特許 7568903 クランクシャフト及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-08

(45)【発行日】2024-10-17

(54)【発明の名称】クランクシャフト及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   F16C 3/08 20060101AFI20241009BHJP

   C21D 9/30 20060101ALI20241009BHJP

   C21D 1/10 20060101ALI20241009BHJP

   C21D 1/42 20060101ALI20241009BHJP

   H05B 6/10 20060101ALI20241009BHJP

   C22C 38/00 20060101ALN20241009BHJP

   C22C 38/60 20060101ALN20241009BHJP

【ＦＩ】

F16C3/08

C21D9/30 A

C21D1/10 R

C21D1/42 B

H05B6/10 331

C22C38/00 301Z

C22C38/60

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020162440

(22)【出願日】2020-09-28

(65)【公開番号】P2022055070

(43)【公開日】2022-04-07

【審査請求日】2023-05-19

(73)【特許権者】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104444

【弁理士】

【氏名又は名称】上羽 秀敏

(74)【代理人】

【識別番号】100174285

【弁理士】

【氏名又は名称】小宮山 聰

(72)【発明者】

【氏名】安部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】山根 明仁

【審査官】倉田 和博

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－２６７５９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－１１８０７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６１－２７０５１７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｃ ３／０６－３／０８

Ｃ２１Ｄ ９／３０

Ｃ２１Ｄ １／１０、１／４２

Ｈ０５Ｂ ６／１０

Ｃ２２Ｃ ３８／００、３８／６０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ジャーナル部及びピン部を備えるクランクシャフトであって、
前記ジャーナル部及び前記ピン部の各々は、一定の外径を有する平行部と、前記平行部に連続して形成されたフィレット部とを有し、
前記ピン部は、スラスト壁及びピントップをさらに有し、
前記ピン部において、
前記平行部は、前記平行部の長さの少なくとも７０．０％の長さにおいて、表面から前記平行部の半径の少なくとも８０．０％の深さまでの組織が、８７．５体積％以上のフェライト・パーライトを含む組織であり、
前記フィレット部の表面から前記平行部の半径の少なくとも１２．０％の深さまでの組織、並びに前記スラスト壁及び前記ピントップの組織が、８７．５体積％以上のマルテンサイトを含む組織である、クランクシャフト。

【請求項2】

請求項１に記載のクランクシャフトであって、
前記ピン部において、
前記平行部は、前記平行部の長さの少なくとも７０．０％の長さにおいて、表面から前記平行部の半径の少なくとも８０．０％の深さまでの硬さが、ＨＶ４００以下であり、
前記フィレット部の表面から前記平行部の半径の少なくとも１２．０％の深さまでの硬さが、ＨＶ５８０以上である、クランクシャフト。

【請求項3】

請求項１又は２に記載のクランクシャフトの製造方法であって、
前記フィレット部の近傍のみを高周波誘導加熱装置によってＡｃ_３点以上の温度から焼入れする工程を備える、クランクシャフトの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、クランクシャフト及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

クランクシャフトには、疲労強度を向上させるため、高周波焼入れが行われる場合がある。高周波焼入れされたクランクシャフトには、高周波焼入れによる熱処理変形（焼曲がり）が生じている場合がある。

【0003】

特許第４００７０３３号公報には、クランクシャフトの１スローにおいてアーム危険断面部それぞれにおけるピンの高周波焼入れ硬化層深さ及びジャーナルの高周波焼入れ硬化層深さが、所定の関係を満たすクランクシャフトが開示されている。

【0004】

特開２００６－３２８４９７号公報には、鋼板部材の高周波焼入れに際して、導電性を有する保護板を鋼板部材の一部を覆うように配置し、高周波加熱を行う高周波加熱方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特許第４００７０３３号公報

【文献】特開２００６－３２８４９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の目的は、焼曲がりが抑制さ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。

【課題を解決するための手段】

【0007】

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るクランクシャフトであって、前記ジャーナル部及び前記ピン部の各々は、一定の外径を有する平行部と、前記平行部に連続して形成されたフィレット部とを有し、前記ジャーナル部及び前記ピン部の少なくとも一方は、前記平行部の長さの少なくとも１５．０％の長さにおいて、表面から前記平行部の半径の少なくとも６．０％の深さまでの組織が、８７．５体積％以上のフェライト・パーライトを含む組織であり、前記フィレット部の表面から前記平行部の半径の少なくとも６．０％の深さまでの組織が、８７．５体積％以上のマルテンサイトを含む組織である。

【0008】

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、前記フィレット部の近傍のみを高周波誘導加熱装置によってＡｃ_３点以上の温度から焼入れする工程を備える。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、焼曲がりが抑制されたクランクシャフトが得られる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】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】図２は、図１のクランクシャフトのピン部の近傍を拡大して示す断面図である。

【図3】図３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4】図４は、シミュレーションで使用した３次元解析モデルの斜視図である。

【図5】図５は、図４の３次元解析モデルの正面図である。

【図6】図６は、図４の３次元解析モデルのピントップ近傍の拡大図である。

【図7】図７は、シミュレーションでの誘導コイルの配置を示す断面図である。

【図8】図８は、シミュレーションでの誘導コイルの別の配置を示す断面図である。

【図9A】図９Ａは、Ｎｏ．１の組織分布を示す等高線図である。

【図9B】図９Ｂは、Ｎｏ．３の組織分布を示す等高線図である。

【図9C】図９Ｃは、Ｎｏ．５の組織分布を示す等高線図である。

【図9D】図９Ｄは、Ｎｏ．６の組織分布を示す等高線図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

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。

【0012】

［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。

【0013】

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、Ｓ５０Ｃ及びＳ５３Ｃ、並びにＪＩＳ Ｇ ４０５３：２００８のＳＭｎ４３８や、これらの鋼材に被削性を向上させるためにＳを添加した鋼材が好適である。

【0014】

クランクシャフト１０の化学組成は例えば、Ｆｅ及び不純物に加えて、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、上記以外の元素を含有していてもよい。クランクシャフト１０の化学組成は例えば、質量％で、Ｍｏ：０～０．５０％、Ｃｕ：０～０．５０％、Ｎｉ：０～０．５０％、Ｔｉ：０～０．０５０％、Ｎｂ：０～０．０５０％、Ｃａ：０～０．００５％、Ｂｉ：０～０．３０％、及びＶ：０～０．２０％を含有していてもよい。

【0015】

ジャーナル部１１は、シリンダブロック（不図示）と連結される。ピン部１２は、コネクティングロッド（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。

【0016】

［ピン部１２の構成］
図２は、クランクシャフト１０のピン部１２の近傍を拡大して示す断面図である。ピン部１２は、一定の外径を有する平行部１２１と、平行部１２１に連続的に形成されたフィレット部１２２とを有している。フィレット部１２２の外側には、スラスト壁１４及びピントップ１５が形成されている。平行部１２１は、コネクティングロッドの軸受と摺動する部分である。フィレット部１２２は、平行部１２１とスラスト壁１４とを繋ぐ部分であって、応力集中を緩和するために滑らかな形状に形成されている。

【0017】

本実施形態によるクランクシャフト１０は、平行部１２１の一定以上の長さの範囲において表層の組織がフェライト・パーライトを主体とする組織であり、フィレット部１２２の表層の組織がマルテンサイトを主体とする組織である。以下、平行部１２１及びフィレット部１２２の各々の組織分布について詳述する。

【0018】

［平行部１２１の組織及び硬さ］
本実施形態では、平行部１２１のうちの長さＬ１の範囲において、表面から深さｄ１までの組織（図２の領域１２１ａの組織）が、８７．５体積％以上のフェライト・パーライトを含む組織である。ここで、長さＬ１は平行部１２１の長さＬの１５．０％以上であり、深さｄ１は平行部１２１の半径Ｒの６．０％以上である。ここでの「フェライト・パーライト」は、フルパーライトを含むものとする。

【0019】

この構成によれば、マルテンサイト変態による変態膨張が小さくなり、クランクシャフト１０の焼曲がりを抑制することができる。

【0020】

長さＬ１は、平行部１２１の長さＬの１５．０％以上である。焼曲がりを小さくする観点では、長さＬ１は大きいほど好ましい。長さＬ１の下限は、好ましくは長さＬの３０．０％であり、より好ましくは長さＬの５０．０％であり、さらに好ましくは長さＬの７０．０％であり、さらに好ましくは長さＬの８０．０％である。一方、長さＬ１が大きすぎると、フィレット部１２２の表層の組織をマルテンサイト主体の組織にすることが困難になる場合がある。長さＬ１の上限は、好ましくは長さＬの９５．０％である。

【0021】

平行部１２１の長さＬ１の範囲において、表面から深さｄ１までの組織が８７．５体積％以上のフェライト・パーライトを含む組織であれば、焼曲がりを抑制する効果が得られる。深さｄ１よりも深い位置の組織は任意である。平行部１２１の長さＬ１の範囲における組織は、芯部までフェライト・パーライトを主体とする組織であってもよい。深さｄ１は、好ましくは半径Ｒの５０．０％以上であり、より好ましくは半径Ｒの８０．０％以上であり、さらに好ましくは半径Ｒの１００．０％である。ここで、深さｄ１が半径Ｒの１００．０％であることは、平行部１２１の長さＬ１の範囲における組織が、芯部までフェライト・パーライトを主体とする組織であることを意味する。

【0022】

平行部１２１のうちの長さＬ１の範囲における表面から深さｄ１までの硬さ（図２の領域１２１ａの硬さ）は、ＨＶ４００以下であることが好ましい。領域１２１ａの硬さは、クランクシャフト１０の軸方向と平行な断面（縦断面）を測定面とするサンプルを採取し、測定面をＪＩＳ Ｚ ２２４４（２００９）に準拠して測定するものとする。試験力は３００ｇｆ（２．９４２Ｎ）とする。領域１２１ａの硬さは、好ましくはＨＶ３５０以下であり、さらに好ましくはＨＶ３２０以下である。領域１２１ａの硬さの下限は、例えばＨＶ２２０である。

【0023】

［フィレット部１２２の組織及び硬さ］
本実施形態では、フィレット部１２２の表面から深さｄ２までの組織（図２の領域１２２ａの組織）が、８７．５体積％以上のマルテンサイトを含む組織である。ここで、深さｄ２は平行部１２１の半径Ｒの６．０％以上である。深さｄ２は、深さｄ１と同じであってもよいし、異なっていてもよい。

【0024】

フィレット部１２２は、ピン部１２において最も強い応力が加わる部分である。また、クランクシャフト１０で問題となる曲げ疲労は、部品の表層部の特性の影響が支配的である。そのため、フィレット部１２２の表面から深さｄ２までの組織をマルテンサイト主体の組織にすることで、所定の疲労強度を確保することができる。

【0025】

深さｄ２よりも深い位置の組織は任意である。フィレット部１２２の組織は、芯部までマルテンサイトを主体とする組織であってもよい。疲労強度を確保する観点からは、深さｄ２は大きいほど好ましい。深さｄ２の下限は、好ましくは半径Ｒの８．０％であり、より好ましくは半径Ｒの１０．０％であり、さらに好ましくは半径Ｒの１２．０％である。一方、フィレット部１２２の焼入れ深さが大きすぎると、平行部１２１にフェライト・パーライト主体の組織を確保することが困難になる場合がある。深さｄ２の上限は、好ましくは半径Ｒの３０．０％であり、より好ましくは半径Ｒの２５．０％であり、さらに好ましくは半径Ｒの２０．０％である。

【0026】

フィレット部１２２の表面から深さｄ２までの硬さ（図２の領域１２２ａの硬さ）は、ＨＶ５８０以上であることが好ましい。領域１２２ａの硬さは、クランクシャフト１０の軸方向と平行な断面（縦断面）を測定面とするサンプルを採取し、測定面をＪＩＳ Ｚ ２２４４（２００９）に準拠して測定するものとする。試験力は３００ｇｆ（２．９４２Ｎ）とする。領域１２２ａの硬さは、好ましくはＨＶ６００以上であり、さらに好ましくはＨＶ６２０以上である。領域１２２ａの硬さの上限は、例えばＨＶ８００である。

【0027】

［ジャーナル部１１の構成］
図示は省略するが、ジャーナル部１１もピン部１２と同様に、一定の外径を有する平行部と、平行部に連続的に形成されたフィレット部とを有している。

【0028】

ジャーナル部１１においても、ピン部１２の場合と同様に、平行部の長さの少なくとも１５．０％の長さにおいて、表面から平行部の半径の少なくとも６．０％の深さまでの組織が、８７．５体積％以上のフェライト・パーライトを含む組織である。また、ジャーナル部１１においても、ピン部１２の場合と同様に、フィレット部の表面から平行部の半径の少なくとも６．０％の深さまでの組織が、８７．５体積％以上のマルテンサイトを含む組織である。

【0029】

この構成によれば、ピン部１２の場合と同様に、所定の疲労強度を確保しつつ、クランクシャフト１０の焼曲がりを小さくすることができる。平行部において組織をフェライト・パーライト主体の組織とする領域の好適な大きさや同領域の硬さの好適範囲、及びフィレット部において組織をマルテンサイト主体の組織とする領域の好適な大きさや同領域の硬さの好適範囲は、ピン部１２の場合と同じである。

【0030】

ジャーナル部１１及びピン部１２以外の部分（例えばアーム部１３）の組織や硬さは任意である。

【0031】

［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。

【0032】

図３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）、焼入れ工程（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。

【0033】

クランクシャフト１０の素材を準備する（ステップＳ１）。素材は、例えば棒鋼である。素材は例えば、所定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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

機械加工されたクランクシャフトの中間品を焼入れする（ステップＳ５）。具体的には、所定の加熱温度に加熱した後、急冷する。このとき、例えば高周波誘導加熱装置によってジャーナル部１１のフィレット部の近傍及びピン部１２のフィレット部１２２の近傍のみを加熱し、ジャーナル部１１の平行部及びピン部１２の平行部１２１ができるだけ加熱されないようにする。加熱箇所は、誘導コイルの形状、誘導コイルと対象部分との距離、出力周波数等によって調整することができる。この焼入れは、複数回に分けて実施してもよい。加熱温度は、Ａｃ_３点以上であり、好ましくは９００℃以上である。加熱後の急冷は、好ましくは水冷である。なお、焼入れ後の中間品に対して、焼割れを抑制するため、組織に大きな影響を与えない温度での低温焼戻しを実施してもよい。

【0038】

焼入れ後の中間品に対して、必要に応じて仕上加工を実施する（ステップＳ６）。例えばジャーナル部１１及びピン部１２に研削やラッピングを施して表面形状を調整する。

【0039】

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、焼曲がりが抑制されたクランクシャフトが得られる。

【0040】

上述した実施形態では、ジャーナル部１１及びピン部１２の両方において、平行部の一定以上の長さの範囲における表層の組織がフェライト・パーライトを主体とする組織であり、フィレット部の表層の組織がマルテンサイトを主体とする組織である場合を説明した。しかしクランクシャフト１０は、ジャーナル部１１及びピン部１２の一方のみが、上述した組織分布を備えていてもよい。ジャーナル部１１及びピン部１２の少なくとも一方が上述した組織分布を備えていれば、焼曲がりを小さくする効果を得ることができる。

【0041】

ジャーナル部１１とピン部１２とを比較した場合、ピン部１２の方が、焼曲がりが大きくなりやすい。これは、ピントップ１５（図２）の熱容量が小さいためである。そのため、ジャーナル部１１及びピン部１２の一方のみを上述した組織分布にする場合、ピン部１２を上述した組織分布にすることが好ましい。この場合、ピントップ１５をより小さくすることができるため、クランクシャフト１０の軽量化にも寄与する。もっとも、焼曲がりをより小さくするという観点では、ジャーナル部１１及びピン部１２の両方を上述した組織分布にすることが好ましい。

【実施例】

【0042】

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。

【0043】

有限要素法により、クランクシャフトのピン部の焼曲がりのシミュレーションを行った。図４～図６に、このシミュレーションで使用した３次元解析モデルを示す。図４はこのモデルの斜視図、図５は正面図、図６はピントップ近傍の拡大図である。図５及び図６に示すように、スラスト間距離を２１．０ｍｍ、平行部長さＬを１５．０ｍｍ、平行部半径Ｒを２４．０ｍｍ、フィレット部曲率半径を３．０ｍｍとして、計算負荷低減のためピントップ側半分の領域だけをモデル化した。各種計算にはＳ４５Ｃの材料定数を使用した。

【0044】

このクランクシャフトを高周波焼入れしたときの組織及び硬さの分布、並びに変位量を計算した。図７及び図８は、このシミュレーションでの誘導コイルの配置を示す断面図である。図７の配置では、フィレット部の近傍のみに誘導コイルを配置している。図８の配置では、フィレット部の近傍に加えて、平行部の近傍にも誘導コイルを配置している。これらの誘導コイルを用いて、出力周波数を１０ｋＨｚ、通電時間を２２秒として誘導加熱し、加熱後、水冷を模擬して熱伝達率を４０ｋＷ／（ｍ^２Ｋ）として２０℃まで冷却した。結果を表１に示す。

【0045】

【表1】

【0046】

表１において、「コイル配置」の欄が「フィレット部」となっているものは、図７のコイル配置で高周波焼入れを行った場合を模擬したデータであり、同欄が「フィレット部＋平行部」となっているものは、図８のコイル配置で高周波焼入れを行った場合を模擬したデータである。「電流」の欄の値は、誘導コイルに流した電流値であり、Ｎｏ．６の電流値を１００％とした相対値で記載している。

【0047】

「ピントップｘ方向変位」の欄の値は、図６の点Ｐ２の位置における、クランクシャフトの軸方向と平行な方向の変位量であり、平行部長さ（１５．０ｍｍ）に対する割合いとして記載している。「ピントップｙ方向変位」の欄の値は、図６の点Ｐ２の位置における、クランクシャフトの軸方向と垂直な方向の変位量であり、平行部の半径（２４．０ｍｍ）に対する割合いとして記載している。「平行部ｙ方向変位」の欄の値は、図５の点Ｐ１の位置における、クランクシャフトの軸方向と垂直な方向の変位量であり、平行部の半径（２４．０ｍｍ）に対する割合いとして記載している。

【0048】

図９Ａ～図９Ｄはそれぞれ、Ｎｏ．１、Ｎｏ．３、Ｎｏ．５、及びＮｏ．６の組織分布を示す等高線図である。これらの図中の「Ｍ≧８７．５％」は、マルテンサイトの体積率が８７．５％以上である領域を示しており、「α＋Ｐ≧８７．５％」は、フェライト・パーライトの体積率が８７．５％以上である領域を示している。

【0049】

表１に示すとおり、Ｌ１／Ｌが１５．０％以上であったＮｏ．１～Ｎｏ．４は、Ｌ１／Ｌが１５．０％未満であったＮｏ．５、６と比較して、焼曲がりが小さく、特にピントップのｘ方向の変位量が小さくなっている。

【0050】

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。

【符号の説明】

【0051】

１０ クランクシャフト
１１ ジャーナル部
１２ ピン部
１２１ 平行部
１２２ フィレット部
１３ アーム部
１４ スラスト壁
１５ ピントップ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図9D】