JP2007197770A

JP2007197770A - 鋼部品の製造方法およびコネクティングロッド

Info

Publication number: JP2007197770A
Application number: JP2006017813A
Authority: JP
Inventors: Hironori Tateishi; 浩規立石; Motohide Mori; 元秀森
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2007-08-09

Abstract

【課題】焼入必要部分に対する焼入れと焼戻しとを一度の加熱で処理することを可能にし、もって熱処理に要するコスト負担の低減および生産効率の向上に大きく寄与する鋼部品の製造方法を提供する。
【解決手段】鋼部品の１つである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１および小端部２をマスキングして、コラム部３のみを急冷（水冷）して焼入れを行い、しかる後、コネクティングロッドの全体を空気中に放置する。この空気中放置により大端部１および小端部２の保有熱がコラム部３に熱伝導し、該コラム部３が加熱されて焼戻し状態となり、所望の硬さとなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、焼入れ、焼戻しの熱処理を施して仕上げる鋼部品の製造方法に係り、より詳しくは焼入必要部分に対して選択的に熱処理を施して仕上げる鋼部品の製造方法および該方法により製造されたコネクティングロッドに関する。

内燃機関に用いられるコネクティングロッドは、図２に示されるように、クランクシャフトに結合される大端部１とピストンピンに結合される小端部２とをコラム部３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、被削性の面からあまり硬さが高くな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３は、機械加工をしないので被削性を考慮する必要がなく、疲労強度、座屈強度等の強度重視で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１および小端部２が焼入不要部分、そのコラム部３が焼入必要部分となっており、そこで従来、例えば、特許文献１に記載される発明では、熱間鍛造によりコネクティングロッド（半製品）を成形した後、そのコラム部のみを高周波コイルによりＡ１変態点以上に誘導加熱して焼入れし、その後、焼戻しを行うようにしている。

特開２００４−２８６１９６号公報

しかしながら、上記した特許文献１に記載されるコネクティングロッドの製造方法によれば、冷材の状態から焼入温度および焼戻温度まで２度加熱するため、エネルギー消費が大きくなり、その上、焼入れと焼戻し処理との２工程処理が必要であるため、設備コストの増大が避けられないばかりか生産効率の低下が避けられない、という問題があった。

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、焼入必要部分に対する焼入れと焼戻しとを一度の加熱で処理することを可能にし、もって熱処理に要するコスト負担の低減および生産効率の向上に大きく寄与する鋼部品の製造方法を提供し、併せて該製造方法により得られたコネクティングロッドを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る鋼部品の製造方法は、焼入必要部分よりも広い領域をＡ１変態点以上に保持し、この状態から前記焼入必要部分のみを急冷して焼入れを行い、しかる後、空気中に放置して焼入必要部分の周辺部の保有熱により該焼入必要部分を焼戻しすることを特徴とする。

このように行う鋼部品の製造方法においては、Ａ１変態点以上から焼入必要部分のみを急冷し，その後、空気中に放置すると、焼入必要部分にその周辺部の保有熱が熱伝導して該焼入必要部分が焼戻温度に加熱され、したがって、改めて焼戻温度まで再加熱する必要はなくなる。

本発明の製造方法は、熱間鍛造後、全体がＡ１変態点以上にある状態から、焼入必要部分のみを急冷するようにしてもよいもので、この場合は、熱間鍛造の残熱を利用するので、焼入温度への再加熱も不要になる。

本発明に係るコネクティングロッドは、請求項１または２に記載の製造方法によって製造されたものであって、大端部と小端部とを連接するコラム部のみに焼入れ焼戻し処理が施されていることを特徴とする。

本発明に係る鋼部品の製造方法によれば、１工程で焼入れおよび焼戻しの熱処理を終えることができるので、熱処理に要するエネルギー消費の低減に加え、設備コストの低減を達成でき、その上、生産効率の向上を達成できる。

また、本発明に係るコネクティングロッドは、上記した製造方法によりコラム部のみに焼入れおよび焼戻しが施されているので、必要な強度はもちろん、良好な機械加工性を備えると共に、コストも安価となり、軽量化も可能になって、その利用価値は著しく高まるものとなる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

本実施形態は、前出図２に示したコネクティングロッドの製造を行うもので、その製造工程は、所定の鋼種の素材からコネクティングロッド半製品（以下、コンロッド半製品という）を得る熱間鍛造工程と、前記熱間鍛造工程に引続いてコンロッド半製品の必要部分に焼入れおよび焼戻しの熱処理を施す熱処理工程と、最終的な機械加工工程とからなっている。コネクティングロッドは、前記したようにその大端部１と小端部２とを連接するコラム部３が焼入必要部分となっており、したがって、前記熱処理工程はこのコラム部３に対してのみ実施されることになる。一方、大端部１および小端部２は、前記したようにクランクシャフトやピストンピンとの結合に用いられる加工を必要する焼入不要部分となっており、したがって、前記機械加工工程はこれら大端部１および小端部２に対して実施される。

ここで、コネクティングロッドに使用する鋼種は、熱処理により所定の強度が得られるものであれば任意であるが、熱間加工性、焼入性、機械加工性、コスト等を考慮すれば、中炭素（Ｃ：0.20〜0.60％）の低合金鋼を選択するのが望ましい。これら低合金鋼の鍛造開始温度は１２００℃以上の高温となっており、鍛造終了時点でも、８５０〜９００℃程度の高温を維持している。一方、これら低合金鋼のＡ１変態点は７５０℃程度であり、したがって、熱間鍛造終了時点でも、オーステナイト組織を維持している。

本実施形態においては、上記した熱間鍛造終了後、コンロッド半製品の全体がＡ１変態点よりも高温にある間に、コラム部３のみを急冷し、その後、コンロッド半製品の全体を空気中に放置する。コラム部３のみを急冷する方法は任意であり、例えば、大端部１および小端部２をカバーによりマスキングして、コラム部３に水を噴射する方法を採用することができる。コラム部３の急冷（水冷）は、コラム部３の温度がその使用鋼種のＭｓ点（一般に２００℃程度）より十分低くなるまで行い、これによりオーステナイトが高硬さのマルテンサイトに変態し、コラム部３は焼入れ状態となる。

一方、上記した急冷中、コラム部３の両端の大端部１および小端部２は徐冷され、コラム部３の急冷停止時点（水噴射停止時点）でも十分なる保有熱を有している。したがって、前記急冷後、コンロッド半製品の全体を空気中に放置すると、その大端部１および小端部２の保有熱がコラム部３に熱伝導し、これによりコラム部３の温度が上昇し、該コラム部３は焼戻しされる。この焼戻しによりコラム部３は、焼戻組織（焼戻マルテンサイト、焼戻ソルバイト等）になってその硬さが低下し、所望の強度（疲労強度、座屈強度等）が得られるようになる。

ところで、急冷後の空気中放置によるコラム部３の上昇温度は、コンロッド半製品の大きさ、急冷方法、急冷停止タイミング等により変化するので、予め実験を行ってコラム部３の上昇温度（焼戻温度）を確認するのが望ましい。また、この熱間鍛造後の一連の急冷および空中放置の処理は、時間によって管理するのが望ましく、これにより、効率よく熱処理を行うことができる。

このように行うコネクティングロッドの製造方法においては、熱間鍛造の残熱を利用して焼入れおよび焼戻しを行うので、冷材の状態から再加熱して焼入れおよび焼戻しを行う場合に比べて、消費エネルギーが著しく低減する。また、熱間鍛造の残熱で焼入れおよび焼戻しを行うので、設備の二重投資が不要になって設備コストが低減し、その上、熱処理に要する工数が削減して生産効率も向上する。さらに、大端部１および小端部２は、非焼入領域となって良好な機械加工性（被削性）が確保されているので、最終の機械加工に要するコストも低減し、結果としてコネクティングロッドの製造コストは大幅に低減する。しかも、得られたコネクティングロッドは、そのコラム部３が焼入れおよび焼戻しによって十分に強化されているので、内燃機関に利用して十分なる耐久性を有するものとなる。また、コラム部３に十分なる強度を確保できることから、その小断面化（軽量化）が可能になり、総じてその利用価値は大きなものがある。

なお、上記実施形態においては、熱間鍛造後の残熱を利用して焼入れを行うようにしたが、本発明は、熱間鍛造後、一旦常温まで冷やしてからＡ１変態点以上に再加熱して焼入れを行ってもよいものである。

また、上記実施形態においては、コネクティングロッドを対象にした例を示したが、本発明は、焼入必要部分の周りに焼入不要部分を有する各種鋼部品に適用できる。この場合は、鋼部品の全体または焼入必要部分よりも広い領域をＡ１変態点以上に保持し、この状態から前記焼入必要部分のみを急冷して焼入れを行い、しかる後、空気中に放置して焼入必要部分の周辺部の保有熱により該焼入必要部分を焼戻しする。

重量％で、Ｃ：0.45％、Ｓｉ：0.25％、Ｍｎ：0.90％、Ｐ：0.020％、Ｓ：0.050％、Ａｌ：0.010％、Ｎ：0.010％、Ｖ：0.10％、Ｃｒ：0.20％、Ｎｉ：0.10％、Ｍｏ：0.05％、Ｃｕ：0.10％の成分を有する中炭素低合金鋼を素材として用い、これを約１２００℃に加熱して熱間鍛造を行って、図４に示したコネクティングロッドの半製品（単重約ｋｇ）を得た。そして、熱間鍛造終了後、大端部１および小端部２をマスキングして、コラム部３のみを８５０℃付近の温度から１０秒間水冷（焼入れ）し、その後、半製品の全体を空気中で６０秒間放置して焼戻しを行い、さらに急冷した。そして、前記処理を終えた半製品について硬さ測定を行い、コネクティングロッドの長手方向における硬さ分布を求め、併せてコラム部３について顕微鏡観察により組織を調査した。なお、比較のため、熱間鍛造後の水冷を６０秒間行ったもの（焼戻し未実施のもの）についても同様の硬さ分布を求め、併せてコラム部３の組織を調査した。

図１は、上記のようにして求めた硬さ分布を示したものである。これより、大端部１および小端部２の硬さは、Ｈｖ２５０〜２８０程度となっており、本発明実施例のコネクティングロッドと比較例のコネクティングロッドとの間にほとんど差が認められない。これに対し、コラム部３の硬さは、比較例のコネクティングロッドがＨｖ７００を超えているのに対し、本発明実施例としてのコネクティングロッドはＨｖ４５０〜５００の範囲にあり、両者の間に大きな差が認められる。そして、顕微鏡観察の結果、比較例のコネクティングロッドのコラム部３はマルテンサイト組織となっているのに対し、本発明実施例としてのコネクティングロッドのコラム部３は焼戻ソルバイト組織となっており、前記したコラム部３の硬さの差は、この組織の相違により生じたものであることを確認できた。

本発明の実施例で得られたコネクティングロッドの硬さ分布を焼戻しを行わない比較例と対比して示すグラフである。本発明の実施対象の１つであるコネクティングロッドの形状を示す平面図である。

符号の説明

１大端部
２小端部
３コラム部

Claims

焼入必要部分よりも広い領域をＡ１変態点以上に保持し、この状態から前記焼入必要部分のみを急冷して焼入れを行い、しかる後、空気中に放置して焼入必要部分の周辺部の保有熱により該焼入必要部分を焼戻しすることを特徴とする鋼部品の製造方法。
熱間鍛造後、全体がＡ１変態点以上にある状態から、焼入必要部分のみを急冷することを特徴とする請求項１に記載の鋼部品の製造方法。
請求項１または２に記載の製造方法によって製造されたコネクティングロッドであって、連接部のみに焼入れ焼戻しが施されていることを特徴とするコネクティングロッド。