JP5085839B2 - シリンダヘッドのためのねずみ鋳鉄 - Google Patents
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Description
本発明は、ねずみ鋳鉄を使用した鋳造方法に関し、より詳しくは、ねずみ鋳鉄を使用してクランクケース及びシリンダヘッドを製造する鋳造方法に関する。
ねずみ鋳鉄は、鋳造性に優れ、低コストであるために、望ましい鋳造材料であって、クランクケースやシリンダヘッドなどの製品の製造に広く用いられている。これらの製品は、高い強度、堅実性、良好な機械加工性、寸法安定性、及び一定した特性を必要とする。このような品質を得るために、鋳造品のすべての部分にわたって、均一な冶金的構造、特に均一なパーライト構造を達成することが重要である。これらの望ましい特性を達成する努力として、鋳造工程においては、ねずみ鋳鉄の材料に合金を加えることが一般的になっていて、ねずみ鋳鉄を合金化することの効果については広く研究されており、例えば、AFS Transactions誌 Vol. 90, 1982年の Janowak & Gundlach による、"A Modern Approach To Alloying Gray Iron"や、AFS Transactions誌 Vol. 94, 1986年の Fuller による、"Effect of Manganese and Sulfur on Mechanical Properties and Structure of Flake Graphite Cast Irons"などに発表されている。
こうした研究にもかかわらず、強度的な要求条件を満たすために、ねずみ鋳鉄によるクランクケースやシリンダヘッドの鋳造品は、溶融状態のねずみ鋳鉄をクロム合金とすることで製造されているが、これはチリングやセメンタイトの形成に起因して鋳造品にハードスポットを生じさせ、その結果、機械加工の困難、損傷した鋳造品、及び切削ツールの短命化や性能低下などにつながっている。チリング傾向を部分的に低減させる努力として、溶融ねずみ鋳鉄において、ねずみ鋳鉄のベース材における珪素レベルを高め、珪素ベースの接種の添加を増やしているが、これは製造コストを著しく上昇させることになる。さらに、珪素を追加するとクロムの強化合金の必要性が大きくなって、このため、さらにコストが上昇すると共に、セメンタイトのハードスポットやチリングの形成傾向が高くなる。加えて、高レベルに合金化する結果、得られるクランクケースやシリンダヘッドにおいては凝固応力が高くなり、工程中の鋳造品の変形や割れを最小にするために、応力除去熱処理が必要になる。温度が９００゜〜１２００゜Ｆの比較的低温で砂落としをする、つまり型から取り出すというニーズのために、鋳造応力はさらに高くなる。
従って、ねずみ鋳鉄を使用してクランクケースやシリンダヘッドを経済的に製造する方法であって、凝固の際のセメンタイトのハードスポットやチリングの形成が最小であり、鋳造品への応力除去熱処理の必要性が最小であるような方法に対するニーズが依然として存在する。
本発明による方法は、ねずみ鋳鉄製のクランクケースやシリンダヘッドを製造する方法であって、凝固の際のセメンタイトのハードスポットやチリングの形成を最小にしつつ、鋳造品への応力除去熱処理の必要性を最小にするような方法を提供する。本発明による方法は、なんら追加的な処理設備を必要とすることがなく、冷却時間が短い、すなわち高温で砂落としできるという利点を有している。
本発明による、ねずみ鋳鉄からクランクケース及びシリンダヘッドを製造するための方法は、溶融状態にあるねずみ鋳鉄金属であって、約３．４％〜約３．４５％の炭素と、約１．８０％〜約１．９０％の珪素と、約０．０３％未満のリンとを含む約４．０５％の炭素等価量を有し、約０．０５％〜約０．０７％の溶融ねずみ鋳鉄金属の硫黄と、硫黄割合の約１．７倍に約０．３０％〜約０．４０％を加えたマンガンと、約０．１０％未満のベース鉄のクロムとを維持するような上記金属を提供する段階を含んでいる。溶融状態にあるねずみ鋳鉄ベースの金属は、取鍋に移され、取鍋の中で、溶融状態にあるねずみ鋳鉄金属をすずと合金にして、すずの総含有量を約０．０５％〜約０．１０％とすることで、溶融状態のすず合金であるねずみ鋳鉄金属を提供する。溶融状態のすず合金であるねずみ鋳鉄金属に、珪素ベースの接種をして、約０．１０％〜約０．１２％の珪素をさらに加え、こうして得られた溶融状態のすず合金である接種されたねずみ鋳鉄金属を、できるだけ速やかに、好ましくは接種後７〜１０分以内に、取鍋から鋳造型に注ぎ入れる。
この製造方法においては、溶融状態にあるねずみ鋳鉄金属は、従来の製造方法に比べて、実質的に炭素のレベルは高く、リンのレベルは低く、クロムのレベルは著しく低く、硫黄のレベルは若干低く、すずを使用した合金をパーライトの安定材としていて、セメンタイトのハードスポットやチリングの形成を実質的に低減させ、ねずみ鋳鉄の珪素の含有量を著しく低減し、接種添加物を最小にすることができる。さらに、得られた鋳造品を高温にて砂落としすることも、合金添加の必要性を最小にすると共に、低い残留応力の鋳造品を提供することができる。
本発明の製造方法によれば、その化学組成から予想されるよりもはるかに強い鋳造品が得られ、接種する材料と合金化のコストは従来の慣行に比べて低く、得られた鋳造品に応力除去熱処理を行う必要性は最小になる。
図１に示すように、本発明による方法の第１の段階は、溶融状態にある含有物の調整されたねずみ鋳鉄ベースの金属を準備することである。溶融状態にあるねずみ鋳鉄金属は、屑鉄、ねずみ鋳鉄のインゴット、及び製造工程中に回収されたねずみ鋳鉄の廃物から、電気炉内で準備される。溶融状態にあるねずみ鋳鉄金属の含有物を制御するために、屑鉄、ねずみ鋳鉄のインゴット、及び回収されたねずみ鋳鉄の廃物について分光分析を行って、これら３種類の原料の相対量を調整し、必要に応じて溶融状態にあるねずみ鋳鉄に珪素、リン、マンガン、及びクロムのうちの１又は複数を添加する。溶融状態にあるねずみ鋳鉄金属は、概して低いレベルのリン、硫黄、及びクロムに維持されるため、仮に必要があるとしても、これらの合金金属の量は少なくなる。
第２の段階では、含有物の調整された溶融状態にあるねずみ鋳鉄金属を取鍋に入れてさらに処理を行う。第３の段階においては、含有物の調整された溶融状態にあるねずみ鋳鉄金属を、取鍋内にて、すずと合金にして、鋳造される部品の断面に応じて、すずの総含有量を約０．０５％〜約０．１０％、より好ましくは０．５５％〜０．９５％とする。第３の段階において、含有物調整されたねずみ鋳鉄金属に加えられるすずの割合は、鋳造される部品のより重要な部分に応じて定められる。重要な部分とは、優れた強度及び／又は機械加工性を有することが求められる部分である。重要な部分は、当該部分の機能に応じて、鋳造品における薄い部分であったり、厚い部分であったりする。溶融状態にあるねずみ鋳鉄金属と合金にされるすずの量は、重要な部分の温度降下が遅い（すなわち、ゆっくり冷える）場合にあっては、約０．０５％〜約０．１０％の範囲のうちの上限になり、重要な部分の冷却が速い場合には、かかる範囲の下限になる。隣接する鋳造部分がかさばっていて、これが薄い部分への熱源として作用することで温度降下が遅くなるのであれば、たとえ鋳造品の薄い部分であっても範囲内の上限の合金化すずを添加する必要があることもある。
方法の第４の段階においては、すず合金にされた溶融状態にあるねずみ鋳鉄金属に、珪素ベースの接種を行って、約０．１０％〜約０．１２％の珪素を加える。本発明を実施する上では、バリウム及び／又はカルシウムを含んだ珪素ベースの接種が好ましい。次に、できるだけ速やかに部品を鋳造するが、好ましくは、すず合金にされた溶融状態にあるねずみ鋳鉄金属に接種をした後の７〜１０分以内に、取鍋の内容物を鋳造部品の１又は複数の型に注ぎ入れる。
鋳造された部品は、それらが１４００゜Ｆを越える温度であるときに、好ましくは約１５００゜Ｆ〜１６００゜Ｆの範囲にあるときに、型から取り外す。砂落とし温度としては、１５００゜Ｆ〜１６００゜Ｆが好ましいけれども、これは本発明においては決定的には重要ではなく、砂落とし温度は特定の冷却時間をおいて鋳造部品を型から取り外すことで決定することができ、この時間は、鋳造部品の温度が１４００゜Ｆを越えるように、好ましくは約１５００゜Ｆ〜１６００゜Ｆの範囲になるように、経験的に定められる。砂落とし温度が比較的高温であるために、鋳造のためのプロセスタイムは短縮化される。
本発明を用いてエンジンブロックやクランクケースを鋳造することで、部品の機械加工性の妨げとなる、セメンタイトやチリングに起因する鋳造品のハードスポットを最小にすることができ、鋳造品により均一なパーライト構造を提供できると共に、強度を高めることができる。
本発明について、エンジンブロックとクランクケースの製造に関して説明したけれども、本発明は、特許請求の範囲に記載した発明から逸脱せずに、上述した好ましい実施形態から離れて、他の部品の鋳造にも使用することができることを当業者は認識するだろう。
Claims (13)
- ねずみ鋳鉄からクランクケース及びシリンダヘッドを製造するための方法であって、この方法が、
溶融状態にある含有物調整されたねずみ鋳鉄金属であって、３．４０％〜３．４５％の炭素と、１．８０％〜１．９０％の珪素と、０．０３％未満のリンとからなる４．０５％の炭素等価量を有し、０．０５％〜０．０７％の硫黄と、硫黄割合の１．７倍に０．３０％〜０．４０％を加えたマンガンと、０．１０％未満のクロムとに維持し、残部鉄を有する上記金属を提供する段階と、
前記溶融状態にある含有物調整されたねずみ鋳鉄金属を取鍋に移す段階と、
前記溶融状態にある含有物調整されたねずみ鋳鉄金属を、前記取鍋内にて、すずと合金にして、すずの総含有量を０．０５％〜０．１０％とし、溶融状態にある含有物調整されたねずみ鋳鉄金属のすず合金を提供する段階と、
前記溶融状態にある含有物調整されたねずみ鋳鉄金属のすず合金にバリウム及び／又はカルシウムを含んだ硅素ベースの接種を行い、含有量０．１０％〜０．１２％の珪素をさらに加える段階と、
前記接種の後、７〜１０分以内に、接種された、前記溶融状態にある含有物調整されたねずみ鋳鉄金属のすず合金を鋳造型に注ぎ入れる段階と、を備えている、
ことを特徴とする方法。 - 溶融状態にある含有物調整されたねずみ鋳鉄金属を提供する段階は、屑鉄、ねずみ鋳鉄のインゴット、及び回収されたねずみ鋳鉄の廃物に含まれる、炭素、珪素、リン、硫黄、マンガン、及びクロムの含有量を決定する段階を備え、
屑鉄、ねずみ鋳鉄のインゴット、及び回収されたねずみ鋳鉄の廃物を相対比率にて溶融し、溶融状態にある含有物調整されたねずみ鋳鉄金属に近似させる段階と、
近似された溶融状態にある含有物調整されたねずみ鋳鉄金属における炭素、珪素、リン、硫黄、マンガン、及びクロムの含有量を必要に応じて調整して、溶融状態にある含有物調整されたねずみ鋳鉄金属を提供する段階と、を備えている、
請求項１に記載の方法。 - 溶融状態にある含有物調整されたねずみ鋳鉄金属は、鋳造される部品における重要部分に応じた割合のすず合金になっている、
請求項１に記載の方法。 - 溶融状態にある含有物調整されたねずみ鋳鉄金属は、冷却の遅い重要部分をもった部品のために、パーセント範囲の上限のすず合金になっている、
請求項３に記載の方法。 - 溶融状態にある含有物調整されたねずみ鋳鉄金属は、冷却の速い重要部分をもった部品のために、パーセント範囲の下限のすず合金になっている、
請求項３に記載の方法。 - 溶融状態にある含有物調整されたねずみ鋳鉄金属であって、３．４０％〜３．４５％の炭素と、１．８０％〜１．９０％の珪素と、０．０３％未満のリンとからなる４．０５％の炭素等価量を有し、０．０５％〜０．０７％の硫黄と、硫黄割合の１．７８倍に０．３０％〜０．４０％を加えたマンガンと、０．１０％未満のクロムと、残部鉄と、を含むような上記金属を、鋳造前に、すずと合金にして、すずの総含有量を０．０５％〜０．１０％とし、バリウム及び／又はカルシウムを含んだ硅素ベースの接種を行い、含有量０．１０％〜０．１２％の珪素をさらに加え、これを用いて接種後７〜１０分以内に鋳造された、
ことを特徴とする内燃機関の部品。 - 内燃機関の部品は冷却の遅い重要部分を含んでおり、
クランクケース金属のすずの総含有量は、すずのパーセント範囲の上限になっている、 請求項６に記載の内燃機関の部品。 - 内燃機関の部品は冷却の速い重要部分を含んでいて、クランクケース金属のすずの総含有量は、すずのパーセント範囲の下限になっている、
請求項６に記載の内燃機関の部品。 - ねずみ鋳鉄から内燃機関の部品を鋳造するための方法であって、この方法が、
溶融状態にあるねずみ鋳鉄金属であって、３．４０％〜３．４５％の炭素と、１．８０％〜１．９０％の珪素と、０．０３％未満のリンとからなる４．０５％の炭素等価量を有し、０．０５％〜０．０７％の硫黄と、硫黄割合の１．７倍に０．３０％〜０．４０％を加えたマンガンと、０．１０％未満のクロムとを含み、残部鉄を有するような上記金属を提供する段階と、
前記溶融状態にあるねずみ鋳鉄金属を、鋳造前に、すずと合金にして、すずの総含有量を０．０５％〜０．１０％とし、溶融状態にあるねずみ鋳鉄金属のすず合金を提供する段階と、
前記溶融状態にあるねずみ鋳鉄金属のすず合金に、鋳造前に、硅素ベースの接種を行い、含有量０．１０％〜０．１２％の珪素をさらに加える段階と、
前記接種の後、７〜１０分以内に、内燃機関の部品を鋳造する段階と、
を備えていることを特徴とする方法。 - 溶融状態にあるねずみ鋳鉄金属を提供する段階は、屑鉄、ねずみ鋳鉄のインゴット、及び回収されたねずみ鋳鉄の廃物に含まれる、炭素、珪素、リン、硫黄、マンガン、及びクロムの含有量を決定する段階と、屑鉄、ねずみ鋳鉄のインゴット、及び回収されたねずみ鋳鉄の廃物を相対比率にて溶融し、溶融状態にある含有物調整されたねずみ鋳鉄金属に近似させる段階と、
近似された溶融状態にある含有物調整されたねずみ鋳鉄金属における炭素、珪素、リン、硫黄、マンガン、及びクロムの含有量を必要に応じて調整して、溶融状態にある含有物調整されたねずみ鋳鉄金属を提供する段階と、を備えている、
ことを特徴とする請求項９に記載の方法。 - 溶融状態にあるねずみ鋳鉄金属は、鋳造される内燃機関の部品における重要部分に応じた割合のすず合金になっている、
請求項９に記載の方法。 - 溶融状態にあるねずみ鋳鉄金属は、冷却の遅い重要部分をもった内燃機関の部品のために、パーセント範囲の上限のすず合金になっている、
請求項１１に記載の方法。 - 溶融状態にあるねずみ鋳鉄金属は、冷却の速い重要部分をもった内燃機関の部品のために、パーセント範囲の下限のすず合金になっている、
請求項１１に記載の方法。
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