JP4374306B2 - 疲労特性に優れたコンロッドおよびその疲労特性向上方法 - Google Patents
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Description
具体的には、自動車などの内燃機関に用いられる疲労特性に優れたコンロッドおよびその疲労特性向上方法に関する。
<加工による強化>
例えば、特許文献1には、Ar1以下200℃以上の温度域で耐力・疲労が要求される箇所に追加工(温間鍛造)して、加工により転位を導入して転位強化および時効硬化により強度を増し、疲労強度を向上する方法に関する発明が開示されている。
しかし、同文献に記載の発明は、低温で約20%の加工が必要なため、鍛造機が必須となり、設備コストが高いという問題があった。
例えば、特許文献2には、マルテンサイト変態温度が600℃以上である鋼を用いコンロッド形状にしたあと焼入して、表面がマルテンサイトで内部がベイナイトないしはフェライト+パーライト組織にし、ショットブラスト、ショットピーニング等の表面圧縮加工を行なって表面を強化し、内部は柔らかくする方法に関する発明が開示されている。この発明により、必要な強度を保ったまま、ドリル加工性を向上させることができる。
しかしながら、同文献に記載の発明は、焼入による曲がり等の変形が大きく冷間形状補正が手間であること、および焼入ままでは耐力(例えば、0.05%耐力)が低く、座屈強度の確保が困難であるという問題があるうえ、焼き戻しを行なうと耐力は上昇するが、工程が増えるためコスト上昇を招いていた。
例えば、特許文献3には、強度なショットピーニング処理であるいわゆるハードショットと研削を併用して圧縮残留応力を導入し、疲労強度向上を図る方法に関する発明が開示されている。
しかし、この発明の方法は、ハードショットのみでは表面が荒れ、かえって疲労寿命を低下させる場合もあるため、研削との併用が必須であり、このため、研削を伴わない部品、熱鍛ままの部品には適用できなかった。
1)大きな圧縮残留応力を付加することができる。
2)肌荒れが少ない。
3)簡便な強化方法である。
(1)質量%で、C:0.1〜0.8%、Si:0.05〜2.5%、Mn:0.2〜3%、Al:0.005〜0.1%、N:0.001〜0.02%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、引張強さが700MPa以上の鋼材からなるコンロッドであって、超音波打撃処理によって該コンロッドのコラム表層に導入された圧縮残留応力が前記鋼材の引張強さの50〜80%であり、前記コラムのリム部の平均表面粗度が0.5μm以下であることを特徴とする疲労特性に優れたコンロッド。
(2)質量%で、C:0.1〜0.8%、Si:0.05〜2.5%、Mn:0.2〜3%、Al:0.005〜0.1%、N:0.001〜0.02%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、引張強さが700MPa以上の鋼材からなるコンロッドの疲労特性向上方法であって、前記コンロッドのコラム表層に導入された圧縮残留応力が前記鋼材の引張強さの50〜80%、前記コラムのリム部の平均表面粗度が0.5μm以下になるように、振動数10〜60kHz、振幅0.3〜50μmで振動する超音波振動端子で前記コンロッドのコラムの表面を打撃しながら走査することを特徴とするコンロッドの疲労特性向上方法。
(3)前記超音波振動端子による打撃範囲を、前記コラムの首部におけるリム部の表面とすることを特徴とする(2)に記載のコンロッドの疲労特性向上方法。
例えば、図6に示すように、母材強度が810MPaの鋼材に対して本発明の条件で超音波打撃処理を施したところ、圧縮残留応力が405MPa以上の場合に、440MPa以上の疲労強度が確保できる。
また、強化分相応の部品の軽量化が可能となり燃費向上・コスト削減に寄与するなど、産業上有用な著しい効果を奏する。
図1は、本発明の対象であるコンロッドを例示する斜視図である。
図1において、1は小端部、2は大端部、3は首部、4はコラムを示す。
自動車の内燃機関に用いられるコンロッドは、エンジンの燃焼室で起こる爆発を回転運動に変えるための重要部品であり、爆発毎に高い応力を受けるため、疲労特性の確保が重要な課題であり、この疲労強度向上のために、コンロッドの高強度化が望まれている。
しかしながら、コンロッドの大端部・小端部は切削加工を行なうため、切削性を確保するため強度をあまり上げることができない。
そこで、本発明等は、高強度化と切削性という、相反する要求を満足させるため、強度を上げずに疲労強度のみを向上する方法を検討した結果、超音波振動する端子で鋼材を打撃することにより、コンロッドのコラム表面に大きな圧縮の残留応力を付与し、かつショットピーニングと同様表面を塑性加工することにより加工硬化し、コンロッドの疲労強度の大幅向上が可能であることを見出した。
なお、本発明においては、コンロッドに用いる鋼材の組織や処理工程は問わず、フェライト−パ−ライト鋼、ベイナイト鋼、マルテンサイト鋼など、いずれの組織の鋼材にも適用できるうえ、熱間鍛造非調質鋼や調質鋼だけでなく鋳造品にも適用できる。
<鋼材成分の限定理由>
Cは、鋼を強化するのに有効な元素であるが、0.1%未満では充分な強度が得られない。一方、過多に添加すると靭性が低下するため、添加量の上限を0.8%とする。
Siは、鋼の強化元素として有効であるが、0.05%未満ではその効果がない。一方、過多に添加すると靭性および被削性が低下するため、添加量の上限を2.5%とする。
Mnは、鋼の強化に有効な元素であるが、0.2%未満では充分な効果が得られない。一方、過多に添加すると靭性および被削性が低下するため、添加量の上限を2%とする。
Alは、鋼の脱酸および結晶粒の微細化のために有効な元素であるが、0.005%未満ではその効果がない。一方、過多に添加すると被削性が低下するため、添加量の上限を0.1%とする。
Nは、V炭窒化物やNb炭窒化物を生成し析出強化のために必要な元素であるが、0.001%未満では充分な効果が得られない。一方、過多に添加すると靭性が劣化するため、添加量の上限を0.02%とする。
これらの元素以外にも、固溶強化が期待できる元素としてCr,Ni,Mo,Cuが、析出強化が期待できる元素としてTi,V,Nbが、被削性を向上させる元素として、Pb,S,Bi等が考えられるが、特に限定はしない。
強度は700MPa以下の鋼材では、超音波処理の処理部表面の圧縮残留応力の下限規定である50%では十分な疲労強度向上効果が得られないため、その下限値を700MPaとした。
本発明の超音波処理の処理部表面における残留応力の限定理由を以下に示す。
700MPa以上の強度を持つ鋼材において、引張強さの50%以下の圧縮残留応力では十分な疲労強度向上が認められないこと、および、引張強さの80%以上の圧縮残留応力を付与することは、本発明では困難であることから、その上限を80%とした。
本発明においてはコンロッドの表面粗度は問わないが、コラムのリム部の平均表面粗度が0.5μm以下であることが好ましい。
コラムのリム部の平均表面粗度が0.5μm以下とすることによって、肌荒れが少なく、疲労強度を著しく向上させることができる。
図2乃至図4において、1は小端部、2は大端部、3は首部、4はコラム、5はリム部、6は超音波振動端子を示す。
図2は、本発明のコンロッドの実施形態を例示する図であり、上段が平面図を示し、下段が断面図を示している。
コンロッドのコラム4は繰り返し荷重を受けることによって、特に小端部1および大端部2の首部3が最も疲労き裂が生じ易い。
そこで、本発明におけるコンロッドの疲労特性向上方法は、振動数10〜60kHz、振幅0.3〜50μmで振動する超音波振動端子で前記コンロッドのコラム4の表面を打撃しながら走査することを特徴とする。
超音波振動子の振動数を10〜60kHzと限定したのは、鋼材に与えられる圧縮の残留応力がこの領域で大きくなるからである。同様に、超音波振動するピン先端の振幅を0.3μm以上と限定したのも、これ以下の振幅では十分な圧縮残留応力を鋼材に与えることができないからである。振幅は大きいほど残留応力が増すが、50μm以上では塑性変形が大きくなり過ぎ、部品の寸法精度が低下するとともに表面粗度も増大し、疲労強度も低下するため、振幅の上限を50μmに限定する。
図3に示すように、コラム4の首部3におけるリム部5の表面を超音波振動端子6を矢印の方向に移動させながら打撃処理を行うことが好ましい。コラム4の首部3におけるリム部5が、最も疲労き裂が生じ易い箇所であり、この部分を選択的に超音波打撃処理を行うことによって、コンロッドの疲労強度をさらに向上させることができる。
本発明においては、超音波振動端子の形状は問わないが、前述のように打撃処理部の表面粗度を0.5μm以下にするためには、図4に示すように、超音波振動端子6の先端部の半径を5mm程度に大きくし、また、超音波振動端子6の疲労き裂の入る方向に対して直角方向に往復させて走査することが好ましい。
これは、超音波振動端子6による処理により導入される圧縮残留応力には異方性があり、走査の方向に、より強い圧縮残留応力が付与されるからである。超音波打撃ピン先端の形状は、半球状、蒲鉾状が考えられるが特に限定しない。
なお、コンロッドの疲労き裂は、コラムの大小端近傍に発生することが多く、この部分を重点的に超音波処理するとよい。特に首部側面の見切り線近傍は、鍛造時の巻きこみ疵等応力集中を生じるノッチが存在している可能性があるため、首部側面の見切り線近傍への処理が効果的である。また、その他の疲労き裂発生場所として冷間矯正(コイニング)端部が挙げられる。この部位は引張残留応力が発生しており、疲労き裂の発生しやすい場所である。この部位を処理することにより、引張残留応力を圧縮残留応力に変えることが可能である。
この試験片に本発明の超音波処理を施したもの、および無処理ないしは範囲外の処理を施した比較材を用意し、両振り平面曲げ疲労試験を行ない疲労強度を求めた。結果を表2に示す。
超音波打撃処理は、図5に示すように、試験片中央のくびれ部分について裏表行なった。この時の端子の形状は、先端の曲率半径5mm、幅30mmの蒲鉾状端子で行なった結果を表2に示す。
表2中の残留応力測定値は、疲労試験を行っていない試験片を別途用意し接合部表層の残留応力を測定したものである。なお、残留応力の測定はX線を用いて行ない、回折X線の強度を測定しピーク強度の半値幅から求めている。
超音波打撃処理無しの比較例は、引張強度の1/2未満の疲労強度しか得られなかった。
一方、適正な超音波打撃処理を行った発明例は、引張り強さの50〜80%の圧縮残留応力が導入されて、疲労強度が向上することが判る。
なお、打撃処理部の平均表面粗度を測定したところ、発明例においては0.5μm以下であっが、比較例では0.5μmを超えていた。
以上のことから、本発明は比較例に比べ、大幅な疲労強度向上が認められ、有効であることが確認された。
2 大端部
3 首部
4 コラム
5 リム部
6 超音波振動端子(半球状先端)
7 超音波振動端子(蒲鉾状先端)
Claims (3)
- 質量%で、
C:0.1〜0.8%、
Si:0.05〜2.5%、
Mn:0.2〜3%、
Al:0.005〜0.1%、
N:0.001〜0.02%
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、引張強さが700MPa以上の鋼材からなるコンロッドであって、超音波打撃処理によって該コンロッドのコラム表層に導入された圧縮残留応力が前記鋼材の引張強さの50〜80%であり、前記コラムのリム部の平均表面粗度が0.5μm以下であることを特徴とする疲労特性に優れたコンロッド。 - 質量%で、
C:0.1〜0.8%、
Si:0.05〜2.5%、
Mn:0.2〜3%、
Al:0.005〜0.1%、
N:0.001〜0.02%
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、引張強さが700MPa以上の鋼材からなるコンロッドの疲労特性向上方法であって、前記コンロッドのコラム表層に導入された圧縮残留応力が前記鋼材の引張強さの50〜80%、前記コラムのリム部の平均表面粗度が0.5μm以下になるように、振動数10〜60kHz、振幅0.3〜50μmで振動する超音波振動端子で前記コンロッドのコラムの表面を打撃しながら走査することを特徴とするコンロッドの疲労特性向上方法。 - 前記超音波振動端子による打撃範囲を、前記コラムの首部におけるリム部の表面とすることを特徴とする請求項2に記載のコンロッドの疲労特性向上方法。
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