(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転動作させた円筒状金型の内部で鋳鉄の溶湯を冷却固化させる遠心鋳造法によって円筒形状で且つ金属組織中に片状黒鉛を含む成形品とする鋳鉄製成形品の鋳造方法において、
前記溶湯が冷却固化することにより成形された鋳鉄製成形品の温度が下降してＡ1変態点を通過する際の冷却速度を３０〜２００℃／分とすることを特徴とする鋳鉄製成形品の鋳造方法。
【請求項２】
請求項１記載の鋳造方法において、前記鋳鉄製成形品の温度が共晶点より低くＡ1変態点より高い範囲内にある際に当該鋳鉄製成形品を前記円筒状金型から取り出すことを特徴とする鋳鉄製成形品の鋳造方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の鋳造方法において、前記鋳鉄製成形品として内燃機関用シリンダブロックのシリンダボアに配置されるシリンダスリーブを成形することを特徴とする鋳鉄製成形品の鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳鉄製成形品の鋳造方法に関し、一層詳細には、加工性が良好な鋳鉄製成形品を効率よく得ることが可能な鋳鉄製成形品の鋳造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関用シリンダブロックのシリンダボアに配置されるシリンダスリーブ等の鋳鉄製成形品は、例えば、砂型を用いる重力鋳造法により製造されている。この鋳造法によれば、切削加工性が良好なシリンダスリーブを得ることができる。しかしながら、重力鋳造法には、砂型を作製するという煩雑でかつ長時間を要する作業が必要であり、しかも、鋳造作業時間が長いので生産効率が低いという欠点がある。
【０００３】
シリンダスリーブを成形する他の方法としては、回転動作させた円筒状金型の内部で溶湯を冷却固化させる遠心鋳造法が挙げられる。遠心鋳造法は、砂型を作製する必要がなく、また、円筒状金型の内部（キャビティ）に導入された溶湯の冷却速度が重力鋳造法に比して大きいためにシリンダスリーブの生産効率が比較的高くなるという利点を有する。なお、円筒状金型は、通常、溶湯が冷却固化される際に冷却水等で強制冷却される。
【０００４】
しかしながら、遠心鋳造法により成形されたシリンダスリーブは、切削加工性に乏しい。このため、切削加工用刃具の寿命が短くなるので、切削加工コストが高騰するという不具合がある。そこで、特開昭５８−１６１７４８号公報および特開平８−１７６７２２号公報には、切削加工性や耐摩耗性に優れた鋳鉄製成形品とするために、該鋳鉄製成形品を構成する金属組織の各成分の割合を規定することが提案されている。また、特開平９−２０９０７２号公報には、金型の内面における塗型剤の塗布厚みを設定して溶湯の冷却速度を制御することにより、切削加工性や耐摩耗性に優れた鋳鉄製成形品が得られることが記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の各公報に記載された組織を得るようにしたり、塗型剤の塗布厚みを設定したりしても、充分な切削加工性を有する鋳鉄製成形品は未だなお得られていない。
【０００６】
以上から諒解されるように、鋳鉄製成形品を得る際の生産効率と得られた鋳鉄製成形品の加工性はトレードオフの関係にあり、加工性に優れた鋳鉄製成形品を効率よく得ることができる鋳造方法はこれまでのところ確立されていない。
【０００７】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、鋳鉄製成形品を効率よく得ることができ、しかも、得られた鋳鉄製成形品が良好な加工性を示す鋳鉄製成形品の鋳造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、まず、重力鋳造法により成形された鋳鉄製成形品と、遠心鋳造法により成形された鋳鉄製成形品とで加工性に差異がある理由につき検討した。そして、前者と後者の各金属組織を調査したところ、ともにフェライトからなる層とセメンタイトからなる層とが交互に並んだ層状組織、すなわち、パーライトから構成されているが、その層間間隔が互いに異なるという知見が得られた。すなわち、前者における層間間隔は０．８〜１．０μｍ程度であり、一方、後者では０．４〜０．６μｍ程度であった。
【０００９】
そして、本発明者らによるさらなる検討の結果、パーライトの層間間隔にこのような差異が生じる理由は、成分が同一である場合、両鋳造法における溶湯の冷却速度が互いに異なるためであることが見出された。すなわち、前者における冷却速度は１５０℃／分程度であり、後者では２５０℃／分程度である。遠心鋳造法での冷却速度が大きい理由は、円筒状金型の熱伝導度が砂型に比して高いためであると考えられる。
【００１０】
このような知見に基づき、本発明者らは、遠心鋳造法で鋳鉄製成形品を成形する場合においても、該鋳鉄製成形品を構成する金属組織中に含まれるパーライトの層間間隔が０．８〜１．０μｍとなるような冷却速度につき鋭意検討を重ね、本発明をするに至った。
【００１１】
すなわち、本発明は、回転動作させた円筒状金型の内部で鋳鉄の溶湯を冷却固化させる遠心鋳造法によって円筒形状で且つ金属組織中に片状黒鉛を含む成形品とする鋳鉄製成形品の鋳造方法において、
前記溶湯が冷却固化することにより成形された鋳鉄製成形品の温度が下降してＡ1変態点を通過する際の冷却速度を３０〜２００℃／分とすることを特徴とする。
【００１２】
Ａ1変態点を通過する際の冷却速度がこのように規定された場合、得られた鋳鉄製成形品を構成する金属組織中には、層間間隔が０．８〜１．０μｍ程度のパーライトが主に含まれる。しかも、金属組織中に含まれる黒鉛の形態や粒度、およびフェライトやステダイトの割合等も、加工性が良好となる形態または範囲となる。したがって、鋳鉄製成形品としては、加工性が良好なものとなる。
【００１３】
ここで、Ａ1変態点とは、以下の反応式（１）で示される共析反応の開始温度として定義され、ハンセンのＦｅ−Ｃ系平衡状態図によれば、その値は７２３℃である。
【００１４】
【数１】
0003987694.tif 000002
【００１５】
なお、反応式（１）において、γ、αは、それぞれ、γ−Ｆｅ（オーステナイト）、α−Ｆｅ（フェライト）を表す。また、Ｆｅ3Ｃは、セメンタイトと指称される準安定化合物である。
【００１６】
冷却速度を上記の範囲内に設定するには、例えば、前記鋳鉄製成形品の温度が共晶点より低くＡ1変態点より高い範囲内にある際に当該鋳鉄製成形品を前記金型から取り出すようにすればよい。この場合、金型を冷却するための冷媒の温度を調整する等の煩雑な作業を行うことなく簡便かつ容易に冷却速度を制御することができるからである。
【００１７】
ここで、共晶点とは、以下の反応式（２）で示される共晶反応の開始温度として定義され、ハンセンのＦｅ−Ｃ系平衡状態図によれば、その値は１１４７℃である。
【００１８】
【数２】
0003987694.tif 000003
【００１９】
反応式（２）において、Ｌは液相を表す。
【００２０】
なお、鋳鉄製成形品の好適な例としては、内燃機関用シリンダブロックのシリンダボアに配置されるシリンダスリーブを挙げることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る鋳鉄製成形品の鋳造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
本実施の形態に係る鋳鉄製成形品の鋳造方法を、シリンダスリーブを遠心鋳造法にて成形する場合を例として説明する。
【００２３】
遠心鋳造法は、図１にその要部概略断面が示される遠心鋳造装置により遂行される。すなわち、遠心鋳造装置１０は、回転用ローラ１２ａ、１２ｂと、型枠１４と、円筒状金型１６と、溶湯注入機構１８とを備え、円筒状金型１６の両開口端部には蓋部材２０ａ、２０ｂがそれぞれ嵌合されている。両蓋部材２０ａ、２０ｂには貫通孔２２ａ、２２ｂがそれぞれ設けられており、溶湯注入機構１８の先端部は、一方の貫通孔２２ａを通されて円筒状金型１６の内部（キャビティ）に挿入されている。また、型枠１４には、円筒状金型１６を冷却するための冷却水が流通される通路２４が放射状に設けられている。
【００２４】
キャビティに鋳鉄の溶湯が導入される際には、図示しないマニホールドを回して通路２４に冷却水が流通された後、回転用ローラ１２ａ、１２ｂが回転付勢されることにより型枠１４および円筒状金型１６が回転動作される。この状態で、溶湯注入機構１８から溶湯がキャビティへと注入される。
【００２５】
注入された溶湯は、円筒状金型１６が回転動作しているので、遠心力の作用によって該円筒状金型１６の内周壁部に集積される。このため、蓋部材２０ａ、２０ｂの開口部から溶湯が流出してしまうことはない。
【００２６】
溶湯は、回転動作している円筒状金型１６のキャビティで冷却固化される。その結果、シリンダスリーブＳＶ（鋳鉄製成形品）が成形される。
【００２７】
ここで、本実施の形態においては、温度が下降している最中のシリンダスリーブＳＶのＡ1変態点前後における冷却速度を規定する。具体的には、溶湯が冷却固化してその温度が共晶点よりも低くなった時点で、成形されたシリンダスリーブＳＶを円筒状金型１６から取り出すことでシリンダスリーブＳＶの冷却速度を３０〜２００℃／分に設定する。これにより、シリンダスリーブＳＶの加工性が優れたものとなる。
【００２８】
なお、上記反応式（２）から諒解されるように、共晶点以上の温度では、キャビティには液相と固相とが混在している。したがって、この温度範囲で成形品を取り出すと、溶湯の一部が流出してしまうので完全な形状のシリンダスリーブＳＶが得られなくなる。換言すれば、共晶点未満の温度では液相が消失してオーステナイトとセメンタイトとからなる固相のみとなっているので、この温度範囲でシリンダスリーブＳＶを取り出しても溶湯が流出してしまうことはない。すなわち、完全な形状のシリンダスリーブＳＶを得ることができる。
【００２９】
温度が共晶点未満となった直後に円筒状金型１６から取り出されたシリンダスリーブＳＶは、その後、冷却速度が３０〜２００℃／分となるような環境下で冷却される。
【００３０】
このように、本実施の形態では、シリンダスリーブＳＶの温度が共晶点未満となったときに該シリンダスリーブＳＶを円筒状金型１６から取り出すようにしている。すなわち、円筒状金型１６を冷却する冷却水の温度を調整することなくシリンダスリーブＳＶの冷却速度を制御するようにしている。このため、冷却水の温度を調整するという煩雑な作業を行う必要がない。また、冷却水の温度を調整するための温度調整機構を設ける必要がないので、鋳造コストが高騰することもない。
【００３１】
シリンダスリーブＳＶの温度がさらに下降してＡ1変態点よりも低くなると、オーステナイトからフェライトとセメンタイトとが析出して、フェライトからなる層とセメンタイトからなる層とが交互に並んだ層状組織、すなわち、パーライトが形成される。
【００３２】
パーライトにおける層間間隔は、Ａ1変態点を通過する際の冷却速度が３０〜２００℃／分である場合、０．８〜１．０μｍ程度となる。層間間隔がこの程度のシリンダスリーブＳＶは、良好な切削加工性を示すようになる。
【００３３】
シリンダスリーブＳＶを構成する金属組織中には、パーライトの他、黒鉛、フェライト、Ｆｅ−Ｆｅ3Ｃ−Ｆｅ3Ｐの３元系化合物であるステダイトも含まれる。冷却速度が上記のように設定された場合、黒鉛は、ＡＳＴＭ（American Society for Testing and Materials）規格のＡ型黒鉛およびＢ型黒鉛が併せて７０％以上を占める組織を形成し、かつその粒度が４級〜６級（ＡＳＴＭ規格）となる。また、金属組織におけるフェライトの割合は、５％以下となる。さらに、ステダイトの割合は、０．５〜５％となる。
【００３４】
黒鉛の型および粒度、フェライトおよびステダイトの各割合が上記のようである場合、シリンダスリーブＳＶの切削加工性が一層良好となる。
【００３５】
このように、本実施の形態においては、遠心鋳造法であっても切削加工性が良好なシリンダスリーブＳＶを成形することができる。したがって、シリンダスリーブＳＶの生産効率を確保しながらその切削加工性を向上させることができる。
【００３６】
なお、Ａ1変態点を通過する際の冷却速度が３０℃／分よりも遅い場合、金属組織中にフェライトや黒鉛が多く含まれるようになるので、シリンダスリーブＳＶとしては、低硬度で耐摩耗性に乏しいものとなる。また、Ａ1変態点を通過する際の冷却速度が２００℃／分を超える場合、パーライトの層間間隔が０．８μｍよりも狭くなり、切削加工が困難なシリンダスリーブＳＶとなる。
【００３７】
上記した実施の形態においては、シリンダスリーブＳＶを鋳鉄製成形品として成形する場合を例示して説明したが、特にこれに限定されるものでないことはいうまでもない。
【００３８】
【実施例】
長さ２０００ｍｍ、外径１５６ｍｍ、内径９４ｍｍの円筒状金型１６の内周壁部に、厚みを約１．０ｍｍとして塗型剤を塗布した。その後、円筒状金型１６を２７０℃まで昇温した。
【００３９】
次いで、通路２４に冷却水を流通した後、円筒状金型１６の内部（キャビティ）に、炭素当量が３．９５〜４．１５％、炭素の割合が３．２５〜３．４５％、Ｓｉの割合が１．９５〜２．２５％、Ｍｎの割合が０．５〜０．７％、Ｐの割合が０．１〜０．２％、Ｓの割合が０．１２％以下、Ｃｒの割合が０．０８〜０．１５％（各数字は重量％）である亜共晶組成の鋳鉄の溶湯を２１ｋｇ注入した。この際の溶湯の温度は、約１４００℃であった。
【００４０】
次いで、回転用ローラ１２ａ、１２ｂの作用下に型枠１４および円筒状金型１６を５０秒間回転動作させた後に３０秒間静置し、円筒状金型１６からシリンダスリーブＳＶを取り出して室温まで自然放冷した。取り出した際、溶湯は完全に固化していた。
【００４１】
このようにして成形されたシリンダスリーブＳＶの金属組織を電子顕微鏡で観察したところ、パーライトの層間間隔がおよそ０．８μｍであること、粒度が４級〜６級のＡ型黒鉛およびＢ型黒鉛が黒鉛組織の７０％以上を占めていること、金属組織におけるフェライト、ステダイトの割合がそれぞれ５％以下、およそ２％であることが認められた。
【００４２】
次に、このシリンダスリーブＳＶに対して、直径３ｍｍの切削加工用刃具により切削加工を施し、総切削距離と該切削加工用刃具の摩耗量との関係を調べた。切削加工条件は、切削速度を７００ｍ／分、送り量を０．１ｍｍ／回転とした。これを実施例とする。
【００４３】
また、砂型を使用して重力鋳造法によりシリンダスリーブＳＶを成形した。このシリンダスリーブＳＶにおける金属組織中のパーライトの層間間隔は、およそ１．０μｍであった。これを比較例１とする。
【００４４】
その一方で、円筒状金型１６を回転動作させた後に２５０秒間静置することによりＡ1変態点を通過する際の冷却速度を２２５℃／分以上としたことを除いては上記実施例に準拠して、遠心鋳造法によりシリンダスリーブを成形した。このシリンダスリーブにおける金属組織中のパーライトの層間間隔は、０．４〜０．６μｍ程度であった。これを比較例２とする。
【００４５】
そして、比較のために、比較例１、２の各シリンダスリーブについても上記と同一の条件下で切削加工を行った。結果を図２に併せて示す。この図２から、実施例と比較例１とでは摩耗量が略同等であること、また、総切削距離が１００ｋｍの時点において、実施例と比較例２とでは摩耗量に約６倍の差があることが諒解される。すなわち、図２から、冷却速度を設定してパーライトの層間間隔を制御することにより、切削加工性が良好なシリンダスリーブが得られることが明らかである。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る鋳鉄製成形品の鋳造方法によれば、遠心鋳造法等の金型を使用する鋳造作業時に鋳鉄製成形品の温度が下降してＡ１変態点を通過する際の冷却速度が３０〜２００℃／分となるようにしている。これにより該鋳鉄製成形品を構成する金属組織中のパーライトの層間間隔を０．８〜１．０μｍ程度に制御することができるので、加工性が良好な鋳鉄製成形品を効率よく得ることができるという効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】遠心鋳造装置の要部概略断面図である。
【図２】各鋳造方法により得られたシリンダスリーブを切削加工した際の総切削距離と切削加工用刃具の摩耗量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…遠心鋳造装置              １２ａ、１２ｂ…回転用ローラ
１６…円筒状金型                １８…溶湯注入機構
２４…通路                      ＳＶ…シリンダスリーブ
【図１】
0003987694.tif 000004
【図２】
0003987694.tif 000005