CN1299852C - 铸铁构件的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种铸铁构件的制造方法，含有预先混合、进而经由计量料斗(26)添加到原材料中的氮俘获剂的铸铁的熔融铁水，在金属模型成型装置(18)的模腔内冷却固化，形成成型品(B)。在进行冷却固化之前，利用氮俘获剂迅速地俘获存在于熔融铁水中的游离N，从而，生成氮化物。其次，通过对该成型品(B)进行热处理，使生成于该成型品(B)的表层部中的激冷组织分解。最终，通过对实施了热处理的前述成型品(B)进行机加工，获得作为成品铸铁构件的凸轮轴(A)。

Description

铸铁构件的制造方法

技术领域

本发明涉及铸铁构件的制造方法，更详细地说，本发明涉及能够获得易于进行机加工的半成品(成型件)、以便高效率、且成品率高地制造作为成品的铸铁构件的铸铁构件的制造方法。

背景技术

图3所示的铸铁制凸轮轴，例如是按照下述方式制造的。即，首先将原材料溶解，形成熔融金属。作为原材料，采用钢屑、(回收材料浇口等的导向部或冒口的碎屑、或者作为次品生产出来的铸铁构件等)、生铁等。

其次，在将该熔融金属浇注到砂模或金属模具等铸模中之后，进行冷却固化。通过冷却固化，获得具有与凸轮轴A大致对应的形状的成型品。另外，这时的冷却速度根据铸模的种类而有所不同，通常，在砂模中为240℃/分钟左右，金属模中为1000℃/分钟左右。

即，通过使用金属模，可以显著提高熔融金属的冷却速度。换而言之，在使用金属模时，具有可以高效率地制造成型品、或作为制成品的凸轮轴A的优点。

但是，当按上面所述以冷却速度高的状态对熔融金属进行冷却固化时，在成型品的表层部上形成由渗碳体(Fe₃C)构成的激冷组织。激冷组织的硬度很高，因此，过度提高了成型品表层部的耐磨损性。为了将成型品制成凸轮轴A，必须对该成型品的表层部进行车削加工等机加工处理，以获得必要的尺寸精度，但是由于表面层的耐磨性提高，所以难以进行车削加工。

在此，随后在还原性气氛或不活泼性气氛等非氧化性气氛中对成型品进行加热，通过将激冷组织分解成奥氏体(γ-Fe)和石墨，消除激冷组织。

最后，对进行了这样的热处理的成型品进行车削加工等机加工处理。借此，制造出作为具有规定尺寸精度的成品的凸轮轴A。

但是，原材料的熔化通常是在大气中进行的。因此，存在于大气中的氮气溶解到熔融金属中，以游离N(氮)的形式存在。因此必然存在以这种状态的熔融金属制成的次品。当将这种次品作为回收材料使用时，熔融金属中的N顺序积累，结果，制造出含有大量N的成型品。

N具有妨碍激冷组织(渗碳体)分解的倾向。因此，在对含有大量N的成型品进行热处理的情况下，不能促进激冷组织的分解，最终，产生精细的层状组织(以下成为精细珠光体)。

含有这种精细珠光体的部分，硬度显著提高。换而言之，由于即使消除了激冷组织但仍残留有耐磨性高的组织，所以仍然难以施加车削加工等。因此，要将其车削加工到规定尺寸，需要很长的时间，这成为导致凸轮轴A的生产效率下降的一个原因。

并且，这种高硬度的材料，概括而言，在进行各种机加工时均存在易于产生裂纹的倾向。换而言之，当采用这种材料构成的成型品制造凸轮轴A时，难以避免制造成品率的下降。

为了避免这种情况，应当抑制精细珠光体的生成，但是目前尚未找到这种方法。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种能够获得易于进行机加工的成型品、因此可以高效率且高成品率地制造铸铁制构件的铸铁制构件的制造方法。

根据本发明，提供一种铸铁构件的制造方法，包括：

在铸模内对含有氮俘获剂的铸铁熔融金属进行冷却固化、制成成型品的第一工序；

通过对该成型品进行热处理、对在前述第一工序生成于前述成型品中的激冷(チル)组织进行分解的第二工序；

通过对进行了热处理的前述成型品进行机加工、制成作为成品的铸铁构件的第三工序，

利用前述氮俘获剂俘获存在于前述熔融金属中的N。

在这种制造方法中，在熔融金属冷却固化并形成成型品之前，利用氮俘获剂俘获存在于该熔融金属中的游离N，将其转换成氮化物。例如，在采用Ti(钛)作为氮俘获剂的情况下，生成TiN(氮化钛)。借此，将包含在成型品中的游离N的量减到极少的量，因而，当对该成型品进行热处理时，可以避免激冷组织的分解受到抑制。

换而言之，在本发明中，当进行热处理时促进了激冷组织的分解。因而，可以抑制在成型品中产生高耐磨性精细珠光体，从而获得易于进行以车削加工为首的各种机加工的成型品。因而，可以提高铸铁制构件的生产效率。

并且，可以容易地进行机加工的成型品通常不易于产生裂纹或缺口。因而，可以合格率高地获得铸铁构件。

并且，在该铸铁构件中，伴随着N被俘获，所生成的微量的氮化物发生分散。因而，该铸铁构件显示出与在微粒分散强化型复合材料中类似的举动，与通常的铸铁构件相比，具有韧性和强度提高的优点。

作为与N迅速化合并形成氮化物的氮俘获剂的优选例子，可以举出将Ti、V、Zr、Nb、Al中的至少一种作为构成元素的物质。即，可以采用从这些金属元素中选出的纯净物或混合物，也可以采用将这些元素的一种以上作为构成元素的化合物或合金。

这种氮俘获剂可以使用预先含有熔融金属原材料的物质。

在熔炼炉等中熔融的熔融金属，通常暴露于大气中进行输送，并导入到铸模中。因此，在输送过程中，N从大气中溶解到熔融金属中。因此，优选将氮俘获剂添加到马上要导入到铸模内的熔融金属中。在这种情况下，不仅包含在原材料中的N，就连熔融之后从大气中溶解到其中的N也可以很容易地被俘获。

作为这样制造的铸铁构件的优选的例子，例如可以举出凸轮轴。

附图说明

图1是根据本发明实施形式的铸铁构件的制造方法的流程图。

图2是实施根据本实施形式的铸铁构件的制造方法的铸造装置的概括整体结构图。

图3是凸轮轴的概括整体透视图。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明根据本发明的铸铁构件的制造方法的优选实施形式。

图1表示根据本实施形式的铸铁构件的制造方法的流程图。该制造方法包括：熔融铸铁在铸模内(模腔)冷却固化并形成成型品的第一工序S1，通过热处理使在该第一工序S1中生成于成型品中的激冷组织分解的第二工序S2，对经过热处理的成型品进行机加工并形成铸铁构件的第三工序S3。

对与该制造方法，根据与实施该方法的铸造装置的关系，以将凸轮轴A(参照图3)作为铸铁构件进行制造的情况为例，具体进行说明。

如图2所示，铸造装置10配有：浇注工段12、具有固定金属模14和可动金属模16的金属模成型装置18、矫正·切断装置20、热处理炉22。另外，可动金属模16可以在构成金属模成型装置18的缸体23的作用下自由地接近或远离固定金属模14。

在向金属模成型装置18的模腔中浇注的浇包24的上方，配置用于向熔融金属中添加氮俘获剂的计量料斗26。并且，在金属模成型装置18的上方，可沿上下方向自由位移地设置吹烟装置28，另一方面，在金属模成型装置18的下游侧上方，可沿水平方向自由移动地设有工件取出机械手30。利用支撑台31支撑吹烟装置28、工件取出机械手30、计量料斗26。

浇注工段12具有：熔炼炉32、加压浇注炉34、接受从加压浇注炉34导出的熔融金属并将其导入到金属模成型装置18的模腔内的浇包24，其中熔炼炉32设置在架台36上。

在实施根据本实施形式的制造方法时，首先，将钢屑或回收材料、生铁等作为原材料装入到熔炉32中。进而，将这些原材料与具有作为氮俘获剂功能的含Ti钢材(以下称为含有氮俘获剂的钢材)装入到熔炼炉32内。另外，作为含氮俘获剂的钢材，举例有Ti含量比一般的钢材多的钢、具体如添加Ti的极低碳素钢或SP钢等。在这些钢材中，通常Ti含量在0.02～0.045重量％左右。

根据对原材料中的N含量和含有氮俘获剂的钢材中的Ti含量的预测，含有氮俘获剂的钢材相对于原材料的比例可以选定在N∶Ti为1∶1的程度。另外，若考虑到在使原材料和含有氮俘获剂的钢材熔融的过程中(最终)、大气中的N溶解到熔融金属中，则可以使Ti的加入量比N稍多一些。

而且，通过从周围对熔炼炉32进行加热，含有前述原材料和Ti的钢材熔融，形成熔融金属。这时，从大气熔入熔融金属的N和预先就存在于原材料中的N与Ti迅速结合，从而生成TiN。

熔炼炉32可以进行倾斜运动。即，缸体40的杆42连接到突出形成于熔炼炉32上方的浇口部38的下端部上。并且，在熔炼炉32的底部上从底部中央向浇口部38侧偏置地连接有支轴44。因此，熔炼炉32追随杆42的上下运动，以与支轴44的连接部位作为支点做倾斜运动。在将熔融金属浇注到输送浇包46内的情况下，也可以通过使杆42做下降运动，使冒口部38朝向输送浇包46，并做倾斜运动。

支撑在图中未示出的起重机的钩子48上的输送浇包46，在前述起重机的作用下朝着加压浇注炉34输送。而且，通过利用图中未示出的第一倾斜机构使输送浇包46做倾斜运动，该输送浇包46内的熔融金属经由漏斗50浇注到加压浇注炉34的内室52内，并贮存在其中。

用于导入提高内室52压力的气体的气体供应管54连接到加压浇注炉34上。即，伴随着从该气体供应管54供应Ar等不活泼性气体，内室52内的压力上升，结果，贮存在该内室52内的熔融金属被导入到设置于加压浇注炉34的出液部56中的液路58中，最终从出液部56的出液口59导出。如上所述，导出的熔融金属被浇注到浇包24内。

浇包24载置于测力计60上，在测力计60的作用下将该浇包24内的熔融金属量控制在规定量以下。即，当浇注到浇包24内的熔融金属的重量测定值与由测力计60预先设定的设定值一致时，利用从与该测力计电连接的图中未示出的控制部而来的控制信号，关闭夹装在气体供应管54中的阀(图中未示出)。伴随于此，停止向加压浇注炉34的内室52的气体供应，从而，停止从加压浇注炉34的出液口59导出熔融金属。

在此，从熔炼炉32经由输送浇包46的熔融金属输送、或从加压浇注炉34的出液部56向浇包24的熔融金属导入，都是在大气中进行的。因而，当经过这些过程时，微量的N从大气中溶解到熔融金属内。在本实施形式中，为了俘获N，经由计量料斗26向浇包24内的熔融金属添加氮俘获剂。

另外，氮俘获剂只要可以与N迅速化合即可，没有特别的限定，但是，作为优选的例子，可以举出将Ti、V、Zr、Nb、Al的至少一种作为构成元素的物质。即，例如，可以是Ti微粒，也可以是Ti-Al合金微粒。并且，还可以是具有氮俘获功能的金属元素和不具有氮俘获功能的金属元素的合金微粒、例如Ti-Fe合金微粒。

在这些金属元素以除氮化物以外的形式过剩地存在于熔融金属中的情况下，出现妨碍激冷组织分解的倾向。并且，还存在形成由于分解而生成的石墨和共晶石墨的情况。因而，作为氮俘获剂，优选以与N的量大致相当的量添加具有氮俘获功能的金属元素。

而且，在这种情况下，由于熔融的N在20～55ppm的微量范围内，所以作为氮俘获剂，采用易于控制添加量的微粒。即，在计量料斗26中预先装入一次添加中所必需的量以上的微粒。

在计量料斗26的出口管中夹装与前述控制部电连接的阀62。当利用测力计60检测出已经向浇包24内导入规定量的熔融金属时，利用从控制部而来的控制信号打开阀62。伴随着阀62的打开，将氮俘获剂添加到熔融金属中。而且，当利用测力计60检测出添加了可以俘获溶解到熔融金属内的N的量(20～55ppm)的氮俘获剂时，控制部发出关闭阀62的控制信号。

考虑到具有氮俘获功能的金属元素在该氮俘获剂中所占的比例，选择确定氮俘获剂的添加量，在控制部中设定程序。例如，若采用Ti微粒，则可以设定为相对于熔融金属的量添加20～55ppm，若采用Ti-Fe合金微粒，则可以设定为相对于熔融金属的量添加含有20～55ppm的Ti的添加量。不言而喻，在溶解到熔融金属中的N的量更多的情况下，可以增加氮俘获剂的添加量。

浇包24可以借助图中未示出的第二倾斜机构做倾斜运动。伴随着该倾斜运动，经由构成金属成型装置18的浇口64导入到浇包24内，并且将添加有氮俘获剂的规定量的熔融金属浇注到金属成型装置18的模腔内，开始第一工序S1。另外，在将金属模成型装置18的固定金属模14和可动金属模16合模之前，利用吹烟装置28在模腔面上涂敷脱模剂。

导入到金属模成型装置18的模腔内的熔融金属，以1000℃/分钟左右的冷却速度冷却，最终固化并形成成型品B。在该成型品B的表层部，形成由渗碳体(Fe₃C)构成激冷组织。

在将可动金属模16与固定金属模14分离开以便开模之后，利用工件取出机械手30抓住所获得的成型品B。伴随着工件取出机械手30在水平方向上的移动，将成型品B输送给矫正·切断装置20。利用该矫正·切断装置20对成型品B进行修边等处理。

之后，在移动机械手66的作用下输送成型品B，将其导入到热处理炉22内。在该热处理炉22中进行第二工序S2，即对成型品B进行热处理。

该热处理用于使生成于成型品B表层部的激冷组织消失。即，通过加热，将激冷组织(Fe₃C)分解成奥氏体(γ-Fe)和石墨。另外，热处理的温度和时间可以成使激冷组织充分分解的条件，例如，可以设定为在930℃下保持30分钟的条件。

在此，如上所述，存在于熔融金属中的游离N，在进行该熔融金属的冷却固化之前，被Ti等氮俘获剂俘获并转变成TiN等氮化物。即，由于包含在成型品B中的游离N的量极少，所以可以避免抑制激冷组织的分解。

换而言之，通过添加氮俘获剂以俘获游离N，可以容易地将生成于成型品B中的激冷组织分解。因此，可以抑制精细珠光体的生成，从而，可以避免耐磨性高的组织最终残留在成型品B中。

其次，在第三工序S3中，对激冷组织已经分解的成型品B进行用于制成规定尺寸的凸轮轴A(参照图3)的车削加工等机加工。这样，成型品B是激冷组织已经被分解的工件，并且抑制了精细珠光体的生成。因此，由于抑制了成型品B的硬度和耐磨性的过度提高，所以可以容易地对该成型品B进行车削加工等。

并且，这样的成型品B施加机加工时产生裂纹的比例显著减小。即，可以高合格率地制造凸轮轴A。不言而喻，成型品B的硬度和耐磨性在作为凸轮轴A使用时的必要且充分的范围之内。

通过将成型品B精机加工到规定的尺寸，获得作为成品的凸轮轴A(铸铁构件)。微量的TiN等氮化物分散于该凸轮轴A中。因此，该凸轮轴A显示出与微粒分散强化型复合材料类似的举动，与通常的由铸铁构件构成的凸轮轴相比，具有韧性和强度高的优点。

另外，在该实施形式中，举例表示了在原材料中作为含有氮俘获剂的钢包含有Ti的例子，但是也可以采用含有V、Zr、Nb、Al中的至少一种的钢材。

并且，也可以在熔融金属就要冷却固化之前的时刻混合氮俘获剂。即，例如，也可以在原材料中混合略微过剩的含有氮俘获剂的钢，而不经由计量料斗26添加氮俘获剂。并且，还可以形成在原材料中未混合含有氮俘获剂的钢的熔融金属，而对于导入到浇包24内的熔融金属、经由计量料斗26添加必要量的氮俘获剂。

进而，在上述实施形式中，作为铸铁构件以凸轮轴A为例进行说明，但是铸铁构件也可以是其它构件。

进而，在根据本实施形式的制造方法中，虽然在铸造时使用金属模，但是只要在成型品中生成激冷组织的条件下进行制造就可以，没有特别的限制。

如上面所说明的那样，采用根据本发明的铸铁构件的制造方法，在添加了俘获存在于熔融金属中的游离N的氮俘获剂之后，该熔融金属冷却固化，铸造成成型品。因此，当对该成型品进行热处理时，可以容易地分解激冷组织，因此，可以避免残留下精细珠光体的。从而，可以获得易于进行车削加工等机加工的成型品，可以更加有效且合格率高地制造凸轮轴等铸铁构件。

Claims (5)

1.一种铸铁构件的制造方法，其特征在于，包括：

预先测量作为原材料的铸铁中含有的氮含量；

在铸模内对含有氮俘获剂的铸铁熔融金属进行冷却固化、制成成型品(B)的第一工序，其中铸铁熔融金属中存在的氮通过所述氮俘获剂和氮之间的反应而被俘获从而产生氮化物，所述氮俘获剂的量，与作为原材料的所述铸铁中含有的氮含量和当作为原材料的所述铸铁融化时从大气中溶解到所述熔融金属中的氮的和大致相等；

通过对该成型品(B)进行热处理、对在前述第一工序生成于前述成型品(B)中的激冷组织进行分解的第二工序；

通过对进行了热处理的前述成型品(B)进行机加工、制成作为成品的铸铁构件的第三工序，

前述氮俘获剂是钛或者钛合金，所述氮化物是TiN，并且钛在所述熔融金属中的含量为20～55ppm。

2.如权利要求1所述的铸铁构件的制造方法，其特征在于，前述氮俘获剂预先包含在熔融金属的原材料中。

3.如权利要求1所述的铸铁构件的制造方法，其特征在于，对于导入到前述铸模内的熔融金属添加经过计量的氮俘获剂(26)。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，前述氮俘获剂(26)为粉末。

5.如权利要求1～4任何一项所述的制造方法，其特征在于，作为前述铸铁构件，制造凸轮轴(A)。