WO2020045239A1

WO2020045239A1 - クランクシャフト及びその製造方法

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Publication number: WO2020045239A1
Application number: PCT/JP2019/032880
Authority: WO
Inventors: 達彦安部; 久保田　学
Original assignee: 日本製鉄株式会社
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2019-08-22
Publication date: 2020-03-05
Also published as: CN112639307A; CN112639307B; JP6958741B2; US20210172470A1; US11739788B2; JPWO2020045239A1

Abstract

耐焼付き性に優れたクランクシャフトを提供する。クランクシャフトは、ジャーナル部及びピン部を備え、ジャーナル部及びピン部の各々は、断面曲線の算術平均高さＰａが０．０９０μｍ以下であり、かつ、突出山部高さＲｐｋが０．０７０μｍ以下である表面形状を有する。ここで、断面曲線の算術平均高さＰａはＪＩＳ　Ｂ　０６０１（２００１）に定義されたものであり、突出山部高さＲｐｋはＪＩＳ　Ｂ　０６７１（２００２）に定義されたものである。

Description

クランクシャフト及びその製造方法

　本発明は、クランクシャフト及びその製造方法に関する。

　クランクシャフトには、疲労強度や耐摩耗性に加えて、耐焼付き性が要求される。

　従来から、摺動部品の表面形状を制御して耐焼付き性を改善する提案がなされている。例えば特開２０１７－２１８９５１号公報には、冷凍機械用圧縮機のクランク軸の表面粗さＲａを０．０５μｍ以下にすることが記載されている。国際公開第２０１６／０７２３０５号には、軸受と軸とからなる回転すべり軸受において、軸の表面粗さＲａを０．１０μｍ以下にすることが記載されている。

　特許第５５０３４１７号公報には、摺動特性を向上させるため、肌焼鋼部品の表面粗さＲａを０．１６μｍ以下にすることが記載されている。特許第４３５２２６１号公報には、ピッチング強度を向上させるため、歯車表面の荷重移動方向の表面粗さを０．２μｍ≦Ｒｐｋ＋０．５Ｒｋ≦０．８μｍにすることが記載されている。

　特開２００４－２７６１２１号公報には、断面円弧状加工面を有するワークにバニッシングローラを押付けて仕上げ加工するローラバニッシュ加工方法において、ワークの加工面をラッピング加工により中凹状に加工した後、両端部の凸部をバニッシングローラによりバニッシング加工するローラバニッシュ加工方法が記載されている。

　近年、燃費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、より優れた耐焼付き性が求められている。

　本発明の目的は、耐焼付き性に優れたクランクシャフト及びその製造方法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、前記ジャーナル部及びピン部の各々は、断面曲線の算術平均高さＰａが０．０９０μｍ以下であり、かつ、突出山部高さＲｐｋが０．０７０μｍ以下である表面形状を有する。

　本発明の一実施形態によるクランクシャフトの製造方法は、上記のクランクシャフトの製造方法であって、前記ジャーナル部及びピン部を研削する研削工程と、前記研削されたジャーナル部及びピン部を、アルミナ砥粒がコーティングされたフィルムを用いてラッピングする粗ラッピング工程と、前記粗ラッピングされたジャーナル部及びピン部を、ダイヤモンド砥粒がコーティングされたフィルムを用いてラッピングする仕上ラッピング工程とを備える。

　本発明によれば、耐焼付き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、断面曲線の例である。図３は、粗さ曲線の例である。図４は、粗さ曲線と負荷曲線との関係を示す図である。図５は、突出山部を説明するための図である。図６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７は、実施例で作製した試験軸のヒートパターンである。図８は、実施例で作製した試験軸の断面曲線である。図９は、焼付き試験で使用した評価装置の模式図である。図１０は、試験軸に加えた面圧の時間変化の模式図である。図１１は、平均粗さＲａと断面曲線の算術平均高さＰａとの関係を示す図である。図１２は、仕上加工の条件と、表面形状（Ｐａ及びＲｐｋ）との関係を示す図である。図１３は、Ｐａと焼付面圧との関係を示す図である。図１４は、比較例の試験軸の断面曲線である。図１５は、実施例の試験軸の断面曲線である。

　上述した特開２０１７－２１８９５１号公報、国際公開第２０１６／０７２３０５号、及び特許第５５０３４１７号公報では、粗さ曲線の算術平均高さＲａ（以下「平均粗さＲａ」という。）を用いて表面形状を規定している。しかし、平均粗さＲａによる規定には、以下のような問題がある。

　クランクシャフトを始めとする工業製品の表面形状には、短周期成分（粗さ）に加えて、研削機の振動等に由来する長周期成分（うねり）が少なからず含まれている。平均粗さＲａは、うねり成分を高域フィルタで除いた粗さ曲線に基づくため、実際の表面形状を正確に評価しているとは言いがたい。また平均粗さＲａの値は、粗さ曲線を得る際に用いられる高域フィルタのカットオフ値λｃによって大きく変動する。

　実際、平均粗さＲａが同程度であっても、うねりの大きさによって耐焼付き性は大きく変動する。そのため、耐焼付き性を制御する指標としては、断面曲線を輪郭曲線とした評価パラメータを用いることが適切である。

　また、平均粗さＲａが同程度であっても、突起や谷の形状によって耐焼付き性は変動する。具体的には、平均粗さＲａが同程度であっても、突起の高さが大きい場合、相手材との接触頻度が増加して耐焼付き性が低下する。

　本発明者らは、種々の表面形状を有する試験軸を作製して耐焼付き性を評価し、表面形状と耐焼付き性との関係を調査した。その結果、断面曲線の算術平均高さＰａを０．０９０μｍ以下にし、かつ、突出山部高さＲｐｋを０．０７０μｍ以下にすることで、耐焼付き性を従来よりも顕著に向上できることを明らかにした。

　本発明は、以上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。

　クランクシャフト１０は、例えば機械構造用鋼材からなる。クランクシャフト１０は、これらに限定されないが、ＪＩＳ　Ｇ　４０５１：２００９の機械構造用炭素鋼鋼材、ＪＩＳ　Ｇ　４０５２：２００８の焼入れ性を保証した機械構造用鋼鋼材（Ｈ鋼）、ＪＩＳ　Ｇ４０５３：２００８の機械構造用合金鋼鋼材等からなるものを用いることができる。これらの鋼材の中でも、ＪＩＳ　Ｇ　４０５１：２００９のＳ４５Ｃ及びＳ５０Ｃ、並びにＪＩＳ　Ｇ　４０５３：２００８のＳＭｎ４３８が好適であり、また、これらの鋼材に被削性を向上させるためにＳを添加した鋼材が特に好適である。

　クランクシャフト１０の化学組成は例えば、質量％で、Ｃ：０．３０～０．６０％、Ｓｉ：０．０１～２．０％、Ｍｎ：０．１～２．０％、Ｃｒ：０．０１～０．５０％、Ａｌ：０．００１～０．０６％、Ｎ：０．００１～０．０２％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．２０％以下を含む。クランクシャフト１０の化学組成は、上記以外の元素（例えばＶやＮｂ等）を含有してもよい。

　ジャーナル部１１は、クランクシャフト１０の中心軸と同軸に形成され、シリンダブロック（不図示）と連結される。ピン部１２は、クランクシャフト１０の中心軸から離れた位置に形成され、コネクティングロット（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の各々は、断面曲線の算術平均高さＰａが０．０９０μｍ以下であり、かつ、突出山部高さＲｐｋが０．０７０μｍ以下である表面形状を有する。ここで、断面曲線の算術平均高さＰａはＪＩＳ　Ｂ　０６０１（２００１）に定義されたものであり、突出山部高さＲｐｋはＪＩＳ　Ｂ　０６７１（２００２）に定義されたものである。

　図２及び図３はそれぞれ、断面曲線及び粗さ曲線の例である。図４は粗さ曲線と負荷曲線との関係を示す図であり、図５は突出山部を説明するための図である。これらの図を参照して、断面曲線の算術平均高さＰａ及び突出山部高さＲｐｋの測定方法を説明する。

　クランクシャフト１０の測定対象箇所（ジャーナル部１１及びピン部１２）から試験片を採取し、接触式粗さ試験機を用いて測定断面曲線を取得する。接触粗さ試験機の触針の先端半径は２μｍ、円錐のテーパ角度は６０°とする。走査速度は０．５ｍｍ／ｓ以下とし、測定長さは５ｍｍ以上とする。

　測定断面曲線にカットオフ値λｓの低域フィルタを適用して、断面曲線を得る（図２を参照。）。断面曲線を輪郭曲線として、評価長さｌにおけるＺ（ｘ）の絶対値の平均を求め、断面曲線の算術平均高さＰａとする。ここで、Ｚ（ｘ）は位置ｘにおける縦座標である。カットオフ値λｓは２．５μｍ、評価長さｌは５ｍｍとする。

　断面曲線にカットオフ値λｃの高域フィルタを適用して、粗さ曲線を得る（図３を参照）。粗さ曲線を得る際のカットオフ値λｃは０．２５ｍｍとする。

　粗さ曲線から負荷曲線を求める。負荷曲線とは、粗さ曲線の負荷長さ率Ｒｍｒを負荷レベルｃの関数として表した曲線である（図４を参照）。負荷曲線を求める際の評価長さｌは５ｍｍとする。

　粗さ曲線の測定点の４０％を含む負荷曲線の中央部分において、負荷長さ率の差ΔＭｒを４０％にして引いた負荷曲線の割線が最も緩い傾斜となる直線を等価直線とし、等価直線が負荷長さ率０％及び１００％の位置で縦軸と交わる二つの高さ位置の間をコア部とする。コア部の上にある突出山部の平均高さを突出山部高さＲｐｋとする（図５を参照）。

　断面曲線の算術平均高さＰａを０．０９０μｍ以下にし、かつ、突出山部高さＲｐｋを０．０７０μｍ以下にすることで、耐焼付き性を従来よりも顕著に向上させることができる。断面曲線の算術平均高さＰａは、好ましくは０．０８０μｍ以下である。突出山部高さＲｐｋは、好ましくは０．０６０μｍ以下である。

　［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６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）、表面硬化処理工程（ステップＳ５）、及び仕上加工工程（ステップＳ６）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）。クランクシャフト１０の素材は、これに限定されないが、例えば化学組成が、質量％で、Ｃ：０．３０～０．６０％、Ｓｉ：０．０１～２．０％、Ｍｎ：０．１～２．０％、Ｃｒ：０．０１～０．５０％、Ａｌ：０．００１～０．０６％、Ｎ：０．００１～０．０２％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．２０％以下を含むものを用いることができる。クランクシャフト１０の素材は、上記以外の元素（例えばＶやＮｂ等）を含有するものであってもよい。

　素材は、例えば棒鋼である。素材は例えば、上記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に対して、必要に応じて表面硬化処理を実施する（ステップＳ５）。表面硬化処理は例えば、フィレットロール加工や高周波焼入れ、軟窒化等である。表面硬化処理工程（ステップＳ５）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。

　表面硬化処理は、クランクシャフトの中間品全体に対して実施してもよいし、摺動箇所であるジャーナル部及びピン部のみに実施してもよい。

　表面硬化処理工程（ステップＳ５）を実施する場合、表面の組織を均一にしなければ、後述する仕上加工工程（ステップＳ６）において表面のうねりを除去することが困難になる。表面の組織を均一にするためには、例えば高周波焼入れの場合、Ａｃ_３点以上に昇温して表面の組織を完全にオーステナイトに変態させた後に焼入れを行うこと等が考えられる。

　クランクシャフトの中間品に対して仕上加工を実施する（ステップＳ６）。仕上加工工程（ステップＳ６）は、研削工程（ステップＳ６－１）、粗ラッピング工程（ステップＳ６－２）、及び仕上ラッピング工程（ステップＳ６－３）を含んでいる。

　まず、ジャーナル部１１及びピン部１２を研削する（ステップＳ６－１）。断面曲線の平均高さＰａを小さくするためには、粗さ及びうねりの両方を小さくする必要がある。このうち粗さは、研削に用いる砥粒の大きさに依存する。そのため、できるだけ細かい砥粒を用いて研削することが好ましい。

　ジャーナル部１１及びピン部１２には、機械加工（ステップＳ４）の際の工具の送りや振動に起因して、数１００μｍ～数ｍｍ周期のうねりが存在している。粗さを十分に小さくしても（粗さ曲線の算術平均高さＲａを十分に小さくしても）、うねりが残っていると断面曲線の算術平均高さＰａは小さくならない。そのため、研削工程（ステップＳ６－１）では、Ｒａが小さくなった後も研削を続けて、うねりを十分に除去する必要がある。

　続いて、ジャーナル部１１及びピン部１２をラッピングする。具体的には、微細な砥粒をコーティングしたフィルムを用いてジャーナル部１１及びピン部１２を研磨する。ラッピングは、粗ラッピング工程（ステップＳ６－２）と仕上ラッピング工程（ステップＳ６－３）とに分けて実施し、粗ラッピング工程（ステップＳ６－２）ではアルミナ砥粒を、仕上ラッピング工程（ステップＳ６－３）ではダイヤモンド砥粒をコーティングしたフィルムを用いる。

　ラッピング工程（ステップＳ６－２及びＳ６－３）によって、ジャーナル部１１及びピン部１２の表面の鋭利な突起部が削られ、プラトー表面が得られる。これによって、突出山部高さＲｐｋを小さくすることができる。

　ラッピング工程（ステップＳ６－２及びＳ６－３）の際、特開２００４－２７６１２１号公報に記載されているような中凹状の形状になることを防止するため、以下の（１）～（４）を実施することが好ましい。（１）幅が狭いフィルムを使用して軸方向に送りながら研磨する。これによって、潤滑油がフィルム中央部まで到達しやすくなる。（２）砥粒をできるだけ小径にする。これによって、切り込み深さが浅くなるので過度な研削が緩和される。（３）工作物の回転速度を高くし、かつ押しつけ力を小さくする。これによって、フィルムと工作物との間の油（水）膜の厚さを増加させることができる。（４）潤滑油（水）の量を多くする。これによって、フィルムと工作物との間の油（水）膜の厚さを増加させることができる。

　粗ラッピング工程（ステップＳ６－２）及び仕上ラッピング工程（ステップＳ６－３）のいずれにおいても、クランクシャフトの軸方向のフィルムの送り速度をできるだけ小さくする。これによって、微細なうねりが除去され、断面曲線の算術平均高さＰａをより小さくすることができる。

　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、耐焼付き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、焼付き試験用の試験軸を作製した。図７に、試験軸作製時のヒートパターンを示す。

　具体的は、素材を１２５０℃で１時間加熱した後、１１００℃～８５０℃で熱間鍛造を実施し、鍛造終了後、室温まで空冷した。その後、１２５０℃で２０分間加熱した後空冷する焼準しを実施した後、機械加工（切削加工）によって外径を約４８ｍｍにした。その後、高周波焼入れを実施して表面硬さをＨＶ６５０に調整した。

　仕上加工として、（１）研削のみ、（２）研削＋粗ラッピング、及び（３）研削＋粗ラッピング＋仕上ラッピングのそれぞれを実施し、種々の表面形状を有する試験軸を作製した。粗ラッピングは粒径９－１５μｍのアルミナ砥粒がコーティングされたフィルムを用いて、仕上ラッピングは粒径１－３μｍ（＃８０００－＃４０００）のダイヤモンド砥粒がコーティングされたフィルムを用いて行った。試験軸の外径は、後述する焼付き試験に用いる軸受とのクリアランスが約０．０９０ｍｍになるように調整した。

　作製した試験軸の表面形状は、接触粗さ試験機（株式会社ミツトヨ製ＳＪ－４１２）を用いて、実施形態で説明した方法に沿って測定した。

　図８に、作製した試験軸の断面曲線の例を示す。左が研削のみを実施した試験軸の断面曲線であり、右が研削に加えてラッピングを実施した試験軸の断面曲線である。図８に示すように、研削のみを実施した試験軸では、鋭利な突出山部が存在し、山部が三角形状になっているのに対し、研削に加えてラッピングを実施した試験軸では、突出山部が削られ、山部が台形状になっていることが分かる。

　次に、作製した試験軸を用いて、焼付き試験を実施した。焼付き試験は、神鋼造機株式会社製クランクメタル耐摩耗焼付き性評価装置を用いて実施した。評価装置２０の模式図を図９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、ＨＶ４０～５０のＡｌ合金を使用した。潤滑油は０Ｗ－２０、給油温度は１４０℃、油圧は０．８ＭＰａ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１０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４．３５ＭＰａ、面圧増加にかける時間は１５秒間とした。試験軸ＴＰの表面温度が２８０℃以上になるか、試験軸にかかるトルクが２５Ｎｍ以上になったときに焼付きが発生したと判定した。

　各試験軸の仕上加工の条件、表面形状、及び焼付面圧を表２に示す。

　図１１は、平均粗さＲａと断面曲線の算術平均高さＰａとの関係を示す図である。図１１から、Ｒａの値が同等であっても、Ｐａの値は異なり得ることが分かる。

　図１２は、仕上加工の条件と、表面形状（Ｐａ及びＲｐｋ）との関係を示す図である。図１２から、仕上加工として研削に加えてラッピングを実施すると、研削のみの場合と比較して、突出山部高さＲｐｋが小さくなる傾向があることが分かる。また、研削、粗ラッピング、及び仕上ラッピングを実施することで、断面曲線の算術平均高さＰａが０．０９０μｍ以下であり、かつ、突出山部高さＲｐｋが０．０７０μｍ以下である表面形状が得られることが分かる。

　図１３は、Ｐａと焼付面圧との関係を示す図である。図１３から、断面曲線の算術平均高さＰａが小さいほど、焼付面圧が大きくなることが分かる。また、研削に加えてラッピングを実施することで、研削のみの場合と比較して、焼付面圧を大きくできることが分かる。さらに、研削、粗ラッピング、及び仕上ラッピングを実施してＰａ：０．０９０μｍ以下、かつＲｐｋ：０．０７０μｍ以下にした試験軸では、焼付面圧が顕著に向上していることが分かる。

　図１４は、比較例（符号１５）の試験軸の断面曲線である。図１５は、実施例（符号１）の試験軸の断面曲線である。図１４と図１５との比較から、実施例の試験軸（図１５）では、表面粗さだけではなく、うねりも小さくなっていることが分かる。

　以上の結果から、断面曲線の算術平均高さＰａを０．０９０μｍ以下にし、かつ、突出山部高さＲｐｋを０．０７０μｍ以下にすることで、耐焼付き性を従来よりも顕著に向上できることを確認した。

　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。

Claims

　ジャーナル部及びピン部を備え、
　前記ジャーナル部及びピン部の各々は、断面曲線の算術平均高さＰａが０．０９０μｍ以下であり、かつ、突出山部高さＲｐｋが０．０７０μｍ以下である表面形状を有する、クランクシャフト。
　請求項１に記載のクランクシャフトの製造方法であって、
　前記ジャーナル部及びピン部を研削する研削工程と、
　前記研削されたジャーナル部及びピン部を、アルミナ砥粒がコーティングされたフィルムを用いてラッピングする粗ラッピング工程と、
　前記粗ラッピングされたジャーナル部及びピン部を、ダイヤモンド砥粒がコーティングされたフィルムを用いてラッピングする仕上ラッピング工程とを備える、クランクシャフトの製造方法。