JP2007119819A

JP2007119819A - コンロッド用非調質鋼及びコンロッド

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Publication number: JP2007119819A
Application number: JP2005311365A
Authority: JP
Inventors: Kazuishi Aihara; 一石相原; Yuichi Yamada; 雄一山田; Tomonori Miyazawa; 智則宮澤; Hideki Usuki; 秀樹臼木; Yoshio Okada; 義夫岡田; Shinichiro Kato; 進一郎加藤; Masakazu Hayaishi; 正和速石
Original assignee: Daido Steel Co Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-10-26
Filing date: 2005-10-26
Publication date: 2007-05-17
Also published as: EP1780296A1; CN1955498A; US20070098589A1

Abstract

【課題】被削性及び耐力を確保することができ、しかも破断分離に適したコンロッド用非調質鋼と、このような鋼材から成るコンロッドを提供する。
【解決手段】Ｃ：０．３〜０．８％、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．５〜１．５％、Ｐ：０．０１〜０．１５％、Ｃｒ：１．０％以下、Ｖ：０．４％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｎ：０．００５〜０．０３％の成分を有し、硬度（ＨＲＣ）、Ｐ含有量（％）及び炭素当量Ｃｅｑ（＝Ｃ＋０．１６６Ｓｉ＋０．２２Ｍｎ＋０．２５Ｃｒ＋１．８Ｖ）から、式：２８０４−１５４９×Ｃｅｑ＋８８６２×Ｐ（％）−２３．４×硬度（ＨＲＣ）に基づいて算出される値が１５０以下のコンロッドとする。
【選択図】なし

Description

本発明は、熱間鍛造により部品形状に成形し、その後に衝撃を与えて破断することによって、２個以上の部品に分離したのち、ボルト等の締結部品を用いて再度組み合わせて使用するコンロッドに関するものである。

例えば、自動車用エンジンにおいて、ピストンとクランクシャフトを連結するコンロッドは最終製品形状を持ったものを鍛造により一体に成形し、仕上げの機械加工を行った後、機械加工によりキャップ部と小端-ロッド部とを切断分離するという手順に従って製作されていた。しかし、機械加工の工数や、切り代として失われる部分の存在により従来のコンロッドは製造コストが高くなっていた。
これに対して、仕上げ機械加工によらず、衝撃を与えて破断する破断分離工法によるコンロッド製作法は、機械加工工数の削減や、切り代分の低下に繋がるため、低コスト化が図れるという利点が見込まれていた（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２‐２７５５７８号公報

しかしながら、コンロッドの破断分離には、ＣおよびＶを多量に含有させ高硬度化させることによって、鋼材に破断分離性を付与していたため、被削性の低下と共に、硬さの割りには耐力が上がらないという問題点があった。

本発明は、従来の破断分離タイプのコンロッド及びこれに用いる鋼材における上記課題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、被削性及び耐力を確保することができ、しかも破断分離に適したコンロッド用非調質鋼と、このような鋼材から成るコンロッドを提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成するために、コンロッド用鋼材の主成分や添加合金元素の種類や添加量などについて鋭意検討を繰り返した結果、コンロッド破断分離後の大端部長手方向の長さと長手方向に直交する方向の長さの差、すなわちコンロッド大端部の真円からのずれ量に着目してこれを楕円量と規定し、この楕円量と鋼材成分や硬さとの関係を導出することによって、上記楕円量の予測が可能であることを見出し、本発明を完成するに到った。

本発明は上記知見に基づくものであって、本発明のコンロッド用非調質鋼は、質量比で０．３〜０．８％のＣと、０．１〜２．０％のＳｉと、０．５〜１．５％のＭｎと、０．０１〜０．１５％のＰと、１．０％以下のＣｒと、０．４％以下のＶと、０．０５％以下のＡｌと、０．００５〜０．０３％のＮと、必要に応じてＳ：０．０３〜０．１５％、Ｐｂ：０．３％以下、Ｃａ：０．０１％以下のうちの少なくとも１種を含有し、残部がＦｅと不可避不純物から成る熱間鍛造用非調質鋼であって、当該非調質鋼から鍛造されたコンロッドの硬度Ｈ（ＨＲＣ）、Ｐ含有量（％）及び炭素当量Ｃｅｑ（＝Ｃ＋０．１６６Ｓｉ＋０．２２Ｍｎ＋０．２５Ｃｒ＋１．８Ｖ）から、Ｅ＝２８０４−１５４９×Ｃｅｑ＋８８６２×Ｐ（％）−２３．４×Ｈなる式によって算出されるＥの値が１５０以下であることを特徴としている。

また、本発明のコンロッドは、質量比で、０．３〜０．８％のＣ、０．１〜２．０％のＳｉ、０．５〜１．５％のＭｎ、０．０１〜０．１５％のＰ、１．０％以下のＣｒ、０．４％以下のＶ、０．０５％以下のＡｌ、０．００５〜０．０３％のＮを含有し、硬度Ｈ（ＨＲＣ）、Ｐ含有量（％）及び炭素当量Ｃｅｑ（＝Ｃ＋０．１６６Ｓｉ＋０．２２Ｍｎ＋０．２５Ｃｒ＋１．８Ｖ）から、２８０４−１５４９×Ｃｅｑ＋８８６２×Ｐ（％）−２３．４×Ｈなる式によって算出されるＥの値が１５０以下であることを特徴とするものである。

本発明によれば、コンロッド素材の硬さ、すなわち破断分離性及び被削性に影響するＣ（炭素）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒ（クロム）、Ｖ（バナジウム）などの含有量を規定すると共に、コンロッド大端部の真円からのずれ量である楕円量と鋼材成分や硬さとの関係を重回帰分析によって導き出し、当該重回帰分析式から算出されるＥ値と実測値との関係から、楕円量が基準以下となるようなＥ値を選定し、成分調整していることから、このような成分の鋼材を使用することによって、破断分離性及び被削性に優れたコンロッドを得ることができるという極めて優れた効果がもたらされる。

以下、本発明における各種合金成分の限定理由と共に、上記楕円量に関する重回帰分析式の詳細、さらには本発明の実施の形態について具体的に説明する。なお、本明細書において、「％」は、特記しない限り、質量百分率を意味するものとする。

Ｃ：０．３〜０．８％
Ｃは、鋼の硬さ、強度を確保するために有効で、しかも安価な元素であるが、０．３％に満たない含有では、所望の強度を得ることができない。一方、０．８％を超える含有では、強度は得られるものの、硬さの過度な上昇を招き、被削性の低下を引き起こす。したがって、Ｃ添加量は、上記範囲に設定する必要がある。

Ｓｉ：０．１〜２．０％
Ｓｉは、フェライト相に固溶することによって、鋼の強化元素としての効果がある。十分な破断分離性を得るためには０．１％以上の添加が必要である。しかし、多量の添加は熱間での変形抵抗を上昇せしめ、鍛造性を低下させるため、上限を２．０％とした。

Ｍｎ：０．５〜１．５％
Ｍｎは、熱間加工性を改善する効果がある。十分な熱間加工性を得るためには０．５％以上の添加が必要である。また、焼入れ性の向上効果があるため、コンロッドの焼入れにも対応する目的で添加する。しかし、過剰な添加は、鍛造後のベイナイト生成を招き、硬さの過度な上昇を招いて被削性を悪化せしめるため、上限を１．５％とした。

Ｐ：０．０１〜０．１５％
Ｐは、フェライト相を強化することによって破断時の変形を抑制する効果があるため、０．０１％以上添加する。しかし、多量に添加しても、その効果は飽和してしまう。また、添加量が増加するに伴って破断面を過度に平滑にする傾向があり、分離後組付けの際、嵌合性が低下してしまうため、上限を０．１５％とした。

Ｃｒ：１．０％以下
Ｃｒは、鍛造後の強度を高めるとともに、焼入れ性を向上する効果があるため、コンロッドの焼入れにも対応する目的で添加する。しかし、過剰な添加は鍛造後のベイナイト生成を招き、硬さの過度な上昇を招いて被削性を悪化せしめるため、上限を１．０%とした。

Ｖ：０．４％以下
Ｖは、ＮやＣと反応して炭窒化物を生成し、鍛造後の強度を高め、耐力比の向上に効果がある。また、析出物であるＶの炭窒化物は、フェライト相を強化することにより破断時の変形を抑制し、破断分離性向上に効果がある。しかし、この効果は、添加量を増すと飽和し、多量の添加は被削性の低下やコストの上昇に繋がるため、その上限を０．４％とした。

Ａｌ：０．０５％以下
Ａｌは、微細な窒化物を形成させ、過度の結晶粒粗大化防止の効果を期待して積極添加をする場合もあるが、破断分離を目的とする場合、延性を高め、破断分離時の変形を大きくする弊害があるため、その上限を０．０５％とした。

Ｎ：０．００５〜０．０３％
Ｎは、不可避不純物であり、窒化物を形成して鍛造時の結晶粒粗大化を防止する効果があるが、多量の添加は鋳造時に欠陥を生じる原因となる。したがって、工程上の下限値である０．００５％から欠陥の生じない０．０３％までの範囲に設定した。

Ｓ：０．０３〜０．１５％、
Ｐｂ：０．３％以下、
Ｃａ：０．０１％以下の１種以上
これら成分は、いずれも被削性改善のために添加する元素であるから、必要に応じて、これらのうちのいずれか１種、あるいは２種以上を任意に組み合わせて添加することができる。
すなわち、ＳはMnと硫化物を形成し、被削性を改善させる元素であって、その効果を得るには０．０３％以上の添加が必要であるが、多量の添加は熱間加工性を悪化させるため上限を０．１５％と規定した。また、Ｐｂは快削成分として添加される元素であるが、多量に添加すると鋼中に均一分散させることが困難になり凝集したＰｂが欠陥になるため、上限を０．３％と規定した。さらに、Ｃａは、ＭｎＳ中のＭｎの一部と置換してＣａが固溶したＭｎＳを形成し、これが切削加工時の工具に付着して被削性を改善する作用を有するため添加する元素である。しかし、多量に添加すると高融点のＣａＳを形成し、鋳造の妨げとなるため上限を０．０１％と規定した。

硬さ：２４〜３５ＨＲＣ
本発明のコンロッドは、上記成分のコンロッド用非調質鋼から成るものであるが、その硬さは、ロックウェルＣスケール（ＨＲＣ）で２４〜３５の範囲とすることが望ましい。すなわち、コンロッドの硬さがＨＲＣで２４に満たない場合には、楕円量、つまり破談分離後の大端部の真円からのずれが基準よりも大きくなって、コンロッドの破断分離性を確保することが難しくなる一方、３５ＨＲＣを超えると、被削性が低下して、加工コストが高くなる傾向があることから、上記範囲内とすることが望ましい。

ここで、上記楕円量は、破断による大端部の真円からのずれ量を意味し、破断分離後の再組付け性に大きく影響し、この楕円量が大きい場合には、再組付け後の加工取り代が増加し、歩留まりが低下するため基準以下とする必要がある。
図３の結果から明らかなように、楕円量（Ｏｖａｌ）を基準以下とするためには、その硬度を２４ＨＲＣ以上とすることが望ましい。このように楕円量を基準以下としてコンロッドの破断分離性を確保するには、その硬度を２４ＨＲＣ以上にすればよいことになるが、３５ＨＲＣを超えると被削性が低下してしまうために、硬さの上限を３５ＨＲＣとすることが望ましい。

Ｅ＝２８０４−１５４９×Ｃｅｑ（＝Ｃ＋０．１６６Ｓｉ＋０．２２Ｍｎ＋０．２５Ｃｒ＋１．８Ｖ）−８８６２×Ｐ（％）−２３．４×Ｈ≦１５０
上記Ｅ式は、楕円量（μｍ）に及ぼす化学成分や組織の関係を、Ｃｅｑ（炭素等量）、Ｐ量、硬度、パーライト粒径、フェライト粒径、フェライト面積率をパラメータとして、重回帰分析を行うことによって求めたものである。
すなわち、上記式による算出結果に基づいて、楕円量を予測することができ、算出結果であるＥ値が１５０以下となるように成分調整すれば、上記したように破断分離後のコンロッドの再組付け性を確保することができることになる。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、これら実施例によって何ら限定されるものではない。

表１に示す化学成分を有する１１種類を溶製したのち、造塊して直径４０ｍｍの丸棒に熱間鍛造した後、図１に示す小端部Ｓ、Ｉ−セクション部Ｉ及び大端部Ｍから成るコンロッド形状に熱間鍛造を施したものを供試品とした。
なお、熱間鍛造時の加工及び加熱条件は、コンロッド実部品相当の条件とした。また、冷却条件の違いによる硬度変化の影響を把握するため、鍛造後の冷却風量制御を扇風機の出力を調節することにより行った。

得られた鍛造品（コンロッド素材）について、大端部におけるロックウェル硬度を測定すると共に、レーザ加工によって大端部に０．５ｍｍ深さの切り欠きを設けた後、鍛造部品大端穴に楔状の分割冶具を挿入し、衝撃力を加えることにより冶具と共に大端部を分離し、分離後に再組付けして楕円量を測定した。
さらに、熱間鍛造により実部品相当の組織、硬さを得た板状試験片に対し、ドリル穴あけ加工を行い、ドリルの摩耗量を測定することによりドリル加工能率、すなわち被削性を評価した。

実施例１は、現行条件での冷却を実施し作製したもので、硬度２４ＨＲＣ以上を有しており、Ｅ≦１５０を満たし、実測の楕円量は基準値以下である。
実施例２は、実施例１に対して冷却風量を増加させ高硬度化を図っている。これもＥ≦１５０を満たしており、良好な破断分離性を示している。

実施例３〜６は、それぞれ現行条件相当の冷却を実施しており、硬度２４ＨＲＣ以上かつＥ≦１５０を満たしているため、実測の楕円量も基準以下である。
実施例７では、Ｐ量が比較的少ないものの、Ｃ量が多く高硬度であるため優れた破断分離性を示しており、この場合のＥ値は１５０以下である。

これに対して、比較例Ｉ〜ＩＩによれば、実施例と同一鋼種（鋼種ＡおよびＢ）においても鍛造後の冷却条件が遅く、硬度が減少することにより楕円量が大きくなる。
比較例ＩＩＩのようにＰ量が多い材料は、脆性的であるため破断分離性は良好となり、基準値以下の楕円量が得られるが硬度の確保が望めない上に、鋼材溶製時に割れを生じやすいため部品成立性に劣っている。

比較例ＩＶは、Ｃ量が多く高硬度であるため、Ｐ量が少ない状態でも破断時に基準値以下の楕円量を得ることができる。しかしながら被削性に劣っている。
比較例Ｖは２４ＨＲＣ以上の高い硬度を有するが、Ｐ量が少ないため破断分離性に劣っている。

また、図２は推定楕円量と、実測値との関係を実施例と比較例を基に示した散布図である。
実測の楕円量が基準値を満たすものは、Ｅ≦１５０を満たしている。Ｅ≦１５０を満たすもので実測楕円量が基準値以上になるものも存在するが、これらは硬度、被削性および部品成立性の観点から本発明外となる。

さらに、図３は実施例と比較例を基に、楕円量実測値と硬度の関係を示した散布図である。
硬度が２４ＨＲＣ以上のものは良好な破断分離性を示す。硬度が２４ＨＲＣ以上であってもＰ量が規定量以下のものは、破断分離性に劣っている。また硬度が２４ＨＲＣ以下であってもＰ量が過多のものは、良好な破断分離性を示すが部品成立性に劣っている。なお、実施例における鋼種Ａ〜Ｆは快削性を向上させるＣａとＳを添加しており、特に快削性に優れている。

鍛造されたコンロッド素材の形状を示す説明図である。推定楕円量と実測値の関係を示すグラフである。楕円量実測値と硬度の関係を示すグラフである。

Claims

質量比で、Ｃ：０．３〜０．８％、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．５〜１．５％、Ｐ：０．０１〜０．１５％、Ｃｒ：１．０％以下、Ｖ：０．４％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｎ：０．００５〜０．０３％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避不純物から成る熱間鍛造用非調質鋼であって、当該非調質鋼から鍛造されたコンロッドの硬度Ｈ（ＨＲＣ）、Ｐ含有量（％）及び炭素当量Ｃｅｑ（＝Ｃ＋０．１６６Ｓｉ＋０．２２Ｍｎ＋０．２５Ｃｒ＋１．８Ｖ）から次式によって算出されるＥの値が１５０以下であることを特徴とするコンロッド用非調質鋼。
Ｅ＝２８０４−１５４９×Ｃｅｑ＋８８６２×Ｐ（％）−２３．４×Ｈ
質量比で、Ｃ：０．３〜０．８％、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．５〜１．５％、Ｐ：０．０１〜０．１５％、Ｃｒ：１．０％以下、Ｖ：０．４％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｎ：０．００５〜０．０３％と共に、Ｓ：０．０３〜０．１５％、Ｐｂ：０．３％以下及びＣａ：０．０１％以下のうち少なくとも１種を含有し、残部Ｆｅ及び不可避不純物から成る熱間鍛造用非調質鋼であって、当該非調質鋼から鍛造されたコンロッドの硬度Ｈ（ＨＲＣ）、Ｐ含有量（％）及び炭素当量Ｃｅｑ（＝Ｃ＋０．１６６Ｓｉ＋０．２２Ｍｎ＋０．２５Ｃｒ＋１．８Ｖ）から次式によって算出されるＥの値が１５０以下であることを特徴とするコンロッド用非調質鋼。
Ｅ＝２８０４−１５４９×Ｃｅｑ＋８８６２×Ｐ（％）−２３．４×Ｈ
質量比で、Ｃ：０．３〜０．８％、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．５〜１．５％、Ｐ：０．０１〜０．１５％、Ｃｒ：１．０％以下、Ｖ：０．４％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｎ：０．００５〜０．０３％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避不純物から成り、硬度Ｈ（ＨＲＣ）、Ｐ含有量（％）及び炭素当量Ｃｅｑ（＝Ｃ＋０．１６６Ｓｉ＋０．２２Ｍｎ＋０．２５Ｃｒ＋１．８Ｖ）から次式によって算出されるＥの値が１５０以下であることを特徴とするコンロッド。
Ｅ＝２８０４−１５４９×Ｃｅｑ＋８８６２×Ｐ（％）−２３．４×Ｈ
質量比で、Ｃ：０．３〜０．８％、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．５〜１．５％、Ｐ：０．０１〜０．１５％、Ｃｒ：１．０％以下、Ｖ：０．４％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｎ：０．００５〜０．０３％と共に、Ｓ：０．０３〜０．１５％、Ｐｂ：０．３％以下及びＣａ：０．０１％以下のうち少なくとも１種を含有し、残部Ｆｅ及び不可避不純物から成り、硬度Ｈ（ＨＲＣ）、Ｐ含有量（％）及び炭素当量Ｃｅｑ（＝Ｃ＋０．１６６Ｓｉ＋０．２２Ｍｎ＋０．２５Ｃｒ＋１．８Ｖ）から次式によって算出されるＥの値が１５０以下であることを特徴とするコンロッド。
Ｅ＝２８０４−１５４９×Ｃｅｑ＋８８６２×Ｐ（％）−２３．４×Ｈ
ロックウェル硬度で２４〜３５ＨＲＣの硬さを備えていることを特徴とする請求項３又は４に記載のコンロッド。