JP6051740B2 - 鋳造用ケレン及び鋳型 - Google Patents

Description

本発明は、中空形状を成す鋳鉄製の軸部品の鋳造において、鋳型内部に中子を保持するのに用いられる鋳造用ケレン、及びその鋳造用ケレンを用いた鋳型に関するものである。

一般に、中空形状の軸部品を鋳造する場合には、軸部品の中空部を形成する中子を用いる。この中子は、軸線方向に配置した複数の鋳造用ケレンによって鋳型のキャビティ内に保持される。鋳造用ケレンは、熱間圧延軟鋼等の比較的安価な材料で形成してあり、錆防止のために、錫（Ｓｎ）や、ニッケルとリンの合金（Ｎｉ−Ｐ）のめっきが施してある。この鋳造用ケレンは、鋳込み後、鋳鉄に溶着して軸部品に一体化される。

ここで、上記の鋳造用ケレンは、鋳鉄と溶着させるためには、高温の溶湯と接触した際に、表層部のみが溶けた状態になる必要がある。このとき、溶湯温度が低すぎる（ケレン表層部の耐熱性が高すぎる）と、溶着不良になり、鋳造用ケレンの表面に沿って軸部品の中空部と外周部とが連通するおそれがある。他方、溶湯温度が高すぎる（ケレン表層部の耐熱性が低すぎる）と、鋳造用ケレンが溶損してしまい、中子の保持機能が低下するおそれがある。したがって、鋳造用ケレンを有効に機能させるために、接触時の溶湯温度がある範囲に限定される。

従来において、鋳造用ケレンの一例としては、特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載の鋳造用ケレンは、その表面に、鋳造用ケレンの素材と異なった物質を拡散浸透させることで、凝固点降下の作用で表面のみの融点を下げ、溶融金属との融着性を増すようにしたものである。

特開２００４−９００８６号公報

ところで、鋳造用ケレンは、先述の如く、接触時の溶湯温度範囲が限定されるので、長尺物である軸部品を鋳造するには、一つの軸部品に対して複数の湯口を配置したり、湯口から離れた位置に鋳造用ケレンを配置したりすることで、全ての鋳造用ケレンに対する接触時の溶湯温度を概ね同等にし、全ての鋳造用ケレンの溶着状態を均一化する必要がある。

しかしながら、複数の湯口を配置した場合には、鋳造方案内での軸部品の配置の自由度が狭まって、一回で鋳造可能な軸部品の数が少なく限定され、製造コストが高くなる。また、湯口から離れた位置に鋳造用ケレンを配置した場合には、湯口に近い位置における中子の保持機能が損なわれて、中空部の位置精度（同軸度）が低下する。

これに対して、上記したような従来の鋳造用ケレンでは、溶融金属との融着性は増すものの、中空形状の軸部品の鋳造に適用する場合には、上述の如く湯口や鋳造用ケレンの配置により各鋳造用ケレンの溶着状態を均一化させる必要がある。したがって、上述した不具合が依然として存在し、自動車用エンジンを構成する中空カムシャフトのような軸部品、すなわち高い同軸度が要求される中空形状の軸部品を低コストで製造することが困難であった。

本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたものであって、高い同軸度を有する中空形状の鋳鉄製軸部品を低コストで製造することができる鋳造用ケレン及び鋳型を提供することを目的としている。

本発明の鋳造用ケレンは、鋳鉄製の軸部品の鋳造に用いるケレンであって、厚さが１０〜２０μｍのクロム製の被膜を有する構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。この鋳造用ケレンは、とくに、中空形状の軸部品の鋳造において、軸部品の中空部を形成する中子を鋳型内部に保持するのに適している。

また、本発明の鋳型は、中空形状を有する軸部品の形成空間であるキャビティと、軸部品の中空部を形成する中子と、中子の軸線方向に所定間隔で配置してキャビティ内で中子を保持する複数の前記鋳造用ケレンを備えている。そして、中子の軸線方向の一端側に、キャビティに連通する湯口を配置し、複数の鋳造用ケレンのうちの少なくとも湯口の最も近くに配置した鋳造用ケレンが、クロム製の被膜を有する前記鋳造用ケレンであることを特徴としている。

本発明の鋳造用ケレン及び鋳型によれば、上記構成を採用したことにより、高い同軸度を有する中空形状の鋳鉄製軸部品を低コストで製造することができる。

本発明に係わる鋳造用ケレン及び鋳型の一実施形態において製造した中空カムシャフトの断面図である。 本発明に係わる鋳造用ケレンの一例を説明する正面図（Ａ）、及び側面図（Ｂ）である。 鋳型内部に中子を配置した状態を説明する断面図（Ａ）、及び図３Ａ中のＡ−Ａ線に基づく断面図（Ｂ）である。 鋳型全体を開放状態で説明する平面図である。 鋳造用ケレンのめっき材質と溶湯に対する有効温度範囲との関係を示すグラフである。

以下、図面に基づいて、本発明の鋳造用ケレン及び鋳型の一実施形態を説明する。
本発明の鋳造用ケレンは、中空形状を有する軸部品の鋳造において、軸部品の中空部を形成する中子を鋳型内部に保持するものである。

この実施形態の軸部品は、図１に示す自動車エンジン用の中空カムシャフトＳである。中空カムシャフトＳは、鋳鉄製であって、軸線方向において、二個一組のカムＣ，Ｃを所定間隔で四組有しており、夫々に対を成すカムＣ，Ｃ同士の間にはジャーナル部Ｊを有している。

また、図示例の中空カムシャフトＳは、中空部Ｈが、外側形状に沿った形状に鋳抜きされたものであって、これにより薄肉軽量化を実現している。このような中空カムシャフトＳは、最低肉厚を定め、それを確実に保証できる中空部Ｈの位置精度、すなわち同軸度を高めることが重要である。なお、同軸度は、中空部Ｈの位置精度を表す指標であって、外円の中心と内円の中心とのずれの指標である同心度を、軸線方向に連続的に捉えたものである。

上記の中空カムシャフトＳを鋳造するには、図３に示すように、開閉可能な上型１０Ａ及び下型１０Ｂから成る主型１０と、中空部Ｈを形成するための中子１１を用いる。中子１１は、中空カムシャフトＳの中空部Ｈと同等の形状を成している。この中子１１は、図示しない巾木によって両端部が位置決めされると共に、軸線方向に所定間隔で設けた複数（図示例では三個）の鋳造用ケレン１２によって鋳型内部に保持されており、主型１０との間に、中空カムシャフトＳの形成空間であるキャビティ１３を形成する。

鋳造用ケレン１２は、図２に示すように、中子１１の外周に装着するＣ形状の保持部１２Ａと、１２０度間隔で外側に突出した三本の脚部１２Ｂを有している。ケレン１２は、図３（Ｂ）に示すように、脚部１２Ｂをキャビティ１３の内面に当接させた状態にして、中子１１を保持する。このケレン１２は、ＳＰＨＣ等の熱間圧延軟鋼を母材として形成してあり、その表面に、厚さが１０〜２０μｍのクロム（Ｃｒ）製の被膜を有している。

ここで、充填時の溶湯温度は、最大で１４５０℃程度であり、これに対して、鋳造用ケレン１２は、その被膜に、融点の高いクロムを用いている。また、被膜は、厚さを１０μｍ未満にすると、溶湯と接触した際に母材の溶損が生じて中子１１の保持機能が損なわれるおそれがあり、また、厚さが２０μｍを超えるものにすると、熱容量が過大になって溶着不良が生じるおそれがある。とくに、中空カムシャフトＳでは、中空部Ｈにオイルを流通させるので、鋳造用ケレン１２の溶着不良はオイル漏れの原因になる。

そこで、上記の鋳造用ケレン１２は、被膜の厚さを１０〜２０μｍとすることで、溶湯と接触した際に、母材の溶損や溶着不良を防ぐと同時に、表層部のみを鋳鉄に溶着させることができる。

また、鋳造用ケレン１２の被膜は、めっき、溶射、及び蒸着などの様々な形成手段を選択することが可能であるが、とくに望ましい実施形態として、めっきが挙げられる。このめっきは、液相めっき及び気相めっきのいずれでも良い。これにより、被膜を有する鋳造用ケレンを比較的安価に大量生産することができる。

さらに、鋳造用ケレン１２は、より好ましい実施形態として、被膜を形成する前処理を行うことができ、とくに、表面性状を微細な凹凸にする疎面化処理を行う。具体的には、機械加工やショットブラストなどが挙げられ、とくに好ましくは、サンドブラストが挙げられる。これにより、凹凸による被膜のアンカー効果が得られると共に、凹凸による表面積拡大に伴って被膜の熱容量が増大するなどの利点がある。

この実施形態の鋳型は、図３に示すように、中空カムシャフト（軸部品）Ｓの形成空間であるキャビティ１３と、中空カムシャフトＳの中空部Ｈを形成する中子１１と、中子１１の軸線方向に所定間隔で配置してキャビティ１３内で中子１１を保持する複数種の鋳造用ケレン１２，２２を備えている。

複数種の鋳造用ケレンには、クロム製の被膜を有する前記鋳造用ケレン１２と、錫（Ｓｎ）製の被膜を有する少なくとも一個の第二の鋳造用ケレン２２とがある。これらの鋳造用ケレン１２，２２は、図１に示すように、鋳込み後、鋳鉄に溶着して中空カムシャフトＳに一体化される。

そして、鋳型は、中子１１の軸線方向の一端側（図３中で右端側）に、キャビティ１３に連通する湯口３１を配置し、複数の鋳造用ケレン１２，２２のうちの少なくとも湯口３１の最も近くに配置した鋳造用ケレン１２が、クロム製の被膜を有するものである。また、鋳型は、湯口３１の最も近い箇所以外の箇所には、第二の鋳造用ケレン２２を配置している。図示例では、一個の鋳造用ケレン１２と、二個の第２の鋳造用ケレン２２を用いている。

さらに、鋳型は、図４に示すように、五本の中空カムシャフトＳを互いに平行に所定間隔で配置した状態で鋳造することができる。鋳型は、各中空カムシャフトＳの軸線方向の一端側（図４中で左端側）に、湯溜まり３２に連通する湯道３３と、この湯道３３から各キャビティ１３に連通する夫々の湯口３１を備えている。なお、図３及び図４では、湯口１３の位置を左右逆に示している。また、図４中に示す鋳造用ケレン１２，２２は、実際には中空カムシャフトＳの内部に一体化されている。

図５は、鋳造用ケレン１２，２２のめっき材質と、溶湯に対する有効温度範囲との関係を示すグラフである。すなわち、クロム製の被膜を有する鋳造用ケレン１２の有効温度範囲（中央）と、錫製の被膜を有する第２の鋳造用ケレン２２の有効温度範囲（左側）とを比べると、互いに重複する範囲があると共に、クロム製の被膜を有する鋳造用ケレン１２の有効温度範囲の方が高い。これにより、当該鋳型では、上記の二種類の鋳造用ケレン１２，２２を用いることで、双方を加えた広い有効温度範囲（右側）を持つものとなる。

上記構成を備えた鋳造用ケレン１２及び鋳型は、湯口３１の近くに鋳造用ケレン１２を配置しても、同鋳造用ケレン１２の溶損や溶着不良が生じることがなく、鋳鉄に対して良好に溶着し得ると同時に、中子１１の充分な保持機能が得られる。具体的には、溶湯温度が最大の１４５０℃でも、鋳造用ケレン１２の溶損が生じることはなく、また、鋳型内部で溶湯温度が１３６０℃に下がっても、鋳造用ケレン１２の溶着不良も生じない。

上記の鋳造用ケレン１２による中子１１の充分な保持機能の確保は、中空部Ｈの位置精度（同軸度）の向上を実現する。また、同軸度の基準を厳しくすることが可能になり、中空カムシャフトＳのさらなる薄肉軽量化に貢献し得る。

また、上記の鋳造用ケレン１２及び鋳型は、中子１１に対して、湯口３１の近くにクロム製の被膜を有する鋳造用ケレン１２を配置し、それ以外の箇所に錫製の被膜を有する第二の鋳造用ケレン２２を配置することで、一つの製品（中空カムシャフトＳ）における有効温度範囲を拡大することができる。この際、第２の鋳造用ケレン２２には、既存のものを使用することが可能であるから、鋳造用ケレンの製造コストを大幅に増加させることなく、有効温度範囲を拡大し得る。

さらに、上記の鋳型では、中子１１の一方側から溶湯が充填されることになるが、中子１１の他方側では、一方側に比べて溶湯温度が１００℃以上も下がる。これに対して、上記の鋳型は、湯口３１側にクロム製の被膜を有する鋳造用ケレン１２を配置し、それ以外の箇所には有効温度範囲の低い錫製の被膜を有する第二の鋳造用ケレン２２を配置することで、溶湯温度の変化に適応したものとなる。そして、いずれの鋳造用ケレン１２，２２にあっても、溶損や溶着不良を生じることなく中子１１の保持機能を良好に維持する。

さらに、上記の鋳造用ケレン１２及び鋳型は、一つの軸部品に対して複数の湯口３１を配置する必要がない。つまり、上記の鋳造用ケレン１２及び鋳型は、各中子１１の軸線方向の一端側のみに湯口３１を配置しているので、個々の湯口３１を片側に集合させることができ、鋳造方案内での中空カムシャフト（軸部品）Ｓの配置の自由度が高められる。これにより、一回で鋳造可能な中空カムシャフト（軸部品）Ｓの数を容易に増すことができ、多数個取りを可能にして製造コストの低減を実現する。

このようにして、上記の鋳造用ケレン１２及び鋳型によれば、自動車用エンジンを構成する中空カムシャフトＳのような軸部品、すなわち高い同軸度が要求される中空形状の軸部品を低コストで製造することができる。

ここで、表１に示すように、被膜の厚さや前処理といった条件を異ならせて鋳造用ケレンを作製し、クロムめっきの副作用である鋳鉄部分のピンホールの大きさ、同軸度及び総合評価を行った。

表１から明らかなように、前処理（疎面化処理）としてサンドブラストを行い、厚さ１０μｍのクロム製被膜を形成した鋳造用ケレンは、他の鋳造用ケレンに比べて、強度低下の原因となる鋳鉄部分のピンホールを問題の無いレベルに低減することができた。また、同軸度もきわめて良好であり、最良の総合評価を得ることができた。

なお、本発明に係わる鋳造用ケレン及び鋳型は、その構成が上記実施形態のみに限定されるものではなく、その形状や配置などを適宜変更することが可能であり、中空カムシャフト以外の軸部品の鋳造にも当然適用することができる。

１０ 主型
１１ 中子
１２ 鋳造用ケレン
２２ 第二の鋳造用ケレン
３１ 湯口
１３ キャビティ
Ｈ 中空部
Ｓ 中空カムシャフト（軸部品）

Claims (6)

1. 鋳鉄製の軸部品の鋳造に用いるケレンであって、厚さが１０〜２０μｍのクロム製の被膜を有することを特徴とする鋳造用ケレン。
   
2. 前記被膜が、めっきにより形成してあることを特徴とする請求項１に記載の鋳造用ケレン。
3. 前記被膜を形成する前処理として疎面化処理が施してあることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋳造用ケレン。
4. 前記疎面化処理が、サンドブラストによるものであることを特徴とする請求項３に記載の鋳造用ケレン。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の鋳造用ケレンを用いた鋳型であって、
   中空形状を有する軸部品の形成空間であるキャビティと、軸部品の中空部を形成する中子と、中子の軸線方向に所定間隔で配置してキャビティ内で中子を保持する複数種の鋳造用ケレンを備えると共に、中子の軸線方向の一端側に、キャビティに連通する湯口を配置し、
   少なくとも湯口の最も近くに配置したケレンが、クロム製の被膜を有する前記鋳造用ケレンであることを特徴とする鋳型。
6. 錫製の被膜を有する第二の鋳造用ケレンを少なくとも一個備え、
   中子において、湯口の最も近くにクロム製の被膜を有する前記鋳造用ケレンを配置すると共に、それ以外の箇所に第二の鋳造用ケレンを配置したことを特徴とする請求項５に記載の鋳型。

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