曲柄轴
阅读：901发布：2020-05-11
专利汇可以提供曲柄轴专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供即使省略热 锻造 后的正火处理也容易进行软氮化后的矫正处理并且尽管铅含量低也容易切削加工的由 钢 形成的 曲柄 轴。形成曲柄轴的钢表面被实施了软氮化处理，该钢的组成如下：C：0.35～0.45 质量 %、Si：0.1～0.4质量%、Mn：0.4～0.7质量%、S：0.04～0.07质量%、Ca：0.0005～0.0050质量%、Ti：0.0050～0.0120质量%、N：0.0042～0.0480质量%、余量的Fe和不可避免的杂质；Ti/N(质量含量比)在0.25～1.2的范围，并使Pb小于等于0.03质量%。另外，除软氮化处理层外，钢截面组织具有 铁 素体+珠光体组织，在该铁素体+珠光体组织上，每160mm2 视野 面积中观察到的尺寸大于等于1μm的硫化物的总数为12000个～31000个，并且，形成组织的结晶粒的平均尺寸为14μm～20μm。，下面是曲柄轴专利的具体信息内容。
1.一种曲柄轴，其是由表面实施了软氮化处理的钢形成的曲柄轴， 其特征在于，所述钢的组成如下：
C：0.38质量％～0.42质量％、
Si：0.15质量％～0.35质量％、
Mn：0.45质量％～0.6质量％、
S：0.04质量％～0.06质量％、
Ca：0.0010质量％～0.0050质量％、
Ti：0.0050质量％～0.0120质量％、
N：0.0042质量％～0.0480质量％、
O：0.0005质量％～0.01质量％、
其余为Fe和不可避免的杂质；
Ti/N质量含量比在0.25～1.2的范围，除软氮化处理层外，钢截面 组织具有铁素体+珠光体组织，在该铁素体+珠光体组织上，每160mm2 视野面积中观察到的尺寸大于等于1μm的硫化物的总数为12000个～ 31000个，并且，形成组织的珠光体结晶粒的平均尺寸为14μm～20μm。
2.根据权利要求1所述的曲柄轴，其中，所述钢中作为不可避免的 杂质的Pb小于等于0.03质量％。
3.根据权利要求1所述的曲柄轴，其中，设定S含量为WS，单位 为质量％；设定O含量为WO，单位为质量％；所述钢中WS/WO被调 整为8～50。
4.根据权利要求2所述的曲柄轴，其中，设定S含量为WS，单位 为质量％；设定O含量为WO，单位为质量％，所述钢中WS/WO被调 整为8～50。
技术领域
本发明涉及曲柄轴，特别是涉及由显示出优越的弯曲矫正性的非铅 系非调质软氮化钢构成的曲柄轴。
背景技术
[专利文献1]特开平10-030632号公报
[专利文献2]特开平06-128690号公报
[专利文献3]特开平05-279795号公报
[专利文献4]特开平05-279794号公报
汽车用的曲柄轴，由于在大的扭转负荷和弯曲负荷反复作用的环境 下使用，因而要求静态强度和疲劳强度优越。另一方面，由于是特大型 且形状也复杂的部件，因而基本上通常用热煅造后不进行淬火回火处理 的非调质钢来制造。此时，为了确保强度，最终钢表面的硬化处理是必 需的，在专利文献1～4中公开了作为其表面效果处理采用软氮化处理的 方法。软氮化处理是，在不高于A1相变点的温度，一般是570℃左右， 在例如氨气的气氛中处理被处理物，从而使一部分碳和氮一起浸入钢中 生成氮化物和碳氮化物，并使表层部硬化。对于这样的软氮化处理，在 被处理物上象浸碳淬火法那样产生应变的情况少，并且不象氮化法那样 需要长时间处理，因而适于汽车用大型发动机部件的曲柄轴的大量生产。
但是，对于采用了软氮化处理的曲柄轴，为了修正锻造时或者软氮 化时产生的弯曲，软氮化后的矫正工序是不可缺少的。以往为了确保良 好的弯曲矫正性，在热锻造后实施正火处理(所谓的常化处理)以进行钢组 织的整粒和消除应变，但仅追加正火处理，就会增加工时，从而导致成 本的增加。
另外，一般的曲柄轴形状复杂，热锻造后必须进行切削加工。在此， 对于以往的曲柄轴，在正火处理后的切削加工工序中，从产生的切屑可 卷绕在制品上或者降低工具磨耗的角度考虑，使其含有铅作为提高切屑 破碎性的元素。但是，近年来对环境保护的关心在全球正在高涨，铅逐 渐被敬而远之，其使用也正在受到限制。
[专利文献2]特开平06-128690号公报
[专利文献3]特开平05-279795号公报
[专利文献4]特开平05-279794号公报
汽车用的曲柄轴，由于在大的扭转负荷和弯曲负荷反复作用的环境 下使用，因而要求静态强度和疲劳强度优越。另一方面，由于是特大型 且形状也复杂的部件，因而基本上通常用热煅造后不进行淬火回火处理 的非调质钢来制造。此时，为了确保强度，最终钢表面的硬化处理是必 需的，在专利文献1～4中公开了作为其表面效果处理采用软氮化处理的 方法。软氮化处理是，在不高于A1相变点的温度，一般是570℃左右， 在例如氨气的气氛中处理被处理物，从而使一部分碳和氮一起浸入钢中 生成氮化物和碳氮化物，并使表层部硬化。对于这样的软氮化处理，在 被处理物上象浸碳淬火法那样产生应变的情况少，并且不象氮化法那样 需要长时间处理，因而适于汽车用大型发动机部件的曲柄轴的大量生产。
但是，对于采用了软氮化处理的曲柄轴，为了修正锻造时或者软氮 化时产生的弯曲，软氮化后的矫正工序是不可缺少的。以往为了确保良 好的弯曲矫正性，在热锻造后实施正火处理(所谓的常化处理)以进行钢组 织的整粒和消除应变，但仅追加正火处理，就会增加工时，从而导致成 本的增加。
另外，一般的曲柄轴形状复杂，热锻造后必须进行切削加工。在此， 对于以往的曲柄轴，在正火处理后的切削加工工序中，从产生的切屑可 卷绕在制品上或者降低工具磨耗的角度考虑，使其含有铅作为提高切屑 破碎性的元素。但是，近年来对环境保护的关心在全球正在高涨，铅逐 渐被敬而远之，其使用也正在受到限制。
发明内容
本发明的课题是提供即使省略热锻造后的正火处理也可以容易地进 行软氮化后的矫正处理并且尽管铅含量低也容易切削加工的由钢形成的 曲柄轴。
为了解决上述课题，本发明的曲柄轴是由表面实施了软氮化处理的 钢形成的曲柄轴，其特征在于，上述钢的组成如下：
C：0.38质量％～0.42质量％、
Si：0.15质量％～0.35质量％、
Mn：0.45质量％～0.6质量％、
S：0.04质量％～0.06质量％、
Ca：0.0010质量％～0.0050质量％、
Ti：0.0050质量％～0.0120质量％、
N：0.0042质量％～0.0480质量％、
其余为Fe和不可避免的杂质；
Ti/N(质量含量比)在0.25～1.2的范围；除软氮化处理层外，钢截面组织 具有铁素体+珠光体组织，在该铁素体+珠光体组织上，每160mm2视野 面积中观察到的尺寸大于等于1μm的硫化物的总数为12000个～31000 个，并且，形成组织的珠光体结晶粒的平均尺寸为14μm～20μm。
曲柄轴可具有如下结构而构成，即曲轴臂由曲轴主轴颈和曲轴销交 替连结的结构，所述曲轴臂以规定间隔配置在旋转轴线方向上，所述曲 轴主轴颈是以所述旋转轴线和中心轴线一致的方式配置的，所述曲轴销 在沿半径方向距离所述旋转轴线一定距离的位置具有中心轴线。
另外，在本发明中所说的“硫化物数”是指如下测定的值。首先， 在和钢材的锻伸方向平行的镜面抛光截面(以下称为纵截面)上，任意地设 定160mm2视野，使用倍率400倍的CCD照相机对该视野进行图像扫描， 同时，通过图像解析装置抽出母相和色调不同的区域，再分别计算出各 区域的面积。随后，以具有和该区域同样面积的圆的直径作为各区域的 尺寸计算出来，计数该尺寸大于等于1μm的区域的数目。通过另外实施 的EPMA(Electron Probe Micro Analysis)分析，可知在本发明中采用的钢 组成中，如上所述的色调不同的区域的大于等于99％是阳离子主体为Mn 的硫化物，所以采用上述的区域的计数值作为“硫化物数”。
另一方面，所谓铁素体+珠光体组织的“珠光体结晶粒的平均尺寸” 为如下确定的值。在距离以热锻造制造的曲柄轴的曲轴销表层3mm以内 的区域，其中除去软氮化处理层，通过光学显微镜观察纵截面内的金属 组织，针对出现在该观察图像上的各珠光体结晶粒，测定正交的2条基 准线分别切下的2个结晶粒尺寸的平均值，并不断改变基准线的方向， 将在该平均值最大的基准线位置的结晶粒尺寸的平均值确定为该珠光体 结晶粒尺寸。随后，设定每视野为0.5mm2，针对包含在任意30个视野中 的全部珠光体结晶粒求出该尺寸，将该尺寸的平均值作为珠光体结晶粒 的平均尺寸。
采用上述的钢组成进行热锻造后，如果进行空气冷却，该组织必然 会呈现铁素体+珠光体组织，并且，硫化物的总数和形成组织的结晶粒的 平均尺寸满足上述的数值范围(即使进行软氮化处理，其也不会变化)。并 且，由于形成该组织，即使省略热锻造后的正火处理，也可以容易地进 行软氮化后的矫正处理，而且，即使降低铅含量，也会表现出良好的可 切削性，可以廉价地制造经软氮化处理的曲柄轴。
以下，对本发明中采用的钢组成及数值参数的限定理由进行说明。
C：0.38质量％～0.42质量％
C是确保强度所必要的元素，如果不足0.38质量％，则不能确保强 度。另一方面，如果超过0.42质量％，则硬度过高，切削加工性变差。
Si：0.15质量％～0.35质量％
Si是作为钢熔炼时的脱氧剂而含有的，且是提高疲劳强度的元素。 如果不足0.15质量％，则得不到期望的效果；如果超过0.35质量％而添 加大量，则会使铁素体相硬化，矫正性变差。
Mn：0.45质量％～0.6质量％
Mn是提高可切削性的Mn系硫化物的必要构成元素。如果不足0.45 质量％，则Mn系硫化物的生成量不足，可切削性不充分。另一方面，如 果超过0.6质量％，则硬度过高，可切削性反而降低。
S：0.04质量％～0.06质量％
S和Mn都是提高可切削性的Mn系硫化物的必要构成元素。如果不 足0.04质量％，则硫化物的生成量不足，可切削性不充分。另一方面， 如果超过0.06质量％，则除了钢的韧性和延性受损以外，在热锻造时容 易产生裂纹等。
Ca：0.0010质量％～0.0050质量％
如后面所述，本发明中采用的钢减少了以往作为提高可切削性元素 而积极添加的铅，具体来说铅的量控制在不可避免的杂质的量的水平即 0.03质量％或者0.03质量％以下。Ca是为了弥补由此引起的可切削性降 低而添加的，要起到显著效果，含量必须大于等于0.0010质量％。另一 方面，添加超过0.0050质量％的过量的Ca会大量地产生高熔点的CaS， 从而对熔炼的铸造工序带来很大的障碍。另外，作为提高可切削性的元 素，Bi、Te也是公知的，但是Ca由于其一部分在MnS中固熔，可以抑 制热锻造时的硫化物的变形，因而可切削性的提高效果会更显著。
Ti：0.0050质量％～0.0120质量％
Ti和钢中的O结合，形成微细的氧化物。由于其对Mn系硫化物的 析出起到核的作用，因而如后面所述有益于使Mn系硫化物微细地分散。 并且，Ti也会和钢中的C、N结合，形成微细的氮化物或者碳氮化物。 其具有防止曲柄轴热锻造时的奥氏体结晶粒的粗大化、在冷却后的铁素 体+珠光体组织中促进铁素体的析出以及使珠光体结晶粒微细化的作用。 如果不足0.0050质量％，则不能发挥该效果；如果超过0.0120质量％， 则会生成粗大的Ti氮化物，其成为应力集中源，会使部件的疲劳强度降 低。
Ti/N(质量含量比)：0.25～1.2
为了防止奥氏体结晶粒的粗大化而谋求珠光体结晶粒的微细化，需 要以一定量微细地分散形成Ti的氮化物或者碳氮化物，从而Ti和N的 含有比例是重要的。Ti/N的比率不足0.25时，氮化物或者碳氮化物的生 成不充分，会产生珠光体结晶粒的粗大化。另一方面，如果Ti/N的比率 超过1.2，则会生成大型的氮化物或者碳氮化物，其成为破坏的起点，会 使部件的疲劳强度降低。并且，为了既满足上述的Ti含量的范围又使 Ti/N为0.25～1.2，需要N含量为0.0042质量％～0.0480质量％。
Pb：小于等于0.03质量％
如前所述Pb的使用正在受到限制，期望其含量极少。在汽车行业， 定义含有0.04质量％～0.09质量％的Pb的铅快削钢为“半铅钢”，并确 认了其切削性改善效果。另外，在制钢工序中，存在小于等于0.03质量 ％的微量的Pb由废钢或者合金等混入的可能性。因而，在本发明中，超 过0.03质量％的Pb被认为是特意添加的，而作为杂质不可避免地混入小 于等于0.03质量％的铅定义为所谓“非铅”。
另外，在本发明中使用的钢中，在不损害本发明上述效果的范围还 可以含有上述必要成分以外的成分，例如Cu、Ni、P和O等。Cu及Ni 要是达到0.10质量％左右，也存在由废钢等以不可避免的杂质而混入的 可能性。并且，P及O是制钢工序中可作为不可避免的杂质而混入的元 素，但是由于P会使钢的韧性降低，因而使其含量小于等于0.0030质量％。
作为存在于非调质快削钢的内部的夹杂物，芯部为Ca、Mg、Si或者 Al的氧化物，从改善钢的可切削性的角度考虑，优选形成含CaS的MnS 包围氧化物周围的二重结构粒子。此时，钢的含氧量如果不足0.0005质 量％，则成为二重结构粒子芯部(核)的氧化物不足，进而由形成该二重结 构粒子所引起的可切削性提高的效果并非显著。另一方面，O钢的含氧 量如果超过0.01质量％，则形成的氧化物的熔点下降，会大量产生并不 作为二重结构粒子芯部而发挥作用的游离形态的氧化物，因而可切削性 提高的效果同样不显著。因此，优选将钢的含氧量调整至大于等于0.0005 质量％小于等于0.01质量％。
进而，设定S含量为WS(质量％)、O含量为WO(质量％)，上述钢优 选WS/WO被调整为8～50。通过将WS/WO调整至上述范围，以二重 结构粒子为主体的夹杂物的形成形态被正常化，从而可以实现与以往的 铅系快削钢相匹敌的可切削性(以下有时仅将WS/WO表示为“S/O”)。
另外，从既可以实现抑制脱碳又可以充分地降低变形抵抗从而效率 良好地进行期望的曲柄轴形状的加工的角度考虑，可以在温度为1000 ℃～1300℃(当然大于等于Al相变点)实施热锻造。而且，在通过空气冷 却进行该热锻造后的冷却时，对于以适用于曲轴销的外径为30mm～ 60mm的汽车用曲柄轴为前提的情况，通过A3相变点时的冷却速度为30 ℃/分～150℃/分。再者，为了得到铁素体+珠光体组织，钢的贝氏体生成 的临界冷却速度需要比上述冷却速度范围的上限值还要大，采用的钢的 上述必要成分的含量、副成分的种类及含量如上述调整贝氏体生成的临 界冷却速度那样进行选定。
硫化物个数：每160mm2视野面积中为12000个～31000个
含有的形成硫化物的Mn量大于等于0.45质量％时，硫化物总体积 依赖于S含量。如果前提是总体积量为恒定，则硫化物的个数增加意味 着硫化物的微细化。硫化物成为切削时的应力集中源，从而有助于提高 切削的破碎性。随着硫化物数目增加，应力集中源的数增加，从而使切 削的破碎性提高。如果每160mm2视野面积中硫化物不足12000个，切削 的破碎不充分，生成的长的切屑会缠绕在曲柄轴自身上，或者产生堵塞， 从而阻碍切削工序的进行。另一方面，如果硫化物个数超过31000个， 硫化物过于微细化，从而增加切削工具的磨耗。
在铁素体+珠光体组织上，形成组织的珠光体结晶粒的平均尺寸为14 μm～20μm
为了修正在热锻造、软氮化处理中产生的应变而实施矫正，但此时 铁素体+珠光体组织的珠光体结晶粒的平均尺寸如果超过20μm，则韧性 会降低，得不到充分的矫正性。另一方面，如果珠光体结晶粒的平均尺 寸不足14μm，则从细小的结晶粒的边界生成的铁素体增加，从而产生 由硬度降低引起的强度不足的不良情况。
附图说明
图1是表示曲柄轴的一例的正面图；
图2是将发明例5的硫化物形态和比较例6的硫化物形态进行比较 所示出的光学显微镜观察图像；
图3是将发明例5的结晶粒和比较例6的结晶粒进行比较所示出的 光学显微镜观察图像。
为了解决上述课题，本发明的曲柄轴是由表面实施了软氮化处理的 钢形成的曲柄轴，其特征在于，上述钢的组成如下：
C：0.38质量％～0.42质量％、
Si：0.15质量％～0.35质量％、
Mn：0.45质量％～0.6质量％、
S：0.04质量％～0.06质量％、
Ca：0.0010质量％～0.0050质量％、
Ti：0.0050质量％～0.0120质量％、
N：0.0042质量％～0.0480质量％、
其余为Fe和不可避免的杂质；
Ti/N(质量含量比)在0.25～1.2的范围；除软氮化处理层外，钢截面组织 具有铁素体+珠光体组织，在该铁素体+珠光体组织上，每160mm2视野 面积中观察到的尺寸大于等于1μm的硫化物的总数为12000个～31000 个，并且，形成组织的珠光体结晶粒的平均尺寸为14μm～20μm。
曲柄轴可具有如下结构而构成，即曲轴臂由曲轴主轴颈和曲轴销交 替连结的结构，所述曲轴臂以规定间隔配置在旋转轴线方向上，所述曲 轴主轴颈是以所述旋转轴线和中心轴线一致的方式配置的，所述曲轴销 在沿半径方向距离所述旋转轴线一定距离的位置具有中心轴线。
另外，在本发明中所说的“硫化物数”是指如下测定的值。首先， 在和钢材的锻伸方向平行的镜面抛光截面(以下称为纵截面)上，任意地设 定160mm2视野，使用倍率400倍的CCD照相机对该视野进行图像扫描， 同时，通过图像解析装置抽出母相和色调不同的区域，再分别计算出各 区域的面积。随后，以具有和该区域同样面积的圆的直径作为各区域的 尺寸计算出来，计数该尺寸大于等于1μm的区域的数目。通过另外实施 的EPMA(Electron Probe Micro Analysis)分析，可知在本发明中采用的钢 组成中，如上所述的色调不同的区域的大于等于99％是阳离子主体为Mn 的硫化物，所以采用上述的区域的计数值作为“硫化物数”。
另一方面，所谓铁素体+珠光体组织的“珠光体结晶粒的平均尺寸” 为如下确定的值。在距离以热锻造制造的曲柄轴的曲轴销表层3mm以内 的区域，其中除去软氮化处理层，通过光学显微镜观察纵截面内的金属 组织，针对出现在该观察图像上的各珠光体结晶粒，测定正交的2条基 准线分别切下的2个结晶粒尺寸的平均值，并不断改变基准线的方向， 将在该平均值最大的基准线位置的结晶粒尺寸的平均值确定为该珠光体 结晶粒尺寸。随后，设定每视野为0.5mm2，针对包含在任意30个视野中 的全部珠光体结晶粒求出该尺寸，将该尺寸的平均值作为珠光体结晶粒 的平均尺寸。
采用上述的钢组成进行热锻造后，如果进行空气冷却，该组织必然 会呈现铁素体+珠光体组织，并且，硫化物的总数和形成组织的结晶粒的 平均尺寸满足上述的数值范围(即使进行软氮化处理，其也不会变化)。并 且，由于形成该组织，即使省略热锻造后的正火处理，也可以容易地进 行软氮化后的矫正处理，而且，即使降低铅含量，也会表现出良好的可 切削性，可以廉价地制造经软氮化处理的曲柄轴。
以下，对本发明中采用的钢组成及数值参数的限定理由进行说明。
C：0.38质量％～0.42质量％
C是确保强度所必要的元素，如果不足0.38质量％，则不能确保强 度。另一方面，如果超过0.42质量％，则硬度过高，切削加工性变差。
Si：0.15质量％～0.35质量％
Si是作为钢熔炼时的脱氧剂而含有的，且是提高疲劳强度的元素。 如果不足0.15质量％，则得不到期望的效果；如果超过0.35质量％而添 加大量，则会使铁素体相硬化，矫正性变差。
Mn：0.45质量％～0.6质量％
Mn是提高可切削性的Mn系硫化物的必要构成元素。如果不足0.45 质量％，则Mn系硫化物的生成量不足，可切削性不充分。另一方面，如 果超过0.6质量％，则硬度过高，可切削性反而降低。
S：0.04质量％～0.06质量％
S和Mn都是提高可切削性的Mn系硫化物的必要构成元素。如果不 足0.04质量％，则硫化物的生成量不足，可切削性不充分。另一方面， 如果超过0.06质量％，则除了钢的韧性和延性受损以外，在热锻造时容 易产生裂纹等。
Ca：0.0010质量％～0.0050质量％
如后面所述，本发明中采用的钢减少了以往作为提高可切削性元素 而积极添加的铅，具体来说铅的量控制在不可避免的杂质的量的水平即 0.03质量％或者0.03质量％以下。Ca是为了弥补由此引起的可切削性降 低而添加的，要起到显著效果，含量必须大于等于0.0010质量％。另一 方面，添加超过0.0050质量％的过量的Ca会大量地产生高熔点的CaS， 从而对熔炼的铸造工序带来很大的障碍。另外，作为提高可切削性的元 素，Bi、Te也是公知的，但是Ca由于其一部分在MnS中固熔，可以抑 制热锻造时的硫化物的变形，因而可切削性的提高效果会更显著。
Ti：0.0050质量％～0.0120质量％
Ti和钢中的O结合，形成微细的氧化物。由于其对Mn系硫化物的 析出起到核的作用，因而如后面所述有益于使Mn系硫化物微细地分散。 并且，Ti也会和钢中的C、N结合，形成微细的氮化物或者碳氮化物。 其具有防止曲柄轴热锻造时的奥氏体结晶粒的粗大化、在冷却后的铁素 体+珠光体组织中促进铁素体的析出以及使珠光体结晶粒微细化的作用。 如果不足0.0050质量％，则不能发挥该效果；如果超过0.0120质量％， 则会生成粗大的Ti氮化物，其成为应力集中源，会使部件的疲劳强度降 低。
Ti/N(质量含量比)：0.25～1.2
为了防止奥氏体结晶粒的粗大化而谋求珠光体结晶粒的微细化，需 要以一定量微细地分散形成Ti的氮化物或者碳氮化物，从而Ti和N的 含有比例是重要的。Ti/N的比率不足0.25时，氮化物或者碳氮化物的生 成不充分，会产生珠光体结晶粒的粗大化。另一方面，如果Ti/N的比率 超过1.2，则会生成大型的氮化物或者碳氮化物，其成为破坏的起点，会 使部件的疲劳强度降低。并且，为了既满足上述的Ti含量的范围又使 Ti/N为0.25～1.2，需要N含量为0.0042质量％～0.0480质量％。
Pb：小于等于0.03质量％
如前所述Pb的使用正在受到限制，期望其含量极少。在汽车行业， 定义含有0.04质量％～0.09质量％的Pb的铅快削钢为“半铅钢”，并确 认了其切削性改善效果。另外，在制钢工序中，存在小于等于0.03质量 ％的微量的Pb由废钢或者合金等混入的可能性。因而，在本发明中，超 过0.03质量％的Pb被认为是特意添加的，而作为杂质不可避免地混入小 于等于0.03质量％的铅定义为所谓“非铅”。
另外，在本发明中使用的钢中，在不损害本发明上述效果的范围还 可以含有上述必要成分以外的成分，例如Cu、Ni、P和O等。Cu及Ni 要是达到0.10质量％左右，也存在由废钢等以不可避免的杂质而混入的 可能性。并且，P及O是制钢工序中可作为不可避免的杂质而混入的元 素，但是由于P会使钢的韧性降低，因而使其含量小于等于0.0030质量％。
作为存在于非调质快削钢的内部的夹杂物，芯部为Ca、Mg、Si或者 Al的氧化物，从改善钢的可切削性的角度考虑，优选形成含CaS的MnS 包围氧化物周围的二重结构粒子。此时，钢的含氧量如果不足0.0005质 量％，则成为二重结构粒子芯部(核)的氧化物不足，进而由形成该二重结 构粒子所引起的可切削性提高的效果并非显著。另一方面，O钢的含氧 量如果超过0.01质量％，则形成的氧化物的熔点下降，会大量产生并不 作为二重结构粒子芯部而发挥作用的游离形态的氧化物，因而可切削性 提高的效果同样不显著。因此，优选将钢的含氧量调整至大于等于0.0005 质量％小于等于0.01质量％。
进而，设定S含量为WS(质量％)、O含量为WO(质量％)，上述钢优 选WS/WO被调整为8～50。通过将WS/WO调整至上述范围，以二重 结构粒子为主体的夹杂物的形成形态被正常化，从而可以实现与以往的 铅系快削钢相匹敌的可切削性(以下有时仅将WS/WO表示为“S/O”)。
另外，从既可以实现抑制脱碳又可以充分地降低变形抵抗从而效率 良好地进行期望的曲柄轴形状的加工的角度考虑，可以在温度为1000 ℃～1300℃(当然大于等于Al相变点)实施热锻造。而且，在通过空气冷 却进行该热锻造后的冷却时，对于以适用于曲轴销的外径为30mm～ 60mm的汽车用曲柄轴为前提的情况，通过A3相变点时的冷却速度为30 ℃/分～150℃/分。再者，为了得到铁素体+珠光体组织，钢的贝氏体生成 的临界冷却速度需要比上述冷却速度范围的上限值还要大，采用的钢的 上述必要成分的含量、副成分的种类及含量如上述调整贝氏体生成的临 界冷却速度那样进行选定。
硫化物个数：每160mm2视野面积中为12000个～31000个
含有的形成硫化物的Mn量大于等于0.45质量％时，硫化物总体积 依赖于S含量。如果前提是总体积量为恒定，则硫化物的个数增加意味 着硫化物的微细化。硫化物成为切削时的应力集中源，从而有助于提高 切削的破碎性。随着硫化物数目增加，应力集中源的数增加，从而使切 削的破碎性提高。如果每160mm2视野面积中硫化物不足12000个，切削 的破碎不充分，生成的长的切屑会缠绕在曲柄轴自身上，或者产生堵塞， 从而阻碍切削工序的进行。另一方面，如果硫化物个数超过31000个， 硫化物过于微细化，从而增加切削工具的磨耗。
在铁素体+珠光体组织上，形成组织的珠光体结晶粒的平均尺寸为14 μm～20μm
为了修正在热锻造、软氮化处理中产生的应变而实施矫正，但此时 铁素体+珠光体组织的珠光体结晶粒的平均尺寸如果超过20μm，则韧性 会降低，得不到充分的矫正性。另一方面，如果珠光体结晶粒的平均尺 寸不足14μm，则从细小的结晶粒的边界生成的铁素体增加，从而产生 由硬度降低引起的强度不足的不良情况。
附图说明
图1是表示曲柄轴的一例的正面图；
图2是将发明例5的硫化物形态和比较例6的硫化物形态进行比较 所示出的光学显微镜观察图像；
图3是将发明例5的结晶粒和比较例6的结晶粒进行比较所示出的 光学显微镜观察图像。
具体实施方式
图1表示本发明曲柄轴的一例。该曲柄轴1具有曲轴臂2由曲轴主 轴颈4和曲轴销5交替地连结的结构，所述曲轴臂2以规定间隔配置在 旋转轴线O的方向上，所述曲轴主轴颈4是以旋转轴线O和中心轴线一 致的方式配置的，所述曲轴销5在沿半径方向距离旋转轴线O一定距离 的位置具有中心轴线。在曲轴销5上形成有注油用的孔部8。曲轴臂2形 成有基面形成部，其上邻接曲轴臂2对置的面被制成平面状的基面2a。 在曲轴主轴颈4和曲轴销5(轴状部)的突出基端部形成有朝向基面2a侧其 外径逐渐增大的角焊缝(fillet)部7。突出基端缘是凹状的，弯曲负荷作 用时应力容易集中，但是如果事先形成如上所述的角焊缝部7，则可以缓 和应力集中，提高弯曲强度。
曲轴主轴颈4和曲轴销5均被形成圆形截面的轴状，已述组成的钢 热锻造后，在其整个外周面形成软氮化处理层。这样的曲柄轴1如下那 样形成。首先，为了得到已详细说明的组成的钢，将原料溶解并锻造后， 再对分块的钢坯料进行热锻造，然后空气冷却。通过在常压大气中的空 气冷却，可以得到铁素体+珠光体组织；通过采用上述的组成，可以得到 每160mm2视野面积中观察到的尺寸大于等于1μm的硫化物的总数为 12000～31000个并且形成组织的珠光体结晶粒的平均尺寸为14μm～20 μm的组织。
随后，通过切削而加工成曲柄轴形状，由于如上所述调整硫化物总 数，所以钢的可切削性得到提高且切削破碎性也良好，因而尽管Pb含量 低也可以非常高效地进行切削加工。该切削加工之后，将部件在氨气的 气氛中实施软氮化处理。然后，实施使用了矫正辊等的众所周知的冷矫 正加工，从而矫正在软氮化处理时部件产生的变形或者应变等。本发明 中采用的钢即使在软氮化处理后内部也可以保持珠光体结晶粒的平均尺 寸为14μm～20μm的组织。由此，可以容易地进行软氮化后的矫正处 理。
实施例
以下为了确认本发明的效果对已进行的实验结果进行说明。
首先，配合原料以得到表1中所示的组成，在电炉中熔炼5吨的钢 块。通过热压延将该钢块做成直径88mm的压延棒钢，再在1250℃加热 而热锻造成曲柄轴的形状后，通过空气冷却进行冷却。对该冷却后的部 件实施以深孔钻进行的开孔加工，将异常噪音或工具折损而导致不能切 削为止的加工孔数作为切削性的指标进行评价。另外，对于切削，使用 直径6mm的超硬合金制深孔钻，切削条件如下：
切削速度：150m/分
进给：0.04mm/旋转
孔深度：60mm
表1
区分 化学成分(重量％) 硫化物数 (个/mm2) C Si Mn S Ca Ti S/O Ti/N 发明例1 0.39 0.27 0.48 0.058 0.0016 0.0053 25.2 0.35 29394 发明例2 0.41 0.26 0.59 0.060 0.0019 0.0052 21.4 0.40 22778 发明例3 0.35 0.13 0.40 0.043 0.0007 0.0054 47.8 0.45 16649 发明例4 0.40 0.35 0.56 0.045 0.0044 0.0112 11.8 0.70 18439 发明例5 0.44 0.38 0.68 0.069 0.0048 0.0090 16.8 0.81 30785 发明例6 0.39 0.28 0.55 0.0043 0.0048 0.0066 7.7 0.41 18439 比较例1 0.38 0.22 0.48 0.058 0.0025 0.0057 22.3 0.39 13002 比较例2 *0.31 0.29 0.55 0.042 0.0023 0.0085 26.3 0.53 14290 比较例3 0.45 0.16 *0.84 0.061 0.0041 0.0113 13.9 1.03 26827 比较例4 0.44 0.32 0.61 *0.034 0.0009 0.0051 56.7 0.30 *8938 比较例5 0.42 0.22 0.53 0.056 *0.0003 0.0064 22.4 0.46 18342 比较例6 0.38 0.18 0.52 0.040 0.0033 *0.0008 12.9 *0.06 *6438 比较例7 0.39 0.28 0.46 0.054 0.0028 *0.0220 18.6 0.85 21384 比较例8 0.35 0.34 0.58 0.055 0.0018 0.0060 36.7 *0.22 20233 比较例9 0.40 0.26 0.50 0.055 0.0014 0.0051 42.3 0.33 *11526 *标记表示本发明的范围以外。
将上述各组成的钢同样地热锻造成曲柄轴的形状后，再进行包括深 孔钻开孔的机械加工，然后在氨气的气氛中在560℃保持120分钟以实施 气体软氮化处理，做成实用曲柄轴。得到的曲柄轴以支点间距离为400mm 而支撑两端部，同时通过向中央轴颈部施加集中荷重而进行3点弯曲试 验。在该试验中，施加载荷直至在中央轴颈部产生龟裂，求出直至产生 龟裂的最大弯曲量以此作为该曲柄轴的弯曲矫正性。
接着，准备同样地实施了气体软氮化处理的实用曲柄轴，实施旋转 弯曲疲劳试验。不断改变最大负荷荷重而进行该试验，求出旋转1000万 次不产生破坏的最大负荷荷重以此作为疲劳强度。以上结果示于表2中。 并且，各部件在和曲轴销的中心轴线正交的截面切断并进行镜面抛光后， 通过已说明的方法测定硫化物数(每160mm2视野面积)。另外，用苦味酸 蚀刻同样的组织，再通过已说明的方法测定铁素体+珠光体组织的珠光体 结晶粒的平均尺寸。硫化物数的结果示于表1中，珠光体结晶粒的平均 尺寸的结果示于表2中。
表2
区分 珠光体结晶粒的 平均尺寸(μm) 切削性 (孔) 切屑 破碎性 弯曲矫正性 (mm) 疲劳强度 (MPa) 发明例1 17 830 OK 4.52 540 发明例2 19 630 OK 4.63 570 发明例3 18 900 OK 5.32 510 发明例4 15 620 OK 6.21 570 发明例5 14 540 OK 6.09 600 发明例6 18 350 OK 4.19 540 比较例1 *23 610 OK 3.38 540 比较例2 20 950 OK 6.16 450 比较例3 16 240 OK 3.49 570 比较例4 16 200 NG 4.38 540 比较例5 18 150 OK 4.22 570 比较例6 *28 710 NG 2.74 510 比较例7 *22 560 OK 3.66 450 比较例8 17 690 OK 4.51 420 比较例9 20 740 NG 4.04 510 *标记表示本发明的范围以外。
由该结果可以清楚地知道，使用了组成、硫化物数和珠光体结晶粒 的平均尺寸的任何之一在本发明的范围以外的比较例1～9的钢的曲柄 轴，其切削性、切削破碎性、弯曲矫正性及疲劳强度的任何之一都达不 到作为曲柄轴部件所必需的标准；与此相反，使用了组成、硫化物数和 珠光体结晶粒的平均尺寸满足本发明要件的发明例1～6的钢的曲柄轴， 均具有超过500个孔的良好的切削性，对切削的部件没有缠绕或者堵塞， 并具有大于等于4mm的弯曲矫正性和大于等于500MPa的疲劳强度。特 别是，在S/O为8～50的发明例1～5中，效果显著。另外，图2是将发 明例5的硫化物形态和比较例6的硫化物形态进行比较所示出的光学显 微镜观察图像(倍率200倍)。图3是将发明例5的结晶粒和比较例6的结 晶粒进行比较所示出的光学显微镜观察图像(倍率400倍)。
曲轴主轴颈4和曲轴销5均被形成圆形截面的轴状，已述组成的钢 热锻造后，在其整个外周面形成软氮化处理层。这样的曲柄轴1如下那 样形成。首先，为了得到已详细说明的组成的钢，将原料溶解并锻造后， 再对分块的钢坯料进行热锻造，然后空气冷却。通过在常压大气中的空 气冷却，可以得到铁素体+珠光体组织；通过采用上述的组成，可以得到 每160mm2视野面积中观察到的尺寸大于等于1μm的硫化物的总数为 12000～31000个并且形成组织的珠光体结晶粒的平均尺寸为14μm～20 μm的组织。
随后，通过切削而加工成曲柄轴形状，由于如上所述调整硫化物总 数，所以钢的可切削性得到提高且切削破碎性也良好，因而尽管Pb含量 低也可以非常高效地进行切削加工。该切削加工之后，将部件在氨气的 气氛中实施软氮化处理。然后，实施使用了矫正辊等的众所周知的冷矫 正加工，从而矫正在软氮化处理时部件产生的变形或者应变等。本发明 中采用的钢即使在软氮化处理后内部也可以保持珠光体结晶粒的平均尺 寸为14μm～20μm的组织。由此，可以容易地进行软氮化后的矫正处 理。
实施例
以下为了确认本发明的效果对已进行的实验结果进行说明。
首先，配合原料以得到表1中所示的组成，在电炉中熔炼5吨的钢 块。通过热压延将该钢块做成直径88mm的压延棒钢，再在1250℃加热 而热锻造成曲柄轴的形状后，通过空气冷却进行冷却。对该冷却后的部 件实施以深孔钻进行的开孔加工，将异常噪音或工具折损而导致不能切 削为止的加工孔数作为切削性的指标进行评价。另外，对于切削，使用 直径6mm的超硬合金制深孔钻，切削条件如下：
切削速度：150m/分
进给：0.04mm/旋转
孔深度：60mm
表1
区分 化学成分(重量％) 硫化物数 (个/mm2) C Si Mn S Ca Ti S/O Ti/N 发明例1 0.39 0.27 0.48 0.058 0.0016 0.0053 25.2 0.35 29394 发明例2 0.41 0.26 0.59 0.060 0.0019 0.0052 21.4 0.40 22778 发明例3 0.35 0.13 0.40 0.043 0.0007 0.0054 47.8 0.45 16649 发明例4 0.40 0.35 0.56 0.045 0.0044 0.0112 11.8 0.70 18439 发明例5 0.44 0.38 0.68 0.069 0.0048 0.0090 16.8 0.81 30785 发明例6 0.39 0.28 0.55 0.0043 0.0048 0.0066 7.7 0.41 18439 比较例1 0.38 0.22 0.48 0.058 0.0025 0.0057 22.3 0.39 13002 比较例2 *0.31 0.29 0.55 0.042 0.0023 0.0085 26.3 0.53 14290 比较例3 0.45 0.16 *0.84 0.061 0.0041 0.0113 13.9 1.03 26827 比较例4 0.44 0.32 0.61 *0.034 0.0009 0.0051 56.7 0.30 *8938 比较例5 0.42 0.22 0.53 0.056 *0.0003 0.0064 22.4 0.46 18342 比较例6 0.38 0.18 0.52 0.040 0.0033 *0.0008 12.9 *0.06 *6438 比较例7 0.39 0.28 0.46 0.054 0.0028 *0.0220 18.6 0.85 21384 比较例8 0.35 0.34 0.58 0.055 0.0018 0.0060 36.7 *0.22 20233 比较例9 0.40 0.26 0.50 0.055 0.0014 0.0051 42.3 0.33 *11526 *标记表示本发明的范围以外。
将上述各组成的钢同样地热锻造成曲柄轴的形状后，再进行包括深 孔钻开孔的机械加工，然后在氨气的气氛中在560℃保持120分钟以实施 气体软氮化处理，做成实用曲柄轴。得到的曲柄轴以支点间距离为400mm 而支撑两端部，同时通过向中央轴颈部施加集中荷重而进行3点弯曲试 验。在该试验中，施加载荷直至在中央轴颈部产生龟裂，求出直至产生 龟裂的最大弯曲量以此作为该曲柄轴的弯曲矫正性。
接着，准备同样地实施了气体软氮化处理的实用曲柄轴，实施旋转 弯曲疲劳试验。不断改变最大负荷荷重而进行该试验，求出旋转1000万 次不产生破坏的最大负荷荷重以此作为疲劳强度。以上结果示于表2中。 并且，各部件在和曲轴销的中心轴线正交的截面切断并进行镜面抛光后， 通过已说明的方法测定硫化物数(每160mm2视野面积)。另外，用苦味酸 蚀刻同样的组织，再通过已说明的方法测定铁素体+珠光体组织的珠光体 结晶粒的平均尺寸。硫化物数的结果示于表1中，珠光体结晶粒的平均 尺寸的结果示于表2中。
表2
区分 珠光体结晶粒的 平均尺寸(μm) 切削性 (孔) 切屑 破碎性 弯曲矫正性 (mm) 疲劳强度 (MPa) 发明例1 17 830 OK 4.52 540 发明例2 19 630 OK 4.63 570 发明例3 18 900 OK 5.32 510 发明例4 15 620 OK 6.21 570 发明例5 14 540 OK 6.09 600 发明例6 18 350 OK 4.19 540 比较例1 *23 610 OK 3.38 540 比较例2 20 950 OK 6.16 450 比较例3 16 240 OK 3.49 570 比较例4 16 200 NG 4.38 540 比较例5 18 150 OK 4.22 570 比较例6 *28 710 NG 2.74 510 比较例7 *22 560 OK 3.66 450 比较例8 17 690 OK 4.51 420 比较例9 20 740 NG 4.04 510 *标记表示本发明的范围以外。
由该结果可以清楚地知道，使用了组成、硫化物数和珠光体结晶粒 的平均尺寸的任何之一在本发明的范围以外的比较例1～9的钢的曲柄 轴，其切削性、切削破碎性、弯曲矫正性及疲劳强度的任何之一都达不 到作为曲柄轴部件所必需的标准；与此相反，使用了组成、硫化物数和 珠光体结晶粒的平均尺寸满足本发明要件的发明例1～6的钢的曲柄轴， 均具有超过500个孔的良好的切削性，对切削的部件没有缠绕或者堵塞， 并具有大于等于4mm的弯曲矫正性和大于等于500MPa的疲劳强度。特 别是，在S/O为8～50的发明例1～5中，效果显著。另外，图2是将发 明例5的硫化物形态和比较例6的硫化物形态进行比较所示出的光学显 微镜观察图像(倍率200倍)。图3是将发明例5的结晶粒和比较例6的结 晶粒进行比较所示出的光学显微镜观察图像(倍率400倍)。
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