JP6930738B2 - 調理器具の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、調理器具の製造方法に係り、詳しくは鋳鉄製の北京鍋等の調理器具の調理面の表面処理に関する。

従来より、調理面を有した北京鍋やフライパン等の調理器具では、焦げ付きの防止や、調理を容易にするために、その表面の処理は重要であった。
鉄製のフライパンでは、使用時に空焼きをし、くず野菜を炒めるなどして、いわゆる慣らしを行い油膜を形成させることで快適に調理することができた。しかし、油膜を形成しても、簡単に油膜が途切れて焦げ付いてしまうため、一旦焦げ付いたりすると空焼きをするなど繰り返し手入れをする必要があり面倒であった。

また、周知のフッ素樹脂加工のものでは、そのような慣らしをしなくても焦げ付きもなく快適に調理できる。しかし、フッ素樹脂加工のものでは、そのような手入れは不要であるが、表面の油に対する濡れ性が低く、油が均一に拡がらないため、調理対象の下面に油溜りができて、焦げ目が均一にきれいにつかないうえ、やがてコーティングが剥がれたり劣化したりするという問題があった。

特開２００８−１５４６４９号公報 特開２０１３−７０７５１号公報

そこで、特許文献１に記載の発明では、鍋本体が軟鉄で形成され、鍋本体の表面にガス軟窒化処理による窒化物層を有し、且つその窒化物層の表面に酸化処理による酸化物層を有することを特徴とする鍋が提案された。

また、特許文献２に記載の発明では、鉄製のフライパン本体の表面に窒化処理を施して窒化層を形成し、この窒化層の表面にブラスト処理を施して微細な凹凸面を形成し、この微細な凹凸面にさらに酸化処理を施し酸化被膜を形成して微細な凹凸面を有する酸化表面層を前記窒化層上に形成したことを特徴とする鉄製のフライパンが、提案された。

これらの発明では、表面を窒化処理することで、油馴染みが良く、かつ傷が付きにくい丈夫な表面を持った調理器具とすることができた。
しかしながら、そのままでは錆びやすいという問題があったため、表面に酸化被膜を形成することで、錆びにくいフライパンとすることができた。

このため、工程が複雑になるという問題があった。
本発明が解決しようとする課題は、調理面に対して簡単な工程で耐久性があり錆びにくい表面処理をすることができる調理器具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、本発明の調理器具の製造方法では、鋳造工程で形成された鋳鉄製の調理器具の調理面に対して、窒化処理を施して窒化層を形成したことを特徴とする。

本発明者は、黒皮のままで調理できる調理器具を考案したが、鋳造工程で形成された鋳鉄製の調理器具の調理面に「黒皮」が付いたまま、これを生かして、その表面にさらに窒化処理をしたものでは、さらに調理器具として理想的な性能を発揮するとともに、工程の単純化を達成できることを見い出した。

一方、目的によっては、表面を研磨・研削・切削するなどして、その表面を加工して、セメンタイト層やさらに鋳鉄の素地を露出させて、その表面に窒化処理したようなものでもよい。このようにすることで、特性を生かして生成する窒化物の構成や、窒化層の深度を適正化することで好適な調理器具とすることもできる。

ここでいう窒化処理とは、軟窒化処理を含む広義の窒化処理であり、窒化層とは、化合物層及び拡散硬化層を含む。
また、前記鋳造工程は、金型による鋳造であること、大気鋳造であることが望ましいが、砂型・ポーラス鋳型、真空や不活性ガス雰囲気、吸気・圧入する鋳造を排除するものではない。

前記鋳鉄は、広く適用できるが、球状黒鉛鋳鉄若しくはねずみ鋳鉄であること、前記調理器具は、調理面においてその厚さが２．０ｍｍ以下の超薄肉とすることが望ましい。
前記窒化処理は、ガス雰囲気においてなされること、軟窒化処理であること、窒化層の厚さは５μm以上、望ましくは４０μｍ以上とすること、Ｓｉ_３Ｎ_４を含むことが望ましい。前記窒化層の表面のビッカース硬さを、３５０ＨＶ０．０１以上、望ましくは５００ＨＶ０．０１以上とすることが望ましい。

前記酸化膜は、例えば、黒皮（化学式Ｆｅ_３Ｏ_４）であり、その厚さは、数μm〜数ｍｍである。
また本発明の調理器具では、鋳造工程で形成された鋳鉄製の調理器具の調理面の酸化膜の外面にさらに窒化層を備えたことを特徴とする。

前記鋳鉄は、広く鋳鉄に応用できるが球状黒鉛鋳鉄若しくはねずみ鋳鉄であること前記調理器具は、調理面においてその厚さが２．０ｍｍ以下の超薄肉であることが望ましい。
前記酸化膜は、例えば、黒皮（化学式Ｆｅ_３Ｏ_４）であり、厚さは、数μm〜数ｍｍである。

前記窒化層の厚さは、５μm以上、望ましくは４０μｍ以上であること、Ｓｉ_３Ｎ_４を含むことが望ましい。前記窒化層の表面のビッカース硬さは、３５０ＨＶ０．０１以上、望ましくは５００ＨＶ０．０１であることが望ましい。

なお、調理器具としては、フライパン、中華鍋、卵焼き器、調理用鉄板、グリル、ココット、スキレット、ダッチオーブン、鍋などが代表的に挙げられるが、これらに限定するものではなく、調理面を有する調理器具に広く適用できる。

本発明の調理器具の製造方法によれば、調理面に対して簡単な工程で耐久性があり錆びにくい表面処理をすることができる。また、本発明の調理器具は、耐久性があり錆びにくい調理面を有する。

本実施形態の北京鍋の製造方法に用いる鋳造用の金型と、この金型により鋳造した薄肉鋳鉄製品である北京鍋を示す斜視図。 本実施形態の北京鍋の調理面の表面の構造を示す模式図。 閉じた状態の金型と、加熱手段を示す正面図。 本実施形態の金型による鋳造工程のフローチャート。 本実施形態の窒化処理工程のフローチャート。 本実施形態の製造装置の平面図。 本実施形態の溶融炉の断面図。 本実施形態の注湯工程を示す斜視図。 本実施形態の金型及び型締め装置の側面図。

（背景技術）本発明者は、金型大気鋳造による厚さ１．０ｍｍ前後の超薄肉の球状黒鉛鋳鉄製のフライパンを提案した（特開２０１０−２７４３２７）。なお、本願でいう「薄肉」とは、製品の厚みが概ね５ｍｍ以内のものをいい、特に２ｍｍ以下のものを「超薄肉」いう。０．３〜１．５ｍｍのもの、とりわけ、１．０〜１．４ｍｍのものは、フライパンや中華鍋には理想的であり、本発明者により、初めてこの金型によって量産を達成できたものである。なお、このような薄肉の部分が調理面の一部にあれば、他の部分にそれよりも厚みの厚い部分を備えていてもよい。例えば、フライパンの鍋部本体の厚みが２ｍｍ以下であれば、たとえ柄の部分が１０〜５０ｍｍであってもここで言う「超薄肉」である。

金型による鋳造は、これまでの砂型等による鋳造と比較すると、型が再利用できる点で極めて効率的であった。
ここで、従来の砂型などのポーラス型による超薄肉のフライパンなどではポーラス型から型抜き後に、型により転写された凹凸のある調理面をサンダーなどで平滑化していた。当然ながら、調理面の酸化膜（いわゆる「黒皮」）は一旦剥がされることになる。

そのため、従来では研磨後の製品では、鉄製フライパンと同じように、錆び止めを施して出荷し、ユーザは高熱にして、くず野菜を炒めるなどして、使用後の黒錆の酸化膜を生成していた。

ところが、金型大気鋳造による鋳鉄では、地肌が金型のキャビティ面を転写して極めて平滑度の高い製品とすることができるため、型開き後の表面の研磨作業が不要となった。その結果、調理面にいわゆる黒皮（黒錆・Ｆｅ_３Ｏ_４）を残したまま、製品とすることができ、この黒皮を生かして慣らしの必要がない好適な調理器具とすることができた。

本発明者は、このような発明者自身の従来技術を基礎として、さらにこの黒皮の耐久性を高め、メンテナンスの不要な調理器具とするため、本発明に至ったものである。
本発明は、主には、鋳造行程で形成された鋳鉄製の調理器具の調理面の酸化膜（黒皮）に対して、これを生かしたまま窒化処理して窒化層を形成したことを特徴とする調理器具の製造方法、及びこのような製造方法で製造した調理器具である。また、鋳鉄の成分を生かし、黒皮の一部又は全部を除去してセメンタイト層や鋳鉄の素地を生かして窒化処理した調理器具も本発明の好適な実施であるが、本実施形態では、黒皮を生かした発明について説明する。

以下、本発明の調理器具の製造方法及び調理器具を、球状黒鉛鋳鉄製の厚さ１．４ｍｍの超薄肉の柄付き中華鍋（いわゆる「北京鍋」）の製造を例に説明する。
まず、図１を参照して、本発明の製造方法により製造した北京鍋Ｐについて説明する。

（材料・組成）
本実施形態の北京鍋Ｐの材料は、球状黒鉛鋳鉄である。ここで球状黒鉛鋳鉄について説明する。鋳鉄の中には白鋳鉄、ねずみ鋳鉄、ＣＶ鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄などの種類があるが、球状黒鉛鋳鉄は、基本的には「ＪＩＳ Ｇ ５５０２」で特定されるものである。この球状黒鉛鋳鉄は組織中に球状の黒鉛（グラファイト）を含んだ鋳鉄であり、ねずみ鋳鉄などと比較して基地が連続しているため強靭な性質を有し、ダクタイル鋳鉄とも言われている。その製造法は、溶解したＣ、Ｓｉを高度に含んだＦｅに、ＭｇやＣｅを接種して元湯を生成し、フェロシリコン（Ｆｅ−Ｓｉ）を接種し、緩慢に冷却して凝固時に析出するグラファイトを球状化させるものである。球状黒鉛鋳鉄では基地組織のパーライトとフェライトの割合を制御することでＦＣＤ８００からＦＣＤ４００までを作り分けている。パーライト量を多くするには、パーライト安定化元素であるＣｕ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｍｎなどを適当量添加する手法が一般的である。これに対してフェライト基地にするには、パーライト安定化元素の含有量をできるだけ少なくして、Ｓｉなどの黒鉛化元素を多めにする。特にＭｎを０．４５％から０．３５％以下に抑えることで、ＦＣＤ４００−１０とＦＣＤ４００−１５のように、伸びが変化する。

本実施形態では、超薄肉の北京鍋の特性として、硬度よりも割れにくい粘りを重視するため、北京鍋Ｐの基地は主にフェライトが中心となっている。
（鋳造用の型）
なお、球状黒鉛鋳鉄は、鋳込み時に急速に温度が低下すると、球状のグラファイトが析出せず、セメンタイト（Ｆｅ_３Ｃ）となって白化してしまい、硬いが脆くなってしまう（このように球状黒鉛を析出しないでセメンタイトとして凝固することを「チル化」するという。）。また、長時間高温で溶解したままにすると、溶融しているＭｇが酸化や蒸発により減少してしまうため、黒鉛が球状化しない（「フェーディング」という。）という性質がある。

さらに、球状黒鉛鋳鉄は、凝固するときに黒鉛が球状に析出するため、体積が大きくなるという独特の性質があり、本来の熱膨張とともに複雑な体積変化を型が受け入れなければならないという問題があった。

このような、温度管理、体積変化があるため、従来ポーラス鋳型でなければ鋳造できないと言われていたものを本発明者により金型鋳造を実現したものである。
そのため、鋳造したままで、バリ取りを除けば基本的に研磨の必要なしに黒皮のまま製品とすることができるようになった。

（北京鍋Ｐの形状）
北京鍋Ｐの形状を説明すると、図１に示すように概ね平らな直径１３ｃｍの円盤状の内底部１４を備え、ここから球面状の周縁部１３が立ち上がった皿状の本体１１と、この本体１１と一体に形成された柄１２が斜め上方に向けて突設されている一般的な北京鍋である。そして、この本体１１は、直径がおよそ２９ｃｍで、厚みが内底部１４も周縁部１３もいずれも鋳鉄製の北京鍋としては異例に薄い１．４ｍｍで、本体１１は均一の厚みになっている。

一方、柄１２は、本体１１につながる基部から先端は概ね断面形状が円形の筒状をなしている。そして、先端は開口しており、上部がやや突き出した形状で、ここには収納用の掛止孔１６が開口されている。

（北京鍋Ｐの表面構造）
図２は、北京鍋Ｐの表面の構造を示す模式図であり、各層の厚みを正確に示すものではない。図２に示すように、球状黒鉛鋳鉄からなる基部Ｌ１の上に酸化膜層Ｌ２が覆っている。この酸化膜層Ｌ２は、鋳造過程で高温の基部Ｌ１に大気の酸素が結合してできた黒皮（黒錆・四酸化三鉄・Ｆｅ_３Ｏ_４）である。これまでの砂型では、この黒皮はサンダーなどで削って平滑化していた。また、金型鋳造の場合は、この黒皮を調理面として使用していた。

本発明では、この酸化膜層Ｌ２の表面に、さらに窒化処理を施している。その結果、一番表面Ｓ側は、化合物層Ｌ４が形成されている。化合物層Ｌ４は、ε‐Ｆｅ_２‐３Ｎ、γ’‐Ｆｅ_４Ｎ、Ｓｉ_３Ｎ_４からなる。また、その奥には拡散硬化層Ｌ３が続く。拡散硬化層Ｌ３は、Ｓｉ_３Ｎ_４の微細析出している。鉄や鋼の場合は、Ｓｉの含有量が少ないが、球状黒鉛鋳鉄ではＳｉの含有率が多いため、Ｓｉ_３Ｎ_４が窒化処理により生成される。特に、表面から離れた拡散硬化層Ｌ３にもＳｉ_３Ｎ_４が生成されるため、より耐久性が高くなっている。

これら窒化化合物は、いずれもビッカース硬度が高く、耐久性を高める役割を果たす。
また、その構造がポーラスとなるので、調理面として適度な油馴染みを示す。
また、基部Ｌ１、酸化膜層Ｌ２、拡散硬化層Ｌ３、化合物層Ｌ４は、いすれも一体化して剥離することはない。

また、酸化膜層Ｌ２は、その厚みが数十μｍあり、酸素を遮断して基部Ｌ１における赤錆（酸化第二鉄・Ｆｅ_２Ｏ_３）の発生について効果的な抑制を果たしている。
（製造設備）
次に、本実施形態の北京鍋Ｐの製造設備について説明する。

（金型の構成）
図１に示す金型２は、大気鋳造用（重力鋳造用）に構成され、溶湯を圧入したり吸引したりする設備は基本的に不要である。金型２は、固定側金型３と可動側金型４を備える。固定側金型３と可動側金型４は、鉛直方向に沿った分割面３３，４３で分割される。

図３に示すように固定側金型３と可動側金型４とは、分割面３３，４３が相互に当接する状態でキャビティ面３２，４２の内面により北京鍋Ｐの形状（図１参照）のキャビティ２５が形成される。

また、図３、図８に示すように、鋳込み時には、ロート状の注湯口３８，４８が上面の湯口３４、４４に合わせた位置に取り付けられ、湯口３４、４４への溶湯Ｍの注湯を容易にしている。

図６に示すように可動側金型４と固定側金型３とが開放した状態から、図８に示すように固定側金型３を所定位置に移動、固定する。注湯のため可動側金型４を固定側金型３に対して当接して型締して、鋳湯を行う。図９に示すように型抜きのため離間して開放するとともに分割面を下方に反転して鋳上がった北京鍋Ｐを下方に離脱させるように支持する金型支持装置６０を備えている。詳細は後述する。

（金型の加熱装置２０）
図３に示すように、加熱装置２０，２０が、金型２を両側から挟むように近接して配置される。

加熱装置２０は、ガスバーナーを備え、金型２の本体キャビティ面３２ａ，４２ａの外面に設けられた固定側金型加熱部３２ｅ、可動側金型加熱部４２ｃ（以下まとめて「加熱部２４」という。）の表面を矢印方向に直接炎で加熱する。

ガスバーナーは、主バーナー２０ａと種火バーナー２０ｂを備える。主バーナー２０ａは、複数のガスノズルを備え、図示しないバルブがそれぞれ制御手段である制御装置２３により開閉されてガス供給装置２２から供給される可燃ガスを噴射する。種火バーナー２０ｂは、主バーナー２０ａの点火のために、金型２の加熱部２４に向けて常時点火されている。この種火バーナー２０ｂは、主バーナー２０ａが消火している場合に、金型２の温度が急激に下がらないように、漸次温度が低下する程度に加熱することができる。このように一定の高温を維持することで、黒鉛の球状化を促し、チル化を抑制するとともに、より厚みのある黒皮の生成をしている。

（金型の温度管理）
金型２，２の近傍には、温度測定手段として、金型２，２の外面の表面温度を測定する放射温度計２１が設けられ、金型２から発する赤外線から、遠隔で金型２の加熱部２４の表面温度を測定する。

この放射温度計２１により測定された金型２の表面温度に基づいて、加熱装置２０を制御する制御装置２３を備える。制御装置２３は、周知のコンピュータを備え、予め記憶されたプログラムに従い、所定のタイミングで、金型２，２を所定の温度に予熱し、保温する。

なお、本実施形態の金型２では、加熱部２４を備え、固定側金型３、可動側金型４のキャビティ面３２，４２の厚み方向に測った金型の厚みＤ１を均一の厚みに形成した。その厚みＤ１は、例えば北京鍋Ｐの薄板状の本体１１部分（図１参照）のキャビティ面３２，４２部分において加熱部２４を形成し一律にＤ１＝２０ｍｍとなっている。その他のフレーム３１，４１部分で厚みを３０ｍｍ程度とした。そのため、固定側金型加熱部３２ｅ、可動側金型加熱部４２ｃを均一に加熱すれば、金型２の表面から均一かつ速やかに金型２の内部に熱が伝導し、キャビティ面３２，４２の内壁に同時に熱が到達し、均一に温度上昇する。そのため、キャビティ２５内部で実際に温度を測定しなくても、固定側金型加熱部３２ｅ、可動側金型加熱部４２ｃ、つまり加熱部２４の表面温度を測定すれば、容易にキャビティ面３２，４２の温度管理ができる。

（金型の材質）
特にこの金型２は、球状黒鉛鋳鉄製であり、熱伝導が良好で固定側金型加熱部３２ｅ、可動側金型加熱部４２ｃを加熱すれば速やかにキャビティ面３２，４２内部の温度を上昇させることができる。また、球状黒鉛鋳鉄は熱容量が大きく、キャビティ２５内部の溶湯Ｍに対して安定した熱環境を与える。さらに、球状黒鉛鋳鉄は加熱・冷却に対して、鋳物と同等の熱膨張・熱収縮をするため、鋳物の冷却時点でのストレスが極めて小さい。そして、球状黒鉛鋳鉄は、砂型は言うまでもなく他の金属鋳物に比べても引張り強度が大きい（ＪＩＳ Ｇ５５０２参照）。したがって金型２が薄くても、大きな熱変化において、破損しにくい。また、鋳造するのが超薄肉の製品であることから、歪による寸法変化の絶対値が小さいことも金型鋳造を可能としている。

（金型支持装置）
図６に示すように、複数の金型支持装置６０は、それぞれ金型２を支持している。各金型支持装置６０は、支持した金型２の注湯口４８を、溶融炉５０の近傍の注湯ポイント５６に移動できるように、レール６１，６１上を移動可能に構成されている。

図９に示すように、レール６１上を移動できるように、機台６２は、両端に車輪６３，６３を備えた車軸６４を有し、モータ６５により駆動される。
固定側金型３を支持する固定側金型支持部６６は、機台６２の一端側に配置され、固定側金型３の背面には加熱装置２０が配置される。

また、可動側金型４を支持する可動側金型支持部６７は、機台６２の他端側に配置され、可動側金型４の背面にも加熱装置２０が配置される。
可動側金型支持部６７は、移動機構６８を介して可動側金型４を支持しており、可動側金型４は、固定側金型３と型締め・型開き可能に移動される。また、可動側金型支持部６７は、水平に配置された回動軸６９ａを備えた回動機構６９を備え可動側金型４を９０度回転させて、分割面４３を鉛直下方に向けることができる。分割面４３が鉛直下方に向けられた可動側金型４の鉛直下方には、ベルトコンベア７０が配設され、型抜きされ、落下された北京鍋Ｐを載せて、次工程に搬送する。

（溶融炉）
本実施形態では、図７に示すような超小型の溶融炉５０を用いて原料を溶解する。溶融炉５０は、高周波誘導炉で、高周波誘導加熱コイル５１、浮揚用コイル５２を備え、浮揚用コイル５２で原料を浮遊させて、高周波誘導加熱コイル５１の渦電流で加熱・溶解する。溶融炉５０の側壁５０ａは、冷却パイプ５８が内部に設けられ、冷却液が循環して側壁５０ａを冷却している。

図８に示すように、この溶融炉５０は、炉台５９上に固着され、炉台５９は、回動軸５９ａを軸に傾動し、注湯ポイント５６（図６）にある金型２の注湯口４８に、溶融炉５０内で浮揚している溶湯Ｍを注湯する。

また、図６に示すように、溶融炉に電力を供給する電源装置５３、冷却パイプ５８（図７）に冷媒を循環させる冷却装置５４、溶融炉５０の加熱、注湯のための炉台５９の傾動制御などを行なう溶融炉制御装置５５が、溶融炉５０の近傍に配置されている。

（金型による鋳造方法）
図４のフローチャートに沿って、以上のように構成された金型２による薄肉鋳鉄製品である北京鍋Ｐの鋳造方法を説明する。

（製造方法の概略）
図４に示すように、北京鍋Ｐの製造方法は、この製造装置を用いて、以下のように行なう。まず、北京鍋Ｐの金型２の固定側金型３と可動側金型４を用いて、分割面３３，４３をはさんで型締めする型締め工程（Ｓ１）を行う。次に、制御装置２３が放射温度計２１により金型２の加熱部の表面温度を測定しつつ、加熱装置２０により金型２を予め設定された設定温度に加熱する金型予熱工程（Ｓ２）を行う。そして、元湯生成工程（Ｓ３）では、予め溶融炉５０（図６、７参照）で元湯を溶解しておく。この溶解した元湯を、加熱した金型２に、を注湯（図８参照）する金型注湯工程（Ｓ４）を行なう。続いて、注湯した金型を急冷させないための金型保温工程（Ｓ５）を行なう。そして、金型２の温度の急変を抑制しながら注湯した元湯を硬化させる鋳物凝固工程（Ｓ６）を行う。そして、鋳物硬化後に、固定側金型３と可動側金型４とを分割面３３，４３で分離する金型開放工程（Ｓ７）に続き、鋳造された北京鍋Ｐを取り出す型抜き工程（Ｓ８）を行う（図９参照）。この後、主に取り出した北京鍋Ｐの鋳ばり取りなどを行なう整形工程（Ｓ９）を行う。成形した北京鍋Ｐは、そのまま窒化処理工程（Ｓ１０）を経て、後処理工程（Ｓ１１）により、製品として完成する。

以下、各工程について詳細に説明する。
（型締め工程（Ｓ１））
図９に示すように、金型支持装置６０に予めセットされた可動側金型４は、固定側金型３に対して、移動機構６８により、接離自在に支持されている。図９において可動側金型４は開放した状態である。まず、この状態で、金型２に必要があればキャビティ内に塗型剤を再塗布し、１２０〜２００°Ｃで乾燥する。

次に、図９に示す状態から、移動機構６８により可動側金型４を図上左方向に移動させて分割面３３，４３を当接させ、さらに移動機構６８の図示しない油圧機構で分割面４３を分割面３３に圧接させ、図３に示すように金型２を型締めする型締め工程（Ｓ１）を行なう。

（金型予熱工程（Ｓ２））
（金型の予熱）
さらに型締めした金型を予め設定された設定温度まで加熱する金型予熱工程（Ｓ２）を行なう。この金型予熱工程（Ｓ２）では、図３に示すように型締めした金型２を挟むように近接配置した加熱装置２０，２０により矢印で示した方向に金型２の全体を加熱する。もちろんこのとき、溶湯Ｍの温度が下がりやすい下流側を強く温めたり、キャビティ２５内部の狭くて流動性が悪化しやすい場所を重点的に加熱したりすることも望ましいが、ここでは単一の設定温度とする。

（予熱温度の設定）
金型２の予熱における課題は、第１に急激な冷却により黒鉛が球状化しないセメンタイトの生成を防止することにある。

第２には、金型内での湯回りの改善にある。たとえ、チル化が起きなくても、キャビティの幅が０．５〜１．５ｍｍという超薄肉の球状黒鉛鋳鉄であると、流動性の低下が、そのまま欠けやヒケ、ピンポールなどの原因となる。そのため、湯回りの過程でも高い流動性を維持できるように、溶湯が金型から熱を吸収されないようにすることが必要である。この意味では、金型の予熱は高ければ高いほどよい。

第３には、金型２の予熱により金型自体が変形するが、鋳物の寸法精度を許容範囲より低下させない温度設定とすることである。
第４には、金型２の予熱により、金型２自体の組織構造を変化させて強度を低下させたり、耐久性を低下させたりしないことである。

そして、第５には、本発明では重要な、十分な黒皮が生成するようにする温度設定とすることである。
以上の点を鑑みて、予熱温度の設定をする。

その方法として、例えば注湯された溶湯Ｍが金型２に接触しても、セメンタイトが生成されないで、パーライト組織若しくはフェライト組織となる温度であるＡ１変態点以上に金型２内部の温度を維持することが効果的である。この変態点は成分によっても変化するが、一般に球状黒鉛鋳鉄では、およそ７２７°Ｃ近傍である。

しかしながら、金型２内部の正確な温度は測定が困難であることから、金型２の表面温度をもって、キャビティ内部の温度を推定する。本実施形態では、厚みが薄く均一な加熱部２４を備えた金型２を用いたから、外部からの温度管理が可能となっている。この方法では、いわゆる焼きなましの温度帯であり、黒鉛は球状化する。そのため、加熱による金型の劣化は少ない。

（元湯生成工程（Ｓ３））
型締め工程Ｓ１、金型予熱工程Ｓ２と並行して、次の金型注湯工程（Ｓ４）のための球状黒鉛鋳鉄の元湯（溶湯Ｍ）を準備する。

元湯自体は、どのような方法で生成してもよい。本実施形態では、図７に示す溶融炉５０を用いて溶湯Ｍを生成する。
従来の方法では、溶湯Ｍの温度は、１４００°Ｃ以上、望ましくは１５００〜１６００°Ｃまで加熱して流動性を高めるのが、湯回りの見地から好ましかった。本実施形態では、フェーディング及びチル化防止の観点から、金型２を加熱することで、溶湯の温度を１２８０°Ｃとして超薄肉の北京鍋Ｐを製造している。

（金型注湯工程（Ｓ４））
上述のように、元湯を生成したら（Ｓ３）、図８に示すように、既に型締めし（Ｓ１）、予熱した（Ｓ２）金型２を図１に示す注湯ポイント５６に移動し、溶融炉５０を炉台５９を回動軸５９ａを軸に傾動させて注湯口３８，４８により形成された湯口カップに溶融炉５０から直接元湯（溶湯Ｍ）を注湯する。

（金型保温工程（Ｓ５）、鋳物凝固工程（Ｓ６））
次に、予め加熱しておいた金型２により、緩慢に温度が低下する溶湯Ｍは、球状の黒鉛を析出しながら冷却されていく。しかしながら注湯した金型は肉厚が薄いため、従来の砂型やシェル鋳型はもちろん、圧肉のブロック状の金型と比較しても比較的放熱が良好なため、そのままの状態でも、概ね１分以内で凝固する。このとき、予め加熱された金型２と北京鍋Ｐとは、同様の膨張率であるので、温度低下とともに同様に熱収縮していき、金型２に歪が生じにくい。

注湯後は、自然冷却により、鋳物凝固工程（Ｓ６）に移行して金型２内の溶湯Ｍの温度が低下して溶湯Ｍが凝固する。本実施形態では、これに加えて、鋳物凝固工程（Ｓ６）の前後を問わず、加熱装置２０，２０の主バーナー２０ａ、種火バーナー２０ｂにより注湯後も金型２の加熱を適時行い、金型２を予め設定された設定温度に保温する金型保温工程（Ｓ５）を行なう。

この金型保温工程では、溶湯Ｍの温度低下をコントロールして、急激な温度低下によるチル化を抑制する。そのため、設定温度はこのような観点を考慮して設定される。
予熱と異なる温度、例えば予熱より低い設定温度とする。この場合、黒鉛の球状化が良好に行われるような、溶湯Ｍの冷却が行なわれるような温度条件とする。

また、設定温度を、注湯後の時間経過に伴って漸次低下させていくことにより、黒鉛の球状化が良好に行われるような温度条件とすることも好ましい。
この条件は、必ずしも厳密な温度管理でなくても、例えば加熱時間を調整するようにしてもよい。

本実施形態では、予熱温度を９００°Ｃとして、注湯後は、５００°Ｃに保温する。保温は、本実施形態では、鋳物が完全に凝固するＡ１変態点以下に到達する時間を、１分以上２分以内とする。ここで保温を終了しても良いし、そのまま次の注湯まで保温を継続してもよい。このように保温を継続することで、鋳物表面に黒皮が生成しやすくなる。

（金型開放工程（Ｓ７））
鋳物がＡ１変態点となれば、組織が固定され、硬化する。硬化したら、図示しない型締め装置により金型２を開放する金型開放工程（Ｓ７）を行う。

（型抜き工程（Ｓ８））
続いて、可動側金型４を固定側金型３から離間するとともに、分割面４３を下方に向けて回動させフライパンを型抜きする型抜き工程（Ｓ８）を行なう。必要に応じて、金型にノックピンを設けて型抜きをしてもよい。

（整形工程（Ｓ９））
続いて、整形工程（Ｓ９）が行なわれる。本実施形態では、鋳造後に、可動側金型４の可動方向と平行な方向（つまり、抜き方向）から、薄肉鋳鉄製品に対してレーザ光で溶断したり、ハンマー、サンダーなどにより薄肉鋳鉄製品の周縁にできた鋳ばりを殴打、研削する鋳ばり取り工程を行なう。本実施形態の北京鍋Ｐにおいては、鋳造時間が短いため、黒皮（酸化膜）の生成が薄く、北京鍋Ｐの調理面である本体１１の内部は、基本的には、何もしないでそのまま黒皮を残しておく。

（窒化処理工程（Ｓ１０））
整形工程で、バリ取りなどが終了したら、窒化処理工程（Ｓ１０）に移行する。詳細は後述する。

（後処理工程（Ｓ１１））
後処理工程は、必要があれば、洗浄し、塗装、油脂やワックスで化粧仕上げをしてもよい。

（窒化処理Ｓ１０１〜Ｓ１０７）
次に、窒化処理工程（Ｓ１０）について、図５に基づいて詳細に説明する。
本発明において、「窒化処理」とは、特に断りがない限り広義の意味で使っている。すなわち、窒素を主体とする窒化処理のみならず、窒素と炭素を主体とする軟窒化処理、窒素と酸素を主体とする酸窒化処理、窒素と硫黄を主体とする浸硫窒化処理をも含む、上位概念である。

また、その処理方法としては、溶融塩中で加熱する処理、ガス雰囲気下で加熱する処理、ガスプラズマ中で加熱する処理などを含む。
本実施形態では、窒素と炭素を主体とするガス雰囲気下で加熱するガス軟窒化処理を行う。

ガス軟窒化処理は、まず、炉（不図示）内に窒化処理対象物をセットしたところに、ＮＨ_３・Ｎ_２・ＣＯ_２の混合ガスを炉内に吹き込む（Ｓ１０１）。
次に、この雰囲気中で混合ガスを５３０〜６００°Ｃ（本実施形態では５５０°Ｃ）に加熱を開始し（Ｓ１０２）、ＮＨ_３から分解したＮ成分で窒化を、ＣＯ_２から分解したＣ成分で浸炭を行い、製品表面に深さ５〜１００μｍ程度（本実施形態では、４０μｍ以上）の窒化物による化合物層及び拡散層を生成する。そのためにガス流量調整を行う（Ｓ１０３）。

所定時間（本実施形態では２時間）が経過し処理が完了したら加熱を停止する（Ｓ１０４）。
温度が所定温度(本実施形態では１５０°Ｃ)以下になったら、炉の蓋を開けて、北京鍋Ｐを取り出す（Ｓ１０５）。

取り出した北京鍋Ｐは、全数若しくは一部を抜き取り硬さ試験（ＨＶ硬度試験）を行う（Ｓ１０６）。試験の方法は、「ＪＩＳ Ｚ ２２４４−ビッカース硬さ試験 試験方法」に準拠している。本実施形態では、試験力を概ね１ｋｇｆ（≒９．８Ｎ）以下で測定した際のビッカース硬さを測定するマイクロビッカース試験として、製品を実質的に傷つけない非破壊検査に準じる試験としている。本実施形態の試験には、株式会社フューチュアテック製自動圧痕計測及び自動ＸＹステージシステム ＡＲＳ９００を用いて負荷０．０１ｋｇｆ（≒０．０９８Ｎ）でマイクロビッカース試験をした。

この試験により、窒化処理工程（Ｓ１０１〜１０５）の適否を判断する。本実施形態では、例えば、深さ４０μｍにおいて４００ＨＶ０．０１以上を合格としているが、対象とする製品によりその基準は異なるものとすることができる。

試験に合格したものは（Ｓ１０７・ＹＥＳ）は研磨工程（Ｓ１０８）に移行し、十分な硬度を得られなかった場合は不合格として（Ｓ１０７・ＮＯ）さらに追加の窒化処理（Ｓ１０２〜Ｓ１０５）を行う。

なお、窒化処理の効果は、処理時間と相関性が認められ、本実施形態における処理時間２時間を８〜１０時間程度まで延長することで窒化層をより深部まで形成させることができる。この場合、従来の鉄製のフライパンでは、処理時間を長くしても窒化層が深部まで形成されなかったが、本実施形態では、鋳鉄であるため、窒化層、特にＳｉ_３Ｎ４に由来する拡散硬化層が深部まで形成される。

また、球状黒鉛鋳鉄においては軟窒化処理が適しており、従来の鉄に対する窒化処理と比較して処理時間も短く、深度も深く処理ができる。
研磨工程（Ｓ１０８）では、北京鍋Ｐを製品として完成させるため、サンダーで研磨したり、ラッピングで、最表面層を除去してもよい。

（実施形態の作用・効果）
上記実施形態の北京鍋Ｐによれば、以下のような作用・効果を得ることができる。
（１）窒化処理を施していない鋳鉄と比較してビッカース硬度が上昇するという効果がある。表１の１００〜１２０μｍに示す値では、いずれも３４５ＨＶ０．０１程度であるが、これが本実施形態の球状黒鉛鋳鉄自体のビッカース硬度である。本実施形態の処理で得られる最表面（深度０μｍ）硬さは、１０８１ＨＶ０．０１と黒鉛鋳鉄自体に比較して格段に硬度が上昇している。このため、非常に傷が付きにくい硬度となっている。そのため、調理で使用するターナーやナイフなどでは容易に傷が付かない。

（２）さらに、ビッカース硬度は深部に向かって漸減して４０μｍでは、４７９ＨＶ０．０１となるが、６０〜８０μｍでは、６３９〜６１１ＨＶ０．０１と高いビッカース硬度を示す。このため、本発明の超薄肉の球状黒鉛鋳鉄製の北京鍋Ｐにおいては、表面ばかりでなく、内部において強靭性を示し、超薄肉でも変形しにくい北京鍋Ｐとなっている。また、耐疲労性も向上する。

（３）耐錆性が向上する。窒化層だけの特許文献に示す従来技術と比較して、窒化層の下に錆びにくい黒皮が形成されているので、窒化層単独よりもより錆びにくくなるという効果がある。そのため、従来技術のように窒化層の上にさらに酸化層を設ける必要がなく、工程が簡単になっている。

（４）油馴染みが良好になる。もともと球状黒鉛鋳鉄の鋳肌は、金型であっても熱収縮により微細な凹凸ができる。さらに、本実施形態の化合物層は、多孔質になっているので、調理に当たり油馴染みが良くなる。そのため焦げ付きにくいばかりでなく、調理にあたりフッ素樹脂加工した調理器具のように油をはじいたり、固まったりすることなく、焦げ目が万遍なくきれいにつくという効果がある。

（５）美感を維持できる。傷が付きにくいことから美感を保持できるばかりか、表面が汚れにくくなるという効果がある。
（６）耐熱性が向上する。窒化層は耐熱性が高く、空焼きしても表面が変質しにくいという効果がある。また、万一焦げ付きが生じたような場合でも、空焼きすることで、表面にこびりついたものを焼切ることができるという効果がある。

（７）耐腐食性が向上する。最表面の緻密な化合物層により、耐腐食性も向上するという効果がある。
（８）本実施形態においては、特許文献の従来技術と比較して、より簡単な工程で好適な調理器具とすることができる。実施形態では大気鋳造した鋳鉄に形成された酸化膜である黒皮をそのまま生かして、その上に窒化処理をおこなうため、特許文献に示す従来技術に比べて、工程が簡単になっているという効果がある。

（９）特に本実施形態では、特許文献に示す従来技術に比べて、鋳鉄は、もともとＳｉを２％以上含有するため、化合物層において、Ｓｉ_３Ｎ_４を生じ、好適に、より高い硬度の表面硬化ができるという効果がある。

（１０）特に球状黒鉛鋳鉄による本実施形態では、さらに、その深部の拡散硬化層においてもＳｉ_３Ｎ_４を生じ、特許文献に示す従来技術に比べても、強靭性が高くなる。
（１１）鋳鉄全般は、Ｃの含有率が高いので、窒化処理（Ｎ）のみでも軟窒化処理（Ｎ＋Ｃ）のような処理が期待できるという効果がある。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
〇本実施形態では、型開きして取り出した北京鍋Ｐについて、調理面である本体１１の内部は、そのまま黒皮を残しておき、窒化処理を行った。しかしながら、例えば、エアブラスト、ブラシ・ウエスなどによる清拭、水洗・洗浄剤・溶剤・酸による洗浄、ショットブラスト、サンダー・砥石などによる研磨、ラッピングにより、窒化処理前に黒皮の全部または一部を除去する処理をしてもよい。

この場合の目的としては、北京鍋Ｐに付着した異物の除去、一番表層の部分、さらに下層の部分の除去、表面の平滑化、寸法の調整なども挙げられる。
〇また、このように表面を処理することで、黒皮の下の硬度の高いＦｅ_３Ｃ（セメンタイト）の薄い化合層を露出させて、この面に窒化処理を行うようにしてもよい。

〇さらに、鋳造時の型開きを遅らせて、保温することで、黒皮（黒錆・化学式Ｆｅ_３Ｏ_４）を厚く形成して、その上に窒化処理するような構成でもよい。
〇本発明の「鋳鉄」とは、実施形態に示した球状黒鉛鋳鉄に限定されるものではなく、白鋳鉄、ねずみ鋳鉄（ＦＣ・普通鋳物）、球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ）、ＣＶ鋳鉄（ＦＣＶ）、白心可鍛鋳鉄（ＦＣＭＷ）、黒心可鍛鋳鉄（ＦＣＭＢ）、パーライト可鍛鋳鉄（ＦＣＭＰ）など、大気鋳造の鋳鉄に広く適用することができる。

〇本発明の調理器具とは、実施形態の北京鍋Ｐの外には、フライパン、ココット、スキレット、玉子焼き器、調理用鉄板、鍋、ホットプレート、たこ焼き器、タイ焼き器、今川焼き器、ホットサンドメーカー、すき焼き鍋、鉄瓶、炊飯器等、調理面での焦げ付きが課題となり、フッ素コートを必要とする調理器具の代替が主な対象である。また、格子状のグリルや網などにも適用できる。

また、実施形態のような厚さ１．４ｍｍ程度の超薄肉の鋳物製品に限らず、厚手のダッチオーブンや調理用鉄板のようなものにでも適用できる。
〇型は、実施形態のような金型に限定されるものではなく、砂型・シェルモールド等による鋳造でもよい。但し、目的により多少の凹凸を有しても、調理面においてサンダー研磨の必要性がなく、無研磨で製品化が可能であるのであれば砂型・シェルモールド等による鋳造でも本発明を適用できる。

２…金型、３…固定側金型、４…可動側金型、１１…本体、１２…柄、１３…周縁部、１４…内底部、２０…加熱装置、２０ａ…主バーナー、２０ｂ…種火バーナー、２１…放射温度計、２４…加熱部、２５…キャビティ、３２…キャビティ面、３２ａ…本体キャビティ面、３２ｂ…柄キャビティ面、３２ｅ…固定側金型加熱部、３３…分割面、３８…注湯口、４２…キャビティ面、４２ａ…本体キャビティ面、４２ｂ…柄キャビティ面、４２ｃ…可動側金型加熱部、４３…分割面４８…注湯口、５０…溶融炉、５５…溶融炉制御装置、６０…金型支持装置、６６…固定側金型支持部、６７…可動側金型支持部、６８…移動機構、６９…回動機構、７０…ベルトコンベア、Ｌ１…基部（鋳鉄）、Ｌ２…酸化膜層、Ｌ３…拡散硬化層、Ｌ４…化合物層、ＬＢ…レーザ光線、Ｍ…溶湯、Ｐ…北京鍋（調理器具）、Ｓ…表面。

Claims (9)

1. 金型による鋳造工程で形成された球状黒鉛鋳鉄製の調理器具の黒皮（化学式Ｆｅ_３Ｏ_４）からなる酸化膜が形成されている調理面に対して、前記黒皮をそのままにした状態で窒化処理を施して窒化層を形成したことを特徴とする調理器具の製造方法。
2. 前記鋳造工程は、大気鋳造であることを特徴とする請求項１に記載の調理器具の製造方法。
3. 前記調理器具は、調理面においてその厚さが２．０ｍｍ以下の超薄肉とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の調理器具の製造方法。
4. 前記窒化処理は、ガス雰囲気においてなされることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の調理器具の製造方法。
5. 前記窒化処理は、軟窒化処理であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の調理器具の製造方法。
6. 前記窒化層の厚さは、５μm以上とすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の調理器具の製造方法。
7. 前記窒化層にＳｉ_３Ｎ_４を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の調理器具の製造方法。
8. 前記窒化層の表面のビッカース硬さを、４００ＨＶ０．０１以上とすることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の調理器具の製造方法。
9. 前記調理器具は、中華鍋、フライパン、卵焼き器、調理用鉄板、グリル、ココット、スキレット、ダッチオーブン、鍋のいずれかであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の調理器具の製造方法。

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