JPS5858311B2 - セラミック鋳ぐるみ鋳物の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は耐久性の優れたセラミック鋳ぐるみ鋳物の製造
方法に係り、さらに詳しくは球状黒鉛鋳鉄の様に収縮の
小さい金属でセラミックを鋳ぐるむ場合に、セラミック
締代を大きくすることによりセラミックー金属間で強固
な結合を得、耐久性の優れたセラミック鋳ぐるみ鋳物を
提供するものである。

この種の技術として当社出願の特公昭５ｌ−１６１６８
（以下引例Ａという）がある。

引例Ａはセラミックー金属の二重構造を有する断熱鋳物
の製造方法に関するものであり、一定の特性を有する可
撓性の高いパイプ状セラミックを溶融金属で鋳ぐるむこ
とにより、該金属の凝固冷却過程での収縮力を利用して
セラミックに圧縮力が、金属に引張力が作用する一種の
焼バメ状態となし、強固な結合を有する断熱鋳物を得ん
とするものである。

この場合、金属の収縮が焼バメの締代と密接に関連して
おり、この締代の大小が製品の耐久性に大きく影響する
。

苛酷な条件の下で使用される内燃機関の部品としては締
代が大きい方が望ましい。

引例Ａの場合、使用される金属には特別な制限はなく、
球状黒鉛鋳鉄でもかまわない。

しかし球状黒鉛鋳鉄の収縮は非常に小さく、通常はねず
み鋳鉄の半分しかない。

従って球状黒鉛鋳鉄でセラミック鋳ぐるみを行なった場
合は、セラミックを締付ける力が小さく、凝固冷却の過
程でセラミックにミクロタラツクが発生することもあり
、また使用条件が厳しい場合はセラミックの破損等の耐
久性の低下がありその適用範囲が限られていた。

本発明はこれら欠点を解消し、球状黒鉛鋳鉄等の収縮の
小さい金属でセラミックを鋳ぐるむ場合に、鋳型条件を
工夫することによりセラミック締代を増大させる方法を
提供するものである。

従来より球状黒鉛鋳鉄の凝固冷却過程での挙動について
は種々報告されており、引は巣等の鋳造欠陥の発生と関
連づけて、強度の高い鋳型を用い溶湯の化学組成をある
一定範囲内のものにすれば押湯を付けなくても健全な鋳
物が得られるという球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造法が特公昭
４６−３９２２３（以下引例Ｂという）で提案されてい
る。

この９例Ｂの方法を用いた場合、結果的に鋳物の収縮が
やや大きくなることが実験的に確かめられている。

従って本発明の目的達成のために引例Ｂを利用すること
ができるが、引例Ａの如き強度の高いセラミックを配し
て鋳ぐるみを行なう場合は引例Ｂの方法では充分な収縮
が得られず、セラミック締代を大幅に高めることは事実
上不可能である。

鋳物の収縮量を表わす一つの尺度として、鋳型寸法に対
し鋳造された鋳物の寸法がどの程度小さくなっているか
が使われているが、この収縮量はねずみ鋳鉄では１．０
〜１．５％であるが球状黒鉛鋳鉄では０〜０．５％しか
ないといわれている。

セラミック鋳ぐるみを行なう場合、セラミック締代を大
きくするためにはこの収縮量を大きくすることが有効で
ある。

球状黒鉛鋳鉄の収縮量がねずみ鋳鉄に比べて小さい原因
は種々報告されており、化学組成の差も大きな要因の一
つであるが、それに加えて特に凝固時の球状黒鉛晶出Ｇ
こ伴う異常膨張が重要な因子であるといわれている。

この膨張力は非常に大きく、ある報告では２０ｋｇ／ｆ
ｆ１以上となっている（鋳部Ｖｏ ｌ 、 ４７ 、Ａ
８ 、頁５４９〜５５４）。

この測定の場合は体積変化を起させないよう（こして真
に近い圧力を求めたものであり、引例Ａのセラミックを
使用する場合はセラミック自身が通常の鋳物用中子より
強いが、セラミック材質及び形状的にある程度の可撓性
を持たせであるため、本発明を実施する場合これ程大き
な加圧力は必要としない。

しかしながら単に引例Ｂの様（こ強い鋳型を使って剛性
を上げただけでは不充分である。

本発明はこれら諸欠点を解決し、耐久性の優れたセラミ
ック鋳ぐるみ鋳物を提供することにありこの目的達成の
ため、特許請求の範囲に記載の如く、鋳ぐるみ時鋳型に
加圧力を加えることをその要旨とするものである。

本目的達戊のためには溶湯ｆこ直接圧力をかけるのが一
番望ましいが、鋳鉄の様に融点の高い金属の場合は非常
な困難を伴うため、鋳型を介して溶湯に圧力を作用させ
る方法につき種々検討を重ねた結果、下記の６項目の条
件を満たすことが必要であることが分かった。

以下これを第１図を参考にして説明する。

（１）鋳ぐるまれるパイプ状セラミックは引例Ａの特性
を有すること。

即ち健全なるセラミック鋳ぐるみ鋳物を得るためには、
弾性率が２００〜５．０００ｋｇ１朋２曲げ強さが８〜
２００ｋｇ／ｄの範囲にあり、肉厚が内径の１／４以下
で、表面が滑かな耐火物骨材とアルミナセメントよりな
る可撓性セラミックであること。

（２）鋳型砂２で直接溶湯に接触する部分は、少なくと
も凝固終了時点までは外部からの力を伝達できるだけの
強度を備えていること。

これは加圧力を溶湯に伝達するのに必要である。

溶湯が接触した時の鋳型砂の性状変化は複雑で用いる結
合剤の種類（こよっても異なるため一概にはいえないが
、種々検討の結果水ガラス等の無機質の結合剤を用いた
ものであれば常温での抗圧力が１５に９／ｃｆＩｔ以上
、粘土質の結合剤を用いた生砂型であれば鋳型かたさが
９２以上確保されておればよいことが分かった。

（３）鋳型のミキリ４（第１図）はパイプ状セラミック
の中心軸を含む面に概略沿っていること。

ミキリが中心軸を含む面に垂直であるならば、加圧力が
有効に伝達され難くなるからである。

（４）製品と湯道をつなぐ堰の部分が、セラミック周辺
部の溶湯が凝固を開始する前に凝固を終了するよう鋳造
方案を設定すること。

鋳造方案は先ず鋳物として健全なものが得られる様に湯
口、湯道、堰、押湯等を適切に決めなければならないが
、加圧力が溶湯に有効に作用するためには、特に堰５の
大きさ、形状、位置、個数等を充分考慮して、製品とり
わけセラミックの周辺部が凝固を開始する前に堰５の部
分が凝固を終了しているようにしなければならない。

堰の部分が固まっていないと溶湯が堰を通って湯道や湯
口の方へ逃げてしまうため力が伝達されなくなるからで
ある。

また押湯についても同様の理由で必要最小限にとどめ、
できるだけセラミックの部分から離れていることが望ま
しい。

（５）少なくとも注湯してから凝固終了までの間、セラ
ミックが配置されている部分の鋳型直上から均等に力が
加わるよう溶湯を加圧すること。

この場合溶湯に作用する圧力は測定が非常に困難である
ため、実際の荷重設定は鋳型の条件や製品形状によって
も変るが、種々の実験・検討の結果鋳込重量の６０〜１
５０倍程度の荷重をかけるのが望ましいことが分かった
。

これより小さいと効果がなくなり、太き過ぎると鋳型が
壊れてしまう危険性がでてくる。

尚、ここで鋳型にかける荷重を鋳込重量の６０〜１５０
倍程塵としたのは、鋳込製品の形状が同じでも鋳型寸法
、方案によってミキリ面の面積が異なり、絶対圧では表
わしにくいためである。

荷重のかけ方としては、おもりを載せる方法、プレスを
使う方法または第１図の様に剛性の高い定盤を介してボ
ルトにより締付ける方法等が考えられるが、ボルトによ
る方法が比較的容易に高荷重がかけられる利点がある。

（６）鋳型砂の側面は充分な剛性を有する鋳枠で保持す
ること。

加圧力を側面に逃がさないようにするために必要である
。

なお加圧力を溶湯に有効に伝達させるためには上下の金
枠は接触させない方が望ましい。

以下実施例（こ基づき本発明を説明する。

※※実施例 １ （イ）弾性率４００〜６００ｋｇ／ｍＨ２、曲げ強さ９
０〜１２０ｋｇ／ｆｆｌの特性を有するセラミックで外
径６５關、内径５５ｍｍ、長さ１００間のセラミックパ
イプを製造、し、このパイプを鋳物側肉厚７關で鋳ぐる
み、セラミックの直径方向の変動を測定した。

第１図に示す様な装置を組み立てて実験を行なった。

鋳型砂としてはＣＯ２法により抗圧力１８ｋｇ／７の砂
を用い、厚さ８７ＩｔｒｆＬの鋳鉄枠で側面を保持した
。

堰はパイプの両端に１０１０Ｘ４の断面を有する板堰を
配した。

使用した金属は３．８％Ｃ，３，５％Ｓｉ、０．０１％
８１０．０４％Ｍｇ、残Ｆｅよりなる球状黒鉛鋳鉄で、
１．４００℃で注湯を行なった。

なお加圧は上下型の砂面に厚さ１５間の鉄製定盤を配し
これをボルトで締付けて行なった。

この時のセラミックの挙動は第２図に示した様になり、
荷重とセラミック締代の関係は第１表の様になった。

第２図に於て、荷重が２０倍の場合は凝固領域付近でセ
ラミックの大きな膨張がみられる。

その後冷却に伴って収縮し、Ａ１変態と思われる８００
℃付近で一時収縮が止まるが、その後は常温までほぼ直
線的に収縮し、常温時点では鋳ぐるみ前の寸法より若干
小さくなっている。

一方荷重が１３０倍の場合は最初の膨張が非常に小さく
なっており、その後の挙動は２０倍の場合と同じである
が、常温時点での収縮量は最初の膨張の差がほぼそのま
まもちこされて大きな値を示している。

第１表は荷重を変えた場合の常温におけるセラミック締
代を示している。

内燃機関の部品の様に比較的使用条件が苛酷な場合には
セラミック締代が０．４０％以上あることが必要であり
、荷重としては６０倍以上でなければならないことが確
かめられている。

（ロ）（イ）に於て鋳型砂の抗圧力を変化させた場合の
結果を第２表に示す。

なおこの場合の荷重は１００倍で行なった。

これより鋳型砂の抗圧力としては１５ｋｇ／７以上であ
ることが好ましいことが分かる。

実施例 ２ 第３図に示す如く、エンジンのサーマルリアクターの鋳
物ケースブランチ部を本発明に基づき加圧条注を変えて
製造した。

使用したセラミック８の％性は弾性率６００〜８００ｋ
ｇ／關２、曲げ強さ１００〜１２０ｋｇ／ｃｒ／ｌで肉
厚５山である。

鋳物材質は３，８％Ｃ，３，８％Ｓｉ、０．０１％Ｓ、
０．０４％Ｍｇ、残Ｆｅよりなる球状黒鉛鋳鉄で肉厚は
６皿である。

以下の３種類の方法で鋳造し、製品をエンジン（４，３
００ｃｃ ６気筒）に取付けて耐久試験を行なった。

Ａ：本発明によるもので、鋳型砂はＣＯ２法（こより抗
圧力２０ｋｇ／ＣｒＩＬの砂を用い、厚さ１２關の鋳鉄
枠を使用した。

堰はセラミックから最も遠い１フランジ１０の位置に２
０Ｘ４ｍｍの板堰を３カ所配置した。

加圧は上下型の砂面に厚さ１８關の鉄製定盤を配して、
これを４本のボルトで鋳込重量の１３０倍の荷重をかけ
て鋳ぐるみを行なった。

Ｂ：ｉ（：於て、上下型の鋳枠をクランプしただけで加
圧は行なわなかった。

Ｃ：通常の生砂型ラインに於て鋳型かたさ８８の条件下
で行なった。

これらの試験結果を第４表に示す。

試験方法は４，０００ ｎｍＸ全負荷で１０分間運転を
行ない、その後燃料をカットしてモータリングを５分間
行なうパターンを４００サイクル行なったものである。

なお鋳物表面温度は第３図９の部分を冷却または保温す
ることによりコントロールした。

評価のうち○印は異常なし、×印はセラミックに大きな
亀裂が発生するか脱落したことを示す。

この結果より、本発明を用いれば、鋳物側の温度が６５
０℃になるような苛酷な条件下でも充分耐久性があるこ
とが分かる。

本発明は球状黒鉛鋳鉄（こ限らず、ねずみ鋳鉄や他の金
属の場合に於ても、セラミック締代を増したい場合には
充分応用ができることは勿論である。

また荷重にしても、第３図の如き苛酷な条件で使用しな
い場合には、鋳込重量の６０倍以下でも充分満足な場合
もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による鋳型の縦断面図、第２
図は温度変化によるセラミックパイプの外径変化を表わ
すグラフ、第３図は本発明を応用したりアクタ−ケース
の断面図。 １・・・・・・セラミック、２・・・・・・鋳型砂、３
・・・・・・製品キャビティ、４・・・・・・ミキリ、
５・・・・・・堰、６・・・・・・定盤、７・・・・・
・金枠、８・・・・・・セラミック、１０・・・・・・
フランジ、８・・・・・・金属側温度、ｍ・・・・・・
セラミックパイプ、ａ・・・・・・荷重２０倍、外径変
化量、ｂ・・・・・・荷重１３０倍。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 鋳型内の所定の位置にセラミックを設置し、鋳型と
   セラミックの間に注湯することによりセラミックを鋳ぐ
   るむセラミック鋳ぐるみ鋳物の製造方法において、 少なくとも注湯から凝固終了までの間、該鋳型に鋳込重
   量の６０倍以上の圧力を加えることを特徴とするセラミ
   ック鋳ぐるみ鋳物の製造方法。 ２、特許請求の範囲１において、該セラミックが弾性率
   ２００〜５，０００ｋｇ／關２、曲げ強さ８〜２００ｋ
   ｇ／ｃＩＩＬの特性を有することを特徴とするセラミッ
   ク鋳ぐるみ鋳物の製造方法。