JP2009533626A - マルチ材料連接棒 - Google Patents

Abstract

【解決手段】 焼結粉末金属連接棒は（ｉ）より強力な材料からなる中央ビーム区画と、（ｉｉ）、鍛造等を受ける、より機械加工可能な材料からなるピストン端部区画を有する。

Description

関連出願の相互参照
本願は２００６年４月１３日に申請された米国特許出願第１１／４０３，６２１号の優先権を主張する。

連邦政府委託研究に関する申立て
適用なし

本発明は、例えば、往復ピストンエンジンに使用される型のコネクティングロッド（連接棒）に関し、特に、鍛造の有無にかかわらず、粉末金属からなる連接棒に関する。

往復ピストン内燃エンジンに使用される連接棒はエンジンの動作中に大きなストレスを受けるので、非常に強固で、且つ、好ましくは、軽量でなければならない。充分に強固で且つ軽量な金属材料は典型的には非常に硬質である。連接棒の場合、連接棒の端部はベアリング孔のために、即ち、一方がクランクピン用であり、他方がピストンのリストピン用に機械加工を必要とし、典型的には、連接棒のクランク端部は連接棒のクランクシャフトキャップを連接棒の残部に固定するように穴あけされ且つテーパー付しなければならない。強度と重量の要求された組合せを有する従来の材料で連接棒を成形することは連接棒の機械加工を困難にし、特に、機械加工処理で使用されるツールと成形型の磨耗と引烈を増加させる。従って、従来技術の連接棒での典型的な解決法は機械加工性のために強度と重量を妥協させることであった。

故に、強度を減少させることなく許容可能な機械加工性を有する改良された連接棒を求める需要がある。

本発明は連接棒内の製品性能要求に合うように調整された高強度及び高機械可能性材料の局部領域を有する一体マルチ材料粉末金属連接棒を提供する。連接棒のシャンク又は中央ビーム区画は比較的高強度の１つの粉末金属材料からなり、両端部はより機械加工可能な１つ又は複数の粉末金属材料から成る。このように、典型的には最高のストレスが生ずる傾向のある中央ビーム区画がこのようなストレスに耐える高張力材料からなり、両端部はより機械加工可能であるが要求強度を有するようなより低強度材料から製造される。ここで使用されるように、機械加工性は金属の機械加工の相対的な容易さを言及しており、特定の標準条件でエンジニアリング材料の機械加工性の相対的測定を提供する種々の機械加工性指標が知られている。

本発明のこれら及び他の特徴、態様、及び利点は以下の詳細な説明、図面及び添付の特許請求の範囲を考慮してより良く理解されるであろう。

図１を参照すると、本発明の連接棒１０は第１端部に一体的に接続されたピストン端部１４を有する中央ビーム区画１２と、反対側の第２端部で一体的に接続されたクランク端部１６を有する。“一体的に接続される”ことにより、中央ビーム区画１２、ピストン端部１４、及びクランク端部１６がユニットとして形成されることを意味する。ピストン端部１４はピストン（図示せず）のリストピン（許容できれば、ベアリング）を受けるために貫通するより小さい孔１８を有し、クランク端部１６はクランクシャフト及びベアリング（図示せず）の軸部を受けるために貫通するより大きな孔２０を有する。クランク端部１６はストレスを集中させる孔２０の側部で対向するノッチ２４を設けることができるので、端部１６のクランクシャフトキャップ部２６は端部１６のベース部２８から破壊分離により分離でき、高位置精度でキャップを残部に再取付できる連接棒のキャップと残部間に界面を形成する。一般的にビーム区画１２と平行である縦孔がクランク端部１６から孔２０の対向する側にベアリングキャップ２６とベース２８内に形成され、ベース２８内の孔はテーパー付けされるので、ナット付又は無しのボルトが破壊分離後クランクシャフトキャップ２６をベース２８に固定するために使用される。米国特許出願公開第２００４／００７４３３５号はクランクシャフトキャップを連接棒のクランク端部ベースに接続するためにボルトを使用する例を示している。

ビーム区画１２は１つ又は複数の粉末金属材料からなり、ピストン端部１４及びクランク端部１６は１つ又は複数の異なる粉末金属材料からなる。例えば、現在の粉末金属連接棒は機械加工可能な粉末金属材料からなり、強度と硬度を犠牲にしている。本発明の連接棒において、ビーム区画１２はより強力で且つより硬質であり、従って、現在連接棒に使用される標準的な粉末金属材料より機械加工できない粉末金属材料からなる。ピストン端部１４とクランク端部１６はビーム区画１２より比較的より機械加工可能である粉末金属材料から製造され、連接棒に使用されている現在の粉末金属材料と同一で且つ多少機械加工可能である。また、ピストン端部１４の粉末金属材料はクランク端部１６の粉末金属材料と異なるか、同一材料である。

一形態において、ビーム区画１２は鉄（典型的には、少なくとも９０ｗｔ．％）、ニッケル１．７５−２．００ｗｔ．％、モリブデン０．５０−０．６０ｗｔ．％、マンガン０．１０−０．２５ｗｔ．％、炭素０．１０−０．９０ｗｔ．％を含むスチール粉末材料で製造される。好ましい形態において、ビーム区画１２は鉄、ニッケル１．７５−２．００ｗｔ．％、モリブデン０．５０−０．６０ｗｔ．％、マンガン０．１０−０．２５ｗｔ．％、炭素（ほぼ０．６０ｗｔ．％のグラファイトとして）を有するＭＰＩＦ（金属粉末産業組合）Ｐ／Ｆ−４６６０改良低合金スチール材料で製造される。一形態において、ピストン端部１４とクランク端部１６は鉄（典型的には、少なくとも９０ｗｔ．％）、銅１．８−２．２ｗｔ．％、硫化マンガン０．３−０．５ｗｔ．％、マンガン０．１０−０．２５ｗｔ．％、及び炭素０．３０−０．７０ｗｔ．％を含むスチール粉末材料である同一材料からなる。一形態において、ピストン端部１４とクランク端部１６は連接棒に適し完全に機械加工可能である銅スチール粉末金属であるＭＰＩＦ Ｐ／Ｆ−１１Ｃ６０からなる。ＭＰＩＦＰ／Ｆ−１１Ｃ６０は鉄、銅１．８−２．２ｗｔ．％、硫化マンガン０．３−０．５ｗｔ．％、マンガン０．１０−０．２５ｗｔ．％、及び炭素（ほぼ０．６０ｗｔ．％のグラファイト）を含む。

好ましい完成部品で改質されたＭＰＩＦ Ｐ／Ｆ−４６６０の硬度はほぼＨＲＣ４５であり（ＨＲＣ４０−５０の範囲である）、好ましい完成部品のＭＰＩＦ Ｐ／Ｆ−１１Ｃ６０の硬度はほぼＨＲＣ２５である（ＨＲＣ２０−３０の範囲である）。好ましい完成部品で改質されたＭＰＩＦ Ｐ／Ｆ−４６６０の引張り強度はほぼ１６５０ＭＰａであり（１４００−１９００ＭＰａの範囲である）、好ましい完成部品のＭＰＩＦ Ｐ／Ｆ−１１Ｃ６０の引張り強度はほぼ９００ＭＰａである（７００−１１００ＭＰａの範囲である）。ほとんどの現在の連接棒は主にビーム区画で破損し、従って、ビーム区画１２は増強された強度になる。ピストン端部１４とクランク端部１６は孔１８及び２０の機械加工及びクランク端部ボルト穴の穴あけ及び／又はタップ立てを可能にする軟質材料である必要がある。好ましくは、ピストン端部１４とクランク端部１６の焼結材料はピストン端部１４及びクランク端部１６を通して均一な組成からなる。

一例示実施例において、好ましい完成部品で改質されたＭＰＩＦ Ｐ／Ｆ−４６６０の密度はほぼ７．８０ｇ／ｃｃ（約９９％理論密度）であり、好ましい完成部品のＭＰＩＦ Ｐ／Ｆ−１１Ｃ６０の密度はほぼ７．８０ｇ／ｃｃ（約９９％理論密度）である。約９５％以上の理論密度が好ましい。他の例示実施例において、好ましい完成連接棒１０のビーム区画１２で改質された約９５％の理論密度はほぼ７．８０ｇ／ｃｃであり、好ましい完成連接棒１０のピストン端部１４とクランク端部１６のＭＰＩＦ Ｐ／Ｆ−１１Ｃ６０の密度は７．８０ｇ／ｃｃ以下である。この例示実施例において、ピストン端部１４とクランク端部１６の低密度はピストン端部１４とクランク端部１６のより大きな機械加工性を許容する。ピストン端部１４とクランク端部１６の焼結材料の低密度はビーム区画１２の成形で使用される金属粉末と比較してピストン端部１４とクランク端部１６の成形でより大きな粒子径を有する金属粉末を使用して達成される。また、ピストン端部１４とクランク端部１６の焼結材料の低密度は連接棒１０のビーム区画１２の成形で使用される圧縮圧力と比較してピストン端部１４とクランク端部１６の成形でより小さい粉末圧縮圧力を使用して達成される。

他の例示実施例において、ビーム区画１２は第１化学組成からなる第１領域と、第１化学組成と異なる他の化学組成からなる第２領域とを有する。これによりビーム区画１２の引張り強度及び／又は硬度の調整を可能にする。更に、第１領域は第１密度を有し、第２領域はビーム区画１２の引張り強度及び／又は硬度を更に調整するため第１密度と異なる密度を有する。

デュアル材料連接棒の概念を評価するためのツールが開発された。開発されたツールは曲げ疲労バーを製造するために使用されるツーリング（成形型）に基いている。実際の試験サンプル部品３０が図２に示され、大端部３６、小端部３４、及び端部３４と３６を一体的に接続するビーム区画３２を有する。破線は端部材料とビーム材料間のおおよその境界を示す。図１において、境界が示され、ビーム区画１２は端部区画１４及び１６より暗色で示される。

実験ツールと共に、新規なフィーダー（供給装置）が設計され且つ形成された。実験は５００トンのアルファ圧縮プレスで実施された。

図３−図５を参照すると、構築されたフィーダーは各々が分割壁４６又は４８により隣から分離された３室４０、４２、４４を有するフィードボックス３８を含み、且つ焼結粉末金属モールド技術で普通であるシャトルフィード概念を使用した。フィードボックスの２つの端部室４０及び４２はＭＰＩＦ Ｐ／Ｆ１１Ｃ６０粉末金属材料を収容し、（壁部４６により室４０から分離され且つ壁部４８により室４２から分離された）中間室４４はＭＰＩＦ Ｐ／Ｆ ４６６０改質材料を収容した。

供給システムはプレス上に取付けられ、３個の初期のサンプルが製造された。図３は、背部から供給システムで見た、３室４０、４２及び４４を有するフィードボックス３８を示す。図４は、供給システムでプレスの前部から見た、フィードボックス３８から金型４９に送り、粉末を金型４９に運ぶ部品である供給装置のシャトル区画４７を示す。図５は、圧縮且つ排出後、金型４９の隣のダイテーブル上の圧縮後の部品３０を示す（金型４９は金型の上面が周辺テーブルと同一高さである排出位置に示される）。シャトル区画４７の分室５１、５３及び５５は各分室４２、４４及び４０に入り込むときに充填される。シャトル区画４７は３個の分室５１、５３及び５５の底部から区画を充填するために金型４９を覆うようにそこから移動し、金型テーブル５７が上昇し、シャトル区画４７直下に金型空隙を形成する。この動作が分室５１、５３及び５５下に吸引力を発生させ、吸引充填させ、マルチ材料連接棒の成功のために望まれる端部区画とビーム区画間の粉末間界面で充分に混合させることなくプレスが充填位置に進むにつれて粉末金属材料を柱状に保持する。硬質ＭＰＩＦ Ｐ／Ｆ４６６０改質材料が連接棒の端部を汚染させると、部品は非機械加工性になり、又は良くても機械加工し難くなり、高コストの不利益になる切断工具の深刻な破損を生じさせるであろう。

サンプルは供給システム及びアルファプレスを使用して製造された。圧縮後、部品は物質分布のために焼結され検査された。これは選択された部品をエッチングすることにより実施された。エッチングによりＭＰＩＦ Ｐ／Ｆ４６６０改質材料を強く黒ずませ、物質分布の識別を容易にした。図６Ａ−Ｃは得られた部品の三個の図を示す。図６Ｃは断面で見たサンプルの断面を示し、プレス方向はこの写真に対して垂直である。ＭＰＩＦ Ｐ／Ｆ４６６０改質材料より暗くエッチングし、均一な柱状に分布される。図６Ｂは試験片の上面図を示し、図６Ａは部品全体の上面図を示す。

金型を充填する他の手段がマルチ材料連接棒を製造するために採用できる。例えば、連接棒のビーム区画と端部区画間の粉末間境界は金型が充填されるにつれて互いから分離した三区画に材料を保持するためツールセット又は供給ボックス内の薄板により画成される。金型が充填された後、薄板は引き込まれ、近傍区画の粉末金属材料が互いに接触するのを可能にする。この装置は後述のように端部とビーム区画間の円滑な物質界面を形成する。代案として、漸進プレス技術を使用することにより、連接棒の２つの端部区画が自身の形状を充分に保持するように軽く圧縮され、中間（ビーム）材料が最終圧縮前に形成された空洞部内に配置される。いずれにしても、完成連接棒内のビーム区画の材料から分離した端部の材料を維持することが望まれる。換言すると、円滑、好ましくは直線の界面線（図６Ｃの３５ａを参照）はピストン端部の焼結材料と中央ビーム区画の焼結材料間の遷移領域の縦断面図に見られる。同様に、円滑、好ましくは直線の界面線（図６Ｃの３５ｂを参照）はクランク端部の焼結材料と中央ビーム区画の焼結材料間の遷移領域の縦断面図に見られる。クランク端部の焼結材料と中央ビーム区画の焼結材料間及びピストン端部の焼結材料と中央ビーム区画の焼結材料間の円滑（好ましくは直線）物質界面は連接棒のより均一な特性を提供し、ビーム区画の材料が機械加工し難い端部を製造する連接棒の端部を汚染するのを回避する。

本発明を例示する連接棒と試験部品がかなり詳細に説明された。説明された好ましい実施例に対する多くの改造及び変形が当業者にとって明らかであろう。例えば、異なる材料がビーム区画又は端部区画に使用でき、端部区画自身は異なる材料で製造できる。任意の数の異なる区画があり、例えば、中央ビーム区画は異なる材料又は密度の区画を有する。更に、部品は粉末金属（Ｐ／Ｍ）材料又は粉末鍛造（Ｐ／Ｆ）材料を焼結され、ここで使用されるように、用語“粉末金属”又は“焼結材料”は鍛造の有無にかかわらず（例えば、焼結のみである場合）粉末金属材料を含む。更に、ビーム区画は選択的に空気焼入れ粉末金属材料で製造され、端部区画は非空気焼入れ粉末金属材料から製造できる。例示の空気焼入れ粉末金属材料はその変態領域以上の温度から空気又は他のガス媒体で冷却中に充分に焼入れするために充分な炭素及び他の合金元素を含む粉末スチールである。このようなスチールは急冷処理を経由することなくこれらのマルテンサイト組成を獲得する。クロム、ニッケル、モリブデン、及びマンガンの添加はこのような目的で有効である。

従って、本発明は記載された実施例に限定されるべきでなく、特許請求の範囲により規定されるべきである。

本発明は、例えば、往復ピストンエンジンに使用される型の連接棒に関する。

図１は本発明を含む連接棒の斜視図である。 図２は本発明を含む連接棒を評価する試験サンプルの斜視図である。 図３は図２の試験片を作るために金型を充填するための３室を有する供給装置の斜視図である。 図４は図２の試験片を作るための供給装置のシャトル区画を示す斜視図である。 図５は圧縮後の図２と同様な試験片を示す斜視図である。 図６Ａ−図６Ｃは試験片の図であり、図６Ａは上部斜視図であり、図６Ｂは縦方向に切断された後の試験片であり、図６Ｃは切断部の側面図を示す。

符号の説明

１０ 連接棒
１２ 中央ビーム区画
１４ ピストン端部
１６ クランク端部
１８、２０ 孔
２４ ノッチ
２６ クランクキャップ部
２８ ベース部
３０ サンプル部品
３４ 大端部
３６ 小端部
３８ フィードボックス
４０、４２、４７ 室
４６ 壁部
４７ シャトル区画
４９ 金型

Claims (20)

1. 第１化学組成と第１密度を有する第１焼結材料からなる中央ビーム区画であり、前記第１焼結材料が第１引張り強度及び第１機械加工性を有する中央ビーム区画と；
   前記ビーム区画に一体的に接続された第１端部と；
   前記第１端部と反対側の前記ビーム区画に一体的に接続され、且つ前記第２端部を通して均一な第２焼結材料からなる第２端部であり、前記第２焼結材料が前記第１化学組成と異なる第２化学組成を有し、且つ前記第１密度と異なる第２密度を有し、且つ前記第１引張り強度より低い第２引張り強度を有し、且つ前記第１機械加工性より高い第２機械加工性を有するところの第２端部と；
   を具備することを特徴とする連接棒。
2. 前記第１端部は前記第１端部を通して均一な第３焼結材料からなり、前記第３焼結材料が前記第１化学組成と異なる第３化学組成を有し、且つ第１密度と異なる第３密度を有し、且つ前記第１引張り強度より低い第３引張り強度を有し、且つ前記第１機械加工性より高い第３機械加工性を有することを特徴とする請求項１記載の連接棒。
3. 前記第２焼結材料と前記第３焼結材料が同一であることを特徴とする請求項２記載の連接棒。
4. 前記第２焼結材料と前記第３焼結材料が異なることを特徴とする請求項２記載の連接棒。
5. 前記第１焼結材料が前記第１化学組成からなる第１領域及び前記第１化学組成と異なる第４化学組成からなる第２領域を有することを特徴とする請求項２記載の連接棒。
6. 前記第１焼結材料が前記第１密度からなる第１領域と、前記第１密度と異なる第４密度からなる第２領域を有することを特徴とする請求項２記載の連接棒。
7. 前記第１密度が前記第２密度より大きいことを特徴とする請求項１記載の連接棒。
8. 前記ビーム区画の前記第１焼結材料と前記第２端部の前記第２焼結材料間の物質界面が円滑であることを特徴とする請求項１記載の連接棒。
9. 前記第１引張り強度が１４００−１９００ＭＰａの範囲であり、前記第２引張り強度が７００−１１００Ｍｐａの範囲であることを特徴とする請求項１記載の連接棒。
10. 前記第１焼結材料がＨＲＣ４０−５０の範囲の硬度を有し、前記第２焼結材料がＨＲＣ２０−３０の範囲の硬度を有することを特徴とする請求項１記載の連接棒。
11. 第１化学組成を有する第１焼結材料からなる中央ビーム区画であり、前記第１焼結材料が第１引張り強度及び第１機械加工性を有する中央ビーム区画と；
    前記ビーム区画に一体的に接続された第１端部と；
    前記第１端部と反対側の前記ビーム区画に一体的に接続され、且つ前記第２端部を通して均一な第２焼結材料からなる第２端部であり、前記第２焼結材料が前記第１化学組成と異なる第２化学組成を有し、且つ前記第１引張り強度より低い第２引張り強度を有し、且つ前記第１機械加工性より高い第２機械加工性を有するところの第２端部と；
    を具備し、前記ビーム区画の前記第１焼結材料と前記第２端部の前記第２焼結材料間の物質界面が円滑であることを特徴とする連接棒。
12. 前記第１焼結材料が第１密度を有し、前記第２焼結材料が前記第１密度と異なる第２密度を有し、前記第１端部が前記第１端部を通して均一な第３焼結材料からなり、前記第３焼結材料が前記第１化学組成と異なる第３化学組成を有し、前記第３焼結材料が前記第１密度と異なる第３密度を有し、前記第３焼結材料が前記第１引張り強度より低い第３引張度強度を有し、前記第３焼結材料が前記第１機械加工性より高い第３機械加工性を有することを特徴とする請求項１１記載の連接棒。
13. 前記第２焼結材料と前記第３焼結材料が同一であることを特徴とする請求項１２記載の連接棒。
14. 前記第２焼結材料と前記第３焼結材料が異なることを特徴とする請求項１２記載の連接棒。
15. 前記第１焼結材料が前記第１化学組成からなる第１領域と、前記第１化学組成と異なる第４化学組成からなる第２領域を有することを特徴とする請求項１２記載の連接棒。
16. 前記第１焼結材料が前記第１密度からなる第１領域と、前記第１密度と異なる第４密度からなる第２領域を有することを特徴とする請求項１２記載の連接棒。
17. 前記第１密度が前記第２密度より大きいことを特徴とする請求項１２記載の連接棒。
18. 前記第１引張り強度が１４００−１９００ＭＰａの範囲であり、前記第２引張り強度が７００−１１００ＭＰａの範囲であることを特徴とする請求項１１記載の接続棒。
19. 前記第１焼結材料がＨＲＣ４０−５０の範囲の硬度を有し、前記第２焼結材料がＨＲＣ２０−３０の範囲の硬度を有することを特徴とする請求項１１記載の連接棒。
20. 前記物質界面が直線であることを特徴とする請求項１１記載の連接棒。

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