氮碳共渗的曲轴及其制造方法
【专利摘要】本发明涉及氮碳共渗的曲轴及其制造方法。本发明提供一种氮碳共渗的曲轴的制造方法，所述氮碳共渗的曲轴通过将贝氏体型非调质钢进行锻造和机械加工，并且进一步将贝氏体型非调质钢至少进行应变释放热处理和随后的氮碳共渗处理而获得，贝氏体型非调质钢包含作为必需添加元素的，以质量％计：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，并且贝氏体型非调质钢可选择地进一步包含作为任意添加元素的，以质量％计：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，余量为Fe和不可避免的杂质。
【专利说明】氮碳共渗的曲轴及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及通过对非调质钢(microalloyed steel)进行氮碳共渗处理获得的氮碳共渗的曲轴和该氮碳共渗的曲轴的制造方法，特别是，通过对贝氏体型非调质钢进行氮碳共渗处理获得的氮碳共渗的曲轴和氮碳共渗的曲轴的制造方法。
【背景技术】
[0002]在用于车辆的往复式发动机的曲轴的情况下，热锻造由碳钢或低合金钢制得的钢材料以粗略地成型，进行如调质等热处理，然后机械加工成沿长度方向弯曲的曲轴的形状。此外，进行如氮碳共渗等表面硬化处理。另外，在使用非调质钢的情况下，可省略热锻造后的热处理并且可直接进行机械加工。特别是，在使用贝氏体型非调质钢以给出主要由贝氏体构成的微金属结构的情况下，可通过控制热锻造期间的热历史来省略如调质等热处理，并且可改进作为曲轴的疲劳强度。
[0003]例如，专利文献I公开了省略热锻造后的热处理的情况下，使用贝氏体型非调质钢制造氮碳共渗机械部件如曲轴的方法。通过调节非调质钢的成分组成并且通过优化热锻造前的加热温度和锻造后的冷却速度，将热锻造产品的微金属结构中的贝氏体结构的比例调整至50%以上，并且可提高疲劳强度。另外，通过优化氮碳共渗处理条件，即使当省略热锻造后的热处理时，也可获得具有以下的氮碳共渗机械部件:可进行工业生产方面的如切削等机械加工的此类机械性质；和高疲劳强度。更详细地,通过调整非调质钢的成分组成，将为淬透性的指标的DI值和为产生珠光体的临界冷却温度的指标的Kp值限制在预定范围内，并且限制含有的元素的碳当量，由此确保机械部件需要的硬度和切削加工性(机械加工性)，并且随着Si和Mn的含量可进一步改进疲劳强度。
[0004]另外，由于具有沿长度方向弯曲的形状的曲轴在表面硬化处理时容易弯曲，可能有必要表面处理后进行用于矫直弯曲的弯曲矫直处理。同时，通常，作为曲轴的具有高疲劳强度的钢材料具有高机械强度，由此可能难以进行上述弯曲矫直处理。
[0005]例如，专利文献2公开了氮碳共渗的曲轴的制造方法，该方法使用具有添加至其中的Mo和V的贝氏体型非调质钢并且在氮碳共渗处理步骤前施加用于释放加工应变的应变释放热处理以抑制通过氮碳共渗处理发生的弯曲，由此省略氮碳共渗处理后的弯曲矫直处理。考虑到加工应变的释放和由于过时效导致的强度降低，上述应变释放热处理优选在3000C -650°C下进行10分钟-180分钟。此外，公开了通过调整C、S1、Mn、Cr、Mo与V的含量和通过将为贝氏体的生成稳定化的指标的Kf值、为热锻造产品硬度的指标的Hf值以及为氮碳共渗处理后的内部硬度的指标的Hg值限制在预定范围，将贝氏体结构的比例调整至70%以上，并且通过控制热锻造后的硬度，可确保机械加工性并且可提高氮碳共渗处理后的内部硬度。
[0006][专利文献I] JP-A-2007-146232
[0007][专利文献2] JP-A-2Ol1-OM2O3
【发明内容】
[0008]制造氮碳共渗的曲轴时，从制造性的观点，优选使用贝氏体型非调质钢，因为可省略热锻造后的热处理，此外，抑制通过氮碳共渗处理发生的弯曲，从而可省略弯曲矫直处理。然而，因为抑制通过氮碳共渗处理发生的弯曲，所以不优选的是牺牲作为曲轴的机械强度。
[0009]本发明鉴于上述情况而设计，及其目的是提供在不牺牲作为曲轴的机械强度情况下具有优良的制造性的氮碳共渗的曲轴和氮碳共渗的曲轴的制造方法。
[0010]本发明提供通过将贝氏体型非调质钢进行锻造和机械加工，并且进一步将贝氏体型非调质钢至少进行应变释放热处理和随后的氮碳共渗处理获得氮碳共渗的曲轴的制造方法，上述贝氏体型非调质钢包含作为必需添加的元素的，以质量％计: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，并且贝氏体型非调质钢可选择地进一步包含作为任意添加的元素的，以质量％计: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，余量为Fe和不可避免的杂质，其中至少将作为不可避免的杂质之一 P的含量抑制至0.025%以下，其中选择非调质钢以满足:
[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以质量％计的含量，并且其中进行应变释放热处理以满足以下关于保持温度T (°C )和保持时间t(hr)的表达式:
[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]根据本发明，不牺牲作为曲轴的机械强度，抑制加工应变和由于残留奥氏体引起的通过氮碳共渗处理发生的弯曲，由此可省略随后的弯曲矫直处理。即，可提供具有确保优良的机械性质的优良的制造性的氮碳共渗的曲轴的制造方法。
[0016]本发明中，优选在将贝氏体型非调质钢加热至1150°C以上且低于1350°C的温度范围内后将贝氏体型非调质钢进行锻造，然后至少将锻造后的钢在碳扩散温度范围内以控制在0.250C /秒-1.500C /秒的范围内的冷却速度冷却，从而获得小于33.0HRC的硬度。根据本发明，可提供具有确保优良的机械性质的优良的制造性的氮碳共渗的曲轴的制造方法。
[0017]本发明中，优选在应变释放热处理时，将保持温度T设定在400°C -600°C的范围内并且将保持时间设定在0.5小时-5.0小时的范围内，以控制残留Y的量为小于5.0%。根据本发明，可提供具有确保优良的机械性质的优良的制造性的氮碳共渗的曲轴的制造方法。
[0018]本发明中，优选在550°C _650°C的温度范围内、气体气氛下进行氮碳共渗处理0.5小时以上，并且芯部具有270HV以上的硬度。根据本发明，可提供具有确保优良的机械性质的优良的制造性的氮碳共渗的曲轴的制造方法。
[0019]此外，本发明提供通过将贝氏体型非调质钢进行锻造和机械加工，并且进一步将贝氏体型非调质钢至少进行应变释放热处理和随后的氮碳共渗处理获得的氮碳共渗的曲轴，上述贝氏体型非调质钢包含作为必需添加元素的，以质量％计: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，并且贝氏体型非调质钢可选择地进一步包含作为任意添加元素的，以质量％计:
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，余量为Fe和不可避免的杂质，其中至少将作为不可避免的杂质之一 P的含量抑制至0.025%以下，其中非调质钢满足以下表达式:
[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以质量％计的含量，并且其中控制残留Y的量为小于5.0%，并且芯部具有270HV以上的硬度。
[0023]根据本发明，可提供具有优良的机械性质和优良的制造性的氮碳共渗的曲轴。
【专利附图】
【附图说明】
[0024][图1]图1为示出根据本发明的曲轴的制造方法的流程图。
【具体实施方式】
[0025]为本发明的对象的曲轴的制造方法为通过将贝氏体型非调质钢进行锻造和机械加工并且至少进行应变释放热处理和随后的氮碳共渗处理获得氮碳共渗的曲轴的制造方法。本发明中，⑴使用贝氏体型非调质钢省略用于马氏体回火的热处理，⑵使用具有特定的成分组成的贝氏体型非调质钢，调整锻造后残留Y的量并且机械加工后进行应变释放热处理，由此可抑制随后的氮碳共渗处理时的“弯曲”并且调整对应于曲轴的芯部的部分的机械强度，以及(3)用通过氮碳共渗处理的表面硬化处理改进作为曲轴的疲劳强度。特别是，通过降低应变释放热处理后残留Y的量，可抑制氮碳共渗处理时的“弯曲”并且因此不需要随后的矫直处理，由此在应变释放热处理时可硬化曲轴主体从而与常规的情况相比提闻其机械强度。
[0026]首先，基于图1将描述本申请的对象的氮碳共渗的曲轴的典型的制造方法。各步骤中的参数，例如，热处理的温度、保持时间以及冷却速度依赖钢材料的成分组成，并且这也将在证明实验中述及。
[0027]首先，如图1中所示，将具有预定成分组成的钢材料加热并且通过热锻造粗略地成型为近似曲轴形状(SI)。加热温度通常为1100°C以上。在具有后述成分组成的钢材料的情况下，加热温度优选在1150°C -1350°C的范围内。
[0028]将粗成型后的热锻造体冷却，从而作为微金属结构的贝氏体结构变高，例如以截面积比计为70%以上并且优选80%以上(S2)。例如，至少在碳扩散温度范围内，将粗成型后的热锻造体以控制在0.250C /秒-1.500C /秒范围内的冷却速度冷却。
[0029]接着，将冷却的热锻造体机械加工成曲轴形状(S3)。热锻造体机械加工时的容易性依赖于热锻造后的钢材料的硬度。在硬度小于33.0HRC的情况下容易进行机械加工。.
[0030]将机械加工后的热锻造体进行应变释放热处理(S4)。热处理时，释放直到机械加工终止累积的残留应力，并且分解残留Y (残留奥氏体)。残留Y的分解依赖于热处理的温度和时间以及钢材料的成分组成。处理温度T(°c )优选控制在400°C -600°c的范围内，
和处理时间t (hr)优选控制在0.5小时-5.0小时的范围内。
[0031 ] 进行表面研磨加工(S5)，和通过氮碳共渗处理进行表面硬化处理(S6)。在氮碳共渗处理时，通过在氨气气氛下在550°C -650°C的范围内仅加热保持至少0.5小时，在表面层上形成硬化层。在处理温度下时效硬化或软化钢材料。
[0032]接着，用具有表1中示出的实施例1-16和比较例1-17的成分组成的钢，制造使用图1中示出的制造方法获得的各种试验片，并且试验使用相同制造方法获得的氮碳共渗的曲轴。将描述该试验。
[0033]表1
[0034]
【权利要求】
1.一种氮碳共渗的曲轴的制造方法，所述氮碳共渗的曲轴通过将贝氏体型非调质钢进行锻造和机械加工，并且进一步将所述贝氏体型非调质钢至少进行应变释放热处理和随后的氮碳共渗处理而获得，所述贝氏体型非调质钢包含作为必需添加元素的，以质量％计: .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，并且所述贝氏体型非调质钢任选地进一步包含作为任意添加元素的，以质量％计: .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， 余量为Fe和不可避免的杂质， 其中至少将作为不可避免的杂质之一 P的含量抑制在0.025%以下， 其中选择所述非调质钢以满足:
[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以质量％计的含量，和 其中进行所述应变释放热处理以满足以下关于保持温度T (°C)和保持时间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.根据权利要求1所述的氮碳共渗的曲轴的制造方法，其中在将所述贝氏体型非调质钢加热至在1150°C以上且低于1350°C范围内的温度后，将所述贝氏体型非调质钢进行锻造，然后至少将所述锻造后的钢在碳扩散温度范围内以控制为0.250C /秒-1.500C /秒的范围内的冷却速度冷却，从而获得小于33.0HRC的硬度。
3.根据权利要求1或2所述的氮碳共渗的曲轴的制造方法，其中在所述应变释放热处理时，将所述保持温度T设定在400°C -600°C的范围内并且将所述保持时间t设定在0.5小时-5.0小时的范围内 ，以控制残留Y的量为小于5.0%。
4.根据权利要求1-3任一项所述的氮碳共渗的曲轴的制造方法，其中在550°C-650°C范围内的温度下、在气体气氛下进行所述氮碳共渗处理0.5小时以上，并且芯部具有270HV以上的硬度。
5.一种氮碳共渗的曲轴，其通过将贝氏体型非调质钢进行锻造和机械加工并且进一步将所述贝氏体型非调质钢至少进行应变释放热处理和随后的氮碳共渗处理而获得，所述贝氏体型非调质钢包含作为必需添加元素的，以质量％计: .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，并且所述贝氏体型非调质钢任选地进一步包含作为任意添加元素的，以质量％计: .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， 余量为Fe和不 可避免的杂质， 其中至少将作为不可避免的杂质之一 P的含量抑制在0.025%以下， 其中所述非调质钢满足以下各式:
[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以质量％计的含量，和 其中将残留Y的量控制为小于5.0%，和芯部具有270HV以上的硬度。
【文档编号】C22C38/38GK104131248SQ201410178233
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年4月29日 优先权日:2013年5月1日
【发明者】增田大树, 松田英树, 山崎步见, 加藤进一郎, 宫崎贵大 申请人:大同特殊钢株式会社, 本田技研工业株式会社