JPH0372686B2

JPH0372686B2 -

Info

Publication number: JPH0372686B2
Application number: JP58006161A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Sekiguchi; Ryuichi Masuda; Juji Okada
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1983-01-18
Filing date: 1983-01-18
Publication date: 1991-11-19
Also published as: JPS59129730A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はエンジン用クランクシヤフトの製造技
術、特に鋳鉄製クランクシヤフトの強度を向上す
る製造技術に関する。従来、自動車エンジン用クランクシヤフトに
は、鋳鉄製のものと、鋼製のものが用いられてい
る。そして、鋳鉄製クランクシヤフトでは、一般
に、JISFCD70、又はFCMP70などの、高強度材
が使用されている。一方、負荷の高いエンジンでは、素材およびそ
の製造工程のために製造コストが高いにもかかわ
らず、強度が高く安定しているとの理由から、鋼
製クランクシヤフトが主に使用されている。しかも、最近、エンジンの軽量化、高出力化の
要求のもとに、クランクシヤフトのピンやジヤー
ナルの軸径を細くするなどの試みがなされ、鋳鉄
製クランクシヤフトでは、強度上の余裕が小さく
なり、強度上の安定性に欠けることから、鋼製ク
ランクシヤフトを使用する傾向が強まつている。しかし、前述のように、鋼製クランクシヤフト
は鋳鉄製クランクシヤフトに比較して、大幅な製
造コストアツプとなる欠点がある。本発明は、球状黒鉛鋳鉄製クランクシヤフトを
オーステンパー処理することにより、クランクシ
ヤフト本体の強度・靭性を向上するとともに、ク
ランクシヤフトのピン、ジヤーナルのフイレツト
部に表面ロール加工を施こすことにより、クラン
クシヤフトの疲労強度を著しく向上させた高強度
クランクシヤフトの製造方法を提供することを目
的とする。このような目的は、Ｃ：3.0〜4.5重量％（以下
同じ）、Si：1.5〜3.0％、Mg：0.02〜0.10％、残
部実質的にFeからなる主要成分に、Mo：0.05〜
1.0％、Ni：0.1〜0.7％、Cu：0.1〜0.5％、Mn：
0.2〜1.2％を単独もしくは複合添加してなる球状
黒鉛鋳鉄製クランクシヤフトを、850〜950℃に
0.5〜３時間加熱・保持した後、300〜430℃に急
冷して１時間以上保持し、仕上げ加工された後表
面から少なくとも３mmの深さまで、全面ベーナイ
ト組織となるように、オーステンパー処理を行な
い、ついで、仕上げ加工されたクランクシヤフト
の、ピンおよびジヤーナルのフイレツト部に、表
面ロール加工することを特徴とした高強度クラン
クシヤフトの製造方法によつて達成される。以下、本発明にかかるクランクシヤフトの製造
方法について詳しく説明する。先ず、クランクシヤフト製造用球状黒鉛鋳鉄の
化学成分を、Ｃ：3.0〜4.5重量％（以下同じ）、
Si：1.5〜3.0％、Mg：0.02〜0.10％、残部実質的
にFeからなる主要成分に、Mo：0.05〜1.0％、
Ni：0.1〜0.7％、Cu：0.1〜0.5％、Mn：0.2〜1.2
％を単独もしくは複合添加したものとしている理
由について説明する。なお、Ｃ、Si、Mgについては、一般に知られ
ている球状黒鉛鋳鉄と同じ範囲にあり、かつその
範囲限定の理由も、よく知られた理由に基づくも
のであるため説明を省略する。 Moは微量でも、オーステンパー処理に伴な
う、恒温変態処理においてパーライト変態を遅ら
せる効果があり有用であるが、0.05％以下ではそ
の効果が十分でなく、1.0％を越えて多くなると、
鋳鉄基地中に遊離セメンタイトを多量晶出しやす
く、かつ材料コストを高くするので、0.05〜1.0
％とした。 CuおよびNiはMoと同様、恒温変態処理におけ
るパーライト変態を遅らせるのに有効であるが、
Moに比べその効果が弱く、補助的に添加するも
のとして、それぞれNi：0.1〜0.7％、Cu：0.1〜
0.5％とした。 CuおよびMnは、ともに鋳放し状態で基地をパ
ーライト化しやすく、オーステンパー処理を容易
ならしめる効果があるが、Mnは多すぎると鋳鉄
基地中に遊離セメンタイトを晶出しやすいので、
0.2〜1.2％とした。以上のような単独添加の効果に加えて、これら
Mo、Ni、Cu、Mnを複合添加することにより、
鋳放し状態で基地をパーライト化し、オーステン
パー処理を容易ならしめるとともに、クランクシ
ヤフトを必要に応じて機械加工で仕上げた場合で
も、強度の必要な部位、たとえばピン部、ジヤー
ナル部、及びそれらのフイレツト部において、表
面下３mm以上のベーナイト組織層の確保を可能と
している。また、複合添加する場合の添加量は、当然クラ
ンクシヤフトの肉厚によつて異なるが、オーステ
ンパー処理に伴なう、恒温変態処理においてパー
ライト変態を阻止する程度でよく、言いかえる
と、機械加工した場合のクランクシヤフトに、少
なくとも表面下３mm以上のベイナイト組織層を形
成する程度でよいが、逆に合金元素を多く添加し
ても、芯部まで均一にベイナイト組織となるだけ
で、性能上は問題ない。たゞし、単独添加の効果において述べたよう
に、被削性、耐久性に有害な遊離セメンタイトを
鋳鉄基地中に晶出しない程度のMo、Mn量、な
らびに鋳造性（偏析、ピンホール、ひけ巣など）
を害しない程度のMo、Ni、Cu、Mn量とする必
要がある。これら恒温変態処理における、パーライト化阻
止に寄与する元素の種類および添加量は、製造コ
ストを下げる意味から、可能なかぎり少なくする
のが望ましい。上記化学組成からなる球状黒鉛鋳鉄製クランク
シヤフトを鋳造粗形材状態もしくはあらかじめ荒
加工した後、オーステナイト化条件として850〜
950℃で0.5〜３時間加熱保持した後、すみやか
に、300〜430℃の塩浴中に浸漬・急冷し、１時間
以上保持してベイナイト変態させたのち、室温ま
で冷却する。その後、必要に応じて機械加工によつて、クラ
ンクシヤフトに仕上げる。このように、オーステンパー処理後機械加工仕
上げしたものは、同じ硬さのJISFCD70もしくは
球状黒鉛鋳鉄の焼入・焼戻い材に比べ、疲労強度
が20％以上向上するため、低負荷エンジン用には
使用可能であるが、高負荷エンジン用にはさらに
疲労強度を向上させる必要がある。本発明法にかかるクランクシヤフトは、強度必
要部位の表面下３mm以上をベイナイト組織とし、
さらに、ピン、ジヤーナルのフイレツト部に、表
面ロール加工することにより、通常のJISFCD70
もしくは球状黒鉛鋳鉄の焼入・焼戻ししたクラン
クシヤフトに比較して、疲労強度を著しく向上
し、表面ロール加工しない場合の約300％まで上
昇させるものである。なお、一般的には疲労強度の向上手段として、
表面ロール加工のほかシヨツトピーニング等も、
有効な手段として適用されることがあるが、クラ
ンクシヤフトのような部品に対しては、処理面粗
度、表面硬化深さの点で表面ロールには及ばな
い。オーステンパー処理後のクランクシヤフトの組
織状態としては、パーライトの混在しないほゞ全
ベイナイト組織層の深さが、機械加工仕上後のク
ランクシヤフトの必要部位において、表面から深
さ３mm以上必要であり、３mm以下では耐久性が十
分でない。つぎに、オーステンパー処理条件の限定理由に
ついて以下に説明する。オーステナイト化加熱を850〜950℃×0.5〜３
時間としたのは、850℃以下では、クランクシヤ
フトのような厚肉部品の場合、オーステナイト化
に要する時間が長くなり、950℃以上では、オー
ステナイト結晶粒が粗大化し、強度・靭性が低下
するからである。保持時間は肉厚によつて異なるが、クランクシ
ヤフトでオーステナイト化に必要最低時間は0.5
時間で、厚肉品でも３時間保持すれば十分であ
る。恒温変態処理としての塩浴中での保持条件を、
300〜430℃×１時間以上としたのは、300℃以下
では硬さがHv350以上になり、切削・孔あけ加工
が困難となるため、下限を300℃とし、上限430℃
以上の温度における処理では、疲労強度があまり
向上せず、熱エネルギー的にも不利となるからで
ある。従つて、望ましくは被削性と強度のバランスか
ら、Hv260〜320の硬さを得るため、350〜390℃
の範囲が最適である。ベイナイト変態を終了させるのに必要な時間
は、通常の球状黒鉛鋳鉄の場合でも、１時間程度
は必要で、これより短時間では、残留オーステナ
イトが存在するか、あるいは未変態オーステナイ
トが冷却時にマルテンサイト変態し、強度・靭性
が低下するので好ましくない。最後に、表面ロール加工の条件について述べ
る。ヘルツの接触応力が300Kg／mm²以上の範囲にお
いて、疲労強度は特に著しく上昇する。この条件
で表面ロール加工した部位の表面圧縮残留応力は
10Kg／mm²、残留応力影響深さ0.3mm以上となる。 JISFCD70でも表面ロール加工により、疲労強
度がかなり上昇するが、接触応力を高くするとク
ランクシヤフトに曲がりを生じ、実用範囲が限ら
れるのに対し、ベイナイト鋳鉄においては、低接
触応力で高疲労強度を得ることが可能である。なお、本発明は高強度のクランクシヤフト製造
方法を提供するものであるが、部品本体の強度・
靭性が高く、表面ロール加工を組せることにより
著しい疲労強度向上が得られるため、類似した条
件で使用される他の部品に対しても、応用できる
ことは明らかである。以下添付図面に基づいて、本発明の実施例を説
明する。実施例１第１図はR1の半円形環状切欠をもつた、小野
式回転曲げ疲労試験片を、オーステンパー処理し
たベイナイト球状黒鉛鋳鉄で製作し、表面ロール
加工後、疲労強度を比較したものである。試験片
形状を第２図に、表面ロール加工条件を第１表に
示す。

【表】試験片素材のＹブロツクの材質と熱処理条件を
第２表に示す。

【表】熱処理後機械加工により、第２図の形状に仕上
げ、第１表に示す条件にて表面ロール加工した。疲労試験は4400rpmで行ない、10⁷回の疲労限
を第１図に示す。第１図から明らかなように、本発明法にかかる
オーステンパー処理したベイナイト鋳鉄の疲労強
度は、表面ロール加工しない状態でJISFCD70に
比べ20％以上高く、表面ロール加工によつて、さ
らにその差は顕著となる。本発明法にかかるオーステンパー処理したベイ
ナイト鋳鉄の疲労強度は、接触応力618Kg／mmの
表面ロール加工すると、同一条件で表面ロール加
工したJISFCD70の1.5倍となり、表面ロール加工
しない状態のJISFCDの約４倍の高疲労強度とな
る。表面ロール加工の接触応力をさらに高めること
も可能であるが、ローラー強度を考慮すると、実
用的には600Kg／mm以下を考慮すれば十分である。第１図では、本発明にかかるオーステンパー処
理したベイナイト鋳鉄供試材は、硬さHv275のも
のの結果を示したが、球状黒鉛鋳鉄の硬さと疲労
強度の関係は、Hv400程度までは比例して上昇す
ることから、これに表面ロール加工したものにお
いても、同様に上昇することが容易に推定でき
る。第３図に圧縮残留応力のＸ線測定結果を示す。
本発明にかかるベイナイト鋳銑がJISFCD70と疲
労強度が著しく異なることの主原因は、残留応力
レベルの違いによるものと考えられ、第３図から
明らかなようにそのような残留応力レベル差が本
発明にかかるベイナイト鋳鉄＋表面ロール加工に
よつて、得られていることを示している。実施例２デイーゼル４気筒エンジンのクランクシヤフト
を、本発明にかかるオーステンパー処理したベイ
ナイト鋳鉄で製作し、表面ロール加工を行ない、
実機にて苛酷な耐久試験を実施した。供試クランクシヤフトは、芯部までベイナイト
組織とするため、通常の球状黒鉛鋳鉄に、0.2％
Mo＋0.5％Niを添加した鋳鉄を使用した。また、供試クランクシヤフトは、第２表に示す
熱処理を粗形材状態で行ない、機械加工仕上後、
ピンとジヤーナルのフイレツト部に、表面ロール
加工した。表面ロール加工条件は、ローラ径R7.5mm、ロ
ーラ先端半径R1.5mm、ローラ加圧荷重500Kg、ロ
ーラパス回数30回、接触応力490Kg／mm²で行なつ
た。耐久試験条件は、4800rpm×300時間のエンジ
ン連続高速耐久試験及び700rpm×4secと
4800rpm×4secの８秒を１サイクルとして、20万
サイクル繰り返すアツプダウン試験の２種類の条
件で実施した。試験結果を第３表に示す。

【表】試験結果から明らかなように、本発明にかかる
オーステンパー処理したベイナイト鋳鉄の表面ロ
ール加工品は、実機においても従来のJISFCD70
品に比較して、著しく耐久性に優れていることが
確認された。実施例３表面ベイナイト層の深さを種々変化させ、ガソ
リンエンジン用クランクシヤフトを製作し、単品
の平面曲げ疲労試験を実施した。試験条件は、最低荷重1tonの部分片振り試験で
10⁷回の繰り返し試験での最大荷重で比較した。
供試品の表面ロール加工条件は、接触応力を430
Kg／mm²の一定とした。試験結果を第４表に示す。

【表】表面全ベイナイト組織層が３mm以下のものは、
耐久限度荷重がほとんど上昇せず、JISFCD70と
同等であるが、表面全ベイナイト組織層を３mm以
上としたものは、耐久限荷重の上昇が著しい。以上により明らかなように、本発明にかかるク
ランクシヤフト製造方法によれば、従来の鋳鉄製
クランクシヤフトに比べ、クランクシヤフト本体
の強度・靭性を向上できるばかりでなく、クラン
クシヤフトの疲労強度上最弱部となる、ピン、ジ
ヤーナルのフイレツト部における疲労強度を著し
く向上させたクランクシヤフトを製造することが
できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明法にかかるベイナイト鋳鉄と
JISFCD70の疲労強度の比較例を示す図、第２図
は疲労試験に用いた試験片形状を示す図、第３図
は本発明法にかかるベイナイト鋳鉄とJISFCD７
０の表面ロール加工後の圧縮残留応力分布の比較
例を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

１Ｃ：3.0〜4.5重量％（以下同じ）、Si：1.5〜
3.0％、Mg：0.02〜0.10％、残部実質的にFeから
なる主要成分に、Mo：0.05〜1.0％、Ni：0.1〜
0.7％、Cu：0.1〜0.5％、Mn：0.2〜1.2％を単独
もしくは複合添加してなる球状黒鉛鋳鉄製クラン
クシヤフトを、850〜950℃に0.5〜３時間加熱・
保持した後、300〜430℃に急冷して１時間以上保
持し、仕上げ加工された後表面から少なくとも３
mmの深さまでの全面がベーナイト組織となるよう
にオーステンパー処理を行ない、ついで、仕上げ
加工されたクランクシヤフトのピンおよびジヤー
ナルのフイレツト部に、表面ロール加工すること
を特徴とした高強度クランクシヤフトの製造方
法。