JP2005271006A - 鋳造用金型およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳鉄鋳物を用いても耐久性が十分な鋳造用金型を提供し、鋳物化によりコスト低減を図る。
【解決手段】予め成形面２を模した曲面形状を有する板状の冷し金１０を用意し、この冷し金１０を鋳型（砂型）１１内の底部にセットして、鋳型１１内に球状黒鉛鋳鉄材料の溶湯を鋳込み、前記冷し金１０に接触する所定範囲をチル化して、成形面２を含む表層部にチル層３を形成し、チル層３以外の部分には、球状黒鉛４を晶出させる。チル層３によって所望の耐ヒートチェック性を確保し、内部の球状黒鉛組織により大きな型割れに対する耐性を確保する。
【選択図】図３

Description

本発明は、鋳鉄鋳物製の鋳造用金型とその製造方法とに関する。

加熱および冷却を繰返し受ける鋳造用金型は、交番して発生する熱応力によって熱疲労を起こし易く、特に表面に亀甲状に発生するヒートチェックが、型寿命を決定する大きな要因となっている。このため、鋳造用金型としては、耐ヒートチェック性に優れていることが絶対的条件となり、そこで、従来は、５％Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系の合金工具鋼であるＳＫＤ６１が型材として多く用いられていた。特に、溶湯が高速、高圧で金型キャビティに充填されるダイカスト鋳造用の鋳造型にあっては、耐ヒートチェック性に加えて、大きな負荷に耐える強靭性も要求されることから、強度および靭性の点でも優れている前記ＳＫＤ６１が専ら型材として用いられていた。

ところで、上記型材としてのＳＫＤ６１は、熱処理（焼入れ、焼戻し）を施して使用されるようになっており、したがって、金型の製造においては、この熱処理を行う前に主たる機械加工を終え、熱処理後に最終的な仕上加工を行うようにしている。この場合、前記熱処理前の機械加工はブロックからの削出しとなり、その加工に多くの工数と時間とを要し、材料歩留りの面でも無駄が多いものとなっていた。

上記したことから、鋳造用金型に鋳鉄鋳物を用いることができれば、最終形状に近い形状で型材を提供でき、いわゆるネットシェイプ化が実現する。この場合は、鋳造後、最終的な仕上加工を行うだけで金型は完成し、熱処理が不要になることもあって大きなコスト低減を達成できることになる。しかし、ねずみ鋳鉄や球状黒鉛鋳鉄に代表される鋳鉄は、基地中に多くの黒鉛が分布しているため硬度が低く、耐ヒートチェック性が不十分であり、鋳造用金型としての使用は困難である。このため、従来、金型鋳造分野での鋳鉄の使用は、ガス吹込み管、ストーク、湯口ブッシュ、ラドル等の金型周辺部材に限られていた。なお、特許文献１には、耐アルミ溶損性を改善する目的で、前記した金型周辺部材を黒鉛の存在しない白銑系材料（白鋳鉄）で形成することが提案されている。
特開２００２−１９４４７７号公報

本発明者は、鋳造用金型に対する鋳鉄鋳物の使用について鋭意検討した結果、耐ヒートチェック性を高めるには、組織を白銑化して表面の硬度を高めることが有効であることを見出した。この場合、上記特許文献１に記載されるように金型の全体を白銑化すると、内部の靭性が不足して大きな型割れを引起こし易くなる。そこで、本発明者は、少なくとも成形面を含む表層部のみを白銑化（チル化）して、内部は黒鉛を含む組織をそのまま残すことが有効であるとの結論に至った。

本発明は、上記した知見に基いてなされたもので、その課題とするところは、鋳鉄鋳物を用いても耐久性が十分な鋳造用金型を提供し、併せて該金型を容易に得るための製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る鋳造用金型は、鋳鉄鋳物からなる金型において少なくとも成形面を含む表層部がチル層からなる構成としたことを特徴とする。チル層は、基地中にセメンタイト（Ｆｅ₃Ｃ）が分布する組織となっており、前記セメンタイトの存在により硬度が上昇し、これに伴って耐ヒートチェック性も向上する。一方、内部には黒鉛が存在することから、全体として十分なる靭性を有するものとなり、大きな型割れに対する耐性も十分となる。本発明において、前記鋳鉄は、ねずみ鋳鉄であっても球状黒鉛鋳鉄であってもよいが、強靭性により優れている球状黒鉛鋳鉄を選択するのが望ましい。

上記課題を解決するため、本発明に係る鋳造用金型の製造方法は、冷し金を配置した鋳型内に鋳鉄材料の溶湯を鋳込み、少なくとも成形面を含む表層部を前記冷し金により急冷してチル化することを特徴とする。この場合は、目的の部分に選択的にチル層を設けることができるので、後加工が簡単となる。

また、本発明に係る他の製造方法は、成分を調整した鋳鉄材料の溶湯を鋳型内に鋳込み、表層部をチル化することを特徴とする。この場合は、鋳型内に冷し金を配置する作業が不要になるので、鋳造作業は簡単となる。

本発明に係る鋳造用金型によれば、鋳鉄鋳物を型材として用いても耐久性が十分となり、鋳物化によって製造コストが大幅に低減する。
また、本発明に係る鋳造用金型の製造方法によれば、冷し金による急冷操作または成分調整により容易に表層部をチル化できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る鋳造用金型の一つの実施形態を示したものである。同図中、符号１で示す金型は、その全体が球状黒鉛鋳鉄の鋳物からなっている。本金型１は、その一面が金型キャビティを形成するための成形面２となっており、しかも、前記成形面２を含む表層部はチル層３からなっている。このチル層３は、基地中にセメンタイト（Ｆｅ₃Ｃ）が分布する白鋳鉄の組織となっており、一方、このチル層３以外の部分は基地中に球状黒鉛４が分布する組織となっている。また、前記チル層３以外の部分は、内部にいくほど球状黒鉛４の粒径が大きくなる傾斜性の組織となっている。

上記チル層３の硬度はブリネル硬度（ＨＢ）で５００以上となっており、チル層３を除く部分の硬度がＨＢ３５０以下となっているのに比べ、硬度が大幅に上昇している。本実施形態において、このチル層３の基地およびチル層３以外の部分の基地の組織は任意であり、パーライトであってもフェライトであっても、あるいはそれらの混合組織であってもよいが、強靭性をできるだけ高めるにはパーライトとするのが望ましい。また、チル層３の厚さ（深さ）Ｌは５〜１０ｍｍ範囲とするのが望ましい。これは、あまり薄いと所望の耐ヒートチェック性が得られず、逆に厚すぎると靭性の低下により大きなクラックが発生し易くなるためである。

上記のように構成した鋳造用金型１は、成形面２を含む表層部が硬度の高いチル層３からなっているので、耐ヒートチェック性が向上する。また、前記チル層３を除く部分は、球状黒鉛鋳鉄と同じ組織となっており、しかも内部にいくほど球状黒鉛３の粒径が大きくなる傾斜性を有しているので、金型１は、全体として靭性に優れたものとなっている。すなわち、本鋳造用金型１は、型寿命の大きな要因であるヒートチェックに対する耐性に優れているばかりか、大きな型割れに対する耐性にも優れており、鋳造用、特にダイカスト鋳造用として十分に使用可能となっている。

図２〜図４は、上記した鋳造用金型１を製造する方法の一つの実施形態を示したものである。本実施形態は、上記成形面２を含む表層部に選択的にチル層３を形成するもので、その実施に際しては、図２に示されるように、予め前記成形面２を模した曲面形状を有する板状の冷し金１０を用意し、この冷し金１０を鋳型（砂型）１１内の底部にセットする。鋳型１１の造型法は任意であり、例えば、消失性模型を鋳物砂中に埋設させる方法を採用することができる。そして、造型後、この鋳型１１内に、図示のようにラドル１２から鋳鉄材料の溶湯１３を注入する（鋳込む）。この場合、前記溶湯は、球状黒鉛３が晶出し易いようにＭｇ等が添加されかつ球状化の阻害となるＰ，Ｓ等の含有量が制限されている。

上記鋳型１１内に鋳込まれた溶湯１３は、先ず、冷し金１０に接触する溶湯部分が急冷され、この急冷によりオーステナイトとセメンタイトとの共晶、いわゆるレデブライトが晶出する。すなわち、前記冷し金１０に接触する所定範囲がチル化され、これにより、図３に示されるように、冷し金１０に沿って前記チル層３が所定深さにわたって形成される。一方、その他の部分では、鋳型１１の内壁に接触する部分から内部へ向けて徐々に凝固が進行し、これにより上記した球状黒鉛４が多数晶出する。この場合、内部ほど冷却速度が遅くなるので、上記したように球状黒鉛４の粒径が内部にいくほど大きくなる傾斜性の組織となる。このようにして、前記図１に示した最終形状に取代を上乗せした鋳造品（型材）１４が得られ、これにて鋳造は完了する。その後は、前記鋳造品１４を鋳型１１から取出し、必要によりその側面、底面等を機械加工により仕上げ、さらに、図４に示されるように、工具１５により成形面２を仕上加工し、これにて鋳造用金型１は完成する。

上記した製造方法においては、最終形状に近い形状で型材（鋳造品１４）が提供されるので、最終の機械加工は、残余の取代を削取るだけとなり、これにより、機械加工に要する工数およびコストはＳＫＤ６１等を型材として用いる場合に比べて著しく削減される。しかも、ＳＫＤ６１等を型材として用いる場合に必須となる熱処理も不要になり、本発明の方法により製造される鋳造金型は、ＳＫＤ６１等を型材として用いる場合に比べて大幅に製造コストが低減される。本実施形態においては特に、冷し金１０により必要部分だけチル化するので、鋳造後の機械加工は簡単となる。

上記実施形態においては、冷し金１０を用いてチル化を図ったが、本発明の製造方法は、上記した鋳型（砂型）１１の内壁面との接触によってチル化するように成分を調整した鋳鉄材料の溶湯を鋳型内に鋳込むようにしてもよいものである。例えば、ＣやＳｉは黒鉛化を促進する元素として知られており、チル化を促すには、これらＣやＳｉを低めに設定すればよい。この場合は、図５に示されるように、鋳込みによって得られた鋳造品１４´の全面に所定の深さのチル層３´が形成されるが、その側面および底面に形成されているチル層３´を機械加工で除去することで、図１に示したものと同じ鋳造用金型１が完成する。もちろん、鋳造品１４´の側面および底面に形成されているチル層３´はそのまま残してもよい。本実施形態によれば、冷し金１０を鋳型１１内に配置する作業が不要になるので、鋳造作業は簡単となり、その上、複雑形状の冷し金１０を用意する必要がないので、コスト的にも有利である。

なお、本発明が適用される鋳造方法は任意であり、ダイカスト鋳造はもとより、汎用の重力鋳造、あるいは低圧鋳造や吸引鋳造等に適用できる。

本発明の一つの実施形態である鋳造用金型の組織状態を模式的に示す断面図である。 本鋳造用金型を得るための製造方法の一つの実施形態を示したもので、冷し金を用いて行う鋳造工程を模式的に示す断面図である。 図２に示した鋳造工程の鋳造完了状態を模式的に示す断面図である。 鋳造後に行う最終的な機械加工工程を模式的に示す断面図である。 本鋳造用金型を得るための製造方法の他の実施形態を示したもので、鋳造完了状態を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１ 鋳造用金型、 ２ 成形面
３，３´ チル層、 ４ 球状黒鉛
１０ 冷し金、 １１ 鋳型
１４，１４´ 鋳造品

Claims (4)

1. 少なくとも成形面を含む表層部がチル層からなることを特徴とする鋳鉄鋳物製の鋳造用金型。
2. 鋳鉄が、球状黒鉛鋳鉄であることを特徴とする請求項１に記載の鋳造用金型。
3. 冷し金を配置した鋳型内に鋳鉄材料の溶湯を鋳込み、少なくとも成形面を含む表層部を前記冷し金により急冷してチル化することを特徴とする鋳造用金型の製造方法。
4. 成分を調整した鋳鉄材料の溶湯を鋳型内に鋳込み、表層部をチル化することを特徴とする鋳造用金型の製造方法。
   
   

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