JPH02173240A - 高速回転部材の製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は高強度と高靭性を有する高速回転部材及びその
製造法に関するものである。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする問題点〕従来
から引張強さ、伸び、衝撃値など機械的性質の優れたい
わゆる高強度と高靭性を有する球状黒鉛鋳鉄製のクラン
クシャフトに代表される高速回転部材を製造するために
は鋳放しで製造する方法、あるいは鋳込み後、常温近く
まで冷却し再び高温に加熱して熱処理を行なう方法がと
られている。

鋳放しで製造する方法では、高度な伸び、衝撃値を有す
る球状黒鉛鋳鉄製のクランクシャフトを得ることができ
ず、また、常温近くまで冷却した球状黒鉛鋳鉄製のクラ
ンクシャフトを再び高温に加熱する方法では、多くの熱
エネルギーを必要とするものできわめて不経済である。

特願昭５５−１０３２８１号では、薄肉の鋳放し球状黒
鉛鋳鉄鋳物の製造方法が開示されているが、この技術は
鋳物の肉厚をこの鋳物の冷却速度が１３℃／ｍｉｎ以上
となるように形成するもので、基地組織であるフェライ
トとパーライトの混合組織を鋳放しで安定して得るため
の製造方法であるが機械的性質の優れた高強度高靭性の
球状黒鉛鋳鉄を得ることはできない。

また特願昭５０−１３７３０４号ではフェライト粒とパ
ーライト粒との微細混合組織より成る基地に黒鉛が晶出
した組織を有する強力で伸びが大きい強靭球状黒鉛鋳鉄
およびパーライト基地組織から加熱してフェライトオー
ステナイト、黒鉛の共存する温度領域まで加熱し、そこ
から空冷する操作を主体とするその熱処理方法が提示さ
れている。

さらに特公昭６３−５８８８１号公報では基地組織をフ
ェライトとマルテンサイトとの微細二相混合焼入組織と
し、ついでこれを焼戻して微細二相混合焼戻組織として
良好な機械的性質を有し、かつ被削性、耐摩耗性の良好
な強靭球状黒鉛鋳鉄の製造方法が開示されている。

しかるに、本発明の高速回転部材及びその製造法は、鋳
型に球状黒鉛鋳鉄組成の溶湯を注湯し、凝固完了後直ち
に型バラシを行ない、Ａ４変態点以上の温度から８００
〜９５０℃に加熱した連続炉に入炉して熱処理を施こし
、所望温度で取り出し強制冷却することにより、パーラ
イトの面積率は９２％以上であり、黒鉛の平均粒径は３
５μｍ以下であり、上記パーライトと黒鉛との間にフェ
ライトがなく、黒鉛が隙間なく充填されていることを特
徴とするものである。

従って、上述せる従来技術とはその技術的思想を全く異
にするものである。

本発明者は、さきに球状黒鉛鋳鉄の疲労強度に及ぼす黒
鉛の弾性効果を知るため、熱処理前の基地組織を変えて
焼入れ焼戻しを行ない、基地が黒鉛を強く圧縮している
と考えられるものと、基地と黒鉛との間に隙間があると
考えられるものを作り、それぞれの疲労限度を比較した
。

この結果基地の硬さがほぼ等しくなるよう熱処理されて
いるにもかかわらず、前者は後者に対し約２４％高い疲
労強度を示したことを開示した。

〔日本機械学会論文集（Ａｍ）５２巻４８１号２１５０
〜２１５３頁〕 本発明者等は、更に研究を重ね、このように良好な疲労
強度を有する材料でクランクシャフトを製造し、従来か
ら焼き付き及び摩耗が問題となっていた超高速回転のガ
ソリンエンジンに組み込んだ結果、焼き付き及び摩耗に
対しきわめて優れた特性を有することを知見し、かつそ
の理論的な根拠を解明し本発明を完成したものである。

すなわちプレーンメタル軸受によって保持されるガソリ
ン及びディーゼルエンジン用クランクシャフトの摺動軸
面は、潤滑油によって形成される１μｍ程度の油膜を介
してメタルと接している。

従ってクランクシャフトの摺動軸面上に突出するものが
存在すると、正常な油膜が形成されないばかりでなく、
油膜厚さ以上の高さの突出物があれば、プレーンメタル
軸受と直に接触して、比較的軟いメタル表面を損傷する
ことになる。これが進行すると過大な摩耗を生じ、とき
には焼き付きという好ましからざる結果を招くことにな
る。

クランクシャフトの回転数が６０００回／分を超える高
速回転、高トルクの自動車用ガソリンエンジンでは、油
膜厚さが０．８〜１μｍであるため黒鉛周囲の研磨パリ
が生じやすい球状黒鉛鋳鉄製の鋳造クランクシャフトは
不適当視されている。

これらの理由で、軸受負荷の大きい高速回転、高トルク
のガソリンエンジンや筒内圧の大きいディーゼルエンジ
ンのクランクシャフトは鍛鋼製りランクシャフトが未だ
に使用されている。

鋳放し球状黒鉛鋳鉄を、高強度かつ高耐摩耗性が要求さ
れる鋳造クランクシャフト部材に適用する場合、パーラ
イト化を促進する元素、例えばＣｕ、Ｓｎなどを適量添
加する必要があるが、運転稼動中に発生する多大な衝撃
荷重に対し折損しないように、高い靭性が求められる。

すなわち、高強度、高耐摩耗性並びに高靭性を満足する
合金組成でなければならず、靭性を低下させるＣｕ、Ｓ
ｎ等の元素の添加量には制限がある。Ｃｕについていえ
ば、０．７〜０．８重量％が一般に添加量の上限とされ
る。この場合、黒鉛を囲むようにフェライトが析出する
が、研磨加工の際にこれがパリ状に加工表面に突出する
形で残ることが多い。（第６，７図参照） 本発明の目的は、良好な機械的性質を有する高速回転部
材と、この高速回転部材をきわめて少ない熱エネルギー
で安定して製造し得る高速回転部材及びその製造法を提
供するものである。

また本発明の他の目的は、黒鉛周囲のフェライトを消失
せしめ、研削加工性のよいち密なパーライト地にするこ
、とで、黒鉛周囲に研磨パリが発生せず、従って焼き付
きの発生を防止し得る高速回転部材を提供するものであ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の高速回転部材は、パーライトの面積率は９２％
以上であり、黒鉛の平均粒径は３５μＩｎ以下であり、
上記パーライトと黒鉛との間にフェライトがなく、黒鉛
が隙間なく充填されていることを特徴とするものである
。

また、その化学組成は重量％でＣ：３．０〜４．０％、
Ｓｉ：　１．８〜３．０％、Ｍｎ：０．５％以下、Ｍｇ
：０．０１〜０．０８％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０
．０２％以下、Ｃｕ：０．２０〜０．８０％残部Ｆｅ及
び不可避的不純物よりなることを特徴とするものである
。

さらに、その機械的性質は引張強さ８０ｋｇｆ／　ｍ　
ｍ　”以上、耐力５０ｋｇｆ／ｍｍ２以上、伸び５％以
上、弾性係数１７８００ｋｇｆ／ｍｍ”以上を有するこ
とを特徴とするものである。

本発明の高速回転部材の製造法は、鋳型に球状黒鉛鋳鉄
組成の溶湯を注湯し、凝固完了後直ちに型バラシを行な
い、Ａ１変態点以上の温度から８００〜９５０℃に加熱
した連続炉に入炉して熱処理を施こし、所望温度で取り
出し強制冷却することを特徴とする。

また上記８００〜９５０℃に加熱した連続炉に入炉し保
持する時間は５〜２０分間とし、強制冷却する冷却速度
は５０〜ｂ を特徴とするものである。

以下数値限定理由について説明する。

パーライトの面積率が９２％未満では引張強さ８０ｋｇ
ｆ／ｍｍ”以上、耐力５０　ｋ　Ｋ　ｆ　／ｍｍ２以上
を満足することができず、黒鉛の平均粒径が３５μｍを
超えると切削性と疲労強度が低下する。

ＣはＳｉの量にも関係するが３．０％未満、或いは４．
０％を超えると鋳造性が悪くなる。

Ｓｉは１．８％未満では炭化物生成傾向が増大し、３．
０％を超えるとパーライト量の制御が困難となり均一な
パーライトを得ることかむつかしくなる。

Ｍｎはパーライト安定化元素であると共に、炭化物生成
元素でもあるため０．５％以下とした。

Ｍｇは０．０１％未満では球状黒鉛鋳鉄を得るための歩
留りが低下し、０．０８％を超えてもその効果がなく、
チル発生の要因にもなる。

Ｐ、Ｓは球状化阻害元素であるため、それぞれ０．０５
％以下、０．０２％以下とした。

Ｃｕは炭化物生成傾向を持たないパーライト安定化元素
であり、組織中のパーライトを均一にするため０．２０
％以上とし、上限の０，８％を超えて添加してもその効
果は期待できない。

連続炉の温度が８００℃未満では１組織の改善に長時間
を必要とし経済的でない。

連続炉の温度が９５０℃を超えると、エネルギーコスト
が上るのみならず、鋳造品の歪も増大する結果となり、
その矯正に多くの工数を必要とし不経済である。

また連続炉での保持時間が５分未満では、チルが発生し
た場合、チルの完全消失が達成出来ないばかりでなく、
強度、靭性の低下をもひき起こす恐れがある。保持時間
が２０分を超えると、鋳造品の歪が増大するばかりでな
く不経済である。さらに、冷却速度が５０℃／分未満で
はパーライトの均一性を得がたい。冷却速度が１５０℃
／分を超えると、基地中に微密なパーライトが残留して
硬くなり靭性が低下して切削性を阻害する。

〔実施例、１〕 （１）化学成分 鉄と不可避的不純物と下記の成分とからなる材料から、
直径６５ｍｍＸ長さ３００　ｒｎ　ｍの試験片を製作し
た。鋳型はｃｏＪＤ型であり、注入温度は１，４２０℃
であった。　　　　　　　　　（νｔ％）（２）熱処理 鋳型に上記球状黒鉛鋳鉄組成の溶湯を注入し、７分後に
型バラクを行ない、試験片の温度が９００℃のとき８５
０℃に加熱された連続炉に入炉し１０分間保持した後、
炉外へ取り出しブロアーによって７５°Ｃ／分の冷却速
度で強制冷却した。第１図は鋳型に熱電対を挿入して溶
湯の冷却状況を４１り定した冷却曲線である。

（３）組織 上記熱処理によって得られた本発明の試験片の顕微鏡組
織写真を第２図に示す。なお、比較例として同一化学成
分の鋳放し品の試験片の顕微鏡組織写真を第３図に示す
。本発明品は良好な微細パーライト組織であるのに対し
、比較例の鋳放し品は層状パーライト組織である。

しかも、第３図では黒鉛の周辺に多量のフェライトが存
在しているため良好な機械的性質をイｊしないが、本発
明の第２図では黒鉛周辺のフェライトが極めて少なく、
パーライトが黒鉛を強く圧、縮しているため第１表に示
すような優れた機械的性質を有するものである。

又、第４図では黒鉛の周囲に隙間があり、この隙間の周
囲にフェライトが存在するので機械的性質は第３図より
も更に低い値を示す。

（４）機械的性質 本発明品と鋳放し品の機械的性質は第１表に示す通りで
ある６　　　第１表 （注）衝撃値はＵノツチシャルピーの値。

第１表で明らかなように、鋳放し品と比較して本発明品
は優れた機械的性質を有し、特に伸び。

衝撃値に著しい差異を有することがわかる。

（５）研磨後のパリの発生状況 第５図に本発明品の顕微鏡写真を、また第６゜７図に従
来品の顕微鏡写真を示す。図で明らかなように研磨後の
パリの発生状況が著しく異なる。

このパリがクランクシャフトの研磨面に発生すると急速
に摩耗するばかりでなく、軸受を傷付は焼き付き発生の
原因となるものである。

本発明部材でつくられたクランクシャフトを回転数８０
００回／分のガソリンエンジンに組み込み５００時ｎ！
７の連続運転を実施したところ、ＪＰ耗及び焼き付きは
全く認められず良好な結果を得ることができた。

これに対し、黒鉛周囲にフェライト環を有し、そのフェ
ライト面積率が１０〜１２％である鋳放し球状黒鉛鋳鉄
製の鋳造クランクシャフトで、同一条件のエンジン試験
を実施したところ、７５時間で焼き付いて、エンジンが
停止した。

尚、このクランクシャフトの摺動軸面上にはフェライト
の研磨パリが組込み曲に観察されていた。

〔発明の効果〕

以上の説明で明らかなように本発明の高速回転部材及び
その製造法は、鋳型に球状黒鉛鋳鉄組成の溶湯を注湯し
、凝固完了後直ちに型バラクを行ない、Ａ０変態点以上
の温度から加熱した連続炉に入炉して熱処理を施こし、
所定温度で取り出し強制冷却することにより、パーライ
トの面積率が９２％以上であり、黒鉛の平均粒径が３５
μｒｎ以下であり、パーライトと黒鉛との間にフェライ
トがなく、黒鉛が隙間なく充填されていることを特徴と
するものである。

このように、鋳造品をホットな状態から連続式の簡便な
連続炉に装入するため、エネルギーコストも、きわめて
低廉であり優れた＠械的性質を有する高速回転部材を得
ることができた。

しかも、本発明の高速回転部材は耐焼き付き性。

耐摩耗性がきわめて良好であり、工業的に著しい効果を
得ることができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は鋳型内溶湯の冷却曲線、第２．３，４゜５．６
．７図はともに金属顕微鏡組織写真である。 Ｘ　＜ＯＯ ｘ　’７．ｃ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、パーライトの面積率は９２％以上であり、黒鉛の平
   均粒径は３５μｍ以下であり、上記パーライトと黒鉛と
   の間にフェライトがなく、黒鉛が隙間なく充填されてい
   ることを特徴とする高速回転部材。 ２、重量％でＣ：３．０〜４．０％、Ｓｉ：１．８〜３
   ．０％、Ｍｎ：０．５％以下、Ｍｇ：０．０１〜０．０
   ８％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｃｕ
   ：０．２０〜０．８０％残部Ｆｅ及び不可避的不純物よ
   りなることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の高
   速回転部材。 ３、引張強さ８０ｋｇｆ／ｍｍ＾２以上、耐力５０ｋｇ
   ｆ／ｍｍ＾２以上、伸び５％以上、弾性係数１７８００
   ｋｇｆ／ｍｍ＾２以上を有することを特徴とする特許請
   求の範囲第１項または第２項記載の高速回転部材。 ４、鋳型に球状黒鉛鋳鉄組成の溶湯を注湯し、凝固完了
   後直ちに型バラシを行ない、Ａ＿１変態点以上の温度か
   ら８００〜９５０℃に加熱した連続炉に入炉して熱処理
   を施こし、所望温度で取り出し強制冷却することを特徴
   とする高速回転部材の製造法。 ５、上記８００〜９５０℃に加熱した連続炉に入炉し保
   持する時間は５〜２０分間とし、強制冷却する冷却速度
   は５０〜１５０℃／分とすることを特徴とする特許請求
   の範囲第４項記載の高速回転部材の製造法。