JPH105974A - 鋳鉄歯車の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 歯面および歯元とも、引け巣、介在物やブロ
ーホール等のガス欠陥がなく健全であり、接触疲労強度
および曲げ疲労強度ともに十分信頼性が確保でき、更
に、注入歩留まりが良く、堰折り工程を不要として低コ
ストで製造できる鋳鉄歯車の製造方法を得る。 【解決手段】 底部に開口部を有する減圧容器と、この
開口部に突出して設ける溶湯導入口と、減圧容器内に収
納され溶湯導入口に湯道を接続して歯車を形成したキャ
ビティとを有する鋳型と、減圧容器を減圧制御する減圧
吸引鋳造装置とを用い、減圧容器を減圧して保持炉内の
鋳鉄組成溶湯を溶湯導入口よりキャビティ内に急速に充
填する。オーステンパ球状黒鉛鋳鉄からなるエンジン用
歯車などに適用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鋳鉄歯車の製造方
法に関し、より詳しくは引け巣、ブローホール等の鋳造
欠陥のない鋳鉄歯車の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に鋳鉄を製造する場合、内部欠陥で
ある引け巣を防止するため、製品となる部位の外側に押
湯を設けて、引け巣の発生する部位に溶湯を供給する。
特に製品となる部分に発生する引け巣が、製品の機能低
下に大きく影響する場合には、大きな押湯を設けて引け
巣を確実に除去しなければならない。例えば、歯車の場
合、歯面となる部分の欠陥は接触疲労強度の低下につな
がり、歯元の欠陥は曲げ疲労強度の低下を招く。このた
め、十分な押湯を設けて、歯部への引け巣を防止してい
る。また、従来の重力を利用した鋳造法では、引け巣を
防止するため完全指向性になるように押湯を設置する必
要がある。球状黒鉛鋳鉄鋳物を鋳造する場合、Ｍｇ合金
により溶湯中黒鉛の球状化処理を行うが、溶湯中に多く
の酸化物等の介在物が生成する。これら溶湯中の酸化物
等の介在物は、比重が小さいため溶湯表面に浮遊する。
従って、これらの浮遊物が溶湯と一緒に鋳型のキャビテ
ィ中に入り込まないよう、フィルターを設けて、除去す
る必要がある。

【０００３】しかしながら、前記従来の重力鋳造では、
引け巣を防止するために設置する押湯により注入歩留ま
りが悪くなり、また堰折り、鋳仕上げ工数が多くかか
る。また、鋳造時、空気や鋳型から発生するガスを溶湯
中に巻き込み易く、凝固後の鋳物にブローホール等のガ
ス欠陥が発生して、健全な鋳造品を得ることが難しい。
また、従来の重力鋳造法により、球状黒鉛鋳鉄からなる
歯車を鋳造した場合には、引け巣や介在物欠陥が大き
く、特に繰り返し応力を受けての疲労強度に対しての信
頼性は低い。従って、重力鋳造法による歯車の製造は進
んでいない。

【０００４】歯車のうちのエンジン用歯車としては、燃
料噴射ポンプ、オイルポンプなどのエンジン補器類を駆
動するため数多くの歯車、例えば図３に示すように、噴
射ポンプ用歯車２６、アイドラー用歯車２７、カム用歯
車２８、パワステポンプ用歯車２９、オイルポンプ用歯
車３０およびクランク用歯車３１等がある。これらのエ
ンジン用歯車は歯面の接触疲労強度、歯元の曲げ疲労強
度が重要視される。エンジン用歯車の表面や内部に引け
巣、ガス欠陥、介在物欠陥などが存在すると、その欠陥
部分に応力が集中して疲労強度の原因となる。

【０００５】このため、一般にエンジン用歯車は、浸炭
鋼、窒化鋼などで鍛造により制作されている。これは鍛
造製エンジン用歯車は、一種の圧延効果により引け巣や
酸化物等の介在物が除去されており、ほとんど欠陥が存
在しないため、疲労強度に対する信頼性が高いためであ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、近年はエンジ
ン音の低減のため、鋼より振動減衰能が大きいオーステ
ンパ球状黒鉛鋳鉄に代替が進むと考えられる。しかしな
がら、前述のとおり、重力鋳造によるオーステンパ球状
黒鉛鋳鉄鋳造品は、引け巣や介在物により疲労強度にば
らつきが生じ易い。引け巣を少なくするには指向性凝固
となる十分な押湯が必要であり、介在物を除去するには
高価なセラミックフォームフィルタが必要である。

【０００７】ところで、最近特に複雑な形状や薄肉部を
有するステンレス鋳鋼、耐熱鋳鋼など、鋳造性に劣る鋳
鋼の製造に適した減圧吸引鋳造法が提案されている。

【０００８】例えば特公昭６０−３５２２７号公報に
は、鋳型内キャビティを減圧して溶湯を鋳型空洞部に吸
引鋳造する減圧吸引鋳造方法の開示がある。しかしなが
ら、特公昭６０−３５２２７号公報では、溶湯に浸漬さ
れない鋳型部分から空気を巻き込み易く、減圧吸引効果
が不十分である。また、高さが小さく単純形状のものは
鋳造できるが、高さや肉厚部があり、複雑形状である場
合には適用するのが難しい。

【０００９】また、特開平２−３０３６４９号公報に
は、鋳型と鋳型周囲につき固めた粒状物とを減圧により
チャンバー内に保持し、これを溶湯に浸漬して注湯する
減圧吸引鋳造方法の開示がある。しかしながら、特開平
２−３０３６４９号公報では、鋳型を粒状物と共に吸引
して保持し、そのまま浸漬するために、浸漬前後に溶湯
が乱れ、空気を巻き込み易く、更に、粒状物と鋳型を減
圧容器から突出させて保持するために、底からの空気の
巻き込みが問題となる。

【００１０】本発明の課題は、引け巣、ガス欠陥や介在
物欠陥の鋳造欠陥の発生し難い減圧吸引鋳造法を適用
し、低コストに鋳鉄歯車を製造できる方法を得ることに
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者らは、減圧容器内に配置された鋳型の
キャビティ、押湯や吐かせの近傍に吸引口を設けること
によって吸引効果が著しく高められ、たとえ酸化物等の
介在物を含んだ鋳鉄の溶湯であっても、減圧吸引鋳造装
置の溶湯導入口を溶湯保持炉または注湯取鍋内の溶湯中
に浸漬して、重力に逆らって溶湯を上方向に吸引注湯を
行うことにより、介在物による鋳造欠陥を小さくでき、
かつ、押湯なしでも引け巣欠陥等を発生させずに鋳鉄歯
車が製造できることを知見し、本発明に想到した。

【００１２】即ち、本発明の鋳鉄歯車の製造方法は、底
部に開口部を有する減圧容器と、前記開口部に突出して
設ける溶湯導入口と、前記減圧容器内に収納され前記溶
湯導入口に湯道を接続して歯車を形成したキャビティと
を有する鋳型と、前記減圧容器を減圧制御する減圧吸引
鋳造装置を用い、前記減圧容器を減圧して、保持炉内の
鋳鉄組成溶湯を前記溶湯導入口より前記キャビティ内に
急速に充填することを特徴とする。そして、前記キャビ
ティのうち前記湯道から最も遠くて前記溶湯が最後に充
填される部分の近傍に、鋳型表面に開口する凹部状の吸
引口を形成して、前記吸引口における前記キャビティと
鋳型表面との距離を鋳型の他の部分より小さくしている
ことを特徴とする。

【００１３】また、前記キャビティ内で溶湯が凝固する
際、前記減圧容器内の減圧を解除し、重力の作用により
前記湯道内で凝固途中の溶湯を鋳型外に流出させる。ま
た、溶湯導入口若しくは前記減圧容器の一部として保護
枠を設ける。また、前記減圧容器に不活性ガスを供給
し、減圧前に前記減圧容器内を不活性ガスで置換する。
また、前記湯道の開口部を溶湯保持炉内の溶湯に浸漬し
た後で、前記減圧容器内を減圧する。更に、前記鋳鉄歯
車としてはオーステンパ球状黒鉛鋳鉄からなることを特
徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、発明の実施の形態として、
オーステンパ球状黒鉛鋳鉄からなる歯車の製造の例を図
面を用いて説明する。図１は、オーステンパ球状黒鉛鋳
鉄歯車の製造に適用した減圧吸引鋳造装置を示す概略縦
断面図である。この減圧吸引鋳造装置１は、底部に開口
部３を有する減圧容器２内に、キャビティ７と湯道６等
を有する鋳型４を配設し、前記減圧容器２に上方から白
矢印で示す方向の減圧吸引力を作用させて、鋳型下端の
湯道の開口部８から溶湯を吸引して注湯を行う方式のも
のである。具体的には、減圧吸引鋳造装置１は、減圧容
器（例えば、内径６００ｍｍ、高さ８００ｍｍを有する
鉄製の減圧容器）２を有し、減圧容器２の底部には開口
部３が設けられている。また、減圧容器２の上部には蓋
部材２ａが密封状態で係合しており、蓋部材２ａの上端
部にはフレキシブル管９が取り付けられている。フレキ
シブル管９は、減圧制御手段１０を介し、真空ポンプ等
の減圧装置１１に接続される。

【００１５】鋳型４はスタックモールドでつくられ、歯
車形状のキャビティ７のセンターボスを貫通する湯道６
と堰を介して連通している。造型性および通気性の点か
ら珪砂等を用いた砂鋳型が好適である。例えば、珪砂７
号を材料として、スタックモールドの複数個取りが好ま
しい。砂鋳型４には、砂鋳型４下面より下方に突出した
溶湯導入口５が設けられており、砂鋳型４は溶湯導入口
５が開口部３より下方に突出するように減圧容器２内に
配置される。

【００１６】砂鋳型４内には、湯道６が溶湯導入口５の
湯口８から垂直方向に延在している。キャビティ７の内
面には塗型剤を０．０１〜０．４ｍｍ、例えば０．１５
ｍｍの厚さに塗布するのが好ましい。なお、減圧容器２
と、蓋部材２ａと、鋳型４との間にはそれぞれパッキン
グ２３が配置されており、減圧容器２の密封状態の低下
を防止するとともに、鋳型４のキャビティ７の減圧度が
低下するのも防止している。

【００１７】減圧側に臨む砂鋳型４の側面には、吸引口
１２が形成されている。吸引口１２は、砂鋳型４が鋳造
時の機械的、熱的衝撃によって破砕しない程度に、鋳鋳
型４の側面に近接しているのが好ましい。減圧容器２の
外側面には湯面センサー１３が取り付けられている。図
１の減圧吸引鋳造装置１により鋳造を行う場合、まず鋳
型４の溶湯導入口５を溶湯保持炉１４内の球状黒鉛鋳鉄
組成の溶湯１５に浸漬する。減圧容器２の側面に取り付
けた湯面センサー１３により、溶湯導入口５の浸漬を感
知すると、減圧容器２の下降を停止し、同時に減圧装置
１１を作動させて減圧を開始する。減圧容器２内を減圧
すると、吸引口１２を介してキャビティ７内の空気は吸
引されるので、湯道６内に入った溶湯は複数個のキャビ
ティ７内に急速に充填される。なお１８は減圧室を示
す。

【００１８】充填された直後の溶湯１５は吸引力により
キャビティ７内に停留していることが可能である。時間
の経過と共にキャビティ７内の溶湯１５は表面から順次
凝固が進行していく。凝固の進行に伴い、ある一定の凝
固率即ち固相率に達した部分は、吸引力を解除しても流
動しないため、重力によってキャビティ外に流出されな
い。従って、吸引開始からある一定時間後に吸引力を解
除すれば、溶湯として流動し得る凝固途中の湯道部６だ
けが重力の作用によって鋳型外に流出される。鋳造後に
鋳型４を減圧容器２から取り出し、型ばらしを行うと、
キャビティ７内の球状黒鉛鋳鉄組成からなる歯車が湯道
と繋がることなくバラバラになっており、通常の鋳造後
処理工程で行われる湯口折り、湯道折りが不要となる。
更に、湯道部６だけを重力の作用によって鋳型外に流出
させた溶湯は、溶湯保持炉１４に戻るので、注入歩留ま
り（鋳造品重量／溶湯注入重量）も大幅に向上する。

【００１９】図２は、図１の減圧吸引鋳造装置１の変更
例を示す概略縦断面図であり、基本的な構成は図１の減
圧吸引鋳造装置１と同じである。従って、図１と同じ部
材には同じ番号を付してある。

【００２０】図２に示す減圧吸引鋳造装置１では、更に
減圧容器２内を鋳型室１７と減圧室１８とに区画する不
通気性の材料からなる仕切り部材１９が配設されてい
る。仕切り部材１９は、減圧吸引力を吸引口１２の限定
部分、特に溶湯最終充填部に対向する吸引口１２の底部
に作用させるためのものである。仕切り部材１９の上面
には、吸引口１２と整合した中央開口部を有する開口板
２０を載置してもよい。

【００２１】この開口板２０と減圧室１８内に突出する
蓋部材２ａのフランジ２１との間には、コイルスプリン
グ等の鋳型挟持手段２２が配設されている。鋳型挟持手
段２２の弾性力は、開口板２０、仕切り部材１９を介し
て鋳型４に及ぼされ、鋳型４を鋳型室１７内の所定位置
に固定する。また、開口板２０と仕切り部材１９との間
にも、パッキング等の気密部材２３が配置され、減圧室
１８と鋳型室１７との間を気密に保持する。

【００２２】また、鋳型４の下面より下方に突設された
溶湯導入口５の側面および鋳型下面を覆う保護枠２４
（例えば鋼製）を設けている。保護枠２４の下部は減圧
容器２の底部開口部３より下方に突出しているので、減
圧吸引時に溶湯導入口５とともに溶湯保持炉１４内の溶
湯１５に浸漬される。この保護枠２４によって、溶湯導
入口５の強度が確保されると共に、湯道６に作用する減
圧の低下が防止され、更には溶湯導入口５の側面等を通
じての空気の巻き込みが防止される。なお、保護枠２４
は減圧容器２の一部として設けることもできる。

【００２３】更に、減圧容器２には不活性ガス供給手段
２５が接続されている。不活性ガス供給手段２５は、不
活性ガスを減圧容器２内に圧入し、減圧容器２の空気を
パージして不活性ガスにより置換する。不活性ガスとし
ては、窒素ガス、アルゴンガス等が好ましい。

【００２４】図２の減圧吸引鋳造装置の操作は基本的に
図１のものと同じであるが、不活性ガス供給手段２５を
有するので、まず減圧容器２内の雰囲気を不活性ガスで
置換する工程を行う。そのためには、不活性ガス供給手
段２５を作動させて減圧容器２内の空気をパージし、不
活性ガスで充満する。その後、鋳型４を収納した減圧容
器２を下降させて、溶湯導入口５を溶湯保持炉１４内の
溶湯１５に浸漬し、減圧して溶湯の吸引を行う。

【００２５】上記の減圧吸引鋳造装置によって鋳造した
球状黒鉛鋳鉄組成の歯車は、機械加工後にオーステンパ
熱処理を施す。まず、鋳造後の歯車をオーステナイト化
域である８２０〜９５０℃に０．５〜１時間加熱し、そ
の後２５０〜４５０℃まで急冷して０．５〜１時間保持
する恒温変態処理を行う。オーステンパ熱処理の温度・
時間などの条件は、歯車の大きさ、形状によって適宜選
択する。

【００２６】以上により製造したオーステンパ球状黒鉛
鋳鉄からなる歯車は、歯面および歯元とも、引け巣、介
在物やブローホール等のガス欠陥がなく健全であり、接
触疲労強度および曲げ疲労強度ともに十分信頼性を確保
することができる。更に、注入歩留まりが良く、堰折り
工程が不要であるので、低コストで製造することができ
る。本発明の鋳鉄歯車の製造方法によれば、エンジン用
歯車としての、例えば図３に示すような、噴射ポンプ用
歯車２６、アイドラー用歯車２７、カム用歯車２８、パ
ワステポンプ用歯車２９、オイルポンプ用歯車３０およ
びクランク用歯車３１等に適用することができる。

【００２７】

【発明の効果】以上、詳細に説明のとおり、底部に開口
部を有する減圧容器と、この開口部に突出して設ける溶
湯導入口と、減圧容器内に収納され溶湯導入口に湯道を
接続して歯車を形成したキャビティとを有する鋳型と、
減圧容器を減圧抑制する減圧吸引鋳造装置とを用い、減
圧容器を減圧して保持炉内の鋳鉄組成溶湯を溶湯導入口
よりキャビティ内に急速に充填することで、鋳鉄歯車
は、歯面および歯元とも、引け巣、介在物やブローホー
ル等のガス欠陥がなく健全であり、接触疲労強度および
曲げ疲労強度ともに十分信頼性が確保できる。更に、注
入歩留まりが良く、堰折り工程が不要であるので、低コ
ストで製造することができる。そして、本発明の鋳鉄歯
車の製造方法によれば、オーステンパ球状黒鉛鋳鉄から
なるエンジン用歯車などに適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の球状黒鉛鋳鉄鋳造品の吸引鋳造に適用
する減圧吸引鋳造装置を示す概略縦断面図である。

【図２】図１の減圧吸引鋳造装置の変更例を示す概略縦
断面図である。

【図３】エンジン用歯車の概略図である。

【符号の説明】

１ 減圧吸引鋳造装置 ２ 減圧容器 ２ａ 蓋部材 ３ 開口部 ４ 鋳型 ５ 溶湯導入口 ６ 湯道（湯道部） ７ キャビティ ８ 湯道の開口部 ９ フレキシブル管 １０ 減圧制御手段 １１ 減圧装置 １２ 吸引口 １３ 湯面センサー １４ 溶湯保持炉 １５ 溶湯 １７ 鋳型室 １８ 減圧室 １９ 仕切り部材 ２０ 開口板 ２１ フランジ ２２ 鋳型挟持手段 ２３ 気密部材（パッキング） ２４ 保護枠 ２５ 不活性ガス供給手段 ２６ 噴射ポンプ用歯車 ２７ アイドラー用歯車 ２８ カム用歯車 ２９ パワステポンプ用歯車 ３０ オイルポンプ用歯車 ３１ クランク用歯車

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 底部に開口部を有する減圧容器と、前記
   開口部に突出して設ける溶湯導入口と、前記減圧容器内
   に収納され前記溶湯導入口に湯道を接続して歯車を形成
   したキャビティとを有する鋳型と、前記減圧容器を減圧
   制御する減圧吸引鋳造装置を用い、前記減圧容器を減圧
   して、保持炉内の鋳鉄組成溶湯を前記溶湯導入口より前
   記キャビティ内に急速に充填することを特徴とする鋳鉄
   歯車の製造方法。
2. 【請求項２】 前記キャビティのうち前記湯道から最も
   遠くて前記溶湯が最後に充填される部分の近傍に、鋳型
   表面に開口する凹部状の吸引口を形成して、前記吸引口
   における前記キャビティと鋳型表面との距離を鋳型の他
   の部分より小さくしていることを特徴とする請求項１記
   載の鋳鉄歯車の製造方法。
3. 【請求項３】 前記キャビティ内で溶湯が凝固する際、
   前記減圧容器内の減圧を解除し、重力の作用により前記
   湯道内で凝固途中の溶湯を鋳型外に流出させることを特
   徴とする請求項１または請求項２の何れか１項に記載の
   鋳鉄歯車の製造方法。
4. 【請求項４】 前記溶湯導入口若しくは前記減圧容器の
   一部として保護枠を設けることを特徴とする請求項１乃
   至請求項３の何れか１項に記載の鋳鉄歯車の製造方法。
5. 【請求項５】 前記減圧容器に不活性ガスを供給し、減
   圧前に前記減圧容器内を不活性ガスで置換することを特
   徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の鋳
   鉄歯車の製造方法。
6. 【請求項６】 前記湯道の開口部を溶湯保持炉内の溶湯
   に浸漬した後で、前記減圧容器内を減圧することを特徴
   とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の鋳鉄
   歯車の製造方法。
7. 【請求項７】 前記鋳鉄歯車がオーステンパ球状黒鉛鋳
   鉄からなることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何
   れか１項に記載の鋳鉄歯車の製造方法。