JPH07505338A - 不均一黒鉛組織をもつ一体構造に鋳造された鋳造製品の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 不均一黒鉛組織をもつ一体構造に鋳造された鋳造製品の製造方法本願発明は、調 整された不拘−郷鉛組織をもつ一体構造に鋳造された鋳造製品の製造方法に関す る。本願発明によれば、製品は、たとえば、そのある部分がいも生状（ｖｅｒｍ ｉｃｕｌａｒ）黒鉛組織を呈しかつ他の部分が球状黒鉛組織を呈するように鋳造 することができ、それによって鋳造製品の異なった部分に異なった性質を与える ことができる。緻密黒鉛鋳鉄（ＣＯ■ｐａｃｔｅｄ　ｇｒａｐｈｉｔｅ　１ｒｏ ｎ）またはいも去状黒鉛組織をもつ鋳鉄は、片状川船組織をもつねずみ鋳鉄と球 状黒鉛組織をもつダクタイル鋳鉄の中間の形態である。

緻密黒鉛鋳鉄は、すぐれたｉｗ的、物理的性質とすぐれた研削性を含む好ましく ユニークな諸性質をもち、上記のすぐれた研削性は材料を機械構造物の多数の機 械部品に特に適するものとすることができる。これは多数個性られる機械構造物 、主としてエンジン、およびたとえば、特に自動車のポンプを含む。鉄に依存す る高品質の材料および機械加工法は、航空機のエンジンのような特殊精密部品で 、かつ製品に特に高度の要求がなされるときには通常使用されない。したがって 、このような製品の製造は、本願発明の範囲外である。

かくて、緻密黒鉛鋳鉄はいも去状黒鉛の形に析出した黒鉛を含むようになり、コ レはＩＳＯ／Ｒ９４５−１９６９（Ｅ）＋：したが、で形式ＩＩＩ　（ＦＯＲＭ ＩＩＩ）　ノ黒鉛さして、あるいは、ＡＳＴＭ　Ａ　２４７にしたがって形式Ｉ Ｖ　（Ｔｙ　ｐ　ｅｌＶ）の黒鉛として定義される。黒鉛の形式は最初に英国で 記載され（１９４８年）、以来小寸法の特殊部材の製造のために使用されてきた 。この小寸法部材の製造の理由は、充分な再現性をもって鋳造製品の組成と黒鉛 組織を保障するのに充分な正確度をもつ鋳鉄溶湯の性質と組成を調節することが 従来不可能であったからである。

緻密黒鉛鋳鉄の性質は、ねずみ鋳鉄とダクタイル鋳鉄の性質の間のどこかに位置 する。たとえば、緻密黒鉛鋳鉄の弾性係数は、ねずみ鋳鉄の弾性係数より３０〜 ４０％高く、このことは緻密黒鉛鋳鉄の弾性係数はダクタイル鋳鉄のそれとほぼ 同じであることを意味する。緻密黒鉛鋳鉄はねずみ鋳鉄よりも大きい延びをもち 、しばしばねずみ鋳鉄の数十倍の延びをもち、そして、ねずみ鋳鉄の引張り強さ の２倍のオーダーの非常に高い引張り強さをもつ。緻密黒鉛鋳鉄の疲労強度はね ずみ鋳鉄よりも１００％高く、実質的にダクタイル鋳鉄のそれと同じオーダーの 大きさである。緻密黒鉛鋳鉄の熱伝導度はねずみ鋳鉄と同じオーダーの大きさで あり、ダクタイル鋳鉄のそれよりもはるかに高い。

したがって、すぐれた強度の要求と高い熱伝導度の要求が組合される機械構造物 において緻密黒鉛鋳鉄を使用することにもっともな理由があることが理解できる であろう。再現性のある方法で緻密黒鉛鋳鉄を得るときに経験する困難によって 従来は、この種の鋳鉄の鋳物を製造することは不可能であった。

ＷＯ−ＡＩ−８９１０４２２４（ＰＣＴ／ＵＳ８８１０３６９３）には、ハブ部 分に微細結晶組織をもち、全体のブレード部分に方向性凝固をした結晶組織をも つように鋳造タービンホイールの半径方向のり固を調節する方法が示されている 。これは、鋳型の部材の周囲の要素を加熱しかつ鋳型の内部の要素を冷却するこ とによって得られる。

しかしながら、問題となっている溶湯から取り出された所定容積の試料が凝固す る間に温度センサーを使って得られる時間に関係させた温度のデータを分析する ことによって、核形成剤と溶湯の改良剤の濃度を決定することができる。このこ とは、溶湯が鋳型内で凝固する方法が正確に決定されることを可能とし、かつ接 種剤上改良剤の含「雪を鋳物に所望の性質を付与するように修正することを可能 とする。この点に関して、スウェーデン特許公告第８４０４５７９−８または米 国特許第４８６７７２５号明細書を参照されたい。これらの特許明細書によれば 、上記の値は溶湯が凝固過程の当初における試料容器の温度と熱力学的平衡状態 ににある試料浴内に設置されている２個の温度センサーを使って測定される。

これらの温度センサーのうちの一つは試料容器内の溶湯の中心部に設置され、他 のセンサーは容器壁の付近の溶湯内に設置される。凝固過程で、容器壁における 溶湯の過冷却（Ｔ＊ｗ）　、容器壁における再輝現象（ｒｅｃｗ）、容器壁にお ける温度と容器中央部における温度の間の正の差（△Ｔ＋）、および一定の均等 成長温度ｄＴ／ｄτＣ＝Ｏにおける容器壁と容器中央部における温度の導関数（ ｄＴ／ｄτＷ）に関する数値が記録され、これらの助けによって、類似の試料採 取条件の公知の参照値に関連させて、結晶化核形成剤の存在と量、および組織改 良剤の量は、溶湯に対する添加によってまた滞留時間の導入によって決定されか つ修正されることが可能である。これらによって、結晶化核形成剤と組織改良剤 の存在量は鋳物中に所望の黒鉛組織を得るために要求される量に対応するものと なるであろう。

組織改良剤は通常希土類金属、特にセリウムを所望により伴うマグネシウムから なる。

溶解し、活性なマグネシウムの置および、それに随伴する他の組織改良剤当量、 すなわち、固体形状の酸化物および硫化物が分離された後に溶液中に残る元素の 量が約０．０３％またはそれ以上に達したとき、黒鉛は溶湯が凝固するにつれて 塊状に析出する。もし上記の含１！ｉ’！が約０．０１５％にまで低減すると、 黒鉛はｏ、ｏｏｓ％以下にまで低減すると、黒鉛は片状黒鉛として析出しがっ鋳 鉄はねずみ鋳鉄として凝固するであろう。このことから、約０．０１０％と０． ０２５％の間の値において主としていも生状黒鉛または緻密黒鉛鋳鉄が形成され るであろうことは明らかであろう。従来上述の特許明細書の頒布以前には、緻密 黒鉛鋳鉄の継続的製造において再現性のある緻密黒鉛鋳鉄を製造することは不可 能であった。

本願発明は、その例示的具体例と添付図面を参照して、ここでさらに詳細に記載 されることになろう。そこにおいて、図１は、黒鉛結晶の組織を、種々の溶解し た活性マグネシウムの量と核形成物質の部分的富化によって変化させた曲線を示 し、それらの曲線は、それぞれ、異なる冷却速度上核形成物質の異なる部分的変 化を表している。

図２は、従来のフライホイールを示し、そして図３は、本願発明によって建造さ れかつ製作されたフライホイールを示す。

存在する組織改良物質の！（溶解マグネシウムの％で表される）の外に、核形成 点の臣および一般に流布されている凝固速度も組織形成において重大な部分を占 めている。このことは図１によって示されており、そこにおいて底部の曲線は黒 鉛結晶の塊状性（ｎｏｄｕｌａｒｉｔｙ）がいかに変化するかを示している。（ ０％は完全ないも型状鋳鉄に相当し、１００％は完全なノジュール鋳鉄、すなわ ち、ダクタイル鋳鉄に相当する。）核形成粒子の数が増加し、かっ／または凝固 速度が増加するとき、曲線は図中の上方かつ左方に転じる。

その結果、もし核形成粒子および／または、凝固速度が鋳型中で部分的に変化す ると、鋳鉄材料は異なる組織とそれによる異なる性質を示すことになろう。本願 発明によれば、組織およびそれによって生ずる鋳造製品の異なる部分における好 ましい性質は、核形成のための添加および／または凝固条件の適当な選択によっ て意図的に調節できる。

同様に、溶湯中に溶解され、活性のマグネシウムの臣に関連してノジュールの形 状で析出した黒鉛の量を表す曲線を描（ことは可能である。現在では、同様にた とえば、Ｋｓ−１で与えられる凝固速度が考慮されるような類似の曲線を描くこ とができることが分かっている。異なる凝固速度に対する曲線は、Ｓ型曲線がよ り高い凝固速度で左方へ動かされるときに得られる。前述のように、図１のダイ アグラムは、曲線■が凝固速度ＩＫｓ−１を誘導し、かつ曲線■が凝固速度５Ｋ ｓ−１を誘導する。

か（で、０．０１８％の活性化した溶解マグネシウムを含む溶湯を鋳型内に鋳造 すること、ならびに、それによって鋳型の鋳造用空孔およびそれに伴って鋳造品 がそのような鋳型寸法、冷却体または熱吸収媒体をもつのを保障することが、鋳 型を例えば冷却速度が５Ｋｓ−１となるように冷却するために準備されるとき、 鋳造品は、これらの部分において５０％が塊状黒鉛となるように凝固するであろ う。もし同じ鋳造物の他の部分が凝固速度ＩＫｓ−１で凝固すると、生ずる黒鉛 組織は約約５％の塊状黒鉛をもつが実質的にいも車状となる。このことは、鋳造 物が異なる部分内に不均一炭素組織をもつように製造できることが分かる。たと えば、もしダグタイル鋳鉄組織を合作すべき製品の範囲が、たとえば、凝固速度 ５Ｋｓ−１で急冷されると、活性化され、溶解されたマグネシウムを０．０１８ ％含をして、図１に示される場合において、約５０％のノジュラー黒鉛を含む組 織が得られ、そして、１Ｋｓ−１の速度でＵ固し、ノジュラー黒鉛含存置が僅か 約５％で大部分の黒鉛がいも車状で存在する鋳造品の部分よりも高い機械的強度 と低い熱伝導度が得られるであろう。この結果は、熱が単位時間当り異なる量で 鋳型内の溶融金属から伝達されるときに達成されるが、それはそれらの部分をノ ジュラー黒鉛が得られるように比較的薄く作るかあるいはその部分を冷却素子ま たは冷却コイルのような熱吸収または熱伝達手段を密接させて設けることによっ て達成される。

鋳造技術分野の当業者にとって、鋳型内に冷却用ループまたは冷却用素子を設置 することは公知である。しかしながら、出願人の知る限りにおいて、そのような 冷却ループおよび冷却素子を設けることは殆どの場合、所定の鋳造方法において 、可能性を充す改善の意図を以て比較的肉薄の断面における冷却速度を低減させ るためおよび比較的肉厚の断面における冷却速度を増加させるために採用されて きたところである。原則として、このことは発明の概念に対立するものであり、 当業者をそのような発明の概念に向かわせるよりもむしろそこから離れるように 導くものである。

自動車のエンジンに結合されるフライホイールは、本発明の方法によって製造さ れた製品の一例として説明され得る。

フライホイールは、クランクシャフトに結合されそれと一緒に回転するハブをも つ回転ディスクからなる。クラッチと係合されると、エンジントルクはクラッチ ディスクの媒体およびクラッチ駆動板を通じて駆動軸に伝達される。自動車が発 進し、かつ車が運転されている間に、クラッチ駆動板をフライホイールから持ち 上げることによって駆動力は係合を解除され、ついで、クラッチの滑動の間に再 係合される。これらの二つの機械的な仕事はそれによって一エネルギーに変換さ れ、フライホイールの周辺から伝達されなければならない。同時にエンジンの全 体の力はフライホイールハブを通ってクラッチ駆動板に伝達され、その結果、フ ライホイールは高程度の機械的強度と特にフライホイールのハブにおける高弾性 率をもたなければならない。

フライホイールに要求される熱伝導度のために、フライホイールは通常は、ねず み鋳鉄で作られるか、あるいは異なる材料からなる。このことにより、フライホ イールは特にハブの部分を安全のために大きめの寸法に作ることが要求される。

ねずみ鋳鉄は低い寸法安定性しかもたない。異なる材料からなる構造物の場合、 製造費を品くするものではあるが、当然、性質を最適なものとすることができる 。

したがって、フライホイールの周辺の摩擦面が少なくとも約８０％の緻密黒鉛鋳 鉄と随伴する２０％以下のダクタイルまたはノジュラー鋳鉄からなる場合に、フ ライホイールを鋳造するのが好ましい。これらの値は、提案された規格に一致し 、摩擦面に存在する材料は高い熱伝導性をもちかつ同時に高い耐摩耗性をもつ。

フライホイールのハブ部分の黒鉛組織は５０％以上が塊状であり、このため、ダ クタイル鋳鉄と同様に、他の種類の鋳鉄に比較して高い機械的強度と剛性を示す 。

フライホイールのハブ部分の厚さは、ねずみ鋳鉄からダクタイル鋳鉄に変わると 半分に低減できる。摩擦板において８０％の緻密黒鉛鋳鉄を含む材料は、特に機 械的強度と剛性、または硬さは極めて高くなるにもがかわらず、実際上ねずみ鋳 鉄と同じ熱伝導度を有している。フライホイール全体を緻密黒鉛鋳鉄で作ること は公知である。このようなフライホイールはねずみ鋳鉄から作られたフライホイ ールに比べて優れているが、本願発明を実施するときに得られる材料の実質的節 約を達成するご左はできない。

質量を半径方向に外方に移すことによって、低い全ｌｉ！でフライホイールの同 一慣性モーメントを維持することができるが、これは、もちろん主たる目的の一 つである。

図２はねずみ鋳鉄で製造されたフライホイールを示し、そして図３は不均一黒鉛 組織、すなわち、フライホイールの外側部分を緻密黒鉛鋳鉄で、ハブ部分をダク タイル鋳鉄で作ったフライホイールを示す。寸法は下記の表１に示す。

表１ フライホイールを鋳造するとき、ハブの約６ｍｍの薄い断面の冷却は、５０％以 上の塊状黒鉛の形成を生ずる凝固速度を得るのに通常は充分であり、フライホイ ールは従来の砂型に鋳造される。当然のことであるが、冷却は鋳型の形状に依存 する。しかしながら、もし温度の降下が不満足なものであるときは、冷却体が、 鋳型鋳造時に砂型のハブ部分に近接して設置されてもよ（、それにより鋳物から 放散する熱がより急速に吸収される。

本願発明はまた、不均一黒鉛組織の提供を含む鋳造作業においてシリンダーブロ ックの鋳造にも適用できる。

シリンダーブロックは、非常に多種類の応力と歪みに曝される機械部品また製品 の例である。たとえば、エンジンのシリンダーは通常シリンダーブロックの上部 に設置され、特別の熱応力に曝される。燃焼が、シリンダーブロックの上部に位 置するシリンダー内で起こり、そこにおいて非常に大きな温度差が生ずる。作動 温度は通常エンジンのこの部分において比較的高い。鋳造後、シリンダーブロッ クのこの部分は、仕上られたエンジンに組み込まれる前にかなり大きく加工され る。かくて、シリンダーブロックのこの部分の加工性は、重要なシリンダーブロ ックの性質である。

ブロックに要求される他の性質は、良好な熱伝導度、高い寸法安定性および剛性 である。これらの要求はすべて緻密黒鉛鋳鉄によって非常によく満たされる。

シリンダーブロックの下部は通常フランクシャフトとエンジンの付属部品を収納 し、それらは先ず第一に、良好な切削性、高〜１減衰能および満足すべき剛性を 示す必要がある。緻密黒鉛鋳鉄はそのようなエンジン部品の最適の材料であるこ とは明白である。シリンダーブロックの上部と下部の間に、比較的肉厚が薄くそ こに最も必要とされる性質が高い機械的強度である部分が存在する。この部分は ダクタイル鋳鉄からなるか、または少な（とも、高い割合の塊状黒鉛を含む鋳鉄 であることが好ましい。たとえば、その貧弱な熱伝導度によってダクタイル鋳鉄 は非常に熱（なるので、その寸法安定性を失いかつ直ちには加工できなへ１゜上 述のシリンダーブロックの中間部分はこの中肉部分の機械的強度に対する要求が 残りの部分の要求より大きいにもかかわらずシリンダーブロックの他の部分と同 程度に熱影響を受けることはない。これらの部分は通常は機械加工を受けない。

ダクタイル鋳鉄の組織はしたがって、これらの領域においては最良の組織である 。

上述のことから、たとえば本願発明の方法は最適の組織のエンジンフロックが製 造されるのを可能とする。この場合、最終鋳造製品、すなわち、シリンダーブロ ックのそれら部品の安定な冷却が得られ、それにより高い割合のノジュラー黒鉛 の析出または核形成物質の部分的導入によるノジュラー形成をもつ最適組織を得 る。

核形成物質は、鋳型内部の多量の塊状凝固が望まれる場所に供給することによっ て、局部的に導入することができる。このことは、たとえば、細粒フェロシリコ ンのスラリーを鋳造作業に先だって鋳型の内表面の上記部分へ噴射することによ って達成される。

当然のことながら、本願発明はフライホイールおよびシリンダーブロックを参照 して記載された例示的具体例のみに制限されるべきものではない。

たとえば、穂院願発明の方法は同様に好適に不均一黒鉛組織をもつ鋳鉄から製造 し得るブレーキディスクや他のエンジン部品の製造にも適用できる。

自動車の製造の分野は、本願発明が適用し得る主たる領域である。なぜなら、重 量の軽減はこの技術分野では重要な意味をもつからである。シリンダーブロック に緻密黒鉛鋳鉄を使うと、エンジン出力を低下させずに、ねずみ鋳鉄の使用に比 較して、３０％のオ！グーの重量軽減が達成できることが計算された。

エンジンが本願発明の方法にしたがって建造されれば一層の重量軽減が達成でき る。

図１ ０．０１０　０，０２０　０，０３００，０４００，０５００．０６０　訓９フ ロントページの続き （８１）指定国　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。

ＤＫ、ＥＳ、ＰＲ，ＧＢ、ＧＲ，ＩＥ、ＩＴ、ＬＵ、ＭＣ，ＮＬ、　ＰＴ、　Ｓ Ｅ）、０Ａ（ＢＰ、ＢＪ、ＣＦ、ＣＧ、　ＣＩ、　ＣＭ、　ＧＡ、　ＧＮ、　Ｍ Ｌ、　ＭＲ，ＮＥ、ＳＮ。

ＴＤ、　ＴＧ）、　ＡＵ、　ＢＢ、　ＢＧ、　ＢＲ，ＣＡ、　ＣＺ。

ＦＩ、ＨＵ、ＪＰ、ＫＰ、ＫＲ，ＫＺ、ＬＫ、ＭＧ、ＭＮ、　ＭＷ、　Ｎｏ、　 ＮＺ、　ＰＬ、　Ｒ○、ＲＵ、ＳＤ、ＳＫ、ＵＡ、ＵＳ、ＶＮ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．最終鋳製品の異なる部分にいも虫状または塊状の黒鉛結晶の不均一な分布を もつ一体構造の鋳造製品の製造方法であって、凝固時間および／または局部的核 形成ポテンシャルに依存して、いも虫状黒鉛組織が望まれる鋳型のそれらの部分 において溶湯が大きな割合のいも虫状黒鉛結晶とそれに対応して小さい割合のノ ジューラー黒鉛結晶をもって凝固するように溶湯の組成および物理的性質または 局部的核形成ポテンシャルを調整すること、および、 局部的な核形成ポテンシャルを調整することによって高い割合の塊状黒鉛結晶が 望まれる部分において、上記鋳造個所を薄い断面で形成するか、または、上記部 分における鋳型温度が所定の塊状の程度を得るに充分短い時間にわたって、低下 せしめられるように鋳型に熱吸収素子を設けることによって熱が鋳物から凝固中 に急速に伝達されるのを保障すること、を特徴とする一体構造の鋳造製品の製造 方法。
2. ２．溶湯の改良剤の量をその量が活性化された溶解したマグネシウムの０．０１ ０〜０．０２５％の含有量または他の改良剤の対応する含有量と当量となるよう に調整することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. ３．主たる粗織として塊状黒鉛組織が望ましい場合１，１５０〜１，０００℃の 領域内の冷却が少なくとも５Ｋｓ−１またはそれ以上であり、かついも虫状黒鉛 組織が望ましい領域では１Ｋｓ−１以下であるように鋳造製品を形成することを 特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. ４．摩擦部材の厚さとフライホイールハブとの間の比が３より大、好ましくは５ であることを特徴とする乗用車、トラック、バスまたは軌道車のような自動車の ディスクブレーキ内のブレーキディスクと係合するフライホイールの製造方法。
5. ５．　フライホイールが、砂型に、０．０１０〜０．０２５％の活性化された溶 解されたマグネシウムまたはこれと当量の他の改良剤を含む溶湯によって鋳造さ れ、該フライホイールのハブ部分の厘さが４〜８ｍｍ、クラッチディスクと接触 するための表面をもつフライホイールの外側部分の厚さが２５〜３５ｍｍである ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の方法によって製造された フライホイール。