JP4165857B2 - 鋳鉄製部材の製造方法 - Google Patents

Description

【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、機械加工を容易に施すことができる半製品（成形品）を得ることが可能であり、このために完成製品である鋳鉄製部材を効率よく、しかも、高い歩留まりで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に示す鋳鉄製のカムシャフト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】
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。成形品をカムシャフトＡとするためには、該成形品の表層部に対し、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、還元雰囲気または不活性雰囲気等の非酸化雰囲気中で成形品に対して熱を加え、チル組織をオーステナイト（γ−Ｆｅ）と黒鉛とに分解することによって消失させるようにしている。
【０００７】
最後に、このような熱処理が施された成形品に対し、旋削加工等の機械加工処理を施す。これにより、寸法精度を有する完成製品としてのカムシャフトＡが製造されるに至る。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、原材料の溶解は、大気中で行われるのが一般的である。このため、大気中に存在する窒素が溶湯に溶け込み、遊離Ｎの状態で存在するようになる。必然的に、この状態の溶湯で作製された不良品もＮを含有している。このような不良品が返り材として使用されると、溶湯中のＮが順次蓄積され、その結果、Ｎを多量に含有する成形品が作製されることになる。
【０００９】
Ｎは、チル組織（セメンタイト）が分解することを妨げる傾向にある。このため、Ｎを多量に含む成形品に対して熱処理を施した場合、チル組織の分解が促進されず、最終的に、微細な層状組織（以下、微細パーライトという）が生成されてしまう。
【００１０】
この微細パーライトを含む部分は、著しく硬度が高い。換言すれば、チル組織を消失させても耐摩耗性が高い組織が残留しているので、旋削加工等を施すことがなお困難なままである。したがって、所定の寸法となるまで旋削加工等を施すのに長時間を要しており、このことがカムシャフトＡの生産効率を低下させる一因となっている。
【００１１】
また、このように高硬度な材料は、概して、各種の機械加工が施された際に割れや欠けが生じ易い傾向にある。換言すれば、この種の材料からなる成形品を使用してカムシャフトＡを得ようとすると、製造歩留まりが低下することを回避することが困難となる。
【００１２】
このような事態を回避するためには、微細パーライトが生成することを抑制するようにすればよいが、その方法は未だに確立されていない。
【００１３】
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、機械加工を容易に施すことができる成形品を得ることが可能であり、このために鋳鉄製部材を効率よかつ歩留まりよく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。
【００１４】
【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、鋳鉄の溶湯に存在し、且つ該溶湯から鋳造によって作製された成形品に対する熱処理時にセメンタイトが分解することを妨げる遊離Ｎを、前記成形品を作製するまでに窒素捕捉剤で捕捉する鋳鉄製部材の製造方法であって、
窒素と化合して窒素化合物を形成する窒素捕捉剤を含有する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、
前記第１工程において前記成形品に生成したチル組織をなすセメンタイトを、該成形品に対して熱処理を施すことによって黒鉛とオーステナイトに分解する第２工程と、
熱処理が施された前記成形品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３工程と、
を有し、
前記溶湯中に存在する遊離Ｎを前記窒素捕捉剤に捕捉させて窒素化合物とすることを特徴とする。
【００１５】
このような製造方法においては、溶湯が冷却固化して成形品となる前に、該溶湯中に存在していた遊離Ｎが窒素捕捉剤によって捕捉されて窒化物に変化する。例えば、窒素捕捉剤としてＴｉが使用された場合、ＴｉＮが生成する。これにより、成形品中に含まれている遊離Ｎの量が極めて少量となるので、該成形品に対して熱処理を施す際に、チル組織が分解することが抑制されることを回避することができる。
【００１６】
換言すれば、本発明では、熱処理に際してチル組織の分解が促進されるようになる。このため、高耐摩耗性の微細パーライトが成形品に生成することを抑制することができ、結局、旋削加工をはじめとする各種の機械加工を容易に施すことができる成形品が得られる。したがって、鋳鉄製部材の生産効率を向上させることができる。
【００１７】
また、機械加工を容易に施すことが可能な成形品は、概して割れや欠けが発生し難い。このため、鋳鉄製部材を歩留まりよく得ることもできる。
【００１８】
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。
【００１９】
Ｎと速やかに化合して窒化物を形成する窒素捕捉剤の好適な例としては、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ａｌの少なくともいずれか１種を構成元素とする物質を挙げることができる。すなわち、これらの金属元素から選択された純物質または混合物であってもよいし、これらの１種以上を構成元素とする化合物や合金であってもよい。
【００２０】
このような窒素捕捉剤は、溶湯の原材料に予め含有されているものを使用することができる。
【００２１】
溶解炉等にて溶解された溶湯は、通常、大気に露呈しながら搬送されて鋳型に導入される。このため、搬送中に大気から溶湯中にＮが溶け込むことがある。したがって、窒素捕捉剤は、鋳型内に導入される直前の溶湯に対して添加することが好ましい。この場合、原材料に含有されているＮのみならず、溶解後に大気から溶け込んだＮをも容易に捕捉することができるからである。
【００２２】
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、カムシャフトを挙げることができる。
【００２３】
【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。
【００２４】
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、この第１工程Ｓ１で成形品に生成したチル組織を熱処理によって分解する第２工程Ｓ２と、熱処理が施された成形品に対して機械加工を施して鋳鉄製部材とする第３工程Ｓ３とを有する。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
金型成形装置１８のキャビティに注湯する取り鍋２４の上方には、溶湯に窒素捕捉剤を添加するための計量ホッパ２６が配置されている。また、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一方で、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、ワーク取出ロボット３０、計量ホッパ２６は、支持台３１によって支持されている。
【００２８】
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。
【００２９】
本実施の形態に係る製造方法を行うに際しては、まず、鋼屑や返り材、銑鉄等を原材料として溶解炉３２に収容する。さらに、これら原材料とともに、窒素捕捉剤として機能するＴｉを含有する鋼材料（以下、窒素捕捉剤含有鋼という）を溶解炉３２内に収容する。なお、窒素捕捉剤含有鋼としては、Ｔｉを一般的な鋼材料に比して多く含有する鋼、具体的には、Ｔｉ添加極低炭素鋼やＳＰ鋼等が例示される。これらの鋼材料には、通常、Ｔｉが０．０２〜０．０４５重量％程度含有されている。
【００３０】
原材料に対する窒素捕捉剤含有鋼の割合は、原材料におけるＮの含有量と該窒素捕捉剤含有鋼におけるＴｉの含有量とを予め測定した上で、Ｎ：Ｔｉがおよそ１：１となるように選定すればよい。なお、原材料および窒素捕捉剤含有鋼を溶解する最中に大気からＮが溶湯中に溶け込むことを考慮し、ＴｉがＮよりも若干多くなるようにしてもよい。
【００３１】
そして、溶解炉３２を周囲から加熱することにより、前記原材料とＴｉを含有する鋼材料とを溶解して溶湯とする。この際、大気から溶湯に溶け込んだＮや原材料中に予め存在していたＮがＴｉと速やかに結合し、その結果、ＴｉＮが生成する。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
ここで、溶解炉３２から搬送取り鍋４６を介しての溶湯の搬送や、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、大気中で行われる。このため、これらの過程を経る際、大気から溶湯中に微量のＮが溶け込むことがある。本実施の形態では、このＮを捕捉するために、取り鍋２４内の溶湯に対し、計量ホッパ２６を介して窒素捕捉剤が添加される。
【００３７】
なお、窒素捕捉剤は、Ｎと速やかに化合するものであれば特に限定されるものではないが、好適な例としては、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ａｌの少なくともいずれか１種を構成元素とする物質を挙げることができる。すなわち、例えば、Ｔｉ粒子であってもよいし、Ｔｉ−Ａｌ合金粒子であってもよい。また、窒素捕捉機能を有する金属元素と窒素捕捉機能を有していない金属元素との合金粒子、例えば、Ｔｉ−Ｆｅ合金粒子であってもよい。
【００３８】
これらの金属元素が窒化物以外の形態で溶湯中に過剰に存在する場合、チル組織の分解が妨げられる傾向が現れる。また、分解により生成する黒鉛と共晶黒鉛となることもある。このため、窒素捕捉剤は、窒素捕捉機能を有する金属元素がＮと略当量となる量で添加することが好ましい。
【００３９】
そして、この場合、溶け込むＮが２０〜５５ｐｐｍと微量であるので、窒素捕捉剤として、添加量を制御することが容易な粒子が使用される。すなわち、計量ホッパ２６には、１回の添加に必要な量以上の粒子が予め収容されている。
【００４０】
計量ホッパ２６の出口管には、前記制御部と電気的に接続されたバルブ６２が介装されている。ロードセル６０によって、取り鍋２４内に所定量の溶湯が導入されたことが検知された際、制御部からの制御信号によってバルブ６２が開放される。この開放に伴い、窒素捕捉剤が溶湯に添加される。そして、制御部は、ロードセル６０によって、溶湯内に溶け込んだＮの量（２０〜５５ｐｐｍ）を捕捉することを可能とする量の窒素捕捉剤の添加が検知された際、バルブ６２を閉止する制御信号を発する。
【００４１】
窒素捕捉剤の添加量は、該窒素捕捉剤において窒素捕捉機能を有する金属元素が占める割合を考慮して選定し、制御部にプログラムすればよい。例えば、Ｔｉ粒子であれば、溶湯量に対して２０〜５５ｐｐｍが添加されるように設定すればよいし、Ｔｉ−Ｆｅ合金粒子であれば、溶湯量に対するＴｉが２０〜５５ｐｐｍとなるように添加量を設定すればよい。勿論、溶湯に溶け込むＮの量がより多いと見込まれる状況下では、窒素捕捉剤の添加量を多くするようにしてもよい。
【００４２】
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内に導入されかつ窒素捕捉剤が添加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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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２工程Ｓ２、すなわち、成形品Ｂに対する熱処理が施される。
【００４６】
この熱処理は、成形品Ｂの表層部に生成したチル組織を消失させるためのものである。すなわち、熱を加えることにより、チル組織（Ｆｅ₃Ｃ）をオーステナイト（γ−Ｆｅ）と黒鉛とに分解する。なお、熱処理の温度や時間は、チル組織が充分に分解され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。
【００４７】
ここで、上記したように、溶湯中に存在していた遊離Ｎは、該溶湯の冷却固化が行われる前に、Ｔｉ等の窒素捕捉剤によって捕捉されてＴｉＮ等の窒化物に変化している。すなわち、成形品Ｂ中に含まれている遊離Ｎの量が極めて少量であるので、チル組織が分解することが抑制されることを回避することができる。
【００４８】
換言すれば、窒素捕捉剤を添加して遊離Ｎを捕捉することにより、成形品Ｂに生成したチル組織を容易に分解することができる。したがって、微細パーライトが生成することを抑制することができ、結局、耐摩耗性が高い組織が成形品Ｂに残留してしまうことを回避することができる。
【００４９】
次に、このようにしてチル組織が分解された成形品Ｂに対し、第３工程Ｓ３において、所定の寸法のカムシャフトＡ（図３参照）とするための旋削加工等の機械加工を施す。上記したように、成形品Ｂは、チル組織が分解されたものであり、かつ微細パーライトが生成することが抑制されたものである。このため、該成形品Ｂの硬度や耐摩耗性が過度に上昇することが抑制されているので、該成形品Ｂに対して容易に旋削加工等を施すことができる。
【００５０】
しかも、このような成形品Ｂは、機械加工が施されるに際して割れや欠けが発生する頻度が著しく少ない。すなわち、カムシャフトＡを歩留まりよく製造することができる。勿論、成形品Ｂの硬度や耐摩耗性は、カムシャフトＡとして使用される際に必要かつ充分な範囲である。
【００５１】
成形品Ｂを所定の寸法に仕上げる機械加工を施すことにより、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。このカムシャフトＡには、微量の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し、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が高いという利点がある。
【００５２】
なお、この実施の形態では、原材料に窒素捕捉剤含有鋼としてＴｉを含有するものを例示したが、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ａｌの少なくともいずれか１種を含有する鋼材料であってもよい。
【００５３】
また、窒素捕捉剤は、溶湯が冷却固化する前であればどの時点で混合してもよい。すなわち、例えば、原材料に窒素捕捉剤含有鋼をやや過剰に混合し、計量ホッパ２６を介しての窒素捕捉剤の添加は行わないようにしてもよい。または、原材料に窒素捕捉剤含有鋼を混合することなく溶湯とし、取り鍋２４内に導入された溶湯に対して、計量ホッパ２６を介して必要量の窒素捕捉剤を添加するようにしてもよい。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
【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を捕捉する窒素捕捉剤を添加した後に該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、チル組織を容易に分解させることができ、したがって、微細パーライトが残留することを回避することができる。その結果、旋削加工等の機械加工を容易に施すことができる成形品を得ることができるので、カムシャフト等の鋳鉄製部材を効率よくかつ歩留まりよく製造することができるという効果が達成される。
【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
２６…計量ホッパ ３０…ワーク取出ロボット
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
６２…バルブ Ａ…カムシャフト

Claims (5)

1. 鋳鉄の溶湯に存在し、且つ該溶湯から鋳造によって作製された成形品に対する熱処理時にセメンタイトが分解することを妨げる遊離Ｎを、前記成形品を作製するまでに窒素捕捉剤で捕捉する鋳鉄製部材の製造方法であって、
   窒素と化合して窒素化合物を形成する窒素捕捉剤を含有する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、
   前記第１工程において前記成形品に生成したチル組織をなすセメンタイトを、該成形品に対して熱処理を施すことによって黒鉛とオーステナイトに分解する第２工程と、
   熱処理が施された前記成形品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３工程と、
   を有し、
   前記溶湯中に存在する遊離Ｎを前記窒素捕捉剤に捕捉させて窒素化合物とすることを特徴とする鋳鉄製部材の製造方法。
2. 請求項１記載の製造方法において、前記窒素捕捉剤として、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ａｌの少なくともいずれか１種を構成元素とする物質を使用することを特徴とする鋳鉄製部材の製造方法。
3. 請求項１または２記載の製造方法において、窒素捕捉剤は、溶湯の原材料に予め含有されたものであることを特徴とする鋳鉄製部材の製造方法。
4. 請求項１または２記載の製造方法において、前記鋳型内に導入される溶湯に対して計量された窒素捕捉剤を添加することを特徴とする鋳鉄製部材の製造方法。
5. 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カムシャフトを製造することを特徴とする鋳鉄製部材の製造方法。

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