JP2005308189A - コネクティングロッド及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンロッドの予備成形体を、該予備成形体の脆性化させることなく且つ効率よく破断する。
【解決手段】コンロッド１０の予備成形体ＰＲにおける破断予定部位であるノッチＮの底部近傍に、レーザ光やプラズマを照射する。照射後に空気中で放冷すれば、オーステナイト組織がマルテンサイト組織に変態する。この結果、ノッチＮの底部近傍にマルテンサイト部位２０が設けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、大端部が破断されることによって設けられたキャップ部と本体部とを連結して設けられるコネクティングロッド及びその製造方法に関する。

図６に示すように、コネクティングロッド（以下、コンロッドともいう）１の先端部には第１貫通孔２が設けられ、その一方で、他端部には第１貫通孔２に比して小径な第２貫通孔３が設けられる。一般的に、第１貫通孔２が設けられた側の先端部は大端部４と指称され、第２貫通孔３が設けられた側の他端部は小端部５と指称される。そして、これら大端部４と小端部５が長尺な軸部６を介して連結されている。

コンロッド１の大端部４は、ノッチＮ、Ｎを境界として、第１貫通孔２の略中央付近で該コンロッド１の長手方向（図７におけるＸ方向）に対して直交する方向（Ｙ方向）に破断されており、これによりコンロッド１がキャップ部７と本体部８とに分割されている。なお、キャップ部７と本体部８とは、ボルト孔９に挿入された図示しないボルトによって互いに連結される。

このように構成されたコンロッド１の第１貫通孔２には、軸受を介してクランクシャフトのジャーナルが軸支される。また、第２貫通孔３には、前記軸受とは別の軸受を介して内燃機関を構成するピストンピンが挿入され、該ピストンピンはピストンに通される。すなわち、コンロッド１は、内燃機関のピストンとクランクシャフトとを連結し、該クランクシャフトの回転駆動力をピストンへと伝達する機能を営む部材である。

この種のコンロッド１は、例えば、図７に示すように、キャップ部７と本体部８とが同一部材として一体的に設けられた予備成形体ＰＲを鍛造成形した後、該予備成形体ＰＲに設けられたノッチＮ、Ｎを起点としてキャップ部７と本体部８とに破断し、さらに、ボルト孔９に通したボルトを介してこれらキャップ部７と本体部８とを連結することによって製造される（特許文献１〜３参照）。

ところで、このようにして予備成形体ＰＲをキャップ部７と本体部８とに分割する際、必ずしもノッチＮを起点として大端部４が破断されるとは限らない。すなわち、ノッチＮ以外の部位から破断が起こることがある。このような事態が生じると、コンロッド１にノッチＮが残留するので、該コンロッド１を内燃機関に取り付けて使用した際にノッチＮから破断することが懸念される。

従って、ノッチＮ以外の部位から破断が生じた予備成形体ＰＲは、コンロッド１として使用されないが、このためにコンロッド１の製造歩留まりが低下するという不具合がある。

そこで、特許文献４には、ノッチ近傍に水素を拡散させて水素脆化を生じさせることにより、該ノッチ近傍が脆性破壊を起こし易いようにすることが提案されている。

また、特許文献５には、外方に突出する突起部を分割予定部位に設け、この突起部を圧潰することによって前記分割予定部位を他の部位に比して高硬度にした後、該分割予定部位から破断を行うことが提案されている。

特開昭６１−２１４１４号公報 特公平３−１８０５３号公報 特開昭６４−６４７２９号公報 特開平１１−１０８０３９号公報 特開平６−９９３１８号公報

しかしながら、特許文献４に記載された技術では、ノッチのみならず他の部位に水素が進入することを回避することが困難である。このため、コンロッドにおける破断部位以外の部位が脆化し、該コンロッドの機械強度が低下することが懸念される。

また、特許文献５に記載された技術では、突起部を設ける工程と、該突起部を圧潰する工程とを行う必要があり、煩雑であるとともに、コンロッドの生産効率を低下させてしまう。

さらに、予備成形体の肉厚は概して大きく、このためにノッチを設けたとしても、大端部を分割するために大きな破断荷重が必要となる。従って、破断装置自体も大型となるため、高額な設備投資が必要となる。

この不具合を解消するために、ノッチの深さを大きくすることが想起される。しかしながら、この場合、本体部とキャップ部との当接面積が小さくなるので、これら本体部とキャップ部との連結強度が小さくなるという不都合を招く。

本発明は上記した種々の問題を解決するためになされたもので、キャップ部と本体部との当接面積が大きく、このためにこれら本体部とキャップ部との連結強度が十分に確保されたコネクティングロッド及びその製造方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係るコネクティングロッドは、第１貫通孔が設けられた大端部と、前記第１貫通孔に比して小径な第２貫通孔が設けられた小端部と、前記大端部と前記小端部とを互いに連結する長尺な軸部とを有し、
前記大端部が分割されるとともに、分割された前記大端部同士が連結され、
前記大端部における分割部位にマルテンサイト組織が形成されていることを特徴とする。

すなわち、本発明においては、分割部位にマルテンサイト組織が形成されている。大端部は、このマルテンサイト組織に脆性破壊を生じさせることによって容易に破断される。

このコネクティングロッドは、マルテンサイト組織が形成されていない部位での炭素の割合が０．１重量％以上であり、且つマルテンサイト組織のＣスケールのロックウェル硬度（ＨＲＣ）が３０以上であることが好ましい。このような構成とすることにより、確実にマルテンサイト組織から脆性破壊を起こさせることができるようになる。

また、本発明に係るコネクティングロッドの製造方法は、第１貫通孔が設けられた大端部と、前記第１貫通孔に比して小径な第２貫通孔が設けられた小端部と、前記大端部と前記小端部とを互いに連結する長尺な軸部とを同一部材中に一体的に有する予備成形体を作製する工程と、
前記大端部における分割予定部位をマルテンサイト組織に変態させる工程と、
マルテンサイト組織が形成された前記分割予定部位に対して破断荷重を加え、該分割予定部位から前記大端部を破断する工程と、
破断された前記大端部同士を連結する工程と、
を有することを特徴とする。

マルテンサイト組織は概して高硬度であり、このために靱性が低い。従って、容易に脆性破壊を起こす。このため、マルテンサイト組織を起点として大端部を容易に破断することができる。また、マルテンサイト組織以外が脆性破壊を起こすことがないので、所定の分割予定部位から確実に破断することができる。

しかも、大端部が容易に破断するため、破断荷重を小さくすることができる。このため、破断装置を小さくすることができ、結局、設備投資を低廉化することができるという利点もある。

さらに、本発明によれば、分割予定部位のみをマルテンサイト組織に変態させるので、予備成形体、ひいてはコンロッド全体が脆性を示すことを回避することもできる。

その上、突起部を設けた後に該突起部を圧潰するという煩雑な作業を行う必要がなく、コンロッドの生産効率が低下することもない。

さらにまた、分割予定部位にノッチを設ける必要が特にないので工程数が減少し、このためにコンロッドの生産効率が向上するとともに、ノッチ形成装置が不要となるのでコスト的に有利である。

なお、分割予定部位にノッチを予め設けるようにしてもよい。この場合、ノッチの底部をマルテンサイト組織に変態させればよい。このようにノッチを設ける場合、ノッチ以外の箇所から破断が生じることはなく、最終製品であるコンロッドにノッチが残留することもない。従って、コンロッドの製造歩留まりが著しく向上する。

分割予定部位にのみマルテンサイト変態を起こさせる手法としては、例えば、分割予定部位に対してレーザ光又はプラズマを照射するという極めて簡便な方法が挙げられる。

また、予備成形体を、炭素の割合が０．１重量％以上である鋼材から作製することが好ましい。この場合、得られたマルテンサイト組織のＨＲＣが３０以上と比較的高硬度を示す。このような高硬度の部位は容易に脆性破壊を起こすので、大端部を破断させることが一層容易となる。

本発明によれば、破断予定部位にマルテンサイト組織を形成し、このマルテンサイト組織に脆性破壊を生じさせて大端部を分割させるようにしている。このため、加える破断荷重を小さくすることができるので破断装置を小型化することができ、結局、設備投資が低廉化する。

また、マルテンサイト組織以外が脆性破壊を起こすことがないので、所定の分割予定部位から確実に破断することができる。換言すれば、分割予定部位にノッチが設けられていた場合、このノッチ以外に破断が生じることがない。従って、ノッチが残留していないコンロッドを得ることができるので、コンロッドの製造歩留まりも向上する。

以下、本発明に係るコネクティングロッド及びその製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、図６及び図７に示される構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図１は、本実施の形態に係るコンロッド１０の全体概略正面図である。このコンロッド１０は、第１貫通孔２が設けられた大端部４と、該第１貫通孔２に比して小径な第２貫通孔３が設けられた小端部５と、これら大端部４と小端部５とを連結する軸部６とを有する。

この場合、コンロッド１０は、炭素の割合が０．１重量％以上である鋼材、例えば、クロムモリブデン鋼からなる。

そして、第１貫通孔２が略中央付近で該コンロッド１０の長手方向（図１におけるＸ方向）に対して直交する方向（Ｙ方向）に破断されており、これによりコンロッド１０がキャップ部７と本体部８とに分割されている。図１から諒解されるように、このコンロッド１０においても、大端部４がノッチＮ、Ｎを起点として分割されている。

勿論、キャップ部７と本体部８とは、孔部９、９に挿入されるボルト１２、１２を介して互いに連結される。

ここで、ノッチＮの近傍を拡大して図２に示す。この場合、ノッチＮの深さＤは概ね０．５〜０．８ｍｍであり、開口幅Ｗは概ね０．１５〜０．２０ｍｍである。大端部４は、このノッチＮの底部略中央から破断されている。

そして、図２に示すように、ノッチＮの底部近傍には、マルテンサイト組織が形成された部位（以下、この部位をマルテンサイト部位と表記し、参照符号を２０とする）が存在する。このマルテンサイト部位２０は、マルテンサイト組織が形成されていない他の部位に比して硬度が高い。

一般に、硬度と靱性はトレードオフの関係にあり、いずれか一方が向上すると残余の一方は低下する。従って、マルテンサイト部位２０は他の部位に比して靱性が低く、このため、該マルテンサイト部位２０には、脆性破壊が比較的生じ易い。

すなわち、本実施の形態においては、脆性破壊を生じ易いマルテンサイト部位２０がノッチＮの底部近傍に設けられている。後述するように、このマルテンサイト部位２０が脆性破壊を起こすことによって、大端部４が破断される。

マルテンサイト部位２０のＨＲＣは、３０以上であることが好ましい。３０未満であると、靱性が大きくなるので脆性破壊が生じ難い。ＨＲＣが４０以上であることがより好ましい。なお、マルテンサイト部位２０以外のＨＲＣは、２５以下程度であればよいが、特にこれに限定されるものではない。

このように、本実施の形態に係るコンロッド１０における大端部４は、ノッチＮの底部を起点とする破断により、該ノッチＮを境界として図１におけるＹ方向に破断されている。すなわち、破断は、ノッチＮ、Ｎ以外の箇所からは生じていない。

また、ノッチＮの深さＤは１ｍｍ未満であり、且つ開口幅Ｗは０．５ｍｍ程度と小さい。従って、キャップ部７と本体部８との当接面積が大きくなり、これらキャップ部７と本体部８との連結強度も確保される。

このコンロッド１０は、以下のようにして作製することができる。

図３（ａ）に示すように、先ず、好ましくは炭素の割合が０．１重量％以上であり、且つＨＲＣが２５未満であるクロムモリブデン鋼からなるワークに対して鍛造成形を施し、予備成形体ＰＲを作製する。

次に、図３（ｂ）に示すように、この予備成形体ＰＲの大端部４に設けられた第１貫通孔２の略中央部付近にノッチＮ、Ｎを設ける。

次に、このノッチＮ、Ｎの底部近傍にマルテンサイト組織を形成する。すなわち、予備成形体ＰＲにおけるノッチＮ、Ｎの底部近傍を選択的に加熱した後に急冷し、該ノッチＮ、Ｎの底部近傍におけるオーステナイト組織をマルテンサイト組織に変態させる。

ノッチＮ、Ｎの底部近傍を選択的に加熱する手法としては、特に限定されるものではないが、例えば、図３（ｃ）に示すように、レーザ光を集中的に照射する方法が例示される。なお、レーザ光の照射深さは、予備成形体ＰＲの肉厚にも依存して設定されるが、概ね０．１２ｍｍ程度で十分である。また、レーザ光に代替してプラズマを照射するようにしてもよい。

レーザ光やプラズマを照射することによってノッチＮ、Ｎの底部近傍を高温にした後、照射を停止して大気中で放冷する。この放冷に伴ってマルテンサイト変態が生じ、その結果、マルテンサイト部位２０が生成する（図２参照）。予備成形体ＰＲの材質が、炭素の割合が０．１重量％以上の鋼材である場合、マルテンサイト部位２０のＨＲＣは３０以上となる。

次に、予備成形体ＰＲに対し、焼き戻しが行われることなく図３（ｄ）に示す破断加工が施される。焼き戻しが行われた場合、マルテンサイト部位２０の靱性が向上し、脆性破壊が生じ難くなるからである。

破断加工を行う際に荷重が加えられると、マルテンサイト部位２０が脆性破壊を起こす。すなわち、マルテンサイト部位２０に、ノッチＮ、Ｎを起点とするクラックが発生する。このクラックが順次伝播していくことにより、最終的に、大端部４が分割されてキャップ部７と本体部８とが設けられる（図２参照）。

このように、マルテンサイト部位２０が脆性破壊を起こすので、クラックを発生・伝播させるために加える破断荷重を従来技術に比して小さくすることができる。すなわち、破断装置を小型化することができ、結局、設備投資を低廉化することができる。

最後に、図３（ｅ）に示すように、キャップ部７と本体部８とをボルト１２、１２によって連結すれば、コンロッド１０が得られるに至る。

このように、本実施の形態によれば、破断箇所の起点となるノッチＮ、Ｎの底部近傍にマルテンサイト部位２０を設けるという簡便な作業を行うことにより、脆性破壊が該底部近傍でのみ起こるようにすることができる。すなわち、他の部位に脆性破壊を招くような組織を生成させることがないので、ノッチＮ、Ｎが確実に起点となり、大端部４を容易に破断することができる。従って、大端部４がノッチＮ、Ｎ以外の箇所から破断されることがなく、製造後のコンロッド１０にノッチＮ、Ｎが残留することもないので、コンロッド１０の製造歩留まりが低下することがない。

しかも、上記したように、ノッチＮの深さＤは１ｍｍ未満であり、且つ開口幅Ｗは０．５ｍｍ程度であればよい。従って、破断された後のキャップ部７と本体部８との当接面積が小さくなることを回避することができるので、キャップ部７と本体部８との連結強度が小さくなることもない。

なお、上記した実施の形態においては、コンロッド１０の材質としてクロムモリブデン鋼を例示したが、特にこれに限定されるものではなく、ニッケルクロムモリブデン鋼であってもよい。

また、ノッチＮの底部は必ずしも鋭角である必要はなく、図４に示すように、湾曲していてもよい。

さらに、ノッチＮを設ける必要は特にない。すなわち、図５に示すように、分割予定部位に対し、上記と同様にレーザ光やプラズマを照射してマルテンサイト部位２０を設け、その後、このマルテンサイト部位２０に脆性破壊を生じさせてクラックを発生・伝播させるようにしてもよい。

この場合、レーザ光やプラズマが照射された箇所には、これらレーザ光やプラズマによって若干エッチングされることにより、深さ１００〜２００μｍ程度の陥没部２２が形成される。予備成形体ＰＲをキャップ部７と本体部８とに破断分割する際、この陥没部２２が破断起点となってクラックが伝播し、破断を容易に行うことができる。

すなわち、この場合、ノッチ形成装置を使用してノッチＮを設ける必要がないので、工程数が減少するとともに設備投資を低減することができる。結局、コンロッド１０の生産効率が向上するとともに、コスト的に有利となる。

本実施の形態に係るコンロッドの全体概略正面図である。 図１のコンロッドに設けられたノッチ近傍を拡大した要部拡大断面図である。 図１のコンロッドの製造過程を示すフロー図である。 底部が湾曲したノッチが設けられた部位を拡大した要部拡大断面図である。 別の実施の形態における破断予定部位を拡大した要部拡大断面図である。 従来技術に係るコンロッドの全体概略斜視図である。 破断される前の予備成形体の概略全体斜視図である。

符号の説明

１、１０…コネクティングロッド（コンロッド） ２…第１貫通孔
３…第２貫通孔 ４…大端部
５…小端部 ６…軸部
７…キャップ部 ８…本体部
９…ボルト孔 １２…ボルト
２０…マルテンサイト部位 ２２…陥没部
Ｎ…ノッチ

Claims (6)

1. 第１貫通孔が設けられた大端部と、前記第１貫通孔に比して小径な第２貫通孔が設けられた小端部と、前記大端部と前記小端部とを互いに連結する長尺な軸部とを有し、
   前記大端部が分割されるとともに、分割された前記大端部同士が連結され、
   前記大端部における分割部位にマルテンサイト組織が形成されていることを特徴とするコネクティングロッド。
2. 請求項１記載のコネクティングロッドにおいて、マルテンサイト組織が形成されていない部位での炭素の割合が０．１重量％以上であり、且つマルテンサイト組織のＣスケールのロックウェル硬度が３０以上であることを特徴とするコネクティングロッド。
3. 第１貫通孔が設けられた大端部と、前記第１貫通孔に比して小径な第２貫通孔が設けられた小端部と、前記大端部と前記小端部とを互いに連結する長尺な軸部とを同一部材中に一体的に有する予備成形体を作製する工程と、
   前記大端部における分割予定部位をマルテンサイト組織に変態させる工程と、
   マルテンサイト組織が形成された前記分割予定部位に対して破断荷重を加え、該分割予定部位から前記大端部を破断する工程と、
   破断された前記大端部同士を連結する工程と、
   を有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。
4. 請求項３記載の製造方法において、前記分割予定部位にノッチを予め設けて前記ノッチの底部をマルテンサイト組織に変態させることを特徴とするコネクティングロッドの製造方法。
5. 請求項３又は４記載の製造方法において、前記分割予定部位に対してレーザ光又はプラズマを照射することによってマルテンサイト組織を形成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。
6. 請求項３〜５のいずれか１項に記載の製造方法において、前記予備成形体を、炭素の割合が０．１重量％以上である鋼材から作製し、且つマルテンサイト組織のＣスケールのロックウェル硬度を３０以上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。

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