(57)【要約】【課題】疲労特性に優れたコンロッドおよびその疲労強度向上方法を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１〜０．８％、Ｓｉ：０．０５〜２．５％、Ｍｎ：０．２〜３％、Ａｌ：０．００５〜０．１％、Ｎ：０．００１〜０．０２％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、引張強さが７００ＭＰａ以上の鋼材からなるコンロッドであって、該コンロッドのコラム表層における圧縮残留応力が前記鋼材の引張強さの５０〜８０％であることを特徴とする疲労特性に優れたコンロッドおよびその疲労強度向上方法。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．１〜０．８％、
Ｓｉ：０．０５〜２．５％、
Ｍｎ：０．２〜３％、
Ａｌ：０．００５〜０．１％、
Ｎ：０．００１〜０．０２％
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、引張強さが７００ＭＰａ以上の鋼材からなるコンロッドであって、該コンロッドのコラム表層における圧縮残留応力が前記鋼材の引張強さの５０〜８０％であることを特徴とする疲労特性に優れたコンロッド。
【請求項２】
前記コラムのリム部の平均表面粗度が０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の疲労特性に優れたコンロッド。
【請求項３】
コンロッドの疲労特性向上方法であって、振動数１０〜６０ｋＨｚ、振幅０．３〜５０μｍで振動する超音波振動端子で前記コンロッドのコラムの表面を打撃しながら走査することを特徴とするコンロッドの疲労特性向上方法。
【請求項４】
前記超音波振動端子による打撃範囲を、前記コラムの首部におけるリム部の表面とすることを特徴とする請求項３に記載のコンロッドの疲労特性向上方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、疲労特性に優れたコンロッドおよびその疲労特性向上方法に関する。
具体的には、自動車などの内燃機関に用いられる疲労特性に優れたコンロッドおよびその疲労特性向上方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の内燃機関などのピストンとクランクシャフトとを連接するコンロッドには、繰り返し荷重が働くため、疲労強度の向上が求められており、従来からコンロッドの強化方法について、種々の提案がなされている。
＜加工による強化＞
例えば、特許文献１には、Ａｒ１以下２００℃以上の温度域で耐力・疲労が要求される箇所に追加工（温間鍛造）して、加工により転位を導入して転位強化および時効硬化により強度を増し、疲労強度を向上する方法に関する発明が開示されている。
しかし、同文献に記載の発明は、低温で約２０％の加工が必要なため、鍛造機が必須となり、設備コストが高いという問題があった。
【０００３】
＜変態および圧縮残留応力による強化＞
例えば、特許文献２には、マルテンサイト変態温度が６００℃以上である鋼を用いコンロッド形状にしたあと焼入して、表面がマルテンサイトで内部がベイナイトないしはフェライト＋パーライト組織にし、ショットブラスト、ショットピーニング等の表面圧縮加工を行なって表面を強化し、内部は柔らかくする方法に関する発明が開示されている。この発明により、必要な強度を保ったまま、ドリル加工性を向上させることができる。
しかしながら、同文献に記載の発明は、焼入による曲がり等の変形が大きく冷間形状補正が手間であること、および焼入ままでは耐力（例えば、０．０５％耐力）が低く、座屈強度の確保が困難であるという問題があるうえ、焼き戻しを行なうと耐力は上昇するが、工程が増えるためコスト上昇を招いていた。
【０００４】
＜圧縮残留応力による疲労強度向上＞
例えば、特許文献３には、強度なショットピーニング処理であるいわゆるハードショットと研削を併用して圧縮残留応力を導入し、疲労強度向上を図る方法に関する発明が開示されている。
しかし、この発明の方法は、ハードショットのみでは表面が荒れ、かえって疲労寿命を低下させる場合もあるため、研削との併用が必須であり、このため、研削を伴わない部品、熱鍛ままの部品には適用できなかった。
【特許文献１】特開２００３−５５７１４号公報
【特許文献２】特開平７−６２４４４号公報
【特許文献３】特開平２−３０１５１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決し、疲労特性に優れたコンロッドおよびその疲労強度向上方法を提供するものであり、具体的には下記の３点を課題とする。
１）大きな圧縮残留応力を付加することができる。
２）肌荒れが少ない。
３）簡便な強化方法である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、前述の課題を解決するために鋭意検討の結果なされたものであり、コンロッドのコラムに超音波打撃処理を施して、コラム表層に圧縮残留応力を導入することによって、疲労特性に優れたコンロッドおよびその疲労強度向上方法を提供するものであり、その要旨とするところは、特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
（１）質量％で、Ｃ：０．１〜０．８％、Ｓｉ：０．０５〜２．５％、Ｍｎ：０．２〜３％、Ａｌ：０．００５〜０．１％、Ｎ：０．００１〜０．０２％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、引張強さが７００ＭＰａ以上の鋼材からなるコンロッドであって、該コンロッドのコラム表層における圧縮残留応力が前記鋼材の引張強さの５０〜８０％であることを特徴とする疲労特性に優れたコンロッド。
（２）前記コラムのリム部の平均表面粗度が０．５μｍ以下であることを特徴とする（１）に記載の疲労特性に優れたコンロッド。
（３）コンロッドの疲労特性向上方法であって、振動数１０〜６０ｋＨｚ、振幅０．３〜５０μｍで振動する超音波振動端子で前記コンロッドのコラムの表面を打撃しながら走査することを特徴とするコンロッドの疲労特性向上方法。
（４）前記超音波振動端子による打撃範囲を、前記コラムの首部におけるリム部の表面とすることを特徴とする（３）に記載のコンロッドの疲労特性向上方法。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、コンロッドのコラムに超音波打撃処理を施して、コラム表層に圧縮残留応力を導入することによって、疲労特性に優れ、肌荒れが少ないコンロッドおよび簡便な疲労強度向上方法を提供することができ、このため、疲労破壊することがなくなり部品の信頼性が増す。
例えば、図６に示すように、母材強度が８１０ＭＰａの鋼材に対して本発明の条件で超音波打撃処理を施したところ、圧縮残留応力が４０５ＭＰａ以上の場合に、４４０ＭＰａ以上の疲労強度が確保できる。
また、強化分相応の部品の軽量化が可能となり燃費向上・コスト削減に寄与するなど、産業上有用な著しい効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明を実施するための最良の形態について図１乃至図４を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の対象であるコンロッドを例示する斜視図である。
図１において、１は小端部、２は大端部、３は首部、４はコラムを示す。
自動車の内燃機関に用いられるコンロッドは、エンジンの燃焼室で起こる爆発を回転運動に変えるための重要部品であり、爆発毎に高い応力を受けるため、疲労特性の確保が重要な課題であり、この疲労強度向上のために、コンロッドの高強度化が望まれている。
しかしながら、コンロッドの大端部・小端部は切削加工を行なうため、切削性を確保するため強度をあまり上げることができない。
そこで、本発明等は、高強度化と切削性という、相反する要求を満足させるため、強度を上げずに疲労強度のみを向上する方法を検討した結果、超音波振動する端子で鋼材を打撃することにより、コンロッドのコラム表面に大きな圧縮の残留応力を付与し、かつショットピーニングと同様表面を塑性加工することにより加工硬化し、コンロッドの疲労強度の大幅向上が可能であることを見出した。
【０００９】
本発明のコンロッドは、質量％で、Ｃ：０．１〜０．８％、Ｓｉ：０．０５〜２．５％、Ｍｎ：０．２〜３％、Ａｌ：０．００５〜０．１％、Ｎ：０．００１〜０．０２％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、引張強さが７００ＭＰａ以上の鋼材からなるコンロッドであって、該コンロッドのコラム表層における圧縮残留応力が前記鋼材の引張強さの５０〜８０％であることを特徴とする。
なお、本発明においては、コンロッドに用いる鋼材の組織や処理工程は問わず、フェライト−パ−ライト鋼、ベイナイト鋼、マルテンサイト鋼など、いずれの組織の鋼材にも適用できるうえ、熱間鍛造非調質鋼や調質鋼だけでなく鋳造品にも適用できる。
【００１０】
本発明の限定理由を以下に説明する。
＜鋼材成分の限定理由＞
Ｃは、鋼を強化するのに有効な元素であるが、０．１％未満では充分な強度が得られない。一方、過多に添加すると靭性が低下するため、添加量の上限を０．８％とする。
Ｓｉは、鋼の強化元素として有効であるが、０．０５％未満ではその効果がない。一方、過多に添加すると靭性および被削性が低下するため、添加量の上限を２．５％とする。
Ｍｎは、鋼の強化に有効な元素であるが、０．２％未満では充分な効果が得られない。一方、過多に添加すると靭性および被削性が低下するため、添加量の上限を２％とする。
Ａｌは、鋼の脱酸および結晶粒の微細化のために有効な元素であるが、０．００５％未満ではその効果がない。一方、過多に添加すると被削性が低下するため、添加量の上限を０．１％とする。
Ｎは、Ｖ炭窒化物やＮｂ炭窒化物を生成し析出強化のために必要な元素であるが、０．００１％未満では充分な効果が得られない。一方、過多に添加すると靭性が劣化するため、添加量の上限を０．０２％とする。
これらの元素以外にも、固溶強化が期待できる元素としてＣｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｕが、析出強化が期待できる元素としてＴｉ，Ｖ，Ｎｂが、被削性を向上させる元素として、Ｐｂ，Ｓ，Ｂｉ等が考えられるが、特に限定はしない。
【００１１】
＜強度および圧縮残留応力の限定理由＞
強度は７００ＭＰａ以下の鋼材では、超音波処理の処理部表面の圧縮残留応力の下限規定である５０％では十分な疲労強度向上効果が得られないため、その下限値を７００ＭＰａとした。
本発明の超音波処理の処理部表面における残留応力の限定理由を以下に示す。
７００ＭＰａ以上の強度を持つ鋼材において、引張強さの５０％以下の圧縮残留応力では十分な疲労強度向上が認められないこと、および、引張強さの８０％以上の圧縮残留応力を付与することは、本発明では困難であることから、その上限を８０％とした。
【００１２】
＜表面粗度の限定理由＞
本発明においてはコンロッドの表面粗度は問わないが、コラムのリム部の平均表面粗度が０．５μｍ以下であることが好ましい。
コラムのリム部の平均表面粗度が０．５μｍ以下とすることによって、肌荒れが少なく、疲労強度を著しく向上させることができる。
【００１３】
図２乃至図４は、本発明のコンロッドの疲労強度向上方法の実施形態を例示する図である。
図２乃至図４において、１は小端部、２は大端部、３は首部、４はコラム、５はリブ部、６は超音波振動端子を示す。
図２は、本発明のコンロッドの実施形態を例示する図であり、上段が平面図を示し、下段が断面図を示している。
コンロッドのコラム４は繰り返し荷重を受けることによって、特に小端部１および大端部２の首部３が最も疲労き裂が生じ易い。
そこで、本発明におけるコンロッドの疲労特性向上方法は、振動数１０〜６０ｋＨｚ、振幅０．３〜５０μｍで振動する超音波振動端子で前記コンロッドのコラム４の表面を打撃しながら走査することを特徴とする。
超音波振動子の振動数を１０〜６０ｋＨｚと限定したのは、鋼材に与えられる圧縮の残留応力がこの領域で大きくなるからである。同様に、超音波振動するピン先端の振幅を０．３μｍ以上と限定したのも、これ以下の振幅では十分な圧縮残留応力を鋼材に与えることができないからである。振幅は大きいほど残留応力が増すが、５０μｍ以上では塑性変形が大きくなり過ぎ、部品の寸法精度が低下するとともに表面粗度も増大し、疲労強度も低下するため、振幅の上限を５０μｍに限定する。
【００１４】
図３は、本発明におけるコンロッドのコラムの断面図であり、図２におけるＡ矢視図である。
図３に示すように、コラム４の首部３におけるリム部５の表面を超音波振動端子６を矢印の方向に移動させながら打撃処理を行うことが好ましい。コラム４の首部３におけるリム部５が、最も疲労き裂が生じ易い箇所であり、この部分を選択的に超音波打撃処理を行うことによって、コンロッドの疲労強度をさらに向上させることができる。
【００１５】
図４は、本発明のコンロッドの疲労強度向上方法に用いる超音波振動端子を例示する図である。
本発明においては、超音波振動端子の形状は問わないが、前述のように打撃処理部の表面粗度を０．５μｍ以下にするためには、図４に示すように、超音波振動端子６の先端部の半径を５ｍｍ程度に大きくし、また、超音波振動端子６の疲労き裂の入る方向に対して直角方向に往復させて走査することが好ましい。
これは、超音波振動端子６による処理により導入される圧縮残留応力には異方性があり、走査の方向に、より強い圧縮残留応力が付与されるからである。超音波打撃ピン先端の形状は、半球状、蒲鉾状が考えられるが特に限定しない。
なお、コンロッドの疲労き裂は、コラムの大小端近傍に発生することが多く、この部分を重点的に超音波処理するとよい。特に首部側面の見切り線近傍は、鍛造時の巻きこみ疵等応力集中を生じるノッチが存在している可能性があるため、首部側面の見切り線近傍への処理が効果的である。また、その他の疲労き裂発生場所として冷間矯正（コイニング）端部が挙げられる。この部位は引張残留応力が発生しており、疲労き裂の発生しやすい場所である。この部位を処理することにより、引張残留応力を圧縮残留応力に変えることが可能である。
【実施例】
【００１６】
表１に示す成分の鋼から、図５に示すコンロッドの疲労を模した平面曲げ試験片（ＪＩＳ  Ｚ  ２２７５  １号試験片、ｂ＝２０ｍｍ、Ｒ＝３０ｍｍ、ｔ＝２ｍｍ）を切り出した。
この試験片に本発明の超音波処理を施したもの、および無処理ないしは範囲外の処理を施した比較材を用意し、両振り平面曲げ疲労試験を行ない疲労強度を求めた。結果を表２に示す。
超音波打撃処理は、図５に示すように、試験片中央のくびれ部分について裏表行なった。この時の端子の形状は、先端の曲率半径５ｍｍ、幅３０ｍｍの蒲鉾状端子で行なった結果を表２に示す。
表２中の残留応力測定値は、疲労試験を行っていない試験片を別途用意し接合部表層の残留応力を測定したものである。なお、残留応力の測定はＸ線を用いて行ない、回折Ｘ線の強度を測定しピーク強度の半値幅から求めている。
超音波打撃処理無し、および、振動数・振幅が本発明の範囲外の比較例は、引張強度の１／２未満の疲労強度しか得られなかった。
一方、適正な超音波打撃処理を行った発明例は、引張り強さの５０〜８０％の圧縮残留応力が導入されて、疲労強度が向上することが判る。
なお、打撃処理部の平均表面粗度を測定したところ、発明例においては０．５μｍ以下であっが、比較例では０．５μｍを超えていた。
以上のことから、本発明は比較例に比べ、大幅な疲労強度向上が認められ、有効であることが確認された。
【表１】
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【表２】
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【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明におけるコンロッドの油穴の内面を打撃する実施形態を例示する図である。
【図２】本発明のコンロッドの疲労強度向上方法の実施形態を例示する図である。
【図３】本発明におけるコンロッドのコラムの断面図である。
【図４】本発明のコンロッドの疲労強度向上方法に用いる超音波振動端子を例示する図である。
【図５】本発明の実施例に用いた試験片を示す図である。
【図６】本発明の効果を示す図である。
【符号の説明】
【００１８】
１  小端部
２  大端部
３  首部
４  コラム
５  リブ部
６  超音波振動端子（半球状先端）
７  超音波振動端子（蒲鉾状先端）
【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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