JP3185781B2

JP3185781B2 - チルド鋳鉄製中空カム軸およびその鋳造方法

Info

Publication number: JP3185781B2
Application number: JP07384599A
Authority: JP
Inventors: 統真殿
Original assignee: 統真殿; 株式会社リケンキャステック
Priority date: 1999-03-18
Filing date: 1999-03-18
Publication date: 2001-07-11
Anticipated expiration: 2019-03-18
Also published as: JP2000266165A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車エンジン用
のチルド鋳鉄製中空カム軸およびその鋳造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】カム軸は自動車用部品の中でも特に重要
な部品である。そのために素材として各種の材料が使用
され、製造方法も多種多様である。現在その中で最も広
く使われている素材は鋳鉄であって、チルド鋳造法を用
いることによって、カム部を白銑化してチルド鋳鉄製カ
ム軸（以下チルドカム軸ともいう) を製造する。このよ
うなチルドカム軸が広く用いられている最大の理由は、
チルド鋳鉄がカムに要求される２種類の耐摩耗性、すな
わち耐スカッフィング性と耐ピッチング性とにおいて極
めて優れた特性をもつからである。

【０００３】しかしこのようなチルドカム軸について、
最近エンジンの高速化に伴い、いくつかの新しい要求が
加わり、その１つが軽量化であった。軽量化はエンジン
の燃料消費率を下げるために、自動車の全部品に課せら
れた共通の課題であるが、カム軸は高速回転するために
特に軽量化の要求が大きい。

【０００４】カム軸を軽量化するには中空にすればよ
く、初期の段階では、ガンドリルによる機械的穿孔が行
われた。しかしドリルによる孔明けはチルドカム軸では
困難であった。その理由は、チル層の形成が往々にして
中心部にまで及ぶために、中心部が高硬度となって、穿
孔ドリルを損傷するからである。また中空孔が小径の円
孔に限られ、大径や異径孔の加工は不可能であった。

【０００５】一方、カム軸を中空にするには鋳造法によ
って鋳抜き孔とすることも考えられる。鋳抜き孔にすれ
ば、孔径を大きくでき、さらに異径孔も可能という利点
があり、従来から中子を用いた鋳放し中空カム軸が実際
に製造されてきた。

【０００６】しかし、周知のように、従来の鋳造による
中空カム軸の製造には、中子造りが困難という問題があ
った。一般に自動車用カム軸は軸径30mm以下、軸長300
mm以上の細長い形状をしている。中空カム軸用の中子は
それ以上に極細長くなければならない。そのために強
く、折れ難い中子として石英管、特殊耐熱ガラス製チュ
ーブ、あるいはレジン量を増したシェル中子などが開発
された。しかしそれらの高強度中子は当然の結果とし
て、鋳出しの崩壊性が悪く、細くて深い中空孔から中子
砂を完全に除去することが非常に困難であった。

【０００７】一方、前述の耐摩耗性を確保するにはカム
部の硬度 (以下、カム硬度という)を高める必要がある
が、カム硬度をより高めるためには次のような問題が見
られる。

【０００８】一般にチルド鋳鉄製カム軸には、気筒数の
２倍または４倍という多数のカム部が隣接して並んでい
るばかりでなく、その方向が位相により順次変化してい
る。したがって、鋳造に際して全てのカム部の鋳放し硬
度を高レベルにチルすることは技術的に困難である。カ
ムノーズには通常HRC50 以上という高い硬度が指定さ
れ、最近では高速運転による異常摩耗を減らす目的で一
層高い硬度が求められている。さらにこのような高硬度
の要求が従来型のようにカムノーズだけの半周チル型か
ら、サークルまで硬くした全周チル型に移ったことが問
題を一層難しくしている。

【０００９】単に、チルした際のカム硬度 (チル硬度と
もいう) を高めるだけであれば、鋳鉄にCr、Mo、Ni、Te
などを添加して合金鋳鉄にすれば、比較的簡単に高硬度
が得られることは良く知られた事柄である。しかしカム
軸では合金添加が別の障害を生じるために、添加量に制
限がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】カム軸で高い硬度を必
要とするのは本来カム部のみで、そのほかのジャーナル
部および両軸端部は機械仕上げのために、逆にできるだ
け軟らかな黒鉛組織にする必要がある。つまり一本のカ
ム軸において、隣接するカム部とジャーナル部とを極端
に異なる硬軟の材料に作り分けしなければならない。し
かし、従来の鋳造法では、合金添加によりカム部のチル
硬度を高めようとすると、ジャーナル部、端部も一緒に
硬くなり切削性の悪化が避け難かった。したがって、い
たずらに硬度を高くすることだけを狙って合金添加をす
ることには限度があった。とくに軸端部については、ド
リル加工の都合上ジャーナル部以上に切削性をよくする
必要から、合金によって軸端部まで硬くなる従来の技術
には、常に悩まされていた。

【００１１】ここで、本発明がチルドカム軸について解
決しようとする課題は、いずれも従来の技術では解決が
困難であったものであるが、これらの課題をまとめてみ
ると次の如くである。

【００１２】(1) 軽量化、(2) カム部の硬度をさらに高
めて、耐摩耗性を向上させること、(3) ジャーナル部の
切削性を改善すること、(4) 軸端部の切削性を改善し
て、ドリル加工を容易にすること、(5) カム軸全体の機
械的強度を高めること。

【００１３】よって、本発明の課題は、これらの複数の
課題を同時に解決する新しい組織構造のチルドカム軸と
その鋳造方法とを提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】ここに、本発明者は、チ
ルドカム軸に中心孔を鋳放しで明けることにより、それ
が単なる軽量化だけでなく、その素材であるチルド鋳鉄
の材質改善に効果的であり、それによって広範にわたる
上述の課題が同時に解決されることを知り、本発明を完
成した。

【００１５】よって、本発明は次の通りである。 (1) 中心孔が鋳放しで明けられた中空カム軸において、
カム面の外周が冷し金による高硬度の白銑組織、そして
中心孔の内壁が軟らかな黒鉛組織から成る二重層構造を
備えたことを特徴とするチルド鋳鉄製中空カム軸。

【００１６】(2) 中空カム軸において、カム面が高硬度
の白銑組織、そして中心孔の内壁が軟らかな黒鉛組織か
ら成る二重層構造を備え、さらに軸端が該黒鉛組織より
も軟らかく切削性の優れたマトリックスを有することを
特徴とするチルド鋳鉄製中空カム軸。

【００１７】(3) 上記(1) または(2) 記載のチルド鋳鉄
製中空カム軸を鋳造する方法であって、主型と、ならび
に該主型にそれぞれ装着された冷金と、ムライト系人工
砂を熱硬化性レジンにより粘結した管状芯中子と、さら
に軸端に発燃性中子とを備えた鋳型に素材鋳鉄を鋳込む
ことを特徴とするチルド鋳鉄製中空カム軸の鋳造方法。

【００１８】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
てその作用効果とともに説明する。本発明にしたがって
中空カム軸を鋳造する場合、芯中子による孔明けを、軽
量化のためだけに役立てるのではなく、この中子によ
り、カム部のチル硬度を高めながら、一方ジャーナル部
と軸端部の硬度を逆に低くして切削性を改善する。さら
に衝撃に対して不安のある白銑組織だけのカム軸に比べ
てより強靱なカム軸を造るのである。

【００１９】芯中子の形状、寸法はカム軸の設計によっ
て変わる。たとえばカム部の幅が広ければ、カム部の外
形に倣った突起をもつ中子を作れば大きく軽量化でき
る。しかしカム部の幅が狭い場合には、全長にわたって
ほぼ等径の丸棒中子になる。いずれにしても芯中子は、
長さに対して径の細いものになるから、折損しないよう
に十分な強度が必要である。

【００２０】中子の強度を増すだけであれば、造型に当
たってレジン配合量を多くすればよいから難しくない。
しかし実際にはレジン量を増すと崩壊性が悪くなるか
ら、鋳出しの際に中子砂の除去が難しくなる。特に中空
孔は狭く、しかも深いから、中子の崩壊性が悪いと完全
に除去することができなくなる。周知のようにカム軸の
中空孔に、たとえ１粒でも砂粒子が残留すれば、エンジ
ンの稼働中にそれが排出されて大事故につながる恐れが
ある。したがって中子砂の除去は常に完全でなければな
らない。そのためには中子は崩壊性のよいことが絶対条
件である。

【００２１】本発明において用いる中子はムライト系の
人工砂と熱硬化性のフェノールレジンとを用いて造るの
が好ましい。このときの人工砂は粒形が完全な丸形をし
ているため、少ないレジン量で強い中子が得られる特長
がある。熱硬化性レジンの配合量は中子の形状、寸法を
考慮して適宜決定すればよい。したがって、このような
好適態様によれば抗折力が強くて崩壊性がよいという相
反する条件を満たす中子を造ることができる。さらにこ
の砂は熱膨張係数が天然けい砂に比較して非常に低いか
ら、成型および鋳込時の曲りが小さい長所ももってい
る。

【００２２】本発明の芯中子を入れて鋳造した中空カム
軸は軽量化のほかに、材質的に優れた特性をもってい
る。その１つはカムのチル硬度が増すことである。その
ような傾向は、中子容積分だけ溶湯量が減って冷金のチ
ル効果が増したためと考えられる。硬度の上昇は２〜５
％であり、それほど大きくない。しかし耐摩耗性を改善
する効果は決して少なくない。

【００２３】材質に対する中子の影響としてより顕著な
のが、鋳鉄に対する黒鉛化促進の効果である。すなわち
芯中子を鋳ぐるんだチルドカム軸の中空孔の内壁には、
黒鉛組織がよく発達する。この黒鉛組織は鋳込の際溶湯
によって過熱された中子が、凝固過程において溶湯の急
冷を抑止して黒鉛組織の発達を促したものと考えられ
る。同様な効果は中子の熱容量が大きいほど著しいはず
であるが、実際に中実中子よりも中空中子のほうが、明
らかによく黒鉛組織を発達させることが分かった。よっ
て本発明の芯中子は中空にして、強度が許す限り薄肉の
管状中子にする。

【００２４】カム軸鋳造に用いる溶湯は、元来チルし易
い組成の合金鋳鉄であるから、チルしては困るジャーナ
ル部まで硬くなり易い。特にカム部とジャーナル部の境
界ではチル組織が混じって切削性が悪くなる。もちろん
カム軸用鋳鉄の溶湯は炉前で楔形テストなどにより、チ
ル深さを測定して適正に管理される。それでも実際には
カム部の硬度や、ジャーナル部の切削性にばらつきが生
じるのが避けられなかった。したがって、本発明にあっ
ては管状芯中子によってチル硬度とジャーナル部の切削
性という両者の相反する性質を調節することができるの
は画期的利点である。

【００２５】チルドカム軸においてカム部の外周、つま
りカム面が完全な白銑組織、カム軸の中心部が黒鉛組織
の二重層構造は、カム軸の強度を高める上でも望まし
い。白銑組織は高硬度ではあるが、伸びがなく衝撃に弱
い欠点をもつのに対し、この短所を補う意味で中心部を
黒鉛組織にした二重層構造を備えた本発明のカム軸は、
機械的強度の面からも優れている。

【００２６】図１は、中子なしの場合の従来のチルドカ
ム軸の横断面である。図１の場合、カム部の外周はチル
されて白銑組織(1) になっているが、中心部は白銑組織
と黒鉛組織が混在する斑銑組織(2) になっている。

【００２７】図２は、本発明にかかる中空のチルドカム
軸の横断面図である。本発明により芯中子を鋳ぐるんだ
場合には、図２に示すようにカム部の外周は同じく白銑
組織(3) になっているが、中空孔(4) の内壁部は芯中子
の影響で黒鉛が多く晶出して黒鉛組織(5) になってい
る。

【００２８】カム軸においてジャーナル部以上に良好な
切削性を求められているのが両端部である。ジャーナル
部の仕上げは旋盤加工によるのに対し、両端部の仕上げ
にはミリング、ドリル加工が加わる。特にドリル加工は
硬い材質が障害になる。したがって軸端部にはドリル加
工が容易なように、ジャーナル部よりも切削性がさらに
よい材質が求められている。そのためには端部の冷却を
できるだけ緩やかにして、凝固過程における黒鉛の晶出
を促進するばかりでなく、マトリックスの固相変態を進
めることが有効である。その結果マトリックスが硬いパ
ーライトから、軟らかいフェライトに変化すれば切削性
が大きく改善される。

【００２９】したがって、本発明では、鋳造に際して端
部に発燃中子またはパットを置き徐冷させる方法をとっ
た。発燃中子はレジン砂に市販の発燃剤、例えばAl金属
粉末とFe₂O₃ 粉末を混合して成型したものであるが、こ
のような中子は注湯と同時に発熱し端部の冷却を遅らせ
る。それによって端部の黒鉛組織が発達し、マトリック
スがフェライト化される。

【００３０】図３は本発明による鋳造法において用いる
中空芯中子、つまり管状芯中子を装着したカム軸鋳型の
縦断面の部分図である。図中、符号(6) はカム部、(7)
はジャーナル部、(8) は冷金、(9) は中空芯中子、(10)
は軸端部のスリーブ状の発燃中子である。

【００３１】本発明によれば中子として中空芯中子を用
いることで、黒鉛組織を十分に発達させることができ
る。また、端部に発燃中子を設けることでこの部位の黒
鉛化がさらに促進されるとともに、ジャーナル部に比較
して一層フェライト化が進んだ軟らかなマトリックスが
得られる。

【００３２】本発明のチルドカム軸に用いられる鋳鉄の
基本組成は慣用のもので、特に限られた組成ではない。
しかし、チルドカム軸に対する多様な注文に対応する必
要から、使用鋳鉄の組成は決して一様ではない。とくに
チル硬度を高めるために加えられる合金成分は重要で、
いずれも比較的少量の１％以下のCr、Ni、Moなどが単独
または複数添加される。また極めて微量でも白銑化傾向
の著しいTeも有効に使用される。これらの合金成分はい
ずれも周知のものであるが、従来の技術ではカム部以外
のジャーナル部、軸端部も一緒に硬くする恐れがあるた
めに、合金の添加に大きな制約があった。それに対し、
本発明ではその制約を緩めることができるようになった
のが特長である。

【００３３】

【実施例】本例では図３に示す鋳型を用いて全周チル型
のチルド鋳鉄製カム軸を試作したが、そのときのカム軸
の寸法、鋳型および中子の仕様、鋳鉄の化学組成は下記
のとおりであった。

【００３４】カム軸の寸法：軸長 400mm、軸外径30mm、
孔内径最小10mm、カム幅10mm、カム数16個中子の仕様：組成：ムライト系人工砂シェル造型レジン量 2.6％寸法：長さ400 mm、外径10〜14mm、内径５mm 発燃中子：Al金属粉末＋Fe₂O₃粉末主型：けい砂シェル鋳型鋳鉄の化学組成 (重量％) ：TC：3.30、Si：2.14、Mn：
0.57、Ｐ：0.03、Ｓ：0.02、Ni：0.47、Cr：0.39、Mo：
0.31 得られた鋳造素材は歪み除去と硬度調整のため550 ℃で
焼きなましを行った。熱処理後のチル硬度はHRC 50〜5
5、ジャーナル部はHRB 98〜102 、軸端部はHRB85〜90の
硬度であった。

【００３５】組織的にはカム部は白銑組織、ジャーナル
部に相当する中空孔の内壁は黒鉛組織であった。そして
軸端部はさらにフェライト化の進んだマトリックスを呈
していた。

【００３６】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、中空カム軸において軽量化、高硬度化を同時に実現
できるのであって、その実際上の価値は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術における中空孔なしの全周チル型のチ
ルドカム軸のカム部の横断面である。

【図２】本発明にかかる中空孔をもつ全周チル型のチル
ドカム軸のカム部の横断面である。

【図３】本発明において用いる中空カム軸鋳型の縦断面
を示す。

【符号の説明】

１：白銑組織、２：斑銑組織３：カム部外周の白銑組織、４：中空孔５：内壁の黒鉛組織、６：カム部７：ジャーナル部、８：冷金９：中空芯中子、 10：軸端加熱用発燃中子

フロントページの続き (56)参考文献特開平５−146866（ＪＰ，Ａ) 特開平７−158413（ＪＰ，Ａ) 特開平２−225624（ＪＰ，Ａ) 特開平７−158413（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−228650（ＪＰ，Ａ) 特開昭54−8116（ＪＰ，Ａ) 特開平４−288943（ＪＰ，Ａ) 特開昭47−9959（ＪＰ，Ａ) 特開平７−178506（ＪＰ，Ａ) 実開昭63−112204（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16H 53/00 - 55/56 B22D 15/00 - 15/04 F01L 1/00 - 1/08 F16C 13/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】中心孔が鋳放しで明けられた中空カム軸
において、カム面の外周が冷し金による高硬度の白銑組
織、そして中心孔の内壁が軟らかな黒鉛組織から成る二
重層構造を備えたことを特徴とするチルド鋳鉄製中空カ
ム軸。
【請求項２】中空カム軸において、カム面が高硬度の
白銑組織、そして中心孔の内壁が軟らかな黒鉛組織から
成る二重層構造を備え、さらに軸端が該黒鉛組織よりも
軟らかく切削性の優れたマトリックスを有することを特
徴とするチルド鋳鉄製中空カム軸。
【請求項３】請求項１または２記載のチルド鋳鉄製中
空カム軸を鋳造する方法であって、主型と、ならびに該
主型にそれぞれ装着された冷金と、ムライト系人工砂を
熱硬化性レジンにより粘結した管状芯中子と、さらに軸
端に発燃性中子とを備えた鋳型に素材鋳鉄を鋳込むこと
を特徴とするチルド鋳鉄製中空カム軸の鋳造方法。