JP5148837B2

JP5148837B2 - 球状黒鉛鋳鉄品の製造方法

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Publication number: JP5148837B2
Application number: JP2006095026A
Authority: JP
Inventors: 俊夫田中
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2026-03-30
Also published as: JP2007270195A

Description

本発明は、球状黒鉛鋳鉄品の製造方法及び球状黒鉛鋳鉄品に関する。特に本発明は、鋳造後の熱処理を行わなくても高強度である部分と靭性に優れた部分とを形成することができる球状黒鉛鋳鉄品の製造方法及び球状黒鉛鋳鉄品に関する。

従来の建設機車両用のホイールハブは、ホイールリムとは別に形成されている（例えば特許文献１参照）。ホイールハブのうちスプライン部には高強度が要求され、他の部分には靭性が要求される。

ホイールハブを鋳造で形成する場合、ホイールハブ全体を再加熱して焼き入れ及び焼き戻しを行う方法がある。しかし、この方法では工程数が増加してしまう。また形状が複雑であるため、表面と内部に温度差が生じて大きな熱応力が発生することがあり、これにより亀裂が発生して不良品となる場合が出てくる。またホイールハブ全体が高硬度になるため、靭性が要求される部分において必要な靭性が得られず、不良品となる場合もある。

また、鋳造後の鋳鉄品に部分的に熱処理を加えて焼き入れを行うことにより、場所によって異なる熱履歴を与える方法（例えば誘導加熱後強制冷却する方法）もある。しかし、この方法でも工程数が増加する。また部分的な急加熱急冷となるため、亀裂が発生して不良品となる場合が出てくる。また、形状によっては高温で安定させることが難しく、硬度にばらつきが生じることもある。

以上の理由により、鋳造後に再加熱を行う場合はコスト高になってしまう。これに対し、鋳造後に再加熱を行うことなく高強度である部分と靭性に優れた部分とを形成する技術として、特許文献１に記載された技術がある。この技術は、凝固後に鋳型の一部を取り外して大気に晒すことにより、鋳型が取り外された部分を急冷させて高硬度にするものである。

特開２０００−３４５２７９号公報（図１、図２）

上記した特許文献１に記載の技術において、高硬度にすべき部分が肉厚の場合、この部分の内部の冷却速度は必要な値より低くなってしまう。このため、高硬度にすべき部分が肉厚の場合、上記した従来技術では十分な硬度を得ることができない。

また、球状黒鉛鋳鉄品において靭性を上げるには凝固速度を上げる必要がある。しかし、靭性を上げるべき部分が肉厚の場合、従来の鋳型では十分な凝固速度を得ることができない。

本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、肉厚品の場合でも、鋳造後の熱処理を行うことなく、高強度である部分を形成することができる球状黒鉛鋳鉄品の製造方法及び球状黒鉛鋳鉄品を提供することにある。また本発明は、肉厚品の場合でも、靭性に優れた部分を形成することができる球状黒鉛鋳鉄品の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る球状黒鉛鋳鉄品の製造方法は、鋳型内で溶湯を凝固させ、焼入れ温度に冷却する前に前記鋳型の一部を取り外して鋳物の一部を露出させ、該露出した部分にエアーブローを行うことにより前記露出した部分を急冷するものである。

本発明に係る他の球状黒鉛鋳鉄品の製造方法は、鋳型の内面の一部に、該鋳型より伝熱係数が高い材料より形成された冷し材を配置しておき、前記鋳型に溶湯を注入し、該溶湯を、前記冷し材と接する部分では急冷凝固させるものである。
この球状黒鉛鋳鉄品の製造方法において、前記急冷凝固させた後、焼入れ温度に冷却する前に前記鋳型の一部を取り外して鋳物の一部を露出させ、該露出した部分にエアーブローを行うことにより前記露出した部分を急冷してもよい。

前記露出した部分の外形は略円柱形状である場合、前記露出した部分にエアーブローを行う工程は、前記露出した部分を囲むように、略９０度間隔でエアーの噴出口を配置することにより行われるのが好ましい。

前記露出した部分の冷却速度は、９００℃〜５５０℃の範囲で２０℃／分以上であるのが好ましい。

本発明に係る球状黒鉛鋳鉄品の製造方法は、ホイールリムとホイールハブとを一体で形成するための鋳型において、ホイールリムを形成する部分の内面の一部に、該鋳型より伝熱係数が高い材料より形成された冷し材を配置しておき、
前記鋳型に溶湯を注入し、該溶湯を、前記冷し材と接する部分では急冷凝固させるものである。

本発明に係る球状黒鉛鋳鉄品は、高硬度部と、該高硬度部より硬度が低い部分を有し、
前記高硬度部において、ブリネル硬度が２８０ＨＢ以上であり、かつ黒鉛粒数が２１０個／ｍｍ^２以上である。

前記高硬度部は、例えば、鋳型内で溶湯を凝固させて鋳物を形成した後、焼入れ温度に冷却する前に前記鋳型の一部を取り外して前記鋳物の一部を露出させ、該露出した部分にエアーブローを行うことにより形成されている。

前記硬度が低い部分の一部は、引張り強さが６００Ｎ／ｍｍ^２以上であり、かつシャルピー衝撃値が２９．４Ｊ以上の強靭部であってもよい。この場合、前記強靭部は、例えば鋳型内に、該鋳型より伝熱係数が高い材料より形成された冷し材を配置しておき、前記溶湯を、前記冷し材と接する部分で急冷凝固させることにより形成されている。

前記高硬度部において黒鉛粒数が７４０個／ｍｍ^２未満であってもよい。
前記球状黒鉛鋳鉄品は車両用のホイールハブであってもよい。この場合、前記高硬度部はスプライン部に位置している。
前記高硬度部は、前記球状黒鉛鋳鉄品の表面から深さ６０ｍｍ以上の領域まで分布しているのが好ましい。

上記したように本発明によれば、肉厚品の場合でも、鋳造後の熱処理を行うことなく、高強度である部分を形成することができる。また、靭性に優れた部分を形成することができる。また、露出した部分の冷却効率が向上し、かつ冷却ばらつきを抑制することができる。

（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施の形態について、大型の建設機車両のホイールハブを球状黒鉛鋳鉄品で製造する方法を例にして説明する。このホイールハブはホイールリムと一体になっており、重量は１５０ｋｇ以上（多くは５００ｋｇ以上）、かつ肉厚変動のある複雑な形状を有している。ホイールハブのうちスプライン部には高強度及び強靭性の双方が要求され、ホイールリム（特にＲ部分）には強靭性が要求される。

まず、図１の縦断面図に示すように、鋳型の湯口１３から、上型１０、下型２０、及び中子３０が組み合わされたキャビティに溶湯を注入する。溶湯は、例えばＣ：３．０〜４．０重量％、Ｓｉ：２．０〜３．０重量％、Ｍｎ：０．２〜０．８重量％、Ｃｕ：０．５〜２．０重量％、Ｓｎ：０．０３〜０．１重量％、Ｍｇ：０．０３〜０．０６重量％を含有している。なお、後述するように本実施形態におけるホイールハブは肉厚であるためチルの心配が無く、溶湯にＢｉを含有させなくても良い。また湯口１３には押湯４３を設ける。

鋳型は上型１０、下型２０、及び中子３０から構成される。下型２０はホイールハブ４０のうちスプライン部４２を鋳込む為の空洞部を有しており、上型１０はホイールハブ４０のうちスプライン部４２以外の部分を鋳込む為の空洞部を有している。上型１０によって鋳込まれる部分には、ホイールリム４１が含まれる。上型１０、下型２０、及び中子３０は鋳物砂を所定の形状に固めることにより形成されている。なお、上型１０は、さらに上部１１及び下部１２に分割されている。

ホイールハブ４０のうち上型１０によって鋳込まれる部分の厚さには分布があるが、その範囲は、例えば５０ｍｍ〜１００ｍｍの間である。また下型２０によって鋳込まれるスプライン部４２の厚さにも分布があるが、その範囲は、例えば４０ｍｍ〜１１０ｍｍの間である。上記したようにスプライン部４２には強靭性も要求されるが、スプライン部４２の厚さが５０ｍｍ以上になると、鋳物砂で構成された鋳型では、内部における凝固時の冷却速度が必要な速さにはならないため、必要な靭性値が得られない。

そこで、本実施形態において下型２０は、空洞部の内側面に冷し材２１を有している。冷し材２１は下型２０の本体より熱伝導率が高い材料（例えば黒鉛）により形成されている。このため、ホイールハブ４０のうち冷し材２１に接する部分すなわちスプライン部４２は、ホイールハブ４０のほかの部分と比較して急冷凝固される。これにより、スプライン部４２における球状黒鉛の粒数が２１０個／ｍｍ^２以上になり、肉厚が厚くても（例えば５０ｍｍ以上）靭性が確保される。このとき、球状黒鉛の粒数を７４０個／ｍｍ^２未満となるようにしてもよい。

次いで、図２の縦断面図に示すように、スプライン部４２の温度が焼入れ温度以下になる前、例えば９００℃〜１０００℃になったときに下型２０を取り除き、スプライン部４２を露出する。そしてスプライン部４２にエアーブローを行い、空冷する。この空冷時間は、スプライン部４２が他の部分からの伝熱により復温して焼きなましが生じることを抑制するために、９０分以上とする。

これにより、スプライン部４２は、例えば厚さが５０ｍｍ以上であっても２０℃／分以上の速度で９００℃から５５０℃まで冷却され、高強度（ブリネル硬度が２８０ＨＢ以上）を有するようになる。また、比較的高い靭性も有するようになる。

図３（Ａ）は、スプライン部４２へのエアーブロー方法を説明する下面図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）の縦断面図である。エアーブローは、上型１０の下部１２の下面にエアー銃５１を取り付けることにより行われる。エアー銃５１は、９０°間隔で計４箇所に設けるのが好ましい。このようにすると、スプライン部４２の外形は略円柱形状であるため、図３（Ａ）において点線で示すように、スプライン部４２の側面に吹き付けられて高温になったエアーが側面に沿って回り込み、互いに衝突して効率よく外に向かって流れ出す。このため、スプライン部４２の冷却効率が向上し、かつスプライン部４２に冷却ばらつきが生じることを抑制できる。なお、エアー銃５１の配置密度を更に高くしても良い。

また、図４の下面図に示すように、例えばエアージャケット５２を用いることにより、スプライン部４２の側面の全周にエアーを吹き付けても良い。

その後、上型１０を、上部１１及び下部１２に分けることにより、ホイールハブ４０を取り出す。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係るホイールハブの製造方法を説明する為の断面図である。本実施形態は、ホイールハブ４０のホイールリム４１のうち特に強靭性が要求される部分（例えば湾曲部）に必要な靭性を持たせることを目的として、上型１０の空洞部内側面の必要部分に冷し材１４を配置した点を除いて、第１の実施形態と同様である。冷し材１４は上型１０の本体より熱伝導率が高い材料（例えば金属）により形成されている。

本実施形態によれば、ホイールハブ４０のホイールリム４１の特定部分（例えば湾曲部）は、ホイールリム４１の他の部分より急冷凝固されるため、特に高い靭性（例えばシャルピー試験による衝撃値が２９．４Ｊ以上）を有するようになる。また、引張り強さが６００Ｎ／ｍｍ^２以上になる。

なお、本実施の形態では、大型車両のホイールハブを球状黒鉛鋳鉄品で製造する方法を例にしたが、他の物（例えば大型キャリアなど単重１５０ｋｇ／個以上の製品）を製造する場合にも本発明を適用することができる。

（実施例）
第１の実施形態において説明した方法により、ホイールハブ４０を２つ作製した(実施例１及び２)。実施例１は、９０°間隔で設けられたエアー銃５１を用いてスプライン部４２を冷却したものであり、実施例２は、エアージャケット５２を用いてスプライン部４２を冷却したものである。また、第２の実施形態で示した方法により、材質としてＦＣＤ７００を用いてホイールハブ４０を作製した（実施例３）。更に、比較例として、下型２０を開放せずにホイールハブ４０の全体を鋳型内で冷却したもの（比較例１）、及び下型２０を開放した後スプライン部４２にエアーを吹き付けずに空冷したもの（比較例２）を作製した。

図６は、実施例１及び２並びに比較例１及び２それぞれにおける、スプライン部４２の表面温度の推移を示すグラフである。実施例１及び２並びに比較例２においては、スプライン部４２の温度が１０００℃になったとき（鋳込み開始後３０分後）に下型２０が取り外されている。本グラフから明らかなように、実施例１及び２は、比較例１及び２と比較してスプライン部４２の冷却速度が速く、９００℃から５５０℃までの冷却速度は、実施例１においては２０℃／分以上となっている。

図７、８、９は、それぞれ実施例１、実施例２、及び比較例２におけるスプライン部４２の深さ方向の硬度分布を示す図である。本実施例においてスプライン部４２には、厚さが４２ｍｍの部分（肉薄部）と厚さが１１０ｍｍの部分（肉厚部）がある。実施例１において、厚さが４２ｍｍの部分の略全体がブリネル硬度２８０ＨＢ以上となっている。また、厚さが１１０ｍｍの部分では、ブリネル硬度２８０ＨＢ以上の部分は少なくとも深さ６０ｍｍに達している。これに対し、比較例２においてはいずれの部分においてもブリネル硬度は２８０ＨＢ未満である。また、実施例２ではブリネル硬度が２８０ＨＢ以上の高硬度部は厚さが１１０ｍｍの部分の一部に形成されている。

この結果から、空冷時にエアーブローを行うことにより、スプライン部４２の冷却速度が速くなり、ブリネル硬度が高くなることが分かる。また、実施例１のように９０°間隔で設けられたエアー銃５１を用いてスプライン部４２を冷却すると、スプライン部４２の冷却速度が更に速くなって深い部分までブリネル硬度が高くなり、かつスプライン部４２に冷却ばらつきが抑制されることが分かる。

図１０（Ａ）は、実施例１におけるホイールハブ４０の冷却速度を示すグラフである。図１０（Ｂ）に示すように、プロットＡはホイールリム４１の表面の冷却速度を示しており、プロットＢはスプライン部４２の内部の冷却速度を示しており、プロットＣはスプライン部４２の表面の冷却速度を示している。本グラフから、強靭性が要求されるホイールリム４１の冷却速度は、凝固後において非常に遅く、靭性及び硬度の双方が要求されるスプライン部４２では、表面及び内部の冷却速度は凝固後においてホイールリム４１と比較して速いことが分かる。

次に、実施例１における円周方向の硬度分布について説明する。図１１に示すように、エアー銃５１からのエアーが直接吹き付けられる部分を基準にして、製品中心から１８°間隔でサンプルを採取した（サンプル１〜サンプル６）。サンプル１及びサンプル６はエアー銃５１から直接エアーが吹き付けられる部分である。

図１２（Ａ）はサンプル１のブリネル硬度分布を示す図（単位はＨＢ）であり、図１２（Ｂ）はサンプル６のブリネル硬度分布（単位はＨＢ）を示す図である。これら２つの図を比較して分かるように、エアー銃５１からエアーが吹き付けられた部分では、互いに略同じ硬度分布を有している。

図１３（Ａ）〜（Ｃ）及び図１４（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれサンプル１〜３及びサンプル４〜６におけるスプライン部４２の硬度分布を示す図（単位はＨＢ）である。本図に示すように、いずれのサンプルにおいても、スプライン部４２は、少なくとも深さ６０ｍｍの部分までブリネル硬度が２８０ＨＢとなっている。このように、スプライン部４２は略全周にわたって、少なくとも深さ６０ｍｍの部分までブリネル硬度が２８０ＨＢとなっており、ブリネル硬度分布にばらつきが少ないことが示されている。

図１５は、上記した実施例３において冷却速度及び靭性の測定を行った場所を説明する図である。本図に示すように、実施例３において、ホイールリム４１のうち冷し材１４と接している部分、及び接していない部分それぞれのうち深さ２０ｍｍの部分からサンプルＡ、Ｂとして、スプライン部４２のうち肉厚部すなわち冷し材２１と接している部分のうち深さ２０ｍｍの部分をサンプルＣとした。

図１６（Ａ）は、サンプルＡ〜Ｃにおける鋳込み直後の温度推移を示すグラフである。サンプルＡ及びＣでは、鋳込み直後に冷し材１４によって溶湯が急激に冷却されて急速に凝固しているが、サンプルＢでは、冷し材１４がないために、鋳込み直後の冷却速度はサンプルＡ及びＣに対して遅く、凝固は相対的に緩やかに進行する。

図１６（Ｂ）は、サンプルＡ〜Ｃの球状黒鉛粒数及びシャルピー衝撃値を示す表である。サンプルＡ及びＣの球状黒鉛粒数は４００個／ｍｍ^２以上であるのに対し、サンプルＢの球状黒鉛粒数は１５６個／ｍｍ^２である。また、サンプルＡ及びＣはシャルピー衝撃値が６０Ｊ前後であるのに対し、サンプルＢはシャルピー衝撃値が２４Ｊである。これから明らかなように、冷し材１４，２１を用いて凝固速度が上昇することにより球状黒鉛粒数が増加し、靭性が向上する。

図１７（Ａ）は、実施例１〜３及び比較例２それぞれにおける各部位（表面からの深さは３０〜４０ｍｍ）のブリネル硬度（単位はＨＢ）をまとめた表である。なお、フランジ１，２の場所は、例えば図１７（Ｂ）に示すように屈曲している部分である（以下同様）。本表から分かるように、スプライン部４２のブリネル硬度はエアーブローにより、２３０〜２５０ＨＢから２８０〜３２０ＨＢに向上した。またホイールリム４１のうちフランジ１，２の硬度は２３０〜２５０ＨＢだった。

図１８は、実施例１〜３及び比較例２それぞれにおける各部位（表面からの深さは３０〜４０ｍｍ）のシャルピー衝撃値（単位はＪ）をまとめた表である。本表から分かるように、スプライン部４２の靭性はエアーブローにより上昇した。また、フランジ１，２の靭性は冷し材１４を用いることにより、１４〜２３Ｊから３６〜６４Ｊへと大きく上昇した。

図１９は、実施例１及び３におけるホイールリム４１のフランジ２及びスプライン部４２の引張り強さ及び伸びを示す表である。本表から分かるように、冷し材の有無では引張り強さはそれほど変化しないが、エアーブローを用いることにより引張り強さ６７０Ｎ／ｍｍ^２から８５０Ｎ／ｍｍ^２以上へ大きく上昇する。なお、伸び量は５％前後でそれほど変わらない。

図２０（Ａ）は、実施例１及び３における各部分の球状黒鉛粒数及びシャルピー衝撃値を示す表である。実施例１及び３では、スプライン部４２には冷し材２１が用いられているため、球状黒鉛粒数及びシャルピー衝撃値がそれぞれ２００個／ｍｍ^２以上及び４５Ｊ以上となる。

また実施例１には冷し材１４が用いられていないため、ホイールリム４１の球状黒鉛粒数及びシャルピー衝撃値は、フランジ１においては６３個／ｍｍ^２及び１５Ｊであり、フランジ２においては１８１個／ｍｍ^２及び１９Ｊであった。これに対し、実施例３には冷し材１４が用いられたため、ホイールリム４１のフランジ１，２それぞれの球状黒鉛粒数及びシャルピー衝撃値は、３８０個／ｍｍ^２以上及び５０Ｊ以上であった。

図２０（Ｂ）は、球状黒鉛粒数とシャルピー衝撃値の関係を示すグラフである。球状黒鉛粒数が上昇するとシャルピー衝撃値も上昇するが、シャルピー衝撃値が２９．４Ｊ以上になるのは冷し材を用いた場合である。
本グラフ及び図２０（Ａ）の表に示すように、冷し材を用いることにより球状黒鉛粒数及びシャルピー衝撃値それぞれが上昇する。

図２１（Ａ）は、実施例１におけるフランジ１の組織写真であり、図２１（Ｂ）は実施例３におけるフランジ１の組織写真である。本写真から明らかなように、冷し材１４を用いることにより黒鉛粒が微細になり、粒数が増加する。

尚、本発明は上述した実施形態又は実施例に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。

第１の実施の形態に係るホイールハブを球状黒鉛鋳鉄品で製造する方法を説明する為の縦断面図。図１の次の工程を説明する為の縦断面図。第１のエアーブロー方法を説明する図であり、（Ａ）は下面図、（Ｂ）は縦断面図。第２のエアーブロー方法を説明する下面図。第２の実施形態に係るホイールハブの製造方法を説明する為の断面図。実施例１及び２並びに比較例１及び２それぞれにおけるスプライン部４２の表面温度の推移を示すグラフ。実施例１におけるスプライン部４２の深さ方向の硬度分布を示す図。実施例２におけるスプライン部４２の深さ方向の硬度分布を示す図。比較例２におけるスプライン部４２の深さ方向の硬度分布を示す図。（Ａ）は実施例１におけるホイールハブ４０の冷却速度を示すグラフ、（Ｂ）は冷却速度を測定した場所を示す図。サンプル１〜６の採取部分を説明する図。（Ａ）はサンプル１のブリネル硬度分布を示す図、（Ｂ）はサンプル６のブリネル硬度分布（単位はＨＢ）を示す図。（Ａ）〜（Ｃ）はサンプル１〜３におけるスプライン部４２の硬度分布を示す図。（Ａ）〜（Ｃ）はサンプル４〜６におけるスプライン部４２の硬度分布を示す図。実施例３において冷却速度及び靭性の測定を行った場所を説明する図。（Ａ）はサンプルＡ〜Ｃにおける鋳込み直後の温度推移を示すグラフ、（Ｂ）はサンプルＡ〜Ｃの球状黒鉛粒数及びシャルピー衝撃値を示す表。（Ａ）は実施例１〜３及び比較例２それぞれにおける各部位のブリネル硬度をまとめた表、（Ｂ）はフランジ１，２の場所を説明する図。実施例１〜３及び比較例２それぞれにおける各部位のシャルピー衝撃値をまとめた表。実施例１及び３におけるホイールリム４１のフランジ２及びスプライン部４２の引張り強さ及び伸びを示す表。（Ａ）は実施例１及び３における各部分の球状黒鉛粒数及びシャルピー衝撃値を示す表、（Ｂ）は球状黒鉛粒数とシャルピー衝撃値の関係を示すグラフ。（Ａ）は実施例１におけるフランジ１の組織写真、図２１（Ｂ）は実施例３におけるフランジ１の組織写真。

符号の説明

１０…上型、１１…上部、１２…下部、１３…湯口、２０…下型、３０…中子、４０…ホイールハブ、４１…ホイールリム、４２…スプライン部、４３…押湯

Claims

鋳型内で溶湯を凝固させた後、焼入れ温度に冷却する前に前記鋳型の一部を取り外して鋳物の一部を露出させ、該露出した部分にエアーブローを行うことにより前記露出した部分を急冷する球状黒鉛鋳鉄品の製造方法であって、
前記鋳型は、ホイールリムとホイールハブとを一体で形成するためのものであり、
前記鋳型の一部に、該鋳型より伝熱係数が高い材料より形成された冷し材を配置しておき、
前記冷し材は、ホイールリムを形成する部分の内面の一部に配置され
前記鋳型に溶湯を注入し、該溶湯を、前記冷し材と接する部分では急冷凝固させ、
前記露出した部分の外形は略円柱形状であり、
前記露出した部分にエアーブローを行う際に、前記露出した部分を囲むように、略９０°間隔でエアーの噴出口を配置する球状黒鉛鋳鉄品の製造方法。
前記露出した部分の冷却速度は、９００℃〜５５０℃の範囲で２０℃／分以上である請求項１に記載の球状黒鉛鋳鉄品の製造方法。