(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
製品に形成される孔、窪み、その他の空間部分に黒鉛を埋設したまま鋳造し、その鋳造品の黒鉛を機械的に除去して当該孔、窪み、その他の空間部分を形成し、前記黒鉛の灰分含有比率が０．２重量％以下であり、かつ２，５００℃温度以上で加熱する黒鉛化工程を経て製造された人造黒鉛であることを特徴とする鋳造方法。
【請求項２】
前記黒鉛が嵌入された消失模型を鋳物砂の中に埋設し、溶湯を注湯して消失模型を気化させて消失させるとともに、それによって生じた空隙に溶湯を充填して鋳物品を形成し、溶湯の炭素当量含有比率が３．２重量％以上であることを特徴とする請求項１に記載の鋳造方法。
【請求項３】
前記黒鉛が消失模型の少なくとも一端から溶湯による浮力に対して該黒鉛が動かない程度に突出していることを特徴とする請求項２に記載の鋳造方法。
【請求項４】
前記黒鉛が等方性の炭素焼結体であることを特徴とする請求項１乃至3のいずれかに記載の鋳造方法。
【請求項５】
前記黒鉛が、該黒鉛に金属やセラミックを加えた複合材であることを特徴とする
請求項１乃至４いずれかに記載の鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳物の製造方法に関する。特に本発明は、鋳物に窪みや孔等の空間形成を行う鋳物の製造方法に関する。さらに本発明は、消失模型に黒鉛を施工して消失模型を溶湯によって消失させて、黒鉛によって占められた部分を機械的に除去する鋳物の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋳鉄に空洞や孔等の空間を形成する方法として、従来から中子を作成して鋳物砂に埋設して鋳造後に中子を除去する方法、鋼材のパイプを鋳ぐるむ方法、そして機械加工による方法がとられている。
【０００３】
中子を利用する方法では、孔が細い場合には、溶湯が中子の砂粒間に浸透し鋳物砂と鋳鉄が一体化してしまう、いわゆる焼き付けという現象が発生する場合がある。また、孔が長い場合には溶湯熱による中子の砂が焼かれて強度が低下し中子が崩壊してしまう問題や、溶湯の浮力によって中子が移動してしまうというなどの問題がある。
【０００４】
鋼材のパイプなどを鋳ぐるむ方法では、溶湯の熱と拡散によりパイプが溶けてしまう問題がある。また、鋼材は熱膨張率が１３ｘ１０−６／℃と高いために両端を固定した場合、鋳鉄溶湯の熱により膨張し変形する他、溶湯熱により鋼材の強度が低下し重力方向にたわんでしまう問題がある。
【０００５】
機械加工による方法は、確実に精度の良い孔を開けられるが、細くて長い孔になるとその加工が難しく、また多数の孔をあけるには時間を要し、効率的ではないといった問題を有する。
【０００６】
一方、特開平３−１２８１６１号公報、特開２００１−２２５１４６号公報には、オイレスブッシュの金属製の基体に複数の黒鉛を埋め込む方法が記載されている。特に特開２００１−２２５１４６号公報は、周壁に多数の貫通孔を有する消失模型を金属製の基体と同形に成形し、その貫通孔に黒鉛を主成分とする個体潤滑剤を嵌合させて鋳物砂に埋設し、その後注湯することで、黒鉛が埋め込まれたオイレスブッシュを鋳造するものである。
【０００７】
上記公報による発明は、黒鉛を含んだ潤滑剤として役割を有する固体物が孔に埋設されたオイレスブッシュを鋳造しようとするものであり、鋳造された鋳物に孔を形成しようとするものではない。
【０００８】
【特許文献１】
特開平３−１２８１６１号
【０００９】
【特許文献２】
特開２００１−２２５１４６号
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このように、今日に至るまで、作業者に負担が少なく、しかも効果的にそしてより精度良く孔を形成することができる新たな鋳造法が強く望まれていた。
【００１１】
本発明者は、固体物、特に黒鉛の固体物に着目し、さらにその黒鉛の硬度を注視した。そして、その黒鉛の硬度と鋳物の硬度差を利用して、孔を形成する作業者がより負担が少なく孔を形成できる方法を模索した。その結果、以下の手段、方法を考えついたのである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、製品に形成する孔や窪み等の空間部分に固体物を埋設したまま鋳造し、その鋳造品の固体物部分を除去することを特徴とするものである。
【００１３】
空間形成部分を固体物によって充填させ、その固体物を例えば機械的に除去することで、孔等の空間形成作業の負担が少なく、効率的にしかも精度良く空間形成を行うことが可能となる。
【００１４】
従来からオイレスブッシュの鋳造で使用された固体物（黒鉛）は、埋め込んだ固体物（黒鉛）に潤滑剤を添加して潤滑性を良くするために用いるものであり（従って、孔をあける目的ではない）耐摩耗性を必要するために、黒鉛に強度性が求められておりドリル等による機械的加工が容易ではなく、本来的に機械加工による空間形成を意図するものではない。
【００１５】
本発明では、機械的加工が可能な程度の硬度を有し、鋳造する際に加わる温度に対しても実質的に影響を受けない固体物を選択して使用する。このように、本発明は、孔等の寸法等に品質を実質的に影響を与えず、比較的作業がし易い硬度を有する固体物を空間形成部分に使用することで、所望の孔等の空間形成を行うことが可能となる。
【００１６】
この固体物部分を機械的に除去する方法として、ドリルによる削除があげられる。ドリルを固体物部分にあてがって掘削すると概ねその固体物部分が削除されて次第に鋳物に孔等の空間形成を行うことができる。
【００１７】
前記固体物は好ましくは黒鉛を含むことを特徴とする。黒鉛はその成分及び構造によっては、熱に対して比較的強く、しかも機械的な加工がし易い。
【００１８】
さらに、本発明は、鋳造法として消失模型鋳造法を適用する。すなわち、黒鉛等の固体物が嵌入された消失模型を鋳物砂の中に埋設し、溶湯を注湯して消失模型を気化させて消失させるとともに、それによって生じた空隙に溶湯を充填し鋳造品を作る。そして、その鋳造品のうちの固体物部分を機械的に除去する。消失模型は、例えば発泡ポリスチレンを加工して成形する。発泡ポリスチレンは、軟らかい発泡粒子が結合したものであり、これからできた模型は固体物を任意の場所に簡単に刺すことができる。発泡ポリスチレン以外にも、ポリエチレン、ポリスチロール、ポリプロピレン系、ポリオレフィン系、ポリメタクリル酸メチル、コモリマー等の物質からできた発砲体でもよい。
【００１９】
そしてより好ましいのは、前記固体物が消失模型の少なくとも一端から溶湯による浮力に対して該固体物が移動しない程度に突出させることを特徴とするものである。
【００２０】
さらに、本発明者は幾つかの試作を経た経験から、鋳綱品やステンレスでは、鋳物に孔を形成する際に鋳くるんだ黒鉛が注湯中に拡散して溶けてしまうといった問題を有することが分かった。また、鋳造品に比較的長い孔や大きな孔を開けようとすると、黒鉛が変形しまうという問題が明らかとなった。オイレスブッシュでは、比較的浅い孔内に小さな黒鉛を埋設するものであるために、黒鉛を使用する際に生ずる上記問題が生じないか、生じたとしても大きな問題とはならなかったものと考えられる。また、オイレスブッシュでは孔内に黒鉛等の潤滑剤が内接されていればその品質は比較的問題とならないが、製品本来に孔を形成する場合には、その孔の形状や寸法さらにはその孔に付着する不純物等の品質をより注視しなければならない。
【００２１】
よって、黒鉛の変形や細り等により影響を極力防止して、精度の高い孔が形成された鋳物を鋳造する必要がある。
【００２２】
本発明者は、その消失模型鋳造法で使用する溶湯の成分と黒鉛を固定物としたときにその黒鉛の成分及び特性に着目した。そしてその相互の関係において上記課題を解決できないかを思案し実験を重ねた結果、以下のより好ましい条件に想到した。
【００２３】
その実験によると、溶湯に含まれる炭素含有比率によって機械的な除去が実質的に可能となることが判明した。よって、その炭素含有比率を所定以上に管理することが重要である。
【００２４】
より具体的には、溶湯の炭素含有比率が３．２重量％以上であることが好ましい。
【００２５】
また、シリコンを炭素当量に換算することによってその炭素比率（炭素当量の含有比率）を上げることができる。カーボンとシリコンが所定量以上、例えばカーボンが２．８重量％以上、シリコンＳｉが１．３重量％以上の鋳鉄溶湯を使用する。これによって、黒鉛が溶湯中に溶けて消失し、やせ細ることが少ないことが明らかとなった。黒鉛を使用して鋳物に孔や窪み等の空間形成を行う場合でも、黒鉛が溶けることがなく、しかも、黒鉛と溶湯との濡れ性とを悪くすることで溶湯が黒鉛内部に浸透することを防止することが可能となる。そして、比較的大きな黒鉛を使用しても実質的に変形を生じることがない。
【００２６】
ここで、より具体的には、炭素当量をＣ＋１／３ｘＳｉで表すと、カーボン２．８重量％、シリコンＳｉ１．３重量％のとき、炭素当量が約３．２となる。炭素当量が３．２以下の鋳鉄溶湯になると、黒鉛が溶損し、目的とする孔が開けられずに、その後のドリル加工でも簡単には孔をあけることができないことが判明した。また、炭素当量が３．２以下の鋳鉄溶湯では、黒鉛の周りにチル組織が発生しており、このことも相まってドリルの加工性を悪くすることもわかった。
【００２７】
さらには好ましいのは、使用する黒鉛は、灰分含有比率を０．２重量％以下とし、かつ所定の温度以上で加熱する黒鉛化工程をへて製造された人造黒鉛とすることを特徴とする。これによって、より簡単に孔をあけることができる。その所定の温度は、例えば２，５００℃であることが好ましい。
【００２８】
加えて、前記固体物が黒鉛、例えば等方性の炭素焼結体であり、又は、あるいはそれに加えて金属やセラミック等の他の素材との複合材であることを特徴とするものである。これによって、黒鉛変形が少なく、精度の高い孔や窪み等の空間形成を行うことができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明による鋳造法を、消失模型によるフルモールド法（消失模型鋳造法）を例にして図を参照しつつ説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。
【００３０】
図１（ａ）は最終的に鋳造するための鋳造品１０、そして図１（ｂ）はこの鋳造品１０と同一形状に形成された消失模型１を示す。但し、鋳造における消失模型１の変形や縮小等の寸法変化に応じて事前に消失模型１の寸法も調整する場合には、必ずしも鋳造品１０と消失模型１が同一寸法に限る必要はない。
【００３１】
鋳造品１０には孔２を有している。この孔２の内径に適合するように消失模型１にも孔２’を形成する。また孔２の内径に適合した外径を有する固体３を予め作成する。図１、２の例では、孔２は内径を同一として鋳造品１０の一方から他方に真っ直ぐに抜けた孔であることから、固体３は、外径がその孔２の内径とほぼ同一の棒状体とした。そして固体３の長さを孔２の長さ（孔２の鋳造品１０の一方から他方までの距離）と同じかそれ以上とし、図１（ｂ）に示したように棒状の固体３が消失模型１の孔２’中にすっぽりと埋まるように挿入した。ここで使用する棒状の固体として黒鉛棒を使用した。黒鉛は、その成分や構造によっては、加工がし易くしかも消失模型鋳造法によって使用する溶湯の温度に対しても比較的強い。精度が求められない孔２を形成するには、異方性の黒鉛を使用しても良いが、より精度が必要な場合には、溶湯の温度に対しても変形が少ない等方性の炭素焼結体を使用すればよい。また、この黒鉛は、人造黒鉛が好適である。また、人造黒鉛やコークス、カーボンブラック等をフィラーとし、これらにコールタールピッチ、石油ピッチ、フェノール樹脂等の合成樹脂等のバインダーを添加して必要に応じて加熱しながら混合し、適度に粉砕後、プレス等によって成形、焼成更には必要に応じてピッチ含浸、焼成又は黒鉛化を行うことによって、炭素材を得ることができる。さらに、黒鉛に加えて他の金属やセラミック等の他の素材との複合材を使用しても良く、黒鉛と同様に、加工がし易くしかも溶湯の温度によって影響を受けない他の材料を使用しても良い。
【００３２】
使用する消失模型１は、ここでは、発泡ポリスチレンを使用し、３次元加工機によって加工して成形したが、これに限ったものではない。例えば、発泡ポリスチレン以外にも、ポリエチレン、ポリスチロール、ポリプロピレン系、ポリオレフィン系、ポリメタクリル酸メチル、コモリマー等の物質からできた発泡体でもよい。また、また、３次元加工機による以外にも樹脂を型で成形して消失模型１を作ってもよい。
【００３３】
図１（ｂ）の棒状の固体３が消失模型１に挿入されたまま鋳造を行う。図２（ａ）は消失模型鋳造法を実施するための鋳型の一概要を示している。
【００３４】
鋳型は、鋳枠４と鋳枠４の内部の鋳物砂７と鋳物砂７に埋設された消失模型１等からなり、模型１に連通した湯口５が左上方に設けられている。
【００３５】
鋳枠５には下方に排出管９が設けてある。鋳物砂７は、例えば５．５硅砂であり、硬化剤を適量含有させてある。
【００３６】
鋳型の形成は、まず、固体３が挿入された消失模型１の表面に耐火性に優れかつ通気性を有する塗型剤８を塗布し、その後充分乾燥させる（尚、塗布剤の塗布後に固体３を挿入しても良い）。そして鋳枠４に湯口５、湯道６を形成した後、模型１を鋳物砂７に埋設する。
【００３７】
次ぎに、湯口５から溶湯を注湯する。注湯された湯は消失模型１を溶融させ、消失模型１を置換しながら消失模型１全体に溜る。ここで、固体３は消失模型１から両方に突出して鋳物砂７によって囲まれているため、たとえ消失模型１が溶湯によって消失してもその位置が固定され、孔２の部分に適正に固体３を維持することができる。
【００３８】
消失模型１を溶湯によって完全に置換したのち冷却して固化した鋳物を鋳枠４から取り出す。取り出された鋳物１０は図２（ｂ）に示すように、孔２の内部に固体３が嵌入したままである。そして、ドリル等によってこの固体３を取り除くように孔２を形成して目的とする鋳造品１０を作成する。
【００３９】
細長い孔２でその内径が同じ場合には孔２と同径のドリルが都合が良い。しかし、消失模型１の孔２’の内径は孔２の外径と同じかそれよりもわずかに小さくても良い。この場合には、ドリルの孔あけによって、孔２’に挿入された固体２の周りの鋳物も一緒に削り取ることとなるが、初めから鋳物に孔を開けることに比べて格段に孔あけ作業がし易い。よって、孔２’の内径は、ドリル等の孔あけ作業で支障をきたさない程度のレベルとすればよい。
【００４０】
（プレス用金型への孔あけ例）
プレス金型には、エア抜きの孔を設ける必要がある。その孔の数が１００本から２５０本位必要な金型もある。従来は加工機によってその孔を開けていたが、このエア抜き部に、長さ１５０ｍｍ、直径８ｍｍの黒鉛棒を埋設するようにして金型を鋳造した。そして黒鉛棒の部分をドリルによって孔あけした。その結果、小型のドリルでも簡単に孔あけが可能となり、作業負担と作業工数、そして作業時間を大幅に削減することができた。図３は、その金型と同形の消失模型１に任意に複数の黒鉛棒３を差し込んだ状態の断面図である。黒鉛棒３は消失模型１に容易に差し込むことができるように、その先端をとがらせている。この結果、孔開けの作業時間や工程が大幅に低減した。
【００４１】
（摺動部品の長尺の孔あけ）
細長い孔を形成する場合に、黒鉛棒を使用した孔あけは、非常に理にかなったものである。図４（ａ）は、工作機械の摺動部に型どった消失模型２１を示している。摺動部内には細長い孔があけられ、その摺動要素が摺動するようにしたものである。この細長い孔を有する摺動部を作成するために、摺動部の細長い孔に対応する孔２２を消失模型２１に形成する。本例では、孔２２の内径が５０ｍｍであった。そしてその孔２２に内径３２ｍｍ、外径５０ｍｍのパイプ状の黒鉛棒２３を挿入して、消失模型鋳造法で鋳ぐるんだ。その後、黒鉛棒をドリルで掘削除去して孔を形成した。
【００４２】
黒鉛は、熱膨張率が５ｘ１０−６/℃と少なく、高温でも比較的強度が低下しないために熱変形が少なくなる。一方、鋼材などは熱膨張率が１３ｘ１０−６/℃と大きいことと、高温で強度が低下するために曲がり、反り等の変形が生じてしまう。従って、パイプ状の黒鉛棒を使用することで、変形が少なくまっすぐの細長い孔を形成することが容易となる。尚、黒鉛といえど黒鉛の異方性が高いほど、熱による黒鉛の変形が大きくなることから、より長尺で精度の高い孔を形成する場合には、その黒鉛の変形も無視できない。その場合には、等方性の黒鉛を用いればよい。黒鉛の異方性は、例えば成形時に静水圧などによって、あらゆる方向から均一に力を加えることで無くすることができる。
【００４３】
異方性のある黒鉛を使用して曲がってしまう場合には、図４（ｂ）のように筒状の中に黒鉛棒がすっぽりとおおさまるような鋼材のパイプ２４を用意して黒鉛棒をそのパイプ２４中に挿入した状態で消失模型２１に挿入してその曲がりを押さえるようにしてもよい。
【００４４】
使用する鋼材の重さによって消失模型２１が変形してしまう場合には、図４（ｃ）のように鋼材の下に支持棒２５を施工したまま鋳造しても良い。
【００４５】
【実験例１】
消失模型鋳造法では、黒鉛棒にチル組織が生じて、加工性を損なわせたり、鋳造品の品質を低下させる要因となることが分かった。
【００４６】
このチル化を防止するために、鋳鉄の溶湯の炭素及びシリコンに成分に着目してチル化の実験を行った。
【００４７】
図５に示すように、消失模型として発泡ポリスチレンを４００ｘ４００ｘ２００ｍｍの形状とした試験片１を用意し、その試験片１に直径８ｍｍの黒鉛棒３を何本か刺してセットし鋳造した。この鋳造は消失模型鋳造法で行った。
【００４８】
鋳鉄の炭素と、シリコンを炭素に換算して得られる炭素当量を評価用パラメータとして使用して評価を行った。炭素当量ＣＥ％はＣＥ％＝Ｃ＋１／３ｘＳｉによる計算式とした。
【００４９】
図７は、炭素当量と鋳造後の細り、そしてチルの発生の関係を表している。横軸（Ｘ軸）は炭素当量（％値）を示し、縦軸（Ｙ軸）は鋳造後の炭素棒の直径［ｍｍ］を示している。そしてグラフ中の○印はチルが無く、△印はチルが発生したことを示している。この結果から、炭素当量が３．２以下になると、急に炭素棒がやせ細ることがわかった。
【００５０】
黒鉛棒が埋設された鋳造品を使用して、その黒鉛棒を略８ｍｍの径を有するドリルによる孔開けを行った。その結果、炭素当量が３．２以上の溶湯を使用して１ｍｍ位以下の細りに制限した場合には、比較的簡単に孔を開けることができた。しかし、細りが１ｍｍ以上となると、その細りの部分に形成された鋳物により、ドリルでは簡単に孔を開けることが難しいことがわかった。以上のように、溶湯に対して全く変化しない黒鉛を必ずしも使用する必要はなく、実質上孔あけに支障をきたさないような黒鉛を適度に選択すればよい。
【００５１】
黒鉛周辺の組織を観察したところ、炭素当量が３．２以下になると、炭化物等のチル組織が見られるようにもなった。炭化物は硬いために、炭化物がでた組織をドリル加工するのは困難な場合が多く発生した。従って鋳鉄の基礎組織の観点からも、炭素当量をある一定値以上、例えばこの実験例では３．２以上、に制御することが有効であると考えられる。尚、この炭素当量の算出式は、一例であるために、他の炭素当量式によっては、制限する値が異なってくることから、その計算式に応じて適宜炭素当量の制限値を定めて、その値以上となるように溶湯を管理すればよい。
【００５２】
また、溶湯の炭素含有比率（重量％）とシリコン含有比率（重量％）についても調査した結果においても、炭素含有比率が２．８以下、もしくはシリコン含有比率が１．３％以下となるとチル組織がでるために、ドリルでの孔開け作業が困難になるケースが多く見られた。
【００５３】
【実験例２】
黒鉛棒の硬度とその直径が加工性に大きく影響を与えることが想定された。そこで、黒鉛の種類とドリルによる孔あけ時間とを実験した。使用するドリルは、ハイス鋼とした。
【００５４】
鋳造は消失模型鋳造法で行った。使用する消失模型として、図６に示すように発泡ポリスチレンを３００ｘ３００ｘ１００ｍｍの形状とした試験片１を用意し、その試験片１に各種の黒鉛棒３を何本か刺してセットし鋳造した。消失模型鋳造法によって得られた鋳造品の黒鉛部分をドリルで孔あけし、そのために要する時間及び孔あけ加工の深さを測定した。その結果を以下の表１に示す。
【００５５】
0003726160.tif 000002
以上から、人工黒鉛のうち２，５００℃以下の温度で加熱する黒鉛化工程を経て製造された黒鉛は若干のドリル加工はできるものの簡単には孔を開けることができないことがわかった。逆に２，５００℃以上の温度で焼成された黒鉛は比較的簡単にドリル加工で孔をあけることができる。このように、比較的高温で焼成した黒鉛ほど加工がしやすい。
【００５６】
以上のように、固体が孔や窪み等の空間形成部分に占拠するように鋳造し、その後その固体部分を機械的に除去することで、正確でしかも効率的な鋳物を製造することができたものである。
【００５７】
特に、黒鉛を使用することで、その鋳造が非常に容易になった。そして使用する溶湯の成分と黒鉛の成分を管理することで、より効率的で精度の高い鋳造をも可能とすることが明らかとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】  作成すべき鋳造品１０の一例の斜視図（図１（ａ））と、鋳造品１０と同様に型どった消失模型１と孔２’の中に長尺の固体３が挿入された斜視図（図１（ｂ））である。
【図２】  消失模型鋳造法における鋳型の一例を示す概要図（図２（ａ））と、鋳型から取り出された鋳造品１０及び固体３の側面図である（図２（ｂ））である。
【図３】  孔をあけるために黒鉛棒が刺された金型の消失模型の断面図である。
【図４】  工作機器の摺動を型どった消失模型２１の摺動部の孔２２に黒鉛棒２３が挿入された側面図と断面図（図４（ａ））、さらにパイプ状の鋼材２４を設けてその中に黒鉛棒２３が挿入された側面図と断面図（図４（ｂ））、及び黒鉛棒２３の下に支持体２５を設けた側面図と断面図（図４（ｃ））である。
【図５】  黒鉛棒を何本か刺してセットされた消失模型の試験片の斜視図である。
【図６】  異なった種類の黒鉛棒を何本か刺してセットされた消失模型の試験片の斜視図である。
【図７】  炭素当量と鋳造後の細り、そしてチルの発生の関係を表したグラフである。
【符号の説明】
１  消失模型、  ２、２’  孔、  ３  固体（黒鉛棒）
４  鋳枠、  ５  湯口、  ６  湯道、
７  鋳物砂、  ８  塗布剤、  ９  排出管、
１０  鋳造品、  １１  孔、
２１  消失模型、  ２２  孔、  ２３  黒鉛棒、
２４  鋼材のパイプ、  ２５  支持体
【図１】
0003726160.tif 000003
【図２】
0003726160.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
0003726160.tif 000007
【図６】
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【図７】
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