JP2007162060A

JP2007162060A - 熱間鍛造鋼部品の焼入方法

Info

Publication number: JP2007162060A
Application number: JP2005358951A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Shinohara; 明彦篠原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-12-13
Filing date: 2005-12-13
Publication date: 2007-06-28

Abstract

【課題】熱間鍛造後の残熱を有効利用することにより高硬さ必要部位に必要な硬さを確保すると共に、高硬さ必要部位に隣接する低硬さ必要部位の硬さ上昇を確実に抑える。
【解決手段】鋼部品であるコネクティングロッドを熱間鍛造した後（Ｐ１時点）、そのまま放冷して全体温度が、Ａ１変態点（Ａｒ変態点）直下まで下がるのを待ち（Ｐ２時点）、次に、高周波加熱コイルにより、コネクティングロッドのコラム部のみをＡ１変態点（Ａｃ変態点）以上に加熱し（Ｐ３時点）、その後、全体を急冷してコラム部のみを焼入れして所望の強度を確保し、コラム部の両端側の大端部および小端部は低い硬さとして、良好な機械加工性を確保する。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱間鍛造により成形される鋼部品を焼入れする方法に係り、より詳しくは、熱間鍛造鋼部品の一部を選択的に焼入れする焼入方法に関する。

熱間鍛造鋼部品の一つに、内燃機関に用いられるコネクティングロッドがある。このコネクティングロッドは、クランクシャフトに結合される大端部とピストンピンに結合される小端部とをコラム部で連接した形状となっている。このようなコネクティングロッドにおいて、その大端部および小端部は、前記クランクシャフトやピストンピンとの組付精度を確保するため、最終的に機械加工により仕上げられるようになっており、したがって、できるだけ硬さの低いことが要求される。一方、コネクティングロッドのコラム部は、高強度を必要とすることから、硬さの高いことが要求され、特に最近では、軽量化対策の上でも、より一層の高強度化が望まれている。

すなわち、コネクティングロッドは、その大端部および小端部が低硬さ必要部位、そのコラム部が高硬さ必要部位となっており、そこで、従来一般には、熱間鍛造によりコネクティングロッドを成形した後、そのコラム部を高周波加熱コイル等により常温（冷材の状態）からＡ１変態点以上の温度に再加熱し、コラム部のみを焼入れするようにしていた。しかし、この場合は、冷材の状態から再加熱するため、エネルギー消費が大きくなってコスト負担が増大し、その上、再加熱に要する時間も長くなって生産効率が低下する、という問題があった。

なお、高硬さ必要部位のみを選択的に再加熱して焼入れをすることは、上記したコネクティングロッドに限らず、多くの部品を対象に行われている（例えば、特許文献１参照）。

一方、一部では、コネクティングロッドを熱間鍛造した後、Ａ１変態点よりも高い残熱がある間に、大端部および小端部をカバーによりマスキングし、コラム部のみを水冷して焼入れすることがなされており、この方法によれば、加熱エネルギーの低減はもとより、サイクルタイムの短縮が可能になる。しかし、このように熱間鍛造後、直接焼入をする方法によれば、鋼部品の全体がＡ１変態点以上にある状態から水冷を行うため、冷熱が熱伝導によりコラム部に隣接する大端部および小端部側へも伝わり、図５に示されるように、コラム部と大端部および小端部との境界部の硬さ勾配が小さくなって、大端部および小端部側でも部分的に硬さが上昇し、結果として、機械加工性（被削性）が悪化する。また、大端部および小端部に対する良好な機械加工性を確保しようとすれば、コラム部側の焼入れ範囲を狭くしなければならず、この場合は、コラム部の強度が低下する分、薄肉化に限界があって軽量化対策が不十分になる。なお、図５は、ＪＩＳＳ５５Ｃからなる、単重０．８ｋｇのコネクティングロッドを熱間鍛造した後、前記マスキングを行って、約８００℃付近から水冷した場合の結果である。

特開平２００１−３２３３１９号公報

本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、熱間鍛造後の残熱を有効利用することにより高硬さ必要部位に必要な硬さを確保すると共に、高硬さ必要部位に隣接する低硬さ必要部位の硬さ上昇を確実に抑えることを可能にし、もってエネルギー消費の低減と製造効率の向上とに寄与し、かつ所望の機械加工性の確保並びに強度確保に寄与する熱間鍛造鋼部品の焼入方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、鋼部品を熱間鍛造した後、放冷し、全体温度がＡ１変態点より低い温度まで下がった時点で、低硬さ必要部位に隣接する高硬さ必要部位をＡ１変態点以上の温度に再加熱し、その後、全体を急冷することにより、前記高硬さ必要部位に焼入れをすることを特徴とする。

このように行う熱間鍛造鋼部品の焼入方法においては、熱間鍛造の残熱がある状態から高硬さ必要部位を再加熱し焼入れをするので、再加熱に要するエネルギー消費を低く抑えることができると共に加熱時間を短かく抑えることができる。また、Ａ１変態点より低い温度から高硬さ必要部位のみをＡ１変態点以上の温度に再加熱し焼入れをするので、高硬さ必要部位とこれに隣接する低硬さ必要部位との境界部における硬さ勾配は大きくなり、低硬さ必要部位の硬さ上昇が抑えられる。また、前記大きな硬さ勾配により境界部の幅が狭くなるので、高硬さ必要部位の焼入れ範囲を最大限に広げることができる。

本発明において、高硬さ必要部位を再加熱する時点の温度は、Ａ１変態点よりも低ければ任意であるが、Ａ１変態点直下とするのが望ましい。全体温度がＡ１変態点直下まで下がった時点で、高硬さ必要部位をＡ１変態点以上の温度に再加熱する場合は、熱間鍛造の残熱が十分にあるので、再加熱に要するエネルギー消費の大きな低減並びに加熱時間の大幅な短縮が可能になる。

本発明において、高硬さ必要部位を再加熱する方法は任意であるが、高周波加熱コイルを用いて高硬さ必要部位を限定的にかつ簡単に加熱できることから、高周波誘導加熱を利用するのが望ましい。

本発明において、対象とする鋼部品は任意であるが、コネクティングロッドを対象とする場合は、上記低硬さ必要部位が大端部と小端部となり、上記高硬さ必要部位が前記大端部と小端部とを連接するコラム部となる。

本発明に係る熱間鍛造鋼部品の焼入方法によれば、再加熱に要するエネルギー消費を低く抑えかつ加熱時間を短く抑えることができるので、コスト低減および生産効率の向上に大きく寄与するものとなる。また、高硬さ必要部位に隣接する低硬さ必要部位の硬さ上昇を確実に抑えることができるので、低硬さ必要部位に対して良好な機械加工性を確保できる。さらに、高硬さ必要部位の焼入れ範囲を最大限に広げることができるので、高硬さ必要部位における強度確保も確実になり、軽量化効果を最大限に発揮させることが可能になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。
本実施形態で熱間鍛造の対象とする鋼部品は、前記したコネクティングロッドであり、図３に符号１にて示されるように、大端部２と小端部３とをＩ形断面のコラム部４にて連接した形状となっている。このコネクティングロッド（以下、コンロッドという）１は、熱間鍛造により複数個取り（通常、２個取り）されることが多く、２個取りの場合は、図１（Ａ）に示されるように、２個のコンロッド１，１がバリ５により連結された状態で仕上鍛造され、その後のトリミング工程で、同図（Ｂ）に示されるように２個に分離される。前出図３は、トリミング工程を終えたコンロッド１を示しており、その大端部２は孔６を有する中空構造となっており、その小端部３は孔を有しない中実構造となっている。

上記コンロッド１の大端部２の孔６はクランクシャフトとの結合に用いられるもので、この大端部２に対しては孔６の仕上加工が必要になる。また、この大端部２は、後に二分割されると共に、二分割された半割体が、キャップとして大端部２の残余の部分にボルト締結されるようになっている。したがって、この大端部２に対しては、前記した孔６の仕上加工以外にも、ボルトを通す孔を形成するための孔明け加工や座面加工が必要になる。また、小端部３は、ピストンピンに連結される部分であり、したがって、この小端部３に対しては、ピストンピンとの結合に用いられる孔を形成するための孔明け加工が必要になる。すなわち、コンロッド１の大端部２および小端部３は、良好な機械加工性が要求される低硬さ必要部位となっている。

一方、コンロッド１のコラム部４は、強度を必要とする部分であり、したがって、このコラム部４は高硬さを必要とする。また、コンロッド１の軽量化を図るには、コラム部４の全域をできるだけ小断面とする必要があり、この面からも、コラム部４は高硬さ（高強度）を必要とする。すなわち、コンロッド１のコラム部４は、高強度が要求される高硬さ必要部位となっている。

ここで、コンロッド１の鋼種は、焼入れ可能な材料であれば任意であるが、熱間加工性、焼入性、コスト等を考慮すれば、中炭素鋼や低合金鋼を選択するのが望ましい。これら中炭素鋼や低合金鋼の鍛造温度は１２００℃以上の高温となっており、上記したトリミング工程を終えた段階でも、８５０〜９００℃程度の高温を維持する。一方、これら中炭素鋼や低合金鋼のＡ１変態点は、冷却時の変態点Ａｒが７００℃前後、加熱時の変態点Ａｃが８００℃前後となっている。

本実施形態においては、上記した熱間鍛造終了後（トリミング工程終了後）、そのまま放冷してコンロッド１の全体の温度がＡ１変態点（Ａｒ変態点）直下まで下がるを待ち、その後、図１（Ｃ）に示すように、高周波加熱コイル７を用いてコラム部４のみをＡ１変態点（Ａｃ変態点）以上の温度に加熱（高周波誘導加熱）し、続いて全体を急冷する。この再加熱−急冷によりコラム部４が高硬さの焼入組織（マルテンサイト）となり、一方、大端部２と小端部３は、コラム部４の再加熱中も温度降下を続けて、低硬さの非焼入組織（パーライト乃至ソルバイト）となる。

上記高周波加熱コイル７を備えた加熱装置（図示略）は、鍛造装置に隣接して設置されており、鍛造を終えたコンロッド１は、図示を略す放冷コンベアによって加熱装置へ搬送される。上記したようにコンロッド１を２個取りする場合は、１台の鍛造装置に対して２台の加熱装置を併設する必要があり、この場合は、放冷コンベアを途中で分岐してまたは２基併設して各加熱装置に１個ずつコンロッド１を搬送できるようにする。再加熱後の急冷には、水冷または油冷を選択するが、例えば、加熱装置の下側に水槽または油槽を設置することで、再加熱を終えたコンロッド１を直ちにこれら水槽または油層内に落下させて急冷を行うことができる。なお、高周波加熱コイルとしては、冷却液噴射機能を有するもの、あるいは冷却コイルを併設したものがあり、このような高周波加熱コイルを用いる場合は、再加熱後、高周波加熱コイルまたは冷却コイルから冷却液を噴射させて急冷することができるので、特別の水槽または油槽は不要となる。

図２は、上記一連の処理における温度サイクルを示したもので、同図中、Ｐ１は鍛造終了時点（放冷開始時点）を、Ｐ２は再加熱開始時点を、Ｐ３は急冷開始時点（再加熱終了時点）をそれぞれ表わしている。鍛造中および放冷中の冷却速度は、図示のように肉厚部である大端部２および小端部３の方が肉薄のコラム部３よりも若干遅くなるが、その差はわずかであるので、コラム部３の温度を目安に再加熱開始時点Ｐ２を設定すればよい。また、鍛造中および鍛造後の冷却速度や再加熱時の昇温速度は、鍛造の工程数（荒打鍛造、仕上鍛造等）、コンロッド１のサイズ、金型温度、高周波加熱コイル７に対する印加電流等により変化するので、予め実験を行って再加熱開始時点Ｐ２および急冷開始時点Ｐ３を把握する。なお、図２は、ＪＩＳＳ４５Ｃからなる、単重０．８ｋｇのコンロッド１を熱間鍛造および焼入れした際の温度サイクルであり、この場合は、鍛造開始から約３０秒強で１個のコンロッド１の処理が完了する。

図４は、上記処理を行った後のコンロッド１の硬さ分布を示したものである。これより、コラム部４はＨＶ６００以上の高硬さとなっており、その強度保証は十分となっている。一方、大端部２および小端部３は、ＨＶ３００未満の低硬さとなっており、良好な機械加工性が確保されている。また、コラム部４と大端部２との境界部およびコラム部４と小端部３との境界部における硬さ勾配は極めて大きくなっており、このことは、前記した熱間鍛造後、直接焼入れする場合（図５）との比較からも明らかである。すなわち、本発明の方法によれば、コラム部４に対する焼入れ範囲を最大限に広げても、低硬さ必要部位である大端部２および小端部３の硬さ上昇を招くことがなく、コラム部４の強度を十分に高めることができる分、コラム部４の小断面化（軽量化）を図ることができる。

なお、熱間鍛造によりコンロッドを２個取りする場合、大端部同士を突合せた状態で鍛造した後に大端部より切離して２個とする方法もあるが、本発明は、このようにして得られるコンロッドも対象にし得ることはもちろんである。

また、上記実施形態においては、コラム部４の再加熱に高周波誘導加熱を用いたが、その加熱方式は任意であり、例えば、火炎加熱方式、レーザ加熱方式等を用いることもできる。

本発明に係る熱間鍛造鋼部品の焼入方法の実施状況を順を示したもので、（Ａ）は２個取りした熱間鍛造後の状態を、（Ｂ）はトリミング後の状態を、（Ｃ）は高周波加熱コイルによるコラム部の再加熱の状態をそれぞれ示す模式図である。本熱間鍛造鋼部品の焼入方法の実施中における温度サイクルを示すグラフである。本熱間鍛造鋼部品の焼入方法の実施対象であるコネクティングロッドの熱間鍛造後の形状を示す平面図である。本熱間鍛造鋼部品の焼入方法により処理された後のコネクティングロッドの硬さ分布を示すグラフである。熱間鍛造後、直接焼入れしたコネクティングロッドの硬さ分布を示すグラフである。

符号の説明

１コネクティングロッド
２大端部
３小端部
４コラム部
７高周波加熱コイル

Claims

鋼部品を熱間鍛造した後、放冷し、全体温度がＡ１変態点より低い温度まで下がった時点で、低硬さ必要部位に隣接する高硬さ必要部位をＡ１変態点以上の温度に再加熱し、その後、全体を急冷することにより、前記高硬さ必要部位に焼入れをすることを特徴とする熱間鍛造鋼部品の焼入方法。
全体温度がＡ１変態点直下まで下がった時点で、高硬さ必要部位をＡ１変態点以上の温度に再加熱することを特徴とする請求項１に記載の熱間鍛造鋼部品の焼入方法。
高硬さ必要部位の再加熱に高周波誘導加熱を利用することを特徴とする請求項１または２に記載の熱間鍛造鋼部品の焼入方法。
鋼部品がコネクティングロッドであり、低硬さ必要部位がコネクティングロッドの大端部および小端部であり、高硬さ必要部位が前記大端部と小端部とを連接するコラム部であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の熱間鍛造鋼部品の焼入方法。