JP4773118B2 - Crankshaft with excellent bending fatigue strength - Google Patents

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Description

本発明は、クランクピン部およびジャーナル部の表面に高周波焼入れによる硬化層をそなえるクランクシャフトに関し、特に、その曲げ疲労強度の有利な向上を図ろうとするものである。   The present invention relates to a crankshaft having a hardened layer formed by induction hardening on the surfaces of a crankpin portion and a journal portion, and particularly intends to advantageously improve the bending fatigue strength thereof.

自動車エンジンなどの内燃機関におけるピストンの往復運動を回転運動に変更する部品として、クランクシャフトが用いられている。
このクランクシャフト1は、図1に示すように、シリンダーへのジャーナル部2、ピストン用コネクティングロッドの軸受け部であるクランクピン部3、クランクウェブ部4およびカウンタウェイト部5を備えていて、特にジャーナル部2およびクランクピン部3には高周波焼入れを施して、その疲労強度の向上を図っている。
A crankshaft is used as a part for changing the reciprocating motion of a piston in an internal combustion engine such as an automobile engine to a rotational motion.
As shown in FIG. 1, the crankshaft 1 is provided with a journal part 2 for a cylinder, a crankpin part 3 which is a bearing part of a connecting rod for a piston, a crank web part 4 and a counterweight part 5, and particularly a journal. The part 2 and the crankpin part 3 are induction hardened to improve their fatigue strength.

しかしながら、最近の内燃機関の高出力化に伴い、クランクシャフトのさらなる強化、特に曲げ疲労強度の向上が要請されている。ここに、クランクシャフトの曲げ疲労強度を向上させるには、上記したジャーナル部2およびクランクピン部3、とくにジャーナル部2のカウンタウェイト部5との境界並びにクランクピン部3のクランクウェブ部4との境界点である、フィレットr部7における疲労強度を高めることが有効である。   However, with the recent increase in output of internal combustion engines, further enhancement of the crankshaft, particularly improvement in bending fatigue strength, has been demanded. Here, in order to improve the bending fatigue strength of the crankshaft, the above-described journal portion 2 and crankpin portion 3, particularly the boundary between the journal portion 2 and the counterweight portion 5 and the crank web portion 4 of the crankpin portion 3 are used. It is effective to increase the fatigue strength at the fillet r portion 7 which is a boundary point.

なぜなら、この部位は形状的に応力が集中する部分であり、クランクシャフトの疲労破損の起点となりやすいためである。   This is because this part is a part where stress is concentrated in shape and tends to be a starting point of fatigue damage of the crankshaft.

疲労強度を向上させるためには、粒界強度の向上が有効であり、この観点から、TiCを分散させることによって旧オーステナイト粒径を微細化する技術が、例えば特許文献1に提案されている。   In order to improve the fatigue strength, it is effective to improve the grain boundary strength. From this viewpoint, for example, Patent Document 1 proposes a technique for refining the prior austenite grain size by dispersing TiC.

上記の特許文献1に記載された技術では、高周波焼入れ加熱時に微細なTiCを多量に分散させることで、旧オーステナイト粒径の微細化を図るものであるため、焼入れ前にTiCを溶体化しておく必要があり、熱間圧延工程で1100℃以上に加熱する工程を採用している。そのため、熱延時に加熱温度を高くする必要があり、生産性に劣るという問題があった。
また、上記の特許文献1に開示された技術をもってしても、クランクシャフトの曲げ疲労強度に対する要求には十分に応えることができなった。
In the technique described in Patent Document 1 described above, since fine TiC is dispersed in a large amount during induction quenching heating, the prior austenite grain size is refined, so TiC is solutionized before quenching. It is necessary to adopt a process of heating to 1100 ° C or higher in the hot rolling process. Therefore, there is a problem that it is necessary to increase the heating temperature during hot rolling, resulting in poor productivity.
Further, even with the technique disclosed in Patent Document 1 described above, the demand for the bending fatigue strength of the crankshaft could not be sufficiently met.

また、特許文献2には、硬化層深さCDと高周波焼入れ軸物部品の半径Rとの比(CD/R)を0.3〜0.7に制限した上で、このCD/Rと高周波焼入れ後の表面から1mmまでのオーステナイト結晶粒径γf、高周波焼入れままの(CD/R)=0.1までの平均ビッカース硬さHfおよび高周波焼入れ後の軸中心部の平均ビッカース硬さHcで規定される値Aを、C量に応じて所定の範囲に制御することによって、ねじり疲労強度を向上させた機械構造用軸物部品が提案されている。   In Patent Document 2, the ratio (CD / R) between the hardened layer depth CD and the radius R of the induction-hardened shaft component is limited to 0.3 to 0.7, and the CD / R and the surface after induction hardening are used. The value A defined by the austenite grain size γf up to 1 mm, the average Vickers hardness Hf up to (CD / R) = 0.1 as induction-hardened, and the average Vickers hardness Hc of the shaft center after induction hardening is expressed as C There has been proposed a shaft member for a machine structure with improved torsional fatigue strength by controlling the amount within a predetermined range according to the amount.

しかしながら、この部品では、焼入れ硬化層の全厚にわたる旧オーステナイト粒径に考慮が払われていない。このため、やはり本発明で所期したほど良好な曲げ疲労強度を得ることはできなかった。   However, in this part, no consideration is given to the prior austenite grain size over the entire thickness of the hardened hardened layer. For this reason, the bending fatigue strength as good as expected in the present invention could not be obtained.

さらに、特許文献3には、成形加工後、二段の高周波焼入れにより、表面γ粒度をJIS G0551の粒度No.で10以上とし、かつ炭化物を微細に分散させることによって転動疲労強度を改善する技術が提案されている。
しかしながら、この技術は、焼入れ硬化層深さが浅いこともあって、やはり本発明で所期したほど良好な曲げ疲労強度を得ることはできなかった。
特開2000−154819号公報(特許請求の範囲、段落[0008]) 特開平8−53714号公報(特許請求の範囲) 特開平7−118791号公報(特許請求の範囲)
Furthermore, Patent Document 3 discloses that rolling fatigue strength is improved by making the surface γ grain size 10 or more in accordance with JIS G0551 grain size No. and finely dispersing carbides by two-step induction hardening after molding. Technology has been proposed.
However, this technique cannot obtain a bending fatigue strength as good as expected in the present invention, because the quench hardened layer depth is shallow.
JP 2000-154819 A (claim, paragraph [0008]) JP-A-8-53714 (Claims) JP-A-7-118791 (Claims)

本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、従来よりも曲げ疲労強度に優れるクランクシャフトについて、提案することを目的とする。   The present invention has been developed in view of the above-mentioned present situation, and an object thereof is to propose a crankshaft that is superior in bending fatigue strength than the conventional one.

さて、発明者らは、クランクシャフトの曲げ疲労強度を効果的に向上させるべく、鋭意検討を行った。
その結果、以下に述べるように、クランクシャフトの化学組成、組織および焼入れ後の硬化層全厚にわたる旧オーステナイト粒径を最適化することにより、優れた曲げ疲労強度を有するクランクシャフトが得られるとの、以下の(i)ないし(iii)の知見を得た。
The inventors have intensively studied to effectively improve the bending fatigue strength of the crankshaft.
As a result, as described below, the crankshaft having excellent bending fatigue strength can be obtained by optimizing the chemical composition of the crankshaft, the structure and the prior austenite grain size over the entire thickness of the hardened layer after quenching. The following findings (i) to (iii) were obtained.

(i)適正な化学組成に調整したクランクシャフトの必要部位に、焼入れを施し、焼入れ硬化層全厚にわたる旧オーステナイト粒径を10μm以下好ましくは5μm以下とすることによって、曲げ疲労強度が顕著に向上する。具体的には、化学組成に関しては、特にSiおよびMoを適正な範囲で添加することで、高周波焼入れ加熱時におけるオーステナイトの核生成サイト数が増加し、またオーステナイト粒の成長が抑制されることにより、焼入れ硬化層の粒経が効果的に微細化し、その結果曲げ疲労強度が顕著に向上する。 (I) Bending fatigue strength is remarkably improved by quenching the necessary part of the crankshaft adjusted to an appropriate chemical composition and making the prior austenite grain size over the entire thickness of the quenched and hardened layer 10 μm or less, preferably 5 μm or less. To do. Specifically, regarding the chemical composition, the addition of Si and Mo in an appropriate range increases the number of austenite nucleation sites during induction hardening and suppresses the growth of austenite grains. The grain size of the hardened hardened layer is effectively refined, and as a result, the bending fatigue strength is remarkably improved.

(ii)クランクシャフトの母材の組織、すなわち焼入れ前の組織を、ベイナイト組織および/またはマルテンサイト組織が特定の分率で含有された組織にすると、ベイナイト組織あるいはマルテンサイト組織がフェライト−パーライト組織に比べて炭化物が微細に分散した組織であるため、焼入れ加熱時にオーステナイトの核生成サイトであるフェライト/炭化物の界面の面積が増えて、生成したオーステナイトが微細化する。その結果、焼入れ硬化層の粒径が微細となり、これにより粒界強度が向上し、曲げ疲労強度が向上する。 (Ii) When the structure of the base material of the crankshaft, that is, the structure before quenching, is a structure containing a bainite structure and / or a martensite structure at a specific fraction, the bainite structure or the martensite structure is a ferrite-pearlite structure. Compared with, the carbide is finely dispersed in the structure, so that the area of the ferrite / carbide interface, which is the nucleation site of austenite, increases during quenching heating, and the generated austenite becomes finer. As a result, the grain size of the quenched and hardened layer becomes fine, thereby improving the grain boundary strength and the bending fatigue strength.

(iii)さらに、クランクシャフトにおける焼入部の必要箇所について検討を行ったところ、クランクシャフトの使用環境下ではピン部およびジャーナル部のフィレットr部に応力が集中するため、この部分の焼入深さを十分に確保する必要のあることがわかった。そして、この部分の焼入れ深さ(硬化層厚)が2.0mmより浅い場合には、内部の焼き境(硬化層と非硬化層との境目位置)を起点に早期の疲労破壊を起こすことが判明した。従って、フィレットr部の硬化層の厚みを2.0mm以上として内部起点の早期破壊を抑制することが曲げ疲労強度の向上に特に有効であることがわかった。 (Iii) Further, when a necessary portion of the quenching portion in the crankshaft was examined, stress is concentrated on the pin portion and the fillet r portion of the journal portion under the usage environment of the crankshaft. It was found that there is a need to secure enough. And when the quenching depth (hardened layer thickness) of this part is shallower than 2.0mm, it turns out that early fatigue failure starts from the internal quenching boundary (between the hardened layer and the non-hardened layer). did. Accordingly, it has been found that it is particularly effective in improving the bending fatigue strength to suppress the early fracture of the internal origin by setting the thickness of the hardened layer of the fillet r portion to 2.0 mm or more.

本発明は、上記の知見に立脚するものである。
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
(1)クランクピン部およびジャーナル部の表面に焼入れ硬化層を有するクランクシャフトであって、
C:0.40〜0.51mass%、
Si:0.30〜0.80mass%、
Mn:0.50〜1.50mass%、
Al:0.040mass%以下(ゼロを含む)、
Ti:0.005〜0.06mass%、
Mo:0.15〜0.50mass%、
B:0.0005〜0.0030mass%、
S:0.06mass%以下、
P:0.02mass%以下および
Cr:0.2mass%以下
を含有し、さらに、
Te:0.2mass%以下、
Se:0.2mass%以下、
Ca:0.02mass%以下、
REM:0.03mass%以下、
Zr:0.2mass%以下、
Sn:0.3mass%以下、
Sb:0.2mass%以下、
Mg:0.02mass%以下および
Hf:0.1mass%以下
のうちから選んだ1種または2種以上を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になり、母材組織が、べイナイト組織および/またはマルテンサイト組織を有し、かつこれらベイナイト組織とマルテンサイト組織の合計の組織分率が10%以上であり、さらに高周波焼入れ後の表面硬化層の旧オーステナイト粒径が硬化層全厚にわたり10μm以下であり、クランクピン部およびジャーナル部のフィレットr部分の曲げ疲労限強度が800MPa以上であることを特徴とする、曲げ疲労強度に優れるクランクシャフト。
The present invention is based on the above findings.
That is, the gist configuration of the present invention is as follows.
(1) A crankshaft having a hardened hardening layer on the surfaces of the crankpin portion and the journal portion,
C: 0.40 to 0.51 mass%,
Si: 0.30 ~ 0.80mass%,
Mn: 0.50-1.50 mass%,
Al: 0.040 mass% or less (including zero),
Ti: 0.005-0.06mass%,
Mo: 0.15-0.50mass%,
B: 0.0005 to 0.0030 mass%,
S: 0.06 mass% or less,
P: 0.02 mass% or less and
Cr: contains 0.2 mass% or less , and
Te: 0.2 mass% or less,
Se: 0.2 mass% or less,
Ca: 0.02 mass% or less,
REM: 0.03 mass% or less,
Zr: 0.2 mass% or less,
Sn: 0.3 mass% or less,
Sb: 0.2 mass% or less,
Mg: 0.02 mass% or less and
Hf: 0.1 mass% or less
1 or 2 or more selected from among them, the balance is composed of Fe and inevitable impurities, the base material structure has a bainite structure and / or a martensite structure, and the bainite structure The total structure fraction of the martensite structure is 10% or more, and the old austenite grain size of the hardened surface layer after induction hardening is 10 μm or less over the entire thickness of the hardened layer. Crankshaft with excellent bending fatigue strength, characterized by having a bending fatigue limit strength of 800 MPa or more.

(2)上記(1)において、鋼材の成分組成が、さらに
Cu:1.0mass%以下、
Ni:3.5mass%以下、
Co:1.0mass%以下、
Nb:0.1mass%以下および
V:0.5mass%以下
のうちから選んだ1種または2種以上を含有する組成になることを特徴とする、曲げ疲労強度に優れるクランクシャフト。
(2) In the above (1), the component composition of the steel material is further
Cu: 1.0 mass% or less,
Ni: 3.5 mass% or less,
Co: 1.0mass% or less,
A crankshaft excellent in bending fatigue strength, characterized by having a composition containing one or more selected from Nb: 0.1 mass% or less and V: 0.5 mass% or less.

かくして、本発明によれば、従来に比べて、格段に優れた曲げ疲労強度を有するクランクシャフトを安定して得ることができ、その結果、自動車用部品の軽量化の要求に対して偉功を奏する。   Thus, according to the present invention, it is possible to stably obtain a crankshaft having a bending fatigue strength that is remarkably superior to that of the conventional one, and as a result, it is effective for the demand for weight reduction of automotive parts. .

以下、本発明を具体的に説明する。
まず、本発明において、クランクシャフトの成分組成を上記の範囲に限定した理由について説明する。
C:0.40〜0.51mass%
Cは、焼入れ性への影響が最も大きい元素であり、焼入れ硬化層の硬さおよび深さを高めて疲労強度の向上に有効に寄与する。しかしながら、含有量が0.40mass%に満たないと、必要とされる疲労強度を確保するためには焼き入れ硬化深さを飛躍的に深くしなくてはならず、その際焼割れの発生が顕著となり、またベイナイト組織も生成し難くなるため、0.40mass%以上を添加する。一方、0.51mass%を超えて含有させると粒界強度が低下し、それに伴い曲げ疲労強度が低下し、また切削性、冷間鍛造性および耐焼割れ性も低下する。このためCは、0.40〜0.51mass%の範囲に限定した。なお、0.45mass%以上がより好ましい範囲である。
Hereinafter, the present invention will be specifically described.
First, the reason why the component composition of the crankshaft is limited to the above range in the present invention will be described.
C: 0.40 ~ 0.51mass%
C is an element having the greatest influence on the hardenability, and contributes to the improvement of fatigue strength by increasing the hardness and depth of the hardened hardened layer. However, if the content is less than 0.40 mass%, in order to ensure the required fatigue strength, the quench hardening depth must be drastically increased, and the occurrence of quenching cracks is remarkable at that time. In addition, since it becomes difficult to form a bainite structure, 0.40 mass% or more is added. On the other hand, if the content exceeds 0.51 mass%, the grain boundary strength decreases, and accordingly, the bending fatigue strength decreases, and the machinability, cold forgeability and fire cracking resistance also decrease. For this reason, C was limited to the range of 0.40 to 0.51 mass%. In addition, 0.45 mass% or more is a more preferable range.

Si:0.30〜0.80mass%
Siは、焼入れ加熱時にオーステナイトの核生成サイト数を増加させると共に、オーステナイトの粒成長を抑制し、焼入れ硬化層の粒径を微細化する作用を有する。また、炭化物生成を抑制し、炭化物による粒界強度の低下を抑制する。さらに、ベイナイト組織の生成にも有用な元素であり、これらのことにより曲げ疲労強度を向上させる。
このように、Siは、本発明において非常に重要な元素であり、0.30mass%以上の含有を必須とする。というのは、Si量を0.30mass%以上とすることによって、硬化層全厚にわたって粒径を10μm以下の微細粒とすることができるからである。しかしながら、Si量が0.80mass%を超えると、フェライトの固溶硬化により硬さが上昇し、切削性および冷間鍛造性の低下を招く。従って、Siは、0.30〜0.80mass%の範囲に限定した。なお、より好ましいSi量は0.40mass%以上である。
Si: 0.30 ~ 0.80mass%
Si has the effect of increasing the number of nucleation sites of austenite during quenching heating, suppressing the grain growth of austenite, and reducing the grain size of the quenched hardened layer. Moreover, carbide | carbonized_material production | generation is suppressed and the fall of the grain boundary strength by carbide | carbonized_material is suppressed. Furthermore, it is an element useful for the generation of a bainite structure, and these improve the bending fatigue strength.
Thus, Si is a very important element in the present invention, and it is essential to contain 0.30 mass% or more. This is because by setting the Si amount to 0.30 mass% or more, it is possible to obtain fine particles having a particle diameter of 10 μm or less over the entire thickness of the cured layer. However, when the Si content exceeds 0.80 mass%, the hardness increases due to solid solution hardening of ferrite, leading to a decrease in machinability and cold forgeability. Therefore, Si was limited to the range of 0.30 to 0.80 mass%. A more preferable Si amount is 0.40 mass% or more.

Mn:0.50〜1.50mass%
Mnは、焼入れ性を向上させ、焼入れ時の硬化深さを確保する上で不可欠の成分であるため、積極的に添加するが、含有量が0.50mass%未満ではその添加効果に乏しいので、0.50mass%以上とした。一方、Mn量が1.50mass%を超えると、母材の硬質化を招き、被削性に不利となるので、Mnは1.50mass%以下とした。より好ましいMn量は0.70mass%以下である。
Mn: 0.50 to 1.50 mass%
Mn is an indispensable component for improving the hardenability and securing the hardening depth during quenching, so it is actively added, but if the content is less than 0.50 mass%, the effect of addition is poor, so 0.50 More than mass%. On the other hand, if the amount of Mn exceeds 1.50 mass%, the base material is hardened, which is disadvantageous for machinability. Therefore, Mn is set to 1.50 mass% or less. A more preferable amount of Mn is 0.70 mass% or less.

Al:0.040mass%以下(ゼロを含む)
Alは、脱酸に有効な元素である。また、焼入れ加熱時におけるオーステナイト粒成長を抑制することによって焼入れ硬化層の粒径を微細化する上でも有用な元素であり、必要に応じて好ましくは0.005mass%以上で含有させることができる。しかしながら0.040mass%を超えて含有させてもその効果は飽和し、むしろ酸化物の増加により疲労強度の低下を招くおそれがあるため、Alは0.040mass%以下の範囲に限定した。
Al: 0.040 mass% or less (including zero)
Al is an element effective for deoxidation. Moreover, it is an element useful also in refinement | miniaturizing the particle size of a hardening hardening layer by suppressing the austenite grain growth at the time of quenching heating, and can be contained preferably in 0.005 mass% or more as needed. However, even if the content exceeds 0.040 mass%, the effect is saturated. Rather, the increase in oxides may cause a decrease in fatigue strength, so Al is limited to a range of 0.040 mass% or less.

Ti:0.005〜0.06mass%
Tiは、不可避的不純物として混入するNと結合することで、BがBNとなってBの焼入れ性向上効果が消失するのを防止し、Bの焼入れ性向上効果を十分に発揮させる作用を有する。
この効果を得るためには、少なくとも0.005mass%の含有を必要とするが、0.06mass%を超えて含有されると、TiNの粗大化や、酸化物の生成をまねく結果、これらが疲労破壊の起点となって曲げ疲労強度の著しい低下を招くことから、Tiは0.005〜0.06mass%の範囲に限定した。より好ましい範囲は0.030mass%以下である。
Ti: 0.005-0.06mass%
Ti binds to N mixed as an unavoidable impurity, thereby preventing B from becoming BN and eliminating the effect of improving the hardenability of B, and having the effect of sufficiently exerting the effect of improving the hardenability of B. .
In order to obtain this effect, it is necessary to contain at least 0.005 mass%. However, if it exceeds 0.06 mass%, TiN coarsens and oxides are generated, which causes fatigue fracture. Ti is limited to the range of 0.005 to 0.06 mass% because it causes a significant decrease in bending fatigue strength. A more preferable range is 0.030 mass% or less.

Mo:0.15〜0.50mass%
Moは、ベイナイト組織の生成を促進することにより、焼入れ加熱時のオーステナイト粒径を微細化し、焼入れ硬化層の粒径を細粒化する作用がある。また、焼入れ加熱時におけるオーステナイトの粒成長を抑制することにより、焼入れ硬化層の粒径を微細化する作用がある。さらに、焼入れ性の向上に有用な元素であるため、焼入れ性を調整するために用いられる。加えて、Moは、炭化物の生成を抑制し、炭化物による粒界強度の低下を有効に阻止する元素でもある。
このように、Moは、本発明において非常に重要な元素であり、含有量が0.15mass%に満たないと、製造条件や焼入れ条件をいかように調整しても硬化層全厚にわたって粒径が10μm以下の微細粒とすることができない。しかしながら、0.50mass%を超えて含有させると、圧延材の硬さが著しく上昇し、加工性の低下を招く。従って、Moは0.15〜0.50mass%の範囲に限定した。より好ましい範囲は、0.30〜0.50mass%である。
Mo: 0.15-0.50mass%
Mo promotes the formation of a bainite structure, thereby minimizing the austenite grain size during quenching and heating and reducing the grain size of the quenched hardened layer. Moreover, it has the effect | action which refines | miniaturizes the particle size of a hardening hardening layer by suppressing the grain growth of austenite at the time of quenching heating. Furthermore, since it is an element useful for improving hardenability, it is used for adjusting hardenability. In addition, Mo is an element that suppresses the formation of carbides and effectively prevents a decrease in grain boundary strength due to carbides.
As described above, Mo is a very important element in the present invention, and if the content is less than 0.15 mass%, the particle size of the hardened layer over the entire thickness is adjusted no matter how the manufacturing conditions and quenching conditions are adjusted. It cannot be made as fine particles of 10 μm or less. However, if the content exceeds 0.50 mass%, the hardness of the rolled material is remarkably increased, and the workability is reduced. Therefore, Mo was limited to the range of 0.15 to 0.50 mass%. A more preferable range is 0.30 to 0.50 mass%.

B:0.0005〜0.0030mass%
Bは、ベイナイト組織あるいはマルテンサイト組織の生成を促進する効果を有する。また、Bは、微量の添加によって焼入れ性を向上させ、焼入れ時の焼入れ深さを高めることにより曲げ疲労強度を向上させる効果がある。さらに、Bは、粒界に優先的に偏析して、粒界に偏析するPの濃度を低減し、粒界強度を向上させ、もって曲げ疲労強度を向上させる作用もある。
このため、本発明では、Bを積極的に添加するが、含有量が0.0005mass%に満たないとその添加効果に乏しく、一方0.0030mass%を超えて含有させるとその効果は飽和し、ボロン化合物の増加により疲労強度の低下を招くため、Bは0.0005〜0.0030mass%の範囲に限定した。
B: 0.0005-0.0030mass%
B has an effect of promoting the formation of a bainite structure or a martensite structure. Further, B has an effect of improving hardenability by adding a small amount and improving bending fatigue strength by increasing the quenching depth during quenching. Furthermore, B preferentially segregates at the grain boundaries, reduces the concentration of P segregating at the grain boundaries, improves the grain boundary strength, and thus has the effect of improving the bending fatigue strength.
For this reason, in the present invention, B is positively added. However, if the content is less than 0.0005 mass%, the addition effect is poor. On the other hand, if the content exceeds 0.0030 mass%, the effect is saturated, and the boron compound Since the fatigue strength is reduced due to the increase of B, B is limited to the range of 0.0005 to 0.0030 mass%.

S:0.06mass%以下
Sは、鋼中でMnSを形成し、切削性を向上させる有用元素であるが、0.06mass%を超えて含有させると粒界に偏析して粒界強度を低下させるため、Sは0.06mass%以下に制限した。
S: 0.06 mass% or less S is a useful element that forms MnS in steel and improves the machinability. However, when it exceeds 0.06 mass%, it segregates at the grain boundary and lowers the grain boundary strength. , S was limited to 0.06 mass% or less.

P:0.02mass%以下
Pは、オーステナイトの粒界に偏析し、粒界強度を低下させることにより、曲げ疲労強度を低下させる。また、焼割れを助長する弊害もある。従って、Pの含有は極力低減することが望ましいが、0.02mass%までは許容される。
P: 0.02 mass% or less P segregates at the austenite grain boundaries and lowers the grain boundary strength, thereby lowering the bending fatigue strength. In addition, there is a harmful effect that promotes burning cracks. Therefore, it is desirable to reduce the P content as much as possible, but it is allowed up to 0.02 mass%.

Cr:0.2mass%以下
Crは、炭化物を安定化させて残留炭化物の生成を助長し、粒界強度を低下させて曲げ疲労強度を低下させる。従って、Crの含有は極力低減することが望ましいが、0.2mass%までは許容できる。
Cr: 0.2 mass% or less
Cr stabilizes the carbide and promotes the formation of residual carbide, lowers the grain boundary strength, and lowers the bending fatigue strength. Therefore, it is desirable to reduce the Cr content as much as possible, but it is acceptable up to 0.2 mass%.

以上、基本成分について説明したが、本発明ではその他にも、以下に述べる元素を適宜含有させることができる。
Cu:1.0mass%以下
Cuは、焼入れ性の向上に有効であり、またフェライト中に固溶し、この固溶強化によって、曲げ疲労強度を向上させる。また、炭化物の生成を抑制することにより、炭化物による粒界強度の低下を抑制し、曲げ疲労強度を向上させる。しかしながら、含有量が1.0mass%を超えると熱間加工時に割れが発生するため、1.0mass%以下の添加とする。
The basic components have been described above. However, in the present invention, other elements described below can be appropriately contained.
Cu: 1.0 mass% or less
Cu is effective for improving the hardenability, and is dissolved in ferrite, and this solid solution strengthening improves the bending fatigue strength. Moreover, by suppressing the formation of carbides, the decrease in grain boundary strength due to carbides is suppressed, and the bending fatigue strength is improved. However, if the content exceeds 1.0 mass%, cracks occur during hot working, so 1.0 mass% or less is added.

Ni:3.5mass%以下
Niは、焼入れ性を向上させる元素であるので、焼入れ性を調整する場合に用いる。また、炭化物の生成を抑制し、炭化物による粒界強度の低下を抑制して、曲げ疲労強度を向上させる元素でもある。しかしながら、Niは極めて高価な元素であり、3.5mass%を超えて添加すると鋼材のコストが上昇するので、3.5mass%以下の添加とする。なお、0.05mass%未満の添加では、焼入れ性の向上効果および粒界強度の低下抑制効果が小さいため、0.05mass%以上含有させることが望ましい。
Ni: 3.5 mass% or less
Since Ni is an element that improves hardenability, Ni is used when adjusting hardenability. Moreover, it is an element which suppresses the production | generation of a carbide | carbonized_material and suppresses the fall of the grain boundary strength by a carbide | carbonized_material, and improves a bending fatigue strength. However, Ni is an extremely expensive element, and adding more than 3.5 mass% increases the cost of the steel material, so the addition is made 3.5 mass% or less. In addition, since the effect of improving hardenability and the effect of suppressing the decrease in grain boundary strength are small when added at less than 0.05 mass%, it is desirable to add 0.05 mass% or more.

Co:1.0mass%以下
Coは、炭化物の生成を抑制して、炭化物による粒界強度の低下を抑制し、曲げ疲労強度を向上させる元素である。しかしながら、Coは極めて高価な元素であり、1.0mass%を超えて添加すると鋼材のコストが上昇するため、1.0mass%以下の添加とする。なお、0.01mass%未満の添加では、粒界強度の低下抑制効果が小さいため、0.01mass%以上添加することが望ましい。
Co: 1.0 mass% or less
Co is an element that suppresses the formation of carbides, suppresses the decrease in grain boundary strength due to carbides, and improves the bending fatigue strength. However, Co is an extremely expensive element, and if added in excess of 1.0 mass%, the cost of the steel material increases, so 1.0 mass% or less is added. In addition, since addition of less than 0.01 mass% has a small effect of suppressing the decrease in grain boundary strength, it is desirable to add 0.01 mass% or more.

Nb:0.1mass%以下
Nbは、焼入れ性の向上効果があるだけでなく、鋼中でC,Nと結合し析出強化元素として作用する。また、焼もどし軟化抵抗性を向上させる元素でもあり、これらの効果によって曲げ疲労強度を向上させる。しかしながら、0.1mass%を超えて含有させてもその効果は飽和するので、0.1mass%を上限とする。なお、0.005%未満の添加では、析出強化用および焼もどし軟化抵抗性の向上効果が小さいため、0.005mass%以上添加することが望ましい。
Nb: 0.1 mass% or less
Nb not only has an effect of improving hardenability, but also combines with C and N in steel and acts as a precipitation strengthening element. It is also an element that improves tempering and softening resistance, and these effects improve bending fatigue strength. However, since the effect is saturated even if it contains exceeding 0.1 mass%, 0.1 mass% is made an upper limit. In addition, since addition effect for precipitation strengthening and tempering softening resistance is small when added less than 0.005%, it is desirable to add 0.005 mass% or more.

V:0.5mass%以下
Vは、鋼中でC,Nと結合し析出強化元素として作用する。また、焼もどし軟化抵抗性を向上させる元素でもあり、これらの効果により曲げ疲労強度を向上させる。しかしながら、0.5mass%を超えて含有させてもその効果は飽和するので、0.5mass%以下とする。なお、0.01mass%未満の添加では、曲げ疲労強度の向上効果が小さいので、0.01mass%以上添加することが望ましい。好ましくは0.03〜0.3mass%である。
V: 0.5 mass% or less V combines with C and N in steel and acts as a precipitation strengthening element. It is also an element that improves temper softening resistance, and these effects improve bending fatigue strength. However, since the effect is saturated even if it contains exceeding 0.5 mass%, it shall be 0.5 mass% or less. In addition, since the improvement effect of bending fatigue strength is small when added less than 0.01 mass%, it is desirable to add 0.01 mass% or more. Preferably it is 0.03-0.3 mass%.

Te:0.2mass%以下
Se:0.2mass%以下
TeおよびSeは、それぞれMnと結合してMnTeおよびMnSeを形成し、これらがチップブレーカーとして作用することにより被削性を改善する。しかしながら、含有量がそれぞれ0.2mass%を超えると、効果が飽和する上、成分コストの上昇を招くので、いずれも0.2mass%以下で含有させるものとした。なお、好適範囲は0.1mass%以下である。また、被削性の改善のためには、Teの場合は0.003mass%以上、Seの場合は0.003mass%以上含有させることが好ましい。
Te: 0.2 mass% or less
Se: 0.2 mass% or less
Te and Se combine with Mn to form MnTe and MnSe, respectively, which improve machinability by acting as a chip breaker. However, if the content exceeds 0.2 mass%, the effect is saturated and the component cost is increased, so that the content is 0.2 mass% or less. In addition, a suitable range is 0.1 mass% or less. In order to improve machinability, it is preferable to contain 0.003 mass% or more in the case of Te and 0.003 mass% or more in the case of Se.

Ca:0.02mass%以下
REM:0.03mass%以下
Zr:0.2mass%以下
Ca、REMおよびZrはそれぞれMnSと共に硫化物を形成し、これがチップブレーカーとして作用することにより被削性を改善する。しかしながら、Ca、REMおよびZrをそれぞれ、0.02mass%、0.03mass%および0.2mass%を超えて含有させても、効果が飽和する上、成分コストの上昇を招くので、それぞれ上記の範囲で含有させるものとした。より好ましくはCa:0.01mass%以下、REM:0.015mass%以下、Zr:0.1mass%以下の範囲である。なお、被削性の改善のためには、Caは0.0001mass%以上、REMは0.0001mass%以上、Zrは0.003mass%以上含有させることが好ましい。
Ca: 0.02 mass% or less
REM: 0.03 mass% or less
Zr: 0.2 mass% or less
Ca, REM and Zr each form a sulfide together with MnS, which improves the machinability by acting as a chip breaker. However, even if Ca, REM, and Zr are contained in amounts exceeding 0.02 mass%, 0.03 mass%, and 0.2 mass%, respectively, the effect is saturated and the component cost is increased. It was supposed to be. More preferably, the ranges are Ca: 0.01 mass% or less, REM: 0.015 mass% or less, and Zr: 0.1 mass% or less. In order to improve the machinability, it is preferable to contain 0.0001 mass% or more of Ca, 0.0001 mass% or more of REM, and 0.003 mass% or more of Zr.

Sn:0.3mass%以下
Sb:0.2mass%以下
SnおよびSbはいずれも、脆化作用により被削性を向上させる元素である。しかしながら、Sn:0.3mass%およびSb:0.2mass%を超えて添加しても、効果が飽和する上、コストが上昇し、経済的に不利となるため、それぞれ上記の範囲で含有させるものとした。より好ましくは、Sn:0.15mass%以下、Sb:0.1mass%以下の範囲である。なお、被削性改善のためには、Snは0.005mass%以上、Sbは0.0005mass%以上含有させることが好ましい。
Sn: 0.3 mass% or less
Sb: 0.2 mass% or less
Both Sn and Sb are elements that improve machinability by the embrittlement effect. However, even if Sn: 0.3 mass% and Sb: more than 0.2 mass% are added, the effect is saturated and the cost rises and becomes economically disadvantageous. . More preferably, it is the range of Sn: 0.15 mass% or less and Sb: 0.1 mass% or less. In order to improve the machinability, it is preferable to contain Sn of 0.005 mass% or more and Sb of 0.0005 mass% or more.

Mg:0.02mass%以下
Hf:0.1mass%以下
MgおよびHfはいずれも、脱酸元素であるだけでなく、応力集中源となって被削性を改善する効果があるので、必要に応じて添加することができる。しかしながら、過剰に添加すると効果が飽和する上、成分コストが上昇するため、それぞれ上記の範囲で含有させるものとした。より好ましくは、Mg:0.01mass%以下、Hf:0.05mass%以下の範囲である。なお、被削性の改善のためには、Mgは0.0001mass%以上、Hfは0.005mass%以上含有させることが好ましい。
Mg: 0.02 mass% or less
Hf: 0.1 mass% or less
Both Mg and Hf are not only deoxidizing elements, but also have the effect of improving the machinability as a stress concentration source, and can be added as necessary. However, if added excessively, the effect is saturated and the component cost is increased. More preferably, the ranges are Mg: 0.01 mass% or less and Hf: 0.05 mass% or less. In order to improve the machinability, it is preferable to contain Mg at 0.0001 mass% or more and Hf at 0.005 mass% or more.

以上、好適成分組成の範囲について説明したが、本発明では、成分組成を上記の範囲に限定するだけでは不十分で、鋼組織の調整も重要である。
すなわち、本発明においては、クランクシャフトの母材組織すなわち焼入れ前の組織(高周波焼入れ後の硬化層以外の組織に相当)が、ベイナイト組織および/またはマルテンサイト組織を有し、かつこれらベイナイト組織とマルテンサイト組織の合計の組織分率を体積分率(vol%)で10%以上とする必要がある。この理由は、ベイナイト組織あるいはマルテンサイト組繊は、フェライト−パーライト組織に比べて炭化物が微細に分散した組織であるため、焼入れ加熱時にオーステナイトの核生成サイトである、フェライト/炭化物界面の面積が増加し、生成したオーステナイトが微細化するため、焼入れ硬化層の粒径を微細化するのに有効に寄与するからである。そして、焼入れ硬化層の粒径の微細化により、粒界強度が上昇し、曲げ疲労強度が向上する。
ここに、ベイナイト組織とマルテンサイト組織の合計の組織分率は20vol%以上とすることがより好ましい。
As mentioned above, although the range of the suitable component composition was demonstrated, in this invention, it is insufficient only to limit a component composition to said range, and adjustment of a steel structure is also important.
That is, in the present invention, the base material structure of the crankshaft, that is, the structure before quenching (corresponding to a structure other than the hardened layer after induction hardening) has a bainite structure and / or a martensite structure, and these bainite structures The total tissue fraction of the martensite structure needs to be 10% or more in terms of volume fraction (vol%). The reason for this is that the bainite structure or martensite structure is a structure in which carbides are finely dispersed compared to the ferrite-pearlite structure, so the area of the ferrite / carbide interface, which is an austenite nucleation site during quenching heating, increases. This is because the generated austenite is refined, and thus contributes effectively to refine the grain size of the quenched and hardened layer. And grain boundary intensity | strength rises and bending fatigue strength improves by refinement | miniaturization of the particle size of a hardening hardening layer.
Here, the total structure fraction of the bainite structure and the martensite structure is more preferably 20 vol% or more.

なお、ベイナイト組織あるいはマルテンサイト組織以外の残部組織は、フェライト、パーライト等いずれでもよく、特に規定しない。
また、焼入れ後の硬化層の粒径の微細化に関しては、マルテンサイト組織もベイナイト組織と同程度の効果を有するが、工業的な観点からは、マルテンサイト組織に比べてベイナイト組織の方がより合金元素の添加量が少なくて済み、また低冷却速度で生成させることが可能であるため、製造上有利となる。
The remaining structure other than the bainite structure or martensite structure may be ferrite, pearlite, or the like, and is not particularly defined.
Also, regarding the refinement of the grain size of the hardened layer after quenching, the martensite structure has the same effect as the bainite structure, but from an industrial point of view, the bainite structure is better than the martensite structure. Since the addition amount of the alloy element is small and it can be produced at a low cooling rate, it is advantageous in production.

また、本発明のクランクシャフトでは、高周波焼入れ後の硬化層の旧オーステナイト粒径の調整も重要である。すなわち、高周波焼入れ後の硬化層に関し、その全厚にわたって旧オーステナイト粒径を10μm以下とする必要がある。というのは、焼入れ硬化層の全厚にわたる粒径が10μmを超えると、十分な粒界強度が得られず、その結果満足行くほどの曲げ疲労強度の向上が望めないからである。なお、好ましくは、5μm以下、さらに好ましくは2μm以下である。   In the crankshaft of the present invention, it is also important to adjust the prior austenite grain size of the hardened layer after induction hardening. That is, regarding the hardened layer after induction hardening, the prior austenite grain size needs to be 10 μm or less over the entire thickness. This is because if the grain size over the entire thickness of the quenched and hardened layer exceeds 10 μm, sufficient grain boundary strength cannot be obtained, and as a result, satisfactory improvement in bending fatigue strength cannot be expected. In addition, Preferably it is 5 micrometers or less, More preferably, it is 2 micrometers or less.

ここに、焼入れ硬化層の全厚にわたる旧オーステナイト粒径の測定は、次のようにして行う。
高周波焼入れ後の本発明のクランクシャフトでは、高周波焼入れした部分の最表層は面積率で100%のマルテンサイト組織を有する。そして、表面から内部にいくに従い、ある深さまでは100%マルテンサイト組織の領域が続くが、ある深さから急激にマルテンサイト組織の面積率が減少する。
本発明では、高周波焼入れした部分について、鋼材表面から、マルテンサイト組織の面積率が98%に減少するまでの深さ領域を硬化層と定義する。
Here, the measurement of the prior austenite grain size over the entire thickness of the hardened hardened layer is performed as follows.
In the crankshaft of the present invention after induction hardening, the outermost layer of the induction-hardened portion has a martensite structure of 100% in area ratio. And as it goes from the surface to the inside, the area of 100% martensite structure continues at a certain depth, but the area ratio of the martensite structure decreases rapidly from a certain depth.
In the present invention, for the induction-quenched portion, the depth region from the steel material surface until the area ratio of the martensite structure is reduced to 98% is defined as a hardened layer.

そして、この硬化層について、表面から硬化層厚の1/5位置、1/2位置および4/5位置それぞれの位置における平均旧オーステナイト粒径を測定し、いずれの平均旧オーステナイト粒径も10μm以下である場合に、焼入れ硬化層の全厚にわたる旧オーステナイト粒径が10μm以下であるとする。
なお、平均旧オーステナイト粒径の測定は、光学顕微鏡により、400倍(1視野の面積:0.25mm×0.225mm)から1000倍(1視野の面積:0.10mm×0.09mm)で、各位置毎に5視野観察し、画像解析装置により平均粒径を測定することにより行う。
And about this hardened layer, the average prior austenite particle size in each position of 1/5 position, 1/2 position, and 4/5 position of the hardened layer thickness from the surface was measured, and any average prior austenite particle diameter was 10 μm or less. In this case, it is assumed that the prior austenite grain size over the entire thickness of the quenched and hardened layer is 10 μm or less.
The average prior austenite grain size is measured by optical microscope from 400 times (one visual field area: 0.25 mm x 0.225 mm) to 1000 times (one visual field area: 0.10 mm x 0.09 mm) at each position. This is done by observing 5 fields of view and measuring the average particle size with an image analyzer.

さらに、本発明のクランクシャフトでは、特にクランクピン部およびジャーナル部のフィレットr部分では、その曲げ疲労限強度が800MPa以上であることが必要である。なぜなら、これにより、エンジンのコンパクト化または軽量化が実現できるためである。   Further, in the crankshaft of the present invention, it is necessary that the bending fatigue limit strength is 800 MPa or more particularly in the fillet r portion of the crankpin portion and the journal portion. This is because the engine can be made compact or lightweight.

フィレットr部の曲げ疲労限強度を800MPa以上とするには、フィレットr部の硬化層厚を2.0mm以上とする必要がある。図2は、ピン部またはジャーナル部の断面を模式的に示す図であるが、フィレットr部の硬化層厚とは、図2に示すように、フィレットr部7から最も近い焼き境までの距離Lのことを言う。クランクシャフトの使用環境下ではピン部およびジャーナル部のフィレットr部に応力が集中するため、この部分の焼入深さを十分に確保する必要がある。フィレットr部の硬化層厚が2.0mm未満では、曲げ疲労限強度800MPa以上を確保することが困難となる。   In order to set the bending fatigue limit strength of the fillet r part to 800 MPa or more, the thickness of the hardened layer of the fillet r part needs to be 2.0 mm or more. FIG. 2 is a diagram schematically showing a cross section of the pin portion or the journal portion. The thickness of the hardened layer of the fillet r portion is a distance from the fillet r portion 7 to the nearest burning boundary as shown in FIG. Say L. Under the operating environment of the crankshaft, stress concentrates on the pin portion and the fillet r portion of the journal portion, so it is necessary to ensure a sufficient quenching depth in this portion. If the thickness of the hardened layer in the fillet r portion is less than 2.0 mm, it is difficult to ensure a bending fatigue limit strength of 800 MPa or more.

また、ピン部およびジャーナル部の軸平滑部8の硬化層厚Mについても、2.0mm以上を確保する必要がある。軸平滑部8の硬化層厚を十分に確保しないと軸平滑部8の焼き境から内部破壊が発生するようになるためである。なお、軸平滑部の硬化層厚とは、軸平滑部表面から、最も近い焼き境までの距離のことを言う。   Moreover, it is necessary to ensure 2.0 mm or more also about the hardened layer thickness M of the axial smooth part 8 of a pin part and a journal part. This is because if the thickness of the hardened layer of the shaft smoothing portion 8 is not sufficiently ensured, internal fracture will occur from the burned-in surface of the shaft smoothing portion 8. In addition, the hardened layer thickness of an axial smooth part means the distance from an axial smooth part surface to the nearest burning boundary.

次に、本発明の製造条件について説明する。
本発明では、所定の成分組成に調整した鋼材を、熱間圧延により丸棒としたのち、所定の長さに切断し、ついで熱間鍛造によりクランクシャフトに成形後、必要に応じて焼ならしを施したのち、切削加工を施し、その後高周波焼入れ・焼戻し処理を施したのち、必要に応じて仕上げ加工またはショットピーニングを施して、製品とする。
Next, the manufacturing conditions of the present invention will be described.
In the present invention, a steel material adjusted to a predetermined component composition is formed into a round bar by hot rolling, then cut to a predetermined length, then formed into a crankshaft by hot forging, and then normalized as necessary. After applying cutting, it is subjected to cutting, and then subjected to induction hardening and tempering, and then finished or shot peened as necessary to obtain a product.

熱間鍛造およびその後の冷却を適正な条件とすることで、上述の母材組織、すなわち焼入れ前の組織をベイナイト組織および/またはマルテンサイト組織とし、かつこれらベイナイト組織とマルテンサイト組織との分率を10%以上とする。熱間鍛造温度は800℃以上とし、熱間鍛造後0.2℃/s以上の冷却速度で冷却すればよい。   By making hot forging and subsequent cooling appropriate conditions, the above-mentioned base material structure, that is, the structure before quenching is made into a bainite structure and / or a martensite structure, and the fraction of these bainite structure and martensite structure Is 10% or more. The hot forging temperature may be 800 ° C. or higher, and cooling may be performed at a cooling rate of 0.2 ° C./s or higher after hot forging.

また、硬化層の旧オーステナイト粒径を10μm以下とするために、高周波焼入時の最高到達温度は800〜1050℃とし、また加熱速度は200℃/s以上とする必要がある。最高到達温度が800℃未満では焼入れによる硬化層を形成させることができない。一方、最高到達温度が1050℃超であったり、加熱速度が200℃/s未満では、硬化層の旧オーステナイト粒径が10μm超となり、曲げ疲労限強度が確保できなくなる。なお、高周波焼入時の最高到達温度は950℃以下とすることがより好ましく、950℃以下とすれば、旧オーステナイト粒径が5μm以下の超微細な硬化層を得ることができる。   Further, in order to make the prior austenite grain size of the hardened layer 10 μm or less, it is necessary that the maximum temperature achieved during induction hardening is 800 to 1050 ° C. and the heating rate is 200 ° C./s or more. When the maximum temperature is less than 800 ° C., a hardened layer cannot be formed by quenching. On the other hand, when the maximum temperature reached is higher than 1050 ° C. or the heating rate is lower than 200 ° C./s, the prior austenite grain size of the hardened layer exceeds 10 μm, and the bending fatigue limit strength cannot be ensured. The maximum temperature achieved during induction hardening is more preferably 950 ° C. or less, and if it is 950 ° C. or less, an ultrafine hardened layer having a prior austenite grain size of 5 μm or less can be obtained.

表1に示す成分組成になる鋼素材を、転炉により溶製し、連続鋳造により鋳片とした。鋳片サイズは300×400mmであった。この鋳片を、熱間圧延により90mmφの棒鋼に圧延した。ついで、この棒鋼を所定の長さに切断後、1200℃に加熱した後に、曲げから仕上げまでの各熱間鍛造を行い、さらにバリ取りを行ってクランクシャフト形状に成形後、約0.7℃/sで冷却した。なお、鋼記号Cについては、比較のため、成形後の冷却を0.08℃/sの条件としたものも作製した。さらに、オイル穴あけ加工および仕上げ切削加工によりクランクシャフト形状に仕上げた。なお、熱間鍛造の仕上温度はベイナイトあるいはマルテンサイト組織生成の観点から900℃超とした。
ついで、図3にクランクシャフトの断面図を示すように、クランクシャフトのクランクピン部およびジャーナル部の表面に、高周波焼入れ(加熱速度250℃/s、最高加熱温度890℃(表2中のNo.1〜33,39〜42)又は1030℃(表2中のNo.34〜38)で保持時間なし)を行って硬化層6を形成させたのち、加熱炉を用いて170℃、30分の焼戻しを行い、さらに仕上げ加工を施して、製品とした。なお、硬化層深さは、高周波の出力条件の調整により、調整した。
Steel materials having the composition shown in Table 1 were melted by a converter and cast into continuous slabs. The slab size was 300 × 400 mm. This slab was rolled into a 90 mmφ steel bar by hot rolling. Next, after cutting this steel bar to a predetermined length and heating to 1200 ° C, each hot forging from bending to finishing is performed, further deburring and forming into a crankshaft shape, about 0.7 ° C / s It was cooled with. For the steel symbol C, for comparison, a steel with cooling after forming at a condition of 0.08 ° C./s was also produced. Furthermore, the crankshaft was finished by oil drilling and finishing. The finishing temperature for hot forging was over 900 ° C. from the viewpoint of bainite or martensite structure formation.
Next, as shown in a cross-sectional view of the crankshaft in FIG. 3, induction hardening (heating rate: 250 ° C./s, maximum heating temperature: 890 ° C. (No. 1 to 33, 39 to 42) or 1030 ° C. (No. 34 to 38 in Table 2 without holding time) to form the cured layer 6, and then using a heating furnace at 170 ° C. for 30 minutes Tempering and finishing were performed to obtain a product. The hardened layer depth was adjusted by adjusting the high frequency output conditions.

かくして得られたクランクシャフトの曲げ疲労強度について調べた結果を、表2に示す。ここに、クランクシャフトの曲げ疲労強度は、次のようにして評価した。
すなわち、図4に示すように、クランクシャフトのクランクピン部にコネクティングロッドを取り付け、クランクシャフトの端部は固定した状態で、各コネクティングロッドに一定の繰り返し荷重を負荷する耐久試験を行い、その時のピン部またはジャーナル部が破損するまでの繰り返し数を求め、107回以上でも破損しない上限応力を、曲げ疲労限強度とした。
Table 2 shows the results of examining the bending fatigue strength of the crankshaft thus obtained. Here, the bending fatigue strength of the crankshaft was evaluated as follows.
That is, as shown in FIG. 4, with the connecting rod attached to the crankpin portion of the crankshaft and the end portion of the crankshaft being fixed, an endurance test was performed in which a constant repeated load was applied to each connecting rod. The number of repetitions until the pin portion or journal portion was damaged was determined, and the upper limit stress that did not break even 10 7 times or more was defined as the bending fatigue limit strength.

なお、曲げ強度としては、上記の負荷状態におけるフィレットr部の負荷応力を、有限要素法解析により求めた値で評価した。   In addition, as bending strength, the load stress of the fillet r part in said load state was evaluated by the value calculated | required by the finite element method analysis.

また、同じクランクシャフトについて、母材組織、焼入れ後の軸平滑部及びフィレットr部の硬化層厚み、硬化層の全厚にわたって得られる平均硬化層粒径(旧オーステナイト粒径)を、光学顕微鏡を用いて測定した。
これらの結果も表2に併記する。
ここで、硬化層厚みについては、前述したように、鋼材表面からマルテンサイト組織の面積率が98%に減少する深さまでとした。
さらに、硬化層粒径については、表面から硬化層厚の1/5位置、1/2位置および4/5位置それぞれの位置における平均旧オーステナイト粒径を測定し、それらの最大値を示した。
なお、硬化層粒径の測定は、硬化層の厚さ方向に切断した断面について、水500gに対しピクリン酸:50gを溶解させたピクリン酸水溶液に、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム:11g、塩化第1鉄:1gおよびシュウ酸:1.5gを添加したものを腐食液として作用させ、旧オーステナイト粒界を現出させて行った。
In addition, for the same crankshaft, the average hardened layer particle size (old austenite particle size) obtained over the base material structure, the hardened layer thickness of the shaft smoothed part and the fillet r part after quenching, and the total thickness of the hardened layer (former austenite particle diameter) And measured.
These results are also shown in Table 2.
Here, as described above, the thickness of the hardened layer was from the steel surface to the depth at which the area ratio of the martensite structure was reduced to 98%.
Furthermore, as for the hardened layer particle size, the average prior austenite particle size at each of the 1/5 position, 1/2 position and 4/5 position of the hardened layer thickness from the surface was measured, and the maximum value was shown.
The particle size of the hardened layer was measured in a cross-section cut in the thickness direction of the hardened layer in a picric acid aqueous solution in which 50 g of picric acid was dissolved in 500 g of water, sodium dodecylbenzenesulfonate: 11 g, and first chloride. The addition of iron (1 g) and oxalic acid (1.5 g) was allowed to act as a corrosive solution to reveal the prior austenite grain boundaries.

Figure 0004773118
Figure 0004773118

Figure 0004773118
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表2から明らかなように、本発明で規定した成分組成範囲並びに組織を満足するクランクシャフトはいずれも、硬化層の旧オーステナイト粒径が全厚にわたって5μm以下を満たしており、その結果、フィレットr部応力で曲げ疲労限強度が800MPa以上という、優れた曲げ疲労強度を得ることができた。   As is apparent from Table 2, all crankshafts satisfying the component composition range and the structure defined in the present invention satisfy the prior austenite grain size of the hardened layer of 5 μm or less over the entire thickness. As a result, the fillet r An excellent bending fatigue strength with a bending fatigue limit strength of 800 MPa or more was obtained with partial stress.

これに対して,No.9は、熱間鍛造後の冷却速度を0.08℃/秒と小さくした比較例であるが、ベイナイトとマルテンサイトの合計組織分率が10%未満となっており、その結果、硬化層粒径が粗大となり、曲げ疲労強度が低い。
No.18は硬化層粒径は微細であるものの、C含有量が本発明の範囲より高いため、粒界強度の低下を招き、そのため曲げ疲労強度が劣っている。
No,19.20、21はそれぞれC,Si,Moの含有量が本発明の適正範囲よりも低いため、硬化層粒径が粗大となり、曲げ疲労強度が劣っている。
No.22はB含有量が、またNo.23はMn含有量が、No.24はSおよびP含有量が、No.25はAl含有量が、No.26はCr含有量が、それぞれ本発明の適正範囲を超えているため、いずれも粒界強度の低下を招き、曲げ疲労強度が劣っている。
No.27は、Ti含有量が本発明の適正範囲を超えているため、曲げ疲労強度が劣っており、逆にNo.28はTi含有量が低いため、硬化層粒径が粗大となり、曲げ疲労強度が劣っている。
No.39および41は、フィレットr部の硬化層厚みが十分でなく、No.40および42は軸平滑部の硬化層厚みが十分でなく、曲げ疲労強度が劣っている。
On the other hand, No. 9 is a comparative example in which the cooling rate after hot forging was reduced to 0.08 ° C./second, but the total structure fraction of bainite and martensite was less than 10%. Coarse and low bending fatigue strength.
No. No. 18 has a fine hardened layer particle size, but its C content is higher than the range of the present invention, which leads to a decrease in grain boundary strength, and therefore its bending fatigue strength is inferior.
In Nos. 19.20 and 21, the contents of C, Si and Mo are lower than the appropriate ranges of the present invention, respectively, so that the hardened layer particle size is coarse and the bending fatigue strength is inferior.
No. 22 has a B content. No. 23 had Mn content, No. 24 had S and P contents, Since No. 25 has an Al content and No. 26 has a Cr content exceeding the appropriate range of the present invention, both of them cause a decrease in grain boundary strength and are inferior in bending fatigue strength.
No. 27 is inferior in bending fatigue strength because the Ti content exceeds the appropriate range of the present invention. Since 28 has a low Ti content, the hardened layer particle size is coarse and the bending fatigue strength is inferior.
In Nos. 39 and 41, the cured layer thickness of the fillet r part is not sufficient, and in Nos. 40 and 42, the cured layer thickness of the shaft smooth part is insufficient, and the bending fatigue strength is inferior.

クランクシャフトの模式図ある。It is a schematic diagram of a crankshaft. フィレットr部および軸平滑部の硬化層厚を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the hardened layer thickness of a fillet r part and an axial smooth part. クランクシャフトの高周波焼入れの位置を示した図である。It is the figure which showed the position of the induction hardening of a crankshaft. 本発明に従う耐久試験の概要を示した図である。It is the figure which showed the outline | summary of the endurance test according to this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 クランクシャフト
2 ジャーナル部
3 クランクピン部
4 クランクウェブ部
5 カウンタウェイト部
6 硬化層
7 フィレットr部
8 軸平滑部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Crankshaft 2 Journal part 3 Crankpin part 4 Crank web part 5 Counterweight part 6 Hardened layer 7 Fillet r part 8 Axis smooth part

Claims (2)

クランクピン部およびジャーナル部の表面に焼入れ硬化層を有するクランクシャフトであって、
C:0.40〜0.51mass%、
Si:0.30〜0.80mass%、
Mn:0.50〜1.50mass%、
Al:0.040mass%以下(ゼロを含む)、
Ti:0.005〜0.06mass%、
Mo:0.15〜0.50mass%、
B:0.0005〜0.0030mass%、
S:0.06mass%以下、
P:0.02mass%以下および
Cr:0.2mass%以下
を含有し、さらに、
Te:0.2mass%以下、
Se:0.2mass%以下、
Ca:0.02mass%以下、
REM:0.03mass%以下、
Zr:0.2mass%以下、
Sn:0.3mass%以下、
Sb:0.2mass%以下、
Mg:0.02mass%以下および
Hf:0.1mass%以下
のうちから選んだ1種または2種以上を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になり、母材組織が、べイナイト組織および/またはマルテンサイト組織を有し、かつこれらベイナイト組織とマルテンサイト組織の合計の組織分率が10%以上であり、さらに高周波焼入れ後の表面硬化層の旧オーステナイト粒径が硬化層全厚にわたり10μm以下であり、クランクピン部およびジャーナル部のフィレットr部分の曲げ疲労限強度が800MPa以上であることを特徴とする、曲げ疲労強度に優れるクランクシャフト。
A crankshaft having a hardened hardening layer on the surfaces of the crankpin portion and the journal portion,
C: 0.40 to 0.51 mass%,
Si: 0.30 ~ 0.80mass%,
Mn: 0.50-1.50 mass%,
Al: 0.040 mass% or less (including zero),
Ti: 0.005-0.06mass%,
Mo: 0.15-0.50mass%,
B: 0.0005 to 0.0030 mass%,
S: 0.06 mass% or less,
P: 0.02 mass% or less and
Cr: contains 0.2 mass% or less , and
Te: 0.2 mass% or less,
Se: 0.2 mass% or less,
Ca: 0.02 mass% or less,
REM: 0.03 mass% or less,
Zr: 0.2 mass% or less,
Sn: 0.3 mass% or less,
Sb: 0.2 mass% or less,
Mg: 0.02 mass% or less and
Hf: 0.1 mass% or less
1 or 2 or more selected from among them, the balance is composed of Fe and inevitable impurities, the base material structure has a bainite structure and / or a martensite structure, and the bainite structure The total structure fraction of the martensite structure is 10% or more, and the old austenite grain size of the hardened surface layer after induction hardening is 10 μm or less over the entire thickness of the hardened layer. Crankshaft with excellent bending fatigue strength, characterized by having a bending fatigue limit strength of 800 MPa or more.
請求項1において、鋼材の成分組成が、さらに
Cu:1.0mass%以下、
Ni:3.5mass%以下、
Co:1.0mass%以下、
Nb:0.1mass%以下および
V:0.5mass%以下
のうちから選んだ1種または2種以上を含有する組成になることを特徴とする、曲げ疲労強度に優れるクランクシャフト。
In Claim 1, the component composition of steel materials is further
Cu: 1.0 mass% or less,
Ni: 3.5 mass% or less,
Co: 1.0mass% or less,
A crankshaft excellent in bending fatigue strength, characterized by having a composition containing one or more selected from Nb: 0.1 mass% or less and V: 0.5 mass% or less.
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