JPH02310335A - 高速回転部材及びその表面処理方法 - 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〕 本発明は高負荷を受けて高速回転する球状黒鉛鋳鉄部材
に関するものである。

〔従来の技術〕

ＤＯＨＣ型ガソリンエンジン、ターボ加給器付エンジン
、高回転型ディーゼルエンジン等のクランク軸に用いら
れる高負荷を受けて高速回転する部材は、最小膜厚が１
μｍ程度の薄い油膜の層を介したすべり軸受で支えられ
ている。これらの高速回転部材は軸受の摩耗、焼付き等
の有害な問題に対して優位な特性を持った鍛鋼製部材が
使用されている。

高速回転部材として、球状黒鉛鋳鉄部材が用いられるこ
ともあるが、軸受性能の面からかなり劣っていた。即ち
、すべり軸受によって支えらる上記高速回転部材は、潤
滑油によって形成される油膜が１μｍ程度まで薄くなる
ため、高速回転部材のしゅう動面上に突出物が存在する
と、正常な油膜が形成されず、また油膜厚さ以上の高さ
の突出物があればすべり軸受と直ちに接触して、比較的
軟らかいすべり軸受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、ときには焼付きと
いう好ましからざる結果を招く。

球状黒鉛鋳鉄は基地＆ＩＩ織中に球状の黒鉛を持ってお
り、黒鉛自体が固体潤滑剤としての働きをする他、潤滑
油の保持性が良いために、一般に軸受性能が良いことは
よく知られている０球状黒鉛鋳鉄部材を高速回転部材と
した場合、直径５０ｍｍピン幅２０ｍｍを例とすれば、
黒鉛粒数が２００個／　ｍ　ｎ？のときジ＋−ナル部の
黒鉛の全数は６３０万個にも達する。

しかし、第２図に示すように、球状黒鉛鋳鉄部材からな
る高速回転部材の仕上げ研削加工やラッピング加工時に
、表層部の黒鉛１周囲の基地組織２が尖閣縁部７つまり
ばりとして毛羽立ち、数μｍ−１０数μｍの突起物がで
き、６３０万個の黒鉛１のうちの少数でも、このような
ものが発生すると、摩耗が象、激に促進される。

これを改善するため、機械仕上作業の方法を改善してば
りの発生を極力抑える方法として、回転部材の回転方向
に対して順目研磨や１噴目ラツプ（＠、Ｊ、Ｗｌ（ＩＴ
ＮＥ’／、Ｊｒ、、ｅＬ　ａｌ、：Ｗｅａｒ、ｖｏｌ　
１０Ｂ（１９８６年）３４５〜３５６頁〕や１、材料の
製造方法や組織を改善してばりを発生しにくい材料とす
るため、窒化処理等によって表面を硬化（Ｆ、Ａ、Ｄａ
ｖｉｓ：＾ｕｔｏ鳳０ｔｉｖｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ、ｖ
ｏｌ　１（５）１９７６年５１〜５４ｉ）　ｌ、て対処
しようとしたこともあるが１、いずれも軸受性能が不十
分であったり、作業性の悪化や原価上昇のため、回転部
材を量産する技術としては確立された手法とはなってい
ない。

また、電解研磨加工により表面仕上げを行うことが、ｕ
ｌｒｉｃｈｐｅＬ　ａｌ、：ＳＡＥ　Ｔｅｃｈｎｉｃａ
ｌ　Ｐａｐｅｒ　８８００９７（４，１９８８年）の文
献に記載されている。これによれば、黒鉛周囲の基地組
織のぼりは除去できるが、その反面基地組織そのものも
電解のため面粗さが悪くなり、高速回転部材として用い
た場合には、相手のすべり軸受を傷つけて寿命が短かく
なっている。

一方、高強度かつ高耐摩耗が要求されるクランクシャフ
ト等では、従来からＣｕ、Ｓｎ等を適量添加してパーラ
イト化を促進させた材料を使用しているが、運転中に発
生する多大な衝撃荷重に対し折損しない高い靭性が求め
られる。このため高い靭性をも兼ね備えた合金組成でな
ければならず、靭性を低下させるＣｕ、Ｓｎ等の元素の
添加量には制限があり、制限した場合には黒鉛を囲むよ
うにフェライトが析出した組織となる。フェライトは比
較的粘りがある組織であり、研削加工の際にこれがぼり
状に表面に突出した形で残ることが多く、フェライト＆
１１織は高速回転部材としては使用できない。

（発明が解決しようとする課題〕 高速回転部材として鍛鋼性部材を用いた場合には、鍛造
に要する費用と加工に要する費用のいずれも球状黒鉛鋳
鉄部材に比べてかなり高くなる力（現実ではエンジン性
能確保のためやむを得ずこれを使用している。

従って、球状黒鉛鋳鉄部材に対する上記問題を低コスト
で解決する手段を持って実用化すれば大きな原価低減効
果が期待できる。

本発明は材料の基地組織および表面処理の両者による表
面状態の改善により、高負荷、高回転に耐える優れた軸
受性能を持つ、球状黒鉛鋳鉄部材からなる高速回転部材
を提供することを目的とする。

発明者等は、特に表面処理において、単に表面を滑らか
にするといった画一的なものではなく、加工表面や摩耗
・焼付き状況の研究を行った。そして、その原因を把握
し、球状黒鉛鋳鉄材を高速回転部材として最適な表面状
態とする知見を得て発明するに至ったのである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明の高速回転部材は、
球状黒鉛鋳鉄部材の表層部の黒鉛が露出または埋設した
基地組織が、実開でない縁部を有する。

上記高速回転部材の表層部は基地組織中のパーライトの
面積率が９２％以上、黒鉛の平均粒径が３５μｍ以下で
あり、前記パーライトと黒鉛の間にフェライト環を持た
ない。

第２の発明は、第１の発明の表面処理方法であって、球
状黒鉛鋳鉄部材の表層部の黒鉛周囲の尖閣縁部を除去手
段により除去することにより、前記黒鉛を露出または埋
設した基地組織を、実開でない縁部とするものである。

そして、前記尖閣縁部の除去手段は、化学的腐食、電解
研磨、電解研削の少なくとも一種以上を組み合わせた表
面処理による。

〔作用〕

球状黒鉛鋳鉄部材の表層部の黒鉛周囲の尖閣縁部を表面
処理により取り除くことにより、また黒鉛を露出させる
ことにより、すべり軸受の摩耗や焼付きの原因を取り除
き、鋳鉄部材が本来有する良好な潤滑性を回復させ、優
れた軸受性能を得ることができる。

また、パーライトの面積率が９２％以上、黒鉛の平均粒
径が３５μｍ以下であり、前記パーライトと黒鉛の周囲
に析出するフェライトを排除した組織とすることにより
、研削加工性の良い緻密な基地となる。また、化学的腐
食、電解研磨や電解研削しても、フェライト環を排除し
であるので基地組織が荒れたり、腐蝕することが少なく
黒鉛が脱落することがない、そして、黒鉛まわりに尖閣
縁部が発生し難い。

基地＆ｌＩ織の改善と、特徴ある表面処理を併せて実施
するとにより、更に軸受性能を向上させ得る。

また一方では、構造部材として十分な機械的強度を満足
させることができる。

〔実施例〕

次に本発明の実施例について説明する。

（１）試料の鋳造および熱処理 第１表の成分と鉄と不可避不純物からなる材料から、直
径６５ｍｍＸ長さ３００ｍｍの試験片を作製した。

第　　１　　表　　　　　（１１ｔχ）所望の材質を得
るために、一般的には注湯後常温近くまで冷却した後再
び高温にして熱処理する方法がとられるが、ここでは試
験片の温度が９００℃迄下がったとき８５０℃に加熱さ
れた連続炉に入炉して１０分間保持した後、炉外へ取り
出しブロアによって７５°Ｃ／分の冷却速度で冷却した
このときの＆ｌ織を第３図に示す。

上記の製作方法によってパーライト５面積率は９２％以
上、黒鉛１の平均粒径は３５μｍ以下であり、黒鉛１周
囲にフェライト６環がない組織となった。比較のために
第１表の化学成分で鋳放し品を作製した。この組織を第
４図に示す、これは従来の球状黒鉛鋳鉄を代表する＆１
１織であり、黒鉛１の周囲をフェライト６が環状に取り
囲んだＭ１！ａとなっている。

（２）研磨後のぼり発生状況 上記第３図に示す材料は黒鉛ｌの周囲にフェライト６環
がないため良好な研削性を示し、表層部の黒鉛１の周囲
にもぼりは発生し難いが、若干粗い加工を施せば小さな
ばつが発生する。第６図は表面粗さＲｍａｘ＝２μｍ程
度に研削仕上した面の黒鉛部の表面状態である。黒鉛ｌ
の周囲に基地組織２が尖閣縁部７つまりぼり状に残った
様子が観察される。このぼりが高速回転部材に発生する
と軸受とかじり、急激な摩耗、焼付きの原因となる。

（３）表面処理後の表面状態 この試験片に対して、比重１．１２４、Ｐ　Ｈ６゜４２
のＮａＮ０．を電解液として、電圧ＩＶにて９０秒間電
解研磨した面の黒鉛部の表面状態を第５図に示す、第６
図に見られた有害な尖閣縁部７つまりばりが取り除かれ
ており、円形の穴の底には黒鉛１の頂部が露出している
のが観察される。

また、表面処理後の表面状態の模式断面図を第１図に示
す、黒鉛１を露出している基地ｍ織２および埋設した基
地！！４１２が、第２図では尖閣縁部７つまりばりとし
て発生しているものが、第１図では取られて大間でない
縁部４となっている。

（４）高速回転試験 上記と同じ方法で製作した高速回転試験片について、回
転数を８０００　ｒ　／　ｍ　ｉ　ｎ、軸受負荷を１５
　］　５　ｋ　ｇ　ｆ　／　ｃ　ｒｔｒ　−ｍ　／　ｓ
の静荷重、軸受を自動車エンジン用クランク軸に用いら
れているケルメツト製すベリ軸受とし、２５時間の耐久
テストを行った（試験装置については、末永、他：日立
金属技報、５　（１９８９）、８９に依る〕ところ、鍛
鋼製部材の３４８Ｃ調質材にて製作した試験片に比べて
遜色ない軸受材の耐久摩耗を示したこのテスト条件は３
４８Ｃｍ賞材に対しても焼付き限界に近い厳しいもので
あり、本発明によって鍛鋼製部材の高速回転部材に代替
えできる球状黒鉛鋳鉄部材からなる高速回転部材ができ
た。

〔発明の効果〕

本発明によれば、従来高負荷を受けて高速回転する部材
の材料として軸受特性の面から不適当とされてきた球状
黒鉛鋳鉄部材に適切な表面処理を施すことによって、さ
らには材料の基地組織を改善することによって、鍛鋼製
部材なみの軸受性能を持つ高速回転部材を得ることがで
きる。

また、本発明は量産における作業性においても優れかつ
廉価に実施することができ、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図は本発明高速回転部材の表層部の状態を示す断面
模式図、第２図は従来の表層部の状態を示す断面模式図
、第３図は本発明高速回転部材の金属＆ＩＩｌ＠顕微鏡
写真を示す刷、第４図は従来材の金属ｍｍ顕微鏡写真を
示す麹、第５図は本発明の表面処理をした表面状態を示
す図、第６図は従来の表面状態を示す図である。 １：黒鉛、２：基地組織、３：表面処理面、４：大間で
ない縁部、５：パーライト、６：フェライト、７：尖閣
縁部。 第　１　図 第　２　図 第４図 第５　図 第６図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）球状黒鉛鋳鉄部材の表層部の黒鉛を露出又は埋設
   した基地組織が、尖閣でない縁部を有することを特徴と
   する高速回転部材。
2. （２）パーライトの面積率が９２％以上、黒鉛の平均粒
   径が３５μｍ以下であり、前記パーライトと黒鉛の間に
   フェライト環がないことを特徴とする請求項１記載の高
   速回転部材。
3. （３）球状黒鉛鋳鉄部材の表層部の黒鉛周囲の尖閣縁部
   を除去手段により除去することにより、前記黒鉛を表面
   に露出させ、または表面より凹んだ穴の底に埋設させる
   ことを特徴とする高速回転部材の表面処理方法。
4. （４）前記尖閣縁部の除去手段が、化学的腐食、電解研
   磨、電解研削の少なくとも一種以上を組み合わせた表面
   処理によることを特徴とする高速回転部材の表面処理方
   法。