具体实施方式

在上述的日本特开2017-218951号公报、国际公开第2016/072305号和日本特许第5503417号公报中，使用粗糙度曲线的算术平均高度Ra(以下称为“平均粗糙度Ra”。)来限定表面形状。但是，利用平均粗糙度Ra的限定存在以下所述的问题。

在以曲轴为代表的工业产品的表面形状中，除了短周期成分(粗糙度)以外，还包含很多来自于磨削机的振动等的长周期成分(波纹度)。平均粗糙度Ra基于利用高通滤波器去除了波纹度成分的粗糙度曲线，因此很难说准确地评价了实际的表面形状。另外，平均粗糙度Ra的值根据在获取粗糙度曲线时使用的高通滤波器的截止值λc而较大地变动。

实际上，即使平均粗糙度Ra为相同程度，耐烧结性也会根据波纹度的大小而较大地变动。因此，作为对耐烧结性进行控制的指标，使用将截面曲线设成轮廓曲线的评价参数是合适的。

另外，即使平均粗糙度Ra为相同程度，耐烧结性也会根据突起、谷的形状而变动。具体而言，即使平均粗糙度Ra为相同程度，在突起的高度较大的情况下，与对方材料的接触频率增加，耐烧结性降低。

本发明人制作了具有各种表面形状的试验轴，对耐烧结性进行了评价，对表面形状和耐烧结性的关系进行了调査。其结果明确了，通过将截面曲线的算术平均高度Pa设为0.090μm以下且将突出峰部高度Rpk设为0.070μm以下，能够使耐烧结性与以往相比显著提高。

本发明是基于以上的见解而完成的。以下参照附图详细地说明本发明的实施方式。对附图中相同或相当的部分标注相同的附图标记，不重复进行其说明。各附图所示的构成构件间的尺寸比不一定表示实际的尺寸比。

[曲轴]

图1是本发明的一实施方式的曲轴10的概略图。曲轴10包括轴颈部11、销部12和臂部13。

曲轴10例如由机械构造用钢材制成。曲轴10不限于此，能够使用由JIS G4051:2009的机械构造用碳钢钢材、JIS G 4052:2008的保证淬硬性的机械构造用钢钢材(H型钢)、JIS G 4053:2008的机械构造用合金钢钢材等制成的曲轴。在这些钢材中，优选的是JIS G 4051:2009的S45C和S50C以及JIS G 4053:2008的SMn438，另外，特别优选的是，为了提高切削性而在这些钢材中添加了硫的钢材。

曲轴10的化学组成例如以质量％计而包含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。曲轴10的化学组成也可以含有上述以外的元素(例如V、Nb等)。

轴颈部11与曲轴10的中心轴线同轴地形成，并且与汽缸体(未图示)连结。销部12形成于远离曲轴10的中心轴线的位置，并且与连杆(未图示)连结。臂部13将轴颈部11和销部12连接。

轴颈部11和销部12分别具有截面曲线的算术平均高度Pa为0.090μm以下且突出峰部高度Rpk为0.070μm以下的表面形状。在此，截面曲线的算术平均高度Pa为由JIS B 0601(2001)定义的值，突出峰部高度Rpk为由JIS B 0671(2002)定义的值。

图2和图3分别是截面曲线和粗糙度曲线的例子。图4是表示粗糙度曲线和负载曲线的关系的图，图5是用于说明突出峰部的图。参照这些附图，对截面曲线的算术平均高度Pa和突出峰部高度Rpk的测量方法进行说明。

从曲轴10的测量对象部位(轴颈部11和销部12)提取试片，使用接触式粗糙度试验机来取得测量截面曲线。接触粗糙度试验机的触针的顶端半径设为2μm，圆锥的锥角设为60°。扫描速度设为0.5mm/s以下，测量长度设为5mm以上。

对测量截面曲线应用截止值λs的低通滤波器，得到截面曲线(参照图2。)。将截面曲线作为轮廓曲线，求出评价长度l的Z(x)的绝对值的平均值，作为截面曲线的算术平均高度Pa。在此，Z(x)是位置x处的纵坐标。截止值λs设为2.5μm，评价长度l设为5mm。

对截面曲线应用截止值λc的高通滤波器，得到粗糙度曲线(参照图3)。得到粗糙度曲线时的截止值λc设为0.25mm。

根据粗糙度曲线求出负载曲线。负载曲线是指将粗糙度曲线的负载长度比Rmr表示为负载水平c的函数的曲线(参照图4)。求出负载曲线时的评价长度l设为5mm。

在包括粗糙度曲线的测量点的40％的负载曲线的中央部分，将使负载长度比的差ΔMr为40％而引出的负载曲线的割线成为最为平缓的倾斜的直线作为等价直线，将等价直线在负载长度比为0％和100％的位置与纵轴相交的两个高度位置之间作为中心部。将位于中心部之上的突出峰部的平均高度设为突出峰部高度Rpk(参照图5)。

将截面曲线的算术平均高度Pa设为0.090μm以下，且将突出峰部高度Rpk设为0.070μm以下，由此能够使耐烧结性与以往相比显著提高。截面曲线的算术平均高度Pa优选为0.080μm以下。突出峰部高度Rpk优选为0.060μm以下。

[曲轴的制造方法]

接下来对曲轴10的制造方法的一例进行说明。以下说明的制造方法说到底只是例示，并不限定曲轴10的制造方法。

图6是表示曲轴10的制造方法的一例的流程图。该制造方法包括准备原材料的工序(步骤S1)、热锻工序(步骤S2)、热处理工序(步骤S3)、机械加工工序(步骤S4)、表面硬化处理工序(步骤S5)以及精加工工序(步骤S6)。以下详细说明各工序。

准备曲轴10的原材料(步骤S1)。曲轴10的原材料不限于此，例如能够使用化学组成以质量％计而包含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％以下的原材料。曲轴10的原材料也可以含有上述以外的元素(例如V、Nb等)。

原材料例如为棒钢。原材料例如能够通过对具有上述的化学组成的钢液进行连续铸造或开坯来制造。

对原材料进行热锻而形成曲轴的粗制形状(步骤S2)。热锻可以分为粗锻和精锻地实施。

根据需要对通过热锻制造而成的曲轴的粗制品实施正火等热处理(步骤S3)。热处理工序(步骤S3)为任意的工序，根据有些曲轴的需求特性等也可以省略该工序。

对曲轴的粗制品进行机械加工(步骤S4)。机械加工是切削加工、磨削加工、开孔加工等。通过该工序来制造具有接近最终产品的形状的中间产品。

根据需要对机械加工后的曲轴的中间产品实施表面硬化处理(步骤S5)。表面硬化处理例如是圆角滚压加工、高频淬火、软氮化等。表面硬化处理工序(步骤S5)为任意的工序，根据有些曲轴的需求特性等也可以省略该工序。

表面硬化处理既可以对曲轴的中间产品整体进行实施，也可以仅对作为滑动部位的轴颈部和销部实施。

在实施表面硬化处理工序(步骤S5)的情况下，若表面的组织不均匀，则在后述的精加工工序(步骤S6)中难以去除表面的波纹度。为了使表面的组织均匀，例如可以考虑在高频淬火的情况下，升温至Ac₃点以上而使表面的组织完全转变为奥氏体之后进行淬火等。

对曲轴的中间产品实施精加工(步骤S6)。精加工工序(步骤S6)包含磨削工序(步骤S6-1)、粗抛光工序(步骤S6-2)以及精抛光工序(步骤S6-3)。

首先对轴颈部11和销部12进行磨削(步骤S6-1)。为了减小截面曲线的平均高度Pa，需要减小粗糙度和波纹度这两者。其中，粗糙度依赖于磨削中使用的磨粒的大小。因此，优选的是使用尽可能细的磨粒来进行磨削。

由于机械加工(步骤S4)时的工具的进给、振动，在轴颈部11和销部12存在有几百μm～几毫米周期的波纹度。即使充分地减小粗糙度(即使充分地减小粗糙度曲线的算术平均高度Ra)，若残留有波纹度，则截面曲线的算术平均高度Pa也不会变小。因此，在磨削工序(步骤S6-1)中，需要在Ra变小之后仍继续进行磨削，充分地去除波纹度。

接下来对轴颈部11和销部12进行抛光。具体而言，使用涂覆有微小的磨粒的膜来对轴颈部11和销部12进行研磨。抛光分为粗抛光工序(步骤S6-2)和精抛光工序(步骤S6-3)地实施，在粗抛光工序(步骤S6-2)中使用涂覆有氧化铝磨粒的膜，在精抛光工序(步骤S6-3)中使用涂覆有金刚石磨粒的膜。

通过抛光工序(步骤S6-2和S6-3)，对轴颈部11和销部12的表面的锐利的突起部进行切削，从而能够得到平坦表面。由此能够减小突出峰部高度Rpk。

在进行抛光工序(步骤S6-2和S6-3)时，为了防止成为日本特开2004-276121号公报中所记载的那样的中凹状的形状，优选实施以下的(1)～(4)。(1)使用宽度较窄的膜在沿着轴向进给的同时进行研磨。由此，润滑油易于到达膜中央部。(2)将磨粒尽可能设成小径。由此，缺口深度变浅，因此缓和过度的磨削。(3)提高工件的旋转速度，且减小压靠力。由此，能够增加膜与工件之间的油(水)膜的厚度。(4)增加润滑油(水)的量。由此，能够增加膜与工件之间的油(水)膜的厚度。

在粗抛光工序(步骤S6-2)和精抛光工序(步骤S6-3)的任一工序中，均尽可能地减小曲轴的轴向上的膜的进给速度。由此，能够去除微小的波纹度，能够进一步减小截面曲线的算术平均高度Pa。

以上对本发明的一实施方式的曲轴10的结构及其制造方法的一例进行了说明。根据本实施方式，能够得到耐烧结性优异的曲轴。

实施例

以下利用实施例更加具体地说明本发明。本发明不限定于这些实施例。

将具有表1所示的化学组成的钢作为原材料，制作了烧结试验用的试验轴。图7表示制作试验轴时的加热曲线图。

[表1]

表1

具体而言，将原材料在1250℃下加热了1小时之后，在1100℃～850℃下实施热锻，锻造结束后，空气冷却至室温。之后实施在1250℃下加热了20分钟后进行空气冷却的正火，之后通过机械加工(切削加工)使外径为约48mm。然后实施高频淬火而将表面硬度调节为HV650。

作为精加工，分别实施(1)仅磨削、(2)磨削+粗抛光以及(3)磨削+粗抛光+精抛光，来制作具有各种表面形状的试验轴。粗抛光使用涂覆有粒径为9μm-15μm的氧化铝磨粒的膜，精抛光使用涂覆有粒径为1μm-3μm(#8000-#4000)的金刚石磨粒的膜来进行。试验轴的外径调节为与后述的烧结试验中使用的轴承的间隙成为约0.090mm。

使用接触粗糙度试验机(株式会社三丰制SJ-412)，按照实施方式中说明的方法对所制作的试验轴的表面形状进行了测量。

在图8中表示所制作的试验轴的截面曲线的例子。左侧是仅实施了磨削的试验轴的截面曲线，右侧是在磨削的基础上还实施了抛光的试验轴的截面曲线。如图8所示可知，在仅实施了磨削的试验轴中，存在锐利的突出峰部，峰部呈三角形形状，与此相对，对于在磨削的基础上实施了抛光的试验轴而言，突出峰部被切削，峰部呈梯形形状。

接着使用所制作的试验轴实施了烧结试验。使用神钢造机株式会社制曲柄金属耐磨损烧结性评价装置实施了烧结试验。将评价装置20的示意图示于图9。将试验轴TP插入到多个轴承21中，向轴承21供油，同时利用电动机(未图示)使试验轴TP以8000rpm旋转。轴承的金属使用了HV40～HV50的铝合金。润滑油设为0W-20，供油温度设为140℃，油压设为0.8MPa。

在该状态下，将轴承21中的一个轴承下拉而使施加于试验轴TP的表面压力阶段性地增加，与此同时进行运转直至烧结发生。在图10中示意性地表示施加于试验轴TP的表面压力随时间的变化。同一表面压力下的保持时间设为3分钟，每一步的表面压力增加幅度设为4.35MPa，表面压力增加所需的时间设为15秒钟。在试验轴TP的表面温度变为280℃以上或施加于试验轴的扭矩变为25Nm以上时，判断为发生了烧结。

将各试验轴的精加工的条件、表面形状以及烧结表面压力示于表2。

[表2]

表2

图11是表示平均粗糙度Ra和截面曲线的算术平均高度Pa的关系的图。由图11可知，即使Ra的值相同，Pa的值也有可能不同。

图12是表示精加工的条件和表面形状(Pa和Rpk)的关系的图。由图12可知，若作为精加工而在磨削的基础上实施抛光，则与仅磨削的情况相比，存在突出峰部高度Rpk变小的趋势。另外可知，通过实施磨削、粗抛光以及精抛光，能够得到截面曲线的算术平均高度Pa为0.090μm以下且突出峰部高度Rpk为0.070μm以下的表面形状。

图13是表示Pa和烧结表面压力的关系的图。由图13可知，截面曲线的算术平均高度Pa越小，则烧结表面压力越大。另外可知，通过在磨削的基础上实施抛光，与仅磨削的情况相比，能够增大烧结表面压力。进而可知，在实施磨削、粗抛光以及精抛光而设为Pa：0.090μm以下且Rpk：0.070μm以下的试验轴中，烧结表面压力显著地提高。

图14是比较例(标号15)的试验轴的截面曲线。图15是实施例(标号1)的试验轴的截面曲线。由对图14和图15的比较可知，在实施例的试验轴(图15)中，不仅表面粗糙度变小，而且波纹度也变小。

根据以上的结果确认，通过将截面曲线的算术平均高度Pa设为0.090μm以下且将突出峰部高度Rpk设为0.070μm以下，能够使耐烧结性与以往相比显著提高。

以上对本发明的一实施方式进行了说明，但上述的实施方式不过是用于实施本发明的例示。因此，本发明不限定于上述的实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内对上述的实施方式适当进行变形来实施。