(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高強度で高精度のコネクティングロッドを製造する方法であって、重量％で、Ｃ：０．０４〜０．１５％、Ｓｉ：０．０８〜０．５０％、Ｍｎ：３．０％以下、Ｃｒ：３．０％以下、Ｂ：０．０１％以下およびＴｉ：０．１％以下を含有し、さらに、下記の式（１）で表わされる、焼き入れ性を示すマンガン当量Ｍｎeq
Ｍｎeq＝Ｍｎ(％)＋Ｃｒ(％)＋ＸＢ  （１）
(ただし、Ｂの含有量が０．０００５〜０．０１％の場合にはＸＢ＝１．０とし、０．０００５％未満の場合にはＸＢ＝０とする。小数点第２位で四捨五入する。)
が３．４〜６．０の範囲となる条件を満足し、残部Ｆｅおよび不純物からなる合金組成を有する鋼を素材とし、圧延状態のままの、または軟化熱処理を施した状態の棒材を用いて、冷間の塑性加工または切削によりプリフォーム加工を行なって鍛造用ブランクを得、いったんＡｃ３点以上の温度に加熱し、５５０〜９５０℃の範囲の温度で鍛造加工してコネクティングロッド形状にし、焼き入れを行なってマルテンサイト組織と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】
素材として、請求項１に記載の合金成分に加えて、焼き入れ性向上元素として、Ｎｉ：４．０％以下およびＭｏ：３．０％以下の１種または２種を含有し、さらに、下記の式（２）で表わされる、焼き入れ性を示すマンガン当量Ｍｎeq
Ｍｎeq＝Ｍｎ(％)＋Ｃｒ(％)＋Ｎｉ(％)／２＋Ｍｏ(％)＋ＸＢ  （２）
(ただし、Ｂの含有量が０．０００５〜０．０１％の場合にはＸＢ＝１．０とし、０．０００５％未満の場合にはＸＢ＝０とする。小数点第２位で四捨五入する。)
が３．４〜６．０の範囲となる条件を満足し、残部Ｆｅおよび不純物からなる合金組成を有する鋼を使用して実施する請求項１のコネクティングロッドの製造方法。
【請求項３】
素材として、被削性向上元素である、Ｓ：０．３％以下、Ｐｂ：０．３％以下、Ｂｉ：０．１５％以下、Ｔｅ：０．１％以下およびＣａ：０．０５％以下から選んだ１種または２種以上を含有する合金組成を有する鋼を使用して実施する請求項１または２のコネクティングロッドの製造方法。
【請求項４】
焼き入れを行なった後に、２００〜６００℃の範囲の温度で１分間以上の時効処理を行なう請求項１ないし３のいずれかのコネクティングロッドの製造方法。
【請求項５】
焼き入れを行なった後に、ショットピーニング処理を施す請求項１ないし４のいずれかのコネクティングロッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は、レシプロエンジンにおいてピストンとクランクシャフトとを連結するのに使用するコネクティングロッドを、高強度で高精度のものとして製造することができるコネクティングロッドの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、コネクティングロッドの製造に際しては、一般的に、バリ出し法による熱間鍛造が採用されている。しかしながら、バリ出し法による熱間鍛造では、十分な精度を確保することが難しく、また、材料歩留りがかなり悪いという欠点がある。
【０００３】
近年、コネクティングロッドの高精度化をはかるために、バリを発生させない閉塞鍛造法が案出され、実用化されるに至っているが、この閉塞鍛造法では、鍛造時の荷重がかなり大きくなってしまうことが難点である。
【０００４】
また、精度をより高くするために、鍛造前に冷間プリフォームを行って高精度なブランクを得るようにしたり、鍛造温度をより低くしたりする、といった試みがなされている。
【０００５】
精度の高いコネクティングロッドに対して、軽量化のために、強度が１１００ＭＰａを超えるような高強度化を考えた場合、従来のようなフェライト＋パーライト組織の鋼では十分に対応することができず、また、焼入れ・焼もどしを行う強靭鋼では、熱処理時の反りや歪み、割れ等によって、高い精度を確保することが困難であるという問題点があった。
【０００６】
したがって、高強度でかつ高精度なコネクティングロッドの製造を可能とするためには、冷間プリフォーム性（冷間鍛造性などの冷間塑性加工性）が良好で、かつ、閉塞鍛造時の温間鍛造性にすぐれ、しかも、温間鍛造後の比較的低い温度から焼入れを行うことができるような材料が必要となってくる。
【０００７】
【発明の目的】
本発明の目的は、上記の課題に対処するためになされたものであって、冷間プリフォーム性が良好で、閉塞鍛造時の温間鍛造性にすぐれ、温間鍛造後の比較的低い温度から焼入れを行うことができる鋼を素材として、高強度で高精度のコネクティングロッドを製造する方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の高強度で高精度のコネクティングロッドを製造する方法は、重量％で、Ｃ：０．０４〜０．１５％、Ｓｉ：０．０８〜０．５０％、Ｍｎ：３．０％以下、Ｃｒ：３．０％以下、Ｂ：０．０１％以下およびＴｉ：０．１％以下を含有し、さらに、下記の式（１）で表わされる、焼き入れ性を示すマンガン当量Ｍｎeq
Ｍｎeq＝Ｍｎ(％)＋Ｃｒ(％)＋ＸＢ  （１）
(ただし、Ｂの含有量が０．０００５〜０．０１％の場合にはＸＢ＝１．０とし、０．０００５％未満の場合にはＸＢ＝０とする。小数点第２位で四捨五入する。)
が３．４〜６．０の範囲となる条件を満足し、残部Ｆｅおよび不純物からなる合金組成を有する鋼を素材とし、圧延状態のままの、または軟化熱処理を施した状態の棒材を用いて、冷間の塑性加工または切削によりプリフォーム加工を行なって鍛造用ブランクを得、いったんＡｃ３点以上の温度に加熱し、５５０〜９５０℃の範囲の温度で鍛造加工してコネクティングロッド形状にし、焼き入れを行なってマルテンサイト組織とすることを特徴とする。
【０００９】
本発明に従うコネクティングロッドの製造方法に素材として使用する鋼は、下記の任意添加成分の一方または両方を含有する合金組成とすることができる。
１）焼き入れ性向上元素である、Ｎｉ：４．０％以下およびＭｏ：３．０％以下の１種または２種
この場合、焼き入れ性を示すマンガン当量Ｍｎeqは、下記の式（２）で表わされる。
Ｍｎeq＝Ｍｎ(％)＋Ｃｒ(％)＋Ｎｉ(％)／２＋Ｍｏ(％)＋ＸＢ  （２）
２）被削性向上元素である、Ｓ：０．３％以下、Ｐｂ：０．３％以下、Ｂｉ：０．１５％以下、Ｔｅ：０．１％以下およびＣａ：０．０５％以下から選ばれる１種または２種以上
【００１０】
本発明のコネクティングロッドの製造方法を実施するに当たっては、水冷または油冷による焼入れを行った後に、つぎの態様の一方または両方をとることができる。
１）２００〜６００℃の範囲の温度で、１分間以上の時効処理を行うこと
２）ショットピーニング処理を行うこと
【００１１】
【作  用】
以下に、本発明でコネクティングロッドの製造に素材として使用する鋼の合金組成を上記のように限定した理由を説明する。
【００１２】
Ｃ：０．０４〜０．１５％
Ｃは、その含有量によってマルテンサイトの硬さが決定されるものであり、また、準安定オーステナイト時の変形抵抗を高める作用がある。Ｃの含有量を０．０４〜０．１５％の範囲とすることによって、準安定オーステナイト時の変形抵抗が低く、かつ、１１００〜１６００ＭＰａ程度の強度を確保することが可能となる。
【００１３】
Ｓｉ：０．０８〜０．５０％
Ｓｉは鋼の焼入れ性を高める元素であるが、同時に、変形抵抗、とりわけ、冷間における変形抵抗を増加するので、その含有量は０．０８〜０．５０％の範囲とした。
【００１４】
Ｔｉ：０．１％以下
Ｔｉは安定な窒化物を形成して結晶粒の粗大化を防止することにより、良好な靭性を確保する作用がある。また、Ｂを添加したときにそれがＢＮとなることを防ぐ作用がある。しかし、含有量が多くなると鍛造性を低下させるため、０．１％以下の添加量を選ぶ。
【００１５】
Ｍｎ：３．０％以下
Ｍｎは鋼の焼入れ性を高める元素であるが、Ｓｉと同様に、変形抵抗を増加する元素でもある。したがって、その含有量の上限を定めることとし、３．０％以下とした。
【００１６】
Ｃｒ：３．０％以下
Ｃｒは鋼の焼入れ性を高める元素であり、また、焼もどし時に炭化物を析出させて焼もどし軟化抵抗を高める元素でもある。ただし、Ｃｒは一次炭化物を生成しやすく、それが鍛造時の変形能を低下させるため、３．０％を含有量の限度とした。
【００１７】
Ｎｉ：４．０％以下
Ｎｉは変形抵抗を上げることなく鋼の焼入れ性を高める元素であるが、多量に含有させても作用が飽和するため、４．０％以下の添加量を選ぶ。
【００１８】
Ｍｏ：３．０％以下
Ｍｏは鋼の焼入れ性を高める元素であり、また、焼もどし軟化抵抗を高める元素でもある。ただし、Ｃｒと同様に、鍛造時の変形能を低下させる作用が働くため、３．０％以下の添加に止める。
【００１９】
Ｂ：０．０１％以下
Ｂはごく少量の含有で、鋼の焼入れ性を著しく高める作用があるが、好ましくは０．０００５％以上を添加する。しかし、含有量が多すぎるとかえって焼入れ性を低下させてしまうため、０．０１％以下とした。
【００２０】
Ｓ：０．３％以下、Ｐｂ：０．３％以下、Ｂｉ：０．１５％以下、Ｔｅ：０．１％以下、
Ｃａ：０．０５％以下
これらはいずれも鋼の被削性を高める作用があるが、鍛造性を阻害する成分でもあるので、含有させるとしても、Ｓについては０．３％以下、Ｐｂについては０．３％以下、Ｂｉについては０．１５％以下、Ｔｅについては０．１％以下、Ｃａについては０．０５％以下とした。
【００２１】
本発明のコネクティングロッドの製造方法を、さらに詳細に説明する。以下、表１に示す合金組成およびマンガン当量を有する鋼を用いて、図３ないし図１０に示す各種特性を調べた結果を説明する。
【００２２】
【表１】
0003757537.tif 000002
【００２３】
通常の場合、準安定（５００℃以上）オーステナイトを含め、加工硬化された未再結晶オーステナイトから焼入れを行う場合、拡散変態であるフェライト、パーライト、ベイナイトの生成が著しく促進されるため、焼入れ性は大幅に低下する。従って、本発明で意図したような低い温度からの鍛造焼き入れを行なうためには、十分な焼入れ性が確保されていなければならない。逆に、十分な焼入れ性が確保されれば、加工硬化オーステナイトから焼入れることによって、かなり高い強度を得ることができるようになる。
【００２４】
準安定オーステナイトを鍛造加工する場合には、主に、Ｃ含有量に比例して変形抵抗は大きくなる。これは、オーステナイト中にＣが固溶するためである。このときの変形抵抗は、同じ温度でありながら、直接鍛造温度に加熱した直後に加工を加えるような場合(通常の方法の場合)よりもかなり大きい値となる。なぜなら、通常の方法では、柔らかいフェライトの状態で鍛造されるからである。
【００２５】
本発明が適用される上記の合金組成を有する鋼は、焼鈍し等により軟化させにくい成分系でありながら、Ｃ含有量を低く抑えることによって、逆に変形抵抗を小さくすることができた。これは、Ｃの固溶量が少ないオーステナイト域で鍛造できるためである。
【００２６】
コネクティングロッドの精度を高めるためには、事前に行なうプリフォーム加工において、アイセクション部（桿部）を細く加工することが必要である。この場合のプリフォーム加工としては、鍛造加工、ロール加工、スピニング加工などの塑性加工や、切削加工等が考えられるが、実際の製造を考慮した場合には、切削加工よりも塑性加工の方が、より好ましいといえる。そして、より高精度に加工するためには、冷間加工とすることが望ましい。
【００２７】
したがって、プリフォーム加工前の段階では、硬さが低く、また、変形能が十分に高いことが要求される。この要求を満たすためには、圧延後の組織を、フェライト主体またはベイナイト主体の組織にすることが望ましいが、上記した焼入れ性の問題があるため、ベイナイト主体の組織となるようにすることが好ましい。そして、マンガン当量の上限を６．０とすることによって、極低Ｃベイナイト主体の組織を得ることができ、良好な冷間鍛造性を実現することができる。極低Ｃベイナイトが非常に延性に富んだ組織であることは、よく知られている。
【００２８】
次に、鍛造後の焼入れ性について述べる。本発明のように、いったんＡｃ３変態点以上の温度（たとえば、８５０℃以上）に加熱した後、準安定オーステナイト領域付近である５５０〜９５０℃の範囲の温度で鍛造など塑性加工をしたのち、連続して焼入れを行なう場合（図１（Ａ）に示すプロセス１の場合）には、図２に示すように、拡散的に析出変態するフェライトのノーズが、大きく左側に寄ってくる。
【００２９】
そこで、安定した焼入れ性を実現させるには、フェライト変態、あるいはパーライトやベイナイト変態を遅らせるよう、焼入れ性向上元素であるＭｎ、Ｃｒ等を多量に含有させなければならない。そこで、これらの総重をマンガン当量Ｍｎeqで表わして、本発明ではその値が３．４以上となるよう規定した。
【００３０】
図３は、マンガン当量と鍛造焼入れ後の硬さ（ＨＶ）との関係を示し、図４は、鍛造温度と引張り強さとの関係を示す。基本的に、温間鍛造（γ領域での鍛造）に適した材料は、本発明で使用する鋼のような、低Ｃ含有鋼であることが望ましい。
【００３１】
図５は、鍛造焼入れ後に１００〜７００℃の温度範囲で時効処理を行なったときの、時効温度と強度との関係を示す。鍛造焼入れ後にこの温度範囲、より好ましくは、２００〜６００℃の温度範囲で１分間以上の時効処理を行なうことによって、強度、とりわけ降伏強度が、鍛造を行わずに焼入れ・時効処理したものよりも高くなり、有利になる。
【００３２】
さらに、鍛造性について述べる。図１の（Ａ）および（Ｂ）にそれぞれ示したプロセス１とプロセス２における、鍛造時の変形抵抗を図６に示す。図６から明らかなように、プロセス１における変形抵抗は、プロセス２における変形抵抗よりも低いものとなっている。そして、極低Ｃで、しかもマンガン当量が３．４以上であるような材料では、焼鈍し後の組織である［フェライト＋ベイナイト＋微細なセメンタイト］よりも、Ｃ固溶量の少ないオーステナイトの方が軟らかいため、プロセス１の鍛造時の変形抵抗の方が低いものとなる。また、焼鈍しのような、軟化熱処理によって硬さが低下しにくいことも大きく関係している。
【００３３】
図７は、Ｃ含有量と変形抵抗との関係を調べた結果を示すものであって、低温γの変形抵抗はＣ含有量の影響が最も大きく、Ｃ量の増大につれて変形抵抗も増加する。図７はその結果をよく反映している。ここでも、基本的に温間鍛造（γ領域）に適した材料は、本発明で使用する鋼のような、低Ｃ含有鋼である。
【００３４】
図８は、低温焼き鈍し（６８０℃×２ｈ／ＡＣ）後のマンガン当量と、冷間における変形抵抗、および限界圧縮率との関係を調べた結果を示す。このとき、圧延後の組織が、フェライト主体、またはベイナイト主体となる条件、すなわち、マンガン当量が６．０以下であれば、すぐれた鍛造性、とりわけ、高い変形能を示す。したがって、マンガン当量の上限を６．０とすることによって、すぐれた冷間プリフォーム性を得ることができる。マンガン当量が６．０を超える場合、かなり長い軟化処理を行なうことによって、鋼製品の冷間プリフォーム性を改善することはできるが、コスト的な面からは好ましくない。
【００３５】
図９は、快削成分を添加した鋼について、鍛造温度と引張り強さとの関係を調べた結果を示し、図１０は、快削成分を添加した鋼について、限界圧縮率を調べた結果を示す。快削成分を添加した場合であっても、良好なる鍛造・焼入れ後の強度と、すぐれた冷間鍛造性とが確保されていることがわかる。
【００３６】
【実施例】
表１に示した合金組成の鋼のうち、Ｂ鋼およびＦ鋼を素材として使用し、コネクティングロッドを製作した。ここでも、圧延ままの素材を切断して図１１（Ａ）に示すような棒材（１１）を用意し、塑性加工としてスエージング加工（冷間プリフォーム加工）を行なって、図１１（Ｂ）に示すような、大端部対応部（１２ａ）、桿部対応部（１２ｂ）および小端部対応部（１２ｃ）を有する、冷間プリフォーム加工成形体（１２）を得た。
【００３７】
この冷間プリフォーム加工成形体（１２）を鍛造用ブランクとして、いったんＡｃ３点以上の温度である８２０℃に加熱したのち、温度８００℃で温間（閉塞）鍛造を行なって、図１１（Ｃ）に示すような、大端部（１３ａ）、桿部(アイセクション部)（１３ｂ）および小端部（１３ｃ）を有するコネクティングロッド成形体（１３）の形状に塑性加工し、その後、油冷による焼き入れ（鍛造直後から焼き入れまでの経過時間は約２０秒）を行なって、図１１（Ｄ）に示すような、大端部（１４ａ）、桿部（アイセクション部）（１４ｂ）および小端部（１４ｃ）を有するコネクティングロッド（１４）を得た。鍛造加工後の成形体の形状は、Ｂ鋼を素材とするものも、Ｆ鋼を素材とするものも、著しく良好であった。
【００３８】
各コネクティングロッドにおいて、図１２に示す部位(Ａ−Ａ’，Ｂ−Ｂ’，Ｃ−Ｃ’)において硬さを測定したところ、あわせて図１２に示した結果であった。図１２のデータから明らかなように、鋼種Ｆと鋼種Ｂとでは焼入れ後の硬さが大きく異なっており、後者はマンガン当量が不足しているため、焼入れ後の組織はほとんどすべてベイナイトとなっていて、硬さが低いものであった。これに対して、鋼種Ｆでは安定した硬さ分布を示しており、組織的にもすべてマルテンサイトとなっており、高強度でかつ高精度のコネクティングロッドを製造することができた。
【００３９】
【発明の効果】
本発明のコネクティングロッドの製造方法によれば、冷間プリフォーム性（冷間塑性加工性）が良好で、閉塞鍛造時の温間鍛造性にすぐれ、しかも、温間鍛造後の比較的低い温度から焼入れを行なうことができる鋼を素材とするので、高強度で、かつ高精度のコネクティングロッドを製造することが可能である。
【００４０】
実施に当たり、窒化物形成元素として特定量のＴｉを含有する鋼を素材とすることによって、結晶粒が微細化され、靭性もいっそうすぐれた、高強度で、かつ高精度のコネクティングロッドを得ることができる。素材とする鋼に、被削性向上元素として、特定量のＳ，Ｐｂ，Ｂｉ，ＴｅおよびＣａの１種または２種以上を添加したものを使用することによって、鍛造時における素材の切削加工性を高く保って、コネクティングロッドを製造することができる。
【００４１】
焼入れを行った後に、２００〜６００℃の温度範囲で１分間以上の時効処理を行なう態様を選ぶことによって、強度、とりわけ降伏強度がさらに向上したコネクティングロッドを製造することができる。焼入れの後に、ショットピーニング処理を行なうことによっても、強度、とりわけ疲労強度がいっそうすぐれたコネクティングロッドとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】コネクティングロッドの製造方法における基本プロセス示す説明図であって、Ａは本発明によるもの（プロセス１）、Ｂは既知の一般的な製造方法によるもの（プロセス２）。
【図２】いったん８５０℃以上に加熱した後、準安定オーステナイト領域付近である５５０〜９５０℃の範囲で鍛造し、連続して焼入れを行なった場合に、拡散的に析出変態するフェライトのノーズが大きく左側に寄ってくる様子を示す説明図。
【図３】マンガン当量（Mneq）と鍛造焼入れ後の硬さとの関係を例示するグラフ。
【図４】鍛造温度と引張り強さとの関係を調べた結果を例示するグラフ。
【図５】鍛造焼入れ後に１００〜７００℃の温度範囲で時効処理したときの、時効温度と強度との関係を例示するグラフ。
【図６】鍛造温度と変形抵抗との関係を調べた結果を例示するグラフ。
【図７】Ｃ含有量と変形抵抗との関係を調べた結果を例示するグラフ。
【図８】低温焼鈍し後のマンガン当量と変形抵抗および限界圧縮率との関係を例示するグラフ。
【図９】快削成分を含有する鋼について、鍛造温度と引張り強さとの関係を例示するグラフ。
【図１０】快削成分を含有する鋼について、限界圧縮率を調べた結果を例示するグラフ。
【図１１】本発明の実施例におけるコネクティングロッドの製造工程を示す説明図。
【図１２】本発明の実施例および比較例で得たコネクティングロッドの、硬さの測定部位および測定結果を示す説明図。
【符号の説明】
１１  素材(棒材)
１２  冷間プリフォーム加工成形体
１３  コネクティングロッド成形体
１４  コネクティングロッド
１４ａ  大端部
１４ｂ  桿部（アイセクション部）
１４ｃ  小端部
【図１】
0003757537.tif 000003
【図２】
0003757537.tif 000004
【図３】
0003757537.tif 000005
【図４】
0003757537.tif 000006
【図５】
0003757537.tif 000007
【図６】
0003757537.tif 000008
【図７】
0003757537.tif 000009
【図８】
0003757537.tif 000010
【図９】
0003757537.tif 000011
【図１０】
0003757537.tif 000012
【図１１】
0003757537.tif 000013
【図１２】
0003757537.tif 000014