JPH11350030A

JPH11350030A - 金型鋳造品の熱処理方法

Info

Publication number: JPH11350030A
Application number: JP16119098A
Authority: JP
Inventors: Nobuki Matsuo; 伸樹松尾; Toshiaki Onuma; 俊明大沼; Tomotaka Takahashi; 知貴高橋
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1998-06-09
Filing date: 1998-06-09
Publication date: 1999-12-21

Abstract

(57)【要約】【解決手段】カム部がＭｓ点以下になったところのＰ
3点で、強制冷却を停止する。すると高温である内部並
びにジャーナル部から熱（残熱）がカム部に伝わり、カ
ム部は低温焼戻温度以上に昇温する。これで、カム部は
焼鈍されることとなる。【効果】自己焼戻させることで、従来の焼戻加熱を割
愛することができ、省エネルギー化を図ることができ
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。
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、外した鋳造品に冷却剤を吹きつける若しくは冷却剤
に浸漬することで実施する焼入工程と、鋳造品の表面が
Ｍｓ点以下になり内部が十分に高温の状態で前記冷却を
止めて残熱で低温焼戻しを実行する自己焼戻工程と、か
らなる金型鋳造品の熱処理方法である。

【０００５】第１に、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。第２に、内
部の残熱を利用して、低温焼戻しを実施するものであ
り、焼戻しのための加熱（ヒート）を省略することがで
きる。焼戻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。即ち、従来は３ヒート必要であった
ものが、本発明によれば１ヒートですませることがで
き、大幅な省エネルギー化が達成できる。

【０００６】請求項２は、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、外した鋳造品の硬度を必要とする部分に局
部的に冷却剤を吹きつけることで実施する部分焼入工程
と、鋳造品の表面がＭｓ点以下になり冷却剤を吹きつけ
ない部分並びに内部が十分に高温の状態で前記冷却を止
めて、冷却剤を吹きつけない部分並びに内部の残熱で焼
入れ部分の低温焼戻しを実行する自己焼戻工程と、から
なる金型鋳造品の熱処理方法である。

【０００７】請求項１と同様に、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。

【０００８】

【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。

【０００９】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。

【００１０】

【表１】

【００１１】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。

【００１２】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
うとともに、その後、低温焼戻し（自己焼戻し）処理を
行う設備である。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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、矯正爪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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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及び矯正爪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及び矯正爪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。

【００２７】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。なお、内部はカム部に比べて冷却が遅れるた
め高温である。

【００２８】また、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。

【００２９】図８に戻って、ＳＴ０８にて自己焼戻し処
理を行う。具体的には図１０において、カム部がＭｓ点
以下になったところのＰ3点で、前記冷却を停止する。
すると高温である内部並びにジャーナル部から熱（残
熱）がカム部に伝わり、カム部は低温焼戻温度以上に昇
温する。これで、カム部は焼鈍されることとなる。この
様にワーク自身の残熱を利用して焼戻しすることを自己
焼戻しという。

【００３０】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。そこで、５秒の余裕を見込んだ２０秒の時
点で噴射を停止し、残熱による自己焼戻しを実行する。
この噴射停止時間はワークの形状、寸法、冷却剤の噴射
量などを考慮し、適宜、変更すべきものであって２０秒
に限るものではない。

【００３１】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。

【００３２】請求項１では、焼入れ工程で浸漬若しくは
冷却剤を全体的に吹き付けることにより、全面焼入れす
る。従って、ワークはカムシャフトに限らず、鉄系部品
であればよい。請求項２では、ワークに焼入れ部分と非
焼入れ部分とを形成できるので、カム部に焼きを入れ、
ジャーナル部は非焼き入れするごとくにカムシャフト若
しくは同等品に好適である。そして、請求項１，２とも
に予備冷却や焼入れ時矯正は必ずしも必要ではない。

【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、第１に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。第２に、内
部の残熱を利用して、低温焼戻しを実施するものであ
り、焼戻しのための加熱を省略することができる。焼戻
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。即ち、従来は３ヒート（溶解加熱、焼入加熱、
焼戻加熱）必要であったものが、本発明によれば１ヒー
ト（溶解加熱）ですませることができ、大幅な省エネル
ギー化が達成できる。

【００３４】請求項２は、請求項１と同様に、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。

【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。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１０年６月３０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２３】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。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２６】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。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＣ２１Ｄ 9/30 Ｃ２１Ｄ 9/30 Ａ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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、外した鋳造品に冷却剤を吹きつける若しくは冷却剤
に浸漬することで実施する焼入工程と、鋳造品の表面が
Ｍｓ点以下になり内部が十分に高温の状態で前記冷却を
止めて残熱で低温焼戻しを実行する自己焼戻工程と、か
らなる金型鋳造品の熱処理方法。
【請求項２】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、外した鋳造品の硬度を必要とする部分に局部的に冷
却剤を吹きつけることで実施する部分焼入工程と、鋳造
品の表面がＭｓ点以下になり冷却剤を吹きつけない部分
並びに内部が十分に高温の状態で前記冷却を止めて、冷
却剤を吹きつけない部分並びに内部の残熱で焼入れ部分
の低温焼戻しを実行する自己焼戻工程と、からなる金型
鋳造品の熱処理方法。