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日本制铁公司关西制铁所炼钢地区（大阪市此花区），热锻造以铁路用车轮、车轴为主，汽车前桥减速器等汽车用部件和冷轧辊等工业机械品。其中之一是当地的主力产品曲轴，主要面向私家车、商用车和船舶，有各种形状和尺寸，根据其使用用途要求各种特性。

近年来，由于CO₂和NO_x等排放规则的强化，发动机的筒内压增加，因此要求曲轴高强化。另外，由于发动机油的低粘度和发动机频繁启动的混合动力（HV）车增加，曲轴的耐磨损性和耐热胶着性的要求比以往更高。因此，对应力集中的圆角部和曲轴颈轴承合金滑动的曲柄销和曲轴轴颈进行高频淬火，硬化表面的高频淬火正在成为曲轴（以下称IH曲轴）制造的主流。本文介绍IH曲轴的制造工艺、材料成分、组织及母材、淬火组织的特性及控制方法。

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2.1 制造工艺

对日本制铁的制铁所制造的高品质钢材进行棒钢轧制，整形为模锻用圆棒（方坯），用本地区内的冲压线和铁锤进行热模锻。在热模锻工序中，通过高频淬火等工艺，加热到1250-1280℃后，经过预成型、预粗锻、精锻和切边等工序，通过输送机等自然冷却（空冷），制造形状和母材组织。在20世纪90年代，基本是采用热锻造后进行淬火回火和正火等热处理方式获得材料所需的特性。但现在是通过控制材料成分和锻造条件等，在省略这些热处理的同时，又保证同等材料特性的非调质曲轴已成为普通的做法。

热锻造后的曲轴发货给汽车厂家等，在此机械加工后进行包括高频淬火的表面硬化处理。最后对曲轴销和曲轴轴承颈等滑动部位按图纸要求的精度研磨加工，作为完成品装入发动机。

2.2 曲轴用钢的化学成分

现在主要的IH曲轴用非调质钢，代表性的钢种如表1所示。IH曲轴用的非调质钢主要使用中碳钢，碳（C）强化母材和淬火层；硅（Si）强化母材的铁素体组织；锰（Mn）、铬（Cr）和钼（Mo）提高淬透性。按照需要添加（V），可以进一步强化母材。因为曲轴要进行油孔的穿孔加工等各种机械加工，为了提高切削性，添加铅（Pb）、硫（S），但近年从适应环境法规的观点，不添加Pb，控制硫化物形状，改善切削性的无Pb材成为主流。

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曲轴是在热锻造后进行各种机械加工完成，因此对母材切削性的要求非常大。此外，在发动机内部反复施加负荷时，为了抑制来自母材的疲劳破坏，需要在保证切削性的同时确保必要的母材硬度。非调质曲轴的母材特性由材料成分和热锻造条件以及之后的冷却条件决定，在其后的工序中基本没有变化。因此，热锻工序的制作技术很重要，要求加热温度、锻造条件和冷却速度的最优化。

3.1 母材组织的控制方法

一般的马氏体和贝氏体的硬质组织切削性差，因此抑制这些组织，需要控制铁素体、珠光体。38MnVS6的连续冷却相变曲线（CCT）示于图1。在部件中，即使从冷却速度最大的表面假定最小的中心部，也不会出现贝氏体和马氏体，必须控制冷却条件。此外，因CCT受Mn、Cr、Mo量影响的变化，因此适当调整这些化学成分和前面所述的冷却速度，制作成适当的组织。

3.2 母材硬度的控制方法

作为添加元素的母材硬度控制指标，一般使用碳等量。这是结合C和其他微合金元素对母材的固化作用的指示。根据部件的尺寸和形状，提出各个碳等量式。

为了控制非调质钢的母材硬度，锻造条件的控制也非常重要。除了冷却速度外，根据加热温度和锻造温度的不同，母材硬度也有很大变化。在添加V的材料中，如果V系碳氮化物加热到充分固溶温度以上，不能充分获得析出硬化母材硬度的提高效果。

锻造温度越低，则硬度处于下降的倾向。这是因为锻造温度越低，锻造后的奥氏体（γ）粒径变小。相变时γ晶界成为软质初始铁素体的成核位点，所以γ粒径变小，因此γ晶界密度越大，相变后的母材初析铁素体分率增加。但是，曲轴需要通过热锻造使之塑性变形为复杂的形状，因此需要适度的高温加热，通过加热加大钢的变形能。需要注意的是，如果温度过高，过热（热延性显著降低的状态）发生，有时会发生裂纹。这样，需要根据必要的母材硬度和母材组织，适当设计添加元素和锻造条件以及锻造后的冷却速度。

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IH通过感应加热快速加热钢材表面，然后通过急冷将表面组织从软质的铁素体、珠光体转变为硬质马氏体，是给予高疲劳强度、耐磨损性和耐热胶着性的技术。商用车、轿车和建设机械产品成为曲轴表面硬化方法的主流。淬火部的特性是由主要材料成分和IH时的热处理条件决定，因此除了添加元素以外，还需要适当控制IH时的温度和加热时间。

4.1 淬火部组织控制方法

IH曲轴的微观组织照片显示，母材是由沿原始γ粒径析出的初析铁素体和珠光体组成的复合组织，另一方面的淬火部为由马氏体构成的均匀组织。为了获得这种均匀的马氏体组织，组织中的铁素体、珠光体一旦全部相变为奥氏体的温度（Ac3点）以上，需要加热表面整体。图2是38MnS6的时间-温度奥氏体化图（TTA）。IH加热时的保持时间越短，Ac3点增大，加热时不转变的铁素体残存，因此需要控制保持温度和保持时间。

4.2 淬火部硬度控制方法

淬火是利用相变的强化方法，因此有随着相变的热处理变形（淬火变形）和淬裂的风险。随着C添加量增加，变形量也增加，变形和开裂的风险增大。而且淬火部的硬度过高，由于磨削加工时的发热，淬火部受到回火作用，有可能发生磨削烧伤。因此，在考虑到必要的疲劳强度、淬火弯曲、研磨烧伤风险的基础上，来决定C添加量。

4.3 IH曲轴淬火部的特性

图3是倒角间的残余应力分布。IH曲轴淬火部硬化层有数毫米左右，非常厚，而且随着马氏体相变的淬火部体积膨胀，表面发生非常大的压缩残余应力。据此，IH曲轴具有非常高的疲劳强度。

此外，曲轴与轴承的强力金属接触时，发生强烈的相互融合现象（热胶着）。对于曲轴的耐热胶着性，认为通过淬火提高滑动部的硬度是有效的。但是，对于滑动部，因为对方的材料轴承非常软，所以滑动部的算术平均粗糙度（Ra）大，因此容易引起金属接触时，轴承表面损伤诱发热胶着。

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本文从主要材料的立场出发，介绍了IH曲轴制造工艺和成分设计、母材、淬火部的控制方法。

今后，从环境法规的观点来看，预计向电动汽车（EV）的转移将会加快。但是，估计在短期内将主要是采用发动机作为动力的HV汽车。HV车中发动机的启动频率增加，所以与通常的汽油车相比，轴部的耐磨损性、耐热胶着性需要严峻的使用环境考验。此外，为了降低发动机的摩擦损失，发动机油的低粘度化，进一步将滑动部宽度变窄，降低了摩擦力，预计对耐磨损性和耐胶着性的要求将更加严格，需要开发进一步提高耐磨损性和耐胶着性技术。

另一方面，不将HV和增程器作为动力源而作为发动机使用的汽车不断增加。原来的发动机有从低回转区域覆盖高回转区域的需要，但在这些发动机中，能效良好旋转区域的运转占大部分。在这样的汽车中，与高回转域的疲劳特性相比，估计一定回转时的摩擦降低需求提高，需要开发淬火部表面粗糙度控制和涂层的摩擦降低技术。

此外，随着生命周期评估（LCA）想法的渗透，要求减少制造工艺的CO₂排放量。IH和曲轴在机械加工时使用大量电力，因此必须开发钢材Ac3点降低来降低IH成本和提高切削性为目标的材料。