本発明は、鋳造品の製造方法および金属部品に関する。

鋳造品の製造方法は、鋳型に流し込んだ金属の溶湯を鋳型中で凝固することにより、金属部品を成形するものである。鋳造品の製造方法によれば、成形する金属部品の形状の自由度が高く、スクロール圧縮機に用いられる渦巻き状の歯部を有するスクロール部品のような複雑な形状を有する金属部品でも容易に成形することができる。

スクロール部品の渦巻き状の歯部は、動作時に繰り返し曲げ応力が加わるため、疲労強度を含む特性の向上が求められる。鋳造材料として用いられる球状黒鉛鋳鉄材料に銅、スズ、マンガン、クロムなどのパーライト化促進元素を添加すると、基地組織におけるパーライト組織の割合が増し、疲労強度が高まることが知られている。球状黒鉛鋳鉄材料にパーライト化促進元素を添加すると、疲労強度のみでなく引張強度・硬度も増大し、加工性が損なわれる。

加工性を損なわず、疲労強度を向上させる技術として、非特許文献1は、球状黒鉛鋳鉄にシリコンを含有する添加剤を3〜4.5質量%添加し、部品全体の疲労強度を高める方法を開示している。

また、球状黒鉛鋳鉄で作成されたスクロール部品の歯部のみ疲労強度を向上させる技術として、特許文献1から3は、疲労強度を向上させる部分に熱処理またはショットピーニングを実施する方法を開示している。

特許第4526616号公報

特許第5088912号公報

特許第5614887号公報

日本鋳造工学会 第162回全国講演大会講演概要集 58頁3.2

非特許文献1が開示するシリコンを添加する方法においては、シリコン含有量を調整した金属の溶湯を鋳型に流し込んで鋳造するため、部品全体の疲労強度が向上する。この場合、金属部品全体についてシリコン量を3〜4.5%とする必要がある。そのため、疲労強度が求められている渦巻き状の歯部の占める割合が小さいほど無駄なシリコン添加をすることになり、材料費が増大するという問題点がある。

特許文献1から3が開示する熱処理またはショットピーニングによって金属部品の疲労強度を向上させる方法においては、疲労強度向上のための処理工程が必要となることから、製造にかかる時間および費用が増大する。このため、金属部品の一部の特性を向上することは容易でないという問題がある。

この発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、容易に製造でき、一部分の特性に優れた鋳造品の製造方法および金属部品を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明の鋳造品の製造方法は、添加剤配置工程と鋳造工程とを備える。添加剤配置工程は、鋳型の内部空間であって、流し込まれた金属の溶湯と接触する領域の一部に添加剤を配置する。鋳造工程は、鋳型に金属の溶湯を流し込み、金属の溶湯の一部と添加剤とが混合した鋳物を鋳造する。

この発明によれば、鋳型の内部空間に添加剤を配置し、金属の溶湯の一部と添加剤が混合し、金属部品の一部分の疲労強度などの特性を改善する。したがって、容易に製造でき、一部分の特性に優れた鋳造品の製造方法および金属部品を提供することができる。

本発明の実施の形態1に係るスクロール部品を示す図

本発明の実施の形態1に係る鋳造品の製造方法を示すフローチャート

本発明の実施の形態1に係る鋳型を示す図

本発明の実施の形態1に係る鋳型を構成する下型の断面図

本発明の実施の形態2に係る鋳型を構成する下型の断面図

本発明の実施の形態3に係る鋳型を構成する下型の断面図

本発明の実施の形態3に係る鋳型を構成する下型の拡大断面図

本発明の実施の形態4に係る鋳型を構成する下型の断面図

本発明の実施の形態5に係る鋳型を示す図

本発明の実施の形態5に係る鋳型を構成する下型の断面図

本発明の実施の形態6に係る鋳型を構成する下型の断面図

本発明の実施の形態7に係る鋳型を構成する下型の断面図

本発明の実施の形態8に係る鋳型を構成する下型の断面図

以下、本発明の実施の形態に係る鋳造品の製造方法および金属部品について説明する。

(実施の形態1) 本発明の実施の形態に係る金属部品であるスクロール部品100は、図1に示すように、ベース部101と、ベース部101に立設された渦巻状の壁体を有する渦巻き状の歯部102と、を備える。スクロール圧縮機は、2つのスクロール部品100を備える。一方のスクロール部品100は、固定されている。他方のスクロール部品100は、渦巻き状の歯部102と固定された一方のスクロール部品100の渦巻き状の歯部102とがかみ合わされて、配置されている。他方のスクロール部品100が揺動すると、対向する二つの渦巻き状の歯部102に囲まれた領域内の空気が圧縮される。スクロール圧縮機では、渦巻き状の歯部102は、動作時に他方の渦巻き状の歯部102とこすれながら揺動し、渦巻き状の歯部102に繰り返し曲げ応力が加わるため、渦巻き状の歯部102には疲労強度が求められる。一方、ベース部101は他の部品との締結機能、揺動力の伝達機能を有する部分であり、疲労強度よりも加工性が求められる。

スクロール部品100は、高い強度を得るため、球状黒鉛鋳鉄で作成される。球状黒鉛鋳鉄は、球状の黒鉛を含有する。渦巻き状の歯部102の珪素の含有率は、ベース部101の珪素の含有率より高い。

つぎに、本実施の形態に係る鋳造品の製造方法をスクロール部品100の鋳造を例に説明する。

本実施の形態に係る鋳造品の製造方法は、図2に示すように、鋳型10を作成する鋳型作成工程(ステップS101)と、鋳型10の内部空間に添加剤31を配置する添加剤配置工程(ステップS102)と、鋳型10に金属の溶湯を流し込む鋳造工程(ステップS103)と、金属の溶湯を冷却する冷却工程(ステップS104)と、を備える。

鋳型作成工程(ステップS101)では、鋳型用の砂とバインダとを混合した混合物で模型を覆い、模型を覆った混合物を硬化し、硬化した混合物から模型を取り出し、鋳造に使用する鋳型10を得る。鋳型用の砂としては、珪砂を用いる。バインダとしては、クレー類、セメント、水ガラスなどの無機物、フェノール樹脂、フラン樹脂などの有機物の何れか、またはこれらの混合物を用いる。鋳型10は、図3に示すように、上型11と下型12とを備える。それぞれ作成した上型11と下型12を組み合わせることで、一つの型として機能する。鋳型10は、金属部品の形状を作成するための製品形状部21と、金属の溶湯を注ぎ込むための湯口22と、金属の溶湯の流路となる湯道23と、金属の溶湯を製品形状部21に導く堰24と、を備える。製品形状部21は、スクロール部品100の形状と同一形状の空間を有する。

添加剤配置工程(ステップS102)では、図4に示すように、スクロール部品100の渦巻き状の歯部102が形成される部分25に添加剤31を配置する。添加剤31は、珪素を含む粉末状の材料を含む。鋳型10に配置した添加剤31は室温に近い温度である。注ぎ込んだ金属の溶湯の温度が低下する量の添加剤31を配置すると、添加剤31が金属の溶湯に溶けず、金属部品中で不純物として残存し、鋳造欠陥を引き起こす可能性がある。このため、添加剤31としては、珪素の含有率が高いものを少量使用することが望ましく、珪素、炭化珪素。珪化鉄のうち何れか、またはこれらの混合物を含むことが好ましい。

鋳造工程(ステップS103)では、図3に示す湯口22から金属の溶湯を流し込み、溶湯の一部と添加剤31とが混合した鋳物を鋳造する。溶湯としては、球状黒鉛鋳鉄を鋳造するための成分を含むものを用いる。溶湯を湯口22から流し込むと、溶湯は、湯道23を流れ、堰24から製品形状部21に流れ込む。溶湯が、渦巻き状の歯部102が形成される部分25に流れ込むと、金属の溶湯により添加剤31が溶融し、金属の溶湯と添加剤31とが混合し、添加剤31が配置された部分25に添加剤31の濃度の高い領域が形成される。これにより、渦巻き状の歯部102は、ベース部101より添加剤31に含まれる珪素の濃度が高くなる。

冷却工程(ステップS104)では、鋳型10に流し込んだ金属の溶湯を冷却して凝固させる。その後、鋳型10を壊し、スクロール部品100を取り出す。

以上のように、本実施の形態の鋳造品の製造方法によれば、渦巻き状の歯部102の珪素の濃度が、ベース部101の珪素の濃度より高いスクロール部品100を得ることができる。渦巻き状の歯部102は、珪素の濃度が高い球状黒鉛鋳鉄で作成されるため、高い疲労強度を有する。ベース部101は、渦巻き状の歯部102より珪素の含有率が低い球状黒鉛鋳鉄で作成されるため、優れた加工性を有する。また、渦巻き状の歯部102の部分のみ珪素濃度が高いので、スクロール部品100全体の珪素濃度を高くする場合に比べて、珪素の使用量を少なくできる。従って、渦巻き状の歯部102と、ベース部101と、のそれぞれに必要な特性に優れるスクロール部品100を容易に得ることができる。

(実施の形態2) 実施の形態2では、添加剤配置工程(ステップS102)において、鋳型10の製品形状部21の渦巻き状の歯部102が形成される部分25に、固形の添加剤31を埋設する例について説明する。

図5に示すように、添加剤31を鋳型10に埋設して、渦巻き状の歯部102が形成される部分25に配置することで、鋳型10の壁面または天井部といった固形物を配置しにくい箇所においても、添加剤31の配置が可能となる。鋳型10内部での製品形状部21の向き、すなわち鋳込み姿勢によらない添加剤31の配置が可能となる。また、本実施の形態のように、製品形状部21の部分25の底面及び側面に添加剤31を埋設することで、鋳型10の移送時に振動が生じた場合、または傾斜鋳造法における鋳型10の傾斜が加わった場合であっても、意図しない添加剤31の移動を防止し、確実に渦巻き状の歯部102に添加剤31を添加できる。

鋳型10に砂型を用いる鋳造においては、製品形状部21、湯口22、湯道23、および堰24などの模型が取り付けられた定盤に鋳枠を設置し、鋳枠の中に鋳型用の砂を込め、砂が固まった後に模型と定盤を抜き取ることによって鋳型10を造型する。ここで、製品形状部21の模型の表面に添加剤31を配置した状態で鋳型用の砂を込め、砂が固まった後に模型と定盤を抜き取って造型することで、造型後の作業が難しい薄肉形成部に対しても、添加剤31を狙った位置に添加することが可能である。

(実施の形態3) 実施の形態3では、添加剤配置工程(ステップS102)において、図6及び図7に示すように、固形の添加剤31に形成した凸部である嵌合部33を、鋳型10の製品形状部21の溝部間に存在している頂部に形成した凹部である被嵌合部34に嵌合し、添加剤31を固定する。

添加剤31に形成した嵌合部33と鋳型10に形成した被嵌合部34を嵌合させて添加剤31を配置することで、下型12の製品形状部21の頂部に固形状の添加剤31を安定して配置できる。また、鋳型10の完成後の移送時に振動が生じた場合であっても、意図しない添加剤31の移動を防止し、確実に渦巻き状の歯部102に添加剤31を添加できる。嵌合部33と被嵌合部34とは、互いに嵌合する形状であればよく、嵌合部33が凹形状、被嵌合部34が凸形状であってもよい。嵌合部33と被嵌合部34とは、位相が半周期分ずれた波状の凹凸部であってもよく、ジグザグ状の凹凸部であってもよい。

さらに、製品形状部21に被嵌合部34を形成するのみでなく、鋳型10の壁面または天井部に被嵌合部34を形成して添加剤31を配置してもよい。この場合、被嵌合部34がいわゆるアンダーカット形状となるため、一方向に抜き取る模型では容易に作成できないが、分割模型を採用し、壁面の被嵌合部34のみ模型の抜き取り方向を変えることで作成可能である。また、砂を一層ずつ敷き詰めて必要な箇所のみバインダを塗布して固める砂型積層造型でも造型可能であり、特に砂型積層造型では、被嵌合部34を含んだモデルを鋳型10の三次元形状データとして作成しておき、この三次元形状データを造型装置に入力することで、造型時の作業性を損なうことなく、壁面に被嵌合部34を有する鋳型10を容易に造型できる。

(実施の形態4) 実施の形態1から3では、珪素を含む固体の材料である添加剤31を配置する例について説明したが、実施の形態4では、添加剤31を含む分散液32を渦巻き状の歯部102が形成される部分25に塗布することにより、添加剤31を配置する例について説明する。

添加剤配置工程(ステップS102)において、添加剤31を分散液32に混合し、図8に示すように、添加剤31を含む分散液32をハケまたはブラシなどの塗布用具によって渦巻き状の歯部102が形成される部分25に塗布する。添加剤31を分散液32に混合し塗布することで、鋳型10内の壁面または天井部といった粉末を配置しにくい箇所においても、添加剤31を配置することが可能となる。このことから、鋳型10内部での製品の向き、すなわち鋳込み姿勢による添加剤31の配置位置の制約をなくし、金属製品の中で特性に優れる箇所を自由に選択できるという効果がある。

分散液32を構成する溶媒としては、ヘキサン、ベンゼン、トルエン、エタノール、メタノール、ギ酸、水などを挙げることができる。これらの中でもメタノール、エタノールなどのアルコール類が好ましい。

鋳型10において、一般に金属の溶湯と触れる部分には、塗型(とがた)と呼ばれる液状材料を塗布する。塗型は、鋳型10の表面の細かい凹凸を滑らかにすることで鋳鉄部品の表面の面性状を改善する目的で、あるいは鋳型10の表面を塗型材料によって覆うことでスクロール部品100への砂の焼き付きまたは鋳型10の崩れを防止する目的で実施される。塗型材料に添加剤31を混ぜて添加剤31を含む分散液32とし、渦巻き状の歯部102が形成される部分25にハケまたはブラシなどの塗布用具によって塗布することで、添加剤31を配置するための工程を増やすことなく、鋳型10の表面に添加剤31を添加できる。また、鋳造現場では、鋳型10が完成した後でクレーンまたはコンベアなどで移送する際、振動が鋳型10に加わる。鋳型10の表面に添加剤31を含む分散液32を塗布することで、鋳型10を移送する際、意図しない添加剤31の移動を防止し、確実に渦巻き状の歯部102に添加剤31を添加できる。

また、鋳造品の製造方法の一つとして傾斜鋳造法が知られている。これは鋳型10内の予備室に金属の溶湯を注ぎ、その状態から鋳型10を傾斜し、金属の溶湯を製品形状部21に導くものである。この鋳造品の製造方法において、添加剤31として固形物を配置する方法を適用すると、鋳型10の傾斜時に鋳型10内での重力が加わる方向が変わるため、固形の添加剤31が移動し、狙った箇所に添加剤31が添加されない可能性がある。本実施の形態のように、渦巻き状の歯部102が形成される部分25に添加剤31を含む分散液32を塗布することで、傾斜鋳造法においても、確実に渦巻き状の歯部102に添加剤31を添加できる。

(実施の形態5) 実施の形態5では、図9に示すように、鋳型10の下型12が、主型13と中子14とを備え、中子14に製品形状部21を形成した点で、実施の形態1から4と相違する。

中子14とは、製品形状の一部を形成する組み合わせ型の要素を指し、鋳造製品の中空部または抜き穴の形成時に使用されるものである。また、寸法・形状が共通する部分を有する複数の鋳造製品について、共通する部分を主型13で形成し、相違する部分を中子14で形成するような型構造とすることで、主型模型の共通化、造型作業の標準化を図る場合にも使用される。

添加剤配置工程(ステップS102)において、図10に示すように、中子14に形成された製品形状部21の部分25に設けられた溝部に粉末状の添加剤31を配置する。鋳造工程(ステップS103)において、金属の溶湯が、製品形状部21に流入すると、金属の溶湯により添加剤31が溶融し、添加剤31の配置された部分25に添加剤31の濃度の高い領域が形成される。

一般に、中子は主型に比べて小さく、造型サイクルも短くなることが多い。本実施の形態のように、添加剤31を中子14に配置することで、中子14の造型及び添加剤31の配置作業を主型13の造型作業と並行して実施でき、鋳型10の完成にかかる時間を短縮できるという効果がある。

(実施の形態6) 実施の形態6では、下型12が、主型13と中子14とを備え、下型12の中子14に添加剤31を埋設する例について説明する。下型12が、主型13と中子14とを備える点は、実施の形態5と同様である。下型12の中子14に添加剤31を埋設する方法は、実施の形態2と同様である。

本実施の形態では、図11に示すように、下型12の中子14における製品形状部21の部分25の底面及び側面に固形の添加剤31を埋設する。添加剤31を鋳型10に埋設することで、鋳型10内の壁面または天井部といった固形物を配置しにくい箇所においても、添加剤31の配置が可能となる。

中子14の造型においては、中空の中子型に鋳型用の砂を込め、砂が固まった後に中子型を開いて完成した中子を取り出す。ここで、中子型の表面に添加剤31を配置した状態で砂を込めることで、造型後の中子14の表面を荒れさせることなく、添加剤を中子14の表面に埋設することが可能である。また一般的に、中子14は主型13に比べて小さく取り回しに優れるため、添加剤31を中子14に埋設する構造とすることで、主型13に添加剤31を埋設する場合に比べて作業性が改善される効果がある。その他の特徴及び利点については実施の形態2と同様である。

(実施の形態7) 実施の形態7は、下型12が、主型13と中子14とを備え、中子14に形成した被嵌合部34に嵌合し、添加剤31を固定する例について説明する。下型12が、主型13と中子14とを備える点は、実施の形態5および6と同様である。図12に示すように、固形の添加剤31に形成した嵌合部33を、製品形状部21の部分25に形成した凹部である被嵌合部34に嵌合し、添加剤31を固定する。その他の特徴及び利点については実施の形態3と同様である。

(実施の形態8) 実施の形態8では、下型12が、主型13と中子14とを備える、添加剤31を含む分散液32を中子14に塗布する例について説明する。下型12が、主型13と中子14とを備える点は、実施の形態5から7と同様である。添加剤31を含む分散液32を塗布する方法については、実施の形態4と同様である。

本実施の形態では、添加剤配置工程(ステップS102)において、図13に示すように、中子14における製品形状部21の部分25に添加剤31を含む分散液32をハケまたはブラシなどの塗布用具によって塗布する。中子14は主型13に比べて小さく取り回しに優れるため、中子14に添加剤31を含む分散液32を塗布する形態とすることで、塗布作業時の作業性を改善し、作業時間の削減、作業ミスによる砂型崩れの防止といった効果がある。さらに、中子14の形状及び大きさを、渦巻き状の歯部102が形成される部分25に合わせておくことで、添加剤31を含む分散液32で満たした容器中に中子14を浸漬させることで添加剤31を必要箇所にのみ含ませることも可能である。これにより、ハケまたはブラシでの塗布作業を無くして作業を簡易化・自動化できるという効果がある。

(変形例) 上述の実施の形態では、鋳型10として鋳型用の砂をバインダで硬化したものを用いる例について説明した。鋳型10は、スクロール部品100を鋳造できるものであればよく、金型で作成されたものであってもよい。この場合、連続して同じ形状の金属部品を鋳造することができる。

上述の実施の形態では、球状黒鉛鋳鉄で作成されたスクロール部品100の渦巻き状の歯部102に珪素を含む添加剤31を添加する例について説明した。添加剤31は、珪素を含むものに限定されず、優れた特性を与える成分であれば他の組成を含んでもよく、珪素に代えてパーライト化促進元素を含んでもよい。パーライト化促進元素を含むと、基地組織におけるパーライト組織の割合が増し、疲労強度が高まる。パーライト化促進元素は、スズ、マンガン、クロムの何れかの元素またはこれらの元素の組み合わせたものを含む。

上述の実施の形態では、スクロール部品100が球状黒鉛鋳鉄で作成される例について説明した。スクロール部品100は、必要な強度を満たすことができれば、球状黒鉛鋳鉄以外の合金で作成されてもよい。スクロール部品100は、球状黒鉛鋳鉄以外の鉄合金、銅合金、アルミニウム合金、ニッケル合金で作成されてもよい。

上記実施の形態では、スクロール部品100を鋳造する例について説明しているが、スクロール部品100以外の金属部品を鋳造してもよい。金属部品は、強度を含む特性が要求される歯部を有するものを含む。歯部を備える金属部品としては、歯車が挙げられ、歯車の歯が歯部に相当する。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

10 鋳型、11 上型、12 下型、13 主型、14 中子、21 製品形状部、22 湯口、23 湯道、24 堰、25 部分、31 添加剤、32 分散液、33 嵌合部、34 被嵌合部、100 スクロール部品、101 ベース部、102 渦巻き状の歯部