JP2011084767A - クラッキングコンロッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フェライト・パーライト型の非調質鋼からなり、優れた機械強度と、クラッキングコンロッドとしての優れたクラッキング性能とを具有するコンロッド部材を得るためのクラッキングコンロッドの製造方法を提供する。
【解決手段】鋼材を用意するステップと、この鋼材を１２００℃〜１３００℃の温度範囲まで加熱するステップと、１０００℃以上の温度で鋼材の少なくとも所定部位に５０％以上の加工率となるような圧縮加工を与えて粗鍛造体に熱間鍛造するステップと、この粗鍛造体を少なくとも５℃／ｓ以下で冷却してフェライト・パーライト組織を与えるステップと、を含む。ここで、必須元素として、質量％で、０．１６〜０．３５％の範囲内のＣと、０．１〜１．０％の範囲内のＳｉと、０．３〜１．０％の範囲内のＭｎと、０．０４０〜０．０７０％の範囲内のＰと、０．０８０〜０．１３０％の範囲内のＳと、０．１０〜０．３５％の範囲内のＶと、及び、０．０８〜０．２０％の範囲内のＴｉと、を含み、上述した所定部位において少なくとも２５０ＨＶ以上の硬さを有するコンロッド部材を与えるよう、鋼材が選択されている。
【選択図】 なし

Description

本発明は、自動車エンジン等に使用されるコネクティングロッド（以下、「コンロッド」と称する）の製造方法に関し、特に、フェライト・パーライト組織の非調質鋼からなるクラッキングコンロッドの製造方法に関する。

自動車エンジン等に使用されるコンロッドの１種類として、クラッキングコンロッドが知られている。例えば、特許文献２の図面に示されるように、これはシャフトとしての桿部の一端部に形成される大端部に機械加工で円孔を設け、この円孔周辺部をロッド部及びキャップ部の２つにクラッキング（かち割り）して分離する。クランクシャフトをこの間に挟み込み、再度、ロッド部及びキャップ部を組み合わせて固定すると、コンロッドとクランクシャフトが係合する。

このようなクラッキングコンロッドには、フェライト・パーライト組織の非調質鋼が使用され、ロッド部及びキャップ部の組み合わせ時には、クラッキングにより現れたフェライト・パーライト組織のランダムな破面により、ロッド部及びキャップ部が互いに噛合し、その合わせ面の横滑りを防止できる。従来のロッド部及びキャップ部の合わせ面を機械加工していた組立型のコンロッドと比べ、横滑り防止のリーマボルトやノックピンなどの部品を減じることができて、軽量化及びコスト削減が可能である。

例えば、特許文献１乃至３には、Ｔｉ及びＶを添加したクラッキングコンロッドに使用されるフェライト・パーライト組織の非調質鋼が開示されている。所定の鋼にＴｉ及びＶを添加すると機械的性質がより脆的になってクラッキング（かち割り）を行いやすくなると述べられている。

特許文献１では、このような非調質鋼として、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．４０％，Ｓｉ：０．４〜１．５％，Ｍｎ：０．５〜２．０％，Ｐ：０．１０〜０．１５％，Ｓ：０．０１〜０．１５％，Ｖ：０．１５〜０．４０％，Ｔｉ：０．０５〜０．３０％，Ａｌ：０．００１〜０．１％を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼を開示している。かかる鋼を１０００℃以上に加熱して熱間鍛造を行い、その後、フェライト変態温度に達するまでの間を０．５〜５℃／ｓの平均冷却速度で冷却してフェライト・パーライト組織を得ている。

特許文献２では、このような非調質鋼として、質量％で、Ｃ：０．２０〜０．４０％，Ｓｉ：０．０５〜１．５０％，Ｍｎ：０．３０〜２．００％，Ｐ：０．０４０％未満，Ｓ：０．０４０〜０．１３０％，Ｖ：０．１０〜０．５０％，Ｔｉ：０．１０％を超えて０．５０％まで，Ａｌ：０．００２〜０．１００％，Ｎ：０．００２〜０．０２０％の範囲で、且つ、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｖ，Ｓを所定の条件式を満たすような範囲で含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼を開示している。かかる鋼を１２００〜１３５０℃に加熱して、８００℃を超えて１３００℃までの間で熱間鍛造を終了し、その後、８００〜６００℃における冷却速度を１．７〜２．５℃／ｓとしてフェライト・パーライト組織を得ている。

特許文献３では、このような非調質鋼として、質量％で、Ｃ：０ ．３０〜０．５５％、Ｓｉ：０．５０〜１．３０％、Ｍｎ：０．２５〜１．００％、Ｓ：０．０５〜０．３０％、Ａｌ：０．００５〜０．０３５％、Ｖ：０．０３〜０．３０％、Ｎ：０．００３０〜０．０２５０％を含み、且つ、Ｔｉ：０．０１〜０．１５％およびＮｂ：０．０１〜０．２０％の１種または２種を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼を開示している。かかる鋼を１１００〜１３００℃に加熱して、８５０〜１２５０℃で熱間鍛造してフェライト・パーライト組織を得ている。

特開２００４−１３７５４２号公報 特開２００４−２７７８３８号公報 特開２００５−２３６７号公報

上記したようなＴｉ及びＶを添加したクラッキングコンロッドに使用される非調質鋼では、熱間鍛造後に所定の冷却速度で冷却してフェライト・パーライト組織を得たとしても、所定の機械強度を得られなかったり、またクラッキングコンロッドとしてのクラッキングを良好に出来ない、といった問題が散見された。

本発明はかかる状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、フェライト・パーライト型の非調質鋼からなり、優れた機械強度と、クラッキングコンロッドとしての優れたクラッキング性能とを具有するコンロッド部材を得るためのクラッキングコンロッドの製造方法を提供することにある。

本願発明者においては、Ｔｉ及びＶを添加したクラッキングコンロッドに使用される非調質鋼では、熱間鍛造後に所定の冷却速度で冷却してフェライト・パーライト組織を得たとしても、所定の機械強度を得られなかったり、またクラッキングコンロッドとしてのクラッキングを良好に出来ない、と散見されたその原因が熱間鍛造の温度及び加工率によることを発見した。そして室温での硬さに影響を与える低温（α域）での微細なＴｉ及びＶの炭化物の析出が高温（γ域）で析出する炭化物によって抑制されてしまうものと考えた。これに対して、非調質鋼の成分組成と、熱間鍛造の温度及び加工率との関係を鋭意研究し、本願発明に至った。

そこで、本発明によるクラッキングコンロッドの製造方法は、フェライト・パーライト組織を有する非調質鋼からなるクラッキングコンロッドの製造方法であって、鋼材を用意するステップと、前記鋼材を１２００℃〜１３００℃の温度範囲まで加熱するステップと、１０００℃以上の温度で前記鋼材の少なくとも所定部位に５０％以上の加工率となるような圧縮加工を与えて粗鍛造体に熱間鍛造するステップと、前記粗鍛造体を少なくとも５℃／ｓ以下で冷却してフェライト・パーライト組織を与えるステップと、を含み、必須元素として、質量％で、０．１６〜０．３５％の範囲内のＣと、０．１〜１．０％の範囲内のＳｉと、０．３〜１．０％の範囲内のＭｎと、０．０４０〜０．０７０％の範囲内のＰと、０．０８０〜０．１３０％の範囲内のＳと、０．１０〜０．３５％の範囲内のＶと、及び、０．０８〜０．２０％の範囲内のＴｉと、を含み、前記所定部位において少なくとも２５０ＨＶ以上の硬さを有するコンロッド部材を得ることを特徴とする。

かかる発明により得られるフェライト・パーライト組織からなるコンロッド部材は、加工率５０％程度の部位であっても、少なくとも２５０ＨＶ以上の硬さ、すなわち、少なくとも８００ＭＰａ級の機械強度を得られるとともに、クラッキングコンロッドとしてのクラッキングを良好に行い得るのである。

上記した発明において、前記所定部位の加工率は８０％よりも小さいことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、得られるコンロッド部材の所定部位の硬さを低下させ過ぎることなく、また、クラッキングコンロッドとしてのクラッキングを良好に行い得るのである。

上記した発明において、任意添加元素として、質量％で、０．３０％以下でＣｕと、０．２０％以下でＮｉと、０．２０％以下でＣｒと、０．０５％以下でＭｏと、を含むコンロッド部材であってもよい。かかる発明によれば、各成分の微量の添加により、上記した機械的性質に影響を与えることなく、鋼塊の溶製及び熱間鍛造などを安定した品質で行い得るのである。

また、上記した発明において、任意添加元素として、質量％で、０．０１％以下でＮを含むコンロッド部材であってもよい。かかる発明によれば、高温γ域において炭化物とともに生じる窒化物の過剰析出を防止できて、得られるコンロッド部材に所定の機械強度と良好なクラッキングを与え得るのである。

本発明による実施例及び比較例に関する鋼の成分組成及び機械特性の一覧である。 図１のＮｏ．１に示す組成の鋼の機械特性の一覧である。 図１のＮｏ．１に示す組成の鋼の機械特性の図である。

最初に、Ｔｉ及びＶを含むクラッキングコンロッド用のフェライト・パーライト組織からなる非調質鋼において、熱間鍛造の加工温度（以下、単に「加工温度」と称する。）及び熱間鍛造の加工率（以下、単に「加工率」と称する。）が冷却後の室温での機械的特性に与える影響を調査した。

まず、所定の成分組成の鋼材を６０秒間かけて１２４０℃まで加熱し、この温度で９０秒間保持した。（「所定の成分組成」は、加工後に図１のＮｏ．１の成分組成となるような成分組成であるが、ここでは加工の前後で成分組成に変化はなかった。）その後、９５０℃、１０００℃、１０５０℃、１１００℃、１１５０℃及び１２００℃の各温度まで５７０℃／ｍｉｎ（９．５℃／ｓｅｃ）の冷却速度で冷却しながら、熱間鍛造を模した圧縮加工を行った。圧縮加工は、歪速度５ｓｅｃ^−１の圧縮速度で加工率を０％、５０％及び７０％まで変えて行った。その後、この粗鍛造体は、７８℃／ｍｉｎ（１．３℃／ｓｅｃ）の冷却速度で少なくとも３００℃まで冷却され、フェライト・パーライト組織からなるクラッキングコンロッド用の鋼部材としての鋼を得た。

得られた冷却後の鋼の成分組成は、図１のＮｏ．１である。また、図２及び図３には、加工率毎にその加工温度とその硬さについてまとめた。

図３に示すように、１２００℃の加工温度では加工率による硬さの差はほとんどない。一方で、加工温度の低下とともに加工率による硬さの差が大きくなる。かかる傾向は、所定の範囲でＳｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｖ及びＴｉを少なくとも含む、質量％で０．１５〜０．３５％程度のＣを含む鋼で見られた。これは硬さに影響を与える低温（α域）での微細なＴｉ及びＶの炭化物の析出が高温（γ域）で析出する炭化物によって抑制されるようになるからと考える。ところで、クラッキングコンロッドにおける熱間鍛造では、部分的にではあるが、好ましくは５０％以上の加工率を必要とされる。よって、加工率５０％で硬さの急激に下降する加工温度を遷移温度と定義し、ここでは９９３℃と求められた。

従来のコンロッドで使用されているＶ非調質鋼では、例えば、鋼材を１２００℃〜１３００℃の温度範囲まで加熱し、１０００℃以上の温度で熱間鍛造する。同様に熱間鍛造をする場合、製品の機械的強度の安定性の観点から、遷移温度が少なくとも１０５０℃程度以下、好ましくは１０００℃以下とする。なお、Ｖ非調質鋼では、２５０ＨＶ程度（約２３ＨＲＣ、引張強度で８００ＭＰａ相当）以上を得られるが、図３からもわかるように、本鋼では加工率０％で９００℃以上の加工温度でこれを上回り、圧縮率５０％であっても約９６０℃以上の加工温度においてこれを上回っている。

図１のＮｏ．２〜１０及びＮｏ．１０１〜１０５には、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｖ及びＴｉを少なくとも含む、質量％で０．１５〜０．３５％程度のＣを含む鋼において、各種成分を変えたときの上記した遷移温度と、加工率５０％且つ加工温度１０５０℃での硬さとをまとめた。

Ｎｏ．２〜１０に示す鋼は、いずれもフェライト・パーライト型の非調質鋼からなり、加工率５０％且つ加工温度１０５０℃で２５０ＨＶ（２３ＨＲＣ相当）以上の硬さを有する。すなわち、Ｎｏ．２〜Ｎｏ．１０に示す鋼部材は、従来のコンロッドで使用されているＶ非調質鋼と比較して同程度以上の優れた機械強度を有する。また、Ｖに加えＴｉを含むことで、クラッキングコンロッドとしてのクラッキングを良好に行い得ることを確認できる。

一方、Ｎｏ．１０１〜１０５に示す鋼も、いずれもフェライト・パーライト型の非調質鋼からなるが、硬さが目安となる従来のコンロッドで使用されているＶ非調質鋼の２５０ＨＶ程度（約２３ＨＲＣ、引張強度で８００ＭＰａ相当）を下回っている。なお、Ｎｏ．１０２に示す鋼のように、遷移温度が高いと熱間鍛造に供する温度を高く設定しなければならないため、好ましくない。

各鋼をそれぞれに見ると、Ｎｏ．１０１に示す鋼では、Ｔｉの含有量が本発明の実施例としてのＮｏ．１〜１０の鋼に比較して少なく、逆に、Ｎｏ．１０２に示す鋼では、Ｔｉの含有量が本発明の実施例としてのＮｏ．１〜１０の鋼に比較して多い。いずれの場合にあっても、所定の硬さを得られなかった。

Ｎｏ．１０３に示す鋼では、Ｖの含有量が本発明の実施例としてのＮｏ．１〜１０の鋼に比較して少ない。この場合にあっても、所定の硬さを得られなかった。

Ｎｏ．１０４に示す鋼では、Ｓの含有量が本発明の実施例としてのＮｏ．１〜１０の鋼に比較して多く、この場合にあっても、所定の硬さを得られなかった。

Ｎｏ．１０５に示す鋼では、所定の硬さを得られることを期待されたが、得られなかった。これは、炭化物析出硬化の基礎となるＣの含有量が比較的少なかったためと考える。

以上のように、Ｎｏ．１０１〜１０５に示す成分組成の鋼部材では、クラッキングコンロッドとして必要な機械強度を得ることはできなかった。

なお、上記した鋼の各組成成分を与えたのは、以下の如き指針からである。まず、必須添加元素について述べる。

Ｃは、クラッキングコンロッドとして必要な機械強度を得るために添加される。Ｖ及び／又はＴｉと炭化物を形成してフェライト相の機械強度を向上させ得る。また、クラッキングコンロッド部材として重要な大端部のクラッキングにおいて、適度な凹凸破面を得るために必要なパーライト量にも影響を与える。その一方で、過剰に添加すると、必要以上に硬くなって、コンロッドとして必要とされる被削性を得られなくなる。図１のＮｏ１０５に示した鋼についても考慮し、質量％で、Ｃは、０．１６〜０．３５％の範囲内とすべきである。

Ｓｉは、鋼の溶製時において脱酸作用を有するとともに、フェライト相に固溶してこれを強化してコンロッドとしての耐力を向上させ得る。その一方で、過剰に添加すると、必要以上に硬くなって、コンロッドとして必要とされる被削性を得られなくなる。故に、質量％で、Ｓｉは、０．１〜１．０％の範囲内とすべきである。

Ｍｎは、Ｓと結合してＭｎＳを生成し、コンロッドとして必要とされる被削性を高める。その一方で、過剰に添加すると、ベイナイトを生成してクラッキングを困難にし、コンロッドとして必要とされる被削性も得られなくなる。故に、質量％で、Ｍｎは、後述するＳの量の範囲内で、０．３〜１．０％の範囲内とすべきである。

Ｐは、クラッキングコンロッド部材の大端部のクラッキングにおいて脆性破面を与え、ロッド部とキャップ部の組み合わせ時の破面の密着性を高め得る。その一方で、過剰に添加すると、結晶粒界に偏析して熱間加工性を低下させる。故に、質量％で、Ｐは０．０４０〜０．０７０％の範囲内とすべきである。

Ｓは、上記したようにＭｎと結合してＭｎＳを生成し、コンロッドとして必要とされる被削性を高める。その一方で、過剰に添加すると、熱間加工性を低下させる。故に、質量％で、Ｓは０．０８０〜０．１３０％の範囲内とすべきである。

Ｖは、ＣやＮと結合して微細な炭化物及び／又は窒化物を生成してコンロッドとして必要とされる機械強度を高め得る。炭化物はフェライト相に整合析出して硬さを向上させ、クラッキングコンロッド部材の大端部のクラッキングにおいて脆性破面を与え、ロッド部とキャップ部の組み合わせ時の破面の密着性を高める。その一方で、過剰に添加すると、コンロッドとして必要とされる被削性を得られなくなる。また、高価であるためにコストを上昇させてしまう。故に、質量％で、Ｖは０．１０〜０．３５％の範囲内とすべきである。

Ｔｉは、Ｖと同様に、ＣやＮと結合して微細な炭化物及び／又は窒化物を生成してコンロッドとして必要な機械強度を高め得る。また、硬さを高めるとともにクラッキングコンロッド部材の大端部のクラッキングにおいて脆性破面を与え、ロッド部とキャップ部の組み合わせ時の破面の密着性を高める。その一方で、過剰に添加すると、コンロッドとして必要とされる被削性を得られなくなる。故に、質量％で、Ｔｉは０．０８〜０．２０％の範囲内とすべきである。

続いて、任意に含み得る任意添加元素について述べる。任意添加元素については、上記した必須添加元素によるクラッキングコンロッドとしての特徴を損うことなく添加し得る上限値を定めている。

Ｃｕ及びＮｉは、強度を高める効果を有するとされる。一方で、過剰に添加するとベイナイトの発生を誘起し、被削性を低下させてしまう。つまり、質量％で、Ｃｕは０．３０％以下、Ｎｉは０．２０％以下で任意に添加し得る。

Ｃｒは、焼入性を向上させて機械強度を高めるとされる。一方で、過剰に添加すると、ベイナイトを生成させてクラッキングを困難にしてしまうとともに、コンロッドとして必要な被削性を得られなくなる。つまり、質量％で、Ｃｒは０．２０％以下で任意に添加し得る。

Ｍｏは、強度を高めるとされる。一方で、過剰に添加すると硬さが高くなりすぎて、コンロッドとして必要な被削性を得られなくなる。つまり、質量％で、Ｍｏは０．０５％以下で任意に添加し得る。

Ｎは、Ｖ及び／又はＴｉとの窒化物を形成してフェライト相の機械強度を高め得る。一方で、過剰に添加すると窒化物により、コンロッドとして必要な被削性を得られなくなる。つまり、質量％で、Ｎは、０．０１０％以下で任意に添加し得る。

以上、Ｔｉ及びＶを含むクラッキングコンロッド用のフェライト・パーライト組織からなる非調質鋼において、室温での硬さに対する熱間鍛造の加工温度及び熱間鍛造の加工率の影響を調査した。その結果、熱間鍛造の加工率を高くするほど、また加工温度を低くするほど、得られる部材の室温における硬さが低下することを見出すとともに、特定の加工温度以下では、加工率の変化に対する硬さの変化が急に大きくなることを見出した。その上で、所定の製造方法でクラッキングコンロッドとしての機械的強度及びクラッキング性を得られる一連の成分組成の上記した実施例を発見し本発明に至った。

上記した実施例による鋼からなるクラッキングコンロッドは、フェライト・パーライト型の非調質鋼からなり、優れた機械強度と、クラッキングコンロッドとしての優れたクラッキング性能とを具有することを確認できる。

ここまで本発明による代表的実施例及びこれに基づく変形例を示したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではなく、適宜、当業者によって変更され得る。すなわち、当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例及び改変例を見出すことが出来るであろう。

Claims (4)

1. フェライト・パーライト組織を有する非調質鋼からなるクラッキングコンロッドの製造方法であって、
   鋼材を用意するステップと、
   前記鋼材を１２００℃〜１３００℃の温度範囲まで加熱するステップと、
   １０００℃以上の温度で前記鋼材の少なくとも所定部位に５０％以上の加工率となるような圧縮加工を与えて粗鍛造体に熱間鍛造するステップと、
   前記粗鍛造体を少なくとも５℃／ｓ以下で冷却してフェライト・パーライト組織を与えるステップと、を含み、
   必須元素として、質量％で、
   ０．１６〜０．３５％の範囲内のＣと、
   ０．１〜１．０％の範囲内のＳｉと、
   ０．３〜１．０％の範囲内のＭｎと、
   ０．０４０〜０．０７０％の範囲内のＰと、
   ０．０８０〜０．１３０％の範囲内のＳと、
   ０．１０〜０．３５％の範囲内のＶと、及び、
   ０．０８〜０．２０％の範囲内のＴｉと、を含み、前記所定部位において少なくとも２５０ＨＶ以上の硬さを有するコンロッド部材を得ることを特徴とするクラッキングコンロッドの製造方法。
2. 前記所定部位の加工率は８０％よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の以上のクラッキングコンロッドの製造方法。
3. 任意添加元素として、質量％で、
   ０．３０％以下でＣｕと、
   ０．２０％以下でＮｉと、
   ０．２０％以下でＣｒと、
   ０．０５％以下でＭｏと、を含むコンロッド部材であることを特徴とする請求項１又は２に記載のクラッキングコンロッドの製造方法。
4. 任意添加元素として、質量％で、０．０１％以下でＮを含むコンロッド部材であることを特徴とする請求項１乃至３のうちの１つに記載のクラッキングコンロッドの製造方法。