JP3827445B2

JP3827445B2 - 金型鋳造品の熱処理方法

Info

Publication number: JP3827445B2
Application number: JP16118098A
Authority: JP
Inventors: 伸樹松尾; 俊明大沼; 知貴高橋; 範之山田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1998-06-09
Filing date: 1998-06-09
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2018-06-09
Also published as: JPH11350028A

Description

【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。従来の金型鋳造では、金型内で鋳造品を内部まで冷却するため、冷却過程で金型による拘束力が働き、鋳物に割れが発生することがある。これに対して、上記公報の方法では、内部が未凝固状態で離型するため、鋳物割れを防止することができる。併せて、内部が未凝固状態で離型するため、サイクルタイムを従来よりも短縮することができ、生産性を高めることができるという、効果も期待できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記技術によれば、効率良く、形状の良好なワークを鋳造することができるが、得られた鋳造品に耐摩耗性やタフネスを付加するためには、次工程で熱処理（焼入れ、焼戻し）を施す必要がある。
すなわち、鋳造前の溶解のための第１ヒート、焼入れのための第２ヒート、焼戻しのための第３ヒートの都合３回の加熱が必要となり、その分だけ多量の熱エネルギーが必要となるとともに、工程数も多くなる。
そこで、本発明の目的は、金型鋳造において、省エネルギーと工程数の削減とを図ることにある。
【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、この金型に接する鋳造品の表層が、殻状の凝固層になると共にＡ１変態点よりも高い温度のときに離型し、離型直後の熱を保有すると共に離型した鋳造品に、冷却剤を使用することにより焼入れる金型鋳造品の熱処理方法であって、この熱処理方法は、前記離型直後の保有熱を利用し、次の第１乃至第２の工程からなる工程にて冷却剤で直接的に鋳造品を冷却することにより鋳造品の熱処理を実行する工程を有することを特徴とする。
１．鋳造品における硬度を要求しない部分を予備冷却すると共に、その間に、鋳造品における硬度を要求する部分は冷却剤での冷却を行わない第１の工程。
２．第１の工程の次に、前記硬度を要求する部分を急激に冷却する第２の工程。
請求項２は、請求項１記載の金型鋳造品の熱処理方法において、前記鋳造品の熱処理を実行する工程では、前記予備冷却は、Ａ１変態点よりも低い温度まで実施し、硬度を要求する部分は、Ａ１変態点よりも高い温度に維持することを特徴とする。
請求項３は、請求項１記載の金型鋳造品の熱処理方法において、前記第２の工程では、前記硬度を要求する部分を急激に冷却して到達する温度は、Ｍｓ変態点より低い温度であることを特徴とする。
請求項１及びこれに従属する請求項２〜３は、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。
さらに、省エネルギー並びに工程数の削減が図れるとともに、鋳造品に焼入れ部分と非焼入れ部分とを形成することができ、焼入れ部分では耐摩耗性及びタフネス、非焼入れ部分では柔軟性を付与することができる。
【０００５】
請求項４は、請求項１記載の金型鋳造品の熱処理方法において、前記予備冷却は、冷却剤を吹きつけることにより行うことを特徴とする。
請求項５は、請求項１記載の金型鋳造品の熱処理方法において、前記焼入れは、前記離型した鋳造品に冷却剤を吹きつける若しくは冷却剤を浸漬することにより急激に冷却することを特徴とする。
請求項６は、請求項１記載の金型鋳造品の熱処理方法において、前記予備冷却は、Ａ１変態点よりも低い温度まで徐冷する工程であり、この徐冷工程は、前記冷却剤を通す冷却剤通路を備えた拘束する部材を、前記鋳造品における硬度を要求しない部分に押し当て、この拘束部材に配設し、前記硬度を要求しない部分に対応した多孔質部材から、冷却剤を分散して前記硬度を要求しない部分を冷却することを特徴とする。
請求項７は、請求項１記載の金型鋳造品の熱処理方法において、前記予備冷却における冷却剤は、エア、又はエアと水との混合ミストからなることを特徴とする。
請求項１に従属する請求項４〜７は、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、省エネルギー並びに工程数の削減が図れるとともに、鋳造品に焼入れ部分と非焼入れ部分とを形成することができ、焼入れ部分では耐摩耗性及びタフネス、非焼入れ部分では柔軟性を付与することができる。
【０００６】
【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２ａ〜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。
【０００７】
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。
【０００８】
【表１】

【０００９】
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。
【００１０】
図２は本発明に係る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。
【００１１】
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２２・・・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２９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。
【００１２】
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３１・・・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３２・・・へエアを供給するエアホース３６，３７とからなる。
【００１３】
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１７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。
【００１４】
図４は図３の４部拡大図であり、受け台３１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４３，４３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。
【００１５】
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。
【００１６】
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４１ａ・・・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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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９０°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。
【００２０】
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ＳＴ０６を以下に詳しく説明する。
【００２１】
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２ａ，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。
【００２２】
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３．３７〜４．３４％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。
【００２３】
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。
【００２４】
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３２，３２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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
図１２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。
【００２８】
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。
【００３０】
【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。
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。加えて、鋳造品に焼入れ部分と非焼入れ部分とを形成することができ、焼入れ部分では耐摩耗性及びタフネス、非焼入れ部分では柔軟性を付与することができる。
【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。

Claims

鉄系部品のための溶湯を金型に注入し、
この金型に接する鋳造品の表層が、殻状の凝固層になると共にＡ１変態点よりも高い温度のときに離型し、
離型直後の熱を保有すると共に離型した鋳造品に、冷却剤を使用することにより焼入れる金型鋳造品の熱処理方法であって、
この熱処理方法は、前記離型直後の保有熱を利用し、次の第１乃至第２の工程からなる工程にて冷却剤で直接的に鋳造品を冷却することにより鋳造品の熱処理を実行する工程を有することを特徴とする金型鋳造品の熱処理方法。
１．鋳造品における硬度を要求しない部分を予備冷却すると共に、その間に、鋳造品における硬度を要求する部分は冷却剤での冷却を行わない第１の工程。
２．第１の工程の次に、前記硬度を要求する部分を急激に冷却する第２の工程。
請求項１記載の金型鋳造品の熱処理方法において、
前記鋳造品の熱処理を実行する工程では、前記予備冷却は、Ａ１変態点よりも低い温度まで実施し、硬度を要求する部分は、Ａ１変態点よりも高い温度に維持することを特徴とする金型鋳造品の熱処理方法。
請求項１記載の金型鋳造品の熱処理方法において、
前記第２の工程では、前記硬度を要求する部分を急激に冷却して到達する温度は、Ｍｓ変態点より低い温度であることを特徴とする金型鋳造品の熱処理方法。
請求項１記載の金型鋳造品の熱処理方法において、
前記予備冷却は、冷却剤を吹きつけることにより行うことを特徴とする金型鋳造品の熱処理方法。
請求項１記載の金型鋳造品の熱処理方法において、
前記焼入れは、前記離型した鋳造品に冷却剤を吹きつける若しくは冷却剤を浸漬することにより急激に冷却することを特徴とする金型鋳造品の熱処理方法。
請求項１記載の金型鋳造品の熱処理方法において、
前記予備冷却は、Ａ１変態点よりも低い温度まで徐冷する工程であり、
この徐冷工程は、前記冷却剤を通す冷却剤通路を備えた拘束する部材を、前記鋳造品における硬度を要求しない部分に押し当て、この拘束部材に配設し、前記硬度を要求しない部分に対応した多孔質部材から、冷却剤を分散して前記硬度を要求しない部分を冷却することを特徴とする金型鋳造品の熱処理方法。
請求項１記載の金型鋳造品の熱処理方法において、
前記予備冷却における冷却剤は、エア、又はエアと水との混合ミストからなることを特徴とする金型鋳造品の熱処理方法。