(57)【要約】【課題】フィレット部を強化することによるクランクシャフトの疲労特性向上方法およびクランクシャフトを提供する。【解決手段】超音波振動子の振動数を１０〜６０ｋＨｚ、超音波の出力を５００〜５０００Ｗ、超音波振動子のクランクシャフトへの押し付け力を１０〜４００Ｎの条件で超音波打撃処理を行なうことを特徴とするクランクシャフトの疲労特性向上方法およびクランクシャフト。【選択図】図１
2005321086.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動子の振動数を１０〜６０ｋＨｚ、超音波の出力を５００〜５０００Ｗ、超音波振動子のクランクシャフトへの押し付け力を１０〜４００Ｎの条件で超音波打撃処理を行なうことを特徴とするクランクシャフトの疲労特性向上方法。
【請求項２】
前記超音波振動子の先端部の曲率半径Ｒが下記（Ａ）式で規定される単独ないしは複数のピンで、フィレット部を打撃処理す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の疲労特性向上方法。
（フィレット部の曲率×０．５）≦Ｒ≦（フィレット部の曲率×１．０５）
・・・・（Ａ）
【請求項３】
前記超音波振動子の先端部の曲率半径Ｒが下記（Ａ）式で規定されるロールで、フィレット部を打撃処理す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の疲労特性向上方法。
（フィレット部の曲率×０．５）≦Ｒ≦（フィレット部の曲率×１．０５）
・・・・（Ａ）
【請求項４】
前記フィレット部に超音波打撃処理を施す際に、超音波振動子先端チップのビッカース硬度をＨ１、クランクシャフトのビッカース硬度をＨ２としたとき、下記（Ｂ）式で規定される硬度を有する超音波振動子で処理することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のクランクシャフトの疲労特性向上方法。
１．２≦（Ｈ１/Ｈ２）≦５・・・・（Ｂ）
【請求項５】
質量％で、
Ｃ：０．１〜０．８％、
Ｓｉ：０．０５〜２．５％、
Ｍｎ：０．２〜２％、
Ａｌ：０．００５〜０．１％、
Ｎ：０．００１〜０．０２％
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、引張強さが８００ＭＰａ以上の鋼材からなるクランクシャフトであって、前記クランクシャフトのフィレット部の表層における圧縮残留応力が、前記鋼材の引張強さの50％〜90％であることを特徴とする耐疲労特性に優れたクランクシャフト。
【請求項６】
前記鋼材が、質量％で、さらに、
Ｃｒ：０．１〜２％、
Ｎｉ：０．１〜２％、
Ｍｏ：０．１〜２％、
Ｃｕ：０．１〜２％、
Ｔｉ：０．００３〜０．０５％、
Ｖ：０．０５〜０．５％、
Ｎｂ：０．０１〜０．１％
の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項５に記載の疲労強度に優れたクランクシャフト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィレット部を有する軸の強化方法であり、特に、自動車等内燃機関のクランクシャフトの疲労特性向上方法およびクランクシャフトに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１に示すように内燃機関のクランクシャフト１では、アーム２とピン３またはジャーナル４との接合部が断面アール状のフィレット部５、６となっている。このフィレット部５、６は、クランクシャフト回転時の捻り応力や曲げ応力が集中しやすい箇所となっている。このため、フィレット部を強化することが行なわれており、その方法として、ロール加工法、高周波焼き入れ法等が挙げられる。
【０００３】
ロール加工法は、ピン／フランジ、ジャーナル／フランジの境目をフィレットロールにより冷間加工し強度を向上する技術である。従来技術として、例えば、特許文献１では、引張応力のかかる部分の曲率半径を大きくして応力集中を緩和する技術が、また、特許文献２ではフレット部の軸径の減少を抑えて結果として応力集中を緩和する技術が紹介されている。
一方、高周波焼き入れ法は、ピン、ジャーナル部およびピン／フランジ、ジャーナル／フランジ境界のフィレット部の表面を高周波焼き入れによりマルテンサイト化して強度を高める技術である。従来技術として、例えば、特許文献３では焼き割れが生じにくい高周波焼入方法と装置が紹介されている。
【特許文献１】特開２００２−１２２１２６号公報
【特許文献２】特開２００２−２２４９２０号公報
【特許文献３】特開２００２−１７３７１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の発明では、フィレット成形制御が困難であることからコスト上昇を招き、特許文献２に記載の発明では、十分な加工強化が行えないために疲労強度向上に問題があった。
また、特許文献３に記載の発明に代表される高周波焼入法では、焼き境に生じる引張残留応力のため焼き境の強度が低下するという問題を避けることはできず、フィレット部を強化するために他の部分の劣化を招いていた。
そこで、本発明は、これらの問題点を克服するため、フィレット部を強化することによるクランクシャフトの疲労特性向上方法およびクランクシャフトを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決し、フィレット部に超音波打撃処理を施して強化することによってクランクシャフトの疲労特性向上方法およびクランクシャフトを提供するものであり、その要旨とするところは特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
（１）超音波振動子の振動数を１０〜６０ｋＨｚ、超音波の出力を５００〜５０００Ｗ、超音波振動子のクランクシャフトへの押し付け力を１０〜４００Ｎの条件で超音波打撃処理を行なうことを特徴とするクランクシャフトの疲労特性向上方法。
（２）前記超音波振動子の先端部の曲率半径Ｒが下記（Ａ）式で規定される単独ないしは複数のピンで、フィレット部を打撃処理す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の疲労特性向上方法。
（フィレット部の曲率×０．５）≦Ｒ≦（フィレット部の曲率×１．０５）
・・・・（Ａ）
（３）前記超音波振動子の先端部の曲率半径Ｒが下記（Ａ）式で規定されるロールで、フィレット部を打撃処理す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の疲労特性向上方法。
（フィレット部の曲率×０．５）≦Ｒ≦（フィレット部の曲率×１．０５）
・・・・（Ａ）
（４）前記フィレット部に超音波打撃処理を施す際に、超音波振動子先端チップのビッカース硬度をＨ１、クランクシャフトのビッカース硬度をＨ２としたとき、下式（Ｂ）で規定される硬度をもつ超音波振動子で処理することを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載のクランクシャフトの疲労特性向上方法。
１．２≦（Ｈ１/Ｈ２）≦５・・・・（Ｂ）
（５）質量％で、Ｃ：０．１〜０．８％、Ｓｉ：０．０５〜２．５％、
Ｍｎ：０．２〜２％、Ａｌ：０．００５〜０．１％、Ｎ：０．００１〜０．０２％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、引張強さが８００ＭＰａ以上の鋼材からなるクランクシャフトであって、前記クランクシャフトのフィレット部の表層における圧縮残留応力が、前記鋼材の引張強さの50％〜90％であることを特徴とする耐疲労特性に優れたクランクシャフト。
（６）前記鋼材が、質量％で、さらに、Ｃｒ：０．１〜２％、Ｎｉ：０．１〜２％、Ｍｏ：０．１〜２％、Ｃｕ：０．１〜２％、Ｔｉ：０．００３〜０．０５％、Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｎｂ：０．０１〜０．１％の１種または２種以上を含有することを特徴とする（５）に記載の疲労強度に優れたクランクシャフト。
【発明の効果】
【０００６】
本発明により、フィレット部に超音波打撃処理を施して強化することによってクランクシャフトの疲労特性向上方法およびクランクシャフトを提供することができ、このため、クランクシャフトの軽量化、ひいては燃費の向上が可能となるなど、産業上有用な著しい効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明について詳細に説明する。本発明の根幹をなす技術思想は以下の通りである。
部品の疲労強度を向上させるためには、素材の強度を向上させるか、応力集中を緩和するように部品の設計を変更するか、部品の疲労破壊が生じる部位の表面部に圧縮の残留応力を導入するかの３点が考えられる。
本発明者等は、超音波振動する端子で鋼材を打撃することにより、鋼材表面に大きな圧縮の残留応力が付与されることを見いだした。さらにこの超音波打撃処理を部品の疲労破壊が生じる部位に施せば、疲労強度を向上可能であることを見いだした。
【０００８】
以下に本発明の限定理由を述べる。
超音波打撃処理行なう部位をフィレット部に限定したのは、クランクシャフトにおいて疲労破壊が主たる問題となるのが、フィレット部だからである。応力集中が生じる狭い場所へ超音波打撃処理を行なうことが有効である。フィレット部からの疲労き裂は、通常図１の５の部分からであり、５の部分にのみ超音波処理を施せば耐疲労特性は向上する。油穴等、疲労破壊が問題となる他の場所にも、超音波処理は有効である。
【０００９】
超音波振動子の振動数を１０〜６０ｋＨｚ限定したのは、鋼材に与えられる圧縮の残留応力がこの領域で大きくなるからである。同様に、超音波の出力を５００〜５０００Ｗと限定したのも、鋼材に与えられる圧縮の残留応力がこの領域で大きくなるからである。また、押し付け力を１０〜４００Ｎに限定したのは、１０Ｎ未満の押し付け力では十分な残留応力が入らず、４００Ｎを超える押し付け力では、塑性変形が大きくなり、部品の寸法精度が低下するとともに疲労強度も低下するためである。
本発明に用いる超音波振動端子は単独ないしは複数のピン、またはロールが好ましく、超音波打撃ピン先端の形状は、半球状、蒲鉾状、鞍状等が考えられるが特に限定しない。ただし、半球状の先端形状では、フィレット部を処理する時に凸と凸をつきあわせることになるので処理が不安定になる可能性がある。最良は、凸と凹を組み合わせることになる鞍状であるが、超音波打撃ピンの製造コストが高くなる可能性がある。
【００１０】
＜ピン先端およびロールの曲率＞
図４の上段に示すようにピン先端の曲率がフィレットの曲率より小さい場合は、処理開始時より溝の底にピン先端が到達し、超音波振動起因の軸ぶれにより溝全体が処理される。
ピン先端の曲率は小さければ小さいほど、接触面積が小さくなるため、超音波のエネルギー密度が増大し、フレット部ないしはジャーナル部の処理部に導入される圧縮応力も大きくなる。しかし、処理による変形のため処理部の曲率はピンの曲率半径に等しくなるため、ピンの曲率半径が処理部の曲率半径の半分以下のときは、応力集中係数が増大し疲労強度はあまり上昇しなくなる。
【００１１】
一方、図４中段に示すようにピンの先端の曲率が処理部の曲率より大きく、処理部の曲率の１．０５倍未満の場合は、処理部が変形し溝底に処理が及ぶので打撃処理の効果が著しいが、図４の下段に示すようにピンの先端の曲率が処理部の曲率より５％以上大きな場合は、処理が溝底に到達しなくなるため、超音波振動子の先端部の曲率半径Ｒが下記（Ａ）式で規定される単独ないしは複数のピンで、フィレット部を打撃処理することが好ましい。
（フィレット部の曲率×０．５）≦Ｒ≦（フィレット部の曲率×１．０５）
・・・・（Ａ）
なお、さらに好ましくは、処理部の曲率半径とピン先端の曲率半径は等しいことが望ましい。
【００１２】
本発明における超音波打撃処理はフィレット・ジャーナル部に沿って行なう。フィレット部、ジャーナル部の全周にわたって処理を行なっても良いが、図１の５のフィレット部分がき裂発生点であるので、フィレット５にのみ処理を施すのが効率的である。
例として単独のピンで打撃処理を行う場合、図５に示すようにフレットのき裂発生点（フィレット５）の周り約±３０°の範囲について処理を行なえば十分な効果が発揮できる。
また、処理用のピンが複数本ある場合は、フィレットないしはジャーナルに沿って全てのピンが被処理部に接するように配置するのが望ましく、
図６に示すように複数のピンを放射状っもしくは平行に配置することにより、短時間で処理が可能となる。
なお、ロールの場合もピンと同様の理由で上記（Ａ）式により規定される曲率が好ましい。
【００１３】
＜先端チップの硬度＞
先端チップには硬度が要求される。先端チップが被処理材の１．２倍以下のビッカース硬度であると、処理により先端チップが変形し、被処理材に十分な圧縮残留応力が入らなくなることのみならず、チップの寿命が著しく低下し、処理コストを押し上げるため、先端チップは被処理材の１．２倍以上のビッカース硬度を有することが必要である。機能的には、先端チップは硬ければ硬いほど良いが、硬いほど先端チップの製造コストが上昇するため、硬度比の上限を５とすることが好ましい。
従って、超音波振動子先端チップのビッカース硬度をＨ１、クランクシャフトのビッカース硬度をＨ２とした時、下記（Ｂ）式で規定される硬度を有する超音波振動子で処理することが好ましい。
１．２≦（Ｈ１/Ｈ２）≦５・・・・（Ｂ）
なお、先端チップの素材については特に規定しないが、工具鋼等の合金、シリコンカーバイト、タングステンカーバイト等の焼結材が考えられる。
【００１４】
＜鋼材成分の限定理由＞
本発明のクランクシャフトは、前述のような超音波打撃処理をフィレット部に施すことによって、クランクシャフトのフィレット部の表層における圧縮残留応力が、クランクシャフトを構成する鋼材の引張強さの50％〜90％であることを特徴とする。
本発明のクランクシャフトを構成する鋼材の成分の限定理由を以下に示す。
Ｃは、鋼を強化するのに有効な元素であるが、０．１％未満では充分な強度が得られない。一方、過多に添加すると靭性が低下するため、添加量の上限を０．８％とする。
Ｓｉは、鋼の強化元素として有効であるが、０．０５％未満ではその効果がない。一方、過多に添加すると靭性および被削性が低下するため、添加量の上限を２．５％とする。
Ｍｎは、鋼の強化に有効な元素であるが、０．２％未満では充分な効果が得られない。一方、過多に添加すると靭性および被削性が低下するため、添加量の上限を２％とする。
Ａｌは、鋼の脱酸および結晶粒の微細化のために有効な元素であるが、０．００５％未満ではその効果がない。一方、過多に添加すると被削性が低下するため、添加量の上限を０．１％とする。
Ｎは、Ｖ炭窒化物やＮｂ炭窒化物を生成し析出強化のために必要な元素であるが、０．００１％未満では充分な効果が得られない。一方、過多に添加すると靭性が劣化するため、添加量の上限を０．０２％とする。
【００１５】
Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｕはいずれも適量の添加においては靱性を損なうことなく強度を増大する元素である。Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｕは、いずれも０．1％未満ではその効果はなく、２％を越えると靱性が大きく劣化するため、その添加量の下限をそれぞれ０．１％、上限を２％とする。
Ｔｉは，窒化物・炭化物を生成し、析出強化により強度が上昇するため有効な元素である。さらにＴｉの窒化物は高温まで固溶せずに残るため、加熱時のオーステナイト粗大化を防止するのに有効である。０．００３％未満ではこれらの効果は現れず、０．０５％を越えると靱性が劣化するため、その添加量の下限を０．００３％、上限を０．０５％とする。
Ｖも、Ｔｉ同様窒化物・炭化物を生成し、析出強化により強度が上昇するため有効な元素であるが、効果を享受するためには０．０５％以上の添加が必要である。一方、過多に添加すると靭性が劣化するため、添加量の上限を０．５％とする。
Ｎｂも、Ｔｉ同様窒化物・炭化物を生成し、析出強化により強度が上昇するため有効な元素であるが、効果を享受するためには０．０１％未満では充分な効果が得られない。一方、過多に添加すると靭性が劣化するため、添加量の上限を０．１％とする。
また、これらの元素以外にも、被削性を向上させる元素として、Ｐｂ、Ｓ、Bi等を添加してもよく、その場合も本発明に含まれる。
なお、上記の元素以外に、Ｐ、Ｓ等の不可避的不純物が含まれるが、その場合も本発明に含まれる。
【００１６】
＜引張強度＞
本発明のクランクシャフトを構成する鋼材の引張強さの限定理由を以下に示す。
引張強さが８００MPa以下の鋼材では、フィレット部の圧縮残留応力の下限規定である50%では十分な疲労強度向上効果が得られないため、その下限値を８００ＭＰａとした。
＜残留応力＞
図２に示すように母材強度が８１０ＭＰaの場合、残留応力が−４００ＭＰa以下の場合に疲労強度の向上効果が著しく、また図３に示すように母材強度が１００５ＭＰaの場合、残留応力が−５００ＭＰa以下の場合に疲労強度の向上効果が著しい。
従って、本発明が対象とする８００ＭＰa以上の強度を持つ鋼材において、引張強さの５０％以下の圧縮残留応力では十分な疲労強度向上が認められないことおよび、引張強さの９０％以上の圧縮残留応力を付与することは、本発明では困難であることから、その上限を９０％とする。
なお、残留応力の測定はX線を用いて行ない、回折X線の強度を測定しピーク強度の半値幅から求めている。
【実施例】
【００１７】
表１に示す成分の鋼から、クランクシャフトフィレット部を模した環状半円溝付き小野式回転曲げ試験片を切り出した。試験片の軸径Ｄは６ｍｍ、環状半円溝の曲率ρは０．５ｍｍ、溝部の軸径ｄは５ｍｍであった。この試験片を用い表２の条件で試験を行ない、表２の試験結果を得た。試験片の超音波打撃処理は溝部にのみ実施した。
また、この試験片はクランクシャフトを模した物であるが、クランクシャフトと異なり全周にわたって応力条件が同一なため、超音波打撃処理は試験片の溝部全周に施した。この時用いた超音波打撃ピンの形状は蒲鉾状で、先端の曲率は試験片溝の曲率と同一であった。
その結果、本発明の疲労強度向上方法を用いた本発明例は比較例に比べて、大幅な疲労強度向上が認められた。
また、超音波振動子の先端チップの硬度を変えて実験した結果を表３に示す。
前述の、超音波振動子先端チップのビッカース硬度Ｈ１と、クランクシャフトのビッカース硬度Ｈ２との硬度比Ｈ１/Ｈ２が１．２〜５の範囲である本発明例において著しく疲労強度の向上効果が確認された。
なお、本実施例における先端チップは主に工具鋼（SUJ２）を用いた。
また、先端チップの硬度が及ぼす影響についての調査は、上記工具鋼を焼き戻したものおよび鋼種Aを用いた。
【表１】
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【表２】
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【表３】
2005321086.tif 000005
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明が対象とするクランクシャフトを模式的に示す図である。
【図２】母材強度が８１０Mpaの場合の残留応力と疲労強度との関係を示す図である。
【図３】母材強度が１００５Mpaの場合の残留応力と疲労強度との関係を示す図である。
【図４】ピン先端の曲率半径に応じた打撃部の変形状況を説明する図である。
【図５】超音波振動子の配置を例示する図である。
【図６】超音波振動子の配置を例示する図である。
【符号の説明】
【００１９】
１  クランクシャフト
２  アーム
３  ピン
４  ジャーナル
５  フィレット部
【図１】
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【図２】
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【図３】
2005321086.tif 000008
【図４】
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【図５】
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【図６】
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