JPS6350418A - 鋳鉄部品の部分的塊状黒鉛化処理法 - 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 この発明は鋳鉄部品の表面層の少なくとも一部を塊状黒
鉛化するための処理方法に関し、特にレーザ、ＴＩＧア
ーク等の高密度エネルギを用いて鋳鉄部品の表面の所要
の部位を再溶融・チル化させた後、そのチル化層に対し
黒鉛化のための加熱を施してその部位に微細な塊状黒鉛
を晶出させる処理方法に関するものである。

従来の技術 各種の鋳鉄のうちでも片状黒鉛鋳鉄は鋳造性が良好で複
雑な形状の部品を容易に鋳造することができ、しかもコ
ストも低順でまた振動減衰能も高いため、従来から自動
車部品をはじめとする各種機械部品に広く使用されてい
る。しかしながら片状黒鉛鋳鉄においては、その片状に
晶出した黒鉛が切欠きとして作用するため、強度や耐疲
労性、耐熱疲労性に劣る欠点があり、そのためこれらの
特性が要求される用途には不適当でおった。また球状黒
鉛鋳鉄も広く使用されており、球状黒鉛鋳鉄の場合は片
状黒鉛鋳鉄と比較すれば格段に強度、耐疲労性、耐熱疲
労性が優れるものの、一般に晶出黒鉛形状が大きいため
用途によってはこれらの性能が不充分であることも多い
。

一方、部材の用途によっては、強度や耐疲労性、耐熱疲
労性が強く要求される部分が、部材の表面の一部に過ぎ
ないことも多い。そこで従来から、片状黒鉛鋳鉄や球状
黒鉛鋳鉄からなる鋳鉄部材のうち、特に強度や耐疲労性
、耐熱疲労性などが要求される部分の表面層のみに対し
、局部的に微細な塊状黒鉛組織とするための処理を行な
う方法が知られている。その方法の代表的なものとして
は、例えば特開昭８０−５０１１４号公報、おるいは本
出願人の出願に係る特願昭６０−２２８０６７号、特願
昭６１−１０４４９７号において提案されているように
、鋳鉄部材の表面の一部にレーザやＴＩＧアークなどの
高密度エネルギを照射してその表面層を再溶融・急速再
凝固させることによってチル化層を生成し、その後チル
化層に黒鉛化のためのｈ０熱処理を例えば９００〜１０
００℃前後で施して微細な塊状黒鉛を晶出させる方法が
ある。この方法についてより詳細に説明すれば、例えば
基地組織がパーライトで片状黒鉛を晶出しだ片状黒鉛鋳
鉄の表面の一部にＴＩＧアークやレーザ等の高密度エネ
ルギを照射すれば、その照射部位の表面層が急速溶融し
、続いて高密度エネルギの照射位置の移動もしくは照射
停止により鋳鉄母材側へ急速に熱移動して溶融部が急冷
凝固され、黒鉛のないチル化層、すなわち−般にはレー
デブライトとパーライトからなる組織のチル化層となる
。そしてその後９００〜１０００℃前後で加熱すれば、
チル化層におけるレーデブライトやパーライト中のせメ
ンタイトが分解して微細な塊状黒鉛が晶出し、またその
チル化層の基地組織は通常はフェライトもしくはパーラ
イトとなる。

以上のような従来の方法により処理された鋳鉄部材では
、その処理された部分の表面層の晶出黒鉛が塊状であっ
てしかも微細であるため、その部分の強度や耐疲労性、
耐熱疲労性などが極めて良好となる。それに加えて、処
理部以外の母材部分は通常の片状黒鉛鋳鉄などでおれば
良いから、鋳造性自体は良好あり、また撮動減衰能も高
い。

発明が解決すべき問題点 前述の各提案の処理方法を実際に実施した場合、高密度
エネルギによる再溶融・急速再凝固後の急速冷却過程で
チル化層に割れが極めて発生し易い問題がある。この割
れはビード割れと称しているが、このようなビード割れ
が生じれば、製品として使用できないから、前述のよう
な提案の方法では製品歩貿りが著しく低く、実際の工程
としては適用することが困難であった。

この発明は以上の事情に鑑みてなされたもので、ビード
割れが生じることなく、鋳鉄部材の表面層の一部のみを
再溶融・急速再凝固チル化および黒鉛化によって微細な
塊状黒鉛が晶出しだ組Ｒ（いわゆる魚心可鍛鋳鉄組織）
とする方法を提供することを目的とするものである。

問題点を解決するための手段 前述のような高密度エネルギを用いた鋳鉄表面層の一部
の局部的再溶融・再凝固チル化におけるビード割れの発
生原因は次のように考えられる。

すなわち、鋳鉄母材の表面の一部に対し再溶融・急速再
凝固チル化を行なった場合、その部分では凝固開始から
凝固終了までに相当量の収縮が生じるのに加えて、凝固
後至温に至るまでの間にさらに収縮し、そのため母材部
分との間で収縮量に大幅な差が生じて、処理部（チル化
層）が凝固（麦至温に至るまでの間にそのチル化層に割
れが発生してしまう。例えば本発明者等のシミュレーシ
ョン結果によれば、Ｃ３，４％、５ｉ２．１％の片状黒
鉛鋳鉄に対して前述のような再溶融・急速再凝固チル化
処理を施した場合、先ず凝固開始時に初晶オーステナイ
トの晶出による収縮が０．３１％あり、ざらに凝固過程
でレーデブライトの生成による収縮（但しオーステナイ
ト：セメンタイトの比が１：２とした場合）が２．９４
％あり、したがって凝固開始から凝固終了まで３．２５
％の収縮がある。ざらに凝固終了後、苗温に至るまでの
間に冷却による熱収縮から変態による膨張を差し引いて
も４゜２％の収縮があり、結局凝固開始から空温までに
７％を越える収縮があることになり、そのためチル化層
の凝固後の冷却過程で至温近くにおいて割れが発生して
しまうのでおる。

したがってビード割れを防止するためには、再溶融・再
凝固後の急冷過程での収縮量を抑えれば良いものと考え
られる。

ところで再溶融・再凝固チル化後の黒鉛化処理では、セ
メンタイトの分解による黒鉛の晶出によって逆に膨張が
生じる。そこで本発明者等はこの黒鉛化処理時の膨張を
巧みに利用して、チル化層の凝固後の収縮を抑えること
を考えた。すなわち、前記提案の方法を実際に適用する
場合、従来はチル化凝固後に室温まで冷却してから改め
て黒鉛化のための加熱を行なっていたことを改め、チル
化凝固後に、室温まで冷却することなく、ただちに黒鉛
化のための加熱を行なうことによって逆に体積膨張を生
ぜしめ、これによってトータルとしての処理層の収縮量
と母材の収縮量の差を小さくしてビード割れの発生を防
止するようにしたのである。

具体的には、この発明の鋳鉄部材の部分的塊状黒鉛化処
理法は、鋳鉄部品の表面のうち少なくとも一部の表面に
高密度エネルギを照射してその表面層を再溶融・急速再
凝固によりチル化させた後、そのチル化層が４００℃以
下の温度に温度降下しないうちに、ただちに黒鉛化のた
めの加熱を行なうことを特徴とするものである。

作　　用 この発明の部分的塊状黒鉛化処理法においては、先ず第
１図に示すように片状黒鉛鋳鉄もしくは球状黒鉛鋳鉄な
どの鋳鉄からなる鋳鉄部品１のうち、特に強度、耐疲労
性、耐熱疲労性が要求される部位の表面に、ＴＩＧアー
ク、レーザ、電子ビーム、プラズマアーク等の高密度エ
ネルギ２を照射し、その表面層を所要の深さにわたって
急速溶融させるにの際、高密度エネルギの照射位置は、
処理部位の一端側から他端側へ向けて連続的に移動させ
たり、あるいは処理部位内を往復移動させるのが通常で
ある。高密度エネルギ２の照射により溶融した溶融部３
は、高密度エネルギの照射停止もしくは照射位置の移動
によって急冷凝固され、チル化層４となる。すなわち溶
融部３の体積は通常は母材である鋳鉄部品１の全体積に
比較してわずかであり、しかも単位面積当りの照射時間
もわずかであるため、照射によって与えられた熱は母材
側へ急速に熱移動して溶融部３は急速に冷却され、急速
凝固される。そのため黒鉛が晶出せずにチル化層４が得
られる。

このようにしてチル化層４が生成された後には、そのチ
ル化層４が室温まで冷却されないうちに、具体的には４
００’Ｃよりも低い温度まで冷却されないうちに、チル
化Ｍ４に対して直ちに黒鉛化のための加熱を施す。この
加熱は、チル化層４の部分のみを局部的にかつ急速に加
熱するべく、第２図に示すようにチル化層４の表面にコ
イル等からなる高周波誘導加熱装置５を配置して、高周
波加熱によって行なうことが望ましい。この黒鉛化のた
めの加熱は、９００〜１０５０°Ｃ程度で１分〜１０分
程度行なえば良い。

このように凝固後にただちに８００〜１１００℃の加熱
を施すことによってチル化層中のセメンタイトが分解し
て微細な塊状黒鉛が晶出する。なお基地組織は、黒鉛化
のための加熱後に放冷（空冷）した場合は通常はパーラ
イトとなるが、前述の高周波加熱装置で変態点付近の冷
却速度を調整することによってフェライト基地とするこ
ともできる。

以上の過程において、チル化層ので固接の黒鉛化のため
の加熱処理では、セメンタイトが分解して塊状黒鉛が析
出するに伴ないその層の体積膨張が生じる。その膨張量
はＣ，５ｉｆｆｉによっても異なるが、例えばＣ３，４
％、Ｓｉ２．１％の場合、約６％の膨張が生じる。した
がってチル化層の凝固後に直ちに黒鉛化のための加熱を
行なうことによって、凝固後の冷却過程での収縮が進行
しないうちに黒鉛化による熱膨張が生じ、そのため処理
部位の収縮量が小さい値に抑えられるかまたは逆に膨張
した状態となり、その結果ビード割れの発生が有効に防
止される。

ここで、凝固後のチル化層が４００　’Ｃ以下の温度ま
で冷却されてから黒鉛化のための加熱を行なった場合は
、その４００’Ｃ以下の温度までの冷却過程でビード割
れが生じてしまうおそれがあるから、４００℃以下まで
冷却されないうちに黒鉛化のための加熱を行なう必要が
おる。また、より確実にビード割れを防止するためには
凝固後のチル化層が６００℃以下の温度に冷却される以
前に黒鉛化のための加熱を行なうことが望ましい。

なお実際の工程においては、チル化層の凝固後の冷却過
程の温度を測定することが必ずしも容易ではないから、
実操業では、ＴＩＧアークヤレーザ等の高密度エネルギ
による再溶融・急速再；疑固チル化のための加熱を停止
してからの経過時間を目安として黒鉛化のための加熱を
開始することが望ましい。その場合部品の形状や大きざ
によってチル化凝固後の冷却速度が異なるが、通常はチ
ル化のための照射加熱を停止してから数秒ないし１０秒
程度までを黒鉛化のための加熱開始時間の目安とすれば
良い。

なお高周波加熱によって、黒鉛化のための加熱のみなら
ず再溶融・急速再凝固チル化処理を行なうことも考えら
れるが、高周波加熱ではＴＩＧアーク、レーザあるいは
電子ビームはどエネルギが高密度ではなく、必要部位以
外の部分も溶融ざぜてしまう問題があり、また高周波加
熱により２〜３ｍ程度まで深く再溶融チル化させようと
した場合、溶融部の周辺の広い領域にわたって高温とな
ってしまうため、溶融後の凝固速度が遅くなり、そため
共晶黒鉛が晶出して完全なチル化層が得られない問題も
ある。したがって前述のようにこの発明では再溶融・急
速再凝固チル化にはレーザ、ＴＩＧアーク等の高密度エ
ルギを用いることとした。

実施例 Ｃ３，４％、３ｉ２．１％を含有するＪＩＳ　Ｆｅ１２
の片状黒鉛鋳鉄からなる外径１２０ｍ、厚さ３０ｍｍの
円盤状試験片を用い、その試験片の盤面の中央部にＴＩ
Ｇアークを長さ２０＃の範囲にねたり３１（Ｚで往復運
動させつつ印加して、ＴＩＧアークによる再溶融・急速
再凝固チル化処理を行なった。ＴＩＧアークを停止ざぜ
た直後、試験片を高周波加熱装置の下へ移動させて、ア
ーク停止直後から約５秒経過後に高周波加熱による黒鉛
化処理を開始した。

なおこの加熱開始時のチル化層の温度は、６００〜７０
０℃程度と推定される。高周波加熱装置としては２５Ｘ
１０ｍの範囲を熱処理できるものを用い、また周波数４
０　ｋＨ２，出力２８　ｋＶＡ　（）ｔａｘ　）の電源
を用イテ、９６０〜１０２０℃ノ間テ出力ヲ７ｋＶ〜５
　ｋＶｔＶｔ化させ、１０分間の加熱保持を行なった。

加熱後は放冷した。

このようにして処理された試験片の処理部位の金属組織
を第３図に示す。第３図において、黒い部分は塊状黒鉛
を、灰色部分はパーライトを、白色部分はフェライトを
示す。また上述のようにして処理された試験片の処理部
位の観察を行なったところ、ビード割れは全く生じてい
ないことが確認された。

一方、比較のため、ＴＩＧアークにより再溶融・急速再
凝固チル化を行なった後至温まで冷却してから黒鉛化の
ための加熱を行なったところ、７０％のものでヒート割
れが発生することが確認された。

発明の効果 この発明の部分的塊状黒鉛化処理法によれば、鋳鉄部品
の少なくとも一部の表面層のみを局部的に微細な塊状黒
鉛が晶出した層とするにあたって、その処理層に割れが
生じることが有効に防止され、したがって処理による不
良品発生率を大幅に低下させて製品歩留りを向上させる
ことができる。したがってこの発明の方法を実際の鋳鉄
部品の製造に適用して、鋳鉄部品の局部的な強度、耐疲
労性、耐熱疲労性の向上を図るに極めて有効でおる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はこの発明の部分的塊状黒鉛化処理
法を実施している状況を段階的に示す略解図、第３図は
この発明の実施例によって処理された部位の金属組織断
面写真（倍率４００倍）でおる。 １・・・鋳鉄部品、　２・・・高密度エネルギ、　３・
・・溶融部、　４・・・チル化層、　５・・・高周波加
熱装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 鋳鉄部品の表面のうち少なくとも一部の表面に高密度エ
   ネルギを照射してその表面層を再溶融急速再凝固により
   チル化させた後、そのチル化層が４００℃以下の温度に
   温度降下しないうちに、ただちに黒鉛化のための加熱を
   行なうことを特徴とする鋳鉄部品の部分的塊状黒鉛化処
   理法。