JPH04128342A

JPH04128342A - 熱処理鋼部材

Info

Publication number: JPH04128342A
Application number: JP24803490A
Authority: JP
Inventors: Katsunori Hanakawa; 勝則花川; Yoshihisa Miwa; 能久三輪; Shinya Shibata; 柴田　伸也
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1990-09-17
Filing date: 1990-09-17
Publication date: 1992-04-28
Anticipated expiration: 2015-04-04
Also published as: JP3029281B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、熱処理鋼部材に関する。

（従来の技術）近年、各種の機械器具の軽量化が図られているが、自動
車の場合は、軽量化の要求のために、Ａ１合金等の軽量
材料の利用が重大な課題になっている。ところが、Ａ１
合金は鋼に比べ線膨張係数が高い（線膨張係数はＡ１合
金ＡＤＣ１０が２１Ｘ　１０’／”Ｃ１鋼５４８Ｃが１
１．２ｘｌＯ−６／℃）。従って、Ａ１合金部材と鋼部
材とを組み付けて部品を構成すると、両部材の熱膨張差
のために種々の問題が発生する。

例えば、エンジンの場合、シリンダブロックをＡ１合金
製とし、クランクシャフトを鋼製にすると、互いの熱膨
張差により振動騒音が大きくなるという問題がある。す
なわち、この振動騒音は、上記熱膨張差によりメタルク
リアランスが温度上昇に伴って大きくなるためである。

また、軽合金製シリンダブロック本体に鋳鉄製軸受を鋳
ぐるみ、熱膨張差の問題を解消するという提案があるが
、シリンダブロック本体と軸受との間に充分な接合強度
を得ることが難しく、しかも上記鋳ぐるみによって重量
増を招くことになる。

これに対して、特開昭６１−２５２９１２号公報には、
残留オーステンパ処理が３０〜５０容量％となるように
オーステンパ処理した球状黒鉛鋳鉄（ＡＤＩ）製のクラ
ンクシャフトと、Ａ１合金製シリンダブロックとの組み
合わせにより、メタルクリアランスの温度変化を小さく
抑えるという提案が開示されている。すなわち、このも
のは、基地にオーステナイト組織を得ることにより、ク
ランクシャフトの線膨張係数を高めたものである。

（発明が解決しようとする課題）しかし、上記ＡＤＩ製のクランクシャフトの場合、上述
の熱膨張差の問題についての解決は図れるが、このＡＤ
Ｉでは剛性（ヤング率）が低いために、クランクシャフ
ト自体の撓みによる振動騒音の問題が出てくる。

なお、オーステナイトを含むものとしては、他にオース
テナイト系球状黒鉛鋳鉄やオーステナイト系ステンレス
鋼があるが、前者では強度及び硬度が低く、折損やメタ
ルの焼き付きを招き易く、後者では焼入れ硬化が不可能
であるために、強度及び耐摩耗性が不足しがちであると
ともに、高合金とするためにコスト高になる憾みがある
。

そこで、本発明者は、剛性を確保しながら線膨張係数を
高くするという観点から、鋼のオーステンパ処理を試み
たのである。しかし、従来の鋼、例えば高Ｓｉ鋼５ＵＰ
６．７では、線膨張係数を高めるに充分な量の残留オー
ステナイトを生成せしめることか難しく、且つ、ベイナ
イト変態時間が非常に短いために、クランクシャフトの
ような大物部品への適用が難しいという問題がある。

すなわち、大物部品では質量効果のために内部のオース
テンパ処理れか不充分になり易く、そのためにオーステ
ンパ処理時間を長くすると、上述の如くベイナイト変態
時間が短いために表面側ではセメンタイトが析出して残
留オーステンパ処理が少なくなるという問題があるもの
である。さらに、生成した残留オーステナイトは不安定
であり、容易に高硬度のマルテンサイトに変態してしま
い、残留オーステンパ処理が少なくなる。

（課題を解決するための手段及びその作用）本発明は、
このような課題に対して、オーステンバ処理すべき鋼部
材の組成をＣ量と５ｉｆｉとの両者が多くなるように調
整することにより、上記課題を解決するものである。

すなわち、本発明は、鋼部材のＣｆｆ１を０．７〜１．
２重量％とじＳｉ量を１．５〜２．５重量９ａとしてオ
ーステンバ処理することにより、組織が３０〜６０容量
％の残留オーステナイトとベイナイトとの混在組織にさ
れて線膨張係数が１５×１０’／”Ｃ以上にされている
ことを特徴とする熱処理鋼部材を提供するものである。

この場合、残留オーステナイトは、鋼部材の線膨張係数
の上昇に不可欠のものであって、その量が３０容量％未
満であると、線膨張係数を１５×１０’／”Ｃ以上にす
ることができない。一方、残留オーステナイトが６０容
量％を越える量になると、強度不足を招く。

Ｃは、鋼部材の焼入れ性向上及び残留オーステナイトの
安定化、並びにベイナイト変態の遅延を図るための元素
であり、０．７重量％未満ては、焼入れ性が不充分とな
って大物部品への適用が難しくなるとともに、残留オー
ステナイトが不安定になる。一方、Ｃが１．２重量％を
越える量になると、遊離炭素析出の問題が生ずる。かか
る観点から、さらに好ましいＣ量は０．　８〜１．１重
量％である。

Ｓｉは、恒温処理でのベイナイト変態時に、炭化物の析
出抑制と、残留オーステナイトの安定化とを図るための
元素であり、１．５重量％未満では炭化物の析出抑制力
か不充分となる。一方、Ｓｉか２．５重量％を越える量
になると、遊離炭素が析出し易くなるとともに、上記炭
化物の析出抑制及び残留オーステナイトの安定化の効果
も飽和する。

上記Ｃ及びＳｉに加えてＭｎ、Ｍｏ及びＮｉの各元素を
添加することは、本発明を効果的に実施する上で有用で
ある。

Ｍｎは、焼入れ性の向上、残留オーステナイトの安定化
、ベイナイト変態遅延の効を奏する。この場合、Ｍｎ量
としては、０，５〜２．０重量％が好ましい。０．５重
量％未満では鋼部材の強度向上及び焼入れ性向上、並び
にベイナイト変態遅延への寄与が少ない。一方、２．０
重量％を越えると、効果が飽和するとともに、靭性が低
下することになる。

ＭｏとＮｉとは、その一方若しくは双方を添加すること
により、焼入れ性の向上を図ることができるものであり
、添加量としては、ＭＯの場合は０．１〜０．５重量％
が好ましく、Ｎｉの場合は０．５〜２．５重量％が好ま
しい。すなわち、ＭＯとＮｉとは、各々上記範囲を下回
る量では効果が不充分であり、また、上記範囲を上回る
量では単に効果が飽和するだけである。

（発明の効果）従って、本発明の熱処理鋼部材は、ＣとＳｉとを共に多
量に含有せしめた鋼部材のオーステンパ処理により、従
来の鋳鉄をオーステンパ処理したものよりも高い剛性を
得ながら、ベイナイト変態を遅延させて比較的多量の安
定した残留オーステナイトを生成せしめ、高い線膨張係
数を得ているものであり、よって、Ａ１合金部材との組
み合わせにおける熱膨張差や鋼部材自身の剛性不足とい
う問題、並びに質量効果の問題を解決することができ、
例えばクランクシャフトのような各種の大物部品への適
用が可能になる。

（実施例）以下、本発明の実施例を比較例との比較等により説明す
る。

比較テスト１− 表１に示す化学成分の鋼材により直径３０ｍ５、長さ３
０ｍ５の鋼部材（丸棒）をそれぞれ複数本作成し、オー
ステンバ処理を行なった。比較例１はＪＩＳの５ＵＰ６
である。

表１オーステンパ処理は以下の条件で行なった。

オーステナイト化熱処理　　　９００℃Ｘ２０ｍ１ｎ恒温変態処理　
　４００℃×１〜１２０１１ｎしかる後、各鋼部材につ
いてＸ線回折により残留オーステンパ処理を測定した。

結果は第１図に示されている。

同図から、実施例１の場合、残留オーステンパ処理は最
大で５０容量％を越え、しかも恒温変態処理時間が５〜
１２０分の範囲で残留オーステナイトの生成量が４０容
量％を越えており、ベイナイト変態時間が長く、従って
、大物部品においても、内外に略均−な量の残留オース
テナイトが生成することがわかる。

これに対して、Ｃ量が少ない比較例１は残留オーステナ
イトの生成量が少ない。しかも、残留オーステナイトの
生成量が３０容量％を越えるのは、恒温変態処理時間が
約１〜１０分の場合であって、処理時間が長くなるにつ
れて残留オーステンパ処理が大きく低下していることか
ら、ベイナイト変態時間が短いことがわかる。

比較テスト２− 表２に示す化学成分の鋼材により直径３０　ｆｌｌｌＤ
％長さ３０＋ｉｍの鋼部材（丸棒）をそれぞれ作成し、
オーステンパ処理を行なった。比較例２はＪＩＳの５Ｕ
Ｐ７である。

表２オーステンバ処理は以下の条件で行なった。

オーステナイト化熱処理　　　９００℃Ｘ２０ａｉｎ恒温変態処理　
　４００℃Ｘ６０＋ｉｎしかる後、各鋼部材についてＸ
線回折により残留オーステンパ処理を測定し、熱分析装
置により室温から２００℃までの線膨張係数を測定した
。

その結果を表３に示す。

表３表３の実施例をみると、Ｃ量が最も少ない実施例２でも
残留オーステンパ処理は４２．９重量％、線膨張係数は
１６．５Ｘ１０６／”Ｃであって、要求特性を満足して
いる。また、実施例３はＣ量が実施例２と同様に少なく
、Ｓｉ量及びＭｎｍが多い例であるが、残留オーステン
パ処理が実施例２のものよりも多くなっている。また、
実施例４はＮｉ及びＭｏを添加した例であるが、これも
比較的多量の残留オーステナイトが生成し、線膨張係数
も高くなっている。

これに対して、比較例１は先の第１図の結果から予想さ
れる通り、恒温変態処理時間が長い関係で残留オーステ
ンパ処理か少なく、従って線膨張係数も低くなっている
。比較例２は比較例１に比べて５ｉｆｆｉか多い例であ
るが、残留オーステンパ処理の増加はあまりなく、比較
例３はＣｍを少なくした例であるか、残留オーステンパ
処理かかなり少なくなっている。従って、この比較例の
結果と上記実施例についての結果とから、Ｃｆｆ１か残
留オーステンパ処理の増加に大きく寄与していることが
わかる。

比較テスト３この比較テストは、エンジン部品に関するもので、クラ
ンクシャフト、コンロッドを各種の熱処理鋼部材で作成
し、これとＡ１合金製シリンダブロックとを組み合わせ
て、メタルクリアランスや軸剛性について検討したもの
である。組合せ例は表４の通りである。なお、表４にお
いて、ブロックはシリダブロックのことであり、シャフ
トはクランクシャフトのことである。

表４上記各側のクランクシャフトの化学成分及び熱処理の態
様は表５の通りである。

表５オーステンバＩは、次の通りである。

オーステナイト化熱処理　　　９００℃×２０１０恒温変態処理　　４００℃Ｘ６０ａｉｎオーステンバ■
は、次の通りである。

オーステナイト化熱処理　　　８９０℃Ｘ６０ｗ１ｎ恒温変態処理　
　３９５℃Ｘ１２０ｍ１ｎ各組合せ例のメタルクリアラ
ンスと軸剛性とは表６の通りである。

表６実施例Ｃ及びＤの各々のコンロッドの化学成分は同じで
あって、次の通りである。

Ｃ；０．９　、　Ｓ　ｉ　；２．０　、　Ｍｎ　；１．
３　、残Ｆｅそして、実施例Ｃのコンロッドについては
、オーステンパ処理は先に説明したオーステンパＩで行
なった。残留オーステンパ処理は４２，９容量％である
。

一方、実施例りのコンロッドについては、次の条件でオ
ーステンバ処理を行なった。残留オーステンパ処理は２
８％である。

オーステナイト化熱処理　　　９００℃Ｘ２０ｉｉｎ恒温変態処理　
　３３０℃Ｘ　６０　ｉｉｎ実施例Ａ−Ｄは、メタルク
リアランス、軸剛性、振動騒音のいずれも良好であった
。特に、実施例Ｃ，Ｄのようにフンロッドにも本発明を
適用した場合、クランクシャフトとコンロッドとのメタ
ルクリアランスも適正化され、実施例Ａ、　　Ｂのもの
よりも良い結果が出た。また、実施例りは、コンロッド
の線膨張係数をクランクシャフトのそれよりも若干小さ
くしたものであるが、このようにすると、コンロッドの
方がクランクシャフトよりも高温になるから、両者の熱
膨張量が略同じになり、さらに良い結果が得られる。

これに対し、比較例ａはクランクシャフトの線膨張係数
が小さいことから、温間時にメタルクリアランスが大き
くなって振動騒音が大きくなる傾向があり、比較例すで
はメタルクリアランスは良いが、クランクシャフト自体
の剛性が不足し、振動騒音が大きいという結果になった
。

他の適用例１− 従来、エンジンのシリンダヘッドをシリンダブロックに
締結するヘッドボルトは、シリンダヘッドがＡ１合金製
の場合、温間時にシリンダヘッドとの熱膨張差によっ、
て冷間時よりも締付力が大きくなり、その結果、ガスケ
ットのへたりを招いていた。

そこで、上記ヘッドボルトに本発明を適用した。

すなわち、ヘッドボルトは先の組合せ例Ｂのクランクシ
ャフトと同一の鋼部材で製作した。その製造工程は次の
通りである。

（素材製作）＝（加工）＝（オーステンパ処理）→（ね
じ転造）このヘッドボルト及びＡ１合金製シリンダヘッドの線膨
張係数は表７の通りである。

表７上記ヘッドボルトの場合、シリンダヘッドとの温間時の
熱膨張差が小さく、上記ガスケットの実質的なへたりは
認められなかった。

上記ヘッドボルトの場合、オーステンパ処理は先の組合
せ例Ｂと同じ条件であるが、その次のねじ転造により残
留オーステナイトの一部がマルテンサイトに誘起変態し
、線膨張係数が先の組合せ例Ｂのクランクシャフトより
も若干低くなっている。もちろん、ヘッドボルトは、上
記誘起変態によって硬化し、耐疲労強度が高くなってい
る。

以上から、本発明は、Ａ１合金製部品を締結するボルト
への適用にも適することがわかる。

−他の適用例２− 従来、エンジンにおける機械式過給機のロータをＡ１合
金製とした場合、そのシャフトはロータに対し焼き嵌め
あるいは圧入により固定されている。しかし、ロータと
シャフトとの結合強度が両者の温間時の熱膨張差に起因
して低下するという問題がある。

そこで、上記シャフトに本発明を適用した。

すなわち、シャフトは先の組合せ例Ｂのクランクシャフ
トと同一の鋼部材で製作した。

このシャフト及びＡ１合金製ロータの線膨張係数は表８
の通りである。

表８上記シャフトをロータに圧入した場合、この両者間の結
合強度の実質的な低下は認められなかった。

従って、本発明がＡ１合金製部品に圧入する部品に適用
しても効を奏することがわかる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例と比較例とにつき、恒温変態処
理時間と残留オーステナイトの生成量との関係を比較し
た特性図である。（！ｔ−／＾５咋５′ 恒温変態処理時間（紗）第図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）Ｃ量を０．７〜１．２重量％含み、Ｓｉ量を１．
５〜２．５重量％含む鋼部材であって、オーステンパ処
理により、組織が３０〜６０容量％の残留オーステナイ
トとベイナイトとの混在組織にされて線膨張係数が１５
×１０＾−＾６／℃以上になされていることを特徴とす
る熱処理鋼部材。