(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表層部にパーライト組織を有する鋳鉄製部材の製造方法であって、
Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ａｌの少なくともいずれか１種の元素を含有する原材料を溶解して溶湯を得る第１工程と、
前記溶湯を鋳型内にて表層部にチル組織が生成する条件下で冷却固化して成形品とする第２工程と、
前記第２工程において前記成形品の表層部に生成したチル組織を、該成形品に対して熱処理を施すことによりパーライト組織に変態させる第３工程と、
を有し、
前記第１工程にて前記溶湯における前記元素の割合を合計で０．５重量％以下に調整することで該溶湯中の遊離Ｎを５５ｐｐｍ以上とした後、前記第２工程を行う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、前記元素の含有量が予め測定された原材料を用い、前記原材料における前記元素の割合を０．５重量％以下に調整した後に溶解して溶湯と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１記載の製造方法において、前記元素の割合が０．５重量％を超える溶湯に対して窒素ガスを吹き込むことによって前記溶湯における前記元素の割合を０．５重量％以下に調整した後に前記第２工程を行うことを特徴とする鋳鉄製部材の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造方法において、前記鋳鉄製部材として、摺動面を有する部材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５】
請求項４記載の製造方法において、摺動面を有する前記部材としてカムシャフト、コンロッド、バランサシャフトのいずれかを製造し、かつ前記摺動面としてジャーナル部を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、表層部が高硬度であるために耐摩耗性に優れ、かつ高強度な鋳鉄製部材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３に、自動車に搭載される内燃機関用の鋳鉄製カムシャフトＡを示す。このカムシャフトＡ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、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、カムシャフトＡに略対応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】
すなわち、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カムシャフトＡを効率よく製造することができるという利点がある。
【０００５】
ところで、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。さらに、成形品に遊離Ｎが５５ｐｐｍ程度以上存在する場合には、該成形品に対して熱処理を施すことにより、チル組織が存在していた部分に微細な層状組織（以下、微細パーライトという）が生成する。この微細パーライトは高硬度であり、したがって、カムシャフトＡの表層部の耐摩耗性が著しく向上する。
【０００６】
このように耐摩耗性に優れるカムシャフトＡは、例えば、ジャーナル部がジャーナル受に対して摺動動作する際に摩耗し難い。すなわち、チル組織を形成した後に微細パーライトを生成することにより、長寿命を有するカムシャフトを構成することができる。
【０００７】
しかも、この場合、カムシャフトＡの強度が高くなる。換言すれば、略同等の強度・耐摩耗性を有するものであれば、微細パーライトが生成していないカムシャフトに比して断面積を小さくすることができる。したがって、軽量化を図ることができるので、該カムシャフトＡが組み込まれた内燃機関を搭載する自動車等の燃費の向上を図ることもできる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、カムシャフトＡの原材料としては、上記したように、鋼屑や返り材、銑鉄等が用いられるが、これらには、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ａｌ等が多く含有されている。このような金属元素は、溶湯中に存在する遊離Ｎと速やかに化合し、窒化物を形成する。換言すれば、これらは、遊離Ｎを捕捉する窒素捕捉元素として機能する。
【０００９】
遊離Ｎが捕捉されることによって溶湯中の遊離Ｎの割合が５５ｐｐｍ未満となった場合、成形品に対して熱処理を行った際にチル組織の分解が促進されるようになる。すなわち、チル組織（セメンタイト）がオーステナイト（γ−Ｆｅ）と黒鉛とに分解することによって消失する。したがって、この場合、微細パーライトが得られなくなり、結局、耐摩耗性が良好でかつ高強度なカムシャフトが得られなくなるという不具合を招く。
【００１０】
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、溶湯における遊離Ｎを微細パーライトが確実に得られるような割合とすることが可能であり、このために高硬度な表層部を有する鋳鉄製部材を得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。
【００１１】
【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、表層部にパーライト組織を有する鋳鉄製部材の製造方法であって、
Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ａｌの少なくともいずれか１種の元素を含有する原材料を溶解して溶湯を得る第１工程と、
前記溶湯を鋳型内にて表層部にチル組織が生成する条件下で冷却固化して成形品とする第２工程と、
前記第２工程において前記成形品の表層部に生成したチル組織を、該成形品に対して熱処理を施すことによりパーライト組織に変態させる第３工程と、
を有し、
前記第１工程にて前記溶湯における前記元素の割合を合計で０．５重量％以下に調整することで該溶湯中の遊離Ｎを５５ｐｐｍ以上とした後、前記第２工程を行うことを特徴とする。なお、以下においては、前記元素を窒素捕捉元素と表記する。
【００１２】
溶湯における窒素捕捉元素の割合が０．５重量％以下である場合、遊離Ｎが５５ｐｐｍ以上、特に、７０ｐｐｍ以上であると、遊離Ｎの一部は、窒素捕捉元素に捕捉されることなく、換言すれば、窒素捕捉元素と化合して窒化物となることなく溶湯中に残留する。このため、成形品に対して熱処理が施された際にチル組織が分解することが抑制されるので、該チル組織が微細パーライト組織に変態を起こす。すなわち、完成製品は、その表層部に高硬度な微細パーライト組織を有するので、耐摩耗性が著しく良好なものとなる。
【００１３】
しかも、この鋳鉄製部材には、Ｎが捕捉されることにより生成した微量の窒化物が分散している。このため、この鋳鉄製部材は、粒子分散強化型複合材に類似した挙動を示し、一般的な鋳鉄製部材に比して靱性や強度が向上するという利点が得られる。
【００１４】
窒素捕捉元素の割合の調整は、窒素捕捉元素の含有量が予め測定された原材料を用い、該原材料における窒素捕捉元素の割合を０．５重量％以下に調整した後に溶解して溶湯とすることにより遂行することができる。すなわち、例えば、窒素捕捉元素の含有量が異なる材料同士を種々組合せることによって、原材料における各窒素捕捉元素の含有量が０．５重量％以下に調整される。勿論、窒素捕捉元素の含有量が０．５重量％以下のもののみを原材料として使用するようにしてもよい。
【００１５】
または、窒素捕捉元素の割合が０．５重量％を超える溶湯に対して窒素ガスを吹き込むことによって前記溶湯における窒素捕捉元素の割合を０．５重量％以下に調整するようにしてもよい。
【００１６】
なお、Ｎと速やかに化合して窒化物を形成する窒素捕捉元素の主たるものとしては、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ａｌ等が例示される。勿論、これらは、溶湯での含有量が合計で０．５重量％以下となるように調整される。
【００１７】
このようにして製造される鋳鉄製部材の好適な例としては、摺動面を有する部材を挙げることができる。摺動面が耐摩耗性に優れているので、これらの部材の長寿命化を図ることができる。
【００１８】
摺動面を有する部材の具体的な例としては、車輌用部材であるカムシャフトやコンロッド、バランサシャフト等、ジャーナル部を有するものを挙げることができる。
【００１９】
【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。
【００２０】
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、原材料を溶解して溶湯とする第１工程Ｓ１と、この溶湯を鋳型内（キャビティ）にて表層部にチル組織が生成する条件下で冷却固化して成形品とする第２工程Ｓ２と、該成形品に対して熱処理を施すことによりチル組織をパーライト組織に変態させる第３工程とを有する。
【００２１】
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、鋳鉄製部材としてカムシャフトＡ（図３参照）を製造する場合を例示して具体的に説明する。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
本実施の形態に係る製造方法を行うに際しては、まず、原材料として鋼屑や返り材、銑鉄等が溶解炉３２に収容される。
【００２６】
ここで、これらの原材料は、各々に含有されている窒素捕捉元素、すなわち、溶湯中に存在する遊離Ｎと化合して窒化物を形成するＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ａｌ等の含有量が予め測定されたものである。そして、原材料は、該原材料中におけるこれら元素の割合が合計で０．５重量％以下となるような組合せで選定される。例えば、Ｔｉを１重量％含有する鋼材料が原材料の１つとして使用される場合、Ｔｉの含有量が少ない鋼材料も原材料として加えられ、最終的に、原材料におけるＴｉの割合が０．５重量％以下となるように調整される。勿論、その他の窒素捕捉元素が含まれている場合には、窒素捕捉元素が合計で０．５重量％以下となるように原材料が選定される。
【００２７】
要するに、本実施の形態では、窒素捕捉元素の含有量が異なる材料同士を種々組合せることにより、原材料における窒素捕捉元素の含有量が合計で０．５重量％以下に調整される。
【００２８】
そして、第１工程Ｓ１において、溶解炉３２を周囲から加熱することにより前記原材料を溶解して溶湯とする。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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２工程Ｓ２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。
【００３４】
ここで、溶解炉３２中での原材料の溶解や、溶解炉３２から搬送取り鍋４６を介しての溶湯の搬送、加圧注湯炉３４の出湯部５６から取り鍋２４への溶湯の導入は、全て大気中で行われる。このため、これらの過程を経る際、大気から溶湯中に窒素が溶け込んで遊離Ｎとなる。また、原材料中にも微量のＮが含有されているため、溶湯中には、このＮを源とする遊離Ｎも存在する。これら遊離Ｎの一部は、上記したような窒素捕捉元素に捕捉され、例えば、ＴｉＮ等の窒化物を形成するが、窒素捕捉元素に比して遊離Ｎの方が過剰に存在するので、溶湯中には遊離Ｎがなお７０〜８０ｐｐｍ程度存在している。
【００３５】
換言すれば、第２工程Ｓ２では、遊離Ｎを７０〜８０ｐｐｍ程度含有する溶湯が冷却固化されることによって成形品Ｂが作製される。
【００３６】
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、最終的に固化して成形品Ｂとなる。この成形品Ｂの表層部には、セメンタイト（Ｆｅ3Ｃ）からなるチル組織が形成されている。
【００３７】
得られた成形品Ｂ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Ｂ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Ｂに対してトリミング等が施される。
【００３８】
その後、成形品Ｂ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３工程Ｓ３、すなわち、成形品Ｂに対する熱処理が施され、完成製品としてのカムシャフトＡ（鋳鉄製部材）が得られるに至る。
【００３９】
この熱処理は、成形品Ｂ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、Ｎを５５ｐｐｍ以上含有する鋳鉄製成形品Ｂの表層部に存在するチル組織に対して熱を加えると、チル組織のオーステナイト（γ−Ｆｅ）および黒鉛への分解が充分に進行せず、このために微細パーライトが生成する。なお、熱処理の温度や時間は、チル組織がパーライト組織に変態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。
【００４０】
この微細パーライトは高硬度であり、したがって、カムシャフトＡの表層部の耐摩耗性が著しく向上する。すなわち、溶湯におけるＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ａｌ等の窒素捕捉元素の含有量を０．５重量％以下に調整することによりパーライト組織を確実に生成させることができ、結局、耐摩耗性に優れたカムシャフトＡを確実に得ることができる。
【００４１】
しかも、このカムシャフトＡには、微量ではあるが、ＴｉＮ等の窒化物が分散している。このため、該カムシャフトＡは、粒子分散強化型複合材に類似した挙動を示すので、一般的な鋳鉄製部材から構成されたカムシャフトに比して靱性や強度も高いという利点がある。
【００４２】
なお、このようにして表層部にパーライト組織が形成されたカムシャフトＡに対し、旋削加工等の機械加工を施すようにしてもよい。
【００４３】
なお、この実施の形態では、原材料の組合せを種々選定することによって窒素捕捉元素の含有量を０．５重量％以下に調整したが、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ａｌ等の窒素捕捉元素の含有量が０．５重量％以下のもののみを原材料として使用することもできることはいうまでもない。本発明においては、後者の場合も、窒素捕捉元素の含有量を０．５重量％以下に調整することに含めるものとする。
【００４４】
また、窒素捕捉元素の含有量は、溶湯が冷却固化する前であればどの時点で調整してもよい。すなわち、例えば、０．５重量％を超える窒素捕捉元素を含有する原材料が溶解されてなる溶湯に対して窒素ガスを吹き込み、この窒素ガスで窒素捕捉元素を窒化することによって、窒素捕捉元素の含有量を０．５重量％以下に調整するようにしてもよい。
【００４５】
さらに、上記した実施の形態では、鋳鉄製部材としてカムシャフトＡ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。
【００４６】
さらにまた、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。
【００４７】
【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、溶湯中に存在する遊離Ｎを捕捉してしまう窒素捕捉元素の割合が０．５重量％以下となるように調整し、その後、この溶湯を冷却固化して成形品を鋳造するようにしている。このため、該成形品に対して熱処理を施した際、チル組織を微細パーライトに容易に変態させることができるので、表層部の硬度が著しく高く耐摩耗性に優れ、かつ高強度な完成製品を容易に得ることができるという効果が達成される。
【００４８】
しかも、これにより、鋳鉄製部材の軽量化を図ることもできる。したがって、該鋳鉄製部材が車輌用の部材であれば、その自動車の燃費の向上を図ることもできる。
【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の製造方法を遂行する鋳造装置の概略全体構成図である。
【図３】カムシャフトの概略全体斜視図である。
【符号の説明】
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
２２…熱処理炉                    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
Ａ…カムシャフト
【図１】
0003963684.tif 000002
【図２】
0003963684.tif 000003
【図３】
0003963684.tif 000004