JP2003105436A

JP2003105436A - 鋳鉄部材の表面処理方法

Info

Publication number: JP2003105436A
Application number: JP2001299333A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Sato; 高浩佐藤
Original assignee: Aisin Takaoka Co Ltd
Current assignee: Aisin Takaoka Co Ltd
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2003-04-09

Abstract

(57)【要約】【課題】鋳鉄部材の表層部におけるチルの晶出を防止で
きると共に、鋳鉄部材の表層部から黒鉛を確実に除去で
きる鋳鉄部材の表面処理方法を提供する。【解決手段】鋳鉄部材１１の表面１２へ高密度エネルギ
ービーム１３を照射して、鋳鉄部材１１の表層部１１ａ
を溶融させて溶融部Ｍを形成すると共に、溶融部Ｍの周
りにオーステナイト化された未溶融部Ｇを形成する。溶
融部Ｍの上部へ比重差を利用して黒鉛を浮上させた後、
その状態で溶融部Ｍを凝固させてチルの晶出しないフェ
ライトを形成すると共に、フェライトの周りにマルテン
サイトを形成する。最後に、フェライトの上部に位置す
る黒鉛を含む表面部位を切削加工等で除去することで、
鋳鉄部材の表面処理が完了する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鋳鉄部材の表層部
からの黒鉛除去に用いられる鋳鉄部材の表面処理方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の鋳鉄部材の表面処理方法
としては、特開昭６０−１１６７１８号公報に記載され
たものが知られている。この従来公報における表面処理
方法は、鋳鉄部材の表層部に脱黒鉛処理を施し、その
後、鋳鉄部材の表面にレーザビーム又は電子ビームを照
射することにより、チル層が実質的に存在しない均質な
焼入れ層（マルテンサイト層）を形成して耐摩耗性の向
上を図ったものである。

【０００３】鋳鉄部材の表層部に脱黒鉛処理を施す場
合、大気加熱法や電解法を用いることで、鋳鉄部材の表
層部から黒鉛を除去するようにしている。大気加熱法
は、例えば鋳鉄部材を８００℃まで昇温し、その温度で
３時間保持した後、空冷するものである。電解法は、例
えば８０％ＮａＯＨ水溶液を処理液として用い、鋳鉄部
材に対して還元工程、酸化工程、還元工程、洗浄工程を
順に施すものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来技術に係る鋳鉄部材の表面処理方法において、鋳
鉄部材の表層部に大気加熱法や電解法の脱黒鉛処理を施
す場合には、その処理時間が長くなって作業性が悪化し
てしまうことが懸念される。また、大気加熱法や電解法
の脱黒鉛処理を施したとしても、鋳鉄部材の表層部から
黒鉛を完全に除去できないおそれもある。

【０００５】本発明は、上述した実情に鑑みてなされた
ものであり、その目的は、大気加熱法や電解法を用いな
くても、鋳鉄部材の表層部におけるチルの晶出を防止す
ることができると共に、鋳鉄部材の表層部から黒鉛を確
実に除去することのできる鋳鉄部材の表面処理方法を提
供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明における鋳鉄部材の表面処理
方法は、鋳鉄部材の表面へ高密度エネルギービームを照
射し、該鋳鉄部材の表層部を溶融させて溶融部を形成
し、該溶融部の上部へ比重差を利用して黒鉛を浮上させ
た後、その状態で前記溶融部を凝固させてチルの晶出し
ないフェライトを形成すると共に、該フェライトの上部
に位置する前記黒鉛を含む表面部位を除去することをそ
の要旨としている。

【０００７】上記請求項１に記載の発明によれば、鋳鉄
部材の表面へ高密度エネルギービームが照射されると、
そのエネルギービームの熱により、鋳鉄部材の表層部が
急速に溶融された溶融状態の溶融部が形成される。この
場合、溶融部中には、黒鉛が（若干または僅かに溶融し
た状態で）残存するが、黒鉛の比重が溶融部における溶
融金属の比重よりも小さいため、黒鉛が比重差により浮
上して溶融部の上部に位置するようになる。ここで、高
密度エネルギービームの焦点の位置、出力及び送り速度
等に起因して溶融部中で黒鉛が溶融し過ぎると、後述す
るフェライトにはチルが晶出してしまうおそれがある。

【０００８】次に、黒鉛が溶融部の上部に浮上した状態
で、該溶融部が急速に凝固（冷却）されると、溶融部が
チルの晶出（存在）しないフェライトとなって形成され
る。その後、フェライトの上部に位置する黒鉛を含む表
面部位を例えば切削加工等によって除去することで、鋳
鉄部材の表層部から黒鉛が確実に除去される。

【０００９】従って、従来技術に係る大気加熱法や電解
法を用いなくても、鋳鉄部材の表層部におけるチルの晶
出の防止と、鋳鉄部材の表層部からの黒鉛除去とが可能
になる。但し、鋳鉄部材の表層部からの黒鉛除去が可能
な部分は、フェライトの部分、すなわち高密度エネルギ
ービームを照射して溶融・凝固させた部分である。

【００１０】また、本発明の表面処理方法においては、
鋳鉄部材の表面へ高密度エネルギービームを照射した後
に、鋳鉄部材の表層部から黒鉛が除去処理されるだけな
ので、従来技術に係る大気加熱法や電解法と比較して、
処理時間が長くなることはなくなって作業性の悪化が抑
制されることとなる。

【００１１】更に、鋳鉄部材中の黒鉛は、溶接の際に悪
影響を与える因子である。そこで、鋳鉄部材と相手部材
とを溶接で接合する場合、予め鋳鉄部材の相手部材との
接触面に対し、上述したように鋳鉄部材の表層部から黒
鉛を除去する処理を施すことにより、鋳鉄部材の表層部
から黒鉛が確実に除去されて、鋳鉄部材と相手部材との
溶接が良好な状態で行われるようになる。

【００１２】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の鋳鉄部材の表面処理方法において、前記フェライトの
周りにマルテンサイトを形成することをその要旨とす
る。

【００１３】上記請求項２に記載の発明によれば、請求
項１に記載の発明の作用に加えて、鋳鉄部材の表層部に
高密度エネルギービームの熱によって溶融部を形成する
場合において、該溶融部の周りは溶融部の熱の影響を受
けてオーステナイト化され、該オーステナイト化された
部分が溶融部と共に急速に冷却されると、オーステナイ
ト化された部分がマルテンサイトとなってフェライトの
周りに形成される。このマルテンサイトにより、鋳鉄部
材における耐摩耗性の向上が図られる。

【００１４】請求項３に記載の発明は、請求項１又は請
求項２に記載の鋳鉄部材の表面処理方法において、前記
高密度エネルギービームの焦点を前記鋳鉄部材の表面に
合わせた状態で、前記高密度エネルギービームを照射す
ることをその要旨とする。

【００１５】上記請求項３に記載の発明によれば、請求
項１，請求項２に記載の発明の作用に加えて、高密度エ
ネルギービームの焦点を鋳鉄部材の表面に合わせた状態
で高密度エネルギービームを照射することにより、高密
度エネルギービームの出力を低く設定したり、高密度エ
ネルギービームの照射時間を短く設定したりすることが
可能となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明に係る鋳鉄部材としては、
球状黒鉛鋳鉄、ＣＶ黒鉛鋳鉄（バーミキュラー鋳鉄）、
片状黒鉛鋳鉄などからなるものを採用することができ
る。しかし、高密度エネルギービーム照射時に比重差を
利用して溶融部の上部に黒鉛を浮上させるという点を考
慮すると、鋳鉄部材としては、球状黒鉛鋳鉄又はＣＶ黒
鉛鋳鉄からなるものを採用することが好ましい。この理
由は、片状黒鉛鋳鉄中の黒鉛はどこかで他の黒鉛と連結
していることが多いため、高密度エネルギービーム照射
時に黒鉛が溶融部の上部に浮上しにくくなってしまうお
それがあるからである。また、鋳鉄部材として球状黒鉛
鋳鉄からなるものを採用する場合において、鋳鉄部材の
耐摩耗性を考慮すると、オーステンパー鋳鉄を用いるこ
とが好ましい。

【００１７】高密度エネルギービームとしては、レーザ
ビームや電子ビームが代表的なものとして挙げられる。
レーザビームとしては、ＣＯ2レーザやＹＡＧレーザ等
を採用できる。高密度エネルギービームを照射する部分
は、鋳鉄部材の表面全体でもいいし、鋳鉄部材の表面の
一部分でもよく、特に限定されるものではない。要は、
鋳鉄部材の表層部から黒鉛を除去したい部分に、高密度
エネルギービームを照射するようにすればよい。

【００１８】鋳鉄部材の表層部の深さは、例えば０．５
〜５．０ｍｍに設定されており、この深さまで高密度エ
ネルギービームによって溶融する。この表層部の深さ
は、最低でも、高密度エネルギービーム照射時に黒鉛が
溶融部の上部に浮上可能なだけの深さを必要とする。ま
た、鋳鉄部材の表層部の深さは、高密度エネルギービー
ム照射前における黒鉛粒径の大きさの１５〜１５０倍に
設定することが好ましい。高密度エネルギー照射前の黒
鉛粒径は、例えば３０〜１００μｍである。

【００１９】黒鉛の比重は、２．２グラム／立方センチ
メートルであり、溶融部における溶融金属の比重は、
７．５〜７．８グラム／立方センチメートルである。こ
のように黒鉛の比重は、溶融部における溶融金属の比重
よりも小さくなっている。黒鉛と溶融金属との比重差を
利用することにより、高密度エネルギービーム照射時に
おいて、黒鉛を溶融部の上部に浮上させることが可能と
なる。

【００２０】高密度エネルギービームを鋳鉄部材の表面
へ照射する場合、高密度エネルギービームの焦点の位置
は、鋳鉄部材の表面から上方又は下方に位置するように
セットしてもよいが、鋳鉄部材の表面に位置するように
合わせることが好ましい。鋳鉄部材の表面に高密度エネ
ルギーの焦点を合わせると、高密度エネルギービームの
出力を低く設定したり、高密度エネルギービームの照射
時間を短く設定したりすることが可能となり、エネルギ
ーコストの低減や作業時間の短縮を図ることができるよ
うになる。

【００２１】高密度エネルギービームの出力は、例えば
０．３ｋｗ以上、０．４ｋｗ以上、０．５ｋｗ以上、
０．６ｋｗ以上、０．７ｋｗ以上、０．８ｋｗ以上に設
定できる。また、高密度エネルギービームの出力は、
０．３ｋｗ、０、４ｋｗ、０．５ｋｗ、０．６ｋｗ、
０．３〜０．８ｋｗ、０．４〜０．８ｋｗ、０．５〜
０．８ｋｗ、０．６〜０．８ｋｗであることがより好ま
しく、０．７ｋｗ、０．８ｋｗ、０．７〜０．８ｋｗで
あることが更に好ましい。

【００２２】高密度エネルギービームの送り速度は、例
えば０．５ｍ／ｓ以上、１．０ｍ／ｓ以上、１．５ｍ／
ｓ以上、２．０ｍ／ｓ以上、２．５ｍ／ｓ以上、３．０
ｍ／ｓ以上、３．５ｍ／ｓ以上、４．０ｍ／ｓ以上、
４．５ｍ／ｓ以上、５．０ｍ／ｓ以上、５．５ｍ／ｓ以
上、６．０ｍ／ｓ以上に設定することが好ましい。ま
た、高密度エネルギービームの送り速度は、０．５ｍ／
ｓ、１．０ｍ／ｓ、２．０ｍ／ｓ、３．０ｍ／ｓ、４．
０ｍ／ｓ、０．５〜６．０ｍ／ｓ、１．０〜６．０ｍ／
ｓ、２．０〜６．０ｍ／ｓ、３．０〜６．０ｍ／ｓ、
４．０〜６．０ｍ／ｓであることがより好ましく、５．
０ｍ／ｓ、６．０ｍ／ｓ、５．０〜６．０ｍ／ｓである
ことが更に好ましい。この送り速度が遅くなると、鋳鉄
部材にはガス欠陥が発生し易くなる。

【００２３】上述した高密度エネルギービームの焦点の
位置、出力及び送り速度の組み合わせによっては、鋳鉄
部材の表層部にチルが晶出してしまう場合があるので、
鋳鉄部材の表層部にチルが晶出しない組み合わせを適宜
選択する必要がある。高密度エネルギービームの焦点の
位置、出力及び送り速度の組み合わせのうち、適した設
定は、例えば、焦点の位置を鋳鉄部材の表面に合わせ
て、出力０．７〜０．８ｋｗ、送り速度５．０〜６．０
ｍ／ｓにて行う設定である。

【００２４】図１に示すように、鋳鉄部材１１の表面１
２に対して高密度エネルギービーム１３の焦点の位置を
合わせた状態で高密度エネルギービーム１３を照射し、
該鋳鉄部材１１をその表層部１１ａの深さまで溶融させ
ることで、溶融部Ｍを形成する。この溶融部Ｍは、鋳鉄
部材１１の表層部１１ａの深さ方向に沿った断面におい
て、略Ｕ状又は略Ｖ状をなしており、該溶融部Ｍが凝固
（冷却）されることによって、図３（ａ）に示すよう
に、チルの晶出しないフェライト１４が形成されること
となる。

【００２５】また、図１に示すように、溶融部Ｍの周り
には溶融部Ｍの熱の影響を受けてオーステナイト化され
た部分、すなわち未溶融部Ｇが形成されると共に、該未
溶融部Ｇが溶融部Ｍと共に冷却されることで、図３
（ａ）に示すように、フェライト１４の周りにはマルテ
ンサイト１５が形成されることとなる。なお、鋳鉄部材
の表面全てに高密度エネルギービームを照射するような
場合には、鋳鉄部材の表面にはマルテンサイトは形成さ
れず、鋳鉄部材の内部にのみ形成される。

【００２６】図２は、高密度エネルギービーム照射後の
鋳鉄部材の表層部における断面状態を５０倍に拡大して
示す顕微鏡写真であり、２枚の写真を繋ぎ合わせたもの
である。また、この図２の顕微鏡写真を簡略化して模式
的に示したものが図３（ａ）に相当し、図２に係る鋳鉄
部材の断面にはナイタール液でエッチング処理が施され
ている。なお、図２は、図１に示した態様を用いること
によって得られたものであり、高密度エネルギービーム
の隣り合う焦点同士の間隔は１．０４ｍｍ、各溶融部の
最上面の幅は０．６６ｍｍに設定されている。

【００２７】図２に示すように、右半分及び左半分の各
写真には、略Ｕ状又は略Ｖ状のフェライトの周りにマル
テンサイトが形成されていることが観察される。また、
各写真の上部との境界は明瞭でないが、フェライトの上
部には、黒鉛が存在していることも観察される。加え
て、フェライトの上部を除く部分には、黒鉛が存在して
いないこともわかる（フェライトとマルテンサイトとの
境界部分には、黒鉛が存在している部分もある）。

【００２８】最後に、図２，図３（ａ）に示す状態か
ら、フェライト１４の上部に位置する黒鉛１６を含む表
面部位を例えば切削加工を用いて平坦となるように切削
除去することにより、図３（ｂ）に示す態様で、鋳鉄部
材１１の表面処理が完了する。以上のようにして、鋳鉄
部材１１の表層部１１ａ（フェライト１４）から黒鉛を
完全に除去する。ここで、鋳鉄部材１１の表層部１１ａ
の切削加工深さは、例えば１００〜２００μｍに設定さ
れている。

【００２９】上述した本発明に係る鋳鉄部材の表面処理
方法を、鋳鉄製の機械部品や自動車部品（例えばクラン
クシャフト）に適用することができる。

【００３０】

【実施例】本発明を更に具体化した実施例１〜実施例
６、及び、比較例１について、以下に説明する。

【００３１】まず、鋳鉄部材としてオーステンパー鋳鉄
からなる４０ｍｍ×４０ｍｍ×７ｍｍの７つ（実施例１
〜実施例６、及び、比較例１）のテストピースを用意し
た。次に、各テストピースに対して、ＣＯ2レーザを用
い、表１に示したレーザ条件にて照射を行うと共に、レ
ーザ照射後の各テストピースをそれぞれ評価した。すな
わち、各テストピースのビッカース硬さ（ＭＨＶ）を測
定すると共に、各テストピースの組織及びその状態を観
察した。その結果を表２に示す。なお、表１中での焦点
の位置の欄において、０（ｍｍ）とは、レーザの焦点の
位置をテストピースの表面に合わせてセットしたことを
表し、−２０（ｍｍ）とは、レーザの焦点の位置をテス
トピースの表面から上方に２０ｍｍ離れた位置にセット
したことを表している。

【００３２】

【表1】

【００３３】

【表2】

【００３４】表２から理解できるように、実施例１のビ
ッカース硬さは７４０ＭＨＶであり、実施例２のビッカ
ース硬さは７００ＭＨＶであり、実施例３のビッカース
硬さは６５０ＭＨＶであり、実施例４のビッカース硬さ
は５００ＭＨＶであった。実施例１〜実施例４では、組
織中に若干のガス欠陥が発生するものの、レーザを照射
して溶融された部分にフェライトが形成されると共に、
そのフェライトの周りにマルテンサイトが形成されると
いうことを確認できた。実施例１〜実施例４において、
組織中に若干のガス欠陥が発生した理由は、レーザの出
力が低いことと、レーザの送り速度が低いこととに起因
していると考えられる。

【００３５】また、表２から理解できるように、実施例
５のビッカース硬さは４０２ＭＨＶであり、実施例６の
ビッカース硬さは４１０ＭＨＶであった。実施例５及び
実施例６では、組織中でのガス欠陥の発生は見られず、
レーザを照射して溶融された部分にフェライトが形成さ
れると共に、そのフェライトの周りにマルテンサイトが
形成されるということを確認できた。組織中にガス欠陥
が発生しなかった理由は、実施例１〜実施例４の場合よ
りも、レーザの出力が高く、かつ、レーザの送り速度が
速かったことによるものと推測される。

【００３６】加えて、表２から理解できるように、比較
例１のビッカース硬さは、８６０ＭＨＶであった。比較
例１では、組織中において大量のガス欠陥が発生すると
共に、チルの晶出が観察された。組織中に大量のガス欠
陥が発生した理由は、レーザの焦点位置が上方にセット
されていることと、レーザの出力が低いことと、レーザ
の送り速度が実施例１〜実施例４の場合よりも遅いこと
とに起因していると考えられる。比較例１においては、
組織中に（硬くて脆い性質を有している）チルが晶出す
ると共に、大量のガス欠陥が発生しているため、鋳鉄部
材として使用するには不適であると言える。

【００３７】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、大気加
熱法や電解法を用いなくても、鋳鉄部材の表層部におけ
るチルの晶出を防止できると共に、鋳鉄部材の表層部か
ら黒鉛を確実に除去できる。また、従来技術と比較し
て、鋳鉄部材の表面処理における作業性の悪化を抑制で
きる。更に、鋳鉄部材と相手部材とを溶接で接合する場
合、鋳鉄部材の相手部材との接触面から黒鉛を確実に除
去できるため、鋳鉄部材と相手部材との溶接を良好な状
態で行うことができる。

【００３８】請求項２に記載の発明によれば、請求項１
に記載の発明の効果に加えて、フェライトの周りに形成
されたマルテンサイトにより、鋳鉄部材における耐摩耗
性の向上を図ることができる。

【００３９】請求項３に記載の発明によれば、請求項
１，請求項２に記載の発明の効果に加えて、高密度エネ
ルギービームの出力を低く設定したり、高密度エネルギ
ービームの照射時間を短く設定したりすることができる
ようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】鋳鉄部材の表面へ高密度エネルギービームを照
射した状態を模式的に示す断面図である。

【図２】高密度エネルギービーム照射後の鋳鉄部材の表
層部における断面状態を５０倍に拡大して示す顕微鏡写
真である。

【図３】（ａ）高密度エネルギービーム照射後の鋳鉄部
材の表層部における状態を模式的に示す断面図であり、
（ｂ）鋳鉄部材の表層部から黒鉛を切削除去した状態を
模式的に示す断面図である。

【符号の説明】

１１鋳鉄部材１１ａ表層部１２表面１３高密度エネルギービーム１４フェライト１５マルテンサイト１６黒鉛Ｍ溶融部Ｇ未溶融部

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【手続補正書】

【提出日】平成１３年１０月１日（２００１．１０．
１）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鋳鉄部材の表面へ高密度エネルギービー
ムを照射し、該鋳鉄部材の表層部を溶融させて溶融部を
形成し、該溶融部の上部へ比重差を利用して黒鉛を浮上
させた後、その状態で前記溶融部を凝固させてチルの晶
出しないフェライトを形成すると共に、該フェライトの
上部に位置する前記黒鉛を含む表面部位を除去すること
を特徴とする鋳鉄部材の表面処理方法。
【請求項２】前記フェライトの周りにマルテンサイト
を形成することを特徴とする請求項１に記載の鋳鉄部材
の表面処理方法。
【請求項３】前記高密度エネルギービームの焦点を前
記鋳鉄部材の表面に合わせた状態で、前記高密度エネル
ギービームを照射することを特徴とする請求項１又は請
求項２に記載の鋳鉄部材の表面処理方法。