JP2003088938A

JP2003088938A - 鋳物の耐熱強化方法

Info

Publication number: JP2003088938A
Application number: JP2001279118A
Authority: JP
Inventors: Toshio Yamauchi; 利夫山内
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2001-09-14
Filing date: 2001-09-14
Publication date: 2003-03-25

Abstract

(57)【要約】【課題】コストを高くすることなく、部分的に高熱に
耐えうる鋳物を製造すること。【解決手段】鋳型１は上枠２と下枠３とから構成さ
れ、鋳型１の内部には鋳物砂４が充填されている。鋳物
砂４の内部には、鋳鉄の溶湯が注入されるキャビティ５
が形成されている。キャビティ５の内部には、中子６が
設けられている。上枠２と中子６の間に位置するキャビ
ティ５は、成形される製品の耐熱性を強化する部分であ
り、その部位の鋳物砂４の表面には、Ｎｉ合金粉末８を
付着している。Ｎｉ合金は、鋳型１内に注入される溶湯
よりも低い温度で溶解される合金とされ、ＮｉにＳｉ、
Ｂ、Ｐ、Ｃｒを添加したものが用いられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鋳物の耐熱性を有
する部分のみにオーステナイトを形成する鋳物の耐熱強
化方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車部品では、鋳物部品の強度を部分
的に大きくする技術が、いくつか開示されている。それ
らの技術のうち、金属組織を改質する方法として、特開
平７−２４５６４号公報に開示されている技術がある。
この技術は、硫化鉄粉を用いて球状黒鉛鋳鉄を部分的に
片状黒鉛鋳鉄にするものであり、シリンダブロックの鋳
造時において、銅箔に黒鉛片状化促進剤として硫化鉄粉
末を塗布し、これを鋳型のシリンダブロックの摺動部に
対応する部分の中子の表面に巻き付ける。そして、鋳型
に溶湯を注入すると、黒鉛片状化促進剤が溶湯と接触す
ることにより、黒鉛の球状化が抑制されて鋳鉄の片状化
を促進するようになる。

【０００３】逆に片状黒鉛鋳鉄の一部を球状黒鉛鋳鉄に
する方法が、特開平９−１０８８２０号公報に開示され
ている。この技術によると、ハブ付きのブレーキドラム
の鋳造において、鋳型のハブに対応する部分のキャビテ
ィ内面に、Ｍｇ等の球状化促進物を予め付着する。そし
て、鋳型に溶湯を注入することにより、ハブに対応する
部分を球状黒鉛鋳鉄に形成するようにしている。これら
の技術は、いずれも黒鉛形状の改良およびセメンタイト
の析出を制御して、鋳物強度や耐摩耗性を部分的に向上
させるものである。

【０００４】他方、自動車の構成部品として、エキゾー
ストマニホールドのように、耐熱性を必要とする部品も
ある。図３及び図４は、エキゾーストマニホールド２１
を示し、図３はその平面図であり、図４は断面図であ
る。エキゾーストマニホールド２１は、図示しないエン
ジンと接続され、各エンジンシリンダから排出された高
温の排気ガスが、エキゾーストマニホールド２１の周壁
２２に吹きかけられ、散点模様で示す高熱部２３に位置
する周壁２２の部分が高温になる。鋳物の耐熱性を向上
させる技術としては、Ｎｉ粉を用いて鋳物の表面付近を
合金化させる方法が、特公昭４４−２０７３２号公報や
特開昭５４−９５９２３号公報に開示されている。これ
らの技術は、鋳型の内面にＮｉ粉末を鋳型塗料の塗布等
の手段により、鋳型のキャビティ内面に付着する。そし
て、鋳型に溶湯を注入することにより、鋳物の表面にＮ
ｉ合金層を成形するようにしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図３及び図４に示すエ
キゾーストマニホールド２１は、耐熱性を向上させるた
め、その周壁２２の肉厚を所定の温度に耐えうるよう
に、厚くしなければならず、製品重量が大きくなってい
た。すなわち、従来の方法では、最も温度が高くなる部
分が耐えられるように材質や肉厚を決め、その材質及び
肉厚でエキゾーストマニホールド全体を製造していた。
この場合、上記の特公昭４４−２０７３２号公報や特開
昭５４−９５９２３号公報の技術を応用することも考え
られる。しかしながら、それらの技術は鋳物表面に合金
層を形成するだけに留め、周壁の内部まで高熱になるエ
キゾーストマニホールドに、適用するには効果的でな
い。

【０００６】また、エキゾーストマニホールドの耐熱性
を向上させる方法としては、変態温度の高いニレジスト
鋳鉄を用いることも考えられる。ニレジスト鋳鉄は、Ｎ
ｉ量を多くして金属組織をオーステナイトにしたもので
ある。特に温度の高くなるエキゾーストマニホールド
は、鋳鉄材料で最も高温に耐えるニレジスト鋳鉄を使用
できるが、材料コスト、加工コストが一般鋳鉄の数倍も
高価となるため、その適用が限られていた。本発明はこ
のような事情に鑑みてなされたもので、コストを高くす
ることなく、高熱に耐えうる鋳物の耐熱強化方法を提供
することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、鋳型に形成されているキャビティ内に鋳鉄
の溶湯を注入して製造される鋳物の耐熱強化方法におい
て、上記キャビティの内面にニッケル合金粉末を付着、
又は上記キャビティ内に中子が配設されているときは必
要に応じて中子の表面に、上記溶湯の溶融温度よりも融
点が低いニッケル合金粉末を付着したあと、上記キャビ
ティ内に溶湯を注入して鋳物を成形するようにした鋳物
の耐熱強化方法にある。また、上記発明は、上記鋳物が
耐熱性を要する部分を有し、上記キャビティの内面又は
上記中子の表面の上記耐熱性を要する部分に対応させ
て、上記ニッケル合金粉末を付着することができ、上記
耐熱性を要する部分の周囲を該耐熱性を要する部分より
も肉厚を薄くすることもできる。さらに、上記ニッケル
合金は、ニッケルに、ケイ素、ホウ素、リン、クロムの
うち、少なくとも１つ以上を含ませることができる。上
記発明の用途としては、上記鋳物を自動車のエンジンか
ら排気されたガスを排出するエキゾーストマニホールド
とすることができる。

【０００８】鋳鉄材料の耐熱性を向上させるために、Ｃ
ｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｖなどを添加し、熱間強度を高くする
方法と、Ｎｉを多量に添加し、金属組織そのものをオー
ステナイト化して改良する方法が知られている。前者は
既存の製造方法の中で、合金成分の配合を少し変えるだ
けで製造できるため、一般的に行われているが効果は小
さい。後者のＮｉを多量に添加する方法は耐熱性を改善
できるが、溶湯温度が高くなり既存の設備で対応できな
くなったり、製造後の製品の切削加工性が悪く、加工コ
ストが非常に高くなる問題があった。また、Ｎｉ自体も
コストアップの原因となる。

【０００９】そこで、発明者は、鋳鉄全体にＮｉを添加
してオーステナイト化するのではなく、局部的にオース
テナイトに改質する発想を得た。つまり、耐熱性が必要
な部分のみＮｉリッチにしたオーステナイト組織とし、
その他の部分は従来のフェライトまたはフェライトとパ
ーライトの混合組織にしておくことである。これによ
り、切削加工性も問題がなく、コストアップも最小限に
押さえられる。部分的に組織を改良するためには、Ｎｉ
合金粉末を鋳型に予め付着させておき、鋳鉄溶湯が入っ
てきた時にその熱によって、Ｎｉ合金粉末が溶解し、鋳
鉄溶湯と混合または拡散する方法が必要である。本発明
は、鋳鉄の金属組織を耐熱性の高いオーステナイト組織
に改質するものである。すなわち、黒鉛鋳鉄材料からな
るエキゾーストマニホールド等の耐熱性を向上させるた
めに、鋳型にＮｉ合金粉末を付着させ鋳鉄溶湯の熱でＮ
ｉ合金が溶け、その部分のみ改質するようにし、部分的
に金属組織をフェライトからオーステナイトに改質し
た。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態による
鋳物の耐熱強化方法について、図面を参照しながら説明
する。部分的にニレジスト鋳鉄化するための鋳型を図１
に示す。図に示すように、鋳型１は上枠２と下枠３とか
ら構成され、鋳型１の内部には鋳物砂４が充填されてい
る。鋳物砂４の内部には溶湯が注入されるキャビティ５
が形成されている。キャビティ５は、被鋳物部材として
の製品の形状を形成し、その内部には、中子６がキャビ
ティ５内に設けられ、図示しない支持部材により支持さ
れている。上枠２の鋳物砂４の上面には、溶湯の注入口
７が形成され、この注入口７は、キャビティ５と連通さ
せている。

【００１１】上枠２と中子６の間に位置するキャビティ
５の部位は、成形される製品の耐熱性を強化する部分で
あり、その部位の鋳物砂４の表面には、Ｎｉ合金粉末８
を付着している。中子６にもＮｉ合金粉末８を付着させ
たのは、鋳物の表面だけでなく内部まで改質する方が耐
熱性向上に効果があり、そのため鋳型のみでならず、中
子６にもＮｉ合金粉末８を付着させている。Ｎｉ合金
は、鋳型１内に注入される溶湯よりも低い温度で溶解さ
れる合金とする。Ｎｉ合金の温度を調整するためには、
ＮｉにＳｉ、Ｂ、Ｐ、Ｃｒを添加することが有効であ
る。

【００１２】以下、これらの添加物について詳述する。
鋳鉄の注湯温度は約１４００℃である。しかし、Ｎｉ自
体の融点が１４５０℃であるため、このままではＮｉを
溶解して鋳鉄をニレジスト化ができない。そこで、Ｎｉ
の融点を下げるためＳｉ、Ｂ、Ｐ、Ｃｒを添加する。例
えば、ＮｉにＰを１１％添加すると、Ｎｉ合金は約８７
０℃まで低下する。同様にＮｉにＳｉを添加すると融点
が９６０℃となり、ＮｉにＢを添加すると１０００℃ま
で融点が低下する。なお、これらのＳｉ、Ｂ、Ｐ、Ｃｒ
の添加剤を２種以上組み合わせも、Ｎｉ合金の融点が下
がるので、Ｎｉに２種以上の材料を含めることが可能で
ある。

【００１３】Ｎｉ合金を付着させるバインダとしては、
１０００℃近傍でＮｉ合金粉末の保持力があるもので、
残留物がＮｉ合金粉末の溶解・成形体への拡散、浸透を
防げないものであることが必要である。それらの要件を
満たすものとして１０００℃以上でもＮｉ合金粉末の保
持力があるものとして、カルボキシメチルセルロースナ
トリウムや、ポリビニルピロリドンが有効である。Ｎｉ
合金粉末の量としては、例えば製品がエキゾーストマニ
ホールドである場合は、その肉厚は約４〜５ｍｍ程度で
あり、表面のみでなく内部までニレジスト化させる量を
鋳物砂４若しくは中子６の表面に付着させる。なお、製
品の肉厚全体に耐熱性を施す必要がない場合は、ニレジ
スト化が必要な部分に相当する量をそこに付着させる。

【００１４】図２のＡ〜Ｅは、鋳型１を用いた鋳物の工
程図である。図２のＡは、鋳型１の鋳物砂４及び中子６
の表面にＮｉ合金粉末８を付着させている状態を示す。
未だ、溶湯は注入されていない。図２のＢは、注入口７
から溶湯９が注入され、キャビティ５内に溶湯９が流れ
込んでいる状態である。溶湯９は上流側から下流側に流
れ、Ｎｉ合金粉末８は、溶湯９の流れに流されないよう
に付着させている。図２のＣは、溶湯がキャビティ５内
の全領域に充填されて、Ｎｉ合金粉末８が溶湯９により
加熱されて昇温し、やがて溶湯９の温度よりも融点の低
いＮｉ合金粉末８が、鋳鉄内に溶けだそうとする状態を
示している。

【００１５】図２のＤでは、Ｎｉ合金粉末８が拡散して
溶湯９の鋳鉄に溶解している状態を示している。そし
て、上枠２側のＮｉ合金粉末と中子６側のＮｉ合金粉末
８の溶解した部分の境界が徐々に近づき、この後、Ｎｉ
合金粉末８の溶融した部分が互いに混ざりあう。このと
きにおけるＮｉ合金粉末の溶解拡散は、鋳型内に付着さ
せたＮｉ合金粉末が、流れてきた溶湯の熱を受けること
により、溶解および拡散が起きる。したがって、ニレジ
スト鋳鉄化させる範囲、厚さ、Ｎｉ合金によって、必要
な熱量が決まり、注湯する鋳鉄の量によって、供給され
る熱量が定まる。これらの条件のもとで溶解と拡散が起
きるが、Ｎｉ合金粉末の成分でこれらのバランスを制御
する。つまり、Ｎｉに添加するＳｉ、Ｂ、Ｐ、Ｃｒの種
類や量により必要な部分の溶解、拡散を制御、すなわち
ニレジスト化を制御する。

【００１６】図２のＥは、溶湯９である鋳鉄とこの鋳鉄
に溶融したＮｉ合金を徐冷した状態を示している。Ｎｉ
合金粉末８を付着させた部分がニレジスト化した鋳鉄と
してのオーステナイトとなり、その両端部はフェライト
とパーライトの混合組織である。このニレジスト鋳鉄は
Ｎｉがリッチになった組成で、常温域からオーステナイ
ト組織であり、高温になっても組織変態をしないため耐
熱性が良い。このように、Ｎｉ合金粉末８を鋳物砂４の
内面に付着させることにより、鋳鉄に部分的に耐熱性を
持たせた部分と、鋳鉄としての通常の耐熱性を有する部
分とに分けることができる。

【００１７】この鋳造方法の実用例として、エキゾース
トマニホールドの鋳造に適用することができる。なお、
従来例として用いた図３を参照して説明する。エキゾー
ストマニホールド２１は、上述したように、エンジンか
らの排ガス温度により高温にさらされる部品であり、耐
熱性が要求される。しかし、エキゾーストマニホールド
は、すべての部分で温度が高くなるのではなく、排ガス
が直接に吹き付けられる部分や排ガスの集合部である高
熱部２３が最も高くなる。普通の鋳鉄は、常温域ではフ
ェライトとパーライトの混合組織で、高温になるとオー
ステナイト組織に変態する。それらの混同組織が変態温
度に近づくにしたがって、強度が低下することと変態温
度で急激な体積変化が発生する。このため、普通の鋳鉄
ではエキゾーストマニホールド２１は、破損することに
なる。ニレジスト鋳鉄はＮｉがリッチになった組成で、
常温域からオーステナイト組織であるため、高温になっ
ても組織変態をせず耐熱性が良く、エキゾーストマニホ
ールド２１に適用することができる。

【００１８】すなわち、エキゾーストマニホールド２１
の耐熱性を有する部分である高熱部２３に対応させて、
鋳型のキャビティを形成する鋳型砂の表面又は（及び）
中子に、Ｎｉ合金粉末を付着させる。そして、その鋳型
のキャビティ内にエキゾーストマニホールド２１の主成
分となる鋳鉄の溶湯を注入する。この溶湯の熱により、
Ｎｉ合金は溶解が拡散し、鋳型内で徐冷した後、鋳型か
ら取出すと、エキゾーストマニホールド２１の高熱部２
３がニレジスト鋳鉄になる。

【００１９】今後の燃料効率の向上に伴い、さらに排ガ
ス温度は上昇していくことが考えられる。エキゾースト
マニホールドは、益々耐熱性を有する材料が必要とさ
れ、材料コスト、加工コストをアップさせずに耐熱性を
向上させる方法として、この部分的な耐熱性向上が有効
な方法と考えられる。また、部分的な耐熱性が図れるこ
とにより、エキゾーストマニホールドの全体の薄肉化
や、温度が高くならない部分の薄肉化、つまり軽量化が
可能となる。

【００２０】以上、本発明の実施の形態について説明し
たが、勿論、本発明はこれに限定されることなく本発明
の技術的思想に基いて種々の変形及び変更が可能であ
る。本発明に関し、鋳鉄について特に限定はしなかった
が球状黒鉛鋳鉄及びねずみ鋳鉄のいずれにも本発明は適
用可能である。また、上記実施の形態では、エキゾース
トマニホールドを例に挙げたが、部分的に耐熱性を有す
る部分を必要とするものであれば、その用途は自動車以
外の製品（部品）にも適用が可能である。

【００２１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の請求項１の
発明によれば、鋳型に形成されているキャビティ内に鋳
鉄の溶湯を注入して製造される鋳鉄製品の製造方法にお
いて、上記キャビティの内面にニッケル合金粉末を付
着、又は上記キャビティ内に中子が配設されているとき
は、必要に応じて中子の表面にニッケル合金粉を付着し
たあと、上記キャビティ内に溶湯を注入するようにした
ので、ニッケル合金粉が鋳鉄に溶解し鋳鉄をオーステナ
イトに変態させることができる。本発明の請求項２の発
明によれば、上記鋳鉄製品が耐熱性を要する部分を有
し、上記キャビティの内面又は上記中子の表面の上記耐
熱性を要する部分に対応させて、上記ニッケル合金粉を
付着するようにしたので、ニッケル合金粉末を付着させ
た部分の近傍は、鋳鉄をオーステナイト組織にすること
ができ、他の部分はフェライトとパーライトの混合組織
にすることができる。本発明の請求項３の発明は、上記
耐熱性を要する部分の周囲を該耐熱性を要する部分より
も肉厚を薄くしたので、製品の軽量化を図ることができ
る。本発明の請求項４の発明は、上記ニッケル合金が、
ニッケルに、ケイ素、ホウ素、リン、クロムのうち、少
なくとも１つ以上が含まれているので、Ｎｉ合金粉末の
融点温度を制御することができる。本発明の請求項５の
発明は、上記鋳鉄製品が自動車のエンジンから排気され
たガスを排出するエキゾーストマニホールドであり、エ
キゾーストマニホールドは、部分的に温度の高低差が生
じるので、鋳物の温度の高い部分に対応させてＮｉ合金
粉を付着させることにより、エキゾーストマニホールド
の耐熱性が向上し、制作費も安価になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による鋳物の耐熱強化方法
に用いる鋳型の断面図である。

【図２】図１の鋳型の内部を示す拡大断面図であり、Ａ
は、鋳型内のキャビティを形成する鋳物砂と中子の表面
にＮｉ合金粉末を付着させた状態を示し、Ｂはキャビテ
ィに溶湯を注入している状態であり、ＣはＮｉ合金粉末
を溶湯が昇温している状態を示し、ＤはＮｉ合金粉末が
溶解、拡散している状態を示し、Ｅは徐冷した後にオー
ステナイトが形成されている状態を示す。

【図３】従来（本実施の形態でも参照用している）のエ
キゾーストマニホールドの平面図である。

【図４】図３のエキゾーストマニホールドの断面図であ
る。

【符号の説明】

１鋳型２上枠３下枠４鋳物砂５キャビティ６中子７注入口８Ｎｉ合金粉末９溶湯

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鋳型に形成されているキャビティ内に鋳
鉄の溶湯を注入して製造される鋳物の耐熱強化方法にお
いて、上記キャビティの内面にニッケル合金粉末を付
着、又は上記キャビティ内に中子が配設されているとき
は必要に応じて中子の表面に、上記溶湯の溶融温度より
も融点が低いニッケル合金粉末を付着したあと、上記キ
ャビティ内に溶湯を注入して鋳物を成形するようにした
鋳物の耐熱強化方法。
【請求項２】上記鋳物が耐熱性を要する部分を有し、
上記キャビティの内面又は上記中子の表面の上記耐熱性
を要する部分に対応させて、上記ニッケル合金粉末を付
着するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の鋳
物の耐熱強化方法。
【請求項３】上記耐熱性を要する部分の周囲を該耐熱
性を要する部分よりも肉厚を薄くしたことを特徴とする
請求項２に記載の鋳物の耐熱強化方法。
【請求項４】上記ニッケル合金は、ニッケルに、ケイ
素、ホウ素、リン、クロムのうち、少なくとも１つ以上
が含まれていることを特徴とする請求項１〜３いずれか
に記載の鋳物の耐熱強化方法。
【請求項５】上記鋳物は自動車のエンジンから排気さ
れたガスを排出するエキゾーストマニホールドであるこ
とを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の鋳物の
耐熱強化方法。