锻造曲轴及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种利用热锻造制造的曲轴（以下，也称作"锻造曲轴"）。特别是涉 及切削性优异并且抗裂性优异的锻造曲轴及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 曲轴是将活塞的往复运动转换为旋转运动而获得动力的往复式发动机的主要零 部件，大致区分为利用锻造制造的曲轴、和利用铸造制造的曲轴。在轿车、货车、特殊作业车 等汽车的发动机中，特别是在汽缸数为两个以上的多汽缸发动机中，曲轴被要求较高的强 度和刚性，大量使用优先满足强度和刚性的要求的锻造曲轴。另外，在摩托车、农业机械、船 舶等的多汽缸发动机中也使用锻造曲轴。
[0003] 通常，多汽缸发动机用的锻造曲轴以截面呈圆形或方形且在整个长度上截面积恒 定的钢坯为原材料，依次经过预成形、模锻、模锻切边以及整形各工序而制造（例如，参照 专利文献1~3)。预成形工序包括辊轧成形和弯曲锻造的各工序，模锻工序包括粗锻和精 锻的各工序。
[0004] 图1是用于对以往的通常的锻造曲轴的制造工序进行说明的示意图。图2是示意 性表示以往的锻造曲轴的一例的图，图2的（a)是俯视图，图2的（b)是侧视图，图2的（c) 是代表轴部的轴颈部的径向剖视图。
[0005] 图1、图2所例示的曲轴1搭载于四汽缸发动机，包括五个轴颈部J1~轴J5、四个 销部P1~P4、前端部Fr、凸缘部F1、以及分别将轴颈部J1~轴颈部J5和销部P1~销部P4 相连的八个曲臂部（以下，也简称为"臂部")A1~A8,该曲轴1是在全部八个臂部A1~A8 上都具有平衡配重的四汽缸一八个配重的曲轴。以下，在分别统称轴颈部J1~轴颈部J5、 销部P1~销部P4以及臂部A1~臂部A8时，其附图标记记为：轴颈部为"J"，销部为"P"， 臂部为"A"。其中，轴颈部J、销部P、前端部Fr以及凸缘部F1均为圆柱状的轴部。
[0006] 在图1所示的制造方法中，如以下那样制造锻造曲轴1。首先，在利用感应加热炉、 气体气氛加热炉对预先已切割为预定长度的图1的（a)所示的钢坯2进行加热之后，进行 辊轧成形。在辊轧成形工序中，利用例如孔型辊轧制钢坯2而使钢坯2缩径并且将其体积 分配在长度方向上，从而使成为中间坯料的辊轧坯件103成形（参照图1的（b))。接下来， 在弯曲锻造工序中，对利用辊轧成形而获得的辊轧坯件103从与长度方向成直角的方向局 部冲压下压而将该辊轧坯件103的体积分配，使成为进一步的中间坯料的弯曲坯件104成 形（参照图1的（c))。
[0007] 接下来，在粗锻工序中，使用上下一对模具对通过弯曲锻造而获得的弯曲坯件104 进行锻压，使被造形成曲轴（最终锻造产品）的大致的形状的锻造件105成形（参照图1的 (d))。而且，在精锻工序中，提供通过粗锻而获得的粗锻件105,使用上下一对模具对粗锻件 105进行锻压，使被造形成与曲轴一致的形状的锻造件106成形（参照图1的（e))。在进 行这些粗锻和精锻时，剩余材料作为飞边自互相相对的模具的模具分割面之间流出。因此， 粗锻件105、精锻件106在已被造形的曲轴的周围分别带有较大的飞边105a、106a。
[0008] 在模锻切边工序中，从上下利用模具将通过精锻而获得的带有飞边106a的精锻 件106进行保持，并且利用刀具类模将飞边106a冲切去除。由此，如图1的（f)、图2所示， 获得锻造曲轴1。在整形工序中，对去除了飞边的锻造曲轴1的重要部位、例如轴颈部J、销 部P、前端部Fr、凸缘部F1等这样的轴部自上下利用模具略微冲压、根据情况对臂部A自上 下利用模具略微冲压，而矫正为期望的尺寸形状。如此，制造锻造曲轴1。
[0009] 图1所示的制造工序并不限定于例示的四汽缸一八个配重的曲轴，即使是在八个 臂部A中的开头的第1臂部A1、最末尾的第8臂部A8、以及中央的两个第4臂部A4、第5臂 部A5具有平衡配重的四汽缸一四个配重的曲轴，制造工序也相同。另外，即使是搭载于三 汽缸发动机、直列六汽缸发动机、V型六汽缸发动机、八汽缸发动机等的曲轴，制造工序也相 同。另外，在需要调整销部的配置角度的情况下，在模锻切边工序之后，可增加扭转工序。
[0010] 如图2所示，锻造曲轴1在上述模锻工序中产生飞边，在模锻切边工序中去除该飞 边，因此作为其痕迹，在整周出现了飞边线107。作为轴部的轴颈部J、销部P、前端部Fr以 及凸缘部F1的径向截面形状是将隔着飞边线107对称的半圆组合而成的大致的圆形（参 照图2的（c))。该半圆的部分分别通过精锻利用上下一对模具的半圆形的模具雕刻部形 成，飞边线107的位置与上下模具的模具分割面的位置一致（参照图2的（c)中的虚线）。
[0011] 这样的锻造曲轴1作为搭载于发动机的曲轴发挥作用，因此被实施各种加工、热 处理。例如，作为轴部的轴颈部J、销部P、前端部Fr以及凸缘部F1的外周均被实施了切削 加工，精加工为预定的外径（参照图2的（c)中的两点划线）。特别是轴颈部J和销部P的 外周被进一步实施研磨加工而精加工为预定的外径和表面粗糙度。外周被实施了机械加工 的轴颈部借助滑移轴承衬套支承于发动机模块。同样地销部借助滑移轴承衬套与连结有活 塞的连杆的端部相连结。
[0012] 另外，轴颈部和销部由于与滑移轴承衬套一起滑动，因此被要求耐磨耗性。因此， 在轴颈部和销部的外周，多是在切削加工之后、研磨加工之前实施高频淬火（IH)。
[0013] 现有抟术f献
[0014]专利f献
[0015]专利文献1:日本特开平5-000349号公报
[0016]专利文献2:日本特开平11一320019号公报
[0017] 专利文献3 :日本特开2003 - 253384号公报
【发明内容】
[0018] 发明要解决的问题
[0019]另外，在被实施了外周机械加工的轴颈部和销部，有时由于因研磨加工、高频淬火 而在其外周面产生的拉伸残余应力，而产生了研磨裂纹、IH裂纹这样的裂纹（以下，也称作 "加工表面裂纹"）。以往，当产生了加工表面裂纹时，调整研磨加工、高频淬火的各个条件 来进行应对。但是，该各个条件的调整是极其复杂的操作，也存在使轴颈部和销部的外径尺 寸、外周面的表面粗糙度、淬火固化层的特性发生改变的隐患，因此存在局限。因此，无法充 分地抑制加工表面裂纹的产生，期望革新的应对之策。
[0020] 本发明是鉴于上述问题而做成的，其目的在于提供一种在外周机械加工之后能够 在轴颈部和销部防止产生加工表面裂纹的锻造曲轴及其制造方法。
[0021] 用于解决问题的方案
[0022] 本发明人为了达到上述目的，进行了各种试验并反复认真研宄，结果获得了下述 (a)~（e)的知识。
[0023] (a)通常，作为锻造曲轴的原材料，使用含有S(硫磺）的碳钢。这是为了在对锻造 曲轴进行机械加工时确保良好的切削性。
[0024] (b)详细调查了在以往的锻造曲轴的轴部产生加工表面裂纹的情况。其结果可知， 加工表面裂纹限定产生于与飞边线上相当的位置、即与精锻用模具的模具分割面对应的位 置，在除此以外的自飞边线上偏离的位置、其中与精锻用模具的模具雕刻部的底（以下，也 称作"模底"）对应的位置完全没有产生。
[0025] (c)这样的加工表面裂纹的产生状况能够根据以下理由进行说明。在作为锻造曲 轴的原材料的钢坯的内部分散有各种夹杂物。在像上述（a)那样使用含S碳钢作为原材料 的情况下，该夹杂物大部分是MnS(锰硫化物）。在制造锻造曲轴时的模锻工序中，在模具的 模具分割面附近，钢被明显压下，钢的流动也较明显，因此MnS夹杂物当然在自模具的模具 分割面之间流出的飞边中伸长并聚集，也聚集在锻造曲轴的轴部的与模具分割面对应的位 置。
[0026] 因此，在锻造曲轴的轴部的与模具分割面对应的位置，MnS夹杂物密集存在。该密 集的MnS夹杂物的裂纹敏感性较高，当在外周机械加工后暴露于轴部的表面时，成为以密 集的MnS夹杂物为起点易于产生加工表面裂纹的状况。
[0027] 另一方面，在锻造曲轴的轴部的自飞边线偏离的位置、特别是与模底对应的位置， 在模锻工序中钢的流动较少。因此，MnS夹杂物维持适度分散的状态且裂纹敏感性较低，即 使当在外周机械加工后暴露于轴部的表面时，也成为难以产生加工表面裂纹的状况。
[0028] (d)根据上述（b)、（c)所示的内容可知，即使是在锻造曲轴的轴部的与模具分割 面对应的位置、只要MnS夹杂物也不会密集而是适度地分散的状态，就难以产生加工表面 裂纹。该MnS夹杂物的分布状态能够在恒定的区域内以MnS夹杂物所占的面积率（以下， 也称作"硫化物面积率"）为指标来进行整理。而且，像在后述的实施例中所证实的那样，在 与轴部的外周机械加工后的表面相当的部分，与精锻用模具的模具分割面对应的位置处的 硫化物面积率为x，与精锻用模具的模具雕刻部的底对应的位置处的硫化物面积率为y，这 些硫化物面积率同程度，其比x/y为1. 5以下的锻造曲轴不会产生加工表面裂纹。
[0029] (e)上述（d)所示的锻造曲轴只要是在其制造过程中不产生飞边或者即使产生飞 边也较少的锻造曲轴即可。当这样的锻造曲轴用于多汽缸发动机时，能够通过应用使用了 后述的成形装置的制造方法来进行制造。
[0030] 本发明是基于上述（a)~（e)的知识而完成的，其主旨在于下述锻造曲轴及其制 造方法。
[0031] 作为本发明的一实施方式的锻造曲轴包括含有S的碳钢，在与轴部的外周机械加 工后的表面相当的部分，与精锻用模具的模具分割面对应的位置处的硫化物面积率x和与 精锻用模具的模具雕刻部的底对应的位置处的硫化物面