JP2000063937A - 金型鋳造品の熱処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【解決手段】 Ｐ０〜Ｐ２の間、すなわち離型後の鋳造
品を拘束して形状を矯正する。ここではワークは十分に
高温であり軟らかく、形状矯正は容易である。Ｐ２〜Ｐ
３の間は、拘束と非拘束とを交互に繰り返しつつ強制冷
却する。この拘束と非拘束とを交互に繰り返すことを、
間欠拘束ともいう。例えば拘束は２秒、非拘束は０．５
秒とし、Ｐ２〜Ｐ３の所要時間を１０秒とすれば拘束と
非拘束とを４回繰り返す。拘束で変形を抑えるので曲り
を防止でき、非拘束で収縮を許容するため割れの発生を
未然に防ぐことができる。Ｐ３以降では、非拘束にす
る。 【効果】 焼入れ中は、拘束と非拘束とを交互に繰り返
し、拘束で変形を抑えるので曲りを防止でき、非拘束で
収縮を許容するため割れの発生を未然に防ぐことができ
る。従って、形状良好で割れのない鋳造品を製造するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は金型鋳造品、特にカ
ムシャフトに好適な熱処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】カムシャフトなどのワークを金型鋳造法
で製造する技術には、例えば特公平５−４５３４７号公
報「金型鋳造法および金型鋳造装置」がある。この鋳造
法は、注湯後、金型に接する鋳物の表層を急冷し、表層
が殻状の凝固層になったら離型するというものである。
又、カムシャフトを高周波加熱法等で焼入れ温度まで加
熱し、冷却剤に浸漬する若しくは冷却剤を噴射すること
で、焼入れすることは知られている。省エネルギーの点
から、上記公報の技術で製造した鋳造品を、直ちに冷却
剤で強制冷却することは望ましいことである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ワークがカム
シャフトのように細長いものであれば、曲りやすい。そ
こで、ワークを適当な治具で拘束しながら、急冷する方
法が考えられる。しかしながら、細長いワークは急冷に
よって大きく収縮するため、治具で拘束するとこの収縮
を妨げることになり、ワークは割れる虞れがある。そこ
で、本発明の目的は、ワークの割れを防止しつつ、強制
冷却することのできる技術を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１は、鉄系部品のための溶湯を金型に注入し、
金型に接する鋳造品の表層が焼入れ可能な温度範囲で且
つ殻状の凝固層になったときに離型し、冷却剤を吹きつ
ける若しくは冷却剤に浸漬することで急冷する熱処理方
法において、離型後に鋳造品を拘束して形状を矯正し、
冷却剤を吹きつける若しくは冷却剤に浸漬するときか
ら、拘束と非拘束とを交互に繰り返しつつ強制冷却する
ことを特徴とする。

【０００５】先ず、離型直後の保有熱を利用して、焼入
れを実施するものであり、焼入れのための加熱（ヒー
ト）を省略することができる。焼入炉まで運搬する工程
が不要となるので、工程数の削減が図れる。焼入れ開始
前に鋳造品の形状を矯正するので、形状の良好なワーク
を対象に焼入れを進めることができる。焼入れ中は、拘
束と非拘束とを交互に繰り返し、拘束で変形を抑えるの
で曲りを防止でき、非拘束で収縮を許容するため割れの
発生を未然に防ぐことができる。

【０００６】請求項２は、拘束と非拘束との繰り返しは
マルテンサイト変態開始温度に到達するまでとし、それ
以降は非拘束にする。マルテンサイト変態開始温度は約
１８０℃であって、以降の熱変形は微小であるから、拘
束する必要はない。また、マルテンサイト変態開始温度
以下でオーステナイトがマルテンサイトに変態し、冶金
的な膨張が始まる。従って、非拘束にすることで、この
変態膨張を妨げないようにする。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を添付図に基
づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見る
ものとする。図１は本発明に係る鋳造品の全体図であ
り、金型鋳造品をカムシャフトを例に説明する。金型鋳
造品としてのカムシャフト１は、複数のジャーナル部２
ａ〜２ｅと、隣同士のジャーナル部、例えばジャーナル
部２ａ，２ｂ間に形成した５個のカム部３ａ〜３ｄとか
らなり、ジャーナル部２ｂ，２ｃ間並びにジャーナル部
２ｃ，２ｄ間も同様であるところの、３気筒対応カムシ
ャフトである。

【０００８】鋳造品の材料成分を次表で実施例として示
す。比較例は金属便覧（日本金属学会編、改訂第５版、
第５９６頁）に記載されている標準の化学組成である。
表中、Ｓｎはずす、Ｂｉはビスマスである。

【０００９】

【表１】

【００１０】球状黒鉛鋳鉄は、鋳鉄にＭｇ（マグネシウ
ム）を添加することにより、黒鉛を球状化した鋳鉄であ
り、実施例では０．０１〜０．０３％のＭｇを含む。更
に比較例に比べて、実施例ではＳｉ（珪素）成分を１．
５〜２．０倍にしたことを特徴とする。Ｓｉを増やした
ことにより、非焼入れ部分の硬度が小さくなり、ドリ
ル、旋盤による機械加工が容易となるからである。

【００１１】図２は本発明に係る熱処理設備レイアウト
図であり、設備１０は、金型鋳造機１１と、切断機１２
と、矯正機構付き焼入れ機２０と、焼戻し炉１４からな
り、金型鋳造機１１において、鉄系部品のための溶湯を
金型に注入する工程と、金型に接する鋳造品の表層が焼
入れ可能な温度範囲で且つ殻状の凝固層になったときに
離型する工程とを実行する。矯正機構付き焼入れ機２０
は次図で詳細な構造を説明するが、金型から外した鋳造
品に全面的若しくは部分的に冷却剤を吹きつける若しく
は冷却剤に浸漬することで全面若しくは局部焼入れを行
う設備である。その後、焼戻し炉１４で焼戻し処理して
鋳造品の靱性等を高める。

【００１２】図３は本発明に係る矯正機構付き焼入れ機
の原理図であり、矯正機構付き焼入れ機２０は、フレー
ム２１と、冷却剤を噴射するスプレーノズル２２・・・（・
・・は複数個を示す。以下同様。）と、スプレーノズル２
２・・・を支えるヘッダ２３・・・と、これらのヘッダ２３・・
・を支える支柱２４と、この支柱２４を支える台車２５
と、噴射後の冷却剤を集める集水パン２６と、冷却剤を
加圧してフレキシブルホース２７を介して支柱２４へ送
るポンプ２８と、支柱２４へエアを送るコンプレッサ２
９と、矯正機構３０とからなる。すなわち、支柱２４は
冷却剤及びエアの導管を兼ねる部材である。

【００１３】矯正機構３０は、カムシャフト１のジャー
ナル部を受けさせるべくフレーム２１に立てた受け台３
１・・・と、これらの受け台３１・・・の上方に対向配置した
拘束爪３２・・・と、これらの拘束爪３２・・・を支える昇降
フレーム３３と、この昇降フレーム３３を昇降させる油
圧シリンダ３４と、前記受け台３１・・・並びに拘束爪３
２・・・へエアを供給するエアホース３６，３７とからな
る。

【００１４】１７は置き台、１８はローダ、１９はアン
ローダであり、切断機を出たカムシャフト１を置き台１
７に仮置きし、このカムシャフト１をローダ１８で焼入
れ機２０へ移載し、焼入れ後、台車２５にてスプレーノ
ズル２２・・・などを想像線で示す位置へ待避させ、アン
ローダ１９で焼入れ機２０からカムシャフト１を取り出
す。

【００１５】図４は図３の４部拡大図であり、受け台３
１に冷却剤通路４１を開け、この冷却剤通路４１の出口
にポーラスブロック４２と称する多孔性メタル又は多孔
性セラミックスを嵌め、このポーラスブロック４２をカ
ムシャフト１のジャーナル部２ｂに接触させるようにし
たものである。ポーラスブロック４２は、多孔質体であ
るから冷却剤（エア、又はエアと水混合ミストが好適）
を適度に分散させ、マイルドな流れの冷却剤をジャーナ
ル部２ｂに当てる作用をなす。４３・・・はサイドマスク
であり、冷却剤がカム部３ａ，３ｅ側へ流れ出ないよう
にする遮蔽板である。サイドマスク４３，４３が無けれ
ば、冷却剤がカム部３ａ，３ｅに当り、それらを冷却す
ることになり、カム部３ａ，３ｅは焼入れ可能な温度よ
り低温になることがある。この不都合をサイドマスク４
３，４３で防止する。サイドマスク４３はリンク４４で
移動させることができる。

【００１６】同様に拘束爪３２にも、冷却剤通路４１、
ポーラスブロック４２、サイドマスク４３，４３、リン
ク４４，４４を備える。

【００１７】図５は図４の５−５線断面図であり、ポー
ラスプロック４２の上面又は下面を湾曲面４５とし、こ
の湾曲面４５をジャーナル部２ｂに密に当てたことを示
す。なお、冷却剤通路４１は図の様に複数の分配路４１
ａ・・・に分岐して平均的にポーラスプラグ４２に臨ませ
るようにした。冷却剤通路４１の分岐とポーラスプラグ
４２の分散作用とで、冷却剤が適度に分散し、ジャーナ
ル部２ｂをより均一に冷却することができるからであ
る。ただし、冷却剤がエアなどの気体である場合は、自
己分散性が高いので、ポーラスプラグ４２を省略して、
冷却剤通路４１を分配路４１ａ・・・に分岐するだけでも
よい。

【００１８】図６は図４の６−６線断面図であり、サイ
ドマスク４３には冷却剤排出通路４６，４６を設けるこ
とを示す。

【００１９】冷却剤排出通路４６が無ければ、図５のポ
ーラスブロック４２を通じてジャーナル部２ｂに吹き付
けた冷却剤は行き場を求めて図６のカム部３ａに向うこ
とになり、カム部３ａの温度が下がるという不都合が発
生する。そこで、冷却剤を冷却剤排出通路４６・・・にて
上又は下へ排出すれば、その心配は無くなる。従って、
冷却剤排出通路４６・・・を設けることはより好ましい。
しかし、サイドマスク４３は冷却剤排出通路４６，４６
の有無に関係なく、冷却剤の遮断効果は大きいので、冷
却剤排出通路４６，４６を設けるか否かは自由である。

【００２０】図７はスプレーノズルの配置図であり、カ
ム部３ａ〜３ｅを満遍なく冷却するために、１周当り９
０°ピッチで４個配置したスプレーノズル２２・・・で、
冷却剤をカム部３ａ〜３ｅに吹き付けている様子を示
す。なお、このスプレーノズル２２は、エア・アトマイ
ジング式ミストノズルであり、水等の液体冷却剤を空気
で霧（ミスト）化する形式のもので、液体と空気の割合
を替えることにより、冷却速度を変更することができ
る。具体的には液体を多くすれば冷却速度は大きくな
り、空気を多くすれば冷却速度が小さくなる。

【００２１】以上の構成からなる矯正機構付き焼入れ機
を中心とした本発明技術の作用を次に説明する。図８は
本発明に係る金型鋳造品の熱処理フロー図である。ＳＴ
××はステップ番号を示す。 ＳＴ０１：金型を型組みする。 ＳＴ０２：前記表で説明した実施例相当の材料成分の溶
湯を金型へ注入する。 ＳＴ０３：湯は金型に接触した表層が最初に金型で冷却
されることになり、１１５０〜１２００℃で凝固が始ま
り、内部は未強固層のままであるが、表層は殻状の凝固
層となる。凝固層の厚さは時間とともに増加（成長）す
るので、凝固層が破れない程度まで成長させる。この時
間を管理する。 ＳＴ０４：所定時間が経過したら金型を分割して、鋳造
品を取出す。 ＳＴ０５：迅速に、湯道、鋳ばりなどを切除する。 ＳＴ０６：鋳造品に矯正・予備冷却を施す。このＳＴ０
６を以下に詳しく説明する。

【００２２】図９（ａ），（ｂ）は本発明の予備冷却要
領図であり、先ず（ａ）に示すとおり、ジャーナル部２
ａ，２ｂを受け台３１，３１に載せ、拘束爪３２，３２
で強く抑えることで、離型歪を矯正する。そして、冷却
剤通路４１・・・を介してエアをジャーナル部２ａ，２ｂ
に向って矢印のごとく流して、ジャーナル部２ａ，２ｂ
を強制冷却する。サイドマスク４３・・・の遮断作用でエ
アが脇へ漏れる心配はない。このときにはスプレーノズ
ル２２・・・からの噴射は行わない。（ｂ）に示すとお
り、ポーラスブロック４２で適度に分散されたエアでジ
ャーナル部２ａをソフトに冷却する。図示せぬ他のジャ
ーナル部２ｂ〜２ｄも同様である。

【００２３】図１０は本発明に係るカムシャフトの冷却
曲線図であり、横軸は時間、縦軸は温度、実線グラフは
ジャーナル部表面温度、破線グラフはカム部表面温度を
示す。縦軸上のＡ1は変態点であり、Ｓｉ成分が３．３
７〜４．３４％であれば、７８０〜８００℃となる。ま
た、Ｍｓはマルテンサイトスタート点であり、約１８０
℃である。Ｐ0点で予備冷却を開始し、次にエアで強制
冷却することでジャーナル部がＡ1点を下回ったＰ1点に
達したら予備冷却を終了する。一方、カム部は自然冷却
のためＰ2点では僅かに温度低下するもののＡ1よりは十
分に高温の領域にある。

【００２４】図８に戻って、ＳＴ０７で矯正・焼入れを
施す。ここでの矯正は、離型歪を矯正すると共に、急冷
により発生する変形を抑えるものである。焼入れ作用を
図面で具体的に説明する。

【００２５】図１１は本発明の矯正・焼入れ要領図であ
り、カムシャフト１を受け台３１，３１及び拘束爪３
２，３２で拘束し、バルブ４７・・・を閉じることによ
り、受け台３１，３１及び拘束爪３２，３２へのエアの
供給を停止し、代りにスプレーノズル２２・・・からミス
ト状の冷却剤をカム部３ａ〜３ｅへ噴射して、急冷す
る。冷却開始時点におけるカム部表面の温度は、Ａ1
（７８０〜８００℃）以上である。スプレーノズル２２
へは例えば、２〜４ｋｇｆ／ｃｍ2の圧縮空気と、４〜
５ｋｇｆ／ｃｍ2で１８０〜４００（リットル／時間）
の水とを供給して、冷却開始時点で１２０℃／秒の冷却
速度を得るようにした。

【００２６】図１２は本発明の拘束、間欠拘束及び非拘
束要領図であり、横軸は時間、縦軸は温度、曲線はカム
部の温度を示す。曲線上のＰ２は強制冷却開始点、Ｐ３
はマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）との交点であ
る。本発明では、Ｐ０〜Ｐ２の間、すなわち離型後の鋳
造品を拘束して形状を矯正する。ここではワークは十分
に高温であり軟らかく、形状矯正は容易である。

【００２７】Ｐ２〜Ｐ３の間は、拘束と非拘束とを交互
に繰り返しつつ強制冷却する。この拘束と非拘束とを交
互に繰り返すことを、間欠拘束ともいう。例えば拘束は
２秒、非拘束は０．５秒とし、Ｐ２〜Ｐ３の所要時間を
１０秒とすれば拘束と非拘束とを４回繰り返す。拘束で
変形を抑えるので曲りを防止でき、非拘束で収縮を許容
するため割れの発生を未然に防ぐことができる。

【００２８】Ｐ３以降では、非拘束にする。マルテンサ
イト変態開始温度は約１８０℃であって、以降の熱変形
は微小であるから、拘束する必要はない。また、マルテ
ンサイト変態開始温度以下でオーステナイトがマルテン
サイトに変態し、冶金的な膨張が始まる。従って、非拘
束にすることで、この変態膨張を妨げないようにする。
これで、割れのない良質な鋳造品を得ることができる。

【００２９】図１０に戻って、カム部はＡ1（７８０〜
８００℃）より上のＰ2点から、急激に冷却され、Ｍｓ
（約１８０℃）点を通過し、その時からオーステナイト
がマルテンサイトに変化する。これでカム部に焼きが入
り始める。一方、ジャーナル部はＡ1より下のＰ1から冷
却が始まるため、焼きが入ることはない。Ｍｓ点を通過
しなければなおのことである。すなわち、本発明の特徴
の一つは焼きを入れたくないジャーナル部を、予備冷却
工程で強制的にＡ1点以下にして、焼入れを防止したこ
とを特徴とする。この処理により、仮にジャーナル部が
Ｍｓ点以下になっても焼きが入る心配はない。

【００３０】図８に戻って、ＳＴ０８にて焼戻し処理を
行えばよい。焼戻しは焼入れに付随する熱処理であり、
靱性を高めるために適宜実施すればよいものである。

【００３１】図１３は本発明で得た焼入れ硬度グラフで
あり、横軸は噴射時間、縦軸はＨＲＣ（ロックウエル硬
度−Ｃスケール）を示し、本発明では目標硬度が５２で
あり、上記スプレーノズルの配置及び仕様において噴射
時間を１５秒以上にすれば、目標硬度が得られることが
確認できた。

【００３２】尚、本発明方法で処理可能な金型鋳造品
は、カムシャフト、ロッカアーム、ナックルアームなど
の自動車部品又は同等の鉄系部品である。また、図２の
切断機１２の配置位置を変更し、図５のＳＴ０５（切断
工程）を別のステップに移すことは自由である。

【００３３】

【発明の効果】本発明は上記構成により次の効果を発揮
する。請求項１によれば、離型直後の保有熱を利用し
て、焼入れを実施するものであり、焼入れのための加熱
（ヒート）を省略することができる。焼入炉まで運搬す
る工程が不要となるので、工程数の削減が図れる。そし
て、焼入れ開始前に鋳造品の形状を矯正するので、形状
の良好なワークを対象に焼入れを進めることができる。
さらには、焼入れ中は、拘束と非拘束とを交互に繰り返
し、拘束で変形を抑えるので曲りを防止でき、非拘束で
収縮を許容するため割れの発生を未然に防ぐことができ
る。従って、請求項１によれば、形状良好で割れのない
鋳造品を製造することができる。

【００３４】請求項２は、拘束と非拘束との繰り返しは
マルテンサイト変態開始温度に到達するまでとし、それ
以降は非拘束にしたことを特徴とし、マルテンサイト変
態開始温度は約１８０℃であって、以降の熱変形は微小
であるから、拘束する必要はない。さらには、マルテン
サイト変態開始温度以下でオーステナイトがマルテンサ
イトに変態し、冶金的な膨張が始まる。従って、非拘束
にすることで、この変態膨張を妨げないようにする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る鋳造品の全体図

【図２】本発明に係る熱処理設備レイアウト図

【図３】本発明に係る矯正機構付き焼入れ機の原理図

【図４】図３の４部拡大図

【図５】図４の５−５線断面図

【図６】図４の６−６線断面図

【図７】スプレーノズルの配置図

【図８】本発明に係る金型鋳造品の熱処理フロー図

【図９】本発明の予備冷却要領図

【図１０】本発明に係るカムシャフトの冷却曲線図

【図１１】本発明の矯正・焼入れ要領図

【図１２】本発明の拘束、間欠拘束及び非拘束要領図

【図１３】本発明で得た焼入れ硬度グラフ

【符号の説明】

１…金型鋳造品（カムシャフト）、２ａ〜２ｅ…ジャー
ナル部、３ａ〜３ｅ…カム部、１０…設備、１１…金型
鋳造機、２０…矯正機構付き焼入れ機、２２…スプレー
ノズル、３０…矯正機構、３１…受け台、３２…拘束
爪、４１…冷却剤通路、４２…ポーラスブロック、４３
…サイドマスク。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 知貴 埼玉県狭山市新狭山１丁目10番地１ ホン ダエンジニアリング株式会社内 Ｆターム(参考） 4K042 AA17 BA10 BA13 CA05 CA08 CA17 DA01 DA02 DD02 DE02 DE07 DF01

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鉄系部品のための溶湯を金型に注入し、
   金型に接する鋳造品の表層が焼入れ可能な温度範囲で且
   つ殻状の凝固層になったときに離型し、冷却剤を吹きつ
   ける若しくは冷却剤に浸漬することで急冷する熱処理方
   法において、前記離型後に鋳造品を拘束して形状を矯正
   し、冷却剤を吹きつける若しくは冷却剤に浸漬するとき
   から、拘束と非拘束とを交互に繰り返しつつ強制冷却す
   ることを特徴とした金型鋳造品の熱処理方法。
2. 【請求項２】 前記拘束と非拘束との繰り返しはマルテ
   ンサイト変態開始温度に到達するまでとし、それ以降は
   非拘束にすることを特徴とした請求項１記載の金型鋳造
   品の熱処理方法。