(57)【要約】【課題】  コンロッド等、熱間鍛造により製造される高強度軽量部品の座屈強度を改善できる製造方法を提供すること。【解決手段】  部品粗形材を成形する際に、強度要求部位以外の部位については熱間鍛造で加工し、強度要求部位については熱間鍛造後に局部的に圧延加工を施すことを特徴とする座屈強度の優れた高強度軽量部品の製造方法である。特にコンロッドの製造に適用した場合には、ウエブ部を薄く、抜き勾配のない形状とすることができ、熱間鍛造のみで製造した場合に比較して、座屈強度を大きく改善することができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
部品粗形材を成形する際に、強度要求部位以外の部位については熱間鍛造で加工し、強度要求部位については熱間鍛造後に局部的に圧延加工を施すことを特徴とする座屈強度の優れた高強度軽量部品の製造方法。
【請求項２】
請求項１の方法により製造された内燃機関用コンロッドであって、強度要求部位であるコラム部が圧延加工により仕上げられており、ウエブ部の厚みが３ｍｍ未満に成形されていることを特徴とする座屈強度の優れた内燃機関用コンロッド。
【請求項３】
請求項１に記載の方法により製造された内燃機関用コンロッドであって、強度要求部位であるコラム部が圧延加工により仕上げられており、ウエブ面とリブ部外側面との成す角度が９０°±１°となっていることを特徴とする座屈強度の優れた内燃機関用コンロッド。
【請求項４】
請求項１の方法により製造された内燃機関用コンロッドであって、強度要求部位であるコラム部が圧延加工により仕上げられており、ウエブ部の厚みが３ｍｍ未満に成形されていて、かつウエブ面とリブ部外側面との成す角度が９０°±１°となっていることを特徴とする座屈強度の優れた内燃機関用コンロッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱間鍛造加工と圧延加工の組合せによって、座屈強度を改善できる高強度軽量部品の製造方法に関するものであり、特に内燃機関用コンロッドの座屈強度改善に適した高強度軽量部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車、建設車両、建設機械等の強度が要求される部品の多くは、熱間鍛造にて製造されている。それは比較的大型の部品が多く、必要な成形荷重の問題から熱間鍛造が最も優れていると判断されているからである。
【０００３】
これらの熱間鍛造部品に対する軽量化の要求は強く、これまでに材料化学成分の最適化や鍛造条件、熱処理条件の改善等多種類の高強度化方策が検討され、薄肉軽量化が進められてきた。
【０００４】
例えばコンロッドは、クランク軸と連結される大端部、ピストンピンを介してピストンと連結される小端部、大端部と小端部を繋ぐコラム部からなっているが、このうち、実際にエンジンの運転中において最も応力の高くなる部位はコラム部であり、この部位の強度向上が問題となる。
【０００５】
コラム部の強度を改善する方法として、従来提案されている方法としては、熱間鍛造後に冷間、温間でコラム部にコイニング加工したり、その後時効処理等の熱処理を施すという方法があり、例えば特許文献１〜５に示す方法が提案されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−７０８２８号公報
【特許文献２】特開平９−１９６０４４号公報
【特許文献３】特開平１０−１６８５４０号公報
【特許文献４】特開２００３−５５７１５号公報
【特許文献５】特開２００３−１４７４３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながらその一方で、従来からの鍛造工法ではその制約上、薄肉軽量化の限界に差しかかってきた部品も出てきた。例えばコンロッドにおけるコラムのウエブ部を例にとると、バリを生成させる通常の熱間プレス鍛造では、約３ｍｍ、閉塞プレスやハンマー鍛造を用いてもせいぜい約２．５ｍｍまでが限界であった。また通常の熱間プレス鍛造やハンマー鍛造では抜き勾配が必要で無駄な肉が付いてしまう問題があり、閉塞プレス鍛造では大幅なコスト増加となってしまう問題があった。
【０００８】
またエンジンの爆発力に耐えるコンロッドの座屈強度は、材料強度以外にコラム部の形状，寸法の影響を受けるため、座屈に有利なコラム部の形状設計や寸法精度向上が重要であるが、前述の従来鍛造工法では抜き勾配の制約や寸法精度管理限界があり、より高精度なコラム形状を低コストで創生することが要求されていた。
【０００９】
本発明は、以上説明した課題を解決することを目的とするものであり、従来鍛造工法を上回る薄肉化と高精度化を低コストで達成する、新しい高強度軽量部品の製造方法を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明は、部品粗形材を成形する際に、強度要求部位以外の部位については熱間鍛造で加工し、強度要求部位については熱間鍛造後に局部的に圧延加工を施すことを特徴とする座屈強度の優れた高強度軽量部品の製造方法である。
【００１１】
勿論熱間鍛造品は、熱間鍛造のみで最終形状まで製造できるわけではなく、その後必ず機械加工による仕上げ加工がされる。しかしながら、機械加工工程は、非常にコストのかかる工程であり、使用時に他の部品と接触する箇所、接触しなくても高い寸法精度を要求されたり、潤滑油を循環させる等、何らかの理由があって機械加工が必要な場合等に限定され、基本的に他の部品と接触しない状態で使用される部位については、スケールが除去される程度で、鍛造肌のままで使用されることが多い。従って、熱間鍛造時の断面形状がそのまま維持される部分が多く、コンロッドのように鍛造品特有の製品形状が座屈強度を決定する場合がある。
【００１２】
通常の鍛造では、プレスのラムに固定した金型で素材を加工した後、ラムが下死点から上昇して上部に移動した際に容易に金型が鍛造された被加工材から分離される必要があるため、当然の如く抜き勾配が必要となり、結果として鍛造品の断面も勾配のある形状となる。
【００１３】
鍛造加工は静水圧の高い状態となると、急激に荷重が増加する。従って、圧縮により、鍛造品の高さ(厚み)が薄くなると、急激に荷重が増加するため、ラムの移動と同方向の厚みの低減には限界がある。
【００１４】
これをコンロッドのコラム部を例にして説明すると、図２(ａ)のようになる。すなわち、リブ部の外側、内側の両側面が勾配のある形状となるとともに、ウエブ部の厚みは、自動車用コンロッドの場合３ｍｍ程度が限界で、それより薄く加工することは非常に難しくなる。
【００１５】
そこで、この抜き勾配の有無や、ウエブ部の厚みの変化による座屈強度への影響について、試験片を作成して調査した結果、コラム部の断面積を同一とした場合には、抜き勾配が小さく、ウエブ部の厚みを小さくした場合の方が、座屈強度を高められることを見出したものである。
【００１６】
しかしながら、この勾配をなくしたり、ウエブ部を薄肉化することは、通常の熱間鍛造で達成することは困難である。もし、鍛造によって達成しようとすると閉塞鍛造法による方法を考えることができるが、閉塞鍛造法を採用すると、前記した通常鍛造の場合と同様に非常に高い荷重が必要になるとともに、金型が複雑になり型のコストが増加するという問題がある。
【００１７】
そこで他の塑性加工法を検討した結果、強度要求部位以外の部位については、従来の鍛造工法のみで加工し、強度要求部位については、従来の鍛造工法を施した後に局部的に圧延加工することを発想するに至った。  
【００１８】
以下、本発明の内容について各工程毎に詳細に説明する。
本発明の製造方法は、熱間鍛造からなる粗加工工程と、圧延加工からなる仕上げ加工工程の２工程に大きく分けられる。そこで、まず、粗加工工程について説明する。
【００１９】
コンロッド等の自動車、建設車両等の部品は、使用中には当然の如く繰返し変動荷重が負荷されるが、その負荷応力は部品内で一様ではなく、必ず高い応力が負荷される部位とあまり高い応力が負荷されない部位とが存在する。このうち後者の部位については、座屈強度についても改善の必要はなく、従来の熱間鍛造のみで必要な強度を確保することが可能である。
【００２０】
また、部品には複雑な凹凸や曲面形状に加工しなければならない箇所があり、このような箇所を効率良く大量生産するには、熱間鍛造が最も適している。そこで、強度要求部位を除く部位については、最終形状までを粗加工工程で加工し、強度要求部位についても、後の圧延による仕上げ加工工程を容易にするため、熱間鍛造によって粗形状まで加工することとしたものである。
【００２１】
なお、粗加工工程における粗形状への加工は、前記した通り後工程の仕上げ加工工程で実施する圧延加工を可能な限り容易に行うことが必要となるため、熱間鍛造法で可能な範囲内でできるだけ最終形状に近い形状まで加工しておくことが必要である。
【００２２】
また、本発明で言う強度要求部位とは、実際の使用時において最も高い応力が負荷され、座屈強度の改善が必要な部位のことを意味する。例えば、自動車エンジン用コンロッドの場合には、大端部と小端部の中間のコラム部が強度要求部位に相当する。
【００２３】
粗加工工程が終了した後は、強度要求部位を除く部位については、加工が終了しており、強度要求部位のみに集中して圧延による仕上げ加工が行われる。この圧延加工は、冷却後、再加熱せずに冷間で行うこともできるが、必要な荷重が大きくなることを考慮すると、熱間又は温間の温度域で行った方が望ましい。すなわち、熱間鍛造後空冷し、再加熱してから実施することができる。但し、エネルギーの効率化を考えると、熱間鍛造後の冷却途中に行う方が、より望ましい。また、圧延時の温度は、通常の圧延が実施される１０００℃程度の高温の方が加工性の点からは有利であるが、材料強度を高めるためには、７００〜８５０℃程度の未再結晶温度域で加工した方が望ましく、これにより結晶粒も微細にすることができる。
【００２４】
また、時効処理によって強度が改善できる鋼材を用いる場合には、圧延時に導入した歪によって強度を大きく改善できる場合もあるので、その場合には仕上げ圧延として、冷間圧延や未再結晶温度域での圧延を選択することを検討した方が望ましい場合もある。
【００２５】
また、本発明では仕上げ加工を圧延によって行うため、コンロッドのウエブ部を鍛造による成形に比べ薄肉化することが可能である。具体的には、ウエブ部が約２ｍｍといった３ｍｍ未満のコンロッド部品を製造することが容易に可能であり、それにより部品重量を全く変化することなく(=コラム部の断面積を全く変化することなく)座屈強度の優れたコンロッド部品を製造することができる(請求項２)。
【００２６】
また、粗加工工程で実施した熱間鍛造では、前記した通り抜き勾配が必要なため、可能な限り最終形状に近づけた加工を行ったとしても、コンロッドのリブ部は、図１(ｂ)に示す形状のように均一な厚みとすることは不可能であり、ウエブ部に近い位置ほど厚みが厚くなる形状となってしまう。そこで、これを仕上げ加工工程による圧延加工によって、前記ウエブ部の薄肉化と同時に加工することによって、厚みが均一のコンロッド部品を製造することができる。すなわち、より具体的には、ウエブ面とリブ部外側面とのなす角度が９０±１°である内燃機関用コンロッドを製造することができる。(請求項３、４)。
【００２７】
このウエブ部の薄肉化及びリブ部厚みの均一化によって、同一断面積であっても座屈強度を改善することができ、コンロッド部品の軽量化を図ることができる。
【実施例】
【００２８】
次に、本発明の特徴を、実施例を示すことにより明らかにする。表１に実施例に使用した鋼材の化学成分を示す。このうち、１鋼は、フェライトパーライト型非調質鋼として既に実用化されている鋼材であり、２鋼は時効処理により高強度を得ることができるベイナイト型高強度鋼である。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
表１に示す成分からなる供試材は溶解し、熱間圧延によってφ３０の丸棒を製造することにより準備した。そして、これをコンロッドの鍛造品を製造するのに必要となる適当な長さに切断してコンロッド用鍛造母材とした(図１(ａ))。
【００３１】
そして、この鍛造母材を１２００℃に加熱して熱間鍛造し、図１(ｂ)からなる粗形状の鍛造部品を製造した。この鍛造では、鍛造時の荷重が極端に高くなることを避け、かつ被加工材の型抜きがスムーズにできるようにするために、ウエブ部の厚みが５ｍｍ程度で、ウエブ面とリブ部外側面の成す角度が、８５°程度となるように熱間鍛造を行った(図２(ａ))。さらに鍛造後の冷却途中において、７００℃及び９００℃の温度で強度要求部位であるコラム部のみについて熱間圧延し、ウエブを薄く加工(５ｍｍ厚から２．５ｍｍ厚へ)するとともに、前記したようにウエブ面とリブ部外側面の成す角度がほぼ９０°となるように仕上げ加工を行った(図１(ｃ))。仕上げ加工後の断面形状を図２(ｂ)に示す。
【００３２】
なお、圧延は、コラム部のみ圧延可能となるよう、図３に示すように、圧延ロールの間隔が変更できる圧延機を用い、実施した。また、同様の圧延加工を粗形状に加工した鍛造部品が、室温まで冷却した後に行った場合についても同時に評価した。
【００３３】
また、本発明により製造した部品が従来法により製造した鍛造部品と比較して強度面で優れていることを明確にするため、前記熱間圧延後のコンロッドと全長、断面積がほぼ同一となるように従来法により熱間鍛造したコンロッドも同時に製造した。なお、この熱間鍛造の際に狙いとしたウエブ部の厚み及び抜き勾配は、通常のコンロッドの熱間鍛造品の平均的水準(ウエブ部厚み４．５ｍｍ、ウエブ面とリブ部外側面との成す角度８６．５°)となるように加工した。
【００３４】
また、表１に示す供試鋼のうち、２鋼については、時効処理によって高強度が得られる鋼材であるため、圧延後に、さらに６２０℃×３０分の条件で時効処理を施した後、後述の強度測定を行った。以上説明した、本実施例で行ったコンロッド製造工程を図４にまとめて示す。
【００３５】
以上の工程により製造した強度評価用コンロッドを、通常のエンジン部品として使用する際と同様に大端部と小端部で固定できるよう必要な機械加工を行った。そして、大端部と小端部を試験用治具で固定した状態でコラム部の軸方向に圧縮応力を負荷し、座屈変形が生じはじめる際の荷重(０.２％の塑性歪が生じた際の荷重)を測定し、測定した荷重から座屈強度を求めた。この際、圧縮試験は座屈現象が確認できた時点ですぐに終了(断面形状に大きな変化が生じていない状態で終了)し、コラム部を切断して断面の寸法、形状を測定し、断面積を求めるとともに、ウエブ部の厚みとウエブ面とリブ部外側面の成す角度についても測定し、形状と強度との関係について正確に確認することとした。結果を表２に示す。
【００３６】
【表２】
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【００３７】
表２に示すように、熱間鍛造後圧延加工を施していない比較例のコンロッドは、ウエブ部の厚みが４．５ｍｍ程度と厚く、ウエブ面とリブ側面の成す角度が８６．５°前後であり、抜き勾配を有する形状となっており、その結果得られた座屈強度は、後述の本発明の方法により製造したコンロッドと比較して劣るものであった。
【００３８】
それに対し、本発明のように、熱間鍛造後圧延加工を行ったコンロッドは、ウエブ部の厚みが２〜２．３ｍｍ、ウエブ面とリブ部外側面の成す角度がほぼ９０°と、抜き勾配もなく、高い座屈強度を得るのに適した形状となっているため、比較品とほぼ同じ断面積(=１４０ｍｍ２)であるにもかかわらず、座屈荷重が大幅に向上し、優れた強度が得られることが確認できた。
【００３９】
特に２鋼を用い、仕上げ加工を７００℃で温間圧延したり、冷間圧延することによって、圧延時の歪の影響を残存させた状態で時効処理したものは、本発明の方法による効果と材料自身の強度向上効果が重なって、非常に高い強度が得られることが確認できた。
【００４０】
なお、この実施例では、本発明の実施例と比較例との間に材料の成分、熱処理条件に差異は全くなく、特に鋼１の場合前記したような歪時効による強度向上効果はないと考えられるため、材料自身の強度においては、本発明品も比較例のコンロッドも大きな差異はないものと考えられる(すなわち、通常の引張試験を行えば、大きな差異が生じることがない。)。それにもかかわらず、本発明のうち、鋼１の座屈荷重において、本発明と比較例の間に差異が生じたのは、断面形状の差異によって座屈荷重に差異が生じることを意味するものである。すなわち、具体的には、ウエブ部の厚みが厚くなった形状よりも、リブ部、特にその先端の厚みが厚い形状とした方が、座屈荷重が改善されることを意味している。
【００４１】
以上説明したように、熱間鍛造によりある程度最終製品に近い粗形状を得ておき、その後の仕上げ加工において強度要求される部位に限定して圧延加工することにより、熱間鍛造では避けられない抜き勾配の存在や、鍛造荷重の増大の問題から薄くできない部位の形状を改善することができる。その結果、熱間鍛造品において問題であった形状面の問題によって、強度が低下するという問題を解決することができ、高強度を得るためにより適した形状を得ることができる。
【００４２】
特に、本発明による方法を内燃機関用コンロッドに適用した場合には、強度上最も問題となる座屈強度を大幅に改善することができ、材料自身の強度改善に頼ることなく、軽量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の製造方法によってコンロッドを製造した場合の工程を説明する図。
【図２】本発明の製造方法によってコンロッドを製造した場合のコラム部の断面形状の変化を説明する図。
【図３】本発明の仕上げ加工工程における圧延方法を説明する図。
【図４】実施例として行ったコンロッドの製造工程を説明する図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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