JP2816099B2 - 多層構成鋳物の製造方法 - Google Patents

多層構成鋳物の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、互いに材質の異なる複
数の層からなる多層構成鋳物の製造方法に関し、特に湯
口と鋳型空隙部との間にこれらと連通する複数の反応室
を備えた鋳型を使用する多層構成鋳物の製造方法に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】鋳物に要求される性質や機能の高度化に
伴い、多層構成鋳物の開発が試みられている。例えば鋳
鉄鋳物に関しては、凝固冷却条件を適当に制御すること
によって、鉄・黒鉛系層と鉄・セメンタイト系層とから
なる複合組織を有する鋳物を製造することができる。実
際の鋳造方法としては、また、例えば遠心力鋳造技術を
用い、鋳込まれる溶湯の種類を順次変化させて多層構成
とし、各種のパイプ、チューブ、圧延ロール等を製造す
ることもできる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、遠心力鋳造
技術を用いる場合には、これに対する遠心力鋳造設備を
設ける必要があり、また製造できる製品の形状も円筒
状、円柱状、または円盤状等に限定される。これに対し
て本発明は、特別の設備を必要とせず通常の砂型鋳型を
用いて、砂型鋳型で製造できる鋳造品に適用可能な製造
方法の提供を目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明による多層構成鋳
物の製造方法は、特に湯口と鋳型空隙部との間にこれら
と連通する複数の反応室を備えた鋳型を使用することを
特徴としている。さらに、この反応室は、いわゆるイン
モールド法(鋳型内黒鉛球状化処理法)において用いら
れる反応室を応用したものである。インモールド法は、
鋳鉄溶湯の黒鉛球状化処理法として最も優れた方法の1
つであるとされている。すなわち、反応の安定性、処理
コストの低廉性のほか、作業環境、自動化、省力化の点
でも優れている。本発明においては、このインモールド
法の反応室を、多層を構成する各層の材質を調整するた
めに使用した。
【0005】すなわち、本発明の多層構成鋳物の製造方
法は、1つの湯口と、この湯口と連通する複数の反応室
と、この反応室のそれぞれと連通する鋳型空隙部とを備
え、かつ反応室と鋳型空隙部との間にそれぞれ溶湯の
流量を制御するフィルタを設けた鋳型を使用し、湯口に
鋳込まれた溶湯を各反応室内でそれぞれ別個に処理し、
処理された溶湯を各フィルタを介して鋳型空隙部内に流
入させることを特徴とする。本方法の実施に際しては、
反応室の数を2つとし、湯口に鋳鉄の溶湯を鋳込み、こ
の鋳鉄に対して反応室の一方では黒鉛球状化処理を施
し、反応室の他方では接種処理を施すものとすることも
できる。
【0006】た、溶湯の凝固冷却条件を変えて材質を
調整するためにチル板を使用することもできる。
【0007】
【発明の作用・効果】本発明の方法によれば、一定の化
学組成をもった溶湯が湯口から注湯され、各反応室内で
それぞれ別個の処理を施され、これがフィルタによって
流量を制御されながら鋳型空隙部内に入って合わせ湯さ
れる。この結果、模式的に図7に示したように、鋳型空
隙部は、A組織、中間のAB組織、およびB組織が、
(a)のように横方向に並び、または(b)のように縦
方向に並んだ遷移組織、換言すれば多層構成の鋳物を製
造することができる。この場合に、反応室の数を2つと
し、湯口から鋳鉄溶湯を鋳込み、一方の反応室では黒鉛
球状化処理を施し、他方の反応室では接種処理を施すも
のとすれば、A組織を球状黒鉛鋳鉄、AB組織をCV黒
鉛鋳鉄、B組織を片状黒鉛鋳鉄とし、連続的に遷移した
傾斜組織を形成することができる。この結果、A側面で
は強度、靱性、延性等に優れ、B側面では耐摩耗性、減
衰性、熱伝導性等に優れ、かつこれらの中間では両者の
中間の性質を有する黒鉛組織を備えた多機能の鋳物製品
が、1つの溶湯から1つの鋳型を使用して製造される。
鋳物の形状としては、鋳型空隙部の形状によって決定さ
れるので、原理的には砂型鋳型で製造できる鋳造品に広
く適用することができる。しかして、本発明の方法によ
れば、例えば遠心鋳造設備等の特別の設備は必要としな
い。
【0008】
【実施例】本発明の実施例を以下の実験によって詳細に
説明する。
【0009】(実験方法)図1はこの実験に用いた鋳型
で、湯口Sから鋳込まれた溶湯は、湯道を介して2つに
分かれ、それぞれ反応室R1、R2に入る。反応室の大
きさはそれぞれ40mm×40mm×40mmとした。反応室でそれ
ぞれの処理を受けた溶湯は、YブロックY1、Y2に入
り、ついでこのY1、Y2とそれぞれ連通するYブロッ
クY3に入り、ここで2つの経路から来た溶湯が合わせ
湯されそれぞれ層を成して凝固冷却する。Yブロックの
押湯下の寸法はそれぞれ、断面20mm×20mm、長さ130mm
とした。この鋳型は6号珪砂に適量のベントナイトと水
を配合して造型し、乾燥炉で約400Kで3時間乾燥し空冷
した乾燥型である。図中の・印は溶湯の到達時間を測定
するために鋳型に埋め込んだセンサの位置を示し、それ
ぞれに番号を付けた。
【0010】2つの経路からY3に流入する溶湯の流量
を制御してY3の層組織を調整するために、Y1とY3
との連接部位、およびY2とY3との連接部位にそれぞ
れフィルタ、ダム等の流量制御手段F1,F2を設けて
実験を行った。
【0011】この実験では、材質として鋳鉄を対象とし
たので、高純度銑鉄、電解鉄、金属けい素を用いて目標
組成に配合し、高周波電気炉で溶解した溶湯を約1723K
で前記鋳型に鋳込んだ。
【0012】また、反応室R1内での溶湯の処理は黒鉛
球状化処理とし、球状化剤としてインモールド法専用に
開発された粒径1〜4mmの6.71%Mg, 48.65%Si, 0.39%Ca,
0.93%RE, 1.04%AlのFe合金を設置した。反応室R2内で
の溶湯の処理は接種処理とし、接種剤として粒径0.8〜
2.4mmの金属けい素、または一般の75%Siフェロシリコン
を設置した。いずれの合金も実験条件に合わせて設置量
を適宜に変えた。
【0013】実験ごとに測定、観察した項目としては、 イ.Y1、Y2内に充満された溶湯の熱分析 ロ.各センサまでの溶湯到達時間の測定 ハ.Y3内で凝固した鋳鉄の音速測定 ニ.Y3から採取した試料の顕微鏡組織観察 ホ.Y3から採取した試料の機械的性質測定 (実験結果) イ.Y1、Y2内に充満された溶湯の熱分析による共晶
温度における過冷度の比較は、図2に示すようにSiとの
関係において、○で示すY1についての値と、□で示す
Y2についての値との間で明らかに区別できる2つのグ
ループを形成している。これは反応室R1では黒鉛球状
化処理の結果過冷度が増し、反応室R2では接種処理の
結果過冷度が減り、結局両反応室の機能が正常に作動し
ていることを裏付けている。
【0014】ロ.Y1とY3との連接部位、およびY2
とY3との連接部位に流量制御手段F1,F2としてそ
れぞれフィルタまたはダムを設けた場合の、溶湯の各セ
ンサまでの到達時間の測定結果を図3に示す。図中〇は
R1を経る経路、□はR2を経る経路の溶湯についての
ものである。また、図4は両連接部位にフィルタを設け
た場合△、および設けない場合▲について、図3と異な
りYブロックの上面に設けられたセンサも含めて、
(a)はR1側経路について、(b)はR2側経路につ
いての到達時間を示す。なお、図中の数字はセンサ番号
である。これらの実験によって、Y3内の各部位への溶
湯の到達時間、または各部位における溶湯の充満時間を
知ることができ、フィルタ、ダム、特にフィルタの設置
による溶湯の流量の制御、Y3内での溶湯の混合状態の
制御、ひいては層状組織構成の制御が可能であることが
明らかとなった。なお、この実験で用いたフィルタは、
有限会社フォセコジャパンリミテッド製のセラミックフ
ィルタ(縦50mm、横50mm厚さ20mm)であっ
て、これをY3の長手方向に直角に埋め込み、またダム
はイソライト工業株式会社製のイソライトれんがを縦5
0mm、横50mm、厚さ10mmに裁断加工したもの
をY3に同様に埋め込み、上縁中央に縦10mm、横2
0mmの開口を設けた。
【0015】ハ.Y3内で凝固した鋳鉄の音速測定 この測定は、Y3内で凝固した鋳鉄の組織を非破壊検査
によりマクロ的に観察するために行ったもので、Y3の
押湯下の部分から断面積20×20mmの直方体を切り
出して試験片とした。この試験片の厚さ方向の上部と中
央部について、また図1のY3の右側(外側)と左側
(内側)について、さらに試験片の長手方向について中
心からY1およびY2側に所定距離だけ隔たった点につ
いて、それぞれ5MHzの直径8mmプローブによる厚
さ測定器を使用して超音波の音速を測定した。測定は、
表1のような方案に従った実験から得られた試験片につ
いて行い、その結果を図5(a)ないし(d)に示す。
図中距離mmは中心からR1経路側へは−で、R2経路
側へは+で示す。この結果から、ダム、フィルタを用い
てY3に流入する溶湯の流量を制御し、またチル板によ
って冷却条件を変えることによって、Y3の各部分にお
ける音速が変化し、黒鉛組織が変化したことが分か
。この実験で用いたフィルタとダムとは(ロ)の実験
と同様のものであり、またチル板は断面20mm×20
mm、長さ45mmの純銅板で、Y3の底面に長手方向
に埋め込んでその表面のみを露出させた。
【0016】
【表1】
【0017】ニ.Y3の押湯下の部分の長手方向に沿っ
た側面の顕微鏡組織の一例を図6に示す。組織が球状黒
鉛から片状黒鉛へ連続的に遷移していることが分かる。
この遷移の幅や方向は、溶湯の流入、凝固冷却条件によ
って制御することができる。
【0018】ホ.前記のような組織に対応して、機械的
性質においても、Y3の球状化処理経路側で平均引張り
強さ391N/mm2、平均伸び14.5%、接種処理経路側で平均
引張り強さ181N/mm2であった。
【0019】(考察) 上記実験によれば、一定の化学組成をもった鋳鉄の溶湯
が湯口Sから注湯され、反応室R1、R2内でそれぞれ
黒鉛球状化処理、接種処理を施されて鋳型空隙部に相当
するY3内で合わせ湯される。この際、Y3への入り口
にフィルタ、ダム等の流量制御手段を設けて、Y3に流
入するそれぞれの経路の溶湯の流量を制御した。記の
ようなフィルタ及び反応室の設置によって、Y3には球
状黒鉛組織、中間組織および片状黒鉛組織が横方向に並
んだ多層構成の鋳鉄鋳物を製造することができた。
場合に、インモールド法の反応室の機能は本発明に対し
て十分に満足できるものであることが明らかとなった。
製品の鋳物の形状としては、Y3すなわち鋳型空隙部の
形状によって決定されるので、原理的には砂型鋳型で製
造できる鋳造品に広く適用することができる。また、例
えば遠心鋳造設備等の特別の設備は必要としない。
【0020】上記実験では反応室の数を2つとしたが、
必要により数を増して、この反応室でも溶湯の処理を行
い、Y3に導いて他の系統からの溶湯と合わせ湯するこ
とができる。1つの鋳型内に収容する鋳型空隙部の数も
必要により増すことができる。なお、前記Y1とY2と
は実験上の必要から設けたものであるので、実際生産の
場合には不要である。鋳造組織を制御するためには、上
記実験でも使用したようにチル板によって必要な部位の
凝固冷却条件を調節することもできる。また、上記実験
では反応室内に処理剤として黒鉛球状化剤や接種剤を設
置して鋳鉄の黒鉛組織を制御したが、このほかに各種合
金を設置して、黒鉛組織ばかりでなく基地組織を制御し
て、白鋳鉄、合金鋳鉄等からなる多層構成鋳物の製造も
可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に基づく製造方法の実験に使用した鋳
型の略平面図(a)および略立面図(b)である。
【図2】 図1のY1、Y2内に充満した溶湯の熱分析
の結果を示すグラフである。
【図3】 図1の各センサまでの溶湯の到達時間を示す
グラフである。
【図4】 図1の各センサまでの溶湯の到達時間を示す
別のグラフである。
【図5】 図1のY3内で凝固した鋳鉄の音速測定結果
を示すグラフである。
【図6】 図1のY3内で凝固した鋳鉄の組織を示す顕
微鏡写真である。
【図7】 多層構成鋳物の組織を示す模式図である。
【符号の説明】
S…湯口、R1,R2…反応室、Y3…Yブロック(鋳
型空隙部)、F1,F2…流量制御手段。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B22D 19/00 B22C 9/08 B22D 1/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 互いに材質の異なる複数の層からなる多
    層構成鋳物の製造方法であって、1つの湯口と、この湯
    口と連通する複数の反応室と、この反応室のそれぞれと
    連通する鋳型空隙部とを備え、かつ前記反応室と前記
    鋳型空隙部との間にそれぞれ溶湯の流量を制御するフィ
    ルタを設けた鋳型を使用し、前記湯口に鋳込まれた溶湯
    を前記各反応室内でそれぞれ別個に処理し、処理された
    溶湯を前記各フィルタを介して前記鋳型空隙部内に流入
    させることを特徴とする多層構成鋳物の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記反応室の数が2つであることを特徴
    とする請求項1に記載の多層構成鋳物の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記湯口に鋳込まれる溶湯が鋳鉄である
    ことを特徴とする請求項2に記載の多層構成鋳物の製造
    方法。
  4. 【請求項4】 前記湯口に鋳込まれた鋳鉄に対して前記
    反応室の一方では黒鉛球状化処理を施し、前記反応室の
    他方では接種処理を施すことを特徴とする請求項3に記
    載の多層構成鋳物の製造方法。
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