JP3772083B2

JP3772083B2 - クランクシャフトおよびその製造方法

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Publication number: JP3772083B2
Application number: JP2000322946A
Authority: JP
Inventors: 英樹松田; 光男高島; 光男遠藤; 忠男川端
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2000-10-23
Filing date: 2000-10-23
Publication date: 2006-05-10
Anticipated expiration: 2020-10-23
Also published as: JP2002130245A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンのクランクシャフトに係り、特に、クランクケースとの密閉部分であるオイルシール取付部の硬化処理技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用エンジン等のクランクシャフトは、一般に、機械構造用炭素鋼を材料としており、素材を熱間鍛造して得られた成形体に、ピンやジャーナル、フランジあるいは油孔等を形成する機械加工を施して製造されている。クランクシャフトは、内燃機関の爆発力や自身の回転慣性力を受けることから全体的に高い疲労強度が要求され、このような特性を付与するために、従来では、熱間鍛造後の成形体を急冷して高強度パーライト組織を得ることにより、硬さを増大させている。また、特に強い負荷がかかるピンやジャーナルには、高周波焼入れ等により表面硬化処理を施す場合もある。
【０００３】
上記クランクシャフトの一端には、通常、フライホイールが結合されるフランジが一体に成形されており、このフランジの外周面には、エンジンブロック内からの潤滑油の漏出を防ぐオイルシールが取り付けられる。ところで、このオイルシールによるシール部分に至った潤滑油は流動しにくい場合が多いので、潤滑油に混入する異物粒子がその部分に堆積しやすく、その堆積物によりフランジの外周面が摩耗してシール性が損なわれるおそれがある。異物粒子としては、エンジンの燃焼により発生する主にＣからなるスラッジや、エンジンの各摩耗部分に発生するＦｅ、Ｃｕ等の摩耗粉、あるいは、路上ダストに含まれるＳｉＯ_２、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３等の粒子が挙げられる。これらの中でも、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）はかなり硬く（αアルミナは２０００Ｈｖ程度）、このアルミナによっても摩耗を受けにくい高レベルの耐摩耗性が、フランジの外周面には要求される。そこで、上記のクランクシャフト全体の硬さを増大させる処理は、フランジの耐摩耗性の増大を兼ねていると言える。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような急冷硬化処理によりクランクシャフトの疲労強度が向上し、併せてフランジの良好な耐摩耗性も得られるわけであるが、その反面、全体が高硬度化されたことによりクランクシャフト自体の機械加工性は著しく悪化してしまう。このため、ピンやジャーナルの形成、あるいはピンやジャーナルに油孔を形成する等の機械加工が困難となり、生産性の面では不利であった。
【０００５】
したがって、本発明は、ピンやジャーナル、油孔等を容易に形成することができる良好な機械加工性と、上記フランジのようなオイルシール取付部の高い耐摩耗性とを両立させることができるクランクシャフトおよびその製造方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のクランクシャフトは、軸方向一端にオイルシール取付部を備えた鋼製のクランクシャフトであって、素材を熱間鍛造して当該クランクシャフトを成形し、この後に行う空冷工程において、オイルシール取付部のみが急冷されてその表面層が硬化された後に空冷されており、該表面層のパーライト面積率が７５〜１００％、オイルシール取付部以外の他の部分およびオイルシール取付部の内部のパーライト面積率が４０〜６０％であることを特徴としている。本発明の急冷は、マルテンサイト変態させる通常の焼入れとは異なり、パーライト組織を多く得るための制御冷却を言う。なお、この制御冷却の効果が十分に発揮される上で、本発明のクランクシャフトの材料はＳ４０Ｃ、あるいはこの付近の炭素量を有する中炭素鋼が好適である。
【０００７】
また、本発明のクランクシャフトの製造方法は、上記本発明のクランクシャフトを好適に得る方法であって、軸方向一端にオイルシール取付部を備えたクランクシャフトの製造方法であって、鋼製の素材を熱間鍛造して所定形状に成形し、次いで、その成形体を０．１〜１．５℃／ｓｅｃの冷却速度で空冷処理する際に、オイルシール取付部のみを５〜８０℃／ｓｅｃの冷却速度で急冷してその表面層を硬化させた後に空冷を続けることにより該表面層のパーライト面積率を７５〜１００％、オイルシール取付部以外の他の部分およびオイルシール取付部の内部のパーライト面積率を４０〜６０％とし、、この後、成形体に機械加工を施すことを特徴としている。
【０００８】
本発明によれば、熱間鍛造して得られたクランクシャフトの空冷工程においてオイルシール取付部のみが急冷され、その表面層が硬化されており、オイルシール取付部を除いた主体部（ジャーナル、ピン、アーム、バランスウエイト等からなる主たる部分）の硬さは比較的低く抑えられる。熱間鍛造時の素材は、オーステナイト組織に加熱され、そのオーステナイト中に炭素が分散している。そして、熱間鍛造後に空冷すなわち焼なましされる主体部は、冷却速度が遅いことからオーステナイト中の炭素が十分拡散し、比較的軟質で機械加工性に富むフェライトとパーライトの混合組織に変態している。この主体部においては、材料組織中にフェライトが多く現出し、パーライトの占める面積が小さいので比較的軟質となる。一方、急冷されたオイルシール取付部の表面層は冷却速度が速いことから炭素の拡散が抑えられ、フェライトがほとんど成長しないまま変態が終了し、これによってパーライトの占める面積が大きく比較的硬質となる。
【０００９】
ここで、通常の焼入れにより得られるマルテンサイトと上記パーライトの硬さを比較すると、例えばＳ４０Ｃ相当の中炭素鋼の場合、マルテンサイトが６００Ｈｖ程度であり、パーライトは２５０Ｈｖ程度である。硬さを見た限りにおいてはマルテンサイトがパーライトよりも硬いので、焼入れ材の方が高い耐摩耗性を発揮することが推量される。しかしながら、パーライトを構成するフェライトとセメンタイトのうち、セメンタイトは１５００Ｈｖ程度と著しく硬いので、パーライトの面積率が大きいと、実質的にはマルテンサイトよりもパーライトの方が高い耐摩耗性を発揮する。したがって、本発明のように急冷されたオイルシール取付部は、アルミナ等の高硬度の異物粒子による摩耗をセメンタイトが効果的に防御するので、焼入れ処理した場合よりも耐摩耗性が高い。
【００１０】
本発明によれば、オイルシール取付部を除いた主体部は軟質であることから機械加工性が良好に保たれ、これにより油孔等の形成が容易である。主体部は、軟質のままでは疲労強度に劣るので、機械加工を施した後には窒化、軟窒化等の表面硬化処理を行って主体部の疲労強度を向上させればよい。一方、オイルシール取付部の表面層は硬化されて高い耐摩耗性が付与されており、エンジンブロックに嵌装された状態で、潤滑油に混入する異物粒子による摩耗が抑制され、シール性が長期にわたって確保される。
【００１１】
本発明のクランクシャフトは、熱間鍛造後にオーステナイトから冷却されたことによりパーライトとフェライトとを主体とした金属組織を有しているが、高い硬さが要求されるオイルシール取付部の表面層は、硬化に寄与するパーライトの面積が大きいことが望まれる。したがって、本発明では、クランクシャフト全体がフェライトとパーライトとを主体とした金属組織を有しており、なおかつ、急冷されたオイルシール取付部の表面層のパーライトの面積率が、他の部分のパーライトの面積率よりも大きいことを好ましい形態としている。具体的には、オイルシール取付部の表面層のパーライト面積率が７５〜１００％に制御されると、高い耐摩耗性が得られることから好ましい。また、他の部分のパーライト面積率は、４０〜６０％に制御されると、良好な機械加工性を示すことから好ましい。
【００１２】
上記パーライト面積率は、主に熱間鍛造後に行う冷却時の冷却速度に依存される。そこで、上記のようにオイルシール取付部のパーライト面積率を７５〜１００％に制御するには、急冷時の冷却速度が５〜８０℃／ｓｅｃであると達成しやすい。また、オイルシール取付部を除く他の部分のパーライト面積率を４０〜６０％に制御するには、空冷時の冷却速度が０．１〜１．５℃／ｓｅｃであると達成しやすい。
【００１３】
上記オイルシール取付部は、その表面層が急冷される一方、表面層よりも内部は、空冷される主体部の熱が伝播することにより、急冷されることなく主体部と同様に焼なましされた状態となる。このため、オイルシール取付部の内部はパーライト面積率の少ない軟質な組織となり、良好な機械加工性を有する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図１は、一実施形態に係る４気筒エンジン用のクランクシャフトを示している。このクランクシャフト１０は、エンジンブロックに回転自在に支持されるジャーナル１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅと、コネクティングロッドが連結されるピン２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄと、ジャーナル１ａ〜１ｅとピン２ａ〜２ｄとを連結する各一対のアーム３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄと、アーム３ａ〜３ｄに連続して設けられた各一対のバランスウエイト４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄとを備えている。このクランクシャフト１０の一端（図１で右端）側のジャーナル１ｅにはフランジ（オイルシール取付部）５が一体に成形されており、他端側のジャーナル１ａには取付軸６が一体に成形されている。フランジ５には、その端面にフライホールがボルトにより固定される。また、取付軸６には、補機駆動用のクランクシャフトプーリが取り付けられる。フランジ５の外周面には、当該クランクシャフト１０がエンジンブロックに嵌装された際に、エンジンブロック内の潤滑油の漏出を防ぐオイルシールが取り付けられる。また、図１の符号７は潤滑油が流入してピン２ａ〜２ｄおよびジャーナル１ａ〜１ｅの摺動面を潤滑するための油孔である。
【００１５】
上記クランクシャフト１０は、機械構造用炭素鋼（例えばＳ４０Ｃ系）を材料とするもので、素材を熱間鍛造して成形された後、フランジ５のみが急冷されたことによりフランジ５の表面層が硬化されている。一方、フランジ５を除いた他の部分である主体部（ジャーナル１ａ〜１ｅ、ピン２ａ〜２ｄ、アーム３ａ〜３ｄ、バランスウエイト４ａ〜４ｄ等からなる主たる部分）は空冷により焼なましされた状態であり、したがって、その硬さは比較的低く抑えられている。具体的な硬さとしては、フランジ５の表面層が２５０Ｈｖ前後、主体部の表面層が１８０Ｈｖ前後である。
【００１６】
上記主体部は、冷却速度が遅いことから熱間鍛造時のオーステナイト中の炭素が十分拡散し、比較的軟質で機械加工性に富むフェライトとパーライトの混合組織となっている。この主体部においては、オーステナイト結晶粒界を起点にフェライトが多く現出し、パーライトの占める面積が小さく、したがって、比較的軟質である。一方、急冷されたフランジ５の表面層は冷却速度が速いことから炭素の拡散が抑えられ、フェライトがほとんど成長しないまま変態が終了し、これによってパーライトの占める面積が大きく比較的硬質である。フランジ５の表面層のパーライト面積率は、７５〜１００％が好ましく、主体部のパーライト面積率は４０〜６０％が好ましい。
【００１７】
上記クランクシャフト１０の製造方法としては、図２に示すように、まず、素材１０Ａを熱間鍛造して当該クランクシャフト１０の形状に成形する。熱間鍛造後の温度は、例えば１１００℃程度とされる。次いで、熱間鍛造後の温度を保持した状態から、フランジ５を油冷槽２０内の油に浸漬させて油冷により急冷させる一方、フランジ５を除く主体部８を空冷（徐冷）して焼なましする。このとき、急冷開始温度はＡ_３変態点以上とする必要がある。フランジ５の表面層のパーライト面積率が７５〜１００％になる時点でフランジ５を油冷槽２０から引き上げ、この後はクランクシャフト１０全体を空冷する。これにより主体部８は焼なましされるが、この時、フランジ５の表面層よりも内部に主体部８の熱が伝播するので、フランジ５の内部は主体部８と同様に焼なましされる。
【００１８】
上記の冷却処理が行われた後は、上記油孔７を形成するとともに、フランジ５の端面にフライホイール取付用のボルト孔を形成する。上記のように油孔７が形成される主体部８は軟質となっているので、油孔７を形成する際の切削性は良好である。また、フランジ５は表面層が硬化しているものの、内部が主体部８と同様に軟質となっているので、ボルト孔は比較的形成しやすい。このようにして機械加工を施した後は、クランクシャフト１０全体を窒化あるいは軟窒化して表面の硬化処理を行い、主体部の疲労強度を向上させる。
【００１９】
【実施例】
次に、本発明の実施例を説明する。
〈実施例のクランクシャフトの製造〉
Ｓ４０Ｃ相当の機械構造用中炭素鋼からなる素材を１２５０℃に加熱し、これを熱間鍛造して図１に示したものと同様のクランクシャフトを成形した熱間鍛造後の温度は１１００℃であった。次に、熱間鍛造後の温度を保持した成形体のフランジを油冷槽内の油に浸漬し、フランジを除く主体部を空冷した。油冷の条件は、油の温度が室温〜５０℃の範囲、冷却速度が４〜２０℃／ｓｅｃとした。４番ジャーナルの温度を熱伝対式温度計で管理し、その温度が８００〜１０００℃の範囲に達した時点で、フランジを油冷槽から引き上げ、実施例のクランクシャフトを得た。
【００２０】
このクランクシャフトのフランジと、フランジを除く主体部のそれぞれの表面の硬さを測定するとともに、金属組織を顕微鏡で観察した。図３にフランジの金属組織の顕微鏡写真を、また、図４に主体部の金属組織の顕微鏡写真（いずれも倍率１００倍）を示す。主体部の表面の硬さは１８０Ｈｖであり、これと比較してフランジの表面の硬さは２４０Ｈｖと急冷により硬化され、耐摩耗性の向上が図られている。フランジの金属組織は、パーライト（灰黒色）の面積率が約９５％であった。これは、冷却速度が速いために炭素がほとんど拡散せず、フェライト（白い部分）成長できなかったためと考えられる。一方、主体部の金属組織はパーライトの面積率が約５０％であった。これは、冷却速度が遅いため炭素が十分拡散し、材料組織中にフェライトが多く現出したためと考えられる。
【００２１】
〈表面および内部の硬さ〉
上記実施例のクランクシャフトのフランジの表面および表面から２ｍｍ（Ａ部）までの部分と、表面から２〜５ｍｍの深さの部分（Ｂ部）と、表面から５ｍｍ以上の深さの部分（Ｃ部）の各硬さを調べた。各部分の測定部分を複数とし、その結果を図５に示す。また、各部分の金属組織のパーライト面積率を調べたところ、Ａ部は９０％以上、Ｂ部は５０〜９０％、Ｃ部は約５０％であった。図５によれば、表面および表面から２ｍｍまでのＡ部（表面層）の硬さは２４０Ｈｖ前後であり、２ｍｍ以上の深さになるしたがい硬さは低くなり、５ｍｍ以上の深さで１８０Ｈｖ前後の硬さを示している。Ｃ部は、フランジが油冷されても冷却速度はそれほど速くならず、油冷が終了して全体が空冷された際に、フランジ以外の主体部の熱が伝播し、主体部と同等に焼なましされたことが伺える。
【００２２】
〈摩耗試験〉
上記実施例のクランクシャフトのフランジと主体部の摩耗試験を行った。また、比較例１および比較例２のクランクシャフトのフランジの摩耗試験を行った。実施例と比較例１，２の特性は以下の通りである。
［実施例］
・鋼の種類：Ｓ４０Ｃ相当
・熱間鍛造後の処理：フランジ−急冷、主体部−空冷
・表面層の組織：フランジ−パーライト（９５％）、主体部−フェライト・パーライト
・硬さ：フランジ：２４０Ｈｖ、主体部−１８０Ｈｖ
【００２３】
［比較例１］
・鋼の種類：Ｓ５０Ｃ相当
・熱間鍛造後のフランジの処理：急冷
・フランジの表面層の組織：パーライト
・フランジの硬さ：２６０Ｈｖ
［比較例２］
・鋼の種類：Ｓ４０Ｃ相当
・熱間鍛造後のフランジの処理：焼入れ
・フランジの表面層の組織：マルテンサイト
・フランジの硬さ：５７０Ｈｖ
【００２４】
摩耗試験は、フランジの面粗度を３．２Ｓとしたクランクシャフトを実機に嵌装するとともに潤滑油として擬似劣化油をエンジンオイルとして用い、クランクシャフトの回転速度：２５ｍ／Ｓ、油温：１００℃、オイルシールの材質：シリコン系の条件で、１５０時間運転した後のフランジの摩耗量を測定した。擬似劣化油は、市販のエンジンオイル１５Ｌに、界面活性剤（花王社製：エマルゲン）３０ｇ、カーボン粉末（東海カーボン社製：シーシストＳ−Ｎ７００、粒径６１〜１００ｎｍ）３００ｇ、アルミナ（フジミインコーポレイテッド社製：Ａ−Ｄ−２０、粒径０．５μｍ）４００ｇの割合で混合したものとした。
【００２５】
図６は上記の条件で行った実施例のフランジと主体部および比較例１，２のフランジの摩耗量を示している。同図で明らかなように、実施例のクランクシャフトは、主体部の摩耗量に比べてフランジの摩耗量が３０％程度低減しており、フランジが高い耐摩耗性を示している。また、実施例のフランジの摩耗量は、比較例２のフランジよりも２５％程度少なく、焼入れ材よりも耐摩耗性が高いことが実証された。比較例１はＣの含有量が０．１％程度多いＳ５０Ｃ相当の鋼であるためもっとも摩耗量が少なかったが、実施例のフランジは比較例１と遜色ない耐摩耗性を有していると言える。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熱間鍛造後の空冷工程においてオイルシール取付部が急冷されてその表面層が硬化されているので、オイルシール取付部に高い耐摩耗性を付与することができる一方、オイルシール取付部を除いた主体部の機械加工性を良好なものとすることができ、その結果、オイルシール取付部のシール性および生産性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るクランクシャフトの正面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るクランクシャフトの冷却工程を示す図である。
【図３】本発明の実施例のクランクシャフトにおけるフランジの表面層の金属組織を示す顕微鏡写真である。
【図４】本発明の実施例のクランクシャフトにおける主体部の表面層の金属組織を示す顕微鏡写真である。
【図５】本発明の実施例のクランクシャフトにおけるフランジの表面からの距離と硬度の関係を示す図である。
【図６】本発明の実施例および比較例の摩耗試験の結果を示す図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ…ジャーナル
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ…ピン
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ…アーム
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ…バランスウエイト
５…フランジ（オイルシール取付部）
６…取付軸
７…油孔
８…主体部
１０…クランクシャフト
１０Ａ…素材

Claims

軸方向一端にオイルシール取付部を備え、金属組織がフェライトとパーライトとを有する鋼製のクランクシャフトであって、
素材を熱間鍛造して当該クランクシャフトを成形し、この後に行う空冷工程において、前記オイルシール取付部のみが急冷されてその表面層が硬化された後に空冷されており、該表面層のパーライト面積率が７５〜１００％、オイルシール取付部以外の他の部分およびオイルシール取付部の内部のパーライト面積率が４０〜６０％であることを特徴とするクランクシャフト。
軸方向一端にオイルシール取付部を備えたクランクシャフトの製造方法であって、
鋼製の素材を熱間鍛造して所定形状に成形し、次いで、その成形体を０．１〜１．５℃／ｓｅｃの冷却速度で空冷処理する際に、前記オイルシール取付部のみを５〜８０℃／ｓｅｃの冷却速度で急冷してその表面層を硬化させた後に空冷を続けることにより該表面層のパーライト面積率を７５〜１００％、オイルシール取付部以外の他の部分およびオイルシール取付部の内部のパーライト面積率を４０〜６０％とし、この後、成形体に機械加工を施すことを特徴とするクランクシャフトの製造方法。