(57)【要約】【課題】簡単な構成で、被削性が要求される大端部と小端部を硬化させることなく、強度が要求されるコラム部を容易に硬化させることができるコネクティングロッドの製造方法およびコネクティングロッドを提供する。【解決手段】本発明のコンロッドの製造方法は、粉体材料から圧粉体１を成形する圧粉体成形工程と、この圧粉体１を燒結して燒結体１’とする焼結工程と、この焼結体１’を熱間鍛造する熱間鍛造工程と、を行うことにより、クランク軸が連結される大端部１０”と、ピストンピンが連結される小端部１１”と、大端部１０”と小端部１１”の間に延在するコラム部１２”と、を有するコネクティングロッド１”を製造するもので、圧粉体成形工程で、圧粉体１のコラム部１２”となる部分１２の密度を、大端部１０”と小端部１１”となる部分１０、１１の密度よりも低く成形し、その後の焼結工程で圧粉体１を表面硬化処理する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉体材料から圧粉体を成形する圧粉体成形工程と、該圧粉体を燒結して燒結体とする焼結工程と、該焼結体を熱間鍛造する熱間鍛造工程と、を行うことにより、クランク軸が連結される大端部と、ピストンピンが連結される小端部と、大端部と小端部の間に延在するコラム部と、を有するコネクティングロッドを製造する方法であって、
前記圧粉体成形工程で、圧粉体の前記コラム部となる部分の密度を前記大端部と前記小端部となる部分の密度よりも低く成形し、
前記焼結工程で圧粉体を表面硬化処理することを特徴とするコネクティングロッドの製造方法。
【請求項２】
粉体材料から成形された圧粉体を燒結し、その後熱間鍛造して、クランク軸が連結される大端部と、ピストンピンが連結される小端部と、大端部と小端部の間に延在するコラム部と、が形成されてなるコネクティングロッドであって、
前記焼結体の段階で、前記コラム部となる部分の開気孔率が前記大端部と前記小端部となる部分の開気孔率よりも高くなっており、かつ、表面硬化処理されていることを特徴とするコネクティングロッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コネクティングロッドの製造方法およびコネクティングロッドに関し、さらに詳しくは、粉体材料から圧粉体を成形する圧粉体成形工程と、該圧粉体を燒結して燒結体とする焼結工程と、該焼結体を熱間鍛造する熱間鍛造工程と、を行うことにより、クランク軸が連結される大端部と、ピストンピンが連結される小端部と、大端部と小端部の間に延在するコラム部と、を有するコネクティングロッドを製造する方法、および、粉体材料から成形された圧粉体を燒結し、その後熱間鍛造して、クランク軸が連結される大端部と、ピストンピンが連結される小端部と、大端部と小端部の間に延在するコラム部と、が形成されてなるコネクティングロッドに関するものである。
なお、以下の説明においては、コネクティングロッドを場合によってコンロッドと略称する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関のピストンとクランクシャフトを連結するコンロッドは、クランク軸が連結される大端部と、ピストンピンが連結される小端部と、大端部と小端部を連結するコラム部と、が形成されている。このようなコンロッドでは、一般に、特にコラム部は、ピストンの往復運動とクランクシャフトの回転による慣性力により衝撃的な引張および圧縮荷重や曲げ荷重などを繰返し受けるため、これらの荷重に対する強度、特に耐疲労強度が要求される。一方、コンロッドの大端部と小端部は、クランクシャフトとピストンピンがそれぞれ摺動可能に連結されるため、成形後に軸受メタルを設けるなどの目的で切削や研削などの機械加工が施されるため、被削性が容易であることが要求される。すなわち、コンロッドのコラム部と大端部および小端部とでは、相反する特性が求められる。
【０００３】
このようなコンロッドには、焼結により作られた焼結コンロッドが従来から知られている（例えば、特許文献１）。また、別の従来のコンロッドには、各種荷重に対する強度を高めるために、浸炭してコンロッドの表面層の炭素量を高めるなど、コンロッドに表面硬化処理を施すことにより硬化させたものが知られている（例えば、特許文献２）。
【０００４】
上記特許文献１は、コストアップを招くことなく、強度が高く、且つ軽量で、且つ低振動であるようなコンロッドを提供することを目的としたもので、鉄系の焼結材料を燒結することによって作られたコンロッドであって、コンロッド全体の平均密度は６．８〜７．４ｇ／ｃｍ3の範囲にあり、クランクシャフトと接する大端部については密度が他の部分よりも小さく（低く）６．５〜７．２ｇ／ｃｍ3の範囲にあることを特徴とする焼結コンロッドが開示されている。特許文献１のコンロッドは、焼結だけによって作られているので、全体が高強度であり且つ軽く、また、大端部の密度を他の部分よりも小さくしたので低振動であることが記載されている（公報第２頁右上欄第３行〜同欄第１４行）。
また、特許文献１には、高強度と軽量性と低振動とをある程度のレベルで兼ね備えている従来のコンロッドとして、焼結と熱間鍛造との両方を実施するものや、焼結とショットピーニングと冷間コイニングとを組み合わせたものが挙げられている（公報第１頁右下欄第５行〜同欄第１４行）。
【０００５】
一方、上記特許文献２は、大端部や小端部の表面強度をより向上させることができると共に、連結棒部（コラム部）の靱性を確保できるコンロッドを提供することを課題としたもので、クランク軸が連結される大端部と、ピストンが連結される小端部と、これら大端部及び小端部の間を連結する連結棒部とを有するコンロッドにおいて、前記大端部と小端部は複数回表面硬化処理を実施し、前記連結棒部は前記大端部と小端部の表面硬化処理回数よりも少ない回数表面硬化処理を行うか、又は、表面硬化処理をしないことを特徴とする表面硬化処理したコンロッドが開示されている。
すなわち、特許文献２では、小端部及び大端部の表面を硬化させて耐磨耗性や強度を向上しさらに耐疲労強度を向上させ、連結棒部については、耐磨耗性を必要としないので、小端部及び大端部ほどには表面を硬くする必要が無く、衝撃的な引張りあるいは圧縮荷重に耐えるように、小端部及び大端部の表面より積極的に表面硬さを低下させるものである。
そして、特許文献２では、部分的に表面硬化処理の回数を制御するために、表面硬化処理回数の少ない連結棒部を銅メッキ等によりマスキングすることが記載されている（００１７などを参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開昭６２−２８８７１３号公報
【特許文献２】特開２０００−３１０３２９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、上述したように、コンロッドの特に大端部と小端部の間に延在するコラム部は、各種荷重に対する強度が要求され、また、コンロッドの大端部と小端部は、機械加工を施すために被削性が求められる。
これに対して、上記特許文献１にあっては、焼結のみによって作られているため、全体の強度をより向上させることが困難であるという問題があった。そして、上記特許文献１に開示されたコンロッドの強度を向上させるため、特許文献１の焼結によって作られたコンロッドに、さらに上記特許文献２に開示されているような浸炭などの表面硬化処理を行うことが考えられるが、この場合には、特許文献１に開示されているコンロッドの大端部の密度が比較的小さい（開気孔率が高い）大端部のほうが表面積が多いために表面硬化処理がされ易くその表面層の硬度が高くなり、また、密度が比較的大きい（開気孔率が低い）コラム部と小端部は、表面積が少ないために表面硬化処理がされ難いことから、その表面層の硬度を高めることができず、大端部に要求される被削性やコラム部に要求される強度を満たすことができないという問題が発生することとなる。
また、上記特許文献２にあっても、小端部及び大端部の表面を硬化させるものであるためにかかる部位の被削性が悪く、また、連結棒部の表面硬化処理回数が少ないことからかかる部位の表面硬さが低く強度が不足するという問題があった。さらに、特許文献２にあっては、部位によって表面硬化処理の回数を異ならせるために、マスキングをする必要があり、手間やコストがかかるなどの問題があった。
【０００８】
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、被削性が要求される大端部と小端部を硬化させることなく、強度が要求されるコラム部を容易に硬化させることができるコネクティングロッドの製造方法およびコネクティングロッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１のコネクティングロッドの製造方法に係る発明は、上記目的を達成するため、粉体材料から圧粉体を成形する圧粉体成形工程と、該圧粉体を燒結して燒結体とする焼結工程と、該焼結体を熱間鍛造する熱間鍛造工程と、を行うことにより、クランク軸が連結される大端部と、ピストンピンが連結される小端部と、大端部と小端部の間に延在するコラム部と、を有するコネクティングロッドを製造する方法であって、前記圧粉体成形工程で、圧粉体の前記コラム部となる部分の密度を前記大端部と前記小端部となる部分の密度よりも低く成形し、前記焼結工程で圧粉体を表面硬化処理することを特徴とする。なお、圧粉体は、大端部と小端部となる部分の密度を７．１ｇ／ｃｍ3以上とすると共に、コラム部となる部分の密度を６．２〜６．８ｇ／ｃｍ3に成形することが望ましい。
請求項２のコネクティングロッドに係る発明は、上記目的を達成するため、粉体材料から成形された圧粉体を燒結し、その後熱間鍛造して、クランク軸が連結される大端部と、ピストンピンが連結される小端部と、大端部と小端部の間に延在するコラム部と、が形成されてなるコネクティングロッドであって、前記焼結体の段階で、前記コラム部となる部分の開気孔率が前記大端部と前記小端部となる部分の開気孔率よりも高くなっており、かつ、表面硬化処理されていることを特徴とする。なお、焼結体の段階では、コラム部となる部分の開気孔率が３０％、より好ましくは５０％以上で、大端部と小端部となる部分の開気孔率が１０％以下であることが望ましい。
【００１０】
請求項１の発明では、圧粉体成形工程で、圧粉体のコラム部となる部分の密度を大端部と小端部となる部分の密度よりも低く成形することにより、焼結体のコラム部となる部分の開気孔率が大端部と小端部となる部分の開気孔率よりも高くなる、すなわち、焼結体のコラム部となる部分の表面積が大端部と小端部となる部分の表面積よりも多くなる。そのため、焼結工程で表面硬化処理することにより、コラム部となる部分がその内部まで充分に表面硬化処理されて硬度が上昇し、また、大端部と小端部はコラム部と比較して硬度が上昇し難い。したがって、コラム部が要求される強度を備えると共に、大端部と小端部が要求される被削性を備えたコネクティングロッドが製造される。
請求項２の発明では、焼結体の段階で、コラム部となる部分の開気孔率が大端部と前記小端部となる部分の開気孔率よりも高くなっており、かつ、表面硬化処理されていることにより、コラム部となる部分がその内部まで充分に表面硬化処理されて硬度が上昇しており、また、大端部と小端部はコラム部と比較して硬度が低く抑えられている。したがって、コネクティングロッドは、コラム部が要求される強度を備えると共に、大端部と小端部が要求される被削性を備えている。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の発明によれば、粉体成形工程で、圧粉体のコラム部となる部分の密度を大端部と小端部となる部分の密度よりも低く成形し、焼結工程で圧粉体を表面硬化処理する、という簡単な構成で、被削性が要求される大端部と小端部を硬化させることなく、強度が要求されるコラム部を容易に硬化させることが可能なコネクティングロッドの製造方法を提供することができる。
請求項２の発明によれば、焼結体の段階で、コラム部となる部分の開気孔率が大端部と小端部となる部分の開気孔率よりも高くなっており、かつ、表面硬化処理されている、という簡単な構成で、被削性を要求される大端部と小端部が硬化することなく、強度を要求されるコラム部が容易に且つ確実に硬化したコネクティングロッドを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
最初に、本発明のコンロッドの製造方法の実施の一形態を、図１〜図４に基づいて詳細に説明する。図において、同一符号は同様の部分または相当する部分に付すものとする。
本発明のコンロッドの製造方法は、概略、粉体材料から圧粉体１を成形する圧粉体成形工程と、この圧粉体１を燒結して燒結体１’とする焼結工程と、この焼結体１’を熱間鍛造する熱間鍛造工程と、を行うことにより、クランク軸が連結される大端部１０”と、ピストンピンが連結される小端部１１”と、大端部１０”と小端部１１”の間に延在するコラム部１２”と、を有するコネクティングロッド１”を製造するもので、圧粉体成形工程で、圧粉体１のコラム部１２”となる部分１２の密度を、大端部１０”と小端部１１”となる部分１０、１１の密度よりも低く成形し、その後の焼結工程で圧粉体１を表面硬化処理するものである。
【００１３】
最初に、本発明により製造されるコンロッド１”の形状を図３に基づいて説明する。コンロッド１”は、端部に大端部１０”と小端部１１”とが形成されており、大端部１０”と小端部１１”の間にはコラム部１２”が延在している。この実施の形態においては、大端部１０”と小端部１１”には、クランクピンとピストンピンを受けるための大端孔１０ａ”と小端孔１１ａ”がそれぞれ形成されている。大端部１０”は、図に示した実施の形態に限定されることなく、キャップ部と分割して構成し、このキャップ部をボルトにより締結するものであってもよい。
【００１４】
コンロッド１”を製造するにあたり、最初に、粉体材料として所定の粉末原料を予め混粉したプレミックス粉を準備し、成形型のキャビティ内に供給して、製造するコンロッド１”の形状に応じて図１に示すような圧粉体１を成形する（圧粉体成形工程）。このとき、成形型のキャビティのコラム部１２”となる部分１２を成形するための部分には、大端部１０”と小端部１１”となる部分１０、１１を成形するための部分よりも少ない量の粉体材料が充填される。これにより、圧粉体１のコラム部１２”となる部分１２の密度は、大端部１０”と小端部１１”となる部分１０、１１の密度よりも低く、すなわち、コラム部１２”となる部分１２が大端部１０”と小端部１１”となる部分１０、１１よりも疎の状態で成形されることとなる。この実施の形態では、例えば、大端部１０”および小端部１１”となる部分の密度が７．１ｇ／ｃｍ3以上で、また、コラム部１２”となる部分１２の密度が６．２〜６．８ｇ／ｃｍ3の範囲で成形される。
【００１５】
次いで、図２に示すように、圧粉体１を焼結炉などで燒結して焼結体１’とする（焼結工程）。このとき、焼結炉内は、たとえばＣＯ２量が０．０６％以下、より好ましくは０．０４％以下に制御されたＲＸガスなどの浸炭性ガス雰囲気とされている。また、圧粉体１は、たとえば、図４に示すように、常温から１０００℃までを２００℃／min以上の昇温速度で（第１昇温ゾーン）、１０００℃以上を３０℃／minの昇温速度で（第２昇温ゾーン）加熱され、約１１５０℃に所定時間保持される（均熱ゾーン）。そのため、圧粉体１は、燒結されて焼結体１’となるときに、同時に表面硬化処理として浸炭される。このとき、焼結体１’は、たとえば０．６〜０．８％のカーボンポテンシャルでパーライトとなる。圧粉体１の大端部１０”と小端部１１”となる部分１０、１１の密度が高くなるように成形されていることから、焼結体１’のかかる部分１０’、１１’の開気孔率が低くなる。一方、圧粉体１のコラム部１２”となる部分１２の密度が低くなるように成形されていることから、焼結体１’のかかる部分１２’の開気孔率が高くなる。たとえば、この実施の形態では、焼結体１’の大端部１０”と小端部１１”となる部分１０’、１１’の開気孔率を１０％以下で、コラム部１２”となる部分１２’の開気孔率を３０％以上、さらに好ましくは５０％以上に確保する。
【００１６】
ここで、開気孔率について説明する。開気孔率は次の数式（１）によって求められる。
【００１７】
【数１】
2007284769.tif 000003
但し、数式（１）のＡ、Ｂは、次の数式（２）、（３）によってそれぞれ求められる。
【００１８】
【数２】
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【００１９】
【数３】
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なお、封孔処理とは、水中質量測定する際に被測定品に水分が進入することを防止することを目的として行われるもので、水中質量を測定する前処理として、被測定品をパラフィン又は油等の物質に浸漬することにより被測定品の表面にある気孔にこれらの物質を含浸させる処理をいう。
【００２０】
上述したように、圧粉体１の大端部１０”と小端部１１”となる部分１０、１１は、その密度が高くなるように成形されているため、浸炭性ガスが内部に侵入しにくく、従ってかかる部分１０、１１における内部での浸炭反応が生じにくく表面だけにとどまることから大端部１０”と小端部１１”において硬化する度合が少なく、後の機械加工工程での被削性を損なうことがない。一方、圧粉体１のコラム部１２”となる部分１２は、密度が低くなるように成形されているため、焼結と同時に浸炭性ガスが開放気孔から内部に容易に侵入し、従ってかかる部分１２における浸炭反応が内部でも生じることから硬化が促進され、コラム部１２”の耐疲労強度などが強化されることとなる。すなわち、本発明では、焼結と同時に浸炭するのであるが、積極的に硬化させたい部分であるコラム部１２”と、硬化を抑えたい部分である大端部１０”および小端部１１”とで、部分的に、圧粉体１の密度を異ならせることにより、焼結体１’の開気孔率を部分的に異ならせ、その結果、浸炭による硬化の度合を部分的に異ならせている。
【００２１】
焼結工程で焼結されると共に浸炭されて得られた焼結体１’は、直ちに鍛造型で鍛造される。このとき、焼結体１’は、鍛造型によって圧縮され、気孔が潰される。そして、鍛造工程が終了すると、大気中で常温となるまで放冷する。コンロッド１”は、焼結により昇温された状態からそのまま熱間鍛造されて放冷されるために焼ならしされて、大端部１０”と小端部１１”の被削性を低下させることなく、また、特にコラム部１２”の強度が向上する。
【実施例１】
【００２２】
本発明の実施例を図５および図６を含めて以下に説明する。この実施例では、粉末材料として、鉄粉に２％の銅粉と０．５％の黒鉛粉末を混合したプレミックス粉を用意した。そして、圧粉体成形工程では、圧粉体１の密度分布を、大端部１０”となる部分１０を７．１３ｇ／ｃｍ3、また、小端部１１”となる部分１１を７．１８ｇ／ｃｍ3となるように成形すると共に、コラム部１２”となる部分１２を６．４０ｇ／ｃｍ3となるように成形した。
【００２３】
次いで、焼結工程では、ＣＯ２が０．０５％のＲＸガス雰囲気の焼結炉で、図４に参照されるように、脱ワックス工程を兼ねて、常温の状態から第１昇温ゾーンで２１０℃／minで、続いて、第２昇温ゾーンで３１℃／minで１１５０℃となるまで昇温させてから、この温度で１５分間保持して（均熱ゾーン）、焼結体１’を得た。このときの焼結体１’の開気孔率は、大端部１０”となる部分１０’が７％、小端部１１”となる部分１１’が６％、コラム部１２”となる部分１２’が４６％であった。
【００２４】
１１５０℃に保持して得た焼結体１’を焼結炉から取り出し、速やかに鍛造型にセットして、約４９０Ｍｐａ（ton/cm2）の圧力で鍛造を行い（熱間鍛造工程）、気孔を潰して、大気中放冷して常温となるまで冷却してコンロッド１”を得た。
【００２５】
このようにして製造された本発明のコンロッド１”の硬さを測定すると共に引張試験を行った。その結果は、ヴィッカース硬さで大端部１０”がＨＶ（９８Ｎ）２６７、小端部１１”がＨＶ２７１、コラム部１２”がＨＶ３３５となり、大端部１０”および小端部１１”と比較してコラム部１２”が硬くなっていた。また、引張強さは、９８ｋｇ／ｍｍ2（コラム部１２”で破断）であった。そして、図５に電子顕微鏡写真で示すように、本発明により製造されたコンロッドのコラム部における組織は、白く見えるフェライトと黒く見えるセメンタイトが層状となったパーライトラメラーとなっていることが明確に確認できることから、強度が向上しているものと判断できる。
【００２６】
本発明によるコンロッド１”と比較するための例を以下に示す。この比較例では、粉末材料として、上述した本発明による実施例と同様に鉄粉に２％の銅粉と０．５％の黒鉛粉末を混合したプレミックス粉を準備したが、圧粉体成形工程では、圧粉体（１）の密度分布を、大端部（１０”）となる部分（１０）を７．１１ｇ／ｃｍ3、小端部（１１”）となる部分（１１）を７．１４ｇ／ｃｍ3、、コラム部（１２”）となる部分（１２）を７．１５ｇ／ｃｍ3となるように成形した。そして、上述した本発明による実施例と同様に、焼結工程で表面硬化処理として浸炭し、直ちに熱間鍛造した後に大気中で放冷した。比較例の焼結体（１’）の開気孔率は、大端部（１０”）となる部分（１０’）と小端部（１１”）となる部分（１１’）が共に７％で、コラム部（１２”）となる部分（１２’）が６％であった。
【００２７】
このようにして製造された比較例のコンロッド（１”）の硬さを本発明の実施例によるコンロッド１”と同様に測定すると共に引張試験を行った。その結果は、ヴィッカース硬さで大端部（１０”）がＨＶ（９８Ｎ）２６０、小端部（１１”）がＨＶ２５５、コラム部（１２”）がＨＶ２６５となり、大端部（１０”）および小端部（１１”）とコラム部（１２”）とがほぼ同じ程度で硬化していた。また、引張強さは、７６ｋｇ／ｍｍ2（コラム部（１２”）で破断）であった。そして、図６に電子顕微鏡写真で示すように、比較例のコンロッド（１”）のコラム部（１２”）における組織は、白く見えるフェライトが多く、黒く見えるセメンタイトと層状をなすパーライトラメラーとなっていないことが明確に確認できることから、本発明による実施例よりも強度が向上していない。
【００２８】
本発明によるコンロッド１”は、焼結体１’の段階で、コラム部１２”となる部分１２’の開気孔率が大端部１０”と小端部１１”となる部分１０’、１１’の開気孔率よりも高くなっており、かつ、浸炭処理されているため、コラム部１２”となる部分１２’の開放気孔から内部にまで浸炭性ガスが侵入して充分硬化されており、また、大端部１０”と小端部１１”となる部分１０’、１１’ではその表面だけが浸炭性ガスによって硬化されている。そのため、コラム部１２”の強度が向上しており、また、大端部１０”と小端部１１”の被削性が低下してはいない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明のコンロッドを製造するための圧粉体を示す断面図である。
【図２】図１の圧粉体を燒結工程で焼結して得た焼結体の断面図である。
【図３】図２の焼結体を熱間鍛造工程で熱間鍛造して得たコンロッドの断面図である。
【図４】圧粉体を焼結するときの加熱パターンの実施の一形態を示すグラフである。
【図５】本発明により製造されたコンロッドのコラム部における組織を示した電子顕微鏡写真である。
【図６】本発明との比較例により製造されたコンロッドのコラム部における組織を示した電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００３０】
１：圧粉体、  １’：焼結体、  １”：コンロッド、  １０：圧粉体の大端部となる部分、  １１：圧粉体の小端部となる部分、  １２：圧粉体のコラム部となる部分、  １０’：焼結体の大端部となる部分、  １１’ ：焼結体の小端部となる部分、  １２’：焼結体のコラム部となる部分、  １０”：コンロッドの大端部、  １１” ：コンロッドの小端部、  １２”：コンロッドのコラム部、
【図１】
2007284769.tif 000006
【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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