高频淬火用钢及使用其制造的曲柄轴的制作方法
【专利摘要】本发明提供耐淬火裂纹性优异的高频淬火用钢。本实施方式的高频淬火用钢以质量%计含有C：0.35～0.6%、Si：0.01%以上且不足0.40%、Mn：1.0～2.0%、S：超过0.010%且为0.05%以下、Cr：0.01～0.5%、Al：0.001～0.05%、N：Ti/3.4～0.02%、Ti：0.005～0.05%，剩余部分由Fe和杂质组成，满足下述式(1)。2S-3Ti<0.040(1)。此处，对式(1)中的各元素符号代入相应的元素的含量(质量%)。
【专利说明】高频淬火用钢及使用其制造的曲柄轴
【技术领域】
[0001]本发明涉及高频淬火用钢及使用其制造的曲柄轴。
【背景技术】
[0002]对曲柄轴等发动机用部件要求高耐磨耗性和高疲劳强度。为了提高耐磨耗性和疲劳强度，有时对发动机用部件实施高频淬火。因此，将高频淬火用钢用于发动机用部件。例如在日本特开2009-41046号公报、日本特开2010-144226号公报、日本特开平9-235654号公报中公开了高频淬火用钢。 [0003]高频淬火中，有时产生由残留应力导致的淬火裂纹。因此，高频淬火用钢需要耐淬火裂纹性。
[0004]日本特开平5-25546号公报、日本特开2004-76086号公报和日本特开2005-256134号公报中提出了抑制高频淬火用钢的裂纹的技术。
[0005]日本特开平5-25546号公报中记载了一种防止淬火裂纹、具有优异的抗扭强度(twisting strength)的部件的制造方法。具体而言，记载了将由高频淬火-回火而得到的有效硬化深度t与部件半径r之比t/r设为0.4~0.8，并且将截面平均硬度HVa设为550以上等。
[0006]日本特开2004-76086号公报中记载了即使为宽范围的成分组成也能够可靠地提高延迟破坏特性的高强度钢部件。具体而言，记载了粒径0.1 μ m以下的微细TiC的含量为
0.01%，前述微细TiC的含量与Ti的总含量之比为TiC/Ti≥0.4等。
[0007]日本特开2005-256134号公报中记载了:即使在进行高频淬火或低温回火后进行磨削也不会产生磨削裂纹的、高频淬火用钢材及使用其的曲柄轴。具体而言，记载了轧制后纵截面的钢中的MnS的个数为300个/mm2以下、且差示热膨胀试验中的长度方向上的收缩率为15 μ m以下的高频淬火用钢等。
【发明内容】
[0008]日本特开平5-25546号公报中记载了:为了防止淬火裂纹，将由高频淬火-回火得到的有效硬化深度t与部件半径r之比t/r设为0.8以下。但是，优选能够不限制有效硬化层深度t与部分半径r之比地改善耐淬火裂纹性。
[0009]日本特开2004-76086号公报以有效利用通过在高温下进行回火而生成的TiC作为前提。因此，不适用于进行低温回火的通常的高频淬火部件。
[0010]日本特开2005-256134号公报中记载的钢材实现了磨削裂纹的改善。具体而言，在高频淬火-回火后，考虑由磨削产生的热量，降低了其温度区域内的收缩率。磨削裂纹和淬火裂纹是指不同应力状态下的断口形貌(fracture morphology)。因此,不清楚日本特开2005-256134号公报中记载的钢材是否具有优异的耐淬火裂纹性。
[0011]曲柄轴当中，用于卡车等的大型曲柄轴与客车等的通常尺寸的曲柄轴相比，要求更高的耐磨耗性和更高的疲劳强度。因此，大型曲柄轴的淬火硬化层与客车等的通常尺寸的曲柄轴相比，形成得更深。为了加深淬火硬化层，以比通常更高的输出功率、长时间地加热大型曲柄轴。
[0012]因此，高频淬火用钢用于这种大型曲柄轴时，优选的是，即使实施以高输出功率进行长时间加热的高频淬火，淬火裂纹的产生也受到抑制。
[0013]本发明的目的在 于提供耐淬火裂纹性优异的高频淬火用钢及使用其制造的曲柄轴。
[0014]本发明的一个实施方式的高频淬火用钢以质量％计含有C:0.35~0.6%、Si:
0.01% 以上且不足0.40%、Mn:1.0 ~2.0%、S:超过0.010%且为 0.05% 以下、Cr:0.01 ~0.5%、Al:0.001 ~0.05%,N:Ti/3.4 ~0.02%,Ti:0.005 ~0.05%，剩余部分由 Fe 和杂质组成，满足式(I)。
[0015]2S_3Ti〈0.040(1)
[0016]此处，对式(I)中的各元素符号代入相应的元素的含量(质量％)。
[0017]在上述高频淬火用钢中，可以含有Ca:0.005%以下来代替前述Fe的一部分。
[0018]本发明的一个实施方式的曲柄轴是对上述高频淬火用钢进行高频淬火而制造的。
[0019]根据本发明，可得到耐淬火裂纹性优异的高频淬火用钢及使用其制造的曲柄轴。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是示出本发明的实施方式中规定的参数2S_3Ti的值与本发明的实施方式中定义的裂纹极限应力之间的关系的图。
[0021]图2是示出裂纹极限应力测定的试验条件的示意图。
【具体实施方式】
[0022]以下，详细说明本发明的实施方式。以下，元素所涉及的％是指质量％。
[0023]本发明人等为了改善高频淬火用钢的耐淬火裂纹性而进行了调查和研究。其结果，本发明人等得到以下的见解。
[0024](A)对高频淬火用钢要求高切削性。这种高频淬火用钢中，为了提高切削性，硫
(S)含量高。S形成以MnS为代表的硫化物系夹杂物，提高钢的切削性。然而，硫化物系夹杂物比母材(基质)软。因此，硫化物系夹杂物容易成为淬火裂纹的起点。因此，降低S含量时，耐淬火裂纹性提高。
[0025](B)如上所述，为了加深卡车用等大型曲柄轴的淬火硬化层，优选提高高频的输出功率、延长加热时间。然而，提高高频的输出功率、延长加热时间时，曲柄轴中热容量小的部分变得过热，晶粒粗化。晶粒粗化时，耐淬火裂纹性降低。
[0026]对于抑制晶粒的粗化，钛(Ti)是有效的。Ti形成氮化物和/或碳氮化物，利用钉扎效应抑制晶粒的粗化。Ti氮化物和/或Ti碳氮化物在高温下也残留在钢中。因此，在高的高频淬火温度下也可得到钉扎效应。
[0027]高频淬火温度低时，钒(V)也形成VC而发挥钉扎效应。但是，高频淬火用钢变得过热时，尤其是高频淬火温度达到1000°C以上时，VC在钢中固溶。因此，由VC带来的钉扎效应无法维持。另一方面，即使高频淬火温度达到1000°c以上，Ti氮化物和/或Ti碳氮化物也不会在钢中固溶，能够维持钉扎效应。用于大型曲柄轴的高频淬火用钢的高频淬火温度高，容易变得过热。因此，Ti比V更容易维持钉扎效应，对提高耐淬火裂纹性更有效。
[0028](C)如上所述，Ti氮化物和/或Ti碳氮化物利用钉扎效应使晶粒微细化。但是，氮(N)含量相对于Ti含量不足时，过量的Ti与碳结合而形成TiC。TiC使钢的耐淬火裂纹性降低。因此，优选含有与Ti相同数量以上的物质量的N。具体而言，N含量优选为Ti/3.4以上。
[0029](D)进而，S含量和Ti含量满足式(I)时，耐淬火裂纹性显著提高。
[0030]2S_3Ti〈0.040(1)
[0031]此处，对式(I)中的各元素符号代入相应的元素的含量(质量％)。
[0032]图1是示出式(I)的左边2S_3Ti的值与以下定义的裂纹极限应力之间的关系的图。图1通过以下方法得到。
[0033]将具有各种化学组成的钢各50kg在真空感应加热炉中熔炼。由钢水制造直径IOOmm的铸锭。将各铸锭加热到1250°C。对加热后的铸锭进行热锻，制造直径60mm的圆钢(round bar)。锻造完成温度为1000°C。将热锻后的圆钢在大气中自然冷却至室温。
[0034]从自然冷却后的各圆钢的中心轴与表面之间的距离(即半径)R的中间位置(R/2位置)采集试验片。试验片形状为10.0mmX2.0mmX75.0mm。试验片的长度方向与圆钢的长度方向平行。
[0035]对各试验片实施高频淬火。具体而言，对试验片在输出功率40kW、频率200kHz下实施高频加热。淬火温度设为1000°c。加热时间约为30秒。经过加热时间后，将试验片骤冷。
[0036]如图2所示，以4点支撑高频淬火后的试验片，施加弯曲应力。将试验片的上表面的两个支点间的距离Si设为10mm，将下表面的两个支点间的距离s2设为60mm。在试验片中央粘贴应变计来测定应力,施加载荷直至达到规定的应力。将施加了弯曲应力的试验片在0.3mol/升的盐酸水溶液中浸溃24小时。然后,将试验片从盐酸水溶液中取出，确认有无裂纹产生。
[0037]用多个级别的弯曲应力进行试验，将未产生裂纹的最大的弯曲应力定义为裂纹极限应力。根据得到的裂纹极限应力和2S_3Ti，制作图1。
[0038]如图1所示，2S_3Ti的值越低，则裂纹极限应力越增大。尤其，2S_3Ti的值为0.040以下时，裂纹极限应力急剧增大。另一方面，2S-3Ti的值为0.040以上时，即使2S-3Ti的值降低，裂纹极限应力也不怎么增大。换言之，裂纹极限应力相对于变量2S-3Ti为单调递减函数，在2S-3Ti的值为0.040附近具有拐点。
[0039]基于以上的见解，本发明人等完成了本实施方式的高频淬火用钢。以下对本实施方式的高频淬火用钢进行详细描述。
[0040][化学组成]
[0041]本实施方式的高频淬火用钢由以下的化学组成构成。
[0042]C:0.35 ~0.6%
[0043]碳(C)利用高频淬火使钢的表面层马氏体化，提高表面层的硬度。另一方面，过量地含有C时，钢过度硬化，钢的切削性降低。因此，C含量为0.35~0.6%。优选的C含量的下限高于0.35%。优选的C含量的上限不足0.6%、进一步优选为0.5%以下。
[0044]Si:0.01% 以上且不足 0.40%[0045]硅(Si)使钢脱氧。Si进一步强化铁素体。另一方面，过量地含有Si时，钢的切削性降低。因此，Si含量为0.01%以上且不足0.40%。优选的Si含量的下限高于0.01%、进一步优选为0.05%以上。优选的Si含量的上限为0.30%以下。[0046]Mn:1.0 ~2.0%
[0047]锰(Mn)提高淬火性，提高钢的强度和硬度。另一方面，过量地含有Mn时，在淬火时会容易残留奥氏体。残留奥氏体存在时，钢的机械性质降低。因此，Mn含量为1.0~2.0%。优选的Mn含量的下限高于1.0%、进一步优选为1.2%以上。优选的Mn含量的上限不足2.0%、进一步优选为1.7%以下。
[0048]S:超过 0.010% 且为 0.05% 以下
[0049]硫(S)形成以MnS为代表的硫化物系夹杂物，提高钢的切削性。另一方面，过量地含有S时，大量形成粗大的硫化物系夹杂物。粗大的硫化物系夹杂物成为淬火裂纹的起点。因此，S含量超过0.010%且为0.05%以下。优选的S含量的上限不足0.05%。
[0050]Cr:0.01 ~0.5%
[0051]铬(Cr)提高钢的硬度。Cr进一步提高钢的淬火性。另一方面，过量地含有Cr时，生成贝氏体。生成贝氏体时，钢切削性降低。因此，Cr含量为0.01~0.5%。优选的Cr含量的下限高于0.01%、进一步优选为0.05%以上。优选的Cr含量的上限不足0.5%、进一步优选为0.35%以下。
[0052]Ti:0.005 ~0.05%
[0053]钛(Ti)使钢脱氧。Ti进一步与N结合而生成Ti氮化物和/或Ti碳氮化物。Ti氮化物和/或Ti碳氮化物利用钉扎效应使晶粒微细化。晶粒微细化时，钢的延性和韧性提高。因此，耐淬火裂纹性提高。另一方面，过量地含有Ti时，生成粗大的Ti氮化物、Ti碳氮化物和Ti碳化物，钢的切削性降低。因此，Ti含量为0.005~0.05%。优选的Ti含量的下限高于0.005%、进一步优选为0.008%以上。优选的Ti含量的上限不足0.05%、进一步优选为0.04%以下。
[0054]Al:0.001 ~0.05%
[0055]铝(Al)使钢脱氧。另一方面，过量地含有Al时，生成氧化铝系夹杂物。氧化铝系夹杂物使钢的切削性降低。因此，Al含量为0.001~0.05%。优选的Al含量的下限高于
0.001%。优选的Al含量的上限不足0.05%、进一步优选为0.04%以下。
[0056]N:Ti/3.4 ~0.02%
[0057]氮(N)与Ti结合而生成Ti氮化物和/或Ti碳氮化物。如上所述，Ti氮化物和Ti碳氮化物利用钉扎效应使晶粒微细化，提高钢的耐淬火裂纹性。氮(N)含量相对于Ti含量不足时，过量的Ti与碳结合而形成TiC。TiC使钢的切削性降低。因此，优选含有与Ti同等数量以上的物质量的N。另一方面，过量地含有N时，钢中会容易产生空隙等缺陷。因此，N含量为Ti/3.4~0.02%。对“Ti/3.4”中的“Ti”代入Ti含量。3.4为Ti与N的质量比。优选的N含量的下限高于Ti/3.4。优选的N含量的上限不足0.02%。
[0058]本实施方式的高频淬火用钢的化学组成的剩余部分由Fe和杂质组成。此处所说的杂质是指，从用作钢的原料的矿石、废料、或制造过程的环境等混入的元素。
[0059]本实施方式中，钒(V)为杂质。V与C结合而形成VC。VC具有钉扎效应。然而，高频淬火温度变高时，VC在钢中固溶。因此，无法得到由VC带来的钉扎效应。进而，V使钢的切削性降低。因此，本实施方式的高频淬火用钢中，V为杂质。
[0060]本实施方式中，硼⑶为杂质。B与N结合而形成B氮化物。B氮化物使钢的冷加工性降低。因此，本实施方式的高频淬火用钢中，B为杂质。
[0061][关于式(I)]
[0062]本实施方式的高频淬火用钢的化学组成还满足下述式(I)。
[0063]2S-3Ti<0.040(1)
[0064]此处，对式⑴中的各元素符号代入相应的元素的含量(质量％)。
[0065]如图1所示，随着Ti含量相对于S含量的比率增大，裂纹极限应力慢慢增大，通过满足式(I)而显著增大。因此，钢的耐淬火裂纹性得到提高。
[0066][关于晶粒度]
[0067]本实施方式的高频淬火用钢含有上述Ti和N。因此，晶粒的粗化受到抑制，得到优异的耐淬火裂纹性。高频淬火用钢的优选的晶粒度为5.5以上。晶粒度如下定义。从高频淬火用钢采集试验片。在采集的试验片的表面中选择任意的5个视场。使用JISG0551的晶粒度标准图，求出选择的5个视场中的奥氏体晶粒度。将各视场中求出的奥氏体晶粒度的5个视场的平均值定义为该试验片的晶粒度。
[0068]本实施方式的高频淬火用钢也可以含有Ca来代替Fe的一部分。
[0069]Ca:0.005% 以下
[0070]钙(Ca)使钢脱氧。另外，Ca使夹杂物球状化。夹杂物球状化时，由切口效应造成的应力集中得到缓和。因此，钢的耐淬火裂纹性提高。另一方面，过量地含有Ca时，形成粗大的夹杂物，钢的耐淬火裂纹性降低。因此，Ca含量为0.005%以下。优选的Ca含量的上限不足0.005%。
[0071][制造方法]
[0072]对本实施方式的高频淬火用钢、及使用高频淬火用钢的曲柄轴的制造方法的一个例子进行说明。
[0073]制造上述化学组成的钢水。将钢水通过连铸法制成铸坯。也可以将钢水通过铸锭法制成铸锭(钢块)。也可以将铸坯或铸锭热加工，制成钢坯(钢片)或钢棒。
[0074]接着，对铸还、铸徒、钢还或钢棒进彳丁热锻，制造曲柄轴的大致形状的中间品。将制造的中间品在大气中自然冷却。对中间品实施高频淬火。如上所述，本实施方式的高频淬火用钢可以用于大型曲柄轴。大型曲柄轴中，淬火硬化层形成得深。例如，淬火硬化层的厚度为1mm以上。大型曲柄轴与通常的客车的通常尺寸的曲柄轴相比，淬火温度高达950°C以上。本实施方式的高频淬火用钢即使在这种淬火条件(淬火温度)下进行高频淬火，也不易产生淬火裂纹。
[0075]对高频淬火后的中间品实施回火。需要说明的是，也可以省去回火。中间品的表面层(淬火硬化层)的优选硬度以维氏硬度计为600HV以上。
[0076]将高频淬火(及回火)后的中间品通过机械加工磨削成规定的形状。通过以上的工序制造曲柄轴。
[0077]实施例
[0078]对具有各种化学组成的高频淬火用钢进行热锻，制造钢棒。使用钢棒测定切削阻力，评价高频淬火用钢的切削性。从钢棒采集试验片，对试验片实施高频淬火。使用试验片测定裂纹极限应力、硬度和晶粒度，评价高频淬火用钢的耐淬火裂纹性、硬度和切削性。
[0079][试验片制作]
[0080]将具有表1中示出的化学组成的试样I~5和试样a~i的钢各50kg在真空感应加热炉中熔炼。由熔炼后的钢制造直径IOOmm的铸锭。
[0081] [表 I]
【权利要求】
1.一种高频淬火用钢，其中，以质量％计含有C:0.35~0.6%、S1:0.01%以上且不足0.40%、Mn:1.0 ~2.0%、S:超过 0.010% 且为 0.05% 以下、Cr:0.01 ~0.5%、Al:0.001 ~0.05%,N:Ti/3.4~0.02%,T1:0.005~0.05%，剩余部分由Fe和杂质组成，满足下述式(I)，
2S-3Ti<0.040(1) 此处，对式(I)中的各元素符号代入各元素的含量即质量％。
2.根据权利要求1所述的高频淬火用钢，其中，含有Ca:0.005%以下来代替所述Fe的一部分。
3.一种曲柄轴，其是对权利要求1或2所述的高频淬火用钢进行高频淬火而制造的。
【文档编号】C21D1/18GK103717768SQ201280037202
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年7月4日 优先权日:2011年7月28日
【发明者】金基成, 多比良裕章, 河野佳织, 渡里宏二 申请人:新日铁住金株式会社