JP2018070928A - クランクシャフトの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】曲がり直し工程を行う時にクランクシャフトに亀裂が発生するのを防止することにより、強度の高いクランクシャフトの製造を可能にする。
【解決手段】鋼材からなるクランクシャフト１の製造方法であって、クランクシャフト１に軟窒化処理を行うことにより、クランクシャフト１の表面に窒素化合物層５を形成する工程と、軟窒化処理によってクランクシャフト１に生じた曲がりを矯正する工程と、を含み、窒素化合物層５が、γ´（Ｆｅ₄Ｎ）相からなることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、鋼材からなるクランクシャフトの製造方法に関する。

自動車のエンジンを構成する部品であるクランクシャフトの製造に際しては、クランクシャフトに対していわゆる軟窒化処理が行われる。この軟窒化処理は、鋼材からなるクランクシャフトに対して窒素と炭素を同時に拡散させることにより、金属材料の耐摩耗性及び疲労強度を向上させる処理である。

しかし、クランクシャフトに対してこの軟窒化処理を行うと、クランクシャフトに長手方向に沿った曲がりが発生する場合がある。この場合、このようなクランクシャフトの曲がりを矯正する、いわゆる曲がり直し工程が軟窒化処理の後に行われる。

ところで、軟窒化処理を行うことによりクランクシャフトの表面に窒素化合物層が形成されるが、この窒素化合物層の厚さは、軟窒化処理の処理温度、及びアンモニアガスの分圧と水素ガスの分圧とから求められる窒化ポテンシャルによって制御できることが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１５−１７５００９号公報

しかし、従来のクランクシャフトの製造方法では、曲がり直し工程においてクランクシャフトに亀裂が発生する場合があるという問題があった。より詳細には、鋼材からなるクランクシャフトに軟窒化処理を行うと、高い硬度を有する窒素化合物層（Ｆｅ₂ＮやＦｅ₃Ｎからなる、いわゆる「ε相」））がクランクシャフトの表面に形成されることにより、クランクシャフトの耐摩耗性が向上する。しかし、この窒素化合物層は脆い性質を有しているため、曲がり直し工程を行う時にクランクシャフト上で応力が集中する箇所において、窒素化合物層に亀裂が発生する。

そこで本発明は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、曲がり直し工程を行う時にクランクシャフトに亀裂が発生するのを防止することにより、強度の高いクランクシャフトの製造を可能にするクランクシャフトの製造方法を提供することにある。

本発明の一の態様によれば、
鋼材からなるクランクシャフトの製造方法であって、
前記クランクシャフトに軟窒化処理を行うことにより、前記クランクシャフトの表面に窒素化合物層を形成する工程と、
前記軟窒化処理によって前記クランクシャフトに生じた曲がりを矯正する工程と、
を含み、
前記窒素化合物層が、γ´（Ｆｅ₄Ｎ）相からなる
ことを特徴とするクランクシャフトの製造方法が提供される。

なお、本発明の一の態様に係るクランクシャフトの製造方法は、
前記軟窒化処理が、窒素ガスまたはアンモニアガスを含んだ雰囲気中に前記クランクシャフトを暴露することにより行われ、
前記窒素ガスまたは前記アンモニアガスの分圧を制御することにより、前記クランクシャフトの表面に前記γ´（Ｆｅ₄Ｎ）相からなる前記窒素化合物層を形成してもよい。

本発明の一の態様に係るクランクシャフトの製造方法によれば、曲がり直し工程を行う時にクランクシャフトに亀裂が発生するのを防止することにより、高い強度を有するクランクシャフトの製造が可能となる。

本発明の実施形態に係るクランクシャフトの製造方法によって製造されるクランクシャフトを示す概略平面図。 本発明の実施形態に係るクランクシャフトの製造方法について、工程の流れを示すフロー図。 軟窒化処理後のクランクシャフトの表面を示す部分拡大断面図。 窒化ポテンシャル（Ｋ_n）及び温度（℃）と窒化生成相との関係を示す従来公知のＬｅｈｒｅｒ状態図。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

（クランクシャフトの構成）
まず、本発明の実施形態に係るクランクシャフトの製造方法によって製造されるクランクシャフトの構成について説明する。図１は、本発明の実施形態に係るクランクシャフト１を示す概略平面図である。クランクシャフト１は、複数のクランクジャーナル２と、複数のクランクピン３と、隣接するクランクジャーナル２とクランクピン３の間に介在して設けられた複数のクランクアーム４と、を備えている。

クランクジャーナル２は、自動車のエンジンを構成するシリンダブロック（不図示）によって回転可能に支持される。このクランクジャーナル２は、図１に示すように、鋼材からなる略円柱形状のジャーナル本体部２１と、このジャーナル本体部２１の周面に開口して設けられた第一オイル穴２２と、を有している。このように構成されるクランクジャーナル２によれば、図に詳細は示さないが、クランクシャフト１の内部を流通する潤滑油が第一オイル穴２２から外部へ放出されることにより、ジャーナル本体部２１の周面とシリンダブロックとの間の摩擦力が低減されると共に、クランクシャフト１の内部で発生した熱が外部へ放出される。

クランクピン３は、エンジンの構成部品である不図示のコネクティングロッド（「コンロッド」とも呼ばれる）を回転可能に支持する役割を果たす。このクランクピン３は、図１に示すように、鋼材からなる略円柱形状のピン本体部３１と、このピン本体部３１の周面に開口して設けられた第二オイル穴３２と、を有している。このように構成されるクランクピン３によれば、図に詳細は示さないが、クランクシャフト１の内部を流通する潤滑油が第二オイル穴３２から外部へ放出されることにより、ピン本体部３１とコネクティングロッドとの間の摩擦力が低減されると共に、クランクシャフト１の内部で発生した熱が外部へ放出される。

クランクアーム４は、隣接するクランクジャーナル２とクランクピン３とを互いに接続する役割を果たす。このクランクアーム４は、鋼材からなる板状の部材であって、図１に示すように、その一方の面がクランクジャーナル２の端面に接続されると共に、その他方の面がクランクピン３の端面に接続されている。なお、図に詳細は示さないが、クランクアーム４の内部を斜めに横切るようにして、第一オイル穴２２と第二オイル穴３２とを連通するオイル流通路が形成されている。

（クランクシャフトの製造方法）
次に、本発明の実施形態に係るクランクシャフト１の製造方法について説明する。図２は、クランクシャフト１の製造方法について工程の流れを示すフロー図である。クランクシャフト１の製造に際しては、まずクランクシャフト１を鍛造する（Ｓ１）。すなわち、図に詳細は示さないが、クランクシャフト１を形成する鋼材、具体的には棒状の炭素鋼（例えば、Ｓ５０Ｃ）をハンマー等で叩くことにより、鋼材をクランクシャフト１の概略形状に成形する。この時、圧力を加えられた鋼材は、内部の空隙が潰れ、結晶が微細化し、結晶の方向が整うことにより、その強度が高まる。

次に、図２に示すように、クランクシャフト１を熱処理する（Ｓ２）。すなわち、図に詳細は示さないが、クランクシャフト１を所定の高温状態まで加熱した後に急冷する、いわゆる焼き入れを行うことにより、鋼材の耐摩耗性や引張り強度や疲労強度を向上させる。また、焼き入れを行った後のクランクシャフト１を適切な温度まで加熱してその温度で保持する、いわゆる焼き戻しを行うことにより、焼き入れによって不安定化した鋼材の組織を安定化させる。なお、熱処理としては、焼き入れと焼き戻し以外に、例えば焼きなましや焼きならし等を行ってもよい。

次に、図２に示すように、クランクシャフト１を機械加工する（Ｓ３）。すなわち、図に詳細は示さないが、工作機械を使用することにより、鍛造で概略形状が成形されたクランクシャフト１について、細部の形状を成形する。

次に、図２に示すように、クランクシャフト１を軟窒化処理する（Ｓ４）。この軟窒化処理は、アンモニアガスを含んだ雰囲気中にクランクシャフトを暴露することにより行われる。具体的には、図に詳細は示さないが、機械加工が完了したクランクシャフト１を、アンモニアガス（ＮＨ₃）と水素ガス（Ｈ₂）と二酸化炭素ガス（ＣＯ₂）とで満たされた炉内に投入する。そして、アンモニアガスの分圧（Ｐ_NH3）と水素ガスの分圧（Ｐ_H2）を適宜制御することにより、次の式（１）で定義される窒化ポテンシャル（Ｋ_n）を適宜制御する。これにより、図３に示すように、クランクシャフトの表面全体に亘ってγ´（Ｆｅ₄Ｎ）相からなる窒素化合物層５が形成される。
［数１］
Ｋ_n＝Ｐ_NH3／Ｐ_H2 ^3/2・・・・・・・・・・・・・・・・・式（１）

ここで、図４は、窒化ポテンシャル（Ｋ_n）及び温度（℃）と窒化生成相との関係を示す従来公知のＬｅｈｒｅｒ状態図である。このＬｅｈｒｅｒ状態図に示されるγ´相は、鋼材と比較して極めて高い硬度を有すると共に、図３に示されるε相（Ｆｅ₂ＮやＦｅ₃Ｎ）と比較して高い靱性を有するという特性がある。なお、図３に示される破線は、各相を分ける理論上の境界線を意味している。

次に、図２に示すように、軟窒化処理が行われたクランクシャフト１に曲がりが生じているか否かを検査する（Ｓ５）。その結果、クランクシャフト１に曲がりが生じていない場合（Ｓ５：Ｎｏ）、クランクシャフト１が完成したと判断して製造を終了する。

一方、検査の結果、クランクシャフト１に曲がりが生じている場合（Ｓ５：Ｙｅｓ）、クランクシャフト１について曲がり直しを行う（Ｓ６）。すなわち、図に詳細は示さないが、曲がりが生じたクランクシャフト１をその曲がり方向と逆方向へ押圧することにより、クランクシャフト１を真っ直ぐな状態に矯正する。以上により、クランクシャフト１の製造を終了する。

（作用効果）
本発明の実施形態に係るクランクシャフト１の製造方法によれば、軟窒化処理を行うことにより、γ´相からなる窒素化合物層５がクランクシャフト１の表面に形成される。そして、この窒素化合物層５は、クランクシャフト１を形成する鋼材と比較して極めて高い硬度を有している。従って、クランクシャフト１を構成するクランクジャーナル２は、シリンダブロックと摺動しても、その周面に傷等の損傷が生じにくい。同様に、クランクシャフト１を構成するクランクピン３も、コネクティングロッドと摺動しても、その周面に傷等の損傷が生じにくい。このように、クランクシャフト１の耐摩耗性が向上することにより、コネクティングロッドの安定した動作が可能となる。

また、図４に示されるγ´相は、ε相と比較して高い靱性すなわち粘り強さを有している。従って、γ´相からなる窒素化合物層５が表面に形成されたクランクシャフト１は、ε相からなる窒素化合物層が表面に形成される場合と比較すると、軟窒化処理でクランクシャフト１に生じた曲がりを矯正する曲がり直し工程を行う時に窒素化合物層５に亀裂が生じにくい。特に、曲がり直し工程では、例えば図３に示すクランクジャーナル２とクランクアーム４とが接合する第一接合隅部６や、クランクピン３とクランクアーム４とが接合する第二接合隅部７において応力が集中しやすいが、これら第一接合隅部６や第二接合隅部７においても窒素化合物層５に亀裂が発生することを未然に防止することができる。

（変形例）
以上、本発明の実施形態を詳細に述べたが、本発明の実施形態としては以下に示すような変形例も考えられる。

（１）本実施形態では、軟窒化処理によってクランクシャフト１に窒素を拡散させるために、アンモニアガスを含んだ雰囲気中にクランクシャフト１を暴露したが、これに代えて、窒素ガスを含んだ雰囲気中にクランクシャフト１を暴露してもよい。

（２）本実施形態では、クランクシャフト１を形成する鋼材として、炭素鋼（例えば、Ｓ５０Ｃ）を使用した。しかし、鋼材としては、炭素鋼に代えて、クロムモリブデン鋼（例えば、ＳＣＭ４３５）や、クロム鋼（例えば、ＳＣｒ４４０）や、マンガン鋼（例えば、ＳＭｎ４４０）等の合金鋼を使用することも可能である。このように、炭素鋼と比較して高い疲労強度を有する合金鋼を使用すれば、クランクシャフト１の全体について高い疲労強度を持たせることができるという利点がある。

（３）本実施形態では、図２に示すように、クランクシャフト１を軟窒化処理する前に、鍛造、熱処理、及び機械加工という３つの工程を行った。しかし、これら３つの工程は本発明に必須の工程ではなく、本発明は軟窒化処理、及び曲がり直しという２つの工程を備えれば足りる。

（４）本実施形態では、図１に示すクランクシャフト１を製造する場合について説明した。しかし、本発明によって製造されるクランクシャフト１は図１に示すものに限られず、クランクジャーナル２、クランクピン３、及びクランクアーム４の形状、位置、個数等は、適宜設計変更が可能である。

１ クランクシャフト
５ 窒素化合物層

Claims (2)

1. 鋼材からなるクランクシャフトの製造方法であって、
   前記クランクシャフトに軟窒化処理を行うことにより、前記クランクシャフトの表面に窒素化合物層を形成する工程と、
   前記軟窒化処理によって前記クランクシャフトに生じた曲がりを矯正する工程と、
   を含み、
   前記窒素化合物層が、γ´（Ｆｅ₄Ｎ）相からなる
   ことを特徴とするクランクシャフトの製造方法。
2. 前記軟窒化処理が、窒素ガスまたはアンモニアガスを含んだ雰囲気中に前記クランクシャフトを暴露することにより行われ、
   前記窒素ガスまたは前記アンモニアガスの分圧を制御することにより、前記クランクシャフトの表面に前記γ´（Ｆｅ₄Ｎ）相からなる前記窒素化合物層を形成する
   ことを特徴とする請求項１に記載のクランクシャフトの製造方法。

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