JP7462781B2 - クランクシャフト - Google Patents

Description

本発明は、クランクシャフトに関する。

クランクシャフトには、疲労強度及び耐摩耗性を向上させるため、高周波焼入れや軟窒化による表面硬化処理が行われる場合がある。

特開平１－３０３３０９号公報には、シャフト部、ブッシュ部、フライホイール部、ピン部、及びウェブ部を各々分割して製造し、これらを溶接して一体とするとともに焼入れ焼戻し後機械加工を行うクランクシャフトの製造方法が開示されている。

特開平７－３４１３４号公報には、含有炭素量を少なく抑えた非調質鋼を用いて形成されたクランクシャフトに対し、焼入れ硬さがＨＶ４００～５００未満となるように高周波焼入れ焼戻しを行った後、表面硬化層の硬さがＨＶ５００～７００となるように表面塑性加工を行うクランクシャフトの表面処理方法が開示されている。

特許第４３３２０７０号公報には、大型鍛鋼品用高強度鋼及び同鋼からなる大型クランク軸が開示されている。同公報には、鍛鋼品用鋼を８７０℃まで加熱後、２０℃／分の冷却速度で冷却（焼入れ）し、５８０～６３０℃で焼戻しすることが記載されている。

国際公開第２０１７／５６８９６号には、クランク軸粗形材、窒化クランク軸及びその製造方法が開示されている。同公報には、Ａ_３点よりも１０℃低い温度以上の温度で焼入れし、５５０℃以上Ａ_１点以下の温度で焼戻しすることが記載されている。

特開平１－３０３３０９号公報 特開平７－３４１３４号公報 特許第４３３２０７０号公報 国際公開第２０１７／５６８９６号

クランクシャフトには、疲労強度や耐摩耗性に加えて、耐焼付性が要求される。近年、燃費効率向上を目的として潤滑油の低粘度化やクランクシャフト摺動部の細軸化が進んでおり、クランクシャフトには、より優れた耐焼付性が求められている。

本発明の目的は、耐焼付性に優れたクランクシャフトを提供することである。

本発明の一実施形態によるクランクシャフトは、ジャーナル部及びピン部を備えるクランクシャフトであって、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．３５～０．４０％、Ｓｉ：０．７０％以下、Ｍｎ：１．００～２．００％、Ｃｒ：０．５０％以下、Ａｌ：０．０５０％以下、Ｎ：０．０２０％以下、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．００５～０．２００％、残部：Ｆｅ及び不純物、であり、前記ジャーナル部及び前記ピン部の各々は、表面の組織が８０体積％以上の焼戻しマルテンサイトを含む組織であり、表面の硬さがＨＶ４５０以下である。

本発明によれば、耐焼付性に優れたクランクシャフトが得られる。

図１は、本発明の一実施形態によるクランクシャフトの概略図である。 図２は、ジャーナル部及びピン部の一部の拡大図である。 図３は、図１のクランクシャフトの製造方法の一例を示すフロー図である。 図４は、焼付試験で使用した評価装置の模式図である。 図５は、試験軸に加えた面圧の時間変化の模式図である。 図６は、表面硬さと焼付面圧との関係を示すグラフである。 図７は、表面硬さと焼付面圧との関係を示すグラフである。

耐焼付性を向上させるためには、摺動部品のうち軟質材の表面硬さを向上させる必要があると言われている。クランクシャフトにおいても、軟質材である軸受メタルの表面硬さを向上させて耐焼付性を向上させた例がある。一方、硬質材であるクランクシャフトのピン部及びジャーナル部の表面硬さと耐焼付性との関係は、これまで系統的に調べられていなかった。

一般的には、表面硬さを高くすることで耐摩耗性が向上し、耐焼付性も向上すると考えられている。しかし本発明者らの調査によれば、この予想に反し、ピン部及びジャーナル部の表面硬さが低いほど耐焼付性が向上するという結果が得られた。

本発明は、この知見に基づいて完成された。以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。

［クランクシャフト］
図１は、本発明の一実施形態によるクランクシャフト１０の概略図である。クランクシャフト１０は、ジャーナル部１１、ピン部１２、及びアーム部１３を備えている。

ジャーナル部１１は、シリンダブロック（不図示）と連結される。ピン部１２は、コネクティングロッド（不図示）と連結される。アーム部１３は、ジャーナル部１１とピン部１２とを接続する。ジャーナル部１１及びピン部１２は、それぞれシリンダブロック及びコネクティングロッドに形成された軸受と摺動する。

［化学組成］
クランクシャフト１０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、質量％を意味する。

Ｃ：０．３５～０．４０％
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０．３５～０．４０％である。

Ｓｉ：０．７０％以下
シリコン（Ｓｉ）は、鋼を脱酸する。一方、Ｓｉ含有量が高すぎると、被削性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．７０％以下である。Ｓｉ含有量の下限は、好ましくは０．０１％である。Ｓｉ含有量の上限は、好ましくは０．５０％である。

Ｍｎ：１．００～２．００％
マンガン（Ｍｎ）は、鋼の焼入れ性を高める。一方、Ｍｎ含有量が高すぎると、被削性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は１．００～２．００％である。

Ｃｒ：０．５０％以下
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、被削性が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は０．５０％以下である。Ｃｒ含有量の下限は、好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０５％である。Ｃｒ含有量の上限は、好ましくは０．３０％である。

Ａｌ：０．０５０％以下
アルミニウム（Ａｌ）は、鋼を脱酸する。一方、Ａｌ含有量が高すぎると、被削性が低下する。したがって、Ａｌ含有量は０．０５０％以下である。Ａｌ含有量の下限は、好ましくは０．００１％である。

Ｎ：０．０２０％以下
窒素（Ｎ）は、不純物である。Ｎは、鋼の熱間延性を低下させる。したがって、Ｎ含有量は０．０２０％以下である。一方、Ｎ含有量を過剰に制限すると製錬コストが増加する。Ｎ含有量の下限は、好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００５％である。

Ｐ：０．０２０％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０．０２０％以下である。

Ｓ：０．００５～０．２００％
硫黄（Ｓ）は、ＭｎＳを形成し、鋼の被削性を高める。一方、Ｓ含有量が高すぎると、鋼の熱間加工性が低下する。したがって、Ｓ含有量は０．００５～０．２００％である。

クランクシャフト１０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。

［組織］
ジャーナル部１１及びピン部１２の各々は、表面の組織が８０体積％以上の焼戻しマルテンサイトを含む組織であり、表面の硬さがＨＶ４５０以下である。ジャーナル部１１及びピン部１２の表面の組織を８０体積％以上の焼戻しマルテンサイトを含む組織とし、かつ、表面の硬さをＨＶ４５０以下にすることで、耐焼付性が顕著に向上する。

ジャーナル部１１及びピン部１２の表面の組織の特定において、セメンタイトは、焼戻しマルテンサイトとは独立した組織として扱うものとする。ジャーナル部１１及びピン部１２の表面の組織は、１０体積％以上のセメンタイトを含むことが好ましい。ジャーナル部１１及びピン部１２の表面の組織のセメンタイトの体積率は、好ましくは１２体積％以上であり、さらに好ましくは１５体積％以上である。セメンタイトは、粒状に微細に分散していることが好ましい。

ジャーナル部１１及びピン部１２の表面の硬さは、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（２００９）に準拠して測定する。試験力は３００ｇｆ（２．９４２Ｎ）とする。ジャーナル部１１及びピン部１２の表面の硬さは、好ましくはＨＶ４００以下であり、より好ましくはＨＶ３５０以下であり、さらに好ましくはＨＶ３００以下であり、さらに好ましくはＨＶ２５０以下である。ジャーナル部１１及びピン部１２の表面の硬さの下限は特に設けないが、例えばＨＶ１８０であり、より好ましくはＨＶ２００である。

ジャーナル部１１及びピン部１２ともに、表面の組織以外の組織は任意である。すなわち、ジャーナル部１１及びピン部１２は、芯部まで８０体積％以上の焼戻しマルテンサイトを含む組織であってもよいし、表面又は表面近傍だけが８０体積％以上の焼戻しマルテンサイトを含む組織であってもよい。

同様に、ジャーナル部１１及びピン部１２ともに、表面以外の硬さは任意である。すなわち、ジャーナル部１１及びピン部１２は、芯部まで硬さがＨＶ４５０以下であってもよいし、表面又は表面近傍の硬さだけがＨＶ４５０以下であってもよい。

耐焼付性等の摺動特性は通常、部品の最表面の特性の影響が支配的である。そのため、ジャーナル部１１及びピン部１２の各々において、最表面の組織が上述した組織であり、最表面の硬さが上述した硬さであれば、耐焼付性向上の効果が得られる。もっとも、より安定して効果を得るためには、ジャーナル部１１及びピン部１２の各々において、表面から深さ１．０ｍｍまでの領域で上述した組織及び硬さであることが好ましい。より好ましくは、表面から深さ２．０ｍｍまでの領域で上述した組織及び上述した硬さであり、さらに好ましくは、表面から深さ３．０ｍｍまでの領域で上述した組織及び上述した硬さである。

ジャーナル部１１及びピン部１２のそれぞれは、表面粗さＲａが０．１００μｍ以下であることが好ましい。ジャーナル部１１及びピン部１２の表面粗さＲａは、より好ましくは０．０８０μｍ以下であり、さらに好ましくは０．０６０μｍ以下である。

図２は、クランクシャフト１０のジャーナル部１１及びピン部１２の一部の拡大図である。クランクシャフト１０は、ジャーナル部１１とアーム部１３との境界、及びピン部１２とアーム部１３との境界に形成されたフィレット部１４をさらに備えている。本明細書では、ジャーナル部１１に隣接したフィレット部と、ピン部１２に隣接したフィレット部とを区別せず、両者をフィレット部１４と呼ぶ。フィレット部１４は、応力集中を緩和するために、滑らかな形状に形成されている。

フィレット部１４は、クランクシャフト１０において、最も強い応力が加わる部分である。クランクシャフト１０の疲労特性は、フィレット部１４の疲労強度の影響が支配的である。また、クランクシャフト１０で問題となる曲げ疲労は、部品の表層部の特性の影響が支配的である。そのため、クランクシャフト１０の疲労強度を高くする観点では、フィレット部１４の表層部の硬さを高くすることが好ましい。

より具体的には、クランクシャフト１０の疲労強度を高くする観点では、フィレット部１４の表面から深さ２ｍｍまでの硬さをＨＶ５８０以上にすることが好ましい。フィレット部１４の表面から深さ２ｍｍまでの硬さは、さらに好ましくはＨＶ６００以上であり、さらに好ましくはＨＶ６５０以上である。フィレット部１４の表面から深さ２ｍｍまでの硬さの上限は特に設けないが、例えばＨＶ８００である。

クランクシャフト１０の疲労強度の向上を目的としてフィレット部１４の硬さを高くする場合であっても、フィレット部１４の表面から深さ２．０ｍｍよりも深い領域の硬さは任意である。すなわち、フィレット部１４は、芯部まで硬さがＨＶ５８０以上であってもよいし、表面から深さ２ｍｍまでの領域の硬さだけがＨＶ５８０以上であってもよい。もっとも、より安定して効果を得るためには、表面から深さ３．０ｍｍまでの領域の硬さをＨＶ５８０以上、ＨＶ６００以上、又はＨＶ６５０以上にすることがより好ましく、表面から深さ４．０ｍｍまでの領域の硬さをＨＶ５８０以上、ＨＶ６００以上、又はＨＶ６５０以上にすることがさらに好ましい。

フィレット部１４の硬さは、クランクシャフト１０の軸方向と平行な断面（縦断面）を測定面とするサンプルを採取し、測定面をＪＩＳ Ｚ ２２４４（２００９）に準拠して測定するものとする。試験力は３００ｇｆ（２．９４２Ｎ）とする。

フィレット部１４の組織は任意である。ただし、クランクシャフト１０の疲労強度向上等のためにフィレット部１４の表層部の硬さをＨＶ５８０以上にする場合、当該領域の組織がマルテンサイトを含む組織であることが好ましい。より具体的には、当該領域の組織が、８０体積％以上のマルテンサイトを含む組織であることが好ましい。当該領域のマルテンサイトの体積率は、より好ましくは９０体積％以上であり、さらに好ましくは９５体積％以上である。

ここでの「マルテンサイト」（フレッシュマルテンサイト）は、焼入れままのマルテンサイト、又はひずみ除去のための低温焼戻しがされたマルテンサイトを意味し、「焼戻しマルテンサイト」と区別されるものとする。「マルテンサイト」と「焼戻しマルテンサイト」とは、析出した金属炭化物やセメンタイトの量及び分散状態を顕微鏡等で観察することによって判別することができる。また、フィレット部１４の表層部の組織の特定において、セメンタイトは、マルテンサイトとは独立した組織として扱うものとする。

ジャーナル部１１、ピン部１２、及びフィレット部１４以外の部分（例えばアーム部１３）の組織や硬さは任意である。

［クランクシャフトの製造方法］
次に、クランクシャフト１０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、クランクシャフト１０の製造方法を限定するものではない。

図３は、クランクシャフト１０の製造方法の一例を示すフロー図である。この製造方法は、素材を準備する工程（ステップＳ１）、熱間鍛造工程（ステップＳ２）、熱処理工程（ステップＳ３）、機械加工工程（ステップＳ４）、焼入れ工程（ステップＳ５）、焼戻し工程（ステップＳ６）、及び仕上加工工程（ステップＳ７）を備えている。以下、各工程を詳述する。

クランクシャフト１０の素材を準備する（ステップＳ１）。素材は、例えば棒鋼である。素材は例えば、所定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。

素材を熱間鍛造してクランクシャフトの粗形状にする（ステップＳ２）。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、必要に応じて焼準し等の熱処理を実施する（ステップＳ３）。熱処理工程（ステップＳ３）は任意の工程であり、クランクシャフトの要求特性等によってはこの工程を省略してもよい。

クランクシャフトの粗形品を機械加工する（ステップＳ４）。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。

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（ステップＳ５）。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。ただし、局所的に加熱する場合、少なくともジャーナル部１１、ピン部１２、及びフィレット部１４が加熱されるようにすることが好ましい。この焼入れは、複数回に分けて実施してもよい。加熱温度は、好ましくはＡｃ_３点以上であり、より好ましくは９００℃以上である。

このとき、フィレット部１４の表層部の硬さがＨＶ５８０以上になるようにすることが好ましい。フィレット部１４の表層部の硬さは、素材の化学組成や、焼入れ時の冷却速度によって調整することができる。具体的には、Ｃ等の焼入れ性に寄与する元素の含有量を高くするか、冷却速度を大きくすれば、フィレット部１４の表層部の硬さは高くなる。なお、焼入れでフィレット部１４の表層部の硬さがＨＶ５８０に届かない場合には、フィレットロール等の塑性加工を実施してフィレット部１４の表層部硬さを向上させてもよい。

焼入れされた中間品を焼戻しする（ステップＳ６）。具体的には例えば、３３０～７５０℃の温度に所定時間保持する。焼戻しは、ジャーナル部１１及びピン部１２の表面の硬さがＨＶ４５０以下になるように行う。加熱温度を高くする程、あるいは保持時間を長くする程、硬さを低くすることができる。加熱温度が３３０℃未満であると、硬さを十分に下げることができない場合がある。一方、加熱温度を７５０℃よりも高くすると、組織中にオーステナイトが発生する場合がある。このオーステナイトは冷却時に再焼入れマルテンサイトやフェライト・パーライトに変態するため、硬さを十分に下げることができなくなる場合がある。加熱温度は、好ましくは５５０～６５０℃である。保持時間は、例えば１０～１２０分間である。

このとき、高周波誘導加熱装置を用いてジャーナル部１１及びピン部１２を加熱し、フィレット部１４ができるだけ加熱されないようにすることが好ましい。この焼戻しは、複数回に分けて実施してもよい。これによって、ジャーナル部１１及びピン部１２を軟化させ、フィレット部１４を軟化させないようにすることができる。加熱箇所は、誘導コイルの形状、誘導コイルと対象部分との距離、出力周波数等によって調整することができる。

なお、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。例えば、焼割れを抑制するため、表面の組織や硬さに大きな影響を与えない温度での低温焼戻しを実施してもよい。

焼戻し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（ステップＳ７）。例えばジャーナル部１１及びピン部１２に研削やラッピングを施して表面形状を調整する。仕上加工を行う場合、表面粗さＲａを０．０４０～０．１００μｍにすることが好ましい。

以上、本発明の一実施形態によるクランクシャフト１０の構成及びその製造方法の一例を説明した。本実施形態によれば、耐焼付性に優れたクランクシャフトが得られる。

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。

表１に示す化学組成を有する鋼を素材として、焼付試験用の試験軸を作製し、表面硬さと耐焼付性との関係を調査した。

具体的は、素材を１２５０℃に加熱した後、熱間鍛造（打ち終わり温度１０７５℃）によって外径６３ｍｍ、長さ５７０ｍｍに加工した。室温まで空冷した後、切削加工及びスケール除去を行った。その後、高周波誘導加熱装置により、Ａｃ_３点以上の温度まで加熱した後水冷する高周波焼入れを行った。焼入れ硬化層の厚さが３．０ｍｍ以上になるように周波数等を調整した。その後、６２０℃又は３５０℃で９０分間加熱後空冷する焼戻しを行った。仕上加工として、表面粗さＲａが０．０４０～０．１００μｍになるように、試験軸に研削及びラッピングを施した。

比較例として、焼戻しを省略した試験軸を作製した。

作製した試験軸を用いて、焼付試験を実施した。焼付試験は、神鋼造機株式会社製クランクメタル耐摩耗焼付性評価装置を用いて実施した。評価装置２０の模式図を図４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、大豊工業株式会社製エンジンベアリング（Ａｌ合金）を使用した。潤滑油は０Ｗ－１６又は０Ｗ－８、給油温度は１３０℃とした。

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５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４．０ＭＰａとした。軸受の表面温度が規定値以上になるか、試験軸にかかるトルクが規定値以上になったときに焼付きが発生したと判定した。

各試験軸の表面硬さ、表面の組織、表面粗さＲａ、焼戻し条件、焼付面圧、焼戻し条件等を表２及び表３に示す。

表２及び表３の「表面から３．０ｍｍまでの組織（体積％）」の欄には、表面から３．０ｍｍの深さの位置における主な組織（最も体積率の大きい組織）を記載している。括弧内の数値は、当該組織の体積率である。具体的には、試験軸の軸方向と平行な断面（縦断面）を観察面として、表面から３．０ｍｍの深さの位置で３６μｍ×４８μｍの視野を観察し、当該断面での面積率を体積率とみなした。Ｎｏ．１～９及びＮｏ．２１～２４の試験軸の表面の組織は、いずれも焼戻しマルテンサイトを８０体積％以上含む組織であった。

図６及び図７に、潤滑油が０Ｗ－１６のデータから作成した、表面硬さと焼付面圧との関係を示す。図６は鋼材Ａに関するものであり、図７は鋼材Ｂに関するものである。図６及び図７に示すように、表面硬さがＨＶ４５０以下の試験軸は、比較例の試験軸よりも焼付面圧が高く、優れた耐焼付性を示した。また、ばらつきはあるものの表面硬さが低くなるほど焼付面圧が増加する傾向が見られた。

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。

１０ クランクシャフト
１１ ジャーナル部
１２ ピン部
１３ アーム部
１４ フィレット部

Claims (6)

1. ジャーナル部及びピン部を備えるクランクシャフトであって、
   化学組成が、質量％で、
   Ｃ ：０．３５～０．４０％、
   Ｓｉ：０．７０％以下、
   Ｍｎ：１．００～２．００％、
   Ｃｒ：０．５０％以下、
   Ａｌ：０．０５０％以下、
   Ｎ ：０．０２０％以下、
   Ｐ ：０．０２０％以下、
   Ｓ ：０．００５～０．２００％、
   残部：Ｆｅ及び不純物、であり、
   前記ジャーナル部及び前記ピン部の各々は、表面の組織が８０体積％以上の焼戻しマルテンサイトを含む組織であり、表面の硬さがＨＶ４５０以下である、クランクシャフト。
2. 請求項１に記載のクランクシャフトであって、
   フィレット部をさらに備え、
   前記フィレット部は、表面から深さ２．０ｍｍまでの硬さがＨＶ５８０以上である、クランクシャフト。
3. 請求項２に記載のクランクシャフトであって、
   前記フィレット部は、表面から深さ２．０ｍｍまでの組織が、８０体積％以上のマルテンサイトを含む組織である、クランクシャフト。
4. 請求項１～３のいずれか一項に記載のクランクシャフトであって、
   前記ジャーナル部及び前記ピン部の各々の表面の硬さがＨＶ２５０以下である、クランクシャフト。
5. 請求項１～４のいずれか一項に記載のクランクシャフトであって、
   前記ジャーナル部及び前記ピン部の各々の表面の組織が、１０体積％以上のセメンタイトをさらに含む、クランクシャフト。
6. 請求項１～５のいずれか一項に記載のクランクシャフトであって、
   前記ジャーナル部及び前記ピン部の各々の表面粗さＲａが０．１００μｍ以下である、クランクシャフト。

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