JP3713806B2

JP3713806B2 - Manufacturing method of high-strength connecting rod made of non-tempered steel and easy to break and separate

Info

Publication number: JP3713806B2
Application number: JP11405396A
Authority: JP
Inventors: 聡武本; 貞行中村
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1996-04-02
Filing date: 1996-04-02
Publication date: 2005-11-09
Anticipated expiration: 2016-04-02
Also published as: JPH09268345A

Description

【産業上の利用分野】
【０００１】
本発明は、高強度コンロッドの製造方法に関する。詳しくは、自動車エンジンのような往復動内燃機関のコネクティングロッド（この明細書では「コンロッド」と略称する）を、鍛造によって成形し、鍛造品を２個以上の部品に破断分離したのち組み合わせて使用するコンロッドの製造方法であって、切欠きを設けて衝撃荷重を加え、この切欠きを起点にして容易に破断分離をさせる手法を採用した製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、コンロッドは、最終形状に一体鍛造した成形品に、必要によっては仕上げの機械加工を施したのち、機械加工を行なって、ロッド本体とカップ部分との２個の部材に分離し、それらを再度組み合わせることにより製造していた。この方法は、切断部分に切り代として余分な材料を要するとともに、切断後、内面を切削または研磨して真円に仕上げる必要があるから、製造に多大な時間を要する上、コストも高いものになっていた。
【０００３】
こうした問題を解決する手段の一つとして、粉末焼結鍛造が提案されているが、粉末焼結鍛造自体が複雑なプロセスであり、生産性が低いから、コストの低減にはつながらない。
【０００４】
一方、破断分離には固有の問題があった。それは、一般の溶製材を熱間鍛造して得られる部品は、機械構造部品として必要とされる２５〜３５ＨＲＣの硬さ範囲では高い靭性を有しているため、破断による分離を行なうと、破断面の一部に、衝撃試験時に見られるシアーリップのような大きな塑性変形が生じ、破断分離ままでは破面を正確に密着させることが困難である、という問題である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、製造に要する時間を短縮し、材料の歩留まりを向上させることを意図して、焼入れ−焼戻しの熱処理を加える必要がない非調質鋼を使用し、溶製材を熱間鍛造により一体の部品に成形し、機械加工による切断でなく、破断による分離で前記のロッド本体とカップ部分とに分離することができるようにした、高強度のコンロッドの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の高強度コンロッドの製造方法は、質量％で、Ｃ：０．３５〜０．６０％、Ｓｉ：０．０１〜２．００％、Ｍｎ：０．１０〜０．８０％、Ｐ：０．０５〜０．２０％、Ｃｒ：０．１０〜０．５０％およびＶ：０．１０〜０．５０％を含有し、残部Ｆｅおよび不純物からなる合金組成の高強度コンロッド用非調質鋼を材料として使用し、熱間鍛造によりコンロッド素材を成形し、冷却後にこの素材に応力集中係数が２以上の切欠き溝を切削加工または塑性加工により設け、衝撃荷重を加えて切欠き溝を起点に素材を破断して２個の部品に分離させることを特徴とする。最後に破面を合わせてコンロッドを形成することは、いうまでもない。
【０００７】
本発明の高強度コンロッドの製造方法に使用する鋼は、被削性をより高くするために必要であれば、上記の合金成分に加え、重量％で、Ｐｂ：０．３０％以下、Ｓ：０．２０％以下、Ｔｅ：０．３０％以下、Ｃａ：０．０１％以下およびＢｉ：０．３０％以下の１種または２種以上を含んでいてもよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の高強度コンロッドの製造方法によるときは、衝撃荷重を加えたときに、切欠きを起点とする破断が好適に進行し、鍛造品を容易に２個の部品に分離させることができる。破断分離した破面の塑性変形量は小さく、したがって破面の密着性もよい。
【０００９】
本発明の高強度コンロッド製造の材料とする、破断分離が容易な非調質鋼における、各合金成分のはたらきと、組成範囲（重量％）の限定理由について説明する。
【００１０】
Ｃ：０．３５〜０．６０％
Ｃは鍛造品の強度を確保するのに有効な元素であり、十分な効果を得るためには０．３５％以上のCを含有させることが必要である。しかし、多すぎると硬さが高くなりすぎて被削性が低下するので、０．６０％以下にする必要がある。
【００１１】
Ｓｉ：０．０１〜２．００％
Ｓｉは鋼の溶製時に脱酸作用および脱硫作用をするとともに、フェライト中に固溶して、破断分離時に塑性変形を引き起こす主因である、軟質なフェライト相の強度を向上させることによって塑性変形量を低減させ、破断面の密着性を向上させるのに役立つ。含有量が多すぎると、熱間加工性および硬さが高くなりすぎて被削性を低くするので、２．００％以下とすることが必要である。好ましい範囲は、０．５〜１．５％である。
【００１２】
Ｍｎ：０．１０〜０．８０％、Ｃｒ：０．１０〜０．５０％
ＭｎおよびＣｒは、パーライト部分の靭性を高める働きをもつ元素である。しかし、破断分離を行なう場合には、パーライトの靭性は低いほうが破断面の塑性変形が少なく、密着性が高くて好ましいため、上限をそれぞれ０．１０〜０．８０％、０．１０〜０．５０％とした。
【００１３】
Ｐ：０．０５〜０．２０％
Ｐは粒界への偏析により靭性を低下させる元素であるとして、その含有量は低く抑えられるのが一般であるが、破断分離を行なう本発明においては、塑性変形量を抑え、破断面の密着性を向上させる元素として非常に有効に作用するため、積極的な添加を行っている。添加量があまり多くない場合は疲れ強さを向上させる作用もあるが、多量に添加すると疲れ限度を低下させる。そこで、０．０５〜０．２０％の範囲から添加量を選択する。
【００１４】
Ｖ：０．１０〜０．５０％
ＶはＳｉと同様にフェライトを強化する元素であり、破断面の密着性を向上させる。Ｖはまた、疲労強度を大きく向上させる元素でもあり、これらの効果を得るためには０．１０％以上を添加する必要がある。しかし、多量の添加は経済的に不利となるため、０．５０％を上限として設けた。
【００１５】
Ｐｂ：０．３０％以下、Ｓ：０．２０％以下、Ｔｅ：０．３０％以下、Ｃａ：０．０１％以下、Ｂｉ：０．３０％以下から選ばれる１種または２種以上
これらはいずれも被削性を向上させる元素である。鍛造品に対してさらに良好な被削性が要求される場合には、必要に応じてこれらのうちから選ばれる１種または２種以上を適量添加するとよい。しかし、これらの被削性改善元素は、添加量が多すぎると熱間加工性や疲れ限度を低下させるので、添加量は、Ｐｂは０．３０％以下、Ｓは０．２０％以下、Ｔｅは０．３０％以下、Ｃａは０．０１％以下、Ｂｉは０．３０％以下とする必要がある。
【００１６】
切欠き溝の応力集中係数２以上：
本発明の高強度コンロッドの製造方法に使用する非調質鋼は、破断分離が容易であって、従来の高強度コンロッド用の非調質鋼に比べて靭性は低下しており、塑性変形量は小さく、破断面の密着性は高い。しかし、破断分離に先だって切欠き溝を設ける必要があり、それがないと、破断分雌による塑性変形量は大きくなり、破断面の密着性はよくない。そこで、切欠き溝を施し、これを起点として、衝撃荷重による破断分離の進行をさせることが必要となる。切欠き溝は、破断を好適に進行させるために、大きな応力集中係数をもつ形状であることが必要であり、応力集中係数が小さいと、破断分離性および破断面の密着性の向上は望めない。後記する実施例のデータが示すように、適切な応力集中係数の値には臨界性があり、２以上でなければならないことがわかった。
【実施例】
【００１７】
表1に示す合金組成をもつ、本発明に従う鋼および比較のため用いた本発明の範囲外の鋼を溶製し、インゴットに鋳造したのち熱間鍛造を行なって、５０mm角の棒状の鍛造素材とした。これを１２００℃で６０分間加熱保持してから熱間鍛造し、コンロッドの素材形状にした。
【００１８】
【表１】

【００１９】
つぎの測定および試験を行なった。結果を表２に示す。
［硬さ］
コンロッド素材の中心部の硬さをロックウェル硬度計で測定した。
［破断分離性］
室温まで放冷したコンロッド素材から厚さ１５mm×幅１１０mmの板材を得、そこから、図１に示す形状・寸法の試験片を切り出した。すべての鋼について、切欠き溝の応力集中係数を３．５と一定にしたものを用意したほか、No.１，３，４の鋼については、２．２および１．８のものも用意した。図の矢印の方向に衝撃的に引っ張って切欠き溝を起点に破断分離させ、試験片の引張方向の塑性変形量を測定した。
［疲れ限度］
上記した５０mm角の鍛造素材を、１２００℃で６０分間加熱保持してから熱間鍛造し、直径２２mmの丸棒にしたものから平行部直径８mmの平滑回転曲げ疲労試験片を製作し、試験に供した。
［被削性］
下記の条件でドリル試験を行なって測定し、No.１を１００とした場合の相対的な値をドリル加工能率とした。
工具：ＳＫＨ５１送り：０．１mm/rev.
穴深さ：１０mm 工具寿命判定：切削不能
【００２０】
【表２】

【００２１】
表２の試験結果から、以下のことがわかる。まず、比較例のNo.Ａは実施例のNo.１および２に比べてＣ含有量が低いため、塑性変形量が大きく疲れ強さが低い。逆に比較例のNo.Ｂでは、Ｃ含有量が高すぎるために硬さが高く、ドリル加工能率が低い。比較例のNo.ＣはＳｉ量が高すぎるために硬さが高く、やはりドリル加工能率が低下している。
【００２２】
比較例のNo.Ｄは実施例No.１よりもＰ量が少ないため、塑性変形量が大きい。比較例のNo.ＥはＰ量が多すぎるため、疲労強度が低下している。
【００２３】
比較例No.ＦはＭｎを多量に含むため、また比較例No.ＧはＣｒを多量に含むため、どちらも硬さが高くなりすぎて、ドリル加工能率が低い。また、ＭｎおよびＣｒ、とくに後者を大量に含有していてパーライトの靭性が高いため、硬さが高いにもかかわらず、塑性変形量が大きい。比較例No.ＨはＶ含有量が少ないため、No.２と比べて塑性変形量が大きく、また疲れ限度が低下している。
【００２４】
Ｐｂを過剰に添加した比較例No.１は、他の合金元素をほぼ同一のレベルで含有する実施例No.１に比べて疲れ限度が著しく低い。このことから、Ｐｂ，Ｓ，Ｔｅ，Ｃａ，Ｂｉなどの被削性改善元素の過剰な添加は好ましくないことがわかる。
【００２５】
切欠き溝の応力集中係数を変動させた例についてみると、実施例のNo.１および３において、切欠き溝の応力集中係数を２．２および３．５とした場合の塑性変形量は小さい（０．２mm以内）が、１．８とした場合は、塑性変形量が大きくなる（５mm内外）。この傾向は、実施例のNo.１に対してCおよびPの含有量を増加させて破断分離性を向上させた実施例No.４においても同様であり、いっそう顕著であるとさえいえる。こうした事実は、切欠き溝の応力集中係数が１．８から２．２に高まる領域において、破断分離性の臨界的な変化があることを物語っており、これが、応力集中係数を２以上と定めた理由である。
【００２６】
実施例のNo.１〜No.７においては、実用的な硬さ範囲、つまり２５ＨＲＣ〜３５ＨＲＣで、疲れ限度、塑性変形量ともに、比較例のNo. Ａ〜No. Ｉよりもすぐれた結果が得られている。実施例No.５〜No.７をみれば、Ｐｂ，Ｓ，Ｃａの適度な添加が、疲れ限度を大きく低下させることなく、被削性を改善していることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図1】破断分離性を試験するための試験片の形状・寸法を示す斜視図。[Industrial application fields]
[0001]
The present invention relates to a method for manufacturing a high-strength connecting rod. Specifically, a connecting rod of a reciprocating internal combustion engine such as an automobile engine (abbreviated as “connecting rod” in this specification) is formed by forging, and the forged product is separated into two or more parts and used in combination. The present invention relates to a manufacturing method of a connecting rod that employs a technique in which a notch is provided, an impact load is applied, and a fracture separation is easily performed with the notch as a starting point.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, the connecting rod is formed by integrally forging the final shape, and if necessary, finishing machining is performed, and then machining is performed to separate the rod body and the cup portion into two members. It was manufactured by combining again. This method requires extra material as a cutting allowance for the cut portion, and after cutting, it is necessary to cut or polish the inner surface to finish it into a perfect circle. It was.
[0003]
As one of means for solving these problems, powder sintering forging has been proposed, but since powder sintering forging itself is a complicated process and productivity is low, it does not lead to cost reduction.
[0004]
On the other hand, there is a problem inherent to break separation. This is because parts obtained by hot forging a general melted material have high toughness in the hardness range of 25 to 35 HRC required as mechanical structural parts. A large plastic deformation such as a shear lip observed during an impact test occurs in a part of the cross section, and it is difficult to accurately bring the fracture surface into close contact with fracture separation.
DISCLOSURE OF THE INVENTION
[Problems to be solved by the invention]
[0005]
The object of the present invention is to use a non-heat treated steel that does not need to be subjected to a quenching-tempering heat treatment, with the aim of shortening the time required for production and improving the yield of the material. An object of the present invention is to provide a manufacturing method of a high-strength connecting rod that can be formed into an integral part and can be separated into the rod body and the cup portion by separation by breaking instead of cutting by machining. .
[Means for Solving the Problems]
[0006]
The manufacturing method of the high-strength connecting rod of the present invention is, in mass%, C: 0.35 to 0.60%, Si: 0.01 to 2.00%, Mn: 0.10 to 0.80%, P: Non-refining for high-strength connecting rods having an alloy composition containing 0.05 to 0.20%, Cr: 0.10 to 0.50% and V: 0.10 to 0.50%, the balance being Fe and impurities Using steel as a material, a connecting rod material is formed by hot forging. After cooling, this material is provided with a notch groove with a stress concentration factor of 2 or more by cutting or plastic working, and an impact load is applied to form the notch groove. It is characterized in that the material is broken at the starting point and separated into two parts. It goes without saying that the connecting rod is formed by combining the fracture surfaces.
[0007]
If necessary to increase the machinability, the steel used in the method for producing a high-strength connecting rod according to the present invention, in addition to the above alloy components, in weight percent, Pb: 0.30% or less, S: One or two or more of 0.20% or less, Te: 0.30% or less, Ca: 0.01% or less, and Bi: 0.30% or less may be included.
【The invention's effect】
[0008]
According to the manufacturing method of the high strength connecting rod of the present invention, when an impact load is applied, the fracture starting from the notch suitably proceeds and the forged product can be easily separated into two parts. The amount of plastic deformation of the fracture surface separated by fracture is small, and therefore the adhesion of the fracture surface is good.
[0009]
The function of each alloy component and the reason for the limitation of the composition range (% by weight) in the non-heat treated steel that is easily ruptured and separated as the material for producing the high-strength connecting rod of the present invention will be described.
[0010]
C: 0.35-0.60%
C is an element effective for ensuring the strength of the forged product. In order to obtain a sufficient effect, it is necessary to contain 0.35% or more of C. However, if it is too much, the hardness becomes too high and the machinability deteriorates, so it is necessary to make it 0.60% or less.
[0011]
Si: 0.01 to 2.00%
Si undergoes deoxidation and desulfurization when steel is melted, and dissolves in ferrite to increase the strength of the soft ferrite phase, which is the main cause of plastic deformation during fracture separation. It helps to improve the adhesion of the fracture surface. If the content is too large, the hot workability and hardness become too high and the machinability is lowered, so it is necessary to set the content to 2.00% or less. A preferable range is 0.5 to 1.5%.
[0012]
Mn: 0.10 to 0.80%, Cr: 0.10 to 0.50%
Mn and Cr are elements having a function of increasing the toughness of the pearlite portion. However, when fracture separation is performed, the lower the toughness of pearlite, the less the plastic deformation of the fracture surface and the higher the adhesion, which is preferable, so the upper limits are 0.10 to 0.80% and 0.10 to 0.0, respectively. 50%.
[0013]
P: 0.05-0.20%
P is an element that lowers toughness due to segregation at grain boundaries, and its content is generally kept low. However, in the present invention in which fracture separation is performed, the amount of plastic deformation is suppressed and adhesion of fractured surfaces is suppressed. Since it acts very effectively as an element for improving the properties, it is actively added. When the addition amount is not too large, there is an effect of improving fatigue strength, but when added in a large amount, the fatigue limit is lowered. Therefore, the addition amount is selected from the range of 0.05 to 0.20%.
[0014]
V: 0.10 to 0.50%
V, like Si, is an element that strengthens ferrite and improves the adhesion of the fracture surface. V is also an element that greatly improves fatigue strength, and in order to obtain these effects, it is necessary to add 0.10% or more. However, since a large amount of addition is economically disadvantageous, the upper limit is set to 0.50%.
[0015]
One or more selected from Pb: 0.30% or less, S: 0.20% or less, Te: 0.30% or less, Ca: 0.01% or less, Bi: 0.30% or less. Both are elements that improve machinability. When better machinability is required for a forged product, an appropriate amount of one or more selected from these may be added as necessary. However, since these machinability improving elements reduce the hot workability and fatigue limit when the addition amount is too large, the addition amount is 0.30% or less for Pb, 0.20% or less for S, Te Is 0.30% or less, Ca is 0.01% or less, and Bi is 0.30% or less.
[0016]
Notch groove stress concentration factor of 2 or more:
The non-heat treated steel used in the method for producing a high-strength connecting rod of the present invention is easy to break and separate, and the toughness is lower than the conventional non-heat treated steel for high-strength connecting rod, and the amount of plastic deformation Is small and the adhesion of the fracture surface is high. However, it is necessary to provide a notch groove prior to break separation, and without it, the amount of plastic deformation by the broken female increases, and the adhesion of the fracture surface is not good. Therefore, it is necessary to provide a notch groove and to start breakage separation by impact load from this point. The notch groove needs to have a shape with a large stress concentration factor in order to allow the breakage to proceed appropriately. If the stress concentration factor is small, improvement in fracture separation and fracture surface adhesion cannot be expected. . As shown in the data of Examples described later, it has been found that an appropriate stress concentration factor value is critical and must be 2 or more.
【Example】
[0017]
The steel composition according to the present invention having the alloy composition shown in Table 1 and the steel outside the scope of the present invention used for comparison were melted, cast into an ingot, and then hot forged to form a 50 mm square rod-shaped forging material. It was. This was heated and held at 1200 ° C. for 60 minutes, and then hot forged to form a connecting rod material.
[0018]
[Table 1]

[0019]
The following measurements and tests were performed. The results are shown in Table 2.
[Hardness]
The hardness of the central portion of the connecting rod material was measured with a Rockwell hardness meter.
[Separation at break]
A plate material having a thickness of 15 mm and a width of 110 mm was obtained from a connecting rod material that was allowed to cool to room temperature, and a test piece having the shape and dimensions shown in FIG. 1 was cut out therefrom. For all the steels, we prepared ones with a constant stress concentration factor of notch grooves of 3.5, and for No.1, 3, 4 steels, we prepared 2.2 and 1.8 steels. . By pulling it in the direction of the arrow in the figure, it was broken and separated from the notch groove as a starting point, and the amount of plastic deformation in the tensile direction of the test piece was measured.
[Fatigue limit]
The above 50 mm square forging material was heated and held at 1200 ° C. for 60 minutes and then hot forged to produce a smooth rotating bending fatigue test piece having a parallel part diameter of 8 mm from a round bar having a diameter of 22 mm. Provided.
[Machinability]
A drill test was conducted under the following conditions, and the drilling efficiency was defined as a relative value when No. 1 was set to 100.
Tool: SKH51 Feed: 0.1 mm / rev.
Hole depth: 10mm Tool life judgment: Inability to cut [0020]
[Table 2]

[0021]
From the test results in Table 2, the following can be understood. First, since No. A of the comparative example has a lower C content than No. 1 and No. 2 of the examples, the amount of plastic deformation is large and the fatigue strength is low. On the contrary, in No. B of the comparative example, since the C content is too high, the hardness is high and the drilling efficiency is low. No. C of the comparative example has a high hardness because the amount of Si is too high, and the drilling efficiency is also lowered.
[0022]
Since No. D of the comparative example has a smaller amount of P than Example No. 1, the amount of plastic deformation is large. Since No. E of the comparative example has too much P amount, the fatigue strength is lowered.
[0023]
Since Comparative Example No. F contains a large amount of Mn and Comparative Example No. G contains a large amount of Cr, both of them are too hard and drilling efficiency is low. In addition, since Mn and Cr, particularly the latter, are contained in large amounts and the toughness of pearlite is high, the amount of plastic deformation is large despite its high hardness. Since Comparative Example No. H has a small V content, the amount of plastic deformation is larger than that of No. 2, and the fatigue limit is lowered.
[0024]
Comparative Example No. 1 in which Pb is added excessively has a significantly lower fatigue limit than Example No. 1 containing other alloy elements at almost the same level. This shows that excessive addition of machinability improving elements such as Pb, S, Te, Ca and Bi is not preferable.
[0025]
Looking at an example in which the stress concentration coefficient of the notch groove was varied, in No. 1 and 3 of the example, the amount of plastic deformation when the stress concentration coefficient of the notch groove was 2.2 and 3.5 was small. When (1.8 mm or less) is 1.8, the amount of plastic deformation increases (5 mm inside or outside). This tendency is the same in Example No. 4 in which the content of C and P is increased with respect to No. 1 in the example to improve the break separation property, and it can be said that it is even more remarkable. These facts show that there is a critical change in fracture separability in the region where the stress concentration factor of the notch groove increases from 1.8 to 2.2, which defines the stress concentration factor as 2 or more. This is why.
[0026]
In No. 1 to No. 7 of the examples, the practical hardness range, that is, 25 HRC to 35 HRC, both the fatigue limit and the amount of plastic deformation were superior to those of Comparative Examples No. A to No. I. Has been obtained. It can be seen from Examples No. 5 to No. 7 that moderate addition of Pb, S, and Ca improves machinability without greatly reducing the fatigue limit.
[Brief description of the drawings]
[0027]
FIG. 1 is a perspective view showing the shape and dimensions of a test piece for testing fracture separability.

Claims

In mass%, C: 0.35 to 0.60%, Si: 0.01 to 2.00%, Mn: 0.10 to 0.80%, P: 0.05 to 0.20%, Cr: Non-refined steel for high-strength connecting rods with an alloy composition containing 0.10 to 0.50% and V: 0.10 to 0.50%, the balance being Fe and impurities, is used as a material, and by hot forging After forming a connecting rod material, after cooling, this material is provided with a notch groove with a stress concentration factor of 2 or more by cutting or plastic working, and impact material is applied to break the material starting from the notch groove to make two parts The manufacturing method of the high intensity | strength connecting rod characterized by making it isolate | separate.

In addition to the alloy components according to claim 1, Pb: 0.30% or less, S: 0.20% or less, Te: 0.30% or less, Ca: 0.01% or less, and Bi: 0.30 The method for producing a high-strength connecting rod according to claim 1, wherein the non-refined steel for high-strength connecting rods having an alloy composition containing one or more selected from% or less is used as a material.