JP2001295924A

JP2001295924A - ピストンピンおよびその製造方法

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Publication number: JP2001295924A
Application number: JP2000109493A
Authority: JP
Inventors: Takeo Hisada; 田建男久; Tadashi Hattori; 部正服
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2000-04-11
Filing date: 2000-04-11
Publication date: 2001-10-26

Abstract

(57)【要約】【課題】軽量でかつ耐久性に優れたピストンピンを提
供する。【解決手段】ヤング率２５０ＧＰａ以上の高ヤング率
材料を素材としてなり、ピストンピン内周面４ｆの軸方
向の表面粗さがＲａ０．５μｍ以下であるとともにピス
トンピン内周面４ｆの周方向の表面粗さがＲａ１．０μ
ｍ以下であるピストンピン４。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関や水ポン
プなどに用いられ、シリンダと、前記シリンダ内で往復
移動するピストンとで構成されるレシプロ式圧縮装置に
おいて、ピストンボス部とコネクティングロッド小端部
とを連結するのに使用されるピストンピンに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】この種のレシプロ式圧縮装置は、例え
ば、図１に示すように、仮想線で表わすシリンダ１内で
往復移動するピストン２のピストンボス部２ｂと、コテ
クティングロッド３のコネクティングロッド小端部３ｅ
とをピストンピン４で連結した構造をなすものが通常に
おいて採用されている。

【０００３】このようなレシプロ式圧縮装置におけるピ
ストンピン４の役割は、ピストン２に加わる負荷をコネ
クティングロッド３に伝達することであり、当然のこと
ながら、目指すところは、できる限り伝達効率を上げる
ことである。

【０００４】このため、ピストンピン４に要求される特
性は、１）負荷により破壊しない強度を有するのはもち
ろんのこと、２）軽量化が可能であること、３）高剛性
のものであること、などをあげることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の構造用鋼からなるピストンピンでは、上記の
うち、１）のみについて対応が可能であり、２），３）
については対応が不十分であるのが実情である。また、
上記２）については従来も材料の強度を上げることで薄
肉のものとするなどある程度の対応をしてきているが、
他方ではピストンピン４に対する要求特性から使用時の
弾性変形は一定以下におさえる必要があり、素材として
構造用鋼を使用する限りは大きな改善を望めていないの
が現状である。

【０００６】

【発明の目的】本発明は、上述した従来の課題にかんが
みてなされたものであって、高強度・高剛性のものが得
られると共に軽量化が可能であり、耐久性に優れたピス
トンピン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】本発明に係わるピストン
ピンは、請求項１に記載しているように、ヤング率２５
０ＧＰａ以上の高ヤング率材料を素材としてなるものと
したことを特徴としている。

【０００８】そして、請求項２に記載しているように、
ピストンピン内周面の軸方向の表面粗さがＲａ０．５μ
ｍ以下、場合によってはＲａ０．５μｍ未満であるもの
とすることができる。

【０００９】また、本発明に係わるピストンピンにおい
ては、請求項３に記載しているように、ピストンピン内
周面の周方向の表面粗さがＲａ１．０μｍ以下、場合に
よっては１．０μｍ未満であるものとすることができ
る。

【００１０】本発明に係わるピストンピンの製造方法
は、請求項４に記載しているように、ヤング率２５０Ｇ
Ｐａ以上の高ヤング率材料を素材として用いてピストン
ピン粗材形状に加工したのち、ピストンピン内周面の軸
方向の加工精度をＲａ０．５μｍ以下、場合によっては
０．５μｍ未満にすると共にピストンピン内周面の周方
向の加工精度をＲａ１．０μｍ以下、場合によっては
１．０μｍ未満にするようにしたことを特徴としてい
る。

【００１１】そして、本発明に係わるピストンピンの製
造方法においては、請求項５に記載しているように、ピ
ストンピン内周面の加工にホーニングを用いると共にピ
ストンピン外周面の加工に研磨を用いるようになること
ができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明者らは、先に高ヤング率を
発揮する材料を発明し、従来の構造用鋼と同じ条件で機
械加工を行ってピストンピンを製造して、その性能を調
査したところ、上述した２），３）に関する改善効果以
前に強度上の問題点があることがわかった。

【００１３】すなわち、この種の機械部品では、繰り返
し負荷のかかる場合において強度・疲労強度に優れてい
ることが重要であるが、高ヤング率を発揮する材料を素
材とする場合において、種々の調査を繰り返した結果、
高ヤング率の材料ではその表面肌を厳密に制御しないと
その特性を十分に発揮することができないことが判明し
た。

【００１４】つまり、図２に示すように、通常の構造用
鋼の場合に、表面粗さとある負荷時の繰り返し寿命との
関係はあまりセンシティブではなく、例えば、ＳＡＥ
３１３０（Ｎｉ−Ｃｒ鋼）の焼入れ焼きもどし材では切
削肌（平均粗さ：Ｒａ２７０μｍ）と研磨肌（平均粗
さ：Ｒａ２０μｍ）とで繰り返し寿命は１０倍程度上が
るにすぎない。

【００１５】そして、研磨精度をさらに上げて平均粗さ
Ｒａを１０μｍ以下まで高めたとしても寿命は数倍程度
の向上にとどまるため、工業的な部品では経済性も加味
して強度の要求からはあまり高精度の研磨面を作らない
（他の目的から研磨精度を上げる場合は当然ある）のが
一般的である。

【００１６】他方、同じく図２に示すように、ヤング率
２５０ＧＰａ以上の高ヤング率材料は切り欠き感受性が
高く表面肌の影響を大きく受けるため、切削肌では本来
の疲労強度を得ることは不可能である。そして、十分な
疲労強度を得るためには表面粗さがＲａ２μｍ以下の研
磨肌とすることが必要であるが、この高ヤング率材料で
は通常の構造用鋼では効果が薄かった領域まで研磨強度
を高める（表面粗さＲａを０．５μｍ以下とする）こと
で著しく疲労強度が向上することがわかった。

【００１７】そこで、この研磨条件をもとにして高ヤン
グ率材料を素材として粗加工，熱処理，外表面研磨加工
を行ってピストンピンを試作することにより評価したと
ころ、疲労試験結果から予想したものとはほど遠い結果
となった。そして、疲労試験等の通常の機械試験では試
験片はその表面を研磨するだけであるが、ピストンピン
の場合は負荷時においてピストンピン内周面の応力がも
っとも高く、ピストンピン内周面においても研磨精度を
上げる必要のあることがわかった。

【００１８】さらに、一般的なピストンピンでは、その
内径は直径１０〜３０ｍｍ位であり、およそ５０〜１０
０ｍｍの全長にわたって表面粗さがＲａ０．５μｍ以下
に研磨することは、経済性を考えた場合に実用的には不
可能である。

【００１９】そこで、本発明者らは種々の検討をさらに
加えた結果、ピストンピン内周面はホーニング加工する
と共にピストンピン外周面は研磨加工することによって
所定の効果が得られることを見いだした。そしてこのと
き、ピストンピン内周面の軸方向の表面粗さをＲａ０．
５μｍ以下にすることは比較的容易であり、ピストンピ
ンの特性向上には十分有効であることを見い出した。

【００２０】本発明に係るピストンピンにおいて素材と
して用いられるヤング率２５０ＧＰａ以上の高ヤング率
材料は、例えば、Ｃ：１．０〜４．５質量％、Ｓｉ：
２．０質量％以下、Ｍｎ：２．０質量％以下、Ｃｒ：
３．０〜２０．０質量％、Ｃｏ：２０．０質量％以下を
含み、Ｍｏ，Ｖ，Ｔｉ，Ｗ，Ｎｂの１種以上をＭｏ：２
５．０質量％以下、Ｖ：１５．０質量％以下、Ｔｉ：１
２．０質量％以下、Ｗ：３０．０質量％以下、Ｎｂ：１
５．０質量％以下を含有し、かつ、Ｍｏ＋Ｖ＋Ｔｉ＋Ｗ
＋Ｎｂ：１０〜４０質量％の範囲にあり、残部が実質的
にＦｅからなる高ヤング率粉末の焼結体よりなるもので
ある。

【００２１】このように、用いる高ヤング率材料はヤン
グ率２５０ＧＰａ以上であり、また、引張強度１５００
ＭＰａ以上である焼結体を得ることができるものである
が、以下に、上記高ヤング率焼結体用金属粉末のより好
ましい組成の限定理由を説明する。

【００２２】Ｃは、炭化物の形成に必要な元素であり、
そのためには１．０質量％以上含有させるのが良い。た
だし、４．５質量％を超えて多量に含有させると靭性が
低下する傾向となるので、４．５質量％以下とするのが
良く、好ましくは１．５〜４．０質量％の範囲とするの
が良い。

【００２３】Ｓｉは、生地を強化して降伏点を高めるの
に有用な元素である。ただし、２．０質量％を超えて多
量に含有させると靭性を損なう傾向となるので２．０質
量％以下とするのが良く、好ましくは０．２〜１．０質
量％の範囲とするのが良い。

【００２４】Ｍｎは、鋼の焼入性に寄与するが、粉末の
酸素量を上げる傾向となるので、２．０質量％以下とす
るのが良く、好ましくは０．２〜１．０質量％の範囲と
するのが良い。

【００２５】Ｃｒは、Ｆｅより比重が小さく、本発明で
用いる素材の比重を下げるのに有効であり、また、Ｍ
ｏ，Ｖ，Ｔｉ，Ｗ，ＮｂとともにＣと結合して複炭化物
を形成させるため３．０質量％以上含有させるのが良い
が、Ｃｒ主体の炭化物は、ヤング率があまり大きくない
ため過度に添加しても本発明の目的への寄与が小さい傾
向となるので２０．０質量％とするのが良い。

【００２６】Ｃｏは、生地を強化して引張り強度を高め
るのに有用な元素であるので、２０．０質量％までの範
囲で添加量を決定するのが良い。

【００２７】Ｍｏ，Ｖ，Ｔｉ，Ｗ，Ｎｂの１種以上を含
有させることによって焼結体のヤング率を所定の値以上
に高める上で有用な元素群であり、これらの合計量で１
０質量％以上含有させることが望ましい。しかし、合計
含有量が４０質量％を超えると粉末製造が困難となる傾
向となり焼結体の強度も低下する可能性があるので４０
質量％以下とするのが良い。

【００２８】これらのうち、Ｍｏは、炭化物を形成し、
ヤング率を高める上で有用な元素であるが、２５．０質
量％を超えて過度に含有させると粉末製造が困難となる
傾向となるため２５．０質量％以下とするのが良い。

【００２９】また、Ｖは、比重の小さい炭化物を形成
し、ヤング率を高める上で有用な元素であるが、１５．
０質量％を超えて過度に含有させると粉末製造が困難と
なる傾向となるため、１５．０質量％以下とするのが良
い。

【００３０】さらに、Ｔｉは、比重の小さい炭化物を形
成し、ヤング率を高める上で有用な元素であるが、１
２．０質量％を超えて多量に含有させると粉末製造が困
難となる傾向となるため、１２．０質量％以下とするの
が良い。

【００３１】さらにまた、Ｗは、炭化物を形成し、ヤン
グ率を高めるうえで有用な元素である。また、生地中に
固溶してこれを強化する結果、引張強度を高める。ただ
し、３０．０質量％を超えて過度に含有させると粉末製
造が困難となる傾向となるため、３０．０質量％以下と
するのが良い。

【００３２】さらにまた、Ｎｂは、炭化物を形成し、ヤ
ング率を高めるうえで有用な元素であるが、１５．０質
量％を超えて過度に含有させると粉末製造が困難となる
傾向となるため１５．０質量％以下とするのが良い。

【００３３】このような高ヤング率焼結体用金属粉末を
用いて、ピストンピンを製造するに際しては、金属粉末
を熱間静水圧プレス（ＨＩＰ，ＨｏｔＩｓｏｓｔａｔ
ｉｃＰｒｅｓｓ）により温度：１０００〜１２３０℃、
圧力：９００〜２０００ｋｇｆ／ｃｍ^２のもとで０．５
〜５時間加熱・加圧して粉末を固化することにより焼結
体を得たのち、必要に応じて鍛造・圧延を行ったのち焼
きなましを行い、所定形状に粗加工し、この後１０００
〜１２００℃で焼入れし５００〜６５０℃で焼もどしを
行い、仕上げ加工を行なって、図１に示したような、内
径が１０〜３０ｍｍ，外径が１５〜５０ｍｍで長さが５
０〜１００ｍｍの円筒形ピストンピンを形成する。そし
てさらに、ピストンピン内周面はホーニング加工を行っ
て軸方向の表面粗さをＲａ０．５μｍ以下ないしは０．
５μｍ未満にすると共に周方向の表面粗さをＲａ１．０
μｍ以下ないしは１．０μｍ未満にし、ピストンピン外
周面は研磨加工を行って外周面の表面粗さをＲａ０．０
５〜５μｍにしたピストンピンを得る。

【００３４】

【実施例】以下、実施例に基いて本発明をさらに詳細に
説明するが、本発明はこのような実施例のみに限定され
ないことはいうまでもない。

【００３５】まず、表１に示す成分組成の金属粉末をＮ
_２ガスアトマイズにより製造し、−３２メッシュに分級
した。

【００３６】次いで、この金属粉末を外径１００ｍｍの
軟鋼製容器に入れ、ＥＢ（電子ビーム）溶接機で蓋をす
ると同時に内部を減圧した。

【００３７】次に、この金属粉末入り容器をＨＩＰ装置
に装入し、温度１１００℃，圧力１２００ｋｇｆ／ｃｍ
^２のもとで１時間加熱・加圧して粉末を固化することに
より焼結体を得たのち、得られた焼結体を熱間圧延する
ことによって外径３０ｍｍの棒材とした。

【００３８】続いて、この棒材に対し焼なましを施し、
所定の形状に粗加工し、この後１１５０℃で焼入れし５
６０℃で焼もどしを行い、仕上げ加工を行って表２に示
す形状のピストンピンを得た。

【００３９】このとき得たピストンピンの形状は、外径
が２２ｍｍ，内径が１６．２〜１７．１ｍｍ，長さが６
５ｍｍであり、外径３０ｍｍの圧延棒材から機械加工し
て所定の形状に削り出した。そして、この粗加工材に焼
入れ・焼もどしを施し、ピストンピン外周面は精研磨に
より表面粗さＲａ０．２μｍとした。また、ピストンピ
ン内周面は研摩加工やホーニング加工を行うことによっ
て種々の表面粗さに調整したものとしてピストンピンの
実体疲労試験に供した。

【００４０】また、市販のピストンピン（ＳＡＥ３１
３０材の浸炭品）を比較に用いた。

【００４１】

【表１】

【００４２】

【表２】

【００４３】また、実体疲労試験装置の概要を図３に示
すが、この実体疲労試験装置において、ピストンピン４
の両端は間隔をあけて設置した二つの基台ブロック１
１，１１に嵌装していると共にピストンピン４の中央部
分は負荷ブロック１２に貫装された状態となっており、
この負荷ブロック１２には連結棒１３を介してサーボパ
ルサー１４が連結してあって、サーボパルサー１４の作
動によりピストンピン４に対して１５ｔｏｎ，１５Ｈｚ
の負荷を与えるものとしてある。

【００４４】このサーボパルサー１４によるピストンピ
ン４の負荷回数（繰り返し数）の測定結果を同じく表２
に示した。

【００４５】表２に示すように、この負荷試験において
は繰り返し数１×１０６で終了とし、１×１０^６
まで達しないものについては破断した時の繰り返し数を
示し、破断しなかったものは１×１０^６以上としてと示
した。

【００４６】この結果、構造用鋼を用いると共に内周面
の表面粗さが大きい比較のＮｏ．１では繰り返し数が小
さく、また、Ｎｏ．１に対し鋼Ａを代用した比較のＮ
ｏ．２においても繰り返し数が小さい結果となってい
た。

【００４７】また、鋼Ａを用いかつ内周面の表面粗さを
小さくした精研磨によるＮｏ．３およびホーニング加工
によるＮｏ．４ではいずれも繰り返し数が１×１０^６を
超えており、ピストンピンの単重も従来の８９．６ｇか
ら８５．５ｇまで軽量化することが可能であった。

【００４８】さらに、鋼Ａを用いたものの内周面の軸方
向の表面粗さが大であるＮｏ．５では繰り返し数が１０
^４台まで低下していた。

【００４９】さらにまた、鋼Ａを用い、単重をさらに８
１．５ｇまで軽量化したＮｏ．６および７７．３ｇまで
軽量化したＮｏ．７においては１０^５台の実用に耐え得
る十分良好なる繰り返し数が得られた。

【００５０】さらにまた、鋼Ｂを用いたもののピストン
ピン内周面の表面粗さが大きいＮｏ．８では繰り返し数
が小さくなっていたが、ピストンピン内周面の表面粗さ
を小さくしたＮｏ．９では１×１０^６を超える繰り返し
回数が得られた。

【００５１】同様に、鋼Ｃを用いたもののピストンピン
内周面の表面粗さが大きいＮｏ．１０では繰り返し数が
小さくなっていたが、ピストンピン内周面の表面粗さを
小さくしたＮｏ．１１では１×１０^６を超える繰り返し
回数が得られた。

【００５２】

【発明の効果】本発明によるピストンピンでは、請求項
１に記載しているように、ヤング率２５０ＧＰａ以上の
高ヤング率材料を素材としてなるものとしたから、高強
度・高剛性のものが得られると共に軽量化が可能であ
り、耐久寿命が長い耐久性に優れたピストンピンを提供
することが可能であるという著大なる効果がもたらされ
る。

【００５３】そして、請求項２に記載しているように、
ピストンピン内周面の軸方向の表面粗さがＲａ０．５μ
ｍ以下であるものとすることによって、ピストンピン内
周面の軸方向の表面粗さを抑制しやすいホーニング加工
の採用で疲労強度がより一層安定して優れたものとする
ことができ、耐久性により一層優れたピストンピンを提
供することが可能であるという著大なる効果がもたらさ
れる。

【００５４】そしてまた、請求項３に記載しているよう
に、ピストンピン内周面の周方向の表面粗さがＲａ１．
０μｍ以下であるものとすることによって、ピストンピ
ン内周面の周方向の表面粗さをピストンピン内周面の軸
方向の表面粗さほどではないにしても十分に抑制しやす
いホーニング加工の採用で疲労強度がより一層安定して
優れたものとすることができ、耐久性により一層優れた
ピストンピンを提供することが可能であるという著大な
る効果がもたらされる。

【００５５】本発明によるピストンピンの製造方法によ
れば、請求項４に記載しているように、ヤング率２５０
ＧＰａ以上の高ヤング率材料を素材として用いてピスト
ンピン粗材形状に加工したのち、ピストンピン内周面の
軸方向の加工精度をＲａ０．５μｍ以下にすると共にピ
ストンピン内周面の周方向の加工精度をＲａ１．０μｍ
以下にするようにしたから、高強度・高剛性のものが得
られると共に軽量化が可能であり、耐久寿命が長い耐久
性に優れたピストンピンを製造することが可能であると
いう著大なる効果がもたらされる。

【００５６】そして、請求項５に記載しているように、
ピストンピン内周面の加工にホーニングを用いると共に
ピストンピン外周面の加工に研磨を用いるようになすこ
とによって、ピストンピン内周面の軸方向の表面粗さお
よび周方向の表面粗さを小さくすることが可能であって
耐久性に優れたピストンピンを製造することが可能であ
るという著大なる効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ピストンピンの一般的組み込み構造例を示す断
面説明図である。

【図２】材料およびピストンピン内周面の軸方向の表面
粗さによる疲労強度（繰り返し寿命）への影響を調べた
結果を平均化して示すグラフである。

【図３】本発明実施例で採用した実体疲労試験装置の概
要を示す説明図である。

【符号の説明】

１シリンダ２ピストン２ｂピストンボス部３コネクティングロッド３ｅコネクティングロッド小端部４ピストンピン４ｆピストンピン内周面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ヤング率２５０ＧＰａ以上の高ヤング率
材料を素材としてなることを特徴とするピストンピン。
【請求項２】ピストンピン内周面の軸方向の表面粗さ
がＲａ０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１
に記載のピストンピン。
【請求項３】ピストンピン内周面の周方向の表面粗さ
がＲａ１．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１
または２に記載のピストンピン。
【請求項４】ヤング率２５０ＧＰａ以上の高ヤング率
材料を素材として用いてピストンピン粗材形状に加工し
たのち、ピストンピン内周面の軸方向の加工精度をＲａ
０．５μｍ以下にすると共にピストンピン内周面の周方
向の加工精度をＲａ１．０μｍ以下にすることを特徴と
するピストンピンの製造方法。
【請求項５】ピストンピン内周面の加工にホーニング
を用いると共にピストンピン外周面の加工に研磨を用い
ることを特徴とする請求項４に記載のピストンピンの製
造方法。