JPH0210223B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、鋳鉄と鋼とを溶接してなる複合部
品の製造方法に関するものである。

従来、第１図に示すような自動車用ミツシヨン
ギヤ１を製造する場合、該ミツシヨンギヤ１を一
体的に加工しようとすると加工工具が干渉し、長
尺のミツシヨンギヤ１しか加工できないことか
ら、ミツシヨンギヤ１のギヤ部２及びクラツチコ
ーン部３をそれぞれ別個に形成し、それらを結合
させるようにしていた（例えば実開昭55−151928
号参照）。そしてこのギヤ２とクラツチコーン３
との結合方法としては、次のような(i)〜(iii)の方法
が採用されていた。即ち、 (i) ギヤ２の筒状の突出部２ａ外面及びクラツチ
コーン３の内面３ａにそれぞれセレーシヨン加
工を施こし、両者を圧入によつて結合させる。

(ii) ギヤ２の突出部２ａにセレーシヨン加工を施
こし、クラツチコーン３の内面３ａに浸炭焼入
れ後高周波焼なましを行ない、両者を圧入によ
つて結合させる。

(iii) ギヤ２とクラツチコーン３とを嵌合させた
後、両者の当接部４を電子ビーム溶接やレーザ
ビーム溶接によつて結合させる。

しかるにこのような従来の製造方法では、いず
れも鋼を用いており、しかもそれらを浸炭焼入・
焼戻しするようにしていたので、製造コストが高
く、しかも鋼を用いていることから、ギヤの熱処
理変形が大きく、又ギヤノイズが大きい等の欠点
があつた。このような欠点を解消するためには、
クラツチコーン３は強靭性が必要なことから鋼を
用い、またギヤ２は振動吸収性能及びコスト等を
考慮して鋳鉄を用い、両者をそれぞれ熱処理した
後、嵌合して溶接によつて結合する方法が考えら
れるが、この方法では溶接部にチル（遊離セメン
タイト）が生成し、溶接割れを生じたり、溶接部
の衝撃強さ等が低い等の欠点があつた。

本件発明者は、かかる問題点に鑑み、鋭意研究
の結果、鋳鉄と鋼の複合部品を製造する場合、溶
接後に熱処理を行なうようにすれば、溶接部の遊
離セメンタイトが分解することを知見し、これに
より大きな接合強度を得ることができるとともに
母材の強靭化を達成でき、しかもそれを１回の熱
処理によつて行なえるようにした、鋳鉄と鋼とを
溶接してなる複合部品の製造方法を発明するに到
つたものである。

即ち本発明は、鋳鉄製の第１部品と浸炭鋼製の
第２部品とを電子ビーム溶接等によつて接合して
複合部品を製作した後、それを浸炭雰囲気中で
850〜950℃にて0.5〜10時間加熱した後220〜300
℃にて0.1〜３時間保持することによつて第１部
品を恒温処理にてベイナイト組織にするオーステ
ンパ処理と第２部品を浸炭焼入する処理とを同時
にできるようにしたことを特徴としている。

以下本発明の一実施例を図について詳細に説明
する。

第２図ないし第４図は本発明の一実施例方法に
よる鋳鉄と鋼とを溶接してなる複合部品の製造工
程を示し、これは自動車用ミツシヨンギヤの製造
に適用した例である。本方法によつて複合部品で
あるミツシヨンギヤ１を製造する場合、まず第１
部品であるギヤ２及び第２部品であるクラツチコ
ーン３を製造する。即ちギヤ２については、鋳鉄
材料FCD45（Ｃ：3.60％、Si：2.55％、Mn、0.24
％、Ｓ：0.01％、Mg：0.041％）を用いてギヤ２
の素材を鋳造し（鋳造工程５）、続いてこの素材
のギヤ部２ｂ及び溶接接合すべき部分である筒状
の突出部２ａを機械加工する（加工工程６）。ま
たクラツチコーン３については、浸炭鋼SCr420
（Ｃ：0.20％、Si：0.25％、Mn：0.72％、Cr：
1.13％）を用いて冷間鍛造によりクラツチコーン
３の素材を形成し（鍛造工程８）、この素材３の
溶接接合すべき部分である内面３ａを機械加工す
る（加工工程９）。なお上述のギヤ２の鋳鉄材料
FCD４５は鋳放しの硬度がビツカース硬さ
（VHN）175の非合金球状黒鉛鋳鉄であり、良好
な加工性を有するが、鋳放し硬度がブリネル硬さ
（BHN）220以上の他の鋳鉄材料を用いる場合に
は歯切り加工性を向上させるため、鋳造工程５と
加工工程６との間において通常のフエライト化焼
鈍を行なうようにすればよい（焼鈍工程７）。

次にこのようにして製造したギヤ２とクラツチ
コーン３とを圧入あるいはルーズフイツト嵌合に
よつて結合し（嵌合工程10）、両者の当接部４を
溶接し（溶接工程11）、ミツシヨンギヤ１を製作
する。ここで上述のルーズフイツト嵌合を行なう
場合は、クリアランスをギヤ２突出部２ａの外径
の0.3％以下とするのが好ましい。これは後の熱
処理工程12中にギヤ２の突出部２ａが0.3〜0.35
％膨張するのに対し、クラツチコーン３はほとん
ど変形せず、熱処理後両者が強固に嵌合するから
である。また溶接方法としては、電子ビーム溶
接、レーザビーム溶接あるいはアーク溶接等を用
いればよい。

そして最後にこのようにした製作したミツシヨ
ンギヤ１を熱処理する（熱処理工程12）。即ち、
バツチ炉をプロパン、ブタン、メタン等をキヤリ
アガスで希釈した平衡炭素濃度（カーボンポテン
シヤル）0.80％以上の浸炭性ガス雰囲気、あるい
はこれにアンモニアガスを加えた浸炭窒化性雰囲
気とし、該バツチ炉内においてミツシヨンギヤ１
を850〜950℃の温度で0.5〜10時間加熱し（第４
図の１部参照）、次にソルト浴炉において該ミツ
シヨンギヤ１を220〜300℃の温度で0.1〜３時間
保持した後（第４図のｂ部参照）、空冷すると、
ギヤ２を恒温処理にてベイナイト組織にするオー
ステンパ処理と、クラツチコーン３の表面に浸炭
層を形成しそれを焼入する浸炭焼入処理とを同時
に行なうことができる。

次に上述のような熱処理を行なう理由について
説明する。

(1) バツチ炉内の平衡炭素濃度を0.8％以上とし
たのは、球状黒鉛鋳鉄製ギヤ２の脱炭防止を図
り、かつクラツチコーン３の浸炭又は浸炭窒化
を行なおうとしたためである。即ち、平衡炭素
濃度が0.8％以下ではギヤ２の表面に脱炭層が
生成されるとともに、クラツチコーン３の浸炭
又は浸炭窒化も不十分となる。非合金球状黒鉛
鋳鉄FCD４５の場合、920℃の温度でオーステ
ナイトに固溶する炭素濃度は0.9〜0.92wt％で
あり、雰囲気中の平衡炭素濃度がこれ以下にな
ると脱炭を生ずる。また加熱温度によつて平衡
炭素濃度を調整する必要もあり、従つて上記非
合金球状黒鉛鋳鉄FCD４５の場合は850℃の加
熱温度で少なくとも0.75％の平衡炭素濃度であ
ればよい。しかし一方で、クラツチコーン３の
表面を浸炭焼入によつて強化する必要上、平衡
炭素濃度が低いのは機能上好ましくなく、0.8
％以下では熱処理後のクラツチコーン３表面の
硬度が増大せず、所望の強度及び耐摩耗性が得
られず、従つて平衡炭素濃度を0.8％以上とし
ているのであるが、より好ましくはこれは0.85
％以上がよい。

(ii) バツチ炉内での加熱温度を850〜950℃とした
のは、ギヤ２のオーステナイト固溶体の炭素濃
度を0.75〜1.0wt％に調整して続く焼入恒温処
理でギヤ２の組織を良好な耐摩耗性及び疲労強
度を有する針状ベイナイト組織にできるように
すると同時に、クラツチコーン３の表面に対す
る浸炭を容易ならしめるためであり、またさら
に大事なことはこの時前工程11の溶接中に溶接
ビード部４に生成した遊離セメンタイトを分解
するためである。即ち、通常、オーステンパー
処理して強化するギヤ２と浸炭焼入して強化す
るクラツチコーン３とを複合化する場合、それ
ぞれの熱処理を終了した完成品を接合するのが
普通であるが、高炭素材料である鋳鉄を溶接で
接合する場合、溶接ビード部４における遊離セ
メンタイトの生成を避けることができず、接合
強度不足をきたす。そこで本件発明者は850〜
950℃で0.5〜10時間加熱中に遊離セメンタイト
が分解することを知見し、ギヤ２とクラツチコ
ーン３とを溶接した後、熱処理することを考え
ついたものである。以上の説明から分かるよう
に加熱温度が850℃以下ではギヤ２の硬度が増
大せず、耐摩耗性が劣り、又クラツチコーン３
表面への浸炭速度が遅くなつて熱処理に長時間
を要し、さらには溶接接合部４の遊離セメンタ
イトの分解が不十分となる。逆に加熱温度が
950℃以上ではクラツチコーン３の結晶粒が粗
大化し、クラツチコーン３のチヤンフアー３ｂ
がミスシフトによつて加わる衝撃に耐え得なく
なる。

(iii) バツチ炉内での加熱時間を0.5〜10時間とし
たのは、0.5時間以下の加熱ではクラツチコー
ン３に対する浸炭が十分でなく、浸炭深さ及び
表面硬さが不足し、又溶接接合部４の遊離セメ
ンタイトの分解が不十分となるからであり、逆
に10時間以上の加熱ではクラツチコーン３の結
晶粒の粗大化及び過剰浸炭によつてチヤンフア
ー３ｂの衝撃強度が著しく低下するからであ
る。

(iv) 焼入恒温処理の温度を220〜300℃としたの
は、ギヤ２を耐摩耗性及び耐疲労強度のすぐれ
た針状ベイナイトに変態させるためであるが、
この時クラツチコーン３も同時に硬化する。こ
れはクラツチコーン３の表面が浸炭されている
ためにこの処理によつて強靭性を有する針状ベ
イナイトに変態し、内部は炭素濃度が低く、変
態点Msが400〜450℃と高く、この処理温度で
低炭素マルテンサイト組織に変態するからであ
る。なおクラツチコーン３は変態後も引き続い
て高温にさらされるため、通常行なわれるよう
な焼入れ後の焼戻しは必要としない。また処理
温度が220℃以下ではギヤ２にマルテンサイト
相が析出し、特に疲労強度及び衝撃強度が著し
く低下する。逆に処理浴温度が300℃以上では
ギヤ２及びクラツチコーン３の表面硬さが増大
せず、耐摩耗性が損なわれる。

(v) 焼入恒温処理時間を0.1〜３時間としたのは、
0.1時間以下ではギヤ２の組織のベイナイト変
態が完了せず、３時間以上では焼入恒温処理を
続けてもそれ以上の機械的性質の改善が得られ
ないからである。

また第５図ないし第７図はミツシヨンギヤ１各
部の金属組織を示し、第５図ａ及びｂは、第３図
ｂのギヤ２の内部Ａにおける電子ビーム溶接後で
かつ熱処理前及び熱処理後の組織、第６図ａ及び
ｂは、第３図ｂのクラツチコーン３の表面Ｂにお
ける溶接後で熱処理前及び熱処理後の組織、第６
図ｃは、第３図ｂのクラツチコーン３の内部Ｃに
おける熱処理後の組織、第７図ａ及びｂは溶接ビ
ード部４における溶接後で熱処理前及び熱処理後
の組織を示す。これによれば、溶接後で熱処理前
においては、ギヤ２は第５図ａのように白色のフ
エライトと灰色のパーライトとそれらの中に点在
する球状黒鉛とからなる鋳造組織となつており、
クラツチコーン３は第６図ａのように白色のフエ
ライトと灰色のパーライトとからなる共析組織と
なつており、溶接ビード部４は第７図ａのように
灰色のパーライトと、該パーライト間に生成した
白色の遊離セメンタイトと、微細な黒鉛とからな
る組織となつている。これに対し熱処理後には、
ギヤ２は第５図ｂのように白色の残留オーステナ
イトとその中に生成した針状ベイナイトと球状黒
鉛とからなる組織に変化しており、上記クラツチ
コーン３の表面Ｂは第６図ｂのように残留オース
テナイトと針状ベイナイトとからなる組織に変化
しており、その内部Ｃは第６図ｃのように低炭素
マルテンサイト組織に変化しており、溶接ビード
部４は第７図ｂのように残留オーステナイトと針
状ベイナイトと微細な球状黒鉛とからなる組織に
変化している。このように本方法の熱処理によ
り、溶接時にビード部４に生成した遊離セメンタ
イトは熱処理のオーステナイト化の際に完全に分
解することができ、又ギヤ２は恒温変態によつて
針状ベイナイト組織に、クラツチコーン３は浸炭
焼入・焼戻し組織にすることができる。

また第８図は恒温処理温度に対する溶接ビード
部４の機械的性質の変化を実験により求めた結果
を示している。これによれば、溶接ビード部４の
引張強さは図中実線で示すように、恒温処理温度
が高くなるに伴つて次第に増大し、ほぼ250℃で
最高値約150Kg・f/mm²に達し、その後滑らかに減少
している。また溶接ビード部４の伸びは図中１点
鎖線で示すように、温度が高くなるに伴つて単調
に増加し、300℃でほぼ４％になる。さらに溶接
ビード部４の硬度は図中２点鎖線で示すように、
温度が高くなるに伴つてロツクウエル硬さ
HRc60ぐらいから40ぐらいまで単調に減少して
いる。このような本方法の熱処理により、溶接ビ
ード部４は引張強さ120〜150Kg・f/mm²、伸び２〜
５％となり、球状黒鉛鋳鉄母材と基本的に同等の
機械的性質を発揮し、これにより接合部の強度が
確保される。

またミツシヨンギヤ１各部の熱処理前及び熱処
理後の硬度を測定したところ、熱処理前には、上
記ギヤ２の内部Ａにおいては、ビツカース硬さ
（VHN）175、溶接ビード部４においては
VHN620、上記クラツチコーン３の表面Ｂにお
いてはVHN155であつたが、熱処理後には、ギ
ヤ２はVHN492、溶接ビード部４はVHN480（ロ
ツクウエル硬さHRc47）、上記クラツチコーン３
の内部ＣにおいてはVHN359となつた。さらに
熱処理後のクラツチコーン３の表面Ｂの位置にお
いて該表面からの焼入深さを見るため表面からの
各深さにおける硬度を測定したところ、第９図に
示す結果が得られた。これによれば、表面から
0.1mmのところで最高の硬度VHN750となり、又
表面から0.33mmまでの部分がVHN513以上となつ
て0.33mmの浸炭深さが得られた。このように本方
法の熱処理により、クラツチコーン３の十分な浸
炭焼入深さと、通常の浸炭焼入処理と同等の硬度
とを得ることができる。

以上のような本実施例の製造方法では、ミツシ
ヨンギヤを鋳鉄と鋼とからなる複合部品としたの
で、高価な鋼の量を低減でき、製造コストが安価
となり、しかも軽量化を達成できる。またギヤに
鋳鉄材料を用いているので、ギヤの熱処理変形及
びギヤノイズの発生を軽減できる。さらにギヤ及
びクラツチコーンの熱処理を同時に行なつてお
り、しかも従来のような浸炭焼入れ後の焼戻し処
理が不要となるので、熱処理作業を簡単化でき、
これによつても製造コストを安価にできる。

また本製造方法では、溶接ビード部に生成した
遊離セメンタイトを分解することができ、大きな
接合強度が得られる。またギヤをベイナイト組織
に、クラツチコーンを浸炭焼入・焼戻し組織にし
たので、ミツシヨンギヤの強靭化を達成でき、信
頼性を向上できる。

なお上記実施例では自動車用ミツシヨンギヤの
製造方法について説明したが、本発明は勿論ミツ
シヨンギヤ以外の鋳鉄と鋼の複合部品の製造に適
用できるものである。

以上のように本発明によれば、鋳鉄製の第１部
品と浸炭鋼製の第２部品とを電子ビーム溶接等に
よつて接合して複合部品を製作した後、それを浸
炭雰囲気中で850〜950℃にて0.5〜10時間加熱し
た後220〜300℃にて0.1〜３時間保持することに
よつて第１部品を恒温処理にてベイナイト組織に
するオーステンパ処理と第２部品を浸炭焼入する
処理とを同時にできるようにしたので、大きな接
合強度を得ることができるとともに、母材の強靭
化を達成でき、しかも熱処理が１回ですむという
効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ及びｂはそれぞれ従来の自動車用ミツ
シヨンギヤの側面図及び断面図、第２図は本発明
の一実施例方法による自動車用ミツシヨンギヤの
製造工程を示す図、第３図ａ及びｂはそれぞれ上
記方法により製造された自動車用ミツシヨンギヤ
の側面図及び要部断面図、第４図は上記実施例の
熱処理における温度の時間的変化を示す図、第５
図ないし第７図はそれぞれ上記自動車用ミツシヨ
ンギヤ各部の金属組織の顕微鏡写真であり、第５
図ａ及びｂはそれぞれギヤ２の溶接後でかつ熱処
理及び熱処理後の金属組織の顕微鏡写真、第６図
ａ及びｂはそれぞれクラツチコーン３表面の溶接
後でかつ熱処理前及び熱処理後の金属組織の顕微
鏡写真、第６図ｃはクラツチコーン３内部の熱処
理後の金属組織の顕微鏡写真、第７図ａ及びｂは
それぞれ溶接ビード部４の溶接後でかつ熱処理前
及び熱処理後の金属組織の顕微鏡写真、第８図は
恒温処理温度に対する上記自動車用ミツシヨンギ
ヤの溶接ビード部の引張強さ、伸び及び硬度の関
係を示す図、第９図は上記自動車用ミツシヨンギ
ヤにおけるクラツチコーン３の浸炭深さの測定結
果を示す図である。 １…ミツシヨンギヤ（複合部品）、２…ギヤ
（第１部品）、３…クラツチコーン（第２部品）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ２つの部品を溶接してなる複合部品の製造方
   法であつて、鋳鉄材料にて第１部品を鋳造した後
   該第１部品の溶接接合すべき部分を機械加工する
   一方、浸炭鋼製の第２部品の溶接接合すべき部分
   を機械加工し、この機械加工された第１部品と第
   ２部品の両者の溶接接合すべき部分を当接させて
   溶接して複合部品を製作し、この複合部品を浸炭
   雰囲気内で850〜950℃にて0.5〜10時間加熱した
   後220〜300℃にて0.1〜３時間保持し第１部品を
   恒温処理にてベイナイト組織にするオーステンパ
   処理と第２部品の表面に浸炭層を形成しそれを焼
   入する浸炭焼入処理とを同時に行なうことを特徴
   とする鋳鉄と鋼とを溶接してなる複合部品の製造
   方法。