JP4114901B2 - Integral connecting rod for internal combustion engine and manufacturing method of integrated connecting rod for internal combustion engine - Google Patents

Integral connecting rod for internal combustion engine and manufacturing method of integrated connecting rod for internal combustion engine Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、表面硬化処理(浸炭あるいは浸炭窒化)された鉄合金部品に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来からこの種の鉄合金部品としては、例えば、エンジン等の一部品であるコンロッド,クランク軸や減速歯車等がある。
【0003】
これらコンロッドやクランク軸等の軸物で、駆動力を伝達する部品には捻れトルク等の荷重が作用することから、表面を堅くした方が耐疲労強度を向上させることができる。また、表面を堅くすれば耐磨耗性も向上させることができ歯車等で有効である。
【0004】
そして、表面を堅くする技術として浸炭処理という方法がある。これは、低炭素鋼を浸炭剤中で加熱し、鋼表面から炭素(C)を浸透させ、その表面付近のC濃度を高める方法である。浸炭された品物を高温度のオーステナイト状態から急冷すると、鋼表面はマルテンサイト化されて硬化するが、内部は低炭素なので硬化せずに、粘り強さを保持する。浸炭剤としては、個体、液体、ガスのいずれも利用される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者らはそのような従来の浸炭方法よりも更に表面強度等をより向上させることはできないか、鋭意検討した結果、この発明を創作するに至ったものである。
【0006】
そこで、この発明は、表面強度が向上した鉄合金部品を提供することを課題としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を達成するために、請求項1に記載の発明は、化学成分としてCを0.1から0.5重量%、Siを0.1から0.5重量%、Crを0.3から1.5重量%、含有する鉄を基材とする内燃機関用一体型コンロッドにおいて、前記内燃機関用一体型コンロッドは、ピストン側に接続される小端部と、クランクシャフト側に接続される大端部と、前記小端部及び前記大端部を連結する連結棒部とを有し、前記小端部及び前記大端部は表面硬化処理が2回行われ、それぞれ表面から少なくとも100μmの範囲の組織をマルテンサイトを含んで構成し、該マルテンサイト結晶粒径を粒度が、鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法(JIS G0551)に規定する粒度測定対象表面の顕微鏡による粒度測定方法、及びこの顕微鏡測定に基づく平均粒度番号算出方法及び粒度算出方法と同一の方法で測定算出する場合7から10とし、又、表面にFeあるいはCrの少なくとも一方の炭化物を析出させ、該炭化物の平均粒径を0.5から10μmとすると共に、該組織中の炭化物の面積率を1パーセントから20パーセントとし、表面から少なくとも0.5mmの範囲の硬さをHV700以上とし、表面粗さをRa2μm以上とし、前記連結棒部は前記表面硬化処理が1回行われ、該連結棒部の表面層で組織中の炭化物の面積率を1%未満とし、該炭化物の平均粒径を0.5μm以下としたことを特徴とする。
【0008】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の内燃機関用一体型コンロッドを製造するための内燃機関用一体型コンロッドの製造方法であって、前記内燃機関用一体型コンロッドの連結棒部をマスキング処理して前記小端部及び前記大端部に1回目の表面硬化処理を行い、次いでマスキング除去処理が行われた後、前記内燃機関用一体型コンロッドの全体に対して2回目の表面硬化処理を行うことで、前記小端部及び前記大端部に2回の前記表面硬化処理を行うと共に前記連結棒部に1回の前記表面硬化処理を行うことを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の内燃機関用一体型コンロッドを製造するための内燃機関用一体型コンロッドの製造方法であって、前記内燃機関用一体型コンロッドの全体に対して1回目の表面硬化処理を行い、次いで連結棒部のマスキング処理を行った後、前記小端部及び前記大端部に2回目の表面硬化処理を行うことで、前記小端部及び前記大端部に2回の前記表面硬化処理を行うと共に前記連結棒部に1回の前記表面硬化処理を行うことを特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について説明する。
【0010】
[発明の実施の形態1]
図1乃至図17及び図34乃至図38には、この発明の実施の形態1を示す。
【0011】
まず構成を説明すると、この実施の形態1の鉄合金部品1は、化学成分としてCを0.1から0.5重量%、Siを0.1から0.5重量%、Crを0.3から4.0重量%含有する鉄を基材とし、表面硬化処理(浸炭あるいは浸炭窒化)が施されている。図1及び図34乃至図38には、本発明の鉄合金部品として採用可能な基材の化学成分の規格を示し、この規格は、熱間圧延,熱間鍛造など、熱間加工によって作られたもので、通常更に鍛造,切削などの加工と熱処理を施し、主として機械構造用に使用される一端焼入れ性を保証した構造用鋼鋼材について規定したものである。本発明の実施の形態1においては、この図1及び図34乃至図38中、SCM420が基材として使用されている。
【0012】
そして、この鉄合金部品1は、表面硬化処理(浸炭あるいは浸炭窒化)により、表面から少なくとも100μmの範囲の組織がマルテンサイト2を含んで構成され、このマルテンサイト2の結晶粒径が粒度が、鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法(JIS G 0551)に規定する粒度測定対象表面の顕微鏡による粒度測定方法、及びこの顕微鏡測定に基づく平均粒度番号算出方法及び粒度算出方法と同一の方法で測定算出する場合7から10とされている。図2には、鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法(JIS G 0551)により、鋼を焼きなまし・焼きならし・焼き入れ・浸炭その他の目的で変態点以上又は固溶化熱処理の温度に加熱したとき、その温度及び保持時間によって定まるオーステナイト結晶粒の大きさを、所定の粒度を規定の方法によって測定して得られる粒度番号と、断面積1mm2あたりの結晶粒の数及び結晶粒の平均断面積の相関が示されており、マルテンサイト2組織における粒度番号(上記した鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法(JIS G 0551)に規定するものと同一の方法で測定算出したもの)についても、図2を適用して断面積1mm 2 あたりの結晶粒の数あるいは結晶粒の平均断面積を概略求めることができる。
【0013】
また、その表面には、表面硬化処理により、FeあるいはCrの少なくとも一方の炭化物3が析出され、この組織中の炭化物3の平均粒径が0.5から10μm、組織中の炭化物3の面積率が1パーセントから20パーセント、表面から少なくとも0.5mmの範囲の硬さがHV700以上で、しかも、表面粗さがRa2以下に構成されている。
【0014】
かかる鉄合金部品1の表面硬化処理は、以下のようにして行う。
【0015】
まず、鉄合金部品1の基材として上記のように、SCM420Hの材料を使用する。
【0016】
そして、かかる基材を1回目の浸炭を行う。すなわち、ガスで浸炭する場合、浸炭炉は水平な左右方向を長手方向とする場合、前後方向の側面、天井面、底面は閉じられた壁面とされ、少なくとも前後の側面と天井面に電熱あるいはガスバーナーによる加熱手段が配置され、左右方向の両端にそれぞれ開閉扉を配置したものとなる。開閉扉の一方が、防炭処理された金属性のパレットに鉄合金部材1が載置されたものの搬入口とされ、他方が搬出口とされる。浸炭炉にはさらに炭素雰囲気を作り出すためCOガスやメタン等の炭化水素ガスからなる浸炭ガスを導くガス導入口と、鉄合金部材1表面に浸透せずCO2ガスや水蒸気となったもの(加熱のための燃焼の結果できるガスを含む)排気ガスの排出口が設けられている。浸炭は前記浸炭ガスを炉内に導くとともに、壁面の加熱手段で所定温度に加熱し、あるいは前記浸炭ガスの供給を止めるとともに加熱を停止して(炉冷)行う。加熱は鉄合金部品1表面の加熱色を検知して温度計測するか、炉内に挿入する温度センサにより温度計測し加熱量を制御しつつ行う。炭素雰囲気濃度は02ガス濃度を検知して所定の算出プログラムを使用して算出する。炭素雰囲気濃度を一定にするため、02ガス濃度を検知しつつ前記浸炭ガスの供給量をフィードバック制御する。この実施の形態では、図4に示すように、炭素雰囲気濃度が、CP(カーボンポテンシャル)=1.60中において、950℃で、3時間加熱して浸炭を行った後、Al線の温度(727℃)より下の温度まで炉冷(FC)するか、前記パレットを炉の中から出し、常温の所定容積以上の油あるいは水を収容する油槽あるいは水槽中に前記パレットごと加熱された鉄合金部材1を浸漬する焼き入れ(MQ)を行う。すなわち、CPは、図3に示す鋼の状態図において、炭素濃度(C%)がS点(0.8%C)からE点(2.1%C)の範囲となるように、ここでは1.60に設定される一方、Al線よりも上の温度域、ここでは950℃に設定されている。このように過剰浸炭した鋼の表面は、結晶粒界に遊離セメンタイトがあらわれた超共析組織を呈する。
【0017】
この1回目の浸炭によって形成される金属組織は、表面が図5に示すようにマルテンサイト2の結晶粒の平均粒径が概略20μm程度となり、更に、これを拡大すると図6に示すように、大きなマルテンサイト2の結晶粒の間に、網目状の炭化物3が析出している。また、中心部は図7に示すようにマルテンサイト2の結晶粒の平均粒径が概略25μm程度となる。
【0018】
次いで、その1回目の浸炭が終了したものに2回目の浸炭を施す。これは、炭素雰囲気濃度が、CP=1.20中において、900℃で、2時間加熱し、その後、850℃で20分間加熱する。すなわち、CPは、図4に示す鋼の状態図において、炭素濃度(C%)がS点(0.8%C)からE点(2.1%C)の範囲となるように、ここでは1.20に設定される一方、Acm線よりも下でAl線よりも上の温度域、ここでは900℃に設定されている。
【0019】
この処理で、過剰浸炭層の炭素を内部へ拡散させると共に、表面のC%を0.8%以上に保つ。0.8%未満だと表面に炭化物3は析出しない。
【0020】
そして、油焼入れあるいは水焼き入れの何れかの焼入れ(MQ)を行い、160℃で1時間30分加熱して焼き戻しを行う。
【0021】
その2回目の浸炭によって形成される金属組織は、表面が図8に示すようにマルテンサイト2の結晶粒の平均粒径が概略5μm程度となり、更に、これを拡大すると図9に示すように、マルテンサイト2の結晶粒の粒径が1回目より小さくなると共に、炭化物3は網目状から微細粒に変化する。
【0022】
また、中心部は、図10に示すようにマルテンサイト2の結晶粒の平均粒径が概略14μm程度となる。
【0023】
なお、第1回目の浸炭後の冷却を炉冷でなく焼き入れで行う場合、表面の金属組織はオーステナイト結晶粒が全てマルテンサイト2にはならず、残留オーステナイトが混じる場合があるが、マルテンサイト2及び残留オーステナイトの結晶粒の平均径は概略20μm程度となり、さらに第1回目の浸炭後の冷却方法のいかんに拘らず第2回目の浸炭後の焼き入れを経て残留オーステナイトの結晶粒が残ることもある。この場合でもマルテンサイト2及び残留オーステナイトの結晶粒の平均径は概略5μm程度となり、これらマルテンサイト2及び残留オーステナイトの結晶粒の粒度は、鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法(JIS G 0551)に規定する方法と同一の方法で測定算出する粒度で7から10とすることができる。すなわち、複数回の浸炭工程と、後処理を経て熱処理が終了した状態において、表面から少なくとも100μmの範囲の組織を、残留オーステナイトの結晶粒が混入するとしてもマルテンサイトを含んで構成することができる。
【0024】
このように複数回浸炭を行うことにより、鉄合金部品1の表面は、上記のようにマルテンサイト2で構成されると共に、炭化物3(Fe3CあるいはCr3C)が析出することとなる。そして、鉄合金部品1の表面から深い所まで浸炭が行われると共に、炭化物3が粒子が分散することにより、強度が向上することとなる。
【0025】
さらに、図11に示すように、表面から0.1mmの表層においては、直径44.06μmの円形の3ヶ所の視野範囲(視野1,視野2,視野3)について、画像解析すると、金属組織中の炭化物3の粒子の分散状態は、図12に示すようになる。すなわち、視野1乃至3の平均値は、粒子の総面積(μm2)が90.93μm2、面積率(%)が5.97%、粒子の個数が69.67、粒径最大値(μm)が3.56μm、粒径最小値(μm)が0.35μm、粒径平均値(μm)が1.1μmとなる。この微細炭化物3がマルテンサイト2の結晶粒の成長を阻害し、表面付近のマルテンサイト2の結晶粒径を細かく(平均粒径1〜10μm)でき、表面応力が高くなり、曲げ強度を向上させることができる。通常の平均粒径は10〜20μm程度である。
【0026】
すなわち、図13には、SCM420の基材を上記のように浸炭したものにおいて、深さと硬さ(Hv)との関係を示す。これによれば、Hv550となる有効硬化深さは1.45mm(E1.45)であり、表面硬さはHv890、中心硬さはHv441である。
【0027】
なお、表面から0.5mmの範囲の硬さをHv700以上を維持しつつ、表面硬さをHv890より下げるあるいは高めることにより有効硬化深さを1〜2mmの範囲で変化させても良い。
【0028】
また、マルテンサイト結晶粒径と107回疲労強度との関係を、図14に示すと、結晶粒径が10μm以下になると、疲労強度が急激に大きくなることが分かる。してみれば、上記のように複数回浸炭により、平均粒径を1〜10μm程度にできるため、疲労強度も大きくすることができる。
【0029】
さらに、図15には、上記のようにして浸炭された平滑材を室温において小野式回転曲げ試験を行った場合におけるデータを示し、図16には、その応力振幅(MPa)と破壊繰返し数(N)との関係を示す。これによれば、測定部1,2,3,4,5,8,9,11において、破壊繰返し数(N)が1.00E+07(107)となる。そして、測定部8,9,11では、応力振幅(MPa)が1000を超える。
【0030】
これに対し、図17には、従来のように1回浸炭された平滑材を室温において小野式回転曲げ試験を行った場合におけるデータを示し、図18には、その応力振幅(MPa)と破壊繰返し数(N)との関係を示す。これによれば、測定部1,2,3において、破壊繰返し数(N)が1.00E+07(107)となる。そして、これら測定部1,2,3では、応力振幅(MPa)が800より小さい。
【0031】
従って、この発明の実施の形態1のように、複数回浸炭を行うことにより、繰返し応力に対する強度が向上することが分かる。
【0032】
さらにまた、表面粗さをRa2以下とすることにより、応力集中による強度低下を防止することができると共に、上記のような複数回浸炭にショットピーニングを組み合わせることにより更に強度を向上させることができる。
【0033】
[発明の実施の形態2]
図19には、この発明の実施の形態2を示す。
【0034】
この実施の形態2は、実施の形態1と比較すると、浸炭方法が相違する。すなわち、実施の形態1と同様の鉄合金部品1の基材について、1回目の浸炭を行う。これは、炭素雰囲気濃度が、CP(カーボンポテンシャル)=1.40中において、950℃で、3時間加熱して浸炭を行った後、Al線の温度(727℃)より下の温度まで炉冷(FC)するか焼入れ(MQ)する。
【0035】
次いで、その1回目の浸炭が終了したものに2回目の浸炭を施す。これは、炭素雰囲気濃度が、CP=1.20中において、900℃で、2時間加熱した後、850℃で20分間加熱する。
【0036】
その後、油あるいは水による焼入れ(MQ)を行う。
【0037】
このようにしても実施の形態1と略同様の効果が得られる。
【0038】
[発明の実施の形態3]
図20には、この発明の実施の形態3を示す。
【0039】
この実施の形態3は、浸炭を3回行っている。すなわち、実施の形態1と同様の鉄合金部品1の基材について、1回目の浸炭を行う。これは、炭素雰囲気濃度が、CP(カーボンポテンシャル)=1.60中において、950℃で、3時間加熱して浸炭を行った後、Al線の温度(727℃)より下の温度まで炉冷(FC)するか焼入れ(MQ)する。
【0040】
次いで、その1回目の浸炭が終了したものに2回目の浸炭を施す。これは、炭素雰囲気濃度が、CP=1.20中において、900℃で、2時間加熱して浸炭を行った後、Al線の温度(727℃)より下の温度まで炉を冷却する。
【0041】
更に、その2回目の浸炭が終了したものに3回目の浸炭を施す。これは、炭素雰囲気濃度が、CP=1.20中において、820℃で、1時間加熱して浸炭を行う。
【0042】
その後、油あるいは水による焼入れ(MQ)を行う。
【0043】
このようにしても実施の形態1と略同様の効果が得られる。
【0044】
[発明の実施の形態4]
図20には、実施の形態1と同様の鉄合金部品1の基材について、1回目の浸炭を行う。これは、炭素雰囲気濃度が、CP(カーボンポテンシャル)=1.05中において、850℃で、2時間加熱して浸炭を行った後、Al線の温度(727℃)より下の温度まで炉冷(FC)するか焼入れ(MQ)する。
【0045】
次いで、その1回目の浸炭が終了したものに2回目の浸炭を施す。これは、炭素雰囲気濃度が、CP=1.00中において、800℃で、30分加熱して浸炭を行う。
【0046】
その後、油あるいは水による焼き入れ(MQ)を行う。
【0047】
[発明の実施の形態5]
図22には、この発明の実施の形態5を示す。
【0048】
この実施の形態5は、実施の形態1と同様の鉄合金部品1の基材について、1回目の浸炭を行う。これは、炭素雰囲気濃度が、CP(カーボンポテンシャル)=1.20中において、900℃で、1時間加熱して浸炭を行った後、Al線の温度(727℃)より下の温度まで炉冷(FC)するか焼入れ(MQ)する。
【0049】
次いで、その1回目の浸炭が終了したものに2回目の浸炭を施す。これは、炭素雰囲気濃度が、CP=1.00中において、800℃で、30分加熱して浸炭を行う。
【0050】
その後、油あるいは水による焼き入れ(MQ)を行う。
【0051】
ここで、上記実施の形態1乃至5に記載の方法により製造された鉄合金部品1におけるマルテンサイト結晶粒径は、図22に示すような分布となり、10μmより小さいことが分かる。してみれば、上記のように複数回浸炭により、平均粒径が5μm程度となるため、図14から明らかなように、疲労強度も急激に大きくなるものである。ちなみに、1回浸炭の場合には、図23に示すように、結晶粒径が14μm程度であるため、疲労強度は上記と比較すると大幅に低下していることが分かる。
【0052】
[発明の実施の形態6]
図24乃至図33には、この発明の実施の形態6を示す。
【0053】
この実施の形態6は、鉄合金部品全体が複数回浸炭されているものでなく、1回浸炭された部分と、2回浸炭された部分とを有するものである。
【0054】
すなわち、図24及び図25には、一体型のコンロッド11を示す。
【0055】
このコンロッド11は、図示省略のピストン側に接続される小端部11aと、図示省略のクランクシャフト側に接続される大端部11bとを有し、これらが連結棒部11cを介して連結されている。
【0056】
そして、その小端部11a及び大端部11bは、ピストンやクランクシャフトと連結されるため、表面の硬度が要求されることから、2回浸炭されているのに対して、連結棒部11cは、表面の硬度はそれ程要求されないため、1回浸炭されている。
【0057】
より詳しくは、HV700以上の硬さを示す領域が大端部11bと小端部11aで、表面から少なくとも0.5mm以上とされ、連結棒部11cで0.5mm未満とされている。
【0058】
その表面層の組織は、マルテンサイト2で構成され、且つ、組織中の炭化物3の平均粒径が大端部11bと小端部11aの表面層で0.5μmから10μmとされ、連結棒部11cの表面層で0.5μm未満とされている。
【0059】
組織中の炭化物3の面積率が前記大端部11bと小端部11aの表面層で1%以上とされ、連結棒部11cの表面層で1%未満とされている。
【0060】
前記大端部11bと小端部11aとのマルテンサイト結晶粒径が粒度番号(JIS G 0551)7から10とされ、表面粗さが前記大端部11bと小端部11aの表面層でRa2μm以上とされ、連結棒部11cの表面層でRa2μm未満とされている。
【0061】
次に、このコンロッド11の製造工程について説明すると、図25に示すように、まず、鍛造前の素材を鍛造し(1)、バリ取り(2)を行い、次に、小端部11aの小端孔11d、大端部11bの大端孔11e加工、小端部11a、大端部11b各端面加工(3)を行う。
【0062】
その後、連結棒部11cを銅メッキ等によりマスキング(4)し、1回目浸炭(5)を行った後、マスキング除去処理(6)を行い、2回目浸炭(7)を行う。
【0063】
次いで、歪み取り(8)を行い、小端孔11d、大端孔11e研磨(9)を行い、コンロッド11の製造を完了する。
【0064】
一方、他の製造工程としては、例えば、上記小端孔11d、大端孔11e加工、小端部11a、大端部11b各端面加工(3)の後に1回目浸炭(10)を行い、次に、マスキング(11)を行う。その後、2回目浸炭(12)を行った後、歪み取り(13)を行い、小端孔11d、大端孔11e研磨(14)を行うこともできる。
【0065】
図26及び図27には、分割型のコンロッド11を示す。
【0066】
このコンロッド11は、図示省略のピストン側に接続される小端部11aと、図示省略のクランクシャフト側に接続される大端部11bとを有し、これらが連結棒部11cを介して連結されている。その大端部11bは、分割され、キャップ11fがボルト11gにて取り付けられることにより、大端孔11eが形成されるように構成されている。
【0067】
そして、その小端部11a及び大端部11bは、ピストンやクランクシャフトと連結されるため、表面の硬度が要求されることから、2回浸炭されているのに対して、連結棒部11cは、表面の硬度はそれ程要求されないため、1回浸炭されている。
【0068】
次に、このコンロッド11の製造工程について説明すると、図27に示すように、まず、鍛造前の素材を鍛造し(1)、バリ取り(2)を行い、次に、小端孔11d、大端孔11e加工、小端部11a・大端部11b各端面加工(3)を行う。
【0069】
その後、連結棒部11cを銅メッキ等によりマスキング(4)し、1回目浸炭(5)を行った後、マスキング除去処理(6)を行い、2回目浸炭(7)を行う。
【0070】
次いで、歪み取り(8)を行い、大端部11bを分割し(9)、大端部11bのボルト11gによる結合(10)を行う。そして、小端孔11d、大端孔11e研磨(11)を行い、コンロッド11の製造を完了する。
【0071】
一方、他の製造工程としては、例えば、上記小端孔11d、大端孔11e加工、小端部11a、大端部11b各端面加工(3)の後に1回目浸炭(12)を行い、次に、マスキング(13)を行う。その後、2回目浸炭(14)を行った後、歪み取り(15)を行い、大端部11bを分割し(16)、大端部11bのボルト11gによる結合(17)を行う。そして、小端孔11d、大端孔11e研磨(18)を行い、コンロッド11の製造を完了する。
【0072】
図28及び図29には、クランク軸13を示す。
【0073】
このクランク軸13は、図28の(a)に示すように、コンロッドが連結されるクランクピン部13a、クランクケースに連結されるジャーナル部13b、回転時に慣性力を生じさせるクランクウエッブ部13c等から構成されると共に、図28の(b)に示すように、オイル孔13d、端部ネジ部13e等が形成されている。
【0074】
そして、そのクランクピン部13aやジャーナル部13bは、コンロッドやクランクケースと連結されるため、表面の硬度が要求されることから、2回浸炭されているのに対して、クランクウエッブ部13cは、表面の硬度はそれ程要求されないため、1回浸炭されている。
【0075】
次に、このクランク軸13の製造工程について説明すると、図29に示すように、まず、鍛造前の素材を鍛造し(1)、バリ取り(2)を行い、次に、クランクピン部13a、ジャーナル部13b、オイル孔13d、端部ネジ部13e加工(3)を行う。
【0076】
その後、1回目浸炭(4)を行い、クランクウエッブ部13cをマスキング(5)する。このマスキング方法は、まず、クランク軸13全体を銅メッキ後、ジャーナル部13b及びクランクピン部13aの外周のメッキを除去する。
【0077】
次いで、2回目浸炭(6)を行った後、歪み取り(7)を行い、ジャーナル部13b及びクランクピン部13a等の外周研磨(8)を行い、クランク軸13の製造を完了する。
【0078】
図30及び図31には、減速歯車15を示す。
【0079】
この減速歯車15は、図29に示すように、中央部の中間ディスク部15aに軸が挿入される挿入孔15bが形成され、この挿入孔15bにはブッシュ15cが減速歯車15完成後圧入されるようになっている。この中間ディスク部15aの周囲には、複数のボス孔15dを有するボス部15eが形成され、更に、周縁部には多数の歯部15fが形成されている。
【0080】
そして、その歯部15fの歯面は、表面の硬度が要求されることから、2回浸炭されているのに対して、それ以外の中間ディスク部15a及びボス部15eは、表面の硬度はそれ程要求されないため、1回浸炭されている。
【0081】
次に、この減速歯車15の製造工程について説明すると、図31に示すように、まず、鍛造前の素材を鍛造し(1)、バリ取り(2)を行い、次に、外形、ボス孔15d、ボス部15e端面、歯面等の加工(3)を行う。
【0082】
その後、中間ディスク部15a及びボス部15eを銅メッキによりマスキング(4)を行った後、1回目浸炭(5)を行い、マスキング除去処理(6)を行う。そして、2回目浸炭(7)を行い、歯面研磨(8)を行い、減速歯車15の製造を完了する。
【0083】
一方、他の製造工程としては、例えば、外形、ボス孔15d、ボス部15e端面、歯面等の加工(3)後、1回目浸炭(9)を行った後、中間ディスク部15a及びボス部15eをマスキング(10)する。次いで、2回目浸炭(11)を行い、歯部15fの歯面研磨(12)を行い、減速歯車15の製造を完了する。
【0084】
図32及び図33には、ピストンピン17を示す。
【0085】
このピストンピン17は、ピストンとコンロッドとを連結するもので、図31に示すように、棒状のピストンピン本体17aの内部に貫通孔17bが形成されている。
【0086】
そして、このピストンピン本体17aの外周面は、表面の硬度が要求されることから、2回浸炭されているのに対して、貫通孔17bの内周面は、表面硬度はそれ程要求されないため、1回浸炭されている。
【0087】
次に、このピストンピン17の製造工程について説明すると、図32に示すように、まず、棒材を両端面切断(1)し、貫通孔17b、外形、端面加工(2)を施す。そして、貫通孔17bの内周部をマスキング(3)し、1回目浸炭(4)を行い、マスキング除去(5)を行う。次いで、2回目浸炭(6)を行った後、外形センタレス研磨(7)を行い、ピストンピン17の製造を完了する。
【0088】
一方、他の製造工程としては、例えば、貫通孔17b、外形、端面加工(2)後、1回目浸炭(8)を行った後、貫通孔17bの内周部をマスキング(9)する。次いで、2回目浸炭(10)を行い、外形センタレス研磨(11)を行い、ピストンピン17の製造を完了する。
【0089】
このように実施の形態6では、表面強度を必要とする部分のみ複数回浸炭し、他の部分は1回浸炭することにより、より合理的に浸炭を行うことができる。
【0090】
なお、図25、図27に示すコンロッド11、図29に示すクランク軸13、図31に示す減速歯車15及び図33に示すピストンピン17のそれぞれの複数鍛造工程においてマスキングあるいは及びマスキング除去を実施しているが、浸炭槽は鉄合金部品の表面のみで、内部は十分靱性が維持されており、表面槽の靱性が特に必要とされない場合(内燃機関部品の場合内燃機関出力が小さい場合等)は、コンロッド11、クランク軸13、減速歯車15及びピストンピン17等の鉄合金部品の複数浸炭工程中マスキングをせず、鉄合金部品の全体に複数浸炭による表面硬化組織を形成するようにしても良い。
【0091】
なおさらに、図4、図19〜図22に示す複数浸炭の熱処理のそれぞれに、さらに鉄合金部品を略160℃の温度に加熱し、1時間30分程度略160℃の温度に保持した後空冷する焼き戻しを実施するようにしても良い。これにより表面硬化組織を維持しつつ歪み取りを図ることができる。
【0092】
またさらに、浸炭窒化の場合には、COガスやメタン等の炭化水素ガスに例えばアンモニアガスを加えた浸炭窒化ガスを加熱炉中に導入して炭素・窒素雰囲気を作り出す。この場合、窒素雰囲気濃度を所定値にするように制御しつつ、その他の加熱温度、加熱保持時間及び、炭素雰囲気濃度、加熱及び冷却回数、冷却方法等は、図4、あるいは図19〜図22と同様にしても良い。このように浸炭窒化を複数回実施しても良いし、あるいは複数回の熱処理の内、いずれかを浸炭、他を浸炭窒化となるように実施しても良い。鉄合金部品の複数浸炭窒化工程中あるいは、浸炭及び浸炭窒化の組み合わせ複数処理工程中、マスキングをしなくても良いのは複数浸炭の場合と同様である。複数浸炭、複数浸炭窒化、浸炭及び浸炭窒化の組み合わせ複数処理により、鉄合金部品の表面硬度を高めるのみでなく表面組織を緻密なマルテンサイト結晶粒だけからなる、あるいは緻密な残留オーステナイトが混じるとしても緻密なマルテンサイト結晶粒からなるものとしており、耐摩耗性の向上、疲労強度の向上を図ることができる。
【0093】
またさらに、図13乃至図17のデータは基材としてSCM420Hを使用した場合のものであるが、図1及び図34乃至図38に記載の全ての構造用鋼鋼材を基材として、複数浸炭、複数浸炭窒化、浸炭及び浸炭窒化の組み合わせ複数処理をすることにより、同様に鉄合金部品の耐摩耗性の向上、疲労強度の向上を図ることができる。
【0094】
【発明の効果】
以上説明してきたように、請求項1に記載された発明によれば、内燃機関用一体型コンロッドの表面強度を従来より向上させることができる。
【0095】
また、請求項に記載の発明によれば、表面粗さをRa2以下とすることにより、応力集中による強度低下を防止することができる、という実用上有益な効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態1に係る鋼材種類の記号と化学成分を示す表図である。
【図2】同実施の形態1に係るマルテンサイト結晶粒度番号を示す表図である。
【図3】同実施の形態1に係る鋼の状態図である。
【図4】同実施の形態1に係る浸炭方法の説明図である。
【図5】同実施の形態1に係る1回浸炭した場合の鉄合金部品の表面の金属組織を示す拡大図である。
【図6】同実施の形態1に係る図5に示す金属組織表面を更に拡大した図である。
【図7】同実施の形態1に係る1回浸炭した場合の鉄合金部品の中央部の金属組織を示す拡大図である。
【図8】同実施の形態1に係る2回浸炭した場合の鉄合金部品の表面の金属組織を示す拡大図である。
【図9】同実施の形態1に係る図8に示す金属組織表面を更に拡大した図である。
【図10】同実施の形態1に係る2回浸炭した場合の鉄合金部品の中央部の金属組織を示す拡大図である。
【図11】同実施の形態1に係る鉄合金部品の表面を示す図である。
【図12】同実施の形態1に係る2回浸炭品金属組織中の炭化物粒子の分散状態を示す表図である。
【図13】同実施の形態1に係る高度曲線図である。
【図14】同実施の形態1に係るマルテンサイト結晶粒径と107回疲労強度との関係を示すグラフ図である。
【図15】同実施の形態1に係る鉄合金部品の各部における寿命等を示す表図である。
【図16】同実施の形態1に係る破壊繰り返し数と応力振幅との関係を示すグラフ図である。
【図17】従来の鉄合金部品の各部における寿命等を示す表図である。
【図18】従来の鉄合金部品の各部における破壊繰り返し数と応力振幅との関係を示すグラフ図である。
【図19】この発明の実施の形態2に係る浸炭方法の説明図である。
【図20】この発明の実施の形態3に係る浸炭方法の説明図である。
【図21】この発明の実施の形態4に係る浸炭方法の説明図である。
【図22】この発明の実施の形態5に係る浸炭方法の説明図である。
【図23】上記各実施の形態1乃至5のマルテンサイト結晶粒径を示すグラフ図である。
【図24】この発明の実施の形態6に係る一体型のコンロッドを示す図で、(a)はコンロッドの正面図、(b)は(a)のA−A線に沿う断面図、(c)は(a)のBーB線に沿う断面図である。
【図25】同実施の形態6に係る図24に示すコンロッドの製造工程の図である。
【図26】同実施の形態6に係る分割型のコンロッドを示す図で、(a)はコンロッドの一部を断面した正面図、(b)はコンロッドの大端部の分割部分で断面した図である。
【図27】同実施の形態6に係る図26に示すコンロッドの製造工程の図である。
【図28】同実施の形態6に係るクランク軸を示す図で、(a)はクランク軸の正面図、(b)は同クランク軸の一部拡大断面図である。
【図29】同実施の形態6に係る図28に示すクランク軸の製造工程の図である。
【図30】同実施の形態6に係る減速歯車を示す図で、(a)は減速歯車の正面図、(b)は(a)のCーC線に沿う断面図である。
【図31】同実施の形態6に係る図30に示す減速歯車の製造工程の図である。
【図32】同実施の形態6に係るピストンピンを示す断面図である。
【図33】同実施の形態6に係る図32に示すピストンピンの製造工程の図である。
【図34】この発明のその他の実施の形態に係わる鋼材種類の記号と化学成分を示す表図である。
【図35】この発明のその他の実施の形態に係わる鋼材種類の記号と化学成分を示す表図である。
【図36】この発明のその他の実施の形態に係わる鋼材種類の記号と化学成分を示す表図である。
【図37】この発明のその他の実施の形態に係わる鋼材種類の記号と化学成分を示す表図である。
【図38】この発明のその他の実施の形態に係わる鋼材種類の記号と化学成分を示す表図である。
【符号の説明】
1 鉄合金部品
2 マルテンサイト
3 炭化物
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an iron alloy component that has been surface-hardened (carburized or carbonitrided).
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as this type of iron alloy part, there are a connecting rod, a crankshaft, a reduction gear, and the like, which are one part of an engine or the like.
[0003]
A load such as torsion torque acts on a component that transmits a driving force, such as a connecting rod or a crankshaft, so that the fatigue resistance can be improved by making the surface harder. Further, if the surface is hardened, the wear resistance can be improved, which is effective with a gear or the like.
[0004]
As a technique for hardening the surface, there is a method called carburizing treatment. This is a method in which low carbon steel is heated in a carburizing agent, carbon (C) is infiltrated from the steel surface, and the C concentration near the surface is increased. When the carburized product is rapidly cooled from the high temperature austenite state, the steel surface is martensitic and hardens, but the inside is low carbon, so it does not harden and retains its tenacity. As the carburizing agent, any of solid, liquid, and gas can be used.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the present inventors have intensively studied whether or not the surface strength and the like can be further improved as compared with such a conventional carburizing method, and as a result, have come up with the present invention.
[0006]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an iron alloy part having improved surface strength.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve this object, the invention according to claim 1 is characterized in that C is 0.1 to 0.5% by weight, Si is 0.1 to 0.5% by weight, and Cr is 0.3 to 0.3 as chemical components. 1.5% by weight, containing iron as base materialIntegrated connecting rod for internal combustion enginesInThe integrated connecting rod for an internal combustion engine has a small end connected to the piston side, a large end connected to the crankshaft, and a connecting rod portion connecting the small end and the large end. And the small end and the large end areSurface hardening treatmentWas performed twice, eachA structure having a structure in the range of at least 100 μm from the surface including martensite, and measuring the particle size of the martensite crystal grain size by a microscope on the surface of the particle size measurement target specified in the steel austenite grain size test method (JIS G0551) 7 and 10 when the measurement method and the average particle size number calculation method and particle size calculation method based on this microscopic measurement are used, and at least one carbide of Fe or Cr is precipitated on the surface, The average particle size is 0.5 to 10 μm, the area ratio of carbides in the structure is 1% to 20%, and the hardness in the range of at least 0.5 mm from the surface is HV700 or more,The surface roughness is Ra 2 μm or more, the connecting rod portion is subjected to the surface hardening treatment once, the surface area of the connecting rod portion is less than 1% of the carbide in the structure, and the average particle size of the carbide Is 0.5 μm or lessIt is characterized by that.
[0008]
  The invention according to claim 2 is a method of manufacturing an integral connecting rod for an internal combustion engine for manufacturing the integral connecting rod for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the connecting rod portion of the integral connecting rod for the internal combustion engine is provided. After the first surface hardening treatment is performed on the small end portion and the large end portion, and then the masking removal treatment is performed, the second surface of the whole integral connecting rod for an internal combustion engine is masked. By performing the curing process, the surface curing process is performed twice on the small end part and the large end part, and the surface curing process is performed once on the connecting rod part.
  The invention according to claim 3 is a method of manufacturing an integral connecting rod for an internal combustion engine for manufacturing the integral connecting rod for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the integral connecting rod for the internal combustion engine is a whole. After performing the first surface hardening treatment, and then performing the masking treatment of the connecting rod portion, the second end surface hardening treatment is performed on the small end portion and the large end portion, thereby the small end portion and the large end portion. The surface hardening treatment is performed twice on the end portion, and the surface hardening treatment is performed once on the connecting rod portion.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below.
[0010]
Embodiment 1 of the Invention
1 to 17 and FIGS. 34 to 38 show a first embodiment of the present invention.
[0011]
First, the structure will be described. In the iron alloy part 1 of the first embodiment, C is 0.1 to 0.5% by weight, Si is 0.1 to 0.5% by weight, and Cr is 0.3% as chemical components. To 4.0% by weight of iron as a base material and surface hardening treatment (carburizing or carbonitriding). FIG. 1 and FIGS. 34 to 38 show standards for chemical components of the base material that can be adopted as the iron alloy part of the present invention. This standard is made by hot working such as hot rolling and hot forging. In general, it is defined for structural steel materials that are further subjected to processing such as forging and cutting and heat treatment, and that are guaranteed for one-end hardenability, mainly used for mechanical structures. In Embodiment 1 of the present invention, SCM 420 is used as a substrate in FIGS. 1 and 34 to 38.
[0012]
And this iron alloy component 1 is constituted by a surface hardening treatment (carburization or carbonitriding) including a structure in the range of at least 100 μm from the surface including martensite 2, and the grain size of the martensite 2 has a grain size, When measuring and calculating by the same method as the particle size measurement method and particle size calculation method based on this microscope measurement, and the particle size measurement method for the particle size measurement target surface specified in the steel austenite grain size test method (JIS G 0551) 7 to 10. FIG. 2 shows that when steel is heated to a temperature above the transformation point or to a solution heat treatment temperature for annealing, normalizing, quenching, carburizing and other purposes according to the austenite grain size test method for steel (JIS G 0551). The size of austenite grains determined by temperature and holding time, the grain size number obtained by measuring the predetermined grain size by a prescribed method, and the cross-sectional area of 1 mm2Correlation between the number of crystal grains per particle and the average cross-sectional area of the crystal grains is shown, which is the same as that defined in the grain size number in the martensite 2 structure (the austenite grain size test method for steel (JIS G 0551) described above) 2), the cross-sectional area is 1 mm by applying FIG.2 The number of per crystal grains or the average cross-sectional area of crystal grains can be roughly determined.
[0013]
Further, at least one carbide 3 of Fe or Cr is precipitated on the surface by surface hardening treatment, and the average particle size of the carbide 3 in this structure is 0.5 to 10 μm, and the area ratio of the carbide 3 in the structure In the range of 1 to 20 percent, at least 0.5 mm from the surface is HV700 or more, and the surface roughness is Ra2 or less.
[0014]
The surface hardening treatment of the iron alloy component 1 is performed as follows.
[0015]
First, the material of SCM420H is used as the base material of the iron alloy component 1 as described above.
[0016]
Then, the substrate is carburized for the first time. That is, when carburizing with gas, when the horizontal left-right direction is the longitudinal direction of the carburizing furnace, the side surfaces in the front-rear direction, the ceiling surface, and the bottom surface are closed walls, and at least the front and rear side surfaces and the ceiling surface are electrically heated or gas The heating means by a burner is arrange | positioned, and it becomes what respectively arrange | positioned the opening-and-closing door at both ends of the left-right direction. One of the open / close doors serves as a carry-in entrance for the iron alloy member 1 placed on a metal pallet subjected to a carbon-proof treatment, and the other serves as a carry-out exit. In the carburizing furnace, in order to further create a carbon atmosphere, a gas inlet for introducing a carburizing gas composed of a hydrocarbon gas such as CO gas or methane, and CO2 gas or water vapor that does not penetrate the surface of the iron alloy member 1 (heating heat) Exhaust gas outlets (including gases that can result from combustion) are provided. Carburization is performed by introducing the carburizing gas into the furnace and heating the carburizing gas to a predetermined temperature by a heating means on the wall surface, or stopping the heating and stopping the heating (furnace cooling). Heating is performed by detecting the heating color of the surface of the iron alloy component 1 and measuring the temperature, or by measuring the temperature with a temperature sensor inserted in the furnace and controlling the heating amount. The carbon atmosphere concentration is calculated by detecting a 02 gas concentration and using a predetermined calculation program. In order to make the carbon atmosphere concentration constant, the feed amount of the carburizing gas is feedback-controlled while detecting the 02 gas concentration. In this embodiment, as shown in FIG. 4, the carbon atmosphere concentration is CP (carbon potential) = 1.60, and after carburizing by heating at 950 ° C. for 3 hours, the temperature of the Al wire ( Or iron alloy heated together with the pallet in an oil tank or a water tank containing a predetermined volume or more of oil or water. Quenching (MQ) for immersing the member 1 is performed. That is, CP is the value of the steel concentration shown in FIG. 3 so that the carbon concentration (C%) is in the range from the S point (0.8% C) to the E point (2.1% C). While it is set to 1.60, it is set to a temperature range above the Al wire, here 950 ° C. In this way, the surface of the excessively carburized steel exhibits a hypereutectoid structure in which free cementite appears in the grain boundaries.
[0017]
As for the metal structure formed by this first carburization, the average grain size of the martensite 2 crystal grains is about 20 μm as shown in FIG. 5, and further expanding this, as shown in FIG. Between the crystal grains of the large martensite 2, a net-like carbide 3 is precipitated. Further, as shown in FIG. 7, the average grain size of the martensite 2 crystal grains is about 25 μm at the center.
[0018]
Next, the second carburization is performed on the first carburized one. In this case, the carbon atmosphere concentration is heated at 900 ° C. for 2 hours at CP = 1.20, and then heated at 850 ° C. for 20 minutes. That is, CP is the value of the steel concentration shown in FIG. 4 so that the carbon concentration (C%) is in the range from the S point (0.8% C) to the E point (2.1% C). While it is set to 1.20, it is set to a temperature range below the Acm line and above the Al line, here 900 ° C.
[0019]
By this treatment, carbon in the excessive carburized layer is diffused into the inside and C% of the surface is kept at 0.8% or more. If it is less than 0.8%, the carbide 3 does not precipitate on the surface.
[0020]
Then, quenching (MQ) of either oil quenching or water quenching is performed, and tempering is performed by heating at 160 ° C. for 1 hour 30 minutes.
[0021]
As for the metal structure formed by the second carburizing, the average grain size of the martensite 2 crystal grains is about 5 μm as shown in FIG. 8, and when this is enlarged, as shown in FIG. As the grain size of the martensite 2 becomes smaller than the first, the carbide 3 changes from a network to a fine grain.
[0022]
In the central portion, as shown in FIG. 10, the average grain size of the martensite 2 crystal grains is approximately 14 μm.
[0023]
In addition, when cooling after the first carburizing is performed by quenching instead of furnace cooling, the austenite crystal grains are not all martensite 2 in the surface, and residual austenite may be mixed. 2 and the residual austenite crystal grains have an average diameter of about 20 μm, and the remaining austenite crystal grains remain after quenching after the second carburizing regardless of the cooling method after the first carburizing. There is also. Even in this case, the average diameter of the martensite 2 and retained austenite grains is approximately 5 μm, and the grain sizes of the martensite 2 and retained austenite grains are defined in the austenite grain size test method for steel (JIS G 0551). The particle size measured and calculated by the same method as the method can be 7 to 10. That is, in a state where heat treatment is completed after a plurality of carburizing steps and post treatments, a structure in the range of at least 100 μm from the surface can be configured to include martensite even if residual austenite crystal grains are mixed. .
[0024]
By performing carburization a plurality of times in this way, the surface of the iron alloy component 1 is composed of the martensite 2 as described above, and the carbide 3 (FeThreeC or CrThreeC) will be deposited. And while carburizing from the surface of the iron alloy component 1 to a deep place, the carbide | carbonized_material 3 will disperse | distribute particle | grains and strength will improve.
[0025]
Furthermore, as shown in FIG. 11, in the surface layer of 0.1 mm from the surface, when analyzing the image of three circular field ranges (field 1, field 2, field 3) having a diameter of 44.06 μm, The dispersion state of the carbide 3 particles is as shown in FIG. That is, the average value of the visual fields 1 to 3 is the total particle area (μm2) Is 90.93 μm2The area ratio (%) is 5.97%, the number of particles is 69.67, the maximum particle size (μm) is 3.56 μm, the minimum particle size (μm) is 0.35 μm, and the average particle size (μm). ) Becomes 1.1 μm. This fine carbide 3 inhibits the growth of the martensite 2 crystal grains, the grain size of the martensite 2 near the surface can be made fine (average particle size of 1 to 10 μm), the surface stress is increased, and the bending strength is improved. be able to. The normal average particle size is about 10 to 20 μm.
[0026]
That is, FIG. 13 shows the relationship between depth and hardness (Hv) in the case where the base material of SCM420 is carburized as described above. According to this, the effective hardening depth which becomes Hv550 is 1.45 mm (E1.45), the surface hardness is Hv890, and the center hardness is Hv441.
[0027]
The effective curing depth may be changed in the range of 1 to 2 mm by lowering or increasing the surface hardness from Hv890 while maintaining the hardness in the range of 0.5 mm from the surface at Hv700 or higher.
[0028]
Further, the martensite crystal grain size and 107FIG. 14 shows the relationship between the fatigue strength and the fatigue strength when the crystal grain size is 10 μm or less. If it tries, since an average particle diameter can be made into about 1-10 micrometers by multiple times carburization as mentioned above, fatigue strength can also be enlarged.
[0029]
Further, FIG. 15 shows data in the case where the smoothed material carburized as described above was subjected to the Ono-type rotary bending test at room temperature, and FIG. 16 shows the stress amplitude (MPa) and the number of repetitions of fracture ( N). According to this, in the measurement units 1, 2, 3, 4, 5, 8, 9, and 11, the number of fracture repetitions (N) is 1.00E + 07 (107) In the measurement units 8, 9, and 11, the stress amplitude (MPa) exceeds 1000.
[0030]
On the other hand, FIG. 17 shows data when a smoothing material carburized once as in the prior art is subjected to an Ono-type rotary bending test at room temperature, and FIG. 18 shows the stress amplitude (MPa) and fracture. The relationship with the number of repetitions (N) is shown. According to this, in the measurement units 1, 2, and 3, the number of repeated repetitions (N) is 1.00E + 07 (107) In these measurement units 1, 2, and 3, the stress amplitude (MPa) is smaller than 800.
[0031]
Therefore, it can be seen that the strength against repeated stress is improved by performing the carburization a plurality of times as in the first embodiment of the present invention.
[0032]
Furthermore, when the surface roughness is set to Ra2 or less, it is possible to prevent a decrease in strength due to stress concentration, and it is possible to further improve the strength by combining shot peening with the above-mentioned multiple carburization.
[0033]
[Embodiment 2 of the Invention]
FIG. 19 shows a second embodiment of the present invention.
[0034]
The second embodiment is different from the first embodiment in the carburizing method. That is, the first carburization is performed on the base material of the iron alloy component 1 similar to that of the first embodiment. This is because the carbon atmosphere concentration is CP (carbon potential) = 1.40, carburized by heating at 950 ° C. for 3 hours, and then cooled to a temperature below the temperature of the Al wire (727 ° C.). (FC) or quench (MQ).
[0035]
Next, the second carburization is performed on the first carburized one. This is done by heating at 850 ° C. for 20 minutes after heating at 900 ° C. for 2 hours in a CP atmosphere of CP = 1.20.
[0036]
Thereafter, quenching (MQ) with oil or water is performed.
[0037]
Even if it does in this way, the effect substantially the same as Embodiment 1 is acquired.
[0038]
Embodiment 3 of the Invention
FIG. 20 shows a third embodiment of the present invention.
[0039]
In the third embodiment, carburization is performed three times. That is, the first carburization is performed on the base material of the iron alloy component 1 similar to that of the first embodiment. This is because the carbon atmosphere concentration is CP (carbon potential) = 1.60, carburized by heating at 950 ° C. for 3 hours, and then cooled to a temperature below the temperature of the Al wire (727 ° C.). (FC) or quench (MQ).
[0040]
Next, the second carburization is performed on the first carburized one. In this case, carburization is performed by heating at 900 ° C. for 2 hours in a carbon atmosphere concentration of CP = 1.20, and then the furnace is cooled to a temperature lower than the temperature of the Al wire (727 ° C.).
[0041]
Further, the third carburization is performed on the finished carburization of the second time. In this case, carburization is performed by heating at 820 ° C. for 1 hour while the carbon atmosphere concentration is CP = 1.20.
[0042]
Thereafter, quenching (MQ) with oil or water is performed.
[0043]
Even if it does in this way, the effect substantially the same as Embodiment 1 is acquired.
[0044]
[Embodiment 4 of the Invention]
In FIG. 20, the first carburizing is performed on the base material of the iron alloy component 1 similar to that of the first embodiment. This is because the carbon atmosphere concentration is CP (carbon potential) = 1.05, and after carburizing by heating at 850 ° C. for 2 hours, the furnace is cooled to a temperature below the temperature of the Al wire (727 ° C.). (FC) or quench (MQ).
[0045]
Next, the second carburization is performed on the first carburized one. In this case, carburization is performed by heating at 800 ° C. for 30 minutes in a CP atmosphere of CP = 1.00.
[0046]
Thereafter, quenching (MQ) with oil or water is performed.
[0047]
[Embodiment 5 of the Invention]
FIG. 22 shows a fifth embodiment of the present invention.
[0048]
In the fifth embodiment, the first carburization is performed on the base material of the iron alloy component 1 similar to the first embodiment. This is because the carbon atmosphere concentration is CP (carbon potential) = 1.20, carburized by heating at 900 ° C. for 1 hour, and then cooled to a temperature below the temperature of the Al wire (727 ° C.). (FC) or quench (MQ).
[0049]
Next, the second carburization is performed on the first carburized one. In this case, carburization is performed by heating at 800 ° C. for 30 minutes in a CP atmosphere of CP = 1.00.
[0050]
Thereafter, quenching (MQ) with oil or water is performed.
[0051]
Here, it can be seen that the martensite crystal grain size in the iron alloy part 1 manufactured by the method described in the first to fifth embodiments has a distribution as shown in FIG. 22 and is smaller than 10 μm. As a result, since the average particle size becomes about 5 μm by carburizing a plurality of times as described above, the fatigue strength rapidly increases as is apparent from FIG. Incidentally, in the case of one-time carburization, as shown in FIG. 23, since the crystal grain size is about 14 μm, it can be seen that the fatigue strength is greatly reduced as compared with the above.
[0052]
[Sixth Embodiment of the Invention]
24 to 33 show a sixth embodiment of the present invention.
[0053]
In the sixth embodiment, the entire iron alloy part is not carburized a plurality of times, but has a part carburized once and a part carburized twice.
[0054]
That is, FIGS. 24 and 25 show the integrated connecting rod 11.
[0055]
The connecting rod 11 has a small end portion 11a connected to a piston side (not shown) and a large end portion 11b connected to a crankshaft side (not shown), and these are connected via a connecting rod portion 11c. ing.
[0056]
And since the small end part 11a and the large end part 11b are connected with a piston and a crankshaft, since the hardness of the surface is required, the connecting rod part 11c is in contrast to being carburized twice. Since the hardness of the surface is not so required, it is carburized once.
[0057]
More specifically, the regions having a hardness of HV700 or higher are the large end portion 11b and the small end portion 11a, which are at least 0.5 mm or more from the surface, and are less than 0.5 mm at the connecting rod portion 11c.
[0058]
The structure of the surface layer is composed of martensite 2, and the average particle size of the carbide 3 in the structure is 0.5 μm to 10 μm in the surface layer of the large end portion 11b and the small end portion 11a, and the connecting rod portion The surface layer of 11c is less than 0.5 μm.
[0059]
The area ratio of the carbide 3 in the structure is 1% or more in the surface layer of the large end portion 11b and the small end portion 11a, and is less than 1% in the surface layer of the connecting rod portion 11c.
[0060]
The martensite grain size of the large end portion 11b and the small end portion 11a is set to a grain size number (JIS G 0551) 7 to 10, and the surface roughness is Ra 2 μm in the surface layer of the large end portion 11b and the small end portion 11a. Thus, the surface layer of the connecting rod portion 11c is less than Ra2 μm.
[0061]
Next, the manufacturing process of the connecting rod 11 will be described. As shown in FIG. 25, first, the material before forging is forged (1), deburred (2), and then the small end 11a is small. End face processing (3) is performed for the end hole 11d, the large end hole 11e of the large end portion 11b, and the small end portion 11a and the large end portion 11b.
[0062]
Thereafter, the connecting rod portion 11c is masked (4) by copper plating or the like, and after the first carburization (5), the masking removal process (6) is performed, and the second carburization (7) is performed.
[0063]
Next, strain removal (8) is performed, and the small end hole 11d and the large end hole 11e are polished (9) to complete the manufacture of the connecting rod 11.
[0064]
On the other hand, as another manufacturing process, for example, the first carburization (10) is performed after the end surface processing (3) of the small end hole 11d, the large end hole 11e, the small end portion 11a, and the large end portion 11b. Then, masking (11) is performed. Thereafter, after performing the second carburization (12), the strain removal (13) is performed, and the small end hole 11d and the large end hole 11e can be polished (14).
[0065]
26 and 27 show the split connecting rod 11.
[0066]
The connecting rod 11 has a small end portion 11a connected to a piston side (not shown) and a large end portion 11b connected to a crankshaft side (not shown), and these are connected via a connecting rod portion 11c. ing. The large end portion 11b is divided, and a large end hole 11e is formed by attaching a cap 11f with a bolt 11g.
[0067]
And since the small end part 11a and the large end part 11b are connected with a piston and a crankshaft, since the hardness of the surface is required, the connecting rod part 11c is in contrast to being carburized twice. Since the hardness of the surface is not so required, it is carburized once.
[0068]
Next, the manufacturing process of the connecting rod 11 will be described. As shown in FIG. 27, first, the material before forging is forged (1) and deburred (2), then the small end hole 11d, End hole 11e processing and small end portion 11a and large end portion 11b end surface processing (3) are performed.
[0069]
Thereafter, the connecting rod portion 11c is masked (4) by copper plating or the like, and after the first carburization (5), the masking removal process (6) is performed, and the second carburization (7) is performed.
[0070]
Next, the strain removal (8) is performed, the large end portion 11b is divided (9), and the large end portion 11b is coupled (10) with the bolt 11g. Then, the small end hole 11d and the large end hole 11e are polished (11) to complete the manufacture of the connecting rod 11.
[0071]
On the other hand, as another manufacturing process, for example, the first carburization (12) is performed after the end face processing (3) of each of the small end hole 11d, the large end hole 11e, the small end portion 11a, and the large end portion 11b. Then, masking (13) is performed. Then, after performing the second carburization (14), the distortion removal (15) is performed, the large end portion 11b is divided (16), and the large end portion 11b is coupled (17) with the bolt 11g. Then, the small end hole 11d and the large end hole 11e are polished (18) to complete the manufacture of the connecting rod 11.
[0072]
28 and 29 show the crankshaft 13.
[0073]
As shown in FIG. 28 (a), the crankshaft 13 includes a crankpin portion 13a to which a connecting rod is connected, a journal portion 13b to be connected to a crankcase, a crank web portion 13c for generating an inertial force during rotation, and the like. In addition, as shown in FIG. 28B, an oil hole 13d, an end screw portion 13e, and the like are formed.
[0074]
And since the crankpin part 13a and the journal part 13b are connected with a connecting rod and a crankcase, and the surface hardness is required, the crank web part 13c Since the surface hardness is not so required, it is carburized once.
[0075]
Next, the manufacturing process of the crankshaft 13 will be described. As shown in FIG. 29, first, the material before forging is forged (1) and deburred (2), and then the crankpin portion 13a, The journal part 13b, the oil hole 13d, and the end screw part 13e are processed (3).
[0076]
Thereafter, the first carburization (4) is performed, and the crank web portion 13c is masked (5). In this masking method, first, the entire crankshaft 13 is plated with copper, and then the outer peripheral plating of the journal portion 13b and the crankpin portion 13a is removed.
[0077]
Next, after performing the second carburization (6), the distortion removal (7) is performed, and the outer periphery polishing (8) of the journal portion 13b, the crankpin portion 13a and the like is performed, and the manufacture of the crankshaft 13 is completed.
[0078]
30 and 31 show the reduction gear 15.
[0079]
As shown in FIG. 29, the reduction gear 15 is formed with an insertion hole 15b into which a shaft is inserted into the middle intermediate disk portion 15a. A bush 15c is press-fitted into the insertion hole 15b after the reduction gear 15 is completed. It is like that. A boss portion 15e having a plurality of boss holes 15d is formed around the intermediate disk portion 15a, and a large number of tooth portions 15f are formed at the peripheral portion.
[0080]
The tooth surface of the tooth portion 15f is carburized twice because the surface hardness is required, whereas the intermediate disk portion 15a and the boss portion 15e other than that have a surface hardness that much. Since it is not required, it has been carburized once.
[0081]
Next, the manufacturing process of the reduction gear 15 will be described. As shown in FIG. 31, first, the material before forging is forged (1) and deburred (2), and then the outer shape, the boss hole 15d. Then, processing (3) of the end surface of the boss 15e, the tooth surface, etc. is performed.
[0082]
Thereafter, the intermediate disk portion 15a and the boss portion 15e are masked (4) by copper plating, and then the first carburization (5) is performed to perform the masking removal process (6). Then, second carburization (7) is performed, tooth surface polishing (8) is performed, and the production of the reduction gear 15 is completed.
[0083]
On the other hand, as another manufacturing process, for example, after processing (3) the outer shape, the boss hole 15d, the end surface of the boss portion 15e, the tooth surface, etc., after performing the first carburization (9), the intermediate disk portion 15a and the boss portion Mask 15e (10). Next, the second carburization (11) is performed, the tooth surface 15f is ground (12), and the production of the reduction gear 15 is completed.
[0084]
32 and 33 show the piston pin 17.
[0085]
This piston pin 17 connects a piston and a connecting rod, and as shown in FIG. 31, a through hole 17b is formed inside a rod-like piston pin main body 17a.
[0086]
And since the outer peripheral surface of this piston pin main body 17a requires surface hardness, it is carburized twice, whereas the inner peripheral surface of the through-hole 17b does not require so much surface hardness. Carburized once.
[0087]
Next, the manufacturing process of the piston pin 17 will be described. As shown in FIG. 32, first, the rod is cut at both end faces (1), and the through hole 17b, outer shape, and end face processing (2) are performed. Then, the inner peripheral portion of the through hole 17b is masked (3), the first carburization (4) is performed, and the masking removal (5) is performed. Next, after performing the second carburization (6), outer shape centerless polishing (7) is performed, and the manufacture of the piston pin 17 is completed.
[0088]
On the other hand, as another manufacturing process, for example, after the through hole 17b, outer shape, and end face processing (2), the first carburization (8) is performed, and then the inner peripheral portion of the through hole 17b is masked (9). Next, the second carburization (10) is performed, the outer shape centerless polishing (11) is performed, and the manufacture of the piston pin 17 is completed.
[0089]
Thus, in the sixth embodiment, carburizing can be performed more rationally by carburizing only a portion requiring surface strength a plurality of times and carburizing the other portions once.
[0090]
In addition, masking or masking removal is performed in a plurality of forging steps of the connecting rod 11 shown in FIGS. 25 and 27, the crankshaft 13 shown in FIG. 29, the reduction gear 15 shown in FIG. 31, and the piston pin 17 shown in FIG. However, the carburizing tank is only the surface of the iron alloy parts, the inside is sufficiently tough, and the toughness of the surface tank is not particularly required (in the case of internal combustion engine parts where the output of the internal combustion engine is small, etc.) In addition, masking may not be performed during a plurality of carburizing steps of the iron alloy parts such as the connecting rod 11, the crankshaft 13, the reduction gear 15 and the piston pin 17, and a surface hardened structure may be formed on the entire iron alloy parts by a plurality of carburizing processes. .
[0091]
Furthermore, in each of the multiple carburizing heat treatments shown in FIGS. 4 and 19 to 22, the iron alloy part is further heated to a temperature of approximately 160 ° C. and maintained at a temperature of approximately 160 ° C. for about 1 hour 30 minutes, and then air-cooled. You may make it implement tempering. Thereby, distortion can be removed while maintaining the surface hardened structure.
[0092]
Furthermore, in the case of carbonitriding, a carbon / nitrogen atmosphere is created by introducing a carbonitriding gas in which ammonia gas is added to a hydrocarbon gas such as CO gas or methane into a heating furnace. In this case, while controlling the nitrogen atmosphere concentration to be a predetermined value, other heating temperature, heating holding time, carbon atmosphere concentration, number of heating and cooling, cooling method, and the like are shown in FIG. 4 or FIGS. It may be the same as. Thus, carbonitriding may be performed a plurality of times, or one of the plurality of heat treatments may be carburized and the other may be carbonitrided. It is the same as in the case of multiple carburization that masking is not required during the multiple carbonitriding process of iron alloy parts or during the combined multiple carburizing and carbonitriding process. Multiple carburization, multiple carbonitriding, carburizing and carbonitriding combined multiple treatments not only increase the surface hardness of iron alloy parts, but also the surface structure is composed only of dense martensite crystal grains, or dense residual austenite is mixed It is made of dense martensite crystal grains and can improve wear resistance and fatigue strength.
[0093]
Furthermore, the data of FIGS. 13 to 17 are for the case where SCM420H is used as a base material, but a plurality of carburized steels with all the structural steel materials described in FIGS. 1 and 34 to 38 as base materials. By performing a plurality of combinations of multiple carbonitriding, carburizing and carbonitriding, it is possible to improve the wear resistance and fatigue strength of the iron alloy component.
[0094]
【The invention's effect】
  As described above, according to the invention described in claim 1,Integrated connecting rod for internal combustion enginesThe surface strength of can be improved as compared with the prior art.
[0095]
  Also,Claim1According to the invention described in (1), by setting the surface roughness to Ra2 or less, a practically beneficial effect is exhibited in that strength reduction due to stress concentration can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a table showing symbols and chemical components of steel material types according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a table showing martensite grain size numbers according to the first embodiment.
FIG. 3 is a state diagram of steel according to the first embodiment.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a carburizing method according to the first embodiment.
FIG. 5 is an enlarged view showing the metal structure of the surface of the iron alloy part when carburized once according to the first embodiment.
6 is a further enlarged view of the surface of the metal structure shown in FIG. 5 according to the first embodiment.
FIG. 7 is an enlarged view showing a metal structure of a central portion of an iron alloy part when carburized once according to the first embodiment.
FIG. 8 is an enlarged view showing a metallographic structure of the surface of the iron alloy part when carburized twice according to the first embodiment.
9 is a further enlarged view of the surface of the metal structure shown in FIG. 8 according to the first embodiment.
FIG. 10 is an enlarged view showing the metal structure of the central portion of the iron alloy part when carburized twice according to the first embodiment.
11 is a view showing the surface of the iron alloy component according to Embodiment 1. FIG.
FIG. 12 is a table showing a dispersion state of carbide particles in the twice-carburized metal structure according to the first embodiment.
FIG. 13 is an altitude curve diagram according to the first embodiment.
FIG. 14 shows the martensite crystal grain size and 10 according to the first embodiment.7It is a graph which shows the relationship with the time fatigue strength.
15 is a table showing the life and the like in each part of the iron alloy component according to Embodiment 1. FIG.
FIG. 16 is a graph showing the relationship between the number of fracture repetitions and the stress amplitude according to the first embodiment.
FIG. 17 is a table showing the life of each part of a conventional iron alloy part.
FIG. 18 is a graph showing the relationship between the number of repeated fractures and the stress amplitude in each part of a conventional iron alloy part.
FIG. 19 is an explanatory diagram of a carburizing method according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 20 is an explanatory diagram of a carburizing method according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 21 is an explanatory diagram of a carburizing method according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 22 is an explanatory diagram of a carburizing method according to Embodiment 5 of the present invention.
FIG. 23 is a graph showing the martensite crystal grain size in the first to fifth embodiments.
FIGS. 24A and 24B are views showing an integrated connecting rod according to Embodiment 6 of the present invention, in which FIG. 24A is a front view of the connecting rod, FIG. 24B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. ) Is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
25 is a diagram of a manufacturing process of the connecting rod shown in FIG. 24 according to Embodiment 6. FIG.
26A and 26B are diagrams showing a split type connecting rod according to the sixth embodiment, where FIG. 26A is a front view showing a cross section of a part of the connecting rod, and FIG. 26B is a cross section showing a split portion at the large end of the connecting rod. It is.
27 is a diagram showing a manufacturing process of the connecting rod shown in FIG. 26 according to the sixth embodiment. FIG.
FIG. 28 shows a crankshaft according to the sixth embodiment, where (a) is a front view of the crankshaft and (b) is a partially enlarged sectional view of the crankshaft.
29 is a diagram of a manufacturing process of the crankshaft shown in FIG. 28 according to the sixth embodiment. FIG.
30 is a view showing a reduction gear according to Embodiment 6, wherein (a) is a front view of the reduction gear, and (b) is a cross-sectional view taken along line CC of (a). FIG.
FIG. 31 is a diagram of a manufacturing process of the reduction gear shown in FIG. 30 according to the sixth embodiment.
32 is a sectional view showing a piston pin according to the sixth embodiment. FIG.
33 is a diagram of a manufacturing process of the piston pin shown in FIG. 32 according to the sixth embodiment. FIG.
FIG. 34 is a table showing steel type symbols and chemical components according to another embodiment of the present invention.
FIG. 35 is a table showing symbols and chemical components of steel material types according to other embodiments of the present invention.
FIG. 36 is a table showing steel material type symbols and chemical components according to another embodiment of the present invention.
FIG. 37 is a table showing symbols and chemical components of steel material types according to other embodiments of the present invention.
FIG. 38 is a table showing symbols and chemical components of steel types according to other embodiments of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Iron alloy parts
2 Martensite
3 Carbide

Claims (3)

化学成分としてCを0.1から0.5重量%、Siを0.1から0.5重量%、Crを0.3から1.5重量%、含有する鉄を基材とする内燃機関用一体型コンロッドにおいて、
前記内燃機関用一体型コンロッドは、ピストン側に接続される小端部と、クランクシャフト側に接続される大端部と、前記小端部及び前記大端部を連結する連結棒部とを有し、
前記小端部及び前記大端部は表面硬化処理が2回行われ、それぞれ表面から少なくとも100μmの範囲の組織をマルテンサイトを含んで構成し、該マルテンサイト結晶粒径を粒度が、鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法(JIS G0551)に規定する粒度測定対象表面の顕微鏡による粒度測定方法、及びこの顕微鏡測定に基づく平均粒度番号算出方法及び粒度算出方法と同一の方法で測定算出する場合7から10とし、又、表面にFeあるいはCrの少なくとも一方の炭化物を析出させ、該炭化物の平均粒径を0.5から10μmとすると共に、該組織中の炭化物の面積率を1パーセントから20パーセントとし、表面から少なくとも0.5mmの範囲の硬さをHV700以上とし、表面粗さをRa2μm以上とし、
前記連結棒部は前記表面硬化処理が1回行われ、該連結棒部の表面層で組織中の炭化物の面積率を1%未満とし、該炭化物の平均粒径を0.5μm以下としたことを特徴とする内燃機関用一体型コンロッド
For internal combustion engine based on iron containing 0.1 to 0.5 wt% C, 0.1 to 0.5 wt% Si, 0.3 to 1.5 wt% Cr as chemical components In an integrated connecting rod ,
The integrated connecting rod for an internal combustion engine has a small end connected to the piston side, a large end connected to the crankshaft, and a connecting rod portion connecting the small end and the large end. And
The small end portion and the large end portion are subjected to a surface hardening treatment twice, each of which has a structure in the range of at least 100 μm from the surface including martensite, and the martensite crystal grain size is austenite of steel. 7 to 10 when measuring and calculating by the same method as the particle size measurement method and the particle size calculation method based on this microscope measurement, and the particle size measurement method for the particle size measurement target surface specified in the crystal grain size test method (JIS G0551) Further, at least one carbide of Fe or Cr is precipitated on the surface, the average particle size of the carbide is 0.5 to 10 μm, and the area ratio of the carbide in the structure is 1 to 20 percent, To a hardness of at least 0.5 mm in range HV700 or more, surface roughness Ra2μm or more,
The connecting rod portion is subjected to the surface hardening treatment once, the surface layer of the connecting rod portion has a carbide area ratio of less than 1%, and the carbide has an average particle size of 0.5 μm or less. An integrated connecting rod for an internal combustion engine .
請求項1に記載の内燃機関用一体型コンロッドを製造するための内燃機関用一体型コンロッドの製造方法であって、前記内燃機関用一体型コンロッドの連結棒部をマスキング処理して前記小端部及び前記大端部に1回目の表面硬化処理を行い、次いでマスキング除去処理が行われた後、前記内燃機関用一体型コンロッドの全体に対して2回目の表面硬化処理を行うことで、前記小端部及び前記大端部に2回の前記表面硬化処理を行うと共に前記連結棒部に1回の前記表面硬化処理を行うことを特徴とする内燃機関用一体型コンロッドの製造方法。2. A method of manufacturing an integrated connecting rod for an internal combustion engine for manufacturing the integrated connecting rod for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the connecting rod portion of the integrated connecting rod for the internal combustion engine is masked to form the small end portion. Then, after the first surface hardening treatment is performed on the large end portion and then the masking removal treatment is performed, the second surface hardening treatment is performed on the whole of the integral connecting rod for the internal combustion engine, thereby A method for manufacturing an integral connecting rod for an internal combustion engine, wherein the surface hardening treatment is performed twice on the end portion and the large end portion, and the surface hardening treatment is performed once on the connecting rod portion. 請求項1に記載の内燃機関用一体型コンロッドを製造するための内燃機関用一体型コンロッドの製造方法であって、前記内燃機関用一体型コンロッドの全体に対して1回目の表面硬化処理を行い、次いで連結棒部のマスキング処理を行った後、前記小端部及び前記大端部に2回目の表面硬化処理を行うことで、前記小端部及び前記大端部に2回の前記表面硬化処理を行うと共に前記連結棒部に1回の前記表面硬化処理を行うことを特徴とする内燃機関用一体型コンロッドの製造方法。A method for producing an integral connecting rod for an internal combustion engine for producing the integral connecting rod for an internal combustion engine according to claim 1, wherein a first surface hardening treatment is performed on the entire integral connecting rod for an internal combustion engine. Then, after performing the masking treatment of the connecting rod portion, the surface hardening is performed twice on the small end portion and the large end portion by performing a second surface hardening treatment on the small end portion and the large end portion. A method for producing an integral connecting rod for an internal combustion engine, wherein the surface hardening treatment is performed once on the connecting rod portion.
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