JP2000220627A - 内燃機関用連接棒の製造方法 - Google Patents

内燃機関用連接棒の製造方法

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JP2000220627A
JP2000220627A JP11020580A JP2058099A JP2000220627A JP 2000220627 A JP2000220627 A JP 2000220627A JP 11020580 A JP11020580 A JP 11020580A JP 2058099 A JP2058099 A JP 2058099A JP 2000220627 A JP2000220627 A JP 2000220627A
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residual stress
compressive residual
depth
connecting rod
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Zenji Iida
善次 飯田
Mitsuo Takashima
光男 高島
Shigeki Muroga
茂樹 室賀
Seiichi Koike
精一 小池
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Honda Motor Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 疲労強度の大幅な向上が図られるとともに、
フレッティングコロージョンや、かじり、焼き付きとい
った摺動性の問題も克服することができる内燃機関用連
接棒の製造方法を提供する。 【解決手段】 内燃機関用連接棒の素材を浸炭焼入れ処
理し、該素材の軸受部に形成された浸炭層を圧縮残留応
力値が最大を示す深さまで研削処理し、しかる後に研削
処理面にショットピーニング処理を施す。考えられ得る
最大の圧縮残留応力が付与された表面性状を有する軸受
部を得ることができ、その結果、軸受部における疲労強
度の大幅な向上が図られる。また、ショットピーニング
処理により形成される多数の微細な凹部を油溜まりとし
て有効に機能させることができ、潤滑性および摺動性の
向上も図られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関用連接棒
の製造方法に係り、具体的には、ピストンピンやクラン
クピンが摺動的かつ相対回転自在に嵌合される軸受部内
面の強化方法に関する。
【0002】
【従来の技術】この種の連接棒は、一般に、主体をなす
棒状部の一端に小端部が、また他端に大端部が形成され
ており、小端部にピストンのピストンピンが、大端部に
クランク軸のクランクピンが、それぞれ摺動的かつ相対
回転自在に嵌合され、ピストンのレシプロ運動をクラン
ク軸の回転運動に変換するものである。このような連接
棒にあっては、ピストンによる慣性力や燃焼室内の爆発
圧を繰り返し受けることにより、各端部(以下、軸受部
と総称する)には引張りや圧縮といった荷重の変動が常
に繰り返し作用する。軸受部の内面には、摺動抵抗や騒
音の低減を図るために軸受メタルを装着することが一般
に行われているが、その場合、軸受部に作用する変動荷
重により、軸受部の内面と軸受メタルとの間に相対滑り
が生じ、いわゆるフレッティングコロージョン(焼蝕)
が発生することが懸念される。このフレッティングコロ
ージョンは著しい疲労強度の低下を招くので、その疲労
強度の低下分を加味した肉厚を確保せねばならず、軽量
化を阻害することになる。そこで、軸受メタルを省き、
軸受部の内面で直接ピストンピンやクランクピンを受
け、その摺動面に、連接棒自身に形成した油路から潤滑
油を供給するようにして軽量化を図った構造が知られて
いるが、この構造では、摺動部にかじりや焼き付きが生
じやすく、さらに疲労強度を確保しにくいといった問題
があった。
【0003】疲労強度を確保あるいは向上させる手段と
しては、浸炭焼入れが従来より行われている。この浸炭
焼入れは、炭素量の比較的低い鋼で成形した製品を、C
O、CH等を主成分とする浸炭性ガス中で加熱し、炭
素を製品の表層に拡散浸透させてその表層を高炭素成分
層に形成した後、焼入れして表層のみを硬化させる熱処
理法である。しかしながら、浸炭性ガス中には、H
O、CO、CO等の酸素成分も含まれているので、
浸炭と同時に酸素も表層に侵入する。この酸素は、焼入
れ性向上などのために元々添加されているCr、Mo、
Si等の元素と結合して鋼の結晶粒界に酸化物として析
出し、深さ10〜50μm程度の比較的軟質な粒界酸化
層を形成する。その結果、浸炭処理後の表層の焼入れ性
が低下し、目的とする疲労強度を得ることができない。
【0004】そこで、浸炭焼入れにより疲労強度の向上
を図るために、例えば特開昭62−203766号公報
には、浸炭焼入れ後に、粒界酸化層(同公報では浸炭異
常層と称している)を化学的に溶解処理して除去し、次
いで、処理面にショットピーニングを施す方法が開示さ
れている。また、特開平6−71520号公報には、粒
界酸化層をCBN(立方晶窒化硼素)研削して除去し、
次いで、研削面にショットピーニングを施す方法が開示
されている。いずれの方法も、粒界酸化層を強制的に除
去するとともに、焼入れによって圧縮残留応力が生じて
いる部分を表面に露出させ、さらにその表面にショット
ピーニングを施すことにより、新たな圧縮残留応力を付
与するといったものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、浸炭焼入れ
によって生じる焼入れ深さ、すなわち圧縮残留応力が生
じる深さは、浸炭焼入れの条件(温度、炭素濃度、処理
時間等)によって変化する。そして、圧縮残留応力が最
大値を示すもっとも硬い部分を表面として露出させるこ
とができれば、表面硬化処理としては最適である。しか
しながら、上記従来の方法では、粒界酸化層を除去した
フレッシュ面、もしくはショットピーニング処理後の表
面が、はたして最大の圧縮残留応力を示す部分であると
は限らない。本発明者らの検討によれば、圧縮残留応力
が最大値を示す深さは、概ね100〜200μmと、通
常の粒界酸化層(上述の如く深さ10〜50μm程度)
よりも深く、したがって、例え粒界酸化層を除去し、さ
らにショットピーニングを施しても、表面が圧縮残留応
力の最大値を示すまでには至っていない。したがって本
発明は、最適な表面硬化処理により疲労強度の大幅な向
上が図られるとともに、かじりや焼き付きといった摺動
性の問題も克服することができる内燃機関用連接棒の製
造方法を提供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、内燃機関用連
接棒の素材を浸炭焼入れ処理して素材の表層に浸炭層を
形成する浸炭焼入れ処理工程と、該素材の軸受部に形成
された前記浸炭層を圧縮残留応力値が最大を示す深さま
で研削処理する研削処理工程と、該研削処理面にショッ
トピーニング処理を施すショットピーニング処理工程と
を具備することを特徴としている。
【0007】本発明は、まず、浸炭焼入れ工程で、低炭
素鋼により成形して得た連接棒の素材を浸炭焼入れ処理
する。浸炭焼入れ処理により、素材の表層には、圧縮残
留応力が付与されて硬化した浸炭層が形成される。ここ
で、本発明における浸炭焼入れ工程(処理)とは、材料
を例えば900℃以上の浸炭性ガス中に保持した後急冷
し、焼戻しするまでの一連の工程を言う。形成された浸
炭層の最表面には、粒界酸化層が存在する。図1は、低
炭素鋼における浸炭焼入れ処理後の表層部分の特性−硬
さ、残留オーステナイトの割合、圧縮残留応力、を示し
ている。これら特性は、処理条件によって程度の差はあ
るものの概ね図示の如くであり、図中左端の斜線部が粒
界酸化層である。同図によると、硬さは表面からある程
度一定を示し、ある深さから低下する。残留オーステナ
イトの割合は、表面付近で高く、深くなるにしたがって
低下する。そして、圧縮残留応力は、表面付近では小さ
いが、深くなるにしたがって増大し、ある深さで最大値
を示してから減少していく。このような特性が現出する
浸炭焼入れ処理に次いで、素材の軸受部に形成された浸
炭層に対し、圧縮残留応力値が最大を示す深さまで研削
処理する研削処理工程を行う。すなわち、軸受部の表面
に、圧縮残留応力が最大となった部分を露出させる。次
のショットピーニング処理工程では、軸受部の研削処理
面にショットピーニング処理を施す。このショットピー
ニング処理により、軸受部の表面には新たな圧縮残留応
力が付与されるとともに、多数の微細な凹部が形成され
る。
【0008】本発明によれば、上記のように軸受部の浸
炭層を研削処理して圧縮残留応力値が最大を示す部分を
表面として露出させ、さらにその表面にショットピーニ
ング処理を施すことにより、考えられ得る最大の圧縮残
留応力が付与された表面性状を有する軸受部を得ること
ができる。このため、疲労強度の大幅な向上が図られ
る。また、ショットピーニング処理により形成される多
数の微細な凹部は油溜まりとして有効に機能することに
なる。その結果、潤滑性および摺動性の向上が図られ、
前述したフレッティングコロージョンや、かじり、焼き
付きといった諸問題の発生が防止される。なお、本発明
で言う軸受部とは、連接棒における小端部および大端部
のうちの少なくとも一方であって、ピストピンあるいは
クランクピンといった軸部材が摺動的かつ相対回転自在
に嵌合する軸孔内面である。
【0009】本発明におけるショットピーニング処理
は、空気や水等の流体圧を利用してショット(粒体)を
表面に打ち当て、該表面に機械的な衝撃を与える(ピー
ニングする)といった公知の手段が用いられる。ショッ
トの材質としては、ガラスや鋼等の中から、最適なピー
ニング効果を得ることができる材質が選択される。ま
た、ショットの形状ならびに寸法は、処理面に多数の微
細な略円弧状の凹部が形成されることが潤滑油の油溜ま
りとしては望ましいことから、形状は球状が適してお
り、寸法は多数かつ微細な凹部が形成される範囲で適宜
に選択される。なお、本発明では、ショットピーニング
処理を軸受部の研削処理面に施すことは勿論であるが、
連接棒全面に施してもよい。軸受部以外の部分は研削処
理されておらず浸炭焼入れ処理のままであり粒界酸化層
が存在しているが、この粒界酸化層をショットピーニン
グ処理によって除去することができ、さらに、除去によ
って表出する表面に対しショットピーニング処理が施さ
れ、圧縮残留応力の付与ならびに表面硬化がなされる。
また、連接棒全面へのショットピーニング処理を行え
ば、同時に軸受部へのショットピーニング処理を施すこ
とができ、軸受部以外の部分をショットが当たらないよ
うにする手間などが省かれ、生産性が向上するといった
利点もある。
【0010】さて、上記ショットピーニング処理は、圧
縮残留応力のさらなる付与に伴う疲労強度の向上ととも
に、表面に形成される多数かつ微細な凹部を油溜まりと
して活用することができる効果を奏することは述べた。
ところで、本発明者らの調査によると、研削処理後に残
存する浸炭層の深さ、つまり研削により表面となる最大
圧縮残留応力を示す部分から浸炭層の最深部までの深さ
が、ショットピーニング処理後の圧縮残留応力および表
面の粗度(以下、面粗度と称する)に影響を及ぼすこと
が判った。そして、その残存浸炭層の深さが0.15m
m以上あれば、ショットピーニング処理後の圧縮残留応
力が高いレベルで確保されるとともに、均一形状の凹部
が形成されて面粗度が微細な状態で安定することを見い
出した。よって本発明では、浸炭焼入れ処理後に浸炭層
を研削処理するにあたり、浸炭層の深さを0.15mm
以上残存させることを特徴としている。ショットピーニ
ング処理によって得られる面粗度が安定することによ
り、潤滑油の供給状態が軸受部全体にわたって均一化
し、摺動性の向上が図られる。
【0011】また、本発明者らは、ショットピーニング
処理の際のショットピーニング圧力も面粗度に影響し、
そのショットピーニング圧力が60MPa以上、好まし
くは100〜150MPaである場合に面粗度が安定す
る調査結果を得た。よって本発明では、研削処理工程後
のショットピーニング処理工程におけるショットピーニ
ング圧力を、60MPa以上とすることを特徴としてい
る。該ショットピーニング圧力で軸受部の研削処理面を
ショットピーニング処理することにより、面粗度が安定
するので、潤滑油の供給状態が軸受部全体にわたって均
一化し、摺動性の大幅な向上が図られる。また、前述し
たように軸受部のみならず連接棒全体にショットピーニ
ング処理を施す場合に、該ショットピーニング圧力を適
用すれば、粒界酸化層の除去が確実になされる。なお、
ここで言うショットピーニング圧力とは、ショットを対
象面に打ち当てるために用いる流体の圧力であり、流体
が空気であれば空気圧、水であれば水圧である。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を説明
する。(1)浸炭焼入れ処理工程 炭素を0.1〜0.25%程度含有し、さらにCr、M
o、Si等の焼入れ性を向上させる元素が添加された低
炭素鋼により成形した連接棒の素材を、CO、CH
を主成分とする浸炭性ガス中で1300K(1000
℃)付近に加熱した後、焼入れ処理する。浸炭により素
材の表面から1mm程度の深さまで炭素が拡散浸透し、
その浸炭層は、焼入れにより圧縮残留応力が付与される
ことにより硬化する。素材の最表面には、浸炭により比
較的軟質な粒界酸化層が形成される。浸炭処理は、粒界
酸化層を含む浸炭層の深さが、次の研削処理工程におい
て圧縮残留応力の最大値を示す部分まで研削された後に
も、表面から0.15mm以上の浸炭層が残存し得る条
件で行われ、例えば浸炭層の深さを500μm程度とす
る。
【0013】(2)研削処理工程 素材の軸受部(小端部および大端部)の内面の浸炭層
を、該浸炭層に付与された圧縮残留応力の最大値を示す
深さまで研削する。研削方法としては、砥石車を高速回
転させて被研削処理面を研削する通常の砥石研削が用い
られ、特に軸受部の内面を研削することから円筒内面研
削法が選ばれるが、引張り残留応力が付与される方法は
不適当である。研削処理により、圧縮残留応力が最大と
なった部分が軸受部の内面として露出する。なお、研削
処理を行うにあたっては、圧縮残留応力の最大値を示す
部分の深さを予め浸炭処理の条件に応じて把握してお
き、そのデータに基づいて研削深さを適宜に定める。
【0014】(3)ショットピーニング処理工程 上記研削処理を施した軸受部の内面を含む素材の表面全
面に、高圧水流によってショットピーニング処理を施
す。用いるショットは、ショット径が0.04mm程度
の球状ガラスビーズ、水圧は60MPa以上、好ましく
は100〜150MPaである。ショットピーニング処
理により、軸受部の内面には圧縮残留応力がさらに付与
されるとともに、ショットの痕跡として多数の微細な凹
部が有効な油溜まりとして形成される。また、軸受部の
内面以外の研削処理がなされなかった面にあっては、粒
界酸化層が除去されるとともに、除去によって表出する
表面に対しショットピーニング処理が施され、圧縮残留
応力の付与ならびに表面硬化がなされる。
【0015】以上により、本発明に係る連接棒を得る。
図2は、上記方法によって変化する材料表層部分の圧縮
残留応力を示している。図中A線は、浸炭焼入れ処理後
の深さに伴う圧縮残留応力を示しており、浸炭層の深さ
は500μm程度であって、最表面には深さSの粒界
酸化層が形成される。本発明は、この状態から、浸炭焼
入れ処理によって生じた圧縮残留応力が最大値(図示例
では約−600NP/cm)を示す深さSまで研削
処理を行う。この後、研削処理面にショットピーニング
処理を施すことによってさらに圧縮残留応力が付与され
てB線に増大し(図においては下方にシフトし)、得ら
れた表面は約−1200NP/cmを示す。ちなみに
C線は、浸炭焼入れ処理後に粒界酸化層までを研削処理
し、その研削処理面にショットピーニング処理を施した
場合の圧縮残留応力である。従来では、およそこのC線
の圧縮残留応力までしか得ることができなかったわけで
ある。
【0016】
【実施例】次に、実施例により本発明の効果を明らかに
する。A.研削処理後の残存浸炭層の深さに関して A−1.研削処理後の残存浸炭層の深さとショットピー
ニング処理後の圧縮残留応力との関係 図3に示す条件で浸炭焼入れ処理を行った後、研削処理
において、浸炭層を0〜0.30mmの範囲で残存させ
た複数のサンプルを得、これらサンプルの表面に高圧水
流によるショットピーニング処理を施した後、表面の圧
縮残留応力を調べた。なお、図3には、この実施例にお
ける各工程の処理時間とともに、本発明が適応可能な範
囲も併記した。各工程の処理時間はサンプルの大きさに
よって異なり、サンプルが大きくなると処理時間が長く
なる。ショットピーニング処理の条件は、対象面への射
出角度:60゜、射出圧力(水圧)150MPa、ショ
ット径:ガラスビーズ0.04mm、射出速度:1.6
mm/sec、ショット量:6g/secであった。図
4はその結果をグラフ化したものであり、同図で明らか
なように、研削処理後の残存浸炭層の深さが0.00m
m(浸炭層を全て除去した場合)から0.15mm程度
までは圧縮残留応力の上昇が見られ、0.15mm以上
では圧縮残留応力は最大でほぼ一定している。したがっ
て、研削処理後の浸炭層の深さを少なくとも0.15m
m以上残存させておけば、最大圧縮残留応力を確保する
ことができる。
【0017】A−2.研削処理後の残存浸炭層の深さと
ショットピーニング処理後の面粗度との関係 上記と同一の条件で浸炭焼入れ処理を行った後、研削処
理において、浸炭層を0〜0.30mmの範囲で残存さ
せた複数のサンプルを得、これらサンプルの表面に高圧
水流によるショットピーニング処理を施した後、面粗度
を調べた。ショットピーニング処理の条件は、上記の試
験A−1と同一であった。図5はその結果をグラフ化し
たものであり、同図で明らかなように、研削処理後の残
存浸炭層の深さが0.00mm(浸炭層を全て除去した
場合)から0.15mm程度までは面粗度の低下すなわ
ち微細化が見られ、0.15mm以上では面粗度は最低
でほぼ一定している。したがって、研削処理後の浸炭層
の深さを少なくとも0.15mm以上残存させておけ
ば、面粗度が微細な状態で安定する。
【0018】B.ショットピーニング圧力と面粗度との
関係 浸炭焼入れ処理(条件は上記と同一)、研削処理を本発
明にしたがって行った後、表面への高圧水流によるショ
ットピーニング処理の水圧を30〜250MPaの範囲
で変化させた複数のサンプルを得、これらサンプルの面
粗度を調べた。ショットピーニング処理の条件は、水圧
以外は上記の試験A−1と同一であった。図6は、その
結果をグラフ化したものである。同図で明らかなよう
に、水圧が30MPaから60MPa程度までは面粗度
の急激な低下すなわち微細化が見られ、60MPaから
150MPaの範囲では最低レベルでほぼ一定し、15
0MPaを超えると緩やかに面粗度が粗くなっていく傾
向を示した。したがって、ショットピーニング処理にお
ける水圧すなわちショットピーニング圧力は、60MP
a以上、好ましくは100〜150MPaに設定すれ
ば、面粗度が微細な状態で安定する。
【0019】C.非研削面におけるショットピーニング
処理の効果について 研削処理を施した軸受部以外の非研削面につき、ショッ
トピーニング処理を施した場合と施さない場合の硬さ
を、表面からの深さにしたがって調べた。ショットピー
ニング処理の条件は、上記の試験A−1と同一であっ
た。図7はその結果をグラフ化したものであり、ショッ
トピーニング処理を施した場合においては、ショットピ
ーニング処理によって表面の粒界酸化層Sが除去され
ている。同図によれば、ショットピーニング処理を施し
た場合の方が施さない場合に比べて材料は硬いものが得
られ、特にショットの打撃を受ける表面の硬さは著しく
高くなることが判る。また、ショットピーニング処理に
より、浸炭焼入れ処理を行うことによって形成された粒
界酸化層の除去も同時になされ、連接棒全体の疲労強度
の向上が図られる。
【0020】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
内燃機関用連接棒の素材を浸炭焼入れ処理し、該素材の
軸受部に形成された浸炭層を圧縮残留応力値が最大を示
す深さまで研削処理し、しかる後に研削処理面にショッ
トピーニング処理を施すといった工程を備えることによ
り、考えられ得る最大の圧縮残留応力が付与された表面
性状を有する軸受部を得ることができ、その結果、軸受
部における疲労強度の大幅な向上が図られる。また、シ
ョットピーニング処理により形成される多数の微細な凹
部を油溜まりとして有効に機能させることができること
から、潤滑性および摺動性の向上が図られ、フレッティ
ングコロージョン、かじり、焼き付き等の発生を防止す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 低炭素鋼における浸炭焼入れ処理後の表層部
分の諸特性を示す線図である。
【図2】 処理の違いによって変化する材料表層部分の
圧縮残留応力と深さとの関係を示す線図である。
【図3】 実施例における浸炭焼入れの条件を示すタイ
ムチャートであって、(A)は浸炭焼入れ、(B)は焼
き戻しの条件を示す図である。
【図4】 研削処理後の残存浸炭層の深さとショットピ
ーニング処理後の圧縮残留応力との関係を示す線図であ
る。
【図5】 研削処理後の残存浸炭層の深さとショットピ
ーニング処理後の面粗度との関係を示す線図である。
【図6】 ショットピーニング圧力と面粗度との関係を
示す線図である。
【図7】 非研削面におけるショットピーニング処理の
効果を説明するための線図である。
フロントページの続き (72)発明者 室賀 茂樹 埼玉県和光市中央1丁目4番1号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 小池 精一 埼玉県和光市中央1丁目4番1号 株式会 社本田技術研究所内 Fターム(参考) 3J033 AA04 AC01 DA10

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内燃機関用連接棒の素材を浸炭焼入れ処
    理して素材の表層に浸炭層を形成する浸炭焼入れ処理工
    程と、 該素材の軸受部に形成された前記浸炭層を、圧縮残留応
    力値が最大を示す深さまで研削処理する研削処理工程
    と、 該研削処理面にショットピーニング処理を施すショット
    ピーニング処理工程とを具備することを特徴とする内燃
    機関用連接棒の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記研削処理工程において、前記浸炭層
    の深さを0.15mm以上残存させることを特徴とする
    請求項1に記載の内燃機関用連接棒の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記ショットピーニング処理工程におけ
    るショットピーニング圧力を、60MPa以上とするこ
    とを特徴とする請求項1または2に記載の内燃機関用連
    接棒の製造方法。
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