(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳造部品表面にオースフェライトからできた第一層（３）を含む組織を備える鋳鉄鋳造部品において、
オースフェライトとトルースタイトからできた第二層（４）が、前記第一層（３）と鋳造部品の内部（５）との間に介在し、
前記鋳鉄は、モリブデンを含まず、重量基準で０．０から０．５％のニッケルを含み、
前記鋳鉄は、球状黒鉛を含み、
オースフェライトからできている前記第一層（３）は、少なくとも９００ＭＰａの引張強度（Ｒｍ）と、少なくとも６００ＭＰａの弾性限度（Ｒｐ０．２）を有することを特徴とする、鋳鉄鋳造部品。
【請求項２】
第二層（４）に隣接する鋳造部品の内部（５）の組織は、トルースタイトおよび／または、トルースタイト、およびトルースタイトよりも粗いパーライトを含む混合組織からできている、請求項１に記載の鋳鉄鋳造部品。
【請求項３】
鋳鉄は、
重量基準で３．２から３．９％の炭素
重量基準で２．０から２．４％のシリコン
重量基準で０．６から１．３％のマンガン
重量基準で０．６から１．０％の銅
重量基準で０．０３０から０．０５０％のマグネシウム
重量基準で０．０から０．１％の錫
重量基準で０．０から０．５％のニッケル
の組成を有し、
残部が鉄および不可避不純物を含む、請求項１または２に記載の鋳鉄鋳造部品。
【請求項４】
請求項３に記載の組成を有し、球状黒鉛（ＧＪＳ）を備える鋳鉄は、炉内で９１０℃から９５０℃のオーステナイト化温度にまで熱せられ、少なくとも６０分残留した後、３００℃から４００℃の温度にまで媒体内で冷却され、少なくとも６０分冷却媒体内に残留した後、大気温度にまで冷やされる、請求項１〜３のいずれか１つに記載の鋳鉄鋳造部品の製造方法。
【請求項５】
鋳鉄鋳造部品は、クランクシャフト（１）として形成される、請求項１〜３のいずれか１つに記載の鋳鉄鋳造部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳鉄鋳造部品、特にクランクシャフトおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
規格ＥＮ１５６３に従ったクランクシャフトは、規格ＥＮ−ＧＪＳ７００あるいはＥＮ−ＧＪＳ８００に従った球状黒鉛を有する鋳鉄でできており、材料ＥＮ−ＧＪＳ７００は少なくとも７００ＭＰａの引張強度を有し、材料ＥＮ−ＧＪＳ８００は少なくとも８００ＭＰａの引張強度を有する。
【０００３】
燃料の消費を減らすために、エンジン内の点火圧力はターボチャージを通して増加し、さらに消費量を減じるために、クランクシャフトのストレートベアリングの直径は、可能な限り小さくされる。これによりクランクシャフトの負荷はさらに増す。
【０００４】
増加する負荷のため、クランクシャフトは鍛鋼で作られることがよくある。というのは、鋼鉄のクランクシャフトは、球状黒鉛を有する鋳鉄からできたクランクシャフトよりも、より高い荷重支え能力を有するからである。鋼材は鋳物よりも高密度を有するので、エンジンの全重量を増加させる。鋼鉄のクランクシャフトを使用する更なる不利益は、可動質量の増加である。両方の影響により、動力車の燃料燃焼は増加する。さらに、鋼鉄のクランクシャフトは、通常は鋳造のクランクシャフトよりも高価である。また、消費可能性、音響効果および設置スペースに対して、質量平衡を最大限に利用すると、鍛鋼のクランクシャフトは鋳造のクランクシャフトに対して不利な点を有する。それは、重量減少のための空洞を備えることができないため、重量減少が、例えば高価な穿孔を通して提供されなければならないからである。
【０００５】
オースフェライト構造を有するＡＤＩ（オーステンパ球状黒鉛鋳鉄）からクランクシャフトを製造することはさらに公知であり、これはフェライト構造と同様にオーステナイト構造を意味する。
【０００６】
従って、球状黒鉛を含む鋳鉄鋳造部品は、オーステナイト化温度まで数時間熱せられ、そしてオースフェライト構造を提供する約３５０℃まで急冷される。
【０００７】
ＡＤＩで製造されたクランクシャフトは、高い引張強度、硬度、および耐摩耗性を有する。クランクシャフトのようにＡＤＩで製造された肉厚の鋳造部品は、しかしながら、高い割合のニッケル、およびモリブデンのような他の高価な合金成分、従って複合鋳造合金を必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、本発明の目的は、鋳鉄鋳造部品、特に製造コストを上げることなく、高い強度、強靭性および耐摩耗性を有する鋳鉄のクランクシャフトを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
これは、請求項１に記載の鋳造部品の本発明により、提供される。請求項２から５は、本発明に従った鋳造部品の好ましい実施例に関係する。請求項６は、本発明に従った鋳造部品を製造するための好ましい方法に関係する。
【００１０】
本発明に従えば、鋳造部品は、鋳造部品の表面に、オースフェライトで製造された第一層を含む構造、従って、埋込型安定残留オーステナイトを有する針状フェライトを含む混合構造を有する。
【００１１】
鋳造部品表面のオースフェライト層は、少なくとも８００ＭＰａ、特に少なくとも９００ＭＰａの引張強度（Ｒｍ）を有する。オースフェライト層の弾性限度（Ｒｐ０．２）は、好ましくは少なくとも６００ＭＰａ、特に少なくとも６５０ＭＰａである。
【００１２】
引張強度は１０００ＭＰａを超えることもできるが、機械加工がより困難になり得る。鋳造部品表面のオースフェライト層の層の厚さは、好ましくは少なくとも２ｍｍ、特に少なくとも４ｍｍである。
【００１３】
第一層を形成する鋳造部品表面のオースフェライト層の後に、鋳造部品の内部に向かって第二層があり、それはオースフェライト、従ってフェライトとオーステナイト、およびトルースタイトを含む混合構造でできている。
【００１４】
トルースタイトは微細な縞のパーライトであり、ロゼッタの形状で提供される。パーライトの微細な薄層は、とても高い倍率の光学顕微鏡下でのみ見ることができる。従って、倍率が２００倍のトルースタイトの薄層は、黒斑のみを形成する。これは、特定の薄層はとても微細なので、この倍率下では可視できないことを意味する。
【００１５】
微細な組織を通して、トルースタイトは低い内部のノッチ効果を有している。従って、トルースタイトは高い疲労強度の実現を促進する。これは、クランクシャフトのような高い圧力を加えられる部品に対してかなりの利点である。
【００１６】
鋳造部品の肉厚次第で、残りの組織、従ってオースフェライトとトルースタイトでできた第二層に隣接する鋳造部品の内部もまた、トルースタイトおよび／または、トルースタイトとパーライトを含む、パーライトよりも粗い混合組織から形成可能である。従って、例えば３０ｍｍを超える肉厚のより厚い鋳造部品において、鋳造部品の内部には、トルースタイトおよび／または、トルースタイトと、より粗いパーライトでできた混合組織が典型的には存在する。
【００１７】
これは、本発明に従った鋳造部品は傾斜材料でできていることを意味し、それは鋳造部品表面でオースフェライトからできた第一層、オースフェライトとトルースタイトを含む混合組織からできた第二層、そして任意でトルースタイトおよび／または、トルースタイトと、内部のトルースタイトより粗いパーライトの混合組織を含む。
【００１８】
本発明に従った鋳造部品が、基材として球状黒鉛ＧＪＳで製造される場合、それは両方の層に、もし提供されれば、トルースタイトをさらに含み、あるいは鋳造部品の内部におけるより粗いパーライトは球状黒鉛を含む。従って、球状黒鉛は均一に分散し、最小値はｍｍ２あたり１００黒鉛球、および横断面を基準にすれば多くても０．５％が好ましい。
【００１９】
球状黒鉛を通して、材料密度は鋼鉄材料と比較して減らされており、本発明に従った鋳造部品、従って特に本発明に従ったクランクシャフトは、同体積の鍛鋼でできたクランクシャフトよりも軽い。さらに、本発明に従った鋳造部品、特に本発明に従ったクランクシャフトにおいて、異なる構成が可能な空洞は、かなり重量の減少を提供する。
【００２０】
本発明に従った鋳造部品が製造される鋳鉄は、以下の化学成分を有する。
【００２１】
重量基準で３．２から３．９％の炭素
重量基準で２．０から２．４％のシリコン
重量基準で０．６から１．３％のマンガン
重量基準で０．６から１．０％の銅
重量基準で０．０３０から０．０５０％のマグネシウム
重量基準で０．０から０．１％の錫
重量基準で０．０から０．５％のニッケル
残部は鉄および一般的な不純物を含む。
【００２２】
これは、本発明に従った鋳造部品からできた鋳鉄が、モリブデンおよびニッケルを含まないか、あるいはごく少量のニッケルのみを含むことを意味する。従って、本発明に従った鋳造部品を製造するための鋳鉄は、さほど高価でない。
【００２３】
本発明に従った鋳造部品は、上述の化学成分を有する鋳鉄からなる鋳造物である。鋳造し正しい寸法に機械加工した後、２ステップの熱処理が実行される。
【００２４】
従って、鋳造部品は保護ガス雰囲気下で、９１０℃から９５０℃のオーステナイト化温度、特に約９２０℃にまで熱せられ、この温度で少なくとも１時間、好ましくは少なくとも２時間保たれる。その後、鋳造部品は約３００℃から４００℃の温度で、媒体内で冷却される。塩浴が冷却媒体として使用可能である。冷却媒体内の残留時間は少なくとも１時間、好ましくは少なくとも２時間である。
【００２５】
従って、鋳造部品の表面のオーステナイトは、オースフェライト層、従ってフェライトおよび残留オーステナイトからできた混合組織となる。
【００２６】
鋳造部品の表面の層は、冷却媒体に入れられると、オーステナイト化温度から急速に冷え、従って急冷して表面にオースフェライトを形成する。一方、他の冷却条件が鋳造部品の内部に向かって提供される。これは第二層の形成、従ってオーステナイトをオースフェライトとトルースタイトに変える。そして大きい肉厚の鋳造部品において、これはオーステナイトの鋳造部品の内部に向かう第二層に続くトルースタイト組織、および／またはトルースタイトと、トルースタイトより粗いパーライトを含む混合組織への転換をもたらす。
【００２７】
本発明に従った鋳造部品は、好ましくは燃焼機関のためのクランクシャフトであるが、しかしながら、それはまた、例えば、ギア、加圧成形の道具、転輪あるいは他の高応力鋳造部品にもなり得る。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
本発明を、クランクシャフトの実施例に基づく添付の図面を参照して、以下により詳細に記述する。
【図１】クランクシャフトの一部の断面図である。
【図２】図１の部分Ａの拡大図である。
【図３】オースフェライトを含む第一層を示すＳＥＭ画像である。
【図４】トルースタイトおよび／または、トルースタイトとトルースタイトよりも粗いパーライトを含む混合組織を含む第二層を示すＳＥＭ画像である。
【図５】トルースタイトおよび／または、トルースタイトとパーライトを含み、パーライトよりも粗い混合組織を含む内部５の顕微鏡画像である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１および図２に従えば、回転軸心２を備えるクランクシャフト１は、表面に第一層３を備え、クランクシャフト１の第一層３と内部５との間に第二層４を備える。参照番号６と７は、クランクシャフト１内の空洞を示す。
【００３０】
第一層３は、例えば５ｍｍの層の厚さでオースフェライトからできている。第二層４はオースフェライトとトルースタイトを含む混合組織でできており、内部５は、トルースタイトおよび／または、トルースタイトと、トルースタイトより粗いパーライトを含む、混合組織で形成されている。
【００３１】
オースフェライト層３を通して、クランクシャフト１は、特に曲げ応力およびねじり応力がかかる主軸受およびクランクピン軸受部の高負荷遷移部分において、高い強度を有する。以下の実施例は、本発明をより詳細に説明するために使用される。
【実施例】
【００３２】
クランクシャフトは以下の組成を有する鋳鉄からの鋳造物である。
【００３３】
重量基準で炭素３．５％
重量基準でシリコン２．２％
重量基準でマンガン０．９％
重量基準で銅０．８％
重量基準でマグネシウム０．０４％
重量基準で錫０．０５％
重量基準でニッケル０．２％
鋳造のクランクシャフトには、２段階の熱処理方法が行われる。
【００３４】
従って、クランクシャフトは炉内で保護ガス雰囲気下、例えばアルゴンで、９２０℃の温度にまで熱せられ、そしてこの温度で１５０分間保たれる。その後、従って鋳造部品はオーステナイト化され、塩浴内で３６０℃にまで急冷され、そこで１５０分間保たれ、続いて大気温度にまで冷やされる。
【００３５】
引張強度（Ｒｍ）および弾性限度（Ｒｍ０．２）は、例えばＤＩＮ  ＥＮ１０００２に従って決定された。オースフェライト層、従って図２のクランクシャフト１の表面の層３は、９２０ＭＰａの引張強度、および６６０ＭＰａの弾性限度を有する。
【００３６】
さらに、オースフェライト層、従って図２の第一層３、オースフェライトとトルースタイトからできた混合組織の第二層４、およびトルースタイトおよび／または、トルースタイトと比較的大きなパーライト（顕微鏡画像）からできた混合組織からできたクランクシャフトの内部５の研磨画像が、提示される。
【００３７】
オースフェライトからできた第一層３の磨かれた断面画像を、図３に示す。オースフェライトとトルースタイトを含む混合組織を含んだ第二層４の磨かれた断面画像を、図４に示す。トルースタイトおよび／または、トルースタイトと、トルースタイトより粗いパーライトを含む混合組織を含んだ内部５の混合組織画像を、図５に示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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