CN1203205C - 非调质曲轴 - Google Patents

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Abstract

非调质曲轴，以质量%计，其含有C：0.30～0.35%、Si：0.40～0.80%、Mn：1.00～2.00%、S：0.040～0.080%、Cr：0.10～0.30%、V：0.05～0.20%，其余为Fe和杂质，其显微结构是铁素体分率α为0.20～0.60和珠光体平均粒径Dp为0.08mm或0.08mm以下的铁素体-珠光体显微结构，并且满足下式(1)定义的Fn1的值等于或大于0.73、下式(2)定义的Fn2的值等于或大于1.2及下式(3)定义的Fn3的值等于或大于0.64：Fn1＝C+0.10Si+0.20Mn-0.71S+0.23Cr+1.65V(1)；Fn2＝1.4-1.1(1-α)+0.16Dp-1/2(2)和Fn3＝(1-α)+α(0.3Si+0.8V)(3)，其中(1)式和(3)式中的元素符号表示钢中的该元素的质量%含量。本发明的非调质曲轴具有良好的强度、低温韧性和耐磨性，所以可以在工作机用引擎或通用引擎中应用。

Description

非调质曲轴
技术领域
本发明涉及非调质曲轴，所述非调质曲轴使用了“即使省略热锻造后的调质处理也具有良好的强度、低温韧性和耐磨性的非调质钢”，并适合在割草机、发电机、除雪机、泵、艇外推进机或船外马达等的通用引擎中使用。
背景技术
以往，在制造用于汽车或建筑机械等的机械结构部件时，通常是通过对机械结构用钢(例如JIS G 4051规定的机械结构用碳素钢S48C等)进行热锻造，制成所需的部件形状，然后，实施淬火-回火处理(也称调质处理)，使其具有必需的强度和韧性。
但是，近年来，降低成本和减少时间间隔的要求促进了“省略调质处理，只进行热锻造就可以使用的非调质钢”的发展。现在，非调质钢的适用范围以上述的汽车和建筑机械等领域为中心迅速扩大。
而且，随着对非调质钢的需求的扩大，对于高性能、低成本的非调质钢的要求也在增大，所以有人提出了即使省略调质处理也能确保良好韧性的高韧性非调质钢，还有人提出了省略高频率硬化等的表面硬化处理也具有良好的耐磨性的耐磨型非调质钢。
例如，特开平8-120342公开了“高强度高韧性非调质热锻钢部件的制造方法”。根据该制造方法，将含有特定比例的C、Mn、P和N并含有V、Ti和Nb中的一种或多种元素的钢坯，或者含有特定比例的C、Mn、Cr、V和B并含有Ni、Cu和Mo中的一种或多种元素的钢坯热轧，在制成奥氏体粒度号被控制在特定范围的钢之后，在控制加热温度、升温速度和加热持续时间的条件下对该钢实施热锻造，制成主要显微结构是铁素体-珠光体的热锻钢部件。
另外，特开平10-277705公开了“高韧性热锻造用非调质棒钢的制造方法”。根据该制造方法，在对碳当量(Ceq.)在0.70～1.30范围内并含有特定比例的C、Si、Mn、Cr、V、Ti、N和Al的熔钢进行连续铸造时，控制冷却条件，制成热钢坯，然后，该钢坯在特定条件下加热、滚轧，从而制成棒钢。
另外，特开2000-265242提出了“具有良好耐磨性的热锻造非调质钢”。在这种钢中，C含量为0.40～0.70％(以下表示成分比例的％的含义为质量％)，并含有特定比例的Si、Mn、Cr、Al及N，或者根据需要还含有一种或多种加工性改善元素Pb、S、Te、Ca和Bi，热锻造后的显微结构是铁素体-珠光体，并且先共析的铁素体的面积比例在10％或10％以下。
另外，特开2000-328193公开了“具有良好耐磨性的热锻造用非调质钢”。这种钢含有特定比例的C、Si及Mn，或者根据需要还含有一种或多种碳化物和氮化物的形成元素V、Nb和Ti、淬硬性改善元素Cr、奥氏体细粒化元素Al、加工性改善元素S、Pb、Zr、Ca、Te及Bi，同时控制所含大于特定粒径的氧化物类夹杂物的数量。
另外，当今普及到普通家庭的割草机和发电机等工作机中配有被称作“工作机引擎”的通用引擎。然而，因为例如割草机的切割机刀片等工作部件大多被直接固定在所述工作机引擎的曲轴上，所以，工作部件的冲击负荷不可避免地直接传给曲轴。
例如，图1是以割草机的引擎的内部结构为例的横断面简图。作为工作部件的割草机的刀片2刚性连接在曲轴1的轴端，造成该刀片2的冲击负荷直接传给曲轴1。
因此，上述用途中使用的曲轴除具有一般要求的强度及耐磨性等特性外，还必需具有在工作机的使用环境温度范围内的韧性，特别是可以在寒冷地域使用的极其优异的低温韧性。
虽然至今已提出了很多种非调质钢，但是，那些除了具有强度和耐磨性，还必须具有优良的低温韧性的上述工作机用引擎的曲轴等机械结构部件，还是与以往同样，一般是通过将上述S48C等机械结构用钢热锻造后实施淬火-回火的调质处理，以便增加所规定的低温韧性、耐磨性及强度。
这是因为，上述的机械结构部件如果采用以往的省略了淬火-回火的调质处理、只进行热锻造的非调质钢，不能同时充分地满足低温韧性和耐磨性。
即，因为钢材的低温韧性和耐磨性相冲突，以往提出的非调质钢很难同时提高上述的两个性质。例如，上述特开平8-120342、特开平10-277705、特开2000-265242或特开2000-328193等公开的任意一种非调质钢在省略了调质处理时，都不能确保满足作为工作机引擎等的曲轴需要的低温韧性和耐磨性，不能充分地通过省略调质处理来满足降低成本、减少制造时间的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种即使省略热锻造后的调质处理也具有优异的强度、耐磨性和韧性的非调质曲轴。
本发明的要点如下：
(I)非调质曲轴，以质量％计，其含有C：0.30～0.35％、Si：0.40～0.80％、Mn：1.00～2.00％、S：0.040～0.080％、Cr：0.10～0.30％、V：0.05～0.20％，其余为Fe和杂质；其显微结构是铁素体分率α为0.20～0.60和珠光体平均粒径Dp为0.08mm或0.08mm以下的铁素体-珠光体显微结构；并且满足下式(1)定义的Fn1的值等于或大于0.73、下式(2)定义的Fn2的值等于或大于1.2及下式(3)定义的Fn3的值等于或大于0.64：
Fn1＝C+0.10Si+0.20Mn-0.71S+0.23Cr+1.65V……………….(1)
Fn2＝1.4-1.1(1-α)+0.16Dp-1/2……………….(2)
Fn3＝(1-α)+α(0.3Si+0.8V)……………….(3)
(1)式和(3)式中的元素符号表示钢中的该元素的质量％含量。
所述“铁素体-珠光体显微结构”是指铁素体相和珠光体相的混合显微结构。
另外，“铁素体分率α”是指在光学显微镜观测下，确定的铁素体-珠光体显微结构中铁素体相所占的面积比例，“铁素体分率α为0.20～0.60”是指铁素体相的比例为占观测视野的20～60％。
“珠光体平均粒径Dp”是指在光学显微镜观测下，确定的珠光体相的结晶粒的大小(结晶粒径)的算术平均值。另外本发明的“珠光体相的结晶粒”是指所谓的珠光体集落。
为了进一步改善上述(I)所述的非调质曲轴的韧性，可以选择性地含有Ti：0.050％或0.050％以下、Zr：0.050％或0.050％以下和Nb：0.050％或0.050％以下中的一种或多种元素来代替一部分Fe。
为了改善上述(I)所述的非调质曲轴的可加工性，可以选择性地含有Pb：0.30％或0.30％以下和Ca：0.010％或0.010％以下一种或二种元素来代替一部分Fe。
为了进一步改善上述(I)所述的非调质曲轴的韧性的同时提高可加工性，可以选择性地含有Ti：0.050％或0.050％以下、Zr：0.050％或0.050％以下和Nb：0.050％或0.050％以下中的一种或多种元素，并且，选择性地含有Pb：0.30％或0.30％以下和Ca：0.010％或0.010％以下一种或二种元素来代替一部分Fe。
另外，如上所述，上述(1)式和(3)式中的元素符号表示该成分的含量比例(质量％)。
附图说明
图1是以割草机的内部结构为例的横断面简图。
图2是表2的张力试验结果(拉伸强度)与Fn1值的关系的示意图。
图3是表2的-40℃下却贝冲击试验结果(冲击值)与Fn2值的关系的示意图。
图4是表2的磨耗试验结果(磨耗量)与Fn3值的关系的示意图。
图5(a)是磨耗试验中盘状试验片的形状示意图。图5(b)是磨耗试验中轴状试验片的形状的示意图。
图6是说明针-盘式磨耗试验的要点的简图。
图7是表4的张力试验结果(拉伸强度)与Fn1值的关系的示意图。
图8是表4的-40℃下却贝冲击试验结果(冲击值)与Fn2值的关系的示意图。
图9是表4的磨耗试验结果(磨损量)与Fn3值的关系的示意图。
具体实施方式
本发明者们做了大量的关于钢的化学成分和显微结构对非调质钢的强度、耐磨性及韧性的影响的研究。结果得到下述(a)～(d)的发现。
(a)以降低C含量来提高显微结构中铁素体的比例，同时应用S的作用使珠光体显微结构(珠光体粒径)微细化的方法可以有效地改善铁素体-珠光体型非调质钢的韧性，也就是其显微结构是铁素体-珠光体显微结构的非调质钢的韧性，特别是低温韧性。即，如果保证铁素体-珠光体型非调质钢中含有适量的S，在热锻造加工后的冷却过程钢中分散的MnS成为铁素体的析出位点，使珠光体微细化，同时通过降低C含量增加铁素体的比例可以改善低温韧性。
(b)含有特定的化学组成的铁素体-珠光体型非调质钢的拉伸强度与上述(1)式表示的Fn1有关。当调整Fn1的值等于或大于0.73时，即使为了确保所希望的韧性而降低C含量也可以稳定地得到750MPa或大于750MPa的拉伸强度。
(c)确保特定的C含量以便在一定程度上提高显微结构中珠光体的比例，同时添加具有提高铁素体硬度作用的Si、V等元素可以有效地改善铁素体-珠光体型非调质钢的耐磨性。
(d)但是，仅仅简单地调整铁素体-珠光体型非调质钢的组成成分不能使耐磨性和低温韧性稳定在足够高的水平。
调整显微结构中铁素体分率α和珠光体粒径Dp的关系，使上述(2)式表示的Fn2的值等于或大于1.20时，在-40℃下可以稳定地得到50J/cm2或50J/cm2以上的良好冲击值。在上述(2)式表示的Fn2的值等于或大于1.20的基础上，进一步调整铁素体分率α和Si及V的质量百分含量的关系，使上述(3)式表示的Fn3的值等于或大于0.64时，可以同时确保十分优异的耐磨性，从而使耐磨性和低温韧性同时稳定在足够高的水平。
即，对于具有特定化学组成和显微结构的铁素体-珠光体型非调质钢，增大其铁素体分率α可以改善可延展性，增大冲击吸收能量，从而改善韧性，同时当珠光体粒径Dp减少时，延展性-脆性转变温度降低，从而提高了其韧性。而且，调整铁素体分率α和珠光体粒径Dp使上述Fn2式的值等于或大于1.20，可以产生优异的低温韧性。另外，增大所述铁素体-珠光体型非调质钢中的珠光体分率来改善耐磨性，对于耐磨性比珠光体差的铁素体可以通过强化Si及V来改善耐磨性，所以，当调整铁素体分率α和Si及V的质量百分含量，使上述Fn3或的值等于或大于0.64时，可以确保获得十分优异的耐磨性，从而同时得到了高的耐磨性和低温韧性。
以上述发现为基础完成了本发明。
下面详细说明本发明的要点。另外，如上所述，表示各元素的含量的“％”是指“质量％”。
(A)钢的化学成分
C：
C可以增大钢的拉伸强度，同时具有形成珠光体，提高耐磨性的作用。要充分增加钢的耐磨性，钢中C的含量必需在0.30％或0.30％以上。另一方面，含有的C超过0.35％时，显微结构中铁素体的比例下降，有时会导致韧性下降。所以C的含量定为0.30～0.35％。
Si：
Si除了具有促进熔钢的脱氧作用之外，还具有溶解在铁素体中增强硬度，改善钢的拉伸强度和耐磨性的作用。要确实地得到该作用的效果，Si的含量必需在0.40％或0.40％以上。但是，Si含量超过0.80％时上述效果达到饱和，即使含有过量的Si，也只是增加成本而已。因此，Si的含量定为0.40～0.80％。
Mn：
Mn除具有熔钢的脱氧作用外，还具有提高淬硬性，改善钢的拉伸强度的作用。要确实地得到该作用的效果，Mn的含量必需在1.00％或1.00％以上。但是，含有的Mn超过2.00％时，淬硬性过度增加而生成贝氏体，于是，有时会使改善耐磨性的效果达到饱和。所以，Mn的含量定为1.00～2.00％。
S：
S与Mn结合生成MnS，具有改善钢的加工性的作用，另外，值得注意的是，MnS作为热锻造后冷却过程中的铁素体的析出点的作用，可以使珠光体微细化。通过该珠光体的微细化增强钢的韧性。要得到该作用的效果，S的含量必需在0.040％或0.040％以上。但是，过度地添加S会使热锻造性恶化，特别是当S的含量超过0.080％时，热锻造性显著恶化。所以，S的含量定为0.040～0.080％。
Cr：
Cr是有效提高钢的淬硬性的元素。要确实地得到该效果，Cr的含量必需在0.10％或0.10％以上。但是，过度添加Cr时，不仅增加成本，而且淬硬性过度增加生成贝氏体，于是，有时会使改善耐磨性的效果达到饱和。所以，Cr的含量定为0.10～0.30％。
V：
V在钢的热锻造后的冷却过程中作为V的碳氮化合物从铁素体中析出，是增大铁素体的硬度，改善拉伸强度，同时改善耐磨性的元素。要确实得到该效果，V的含量必需在0.05％或0.05％以上。但是，含有超过0.20％的V时，上述效果达到饱和，即使含有过量的V也只是增加成本而已。所以V的含量定为0.05～0.20％。
Ti、Zr和Nb：
不添加Ti、Zr和Nb也可以。添加时则都形成碳氮化合物，可以防止热锻造时奥氏体结晶粒的粗大化，使珠光体微细化，从而发挥提高钢材的韧性的作用。因此，本发明中，根据需要添加一种或多种Ti、Zr和Nb。但是，过度的添加该成分时，上述作用的效果饱和，所以Ti、Zr和Nb的总含量的上限定为0.050％。
Pb及Ca：
可以不添加Pb及Ca。添加时都有改善钢的加工性的作用。因此，本发明中，根据需要添加一种或二种Pb和Ca。但是，过度的添加Pb会导致钢的热锻造性恶化，另外，过度的添加Ca导致夹杂物增加，反而降低钢的加工性，所以，Pb含量的上限定为0.30％，Ca含量的上限定为0.010％。
(B)钢的显微结构
(B-1)铁素体分率α
当冲击特性比铁素体差的珠光体的比例增加时，铁素体-珠光体显微结构的钢的韧性下降。但是，当耐磨性比珠光体差的铁素体的比例增加时，铁素体-珠光体显微结构的钢的耐磨性下降。
即，当具有本发明化学组成的铁素体-珠光体型非调质钢的铁素体分率α低于0.20时，不能保证充分的韧性，特别是试验温度为-40℃时，作为韧性，很难保证50J/cm2或更高的优异的却贝冲击值。而上述铁素体分率α高于0.60时，不能产生优异的耐磨性。
因此，铁素体-珠光体显微结构的铁素体分率α定为0.20～0.60％。
另外，通过调整C、Si、Mn、Cr和V的含量可以控制铁素体分率α。
(B-2)珠光体平均粒径Dp
在具有本发明化学组成的铁素体-珠光体型非调质钢中，通过对铁素体-珠光体显微结构的微细化、特别是珠光体的微细化，可以改善其韧性、特别是低温韧性。但是，珠光体平均粒径Dp大于0.08mm时，不能保证充分的韧性，而且在-40℃下，很难保证50J/cm2或50J/cm2以上的优异的却贝冲击值。所以，平均粒径Dp限定在0.08mm或0.08mm以下。
另外，可以通过调整热锻造时的奥氏体粒或利用上述S的添加作用来控制珠光体粒径。
(C)Fn1、Fn2及Fn3的值
上述(1)式、(2)式及(3)式表示的Fn1、Fn2及Fn3与铁素体-珠光体型非调质钢的强度、韧性(冲击值)及耐磨性有密切的关系。
即，通过控制Fn1的值在0.73或0.73以上，可以保证拉伸强度在750MPa或750MPa以上的高强度，在此基础上控制Fn2值在1.20或1.20以上，可以同时保证-40℃下，却贝冲击值在50J/cm2或50J/cm2以上的优异的韧性，进一步，控制Fn3的值在0.64或0.64以上，可以保证满足作为引擎用曲轴的充分耐磨性。
下面对上述事项进一步具体说明。
与下述的实施例同样，熔融制成具有表1所示的化学组成的各种钢，锻造和正火后，进行显微结构观测、硬度测定、张力试验、在常温和-40℃的试验温度下的却贝冲击试验和磨耗试验。
另外，磨耗试验与下述的实施例同样，进行针-盘式磨耗试验。
表1中记录了化学组成、显微结构观测结果以及通过化学组成和显微结构观测结果计算出的Fn1、Fn2、Fn3的值。另外，表1中“显微结构”栏的[F+P]代表铁素体-珠光体的显微结构，即铁素体和珠光体的混合显微结构。另外，[F+P+B]代表铁素体、珠光体和贝氏体的混合显微结构。
表1
钢  化学组成(质量％)  显微结构 Fn1 Fn2 Fn3
 C  Si  Mn  S  Cr  V  相  α     Dp(mm)
ABCDEFGHIJKLMNO  0.320.340.320.230.470.300.340.340.310.350.310.310.320.320.34  0.650.720.640.710.680.191.140.750.730.610.430.610.750.670.43  1.221.301.231.391.111.241.330.552.331.351.161.211.461.351.10  0.0580.0450.0640.0560.0630.0490.0590.0600.0720.0210.0980.0680.0770.0440.060  0.180.200.150.120.150.100.130.140.130.170.140.040.340.120.11  0.060.080.080.110.080.130.090.100.060.090.100.070.140.010.26  F+PF+PF+PF+PF+PF+PF+PF+PF+P+BF+PF+PF+PF+P+BF+PF+P  0.460.310.430.820.080.480.240.320.130.290.450.370.090.490.22     0.050.070.040.030.130.060.070.04-0.140.030.05-0.060.06  0.730.820.750.750.880.770.860.680.930.850.710.690.940.671.01  1.561.241.592.080.841.481.181.44-1.041.601.40-1 471.18  0.650.780.680.430.940.600.860.780.900.780.640.720.940.610.85
(注1)其余成分是Fe和杂质
(注2)F：铁素体、P：珠光体、B：贝氏体
(注3)α：铁素体分率、Dp：珠光体平均粒径
(注4)Fn1＝C+0.10Si+0.20Mn-0.71S+0.23Cr+1.65V
Fn2＝1.4-1.1(1-α)+0.16Dp-1/2
Fn3＝(1-α)+α(0.3Si+0.8V)
表2中给出了硬度测定结果、张力试验结果、常温和-40℃的试验温度下冲击锤冲击试验结果和磨损试验结果。
表2
  钢   硬度(HRC)   拉伸强度(MPa)   却贝冲击值   磨耗量(mg)
  UERT(J/cm2)   UE-40(J/cm2)
  ABCDEFGHIJKLMNO   19.624.121.321.026.521.625.417.330.824.720.017.432.416.632.7   75982277477987577184973297285273372910097111013   8468811295785697878577480659264   645163851171435352297157536544   190140180290110250140200170130190190160230120
  UERT、UE-40分别表示室温和-40℃下宽10mm的U形切口试验片的冲击值
图2显示上述表2的张力试验结果(拉伸强度)和Fn1值的关系。图中○代表表1所示的材料中化学组成符合本发明限定范围的材料A、B、C。而图中●代表表1所示的材料中化学组成在本发明限定范围之外的材料D～O。
由图2可知，钢的Fn1值在0.73或0.73以上可以保证拉伸强度稳定在750MPa或750MPa以上。
图3显示上述表2中作为-40℃下却贝冲击试验结果的冲击值(UE-40)与Fn2值的关系。与图2同样，图3中○代表表1所示的材料中化学组成符合本发明限定范围的材料A、B、C。另外，图3中●代表表1所示的材料中化学组成在本发明限定范围之外的材料D～O。
由图3可知，钢的Fn2值在1.20或1.20以上可以保证作为-40℃下冲击值稳定在50J/cm2或50J/cm2以上。
图4显示上述表2中作为磨耗试验结果(磨耗值)与Fn3值的关系。与图3同样，图中○代表表1所示的材料中化学组成符合本发明限定范围的材料A、B、C，●代表表1所示的材料中化学组成在本发明限定范围之外的材料D～O。
由图4可知，钢的Fn3值在0.64或0.64以上可以保证充分的耐磨性，保证磨损量可以在200mg或200mg以下。
综上所述，涉及非调质曲轴的本发明如下述(1)～(7)所示。
(1)由下述钢材制成的非调质曲轴，以质量％计，所述钢材含有C：0.30～0.35％、Si：0.40～0.80％、Mn：1.00～2.00％、S：0.040～0.080％、Cr：0.10～0.30％、V：0.05～0.20％，其余为Fe和杂质，在热锻造后空气冷却后，其金属显微结构是铁素体-珠光体，同时铁素体分率为0.20～0.60、珠光体平均粒径Dp为0.08mm或0.08mm以下，并且满足上述(1)式定义的Fn1的值等于或大于0.73、上述(2)式定义的Fn2的值等于或大于1.20及上述(3)式定义的Fn3的值等于或大于0.64。
(2)上述(1)所述的曲轴，质量％计，所述钢材还含有Ti：0.050％或0.050％以下、Zr：0.050％或0.050％以下和Nb：0.050％或0.050％以下中的一种或多种元素。
(3)上述(1)或(2)所述的曲轴，以质量％计，所述钢材还含有Pb：0.30％或0.30％以下和Ca：0.010％或0.010％以下中的一种或二种元素。
(4)非调质曲轴，以质量％计，其含有C：0.30～0.35％、Si：0.40～0.80％、Mn：1.00～2.00％、S：0.040～0.080％、Cr：0.10～0.30％、V：0.05～0.20％，其余为Fe和杂质，其显微结构是铁素体分率α为0.20～0.60和珠光体平均粒径Dp为0.08mm或0.08mm以下的铁素体-珠光体显微结构，并且满足上述(1)式定义的Fn1的值在0.73或0.73以上、上述(2)式定义的Fn2的值在1.20或1.20以上及上述(3)式定义的Fn3的值在0.64或0.64以上。
(5)上述(4)所述的非调质曲轴，其还含有Ti：0.050％或0.050％以下、Zr：0.050％或0.050％以下和Nb：0.050％或0.050％以下中的一种或多种元素来代替一部分Fe。
(6)上述(4)所述的非调质曲轴，其还含有Pb：0.30％或0.30％以下和Ca：0.010％或0.010％以下中的一种或二种元素代替一部分Fe的。
(7)上述(4)所述的非调质曲轴，其还含有Ti：0.050％或0.050％以下、Zr：0.050％或0.050％以下和Nb：0.050％或0.050％以下中的一种或多种，并且，含有Pb：0.30％或0.30％以下和Ca：0.010％或0.010％以下中的一种或两种来代替一部分Fe。
下面，通过实施例进一步具体说明本发明。
实施例
用180kg的真空熔炉熔融含有表3所示化学组成的钢，将这些钢制成钢坯后，将材料1～5和8的上述钢坯加热到1200℃或更高的温度，热锻造成直径为20mm和直径为100mm的圆棒。另外，将材料6、7、9和10的上述钢坯加热到1200℃或更高的温度，热锻造成直径分别为20mm、60mm和100mm的圆棒及长200mm、宽100mm、厚25mm的板。
将材料1～9的直径是20mm的圆棒进一步加热到1150℃，维持1小时后，在空气中放冷。
从上述直径是20mm的圆棒的中心切出JIS14A号张力试验片及JIS Z2202(1998)所述的宽10mm的U形切口试验片(JIS Z 2202(1980)所述3号却贝冲击试验片)，在室温下进行张力试验，在室温和-40℃下进行冲击试验。
用洛氏硬度计在上述直径为20mm的圆棒上与锻造方向垂直的面上测定硬度。
进行如下所述的显微结构观测。即，将上述直径为20mm的圆棒上与锻造方向垂直的面研磨后，以该直径作为D，用5％的硝酸酒精溶液腐蚀D/4的部分(表面和中心的中间部分)，用倍率为200倍的光学显微镜观测，测定观测视野中铁素体的比例(铁素体分率α)和珠光体的平均粒径(平均珠光体粒径Dp)。
分别从材料1～9的直径是100mm的圆棒中切出直径是100mm、厚度为20mm的试料，加热到1200℃，并维持1小时，然后在空气中放冷。然后，将该试料加工成直径85mm、厚13mm，作为图5(a)所示的针-盘式磨耗试验的盘状试验片。另外，从淬火-回火处理的相当于JIS G 4805规定的高碳素铬轴承钢钢材的SUJ2钢中切出如图5(b)所示的直径10mm、长35mm的针状试料。然后，如图6所示，在室温下，在无润滑的状态下进行-盘式磨耗试验。
另外，上述磨损试验的试验条件为：针状试料的压力：49N(5kgf)，盘状试验片的转速：500rpm(转/分钟)，测定磨擦移动10000m后的盘状试验片的磨耗量。
表3所述的材料10相当于以往使用的机械结构用碳素钢钢材JISS48C，将直径是20mm和100mm的各圆棒加热到850℃，维持1小时后用水冷却，进一步加热到550℃，并维持1.5小时，然后用水冷却。冷却后切出同上述材料1～9一样的试验片，进行张力试验、却贝冲击试验、硬度测量、显微结构观测和磨耗试验。
用材料6、7、9、10的上述直径是60mm的圆棒和长200mm、宽100mm、厚25mm的板进行钻孔机钻孔试验和旋削试验，以便评价其加工性。
钻孔机钻孔试验和旋削试验按以下要点实施。
即，将材料6、7和9的上述直径为60mm的圆棒及长200mm、宽100mm、厚25mm的板加热到1200℃，维持1小时，然后在空气中放冷处理。另外，相当于JIS S48C的材料10的直径为60mm的圆棒及长200mm、宽100mm、厚25mm的板被加热到850℃，维持1小时后用水冷却，进一步加热到550℃，维持2小时，然后用水冷却处理。
从上述长200mm、宽100mm、厚25mm的板中切出长180mm、宽90mm、厚20mm的板状试验片。采用JIS G 4403规定的高速工具钢SKH51制成的直径为6mm的钻孔机，按下述条件进行钻孔机钻孔试验，在板的垂直方向开了200个20mm的通孔后，测定工具侧面的磨耗量。
切割速度：20m/分
每转走刀量：0.10mm/转
润滑： 湿式
另外，从上述直径为60mm的圆棒中切出直径为58mm的圆棒状试料，用TiN包衣的硬质合金刀具P20的尖端按下述条件进行旋削试验，对试料的轴向外周旋削20分钟时，测定工具侧面的磨耗量。
切割速度：160m/分
每转走刀量：0.25mm/转
切割深度：2.0mm
润滑：干式
表3中记录了化学组成、显微结构观测结果及根据化学组成和显微结构观测结果计算出的Fn1、Fn2、Fn3的值。另外，表3中“显微结构栏”的[F+P]代表铁素体和珠光体的混合显微结构，另外，[M]代表马氏体。
另外，表3中的材料8和9是比较例，Fn1、Fn2、Fn3的值中至少有一个不在本发明的限定范围内。另外，如上所述材料10相当于JIS G4051规定的机械结构用碳素钢钢材S48C。
表3
  钢     化学组成(质量％)   显微结构   Fn1  Fn2  Fn3
C Si Mn S Cr V 其他 相 α   Dp(mm)
  12345678910     0.330.330.330.320.330.310.330.310.350.48   0.700.700.730.670.640.530.500.620.740.20   1.401.291.261.321.231.251.131.211.590.76     0.0550.0560.0550.0510.0640.0520.0550.0690.0410.021   0.210.180.170.110.150.200.180.160.240.18   0.080.070.070.070.070.080.110.050.10-      --Ti：0.021Zr：0.004Nb：0.025Pb：0.08Ca：0.0012---   F+PF+PF+PF+PF+PF+PF+PF+PF+PM   0.350.360.390.410.420.460.330.520.21-   0.050.050.050.060.040.050.060.050.08-   0.810.780.770.760.740.750.790.680.93-  1.391.411.421.431.561.511.341.631.10-  0.740.740.720.700.680.640.750.600.85-
(注1)其余成分是Fe和杂质
(注2)F：铁素体、P：珠光体、M：马氏体
(注3)α：铁素体分率、Dp：珠光体平均粒径
(注4)Fn1＝C+0.10Si+0.20Mn-0.71S+0.23Cr+1.65V
Fn2＝1.4-1.1(1-α)+0.16Dp-1/2
Fn3＝(1-α)+α(0.3Si+0.8V)
表4中给出了张力试验、却贝冲击试验、硬度测量、显微结构观测、磨耗试验、钻孔机钻孔试验和旋削试验的结果。
表4
  钢 硬度(HRC) 拉伸强度(Mpa)   却贝冲击值   磨耗量(mg) 工具侧面磨损量(mm)
  UERT(J/cm2)   UE-40(J/cm2)
  穿孔试验   旋削试验
  12345678910   23.522.621.720.520.921.423.217.927.219.9   819795786775779774803721894787   66757678818173946782   62565759626455614061   150160160180180190170210130230      -----0.110.17-0.290.28       -----0.080.04-0.090.10
  UERT、UE-40分别表示室温和-40℃下宽10mm的U形切口试验片的冲击值
图7、图8和图9分别给出材料1～9的上述表4中张力试验结果(拉伸强度)和Fn1值的关系、作为-40℃下却贝冲击试验结果的冲击值(UE-40与Fn2值的关系和磨耗试验结果(磨耗值)与Fn3值的关系。这些图中○代表表3所示的材料中化学组成符合本发明限定范围的材料1～7。另外，图中●代表表3所示的材料中Fn1、Fn2、Fn3的值中至少有一个不在本发明的限定范围内的材料8和9。
由表3、表4、图7、图8和图9所示结果可确知如下事实。
即，材料1～7的钢的化学组成、显微结构观测结果及Fn1、Fn2、Fn3的值在本发明的限定范围之内，与相当于以往使用的机械显微结构用碳素钢钢材JIS S48C的材料10的调质材料比较，拉伸强度、冲击值和耐磨性与材料10等同或更好。
而比较例中材料8虽然满足本发明限定的化学组成、铁素体分率α和平均珠光体粒径Dp，但是Fn1和Fn3的值未达到本发明的限定值，所以强度低，耐磨性差。
另外，比较例中材料9虽然满足本发明限定的化学组成、铁素体分率α和平均珠光体粒径Dp，但是Fn2的值未达到本发明的限定值，所以其冲击值低。
并且，与比较例中的材料9和相应于现有实例S48C的材料10的调质材料比较，本发明例中的材料6和7对工具的磨耗量小。
如上所述，通过本发明可以获得具有750MPa或750MPa以上的拉伸强度，并且具有与淬火-回火处理的钢材同等的低温韧性(却贝冲击值)和耐磨性的非调质曲轴。所述钢材是与JIS规定的机械结构用碳素钢钢材S48C相当的现有材料。因此，本发明涉及的非调质曲轴不经调质处理也具有优异的强度、低温韧性和耐磨性，所以适用于割草机、发电机、除雪机、泵和船外马达等工作机用引擎和通用引擎等。同时即使在寒冷地域等苛刻条件下使用，也能充分发挥耐久的高性能，并且具有工业上所希望的其他效果。

Claims (4)

1.非调质曲轴，以质量％计，其含有C：0.30～0.35％、Si：0.40～0.80％、Mn：1.00～2.00％、S：0.040～0.080％、Cr：0.10～0.30％、V：0.05～0.20％，其余为Fe和杂质，其显微结构是铁素体分率α为0.20～0.60和珠光体平均粒径Dp为0.08mm或0.08mm以下的铁素体-珠光体显微结构，并且满足下式(1)定义的Fn1的值等于或大于0.73、下式(2)定义的Fn2的值等于或大于1.2及下式(3)定义的Fn3的值等于或大于0.64：
Fn1＝C+0.10Si+0.20Mn-0.71S+0.23Cr+1.65V……………….(1)
Fn2＝1.4-1.1(1-α)+0.16Dp-1/2                      ……………….(2)
Fn3＝(1-α)+α(0.3Si+0.8V)                     ……………….(3)
(1)式和(3)式中的元素符号表示钢中的该元素的质量％含量。
2.如权利要求1所述的非调质曲轴，其还含有选自Ti：0.050％或0.050％以下、Zr：0.050％或0.050％以下和Nb：0.050％或0.050％以下中的一种或多种元素来代替一部分Fe。
3.如权利要求1所述的非调质曲轴，其还含有选自Pb：0.30％或0.30％以下和Ca：0.010％或0.010％以下中的一种或二种元素来代替一部分Fe。
4.如权利要求1所述的非调质曲轴，其还含有选自Ti：0.050％或0.050％以下、Zr：0.050％或0.050％以下和Nb：0.050％或0.050％以下中的一种或多种元素，并且含有选自Pb：0.30％或0.30％以下和Ca：0.010％或0.010％以下中的一种或二种元素来代替一部分Fe。
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