JP2001207218A

JP2001207218A - 鋳鉄部材及びその製造方法

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Publication number: JP2001207218A
Application number: JP2000017426A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Uosaki; 靖夫魚崎; Nobuo Sakate; 宣夫坂手; Masahiko Shibahara; 雅彦芝原; Hiroshi Kodama; 宏志児玉; Michihiro Yamauchi; 道広山内; Yasuhiko Fukuniwa; 康彦福庭; Toshinori Horikoshi; 俊則堀越; Hisashi Kajikawa; 寿梶川; Masayuki Suzawa; 昌之須沢
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2000-01-26
Filing date: 2000-01-26
Publication date: 2001-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】鋳鉄部材のフェライト相を熱処理により高強度
な相に変化させ、耐ピッチング性に優れた鋳鉄部材及び
その製造方法を提供する。【解決手段】カムシャフトを８３０〜９１０℃で１０〜
１２０分加熱、保持した後、油冷により冷却すること
で、鋳放し時のフェライト相をマルテンサイト相５又は
トルースタイト相に変態させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、耐ピッチング性に
優れた鋳鉄部材及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、エンジンの高出力化に伴ってエン
ジンのカムシャフトやタペット等の動弁系部品に対して
より一層の耐久性向上が求められ、特に耐ピッチング性
の向上が重要な課題となっている。ピッチングとは、部
材表面に繰り返し大きな荷重が付加されることにより発
生する疲労破壊の一種であり、表面の一部が欠落して斑
点状に微細な孔があいた状態となる。

【０００３】従来から、カムシャフトにはチル鋳鉄、焼
き入れ鋼や焼結合金等が用いられており、耐ピッチング
性を向上させるために、焼きなましと焼き入れを施すも
の（特公昭６１−４７２０８号公報）や外殻を高合金鋳
鉄、内殻を強靱鋳鉄で形成された２重素材にオーステナ
イト化処理を施し、引き続き急速冷却及び２００〜４５
０℃の恒温変態処理を施すもの（特公昭５７−１５６４
８号公報）が提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】チル鋳鉄は、低コスト
で耐摩耗性に優れている反面、耐ピッチング性が他の部
材に比べて劣っており、カムに負荷される面圧が高い場
合には、カムシャフト等にはチル鋳鉄より高価な材料が
利用されている。

【０００５】チル鋳鉄の金属組織は、図１に示すよう
に、主にセメンタイト（炭化物）１とパーライト相２と
セメンタイト１の周囲を取り囲むように存在するフェラ
イト相３とからなる。フェライト相３はセメンタイト１
やパーライト相２に比べて強度が低く、ピッチング疲労
によってフェライト相３がクラック発生の起点となった
り、フェライト相３に沿ってクラックが進展するという
問題がある。

【０００６】本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その
目的は、鋳鉄部材のフェライト相を熱処理により高強度
な相に変化させ、耐ピッチング性に優れた鋳鉄部材及び
その製造方法を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決し、目
的を達成するために、本発明の鋳鉄部材の製造方法は、
炭素３．０〜３．８重量％、ケイ素１．３〜２．３重量
％、マンガン１．０重量％以下、リン０．１重量％以
下、硫黄０．１重量％以下、クロム１．０重量％以下、
若しくはクロム１．０重量％以下でモリブデン０．１〜
０．５重量％、残部が鉄の素材をセメンタイトが２０〜
５０％晶出するよう鋳造する鋳造工程と、この鋳造され
た部材をオーステナイト化温度以上で加熱、保持する加
熱工程と、この加熱された部材をオーステナイト化温度
を通過するまでの冷却速度を５０℃／分以上で冷却する
冷却工程とを備える。

【０００８】また、好ましくは、前記加熱工程では、前
記部材を８３０〜９１０℃で１０〜１２０分間加熱す
る。

【０００９】また、好ましくは、前記部材はモリブデン
を含有しない。

【００１０】本発明の鋳鉄部材は、炭素３．０〜３．８
重量％、ケイ素１．３〜２．３重量％、マンガン１．０
重量％以下、リン０．１重量％以下、硫黄０．１重量％
以下、クロム１．０重量％以下、若しくはクロム１．０
重量％以下でモリブデン０．１〜０．５重量％、残部が
鉄の素材をセメンタイトが２０〜５０％晶出するよう鋳
造される鋳鉄部材であって、この鋳鉄部材をオーステナ
イト化温度以上で加熱、保持した後、オーステナイト化
温度を通過するまでの冷却速度を５０℃／分以上で冷却
した。

【００１１】

【発明の効果】以上説明のように、請求項１及び４の発
明によれば、鋳鉄部材をオーステナイト化温度以上で加
熱、保持した後、オーステナイト化温度を通過するまで
の冷却速度を５０℃／分以上で冷却することにより、鋳
鉄部材のフェライト相を熱処理により高強度な相に変化
させ、耐ピッチング性を向上できる。

【００１２】請求項２の発明では、加熱工程では、鋳鉄
部材を８３０〜９１０℃で１０〜１２０分間加熱するこ
とにより、フェライト相を確実に変態させると共に、炭
化物の分解を抑えて、耐摩耗性を十分に確保できる。ま
た、加熱炉の温度に対する部材の昇温遅れを考慮すると
共に、光熱費等の無駄を抑えることができる。

【００１３】請求項３の発明では、鋳鉄部材はモリブデ
ンを含有しないことにより、鋳鉄部材を安価に構成でき
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて、添付図面を参照して詳細に説明する。

【００１５】本発明に係る実施形態の鋳鉄部材は、炭素
（Ｃ）３．０〜３．８重量％、ケイ素（Ｓｉ）１．３〜
２．３重量％、マンガン（Ｍｎ）１．０重量％以下、リ
ン（Ｐ）０．１重量％以下、硫黄（Ｓ）０．１重量％以
下、一種クロム（Ｃｒ）１．０重量％以下、若しくは２
種クロム（Ｃｒ）１．０重量％以下＋モリブデン（Ｍ
ｏ）０．１〜０．５重量％、残部が鉄（Ｆｅ）との合金
素材からなり、その摺動面に相当する部分にセメンタイ
トが２０〜５０％晶出するように鋳造したものである。

【００１６】炭素（Ｃ）は３．０重量％未満では鋳造性
が悪く、３．８重量％を超えると遊離グラファイトが多
量に晶出するため上記範囲とした。ケイ素（Ｓｉ）は
１．３重量％未満では鋳造性が悪化し、２．３重量％を
超えるとフェライト相を生じやすいため上記範囲とし
た。マンガン（Ｍｎ）は１．０重量％を超えると素材の
収縮が大きくなるため１．０重量％以下とした。リン
（Ｐ）及び硫黄（Ｓ）は不純物の上限として０．１重量
％以下とした。クロム（Ｃｒ）は炭化物の安定化と耐摩
耗性の向上のためで１．０重量％を超えると効果が飽和
するため１．０重量％以下とした。モリブデン（Ｍｏ）
は基地組織の強化のために選択的に添加される成分で
０．１重量％未満では効果がなく、０．５重量％を超え
ると効果が飽和するため上記範囲とした。

【００１７】本実施形態の鋳鉄部材の用途は、主にエン
ジンに用いられるカムシャフトであるが、他の摺動要素
にも適用できる。

【００１８】図１は鋳放し状態の鋳鉄部材の金属組織を
示す模式図である。図２は鋳放し鋳鉄部材の熱処理中の
金属組織を示す模式図である。図３は鋳放し鋳鉄部材の
熱処理後の組織を示す模式図である。

【００１９】鋳放した状態（熱処理前）の鋳鉄部材は、
図１に示すように、主にセメンタイト（炭化物）１とパ
ーライト相２とフェライト相３とからなる。パーライト
相２はフェライト相３に比べて炭素（Ｃ）を多く含有し
ており、この炭素（Ｃ）を基地組織に均一に固溶させて
フェライト相３をパーライト相２に変態させるために、
図２に示すように、熱処理を施して炭化物の分解を抑え
つつ、基地組織のパーライト相２及びフェライト相３を
一旦オーステナイト化して炭素（Ｃ）を基地組織に均一
に固溶させ、その後に図３に示すように、オーステナイ
ト４を急冷してパーライト相２を晶出させる。

【００２０】また、上記鋳放し状態の鋳鉄部材は以下の
熱処理条件１〜３のいずれかにより熱処理が施される。 [熱処理条件１]鋳鉄部材をオーステナイト化温度（Ａ１
変態点）以上で加熱、保持した後、Ａ１変態点を通過す
るまでの冷却速度を５０℃／分以上で冷却する。この熱
処理により、基地組織に存在する炭素（Ｃ）を全体に均
一に固溶させ、フェライト相をパーライト相やマルテン
サイト相に変態させて強度を向上させる。

【００２１】オーステナイト化温度以上の領域からＡ１
変態点を通過するまでの平均冷却速度が５０℃／分以下
であると、フェライトが再析出してしまうため、冷却速
度は５０℃／分以上とした。 [熱処理条件２]鋳鉄部材を８３０〜９１０℃で１０〜１
２０分加熱、保持した後、Ａ１変態点を通過するまでの
冷却速度を５０℃／分以上で冷却する。この熱処理によ
り、基地組織に存在する炭素（Ｃ）を全体に均一に固溶
させ、フェライト相をパーライト相やマルテンサイト相
に変態させて強度を向上させる。

【００２２】８３０℃未満では、２相域（α相＋γ相）
からの冷却となり、熱処理後もフェライトが残るため８
３０℃以上とした。また、加熱温度が高すぎると炭化物
の分解が速くなり、耐摩耗性を十分に確保できなくなる
ために温度上限を９１０℃以下とした。

【００２３】加熱時間は、加熱炉の温度に対する部材の
昇温遅れを考慮して最短時間を１０分に設定し、１２０
分以上は効果がなく、光熱費等の無駄になるので最長時
間を１２０分とした。［熱処理条件３］上記条件１又は２において、冷却時の
冷媒として空気や窒素ガスを用いる。これにより、鋳鉄
部材の曲がり、割れ等の不具合が発生しにくくなる。［実施例］以下では、鋳鉄部材の好ましい実施例とし
て、図４に示す化学成分の合金素材を鋳造し、カムシャ
フトを製造し、カム部（摺動面）は冷し金を当てチル組
織とした。チル組織は、セメンタイト、パーライト、フ
ェライト及びグラファイトから構成されている。

【００２４】尚、モリブデン（Ｍｏ）は添加しなくても
よいが、添加した場合に比べて炭化物量は少なくなり、
コスト低減効果は向上する。また、クロム（Ｃｒ）もコ
スト低減効果に影響する。

【００２５】このカムシャフトに、図５に示す実施例１
〜３のいずれかの熱処理を施すことにより、チル組織中
に存在していたフェライトが分解して、高強度な相に変
態する。

【００２６】図６は鋳放し状態の鋳鉄部材の金属組織を
示す図である。図７は鋳放し鋳鉄部材の焼入れによる熱
処理後の組織を示す図である。図８は鋳放し鋳鉄部材の
オーステンパーによる熱処理後の組織を示す図である。
図９は鋳放し鋳鉄部材の焼準による熱処理後の組織を示
す図である。［実施例１］焼入れ条件は下記のように幅があるが、図
７の組織は８９０℃で６０分加熱後に油冷したものであ
る。

【００２７】実施例１は焼入れによる熱処理であり、一
般的な大気炉を用いて、カムシャフトを８３０〜９１０
℃で１０〜１２０分加熱、保持した後、油冷により冷却
する。この熱処理により、図６に示す鋳放し時のフェラ
イト相３を、図７に示すマルテンサイト相５又はトルー
スタイト相に変態させて強度を向上できる。［実施例２］オーステンパー条件は下記のように幅があ
るが、図８の組織は８９０℃で６０分加熱後に３８０℃
で６０分浴冷したものである。

【００２８】実施例２はオーステンパーによる熱処理で
あり、一般的な大気炉を用いて、カムシャフトを８３０
〜９１０℃で１０〜１２０分加熱、保持した後、３６０
〜３９０℃の浴（硝酸塩等）で急冷し、この温度状態で
３０〜１２０分保持して恒温変態させる。この熱処理に
より、図６に示すフェライト相３を、図８に示すベーナ
イト相６と残留γ相に変態させて強度を向上できる。［実施例３］焼準条件は下記のように幅があるが、図９
の組織は９１０℃で６０分加熱後に空冷したものであ
る。

【００２９】実施例３は焼準による熱処理であり、一般
的な大気炉を用いて、カムシャフトを８３０〜９１０℃
で１０〜１２０分加熱、保持した後、空冷（圧縮空気）
により冷却する。この熱処理により、図６に示すフェラ
イト相３を、図９に示すパーライト相２に変態させて強
度を向上できる。［加熱温度、加熱時間と冷却温度の影響］上記実施例１
〜３の中で、焼準による熱処理（実施例３）が最も冷却
速度が遅いので、カムシャフトの曲がり、割れ等の不具
合が発生しにくくなる。

【００３０】図１０は、オーステナイト化温度と炭化物
量との関係を示す図である。図１１は、オーステナイト
化の加熱時間と炭化物量との関係を示す図である。図１
２乃至図１４は、オーステナイト化温度を変化させたと
きの金属組織中の炭化物を示す図である。

【００３１】図１０及び図１１からわかるように、炭化
物の分解は加熱温度の影響が大きく、９１０℃付近で鋳
放し時の炭化物量の約１／２に減少し、加熱温度を８３
０又は９１０℃と一定温度に保持した時の保持時間には
大きく影響を受けないといえる。

【００３２】また、図１２乃至図１４からわかるよう
に、加熱温度が高くなるに従って炭化物が減少してい
る。

【００３３】図１５は、冷却速度とフェライト量との関
係を示す図である。

【００３４】カムシャフトをオーステナイト化温度以上
に加熱しても、冷却速度が遅い場合には、オーステナイ
トがフェライトに変態して所望の基地組織が得られな
い。

【００３５】そこで、カムシャフトを８９０℃で６０分
加熱、保持した後、異なる冷却速度で冷却して得られた
金属組織中のフェライト量を図１５に示す。冷却速度
は、冷却時に吹きつけた圧縮空気の圧力を調整して変化
させている。

【００３６】図１５からわかるように、カムシャフトを
Ａ１変態点以上で加熱、保持した後、Ａ１変態点を通過
するまでの冷却速度を５０℃／分以上で冷却した場合に
は、フェライトが大幅に減少するのに対して、圧縮空気
の圧力を絞り、冷却速度が２５℃／分で冷却した場合に
は、フェライトが再析出してしまう。従って、冷却速度
は５０℃／分以上が望ましいといえる。［カムシャフトの試験結果］上述のように製造されたカ
ムシャフトに図１６に示す条件で試験を行った結果を図
に示す。

【００３７】図１７からわかるように、従来品（熱処理
無し）はモータリング試験、実機評価ともにピッチング
を発生したが、本実施例品（実施例３の熱処理）はいず
れの試験でもピッチングが発生せず、耐ピッチング性が
大幅に向上したことが確認できる。

【００３８】尚、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲
で上記実施形態を修正又は変形したものに適用可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】鋳放し状態の鋳鉄部材の金属組織を示す模式図
である。

【図２】鋳放し鋳鉄部材の熱処理中の金属組織を示す模
式図である。

【図３】鋳放し鋳鉄部材の熱処理後の組織を示す模式図
である。

【図４】実施例の鋳鉄部材の化学成分を示す図である。

【図５】実施例１〜３の熱処理を説明する図である。

【図６】鋳放し状態の鋳鉄部材の金属組織を示す図であ
る。

【図７】鋳放し鋳鉄部材の焼入れによる熱処理後の組織
を示す図である。

【図８】鋳放し鋳鉄部材のオーステンパーによる熱処理
後の組織を示す図である。

【図９】鋳放し鋳鉄部材の焼準による熱処理後の組織を
示す図である。

【図１０】オーステナイト化温度と炭化物量との関係を
示す図である。

【図１１】オーステナイト化の加熱時間と炭化物量との
関係を示す図である。

【図１２】オーステナイト化温度を変化させたときの金
属組織中の炭化物を示す図である。

【図１３】オーステナイト化温度を変化させたときの金
属組織中の炭化物を示す図である。

【図１４】オーステナイト化温度を変化させたときの金
属組織中の炭化物を示す図である。

【図１５】冷却速度とフェライト量との関係を示す図で
ある。

【図１６】実施例品及び従来品の耐ピッチング性の試験
条件を示す図である。

【図１７】図１６の試験結果に基づく実施例品及び従来
品の試験結果を示す図である。

【符号の説明】

１セメンタイト（炭化物）２パーライト相３フェライト相４オーステナイト５マルテンサイト６ベーナイト

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者芝原雅彦広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (72)発明者児玉宏志広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (72)発明者山内道広広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (72)発明者福庭康彦広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (72)発明者堀越俊則広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (72)発明者梶川寿広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (72)発明者須沢昌之広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭素３．０〜３．８重量％、ケイ素１．
３〜２．３重量％、マンガン１．０重量％以下、リン
０．１重量％以下、硫黄０．１重量％以下、クロム１．
０重量％以下、若しくはクロム１．０重量％以下でモリ
ブデン０．１〜０．５重量％、残部が鉄の素材をセメン
タイトが２０〜５０％晶出するよう鋳造する鋳造工程
と、この鋳造された部材をオーステナイト化温度以上で加
熱、保持する加熱工程と、この加熱された部材をオーステナイト化温度を通過する
までの冷却速度を５０℃／分以上で冷却する冷却工程と
を備えることを特徴とする鋳鉄部材の製造方法。
【請求項２】前記加熱工程では、前記部材を８３０〜
９１０℃で１０〜１２０分間加熱することを特徴とする
請求項１に記載の鋳鉄部材の製造方法。
【請求項３】前記部材はモリブデンを含有しないこと
を特徴とする請求項１又は２に記載の鋳鉄部材の製造方
法。
【請求項４】炭素３．０〜３．８重量％、ケイ素１．
３〜２．３重量％、マンガン１．０重量％以下、リン
０．１重量％以下、硫黄０．１重量％以下、クロム１．
０重量％以下、若しくはクロム１．０重量％以下でモリ
ブデン０．１〜０．５重量％、残部が鉄の素材をセメン
タイトが２０〜５０％晶出するよう鋳造される鋳鉄部材
であって、この鋳鉄部材をオーステナイト化温度以上で加熱、保持
した後、オーステナイト化温度を通過するまでの冷却速
度を５０℃／分以上で冷却したことを特徴とする鋳鉄部
材。