JP4589885B2

JP4589885B2 - クランクシャフト

Info

Publication number: JP4589885B2
Application number: JP2006058559A
Authority: JP
Inventors: 太香月; 健吉野; 裕章多比良; 宏二渡里; 隆司菊池; 博文道岡; 保明後藤; 亨出崎
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-03-03
Filing date: 2006-03-03
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2026-03-03
Also published as: JP2007238965A

Description

本発明は、鍛造または鋳造により製造されるエンジン用のクランクシャフトに関する。

エンジンの小型軽量化が進むにつれ、クランクシャフト（クランク軸）とメタル軸受間の摺動条件は一層過酷となり、クランクシャフト用鋼には従来以上の耐焼付き性が求められている。現在、エンジンの設計やメタル側の表面改質、さらにはエンジンオイルの改善によって耐焼付き性の改善が達成されているが、クランクシャフト用の鋼材側の耐焼付き性向上への取り組みが強く求められている。

クランクシャフトの場合、焼付きの支配因子はシャフトと軸受（ベアリング）間の温度上昇である。シャフトと軸受の摺動界面の温度上昇は、潤滑油膜の破断を引き起こし、耐焼付き性を低下させることになる。

界面温度の上昇を防止するには、シャフトと軸受の間の摩擦低減が最も有効である。その摩擦の低減法としては、表面凹凸の低減によって摩擦係数を小さくすること、シャフトの硬さを高くすることにより摩耗量を低減すること、摩耗粉による摩擦係数増大を避けること、などの方策がある。さらに、シャフト表面に油膜を形成し、潤滑性を向上させるなどの方法も検討されてきた。

例えば、特許文献１に開示される発明では、鋼に軟窒化処理を施し、表面に平均で12μｍ以上の化合物層を均一に形成することで、表面硬さを確保し耐焼付き性を得ている。

また、特許文献２の発明では、浸炭処理した鋼表面にクロムメッキを施すことで表面硬度を確保するとともに、クロムメッキ層にショットピーニングを施すことで表面凹凸を付与し、摺動面での油膜を確保することによって優れた耐焼付き性を得ている。

しかしながら、上記の技術には下記の問題点がある。

軟窒化あるいは浸炭といった鋼材表層硬化プロセスは高コストである。従って、これらのプロセスを経ずに、高周波焼入れで表層硬化を達成することが望ましい。一方、ショットピーニング等で表面に油溜まりを形成すれば、油膜の確保に効果があるが、この方法も高コストであり、汎用技術として使用するためにはコスト低減が不可欠である。

他方、クランクシャフトの材料については、次のような提案がなされている。例えば、特許文献３では、高周波焼入れ部品用としてSi：0.02〜0.15％（以下、成分含有量についての％は質量％である。）の鋼材が提案されている。しかし、この鋼材のMn含有量は0.5〜１％であり、焼入れ条件によっては必要な硬度を確保できないことがある。

また、特許文献４には、Si：0.05〜0.8％という、Si含有量の少ない鋼材が提案されている。その鋼材にはTiなどの窒化物生成元素が添加されているため、所要の強度を確保することは可能である。しかし、クランクシャフトに要求される重要な性能である耐焼付き性に関する評価はなされていない。

特開平7-18379号公報特開2004-59935号公報特開2003-253395号公報特開平9-78183号公報

本発明の目的は、安価な処理方法である高周波焼入れ法を適用したクランクシャフトであって、熱伝導率が大きく、耐焼付き性にすぐれたクランクシャフトを提供することにある。

本発明は、高周波焼入れによる表層硬化処理を施すことを前提としたクランクシャフトの開発を意図して行った研究によって得られた下記の知見に基づいてなされた発明である。

(1) 前記のように、摺動界面の温度上昇は、潤滑油膜の破断を引き起こし、耐焼付き性を低下させることになる。この摺動界面の温度上昇を防止するためには、クランクシャフトの素材である鋼材の熱伝導率を高くすることが効果的である。

(2) 鋼材の熱伝導率は、そのSi添加量に大きく依存することが知られている。例えば、純鉄の熱伝導率は68.7Ｗ／ｍＫであるが、Siを数％添加すると1/3程度に低下する。したがって、鋼材の耐焼付き性を確保するためには、上記した硬さや表面凹凸といった要素以外に、鋼材のSi含有量を少なくして高い熱伝導率を確保することが重要である。このように、鋼材のSi含有量を減らすことで鋼材の熱伝導率を向上させれば、クランクシャフトと軸受の摺動界面の温度が低下し、焼付きの発生が抑制される。

(3) 鋼の焼入れ性を向上させる元素の添加量を最適化することが必要である。特に、焼入れ性を向上させる元素として広く用いられているMnの含有量を最適化することによって、高周波焼入後の組織を均一化し、シャフト表面の硬さを安定して確保することができる。

(4) さらに、高周波焼入れによる焼入れ層に数％のフェライトを含有させるのが望ましい。砥粒サイズを鋼材の結晶粒径と同等であるとした場合、このフェライト粒は砥石研磨によって優先的に摩耗するため、クランクシャフトの素材として用いた際には、表面に凹凸が付与されることになる。この凹凸は摺動時の油溜まりとなり、摺動面の油膜が確保される。

以上の知見を基礎とする本発明は、下記のクランクシャフトを要旨とする。

質量％で、Ｃ：0.3〜0.6％、Si：0.15％以下、Mn:1.0％を超えて2.0％まで、Ｐ：0.020％以下、Ｓ：0.005〜0.30％、Cr：0.05〜0.85％、Al:0.050％以下、Ｎ：0.020％以下を含有し、残部はFe及び不純物からなり、熱伝導率が40Ｗ／ｍＫ以上であって、かつ高周波焼入れ後の表面硬さＨｖが下記の(1)式を満足することを特徴とするクランクシャフト。

Ｈｖ＞ 2.7×κ＋ 420 ・・・(1)
ただし、κは熱伝導率（Ｗ／ｍｋ）である。

上記のクランクシャフトは、その高周波焼入れ層のフェライト分率が１〜８％であることが望ましい。

本発明によれば、素材となる鋼の熱伝導率を大きくしたことにより、これまで得られなかった優れた耐焼付き性を有するクランクシャフトが得られる。

まず、本発明の原理について概説する。

(1)Si含有量と熱伝導率について
すでに述べたように、クランクシャフトと軸受の界面温度は、潤滑油膜の破断に大きな影響を与える。従って、界面温度は、耐焼付き性を支配する重要な因子である。クランクシャフトと軸受の間で発生した熱はクランクシャフト材の内部に散逸するため、シャフト材の高熱伝導率化は界面温度の低下に極めて有効である。前述のとおり、Siは鋼材の熱伝導率を低下させることが知られている。したがって、Si含有量をできるだけ少なくすることで鋼材の熱伝導率を大きくすることが可能となる。

(2)焼入れ性元素の添加による表面組織の均一化について
高周波焼入れ層にフェライトが存在すると、硬さそのものは低下するため、結果として耐焼付き性に悪影響を及ぼす方向になる。そこで、焼入れ性向上元素であるMnの含有量を最適化し、軟質なフェライトを含む二相組織であっても、マルテンサイトの組織を均一化することで、確実に一定硬さ以上のマルテンサイト相を確保することが可能となる。もちろん、フェライトを含まない場合であっても、マルテンサイトの組織は均一であり、一定以上の硬さが確保されていることは、耐焼付き性に対してきわめて有用である。

(3)フェライト−マルテンサイト二相鋼への表面凹凸付与
フェライトを含有させることにより、全体的には軟質となる。しかし、ミクロ的には鋼材硬さ（ビッカース硬さ、Ｈｖ）に不均一が生じ、例えばクランクシャフトの材料として一般的に用いられるＣが0.4％の鋼の場合、フェライト部はＨｖ150程度であるが、マルテンサイトはＨｖ600程度となる。

クランクシャフトに用いられる鋼材には砥石研磨が施工される。砥粒サイズが数μｍ径の場合、鋼材は数μｍ３を単位として脱離する。フェライト面積率が大きい場合はフェライト脱離とともに、隣接するマルテンサイトも脱離するため、摩耗量が大きくなり耐焼付き性は劣化するが、フェライト率が小さい場合（８％以下の場合）は、フェライト結晶粒のみが優先的に脱離しマルテンサイト粒は残存する。したがって、マルテンサイト粒が凸、フェライト粒のあった部分が凹となり、微細な凹凸が鋼材表面に形成されることになる。

通常、クランクシャフトと軸受は、流体潤滑状態で動作する。そして、シャフトの表面に凹凸が付与されている場合、その凹部に貯められた潤滑油が界面に供給される現象が起きる。この凹部の潤滑油は摺動界面における凸部での潤滑油不足を補うことを可能とし、その結果として潤滑性を大きく向上させるのである。

以上により、界面温度の上昇を抑制し、耐焼付き性を向上させることが可能となった。本発明では、界面温度を低下させるためにSi含有量を抑制し、かつ焼入れ性を確保して高周波焼入れ後の表層硬さを確保するためにMn含有量を適正化して、これまでに無い耐焼付き性を示すクランクシャフトを得ている。さらに、必要に応じて、高周波焼入れの条件によって表層部のフェライト相の割合を調整して、その優先摩耗によって表面に凹凸を付与し、さらなる潤滑性の改善を達成している。

以下、本発明のクランクシャフトの構成成分の作用効果と含有量の限定理由を説明する。

Ｃ：0.3〜0.6％
Ｃは、マルテンサイトを得るのに必要な元素であるが、その含有量が0.3％未満では十分な硬さのマルテンサイトが得られない。一方0.6％を超えると鋼が過剰に硬化して切削性の低下を招く。したがって、Ｃの含有量を0.3〜0.6％とした。

Si：0.15％以下
本発明では、Si含有量を0.15％以下と規定する。0.15％以下としたのは、鋼材の熱伝導率を40Ｗ／ｍＫ以上として耐焼付き性を確保するためである。このSi含有量は少ないほど熱伝導率が向上するので望ましい。

Mn：1.0％を超えて2.0％まで
Mnは、鋼の焼入れ性を上げる作用を有するため、マルテンサイトの生成に不可欠である。さらに、強度及び靭性を高める作用がある。これらの効果はMnの含有量が1.0％を超える場合に得られる。一方、Mnの過剰な添加は、フェライトの生成に悪影響を及ぼすこととなり、特にMnの含有量が2.0％を超えると焼入れ時にオーステナイトが生成し、機械的強度に悪影響を及ぼす可能性がある。したがって、Mnの含有量を1.0％を超えて2.0％までとした。

Ｐ：0.020％以下
Ｐは不純物である。Ｐはオーステナイトの粒界に偏析し、粒界強度を低下させることにより疲労強度を低下させるため、クランクシャフト用の鋼材においては極力低減することが望ましい。0.020％は許容上限値である。

Ｓ:0.005〜0.30％
Ｓは、硫化物として析出し、鋼の被削性を改善する作用がある。この効果を得るには0.005％以上の含有量が必要である。しかし、0.30％を超えると鋼の熱間加工性が低下する。このため、Sの含有量を0.005〜0.30％とした。

Cr：0.05〜0.85％
Crには、鋼の強度及び靭性を向上させる作用がある。さらに焼入れ性を上げる作用も有するため、マルテンサイトの生成に不可欠である。これらの効果はCrの含有量が0.05％以上の場合に得られる。

適正量のCrは、Ａｃ₁変態点とＡｃ₃変態点の間隔を狭める。その結果、マルテンサイト粒界へのベイナイトの析出および未固溶フェライトの残存がなくなることにより、均一なマルテンサイトを得ることが可能となる。一方、Cr含有量が0.85％を超えると、ベイナイト組織の生成を招き、被削性に悪影響を及ぼし、クランクシャフトとしての加工に問題が生じるおそれがある。したがって、Crの含有量は0.05〜0.85％が適正である。

Al：0.050％以下
Alは、脱酸元素である。Alの含有量が0.050％を超えると、脱酸効果が飽和するだけでなく、鋼の被削性を低下させるおそれがある。したがって、Alの含有量を0.050％以下とした。なお、本発明のクランクシャフトは、脱酸元素であるMnを含有しているので、Alは必ずしも添加する必要はない。ただし、十分な脱酸を行いたい場合にはAlとMnを併用してもよい。

Ｎ：0.020％以下
Ｎの含有量は少ないほど望ましい。Ｎが過剰に含有されていると靭性が低下する。従って、Ｎ含有量は0.020％以下に抑えるのがよい。

熱伝導率κは、40Ｗ／ｍＫ以上とする。これは、クランクシャフトの良好な熱伝導率を確保して、優れた耐焼付き性を得るためである。なお、熱伝導率は大きいほど望ましいが、鉄を主たる構成元素とする合金では、およそ68Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を得ることは困難である。

次に、前記(1)式について述べる。

高周波焼入れ後の鋼材表面硬さＨｖと熱伝導率κ（Ｗ／ｍＫ)との関係を下記の(1)式を満たすようにすることも本発明の特徴の一つである。

Ｈｖ＞ 2.7×κ＋420 ・・・(1)
熱伝導率が高い鋼材の場合、摩耗粉の発生により摩擦係数が増大したとしても、摺動界面の温度上昇は避けることができ、焼付きの防止が可能である。一方、熱伝導率が低い鋼材の場合は、摺動界面の温度が上昇して、潤滑に支障が生じるので、摩耗粉の発生を極力避ける必要がある。したがって、クランクシャフトの表面を一定硬さ以上にする必要がある。

これらの事情を考慮し、焼付きを防止することができるクランクシャフトの表面硬さと熱伝導率の関係を実験によって確かめた。その結果、(1)式を満たす表面硬さであれば、焼付きが防止できることが明らかになった。

図１は、熱伝導率と表面硬さＨｖとの関係で焼付きの発生しない領域を示す図である。なお、熱伝導率は40Ｗ／ｍＫ以上を本発明範囲としてある。直線Ａが2.7×κ＋420である。図示のとおり、この直線Ａは、素材鋼の熱伝導率κが小さい場合には、表面硬さＨｖは低くてもよいことを示している。

最後に、高周波焼入れ層が含有するフェライト分率を８％以下にするのが望ましい理由を説明する。

フェライト分率が８％を超える場合は、前述のとおり、摺動時の脱離（摩耗）量が増大し、現実的にクランクシャフト等に使用することが困難である。一方、熱伝導率が同一の鋼材であれば、１％以上のフェライトを含有した方がより良好な耐焼付き性を示す。

フェライト量の制御は、高周波焼入れ処理の条件を調整することによって可能である。例えば、高周波焼入れ処理の際の高周波の出力および／または周波数を変更し、鋼材表面温度を変えるように加熱することにより、マルテンサイト中のフェライト分率を調整することができる。

表１に示す化学組成を有する鋼を150ｋｇの真空誘導加熱炉で溶製し、直径210ｍｍのインゴットにした。

上記の各インゴットを1250℃に加熱した後、熱間鍛造して直径65ｍｍの丸棒にした。なお、鍛造仕上げ温度は1000℃とし、熱間鍛造後は室温まで大気中で放冷した。

上記の直径65ｍｍの丸棒に旋削加工を施して外径42.3ｍｍの丸棒を作製し、これに高周波焼入れ処理を施した。この高周波焼入れ処理の際に、高周波の出力および周波数を変更して丸棒の表面温度をＡｃ₃点の上下になるように加熱し、マルテンサイト中の未固溶フェライト量を調整した。外形42.3ｍｍの丸棒の場合の高周波焼入れ処理の条件は、下記のとおりである。

(1)フェライト率が０％のものとする条件
電圧 (Vol)：550
電圧EP (kV)：8.2
電流IP（A）：11.6
格子Ig（A）：1.75
加熱温度（℃）：957（Ａｃ₃点を超える温度である。）
冷媒：水
(2)フェライト率4.9％のものとする条件
電圧 (Vol)：450
電圧EP (kV)：6.6
電流IP（A）：9.2
格子Ig（A）：1.15
加熱温度（℃）：806（Ａｃ₁点とＡｃ₃点の中間の温度である。）
冷媒：水
このようにして得た直径42ｍｍの各丸棒について、ラッピング加工を行い直径40ｍｍの丸棒に仕上げた。このラッピング加工は、図２に模式的に示すように、ラッピング用砥石２に対して旋削加工した丸棒１を一定荷重で押付けた上、旋削方向と同一方向である一方向に回転させることで行った。研磨砥石としてはJIS R6001記載のF800番手のものを用いた。

研削後の鋼材表面のＨｖ硬さ測定を実施するとともに、ミクロ組織写真よりフェライト率を算出した。熱伝導率はレーザーフラッシュ法で求めた。表１に試験結果を併記する。

また、断面ＳＥＭ観察による表面凹凸の高低差を測定した。図３の（Ａ）は、マルテンサイト単相の表面（左側の図）と、マルテンサイトと約40％のフェライトからなる二相組織の表面（右側の図）の顕微鏡写真である。後者にはフェライトとマルテンサイトの混在に起因する段差（凹凸）が生じていることが示されている。また、図３の（Ｂ）は、二相組織の表面の断面組織写真である。この図からフェライトとマルテンサイトの境界部のフェライト側に寄りに約0.5μｍの深さの凹部が形成されていることがわかる。

切断面により高低差が変化するため、定量は困難であるが、F800番手の砥石では、平均11μｍの砥粒を用いていることから、フェライトを含むいずれの鋼材にも11μｍ以下で、実際には数μｍ程度の高低差を有する凹凸が形成されるものと推測される。

焼付き試験は、高面圧試験機を用いて、下記の条件で行った。

回転数：1300rpm
面圧：10 MPa/45minステップ（焼付き発生まで）
油温：130℃
油種：5W-20（米国石油協会規格）
軸受：SA162（大豊工業株式会社製：Al合金軸受、Pbフリー材）
上記により焼付き試験を実施し、図４の矢印で示すように、軸と軸受の間で生じる摩擦力が突然大きくなる段階、すなわち非定常状態を示した段階で焼付き発生と判断し、その時の面圧を焼付き圧力とした。各供試材の焼付き圧力（Ｐ）を表１に示す。

表１から明らかなように、素材鋼のSi含有量の増大に伴って熱伝導率が小さくなる。焼付き圧力は鋼種によって70MPaから160MPaまで変化するが、自動車用クランクシャフトに用いることを想定し、焼付き圧力100MPa以上を合格とした。

表１のNo.１からNo.4-Bまでの供試材では、熱伝導率κは全て40Ｗ／ｍＫ以上で、しかも前記の(1)式を満たすので、焼付き圧力が高く耐焼付き性に優れている。一方、No.５とNo.６は、硬さと熱伝導率との関係が(1)式を満たさないために、耐焼付き性が劣る。また、No.７とNo.８は、Si含有量が多すぎるために熱伝導率が40Ｗ／ｍＫよりも小さく、耐焼付き性が劣る。

図４は、表１のNo.4-AとNo.4-Bの鋼を用いた試料による焼付き試験の結果である。この図から明らかなように、同一の組成を有する鋼材であっても、フェライト率が０％の試験材（No. 4-A）に比べ、4.9％の試験材（No. 4-B）は、面圧の増大にともなって、一旦は摩擦トルクが増大するにもかかわらず、焼付きが発生しにくくなっている。これは、試験材の表面に生じた微細な凹凸の影響である。

本発明のクランクシャフトは、素材鋼のSi含有量を低く抑えて熱伝導率を増大させたことにより、摺動界面の温度上昇を避け、耐焼付き性が大きく改善されたものである。このクランクシャフト用の鋼材では、Mn含有量を制御することによって、高い焼入れ性も保有している。これによって、高周波焼入れ後の表面硬さを確保することができる。さらに、焼入れ硬化層に適正量のフェライトを生成させて、表面凹凸を付与し、それを潤滑油溜まりとし、潤滑性を確保することによって、摩擦係数を一層低減し、摺動界面の温度上昇を回避することが可能である。

本発明のクランクシャフトは、その製造に際して浸炭やショットピーニングのような高コストのプロセスを必要としないので、低コストで製造することができる。

良好な耐焼付性を示す鋼材の熱伝導率と、高周波焼入れ後の表面硬さの範囲を示す図である。砥石研磨（ラッピング加工）の態様を模式的に示す図である。マルテンサイト単相の表面とフェライトを含む二相組織の表面の顕微鏡写真、およびフェライトとマルテンサイトの境界部の凹部を示す断面組織写真である。焼付き試験データと焼付き発生（矢印）を示す図である。

符号の説明

１：試験材（丸棒）、２：ラッピング用砥石、３：砥粒

Claims

質量％で、Ｃ：0.3〜0.6％、Si：0.15％以下、Mn:1.0％を超えて2.0％まで、Ｐ：0.020％以下、Ｓ：0.005〜0.30％、Cr：0.05〜0.85％、Al:0.050％以下、Ｎ：0.020％以下を含有し、残部はFe及び不純物からなり、熱伝導率が40Ｗ／ｍＫ以上であって、かつ高周波焼入れ後の表面硬さＨｖが下記の(1)式を満足することを特徴とするクランクシャフト。
Ｈｖ＞ 2.7×κ＋420 ・・・(1)
ただし、κは熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）である。
高周波焼入れ層のフェライト分率が１〜８％であることを特徴とする請求項１に記載のクランクシャフト。