JP4255861B2 - 非調質コネクティングロッド及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、非調質コネクティングロッド及びその製造方法に関し、詳しくは、自動車エンジンなどのコネクティングロッドとして好適な被削性、破断分割性及び耐疲労特性に優れた非調質コネクティングロッド及びその製造方法に関する。

自動車エンジンなどの部品である図１に示すコネクティングロッド１は、従来、コネクティングロッド本体２及びコネクティングロッドキャップ３を別の工程で熱間鍛造した後、これらに焼入れ焼戻しの調質処理を施し、次いで、機械加工によるボルト穴の加工と仕上げ整形加工を施し、その後でボルト４によって形状の複雑なクランクシャフトに結合して組み立てられていた（以下の説明においては、「コネクティングロッド」、「コネクティングロッド本体」及び「コネクティングロッドキャップ」をそれぞれ「コンロッド」、「コンロッド本体」及び「コンロッドキャップ」ともいう）。

しかしながら、最近の厳しい経済情勢を反映して、各種自動車部品の製造コスト低減の動きが活発化しており、この動きはエンジン部品においても例外ではなくなってきている。このため、製造コストが嵩む焼入れ−焼戻しの調質処理を行う必要のないコンロッド、つまり非調質コンロッドに対する要望が大きくなり、一部の車種では、質量％で、０．３５％Ｃ−０．４％Ｓｉ−０．９５％Ｍｎ−０．０４％Ｓ−０．５％Ｃｒ−０．１％Ｖを基本の化学組成とする鋼を素材とする非調質コンロッドが採用されている。しかし、この非調質コンロッドも、従来と同様に別の工程で熱間鍛造されたコンロッド本体２とコンロッドキャップ３に対して、切削加工によるボルト穴の加工と仕上げ整形加工を施し、その後でボルト４によって形状の複雑なクランクシャフトに結合して組み立てるという工程を経る必要があり、したがって、後述の「クラッキングコンロッド」ほどにはコスト低減の点で満足のいくものではない。

つまり、最近では、非調質鋼化に加えて、更に一層の製造コスト低減のために、コンロッド本体２とコンロッドキャップ３の両者を熱間鍛造で一体成形した後、大端部５でコンロッド本体２とコンロッドキャップ３にクラッキング（破断分割）するいわゆる「クラッキングコンロッド」が検討されている。

なお、上記のクラッキングには、一体成形材の分割したい部位である大端部５の穴（例えば図１におけるＮ部）に治具を挿入し、応力を負荷して破断させる方法が適用される。

クラッキングされたコンロッド１（つまり、クラッキングコンロッド）は、クラッキングした際の破断面が平滑な脆性破面であれば、それをクランクシャフトと連結する際には、コンロッド本体２とコンロッドキャップ３とでクランクシャフトを挟み込んだ後、破断面を合わせ、コンロッド本体２とコンロッドキャップ３とをボルト４で連結するだけでよい。

したがって、クラッキングコンロッドは、その破断面が平滑な脆性破面であれば、クランクシャフトを挟む部分である合わせ面の切削加工が不要になって製造コストを低減することができるし、破断面で連結が行われるために締結剛性すなわち強度に優れている。

上記のクラッキングコンロッドについては、特許文献１に開示された質量％で０．７％程度のＣ（炭素）を含む非調質鋼を素材とするものが欧州で既に実用化されている。しかし、上記の欧州で実用化された非調質コンロッドはＣの含有量が高く従来の機械構造用炭素鋼を調質処理したコンロッドに比べて被削性が劣るため、ボルト穴加工のための被削性を高めたいという産業界の要望には必ずしも応えきれていない。更に、上記欧州で実用化された非調質コンロッドの疲労限度（以下、疲労限度を疲労強度といい、σｗの記号で表す）は、機械構造用炭素鋼を調質処理したコンロッドの疲労強度や、前記の質量％で、０．３５％Ｃ−０．４％Ｓｉ−０．９５％Ｍｎ−０．０４％Ｓ−０．５％Ｃｒ−０．１％Ｖを基本の化学組成とする非調質コンロッドの疲労強度と比較して劣っている。

そこで、欧州で実用化されているものと同等以上の破断分割性（以下、クラッキング性という）を有するとともに、前記の質量％で、０．３５％Ｃ−０．４％Ｓｉ−０．９５％Ｍｎ−０．０４％Ｓ−０．５％Ｃｒ−０．１％Ｖを基本の化学組成とする非調質コンロッドと同等以上の耐疲労特性を有し、且つ、被削性にも優れた非調質コンロッドに対する要望が極めて大きくなっている。なお、被削性を高めるための従来の最も一般的な方法は、鋼にＰｂを添加することであった。しかし、最近では、地球環境の保護という点からＰｂ非添加で被削性を高める技術が要望されている。

特許文献２〜１５には、鋼の化学組成を制御してクラッキング性を高めた「低延性非調質鋼」、或いは、化学組成と炭硫化物を制御してクラッキング性と被削性を高めた「低延性非調質鋼」が開示されている。しかし、この特許文献２〜１５で提案されたいずれの非調質鋼も、必ずしも耐疲労特性に対する配慮がなされたものではない。

特許文献１６には、Ｃ含有量が重量％で０．２〜０．３５％未満の低炭素域で、Ｍｎの含有量を低減するとともに高Ｖ組成として延性の大きなフェライトを脆化させ、更に、粗大なＴｉＣ粒子を分散させることによって破断分離性を高めた「破断分離性と耐久強さに優れた機械構造用鋼」が開示されている。しかし、この公報で提案された機械構造用鋼は、被削性向上のために単にＳを重量％で、０．０１〜０．２％含有させただけのものであり、したがって、必ずしもコンロッドに要求される被削性を満足できるものではない。

米国特許第５１３５５８７号公報

特開平９−３５８９号公報 特開平９−３１５９４号公報 特開平９−１１１４１２号公報 特開平９−１７６７８５号公報 特開平９−１７６７８６号公報 特開平９−１７６７８７号公報 特開平１１−５０１８４号公報 特開平１１−１９９９６７号公報 特開平１１−１９９９６８号公報 特開平１１−２３６６４３号公報 特開平１１−２８６７４６号公報 特開平１１−２８６７５０号公報 特開平１１−３０２７７８号公報 特開２０００−３４５２９８号公報 特開平１１−３１５３４０号公報

本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、その目的は、自動車エンジンなどのコネクティングロッドとして好適な被削性、破断分割性及び耐疲労特性に優れたＰｂ非添加鋼を素材とする非調質コネクティングロッド及びその製造方法を提供することである。

本発明の要旨は、下記（１）に示す非調質コネクティングロッド及び（２）に示す非調質コネクティングロッドの製造方法にある。

（１）質量％で、Ｃ：０．２５〜０．３５％、Ｓｉ：０．５０〜０．７０％、Ｍｎ：０．６０〜０．９０％、Ｐ：０．０４０〜０．０７０％、Ｓ：０．０４０〜０．１３０％、Ｃｒ：０．１０〜０．２０％、Ｖ：０．１５〜０．２０％、Ｔｉ：０．１５〜０．２０％及びＮ：０．００２〜０．０２０％を含み、残部はＦｅ及び不純物からなり、下記(1)式で表されるＣeqの値が０．８０未満の化学組成で、大端部は組織がフェライト・パーライトで全硬さがビッカース硬さで２５５〜３２０であり、更に、大端部の前記フェライト・パーライト組織におけるフェライトの硬さがビッカース硬さで２５０以上で、且つ、前記フェライトの硬さと大端部の全硬さの比が０．８０以上であることを特徴とする非調質コネクティングロッド。

Ｃeq＝Ｃ＋（Ｓｉ／１０）＋（Ｍｎ／５）＋（５Ｃｒ／２２）＋１．６５Ｖ−（５Ｓ／７）・・・・・(1)、ここで、(1)式中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。

（２）質量％で、Ｃ：０．２５〜０．３５％、Ｓｉ：０．５０〜０．７０％、Ｍｎ：０．６０〜０．９０％、Ｐ：０．０４０〜０．０７０％、Ｓ：０．０４０〜０．１３０％、Ｃｒ：０．１０〜０．２０％、Ｖ：０．１５〜０．２０％、Ｔｉ：０．１５〜０．２０％及びＮ：０．００２〜０．０２０％を含み、残部はＦｅ及び不純物からなり、下記(1)式で表されるＣeqの値が０．８０未満の化学組成で、大端部は組織がフェライト・パーライトで全硬さがビッカース硬さで２５５〜３２０であり、更に、大端部の前記フェライト・パーライト組織におけるフェライトの硬さがビッカース硬さで２５０以上で、且つ、前記フェライトの硬さと大端部の全硬さの比が０．８０以上である非調質コネクティングロッドの製造方法であって、下記（ａ）〜（ｆ）の処理を順に含むことを特徴とする非調質コネクティングロッドの製造方法。

（ａ）前記の化学組成を有する鋼を１２００〜１３５０℃に加熱する処理、
（ｂ）コネクティングロッド本体とコネクティングロッドキャップがつながった一体物に成形する９００℃以上の温度での熱間鍛造、
（ｃ）８００℃を超える温度での大端部の熱間コイニング、
（ｄ）大端部に切り欠きを設ける処理、
（ｅ）大端部の前記切り欠きを設けた部位からコネクティングロッド本体とコネクティングロッドキャップに破断分割する処理、
（ｆ）破断分割されたコネクティングロッド本体及びコネクティングロッドキャップを結合する処理、
Ｃeq＝Ｃ＋（Ｓｉ／１０）＋（Ｍｎ／５）＋（５Ｃｒ／２２）＋１．６５Ｖ−（５Ｓ／７）・・・・・(1)、ここで、(1)式中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。

なお、、フェライト・パーライト組織とは、フェライトとパーライトの混合組織をいう。前記した各相は、光学顕微鏡や電子顕微鏡を用いた観察によって確認することができる。

大端部の全硬さとは、鍛錬軸に垂直に切断した面をランダムに４箇所測定した場合の平均値を指し、上記大端部の全硬さとしてのビッカース硬さは、９８．０７Ｎの試験力で測定した値をいう。

フェライトの硬さとしてのビッカース硬さは、０．０９８０７Ｎの試験力で測定した値をいう。なお、本発明でいうフェライトには、セメンタイトとともにパーライトを形成するフェライトは含まない。

上述の（ａ）〜（ｃ）における温度は鋼や一体物成形材の表面における値をいう。

以下、上記（１）の非調質コネクティングロッドに係る発明及び（２）の非調質コネクティングロッドの製造方法に係る発明をそれぞれ（１）及び（２）の発明という。

本発明の非調質コンロッドは、Ｐｂ非添加鋼を素材とする被削性、破断分割性（クラッキング性）及び耐疲労特性に優れたものであり、自動車エンジンなどのコンロッドとして利用することができる。この非調質コンロッドは本発明の方法によって比較的容易に製造することができる。

本発明者らは、前記した目的を達成するために種々検討を行い、下記(イ)〜（ホ）の知見を得た。

（イ）クラッキング性と被削性がともに良好になる場合の鋼の組織はフェライト・パーライト組織である。

（ロ）フェライト・パーライト組織におけるフェライトの硬さはクラッキング性、被削性及び疲労強度に影響する。

（ハ）フェライト・パーライト組織におけるフェライトの硬さと全硬さの比が大きい場合のクラッキング性は良好であるし、大きな疲労強度が得られ、更に、被削性も良好である。

（ニ）適正量のＴｉとＶとを複合添加することによってフェライトが大幅に強化されるため、前記(1)式で表されるＣ当量（つまりＣeq）の値が小さい場合にも大きな強度が得られる。したがって、小さいＣeqの値で大きな疲労強度が確保でき、更に、フェライトの強度が大きい分被削性は良好である。

（ホ）フェライト・パーライト変態後の析出強化を確保するには、熱間鍛造前の加熱でＴｉを十分素地に固溶させるとともに、鍛造後の冷却速度を適正化すればよい。

前記（１）及び（２）の発明は、上記の知見に基づいて完成されたものである。

以下、本発明の各要件について詳しく説明する。

（Ａ）鋼の化学組成
以下の説明における各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。

Ｃ：０．２５〜０．３５％、
Ｃは、鋼の強度を高める作用を有し、０．２５％以上含有させることで効果が得られる。しかし、その含有量が０．３５％を超えると、硬さは上がるがフェライトの割合が小さくなって耐久比、つまり、「疲労強度（σｗ）／引張強度（ＴＳ）」が小さくなるため、硬さが上がった割には疲労強度は大きくならず、逆に硬さが上がったために被削性が低下する。したがって、Ｃの含有量を０．２５〜０．３５％とした。

Ｓｉ：０．５０〜０．７０％
Ｓｉは、鋼の脱酸に有効であるとともに固溶強化によって鋼の強度を高める作用を有し、０．５０％以上含有させることで十分な効果が得られる。しかし、Ｓｉの含有量が０．７０％を超えると、鋼の熱間加工性が低下し鍛造時に割れ等の欠陥が生じたり、鍛造用金型に過度の負担がかかる。したがって、Ｓｉの含有量を０．５０〜０．７０％とした。

Ｍｎ：０．６０〜０．９０％
Ｍｎは、鋼の脱酸作用を有するとともに、焼入れ性を高めて鋼の強度を向上させる作用を有する。これらの効果を十分確保するためには、Ｍｎの含有量を０．６０％以上とする必要がある。しかし、Ｍｎの含有量が０．９０％を超えると、鋼の熱間加工性が低下するし、ベイナイトが生成しやすくなって、疲労強度、クラッキング性及び被削性が低下することがある。加えて成分コストも上昇する。したがって、Ｍｎの含有量を０．６０〜０．９０％とした。

Ｐ：０．０４０〜０．０７０％
Ｐは、結晶粒界に偏析して鋼を脆化させ、コンロッドのクラッキングの際の破面を平滑な脆性破面とする作用を有する。この効果を十分に得るには、Ｐの含有量を０．０４０％以上とする必要がある。しかし、その含有量が０．０７０％を超えると、鋼の熱間加工性が低下することがある。したがって、Ｐの含有量を０．０４０〜０．０７０％とした。

Ｓ：０．０４０〜０．１３０％
Ｓは、ＭｎやＴｉとともに硫化物を形成して鋼の被削性を高める作用を有する。この効果を得るには、Ｓの含有量を０．０４０％以上とする必要がある。しかし、Ｓの含有量が０．１３０％を超えると、鋼の熱間加工性が低下することがある。したがって、Ｓの含有量を０．０４０〜０．１３０％とした。なお、Ｓの含有量は０．０７０％を超えて０．１３０％までとすることが好ましい。

Ｃｒ：０．１０〜０．２０％
Ｃｒは、鋼の焼入れ性を向上させて強度を高める作用を有する。この効果を十分確保するためには、Ｃｒの含有量を０．１０％以上とする必要がある。しかし、その含有量が０．２０％を超えると、ベイナイトが生成しやすくなるし、成分コストも上昇する。したがって、Ｃｒの含有量を０．１０〜０．２０％とした。

Ｖ：０．１５〜０．２０％
Ｖは、本発明において重要な元素である。すなわち、Ｖはフェライト中に炭窒化物として析出して強度を向上させる作用を有する他に、後述するＴｉと複合して添加することによってクラッキング性を高める作用を有する。こうした効果を十分に得るには、Ｖの含有量を０．１５％以上とする必要がある。しかし、その含有量が０．２０％を超えると、成分コストが上昇する。したがって、Ｖの含有量を０．１５〜０．２０％とした。

Ｔｉ：０．１５〜０．２０％
Ｔｉは、本発明において重要な元素である。すなわち、ＴｉはＶと同様にフェライト中に炭窒化物として析出して強度を高め、更に、Ｖと複合して添加することによってフェライトを大幅に強化する作用を有する。このフェライトの強化は、フェライト・パーライト組織における全硬さとフェライトの硬さとの差を小さくするので、良好なクラッキング性が確保でき、更に、フェライトの強化は大きな疲労強度の確保につながる。また、Ｔｉには硫化物を形成して被削性を改善する作用もある。前記した効果を十分に得るためには、Ｔｉを０．１５％以上含有させる必要がある。しかし、その含有量が０．２０％を超えると、成分コストが嵩む。したがって、Ｔｉの含有量を０．１５〜０．２０％とした。

Ｎ：０．００２〜０．０２０％
Ｎは、Ｖ及びＴｉと炭窒化物を形成して鋼の強化に寄与する。この効果を得るには、Ｎは０．００２％以上の含有量が必要である。しかし、Ｎを０．０２０％を超えて含有させても上記の効果は飽和する。したがって、Ｎの含有量を０．００２〜０．０２０％とした。

Ｃeqの値：０．８０未満
一般に、前記(1)式で表されるＣeqの値（つまり、Ｃ当量の値）が大きい場合にはコンロッドの被削性が低下し、Ｃeqの値が小さい場合には強度が小さくなって疲労強度も小さくなるが、前記した量のＴｉとＶを含有させた本発明に係る素材の場合には、フェライトが大幅に強化されるため前記(1)式で表されるＣeqの値が小さい場合にも大きな強度が得られ、更に、フェライトの強度が大きい分被削性は良好になる。しかし、前記した量のＴｉとＶを含有させてフェライトを強化させた本発明に係る素材の場合にも、Ｃeqの値が０．８０以上になると大きな疲労強度が確保できるものの被削性が低下することがある。したがって、前記(1)式で表されるＣeqの値を０．８０未満とした。なお、コンロッドに要求される強度にもよるが、Ｃeqの下限値はほぼ０．６０程度である。

（Ｂ）コンロッドの大端部の組織と硬さ
（Ｂ−１）大端部の組織
本発明に係る非調質コンロッドの大端部の組織は、フェライト・パーライトとする必要がある。これは、クラッキング性と被削性をともに良好にして、大端部でのクラッキングを容易にするとともにボルト穴の加工を容易にするためである。すなわち、マルテンサイト、ベイナイトやオーステナイトを含む組織のクラッキング性は低く、更に、フェライト・パーライト組織に比べて被削性にも劣る。したがって、本発明に係る非調質コンロッドにおいては、その大端部の組織をフェライト・パーライトとした。ここで、既に述べたように、「フェライト・パーライト組織」とはフェライトとパーライトの混合組織を指す。

（Ｂ−２）大端部の、全硬さ、フェライト・パーライト組織におけるフェライトの硬さ及び、フェライトの硬さと全硬さの比
本発明に係る非調質コンロッドの大端部は、全硬さがビッカース硬さで２５５〜３２０、フェライト・パーライト組織におけるフェライトの硬さがビッカース硬さで２５０以上、且つ、前記フェライトの硬さと全硬さの比が０．８０以上でなければならない。

先ず、大端部の全硬さがビッカース硬さで２５５未満であると疲労強度及びクラッキング性が低下し、一方、３２０を超えると大きな疲労強度と良好なクラッキング性が確保できるものの被削性が低下することがある。

次に、フェライト・パーライト組織におけるフェライトの硬さはクラッキング性、被削性及び疲労強度に影響し、フェライトの硬さをＨｖ２５０以上とすることが良好なクラッキング性と被削性、及び大きな疲労強度を確保するための条件となる。

更に、フェライト・パーライト組織におけるフェライトの硬さと大端部の全硬さの差を小さくすること、換言すれば、フェライトの硬さと全硬さの比を大きくすること、特に、上述の比を０．８０以上と大きくすること、によって良好なクラッキング性、大きな疲労強度及び良好な被削性を確保することができる。

したがって、本発明に係る非調質コンロッドの大端部に関して、全硬さをビッカース硬さで２５５〜３２０、フェライト・パーライト組織におけるフェライトの硬さをビッカース硬さで２５０以上、且つ、前記フェライトの硬さと全硬さの比を０．８０以上とした。

ここで、大端部の全硬さとは、鍛錬軸に垂直に切断した面をランダムに４箇所測定した場合の平均値を指し、上記大端部の全硬さとしてのビッカース硬さは、９８．０７Ｎの試験力で測定した値をいうこと、フェライトの硬さとしてのビッカース硬さは、０．０９８０７Ｎの試験力で測定した値をいうことは既に述べたとおりである。

なお、本発明でいうフェライトには、セメンタイトとともにパーライトを形成するフェライトは含まないことも既に述べたとおりである。

前記（１）の発明は、上述の（Ａ）項及び（Ｂ）項の規定を満たす非調質コンロッドである。

（Ｃ）コンロッドの製造条件
前記（１）の発明に係る非調質コンロッドを比較的容易に得るには、既に述べた（ａ）〜（ｆ）の処理をこの順に含む方法によって製造するのがよい。

そこで、（２）の発明は、前記（Ａ）項に記載の化学組成を有する鋼を、例えば、通常の方法で溶製した後に鋼塊や鋼片とし、次にその鋼塊や鋼片のままで、或いは更に通常の方法で熱間での圧延及び／又は鍛造を施した後で、前記（ａ）〜（ｅ）の処理をこの順に含む工程でコンロッド本体とコンロッドキャップとに分割し、その後更に、（ｆ）の処理を経てクランクシャフトに結合して組み立てる製造方法とした。

前記（ａ）の処理は、コンロッド本体とコンロッドキャップがつながった一体物として熱間鍛造するための加熱処理である。鍛造のための加熱温度が１２００℃未満の場合には素地へのＴｉの固溶が不十分となって、たとえＴｉとＶを複合添加した前記（Ａ）項に記載の化学組成を有する鋼であっても、フェライトの大幅な強化が達成されず、所望の良好なクラッキング性及び大きな疲労強度が得られない場合がある。一方、加熱温度が１３５０℃を超えると、加熱炉に過度の負担がかかることに加えてスケールロスが大きくなるためコストが嵩むことになる。このように前記（Ａ）項に記載の化学組成を有する鋼の加熱温度は１２００〜１３５０℃とするのがよい。

したがって、（２）の発明においては（ａ）の加熱処理の温度を１２００〜１３５０℃とした。

前記（ｂ）の処理は、コンロッド本体とコンロッドキャップがつながった一体物に加工するための熱間鍛造である。鍛造温度が９００℃を下回る場合には、素材（被鍛造材）の変形抵抗が大きく、鍛造用金型の寿命低下を招く場合がある。更に、オーステナイト結晶粒の再結晶が十分達成されないままフェライト・パーライト変態して組織が微細になって靱性が高くなってクラッキング性が低下したり、全硬さやフェライトの硬さが小さくなって疲労強度やクラッキング性が低下したりすることがある。このため、コンロッド本体とコンロッドキャップがつながった一体物に加工するための熱間鍛造は９００℃以上の温度で行うのがよい。

したがって、（２）の発明においては（ｂ）の熱間鍛造温度を９００℃以上とした。なお、この鍛造は １０５０℃以上の温度で行うことがより好ましい。鍛造の上限温度については、加熱温度が前記の１２００〜１３５０℃であれば、実質的な上限温度は１２５０℃程度となる。

前記（ｃ）の処理は、規定の寸法公差を満たすために大端部に施す熱間コイニング処理である。大端部のコイニング処理は冷間で行われるのが通常であるが、８００℃以下の低い温度で大端部のコイニングを行うと、後でクラッキングした際に、コイニング処理で生じた残留応力が解放されるため破面密着性が低下し、クランクシャフトを挟む部分である合わせ面に切削加工を施す必要が生じることがあり、切削加工を施す場合には工程が増えるとともにコストも嵩んでしまう。このため、規定の寸法公差を満たすために大端部に施すコイニング処理は８００℃を超える温度で行うのがよい。

したがって、（２）の発明においては（ｃ）の大端部に施すコイニング処理を８００℃を超える温度で行うこととした。

なお、前記（Ａ）項に記載の化学組成を有する鋼に、前記（ａ）〜（ｃ）で述べた処理を施し、（ｃ）の熱間コイニングを行った後の冷却を大気中放冷とすれば、（Ｂ）項で述べた非調質コンロッドの大端部の組織と硬さが容易に得られる。

ここで、既に述べたように、上述の（ａ）〜（ｃ）における温度とは鋼や一体物成形材の表面における値を指す。

なお、（２）の発明は大端部以外の部位のコイニング温度を規定するものではなく、大端部以外の部位のコイニング処理は熱間で行ってもよいし、通常行われているように冷間で行ってもよい。

クラッキングする際の亀裂発生の起点を限定するとともに、一体成形材のクラッキングをより容易且つ確実に行えるようにし、また、クラッキングした際の破断面を容易且つ確実に平滑な脆性破面とするためには大端部に切り欠きを設けるのがよい。

したがって、（２）の発明においては（ｄ）の処理で大端部に切り欠きを設けることとした。なお、大端部に設ける切り欠きの応力集中係数は２以上とすることが極めて好ましく、また、大端部に設ける切り欠きは、図１におけるＮ部に設けるのが好ましい。

前記（ｅ）の処理は、一体成形材をコンロッド本体とコンロッドキャップに分割する処理である。この処理の方法は特に限定されるものではなく、通常行われているクラッキングコンロッドの製造方法で行えばよい。

前記（ｆ）の処理は、クラッキング処理で分割されたコンロッド本体とコンロッドキャップとをクランクシャフトに結合して組み立てる処理である。この処理の方法も特に限定されるものではなく、通常行われているコンロッドの製造方法で行えばよい。

なお、コンロッド本体とコンロッドキャップとを結合するためのボルト穴加工は、例えば、前記（ｄ）の処理の前、（ｄ）の処理と同時又は（ｅ）のクラッキング処理の前に行えばよい。

以下、実施例により本発明を更に詳しく説明する。

表１に示す化学組成を有する鋼を通常の方法で３トン電気炉を用いて溶製し、鋼塊とした。表１において、鋼３〜５及び鋼１０〜１２は化学組成が本発明で規定する範囲内の本発明例の鋼であり、鋼１、鋼２及び鋼６〜９は成分のいずれかが本発明で規定する含有量の範囲から外れた比較例の鋼である。なお、比較例の鋼のうち鋼１及び鋼２はそれぞれ、特許文献１で開示され欧州で既に実用化されているクラッキングコンロッド用鋼にほぼ相当する鋼及び、一部の車種で採用されている非調質コンロッド用の、０．３５％Ｃ−０．４％Ｓｉ−０．９５％Ｍｎ−０．０４％Ｓ−０．５％Ｃｒ−０．１％Ｖを基本の化学組成とする鋼に被削性改善の目的でＰｂとＣａを添加した鋼である。

次いで、これらの本発明例の鋼及び比較例の鋼を通常の方法によって鋼片とした後、熱間圧延して直径３５ｍｍの丸棒にした。

このようにして得た直径３５ｍｍの丸棒を素材して、コンロッド本体とコンロッドキャップの一体成形鍛造及び大端部のコイニング処理を行った。

表２に、上記の一体成形鍛造及び大端部のコイニング処理条件を示す。なお、大端部を熱間コイニングした後の冷却は大気中放冷とした。

次いで、大端部以外の部位のコイニングを冷間で行い、更に、大端部の図１におけるＮ部に表２に示す応力集中係数を有する切り欠きを設けた。

このようにして得た切り欠きのついた一体成形材を用いてミクロ組織、ビッカース硬さ（以下、Ｈｖ硬さという）、引張特性、耐疲労特性、被削性及びクラッキング性を調査した。

すなわち、前記した各一体成形材の大端部から鍛錬軸に垂直な面を観察面とするミクロ試験片を切り出し、鏡面研磨してナイタル腐食した後、倍率を４００倍とした光学顕微鏡で観察して、ミクロ組織の判定を行った。

上記のようにして観察した組織がフェライト・パーライトであったものについては、更に、フェライトのＨｖ硬さを０．０９８０７Ｎの試験力で測定した。

また、各一体成形材の大端部から鍛錬軸に垂直な面を試験面とする試験片を切り出して鏡面研磨した後、全硬さとしてのＨｖ硬さを９８．０７Ｎの試験力で測定した。

組織がフェライト・パーライトであったものは、一体成形材のコンロッド本体２の桿部６（図１参照）から、JIS Z 2201に記載の平行部の直径が３．０ｍｍの１４Ａ号引張試験片を切り出し、室温での引張試験も行い、引張強さ（ＴＳ）を測定した。

同様に、組織がフェライト・パーライトであったものについては、一体成形材のコンロッド本体２の桿部６から平行部の直径が３ｍｍで、平行部の長さが１１ｍｍの疲労試験片を切り出し、電気油圧サーボ式疲労試験機を用いて、室温大気中で応力比を−１、繰り返し速度を１０〜２０Ｈｚとして荷重制御引張圧縮による疲労試験を行い、疲労強度（σｗ）を測定した。このσｗと前記のＴＳとから耐久比（σｗ／ＴＳ）を求めた。

なお、前記の鋼２を素材とする試験番号２のσｗの値（３７４ＭＰａ）を基準性能とし、これ以上のσｗが得られた場合に耐疲労特性が良好と判断した。

被削性は、ボルト穴加工を想定して、各一体成形材の大端部に貫通孔をドリルで穿孔し、孔を３００個あけた後のドリルのコーナー摩耗量（ドリル最外周部の摩耗量）を測定して評価した。なお、一部の車種で採用されている非調質コンロッド用鋼に相当する鋼に被削性改善の目的でＰｂとＣａを添加した鋼２を素材とする試験番号２の場合の上記コーナー摩耗量を基準値とし、摩耗量が前記基準値の１１０％以内なら被削性は「○」、前記基準値の１１０％を超える場合は被削性が「×」と評価した。これは、ＰｂやＣａを含まない鋼の被削性が、ＰｂとＣａを含む鋼２の被削性に比べて著しく改善されるとは考え難く、摩耗量が前記基準値の１１０％以内なら工業的な規模での生産が可能と判断したことによる。

穿孔試験条件は次に示すとおりである。

ドリル：Ｐ２０超硬の直径８ｍｍのストレートシャンクドリル、
回転数：１２００ｒｐｍ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、
潤滑：水溶性潤滑剤。

また、大端部にボルト穴を加工した各一体成形材を、通常の落錘方式によってコンロッド本体とコンロッドキャップにクラッキングすることを行った。なお、鋼２を素材とする一体成形材だけは落錘方式によってコンロッド本体とコンロッドキャップにクラッキングすることができなかった。

クラッキング後、破断面を観察するとともに破断歪量を測定してクラッキング性を評価し、その破断面が欧州で既に実用化されているクラッキングコンロッド用鋼に相当する鋼１を素材とする場合と同程度の破面で、且つ、破断歪量が上記鋼１を素材とする場合の破断歪量である０．１５ｍｍよりも小さい場合にクラッキング性が良好であるとした。なお、破断歪量とは図２に示すａ〜ｃの値を測定した場合、クラッキング後の「ａ−｛（ｂ＋ｃ）／２｝」の値からクラッキング前の「ａ−｛（ｂ＋ｃ）／２｝」の値を引いたものをいう。

表３に上記の各試験結果をまとめて示す。

表３において、αＨｖはビッカース硬さでの大端部のフェライト・パーライト組織におけるフェライトの硬さを表し、ＴＨｖはビッカース硬さでの大端部の全硬さを表す。

なお、試験番号１においては、組織がフェライト・パーライトではなかったため、フェライトの硬さを測定しておらず、したがって、上記のαＨｖ欄は「−」と表記した。また、試験番号７においては、フェライト面積率が小さいため０．０９８０７Ｎの試験力では圧子がパーライトにもかかってフェライト単独の硬さを測定することができなかった。このため、上記のαＨｖ欄は「＄」と表記した。

更に、試験番号１においては、組織がフェライト・パーライトではなかったため、引張特性及び耐疲労特性を調査しておらず、したがって、「ＴＳ」欄及び「σｗ」欄は「−」と表記した。

表３から明らかなように、本発明で定める化学組成を有するとともに、大端部の、組織、全硬さ、フェライトの硬さ及びフェライトの硬さと全硬さの比を有する、試験番号３〜５及び試験番号１２の場合は、いずれも目標とする被削性、クラッキング性及び耐疲労特性が得られている。

上記試験番号のうちでも、試験番号１２の場合は応力集中係数が大きい切り欠きを設けたためクラッキング性は極めて良好である。

これに対して、試験番号６〜９の場合は、少なくとも化学組成が本発明で規定する条件から外れているため、被削性、クラッキング性及び耐疲労特性のいずれか１つ以上において目標に達していない。

欧州で既に実用化されているクラッキングコンロッド用鋼にほぼ相当する鋼である鋼１を用いた試験番号１の場合は、ドリルのコーナー摩耗量が前記基準値の１１０％を超え、被削性は「×」で目標に達していない。

一部の車種で採用されている非調質コンロッド用鋼に相当する鋼に被削性改善の目的でＰｂとＣａを添加した鋼２を用いた試験番号２の場合は、落錘方式によってコンロッド本体とコンロッドキャップにクラッキングすることができず、クラッキング性に劣る。

一方、試験番号１０は本発明で定める化学組成を有するものの、大端部のフェライト・パーライト組織におけるフェライトの硬さが本発明で規定する条件から外れているためクラッキング性及び耐疲労特性に劣っている。

同様に、試験番号１１は本発明で定める化学組成を有するものの、全硬さ及びフェライトの硬さが本発明で規定する条件から外れており、クラッキング性及び耐疲労特性に劣っている。

本発明によれば、自動車エンジンなどのコネクティングロッドとして好適な被削性、破断分割性及び耐疲労特性に優れたＰｂ非添加鋼を素材とする非調質コネクティングロッド及びその製造方法を提供することができる。

コンロッドの詳細を示す図である。 破断歪量の導出のための寸法測定箇所を説明する図である。

符号の説明

１：コンロッド、
２：コンロッド本体、
３：コンロッドキャップ、
４：ボルト、
５：大端部、
６：桿部

Claims (2)

1. 質量％で、Ｃ：０．２５〜０．３５％、Ｓｉ：０．５０〜０．７０％、Ｍｎ：０．６０〜０．９０％、Ｐ：０．０４０〜０．０７０％、Ｓ：０．０４０〜０．１３０％、Ｃｒ：０．１０〜０．２０％、Ｖ：０．１５〜０．２０％、Ｔｉ：０．１５〜０．２０％及びＮ：０．００２〜０．０２０％を含み、残部はＦｅ及び不純物からなり、下記(1)式で表されるＣeqの値が０．８０未満の化学組成で、大端部は組織がフェライト・パーライトで全硬さがビッカース硬さで２５５〜３２０であり、更に、大端部の前記フェライト・パーライト組織におけるフェライトの硬さがビッカース硬さで２５０以上で、且つ、前記フェライトの硬さと大端部の全硬さの比が０．８０以上であることを特徴とする非調質コネクティングロッド。
   Ｃeq＝Ｃ＋（Ｓｉ／１０）＋（Ｍｎ／５）＋（５Ｃｒ／２２）＋１．６５Ｖ−（５Ｓ／７）・・・・・(1)
   ここで、(1)式中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。
2. 質量％で、Ｃ：０．２５〜０．３５％、Ｓｉ：０．５０〜０．７０％、Ｍｎ：０．６０〜０．９０％、Ｐ：０．０４０〜０．０７０％、Ｓ：０．０４０〜０．１３０％、Ｃｒ：０．１０〜０．２０％、Ｖ：０．１５〜０．２０％、Ｔｉ：０．１５〜０．２０％及びＮ：０．００２〜０．０２０％を含み、残部はＦｅ及び不純物からなり、下記(1)式で表されるＣeqの値が０．８０未満の化学組成で、大端部は組織がフェライト・パーライトで全硬さがビッカース硬さで２５５〜３２０であり、更に、大端部の前記フェライト・パーライト組織におけるフェライトの硬さがビッカース硬さで２５０以上で、且つ、前記フェライトの硬さと大端部の全硬さの比が０．８０以上である非調質コネクティングロッドの製造方法であって、下記（ａ）〜（ｆ）の処理を順に含むことを特徴とする非調質コネクティングロッドの製造方法。
   （ａ）前記の化学組成を有する鋼を１２００〜１３５０℃に加熱する処理
   （ｂ）コネクティングロッド本体とコネクティングロッドキャップがつながった一体物に成形する９００℃以上の温度での熱間鍛造
   （ｃ）８００℃を超える温度での大端部の熱間コイニング
   （ｄ）大端部に切り欠きを設ける処理
   （ｅ）大端部の前記切り欠きを設けた部位からコネクティングロッド本体とコネクティングロッドキャップに破断分割する処理
   （ｆ）破断分割されたコネクティングロッド本体及びコネクティングロッドキャップを結合する処理
   Ｃeq＝Ｃ＋（Ｓｉ／１０）＋（Ｍｎ／５）＋（５Ｃｒ／２２）＋１．６５Ｖ−（５Ｓ／７）・・・・・(1)
   ここで、(1)式中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。
   

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