WO2011077904A1 - コネクティングロッドおよびそれを備えた単気筒内燃機関ならびに鞍乗型車両 - Google Patents

コネクティングロッドおよびそれを備えた単気筒内燃機関ならびに鞍乗型車両 Download PDF

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    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/34Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases more than one element being applied in more than one step

Definitions

  • the present invention relates to a connecting rod, and more particularly to a connecting rod formed from an iron alloy.
  • the present invention also relates to a single-cylinder internal combustion engine and a straddle-type vehicle provided with such a connecting rod.
  • a member called a connecting rod (sometimes abbreviated as “con'rod”) is used to connect a piston and a crankshaft.
  • the connecting rod includes a rod-shaped rod main body, a small end provided at one end of the rod main body, and a large end provided at the other end of the rod main body. The small end is connected to the piston, while the large end is connected to the crankshaft. More specifically, the piston pin of the piston is inserted through the through hole formed in the small end portion. A crank pin of the crankshaft is inserted through a through hole formed at the large end. Thereby, the connecting rod is connected to the piston and the crankshaft.
  • ⁇ Connecting rods are roughly divided into a split type with the large end divided into two and an integrated type with the large end not split.
  • the integral connecting rod is mainly used for a single cylinder internal combustion engine.
  • ⁇ Rolling bearings such as needle bearings and ball bearings are arranged between the inner peripheral surface of the large end of the integral connecting rod and the crank pin in order to reduce friction loss.
  • the explosive force transmitted through the piston during operation of the internal combustion engine presses the connecting rod against the rolling bearing, so that a large stress is generated on the inner peripheral surface of the large end. When this stress is excessive, a fatigue fracture phenomenon called flaking occurs on the inner peripheral surface of the large end.
  • Patent Document 1 proposes high-concentration carburizing treatment as a technique for further increasing the surface hardness of the connecting rod.
  • carburization is performed a plurality of times in an atmosphere having a carbon potential (CP) of 0.8% or more.
  • CP carbon potential
  • Patent Document 1 also mentions high-concentration carbonitriding as a technique for increasing the surface hardness of the connecting rod, as in high-concentration carburizing.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a connecting rod that suppresses the occurrence of flaking on the inner peripheral surface of the large end and has excellent fatigue strength.
  • a connecting rod according to the present invention includes a rod body, a small end provided at one end of the rod body, and a large end provided at the other end of the rod body, and is formed of an iron alloy.
  • the connecting rod according to the present invention has a nitrogen content of 0.04 wt% or more and 0.18 wt% or less at a depth of 0.1 mm from the inner peripheral surface of the large end.
  • the connecting rod according to the present invention has a nitrogen content of 0.05 wt% or more and 0.15 wt% or less at a depth of 0.1 mm from the inner peripheral surface of the large end.
  • the iron alloy includes 0.1 wt% or more and 0.4 wt% or less of carbon, 0.1 wt% or more and 0.5 wt% or less of silicon, and 0.3 wt% or more and 1.2 wt% or less of chromium. including.
  • the iron alloy has a nickel content of less than 0.7 wt%.
  • the connecting rod according to the present invention has a non-diffusible hydrogen content of 0.46 ppm or less.
  • the carbonitriding process, the carburizing process, and the nitriding process are performed in a furnace that is depressurized to 1/10 or less of standard atmospheric pressure.
  • the particle size of the carbide and carbonitride precipitated in the vicinity of the inner peripheral surface of the large end is 10 ⁇ m or less.
  • a single-cylinder internal combustion engine includes a connecting rod having the above configuration, and a crankshaft connected to the connecting rod.
  • the crankshaft includes a crankpin inserted into the large end portion of the connecting rod, and a crank web formed separately from the crankpin.
  • the single-cylinder internal combustion engine according to the present invention further includes a rolling bearing provided between the inner peripheral surface of the large end portion and the crank pin.
  • crank pin is subjected to a carburizing process or a carbonitriding process.
  • a straddle-type vehicle according to the present invention includes a single-cylinder internal combustion engine having the above-described configuration.
  • a method for manufacturing a connecting rod according to the present invention includes a rod main body, a small end provided at one end of the rod main body, and a large end provided at the other end of the rod main body.
  • the carburizing treatment in the step (B) and the carbonitriding treatment in the step (C) are performed in a furnace reduced in pressure to 1/10 or less of standard atmospheric pressure.
  • a method of manufacturing a connecting rod according to the present invention includes a rod main body, a small end provided at one end of the rod main body, and a large end provided at the other end of the rod main body.
  • the process is performed so that the nitrogen content at a depth of 0.1 mm from the inner peripheral surface of the region is 0.03 wt% or more and 0.19 wt% or less.
  • the carburizing treatment in the step (B) and the nitriding treatment in the step (C) are performed in a furnace reduced in pressure to 1/10 or less of standard atmospheric pressure.
  • the connecting rod according to the present invention is made of an iron alloy and is subjected to carbonitriding or carburizing and nitriding.
  • carbonitriding or carburizing and nitriding
  • the surface hardness of the connecting rod is increased and the fatigue strength is improved.
  • the carbon content at a depth of 0.1 mm from the inner peripheral surface of the large end is 0.8 wt% or more and 2.1 wt% or less.
  • CP carbon potential
  • the connecting rod according to the present invention the nitrogen content at a predetermined depth from the inner peripheral surface of the large end portion is set within a specific range.
  • the nitrogen content at a depth of 1 mm is 0.03 wt% or more and 0.19 wt% or less.
  • the nitrogen content at a depth of 0.1 mm from the inner peripheral surface of the large end is preferably 0.04 wt% or more and 0.18 wt% or less, More preferably, it is 0.05 wt% or more and 0.15 wt% or less.
  • the iron alloy which is the material of the connecting rod according to the present invention includes 0.1 wt% or more and 0.4 wt% or less of carbon, 0.1 wt% or more and 0.5 wt% or less of silicon, and 0.3 wt% or more and 1.2 wt% or less. Preferably it contains chromium.
  • the carbon content is 0.1 wt% or more and 0.4 wt% or less
  • the internal hardness of the connecting rod after the heat treatment can be 200 HV or more and 500 HV or less, so that the strength and toughness inside the connecting rod are sufficiently provided. Can be kept high. Further, when the silicon content is increased, the anti-flaking property is improved, but the toughness may be lowered.
  • the silicon content is 0.1 wt% or more and 0.5 wt% or less, the flaking resistance can be sufficiently improved and sufficient toughness can be ensured.
  • the chromium content is increased, the hardenability is improved.
  • temper embrittlement may occur.
  • the chromium content is 0.3 wt% or more and 1.2 wt% or less, the occurrence of temper embrittlement can be prevented while obtaining appropriate hardenability.
  • the nickel content of the iron alloy is preferably as low as possible, specifically, less than 0.7 wt%. When the nickel content increases, the amount of retained austenite after heat treatment increases, so the surface hardness may decrease.
  • the non-diffusible hydrogen content is preferably 0.46 ppm or less. Since the non-diffusible hydrogen content is 0.46 ppm or less, the occurrence of hydrogen brittle mold peeling can be suppressed, so that the flaking life can be further improved.
  • the carbonitriding process (or carburizing process and nitriding process) is preferably performed in a vacuum-evacuated furnace, and more specifically, in a furnace reduced in pressure to 1/10 or less of the standard atmospheric pressure. Preferably it is applied.
  • a gas containing nitrogen By introducing a gas containing nitrogen into such a furnace, the nitrogen content at a depth of 0.1 mm from the surface (the inner peripheral surface of the large end) can be adjusted with high accuracy.
  • the particle size of the carbide and carbonitride precipitated in the vicinity of the inner peripheral surface of the large end is preferably as small as possible, specifically 10 ⁇ m or less.
  • the particle size of the carbide and carbonitride exceeds 10 ⁇ m, the toughness may be lowered and sufficient strength may not be obtained.
  • the connecting rod according to the present invention is preferably used for a single cylinder internal combustion engine having one cylinder.
  • the crankshaft of a single cylinder internal combustion engine is typically an assembly type crankshaft. That is, the crankpin and the crank web are formed separately.
  • a rolling bearing for example, a needle bearing or a ball bearing
  • a rolling bearing is provided between the inner peripheral surface of the large end and the crank pin.
  • stress is generated on the inner peripheral surface of the large end portion by pressing the connecting rod against the rolling bearing. If this stress is excessive, the occurrence of flaking is a concern.
  • the connecting rod according to the present invention is excellent in anti-flaking property, the occurrence of flaking is prevented over a long period of time.
  • crankpin is subjected to carburizing or carbonitriding.
  • the single-cylinder internal combustion engine provided with the connecting rod according to the present invention is suitably used for various straddle-type vehicles (for example, motorcycles).
  • a carbonitriding process or a carburizing process and a nitriding process are performed on a workpiece formed of an iron alloy.
  • carbonitriding or carburizing and nitriding
  • the surface hardness of the connecting rod is increased and the fatigue strength is improved.
  • the carbonitriding process and the carburizing process are performed in an atmosphere having a carbon potential (CP) of 0.8% or more. That is, a high concentration carbonitriding process or a high concentration carburizing process is performed on the workpiece.
  • the carbonitriding treatment or nitriding treatment has a nitrogen content of 0.03 wt% or more and 0.19 wt% or less at a predetermined depth from the inner peripheral surface of the region that becomes the large end of the workpiece. To be executed.
  • the connecting rod manufactured by the manufacturing method according to the present invention has excellent fatigue strength as compared with a connecting rod that has been simply subjected to high-concentration carbonitriding or high-concentration carburizing.
  • the carbonitriding process (or carburizing process and nitriding process) is preferably performed in a vacuum-evacuated furnace, and more specifically, in a furnace reduced in pressure to 1/10 or less of the standard atmospheric pressure. Preferably it is applied.
  • a gas containing nitrogen By introducing a gas containing nitrogen into such a furnace, the nitrogen content at a depth of 0.1 mm from the surface (the inner peripheral surface of the large end) can be adjusted with high accuracy.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line 1C-1C ′ in FIG. It is a figure which shows the stress distribution (stress distribution when a stress becomes the maximum at the time of the driving
  • FIG. 1 is a graph which shows distribution of the carbon concentration (carbon content) in the depth direction of the connecting rod. It is a graph which shows the hardness distribution in the depth direction of the connecting rod. It is a graph which shows the relationship between nitrogen content (wt%) in the depth of 0.1 mm from the internal peripheral surface of a large end part, and flaking lifetime (L50 lifetime). It is a flowchart which shows the manufacturing method of the connecting rod 1 in suitable embodiment of this invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a single cylinder internal combustion engine 100 including a connecting rod 1 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • Fig. 11 is a side view schematically showing a motorcycle including the internal combustion engine 100 shown in Fig. 10.
  • the inventor of the present application examined in detail the reason why flaking occurs even in a connecting rod subjected to high-concentration carburizing treatment or high-concentration carbonitriding treatment, and as a result, obtained the knowledge described below.
  • the cause of flaking is that a large stress is transmitted from the rolling bearing such as a needle bearing or a ball bearing to the inner peripheral surface of the large end. Therefore, it is considered that flaking can be prevented by increasing the surface hardness of the connecting rod by high-concentration carburizing treatment or high-concentration carbonitriding treatment. I can't. That is, even if the surface hardness of the connecting rod is simply increased, sufficient flaking resistance cannot be obtained.
  • the inventor of the present application analyzed the stress distribution in the depth direction of the connecting rod, it was found that the greatest stress acts at a certain depth from the surface, not the outermost surface. Furthermore, when the relationship between the element concentration at the depth at which the maximum stress acts and the anti-flaking property was verified, the nitrogen concentration (nitrogen content) at the depth at which the maximum stress acts greatly affected the anti-flaking property. I knew that I was giving.
  • FIG. 1A is a plan view schematically showing the connecting rod 1.
  • 1B is a cross-sectional view taken along line 1B-1B ′ in FIG. 1A, and FIG. 1C is taken along line 1C-1C ′ in FIG. FIG.
  • the connecting rod 1 is provided at the rod body 10, the small end 20 provided at one end of the rod body 10, and the other end of the rod body 10.
  • the large end 30 is provided.
  • the rod body part (shaft part) 10 has a rod shape.
  • the cross-sectional shape of the rod body 10 is typically H-shaped as shown in FIG.
  • the small end portion 20 has a through hole (piston pin hole) 22 through which the piston pin passes.
  • the small end 20 is connected to the piston via a piston pin.
  • the inner peripheral surface 20a (surface defining the outer edge of the piston pin hole 22) 20a typically contacts the piston pin without a bearing.
  • the large end portion 30 has a through hole (crank pin hole) 32 through which the crank pin passes.
  • the large end 30 is connected to the crankshaft via a crankpin. Since a rolling bearing is typically arranged in the crankpin hole 32, the inner peripheral surface 30a (the surface defining the outer edge of the crankpin 32) 30a of the large end 30 is in contact with the rolling bearing.
  • the connecting rod 1 is an integrated connecting rod in which the large end portion 30 is not divided into two.
  • the connecting rod 1 in this embodiment is formed from an iron alloy.
  • the connecting rod 1 is subjected to carbonitriding or carburizing and nitriding.
  • the carbon content at a depth of 0.1 mm from the inner peripheral surface 30a of the large end 30 is 0.8 wt% or more and 2.1 wt% or less.
  • the high-concentration carbonitriding process or the high-concentration carburizing process fine granular carbides and / or carbonitrides are precipitated in the vicinity of the surface of the connecting rod 1 and the crystal grain size of the martensite structure in the vicinity of the surface is reduced. . Therefore, the surface hardness is remarkably increased, and the effect of improving the fatigue strength is high.
  • the nitrogen content at a depth of 0.1 mm from the inner peripheral surface 30a of the large end 30 is 0.03 wt% or more and 0.19 wt% or less. This significantly improves the anti-flaking property.
  • FIG. 2 shows the result of calculating the stress distribution in the depth direction (stress distribution when the stress becomes maximum during operation of the internal combustion engine) on the inner peripheral surface of the large end portion of a general connecting rod.
  • the depth from the inner peripheral surface is shown as a negative value.
  • a position at a depth of 0.15 mm is written as “ ⁇ 0.15”.
  • a plurality of curves indicating stress are numbered 1 to 22, and the larger the number, the greater the stress.
  • the stress is not the largest on the outermost surface. Further, it can be seen from FIG. 2 that the stress becomes maximum at a depth of about 0.1 mm from the inner peripheral surface. Therefore, the inventor of the present application has examined in detail the relationship between the element concentration at a depth of 0.1 mm and the anti-flaking property. As a result, the nitrogen concentration at the depth of 0.1 mm (nitrogen content) It was found that the flaking property was greatly affected. Specifically, as will be described later together with the verification results, when the nitrogen content at this depth is not less than 0.03 wt% and not more than 0.19 wt%, the effect of improving the anti-flaking property is remarkably increased. I understood.
  • the nitrogen content at a depth of 0.1 mm from the inner peripheral surface 30a of the large end portion 30 is 0.03 wt% or more and 0.19 wt% or less, so that the flaking resistance is remarkable. And the occurrence of flaking can be prevented over a long period of time. Therefore, the connecting rod 1 in this embodiment has an excellent fatigue strength compared to a connecting rod that has been simply subjected to high-concentration carbonitriding or high-concentration carburizing.
  • the nitrogen content at a depth of 0.1 mm from the inner peripheral surface 30a of the large end 30 is 0.04 wt% or more and 0.18 wt% or less. Preferably, it is 0.05 wt% or more and 0.15 wt% or less.
  • FIG. 3 is a flowchart showing manufacturing steps of the connecting rod 1.
  • a workpiece formed by forging from an iron alloy is prepared (step S1).
  • the composition of the iron alloy is not particularly limited, but the carbon (C) content of the iron alloy is preferably 0.1 wt% or more and 0.4 wt% or less.
  • the internal hardness (Vickers hardness) of the connecting rod 1 after the heat treatment can be 200 HV or more and 500 HV or less, so the inside of the connecting rod 1 Strength and toughness can be kept sufficiently high.
  • the silicon (Si) content of the iron alloy is preferably 0.1 wt% or more and 0.5 wt% or less. Increasing the silicon content improves anti-flaking properties but may reduce toughness. When the silicon content is 0.1 wt% or more and 0.5 wt% or less, the flaking resistance can be sufficiently improved and sufficient toughness can be ensured.
  • the chromium content is preferably 0.3 wt% or more and 1.2 wt% or less. Increasing chromium content improves hardenability (property of hardening by heat treatment), but excessive chromium content causes temper embrittlement (the iron alloy is kept in a predetermined temperature range for a long time). The embrittlement phenomenon that occurs when the When the chromium content is 0.3 wt% or more and 1.2 wt% or less, the occurrence of temper embrittlement can be prevented while obtaining appropriate hardenability.
  • the iron alloy that is the material of the workpiece is 0.1 wt% or more and 0.4 wt% or less of carbon, 0.1 wt% or more and 0.5 wt% or less of silicon and 0.3 wt%. % Or more and 1.2 wt% or less of chromium is preferable.
  • an iron alloy having a carbon content, a silicon content, and a chromium content within the above ranges for example, JIS SCM420 steel or JIS SCr420 steel can be used.
  • SCM420 steel is made of 0.18 wt% or more and 0.23 wt% or less of carbon, 0.15 wt% or more and 0.35 wt% or less of silicon, 0.90 wt% or more and 1.2 wt% or less of chromium, 0.60 wt% or more and 0.002 wt% or less. 85% by weight or less of manganese and 0.15% by weight or more and 0.30% or less of molybdenum are included.
  • the SCr420 steel is composed of 0.18 wt% or more and 0.23 wt% or less carbon, 0.15 wt% or more and 0.35 wt% or less silicon, 0.90 wt% or more and 1.2 wt% or less chromium, 0.60 wt% or more and 0. Contains 85 wt% or less manganese.
  • the nickel content of the iron alloy is preferably as small as possible. Specifically, it is preferably less than 0.7 wt%, and more preferably 0.25 wt% or less. When the nickel content increases, the amount of retained austenite after heat treatment increases, so the surface hardness may decrease.
  • molding method in the process of preparing a workpiece is not limited to this.
  • the workpiece may be formed by, for example, sintering, casting, sintering forging, or the like.
  • step S2 machining is performed on the workpiece (step S2).
  • the outer diameter of the workpiece after forging is adjusted. For example, deburring, formation of the piston pin hole 22 and the crank pin hole 32, and end face processing of the small end portion 20 and the large end portion 30 are performed. Thus, cutting is mainly performed in this step.
  • step S3 the workpiece is subjected to a first high-concentration carburizing process.
  • carburizing methods solid carburizing, liquid carburizing, gas carburizing, etc. are known.
  • gas carburizing is the mainstream, but here it is called vacuum carburizing (also called “vacuum gas carburizing” or “vacuum carburizing”).
  • vacuum carburizing also called “vacuum gas carburizing” or “vacuum carburizing”.
  • the high-concentration carburizing process in this step is performed in a vacuum-evacuated furnace (more specifically, in a furnace whose pressure is reduced to 1/10 or less of the standard atmospheric pressure).
  • Such a furnace is set to a temperature higher than the A1 transformation point (eutectoid transformation temperature of steel), and a hydrocarbon gas is introduced into the furnace so that the carbon potential is 0.8% or more, and carburized for a predetermined time.
  • a hydrocarbon gas is introduced into the furnace so that the carbon potential is 0.8% or more, and carburized for a predetermined time.
  • carburization is performed at 1000 ° C. for 170 minutes.
  • the surface of the iron alloy is excessively carburized by the first high-concentration carburizing treatment.
  • gas cooling is performed (step S4).
  • cooling is performed by introducing nitrogen (N 2) gas.
  • step S5 the workpiece is subjected to the second high concentration carburizing process.
  • vacuum carburization is performed.
  • the inside of the evacuated furnace is set to a temperature not lower than the A1 transformation point and not higher than the Acm transformation point (transformation temperature at which cementite precipitates from the austenite of the iron alloy), and carbonized so that the carbon potential is 0.8% or higher.
  • Hydrogen gas is introduced into the furnace and carburized for a predetermined time. For example, carburization is performed at 850 ° C. for 150 minutes. Due to the second high-concentration carburizing treatment, the carbon of the surface layer that has been excessively carburized diffuses inside. Thereafter, gas cooling is performed (step S6).
  • nitriding is performed on the workpiece (step S7).
  • This nitriding treatment is also performed in a vacuum-evacuated furnace.
  • the temperature that was evacuated (specifically, the inside of the furnace reduced to a pressure of 1/10 or less of the standard atmospheric pressure) was set to a temperature not lower than the A1 transformation point and not higher than the Acm transformation point, and ammonia gas was introduced into the furnace.
  • nitriding is performed for a predetermined time. For example, carburization is performed at 850 ° C. for 130 minutes. Thereafter, oil cooling (quenching) is performed (step S8).
  • step S9 tempering is performed. Tempering is performed at 190 ° C. for 120 minutes, for example. Thereafter, air cooling is performed (step S10).
  • step S11 machining is performed on the workpiece (step S11).
  • the inner peripheral surface 20a of the small end portion 20 and the inner peripheral surface 30a of the large end portion 30 are polished.
  • polishing is mainly performed in this step.
  • the connecting rod 1 is completed.
  • FIGS. 4A and 4B show the metal structure of the completed connecting rod 1.
  • 4A and 4B are metallographic micrographs of a cross section in the vicinity of the surface of the connecting rod 1, and FIG. 4B is an enlarged view of part of FIG. 4A.
  • fine granular carbides iron carbide
  • carbonitrides iron carbonitride
  • FIG. 5 shows the distribution of carbon concentration (carbon content) in the depth direction of the connecting rod 1.
  • the carbon concentration at a depth of 0.1 mm from the surface is about 0.92 wt%, and the carbon concentration (carbon content) at this depth is 0. It turns out that it becomes 8 wt% or more.
  • the carbon concentration distribution as shown in FIG. 5 can be measured by, for example, an electron beam microanalyzer (EPMA).
  • EPMA electron beam microanalyzer
  • FIG. 6 shows the hardness distribution in the depth direction of the connecting rod 1. As shown in FIG. 6, the hardness at a depth of 0.1 mm from the surface is about 770 HV.
  • the flaking life is a life with a cumulative failure probability of 50% (referred to as “L50 life”).
  • Table 1 shows Examples 1 to 4 in which the nitrogen content at a depth of 0.1 mm is in the range of 0.03 wt% to 0.19 wt%, and the nitrogen content at a depth of 0.1 mm. A verification result is shown about the comparative examples 1 and 2 which are outside the range of 0.03 wt% or more and 0.19 wt% or less. Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 are manufactured by the same manufacturing method except that nitriding conditions are different. Table 1 also shows Comparative Example 3 in which ordinary carburizing treatment (carburizing treatment other than high-concentration carburizing treatment) was performed as a conventional connecting rod, and high-concentration carburizing treatment as disclosed in Patent Document 1. 6 is shown together with Comparative Example 4 to which is applied. The distribution of the nitrogen content in the depth direction can be measured by, for example, an electron beam microanalyzer (EPMA).
  • EPMA electron beam microanalyzer
  • the nitrogen content at the surface layer and at a depth of 0.2 mm does not have a clear correlation with the flaking life.
  • Comparative Example 1 although the nitrogen content in the surface layer is significantly higher than those in Comparative Examples 3 and 4, only the same flaking life as that in the prior art can be obtained.
  • Examples 1 and 3 although the nitrogen content at the position of a depth of 0.2 mm is almost the same as that in Comparative Examples 3 and 4, a flaking life longer than that in the prior art is obtained.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the nitrogen content at a depth of 0.1 mm and the flaking life (L50 life).
  • the graph of FIG. 7 shows more examples than the example shown in Table 1.
  • a flaking life longer than the conventional one is realized when the nitrogen content at a depth of 0.1 mm from the surface is 0.03 wt% or more and 0.19 wt% or less (range A in FIG. 7). You can see that Further, from FIG. 7, a longer flaking life is realized when the nitrogen content at a depth of 0.1 mm from the surface is 0.04 wt% or more and 0.18 wt% or less (range B in FIG. 7). , 0.05 wt% or more and 0.15 wt% or less (range C in FIG. 7), it can be seen that a longer flaking life is realized.
  • the connecting rod 1 may be subjected to a high concentration carbonitriding process.
  • FIG. 8 the example of the manufacturing process of the connecting rod 1 in the case of performing a high concentration carbonitriding process is shown.
  • step S1 a workpiece formed by forging from an iron alloy is prepared (step S1), and then machining (mainly cutting) is performed on the workpiece (step S2). Subsequently, a high-concentration carburizing process is performed on the workpiece in a vacuum-evacuated furnace (step S3), and then gas cooling is performed (step S4).
  • step S5 a high concentration carbonitriding process is performed on the workpiece in a vacuum-evacuated furnace.
  • High concentration carbonitriding is performed by introducing ammonia gas together with hydrocarbon gas into the furnace.
  • oil cooling quenching
  • step S7 tempering is performed (step S7), and then air cooling is performed (step S8). Finally, machining (mainly polishing) is performed on the workpiece (step S9). As described above, the connecting rod 1 is completed.
  • the high-concentration carburizing treatment (steps S3 and S5 in FIG. 3 and the step S3 in FIG. 8) and the high-concentration carbonitriding treatment (step S5 in FIG. 8) are performed in the vacuum-evacuated furnace as described above. (That is, vacuum carburizing or vacuum carbonitriding).
  • gas cooling can be performed as a subsequent heat treatment instead of furnace cooling or quenching, so that the processing time can be shortened.
  • nitriding treatment (step S7 in FIG. 3) and high concentration carbonitriding treatment (Step S5 in FIG. 8) is preferably performed in a vacuum-evacuated furnace.
  • a nitrogen-containing gas for example, ammonia gas
  • the nitrogen content at a depth of 0.1 mm from the surface can be accurately adjusted.
  • FIG. 9 shows the nitrogen content at a depth of 0.1 mm from the surface when nitriding or high-concentration carbonitriding is performed in a gas carburizing furnace and in a vacuum carburizing furnace. Shows the relationship with time.
  • the appropriate nitriding time range C when processing in a gas carburizing furnace is significantly greater than the appropriate nitriding time range D when processing in a vacuum carburizing furnace. It is very difficult to actually keep the nitriding time within this range C. Since the technique disclosed in Patent Document 1 is premised on gas carburization, the nitrogen content at a depth of 0.1 mm from the surface can be reduced even when the high-concentration carbonitriding process taught in Patent Document 1 is used. It cannot be within the range of 0.03 wt% or more and 0.19 wt% or less.
  • the particle size (more specifically, circumscribed circle diameter) of carbides and carbonitrides precipitated in the vicinity of the inner peripheral surface 30a of the large end portion 30 is It is preferably as small as possible, specifically 10 ⁇ m or less.
  • the particle size of the carbide and carbonitride exceeds 10 ⁇ m, the toughness may be lowered and sufficient strength may not be obtained.
  • the rod main body part 10 has higher toughness than the large end part 30, the rod main body part before the first high-concentration carburizing process (step S3 in FIG. 3 and step S3 in FIG. 8). 10 may be masked with copper plating or a carbon-proofing agent.
  • the toughness of the rod body 10 can be increased.
  • the local tempering can be performed by, for example, high frequency induction heating.
  • the high-concentration carburization process is performed twice as shown in FIG. 3 and the high-concentration carburization process and the high-concentration carbonitriding process are performed once each as shown in FIG.
  • the high-concentration carburizing process and / or the high-concentration carbonitriding process may be performed three or more times in total.
  • non-diffusible hydrogen content of the connecting rod 1 has a great influence on the flaking life.
  • Hydrogen in the iron alloy is classified into two types depending on its solid solution state. Hydrogen that diffuses at room temperature is called diffusible hydrogen, and hydrogen that is trapped by inclusions and the like and hardly diffuses at temperatures from room temperature to about 200 ° is called non-diffusible hydrogen.
  • the non-diffusible hydrogen content is preferably 0.46 ppm or less. Since the non-diffusible hydrogen content is 0.46 ppm or less, the occurrence of hydrogen brittle mold peeling can be suppressed, so that the flaking life can be further improved.
  • Table 2 shows the non-diffusible hydrogen content for Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 shown in Table 1.
  • Table 2 also shows the non-diffusible hydrogen content for further Examples 5-7.
  • the nitrogen content at a depth of 0.1 mm is in the range of 0.03 wt% or more and 0.19 wt% or less.
  • Table 2 also shows whether the carburizing process (or carbonitriding process) in each example is gas carburizing (gas carbonitriding) or vacuum carburizing (vacuum carbonitriding). Note that the measurement of the non-diffusible hydrogen content was performed by a temperature rising desorption method. The test piece was gradually heated from 200 ° C. to 600 ° C., and the amount of hydrogen released from the test piece was quantitatively analyzed by a mass spectrometer.
  • Example 4 From the comparison between Example 4 and Example 6 in Table 2 or the comparison between Example 5 and Example 7, even if the nitrogen content at the depth of 0.1 mm is the same, non-diffusible hydrogen It can be seen that the smaller the content, the longer the flaking life, and the non-diffusible hydrogen content is preferably 0.46 ppm or less.
  • the non-diffusible hydrogen content is less when the carburizing process (carbonitriding process) is vacuum carburizing (vacuum carbonitriding) than when gas carburizing (gas carbonitriding). From this point, it can be seen that vacuum carburization (vacuum carbonitriding) is preferable.
  • the connecting rod 1 in the present embodiment is suitably used for a single cylinder internal combustion engine having one cylinder.
  • FIG. 10 shows an example of a single cylinder internal combustion engine 100 provided with the connecting rod 1 in the present embodiment.
  • the internal combustion engine 100 includes a crankcase 110, a cylinder block 120, and a cylinder head 130.
  • crankshaft 111 is accommodated in the crankcase 110.
  • the crankshaft 111 has a crankpin 112 and a crank web 113.
  • the crank pin 112 and the crank web 113 are formed separately. That is, the crankshaft 111 is an assembly-type crankshaft.
  • a cylinder block 120 is provided on the crankcase 110.
  • the cylinder block 120 is fitted with a cylindrical cylinder sleeve 121, and the piston 122 is provided so as to reciprocate within the cylinder sleeve 121.
  • a cylinder head 130 is provided on the cylinder block 120.
  • the cylinder head 130 forms a combustion chamber 131 together with the piston 122 and the cylinder sleeve 121 of the cylinder block 120.
  • the cylinder head 130 has an intake port 132 and an exhaust port 133.
  • An intake valve 134 for supplying air-fuel mixture into the combustion chamber 131 is provided in the intake port 132, and an exhaust valve 135 for exhausting the combustion chamber 131 is provided in the exhaust port 133. Yes.
  • the piston 122 and the crankshaft 111 are connected by the connecting rod 1. Specifically, the piston pin 123 of the piston 122 is inserted into the piston pin hole formed in the small end portion 20 of the connecting rod 1, and the crankshaft 111 is formed in the crankpin hole formed in the large end portion 30. The crank pin 112 is inserted, whereby the piston 122 and the crank shaft 111 are connected.
  • a needle bearing 114 is provided between the inner peripheral surface 30a of the large end 30 of the connecting rod 1 and the crank pin 112. Is provided.
  • the needle bearing 114 When the needle bearing 114 is provided, stress is generated on the inner peripheral surface 30 a of the large end portion 30 by pressing the connecting rod 1 against the needle bearing 114. If this stress is excessive, the occurrence of flaking is a concern.
  • the connecting rod 1 in this embodiment is excellent in anti-flaking property, the occurrence of flaking is prevented for a long period of time longer than that required for a product.
  • crankpin 112 is preferably subjected to carburizing or carbonitriding.
  • the needle bearing 114 is illustrated as the rolling bearing, but the rolling bearing is not limited to a roller bearing such as a needle bearing, and may be a ball bearing (ball bearing).
  • FIG. 11 shows a motorcycle including the internal combustion engine 100 shown in FIG.
  • a head pipe 302 is provided at the front end of the main body frame 301.
  • a front fork 303 is attached to the head pipe 302 so as to be able to swing in the left-right direction of the vehicle.
  • a front wheel 304 is rotatably supported at the lower end of the front fork 303.
  • a seat rail 306 is attached so as to extend rearward from the upper rear end of the main body frame 301.
  • a fuel tank 307 is provided on the main body frame 301, and a main seat 308 a and a tandem seat 308 b are provided on the seat rail 306.
  • a rear arm 309 extending backward is attached to the rear end of the main body frame 301.
  • a rear wheel 310 is rotatably supported at the rear end of the rear arm 309.
  • the internal combustion engine 100 shown in FIG. 10 is held at the center of the main body frame 301.
  • the internal combustion engine 100 includes the connecting rod 1 in the present embodiment.
  • a radiator 311 is provided in front of the internal combustion engine 100.
  • An exhaust pipe 312 is connected to the exhaust port of the internal combustion engine 100, and a muffler 313 is attached to the rear end of the exhaust pipe 312.
  • a transmission 315 is connected to the internal combustion engine 100.
  • a drive sprocket 317 is attached to the output shaft 316 of the transmission 315.
  • the drive sprocket 317 is connected to the rear wheel sprocket 319 of the rear wheel 310 via a chain 318.
  • the transmission 315 and the chain 318 function as a transmission mechanism that transmits the power generated by the internal combustion engine 100 to the drive wheels.
  • the connecting rod 1 in the present embodiment is also suitable for reducing the size and weight. This is because it is possible to apply a high load to the connecting rod 1 by extending the life.
  • the internal combustion engine 100 and the vehicle body are also lightened, and the running stability, ease of riding, and ease of handling of the motorcycle are improved, and the merchantability is improved.
  • the internal combustion engine 100 provided with the connecting rod 1 in the present embodiment is not limited to a motorcycle, and is preferably used for all saddle riding type vehicles on which riders ride. For example, it is also used for ATV such as buggy.
  • connecting rod 1 in the present embodiment can also be used for a small internal combustion engine used in a generator, an agricultural machine, or the like.
  • the connecting rod according to the present invention is widely used in internal combustion engines for various straddle-type vehicles (for example, internal combustion engines for motorcycles).

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Abstract

 本発明によるコネクティングロッド(1)は、ロッド本体部(10)と、ロッド本体部(10)の一端に設けられた小端部(20)と、ロッド本体部(10)の他端に設けられた大端部(30)とを備える。本発明によるコネクティングロッド(10)は、鉄合金から形成され、浸炭窒化処理が施されているか、または、浸炭処理および窒化処理が施されている。大端部(30)の内周面(30a)から0.1mmの深さにおける炭素含有量は、0.8wt%以上2.1wt%以下である。大端部(30)の内周面(30a)から0.1mmの深さにおける窒素含有量は、0.03wt%以上0.19wt%以下である。本発明によると、大端部の内周面におけるフレーキングの発生が抑制され、疲労強度に優れたコネクティングロッドが提供される。

Description

コネクティングロッドおよびそれを備えた単気筒内燃機関ならびに鞍乗型車両
 本発明は、コネクティングロッドに関し、特に、鉄合金から形成されたコネクティングロッドに関する。また、本発明は、そのようなコネクティングロッドを備えた単気筒内燃機関や鞍乗型車両に関する。
 内燃機関には、ピストンとクランクシャフトとを連結するためにコネクティングロッドと呼ばれる(「コンロッド(con'rod)」と略称されることもある)部材が用いられている。コネクティングロッドは、棒状のロッド本体部と、ロッド本体部の一端に設けられた小端部と、ロッド本体部の他端に設けられた大端部とを備える。小端部がピストンに接続されるのに対し、大端部はクランクシャフトに接続される。より具体的には、小端部に形成された貫通孔にピストンのピストンピンが挿通される。また、大端部に形成された貫通孔にクランクシャフトのクランクピンが挿通される。これにより、コネクティングロッドがピストンおよびクランクシャフトに接続される。
 コネクティングロッドは、大端部が2つに分割された分割型と、大端部が分割されていない一体型とに大別される。一体型のコネクティングロッドは、主に単気筒の内燃機関に用いられる。
 一体型コネクティングロッドの大端部の内周面とクランクピンとの間には、フリクションロスを低減するためにニードルベアリングやボールベアリングなどの転がり軸受けが配置される。内燃機関の運転時にピストンを経由して伝わる爆発力は、コネクティングロッドを転がり軸受けに押し付けるので、大端部の内周面には、大きな応力が発生する。この応力が過大な場合、大端部の内周面には、フレーキング(flaking)と呼ばれる疲労破壊現象が発生する。
 コネクティングロッドにフレーキングが発生すると、内燃機関のスムーズな回転が妨げられるので、内燃機関や車両に不快な音と振動が発生して商品性や快適性を損なってしまう。そのため、コネクティングロッドにはフレーキングが発生しないことが求められる。
 従来、フレーキングの発生を抑制して長寿命化を実現するために、肌焼鋼(例えばJIS SCM420)から形成されたコネクティングロッドに対し、浸炭処理を施すことが一般に行われている。浸炭処理によってコネクティングロッドの表面から炭素を浸透させることにより、表面近傍の炭素濃度が高くなる。そのため、焼入れ後に表面硬度が高くなり、そのことによりフレーキングの発生が抑制される。
 また、特許文献1には、コネクティングロッドの表面硬度をさらに高くする技術として、高濃度浸炭処理が提案されている。この技術では、カーボンポテンシャル(CP)が0.8%以上である雰囲気下での浸炭を複数回行う。これにより、コネクティングロッドの表面近傍に微細な粒状の炭化物が析出するとともに、表面近傍におけるマルテンサイト組織の結晶粒径が小さくなる。そのため、表面硬度が著しく高くなるので、疲労強度のいっそうの向上が可能となる。また、特許文献1には、高濃度浸炭処理と同様にコネクティングロッドの表面硬度を高くする技術として、高濃度浸炭窒化処理にも言及がなされている。
特開2000-313949号公報
 しかしながら、近年、内燃機関を高性能化した場合、一般的な浸炭処理や、特許文献1に開示されているような高濃度浸炭処理、高濃度浸炭窒化処理が施されたコネクティングロッドでは、フレーキングが比較的短時間で発生するようになってきた。そのため、フレーキング寿命が内燃機関の高性能化の妨げとなり、内燃機関のさらなる高性能化のためには、フレーキング寿命の増大(つまりコネクティングロッドの長寿命化)が必須となってきた。
 本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、大端部の内周面におけるフレーキングの発生が抑制され、疲労強度に優れたコネクティングロッドを提供することにある。
 本発明によるコネクティングロッドは、ロッド本体部と、前記ロッド本体部の一端に設けられた小端部と、前記ロッド本体部の他端に設けられた大端部と、を備え、鉄合金から形成され、浸炭窒化処理が施されたか、または、浸炭処理および窒化処理が施されたコネクティングロッドであって、前記大端部の内周面から0.1mmの深さにおける炭素含有量が0.8wt%以上2.1wt%以下であり、前記大端部の内周面から0.1mmの深さにおける窒素含有量が0.03wt%以上0.19wt%以下である。
 ある好適な実施形態において、本発明によるコネクティングロッドは、前記大端部の内周面から0.1mmの深さにおける窒素含有量が0.04wt%以上0.18wt%以下である。
 ある好適な実施形態において、本発明によるコネクティングロッドは、前記大端部の内周面から0.1mmの深さにおける窒素含有量が0.05wt%以上0.15wt%以下である。
 ある好適な実施形態において、前記鉄合金は、0.1wt%以上0.4wt%以下の炭素、0.1wt%以上0.5wt%以下のケイ素および0.3wt%以上1.2wt%以下のクロムを含む。
 ある好適な実施形態において、前記鉄合金のニッケル含有量は0.7wt%未満である。
 ある好適な実施形態において、本発明によるコネクティングロッドは、非拡散性水素含有量が0.46ppm以下である。
 ある好適な実施形態において、前記浸炭窒化処理、前記浸炭処理および前記窒化処理は、標準大気圧の1/10以下の圧力に減圧された炉内において施されている。
 ある好適な実施形態において、前記大端部の内周面近傍に析出している炭化物および炭窒化物の粒径は10μm以下である。
 本発明による単気筒内燃機関は、上記構成を有するコネクティングロッドと、前記コネクティングロッドに接続されたクランクシャフトと、を備える。
 ある好適な実施形態において、前記クランクシャフトは、前記コネクティングロッドの前記大端部に挿通されたクランクピンと、前記クランクピンとは別体に形成されたクランクウェブと、を有する。
 ある好適な実施形態において、本発明による単気筒内燃機関は、前記大端部の内周面と前記クランクピンとの間に設けられた転がり軸受けをさらに備える。
 ある好適な実施形態において、前記クランクピンは、浸炭処理または浸炭窒化処理を施されている。
 本発明による鞍乗型車両は、上記構成を有する単気筒内燃機関を備える。
 本発明によるコネクティングロッドの製造方法は、ロッド本体部、前記ロッド本体部の一端部に設けられた小端部および前記ロッド本体部の他端部に設けられた大端部を備えるコネクティングロッドの製造方法であって、鉄合金から形成されたワークピースを用意する工程(A)と、前記ワークピースに対して0.8%以上のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で浸炭処理を施す工程(B)と、前記工程(B)の後に、前記ワークピースに対して0.8%以上のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で浸炭窒化処理を施す工程(C)と、を包含し、前記工程(C)は、前記ワークピースの前記大端部となる領域の内周面から0.1mmの深さにおける窒素含有量が0.03wt%以上0.19wt%以下となるように実行される。
 ある好適な実施形態において、前記工程(B)における前記浸炭処理および前記工程(C)における前記浸炭窒化処理は、標準大気圧の1/10以下の圧力に減圧された炉内において施される。
 あるいは、本発明によるコネクティングロッドの製造方法は、ロッド本体部、前記ロッド本体部の一端部に設けられた小端部および前記ロッド本体部の他端部に設けられた大端部を備えるコネクティングロッドの製造方法であって、鉄合金から形成されたワークピースを用意する工程(A)と、前記ワークピースに対して0.8%以上のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で複数回浸炭処理を施す工程(B)と、前記工程(B)の後に、前記ワークピースに対して窒化処理を施す工程(C)と、を包含し、前記工程(C)は、前記ワークピースの前記大端部となる領域の内周面から0.1mmの深さにおける窒素含有量が0.03wt%以上0.19wt%以下となるように実行される。
 ある好適な実施形態において、前記工程(B)における前記浸炭処理および前記工程(C)における前記窒化処理は、標準大気圧の1/10以下の圧力に減圧された炉内において施される。
 本発明によるコネクティングロッドは、鉄合金から形成され、浸炭窒化処理が施されているか、または、浸炭処理および窒化処理が施されている。浸炭窒化処理(または浸炭処理と窒化処理)により、コネクティングロッドの表面硬度が高くなり、疲労強度が向上する。また、本発明によるコネクティングロッドでは、大端部の内周面から0.1mmの深さにおける炭素含有量が0.8wt%以上2.1wt%以下である。これは、上記の浸炭窒化処理または浸炭処理が、カーボンポテンシャル(CP)が0.8%以上である雰囲気下で行われたことを意味している。つまり、コネクティングロッドに対して、高濃度浸炭窒化処理または高濃度浸炭処理が施されたことを意味している。高濃度浸炭窒化処理または高濃度浸炭処理によれば、コネクティングロッドの表面近傍に微細な粒状の炭化物および/または炭窒化物が析出するとともに、表面近傍におけるマルテンサイト組織の結晶粒径が小さくなる。そのため、表面硬度が著しく高くなり、疲労強度の向上効果が高い。さらに、本発明によるコネクティングロッドでは、大端部の内周面から所定の深さにおける窒素含有量が特定の範囲に設定されており、具体的には、大端部の内周面から0.1mmの深さにおける窒素含有量が0.03wt%以上0.19wt%以下である。このことにより、耐フレーキング性が顕著に向上し、フレーキングの発生を長期間にわたって防止することができる。そのため、本発明によるコネクティングロッドは、単に高濃度浸炭窒化処理や高濃度浸炭処理が施されたコネクティングロッドに比べ、優れた疲労強度を有する。
 耐フレーキング性のいっそうの向上を図る観点からは、大端部の内周面から0.1mmの深さにおける窒素含有量は、0.04wt%以上0.18wt%以下であることが好ましく、0.05wt%以上0.15wt%以下であることがさらに好ましい。
 本発明によるコネクティングロッドの材料である鉄合金は、0.1wt%以上0.4wt%以下の炭素、0.1wt%以上0.5wt%以下のケイ素および0.3wt%以上1.2wt%以下のクロムを含むことが好ましい。炭素含有量が0.1wt%以上0.4wt%以下であることにより、熱処理後のコネクティングロッドの内部硬さを200HV以上500HV以下にすることができるので、コネクティングロッド内部の強度および靭性を十分に高く保つことができる。また、ケイ素含有量が増加すると、耐フレーキング性は向上するが、靭性は低下するおそれがある。ケイ素含有量が0.1wt%以上0.5wt%以下であることにより、耐フレーキング性を十分に向上させ、且つ、十分な靭性を確保することができる。また、クロム含有量が増加すると、焼入れ性が良くなる。ただし、クロム含有量が過度に多くなると、焼戻し脆化が発生することがある。クロム含有量が0.3wt%以上1.2wt%以下であることにより、適切な焼入れ性を得つつ、焼戻し脆化の発生を防止することができる。
 鉄合金のニッケル含有量は、なるべく少ないことが好ましく、具体的には、0.7wt%未満であることが好ましい。ニッケル含有量が増加すると、熱処理後の残留オーステナイト量が増加するので、表面硬度が低下することがある。
 フレーキング寿命のいっそうの向上を図る観点からは、非拡散性水素含有量が0.46ppm以下であることが好ましい。非拡散性水素含有量が0.46ppm以下であることにより、水素脆性型剥離の発生を抑制することができるので、フレーキング寿命をいっそう向上させることができる。
 浸炭窒化処理(または浸炭処理と窒化処理)は、真空引きされた炉内において施されることが好ましく、より具体的には、標準大気圧の1/10以下の圧力に減圧された炉内において施されることが好ましい。このような炉内に窒素を含有するガスを導入することにより、表面(大端部の内周面)から深さ0.1mmにおける窒素含有量を精度良く調節することができる。
 大端部の内周面近傍に析出している炭化物および炭窒化物の粒径は、なるべく小さいことが好ましく、具体的には10μm以下であることが好ましい。炭化物および炭窒化物の粒径が10μmを超えると、靭性が低下して十分な強度が得られないことがある。
 本発明によるコネクティングロッドは、シリンダの数が1つである単気筒内燃機関に好適に用いられる。単気筒内燃機関のクランクシャフトは、典型的には、組立て式のクランクシャフトである。つまり、クランクピンと、クランクウェブとが別体に形成されている。単気筒内燃機関では、フリクションロスの低減が重要であるので、一般的には、大端部の内周面とクランクピンとの間に転がり軸受け(例えばニードルベアリングやボールベアリング)が設けられる。転がり軸受けが設けられている場合、コネクティングロッドが転がり軸受けに押し付けられることにより、大端部の内周面に応力が発生する。この応力が過大であると、フレーキングの発生が懸念されるが、本発明によるコネクティングロッドは、耐フレーキング性に優れているので、フレーキングの発生が長期間にわたって防止される。
 内燃機関全体の耐久性を高める観点からは、クランクピンの表面硬度および疲労強度も高いことが好ましい。そのため、クランクピンは、浸炭処理または浸炭窒化処理を施されていることが好ましい。
 本発明によるコネクティングロッドを備えた単気筒内燃機関は、各種の鞍乗型車両(例えば自動二輪車)に好適に用いられる。
 本発明によるコネクティングロッドの製造方法では、鉄合金から形成されたワークピースに対し、浸炭窒化処理が施されるか、あるいは、浸炭処理および窒化処理が施される。浸炭窒化処理(または浸炭処理と窒化処理)により、コネクティングロッドの表面硬度が高くなり、疲労強度が向上する。また、本発明による製造方法では、上記の浸炭窒化処理や浸炭処理が、カーボンポテンシャル(CP)が0.8%以上である雰囲気下で行われる。つまり、ワークピースに対して、高濃度浸炭窒化処理または高濃度浸炭処理が施される。高濃度浸炭窒化処理または高濃度浸炭処理によれば、ワークピースの表面近傍に微細な粒状の炭化物および/または炭窒化物が析出するとともに、表面近傍におけるマルテンサイト組織の結晶粒径が小さくなる。そのため、表面硬度が著しく高くなり、疲労強度の向上効果が高い。さらに、本発明による製造方法では、浸炭窒化処理や窒化処理は、ワークピースの大端部となる領域の内周面から所定の深さにおける窒素含有量が0.03wt%以上0.19wt%以下となるように実行される。このことにより、耐フレーキング性が顕著に向上し、フレーキングの発生を長期間にわたって防止することができる。そのため、本発明による製造方法により製造されたコネクティングロッドは、単に高濃度浸炭窒化処理や高濃度浸炭処理が施されたコネクティングロッドに比べ、優れた疲労強度を有する。
 浸炭窒化処理(または浸炭処理と窒化処理)は、真空引きされた炉内において施されることが好ましく、より具体的には、標準大気圧の1/10以下の圧力に減圧された炉内において施されることが好ましい。このような炉内に窒素を含有するガスを導入することにより、表面(大端部の内周面)から深さ0.1mmにおける窒素含有量を精度良く調節することができる。
 本発明によると、大端部の内周面におけるフレーキングの発生が抑制され、疲労強度に優れたコネクティングロッドが提供される。
本発明の好適な実施形態におけるコネクティングロッド1を模式的に示す図であり、(a)は平面図、(b)は(a)中の1B-1B’線に沿った断面図、(c)は(a)中の1C-1C’線に沿った断面図である。 一般的なコネクティングロッドの大端部内周面における深さ方向の応力分布(内燃機関の運転時で応力が最大になるときの応力分布)を示す図である。 本発明の好適な実施形態におけるコネクティングロッド1の製造方法を示すフローチャートである。 (a)および(b)は、コネクティングロッド1の表面近傍における断面の金属顕微鏡写真である。 コネクティングロッド1の深さ方向における炭素濃度(炭素含有量)の分布を示すグラフである。 コネクティングロッド1の深さ方向における硬さ分布を示すグラフである。 大端部の内周面から0.1mmの深さにおける窒素含有量(wt%)と、フレーキング寿命(L50寿命)との関係を示すグラフである。 本発明の好適な実施形態におけるコネクティングロッド1の製造方法を示すフローチャートである。 窒化処理または高濃度浸炭窒化処理をガス浸炭用の炉内で行う場合と、真空浸炭用の炉内で行う場合とについて、コネクティングロッドの表面から深さ0.1mmにおける窒素含有量と、窒化時間との関係を示すグラフである。 本発明の好適な実施形態におけるコネクティングロッド1を備えた単気筒内燃機関100を模式的に示す断面図である。 図10に示す内燃機関100を備えた自動二輪車を模式的に示す側面図である。
 本願発明者は、高濃度浸炭処理や高濃度浸炭窒化処理が施されたコネクティングロッドにおいてもフレーキングが発生する理由を詳細に検討し、その結果、以下に説明する知見を得た。
 フレーキングの原因は、既に説明したように、ニードルベアリングやボールベアリングなどの転がり軸受けから大端部の内周面に大きな応力が伝達されることにある。そのため、コネクティングロッドの表面硬度を、高濃度浸炭処理や高濃度浸炭窒化処理によって上昇させることにより、フレーキングの発生を防止することができると考えられるが、実際には、十分な効果を得ることができない。つまり、単純にコネクティングロッドの表面硬度を高くしても、十分な耐フレーキング性は得られない。
 そこで、本願発明者が、コネクティングロッドの深さ方向における応力分布を分析したところ、最表面ではなく、表面からある程度の深さにおいてもっとも大きな応力が作用することがわかった。さらに、最大応力が作用する深さにおける元素濃度と、耐フレーキング性との関係を検証したところ、最大応力が作用する深さにおける窒素濃度(窒素含有量)が耐フレーキング性に大きな影響を与えていることがわかった。
 本発明は、本願発明者が見出した上記知見に基づいてなされたものである。以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
 図1(a)~(c)に、本実施形態におけるコネクティングロッド1を示す。図1(a)は、コネクティングロッド1を模式的に示す平面図である。また、図1(b)は、図1(a)中の1B-1B’線に沿った断面図であり、図1(c)は、図1(a)中の1C-1C’線に沿った断面図である。
 コネクティングロッド1は、図1(a)および(b)に示すように、ロッド本体部10と、ロッド本体部10の一端に設けられた小端部20と、ロッド本体部10の他端に設けられた大端部30とを備える。
 ロッド本体部(軸部)10は、棒状である。ロッド本体部10の断面形状は、典型的には、図1(c)に示すように、H字状である。
 小端部20は、ピストンピンを通すための貫通孔(ピストンピン孔)22を有する。小端部20は、ピストンピンを介してピストンに接続される。小端部20の内周面(ピストンピン孔22の外縁を規定する面)20aは、典型的には、ベアリングを介さずにピストンピンと接触する。
 大端部30は、クランクピンを通すための貫通孔(クランクピン孔)32を有している。大端部30は、クランクピンを介してクランクシャフトに接続される。クランクピン孔32内には、典型的には、転がり軸受けが配置されるため、大端部30の内周面(クランクピン32の外縁を規定する面)30aは、転がり軸受けと接触する。コネクティングロッド1は、大端部30が2つに分割されていない、一体型のコネクティングロッドである。
 本実施形態におけるコネクティングロッド1は、鉄合金から形成されている。また、コネクティングロッド1は、浸炭窒化処理が施されているか、または、浸炭処理および窒化処理が施されている。
 ただし、大端部30の内周面30aから0.1mmの深さにおける炭素含有量は、0.8wt%以上2.1wt%以下である。これは、上記の浸炭窒化処理または浸炭処理が、カーボンポテンシャル(CP)が0.8%以上である雰囲気下で行われたことを意味している。つまり、コネクティングロッド1に対して施された浸炭窒化処理または浸炭処理は、普通の浸炭窒化処理や浸炭処理ではなく、高濃度浸炭窒化処理または高濃度浸炭処理である。高濃度浸炭窒化処理または高濃度浸炭処理によれば、コネクティングロッド1の表面近傍に微細な粒状の炭化物および/または炭窒化物が析出するとともに、表面近傍におけるマルテンサイト組織の結晶粒径が小さくなる。そのため、表面硬度が著しく高くなり、疲労強度の向上効果が高い。
 さらに、本実施形態におけるコネクティングロッド1では、大端部30の内周面30aから0.1mmの深さにおける窒素含有量が0.03wt%以上0.19wt%以下である。このことにより、耐フレーキング性が顕著に向上する。
 図2に、一般的なコネクティングロッドの大端部内周面における深さ方向の応力分布(内燃機関の運転時で応力が最大になるときの応力分布)を計算した結果を示す。図2中には、内周面からの深さが負の値で示されている。例えば、深さ0.15mmの位置は、「-0.15」と表記されている。また、図2中で応力を示す複数の曲線には、1~22の番号が付されており、番号が大きいほど大きな応力を示している。
 図2からわかるように、応力は最表面においてもっとも大きいわけではない。また、図2から、内周面から約0.1mmの深さにおいて応力が最大となることがわかる。そこで、本願発明者が、深さ0.1mmの位置における元素濃度と耐フレーキング性との関係を詳細に検証したところ、深さ0.1mmの位置における窒素濃度(窒素含有量)が、耐フレーキング性に大きな影響を与えることがわかった。具体的には、後に検証結果ともに説明するように、この深さにおける窒素含有量が0.03wt%以上0.19wt%以下であることにより、耐フレーキング性の向上効果が格段に高くなることがわかった。
 本実施形態におけるコネクティングロッド1では、大端部30の内周面30aから0.1mmの深さにおける窒素含有量が0.03wt%以上0.19wt%以下であるので、耐フレーキング性が顕著に向上し、フレーキングの発生を長期間にわたって防止することができる。そのため、本実施形態におけるコネクティングロッド1は、単に高濃度浸炭窒化処理や高濃度浸炭処理が施されたコネクティングロッドに比べ、優れた疲労強度を有する。
 なお、耐フレーキング性のいっそうの向上を図る観点からは、大端部30の内周面30aから0.1mmの深さにおける窒素含有量は、0.04wt%以上0.18wt%以下であることが好ましく、0.05wt%以上0.15wt%以下であることがさらに好ましい。
 続いて、図3を参照しながら、本実施形態におけるコネクティングロッド1の製造方法を説明する。図3は、コネクティングロッド1の製造工程を示すフローチャートである。
 まず、鉄合金から鍛造により成形されたワークピースを用意する(工程S1)。鉄合金の組成に特に限定はないが、鉄合金の炭素(C)含有量は、0.1wt%以上0.4wt%以下であることが好ましい。炭素含有量が0.1wt%以上0.4wt%以下であることにより、熱処理後のコネクティングロッド1の内部硬さ(ビッカース硬さ)を200HV以上500HV以下にすることができるので、コネクティングロッド1内部の強度および靭性を十分に高く保つことができる。
 また、鉄合金のケイ素(Si)含有量は、0.1wt%以上0.5wt%以下であることが好ましい。ケイ素含有量が増加すると、耐フレーキング性は向上するが、靭性は低下するおそれがある。ケイ素含有量が0.1wt%以上0.5wt%以下であることにより、耐フレーキング性を十分に向上させ、且つ、十分な靭性を確保することができる。
 さらに、クロム含有量は、0.3wt%以上1.2wt%以下であることが好ましい。クロム含有量が増加すると、焼入れ性(熱処理による硬化のし易さを示す性質)が良くなるものの、クロム含有量が過度に多くなると、焼戻し脆化(鉄合金が所定の温度範囲に長時間保持された場合に生じる脆化現象)が発生することがある。クロム含有量が0.3wt%以上1.2wt%以下であることにより、適切な焼入れ性を得つつ、焼戻し脆化の発生を防止することができる。
 このように、ワークピースの材料(コネクティングロッド1の材料)である鉄合金は、0.1wt%以上0.4wt%以下の炭素、0.1wt%以上0.5wt%以下のケイ素および0.3wt%以上1.2wt%以下のクロムを含むことが好ましい。炭素含有量、ケイ素含有量およびクロム含有量が上記の範囲内にある鉄合金としては、例えばJIS SCM420鋼や、JIS SCr420鋼を用いることができる。SCM420鋼は、0.18wt%以上0.23wt%以下の炭素、0.15wt%以上0.35wt%以下のケイ素、0.90wt%以上1.2wt%以下のクロム、0.60wt%以上0.85wt%以下のマンガン、0.15wt%以上0.30%以下のモリブデンを含む。SCr420鋼は、0.18wt%以上0.23wt%以下の炭素、0.15wt%以上0.35wt%以下のケイ素、0.90wt%以上1.2wt%以下のクロム、0.60wt%以上0.85wt%以下のマンガンを含む。
 また、鉄合金のニッケル含有量は、なるべく少ないことが好ましく、具体的には、0.7wt%未満であることが好ましく、0.25wt%以下であることがさらに好ましい。ニッケル含有量が増加すると、熱処理後の残留オーステナイト量が増加するので、表面硬度が低下することがある。
 なお、ここでは鍛造を例示したが、ワークピースを用意する工程における成形手法はこれに限定されるものではない。ワークピースは、例えば、焼結や鋳造、焼結鍛造などによって成形されてもよい。
 次に、ワークピースに対して機械加工を行う(工程S2)。この機械加工により、鍛造後のワークピースの外径寸法が整えられる。例えば、バリ取り、ピストンピン孔22およびクランクピン孔32の形成、小端部20および大端部30の端面加工などが行われる。このように、この工程では主に切削が行われる。
 続いて、ワークピースに対して1回目の高濃度浸炭処理を施す(工程S3)。浸炭手法としては、固体浸炭、液体浸炭、ガス浸炭などが知られており、現在ではガス浸炭が主流であるが、ここでは、真空浸炭(「真空ガス浸炭」または「減圧浸炭」と呼ばれることもある)を行う。つまり、この工程における高濃度浸炭処理は、真空引きされた炉内(より具体的には、標準大気圧の1/10以下の圧力に減圧された炉内)において施される。このような炉内をA1変態点(鋼の共析変態温度)以上の温度に設定するとともに、カーボンポテンシャルが0.8%以上になるように炭化水素ガスを炉内に導入し、所定時間浸炭を行う。例えば、1000℃で170分間、浸炭を行う。1回目の高濃度浸炭処理により、鉄合金の表面は過剰浸炭される。その後、ガス冷却を行う(工程S4)。例えば、窒素(N2)ガスを導入することにより、冷却を行う。
 次に、ワークピースに対して2回目の高濃度浸炭処理を施す(工程S5)。ここでも、真空浸炭を行う。真空引きされた炉内をA1変態点以上で、Acm変態点(鉄合金のオーステナイトからセメンタイトが析出する変態温度)以下の温度に設定するとともに、カーボンポテンシャルが0.8%以上になるように炭化水素ガスを炉内に導入し、所定時間浸炭を行う。例えば、850℃で150分間、浸炭を行う。2回目の高濃度浸炭処理により、過剰浸炭された表面層の炭素が内部に拡散する。その後、ガス冷却を行う(工程S6)。
 続いて、ワークピースに対して窒化処理を施す(工程S7)。この窒化処理も、真空引きされた炉内で施される。真空引きされた(具体的には標準大気圧の1/10以下の圧力に減圧された炉内)をA1変態点以上で、Acm変態点以下の温度に設定するとともに、アンモニアガスを炉内に導入し、所定時間窒化を行う。例えば、850℃で130分間、浸炭を行う。その後、油冷(焼入れ)を行う(工程S8)。
 次に、焼戻しを行う(工程S9)。焼戻しは、例えば、190℃で120分間行われる。その後、空冷を行う(工程S10)。
 最後に、ワークピースに対して機械加工を行う(工程S11)。例えば、小端部20の内周面20aや大端部30の内周面30aの研磨が行われる。このように、この工程では主に研磨が行われる。上述したようにして、コネクティングロッド1が完成する。
 図4(a)および(b)に、完成したコネクティングロッド1の金属組織を示す。図4(a)および(b)は、コネクティングロッド1の表面近傍における断面の金属顕微鏡写真であり、図4(b)は図4(a)の一部を拡大したものである。図4(a)および(b)に示されているように、マルテンサイトの結晶粒の間に、微細な粒状の炭化物(炭化鉄)および炭窒化物(炭窒化鉄)が析出している。
 図5に、コネクティングロッド1の深さ方向における炭素濃度(炭素含有量)の分布を示す。図5に示されているように、表面から0.1mmの深さにおける炭素濃度が約0.92wt%であり、高濃度浸炭処理によって、この深さにおける炭素濃度(炭素含有量)が0.8wt%以上になることがわかる。なお、図5に示したような炭素濃度分布は、例えば電子線マイクロアナライザ(EPMA)により測定することができる。
 図6に、コネクティングロッド1の深さ方向における硬さ分布を示す。図6に示されているように、表面から0.1mmの深さにおける硬さは約770HVである。
 次に、大端部30の内周面30aの表層(つまり深さ0mm)、内周面30aから0.1mmの深さ、内周面30aから0.2mmの深さにおける窒素含有量(wt%)を変化させ、フレーキング寿命への影響を検証した結果を説明する。ここでいうフレーキング寿命は、累積破損確率50%の寿命(「L50寿命」と呼ばれる)である。
 表1に、深さ0.1mmの位置における窒素含有量が0.03wt%以上0.19wt%以下の範囲内にある実施例1~4と、深さ0.1mmの位置における窒素含有量が0.03wt%以上0.19wt%以下の範囲外にある比較例1および2について、検証結果を示す。実施例1~4と、比較例1および2とは、窒化処理の条件が異なる点以外は同じ製法により製造されている。また、表1には、従来のコネクティングロッドとして、普通の浸炭処理(高濃度浸炭処理ではない浸炭処理)が施された比較例3と、特許文献1に開示されているような高濃度浸炭処理が施された比較例4とを併せて示している。なお、深さ方向における窒素含有量の分布は、例えば電子線マイクロアナライザ(EPMA)により測定することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 表1に示されているように、深さ0.1mmの位置における窒素含有量が0.03wt%未満である比較例1および0.19wt%を超える比較例2では、従来のコネクティングロッド(比較例3および4)と同程度のフレーキング寿命しか得られない。これに対し、深さ0.1mmの位置における窒素含有量が0.03wt%以上0.19wt%以下の範囲内にある実施例1~4では、従来のコネクティングロッド(比較例3および4)よりも長いフレーキング寿命が得られる。
 また、表1から、表層および深さ0.2mmの位置における窒素含有量には、フレーキング寿命との明確な相関がないことがわかる。例えば比較例1では、表層における窒素含有量が比較例3および4よりも著しく多いにも関らず、従来と同程度のフレーキング寿命しか得られない。また、実施例1および3では、深さ0.2mmの位置における窒素含有量は比較例3および4と同程度であるにも関らず、従来よりも長いフレーキング寿命が得られている。
 このように、表層や深さ0.2mmの位置ではなく、深さ0.1mmの位置における窒素含有量を所定の範囲内(0.03wt%以上0.19wt%以下)にすることにより、フレーキング寿命を従来よりも長くし得ることがわかった。なお、比較例2のように、深さ0.1mmの位置における窒素含有量が多すぎるとフレーキング寿命が低下してしまうのは、窒素化合物が増えることによって、靱性が低くなり、金属組織がコネクティングロッドの使用中(内燃機関の運転中)の変形に追随できず、微小な欠陥が発生するためと考えられる。
 図7に、深さ0.1mmの位置における窒素含有量と、フレーキング寿命(L50寿命)との関係をグラフとして示す。図7のグラフには、表1に示した例よりもさらに多くの例が示されている。
 図7からも、表面から0.1mmの深さにおける窒素含有量が0.03wt%以上0.19wt%以下(図7中の範囲A)であることにより、従来よりも長いフレーキング寿命が実現されることがわかる。また、図7から、表面から0.1mmの深さにおける窒素含有量が0.04wt%以上0.18wt%以下(図7中の範囲B)であることにより、さらに長いフレーキング寿命が実現され、0.05wt%以上0.15wt%以下(図7中の範囲C)であることにより、いっそう長いフレーキング寿命が実現されることがわかる。
 なお、本実施形態では、コネクティングロッド1に対し、高濃度浸炭処理と窒化処理とを別々に(順次)施す場合を説明したが、高濃度浸炭処理を施す際に窒化処理を同時に施してもよい。つまり、コネクティングロッド1に対し、高濃度浸炭窒化処理を施してもよい。図8に、高濃度浸炭窒化処理を施す場合のコネクティングロッド1の製造工程の例を示す。
 図8に示す例では、まず、鉄合金から鍛造により成形されたワークピースを用意し(工程S1)、次に、ワークピースに対して機械加工(主に切削)を行う(工程S2)。続いて、ワークピースに対して高濃度浸炭処理を真空引きされた炉内で施し(工程S3)、その後、ガス冷却を行う(工程S4)。
 次に、ワークピースに対して高濃度浸炭窒化処理を真空引きされた炉内で施す(工程S5)。高濃度浸炭窒化処理は、炉内に炭化水素ガスとともにアンモニアガスを導入することにより行う。その後、油冷(焼入れ)を行う(工程S6)。
 次に、焼戻しを行い(工程S7)、その後、空冷を行う(工程S8)。最後に、ワークピースに対して機械加工(主に研磨)を行う(工程S9)。上述したようにして、コネクティングロッド1が完成する。
 なお、高濃度浸炭処理(図3中の工程S3、S5および図8中の工程S3)および高濃度浸炭窒化処理(図8中の工程S5)は、上述したように、真空引きされた炉内で施される(つまり真空浸炭または真空浸炭窒化である)ことが好ましい。真空浸炭および真空浸炭窒化では、その後の熱処理として炉冷や焼入れの代わりに、ガス冷を行うことができるので、処理時間の短縮を図ることができる。
 また、表面から深さ0.1mmにおける窒素含有量を0.03wt%以上0.19wt%以下の範囲内に制御するためには、窒化処理(図3中の工程S7)および高濃度浸炭窒化処理(図8中の工程S5)が、真空引きされた炉内で施されることが好ましい。真空雰囲気に窒素を含有するガス(例えばアンモニアガス)を導入することにより、表面(大端部30の内周面30a)から深さ0.1mmにおける窒素含有量を精度良く調節することができる。
 これに対し、ガス浸炭用の炉内(真空引きされていない炉内)で窒化処理や高濃度浸炭窒化処理を行うと、表面から深さ0.1mmにおける窒素含有量を0.03wt%以上0.19wt%以下の範囲内にすることが困難である。図9に、窒化処理または高濃度浸炭窒化処理をガス浸炭用の炉内で行う場合と、真空浸炭用の炉内で行う場合とについて、表面から深さ0.1mmにおける窒素含有量と、窒化時間との関係を示す。
 図9からわかるように、ガス浸炭用の炉内で処理を行う場合の適切な窒化時間の範囲Cは、真空浸炭用の炉内で処理を行う場合の適切な窒化時間の範囲Dよりも著しく短く、窒化時間を実際にこの範囲Cに収めることは非常に難しい。特許文献1に開示されている技術は、ガス浸炭を前提としているため、特許文献1に教示されている高濃度浸炭窒化処理を用いても、表面から0.1mmの深さにおける窒素含有量を0.03wt%以上0.19wt%以下の範囲内にすることはできない。
 なお、図3に示したようにコネクティングロッド1に対して高濃度浸炭処理と窒化処理とを別々に(順次)施す場合、図8に示したように高濃度浸炭窒化処理を施す場合に比べ、窒素含有量の制御がより容易となる。真空引きされた炉内に導入されるガスが、窒素含有ガスのみであるからである。これに対し、図8に示したように高濃度浸炭窒化処理を施す場合、製造工程を簡略化し、処理時間を短縮できるという効果が得られる。
 大端部30の内周面30a近傍(具体的には表面から深さ0.1mmまでの領域)に析出している炭化物および炭窒化物の粒径(より具体的には外接円直径)は、なるべく小さいことが好ましく、具体的には10μm以下であることが好ましい。炭化物および炭窒化物の粒径が10μmを超えると、靭性が低下して十分な強度が得られないことがある。
 また、必ずしもコネクティングロッド1の全体に高濃度浸炭処理や窒化処理、高濃度浸炭窒化処理を施す必要はなく、少なくとも大端部30の内周面30a付近にこれらの処理を施せばよい。例えば、ロッド本体部10は、大端部30よりも靭性が高いことが好ましいので、1回目の高濃度浸炭処理(図3中の工程S3および図8中の工程S3)の前にロッド本体部10を銅めっきや防炭剤等によりマスキングしてもよい。
 あるいは、2回目の高濃度浸炭処理、焼入れ、焼戻しの後(図3中の工程S9の後)や、高濃度浸炭窒化処理、焼入れ、焼戻しの後(図8中の工程S7の後)に、ロッド本体部10に選択的なさらなる焼戻しを行うことによって、ロッド本体部10の靭性を高くすることもできる。局所的な焼戻しは、例えば、高周波誘導加熱により行うことができる。
 なお、本実施形態では、図3に示したように高濃度浸炭処理を2回行う場合と、図8に示したように高濃度浸炭処理と高濃度浸炭窒化処理とを1回ずつ(計2回)行う場合とを例示したが、高濃度浸炭処理および/または高濃度浸炭窒化処理を計3回以上行ってもよい。
 また、本願発明者の検討によれば、フレーキング寿命には、コネクティングロッド1の非拡散性水素含有量も大きな影響を与えることがわかった。鉄合金中の水素は、その固溶状態により2種類に分類される。室温で拡散する水素は拡散性水素と呼ばれ、介在物等にトラップされて室温から200°程度までの温度では拡散しにくい水素は非拡散性水素と呼ばれる。
 フレーキング寿命のいっそうの向上を図る観点からは、非拡散性水素含有量は、具体的には、0.46ppm以下であることが好ましい。非拡散性水素含有量が0.46ppm以下であることにより、水素脆性型剥離の発生を抑制することができるので、フレーキング寿命をいっそう向上させることができる。
 表2に、表1中に示した実施例1~4および比較例1~4について、非拡散性水素含有量を示す。また、表2には、さらなる実施例5~7についても、非拡散性水素含有量を示している。実施例5~7でも、深さ0.1mmの位置における窒素含有量は0.03wt%以上0.19wt%以下の範囲内にある。さらに、表2には、各例における浸炭処理(あるいは浸炭窒化処理)が、ガス浸炭(ガス浸炭窒化)であるか真空浸炭(真空浸炭窒化)であるかも示している。なお、非拡散性水素含有量の測定は、昇温離脱法により行った。試験片を200℃から600℃まで徐々に昇温させ、試験片から放出された水素量を、質量分析計により定量分析した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 表2における実施例4と実施例6との比較、あるいは、実施例5と実施例7との比較から、深さ0.1mmの位置における窒素含有量が同じであっても、非拡散性水素含有量が少ないほど、フレーキング寿命が長く、非拡散性水素含有量は0.46ppm以下が好ましいことがわかる。
 また、表2から、浸炭処理(浸炭窒化処理)が、ガス浸炭(ガス浸炭窒化)である場合よりも、真空浸炭(真空浸炭窒化)である場合の方が、非拡散性水素含有量が少なく、この点からも真空浸炭(真空浸炭窒化)が好ましいことがわかる。
 本実施形態におけるコネクティングロッド1は、シリンダの数が1つである単気筒内燃機関に好適に用いられる。図10に、本実施形態におけるコネクティングロッド1を備えた単気筒内燃機関100の一例を示す。内燃機関100は、クランクケース110、シリンダブロック120およびシリンダヘッド130を有している。
 クランクケース110内にはクランクシャフト111が収容されている。クランクシャフト111は、クランクピン112およびクランクウェブ113を有している。クランクピン112と、クランクウェブ113とは、別体に形成されている。つまり、クランクシャフト111は、組立て式のクランクシャフトである。
 クランクケース110の上に、シリンダブロック120が設けられている。シリンダブロック120には、円筒状のシリンダスリーブ121がはめ込まれており、ピストン122は、シリンダスリーブ121内を往復し得るように設けられている。
 シリンダブロック120の上に、シリンダヘッド130が設けられている。シリンダヘッド130は、シリンダブロック120のピストン122やシリンダスリーブ121とともに燃焼室131を形成する。シリンダヘッド130は、吸気ポート132および排気ポート133を有している。吸気ポート132内には燃焼室131内に混合気を供給するための吸気弁134が設けられており、排気ポート133内には燃焼室131内の排気を行うための排気弁135が設けられている。
 ピストン122とクランクシャフト111とは、コネクティングロッド1によって連結されている。具体的には、コネクティングロッド1の小端部20に形成されたピストンピン孔にピストン122のピストンピン123が挿通されているとともに、大端部30に形成されたクランクピン孔にクランクシャフト111のクランクピン112が挿通されており、そのことによってピストン122とクランクシャフト111とが連結されている。
 単気筒内燃機関100では、フリクションロスの低減が重要であるので、図10に示すように、コネクティングロッド1の大端部30の内周面30aとクランクピン112との間には、ニードルベアリング114が設けられている。ニードルベアリング114が設けられている場合、コネクティングロッド1がニードルベアリング114に押し付けられることにより、大端部30の内周面30aに応力が発生する。この応力が過大であると、フレーキングの発生が懸念される。しかしながら、本実施形態におけるコネクティングロッド1は、耐フレーキング性に優れているので、フレーキングの発生が商品として必要な期間以上の長期間にわたって防止される。
 内燃機関100全体の耐久性を高める観点からは、クランクピン112の表面硬度および疲労強度も高いことが好ましい。そのため、クランクピン112は、浸炭処理または浸炭窒化処理を施されていることが好ましい。
 なお、図10には、転がり軸受けとしてニードルベアリング114を例示したが、転がり軸受けは、ニードルベアリングのようなころ軸受けに限定されるものではなく、ボールベアリング(玉軸受け)であってもよい。
 図11に、図10に示した内燃機関100を備えた自動二輪車を示す。図11に示す自動二輪車では、本体フレーム301の前端にヘッドパイプ302が設けられている。ヘッドパイプ302には、フロントフォーク303が車両の左右方向に揺動し得るように取り付けられている。フロントフォーク303の下端には、前輪304が回転可能なように支持されている。
 本体フレーム301の後端上部から後方に延びるようにシートレール306が取り付けられている。本体フレーム301上に燃料タンク307が設けられており、シートレール306上にメインシート308aおよびタンデムシート308bが設けられている。
 また、本体フレーム301の後端に、後方へ延びるリアアーム309が取り付けられている。リアアーム309の後端に後輪310が回転可能なように支持されている。
 本体フレーム301の中央部には、図10に示した内燃機関100が保持されている。内燃機関100は、本実施形態におけるコネクティングロッド1を備えている。内燃機関100の前方には、ラジエータ311が設けられている。内燃機関100の排気ポートには排気管312が接続されており、排気管312の後端にマフラー313が取り付けられている。
 内燃機関100には変速機315が連結されている。変速機315の出力軸316に駆動スプロケット317が取り付けられている。駆動スプロケット317は、チェーン318を介して後輪310の後輪スプロケット319に連結されている。変速機315およびチェーン318は、内燃機関100により発生した動力を駆動輪に伝える伝達機構として機能する。
 図11に示した自動二輪車には、本実施形態におけるコネクティングロッド1を備えた内燃機関100が用いられているので、商品として必要な期間以上の長期間にわたってフレーキングの発生が防止される。また、本実施形態におけるコネクティングロッド1は、小型軽量化にも適している。高寿命化により、高負荷をコネクティングロッド1にかけることが可能になるためである。コネクティングロッド1の小型軽量化により、内燃機関100や車体も軽量化され、自動二輪車の走行安定性や、乗りやすさ、扱いやすさが向上し、商品性が向上する。
 なお、本実施形態におけるコネクティングロッド1を備えた内燃機関100は、自動二輪車に限定されず、ライダーが跨って乗る鞍乗り型車両全般に好適に用いられる。例えば、バギーなどのATVにも用いられる。
 また、本実施形態におけるコネクティングロッド1は、発電機や農作業機器などで用いられる小型内燃機関にも用いることができる。
 本発明によると、大端部の内周面におけるフレーキングの発生が抑制され、疲労強度に優れたコネクティングロッドが提供される。
 本発明によるコネクティングロッドは、各種の鞍乗型車両用の内燃機関(例えば自動二輪車用の内燃機関)に広く用いられる。
 1   コネクティングロッド
 10  ロッド本体部
 20  小端部
 20a 小端部の内周面
 22  ピストンピン孔
 30  大端部
 30a 大端部の内周面
 32  クランクピン孔
 100 単気筒内燃機関

Claims (17)

  1.  ロッド本体部と、
     前記ロッド本体部の一端に設けられた小端部と、
     前記ロッド本体部の他端に設けられた大端部と、を備え、
     鉄合金から形成され、
     浸炭窒化処理が施されたか、または、浸炭処理および窒化処理が施されたコネクティングロッドであって、
     前記大端部の内周面から0.1mmの深さにおける炭素含有量が0.8wt%以上2.1wt%以下であり、
     前記大端部の内周面から0.1mmの深さにおける窒素含有量が0.03wt%以上0.19wt%以下であるコネクティングロッド。
  2.  前記大端部の内周面から0.1mmの深さにおける窒素含有量が0.04wt%以上0.18wt%以下である請求項1に記載のコネクティングロッド。
  3.  前記大端部の内周面から0.1mmの深さにおける窒素含有量が0.05wt%以上0.15wt%以下である請求項1に記載のコネクティングロッド。
  4.  前記鉄合金は、0.1wt%以上0.4wt%以下の炭素、0.1wt%以上0.5wt%以下のケイ素および0.3wt%以上1.2wt%以下のクロムを含む請求項1から3のいずれかに記載のコネクティングロッド。
  5.  前記鉄合金のニッケル含有量は0.7wt%未満である請求項1から4のいずれかに記載のコネクティングロッド。
  6.  非拡散性水素含有量が0.46ppm以下である請求項1から5のいずれかに記載のコネクティングロッド。
  7.  前記浸炭窒化処理、前記浸炭処理および前記窒化処理は、標準大気圧の1/10以下の圧力に減圧された炉内において施されている請求項1から6のいずれかに記載のコネクティングロッド。
  8.  前記大端部の内周面近傍に析出している炭化物および炭窒化物の粒径が10μm以下である請求項1から7のいずれかに記載のコネクティングロッド。
  9.  請求項1から8のいずれかに記載のコネクティングロッドと、
     前記コネクティングロッドに接続されたクランクシャフトと、
    を備える単気筒内燃機関。
  10.  前記クランクシャフトは、前記コネクティングロッドの前記大端部に挿通されたクランクピンと、前記クランクピンとは別体に形成されたクランクウェブと、を有する請求項9に記載の単気筒内燃機関。
  11.  前記大端部の内周面と前記クランクピンとの間に設けられた転がり軸受けをさらに備える請求項10に記載の単気筒内燃機関。
  12.  前記クランクピンは、浸炭処理または浸炭窒化処理を施されている請求項11に記載の単気筒内燃機関。
  13.  請求項9から12のいずれかに記載の単気筒内燃機関を備えた鞍乗型車両。
  14.  ロッド本体部、前記ロッド本体部の一端部に設けられた小端部および前記ロッド本体部の他端部に設けられた大端部を備えるコネクティングロッドの製造方法であって、
     鉄合金から形成されたワークピースを用意する工程(A)と、
     前記ワークピースに対して0.8%以上のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で浸炭処理を施す工程(B)と、
     前記工程(B)の後に、前記ワークピースに対して0.8%以上のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で浸炭窒化処理を施す工程(C)と、を包含し、
     前記工程(C)は、前記ワークピースの前記大端部となる領域の内周面から0.1mmの深さにおける窒素含有量が0.03wt%以上0.19wt%以下となるように実行されるコネクティングロッドの製造方法。
  15.  前記工程(B)における前記浸炭処理および前記工程(C)における前記浸炭窒化処理は、標準大気圧の1/10以下の圧力に減圧された炉内において施される請求項14に記載のコネクティングロッドの製造方法。
  16.  ロッド本体部、前記ロッド本体部の一端部に設けられた小端部および前記ロッド本体部の他端部に設けられた大端部を備えるコネクティングロッドの製造方法であって、
     鉄合金から形成されたワークピースを用意する工程(A)と、
     前記ワークピースに対して0.8%以上のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で複数回浸炭処理を施す工程(B)と、
     前記工程(B)の後に、前記ワークピースに対して窒化処理を施す工程(C)と、を包含し、
     前記工程(C)は、前記ワークピースの前記大端部となる領域の内周面から0.1mmの深さにおける窒素含有量が0.03wt%以上0.19wt%以下となるように実行されるコネクティングロッドの製造方法。
  17.  前記工程(B)における前記浸炭処理および前記工程(C)における前記窒化処理は、標準大気圧の1/10以下の圧力に減圧された炉内において施される請求項16に記載のコネクティングロッドの製造方法。
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