JPS63100130A

JPS63100130A - 高強度鋳鉄クランク軸の製造方法

Info

Publication number: JPS63100130A
Application number: JP24493086A
Authority: JP
Inventors: Taisuke Miyamoto; 泰介宮本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1986-10-15
Filing date: 1986-10-15
Publication date: 1988-05-02

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、鋳鉄クランク軸の製造方法に関し、詳細には
、内燃機関等に用いられる高強度鋳鉄クランク軸の製造
方法に関する。

〔従来の技術〕

内燃機関に用いられるクランク軸は、高い曲げ疲労強度
、捩り疲労強度を必要とする部品である。

そして、近年、動力性能の向上の要請から、それら高強
度を満たす材料の開発が進められている。

その内の一つに、球状黒鉛鋳鉄にオーステンパ処理を施
し、強度の改善を図る方法がある。これは、球状黒鉛鋳
鉄をオーステナイト化後、２３０ないし４５０℃の温度
に保たれた中性塩浴中に浸漬して急冷し、この温度で１
ないし３時間の恒温保持することにより、ベーナイト変
態を生じさせる。そして、ベーナイト変態により残留オ
ーステナイトを含むベーナイト組織となり、強度と靭性
を備えるようになるが、残留オーステナイトの看により
これらの性質は大きく左右される上、疲労強度という点
では、性能はまだ十分とは言えない。

これに対し、球状黒鉛鋳鉄にオーステンパ処理を施し、
後加工として例えばロールバニッシング、ショットピー
ニング等の表面塑性加工を行い、所謂加工誘起マルテン
サイトを生じさせ、高い圧縮残留応力を発生させて疲労
強度を著しく高めることが検討されている（　ｒＴｒａ
ｎｓａｃｔｉｏｎ　Ａａ＋ｅｒｉｃａｎ　Ｆｏｕｎｄｒ
ｙａ＋ｅｎ’ｓ　５ｏｃｉｅｔｙ　ＶＯｌ、９２Ｊ　　
８３４９９頁（１９８４）に開示されている）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、この製造方法によれば、オーステンパ処理を
伴うため、恒温変態に１ないし３時間と長時間を必要と
するため、住産性が非常に低くなると言う問題があった
。

また、オーステンパ処理の効果を富めるために、ＭＯや
Ｎｉ等の高価な材料を使用する必要がある。

さらには、オーステナイト化により軸方向の曲がりが太
き（なると言う問題がある。

したがって、本発明の目的は、材料等のコストが低く、
寸法精度がよい高強度の鋳鉄クランク軸を提供すること
にある。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで、本発明の高強度鋳鉄クランク軸の製造方法は、
クランク軸のフィレット部表面にベーナイトとともに多
量の残留オーステナイトを生成させるとともに塑性加工
の組み合わせにより高強度を得ることを特徴とする。

具体的には、本発明の構成は、次の通りである。

第１図に基づき、参照符号を付して説明する。本発明に
関する工程は、第１図の■で示す部分である。

まず、全体加熱（２０）は、パーライト面積率７０％以
上を有する球状黒鉛鋳鉄からなり、素形材より加工され
たクランク軸を、３００ないし４５０℃の温度に加熱す
る工程である。

フィレット部高周波加熱（２２）は、全体加熱（２０）
後、速やかにフィレット部分のみを、１鶴以上の深さで
基地組織がオーステナイトになるように高周波誘導加熱
する工程である。

フィレット部冷却（２４）は、高周波加熱（２２）後、
６４０℃までを１０秒以内の冷却速度で、フィレット部
を冷却する工程である。

放冷（２６）は、フィレット部冷却（２４）の後、常温
まで放冷を行う工程である。

フィレット部塑性加工（２８）は、フィレット部の表面
を塑性加工する工程である。

上記の本発明の構成において、前工程としては、第１図
の１部分に示す工程を、後工程としては、■部分に示す
工程を採用してクランク軸を製造することができる。

また、球状黒鉛鋳鉄は、たとえば、次のような成分範囲
を有するもの使用することができる。

重量％で、３．５〜４．２％のＣと、２．０〜３．３％
のＳｔと、０．８％以下のＭｎと、０．０２〜０．０６
％のＭｇと、必然的に含まれる不純物と、残部はＦｅと
からなる成分範囲の球状黒鉛鋳鉄を使用することができ
る。

また、本発明の製造方法で適用される塑性加工は、ロー
ラバニッシングの他、ショットピーニング等を用いるこ
とができる。

〔作用〕

上記した本発明の高強度鋳鉄クランク軸の製造方法に関
する作用について説明する。

まず、種々の限定理由について述べる。

球状黒鉛鋳鉄におけるパーライト面積率が７０％以上と
したのは、高周波誘導加熱によりフィレット部を短時間
でオーステナイト化する必要があるため、パーライト面
積率は高い程好ましく、その下限値を７０％とした。

また、クランク軸全体を加熱する３００〜４５０℃の温
度は、次のように、決められた。

その後のフィレット部の高周波誘導加熱の際の冷却時に
、マルテンサイト変態を開始する温度であるＭｇ点（約
２００℃）以下になるのを防ぐ必要があり、また、ベー
ナイト変態の促進と残留オーステナイトの安定化を図る
必要から、下限値を３００℃とした。また、加熱温度が
高くなると、スケールを発生し、高周波加熱時に取扱い
にくくなることにより、上限値を４５０℃とした。

また、基地組織を１龍以上の深さでオーステナイトにな
るようにするのは、通常の内燃機関のクランク軸では、
フィレット部における応力集中は、表面から１ｍｍ程度
の深さで高く、その範囲をはずれると、緩やかになこと
から、完全にオーステナイト化する深さの範囲を１ｆｉ
以上とした。

なお、加熱温度は、９００〜１０００℃が望ましい。第
２図に、球状黒鉛鋳鉄（重量％で、３．８１％のＣ，２
，７５％のＳｉ、０．７０％のＭｎ％０゜０１５％のＰ
、０．０１６％のＳ、０．０５２％のＭｇの組成からな
り、８５％のパーライト面積率を有する）を、次の試験
条件で高周波焼入れしたときの表面硬さ、焼入温度、保
持時間の関係のグラフを示す。同グラフより分かるよう
に、表面硬さを考慮すると、９００℃以上が必要であり
、また、１０００℃う越えると、溶融するおそれがある
ので、９００〜１０００℃の間で加熱することが適当で
ある。

（高周波焼入れ試験の条件）周波数・−−−−一−・１０ＫＨｚ焼入れコイル・−−ｍ＝−−・直径３０鶴、長さ１０鶴
冷却−・・−水冷試験片・−・・−・直径２０ｆｉ、長さ５０鶴ｍまた、
冷却において６４０℃までを１０秒以内で冷却するよう
にしたのは、ＣＣＴ線図におけるパーライトノーズ（図
上りで示す）にかからないようにするためである、すな
わち、第３図に９００℃に２０分間加熱してオーステナ
イト化した代表的な球状黒鉛鋳鉄（３，３７ｗｔ％のＣ
，２，６２ｗｔ％のＳｔ、０．３１ｗｔ％のＭｎを含む
）のＣＣＴ線図を示すように、本発明の冷却線図Ｂが６
４０℃のパーライトノーズＤにかからないようにするた
めには、冷却速度を２０秒以内にすべきであることが分
かる０図において、冷却線図Ａは焼入れの場合を示し、
冷却線図Ｃはオーステンパの場合を示す、なお、１００
０℃まで加熱してオーステナイト化を図る場合は、ＣＣ
Ｔ線図は、第３図に示す状態より多少右側へずれるので
、２０秒以上となるが、ＣＣＴ線図に影響する他の要因
も考ＬＧシて１０秒以内とした。

また、冷却は、マルテンサイト変態を掻力抑えるために
、第３図に基づき、Ｍｓ点を切ることのない時間として
５分（３００秒）以上が望ましい。

また、クランク軸を放冷した場合、同図に示すように、
本発明の冷却線図Ｂは、３００℃からＭｓ点（約２００
℃）までの冷却時間が１５分程度であり、５分以上の条
件を満たしている。

なお、本発明における冷却後の組、織は、第４図に示す
ように、ベーナイトと多量の残留オーステナイトからな
る。同図に示すオーステンパの場合（図上Ｃの範囲の組
織）は、同じくベーナイトと残留オーステナイトからな
るが、本発明に比べて残留オースナイトの量が少ない、
ちなみに、焼入れの場合は、マルテンサイトと若干の残
留オーステナイトとなる（図上Ａの範囲の組織）。

また、上述の熱処理によりフィレット部に得た多量の残
留オーステナイトに、表面塑性加工により加工誘起マル
テンサイトを生じさせ、フィレット部表面に圧縮残留応
力を付与した。

以上より、本発明の熱処理によれば、従来例のオーステ
ンパの場合に比べて、恒温処理時間を短縮でき、また、
残留オーステナイトの量が多いことが理解できる。また
、残留オーステナイトの加工誘起マルテンサイト化によ
り、従来例より高い圧縮残留応力が得られる。

〔実施例〕

次に、図面に基づき、本発明の実施例にかかるを、順を
追って説明する。

第１図ないし第１２図は、本発明にかかる高強度鋳鉄ク
ランク軸の製造方法の実施例を説明するための図面であ
る。

第１図は、本発明工程図、第２図は、試験材の表面硬さ
、焼入温度、高周波誘導加熱の保持時間の関係を示すグ
ラフ、第３図は、クランク軸の素形材のＣＣＴ線図、第
４図は、冷却における変態時間とその結果得られる室温
における組織の状態との関係を示すグラフ、第５図は、
クランク軸の素形材の概略図、第６図は、第５図におけ
る■矢視部の拡大図、第７図は、第６図における■矢視
部の拡大図、第８図は、クランク軸のピン部を装着した
高周波誘導加熱装置の部分断面図、第９図は、第８図に
おけるＩＸ−ＩＸ線をＥ矢視方向から見た断面図、第１
０図は、フィレット部冷却工程における冷却状態を説明
するための図面であり、時間と温度の関係を示すグラフ
、第１１図は、放冷工程における冷却状態を説明するた
めの図面であり、時間と温度の関係を示すグラフ、そし
て、第１２図は、ロール加工を行っている状態を示すフ
ィレット部の断面図である。

第１図の工程図により説明する。

まず、工程Ｉにおいて、熱処理前の機械加工を行った。

１１Ｌ看％で、３．６１％のＣ，２，４８％のＳｉ、０
゜３２％のＭｎ、、０．１２％のＰ、０．００４％の８
１０、０３５％のＭｇの組成からなり、９２％のパーラ
イト面積率を有する球状黒鉛鋳鉄を、９２０℃に２．５
時間加熱して、５５０℃まで大気中で放冷した硬さＨＶ
２５４のものを用いた。

工程１０で素形材を、旋削により荒加工した。

この素形材５０を、第５図に示す。

次に、工程１２で、ジャーナル部５２を荒研削して、約
３００μｍの厚さで表面部を除去した。

工程１４で、ビン部５４を旋削し、約２．５龍の厚さで
表面部を除去した。

工程１６で、ビン部５４からジャーナル部５２にかけて
、直径が６鶴の油入５６を穿設した。

工程１８で、第６図に示すように、ビン部５４の両側に
フィレット部５８．６０を、旋削により溝入れした。フ
ィレット部５８．６０は、第７図に拡大断面図を示すよ
うに、曲率半径ｒが１．７論てビン部５４との段差ｄ−
ｈ＜０．３　ｔｍの寸法を有する。

工程夏で機械加工されたクランク軸５０ａに対して、工
程■において、次に説明する熱処理および表面処理を行
った。

まず、工程２０で、クランク軸５０ａを熱風炉（図示し
ない）に入れて、クランク軸５０ａの中心部および表面
が３５０℃の温度になるまで、クランク軸５０ａ全体の
加熱を行った。

次に、工程２２で、このクランク軸５０ａを、第８図に
部分断面図を示す高周波誘導加熱装Ｔ１６２に装着して
、ビン部５４ａの高周波誘導加熱を行った。高周波誘導
加熱装置６２は、加熱コイル６４、加熱コイル６４の内
部に形成された加熱コイル６４を冷却するための冷却水
通路６６、加熱物を冷却するためのガス噴射孔６８と、
ガス通路７０を備えている。

周波数は３　Ｋ　Ｈｚ　ｓ出力は１２０ＫＷで、１０秒
間、フィレット部５８　ａ　ｓ　６０　ａの表面を、９
００〜１０００℃まで加熱した。

そして、工程２４で、ガス通路７０を介してガス噴射孔
６８より、ビン部５４ａの軸側下方に向けて空気を噴射
した。噴射を約８秒間行った結果、ビン部５４ａは、６
５０℃まで冷却された。このときの、冷却状態を第１θ
図の時間と温度の関係のグラフに示す。

その後、工程２６で、放冷により室温まで冷却をした。

このときの、冷却状態を第１１図の時間と温度の関係の
グラフに示す。

その結果、第９図に示すように、ビン部５４ａのクラン
ク軸側に対し、１２０＠の範囲で、約１〜３ｍの変態Ｍ
ｎ襟が得られた。この変態組織は、検査の結果、ベーナ
イトと残留オーステナイトの混合組織であることが確認
された。ビン部５４ａの軸に垂直方向に切断し、腐食さ
せた切断面の顕微鏡観察を行ったが、面積率でベーナイ
トとマルテンサイトが５５％、残留オーステナイトが４
５％であることが分かった。

放冷後、工程２８で、フィレット部５８．６０のロール
加工を行った。第１２図に示すように、フィレット部５
８．６０に対して、ローラ７２．７４を当接させ、ロー
ラ７２．７４の背面側をパックアップローラで支持して
、約３００　ｋｇの荷重をクランク軸のフィレット５８
へ加え、フィレット５８の全周にわたり、バス回数３０
回でロール加工した。この結果、ベーナイトと残留オー
ステナイトの混合組織は、マルテンサイトに変わってい
ることが分かった。

上述のように表面処理されたクランク軸５０ａに対し、
工程■で、仕上げ加工を行った。

まず、工程３０で、ジャーナル部５２ａの中仕上研削を
行い、３．２Ｚ程度の面精度を得た。

工程３２で、ビン部５４ａの研削を行い、３．２Ｚ程度
の面精度を得た。

工程３４で、曲がり取りのためにジャーナル部５２ａの
仕上研削を行い、３．２Ｚ程度の面精度を得た。

工程３６で、クランク軸５０ａのアンバランス世を計測
し、ドリル穿削により、マス修正を行った。

上述のようにして製作したクランク軸に関して、強度試
験を行った。

強度試験は、機械共振型の疲労試験機を用いて、両振り
曲げ疲れ限度を、測定した。なお、本発明法によるも・
の以外にも、従来法による比較例も合わせて実験を行っ
た。それらの実験結果を次表に示す。

製品Ａ、ＢＳＤは、従来法により作製したものである。

製品Ｃは、本発明法により作製したものである。製品Ｂ
、Ｄにおけるロール加工条件は、同一である。製品りに
おけるオーステンパの条件は、９００℃ＸＩＨｒ　（窒
素ガス中）の後、３９０℃Ｘ３Ｈｒ　（塩浴中で恒温保
持）である。

上表から明らかなように、本発明法により作製したクラ
ンク軸は、最も疲労強度が扁いことが分かる。また、従
来法による製品りは、高い疲労強度を示すが、オーステ
ンパ処理を行っているため、本発明法の表面処理工程■
の時間が、昇温と均熱化に１．５　Ｈｒおよびフィレッ
ト加熱・冷却に０．５Ｈｒで計約２時間要するのに対し
、昇温ＩＨｒ、均熱化Ｉ　Ｈｒ　ｓオーステンパ３Ｈｒ
で計約５時間と多くの処理時間を要している。

以上、本発明の特定の実施例について説明したが、本発
明は、この実施例に限定されるものではなく、特許請求
の範囲に記載の範囲内で種々の実施態様が包含されるも
のである。

〔発明の効果〕

以上より、本発明の高強度鋳鉄クランク軸の製造方法に
よれば、積極的に多量の残留オーステナイト組織を得る
ようにした上で、残留オーステナイトを利用したフィレ
ット部の表面塑性加工により誘起マルテンサイトを生じ
させたので、極めて高い強度を備えたクランク軸を得る
ことができる。

また、オーステンパ処理のように長時間高温に保持する
必要がないため、曲がりが生ぜず、寸法精度がよい。

また、オーステンパに比べて恒温処理時間が短縮できる
ので、生産効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第１２図は、本発明にかかる高強度鋳鉄ク
ランク軸の製造方法の実施例を説明するための図面であ
る。第１図は、本発明工程図である。第２図は、試験材の表面硬さ、焼入温度、高周波誘導加
熱の保持時間の関係を示すグラフである。第３図は、クランク軸の素形材のＣＣＴ線図である。第４図は、冷却における変態時間とその結果得られる室
温における組織の状態との関係を示すグラフである。第５図は、クランク軸の素形材の概略図である。第６図は、第５図における■矢視部の拡大図である。第７図は、第６図における■矢視部の拡大図である。第８図は、クランク軸のピン部を装着した高周波誘導加
熱装置の部分断面図である。第９図は、第８図におけるＩＸ−ＩＸ線をＥ矢視方向か
ら見た断面図である。第１θ図は、フィレット部冷却工程における冷却状態を
説明するための図面であり、時間と温度の関係を示すグ
ラフである。第１１図は、放冷工程における冷却状態を説明するため
の図面であり、時間と温度の関係を示すグラフである。第１２図は、ロール加工を行っている状態を示すフィレ
ット部の断面図である。出願人　　トヨタ自動車株式会社第２図第３図時　　間　　（ｓｅｃ）第４図￥Ｌ把、呼量第５図第６図第７図第８図第９図第１０図第１１図経過時間（分）

Claims

【特許請求の範囲】パーライト面積率７０％以上を有する球状黒鉛鋳鉄から
なり、素形材より加工されたクランク軸全体を３００な
いし４５０℃の温度に加熱する工程と、加熱後、速やかにフィレット部分のみを、１ｍｍ以上の
深さで基地組織がオーステナイトになるように高周波誘
導加熱する工程と、高周波加熱後、６４０℃までを１０秒以内の冷却速度で
、フィレット部を冷却をする工程と、その後、常温まで
放冷する工程と、フィレット部の表面を塑性加工する工程とを備えたこと
を特徴とする高強度鋳鉄クランク軸の製造方法。