认到贝氏体。进而，在裂纹试验中确认到裂纹。

标记R的Cr含量不足本实施方式的高频淬火用钢的Cr含量的下限。因此，维氏硬度不足200Hv。

标记S的S含量超过本实施方式的高频淬火用钢的S含量的上限。因此，在裂纹试验中确认到裂纹。推测这是因为硫化物大量产生。

标记T的N含量、标记U的Al含量、标记V的Ti含量不足本实施方式的高频淬火用钢的N含量、Al含量、Ti含量的下限。因此，奥氏体粒度变得不足2.0，在裂纹试验中确认到裂纹。另外，标记U和标记V的维氏硬度不足200Hv。

标记W和标记X的化学组成处于本实施方式的高频淬火用钢的化学组成的范围内。然而，标记W的F值超过式(1)的上限，因而在裂纹试验中确认到裂纹。另外，标记X的F值不足式(1)的下限，因而维氏硬度不足200Hv。

以上说明了本发明的实施方式，但上述实施方式不过是用于实施本发明的例示。因此，本发明不限定于上述实施方式，在不超出其主旨的范围内，可以将上述实施方式适宜变形而实施。

Claims (3)

1.一种高频淬火用钢，其以质量%计含有C：0.20～0.34%、Si：0.20%以下、Mn：0.752.0%、P：0.03%以下、S：0.20%以下、Cr：0.05～1.2%、Ti：0.002%以上且不足0.030%、Al：0.0050.04%、N：0.0040～0.020%，剩余部分由Fe和杂质组成，满足式(1)，

1.20≤Mn+Cr≤2.10(1)

此处，对式(1)中的各元素符号代入各元素的含量(质量%)。

2.一种曲柄轴，其是将权利要求1所述的高频淬火用钢高频淬火而制造的。

3.一种曲柄轴，其为权利要求2所述的曲柄轴，是省略回火而制造的。