JPS63118079A - クランクシヤフトの製造方法 - Google Patents

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、クランクシャフトの製造方法に関し、より詳
しくはレーザー照射により疲労強度を著しく向上させる
。自動車等に使用するクランクシャフトの製造方法に関
するものである。

（従来の技術） クランクシャフトは、大きな前爪を受けながら高速回転
するため、大きい疲労強度が雪氷される。従ってクラン
クシャフトは一般的には高炭素鋼を用いて鍛造または鋳
造により成形し、これに焼入れ、焼戻し等の調質処理を
施して製造されている。さらに疲労強度向上の目的で、
従来上記の調質処理後のクランクシャフトに対して、 １）フィレット部に対する高周波加熱焼入れ、２）フィ
レット部表面のロール加工、 ３）軟窒化処理、 等が施されている。これら１）ないし３）の処理は、ク
ランクシャフトの最弱部位であるフィレット部の表面の
硬さを向上させ、そして該フィレット部に残留応力を付
加することによりクランクシャフトの疲労されつの発生
を抑えることを目的としている。また、最近　１〕の高
周波加熱焼入れに代わり、レーザー加熱焼入れの利用も
考えられている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記１）ないし３）の処理により得られ
るクランクシャフトのフィレンｌ一部の表面硬さは、　
１）の高周波加熱焼入れではＨマロ００程度、　３）の
軟窒化処理ではＨマツ００程度であり、そして　２）の
ロール加工ではＨｖ　１００程度の硬さを加工前の硬さ
に加える程度であり、いずれも十分な表面硬さを与える
とはいえない。

また上記　１）ないし３）の処理方法及びレーザー加熱
焼入れでは疲労されつの発生に大きな影響力を示す結晶
粒界に関しては、全く考慮されていない。

本発明は、この様な問題点を解決するためのものであり
、疲労強度が十分に向上するクランクシャフトの製造方
法を提供することを目的とする。

（問題点を解決するだめの手段） 本発明のクランクシャフトの製造方法は、クランクシャ
ツ（・の成形品のフィレット部表面にアモルファス形成
合金の粉末を塗布し、この塗布した部分にレーザーを照
射して該粉末を溶融することを特徴とする。

本発明におけるクランクシャフトの材質は、通常クラン
クシャフトに使用されるものであれば特に限定されない
が、クランクシャフトは強度や剛性が大きくかつ静的、
動的バランスがとれていなければならないことから、例
えば高炭素鋼、ＪＩＳ規格によるＳ４０、Ｓ４５、Ｓ５
０等である。

また、その成形は鍛造または鋳造により行なわれるが、
これはクランクシャフトの使用［］的により選択される
。鍛造または鋳造されたクランクシャフトは、焼入れ及
び焼戻しの調質処理を施した後機械加工したものをクラ
ンクシャフトの成形品とする。

該成形品のフィレット部に塗布するアモルファス形成合
金粉末は、該フィレット部の所望する強度化に応じて選
択されるが、例えばＦｅ基のものではＦｅ−Ｂ　、　Ｆ
ｅ−Ｂ−３ｉ等、Ｇｏ基のものではＧｏ−Ｂ　、　Ｇｏ
−Ｂ−Ｓｉ等、またＮ１基のも（７）？’はＮ１−Ｐ、
　Ｎ１−Ｐ−Ｂ　”４である。このアモルファス形成合
金粉末を該成形品のフィレット部に厚さ５０ないし　！
００　ｇ　ｍに塗布する。ここでフィレット部とは、ク
ランクシャフトのクランクピン及びジャーナルのフィレ
ット部を意味する。

さらに本発明において使用されるレーザーは、４７口し
たアモルファス形成合金粉末が溶融し、アモルファス層
を形成する温度に加熱されるものであれば特に限定され
ないが、好ましくはＣ０２レーザーである。またレーザ
ーの照射条件は、レーザーの種類、アモルファス形成合
金粉末等により適宜選択されるが、ＣＯ２レーザーの場
合には、出カニ２ないしｌＱｋｗ、送り速度：１２ない
し３．６ｍ／ｍｉｎ、矩形モード、ビーム径：５ないし
１５ｍｍ角が好ましい。

Ｃ０２レーザーは、そのレーザービームが収束すること
により　！Ｏｋｗ／ａｍ’以上の高エネルギー密度とな
り、このビームが塗布されたアモルファス形成合金粉末
に照射ゴれると、その部分のみか加熱されアモルファス
形成合金が溶融し　これが急速に冷却するためアモルフ
ァス層が形成され、その下層にはマルテンサイト層が形
成される。このレーザー照射により、照射された表面付
近のみが加熱され、入力エネルギーが小さいので他の部
分は昇温せず、照射された表面の高温と他の部分の温度
差により自然冷却されるため、冷却手段を必要としない
。

上記の様にクランクシャフトのフィレット部表面にはア
モルファス層が形成され、その下層にはマルテンサイト
層が形成されるため、該フィレッｌ一部の高強度化が図
られる。アモルファス層は、結晶粒界ギ介在物質のない
均質な層であるため、通常の結晶金属と異なり、該フィ
レット部の疲労されつの発生が著しく減少する。さらに
このアモルファス層の下層には高い強度を有するマルテ
ンサイト層が形成されるため、該フィレットは一層高強
度化される。これらのことから　クランクシャフトの疲
労強度は箸しく向上する。

（作　用） 本発明のクランクシャフトの製造方法は、該クランクシ
ャツ［・の晟弱部位であ己フィレンｉ・部にアモルファ
ス形成合金粉末を塗布し、この部分をレーザーで照射し
、焼入れすることにより、フィレット部表面にアモルフ
ァス層が、その下層にマルテンサイト層が形成される。

アモルファス層は、結晶粒界を有しないために、疲労き
れつの発生が著しく減少し、その下層のマルテンサイト
層によりさらに強度が高められている。これらのことよ
り、本方法はクランクシャフトのフィレット部の高強度
化を図り、クランクシャフトの疲労強度を著しく向上す
る。

（実施例） 次に本発明の実施例に関し、図面を参照しながら説明す
る。しかし本発明は、これに限定されない。

組成がＣ：　０．５０重量％（以下％）　、Ｓｉ　：　
０．２５％、Ｍｎ　：　０．７５％、Ｐ　：　０．００
８％、Ｓ　：　０．０２％銹τ°ある高炭素鋼８勢１素
材とするクランクシャフトを１２００°Ｃで熱間鍛造し
、冷却後８８０℃で３０分間焼入れ処理し、次いで５８
０°Ｃで９０分間焼戻し処理を行ない、クランクシャフ
トの相形材を得る。これを次に機械加工し、成形品とし
た。このクランクシャフト成形品の一部を第１図に示す
。これは、クランクシャフト１のクランクピン２は径４
２ｍｆｆ１で、その長さＬは２５ｍｍであり、クランク
ピン２のンイレット部３及びジャーナル４のフィレット
部５の円狐の半径は２．５ｆｆ１ｍ　、ジャーナル４の
径は５５０１１１で、全体の長さは０．１３８６ｍ、重
量は１５．８ｋｇの４気筒クランクシヤフトである。

次にこのクランクシャフト１のフィレット部３．５全体
にＦｅ−Ｂ−３ｉのアモルファス形成合金粉末を５０ｐ
ｍの厚さに塗布し１次にこのフィレット部３，５の部分
に００２レーザーを！’！＜（射した。このときの照射
条件は、出カニ　１０ｋｗ、送り速度：　３．８ＩＩ１
ｍ／ｍｉｎ　、矩形モード、ビーム径、１５ｍｍ角であ
る・ また比較のために、同様のクランクシャツ］・ｌのフィ
レット部３．５に高周波加熱焼入れ（水焼入れ）及びレ
ーザー加熱焼入れ（自己冷却）を施したもの（比較例１
）、及び同様にクランクシャフト１のフィレットｉ％３
　、５にロール加工を施したもの（比較例２）も準備し
た。

上記の処理後のクランクシャフト、つまり本実施例、比
較例１及び２に関し、フィレット部の硬さ試験及びクラ
ンクシャフトの疲労試験を行なった。

フィレット部の硬さ試験の結果を第２図に示す。本実施
例によるフィレット部の表面付近（０ないし　０．２ｍ
工）の硬さの値は比較例１．２に比べ著しく高い。

またクランクシャフトの疲労試験は、第３図番こ示す様
にクランクシャフト１のジャーナル４を支持部材６によ
って支持した状態で矢印方向へ負荷を加えることにより
行なった。このときの負荷パターンを第４図に示すが、
このときの１５力はフィレット部３の中央部３′に貼イ
・１１−だストレーンゲージで測定し、各クランクシャ
フトの疲労限度を求めた。この結果を第５図に示す。こ
れより本実施例のクランクシャフトは、比較例１．２に
比べ高い疲労限度を有していることがわかる。これは本
実施例のクランクピンフＩ・は、その疲労強度が向上し
ており、明らかに耐久性にすぐれていることを示すもの
である。

この様に本実施例によるクランクシャフトは、従来の処
理方法に比べ、その疲労強度が格段に向上した。第６図
は本実施例によるクランクシャフト１の焼入れ状態を示
す断面図である。フィシン）ｆｆ１３　、５の表面には
アモルファス層７、その下層にはマルテンサイ！・層８
が形成されている。アモルファス層７には疲労きれつ等
の原因となる結晶粒界が存在せず、しかもその下層は鋼
の焼入れ組織中最も硬いマルテンサイト層８であるため
にクランクシャフト１の疲労強度は顕著に南北したもの
である。

（発明の効果） 本発明のクランクシャフトの製造方法により、クランク
シャフトの最弱部位であるフィレット部表面にアモルフ
ァス層、その下’Ａ’Ｆ周辺にマルテンサイト層が形成
されるため、疲労強度が著しく向上し、耐久性にすぐれ
たクランクシャフトの製造が可能となった。

また、このアモルファス層及びマルテンサイト層形成の
ための処理がレーザー照射であるために。

１）表層だけの加熱で良く、クランクシャフトには熱ひ
すみによる熱変形が生じない。

爾）複雑な形状のフィレット部の処理も可能である、 １１１）レーザー照射後は自己冷却によるため、水や油
等の冷却手段を必要としない、 ｉｖ）硬化深さ、硬化面積を精密に制御できる、■）処
理時間が短い、 などの種々の効果も有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例のクランクシャフトの一部を
示す正面図、 第２図は、クランクシャフトのフィレット部表面の深さ
と硬さの関係を示すグラフ、第３図は、クランクシャフ
トの疲労帆゛駐の方法を示す説明図、 第４図は、クランクシャフトの疲労試験の応力負荷パタ
ーンを示すグラフ、 第５図は、クランクシャツＩ・の疲労詭′ｎの結果を示
すグラフ、 第６図は、本発明の実施例のクランクシャフトの焼入れ
状態を示す断面図を表わす。 図中。 １・・・クランクシャフト　２・・・クランクビン３．
５・・・フィレット部　４・・・ジャーナル７・・・ア
モルファス層　　８・・・マルテンサイト層特許出願人
　トヨタ自動車株式会社 （ほか２名） 牙　１　図 牙２図 表面ワ□Ｓの’７巨ｉｆ　（ｍｍ　） ′２３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. クランクシャフトの成形品のフィレット部表面にアモル
   ファス形成合金の粉末を塗布し、この塗布した部分にレ
   ーザーを照射して該粉末を溶融することを特徴とするク
   ランクシャフトの製造方法。