JP2001220640A - 球状黒鉛鋳鉄とその製造方法及びその球状黒鉛鋳鉄からなるクランクシャフト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】クランクシャフト等の構造部材において、高い
ヤング率を有する球状黒鉛鋳鉄部材を提供すること。 【解決手段】基地組織がフェライト相又はパーライト相
主体で、該基地組織中にフェライト相又はパーライト相
より高いヤング率を有する炭化物を有する。この時、質
量比でC:3.4〜4.5％、Si:1.8〜2.6％、炭化物形成元素:
0.5〜30％、Mg:0.020〜0.080％、残部実質的にFeよりな
る球状黒鉛鋳鉄である。また、Mn:0.6％以下、Cu:1.0％
以下を含有しても良い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レシプロエンジン
用クランクシャフトに用いられる、高いヤング率を有す
る球状黒鉛鋳鉄と、その製造方法及びその球状黒鉛鋳鉄
からなるクランクシャフトに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、レシプロエンジン用クランクシャ
フト材としては、鍛鋼あるいは高強度鋳鉄が使用されて
いる。レシプロエンジン用クランクシャフト材に用いら
れる鍛鋼には例えば、パーライト系のSF640Bがあり、そ
のヤング率は205GPaである。

【０００３】一方、クランクシャフト材に使用可能な高
強度鋳鉄としては、パーライト基地球状黒鉛鋳鉄やオー
ステンパー球状黒鉛鋳鉄があり、パーライト基地球状黒
鉛鋳鉄には例えばFCD700-2があり、そのヤング率は170G
Paである。また、オーステンパー球状黒鉛鋳鉄には例え
ばFCDA900-8があり、そのヤング率は160GPaである。

【０００４】上記高強度鋳鉄のうちオーステンパー球状
黒鉛鋳鉄は、耐力600MPa以上、引張強さ900MPa以上、伸
び8％以上であり鍛造品と比べ同等、もしくはそれ以上
の特性を有することが知られている。ところがオーステ
ンパー球状黒鉛鋳鉄は、そのヤング率が160GPaであり、
この値は、鍛鋼のヤング率205GPa、パーライト基地球状
黒鉛鋳鉄のヤング率170GPaに比べて低いため、クランク
シャフト材に適用した場合、これらに比べて音振特性が
劣っている。

【０００５】また、パーライト基地球状黒鉛鋳鉄は、耐
力420MPa以上、引張強さ700MPa以上、伸び2％以上と、
オーステンパー球状黒鉛鋳鉄に比べて機械的性質が劣っ
ている。しかしながら、パーライト基地球状黒鉛鋳鉄の
ヤング率170GPaは、オーステンパー球状黒鉛鋳鉄のヤン
グ率160GPaに比べて若干高いことから、レシプロエンジ
ン用クランクシャフト材に多く使用されている。

【０００６】一方、特開平７−１４５４４４号公報に
は、Ｎｉ、Ｃｕ及びＢｉを複合添加させることにより、
最適な機械的性質、ヤング率を有する高強度球状黒鉛鋳
鉄に関する技術が開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、パーライト基
地球状黒鉛鋳鉄等の高強度鋳鉄はいずれも基地中に10〜
15％の球状黒鉛を含むため、鍛鋼のヤング率205GPaに比
べて170GPaと低く、レシプロエンジン用クランクシャフ
ト材に適用した場合、音振特性が劣る問題がある。

【０００８】また、特開平７−１４５４４４号公報記載
の材料もヤング率は171Gpa程度であり、上記同様、レシ
プロエンジン用クランクシャフト材に適用した場合、音
振特性が劣る問題がある。

【０００９】レシプロエンジンの音振特性は、クランク
シャフトとエンジンブロックの剛性が高いほど向上する
とされている。一方で、車体の軽量化のためにエンジン
ブロックは鉄製からアルミ合金製化が進められており、
この場合、アルミ合金製エンジンブロックは剛性が低い
ために、その不足分をクランクシャフトが分担しなけれ
ばならなくなる。このような条件下において、ヤング率
が低い材質をクランクシャフトに適用すると音振特性が
さらに低下する。このため、クランクシャフトを従来の
パーライト基地球状黒鉛鋳鉄製から鍛鋼に材質転換する
自動車メーカーが増えてきている。

【００１０】パーライト基地球状黒鉛鋳鉄のヤング率
は、パーライト基地のヤング率と球状黒鉛のヤング率及
び、それらの量比によって決まる。パーライト基地球状
黒鉛鋳鉄のヤング率が鍛鋼に比べて低い原因は、基地中
に体積比で10〜15％分散した球状黒鉛が存在し、その球
状黒鉛のヤング率はほとんど0とみなせるため、材料全
体のヤング率が低下するからである。ここで、パーライ
ト基地のみのヤング率は205GPa程度であるが、パーライ
ト基地球状黒鉛鋳鉄としてのヤング率は、170GPa前後に
とどまる。

【００１１】したがって本発明の目的は、従来のパーラ
イト基地球状黒鉛鋳鉄よりも高いヤング率を有する球状
黒鉛鋳鉄及びその製造方法を提供することであり、更に
音振特性が向上したレシプロエンジン用クランクシャフ
トを提供することでもある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上述の点に着目して本発
明者は、鋭意研究の結果、レシプロエンジン用クランク
シャフトに用いる高強度鋳鉄において、従来のパーライ
ト基地球状黒鉛鋳鉄よりも高いヤング率を得るために
は、炭化物形成元素が鋳鉄溶湯と反応して生じる炭化物
を、基地組織に分散すればよいことを見いだした。

【００１３】具体的に、第１の発明は、基地組織がフェ
ライト相又はパーライト相で、該基地組織中にフェライ
ト相又はパーライト相より高いヤング率を有する炭化物
を有し、黒鉛球状化率が60％以上であり、ヤング率が18
5GPa以上であることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄である。

【００１４】つまり、基地組織中に存在する炭化物は、
そのヤング率が基地組織のフェライト相あるいはパーラ
イト相のヤング率より高いことである。ここで、炭化物
のヤング率は炭化物形成元素の種類によって異なり、Nb
炭化物単相で340GPa、Mo炭化物単相で270GPa、V炭化物
単相で240GPa、W炭化物単相に至っては720GPaに達す
る。さらに、炭化物形成元素の含有によっても、黒鉛球
状化率が60％以上であることが必要である。これは、片
状黒鉛の先端の切欠効果によるヤング率その他の機械的
性質の低下を避けるためである。

【００１５】次に、第２から第５に係る発明は、質量％
でC: 3.4〜4.5％、Si: 1.8〜2.6％、炭化物形成元素:
0.5〜30％、Mg: 0.020〜0.080％、残部実質的にFeと不
可避的不純物よりなるヤング率が185GPa以上であること
を特徴とする球状黒鉛鋳鉄である。この時、更に、Mn:
0.6％以下、Cu:1.0％以下を含有することもできる。こ
こで、添加した炭化物形成元素を含む炭化物が基地組織
に析出し、析出した炭化物のヤング率が、フェライト相
やパーライト相のヤング率より高いことが特徴である。
そして、炭化物形成元素はNb、Mo、V、Wのいずれか1種
または2種以上を含有することが好ましい。

【００１６】また、第6から第９に係る発明は、質量％
でC: 3.4〜4.5％、Si: 1.8〜2.6％の溶湯に炭化物形成
元素を含む合金鉄を溶解して炭化物形成元素: 0.5〜30
％を含有させた後、Mgを添加して球状化処理を行い、M
g: 0.020〜0.080％とし、接種処理を実施して鋳造し、
ヤング率を185GPa以上としたことを特徴とする球状黒鉛
鋳鉄の製造方法である。この時、更にMn:0.6％以下、C
u:1.0％以下を含有することもできる。また、炭化物形
成元素は、Nb、Mo、V、Wのいずれか1種または2種以上を
含有することが好ましい。

【００１７】そして、第１０の発明は、請求項1乃至5記
載の球状黒鉛鋳鉄からなることを特徴とするレシプロエ
ンジン用クランクシャフトである。

【００１８】本発明の球状黒鉛鋳鉄の化学成分等を上記
のごとく限定した理由は次のとおりである。

【００１９】(1)黒鉛球状化率:60％以上 本発明に係る高ヤング率球状黒鉛鋳鉄は、芋虫状黒鉛・
片状黒鉛等を含有せず、十分な黒鉛球状化率を確保する
必要があり、そのためには、黒鉛球状化率は60％以上が
必要である。

【００２０】(2)ヤング率:185Gpa以上 本発明に係る高ヤング率球状黒鉛鋳鉄は、クランクシャ
フト材に適用した場合、ヤング率が185Gpa未満であれ
ば、音振特性が悪くなるため、ヤング率を185Gpa以上と
した。

【００２１】(3)C:3.4〜4.5％ 本発明に係る高いヤング率を有する球状黒鉛鋳鉄は、鋳
造性に大きな影響を及ぼすCを従来の球状黒鉛鋳鉄相当
とするのみならず、基地中に炭化物を微細に分散させる
に足る量を必要とする。よって下限を3.4％とした。ま
た、溶湯中から球状黒鉛を晶出させるに足る炭素量、及
び炭化物の微細分散に係る炭素量以外の余剰炭素は、二
次黒鉛の析出によりヤング率を低下させるため、上限を
4.5％とした。よってＣを3.4〜4.5％とした。

【００２２】(4)Si:1.8〜2.6％ 本発明に係る高ヤング率球状黒鉛鋳鉄は、微細分散した
炭化物を除く残部フェライト相によってその延性を確保
するものである。高硬度のシリコフェライト相が生じな
いよう、その上限を2.6％とした。また、炭化物形成元
素の多量添加に伴う粗大炭化物を晶出しないよう、その
下限を1.8％とした。よってＳｉを1.8〜2.6％とした。

【００２３】(5)Mn:0.6％以下 Mnは球状黒鉛鋳鉄の基地をフェライト、もしくはパーラ
イト基地に制御して引張強さを調整する作用がある。こ
こで本発明に係る高ヤング率球状黒鉛鋳鉄およびその製
造方法は、フェライト基地球状黒鉛鋳鉄、パーライト基
地球状黒鉛鋳鉄いずれもヤング率を向上する効果が認め
られる。よって適用する製品の引張強さに応じ、Mnの含
有量を0％から0.6％まで変化させてよい。なおMnの含有
量が0.6％を超えると、基地全体がパーライトとなって
引張強さが向上しなくなるため、それ以上含有量を増加
することは意味がない。よってMnを0.6％以下とした。

【００２４】(6)Cu:1.0％以下 Cuは球状黒鉛鋳鉄の基地をフェライト、もしくはパーラ
イト基地に制御して引張強さを調整する作用がある。こ
こで本発明に係る高ヤング率球状黒鉛鋳鉄およびその製
造方法は、フェライト基地球状黒鉛鋳鉄、パーライト基
地球状黒鉛鋳鉄いずれもヤング率を向上する効果が認め
られる。よって適用する製品の引張強さに応じ、Cuの含
有量を0％から1.0％まで変化させてよい。なおCuの含有
量が1.0％を超えると、基地全体がパーライトとなって
引張強さが向上しなくなるため、それ以上含有量を増加
することは意味がない。よってCuを1.0％以下とした。

【００２５】(7)炭化物形成元素:0.5〜30％ 本発明に係る炭化物形成元素は、そのヤング率が、フェ
ライト相あるいはパーライト相のヤング率より高いこと
が必要であり、0.5％未満の場合、ヤング率の向上効果
が得られないため下限を0.5％とした。また、炭化物形
成元素を含有しても、黒鉛球状化率が60％以上であるこ
とが必要であり、黒鉛形状が球状から片状に変化してヤ
ング率を低下させないよう30％以下とした。よって炭化
物形成元素の含有量は、0.5〜30％とした。なお、炭化
物形成元素にはNb、Mo、V、Wが好ましい。

【００２６】(8)Mg:0.020〜0.080％ 本発明に係る高ヤング率球状黒鉛鋳鉄は、芋虫状黒鉛、
片状黒鉛等を含有せず、十分な黒鉛球状化率を確保する
必要がある。よって、黒鉛球状化率を確保するために球
状化促進元素であるMgを含有量で0.020％以上とした。
また、球状化促進元素の過剰添加による引け性の劣化を
防止するため、含有量の上限を0.080％とした。よってM
gを0.020〜0.080％とした。

【００２７】(9)残部 残部はFeおよびP、S、Crなどの一般的な不可避的不純物
である。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例を示す。

【００２９】（実施例1）原材料となる鋼板屑または球
状黒鉛鋳鉄の戻り屑を、150kg高周波誘導炉を用いて溶
解温度1600℃で溶解し、更にFe-Nb、Fe-Mo、Fe-V、Fe-W
の炭化物形成元素を含む合金鉄、加炭材及びFe-Si合金
を用いて成分調整を行った。球状化処理は、鋼板屑によ
るカバー材と共にFe-Si-Mg合金を設置した取鍋内に溶湯
を注入して、サンドイッチ法によった。接種処理は、取
鍋内及び注湯の流れ中にFe-Si合金粉末を添加した。鋳
造は、生砂からなる鋳型に、球状化処理および接種処理
後の溶湯を注湯し、1インチYブロックを鋳造した。そし
て表1に示す組成で、発明材1〜7、従来材1,2、比較材1,
2の供試材を得た。ここで従来材1はフェライト基地球状
黒鉛鋳鉄、従来材2はパーライト基地球状黒鉛鋳鉄、比
較材1は炭化物形成元素を過剰に含有した場合、比較材2
は炭化物形成元素の含有量を不足させた場合である。

【００３０】

【表１】

【００３１】上記の各供試材について、黒鉛面積率、黒
鉛球状化率、パーライト面積率、炭化物面積率、硬度、
ヤング率を測定した。ヤング率の測定には試験片を厚さ
3mm、幅10mm、長さ100mmの板状に加工した後、日本テク
ノプラス社製ヤング率測定機JC−RTを用いて、自由共振
法により測定した。ここで、パーライト面積率と炭化物
面積率は、ミクロ組織観察用に鏡面仕上げした試料で測
定し、球状黒鉛を除く基地組織全体を体積比で100％と
したときの、パーライト相もしくは炭化物が組織に占め
る面積比で示した。

【００３２】以上の測定結果を表2に示す。本発明材1〜
7のヤング率は、従来材2と比べてヤング率が高く、硬度
は従来材2と同等以下であった。しかし、炭化物形成元
素を過剰に含有した比較材1の場合、炭化物形成元素の
過剰含有に伴って黒鉛球状化率が低下してヤング率が低
下し、高いヤング率を有する球状黒鉛鋳鉄を得ることが
できなかった。更に、炭化物形成元素の含有量が不足し
た比較材2の場合、炭化物形成元素が少なすぎたため、
高いヤング率を有する球状黒鉛鋳鉄を得ることができな
かった。

【００３３】

【表２】

【００３４】（実施例2）表1に示す本発明材3、従来材
2、従来材3(SF640B)及び比較材１の組成を有する球状黒
鉛鋳鉄材を用いて、同一形状のレシプロエンジン用クラ
ンクシャフトを製作し、それらクランクシャフトのヤン
グ率と質量の比を表3に示す。ここで、ヤング率と質量
の比は、同一形状のクランクシャフトにおける質量当た
りのヤング率を示し、この値が高い材質ほど軽量、かつ
高剛性であることがいえる。表３より、本発明材3は、
従来材２、３、比較材１に対してヤング率/質量比が高
く、高剛性かつ軽量のクランクシャフトを得られたこと
がわかる。

【００３５】

【表３】

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の球状黒鉛
鋳鉄は、従来のパーライト基地球状黒鉛鋳鉄よりも高い
ヤング率を有するため、レシプロエンジン用のクランク
シャフトに適用すると、音振特性を向上させることがで
きる。更に、ヤング率/質量比が高く高剛性であるた
め、従来のパーライト基地球状黒鉛鋳鉄よりも軽量のク
ランクシャフトを提供でき、ひいては車両の軽量化にも
つながる。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２２Ｃ 37/10 Ｃ２２Ｃ 37/10 Ｚ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基地組織がフェライト相又はパーライト相
   で、該基地組織中にフェライト相又はパーライト相より
   高いヤング率を有する炭化物を有し、黒鉛球状化率が60
   ％以上であり、ヤング率が185Gpa以上であることを特徴
   とする球状黒鉛鋳鉄。
2. 【請求項２】質量％でC:3.4〜4.5％、Si:1.8〜2.6％、
   炭化物形成元素: 0.5〜30％、Mg:0.020〜0.080％、残部
   実質的にFeと不可避的不純物よりなりヤング率が185GPa
   以上であることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄。
3. 【請求項３】質量％でC:3.4〜4.5％、Si:1.8〜2.6％、
   炭化物形成元素:0.5〜30％、Mg:0.020〜0.080％、Mn:0.
   6％以下、Cu:1.0％以下、残部実質的にFeと不可避的不
   純物よりなりヤング率が185GPa以上であることを特徴と
   する球状黒鉛鋳鉄。
4. 【請求項４】炭化物形成元素がNb、Mo、V、Wのうち1種
   もしくは2種以上であり、該炭化物が基地組織に析出し
   ていることを特徴とする請求項2乃至３記載の球状黒鉛
   鋳鉄。
5. 【請求項５】炭化物形成元素がNb、Mo、V、Wのうち1種
   もしくは2種以上であり、基地組織中に析出した炭化物
   のヤング率が基地組織のフェライト相あるいはパーライ
   ト相のヤング率より高いことを特徴とする請求項2乃至
   ４記載の球状黒鉛鋳鉄。
6. 【請求項６】質量％でC:3.4〜4.5％、Si:1.8〜2.6％の
   溶湯に炭化物形成元素を含む合金鉄を溶解して炭化物形
   成元素:0.5〜30％を含有させた後、Mgを添加して球状化
   処理を行い、Mg:0.020〜0.080％とし、接種処理を実施
   して鋳造し、ヤング率を185GPa以上としたことを特徴と
   する球状黒鉛鋳鉄の製造方法。
7. 【請求項７】質量％でC:3.4〜4.5％、Si:1.8〜2.6％、M
   n:0.6％以下、Cu:1.0％以下の溶湯に、炭化物形成元素
   を含む合金鉄を溶解して炭化物形成元素:0.5〜30％を含
   有させた後、Mgを添加して球状化処理を行いMg:0.020〜
   0.080％とし、接種処理を実施して鋳造し、ヤング率を1
   85GPa以上としたことを特徴とする球状黒鉛鋳鉄の製造
   方法。
8. 【請求項８】炭化物形成元素がNb、Mo、V、Wのうち1種
   もしくは2種以上であり、該炭化物を基地組織に析出さ
   せたことを特徴とする請求項6乃至7記載の球状黒鉛鋳鉄
   の製造方法。
9. 【請求項９】炭化物形成元素がNb、Mo、V、Wのうち1種
   もしくは2種以上であり、基地組織中に析出した炭化物
   のヤング率が基地組織のフェライト相あるいはパーライ
   ト相のヤング率より高いことを特徴とする請求項6乃至8
   記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法。
10. 【請求項１０】請求項１乃至５記載の球状黒鉛鋳鉄から
    なることを特徴とするレシプロエンジン用クランクシャ
    フト。