JP2008267598A - クランクシャフト、内燃機関、輸送機器およびクランクシャフトの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】十分に強度が高く、且つ、焼入れに起因した変形が小さいクランクシャフトおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明によるクランクシャフトは、クランクピン１およびクランクジャーナル２と、クランクピン１とクランクジャーナル２とを連結するクランクアーム３とを備え、クランクピン１とクランクアーム３との間に位置するピンフィレット部４Ｐと、クランクジャーナル２とクランクアーム３との間に位置するジャーナルフィレット部４Ｊとを有する。クランクピン１および／またはクランクジャーナル２は、２０ｍｍ以上４０ｍｍ以下の直径を有する。ピンフィレット部４Ｐおよびジャーナルフィレット部４Ｊの少なくとも一方は、厚さ１ｍｍ以上２ｍｍ以下の焼入れ層５を表面近傍に含み、クランクピン１およびクランクジャーナル２は、厚さ２ｍｍを超える焼入れ層を表面近傍に実質的に含まない。
【選択図】図２

Description

本発明は、クランクシャフトおよびその製造方法に関し、特に、レーザによる焼入れ処理が施されたクランクシャフトおよびその製造方法に関する。また、本発明は、そのようなクランクシャフトを備えた内燃機関や輸送機器にも関する。

従来、クランクシャフトの強度を向上させるために、高周波加熱による焼入れ（高周波焼入れ）が行われている。ところが、高周波焼入れは、焼入れが施される部位の形状によっては、深く焼きを入れにくく、十分な厚さの焼入れ層を形成できないという欠点を有しており、そのために以下のような問題が発生してしまう。

図１６に、従来の一般的なクランクシャフト５０を示す。クランクシャフト５０は、図１６に示すように、クランクピン１およびクランクジャーナル２と、クランクピン１とクランクジャーナル２とを連結するクランクアーム３とを備えている。

内燃機関の運転時には、クランクピン１とクランクアーム３との間に位置する隅肉部（ピンフィレット部）４Ｐに応力が集中するので、ピンフィレット部４Ｐに焼入れを施して、十分な厚さの焼入れ層を形成することが好ましい。また、ピンフィレット部４Ｐや、クランクジャーナル２とクランクアーム３との間に位置する隅肉部（ジャーナルフィレット部）４Ｊに焼入れを施すことにより、クランクピン１やクランクジャーナル２を細くしても十分な強度を確保できるので、クランクシャフト５０を軽量化することができる。

しかしながら、被加熱物をコイルで覆って加熱を行う高周波加熱では、ピンフィレット部４Ｐやジャーナルフィレット部４Ｊのような、凹むように湾曲した隅肉部（内隅部）には深く焼きを入れることが難しい。そのため、図１７（ａ）および（ｂ）に示すように、ピンフィレット部４Ｐやジャーナルフィレット部４Ｊに十分な厚さの焼入れ層５を形成しようとすると、クランクピン１やクランクジャーナル２、クランクアーム３に深く焼きが入りすぎ、過度に厚い焼入れ層６が形成されてしまう。

高周波焼入れは上述したような問題を有しているため、主に、大型の内燃機関（例えば四輪自動車の内燃機関）用のクランクシャフトに用いられている。大型内燃機関用のクランクシャフトは、サイズが大きく、クランクピンやクランクジャーナルが太いため、クランクピンやクランクジャーナルに多少厚い焼入れ層が形成されても変形が小さく、許容できることが多いからである。

これに対し、小型の内燃機関（例えば自動二輪車の内燃機関）用のクランクシャフトに高周波焼入れを用いると、クランクシャフトのサイズが小さく、クランクピンやクランクジャーナルが細い（多くの場合直径４０ｍｍ以下である。）ため、クランクピンやクランクジャーナルに過度に厚い焼入れ層が形成されると、クランクシャフトがひずんだり、割れたりしてしまう。

そのため、比較的サイズの小さなクランクシャフトに対しては、高周波焼入れではなく、窒化処理が用いられることが多い。窒化処理によってピンフィレット部やジャーナルフィレット部の表面に窒化物膜を形成することにより、ひずみや割れを発生させることなくクランクシャフトの強度を高くすることができる。しかしながら、窒化処理では、ピンフィレット部やジャーナルフィレット部のごく表層しか硬化することができないので、十分に強度を向上させることが難しい。

そこで、本願発明者は、焼入れの深さを調節しやすい、レーザを用いた焼入れ処理をクランクシャフトに施すことを検討した。例えば特許文献１には、直径１０ｍｍの円柱状のワークに対してレーザ光を照射して焼入れ処理を施す手法が開示されている。
特開２００３−２３１９１４号

しかしながら、特許文献１に開示されているようなレーザ焼入れを、単純にクランクシャフトに用いても、十分な厚さの焼入れ層を形成することは難しい。レーザ光は、部材の表面にのみ照射されて表面から加熱を行うので、焼入れ層を深く形成し難いからである。特に、ピンフィレット部やジャーナルフィレット部のような内隅部は、図１８に模式的に示しているように、周囲（焼きを入れなくてもよい部分）への熱の拡散が激しいためにレーザ光でも加熱しにくく、深く焼きを入れにくい。また、クランクシャフトは、特許文献１に開示されているワークよりもサイズが大きい（クランクピンやクランクジャーナルは典型的には２０ｍｍ以上の直径を有している。）ため、熱容量が大きく、熱の拡散によって十分な深さまで変態点を超える温度に到達させることが難しいからでもある。さらに、用いるレーザが、中心部で出力が高く、端部では低くなるような出力分布を有しているため、十分な深さまで均一に加熱することが難しいからでもある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、十分に強度が高く、且つ、焼入れに起因した変形が小さいクランクシャフトおよびその製造方法を提供することにある。

本発明によるクランクシャフトは、クランクピンおよびクランクジャーナルと、前記クランクピンと前記クランクジャーナルとを連結するクランクアームとを備えたクランクシャフトであって、前記クランクピンと前記クランクアームとの間に位置するピンフィレット部と、前記クランクジャーナルと前記クランクアームとの間に位置するジャーナルフィレット部と、を有し、前記クランクピンおよび／またはクランクジャーナルは、２０ｍｍ以上４０ｍｍ以下の直径を有し、前記ピンフィレット部および前記ジャーナルフィレット部の少なくとも一方は、厚さ１ｍｍ以上２ｍｍ以下の焼入れ層を表面近傍に含み、前記クランクピンおよび前記クランクジャーナルは、厚さ２ｍｍを超える焼入れ層を表面近傍に実質的に含まない。

ある好適な実施形態において、少なくとも前記ピンフィレット部が、厚さ１ｍｍ以上２ｍｍ以下の前記焼入れ層を含む。

ある好適な実施形態において、前記ピンフィレット部および前記ジャーナルフィレット部の両方が、厚さ１ｍｍ以上２ｍｍ以下の前記焼入れ層を含む。

ある好適な実施形態において、本発明によるクランクシャフトは、Ｃｅｑ＝Ｃ＋（１／１０）Ｓｉ＋（１／５）Ｍｎ＋（５／２２）Ｃｒ＋１．６５Ｖ−（５／７）Ｓと表される炭素等量Ｃｅｑが０．５以上１．２以下の鉄系合金から形成されている。

本発明による内燃機関は、上記構成を有するクランクシャフトを備えている。

本発明による輸送機器は、上記構成を有する内燃機関を備えている。

本発明によるクランクシャフトの製造方法は、走査方向に略直交する方向に沿ってエネルギー密度が略均一なレーザ光を放射し得るレーザを用意する工程と、前記レーザから放射されるレーザ光を用いてクランクシャフトを焼入れするレーザ焼入れ工程と、を包含し、前記レーザ焼入れ工程は、前記クランクシャフトの表面の温度が変態点よりも高く、且つ、融点よりも低くなるようにレーザ光を前記クランクシャフトの表面に照射する本加熱工程と、前記本加熱工程の前に、前記本加熱工程において照射されるレーザ光よりもエネルギー密度の低いレーザ光を前記クランクシャフトの表面に照射する予備加熱工程と、前記本加熱工程の後に、前記クランクシャフトの表面の温度が変態点よりも高く維持されるように、前記本加熱工程において照射されるレーザ光よりもエネルギー密度の低いレーザ光を前記クランクシャフトの表面に照射する後加熱工程と、を包含する。

ある好適な実施形態において、前記レーザ焼入れ工程において、レーザ光は、前記クランクシャフトのピンフィレット部およびジャーナルフィレット部の少なくとも一方に照射される。

ある好適な実施形態において、前記レーザは、前記クランクシャフトの表面において複数のレーザスポットが部分的に重なるように配置された複数のレーザ光源を有する。

本発明によるクランクシャフトでは、ピンフィレット部およびジャーナルフィレット部の少なくとも一方が、厚さ１ｍｍ以上２ｍｍ以下の焼入れ層を表面近傍に含み、且つ、クランクピンおよびクランクジャーナルは、厚さ２ｍｍを超える焼入れ層を表面近傍に実質的に含まない。このように焼入れ層の厚さ分布が設定されていることにより、クランクピンおよび／またはクランクジャーナルが２０ｍｍ以上４０ｍｍ以下の直径を有する場合であっても、焼入れに起因した変形を小さくしながら、十分な強度を得ることができる。

内燃機関の運転時には、ピンフィレット部に応力が集中するので、少なくともピンフィレット部が、厚さ１ｍｍ以上２ｍｍ以下の焼入れ層を含むことが好ましい。

また、クランクピンやクランクジャーナルを細くして軽量化を図るためには、ピンフィレット部およびジャーナルフィレット部の両方が、厚さ１ｍｍ以上２ｍｍ以下の焼入れ層を含むことが好ましい。

良好な焼入れ性を確保しつつ、高い加工性も確保する観点からは、クランクシャフトは、Ｃｅｑ＝Ｃ＋（１／１０）Ｓｉ＋（１／５）Ｍｎ＋（５／２２）Ｃｒ＋１．６５Ｖ−（５／７）Ｓと表される炭素等量Ｃｅｑが０．５以上１．２以下の鉄系合金から形成されていることが好ましい。

本発明によるクランクシャフトは、十分に強度が高く、且つ、焼入れに起因した変形が小さいので、自動二輪車をはじめとする各種の輸送機器用の内燃機関に好適に用いられる。

本発明によるクランクシャフトの製造方法では、レーザ焼入れ工程が、予備加熱工程、本加熱工程および後加熱工程という３つの加熱工程を包含している。本加熱工程の前に、予備加熱工程を行うことにより、十分な深さまで速やかに変態点を超える温度にすることができ、また、本加熱工程の後に後加熱工程を行うことにより、表面を溶融させることなく、実効的な焼入れ時間（温度が変態点よりも高く維持される期間）を長くすることができる。そのため、本発明の製造方法によれば、十分な厚さの焼入れ層をクランクシャフトの所望の部位（例えばピンフィレット部やジャーナルフィレット部）の表面近傍に形成することができる。また、本発明によるクランクシャフトの製造方法では、走査方向に略直交する方向に沿ってエネルギー密度が略均一なレーザ光を放射し得るレーザを用いるので、十分な深さまで均一な加熱を行うことができる。

典型的には、レーザ焼入れ工程において、レーザ光は、クランクシャフトのピンフィレット部およびジャーナルフィレット部の少なくとも一方に照射される。内燃機関の運転時にはピンフィレット部に応力が集中するので、クランクシャフトの強度を向上する観点からは、レーザ光は、少なくともピンフィレット部に照射されることが好ましい。また、クランクピンやクランクジャーナルを細くして軽量化を図る観点からは、ピンフィレット部およびジャーナルフィレット部の両方にレーザ光が照射されることが好ましい。

また、レーザは、クランクシャフトの表面において複数のレーザスポットが部分的に重なるように配置された複数のレーザ光源を有することが好ましい。このようなレーザを用いることにより、予備加熱工程、本加熱工程および後加熱工程を含むレーザ焼入れ工程を簡便に実行することができる。

本発明によると、十分に強度が高く、且つ、焼入れに起因した変形が小さいクランクシャフトおよびその製造方法が提供される。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

まず、図１および図２を参照しながら、本実施形態におけるクランクシャフト１０の構造を説明する。図１は、クランクシャフト１０の全体を示す図であり、図２（ａ）および（ｂ）は、クランクシャフト１０の一部を拡大して示す断面図である。クランクシャフト１０は、鋼などの鉄系合金から形成されており、図１に示すように、クランクピン１、クランクジャーナル２およびクランクアーム３を備えている。クランクシャフト１０は、熱間鍛造により一体形成されている。

クランクピン（以下では単にピンとも呼ぶ。）１は、コンロッドの大端部を取り付けるための軸部である。これに対し、クランクジャーナル（以下では単にジャーナルとも呼ぶ。）２は、クランクシャフト１０の回転の中心となる軸部である。本実施形態におけるピン１およびジャーナル２は、２０ｍｍ以上４０ｍｍ以下の直径を有している。クランクアーム（以下では単にアームとも呼ぶ。）３は、ピン１とジャーナル２とを連結する。なお、本実施形態では、４つのピン１と５つのジャーナル２とを有する多気筒内燃機関用のクランクシャフト１０を例示しているが、ピン１およびジャーナル２の数はこれに限定されるものではないし、クランクシャフト１０は単気筒内燃機関用のものであってもよい。

ピン１およびジャーナル２には、ピン１やジャーナル２を支持する軸受けに潤滑油を供給するためのオイル供給孔１ａおよび２ａが形成されている。クランクシャフト１０の内部には、隣接するオイル供給孔１ａおよび２ａを連通するように、オイルポンプ（不図示）から供給される潤滑油の通路（オイル通路；不図示）が形成されている。典型的には、潤滑油は、オイル通路内でジャーナル２側からピン１側に圧送される。オイル供給孔１ａ、２ａおよびオイル通路は、熱間鍛造後にドリル加工により形成される。

ピン１およびアーム３の間と、ジャーナル２およびアーム３の間には、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、凹むように湾曲した隅肉部４Ｐ、４Ｊが設けられている。以下では、ピン１とアーム３との間に位置する隅肉部４Ｐを「ピンフィレット部」と呼び、ジャーナル２とアーム３との間に位置する隅肉部４Ｊを「ジャーナルフィレット部」と呼ぶ。

ピンフィレット部４Ｐおよびジャーナルフィレット部４Ｊは、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、１ｍｍ以上２ｍｍ以下の厚さを有する焼入れ層（焼入れによって硬化した層）５を表面近傍に含んでいる。これに対し、ピン１およびジャーナル２は、厚さ２ｍｍを超える焼入れ層を表面近傍に実質的に含まない。つまり、ピン１およびジャーナル２の表面近傍には、焼入れ層が実質的には形成されていないか、あるいは、厚さ２ｍｍ以下の焼入れ層が形成されている。

本実施形態におけるクランクシャフト１０では、上述したように焼入れ層の厚さ分布が設定されている。つまり、ピンフィレット部４Ｐおよびジャーナルフィレット部４Ｊには十分な厚さの焼入れ層５が形成されている一方で、クランクピン１およびクランクジャーナル２には過度な厚さの焼入れ層は形成されていない。そのため、焼入れに起因した変形は小さいままに、十分な強度を得ることができる。

これに対し、ピンフィレット部４Ｐおよびジャーナルフィレット部４Ｊに形成された焼入れ層５の厚さが１ｍｍ未満であると、十分な強度の確保が難しいことがある。また、この焼入れ層５の厚さが２ｍｍを超えたり、ピン１およびジャーナル２に２ｍｍを超える焼入れ層が形成されていたりすると、クランクシャフト１０にひずみや割れが生じることがある。ひずみや割れの発生をより確実に抑制する観点からは、ピンフィレット部４Ｐおよびジャーナルフィレット部４Ｊの焼入れ層５の厚さは、１．８ｍｍ以下であることがより好ましく、１．５ｍｍ以下であることがいっそう好ましい。

なお、必ずしもピンフィレット部４Ｐおよびジャーナルフィレット部４Ｊの両方に焼入れ層５を形成する必要はなく、ピンフィレット部４Ｐおよびジャーナルフィレット部４Ｊの少なくとも一方に焼入れ層５を形成すればよい。

ただし、内燃機関の運転時には、ピンフィレット部４Ｐに応力が集中する（ジャーナルフィレット部４Ｊよりも大きな応力が加えられる。）ので、クランクシャフト１０の強度を十分に高くする観点からは、少なくともピンフィレット部４Ｐが、厚さ１ｍｍ以上２ｍｍ以下の焼入れ層５を表面近傍に含んでいることが好ましい。

また、ピン１やジャーナル２を細くしてクランクシャフト１０の軽量化を図る観点からは、ピンフィレット部４Ｐおよびジャーナルフィレット部４Ｊの両方が、厚さ１ｍｍ以上２ｍｍ以下の焼入れ層５を表面近傍に含んでいることが好ましい。

なお、厚さが２ｍｍを超えない限り、ピン１やジャーナル２、アーム３にも焼入れ層が形成されていてもよい。例えば、ピン１およびアーム３のピンフィレット部４Ｐ近傍やジャーナル２およびアーム３のジャーナルフィレット部４Ｊ近傍に焼入れ層が形成されていてもよいし、ピン１やジャーナル２、アーム３の全体に焼入れ層が形成されていてもよい。ただし、クランクシャフト１０のひずみや割れの発生をより確実に防止するためには、ピン１やジャーナル２、アーム３の焼入れ層は、ピンフィレット部４Ｐおよびジャーナルフィレット部４Ｊの焼入れ層５よりも薄いことが好ましい。

以下、本実施形態におけるクランクシャフト１０の製造方法を説明する。

まず、焼入れ処理が施されていないクランクシャフト１０を用意する。焼入れされていないクランクシャフト１０は、公知の種々の手法を用いて製造することができる。用意されるクランクシャフト１０は、焼入れに適した組成の金属材料から形成されていることが好ましい。

鉄系合金の焼入れ性は、例えば炭素等量Ｃｅｑで評価される。炭素等量Ｃｅｑは、Ｃｅｑ＝Ｃ＋（１／１０）Ｓｉ＋（１／５）Ｍｎ＋（５／２２）Ｃｒ＋１．６５Ｖ−（５／７）Ｓと規定される。良好な焼入れ性を確保する観点からは、炭素等量Ｃｅｑは０．５以上であることが好ましい。ただし、クランクシャフト１０は、熱間鍛造によって形成された後に表面加工やオイル供給孔１ａ、２ａ、オイル通路などの形成が必要となるが、炭素等量Ｃｅｑが１．２を超えると、熱間鍛造後のクランクシャフト１０全体が硬くなりすぎることによって加工性が低下し、このような機械加工が難しくなることがある。上述したような加工性の低下は、炭素等量Ｃｅｑが２以上になると特に顕著である。上述した理由から、高い加工性を確保する観点からは、炭素等量Ｃｅｑは１．２以下であることが好ましい。従って、クランクシャフト１０の材料として鉄系合金を用いる場合、炭素等量Ｃｅｑは０．５以上１．２以下であることが好ましい。

また、炭素鋼は、ステンレス鋼に比べて加工性に優れ、安価なので、クランクシャフト１０の材料として優れている。炭素鋼としては、例えば、ＪＩＳ Ｓ５０Ｃ、ＳＣＭ４３５およびＳＣｒ４２０が好適に用いられる。

これとは別途に、レーザ焼入れに用いるレーザ（レーザ装置）を用意する。図３に、レーザの具体例を示す。図３に示すレーザ２０は、レーザ光を放射するレーザヘッド２１を備えており、レーザヘッド２１の角度や高さを変化させ得る機構を有している。レーザ２０は、後に詳述するように、走査方向に略直交する方向に沿って（例えば幅１０ｍｍに亘って）エネルギー密度が略均一なレーザ光を放射することができる。このようなレーザ２０としては、例えば、ＮＵＶＯＮＹＸ社製の高出力ダイレクト・ダイオード・レーザ（ＤＤＬ）を用いることができる。

次に、レーザ２０から放射されるレーザ光を用いてクランクシャフト１０を焼入れする。例えば、図３に示しているように、自動回転テーブル３０上に載置されたクランクシャフト１０を回転させながら、レーザ２０からクランクシャフト１０の表面にレーザ光を照射することにより、ピンフィレット部４Ｐやジャーナルフィレット部４Ｊの全周に焼入れを施すことができる。このレーザ焼入れ工程は、予備加熱工程、本加熱工程および後加熱工程という３つの加熱工程を含んでいる。

本加熱工程は、クランクシャフト１０の表面の温度が変態点（より具体的にはＡ３変態点）よりも高く、且つ、融点よりも低くなるようにレーザ光をクランクシャフト１０の表面に照射する工程である。本加熱工程は、典型的には、クランクシャフト１０の表面の温度がＡ３変態点よりも２００℃〜５００℃程度高くなるように行われ、クランクシャフト１０がバナジウムを含む鉄系合金（鋼）から形成されている場合、例えば、１３００℃〜１４００℃程度となるように行われる。

予備加熱工程は、本加熱工程の前に行われる。予備加熱工程では、本加熱工程において照射されるレーザ光よりもエネルギー密度の低いレーザ光をクランクシャフト１０の表面に照射する。

後加熱工程は、本加熱工程の後に行われる。後加熱工程では、クランクシャフト１０の表面の温度が変態点よりも高く維持されるようにレーザ光をクランクシャフト１０の表面に照射する。後加熱工程においても、本加熱工程で照射されるレーザ光よりもエネルギー密度の低いレーザ光が用いられる。

上述したように、本加熱工程の前に予備加熱工程を行うことにより、十分な深さまで速やかに変態点を超える温度にすることができる。また、本加熱工程の後に後加熱工程を行うことにより、表面を溶融させることなく、実効的な焼入れ時間（温度が変態点よりも高く維持される期間）を長くすることができる。そのため、上述の製造方法によれば、十分な厚さの焼入れ層をクランクシャフト１０の所望の部位（例えばピンフィレット部４Ｐやジャーナルフィレット部４Ｊ）の表面に形成することができる。また、上述の製造方法では、走査方向に略直交する方向に沿ってエネルギー密度が略均一なレーザ光を放射し得るレーザを用いるので、十分な深さまで均一な加熱を行うことができる。

上述の製造方法を用いることにより、単純なレーザ焼入れでは十分な厚さの焼入れ層が形成されない、熱容量の大きなクランクシャフト（つまりピン１および／またはジャーナル２の直径が２０ｍｍ以上のクランクシャフト）１０に対しても、深く焼きを入れることができ、十分な厚さの焼入れ層５を形成することができる。また、上述の製造方法を用いることにより、高周波焼入れによりピン１やジャーナル２に過度な厚さの焼入れ層が形成されてしまうとひずみや割れが発生するようなサイズのクランクシャフト（つまりピン１および／またはジャーナル２の直径が４０ｍｍ以下のクランクシャフト）１０についても、割れやひずみを発生させることなく、十分に強度を向上させることができる。

以下、レーザ焼入れ工程が３つの加熱工程を包含することによって上記の効果が得られる理由を図面も参照しながらより詳しく説明する。

まず、レーザ焼入れを施す際の金属組織の温度と時間との一般的な関係を概念的に図４に示す。図４に示すように、レーザ光の照射によって金属組織の温度は上昇し、変態点よりも高くなる。ただし、このとき、金属組織の温度が融点を超えないように加熱が行われる。その後、レーザ光の照射が終わると、熱拡散によって温度は降下し、金属組織は急冷される。このように、金属組織を変態点よりも高く、且つ、融点よりも低い温度に所定時間保持した後に冷却することによって、金属組織に焼きが入る。深く焼きを入れ、十分な厚さの焼入れ層を形成するためには、温度が変態点よりも高く維持される期間Ｔを、ワーク表面だけでなく、内部についても長くする必要がある。しかしながら、クランクシャフト１０の材料（例えば鉄系合金）の熱伝導率は比較的高いため、内部について上述したような期間Ｔを長くすることは従来のレーザ焼入れでは難しい。

本実施形態の製造方法においてクランクシャフト１０の表面に照射されるレーザ光のエネルギー密度の時間変化を図５に示す。

図５に示すように、クランクシャフト１０の表面には、まず、本加熱工程においてよりも低いエネルギー密度のレーザ光が照射され、表面において発生した熱が内部に伝えられる。これにより、予備的な加熱が行われる（予備加熱工程）。次に、予備加熱工程においてよりも高いエネルギー密度のレーザ光がクランクシャフト１０の表面に照射され、これにより、クランクシャフト１０の表面の温度が変態点よりも高く、且つ、融点よりも低くなる（本加熱工程）。その後、本加熱工程においてよりも低いエネルギー密度のレーザ光がクランクシャフト１０の表面に照射される。これにより、クランクシャフト１０の表面の温度が変態点よりも高く維持され、また、内部も十分な深さ（１ｍｍ以上）まで変態点以上の温度となる（後加熱工程）。

本実施形態の製造方法では、本加熱工程に先立って予備的な加熱を行うので、クランクシャフト１０内部の十分な深さまで速やかに変態点を超える温度にすることができる。つまり、クランクシャフト１０内部について期間Ｔの始期を早くすることができる。また、本加熱工程の後に行われる後加熱により、クランクシャフト１０内部の温度を変態点よりも高く維持することができる。つまり、クランクシャフト１０内部について期間Ｔの終期を遅くすることができる。したがって、本実施形態の製造方法によれば、クランクシャフト１０内部について、温度が変態点よりも高く維持される期間Ｔを長くすることができるので、深く焼きを入れ、十分な厚さの焼入れ層５を形成することができる。

これに対し、図６（ａ）にエネルギー密度の時間変化を示すように、単一の加熱工程でレーザ焼入れを行うと、熱容量の大きなクランクシャフト１０（具体的にはピン１やジャーナル２の直径が２０ｍｍ以上のもの）では、熱の拡散が激しいために、クランクシャフト１０内部について期間Ｔを十分に長くすることは難しい。

なお、単一の加熱工程でレーザ焼入れを行う場合であっても、図６（ｂ）に示すように加熱時間を長くしたり、図６（ｃ）に示すようにレーザ光のエネルギー密度を高くしたりすれば、焼きを深く入れることができるようにも思われる。しかしながら、図６（ｂ）に示すようにエネルギー密度は低いままに加熱時間を長くしても、内部まで速やかに変態点よりも高い温度にすることは難しく、投入される総熱量が徒に大きくなるので、均一な焼入れを行うことは難しい。また、図６（ｃ）に示すようにレーザ光のエネルギー密度を高くすると、内部の十分な深さまで熱が拡散する前に表面付近に熱が蓄積され、表面が溶融してしまう。

図７に、本実施形態の製造方法のようにレーザ焼入れを行った場合のクランクシャフト１０の温度の時間変化を、クランクシャフト１０の表面と表面から深さ１ｍｍの部分とについて示す。また、図７には、比較のために、図６（ａ）に示したように単一の加熱工程でレーザ焼入れを行った場合の温度の時間変化を破線で示している。

単一の加熱工程でレーザ焼入れを行った場合、図７に破線で示しているように、表面については温度を変態点よりも高くできるものの、深さ１ｍｍの部分については、温度を変態点よりも高くすることができない。そのため、十分な厚さの焼入れ層を形成することができない。

これに対し、本実施形態の製造方法のように、３つの加熱工程を含むレーザ焼入れを行った場合、図７に実線で示しているように、表面および深さ１ｍｍの部分の両方について、温度が変態点よりも高く、且つ、融点よりも低く維持される時間を長くすることができ、十分な深さの焼入れ層５を形成することができる。

図８に、上述したように３つの加熱工程を含むレーザ焼入れを行った場合の鉄系合金の組織変化の一例を模式的に示す。図８（ａ）〜（ｃ）では、変態点を超える温度に加熱されてオーステナイトに変態した領域に参照符号「Ｒ１」を付し、変態していないものの予備的に過熱されている領域に参照符号「Ｒ２」を付している。

予備加熱工程においては、図８（ａ）に示すように、表面近傍のごく浅い領域のみが変態しているが、変態している領域よりも深い領域も予備的に加熱されている。また、本加熱工程においては、図８（ｂ）に示すように、予備的に加熱されていた領域が速やかに変態することによって、変態している領域が拡大する。このとき、さらに深い領域が予備的に加熱される。後加熱工程においては、図８（ｃ）に示すように、本加熱工程において予備的に加熱されていた領域が変態することによって、変態している領域がさらに拡大する。このように、３つの加熱工程を含むレーザ焼入れを行うことにより、十分な厚さの焼入れ層５を形成することができる。

なお、既に述べたように、本実施形態の製造方法で用いられるレーザ光は、走査方向に略直交する方向に沿ってエネルギー密度が略均一である。このようなレーザ光のエネルギー密度プロファイルの例を図９に示す。

図９に示すように、走査方向に略直交する方向に沿ってエネルギー密度が略均一なレーザ光を用いることにより、走査方向に略直交する方向に沿って均一な焼入れを施すことができる。なお、エネルギー密度は走査方向に略直交する方向に沿って全く同じである必要はないが、焼入れの均一性を高くする観点からは、走査方向に略直交する方向に沿ったエネルギー密度のばらつきが２０％以内であることが好ましく、１０％以内であることがさらに好ましい。

また、図９に示すプロファイルでは、エネルギー密度は走査方向に沿って略階段状に変化しており、走査方向中央で高く、走査方向前方および後方で低くなっている。このようなプロファイルのレーザ光でクランクシャフト１０表面を走査することにより、クランクシャフト１０に対して予備加熱工程、本加熱工程および後加熱工程が順次行われることになる。

なお、図９に例示したプロファイルでは、走査方向前方におけるエネルギー密度と走査方向後方におけるエネルギー密度とがほぼ同じであるので、このようなプロファイルのレーザ光を用いると、図５に示したように予備加熱工程と後加熱工程とでレーザ光のエネルギー密度がほぼ同じとなる。しかしながら、勿論、予備加熱工程と後加熱工程とでレーザ光のエネルギー密度が同じである必要はなく、異なってもよい。つまり、走査方向前方におけるエネルギー密度と走査方向後方におけるエネルギー密度とは異なっていてもよい。

また、図９に例示したプロファイルでは、走査方向に沿ってエネルギー密度が略階段状に変化しており、走査方向前方、中央および後方のそれぞれにおいてエネルギー密度がほぼ一定であるので、このようなプロファイルのレーザ光を用いると、図５に示したように、予備加熱工程、本加熱工程および後加熱工程のそれぞれにおいてエネルギー密度がほぼ一定となる。しかしながら、勿論、それぞれの加熱工程内でエネルギー密度が一定である必要はなく、変化してもよい。

典型的には、予備加熱工程におけるレーザ光のエネルギー密度は、本加熱工程におけるレーザ光のエネルギー密度の４０％以上６０％以下であり、後加熱工程におけるレーザ光のエネルギー密度は、本加熱工程におけるレーザ光のエネルギー密度の４０％以上６０％以下である。

また、典型的には、予備加熱工程は、本加熱工程の１００％以上１５０％以下の時間行われ、後加熱工程は、本加熱工程の１００％以上１５０％以下の時間行われる。

図９に示したように、エネルギー密度が走査方向中央で高く、走査方向前方および後方で低いエネルギー密度プロファイルは、以下に説明するような構成によって実現できる。

図１０（ａ）および（ｂ）に、上述したようなプロファイルのレーザ光を得るための具体的な構成の一例を示す。図１０（ａ）および（ｂ）に示すレーザヘッド２１は、それぞれが複数のレーザダイオードを有する第１のレーザアレイ（第１のレーザ光源）２２および第２のレーザアレイ（第２のレーザ光源）２３を有する。図１０（ａ）に示すように、第１のレーザアレイ２２と第２のレーザアレイ２３は、ワーク表面においてそれぞれからのレーザスポットが部分的に重なるように配置されている。このように、第１のレーザアレイ２２から出射するレーザ光のレーザスポットと、第２のレーザアレイ２３から出射するレーザ光のレーザスポットとをワーク表面において部分的に重ならせることによって、エネルギー密度が走査方向中央で高く、走査方向前方および後方で低いエネルギー密度プロファイルのレーザ光が得られる。

例えば、レーザヘッド２１は、図１０（ｂ）に示すように、第１のレンズ２４および第２のレンズ２５を含む光学系を有しており、これらの光学系は、焦点位置において第１のレーザアレイ２２からのレーザ光と第２のレーザアレイ２３からのレーザ光とが単一のレーザスポットを形成するように設計されている。この焦点位置からずれたワーク位置に、クランクシャフト１０の表面を位置させることにより、第１のレーザアレイ２２から出射するレーザ光のレーザスポットと、第２のレーザアレイ２３から出射するレーザ光のレーザスポットとをクランクシャフト１０の表面において部分的に重ならせることができる。

図１０（ａ）および（ｂ）を参照しながら説明したように２つのレーザスポットを重ねる手法を用いると、予備加熱工程、本加熱工程および後加熱工程を含むレーザ焼入れ工程を簡便に実行できる。ただし、必ずしもこのような手法を用いてレーザ焼入れを行う必要はない。予備加熱工程、本加熱工程および後加熱工程のそれぞれについて独立したレーザスポットでクランクシャフト１０表面を走査してもよいし、３つ以上のレーザスポットを重ねてもよい。

図１１に、本実施形態における製造方法により実際に製造したクランクシャフト１０（ピン１およびジャーナル２の直径はそれぞれ３４ｍｍ、３２ｍｍ）の断面構造を示す。図１１は、クランクシャフト１０のピンフィレット部４Ｐ近傍の断面を示す写真である。図１１に示すように、ピンフィレット部４Ｐには厚さ１ｍｍ以上２ｍｍ以下の焼入れ層５が形成されているのに対し、ピン１やアーム３には、厚さ２ｍｍを超える焼入れ層は形成されていない。

比較のため、高周波加熱による焼入れ工程を含む製造方法により製造されたクランクシャフト５０の断面構造を図１２および図１３に示す。高周波加熱による焼入れを施しても、図１２および図１３に示すように、ピンフィレット部４Ｐやジャーナルフィレット部４Ｊに厚さ１ｍｍを超える焼入れ層５を形成することはできる。ただし、この場合、ピン１やジャーナル２、アーム３には、厚さ２ｍｍを超える焼入れ層６が形成されてしまう。そのため、クランクシャフト５０がひずんだり、図１２および図１３にも示しているようにクラックが発生したりしてしまう。

本実施形態におけるクランクシャフト１０は、既に述べたように、十分に強度が高く、且つ、焼入れに起因した変形が小さいので、各種の輸送機器用の内燃機関（エンジン）に広く用いられる。

図１４に、本実施形態におけるクランクシャフト１０を備えたエンジン１００の一例を示す。エンジン１００は、クランクケース１１０、シリンダブロック１２０およびシリンダヘッド１３０を有している。

クランクケース１１０内には、クランクシャフト１０が収容されており、クランクケース１１０の上に、シリンダブロック１２０が設けられている。

シリンダブロック１２０には、円筒状のシリンダスリーブ１２１がはめ込まれており、ピストン１２２は、シリンダスリーブ１２１内を往復し得るように設けられている。シリンダブロック１２０の上に、シリンダヘッド１３０が設けられている。

シリンダヘッド１３０は、シリンダブロック１２０のピストン１２２やシリンダスリーブ１２１とともに燃焼室１３１を形成する。シリンダヘッド１３０は、吸気ポート１３２および排気ポート１３３を有している。吸気ポート１３２内には燃焼室１３１内に混合気を供給するための吸気弁１３４が設けられており、排気ポート１３３内には燃焼室１３１内の排気を行うための排気弁１３５が設けられている。

ピストン１２２とクランクシャフト１０とは、コンロッド１４１によって連結されている。具体的には、コンロッド１４１の小端部１４２の貫通孔（ピストンピン孔）にピストン１２２のピストンピン１２３が挿入されているとともに、大端部１４３の貫通孔（クランクピン孔）にクランクシャフト１０のピン１が挿入されており、そのことによってピストン１２２とクランクシャフト１０とが連結されている。大端部１４３の貫通孔の内周面とクランクピン１との間には、軸受けメタル１１４が設けられている。

図１４に示すエンジン１００は、本実施形態におけるクランクシャフト１０を有しているので、軽量化を実現でき、そのため、高燃費化および高出力化を実現できる。

図１５に、図１４に示したエンジン１００を備えた自動二輪車を示す。

図１５に示す自動二輪車では、本体フレーム３０１の前端にヘッドパイプ３０２が設けられており、ヘッドパイプ３０２によって、ハンドル３０５が回動自在に支持されている。また、ヘッドパイプ３０２には、フロントフォーク３０３が車両の左右方向に揺動し得るように取り付けられている。フロントフォーク３０３の下端には、前輪３０４が回転可能なように支持されている。

本体フレーム３０１の後端上部から後方に延びるようにシートレール３０６が取り付けられている。本体フレーム３０１上に燃料タンク３０７が設けられており、シートレール３０６上にメインシート３０８ａおよびタンデムシート３０８ｂが設けられている。

また、本体フレーム３０１の後端に、後方へ延びるリアアーム３０９が取り付けられている。リアアーム３０９の後端に後輪３１０が回転可能なように支持されている。

本体フレーム３０１の中央部には、図１４に示したエンジン１００が保持されている。エンジン１００には、本実施形態におけるクランクシャフト１０が用いられている。エンジン１００の前方には、ラジエータ３１１が設けられている。エンジン１００の排気ポートには排気管３１２が接続されており、排気管３１２の後端にマフラー３１３が取り付けられている。

エンジン１００には変速機３１５が連結されている。変速機３１５の出力軸３１６に駆動スプロケット３１７が取り付けられている。駆動スプロケット３１７は、チェーン３１８を介して後輪３１０の後輪スプロケット３１９に連結されている。変速機３１５およびチェーン３１８は、エンジン１００により発生した動力を駆動輪に伝える伝達機構として機能する。

図１５に示した自動二輪車は、本実施形態におけるクランクシャフト１０が用いられたエンジン１００を備えているので、優れた性能が得られる。

本発明によると、十分に強度が高く、且つ、焼入れに起因した変形が小さいクランクシャフトおよびその製造方法が提供される。本発明によるクランクシャフトは、各種輸送機器用の内燃機関に広く用いられる。

本発明の好適な実施形態におけるクランクシャフト１０を模式的に示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明の好適な実施形態におけるクランクシャフト１０の一部を拡大して示す断面図であり、（ａ）はピンフィレット部近傍を示し、（ｂ）はジャーナルフィレット部近傍を示す。 レーザ焼入れに用いられるレーザ（レーザ装置）の例を示す図である。 レーザ焼入れを施す際の金属組織の温度と時間との一般的な関係を概念的に示すグラフである。 予備加熱工程、本加熱工程および後加熱工程を含むレーザ焼入れ工程においてクランクシャフト１０の表面に照射されるレーザ光のエネルギー密度の時間変化を示すグラフである。 （ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、単一の加熱工程でレーザ焼入れを行う場合のレーザ光のエネルギー密度の時間変化を示すグラフである。 予備加熱工程、本加熱工程および後加熱工程を含むレーザ焼入れ工程を行った場合のクランクシャフト１０の温度の時間変化を、クランクシャフト１０の表面と表面から深さ１ｍｍの部分とについて示すグラフである。 （ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、予備加熱工程、本加熱工程および後加熱工程を含むレーザ焼入れ工程を行った場合の鉄系合金の組織変化の一例を模式的に示す図である。 クランクシャフト１０の製造に用いられるレーザ光のエネルギー密度プロファイルの例を示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は、図９に示すようなエネルギー密度プロファイルを実現するための構成の例を示す図である。 実際に製造したクランクシャフト１０の断面構造を示す写真である。 高周波加熱による焼入れが施されたクランクシャフト５０の断面構造を示す図である。 高周波加熱による焼入れが施されたクランクシャフト５０の断面構造を示す図である。 本発明の好適な実施形態におけるクランクシャフト１０を備えたエンジンの一例を模式的に示す断面図である。 図１４に示すエンジンを備えた自動二輪車を模式的に示す断面図である。 従来の一般的なクランクシャフト５０を模式的に示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、クランクシャフト５０の一部を拡大して示す断面図であり、（ａ）はピンフィレット部近傍を示し、（ｂ）はジャーナルフィレット部近傍を示す。 ピンフィレット部やジャーナルフィレット部のような内隅部を加熱しにくい理由を説明するための図である。

符号の説明

１ クランクピン
１ａ、２ａ オイル供給孔
２ クランクジャーナル
３ クランクアーム
４Ｐ ピンフィレット部
４Ｊ ジャーナルフィレット部
５ 焼入れ層
１０ クランクシャフト
２０ レーザ
２１ レーザヘッド
２２ 第１のレーザアレイ（第１のレーザ光源）
２３ 第２のレーザアレイ（第２のレーザ光源）
２４ 第１のレンズ
２５ 第２のレンズ
３０ 自動回転テーブル
１００ エンジン

Claims (9)

1. クランクピンおよびクランクジャーナルと、前記クランクピンと前記クランクジャーナルとを連結するクランクアームとを備えたクランクシャフトであって、
   前記クランクピンと前記クランクアームとの間に位置するピンフィレット部と、
   前記クランクジャーナルと前記クランクアームとの間に位置するジャーナルフィレット部と、を有し、
   前記クランクピンおよび／またはクランクジャーナルは、２０ｍｍ以上４０ｍｍ以下の直径を有し、
   前記ピンフィレット部および前記ジャーナルフィレット部の少なくとも一方は、厚さ１ｍｍ以上２ｍｍ以下の焼入れ層を表面近傍に含み、
   前記クランクピンおよび前記クランクジャーナルは、厚さ２ｍｍを超える焼入れ層を表面近傍に実質的に含まない、クランクシャフト。
2. 少なくとも前記ピンフィレット部が、厚さ１ｍｍ以上２ｍｍ以下の前記焼入れ層を含む、請求項１に記載のクランクシャフト。
3. 前記ピンフィレット部および前記ジャーナルフィレット部の両方が、厚さ１ｍｍ以上２ｍｍ以下の前記焼入れ層を含む、請求項２に記載のクランクシャフト。
4. Ｃｅｑ＝Ｃ＋（１／１０）Ｓｉ＋（１／５）Ｍｎ＋（５／２２）Ｃｒ＋１．６５Ｖ−（５／７）Ｓと表される炭素等量Ｃｅｑが０．５以上１．２以下の鉄系合金から形成されている請求項１から３のいずれかに記載のクランクシャフト。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のクランクシャフトを備えた内燃機関。
6. 請求項５に記載の内燃機関を備えた輸送機器。
7. 走査方向に略直交する方向に沿ってエネルギー密度が略均一なレーザ光を放射し得るレーザを用意する工程と、
   前記レーザから放射されるレーザ光を用いてクランクシャフトを焼入れするレーザ焼入れ工程と、を包含し、
   前記レーザ焼入れ工程は、
   前記クランクシャフトの表面の温度が変態点よりも高く、且つ、融点よりも低くなるようにレーザ光を前記クランクシャフトの表面に照射する本加熱工程と、
   前記本加熱工程の前に、前記本加熱工程において照射されるレーザ光よりもエネルギー密度の低いレーザ光を前記クランクシャフトの表面に照射する予備加熱工程と、
   前記本加熱工程の後に、前記クランクシャフトの表面の温度が変態点よりも高く維持されるように、前記本加熱工程において照射されるレーザ光よりもエネルギー密度の低いレーザ光を前記クランクシャフトの表面に照射する後加熱工程と、を包含する、クランクシャフトの製造方法。
8. 前記レーザ焼入れ工程において、レーザ光は、前記クランクシャフトのピンフィレット部およびジャーナルフィレット部の少なくとも一方に照射される、請求項７に記載のクランクシャフトの製造方法。
9. 前記レーザは、前記クランクシャフトの表面において複数のレーザスポットが部分的に重なるように配置された複数のレーザ光源を有する、請求項７または８に記載のクランクシャフトの製造方法。