JP2008080382A - 鋳鋼製クランク軸用鋳鋼スローの鋳造方法及び鋳鋼製クランク軸用鋳鋼スロー - Google Patents

Abstract

【課題】ピン部に逆Ｖ偏析や空隙が発生するという鋳造欠陥の発生を低減した鋳鋼製クランク軸用鋳鋼スローの鋳造方法及び鋳鋼製クランク軸用鋳鋼スローを提供する。
【解決手段】一対のアーム２，２片と、その対設するアーム片２，２の一端側を連接するピン部３より構成され、各アーム片２，２のピン部３とは逆の端部側に、ジャーナル孔４，４が形成される鋳鋼スロ−１を、鋳型５内に充填した溶解金属６にて鋳造する鋳鋼製クランク軸用鋳鋼スローの鋳造方法であって、ピン部３の軸方向が水平になるよう鋳型５を配置し、ピン部３の上方に連結した押湯７をピン部３よりジャーナル孔４側にずらせ、押湯７とピン部３をつないで形成される余肉部８のジャーナル孔４側表面が下向きに傾斜するよう鋳型内壁面９を上向き傾斜させた鋳型５内に、溶解金属６を充填させて鋳鋼スロー１を鋳造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、船舶ディーゼルエンジンなどを構成する鋳鋼製クランク軸用鋳鋼スローの鋳造方法及び鋳鋼製クランク軸用鋳鋼スローに関する。

近年の船舶の大型化傾向にともなって、その主機関である低速２サイクルディーゼル機関も高出力化してきている。また、カーゴスペースの確保による輸送の効率化のため、エンジンのコンパクト化要求も強くなっている。このため、低速２サイクルディーゼル機関の主要部品である組立型クランク軸には高強度化、高品質化が求められている。従って、このクランク軸を構成するスローには、ますます欠陥の低減が求められている。

クランク軸には鋳鋼製と鍛鋼製があるが、生産性の高い鋳鋼製とした場合のスローの鋳造方法としては種々の鋳造方案が知られている。例えば、非特許文献１には複数の鋳造方案が開示されている。そのＢｉｌｄ９（図９）には、ピン部の軸方向が垂直になるように鋳造スローを配置し、上側に位置するアーム片に押湯をつけた鋳造方案が開示されている。この鋳造方案では、一方のアーム片に押湯をつけるため、出来上がった鋳造スローの左右品質が均一でない。また、下側に位置するアーム片には押湯が効きにくく鋳造欠陥が発生しやすいという問題がある。

またＢｉｌｄ１０、１１（図１０、１１）には、ピン部の軸方向が水平になるように鋳造スローを配置した鋳造方案が開示されている。しかしながら、いずれも押湯がジャーナル孔とは反対側に寄せて設けられており、押湯自体が効きにくく鋳造欠陥が発生しやすいという問題がある。

更にＢｉｌｄ１２（図１２）には、ピン部中心とジャーナル孔中心を結ぶ線が垂直方向になるように鋳造スローを配置するもの、すなわち鋳造スローを立てた状態で鋳造する鋳造方案が開示されている。しかしこの方案では、押湯を含めた鋳物高さが高くなり、造型、鋳造作業性が悪いという問題がある。

非特許文献２のＦｉｇ３（図３）、非特許文献３の第４図にも別の鋳造方案が示されている。そのいずれもが３箇所に押湯を設けたものである。

また、単に押湯を設ける従来の方法で鋳鋼スローを鋳造すると特に強度が要求されるピン部に逆Ｖ偏析や空隙などの鋳造欠陥が発生する。以下、その生成機構を図８に基づいて説明する。

鋳型５は鋳造される鋳造スロー１の形状に合わせ内面に空間が形成されており、鋳造される鋳造スロー１のピン部３の上方には押湯７が連結されている。押湯７とピン部３をつなぐ部位は空洞であり、その空洞のジャーナル孔４側の鋳型内壁面９は直立した垂直面となっている。ピン部３はその空洞で周囲が囲まれるため、充填された溶解金属６が凝固すればその周囲は余肉部８となる。

鋳型５の空間内に充填された溶解金属６は、鋳型内壁面９に接触する表面側から内部に向かって順次冷えて凝固組織１０となってゆくが、その凝固組織１０の形状は主にデンドライト状（樹枝状）となる。

一般に、凝固時の固液共存領域において、固相率ｆｓ＝０．０〜０．７の間は凝固組織１０，１０間の溶解金属６は移動可能である。デンドライト状の凝固組織１０，１０間の溶解金属６は、偏析による密度差により浮力や重力が発生するため移動しようとするが、その駆動力は凝固組織１０の成長方向に応じて変化する。また、溶解金属６が移動することで、凝固組織１０，１０間の溶解金属６の凝縮合体がおこり大きな偏析帯となるため、この部分が逆Ｖ偏析となり、凝固する際の空隙系の引け巣を発生させる原因となっている。

特に、両側のアーム片２，２に囲まれたピン部３のジャーナル孔４側は、コ字形に凹んだ熱がこもりやすい部位となるため、冷却速度は一番遅くなり局所的な逆Ｖ偏析や空隙が発生しやすかった。

ここでデンドライト状の凝固組織１０の成長について説明する。凝固組織１０は、ジャーナル孔４側の直立した鋳型内壁面９に接触する余肉部８の表面側から内部に向け成長する。その成長方向は、余肉部８のジャーナル孔４側の表面から直交する深さ方向、即ち水平方向である。この成長の際、凝固を始めた溶解金属６は、凝固時に成分（特にＦｅより軽いＣやＳｉ）が濃化することによって比重が軽くなり、未凝固の溶解金属６中を浮上しようとする。ところが既に水平方向に成長した凝固組織１０が、凝固を始めた溶解金属６の浮上を妨げるため、濃化した溶解金属６が凝固組織１０，１０間にトラップされて、この部分が逆Ｖ偏析となる。

また、逆Ｖ偏析は合金成分の濃化した部分であるため融点が低く、他の部分より凝固が遅れるため、凝固収縮による鋳造欠陥が発生しやすく、これが鋳鋼品の機械的強度などの品質を低下させる原因となっていた。
アルブレヒト・ロス（Albrecht Roth）著，「ディ・アンヴェンドゥング・フォン・アウセンクーラング・バイ・デア・フェルティガング・フォン・シュタールガス（Die Anwendung von Aussenkulung bei der Fertigung von Stahlguss）」，ギーセリー（GIESSEREI），（独国），１９５８年５月２２日，第４５号，ｐ.２８９―２９５ 西原，福井（M.Nishihara and Y.Fukui）著，「ファティーグ・プロパティズ・オブ・フル・スケール・フォージド・アンド・キャスト・スティール・クランクシャフト（Fatigue properties of full scale forged and cast steel crankshafts），」トランザクションズ・インスティトゥート・オブ・マリン・エンジニア・シリ−ズ・ビー（Transactions.Institute of Marine Engineers.Series B），（英国），１９７８年１１月２６日，第７８号，ｐ.２１―４２ 森啓之、外５名、「鋳鋼製組立型クランク軸の進歩」、神戸製鋼技報、株式会社神戸製鋼所、２０００年１２月、第５０巻、第３号、ｐ.４１―４５

本発明は上記従来の問題点に鑑みて発明したものであって、船舶用エンジンとして稼動する際に最も応力がかかる重要部位であるピン部の品質に着目し、鋳造時の方案を工夫することで、ピン部に逆Ｖ偏析や空隙が発生するという鋳造欠陥の発生を低減した鋳鋼製クランク軸用鋳鋼スローの鋳造方法及び鋳鋼製クランク軸用鋳鋼スローを提供することを課題とするものである。

請求項１記載の発明は、一対のアーム片と、その対設するアーム片の一端側を連接するピン部より構成され、各アーム片のピン部とは逆の端部側に、ジャーナル孔が形成される鋳鋼スロ−を、鋳型内に充填した溶解金属にて鋳造する鋳鋼製クランク軸用鋳鋼スローの鋳造方法であって、ピン部の軸方向が水平になるよう鋳型を配置し、ピン部の上方に連結した押湯をピン部よりジャーナル孔側にずらせ、押湯とピン部をつないで形成される余肉部のジャーナル孔側表面が下向きに傾斜するよう鋳型内壁面を上向き傾斜させた鋳型内に、溶解金属を充填させて鋳鋼スローを鋳造することを特徴とする鋳鋼製クランク軸用鋳鋼スローの鋳造方法である。

請求項２記載の発明は、余肉部のジャーナル孔側表面は、垂線から５°〜６０°傾いていることを特徴とする請求項１記載の鋳鋼製クランク軸用鋳鋼スローの鋳造方法である。

請求項３記載の発明は、鋳型は、ピン部中心とジャーナル孔中心を結ぶ線が水平になるように配置されることを特徴とする請求項１又は２記載の鋳鋼製クランク軸用鋳鋼スローの鋳造方法である。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の方法で製造されてなり、一対のアーム片と、その対設するアーム片の一端側を連接するピン部より構成され、各アーム片のピン部と逆の端部側に、ジャーナル孔が形成される鋳鋼製クランク軸用鋳鋼スロ−であって、ピン部は、余肉部のジャーナル孔側表面からその表面に直交する深さ方向に成長した凝固組織で形成されていることを特徴とする鋳鋼製クランク軸用鋳鋼スローである。

本発明の鋳鋼製クランク軸用鋳鋼スローの鋳造方法によると、鋳造時におけるピン部の逆Ｖ偏析や空隙の発生という鋳造欠陥を低減することができ、船舶用エンジンとして稼動する際に最も応力がかかる重要部位であるピン部の品質を向上させることができる。

また、本発明の鋳鋼製クランク軸用鋳鋼スローによると、ピン部の逆Ｖ偏析や空隙という鋳造欠陥が少なく、船舶用エンジンとして稼動する際に最も応力がかかる重要部位であるピン部の品質が向上する。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいてさらに詳細に説明する。

図４に示すように、船舶ディーゼルエンジン用などに用いられる組立型の鋳鋼製クランク軸は、一対のスラスト軸１１，１１間に、複数個の鋳鋼スロー１とジャーナル軸１２を順に並べ、焼きばめで組み合わせて一本の軸状にして構成されている。鋳鋼スロー１はエンジンの気筒数に合わせた数だけ必要であり、例えば、１０気筒なら１０個の鋳鋼スロー１が必要である。

図３に示すように、鋳鋼スロー１は、一対のアーム片２，２と、その対設するアーム片２，２の一端側を連接する円柱状のピン部３より構成される平面略コ字形の形状のものである。各アーム片２にはピン部３と逆の端部側にジャーナル孔４が形成されている。このジャーナル孔４にジャーナル軸１２の一端部が挿入され鋳鋼製クランク軸は組み立てられる。

アーム片２は楕円形の肉厚のものであり、ピン部３は円柱の軸状のものである。アーム片２の厚み寸法はピン部３の長さ寸法より大きく、アーム片２に形成されたジャーナル孔４の径はピン部３の径と同一である。

図３に示す実施形態では、アーム片２は外周縁がすべて曲線状（図１を参照）で、ピン部３の径とジャーナル孔４の径が同一で、ピン部３がアーム片２の端縁よりジャーナル孔４側に寄ったものを示すが、鋳造される鋳鋼スロー１は、必ずしもこのような形状のものではなくても良い。

例えば、アーム片２の外周形状は、図５に示すような上下縁が直線状のもの、あるいは図６に示すような左右非対称のものでも良い。また、ピン部３の径とジャーナル孔４の径が異なるもの、図６に示すようなピン部３がアーム片２の端縁に寄ったものでも良い。

次に、図１及び図２に基づいて、鋳鋼スロー１の鋳造方法を説明する。

まず、鋳造される鋳造スロー１の形状に合わせて内面に空間が形成された鋳型５を準備する。鋳型５は、鋳造される鋳造スロー１のピン部３の軸方向が水平になるように配置される。また、ピン部３の中心とジャーナル孔４の中心を結ぶ線も水平になるように配置される。

鋳型５は砂型鋳型で以下のような構造である。鋳造される鋳造スロー１のピン部３の上方は、押湯７が挿入できるよう開口している。その開口から挿入される押湯７とピン部３をつなぐ部位が空洞となっている。開口の径はピン部３の径より大きく、開口の中心はピン部３の中心よりジャーナル孔４側に寄った位置に形成されている。その開口に挿入される押湯７は、ピン部３よりジャーナル孔４側にずらせた状態でピン部３の上方に連結される。この押湯７とピン部３をつなぐ部位は上記したように空洞であり、そのジャーナル孔４側の鋳型内壁面９は上向きの傾斜面となっている。その傾斜面は垂線から５°〜６０°傾いていることが好ましい。

鋳型５の空間内には溶解金属６が充填されるが、充填された溶解金属６は、鋳型内壁面９に接触する表面側から内部に向かって順次冷えて凝固組織１０となってゆく。その凝固組織１０の形状は主にデンドライト状（樹枝状）となる。

ここで、従来から熱がこもりやすく凝固が遅れ、局所的な逆Ｖ偏析や空隙が発生しやすかった両側のアーム片２，２に囲まれたピン部３のジャーナル孔４側の部位の凝固組織１０の成長について説明する。

凝固組織１０は、ジャーナル孔４側の上向き傾斜した鋳型内壁面９に接触する余肉部８の表面側から内部に向け成長する。その成長方向は、余肉部８のジャーナル孔４側の表面から直交する深さ方向、即ち斜め上向きの方向である。この成長の際、凝固組織１０，１０間の凝固を始めた溶解金属６は、凝固時に成分（特にＦｅより軽いＣやＳｉ）が濃化することによって比重が軽くなり、未凝固の溶解金属６中を浮上しようとする。凝固組織１０は斜め上方に向け成長しているため、凝固を始めた溶解金属６は凝固組織１０に邪魔されず、未凝固の溶解金属６中を浮上する。従って、熱がこもりやすく凝固が遅れる部位であっても逆Ｖ偏析や空隙の発生を低減することができる。

余肉部８はあとで全て除去されるが、デンドライト状の凝固組織１０はピン部３まで達しており、逆Ｖ偏析や空隙の発生を低減することが出来るという作用効果はピン部３でも奏している。

なお、前記の説明では、鋳型５のジャーナル孔４側の鋳型内壁面９は上向きの傾斜面となっており、その傾斜面は垂線から５°〜６０°傾いていることが好ましいと説明したが、その角度の限定理由を次に説明する。

傾斜した鋳型内壁面９には、余肉部８のジャーナル孔４側表面が接触するが、そのジャーナル孔４側表面の傾斜角度は、鋳塊内部の逆Ｖ偏析生成に影響し、角度が大きいほど逆Ｖ偏析を防止しやすく、５°未満では逆Ｖ偏析が発生することが考えられる。従って、余肉部８のジャーナル孔４側の角度は５°以上が好ましいと考えられる。

また、角度を大きくとると逆Ｖ偏析の発生を防止できるが、押湯７をジャーナル孔４側にずらせることになりピントップ側（ピン部３のジャーナル孔４とは逆側）に押湯７が効かず品質に問題が出る可能性がある。そこで、ピントップ側にも押湯７を効かせるとなると押湯７自体が大きくなってしまい製品歩留りが低下してしまう。従って、余肉部８のジャーナル孔４側の角度は６０°以下が好ましいと考えられる。

即ち、余肉部８のジャーナル孔４側の傾斜角度、並びに鋳型５のジャーナル孔４側の鋳型内壁面９の傾斜角度は、５°〜６０°が好ましい。

また、溶解金属６の成分（質量％）は表１に示す範囲のものであれば良い。残部のうち大部分はＦｅであり、不純物を含んでいても良い。

以下、表１の成分範囲の限定理由を元素ごとに説明する。

Ｃは、強度及び焼き入れ性を向上させる元素であり、含有量が０．１０％より少ないと所定の強度が得難くなる。また、０．２５％より多くなると溶接割れの危険性が高くなるので、０．１０〜０．２５％が好ましい。

Ｓｉは、脱酸剤としての使用及び焼き入れ性を向上させる元素であるが、含有量が高くなると偏析が大きくなるので、０．６％以下が好ましい。

Ｍｎは、強度及び焼き入れ性を向上させる元素であり、含有量が０．７％より少ないと所定の強度が得難くなる。また、１．４％より大きいと焼き戻し脆化が著しくなるので、０．７〜１．４％が好ましい。

Ｎｉは、強度及び焼き入れ性を向上させる元素であり、溶接性の低下が比較的少ない元素であるので、できるだけ添加することが望ましいが、含有量が０．３％より少ないと靱性が低下し、優れた靱性を確保できず、所定の強度が得難くなる。また、高価な元素であるため、大量の添加はコスト上昇を招くという点から、Ｎｉ量の上限は２．５％が好ましい。

Ｃｒは、強度及び焼き入れ性を向上させる元素であり、炭化物生成元素であるため、０．１％より少ないと硬度が出にくくなり、所定の硬度が得難くなる。また、溶接性の低下を引き起こす元素であるため、０．１〜１．１％が好ましい。

Ｍｏは、焼き戻し軟化抵抗を高める元素であるため、０．１％以上の添加が好ましいが、溶接性を阻害する元素でもあるため、０．１〜０．７％が好ましい。

Ｖは、焼き戻し軟化抵抗を高める元素であるが、溶接性を阻害する元素であると共に、一定量以上添加しても軟化抵抗向上の大きな効果が望めない元素であるため、０．３％以下が好ましい。

以上の説明では、鋳型５は、鋳造される鋳造スロー１のピン部３の軸方向と、ピン部３の中心とジャーナル孔４の中心を結ぶ線が両方とも水平になるように配置されるものについて説明した。このように配置すれば鋳造される鋳造スロー１は水平に配置されることとなる。鋳型５は上下が別個に形成され組み立てられるものであり、鋳造スロー１が斜めに配置されるものに比べ鋳型の造型が簡単となる。

しかしながら、少なくとも鋳造される鋳造スロー１のピン部３の軸方向が、水平になっておれば良く、余肉部８のジャーナル孔４側が下向きに傾斜してさえおれば、ピン部３での逆Ｖ偏析や空隙の発生を低減できるという効果は達成することができる。

図５に示す鋳造スロー１の余肉部８の、ジャーナル孔４側表面の傾斜角度θを０°〜３０°まで順次変え、鋳造スロー１の品質を調査し、本発明の効果を確認した。実験で鋳造した鋳造スロー１は図５に示す形状のものであり、押湯比
（押湯重量／本体と押湯の総重量）は０．４である。また、使用した溶解金属６の成分を表２に示す。

図５に示す鋳造方案にて、８．７ｔｏｎの溶解金属６を鋳込温度１，５５０℃で鋳造し、凝固後の鋼塊を表面から３０ｍｍ機械加工除去後、ピン部３と、ジャーナル孔４周囲のＵＴ検査と、ピン部３の水平断面の逆Ｖ偏析発生状況を確認した。その結果を表３に示す。

（ＵＴ検査方法）
ＪＩＳ−Ｚ２３５２に規定する超音波探傷装置の性能測定方法に基づいて、垂直探傷及び斜角探傷法により試験周波数が２ＭＨｚ〜５ＭＨｚの範囲で検出したきずエコー高さをｄＢ単位で測定し、等価欠陥直径（平底穴欠陥ＦＢＨ相当）に換算した。図７（ａ）（ｂ）に示すように、ピン部３は、上部領域ａと下部領域ｂに分け、その表面全周を軸直径の１／４の深さまで全面検査した。上部領域ａは、０ｍｍ＜深さ≦５０ｍｍ（以下、条件Ａという）と、５０ｍｍ＜深さ（以下、条件Ｂという）に分け検査、下部領域ｂは、０ｍｍ＜深さ≦１０ｍｍ（以下、条件Ｃという）と、１０ｍｍ＜深さ（以下、条件Ｄという）に分け検査した。合格判定基準（Ｓｐｅｃ）は、条件Ａで欠陥直径φ３ｍｍ未満、条件Ｂで欠陥直径φ５ｍｍ未満、条件Ｃで欠陥直径φ２ｍｍ未満、条件Ｄで欠陥直径φ３ｍｍ未満である。ジャーナル孔４部は、その周囲全周を孔直径の１／１０の深さまで全面検査した。検査範囲は、０ｍｍ＜深さ≦５０ｍｍ（以下、条件Ｅという）と、５０ｍｍ＜深さ（以下、条件Ｆという）である。合格判定基準（Ｓｐｅｃ）は、条件Ｅで欠陥直径φ３ｍｍ未満、条件Ｆで欠陥直径φ５ｍｍ未満である。

（逆Ｖ偏析調査方法）
ピン部３中心軸とジャーナル孔４中心軸を結ぶ面で、ピン部３を切断し、その切断面を研磨、硝酸でエッチングすると、逆Ｖ偏析は黒い点状組織として確認できる。そこでピン部３の表面から５０ｍｍ深さ以内の面内に存在する逆Ｖ偏析の有無を確認する。

表３から明らかなように、余肉部８のジャーナル孔４側の角度を０°とした従来方案の場合（Ｎｏ．１）は、ＵＴ検査ではピン部３側では条件Ｄで、ジャーナル孔４側では条件Ｆで、夫々鋳造欠陥が認められた。また、逆Ｖ偏析も確認することができた。

これに対し、余肉部８のジャーナル孔４側の角度を５°〜３０°とした本発明の各実施例の場合（Ｎｏ．２〜５）は、ＵＴ検査ではピン部３側、ジャーナル孔４側ともに合格判定基準以内のデータを得ることができ、逆Ｖ偏析も確認することができなかった。

本発明の一実施形態を示すもので、鋳型内に鋳鋼スローを鋳込んだ状態を示す縦断面図である。 図１のＡ-Ａ線断面図である。 鋳鋼スローを示す横断面図である。 組立型の鋳鋼製クランク軸を分解した平面図である。 本発明の異なる実施形態を示す鋳鋼スローと押湯の縦断面図である。 本発明の更に異なる実施形態を示す鋳鋼スローの縦断面図である。 鋳鋼スローのＵＴ検査の検査領域を示すもので、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ-Ａ線縦断面図である。 従来例を示すもので、鋳型内に鋳鋼スローを鋳込んだ状態を示す縦断面図である。

符号の説明

１…鋳鋼スロー
２…アーム片
３…ピン部
４…ジャーナル孔
５…鋳型
６…溶解金属
７…押湯
８…余肉部
９…鋳型内壁面
１０…凝固組織
１１…スラスト軸
１２…ジャーナル軸

Claims (4)

1. 一対のアーム片と、その対設するアーム片の一端側を連接するピン部より構成され、各アーム片のピン部とは逆の端部側に、ジャーナル孔が形成される鋳鋼スロ−を、鋳型内に充填した溶解金属にて鋳造する鋳鋼製クランク軸用鋳鋼スローの鋳造方法であって、
   ピン部の軸方向が水平になるよう鋳型を配置し、
   ピン部の上方に連結した押湯をピン部よりジャーナル孔側にずらせ、押湯とピン部をつないで形成される余肉部のジャーナル孔側表面が下向きに傾斜するよう鋳型内壁面を上向き傾斜させた鋳型内に、溶解金属を充填させて鋳鋼スローを鋳造することを特徴とする鋳鋼製クランク軸用鋳鋼スローの鋳造方法。
2. 余肉部のジャーナル孔側表面は、垂線から５°〜６０°傾いていることを特徴とする請求項１記載の鋳鋼製クランク軸用鋳鋼スローの鋳造方法。
3. 鋳型は、ピン部中心とジャーナル孔中心を結ぶ線が水平になるように配置されることを特徴とする請求項１又は２記載の鋳鋼製クランク軸用鋳鋼スローの鋳造方法。
4. 請求項３記載の方法で製造されてなり、
   一対のアーム片と、その対設するアーム片の一端側を連接するピン部より構成され、各アーム片のピン部と逆の端部側に、ジャーナル孔が形成される鋳鋼製クランク軸用鋳鋼スロ−であって、
   ピン部は、余肉部のジャーナル孔側表面からその表面に直交する深さ方向に成長した凝固組織で形成されていることを特徴とする鋳鋼製クランク軸用鋳鋼スロー。
   
   

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