(57)【要約】【課題】熱間鍛造粗形材の寸法がばらついた場合でも安定した強度を有する強度ばらつきの小さい冷間コイニング強化コンロッドの製造方法を提供すること。【解決手段】素材に熱間鍛造を施して大端部，小端部，及びコラム部を形成する熱間鍛造工程Ｓ１と，熱間鍛造工程Ｓ１後の冷却途中の５００〜１０００℃の温度領域において，コラム部に熱間コイニング又は温間コイニングを施す熱間／温間コイニング工程Ｓ２と，熱間／温間コイニング工程Ｓ２の後にコラム部にさらに１００℃以下の温度領域において冷間コイニングを施す冷間コイニング工程Ｓ４とを含む。冷間コイニング工程Ｓ４では，冷間コイニング前のコラム部のリブ高さをｈ１，冷間コイニング後のコラム部のリブ高さをｈ２とした場合，加工率（ｈ１−ｈ２）／ｈ１が０．１５〜０．２５となる条件で冷間コイニングを施す。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大端部と小端部とこれらをつなぐコラム部とを有し，冷間コイニングを施すことによって上記コラム部を強化してなる冷間コイニング強化コンロッドを製造する方法であって，
素材に熱間鍛造を施して上記大端部，上記小端部，及び上記コラム部を形成する熱間鍛造工程と，
上記熱間鍛造工程後の冷却途中の５００〜１０００℃の温度領域において，上記コラム部に熱間コイニング又は温間コイニングを施す熱間／温間コイニング工程と，
該熱間／温間コイニング工程の後に１００℃以下の温度領域において上記コラム部にさらに冷間コイニングを施す冷間コイニング工程とを含み，
該冷間コイニング工程では，冷間コイニング前の上記コラム部のリブ高さをｈ１，冷間コイニング後の上記コラム部のリブ高さをｈ２とした場合，加工率（ｈ１−ｈ２）／ｈ１が０．１５〜０．２５となる条件で冷間コイニングを施すことを特徴とする冷間コイニング強化コンロッドの製造方法。
【請求項２】
請求項１において，上記熱間／温間コイニング工程と上記冷間コイニング工程との間には，上記熱間／温間コイニング工程を施した上記コラム部が１００℃以下に冷却された後にショットブラスト処理を施すショットブラスト工程を行うことを特徴とする冷間コイニング強化コンロッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車のエンジン等に用いられるコンロッドを対象とし，特に冷間コイニングによる加工硬化を利用して高強度なコンロッドを製造する上での冷間加工方法に関するものであり，冷間コイニング後の強度ばらつきを抑え，安定して高い強度を確保することのできる高強度なコンロッドの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車や建設機械等に用いられる機械構造部品は，従来，炭素鋼や合金鋼を素材とし，熱間鍛造後，焼入焼もどし処理により必要な強度を確保してきた。しかし，エネルギー消費の効率化から，最近では，焼入焼もどし処理することなく必要な強度が確保できる非調質鋼が多量に使用されるようになってきている。この非調質鋼については，多数の特許が出願されており，フェライトパーライト型，ベイナイト型等様々な組織からなる鋼が提案されているが，その主となる考え方は，ＶやＮｂ等の炭窒化物を熱間加工後の冷却途中に析出させることによって，析出強化により強度を確保しようとするものである。
【０００３】
しかし，自動車等に対する軽量化への要求は，ますます強くなってきており，コンロッドも例外ではない。軽量化を可能とするためには，材料面での改良によるものと，加工方法の改良によるものの２通りの方策が考えられるが，材料面での改良は，従来から盛んに行われてきたため，最近では，加工方法の面からの改良方法が注目されるようになってきている。
【０００４】
加工方法の改良によるコンロッドの高強度方策としては，従来からコンロッドはコラム部が最も高強度が要求されることがわかっており，この部分に冷間加工を加えて（コイニング）加工強化により高強度化しようとする試みが行われるようになってきている。
【０００５】
例えば特許文献１では，ウエブ面のみに冷間コイニングを施すことによって，冷間コイニング後にリブ面に引張の残留応力を発生させないことにより，疲労強度が向上させることのできる冷間コイニング方法について開示されている。
【０００６】
また，特許文献２〜４には，鋼材として低炭素鋼，低炭素ボロン鋼，マルテンサイト変態開始温度が６００℃以上の鋼等を使用してコンロッド形状の熱間鍛造品を作製した後に，焼入後，焼もどしすることなくコイニング，ショットピーニングすることによって，疲労強度の優れたコンロッドを得ることを特徴とする製造方法が記載されている。
【０００７】
さらに，特許文献５には，７００℃以上の温度で熱間コイニングし，冷間コイニングを省略することによって，座屈強度を低下させることのないコンロッドの製造方法が記載されている。
また，特許文献６，７には，冷間コイニングと熱処理（時効処理）を組合せることによって高強度化を図るという製造方法が記載されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平３−２２１２３２号公報
【特許文献２】
特開平５−７０８２８号公報
【特許文献３】
特開平７−６２４４４号公報
【特許文献４】
特開平９−１９６０４４号公報
【特許文献５】
特開平１０−２５８３３５号公報
【特許文献６】
特開平１０−１６８５４０号公報
【特許文献７】
特開平１１−１３１１３４号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，前記した熱間鍛造後に行うコイニング方法には，次の問題がある。
即ち，前記した特許文献１〜７に記載の方法はいずれも強度を改善することを目的としているものの，強度のばらつきを小さくすることを目的とした改善方策については全く記載されていない。すなわち，ばらつきの生じる原因は，コイニング前の粗形状の熱間鍛造品の寸法，特にコラム部の高さがばらつくことが最大の原因であるが，寸法がばらついた場合に対する対策について全く検討されていないためである。
【００１０】
コンロッドのコイニングを含め，プレスでの加工はストローク制御で行うのが普通である。ストローク制御で加工が行われるプレスを使って寸法がばらついた鍛造粗形材を冷間コイニングすれば，コイニング時の加工率がばらつくため，結果としてコイニングによる加工硬化の程度に差が生じ，得られた製品に生じる強度ばらつきを小さく抑えることはできない
【００１１】
前記した特許文献は，特許文献５を除くと全て冷間でコイニングすることを前提としており，粗形材の寸法がばらついた場合には，当然の結果として強度がばらつくことになる。また，特許文献５に記載の発明は，冷間コイニングをしないことが特徴なため，強度ばらつきが小さくなると予想されるが，コイニング温度が高いため，コイニングによる強度向上効果が得られないという問題がある。
【００１２】
また，従来から冷間コイニングを行った場合には，見切り線部において窪み割れが発生するという問題があり，強度ばらつきが小さく見切り線部における窪み割れ発生を防止できるコンロッドの製造方法の開発が強く望まれていた。
【００１３】
本発明は，以上記載した問題点を解決するために成されたものであり，熱間鍛造粗形材の寸法がばらついた場合でも安定した強度を有するコンロッドを製造することができ，かつ冷間コイニングにより高強度を確保することのできる強度ばらつきの小さい冷間コイニング強化コンロッドの製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は，大端部と小端部とこれらをつなぐコラム部とを有し，冷間コイニングを施すことによって上記コラム部を強化してなる冷間コイニング強化コンロッドを製造する方法であって，
素材に熱間鍛造を施して上記大端部，上記小端部，及び上記コラム部を形成する熱間鍛造工程と，
上記熱間鍛造工程後の冷却途中の５００〜１０００℃の温度領域において，上記コラム部に熱間コイニング又は温間コイニングを施す熱間／温間コイニング工程と，
該熱間／温間コイニング工程の後に１００℃以下の温度領域において上記コラム部にさらに冷間コイニングを施す冷間コイニング工程とを含み，
該冷間コイニング工程では，冷間コイニング前の上記コラム部のリブ高さをｈ１，冷間コイニング後の上記コラム部のリブ高さをｈ２とした場合，加工率（ｈ１−ｈ２）／ｈ１が０．１５〜０．２５となる条件で冷間コイニングを施すことを特徴とする冷間コイニング強化コンロッドの製造方法にある（請求項１）。
【００１５】
本発明における特徴は，熱間鍛造によって得た粗形材を従来のようにそのまま冷却して冷間コイニングするのではなく，５００〜１０００℃の温度域で上記熱間／温間コイニング工程を施すことによって，粗形材の寸法ばらつきを小さくしておき，その後の冷間コイニングを一定の加工率の範囲内で実施することによって，強度ばらつきを小さく抑えるとともに，見切り線部における窪み割れを防止可能にした点にある。
【００１６】
本発明では，まず熱間に加熱し通常の熱鍛コンロッドと同様に熱間鍛造工程を施して，上記大端部，上記小端部，及び上記コラム部を有する粗形材を製造する。そして，鍛造後の冷却途中の５００〜１０００℃の温度領域において熱間コイニング又は温間コイニングを実施する。この温度では，加工しても加工硬化の影響がほとんど残らないため，強度ばらつきへの影響をほとんど気にすることなく，コイニング（熱間又は温間コイニング）が可能である。また，この温度領域でコイニングすることにより，熱間鍛造工程のままの場合に比べて遥かに寸法ばらつきの小さい状態の鍛造品とすることができる。
【００１７】
そして，その後に１００℃以下の温度領域において上記冷間コイニング工程を実施する。通常行われる冷間コイニングの場合には，本発明のように５００〜１０００℃の温度でのコイニングは実施されないため，寸法ばらつきの大きな粗形材を冷間コイニングすることになる。しかしながら，本発明では既に前記したように熱間又は温間コイニングによって，寸法ばらつきの小さい状態の粗形材とすることができるので，冷間コイニング時の加工率のばらつきが小さい。従って，強度ばらつきを極めて小さく抑えることができる。
【００１８】
さらに，本発明では，冷間コイニング時の加工率（ｈ１−ｈ２）／ｈ１を上記のごとく０．１５〜０．２５の範囲に限定している。この範囲に限定することによって，冷間コイニングによる強度向上効果を確実に得ることが可能になるとともに，見切り線部の窪み割れ発生を防止することが可能になる。
なお，上記加工率の範囲は，実生産の際に１個ずつ実質の加工率の測定を行うのは不可能であるため，狙い値での加工率の範囲を意味する。
【００１９】
次に，本発明の製造方法における各条件の限定理由について説明する。
熱間鍛造後の上記熱間／温間コイニング工程の温度範囲を５００〜１０００℃としたのは，５００℃未満の温度で実施すると，加工硬化の影響と残留応力が加工後に残存するようになり，強度ばらつきを小さく抑えられなくなるためである。また，１０００℃を超えると，加工温度のばらつきによる変形抵抗のばらつきが無視できなくなる等の理由から，コイニングを実施しても寸法ばらつきを小さくすることが難しくなるためである。
【００２０】
また，上記冷間コイニング工程における加工率（ｈ１−ｈ２）／ｈ１を０．１５〜０．２５としたのは，０．１５未満になると，加工率の変化による鍛造品の強度変化が大きくなって，結果的に強度ばらつきが大きくなってしまうためであり，０．２５を超えるコイニングを実施した場合には，見切り線部における窪み割れ発生防止が困難となるためである。
【００２１】
次に，上記熱間／温間コイニング工程と上記冷間コイニング工程との間には，上記熱間／温間コイニング工程を施した上記コラム部が１００℃以下に冷却された後にショットブラスト処理を施すショットブラスト工程を行うことが好ましい（請求項２）。このショットブラスト工程を実施することによって，熱間鍛造時に表面に生成した酸化スケールを容易に除去することができる。
また，冷間コイニングを実施すると，コイニングする部分としない部分の境界領域において，引張残留応力が発生する場合がある。その場合には，冷間コイニング後にショットブラスを実施すると，残留応力を小さく抑えることができるのでより好ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
実施例１
本発明の実施例に係る冷間コイニング強化コンロッドの製造方法につき，図１〜図４を用いて説明する。
本例では，素材として，Ｓ５５Ｃ（０．５５％Ｃ−０．２５％Ｓｉ−０．８５％Ｍｎ−０．１５％Ｃｒ）鋼を用い，後述するごとく，熱間／温間コイニング工程の条件，冷間コイニング工程の条件等を変化させた１１種類の製造方法により，それぞれ５０個ずつのコンロッドを作製する試験１〜１１を行った。そして，各試験ごとに，リブ高さのばらつきと，座屈強度のばらつき等への影響を調査した。
【００２３】
まず，本例で作製したコンロッド１は，図１に示すごとく，大端部１１と小端部１２とこれらをつなぐコラム部１３とを有するものである。コラム部１３は，帯状の幹部１３０とその両面において幅方向両端近傍から立ち上がったリブ１３１とを有している。本例におけるリブ高さとは，同図に示すｈの寸法をいう。
そして，試験１においては，図２に示すごとく，まず，上記素材を１２５０℃に加熱し，１２００℃にて熱間鍛造を施して上記大端部１１，上記小端部１２，及び上記コラム部１３の粗形状を形成する熱間鍛造工程Ｓ１を行った。
その後，熱間鍛造工程Ｓ１後の冷却途中の９００℃の温度において，上記コラム部１３に熱間コイニング又は温間コイニングを施す熱間／温間コイニング工程Ｓ２を行った。
【００２４】
次に，本例では，冷却工程２５によって，上記熱間／温間コイニング工程を施した上記コラム部が１００℃以下に冷却された後に，ショットブラスト処理を施すショットブラスト工程Ｓ３を実施した。
最後に，上記コラム部１３にさらに冷間コイニングを施す冷間コイニング工程を室温で行った。このときの加工率（ｈ１−ｈ２）／ｈ１×１００（％）は，２０％を狙いとして行った。
なお，上記全ての加工工程は，機械プレスを用いてストローク制御により行った。
【００２５】
試験２，３，４は，上記試験１と基本的に同じであり，上記熱間／温間コイニング工程の実施温度を，それぞれ８００℃，７００℃，６００℃に変更した点だけが異なる。
試験５，６は，上記試験３と基本的に同じであり，上記冷間コイニング工程における加工率の狙い値をそれぞれ１６％，２４％に変更した点だけが異なる。
【００２６】
試験７は，上記試験１における熱間／温間コイニング工程を省略した例である。
試験８は，上記試験１と基本的に同じであり，上記熱間／温間コイニング工程の実施温度を３００℃に変更した点だけが異なる。
試験９，１０は，上記試験３と基本的に同じであり，上記冷間コイニング工程における加工率の狙い値をそれぞれ１０％，２８％に変更した点だけが異なる。
試験１１は，上記試験１と基本的に同じであり，上記熱間／温間コイニング工程の実施温度を１０５０℃に変更した点だけが異なる。
【００２７】
すべての試験１〜１１において，熱間鍛造工程においては同じコンロッド型を用いて同じ狙い値で行った（ただし，寸法ばらつきは当然発生する）。また，熱間／温間コイニング工程では，すべて加工率１５％の狙い値で行った。
冷間コイニング加工率は，冷間コイニング前後のそれぞれのリブ高さの実測値から求めた。なお，狙い値は，コイニング前後のリブ高さの狙い値から計算されるものである。
【００２８】
また，冷間コイニング前のリブ高さ，あるいは冷間コイニング後のリブ高さのばらつきとしては，実測した冷間コイニング前後のリブ高さとそれぞれの狙いのリブ高さとの差異を求め，その範囲をばらつきとした。
また，座屈強度は，０．２％の塑性変形が確認できた時点で測定し，その最大値と最小値との差異をばらつきとして示した。。
これらの結果を表１に示す。なお，冷間コイニング加工率は，上段に狙い値を，下段に実測値の範囲を示した。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
表１より知られるごとく，本発明の製造方法の例である試験１〜６においては，いずれも冷間コイニング加工率のばらつき，冷間コイニング後のリブ高さのばらつき，座屈強度のばらつきが小さく，かつ，見切り線部の窪み割れも発生しておらず，非常に優れたコンロッドが得られることが分かった。
【００３１】
これに対し，比較例としての試験７の場合には，熱間／温間コイニング工程を行っていないので，冷間コイニング前のリブ高さが突出して大きく，これに起因して，冷間コイニング加工率のばらつき，冷間コイニング後のリブ高さのばらつき，座屈強度のばらつきも非常に大きい結果となった。
このことから熱間／温間コイニング工程の追加が非常に有効であることが分かる。
【００３２】
また，試験８は，熱間／温間コイニング工程を追加した効果として寸法精度向上効果はある程度得られるものの，その処理温度が３００℃と低いため，熱間／温間コイニング工程時における加工硬化の影響が残存し，最終的な座屈強度のばらつきを大きくしてしまう。
【００３３】
また，試験１１は，熱間／温間コイニング工程を追加しているものの，処理温度が１０５０℃と高すぎるため，この工程追加効果が殆ど得られず，特に冷間コイニング前のリブ高さのばらつきが大きくなった。そして，これに起因して，最終的な座屈強度のばらつきが大きくなった。
これら試験８，１１の結果から，熱間／温間コイニング工程の処理温度には最適範囲があり，少なくとも上述したように５００〜１０００℃の範囲にすることが有効であることが分かる。
【００３４】
また，試験９は，冷間コイニング工程における加工率が小さすぎ，これによって座屈強度のばらつきが非常に大きくなった。
一方，試験１０は，冷間コイニング工程における加工率が大きすぎ，これによって見切り線部における窪み割れ発生率が非常に高くなった。
これら試験９，１０の結果から，冷間コイニング工程における加工率は，少なくとも，上述したように０．１５〜０．２５の範囲内にすることが有効であることが分かる。
【００３５】
次に，本例では，最適な熱間／温間コイニング工程及び冷間コイニング工程を施した場合の優れた効果を図３，図４を用いて説明する。
図３は，左右２列（Ａ列，Ｂ列）に２種類の加工履歴を示してある。
Ａ列のものは，熱間鍛造工程Ｓ１において得られたコンロッドにおけるコラム部１３（Ｓ１）のリブ高さをｈ０ａが，Ｂ列の場合のリブ高さｈ０ｂよりも小さくなったものである。この差異は同じ金型を用いても，素材の寸法ばらつきや金型の温度状態等によって生じてしまう。
この２種類の熱間鍛造品に対して，熱間／温間コイニング工程Ｓ２を施すと，コラム部１３（Ｓ２）のリブ高さは，それぞれｈ１ａ，ｈ１ｂに縮小される。さらに冷間コイニング工程Ｓ４を施すと，それぞれｈ２ａ，ｈ２ｂに縮小される。
この内容をさらにわかりやするため，リブ高さの推移の一例を示したものが図４である。同図は，横軸に時間（工程）を，縦軸にリブ高さをとった説明図である。
【００３６】
ここで，本例では，上記熱間／温間コイニング工程Ｓ２を最適な条件で加えてあるので，加工硬化を殆ど残留させることなく，上記ｈ１ａ，ｈ１ｂの差異を十分に小さくすることができ，熱間鍛造工程Ｓ１直後における寸法の差異の影響を大幅に除去することができる。そして，その後の冷間コイニング工程Ｓ４においても，適切な加工率を採用することによって，上記ｈ２ａ，ｈ２ｂの差異も小さくなり，さらに座屈強度の差異も十分に小さくなる。
【００３７】
このように，上記熱間／温間コイニング工程と冷間コイニング工程とを適切な条件で加えることにより，寸法ばらつきや強度ばらつきを押さえた上で，冷間コイニングにより強化したコンロッドを製造することができるのである。
【００３８】
実施例２
本例では，実施例１における試験３の条件を基礎として，その冷間コイニング工程の加工率を０〜３０％の範囲で変化させ，その最適値をさらに確認する実験を行った。そして，得られたコンロッドのコラム部の０．０３％耐力（ＭＰａ）を測定した。
【００３９】
測定結果を図５に示す。同図は，横軸に冷間コイニングの加工率（％）を，縦軸に０．０３％耐力（ＭＰａ）をとったものである。
同図から知られるように，冷間コイニング加工率が１５．０％〜２５．０％の間においては，０．０３％耐力値が非常に安定している。
この結果からも，冷間コイニング工程における加工率ｈ１−ｈ２）／ｈ１は０．１５〜０．２５の範囲が最適であることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における，コンロッドの（ａ）平面図，（ｂ）側面図，（ｃ）Ａ−Ａ線矢視断面拡大図。
【図２】実施例１における，製造工程を示す説明図。
【図３】実施例１における，（Ａ）熱間鍛造直後のリブ高さが低い場合の加工履歴，（Ｂ）熱間鍛造直後のリブ高さが高い場合の加工履歴をそれぞれ示す説明図。
【図４】実施例１における，加工に伴うリブ高さの推移を示す説明図。
【図５】実施例２における，冷間コイニング加工率と耐力との関係を示す説明図。
【符号の説明】
１．．．コンロッド，
１１．．．大端部，
１２．．．小端部，
１３．．．コラム部，
１３０．．．幹部，
１３１．．．リブ，
【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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