(57)【要約】【課題】良好な生産性を有しかつ生産コストを抑制し得る鋳鉄部品、鋳鉄部品の製造方法および製造装置を提供する。【解決手段】脱炭処理により融点を上昇させた表層部１２を殻とし、表層部１２の内側に位置しかつ表層部１２より低い融点を有する非脱炭部を溶融して流出させることで中空部１４が形成される鋳鉄部品１０である。表層部１２の炭素濃度は、外部に面する表面１２Ａから中空部１４に面する表面１２Ｂに向って一旦低下したあと増加する濃度分布パターンを有する。【選択図】図１
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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、前記表層部の内側に位置しかつ前記表層部より低い融点を有する非脱炭部を溶融して流出させることで中空部が形成される鋳鉄部品であって、
前記表層部の炭素濃度は、外部に面する表面から前記中空部に面する表面に向って一旦低下したあと増加する濃度分布パターンを有する
ことを特徴とする鋳鉄部品。
【請求項２】
前記表層部における前記外部に面する表面の炭素濃度は、０．３〜０．８％であり、
前記表層部における炭素濃度が一旦低下した部位の炭素濃度は、０．３％未満である
ことを特徴とする請求項１に記載の鋳鉄部品。
【請求項３】
前記表層部は、焼き入れによるマルテンサイト組織により硬化された表面硬化層、あるいは、パーライト組織率を制御する制御冷却により硬化された表面硬化層を有することを特徴とする請求項２に記載の鋳鉄部品。
【請求項４】
自動車部品に適用されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋳鉄部品。
【請求項５】
脱炭処理により融点を上昇させた表層部を殻とし、前記表層部の内側に位置しかつ前記表層部より低い融点を有する非脱炭部を溶融して流出させることで中空部が形成される鋳鉄部品の製造方法であって、
前記表層部と前記非脱炭部とを有する鋳鉄部品素材を形成する脱炭工程を有し、
前記脱炭工程は、
非脱炭部側から外部に面する表面に向って減少するように、第１カーボンポテンシャルを使用し、脱炭処理を実行する第１脱炭工程と、
前記第１脱炭工程の後、前記第１カーボンポテンシャルより大きい第２カーボンポテンシャルを使用し、前記外部に面する表面の炭素濃度を増加するように、脱炭処理を実行する第２脱炭工程と、を有し、
前記表層部の炭素濃度に、前記外部に面する表面から前記非脱炭部側に向って一旦低下したあと増加する濃度分布パターンが付与される
ことを特徴とする鋳鉄部品の製造方法。
【請求項６】
前記第１脱炭工程においては、前記第１カーボンポテンシャルを有する第１雰囲気ガスが循環する第１チャンバに、前記鋳鉄部品素材が配置され、脱炭処理が実行され、
前記第２脱炭工程においては、前記第１チャンバと同一温度かつ前記第２カーボンポテンシャルを有する第２雰囲気ガスが循環する第２チャンバに、前記鋳鉄部品素材が、移動させられ、脱炭処理が実行される
ことを特徴とする請求項５に記載の鋳鉄部品の製造方法。
【請求項７】
前記鋳鉄部品素材を前記表層部の融点より低くかつ前記非脱炭部の融点より高い温度まで昇温し、前記非脱炭部を溶融して流出させることにより、前記鋳鉄部品素材に中空部を形成する中空部形成工程と、
前記中空部形成工程の後において前記鋳鉄部品素材を冷却する際、前記表層部の焼入れによるマルテンサイト組織により硬化された表面硬化層を形成する焼入工程あるいは前記表層部のパーライト組織率を制御する制御冷却により表面硬化層を形成する制御冷却工程と、
を有することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の鋳鉄部品の製造方法。
【請求項８】
前記鋳鉄部品は、自動車部品に適用されることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の鋳鉄部品の製造方法。
【請求項９】
脱炭処理により融点を上昇させた表層部を殻とし、前記表層部の内側に位置しかつ前記表層部より低い融点を有する非脱炭部を溶融して流出させることで中空部が形成される鋳鉄部品の製造装置であって、
前記表層部と前記非脱炭部とを有する鋳鉄部品素材を形成する脱炭手段を有し、
前記脱炭手段は、前記鋳鉄部品素材の周囲の雰囲気ガスに関し、第１カーボンポテンシャルから、前記第１カーボンポテンシャルより大きい第２カーボンポテンシャルに変更する変更手段を有し、
前記表層部の炭素濃度が、非脱炭部側から外部に面する表面に向って減少するように、前記第１カーボンポテンシャルを使用し、脱炭処理を実行した後、前記第２カーボンポテンシャルを使用し、前記外部に面する表面の炭素濃度を増加するように、脱炭処理を実行することにより、
前記表層部の炭素濃度に、前記外部に面する表面から前記非脱炭部側に向って一旦低下したあと増加する濃度分布パターンが付与される
ことを特徴とする鋳鉄部品の製造装置。
【請求項１０】
前記変更手段は、
前記第１カーボンポテンシャルを有する第１雰囲気ガスが循環しかつ前記鋳鉄部品素材が配置される第１チャンバと、
前記第１チャンバと同一温度かつ前記第２カーボンポテンシャルを有する第２雰囲気ガスが循環する第２チャンバと、
前記鋳鉄部品素材を前記第１チャンバから前記第２チャンバに移動させる移動手段と、
を有することを特徴とする請求項９に記載の鋳鉄部品の製造装置。
【請求項１１】
前記鋳鉄部品は、自動車部品に適用されることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の鋳鉄部品の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳鉄部品、鋳鉄部品の製造方法および製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋳鉄部品の軽量化のため、脱炭による融点差を利用した中空化（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、表層部の融点よりも低くかつ非脱炭部の融点よりも高い温度で加熱し、非脱炭部のみを溶融して流出させることにより内部を中空とする）が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２１９０８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、脱炭時間を短縮するため、カーボンポテンシャルを低くする場合、鋳鉄部品の表面の炭素濃度が低くなり、強度が低下するため、コーティングや熱処理によって強度を補強することが別途必要となり、生産コストが上昇する問題を有する。
【０００５】
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、良好な生産性を有しかつ生産コストを抑制し得る鋳鉄部品、鋳鉄部品の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明の一様相は、脱炭処理により融点を上昇させた表層部を殻とし、前記表層部の内側に位置しかつ前記表層部より低い融点を有する非脱炭部を溶融して流出させることで中空部が形成される鋳鉄部品である。前記表層部の炭素濃度は、外部に面する表面から前記中空部に面する表面に向って一旦低下したあと増加する濃度分布パターンを有する。
【０００７】
上記目的を達成するための本発明の別の一様相は、脱炭処理により融点を上昇させた表層部を殻とし、前記表層部の内側に位置しかつ前記表層部より低い融点を有する非脱炭部を溶融して流出させることで中空部が形成される鋳鉄部品の製造方法であって、前記表層部と前記非脱炭部とを有する鋳鉄部品素材を形成する脱炭工程を有する。前記脱炭工程は、非脱炭部側から外部に面する表面に向って減少するように、第１カーボンポテンシャルを使用し、脱炭処理を実行する第１脱炭工程と、前記第１脱炭工程の後、前記第１カーボンポテンシャルより大きい第２カーボンポテンシャルを使用し、前記外部に面する表面の炭素濃度を増加するように、脱炭処理を実行する第２脱炭工程と、を有し、前記表層部の炭素濃度に、前記外部に面する表面から前記非脱炭部側に向って一旦低下したあと増加する濃度分布パターンが付与される。
【０００８】
上記目的を達成するための本発明の別の一様相は、脱炭処理により融点を上昇させた表層部を殻とし、前記表層部の内側に位置しかつ前記表層部より低い融点を有する非脱炭部を溶融して流出させることで中空部が形成される鋳鉄部品の製造装置であって、前記表層部と前記非脱炭部とを有する鋳鉄部品素材を形成する脱炭手段を有する。前記脱炭手段は、前記鋳鉄部品素材の周囲の雰囲気ガスに関し、第１カーボンポテンシャルから、前記第１カーボンポテンシャルより大きい第２カーボンポテンシャルに変更する変更手段を有し、前記表層部の炭素濃度が、非脱炭部側から外部に面する表面に向って減少するように、前記第１カーボンポテンシャルを使用し、脱炭処理を実行した後、前記第２カーボンポテンシャルを使用し、前記外部に面する表面の炭素濃度を増加するように、脱炭処理を実行することにより、前記表層部の炭素濃度に、前記外部に面する表面から前記非脱炭部側に向って一旦低下したあと増加する濃度分布パターンが付与される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一様相に係る鋳鉄部品によれば、表層部の炭素濃度に関し、外部に面する表面から中空部に面する表面に向って一旦低下したあと増加する濃度分布パターンの付与は、表層部と非脱炭部とを有する鋳鉄部品素材を形成する際、非脱炭部側から外部に面する表面に向って減少するように、第１カーボンポテンシャルを使用し、脱炭処理を実行した後、第１カーボンポテンシャルより大きい第２カーボンポテンシャルを使用し、外部に面する表面の炭素濃度を増加するように、脱炭処理を実行することにより、達成することが可能である。この場合、第１カーボンポテンシャルは第２カーボンポテンシャルより低いため、第１カーボンポテンシャルを使用した脱炭処理は、第２カーボンポテンシャルを使用した脱炭処理に比較し、脱炭時間を短縮することが可能である。また、表層部における外部に面する表面の炭素濃度は、第２カーボンポテンシャルを使用した脱炭処理によって、第１カーボンポテンシャルを使用した脱炭処理に比較し、大きくなっているため、強度を確保することが容易であり、強度を補強するためのコーティングや熱処理が不要となり、生産コストの上昇を抑制することが可能である。つまり、脱炭処理の時間短縮および破損起点となる表層部の強度の両立が可能であり、良好な生産性を有しかつ生産コストを抑制し得る鋳鉄部品を提供することができる。
【００１０】
本発明の別の一様相に係る鋳鉄部品の製造方法および製造装置によれば、第１カーボンポテンシャルは第２カーボンポテンシャルより低いため、第１カーボンポテンシャルを使用した脱炭処理は、第２カーボンポテンシャルを使用した脱炭処理に比較し、脱炭時間を短縮することが可能である。また、表層部における外部に面する表面の炭素濃度は、第２カーボンポテンシャルを使用した脱炭処理によって、第１カーボンポテンシャルを使用した脱炭処理に比較し、大きくなっているため、強度を確保することが容易であり、強度を補強するためのコーティングや熱処理が不要となり、生産コストの上昇を抑制することが可能である。つまり、脱炭処理の時間短縮および破損起点となる表層部の強度の両立が可能であり、良好な生産性を有しかつ生産コストを抑制し得る鋳鉄部品の製造方法および製造装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係る鋳鉄部品を説明するための断面図である。
【図２】図１に示される鋳鉄部品の平面図である。
【図３】図１に示される鋳鉄部品の底面図である。
【図４】図１に示される鋳鉄部品の炭素濃度を説明するためのグラフである。
【図５】本発明の実施の形態に係る鋳鉄部品の製造方法を説明するための工程図である。
【図６】図５に示される機械加工工程に投入される鋳鉄部品素材を説明するための断面図である。
【図７】図５に示される脱炭工程を経た鋳鉄部品素材を説明するための断面図である。
【図８】図７に示される鋳鉄部品素材の炭素濃度を説明するためのグラフである。
【図９】図５に示される湯抜き穴形成工程を説明するための断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る鋳鉄部品の製造装置を説明するための概略図である。
【図１１】図５に示される脱炭工程の処理条件を説明するためのグラフである。
【図１２】本発明の実施の形態に係る変形例１を説明するための工程図である。
【図１３】本発明の実施の形態に係る変形例２を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施の形態に係る鋳鉄部品を説明するための断面図、図２および図３は、図１に示される鋳鉄部品の平面図および底面図、図４は、図１に示される鋳鉄部品の炭素濃度を説明するためのグラフである。
【００１４】
図１に示される本発明の実施の形態に係る鋳鉄部品１０は、ディファレンシャルケースである。ディファレンシャルケースは、パワートレイン、エンジンおよびトランスミッションを収容するケースに配置され、ディファレンシャルギアを収容するために使用される自動車部品である。鋳鉄部品１０は、自動車部品に特に限定されない。
【００１５】
鋳鉄部品１０は、殻となる表層部１２と、表層部１２の内側に位置する中空部１４と、を有する。表層部１２は、脱炭処理により融点を上昇させた部位である。中空部１４は、表層部１２より低い融点を有する非脱炭部を溶融して流出させることで形成されている。なお、符号１６および符号１８は、非脱炭部を溶融して流出させる際に利用された湯抜き穴および空気穴を示しており、中空部１４に貫通している。
【００１６】
表層部１２の炭素濃度は、図４に示されるように、外部に面する表面１２Ａから中空部１４に面する表面１２Ｂに向って一旦低下したあと増加する濃度分布パターンを有する。
【００１７】
濃度分布パターンの付与は、後述するように、表層部１２と非脱炭部（中空部１４を構成することとなる部位）とを有する鋳鉄部品素材を形成する際、非脱炭部側から外部に面する表面１２Ａに向って減少するように、脱炭処理を実行した後、カーボンポテンシャルを増加させ、外部に面する表面１２Ａの炭素濃度を増加するように、脱炭処理を実行することにより、達成することが可能である。この場合、最初のカーボンポテンシャル（第１カーボンポテンシャル）ＣＰ１は、後のカーボンポテンシャル（第２カーボンポテンシャル）ＣＰ２より低いため、カーボンポテンシャルＣＰ１を使用した脱炭処理は、カーボンポテンシャルＣＰ２を使用した脱炭処理に比較し、脱炭時間を短縮することが可能である。また、表層部１２における外部に面する表面１２Ａの炭素濃度は、カーボンポテンシャルＣＰ２を使用した脱炭処理によって、カーボンポテンシャルＣＰ１を使用した脱炭処理に比較し、大きくなっているため、強度を確保することが容易であり、強度を補強するためのコーティングや熱処理が不要となり、生産コストの上昇を抑制することが可能である。つまり、脱炭処理の時間短縮および破損起点となる表層部の強度の両立が可能であり、良好な生産性を有しかつ生産コストを抑制し得る鋳鉄部品を提供することができる。特に、自動車部品に適用される場合、良好な生産コストおよび生産性を有する自動車部品を得ることが可能である。
【００１８】
表層部１２は、焼き入れによるマルテンサイト組織により硬化された表面硬化層、あるいは、パーライト組織率を制御する制御冷却により硬化された表面硬化層を有することが好ましい。この場合、表層部１２の硬度が向上した鋳鉄部品となる。表面硬化層の硬さは、実用上、２５ＨＲＣ（ロックウェル硬さスケールＣ）以上が好ましい。
【００１９】
一般的に、焼き入れの効果が表れるのは炭素濃度が０．３％前後である。また、焼き入れの際、０．８％の炭素濃度を境として、炭化物や残留オーステナイト組織の生成のため、０．８％を超える濃度領域は、強度的に不利である。さらに、強制送風を利用するなどによって冷却速度を大きくする場合、焼き入れされなくとも、硬度向上に対する一定の効果を得ることが可能であるが、炭素濃度が０．３％未満の場合、フェライト組織が多くなり、柔らかくなるため、強度的に不利である。したがって、良好な強度の表層部１２を有する鋳鉄部品を得るためには、表層部１２における外部に面する表面（最表層部）１２Ａの炭素濃度は、０．３〜０．８％が好ましく、また、炭素濃度の低下した部位（底部）における値は、０．３％未満であることが好ましい。
【００２０】
次に、鋳鉄部品１０の製造方法および製造装置を説明する。
【００２１】
図５は、本発明の実施の形態に係る鋳鉄部品の製造方法を説明するための工程図、図６は、図５に示される機械加工工程に投入される鋳鉄部品素材を説明するための断面図、図７は、図５に示される脱炭工程を経た鋳鉄部品素材を説明するための断面図、図８は、図７に示される鋳鉄部品素材の炭素濃度を説明するためのグラフ、図９は、図５に示される湯抜き穴形成工程を説明するための断面図、図１０は、本発明の実施の形態に係る鋳鉄部品の製造装置を説明するための概略図、図１１は、図５に示される脱炭工程の処理条件を説明するためのグラフである。
【００２２】
鋳鉄部品１０の製造方法は、概して、機械加工工程、加熱工程、脱炭工程、冷却工程、湯抜き穴形成工程、中空部形成工程、冷却工程およびショットブラスト工程を有する。
【００２３】
機械加工工程においては、図５に示される鋳造して得られた中実の鋳鉄部品素材（半製品）２０に対して、機械加工（例えば、切削加工）が施されて、完成品（鋳鉄部品）に略一致する外観形状に成形される。
【００２４】
適用可能な鋳鉄は、球状黒鉛鋳鉄（ダクタイル鋳鉄）、強靭鋳鉄、ねずみ鋳鉄、白鋳鉄、まだら鋳鉄などの普通鋳鉄、黒心可鍛鋳鉄（ＦＣＭＢ）、白心可鍛鋳鉄（ＦＣＭＷ）、可鍛鋳鉄、合金鋳鉄などである。可鍛鋳鉄は、例えば、パーライト可鍛鋳鉄（ＦＣＭＰ）である。合金鋳鉄は、例えば、高クロム鋳鉄、高ケイ素鋳鉄、二レジスト（Ｎｉ−Ｃｒ−Ｃｕ鋳鉄）である。球状黒鉛鋳鉄は、機械的強度や靭性に優れるため、好ましい。
【００２５】
また、成分がＦｅ−Ｃ系かつ共晶炭素濃度（Ｃ＋Ｓｉ／３＝４．３％）を満足する組成である場合、共晶温度１１４７℃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り、粘性が小さくなる。したがって、後述するように、中空部形成工程の湯抜き工程における穴からの流出が容易となるため、好ましい。
【００２６】
加熱工程においては、機械加工が施された鋳鉄部品素材２０が、脱炭処理装置１００（図１０）に配置され、例えば、１０５０〜１１００℃まで昇温される。
【００２７】
脱炭工程においては、脱炭処理により融点を上昇させた表層部２２（例えば、２ｍｍ以上）と、表層部２２の内側に位置しかつ表層部２２より低い融点を有する非脱炭部２４と、を有する鋳鉄部品素材２０が形成される（図７）。図８に示されるように、表層部２２の炭素濃度に、外部に面する表面２２Ａから非脱炭部側に向って一旦低下したあと増加する濃度分布パターンが付与される。表層部１２における外部に面する表面（最表層部）２２Ａの炭素濃度は、上述のように、０．３〜０．８％であり、炭素濃度の低下した部位（底部）における値は、０．３％未満であることが好ましい。なお、脱炭処理においては、炭素が拡散することで酸素と反応して基材が脱炭され、拡散変態によりフェライト量が増加していくと共に、マルテンサイト組織が熱的に安定なオーステナイト組織へ変態することで耐熱性が向上する。
【００２８】
冷却工程においては、脱炭処理装置１００から取り出された鋳鉄部品素材２０が、機械加工が可能な温度（例えば、常温）まで、冷却される。
【００２９】
湯抜き穴形成工程においては、図９に示されるように、鋳鉄部品素材２０に対し、湯抜き穴２６および空気穴２８（鋳鉄部品１０の湯抜き穴１６および空気穴１８に対応）が形成される。湯抜き穴２６および空気穴２８は、例えば、直径５．８ｍｍかつ深さ５．０ｍｍであり、表層部２２の内側にある非脱炭部２４に達する深さを有する。湯抜き穴２６は、溶融した非脱炭部の流出が容易な位置（各流出部の最下部）に配置される。空気穴２８は、溶融した非脱炭部が流出しない位置に配置され、かつ、空気の流入が可能に構成される。湯抜き穴２６および空気穴２８の形状、設置位置および設置数は、鋳鉄部品素材２０の形状に応じて、適宜設定される。
【００３０】
中空部形成工程は、加熱工程および湯抜き工程を有する。
【００３１】
加熱工程においては、湯抜き穴２６および空気穴２８が形成された鋳鉄部品素材２０が、バッチ式の熱処理炉（不図示）に配置され、表層部２２の融点よりも低くかつ非脱炭部２４の融点よりも高い温度（例えば１１５０〜１２００℃）まで昇温され、１０〜２０分程度保持される。なお、鋳鉄部品素材２０は、湯抜き穴２６が各流出部の最下部に位置するように配置される。
【００３２】
湯抜き工程においては、溶融した非脱炭部２４が湯抜き穴２６から自重（重力）に基づいて流出し、脱炭処理により融点が上昇した表層部２２は、溶融せずに殻（鋳鉄部品１０の表層部１２に対応）として残ることになり、中空部（鋳鉄部品１０の中空部１４に対応）が形成される。
【００３３】
熱処理炉は、例えば、鋳鉄部品素材２０が載置されるセラミック製の支持台と、流出した溶融物（溶湯）を回収するためのトレイと、を有する。支持台は、三次元メッシュ構造を有する矩形フィルタからなる。支持台は、溶融物の流出に干渉しないように構成されておれば、特に限定されないが、鋳鉄部品素材２０の形状に応じて、溶融物の流出が容易なように、鋳鉄部品素材２０の姿勢を保つため、段や窪みを形成することも可能である。
【００３４】
冷却工程においては、熱処理炉内における加熱を停止し、例えば、約９００℃まで鋳鉄部品素材２０の温度が低下した後、熱処理炉から取り出されて、ショットブラストが可能な温度（例えば、常温）まで、冷却される。
【００３５】
ショットブラスト工程においては、鋳鉄部品素材２０の表面に対してショットブラストが施され、例えば、表面に付着している（形成されている）カーボンスケールが除去される。これにより、完成品（図１）となる。
【００３６】
次に、脱炭処理装置を詳述する。
【００３７】
脱炭処理装置１００は、表層部２２と非脱炭部２４とを有する鋳鉄部品素材２０を形成する脱炭手段であり、図１０に示されるように、チャンバ１１０、第１ガス源１２０、第２ガス源１３０、ガス導入配管系１４０，１４５、ガス排出配管系１５０および制御部１６０を有する。
【００３８】
チャンバ１１０は、支持台１１２、ヒータ１１４とおよびファン１１６を有する。
【００３９】
支持台１１２は、鋳鉄部品素材２０が載置される矩形フィルタを有する。矩形フィルタは、三次元メッシュ形状のセラミック製であり、鋳鉄部品素材２０全体が雰囲気ガスに曝されて、均等に脱炭されるように構成されている。ヒータ１１４は、鋳鉄部品素材２０（チャンバ１１０）を、脱炭温度まで昇温する加熱手段であり、必要に応じて、間接加熱式あるいは直接加熱式が適用される。ファン１１６は、チャンバ１１０内部の雰囲気ガスをかき回して、温度を均一化するため攪拌手段である。
【００４０】
第１ガス源１２０および第２ガス源１３０は、脱炭処理の際に使用される雰囲気ガスを生成するために使用される。雰囲気ガスは、一酸化炭素および二酸化炭素を含んでおり、例えば、プロパンガスを変成することで生成される。第１ガス源１２０から供給される第１雰囲気ガスは、脱炭処理の最初に使用され、第２ガス源１３０から供給される第２雰囲気ガスは、その後に使用される。なお、第２雰囲気ガスのカーボンポテンシャルＣＰ２は、第１雰囲気ガスのカーボンポテンシャルＣＰ１より大きい。
【００４１】
ガス導入配管系１４０は、第１ガス源１２０とチャンバ１１０とを連結しており、第１雰囲気ガスをチャンバ１１０に供給するために使用される。ガス導入配管系１４５は、第２ガス源１３０とチャンバ１１０とを連結しており、第２雰囲気ガスをチャンバ１１０に供給するために使用される。
【００４２】
ガス排出配管系１５０は、チャンバ１１０に連結されており、チャンバ１１０内部を循環した雰囲気ガスを排出するために使用される。排出された雰囲気ガスは、必要に応じて回収あるいは放散燃焼される。
【００４３】
制御部１６０は、プログラムにしたがって上記各部の制御を実行するマイクロプロセッサ等から構成される制御回路であり、脱炭処理装置１００の各機能は、それに対応するプログラムを制御部１６０が実行することにより発揮される。
【００４４】
なお、第１ガス源１２０、第２ガス源１３０、ガス導入配管系１４０，１４５およびガス排出配管系１５０は、一体として、鋳鉄部品素材２０の周囲の雰囲気ガスに関し、カーボンポテンシャルＣＰ１から、カーボンポテンシャルＣＰ１より大きいカーボンポテンシャルＣＰ２に変更する変更手段を構成している。
【００４５】
カーボンポテンシャルＣＰ１およびカーボンポテンシャルＣＰ２は、２つのガス源（第１ガス源１２０からの第１雰囲気ガスおよび第２ガス源１３０からの第２雰囲気ガス）を利用する形態に限定されない。例えば、第１雰囲気ガスに、炭化水素ガスを加えてカーボンポテンシャルを増加させることで、第２雰囲気ガスを生成し、あるいは、第２雰囲気ガスに、空気を加えてカーボンポテンシャルを低下させることで、第１雰囲気ガスを生成することで、第１ガス源１２０あるいは第２ガス源１３０の一方を省略することも可能である。
【００４６】
また、ガス導入配管系１４０，１４５は、別体とする形態に限定されず、例えば、切り換え弁を利用することで、ガス導入配管系１４０，１４５の配管の一部を共有化することも可能である。
【００４７】
次に、脱炭処理装置１００を使用した脱炭工程を詳述する。
【００４８】
脱炭工程は、図１１に示されるように、第１脱炭工程および第２脱炭工程を有しており、表層部２２の炭素濃度に、外部に面する表面２２Ａから非脱炭部側に向って一旦低下したあと増加する濃度分布パターン（図８）を付与するために実施される。
【００４９】
第１脱炭工程においては、脱炭処理装置１００のチャンバ１１０の支持台１１２に載置され、加熱工程を経た鋳鉄部品素材２０に関し、非脱炭部側から外部に面する表面２２Ａに向って減少するように、第１ガス源１２０から供給される第１雰囲気ガスを使用し、脱炭処理が実行される。第１雰囲気ガスのカーボンポテンシャルＣＰ１は、例えば、０．１〜０．３である。第１雰囲気ガスは、ファン１１６によって攪拌されながら、チャンバ１１０内を循環し、ガス排出配管系１５０を経由して排出される。なお、加熱工程において、鋳鉄部品素材２０は、ヒータ１１４によって脱炭温度（例えば、１０５０〜１１００℃）まで昇温されている。
【００５０】
第２脱炭工程においては、第２ガス源１３０から供給される第２雰囲気ガスを使用し、外部に面する表面２２Ａの炭素濃度を増加するように、脱炭処理が実行される。第２雰囲気ガスのカーボンポテンシャルＣＰ２は、例えば、０．５〜０．７であり、第１雰囲気ガスのカーボンポテンシャルＣＰ１より大きい。カーボンポテンシャルの切り換えは、第１脱炭工程の後、第１雰囲気ガスの供給を停止し、第２雰囲気ガスの供給を開始することで実行される。
【００５１】
脱炭工程を経て濃度分布パターン（図８）が得られた鋳鉄部品素材２０は、冷却工程において、脱炭処理装置１００から取り出され、湯抜き穴形成工程における機械加工が可能な温度（例えば、常温）まで、冷却される。
【００５２】
脱炭処理装置１００を使用した脱炭工程においては、上記のように、第１雰囲気ガスのカーボンポテンシャルＣＰ１は第２雰囲気ガスのカーボンポテンシャルＣＰ２より低いため、カーボンポテンシャルＣＰ１を使用した脱炭処理は、カーボンポテンシャルＣＰ２を使用した脱炭処理に比較し、脱炭時間を短縮することが可能である。また、表層部における外部に面する表面の炭素濃度は、カーボンポテンシャルＣＰ２を使用した脱炭処理によって、カーボンポテンシャルＣＰ１を使用した脱炭処理に比較し、大きくなっているため、強度を確保することが容易であり、強度を補強するためのコーティングや熱処理が不要となり、生産コストの上昇を抑制することが可能である。つまり、脱炭処理の時間短縮および破損起点となる表層部の強度の両立が可能であり、良好な生産性を有しかつ生産コストを抑制し得る鋳鉄部品の製造方法および製造装置を提供することができる。
【００５３】
なお、鋳鉄部品の殻となる表層部の厚さ（肉厚）は、例えば、脱炭工程における雰囲気ガス成分、処理温度および処理時間を制御したり、中空部形成工程における処理温度を調整することにより、管理することが可能である。
【００５４】
次に、本発明の実施の形態に係る変形例１および変形例２を順次説明する。
【００５５】
図１２は、本発明の実施の形態に係る変形例１を説明するための工程図である。
【００５６】
中空部形成工程の後において、冷却工程の替わりに、表層部の焼入れを実行する焼き入れ工程を配置することも可能である。この場合、マルテンサイト組織により硬化された表面硬化層が得られる。表面硬化層の硬さは、実用上、２５ＨＲＣ（ロックウェル硬さスケールＣ）以上が好ましい。冷却速度は、冷媒の温度や量、種類を調整することにより、制御することが可能である。冷媒は、水、水溶性焼き入れ液、油、空気、窒素ガス等であり、例えば、ノズルを使用して噴射される。なお、冷却は、扇風機などによる送風冷却を適用することも可能である。
【００５７】
表面硬化層は、焼き入れによって形成する形態に限定されず、パーライト組織率を制御する制御冷却を適用することも可能である。例えば、冷却速度を一定以上にして、パーライト組織率を制御し、表面硬化層を形成することにより、焼き入れをしなくとも、表層部１２の硬さを向上させることが可能である。この場合、上述のように、炭素濃度が０．３％未満においては、フェライト組織が多くなり、柔らかくなるため（強度的に不利であるため）、表層部１２の炭素濃度は、０．３％以上であることが好ましい。
【００５８】
図１３は、本発明の実施の形態に係る変形例２を説明するための概略図である。
【００５９】
変形例２に係る脱炭処理装置１００Ａは、第２チャンバ１１０Ａ、移動機構１７０および第２ガス排出配管系１５０Ａを、さらに有する。
【００６０】
第２チャンバ１１０Ａは、第１チャンバ１１０に隣接し、一体として形成されており、ヒータ１１４Ａとおよびファン１１６Ａを有する。第１チャンバ１１０と第２チャンバ１１０Ａとの間の隔壁１１１には、支持台１１２に載置された鋳鉄部品素材２０が通過可能な開閉扉（不図示）が配置されている。
【００６１】
移動機構１７０は、第１チャンバ１１０から、隔壁１１１を越えて第２チャンバ１１０Ａ側に延長して配置されており、制御部１６０によって制御され、支持台１１２に載置された鋳鉄部品素材２０を、開閉扉を経由して、第１チャンバ１１０から第２チャンバ１１０Ａに移動させるために使用される。
【００６２】
第２ガス排出配管系１５０Ａは、第２チャンバ１１０Ａに連結されている。なお、変形例２においては、第２ガス源１３０およびガス導入配管系１４５は、第１チャンバ１１０ではなく、第２チャンバ１１０Ａに連結されている。したがって、第１チャンバ１１０においては、カーボンポテンシャルＣＰ１を有する第１雰囲気ガスが循環し、第２チャンバ１１０Ａにおいては、カーボンポテンシャルＣＰ２を有する第２雰囲気ガスが循環することとなる。
【００６３】
脱炭処理装置１００Ａを使用した第１脱炭工程においては、脱炭処理装置１００Ａの第１チャンバ１１０の支持台１１２に載置され、加熱工程を経た鋳鉄部品素材２０に関し、非脱炭部側から外部に面する表面２２Ａに向って減少するように、カーボンポテンシャルＣＰ１を有する第１雰囲気ガスを使用し、脱炭処理が実行される。この際、第２チャンバ１１０Ａは、カーボンポテンシャルＣＰ２を有する第２雰囲気ガスが循環しており、かつ、第１チャンバ（第１雰囲気ガス）と同一温度まで昇温している。
【００６４】
第２脱炭工程においては、移動機構１７０によって、支持台１１２に載置された鋳鉄部品素材２０が、開閉扉を経由して、第１チャンバ１１０から第２チャンバ１１０Ａに移動させられ、第２チャンバ１１０Ａにおいて、第１チャンバ１１０と同一温度かつカーボンポテンシャルＣＰ２を有する第２雰囲気ガスに曝され、脱炭処理が実行される。つまり、カーボンポテンシャルＣＰ１からカーボンポテンシャルＣＰ２に一挙に変化するため、第１脱炭工程と第２脱炭工程との間には、過渡期間（移行期間）が不要であり、表層部の炭素濃度に関する濃度分布パターンを、高精度で付与すること可能である。
【００６５】
以上のように、本実施の形態に係る鋳鉄部品は、脱炭処理により融点を上昇させた表層部を殻とし、前記表層部の内側に位置しかつ前記表層部より低い融点を有する非脱炭部を溶融して流出させることで中空部が形成されており、その表層部の炭素濃度は、外部に面する表面から前記中空部に面する表面に向って一旦低下したあと増加する濃度分布パターンを有する。当該濃度分布パターンの付与は、表層部と非脱炭部とを有する鋳鉄部品素材を形成する際、非脱炭部側から外部に面する表面に向って減少するように、第１カーボンポテンシャルを使用し、脱炭処理を実行した後、第１カーボンポテンシャルより大きい第２カーボンポテンシャルを使用し、外部に面する表面の炭素濃度を増加するように、脱炭処理を実行することにより、達成することが可能である。この場合、第１カーボンポテンシャルは第２カーボンポテンシャルより低いため、第１カーボンポテンシャルを使用した脱炭処理は、第２カーボンポテンシャルを使用した脱炭処理に比較し、脱炭時間を短縮することが可能である。また、表層部における外部に面する表面の炭素濃度は、第２カーボンポテンシャルを使用した脱炭処理によって、第１カーボンポテンシャルを使用した脱炭処理に比較し、大きくなっているため、強度を確保することが容易であり、強度を補強するためのコーティングや熱処理が不要となり、生産コストの上昇を抑制することが可能である。したがって、良好な生産性を有しかつ生産コストを抑制し得る鋳鉄部品を提供することができる。
【００６６】
また、実施の形態に係る鋳鉄部品の製造方法および製造装置においては、第１カーボンポテンシャルは第２カーボンポテンシャルより低いため、第１カーボンポテンシャルを使用した脱炭処理は、第２カーボンポテンシャルを使用した脱炭処理に比較し、脱炭時間を短縮することが可能である。また、表層部における外部に面する表面の炭素濃度は、第２カーボンポテンシャルを使用した脱炭処理によって、第１カーボンポテンシャルを使用した脱炭処理に比較し、大きくなっているため、強度を確保することが容易であり、強度を補強するためのコーティングや熱処理が不要となり、生産コストの上昇を抑制することが可能である。したがって、良好な生産性を有しかつ生産コストを抑制し得る鋳鉄部品の製造方法および製造装置を提供することができる。
【００６７】
なお、表層部における外部に面する表面の炭素濃度は、０．３〜０．８％であり、表層部における炭素濃度が一旦低下した部位の炭素濃度は、０．３％未満であることが好ましく、この場合、良好な強度の表層部を有する鋳鉄部品を得ることが可能である。
【００６８】
適用されるカーボンポテンシャルが異なるチャンバ間で鋳鉄部品素材を移動させることにより、第１カーボンポテンシャルから第２カーボンポテンシャルに一挙に変化させる場合、第１脱炭工程と第２脱炭工程との間には、過渡期間（移行期間）が不要であり、表層部の炭素濃度に関する濃度分布パターンを、高精度で付与すること可能である。
【００６９】
表層部は、焼き入れによるマルテンサイト組織により硬化された表面硬化層、あるいは、パーライト組織率を制御する制御冷却により硬化された表面硬化層を有することが好まし。この場合、表層部の硬度が向上した鋳鉄部品を得ることが可能である。
【００７０】
鋳鉄部品を自動車部品に適用する場合、良好な生産コストおよび生産性を有する自動車部品を得ることが可能である。
【００７１】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で種々改変することができる。例えば、機械加工工程およびショットブラスト工程は、適宜省略することが可能である。湯抜き穴および空気穴は、必要に応じてその一部又は全部を閉鎖することも可能であり、例えば、湯抜き穴および空気穴の全てを閉鎖することにより、内部に密閉空間を形成することができる。湯抜き穴および空気穴の閉鎖は、溶接や、別体のねじ込みによって達成することができる。また、鋼の鋳ぐるみを適用することで、鋳鉄部品の強度を補強することも可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１０  鋳鉄部品、
１２  表層部、
１２Ａ  表面、
１２Ｂ  表面、
１４  中空部、
１６  湯抜き穴、
１８  空気穴、
２０  鋳鉄部品素材（半製品）、
２２  表層部、
２２Ａ  表面、
２４  非脱炭部、
２６  湯抜き穴、
２８  空気穴、
１００，１００Ａ  脱炭処理装置、
１１０  チャンバ（第１チャンバ）、
１１０Ａ  第２チャンバ、
１１１  隔壁、
１１２  支持台、
１１４，１１４Ａ  ヒータ、
１１６，１１６Ａ  ファン、
１２０  第１ガス源、
１３０  第２ガス源、
１４０，１４５  ガス導入配管系、
１５０，１５０Ａ  ガス排出配管系、
１６０  制御部、
１７０  移動機構、
ＣＰ１，ＣＰ２  カーボンポテンシャル。
【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】
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【図１２】
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【図１３】
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