(57)【要約】【課題】  本発明は、ターボチャージャー向けタービンシャフトへのレーザ焼き入れによる耐久性向上を実現した製品の開発を行うタービンシャフトへのレーザ焼き入れ方法を得ることを目的とする。【解決手段】  本発明のタービンシャフトへのレーザ焼き入れ方法は、ターボチャージャー用シャフトを回転させてインペラ−側のシャフト端部Ａ及びシャフト中間部Ｂにカライドスコープを使用してレーザ光照射を行い、前記シャフト端部及びシャフト中間部にレーザ焼き入れを行うためのタービンシャフトへのレーザ焼き入れ方法において、前記シャフト端部Ａはレーザパワー3.0ｋＷ、照射時間1.4sec〜1.8sec、回転速度1rps、一方、前記シャフト中間部Ｂはレーザパワー2.75ｋＷ、照射時間1.6sec〜1.8sec、回転速度2rpsの条件を満たすものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボチャージャー用シャフトを回転させてインペラ−側のシャフト端部及びシャフト中間部にカライドスコープを使用してレーザ光照射を行い、前記シャフト端部及びシャフト中間部にレーザ焼き入れを行うことを特徴とするタービンシャフトへのレーザ焼き入れ方法。
【請求項２】
前記タービンシャフトへのレーザ焼き入れ方法において、前記シャフト端部はレーザパワー3.0ｋＷ、照射時間1.4sec〜1.8sec、回転速度1rps、一方、前記シャフト中間部はレーザパワー2.75ｋＷ、照射時間1.6sec〜1.8sec、回転速度2rpsの条件を満たすことを特徴とする請求項１記載のタービンシャフトへのレーザ焼き入れ方法。
【請求項３】
前記タービンシャフトへのレーザ焼き入れ方法において、硬さの向上、少ない変形量、照射面の残留応力の制御等の条件を満たす最適条件は、以下の条件であることを特徴とする請求項１記載のタービンシャフトへのレーザ焼き入れ方法。
シャフト端部Ａ：レーザパワー3.0ｋＷ,照射時間1.4sec〜1.8sec,回転速度1rps
シャフト中間部Ｂ：レーザパワー2.75ｋＷ,照射時間1.6sec〜1.8sec,回転速度2rps
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボチャージャー向けタービンシャフトへのレーザ焼き入れ適用により、耐久性向上を実現した製品の開発を行うタービンシャフトへのレーザ焼き入れ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車向けターボチャージャーの需要は、昨今の環境問題を背景に、年々高まってきている。特に、欧州でのターボチャージャー装着の乗用車は、70％を越え、各ターボメーカーは、高機能、高性能化に向けた開発を行っている。
現在のターボチャージャーの主流は、オイルを介した軸受け構造となっており、これで、高速回転のシャフトを支えている。通常のターボチャージャーは、長期間使用していると、シャフトの軸受け部分が摩耗し、それによりその部位が油膜切れを起こし、焼き付けによって破損する。そのため、対策としては、素材自体の硬化や高周波焼き入れによる表面硬化が実用化されている。しかし、素材自体の硬化は、その後の機械加工性を悪化させるため、充分に硬化させることは難しい。一方、高周波焼き入れの場合は、硬化範囲を制御できないことによるエッジ部のクラック発生等の問題があった。
【特許文献１】特開平１０−２８００３２号公報
【特許文献２】特開平０９−３１４３６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そこで、本発明は、ターボチャージャー向けタービンシャフトへのレーザ焼き入れによる耐久性向上を実現した製品の開発を行うタービンシャフトへのレーザ焼き入れ方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明のタービンシャフトへのレーザ焼き入れ方法は、ターボチャージャー用シャフトを回転させてインペラ−側のシャフト端部及びシャフト中間部にカライドスコープを使用してレーザ光照射を行い、前記シャフト端部及びシャフト中間部にレーザ焼き入れを行うものである。
【０００５】
本発明のタービンシャフトへのレーザ焼き入れ方法は、ターボチャージャー用シャフトを回転させてインペラ−側のシャフト端部及びシャフト中間部にカライドスコープを使用してレーザ光照射を行い、前記シャフト端部及びシャフト中間部にレーザ焼き入れを行うためのタービンシャフトへのレーザ焼き入れ方法において、前記シャフト端部はレーザパワー3.0ｋＷ、照射時間1.4sec〜1.8sec、回転速度1rps、一方、前記シャフト中間部はレーザパワー2.75ｋＷ、照射時間1.6sec〜1.8sec、回転速度2rpsの条件を満たすものである。
【０００６】
本発明のタービンシャフトへのレーザ焼き入れ方法は、ターボチャージャー用シャフトを回転させてインペラ−側のシャフト端部及びシャフト中間部にカライドスコープを使用してレーザ光照射を行い、前記シャフト端部及びシャフト中間部にレーザ焼き入れを行うためのタービンシャフトへのレーザ焼き入れ方法において、硬さの向上、少ない変形量、照射面の残留応力の制御等の条件を満たす最適条件は、以下の条件である。
シャフト端部Ａ：レーザパワー3.0ｋＷ,照射時間1.4sec〜1.8sec,回転速度1rps
シャフト中間部Ｂ：レーザパワー2.75ｋＷ,照射時間1.6sec〜1.8sec,回転速度2rps
【発明の効果】
【０００７】
本発明のタービンシャフトへのレーザ焼き入れ方法によれば、レーザ光照射により硬さが向上した表面の残留応力は高い圧縮応力を示すため、耐摩耗性や疲労強度の向上が期待される。
レーザ光照射によりシャフト曲がりが発生し、先端振れが大きくなる原因は、シャフト中間部Ｂへのレーザ光照射が支配的であり、シャフト円周部に生成されるマルテンサイト変態層厚さの不均一のためである。
レーザ光照射により硬さが低下した表面の残留応力は高い引張応力となるため、注意が必要である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明のタービンシャフトへのレーザ焼き入れ方法の一実施例を以下に説明する。
自動車向けのターボチャージャー用シャフトは、インペラ−側のシャフト端部及びシャフト中間部の２箇所にベアリング軸受部を有する。
前記ターボチャージャー用シャフトを回転させてインペラ−側のシャフト端部及びシャフト中間部にレーザ光照射を行い、前記シャフト端部及びシャフト中間部にレーザ焼き入れを行うための実験用試料としてＳＣＭ440Ｈ材を使用した。
実験に用いた試料はＳＣＭ440Ｈ材で、図１に示すシャフト（長さ９０．５７ｍｍ、大径１５．９６φ）を用いてシャフト端部Ａ（７．７９φ）及びシャフト中間部Ｂ（７．７９φ）にレーザ光照射を行い、レーザ光照射後に円周方向のビッカース硬さ分布、残留応力分布、変形量の測定、断面マクロ観察を行った。
レーザ光照射は、カライドスコープを用い、アルゴンガス雰囲気中のシールドボックスに前記シャフトをセットし、前記シャフトのシャフト端部Ａ及びシャフト中間部Ｂへ６ｍｍ×６ｍｍ角の範囲に前記シャフトを回転させながら照射した。その際、レーザ出力、照射時間、および回転速度を変化させてレーザ焼き入れを行った。
前記シャフトのシャフト端部Ａ及びシャフト中間部Ｂにおいて、レーザ光照射面のシャフト長手方向、および円周方向の残留応力をＸ線応力測定法により測定した。
【０００９】
前記シャフトのシャフト端部Ａのレーザ焼き入れ実験について
前記シャフトのシャフト端部Ａにレーザパワー３ｋＷ、回転速度1rps一定として、照射時間を0.8〜2.0secまで変化させてレーザ焼き入れを行った時の円周内８点の硬さを図２に示す。照射時間が１sec以下の場合は、シャフト端部Ａ円周内において硬さがＨｖ400以下の部分が存在し、それ以上の照射時間の場合は、円周全てにおいてＨｖ400以上の硬さとなった。その際、硬さのばらつきが最も小さい照射時間は1.6secでＲ/Ｘ＝9％のばらつきであり、平均硬さはＨｖ656を示した。このときの円周内の詳細な硬さ分布を図３に示す（放射線軸上の〇印の個所）。照射時間が1.0sec以下と短い条件において、硬化されない部分が円周内の一部分に存在しており照射不足がわかる。また、時間が長くオーバーラップが多い場合でも、再び硬さが低下する傾向も確認される。
シャフト端部Ａへのレーザ光照射は、振れ変形に影響を与えないことが判明しているが、0.8〜2.0secまでの照射時間での振れ変形量は全て5μｍ以下となっており問題は無かった。
これらの結果からシャフト端部Ａへのレーザ光照射条件は、レーザパワー3.0ｋＷ,照射時間1.4sec〜1.8sec,回転速度1rpsの条件が最適であると考えられる。
【００１０】
前記シャフトのシャフト中間部Ｂのレーザ焼き入れ実験について
前記シャフトのシャフト中間部Ｂに回転速度2rps一定として、レーザパワー3ｋＷ及び2.5ｋＷでそれぞれ照射時間を0.8〜2.0sec及び0.8〜2.6secまで変化させてレーザ焼き入れを行った時の円周内8点の硬さを図４及び図５に、その時の振れ変形量を図６及び図７に示す。
図４のレーザパワー3.0ｋＷ及び図５のレーザパワー2.5ｋＷに示すように、両条件共に照射時間が短い場合には、Ｈｖ400以下の硬さとなる部分が存在することがわかる。また、照射時間が長いほど硬さは上昇する傾向が確認されるが、図４のレーザパワー3.0ｋＷ条件ではシャフト端部Ａと同様に照射時間が長すぎる場合に硬さが低下する傾向も確認された。これらの条件において、シャフト中間部Ｂ円周内全てにおいてＨｖ400以上の硬さを得られる照射時間は、それぞれレーザパワー3ｋＷでは照射時間1.6〜2.0sec、レーザパワー2.5ｋＷでは照射時間1.8〜2.6secの間となった。この時の振れ変形量は、図６に示すようにレーザパワー3ｋＷの場合はレーザ光照射時間1.4sec以下の時に、図７に示すようにレーザパワー2.5ｋＷの場合には、レーザ光照射時間2.6sec以下の時に規格値の10μｍ以下を満足することが確認された。
【００１１】
上述の硬さと振れ変形の関係を考慮してレーザ光照射時間とパワーの関係を図８に示す。これにより、振れ変形が少なく照射後の硬さの向上が期待できる最も時間が短いレーザ光照射条件はレーザパワー2.75ｋＷ,照射時間1.6sec〜1.8sec（図８の＋印の個所）と考えられ、シャフト中間部Ｂのレーザ光照射条件として選択可能であることがわかる。
ここで、シャフト中間部Ｂの処理条件における照射時間のマージンを把握するため、回転速度2rpsでレーザパワーを2.75ｋＷとし、照射時間を1.2〜2.2secまで変化させた時の硬さ、および振れ変形をそれぞれ測定した結果を図９及び図１０に示す。図９に示すように照射時間1.6sec以上でＨｖ400以上の硬さを示し、照射時間1.8secにおいて最大値となる。照射時間が短い場合は、硬さばらつきも大きく注意が必要である。また、図１０に示すように振れ変形は照射時間1.8sec以下の場合に規格値の10μｍ以下となるが、それ以上の照射時間では規格値を満足できなくなるため、注意が必要である。
【００１２】
ターボチャージャー用シャフトは、１分間に10万回転を越える速度で回転するため、加工精度がきわめて重要であり、最終加工後にレーザ光を照射することにより硬化処理を行い、上述のような硬さと振れ変形を満足する条件領域が存在することがわかった。
レーザ光照射時のシャフト中間部Ｂへのレーザ光照射よる振れ変形に関して、振れ変形量およびその方向の関係を把握するため、レーザパワー2.75ｋＷ，回転速度2rps、照射時間1.2〜2.2secの条件でシャフト中間部Ｂにレーザ光照射した時の硬さ分布及び振れ変形図を図１１及び図１２にそれぞれ示す。
【００１３】
図１１に示すようにレーザ光照射により表層の組織がマルテンサイト変態することで硬化層が形成され硬さの向上が生じるが、1.4sec以下と照射時間が短い場合の硬さは向上されない。この時の断面マクロ組織は、マルテンサイト層の厚さがきわめて薄くなっている。また、照射時間が硬さを向上させるために十分な場合、マルテンサイト変態層が比較的厚くなっている。このように、マルテンサイト変態層の厚さは照射時間により変化するが、円周方向の厚さの均一性も変化している。
図１２から振れ変形は、照射時間が長いほど多くなることがわかる。すなわち、振れ変形は硬化層が厚いほど多くなる。その際、マクロ組織と振れ変形の方向を対応させると、硬化層が厚い方から薄い方に変形することがわかる。
以上のことから、振れ変形を小さく押さえるためには、厚さの均一な硬化層を生成させることが重要であり、硬化層の厚さを均一にするには回転速度2rpsの方が回転速度1rpsよりも有利であることが確認できた。
【００１４】
一般に、機械構造物の最終加工表面は、疲労強度や耐磨耗性等を考慮する場合、圧縮応力となっていることが有利であると考えられる。そこで、レーザ光を照射することによるシャフト端部Ａ及びシャフト中間部Ｂ照射面の残留応力挙動を把握するため、レーザ光照射前後に残留応力を測定した。レーザ光照射前の表面は、シャフト端部Ａ及びシャフト中間部Ｂともに円筒研削加工が行われた表面となっており、面粗度は、0.1μｍ程度であり、レーザ光照射による面粗度の増大はシールド不良が生じない限り確認されなかった。図１３にレーザ光照射前のシャフト端部Ａ及びシャフト中間部Ｂにおける軸方向の残留応力分布を示す。シャフト端部Ａ及びシャフト中間部Ｂともに円筒研削による-230ＭＰａ程度の圧縮応力が残留した表面となっている。
図１４にシャフト端部Ａへレーザパワー3ｋＷ，回転速度1rps，照射時間1secの条件でレーザ光照射した後の硬さ、および軸方向の残留応力分布を、図１５にシャフト中間部Ｂへレーザパワー2.75ｋＷ，回転速度2rps，照射時間1.2〜2.2secの条件でレーザ光照射した後の軸方向の残留応力分布を示す。
【００１５】
図１４に示すように、シャフト端部Ａへのレーザ光照射後の硬さ分布は、硬さの向上および低下が生じた部分が確認でき、その部分に対応する残留応力は照射前の均一な圧縮応力分布から、それぞれ圧縮応力および引張応力へと変化することがわかる。これは、他の条件で処理した場合の硬さの向上あるいは低下した部分においても同様であった。したがって、レーザ光照射により硬さの低下が生じた表面は、比較的大きな引張応力が残留するため、硬さの低下に加えて残留応力の面においても大きな問題となることがわかった。
図１５に示すように、シャフト中間部Ｂへ照射時間を変化させてレーザ光照射した後の軸方向の残留応力分布では、照射時間が1.4sec以下と短い場合に照射前の圧縮応力から引張応力へと変化する部分が多く確認できる。しかし、照射時間が1.6sec以上の場合には、全て照射前の応力よりも高い圧縮応力を示すことが確認できた。このように、レーザ光照射で硬化した表面は比較的高い圧縮応力表面となることから、疲労強度あるいは耐摩耗性に関しては有利な方向になると考えられる。
【００１６】
レーザ光照射条件として最も注意が必要なことは振れ変形である。そのため、振れ変形への影響が少ないシャフト端部Ａへのレーザ光照射では、回転速度1rps条件を選択したが、シャフト中間部Ｂへのレーザ光照射条件は、回転速度2rps条件を選択した。これは、円筒部品のレーザ溶接の場合、オーバーラップ量により変形の度合いが異なり100％のオーバーラップ量すなわち2回転で照射すると変形が少なくなることを考慮して検討を行った。その結果、シャフト中間部Ｂのマルテンサイト変態層厚さの均一性が振れ変形に影響し、その偏りにより変形方向も決まることが明らかになった。すなわち、回転速度2rps条件の方が照射時間1rps条件よりも均一なマルテンサイト変態層形成に有利となるため、シャフト中間部Ｂの照射条件として照射時間2rps条件を選択した。
最終的な条件のため、振れ変形に注目してシャフト中間部Ｂのレーザ光照射時間を2種類とした以下の条件でエンジニアリングサンプル作製用シャフトのレーザ焼き入れを行った。すなわち、シャフト端部Ａ：レーザパワー3.0ｋＷ,照射時間1.6sec,回転速度1rps、シャフト中間部Ｂ：レーザパワー2.75ｋＷ,照射時間1.7および1.8sec,回転速度2rpsのレーザ光照射条件を用いた。その結果、シャフト中間部Ｂレーザ光照射時間1.8secにおいては、10μｍの振れ変形規格を満足しない場合が50％程度発生した。一方、シャフト中間部Ｂレーザ光照射時間が1.7secの場合は、振れ変形量5.6μｍ程度を示し全て規格を満足した。図１６にエンジニアリングサンプル作製用条件（シャフト中間部Ｂ：照射時間1.8sec）で処理したシャフトの硬さ、軸方向および円周方向の残留応力分布を示す。このように目的とする硬さの向上、照射面の高い圧縮応力を実現できることを確認した。
上述の検討結果、硬さの向上、少ない変形量、照射面の残留応力の制御等の条件を満たす最適条件は、以下の条件である。
シャフト端部Ａ：レーザパワー3.0ｋＷ,照射時間1.4sec〜1.8sec,回転速度1rps
シャフト中間部Ｂ：レーザパワー2.75ｋＷ,照射時間1.6sec〜1.8sec,回転速度2rps
【００１７】
ターボチャージャー向けタービンシャフトにおいて、耐久性向上を実現した製品の開発を目的として、軸受け部へのレーザ焼き入れについて検討し、以下の知見を得た。
（1）レーザ光照射によりシャフト曲がりが発生し、先端振れが大きくなる原因は、シャフト中間部Ｂへのレーザ光照射が支配的であり、シャフト円周部に生成されるマルテンサイト変態層厚さの不均一のためである。
（2）振れ変形の方向は、シャフト中間部Ｂへのレーザ光照射により、円周部に生成されるマルテンサイト変態層が厚い方から薄い方向へと変形が生じる。
（3）レーザ光照射で硬化処理した表面は比較的高い圧縮応力表面となることから、疲労強度あるいは耐磨耗性に関しては有利な方向になると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】レーザ焼き入れシャフトの概略説明図である。
【図２】シャフト端部Ａの照射時間と硬さの関係を示すグラフ図である。
【図３】シャフト端部Ａレーザ光照射時間と円周硬さ分布の関係を示すグラフ図である。
【図４】シャフト中間部Ｂの３．０ｋＷ照射時間と硬さの関係を示すグラフ図である。
【図５】シャフト中間部Ｂの２．５ｋＷ照射時間と硬さの関係を示すグラフ図である。
【図６】シャフト中間部Ｂの３．０ｋＷ照射時間と振れ変形の関係を示すグラフ図である。
【図７】シャフト中間部Ｂの２．５ｋＷ照射時間と振れ変形の関係を示すグラフ図である。
【図８】シャフト中間部Ｂのレーザ照射時間とパワーの関係を示すグラフ図である。
【図９】シャフト中間部Ｂの２．７５ｋＷ照射時間と硬さの関係を示すグラフ図である。
【図１０】シャフト中間部Ｂの２．７５ｋＷ照射時間と振れ変形の関係を示すグラフ図である。
【図１１】シャフト中間部Ｂレーザ光照射時間と円周硬さ分布の関係を示すグラフ図である。
【図１２】シャフト中間部Ｂレーザ光照射時間と変形の関係を示すグラフ図である。
【図１３】レーザ光照射前の残留応力分布を示すグラフ図である。
【図１４】レーザ光照射後のシャフト端部Ａ硬さと軸方向残留応力分布を示すグラフ図である。
【図１５】レーザ光照射後のシャフト中間部Ｂ軸方向残留応力分布を示すグラフ図である。
【図１６】シャフトのレーザ光照射後の特性を示すグラフ図である。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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