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JP7568903B2 - Crankshaft and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description

本発明は、クランクシャフト及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a crankshaft and a method for manufacturing the same.

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。 Induction hardening is sometimes performed on crankshafts to improve their fatigue strength. Induction hardened crankshafts may have heat treatment deformation (hardening bending) caused by the induction hardening.

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。 Patent Publication No. 4007033 discloses a crankshaft in which the induction hardened layer depth of the pin and the induction hardened layer depth of the journal at each of the arm critical cross sections in one throw of the crankshaft satisfy a specified relationship.

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。 JP 2006-328497 A discloses a high-frequency heating method in which, when performing high-frequency hardening on a steel plate member, a conductive protective plate is placed to cover a part of the steel plate member and high-frequency heating is performed.

特許第4007033号公報Patent No. 4007033 特開2006-328497号公報JP 2006-328497 A

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。 The object of the present invention is to provide a crankshaft that is less susceptible to heat bending and a method for manufacturing the same.

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。 A crankshaft according to one embodiment of the present invention is a crankshaft having a journal portion and a pin portion, each of which has a parallel portion having a constant outer diameter and a fillet portion formed continuously with the parallel portion, and at least one of the journal portion and the pin portion has a structure in which, over a length of at least 15.0% of the length of the parallel portion, the structure from the surface to a depth of at least 6.0% of the radius of the parallel portion contains 87.5% by volume or more of ferrite-pearlite, and the structure from the surface of the fillet portion to a depth of at least 6.0% of the radius of the parallel portion contains 87.5% by volume or more of martensite.

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点以上の温度から焼入れする工程を備える。 A method for manufacturing a crankshaft according to one embodiment of the present invention is the method for manufacturing the above-mentioned crankshaft, further comprising the step of quenching only the vicinity of the fillet portion from a temperature of Ac 3 point or higher by a high-frequency induction heating device.

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。 The present invention provides a crankshaft that is less susceptible to bending during quenching.

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。FIG. 1 is a schematic diagram of a crankshaft according to one embodiment of the present invention. 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。FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing the vicinity of a pin portion of the crankshaft shown in FIG. 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。FIG. 3 is a flow chart showing an example of a method for manufacturing the crankshaft of FIG. 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。FIG. 4 is a perspective view of a three-dimensional analysis model used in the simulation. 図5は、図4の3次元解析モデルの正面図である。FIG. 5 is a front view of the three-dimensional analysis model of FIG. 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。FIG. 6 is an enlarged view of the vicinity of the pin top of the three-dimensional analysis model of FIG. 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。FIG. 7 is a cross-sectional view showing the arrangement of induction coils in the simulation. 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。FIG. 8 is a cross-sectional view showing another arrangement of induction coils in the simulation. 図9Aは、No.1の組織分布を示す等高線図である。9A is a contour map showing the tissue distribution of No. 1. 図9Bは、No.3の組織分布を示す等高線図である。9B is a contour map showing the tissue distribution of No. 3. 図9Cは、No.5の組織分布を示す等高線図である。9C is a contour map showing the tissue distribution of No. 5. 図9Dは、No.6の組織分布を示す等高線図である。9D is a contour map showing the tissue distribution of No. 6.

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。 The following describes in detail an embodiment of the present invention with reference to the drawings. The same or corresponding parts in the drawings are given the same reference numerals and their description will not be repeated. The dimensional ratios between the components shown in each drawing do not necessarily represent the actual dimensional ratios.

[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。
[Crankshaft]
1 is a schematic diagram of a crankshaft 10 according to an embodiment of the present invention. The crankshaft 10 includes a journal portion 11, a pin portion 12, and an arm portion 13.

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。 The crankshaft 10 is made of, for example, steel for mechanical construction. The crankshaft 10 can be made of, but is not limited to, carbon steel for mechanical construction according to JIS G 4051:2009, steel for mechanical construction with guaranteed hardenability according to JIS G 4052:2008 (H steel), alloy steel for mechanical construction according to JIS G4053:2008, etc. Among these steels, S45C, S50C, and S53C according to JIS G 4051:2009, SMn438 according to JIS G 4053:2008, and steels to which S has been added to improve machinability are preferable.

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。 The chemical composition of the crankshaft 10 includes, in addition to Fe and impurities, by mass%, 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% or less, and S: 0.20% or less. The chemical composition of the crankshaft 10 may contain elements other than those listed above. The chemical composition of the crankshaft 10 may contain, for example, in mass%, 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%, and V: 0-0.20%.

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。 The journal portion 11 is connected to a cylinder block (not shown). The pin portion 12 is connected to a connecting rod (not shown). The arm portion 13 connects the journal portion 11 and the pin portion 12.

[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。
[Configuration of pin portion 12]
2 is an enlarged cross-sectional view of the pin portion 12 of the crankshaft 10. The pin portion 12 has a parallel portion 121 having a constant outer diameter and a fillet portion 122 formed continuously with the parallel portion 121. The thrust wall 14 and the pin top 15 are formed on the outside of the fillet portion 122. The parallel portion 121 is a portion that slides against a bearing of the connecting rod. The fillet portion 122 is a portion that connects the parallel portion 121 and the thrust wall 14, and is formed in a smooth shape to relieve stress concentration.

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。 In the crankshaft 10 according to this embodiment, the surface structure of the parallel portion 121 is mainly composed of ferrite and pearlite over a certain length, and the surface structure of the fillet portion 122 is mainly composed of martensite. The respective structure distributions of the parallel portion 121 and the fillet portion 122 are described in detail below.

[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。
[Structure and hardness of parallel portion 121]
In this embodiment, the structure from the surface to a depth d1 within the range of length L1 of the parallel portion 121 (the structure of region 121a in FIG. 2) is a structure containing 87.5 volume % or more of ferrite-pearlite. Here, the length L1 is 15.0% or more of the length L of the parallel portion 121, and the depth d1 is 6.0% or more of the radius R of the parallel portion 121. Here, "ferrite-pearlite" includes full pearlite.

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。 This configuration reduces the transformation expansion caused by martensitic transformation, and suppresses bending of the crankshaft 10.

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。 Length L1 is 15.0% or more of length L of parallel portion 121. From the viewpoint of reducing bending during quenching, the longer length L1 is, the more preferable. The lower limit of length L1 is preferably 30.0% of length L, more preferably 50.0% of length L, even more preferably 70.0% of length L, and even more preferably 80.0% of length L. On the other hand, if length L1 is too large, it may be difficult to make the structure of the surface layer of fillet portion 122 a structure mainly composed of martensite. The upper limit of length L1 is preferably 95.0% of length L.

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。 If the structure from the surface to the depth d1 of the parallel portion 121 within the length L1 contains 87.5 volume % or more of ferrite-pearlite, the effect of suppressing quench bending can be obtained. The structure at a position deeper than the depth d1 is arbitrary. The structure within the length L1 of the parallel portion 121 may be a structure mainly composed of ferrite-pearlite up to the core. The depth d1 is preferably 50.0% or more of the radius R, more preferably 80.0% or more of the radius R, and even more preferably 100.0% of the radius R. Here, the depth d1 being 100.0% of the radius R means that the structure within the length L1 of the parallel portion 121 is a structure mainly composed of ferrite-pearlite up to the core.

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。 The hardness from the surface to depth d1 within the range of length L1 of parallel portion 121 (hardness of region 121a in FIG. 2) is preferably HV400 or less. The hardness of region 121a is measured by taking a sample with a cross section (longitudinal cross section) parallel to the axial direction of crankshaft 10 as the measurement surface, and measuring the measurement surface in accordance with JIS Z 2244 (2009). The test force is 300 gf (2.942 N). The hardness of region 121a is preferably HV350 or less, and more preferably HV320 or less. The lower limit of the hardness of region 121a is, for example, HV220.

[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。
[Structure and hardness of fillet portion 122]
In this embodiment, the structure from the surface of the fillet portion 122 to a depth d2 (the structure of the region 122a in FIG. 2) contains 87.5 volume % or more of martensite. Here, the depth d2 is 6.0% or more of the radius R of the parallel portion 121. The depth d2 may be the same as or different from the depth d1.

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。 The fillet portion 122 is the part of the pin portion 12 that is subjected to the strongest stress. Furthermore, bending fatigue, which is a problem in the crankshaft 10, is predominantly influenced by the characteristics of the surface layer of the part. Therefore, by making the structure from the surface of the fillet portion 122 to a depth d2 mainly composed of martensite, a predetermined fatigue strength can be ensured.

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。 The structure at a position deeper than the depth d2 is arbitrary. The structure of the fillet portion 122 may be a structure mainly composed of martensite up to the core. From the viewpoint of ensuring fatigue strength, the greater the depth d2, the more preferable it is. The lower limit of the depth d2 is preferably 8.0% of the radius R, more preferably 10.0% of the radius R, and even more preferably 12.0% of the radius R. On the other hand, if the hardening depth of the fillet portion 122 is too large, it may be difficult to ensure a structure mainly composed of ferrite and pearlite in the parallel portion 121. The upper limit of the depth d2 is preferably 30.0% of the radius R, more preferably 25.0% of the radius R, and even more preferably 20.0% of the radius R.

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。 The hardness from the surface of the fillet portion 122 to a depth d2 (the hardness of the region 122a in FIG. 2) is preferably HV580 or more. The hardness of the region 122a is measured in accordance with JIS Z 2244 (2009) by taking a sample whose measurement surface is a cross section (longitudinal cross section) parallel to the axial direction of the crankshaft 10. The test force is 300 gf (2.942 N). The hardness of the region 122a is preferably HV600 or more, and more preferably HV620 or more. The upper limit of the hardness of the region 122a is, for example, HV800.

[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。
[Configuration of journal unit 11]
Although not shown, like the pin portion 12, the journal portion 11 also has a parallel portion having a constant outer diameter and a fillet portion formed continuously with the parallel portion.

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。 In the journal portion 11, as in the case of the pin portion 12, the structure from the surface to a depth of at least 6.0% of the radius of the parallel portion over a length of at least 15.0% of the length of the parallel portion contains 87.5% or more by volume of ferrite-pearlite. Also, in the journal portion 11, as in the case of the pin portion 12, the structure from the surface of the fillet portion to a depth of at least 6.0% of the radius of the parallel portion contains 87.5% or more by volume of martensite.

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。 With this configuration, as with the pin portion 12, it is possible to reduce the bending caused by annealing of the crankshaft 10 while ensuring a predetermined fatigue strength. The preferred size of the region in the parallel portion where the structure is mainly ferrite-pearlite and the preferred hardness range of the region, and the preferred size of the region in the fillet portion where the structure is mainly martensite and the preferred hardness range of the region are the same as those of the pin portion 12.

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。 The structure and hardness of the parts other than the journal portion 11 and the pin portion 12 (e.g., the arm portion 13) are optional.

[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。
[Manufacturing method of crankshaft]
Next, a description will be given of an example of a method for manufacturing the crankshaft 10. The manufacturing method described below is merely an example and is not intended to limit the method for manufacturing the crankshaft 10.

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。 Figure 3 is a flow diagram showing an example of a method for manufacturing the crankshaft 10. This manufacturing method includes a material preparation step (step S1), a hot forging step (step S2), a heat treatment step (step S3), a machining step (step S4), a quenching step (step S5), and a finishing step (step S6). Each step is described in detail below.

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。 A raw material for the crankshaft 10 is prepared (step S1). The raw material is, for example, a steel bar. The raw material can be produced, for example, by continuous casting or blooming molten steel having a predetermined chemical composition.

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。 The material is hot forged to produce the rough shape of the crankshaft (step S2). Hot forging may be performed in two stages: rough forging and finish forging.

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。 The crankshaft rough product produced by hot forging is subjected to heat treatment such as normalizing as necessary (step S3). The heat treatment step (step S3) is an optional step, and this step may be omitted depending on the required characteristics of the crankshaft, etc.

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。 The crankshaft rough product is machined (step S4). The machining includes cutting, grinding, drilling, etc. This process produces an intermediate product that has a shape close to that of the final product.

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。 The intermediate crankshaft that has been machined is quenched (step S5). Specifically, it is heated to a predetermined heating temperature and then quenched. At this time, for example, a high-frequency induction heating device is used to heat only the vicinity of the fillet portion of the journal portion 11 and the vicinity of the fillet portion 122 of the pin portion 12, and the parallel portion of the journal portion 11 and the parallel portion 121 of the pin portion 12 are prevented from being heated as much as possible. The heating location can be adjusted by the shape of the induction coil, the distance between the induction coil and the target portion, the output frequency, etc. This quenching may be performed in multiple steps. The heating temperature is Ac 3 or higher, preferably 900°C or higher. The quenching after heating is preferably water cooling. In order to suppress quench cracking, the intermediate product after quenching may be subjected to low-temperature tempering at a temperature that does not significantly affect the structure.

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。 Finishing is performed on the intermediate product after quenching as necessary (step S6). For example, grinding or lapping is performed on the journal portion 11 and the pin portion 12 to adjust the surface shape.

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。 The above describes the configuration of the crankshaft 10 according to one embodiment of the present invention and an example of a manufacturing method thereof. According to this embodiment, a crankshaft with reduced bending due to annealing is obtained.

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。 In the above embodiment, the surface structure of the parallel portion in a range of a certain length or more in both the journal portion 11 and the pin portion 12 is mainly composed of ferrite-pearlite, and the surface structure of the fillet portion is mainly composed of martensite. However, the crankshaft 10 may have only one of the journal portion 11 and the pin portion 12 that has the above-mentioned structure distribution. If at least one of the journal portion 11 and the pin portion 12 has the above-mentioned structure distribution, the effect of reducing quench bending can be obtained.

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。 When comparing the journal portion 11 and the pin portion 12, the pin portion 12 is more likely to bend due to annealing. This is because the thermal capacity of the pin top 15 (Figure 2) is smaller. Therefore, when only one of the journal portion 11 and the pin portion 12 is to have the above-mentioned texture distribution, it is preferable to have the pin portion 12 have the above-mentioned texture distribution. In this case, the pin top 15 can be made smaller, which also contributes to reducing the weight of the crankshaft 10. However, from the perspective of minimizing annealing bending, it is preferable to have both the journal portion 11 and the pin portion 12 have the above-mentioned texture distribution.

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。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples. The present invention is not limited to these examples.

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。 A simulation of the heat bending of the pin part of a crankshaft was carried out using the finite element method. Figures 4 to 6 show the three-dimensional analysis model used in this simulation. Figure 4 is a perspective view of this model, Figure 5 is a front view, and Figure 6 is an enlarged view of the area near the pin top. As shown in Figures 5 and 6, the thrust distance is 21.0 mm, the parallel part length L is 15.0 mm, the parallel part radius R is 24.0 mm, and the fillet part curvature radius is 3.0 mm, and only the half area on the pin top side was modeled to reduce the calculation load. The material constants of S45C were used for various calculations.

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/(mK)として20℃まで冷却した。結果を表1に示す。 The structure and hardness distribution, as well as the amount of displacement, were calculated when this crankshaft was induction hardened. Figures 7 and 8 are cross-sectional views showing the arrangement of induction coils in this simulation. In the arrangement of Figure 7, induction coils are arranged only near the fillet portion. In the arrangement of Figure 8, induction coils are arranged not only near the fillet portion but also near the parallel portion. Using these induction coils, induction heating was performed with an output frequency of 10 kHz and a current application time of 22 seconds, and after heating, the crankshaft was cooled to 20°C with a heat transfer coefficient of 40 kW/(m 2 K) simulating water cooling. The results are shown in Table 1.

Figure 0007568903000001
Figure 0007568903000001

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。 In Table 1, the "Coil Arrangement" column with "Fillet" indicates data simulating induction hardening with the coil arrangement in Figure 7, while the "Fillet + Parallel" column indicates data simulating induction hardening with the coil arrangement in Figure 8. The values in the "Current" column are the current values passed through the induction coil, and are listed as relative values with the current value of No. 6 set to 100%.

「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。 The value in the "Pin top x-direction displacement" column is the amount of displacement in a direction parallel to the axial direction of the crankshaft at the position of point P2 in Figure 6, and is listed as a percentage of the parallel section length (15.0 mm). The value in the "Pin top y-direction displacement" column is the amount of displacement in a direction perpendicular to the axial direction of the crankshaft at the position of point P2 in Figure 6, and is listed as a percentage of the parallel section radius (24.0 mm). The value in the "Parallel section y-direction displacement" column is the amount of displacement in a direction perpendicular to the axial direction of the crankshaft at the position of point P1 in Figure 5, and is listed as a percentage of the parallel section radius (24.0 mm).

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。 Figures 9A to 9D are contour maps showing the microstructure distribution of No. 1, No. 3, No. 5, and No. 6, respectively. In these figures, "M ≧ 87.5%" indicates the region where the volume fraction of martensite is 87.5% or more, and "α + P ≧ 87.5%" indicates the region where the volume fraction of ferrite-pearlite is 87.5% or more.

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。 As shown in Table 1, No. 1 to No. 4, in which L1/L was 15.0% or more, showed less bending due to annealing, and in particular, the amount of displacement of the pin top in the x direction was smaller, compared to No. 5 and No. 6, in which L1/L was less than 15.0%.

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。 Although one embodiment of the present invention has been described above, the above-mentioned embodiment is merely an example for implementing the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment, and it is possible to implement the above-mentioned embodiment by appropriately modifying it within the scope that does not deviate from the spirit of the present invention.

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
10 Crankshaft 11 Journal portion 12 Pin portion 121 Parallel portion 122 Fillet portion 13 Arm portion 14 Thrust wall 15 Pin top

Claims (3)

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。
A crankshaft including a journal portion and a pin portion,
each of the journal portion and the pin portion has a parallel portion having a constant outer diameter and a fillet portion formed continuously with the parallel portion;
The pin portion further includes a thrust wall and a pin top.
In the pin portion,
the parallel portion has a structure including 87.5% by volume or more of ferrite-pearlite in a length of at least 70.0 % of the length of the parallel portion from the surface to a depth of at least 80.0 % of the radius of the parallel portion;
a structure from the surface of said fillet portion to a depth of at least 12.0 % of the radius of said parallel portion, and a structure of said thrust wall and said pin top, each of said crankshafts is a structure containing 87.5% by volume or more of martensite.
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。
2. The crankshaft of claim 1,
In the pin portion,
the parallel portion has a hardness of HV400 or less along a length of at least 70.0 % of the length of the parallel portion from a surface to a depth of at least 80.0 % of the radius of the parallel portion;
The hardness of the crankshaft, from the surface of the fillet portion to a depth of at least 12.0 % of the radius of the parallel portion, is HV580 or more.
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。
A method for manufacturing a crankshaft according to claim 1 or 2, comprising the steps of:
A method for manufacturing a crankshaft, comprising a step of hardening only the vicinity of the fillet portion from a temperature of Ac 3 or higher using a high-frequency induction heating device.
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