(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パーライト組織を主相とする第１の部位とフェライト組織を主相とする第２の部位とを具備する鋳鉄製部材の製造方法であって、
鋳鉄の溶湯を鋳型内で冷却固化して成形品とする第１工程と、
前記成形品の温度がＡ1変態点を通過する前に該成形品に対して熱処理を施すことによって、前記第１工程において該成形品に生成したチル組織を分解する第２工程と、
チル組織が分解された前記成形品の少なくとも一部位をパーライト組織が生成する条件下で冷却して第１の部位を設ける一方で、残余の部位をフェライト組織が生成する条件下で冷却して第２の部位を設ける第３工程と、
前記第２の部位に対して機械加工を施すことによって完成製品である鋳鉄製部材とする第４工程と、
を有することを特徴とする鋳鉄製部材の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の製造方法において、前記鋳鉄製部材として球状黒鉛鋳鉄からなるものを製造することを特徴とする鋳鉄製部材の製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の製造方法において、前記鋳鉄製部材として車輌に搭載される内燃機関用のバランサシャフトを製造するとともに、該バランサシャフトのジャーナル部を前記第１の部位として形成し、かつシャフト部を前記第２の部位として形成することを特徴とする鋳鉄製部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳鉄製部材の製造方法に関し、一層詳細には、特性が互いに異なる部位を有する鋳鉄製部材を容易かつ簡便に製造することが可能な鋳鉄製部材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３に、自動車等の車輌用内燃機関を構成するＦＣＤ４５０（球状黒鉛鋳鉄のＪＩＳ規格。以下同じ）製のバランサシャフト１を示す。このバランサシャフト１は、例えば、以下のようにして製造されている。すなわち、まず、ＦＣＤ４５０に相当する組成の原材料を溶解して溶湯とする。原材料としては、鋼屑、返り材（湯口等の方案部あるいは押湯のスクラップや、不良品として生産された鋳鉄製部材等）、銑鉄等が使用される。
【０００３】
次に、この溶湯を、砂型や金型等の鋳型に注湯した後に冷却固化する。この冷却固化により、バランサシャフト１に略対応してジャーナル部２と長軸なシャフト部３とを有する形状の成形品が得られる。なお、この際の冷却速度は、鋳型の種類にもよるが、一般的には、砂型で２４０℃／分程度、金型で１０００℃／分程度である。
【０００４】
このことから諒解されるように、金型を使用することにより、溶湯の冷却速度を著しく高めることができる。換言すれば、金型を使用することには、成形品、ひいては完成製品であるバランサシャフト１を効率よく製造することができるという利点がある。
【０００５】
しかしながら、このように冷却速度が高い状態で溶湯を冷却固化させると、成形品の表層部に、セメンタイト（Ｆｅ3Ｃ）からなるチル組織が形成される。このチル組織は高硬度であり、したがって、該成形品の表層部の耐摩耗性が過度に向上してしまう。成形品をバランサシャフト１とするためには、該成形体におけるシャフト部３等の表層部に対し、旋削加工等の機械加工処理を施して所定の寸法に仕上げることが必要であるが、表層部の耐摩耗性が向上した結果、この旋削加工を施すことが困難となってしまう。
【０００６】
そこで、次に、図４に示す熱処理炉４の内部にて、成形品５に対してチル組織を消失させるための熱処理を施す。
【０００７】
この熱処理炉において、チル組織を消失させるための熱処理は、第１および第２加熱域６ａ、６ｂにて施される。具体的には、第１および第２加熱域６ａ、６ｂの各温度は約９８０℃に設定され、これら第１および第２加熱域６ａ、６ｂ内を成形品５が通過することに伴い、チル組織がオーステナイト（γ−Ｆｅ）と黒鉛とに分解されて消失する。なお、コンベア７の速度は、１本の成形品５が第１および第２加熱域６ａ、６ｂ内をおよそ３０分で通過するように設定される。
【０００８】
第１および第２加熱域６ａ、６ｂを通過した成形品５に対し、次に、温度が約９２０℃、約８５０℃、約８２０℃にそれぞれ設定された第３〜第５加熱域６ｃ〜６ｅにてフェライト化処理が施される。すなわち、成形品５は、第３〜第５加熱域６ｃ〜６ｅにて徐々に冷却され、最終的に第５加熱域６ｅ内でＡ1変態点を通過する。これにより、成形品５にフェライト組織が生成する。
【０００９】
ここで、Ａ1変態点とは、以下の反応式（１）で示される共析反応の開始温度として定義され、ハンセンのＦｅ−Ｃ系平衡状態図によれば、その値は７２３℃である。
【００１０】
【数１】
0003963685.tif 000002
【００１１】
なお、反応式（１）において、γ、αは、それぞれ、γ−Ｆｅ（オーステナイト）、α−Ｆｅ（フェライト）を表す。
【００１２】
Ａ1変態点を通過してフェライト組織が生成した成形品５は、ブロア８からの送風により強制的に冷却される。
【００１３】
次に、このような熱処理が施された成形品５のシャフト部３等に対し、旋削加工等の機械加工処理を施す。これにより、寸法精度を有するバランサシャフト１（図３参照）が製造されるに至る。
【００１４】
最後に、バランサシャフト１の硬度を確保するため、該バランサシャフト１に対して軟窒化（ＬＣＮ）処理やガス窒化（ＧＣＮ）処理等の窒化処理を施し、充分な強度や硬度を有する完成製品とする。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年における環境保護の観点から、自動車等には燃費が良好なことが求められている。そして、これを達成するために、各部材の軽量化が図られている。
【００１６】
バランサシャフト１を軽量化する場合には、より耐摩耗性に優れかつ高強度な材質、例えば、ＦＣＤ７００からバランサシャフト１を構成することが想起される。この場合、略同等の強度・耐摩耗性を有するものであれば、ＦＣＤ４５０からなるバランサシャフト１に比して断面積を小さくすることができるからである。
【００１７】
ＦＣＤ７００からなるバランサシャフト１を製造するためには、ＦＣＤ７００相当の組成の原材料を溶解して溶湯とした上で鋳造作業を行う。しかしながら、このようにして製造されたＦＣＤ７００からなるバランサシャフト１の成形品５は、耐摩耗性が著しく高いため、シャフト部３等に対して旋削加工を施すことが困難であるという不具合がある。
【００１８】
また、ＦＣＤ４５０の原材料とＦＣＤ７００の原材料とでは、組成が互いに相違する。具体的には、ＦＣＤ４５０においては、フェライト組織を生成させるためにＳｉが添加される。これに対し、ＦＣＤ７００においては、パーライト組織を生成させるためにＣｕやＳｎが添加される。したがって、ＦＣＤ４５０からなるバランサシャフト１を製造した後に同一の鋳造装置を使用してＦＣＤ７００からなるバランサシャフト１を製造すると、鋳型のキャビティに残留したＳｉによってフェライト組織が生成してしまうことが懸念される。このような事態が生じると、バランサシャフト１の強度・耐摩耗性を向上させることが困難となる。
【００１９】
このような事態を回避するためには、別の鋳造装置を使用すればよい。しかしながら、この場合、鋳造装置に対する高額の設備投資が必要となるという不都合を招く。
【００２０】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、耐摩耗性が良好な部位と各種の機械加工を比較的容易に施すことができる部位とを有する鋳鉄製部材を同一の溶湯から製造することが可能な鋳鉄製部材の製造方法を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、パーライト組織を主相とする第１の部位とフェライト組織を主相とする第２の部位とを具備する鋳鉄製部材の製造方法であって、
鋳鉄の溶湯を鋳型内で冷却固化して成形品とする第１工程と、
前記成形品の温度がＡ1変態点を通過する前に該成形品に対して熱処理を施すことによって、前記第１工程において該成形品に生成したチル組織を分解する第２工程と、
チル組織が分解された前記成形品の少なくとも一部位をパーライト組織が生成する条件下で冷却して第１の部位を設ける一方で、残余の部位をフェライト組織が生成する条件下で冷却して第２の部位を設ける第３工程と、
前記第２の部位に対して機械加工を施すことによって完成製品である鋳鉄製部材とする第４工程と、
を有することを特徴とする。
【００２２】
本発明によれば、チル組織を消失させた後の冷却速度が個別に設定され、これにより高硬度で耐摩耗性が良好な第１の部位と、旋削加工等の機械加工を施すことが比較的容易な第２の部位とを設けるようにしている。このため、特性が互いに異なる部位を有する鋳鉄製部材を組成を特に調整することなく同一の溶湯から容易かつ簡便に製造することができる。
【００２３】
また、主にパーライト組織を含む第１の部位は、実用に際して充分な強度・耐摩耗性を有する。このため、該第１の部位等に対して各種の窒化処理を行う必要も特にない。したがって、鋳鉄製部材を効率よく製造することができる上、窒化処理を行うためのコストを削減することもできる。
【００２４】
なお、上記のようにして製造されるフェライト組織とパーライト組織とを有する鋳鉄製部材の好適な例としては、球状黒鉛鋳鉄からなるものを挙げることができる。
【００２５】
そして、鋳鉄製部材の好適な例としては、自動車等の車輌に搭載される内燃機関用のバランサシャフトを挙げることができる。この場合、強度・耐摩耗性が良好な第１の部位としてジャーナル部を設け、かつ研削加工等を施すことが比較的容易な第２の部位としてシャフト部を設けるようにすればよい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る鋳鉄製部材の製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２７】
本実施の形態に係る鋳鉄製部材の製造方法のフローチャートを図１に示す。この製造方法は、鋳鉄の溶湯を鋳型内（キャビティ）で冷却固化して成形品とする第１工程Ｓ１と、前記成形品に対して熱処理を施して該成形品に生成したチル組織を分解する第２工程Ｓ２と、前記成形品にパーライト組織を含む第１の部位およびフェライト組織を含む第２の部位を設ける第３工程Ｓ３と、前記第２の部位に機械加工を施すことによって完成製品である鋳鉄製部材とする第４工程Ｓ４とを有する。
【００２８】
この製造方法につき、それを遂行する鋳造装置との関係で、鋳鉄製部材として図３に示すバランサシャフト１を製造する場合を例示して具体的に説明する。
【００２９】
鋳造装置１０は、図２に示すように、注湯ステーション１２と、固定金型１４および可動金型１６を有する金型成形装置１８と、矯正・切断装置２０と、熱処理炉２２とを備える。なお、可動金型１６は、金型成形装置１８を構成するシリンダ２３の作用下に固定金型１４に対して接近または離間自在である。
【００３０】
金型成形装置１８の上方には、ブロースモーク装置２８が上下方向に変位自在に設けられている。また、金型成形装置１８の下流側上方には、ワーク取出ロボット３０が水平方向に移動自在に設けられている。これらブロースモーク装置２８およびワーク取出ロボット３０は、支持台３１によって支持されている。
【００３１】
注湯ステーション１２は、溶解炉３２と、加圧注湯炉３４と、該加圧注湯炉３４から導出された溶湯を受け取って金型成形装置１８のキャビティに導入する取り鍋２４とを有し、このうち、溶解炉３２は、架台３６上に設置されている。
【００３２】
本実施の形態に係る製造方法を行うに際しては、まず、原材料を溶解して溶湯とする。すなわち、原材料として鋼屑や返り材、銑鉄等を溶解炉３２に収容した後、該溶解炉３２を周囲から加熱してこれらを溶解させる。
【００３３】
ここで、原材料の組成は、ＦＣＤ４５０に相当する組成とＦＣＤ７００に相当する組成との中間、すなわち、ＦＣＤ５００やＦＣＤ６００に相当する組成とすることが好ましい。この場合、成形品５を冷却させる際にパーライト組織およびフェライト組織を容易に生成させることができるからである。しかしながら、特にこれに限定されるものではなく、ＦＣＤ７００に相当する組成であってもよいし、ＦＣＤ４５０に相当する組成であってもよい。この場合、成形品５にフェライト組織およびパーライト組織を生成させるには、冷却速度をより厳密に制御するようにすればよい。
【００３４】
溶解炉３２は、傾動動作させることが可能である。すなわち、溶解炉３２の上方に突出形成された湯口部３８の下端部には、シリンダ４０のロッド４２が連結されている。また、溶解炉３２の底部には、該底部の中央から湯口部３８の方に偏在して支軸４４が連結されている。このため、溶解炉３２は、ロッド４２が上下動することに追従して、支軸４４との連結箇所を支点として傾動動作する。溶湯を搬送取り鍋４６内に注湯する場合には、ロッド４２を下降動作させることにより湯口部３８を搬送取り鍋４６に指向して傾動動作させればよい。
【００３５】
図示しないクレーンのフック４８に支持された搬送取り鍋４６は、前記クレーンの作用下に加圧注湯炉３４に指向して搬送される。そして、搬送取り鍋４６が図示しない第１傾動機構によって傾動動作することにより、該搬送取り鍋４６内の溶湯が漏斗５０を介して加圧注湯炉３４の内室５２に注湯・貯留される。
【００３６】
加圧注湯炉３４には、内室５２の圧力を上昇させるガスを導入するためのガス供給管５４が連結されている。すなわち、このガス供給管５４からＡｒ等の不活性ガスが供給されることに伴って内室５２内の圧力が上昇し、その結果、該内室５２に貯留されていた溶湯が、加圧注湯炉３４の出湯部５６に設けられた湯路５８に導入され、最終的に出湯部５６の出湯口５９から導出される。上記したように、導出された溶湯は、取り鍋２４内に注湯される。
【００３７】
取り鍋２４はロードセル６０上に載置されており、該取り鍋２４内の溶湯量はロードセル６０の作用下に所定量に制御される。すなわち、取り鍋２４内に注湯された溶湯の重量の測定値がロードセル６０に予め設定された設定値に一致したとき、該ロードセル６０と電気的に接続された図示しない制御部からの制御信号により、ガス供給管５４に介装されたバルブ（図示せず）が閉止される。これに伴い加圧注湯炉３４の内室５２へのガスの供給が停止され、その結果、加圧注湯炉３４の出湯口５９から溶湯の導出が停止される。
【００３８】
この取り鍋２４は、図示しない第２傾動機構によって傾動動作させることが可能である。この傾動動作に伴い、金型成形装置１８を構成する湯口６４を介して、取り鍋２４内に導入された所定量の溶湯が金型成形装置１８のキャビティに注湯され、第１工程Ｓ１が開始される。なお、金型成形装置１８の固定金型１４と可動金型１６とが型締めされる前には、ブロースモーク装置２８によって、キャビティ面に離型剤が予め塗布される。
【００３９】
金型成形装置１８のキャビティに導入された溶湯は、１０００℃／分程度の冷却速度で冷却され、最終的に表層部のみが固化して成形品５となる。この成形品５における固化した表層部には、セメンタイト（Ｆｅ3Ｃ）からなるチル組織が形成されている。
【００４０】
得られた成形品５は、可動金型１６が固定金型１４から離間して型開きが行われた後、ワーク取出ロボット３０に把持される。このワーク取出ロボット３０が水平方向に移動することに伴い、成形品５が矯正・切断装置２０に搬送される。この矯正・切断装置２０では、成形品５に対してトリミング等が施される。
【００４１】
その後、成形品５は、移載ロボット６６の作用下に搬送され、熱処理炉２２内に導入される。この熱処理炉２２において、第２工程Ｓ２、すなわち、成形品５に対する熱処理が施される。
【００４２】
以上の過程において、成形品５の内部が未凝固で高温の溶湯であるため、成形品５の温度がＡ1変態点を下回ることはない。換言すれば、成形品５は、該成形品５の温度がＡ1変態点を通過する前に金型成形装置１８のキャビティから取り出され、かつ熱処理炉２２内に導入される。
【００４３】
この熱処理は、成形品５の表層部に生成したチル組織（Ｆｅ3Ｃ）をパーライト組織に変態させるためのものである。すなわち、成形品５の表層部に存在するチル組織に対して熱を加えると、チル組織がオーステナイト（γ−Ｆｅ）および黒鉛へと分解する。なお、熱処理の温度や時間は、チル組織が分解するような条件に設定すればよく、例えば、９３０℃で３０分間保持という条件に設定することができる。
【００４４】
このようにしてチル組織が分解された成形品５を熱処理炉２２から取り出した後、第３工程Ｓ３において、パーライト組織を主に含み高硬度で耐摩耗性が良好なジャーナル部２（第１の部位）と、フェライト組織を主に含み旋削加工を施すことが比較的容易なシャフト部３（第２の部位）とが設けられるように冷却処理を施す。すなわち、例えば、成形品５のジャーナル部２のみに冷却速度が２００℃／分以上となるような流量で圧縮エアを吹き付け、該ジャーナル部２を強制的に冷却する。その一方で、ジャーナル部２以外の箇所には圧縮エアの吹き付けを行わず、大気中で空冷する。なお、未凝固の状態であった成形品５の内部の溶湯は、この冷却処理が施される最中に完全に冷却固化する。
【００４５】
以上から諒解されるように、本実施の形態においては、チル組織を消失させた後の冷却速度を部位に応じて個別に設定することにより、原材料（溶湯）の組成を特に調整することなく、高硬度で耐摩耗性に優れるジャーナル部２と旋削加工等を施すことが比較的容易なシャフト部３とを設けるようにしている。このため、溶湯の組成に応じて金型成形装置１８を個別に用意する必要がない。したがって、高額の設備投資が必要となることもない。
【００４６】
最後に、第４工程Ｓ４において、シャフト部等に対して旋削加工等の機械加工を施すことにより、寸法精度を有する完成製品としてのバランサシャフト１が得られるに至る。
【００４７】
このバランサシャフト１においては、ジャーナル部２がパーライト組織を含むので充分な強度・耐摩耗性を有する。このため、該ジャーナル部２に対してＬＣＮ処理やＧＣＮ処理を行う必要も特にない。したがって、バランサシャフト１を効率よく製造することができるとともに、ＬＣＮ処理やＧＣＮ処理を行うためのコストを削減することができるという利点もある。
【００４８】
なお、上記した実施の形態では、鋳鉄製部材としてバランサシャフト１を製造する場合を例示して説明したが、それ以外のものであってもよいことはいうまでもない。
【００４９】
また、本実施の形態に係る製造方法においては、鋳造時に金型が使用されているが、成形品にチル組織が生成する条件下で鋳造が行われるのであれば、特にこれに限定されるものではない。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る鋳鉄製部材の製造方法によれば、部位に応じて互いに異なる冷却速度を設定することにより、パーライト組織を含む部位とフェライト組織を含む部位とが混在する鋳鉄製部材を得るようにしている。このため、組成を特に調整することなく、耐摩耗性が良好な部位を有する一方で、旋削加工等の機械加工を比較的容易に施すことが可能な部位を有する鋳鉄製部材が得られるという効果が達成される。したがって、組成に応じて鋳造装置を個別に用意する必要がないので、高額な設備投資が必要となることもない。
【００５１】
また、パーライト組織を含む部位は高硬度で耐摩耗性が良好であるので、窒化処理を行う必要は特にない。このため、窒化処理を行うためのコストを削減することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る鋳鉄製部材の製造方法のフローチャートである。
【図２】本実施の形態に係る鋳鉄製部材を遂行する鋳造装置の概略全体構成図である。
【図３】バランサシャフトの概略全体斜視図である。
【図４】熱処理炉にて成形品に熱処理を施している状態を示す概略縦断面図である。
【符号の説明】
１…バランサシャフト              ２…ジャーナル部（第１の部位）
３…シャフト部（第２の部位）      ４、２２…熱処理炉
５…成形品                        ６ａ〜６ｅ…加熱域
８…ブロア                        １０…鋳造装置
１２…注湯ステーション            １４…固定金型
１６…可動金型                    １８…金型成形装置
２０…矯正・切断装置              ２４…取り鍋
３２…溶解炉                      ３４…加圧注湯炉
４６…搬送取り鍋                  ５２…内室
５４…ガス供給管                  ６０…ロードセル
【図１】
0003963685.tif 000003
【図２】
0003963685.tif 000004
【図３】
0003963685.tif 000005
【図４】
0003963685.tif 000006