JP2012512992A

JP2012512992A - コネクティングロッド、内燃機関、輸送機器およびコネクティングロッドの製造方法

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Publication number: JP2012512992A
Application number: JP2011518617A
Authority: JP
Inventors: 剛久保田; 龍彦佐藤; 洋敬栗田
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2009-11-19
Publication date: 2012-06-07
Anticipated expiration: 2029-11-19
Also published as: WO2010071014A1; JP5433692B2

Abstract

ロッド本体部の強度に優れ、軽量化に適したコネクティングロッドおよびその製造方法を提供する。
本発明によるコネクティングロッドは、ロッド本体部と、ロッド本体部の一端および他端に設けられた小端部および大端部とを備え、鋼から形成されている。ロッド本体部の表面の少なくとも一部における圧縮残留応力は、１０００ＭＰａ以上である。ロッド本体部の表面近傍に含まれる炭化物および介在物の外接円直径は、それぞれ１０μｍ以下である。

Description

本発明は、コネクティングロッドおよびその製造方法に関する。また、本発明は、コネクティングロッドを備えた内燃機関や輸送機器にも関する。

内燃機関には、ピストンとクランクシャフトとを連結するためにコネクティングロッド（あるいはコンロッド）と呼ばれる部材が用いられている。コネクティングロッドは、棒状のロッド本体部（軸部）と、ロッド本体部の一端に設けられた小端部と、ロッド本体部の他端に設けられた大端部とを備える。小端部がピストンに接続されるのに対し、大端部はクランクシャフトに接続される。

コネクティングロッドは、内燃機関の内部で往復運動する。従って、コネクティングロッドを軽量化すると、内燃機関をよりスムーズに回転させることができ、また、振動が減少する。このように、コネクティングロッドには軽量であることが求められている。

また、コネクティングロッドには、燃焼室で生じた爆発力がピストンを介して伝えられるので、十分な機械的強度が要求される。特に、高い回転数で運転される内燃機関（例えば自動二輪車用の内燃機関）では、コネクティングロッドにはいっそう高い機械的強度が求められるとともに、加速性能の向上のためのいっそうの軽量化が求められている。

鋼製コネクティングロッドの機械的強度を向上させる技術として、コネクティングロッドの表面に炭素を浸透させる浸炭処理が知られている。浸炭処理により、コネクティングロッドの表面近傍の炭素濃度が高くなるので、コネクティングロッドの焼入れ後に表面硬度が高くなる。従って、コネクティングロッドの機械的強度が向上する。また、コネクティングロッドを肉薄にしても十分な機械的強度を確保できるので、コネクティングロッドの軽量化を図ることもできる。なお、浸炭処理を行う場合でも、ロッド本体部には表面硬度が高くならないように浸炭防止処理が施されることが多い。ロッド本体部は靭性が高いことが好ましいからである。

特許文献１には、コネクティングロッドの表面硬度をさらに高くする手法として、高濃度浸炭処理が提案されている。高濃度浸炭処理では、カーボンポテンシャル（ＣＰ）が０．８％以上である雰囲気下での浸炭を複数回行う。これにより、コネクティングロッドの表面近傍に微細な粒状の炭化物が析出するとともに、表面近傍におけるマルテンサイト組織の結晶粒径が小さくなる。そのため、表面硬度が著しく高くなる。

ただし、高濃度浸炭処理においても、ロッド本体部の靭性を確保するために、ロッド本体部については他の部分よりも浸炭回数が少ないか、あるいは、全く浸炭が行われない。図８に、高濃度浸炭処理を行う場合のコネクティングロッドの製造工程の例を示す。

まず、素材である鋼を鍛造によってコネクティングロッドの形状に成形する（工程Ｓ１１）。次に、コネクティングロッドの表面に防炭剤などによりマスキングを行う（工程Ｓ１２）。その後、機械加工を行うことによって小端部のピストンピン孔や大端部のクランクピン孔などを形成する（工程Ｓ１３）。

次に、１回目の浸炭および冷却（または焼入れ）工程を行う（工程Ｓ１４）。浸炭は、カーボンポテンシャルが０．８％以上である雰囲気下で行われる。このとき、クランクピン孔の内周面などのマスキングパターンによって覆われていない部分（つまり機械加工の際の切削によりマスキングパターンが除去された部分）では、表面近傍における炭素濃度が高くなる。一方、ロッド本体部のようにマスキングパターンによって覆われている部分（つまり浸炭防止処理が施されている部分）では、炭素濃度はほとんど変化しない。続いて、コネクティングロッドの表面に残っているマスキングパターンを除去する（工程Ｓ１５）。

その後、２回目の浸炭、焼入れおよび焼戻しを順次行う（工程Ｓ１６）。２回目の浸炭もカーボンポテンシャルが０．８％以上である雰囲気下で行われる。このとき、コネクティングロッド表面のマスキングパターンは既に除去されているので、コネクティングロッド全体にわたって表面近傍における炭素濃度が高くなる。最後に、小端部の内周面や大端部の内周面の研磨工程が施される（工程Ｓ１７）。

上述した製造方法によれば、浸炭防止処理が施されていない部分には２回浸炭が施される一方で、ロッド本体部のように浸炭防止処理が施されている部分には１回だけ浸炭が施される。そのため、ロッド本体部の靭性を確保しつつ、コネクティングロッド全体の強度を大きく向上させることができる。

しかしながら、ロッド本体部をさらに細くしてコネクティングロッドのいっそうの軽量化を図るために、ロッド本体部のさらなる高機械強度化が望まれている。例えば、ロッド本体部への浸炭防止処理を施すことなく、高濃度浸炭処理を行えば、ロッド本体部の表面硬度をさらに高くすることができる。ところが、その場合には、当然ながらロッド本体部の靭性が損なわれてしまう。

そこで、本願発明者は、高濃度浸炭処理が施されたコネクティングロッドに対して、非特許文献１および２に開示されているような微粒子ショットピーニング（Fine Particle Bombarding：FPB）を行うことを検討した。微粒子ショットピーニングでは、ショット材として一般的なショットピーニングで用いられるものよりも格段に細かい微粒子（具体的には直径５００μｍ以下）が用いられる。微粒子ショットピーニングとは、このような微粒子を高速で金属部品の表面に衝突させ、これによって生じる種々の現象を利用して表面改質を行う技術である。

微粒子ショットピーニングを行うことにより、金属部品の表面に高硬度で靭性に富んだナノ結晶組織が形成される。また、金属部品の表面に一般的なショットピーニングよりも大きな圧縮残留応力を付与することができるので、疲労強度が向上する。

高濃度浸炭処理が施されたコネクティングロッドに対して、微粒子ショットピーニングを行うことにより、ロッド本体部の機械的強度および靭性をともに高くすることが可能になると考えられる。

特開２０００−３１３９４９号公報

加賀谷忠治、外一名，「微粒子の高速衝突現象を利用した表面創製の動向」，電気製鋼，２０００年１月，第７１巻，第１号，ｐ．５１−５８高木眞一、外四名，「微粒子ピーニングによるＳＣｒ４２０浸炭焼入れ鋼表面のナノ結晶化」，鉄と鋼，２００６，第９２巻，第５号

しかしながら、本願発明者が実際に試作を行ったところ、高濃度浸炭処理が施されたコネクティングロッドに対して微粒子ショットピーニングを行うと、コネクティングロッドの使用中にロッド本体部において表面を起点とする疲労亀裂による破損が発生することが判明した。この破損の原因を図９（ａ）および（ｂ）を参照しながら説明する。図９（ａ）は、微粒子ショットピーニングを行う前のコネクティングロッドの表面近傍を模式的に示す断面図であり、図９（ｂ）は、微粒子ショットピーニングを行った後のコネクティングロッドの表面近傍を模式的に示す断面図である。

図９（ａ）に示しているように、高濃度浸炭処理が施されたコネクティングロッドの表面近傍では、鋼の母相２中に炭化物３と介在物４とが含まれている。微粒子ショットピーニングを行うと、炭化物３および介在物４が硬いために、主に母相２が塑性変形を伴いながら削り取られる。従って、図９（ｂ）に示しているように、母相２の表面２ａから炭化物３および介在物４が突出する。そのため、コネクティングロッドの使用時には、炭化物３および介在物４の突出部の根元に図示しているように応力が集中し、破損の起点となる。

本発明は、本願発明者が見出した上記知見に基づいてなされたものであり、その目的は、ロッド本体部の機械的強度に優れ、軽量化に適したコネクティングロッドおよびその製造方法を提供することにある。

本発明によるコネクティングロッドは、ロッド本体部と、前記ロッド本体部の第１端に設けられた小端部と、前記ロッド本体部の第２端に設けられた大端部とを備えたコネクティングロッドであって、前記コネクティングロッドは、鋼から形成されており、前記ロッド本体部表面の少なくとも一部における圧縮残留応力は、１０００ＭＰａ以上であり、前記ロッド本体部の表面近傍に含まれる炭化物の外接円直径および介在物の外接円直径は、それぞれ１０μｍ以下である。

ある好適な実施形態において、前記鋼の酸素含有量は１０ｗｔｐｐｍ以下であり、前記鋼の硫黄含有量は０．０１ｗｔ％以下である。

ある好適な実施形態において、前記ロッド本体部の表面から０．１ｍｍの深さにおける炭素濃度は、０．９ｗｔ％以上１．２ｗｔ％以下である。

本発明による内燃機関は、上記構成を有するコネクティングロッドを備える。

本発明による輸送機器は、上記構成を有する内燃機関を備える。

本発明によるコネクティングロッドの製造方法は、ロッド本体部と、前記ロッド本体部の第１端に設けられた小端部と、前記ロッド本体部の第２端に設けられた大端部とを備えるコネクティングロッドの製造方法であって、０．１ｗｔ％以上０．４５ｗｔ％以下の炭素、１０ｗｔｐｐｍ以下の酸素および０．０１ｗｔ％以下の硫黄を含む鋼から形成されたワークピースを用意する工程と、前記ワークピースに対して、０．９％以上のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で浸炭処理を複数回行う工程であって、前記複数回行う浸炭処理のうちの最後の浸炭処理を０．９％以上１．２％以下のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で行う工程と、前記浸炭処理が施された後の前記ワークピースに対して、微粒子ショットピーニングを行う工程と、を包含する。

ある好適な実施形態において、前記微粒子ショットピーニングを行う工程は、前記ロッド本体部表面の少なくとも一部における圧縮残留応力が、１０００ＭＰａ以上となるように実行される。

本発明によるコネクティングロッドでは、ロッド本体部表面の少なくとも一部における圧縮残留応力が、１０００ＭＰａ以上である。つまり、本発明によるコネクティングロッドは、一般的なショットピーニングで付与されるのよりも大きな圧縮残留応力を付与されている。１０００ＭＰａ以上の圧縮残留応力は、具体的には、微粒子ショットピーニングにより付与することができる。従来、高濃度浸炭処理が施されたコネクティングロッドに対して微粒子ショットピーニングを行った場合、母相の表面から突出した炭化物および介在物が破損の原因となった。これに対し、本発明によるコネクティングロッドでは、ロッド本体部の表面近傍に含まれる炭化物および介在物の外接円直径がそれぞれ１０μｍ以下と小さいので、表面における応力集中が防止され、表面を起点とする破損が発生しにくい。このように、本発明によるコネクティングロッドは、表面に１０００ＭＰａ以上の大きな圧縮残留応力が付与されているとともに、表面を起点とする破損が発生しにくいので、疲労強度に優れている。また、本発明によるコネクティングロッドは、微粒子ショットピーニングを行っても表面を起点とする破損が発生しにくいので、高濃度浸炭処理と微粒子ショットピーニングとを併用することにより好適に製造され得る。そのため、本発明によるコネクティングロッドは、コンロッド本体部の機械的強度に優れ、軽量化に適している。

コネクティングロッドの材料として用いられる鋼において、外接円直径が１０μｍ以上に成長する可能性がある介在物は、酸化物および硫化物である。鋼の酸素含有量を１０ｗｔｐｐｍ以下とすることにより、酸化物の外接円直径を１０μｍ以下にすることができる。また、鋼の硫黄含有量を０．０１ｗｔ％以下とすることにより、硫化物の外接円直径を１０μｍ以下にすることができる。このように、鋼の酸素含有量が１０ｗｔｐｐｍ以下であり、且つ、鋼の硫黄含有量が０．０１ｗｔ％以下であることによって、介在物の外接円直径を１０μｍ以下にすることができる。

高濃度浸炭処理における（より具体的には最後の浸炭処理における）雰囲気のカーボンポテンシャルを１．２％以下とすることによって、炭化物の外接円直径を１０μｍ以下とすることができる。また、カーボンポテンシャルを０．９％以上とすることにより、炭化物を表面近傍により確実に析出させ、高濃度浸炭処理の効果を十分に得ることができる。最後の浸炭処理における雰囲気のカーボンポテンシャルは、完成したコネクティングロッドにおけるロッド本体部の表面から０．１ｍｍの深さにおける炭素濃度にほぼ等しい。そのため、ロッド本体部の表面から０．１ｍｍの深さにおける炭素濃度が０．９ｗｔ％以上１．２ｗｔ％以下であると、高濃度浸炭処理の効果を十分に得つつ、炭化物の外接円直径を１０μｍ以下にすることができると言える。

本発明によるコネクティングロッドは、各種の内燃機関に好適に用いられる。本発明によるコネクティングロッドは、軽量化に適しているため、本発明によるコネクティングロッドを備えた内燃機関では、応答性が向上する。また、コネクティングロッドが軽量化されることにより、内燃機関における往復部の重量が減少するので、一次振動（ピストンやコネクティングロッドを含む往復部の往復運動によってクランクシャフト一回転につき一回の周期で発生する振動）を低減できる。さらに、本発明によるコネクティングロッドは、疲労強度に優れているので、内燃機関の信頼性も向上する。

本発明によるコネクティングロッドを備えた内燃機関を輸送機器に用いると、一次振動が少ないので、乗員が感じる不快な振動が低減される。また、車体に対して振動対策を施さなくてもよいので、大幅な軽量化を実現できる。

本発明によるコネクティングロッドの製造方法では、０．１ｗｔ％以上０．４５ｗｔ％以下の炭素を含む鋼から形成されたワークピースに対して、０．９％以上のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で浸炭処理が複数回行われる。つまり、高濃度浸炭処理が行われる。さらに、高濃度浸炭処理が施されたワークピースに対して、微粒子ショットピーニングが行われる。この微粒子ショットピーニングにより、ワークピースの表面に、大きな圧縮残留応力を付与することができる。本発明によるコネクティングロッドの製造方法では、ワークピースを用意する工程において、１０ｗｔｐｐｍ以下の酸素および０．０１ｗｔ％以下の硫黄を含む鋼から形成されたワークピースが用意される。そのため、完成したコネクティングロッドの表面近傍における酸化物および硫化物の外接円直径を１０μｍ以下にすることができる。また、複数回行われる浸炭処理のうちの最後の浸炭処理における雰囲気のカーボンポテンシャルが１．２％以下であるので、完成したコネクティングロッドの表面近傍における炭化物の外接円直径を１０μｍ以下とすることができる。このように、炭化物および介在物（酸化物および硫化物）の外接円直径が１０μｍ以下と小さいので、高濃度浸炭処理の後に微粒子ショットピーニングを行っても、表面を起点とする破損が発生しにくい。そのため、本発明によるコネクティングロッドの製造方法によれば、疲労強度に優れたコネクティングロッドが製造される。また、本発明によるコネクティングロッドの製造方法では、高濃度浸炭処理に加えて微粒子ショットピーニングが行われるので、コンロッド本体部の機械的強度に優れ、軽量化に適したコンロッドが製造される。

コネクティングロッドの疲労強度を高くする観点からは、微粒子ショットピーニングを行う工程は、ワークピースのロッド本体部に対応する部分の表面における圧縮残留応力が、なるべく大きくなるように実行されることが好ましく、具体的には、ロッド本体部表面の少なくとも一部における圧縮残留応力が１０００ＭＰａ以上となるように実行されることが好ましい。

本発明によると、ロッド本体部の機械的強度に優れ、軽量化に適したコネクティングロッドおよびその製造方法が提供される。

本発明の好適な実施形態におけるコネクティングロッド１を模式的に示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中の１Ｂ−１Ｂ’線に沿った断面図、（ｃ）は（ａ）中の１Ｃ−１Ｃ’線に沿った断面図である。本発明の好適な実施形態におけるコネクティングロッド１の表面近傍を模式的に示す断面図である。本発明の好適な実施形態におけるコネクティングロッド１の製造方法を示すフローチャートである。（ａ）は、１回目の浸炭処理によりコネクティングロッド１の表面近傍に形成される金属組織を模式的に示す図であり、（ｂ）は、２回目の浸炭処理によりコネクティングロッド１の表面近傍に形成される金属組織を模式的に示す図である。実施例１〜４、比較例１〜５および従来のコネクティングロッドについて、実体曲げ疲労試験を行った結果を示すグラフである。本発明の好適な実施形態におけるコネクティングロッド１を備えた内燃機関１００を模式的に示す断面図である。図６に示す内燃機関１００を備えた自動二輪車を模式的に示す側面図である。従来のコネクティングロッドの製造方法を示すフローチャートである。（ａ）は、微粒子ショットピーニングを行う前のコネクティングロッドの表面近傍を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、微粒子ショットピーニングを行った後のコネクティングロッドの表面近傍を模式的に示す断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１（ａ）〜（ｃ）に、本実施形態におけるコネクティングロッド１を示す。図１（ａ）は、コネクティングロッド１を模式的に示す平面図である。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）中の１Ｂ−１Ｂ’線に沿った断面図である。図１（ｃ）は、図１（ａ）中の１Ｃ−１Ｃ’線に沿った断面図である。

コネクティングロッド１は、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、ロッド本体部１０と、ロッド本体部１０の一端（第１端）に設けられた小端部２０と、ロッド本体部１０の他端（第２端）に設けられた大端部３０とを備える。コネクティングロッド１は、鋼から形成されている。

ロッド本体部（軸部）１０は、棒状である。ロッド本体部１０の断面形状は、典型的には、図１（ｃ）に示すように、Ｈ字状である。

小端部２０は、ピストンピンを通すための貫通孔（ピストンピン孔）２２を有する。小端部２０は、ピストンピンを介してピストンに接続される。ピストンピン孔２２の内周面２２ａは、典型的には、ベアリングを介さずにピストンピンと接触する。

大端部３０は、クランクピンを通すための貫通孔（クランクピン孔）３２を有している。大端部３０は、クランクピンを介してクランクシャフトに接続される。クランクピン孔３２内には、典型的には、ローラベアリングなどの転がり軸受けが配置されるため、クランクピン孔３２の内周面３２ａは、転がり軸受けと接触する。

コネクティングロッド１は、その製造工程において、高濃度浸炭処理を施されている。そのため、コネクティングロッド１の表面近傍には、図２に示すように、炭化物３が析出している。炭化物３は、具体的には、例えばＦｅ₃ＣやＣｒ₃Ｃである。また、コネクティングロッド１の表面近傍には、酸化物および／または硫化物などの介在物４も存在している。具体的には、酸化物は、例えばＡｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂であり、硫化物は、例えばＦｅＳやＭｎＳである。

さらに、コネクティングロッド１には、その製造工程において、微粒子ショットピーニングが行われており、それにより圧縮残留応力が付与されている。また、図２に示しているように、微粒子ショットピーニングによって母相２が削り取られた結果、コネクティングロッド１の表面では炭化物３や介在物４が母相２の表面２ａから突出している。

本実施形態では、ロッド本体部１０の表面の少なくとも一部に、１０００ＭＰａ以上の圧縮残留応力が付与されている。一般的なショットピーニングでは、せいぜい７００ＭＰａ〜８００ＭＰａ程度の圧縮残留応力しか付与できない。つまり、本実施形態におけるコネクティングロッド１には、一般的なショットピーニングで付与されるのよりも大きな圧縮残留応力が付与されている。なお、圧縮残留応力は、例えばＸ線残留応力測定器により測定することができる。

従来、高濃度浸炭処理が施されたコネクティングロッドに対して微粒子ショットピーニングを行った場合、母相の表面から突出した炭化物および介在物が破損の原因となった。本願発明者は、ロッド本体部の表面を起点とする破損の発生と、ロッド本体部の表面近傍のミクロ構造との関係を詳細に検討した結果、破損の発生のし易さと、炭化物および介在物のサイズとに相関関係があることを見出した。

本実施形態におけるコネクティングロッド１では、ロッド本体部１０の表面近傍（具体的には表面から深さ０．０５ｍｍまでの領域）に含まれる炭化物３および介在物４の外接円直径Ｄ１およびＤ２（図２参照）がそれぞれ１０μｍ以下と小さく、このことにより、ロッド本体部１０の表面における応力集中が防止され、表面を起点とする破損の発生が抑制される。なお、炭化物３の外接円直径Ｄ１および介在物４の外接円直径Ｄ２とは、図２からもわかるように、文字通り、炭化物３および介在物４に外接する仮想的な円の直径である。炭化物３および介在物４のサイズ（例えば上述した外接円直径）は、金属顕微鏡（光学顕微鏡）または走査電子顕微鏡により測定することができる。

このように、本実施形態におけるコネクティングロッド１は、表面に１０００ＭＰａ以上の大きな圧縮残留応力が付与されているとともに、表面を起点とする破損が発生しにくいので、疲労強度に優れている。また、本実施形態におけるコネクティングロッドは、その製造工程において高濃度浸炭処理と微粒子ショットピーニングとを施されているので、コンロッド本体部１０の機械的強度に優れ、軽量化に適している。従来のコネクティングロッドでは、高濃度浸炭処理に加えて微粒子ショットピーニングを施されると、表面を起点とする破損が発生する。これに対し、本実施形態におけるコネクティングロッド１は、既に述べたように表面を起点する破損が発生しにくいので、高濃度浸炭処理および微粒子ショットピーニングの両方を含む製造方法により好適に製造され得る。

続いて、図３を参照しながら、本実施形態におけるコネクティングロッド１の製造方法を説明する。図３は、コネクティングロッド１の製造工程を示すフローチャートである。

まず、０．１ｗｔ％以上０．４５ｗｔ％以下の炭素を含む鋼から鍛造により成形されたワークピースを用意する（工程Ｓ１）。０．１ｗｔ％以上０．４５ｗｔ％以下の炭素を含む鋼としては、例えば、クロムモリブデン鋼であるＳＣＭ４２０を用いることができる。ＳＣＭ４２０は、０．１８ｗｔ％〜０．２３ｗｔ％の炭素、０．９０ｗｔ％〜１．２０ｗｔ％以下のクロムおよび０．１５ｗｔ％〜０．３０ｗｔ％のモリブデンを含む。ワークピースの材料である鋼としては、上述したＳＣＭ４２０の他に、ＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４３５、ＳＣＭ４４０なども用いることができる。

また、本実施形態で用いられる鋼の酸素含有量は１０ｗｔｐｐｍ以下であり、硫黄含有量は０．０１ｗｔ％以下である。コンロッドの材料として一般的な鋼の酸素含有量は、１５ｗｔｐｐｍ以上であり、硫黄含有量は０．０２０ｗｔ％前後である。つまり、本実施形態では、一般的な鋼よりも酸素含有量および硫黄含有量の少ない鋼（つまり清浄度の高い鋼）を用いる。なお、ここでは鍛造を例示したが、ワークピースを用意する工程における成形手法はこれに限定されるものではない。ワークピースは、例えば、焼結や鋳造、焼結鍛造などによって成形されてもよい。

次に、ワークピースに対して機械加工を行う（工程Ｓ２）。この機械加工により、鍛造後のワークピースの外径寸法が整えられる。例えば、バリ取り、ピストンピン孔２２およびクランクピン孔３２の形成、小端部２０および大端部３０の端面加工などが行われる。

続いて、ワークピースに対して１回目の浸炭および焼入れ（あるいは炉冷）を行う（工程Ｓ３）。この浸炭処理は、０．９％以上のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で行われる。なお、浸炭処理を行うに先立ってワークピースに対してマスキングは行わない。１回目の浸炭処理の温度は、Ａ１変態点（鋼の共析変態温度）以上に設定される。１回目の浸炭処理により、鋼の表面は過剰浸炭される。図４（ａ）に、１回目の浸炭処理によりコネクティングロッド１の表面近傍に形成される金属組織を模式的に示す。図４（ａ）に示しているように、比較的大きなマルテンサイトの結晶粒２’の間に、網目状の炭化物３が析出している。

次に、ワークピースに対して２回目の浸炭、焼入れおよび焼戻しを行う（工程Ｓ４）。この浸炭処理は、０．９％以上１．２％以下のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で行われる。２回目の浸炭処理の温度は、Ａ１変態点以上で、Ａｃｍ変態点（鋼のオーステナイトからセメンタイトが析出する変態温度）以下に設定される。２回目の浸炭処理により、過剰浸炭された表面層の炭素が内部に拡散する。図４（ｂ）に、２回目の浸炭処理によりコネクティングロッド１の表面近傍に形成される金属組織を模式的に示す。図４（ｂ）に示しているように、比較的小さなマルテンサイトの結晶粒２’の間に、微細な粒状の炭化物３が析出している。

続いて、複数回浸炭処理が施されたワークピースに対して、微粒子ショットピーニングを行う（工程Ｓ５）。この工程は、ロッド本体部１０の表面の少なくとも一部における圧縮残留応力が、１０００ＭＰａ以上（より好ましくは１２００ＭＰａ以上）となるように実行される。なお、ロッド本体部１０は、図１からもわかるように、大端部３０側から小端部２０側に向かうにつれて細くなる。そのため、圧縮残留応力は、ロッド本体部１０の表面のうち、少なくとも小端部２０近傍において１０００ＭＰａ以上であることが好ましい。勿論、ロッド本体部１０の表面全体にわたって圧縮残留応力が１０００ＭＰａ以上であることがより好ましい。ショット材としては、５００μｍ以下（典型的には２０μｍ〜２００μｍ程度）の直径を有する金属微粒子または非金属微粒子が用いられる。ショット材は、約２００ｍ／ｓに加速されてワークピースの表面に衝突する。ショット材の速度は、噴射圧力の調整により適宜制御される。

その後、ワークピースに対して研磨を行う（工程Ｓ６）。例えば、ピストンピン孔２２の内周面２２ａやクランクピン孔３２の内周面３２ａの研磨が行われる。このようにして、コネクティングロッド１が完成する。

本実施形態における製造方法では、０．１ｗｔ％以上０．４５ｗｔ％以下の炭素を含む鋼から形成されたワークピースに対して、０．９％以上のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で浸炭処理が複数回行われる（工程Ｓ３およびＳ４）。つまり、高濃度浸炭処理が行われる。さらに、高濃度浸炭処理が施されたワークピースに対して、微粒子ショットピーニングが行われる（工程Ｓ５）。この微粒子ショットピーニングにより、ワークピースの表面に、１０００ＭＰａ以上の大きな圧縮残留応力を付与することができる。

また、本実施形態における製造方法では、ワークピースを用意する工程において、１０ｗｔｐｐｍ以下の酸素および０．０１ｗｔ％以下の硫黄を含む鋼から形成されたワークピースが用意される。コネクティングロッド１の材料として用いられる鋼において、外接円直径が１０μｍ以上に成長する可能性がある介在物４は、酸化物および硫化物である。本実施形態のように、鋼の酸素含有量および硫黄含有量を一般的な数値よりも少なく（それぞれ１０ｗｔｐｐｍ以下、０．０１ｗｔ％以下）に設定することにより、完成したコネクティングロッド１の表面近傍における酸化物および硫化物の外接円直径を１０μｍ以下にすることができる。つまり、ロッド本体部１０の表面近傍に外接円直径が１０μｍを超える介在物４が存在しないようにすることができる。

さらに、本実施形態における製造方法では、２回目の浸炭処理（つまり複数回行われる浸炭処理のうちの最後の浸炭処理）における雰囲気のカーボンポテンシャルが１．２％以下であるので、完成したコネクティングロッド１の表面近傍における炭化物３の外接円直径を１０μｍ以下とすることができる。なお、カーボンポテンシャルを０．９％以上とすることにより、炭化物３を表面近傍により確実に析出させ、高濃度浸炭処理の効果を十分に得ることができる。２回目の浸炭処理（最後の浸炭処理）における雰囲気のカーボンポテンシャルは、完成したコネクティングロッド１における表面から０．１ｍｍの深さにおける炭素濃度にほぼ等しいと言える。そのため、ロッド本体部１０の表面から０．１ｍｍの深さにおける炭素濃度が０．９ｗｔ％以上１．２ｗｔ％以下であることにより、高濃度浸炭処理の効果を十分に得つつ、炭化物３の外接円直径を１０μｍ以下にすることができるとも言える。

上述したように、本実施形態の製造方法によれば、表面近傍に含まれる炭化物３および介在物４の外接円直径が１０μｍ以下であるコネクティングロッド１を製造することができる。既に述べたように、ロッド本体部１０の表面近傍に含まれる炭化物３および介在物４の外接円直径が１０μｍ以下であることにより、表面を起点とする破損の発生が抑制される。そのため、本実施形態の製造方法によれば、疲労強度に優れたコネクティングロッドが製造される。また、本実施形態の製造方法によれば、高濃度浸炭処理に加えて微粒子ショットピーニングが行われるので、コンロッド本体部１０の機械的強度に優れ、軽量化に適したコネクティングロッド１が製造される。

表１に、本実施形態の製造方法により実際に製造したコネクティングロッド１（実施例１〜４）について、２回目の浸炭処理における雰囲気のカーボンポテンシャル（ＣＰ）、鋼の酸素含有量および硫黄含有量と、炭化物３の外接円直径Ｄ１および介在物４（酸化物および硫化物）の外接円直径Ｄ２との関係を示す。なお、実施例１〜４の製造に際し、鍛造工程（工程Ｓ１）では、０．２５ｗｔ％以下の炭素を含む鋼を用いて１２００℃での熱間鍛造により成形を行った。また、１回目の浸炭処理は９１０℃〜９３０℃で３００分間行い、２回目の浸炭処理は８５０℃〜９２０℃で１５０分間行った。微粒子ショットピーニングは、ショット材として４５μｍの平均直径を有する高速度鋼ＳＫＨ５９製微粒子を用いて、０．５ＭＰａの噴射圧力で３０秒間行った。

また、表１には、カーボンポテンシャル、酸素含有量および硫黄含有量の少なくとも１つが本実施形態とは異なる製造方法により製造したコネクティングロッド（比較例１〜５）についても、同様のデータを示している。

表１からわかるように、実施例１〜４では、浸炭雰囲気のカーボンポテンシャルが１．２％以下であるので、炭化物３の外接円直径Ｄ１が１０μｍ以下である。これに対し、比較例１および５では、浸炭雰囲気のカーボンポテンシャルが１．２％を超えているので、炭化物３の外接円直径Ｄ１が１０μｍを超えている。

また、表１からわかるように、実施例１〜４では、鋼の酸素含有量が１０ｗｔｐｐｍ以下であり、鋼の硫黄含有量が０．０１ｗｔ％以下であるので、酸化物および硫化物（介在物４）の外接円直径Ｄ２が１０μｍ以下である。これに対し、比較例１〜４では、鋼の酸素含有量が１０ｗｔｐｐｍを超えており、鋼の硫黄含有量が０．０１ｗｔ％を超えているので、酸化物および硫化物（介在物４）の外接円直径Ｄ２が１０μｍを超えている。

図５に、実施例１〜４および比較例１〜５について、疲労強度を測定した結果を示す。図５は、実施例１〜４および比較例１〜５に対して実体曲げ疲労試験を行ったときの、破損までの曲げ繰り返し数Ｎと、応力振幅σａとの関係を示すグラフである。また、図５には、図８を参照しながら説明した従来の製造方法により製造されたコンロッドについて疲労強度を測定した結果も併せて示している。

図５に示されているように、比較例１〜５では、実施例１〜４に比べて少ない繰り返し数Ｎで破損が発生している。つまり、炭化物３および介在物４の外接円直径Ｄ１およびＤ２が１０μｍ以下である実施例１〜４は、炭化物３および介在物４の外接円直径Ｄ１およびＤ２が１０μｍを超えている比較例１〜５に比べて疲労強度が向上している。また、図５に示されているように、微粒子ショットピーニングが施されない従来のコネクティングロッドは、比較例１〜５よりもさらに少ない繰り返し数Ｎで破損が発生している。図５に示す例では、実施例１〜４の疲労強度は、従来のコネクティングロッドの疲労強度よりも４０％程度向上している。

上述したように、本発明によれば、ロッド本体部１０の機械的強度に優れ、軽量化に適したコネクティングロッド１が得られる。本発明によれば、具体的にはコネクティングロッド１を２０％程度軽量化することが可能になる。なお、図１には、一体型と呼ばれるタイプのコネクティングロッド１を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は、大端部が２つに分割された分割型と呼ばれるタイプのコネクティングロッドにも好適に用いられる。また、本実施形態では、浸炭処理を２回行う場合を例示したが、浸炭処理は複数回実行すればよく、特許文献１に記載されているように浸炭処理を３回以上行ってもよい。例えば、真空浸炭の場合、浸炭処理を３回以上行うことが好ましく、その場合には、最後の浸炭処理におけるカーボンポテンシャルを０．９％以上１．２％以下にすればよい。

本実施形態におけるコネクティングロッド１は、乗用車、オートバイ、バス、トラック、トラクター、飛行機、モーターボート、土木車両などの各種輸送機器用の内燃機関に好適に用いられる。図６に、本実施形態におけるコネクティングロッド１を備えた内燃機関１００の一例を示す。内燃機関１００は、クランクケース１１０、シリンダブロック１２０およびシリンダヘッド１３０を有している。

クランクケース１１０内にはクランクシャフト１１１が収容されている。クランクシャフト１１１は、クランクピン１１２およびクランクウェブ１１３を有している。

クランクケース１１０の上に、シリンダブロック１２０が設けられている。シリンダブロック１２０には、円筒状のシリンダスリーブ１２１がはめ込まれており、ピストン１２２は、シリンダスリーブ１２１内を往復し得るように設けられている。

シリンダブロック１２０の上に、シリンダヘッド１３０が設けられている。シリンダヘッド１３０は、シリンダブロック１２０のピストン１２２やシリンダスリーブ１２１とともに燃焼室１３１を形成する。シリンダヘッド１３０は、吸気ポート１３２および排気ポート１３３を有している。吸気ポート１３２内には燃焼室１３１内に混合気を供給するための吸気弁１３４が設けられており、排気ポート１３３内には燃焼室１３１内の排気を行うための排気弁１３５が設けられている。

ピストン１２２とクランクシャフト１１１とは、コネクティングロッド１によって連結されている。具体的には、コネクティングロッド１の小端部２０に形成されたピストンピン孔にピストン１２２のピストンピン１２３が挿入されているとともに、大端部３０に形成されたクランクピン孔にクランクシャフト１１１のクランクピン１１２が挿入されており、そのことによってピストン１２２とクランクシャフト１１１とが連結されている。クランクピン孔の内周面とクランクピン１１２との間には、ローラベアリング（転がり軸受け）１１４が設けられている。

本実施形態におけるコネクティングロッド１は、軽量化に適しているため、本実施形態におけるコネクティングロッド１を備えた内燃機関１００では、応答性が向上する。また、コネクティングロッド１が軽量化されることにより、内燃機関１００における往復部の重量が減少するので、一次振動（ピストン１２０やコネクティングロッド１を含む往復部の往復運動によってクランクシャフト１１１一回転につき一回の周期で発生する振動）を低減できる。さらに、本実施形態におけるコネクティングロッド１は、疲労強度に優れているので、内燃機関１００の信頼性も向上する。

図７に、図６に示した内燃機関１００を備えた自動二輪車を示す。図７に示す自動二輪車では、本体フレーム３０１の前端にヘッドパイプ３０２が設けられている。ヘッドパイプ３０２には、フロントフォーク３０３が車両の左右方向に揺動し得るように取り付けられている。フロントフォーク３０３の下端には、前輪３０４が回転可能なように支持されている。

本体フレーム３０１の後端上部から後方に延びるようにシートレール３０６が取り付けられている。本体フレーム３０１上に燃料タンク３０７が設けられており、シートレール３０６上にメインシート３０８ａおよびタンデムシート３０８ｂが設けられている。

また、本体フレーム３０１の後端に、後方へ延びるリアアーム３０９が取り付けられている。リアアーム３０９の後端に後輪３１０が回転可能なように支持されている。

本体フレーム３０１の中央部には、図６に示した内燃機関１００が保持されている。内燃機関１００は、本実施形態におけるコネクティングロッド１を備えている。内燃機関１００の前方には、ラジエータ３１１が設けられている。エンジン１００の排気ポートには排気管３１２が接続されており、排気管３１２の後端にマフラー３１３が取り付けられている。

内燃機関１００には変速機３１５が連結されている。変速機３１５の出力軸３１６に駆動スプロケット３１７が取り付けられている。駆動スプロケット３１７は、チェーン３１８を介して後輪３１０の後輪スプロケット３１９に連結されている。変速機３１５およびチェーン３１８は、内燃機関１００により発生した動力を駆動輪に伝える伝達機構として機能する。

図７に示した自動二輪車には、本実施形態におけるコネクティングロッド１を備えた内燃機関１００が用いられているので、一次振動が少なく、乗員が感じる不快な振動が低減される。また、車体に対して振動対策を施さなくてもよいので、大幅な軽量化を実現できる。

本発明によると、ロッド本体部の機械的強度に優れ、軽量化に適したコネクティングロッドおよびその製造方法が提供される。本発明によるコネクティングロッドは、各種の内燃機関（例えば輸送機器用のエンジン）に好適に用いられる。

１コネクティングロッド
２母相
２ａ母相の表面
３炭化物
４介在物
１０ロッド本体部（軸部）
２０小端部
２２ピストンピン孔
３０大端部
３２クランクピン孔

Claims

ロッド本体部と、前記ロッド本体部の第１端に設けられた小端部と、前記ロッド本体部の第２端に設けられた大端部とを備えたコネクティングロッドであって、
前記コネクティングロッドは、鋼から形成されており、
前記ロッド本体部表面の少なくとも一部における圧縮残留応力は、１０００ＭＰａ以上であり、
前記ロッド本体部の表面近傍に含まれる炭化物の外接円直径および介在物の外接円直径は、それぞれ１０μｍ以下であるコネクティングロッド。
前記鋼の酸素含有量は１０ｗｔｐｐｍ以下であり、前記鋼の硫黄含有量は０．０１ｗｔ％以下である請求項１に記載のコネクティングロッド。
前記ロッド本体部の表面から０．１ｍｍの深さにおける炭素濃度は、０．９ｗｔ％以上１．２ｗｔ％以下である請求項１または２に記載のコネクティングロッド。
請求項１から３のいずれかに記載のコネクティングロッドを備える内燃機関。
請求項４に記載の内燃機関を備える輸送機器。
ロッド本体部と、前記ロッド本体部の第１端に設けられた小端部と、前記ロッド本体部の第２端に設けられた大端部とを備えるコネクティングロッドの製造方法であって、
０．１ｗｔ％以上０．４５ｗｔ％以下の炭素、１０ｗｔｐｐｍ以下の酸素および０．０１ｗｔ％以下の硫黄を含む鋼から形成されたワークピースを用意する工程と、
前記ワークピースに対して、０．９％以上のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で浸炭処理を複数回行う工程であって、前記複数回行う浸炭処理のうちの最後の浸炭処理を０．９％以上１．２％以下のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で行う工程と、
前記浸炭処理が施された後の前記ワークピースに対して、微粒子ショットピーニングを行う工程と、を包含するコネクティングロッドの製造方法。
前記微粒子ショットピーニングを行う工程は、前記ロッド本体部表面の少なくとも一部における圧縮残留応力が、１０００ＭＰａ以上となるように実行される請求項６に記載のコネクティングロッドの製造方法。