JP2000239780A

JP2000239780A - 球状黒鉛鋳鉄及びこれを用いた歯車等の機械部品

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Publication number: JP2000239780A
Application number: JP11048231A
Authority: JP
Inventors: Nariaki Yamanaka; 成昭山中; Kunihisa Sada; 邦寿佐田; Shuichi Eto; 修一江藤
Original assignee: Kubota Iron and Machinery Works Ltd; Kubota Tekkosho KK
Current assignee: Kubota Iron and Machinery Works Ltd; Kubota Tekkosho KK
Priority date: 1999-02-25
Filing date: 1999-02-25
Publication date: 2000-09-05

Abstract

(57)【要約】【課題】伸びが２５％以上で容易に塑性加工を行うこ
とができる球状黒鉛鋳鉄にする。【解決手段】化学成分が重量％で、Ｃ：３．５〜４．
０、Ｓｉ：１．２〜２．４、Ｍｎ：０．１〜１．０、
Ｐ：≦０．０５、Ｓ：≦０．０５、Ｍｇ：０．０２〜
０．０５、及びＮｉ：０．１〜２．０とＭｏ：０．１〜
１．０の少なくとも一方、残りＦｅであり、かつＭｇ／
Ｐ≦１．５であり、フェライト化率を９０％以上にし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、塑性加工性の改
善、熱処理性の改善を図ることができる球状黒鉛鋳鉄及
びこれを用いた歯車等の機械部品に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】球状黒鉛鋳鉄は高い機械的強度を有して
いることから、自動車部品や、一般機械部品として広く
使用されている。

【０００３】しかし、炭素鋼（Ｓ２５Ｃ，Ｓ３５Ｃ）に
比べて脆いのが欠点であり、機械的性質のうちの延性
（伸び）が劣っている。従って、この球状黒鉛鋳鉄の塑
性加工は困難とされていた。

【０００４】一方、生産性向上の観点から自動車部品に
限らず、多くの分野で塑性加工が注目されてきている。
鋳鉄材料に歯部や溝部の形成や、カシメ等の塑性加工を
行うには、鋳鉄の伸び特性を改善する必要があった。

【０００５】球状黒鉛鋳鉄の延性向上をねらったものと
して、特開平９−１２５１９０号公報に開示されたもの
があるが、この従来のものは、Ｃｕを０．７〜１．５ｗ
ｔ％含有する球状黒鉛鋳鉄であり、平均１５μｍ以下の
微細フェライト基地組織に鋳造時に晶出する黒鉛と熱処
理時に析出する微細２次黒鉛が分散したものであり、こ
れはフェライト化焼鈍熱処理工程を限定した、いわば特
殊熱処理により、微細フェライト基地組織を創出した例
である。しかしながらこの従来例のものの伸びは１３％
〜１９％とあまり高くなく、歯部や溝部を有する部品に
塑性加工するには不十分であった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】自動車のエンジン部品
やオートマチックトランスミッション（Ａ／Ｔ）部品は
精巧で、高強度、耐摩耗性が要求され、しかもコストパ
フォーマンスを維持するために高生産性が求められてい
るが、上記した従来の球状黒鉛鋳鉄ではこの要求に応え
ることができなかった。

【０００７】本発明は上記したことにかんがみなされた
もので、安価な材料で、かつ工場でのリサイクルが可能
な鋳鉄材料を用いて、平均伸びが２５％以上で生産性の
高い塑性加工ができ、高精度な重要部品の製造が可能な
球状黒鉛鋳鉄及びこれを用いた歯車等の機械部品を提供
することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するためになされたもので、球状黒鉛鋳鉄は、化学成分
が重量％で、Ｃ：３．５〜４．０、Ｓｉ：１．２〜２．
４、Ｍｎ：０．１〜１．０、Ｐ：≦０．０５、Ｓ：≦
０．０５、Ｎｉ：０．１〜２．０、Ｍｏ：０．１〜１．
０、Ｍｇ：０．０２〜０．０５、残りＦｅであり、かつ
Ｍｇ／Ｐ≦１．５であり、フェライト化率が９０％以上
になっている。またこの球状黒鉛鋳鉄において、Ｎｉと
Ｍｏの添加はいずれか一方であってもよい。

【０００９】また、上記した球状黒鉛鋳鉄を用いて、歯
形や溝を塑性加工し、この塑性加工部を含む全体のう
ち、少なくとも塑性加工部をオーステンパー処理または
高周波焼き入れ処理のいずれか一方の熱処理を行って歯
車等の機械部品を制作する。そしてこの機械部品にショ
ットピーニング加工を施す。

【００１０】上記した球状黒鉛鋳鉄の化学成分の特徴
は、従来の球状黒鉛鋳鉄に比較して極度にＳｉの含有量
を低下させたことである。このＳｉはフェライト中に固
溶し、シリコンフェライトを形成する。このシリコンフ
ェライトは基地（マトリックス）を硬化させ、延性を阻
害する。このためこのＳｉの含有量は１．２〜２．４ｗ
ｔ％の範囲とする。

【００１１】Ｓｉの限定理由Ｓｉは鋳鉄溶湯の流動性を良好にする性質があり、１．
２ｗｔ％以下では湯流れが悪化し、複雑な形状の鋳物の
製造は困難になる。さらにチルが発生しやすくなり、型
バラシ時に製品が欠損しやすい等、後工程にとって好ま
しくない。

【００１２】一方、Ｓｉが２．４ｗｔ％を越えると、上
述したように、フェライト中への固溶量が増大し、目標
とする材料の伸び率を２５％以上に確保できない。

【００１３】図１はＳｉの含有量の相違による伸び率の
変化を示すもので、各線図は表１に示した４種類の供試
材（フェライト球状黒鉛鋳鉄）における各伸び率を示
す。図中ａはＳｉ：１．４５ｗｔ％、ｂはＳｉ：２．０
５ｗｔ％，ＣはＳｉ：２．６５ｗｔ％，ｄはＳｉ：３．
３０ｗｔ％の場合である。

【００１４】

【表１】

【００１５】各種類の供試材ではそれぞれの条件のよい
ところで塑性加工を行う。この図１の線図で見ると、約
３００Ｋ（２７℃）と約７７３Ｋ（５００℃）あたりが
最も伸びがよいので、その周辺の温度範囲で塑性加工を
行うとよい。一般的に考えると常温で加工した方がよい
ことになる。なおＳｉが高くなると６７３Ｋ（４００
℃）で伸びが低下し、いわゆる６７３Ｋ脆性現象が生じ
る。

【００１６】Ｎｉ，Ｍｏの限定理由高強度、耐摩耗性が要求される機能部品は、一般的に熱
処理を施す。熱処理による材料の機能向上、すなわち、
相変能を促進する元素としてＮｉ，Ｍｏを添加した。

【００１７】Ｎｉは０．１ｗｔ％以下では不純物として
扱われ、その効果は認められない。２．０ｗｔ％以上で
はコスト高を招き、熱処理性の改善効果も飽和する。従
って、Ｎｉの添加量は０．１〜２．０ｗｔ％が適切であ
る。

【００１８】Ｍｏは特にベイナイト変態を目的とするオ
ーステンパー処理時に有効である。しかし、これが０．
１ｗｔ％以下では効果がなく、１．０ｗｔ％以上では鋳
物のチル化を招き弊害が顕著になる。コスト的にも高価
な元素であり、必要最小限として０．１〜１．０ｗｔ％
が適切である。

【００１９】なお、最小限のコストで部品機能を満足さ
せるとき、あるいは溶湯の管理上合金元素の種類を少な
くすることが望ましいが、この場合、このＮｉ，Ｍｏは
目的に応じて一方のみを添加するようにしてもよい。

【００２０】すなわち、焼入れ（焼戻しを含む）処理を
行う場合は、Ｎｉのみの添加でよい。またオーステンパ
ー処理においてはＭｏだけでもよい。ただし、これが逆
であっても効果がないわけでもない。

【００２１】その他の元素の限定理由ＣはＳｉ添加の水準に連動して決定する。Ｓｉの添加量
が少ない場合にはＣの添加量は多く、Ｓｉの添加量が多
い場合にはＣの添加量（ｗｔ％）を少なくする。炭素当
量（ＣＥ）＝Ｃ％＋１／３Ｓｉ％で表す。ＣＥ値は４．
３が必要である。ＣＥ＝４．３は共晶点で最も隔点が低
く、球状黒鉛鋳鉄の製造上好ましくない。

【００２２】従って、Ｓｉ：１．２ｗｔ％のときはＣ：
４．０ｗｔ％が必要であり、Ｓｉ：２．４ｗｔ％ならば
Ｃ：３．５ｗｔ％でよい。すなわちＣの範囲は、３．５
〜４．０ｗｔ％となる。そしてＣ：３．５ｗｔ％以上で
はＣＥ＝４．３を確保できない。また、Ｃ：４．０ｗｔ
％以上では浮遊Ｃが増大して鋳物の品質が低下する。

【００２３】Ｍｎは脱酸に要する最小限が望ましい。
０．１ｗｔ％以下では脱酸作用に乏しく、１．０ｗｔ％
以上では過多である。このＭｎも基地（マトリックス）
強化元素であり、多くなると塑性加工を阻害する。

【００２４】Ｐ，Ｓは不可避的な不純物であり、少ない
方がよい。また、Ｍｇは、球状黒鉛鋳鉄を得るために必
要不可欠の元素である。これが０．０２ｗｔ％以下では
球状比率が低下し、０．０５ｗｔ％以上では効果が飽和
するばかりでなく、鋳物のチル化を促進し、品質の低下
を招く。このことからＭｇは０．０２〜０．０５ｗｔ％
が望ましい。

【００２５】Ｍｇ／Ｐ≦１．５ＭｇとＰの添加量（ｗｔ％）の比をパラメータとして、
これが１．５以下になるようにする。Ｍｇ／Ｐ比が１．
５を越えると、４００℃（６７３Ｋ）付近での脆性が著
しくなる。塑性加工工程では、製品形状が複雑である場
合、温間加工が望ましい。４００〜５００℃に加熱して
塑性加工すれば、材料が軟化するため、必要荷重が小さ
くなり、容易に成形できる。このとき脆化が起きないこ
とが前提となる。

【００２６】フェライト化率塑性加工性を向上させるため、基地（マトリックス）の
フェライト化率は９０％以上であることが望ましい。パ
ーライトでは延性に乏しい。フェライト基地にするため
には、真空（減圧）、脱ガス等により、溶湯の脱酸素を
完全にするか、あるいは焼鈍（焼なまし）熱処理する。
このときの脱ガス処理は黒鉛化を促進し、鋳放しでフェ
ライト基地を得ることが可能となる。なお、ＣＥ値を高
くし、鋳造時の冷却速度を遅くすることも有効である。

【００２７】強化熱処理自動車用歯車等に本発明に係る材料を適用する場合に
は、高強度耐摩耗性を付与するために熱処理を施す。こ
の熱処理方法としては、オーステンパーあるいは高周波
焼入れが一般的である。特にオーステンパー処理を施す
場合には、完全なベイナイト組織を得るため合金元素
（Ｎｉ，Ｍｏ）の助けが必要である。Ｎｉ，Ｍｏはベイ
ナイト変態を促進する。

【００２８】ショットピーニングオーステンパー、高周波焼入れ等の強化熱処理を施す
と、一部に残留オーステナイトが存在する。この残留オ
ーステナイトは機械的性質を低下させる。強化熱処理後
にショットピーニングを施すと、残留オーステナイトが
マルテンサイトに変わり、マトリックスが強化されると
共に、圧縮の残留応力が発生し、疲労強度、耐摩耗性が
著しく向上する。このことから、部品の要求仕様によ
り、強化熱処理時以上に高強度等の特性向上が求められ
る場合に、ショットピーニングは非常に有効である。

【００２９】

【発明の実施の形態】次に本発明の具体的な実施の形態
を説明する。まず表２に示す化学成分の素形材を製作し
た。なお表中の残りの化学成分はＦｅである。この素形
材の化学成分においては、Ｍｇ／Ｐ＝０．０３３／０．
０２７で、Ｍｇ／Ｐ＝１．２となり、１．５より小さ
い。

【００３０】

【表２】

【００３１】続いてこの素形材を焼鈍（焼なまし）処理
し、基地（マトリックス）を完全（１００％）にフェラ
イト化した。図２はこのときのミクロ組織を示す顕微鏡
写真である。

【００３２】この実施の形態の球状黒鉛鋳鉄の試験片を
５個作り、それぞれの引張り試験をした結果を表３に示
す。その結果平均伸びは２６．５％となった。なお各試
験における試験片の温度は約２５℃（室温）である。

【００３３】

【表３】

【００３４】このことから、Ｓｉ：２．１８ｗｔ％でも
伸びは２５％以上得ることがわかった。この試験結果で
最もよい伸びの値として２７．５％が得られたので、Ｓ
ｉが２．４ｗｔ％でも、Ｍｏなどのその他の成分調整な
ども含めて、伸びが２５％得られるものと考えてＳｉ量
の上限として２．４０ｗｔ％くらいまで許容されるもの
と思われる。

【００３５】次に上記した素形材を機械加工して、図３
に示すようなオートマチック自動車部品であるパーキン
グギヤを製作するためのブランク１を製作した。

【００３６】次に、このブランク１を、精密油圧プレス
機械を用いて塑性加工を行い、歯部の成形を行った。図
４はこの塑性加工の途中状態を示す。この塑性加工にお
いて、加工位置に亀裂等の不具合が生じなかった。そし
て高精度の歯形形状を得ることができた。従来の材料
（球状黒鉛鋳鉄）では、塑性加工面に亀裂が発生してい
た。

【００３７】上記塑性加工した部品は若干の機械加工を
施して完成品とした。図５はこの完成品であるパーキン
グギヤ１ａを示す。

【００３８】オーステンパー処理このパーキングギヤは高い歯部強度と耐摩耗性が要求さ
れるので、上記したパーキングギヤ１ａに強化熱処理と
してオーステンパー処理を施した。このオーステンパー
の処理条件は図６に示す。そしてこの熱処理後の金属顕
微鏡写真によるミクロ塑性を図７（ａ），（ｂ）に示
す。図（ａ）は１４５倍、（ｂ）は５６０倍である。

【００３９】オーステンパー処理は部品全体に施しても
よいし、歯部等、特に必要部分に高周波加熱法を用いる
などして、限定して施してもよい。なお、全体的あるい
は部分的に焼入れ、焼戻しを行うことも可能である。

【００４０】この強化熱処理として上記オーステンパー
処理に代えて高周波焼き入れ処理を行ってもよい。この
ときの処理条件の一例を図８に示す。この強化熱処理を
１０回行った平均値として、素材硬度はＨＲＢ７４（Ｈ
ｖ１３７）程度であったものが、処理後の硬度はＨＲＣ
５７（Ｈｖ６３３）程度になった。

【００４１】ショットピーニング上記オーステンパー処理後において、パーキングギヤの
歯元強度を向上する必要がある機種については、この部
品にショットピーニングを施した。その後、残留オース
テナイト量を測定した結果、ショットピーニング前では
４０％であったのが、２１％に減少した。一般的には、
このショットピーニングにより残留オーステナイト量は
１〜３０％に減少される。

【００４２】また、別機種では、リング状歯車部に高周
波焼入れを施してから、ショットピーニングを施して硬
度の向上を図った。オーステンパー処理時の硬度はＨＲ
Ｃ３５であったものが、高周波焼入れ後ではＨＲＣ５２
になった。部品によっては硬度が高い方が良好な場合が
ある。

【００４３】図９は（Ａ）ショットピーニングを施した
場合と、（Ｂ）ショットピーニングを施さない場合の疲
労強度試験の結果を示す。本発明の実施例による球状黒
鉛鋳鉄は、オーステンパー処理後にショットピーニング
を施すことにより、この図８の（Ａ）に示すように疲労
強度が向上した。

【００４４】比較例表４に示す化学成分の素形材を製造し、上記した本発明
の実施の形態と同様の塑性加工、オーステンパー処理し
た結果、製品内部に多くの亀裂が発生した。なお表３に
示す成分はＳｉの含有量が本願の実施の形態のものより
多く、またＮｉの含有量が少ない。またＭｇ／Ｐ＝１．
５５であり、１．５より大きい。

【００４５】

【表４】

【００４６】図１０はこの比較例における上記加工後の
製品のミクロ組織を示す金属顕微鏡写真であり、その倍
率は図９（ａ）は１４０倍、（ｂ）は５６０倍である。
写真中片状に黒くなっている部分が亀裂である。この部
分は強度の塑性加工が行われた部分であり、この写真か
ら、材料の伸びが未だ不足していることがわかる。な
お、この比較例ではオーステンパー処理は良好に行われ
ており、完全なベイナイト相が得られている。ここにお
けるオーステンパー処理はソルトを使用して行った。

【００４７】

【発明の効果】本発明によれば、伸びが２５％以上で容
易に塑性加工を行うことができる球状黒鉛鋳鉄を得るこ
とができる。

【００４８】従って、従来は鋼材料を使用すると共に機
械加工及び浸炭処理等を施して製造していた車両用部
材、あるいは一般産業用機械部材を、安価で、工場でリ
サイクル可能な球状黒鉛鋳鉄にて製造可能になり、コス
トの低減に寄与することができる。

【００４９】またフェライト化をもたらすためのオース
テンパー処理によるベイナイト基地（マトリックス）は
球状黒鉛鋳鉄が有する良好な減衰性との相乗効果により
制振効果を得ることができ、振動騒音の軽減に役立つ。

【図面の簡単な説明】

【図１】フェライト球状黒鉛鋳鉄の伸び特性を示す線図
である。

【図２】本発明の実施の形態における素形材のミクロ組
織を示す金属顕微鏡写真である。

【図３】パーキングギヤを製作するためのブランクを示
す斜視図である。

【図４】ブランクの塑性加工途中の状態を示す斜視図で
ある。

【図５】完成品を示す斜視図である。

【図６】オーステンパー処理条件を示す線図である。

【図７】オーステンパー処理した材料のミクロ組織を示
す金属顕微鏡写真であり、倍率は（ａ）が１４０倍、
（ｂ）が５６０倍である。

【図８】高周波焼き入れ処理条件を示す線図である。

【図９】疲労試験強度を示す線図である。

【図１０】従来の球状黒鉛鋳鉄の塑性加工とオーステン
パー処理した状態でのミクロ組織を示す金属顕微鏡写真
であり、倍率は（ａ）が１４０倍、（ｂ）が５６０倍で
ある。

【符号の説明】

１…ブランク，１ａ…パーキングギヤ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】化学成分が重量％で、Ｃ：３．５〜４．
０、Ｓｉ：１．２〜２．４、Ｍｎ：０．１〜１．０、
Ｐ：≦０．０５、Ｓ：≦０．０５、Ｍｇ：０．０２〜
０．０５及びＮｉ：０．１〜２．０とＭｏ：０．１〜
１．０の少なくとも一方、残りＦｅであり、かつＭｇ／
Ｐ≦１．５であり、フェライト化率が９０％以上である
ことを特徴とする球状黒鉛鋳鉄。
【請求項２】請求項１記載の球状黒鉛鋳鉄を用いて、
歯形や溝を塑性加工し、この塑性加工部を含む全体のう
ち、少なくとも塑性加工部をオーステンパー処理または
高周波焼き入れ処理のいずれか一方の熱処理を行うこと
を特徴とする機械部品。
【請求項３】ショットピーニング加工を施したことを
特徴とする請求項２記載の機械部品。