(57)【要約】【課題】コンロッド製造に際しての所要工程数，所要時間が少なく、安価にコンロッドを製造できるとともに必要な高強度を付与することのできる、破断分離が容易な高周波焼入れコンロッド用非調質鋼を提供することを目的とする。【解決手段】大端部において破断分離され、大端部と小端部とを繋ぐ連接部が高周波焼入れされて製造されるコンロッド用の非調質鋼を、重量％でC：0.3〜0.5％，Si：0.1〜1.5％，Mn：0.5〜1.8％，P：0.03〜0.15％，Cu：0.01〜0.5％，Ni：0.01〜0.5％，Cr：0.01〜0.8％，s-B：0.0001〜0.005％，Ti：0.005〜0.15％，s-Al：0.001〜0.03％，残部Fe及び不可避不純物から成る組成とする。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
大端部において破断分離され、該大端部と小端部とを繋ぐ連接部が高周波焼入れされて製造されるコンロッド用の非調質鋼であって、
重量％で
C ：0.3〜0.5％
Si：0.1〜1.5％
Mn：0.5〜1.8％
P ：0.03〜0.15％
Cu：0.01〜0.5％
Ni：0.01〜0.5％
Cr：0.01〜0.8％
s-B：0.0001〜0.005％
Ti：0.005〜0.15％
s-Al：0.001〜0.03％
残部Fe及び不可避不純物からなることを特徴とする破断分離が容易な高周波焼入れコンロッド用非調質鋼。
【請求項２】
請求項１において、重量％で
V ：≦0.4％
を更に含有することを特徴とする破断分離が容易な高周波焼入れコンロッド用非調質鋼。
【請求項３】
請求項１において、
0.5≦Ceq≦0.85
P≧0.24−0.28×Ceq
但しCeq＝C＋0.07Si＋0.16Mn＋0.61P＋0.19Cu＋0.17Ni＋0.2Cr
で示される式を満たすことを特徴とする破断分離が容易な高周波焼入れコンロッド用非調質鋼。
【請求項４】
請求項２において、
0.5≦Ceq≦0.85
P≧0.24−0.28×Ceq
但しCeq＝C＋0.07Si＋0.16Mn＋0.61P＋0.19Cu＋0.17Ni＋0.2Cr＋V
で示される式を満たすことを特徴とする破断分離が容易な高周波焼入れコンロッド用非調質鋼。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかにおいて、重量％で
S ：≦0.15％
Pb：≦0.3％
Bi：≦0.3％
Ca：0.0001〜0.01％
の１種又は２種以上を更に含有することを特徴とする破断分離が容易な高周波焼入れコンロッド用非調質鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は鍛造によって製造されるコンロッド、詳しくは鍛造後において大端部で破断分離され、また大端部と小端部とを繋ぐ連接部が高周波焼入れされて製造されるコンロッド用のフェライト・パーライト組織を有する非調質鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃往復エンジンのコネクティングロッド（以下単にコンロッドとする）は大端部，小端部及び大端部と小端部とを繋ぐ連接部全体を最終形状に一体に鍛造で成型加工した後、仕上げの機械加工を施し、その後に大端部をクランクシャフトへの組付用に半円形状の半体に２分割して製造していた。
しかしながらこの方法は、切断部分に切り代として余分な材料を要するとともに、切断加工後において破断分離面を切削加工又は研磨加工等によって仕上げる必要があり、製造に多大な時間を要するとともに価格の上昇をもたらしていた。
【０００３】
そこで欧州ではコンロッドを最終形状に加工した後、大端部を破断分離によって分割する手法が用いられており、そしてその破断分離特性を高めるために、熱間鍛造後においてパーライト単一組織が得られる靭性の低い鋼が用いられている。
しかしながらここで用いられている鋼は、破断分離工程の適用は可能であるものの、コンロッドにとって最も重要な特性である耐力が低く、また被削性が悪いなどの問題があり、国内ではあまり利用されていない。
【０００４】
そこで国内ではこのような問題を解決するため、一般的にコンロッド用材料として用いられる中炭素鋼に微量のVを添加したV添加の非調質鋼に更にPを添加し、靭性を低下させて破断分離特性を高め、以って大端部を分割する手法として破断分離工程を適用できる鋼が開発されている。
【０００５】
ところで下記特許文献１には、コンロッドを部分的に高周波焼入れして、所要部分のみを部分的に高強度化する手法が開示されている。
図１はこの特許文献１に開示のものを具体的に示している。
同図において２００はコンロッドにおける大端部、２０２は小端部、２０４はそれら大端部２００と小端部２０２とを繋ぐ連接部である。
この特許文献１に開示のものでは、大端部２００の肩部２０６と小端部２０２の肩部２０８とを高周波焼入れによって部分的に高強度化するようにしている。
【０００６】
前述のようにコンロッドにとって最も重要視される特性は連接部の耐力であり、その連接部の耐力を飛躍的に高める方法として、連接部のみ且つ連接部全体に亘り高周波焼入れする手法が開発されている。
この手法は、強度の必要な連接部のみを高強度化でき、その他の部分は鍛造時の硬さのまま維持できることから、被削性等の製造性を劣化させることなく、高強度のコンロッドが得られる優れた手法である。
【０００７】
しかしながらこの手法は、非調質鋼にPを添加し、靭性を低下させて大端部を破断分離により分割する上記製造方法にはそのまま適用できない。
Pの添加された鋼は、従来から良く知られているように焼入れ・焼戻し時にPが結晶粒界に偏析して靭性を著しく低下させる。
【０００８】
従ってこのようなPを添加した非調質鋼に対し、連接部において高周波焼入れを施すと、連接部の強度が低下してしまうという問題を生ずるからである。
即ち大端部の破断分離特性を高めるべくPを添加すると、連接部を高周波焼入れしたとき、高強度化すべき連接部の強度がPの添加に起因して低下してしまう問題を生ずるのである。
【０００９】
【特許文献１】特開昭６３−６２８２０号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の破断分離が容易な高周波焼入れコンロッド用非調質鋼はこのような課題を解決するために案出されたものである。
而して請求項１のものは、大端部において破断分離され、該大端部と小端部とを繋ぐ連接部が高周波焼入れされて製造されるコンロッド用の非調質鋼であって、重量％で、C：0.3〜0.5％，Si：0.1〜1.5％，Mn：0.5〜1.8％，P：0.03〜0.15％，Cu：0.01〜0.5％，Ni：0.01〜0.5％，Cr：0.01〜0.8％，s-B：0.0001〜0.005％，Ti：0.005〜0.15％，s-Al：0.001〜0.03％，残部Fe及び不可避不純物からなることを特徴とする。
【００１１】
請求項２のものは、請求項１において、重量％で、V：≦0.4％を更に含有することを特徴とする。
【００１２】
請求項３のものは、請求項１において、
0.5≦Ceq≦0.85
P≧0.24−0.28×Ceq
但しCeq＝C＋0.07Si＋0.16Mn＋0.61P＋0.19Cu＋0.17Ni＋0.2Cr
で示される式を満たすことを特徴とする。
【００１３】
請求項４のものは、請求項２において、
0.5≦Ceq≦0.85
P≧0.24−0.28×Ceq
但しCeq＝C＋0.07Si＋0.16Mn＋0.61P＋0.19Cu＋0.17Ni＋0.2Cr＋V
で示される式を満たすことを特徴とする。
【００１４】
請求項５のものは、請求項１〜４の何れかにおいて、重量％で、S：≦0.15％，Pb：≦0.3％，Bi：≦0.3％，Ca：0.0001〜0.01％の１種又は２種以上を更に含有することを特徴とする。
【発明の作用・効果】
【００１５】
本発明は、コンロッド用非調質鋼にPを含有させて鍛造後における大端部の破断分離特性を高く保持する一方で、連接部を高周波焼入れしたときにP添加による悪影響、即ちPが結晶粒界に偏析して連接部を脆化させ連接部の靭性を低下させてしまうのを、Bの添加により防止するようになしたものである。
このBの添加は、Pの偏析の防止と併せて鋼の焼入性を高める効果も奏する。
【００１６】
本発明では、Bの添加と併せてTiを所定量添加する。
鋼中に添加されたBはPよりも拡散速度が速く、Pよりも先に結晶粒界に偏析してPが粒界に偏析するのを防ぐ働きをする。
但し添加されたBはBNとなって析出し易く、この場合結晶粒界へのPの偏析の抑止効果が失われてしまう。
【００１７】
そこで本発明では、BよりもNとより結合し易いTiを鋼中に添加し、そして加えたTiをNと優先的に結合及び析出させてBを単独で存在させ、BによるPの偏析抑止効果を十分に発揮させる。
【００１８】
本発明において、加えられたTiはTiNとなってNを固定化する働きをなすのみならず、TiNを生成するのに必要な量以上に添加しておくことで、かかるTiがTiCとなって鋼中に微細に分散析出し、鋼の靭性詳しくは大端部における靭性を低下させ、大端部の破断分離特性を向上させる働きもなす。
即ち本発明によれば、Ti添加により、Pを添加しただけの場合に比べて大端部における破断分離特性を更に一段と向上させ得るのであり、一方で強度の必要な連接部においては、Pによる悪影響をBの働きによって除き、かかる連接部に所望の強度を付与し得る効果が得られる。
【００１９】
このような本発明によれば、コンロッドを少ない工数で且つ短時間で安価に製造できるようになり、しかもコンロッドにおいて強度の必要な連接部を効果的に高強度化することができる。
【００２０】
本発明では、必要に応じて鋼中にVを0.4％以下の量で含有させておくことができる（請求項２）。
更にまた、より高い加工性が要求される場合においてはS，Pb，Bi，Ca等の快削元素を所定量含有させておくことができる（請求項５）。
【００２１】
次に本発明における化学成分の添加及び限定理由を以下に詳述する。
C:0.3〜0.5％
Cは鍛造ままの強度を確保するために必要な元素であるとともに、焼入性を高めて高周波焼入れする連接部の強度を確保するために必要な元素である。
このため0.3％以上の添加が必要であるが、過剰に添加すると高周波焼入時の焼割れの原因となるためその含有量を0.5％以下とする。
【００２２】
Si：0.1〜1.5％
Siは鋼溶製時において脱酸作用を有しているとともに、フェライト中に固溶しコンロッドに必要な特性である耐力を向上させる。
本発明は、強度が必要な連接部については高周波焼入れで強度確保を図ることを前提としているが、小端部における穴あけ加工性の確保のために小端部を焼入れしないとすると、必ず連接部の小端部側には焼き境が発生する。
この焼き境部分の強度確保のためには母材の耐力の向上が必要であり、このような母材耐力の向上にSiの添加は非常に有効である。
このため本発明では0.1％以上のSiの添加が必要であるが、過剰に添加すると熱間鍛造時の過熱で顕著な脱炭を生じ、高周波焼入後の強度を低下させるので1.5％以下とすることが必要である。
【００２３】
Mn：0.5〜1.8％，Cr：0.01〜0.8％
Mn，Crは鍛造材の強度を高めるとともに焼入性を向上させ、連接部を高周波焼入れする場合、連接部の強度確保に必要な元素である。
しかしながら多量に添加すると鍛造後にベイナイトが生成し、硬さが著しく増加して被削性を低下させるため、それぞれの範囲をMn：0.5〜1.8％，Cr：0.01〜0.8％とする。
【００２４】
P：0.03〜0.15％
Pは粒界への偏析により靭性を低下させる不可避的な不純物元素として、できるだけ低く抑えられるのが一般的である。
しかしながら破断分離を行う本発明においては、破断分離工程時の変形を抑制し、破断分離面の密着性を向上させる元素として非常に有効に作用するため積極的に添加する。
またPはSiと同様にフェライト中に固溶してフェライトの強度を向上させるため、高周波焼入れしない部分や焼き境部の耐力や疲労強度の向上に有効である。
しかし多量に添加してもその効果が飽和したり、高周波焼入時に焼割れの原因となるため0.03〜0.15％とする。
【００２５】
Cu，Ni：0.01〜0.5％
Cu，Niは鍛造材の強度を確保するとともに焼入性を向上させ、連接部を高周波焼入れする場合、連接部の強度確保に必要な元素である。
しかしながら高価な添加元素であり、多量に添加してもその効果が飽和し経済的に不利になるため、その範囲をそれぞれ0.01〜0.5％とする。
【００２６】
s-B：0.0001〜0.005％
s-Bは焼入性を高めるとともに、本発明のように多量のPを含有する鋼では、連接部を高周波焼入れする際に焼入時のPの結晶粒界への偏析を極微量で抑制する作用をなし、連接部の強度を確保するために必要な元素である。
このような効果を得るために0.0001％以上の添加が必要であるが、過剰に添加してもその効果が飽和するために上限を0.005％とする。
【００２７】
Ti：0.005〜0.15％
TiはBを添加する場合に複合添加させる元素である。
通常Bは鋼中のNと結合してBNとなって析出するが、BNとして析出したBは前述したような効果を示さず、却って焼入性を低下させることが知られている。
このためBよりNとの結合力が強いTiを添加してTiNを晶出させ、鋼中の固溶Nを低減させる。
一方TiNを生成するのに必要な量以上に添加したTiはTiCとして鋼中に析出し、Vと同様に鍛造ままの強度を高めて焼き境部の強度を確保できるとともに、鍛造ままで使用される大端部の衝撃値を大幅に低下させて、破断分離特性を向上させる効果を有する。
このような効果を得るために0.005％以上の添加が必要であるが、0.15％より多く添加してもその効果は飽和するため上限を0.15％とする。
Tiの好ましい添加量は重量基準でTi／N≧3.5である。
【００２８】
s-Al：0.001〜0.03％
鋼溶解時に脱酸作用を有するとともに微細な窒化物を生成し、熱間鍛造時の結晶粒粗大化を抑制することにより強度を向上させる。
また過剰に添加してもその効果は飽和して経済的に不利である。
このためs-Alの適正な添加範囲は0.001〜0.03％である。
【００２９】
V：≦0.4％
VはCやNと結びつき、炭窒化物として鋼中に微細に析出して耐力や疲労強度を高める元素である。
このため、通常の鍛造ままで使用するコンロッドには添加させるのが一般的である。
しかしながら本発明では最も強度が要求される連接部は高周波焼入れで強度を確保するため無添加でも良い。
但し前述したようにコンロッドの小端部側に生じる焼き境部の強度を確保するためには非常に有効な添加元素であり、本発明では必要に応じて添加する。
しかし0.4％より多く添加してもその効果が飽和するので、添加するとしても0.4％以下にする必要がある。
【００３０】
コンロッドを機械部品として成立させるためには適切な強度、即ち鍛造後の硬さを調整することが必要である。
また一般に非調質鋼の鍛造後硬さは炭素当量で管理されることが多く、本発明でも下記式を満たすように成分を調整することにより適度な鍛造後硬さを管理できる（請求項３）。
0.5≦Ceq≦0.85
但しCeq＝C＋0.07Si＋0.16Mn＋0.61P＋0.19Cu＋0.17Ni＋0.2Cr
ここで炭素当量Ceqが0.5より小さいと鍛造後の硬さが軟らか過ぎて十分な強度を得ることができず、一方Ceqが0.85より大きいと鍛造後硬さが硬くなり過ぎて被削性に問題が発生するため、Ceqは0.5〜0.85の範囲に調整する必要がある。
【００３１】
尚V添加鋼については
Ceq＝C＋0.07Si＋0.16Mn＋0.61P＋0.19Cu＋0.17Ni＋0.2Cr＋V
の式で示される式を満たすようにできる（請求項４）。
【００３２】
P≧0.24−0.28×Ceq
破断分離を行う本発明ではPは破断分離工程時の変形を抑制し、破断分離面の密着性を向上させる元素として添加されている。
破断分離時の変形量はP含有量のみではなく硬さにも依存し、鍛造後硬さが高い場合即ちCeqが高い場合には変形が少なく、鍛造後硬さ、Ceqが低い場合には大きくなる。
このため適正なP添加量もCeqによって変化し、Ceqに対する下限値をP≧0.24−0.28×Ceqで示される範囲に管理することにより破断分離工程時の変形をより抑制できる。
【００３３】
S：≦0.15％，Pb：≦0.3％，Bi：≦0.3％，Ca：0.0001〜0.01％
以上の元素は被削性を改善する元素であり、必要に応じて１種又は２種以上を添加しても良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
次に本発明の実施例を以下に詳述する。
表１に示す本発明鋼及び比較鋼を溶製した後造塊し、熱間鍛造を行って５０ｍｍ角の鍛造素材とし、これを１２００℃で６０分加熱保持した後直径２２ｍｍの丸棒に熱間鍛造を行い、重ね合わせないように適当な間隔をおいて床に放置し室温まで放冷した。
この丸棒よりJIS４号引張試験片（平行部径φ８ｍｍ，縮小サイズ）とJIS３号衝撃試験片（２ｍｍＵ ノッチ）を切り出した。
この状態で鍛造ままの引張特性と衝撃特性の調査を実施した。
【００３５】
また、各鋼種で直径２２ｍｍの丸棒から切り出した引張試験片の平行部と衝撃試験片のノッチ部に芯まで焼入れられるような条件で高周波焼入れを施した後に５００℃で焼戻しし、高周波焼入れした部位の強度特性を評価した。
ここで鍛造まま材の硬さはφ２２ｍｍの丸棒の1/2Ｒ位置をロックウェル硬さで測定し、また高周波焼入材では引張試験片の平行部横断面の1/2Ｒ位置を同じくロックウェル硬さで測定した。その結果が表２に示してある。
表１に示した鋼には不純物としてNが0.004〜0.023％、Oが0.00012〜0.005％含有されていた。
【００３６】
尚、発明鋼１は請求項１，発明鋼２は請求項２，発明鋼３，４，７，８は請求項３，発明鋼５，６は請求項４，発明鋼９，１０，１１，１２は請求項５に該当する。
【００３７】
【表１】
2005036310.tif 000002
【００３８】
【表２】
2005036310.tif 000003
【００３９】
表１，表２に見られるように比較鋼Ａの場合、C含有量が0.29％と本発明の下限値である0.3％よりも低く、このため硬さが不十分で十分な強度が得られていない。
【００４０】
比較鋼Ｂは逆にC含有量が0.55％と本発明の上限値の0.5％よりも多く、またCeqが0.864と本発明の上限値である0.85よりも多い。このため高周波焼入時に焼割れが発生している。
【００４１】
比較鋼ＣはSi含有量が2.03％と本発明の上限値である1.5％よりも多く、このため鍛造後に激しく脱炭が生じた。
今回の試験では丸棒の中心より試験片を切り出しているため問題ないが、実際の鍛造品では高周波焼入後の引張強さ，耐力低下が発生する。
【００４２】
次に比較鋼ＤはMn含有量が2.01％と本発明の上限値である1.8％よりも多く、またCeqが0.873と本発明の上限値である0.85よりも多い。このため鍛造後の冷却でベイナイトが発生している。
【００４３】
比較鋼ＥはP含有量が0.195％と本発明の上限値である0.15％よりも多く、高周波焼入時に焼割れが発生している。
【００４４】
比較鋼ＦはCr含有量が0.83％と本発明の上限値である0.8％よりも多く、またCeqが0.855と本発明の上限値である0.85よりも多い。このため鍛造後の冷却でベイナイトが発生している。
【００４５】
比較鋼Ｇはs-B無添加鋼であり、このため高周波焼入れによりPの影響で顕著な脆化が発生し、引張強さ，耐力が低くなっている。
【００４６】
比較鋼ＨはTi無添加鋼であり、このためBがBNとなって有効に作用せず、高周波焼入れによりPの影響で顕著な脆化が発生し、引張強さ，耐力が低くなっている。またTi添加鋼に比べて鍛造ままでの衝撃値も高く、破断分離特性も劣化している。
【００４７】
比較鋼Ｉはs-Al無添加鋼であり、鍛造後の結晶粒が粗大化し、耐力比が低くなっている。
【００４８】
比較鋼ＪはPの含有量が0.24−0.28×Ceq＝0.057よりも低い0.032であり、このため鍛造材の衝撃値が高く破断分離性の悪いものとなっている（この点は比較例Ａも同様）。
【００４９】
これらの比較鋼に対し本発明鋼では鍛造材の衝撃値が低く、破断分離特性に優れている。
更に高周波焼入れ・焼戻し材では非常に高い耐力が得られている。
【００５０】
以上本発明の実施例を詳述したがこれはあくまで一例示であり、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた形態で構成可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】コンロッドの部分的な強化手法の公知例を示す図である。
【図１】
2005036310.tif 000004