JP7136320B2 - Crankshaft - Google Patents
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Description
本発明は、クランクシャフトに関し、より詳しくは、焼入れ硬化層を有するクランクシャフトに関する。 The present invention relates to crankshafts, and more particularly to crankshafts having a hardened layer.
耐摩耗性や疲労強度を向上させるため、表面に焼入れ硬化層を形成したクランクシャフトが知られている。例えば特許第4910654号公報には、クランク・ピンの表面に焼入れ硬化層を有するクランクシャフトであって、クランク・ピンのボトムR部における表面残留圧縮応力が600MPa以上であるクランクシャフトが開示されている。 A known crankshaft has a hardened layer formed on its surface in order to improve wear resistance and fatigue strength. For example, Japanese Patent No. 4910654 discloses a crankshaft having a quench-hardened layer on the surface of the crank pin, wherein the surface residual compressive stress at the bottom R portion of the crank pin is 600 MPa or more. .
クランクシャフトに関するものではないが、高周波焼入れされて使用される鋼材に関する文献として、特開平11-217649号公報には、冷間加工性と高強度特性とを兼備した高周波焼入れ用鋼材が開示されている。また、国際公開第2004/035848号には、転造性、耐焼割性及びねじり特性に優れた機械構造用鋼材が開示されている。 Although it does not relate to crankshafts, as a document related to steel materials that are induction hardened and used, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-217649 discloses a steel material for induction hardening that has both cold workability and high strength characteristics. there is In addition, International Publication No. 2004/035848 discloses a steel material for machine structural use which is excellent in formability, quench cracking resistance and torsional properties.
近年、自動車の省燃費化ニーズを背景に、クランクシャフトの軽量化や潤滑油の低粘度化が進んでいる。そのため、クランクシャフトと軸受けとの摺動条件は過酷になっており、クランクシャフトには従来よりも優れた耐焼付き性が求められている。 In recent years, against the backdrop of the need for fuel-saving automobiles, weight reduction of crankshafts and reduction of the viscosity of lubricating oils are progressing. Therefore, the sliding conditions between the crankshaft and the bearings are severe, and the crankshaft is required to have better seizure resistance than before.
クランクシャフトの熱伝導率を高くすることで、潤滑油の温度上昇に伴う粘度の低下を抑制して、耐焼付き性を向上できることが知られている。また、Si含有量を低減することで、クランクシャフトの熱伝導率を高くできることも知られている。 It is known that by increasing the thermal conductivity of the crankshaft, it is possible to suppress the decrease in the viscosity of the lubricating oil as the temperature rises, thereby improving the seizure resistance. It is also known that the thermal conductivity of the crankshaft can be increased by reducing the Si content.
特許第4589885号公報には、Si:0.15%以下、Mn:1.0%を超えて2.0%以下等を含有し、熱伝導率が40W/mK以上であって、かつ高周波焼入れ後の表面硬さHvと熱伝導率κとがHv>2.7×κ+420の関係を満足するクランクシャフトが開示されている。 In Japanese Patent No. 4589885, Si: 0.15% or less, Mn: more than 1.0% and 2.0% or less, etc., thermal conductivity is 40 W / mK or more, and induction hardening A crankshaft is disclosed in which the surface hardness Hv and the thermal conductivity κ satisfy the relationship of Hv>2.7×κ+420.
国際公開第2012/029395号には、Si:0.20%以下、Mn:0.75~2.0%、Cr:0.05~1.2%等を含有し、さらにMn及びCr含有量の合計を1.20~2.10%にした高周波焼入れ用鋼が開示されている。 International Publication No. 2012/029395 contains Si: 0.20% or less, Mn: 0.75 to 2.0%, Cr: 0.05 to 1.2%, etc., and further Mn and Cr content is disclosed as a steel for induction hardening with a total of 1.20 to 2.10%.
特開2017-61747号公報には、Si:0.50%未満、Mn:0.70%未満、Mo:0.5~3.5%、S:0.05~0.1%等を含有する摺動部品が開示されている。 JP 2017-61747 contains Si: less than 0.50%, Mn: less than 0.70%, Mo: 0.5 to 3.5%, S: 0.05 to 0.1%, etc. A sliding component is disclosed.
クランクシャフトには一層の軽量化が求められており、摺動条件はさらに過酷になることが予測される。本発明の目的は、耐焼付き性に優れたクランクシャフトを提供することである。 Further weight reduction is required for crankshafts, and sliding conditions are expected to become even more severe. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a crankshaft having excellent seizure resistance.
本発明の一実施形態によるクランクシャフトは、化学組成が、質量%で、C:0.35~0.50%、Si:0.55%以下、Mn:0.01~0.55%、Cr:0.10~0.50%、P:0.03%以下、S:0.10%以下、Mo:0.10~0.30%、B:0.0020~0.0050%、Ti:0.020~0.10%、N:0.020%以下、Al:0.10%以下、残部:Fe及び不純物であり、焼入れ硬化層を表面に有し、前記焼入れ硬化層へ固溶したSi、Mn、Cr、及びMoが、下記の式(1)を満たす。
1.960SiM+1.002MnM+1.059CrM+0.574MoM≦0.75 (1)
式(1)中のSiM、MnM、CrM、及びMoMにはそれぞれ、前記焼入れ硬化層へ固溶したSi、Mn、Cr、及びMoの量が質量%で代入される。The crankshaft according to one embodiment of the present invention has a chemical composition in mass% of C: 0.35 to 0.50%, Si: 0.55% or less, Mn: 0.01 to 0.55%, Cr : 0.10 to 0.50%, P: 0.03% or less, S: 0.10% or less, Mo: 0.10 to 0.30%, B: 0.0020 to 0.0050%, Ti: 0.020 to 0.10%, N: 0.020% or less, Al: 0.10% or less, the balance: Fe and impurities, having a hardened layer on the surface and dissolved in the hardened layer Si, Mn, Cr, and Mo satisfy the following formula (1).
1.960SiM + 1.002MnM + 1.059CrM + 0.574MoM≤0.75 (1)
Si M , Mn M , Cr M , and Mo M in formula (1) are respectively substituted with the amounts of Si, Mn, Cr, and Mo solid-soluted in the quench-hardened layer in mass %.
本発明によれば、耐焼付き性に優れたクランクシャフトが得られる。 According to the present invention, a crankshaft having excellent seizure resistance can be obtained.
本発明者らは、クランクシャフトの熱伝導率をさらに高めて、耐焼付き性を向上させることを検討した。本発明者らは、固溶元素の量が少ないほど熱伝導率が向上することに着目し、焼入れ硬化層への合金元素の固溶量の総和を所定値以下に制限すれば、従来よりも優れた耐焼付き性が得られることを明らかにした。 The present inventors have studied how to further increase the thermal conductivity of the crankshaft to improve the seizure resistance. The inventors of the present invention focused on the fact that the smaller the amount of solid-solution elements, the better the thermal conductivity. It was clarified that excellent seizure resistance can be obtained.
一方、Mnは鋼材の焼入れ性を向上させる元素であるため、Mn含有量を低減すると、疲労強度を担保できない。本発明者らは、Mn含有量を低減する代わりに、少量のMo及びBを含有させ、さらに適量のTiを含有させることで、焼入れ性を確保しつつ、優れた耐焼付き性が得られることを見出した。 On the other hand, since Mn is an element that improves the hardenability of steel materials, if the Mn content is reduced, the fatigue strength cannot be guaranteed. The present inventors have found that, instead of reducing the Mn content, by containing a small amount of Mo and B and further containing an appropriate amount of Ti, it is possible to obtain excellent seizure resistance while ensuring hardenability. I found
本発明は、以上の知見に基づいて完成された。以下、本発明の一実施形態によるクランクシャフトについて詳述する。 The present invention has been completed based on the above findings. A crankshaft according to one embodiment of the present invention will be described in detail below.
[化学組成]
本実施形態によるクランクシャフトは、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「%」は、他に断りがない限り、質量%を意味する。[Chemical composition]
The crankshaft according to this embodiment has the chemical composition described below. In the following description, "%" of the content of elements means % by mass unless otherwise specified.
C:0.35~0.50%
炭素(C)は、鋼の硬さを向上させ、疲労強度の向上に寄与する。一方、C含有量が高すぎると、耐焼割れ性及び被削性が低下する。したがって、C含有量は0.35~0.50%である。C含有量の下限は、好ましくは0.36%であり、さらに好ましくは0.37%である。C含有量の上限は、好ましくは0.45%であり、さらに好ましくは0.40%である。C: 0.35-0.50%
Carbon (C) improves the hardness of steel and contributes to the improvement of fatigue strength. On the other hand, if the C content is too high, the quench crack resistance and machinability will deteriorate. Therefore, the C content is 0.35-0.50%. The lower limit of the C content is preferably 0.36%, more preferably 0.37%. The upper limit of the C content is preferably 0.45%, more preferably 0.40%.
Si:0.55%以下
シリコン(Si)は、マトリクスに固溶して鋼の熱伝導率を低下させる。Si含有量はできるだけ低くすることが好ましく、本実施形態では0.55%以下に制限する。Siは、Mnに比べて原子量が小さいため、熱伝導率への影響がMnに比べて大きい。Si含有量は、好ましくは0.20%以下であり、より好ましくは0.10%以下であり、より好ましくは0.05%以下であり、さらに好ましくは0.02%以下である。Si: 0.55% or less Silicon (Si) forms a solid solution in the matrix and lowers the thermal conductivity of steel. The Si content is preferably as low as possible, and is limited to 0.55% or less in this embodiment. Since Si has a smaller atomic weight than Mn, Si has a greater effect on thermal conductivity than Mn. The Si content is preferably 0.20% or less, more preferably 0.10% or less, more preferably 0.05% or less, still more preferably 0.02% or less.
Mn:0.01~0.55%
マンガン(Mn)は、マトリクスに固溶して鋼の熱伝導率を低下させる。Mn含有量は、熱伝導率を向上させるためにはできるだけ低くすることが好ましい。一方、Mn含有量が低すぎると、オーステナイトが形成されにくくなり、焼入れ性を確保することが難しくなるため、焼入れ硬化層が形成されなくなる可能性がある。また、Mn含有量が非常に低い場合、SがFeと反応して脆性割れを起こす可能性がある。したがって、Mn含有量は、0.01~0.55%である。Mn含有量の下限は、好ましくは0.20%であり、さらに好ましくは0.30%であり、さらに好ましくは0.40%である。Mn含有量の上限は、好ましくは0.52%であり、さらに好ましくは0.50%であり、さらに好ましくは0.48%であり、さらに好ましくは0.45%である。Mn: 0.01-0.55%
Manganese (Mn) forms a solid solution in the matrix and lowers the thermal conductivity of steel. The Mn content is preferably as low as possible to improve thermal conductivity. On the other hand, if the Mn content is too low, it becomes difficult to form austenite, making it difficult to ensure hardenability, so there is a possibility that a hardened layer will not be formed. Also, if the Mn content is too low, S can react with Fe and cause brittle cracking. Therefore, the Mn content is 0.01-0.55%. The lower limit of the Mn content is preferably 0.20%, more preferably 0.30%, still more preferably 0.40%. The upper limit of the Mn content is preferably 0.52%, more preferably 0.50%, still more preferably 0.48%, still more preferably 0.45%.
Cr:0.10~0.50%
クロム(Cr)は、鋼の焼入れ性を高める。一方、Cr含有量が高すぎると、鋼の熱伝導率が低下する。したがって、Cr含有量は0.10~0.50%である。Cr含有量の下限は、好ましくは0.05%であり、さらに好ましくは0.10%である。Cr含有量の上限は、好ましくは0.40%であり、さらに好ましくは0.30%であり、さらに好ましくは0.25%であり、さらに好ましくは0.20%である。Cr: 0.10-0.50%
Chromium (Cr) increases the hardenability of steel. On the other hand, if the Cr content is too high, the thermal conductivity of the steel will decrease. Therefore, the Cr content is 0.10-0.50%. The lower limit of Cr content is preferably 0.05%, more preferably 0.10%. The upper limit of the Cr content is preferably 0.40%, more preferably 0.30%, still more preferably 0.25%, still more preferably 0.20%.
P:0.03%以下
リン(P)は、不純物である。Pは、鋼の耐焼割れ性を低下させる。したがって、P含有量は低いほど好ましく、本実施形態では0.03%以下に制限する。P含有量は、好ましくは0.025%以下であり、さらに好ましくは0.02%以下である。P: 0.03% or less Phosphorus (P) is an impurity. P lowers the quench cracking resistance of steel. Therefore, the P content is preferably as low as possible, and is limited to 0.03% or less in this embodiment. The P content is preferably 0.025% or less, more preferably 0.02% or less.
S:0.10%以下
硫黄(S)は、鋼の熱間加工性を低下させる。また、Mn含有量が非常に低い場合、SがFeと反応して脆性割れを起こす可能性がある。そのため本実施形態では、S含有量を0.10%以下に制限する。一方でSは、鋼中にMnSやMnS2を形成し、固溶Mn量を低減させる。さらに、MnSは柔らかくて脆いため、クランクシャフトの機械加工性、特に被削性を向上させる効果を持つ。そのため、Mn含有量によっては、少量のSを積極的に含有させてもよい。S含有量の下限は、好ましくは0.010%であり、さらに好ましくは0.020%であり、さらに好ましくは0.030%であり、さらに好ましくは0.040%であり、さらに好ましくは0.045%である。S含有量の上限は、好ましくは0.070%であり、さらに好ましくは0.065%である。S: 0.10% or less Sulfur (S) reduces the hot workability of steel. Also, if the Mn content is too low, S can react with Fe and cause brittle cracking. Therefore, in this embodiment, the S content is limited to 0.10% or less. On the other hand, S forms MnS and MnS2 in steel and reduces the amount of dissolved Mn. Furthermore, since MnS is soft and brittle, it has the effect of improving the machinability of the crankshaft, especially the machinability. Therefore, depending on the Mn content, a small amount of S may be positively included. The lower limit of the S content is preferably 0.010%, more preferably 0.020%, still more preferably 0.030%, still more preferably 0.040%, still more preferably 0 0.045%. The upper limit of the S content is preferably 0.070%, more preferably 0.065%.
Mo:0.10~0.30%
モリブデン(Mo)は、鋼の焼入れ性を向上させる。本実施形態ではMn含有量を制限することによる焼入れ性の低下を補うため、0.10%以上のMoを含有させる。Moは、Mnに比べて原子量が大きいため、熱伝導率への影響がMnと比べて小さい。しかし、0.30%を超えて含有させると、必要な熱伝導率を確保することが困難になる。したがって、Mo含有量は、0.10~0.30%である。Mo含有量の下限は、好ましくは0.12%であり、さらに好ましくは0.14%である。Mo含有量の上限は、好ましくは0.25%であり、さらに好ましくは0.20%であり、さらに好ましくは0.18%である。Mo: 0.10-0.30%
Molybdenum (Mo) improves the hardenability of steel. In this embodiment, 0.10% or more Mo is contained in order to compensate for the deterioration of hardenability due to the restriction of the Mn content. Since Mo has a larger atomic weight than Mn, it has less influence on thermal conductivity than Mn. However, if the content exceeds 0.30%, it becomes difficult to ensure the necessary thermal conductivity. Therefore, the Mo content is 0.10-0.30%. The lower limit of Mo content is preferably 0.12%, more preferably 0.14%. The upper limit of the Mo content is preferably 0.25%, more preferably 0.20%, still more preferably 0.18%.
B:0.0020~0.0050%
ホウ素(B)は、鋼の焼入れ性を向上させる。本実施形態ではMn含有量を制限することによる焼入れ性の低下を補うため、0.0020%以上のBを含有させる。一方、0.0050%を超えて含有させても、焼入れ性向上効果が飽和するとともに、鋼の熱間加工性が低下する。したがって、B含有量は、0.0020~0.0050%である。B含有量の下限は、好ましくは0.0023%であり、さらに好ましくは0.0025%である。B含有量の上限は、好ましくは0.0040%であり、さらに好ましくは0.0030%である。B: 0.0020 to 0.0050%
Boron (B) improves the hardenability of steel. In this embodiment, 0.0020% or more of B is contained in order to compensate for the decrease in hardenability due to the restriction of the Mn content. On the other hand, even if the content exceeds 0.0050%, the effect of improving the hardenability is saturated and the hot workability of the steel deteriorates. Therefore, the B content is 0.0020-0.0050%. The lower limit of the B content is preferably 0.0023%, more preferably 0.0025%. The upper limit of the B content is preferably 0.0040%, more preferably 0.0030%.
Ti:0.020~0.10%
チタン(Ti)は、TiNを形成して鋼中のNを固定する。これによって、BがBNを形成するのを抑制して、Bによる焼入れ性向上効果を担保する。一方、Ti含有量が高すぎると、TiNが過剰に形成されて被削性が低下する。したがって、Ti含有量は0.020~0.10%である。Ti含有量の下限は、好ましくは0.023%であり、さらに好ましくは0.025%である。Ti含有量の上限は、好ましくは0.050%であり、さらに好ましくは0.040%であり、さらに好ましくは0.030%である。Ti: 0.020-0.10%
Titanium (Ti) forms TiN to fix N in steel. As a result, the formation of BN by B is suppressed, and the hardenability improvement effect of B is ensured. On the other hand, if the Ti content is too high, excessive TiN is formed and machinability deteriorates. Therefore, the Ti content is 0.020-0.10%. The lower limit of the Ti content is preferably 0.023%, more preferably 0.025%. The upper limit of the Ti content is preferably 0.050%, more preferably 0.040%, still more preferably 0.030%.
N:0.020%以下
窒素(N)は、不純物である。Nは、Bと反応してBによる焼入れ性向上効果を妨げる。Nはさらに、窒化物を形成して被削性や疲労強度を低下させる。したがって、N含有量は低いほど好ましく、本実施形態では0.020%以下に制限する。N含有量の上限は、好ましくは0.010%であり、さらに好ましくは0.005%であり、さらに好ましくは0.004%である。一方、N含有量を極端に低減しようとするとコストの上昇を招く。N含有量の下限は、好ましくは0.001%である。N: 0.020% or less Nitrogen (N) is an impurity. N reacts with B to hinder the effect of B on improving the hardenability. N further forms nitrides to reduce machinability and fatigue strength. Therefore, the lower the N content, the better, and in this embodiment, it is limited to 0.020% or less. The upper limit of the N content is preferably 0.010%, more preferably 0.005%, still more preferably 0.004%. On the other hand, an attempt to extremely reduce the N content leads to an increase in cost. The lower limit of the N content is preferably 0.001%.
Al:0.10%以下
アルミニウム(Al)は、不純物である。Alは、介在物や窒化物を形成し、被削性や疲労強度を低下させる。したがって、Al含有量は少ないほど好ましく、本実施形態では0.10%以下に制限する。Al含有量の上限は、好ましくは0.010%であり、さらに好ましくは0.005%であり、さらに好ましくは0.004%である。一方、Al含有量を極端に低減しようとするとコストの上昇を招く。Al含有量の下限は、好ましくは0.001%である。Al: 0.10% or less Aluminum (Al) is an impurity. Al forms inclusions and nitrides and lowers machinability and fatigue strength. Therefore, the smaller the Al content, the better, and in the present embodiment, the Al content is limited to 0.10% or less. The upper limit of the Al content is preferably 0.010%, more preferably 0.005%, still more preferably 0.004%. On the other hand, an attempt to extremely reduce the Al content leads to an increase in cost. The lower limit of Al content is preferably 0.001%.
本実施形態によるクランクシャフトの化学組成の残部は、Fe及び不純物である。ここでいう不純物は、鋼の原料として利用される鉱石やスクラップから混入する元素、あるいは製造過程の環境等から混入する元素をいう。 The balance of the chemical composition of the crankshaft according to this embodiment is Fe and impurities. The term "impurities" as used herein refers to elements mixed in from ores and scraps used as raw materials for steel, or elements mixed in from the environment during the manufacturing process.
[焼入れ硬化層]
本実施形態によるクランクシャフトは、焼入れ硬化層を表面に有する。焼入れ硬化層は、マルテンサイトの割合が80体積%以上であることが好ましい。ここでいうマルテンサイトは、焼戻しマルテンサイトを含む。[Quenching Hardened Layer]
The crankshaft according to this embodiment has a hardened layer on its surface. The quench-hardened layer preferably has a martensite ratio of 80% by volume or more. The martensite referred to here includes tempered martensite.
本実施形態によるクランクシャフトは、焼入れ硬化層が表面だけに形成されたものであってもよいし、芯部まで焼入れたものであってもよい。焼入れ硬化層を表面だけに形成する場合、マルテンサイトの割合が80体積%以上である領域の厚さが1.0mm以上であることが好ましい。この場合、クランクシャフトの表面から1.0mmまでの領域のマルテンサイトの割合は、好ましくは90体積%以上であり、より好ましくは95体積%以上であり、さらに好ましくは99体積%以上である。マルテンサイトの割合が80体積%以上である領域の厚さは、より好ましくは2.0mm以上であり、さらに好ましくは3.0mm以上である。焼入れ硬化層は、クランクシャフトの全体に形成されている必要はなく、一部(例えばピンやジャーナルの部分)だけに形成されていてもよい。 The crankshaft according to the present embodiment may have a quench-hardened layer formed only on the surface, or may be quenched to the core. When the quench-hardened layer is formed only on the surface, the thickness of the region having a martensite ratio of 80% by volume or more is preferably 1.0 mm or more. In this case, the ratio of martensite in the region from the surface of the crankshaft to 1.0 mm is preferably 90% by volume or more, more preferably 95% by volume or more, and still more preferably 99% by volume or more. The thickness of the region in which the proportion of martensite is 80% by volume or more is more preferably 2.0 mm or more, and still more preferably 3.0 mm or more. The quench-hardened layer need not be formed on the entire crankshaft, and may be formed only on a portion (for example, a pin or journal portion).
[焼入れ硬化層への固溶量]
本実施形態によるクランクシャフトは、焼入れ硬化層へ固溶したSi、Mn、Cr、及びMoが、下記の式(1)を満たす。
1.960SiM+1.002MnM+1.059CrM+0.574MoM≦0.75 (1)
式(1)中のSiM、MnM、CrM、及びMoMにはそれぞれ、焼入れ硬化層へ固溶したSi、Mn、Cr、及びMoの量が質量%で代入される。[Amount of solid solution in quench hardened layer]
In the crankshaft according to the present embodiment, Si, Mn, Cr, and Mo dissolved in the quench-hardened layer satisfy the following formula (1).
1.960SiM + 1.002MnM + 1.059CrM + 0.574MoM≤0.75 (1)
Si M , Mn M , Cr M , and Mo M in formula (1) are respectively substituted with the amounts of Si, Mn, Cr, and Mo dissolved in the quench-hardened layer in mass %.
本実施形態によるクランクシャフトは、好ましくは、焼入れ硬化層へ固溶したSi、Mn、Cr、Mo、C、S、B、Ti、及びNが、下記の式(2)を満たす。
1.960SiM+1.002MnM+1.059CrM+0.574MoM+4.585CM+1.717SM+5.094BM+1.150TiM+3.930NM≦2.00 (2)
式(2)中のSiM、MnM、CrM、MoM、CM、SM、BM、TiM、及びNMにはそれぞれ、前記焼入れ硬化層へ固溶したSi、Mn、Cr、Mo、C、S、B、Ti、及びNの量が質量%で代入される。In the crankshaft according to the present embodiment, Si, Mn, Cr, Mo, C, S, B, Ti, and N dissolved in the quench-hardened layer preferably satisfy the following formula (2).
1.960 Si M + 1.002 Mn M + 1.059 Cr M + 0.574 Mo M + 4.585 CM + 1.717 SM + 5.094 B M + 1.150 Ti M + 3.930 N M ≤ 2.00 (2)
SiM , MnM , CrM , MoM , CM, SM , BM , TiM , and NM in formula (2) respectively contain Si, Mn , and Cr dissolved in the quench-hardened layer. , Mo, C, S, B, Ti, and N are substituted in mass %.
焼入れ硬化層に固溶している元素の量が多いほど、焼入れ硬化層の熱伝導率は低くなる。固溶による熱伝導率への影響は、固溶する原子の数に比例する。そのため、同じ質量であっても、原子量が小さい元素ほど熱伝導率への影響が大きくなる。したがって、固溶している元素の量は、質量%ではなく、原子%で評価することが適切である。上記の式中の1.960、1.002、1.059、0.574、4.585、1.717、5.094、1.150、及び3.930は、質量%から原子%への変換係数である。 The greater the amount of elements dissolved in the quench-hardened layer, the lower the thermal conductivity of the quench-hardened layer. The effect of solid solution on thermal conductivity is proportional to the number of atoms in solid solution. Therefore, even if the mass is the same, the smaller the atomic weight of the element, the greater the effect on the thermal conductivity. Therefore, it is appropriate to evaluate the amount of dissolved elements in terms of atomic percent rather than mass percent. 1.960, 1.002, 1.059, 0.574, 4.585, 1.717, 5.094, 1.150, and 3.930 in the above formulas are weight percent to atomic percent is the conversion factor.
すなわち、質量%で表されたSi、Mn、Cr、Mo、C、S、B、Ti、及びNの固溶量SiM、MnM、CrM、MoM、CM、SM、BM、TiM、及びNMと、原子%で表されたSi、Mn、Cr、Mo、C、S、B、Ti、及びNの固溶量SiA、MnA、CrA、MoA、CA、SA、BA、TiA、及びNAとの関係は、近似的に次のように表すことができる。
SiA+MnA+CrA+MoA=1.960SiM+1.002MnM+1.059CrM+0.574MoM
SiA+MnA+CrA+MoA+CA+SA+BA+TiA+NA=1.960SiM+1.002MnM+1.059CrM+0.574MoM+4.585CM+1.717SM+5.094BM+1.150TiM+3.930NM
That is, the solid solution amounts of Si, Mn , Cr, Mo , C, S, B, Ti, and N expressed in mass% SiM, MnM , CrM , MoM, CM , SM , BM , Ti M , and NM, and the solid solution amounts of Si, Mn, Cr, Mo, C, S, B, Ti, and N expressed in atomic % Si A , Mn A , Cr A , Mo A , C The relationship between A , S A , BA , Ti A and NA can be approximately expressed as follows.
SiA + MnA + CrA + MoA = 1.960SiM + 1.002MnM + 1.059CrM + 0.574MoM
Si A + Mn A + Cr A + Mo A + CA + SA + B A + Ti A + NA = 1.960 Si M + 1.002 Mn M + 1.059 Cr M + 0.574 Mo M + 4.585 CM + 1.717 SM + 5.094 B M Ti + 1.150 M + 3.930 N M
なお、原子%で表された固溶量を算出するためには、厳密には鋼材に含まれる全ての元素の物質量の総和を分母とする必要がある。しかし、本実施形態では化学組成の大部分はFeであり、他の元素の含有量が変わっても物質量の総和は大きくは変動しない。上記の係数を求めるに当たっては、鋼材100g中に含まれる物質量の総和を1.816に固定し、[原子%で表された固溶量]=100/{[各元素の原子量]×1.816}×[質量%で表された固溶量]とした。また、Si、Mn、Cr、Mo、C、S、B、Ti、及びNの原子量は、それぞれ28.09、54.94、52.00、95.94、12.01、32.07、10.81、47.88、及び14.01として計算した。 Strictly speaking, in order to calculate the amount of solid solution represented by atomic %, it is necessary to use the total amount of substances of all the elements contained in the steel material as the denominator. However, in this embodiment, most of the chemical composition is Fe, and even if the content of other elements changes, the total amount of substances does not change greatly. In obtaining the above coefficients, the total amount of substances contained in 100 g of steel is fixed at 1.816, and [Amount of solid solution expressed in atomic %] = 100/{[Atomic weight of each element] x 1.816. 816}×[Amount of solid solution represented by mass %]. In addition, the atomic weights of Si, Mn, Cr, Mo, C, S, B, Ti, and N are 28.09, 54.94, 52.00, 95.94, 12.01, 32.07, and 10, respectively. .81, 47.88, and 14.01.
式(1)の左辺の値を0.75以下にすれば、高い熱伝導率が得られ、優れた耐焼付き性が得られる。式(1)の左辺の値は、好ましくは0.73以下であり、より好ましくは0.71以下であり、さらに好ましくは0.70以下であり、さらに好ましくは0.68以下である。本実施形態によるクランクシャフトは、より好ましくは、式(2)の左辺を2.00以下にする。式(2)の左辺の値は、より好ましくは1.98以下であり、さらに好ましくは1.95以下であり、さらに好ましくは1.93以下であり、さらに好ましくは1.90以下である。 If the value of the left side of formula (1) is set to 0.75 or less, high thermal conductivity can be obtained, and excellent seizure resistance can be obtained. The value of the left side of formula (1) is preferably 0.73 or less, more preferably 0.71 or less, even more preferably 0.70 or less, and even more preferably 0.68 or less. In the crankshaft according to this embodiment, it is more preferable to set the left side of equation (2) to 2.00 or less. The value of the left side of formula (2) is more preferably 1.98 or less, still more preferably 1.95 or less, still more preferably 1.93 or less, still more preferably 1.90 or less.
SiM、MnM、CrM、MoM、CM、SM、BM、TiM、及びNMは、以下のように測定する。 SiM , MnM , CrM , MoM , CM , SM , BM , TiM , and NM are measured as follows.
まず、電解抽出残渣測定によって、焼入れ硬化層中の非固溶状態のSi、Mn、Cr、Mo、C、S、B、Ti、及びNの割合(質量%)を求める。図1~図5は、電解抽出残渣の分析のフロー図である。 First, the ratio (% by mass) of Si, Mn, Cr, Mo, C, S, B, Ti, and N in a non-dissolved state in the quench hardened layer is determined by electrolytic extraction residue measurement. 1 to 5 are flow diagrams of the analysis of electrolytic extraction residue.
図1は、電解抽出残渣からMn、Cr、Mo、Ti、及びSiを分析する方法のフロー図である。まず、焼入れ硬化層が形成された箇所から、電解抽出残渣測定用の試料を採取する。例えば、測定対象の鋼材が直径47.9mmの円柱形状の場合、採取する試料は、この一部を切り出した高さ12.0mm×直径47.9mmの円柱形状とすることができる。この試料の断面をマスクして、表層部だけを溶解する。具体的には、10質量%アセチルアセトン-1質量%テトラメチルアンモニウムクロライド/メタノール溶液(AA溶液)を電解液として用いた定電流電解法によって、電流密度20mA/cm2で、表面から40μmまでの部分を陽極溶解する(AA電解)。溶液を孔径0.2μmのフィルタでろ過する。酸でフィルタを溶解し、残渣を回収する。FIG. 1 is a flow diagram of a method for analyzing Mn, Cr, Mo, Ti, and Si from electro-extraction residue. First, a sample for electrolytically extracted residue measurement is taken from a portion where a quench hardened layer is formed. For example, if the steel material to be measured has a cylindrical shape with a diameter of 47.9 mm, the sample to be collected can be a cylindrical shape with a height of 12.0 mm and a diameter of 47.9 mm obtained by cutting a part of the steel material. The cross section of this sample is masked to dissolve only the surface layer. Specifically, a constant current electrolysis method using a 10% by mass acetylacetone-1% by mass tetramethylammonium chloride/methanol solution (AA solution) as an electrolytic solution was performed at a current density of 20 mA/cm 2 to a portion from the surface to 40 μm. is anodically dissolved (AA electrolysis). The solution is filtered through a filter with a pore size of 0.2 μm. Dissolve the filter with acid and collect the residue.
非固溶状態のMn、Cr、Mo、及びTiの割合(質量%)を求めるため、回収した残渣を酸分解法で分解する。具体的には、H2SO4、HNO3、H3PO4、HClO4及びH2Oを含有する混酸を用いて、350℃で1時間加熱する。ICP発光分光分析法によってMn、Cr、Mo、及びTiの質量を定量する。In order to determine the ratio (% by mass) of Mn, Cr, Mo, and Ti in a non-dissolved state, the recovered residue is decomposed by an acid decomposition method. Specifically, mixed acid containing H 2 SO 4 , HNO 3 , H 3 PO 4 , HClO 4 and H 2 O is used and heated at 350° C. for 1 hour. Masses of Mn, Cr, Mo, and Ti are determined by ICP emission spectroscopy.
非固溶状態のSiの割合(質量%)を求めるため、回収した残渣をガスバーナーで1000℃以上に加熱して溶融させる。ICP発光分光分析法によって、溶融した残渣中のSiの質量を定量する。 In order to obtain the proportion (% by mass) of Si in a non-dissolved state, the recovered residue is heated to 1000° C. or higher with a gas burner to melt it. The mass of Si in the melted residue is quantified by ICP emission spectroscopy.
図2は、電解抽出残渣からSを分析する方法のフロー図である。AA電解した溶液を孔径0.2μmのフィルタでろ過して残渣を回収し、回収した残渣を酸分解するところまではMn、Cr、Mo、及びTiの測定と同じである。Sの測定では、酸分解した溶液をさらに孔径0.2μmのフィルタでろ過し、酸分解で分解されなかった残渣を回収し、蒸留分離メチレンブルー吸光光度法によってSの質量を定量する。蒸留分離メチレンブルー吸光光度法は、JIS G 1215に準拠して行うものとする。 FIG. 2 is a flow diagram of a method for analyzing S from the electro-extraction residue. The process of filtering the AA-electrolyzed solution through a filter with a pore size of 0.2 μm to recover the residue, and subjecting the recovered residue to acid decomposition is the same as the measurement of Mn, Cr, Mo, and Ti. In the determination of S, the acid-decomposed solution is further filtered through a filter with a pore size of 0.2 μm, the residue not decomposed by acid decomposition is recovered, and the mass of S is quantified by distillation separation methylene blue spectrophotometry. Distillation separation methylene blue absorption spectrophotometry shall be performed in accordance with JIS G 1215.
図3は、電解抽出残渣からBを分析する方法のフロー図である。AA電解した溶液を孔径0.2μmのフィルタでろ過して残渣を回収し、回収した残渣を酸分解するところまではMn、Cr、Mo、及びTiの測定と同じである。Bの測定では、酸分解した溶液をさらに蒸留する。蒸留は、JIS G 1227 附属書2に準拠して行うものとする。蒸留後は、JIS G 1227には従わず、ICP発光分光分析法によってBの質量を定量する。
FIG. 3 is a flow diagram of a method for analyzing B from the electrolytic extraction residue. The process of filtering the AA-electrolyzed solution through a filter with a pore size of 0.2 μm to recover the residue, and subjecting the recovered residue to acid decomposition is the same as the measurement of Mn, Cr, Mo, and Ti. For determination of B, the acidolyzed solution is further distilled. Distillation shall be performed in accordance with JIS G 1227
図4は、電解抽出残渣からNを分析する方法のフロー図である。AA電解した溶液を孔径0.2μmのフィルタでろ過して残渣を回収し、回収した残渣を酸分解するところまではMn、Cr、Mo、及びTiの測定と同じである。Nの測定では、酸分解した溶液を蒸留分離アミド硫酸滴定法によってNの質量を定量する。この方法は、JIS G 1228 附属書1に準拠して行うものとする。 FIG. 4 is a flow diagram of a method for analyzing N from the electrolytic extraction residue. The process of filtering the AA-electrolyzed solution through a filter with a pore size of 0.2 μm to recover the residue, and subjecting the recovered residue to acid decomposition is the same as the measurement of Mn, Cr, Mo, and Ti. In the determination of N, the mass of N is determined by distillative separation amidosulfuric acid titration of the acid-decomposed solution. This method shall comply with JIS G 1228 Annex 1.
図5は、電解抽出残渣からCを分析する方法のフロー図である。Cの測定では、AA電解した溶液を孔径0.2μmのガラスフィルタでろ過して残渣を回収し、高周波燃焼赤外線吸収法によってCの質量を定量する。高周波燃焼赤外吸収法は、JIS G 1211-3:2018(鉄及び鋼-炭素定量方法-)の8.2(定量操作)のb)に準じて行う。具体的には、ガラスフィルタごと炉に入れて助燃剤(タングステンとすずの混合物(タングステン:すず=9:1)。ただし、高周波がかかりにくい場合にはJIS Z 2615:2015の8.13に準じて純鉄を加える。)と共に燃やし、ガラスフィルタ上の炭素をCO及びCO2にする。このCO、CO2の検出量を積算して、積算量を予め取得しておいた検量線と比較して炭素量を求める。FIG. 5 is a flow diagram of a method for analyzing C from the electrolytic extraction residue. In the measurement of C, the AA electrolyzed solution is filtered through a glass filter with a pore size of 0.2 μm to recover the residue, and the mass of C is quantified by the high-frequency combustion infrared absorption method. The high-frequency combustion infrared absorption method is performed in accordance with JIS G 1211-3:2018 (Iron and steel-Carbon quantification method-) 8.2 (Quantitative operation) b). Specifically, the glass filter is placed in a furnace and a combustion improver (a mixture of tungsten and tin (tungsten:tin = 9:1) is added. Add pure iron.) and burn the carbon on the glass filter to CO and CO2 . The detected amounts of CO and CO 2 are integrated, and the amount of carbon is obtained by comparing the integrated amount with a previously obtained calibration curve.
これらの質量を、電解した試料の質量で除して、非固溶状態のSi、Mn、Cr、Mo、C、S、B、Ti、及びNの割合(質量%)を求める。鋼材の化学組成のSi、Mn、Cr、Mo、C、S、B、Ti、及びNのそれぞれの含有量(質量%)と上記の値との差から、SiM、MnM、CrM、MoM、CM、SM、BM、TiM、及びNMを求める。These masses are divided by the mass of the electrolyzed sample to obtain the proportions (% by mass) of Si, Mn, Cr, Mo, C, S, B, Ti, and N in non-dissolved states. From the difference between the respective contents (% by mass) of Si, Mn, Cr, Mo, C, S, B, Ti, and N in the chemical composition of the steel and the above values, Si M , Mn M , Cr M , Determine MoM , CM , SM , BM , TiM , and NM .
SiM、MnM、CrM、MoM、CM、SM、BM、TiM、及びNMはそれぞれ、鋼材の化学組成によって調整することができる。すなわち、鋼材中のSi、Mn、Cr、Mo、C、S、B、Ti、及びNの含有量を低くすれば、SiM、MnM、CrM、MoM、CM、SM、BM、TiM、及びNMも小さくなる。 SiM , MnM , CrM , MoM , CM , SM , BM , TiM , and NM can each be adjusted by the chemical composition of the steel material. That is, if the contents of Si, Mn , Cr, Mo , C, S, B, Ti, and N in the steel are reduced, SiM, MnM , CrM , MoM, CM , SM , B M , Ti M , and NM also become smaller.
SiM、MnM、CrM、及びMoMは、析出物や介在物によっても変動する。そのため、これらの元素と反応するC、N、Sの含有量や、熱処理によっても変動する。例えば、S含有量が高いと、MnとSとが反応してMnSやMnS2が析出してMnMは小さくなる傾向がある。また、例えば熱間加工からの冷却時に600℃付近での滞留時間を長くしたり、この温度域で焼戻しを実施したりすれば、炭化物が析出することによってCrM及びMoMが小さくなる。また、セメンタイトを析出させれば、Mn及びCrがセメンタイトへ固溶するため、MnM及びCrMの値は小さくなる。 SiM , MnM , CrM , and MoM also vary with precipitates and inclusions. Therefore, it varies depending on the content of C, N, and S that react with these elements and the heat treatment. For example, when the S content is high, Mn tends to react with S to precipitate MnS and MnS 2 and MnM tends to decrease. Also, for example, if the residence time at around 600° C. is lengthened during cooling from hot working, or if tempering is performed in this temperature range, carbides precipitate and Cr M and Mo M decrease. Further, when cementite is precipitated, Mn and Cr form a solid solution in cementite, so the values of
[理想臨界直径]
本実施形態によるクランクシャフトは、好ましくは、ASTM A255-67に準拠して化学組成から算出される理想臨界直径Diが1.7以上である。[Ideal critical diameter]
The crankshaft according to this embodiment preferably has an ideal critical diameter Di calculated from the chemical composition according to ASTM A255-67 of 1.7 or more.
理想臨界直径Diは、理想的な冷却能を持った焼入れ液(焼入れした瞬間に鋼の表面温度が液の温度になる焼入れ液)で焼入れをした際の臨界直径(中心部が50%マルテンサイトになる鋼材の直径。単位はinch。)であり、焼入れ性の指標として用いられる。理想臨界直径Diが1.7以上であれば、クランクシャフトとして要求される疲労強度を確保するために必要な焼入れ性が得られる。理想臨界直径Diは、より好ましくは1.9以上であり、より好ましくは2.0以上であり、より好ましくは2.1以上であり、より好ましくは2.2以上である。 The ideal critical diameter Di is the critical diameter (50% martensitic The diameter of the steel material that becomes (unit: inch)), and is used as an index of hardenability. If the ideal critical diameter Di is 1.7 or more, the hardenability required to secure the fatigue strength required for crankshafts can be obtained. The ideal critical diameter Di is more preferably 1.9 or greater, more preferably 2.0 or greater, more preferably 2.1 or greater, and more preferably 2.2 or greater.
理想臨界直径Diは、クランクシャフトの化学組成から、ASTM A255-67にしたがって下記のように算出する。 The ideal critical diameter Di is calculated from the chemical composition of the crankshaft according to ASTM A255-67 as follows.
ASTM A255-67の表から、C、Mn、Si、Cr、Mo、P、S、Al、及びTiの各含有量(質量%)に対応する数値CD、MnD、SiD、CrD、MoD、PD、SD、AlD、及びTiDを求める。炭素については、結晶粒度No.8のものを使用する。ASTM A255-67の表の数値は、一次近似を適用して補間する。補間式は、下記のとおりとする。
CD=0.6×C+0.056
MnD=0.352×Mn+0.274
SiD=0.229×Si+0.009
CrD=0.727×Cr+0.013
MoD=0.9×Mo+0.026
PD=1.1×P
SD=-0.3×S+0.001
AlD=2×Al
TiD=-0.85×Ti
ここで、上記各式のC、Mn、Si、Cr、Mo、P、S、Al、及びTiには、対応する元素の含有量が質量%で代入される。From the table of ASTM A255-67, numerical values C D , Mn D , Si D , Cr D , corresponding to each content (% by mass) of C, Mn, Si, Cr, Mo, P, S, Al, and Ti Determine Mo D , P D , S D , Al D , and Ti D . For carbon, grain size no. 8 is used. The numbers in the ASTM A255-67 table are interpolated by applying a first order approximation. The interpolation formula is as follows.
C D =0.6×C+0.056
MnD = 0.352 x Mn + 0.274
SiD = 0.229 x Si + 0.009
CrD = 0.727 x Cr + 0.013
MoD = 0.9 x Mo + 0.026
P D =1.1×P
S D =−0.3×S+0.001
Al D =2×Al
Ti D = −0.85 × Ti
Here, the content of the corresponding element is substituted for C, Mn, Si, Cr, Mo, P, S, Al, and Ti in each of the above formulas in mass %.
算出した数値CD、MnD、SiD、CrD、MoD、PD、SD、AlD、及びTiDの総和SUMを求める。ASTM A255-67の表から、総和SUMに対応するDi(仮)を求める。ASTM A255-67の表の数値は、一次近似を適用して補間する。補間式は、下記のとおりとする。
Di(仮)=2.408×SUM-1.30A total sum SUM of the calculated numerical values C D , Mn D , Si D , Cr D , Mo D , P D , S D , Al D and Ti D is obtained. From the table of ASTM A255-67, obtain Di (provisional) corresponding to the total sum SUM. The numbers in the ASTM A255-67 table are interpolated by applying a first order approximation. The interpolation formula is as follows.
Di (provisional) = 2.408 × SUM - 1.30
B含有量が0.0010%以上のクランクシャフトについては、Di(仮)と下記のボロン因子(Bolon F)との積をDiとする。B含有量が0.0010%未満のクランクシャフトについては、Di(仮)をそのままDiとする。
Bolon F=2.616-1.6×C
上記式のCには、C含有量が質量%で代入される。For crankshafts with a B content of 0.0010% or more, Di is the product of Di (provisional) and the following boron factor (Bolon F). For crankshafts with a B content of less than 0.0010%, Di (temporary) is used as Di.
Bolon F=2.616-1.6×C
The C content is substituted for C in the above formula in terms of % by mass.
[熱伝導率]
本実施形態によるクランクシャフトは、好ましくは、焼入れ硬化層の室温の熱伝導率が45W/m・K以上である。[Thermal conductivity]
In the crankshaft according to the present embodiment, the heat conductivity of the quench-hardened layer at room temperature is preferably 45 W/m·K or more.
熱伝導率は、次のように測定する。焼入れ硬化層から、外径10mm、厚さ1mmの円盤状の試料を採取する。試料の体積と質量とから、試料の密度を算出する。JIS R 1611に規定されたレーザーフラッシュ法によって、試料の比熱及び熱拡散率を求める。試料の熱伝導率を、密度、比熱、及び熱拡散率の積として求める。 Thermal conductivity is measured as follows. A disc-shaped sample having an outer diameter of 10 mm and a thickness of 1 mm is taken from the hardened layer. The density of the sample is calculated from the volume and mass of the sample. The specific heat and thermal diffusivity of the sample are determined by the laser flash method specified in JIS R 1611. The thermal conductivity of the sample is determined as the product of density, specific heat, and thermal diffusivity.
[クランクシャフトの製造方法]
以下、本実施形態によるクランクシャフトの製造方法の一例を説明する。以下に説明する製造方法は、あくまでも例示であって、本実施形態によるクランクシャフトの製造方法を限定するものではない。[Crankshaft manufacturing method]
An example of a method for manufacturing a crankshaft according to this embodiment will be described below. The manufacturing method described below is merely an example, and does not limit the manufacturing method of the crankshaft according to the present embodiment.
上述した化学組成を有する素材を準備する。素材は、例えば棒鋼である。素材は例えば、上記の化学組成を有する溶鋼を連続鋳造又は分塊圧延して製造することができる。 A material having the chemical composition described above is prepared. The material is, for example, a steel bar. The raw material can be produced, for example, by continuously casting or blooming molten steel having the above chemical composition.
素材を熱間鍛造してクランクシャフトの粗形状にする。熱間鍛造は、粗鍛造と仕上鍛造とに分けて実施してもよい。熱間鍛造によって製造されたクランクシャフトの粗形品に対して、必要に応じて焼ならし等の熱処理を実施してもよい。 The material is hot forged into the rough shape of the crankshaft. Hot forging may be divided into rough forging and finish forging. If necessary, heat treatment such as normalizing may be performed on the crankshaft crude product manufactured by hot forging.
クランクシャフトの粗形品を機械加工する。機械加工は、切削加工や研削加工、孔開け加工等である。この工程により、最終製品に近い形状を有する中間品が製造される。 Machine the crankshaft blank. Machining includes cutting, grinding, drilling, and the like. This process produces an intermediate product having a shape close to the final product.
機械加工されたクランクシャフトの中間品を焼入れする。これによって、表面に焼入れ硬化層が形成される。具体的には、所定の加熱温度に加熱した後、急冷する。このとき、高周波誘導加熱装置によって局所的に加熱してもよいし、熱処理炉によって中間品全体を加熱してもよい。加熱温度は、好ましくはAc3点以上であり、より好ましくは900℃以上である。焼入れ後、必要に応じて焼戻しを実施してもよい。焼入れや焼戻しは複数回実施してもよく、焼入れや焼戻しに加えて他の熱処理を実施してもよい。Quench the intermediate part of the machined crankshaft. This forms a hardened layer on the surface. Specifically, it is rapidly cooled after being heated to a predetermined heating temperature. At this time, the intermediate product may be locally heated by a high-frequency induction heating device, or the entire intermediate product may be heated by a heat treatment furnace. The heating temperature is preferably Ac 3 or higher, more preferably 900° C. or higher. After quenching, tempering may be performed as necessary. Quenching and tempering may be performed multiple times, and other heat treatments may be performed in addition to quenching and tempering.
焼入れ硬化層が形成された中間品に対して、必要に応じて仕上加工を実施する。例えばクランクシャフトのジャーナルやピンに研削やラッピングを施して表面形状を調整する。以上の工程によって、本実施形態によるクランクシャフトを製造することができる。 The intermediate product on which the quench-hardened layer is formed is subjected to finishing as necessary. For example, crankshaft journals and pins are ground or lapped to adjust their surface profile. Through the steps described above, the crankshaft according to the present embodiment can be manufactured.
以上、本発明の一実施形態によるクランクシャフトを説明した。本実施形態によれば、耐焼付き性に優れたクランクシャフトが得られる。 A crankshaft according to one embodiment of the present invention has been described above. According to this embodiment, a crankshaft having excellent seizure resistance can be obtained.
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。本発明はこれらの実施例に限定されない。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail below with reference to examples. The invention is not limited to these examples.
表1に示す化学組成を有する鋼を素材として、焼付き試験用の試験軸を作製した。図6に、試験軸作製時のヒートパターンを示す。 Using steel having the chemical composition shown in Table 1 as a raw material, a test shaft for a seizure test was produced. FIG. 6 shows the heat pattern when the test shaft was produced.
具体的には、素材を1250℃で1時間加熱した後、1100~850℃で熱間鍛造を実施し、鍛造終了後、室温まで放冷した。その後、1250℃で20分間加熱した後空冷する焼ならしを実施した後、機械加工(切削加工)によって外径を47.9mmにした。その後、高周波焼入れを実施して、表層部硬さHV650の焼入れ硬化層を形成した。 Specifically, after heating the raw material at 1250° C. for 1 hour, hot forging was performed at 1100 to 850° C. After completion of forging, the material was allowed to cool to room temperature. Then, after normalizing by heating at 1250° C. for 20 minutes and air cooling, the outer diameter was reduced to 47.9 mm by machining (cutting). After that, induction hardening was performed to form a hardened layer having a surface hardness of HV650.
素材の焼入れ性を理想臨界直径Diによって評価した。具体的には、理想臨界直径Diが、従来鋼(Di≒1.98)の約9割である1.7以上であれば、クランクシャフトに必要な焼入れ性を有していると判断した。Diの計算にあたっては、0.002質量%未満のSi、0.002質量%未満のMn、0.002質量%未満のMoは、いずれも0%として扱った。表2に、Diの計算経過を示す。 The hardenability of the material was evaluated by the ideal critical diameter Di. Specifically, if the ideal critical diameter Di is 1.7 or more, which is about 90% of the conventional steel (Di≈1.98), it is determined that the crankshaft has the necessary hardenability. In calculating Di, less than 0.002% by mass of Si, less than 0.002% by mass of Mn, and less than 0.002% by mass of Mo were treated as 0%. Table 2 shows the progress of calculation of Di.
実施形態で説明した方法にしたがって、焼入れ硬化層に固溶したSi、Mn、Cr、Mo、C、S、B、Ti、及びNの量(SiM、MnM、CrM、MoM、CM、SM、BM、TiM、及びNM)を測定した。Si含有量が0.002質量%未満のものはSiMが0%、Mn含有量が0.002質量%未満のものはMnMが0%、Mo含有量が0.002質量%未満のものはMoMが0%、B含有量が0.0002質量%未満のものはBMが0%、Ti含有量が0.002質量%未満のものはTiMが0%として扱った。一方、原子量の小さいNに関しては、0.0040質量%のものも0%とは扱わずにNMを求めた。According to the method described in the embodiment, the amounts of Si, Mn, Cr, Mo, C, S, B, Ti, and N (Si M , Mn M , Cr M , Mo M , C M , SM , BM , Ti M , and NM ) were measured. Those with a Si content of less than 0.002 mass% have 0% SiM, those with a Mn content of less than 0.002 mass% have 0% MnM , and those with a Mo content of less than 0.002 mass%. were treated as 0% MoM, those with a B content of less than 0.0002 % by mass were treated as having 0% BM , and those with a Ti content of less than 0.002% by mass were treated as having 0% TiM . On the other hand, regarding N with a small atomic weight, NM was obtained without treating 0.0040 % by mass as 0%.
実施形態に説明した方法にしたがって、母材(焼入れ硬化層以外の部分)及び焼入れ硬化層の熱伝導率を測定した。 The thermal conductivity of the base material (part other than the quench-hardened layer) and the quench-hardened layer was measured according to the method described in the embodiment.
結果を表3に示す。表3のF1、及びF2の欄には、それぞれ式(1)、及び式(2)の左辺の値が記載されている。また、各欄の「-」は、該当する測定を実施していないことを意味する。 Table 3 shows the results. Columns F1 and F2 in Table 3 describe the values of the left sides of equations (1) and (2), respectively. In addition, "-" in each column means that the corresponding measurement was not performed.
表3に示すように、No.4及び5の試験軸は、従来鋼(No.1)と同程度の理想臨界直径Diを有しつつ、45W/mK以上の高い熱伝導率を有していた。 As shown in Table 3, No. The test shafts of 4 and 5 had a high thermal conductivity of 45 W/mK or more while having the same ideal critical diameter Di as conventional steel (No. 1).
No.2の試験軸は、焼入れ性は許容範囲であったものの、No.4及び5と比較して熱伝導率が劣っていた。これは、固溶Mnの量が多すぎたためと考えられる。 No. The hardenability of test shaft No. 2 was within the allowable range, but no. Thermal conductivity was inferior compared to 4 and 5. This is probably because the amount of dissolved Mn was too large.
No.3の試験軸は、高い熱伝導率を有していたものの、焼入れ性が劣っていた。これは、No.6の試験軸がMo及びBを含有していなかったためと考えられる。 No. The test shaft of No. 3 had high thermal conductivity but poor hardenability. This is the No. This is probably because the test shaft of No. 6 did not contain Mo and B.
No.6の試験軸は、高い熱伝導率を有していたものの、焼入れ性が劣っていた。これは、No.6の試験軸がBを含有していなかったためと考えられる。 No. The test shaft of No. 6 had high thermal conductivity but poor hardenability. This is No. This is probably because the test shaft of 6 did not contain B.
No.7の試験軸は、高い熱伝導率を有していたものの、焼入れ性が劣っていた。これは、No.7の試験軸がMoを含有していなかったためと考えられる。 No. The test shaft of No. 7 had high thermal conductivity but poor hardenability. This is No. This is probably because the test shaft of No. 7 did not contain Mo.
No.8の試験軸は、高い熱伝導率を有していたものの、焼入れ性が劣っていた。これは、No.8の試験軸のMn含有量が低すぎたためと考えられる。 No. The test shaft of No. 8 had high thermal conductivity but poor hardenability. This is the No. This is probably because the Mn content of the test shaft of No. 8 was too low.
次に、No.2、4、及び5の試験軸を使用して、焼付き試験を実施した。焼付き試験に供する試験軸には、仕上加工として、断面曲線の算術平均高さPaが0.07~0.09μmになるように、研削及びラッピングを施した。試験軸の外径は、後述する焼付き試験に用いる軸受とのクリアランスが約0.090mmになるように調整した。 Next, No. Seizure tests were performed using 2, 4, and 5 test shafts. As a finishing process, the test shafts subjected to the seizure test were subjected to grinding and lapping so that the arithmetic mean height Pa of the cross-sectional curve was 0.07 to 0.09 μm. The outer diameter of the test shaft was adjusted so that the clearance with the bearing used in the seizure test described later was about 0.090 mm.
焼付き試験は、神鋼造機株式会社製クランクメタル耐摩耗焼付き性評価装置を用いて実施した。評価装置20の模式図を図7に示す。試験軸TPを複数の軸受21に挿入し、軸受21に給油しながら、モータ(不図示)によって試験軸TPを8000rpmで回転させた。軸受のメタルは、HV40~50のAl合金を使用した。潤滑油は0W-20、給油温度は140℃、油圧は0.8MPaとした。
The seizure test was performed using a crank metal abrasion resistance seizure evaluation device manufactured by Shinko Engineering Co., Ltd. A schematic diagram of the
この状態で、軸受21の一つを引き下げて試験軸TPに加わる面圧を段階的に増加させながら、焼付きが発生するまで運転した。図8に、試験軸TPに加えた面圧の時間変化を模式的に示す。同一面圧での保持時間は3分間、1ステップあたりの面圧増加幅は4.35MPa、面圧増加にかける時間は15秒間とした。試験軸TPの表面温度が280℃以上になるか、試験軸にかかるトルクが25Nm以上になったときに焼付きが発生したと判定した。各試験軸に対して3回の試験を実施し、その平均値を焼付面圧とした。
In this state, one of the
結果を前掲の表3及び図9に示す。図9は、試験軸の焼付き面圧を焼入れ硬化層の室温の熱伝導率との関係で示した図である。図9に示すように、熱伝導率の高いNo.4及び5の試験軸は、No.2の試験軸と比較して、優れた耐焼付き性を有することが確認された。 The results are shown in Table 3 and FIG. 9 above. FIG. 9 is a graph showing the relationship between the seizure contact pressure of the test shaft and the thermal conductivity of the hardened layer at room temperature. As shown in FIG. 4 and 5 test axes are no. It was confirmed to have excellent seizure resistance compared to the test shaft of No. 2.
以上、本発明の一実施形態を説明したが、上述した実施形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施形態を適宜変形して実施することが可能である。 Although one embodiment of the present invention has been described above, the above-described embodiment is merely an example for carrying out the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented by appropriately modifying the above-described embodiment without departing from the scope of the invention.
Claims (4)
C :0.35~0.50%、
Si:0.55%以下、
Mn:0.01~0.55%、
Cr:0.10~0.50%、
P :0.03%以下、
S :0.10%以下、
Mo:0.10~0.30%、
B :0.0020~0.0050%、
Ti:0.020~0.10%、
N :0.020%以下、
Al:0.10%以下、
残部:Fe及び不純物であり、
焼入れ硬化層を表面に有し、
前記焼入れ硬化層へ固溶したSi、Mn、Cr、及びMoが、下記の式(1)を満たす、クランクシャフト。
1.960SiM+1.002MnM+1.059CrM+0.574MoM≦0.75 (1)
式(1)中のSiM、MnM、CrM、及びMoMにはそれぞれ、前記焼入れ硬化層へ固溶したSi、Mn、Cr、及びMoの量が質量%で代入される。The chemical composition, in mass %,
C: 0.35 to 0.50%,
Si: 0.55% or less,
Mn: 0.01-0.55%,
Cr: 0.10 to 0.50%,
P: 0.03% or less,
S: 0.10% or less,
Mo: 0.10-0.30%,
B: 0.0020 to 0.0050%,
Ti: 0.020 to 0.10%,
N: 0.020% or less,
Al: 0.10% or less,
Balance: Fe and impurities,
Having a hardened layer on the surface,
A crankshaft in which Si, Mn, Cr, and Mo dissolved in the quench-hardened layer satisfy the following formula (1).
1.960SiM + 1.002MnM + 1.059CrM + 0.574MoM≤0.75 (1)
Si M , Mn M , Cr M , and Mo M in formula (1) are respectively substituted with the amounts of Si, Mn, Cr, and Mo solid-soluted in the quench-hardened layer in mass %.
前記焼入れ硬化層へ固溶したSi、Mn、Cr、Mo、C、S、B、Ti、及びNが、下記の式(2)を満たす、クランクシャフト。
1.960SiM+1.002MnM+1.059CrM+0.574MoM+4.585CM+1.717SM+5.094BM+1.150TiM+3.930NM≦2.00 (2)
式(2)中のSiM、MnM、CrM、MoM、CM、SM、BM、TiM、及びNMにはそれぞれ、前記焼入れ硬化層へ固溶したSi、Mn、Cr、Mo、C、S、B、Ti、及びNの量が質量%で代入される。A crankshaft according to claim 1,
A crankshaft, wherein Si, Mn, Cr, Mo, C, S, B, Ti, and N dissolved in the quench-hardened layer satisfy the following formula (2).
1.960 Si M + 1.002 Mn M + 1.059 Cr M + 0.574 Mo M + 4.585 CM + 1.717 SM + 5.094 B M + 1.150 Ti M + 3.930 N M ≤ 2.00 (2)
SiM , MnM , CrM , MoM , CM, SM , BM , TiM , and NM in formula (2) respectively contain Si, Mn , and Cr dissolved in the quench-hardened layer. , Mo, C, S, B, Ti, and N are substituted in mass %.
ASTM A255-67に準拠して前記化学組成から算出される理想臨界直径Diが1.7以上である、クランクシャフト。3. A crankshaft according to claim 1 or 2,
A crankshaft having an ideal critical diameter Di calculated from the chemical composition according to ASTM A255-67 of 1.7 or more.
前記焼入れ硬化層の室温の熱伝導率が45W/mK以上である、クランクシャフト。The crankshaft according to any one of claims 1 to 3,
A crankshaft, wherein the quench-hardened layer has a thermal conductivity of 45 W/mK or more at room temperature.
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