JP2009215630A

JP2009215630A - 焼結コンロッドとその製造方法

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Publication number: JP2009215630A
Application number: JP2008062669A
Authority: JP
Inventors: Shinya Omura; 真也大村; Kimihiko Ando; 公彦安藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-03-12
Filing date: 2008-03-12
Publication date: 2009-09-24
Anticipated expiration: 2028-03-12
Also published as: JP5167875B2

Abstract

【課題】本発明は、高い疲労強度と良好な被削性とを有し、かつ簡素な工程で生産コストを低減できる焼結コンロッドとその製造方法の提供を課題とする。
【解決手段】本発明の焼結コンロッドは、質量％で、Ｍｏ：０．８〜１．６％、Ｃｕ：１．５〜３％、Ｃ：０．２〜０．８％、Ｍｎ：０．０５〜０．５％、Ｓ：０．０５〜０．５％を含有し、残部がＦｅと不可避不純物からなり、任意の断面においてマルテンサイト組織が面積率で７０％未満で残部はベイナイト組織であり、かつ密度が７．８０ｇ／ｃｍ^３以上であることを特徴とする。圧粉成形体を焼結後直ちに熱間鍛造し、熱間鍛造後直ちに５０〜９０℃／分の冷却速度で常温まで冷却する。
【選択図】なし

Description

本発明は、高疲労強度を有する焼結コンロッドとその製造方法に関する。

内燃機関のピストンとクランクシャフトを連結するコンロッドは、クランク軸が連結される大端部と、ピストンピンが連結される小端部と、大端部と小端部を連結するコラム部とからなっている。一般に、このようなコンロッドでは、ピストンの往復運動とクランクシャフトの回転による慣性力により衝撃的な引張及び圧縮荷重や曲げ荷重などを繰り返し受けるため、特にコラム部においてはこれらの繰り返し荷重に耐えうる高い疲労強度が要求される。一方、コンロッドの大端部と小端部は、クランクシャフトとピストンピンがそれぞれ摺動可能に連結されるため、成形後に軸受メタルを設けるなどの目的で切削や研削などの機械加工が施される。このため、コンロッドの大端部と小端部には良好な被削性が要求される。

このように高い疲労強度と良好な被削性とが要求されるコンロッドとしては、例えば、特許文献１の鉄基焼結合金からなる焼結コンロッドが知られている。この鉄基焼結合金は、Ｎｉ：１．５〜４．５重量％、Ｃ：０．２〜０．７重量％、Ｍｎ：０．０１〜０．０５重量％を含有し、残りがＦｅ及び不可避不純物からなり、特定の組織を有することで疲労強度に優れているので、コンロッド等の機械部品の材料として好適であるとされている。
特開平９−１１８９６５号公報

しかし、近年、エンジンの高性能化、高出力化及び高速化に伴いエンジンに組み込まれるコンロッドには従来よりも一段と苛酷な条件での繰り返し負荷が加えられるので、さらに疲労強度に優れたコンロッドの開発が望まれるようになった。ところが従来の鉄基焼結合金からなるコンロッドでは、疲労強度が不足しており必ずしも満足できるものではなかった。さらに、この従来技術では高温長時間焼結と焼結後の焼入れ焼戻し処理が必要であるので工程が長くてコスト的に不利であるという問題もあった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、高い疲労強度と良好な被削性とを有し、かつ簡素な工程で生産コストを低減できる焼結コンロッドとその製造方法を提供することを課題とする。

本発明の焼結コンロッドは、焼結鍛造品よりなり、質量％で、Ｍｏ：０．８〜１．６％、Ｃｕ：１．５〜３％、Ｃ：０．２〜０．８％、Ｍｎ：０．０５〜０．５％、Ｓ：０．０５〜０．５％を含有し、残部がＦｅと不可避不純物からなり、任意の断面においてマルテンサイト組織が面積率で７０％未満で残部はベイナイト組織であり、かつ密度が７．８０ｇ／ｃｍ^３以上であることを特徴とする。

また、本発明のコンロッドの製造方法は、原料粉末を所定割合で配合して材料粉末を調製する材料粉末調製工程と、該材料粉末を加圧成形して圧粉体とする圧粉体成形工程と、該圧粉体を焼成して焼結体とする焼結工程と、焼結後、該焼結体を直ちに熱間鍛造してコンロッド粗材とする熱間鍛造工程とを有する焼結コンロッドの製造方法において、原料粉末は、Ｆｅ−Ｍｏ合金粉末、Ｃｕ粉末、黒鉛粉末及びＭｎＳ粉末であり、コンロッド粗材を熱間鍛造終了温度から室温まで５０〜９０℃／分の冷却速度で冷却することを特徴とする。

本発明の焼結コンロッドは、Ｎｉよりも拡散が速く、通常の焼結で鉄結晶格子中に拡散するＭｏを含有する鉄基焼結合金からなるので良好な焼入れ性を有する。それ故、本発明の焼結コンロッドは、焼結鍛造による高密度化と相まって、高い疲労強度を有し、マルテンサイト組織の面積率が７０％未満で残部がベイナイト組織からなるので良好な被削性を備える。

また、本発明の焼結コンロッドは、焼結後直ちに熱間鍛造し所定の冷却速度で冷却するだけで得ることができるので、焼入れ焼戻し処理が必要な従来の焼結コンロッドに比べて工程が短く、生産コストの大幅な低減が可能となる。

本発明の焼結コンロッドは、焼結鍛造品よりなり、質量％で、Ｍｏ：０．８〜１．６％、Ｃｕ：１．５〜３％、Ｃ：０．２〜０．８％、Ｍｎ：０．０５〜０．５％、Ｓ：０．０５〜０．５％を含有し、残部がＦｅと不可避不純物からなり、任意の断面においてマルテンサイト組織が面積率で７０％未満であり、かつ密度が７．８０ｇ／ｃｍ^３以上であることを特徴とする。

まず、本発明の焼結コンロッドの成分組成と組織を上記のように限定した理由を説明する。

（Ａ）成分組成
（ａ）Ｍｏ：ＭｏはＣと結合して炭化物を形成するとともに、焼入れ性の向上、固溶強化、析出強化などによって、材料の強度を向上させる作用がある。しかし、その含有量が０．８％未満ではこれらの作用に所望の効果を得ることができない。一方、その含有量が１．６％を超えると、靱性が急激に低下するようになることから、Ｍｏの含有量を０．８〜１．６％とした。

（ｂ）Ｃｕ：Ｃｕは、素地に固溶して強度と靱性を向上させる作用がある。しかし、その含有量が１．５％未満では前記作用に所望の効果が得られず、一方、その含有量が３％を超えると、被削性を低下させる虞があることから、Ｃｕの含有量を１．５〜３％とした。Ｃｕ含有量の一層好ましい範囲は２〜２．５％である。

（ｃ）Ｃ：Ｃは、素地に固溶して疲労強度を向上させる効果がある。しかし、その含有量が０．２％未満では効果が充分ではなく、一方、０．８％を超えて含有すると材料の脆化を促進させるので好ましくない。従って、Ｃの含有量を０．２〜０．８％に定めた。Ｃの一層好ましい範囲は０．３〜０．６％である。

（ｄ）Ｍｎ：Ｍｎは、素地に固溶して強度を向上させる作用がある。しかし、その含有量が０．０５％未満では所望の効果が得られず、一方、含有量が０．５％を超えると、圧縮性や焼結性を阻害して材料の疲労強度と靱性を低下させるところから、その含有量を０．０５〜０．５％とした。

（ｅ）Ｓ：ＳはＭｎＳの形でＭｎとともに添加される元素である。従って、０．０５％程度は不可避的に含有される。しかし、その含有量が０．３％を超えると粒界に析出して粒界強度が低下することがあるので好ましくない。従って、その含有量を０．３％以下とした。

（Ｂ）組織
Ｆｅの結晶格子内にＭｏが存在するとパーライト形成が遅れてベイナイトが形成される。それ故、焼結コンロッドの素地はベイナイト組織を主体とする組織となっている。ベイナイト組織は、パーライト組織より硬さが高くセメンタイトがフェライトの粒内又は粒界に細かく分散しているので強度が高く被削性に優れた組織である。なお、組成や焼結鍛造後の冷却速度などによりこのベイナイト組織中にマルテンサイト組織が混在してもよい。しかし、マルテンサイト組織は任意の断面における面積率で７０％未満とされる。マルテンサイトは素地を強化及び硬化させる組織であるが、その面積率が７０％を超えると被削性が低下する。好ましくは５５％以下であり、より好ましくは４０％以下である。

（Ｃ）密度
焼結コンロッドの密度は７．８０ｇ／ｃｍ^３以上である。コンロッドの密度が７．８０ｇ／ｃｍ^３未満では、所望の疲労強度を得ることができない。

次に、焼結コンロッドの製造方法の好ましい一例について説明する。

まず、原料粉末として、Ｍｏ：０．８〜１．６質量％を含む平均粒径が４０〜６０μｍのＦｅ−Ｍｏ合金粉末と、平均粒径が４０〜４５μｍのＣｕ粉末と、平均粒径が３〜３０μｍの黒鉛粉末および平均粒径が５〜１０μｍのＭｎＳ粉末を用意する。そして、これらの原料粉末を所望の割合で配合しＶ型ミキサーなどで混合して所望の材料粉末を調製する（材料粉末調製工程）。

次いで、この材料粉末を所定の金型キャビティに充填し、５５０〜７５０ＭＰａの圧力で加圧成形して圧粉体とする（圧粉体成形工程）。

続いて、この圧粉体を還元雰囲気又は不活性雰囲気中で、１１００〜１２５０℃の範囲内の所定の温度に１０〜２０分間保持して焼結し（焼結工程）、その後直ちに９５０〜１１００℃で熱間鍛造して所望のコンロッド粗材とする（熱間鍛造工程）。得られたコンロッド粗材を５０〜９０℃／分の範囲内の所定の冷却速度で常温まで冷却する。ここで、冷却速度が５０℃／分未満ではフェライト組織が生成することがあるので望ましくない。一方、冷却速度が９０℃／分を超えて早いとマルテンサイト組織の面積率が高くなり、被削性が低下するので適当ではない。より好ましい冷却速度は、６０〜９０℃／分である。この冷却速度は例えば以下のようにして調整することができる。

コンロッド粗材は約９００〜１０００℃で熱間鍛造を終了し、その後一定速度で回転している搬送コンベア上で放冷される。この搬送コンベア上にトンネルを設けその長さを調節することでコンロッド粗材の冷却速度を調整することができる。

その後、冷却されたコンロッド粗材に所定の加工を施して焼結コンロッドを得ることができる。

原料粉末として、上記のＦｅ−Ｍｏ合金粉末、Ｃｕ粉末、黒鉛粉末、ＭｎＳ粉末を用意した。次いで、これらの原料粉末を所定の割合で配合し、さらに潤滑材であるステアリン酸亜鉛を０．７５質量％添加してＶ型ミキサーで３０分間混合し、表１に示す試料番号１〜１８の材料粉末を調製した。

次に、これらの材料粉末を所定（コンロッド用）の金型のキャビティに充填し、６ｔｏｎ／ｃｍ^２でプレス成形して圧粉体とした。得られた各圧粉体をメッシュベルト式焼結炉で窒素５％水素雰囲気中、１１５０℃で１０分間保持した後、直ちに１１００℃で熱間鍛造してコンロッド粗材とし、鍛造後それぞれ４０〜１００℃／分の範囲内の所定の冷却速度で常温まで冷却して実施例１〜１１および比較例１２〜１８のコンロッド粗材を得た。なお、それぞれの冷却速度は、コンベアを囲むトンネルを設けその長さを調節することで変化させた。

これら実施例１〜１１及び比較例１２〜１８の各コンロッド粗材について、化学組成分析、マルテンサイト組織の面積率と疲労強度の測定、および被削性の評価を実施した。結果を表１に示す。

なお、試験方法は以下の通りであった。

１）マルテンサイト組織の面積率：各コンロッド粗材のコラム部の長手方向中央部を長手方向に対して直角に切断し、得られた断面の任意の部位を金属顕微鏡下１００倍で観察し、画像解析により求めた。

２）密度測定：各コンロッド粗材のコラム部から切り出した試験片（２５ｍｍ×３０ｍｍ）について、周知のアルキメデス法によって測定した。

３）疲労強度：疲労試験用の試験片を各コンロッド粗材のコラム部から切り出し、この試験片を用いてＪＩＳＺ２２７４に準じて回転曲げ疲労試験を行った。疲労強度は応力−繰り返し数曲線より求めた１０^７回の繰り返し数を示す応力とした。

４）被削性：所定のバイトと切削条件とで各コンロッド粗材の大端部外周を切削し、従来例によるコンロッド粗材の大端部と同等以上の被削性を有するものを合格（○）、従来例よりも劣るものを不合格（×）と判定した。ここで、従来例は、特許文献１に記載のＮｉとＣを含有する鉄基焼結合金に所定の浸炭焼入れ焼戻し処理を施したものである。

表１から、成分組成、冷却速度、マルテンサイト組織の面積率および密度の測定値が全て本発明の範囲内である実施例１〜１１は優れた疲労強度（３８０〜４３５ＭＰａ）と良好な被削性とを有することが分かる。一方、これらの測定値のうち、一以上の値が本発明の範囲外（＊で表示）である比較例１２〜１８では、疲労強度あるいは被削性のいずれかを満足することができなかった。比較例１２〜１６では、被削性は良好であるものの、疲労強度は３００〜３４０ＭＰａと従来例（３７０ＭＰａ）よりも低いものであった。また、比較例１７および１８は疲労強度は４００ＭＰａ以上と高いものの、マルテンサイトの面積率が７０％以上と高くベイナイト組織が少ないために良好な被削性を得ることができなかった。

本発明は自動車などのエンジンのコンロッドに好適に用いることができる。

Claims

焼結鍛造品よりなり、質量％で、Ｍｏ：０．８〜１．６％、Ｃｕ：１．５〜３％、Ｃ：０．２〜０．８％、Ｍｎ：０．０５〜０．５％、Ｓ：０．０５〜０．５％を含有し、残部がＦｅと不可避不純物からなり、任意の断面においてマルテンサイト組織が面積率で７０％未満で残部はベイナイト組織であり、かつ密度が７．８０ｇ／ｃｍ^３以上であることを特徴とする焼結コンロッド。
原料粉末を所定割合で配合して材料粉末を調製する材料粉末調製工程と、
該材料粉末を加圧成形して圧粉体とする圧粉体成形工程と、
該圧粉体を焼成して焼結体とする焼結工程と、
焼結後、該焼結体を直ちに熱間鍛造してコンロッド粗材とする熱間鍛造工程とを有する焼結コンロッドの製造方法において、
前記原料粉末は、Ｆｅ−Ｍｏ合金粉末、Ｃｕ粉末、黒鉛粉末及びＭｎＳ粉末であり、
前記コンロッド粗材を熱間鍛造終了温度から室温まで５０〜９０℃／分の冷却速度で冷却することを特徴とする焼結コンロッドの製造方法。