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

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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点よりも10℃低い温度以上の温度で焼入れし、550℃以上A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。
Figure 0007462781000001
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。
Figure 0007462781000002
Figure 0007462781000003
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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