CN116323992A - 曲轴 - Google Patents

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Abstract

提供一种抗咬性优异的曲轴。曲轴(10)为具备轴颈部(11)和销部(12)的曲轴，其化学组成以质量％计为C：0.35～0.40％、Si：0.70％以下、Mn：1.00～2.00％、Cr：0.50％以下、Al：0.050％以下、N：0.020％以下、P：0.020％以下、S：0.005～0.200％、余量：Fe和杂质，轴颈部(11)和销部(12)各自的表面的组织为包含80体积％以上的回火马氏体的组织、表面的硬度为HV450以下。

Description

曲轴
技术领域
本发明涉及曲轴。
背景技术
对于曲轴，为了提高疲劳强度、耐磨损性，有时进行利用高频淬火、软氮化的表面硬化处理。
日本特开平1-303309号公报中公开了一种曲轴的制造方法，将轴部、轴瓦部、飞轮部、销部和曲柄臂部分别分开制造，将它们焊接成一体，并且在淬火回火后进行机械加工。
日本特开平7-34134号公报中公开了一种曲轴的表面处理方法，对使用将含碳量抑制得较少的非调质钢形成的曲轴进行高频淬火回火，使得淬火硬度为HV400～小于500，然后进行表面塑性加工，使得表面硬化层的硬度为HV500～700。
日本专利第4332070号公报中公开了大型锻钢件用高强度钢以及由该钢构成的大型曲轴。该公报中记载了将锻钢件用钢加热至870℃后，以20℃/分钟的冷却速度冷却(淬火)，在580～630℃下回火。
国际公开第2017/56896号中公开了曲轴粗型材、氮化曲轴及其制造方法。该公报中记载了在比A3点低10℃的温度以上的温度下进行淬火，在550℃以上且A1点以下的温度下进行回火。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开平1-303309号公报
专利文献2:日本特开平7-34134号公报
专利文献3:日本专利第4332070号公报
专利文献4:国际公开第2017/56896号
发明内容
发明要解决的问题
对于曲轴，除了要求疲劳强度、耐磨损性以外，还要求抗咬性。近年来，以提高燃料效率为目的，润滑油的低粘度化、曲轴滑动部的细轴化不断发展，对曲轴需要更优异的抗咬性。
本发明的目的在于提供一种抗咬性优异的曲轴。
用于解决问题的方案
本发明的一个实施方式所述的曲轴是具备轴颈部和销部的曲轴，其化学组成以质量％计为C：0.35～0.40％、Si：0.70％以下、Mn：1.00～2.00％、Cr：0.50％以下、Al：0.050％以下、N：0.020％以下、P：0.020％以下、S：0.005～0.200％、余量：Fe和杂质，所述轴颈部和所述销部各自的表面的组织为包含80体积％以上的回火马氏体的组织、表面的硬度为HV450以下。
发明的效果
根据本发明，能够得到抗咬性优异的曲轴。
附图说明
图1为本发明的一个实施方式所述的曲轴的示意图。
图2为轴颈部和销部的局部放大图。
图3为示出图1的曲轴的制造方法的一例的流程图。
图4为咬死试验中使用的评价装置的示意图。
图5为施加于试验轴的表面压力的时间变化的示意图。
图6为示出表面硬度与咬死表面压力的关系的图表。
图7为示出表面硬度与咬死表面压力的关系的图表。
具体实施方式
为了提高抗咬性，据说需要提高滑动零件中的软质材料的表面硬度。在曲轴中，也有提高作为软质材料的轴承金属的表面硬度而提高抗咬性的例子。另一方面，作为硬质材料的曲轴的销部和轴颈部的表面硬度与抗咬性的关系，至今为止还没有系统地进行研究。
一般认为，通过提高表面硬度，耐磨损性提高，抗咬性也提高。但是，根据本发明人等的调查，与该预想相反，得到销部和轴颈部的表面硬度越低，抗咬性越提高的结果。
本发明是基于该见解而完成的。以下参照附图详细地说明本发明的实施方式。对附图中相同或相当的部分标注相同的附图标记，不重复进行其说明。各附图所示的构成部件间的尺寸比不一定表示实际的尺寸比。
[曲轴]
图1为本发明的一个实施方式所述的曲轴10的示意图。曲轴10具备轴颈部11、销部12和臂部13。
轴颈部11与气缸体(未图示)连结。销部12与连杆(未图示)连结。臂部13连接轴颈部11与销部12。轴颈部11和销部12分别与形成在气缸体和连杆上的轴承滑动。
[化学组成]
曲轴10具有以下说明的化学组成。在以下说明中，元素含量的“％”是指质量％。
C：0.35～0.40％
碳(C)使钢的硬度提高，有助于提高疲劳强度。另一方面，当C含量过高时，耐淬裂性和切削性降低。因此，C含量为0.35～0.40％。
Si：0.70％以下
硅(Si)使钢脱氧。另一方面，当Si含量过高时，切削性降低。因此，Si含量为0.70％以下。Si含量的下限优选为0.01％。Si含量的上限优选为0.50％。
Mn：1.00～2.00％
锰(Mn)提高钢的淬火性。另一方面，当Mn含量过高时，切削性降低。因此，Mn含量为1.00～2.00％。
Cr：0.50％以下
铬(Cr)提高钢的淬火性。另一方面，当Cr含量过高时，切削性降低。因此，Cr含量为0.50％以下。Cr含量的下限优选为0.01％，进一步优选为0.05％。Cr含量的上限优选为0.30％。
Al：0.050％以下
铝(Al)使钢脱氧。另一方面，当Al含量过高时，切削性降低。因此，Al含量为0.050％以下。Al含量的下限优选为0.001％。
N：0.020％以下
氮(N)为杂质。N使钢的热延性降低。因此，N含量为0.020％以下。另一方面，若过度限制N含量，则冶炼成本增加。N含量的下限优选为0.001％，进一步优选为0.005％。
P：0.020％以下
磷(P)为杂质。P使钢的耐淬裂性降低。因此，P含量为0.020％以下。
S：0.005～0.200％
硫(S)形成MnS，提高钢的切削性。另一方面，当S含量过高时，钢的热加工性降低。因此，S含量为0.005～0.200％。
曲轴10的化学组成的余量为Fe和杂质。这里所说的杂质是指从作为钢的原料利用的矿石、废料混入的元素，或者从制造过程的环境等混入的元素。
[组织]
轴颈部11和销部12各自的表面的组织为包含80体积％以上的回火马氏体的组织，表面的硬度为HV450以下。通过将轴颈部11和销部12的表面的组织设为包含80体积％以上的回火马氏体的组织，且表面的硬度为HV450以下，抗咬性显著提高。
在轴颈部11和销部12的表面的组织的确定中，渗碳体作为与回火马氏体独立的组织来处理。轴颈部11和销部12的表面的组织优选包含10体积％以上的渗碳体。轴颈部11和销部12的表面的组织的渗碳体的体积率优选为12体积％以上，进一步优选为15体积％以上。渗碳体优选微细地分散成粒状。
轴颈部11和销部12的表面的硬度依据JIS Z 2244(2009)进行测定。试验力设为300gf(2.942N)。轴颈部11和销部12的表面的硬度优选为HV400以下，更优选为HV350以下，进一步优选为HV300以下，进一步优选为HV250以下。轴颈部11和销部12的表面的硬度的下限没有特别设置，例如为HV180，更优选为HV200。
轴颈部11和销部12的除表面的组织以外的组织都是任意的。即，轴颈部11和销部12可以是到芯部为止包含80体积％以上的回火马氏体的组织，也可以是仅表面或表面附近包含80体积％以上的回火马氏体的组织。
同样地，轴颈部11和销部12的除表面以外的硬度都是任意的。即，轴颈部11和销部12可以是到芯部为止的硬度为HV450以下，也可以是仅表面或表面附近的硬度为HV450以下。
抗咬性等滑动特性通常受零件的最表面的特性的影响支配。因此，在轴颈部11和销部12各自中，如果最表面的组织为上述组织，最表面的硬度为上述硬度，则能够得到提高抗咬性的效果。不过，为了更稳定地得到效果，在轴颈部11和销部12各自中，优选在从表面起至深度1.0mm为止的区域为上述组织和硬度。更优选在从表面起至深度2.0mm为止的区域为上述组织和上述硬度，进一步优选在从表面起至深度3.0mm为止的区域为上述组织和上述硬度。
轴颈部11和销部12各自的表面粗糙度Ra优选为0.100μm以下。轴颈部11和销部12的表面粗糙度Ra更优选为0.080μm以下，进一步优选为0.060μm以下。
图2为曲轴10的轴颈部11和销部12的局部放大图。曲轴10还具备形成在轴颈部11与臂部13的边界处、以及销部12与臂部13的边界处的圆角部14。在本说明书中，不区分与轴颈部11相邻的圆角部和与销部12相邻的圆角部，将两者均称为圆角部14。圆角部14为了缓和应力集中而形成为平滑的形状。
圆角部14是曲轴10中施加有最强应力的部分。曲轴10的疲劳特性受圆角部14的疲劳强度的影响支配。另外，在曲轴10中成为问题的弯曲疲劳受零件的表层部的特性的影响支配。因此，从提高曲轴10的疲劳强度的观点出发，优选提高圆角部14的表层部的硬度。
更具体而言，从提高曲轴10的疲劳强度的观点出发，优选将圆角部14的从表面起至深度2mm为止的硬度设为HV580以上。进一步优选圆角部14的从表面起至深度2mm为止的硬度为HV600以上，进一步优选为HV650以上。圆角部14的从表面起至深度2mm为止的硬度的上限没有特别设置，例如为HV800。
即使在为了提高曲轴10的疲劳强度而提高圆角部14的硬度的情况下，圆角部14的比从表面起深度2.0mm更深的区域的硬度也是任意的。即，圆角部14中，可以是到芯部为止的硬度为HV580以上，也可以是仅从表面起至深度2mm为止的区域的硬度为HV580以上。不过，为了更稳定地得到效果，更优选将从表面起至深度3.0mm为止的区域的硬度设为HV580以上、HV600以上、或HV650以上，进一步优选将从表面起至深度4.0mm为止的区域的硬度设为HV580以上、HV600以上、或HV650以上。
圆角部14的硬度是采集与曲轴10的轴向平行的截面(纵截面)为测定面的样品，并依据JIS Z 2244(2009)对测定面进行测定而得到的。试验力设为300gf(2.942N)。
圆角部14的组织是任意的。不过，在为了提高曲轴10的疲劳强度提高等而使圆角部14的表层部的硬度为HV580以上的情况下，优选该区域的组织为包含马氏体的组织。更具体而言，优选该区域的组织为包含80体积％以上的马氏体的组织。该区域的马氏体的体积率更优选为90体积％以上，进一步优选为95体积％以上。
此处的“马氏体”(新生马氏体)是指淬火状态下的马氏体、或者为了去除应变而进行了低温回火的马氏体，区别于“回火马氏体”。“马氏体”和“回火马氏体”可以通过用显微镜等观察析出的金属碳化物、渗碳体的量以及分散状态来进行辨别。另外，在确定圆角部14的表层部的组织时，渗碳体作为与马氏体独立的组织来处理。
轴颈部11、销部12和圆角部14以外的部分(例如臂部13)的组织、硬度是任意的。
[曲轴的制造方法]
接着，对曲轴10的制造方法的一例进行说明。以下说明的制造方法仅为示例，并不限定曲轴10的制造方法。
图3为示出曲轴10的制造方法的一例的流程图。该制造方法具备：准备坯料的工序(步骤S1)、热锻工序(步骤S2)、热处理工序(步骤S3)、机械加工工序(步骤S4)、淬火工序(步骤S5)、回火工序(步骤S6)以及精加工工序(步骤S7)。以下，对各工序进行详细说明。
准备曲轴10的坯料(步骤S1)。坯料例如为棒钢。坯料例如可以通过连续铸造或初轧具有规定的化学组成的钢水来制造。
对坯料进行热锻制成曲轴的粗制形状(步骤S2)。热锻也可以分为粗锻和精锻来实施。
对通过热锻制造的曲轴的粗制品，根据需要实施正火等热处理(步骤S3)。热处理工序(步骤S3)为任意的工序，根据曲轴的需求特性等也可以省略该工序。
对曲轴的粗制品进行机械加工(步骤S4)。机械加工为切削加工、磨削加工、开孔加工等。通过该工序来制造具有接近最终产品的形状的中间品。
对机械加工后的曲轴的中间品进行淬火(步骤S5)。具体而言，加热至规定的加热温度后，进行骤冷。此时，可以利用高频感应加热装置进行局部加热，也可以利用热处理炉对中间品整体进行加热。不过，在局部加热的情况下，优选至少对轴颈部11、销部12和圆角部14进行加热。该淬火也可以分多次实施。加热温度优选为Ac3点以上，更优选为900℃以上。
此时，优选使圆角部14的表层部的硬度为HV580以上。圆角部14的表层部的硬度可以根据坯料的化学组成、淬火时的冷却速度进行调整。具体而言，若提高C等有助于淬火性的元素的含量、或增大冷却速度，则圆角部14的表层部的硬度变高。需要说明的是，在采用淬火未使圆角部14的表层部的硬度达到HV580的情况下，也可以实施压花辊等的塑性加工来提高圆角部14的表层部硬度。
对淬火后的中间品进行回火(步骤S6)。具体而言，例如在330～750℃的温度下保持规定时间。回火以轴颈部11和销部12的表面的硬度为HV450以下的方式进行。越提高加热温度、或增长保持时间，可以使硬度越低。当加热温度低于330℃时，有时难以使硬度充分降低。另一方面，若使加热温度高于750℃，有时在组织中产生奥氏体。该奥氏体在冷却时相变为再淬火马氏体、铁素体/珠光体，因此有时无法充分降低硬度。加热温度优选为550～650℃。保持时间例如为10～120分钟。
此时，优选使用高频感应加热装置对轴颈部11和销部12进行加热，尽量使圆角部14不被加热。该回火也可以分多次实施。由此，可以使轴颈部11和销部12软化，不使圆角部14软化。加热部位可以根据感应线圈的形状、感应线圈与对象部分的距离、输出频率等进行调整。
需要说明的是，淬火、回火可以实施多次，除了淬火、回火之外，还可以实施其他热处理。例如，为了抑制淬火裂纹，可以实施对表面的组织、硬度不造成较大影响的温度下的低温回火。
对回火后的中间品，根据需要实施精加工(步骤S7)。例如，对轴颈部11和销部12实施磨削、抛光来调整表面形状。在进行精加工的情况下，优选表面粗糙度Ra为0.040～0.100μm。
以上对本发明的一个实施方式所述的曲轴10的构成及其制造方法的一例进行了说明。根据本实施方式，能够得到抗咬性优异的曲轴。
实施例
以下通过实施例更加具体地说明本发明。本发明不限于这些实施例。
将具有表1所示的化学组成的钢作为坯料，制作咬死试验用的试验轴，调查表面硬度与抗咬性的关系。
[表1]
表1
Figure BDA0004113571130000081
具体而言，将坯料加热至1250℃后，利用热锻(锻造结束温度1075℃)加工成外径63mm、长度570mm。空气冷却至室温后，进行切削加工和去除氧化皮。然后，利用高频感应加热装置，进行加热至Ac3点以上的温度后水冷的高频淬火。以淬火硬化层的厚度成为3.0mm以上的方式调整频率等。然后，进行在620℃或350℃下加热90分钟后空气冷却的回火。作为精加工，以表面粗糙度Ra成为0.040～0.100μm的方式，对试验轴实施磨削和抛光。
作为比较例，制作省略了回火的试验轴。
使用所制作的试验轴，实施咬死试验。咬死试验使用神钢造机株式会社制曲柄金属耐磨损咬死性评价装置来实施。将评价装置20的示意图示于图4。将试验轴TP插入到多个轴承21中，一边向轴承21供油，一边利用电动机(未图示)使试验轴TP以8000rpm旋转。轴承的金属使用大丰工业株式会社制发动机轴承(Al合金)。润滑油设为0W-16或0W-8，供油温度设为130℃。
在该状态下，一边将轴承21中的一个下拉从而使施加于试验轴TP的表面压力阶段性地增加，一边运转直至咬死发生。在图5中示意性地示出施加于试验轴TP的表面压力的时间变化。同一表面压力下的保持时间为3分钟，每一阶段的表面压力增加幅度设为4.0MPa。在轴承的表面温度变为规定值以上、或试验轴承受的扭矩变为规定值以上时，判断为发生了咬死。
将各试验轴的表面硬度、表面的组织、表面粗糙度Ra、回火条件、咬死表面压力、回火条件等示于表2和表3。
[表2]
表2
Figure BDA0004113571130000101
[表3]
表3
Figure BDA0004113571130000102
在表2和表3的“从表面起至3.0mm为止的组织(体积％)”一栏中记载了从表面起至3.0mm的深度的位置中的主要组织(体积率最大的组织)。括号内的数值是该组织的体积率。具体而言，将与试验轴的轴向平行的截面(纵截面)作为观察面，在从表面起至3.0mm的深度的位置，观察36μm×48μm的视场，将该截面中的面积率视为体积率。No.1～9和No.21～24的试验轴的表面的组织均为包含80体积％以上的回火马氏体的组织。
图6和图7示出由润滑油为0W-16的数据制作的表面硬度与咬死表面压力的关系。图6涉及钢材A，图7涉及钢材B。如图6和图7所示，表面硬度为HV450以下的试验轴与比较例的试验轴相比，咬死表面压力高，显示出优异的抗咬性。另外，虽然有偏差，但可见表面硬度越低，咬死表面压力越增加的倾向。
以上对本发明的一个实施方式进行了说明，但上述实施方式不过是用于实施本发明的示例。因此，本发明不限定于上述实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内对上述实施方式适当进行变形来实施。
附图标记说明
10 曲轴
11 轴颈部
12 销部
13 臂部
14 圆角部

Claims (6)

1.一种曲轴，所述曲轴具备轴颈部和销部，
其化学组成以质量％计为C：0.35～0.40％、
Si：0.70％以下、
Mn：1.00～2.00％、
Cr：0.50％以下、
Al：0.050％以下、
N：0.020％以下、
P：0.020％以下、
S：0.005～0.200％、
余量：Fe和杂质，
所述轴颈部和所述销部各自的表面的组织为包含80体积％以上的回火马氏体的组织、表面的硬度为HV450以下。
2.根据权利要求1所述的曲轴，其还具备圆角部，
所述圆角部的从表面起至深度2.0mm为止的硬度为HV580以上。
3.根据权利要求2所述的曲轴，其中，
所述圆角部的从表面起至深度2.0mm为止的组织为包含80体积％以上的马氏体的组织。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的曲轴，其中，
所述轴颈部和所述销部各自的表面的硬度为HV250以下。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的曲轴，其中，
所述轴颈部和所述销部各自的表面的组织还包含10体积％以上的渗碳体。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的曲轴，其中，
所述轴颈部和所述销部各自的表面粗糙度Ra为0.100μm以下。
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