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1、(10)申请公布号 CN 103080350 A(43)申请公布日 2013.05.01CN103080350A*CN103080350A*(21)申请号 201180029539.4(22)申请日 2011.06.132010-137724 2010.06.16 JPC22C 38/00(2006.01)C22C 38/60(2006.01)F16C 3/08(2006.01)(71)申请人新日铁住金株式会社地址日本东京都(72)发明人金基成 多比良裕章 前岛健人(74)专利代理机构北京林达刘知识产权代理事务所(普通合伙) 11277代理人刘新宇 李茂家(54) 发明名称锻造曲轴(57) 摘。
2、要本发明提供具有优异的耐磨耗性的锻造曲轴。本实施方式的锻造曲轴由非调质钢材构成。非调质钢材的化学组成按质量%计含有C：0.450.70%、Si：0.751.30%、Mn：1.002.00%、S：0.030.30%、Cr：0.050.30%、Al：0.0050.050%和N：0.0050.020%，剩余部分包含Fe和杂质，并且满足式(1)。非调质钢材的基体由初析铁素体按面积率计小于10%的铁素体-珠光体组织或珠光体组织构成。1.1C+Mn+0.2Cr2.0(1)其中，将各元素的含量(质量%)代入式(1)中的各元素符号。(30)优先权数据(85)PCT申请进入国家阶段日2012.12.14(86)。
3、PCT申请的申请数据PCT/JP2011/063490 2011.06.13(87)PCT申请的公布数据WO2011/158782 JA 2011.12.22(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书9页 附图1页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书9页 附图1页(10)申请公布号 CN 103080350 ACN 103080350 A1/1页21.一种锻造曲轴，其由非调质钢材构成，所述非调质钢材的化学组成按质量%计含有C：0.450.70%、Si：0.751.30%、Mn：1.002.00%、S：0.030.30%、Cr：0.050.30%、Al。
4、：0.0050.050%和N：0.0050.020%，剩余部分包含F e和杂质，并且满足式(1)，所述非调质钢材的基体由初析铁素体的面积率小于10%的铁素体-珠光体组织或珠光体组织构成，1.1C+Mn+0.2Cr2.0 (1)其中，将各元素的含量(质量%)代入式(1)中的各元素符号。2.根据权利要求1所述的锻造曲轴，其中，所述非调质钢材的所述化学组成含有Ti：0.03%以下来替代Fe的一部分。3.根据权利要求1或权利要求2所述的锻造曲轴，其具有省略了表面硬化热处理的曲柄销。权 利 要 求 书CN 103080350 A1/9页3锻造曲轴技术领域0001 本发明涉及曲轴，具体而言，涉及热锻后未实。
5、施调质处理、另外也未实施表面硬化热处理而使用的锻造曲轴。背景技术0002 最近提供省略了调质处理的锻造曲轴。调质处理指的是改善强度等钢的机械特性的淬火处理和回火处理。以下将省略了调质处理的锻造曲轴也称为非调质锻造曲轴。0003 构成非调质锻造曲轴的钢材通常含有钒(V)。通过将非调质钢热锻、在大气中自然冷却，从而制造非调质锻造曲轴。构成非调质锻造曲轴的钢材的组织为铁素体-珠光体组织。钢中的V形成微细的碳化物，提高钢的强度和硬度。总之，即使省略调质处理，含有V的非调质锻造曲轴也具有优异的强度和硬度。但是由于V价格昂贵，非调质锻造曲轴的制造成本升高。因此，谋求即使不含有V，也具有优异的强度和硬度的非。
6、调质锻造曲轴。0004 另外，对于锻造曲轴的表面要求耐磨耗性。锻造曲轴的曲柄销被插入到连杆的大端部。曲轴旋转时，曲柄销与连杆的大端部的内表面通过滑动轴承旋转。因此，对于曲柄销的表面要求优异的耐磨耗性。0005 日本特开2000-328193号公报和日本特开2002-256384号公报公开了不含有V、目的在于提高耐磨耗性的非调质钢。0006 日本特开2000-328193号公报中公开的热锻用非调质钢为铁素体-珠光体组织。进而，专利文献1中公开的热锻用非调质钢通过Si、Mn固溶在铁素体中来强化铁素体。由此实现耐磨耗性的提高。0007 日本特开2002-256384号公报中公开的非调质曲轴用钢具有初。
7、析铁素体比例小于3%的珠光体主体的组织，且含有厚度为20m以下的硫化物系夹杂物。进而，Si含量为0.60%以下，Al含量小于0.005%。由此，实现耐磨耗性和切削性的提高。0008 但是，为了提高锻造曲轴的耐磨耗性，通常对锻造曲轴实施表面硬化热处理。表面硬化热处理例如指的是高频淬火处理、氮化处理。通过高频淬火处理在锻造曲轴的表面上形成淬火层。另外，通过氮化处理在锻造曲轴的表面上形成氮化层。淬火层、氮化层具有高的硬度。因此，锻造曲轴的表面的耐磨耗性提高。0009 但是，如果实施表面硬化热处理则制造成本升高。因此谋求即使不含有V且省略了表面硬化热处理，也具有优异的耐磨耗性的非调质锻造曲轴。0010。
8、 利用日本特开2000-328193号公报和日本特开2002-256384号公报中公开的非调质钢制造的锻造曲轴，在省略了表面硬化热处理时，耐磨耗性有可能降低。发明内容0011 本发明的目的在于，提供即使热锻后不实施调质处理、另外也不实施表面硬化热处理来使用，也具有优异的耐磨耗性的非调质锻造曲轴。0012 本发明的一实施方式的锻造曲轴由非调质钢材构成，该非调质钢材的基体由初析说 明 书CN 103080350 A2/9页4铁素体的面积率小于10%的铁素体-珠光体组织或珠光体组织构成，该非调质钢材的化学组成按质量%计含有C：0.450.70%、Si：0.751.30%、Mn：1.002.00%、S。
9、：0.030.30%、Cr：0.050.30%、Al：0.0050.050%和N：0.0050.020%，剩余部分包含Fe和杂质，并且满足式(1)。0013 1.1C+Mn+0.2Cr2.0 (1)0014 其中，将各元素的含量(质量%)代入式(1)中的各元素符号。0015 此时，锻造曲轴即使不含有V，省略了高频淬火处理、氮化处理等表面硬化热处理，也具有优异的耐磨耗性。0016 构成上述锻造曲轴的非调质钢材的化学组成可以含有Ti：0.03%以下来替代Fe的一部分。0017 优选锻造曲轴具有省略了表面硬化热处理的曲柄销。附图说明0018 图1为表示本发明的实施方式的锻造曲轴的主要部分的图。001。
10、9 图2为表示构成图1所示的锻造曲轴的非调质钢材的C量、Mn量及Cr量与初析铁素体的面积率的关系的图。具体实施方式0020 以下参照附图对本发明的实施方式进行具体说明。对图中相同或相当部分附上相同附图标记，不重复其说明。0021 本实施方式的锻造曲轴的概要0022 本发明人等为了提高省略了表面硬化热处理的非调质锻造曲轴的耐磨耗性、强度和硬度而进行了调查和研究。其结果本发明人等得到以下发现。0023 (A)构成锻造曲轴的非调质钢材的基体由初析铁素体的面积率小于10%的铁素体-珠光体组织或珠光体组织构成。其中，“初析铁素体”指的是冷却钢时在共析转变之前从奥氏体析出的铁素体。另外，“铁素体-珠光体组。
11、织”指的是由初析铁素体和珠光体构成的组织，“珠光体组织”指的是初析铁素体的面积率为0%的实质为珠光体单相的组织。以下的说明中，将初析铁素体的面积率称为“初析铁素体率”。0024 初析铁素体比珠光体柔软，初析铁素体的耐磨耗性低。如果初析铁素体率小于10%则即使省略了表面硬化热处理，锻造曲轴也具有优异的耐磨耗性。0025 (B)为了使铁素体-珠光体组织内的初析铁素体率小于10%或使其为珠光体组织，构成锻造曲轴的非调质钢材的化学组成有必要满足以下的式(1)。0026 1.1C+Mn+0.2Cr2.0 (1)0027 其中，将各元素的含量(质量%)代入式(1)中的各元素符号。0028 碳(C)、锰(M。
12、n)和铬(Cr)均抑制初析铁素体的析出。如果这些元素的含量满足式(1)则热锻后自然冷却的锻造曲轴1的初析铁素体率小于10%，得到优异的耐磨耗性。0029 (C)使Si含量为0.751.30%。Si强化珠光体内的铁素体。因此，即使不含有V，也能提高非调质锻造曲轴的强度和硬度。0030 基于以上发现，本发明人等完成了本实施方式的锻造曲轴。以下对本实施方式的说 明 书CN 103080350 A3/9页5锻造曲轴进行详细说明。0031 锻造曲轴的结构0032 图1为表示本实施方式的锻造曲轴1的主要部分的图。锻造曲轴1具有曲柄销2、曲轴轴颈3和曲柄臂4。曲柄臂4配置在曲柄销2与曲轴轴颈3之间，连接曲柄。
13、销2与曲轴轴颈3。锻造曲轴1还具有圆角部5。圆角部5相当于曲柄销2与曲柄臂4的连接点部分。0033 曲柄销2对于未图示的连杆安装成能够旋转。曲柄销2从锻造曲轴1的旋转轴偏离来配置。曲轴轴颈3与锻造曲轴1的旋转轴同轴地配置。0034 曲柄销2介由滑动轴承相对于连杆的大端部的内表面旋转。因此对于曲柄销2的表面要求耐磨耗性。0035 如上所述，对于通常的锻造曲轴实施表面硬化热处理。表面硬化热处理例如为高频淬火处理、氮化处理。通过表面硬化热处理，曲柄销的表面硬化，耐磨耗性提高。0036 但是，本实施方式的锻造曲轴1具有省略了表面硬化热处理的曲柄销2。换而言之，未对曲柄销2实施表面硬化热处理。由此制造成。
14、本降低。需要说明的是，可以对曲柄销2和曲轴轴颈3一起省略表面硬化热处理，还可以对锻造曲轴1整体省略表面硬化热处理。0037 锻造曲轴1通过将以下说明的非调质钢材热锻来制造。由此，锻造曲轴1即使省略了表面硬化热处理也具有优异的耐磨耗性。另外即使不含有V，锻造曲轴1也具有优异的强度和硬度。以下对构成锻造曲轴1的非调质钢材的化学组成、组织以及该非调质钢材的制造方法进行详细说明。0038 化学组成0039 构成锻造曲轴1的非调质钢材具有以下的化学组成。以下涉及元素的%指的是质量%。0040 C：0.450.70%0041 碳(C)降低钢中的初析铁素体率，增大钢中的珠光体的面积率。由此，钢的强度和硬度提。
15、高，耐磨耗性也提高。如果C含量过少则在钢的组织中，初析铁素体率超过10%。另一方面，如果C含量过多则钢过度硬化，钢的切削性降低。因此C含量为0.450.70%。优选的C含量为0.480.60%，进一步优选为0.500.58%。0042 Si：0.751.30%0043 硅(Si)固溶在珠光体内的铁素体中而强化铁素体。Si还稍微固溶在初析铁素体中而强化初析铁素体。因此，Si提高钢的强度和硬度。另外Si将钢脱氧。如果Si含量过少则钢的强度和硬度降低。另一方面，如果Si含量过多则在热锻时钢脱碳。因此，Si含量为0.751.30%。优选的Si含量为0.901.20%。0044 Mn：1.002.00%。
16、0045 锰(Mn)固溶在钢中而提高钢的强度和硬度。Mn还抑制初析铁素体的生成。如果Mn含量过少则初析铁素体率超过10%。另一方面，如果Mn含量过多则生成贝氏体。贝氏体降低钢的耐磨耗性和切削性。所以，不优选生成贝氏体。因此，Mn含量为1.002.00%。优选的Mn含量为1.201.70%，进一步优选为1.301.50%。0046 S：0.030.30%0047 硫(S)生成MnS等硫化物，提高钢的切削性。另一方面，如果S含量过多则钢的热加工性降低。因此，S含量为0.030.30%。优选的S含量为0.040.06%。说 明 书CN 103080350 A4/9页60048 Cr：0.050.30。
17、%0049 铬(Cr)提高钢的强度和硬度。Cr还抑制钢中的初析铁素体的生成。如果Cr含量过少则初析铁素体率超过10%。另一方面，如果Cr含量过多则生成贝氏体。由于贝氏体降低钢的耐磨耗性和切削性，因此不优选生成贝氏体。因此，Cr含量为0.050.30%。优选的Cr含量为0.080.20%。0050 Al：0.0050.050%0051 铝(Al)将钢脱氧。Al还生成氮化物，将晶粒微细化。通过使晶粒微细化，钢的强度、硬度和韧性提高。另一方面，如果Al含量过多则生成Al2O3夹杂物。Al2O3夹杂物降低钢的切削性。因此，Al含量为0.0050.050%。优选的Al含量为0.0100.040%。本实施。
18、方式中的Al含量为酸可溶Al(Sol.Al)的含量。0052 N：0.0050.020%0053 氮(N)生成氮化物、碳氮化物。氮化物、碳氮化物将晶粒微细化，进而通过析出强化而提高钢的强度、硬度和韧性。另一方面，如果N含量过多则钢中容易产生空隙等缺陷。因此N含量为0.0050.020%。优选的N含量为0.0080.020%，进一步优选为0.0120.018%。0054 构成锻造曲轴1的非调质钢材的化学组成的剩余部分由F e和杂质形成。这里所称的杂质指的是从用作钢的原料的矿石、废料或者制造过程的环境等混入的元素。杂质例如为磷(P)、氧(O)等。0055 构成本发明的锻造曲轴1的非调质钢材还可以含。
19、有Ti来替代Fe的一部分。0056 Ti：0.03%以下(不包含0%)0057 Ti形成氮化物和碳氮化物，将钢的晶粒微细化。因此，提高钢的强度、韧性和疲劳强度。另一方面，如果Ti含量过多则生成大量的氮化物，钢的切削性降低。因此Ti含量为0.03%以下(不包含0%)。如果Ti含量为0.005%以上则显著地得到上述效果。0058 构成锻造曲轴1的非调质钢材实质上不含有V。总之，锻造曲轴1所使用的非调质钢材中，V为杂质，优选不含有V。即使不含有V，也会由于Si含量多而非调质钢材的强度和硬度高。0059 组织0060 构成锻造曲轴1的非调质钢材的化学组成进一步满足式(1)。0061 1.1C+Mn+0。
20、.2Cr2.0(1)0062 其中，将各元素的含量(质量%)代入式(1)中的各元素符号。0063 如上所述，C、Mn和Cr均抑制初析铁素体的生成。通过使钢的化学组成满足式(1)，构成锻造曲轴1的非调质钢材的基体形成初析铁素体率小于10%的铁素体-珠光体组织或珠光体组织。0064 构成锻造曲轴1的非调质钢材的组织的初析铁素体率可以为0%，即可以为珠光体单相的组织。以下对式(1)与初析铁素体率的关系进行说明。0065 图2为表示式(2)所示的F值与初析铁素体率的关系的图。0066 F=1.1C+Mn+0.2Cr (2)0067 式(2)为非调质钢材中的C含量、Mn含量和Cr含量的关系式，为式(1)。
21、的左边。图2通过以下的方法得到。说 明 书CN 103080350 A5/9页70068 将C含量、Mn含量和Cr含量不同的多种钢熔炼，制造50kg的钢锭。将所制造的多种钢锭加热到1250。将所加热的多种钢锭热锻，制造具有50mm外径的多种圆棒锻造品。以下将圆棒锻造品仅称为“圆棒”。0069 所制造的各圆棒中，从中心轴与表面之间的中间位置(以下称为R/2)采集组织观察用的试样(以下称为微型试样)。使用所采集的微型试样，观察各圆棒的组织。具体而言，将各微型试样的表面镜面抛光。然后将抛光后的微型试样的表面用硝酸乙醇腐蚀液腐蚀。对腐蚀后的微型试样的表面用光学显微镜进行观察。0070 所制造的圆棒的基。
22、体均为铁素体-珠光体组织或珠光体组织。因此，测定各圆棒的初析铁素体率。具体而言，通过400倍的光学显微镜，对任意的20个视野各观察(150m200m/视野)0.03mm2的区域。对各区域的显微镜照片(倍率400倍)进行图像处理，求出初析铁素体在各区域中所占的面积率。将所求得的20个初析铁素体的面积率的平均值定义为初析铁素体面积率(换而言之初析铁素体率、单位为%)0071 基于通过以上方法得到的初析铁素体率得到图2。图2的横轴表示由式(2)定义的F值。图2的纵轴表示初析铁素体率(%）。参照图2，在F值大于1.4且为2.0以下时，初析铁素体率为10%以上。而且，即使F值增大，初析铁素体率也不会大幅。
23、变动。另一方面，F值超过2.0时初析铁素体率小于10%。而且，随着F值的增大而初析铁素体率急速降低。进而，F值超过2.25%时初析铁素体率为0%。总之，图2中的曲线“C”在F=2.0附近具有拐点。0072 因此，如果非调质钢材的化学组成满足式(1)则非调质钢材的基体为初析铁素体率小于10%的铁素体-珠光体组织或珠光体组织。锻造曲轴1由于进行热锻来制造，因此锻造曲轴1的基体也为初析铁素体率小于10%的铁素体-珠光体组织或珠光体组织。优选的F值为2.05以上。0073 通过使非调质钢材的组织形成这种组织，锻造曲轴1具有优异的耐磨耗性。因此即使对曲柄销2的表面省略了表面硬化热处理，曲柄销2的耐磨耗性。
24、也高。0074 另外，构成锻造曲轴1的非调质钢材不含有V且省略了调质处理。但是，通过具有上述化学组成，并且满足式(1)，锻造曲轴1具有高的强度和硬度。0075 制造方法0076 对锻造曲轴1的制造方法的一例进行说明。0077 制造上述化学组成的钢液。通过连续铸造法将钢液形成铸坯。还可以通过铸锭法将钢液形成钢锭(ingot)。还可以将铸坯或钢锭热加工而形成钢坯(billet)、棒钢。0078 接着将铸坯、钢锭、钢坯或棒钢热锻，在大气中自然冷却，制造曲轴的粗形状的中间品。对曲轴的中间品不实施调质处理。换而言之，曲轴的中间品为非调质。将曲轴的中间品通过机械加工而切削加工为规定的形状，从而制造锻造曲轴。
25、1。0079 所制造的锻造曲轴1中，至少曲柄销2省略了表面硬化热处理。换而言之，至少曲柄销2的表面不实施高频淬火处理、氮化处理。需要说明的是，对于圆角部5可以实施圆角滚压加工，通过加工硬化而改善圆角部5的表面硬度。圆角滚压加工中，旋转锻造曲轴1，同时对圆角部5的表面按压辊。由此，对圆角部5的表面进行塑性加工，使其加工硬化。对于圆角部5也可以不实施圆角滚压加工。0080 构成通过以上工序制造的锻造曲轴1的非调质钢材的基体由初析铁素体率小于说 明 书CN 103080350 A6/9页810%的铁素体-珠光体组织或珠光体组织构成。因此，即使不含有V、省略了调质处理和表面硬化热处理，锻造曲轴1的表面。
26、也具有优异的耐磨耗性，且锻造曲轴1具有优异的强度和硬度。0081 实施例0082 将表1所示的化学组成的标记110的钢用真空感应加热炉熔解，形成钢液。将钢液铸锭，制造柱状的钢锭。所制造的钢锭具有50kg的重量，具有100mm的外径。0083 表10084 说 明 书CN 103080350 A7/9页90085 表1中的“F值”栏表示基于式(2)算出的各标记的钢的F值。参照表1可知，标记14的钢的化学组成处于本实施方式的曲轴用非调质钢材的化学组成的范围内。另外，标记14的化学组成均不含有V。标记14的化学组成还满足式(1)。换而言之，标记14的F值超过2.0。0086 标记5的钢的化学组成处于。
27、本实施方式的非调质钢材的化学组成的范围内。但是标记5的化学组成不满足式(1)。换而言之，标记5的F值小于2.0。0087 另外，标记610的钢的化学组成在本实施方式的非调质钢材的化学组成的范围之外且不满足式(1)。0088 将各标记的钢锭热锻而制造锻造品。具体而言，将各钢锭用周知的加热炉加热到1250。将加热后的钢锭热锻，从而制造具有50mm的外径的圆棒锻造品(以下仅称为圆棒)。热锻时的精加工温度为1000。热锻后，将圆棒在大气中自然冷却。自然冷却后对圆棒不实施调质处理。另外，对圆棒的表面不实施高频淬火处理、氮化处理等表面硬化热处理。0089 显微组织调查0090 从各标记的圆棒采集微型试样，。
28、观察组织。从圆棒的R/2位置采集组织观察用的微型试样。对所采集的微型试样的表面进行镜面抛光。抛光后，将微型试样的表面用硝酸乙醇腐蚀液腐蚀。腐蚀后，用400倍的光学显微镜观察腐蚀后的表面的组织。0091 观察的结果是标记1标记9的圆棒的基体均为铁素体-珠光体组织或珠光体组织。另一方面，标记10的基体实质为马氏体单相。因此，基于上述方法求得标记1标记10的圆棒的组织内的初析铁素体率。具体而言，通过400倍的光学显微镜，对任意的20个视野各观察(150m200m/视野)0.03mm2的区域。对各区域的显微镜照片(倍率400倍)进行图像处理，求出初析铁素体在各区域中所占的面积率。将所求得的20个初析铁。
29、素体的面积率的平均值定义为初析铁素体率(%)。0092 表面硬度调查0093 调查标记1标记10的圆棒的表面的硬度。具体而言，根据JISZ2245，实施使用C标尺的洛氏硬度试验。0094 耐磨耗性调查0095 实施销盘式摩擦磨损试验，调查标记1标记10的圆棒的耐磨耗性。具体而言，由各圆棒采集1.5mm2.0mm3.7mm的试验片。各试验片的2.0mm3.7mm的表面(以下称为主面)与圆棒的横截面平行。换而言之，各试验片的主面的法线与圆棒的中心轴平行。测定试验前的试验片的重量。0096 在销盘式摩擦磨损试验机的旋转盘的表面上粘附编号(grit)800的砂纸。然后在将试验片的主面以26gf/mm2。
30、的表面压力按压到砂纸上的状态下以圆周速度39.6m/分钟旋转旋转盘50分钟。0097 旋转50分钟后，测定试验片的重量。然后将试验前与试验后的试验片的重量的差定义为磨耗量(g)。0098 调查结果0099 表2表示调查结果。0100 表2说 明 书CN 103080350 A8/9页100101 0102 标记组织初析铁素体率() HRC磨耗量(g)1铁素体-珠光体5 23.4 0.00852铁素体-珠光体3 26.2 0.00833铁素体-珠光体1 25.5 0.00814珠光体0 31.2 0.00815铁素体-珠光体12 21.3 0.01256铁素体-珠光体11 22.0 0.0112。
31、7铁素体-珠光体13 24.3 0.01308铁素体-珠光体10 20.6 0.01059铁素体-珠光体11 23.3 0.011010马氏体0 32.4 0.01190103 表2中的“组织”栏表示各标记的组织。“初析铁素体率(%)”表示通过显微组织试验得到的各标记的初析铁素体率(%)。“HRC”栏表示通过使用标尺C的洛氏硬度试验得到的各标记的表面硬度(HRC)。“磨耗量(g)”表示通过销盘式摩擦磨损试验得到的各标记的磨耗量(g)。0104 参照表2，如上所述标记1标记3和标记5标记9的圆棒的基体均为铁素体-珠光体组织，标记4的基体为珠光体组织。另一方面，标记10的圆棒由于Cr含量高，标记1。
32、0的基体为马氏体组织。0105 标记1标记4的化学组成处于本实施方式的非调质钢材的化学组成的范围内且满足式(1)。因此，初析铁素体率小于10。标记1标记4的磨耗量均小于0.0100g，表现出优异的耐磨耗性。进而，标记1标记4的洛氏硬度HRC为23.0以上，标记1标记4具有高的强度和硬度。0106 另一方面，标记5的化学组成虽然处于本实施方式的非调质钢材的化学组成的范围内，但是不满足式(1)。因此，初析铁素体率为10%以上。而且，标记5的洛氏硬度HRC小于23.0，磨耗量超过0.0100g。0107 标记6标记9的化学组成在本实施方式的非调质钢材的化学组成的范围之外，进一步不满足式(1)。因此，标记6标记9的组织内的初析铁素体率为10%以上。而且，标记6标记9磨耗量超过0.0100g。0108 标记10的圆棒的基体由于为马氏体组织，因此洛氏硬度HRC高。但是，磨耗量超过0.0100g。说 明 书CN 103080350 A10。