JP4482548B2

JP4482548B2 - 鋳鋼製クランク軸用鋳鋼スローの鋳造方法

Info

Publication number: JP4482548B2
Application number: JP2006315877A
Authority: JP
Inventors: 斉石田; 晴義久保; 篤人吉本; 克之吉川; 浩一坂本
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2006-11-22
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2026-11-22
Also published as: JP2008126292A

Description

本発明は、船舶の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、図９に示すような鋳造方法が知られている。図９において、１は鋳鋼スロー、３はアーム片、４はピン部、１２は余肉部であり、所定形状に内面が形成された鋳型２内に溶解金属６を充填し、押湯７を効かせることにより、従来の鋳鋼スロー１は作られている。

しかしながら、このような鋳鋼スロー１の鋳造方法にあっては、必ず対設するアーム片３,３間に加工しろとなる余肉部１２を設けなければならず、鋳塊の鋳造後、その余肉部１２を除去する作業が必要となっていた。この余肉部１２を除去しアーム片３,３間に狭い空間を作る作業は非常に手間であり、しかもかなりの時間を要する作業であった。即ち、余肉部１２の除去加工に多大な費用と時間を必要とし、しかも、製品歩留まりも低下していたため、必ずしもコスト的に優位なものとは言えなかった。

また、余肉部１２、特にピン部４上側の余肉部１２には厚みがあり、その余肉部１２を除去した後の製品表面、特に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４の表面に、冷却が遅れる内部の凝固組織が現出していた。その組織は比較的粗く、また偏析も大きく、製品の品質上必ずしも好ましいとは言えなかった。更には、逆Ｖ偏析というような局所的に濃化した偏析帯が製品表面に現れる可能性もあり問題となっていた。

そこで、考えられるのはニアネット形状の鋳鋼スローを鋳造することであるが、その鋳造方案は、例えば非特許文献１に開示されている。そのＢｉｌｄ１３、１４（図１３、１４）には、製品形状そのままの鋳鋼スローが示されており、単にその鋳鋼スローの上部に押湯をつけた鋳造方案が示されている。

この鋳造方案では、押湯及びピン部の体積に対して、押湯とピン部をつなぐ部分の体積が小さいため、先にこの部分の溶解金属が凝固してしまうと考えられる。その結果、押湯からピン部への溶湯供給が絶たれてピン部に鋳造欠陥が生成される可能性が極めて高くなる。そのため、ピン部には冷やし金を設置し、ピン部の溶解金属が凝固するのを促進することで、鋳造欠陥発生の低減を図っていると推察されるが、押湯とピン部をつなぐ部位には何等対策はとられておらず、鋳造欠陥が生成されやすいことに変わりはない。
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

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、鋳鋼スローを鋳造段階でニアネット形状にしつつ、なおかつピン部での鋳造欠陥の生成を低減することができ、更には、ニアネット形状とすることで、加工しろの除去にかかる時間の短縮、製品の歩留まり向上によるコストダウンを図ることができる鋳鋼製クランク軸用鋳鋼スローの鋳造方法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る鋳鋼スロ−を、鋳型の内部空間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、鋳造される鋳鋼スローの一対のアーム片上に、一対のアーム片間に入れられた中子を挟んで、ピン部とは間隔を開けた状態で押湯を配置し、そのピン部と押湯をつなぎ且つ外表面が下向きに傾斜した加工しろテーパ部が、それらアーム片の外側面側に夫々設けられるようにして、内表面が形成された鋳型の内部空間に溶解金属を充填し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、加工しろテーパ部の外表面は、アーム片外側面のピン部を軸方向に延長した部位から押湯に向かってその加工しろテーパ部の肉厚が拡大するようにして形成された下向きの傾斜面であ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、傾斜面は略平面であり、その傾斜角度は、アーム片外側面に対して３°〜１０°であることを特徴とする請求項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。

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、鋳鋼スローを鋳造段階でニアネット形状にしつつ、なおかつピン部での鋳造欠陥の生成を低減することができる。即ち、余分な余肉部をなくしたことによりピン部の表面凝固組織が、微細化、そして表面から内部に向かい垂直化され、均一化されるので、疲労強度を向上することができる。また、冷却速度が速くなるため、逆Ｖ偏析の発生が少なくなり鋳塊内部品質が改善される。

更には、鋳鋼スローをニアネット形状とすることで、加工しろの除去にかかる製造時間（リードタイム）の短縮、製品の歩留まり向上によるコストダウンも実現することができる。

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５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１０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４に示すように、鋳鋼スロー１は、一対のアーム片３，３と、その対設するアーム片３，３の一端側を連接する円柱状のピン部４より構成される平面略コ字形形状のものである。各アーム片３にはピン部４と逆の端部側にジャーナル孔８が形成されている。このジャーナル孔８に図５に示すジャーナル軸１０の一端部が挿入されて鋳鋼製クランク軸は組み立てられる。

アーム片３は楕円形の肉厚のものであり、ピン部４は円柱の軸状のものである。この実施形態では、アーム片３の厚み寸法はピン部４の長さ寸法より大きく、アーム片３に形成されたジャーナル孔８の径はピン部４の径と同一である。

図４に示す実施形態では、アーム片３は外周縁がすべて曲線状（図３を参照）で、ピン部４の径とジャーナル孔８の径が同一で、ピン部４がアーム片３の端縁よりジャーナル孔８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３の外周形状は、図６に示すような上下縁が直線状のもの、あるいは図７に示すような左右非対称のものでも良い。また、ピン部４の径とジャーナル孔８の径が異なるもの、図７に示すようなピン部４がアーム片３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、鋳造される鋳鋼スロー１の形状に合わせて内部に空間が形成された鋳型２を準備する。その鋳型２を、鋳造される鋳鋼スロー１のピン部４の軸方向が水平になるようして、且つ、ピン部４の中心とジャーナル孔８の中心を結ぶ線も水平になるようにして配置する。

この鋳型２は砂型鋳型で、鋳造される鋳鋼スロー１とその上部に配置される押湯７が納まるように、内部に、それらを積み重ねた形状と略同じ形状の空間が形成されている。その内部の空間は押湯７が挿入できるよう上方は開口している。開口の径は、鋳造される鋳鋼スロー１の横幅（アーム片３，３の外表面間の寸法）よりも大きい。従来との一番大きな違いは、アーム片３，３の間に中子９を入れることにより、図９に示す従来の余肉部１２を不要とした点である。また、後述するように鋳造される鋳鋼スロー１のアーム片３，３の外側面には夫々加工しろテーパ部５，５が設けられるため、鋳型２の内部の両側壁面（内表面）は加工しろテーパ部５の形状に合わせた傾斜した形状となっている。

鋳型２を水平に配置した後、この鋳型２の内部空間に溶解金属６が充填される。この溶解金属６が冷えて固体になった凝固後、鋳型２を壊して除去すれば鋳塊ができる。この鋳塊の周囲にできる加工しろテーパ部５を含む加工しろを除去する仕上げ加工を施せば、鋳鋼スロー１は完成する。

鋳鋼スロー１は、前記したように製品となる仕上げ加工前の鋳塊の段階では、アーム片３，３の外側面に夫々加工しろテーパ部５，５が設けられる。加工しろテーパ部５は、ピン部４の中心軸を含む水平面をアーム片３の外側面に延長した部位（水平線）から、上方の押湯７に向かって肉厚が拡大するようにしてアーム片３の外側面に設けられている。即ち、加工しろテーパ部５の外表面は下向きの傾斜面となっている。図２に示す傾斜面の傾斜角度θは、３°〜１０°とするのが望ましい。（後記実施例参照）

この加工しろテーパ部５がアーム片３の外側面に設けられるのは、従来あった図９に示すアーム片３，３間の余肉部１３をなくした結果、押湯効果（給湯性）が低下することを防止するためである。

なお、加工しろテーパ部５の外表面は、必ずしも確実な平面ではなく多少は湾曲した面であっても良い。また、加工しろテーパ部５の下縁は下向きの段状であっても良い。更には、加工しろテーパ部５の下縁は、必ずしもピン部４の中心軸を含む水平面をアーム片３，３の外側面に延長した部位である必要はなく、ピン部４をアーム片３，３の外側面に延長した部位であればどの高さ位置であっても良い。ピン部４をアーム片３，３の外側面に延長した部位であれば、ピン部４に押湯７を確実に効かせることができる。また、加工しろテーパ部５は、水平線から、上方の押湯７に向かって肉厚が拡大するようにしてアーム片３の外側面に設けられていると説明したが、必ずしも、下縁は水平線上になくても良く、例えば湾曲した円弧線上等にあっても良い。

また、鋳鋼スロー１は、製品となる仕上げ加工前の鋳塊の状態では、前記加工しろテーパ部５が設けられた部位以外の鋳塊表面にも加工しろが設けられるが、加工しろテーパ部５を含む全ての加工しろは、前記したように仕上げ加工で全て除去される。鋳塊は、内部になるほど組織が粗く偏析も大きくなるため、鋳造欠陥も増加する。従って、この加工しろは薄いほうが、内部の組織が現出しないため良く、特に強度の面で重要なピン部４の加工しろは薄くしたほうが、内部の鋳造欠陥の生成をより確実に防止することができる。このピン部４の加工しろの厚みは１００ｍｍ以内であることが望ましい。

また、鋳型２の内部空間に充填される溶解金属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。

図１及び図２に示す加工しろテーパ部５のアーム片３外側面に対する傾斜角度θを０°〜１０°まで順次変え、更にピン部４周囲の加工しろを３０ｍｍ、６０ｍｍ、１００ｍｍとした場合の鋳鋼スロー１の品質を調査し、本発明の効果を確認した。今回の調査で鋳造した鋳鋼スロー１は図６に示す形状のものであり、また、使用した溶解金属６の成分を表２に示す。なお、傾斜角度θが１０°を超えた場合、加工しろテーパ部５が厚くなりすぎ、加工しろテーパ部５除去後のアーム片３外側面に鋳造欠陥が現出するおそれがあり、また、製品の歩留まりという点でも問題があるので調査の対象から外した。

この鋳鋼スロー１を鋳込温度１，５５０℃で鋳造し、凝固後の鋼塊を表面から所定の加工しろに応じて機械加工除去後、ピン部４のＵＴ検査を実施した。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８に示すピン部４の下部領域の全周の軸直径の１／４の深さまで（図面のハッチングで示す部位）を、０ｍｍ＜深さ≦１０ｍｍ（以下、条件Ａという）と、１０ｍｍ＜深さ（以下、条件Ｂという）に分けて検査した。この方法により、加工しろテーパ部５の傾斜角度θを０°〜１０°まで順次変え、ピン部４周囲の表面全周を全面検査して評価し、条件Ａでは、欠陥直径φ２．０ｍｍ未満で○、欠陥直径φ２．０ｍｍ以上で×とし、条件Ｂでは、欠陥直径φ３．０ｍｍ未満で○、欠陥直径φ３．０ｍｍ以上で×とした。

表３から明らかなように、加工しろテーパ部５の傾斜角度θを３°〜１０°にした場合、そのいずれもが、条件Ａで欠陥直径φが２．０ｍｍ未満、条件Ｂで欠陥直径φが３．０ｍｍ未満という合格判定基準以内のデータを得ることができた。

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。加工しろテーパ部の傾斜角度を示す図１の要部拡大縦断面図である。加工しろテーパ部を含めた図１のＡ-Ａ線断面図である。加工しろテーパ部除去前の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。鋳造スローのＵＴ検査の検査領域を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ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…鋳型
３…アーム片
４…ピン部
５…加工しろテーパ部
６…溶解金属
７…押湯
８…ジャーナル孔
９…中子
１０…ジャーナル軸
１１…スラスト軸
１２…余肉部

Claims

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る鋳鋼スロ−を、鋳型の内部空間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、
鋳造される鋳鋼スローの一対のアーム片上に、一対のアーム片間に入れられた中子を挟んで、ピン部とは間隔を開けた状態で押湯を配置し、
そのピン部と押湯をつなぎ且つ外表面が下向きに傾斜した加工しろテーパ部が、それらアーム片の外側面側に夫々設けられるようにして、内表面が形成された鋳型の内部空間に溶解金属を充填し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。