JP2001212647A

JP2001212647A - 鉄系鋳物の鋳造方法

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Publication number: JP2001212647A
Application number: JP2000022501A
Authority: JP
Inventors: Tsujihiko Yasuda; 辻彦安田; Akiyoshi Hannou; 章祥阪納; Masahiro Nakamura; 正広中村; Kensaku Matsuo; 賢作松尾
Original assignee: Chubu Sukegawa Kogyo Kk; Toyota Motor Corp
Current assignee: Chubu Sukegawa Kogyo Kk; Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-01-31
Filing date: 2000-01-31
Publication date: 2001-08-07

Abstract

(57)【要約】【課題】中空軸の内部に奇麗な鋳物肌を得ることがで
き、さらには、細孔孔部や薄肉孔部を備えた精密鋳造品
を鋳抜き製造することができる鉄系鋳物の製造方法を提
供すること。【解決手段】中子を備えた鋳型を用いて鉄系鋳物を製
造する方法。中子として、Ｔｉを含有するチタン含有砂
粒物を骨材の全部または主体とするものから成るコーテ
ッドサンドで形成したものを使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シェル中子を備え
た鋳型を用いて鉄系鋳物を製造する方法に関する。特
に、自動車等のエンジンカムシャフトを中抜き（中空シ
ャフト状）に鋳造したり、幅狭いスリットや細径穴を備
えた精密鋳造するのに好適な鉄系鋳物の製造方法に関す
る。

【０００２】ここで、鉄系鋳物とは、鋳鉄及び鋳鋼で鋳
造したものを含む概念である。

【０００３】ここでは、カムシャフトを中抜きに鉄系鋳
物材料で鋳造する場合を主として例にとり説明するがこ
れに限られるものでない。

【０００４】

【背景技術】自動車等のエンジンカムシャフト（以下
「カムシャフト」と略す。）は鋳鉄（通常、球状黒鉛鋳
鉄）で鋳造し、通常、中実軸（無垢）であった。しか
し、昨今、主として自動車の軽量化の要請から、カムシ
ャフトを中抜き（中空軸）とすることが要求されるよう
になってきて、上市もされている。

【０００５】そして、中抜きのための中子は、通常、レ
ジン（粘結剤）を砂粒表面に被膜として被覆したレジン
コーテッドサンド（以下「コーテッドサンド」）を基材
としたシェル中子を使用している。コーテッドサンド
は、砂の移動・吹込みによって砂とレジンの分離がな
く、少量のレジンで強度の強い中子（鋳型）をつくるこ
とができるためである。（日本鋳物協会編「改訂３版鋳
物便覧」昭和４８年丸善刊参照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のコーテ
ッドサンド（中子砂）から造型したシェル中子で鋳造し
た鋳鉄鋳造品は、奇麗な鋳物肌を安定して得ることは困
難視されていた。このため、例えば、図１に示すような
カムシャフト１２を軽量化の見地から中空部１４を備え
た仕様とする場合、カムシャフト１２が、従来品の要求
される以上の、高度及び長期の耐久性が要求される場合
においては、適用が困難視されていた。

【０００７】すなわち、カムシャフト１２の中空部１４
は、実質的に仕上げ加工できず、耐久性の見地からは、
鋳物肌が可及的に奇麗（密）で安定していることが望ま
しい。

【０００８】また、昨今の生産工数削減の要求から、細
孔部（３mmφ以下）や薄肉孔部（３mmｔ以下）を、切削
加工でなく、鋳造時に同時に（鋳抜きにより）形成し
て、後切削加工を不要とする要請が強まっている。例え
ば、図１に示すカムシャフト１２の中空部１４と導通す
るジャーナル部におけるオイル孔１４ａ、１４ｂや（図
２・３参照、例えば１．７５mmφ）、タービンハウジン
グにおける冷却孔（平面かたつむり状、断面薄肉状で先
端が先細りになっている。）を鋳抜きにより形成する要
請がある。ここで、細孔部及び薄肉状とは、通常、３mm
φ以下ないし３mmｔ以下のものを意味する。

【０００９】しかし、上記同様、鋳鉄鋳造品（鉄系鋳造
品）にそのような細孔部や薄肉孔部を安定して形成する
ことは困難視されていた。すなわち、そのような細孔部
や薄肉孔部を附形するに十分な強度を有するシェル中子
を造型できるコーテッドサンドが上市されていなかっ
た。

【００１０】本発明は、上記にかんがみて、シェル中子
を備えた鋳型を用いて鉄系鋳物を製造する方法におい
て、中空軸の内部に奇麗な鋳物肌を得ることができ、さ
らには、細孔孔部や薄肉孔部を備えた精密鋳造品を鋳抜
き製造することができる鉄系鋳物の製造方法を提供する
ことを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決するために鋭意開発に努力をする過程で、Ｔｉを
含有するチタン含有砂粒物を骨材の全部または主体とし
たものでシェル中子を形成すれば、上記課題を解決でき
ることを知見して下記構成の鉄系鋳物の製造方法に想到
した。

【００１２】シェル中子を備えた鋳型を用いて鋳鉄鋳物
を製造する方法において、前記シェル中子として、Ｔｉ
を含有するチタン含有砂粒物を骨材の全部または主体と
するコーテッドサンドで形成されたものを使用すること
を特徴とする。

【００１３】本発明に使用する上記チタン含有砂粒物と
しては、ＴｉＯ₂ 換算値で５０wt％以上、更には、同７
０wt％以上のＴｉを含有するものが望ましい。

【００１４】また、チタン含有砂粒物の粒径は、５０〜
５００μｍが、更には、５０〜２５０μｍのものが望ま
しい。

【００１５】更には、骨材は、チタン含有砂粒物ととも
にさらに高純度ケイ砂をＳｉＯ₂ 分として、１０〜２０
％含有することが望ましい。

【００１６】

【手段の詳細な説明】以下、本発明の構成について、詳
細に説明をする。以下、含有率や配合部数を示す「％」
及び「部」は、特にことわらない限り、「wt％」及び
「重量部」をそれぞれ意味する。また、「メッシュ」
は、タイラー標準ふるいに基づく。

【００１７】(1) 本発明は、シェル中子（以下、単に
「中子」と称することがある。）を備えた鋳型を用いて
鉄系鋳物を製造する方法を上位概念的構成とする。

【００１８】ここで、シェル中子以外の鋳型部分（鋳型
本体：外型）は、金型であってもよいが、シェルモール
ド鋳型であってもよい。

【００１９】そして、本発明は、シェル中子として、Ｔ
ｉを含有するチタン含有砂粒物を骨材の全部または主体
とするコーテッドサンドで形成されたものを使用するこ
とを特徴的構成とする。

【００２０】ここで、Ｔｉのチタン含有砂粒物における
含有形態は、通常、チタニア（ＴｉＯ₂ ）やチタン酸塩
（Ｍ₂ ＴｉＯ₃ ）等のＴｉ（IV）の形態で含まれている
が、還元されたＴｉ（III)、Ｔｉ（II) 更には単体Ｔｉ
（０）の形態で含まれていてもよい。

【００２１】チタン含有砂粒物の骨材中の比率は、チタ
ン含有砂粒物のチタン含有率により異なるが、少なくと
も骨材の５０％、望ましくは７０％以上、更に望ましく
は８５％以上とする。チタン含有砂粒物の比率が低過ぎ
る場合は、極薄ないし極細の中子において、成形性及び
耐熱強度の一方及び双方を担保することが困難となる。

【００２２】本発明で使用するチタン含有砂粒物には、
天然品（イルメナイト鉱、ルチル鉱等）、合成品（市販
酸化チタン、アップグレードイルメナイト、チタンスラ
グ等）を使用できる。

【００２３】ここで、チタン含有砂粒物としては、チタ
ン含有率が、ＴｉＯ₂ 換算値で少なくとも３０％含有す
るものがあれば使用可能である。望ましくは、ＴｉＯ₂
換算値５０％以上含有するものが望ましい。チタン含有
率が低過ぎると、本発明の効果である耐熱性等を担保す
ることが困難となる。

【００２４】上記チタン含有砂粒物は、例えば、イルメ
ナイト鉱（別名「チタン鉄鉱」）から、溶融・冷却して
チタニア（ＴｉＯ₂ ）を非晶化（無定形化）するととも
にチタニア含有率を増大させたものを好適に使用でき
る。図４に当該チタン含有砂粒物の製造工程図を示す。

【００２５】チタン含有砂粒物の粒径は、通常、粒径５
０〜５００μｍ（２７０〜３２メッシュ）、望ましく
は、６０〜２５０μｍ（２５０〜６０メッシュ）、さら
に望ましくは、７５〜１５０μｍ（２００〜６５メッシ
ュ）とする。上記粒径の範囲外では、成形性・強度、及
び鋳込み後の崩壊性のいずれか、若しくは全てに問題が
発生し易くなる。

【００２６】本コーテッドサンドに使用する合成樹脂粘
結剤（被覆レジン）としては、例えば、ヘキサメチレン
テトラミンを添加した液状ノボラック樹脂、その他の合
成樹脂粘結剤等を使用できる。合成樹脂粘結剤の、骨材
１００部に対する配合量は０．５〜１０部、望ましく
は、１〜５部とする。

【００２７】本コーテッドサンドの製造は、まず、チタ
ン含有砂粒物に液状ノボラック樹脂を添加して１４０℃
前後に加熱して行う、いわゆる慣用の溶剤を使用しない
ホット法により行なう。なお、溶剤を使用するコールド
法やセミホット法で本コーテッドサンドを製造してもよ
い。

【００２８】(2) 上記のようにして調製した本コーテッ
ドサンドを用いての中子１２の造型方法は、特に、限定
されないが、例えば、下記のようなジョルト類似造型法
にて行なう。ここでは、前記図１に示す中空部１４を備
えたカムシャフト１２を鋳造する場合の図５に示すよう
なシェル中子１８を例にとり説明するが、これに限られ
るものではない。

【００２９】左右前後で割られて筒体を形成する４個
の割型要素２０ａ、２０ａ、２０ａ、２０ａで一組の割
型（組み型）２０を用意する（図６参照）。

【００３０】該割型２０を、上下を周方向から緊締可
能な下部保持型２２及び上部保持型２４で緊締して中子
成形（中子造型用）型２６とする。ここで、下部保持型
２２は有底で、割型２０の底部を形成可能となってい
る。また、上部保持型２４は有孔で、サンド注入可能と
なっている。なお、必要により、図示しないが、中間位
置もクランプで緊締することがある。そして、上部保持
型２４にサンド注入漏斗ブロック２８をセットした後、
コーテッドサンド３０を中子成形型２６の中子附形キャ
ビティ３２（図６（Ｂ）参照）に上方から略一杯になる
様に充填する（図７）。

【００３１】次に、上部保持型２４を図示しないがプ
ラグ等で閉じて中子成形型２６の周囲をハンマー３４で
叩き（図７）、更には、上下に振動を与えて（図７
）、中子成形型２６内の砂（コーテッドサンド）を固
め（締め付け）るとともに及び中央フランジ部キャビテ
ィ３２ａ（図６（Ｂ）参照）に十分に充満するまで行
う。これらの砂固め工程中において、プラグを時々はず
し、上部に空間が発生した場合は、コーテッドサンドを
補充する。

【００３２】続いて、加熱炉３６内で加熱（例えば１
８０℃×１ｈ）して、コーテッドサンド３０を加熱硬化
させる（図８）。このとき、コーテッドサンド３０の加
熱硬化を均一に行うため、初期１／３は、図８に示す
如く、中子成形型２６を立てて、中期１／３は、図８
に示す如く、中子成形型２６を横置きして、更には、終
期１／３は、図８に示す如く、上下を逆にして行うこ
とが望ましい。

【００３３】次に、炉内から中子成形型２６を取り出
して、上・下保持型２２、２４を外し（図９）、割型
２０を分離して、型ばらしを行い、中子１８の離型を行
う（図９）。

【００３４】(3) そして、上記シェル中子１８を、鋳型
本体にセット（中子納め）して、鉄系溶湯を注湯して、
鉄系鋳造品を製造する。図１０に、鋳鉄鋳造の一般的な
全体工程図を示す。すなわち、造型鋳型（外型）に中子
納めを行ない、注湯を行なう。

【００３５】この際、中子は、鋳鉄溶湯の圧及び温度に
対して十分な強度・耐熱性を有し、鋳鉄溶湯から発生す
るガスに対しても耐浸食性を有し、鋳肌の奇麗な鉄系鋳
物を得ることができる。また、鉄系鋳造品の細孔部や薄
肉孔部を鋳抜きにより形成できる。

【００３６】なお、溶湯が冷却固化した後、型バラシを
行ない、湯口・押し湯を除去工程→研掃工程→ばりとり
工程を経て、鋳造製品とする。

【００３７】

【発明の効果】本発明は、シェル中子を備えた鋳型を用
いて鉄系鋳物を製造する方法において、前記中子とし
て、Ｔｉを含有するチタン含有砂粒物を骨材の全部また
は主体とするコーテッドサンドで形成されたものを使用
する構成とすることにより、中空軸の内部に奇麗な鋳物
肌をうることができ、さらには、細孔孔部や薄肉孔部を
備えた精密鋳造品を鋳抜き製造することができる。

【００３８】即ち、本発明の鉄系鋳物の鋳造方法に使用
するシェル中子は、鋳鉄溶湯の圧及び温度に対して十分
な強度・耐熱性を有し、鋳鉄溶湯から発生するガスに対
しても耐浸食性を有し、鋳肌の奇麗な鉄系鋳物を得るこ
とができる。

【００３９】なお、酸化チタンを骨材として使用する関
連技術を開示する先行刊行物として、特開平５−１６３
１１２・６−５７７・７−３１４０７８号等がある。し
かし、これらの先行刊行物は、いずれも「自硬性鋳型」
に係るものであり、本発明の如く「シェルモールド（シ
ェル中子）」に係るものではなく、本発明の発明性に影
響を与えるものではない。

【００４０】

【試験例】以下、本発明の効果を確認するために行った
試験例について、詳細に説明をする。

【００４１】実施例・比較例に使用した各骨材は下記の
通りのものである。なお、各骨材における組成を表１に
示す。

【００４２】実施例１…非晶性チタニア：ＲＩＴ社（カ
ナダ）製のチタンスラグ（イルメナイト鉱を１６５０℃
に溶融し、鉄分を除去して、ふるいにより粒度調整（７
５〜１５０μｍ）したもの（Ｔ−８０と称する）。

【００４３】実施例２…実施例１の非晶性チタニア系骨
材に対して高純度シリカ（ＳｉＯ ₂ 分９９．８％、平均
ふるい径１２０μｍ）を前者／後者＝９／１の比率で混
合したもの。

【００４４】実施例３…天然ルチル：CONSOLIDATED RUT
ILE 社（オーストラリア）が販売する天然ルチル鉱石を
ふるいにより粒度調整（７５〜１５０μｍ）したもの。

【００４５】実施例４…イルメナイト：ＲＧＣ社（オー
ストラリア）が販売するイルメナイト鉱石をふるいによ
り粒度調整（７５〜１５０μｍ）したもの。

【００４６】比較例…高純度ムライト（３Ａｌ₂ Ｏ₃ ・
２ＳｉＯ₂ ）：市販品、粒径１００〜１２０μｍ

【００４７】

【表１】

【００４８】上記各骨材１００部に対してフェノール樹
脂（液状ノボラック樹脂）５部を添加して、１４０℃×
１ｈの条件で加熱後、ヘキサ水２部、ステアリン酸カル
シウム１部を添加して混合して、各実施例・比較例のコ
ーテッドサンドを調製した。

【００４９】そして、各コーテッドサンドを用いて、図
７〜８に示す前述の方法に準じて、φ＝１．５、２．
０、３．０mmの各細丸棒造型した。

【００５０】このときの各テストピース（細丸棒中子）
の造型性を表２に示すが、各実施例はいずれも比較例に
比して造型性が良好であることが分かる。

【００５１】なお、表２において、「◎」は造型性良好
（造型時の離型性及び焼成後の中子肌が奇麗で欠損が発
生しない。）、「○」は造型可（造型はできるけれど離
型時や焼成後の中子に欠損が発生する。）を意味する。

【００５２】さらに、上記コーテッドサンドを用いて上
記と同様にして造型した角柱状の各中子（１０mm□×６
０mm）について、三点曲げ強度をJIS Z 2604-1976 に準
拠して常温及び１０００℃雰囲気（実施例１及び比較例
のみ）で測定した。測定条件は、スパン：５０mm、荷重
速度：０．５mm／min とした。

【００５３】それらの結果を表２に示すが、骨材が高純
度ムライトである比較例に比して、各実施例は、常温に
おいてはもちろん、曲げ強度が格段に高いとともに、高
温における曲げ強度の低下率も小さいことが分かる。

【００５４】また、実施例２の細丸棒中子（φ＝１．
５、２．０、３．０mm）についても、三点曲げ強度をJI
S Z 2604-1976 に準拠して常温で測定した。測定条件
は、スパン：３０mm、荷重速度：０．５mm／min とし
た。

【００５５】それらの結果は、曲げ強度（５点平均値）
は、φ１．５mm：４．１２ＭＰａ、φ２．０mm：４．５
７ＭＰａ、φ３．０mm：５．９１ＭＰａであり、注湯時
の湯圧に十分耐える強度を有することが分かる。

【００５６】また、図５に示す中子を用いて、図１に示
すようなカムシャフト（全長：５００mm、一般部内径：
１２mm、一般部肉厚：５mm）を、球状黒鉛鋳鉄×注湯温
度１４００±２０℃で注湯して鋳造した。該鋳造カムシ
ャフトを軸方向で切断して、中子の上面・下面附形面の
鋳肌の状態を目視観察した。

【００５７】

【表２】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の鉄系鋳物の鋳造方法を適用する鋳物製
品の一例であるカムシャフトの縦断面図

【図２】図１の２−２線断面図

【図３】図１の３−３線断面図

【図４】本発明の鋳造方法におけるシェル中子を形成す
るコーテッドサンドに使用するチタン含有砂粒物を製造
するための一例を示す製造工程図。

【図５】図１のカムシャフトを鋳造するときに中空部を
附形するのに使用する中子を示す正面図。

【図６】図５の中子の造型に使用する造型用型における
割型の側面図と型開時の一方の平面図

【図７】図５に示すシェル中子の造型に際してコーテッ
ドサンド充填工程を示す説明図

【図８】同じく造型用型を型ばらし工程を示す説明図

【図９】同じくコーテッドサンドの加熱硬化工程を示す
説明図

【図１０】本発明の鉄系鋳物の鋳造方法の一例を示す概
略工程図

【符号の説明】

１２カムシャフト（鉄系鋳物製品）１４カムシャフトの中空部１６オイル孔（鋳抜き孔）１８カムシャフト中空部附形用（シェル）中子２０割型３０コーテッドサンド３６加熱炉

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中村正広愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者松尾賢作愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 4E092 AA02 AA03 AA46 AA47 BA04 BA20 CA01 CA03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シェル中子を備えたシェルモールド法鋳
型を用いて鉄系鋳物を製造する方法において、前記シェ
ル中子として、Ｔｉを含有するチタン含有砂粒物を骨材
の全部または主体とするものから成るコーテッドサンド
で形成されたものを使用することを特徴とする鉄系鋳物
の製造方法。
【請求項２】前記チタン含有砂粒物が、ＴｉＯ₂ 換算
値で５０wt％以上のＴｉを含有するものであることを特
徴とする請求項１記載の鉄系鋳物の製造方法。
【請求項３】前記チタン含有砂粒物が、ＴｉＯ₂ 換算
値で７０wt％以上のＴｉを含有するものであることを特
徴とする請求項２記載の鉄系鋳物の製造方法。
【請求項４】前記チタン含有砂粒物が、イルメナイト
鉱を溶融させて鉄分を除去して得られたものであること
を特徴とする請求項３記載の鉄系鋳物の製造方法。
【請求項５】前記チタン含有砂粒物の粒径が５０〜５
００μｍのものであることを特徴とする請求項１記載の
鉄系鋳物の製造方法。
【請求項６】前記チタン含有砂粒物の粒径が６０〜２
５０μｍのものであることを特徴とする請求項５記載の
鉄系鋳物の製造方法。
【請求項７】前記骨材が、前記チタン含有砂粒物とと
もにさらに高純度ケイ砂を含有するものであることを特
徴とする請求項１記載の鉄系鋳物の製造方法。
【請求項８】前記骨材が、前記チタン含有砂粒物と高
純度ケイ砂との混合重量比が前者／後者＝９．５／０．
５〜８／２であることを特徴とする請求項７記載の鉄系
鋳物の製造方法。
【請求項９】コーテッドサンドの成分をなすレジン成
分がレゾルシンフェノール樹脂であることを特徴とする
請求項１、２、３、４、５、６、７又は８に記載の鉄系
鋳物の製造方法。