JP2699602B2 - コネクティングロツドの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はコネクティングロッドの製造方法に関する。

［従来の技術］ エンジンの主要構成部品であるコネクティングロッド
は、従来中炭素鋼（S55S₁）等を1200〜1300℃で熱間鍛
造し、その後所定の強度を得るため、焼入れ焼もどしお
よび鍛造後制御冷却等の熱処理を実施する。そして熱処
理終了後表面スケールを除去するためにショットブラス
トを行っている。

［発明が解決しようとする課題］ 近年、エンジンの低騒音化およびレスポンス向上のた
めに、コネクティングロッドの軽量化が強く望まれるよ
うになった。然るに、従来のコネクティングロッドの製
造方法においては、鍛造温度が1200〜1300℃と高いた
め、第１に脱炭量が多く、表面硬さが低下すること、第
２に熱間鍛造時のスケールが原因で、スケールきずが発
生すること、第３に熱間鍛造時に組織が粗大化し、この
組織が製品の疲労強度、衝撃強度を低下させる場合があ
ることなどの問題点が生じ、これが原因でコネクティン
グロッドを軽量化する上で必要不可欠な疲労強度の向上
を図ることができなかった。

また、従来方法では熱間鍛造後の製品の真直度が悪い
ため、冷間コイニングを必要としたが、冷間コイニング
を実施すると、加工代の近傍に引張残留応力が発生し、
これがコネクティングロッドの疲労強度を下げる一因と
なっていた。

本発明は従来のコネクティングロッドの製造方法の前
記のごとき問題点を解決するためになされたものであっ
て、脱炭を低減して表面硬度を確保すると共に、疲労強
度を向上してコネクティングロッドの軽量化を可能にす
るコネクティングロッドの製造方法を提供することを目
的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明のコネクティングロッドの製造方法は、重量比
でC;0.37〜0.43％、Si;0.15〜0.35％、Mn;1.45〜1.85
％、Cr;0.30％未満、S;0.04〜0.12％、Pb;0.05〜0.25
％、Ca;0.001〜0.006％を含有し、残部がFeおよび不純
物元素からなる鋼を、900〜1100℃で鍛造し、ショット
ピーニングを施すことを要旨とする。

本発明において、熱間鍛造時の脱炭およびスケールの
低減を行うため、鍛造温度を下げて、900〜1100℃の亜
熱間領域で鍛造し、その後必要に応じて制御冷却を実施
する。熱間鍛造温度を900〜1100℃に限定したのは、熱
間鍛造温度が900℃未満になると、変形抵抗が極端に増
加するからであり、熱間鍛造温度が1100℃を越えると、
鍛造時の脱炭量が増加し、所期の疲労強度の向上が得ら
れないからである。

第２図は熱間鍛造温度と脱炭深さの関係を示す線図、
第３図はビレット加熱温度とスケール重量の関係を示す
線図である。第２図および第３図に示すように、脱炭お
よびスケールの低減には900℃未満の温度での鍛造が最
も効果的である。

しかし、第４図の熱間鍛造温度と変形抵抗との関係を
示す線図に示したように、熱間鍛造温度の低下と共に、
変形抵抗が極端に増加してくるため、量産時の型寿命に
大きく影響し、型費が激増するので、量産には不適であ
る。

第５図および第６図は面粗さRz＝１の場合の脱炭深さ
と疲労強度の関係を示すが、900〜1100℃での熱間鍛造
時の脱炭量（深さ）においては、従来の熱間鍛造温度
（1200〜1300℃）に比べ、十分な疲労強度の向上が得ら
れることが明らかである。

しかしながら、鍛造温度を下げると、第７図の鍛造温
度と硬度の関係を示す線図から明らかなように、組織が
微細になり、フェライトの析出量が増えるため、粗形材
の硬度が熱間鍛造品に比べて低下する。また、組織の微
細化は疲労強度に対しては有利であるが、被削性に対し
ては不利で、刃具摩耗や刃具の折損が問題となる。かか
る問題点を解決するため、本発明では前記のごとく成分
組成を限定した鋼を用いる。

本発明において用いる鋼の成分組成を限定した理由は
次の通りである。

C;0.37〜0.43％ Ｃは熱間鍛造後の硬度を確保するために必要な元素で
あり、900〜1100℃鍛造の鍛造調質品にても、所望の硬
度を確保するために、少なくとも0.37％以上含有させる
必要がある。しかし、0.43％を越えて含有させると、脱
炭量（脱炭深さ）が増加するため、上限を0.43％とし
た。

Si;0.15〜0.35％ Siは脱酸剤として使用される元素であり、前記効果を
得るためには、少なくとも0.15％以上を含有させる必要
がある。しかし、Siは酸素との親和力が強いため、多量
に含有すると脱炭量を増加させるので、上限を0.35％と
した。

Mn;1.45〜1.85％ Mnは熱間鍛造後の硬度を確保するために必要な元素で
あり、900〜1100℃鍛造の鍛造調質品にても、所望の硬
度を確保するために、少なくとも1.45％以上含有させる
必要がある。しかし、1.85％を越えて含有させると、硬
度が高くなり過ぎ、被削性および靭性に悪影響を及ぼす
ため、上限を1.85％とした。

Cr;0.30％未満 Crは酸素との親和力が強く、脱炭および粒界酸化に悪
影響を及ぼすため、0.30％未満とした。

S;0.04〜0.12％ ＳはMnSとして切削性を向上させる効果がある。この
効果を得るためには0.04％以上を含有させる必要があ
る。しかし、0.12％を越えて含有させると、熱間加工性
が低下し、鍛造方向と直角方向の機械的性質が著しく悪
化するため、上限を0.12％とした。

Pb;0.05〜0.25％ Pbは300〜400℃の青熱脆性域で延性を下げるため、切
削力を低減し、切粉破砕性を向上させ、切削性を向上さ
せる効果がある。この効果を得るために、少なくとも0.
05％以上含有させる必要がある。しかし、0.30％を越え
て含有させると切削性向上効果が飽和し、かつコスト高
となるので、上限を0.30％とした。

Ca;0.001〜0.006％ Caは切削工具の表面を被覆し、工具寿命を向上させる
効果を持つ。この効果を得るためには、0.001％以上を
含有させる必要がある。しかし、0.006％を越えて含有
させても、この効果が飽和するため、上限を0.006％と
した。

なお、近年、中炭素鋼に0.05〜0.20％のＶを添加し、
炭窒化物の析出により熱間鍛造後の冷却速度の変化に対
して強度を安定化させる非調質鋼が多く使われている
が、高周波急速加熱の場合のＶの溶け込み温度は1100〜
1200℃以上であるため、本発明の熱間鍛造温度の900〜1
100℃ではＶでは溶け込まない。従って、前記組成範囲
のＶを添加する必要は無いので、Ｖを0.05％未満の範囲
で含有させても差し支えない。

本発明では、さらに疲労強度を向上させるために、90
0〜1100℃で熱間鍛造した粗形材にショットピーニング
を施す。ショットピーニングによる疲労強度に影響する
因子として、圧縮残留応力と、面粗度があり、圧縮残留
応力値は高く、かつ面粗度が良い（なめらか）ほど、疲
労強度は向上する。これら両者を満足させるためには、
ショットピーニングの処理条件は、粒径0.5〜0.8mm、粒
硬度Hv450〜600（平均硬度）のショットを投射速度50〜
75m/secにて、カバレージ100％以上確保する投射時間で
投射することが好ましい。

なお、従来法においても、最終工程にショットピーニ
ングを実施し、疲労強度を向上させることは可能である
が、本発明により製造したコネクティングロッドでは、
脱炭量が少なく、表面層の硬さの低下が殆どないため、
同一ショットピーニング処理を行っても、従来品に比べ
圧縮残留応力値が高く、また表面近傍にあるため、ショ
ットピーニングによる疲労強度向上の効果は、本発明品
の方がはるかに大きい。

［実施例］ 本発明の実施例を従来例および比較例と併せて説明
し、本発明の効果を明らかにする。

（実施例１） 第１表に示す化学成分の本発明材および従来材を用
い、第８図の工程図に示す本発明方法および従来方法に
従い、コネクティングロッドを製造した。なお、ショッ
トピーニング条件は粒径0.6mm、粒硬度Hv500、投射速度
70m/sec、投射量150kg/mm²、投射時間30secとした。

得られた本発明例および従来例のコネクティングロッ
ドについて、内部硬度、表面硬度、脱炭深さ、表面粗度
およびフェライト結晶粒度について測定し、第２表に示
した。なお、第２表の従来例のコネクティングロッド
は、ショットピーニングを施す前のものである。

第２表に示したように、内部硬度は本発明例と従来例
で全く同等であり、表面硬度は本発明例がやや優る。脱
炭深さについては、従来例の0.3〜0.4mmに対して、脱炭
深さが0.1mm以下であって、脱炭が著しく低減できるこ
とが明らかとなった。また、表面粗度は従来例よりも本
発明例の方がなめらかであり、フェライト結晶粒度は本
発明例の方が微細化されていて、本発明例の疲労強度の
向上が予測された。

次に、ショットピーニング処理前後の本発明例と従来
例のコネクティングロッドの表面近傍の残留応力分布を
Ｘ線法で測定した結果を第９図に示した。第９図は縦軸
に残留応力、横軸は表面からの距離をとって示した。第
９図に示したように、本発明方法により製造したコネク
ティングロッドは脱炭量が少ないため、表面近傍の圧縮
残留応力が従来例により製造したコネクティングロッド
より大きく、ショットピーニングを行った場合の圧縮残
留応力の向上も、本発明例の方がはるかに大きいことが
確認された。

続いてこれらのコネクティングロッドについて、疲労
試験を行った結果を第１図に示す。第１図より明らかな
ように、ショットピーニングを施した本発明品は、ショ
ットピーニングを施す前の従来品に比べ、疲れ限度が約
50％向上しており、これにより、乗用車エンジンのコネ
クティングロッドでは、15％以上の軽量化が可能とな
る。

さらに、本発明例のコネクティングロッドと従来例の
コネクティングロッドについて、衝撃値を測定したとこ
ろ、第10図に示すような結果を得た。第10図に示したよ
うに、本発明品は従来品より組織が微細化しているた
め、靭性がかなり向上していることが明らかとなった。

続いて、超硬工具を用いた本発明材と従来材につい
て、工具回転数Ｎ＝1990rpm、切削速度Ｖ＝100m/min、
送り量ｆ＝0.14mm/revで、水溶性クーラントを用い、穴
明け加工を行い、従来材の平均を1.0とした場合の摩耗
量比を測定した。また、サーメット工具を用い本発明材
と従来材について、工具回転数Ｎ＝407rpm、切削速度Ｖ
＝160m/min、送り量ｆ＝1.2mm/revで、ミーリング加工
を行い、従来材の平均を1.0とした場合の摩耗量比を測
定した。得られた結果は第11図および第12図に示した。
第11図および第12図から知られるように、本発明材は従
来材に比べて同等かそれ以上に優れた切削性を示すこと
が確認された。

（実施例２） 第３表に示す化学成分の本発明材および従来材を900
℃、1000℃、1100℃および1200℃の各温度でコネクティ
ングロッドに鍛造し、表面硬度Hvを測定し、得られた結
果を第13図に示した。

第13図より明らかなように、本発明方法による粗形材
は、従来材より硬度が高く、本発明材の900〜1100℃で
熱間鍛造したものは、従来材の1100〜1200℃で熱間鍛造
したものと、ほぼ同等の硬度が得られることが確認され
た。

（実施例３） 第４表の示す化学成分の本発明材、比較材および従来
材を第４表に示す鍛造温度で加工し、超硬工具およびサ
ーメット工具を用い、切削性の試験を行った。なお、比
較材ＡはPbおよびCaを含有せず、比較材ＢおよびＣはCa
を含有しない比較例である。

超硬工具（超硬スローアウエイドリル）を用いた穴明
け加工は、工具回転数Ｎ＝1990rpm、切削速度Ｖ＝100m/
min、送り量ｆ＝0.14mm/revで、水溶性クーラントを用
いて行い、従来材の平均摩耗量を1.0とした場合の摩耗
量比を測定した。また、サーメット工具（バイト）を用
いたボーリング加工については、工具回転数Ｎ＝2374rp
m、切削速度Ｖ＝140m/min、送り量ｆ＝0.116mm/revで行
い、従来材の摩耗量の平均を1.0とした場合の摩耗量比
を測定した。得られた結果は第14図および第15図に示し
た。第14図および第15図から知られるように、Pbおよび
Caを含有しない比較材Ａ、Caを含有しない比較材Ｂおよ
びＣは従来材に比べて２倍以上の摩耗量であった。これ
に対して本発明は従来材と同等かそれ以上に優れた切削
性を示すことが確認された。

［発明の効果］ 本発明のコネクティングロッドの製造方法は、以上説
明したように、鍛造温度を900〜1100℃としたので、脱
炭およびスケールを低減することができ、そのため疲労
強度を著しく向上することができる。また、鍛造温度の
低下による硬度の低下には対しては、素材のＣ量を規制
しMn量を増加することにより硬度の確保を図り、組織の
微細化による被削性の低減に対しては、CaおよびPbを含
有せしめることにより、被削性の向上を図ったものであ
る。さらに、本発明方法では脱炭量が少なく、表面層の
硬さの低下が殆どないため、同じショットピーニング処
理を行っても、従来方法よりも圧縮残留応力値が高く、
ショットピーニングによる疲労強度向上効果が従来方法
よりもはるかに大きく、コネクティングロッドの軽量化
を可能にするものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はショットピーニング前後の本発明例と従来例の
疲労強度試験結果を示す線図、第２図は熱間鍛造温度と
脱炭深さの関係を示す線図、第３図はビレット加熱温度
とスケール重量の関係を示す線図、第４図の熱間鍛造温
度と変形抵抗との関係を示す線図、第５図および第６図
は面粗さRz＝１の場合の脱炭深さと疲労強度の関係を示
す線図、第７図は鍛造温度と硬度の関係を示す線図、第
８図はコネクティングロッドの製造方法を示す工程図、
第９図はショットピーニング処理前後の本発明例と従来
例のコネクティングロッドの表面近傍の残留応力分布を
示す線図、第10図は本発明例と従来例のコネクティング
ロッドの衝撃強度を示す図、第11図は本発明材と従来材
の超硬工具の摩耗量を示す図、第12図は本発明材と従来
材のサーメット工具の摩耗量を示す図、第13図は本発明
材と従来材の熱間鍛造温度と表面硬度の関係を示す線
図、第14図は本発明材、比較材および従来材の超硬工具
による穴明け加工における摩耗量を示す図、第15図は本
発明材、比較材および従来材のサーメット工具によるボ
ーリング加工における摩耗量を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ２２Ｃ 38/60 Ｃ２２Ｃ 38/60 (72)発明者 前田 千芳利 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−262440（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−156717（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量比でC;0.37〜0.43％、Si;0.15〜0.35
   ％、Mn;1.45〜1.85％、Cr;0.30％未満、S;0.04〜0.12
   ％、Pb;0.05〜0.25％、Ca;0.001〜0.006％を含有し、残
   部がFeおよび不純物元素からなる鋼を、900〜1100℃で
   鍛造し、ショットピーニングを施すことを特徴とするコ
   ネクティングロッドの製造方法。