JP2015232151A - 鋳鉄部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳鉄部材の耐摩耗性を高めることの可能な鋳鉄部材の製造方法を提供する。
【解決手段】鋳鉄部材の基材を炭素含有ガス雰囲気下にて９３０℃以上９８０℃以下に３時間以上保持したのちに不活性ガスで６５０℃以下まで空冷する第１の工程と、第１の工程を経た基材を、炭素含有ガスが供給されない真空雰囲気下にて８２０℃以上８８０℃以下に３０分以上９０分以下保持したのちに、１５０℃未満まで急冷する第２の工程と、第２の工程を経た基材を、１５０℃以上２００℃以下に１時間以上保持したのちに徐冷する第３の工程と、を含む鋳鉄部材の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋳鉄部材の製造方法に関する。

鉄鋼材は、炭素含有量に応じて、鉄、炭素鋼、鋳鉄、これら３つの種類に大別される。このうち鋳鉄は、例えば特許文献１のように、自動車におけるエンジンのシリンダーブロックやシリンダーライナー、カムシャフトといった摺動部分に用いられている。

特開２００２−１８８５０８号公報

ところで、摺動部分に用いられる鋳鉄部材には、摩耗が少ないこと、すなわち摺動に対する耐久性である耐摩耗性に優れていることが要求される。特に近年では、燃費の向上を目的の１つとして出力の高い小型のエンジンが車両に搭載されることもあり、鋳鉄部材に対する耐摩耗性の要請が高まっている。なお、こうした要望は、シリンダーブロックやシリンダーライナー、カムシャフトに限らず、摺動部分に用いられる鋳鉄部材に共通する。

本発明は、鋳鉄部材の耐摩耗性を高めることの可能な鋳鉄部材の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する鋳鉄部材の製造方法は、鋳鉄部材の基材を炭素含有ガス雰囲気下にて９３０℃以上９８０℃以下に３時間以上保持したのちに、前記基材を不活性ガスによって６５０℃以下まで空冷する第１の工程と、前記第１の工程を経た前記基材を、炭素含有ガスの供給されない真空雰囲気下にて８２０℃以上８８０℃以下に３０分以上９０分以下保持したのちに、１５０℃未満に急冷する第２の工程と、前記第２の工程を経た前記基材を、１５０℃以上２００℃以下に１時間以上保持したのちに徐冷する第３の工程と、を含む。

上記構成のような熱処理を鋳鉄部材の基材に施すことにより、鋳鉄部材の耐摩耗性が鋳鉄部材の基材よりも向上する。

上記鋳鉄部材の製造方法において、前記炭素含有ガス雰囲気の有する圧力が真空圧であることが好ましい。
上記構成によれば、炭素含有ガス雰囲気における炭素濃度が高められ、第１の工程における保持時間の短縮が図られる。

上記鋳鉄部材の製造方法において、前記第１の工程は、前記基材の収容される処理室において前記基材を９３０℃以上９８０℃以下に保持する間に、前記処理室に炭素含有ガスを供給して前記炭素含有ガス雰囲気を形成することと、前記炭素含有ガスの供給を停止して前記処理室を排気することとを交互に繰り返すことが好ましい。
上記構成によれば、炭素含有ガス雰囲気下における基材の加熱が効率よく行われる。

上記鋳鉄部材の製造方法は、前記第１の工程と前記第２の工程との間に、炭素含有ガスが供給されない真空雰囲気下にて前記基材を８２０℃以上８８０℃以下に３０分以上９０分以下保持したのちに６５０℃以下に空冷する第４の工程をさらに含んでもよい。

上記構成のように第４の工程が設けられることにより、鋳鉄部材における金属組織の微細化が図られる。その結果、鋳鉄部材の耐摩耗性がさらに向上する。
上記鋳鉄部材の製造方法において、前記第２の工程が直前の工程に連続して行われることが好ましい。

上記構成によれば、第２の工程において、基材の昇温に要する時間が短縮される。

鋳鉄部材の製造方法の一実施形態において、鋳鉄部材の基材に対して行う熱処理のヒートサイクルを示す図である。 実施例の鋳鉄部材における金属組織の観察対象の１つを示す斜視図である。 観察対象における金属組織を撮像した画像の一例を示す図である。

図１〜図３を参照して、鋳鉄部材の製造方法の一実施形態について説明する。
図１に示されるように、鋳鉄部材の製造方法は、鋳鉄部材の基材に対する熱処理として、第１の工程、第２の工程、及び、第３の工程を含む。なお、以下では、第３の工程が完了した鋳鉄材を「鋳鉄部材」、第３の工程が完了していない鋳鉄材を「基材」という。

第１の工程は、鋳鉄部材の基材を、炭素含有ガス雰囲気下において９３０℃以上９８０℃以下の温度域である第１温度域に３時間以上保持したのちに、窒素などの不活性ガスによって鋳鉄部材の基材を６５０℃以下まで空冷する工程である。

第２の工程は、第１の工程を経た基材を、炭素含有ガスの供給されない真空雰囲気下において、８２０℃以上８８０℃以下の温度域である第２温度域に３０分以上９０分以下保持したのちに、冷却液を用いて１５０℃未満に急冷する工程である。

第３の工程は、第２の工程を経た基材を１５０℃以上２００℃以下の温度域である第３温度域に１時間以上保持したのちに徐冷する工程である。
第１温度域は、基材における金属組織がオーステナイトとセメンタイトとで構成される二相組織である温度域である。第２温度域は、基材における金属組織がオーステナイトとセメンタイトとで構成される二相組織である温度域であって、第１温度域よりも温度が低く、セメンタイトの分解が生じにくい温度域である。

すなわち、第１の工程における昇温は、炭素を含有する鋳鉄部材の基材の金属組織をオーステナイトとセメンタイトとで構成される二相組織に変化させる処理である。第２の工程における昇温は、既に形成されたセメンタイトの分解を抑えつつ、基材の金属組織を再びオーステナイトとセメンタイトとで構成される二相組織に変化させることで金属組織の微細化を図る処理である。また、第２の工程における急冷は、オーステナイトをマルテンサイトに変態させる処理である。

第１の工程において、炭素含有ガス雰囲気は、基材が配置された処理室に真空雰囲気を形成したのち、処理室に炭素含有ガスが供給されることにより形成されることが好ましい。炭素含有ガス雰囲気の有する圧力は、基材からの放熱を抑える観点から、また、炭素含有ガスと基材の表面との接触の頻度を高める観点から、大気圧よりも低い圧力である真空圧が好ましい。

炭素含有ガス雰囲気は、処理室に対する炭素含有ガスの供給と排出とが繰り返されることにより断続的に形成されてもよいし、処理室に対する炭素含有ガスの供給と排出とが同時に行われることにより継続的に形成されてもよい。

すなわち、第１の工程は、基材の収容される処理室において基材を９３０℃以上９８０℃以下に保持する間に、処理室に炭素含有ガスが供給され続けてもよいし、処理室に炭素含有ガス雰囲気が形成されることと、炭素含有ガスの供給が停止されて処理室が排気されることとが交互に繰り返されてもよい。要するに、第１の工程では、鋳鉄部材の基材が９３０℃以上９８０℃以下に保持され、かつ、鋳鉄部材の基材に含まれる炭素が基材から抜けないように断続的あるいは継続的な炭素含有ガス雰囲気下に基材が置かれた状態が３時間以上であればよい。炭素含有ガス雰囲気に供給される気体は、炭素含有ガスのみであってもよいし、炭素含有ガスと基材との接触による反応を促すための炭素含有ガス以外のガスを含んでもよい。

第１の工程における基材の冷却は、６５０℃以下まで基材が冷却されればよく、次の工程における基材の昇温を考慮すると、６５０℃に近い温度を目標温度として冷却されることが好ましい。

上記鋳鉄部材の製造方法は、第１の工程と第２の工程との間に第４の工程を含んでいてもよい。第４の工程は、第１の工程を経た基材を、炭素含有ガスが供給されない真空雰囲気下において８２０℃以上８８０℃以下の温度域である第２温度域に３０分以上９０分以下保持したのちに６５０℃以下まで空冷する工程である。第４の工程における昇温は、第１の工程にて形成されたセメンタイトの分解を抑えつつ、基材の金属組織を再びオーステナイトとセメンタイトとで構成される二相組織に変化させることで金属組織の微細化を図る処理である。

第４の工程における基材の冷却は、６５０℃以下まで基材が冷却されればよい。そのため、次の工程である第２の工程における基材の昇温を考慮すると、第４の工程と第２の工程とは連続して行われることが好ましく、第４の工程では、６５０℃に近い温度を目標温度として冷却されることが好ましい。また、第４の工程が複数回行われることにより、鋳鉄部材の金属組織のさらなる微細化が図られる。

鋳鉄部材の基材には、３．１質量％以上３．５質量％以下の炭素、１．７質量％以上２．３質量％以下の珪素、０．５質量％以上０．８質量％以下のマンガン、０．１質量％以下のリン、および、０．１５質量％以下の硫黄を含む鋳鉄材が適用可能である。

上述した鋳鉄部材の製造方法の一実施例について以下に説明する。
本実施例では、直方体形状を有するねずみ鋳鉄（ＪＩＳ ＦＣ２００）を鋳鉄部材の基材とし、その基材に対して以下に示す条件の下で各工程を実施することにより、１０ｍｍ×５０ｍｍ×１０ｍｍの鋳鉄部材を実施例の鋳鉄部材を得た。

（第１の工程）
第１の工程では、基材が配置された処理室を１３ｈＰａ程度の真空雰囲気まで減圧したのち、第１温度域である９５０℃まで基材全体を昇温した。その後、基材を９５０℃に保持しながら、処理室に炭素含有ガスとしてアセチレンガスを供給した。アセチレンガスは、処理室が低真空状態に維持される程度に供給し、所定時間経過後に処理室から排出した。第１の工程では、こうしたアセチレンガスの供給と排出とを繰り返し行うことで炭素含有ガス雰囲気を断続的に形成しながら、基材を９５０℃に３時間保持した。その後、処理室に対して常温の窒素ガスを供給して基材を６５０℃以下まで空冷したのち、続けて第４の工程を実施した。

（第４の工程）
第４の工程では、窒素ガスを排出して処理室を１３ｈＰａ程度の真空雰囲気まで減圧したのち、第２温度域である８５０℃まで基材全体を昇温した。そして、基材を８５０℃に４５分間保持した。その後、処理室に対して常温の窒素ガスを供給して基材を６５０℃以下まで空冷したのち、続けて第２の工程を実施した。

（第２の工程）
第２の工程では、窒素ガスを排出して処理室を１３ｈＰａ程度の真空雰囲気まで減圧したのち、第２温度域である８５０℃まで基材全体を昇温した。そして、基材を８５０℃に４５分間保持した。その後、６０℃のオイルを冷却液として１５０℃未満まで基材を急冷したのちに第３の工程を実施した。

（第３の工程）
第３の工程では、大気雰囲気下にて第３温度域である１６０℃まで基材全体を昇温した。そして、基材を１６０℃に２時間保持したのちに徐冷した。

（金属組織の観察）
実施例の鋳鉄部材について金属組織を観察した。
図２に示されるように、鋳鉄部材１０の中心部を通る切断面１１で鋳鉄部材１０を切断し、その切断面１１における中心部分を金属組織の観察対象１２とした。なお、切断面１１には、十分な洗浄と乾燥とを行った。観察対象１２における金属組織の画像の一例を図３に示す。

図３に示されるように、観察対象１２における金属組織は、マルテンサイトを主相として、セメンタイト、及び、片状のグラファイトがマルテンサイト間に分散している金属組織であることが認められた。なお、図３では、片状のグラファイトのいくつかを実線で囲んでいる。また、切断面１１における他の部分を観察対象として金属組織を観察したところ、その他の部分においても図３に示した金属組織と同様の金属組織であることが認められた。すなわち、鋳鉄部材１０の金属組織は、外表面から５ｍｍまでの範囲、つまり鋳鉄部材１０の全体が図３に示した金属組織であることが認められた。

一方、基材であるＦＣ２００の金属組織は、フェライトとセメンタイトとの層状組織であるパーライトを主相とし、パーライト間にフェライトとグラファイトとが分散した金属組織である。

（硬さ試験）
鋳鉄部材１０に対して、ＪＩＳ Ｚ２２４４に規定されたビッカース硬さ試験に準拠したマイクロビッカース硬さ試験を行った。この硬さ試験では、鋳鉄部材１０の外表面における任意の複数の箇所に対して硬さ試験を行い、その試験結果の平均値を鋳鉄部材１０のビッカース硬さとした。その結果、鋳鉄部材１０のビッカース硬さは、約５２０Ｈｖであることが確認された。一方、基材であるＦＣ２００は、ＪＩＳ Ｇ５５０１によれば、ブルネリ硬さが２００ＨＢ以上２２３ＨＢ以下である。これをビッカース硬さに換算すると、約２１０Ｈｖ以上２４０Ｈｖ以下である。すなわち、鋳鉄部材１０は、基材であるＦＣ２００よりもビッカース硬さが高いことが認められた。

上記実施形態の鋳鉄部材の製造方法によれば以下に示す効果が得られる。
（１）鋳鉄部材には、外表面から少なくとも５ｍｍの範囲において、マルテンサイトを主相として、セメンタイトとグラファイトとがマルテンサイト間に分散された金属組織が形成される。これにより、鋳鉄部材の硬度が高められることから、鋳鉄部材の耐摩耗性が鋳鉄部材の基材よりも向上する。

（２）互いに摺動する部材間における焼付きは、摺動部分における温度の上昇にともなう塑性流動が原因の１つと考えられている。この点、鋳鉄部材は、フェライトよりも硬度の高いマルテンサイトを主相として、セメンタイトとグラファイトとが分散された金属組織を有することから、摺動部分における温度が上昇したとしても塑性流動が抑えられる。その結果、焼付きに対する耐久性である耐焼付性が基材よりも向上する。

（３）鋳鉄部材は、外表面から少なくとも５ｍｍの範囲において図３に示した金属組織を有する。そのため、鋳鉄部材１０に対して上記範囲を超えない切削加工を行ったとしても、図３に示した金属組織を表層とする鋳鉄部材が製造可能である。

（４）セメンタイトは、９００℃以上に加熱されると分解しやすくなる。この点、第２の工程では、基材の保持温度を８２０℃以上８８０℃以下に設定している。そのため、第２の工程においては、既に形成されたセメンタイトの分解を抑えつつ、金属組織の微細化が図られる。

（５）処理室の炭素含有ガス雰囲気は、真空雰囲気にある処理室に対して炭素含有ガスを供給することにより形成される。その結果、炭素含有ガス雰囲気における炭素濃度が高められることから、第１の工程における加熱時間の短縮が図られる。

（６）処理室の炭素含有ガス雰囲気は、真空雰囲気にある処理室に対する炭素含有ガスの供給と排出とが交互に繰り返されることにより形成される。その結果、炭素含有ガス雰囲気下における基材の加熱が効率よく行われる。

（７）第４の工程が行われることで、第１の工程にて形成されたセメンタイトの分解を抑えつつ、鋳鉄部材の金属組織のさらなる微細化が図られる。
（８）第１の工程において基材を６５０℃以下まで空冷したあと、続けて第４の工程が行われることで、第４の工程における基材の昇温に要する時間が短縮される。

（９）第４の工程において基材を６５０℃以下まで空冷したあと、続けて第２の工程が行われることで、第２の工程における基材の昇温に要する時間が短縮される。
（１０）第１の工程、第２の工程、第４の工程が無酸素雰囲気下にて行われることから、各工程において基材の酸化と脱炭とが抑えられる。

なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・第２の工程は、第１の工程を経た鋳鉄部材の基材に対して行われればよく、第４の工程を経ることなく実施されてもよい。こうした構成であっても、鋳鉄部材１０の硬度が高まることが確認されている。なお、第４の工程が省略された場合、第１の工程に連続して第２の工程が行われることが好ましい。これにより、第２の工程における基材の昇温に要する時間が短縮される。

・第２の工程における冷却は、第２温度域まで昇温された基材が１５０℃未満まで急冷されればよい。そのため、冷却液は、６０℃のオイルに限らず、例えば、６０℃よりも高い温度である１２０℃程度のオイルであってもよいし、常温の水であってもよい。

・第１の工程は、鋳鉄部材１０の基材が炭素含有ガス雰囲気下にて９３０℃以上９８０℃以下に３時間以上保持されたのちに６５０℃以下まで空冷される工程であればよい。そのため、炭素含有ガス雰囲気の形成は、真空雰囲気にある処理室に対して炭素含有ガスが供給される方法に限らず、例えば大気雰囲気下にある処理室に対して炭素含有ガスが供給される方法であってもよい。

・不活性ガスは、窒素ガスに限らず、アルゴンガスやヘリウムガスであってもよい。
・炭素含有ガスは、アセチレンガスに限らず、メタンガスやプロパンガス、エチレンガスであってもよい。

１０…鋳鉄部材、１１…切断面、１２…観察対象。

Claims (5)

1. 鋳鉄部材の基材を炭素含有ガス雰囲気下にて９３０℃以上９８０℃以下に３時間以上保持したのちに、前記基材を不活性ガスによって６５０℃以下まで空冷する第１の工程と、
   前記第１の工程を経た前記基材を、炭素含有ガスの供給されない真空雰囲気下にて８２０℃以上８８０℃以下に３０分以上９０分以下保持したのちに、１５０℃未満に急冷する第２の工程と、
   前記第２の工程を経た前記基材を、１５０℃以上２００℃以下に１時間以上保持したのちに徐冷する第３の工程と、を含む
   鋳鉄部材の製造方法。
2. 前記炭素含有ガス雰囲気の有する圧力が真空圧である
   請求項１に記載の鋳鉄部材の製造方法。
3. 前記第１の工程は、
   前記基材の収容される処理室において前記基材を９３０℃以上９８０℃以下に保持する間に、前記処理室に炭素含有ガスを供給して前記炭素含有ガス雰囲気を形成することと、前記炭素含有ガスの供給を停止して前記処理室を排気することとを交互に繰り返す
   請求項２に記載の鋳鉄部材の製造方法。
4. 前記第１の工程と前記第２の工程との間に、炭素含有ガスが供給されない真空雰囲気下にて前記基材を８２０℃以上８８０℃以下に３０分以上９０分以下保持したのちに６５０℃以下に空冷する第４の工程をさらに含む
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の鋳鉄部材の製造方法。
5. 前記第２の工程が直前の工程に連続して行われる
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の鋳鉄部材の製造方法。