JPH0570879A

JPH0570879A - 内燃機関用コンロツド

Info

Publication number: JPH0570879A
Application number: JP4036748A
Authority: JP
Inventors: Haruo Shiina; 治男椎名; Riyouichi Murakashi; 良一村樫; Masami Hoshi; 雅己星
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1986-08-06
Filing date: 1992-02-24
Publication date: 1993-03-23
Anticipated expiration: 2010-02-01
Also published as: JPH079050B2

Abstract

(57)【要約】【目的】優れた機械的特性を有する内燃機関用コンロ
ッドを提供する。【構成】コンロッド本体３は、１２．０重量％≦Ｓｉ≦２８．０重量％、０．８重量％≦Ｃｕ≦５．０重量％、０．３重量％≦Ｍｇ≦３．５重量％、２．０重量％≦Ｆｅ≦１０．０重量％、０．５重量％≦Ｍｎ≦２．９重量％および不可避不純物を含む残部Ａｌよりなる急冷凝固ア
ルミニウム合金粉末を用いた高強度アルミニウム合金よ
り構成される。コンロッド本体３にボルト４により締結
されるキャップ５は、前記急冷凝固アルミニウム合金粉
末を用いた高強度アルミニウム合金マトリックスに、Ａ
ｌ₂Ｏ₃粒子、ＳｉＣ粒子、Ｓｉ₃Ｎ₄粒子および金属
Ｓｉ粒子から選択される少なくとも一種の硬質粒子を
１．５重量％以上、１５．０重量％以下分散させた複合
材より構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関用コンロッド、
特に、桿部を有するコンロッド本体と、そのコンロッド
本体にボルトにより締結されるキャップとを備えた内燃
機関用コンロッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種コンロッドとして、粉末冶
金法の適用により大量のＳｉ、Ｆｅ、Ｍｎ等を添加した
高強度アルミニウム合金より構成されたものが知られて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
コンロッド用高強度アルミニウム合金（以下、公知合金
と称す）には次に述べるような諸問題点がある。（ａ）公知合金は微細金属組織を有するので、強度的
には優れているが、クリープ特性が劣るため、高温下で
常時圧縮応力を受けるキャップのボルト締結部では、長
時間の使用に伴いクリープ縮みが増加し、その結果、ボ
ルト締結力が減少したり、極端な場合にはボルト締結部
の破壊に至るおそれがある。（ｂ）公知合金は大量のＳｉ、Ｆｅ、Ｍｎ等の添加に
より熱膨脹係数の低下およびヤング率の向上を狙ってい
るが、工業材料としての生産性および靱性を考慮する
と、熱膨脹係数は約１８×１０^-6／℃、ヤング率は約１
００００kg／mm²が限界である。

【０００４】アルミニウム合金よりコンロッドを構成
し、それを鋼製クランクシャフトと組合せた場合、それ
らの間のクリアランス、圧入代等を決定するに当り、ア
ルミニウム合金の熱膨脹係数が鋼のそれに接近していれ
ば設計上の自由度が増すことになるが、公知合金ではこ
のような要求を満たすことができない。そのため、コン
ロッドのクランクピン孔とクランクシャフトのクランク
ピンとの間のクリアランスは温度の上昇に伴い大幅に増
大する。

【０００５】またヤング率は、荷重を受けた時のコンロ
ッドの弾性域における変位、歪を左右する重要なフアク
タであり、コンロッドの小型化を図るためにはヤング率
を十分に大きくする必要があるが、公知合金ではこのよ
うな要求を満たすことができない。（ｃ）公知合金は、それに析出する初晶Ｓｉ、共晶Ｓ
ｉ、金属間化合物等が非常に微細であるため、摺動摩耗
量が比較的多く、その結果高面圧、高速摺動下では耐久
性に乏しいといった問題があり、コンロッド構成材料と
して満足すべきものではない。

【０００６】本発明は前記諸問題を解決し得る前記内燃
機関用コンロッド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】本発明は、桿部を有する
コンロッド本体と、そのコンロッド本体にボルトにより
締結されるキャップとを備えた内燃機関用コンロッドに
おいて、前記コンロッド本体は、１２．０重量％≦Ｓｉ≦２８．０重量％、０．８重量％≦Ｃｕ≦５．０重量％、０．３重量％≦Ｍｇ≦３．５重量％、２．０重量％≦Ｆｅ≦１０．０重量％、０．５重量％≦Ｍｎ≦２．９重量％および不可避不純物を含む残部Ａｌよりなる急冷凝固ア
ルミニウム合金粉末を用いた高強度アルミニウム合金よ
り構成され、前記キャップは、前記急冷凝固アルミニウ
ム合金粉末を用いた高強度アルミニウム合金マトリック
スに、Ａｌ₂Ｏ₃粒子、ＳｉＣ粒子、Ｓｉ₃Ｎ₄粒子お
よび金属Ｓｉ粒子から選択される少なくとも一種の硬質
粒子を１．５重量％以上、１５．０重量％以下分散させ
た複合材より構成されていることを特徴とする。

【０００８】

【作用】急冷凝固アルミニウム合金粉末の組成を前記の
ように特定すると、優れた高温強度、耐摩耗性およびヤ
ング率を有し、また熱膨脹係数の低下を図ると共に耐応
力腐食割れ特性を改善された高強度アルミニウム合金、
したがってコンロッド本体およびキャップのマトリック
スを構成することができる。

【０００９】また急冷凝固アルミニウム合金は一般に難
加工性であるが、前記のように各化学成分の含有量を特
定することによって、熱間押出し加工性、熱間鍛造加工
性等の熱間塑性加工性を向上させてコンロッド本体およ
びキャップの生産性を良好にすることができる。

【００１０】各化学成分および硬質粒子の含有理由およ
び含有量の限定理由は以下の通りである。（ａ）ＳｉについてＳｉは、急冷凝固アルミニウム合金粉末より形成される
コンロッド本体およびキャップのマトリックスにおける
耐摩耗性、ヤング率および熱伝導率を向上し、また熱膨
脹係数を低下する効果を有する。ただし、１２．０重量
％を下回ると前記効果を得ることができず、一方、２
８．０重量％を上回ると、熱間押出し加工および熱間鍛
造加工において成形性が悪化し、コンロッド本体等に割
れを生じ易くなる。（ｂ）ＣｕについてＣｕは、熱処理においてコンロッド本体等を強化する効
果を有する。ただし、０．８重量％を下回ると前記効果
を得ることができず、一方、５．０重量％を上回ると、
熱間鍛造加工性が低下し、またコンロッド本体等の耐応
力腐食割れ特性が悪化する。（ｃ）ＭｇについてＭｇは、Ｃｕと同様に熱処理においてコンロッド本体等
を強化する効果を有する。ただし、０．３重量％を下回
ると前記効果を得ることができず、一方、３．５重量％
を上回ると、熱間鍛造加工性が低下し、またコンロッド
本体等の耐応力腐食割れ特性が悪化する。（ｄ）ＦｅについてＦｅは、コンロッド本体等の高温強度およびヤング率を
向上させる効果を有する。ただし、２．０重量％を下回
ると、コンロッド本体等における高温強度の向上を期待
することができず、一方、１０．０重量％を上回ると高
速熱間鍛造加工が事実上不可能となる。（ｅ）ＭｎについてＭｎは、特にＦｅ≧４重量％の範囲において、熱間鍛造
加工性を向上させ、またコンロッド本体等の高温強度お
よび耐応力腐食割れ特性を改善する効果を有する。ただ
し、０．５重量％を下回ると、前記効果を得ることがで
きず、一方、２．９重量％を上回ると、却って熱間鍛造
加工性が悪化する等、悪影響が現れる。（ｆ）硬質粒子について前記のように特定された４種の硬質粒子は、キャップの
マトリックスに分散することによりその結晶の転位を固
着して高温下におけるキャップのクリープ特性を改善
し、また熱膨脹係数を低下し、さらにヤング率および耐
摩耗性を向上する効果を有する。ただし、急冷凝固アル
ミニウム合金粉末に対する硬質粒子の含有量が１．５重
量％を下回ると、キャップの耐摩耗性が改善されず、ま
たヤング率の向上および熱膨脹係数の減少の程度も低く
なり、一方、１５．０重量％を上回ると、熱間鍛造加工
性が低下し、またキャップの疲労強度および機械加工性
がそれぞれ著しく低下する。

【００１１】

【実施例】図１は、内燃機関用コンロッド１を示し、そ
のコンロッド１は桿部２を有するコンロッド本体３と、
そのコンロッド本体３にボルト４により締結されるキャ
ップ５とを備えている。

【００１２】前記急冷凝固アルミニウム合金粉末におけ
る各化学成分の含有量は、コンロッド本体３およびキャ
ップ５のマトリックスにおいて、特に耐応力腐食割れ特
性および熱間鍛造加工性を良好にするためには下記に限
定される。

【００１３】１４．０重量％≦Ｓｉ≦１８．０重量％２．０重量％≦Ｃｕ≦５．０重量％０．３重量％≦Ｍｇ≦１．５重量％３．０重量％≦Ｆｅ≦６．０重量％０．５重量％≦Ｍｎ≦２．５重量％前記複合材より、熱的影響を受けるキャップ５を構成す
る場合、このキャップ５についてはヤング率、熱膨脹係
数、クリープ特性および機械加工性が問題となるので、
前記硬質粒子の含有量は９．０重量％以上、１３．０重
量％以下が好ましい。その理由は、９．０重量％を下回
ると、クリープ特性改善効果が減少傾向となり、一方、
１３．０重量％を上回ると機械加工性が低下する傾向に
あるからである。

【００１４】また鋼製クランクシャフトとの摺動摩耗が
問題となる場合には、その鋼の種類にもよるが、硬質粒
子の含有量は２．０重量％以上、４．０重量％以下が好
ましい。その理由は、２．０重量％を下回るとキャップ
５の摩耗量が増える傾向にあり、一方、４．０重量％を
上回るとクランクシャフトの摩耗量が増える傾向にある
からである。

【００１５】キャップ５を製造する場合は、例えば急冷
凝固アルミニウム合金粉末と硬質粒子とを混合して混合
粉末を得、次いでその混合粉末に冷間静水圧プレス成形
法（ＣＩＰ法）等を適用して圧粉体を得、その後圧粉体
に熱間押出し加工を施すものである。

【００１６】この場合、急冷凝固アルミニウム合金粉末
の粒度は、３２５メッシュ以下のものを、４５重量％以
上、７０重量％以下とする。その理由は、前記粒度の粉
末が４５重量％を下回ると疲労強度が低下し、一方、７
０重量％を上回るとクリープ特性が悪化するからであ
る。

【００１７】また硬質粒子の粒径は、疲労強度を損なわ
ずに耐摩耗性を向上し、またクリープ特性を改善するた
めには、５μｍ以上、７４μｍ以下が好ましい。その理
由は５μｍを下回ると、取扱い性が悪くなり、一方、７
４μｍを上回ると、疲労強度が低下する傾向にあるから
である。

【００１８】コンロッド本体３を、硬質粒子を含まない
前記高強度アルミニウム合金より構成する理由は、コン
ロッド本体３は疲労強度が優先して要求されるため硬質
粒子を含まない方が有利であるからである。これに対
し、キャップ５はコンロッド本体３に比べて疲労強度の
要求は少ないが、ボルト締結部の面圧が高く、クリープ
縮みを減少させる必要があるので硬質粒子を含む複合材
より構成する。

【００１９】次に、キャップ５を構成する複合材の製造
方法およびその複合材についての各種試験結果について
説明する。

【００２０】急冷凝固アルミニウム合金粉末として、Ｓ
ｉ１７．２重量％、Ｃｕ２．５重量％、Ｍｇ０．
６重量％、Ｆｅ４．３重量％、Ｍｎ１．８重量％お
よび不可避不純物を含む残部Ａｌよりなる粉末を、アト
マイズ法を適用して、冷却速度１０³〜１０⁴℃／sec
の条件の下に製造する。

【００２１】急冷凝固アルミニウム合金粉末に、表１に
示す含有量にて各種硬質粒子を配合し、以下に述べる各
工程を経て複合材（１）〜（１２）を製造する。

【００２２】即ち、急冷凝固アルミニウム合金粉末と各
硬質粒子とをＶ型ブレンダにて混合した後、各混合粉末
に冷間静水圧プレス成形法（ＣＩＰ法）、または金型圧
縮成形法を適用して密度比７５％の圧粉体を得る。

【００２３】冷間静水圧プレス成形法においては、ゴム
製チューブ内に混合粉末を入れ、１．５〜３．０ton ／
cm²程度の静水圧下で成形を行い、金型圧縮成形法にお
いては、金型内に混合粉末を入れて、常温大気中で１．
５〜３．０ton ／cm²程度の圧力下で成形を行う。各圧
粉体を、炉内温度４００℃の均熱炉内に設置して４時間
保持し、次いで各圧粉体に熱間押出し加工を施して直径
１８mm、長さ４５０mmの丸棒状に成形された複合材
（１）〜（１２）を得る。

【００２４】この場合の押出し方法は、直接押出し（前
方押出し）、間接押出し（後方押出し）のいずれでもよ
いが、押出し比は５以上を必要とする。押出し比が５以
下では、強度のばらつきが大きくなるので好ましくな
い。

【００２５】

【表１】比較のため、前記と同様の手法により表２に示す比較材
（１）〜（３）を製造する。

【００２６】

【表２】なお、比較材（１）は、複合材（１）〜（１２）におけ
るマトリックスと同一組成であり、また比較材（２）は
鋳造材であるＪＩＳＡＣ８Ｃに相当し、さらに比較材
（３）は複合材である。

【００２７】表３は、複合材（１）〜（１２）および比
較材（１），（２）の熱膨脹係数（×１０^-6、２０〜２
００℃）およびヤング率（２００℃、kg／mm²）を示
す。

【００２８】

【表３】表３から明らかなように、複合材（１）〜（１２）は比
較材（１），（２）に比べて、熱膨脹係数が低下し、ま
たヤング率が向上しており、これはマトリックスにＡｌ
₂Ｏ₃等の硬質粒子が分散していることに起因する。

【００２９】表４は、複合材（１）〜（１２）および比
較材（３）に対して応力腐食割れ試験（ＪＩＳＨ８７
１１）を行った場合の結果を示す。

【００３０】応力腐食割れ試験は、縦８０mm、横１０m
m、厚さ２mmのテストピースを、それに対する負荷応力
をσ_0.2×０．９（ただし、σ_0.2は、各複合材（１）
〜（１２）および比較材（３）の０．２％耐力）とし
て、液温３０℃、濃度３．５％のＮａＣｌ水溶液中に２
８日間浸漬することにより行われ、耐応力腐食割れ特性
の優劣はテストピースにおけるクラックの発生の有無に
より判断する。

【００３１】

【表４】表４から明らかなように、複合材（１）〜（１２）は比
較材（３）に比べて耐応力腐食割れ特性が優れており、
これは主としてＭｎの含有に起因する。

【００３２】表５は、複合材（２），（５），（８）お
よび比較材（１）に対して摺動摩耗試験を行った場合の
結果を示す。

【００３３】摺動摩耗試験は、縦１０mm、横１０mm、厚
さ５mmのテストピースを、速度２．５ｍ／sec で回転す
る直径１３５mmのＪＩＳＳ５０Ｃ製円盤に圧力２００
kg／cm²を以て押圧し、また潤滑油を５cc／min の条件
で滴下し、摺動距離１８kmに亘って行われたもので、摩
耗量はテストピースにおける試験前後の重量差（ｇ）を
求めることにより測定される。

【００３４】

【表５】表５から明らかなように、複合材（２），（５），
（８）は比較材（１）に比べて、優れた耐摩耗性を有し
ており、これはマトリックスにＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣ、Ｓ
ｉ₃Ｎ₄といった硬質粒子が分散していることに起因す
る。

【００３５】表６は、複合材（２），（５），（８）お
よび比較材（１）に対してクリープ試験を行った場合の
結果を示す。

【００３６】クリープ試験は、直径１０mm、平行部の長
さ４０mmのテストピースに、１７０℃にて１２kg／mm²
の圧縮力を１００時間に亘って付与することにより行わ
れ、クリープ縮み量はテストピースの試験前後の長さの
比（％）を求めることによって測定される。

【００３７】

【表６】表６から明らかなように、複合材（２），（５），
（８）は、比較材（１）に比べてクリープ縮み量が減少
しており、これはマトリックスにＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣ、
Ｓｉ₃Ｎ₄といった硬質粒子が分散していることにより
マトリックスの結晶の転位が固着されることに起因す
る。

【００３８】なお、鋳造材である比較材（２）のクリー
プ縮み量は０．０４％であり、複合材（２），（５），
（８）のそれは鋳造材に略匹敵する。

【００３９】表７は、コンロッド１における直径４５mm
のクランクピン孔６の寸法変化と温度との関係を示す。

【００４０】実施例コンロッド１は、そのコンロッド本
体３を前記マトリックス材、したがって比較材（１）よ
り構成され、またキャップ５を複合材（３）より構成さ
れている。比較例コンロッド１は、そのコンロッド本体
３およびキャップ５を比較材（１）より構成されてい
る。両コンロッド１において、キャップ５はコンロッド
本体３にボルト４により締結される。

【００４１】

【表７】表７から明らかなように、複合材（３）より構成される
キャップ５を備えた実施例コンロッド１は、比較材
（１）より構成された比較例コンロッド１に比べて温度
上昇に伴うクランクピン孔６の直径変化量が少なく、こ
れにより機関運転時におけるクランクピンとクランクピ
ン孔６間のクリアランス変化を抑制することができる。
これはマトリックスに１０重量％のＡｌ₂Ｏ₃粒子を分
散させたことによりキャップ５の熱膨脹係数の低下が図
られていることに起因する。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、前記のように特定され
た構成材料を用いることによって、優れた高温強度、耐
摩耗性およびヤング率を有し、また熱膨脹係数の低下を
図ると共に耐応力腐食割れ特性を改善された生産性の良
いコンロッド本体およびキャップを備え、特にキャップ
の高温下におけるクリープ特性を改善した内燃機関用コ
ンロッドを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】内燃機関用コンロッドの要部破断正面図であ
る。

【符号の説明】

１コンロッド、２桿部、３コンロッド本体、４ボルト、５キャップ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】桿部（２）を有するコンロッド本体
（３）と、そのコンロッド本体（３）にボルト（４）に
より締結されるキャップ（５）とを備えた内燃機関用コ
ンロッドにおいて、前記コンロッド本体（３）は、１２．０重量％≦Ｓｉ≦２８．０重量％、０．８重量％≦Ｃｕ≦５．０重量％、０．３重量％≦Ｍｇ≦３．５重量％、２．０重量％≦Ｆｅ≦１０．０重量％、０．５重量％≦Ｍｎ≦２．９重量％および不可避不純物を含む残部Ａｌよりなる急冷凝固ア
ルミニウム合金粉末を用いた高強度アルミニウム合金よ
り構成され、前記キャップ（５）は、前記急冷凝固アル
ミニウム合金粉末を用いた高強度アルミニウム合金マト
リックスに、Ａｌ ₂Ｏ₃粒子、ＳｉＣ粒子、Ｓｉ₃Ｎ₄
粒子および金属Ｓｉ粒子から選択される少なくとも一種
の硬質粒子を１．５重量％以上、１５．０重量％以下分
散させた複合材より構成されていることを特徴とする内
燃機関用コンロッド。