(57)【要約】【課題】歪み時効を利用したコンロッドの高強度化手法において、座屈やまくれ込みを防止して疲労強度の低下を招くことなく、Ｉセクション部の強度を安定して向上させることができる内燃機関用コンロッドの製造方法と、このような製造方法を適用してなる内燃機関用コンロッドを提供する。【解決手段】断面におけるスラスト−アンチスラスト方向の寸法ａとフロント−リア方向の寸法ｂの比ａ／ｂが１〜３、リブ先端部の曲率半径Ｒが０．５〜４．０ｍｍ、フロント−リア方向に対するリブの傾斜角度θが５°〜４５°となるような断面形状に鍛造したコンロッド粗材のＩセクション部の一部或いは全部に、例えばコイニングのような冷間加工を施したのち、この加工部分に加熱処理を施して高強度化する。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関用コンロッドのＩセクション部の一部もしくは全部に冷間加工を施して高強度化するに際して、
Ｉセクション断面におけるスラスト−アンチスラスト方向の寸法をａ、フロント−リア方向の寸法をｂ、Ｉセクションリブ先端部の曲率半径をＲ、Ｉセクション断面におけるフロント−リア方向に対するリブの傾斜角度をθとするとき、１≦ａ／ｂ≦３、０．５ｍｍ＜Ｒ＜４．０ｍｍ、５°＜θ＜４５°である鍛造粗材に冷間加工を施したのち、当該加工部分に加熱処理を施すことを特徴とする内燃機関用コンロッドの製造方法。
【請求項２】
冷間加工における加工率が５〜４０％であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用コンロッドの製造方法。
【請求項３】
冷間加工後におけるＩセクション部の内部硬度が２０〜２８ＨＲＣであると共に、表面部硬度が２７ＨＲＣ以上であり、かつ内部硬度に対して５ＨＲＣ以上硬化していることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用コンロッドの製造方法。
【請求項４】
冷間加工がコイニング加工であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の内燃機関用コンロッドの製造方法。
【請求項５】
加熱処理が時効処理であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の内燃機関用コンロッドの製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の方法により製造されていることを特徴とする内燃機関用コンロッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関においてピストンとクランクシャフトとの間を連結して、ピストンの往復運動をクランクシャフトに伝えて回転運動に変換するコンロッド（コネクティングロッド）に係わり、特に高強度コンロッドの製造方法と、このような方法によって製造された内燃機関用コンロッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車の燃費向上や排ガス規制に対処するために、車体の軽量化が求められ、エンジン部品であるコンロッドについても、軽量化を目的にその高強度化が図られている。
【０００３】
コンロッドを強化する手法としては、例えば素材鋼中にバナジウムを添加し、バナジウム炭窒化物の析出によって硬化させたり、コンロッドのＩセクション部に浸炭処理を施すことによって表層部に高強度な浸炭層を形成させたりする方法が知られている。しかし、これらの方法は高価な合金元素を添加したり、バッチ処理による熱処理を実施したりすることが必要となることから、コスト上昇を招くという欠点がある。
【０００４】
そこで、このようなコストアップ要因を避け、低コストで製造する方法として、Ｉセクション部に冷間加工を施し、しかるのちに加工部位に加熱処理を加えて時効硬化させる方法が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような冷間加工による従来の高強度化手法にあっては、Ｉセクション部に冷間加工を施すに際して、Ｉセクション部の形状によっては、Ｉセクションを構成するリブの座屈（倒れ）や、スラスト−アンチスラスト面にまくれ込みを起こしてしまい、当該部位の切欠き感度が増して、疲労強度が低下するという問題があり、このような問題点の解消が冷間加工による従来のコンロッド高強度化手法における課題となっていた。
【０００６】
【発明の目的】
本発明は、このような従来のコンロッド高強度化手法における上記課題に着目してなされたものであって、歪み時効を利用したコンロッドの高強度化手法において、座屈やまくれ込みを防止して疲労強度の低下を招くことなく、Ｉセクション部の強度を安定して向上させることができる内燃機関用コンロッドの製造方法と、このような製造方法を適用してなる内燃機関用コンロッドを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
コンロッドは、内燃機関とピストンとクランクシャフトを連結するものであって、ロッド部と、１対のボルトでキャップ部を締結することによりクランクシャフトに連結される軸受孔を形成した大端部からなり、さらにロッド部は、ピストンピンを介してピストンに連結される小端部と、該小端部と大端部とをつなぐＩセクション部を備えている。
【０００８】
図１は、冷間加工及び加熱処理後におけるコンロッドの座屈強度、すなわち歪み時効後の座屈強度に及ぼす冷間加工前の鍛造粗材におけるＩセクション断面形状の影響を調査した結果を示すものである。
【０００９】
すなわち、図１は、コンロッド粗材のＩセクション部を図２に示すような形状に熱間鍛造するに際して、スラスト−アンチスラスト方向の寸法ａと、フロント−リア方向の寸法ｂの比ａ／ｂを種々に変化させ、Ｉセクション部のリブをフロント−リア方向に加工率２０％で冷間コイニングし、リブに座屈やまくれ込みの発生のないものについて、３００℃×３０分の時効処理を施したのち、図３に示すように、コンロッドの小端部及び大端部にピストンピン及びクランクシャフト相当のシャフト材をそれぞれ挿入し、圧縮荷重を負荷して座屈試験を実施し、縦軸に座屈強度の指標となる０．２％耐力（塑性変形開始荷重）をとり、ａ／ｂ比で整理したものである。なお、座屈強度は、最大荷重を示したａ／ｂ＝２のときの強度を「１」とする比率で示した。
【００１０】
この結果から明らかなように、ａ／ｂ比が１に満たない場合、あるいは３を超えた場合には、座屈モードが実車とは異なり、座屈強度が大幅に低下する結果となった。
【００１１】
本発明は、このような知見に基づくものであって、本発明に係わる内燃機関用コンロッドの製造方法は、内燃機関用コンロッドのＩセクション部の一部もしくは全部に冷間加工を施して高強度化するに際して、Ｉセクション断面におけるスラスト−アンチスラスト方向の寸法をａ、フロント−リア方向の寸法をｂ、Ｉセクションリブ先端部の曲率半径をＲ、Ｉセクション断面におけるフロント−リア方向に対するリブの傾斜角度をθとするとき、１≦ａ／ｂ≦３、０．５ｍｍ＜Ｒ＜４．０ｍｍ、５°＜θ＜４５°である鍛造粗材に冷間加工を施したのち、当該加工部分に加熱処理を施す構成としたことを特徴としており、内燃機関用コンロッドの製造方法におけるこのような構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【００１２】
また、本発明に係わる内燃機関用コンロッドは、本発明に係わる上記方法のいずれかによって製造されていることを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明に係わる内燃機関用コンロッドの製造方法においては、Ｉセクション断面における上記ａ／ｂ比が１〜３、リブ先端部の曲率半径Ｒが０．５〜４．０ｍｍ、フロント−リア方向に対するリブの傾斜角度θが５°〜４５°となるような断面形状に鍛造したコンロッド粗材の上記Ｉセクション部の一部或いは全部に、例えばコイニングのような冷間加工を施したのち、この加工部分に加熱処理を施して高強度化するようにしているので、リブの座屈やスラスト−アンチスラスト面のまくれ込みを防止して、疲労強度の低下を来たすことなくコンロッド強度が向上することになる。このとき、リブ先端の曲率半径Ｒを０．５ｍｍ以下とすることは鍛造精度上困難である一方、曲率半径Ｒが４ｍｍ以上の場合にはリブ高さが低くなって、冷間加工代が少なくなり、十分な強度向上が見込めない。また、リブの傾斜角度θが５°以下になると、冷間加工によってリブの座屈やまくれ込みが発生し、４５°以上になるとリブ高さが低くなり、同様に冷間加工代が少なくなって十分な強度向上が達成できない。
【００１４】
本発明に係わる内燃機関用コンロッドの製造方法における好適形態として、上記冷間加工における加工率を５〜４０％の範囲のものとすることが望ましい。すなわち、冷間加工率が５％に満たない場合は、わずかな歪みしか導入されないことから、歪み時効による硬化が十分に得られず、強度向上幅が小さなものとなる傾向がある。反面、冷間加工率が４０％を超えてしまうと、材料の伸び限界を上回るために微細な割れが発生しやすくなり、その後の加熱処理での強度向上効果が損なわれると共に、割れが疲労破壊の起点となって疲労強度が低下する可能性があることによる。なお、この場合の冷間加工率とは、フロント−リア方向についての圧縮率を意味する。
【００１５】
また、他の好適形態としては、冷間加工後におけるＩセクション部の内部硬度が２０〜２８ＨＲＣであると共に、表面部硬度が２７ＨＲＣ以上で、かつ内部硬度に対して５ＨＲＣ以上硬化するように冷間加工することが望ましく、これによって部品加工時の被削性を損なうことなく、コンロッドとして要求される座屈強度及び疲労強度が確保されることになる。すなわち、ＪＩＳ　Ｚ　２２４５により規定されるロックウェル硬度（Ｃスケール）で、表面部硬度が内部よりも５（ＨＲＣ）以上上昇していることによって、十分な歪み時効効果が得られる。また、Ｉセクション部の内部硬度が２０ＨＲＣ未満では、部品としての強度を保持することが難しく、逆に２８ＨＲＣを超えると被削性が損なわれる傾向がある。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００１７】
（実施例１）
ＪＩＳ　Ｇ　４０５１に規定される機械構造用炭素鋼を用いて、スラスト−アンチスラスト方向の寸法ａとフロント−リア方向の寸法ｂの比ａ／ｂを一定値２とした上で、リブ先端部の曲率半径Ｒを０．５ｍｍ〜４．０ｍｍの範囲、リブの傾斜角度θを０°〜４５°の範囲で変化する断面形状のＩセクション部を有する都合２１種類のコンロッド粗材を鍛造した。
【００１８】
次に、各鍛造粗材のＩセクション部のリブをフロント−リア方向に加工率２０％で冷間コイニングしたのち、３００℃に昇温し、この温度に３０分間保持して時効硬化処理を施した。
【００１９】
図４は、冷間加工後のリブの座屈やスラスト−アンチスラスト面のまくれ込みの発生状況を示すものであって、リブの傾斜角度θが５°＜θ＜４５°、かつリブ先端部の曲率半径Ｒが０．５ｍｍ＜Ｒ＜４ｍｍを満たす領域内の鍛造粗材（○印）の場合には、図５に示すように、平滑なスラスト−アンチスラスト面を備えた正常な断面形状となっていることが確認された。これに対し、リブ傾斜角度θが５°以下の鍛造粗材（●印）を用いた場合には、図６にその代表例を示すように、リブの座屈（倒れ）Ｓやスラスト−アンチスラスト面のまくれ込みＴが発生していた。また、リブ傾斜角度θが４５°以上またはリブ先端部の曲率半径Ｒが４ｍｍ以上の鍛造粗材を用いた場合（▲印）には、リブ高さが低くなり、フロント−リア方向方向ｂの座屈強度上、冷間加工代が制約され、スラスト−アンチスラスト方向ａの座屈強度を十分向上できなかった。さらに、リブ先端部の曲率半径Ｒが０．５ｍｍ以下の鍛造粗材を用いた場合（▼印）には、冷間加工時にリブ先端近傍にあくれ込みが発生しやすく、また鍛造段階で安定したＲ形状を得ることが困難だった。
【００２０】
（実施例２）
実施例１において鍛造したコンロッド粗材のうち、本発明の実施例に係わるａ／ｂ＝２、Ｒ＝１ｍｍ、θ＝２０°の鍛造粗材と、従来例に係わるａ／ｂ＝２、Ｒ＝２ｍｍ、θ＝０．５°の鍛造粗材と、比較例に係わるａ／ｂ＝２、Ｒ＝２ｍｍ、θ＝０°の鍛造粗材とを用いて、これら鍛造粗材にそれぞれ３０％の加工率で冷間コイニングを施したのち、同様に３００℃×３０分の時効硬化処理を施すことによってコンロッドを製造した。そして、図７に示すように、各コンロッドのＩセクション部に引張・圧縮荷重を負荷して疲労試験を実施した。
【００２１】
図８は、この疲労試験結果を示すＳ−Ｎ線図であって、スラスト−アンチスラスト面が平滑で正常な断面形状となった本発明によるコンロッド（◎印）の疲労強度は、従来例に係わるコンロッド（○印）に較べて、約１０％向上することが確認された。これに対して、まくれ込みが発生した比較例に係わるコンロッド（●印）の疲労強度は従来品に較べて約５５％低下している。なお、疲労破壊は、従来においては、Ｉセクション部のランダムな点から発生していたが、リブの座屈やまくれ込みが発生している場合には、これら座屈部やまくれ込み部を起点として発生していた。
【００２２】
（実施例３）
実施例１において鍛造したコンロッド粗材のうち、本発明の実施例に係わるａ／ｂ＝１．５、Ｒ＝２ｍｍ、θ＝１０°の鍛造粗材を用い、冷間加工後のＩセクション部の内部硬度及び表面部硬度を表１に示すように変化させて、被削性及び座屈強度との関係を以下の方法により調査した。
【００２３】
〈被削性評価〉
表１に示す各試料のＩセクション部から厚さ２０ｍｍ、冷間加工後の幅が２０ｍｍになるように作製したテストピースに、φ８ハイスドリルを用い、送り速度０．１６ｍｍ／ｒｅｖで、３００個の貫通孔を開け、この時の工具摩耗量をバナジウム炭窒化物により析出硬化させた従来鋼に同様の加工を施した場合の工具摩耗量と比較した。各試料における工具摩耗量が従来材比１．５倍以下の場合を○、１．５倍を超え３倍以下の場合を△、３倍を超える場合を×と評価した。
【００２４】
〈座屈強度評価〉
Ｉセクション部から切出したテストピースを用いてＪＩＳ　Ｚ　２２４１に規定される引張試験を行い、０．２％耐力σ０．２　を求め、加工率０％、表面部硬度２３ＨＲＣ、内部硬度２２ＨＲＣの場合のσ０．２に対する比率を座屈強度比とした。座屈強度比が１以上の場合をＯＫ、１未満の場合をＮＧとした。
【００２５】
被削性及び座屈強度評価結果を併せて表１に示す。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
これより、内部硬度が２０〜２８ＨＲＣ、表面部硬度が２７ＨＲＣ以上であり、かつ内部硬度に対して５ＨＲＣ以上降下している場合に、被削性を保ちつつ座屈強度を向上させることができ、特に好ましいことが確認された。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明に係わる内燃機関用コンロッドの製造方法においては、内燃機関用コンロッドのＩセクション部の一部もしくは全部に冷間加工を施して高強度化するに際して、スラスト−アンチスラスト方向の寸法ａと、フロント−リア方向の寸法ｂの比ａ／ｂが１〜３、Ｉセクションリブ先端部の曲率半径Ｒが０．５ｍｍ＜Ｒ＜４．０ｍｍ、Ｉセクション断面におけるフロント−リア方向に対するリブの傾斜角度θが５°〜４５°の範囲となるような断面形状に鍛造したＩセクション部に冷間加工を施し、次いで当該加工部分に加熱処理を施すようにしていることから、冷間加工に際してリブの座屈やスラスト−アンチスラスト面のまくれ込みを防止することができ、疲労強度の低下を招くことなくコンロッドの高強度化を達成することができるという極めて優れた効果がもたらされる。
【００２９】
また、本発明に係わる内燃機関用コンロッドは、上記方法によって製造されたものであるから、高価な合金元素を添加したり、複雑な熱処理を施したりすることなく低コストに高強度化することができ、内燃機関、さらにはこれを搭載した車体の軽量化に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】コンロッドの座屈強度に及ぼす鍛造粗材のＩセクション部における断面縦横比ａ／ｂの影響を示すグラフである。
【図２】コンロッドの鍛造粗材におけるＩセクション部の形状を示す断面図である。
【図３】コンロッドの形状及び座屈試験要領を示す斜視図である。
【図４】冷間加工後におけるＩセクション部の断面形状を良好なものとするためのリブ先端部の曲率半径範囲およびリブの傾斜角度範囲を示すグラフである。
【図５】冷間加工後におけるＩセクション部の良好な形状例を示す断面図である。
【図６】冷間加工後におけるＩセクション部の形状不良の例を示す断面図である。
【図７】コンロッドの疲労試験要領を示す斜視図である。
【図８】コンロッドの疲労試験結果を示すＳ−Ｎ線図である。
【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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【図７】
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【図８】
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