JP2023174510A - クランクシャフト及びクランクシャフトの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた疲労強度を有するクランクシャフトを提供する。【解決手段】クランクシャフト１０は、機械構造用鋼材からなるクランクシャフトであって、円柱形状の摺動部１２１と、フィレット部１２２と、スラスト部１２３と、を備え、スラスト部１２３は、表面に焼入れ硬化層を有し、スラスト部１２３の表面から深さ０．３０ｍｍ及び０．５０ｍｍの２箇所の位置で測定したビッカース硬さの平均値Ｈｂと、スラスト部１２３の表面から深さ０．０２ｍｍ、０．０４ｍｍ、０．０６ｍｍ、０．０８ｍｍ及び０．１０ｍｍの５箇所の位置で測定したビッカース硬さの平均値Ｈａとの差Ｈｂ－Ｈａが１００以下である。ただし、スラスト部１２３のビッカース硬さは、摺動部１２１の径方向において、フィレット部１２３の端部から２．０ｍｍの位置において測定するものとする。【選択図】図２

Description

本発明は、クランクシャフト及びクランクシャフトの製造方法に関する。

クランクシャフトには、疲労強度向上のために高周波焼入れが行われる場合がある。

特許第６９６９６８３号公報には、非高周波焼入れ部と高周波焼入れ部とを有する高周波焼入れクランクシャフトが開示されている。このクランクシャフトは、所定の化学組成を有し、非高周波焼入れ部の組織が、フェライト・パーライトの面積率が９０％以上である組織からなり、かつ、フェライト分率Ｆαが所定の式を満たし、高周波焼入れ部の組織が、マルテンサイト又は焼戻しマルテンサイトの面積率が９０％以上である組織からなり、かつ旧オーステナイト粒径が３０μｍ以下である。

特開２０１５－２２７７０７号公報には、クランクジャーナル、クランクピン、クランクアーム、及び、フィレットアール部を有するクランクシャフトが開示されている。このクランクシャフトのフィレットアール部の外周面は、焼入れすることで形成された焼入れ硬化層を有し、かつ、焼入れ硬化層の形成後に部分的に研削されており、焼入れ硬化層における研削されていない非研削外周面は、フィレットアール部の底からピンスラスト側に位置する外周面領域を含んでいる。

クランクシャフトに関するものではないが、特許第６４６１４７８号公報には、所定の化学組成を有し、マルテンサイト組織の生成領域である焼入領域が、最表面から０．３～３．０ｍｍ深さの領域にある高周波焼入れ歯車が開示されている。この高周波焼入れ歯車は、最表面から５０μｍ深さの位置における表層硬さがＨＶ６２０～８５０の範囲内であり、焼入領域の深さの位置より内部の硬さ分布において、最も焼入領域側の極小値がＨＶ３００～５５０の範囲内であり、最表面から５０μｍ深さの位置における旧オーステナイト粒に関し、平均径が５μｍ以下でかつＪＩＳ Ｇ ０５５１で規定する混粒が存在しない。

特許第６９６９６８３号公報 特開２０１５－２２７７０７号公報 特許第６４６１４７８号公報

クランクシャフトの疲労強度を向上させるためには、鋼材のＣ含有量を高くして焼入れ性を高め、焼入れ硬化層をより硬くすることが効果的と考えられている。しかし本発明者らの調査により、Ｃ含有量を高くしてもクランクシャフトの疲労強度が十分に向上しない場合があることがわかった。

本発明の課題は、優れた疲労強度を有する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、機械構造用鋼材からなるクランクシャフトであって、円柱形状の摺動部と、前記摺動部に隣接して形成されたフィレット部と、前記フィレット部に隣接して形成されたスラスト部と、を備え、前記スラスト部は、表面に焼入れ硬化層を有し、前記スラスト部の表面から深さ０．３０ｍｍ及び０．５０ｍｍの２箇所の位置で測定したビッカース硬さの平均値Ｈｂと、前記スラスト部の表面から深さ０．０２ｍｍ、０．０４ｍｍ、０．０６ｍｍ、０．０８ｍｍ及び０．１０ｍｍの５箇所の位置で測定したビッカース硬さの平均値Ｈａとの差Ｈｂ－Ｈａが１００以下である。ただし、前記スラスト部のビッカース硬さは、前記摺動部の径方向において、前記フィレット部の端部から２．０ｍｍの位置において測定するものとする。

本発明の一実施形態によるクランクシャフトの製造方法は、上記のクランクシャフトを製造する方法であって、クランクシャフトの中間品を準備する工程と、前記クランクシャフトの中間品に高周波焼入れをする工程と、前記高周波焼入れされたクランクシャフトの中間品の前記スラスト部を研削する工程と、を備え、前記スラスト部を研削する工程は、前記クランクシャフトの中間品を回転させながら、回転する砥石を前記スラスト部に接触させる工程を含み、前記砥石が前記スラスト部と最初に接触する位置での前記スラスト部の周速度Ｖａと、前記砥石の周速度Ｖｂとの比Ｖｂ／Ｖａが１００以下であり、下記の式（１）で表される研削能率Ｚ’が５０ｍｍ^３／（ｍｍ・ｓ）以下である。
Ｚ’＝Ｒ×ｖ×π （１）
ここで、前記スラスト部の周速度Ｖａは、前記摺動部の中心軸から見た、前記砥石が前記スラスト部と最初に接触する位置での周速度とし、式（１）のＲは、前記摺動部の中心軸から、前記砥石が前記スラスト部と最初に接触する位置までの距離であり、ｖは前記砥石の切込速度である。

本発明によれば、優れた疲労強度を有する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、図１のクランクシャフトのピン部の近傍を拡大して示す断面図である。 図３は、クランクシャフトの製造方法の一例のフロー図である 図４は、ピン部のスラスト部の研削の様子を模式的に示す図である。 図５Ａは、ピン部の回転に追随する砥石によってピン部のスラスト部を研削する方法を模式的に示す図である。 図５Ｂは、ピン部の回転に追随する砥石によってピン部のスラスト部を研削する方法を模式的に示す図である。 図５Ｃは、ピン部の回転に追随する砥石によってピン部のスラスト部を研削する方法を模式的に示す図である。 図５Ｄは、ピン部の回転に追随する砥石によってピン部のスラスト部を研削する方法を模式的に示す図である。 図６は、ピン部の中心を回転軸として回転するピン部に砥石を接触させる場合を模式的に示す図である。

本発明者は、Ｃ含有量を高くしてもクランクシャフトの疲労強度が向上しない原因を調査し、以下の知見を得た。

クランクシャフトは、ピン部及びジャーナル部を有する。ピン部及びジャーナル部には、硬さを向上させるために高周波焼入れが施される場合がある。

ピン部及びジャーナル部の各々は、円柱形状の摺動部と、摺動部に隣接して形成されたフィレット部と、フィレット部に隣接して形成されたスラスト部とを有する。クランクシャフトでは、焼付き防止のためにスラスト部を研削する必要がある。スラスト部は研削時に冷却液が届きにくく、発熱が大きくなりやすい。この発熱により、スラスト部の表面が焼き戻される場合がある。スラスト部の表面が焼き戻されると、表面硬さが低下し、表面近傍に引張残留応力が形成され、疲労強度の向上が妨げられる。また、研削時の発熱は、表面硬化層が硬いほど大きくなる。そのため、Ｃ含有量を高くしても疲労強度が十分に大きくならないか、疲労強度が却って低下する場合がある。

クランクシャフトの疲労強度を向上させるためには、スラスト部での発熱を抑制し、スラスト部の最表層での軟化を抑制することが有効である。より具体的には、スラスト部の表面から深さ０．３０ｍｍ及び０．５０ｍｍの２箇所の位置で測定したビッカース硬さの平均値Ｈｂと、前記スラスト部の表面から深さ０．０２ｍｍ、０．０４ｍｍ、０．０６ｍｍ、０．０８ｍｍ及び０．１０ｍｍの５箇所の位置で測定したビッカース硬さの平均値Ｈａとの差Ｈｂ－Ｈａを１００以下にすることが有効である。

また、スラスト部での発熱を抑制するためには、研削能率Ｚ’を５０ｍｍ^３／（ｍｍ・ｓ）以下にし、かつ、スラスト部の周速度Ｖａと砥石の周速度Ｖｂとの比Ｖｂ／Ｖａを１００以下にして研削することが有効である。

本発明は、以上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。

クランクシャフト１０は、機械構造用鋼材からなる。クランクシャフト１０は、これらに限定されないが、ＪＩＳ Ｇ ４０５１：２０１６の機械構造用炭素鋼鋼材、ＪＩＳ Ｇ４０５３：２０１６の機械構造用合金鋼鋼材等からなるものを用いることができる。これらの鋼材の中でも、ＪＩＳ Ｇ ４０５１：２０１６のＳ４５Ｃ、Ｓ５０Ｃ及びＳ５３Ｃ、並びにＪＩＳ Ｇ ４０５３：２０１６のＳＭｎ４３８や、これらの鋼材に被削性を向上させるために０．２０質量％以下のＳを添加した鋼材が好適である。

クランクシャフト１０の化学組成は例えば、Ｆｅ及び不純物に加えて、質量％で、Ｃ：０．３０～０．６０％、Ｓｉ：０．０１～２．０％、Ｍｎ：０．１～２．０％、Ｃｒ：０．０１～０．５０％、Ａｌ：０．００１～０．０６％、Ｎ：０．００１～０．０２％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．２０％以下を含む。クランクシャフト１０の化学組成は、上記以外の元素を含有していてもよい。クランクシャフト１０の化学組成は例えば、質量％で、Ｍｏ：０～０．５０％、Ｃｕ：０～０．５０％、Ｎｉ：０～０．５０％、Ｔｉ：０～０．０５０％、Ｎｂ：０～０．０５０％、Ｃａ：０～０．００５％、Ｂｉ：０～０．３０％、及びＶ：０～０．２０％を含有していてもよい。

Ｃ含有量の下限は、好ましくは０．３５質量％であり、さらに好ましくは０．３８質量％であり、さらに好ましくは０．４０質量％である。Ｃ含有量が高いほど、後述するスラスト部の最表層の硬さを制御することによる効果が大きくなる。

ジャーナル部１１は、シリンダブロック（不図示）の軸受と連結される。ピン部１２は、コネクティングロッド（不図示）の軸受と連結される。アーム部１３は、ジャーナル部１１とピン部１２とを接続する。

図２は、クランクシャフト１０のピン部１２の近傍を拡大して示す断面図である。ピン部１２は、円柱形状の摺動部１２１と、摺動部１２１に隣接して形成されたフィレット部１２２と、フィレット部１２２に隣接して形成されたスラスト部１２３とを有している。フィレット部１２２は、摺動部１２１の軸方向において摺動部１２１の外側に形成されている。スラスト部１２３は、摺動部１２１の軸方向において、フィレット部１２２の外側に形成されている。

摺動部１２１は、コネクティングロッドの軸受と摺動する部分である。フィレット部１２２は、摺動部１２１とスラスト部１２３とを繋ぐ部分であって、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。スラスト部１２３は、摺動部１２１の軸方向と概ね垂直な表面を有している。

スラスト部１２３の表面には、焼入れ硬化層が形成されている。焼入れ硬化層の厚さは、好ましくは１．０ｍｍ以上であり、さらに好ましくは２．０ｍｍ以上であり、さらに好ましくは３．０ｍｍ以上である。焼入れ硬化層と焼入れ硬化層以外の部分との境界は、硬さが、後述する平均値Ｈｂと母材硬さ（例えば、摺動部の中心の硬さ）との平均値となる深さとする。また、スラスト部１２３の表面に加えて、摺動部１２１及びフィレット部１２２の表面にも焼入れ硬化層が形成されていることが好ましい。

スラスト部１２３の表面の焼入れ硬化層は、好ましくは、表面から０．５０ｍｍの位置において、マルテンサイトの体積率が９０％以上である組織を有する。表面の焼入れ硬化層の組織は、より好ましくは、表面から０．５０ｍｍの位置において、マルテンサイトの体積率が９５％以上である。表面の焼入れ硬化層の組織は、表面から０．１０ｍｍの位置においてマルテンサイトの体積率が９０％以上であることがさらに好ましく、表面から０．１０ｍｍの位置において、マルテンサイトの体積率が９５％以上であることがさらに好ましい。

図示は省略するが、ジャーナル部１１も同様に、円柱形状の摺動部と、摺動部に隣接して形成されたフィレット部と、フィレット部に隣接して形成されたスラスト部とを有している。ジャーナル部１１のスラスト部の表面にも焼入れ硬化層が形成されている。また、ジャーナル部１１の摺動部及びフィレット部にも焼入れ硬化層が形成されていることが好ましい。

本実施形態によるクランクシャフト１０は、ピン部１２及びジャーナル部１１の少なくとも一方において、スラスト部の表面から深さ０．３０ｍｍ及び０．５０ｍｍの２箇所の位置で測定したビッカース硬さの平均値Ｈｂと、スラスト部の表面から深さ０．０２ｍｍ、０．０４ｍｍ、０．０６ｍｍ、０．０８ｍｍ及び０．１０ｍｍの５箇所の位置で測定したビッカース硬さの平均値Ｈａとの差Ｈｂ－Ｈａが１００以下である。ビッカース硬さの平均値Ｈａ及びビッカース硬さの平均値Ｈｂを求める際のビッカース硬さは、摺動部の径方向において、フィレット部の端部からの距離ｄが２．０ｍｍである位置Ｌにおいて測定するものとする（図２を参照）。

平均値Ｈｂと平均値Ｈｂとの差Ｈｂ－Ｈａ（以下「ビッカース硬さの差Ｈｂ－Ｈａ」という。）を１００以下にすることで、優れた疲労強度が得られる。ビッカース硬さの差Ｈｂ－Ｈａの上限は、より好ましくは５０であり、さらに好ましくは２０であり、さらに好ましくは１０であり、さらに好ましくは５である。

ビッカース硬さの平均値Ｈａの下限は、好ましくは５２０であり、さらに好ましくは５５０であり、さらに好ましくは５８０であり、さらに好ましくは６００であり、さらに好ましくは６２０であり、さらに好ましくは６４０であり、さらに好ましくは６５０である。ビッカース硬さの平均値Ｈａの上限は特に限定されないが、例えば７５０であり、好ましくは７００である。

ビッカース硬さの平均値Ｈｂの下限は、好ましくは５５０であり、さらに好ましくは５８０であり、さらに好ましくは６００であり、さらに好ましくは６２０であり、さらに好ましくは６４０であり、さらに好ましくは６５０である。ビッカース硬さの平均値Ｈｂの上限は特に限定されないが、例えば８００であり、好ましくは７５０であり、さらに好ましくは７００である。

ピン部１２及びジャーナル部１１の少なくとも一方において、ビッカース硬さの差Ｈｂ－Ｈａが１００以下であれば、そうでない場合と比較して、疲労強度向上の効果が得られる。もっとも、より優れた疲労強度を得るという観点からは、ピン部１２及びジャーナル部１１の両方において、ビッカース硬さの差Ｈｂ－Ｈａが１００以下であることが好ましい。

［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、クランクシャフトの製造方法の一例のフロー図である。この製造方法は、クランクシャフトの中間品を準備する工程（ステップＳ１）と、クランクシャフトの中間品に高周波焼入れをする工程（ステップＳ２）と、高周波焼入れされたクランクシャフトの中間品のスラスト部を研削する工程（ステップＳ３）とを備えている。

クランクシャフトの中間品を準備する（ステップＳ１）。クランクシャフトの中間品は例えば、所定の化学組成を有する素材を熱間鍛造してクランクシャフトの粗形状にし、必要に応じて焼準し等の熱処理をした後、機械加工を施すことで製造することができる。

クランクシャフトの中間品に高周波焼入れをする（ステップＳ２）。具体的には例えば、高周波誘導加熱によってクランクシャフトの中間品を所定の温度に加熱した後、急冷する。クランクシャフトへの高周波焼入れは、クランクシャフト全体に対して行ってもよいし、ピン部及びジャーナル部のみに対して行ってもよい。高周波焼入れは、ピン部及びジャーナル部の各々のスラスト部にも焼入れ硬化層が形成されるように行う。

高周波焼入れされたクランクシャフトの中間品のピン部及びジャーナル部の各々のスラスト部を研削する（ステップＳ３）。具体的には、クランクシャフトの中間品を回転させながら、回転する砥石をスラスト部に接触させる。

［スラスト部の研削方法の例１］
以下ではスラスト部の研削方法の一例として、図４を参照して、ピン部のスラスト部を研削する場合を説明する。図４は、ピン部１２のスラスト部１２３の研削の様子を模式的に示す図である。以下の説明では、「クランクシャフトの中間品」を「クランクシャフト１０Ａ」と呼ぶ。

ピン部１２の摺動部１２１の中心軸Ａ１を回転軸（回転中心軸）としてクランクシャフト１０Ａを回転させる。この回転は例えば、偏心チャックを用いて行うことができる。クランクシャフト１０Ａの回転方向は、砥石２０の回転方向と同じ方向であってもよいし、反対方向であってもよいが、同じ方向であることが好ましい。クランクシャフト１０Ａを回転させながら、摺動部１２１の中心軸Ａ１と平行な方向を回転軸Ａ２として回転する砥石２０をスラスト部１２３に接触させる。

より具体的には、砥石２０の回転軸Ａ２と摺動部１２１の中心軸Ａ１とが接近するように砥石２０を移動させて、砥石２０とスラスト部１２３とを接触させる。砥石２０を移動させるのに代えて、クランクシャフト１０Ａを移動させてもよいし、両方を移動させてもよい。砥石２０とスラスト部１２３とを接触させた後、回転軸Ａ２と中心軸Ａ１とをさらに接近させて、スラスト部１２３の表面を研削する。このとき、砥石２０とスラスト部１２３との間に研削液（冷却液や潤滑液）を供給しながら研削することが好ましい。図４では、摺動部１２１の軸方向の片側のスラスト部１２３を砥石２０で研削する場合を図示しているが、二つのスラスト部１２３の両方を一度に研削するようにしてもよい。

スラスト部１２３を研削する際、スラスト部１２３の周速度Ｖａと砥石２０の周速度（より詳しくは、砥石２０の表面の周速度）Ｖｂとの比Ｖｂ／Ｖａを１００以下にし、かつ、研削能率Ｚ’を５０ｍｍ^３／（ｍｍ・ｓ）以下にすることが好ましい。

スラスト部１２３の周速度Ｖａは、砥石２０がスラスト部１２３と最初に接触する位置Ｌ１でのスラスト部１２３の周速度とする。すなわち、砥石２０とスラスト部１２３とを接近させていったとき、砥石２０とスラスト部１２３とが最初に接触する位置Ｌ１でのスラスト部１２３の周速度を周速度Ｖａとする（図４を参照）。周速度Ｖａはまた、中心軸Ａ１から上述した位置Ｌ１までの距離をＲ、クランクシャフト１０Ａの回転速度（単位時間当たりの回転数）をｎとしたとき、Ｖａ＝２πＲｎとして表される。

周速度Ｖｂに対して周速度Ｖａを大きくすることで、スラスト部１２３の表面で発生する熱が周方向に分散されやすくなり、スラスト部１２３の温度上昇を抑制することができる。Ｖｂ／Ｖａの上限は、より好ましくは８０であり、さらに好ましくは７０である。Ｖｂ／Ｖａの下限は、特に限定されないが、例えば３０であり、好ましくは５０である。

周速度Ｖａは、Ｖｂ／Ｖａが１００以下であれば特に限定されないが、例えば０．５０～５．００ｍ／ｓである。周速度Ｖａの下限は、好ましくは０．６０ｍ／ｓであり、さらに好ましくは０．７０ｍ／ｓである。周速度Ｖａの上限は、好ましくは３．００ｍ／ｓであり、さらに好ましくは２．００ｍ／ｓである。

周速度Ｖｂは、Ｖｂ／Ｖａが１００以下であれば特に限定されないが、例えば３０～３００ｍ／ｓである。周速度Ｖｂの下限は、好ましくは４０ｍ／ｓであり、さらに好ましくは５０ｍ／ｓである。周速度Ｖｂの上限は、好ましくは２００ｍ／ｓであり、さらに好ましくは１５０ｍ／ｓであり、さらに好ましくは１００ｍ／ｓである。

研削能率Ｚ’は、単位時間に、砥石の単位幅当たりにどれだけの体積が研削されるかを示す量である。本実施形態では、概算値として、下記の式（１）によって研削能率Ｚ’を求める。
Ｚ’＝Ｒ×ｖ×π （１）
ここで、Ｒは、中心軸Ａ１から上述した位置Ｌ１までの距離（単位はｍｍ）であり（図４を参照）、ｖは砥石２０の切込速度（単位はｍｍ／ｓ）である。

砥石２０の切込速度ｖは、中心軸Ａ１と回転軸Ａ２とが接近する速度である。砥石２０の切込速度ｖは、中心軸Ａ１を固定して砥石２０の回転軸Ａ２だけを移動させる場合には、砥石２０の送り速度と一致する。

研削能率Ｚ’が大きすぎると、スラスト部１２３の温度上昇を抑制することが困難になる。研削能率Ｚ’の上限は、より好ましくは４５ｍｍ^３／（ｍｍ・ｓ）である。一方、研削能率Ｚ’を小さくしすぎると生産性が低下する。研削能率Ｚ’の下限は、好ましくは３０ｍｍ^３／（ｍｍ・ｓ）である。

Ｖｂ／Ｖａを１００以下にし、かつ、研削能率Ｚ’を５０ｍｍ^３／（ｍｍ・ｓ）以下にすることで、スラスト部１２３のビッカース硬さの差Ｈｂ－Ｈａを１００以下にすることができる。既述のとおり、クランクシャフト１０は、ピン部１２及びジャーナル部１１の少なくとも一方において、ビッカース硬さの差Ｈｂ－Ｈａが１００以下であればよい。そのためには、ピン部１２のスラスト部１２３を研削する際、及びジャーナル部１１のスラスト部を研削する際の少なくとも一方において、Ｖｂ／Ｖａを１００以下にし、かつ、研削能率Ｚ’を５０ｍｍ^３／（ｍｍ・ｓ）以下にすればよい。もっとも、より優れた疲労強度を得るという観点からは、ピン部１２のスラスト部１２３を研削する際、及びジャーナル部１１のスラスト部を研削する際の両方において、Ｖｂ／Ｖａを１００以下にし、かつ、研削能率Ｚ’を５０ｍｍ^３／（ｍｍ・ｓ）以下にすることが好ましい。

［スラスト部の研削方法の例２］
上記の例では、ピン部１２のスラスト部１２３を研削する方法の一例として、ピン部１２の摺動部１２１の中心軸Ａ１を回転軸としてクランクシャフト１０Ａを回転させながら、砥石２０をスラスト部１２３に接触させる場合を説明した。ピン部１２のスラスト部１２３を研削する方法として、上記の方法に代えて、以下に説明するように、ジャーナル部１１（図１）の摺動部の中心軸を回転軸としてクランクシャフト１０Ａを回転させながら、ピン部１２の回転に追随する砥石によってピン部１２のスラスト部１２３を研削する方法を用いることもできる。

図５Ａ～図５Ｄは、ピン部１２の回転に追随する砥石２０によってピン部１２のスラスト部を研削する方法を模式的に示す図である。図５Ａ～図５Ｄでは、クランクシャフト１０Ａをジャーナル部１１の摺動部の中心軸を回転軸として回転させた場合における、クランクシャフト１０Ａの軸方向から見たときの、ジャーナル部１１及びピン部１２の位置、並びに砥石２０の位置を模式的に示している。以下の説明では、クランクシャフト１０Ａの軸方向をｚ方向と呼び、ｚ方向と垂直な方向の一つをｘ方向と呼び、ｘ方向及びｚ方向の両方に垂直な方向をｙ方向と呼ぶ。

図５Ａ～図５Ｄに示すように、クランクシャフト１０Ａが一回転する間に、ピン部１２はジャーナル部１１の周りを一回転する。このとき、砥石２０の表面がピン部１２と接触し続けるように、砥石２０をピン部１２の回転運動に連動してｘ方向に往復運動させる。より正確には、砥石２０の表面がピン部１２と接触し続け、かつ、ピン部１２の中心軸と砥石２０の中心軸とが切込速度ｖで接近するように、砥石２０をピン部１２の回転運動に連動してｘ方向に往復運動させる。この間、ｚ軸と平行な方向を回転軸として周速度Ｖｂで砥石２０を回転させる。

図５Ａ～図５Ｄに示すように、クランクシャフト１０Ａが一回転する間に、ピン部１２の全周が砥石２０と接触する。クランクシャフト１０Ａの回転速度（単位時間当たりの回転数）をｎとした場合、ピン部１２は、単位時間に（ピン部１２の周長）×ｎの長さだけ砥石２０と摺動する。この場合におけるピン部１２と砥石２０との相対的な位置関係は、砥石２０の径がピン部１２の径に対して十分に大きければ、ピン部１２の中心（ピン部１２の摺動部１２１（図４）の中心軸）を回転軸として回転速度ｎで回転するピン部１２に砥石２０を接触させる場合（図６を参照）と等価であると近似できる。

そこで、スラスト部１２３の周速度Ｖａを、「ピン部１２の摺動部１２１の中心軸から見た周速度」と定義することで、周速度Ｖａと周速度Ｖｂとの関係を、図４を参照して説明した場合と同様に考えることができる。より具体的には、スラスト部１２３の周速度Ｖａを、ピン部１２の摺動部１２１の中心軸から見た、砥石２０がスラスト部１２３と最初に接触する位置でのスラスト部１２３の周速度とする。この場合、周速度Ｖａは、ピン部１２の摺動部１２１の中心軸から砥石２０がスラスト部１２３と最初に接触する位置までの距離をＲ、クランクシャフト１０Ａの回転速度（単位時間当たりの回転数）をｎとしたとき、Ｖａ＝２πＲｎとして表される。

この場合においても、Ｖｂ／Ｖａを１００以下にし、かつ、研削能率Ｚ’を５０ｍｍ^３／（ｍｍ・ｓ）以下にすることが好ましい。Ｖｂ／Ｖａを１００以下にし、かつ、研削能率Ｚ’を５０ｍｍ^３／（ｍｍ・ｓ）以下にすることで、スラスト部１２３のビッカース硬さの差Ｈｂ－Ｈａを１００以下にすることができる。Ｖｂ／Ｖａのより好ましい範囲、及び研削能率Ｚ’のより好ましい範囲は、図４を参照して説明した場合と同様である。

上記の例では、ピン部１２の回転運動に連動して、砥石２０をｘ方向に往復運動させる場合を説明した。これに代えて、ピン部１２の回転運動に連動して、砥石２０をｘ方向及びｙ方向の両方に移動させるようにしてもよい。

［被削部の冷却］
高周波焼入れされたクランクシャフトの中間品のスラスト部を研削する工程（ステップＳ３）では、スラスト部の研削される部分（被削部）に冷却液を噴射しながら研削を行うことが好ましい。このとき、冷却液の流量が１５．０Ｌ／分以上１５０．０Ｌ／分以下であり、冷却液の圧力が０．０１ＭＰａ以上１．００ＭＰａ以下であり、かつ、流量（Ｌ／分）×圧力（ＭＰａ）が５．０＜流量×圧力＜１５０．０とすることが好ましい。冷却液は、潤滑液の機能を併せ持ったものであってもよい。

上記の条件で冷却することによって、研削能率Ｚ’を大きくした場合であっても、被削部の温度上昇を抑制し、スラスト部の最表層での軟化を抑制することができる。流量×圧力の下限は、より好ましくは８．０であり、さらに好ましくは１０．０であり、さらに好ましくは１５．０である。流量×圧力の上限は、より好ましくは１２０．０であり、さらに好ましくは１００．０であり、さらに好ましくは８０．０であり、さらに好ましくは６０．０である。

スラスト部を研削する工程（ステップＳ３）では、被削部の表面温度を２００℃以下になるように冷却することが好ましい。研削時の被削部の表面温度は、より好ましくは１８０℃以下であり、さらに好ましくは１６０℃以下であり、さらに好ましくは１２０℃以下である。

以上、本発明の一実施形態によるクランクシャフト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、優れた疲労強度を有する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。

［実施例１］
表１に示す化学組成を有する鋼材からなるクランクシャフトの中間品に対して高周波焼入れを行った。高周波焼入れ後、ピン部及びジャーナル部に研削を施してクランクシャフトを製造した。高周波焼入れの条件及びピン部の研削条件等は一定とし、ジャーナル部のスラスト部の研削条件だけを変えて複数のクランクシャフトを製造した。

ジャーナル部のスラスト部の研削は、研削方式：湿式プランジ研削、砥石周速度（Ｖｂ）：６０ｍ／ｓ、実取り代：φ１２．１８ｍｍ、研削幅：０．２５ｍｍ（片側）を共通の条件とし、ワーク周速度（Ｖａ）及び切込速度を変えて行った。砥石の回転方向とワーク（クランクシャフトの中間品）の回転方向は同方向とした。

各クランクシャフトから硬さ測定用の試験片を採取し、ジャーナル部のスラスト部における、ビッカース硬さの平均値Ｈａ及びビッカース硬さの平均値Ｈｂを測定した。

各クランクシャフトの１スローを切断し、ねじり疲労試験を行った。具体的には１スロー両端のピン部を試験機に固定して、ピン部に所定のトルクを繰り返しかけることによって、ジャーナル部にせん断力を繰り返し付与した。疲労破壊が認められるか、繰り返し数が１．０×１０^７回となるまで試験を続行し、疲労強度（疲労限度）を求めた。

結果を表２に示す。

表２の「硬化層組織」の欄には、表面から０．５０ｍｍの位置の組織を記載している。「硬化層最表層組織」の欄には、表面から０．１０ｍｍの位置の組織を記載している。括弧内の数値は、その組織の体積率である。

表２に示すように、Ｎｏ．１～Ｎｏ．３のクランクシャフトは、ビッカース硬さの差Ｈｂ－Ｈａが１００以下であった。これらのクランクシャフトは、Ｎｏ．４～Ｎｏ．７のクランクシャフトと比較して、優れた疲労強度を有していた。

Ｎｏ．４～Ｎｏ．７のクランクシャフトは、ビッカース硬さの差Ｈｂ－Ｈａが１００よりも大きかった。Ｎｏ．４のクランクシャフトのビッカース硬さの差Ｈｂ－Ｈａが１００よりも大きかったのは、研削能率Ｚ’が大きすぎたためと考えられる。Ｎｏ．５～Ｎｏ．７のクランクシャフトのビッカース硬さの差Ｈｂ－Ｈａが１００よりも大きかったのは、Ｖｂ／Ｖａが大きすぎたためと考えられる。

［実施例２］
次に、ワーク周速度（Ｖａ）を１．００ｍ／ｓ、ワーク周速度に対する砥石周速度の比Ｖｂ／Ｖａを６０．００、研削能率Ｚ’を４５．００（ｍｍ^３／ｍｍ・ｓ）に固定し、冷却条件を変えて研削を行った。他は実施例１と同様にしてクランクシャフトを製造し、Ｈａ、Ｈｂ及び疲労強度を測定した。結果を表３に示す。

表３に示すとおり、冷却条件が５．０＜流量×圧力＜１５０を満たしたＮｏ．１１～Ｎｏ．１３及びＮｏ．１５では、研削時の被削部の表面温度が２００℃以下であった。Ｎｏ．１１～Ｎｏ．１３及びＮｏ．１５のクランクシャフトは、Ｈｂ－Ｈａが５０以下であり、Ｎｏ．１４及びＮｏ．１６のクランクシャフトと比較して、より優れた疲労強度を有していた。

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
１０Ａ クランクシャフトの中間品
１１ ジャーナル部
１２ ピン部
１２１ 摺動部
１２２ フィレット部
１２３ スラスト部
１３ アーム部
２０ 砥石

Claims (5)

1. 機械構造用鋼材からなるクランクシャフトであって、
   円柱形状の摺動部と、
   前記摺動部に隣接して形成されたフィレット部と、
   前記摺動部に隣接して形成されたスラスト部と、を備え、
   前記スラスト部は、表面に焼入れ硬化層を有し、
   前記スラスト部の表面から深さ０．３０ｍｍ及び０．５０ｍｍの２箇所の位置で測定したビッカース硬さの平均値Ｈｂと、前記スラスト部の表面から深さ０．０２ｍｍ、０．０４ｍｍ、０．０６ｍｍ、０．０８ｍｍ及び０．１０ｍｍの５箇所の位置で測定したビッカース硬さの平均値Ｈａとの差Ｈｂ－Ｈａが１００以下である、クランクシャフト。
   ただし、前記スラスト部のビッカース硬さは、前記摺動部の径方向において、前記フィレット部の端部から２．０ｍｍの位置において測定するものとする。
2. 請求項１に記載のクランクシャフトであって、
   前記ビッカース硬さの平均値Ｈａが５２０以上である、クランクシャフト。
3. 請求項１に記載のクランクシャフトであって、
   前記ビッカース硬さの平均値Ｈｂが５５０以上である、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を製造する方法であって、
   クランクシャフトの中間品を準備する工程と、
   前記クランクシャフトの中間品に高周波焼入れをする工程と、
   前記高周波焼入れされたクランクシャフトの中間品の前記スラスト部を研削する工程と、を備え、
   前記スラスト部を研削する工程は、前記クランクシャフトの中間品を回転させながら、回転する砥石を前記スラスト部に接触させる工程を含み、
   前記スラスト部の周速度Ｖａと、前記砥石の周速度Ｖｂとの比Ｖｂ／Ｖａが１００以下であり、
   下記の式（１）で表される研削能率Ｚ’が５０ｍｍ^３／（ｍｍ・ｓ）以下である、クランクシャフトの製造方法。
   Ｚ’＝Ｒ×ｖ×π （１）
   ここで、前記スラスト部の周速度Ｖａは、前記摺動部の中心軸から見た、前記砥石が前記スラスト部と最初に接触する位置での周速度とし、
   式（１）のＲは、前記摺動部の中心軸から、前記砥石が前記スラスト部と最初に接触する位置までの距離であり、ｖは前記砥石の切込速度である。
5. 請求項４に記載のクランクシャフトの製造方法であって、
   前記スラスト部を研削する工程において、前記スラスト部の研削される部分に冷却液を噴射しながら研削を行い、
   前記冷却液の流量が１５．０Ｌ／分以上１５０．０Ｌ／分以下であり、
   前記冷却液の圧力が０．０１ＭＰａ以上１．００ＭＰａ以下であり、かつ、
   前記流量（Ｌ／分）×前記圧力（ＭＰａ）が５．０＜流量×圧力＜１５０．０である、クランクシャフトの製造方法。

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