(57)【要約】【課題】強度の高い鍛造部品を提供する。また、強度の高いクランクシャフトを提供する。【解決手段】クランクシャフト１は、シリンダブロックに回転自在に支持されたシャフト本体２と、シャフト本体２に偏心して配置され、ピストン５２と連結されるクランクピン３と、を備える。さらに、クランクシャフト１は、シャフト本体２の軸方向に延びる高強度な芯材４を内包する。芯材４は、クランクピン３において、ピストン５２が下死点にある際にピストン５２側となる下死点側部３１に配置されている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
棒状の鋼材本体と、
該鋼材本体のほぼ芯部に配置され、該鋼材本体よりも高強度な芯材と、
からなる高強度鋼材を鍛造して製造された鍛造部品。
【請求項２】
シリンダブロックに回転自在に支持されたシャフト本体と、該シャフト本体に偏心して配置され、ピストンと連結されるクランクピンと、を備えてなるクランクシャフトであって、
さらに、該シャフト本体の軸方向に延びる高強度な芯材を内包し、
該芯材は、前記クランクピンにおいて、前記ピストンが下死点にある際に該ピストン側となる下死点側部に配置されていることを特徴とするクランクシャフト。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、棒状の鋼材から鍛造により製造される鍛造部品およびクランクシャフトに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、種々の鍛造部品が、自動車、産業機械、建設機械等の各種機械部品として用いられている。例えば、自動車に用いられる鍛造部品には、エンジン部品であるクランクシャフトやコンロッド、あるいは足廻り部品であるステアリングナックル等がある。
【０００３】
このような鍛造部品の多くは、素材となる棒状の鋼材を熱間鍛造して成形体とした後、機械加工や熱処理等を施して製造される。ここで、素材となる棒状の鋼材は、鋼材原料を溶融、凝固して製造される。その際、鋼材の芯部は、最後に凝固される。そのため、低融点の非金属からなる不純物が、芯部に凝集し易い。非金属の不純物が高濃度に偏析した偏析部は、他の部分と比較して強度が低い。このように、通常、棒状の鋼材の芯部には、強度の低い偏析部が存在する。
【０００４】
したがって、棒状の鋼材から鍛造部品を製造した場合、強度が必要な部位に上記偏析部が現れ、さらに鋳造部品の見切り部では、不純物が集積する。この場合には、鍛造部品の強度の低下が特に問題となる。例えば、クランクシャフトを、棒状の鋼材から鍛造により製造する場合、鋼材の肉配分より、鋼材の芯部がクランクピンの下死点側部に現れ、後の機械加工により表出してしまう。ここで、クランクピンの下死点側部とは、クランクピンと連結されるピストンが下死点にある際に、ピストン側になるクランクピンの側部を意味する。つまり、ピストンの往復運動に伴うクランクピンの回転を考えた場合、クランクピンにおける回転中心方向の側部を意味する。ピストンが上死点にある場合、燃焼による大きな爆発力がクランクピンの下死点側部に作用する。したがって、クランクピンの下死点側部に上述した偏析部が存在すると、クランクシャフトの強度が低下し不具合を生じる。
【０００５】
クランクシャフトの強度を向上させる試みとして、例えば、鋼材の所定位置に予め局所的な凹部を形成しておくことで、鍛造後に、クランクピンの下死点側部に偏析部が現れないようにする方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−２９０３３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に記載の方法では、クランクピンの下死点側部に偏析部が現れないよう、鋼材の肉配分を変えている。つまり、鋼材における偏析部の位置をずらしたにすぎない。しかしながら、偏析部の位置をずらしただけでは、クランクシャフトの強度を充分に向上させることはできない。
【０００８】
本発明は、このような実状を鑑みてなされたものであり、素材となる棒状の鋼材における偏析部の割合を少なくし、鋼材の強度を積極的に高くすることで、強度の高い鍛造部品を提供することを課題とする。また、強度の高いクランクシャフトを提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の鍛造部品は、棒状の鋼材本体と、該鋼材本体のほぼ芯部に配置され、該鋼材本体よりも高強度な芯材と、からなる高強度鋼材を鍛造して製造されたことを特徴とする。
【００１０】
すなわち、本発明の鍛造部品は、芯材が鋼材本体に内包された高強度鋼材を素材として鍛造されたものである。上述したように、通常、棒状の鋼材の芯部には、非金属からなる不純物が凝集した偏析部が存在する。本発明の鍛造部品の素材となる高強度鋼材には、ほぼ芯部に芯材が配置されているため、偏析部の割合は少ない。そのため、仮に、鋼材の芯部が、強度の必要な部位に現れた場合であっても、鍛造部品における強度の低下を招くことはない。加えて、芯材は、鋼材本体よりも高強度である。したがって、高強度鋼材は、鋼材本体のみからなる素材と比較して強度が高い。よって、高強度鋼材から鍛造された鍛造部品の強度はより高くなる。
【００１１】
本発明の鍛造部品は、例えば、高強度鋼材製造工程と、鍛造工程とを経て製造することができる。すなわち、高強度鋼材製造工程は、棒状の鋼材本体と、該鋼材本体のほぼ芯部に配置され、該鋼材本体よりも高強度な芯材と、からなる高強度鋼材を製造する工程である。また、鍛造工程は、高強度鋼材を、長手方向と交わる方向から押圧して鍛造する工程である。
【００１２】
まず、高強度鋼材製造工程にて、高強度鋼材を製造する。高強度鋼材の製造方法は、特に限定するものではない。例えば、棒状の鋼材本体のほぼ芯部に孔を形成し、該孔に芯材を挿入して製造することができる。この場合、鋼材本体の芯部をドリル加工等によりくり抜いて孔を形成してもよく、鋼材本体を予め遠心法等によりパイプ状に形成しておいてもよい。また、例えば、鋼材本体と芯材とを一体として製造してもよい。
【００１３】
次いで、鍛造工程にて、高強度鋼材を鍛造する。鍛造は、既に公知の方法に従えばよい。すなわち、製造対象となる鍛造部品に応じた金型を用い、該金型にて高強度鋼材を長手方向と交わる方向から押圧すればよい。なお、鍛造の際の温度や圧力等は、適宜決定すればよい。また、鍛造後に、必要に応じて、所定の部位の機械加工、高周波焼入れや軟窒化等の熱処理、ロール掛けによる強化処理等を施すことが望ましい。
【００１４】
本発明の鍛造部品は、種々の機械部品に具現化することができる。特に、鍛造することにより、強度が必要な部位に鋼材の芯部が現れるような鍛造部品において、強度向上の効果が大きい。例えば、本発明の鍛造部品をクランクシャフトに具現化した場合、より強度の高いクランクシャフトが得られる。
【００１５】
すなわち、本発明のクランクシャフトは、シリンダブロックに回転自在に支持されたシャフト本体と、該シャフト本体に偏心して配置され、ピストンと連結されるクランクピンと、を備えてなるクランクシャフトであって、さらに、該シャフト本体の軸方向に延びる高強度な芯材を内包し、該芯材は、前記クランクピンにおいて、前記ピストンが下死点にある際に該ピストン側となる下死点側部に配置されていることを特徴とする。
【００１６】
上述したように、従来のクランクシャフトでは、鍛造の際の鋼材の肉配分より、鋼材の芯部がクランクピンの下死点側部に現れていた。つまり、鋼材の芯部に存在する偏析部がクランクピンの下死点側部に表出していた。本発明のクランクシャフトは、シャフト本体の軸方向に延びる高強度な芯材を内包する。そして、クランクピンにおいては、その高強度な芯材が、クランクピンの下死点側部に配置されている。すなわち、本発明のクランクシャフトでは、従来偏析部が表出していた部位に、高強度な芯材が配置されている。よって、ピストンが上死点にある場合、つまり、燃焼による大きな爆発力がクランクピンの下死点側部に作用する場合であっても、高強度な芯材が配置されているため、充分な強度が確保される。また、クランクシャフト全体において、高強度な芯材が軸方向に配置されているため、本発明のクランクシャフトは、強度が高い。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の鍛造部品の実施形態について説明する。ここでは、本発明の鍛造部品を、クランクシャフトとして具現化した実施形態を説明する。すなわち、本発明のクランクシャフトの実施形態について説明する。まず、本発明の一実施形態であるクランクシャフトの構成を説明する。図１に、本実施形態のクランクシャフトの正面図を示す。また、図２に、図１中Ａ部分の斜視図を示す。なお、図２では、クランクシャフトがピストンと連結された状態を示している。図２では、シリンダを二点鎖線で、クランクピンを一点鎖線で、芯材を点線で示す。さらに、図３に、本実施形態のクランクシャフトの軸方向断面図を示す。図１および図２に示すように、クランクシャフト１は、シャフト本体２と、クランクピン３とを備える。
【００１８】
シャフト本体２は、ジャーナル２１とアーム２２とを備える。ジャーナル２１は、シリンダブロック（図略）に回転自在に支持されている。アーム２２は、ジャーナル２１の径方向に突出して配置されている。アーム２２には、偏心部分のバランスをとるためのカウンタウエイト２３が配置されている。クランクピン３は、コンロッド５１を介してピストン５２に連結されている。クランクピン３は、アーム２２によりジャーナル２１と連結されている。
【００１９】
図２および図３に示すように、クランクシャフト１は、芯材４を内包している。芯材４は、シャフト本体２の軸方向に延在している。芯材４は、クランクピン３においては、下死点側部３１に配置されている。シャフト本体２とクランクピン３と芯材４とは、すべて非調質鋼から形成されている。但し、芯材４は、シャフト本体２およびクランクピン３を形成する非調質鋼よりも疲労強度の高い高強度な非調質鋼から形成されている。
【００２０】
次に、本実施形態のクランクシャフトの動作を説明する。クランクピン３に連結されたピストン５２が上死点から下死点へ往動すると、コンロッド５１を介してクランクピン３が押され、クランクシャフト１はジャーナル２１の軸を中心に回転する。また、隣接するクランクピンが同様に押されることにより、クランクシャフト１がさらに回転し、同時にクランクピン３も回転する。クランクピン３の回転により、コンロッド５１を介してピストン５２が下死点から上死点へ復動する。このように、ピストン５２の往復運動がクランクシャフト１の回転へ変換される。
【００２１】
本実施の形態によれば、以下に示す効果が得られる。すなわち、クランクシャフト１は、高強度な芯材４を内包しているため、クランクシャフト１自体の強度が高くなる。また、ピストン５２が上死点にある際には、燃焼による大きな爆発力がクランクピン３の下死点側部３１に作用する。一方、クランクピン３の下死点側部３１には、高強度な芯材４が配置されている。つまり、クランクピン３の下死点側部３１は芯材４により補強されている。したがって、ピストン５２からの大きな力が加わった場合でも、充分な強度が確保される。
【００２２】
次に、本実施形態のクランクシャフトの製造方法を説明する。第一に、素材となる高強度鋼材を製造する。まず、非調質鋼から、直径約１２０ｍｍ、長さ６５０ｍｍの丸棒状の鋼材本体を作製する。次いで、その鋼材本体のほぼ中心部に、ドリル加工により直径約８ｍｍの孔を開ける。そして、該孔に、鋼材本体よりも高強度な非調質鋼製の芯材を挿入する。その後、鋼材本体の直径が約８０ｍｍとなるまで熱間圧延し、高強度鋼材とする。なお、鋼材本体と芯材とは、熱間圧延によりしっかりと圧着されている。第二に、製造した高強度鋼材を上下二つの金型を用いて熱間鍛造する。図４に、高強度鋼材および鍛造用金型の配置図を示す。図４に示すように、高強度鋼材６は、鋼材本体６１と芯材４とからなる。芯材４は、鋼材本体６１の芯部、つまり、鋼材本体６１の径方向中心部を長手方向に延びて配置されている。高強度鋼材６の上下には、所定の形状の上金型７１および下金型７２が配置されている。これら二つの金型７１、７２により、１１００〜１２５０℃程度の温度下で高強度鋼材６を押圧して鍛造が行われる。鍛造後、所定の部位を機械加工し、さらなる強度向上のため、クランクピン等に高周波焼入れ、ロール掛け等の表面処理を施す。
【００２３】
以上、本発明のクランクシャフトの実施形態について説明した。しかし、本発明のクランクシャフトは、上記実施形態に限定されるものではない。本発明のクランクシャフトは、上記実施形態を始めとして、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。
【００２４】
例えば、上記実施形態では、非調質鋼からクランクシャフトを製造した。しかし、鋼材の種類は、特に限定されるものではない。例えば、鉛、硫黄、カルシウム等を含んだ快削鋼等から製造してもよい。快削鋼を用いた場合には、加工がし易く、安価なクランクシャフトとなる。なお、快削鋼の芯部には、不純物が偏析し易い。したがって、快削鋼製の鋼材本体と、それよりも高強度な芯材とからなる高強度鋼材からクランクシャフトを製造した場合には、クランクピンの下死点側部における偏析部の表出が効果的に抑制され、強度向上の効果がより発揮される。
【００２５】
上記実施形態では、クランクシャフトの軸方向に、芯材を連続的に配置した。しかし、芯材は、軸方向に連続していなくてもよい。クランクシャフトの内部にて、軸方向に断続的に芯材が配置された態様であってもよい。また、素材となる高強度鋼材を構成する鋼材本体の直径や、芯材の直径等も適宜決定すればよい。
【００２６】
また、上記実施形態では、丸棒上の鋼材本体に孔を形成し、その孔に芯材を挿入して高強度鋼材とした。しかし、高強度鋼材の製造方法は、上記実施形態の方法に限定されるものではない。例えば、鋼材本体を予め遠心法等によりパイプ状に形成しておき、その中心部に形成された孔へ芯材を挿入してもよい。また、鋼材本体と芯材とを外側と内側の二重構造となるように一体に製造してもよい。
【００２７】
上記実施形態では、鍛造部品をクランクシャフトとして具現化した。しかし、本発明の鍛造部品は、クランクシャフトに限定されるものではない。例えば、コンロッド、ステアリングナックル等の他の自動車用鍛造部品等に具現化してもよい。その場合、目的とする鍛造部品に応じて、鋼材本体の材質や形状、および芯材の材質等を適宜決定すればよい。
【００２８】
【実施例】
上記実施の形態で説明したクランクシャフト１に対して、疲労試験を行った（実施例）。また、芯材を有しない従来のクランクシャフトに対しても、同様に疲労試験を行った（比較例）。疲労試験は、以下の手順で行った。まず、クランクシャフト１において、クランクピン３の両側にあるジャーナル２１を、支持部材で支持した。次いで、ピストン５２が上死点にある状態のクランクピン３に対して、上方から垂直に約１０〜８０ＫＮの荷重を繰り返し加えた。
【００２９】
図４に、実施例および比較例のクランクシャフトにおける疲労試験の結果を示す。図４に示すように、芯材を有する本発明のクランクシャフトの疲労強度は、６００ＭＰａを超える値となった（実施例）。これに対して、従来のクランクシャフトの疲労強度は、５２０ＭＰａ程度であった。つまり、本発明のクランクシャフトでは、従来のものと比較して、疲労強度が約１６％向上したことが確認できた。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の鍛造部品は、高強度な芯材が鋼材本体に内包された高強度鋼材を鍛造して製造される。鍛造部品の内部に芯材が配置されるため、強度の高い鍛造部品となる。また、芯材は、高強度鋼材のほぼ芯部に配置される。そのため、強度が必要な部位に鋼材の芯部が現れるような鍛造部品において、より強度向上の効果が大きい。
【００３１】
本発明のクランクシャフトは、軸方向に延びる高強度な芯材を内包する。そして、クランクピンにおいては、その高強度な芯材が、クランクピンの下死点側部に配置される。したがって、燃焼による大きな爆発力がクランクピンの下死点側部に作用する場合であっても、充分な強度が確保される。また、高強度な芯材が軸方向に配置されているため、クランクシャフト全体の強度が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態のクランクシャフトの正面図を示す。
【図２】図１中Ａ部分の斜視図を示す。
【図３】本実施形態のクランクシャフトの軸方向断面図を示す。
【図４】高強度鋼材および鍛造用金型の配置図を示す。
【図５】二種類のクランクシャフトにおける疲労試験の結果を示す。
【符号の説明】
１：クランクシャフト
２：シャフト本体
２１：ジャーナル  ２２：アーム  ２３：カウンタウエイト
３：クランクピン  ３１：下死点側部
４：芯材
５１：コンロッド  ５２：ピストン
６：高強度鋼材  ６１：鋼材本体
７１：上金型  ７２：下金型
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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