JP4870922B2 - コンロッド、エンジン、自動車両およびコンロッドの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、クランクシャフトとピストンとを連結するコンロッドおよびその製造方法に関し、特に、一体型のコンロッドおよびその製造方法に関する。また、本発明は、そのようなコンロッドを有するエンジンや自動車両にも関する。

自動車両等に用いられるエンジンにおいて、クランクシャフトとピストンとを連結するために、コンロッド（あるいはコネクティングロッド）と呼ばれる部材が用いられている。図１７（ａ）および（ｂ）に、一般的なコンロッド４０１を示す。コンロッド４０１は、鋼から形成されており、ピストンに接続される小端部４１０と、クランクシャフトに接続される大端部４２０と、小端部４１０と大端部４２０とを連結する連結部４３０とを有している。

小端部４１０は、ピストンピンを通すための貫通孔４１２を有し、大端部４２０は、クランクピンを通すための貫通孔４２２を有している。連結部４３０は、棒状の形状を有しており、断面形状をＨ字状またはＩ字状とすることによって強度の向上が図られている。

図１７（ａ）および（ｂ）に示したコンロッド４０１は、一体型と呼ばれるタイプのコンロッドである。コンロッドとしては、他に、大端部が２つに分割された分割型のコンロッドが知られている。

一体型のコンロッド４０１をクランクシャフトへ組み付ける際には、大端部４２０の貫通孔４２２内には、ローラベアリングなどの転がり軸受けが配置される。大端部４２０の貫通孔４２２の内周面４２２ａは、転がり軸受けの転動体（例えばローラベアリングのローラ）と接するため、高い耐圧強度を要求される。内周面４２２ａの耐圧強度を高くするために、浸炭によって内周面４２２ａの硬さを高くすることが一般的に行われている。

図１８に、一体型のコンロッド４０１の一般的な製造工程を示す。まず、素材である鋼を用意し、この鋼を鍛造によってコンロッドの形状に成形する。素材としては、例えばクロムモリブデン鋼であるＳＣＭ４２０が用いられる。

次に、成形体の表面に銅めっきを施し、その後、所定の機械加工を行うことによって小端部４１０の貫通孔４１２や大端部４２０の貫通孔４２２などを形成する。

続いて、浸炭、焼入れおよび焼戻しを順次行う。このとき、大端部４２０の内周面４２２ａなどのめっき層によって覆われていない部分（機械加工の際の切削によりめっき層が除去された部分）は、浸炭によって表面付近の炭素量が多くなるので、硬化する。浸炭は、例えば、有効硬化深さが１．０ｍｍとなるような条件で行われる。「有効硬化深さが１．０ｍｍである」とは、ここでは、５５０ＨＶとなる点の表面からの深さが１．０ｍｍであることを指す。一方、連結部４３０などのめっき層によって覆われている部分（つまり浸炭防止処理が施されている部分）は、浸炭によっても炭素量がほとんど多くならないので、ほとんど硬化しない。

その後、仕上げ加工を施されてコンロッド４０１が完成する。図１９に、素材としてＳＣＭ４２０を用いて上述した手法（以下防炭法と呼ぶ）により製造したコンロッド４０１の硬さ分布を示す。図１９に示すように、防炭法によれば、連結部４３０の硬さの上昇を抑えつつ、大端部４２０の内周面４２２ａの硬さを高くすることができるので、連結部４３０の靭性を確保しつつ、内周面４２２ａの耐圧強度を高くすることができる。

ところが、防炭法では、連結部４３０がほとんど硬化しないため、コンロッド４０１の軽量化等のために連結部４３０を細く形成すると、連結部４３０の曲げ強度が不足することがある。

そこで、特許文献１に開示されているように浸炭を２回行う手法（以下２回浸炭法と呼ぶ）が提案されている。図２０に、２回浸炭法を用いたコンロッド４０１の製造工程を示す。

まず、素材である鋼を用意し、この鋼を鍛造によってコンロッドの形状に成形する。次に、成形体の表面に防炭（防炭剤の塗布）を施し、その後、所定の機械加工を行うことによって小端部４１０の貫通孔４１２や大端部４２０の貫通孔４２２などを形成する。

続いて、１回目の浸炭を行う。この浸炭は、防炭法における浸炭よりも浅く行われ、例えば、有効硬化深さが０．５ｍｍとなるような条件で行われる。

次に、コンロッド４０１の表面に残っている防炭剤を除去し、その後、２回目の浸炭、焼入れおよび焼戻しを順次行う。２回目の浸炭も防炭法における浸炭よりも浅く、例えば、連結部４３０などの初めて浸炭雰囲気に晒される部分の有効硬化深さが０．５ｍｍとなるように行われる。その後、所定の仕上げ加工が施されてコンロッド４０１が完成する。

２回浸炭法では、大端部４２０の内周面４２２ａには浸炭が２回施される一方で、連結部４３０には浅い浸炭が１回施されるので、内周面４２２ａの耐圧強度を十分に高くしつつ、連結部４３０の曲げ強度を靭性を損なわない程度に高くすることができる。

なお、分割型のコンロッドでは、大端部の貫通孔内には、軟らかい金属から形成されたコンロッドメタルと呼ばれる滑り軸受けが配置されるので、大端部の内周面にはそれほど高い耐圧強度は要求されない。そのため、図２１に示すように、コンロッドの全体に浅めの浸炭（例えば有効硬化深さ０．５ｍｍ）を１回行うことによって（以下ではこの手法を全浸炭法と呼ぶ）、図２２に示すように、連結部を靭性と曲げ強度のバランスがよい硬さにすることができる（例えば特許文献２〜４参照）。
特開２０００−３１０３２９号公報 特開２００４−３５５４号公報 特開２００４−５２７７５号公報 特開２００４−２１１７３１号公報

しかしながら、２回浸炭法では、浸炭を２回行う必要があり、また、防炭剤の除去も行わなければならない。そのため、製造工程が長く、複雑になり、製造コストが上昇してしまう。また、品質のばらつきの主要な原因である浸炭を２回行うので、品質のばらつきが大きくなってしまう。

また、一体型のコンロッドでは、大端部の内周面には、高い耐圧強度が要求されるため、分割型のコンロッドに用いられる全浸炭法を用いることもできない。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、連結部の靭性および曲げ強度が好適に設定された一体型のコンロッドを従来よりも低コストで品質のばらつきを小さく製造することができるコンロッドの製造方法を提供することにある。

本発明によるコンロッドの製造方法は、貫通孔を有する小端部と、前記小端部の貫通孔よりも大径の貫通孔を有する大端部と、前記小端部と前記大端部とを連結する連結部とを有する一体型のコンロッドの製造方法であって、前記小端部、前記大端部および前記連結部を有するコンロッドを、０．３質量％以上０．５質量％以下の炭素を含む鋼から形成する工程（ａ）と、前記コンロッドに対して浸炭工程を含む熱処理を行う工程（ｂ）と、前記工程（ｂ）の後に、前記小端部および前記連結部のうちの少なくとも前記連結部に対して選択的にさらに焼戻しを行う工程（ｃ）とを包含し、そのことによって上記目的が達成される。

ある好適な実施形態において、前記工程（ｃ）における選択的な焼戻しは、高周波誘導加熱により行われる。

ある好適な実施形態において、前記工程（ｃ）における選択的な焼戻しは、前記連結部に対してのみ行われる。

ある好適な実施形態において、前記工程（ｃ）における選択的な焼戻しは、前記小端部に対しても行われる。

ある好適な実施形態において、前記工程（ｂ）は、前記熱処理を行った後の前記コンロッドの内部硬さが５００ＨＶを超えるように行われる。

ある好適な実施形態において、前記工程（ｃ）は、選択的な焼戻しを行った後の前記連結部が、５００ＨＶを超える硬さを有する表面層と、前記表面層によって覆われ、３００ＨＶ以上５００ＨＶ以下の硬さを有する内部層とを有するように行われる。

本発明によるエンジンは、上記のコンロッドの製造方法によって製造されたコンロッドを有する。

本発明による自動車両は、上記構成を有するエンジンを備えている。

本発明によるコンロッドは、貫通孔を有する小端部と、前記小端部の貫通孔よりも大径の貫通孔を有する大端部と、前記小端部と前記大端部とを連結する連結部とを有する一体型のコンロッドであって、前記連結部は、５００ＨＶを超える硬さを有する表面層と、前記表面層によって覆われ、３００ＨＶ以上５００ＨＶ以下の硬さを有する内部層とを有し、前記表面層と前記内部層との境界の、前記連結部の表面からの深さをｄ（ｍｍ）としたとき、前記連結部の硬さ（ＨＶ）を前記連結部の表面から深さｄ（ｍｍ）まで積分した値から５００・ｄを減じた値が、０ＨＶ・ｍｍを超え７０ＨＶ・ｍｍ以下であり、そのことによって上記目的が達成される。

ある好適な実施形態において、前記大端部の貫通孔の内周面において、表面から少なくとも０．７ｍｍの深さまで硬さが５５０ＨＶ以上である。

本発明によるエンジンは、上記の構成を有するコンロッドを有する。

本発明による自動車両は、上記の構成を有するエンジンを備えている。

本発明によるコンロッドの製造方法では、コンロッドに浸炭工程を含む熱処理を行って一旦コンロッド全体の硬さを高くした後に、連結部を含むコンロッドの一部に選択的なさらなる焼戻しを行うことによって、連結部の硬さを選択的に低下させる。そのため、比較的少ない工程数で、連結部を靭性と曲げ強度のバランスのよい硬さにすることができる。また、品質のばらつきの主要な原因である浸炭を１回しか行う必要がないので、品質のばらつきを小さくすることができる。さらに、従来素材として用いられていた鋼よりも炭素含有率の高い鋼、具体的には、０．３質量％以上０．５質量％以下の炭素を含む鋼を素材として用いるので、さらなる焼戻しに先立って行われる熱処理（浸炭工程を含む熱処理）によってコンロッドの内部硬さを予め十分に高くすることができる。そのため、さらなる焼戻しによって連結部の靭性および曲げ強度を好適に設定することが容易となる。

従って、本発明のコンロッドの製造方法によると、連結部の靭性および曲げ強度が好適に設定された一体型のコンロッドを従来よりも低コストで品質のばらつきを小さく製造することができる

以下、図面を参照しながら本実施形態におけるコンロッドの製造方法を説明する。図１は、本実施形態におけるコンロッドの製造方法を示すフローチャートである。

まず、特定の組成を有する鋼を用意し、この鋼から、図２（ａ）〜（ｃ）に示すような小端部１０、大端部２０および連結部３０を有する一体型のコンロッド１を形成する（工程Ｓ１〜Ｓ３）。コンロッド１の小端部１０は、ピストンピンを通すための貫通孔１２を有し、大端部２０は、クランクピンを通すための貫通孔２２を有している。大端部２０の貫通孔２２は、小端部１０の貫通孔１２よりも大径である。小端部１０と大端部２０とを連結する棒状の連結部３０は、典型的には、図２（ｃ）に示すようなＨ字状またはＩ字状の断面形状を有しており、そのことによって強度の向上が図られている。

上記工程をより具体的に説明する。まず、コンロッド１の素材として、０．３質量％以上０．５質量％以下の炭素を含む鋼を用意する（工程Ｓ１）。本実施形態では、クロムモリブデン鋼であるＳＣＭ４３５を用意する。表１に、従来コンロッドの素材として用いられてきたＳＣＭ４２０と、本実施形態において用いるＳＣＭ４３５の組成を示す。残部は鉄および銅、リン、硫黄等の不可避不純物である。

表１に示したように、ＳＣＭ４２０が炭素を約０．２０質量％含んでいるのに対して、ＳＣＭ４３５は炭素を約０．３５質量％含んでいる。つまり、本実施形態では、従来のコンロッドの素材よりも炭素の含有率が高い鋼を用いる。

次に、用意した鋼を鍛造することによってコンロッドの形状に成形し（工程Ｓ２）、その後、所定の機械加工を行って小端部１０の貫通孔１２や大端部２０の貫通孔２２などを形成する（工程Ｓ３）ことによって、図２（ａ）〜（ｃ）に示したコンロッド１が得られる。なお、本実施形態では鍛造により成形を行うが、これに限定されず、鋳造や焼結により成形を行ってもよい。

続いて、コンロッド１の全体に対して浸炭工程を含む熱処理を行う（工程Ｓ４）。ここでは、浸炭、焼入れおよび焼戻しを順次行う。浸炭は、ガス浸炭などの公知の手法で行うことができ、焼入れおよび焼戻しも、公知の手法を適宜用いることができる。また、浸炭と同時に窒化（いわゆる浸炭窒化）を行ってもよい。

次に、小端部１０および連結部３０のうちの少なくとも連結部３０に対して選択的にさらに焼戻しを行う（工程Ｓ５）。本実施形態では、高周波誘導加熱によりこの焼戻しを行う。コンロッド１の一部（大端部２０を含む部分）を高周波で加熱されないようにしながら、他の部分を高周波を用いて加熱することにより、局所的な焼戻しを行うことができる。

この局所的なさらなる焼戻しは、図３（ａ）に示すように連結部３０に対してのみ行われてもよいし、図３（ｂ）に示すように小端部１０に対しても（すなわち連結部３０および小端部１０の両方に対して）行われてもよい。小端部１０に対してさらなる焼戻しを行うか否かは、小端部１０に要求される強度特性に応じて決定すればよい。なお、ピストンピンへの接続の際、小端部１０の貫通孔１２の内周面１２ａは、ベアリングを介さずにピストンピンと面で接触するため、小端部１０の貫通孔１２の内周面１２ａには、大端部２０の内周面２２ａほどの耐圧強度が必要とされないことが多い。

その後、所定の仕上げ加工を行う（工程Ｓ６）ことによって、コンロッドが完成する。仕上げ加工としては、例えば、内周面の研削やホーニングが行われる。

本実施形態における製造方法では、コンロッド１に浸炭工程を含む熱処理を行って一旦コンロッド１全体の硬さを高くした後に、連結部３０を含むコンロッド１の一部に選択的なさらなる焼戻しを行うことによって、連結部３０の硬さを選択的に低下させる。そのため、２回浸炭法に比べて少ない工程数で、連結部３０を靭性と曲げ強度のバランスのよい硬さにすることができる。

また、品質のばらつきの主要な原因である浸炭を１回しか行う必要がないので、品質のばらつきを小さくすることができる。熱処理品質（硬さや歪みなど）のばらつきの主な原因は、２つある。１つは、浸炭炉内での位置が違うことによる温度の差および雰囲気ガスの濃度差である。もう１つは、冷却時にランダムに発生する温度履歴の差である。浸炭を２回行うと、１回目と２回目とで炉内での位置を同じにできない（さらに大抵の場合炉自体を１回目と２回目とで違うものにする必要がある）ため、品質のばらつきが大きくなる。また、冷却も２回行うことになるため、そのことによってもばらつきが大きくなる。表２に、浸炭を１回しか行わない場合と、浸炭を２回行う場合とでの、表面硬さおよび有効硬化深さの相対標準偏差を示す。

表２に示すように、浸炭を２回行うと、相対標準偏差が表面硬さおよび有効硬化深さの両方について浸炭を１回しか行わない場合の約１．５倍になってしまう。これに対し、本実施形態における製造方法では、浸炭を１回しか行わないので、品質のばらつきを小さくし、歩留まりを向上することができる。

さらに、本実施形態における製造方法では、従来素材として用いられていた鋼よりも炭素含有率の高い鋼、具体的には、０．３質量％以上０．５質量％以下の炭素を含む鋼を素材として用いる。そのため、さらなる焼戻しによって連結部３０の靭性および曲げ強度を好適に設定することが容易である。以下、この理由を、０．２０質量％の炭素を含む鋼であるＳＣＭ４２０と、０．３５質量％の炭素を含む鋼であるＳＣＭ４３５を例として説明する。

本願発明者が連結部３０の好ましい内部硬さについて詳細な検討を行ったところ、連結部３０の内部硬さは、十分な靭性を確保する観点からは５００ＨＶ以下であることが好ましく、十分な曲げ強度を確保する観点からは３００ＨＶ以上であることが好ましいことがわかった。従って、連結部３０の靭性と曲げ強度を好適なものとするためには、さらなる焼戻し後の連結部３０の内部硬さが３００ＨＶ以上５００ＨＶ以下であることが好ましい。

ところが、コンロッド１の素材としてＳＣＭ４２０を用いると、たとえ図１に示す製造工程と同様の工程（工程Ｓ１においてＳＣＭ４２０を用意する点以外は同じ）でコンロッド１を製造しても、連結部３０の内部硬さを３００ＨＶ以上５００ＨＶ以下とすることは難しい。

図４に、ＳＣＭ４２０を用いた場合の連結部３０の硬さ分布を高周波による焼戻しの前後について示す。ＳＣＭ４２０を用いた場合、図４に示すように、高周波による焼戻し後の内部硬さが３００ＨＶを下回ってしまう。そのため、連結部３０の曲げ強度が不足してしまう。

これに対し、ＳＣＭ４３５を用いた場合には、図５および図６に示すように、高周波加熱による焼戻し後の連結部３０の内部硬さが３００ＨＶ以上５００ＨＶ以下の範囲内に収まるので、連結部３０の靭性と曲げ強度の両方を好適なものとすることができる。これは、ＳＣＭ４３５は、炭素の含有率がＳＣＭ４２０よりも高く、もともと炭素の含有量が多いため、高周波加熱による焼戻しに先立って行われる熱処理（浸炭工程を含む熱処理）によって、内部硬さを予め十分に高くすることができるからである。

なお、コンロッド１の素材は例示したＳＣＭ４３５に限定されるものではない。図７に、炭素の含有率と、高周波による焼戻し前後の内部硬さとの関係を示す。図７からわかるように、炭素を０．３質量％以上０．５質量％以下含む鋼を用いることによって、さらなる焼戻し後の連結部３０の内部硬さを３００ＨＶ以上５００ＨＶ以下とすることができる。これに対し、炭素の含有率が０．３質量％未満であると、連結部３０の内部硬さが３００ＨＶ未満となり、曲げ強度が不足することがある。また、炭素の含有率が０．５質量％を超えると、連結部３０の内部硬さが５００ＨＶを超え、靭性が不足することがある。炭素を０．３質量％以上０．５質量％以下含む鋼としては、ＳＣＭ４３５の他に、例えば、同じくクロムモリブデン鋼であるＳＣＭ４４０や、クロム鋼であるＳＣｒ４３５、マンガン鋼であるＳＭｎ４３８を用いることができる。

また、本願発明者は、連結部３０の好ましい表面硬さについても詳細な検討を行った。その結果、十分に高い曲げ強度を得るためには、連結部３０の表面硬さが５００ＨＶを超えていることが好ましいことがわかった。

素材としてＳＣＭ４２０を用いると、図４に示すように、高周波による焼戻し後の連結部３０の表面硬さが５００ＨＶを大きく下回ってしまう。これに対し、素材としてＳＣＭ４３５を用いると、図５および図６に示すように、高周波による焼戻し後の連結部３０の表面硬さが５００ＨＶを超える。そのため、十分に高い曲げ強度を得ることができる。

図４と図５との比較や図６からわかるように、ＳＣＭ４２０を用いた場合には、ＳＣＭ４３５を用いた場合よりも、さらなる焼き戻しによって表面付近の硬さが顕著に低下する。これは、ＳＣＭ４２０の場合はもともと炭素量が少ないので、浸炭、焼き入れおよび焼戻し後において表面付近と内部とで炭素量の差が大きく、そのため、高周波による焼戻しの際の表面付近から内部への炭素の拡散が著しいためと考えられる。これに対し、ＳＣＭ４３５の場合はもともと炭素量が多いので、浸炭、焼き入れおよび焼戻し後において表面付近と内部とで炭素量の差が小さく、高周波による焼戻しの際の表面付近から内部への炭素の拡散が起こりにくい。そのため、表面付近の硬さの顕著な低下を抑制できる。このように、従来よりも炭素の含有率の高い（具体的には炭素を０．３質量％以上含む）鋼を用いることによって、内部硬さを高く保つだけでなく、表面硬さの顕著な低下をも抑制でき、曲げ強度を効果的に向上することができる。

図８に、素材としてＳＣＭ４３５を用いて本実施形態の製造方法により製造されたコンロッド１の連結部３０の曲げ強度（０．２％耐力）を示す。同図中には、比較のために、素材としてＳＣＭ４２０を用いて防炭法により製造されたコンロッドの連結部の曲げ強度も示している。図８からわかるように、防炭法により製造されたコンロッドでは連結部の曲げ強度が１５００ＭＰａであるのに対し、本実施形態の製造方法により製造されたコンロッド１では連結部３０の曲げ強度は２４５０ＭＰａである。このように、本実施形態の製造方法により連結部３０の曲げ強度を効果的に向上できる。

また、本実施形態の製造方法では、従来よりも炭素の含有率の高い鋼を用いるので、浸炭に要する時間を短縮することができる。図９（ａ）に、ＳＣＭ４２０を用いた場合の浸炭に要する時間を示し、図９（ｂ）に、ＳＣＭ４３５を用いた場合の浸炭に要する時間を示す。図９（ａ）および（ｂ）からわかるように、ＳＣＭ４３５を用いた場合には浸炭に要する時間を半分以下にすることができる。本実施形態の製造方法によれば、従来の防炭法に比べ、防炭工程の省略および浸炭工程の短時間化により、約２３％の低コスト化を実現することができた。

既に述べたように、連結部３０の内部硬さは３００ＨＶ以上５００ＨＶ以下であることが好ましく、連結部３０の表面硬さは５００ＨＶを超えることが好ましい。これは、言い換えると、連結部３０に対する選択的な焼戻し工程（図１の工程Ｓ５）は、選択的な焼戻しを行った後の連結部３０が、５００ＨＶを超える硬さを有する表面層と、この表面層によって覆われ、３００ＨＶ以上５００ＨＶ以下の硬さを有する内部層とを有するように行われることが好ましいということである。

選択的な焼戻し後の連結部３０の内部硬さを３００ＨＶ以上５００ＨＶ以下にするためには、図５に示されるように、浸炭、焼き入れおよび焼戻し後（図１の工程Ｓ４の後）のコンロッド１の内部硬さが５００ＨＶを超えていることが好ましい。

また、大端部２０の貫通孔２２の内周面２２ａの耐圧強度を十分に確保するためには、内周面２２ａにおいて表面から少なくとも０．７ｍｍの深さまで硬さが５５０ＨＶ以上であることが好ましい。

さらに、本願発明者は、上述した表面層（連結部３０のうち５００ＨＶを超える硬さを有する部分）の硬さを深さ方向に積分した値が、連結部３０の靭性および曲げ強度と強い相関関係を有することに着目し、その積分値の好適な範囲を実験的に見出した。

まず、本願発明者は、図１０に示すように連結部３０の硬さ分布を示すグラフにおいて、ハッチングを付した部分の面積、すなわち、硬さ−深さ曲線と、深さ０ｍｍの目盛り線と、硬さ５００ＨＶの目盛り線とによって囲まれた部分の面積が、連結部３０の靭性および曲げ強度と強い相関関係を有することを見出した。上記の面積は、表面層と内部層との境界の、連結部３０の表面からの深さ（つまり表面層の厚さ）をｄ（ｍｍ）としたとき、連結部３０の硬さ（ＨＶ）を連結部３０の表面から深さｄ（ｍｍ）まで積分した値から５００・ｄを減じた値（ＨＶ・ｍｍ）である。表記の簡単さのために、以下ではこの値を、表面層の「硬さ・深さ積分値」と呼ぶことにする。

次に、この硬さ・深さ積分値と連結部３０の靭性および曲げ強度との関係について具体的な検討を行ったところ、表面層の硬さ・深さ積分値を７０ＨＶ・ｍｍ以下とすることによって、十分な靭性を得られることがわかった。また、既に述べたように、十分な曲げ強度を得るためには、連結部３０は、硬さ５００ＨＶ以上の表面層を有していることが好ましいので、表面層の硬さ・深さ積分値は、０ＨＶ・ｍｍを超えていることが好ましい。従って、表面層の硬さ・深さ積分値を０ＨＶ・ｍｍを超え７０ＨＶ・ｍｍ以下とすることによって、曲げ強度を向上しつつ、十分な靭性を得ることができる。

参考までに、図１１に、ＳＣＭ４２０を用いて防炭法により製造したコンロッドの連結部の硬さ分布を示し、図１２に、ＳＣＭ４２０を用いる点以外は本実施形態の製造方法と同様の工程で製造したコンロッドの連結部の硬さ分布を示す。なお、図１１には、防炭処理（銅めっき）が施されていない部分の硬さ分布を併せて示し、図１２には、高周波による焼戻し前の硬さ分布を併せて示している。

図１１から、防炭法を用いた場合には、硬さ５００ＨＶ以上の表面層が存在せず、表面層の硬さ・深さ積分値が０ＨＶ・ｍｍを超えないので、曲げ強度が不足することがわかる。また、防炭処理が施されていない部分では、表面層の硬さ・深さ積分値が７０ＨＶ・ｍｍを超えてしまっているので、靭性が十分ではないことがわかる。

また、図１２から、ＳＣＭ４２０を用いた場合にさらなる焼戻しを行うと、硬さ５００ＨＶ以上の表面層が存在せず、表面層の硬さ・深さ積分値が０ＨＶ・ｍｍを超えないので、曲げ強度が不足することがわかる。また、さらなる焼戻し前の状態では、表面層の硬さ・深さ積分値が７０ＨＶ・ｍｍを超えてしまっているので、靭性が十分ではないことがわかる。

図１３に、ＳＣＭ４２０を用いて全浸炭法により製造した分割型コンロッドの連結部の硬さ分布を示す。図１３から、全浸炭法を用いると、表面層の硬さ・深さ積分値を０ＨＶ・ｍｍを超え７０ＨＶ・ｍｍ以下にでき、連結部の靭性および曲げ強度を好適に設定できることがわかる。ただし、既に述べたように、全浸炭法では、大端部の内周面の耐圧強度を確保できないため、全浸炭法を一体型のコンロッドの製造に用いることはできない。

また、図１４に、表面層の硬さ・深さ積分値と炭素量との関係を示す。図１４からわかるように、素材として０．３質量％以上０．５質量％以下の炭素を含む鋼を用いると、さらなる焼戻し後の表面層の硬さ・深さ積分値を０ＨＶ・ｍｍを超え７０ＨＶ・ｍｍ以下の範囲内にすることができる。従って、コンロッドの素材として０．３質量％以上０．５質量％以下の炭素を含む鋼を用いることにより、さらなる焼戻し後の連結部３０の内部硬さを３００ＨＶ以上５００ＨＶ以下とし、且つ、表面層の硬さ・深さ積分値を０ＨＶ・ｍｍを超え７０ＨＶ・ｍｍ以下にすることが可能になる。

上述したように、本発明の製造方法によれば、連結部の靭性および曲げ強度が好適に設定された一体型のコンロッドを従来よりも低コストで品質のばらつきを小さく製造することができる。

本発明の製造方法により製造されたコンロッドは、乗用車、オートバイ、バス、トラック、トラクター、飛行機、モーターボート、土木車両などの各種自動車両用のエンジンに広く用いられる。また、草刈機や発電機などの各種機械用のエンジンや汎用エンジンにも用いられる。本発明の製造方法によれば、コンロッドの連結部の靭性および曲げ強度を好適に設定できるので、連結部を細くしてコンロッドを軽量化することが可能になり、エンジンの軽量化、高燃費化および高出力化を実現できる。

図１５に、本実施形態の製造方法により製造されたコンロッド１を備えたエンジン１００の一例を示す。エンジン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、コンロッド１によって連結されている。具体的には、コンロッド１の小端部１０の貫通孔にピストン１２２のピストンピン１２３が挿入されているとともに、大端部２０の貫通孔にクランクシャフト１１１のクランクピン１１２が挿入されており、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。大端部２０の貫通孔の内周面とクランクピン１１２との間には、ローラベアリング（転がり軸受け）１１４が設けられている。

図１５に示すエンジン１００は、本実施形態の製造方法により製造されたコンロッド１を有しているので、軽量化、高燃費化および高出力化を実現できる。

図１６に、図１５に示したエンジン１００を備えた自動二輪車を示す。

図１６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１５に示したエンジン１００が保持されている。エンジン１００には、本実施形態の製造方法により製造されたコンロッド１が用いられている。エンジン１００の前方には、ラジエータ３１１が設けられている。エンジン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。

エンジン１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、エンジン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１６に示した自動二輪車は、本実施形態の製造方法により製造されたコンロッド１が用いられたエンジン１００を備えているので、好適な性能が得られる。

本発明によると、連結部の靭性および曲げ強度が好適に設定された一体型のコンロッドを従来よりも低コストで品質のばらつきを小さく製造することができるコンロッドの製造方法が提供される。

本発明によるコンロッドの製造方法によって製造されたコンロッドは、各種自動車両用のエンジンや、各種機械用のエンジン、汎用エンジンに広く用いられる。

本発明によるコンロッドの製造方法を示すフローチャートである。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明によるコンロッドの製造方法により製造される一体型のコンロッドを模式的に示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）中の２Ｂ−２Ｂ’線に沿った断面図、（ｃ）は（ａ）中の２Ｃ−２Ｃ’線に沿った断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、さらなる焼戻しを行う部分を説明するための図である。 素材としてＳＣＭ４２０を用いた場合の連結部の硬さ分布を高周波による焼戻しの前後について示すグラフである。 素材としてＳＣＭ４３５を用いた場合の連結部の硬さ分布を高周波による焼戻しの前後について示すグラフである。 素材としてＳＣＭ４２０を用いた場合およびＳＣＭ４３５を用いた場合の連結部の硬さ分布を高周波による焼戻しの前後について示すグラフである。 炭素の含有率と、高周波による焼戻し前後の内部硬さとの関係を示すグラフである。 素材としてＳＣＭ４３５を用いて本発明の製造方法により製造されたコンロッドの連結部の曲げ強度（０．２％耐力）を示すグラフである。 （ａ）は、素材としてＳＣＭ４２０を用いた場合の浸炭工程における温度と時間との関係を示す図であり、（ｂ）は、素材としてＳＣＭ４３５を用いた場合の浸炭工程における温度と時間との関係を示す図である。 素材としてＳＣＭ４３５を用いて本発明の製造方法により製造されたコンロッドの連結部の硬さ分布を示すグラフである。 素材としてＳＣＭ４２０を用いて防炭法により製造されたコンロッドの連結部の硬さ分布を示すグラフである。 素材としてＳＣＭ４２０を用いて製造されたコンロッドの連結部の硬さ分布を示すグラフである。 素材としてＳＣＭ４２０を用いて全浸炭法により製造されたコンロッドの連結部の硬さ分布を示すグラフである。 表面層の硬さ・深さ積分値と炭素量との関係を示すグラフである。 本発明の製造方法により製造されたコンロッドを有するエンジンを模式的に示す断面図である。 図１５に示すエンジンを備えた自動二輪車を模式的に示す側面図である。 （ａ）および（ｂ）は、一般的な一体型コンロッドを模式的に示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）中の１７Ｂ−１７Ｂ’線に沿った断面図である。 防炭法を用いたコンロッドの製造方法を示すフローチャートである。 防炭法を用いて製造されたコンロッドの硬さ分布を示すグラフである。 ２回浸炭法を用いたコンロッドの製造方法を示すフローチャートである。 全浸炭法を用いたコンロッドの製造方法を示すフローチャートである。 全浸炭法を用いて製造されたコンロッドの連結部の硬さ分布を示すグラフである。

符号の説明

１ コンロッド
１０ 小端部
１２ 貫通孔
１２ａ 内周面
２０ 大端部
２２ 貫通孔
２２ａ 内周面
３０ 連結部

Claims (10)

1. 貫通孔を有する小端部と、前記小端部の貫通孔よりも大径の貫通孔を有する大端部と、前記小端部と前記大端部とを連結する連結部とを有する一体型のコンロッドの製造方法であって、
   前記小端部、前記大端部および前記連結部を有するコンロッドを、０．３質量％以上０．５質量％以下の炭素を含む鋼から形成する工程（ａ）と、
   前記コンロッドに対して浸炭工程を含む熱処理を行う工程（ｂ）と、
   前記工程（ｂ）の後に、前記小端部および前記連結部のうちの少なくとも前記連結部全体に対して選択的にさらに焼戻しを行う工程（ｃ）と、を包含し、
   前記工程（ｂ）において行われる前記熱処理は、前記コンロッド全体に対する焼戻し工程を含み、
   前記工程（ｃ）において前記大端部に対して焼戻しは行われない、コンロッドの製造方法。
2. 前記工程（ｃ）における選択的な焼戻しは、高周波誘導加熱により行われる請求項１に記載のコンロッドの製造方法。
3. 前記工程（ｃ）における選択的な焼戻しは、前記連結部に対してのみ行われる請求項１または２に記載のコンロッドの製造方法。
4. 前記工程（ｃ）における選択的な焼戻しは、前記小端部に対しても行われる請求項１または２に記載のコンロッドの製造方法。
5. 前記工程（ｂ）は、前記熱処理を行った後の前記コンロッドの内部硬さが５００ＨＶを超えるように行われる、請求項１から４のいずれかに記載のコンロッドの製造方法。
6. 前記工程（ｃ）は、選択的な焼戻しを行った後の前記連結部が、５００ＨＶを超える硬さを有する表面層と、前記表面層によって覆われ、３００ＨＶ以上５００ＨＶ以下の硬さを有する内部層とを有するように行われる、請求項１から５のいずれかに記載のコンロッドの製造方法。
7. ０．３質量％以上０．５質量％以下の炭素を含む鋼から形成され、貫通孔を有する小端部と、前記小端部の貫通孔よりも大径の貫通孔を有する大端部と、前記小端部と前記大端部とを連結する連結部とを有し、浸炭工程およびコンロッド全体に対する焼戻し工程を含む熱処理が行われた一体型のコンロッドであって、
   前記連結部は、５００ＨＶを超える硬さを有する表面層と、前記表面層によって覆われ、３００ＨＶ以上５００ＨＶ以下の硬さを有する内部層とを有するように選択的なさらなる焼戻しが連結部全体に対して行われた連結部であり、
   前記表面層と前記内部層との境界の、前記連結部の表面からの深さをｄ（ｍｍ）としたとき、前記連結部の硬さ（ＨＶ）を前記連結部の表面から深さｄ（ｍｍ）まで積分した値から５００・ｄを減じた値が、０ＨＶ・ｍｍを超え７０ＨＶ・ｍｍ以下であるコンロッド。
8. 前記大端部の貫通孔の内周面において、表面から少なくとも０．７ｍｍの深さまで硬さが５５０ＨＶ以上である請求項７に記載のコンロッド。
9. 請求項７または８に記載のコンロッドを有するエンジン。
10. 請求項９に記載のエンジンを備えた自動車両。

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