JPS6333165A

JPS6333165A - 局部的改質鋳造品の製造法

Info

Publication number: JPS6333165A
Application number: JP17588786A
Authority: JP
Inventors: Takao Horie; 孝男堀江; Hideki Nishikawa; 西川　秀輝; Shoichi Sakai; 正一酒井
Original assignee: Nabeya Iron and Tool Works Ltd; Nabeya Co Ltd
Current assignee: Nabeya Iron and Tool Works Ltd; Nabeya Co Ltd
Priority date: 1986-07-25
Filing date: 1986-07-25
Publication date: 1988-02-12

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】（技術分野）本発明は局部的改質鋳造品の製造法に係り、特に得られ
る鋳造品の特定部位における表面硬度、強度および耐摩
耗性等の緒特性を、熱処理等の後処理を力１えることな
（効果的に向上させることが可能な、局部的改質鋳造品
の製造法に関するものである。

（背景技術） −ａに、鋳造法にて製作された金属製品において、その
用途や目的に対応させるために、鋳造条件にて与えられ
た、その金属が肴する以上の特性、例えば硬度および強
度が望まれる場合には、所謂焼入れと称される熱処理加
工が施されることとなる。

すなわち、かかる熱処理加工にあっては、鋳造された金
属製品の全体に或いは所定の部位に対して、著しい温度
変化を与えることにより、金属組織の改質を行なうもの
であり、繰り返し摩擦が発生する摺動部を有する構成部
品などの摩耗による劣化の防止や精度、耐久性の向上な
どの目的をもって、為されるものである。

ところで、このように表面硬度の向上および組織改善を
目的とした熱処理加工は、鋳造法にて製作された金属製
品に限らず、金属製品全般に広く用いられる組織改善処
理法であって、一般には、火炎焼入れ、高周波焼入れお
よびレーザー加熱焼入れ等の焼入れ方法が良く知られて
おり、その何れかが、金属製品の形状、材質、使用目的
、生産数量、目標コスト或いは機能などの条件、更にば
かがる熱処理加工が施される部位が金属製品の全表面か
或いは部分的表面かによって、適宜選択、決定されるこ
ととなる。例えば、通常、工作機ベツドの摺動面のよう
な大型鋳造品においては火炎焼入れ乃至は高周波焼入れ
法が、また小物や大量生産品には高周波焼入れ法、レー
ザー焼入れ法が、それぞれ好適に採用されることとなる
。

そして、その焼入れ作業は、被加工物たる金属製品の使
用目的や材質、目標とする硬度、精度および耐久性など
の諸条件により異なるが、基本的には、かかる金属製品
を８５０℃〜９５０℃まで加熱した後、水または油にて
急冷せしめ、更にその後焼戻し処理を施すことによって
、完了することとなる。

しかしながら、工作機部品や一般作業機械部品として多
く用いられる鉄系金属の鋳造品、特に普通鋳鉄品や強靭
鋳鉄品に対する表面焼入れにあっては、以下に述べる如
き、技術的および経済的な多くの問題点を有していたの
であり、かかる焼入れ法が、鋳造製品の硬度向上法とし
て、必ずしも好適な手法と言えるものではなかったので
ある。

すなわち、例えば、一般的に多く用いられる強靭鋳鉄製
の工作機の場合、焼入れ法にて目標とする表面硬度を得
るためには、先ず、目標とする硬度、必要とする焼入れ
位置および焼入れ深さなどの仕様を決定した後、それら
の設定値に最も適した鋳造品を、化学成分、金属組織、
歪みおよび割れ等を考慮した形状として完成せしめなけ
れば、適切な焼入れ作業を行なっても目標とする硬度が
達成され得ず、健全な機械部品を得ることができないの
であり、そのため鋳造品の製造に手数がかかり、また目
標硬度の達成が困難であったのである。

また、目標とする硬度を得るに充分な特性を有する鋳造
品であっても、熱量や加熱スピード、冷却量などの焼入
れ作業の諸条件の設定力で非常に難しく、充分な試作焼
入れが必要とされることから、加工数量が少ない場合に
は、コストアップに繋がり、更にはそのような焼入れ条
件の不確立下において施される焼入れによって、不良品
発生の恐れがあったのである。そして、特にその焼入れ
が、鋳造品の部分的表面に対して施される場合には、上
述の如き焼入れ条件の設定がより困難となり、安定した
硬度を得ることは極めて困難であったのである。

さらに、かかる焼入れ法は、急激な温度変化による金属
組織改善方法であり、被加工物に大量の熱エネルギーを
与えることを基本とするために、被加工物の温度変化に
よる歪みや形状変化は避けることができず、従ってその
ような変形を防止するために熟練を要するといった問題
をも有していたのである。

また、かかる焼入れ法を採用するに際しては、熱エネル
ギー発生装置、送り装置、冷却装置、安全装置、制御装
置、供給装置などの多くの設備が必要となるために、設
備費が増大し、そしてそのような設備費の工場原価に占
める割合は、決して少なくなく、隠れた原価増の要因と
なっているのである。

（発明の構成）ここにおいて、本発明は、上述の如き事情を背景として
なされたものであって、その要旨とするところは、溶融
状態の金属溶湯を所定の鋳型の製品キャビティ内に注湯
し、目的とする形状の鋳造品を形成せしめるに際して、
該製品キャビティ内の所定位置に、三次元網目構造、ハ
ニカム構造などの多孔構造を有するセラミックス多孔体
を配置した状態下において、前記金属溶湯の注湯を行な
い、かかる注湯された溶湯を該セラミックス多孔体の多
孔構造内に入り込ませて、周囲の溶湯と共に一体的に凝
固させることにより、該セラミックス多孔体が所定位置
に一体的に埋設されてなる鋳造品と為し、該セラミック
ス多孔体の埋設された部分を該セラミックス多孔体の特
性に対応して改質するようにしたことを特徴とする局部
的改質鋳造品の製造法にある。

（構成の具体的説明）より具体的には、本発明は、第１図に示されているよう
に、鋳型内の所定位置に、第２図に示されている如き所
定のセラミックス多孔体を配置せしめた状態下において
、注湯することにより、第３図および第４図に示されて
いる如き、局部的な改質部分を有する、目的とする鋳造
品を製造するようにしたものである。

すなわち、第１図において、１０は、鋳型であり、一般
に、生型砂、樹脂を硬化媒体に用いた自硬性鋳型、或い
はパーマネント鋳型（金型）などが用いられるものであ
る。かかる鋳型１０内には、湯道１２、上がり１４およ
び所定形状の製品キャビティ１６が形成されている。

そして、先ず、かかる製品キャビティ１６内の所定位置
、即ち第３図に示されている如き、目的とする鋳造製品
における硬度向上環の改質部分１７に対応する位置に、
第２図に示されている如き、三次元網目構造を存するセ
ラミックス多孔体１８を配置、固定せしめるものである
。

なお、一般に、鋳型１０は、見切り線を基準に上型と下
型とに２分されるが、かかるセラミックス多孔体１８の
配設は、上型および下型の何れと限定されることなく、
目的とする鋳造製品の目的に応じて決められた位置にお
いて、注湯される金属溶湯の衝突エネルギーにて移動す
ることのないように、例示の如き釘状の止め針２０など
の固定具を用い、適当な方法にて鋳型１０の壁部に固定
されることとなる。

また、かかるセラミックス多孔体１８は、例示の如き円
板形状のものの他、鋳造製品に求められる、高硬度を必
要とする表面部分に略対応する外形部分を有するもので
ある限り、種々なる形状のものが適宜採用され得るもの
であり、そしてその設置個数も、該セラミックス多孔体
１８による溶湯の温度降下を考慮した限度内において、
適宜決定されるものである。

さらに、このようなセラミックス多孔体１８は、所定の
溶湯が鋳造キャビティ１６内に注湯されたときに、例え
ば鋳鉄溶湯の場合には最高１５００℃程度の温度に晒さ
れ且つ鋳ぐるまれるものであることから、耐熱衝撃性お
よび熱間強度に優れていることを条件とし、また金属溶
湯と共に凝固した際、製品として設定される必要硬度を
もって形成される必要があり、例えばコージェライト、
アルミナ、ＳｉＣ等を主成分としたものが適宜採用され
ることとなる。

また、かかるセラミックス多孔体１８の構造としては、
注湯される金属溶湯がその空洞内に侵入し、該金属溶湯
の凝固によってそれらの一体化が図れるものであれば、
例示の如き三次元網目構造のものの他、ハニカム構造な
どの連続した多孔構造を有するものを何れも採用するこ
とが可能である。尤も、このセラミックス多孔体１８は
、金属溶湯の凝固が完了した際に、その外周部分に存在
する金属との界面において縁切れの状態を生ずると、セ
ラミックス多孔体１８と金属の完全なる一体化が難しく
なることから、その空孔率は８５％程度、セル数は５〜
８個／インチ程度が望ましい。

そして、次に、このようなセラミックス多孔体１８が所
定位置にセットされた鋳造キャビティ１６内に、その鋳
造品に求められる物理特性に応じて管理された化学成分
を有する金属溶湯２２が、注湯されることとなる。尤も
、本発明は、鋳鉄、鋳鋼、アルミニウム等の種々なる金
属製品の鋳造に適用され得るものであり、この金属溶湯
２２としては、そのような製品原料に応じて選定される
ものであることは言うまでもない。

ここにおいて、一般に、溶湯２２は、図示の如く、取鍋
２４内から、湯口２６、湯道１２、堰２６を通じて製品
キャビティ１６内へと導かれることとなるが、通常、鋳
鉄溶湯のように１４００℃程度で注湯される金属におい
ても、その溶湯が、製品キャビティ１６内に注入される
際、鋳型１０内壁面との接触による急激な温度降下は避
けられず、更に本発明におけるセラミックス多孔体１８
の製品キャビティ１６内への設置は、なおその傾向を助
長し、薄肉コーナーなどへのセメンタイト組織の発生も
有り得るために、注湯時の溶湯温度を、通常のものより
５０℃程度高めに設定することが好ましい。

そして、その後、注湯、凝固の完了した鋳造品は、通常
の鋳造作業と同様な、解枠、冷却、ショツトブラスト等
による清掃、グラインダー仕上げなどの工程を経て、第
３図および第４図に示されている如き、目的とする完成
鋳造品２８とされ、次工程の機械加工に移されることと
なる。

また、本発明の大きな特徴は、上述の如（、鋳造品にお
けるセラミックス多孔体の埋設された部分を、該セラミ
ックス多孔体の特性に応じて改質し、それによって鋳物
使用面における硬度や耐摩耗性等を向上せしめるように
したことにあるが、第二の大きな特徴は、かかるセラミ
ックス多孔体に対して、少なくともその表面に存在する
状態で、注湯される溶融金属を改質する所定の改質剤が
付与され、該改質剤によって該セラミックス多孔体の埋
設された鋳造品部分の金属が更に改質されるようにした
ことにある。

すなわち、製品キャビティ１６内に配置されるセラミッ
クス多孔体１８に対して、その求める効果に応する金属
粉末、合金粉末等の所定の改質剤をディッピングなどに
より表面コーティングし、或いはセラミック原料内に混
合して焼成すること等により、少なくともその表面に存
在せしめて、注湯される金属溶湯２２に接触させるよう
にすれば、該セラミックス多孔体１８の多孔構造内に侵
入した金属溶湯２２に対して、孔部壁面に存在する合金
粉末等が接種、合金化の如き働き乃至は作用を為し、そ
の目的に応じた組織への改質が行なわれることなるので
ある。

なお、この改質剤としては、鋳造品に求められる性質、
即ち高硬度、耐酸性、耐熱性、耐蝕性等に応じて、Ｃｒ
　ＳＣｕ　％　Ａ　ｌ　％　Ｍ　Ｏ％　Ｎ　１　％　Ｔ
　ｅ　％Ｓｎｓ　Ｃｕ−３ｎ等が用いられ、例えば、そ
のような合金を２００メツシュ程度の粉末とし、高温時
に発生するガス量の少ないバインダーを用いて、セラミ
ックス多孔体１８の表面に均等にコーティングすること
により行なわれることとなる。

従って、上述の如く、所定の改質剤が少なくともその表
面に存在する状態で付与されたセラミックス多孔体１８
が所定位置に配置された製品キャビティ１６内に注湯さ
れる金属溶湯２２は、該セラミックス多孔体１８の多孔
構造内空間を満たすと同時に、その表面に付与された改
質剤を溶融し、組織変化を起こすこととなる。尤も、か
かる金属溶湯２２の注湯に際しては、セラミックス多孔
体１８表面に存在する改質剤が完全に溶けるに必要な温
度にて、注湯を行なう必要がある。

そして、このように金属組織が改善された鋳造品は、前
述のものと同様、解枠、冷却、ショツトブラスト等によ
る清掃、グラインダー仕上げなどの工程を経て、目的と
する完成鋳造品とされることとなる。

また、前述の如く、セラミックス多孔体１８が鋳込まれ
た鋳造品或いはセラミックス多孔体１８の表面に付与さ
れた所定の改質剤にて金属組織が改質された鋳造品にお
ける使用面は、工作機械、例えば旋盤、フライス盤、形
削盤、研削盤などにより仕上げられ、各々の用途に応じ
た精度が与えられることにより、完成するのである。

（発明の効果）従って、本発明にあっては、工作機械部品や産業機械部
品などに用いられる鋳造部品における使用面の一部に、
高い耐摩耗性や硬度を求める場合、従来の方法である焼
入れ工程を必要とせず、鋳造工程において任意の面に対
して、高い耐摩耗性や硬度を容易に与えることが可能で
あり、またその表面に所定の改質剤が付与されたセラミ
ックス多孔体を使用することにより、従来冶金的には極
めて困難であった、鋳造品の局部的なｍ織改善が可能と
なり、硬度、耐酸性、耐熱性、耐蝕性などの特性を、部
分的に向上せしめることができるのである。

すなわち、工作機械や産業機械の業界にて多く用いられ
ている鋳造品において、高い耐摩耗性が要求される使用
面には、一般に、焼入れ加工を施こすことにより、表面
硬さの向上が図られることとなるが、鋳造品の材質、形
状、焼入れ位置などの都合から、焼割れ、歪み、変形を
考慮し、その焼入れ強度はＨｖ＝５００〜６００が上限
値であり、それ以上の値を求めることは、焼入れ作業の
健全性と経済性等の面から難しいが、本発明においては
、一般に市販されているセラミックス多孔体を用いるこ
とにより、Ｈｖ＝１５００〜２５００の硬度を有するセ
ラミックスが、その使用面（鋳鉄表面）において、例え
ば数寵程度の間隔をもって斑点状に現出されることとな
るところから、かかる使用面の耐摩耗性が著しく向上さ
れ得るのである。

また、高い耐摩耗性と同時に耐蝕性を部分的表面に求め
ることは、従来方法では極めて困難であり、敢てそのよ
うな鋳造品を求める場合には、鋳造品自体の材質を耐熱
性に富んだ設定とし、高ケイ素を含む特殊化学成分とす
る必要があり、この考え方は、耐酸性や耐蝕性などに対
しても同じことが言えるが、本発明においては、用いら
れるセラミックス多孔体の少なくとも表面に所定の改質
剤を付与することにより、高い耐摩耗性と種々の物理特
性とを同時に得ることが可能となるのであり、生産工程
の簡略化による原価低減はもとより、機械構成部品とし
ての鋳造品の設計業務に新しい展開をもたらすものであ
る。

（実施例）以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発
明に従う実施例について、図面を参照しつつ詳細に説明
すここととする。

先ず、第５図には、本発明に従う手法にて製造される鋳
鉄製品の一例が示されている。該鋳鉄製品３０は、火炎
焼入れ時に用いられる特殊ダイベースであり、その化学
成分は、炭素（Ｃ）が３．２〜３．３％、ケイ素（Ｓｔ
）が１．８％、マンガン（Ｍ　ｎ　）が０．６％で、且
つＦｃ＝３０程度の材質である。そして、その使用時に
あっては、上部平面３２上において所定のワークが長手
方向に往復運動させられつつ、同時に図中、幅方向のａ
列部分とＣ列部分とに間欠的に直火の炎が当たることと
なる。

従って、かかる特殊ダイベース３０に求められる性能と
しては、上部平面３２の内、図中、ａ列部分、ｂ列部分
、Ｃ列部分におけるそれぞれのポイント３４ａ、３４ｂ
、３４ｃの計９ポイントにおいて、高い耐摩耗性を有す
ることとと、ａ列部分とＣ列部分における各ポイント３
４ａ、３４ｃの計６ポイントにおいて、火炎の影響によ
る酸化、成長（膨張、変形）などに対する耐熱性を有す
ることである。

このような性能を有する特殊ダイベース３０の、本発明
に従う一製造方法が、第６図に示されている。この図に
おいて、３６は、フラン樹脂を用いた自硬性鋳型であり
、その内部には、湯口３８、湯道４０．上がり４１およ
び製品キャビティ４２が形成されている。

また、該製品キャビティ４２内には、鋳造製品たる前記
特殊ダイベース３０のａ列部分、ｂ列部分、Ｃ列部分の
各ポイント３４ａ、３４ｂ、３４Ｃに対応する位置に、
それぞれセラミックス多孔体が配置されている。これら
のセラミックス多孔体のうち、５列ポイント３４ｂに配
置されるものにあっては、ジルコニアを原料とする三次
元網目構造を有する矩形平板形状のセラミックス多孔体
４４が、また３列ポイント３４ａおよび０列ポイント３
４ｃに配置されるものにあっては、鋳造製品のかかる部
位における耐熱性を向上させるために、そのようなセラ
ミックス多孔体４４の表面に対して、更に溶融金属の組
織改善用のＣｒおよびＣｕの合金鉄粉末がコーティング
されたセラミックス多孔体４６が、それぞれ用いられて
おり、溶湯注入時の衝突エネルギーにより配置位置が変
化しないように、止め針４８にて、鋳型３６内壁に固定
されている。

そして、かかる鋳型３６の製品キャビティ４２内へ、湯
口３８から所定の金属溶湯を注湯し、凝固、冷却、清掃
、焼鈍せしめることにより、鋳造品素材が完成されるこ
ととなるのであり、その上部平面３２に対して、プレー
ナ等の平削盤およびフライス盤にて強力加工を施された
後、平面研削盤で精密表面仕上げが施されることにより
製作工程が完了するのである。

このような特殊ダイベース３０の使用に際しては、第７
図に示されている如く、その上部平面３２上を可動体（
ワーク）５０が往復摺動せしめられることとなる。それ
故、従来の鋳鉄製ダイベースにあっては、表面の硬度を
高める為の焼入れ加工を施さない場合には、時間の経過
と共に、同図において仮想線で示されている如く、その
上部平面３２において、摩耗による平面度の著しい変化
が生じることとなる。なお、大型の焼入れ装置などによ
って、その上部平面３２に対して焼入れ加工が施された
ものであげても、長時間の使用によって、程度の差はあ
るものの同様な傾向となり、常に正確な平面度を保つこ
とは困難であった。

ここで、本実施例における特殊ダイベース３０にあって
は、第５図に示されている如く、Ｈｖ＝１２００程度の
硬度を有するセラミックス多孔体４４．４６が、上部平
面３２の各ポイント３４ａ、３４ｂ、３４ｃにおいて、
数ｌ程度の間隔をもって斑点状に露呈させられており、
該上部平面３２上を往復摺動せしめられる可動体５０が
、その摺動面の一部が常にそれらセラミックス多孔体４
４．４６上に乗った状態で摺動せしめられることとなる
ところから、摺動による摩耗の発生が極めて効果的に防
止され得るのであり、かかる特殊ダイベース３０全体の
変形が生じない限り、°研削盤で仕上げられた上部平面
３２における、耐摩耗性の不足を原因とする偏摩耗によ
る平面精度の低下は、極めて有効に防止され得るのであ
る。

また、表面に合金鉄粉末がコーティングされてなるセラ
ミックス多孔体４６が配置された、８列ポイント３４ａ
および０列ポイント３４Ｃにおいては、Ｍｎ含有率の高
い（０，６％）鋳鉄溶湯へＣｒ、Ｃｕが溶融し、金属組
織が改良されることとなるところから、かかるポイント
３４ａ、３４ｃ部分の耐熱性は有効に向上せしめられ、
火炎による使用面の劣化が、有効に防止され得るのであ
る。

なお、かかるセラミックス多孔体４６の多孔構造内に入
り込む金属溶湯は、該セラミックス多孔体４６の表面に
コーティングされた合金粉末を瞬時に溶かし、反応を続
けつつ入り込むこととなり、その入り込む溶湯量は比較
的少なく、反応時間も短く、また製品キャビティ４２内
の溶湯の流動による合金鉄粉末の拡散も考えられるが、
かかる合金鉄粉末による組織改善を最も必要とするのは
、溶湯移動の終点、即ち製品キャビティ４２の壁面であ
ることから、第８図に示されているように、セラミック
ス多孔体４６の端面と生地組織との間で、合金鉄粉末に
よる改質部分５２の少々の拡散現象は見られたが、その
使用面（上部平面）３２においては充分な改善組織とな
っていることが確認された。

さらに、本発明に従う手法にて製造される鋳造品にあっ
ては、最も必要とするポイントにおいて、部分的に改質
が為され、耐摩耗性等の向上が図られるものであること
から、第９図に示されているように、それら改質された
ポイント以外の部位において、ねじ穴５４を設けるなど
の、後加工が容易に施され得ることとなる。

すなわち、上述の如く、本実施例における鋳鉄製特殊ダ
イベース３０にあっては、従来の焼入れ加工などを施す
ことなく、高い耐久性の設定および従来法では極めて困
難であった局部的な組織の改質が行なわれ、その目的が
鋳造という素材生産工程のみで達成できたのであり、経
済性、生産時間の短縮に大きな利益を与えたのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従う製造法の一工程を示す断面説明図
であり、第２図はそこにおいて用いられるセラミックス
多孔体を示す斜視図であり、第３図はその鋳造品を示す
斜視図であり、第４図はかかる鋳造品の要部を拡大して
示す断面説明図である。また、第５図は本発明に従う製
造手法にて製造される鋳造品の一例を示す斜視図であり
、第６図はその一製造工程を示す断面図であり、第７図
はかかる鋳造品の使用状態を示す説明図であり、第８図
はかかる鋳造品の要部拡大断面図であり、第９図はかか
る鋳造品に対して施される後加工の一例を示す部分断面
図である。１０：鋳型　　　　　１６：製品キャビティ１７：改質
部分　　　１８：セラミソクス多孔体２２：金属溶湯　
　　２８：鋳造品３６：鋳型　　　　　４２：製品キャビティ４４．４６
：セラミックス多孔体５２：改質部分出願人　　株式会社　　す　ベ　ヤ第２図第３図第４図第５ｒＭ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）溶融状態の金属溶湯を所定の鋳型の製品キャビテ
ィ内に注湯し、目的とする形状の鋳造品を形成せしめる
に際して、該製品キャビティ内の所定位置に、三次元網
目構造、ハニカム構造などの多孔構造を有するセラミッ
クス多孔体を配置した状態下において、前記金属溶湯の
注湯を行ない、かかる注湯された溶湯を該セラミックス
多孔体の多孔構造内に入り込ませて、周囲の溶湯と共に
一体的に凝固させることにより、該セラミックス多孔体
が所定位置に一体的に埋設されてなる鋳造品と為し、該
セラミックス多孔体の埋設された部分を該セラミックス
多孔体の特性に対応して改質するようにしたことを特徴
とする局部的改質鋳造品の製造法。
（２）前記セラミックス多孔体に対して、少なくともそ
の表面に存在する状態で、前記溶融金属を改質する所定
の改質剤が付与され、該改質剤によって該セラミックス
多孔体の埋設された鋳造品部分の金属が更に改質される
ようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の局部的改質鋳造品の製造法。