(57)【要約】      （修正有）【課題】鋳鉄部品の軽量化を中空にすることにより達成する。【解決手段】鋳鉄部品の表層部を脱炭処理することにより表層部の融点を上昇させた後、鋳鉄部品を一旦冷却し、表層部の内側にある非脱炭部に達する深さの流出孔をあけ、この流出孔が最下部に位置するように鋳鉄部品を保持した状態で、表層部の融点よりも低く且つ非脱炭部の融点よりも高い温度で鋳鉄部品を加熱して、非脱炭部を溶融すると同時に流出孔から流出させることにより、内部を中空とし表層部のみを殻として残すことによって、中空の鋳鉄部品を得る。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
脱炭処理により融点を上昇させた表層部を殻とし、その内側を中空とした、加工された鋳鉄部品。
【請求項２】
内側の中空の部分に補強材を設けた、請求項１記載の加工された鋳鉄部品。
【請求項３】
脱炭処理前の鋳鉄の成分が共晶炭素濃度を満足する、請求項１又は２記載の加工された鋳鉄部品。
【請求項４】
鋳鉄部品の表層部を脱炭処理することにより表層部の融点を上昇させた後、表層部の内側にある非脱炭部に達する深さの流出孔を、後に溶融する非脱炭部の流出が容易な位置にあけ、この流出孔が各流出部の最下部に位置するように鋳鉄部品を保持した状態で、表層部の融点よりも低く且つ非脱炭部の融点よりも高い温度で鋳鉄部品を加熱して、非脱炭部を溶融すると同時に各流出部の流出孔から流出させることにより、内部を中空とし表層部のみを殻として残す鋳鉄部品の加工方法。
【請求項５】
脱炭処理前の鋳鉄の成分が共晶炭素濃度を満足する、請求項４記載の鋳鉄部品の加工方法。
【請求項６】
鋳鉄部品の中空化処理を行う部分に貫通孔をあけてから鋳鉄部品を脱炭して貫通孔の内面表層部を脱炭することにより、鋳鉄部品の中空化処理の後も脱炭した貫通孔の内面表層部が鋳鉄部品の中空部分の貫通補強材として残る、請求項４又は５記載の鋳鉄部品の加工方法。
【請求項７】
鋳鉄部品を鋳造する際に、鋳鉄部品の中空化処理を行う部分に、溶湯で変形も溶融もしない部材を鋳ぐるむことにより、鋳鉄部品の中空化処理の後もその部材が鋳鉄部品の中空部分の補強材として残る、請求項４、５又は６記載の鋳鉄部品の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として鋳鉄部品の軽量化に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年自動車の各種部品に対する軽量化のニーズは止まるところがない。このために部品によっては材質をプラスチック又はアルミニウムなどの低比重のものに切り替えることにより目的の一部を達しているが、やはり鋳鉄部品そのものの軽量化に対する期待も又、大である。
【０００３】
しかしながら、この分野に関する研究は甚だ稀であり、実用的な研究は皆無といっても過言ではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで本発明者らは、比重が７．２と大きい、鋳鉄から成る部品の軽量化を達成すべく、この問題に挑んだのである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そして本発明者らは、遂に以下に述べる発明を完成するに至った。
即ち、脱炭処理により融点を上昇させた表層部を殻としその内側を中空とした、加工された鋳鉄部品を完成するに至ったのである。
【０００６】
この加工された鋳鉄部品は、脱炭された殻状の表層部のみによって構成され、その内側は、中空である点において、全く新規なるものである。又これを製造するための鋳鉄部品の加工方法も又全く新規なる方法である。然もこの加工された鋳鉄部品は、脱炭されているから溶接が可能でその上に融点も上昇した。必要に応じて付加される補強材を除いて内部が中空である点において、又は補強材自体も本発明に係る中空である点において、全く新規なるものである。補強材については、実施例１及び実施例２において実例を示す。
【０００７】
この加工された鋳鉄部品は、鋳鉄部品の表層部を脱炭処理することにより表層部の融点を上昇させた後、表層部の内側にある非脱炭部に達する深さの流出孔を、後に溶融する非脱炭部の流出が容易な位置にあけ、この流出孔が各流出部の最下部に位置するように鋳鉄部品を保持した状態で、表層部の融点よりも低く且つ非脱炭部の融点よりも高い温度で鋳鉄部品を加熱して、非脱炭部を溶融すると同時に各流出部の流出孔から流出させることにより内部を中空とし表層部のみを殻として残す方法、によって得ることが出来る。
【０００８】
鋳鉄部品が複雑な形状の場合には、非脱炭部を幾つかの流出部に分けて、各流出部に流出孔を設ける。非脱炭部を溶融すると同時に各流出部の流出孔から流出させた後、流出孔を塞がずにそのまま放置してもよいし、必要に応じてその一部又は全部を塞いでもよい。又流出孔が各流出部の最下部に位置するように鋳鉄部品を保持した状態で、溶融した非脱炭部を流出孔から流出させるとき溶融した非脱炭部が流出しないような位置に、ガスの流入が可能なガス孔をあけておくことも又本発明に含まれる。このガス孔も流出孔と同様に、塞がずにそのまま放置してもよいし、必要に応じてその一部又は全部を塞いでもよい。
【０００９】
表層部を脱炭処理する方法は、これを特に限定するものではなく、能率的且つ安定的な効果が得られる方法であればよい。本発明の実施例には、プロパンガスを変成したガス雰囲気中で１０６０°Ｃに加熱して行う方法を記載した。鋳鉄部品の表層部を脱炭処理することにより表層部の融点が上昇する状態は、図１〜図３に示すところである。例えば図１において、Ｃの含有量が２％以上の場合には融点は約１１５０°Ｃであるが、脱炭処理して１％になると融点は約１３５０°Ｃとなり、２００°Ｃも上昇する。
【００１０】
そこで、上昇した融点、この場合は１３５０°Ｃを持つ表層部に対し、表層部の内側にある非脱炭部の融点は約１１５０°Ｃのままであるから、表層部の上昇した融点よりも低く且つ非脱炭部の融点よりも高い温度、例えば１２００°Ｃで鋳鉄部品全体を加熱すると非脱炭部のみが溶融する。
【００１１】
従って、鋳鉄部品の表層部を脱炭処理することにより表層部の融点を上昇させた後、鋳鉄部品を一旦冷却して機械加工が可能な温度、通常は常温とし、表層部の内側にある非脱炭部に達する深さの流出孔を、後に溶融する非脱炭部の流出が容易な位置にあけ、この流出孔が各流出部の最下部に位置するように鋳鉄部品を保持した状態で、表層部の融点よりも低く且つ非脱炭部の融点よりも高い温度、例えば１２００°Ｃで鋳鉄部品を加熱して、非脱炭部を溶融させれば、非脱炭部は溶融すると同時に各流出部の最下部に位置した流出孔から重力によって自然に流出する。そして脱炭処理により融点が上昇した表層部のみが溶融せずに殻として残ることになる。
【００１２】
鋳鉄部品の表層部を脱炭処理し一旦冷却した後、機械加工であける流出孔の深さは非脱炭部まで達していなければならない。流出孔の深さが非脱炭部まで達していない場合には、溶融した非脱炭部を、殻である表層部の外に流出させることが出来ない。表層部の脱炭層の厚さは、雰囲気ガスの成分調整、処理温度、及び処理時間のコントロールによって十分に管理可能であることは実施例において示すところである。鋳鉄部品が要求される性質に従って、脱炭処理や中空化処理の条件を決定すればよい。
【００１３】
流出孔が各流出部の最下部に位置するように鋳鉄部品を保持した状態で、表層部の融点よりも低く且つ非脱炭部の融点よりも高い温度、例えば１２００°Ｃで鋳鉄部品を加熱して、非脱炭部を溶融させ、溶融と同時に各流出部の最下部に位置した流出孔から重力によって自然に流出させる処理を、便宜上、中空化処理と称する。
【００１４】
本発明において、加工の為に鋳鉄部品を高温に曝すのは、脱炭処理と中空化処理とである。これらの処理において、鋳鉄部品の全ての部分をなるべく均等に処理するために鋳鉄部品は、鋳造における注湯の時不純物除去用に使用するセラミック製矩形フィルタ（例えばフォセコ社のセデックス＝登録商標）の上にセットする。
【００１５】
このフィルタは三次元メッシュになっているため、脱炭処理の場合には鋳鉄部品のフィルタ接触面も他の面と同様に雰囲気ガスに曝されて脱炭される。中空化処理の場合には鋳鉄部品のフィルタ接触面も他の面と同様に加熱されるし、又非脱炭部が溶融し溶融と同時に各流出部の最下部に位置した流出孔から重力によって自然に流出するのを妨げられることもない。
【００１６】
中空化処理が完了した後、流出孔を塞いでそのまま部品として用いる場合と、流出孔を塞がないか又は一部の流出孔のみ塞いだ状態で、そのまま部品として用いる場合とある。孔を塞がずに一種の熱交換機として用いる場合もある。
【００１７】
言うまでもなく通常の鋳鉄部品は溶接が不可能であるが、本発明に係る加工された鋳鉄部品として形状を保って居るのは、溶融せずに残った表層部から成る殻つまり脱炭処理により融点を上昇させた表層部であるから、この表層部はＣの含有量が低く溶接が可能である。従って、流出孔を塞ぐことは溶接で容易に行うことが出来る。この流出孔塞ぎは溶接で行うのが簡単であるが他の方法例えば流出孔と丸部材の双方にネジを切り丸部材を流出孔にねじ込む方法でもよい。ガス孔を設けた場合のガス孔の塞ぎ方も流出孔の場合と同様である。又本発明に係る加工された鋳鉄部品を更に引き続き加工する場合でも、溶接が可能であるから、溶接不可能な通常の鋳鉄部品に比べて、大きなメリットを有する。
【００１８】
脱炭処理前の鋳鉄部品の成分が共晶炭素濃度（Ｃ＋Ｓｉ／３＝４．３％）を満足する組成であると、Ｆｅ−Ｃ系の場合、共晶温度１１４７°Ｃで非脱炭部の溶融鋳鉄は固相を含まない純粋な液相となるため粘性が小さく穴からの流出が最も容易となる。
【００１９】
鋳鉄部品の中空化処理を行う部分に貫通孔をあけてから鋳鉄部品を脱炭して貫通孔の内面表層部を脱炭することにより、鋳鉄部品の中空化処理の後も脱炭した貫通孔の内面表層部が鋳鉄部品の中空部分の貫通補強材として残るようにすれば、鋳鉄部品の中空部分の補強に有効である。この実例の一つは実施例１として、図４〜図８において示すところである。中空化処理後、貫通補強材の開口部は、必要に応じて塞げばよい。                  
【００２０】
又、鋳鉄部品を鋳造する際に、鋳鉄部品の中空化処理を行う部分に、溶湯で変形も溶融もしない部材、例えば鋼材を鋳ぐるむことにより、鋳鉄部品の中空化処理の後もその部材が鋳鉄部品の中空部分の補強材として残るようにしても、鋳鉄部品の中空部分の補強に有効である。この実例の一つは実施例２として、図９〜図１５において示すところである。
【００２１】
鋳造によれば複雑な形状の部品が容易に得られるので、こうして得られた鋳鉄部品に本発明の方法を適用すれば、複雑な形状の中空部品が容易に得られる。中空部品は周知の通り、ねじり、曲げに対する重量当たりの強度が高いので、本発明により複雑な形状の部品の軽量化が容易に達成される。然も本発明によれば、加工された鋳鉄部品即ち中空部品は脱炭処理の結果、融点が上昇し且つ溶接可能となっているので、用途も拡大し、引き続き溶接加工する場合の加工も容易である。
【００２２】
これに対して、鋳造において同じ形状の部品の中空化を、通常の中子を用いる方法やロストワックス法で達成することは技術的に殆ど不可能である。仮に達成できたとしても甚だしく高コストとなることは明らかであり、又材質的に見ても、通常の中子を用いる方法やロストワックス法で製作した通常の鋳鉄部品は本発明に係る「加工された鋳鉄部品」とは全く異なる。従って本発明に係る「加工された鋳鉄部品」は、その中空の構造と加工による材質の変化から見て全く新規なものである。又その加工方法も、脱炭処理と中空化処理から成る全く新規な方法である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、従来の中子を用いる方法やロストワックス法では不可能と言ってもよいほど困難又は高コストであった、鋳鉄を素材とする複雑な形状の中空部品を、極めて容易にしかも低コストで製造することが可能となった。この結果、鋳鉄を素材とする部品の軽量化に寄与するところ大である。又本発明に係る加工された鋳鉄部品は、脱炭されたために殻として残った表層部そのものであるから、通常の鋳鉄部品よりも融点が上昇し且つ溶接可能となっているので、その用途の広がりを期待できる。又、本発明に係る加工された鋳鉄部品を更に引き続き加工する場合でも、溶接が可能であるから、溶接不可能な通常の鋳鉄部品に比べて、大きなメリットを有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
表層部の脱炭の厚さ、つまり加工された鋳鉄部品の肉厚は、脱炭処理における雰囲気ガスの成分調整、処理温度及び処理時間のコントロール並びに中空化処理における加熱温度及び加熱時間のコントロールによって十分に管理可能であるから鋳鉄部品が要求される機能に従って、脱炭処理や中空化処理の条件を決定すればよい。
【００２５】
ここにその大凡の目安を示すならば、表層部の厚さは１〜５ｍｍ程度、又そのＣ濃度は０．１〜２．０％程度で、中空化処理の加熱温度は１１８０〜１２００°Ｃ程度、加熱時間は１０〜２０分程度が望ましい。更に詳細なデータについては、後述する。
【実施例１】
【００２６】
この「実施例１」に記載するのは、内部ネジ付きパイプ部品についての多数の実施例（一部実験的なものを含む）の結果を纏めたものである。ここで用いる鋳鉄の材質はＦＣＤ４５０で、その化学成分（％）は表１に示す。
【表１】
2005219083.tif 000003
【００２７】
このＦＣＤ４５０で内部ネジ付きパイプ部品を鋳造し、直径６ｍｍの貫通孔をあけた後、その表層部を脱炭処理する。この処理条件を表２に示す。この脱炭処理により貫通孔の内面からその表層部が脱炭されるので、後に中空化処理を行ったときに貫通孔の部分が溶融せずに残り、内部ネジ付きパイプ部品の中空部分を貫通する貫通補強材となる。内部ネジ付きパイプ部品に脱炭処理及び中空化処理を施すことが最初から予定されている場合には、貫通孔は鋳造時にあけておくことが望ましい。脱炭処理直前のワーク（ここでは内部ネジ付きパイプ部品のこと）の状態を図４に示す。
【表２】
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【００２８】
内部ネジ付きパイプ部品の脱炭処理に際しては、雰囲気ガスが全体に斑なく当たるように、ワークをフィルタの上にセットする。このフィルタには、鋳造の注湯時に不純物除去用として使用する、三次元メッシュ形状のセラミック製矩形フィルタを用いた。この状態を図５に示す。
【００２９】
内部ネジ付きパイプ部品を脱炭処理し、一旦冷却した後、流出孔をあける。その位置は中空化処理の際に各流出部の最下部となるべき位置である。流出孔は、脱炭処理後、通常は常温において機械加工によってあけられる。流出孔は脱炭処理された表層部を突き抜けて、内部の非脱炭部迄達していることが肝要である。直径５．８ｍｍ、深さ５．０ｍｍの流出孔を２個あけたワークの状態を図６に示す。
【００３０】
中空化処理は、脱炭処理と同様、ワークを三次元メッシュ形状のセラミック製矩形フィルタにセットして行った。この状態を図７に示す。フィルタは三次元メッシュ形状であるから、内部の溶融物の流出が妨げられることはない。脱炭処理においても中空化処理においても、ワークをセットする台はフィルタに限らず、同じ目的を達するものであればネットのようなものでも又他のものでもよい。中空化処理の処理条件を表３に示す。
【表３】
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【００３１】
中空化処理後、約９００°Ｃまで炉内で冷却した後、炉より取り出して更に冷却する。こうして内部が中空の鋳鉄部品が得られるが、必要に応じ流出孔を溶接などで塞げば、内部が密閉した空間となる鋳鉄部品が得られる。流出孔を塞いだ所を図８に示す。ガス孔をあけた場合のガス孔の扱い方も流出孔と同様である。
【００３２】
実施例１においてここまで述べてきたところで得られた実施例品（一部は実験品）についてのデータを、表４及び表５に纏めた。加工前鋳鉄部品にあけておいた貫通孔は、当初の孔径（６ｍｍ）を内径とし、脱炭層厚みを肉厚として、中空部分を貫通する貫通補強材となっている。貫通補強材の肉厚は内部ネジ付きパイプ部品本体の肉厚とほぼ同等であった。
【表４】
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【表５】
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【実施例２】
【００３３】
補強材として鋼を用いた鋼板鋳ぐるみによる内部補強材付きシャフトの実施例である。鋳鉄部品の材質は実施例１と同じく、ＦＣＤ４５０（ダクタイル鋳鉄）である。脱炭処理条件としては、表２の条件中、時間の水準を２４Ｈｒに絞った。中空化処理条件としては、表３の条件中、温度の水準を１１９０°Ｃに絞った。以上の条件で脱炭処理及び中空化処理を行った結果、加工前部品重量＝１．５５Ｋｇが加工後部品重量＝０．８Ｋｇとなり、軽量化率は４８％であった。
【００３４】
実施例２に係る工程を、図９〜図１５において示す。図９は、内部補強材を鋳型（砂型）の下型にセットしたところを示す、一部断面一部見取り図である。内部補強材は鋼材で板厚１ｍｍ、外径は（約３０ｍｍのシャフト外径−１）ｍｍ、中央には溶湯が上昇出来るように、１２ｍｍの孔をあけておく。ワッシャー状のこの補強材３枚に１２０°おきに直径２ｍｍの孔を三個あけ、直径２ｍｍのＳＳ材のピン３本をこの孔に通して補強材３枚を串刺しとし、３枚を適当な間隔をおいてピンに垂直に固定する。更にこのピンを下型中央に刺し込んで、補強材を鋳型に固定する。
【００３５】
図９の鋳型を用いて、ダクタイル鋳鉄で通常の鋳造法により製作した加工前の鋳鉄部品を図１０に示す。図１１は、脱炭処理の状態を、図１２は流出孔をあけた状態を示す。図１３は、中空化処理の状態を示す。これが完了して流出孔を塞ぎ、加工後の鋳鉄部品の断面を示したのが図１４である。内部補強材は、シャフト内部にしっかりと固定されている。内部補強材の板厚は１ｍｍと薄く、熱容量が小さいため、シャフト本体に鋳ぐるみ、完全に接合される。そのため溶湯流出後もシャフト内に残り、強固な内部補強材として機能する。
【００３６】
図１５において中空化処理の際のワークの姿勢の一例を断面で示す。このワークは、図１４のワークと外形は殆ど同形であるが、Ａの部分とＢの部分とをつなぐＣの部分が図１４の場合よりも薄くて中空化が無理な場合である。この場合非脱炭部が分断されているので流出部が二つになる。従って流出孔も少なくとも二つは必要となり、中空化処理の際のワークの姿勢も図１５のようになる。
【００３７】
このように、複雑な形状の部品の場合、部品の形状に応じて、流出部の取り方、流出孔の位置、中空化処理の際のワークの姿勢を決定することが必要である。場合によっては、例えばフィルタのようなワークを支える台に段や窪みを付ける場合もある。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明によれば、鋳鉄を素材とする複雑な形状の部品の中空化と溶接性付与とが同時に簡単に実現するから、軽量化が要求される広い分野での応用が期待される。特に自動車のように、車体重量が比例的に燃費に影響する分野での利用が大いに期待される。更に本発明に係る加工された鋳鉄部品は通常の鋳鉄部品に比し、溶接が可能であることから、一層広い分野での利用が大いに期待される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】Ｆｅ−Ｃ状態図（Ｓｉ＝０％の場合）。
【図２】Ｆｅ−Ｃ状態図（Ｓｉ＝２．４％の場合）。
【図３】Ｆｅ−Ｃ状態図（Ｓｉ＝４．８％の場合）。
【図４】脱炭処理前の内部ネジ付きパイプ部品を示す一部断面一部見取図。
【図５】内部ネジ付きパイプ部品の脱炭処理の状態を示す。
【図６】流出孔を２個あけたワークの状態を示す。
【図７】中空化処理の状態を示す。
【図８】加工後の内部ネジ付き中空パイプ部品を示す一部断面一部見取図。
【図９】内部補強材を鋳型にセットした所を示す一部断面一部見取図である。
【図１０】通常の鋳造法での鋳ぐるみによる内部補強材付きシャフトを示す。
【図１１】内部補強材付きシャフトの脱炭処理の状態を示す。
【図１２】流出孔をあけた状態を示す。
【図１３】中空化処理の状態を示す。
【図１４】加工後の内部補強材付き中空シャフトの断面を示す。
【図１５】中空化処理の際のワークの姿勢の一例（流出部が二つの例）。
【符号の説明】
【００４０】
１        加工前の鋳鉄部品
２        貫通孔
３        フィルタ
４        流出孔
５        ガス孔
６        加工後の鋳鉄部品（中空）
７        貫通補強材
８        鋳型（下型）
９        鋳型（上型）
１０      内部補強材
１１      部品の中空部分（非脱炭部が溶融して流出し中空となった部分）
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2005219083.tif 000018
【図１２】
2005219083.tif 000019
【図１３】
2005219083.tif 000020
【図１４】
2005219083.tif 000021
【図１５】
2005219083.tif 000022