JPH082493B2

JPH082493B2 - 鋳造方法

Info

Publication number: JPH082493B2
Application number: JP3043031A
Authority: JP
Inventors: 眞好喜多川; 昇中道; 保雄植松; 吉貞道浦
Original assignee: Kurimoto Ltd
Current assignee: Kurimoto Ltd
Priority date: 1991-02-14
Filing date: 1991-02-14
Publication date: 1996-01-17
Anticipated expiration: 2011-01-17
Also published as: JPH04262851A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は金属を溶融し鋳型の空隙
に注入充填して凝固後、所望の形状をなす鋳造品を得る
鋳造方法、特に所望の部位にのみ特定の物性を付与する
鋳造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】鋳造品のうち、その使用態様によって全
体でなく所望の一部分についてのみ特定の物性を付与し
たい場合がある。例えば弁箱の弁座、渦巻ポンプにおけ
るケーシングの喉口部やインペラの羽根付根付近などは
摺動による摩耗やキャビテーションによって損耗著しく
他の部位は新品同様ながら取り替えを余儀なくされる。
鋳造品の一部特定の箇所に耐摩耗性，耐食性，耐熱性な
ど特定の物性を付与する方法としては、鋳造品自体に溶
射や、部分焼入（例えば高周波焼入）、浸炭，窒化など
鋳造後に表面処理を加える方法もあるが、設備装置を必
要とすることと、作業工数が確実に増える問題点があ
る。そのため鋳造前の鋳型の空隙表面の所望の部位に特
定の異物質を含む硬化材層などを設けておいて、溶融金
属を注湯しその熱で該硬化材層などを溶着させて凝固後
に所望の部位に硬化層を形成しようとする鋳造方法が種
々提案されてきた。これらの従来技術はかなり数が多い
が、例えば、（１）「鋳鉄の塗型による表面硬化法」
（特公昭５３−１８１６６号公報）、（２）「耐摩耗鋳
造品の製造方法」（特開昭５４−１１０２６号公報）、
（３）「鋳込硬化用硬化材」（特開昭５７−１７７８５
０号公報）、（４）「鋳鉄とサーメットとの接合方法」
（特開昭６０−２０６５５７号公報）、（５）「複合鋳
物の製造法」（特開昭５３−６６８２４号公報）などの
他、出願人自身もさきにここに列挙した従来の技術では
なお未解決の課題を解決するために、（６）「鋳造方
法」（特開昭６３−１００５８号公報）を提案した。そ
の他、溶融金属と他の固体間の物理的な作用の改善を目
的とする従来技術も多数に挙がり、たとえば強化用繊維
集合体と溶湯金属との浸透を促進する特開昭６１−２１
０１３６号公報などもあるが、鋳造品の局部的な特定の
物性強化とは無関係なので詳しい引用は省略する。

【０００３】一般的に言えば前記従来技術の(1)〜(5)
は、鋳型の表面に塗膜をつくり注入する溶融金属の熱に
よって金属または合金粉末を溶湯中へ溶解，拡散させる
ことが共通する基本である。しかしこの基本に立つ以
上、溶融点の高い合金粉末や、金属と非金属との結合体
（例えば、炭化物，酸化物，窒化物，硼化物）の適用は
大きな制約があり、また溶融金属と反応性の乏しい合金
粉末を使用して所望の厚さの合金層を形成することは困
難である。さらに、結合材として樹脂などに依存するだ
けでは注湯後、ガス発生によるピンホールや巣の発生が
多く、作業性が良くない欠点があった。また、硬化をも
たらす物質粉末が溶湯の通過に遭って洗い流されてしま
い、予定外の部位にその物性変化をもたらしたり、効果
が失われたりする。一般に塗膜だけでは大きな効果を期
待できず、硬化層の厚さをコントロールすることが困難
である欠点もあった。出願人はこれらの課題を解決する
ために、鋳造品の所望の部位に所望の物性を付与したい
という多様な要望に応え得て、その層厚も自由に制御で
きる汎用性の高い新規な鋳造方法を提案したのが前記従
来技術の (6)である。

【０００４】この従来技術の特徴は、(A) 鋳造しようと
する金属に特定の物性（耐摩耗性，耐食性，耐熱性な
ど）を付与する特定の金属，合金，金属と非金属との結
合体などの粉末と、 (B) 前記(A)を構成する金属より明
確に低溶融点を有する金属の粉末と、(C) 適量の有機系
結合材との三者を練り合わせて所定の厚さの添着層を前
記鋳型の鋳肌表面の所望の部位にあらかじめ設けてお
き、該空隙へ前記(B)を構成する金属の溶融点より明確
に高温度の第三の溶融金属を注入充填することを特徴と
し、この結果、添着層のすべてがそのまま溶湯に溶解拡
散して反応層をストレートに形成するのではなく、低溶
融点の (B)金属がまず溶湯の熱を受けて溶解し、 (A)成
分を強固に抱き込んで溶解金属と強力に溶着する、いわ
ゆる液相焼結を起こす点を作用上の最大の特徴とする。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述の従来技術（６）
によって過去の同一目的を達成するために提案された他
の従来技術を凌駕する有効な反応層を得ることができ
た。しかし、この場合においても一般の鋳造過程で本質
的に生じる現象を避けることはできないから、その悪影
響のためせっかくの添着効果が減殺される恐れがある。
第一の課題はどのような形であれ、鋳型のある部分に鋳
型材料とは異質の表面層が露出しているから、高温の溶
融金属Ｍに触れると直ちに起こる反応を避けることがで
きず、このとき発生するガスが鋳型や溶湯を伝って逃散
できればよいが、鋳造品の形状によっては閉じ込められ
たまま凝固に至り、そのままブローホールやピンホール
の内部欠陥として残ってしまうことである。鋳型内での
特別の反応が鋳造欠陥の原因となる機会は相当に多いと
考えられる。この課題を具体的に例示すると、後述の実
施例（図５〜図７）の説明のために、比較例として同一
条件で作成した図８〜図１０の顕微鏡写真にも明確に現
われているように、燃焼や化学的な反応によって不可避
的に多量のガスが発生し、その中で抜け切れないで凝固
後まで残留したガス体が、多数の気孔となって組織内に
散在するという好ましくない結果に繋がっているのであ
る。また、鋳造品の形状に対して一番適当な溶湯の温度
勾配を保って凝固を進行して行くことが内部欠陥を防止
するには最良であり、そのために鋳造方案が策定される
が、添着層の鋳型内での位置が湯口から最も遠いときに
は、それまでの流動で温度の低下した湯先がこの部分に
進入しても、殆ど反応物質が拡散しないままで凝固を始
めることとなる。逆に、溶湯温度の高い部分で添着層が
接触する場合には、凝固時間が長過ぎるため合金層が拡
散し、耐摩耗性，耐熱性，耐食性など求める材質上の特
徴を損う恐れがある。これらの課題は鋳型内に添着層を
設けるような特定の場合に限らず、普通の鋳造品におい
て避けることのできない一般原則であるが、前記の特定
の条件では一層切実な課題であることは否定できない。

【０００６】本発明は以上に述べた課題を解決するため
に、鋳造中から凝固完了に至る経時的な変化を別の要件
を加えて改善することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る鋳造方法
は、鋳造品の特定の部位に特定の物性を与えるため鋳型
空隙部表面の特定の位置へ（Ａ）前記金属に特定の物性
を付与する特定の金属および／又は複数種類の金属によ
る合金材および／又は金属と非金属との結合体よりなる
粉末と、（Ｂ）．前記（Ａ）を構成する金属より明確
に低溶融点を有する金属の粉末と、（Ｃ）．適量の有機
系結合材との三者を練り合わせて所定の厚さの添着層を
前記鋳型の鋳肌表面の所望の部位にあらかじめ設けてお
き、該鋳型空隙部に溶融金属を注入充填する方法におい
て、前記空隙部内へ鋳型外に具えた超音波発振装置の作
動を受ける耐熱性の発振ホーンを突設し、該空隙へ前記
（Ｂ）を構成する金属の溶融点より明確に高温度の第三
の溶融金属を注入充填して発振する発振ホーンを浸漬し
つつ、まず添着層を構成する三者を相互に焼結一体化
し、続いて注入した第三の金属と層表面を通じて拡散溶
着し、かつ、加振によって前記焼結と拡散中に必然的に
発生するガス体を前記第三の溶融金属内を浮上逃散させ
つつ全体が漸次降温し、凝固の開始と共に晶出した粗大
な初晶を破壊して組織を緻密化しつつ完全な凝固に至る
ことにより、所望の部位に緻密で無欠陥の境界部を介し
て特定の物性を発現する反応層を形成させることによっ
て前記の課題を解決した。

【０００８】

【作用】本発明の作用の特徴は、まず鋳型の空隙へ突出
した発振ホーンが超音波を発振しつつ溶湯へ浸漬される
か、または浸漬後発振を始めることによってこの波動が
溶湯全部に伝播することが挙げられる。通常の静止（ス
タティック）鋳造においては、鋳型内へ溶湯が充満する
と、まず鋳型内面（特に一番遅く溶湯が達する部分）に
接する溶湯が急速に熱を奪われて内面に添った凝固皮膜
が形成され、漸次この皮膜が肥大化して層となる。これ
を顕微鏡的に見れば内面に接した溶湯内に樹枝状の初晶
が析出し、順次これが重なり合って無秩序な結晶と、そ
の間に残る未凝固の液相がつながり、いわゆるウィドマ
ンステッテン組織を形成しながら表面から奥へ向かって
この固液二相を拡張していく。今ここで超音波が溶湯全
部に伝わると、一旦析出していた樹枝状晶同士の重なり
が破壊され、初晶自体も大きく成長することができない
から自由に反応できるフリーの液相が長く存在したのち
緻密な凝固に向かっていく。添着層と溶湯間の反応も十
分に確保され、発生したガスが振動中の液相を伝ってよ
り流動性の高い液相側へ逃散し、欠陥の原因となる懸念
が大幅に解消される。

【０００９】このように超音波による振動を受けた状態
下においては、この溶湯熱のため添着層を構成する(B)
金属がその溶融点に達して溶け始める。このとき(A)金
属（結合体）は配合された材質によって、溶解する場
合，一部表面近くのみ溶解する場合，全く溶解しない場
合の三態様が生じる。これは(A)成分の内容（材質と配
合割合）と注入する溶解金属の湯温との兼ね合いで幾通
りにも条件が異なるが、これらは全て事前に計算し策定
することができる要素である。ここでは、まず溶解した
低溶融点の(B)金属が(A)成分を強固に抱き込んで所謂液
相焼結を起し、 (A)成分は予め計画した鋳造方案通り、
所定の深度に亘って母材に強く拡散接合している。な
お、構成要件中(C)成分は、添着層を形成している時点
の鋳型面との結合を保持し、注湯時には、その流勢に押
されて層が離脱しないで凝固が表面から始るまで把持す
る役割を果すものである。

【００１０】

【実施例】図１と図２は本発明の実施例および比較のた
めに実施した従来の技術（特開昭６３−１００５８号公
報）の鋳型の断面図であって、発振ホーンの有無を除く
と他の条件は同一に揃えている。どちらもＣＯ₂ガス型
法で成形した下型１と上型２とを重ねて所要の鋳造品と
同形の空隙３(150mm×150mm×50mm)を形成し、押し湯
４，湯口５をそれぞれ側端に立てる。空隙３の下底面に
若干の厚さだけ削り取って保温材６を形成する。保温材
６は酸化アルミニウムの粗粉とアルキルシリケートを
５：１の割合で調合し、２mmの厚さで鋳型面に塗布し
た。次に、この保温材６の上に添着層７を塗布形成する
が、その構成要素(A),(B),(C)を例示すると表１のとお
りとなる。

【００１１】

【表１】

【００１２】表１における(注)について、(C)は(A)+(B)
の約1/40量を溶剤トルーエンにて希釈混合して添着層を
形成する。形成の仕方としては (A)(B)(C)の三者をスラ
リー状に混和して所望の厚さだけ添着するものと、混練
後薄板状に成形してから添着するものの二つの方法が適
用できる。

【００１３】第１図の本発明の場合にのみ上型２の中心
上部に直径６５mmの丸孔を空隙３へ貫通し、鋳型外の超
音波発振装置（図示せず）に連結した発振ホーン８を下
方へ向け５mmおよび３０mm突出した二種の鋳型を作製し
た。この発振ホーン８は直径６０mmのステンレス円柱の
表面上にグレイアルミナを約１mmの層厚となるように溶
射して耐熱セラミック層で保護するのが望ましい。次
に、超音波発振装置の作動を受けない鋳型を加え三つの
鋳型内へ同じ溶湯を鋳込む。鋳込み温度は１３５０℃で
成分は表２に示す普通鋳鉄である。

【００１４】

【表２】

【００１５】本実施例においては鋳込みの開始前から既
に超音波発振装置の作動を開始し、鋳込み中および鋳込
みが完了して上型面の押し湯上端へ溶湯が上がってきて
からも作動を続けた。超音波の発振条件は１７．６ＫＨ
ｚで鋳込み完了後６分間発振を続けたのち停止した。

【００１６】第３図(イ)，(ロ)はこの実施例および比較
例の実際の結果を調べるために採取する試料の位置であ
って、方形板下底部を縦横均等に三分割した各３点、合
計９点を中心に９ヶの試料を取り出して符号をそれぞれ
付した。例えば、本実施例のうち発振ホーンが鋳型内へ
５mm突出した場合については図のようにａ1,ａ2,ａ3,…
と名付けた。同じ採取の方法で発振ホーンが鋳型内へ３
０mm突出した別の実施例についてはｂ1,ｂ2,ｂ3,…と名
付け、比較例についてもｃ1,ｃ2,ｃ3,…と符号を付し
た。

【００１７】ａ，ｂ，ｃ各９ヶの試料の各底面（反応
層）のビッカース硬度を表面から０．５mm間隔で測定
し、ａ，ｂ，ｃ各位置における測定値の平均を表面から
深さごとにプロットして関係図を作成したのを図４に示
す。各点を結んだ線を図を見れば特に発振ホーンを溶湯
中へ３０mm浸漬した場合（試料ｂ）が表面からの硬化が
強く作用し、硬化の深度も一番大きいことが判り、続い
て試料ａ，試料ｃの順となる．次に、試料の代表例とし
てａ1,ａ2,ａ3 およびｃ1,ｃ2,ｃ3 の断面の顕微鏡写真
を図５，図６，図７および図８，図９，図１０にそれぞ
れ示す。何れも中央の白い部分が反応層、上方が母材で
あるが各図を見比べると図５〜図７と図８〜図１０の間
には明らかな組織上の差違が認められ、試料ｃについて
は何れも無数の気孔が散在して反応層と母材間の境界付
近に無視できない不健全な状態となっているのに対し、
試料ａについては何れの箇所においてもこの気孔の数が
激減し、かつ気孔それぞれの大きさも明らかに小さくな
って反応層境界部付近における不健全さを大幅に救済し
ていることが観察できる。

【００１８】

【発明の効果】本発明は以上に述べたように、鋳型内の
任意の範囲に所望の金属的特性を付加することができ、
しかもその反応において起こりがちな鋳造欠陥の防止に
万全を期し健全な反応層の実現を見た。特に反応層と注
入した溶融金属との境界付近に不可避的に発生する反応
ガス体を凝固までにほとんど浮上逃散させて気孔の少な
い緻密で健全な組織とすることは、反応層の優れた特性
を長期に亘って維持する上できわめて有効である。ま
た、境界に接する金属組織も結晶粒度が小さく反応層か
らの有効成分の拡散と相俟ってさらに強化され、反応層
の後背を支える母材としての役割を完壁に果たすことが
できる。反応層自身の効果については出願人の先の出願
（特開昭６３−１００５８号公報）に詳しく説明してお
いたが、本発明は前項実施例における試料Ｃに例示した
自己の従来技術に残された課題を解決して、反応層自体
の本質的な作用をより効果的に発揮するための改良とい
うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施に使用する鋳型断面である。

【図２】従来技術の実施に使用する鋳型断面である。

【図３】(イ)，(ロ)によって本発明の実施例および比較
例の試料採取位置を示す底面図と側面図である。

【図４】実施の二例(ａ)，(ｂ)と比較例(ｃ)のビッカー
ス硬度と試料表面からの深さを示す関係図である。

【図５】試料ａ1 の金属組織を示す顕微鏡写真(倍率５
０)である。

【図６】試料ａ2 の金属組織を示す顕微鏡写真(倍率５
０)である。

【図７】試料ａ3 の金属組織を示す顕微鏡写真(倍率５
０)である。

【図８】試料ｃ1 の金属組織を示す顕微鏡写真(倍率５
０)である。

【図９】試料ｃ2 の金属組織を示す顕微鏡写真(倍率５
０)である。

【図１０】試料ｃ3 の金属組織を示す顕微鏡写真(倍率
５０)である。

【符号の説明】

１下型２上型３空
隙４押し湯５湯口６保
温材７添着層８発振ホーン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者道浦吉貞大阪府大阪市西区北堀江１丁目12番19号株式会社栗本鐵工所内 (56)参考文献特開昭63−10058（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−210136（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鋳造品の特定の部位に特定の物性を与え
るため鋳型空隙部表面の特定の位置へ、（Ａ）．前記金
属に特定の物性を付与する特定の金属および／又は複数
種類の金属による合金材および／又は金属と非金属との
結合体よりなる粉末と、（Ｂ）．前記（Ａ）を構成する
金属より明確に低溶融点を有する金属の粉末と、
（Ｃ）．適量の有機系結合材との三者を練り合わせて所
定の厚さの添着層を前記鋳型の鋳肌表面の所望の部位に
あらかじめ設けておき、該鋳型空隙部に溶融金属を注入
充填する鋳造方法において、前記空隙部内へ鋳型外に具
えた超音波発振装置の作動を受ける耐熱性の発振ホーン
を突設し、該空隙へ前記（Ｂ）を構成する金属の溶融点
より明確に高温度の第三の溶融金属を注入充填して発振
する発振ホーンを浸漬しつつ、まず添着層を構成する三
者を相互に焼結一体化し、続いて注入した第三の金属と
層表面を通じて拡散溶着し、かつ、加振によって前記焼
結と拡散中に必然的に発生するガス体を前記第三の溶融
金属内を浮上逃散させつつ全体が漸次降温し、凝固の開
始と共に晶出した粗大な初晶を破壊して組織を緻密化し
つつ完全な凝固に至ることにより、該所望の部位に緻密
で無欠陥の境界部を介して特定の物性を発現する反応層
を形成させることを特徴とする鋳造方法。
【請求項２】請求項１において、添着層が前記 (A),
(B),(C)三者をスラリー状に混和して、鋳型表面の所望
の部位に所望の厚さだけ添着することを特徴とする鋳造
方法。
【請求項３】請求項１において、添着層が前記 (A),
(B),(C)三者を混練したのち薄板状に成形し、鋳型鋳肌
表面の所望の部位に倣って所望の厚さの薄板として添着
することを特徴とする鋳造方法。
【請求項４】請求項１及至請求項３のいずれかにおい
て、発振ホーン表面を耐熱セラミック層で形成したこと
を特徴とする鋳造方法。