氮碳共滲的曲軸及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及氮碳共滲的曲軸及其制造方法。本發(fā)明提供一種氮碳共滲的曲軸的制造方法，所述氮碳共滲的曲軸通過將貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼進行鍛造和機械加工，并且進一步將貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼至少進行應(yīng)變釋放熱處理和隨后的氮碳共滲處理而獲得，貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼包含作為必需添加元素的，以質(zhì)量％計：0.10％-0.40％的C；0.10％-1.0％的Si；1.0％-2.0％的Mn；0.05％-0.40％的Mo；以及0.05％-0.40％的V，并且貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼可選擇地進一步包含作為任意添加元素的，以質(zhì)量％計：0.01％-0.1％的S；0.005％-0.2％的Ti；0.001％-0.03％的Al；0.50％以下的Cr；0.5％以下的Cu；以及0.5％以下的Ni，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
【專利說明】氮碳共滲的曲軸及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及通過對非調(diào)質(zhì)鋼(microalloyed steel)進行氮碳共滲處理獲得的氮碳共滲的曲軸和該氮碳共滲的曲軸的制造方法，特別是，通過對貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼進行氮碳共滲處理獲得的氮碳共滲的曲軸和氮碳共滲的曲軸的制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在用于車輛的往復式發(fā)動機的曲軸的情況下，熱鍛造由碳鋼或低合金鋼制得的鋼材料以粗略地成型，進行如調(diào)質(zhì)等熱處理，然后機械加工成沿長度方向彎曲的曲軸的形狀。此外，進行如氮碳共滲等表面硬化處理。另外，在使用非調(diào)質(zhì)鋼的情況下，可省略熱鍛造后的熱處理并且可直接進行機械加工。特別是，在使用貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼以給出主要由貝氏體構(gòu)成的微金屬結(jié)構(gòu)的情況下，可通過控制熱鍛造期間的熱歷史來省略如調(diào)質(zhì)等熱處理，并且可改進作為曲軸的疲勞強度。
[0003]例如，專利文獻I公開了省略熱鍛造后的熱處理的情況下，使用貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼制造氮碳共滲機械部件如曲軸的方法。通過調(diào)節(jié)非調(diào)質(zhì)鋼的成分組成并且通過優(yōu)化熱鍛造前的加熱溫度和鍛造后的冷卻速度，將熱鍛造產(chǎn)品的微金屬結(jié)構(gòu)中的貝氏體結(jié)構(gòu)的比例調(diào)整至50%以上，并且可提高疲勞強度。另外，通過優(yōu)化氮碳共滲處理條件，即使當省略熱鍛造后的熱處理時，也可獲得具有以下的氮碳共滲機械部件:可進行工業(yè)生產(chǎn)方面的如切削等機械加工的此類機械性質(zhì)；和高疲勞強度。更詳細地,通過調(diào)整非調(diào)質(zhì)鋼的成分組成，將為淬透性的指標的DI值和為產(chǎn)生珠光體的臨界冷卻溫度的指標的Kp值限制在預定范圍內(nèi)，并且限制含有的元素的碳當量，由此確保機械部件需要的硬度和切削加工性(機械加工性)，并且隨著Si和Mn的含量可進一步改進疲勞強度。
[0004]另外，由于具有沿長度方向彎曲的形狀的曲軸在表面硬化處理時容易彎曲，可能有必要表面處理后進行用于矯直彎曲的彎曲矯直處理。同時，通常，作為曲軸的具有高疲勞強度的鋼材料具有高機械強度，由此可能難以進行上述彎曲矯直處理。
[0005]例如，專利文獻2公開了氮碳共滲的曲軸的制造方法，該方法使用具有添加至其中的Mo和V的貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼并且在氮碳共滲處理步驟前施加用于釋放加工應(yīng)變的應(yīng)變釋放熱處理以抑制通過氮碳共滲處理發(fā)生的彎曲，由此省略氮碳共滲處理后的彎曲矯直處理。考慮到加工應(yīng)變的釋放和由于過時效導致的強度降低，上述應(yīng)變釋放熱處理優(yōu)選在3000C -650°C下進行10分鐘-180分鐘。此外，公開了通過調(diào)整C、S1、Mn、Cr、Mo與V的含量和通過將為貝氏體的生成穩(wěn)定化的指標的Kf值、為熱鍛造產(chǎn)品硬度的指標的Hf值以及為氮碳共滲處理后的內(nèi)部硬度的指標的Hg值限制在預定范圍，將貝氏體結(jié)構(gòu)的比例調(diào)整至70%以上，并且通過控制熱鍛造后的硬度，可確保機械加工性并且可提高氮碳共滲處理后的內(nèi)部硬度。
[0006][專利文獻I] JP-A-2007-146232
[0007][專利文獻2] JP-A-2Ol1-OM2O3


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]制造氮碳共滲的曲軸時，從制造性的觀點，優(yōu)選使用貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼，因為可省略熱鍛造后的熱處理，此外，抑制通過氮碳共滲處理發(fā)生的彎曲，從而可省略彎曲矯直處理。然而，因為抑制通過氮碳共滲處理發(fā)生的彎曲，所以不優(yōu)選的是犧牲作為曲軸的機械強度。
[0009]本發(fā)明鑒于上述情況而設(shè)計，及其目的是提供在不犧牲作為曲軸的機械強度情況下具有優(yōu)良的制造性的氮碳共滲的曲軸和氮碳共滲的曲軸的制造方法。
[0010]本發(fā)明提供通過將貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼進行鍛造和機械加工，并且進一步將貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼至少進行應(yīng)變釋放熱處理和隨后的氮碳共滲處理獲得氮碳共滲的曲軸的制造方法，上述貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼包含作為必需添加的元素的，以質(zhì)量％計:0.10% -0.40%的 C ；0.10% -1.0% 的 Si ；1.0% -2.0% 的 Mn ；0.05% -0.40% 的 Mo ;以及 0.05% -0.40%的V，并且貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼可選擇地進一步包含作為任意添加的元素的，以質(zhì)量％計:0.01% -0.1% 的 S ；0.005% -0.2% 的 Ti ；0.001% -0.03% 的 Al ；0.50% 以下的 Cr ；0.5%以下的Cu ;以及0.5%以下的Ni，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)，其中至少將作為不可避免的雜質(zhì)之一 P的含量抑制至0.025%以下，其中選擇非調(diào)質(zhì)鋼以滿足:
[0011][C] +0.27[Mn] +0.32[Cr] +0.27[Mo] +0.38[V] ^ 0.72,
[0012][C] +0.01 [Si]+。.09[Mn] +0.13[Cr]+0.12[Mo]+0.28[V]〈0.65，和
[0013][C]+0.ll[Si]+0.11[Μη]+0.09 [Cr]+0.21 [Mo]+0.60 [V]≤ 0.54，其中[Μ]表示元素M以質(zhì)量％計的含量，并且其中進行應(yīng)變釋放熱處理以滿足以下關(guān)于保持溫度T (°C )和保持時間t(hr)的表達式:
[0014]21.6+14.2 [C]+l.5 [Si]+2.6 [Mn]+6.5 [Cr]+2.7 [Mo]+1.6 [V]+1^7X yhl2-3.7X10^3X yhl<0.70，和 yhl = (Τ+273) X (20+Log(t))。
[0015]根據(jù)本發(fā)明，不犧牲作為曲軸的機械強度，抑制加工應(yīng)變和由于殘留奧氏體引起的通過氮碳共滲處理發(fā)生的彎曲，由此可省略隨后的彎曲矯直處理。即，可提供具有確保優(yōu)良的機械性質(zhì)的優(yōu)良的制造性的氮碳共滲的曲軸的制造方法。
[0016]本發(fā)明中，優(yōu)選在將貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼加熱至1150°C以上且低于1350°C的溫度范圍內(nèi)后將貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼進行鍛造，然后至少將鍛造后的鋼在碳擴散溫度范圍內(nèi)以控制在0.250C /秒-1.500C /秒的范圍內(nèi)的冷卻速度冷卻，從而獲得小于33.0HRC的硬度。根據(jù)本發(fā)明，可提供具有確保優(yōu)良的機械性質(zhì)的優(yōu)良的制造性的氮碳共滲的曲軸的制造方法。
[0017]本發(fā)明中，優(yōu)選在應(yīng)變釋放熱處理時，將保持溫度T設(shè)定在400°C -600°C的范圍內(nèi)并且將保持時間設(shè)定在0.5小時-5.0小時的范圍內(nèi)，以控制殘留Y的量為小于5.0%。根據(jù)本發(fā)明，可提供具有確保優(yōu)良的機械性質(zhì)的優(yōu)良的制造性的氮碳共滲的曲軸的制造方法。
[0018]本發(fā)明中，優(yōu)選在550°C _650°C的溫度范圍內(nèi)、氣體氣氛下進行氮碳共滲處理0.5小時以上，并且芯部具有270HV以上的硬度。根據(jù)本發(fā)明，可提供具有確保優(yōu)良的機械性質(zhì)的優(yōu)良的制造性的氮碳共滲的曲軸的制造方法。
[0019]此外，本發(fā)明提供通過將貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼進行鍛造和機械加工，并且進一步將貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼至少進行應(yīng)變釋放熱處理和隨后的氮碳共滲處理獲得的氮碳共滲的曲軸，上述貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼包含作為必需添加元素的，以質(zhì)量％計:0.10% -0.40%的C ；0.10% -1.0% 的 Si ；1.0% -2.0% 的 Mn ；0.05% -0.40 % 的 Mo ；以及 0.05% -0.40%的V，并且貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼可選擇地進一步包含作為任意添加元素的，以質(zhì)量％計:
0.01% -0.1% 的 S ；0.005% -0.2% 的 Ti ；0.001% -0.03% 的 Al ；0.50% 以下的 Cr ；0.5%以下的Cu ;以及0.5%以下的Ni，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)，其中至少將作為不可避免的雜質(zhì)之一 P的含量抑制至0.025%以下，其中非調(diào)質(zhì)鋼滿足以下表達式:
[0020][C] +0.27[Mn] +0.32[Cr] +0.27[Mo] +0.38[V] ^ 0.72,
[0021][CJ+0.01 [Si]+。.09[Mn] +0.13[Cr]+0.12[Mo]+0.28[V]〈0.65，和
[0022][C]+0.ll[Si]+0.11[Μη]+0.09 [Cr]+0.21 [Mo]+0.60 [V]≥ 0.54，其中[Μ]表示元素M以質(zhì)量％計的含量，并且其中控制殘留Y的量為小于5.0%，并且芯部具有270HV以上的硬度。
[0023]根據(jù)本發(fā)明，可提供具有優(yōu)良的機械性質(zhì)和優(yōu)良的制造性的氮碳共滲的曲軸。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024][圖1]圖1為示出根據(jù)本發(fā)明的曲軸的制造方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0025]為本發(fā)明的對象的曲軸的制造方法為通過將貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼進行鍛造和機械加工并且至少進行應(yīng)變釋放熱處理和隨后的氮碳共滲處理獲得氮碳共滲的曲軸的制造方法。本發(fā)明中，⑴使用貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼省略用于馬氏體回火的熱處理，⑵使用具有特定的成分組成的貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼，調(diào)整鍛造后殘留Y的量并且機械加工后進行應(yīng)變釋放熱處理，由此可抑制隨后的氮碳共滲處理時的“彎曲”并且調(diào)整對應(yīng)于曲軸的芯部的部分的機械強度，以及(3)用通過氮碳共滲處理的表面硬化處理改進作為曲軸的疲勞強度。特別是，通過降低應(yīng)變釋放熱處理后殘留Y的量，可抑制氮碳共滲處理時的“彎曲”并且因此不需要隨后的矯直處理，由此在應(yīng)變釋放熱處理時可硬化曲軸主體從而與常規(guī)的情況相比提聞其機械強度。
[0026]首先，基于圖1將描述本申請的對象的氮碳共滲的曲軸的典型的制造方法。各步驟中的參數(shù)，例如，熱處理的溫度、保持時間以及冷卻速度依賴鋼材料的成分組成，并且這也將在證明實驗中述及。
[0027]首先，如圖1中所示，將具有預定成分組成的鋼材料加熱并且通過熱鍛造粗略地成型為近似曲軸形狀(SI)。加熱溫度通常為1100°C以上。在具有后述成分組成的鋼材料的情況下，加熱溫度優(yōu)選在1150°C -1350°C的范圍內(nèi)。
[0028]將粗成型后的熱鍛造體冷卻，從而作為微金屬結(jié)構(gòu)的貝氏體結(jié)構(gòu)變高，例如以截面積比計為70%以上并且優(yōu)選80%以上(S2)。例如，至少在碳擴散溫度范圍內(nèi)，將粗成型后的熱鍛造體以控制在0.250C /秒-1.500C /秒范圍內(nèi)的冷卻速度冷卻。
[0029]接著，將冷卻的熱鍛造體機械加工成曲軸形狀(S3)。熱鍛造體機械加工時的容易性依賴于熱鍛造后的鋼材料的硬度。在硬度小于33.0HRC的情況下容易進行機械加工。.
[0030]將機械加工后的熱鍛造體進行應(yīng)變釋放熱處理(S4)。熱處理時，釋放直到機械加工終止累積的殘留應(yīng)力，并且分解殘留Y (殘留奧氏體)。殘留Y的分解依賴于熱處理的溫度和時間以及鋼材料的成分組成。處理溫度T(°c )優(yōu)選控制在400°C -600°c的范圍內(nèi)，
和處理時間t (hr)優(yōu)選控制在0.5小時-5.0小時的范圍內(nèi)。
[0031 ] 進行表面研磨加工(S5)，和通過氮碳共滲處理進行表面硬化處理(S6)。在氮碳共滲處理時，通過在氨氣氣氛下在550°C -650°C的范圍內(nèi)僅加熱保持至少0.5小時，在表面層上形成硬化層。在處理溫度下時效硬化或軟化鋼材料。
[0032]接著，用具有表1中示出的實施例1-16和比較例1-17的成分組成的鋼，制造使用圖1中示出的制造方法獲得的各種試驗片，并且試驗使用相同制造方法獲得的氮碳共滲的曲軸。將描述該試驗。
[0033]表1
[0034]

【權(quán)利要求】
1.一種氮碳共滲的曲軸的制造方法，所述氮碳共滲的曲軸通過將貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼進行鍛造和機械加工，并且進一步將所述貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼至少進行應(yīng)變釋放熱處理和隨后的氮碳共滲處理而獲得，所述貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼包含作為必需添加元素的，以質(zhì)量％計: .0.10% -0.40%的 C ； .0.10% -1.0%的 Si ； .1.0% -2.0%的 Mn ； .0.05% -0.40%的 Mo ;和 .0.05 % -0.40 %的V，并且所述貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼任選地進一步包含作為任意添加元素的，以質(zhì)量％計: .0.01% -0.1% 的 S ; .0.005% -0.2%的 Ti ； .0.001% -0.03% 的 Al ； .0.50%以下的Cr ； .0.5%以下的Cu ;和 .0.5%以下的Ni， 余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)， 其中至少將作為不可避免的雜質(zhì)之一 P的含量抑制在0.025%以下， 其中選擇所述非調(diào)質(zhì)鋼以滿足:
[C] +0.27[Mn] +0.32[Cr] +0.27[Mo] +0.38[V] ≥.0.72,
[C] +0.01 [Si]+。.09[Mn] +0.13[Cr]+0.12[Mo]+0.28[V]〈0.65，和[C] +0.ll[Si]+0.11 [Mn] +0.09 [Cr] +0.21 [Mo] +0.60 [V]≥.0.54，其中[M]表示元素 M以質(zhì)量％計的含量，和 其中進行所述應(yīng)變釋放熱處理以滿足以下關(guān)于保持溫度T (°C)和保持時間t (hr)的各式:
21.6+14.2[C]+1.5[Si]+2.6[Mn]+6.5[Cr]+2.7[Mo]+1.6[V]+1(T7X y hl2-3.7X.1^3Xyhl<0.70，和
Yhl = (Τ+273) X (20+Log(t))。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮碳共滲的曲軸的制造方法，其中在將所述貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼加熱至在1150°C以上且低于1350°C范圍內(nèi)的溫度后，將所述貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼進行鍛造，然后至少將所述鍛造后的鋼在碳擴散溫度范圍內(nèi)以控制為0.250C /秒-1.500C /秒的范圍內(nèi)的冷卻速度冷卻，從而獲得小于33.0HRC的硬度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氮碳共滲的曲軸的制造方法，其中在所述應(yīng)變釋放熱處理時，將所述保持溫度T設(shè)定在400°C -600°C的范圍內(nèi)并且將所述保持時間t設(shè)定在0.5小時-5.0小時的范圍內(nèi) ，以控制殘留Y的量為小于5.0%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的氮碳共滲的曲軸的制造方法，其中在550°C-650°C范圍內(nèi)的溫度下、在氣體氣氛下進行所述氮碳共滲處理0.5小時以上，并且芯部具有270HV以上的硬度。
5.一種氮碳共滲的曲軸，其通過將貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼進行鍛造和機械加工并且進一步將所述貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼至少進行應(yīng)變釋放熱處理和隨后的氮碳共滲處理而獲得，所述貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼包含作為必需添加元素的，以質(zhì)量％計: .0.10% -0.40%的 C ； .0.10% -1.0%的 Si ； .1.0% -2.0%的 Mn ； .0.05% -0.40%的 Mo ;和 .0.05% -0.40%的V，并且所述貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼任選地進一步包含作為任意添加元素的，以質(zhì)量％計: .0.01% -0.1% 的 S ; .0.005% -0.2%的 Ti ； .0.001% -0.03% 的 Al ； .0.50%以下的Cr ； .0.5%以下的Cu ;和 .0.5%以下的Ni， 余量為Fe和不 可避免的雜質(zhì)， 其中至少將作為不可避免的雜質(zhì)之一 P的含量抑制在0.025%以下， 其中所述非調(diào)質(zhì)鋼滿足以下各式:
[C] +0.27[Mn] +0.32[Cr] +0.27[Mo] +0.38[V] ^ 0.72,
[C] +0.01 [Si]+。.09[Mn] +0.13[Cr]+0.12[Mo]+0.28[V]〈0.65，和[C] +0.ll[Si]+0.11 [Mn] +0.09 [Cr] +0.21 [Mo] +0.60 [V]≥ 0.54，其中[M]表示元素 M以質(zhì)量％計的含量，和 其中將殘留Y的量控制為小于5.0%，和芯部具有270HV以上的硬度。
【文檔編號】C22C38/38GK104131248SQ201410178233
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年4月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月1日
【發(fā)明者】增田大樹, 松田英樹, 山崎步見, 加藤進一郎, 宮崎貴大 申請人:大同特殊鋼株式會社, 本田技研工業(yè)株式會社