專利名稱：高強(qiáng)度連桿及其制造方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種連桿和一種制造連桿方法的改進(jìn)。
在傳統(tǒng)的連桿制造方法中，首先，使工件形成為具有不大于300的布氏硬度，以提高機(jī)加工性能和耐疲勞性。之后，使不進(jìn)行機(jī)加工的部分進(jìn)行硬化從而具有不低于300的布氏硬度。這個公開在日本專利No.59-89720中。

發(fā)明內(nèi)容
但是，強(qiáng)度在位于硬化部分和未硬化部分之間的接合部分處急劇改變，因此難以得到足夠的彎曲強(qiáng)度。另一方面，在工件區(qū)域的整個寬度范圍內(nèi)進(jìn)行硬化以得到所需要彎曲強(qiáng)度的情況下，產(chǎn)生了一個問題，即機(jī)加工性能在要進(jìn)行機(jī)加工的部分上下降了。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的連桿和改進(jìn)的連桿制造方法，借助這些可以克服傳統(tǒng)技術(shù)中所遇到的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種改進(jìn)的連桿和改進(jìn)的連桿制造方法，這些可以提供一種高強(qiáng)度的連桿，這種連桿具有較好的機(jī)加工性能和彎曲強(qiáng)度。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種改進(jìn)的連桿和改進(jìn)的連桿制造方法，這些提供了一種高強(qiáng)度連桿，這種連桿具有較高的疲勞強(qiáng)度，同時(shí)可以減輕連桿的重量。
本發(fā)明的第一方面在于一種連桿，該連桿包括連接梁部分，它用作連桿的主體。大端位于連接梁部分的第一端側(cè)上。小端位于連接梁部分的第二端側(cè)上，第二端側(cè)與第一端側(cè)軸向相對。第一接合部分位于連接梁部分和大端之間以連接該連接梁部分和大端。第二接合部分位于連接梁部分和小端之間，以連接該連接梁部分和小端。在這種連桿中，第一和第二接合部分中的每一個的橫截面積向著連接梁部分逐漸地、連續(xù)地減少，并且具有這樣的強(qiáng)度分布在這種分布中，強(qiáng)度隨著橫截面積的減少而增大。
本發(fā)明的第二方面在于一種制造連桿的方法，該連桿包括連接梁部分，它用作連桿的主體；大端，它位于連接梁部分的第一端側(cè)上；小端，它位于連接梁部分的第二端側(cè)上，第二端側(cè)與第一端側(cè)軸向相對；第一接合部分，它位于連接梁部分和大端之間，以連接該連接梁部分和大端；及第二接合部分，它位于連接梁部分和小端之間，以連接該連接梁部分和小端。該制造方法包括(a)向著連接梁部分逐漸地、連續(xù)地減少第一和第二接合部分中的每一個的橫截面積；及(b)給第一和第二接合部分中的每一個提供一種這樣的強(qiáng)度分布在這種分布中，強(qiáng)度隨著橫截面積的減少而增大。
本發(fā)明第三方面在于一種高強(qiáng)度連桿，該連桿包括連接梁部分，它用作連桿的主體，該連接梁部分具有在整個連桿中橫截面積最小的部分。大端位于連接梁部分的第一端側(cè)上。小端位于連接梁部分的第二端側(cè)上，第二端側(cè)與第一端側(cè)軸向相對。第一接合部分位于連接梁部分和大端之間以連接該連接梁部分和大端。第二接合部分位于連接梁部分和小端之間，以連接該連接梁部分和小端。在這種連桿中，第一和第二接合部分中的每一個的橫截面積向著連接梁部分逐漸地、連續(xù)地減少。此外，疲勞強(qiáng)度最小的部分存在于大端和小端中的至少一個中，并且疲勞強(qiáng)度改變的部分存在于第一和第二接合部分中的每一個和連接梁部分中。此外，接合部分和連接梁部分中的每一個的橫截面處的橫截面積與疲勞強(qiáng)度的乘積等于或者大于連接梁部分中的最小橫截面積部分處的橫截面積與疲勞強(qiáng)度的乘積。
本發(fā)明第四方面在于一種高強(qiáng)度連桿，該連桿包括連接梁部分，它用作連桿的主體，該連接梁部分具有在整個連桿中橫截面積最小的部分。大端位于連接梁部分的第一端側(cè)上。小端位于連接梁部分的第二端側(cè)上，第二端側(cè)與第一端側(cè)軸向相對。第一接合部分位于連接梁部分和大端之間以連接該連接梁部分和大端。第二接合部分位于連接梁部分和小端之間，以連接該連接梁部分和小端。在這種連桿中，第一和第二接合部分中的每一個的橫截面積向著連接梁部分逐漸地、連續(xù)地減少。此外，連接梁部分及第一和第二接合部分中的每一個的橫截面包括馬氏體結(jié)構(gòu)和鐵素體-珠光體結(jié)構(gòu)中的至少一個，并且滿足下面公式S/D≥1/{(1-β)Ms/100+β}…公式(1)這里，S是連接梁部分及第一和第二接合部分中的每一個的任何部分的橫截面積；D是連接梁部分的最小橫截面積部分的橫截面積；β是未硬化結(jié)構(gòu)/回火馬氏體結(jié)構(gòu)的疲勞結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度；Ms是回火馬氏體結(jié)構(gòu)在截面積為S的部分處的面積比率。此外，最小橫截面積部分的整個橫截面由回火馬氏體結(jié)構(gòu)形成。
本發(fā)明第五方面在于一種制造高強(qiáng)度連桿的方法，該連桿包括連接梁部分，它用作連桿的主體，該連接梁部分具有在整個連桿中橫截面積最小的部分；大端，它位于連接梁部分的第一端側(cè)上；小端，它位于連接梁部分的第二端側(cè)上，第二端側(cè)與第一端側(cè)軸向相對；第一接合部分，它位于連接梁部分和大端之間以連接該連接梁部分和大端；第二接合部分，它位于連接梁部分和小端之間，以連接該連接梁部分和小端；其中，第一和第二接合部分中的每一個的橫截面積向著連接梁部分逐漸地、連續(xù)地減少；其中，疲勞強(qiáng)度最小的部分存在于大端和小端中的至少一個中，并且疲勞強(qiáng)度改變的部分存在于第一和第二接合部分中的每一個和連接梁部分中；其中，接合部分和連接梁部分中的每一個的橫截面處的橫截面積與疲勞強(qiáng)度的乘積等于或者大于連接梁部分中的最小橫截面積部分處的橫截面積與疲勞強(qiáng)度的乘積。該制造方法包括(a)把材料鋼形成連桿形狀；(b)借助使用感應(yīng)電流使具有連桿形狀的材料鋼進(jìn)行硬化；及(c)使硬化過的材料鋼在200到650度的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行回火。


圖1是本發(fā)明連桿的第一實(shí)施例的平面視圖；圖2是圖1的連桿的側(cè)正視圖；圖3是沿著圖1的線III-III所截取的剖視圖；
圖4是沿著圖1的線IV-IV所截取的剖視圖；圖5是沿著圖1的線V-V所截取的剖視圖；圖6是沿著圖1的線VI-VI所截取的剖視圖；圖7是曲線圖，它示出了第一實(shí)施例的連桿的橫截面積和彎曲強(qiáng)度之間的關(guān)系；圖8是曲線圖，它示出了第一實(shí)施例的連桿的馬氏體的比率和彎曲強(qiáng)度之間的關(guān)系；圖9是曲線圖，它示出了第一實(shí)施例的連桿的橫截面積和進(jìn)行硬化時(shí)的馬氏體的比率之間的關(guān)系；圖10是流程圖，它解釋了第一實(shí)施例的連桿的制造方法；圖11是平面視圖，它解釋了使用感應(yīng)加熱線圈來進(jìn)行高頻硬化，該線圈應(yīng)用到圖10的硬化步驟中；圖12是流程圖，它解釋了連桿的第二實(shí)施例的制造方法；圖13是曲線圖，它示出了第二實(shí)施例的連桿的橫截面積和應(yīng)變平均值之間的關(guān)系，其中該應(yīng)變由圖12所示的“冷鍛”所加入的；圖14是曲線圖，它示出了第二實(shí)施例的連桿的應(yīng)變平均值和彎曲強(qiáng)度之間的關(guān)系；圖15是剖視圖，它解釋了與第二實(shí)施例的連桿相關(guān)的、冷鍛壓機(jī)的模子；圖16是沿著圖15的線XVI-XVI所截取的剖視圖，它示出了冷鍛前和冷鍛后的形狀變化；圖17是沿著圖15的線XVII-XVII所截取的剖視圖，它示出了冷鍛前和冷鍛后的形狀變化；圖18是沿著圖15的線XVIII-XVIII所截取的剖視圖，它示出了冷鍛前和冷鍛后的形狀變化；圖19是曲線圖，它示出了第二實(shí)施例的連桿的拉伸強(qiáng)度和壓碎比率之間的關(guān)系；圖20是本發(fā)明連桿的第三實(shí)施例的示意性前視圖；圖21是示意圖，它示出了在圖20的連桿的制造方法中的硬化方式；
圖22是曲線圖，它示出了第三實(shí)施例的連桿的疲勞強(qiáng)度和S/D值之間的關(guān)系；及圖23是曲線圖，它示出了第三實(shí)施例的連桿的疲勞強(qiáng)度和回火溫度之間的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
參照圖1-19來討論本發(fā)明連桿的第一和第二實(shí)施例。
屬于本發(fā)明第一方面的第一和第二實(shí)施例的本發(fā)明原理在于連桿，該連桿包括用作連桿主體的連接梁部分。連桿大端位于連接梁部分的第一端側(cè)上。連桿小端位于連接梁部分的第二端側(cè)上，第二端側(cè)與第一端側(cè)沿軸向相反。第一接合部分設(shè)置在連接梁部分和大端之間，從而連接連接梁部分和大端。第二接合部分設(shè)置在連接梁部分和小端之間，從而連接連接梁部分和小端。在這種連桿中，第一和第二接合部分中的每一個的橫截面積向著連接梁部分逐漸地、連續(xù)地減少，并且具有這樣強(qiáng)度分布在這種強(qiáng)度分布中，強(qiáng)度隨著橫截面積的減少而增大。
圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例的連桿的頂部平面視圖。第一實(shí)施例的連桿10用來連接內(nèi)燃機(jī)中的活塞和曲軸，并且把活塞的往復(fù)運(yùn)動傳遞到曲軸中。
連桿10例如由碳鋼形成，并且具有形成主體的連接梁部分40；大端20，它位于連接梁部分40的一端上；及小端60，它位于連接梁部分40的另一端上。連接梁部分40具有I形橫截面并且它的形狀基本上是均勻的。
大端20屬于分開型，并且具有通常是半圓柱形的部分21，借助例如螺栓使連桿蓋(未示出)與部分21裝配起來，從而與曲軸銷(或者曲軸的連桿軸頸)連接起來(未示出)。小端60具有孔61，以連接活塞銷(未示出)。接合部分30和50各自形成在大頭20和連接梁部分40之間及在連接梁部分40和小端60之間。
圖2是圖1所示的連桿的側(cè)正視圖，圖3是沿著圖1的線III-III所截取的剖視圖，圖4是沿著圖1的線IV-IV所截取的剖視圖，圖5是沿著圖1的線V-V所截取的剖視圖，及圖6是沿著圖1的線VI-VI所截取的剖視圖。
接合部分30的橫截面積向著連接梁部分40的方向連續(xù)地減少。例如，通過位于大端20和接合部分30之間(參見圖3)的界面P2的橫截面積大約為通過位于接合部分30和連接梁部分40之間(參見圖3)的界面P3的橫截面積的1.5倍。
接合部分30在凹入部分31處的厚度大于比較例子(傳統(tǒng)連桿)中的厚度，如圖3和6所示。鄰接接合部分30的一部分大端20也大于比較例子的形狀，如圖2所示，因此從大端20到接合部分30的過渡部分具有逐漸改變的橫截面積。
由于連接梁部分40的形狀基本上是均勻的，因此通過位于接合部分30和連接梁部分40之間的界面P3的橫截面積(參見圖4)等于通過位于連接梁部分40和接合部分50之間的界面P4的橫截面積(參見圖5)。
接合部分50的橫截面積向著連接梁部分40的方向連續(xù)地減少，如同接合部分30一樣。例如，通過位于接合部分50和小端60之間(參見圖6)的界面P5的橫截面積大約為通過位于連接梁部分40和接合部分50之間(參見圖5)的界面P4的橫截面積的1.5倍。
接合部分50在凹入部分51處的厚度大于比較例子的形狀中的厚度。鄰接接合部分50的一部分小端60也大于比較例子的形狀，如圖2清楚地所示，因此從小端60到接合部分40的過渡部分具有逐漸改變的橫截面積。
連接梁部分40的強(qiáng)度基本上是均勻的。另一方面，接合部分30和50具有向著連接梁部分40增大的、逐漸改變的強(qiáng)度。換句話說，接合部分30和50具有這樣的強(qiáng)度分布在這種強(qiáng)度分布中，它們的強(qiáng)度隨著橫截面積的減少而增大。
圖7是這樣的圖，它示出了連桿10相對于它的橫截面積的彎曲強(qiáng)度。如這里所示，連桿10的橫截面積從位于大端20的半圓形部分21和界面P2之間的界面P1向著界面P3減少，在連接梁部分40處是均勻的，并且從界面P4向著界面P6增加，而界面P4設(shè)置成靠近小端60的開口61。
另一方面，它的彎曲強(qiáng)度向著界面P2基本上是均勻的，從界面P2到界面P3增大，在連接梁部分40處是均勻的，從界面P4向著界面P5減少，及從界面P5開始基本上是均勻的。
換句話說，它的彎曲強(qiáng)度與接合部分30和50的強(qiáng)度相一致地進(jìn)行改變，并且在具有較小橫截面積的部分處較大。另一方面，它的大端和小端20和60的強(qiáng)度相對較小，因此機(jī)加工性能不低。
因此，根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例可以提供一種高強(qiáng)度連桿，該連桿具有較好的機(jī)加工性能和較好的彎曲強(qiáng)度。
接合部分的強(qiáng)度分布借助例如控制熱處理的硬化來形成，因此在接合部分的淬火期間，在硬化溫度和/或回火時(shí)間時(shí)可以形成分布。在這種連接中，從機(jī)加工性能和彎曲強(qiáng)度的觀點(diǎn)來看，優(yōu)選的是，連接梁部分40完全被硬化，而大端和小端20和60基本上沒有被硬化。
馬氏體的比率與彎曲強(qiáng)度相對應(yīng)，如圖8所示。因此，當(dāng)接合部分的馬氏體Ms的比率(％)隨著接合部分的橫截面積D的改變而連續(xù)地改變，從而滿足關(guān)系D/Dmin≥1/((1-α)×Ms/100+α)時(shí)，可以確保實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度分布與橫截面積的變化相一致。
在公式中，Dmin是接合部分的橫截面積的最小值，α是通過下面方法得到的值把沒有進(jìn)行硬化的彎曲應(yīng)力除以進(jìn)行硬化的彎曲應(yīng)力。
現(xiàn)在描述用來制造本發(fā)明第一實(shí)施例連桿的方法。用來制造本發(fā)明第一實(shí)施例連桿的方法包括這些步驟熱鍛、硬化、噴丸處理、沖制和機(jī)加工，如圖10所示。
在熱鍛步驟期間，在不低于它的再結(jié)晶溫度(例如800-1200度)的溫度下，鋼材料被形成連桿形狀，以形成半成品(或者未完全精加工)的連桿。例如，該鋼材料是碳鋼(例如，根據(jù)日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)的S40C到S50C)。
當(dāng)半成品連桿的連接梁和接合部分在硬化步驟期間進(jìn)行硬化時(shí)，在接合部分的硬化溫度下形成分布(例如梯度分布)，從而控制它們的硬化效果。
例如，借助在接合部分的硬化溫度下形成分布，與橫截面積變化相一致的強(qiáng)度(硬度)分布形成在接合部分中，因此接合部分中的馬氏體Ms的比率(％)隨著接合部分的橫截面積D的改變而連續(xù)地改變，從而滿足關(guān)系D/Dmin≥1/((1-α)×Ms/100+α)。
現(xiàn)在參照圖11，描述硬化方法，在該方法中，借助使用感應(yīng)加熱線圈90來進(jìn)行高頻硬化。
半成品連桿10A被設(shè)置成繞著它的縱向軸線S可以旋轉(zhuǎn)。加熱線圈90設(shè)置在半成品連桿10A的附近處，并且設(shè)置在這樣的位置上在該位置上，它不會妨礙半成品連桿10A進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
感應(yīng)加熱線圈90具有基本上是矩形的結(jié)構(gòu)，并且具有長側(cè)部分92和94，它們沿著接合部分30和50及連接梁部分40進(jìn)行延伸；及短側(cè)部分91和93，它們各自在大端和小端20和60上進(jìn)行延伸。
半成品連桿10A的大端和小端20和60在形狀上大于連接梁部分40，連接梁部分40(及接合部分30和50)設(shè)置在大端和小端20和60之間。
因此，考慮到大端和小端20和60的熱容量及在大端和小端20和60和連接梁部分40(和接合部分30和50)之間的熱量傳遞，感應(yīng)加熱線圈的長側(cè)部分92和94和半成品連桿之間的間隙隨著它們接近大端和小端20和60而稍稍減小。
因此，連接梁部分40獲得完全硬化所需要的硬化溫度，并且接合部分30和50具有硬化溫度的分布。換句話說，感應(yīng)加熱線圈90沿著接合部分30和50進(jìn)行設(shè)置，并且感應(yīng)加熱線圈90和接合部分30和50之間的間隙如此設(shè)置，以致產(chǎn)生了硬化溫度的適當(dāng)分布。
例如，借助把高頻電流(30kHz)供給到感應(yīng)加熱線圈90上五秒鐘來實(shí)現(xiàn)硬化，同時(shí)以150rpm來旋轉(zhuǎn)半成品連桿10A。例如，輸出功率是25KW并且連接梁部分40的硬化溫度為920度。
其結(jié)果是，與橫截面積變化相一致的強(qiáng)度分布形成在接合部分30和50上。半成品連桿10A的旋轉(zhuǎn)速度最好不小于例如60rpm，從而防止任何不均勻的加熱，因?yàn)楦哳l硬化通過短暫的快速加熱時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。
在噴丸處理步驟期間，從半成品連桿的表面上除去氧化皮。在沖制步驟期間，例如，半成品連桿的厚度借助冷鍛的輕度來加以改進(jìn)。
在機(jī)加工步驟期間，進(jìn)行機(jī)加工以便例如精加工大端和小端的滑動部分，并且在大端和小端上形成油孔，從而形成作為精加工零件的連桿。
大端和小端具有較小的硬度、較好的機(jī)加工性能和容易進(jìn)行機(jī)加工，因?yàn)樗鼈兓旧蠜]有被硬化。連桿的接合部分由于具有下面這樣的強(qiáng)度分布而具有滿意的彎曲強(qiáng)度在這種強(qiáng)度分布中，它們的強(qiáng)度隨著橫截面積的減少而增大。
根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例，因此可以提供一種制造具有較好的機(jī)加工性能和彎曲強(qiáng)度的高強(qiáng)度連桿的方法。
在沖制和機(jī)加工的步驟之間進(jìn)行噴丸處理，從而提高疲勞強(qiáng)度。
盡管接合部分的強(qiáng)度分布借助產(chǎn)生硬化溫度的分布來形成，但是它也可以借助下面方法來形成例如，在加熱到一個硬化溫度之后，借助控制冷卻速度來產(chǎn)生回火時(shí)間的分布。
對于高頻硬化而言，可以改變這些條件如供給高頻電流和輸出功率的時(shí)間，并且可以用感應(yīng)加熱線圈來多次連續(xù)或者不連續(xù)地進(jìn)行加熱。在這種情況下，由于例如局部熱傳遞或者散熱或者熱容量而可以高度準(zhǔn)確地控制硬化溫度的分布。
而且，借助沿著接合部分安裝若干獨(dú)立控制的感應(yīng)加熱線圈和改變高頻電流所供給的時(shí)間，可以產(chǎn)生硬化溫度的分布。
借助把感應(yīng)加熱線圈纏繞在半成品連桿上并且沿著接合部分改變線圈的間距，也可以產(chǎn)生硬化溫度的分布。
圖12是流程圖，它解釋了制造本發(fā)明第二實(shí)施例的連桿的方法。第二實(shí)施例總體上與第一實(shí)施例的不同之處在于具有取代硬化步驟的冷鍛和時(shí)效的步驟。
因此，制造本發(fā)明第二實(shí)施例的連桿的方法具有熱鍛、冷鍛、時(shí)效、噴丸處理、沖制和機(jī)加工的步驟。
在熱鍛步驟期間，在不低于它的再結(jié)晶溫度(例如800-1200度)的溫度下，鋼材料基本上形成連桿形狀，因此，得到了粗制的連桿。例如，該鋼材料是碳鋼(例如，根據(jù)JIS的S40C到S50C)。粗制的連桿不局限于借助熱鍛由該鋼材料所形成的那種。
在冷鍛步驟期間，在不高于它的再結(jié)晶溫度(例如正常環(huán)境溫度)的溫度下，粗制連桿被形成連桿的形狀，因此加入了應(yīng)變。根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例，使用在各種截面上所取得的應(yīng)變平均值。
應(yīng)變通過下面方法來得到例如，應(yīng)用FEM(有限元方法)模擬，把粗制連桿的部分分成若干區(qū)域，并且找到應(yīng)變的算術(shù)平均值以作為由這些區(qū)域所計(jì)算出的值。因此，冷鍛被如此實(shí)現(xiàn)，以致應(yīng)變的平均值可以隨著接合部分的橫截面積的變化而連續(xù)地改變，如圖13所示。
應(yīng)變的平均值與彎曲強(qiáng)度相一致，如圖14所示，因此可以得到半成品連桿，這種連桿具有這樣的強(qiáng)度分布在這種分布中，它的強(qiáng)度隨著橫截面積的減少而增大，如圖7所示，(它與本發(fā)明第一實(shí)施例的強(qiáng)度分布相同)。
相應(yīng)地，接合部分具有這樣的強(qiáng)度分布在這種分布中，它們的強(qiáng)度隨著橫截面積的減少而增大，因此具有較小橫截面積的任何部分具有較高的彎曲強(qiáng)度。另一方面，大端和小端的強(qiáng)度相對較小，因此它們的機(jī)加工性能不低。
借助本發(fā)明第一實(shí)施例的熱鍛步驟所得到的連桿形狀現(xiàn)在借助熱鍛和冷鍛步驟來得到。因此，借助熱鍛步驟所得到的形狀不同于本發(fā)明第一實(shí)施例到第二實(shí)施例。
時(shí)效步驟通過下面方法來實(shí)現(xiàn)例如在400度下保持30分鐘。及，如在本發(fā)明第一實(shí)施例中一樣，在噴丸處理、沖制和機(jī)加工的步驟之后，使半成品連桿變成了作為精加工零件的連桿。
現(xiàn)在描述借助冷鍛形成應(yīng)變分布的方法。圖5是剖視圖，它解釋了冷鍛壓機(jī)的模子，圖16到18是用來解釋在冷鍛前和冷鍛后之間在形狀上所發(fā)現(xiàn)的不同的視圖，圖16是沿著圖15的線XVI-XVI所截取的剖視圖，圖17是沿著圖15的線XVII-XVII所截取的剖視圖，及圖18是沿著圖15的線XVIII-XVIII所截取的剖視圖。
用來加入應(yīng)變的冷鍛壓機(jī)具有模子100，該模子被分成上部模子101和下部模子102。基本上具有借助熱鍛形成的連桿形狀的粗制連桿110被定位在上部模子101和下部模子102之間。
粗制連桿110借助冷鍛來形成以承受塑性變形，并且使它的高度H減少(從H0減少到H1)，并且使它的寬度W增大(從W0增大到W1)，因此在那里加入應(yīng)變。冷鍛壓機(jī)中的滑動沖程例如可以是148mm，并且每分鐘的沖程數(shù)目例如可以是30。
根據(jù)冷鍛之后所得到的形狀和冷鍛所加入的應(yīng)變來設(shè)定粗制連桿110的形狀。粗制連桿110的形狀最好被最佳化以均勻地加入應(yīng)變并且抑制金屬材料進(jìn)行流動，及防止由于金屬材料的阻力(pulling-back)而產(chǎn)生任何缺陷。
肋部分131借助上部模子101和下部模子102來壓制，以加入應(yīng)變。只選擇肋部分131是優(yōu)選的，從而減少冷鍛的負(fù)荷并且使得冷鍛更加有效率。但是，也可以改變上部模子101和下部模子102的形狀，并且如此設(shè)定負(fù)荷，以致它可以支承在接合部分132上，而這些接合部分132在肋部分131之間進(jìn)行延伸，并且在它們之間也形成凹口。
上部模子101和下部模子102的形狀如此設(shè)定，以致肋部分131的壓制比率隨著接合部分的橫截面積的改變而連續(xù)地進(jìn)行改變。壓制的比率與肋部分131在冷鍛前和冷鍛后之間的高度H(＝(H0-H1)×100/H0)的減少比率相一致，并且與應(yīng)變相一致。
壓制的比率與抗拉強(qiáng)度成比例，如圖19所示，并且壓制比率的改變使得能夠得到這樣的強(qiáng)度分布在這種強(qiáng)度分布中，強(qiáng)度隨著橫截面積的減少而增大。
相應(yīng)地，借助由上部模子101和下部模子102冷鍛粗制連桿110所得到的半成品連桿的接合部分具有這樣的強(qiáng)度分布在這種強(qiáng)度分布中，它們的強(qiáng)度隨著橫截面積的減少而增大，具有較小橫截面積的任何部分具有較大的彎曲強(qiáng)度。另一方面，大端和小端的強(qiáng)度相對較小，因此機(jī)械加工性能不低。
因此，本發(fā)明第二實(shí)施例也可以提供一種高強(qiáng)度連桿，該連桿具有較好的機(jī)加工性能和彎曲強(qiáng)度，并且還提供了一種制造它的方法。
應(yīng)變控制不局限于以肋部分的壓制比率為基礎(chǔ)的控制，而是也可以根據(jù)與應(yīng)變相一致的任何參數(shù)，如接合部分的橫截面積的減少。
下面這些也是優(yōu)選的，根據(jù)要冷鍛的粗制連桿的厚度不同，改變冷鍛條件，從而控制借助冷鍛所加入的應(yīng)變。
借助例如激光測量來探測粗制連桿的厚度改變。冷鍛條件包括例如關(guān)閉高度的設(shè)定，而該關(guān)閉高度是滑動裝置和臺架之間的距離。
接下來，參照圖20-23來討論本發(fā)明(高強(qiáng)度)連桿的第三實(shí)施例。應(yīng)該注意到，在沒有特殊說明的情況下，本說明書中所使用的％”表示按“重量％(以質(zhì)量為基礎(chǔ)的％)”。
第一實(shí)施例的發(fā)明原理在于高強(qiáng)度連桿包括連接梁部分，該連接梁部分用作連桿的主體，連接梁部分具有這樣的部分該部分的橫截面積在整個連桿中是最小的。大端位于連接梁部分的第一端側(cè)上。小端位于連接梁部分的第二端側(cè)上，第二端側(cè)與第一端側(cè)軸向相對。第一接合部分設(shè)置在連接梁部分和大端之間，從而連接該連接梁部分和大端。第二接合部分位于連接梁部分和小端之間以連接該連接梁部分和小端。在這種連桿中，第一和第二接合部分中的每一個的橫截面積向著連接梁部分逐漸地、連續(xù)地減少。此外，疲勞強(qiáng)度最小的部分存在于大端和小端中的至少一個中，疲勞強(qiáng)度發(fā)生改變的部分存在于第一和第二接合部分中的每一個中并且存在于連接梁部分中。此外，橫截面積與接合部分和連接梁部分中的每一個的橫截面處的疲勞強(qiáng)度的乘積等于或者大于橫截面積和連接梁部分中的最小橫截面積部分中的疲勞強(qiáng)度的乘積?！皺M截面”是垂直于連桿軸線的橫截面，因此“橫截面積”是垂直于連桿軸線的橫截面處的橫截面積。
第一實(shí)施例的另一個發(fā)明原理存在于高強(qiáng)度連桿包括連接梁部分，該連接梁部分用作連桿的主體，連接梁部分具有在整個連桿中橫截面積最小的部分。大端位于連接梁部分的第一端側(cè)上。小端位于連桿梁部分的第二端側(cè)上，第二端側(cè)與第一端側(cè)軸向相對。第一接合部分設(shè)置在連接梁部分和大端之間，以連接該連接梁部分和大端。第二接合部分設(shè)置在連接梁部分和小端之間，以連接該連接梁部分和小端。在這種連桿中，第一和第二接合部分中的每一個的橫截面積向著連接梁部分逐漸地、連續(xù)地減少。此外，每個連接梁部分及第一和第二接合部分中的每一個的橫截面包括馬氏體結(jié)構(gòu)和鐵素體-珠光體結(jié)構(gòu)中的至少一個，并且滿足下面公式S/D≥1/{(1-β)Ms/100+β}…公式(1)這里，S是每個連接梁部分及第一和第二接合部分中的每一個的任何部分的橫截面積；D是連接梁部分的最小橫截面積部分的橫截面積；β是未硬化結(jié)構(gòu)/回火馬氏體結(jié)構(gòu)的疲勞結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度；Ms是回火馬氏體結(jié)構(gòu)在截面積為S的部分處的面積比率。此外，最小橫截面積部分的整個橫截面由回火馬氏體結(jié)構(gòu)形成。
本發(fā)明的高強(qiáng)度連桿是這樣的連桿，該連桿如此成形，以致如上述那樣具有連接梁部分、大端、小端和接合部分。連桿在它的連接梁部分處具有一部分最小的橫截面積，在它的大端或者小端處具有一部分最小的疲勞強(qiáng)度，并且在它的接合和連接梁部分處具有一部分改變的疲勞強(qiáng)度。連桿如此形成，以致它的橫截面積和在它的接合部分和連接梁部分的橫截面上的疲勞強(qiáng)度的乘積等于或者大于它的橫截面積和在連接梁部分的最小橫截面積部分處的疲勞強(qiáng)度的乘積。連桿按質(zhì)量(即按重量％)含有0.73％或者更小的C，并且如此形成，以致連接梁部分和接合部分中的每一個的橫截面包括回火馬氏體結(jié)構(gòu)或者鐵素體-珠光體結(jié)構(gòu)、或者滿足上述關(guān)系公式或者等式(1)的這些結(jié)構(gòu)的混合物。連接梁部分中的最小橫截面積部分的至少整個橫截面可以是回火馬氏體結(jié)構(gòu)。因此，在完全硬化過的部分和它的硬化界面中可以減少殘余應(yīng)力，提高了連桿的疲勞強(qiáng)度并且減少了該部分的重量。
在本發(fā)明的上下文中，疲勞強(qiáng)度表示疲勞極限。存在于接合部分和連接梁部分中的、改變疲勞強(qiáng)度的部分最好具有連續(xù)改變的疲勞強(qiáng)度，這種疲勞強(qiáng)度沒有任何急劇降低。
至于本發(fā)明的高強(qiáng)度連桿的化學(xué)成分或者它的鋼材料的成分，可以使用C含量為0.73％或者更小(不包括0)的鋼，優(yōu)選的是，使用C為0.20-0.43％、Si為0.05-2.0％、Mn為0.30-1.40％、P為小于0.07％(但不包括0)、Cr為2.5％或者更小(但不包括0)、Al為0.05％或者更小(不包括0)及N為0.005-0.03％的合金鋼，該合金鋼還含有0.03-0.5％V、0.005-0.5％Nb或者0.005-0.5％Ti或者這些元素(V、Nb、Ti)的任何結(jié)合，其余為Fe和雜質(zhì)，因此任何沒有硬化過的部分的疲勞強(qiáng)度被提高了。
也可以使用C為0.20-0.43％、Si為0.05-2.0％、Mn為0.30-1.40％、P為0.07-0.15％、Cr為2.5％或者更小(但不包括0)、Al為0.05％或者更小(不包括0)及N為0.005-0.03％的合金鋼，該合金鋼還含有0.03-0.5％V、0.005-0.5％Nb或者0.005-0.5％Ti或者這些元素(V、Nb、Ti)的任何結(jié)合，其余為Fe和雜質(zhì)，因此使用這種合金鋼或者具有高P含量的合金鋼不僅可以同樣地提高任何沒有硬化過的部分的疲勞強(qiáng)度，而且還較好地改進(jìn)了破裂，從而在借助任何破裂(這些破裂開始于借助工作所進(jìn)行的切割)使大端分開(或者壓碎)期間，基本上不會產(chǎn)生破裂表面的任何塑性變形，但是允許在破裂表面之間產(chǎn)生高度緊密的接觸，因此可以以比機(jī)械切割還低的費(fèi)用來制造連桿。
也可以把2.0％或者更少的Ni、1.0％或者更少的Mo或者0.0010-0.0030％的B或者這些元素(Ni、Mo、B)的任何組合加入到該合金中，從而提高了它的硬化能力。
還可以加入0.2％或者更少的S、0.3％或者更少的Pb、或者0.1％或者更少的Ca、或者0.3％或者更少的Bi、或者這些元素(Pb、Ca、Bi)的任何組合，從而提高了材料的機(jī)加工性能并且有利于它的機(jī)加工。
上述的本發(fā)明高強(qiáng)度連桿可以借助下面方法來形成把鋼材料形成上述的連桿形狀，借助使用感應(yīng)電流來硬化它，及在200到650度的溫度下使它進(jìn)行回火，而在200到650度的溫度中，在350度到550度范圍內(nèi)的回火溫度更加優(yōu)選，因?yàn)槟軌蜻M(jìn)一步提高疲勞強(qiáng)度。
對于借助感應(yīng)電流來進(jìn)行硬化而言，優(yōu)選的是，使用頻率為5-200kHz的電流，或者更加優(yōu)選的是，使用頻率為7-50kHz的電流。盡管針對表面硬化的普通高頻硬化在大約為200kHz的高頻下進(jìn)行，但是根據(jù)本發(fā)明，最好是施加相對較小的或者如上所述的中頻來均勻地硬化連接梁部分的內(nèi)部，從而使得連桿能夠更大地抗來自活塞的燃燒壓力。相同范圍的頻率基本上可以用來通過感應(yīng)電流進(jìn)行回火，以使整個連桿均勻地進(jìn)行回火。
盡管電爐中的回火處理例如可以用于本發(fā)明的制造方法，但是也可以如在硬化情況下一樣采用感應(yīng)電流的加熱來進(jìn)行回火處理，以縮短該處理的時(shí)間。
現(xiàn)在簡短地解釋在本發(fā)明的高強(qiáng)度連桿中限制鋼成分的原因。
C0.73％或者更少碳是確保鋼的強(qiáng)度(硬度)所必需的元素，最多加入0.73％，優(yōu)選的是，加入0.20-0.43％的碳，因?yàn)樘贂沟萌魏螞]有硬化的部分的疲勞強(qiáng)度和淬透性不足，但是太多同樣會產(chǎn)生較小的易切割性能。
Si0.05-2.0％硅是有效提高疲勞強(qiáng)度的元素，并且優(yōu)選的是，加入0.05-2.0％的硅，因?yàn)樯儆?.05％不足以得到任何這樣的效果，但是加入量大于2.0％同樣會產(chǎn)生較小的易切割性能。
Mn0.30-1.40％錳是作為鋼制造時(shí)的脫氧劑來加入的元素，并且可以有效地提高淬透性，及如同Si一樣可以提高疲勞強(qiáng)度，優(yōu)選的是，加入0.30-1.40％的錳，因?yàn)樯儆?.30％不足以明顯地產(chǎn)生任何這樣的效果，但是加入量大于1.40％同樣會產(chǎn)生較小的易切割性能。
P少于0.07％或者0.07-0.15％磷是常常被認(rèn)為是雜質(zhì)的元素，但是鋼中的少量磷可以提高它的疲勞強(qiáng)度。盡管它可能降低熱加工性，但是相對大量磷的存在減少了連桿在壓碎破裂期間在大端處的塑性變形，并且有利于它的分離。
當(dāng)為了提高疲勞強(qiáng)度而不犧牲熱加工性時(shí)，理想的是，確保含量小于0.07％，并且有利于大端的破裂和分離，理想的是，加入0.07-0.15％的磷。磷含量超過0.15％不僅產(chǎn)生較小的熱加工性，而且同樣地產(chǎn)生硬化裂縫。
Cr2.5％或者更少鉻是有效提高硬化性能和疲勞強(qiáng)度的元素，但是優(yōu)選的是，至多加入2.5％的鉻，因?yàn)榧尤敫蟮牧客瑯訒档图庸ば阅芎陀不€(wěn)定性。
Al0.05％或者更少鋁是作為鋼制造時(shí)的脫氧劑來加入的元素并且在硬化(硬化破裂)期間用來抑制裂縫，但是優(yōu)選的是，所加入的上限為0.05％，因?yàn)榧尤肓扛笸瑯釉龃罅朔墙饘匐s質(zhì)，并且降低了韌性。
N0.005-0.03％氮是產(chǎn)生AlN以形成精細(xì)分開的奧氏體晶粒并且用來提高疲勞強(qiáng)度的元素，但是優(yōu)選的是，加入0.005-0.03％的氮，因?yàn)榧尤肓扛笸瑯涌梢越档图庸ば浴?br> V0.03-0.5％Nb0.005-0.5％Ti0.005-0.5％這些元素單獨(dú)加入或者兩種或者更多種一起加入，以提高疲勞強(qiáng)度，上面所示出的這些范圍是理想的，因?yàn)?，如果V小于0.3％，或者如果Nb或者Ti小于0.005％，那么難以提高疲勞強(qiáng)度，但是，它們中的任何一種的加入量超過0.5％同樣可以導(dǎo)致較差的易切割性能。
Ni2.0％或者更少M(fèi)o1.0％或者更少B0.0010-0.0030％它們是有效提高淬透性的元素，盡管除非加入0.0010％或者更多，否則單獨(dú)加入B不會得到明顯的結(jié)果，但是它們中的任何一種的單獨(dú)加入或者兩種或者更多種一起的加入可以提高淬透性和疲勞強(qiáng)度。另一方面，Ni和Mo的加入量各自超過2.0％和1.0％同樣可以導(dǎo)致加工性能降低。B的加入量超過0.0030％也同樣可以導(dǎo)致加工性能降低，因?yàn)樵跓徨懫陂g，產(chǎn)生了晶界氧化作用。
S0.2％或者更少Pb0.3％或者更少Ca0.1％或者更小Bi0.3％或者更小這些元素全部可以有效地提高易切割性能和，它們中的任何一種的單獨(dú)加入或者兩種或者更多種一起的加入可以提高材料的機(jī)加工性能并使它的機(jī)加工更加容易。上面所示出的范圍是理想的，因?yàn)橥瑯拥?，S含量超過0.2％可以導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度降低，Pb或者Bi含量超過0.3％可以導(dǎo)致加工性能變壞，及Ca含量超過0.1％可以導(dǎo)致韌性降低。
就只提及上限的這些成分而言，應(yīng)該知道這種成分沒有0％的情況，因?yàn)樗^對被加入。
例子現(xiàn)在，借助例子來更加具體地描述本發(fā)明。
例子1從表1所示的四種鋼中采用鋼A和D，并且把鋼A和D熱鍛成與圖1所示相同的連桿形狀，該連桿具有小端A、連接梁部分B、大端C和接合部分D和E，把具有30kHz高頻的電流施加到繞著圖2所示的每個連桿的連接梁部分B而設(shè)置的線圈上，從而借助感應(yīng)電流把它加熱到920度，并且在保持10秒之后，在水中進(jìn)行淬火。
表1所示的所有四種鋼借助加入S來提高它們的機(jī)加工性能。表中所示的淬透性由測試鋼的淬透性的方法(Jomimy one end hardeningmethod)來確定，而該方法由JIS(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))G0561來具體規(guī)定，并且所測得的JHRC45的值借助相對值來表示，而這些相對值是在鋼A的值被定為1時(shí)所得到的值。
表1

然后，在電爐中在460度下回火30分鐘之后，用鋼丸來進(jìn)行噴丸處理，從而使得弧高為02mmA及覆蓋率為300％。
觀察兩個部分的結(jié)構(gòu)，即連接梁部分B的最小橫截面積的部分P和部分Q的結(jié)構(gòu)，而部分Q的橫截面積比最小橫截面積的部分P的面積大1.5倍并且與部分P相比，部分Q設(shè)置成更加鄰近大端C。若干連桿如此形成，以致每個連桿的任何其它部分可以與部分P和Q具有相同的結(jié)構(gòu)和硬度。在每個連桿上進(jìn)行拉伸和壓縮疲勞實(shí)驗(yàn)，其中這些連桿的小端和大端A和C被夾緊來測量它的疲勞強(qiáng)度(疲勞極限)，并且檢驗(yàn)部分P和Q的疲勞強(qiáng)度的關(guān)系。這些結(jié)果示出在表2中。
在表2中，借助與定為1的連桿No.1的值的相對值來表示兩個連桿No.1和2的疲勞強(qiáng)度(疲勞極限)。借助使用下面這樣的值來估計(jì)部分P和Q的局部疲勞強(qiáng)度或者疲勞強(qiáng)度在類似拉伸和壓縮疲勞實(shí)驗(yàn)在連桿(該連桿全部具有與部分P和Q相同的結(jié)構(gòu)和硬度)上進(jìn)行時(shí)得到這些值。部分P和Q的疲勞強(qiáng)度用與定為1的部分P的值的相對值來表示。
表2

*1)Ms回火馬氏體結(jié)構(gòu)；F-P鐵素體-珠光體結(jié)構(gòu)其結(jié)果是，可以確定連桿No.1的疲勞強(qiáng)度大于連桿No.2的疲勞強(qiáng)度，其中連桿No.1在它的部分Q上具有這樣的橫截面積與疲勞強(qiáng)度的乘積，該乘積大于在最小橫截面積的部分P處的橫截面積和疲勞強(qiáng)度的乘積，而連桿No.2在它的部分Q上具有這樣的橫截面積與疲勞強(qiáng)度的乘積，該乘積小于在最小橫截面積的部分P處的橫截面積和疲勞強(qiáng)度的乘積。
例子2從表1所示的四種鋼中采用鋼A，并且把鋼A熱鍛成與圖1所示相同的連桿形狀，該連桿具有小端A、連接梁部分B、大端C和接合部分D和E，把具有30kHz高頻的電流施加到繞著圖2所示的每個連桿的連接梁部分B而設(shè)置的線圈上，從而借助感應(yīng)電流把它加熱到920度，并且在特定的保持時(shí)間之后，在水中進(jìn)行淬火。借助改變電流供給時(shí)間來調(diào)整加熱和保持時(shí)間。
然后，以與例子1相類似的方式，在電爐中在460度下進(jìn)行相同的回火處理30分鐘之后，進(jìn)行相同的噴丸處理。
進(jìn)一步測量連接梁部分B的最小橫截面積的部分P的橫截面積D，并且在連接梁部分B和接合部分D和E中確定最小橫截面積S0，該橫截面積S0的回火馬氏體減少到0％(即只剩下鐵素體-珠光體結(jié)構(gòu))。
然后，在若干連桿上進(jìn)行拉伸和壓縮疲勞強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，而在這些連桿在與例子1相同的條件下進(jìn)行，從而確定它們的疲勞強(qiáng)度(疲勞極限)。
硬化部分的疲勞強(qiáng)度Fq和非硬化部分的疲勞強(qiáng)度Fn被確定來計(jì)算出值β(＝Fn/Fq)，并且計(jì)算出的1/β作為具有0％回火馬氏體(Ms＝0)的最小橫截面積(S0)的部分中的1/{(1-β)Ms/100+β}的值。這些結(jié)果示出在表3和圖3中。
在表3中，硬化部分的疲勞強(qiáng)度用下面這樣的疲勞強(qiáng)度的值來表示當(dāng)連接梁部分B在它的整個橫截面上具有由回火馬氏體結(jié)構(gòu)所組成的部分并且那個回火馬氏體部分產(chǎn)生了疲勞失效時(shí)，確定該值，非硬化部分的疲勞強(qiáng)度用沒有被硬化的連桿的疲勞強(qiáng)度的值來表示。這些疲勞強(qiáng)度的值是以定為1的非硬化部分的值為基礎(chǔ)的相對值，并且回火馬氏體減少到0％的最小橫截面積用以定為1的連接梁部分B的最小橫截面積D為基礎(chǔ)的相對值來表示。在表3中，“I-第二部分(或者…部分)”表示具有I形橫截面的部分“或者…部分”。
表3

*1)F-P鐵素體-珠光體結(jié)構(gòu)；Ms回火馬氏體結(jié)構(gòu)其結(jié)果是，可以確定，如果S0/D等于或者大于作為1/{(1-β)Ms/100+β}的值的1.59，或者滿足公式或者等式(1)，那么連桿具有急劇增大的疲勞強(qiáng)度，因?yàn)榫哂休^小疲勞強(qiáng)度的硬化界面具有足夠大的橫截面積，以避免從那里產(chǎn)生任何疲勞失效。
例子3采用表1所示的鋼A、B和C，從而與上面的例子1和2一樣借助熱鍛來制造連桿，具有30kHz高頻的電流同樣被施加到繞著每個連桿的連接梁部分B而設(shè)置的線圈上，從而借助感應(yīng)電流把它加熱到920度，并且在保持99秒之后，在水中進(jìn)行淬火。使用電爐和感應(yīng)電流在各種條件下進(jìn)行回火處理之后，進(jìn)行與例子1相類似的噴丸處理，并且進(jìn)行與例子1相類似的實(shí)驗(yàn)。這些結(jié)果示出在表4和圖4中。如硬化處理的情況一樣，具有30kHz高頻的電流被用來進(jìn)行使用感應(yīng)電流的回火處理。
在表4中，疲勞強(qiáng)度的值是以定為1的非硬化部分的值為基礎(chǔ)的相對值，并且回火馬氏體減少到0％的最小橫截面積S0借助以定為1的連接梁部分B的最小橫截面積D為基礎(chǔ)的相對值來表示。
表4

*1)F-P鐵素體-珠光體結(jié)構(gòu)；Ms回火馬氏體結(jié)構(gòu)；M馬氏體結(jié)構(gòu)其結(jié)果是，已發(fā)現(xiàn)，隨著回火溫度從室溫升高到200到460度的范圍，連桿的疲勞強(qiáng)度增大了，因?yàn)?，在硬化之后，所有?nèi)部應(yīng)力消失了，可以確定，回火溫度的進(jìn)一步升高可以引起疲勞強(qiáng)度開始下降，超過Al的變形點(diǎn)(大約726度)可以導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度急劇下降，因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)的奧氏體化使得不能得到硬化過的和回火過的結(jié)構(gòu)(回火過的馬氏體)。
如圖23中所顯示的一樣，借助使回火溫度處于200到650度的范圍內(nèi)來得到高疲勞強(qiáng)度的連桿，并且在350度到550度的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行回火是優(yōu)選的，從而可以提高連桿疲勞強(qiáng)度的效果。
還可以確定，借助使用感應(yīng)電流來調(diào)節(jié)到均勻溫度的連桿的疲勞強(qiáng)度與借助使用電流來得到的相差不大，并且借助感應(yīng)電流來進(jìn)行回火可以在更短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)處理。
還發(fā)現(xiàn)，相同大小的疲勞強(qiáng)度可以借助使用下面這樣的合金鋼(表1所示的鋼B)和合金鋼(表1所示的鋼C)來得到該合金鋼(表1所示的鋼B)具有大量的磷(P)，從而借助壓碎破裂來方便地分離，而合金鋼(表1所示的鋼C)具有硼(B)，從而提高了淬透性。
上述例子的結(jié)果僅是解釋性，最佳硬化條件等隨著材料和加熱設(shè)備可以改變。
更加具體地說，需要提出低頻來進(jìn)行硬化，從而在想得到較大深度硬化的情況下避免表面過熱。在使用淬透性較小的任何鋼時(shí)，需要提高淬火的冷卻速度。
將討論連桿第三實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的高強(qiáng)度連桿具有極好的優(yōu)點(diǎn)，例如，在它的完全硬化過的部分和硬化界面中減少了殘余應(yīng)力，并且提高了疲勞強(qiáng)度，及減少了重量，這是由于它的上述結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的，尤其是這樣的結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的連桿具有連接梁部分、大端和小端、及它們之間的接合部分，并且在它的連接梁部分中具有最小橫截面積的一部分，在該部分中，它的橫截面積與它的接合部分和連接梁部分的任何橫截面上的疲勞強(qiáng)度的乘積等于或者大于它的橫截面積與最小橫截面積的部分中的疲勞強(qiáng)度的乘積。連桿具有0.73％或者更少的C，并且如此形成，以致它的連接梁部分和接合部分中的每一個的橫截面可以由回火馬氏體結(jié)構(gòu)、或者鐵素體-珠光體結(jié)構(gòu)、或者滿足上面給出的關(guān)系表達(dá)式或者等式(1)的上述結(jié)構(gòu)的混合體來組成。至少最小橫截面積部分的整個橫截面可以是回火馬氏體結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的制造方法容易得到一種具有上述結(jié)構(gòu)的連桿，因?yàn)樵谥圃焐鲜龅母邚?qiáng)度連桿時(shí)，在借助使用感應(yīng)電流來進(jìn)行硬化之后，優(yōu)選地使用感應(yīng)電流，在200度到650度的溫度范圍內(nèi)、優(yōu)選地在350到550度內(nèi)進(jìn)行回火。
本申請是以2003年2月19日提交的在先日本專利申請No.P2003-041360、2003年3月25日提交的在先日本專利申請No.P2003-082505和2003年5月23日提交的在先日本專利申請No.P2003-146734為基礎(chǔ)的。這些日本專利申請No.P2003-041360、P2003-082585和P2003-146734的全部內(nèi)容在這里引入以作參考。
盡管在上面參照本發(fā)明的一些實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明不局限于上述的這些實(shí)施例。根據(jù)上面教導(dǎo)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以產(chǎn)生上述實(shí)施例的變形和改進(jìn)。本發(fā)明的范圍參照下面的權(quán)利要求來進(jìn)行限定。
權(quán)利要求
1.一種連桿，該連桿包括連接梁部分，它用作連桿的主體；大端，它位于連接梁部分的第一端側(cè)上；小端，它位于連接梁部分的第二端側(cè)上，第二端側(cè)與第一端側(cè)軸向相對；第一接合部分，它位于連接梁部分和大端之間以連接該連接梁部分和大端；及第二接合部分，它位于連接梁部分和小端之間，以連接該連接梁部分和小端；其特征在于，第一和第二接合部分中的每一個的橫截面積向著連接梁部分逐漸地、連續(xù)地減少，并且具有這樣的強(qiáng)度分布在這種分布中，強(qiáng)度隨著橫截面積的減少而增大。
2.如權(quán)利要求1所述的連桿，其特征在于，該強(qiáng)度分布是以馬氏體的比率(％)為基礎(chǔ)的。
3.如權(quán)利要求2所述的連桿，其特征在于，根據(jù)第一和第二接合部分中的每一個的橫截面積的變化，馬氏體的比率(％)以滿足下面公式所示關(guān)系的方式進(jìn)行改變D/Dmin≥1/((1-α)×Ms/100+α)這里，Dmin是第一和第二接合部分中的每一個的橫截面積的最小值；及α是通過下面方法得到的值將沒有進(jìn)行硬化的彎曲應(yīng)力除以進(jìn)行硬化的彎曲應(yīng)力。
4.如權(quán)利要求2所述的連桿，其特征在于，根據(jù)第一和第二接合部分中的每一個的硬化溫度和回火時(shí)間中的至少一個的分布來形成強(qiáng)度分布。
5.如權(quán)利要求1所述的連桿，其特征在于，根據(jù)借助冷鍛加入到第一和第二接合部分中的每一個中的應(yīng)變來形成強(qiáng)度分布。
6.如權(quán)利要求5所述的連桿，其特征在于，應(yīng)變隨著第一和第二接合部分中的每一個的橫截面積的變化而逐漸地、連續(xù)地改變。
7.如權(quán)利要求5所述的連桿，其特征在于，根據(jù)作為連桿的材料沿著粗制連桿厚度的差量(dispersion)來調(diào)整該應(yīng)變。
8.如權(quán)利要求5所述的連桿，其特征在于，在冷鍛之后，使第一和第二接合部分中的每一個進(jìn)行時(shí)效處理。
9.一種制造連桿的方法，該連桿包括連接梁部分，它用作連桿的主體；大端，它位于連接梁部分的第一端側(cè)上；小端，它位于連接梁部分的第二端側(cè)上，第二端側(cè)與第一端側(cè)軸向相對；第一接合部分，它位于連接梁部分和大端之間，以連接該連接梁部分和大端；及第二接合部分，它位于連接梁部分和小端之間，以連接該連接梁部分和小端，該制造方法包括向著連接梁部分逐漸地、連續(xù)地減少第一和第二接合部分中的每一個的橫截面積；及給第一和第二接合部分中的每一個提供一種這樣的強(qiáng)度分布在這種分布中，強(qiáng)度隨著橫截面積的減少而增大。
10.如權(quán)利要求9所述的制造方法，其特征在于，該強(qiáng)度分布是以馬氏體的比率(％)為基礎(chǔ)的。
11.如權(quán)利要求10所述的制造方法，其特征在于，根據(jù)第一和第二接合部分中的每一個的橫截面積的變化，馬氏體的比率(％)以滿足下面公式所示關(guān)系的方式進(jìn)行改變D/Dmin≥1/((1-α)×Ms/100+α)這里，Dmin是第一和第二接合部分中的每一個的橫截面積的最小值；及α是通過下面方法得到的值將沒有進(jìn)行硬化的彎曲應(yīng)力除以進(jìn)行硬化的彎曲應(yīng)力。
12.如權(quán)利要求10所述的制造方法，其特征在于，根據(jù)第一和第二接合部分中的每一個的硬化溫度和回火時(shí)間中的至少一個的分布來形成強(qiáng)度分布。
13.如權(quán)利要求12所述的制造方法，其特征在于，硬化是使用感應(yīng)加熱線圈的高頻硬化，該硬化通過下面方法來實(shí)現(xiàn)沿著第一和第二接合部分中的每一個來設(shè)置感應(yīng)加熱線圈，在感應(yīng)加熱線圈與第一和第二接合部分中的每一個之間以形成硬化溫度分布的方式設(shè)定一距離。
14.如權(quán)利要求9所述的制造方法，其特征在于，根據(jù)借助冷鍛加入到第一和第二接合部分中的每一個中的應(yīng)變來形成強(qiáng)度分布。
15.如權(quán)利要求14所述的制造方法，其特征在于，應(yīng)變隨著第一和第二接合部分中的每一個的橫截面積的變化而逐漸地、連續(xù)地改變。
16.如權(quán)利要求14所述的制造方法，其特征在于，該應(yīng)變是以壓扁第一和第二接合部分中的每一個的肋部分為基礎(chǔ)的。
17.如權(quán)利要求14所述的制造方法，其特征在于，根據(jù)作為連桿的材料沿著粗制連桿厚度的差量來調(diào)整該應(yīng)變。
18.如權(quán)利要求14所述的制造方法，其特征在于，在冷鍛之后，使第一和第二接合部分中的每一個進(jìn)行時(shí)效處理。
19.一種高強(qiáng)度連桿，該連桿包括連接梁部分，它用作連桿的主體，該連接梁部分具有在整個連桿中橫截面積最小的部分；大端，它位于連接梁部分的第一端側(cè)上；小端，它位于連接梁部分的第二端側(cè)上，第二端側(cè)與第一端側(cè)軸向相對；第一接合部分，它位于連接梁部分和大端之間以連接該連接梁部分和大端；及第二接合部分，它位于連接梁部分和小端之間，以連接該連接梁部分和小端；其特征在于，第一和第二接合部分中的每一個的橫截面積向著連接梁部分逐漸地、連續(xù)地減少；疲勞強(qiáng)度最小的部分存在于大端和小端中的至少一個中，并且疲勞強(qiáng)度改變的部分存在于第一和第二接合部分中的每一個和連接梁部分中；接合部分和連接梁部分中的每一個的橫截面處的橫截面積與疲勞強(qiáng)度的乘積等于或者大于連接梁部分中的最小橫截面積部分處的橫截面積與疲勞強(qiáng)度的乘積。
20.一種高強(qiáng)度連桿，該連桿包括連接梁部分，它用作連桿的主體，該連接梁部分具有在整個連桿中橫截面積最小的部分；大端，它位于連接梁部分的第一端側(cè)上；小端，它位于連接梁部分的第二端側(cè)上，第二端側(cè)與第一端側(cè)軸向相對；第一接合部分，它位于連接梁部分和大端之間以連接該連接梁部分和大端；及第二接合部分，它位于連接梁部分和小端之間，以連接該連接梁部分和小端；其特征在于，第一和第二接合部分中的每一個的橫截面積向著連接梁部分逐漸地、連續(xù)地減少；連接梁部分及第一和第二接合部分中的每一個的橫截面包括馬氏體結(jié)構(gòu)和鐵素體-珠光體結(jié)構(gòu)中的至少一種，并且滿足下面公式S/D≥1/{(1-β)Ms/100+β}…公式(1)這里，S是連接梁部分及第一和第二接合部分中的每一個的任何部分的橫截面積；D是連接梁部分的最小橫截面積部分的橫截面積；β是未硬化結(jié)構(gòu)/回火馬氏體結(jié)構(gòu)的疲勞結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度；Ms是回火馬氏體結(jié)構(gòu)在截面積為S的部分處的面積比率；最小橫截面積部分的整個橫截面由回火馬氏體結(jié)構(gòu)形成。
21.如權(quán)利要求19所述的高強(qiáng)度連桿，其特征在于，高強(qiáng)度連桿由鋼形成，該鋼按照質(zhì)量基礎(chǔ)包括C為0.20-0.43％、Si為0.05-2.0％、Mn為0.30-1.40％、P為小于0.07％、Cr為2.5％或者更小、Al為0.05％或者更小、N為0.005-0.03％和從下面組中選擇的至少一種，該組包括0.03-0.5％的V、0.005-0.5％的Nb和0.005-0.5％的Ti，其余為Fe和雜質(zhì)。
22.如權(quán)利要求19所述的高強(qiáng)度連桿，其特征在于，高強(qiáng)度連桿由鋼形成，該鋼按照質(zhì)量基礎(chǔ)包括C為0.20-0.43％、Si為0.05-2.0％、Mn為0.30-1.40％、P為0.07-0.15％、Cr為2.5％或者更小、Al為0.05％或者更小、N為0.005-0.03％和從下面組中選擇出的至少一種，該組包括0.03-0.5％的V、0.005-0.5％的Nb和0.005-0.5％的Ti，其余為Fe和雜質(zhì)。
23.如權(quán)利要求21所述的高強(qiáng)度連桿，其特征在于，該鋼按照質(zhì)量基礎(chǔ)還包括從下面組中選擇的至少一種，該組包括2.0％或者更小的Ni、1.0％或者更小的Mo和0.0010-0.0030％的B。
24.如權(quán)利要求21所述的高強(qiáng)度連桿，其特征在于，該鋼按照質(zhì)量還包括從下面組中選擇的至少一種，該組包括0.2％或者更小的S、0.3％或者更小的Pb、0.1％或者更小的Ca和0.3％或者更小的Bi。
25.如權(quán)利要求19所述的高強(qiáng)度連桿，其特征在于，使高強(qiáng)度連桿進(jìn)行噴丸處理。
26.一種制造如權(quán)利要求19所述高強(qiáng)度連桿的方法，該制造方法包括把材料鋼形成連桿形狀；借助使用感應(yīng)電流使具有連桿形狀的材料鋼進(jìn)行硬化；及使硬化過的材料鋼在200到650℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行回火。
27.如權(quán)利要求26所述的制造方法，其特征在于，在350℃到550℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行回火。
28.如權(quán)利要求26所述的制造方法，其特征在于，借助使用感應(yīng)電流來進(jìn)行回火。
全文摘要
一種內(nèi)燃機(jī)的連桿，該連桿包括連接梁部分，該連接梁部分用作連桿的主體。大端和小端位于連接梁部分的相對端上。第一接合部分位于連接梁部分和大端之間以連接該連接梁部分和大端。第二接合部分位于連接梁部分和小端之間，以連接該連接梁部分和小端。在這種連桿中，第一和第二接合部分中的每一個的橫截面積向著連接梁部分逐漸地、連續(xù)地減少，并且具有這樣的強(qiáng)度分布在這種分布中，強(qiáng)度隨著橫截面積的減少而增大。
文檔編號C22C38/24GK1523241SQ200410005479
公開日2004年8月25日 申請日期2004年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月19日
發(fā)明者小川隼平, 宮澤智則, 岡田義夫, 池內(nèi)淳, 山口雅史, 則, 史, 夫 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社