JP2000288684A - 黒鉛組織遷移化鋳鉄鋳物製造用鋳型 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 黒鉛組織遷移化鋳鉄鋳物を製造するための鋳
型。 【解決手段】 溶湯注入用堰１、鋳物製品部２ａ、黒鉛
球状化反応室２ｂの順に互いに連通して横方向に配置さ
れた鋳型であって、鋳物製品部２ａと反応室２ｂとの間
にダム２ｃを設け、かつ注湯前に反応室２ｂ内に黒鉛球
状化剤を設置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、一つの鋳鉄鋳物
製品を構成する材料の組織を、部位的に片状黒鉛鋳鉄か
ら球状黒鉛鋳鉄へと遷移させたものとすることを可能と
する鋳型に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】 鋳鉄を構成する組織の一つである黒鉛
は、溶湯処理によって、片状から球状へ変化させること
が可能である。しかして、片状黒鉛鋳鉄は振動減衰能、
耐摩耗性、熱伝導性に優れ、これに対して球状黒鉛鋳鉄
は強度、延性、靭性、耐熱疲労性に優れている。このた
め、鋳鉄鋳物に要求される性質や機能の高度化に伴い、
一つの鋳鉄鋳物製品中に部位的にこれらの異なった組織
を有する高機能複合材料、多層構成鋳物、又は黒鉛組織
遷移化鋳物の製造に対するニーズが日増しに高まってい
る。本発明者は、先に「多層構成鋳物の製造方法」（特
許公報第２８１６０９９号）を開示したが、この外にも
例えば、他の発明者による「複合鋳物の製造方法」（特
開平１１−３３６８３号）等が開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記方法を
さらに改良し、新たな発想を加えて、より優れた黒鉛組
織遷移化鋳物が、製品の形状、大小に対する制約が少な
く、より容易にかつ確実に製造できる鋳型を開発するこ
とを課題とした。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明による鋳型は、横
方向に配置され互いに連通する溶湯注入用堰と、鋳物製
品部と黒鉛球状化反応室からなる鋳型空隙部とから構成
され、鋳物製品部と反応室との間にダムを介在させ、か
つ注湯前に反応室内に黒鉛球状化剤を設置することを特
徴とし、黒鉛球状化処理溶湯が、未処理の元湯よりも密
度が低いという性質を利用するものである。鋳型の鋳物
製品部の底部に設けられた溶湯注入用の堰から静かに注
入された溶湯は、いったん鋳物製品部内に溜められる。
その後、溜められた溶湯はダムを乗り越えて反応室内に
流入し、反応室内にあらかじめ設置された黒鉛球状化剤
によって晶出する黒鉛が球状化される。黒鉛が球状化さ
れた溶湯は、こんどは逆方向にダムを乗り越えて鋳物製
品部の上部に還流する。これと同時に、鋳物製品部に溜
まっている元湯は球状化処理溶湯と置換するような形
で、ダムを乗り越えて反応室の下部に流入する。かくし
て、鋳物製品部には、上部が球状黒鉛、下部が片状黒鉛
をそれぞれ有する遷移化組織の鋳鉄鋳物が作られる。

【０００５】本発明の実施に当たっては、一つの鋳物製
品部に対して、少なくとも一つの溶湯注入用堰と、少な
くとも一つの黒鉛球状化反応室とを備え、この各反応室
と鋳物製品部との間にそれぞれダムを設けたものとする
ことができる。また、特に鋳物製品部の形状が環状の場
合には、この環内に反応室を配置したものとすることが
できる。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を以下の実験
例によって詳細に説明する。 （実験方法）本実験に使用した鋳型は、６号珪砂、ベン
トナイト及び水をそれぞれ適量に配合して混練した生砂
を所定の方案に従って造型した後、乾燥炉で約４５０Ｋ
に３時間保持することによって製作した。本実験に使用
した鋳鉄は、原料として高純度銑鉄、電解鉄、金属けい
素を用い、元湯目標組成の３．４重量％Ｃ、１．９重量
％Ｓｉ（以下、化学組成、添加量、設置量等の％は全て
重量％とする）に配合して、高周波溶解炉で溶解し、１
８２３Ｋに昇温後、１７６３Ｋで注湯した。溶湯の密度
差に配慮した黒鉛球状化処理後の目標組成として、片状
黒鉛組織の部位が３．４％Ｃ、２．１％Ｓｉ、球状黒鉛
組織の部位が３．５％Ｃ、２．５％Ｓｉになるように、
また大気中溶解による脱炭、脱けい等を考慮して表１に
示す化学組成（％）のＦｅＳｉ合金接種剤０．５％を出
湯直前に炉内添加して溶湯組成を調整した。黒鉛球状化
処理剤としては、表１に示す化学組成（％）のものを使
用し、処理後の残留Ｍｇ０．０４％を目標とし、反応室
内に充満する溶湯量の約１．２％に相当し、例えばこの
実験の図１に示す方案の場合には５ｇを注湯前にあらか
じめ各反応室に設置した。

【０００７】

【表１】

【０００８】実験に使用した鋳型の方案を図１に示す。
この鋳型は２つの鋳型空隙部を有するが、両空隙部は湯
口に対して対称的に配置され同一の形状であるので、一
方の空隙部２についてのみ説明する。湯口から鋳込まれ
た溶湯は、溶湯注入口である堰１によって二分され、そ
の一方は、鋳型空隙部２の底面から該空隙部内に注入さ
れる。鋳型空隙部２は、鋳物製品部２ａ、黒鉛球状化反
応室２ｂと、この両者の間に介在させたダム２ｃとから
構成されている。鋳型空隙部２の高さは４５ｍｍ、幅３
０ｍｍ、ダムの厚さは１０ｍｍであるが、実験では、ダ
ムの壁面の高さをそれぞれ１５、２０、２５、３０、３
５ｍｍ（したがって、ダム上に残された流路の高さは、
それぞれ３０、２５、２０、１５、１０ｍｍとなる）と
５通りに変化させた鋳型を準備した。

【０００９】反応室としては、図１に示すように、鋳物
製品部２ａの長手方向の延長線上にダム２ｃを介して配
置した直方体状反応室２ｂ（Ａ）のほか、これと同一形
状の直方体を鋳物製品部２ａの長手方向に直角にダム２
ｃを介して配置したもの（Ｂ）、直方体の代わりに円柱
状の反応室をダム２ｃを介して配置したもの（Ｃ）など
についても実験を行った。なお、１つの鋳物製品部２ａ
に対する溶湯注入用の堰１の数は、本方案では１つとし
たが、鋳物製品の形状によっては複数とすることも可能
である。

【００１０】実験の結果については、元湯や球状化処理
溶湯の化学組成分析、試験片の側面や切断面のマクロ組
織観察及び音速測定、主要部位のミクロ組織観察及び黒
鉛球状化率の測定等によって調べた。 （実験結果及び考察）本実験を通して、溶製した平均的
な元湯組成（％）（片状黒鉛組織形成溶湯）と黒鉛球状
化処理後の溶湯組成（％）（球状黒鉛組織形成溶湯）を
表２に示す。共晶組成に近い元湯と、残留Ｍｇが０．０
４５％というほぼ目標通りの分析値が得られた。

【００１１】

【表２】

【００１２】本実験によって製造された鋳物のマクロ組
織を、図１の鋳型空隙部２に鋳込まれた鋳物の長手方向
の中心線に沿った上下方向の断面（図中一点鎖線で示
す）について観察した。いずれも切削バイトによる平面
研削仕上げ面のマクロ組織であるが、球状黒鉛組織の部
分は暗黒色であり、片状黒鉛組織の部分はやや粗い灰白
色であった。これらの相違は、切削加工中の排出切り屑
の状態（球状黒鉛組織では細長いらせん状）、ミクロ組
織の観察、音速測定の結果とも一致して明瞭に識別でき
た。図２に上記断面のマクロ組織の模式図を示す。図
中、Ｓ_SPは製品部２ａにおける球状黒鉛組織領域の面
積、Ｓ_FPは製品部総面積を示す。

【００１３】本実験では、種々の調査を行ったが、その
うちでも本発明にとって特に重要なのは、面積割合Ｓ_SP
／Ｓ_FPであって、製品部２ａに占める球状黒鉛組織の割
合を示し、これによって製品部組織の制御範囲の検討が
できる。図３に面積割合Ｓ_SP／Ｓ_FPとダム２ｃの高さと
の関係を示す。図中（Ａ）は前記の通り反応室の配置が
長手方向のもの、（Ｂ）は長手方向に直角に配置のも
の、（Ｃ）は円柱状の反応室に対する値である。これに
よれば、ダム高さ２５ｍｍを境にして大きな相違が見ら
れ、面積割合は２０−３０％から５％以下まで変化した
が、円柱状の反応室の方が全般的にやや値が大きいよう
である。この結果から、鋳物製品部の組織構成割合の制
御に対してダム高さの効果が十分に期待できることが分
かった。

【００１４】本発明の鋳型による黒鉛組織遷移化鋳鉄生
成の機構を実験結果に基づき推察する。図４に示したよ
うに、（１）鋳物製品部の底部から注入された元湯、す
なわち未処理溶湯の一部がダムを乗り越えて、黒鉛球状
化剤をあらかじめ設置してある反応室へ流入して黒鉛が
球状化される。（２）ダムを乗り越えた溶湯だけが黒鉛
球状化され、反応室に充満する。この間、鋳物製品部に
は未処理溶湯が充満する。（３）黒鉛球状化により密度
が低下した被処理溶湯の一部が浮上し、還流してダムを
乗り越えて、未処理溶湯と置換しながら鋳物製品部へ流
動を始める。同時に、その流動量に見合う未処理溶湯が
反応室内へ流入する。（４）球状化処理溶湯が鋳型空隙
部の上部全面を覆い、その下部に未処理溶湯が存在す
る。ダムの機能としては、このように、始めは元湯の鋳
物製品部から反応室への流出を阻止して元湯と黒鉛球状
化剤との直接の接触を避けるとともに、球状化処理後の
溶湯の製品部内への流動を制御することが期待される。
しかして、処理溶湯の反応室から製品部への流動と、こ
れに伴う元湯との置換現象は、注湯という駆動力があれ
ば容易に起こることが推定される。 （その他の鋳型方案についての実験）前記鋳型を変形さ
せた鋳型による本発明の応用についての実験も行った。
使用した溶湯及びその処理については前記と変わりがな
いので、説明を省略する。実験に使用した変形鋳型の第
１の方案を図５に示す。前記の方案が直方体状の鋳物製
品向けであるのに対して、この方案は、均一な層厚を目
指す組織調整がより困難な平板状の鋳物製品向けのもの
である。この鋳型の鋳型空隙部１２は、この例では段差
付き円盤状の鋳物製品部１２ａと、その横方向の両側に
それぞれダム１２ｃを介して対称的に配置された同形の
円柱状の反応室１２ｂとから構成されている。湯口から
鋳込まれ堰１１から注入された溶湯は、鋳物製品部１２
ａに入り、ここにある程度溜まると両側のダム１２ｃを
乗り越えて反応室１２ｂに入り、ここで黒鉛球状化剤に
よって球状化処理され、再び両ダム１２ｃをそれぞれ乗
り越えて、鋳物製品部１２ａの上部に移動する。かくし
て、円盤状製品の上部は球状黒鉛組織からなる層を有
し、下部は片状黒鉛組織からなる鋳物製品が得られた
が、球状黒鉛組織の層の厚さはダム１２ｃの高さの調節
によって可能であった。堰１１の数は鋳物製品の形状、
大きさによっては複数とすることもでき、また反応室１
２ｂの数は２つに限らない。この鋳型は特に円盤等、平
板状の製品に対し、それぞれの黒鉛組織の均等な層厚が
望ましい場合の適用に対して効果的である。

【００１５】実験に使用した変形鋳型の第２の方案を図
６に示す。前記第１の方案が平板状の鋳物製品向けであ
るのに対して、この方案は、特に環状の鋳物製品に適し
たものである。この鋳型の鋳型空隙部２２は、この例で
は段差付き環状の鋳物製品部２２ａと、その環から中心
に向かって延びた４つのダム２２ｃを介して配置された
１つの反応室２２ｂとから構成されている。湯口から鋳
込まれ堰２１から注入された溶湯は、鋳物製品部２２ａ
に入り、ここにある程度溜まるとダム２２ｃを乗り越え
て反応室２２ｂに入り、ここで黒鉛球状化剤によって球
状化処理された後、再びダム２２ｃを乗り越えて、鋳物
製品部２２ａの上部に移動する。かくして、環状製品の
上部は球状黒鉛組織層からなり、下部は片状黒鉛組織層
からなる遷移化鋳物製品が得られた。球状黒鉛組織層の
厚さはダム２２ｃの高さの調節によって可能であった。
鋳物製品の大きさ、形状によっては、堰２１、反応室２
２ｂの数はそれぞれ１つに限らず、またダム２２ｃの数
も４つに限らない。この鋳型は特に環状の製品に対し、
それぞれの黒鉛組織の均等な層厚が望ましい場合の適用
に対して効果的である。

【００１６】本発明は、鋳型にダムを採用するととも
に、元湯と黒鉛球状化処理溶湯との間の密度差を利用す
るものである。従来の報告によって、ＭｇとＳｉとは、
黒鉛球状化と溶湯の密度低下とに極めて効果的な元素で
あることが知られている。発明者の実験によっても、こ
れら両元素は、黒鉛球状化と溶湯の密度低下に対する顕
著な効果が認められ、本発明に適用した場合には、特に
両元素の溶湯に対する流動置換現象への寄与が大きいこ
とが認められた。したがって、この両元素の含有量の調
整は、遷移化した組織の層厚の制御にダム高さと並んで
重要である。

【００１７】

【発明の作用・効果】本発明の鋳型を使用すれば、
（１）鋳物製品部の底部から注入された溶湯の一部がダ
ムを乗り越えて、反応室へ流入して黒鉛が球状化され
る。（２）ダムを乗り越えた溶湯だけが黒鉛球状化さ
れ、反応室に充満する。この間、鋳物製品部には未処理
溶湯が充満する。（３）黒鉛球状化により密度が低下し
た被処理溶湯の一部が浮上し、還流してダムを乗り越え
て、未処理溶湯と置換しながら鋳物製品部へ流動を始め
る。同時に、その流動量に見合う未処理溶湯が反応室内
へ流入する。（４）球状化処理溶湯が鋳型空隙部の上部
全面を覆い、その下部に未処理溶湯が存在する。本発明
の鋳型が有する上記のような作用によって、片状から球
状へと黒鉛組織が遷移した鋳鉄鋳物を容易に製造するこ
とができる。この際、製品の形状、大きさに対する制約
も小さい。また、各組織の層厚は鋳物製品部と反応室と
の間に設けたダムの高さを調節することによって調整す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による黒鉛組織遷移化鋳鉄鋳物製造用
鋳型の斜視図である。

【図２】 図１に示す鋳型に鋳込まれた鋳物の断面のマ
クロ組織の模式図である。

【図３】 図２に示すマクロ組織における面積割合Ｓ_SP
／Ｓ_FPとダムの高さとの関係を示すグラフである。

【図４】 本発明の鋳型による黒鉛組織遷移化鋳鉄生成
の機構を示す模式図である。

【図５】 本発明による黒鉛組織遷移化鋳鉄鋳物製造用
鋳型の第１の変形例の斜視図である。

【図６】 本発明による黒鉛組織遷移化鋳鉄鋳物製造用
鋳型の第２の変形例の平面図（ａ）と図（ａ）の線ＶＩ
−ＶＩに沿った縦断面図（ｂ）である。

【符号の説明】

１，１１，２１…堰、２，１２，２２…鋳型空隙部、２
ａ，１２ａ，２２ａ…鋳物製品部、２ｂ，１２ｂ，２２
ｂ…黒鉛球状化反応室、２ｃ，１２ｃ，２２ｃ…ダム。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶湯注入用堰、鋳物製品部、黒鉛球状化
   反応室の順に互いに連通して横方向に配置された鋳型で
   あって、前記鋳物製品部と前記反応室との間にダムを設
   け、かつ注湯前に前記反応室内に黒鉛球状化剤を設置す
   ることを特徴とする黒鉛組織遷移化鋳鉄鋳物製造用鋳
   型。
2. 【請求項２】 一つの鋳物製品部に対して、少なくとも
   一つの溶湯注入用堰と、少なくとも一つの黒鉛球状化反
   応室とを備え、この各反応室と前記鋳物製品部との間に
   それぞれダムを設けたことを特徴とする請求項１に記載
   の黒鉛組織遷移化鋳鉄鋳物製造用鋳型。
3. 【請求項３】 前記鋳物製品部の形状が環状であって、
   この環状鋳物製品部の該環内に前記反応室を配置したこ
   とを特徴とする請求項１又は２に記載の黒鉛組織遷移化
   鋳鉄鋳物製造用鋳型。