但是，强度在位于硬化部分和未硬化部分之间的接合部分处急剧 改变，因此难以得到足够的弯曲强度。另一方面，在工件区域的整个 宽度范围内进行硬化以得到所需要弯曲强度的情况下，产生了一个问 题，即机加工性能在要进行机加工的部分上下降了。
因此，本发明的目的是提供一种改进的连杆和改进的连杆制造方 法，借助这些可以克服传统技术中所遇到的缺点。
本发明的另一个目的是提供一种改进的连杆和改进的连杆制造方 法，这些可以提供一种高强度的连杆，这种连杆具有较好的机加工性 能和弯曲强度。
本发明的另一个目的是提供一种改进的连杆和改进的连杆制造方 法，这些提供了一种高强度连杆，这种连杆具有较高的疲劳强度，同 时可以减轻连杆的重量。
本发明的第一方面在于一种连杆，该连杆包括连接梁部分，它用 作连杆的主体。大端位于连接梁部分的第一端侧上。小端位于连接梁 部分的第二端侧上，第二端侧与第一端侧轴向相对。第一接合部分位 于连接梁部分和大端之间以连接该连接梁部分和大端。第二接合部分 位于连接梁部分和小端之间，以连接该连接梁部分和小端。在这种连 杆中，第一和第二接合部分中的每一个的横截面积向着连接梁部分逐 渐地、连续地减少，并且具有这样的强度分布：在这种分布中，强度 随着横截面积的减少而增大。
本发明的第二方面在于一种制造连杆的方法，该连杆包括：连接 梁部分，它用作连杆的主体；大端，它位于连接梁部分的第一端侧上； 小端，它位于连接梁部分的第二端侧上，第二端侧与第一端侧轴向相 对；第一接合部分，它位于连接梁部分和大端之间，以连接该连接梁 部分和大端；及第二接合部分，它位于连接梁部分和小端之间，以连 接该连接梁部分和小端。该制造方法包括：(a)向着连接梁部分逐渐 地、连续地减少第一和第二接合部分中的每一个的横截面积；及(b) 给第一和第二接合部分中的每一个提供一种这样的强度分布：在这种 分布中，强度随着横截面积的减少而增大。
本发明第三方面在于一种高强度连杆，该连杆包括连接梁部分， 它用作连杆的主体，该连接梁部分具有在整个连杆中横截面积最小的 部分。大端位于连接梁部分的第一端侧上。小端位于连接梁部分的第 二端侧上，第二端侧与第一端侧轴向相对。第一接合部分位于连接梁 部分和大端之间以连接该连接梁部分和大端。第二接合部分位于连接 梁部分和小端之间，以连接该连接梁部分和小端。在这种连杆中，第 一和第二接合部分中的每一个的横截面积向着连接梁部分逐渐地、连 续地减少。此外，疲劳强度最小的部分存在于大端和小端中的至少一 个中，并且疲劳强度改变的部分存在于第一和第二接合部分中的每一 个和连接梁部分中。此外，接合部分和连接梁部分中的每一个的横截 面处的横截面积与疲劳强度的乘积等于或者大于连接梁部分中的最小 横截面积部分处的横截面积与疲劳强度的乘积。
本发明第四方面在于一种高强度连杆，该连杆包括连接梁部分， 它用作连杆的主体，该连接梁部分具有在整个连杆中横截面积最小的 部分。大端位于连接梁部分的第一端侧上。小端位于连接梁部分的第 二端侧上，第二端侧与第一端侧轴向相对。第一接合部分位于连接梁 部分和大端之间以连接该连接梁部分和大端。第二接合部分位于连接 梁部分和小端之间，以连接该连接梁部分和小端。在这种连杆中，第 一和第二接合部分中的每一个的横截面积向着连接梁部分逐渐地、连 续地减少。此外，连接梁部分及第一和第二接合部分中的每一个的横 截面包括马氏体结构和铁素体-珠光体结构中的至少一个，并且满足下 面公式：
S/D≥1/{(1-β)Ms/100+β}…公式(1)
这里，S是连接梁部分及第一和第二接合部分中的每一个的任何部 分的横截面积；D是连接梁部分的最小横截面积部分的横截面积；β是 未硬化结构/回火马氏体结构的疲劳结构的疲劳强度；Ms是回火马氏体 结构在截面积为S的部分处的面积比率。此外，最小横截面积部分的整 个横截面由回火马氏体结构形成。
本发明第五方面在于一种制造高强度连杆的方法，该连杆包括： 连接梁部分，它用作连杆的主体，该连接梁部分具有在整个连杆中横 截面积最小的部分；大端，它位于连接梁部分的第一端侧上；小端， 它位于连接梁部分的第二端侧上，第二端侧与第一端侧轴向相对；第 一接合部分，它位于连接梁部分和大端之间以连接该连接梁部分和大 端；第二接合部分，它位于连接梁部分和小端之间，以连接该连接梁 部分和小端；其中，第一和第二接合部分中的每一个的横截面积向着 连接梁部分逐渐地、连续地减少；其中，疲劳强度最小的部分存在于 大端和小端中的至少一个中，并且疲劳强度改变的部分存在于第一和 第二接合部分中的每一个和连接梁部分中；其中，接合部分和连接梁 部分中的每一个的横截面处的横截面积与疲劳强度的乘积等于或者大 于连接梁部分中的最小横截面积部分处的横截面积与疲劳强度的乘 积。该制造方法包括：(a)把材料钢形成连杆形状；(b)借助使用 感应电流使具有连杆形状的材料钢进行硬化；及(c)使硬化过的材料 钢在200到650度的温度范围内进行回火。
附图说明
图1是本发明连杆的第一实施例的平面视图；
图2是图1的连杆的侧正视图；
图3是沿着图1的线III-III所截取的剖视图；
图4是沿着图1的线IV-IV所截取的剖视图；
图5是沿着图1的线V-V所截取的剖视图；
图6是沿着图1的线VI-VI所截取的剖视图；
图7是曲线图，它示出了第一实施例的连杆的横截面积和弯曲强度 之间的关系；
图8是曲线图，它示出了第一实施例的连杆的马氏体的比率和弯曲 强度之间的关系；
图9是曲线图，它示出了第一实施例的连杆的横截面积和进行硬化 时的马氏体的比率之间的关系；
图10是流程图，它解释了第一实施例的连杆的制造方法；
图11是平面视图，它解释了使用感应加热线圈来进行高频硬化， 该线圈应用到图10的硬化步骤中；
图12是流程图，它解释了连杆的第二实施例的制造方法；
图13是曲线图，它示出了第二实施例的连杆的横截面积和应变平 均值之间的关系，其中该应变由图12所示的“冷锻”所加入的；
图14是曲线图，它示出了第二实施例的连杆的应变平均值和弯曲 强度之间的关系；
图15是剖视图，它解释了与第二实施例的连杆相关的、冷锻压机 的模子；
图16是沿着图15的线XVI-XVI所截取的剖视图，它示出了冷锻前和 冷锻后的形状变化；
图17是沿着图15的线XVII-XVII所截取的剖视图，它示出了冷锻前 和冷锻后的形状变化；
图18是沿着图15的线XVIII-XVIII所截取的剖视图，它示出了冷锻 前和冷锻后的形状变化；
图19是曲线图，它示出了第二实施例的连杆的拉伸强度和压碎比 率之间的关系；
图20是本发明连杆的第三实施例的示意性前视图；
图21是示意图，它示出了在图20的连杆的制造方法中的硬化方式；
图22是曲线图，它示出了第三实施例的连杆的疲劳强度和S/D值之 间的关系；及
图23是曲线图，它示出了第三实施例的连杆的疲劳强度和回火温 度之间的关系。

参照图1-19来讨论本发明连杆的第一和第二实施例。
属于本发明第一方面的第一和第二实施例的本发明原理在于连 杆，该连杆包括用作连杆主体的连接梁部分。连杆大端位于连接梁部 分的第一端侧上。连杆小端位于连接梁部分的第二端侧上，第二端侧 与第一端侧沿轴向相反。第一接合部分设置在连接梁部分和大端之间， 从而连接连接梁部分和大端。第二接合部分设置在连接梁部分和小端 之间，从而连接连接梁部分和小端。在这种连杆中，第一和第二接合 部分中的每一个的横截面积向着连接梁部分逐渐地、连续地减少，并 且具有这样强度分布：在这种强度分布中，强度随着横截面积的减少 而增大。
图1是本发明第一实施例的连杆的顶部平面视图。第一实施例的连 杆10用来连接内燃机中的活塞和曲轴，并且把活塞的往复运动传递到 曲轴中。
连杆10例如由碳钢形成，并且具有：形成主体的连接梁部分40； 大端20，它位于连接梁部分40的一端上；及小端60，它位于连接梁部 分40的另一端上。连接梁部分40具有I形横截面并且它的形状基本上是 均匀的。
大端20属于分开型，并且具有通常是半圆柱形的部分21，借助例 如螺栓使连杆盖(未示出)与部分21装配起来，从而与曲轴销(或者 曲轴的连杆轴颈)连接起来(未示出)。小端60具有孔61，以连接活 塞销(未示出)。接合部分30和50各自形成在大头20和连接梁部分40 之间及在连接梁部分40和小端60之间。
图2是图1所示的连杆的侧正视图，图3是沿着图1的线III-III所截 取的割视图，图4是沿着图1的线IV-IV所截取的剖视图，图5是沿着图1 的线V-V所截取的剖视图，及图6是沿着图1的线VI-VI所截取的剖视图。
接合部分30的横截面积向着连接梁部分40的方向连续地减少。例 如，通过位于大端20和接合部分30之间(参见图3)的界面P2的横截面 积大约为通过位于接合部分30和连接梁部分40之间(参见图3)的界面 P3的横截面积的1.5倍。
接合部分30在凹入部分31处的厚度大于比较例子(传统连杆)中 的厚度，如图3和6所示。邻接接合部分30的一部分大端20也大于比较 例子的形状，如图2所示，因此从大端20到接合部分30的过渡部分具有 逐渐改变的横截面积。
由于连接梁部分40的形状基本上是均匀的，因此通过位于接合部 分30和连接梁部分40之间的界面P3的横截面积(参见图4)等于通过位 于连接梁部分40和接合部分50之间的界面P4的横截面积(参见图5)。
接合部分50的横截面积向着连接梁部分40的方向连续地减少，如 同接合部分30一样。例如，通过位于接合部分50和小端60之间(参见 图6)的界面P5的横截面积大约为通过位于连接梁部分40和接合部分50 之间(参见图5)的界面P4的横截面积的1.5倍。
接合部分50在凹入部分51处的厚度大于比较例子的形状中的厚 度。邻接接合部分50的一部分小端60也大于比较例子的形状，如图2 清楚地所示，因此从小端60到接合部分40的过渡部分具有逐渐改变的 横截面积。
连接梁部分40的强度基本上是均匀的。另一方面，接合部分30和 50具有向着连接梁部分40增大的、逐渐改变的强度。换句话说，接合 部分30和50具有这样的强度分布：在这种强度分布中，它们的强度随 着横截面积的减少而增大。
图7是这样的图，它示出了连杆10相对于它的横截面积的弯曲强 度。如这里所示，连杆10的横截面积从位于大端20的半圆形部分21和 界面P2之间的界面P1向着界面P3减少，在连接梁部分40处是均匀的， 并且从界面P4向着界面P6增加，而界面P4设置成靠近小端60的开口61。
另一方面，它的弯曲强度向着界面P2基本上是均匀的，从界面P2 到界面P3增大，在连接梁部分40处是均匀的，从界面P4向着界面P5减 少，及从界面P5开始基本上是均匀的。
换句话说，它的弯曲强度与接合部分30和50的强度相一致地进行 改变，并且在具有较小横截面积的部分处较大。另一方面，它的大端 和小端20和60的强度相对较小，因此机加工性能不低。
因此，根据本发明第一实施例可以提供一种高强度连杆，该连杆 具有较好的机加工性能和较好的弯曲强度。
接合部分的强度分布借助例如控制热处理的硬化来形成，因此在 接合部分的淬火期间，在硬化温度和/或回火时间时可以形成分布。在 这种连接中，从机加工性能和弯曲强度的观点来看，优选的是，连接 梁部分40完全被硬化，而大端和小端20和60基本上没有被硬化。
马氏体的比率与弯曲强度相对应，如图8所示。因此，当接合部分 的马氏体Ms的比率(％)随着接合部分的横截面积D的改变而连续地改 变，从而满足关系D/Dmin≥1/((1-α)XMs/100+α)时，可以确保实现 强度分布与横截面积的变化相一致。
在公式中，Dmin是接合部分的横截面积的最小值，α是通过下面 方法得到的值：把没有进行硬化的弯曲应力除以进行硬化的弯曲应力。
现在描述用来制造本发明第一实施例连杆的方法。用来制造本发 明第一实施例连杆的方法包括这些步骤：热锻、硬化、喷丸处理、冲 制和机加工，如图10所示。
在热锻步骤期间，在不低于它的再结晶温度(例如800-1200度) 的温度下，钢材料被形成连杆形状，以形成半成品(或者未完全精加 工)的连杆。例如，该钢材料是碳钢(例如，根据日本工业标准(JIS) 的S40C到S50C)。
当半成品连杆的连接梁和接合部分在硬化步骤期间进行硬化时， 在接合部分的硬化温度下形成分布(例如梯度分布)，从而控制它们 的硬化效果。
例如，借助在接合部分的硬化温度下形成分布，与横截面积变化 相一致的强度(硬度)分布形成在接合部分中，因此接合部分中的马 氏体Ms的比率(％)随着接合部分的横截面积D的改变而连续地改变， 从而满足关系D/Dmin≥1/((1-α)X Ms/100+α)。
现在参照图11，描述硬化方法，在该方法中，借助使用感应加热 线圈90来进行高频硬化。
半成品连杆10A被设置成绕着它的纵向轴线S可以旋转。加热线圈 90设置在半成品连杆10A的附近处，并且设置在这样的位置上：在该位 置上，它不会妨碍半成品连杆10A进行旋转。
感应加热线圈90具有基本上是矩形的结构，并且具有：长侧部分 92和94，它们沿着接合部分30和50及连接梁部分40进行延伸；及短侧 部分91和93，它们各自在大端和小端20和60上进行延伸。
半成品连杆10A的大端和小端20和60在形状上大于连接梁部分40， 连接梁部分40(及接合部分30和50)设置在大端和小端20和60之间。
因此，考虑到大端和小端20和60的热容量及在大端和小端20和60 和连接梁部分40(和接合部分30和50)之间的热量传递，感应加热线 圈的长侧部分92和94和半成品连杆之间的间隙随着它们接近大端和小 端20和60而稍稍减小。
因此，连接梁部分40获得完全硬化所需要的硬化温度，并且接合 部分30和50具有硬化温度的分布。换句话说，感应加热线圈90沿着接 合部分30和50进行设置，并且感应加热线圈90和接合部分30和50之间 的间隙如此设置，以致产生了硬化温度的适当分布。
例如，借助把高频电流(30kHz)供给到感应加热线圈90上五秒钟 来实现硬化，同时以150rpm来旋转半成品连杆10A。例如，输出功率是 25KW并且连接梁部分40的硬化温度为920度。
其结果是，与横截面积变化相一致的强度分布形成在接合部分30 和50上。半成品连杆10A的旋转速度最好不小于例如60rpm，从而防止 任何不均匀的加热，因为高频硬化通过短暂的快速加热时间来实现。
在喷丸处理步骤期间，从半成品连杆的表面上除去氧化皮。在冲 制步骤期间，例如，半成品连杆的厚度借助冷锻的轻度来加以改进。
在机加工步骤期间，进行机加工以便例如精加工大端和小端的滑 动部分，并且在大端和小端上形成油孔，从而形成作为精加工零件的 连杆。
大端和小端具有较小的硬度、较好的机加工性能和容易进行机加 工，因为它们基本上没有被硬化。连杆的接合部分由于具有下面这样 的强度分布而具有满意的弯曲强度：在这种强度分布中，它们的强度 随着横截面积的减少而增大。
根据本发明第一实施例，因此可以提供一种制造具有较好的机加 工性能和弯曲强度的高强度连杆的方法。
在冲制和机加工的步骤之间进行喷丸处理，从而提高疲劳强度。
尽管接合部分的强度分布借助产生硬化温度的分布来形成，但是 它也可以借助下面方法来形成：例如，在加热到一个硬化温度之后， 借助控制冷却速度来产生回火时间的分布。
对于高频硬化而言，可以改变这些条件如供给高频电流和输出功 率的时间，并且可以用感应加热线圈来多次连续或者不连续地进行加 热。在这种情况下，由于例如局部热传递或者散热或者热容量而可以 高度准确地控制硬化温度的分布。
而且，借助沿着接合部分安装若干独立控制的感应加热线圈和改 变高频电流所供给的时间，可以产生硬化温度的分布。
借助把感应加热线圈缠绕在半成品连杆上并且沿着接合部分改变 线圈的间距，也可以产生硬化温度的分布。
图12是流程图，它解释了制造本发明第二实施例的连杆的方法。 第二实施例总体上与第一实施例的不同之处在于具有取代硬化步骤的 冷锻和时效的步骤。
因此，制造本发明第二实施例的连杆的方法具有热锻、冷锻、时 效、喷丸处理、冲制和机加工的步骤。
在热锻步骤期间，在不低于它的再结晶温度(例如800-1200度) 的温度下，钢材料基本上形成连杆形状，因此，得到了粗制的连杆。 例如，该钢材料是碳钢(例如，根据JIS的S40C到S50C)。粗制的连杆 不局限于借助热锻由该钢材料所形成的那种。
在冷锻步骤期间，在不高于它的再结晶温度(例如正常环境温度) 的温度下，粗制连杆被形成连杆的形状，因此加入了应变。根据本发 明第二实施例，使用在各种截面上所取得的应变平均值。
应变通过下面方法来得到：例如，应用FEM(有限元方法)模拟， 把粗制连杆的部分分成若干区域，并且找到应变的算术平均值以作为 由这些区域所计算出的值。因此，冷锻被如此实现，以致应变的平均 值可以随着接合部分的横截面积的变化而连续地改变，如图13所示。
应变的平均值与弯曲强度相一致，如图14所示，因此可以得到半 成品连杆，这种连杆具有这样的强度分布：在这种分布中，它的强度 随着横截面积的减少而增大，如图7所示，(它与本发明第一实施例的 强度分布相同)。
相应地，接合部分具有这样的强度分布：在这种分布中，它们的 强度随着横截面积的减少而增大，因此具有较小横截面积的任何部分 具有较高的弯曲强度。另一方面，大端和小端的强度相对较小，因此 它们的机加工性能不低。
借助本发明第一实施例的热锻步骤所得到的连杆形状现在借助热 锻和冷锻步骤来得到。因此，借助热锻步骤所得到的形状不同于本发 明第一实施例到第二实施例。
时效步骤通过下面方法来实现：例如在400度下保持30分钟。及， 如在本发明第一实施例中一样，在喷丸处理、冲制和机加工的步骤之 后，使半成品连杆变成了作为精加工零件的连杆。
现在描述借助冷锻形成应变分布的方法。图5是剖视图，它解释了 冷锻压机的模子，图16到18是用来解释在冷锻前和冷锻后之间在形状 上所发现的不同的视图，图16是沿着图15的线XVI-XVI所截取的剖视 图，图17是沿着图15的线XVII-XVII所截取的剖视图，及图18是沿着图 15的线XVIII-XVIII所截取的剖视图。
用来加入应变的冷锻压机具有模子100，该模子被分成上部模子 101和下部模子102。基本上具有借助热锻形成的连杆形状的粗制连杆 110被定位在上部模子101和下部模子102之间。
粗制连杆110借助冷锻来形成以承受塑性变形，并且使它的高度H 减少(从HO减少到H1)，并且使它的宽度W增大(从WO增大到W1)，因 此在那里加入应变。冷锻压机中的滑动冲程例如可以是148mm，并且每 分钟的冲程数目例如可以是30。
根据冷锻之后所得到的形状和冷锻所加入的应变来设定粗制连杆 110的形状。粗制连杆110的形状最好被最佳化以均匀地加入应变并且 抑制金属材料进行流动，及防止由于金属材料的阻力(pull ing-back) 而产生任何缺陷。
肋部分131借助上部模子101和下部模子102来压制，以加入应变。 只选择肋部分131是优选的，从而减少冷锻的负荷并且使得冷锻更加有 效率。但是，也可以改变上部模子101和下部模子102的形状，并且如 此设定负荷，以致它可以支承在接合部分132上，而这些接合部分132 在肋部分131之间进行延伸，并且在它们之间也形成凹口。
上部模子101和下部模子102的形状如此设定，以致肋部分131的压 制比率随着接合部分的横截面积的改变而连续地进行改变。压制的比 率与肋部分131在冷锻前和冷锻后之间的高度H(＝(H0-H1)×100/H0) 的减少比率相一致，并且与应变相一致。
压制的比率与抗拉强度成比例，如图19所示，并且压制比率的改 变使得能够得到这样的强度分布：在这种强度分布中，强度随着横截 面积的减少而增大。
相应地，借助由上部模子101和下部模子102冷锻粗制连杆110所得 到的半成品连杆的接合部分具有这样的强度分布：在这种强度分布中， 它们的强度随着横截面积的减少而增大，具有较小横截面积的任何部 分具有较大的弯曲强度。另一方面，大端和小端的强度相对较小，因 此机械加工性能不低。
因此，本发明第二实施例也可以提供一种高强度连杆，该连杆具 有较好的机加工性能和弯曲强度，并且还提供了一种制造它的方法。
应变控制不局限于以肋部分的压制比率为基础的控制，而是也可 以根据与应变相一致的任何参数，如接合部分的横截面积的减少。
下面这些也是优选的，根据要冷锻的粗制连杆的厚度不同，改变 冷锻条件，从而控制借助冷锻所加入的应变。
借助例如激光测量来探测粗制连杆的厚度改变。冷锻条件包括例 如关闭高度的设定，而该关闭高度是滑动装置和台架之间的距离。
接下来，参照图20-23来讨论本发明(高强度)连杆的第三实施例。 应该注意到，在没有特殊说明的情况下，本说明书中所使用的“％”表 示“按重量％(以质量为基础的％)”。
第一实施例的发明原理在于高强度连杆包括连接梁部分，该连接 梁部分用作连杆的主体，连接梁部分具有这样的部分：该部分的横截 面积在整个连杆中是最小的。大端位于连接梁部分的第一端侧上。小 端位于连接梁部分的第二端侧上，第二端侧与第一端侧轴向相对。第 一接合部分设置在连接梁部分和大端之间，从而连接该连接梁部分和 大端。第二接合部分位于连接梁部分和小端之间以连接该连接梁部分 和小端。在这种连杆中，第一和第二接合部分中的每一个的横截面积 向着连接梁部分逐渐地、连续地减少。此外，疲劳强度最小的部分存 在于大端和小端中的至少一个中，疲劳强度发生改变的部分存在于第 一和第二接合部分中的每一个中并且存在于连接梁部分中。此外，横 截面积与接合部分和连接梁部分中的每一个的横截面处的疲劳强度的 乘积等于或者大于横截面积和连接梁部分中的最小横截面积部分中的 疲劳强度的乘积。“横截面”是垂直于连杆轴线的横截面，因此“横 截面积”是垂直于连杆轴线的横截面处的横截面积。
第一实施例的另一个发明原理存在于高强度连杆包括连接梁部 分，该连接梁部分用作连杆的主体，连接梁部分具有在整个连杆中横 截面积最小的部分。大端位于连接梁部分的第一端侧上。小端位于连 杆梁部分的第二端侧上，第二端侧与第一端侧轴向相对。第一接合部 分设置在连接梁部分和大端之间，以连接该连接梁部分和大端。第二 接合部分设置在连接梁部分和小端之间，以连接该连接梁部分和小端。 在这种连杆中，第一和第二接合部分中的每一个的横截面积向着连接 梁部分逐渐地、连续地减少。此外，每个连接梁部分及第一和第二接 合部分中的每一个的横截面包括马氏体结构和铁素体-珠光体结构中 的至少一个，并且满足下面公式：
S/D≥1/{(1-β)Ms/100+β}…公式(1)
这里，S是每个连接梁部分及第一和第二接合部分中的每一个的任 何部分的横截面积；D是连接梁部分的最小横截面积部分的横截面积； β是未硬化结构/回火马氏体结构的疲劳结构的疲劳强度；Ms是回火马 氏体结构在截面积为S的部分处的面积比率。此外，最小横截面积部分 的整个横截面由回火马氏体结构形成。
本发明的高强度连杆是这样的连杆，该连杆如此成形，以致如上 述那样具有连接梁部分、大端、小端和接合部分。连杆在它的连接梁 部分处具有一部分最小的横截面积，在它的大端或者小端处具有一部 分最小的疲劳强度，并且在它的接合和连接梁部分处具有一部分改变 的疲劳强度。连杆如此形成，以致它的横截面积和在它的接合部分和 连接梁部分的横截面上的疲劳强度的乘积等于或者大于它的横截面积 和在连接梁部分的最小横截面积部分处的疲劳强度的乘积。连杆按质 量(即按重量％)含有0.73％或者更小的C，并且如此形成，以致连接梁 部分和接合部分中的每一个的横截面包括回火马氏体结构或者铁素体 -珠光体结构、或者满足上述关系公式或者等式(1)的这些结构的混 合物。连接梁部分中的最小横截面积部分的至少整个横截面可以是回 火马氏体结构。因此，在完全硬化过的部分和它的硬化界面中可以减 少残余应力，提高了连杆的疲劳强度并且减少了该部分的重量。
在本发明的上下文中，疲劳强度表示疲劳极限。存在于接合部分 和连接梁部分中的、改变疲劳强度的部分最好具有连续改变的疲劳强 度，这种疲劳强度没有任何急剧降低。
至于本发明的高强度连杆的化学成分或者它的钢材料的成分，可 以使用C含量为0.73％或者更小(不包括0)的钢，优选的是，使用C为 0.20-0.43％、Si为0.05-2.0％、Mn为0.30-1.40％、P为小于0.07％(但 不包括0)、Cr为2.5％或者更小(但不包括0)、Al为0.05％或者更小(不 包括0)及N为0.005-0.03％的合金钢，该合金钢还含有0.03-0.5％V、 0.005-0.5％Nb或者0.005-0.5％Ti或者这些元素(V、Nb、Ti)的任何 结合，其余为Fe和杂质，因此任何没有硬化过的部分的疲劳强度被提 高了。
也可以使用C为0.20-0.43％、Si为0.05-2.0％、Mn为0.30-1.40％、P 为0.07-0.15％、Cr为2.5％或者更小(但不包括0)、Al为0.05％或者更 小(不包括0)及N为0.005-0.03％的合金钢，该合金钢还含有 0.03-0.5％V、0.005-0.5％Nb或者0.005-0.5％Ti或者这些元素(V、Nb、 Ti)的任何结合，其余为Fe和杂质，因此使用这种合金钢或者具有高P 含量的合金钢不仅可以同样地提高任何没有硬化过的部分的疲劳强 度，而且还较好地改进了破裂，从而在借助任何破裂(这些破裂开始 于借助工作所进行的切割)使大端分开(或者压碎)期间，基本上不 会产生破裂表面的任何塑性变形，但是允许在破裂表面之间产生高度 紧密的接触，因此可以以比机械切割还低的费用来制造连杆。
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或者这些元素(Ni、Mo、B)的任何组合加入到该 合金中，从而提高了它的硬化能力。
还可以加入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、或者这些元素(Pb、Ca、Bi)的 任何组合，从而提高了材料的机加工性能并且有利于它的机加工。
上述的本发明高强度连杆可以借助下面方法来形成：把钢材料形 成上述的连杆形状，借助使用感应电流来硬化它，及在200到650度的 温度下使它进行回火，而在200到650度的温度中，在350度到550度范 围内的回火温度更加优选，因为能够进一步提高疲劳强度。
对于借助感应电流来进行硬化而言，优选的是，使用频率为 5-200kHz的电流，或者更加优选的是，使用频率为7-50kHz的电流。尽 管针对表面硬化的普通高频硬化在大约为200kHz的高频下进行，但是 根据本发明，最好是施加相对较小的或者如上所述的中频来均匀地硬 化连接梁部分的内部，从而使得连杆能够更大地抗来自活塞的燃烧压 力。相同范围的频率基本上可以用来通过感应电流进行回火，以使整 个连杆均匀地进行回火。
尽管电炉中的回火处理例如可以用于本发明的制造方法，但是也 可以如在硬化情况下一样采用感应电流的加热来进行回火处理，以缩 短该处理的时间。
现在简短地解释在本发明的高强度连杆中限制钢成分的原因。
C：0.73％或者更少
碳是确保钢的强度(硬度)所必需的元素，最多加入0.73％，优选 的是，加入0.20-0.43％的碳，因为太少会使得任何没有硬化的部分的 疲劳强度和淬透性不足，但是太多同样会产生较小的易切割性能。
Si：0.05-2.0％
硅是有效提高疲劳强度的元素，并且优选的是，加入0.05-2.0％ 的硅，因为少于0.05％不足以得到任何这样的效果，但是加入量大于 2.0％同样会产生较小的易切割性能。
Mn：0.30-1.40％
锰是作为钢制造时的脱氧剂来加入的元素，并且可以有效地提高 淬透性，及如同Si一样可以提高疲劳强度，优选的是，加入0.30-1.40％ 的锰，因为少于0.30％不足以明显地产生任何这样的效果，但是加入量 大于1.40％同样会产生较小的易切割性能。
P：少于0.07％或者0.07-0.15％
磷是常常被认为是杂质的元素，但是钢中的少量磷可以提高它的 疲劳强度。尽管它可能降低热加工性，但是相对大量磷的存在减少了 连杆在压碎破裂期间在大端处的塑性变形，并且有利于它的分离。
当为了提高疲劳强度而不牺牲热加工性时，理想的是，确保含量 小于0.07％，并且有利于大端的破裂和分离，理想的是，加入0.07-0.15％ 的磷。磷含量超过0.15％不仅产生较小的热加工性，而且同样地产生硬 化裂缝。
Cr：2.5％或者更少
铬是有效提高硬化性能和疲劳强度的元素，但是优选的是，至多 加入2.5％的铬，因为加入更大的量同样会降低加工性能和硬化稳定性。
Al：0.05％或者更少
铝是作为钢制造时的脱氧剂来加入的元素并且在硬化(硬化破裂) 期间用来抑制裂缝，但是优选的是，所加入的上限为0.05％，因为加入 量更大同样增大了非金属杂质，并且降低了韧性。
N：0.005-0.03％
氮是产生AlN以形成精细分开的奥氏体晶粒并且用来提高疲劳强 度的元素，但是优选的是，加入0.005-0.03％的氮，因为加入量更大同 样可以降低加工性。
V：0.03-0.5％
Nb：0.005-0.5％
Ti：0.005-0.5％
这些元素单独加入或者两种或者更多种一起加入，以提高疲劳强 度，上面所示出的这些范围是理想的，因为，如果V小于0.3％，或者如 果Nb或者Ti小于0.005％，那么难以提高疲劳强度，但是，它们中的任 何一种的加入量超过0.5％同样可以导致较差的易切割性能。
Ni：2.0％或者更少
Mo：1.0％或者更少
B：0.0010-0.0030％
它们是有效提高淬透性的元素，尽管除非加入0.0010％或者更多， 否则单独加入B不会得到明显的结果，但是它们中的任何一种的单独加 入或者两种或者更多种一起的加入可以提高淬透性和疲劳强度。另一 方面，Ni和Mo的加入量各自超过2.0％和1.0％同样可以导致加工性能降 低。B的加入量超过0.0030％也同样可以导致加工性能降低，因为在热 锻期间，产生了晶界氧化作用。
S：0.2％或者更少
Pb：0.3％或者更少
Ca：0.1％或者更小
Bi：0.3％或者更小
这些元素全部可以有效地提高易切割性能和，它们中的任何一种 的单独加入或者两种或者更多种一起的加入可以提高材料的机加工性 能并使它的机加工更加容易。上面所示出的范围是理想的，因为同样 地，S含量超过0.2％可以导致疲劳强度降低，Pb或者Bi含量超过0.3％ 可以导致加工性能变坏，及Ca含量超过0.1％可以导致韧性降低。
就只提及上限的这些成分而言，应该知道这种成分没有0％的情况， 因为它绝对被加入。
例子
现在，借助例子来更加具体地描述本发明。
例子1
从表1所示的四种钢中采用钢A和D，并且把钢A和D热锻成与图1所 示相同的连杆形状，该连杆具有小端A、连接梁部分B、大端C和接合部 分D和E，把具有30kHz高频的电流施加到绕着图2所示的每个连杆的连 接梁部分B而设置的线圈上，从而借助感应电流把它加热到920度，并 且在保持10秒之后，在水中进行淬火。
表1所示的所有四种钢借助加入S来提高它们的机加工性能。表中 所示的淬透性由测试钢的淬透性的方法(Jomimy one end hardening method)来确定，而该方法由JIS(日本工业标准)G0561来具体规定， 并且所测得的JHRC45的值借助相对值来表示，而这些相对值是在钢A 的值被定为1时所得到的值。
表1

然后，在电炉中在460度下回火30分钟之后，用钢丸来进行喷丸处 理，从而使得弧高为02mmA及覆盖率为300％。
观察两个部分的结构，即连接梁部分B的最小横截面积的部分P和 部分Q的结构，而部分Q的横截面积比最小横截面积的部分P的面积大 1.5倍并且与部分P相比，部分Q设置成更加邻近大端C。若干连杆如此 形成，以致每个连杆的任何其它部分可以与部分P和Q具有相同的结构 和硬度。在每个连杆上进行拉伸和压缩疲劳实验，其中这些连杆的小 端和大端A和C被夹紧来测量它的疲劳强度(疲劳极限)，并且检验部 分P和Q的疲劳强度的关系。这些结果示出在表2中。
在表2中，借助与定为1的连杆No.1的值的相对值来表示两个连杆 No.1和2的疲劳强度(疲劳极限)。借助使用下面这样的值来估计部分 P和Q的局部疲劳强度或者疲劳强度：在类似拉伸和压缩疲劳实验在连 杆(该连杆全部具有与部分P和Q相同的结构和硬度)上进行时得到这 些值。部分P和Q的疲劳强度用与定为1的部分P的值的相对值来表示。
表2

*1)Ms：回火马氏体结构；F-P：铁素体-珠光体结构
其结果是，可以确定连杆No.1的疲劳强度大于连杆No.2的疲劳强 度，其中连杆No.1在它的部分Q上具有这样的横截面积与疲劳强度的乘 积，该乘积大于在最小横截面积的部分P处的横截面积和疲劳强度的乘 积，而连杆No.2在它的部分Q上具有这样的横截面积与疲劳强度的乘 积，该乘积小于在最小横截面积的部分P处的横截面积和疲劳强度的乘 积。
例子2
从表1所示的四种钢中采用钢A，并且把钢A热锻成与图1所示相同 的连杆形状，该连杆具有小端A、连接梁部分B、大端C和接合部分D和E， 把具有30kHz高频的电流施加到绕着图2所示的每个连杆的连接梁部分 B而设置的线圈上，从而借助感应电流把它加热到920度，并且在特定 的保持时间之后，在水中进行淬火。借助改变电流供给时间来调整加 热和保持时间。
然后，以与例子1相类似的方式，在电炉中在460度下进行相同的 回火处理30分钟之后，进行相同的喷丸处理。
进一步测量连接梁部分B的最小横截面积的部分P的横截面积D，并 且在连接梁部分B和接合部分D和E中确定最小横截面积S0，该横截面积 S0的回火马氏体减少到0％(即只剩下铁素体-珠光体结构)。
然后，在若干连杆上进行拉伸和压缩疲劳强度实验，而在这些连 杆在与例子1相同的条件下进行，从而确定它们的疲劳强度(疲劳极 限)。
硬化部分的疲劳强度Fq和非硬化部分的疲劳强度Fn被确定来计算 出值β(＝Fn/Fq)，并且计算出的1/β作为具有0％回火马氏体(Ms＝0) 的最小横截面积(S0)的部分中的1/{(1-β)Ms/100+β}的值。这些 结果示出在表3和图3中。
在表3中，硬化部分的疲劳强度用下面这样的疲劳强度的值来表 示：当连接梁部分B在它的整个横截面上具有由回火马氏体结构所组成 的部分并且那个回火马氏体部分产生了疲劳失效时，确定该值，非硬 化部分的疲劳强度用没有被硬化的连杆的疲劳强度的值来表示。这些 疲劳强度的值是以定为1的非硬化部分的值为基础的相对值，并且回火 马氏体减少到0％的最小横截面积用以定为1的连接梁部分B的最小横截 面积D为基础的相对值来表示。在表3中，“I-第二部分(或者…部分)” 表示具有I形横截面的部分“或者…部分”。

其结果是，可以确定，如果S0/D等于或者大于作为1/{(1-β) Ms/100+β}的值的1.59，或者满足公式或者等式(1)，那么连杆具有 急剧增大的疲劳强度，因为具有较小疲劳强度的硬化界面具有足够大 的横截面积，以避免从那里产生任何疲劳失效。
例子3
采用表1所示的钢A、B和C，从而与上面的例子1和2一样借助热锻 来制造连杆，具有30kHz高频的电流同样被施加到绕着每个连杆的连接 梁部分B而设置的线圈上，从而借助感应电流把它加热到920度，并且 在保持99秒之后，在水中进行淬火。使用电炉和感应电流在各种条件 下进行回火处理之后，进行与例子1相类似的喷丸处理，并且进行与例 子1相类似的实验。这些结果示出在表4和图4中。如硬化处理的情况 一样，具有30kHz高频的电流被用来进行使用感应电流的回火处理。
在表4中，疲劳强度的值是以定为1的非硬化部分的值为基础的相 对值，并且回火马氏体减少到0％的最小横截面积S0借助以定为1的连接 梁部分B的最小横截面积D为基础的相对值来表示。

其结果是，已发现，随着回火温度从室温升高到200到460度的范 围，连杆的疲劳强度增大了，因为，在硬化之后，所有内部应力消失 了，可以确定，回火温度的进一步升高可以引起疲劳强度开始下降， 超过Al的变形点(大约726度)可以导致疲劳强度急剧下降，因为该结 构的奥氏体化使得不能得到硬化过的和回火过的结构(回火过的马氏 体)。
如图23中所显示的一样，借助使回火温度处于200到650度的范围 内来得到高疲劳强度的连杆，并且在350度到550度的温度范围内进行 回火是优选的，从而可以提高连杆疲劳强度的效果。
还可以确定，借助使用感应电流来调节到均匀温度的连杆的疲劳 强度与借助使用电流来得到的相差不大，并且借助感应电流来进行回 火可以在更短的时间内实现处理。
还发现，相同大小的疲劳强度可以借助使用下面这样的合金钢(表 1所示的钢B)和合金钢(表1所示的钢C)来得到：该合金钢(表1所示 的钢B)具有大量的磷(P)，从而借助压碎破裂来方便地分离，而合 金钢(表1所示的钢C)具有硼(B)，从而提高了淬透性。
上述例子的结果仅是解释性，最佳硬化条件等随着材料和加热设 备可以改变。
更加具体地说，需要提出低频来进行硬化，从而在想得到较大深 度硬化的情况下避免表面过热。在使用淬透性较小的任何钢时，需要 提高淬火的冷却速度。
将讨论连杆第三实施例的优点。
本发明的高强度连杆具有极好的优点，例如，在它的完全硬化过 的部分和硬化界面中减少了残余应力，并且提高了疲劳强度，及减少 了重量，这是由于它的上述结构所导致的，尤其是这样的结构所导致 的：连杆具有连接梁部分、大端和小端、及它们之间的接合部分，并 且在它的连接梁部分中具有最小横截面积的一部分，在该部分中，它 的横截面积与它的接合部分和连接梁部分的任何横截面上的疲劳强度 的乘积等于或者大于它的横截面积与最小横截面积的部分中的疲劳强 度的乘积。连杆具有0.73％或者更少的C，并且如此形成，以致它的连 接梁部分和接合部分中的每一个的横截面可以由回火马氏体结构、或 者铁素体-珠光体结构、或者满足上面给出的关系表达式或者等式(1) 的上述结构的混合体来组成。至少最小横截面积部分的整个横截面可 以是回火马氏体结构。
本发明的制造方法容易得到一种具有上述结构的连杆，因为在制 造上述的高强度连杆时，在借助使用感应电流来进行硬化之后，优选 地使用感应电流，在200度到650度的温度范围内、优选地在350到550 度内进行回火。
本申请是以2003年2月19日提交的在先日本专利申请 No.P2003-041360、2003年3月25日提交的在先日本专利申请 No.P2003-082505和2003年5月23日提交的在先日本专利申请 No.P2003-146734为基础的。这些日本专利申请No.P2003-041360、 P2003-082585和P2003-146734的全部内容在这里引入以作参考。
尽管在上面参照本发明的一些实施例描述了本发明，但是本发明 不局限于上述的这些实施例。根据上面教导本领域普通技术人员可以 产生上述实施例的变形和改进。本发明的范围参照下面的权利要求来 进行限定。