(57)【要約】【課題】ロッド本体部の強度に優れ、軽量化に適したコンロッドおよびその製造方法を提供する。【解決手段】本発明によるコンロッド１は、ロッド本体部１０と、ロッド本体部１０の一端および他端に設けられた小端部２０および大端部３０とを備え、鋼から形成されている。ロッド本体部１０の表面の少なくとも一部における圧縮残留応力は、１０００ＭＰａ以上である。ロッド本体部１０の表面から０．１ｍｍの深さにおける炭素含有量は、０．８ｗｔ％以上であり、ロッド本体部１０の表面から深さ０．５μｍまでの炭素含有量は、０．２ｗｔ％以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロッド本体部と、前記ロッド本体部の一端および他端に設けられた小端部および大端部とを備え、
鋼から形成されたコンロッドであって、
前記ロッド本体部表面の少なくとも一部における圧縮残留応力は、１０００ＭＰａ以上であり、
前記ロッド本体部の表面から０．１ｍｍの深さにおける炭素含有量は、０．８ｗｔ％以上であり、
前記ロッド本体部の表面から深さ０．５μｍまでの炭素含有量は、０．２ｗｔ％以下であるコンロッド。
【請求項２】
前記ロッド本体部の表面から深さ０．５μｍまでの炭素含有量は、０．０５ｗｔ％以上である請求項１に記載のコンロッド。
【請求項３】
前記ロッド本体部表面の少なくとも一部における圧縮残留応力は、１２００ＭＰａ以上である請求項１または２に記載のコンロッド。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載のコンロッドを備える内燃機関。
【請求項５】
請求項４に記載の内燃機関を備える輸送機器。
【請求項６】
ロッド本体部と、前記ロッド本体部の一端および他端に設けられた小端部および大端部とを備えるコンロッドの製造方法であって、
０．１ｗｔ％以上０．４５ｗｔ％以下の炭素を含む鋼から形成されたワークピースを用意する工程（Ａ）と、
前記ワークピースに対して、０．８％以上のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下での複数回の浸炭処理を含む熱処理を行う工程（Ｂ）と、
前記熱処理工程の後に、前記ワークピースに対して微粒子ショットピーニングを行う工程（Ｃ）と、を包含し、
前記工程（Ｂ）は、前記複数回の浸炭処理のうちの最後の浸炭処理後に、０．２％以下のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下に前記ワークピースを所定時間保持する工程（ｂ−１）を含むコンロッドの製造方法。
【請求項７】
前記工程（Ｂ）は、前記工程（ｂ−１）の後に前記ワークピースに対して焼入れを行う工程（ｂ−２）を含む請求項６に記載のコンロッドの製造方法。
【請求項８】
前記工程（ｂ−１）において、０．２％以下のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下に前記ワークピースを３０秒以上保持する請求項６または７に記載のコンロッドの製造方法。
【請求項９】
前記工程（ｂ−１）において、０．２％以下のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下に前記ワークピースを５０秒未満保持する請求項６から８のいずれかに記載のコンロッドの製造方法。
【請求項１０】
前記微粒子ショットピーニングを行う工程は、前記ロッド本体部表面の少なくとも一部における圧縮残留応力が、１０００ＭＰａ以上となるように実行される請求項６から９のいずれかに記載のコンロッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンロッドおよびその製造方法に関する。また、本発明は、コンロッドを備えた内燃機関や輸送機器にも関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関には、ピストンとクランクシャフトとを連結するためにコンロッド（コネクティングロッド）と呼ばれる部材が用いられている。コンロッドは、棒状のロッド本体部（軸部）と、ロッド本体部の一端に設けられた小端部と、ロッド本体部の他端に設けられた大端部とを備える。小端部がピストンに接続されるのに対し、大端部はクランクシャフトに接続される。
【０００３】
コンロッドは、内燃機関の内部で往復運動する。従って、コンロッドを軽量化すると、内燃機関をよりスムーズに回転させることができ、また、振動が減少する。このように、コンロッドには軽量であることが求められている。
【０００４】
また、コンロッドには、燃焼室で生じた爆発力がピストンを介して伝えられるので、十分な強度が要求される。特に、高い回転数で運転される内燃機関（例えば自動二輪車用の内燃機関）では、コンロッドにはいっそう高い強度が求められるとともに、加速性能の向上のため、いっそうの軽量化が求められている。
【０００５】
鋼製コンロッドを高強度化する技術として、コンロッドの表面に炭素を浸透させる浸炭処理が知られている。浸炭処理により、コンロッドの表面近傍の炭素濃度が高くなるので、コンロッドの焼入れ後に表面硬度が高くなる。従って、コンロッドの強度が向上する。また、コンロッドを肉薄にしても十分な強度を確保できるので、コンロッドの軽量化を図ることもできる。なお、浸炭処理を行う場合でも、ロッド本体部には表面硬度が高くならないように浸炭防止処理が施されることが多い。ロッド本体部は靭性が高いことが好ましいからである。
【０００６】
特許文献１には、コンロッドの表面硬度をさらに高くする手法として、高濃度浸炭処理が提案されている。高濃度浸炭処理では、カーボンポテンシャル（ＣＰ）が０．８％以上である雰囲気下での浸炭を複数回行う。これにより、コンロッドの表面近傍に微細な粒状の炭化物が析出するとともに、表面近傍におけるマルテンサイト組織の結晶粒径が小さくなる。そのため、表面硬度が著しく高くなる。
【０００７】
ただし、高濃度浸炭処理においても、ロッド本体部の靭性を確保するために、ロッド本体部については他の部分よりも浸炭回数が少ないか、あるいは、全く浸炭が行われない。図８に、高濃度浸炭処理を行う場合のコンロッドの製造工程の例を示す。
【０００８】
まず、素材である鋼を鍛造によってコンロッドの形状に成形する（工程Ｓ１１）。次に、コンロッドの表面に防炭剤などによりマスキングを行う（工程Ｓ１２）。その後、機械加工を行うことによって小端部のピストンピン孔や大端部のクランクピン孔などを形成する（工程Ｓ１３）。
【０００９】
次に、１回目の浸炭および冷却（または焼入れ）を行う（工程Ｓ１４）。浸炭は、カーボンポテンシャルが０．８％以上である雰囲気下で行われる。このとき、クランクピン孔の内周面などのマスキングによって覆われていない部分（つまり機械加工の際の切削によりマスキングが除去された部分）では、表面近傍における炭素濃度が高くなる。一方、ロッド本体部のようにマスキングによって覆われている部分（つまり浸炭防止処理が施されている部分）では、炭素濃度はほとんど変化しない。続いて、コンロッドの表面に残っているマスキングを除去する（工程Ｓ１５）。
【００１０】
その後、２回目の浸炭、焼入れおよび焼戻しを順次行う（工程Ｓ１６）。２回目の浸炭もカーボンポテンシャルが０．８％以上である雰囲気下で行われる。このとき、コンロッド表面のマスキングは既に除去されているので、コンロッド全体にわたって表面近傍における炭素濃度が高くなる。最後に、小端部の内周面や大端部の内周面の研磨が施される（工程Ｓ１７）。
【００１１】
上述した製造方法によれば、浸炭防止処理が施されていない部分には２回浸炭が施される一方で、ロッド本体部のように浸炭防止処理が施されている部分には１回だけ浸炭が施される。そのため、ロッド本体部の靭性を確保しつつ、コンロッド全体の強度を大きく向上させることができる。
【００１２】
しかしながら、ロッド本体部をさらに細くしてコンロッドのいっそうの軽量化を図るために、ロッド本体部のさらなる高強度化が望まれている。例えば、ロッド本体部への浸炭防止処理を施すことなく、高濃度浸炭処理を行えば、ロッド本体部の表面硬度をさらに高くすることができる。ところが、その場合には、当然ながらロッド本体部の靭性が損なわれてしまう。
【００１３】
そこで、本願発明者は、高濃度浸炭処理が施されたコンロッドに対して、非特許文献１および２に開示されているような微粒子ショットピーニング（Fine Particle Bombarding：FPB）を行うことを検討した。微粒子ショットピーニングでは、ショット材として一般的なショットピーニングで用いられるものよりも格段に細かい微粒子（具体的には直径５００μｍ以下）が用いられる。微粒子ショットピーニングとは、このような微粒子を高速で金属部品の表面に衝突させ、これによって生じる種々の現象を利用して表面改質を行う技術である。
【００１４】
微粒子ショットピーニングを行うことにより、金属部品の表面に一般的なショットピーニングよりも大きな圧縮残留応力を付与することができるので、疲労強度が向上する。また、微粒子ショットピーニングを行うことにより、金属部品の表面近傍に高硬度で靭性に富んだナノ結晶組織が形成される。ナノ結晶組織は、１００ｎｍ以下の粒径を有し、表面から特定の深さ（０．５μｍ〜数μｍ程度）まで形成される。
【００１５】
高濃度浸炭処理が施されたコンロッドに対して、微粒子ショットピーニングを行うことにより、ロッド本体部の強度および靭性をともに高くすることが可能になると考えられる。
【特許文献１】特開２０００−３１３９４９号公報
【非特許文献１】加賀谷忠治、外一名，「微粒子の高速衝突現象を利用した表面創製の動向」，電気製鋼，２０００年１月，第７１巻，第１号，ｐ．５１−５８
【非特許文献２】高木眞一、外四名，「微粒子ピーニングによるＳＣｒ４２０浸炭焼入れ鋼表面のナノ結晶化」，鉄と鋼，２００６，第９２巻，第５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、本願発明者が実際に試作を行ったところ、高濃度浸炭処理が施されたコンロッドに対して微粒子ショットピーニングを行っても、十分な効果を得られないことがわかった。
【００１７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ロッド本体部の強度に優れ、軽量化に適したコンロッドおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明によるコンロッドは、ロッド本体部と、前記ロッド本体部の一端および他端に設けられた小端部および大端部とを備え、鋼から形成されたコンロッドであって、前記ロッド本体部表面の少なくとも一部における圧縮残留応力は、１０００ＭＰａ以上であり、前記ロッド本体部の表面から０．１ｍｍの深さにおける炭素含有量は、０．８ｗｔ％以上であり、前記ロッド本体部の表面から深さ０．５μｍまでの炭素含有量は、０．２ｗｔ％以下である。
【００１９】
ある好適な実施形態において、前記ロッド本体部の表面から深さ０．５μｍまでの炭素含有量は、０．０５ｗｔ％以上である。
【００２０】
ある好適な実施形態において、前記ロッド本体部表面の少なくとも一部における圧縮残留応力は、１２００ＭＰａ以上である。
【００２１】
本発明による内燃機関は、上記構成を有するコンロッドを備える。
【００２２】
本発明による輸送機器は、上記構成を有する内燃機関を備える。
【００２３】
本発明によるコンロッドの製造方法は、ロッド本体部と、前記ロッド本体部の一端および他端に設けられた小端部および大端部とを備えるコンロッドの製造方法であって、０．１ｗｔ％以上０．４５ｗｔ％以下の炭素を含む鋼から形成されたワークピースを用意する工程（Ａ）と、前記ワークピースに対して、０．８％以上のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下での複数回の浸炭処理を含む熱処理を行う工程（Ｂ）と、前記熱処理工程の後に、前記ワークピースに対して微粒子ショットピーニングを行う工程（Ｃ）と、を包含し、前記工程（Ｂ）は、前記複数回の浸炭処理のうちの最後の浸炭処理後に、０．２％以下のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下に前記ワークピースを所定時間保持する工程（ｂ−１）を含む。
【００２４】
ある好適な実施形態において、前記工程（Ｂ）は、前記工程（ｂ−１）の後に前記ワークピースに対して焼入れを行う工程（ｂ−２）を含む。
【００２５】
ある好適な実施形態において、前記工程（ｂ−１）において、０．２％以下のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下に前記ワークピースを３０秒以上保持する。
【００２６】
ある好適な実施形態において、前記工程（ｂ−１）において、０．２％以下のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下に前記ワークピースを５０秒未満保持する。
【００２７】
ある好適な実施形態において、前記微粒子ショットピーニングを行う工程は、前記ロッド本体部表面の少なくとも一部における圧縮残留応力が、１０００ＭＰａ以上となるように実行される。
【００２８】
本発明によるコンロッドでは、ロッド本体部の表面から０．１ｍｍの深さにおける炭素含有量が、０．８ｗｔ％以上である。つまり、本発明によるコンロッドは、高濃度浸炭処理を施されている。また、本発明によるコンロッドでは、ロッド本体部表面の少なくとも一部における圧縮残留応力が、１０００ＭＰａ以上である。つまり、本発明によるコンロッドは、一般的なショットピーニングで付与されるのよりも大きな圧縮残留応力を付与されている。１０００ＭＰａ以上の圧縮残留応力は、具体的には、微粒子ショットピーニングにより付与することができる。従来、高濃度浸炭処理が施されたコンロッドに対して微粒子ショットピーニングを行った場合、ナノ結晶の粒界に析出した炭素がナノ結晶層の脆化の原因となった。これに対し、本発明によるコンロッドでは、ロッド本体部の最表層、つまり、ロッド本体部の表面から深さ０．５μｍまでの炭素含有量が０．２ｗｔ％以下と低いので、微粒子ショットピーニングの際に形成されるナノ結晶の粒界に炭素が析出しにくい。従って、ナノ結晶層の脆化が抑制され、ロッド本体部の表面におけるナノ結晶層の硬度を十分に高く維持することができる。そのため、本発明によるコンロッドは、ロッド本体部の強度に優れ、軽量化に適している。
【００２９】
なお、ロッド本体部の最表層の炭素含有量が低すぎると、高濃度浸炭処理の効果が十分に得られないことがある。そのため、ロッド本体部の表面から深さ０．５μｍまでの炭素含有量は、０．０５ｗｔ％以上であることが好ましい。
【００３０】
疲労強度のいっそうの向上を図る観点からは、ロッド本体部表面の少なくとも一部における圧縮残留応力は、１２００ＭＰａ以上であることが好ましい。
【００３１】
本発明によるコンロッドは、各種の内燃機関に好適に用いられる。本発明によるコンロッドは、軽量化に適しているため、本発明によるコンロッドを備えた内燃機関では、応答性が向上する。また、コンロッドが軽量化されることにより、内燃機関における往復部の重量が減少するので、一次振動（ピストンやコンロッドを含む往復部の往復運動によってクランクシャフト一回転につき一回の周期で発生する振動）を低減できる。さらに、本発明によるコンロッドは、疲労強度に優れているので、内燃機関の信頼性も向上する。
【００３２】
本発明によるコンロッドを備えた内燃機関を輸送機器に用いると、一次振動が少ないので、乗員が感じる不快な振動が低減される。また、内燃機関および車体に対して振動対策を施さなくてもよいので、大幅な軽量化を実現できる。
【００３３】
本発明によるコンロッドの製造方法では、０．１ｗｔ％以上０．４５ｗｔ％以下の炭素を含む鋼から形成されたワークピースに対して、０．８％以上のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下での複数回の浸炭処理を含む熱処理が行われる。つまり、高濃度浸炭処理が行われる。さらに、高濃度浸炭処理が施されたワークピースに対して、微粒子ショットピーニングが行われる。この微粒子ショットピーニングにより、ワークピースの表面に、大きな圧縮残留応力を付与することができる。本発明によるコンロッドの製造方法では、複数回の浸炭処理のうちの最後の浸炭処理後に、０．２％以下のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下にワークピースを所定時間保持する工程（脱炭工程）が行われるので、コンロッドの最表層の炭素含有量を十分に低下させることができる。具体的には、ロッド本体部の表面から深さ０．５μｍまでの炭素含有量を０．２ｗｔ％以下にすることができる。従って、微粒子ショットピーニングの際に形成されるナノ結晶の粒界に炭素が析出しにくいので、ナノ結晶層の脆化が抑制され、ロッド本体部の表面におけるナノ結晶層の硬度を十分に高く維持できる。そのため、本発明によるコンロッドの製造方法によれば、ロッド本体部の強度に優れ、軽量化に適したコンロッドを製造することができる。
【００３４】
典型的には、脱炭工程の後に、ワークピースに対して焼入れが行われる。つまり、脱炭工程は、浸炭処理と焼入れ工程の間に行われる。
【００３５】
コンロッドの最表層の炭素含有量を十分に低下させてナノ結晶層の硬度を十分に高くする観点からは、脱炭工程を行う時間は、３０秒以上であることが好ましい。つまり、脱炭工程において、０．２％以下のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下にワークピースを３０秒以上保持することが好ましい。
【００３６】
ただし、脱炭工程を行う時間が長すぎると、ナノ結晶層よりも深い領域の炭素含有量が低くなりすぎてしまい、その領域の硬度が低下して疲労強度が低下することがある。そのため、脱炭工程を行う時間は、５０秒未満であることが好ましい。つまり、脱炭工程において、０．２％以下のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下にワークピースを５０秒未満保持することが好ましい。
【００３７】
コンロッドの疲労強度を高くする観点からは、微粒子ショットピーニングを行う工程は、ワークピースのロッド本体部に対応する部分の表面における圧縮残留応力が、なるべく大きくなるように実行されることが好ましく、具体的には、ロッド本体部表面の少なくとも一部における圧縮残留応力が１０００ＭＰａ以上となるように実行されることが好ましい。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によると、ロッド本体部の強度に優れ、軽量化に適したコンロッドおよびその製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
本願発明者は、高濃度浸炭処理が施されたコンロッドに対して微粒子ショットピーニングを行っても十分な効果を得られない原因を詳細に検討した。その結果、以下に説明する知見を得た。
【００４０】
図９は、高濃度浸炭処理の後に微粒子ショットピーニングが行われたコンロッドの表面近傍を模式的に示す断面図である。図９に示しているように、高濃度浸炭処理が施されたコンロッドの表面近傍では、鋼の母相２中に炭化物３が析出している。炭化物３は、具体的には、Ｆｅ3ＣやＣｒ3Ｃである。母相２中には、酸化物や硫化物などの介在物４も存在している。酸化物は、具体的には、Ａｌ2Ｏ3やＳｉＯ2であり、硫化物は、具体的には、ＦｅＳやＭｎＳである。
【００４１】
また、微粒子ショットピーニングにより、コンロッドの最表面から所定の深さまで、ナノ結晶層（ナノ結晶組織）２ａが形成されている。なお、コンロッドの表面のうち、炭化物３および介在物４の近傍が隆起しているのは、微粒子ショットピーニングの際に、炭化物３や介在物４が硬いために、主に母相２が塑性変形を伴いながら削り取られるためである。
【００４２】
図１０に、ナノ結晶層２ａの構造を拡大して模式的に示す。高濃度浸炭処理が施された（つまり表面近傍の炭素含有量の多い）鋼では、鉄の結晶格子中に固溶している炭素が、微粒子ショットピーニングによってナノ結晶層２ａが形成される際に、図９に示しているように、ナノ結晶の粒界に析出する。ナノ結晶では、粒界の体積率が２０〜３０％になるので、粒界に炭素が析出した方がエネルギー的に安定な状態だからである。粒界に炭素が析出すると、ナノ結晶層２ａが脆化し、強度が低下してしまう。
【００４３】
上述したように、ナノ結晶の粒界に析出する炭素に起因した脆化のために、微粒子ショットピーニングを行ってもロッド本体部の強度を向上させることが難しかった。本発明は、本願発明者が見出した上記知見に基づいてなされたものである。
【００４４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００４５】
図１（ａ）〜（ｃ）に、本実施形態におけるコンロッド１を示す。図１（ａ）は、コンロッド１を模式的に示す平面図である。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）中の１Ｂ−１Ｂ’線に沿った断面図であり、図１（ｃ）は、図１（ａ）中の１Ｃ−１Ｃ’線に沿った断面図である。
【００４６】
コンロッド１は、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、ロッド本体部１０と、ロッド本体部１０の一端に設けられた小端部２０と、ロッド本体部１０の他端に設けられた大端部３０とを備える。コンロッド１は、鋼から形成されている。
【００４７】
ロッド本体部（軸部）１０は、棒状である。ロッド本体部１０の断面形状は、典型的には、図１（ｃ）に示すように、Ｈ字状である。
【００４８】
小端部２０は、ピストンピンを通すための貫通孔（ピストンピン孔）２２を有する。小端部２０は、ピストンピンを介してピストンに接続される。ピストンピン孔２２の内周面２２ａは、典型的には、ベアリングを介さずにピストンピンと接触する。
【００４９】
大端部３０は、クランクピンを通すための貫通孔（クランクピン孔）３２を有している。大端部３０は、クランクピンを介してクランクシャフトに接続される。クランクピン孔３２内には、典型的には、ローラベアリングなどの転がり軸受けが配置されるため、クランクピン３２の内周面３２ａは、転がり軸受けと接触する。
【００５０】
コンロッド１は、その製造工程において、高濃度浸炭処理を施されている。そのため、ロッド本体部１０の表面から０．１ｍｍの深さにおける炭素含有量（炭素濃度）は、０．８ｗｔ％以上である。コンロッド１の深さ方向における炭素含有量の分布は、例えば電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）により測定することができる。
【００５１】
また、コンロッド１には、その製造工程において、微粒子ショットピーニングが行われており、それにより圧縮残留応力が付与されている。本実施形態では、ロッド本体部１０の表面の少なくとも一部に、１０００ＭＰａ以上の圧縮残留応力が付与されている。一般的なショットピーニングでは、せいぜい７００ＭＰａ〜８００ＭＰａ程度の圧縮残留応力しか付与できない。つまり、本実施形態におけるコンロッド１には、一般的なショットピーニングで付与されるのよりも大きな圧縮残留応力が付与されている。圧縮残留応力は、例えばＸ線残留応力測定器により測定することができる。
【００５２】
本実施形態におけるコンロッド１では、既に述べたように、高濃度浸炭処理によってロッド本体部１０の表面から０．１ｍｍの深さにおける炭素含有量が、０．８ｗｔ％以上とされている。ただし、ロッド本体部１０の表面から深さ０．５μｍまでの炭素含有量は０．２ｗｔ％以下である。つまり、ロッド本体部１０の最表層は、脱炭されている。このように、本実施形態におけるコンロッド１では、ロッド本体部１０の表面から深さ０．５μｍまでの炭素含有量が０．２ｗｔ％以下と低いので、微粒子ショットピーニングの際に形成されるナノ結晶の粒界に炭素が析出しにくい。従って、ナノ結晶層２ａの脆化が抑制され、ロッド本体部１０の表面におけるナノ結晶層２ａの硬度を十分に高く維持することができる。そのため、本実施形態におけるコンロッド１は、ロッド本体部１０の強度に優れ、軽量化に適している。
【００５３】
なお、ロッド本体部１０の最表層の炭素含有量が低すぎると（つまり脱炭されすぎていると）、高濃度浸炭処理の効果が十分に得られないことがある。そのため、ロッド本体部１０の表面から深さ０．５μｍまでの炭素含有量は、０．０５ｗｔ％以上であることが好ましく、０．１５ｗｔ％を超えることがより好ましい。また、疲労強度のいっそうの向上を図る観点からは、ロッド本体部１０の表面の少なくとも一部における圧縮残留応力が１２００ＭＰａ以上であることが好ましい。
【００５４】
続いて、図２を参照しながら、本実施形態におけるコンロッド１の製造方法を説明する。図２は、コンロッド１の製造工程を示すフローチャートである。
【００５５】
まず、０．１ｗｔ％以上０．４５ｗｔ％以下の炭素を含む鋼から鍛造により成形されたワークピースを用意する（工程Ｓ１）。０．１ｗｔ％以上０．４５ｗｔ％以下の炭素を含む鋼としては、例えば、クロムモリブデン鋼であるＳＣＭ４２０を用いることができる。ＳＣＭ４２０は、０．１８〜０．２３ｗｔ％の炭素、０．９０〜１．２０ｗｔ％以下のクロムおよび０．１５〜０．３０ｗｔ％のモリブデンを含む。ワークピースの材料である鋼としては、上述したＳＣＭ４２０の他に、ＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４３５、ＳＣＭ４４０なども用いることができる。なお、ここでは鍛造を例示したが、ワークピースを用意する工程における成形手法はこれに限定されるものではない。ワークピースは、例えば、焼結や鋳造、焼結鍛造などによって成形されてもよい。
【００５６】
次に、ワークピースに対して機械加工を行う（工程Ｓ２）。この機械加工により、鍛造後のワークピースの外径寸法が整えられる。例えば、バリ取り、ピストンピン孔２２およびクランクピン孔３２の形成、小端部２０および大端部３０の端面加工などが行われる。
【００５７】
続いて、ワークピースに対して複数回の浸炭処理を含む熱処理を行う。具体的には、まず、ワークピースに対して１回目の浸炭を行い（工程Ｓ３）、続いて焼入れ（あるいは炉冷）を行う（工程Ｓ４）。１回目の浸炭処理は、０．８％以上のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で行われる。なお、浸炭処理を行うに先立ってワークピースに対してマスキングは行わない。１回目の浸炭処理の温度は、Ａ１変態点（鋼の共析変態温度）以上に設定される。１回目の浸炭処理により、鋼の表面は過剰浸炭される。図３（ａ）に、１回目の浸炭処理および焼入れによりコンロッド１の表面近傍に形成される金属組織を模式的に示す。図３（ａ）に示しているように、比較的大きなマルテンサイトの結晶粒２’の間に、網目状の炭化物３が析出している。
【００５８】
次に、ワークピースに対して２回目の浸炭を行う（工程Ｓ５）。２回目の浸炭処理は、０．８％以上のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で行われる。２回目の浸炭処理の温度は、Ａ１変態点以上で、Ａｃｍ変態点（鋼のオーステナイトからセメンタイトが析出する変態温度）以下に設定される。２回目の浸炭処理により、過剰浸炭された表面層の炭素が内部に拡散する。
【００５９】
続いて、０．２％以下のカーボンポテンシャル（ＣＰ）を有する雰囲気下（例えば空気中）にワークピースを所定時間保持する（工程Ｓ６）。これにより、ワークピースの最表層の炭素含有量が低下する。つまり、ワークピースの脱炭が行われる。この脱炭工程は、ロッド本体部１０の表面から深さ０．５μｍまでの炭素含有量が０．２ｗｔ％以下となるように行われる。
【００６０】
その後、焼入れおよび焼戻しを行う（工程Ｓ７およびＳ８）。図３（ｂ）に、２回目の浸炭処理およびその後の焼入れによりコンロッド１の表面近傍に形成される金属組織を模式的に示す。図３（ｂ）に示しているように、比較的小さなマルテンサイトの結晶粒２’の間に、微細な粒状の炭化物３が析出している。
【００６１】
続いて、複数回浸炭処理が施されたワークピースに対して、微粒子ショットピーニングを行う（工程Ｓ９）。この工程は、ロッド本体部１０の表面の少なくとも一部における圧縮残留応力が、１０００ＭＰａ以上（より好ましくは１２００ＭＰａ以上）となるように実行される。なお、ロッド本体部１０は、図１からもわかるように、大端部３０側から小端部２０側に向かうにつれて細くなる。そのため、圧縮残留応力は、ロッド本体部１０の表面のうち、少なくとも小端部２０近傍において１０００ＭＰａ以上であることが好ましい。勿論、ロッド本体部１０の表面全体にわたって圧縮残留応力が１０００ＭＰａ以上であることがより好ましい。ショット材としては、５００μｍ以下（典型的には２０μｍ〜２００μｍ程度）の直径を有する金属微粒子または非金属微粒子が用いられる。ショット材は、約２００ｍ／ｓに加速されてワークピースの表面に衝突する。ショット材の速度は、噴射圧力の調整により適宜制御される。
【００６２】
その後、ワークピースに対して研磨を行う（工程Ｓ１０）。例えば、ピストンピン孔２２の内周面２２ａやクランクピン孔３２の内周面３２ａの研磨が行われる。このようにして、コンロッド１が完成する。
【００６３】
本実施形態における製造方法では、０．１ｗｔ％以上０．４５ｗｔ％以下の炭素を含む鋼から形成されたワークピースに対して、０．８％以上のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で浸炭処理が複数回行われる（工程Ｓ３およびＳ５）。つまり、高濃度浸炭処理が行われる。これにより、図３（ｂ）に示したように、コンロッド１の表面近傍に微細な粒状の炭化物３が析出するとともに、表面近傍におけるマルテンサイトの結晶粒２’の粒径が小さくなる。さらに、高濃度浸炭処理が施されたワークピースに対して、微粒子ショットピーニングが行われる（工程Ｓ９）。この微粒子ショットピーニングにより、ワークピースの表面に、１０００ＭＰａ以上の大きな圧縮残留応力を付与することができる。
【００６４】
また、本実施形態における製造方法では、複数回の浸炭処理のうちの最後の浸炭処理後に、０．２％以下のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下にワークピースを所定時間保持する工程（脱炭工程）が行われるので、コンロッド１の最表層の炭素含有量を十分に低下させることができる。具体的には、ロッド本体部１０の表面から深さ０．５μｍまでの炭素含有量を０．２ｗｔ％以下にすることができる。従って、微粒子ショットピーニングの際に形成されるナノ結晶の粒界に炭素が析出しにくいので、ナノ結晶層２ａの脆化が抑制され、ロッド本体部１０の表面におけるナノ結晶層２ａの硬度を十分に高く維持できる。そのため、本実施形態における製造方法によれば、ロッド本体部１０の強度に優れ、軽量化に適したコンロッド１を製造することができる。
【００６５】
なお、コンロッド１の最表層の炭素含有量を十分に低下させてナノ結晶層２ａの硬度を十分に高くする観点からは、脱炭工程を行う時間は、３０秒以上であることが好ましい。つまり、脱炭工程において、０．２％以下のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下にワークピースを３０秒以上保持することが好ましい。
【００６６】
ただし、脱炭工程を行う時間が長すぎると、ナノ結晶層２ａよりも深い領域の炭素含有量が低くなりすぎてしまい、その領域の硬度が低下して疲労強度が低下することがある。そのため、脱炭工程を行う時間は、５０秒未満であることが好ましい。つまり、脱炭工程において、０．２％以下のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下にワークピースを５０秒未満保持することが好ましい。
【００６７】
表１に、本実施形態の製造方法により実際に製造したコンロッド１（実施例１〜３）について、０．２％以下のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下にワークピースを保持した時間（脱炭時間）、ロッド本体部１０の表面から深さ０．５μｍまでの炭素含有量（ｗｔ％）、ロッド本体部１０の表面から０．１ｍｍの深さにおける炭素含有量（ｗｔ％）およびビッカース硬さ（ＨＶ）を示す。なお、実施例１〜３の製造に際し、鍛造工程（工程Ｓ１）では、０．２５ｗｔ％以下の炭素を含む鋼を用いて１２００℃での熱間鍛造により成形を行った。また、１回目の浸炭処理（工程Ｓ３）は９１０℃〜９３０℃で３００分間行い、２回目の浸炭処理（工程Ｓ５）は８５０℃〜９２０℃で１５０分間行った。微粒子ショットピーニングは、ショット材として４５μｍの平均直径を有する高速度鋼ＳＫＨ５９製微粒子を用いて、０．５ＭＰａの噴射圧力で３０秒間行った。炭素含有量の測定は、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）により、図４に示すように、ロッド本体部１０の小端部２０近傍において行った。また、表１には、実施例１〜３よりも脱炭時間を短く、あるいは長くして製造したコンロッド（比較例１〜４）についても、同様のデータを示している。
【００６８】
【表１】
2010150576.tif 000003
【００６９】
表１からわかるように、脱炭時間が３０秒または４０秒である実施例１〜３では、コンロッド１の最表層の脱炭が十分に行われているために、表面から深さ０．５μｍまでの炭素含有量が０．２ｗｔ％と十分に低下している。これに対し、脱炭時間が１０秒である比較例１や脱炭時間が２０秒である比較例２では、コンロッドの最表層の脱炭が不十分であるために、表面から深さ０．５μｍまでの炭素含有量が０．５ｗｔ％、０．３ｗｔ％と０．２ｗｔ％を超えている。
【００７０】
また、脱炭時間が５０秒である比較例３や脱炭時間が６０秒である比較例４では、表面から深さ０．５μｍまでの炭素含有量は０．１５ｗｔ％と十分に低下している。ところが、脱炭時間が長すぎたために、表面から０．１ｍｍの深さにおける炭素含有量が０．７ｗｔ％、０．６ｗｔ％と０．８ｗｔ％未満に低下してしまっている。そのため、表面から０．１ｍｍの深さにおけるビッカース硬さが６７０ＨＶ、６５０ＨＶに低下している。このように、脱炭時間が長すぎると、ナノ結晶層よりも深い領域の炭素含有量が低くなりすぎてしまうので、その領域（つまりナノ結晶化していない領域）の硬度が低下し、疲労強度が低下してしまう。
【００７１】
これに対し、実施例１〜３では、表面から０．１ｍｍの深さにおける炭素含有量が１．１ｗｔ％と０．８ｗｔ％以上である。そのため、表面から０．１ｍｍの深さにおけるビッカース硬さは７２０ＨＶと高い。つまり、ナノ結晶化していない領域の硬度が十分に高く維持されているので、疲労強度の低下が発生しない。
【００７２】
図５に、実施例１〜３および比較例１〜４について、疲労強度を測定した結果を示す。図５は、実施例１〜３および比較例１〜４に対して実体曲げ疲労試験を行ったときの、破損までの曲げ繰り返し数Ｎと、応力振幅σａとの関係を示すグラフである。また、図５には、図８を参照しながら説明した従来の製造方法により製造されたコンロッドについて疲労強度を測定した結果も併せて示している。
【００７３】
図５に示されているように、比較例１〜４では、実施例１〜３に比べて少ない繰り返し数Ｎで破損が発生している。つまり、表面から深さ０．５μｍまでの炭素含有量が０．２ｗｔ％以下であり、且つ、表面から０．１ｍｍの深さにおける炭素含有量が０．８ｗｔ％以上である実施例１〜４は、表面から深さ０．５μｍまでの炭素含有量が０．２ｗｔ％を超える比較例１および２に比べて疲労強度が向上している。また、実施例１〜４は、表面から０．１ｍｍの深さにおける炭素含有量が０．８ｗｔ％未満である比較例３および４に比べても疲労強度が向上している。また、図５に示されているように、微粒子ショットピーニングが施されない従来のコンロッドは、比較例１〜４よりもさらに少ない繰り返し数Ｎで破損が発生している。図５に示す例では、実施例１〜３の疲労強度は、従来のコンロッドの疲労強度よりも４０％程度向上している。
【００７４】
上述したように、本発明によれば、ロッド本体部１０の強度に優れ、軽量化に適したコンロッド１が得られる。本発明によれば、具体的にはコンロッド１を２０％程度軽量化することが可能になる。なお、図１には、一体型と呼ばれるタイプのコンロッド１を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は、大端部が２つに分割された分割型と呼ばれるタイプのコンロッドにも好適に用いられる。また、本実施形態では、浸炭処理を２回行う場合を例示したが、浸炭処理は複数回実行すればよく、特許文献１に記載されているように浸炭処理を３回以上行ってもよい。例えば、真空浸炭の場合、浸炭処理を３回以上行うことが好ましく、その場合には、最後の浸炭処理の後に、脱炭工程を行えばよい。
【００７５】
本実施形態におけるコンロッド１は、乗用車、オートバイ、バス、トラック、トラクター、飛行機、モーターボート、土木車両などの各種輸送機器用の内燃機関に好適に用いられる。図６に、本実施形態におけるコンロッド１を備えた内燃機関１００の一例を示す。内燃機関１００は、クランクケース１１０、シリンダブロック１２０およびシリンダヘッド１３０を有している。
【００７６】
クランクケース１１０内にはクランクシャフト１１１が収容されている。クランクシャフト１１１は、クランクピン１１２およびクランクウェブ１１３を有している。
【００７７】
クランクケース１１０の上に、シリンダブロック１２０が設けられている。シリンダブロック１２０には、円筒状のシリンダスリーブ１２１がはめ込まれており、ピストン１２２は、シリンダスリーブ１２１内を往復し得るように設けられている。
【００７８】
シリンダブロック１２０の上に、シリンダヘッド１３０が設けられている。シリンダヘッド１３０は、シリンダブロック１２０のピストン１２２やシリンダスリーブ１２１とともに燃焼室１３１を形成する。シリンダヘッド１３０は、吸気ポート１３２および排気ポート１３３を有している。吸気ポート１３２内には燃焼室１３１内に混合気を供給するための吸気弁１３４が設けられており、排気ポート１３３内には燃焼室１３１内の排気を行うための排気弁１３５が設けられている。
【００７９】
ピストン１２２とクランクシャフト１１１とは、コンロッド１によって連結されている。具体的には、コンロッド１の小端部２０に形成されたピストンピン孔にピストン１２２のピストンピン１２３が挿入されているとともに、大端部３０に形成されたクランクピン孔にクランクシャフト１１１のクランクピン１１２が挿入されており、そのことによってピストン１２２とクランクシャフト１１１とが連結されている。クランクピン孔の内周面とクランクピン１１２との間には、ローラベアリング（転がり軸受け）１１４が設けられている。
【００８０】
本実施形態におけるコンロッド１は、軽量化に適しているため、本実施形態におけるコンロッド１を備えた内燃機関１００では、応答性が向上する。また、コンロッド１が軽量化されることにより、内燃機関１００における往復部の重量が減少するので、一次振動（ピストン１２０やコンロッド１を含む往復部の往復運動によってクランクシャフト１１１一回転につき一回の周期で発生する振動）を低減できる。さらに、本実施形態におけるコンロッド１は、疲労強度に優れているので、内燃機関１００の信頼性も向上する。
【００８１】
図７に、図６に示した内燃機関１００を備えた自動二輪車を示す。図７に示す自動二輪車では、本体フレーム３０１の前端にヘッドパイプ３０２が設けられている。ヘッドパイプ３０２には、フロントフォーク３０３が車両の左右方向に揺動し得るように取り付けられている。フロントフォーク３０３の下端には、前輪３０４が回転可能なように支持されている。
【００８２】
本体フレーム３０１の後端上部から後方に延びるようにシートレール３０６が取り付けられている。本体フレーム３０１上に燃料タンク３０７が設けられており、シートレール３０６上にメインシート３０８ａおよびタンデムシート３０８ｂが設けられている。
【００８３】
また、本体フレーム３０１の後端に、後方へ延びるリアアーム３０９が取り付けられている。リアアーム３０９の後端に後輪３１０が回転可能なように支持されている。
【００８４】
本体フレーム３０１の中央部には、図６に示した内燃機関１００が保持されている。内燃機関１００は、本実施形態におけるコンロッド１を備えている。内燃機関１００の前方には、ラジエータ３１１が設けられている。エンジン１００の排気ポートには排気管３１２が接続されており、排気管３１２の後端にマフラー３１３が取り付けられている。
【００８５】
内燃機関１００には変速機３１５が連結されている。変速機３１５の出力軸３１６に駆動スプロケット３１７が取り付けられている。駆動スプロケット３１７は、チェーン３１８を介して後輪３１０の後輪スプロケット３１９に連結されている。変速機３１５およびチェーン３１８は、内燃機関１００により発生した動力を駆動輪に伝える伝達機構として機能する。
【００８６】
図７に示した自動二輪車には、本実施形態におけるコンロッド１を備えた内燃機関１００が用いられているので、一次振動が少なく、乗員が感じる不快な振動が低減される。また、車体に対して振動対策を施さなくてもよいので、大幅な軽量化を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明によると、ロッド本体部の強度に優れ、軽量化に適したコンロッドおよびその製造方法が提供される。
【００８８】
本発明によるコンロッドは、各種の輸送機器用の内燃機関（例えば自動二輪車用の内燃機関）に広く用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の好適な実施形態におけるコンロッド１を模式的に示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中の１Ｂ−１Ｂ’線に沿った断面図、（ｃ）は（ａ）中の１Ｃ−１Ｃ’線に沿った断面図である。
【図２】本発明の好適な実施形態におけるコンロッド１の製造方法を示すフローチャートである。
【図３】（ａ）は、１回目の浸炭処理を経てコンロッド１の表面近傍に形成される金属組織を模式的に示す図であり、（ｂ）は、２回目の浸炭処理を経てコンロッド１の表面近傍に形成される金属組織を模式的に示す図である。
【図４】炭素含有量の測定位置を示す図である。
【図５】実施例１〜３、比較例１〜４および従来のコンロッドについて、実体曲げ疲労試験を行った結果を示すグラフである。
【図６】本発明の好適な実施形態におけるコンロッド１を備えた内燃機関１００を模式的に示す断面図である。
【図７】図６に示す内燃機関１００を備えた自動二輪車を模式的に示す側面図である。
【図８】従来のコンロッドの製造方法を示すフローチャートである。
【図９】高濃度浸炭処理の後に微粒子ショットピーニングが行われたコンロッドの表面近傍を模式的に示す断面図である。
【図１０】図９に示されているナノ結晶層の構造を拡大して模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００９０】
１    コンロッド
２    母相
２ａ    ナノ結晶層
３    炭化物
４    介在物
１０    ロッド本体部（軸部）
２０    小端部
２２    ピストンピン孔
３０    大端部
３２    クランクピン孔
【図１】
2010150576.tif 000004
【図２】
2010150576.tif 000005
【図３】
2010150576.tif 000006
【図４】
2010150576.tif 000007
【図５】
2010150576.tif 000008
【図６】
2010150576.tif 000009
【図７】
2010150576.tif 000010
【図８】
2010150576.tif 000011
【図９】
2010150576.tif 000012
【図１０】
2010150576.tif 000013