JPH08134700A

JPH08134700A - 金属材の表面処理法

Info

Publication number: JPH08134700A
Application number: JP29575694A
Authority: JP
Inventors: Hisahiro Ito; 寿浩伊藤; Shuhei Adachi; 修平安達
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 1994-11-04
Filing date: 1994-11-04
Publication date: 1996-05-28

Abstract

(57)【要約】【目的】金属材の母材の表面に硬化層を形成した後、
この金属材を加圧してその曲がりを修正した場合でも、
金属材の寿命を十分に長くできるようにする。【構成】母材１３の表面に硬化層１４を形成する。そ
の後、この硬化層１４の一部１６を除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、エンジンにおけるク
ランク軸などの金属材の表面処理法に関する。

【０００２】

【従来の技術】エンジンにおける金属材であるクランク
軸では、ジャーナルなどの表面に大きい負荷が与えられ
るため、摩耗し易いなど寿命上の問題が生じるおそれが
ある。。そこで、従来より、上記クランク軸の母材の表
面にガス軟窒化等により表面硬化処理を施して、その表
面に化合物層と拡散層とで構成される硬化層を形成し、
このクランク軸の耐摩耗性や強度を向上させることが行
われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記した表
面硬化処理などの工程においては、上記クランク軸に曲
がりが生じることがあるため、これを加圧して、適正形
状となるように上記曲がりを修正することが行われてい
る。

【０００４】しかし、クランク軸の表面は前記硬化層が
形成されていて脆いため、上記のように修正しようとし
て加圧すると、この加圧で歪が集中する歪集中部の上記
硬化層中の化合物層に多くの亀裂が生じることがあり、
これが生じると、上記歪集中部の疲れ限度が低下して、
クランク軸の寿命の向上が十分には得られないという問
題を生じる。

【０００５】

【発明の目的】この発明は、上記のような事情に注目し
てなされたもので、金属材の母材の表面に硬化層を形成
した後、この金属材を加工してその曲がりを修正した場
合でも、金属材の寿命を十分に長くできるようにするこ
とを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
のこの発明の請求項１は、母材１３の表面に硬化層１４
を形成し、その後、この硬化層１４の一部１６を除去す
るようにしたものである。

【０００７】請求項２は、上記請求項１において、母材
１３の表面を窒化処理してこの母材１３の表面に硬化層
１４を形成したものである。

【０００８】請求項３は、上記請求項１、もしくは２に
おいて、硬化層１４の一部１６を電解研磨により除去す
るようにしたものである。

【０００９】請求項４は、上記請求項３における電解研
磨に代えて、機械研磨にしたものである。

【００１０】請求項５は、上記請求項３における電解研
磨に代えて、ピーニングにしたものである。

【００１１】

【作用】上記構成による作用は次の如くである。

【００１２】なお、この「作用」の項において、下記し
た（）内の用語は、特許請求の範囲の用語に対応する
ものである。

【００１３】クランク軸（金属材）３の母材１３の表面
に硬化層１４を形成した後、このクランク軸（金属材）
３を加圧してその曲がりを修正する場合には、このクラ
ンク軸（金属材）３への加圧により、歪が集中し易いと
考えられる歪集中部１５における硬化層１４の少なくと
も一部１６を除去する。

【００１４】そして、上記クランク軸（金属材）３を加
圧して曲がりを修正する。この際、上記歪集中部１５に
は歪が集中するが、上記硬化層１４の一部１６が除去さ
れたことにより、上記歪集中部１５の靭性が向上する。
このため、この歪集中部１５における亀裂の発生限界が
上昇して、疲れ限度の低下が上記クランク軸（金属材）
３の歪集中部１５に局部的に生じるということが防止さ
れる。

【００１５】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面により説明す
る。

【００１６】図１において、符号１は自動二輪車に搭載
された内燃機関であるエンジンで、このエンジン１はク
ランクケース２と、このクランクケース２内に収容され
る金属材であるクランク軸３と、このクランク軸３をそ
の軸心４回りに回転自在となるよう上記クランクケース
２に支承させる軸受５とを備えている。

【００１７】上記クランク軸３は、上記軸心４上に位置
して軸受５に直接的に支承されるクランク主軸７と、こ
のクランク主軸７の径方向外方に向ってこのクランク主
軸７から突出するクランクアーム８と、上記軸心４から
偏心した位置で上記クランクアーム８に取り付けられる
クランクピン９と、上記クランクアーム８の突出方向の
反対方向に向ってこのクランクアーム８から突出するク
ランクウェブ１０とで構成されている。

【００１８】上記クランク軸３の素材には、例えば炭素
鋼であるＳ５０Ｃや、合金鋼であるＳＣＭ４４０が用い
られる。上記クランク軸３の成形に際しては、まず、素
材が鍛造されて熱処理され、これが母材１３とされる。
次に、この母材１３の表面が切削加工され、この母材１
３の表面にガス軟窒化等の表面硬化処理が施されて硬化
層１４が形成される。そして、この硬化層１４により、
上記クランク軸３は軸受５との接触による摩耗等が防止
されて、このクランク軸３の寿命が向上させられる。

【００１９】上記硬化層１４は、その表面側が化合物層
１４ａとされ、この化合物層１４ａから母材１３に至る
部分が拡散層１４ｂとされている。上記化合物層１４ａ
は鉄と窒素とが化学的に結合した極めて硬い層であり、
一方、拡散層１４ｂは窒素が過飽和に固溶した硬い層で
ある。上記硬化層１４の表面から、上記化合物層１４ａ
と拡散層１４ｂとの境界面に至る距離はＬ₁ であり、つ
まり、化合物層１４ａの厚さはＬ₁ であり、これは例え
ば１０〜１５μｍである。また、同上硬化層１４の表面
から、上記拡散層１４ｂと母材１３との境界面に至る距
離はＬ₂ であり、つまり、拡散層１４ｂの厚さは（Ｌ₂
−Ｌ₁ ）である。

【００２０】上記クランク軸３の母材１３の表面に硬化
層１４を形成した後には、このクランク軸３を加圧して
その曲がりが修正される。この場合、このクランク軸３
への加圧により、歪が集中し易いと考えられる歪集中部
１５において硬化層１４の化合物層１４ａの少なくとも
面方向での一部１６が除去される。

【００２１】上記一部１６は、図例では、上記クランク
主軸７とクランクアーム８の結合部におけるジャーナル
フィレット（すみ部）であり、上記硬化層１４の表面か
ら上記除去後の表面に至る距離はＬ₀ であり、図例では
Ｌ₁ ≦Ｌ₀ ＜Ｌ₂ となっている。

【００２２】また、上記歪集中部１５は軸受５とは接触
しない部分のため、この歪集中部１５における硬化層１
４の一部１６を除去しても何ら支障がない。

【００２３】そして、上記クランク軸３を加圧して曲が
りを修正する。この際、上記歪集中部１５には歪が集中
するが、上記硬化層１４の一部１６が除去されたことに
より、上記歪集中部１５の靭性が向上する。このため、
この歪集中部１５における亀裂の発生限界が上昇して、
疲れ限度の低下が上記クランク軸３の歪集中部１５に局
部的に生じるということが防止される。

【００２４】上記クランク軸３の上記したジャーナルフ
ィレット等の歪集中部１５は、エンジン１の運転中の爆
発力や慣性力による繰り返し荷重で、応力が集中し易い
部分でもある。このため、上記歪集中部１５の疲れ限度
は、他の部分に比べて著しく偏って短時間に低下するお
それがある。

【００２５】しかし、上記したように、歪集中部１５に
おける硬化層１４の化合物層１４ａの一部１６が除去さ
れて、上記歪集中部１５の靭性が向上させられているた
め、上記歪集中部１５の疲れ限度の低下が抑制され、ク
ランク軸３の寿命の向上が達成される。

【００２６】図２は、歪集中部１５における硬化層１４
の化合物層１４ａの一部１６を除去しない、つまり、表
面硬化処理が施されたままのクランク軸３（化合物層未
処理品）と、同上化合物層１４ａの一部１６を除去した
クランク軸３（化合物層除去品）とを資料として実験
し、歪集中部１５の靭性がどのように改善されるかを求
めた際の結果であり、より具体的には、塑性伸び（変形
量：％）と、降伏点の応力（ＭＰａ）との関係を求めた
際の結果である。

【００２７】上記図２によれば、化合物層未処理品は塑
性伸びが０．２５％でクラックが生じたのに対し、化合
物層除去品では塑性伸びが１．４０％でクラックが生
じ、このため、硬化層１４の化合物層１４ａの一部１６
を除去したことにより、塑性伸びが５．６倍向上した。

【００２８】また、化合物層未処理品は降伏点が１５０
０ＭＰａであるのに対し、化合物層除去品では１６００
ＭＰａであり、このため、硬化層１４の化合物層１４ａ
の一部１６を除去したことにより、降伏点が７％向上し
た。

【００２９】よって、上記したように、硬化層１４の化
合物層１４ａの一部１６を除去したことにより、歪集中
部１５の靭性が向上したことがわかる。

【００３０】図３は、化合物層未処理品と化合物層除去
品とを資料として実験し、歪集中部１５の疲労強度がど
のように改善されるかを求めたものである。より具体的
には、歪集中部１５に繰り返し負荷を与えることによ
り、各応力（ＭＰａ）レベルにおける破損までの繰り返
し数（回）がどのように変化するかを求めた。

【００３１】上記図３によれば、いずれの応力（ＭＰ
ａ）レベルにおいても、硬化層未処理品に比べて、硬化
層処理品は破損までの繰り返し数が大きくなることがわ
かる。

【００３２】上記歪集中部１５における硬化層１４の機
械的な性質は、ガス軟窒化で硬化層１４を成形したまま
にして、この硬化層１４の一部１６を除去しない場合
と、硬化層１４の化合物層１４ａの一部１６を各種除去
法で除去した場合とにつき、それぞれにつき異なってい
る。上記除去法には、例えば、電気化学的な電解研磨に
よるもの、機械研磨の一例であるペーパーラップによる
もの、ＳｉＣ製や鋼製の粒体を硬化層１４の表面に投射
するピーニング（いわゆるマイクロショットブラスト）
によるものがある。

【００３３】図４において、硬化層１４における硬度分
布（ＨＶ）を求める実験をした。この結果、この硬度分
布はガス軟窒化のまま（実線図示、以下同じ）と電解研
磨（破線図示、以下同じ）とが最も小さく、ペーパーラ
ップ（一点鎖線図示、以下同じ）、ピーニング（二点鎖
線図示、以下同じ）の順序で上昇することとなってい
る。

【００３４】即ち、ピーニングによれば、上記硬化層１
４の一部１６を除去する際には、投射される粒体により
硬化層１４の表面が繰り返し衝撃的に大きい圧力で加圧
される。また、ペーパーラップによる場合には、上記ピ
ーニングによるほどではないが、上記除去の際に硬化層
１４の表面が加圧される。一方、電解研磨によれば、上
記除去の際、硬化層１４の表面はほとんど加圧されな
い。よって、除去後の硬化層１４の硬度は、上記した順
序となる。

【００３５】図５において、硬化層１４における窒素濃
度分布を求める実験をした。この分布は、ガス軟窒化の
ままと、電解研磨、ペーパーラップ、およびピーニング
のいずれの処理をした場合も同じである。

【００３６】図６において、硬化層１４における圧縮残
留応力分布を求める実験をした。この結果、一部１６が
除去された硬化層１４の表面近傍では、ガス軟窒化のま
まに比べて、ペーパーラップの方が残留応力が大きくな
り、ピーニングでは更に大きくなった、この原因は、前
記図４により、硬度分布につき説明したのと同じく、除
去の際に、硬化層１４の表面が受ける加圧力の差による
ものである。

【００３７】図７において、硬化層１４における転位密
度を求める実験をした。この結果、この転位密度はガス
軟窒化のままの場合と、電解研磨による場合とは同じで
あるが、ガス軟窒化のままに比べ、ペーパーラップの方
が転位密度が大きくなり、ピーニングでは更に大きくな
った。この原因は、前記図４により、硬度分布につき説
明したのと同じく、除去の際に、硬化層１４の表面が受
ける加圧力の差によるものである。

【００３８】そして、前記した電解研磨によれば、一部
１６が除去された硬化層１４において、残留応力や転位
密度の上昇はないが、上記除去後の硬化層１４の表面が
平滑に美麗に仕上がるという利点がある。

【００３９】一方、ペーパーラップによれば、一部１６
が除去された硬化層１４の表面は少し粗くなるが、この
硬化層１４における残留応力や転位密度が上昇するた
め、靭性が向上し、降伏点や疲れ限度が上昇する。

【００４０】また、ピーニングによれば、一部１６が除
去された硬化層１４の表面は更に粗くなるが、上記硬化
層１４における疲れ限度は、上記ペーパーラップの場合
よりも更に上昇する。

【００４１】なお、以上は図示の例によるが、母材１３
の表面硬化処理は、浸炭法によるものであってもよい。
また、上記硬化層１４の一部１６を除去する部分は、隅
部に限定されず、母材１３の平坦な面の面方向の一部
や、外周面の面方向の一部であってもよい。更に、除去
後の距離Ｌ₀ は化合物層１４ａの厚さＬ₁ よりも小さく
てもよい。

【００４２】

【発明の効果】この発明によれば、次の効果がある。

【００４３】請求項１によれば、母材の表面に硬化層を
形成し、その後、この硬化層の一部を除去するようにし
てある。

【００４４】このため、金属材の母材の表面に硬化層を
形成した後、この金属材を加圧してその曲がりを修正す
る場合には、この金属材への加圧により、歪が集中し易
いと考えられる歪集中部における硬化層の少なくとも一
部を除去する。

【００４５】そして、上記金属材を加圧して曲がりを修
正する。この際、上記歪集中部には歪が集中するが、上
記硬化層の一部が除去されたことにより、上記歪集中部
の靭性が向上する。このため、この歪集中部における亀
裂の発生限界が上昇して、疲れ限度の低下が上記金属材
の歪集中部に局部的に生じるということが防止される。

【００４６】よって、金属材の母材の表面に硬化層を形
成した後、この金属材を加圧してその曲がりを修正した
場合でも、金属材の寿命を十分に長くできる。

【００４７】請求項２によれば、上記請求項１におい
て、母材の表面を窒化処理してこの母材の表面に硬化層
を形成してある。

【００４８】そして、上記窒化処理は表面硬化処理上、
作業が容易であるため、上記表面処理が容易にできて有
益である。

【００４９】請求項３によれば、上記請求項１、もしく
は２において、硬化層の一部を電解研磨により除去する
ようにしてある。

【００５０】これによれば、硬化層の一部の除去後にお
けるこの硬化層の表面が平滑に美麗に仕上がるため、製
品の見栄えの点で有益である。

【００５１】請求項４によれば、請求項１、もしくは２
において、硬化層の一部を機械研磨により除去するよう
にしてある。

【００５２】これによれば、硬化層の一部の除去後にお
けるこの硬化層の表面はある程度平滑にできると共に、
この硬化層における残留応力や転位密度が上昇するた
め、靭性が向上し、降伏点や疲れ限度が上昇する。よっ
て、金属材の見栄えが良好に保たれると共に、その寿命
をより長くできる。

【００５３】請求項５によれば、請求項１、もしくは２
において、硬化層の一部をピーニングにより除去するよ
うにしてある。

【００５４】これによれば、硬化層の一部の除去後にお
けるこの硬化層の疲れ限度は上記機械研磨によるよりも
更に上昇して、金属材の寿命を更に長くできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】クランク軸の部分図で一部断面図である。

【図２】塑性伸びと応力との関係についての実験結果を
示すグラフ図である。

【図３】応力と破損までの繰り返し数との関係について
の実験結果を示すグラフ図である。

【図４】硬化層の表面からの距離と硬度分布との関係に
ついての実験結果を示すグラフ図である。

【図５】硬化層の表面からの距離と窒素濃度分布との関
係についての実験結果を示すグラフ図である。

【図６】硬化層の表面からの距離と残留応力分布との関
係についての実験結果を示すグラフ図である。

【図７】硬化層の表面からの距離と転位密度との関係に
ついての実験結果を示すグラフ図である。

【符号の説明】

１エンジン３クランク軸（金属材）１３母材１４硬化層１４ａ化合物層１４ｂ拡散層１５歪集中部１６一部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】母材の表面に硬化層を形成し、その後、
この硬化層の一部を除去するようにした金属材の表面処
理法。
【請求項２】母材の表面を窒化処理してこの母材の表
面に硬化層を形成した請求項１に記載の金属材の表面処
理法。
【請求項３】硬化層の一部を電解研磨により除去する
ようにした請求項１、もしくは２に記載の金属材の表面
処理法。
【請求項４】硬化層の一部を機械研磨により除去する
ようにした請求項１、もしくは２に記載の金属材の表面
処理法。
【請求項５】硬化層の一部をピーニングにより除去す
るようにした請求項１、もしくは２に記載の金属材の表
面処理法。