JP3748696B2

JP3748696B2 - 自動車用コネクティングロッドの製造方法

Info

Publication number: JP3748696B2
Application number: JP01083398A
Authority: JP
Inventors: 隆岩本; 俊幸星野; 虔一天野; 孝樹水野; 大樹小長谷; 敏彦松原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; JFE Steel Corp
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; JFE Steel Corp
Priority date: 1998-01-22
Filing date: 1998-01-22
Publication date: 2006-02-22
Anticipated expiration: 2018-01-22
Also published as: JPH11209822A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用の構造部材として有用なコネクティングロッドの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車用の構造部材、特にコネクティングロッドを熱間鍛造非調質のプロセスで製造する方法が広く適用されている。この製造方法は、熱間鍛造にて部品としての大まかな形状を得た後に、切削加工にて最終形状を得るといったプロセスによるのが一般的であり、その後の熱処理なしに高い疲労強度を得ることを特徴としている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来方法では、熱間鍛造後の切削加工性確保の観点から、Pb，Ｓ，およびＰ等の快削性元素の添加が必須となる。しかし、Ｐ，Ｓ等の元素は疲労強度向上の観点からはむしろ低減するのが好ましい元素である。また、Pbは人体に極めて有害であるため、環境汚染源の一つとして近年その使用が問題視されている。すなわち、従来方法によるのでは、疲労強度と切削加工性の両立は困難である。しかも、近年の車体軽量化要求の高まりに応じて、構造部材高強度化の必要性がますます高くなっているのであるが、十分な切削加工性を確保した上での疲労強度の向上は、ほぼ限界に達しており、さらなる向上が見込めない状態にある。また、熱間鍛造による成形では部品個々の重量精度が悪いという問題もある。
【０００４】
こうした問題を解決するには、冷間鍛造−切削により部品を成形した後に焼入れ焼戻しを行うプロセスが推奨される。熱間鍛造に代えて冷間鍛造とすることで重量精度が改善され、２次加工後の焼入れ焼戻しを前提とすることで、２次加工時には比較的低強度にして加工しやすくし、機械部品としての最終状態では必要な疲労強度を確保することが可能となる。
【０００５】
しかし、このような高疲労強度を得るためには0.3 〜0.6 ％（質量％、成分組成に関し以下同じ）のＣの添加が必須であり、冷間鍛造性および被削性に問題を生ずる。このため、十分な被削性を得るには、Pb，Ｐ，Ｓ等の添加が依然として必要であり、前述したような問題を生じる。冷間鍛造性を向上させるには、球状化焼なましによりセメンタイトを球状化する方法が一般に用いられているが、この方法では、焼なまし後のミクロ組織がフェライト母地に硬質のセメンタイトが分散したものとなるため、変形抵抗の低減および変形能の向上に限界があり、低炭素鋼と同等の冷間鍛造性を得ることは困難である。また、冷間鍛造性はＰ，Ｓ等の元素の添加によりさらに低下するため、被削性との両立も困難である。
【０００６】
上記した従来技術の問題点に鑑み、本発明は、Ｐ，ＳおよびPb等の元素の添加なしで被削性および冷間鍛造性に優れ、冷間鍛造−切削加工による最終形状での重量精度に優れ、かつ、その後の熱処理によって高疲労強度を付与することが可能な自動車用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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋭意検討の結果、金属組織がフェライトと黒鉛（グラファイト）とからなる鋼材（以下、黒鉛鋼と称する）に適切な条件で加工および熱処理を施すことにより、Ｐ，ＳおよびPbの添加なしで、これら元素が必須に添加された従来のPb複合快削鋼と同等の被削性が得られ、同時に、冷間鍛造時の変形抵抗と変形能を低くでき、しかも高い疲労強度が得られるという重要な知見を得るに至った。
【０００８】
かかる知見に基づいてなされた本発明は、
質量％で、
Ｃ： 0.3〜 0.6％， Si： 1.0〜 1.8％，
Mn： 0.2〜 0.4％，Ｐ：≦ 0.010％，
Ｓ：≦ 0.010％， Al： 0.030〜 0.050％，
Mo： 0.05 〜0.30％，Ｂ： 0.0010 〜0.0030％，
Ｎ： 0.0030 〜0.0060％，Ｏ：≦ 0.0020 ％
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼を、熱間圧延の後、 650℃〜Ac₁の温度域で５ｈ以上保持する再加熱処理を行った後、冷間鍛造および切削加工にて所定の形状とし、その後Ac₃以上に保持し、焼入れ途中 200〜400 ℃の温度域にて１min 以上保持する熱処理を行うことを特徴とする自動車用コネクティングロッドの製造方法である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る限定理由を詳細に説明する。
まず、鋼成分組成について述べる。
Ｃ： 0.3〜 0.6％
Ｃは黒鉛相を形成するために必須の成分元素である。0.3 ％未満ではコネクティングロッドとして必要な疲労強度を確保することが困難であるため、0.3 ％以上の添加を必要とするが、0.6 ％を超えて添加しても、焼入れ焼戻し後の強度上昇が飽和するとともに、必要以上の添加は鋼の衝撃特性を低下させるので0.6 ％までの添加とする。
【００１０】
Si： 1.0〜 1.8％
Siは、鋼の溶製時に脱酸剤として作用し、また鋼中のセメンタイトを不安定にする黒鉛化促進元素としても有用であるので積極的に添加する。1.0 ％未満ではその効果に乏しい。また、1.8 ％を超えて添加しても、黒鉛化促進効果が飽和するばかりかフェライト相を硬化させ、冷間鍛造時の変形抵抗上昇および変形能低下をもたらすため、1.8 ％以下の添加とする。
【００１１】
Mn： 0.2〜 0.4％
Mnは、鋼の脱酸に有効であるばかりでなく、焼入性にも有効な元素であるので積極的に添加するが、一方で、セメンタイト中に固溶し黒鉛化を阻害する。0.2 ％未満の添加では脱酸に効果がなく、少なくとも0.2 ％以上の添加が必要であるが、0.4 ％を超えて添加すると黒鉛化を阻害するので0.4 ％以下の添加とする。
【００１２】
Ｐ：≦ 0.010％
Ｐは、被削性の向上に対しては有用な元素であるが、一方で黒鉛化を阻害するとともにフェライト相を脆化させることにより冷間鍛造性を劣化させる元素である。また、焼入れ焼戻し時に粒界に偏析し粒界強度を低下させることにより、疲労亀裂の伝播に対する抵抗を低下させ、疲労強度を低下させる。したがって本発明においては極力低減すべきであるが、0.010 ％まで許容される。
【００１３】
Ｓ：≦ 0.010％
Ｓは、鋼中のMnS の形成により被削性を向上させる元素であるが、MnS は一方で冷間鍛造時の割れ発生の起点となり、冷間鍛造性を劣化させる。また、MnS はそれ自身が疲労破壊の起点となり、疲労強度を低下させる作用がある。そのため本発明においては極力低減すべきであるが、0.010 ％まで許容される。
【００１４】
Al： 0.030〜 0.050％
Alは、鋼中のＮと反応してAlN を形成し、これが黒鉛の核形成サイトとして作用することにより、黒鉛化を促進するので積極的に添加するが、0.030 ％未満の添加ではその作用が小さく、少なくとも0.030 ％以上の添加を必要とする。 0.050％を超えて添加すると、鋳造工程においてAl系酸化物が多数形成される。この酸化物は、単独でも疲労破壊の起点となるばかりでなく、この酸化物を核として著しく粗大な黒鉛粒が形成される。また、Al系酸化物は硬質なため、切削時に工具を摩耗させることにより、被削性を低下させる。以上の理由により、Alの添加量としては0.050 ％以下に限定する。
【００１５】
Mo： 0.05 〜0.30％
Moは、焼入性を高めると同時に、Mn，Crといった合金元素に比較してセメンタイトへの分配が小さい。このために、黒鉛化を著しく阻害せずに鋼材の焼入性を高めることができる。また、Moを添加した鋼材は焼戻し軟化抵抗が大きいために、同一焼戻し温度では硬さを向上させることが可能であり、この結果、疲労強度を向上させることができる。 0.05 ％未満の添加ではその効果が小さく、少なくとも 0.05 ％以上の添加を必要とする。0.30％を超えて添加すると、Moでも黒鉛化を阻害し、冷間鍛造性および被削性を低下させるので、上限を0.30％までの添加とする。
【００１６】
Ｂ： 0.0010 〜0.0030％
Ｂは、鋼中のＮと化合してBNを形成し、これが黒鉛の結晶化の核として作用し、黒鉛化を促進するとともに、黒鉛粒を微細化する。また、鋼の焼入性を高め、焼入れ後の強度を確保する上でも有用な元素であるので、本発明においては必須の成分である。0.0010％未満の添加では、黒鉛化および焼入性向上への効果が小さく、0.0010％以上の添加を必要とするが、0.0030％を超えて添加すると、Ｂがセメンタイト中に固溶してセメンタイトを安定化することにより、逆に黒鉛化を阻害することになるので0.0030％以下の添加とする。
【００１７】
Ｎ： 0.0030 〜0.0060％
Ｎは、Ｂと化合してBNを形成し、このBNが黒鉛の結晶化の核となることにより、著しく黒鉛粒を細粒化するとともに黒鉛化を促進するので、本発明においては必須の元素である。0.0030％未満ではBNが十分に形成されず、一方、0.0060％を超えて添加するとBNの粗大化を促進し、かえって黒鉛化を阻害するので、0.0030〜0.0060％とする。
【００１８】
Ｏ：≦ 0.0020 ％
Ｏは、酸化物系非金属介在物を形成し、冷間鍛造性、被削性および疲労強度をともに低下させるので極力低減すべきであるが、 0.0020 ％まで許容される。
次に、製造方法に関する限定理由は以下の通りである。
熱間圧延の後、 650℃〜Ac₁の温度域で５ｈ以上保持する再加熱処理により、フェライト・パーライトからなる組織中に黒鉛相が生成し、これに伴って鋼材の硬さが低下し、優れた冷間鍛造性と被削性とを得ることができる。保持温度を 650℃〜Ac₁の範囲に限定するが、これは、 650℃未満の温度領域においては黒鉛化の反応が遅く、黒鉛化を完了するために必要な時間が極めて長くなり、一方Ac₁を超える温度では鋼中にγ相が多量に発生し、黒鉛化が進行しなくなるためである。また、保持時間を５ｈ以上とするのは、これ未満の時間では黒鉛化の進行が十分とならず、冷間鍛造性および被削性の向上に必要な硬さの低下が望めなくなるためである。
【００１９】
冷間鍛造および切削加工にて所定の最終形状を得た後に、Ac₃以上に加熱保持後、焼入れ途中 200〜400 ℃の温度域にて１min 以上保持する熱処理を行うことにより、コネクティングロッドとして必要な疲労強度を得ることが可能となる。焼入れ途中の熱処理において保持温度を 200〜400 ℃に限定するが、これは、400 ℃を超える温度域の保持では必要な強度を得られず、一方200 ℃未満の温度では、鋼材の延性面に問題を生じるためである。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
表１の化学組成を有する鋼材を転炉により溶製し、連続鋳造によりブルームとした。次いで、ビレット圧延を経て50mmφ棒鋼とした。なお、表１には、これらの鋼のAc₁およびAc₃の値を併せて示す。これらの鋼を、表２に示す条件で軟化を目的とする再加熱処理をした後、２回の冷間鍛造および切削加工にてコネクティングロッドの形状に成形した。
【００２１】
１回目の冷間鍛造後、600 ℃に30min 保持する中間焼鈍にて歪み取りを行い、その後２回目の冷間鍛造および切削加工により最終形状を得た。各段階における熱処理条件および加工特性を表２に併せて示す。なお、１回目の冷間鍛造時の加工率は 0〜80％、２回目の冷間鍛造時の加工率は20〜65％であった。それぞれの冷間鍛造時の平均変形抵抗を調査し、表２にその値を示した。また、
（割れを発生した個数）／（冷間鍛造実施個数）×100 （％）
の値を冷間鍛造時の割れ発生率とし、この値も表２に併記した。
【００２２】
切削加工は、超硬工具（JIS P-10）を用いて、平均切削速度150m/min、送り0.25mm/revで実施し、工具の逃げ面摩耗が0.2mm に達するまでの時間を工具寿命として評価した。その後、コネクティングロッドの強化を目的として、第１段階の温度に保持した後、第２段階の温度まで急冷してその温度に保持し、その後空冷の条件で熱処理（以下、恒温変態処理と称する）を行った。表２中「強化熱処理」欄の「恒温」は恒温変態処理を表す。また、「保持温度・時間」欄の（ａ），（ｂ）には、恒温変態処理の第１段階および第２段階の保持温度・時間をそれぞれ示した。熱処理後の硬さを求めるとともに、引張圧縮の繰り返し荷重による疲労試験を行い、疲労限を求めた。こうして求めた各特性を表２に併せて示す。
【００２３】
Ａ鋼およびＢ鋼はいずれも化学組成が本発明の規定範囲内にある発明鋼である。それに対して、Ｃ鋼はＣ量が、Ｄ鋼はＢ量が、Ｅ鋼はＰ量が、そしてＦ鋼はＳ量がそれぞれ本発明の規定外にある比較鋼である。さらにＧ鋼は熱間鍛造ままで用いることを前提とした従来鋼であり、切削試験および疲労試験結果はそれぞれ1200℃加熱熱間鍛造後放冷にて得た供試材を用いて行った試験結果である。
【００２４】
表２のNo. １，４，５は、鋼材の化学組成および製造プロセスが本発明の規定の範囲内にある発明例である。これに対してNo. ３およびNo. ６は、製造プロセスが規定外の比較例、No. ７〜10は鋼材の化学成分が規定外である比較鋼の例、さらにNo. 11は、従来鋼（Ｇ鋼）を用いて熱間鍛造非調質で製造した従来例である。
【００２５】
表２より明らかなように、発明例はいずれも、冷間鍛造時の低い変形抵抗、切削加工時の優れた工具寿命、優れた重量精度および熱処理後の高疲労強度のいずれをとっても高いレベルで実現している。これに対して、圧延後の再加熱処理条件（軟化焼鈍条件）が不適切なNo. ３は、冷間鍛造時の変形抵抗が高く、切削加工時の工具寿命が短い。また、強化熱処理条件が不適切なNo. ６では熱処理後に十分な疲労強度が得られない。ＣおよびＢ量が規定よりもそれぞれ低いNo. ７，８では、いずれも熱処理後に十分な疲労強度が得られない。特にＢの低いＤ鋼を用いたNo. ８は、黒鉛化も十分に進んでおらず、冷間鍛造性および被削性も発明例に大きく劣る。ＰおよびＳ量が規定よりもそれぞれ高いNo. ９，10では、発明例よりも被削性には優れるものの、冷間鍛造時の割れ発生率、および強化熱処理後の疲労強度が発明例に劣る。熱間鍛造非調質の製法による従来例（No. 11）は、疲労強度が発明例よりも低いばかりでなく、切削加工時の工具寿命および重量精度の点からも発明例に大きく劣る。
【００２６】
【表１】
【００２７】
【表２】
【００２８】
【発明の効果】
かくして本発明によれば、冷間鍛造−切削加工段階では、低変形抵抗かつ高被削性を発揮して容易に成形でき、最終形状での重量精度に優れるとともに、その後の熱処理にて優れた疲労強度をもたせることができる自動車用コネクティングロッドが得られるという優れた効果を奏する。

Claims

質量％で、
Ｃ： 0.3〜 0.6％， Si： 1.0〜 1.8％，
Mn： 0.2〜 0.4％，Ｐ：≦ 0.010％，
Ｓ：≦ 0.010％， Al： 0.030〜 0.050％，
Mo： 0.05 〜0.30％，Ｂ： 0.0010 〜0.0030％，
Ｎ： 0.0030 〜0.0060％，Ｏ：≦ 0.0020 ％
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼を、熱間圧延の後、 650℃〜Ac₁の温度域で５ｈ以上保持する再加熱処理を行った後、冷間鍛造および切削加工にて所定の形状とし、その後Ac₃以上に保持し、焼入れ途中 200〜400 ℃の温度域にて１min 以上保持する熱処理を行うことを特徴とする自動車用コネクティングロッドの製造方法。