JP4029626B2

JP4029626B2 - 鋳型構造

Info

Publication number: JP4029626B2
Application number: JP2002036230A
Authority: JP
Inventors: 直彰山本; 真大塚
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2002-02-14
Filing date: 2002-02-14
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2022-02-14
Also published as: JP2003230943A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、鋳造品を鋳造するキャビティに湯口を介して押し湯部が設けられたような鋳型構造に関し、詳しくは、その押し湯部の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鋳造品の一例として鋳鉄製のシリンダライナを鋳ぐるんだアルミニウム合金製のシリンダブロックを鋳型にて鋳造する場合には、図１０に示す如き構造が採用されている。
【０００３】
すなわち、図１０（但し、同図では溶湯が凝固した状態で図示している）に示すように、シリンダブロック本体を形成するキャビティ９１の上部に、湯口９２（鋳造品に対する湯口）を介して押し湯部９３を設け、この押し湯部９３には湯道９４，９４を介して溶湯の湯口を連通接続するように砂鋳型９５を形成すると共に、中子９６にて鋳鉄製のシリンダライナ９７を支持し、アルミニウム合金の溶湯を、溶湯の湯口、湯道９４、押し湯部９３、製品に対する湯口９２を介してキャビティ９１に注湯して、シリンダライナ９７が鋳ぐるまれたアルミニウム合金製のシリンダブロック９８を鋳造するものである。
【０００４】
ここで、上述のシリンダブロック９８が４気筒の場合、押し湯部９３は引け巣欠陥を対策するために、第１気筒および第２気筒用の部分と、第３気筒および第４気筒用の部分とに２分割されており、また、上述の湯口９２は第２気筒と第３気筒とのシリンダボア間を除く、シリンダボア側部に気筒列方向と略直交するように複数形成されている。
【０００５】
このような従来構造の砂鋳型９５を用いて、シリンダブロック９８を鋳造した場合には、次のような問題点が発生する。
つまり、アルミニウム合金の溶湯を注湯した後に、母材としてのアルミニウム合金は、キャビティ９１および押し湯部９３ともに凝固収縮して常温に至るが、これと同時に、母材に鋳ぐるまれた鋳鉄製のシリンダライナ９７も冷却により収縮する。この場合、アルミニウム合金と鋳鉄とには収縮差（アルミニウム合金の方が鋳鉄よりも収縮率が大きい）が存在し、このため、シリンダブロック９８の鋳造後において、両者の冷却収縮の差により、図１１に矢印ａで示す方向に内部応力が発生し、この応力が集中する母材の肉厚が最も小さいシリンダボア９９，９９間にクラック等の欠陥が発生する問題点があった。
【０００６】
このような問題点の発生は、冷却収縮率の差に加えて、押し湯部９３で鋳造品の冷却収縮が抑制、拘束されていることによるものと推考される。
ところで、特開平１０−２９０３７号公報には、押し湯構造により、キャビティ部の溶湯が凝固する際の温度冷却勾配を緩和させると共に、該キャビティ部の溶湯の凝固収縮による溶湯不足を補足するように成した一般的な押し湯構造が開示されているが、押し湯部により鋳造品の冷却収縮が拘束されていることに起因する内部応力を解決するようなものではない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、押し湯部に該押し湯部を鋳造品の鋳造後の冷却収縮による応力の方向に対して分割する方向に所定深さのノッチ部（切り込み部）を設けることで、押し湯部により抑制、拘束されていた鋳造品の冷却収縮が、押し湯部に上記ノッチ部を設けることにより許容されて、冷却収縮拘束に起因する内部応力が開放されて、クラック等の欠陥が発生するのを防止することができ、しかも、ノッチ部を押し湯部の下部一部を残す深さに設定して、鋳造品の適度の塑性変形が促進され、内部応力を適切に開放することができる鋳型構造の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明による鋳型構造は、鋳造品を鋳造するキャビティに湯口を介して押し湯部が設けられた鋳型構造であって、上記押し湯部には該押し湯部を鋳造品の鋳造後の冷却収縮による応力の方向に対して分割する方向に所定深さのノッチ部が設けられ、上記ノッチ部は、押し湯部の下部一部を残す深さに設定されたものである。
【０００９】
上記構成の鋳型は、砂鋳型（いわゆる砂型）に設定してもよい。
上記構成によれば、鋳造品の鋳造後の冷却収縮による応力の方向に対して押し湯部を分割する方向に、該押し湯部に所定深さのノッチ部を設けたので、押し湯部により抑制、拘束されていた鋳造品の冷却収縮が許容、促進され、この結果、冷却収縮拘束に起因する内部応力が開放されて、クラック等の欠陥が発生するのを防止することができる。
ここで、上述の内部応力の開放は鋳造品を熱処理する前段階で行なわれることが望ましい。
【００１０】
しかも、ノッチ部を押し湯部の下部一部を残す深さに設定したので、鋳造品の適度の塑性変形が促進され、内部応力を適切に開放することができる。
【００１１】
この発明の一実施態様においては、上記鋳造品は母材と鋳ぐるみ部材とを有し、上記母材に対して冷却収縮率が小さい鋳ぐるみ部材が鋳ぐるまれ、上記母材は、アルミニウム合金製のシリンダブロック本体に設定され、上記鋳ぐるみ部材は、鉄製のシリンダライナに設定され、上記湯口は、シリンダボア間においてシリンダブロックの幅方向に延びるように設定されたものである。
【００１２】
上記構成によれば、母材と鋳ぐるみ部材との冷却収縮率の差異により、内部応力が発生しやすくなるが、上記ノッチ部により斯る内部応力を開放することができる。
【００１３】
また、母材に対して鋳ぐるみ部材の冷却収縮率が小さく、内部応力が発生しやすくなるが、上述の押し湯部のノッチ部にて、この内部応力を開放することができる。
【００１４】
さらに、上記母材はアルミニウム合金製のシリンダブロック本体に設定され、上記鋳ぐるみ部材は鉄製のシリンダライナに設定されたものであって、アルミニウム合金製のシリンダブロック本体に対して、鉄製のシリンダライナの冷却収縮率が小さく、鋳造後の内部応力が発生しやすくなるが、上述の押し湯部のノッチ部にて、この内部応力を開放することができるので、シリンダブロックのシリンダボア間にクラック等の欠陥が発生するのを防止することができる。
【００１５】
しかも、上記湯口は、シリンダボア間においてシリンダブロックの幅方向に延びるように設定されたものであって、シリンダボア間は肉厚が薄く、応力が集中してクラック等の欠陥が発生しやすいが、このシリンダボア間においてシリンダブロックの幅方向（気筒列方向と直交する方向）に延びるように湯口を設けたので、この湯口を介して上記ノッチ部にて応力が開放され、クラック等の欠陥発生を防止することができ、さらに鋳造性、つまり湯廻り性も良好となる。
【００１６】
【実施例】
この発明の一実施例を以下図面に基づいて詳述する。
図面は鋳型構造を示し、この実施例では鋳鉄のシリンダライナを鋳ぐるんだシリンダブロックを鋳造する場合に用いる砂鋳型を例示している。
【００１７】
図１、図２において、この砂鋳型１１は、シリンダブロック本体２１（図５参照）を形成するキャビティ部１２の上部に湯口１３（鋳造品に対する湯口）を介して押し湯部１４を設け、この押し湯部１４には、湯道１５，１５を介して溶湯の湯口１６を連通接続するように構成すると共に、砂鋳型１１を形成する鋳砂と同一の鋳砂にて形成された中子１７により鋳鉄製のシリンダライナ１８を支持させている。
【００１８】
この実施例では、直列４気筒構造のシリンダブロック２２（図５参照）を鋳造するので、キャビティ部１２と押し湯部１４とを連通接続する上述の湯口１３は図２に示すように第２気筒と第３気筒とのシリンダボア間（つまり中央部）を除くシリンダボア側部にシリンダブロックの幅方向（気筒列方向と直交する方向）に延びるように複数形成されている。
【００１９】
また、押し湯部１４は図２に示すように、引け巣欠陥を対策する目的で、第１気筒および第２気筒用の部分と、第３気筒および第４気筒用の部分とに予め２分割されているが、この押し湯部１４には、さらに、該押し湯部１４を鋳造品の鋳造後に冷却収縮による応力の方向（図１１の矢印ａ方向参照）に対して分割する方向（すなわち長手方向としての気筒列方向）に所定深さのノッチ部（切り込み部）１９を設けて、平面から見て押し湯部１４が４分割されたような構造に形成している。
さらに、上述の湯道１５は単一の溶湯の湯口１６（いわゆるゲート）から２つに分岐形成されて４分割態様の各押し湯部１４に連通すべく構成されている。
【００２０】
ここで、上述のノッチ部１９の幅は所定の幅Ｌ１に設定され、ノッチ部１９の深さは、押し湯部１４の下部に所定高Ｈ１（例えば約１５mm）の一部のみを残す深さに設定されている。この押し湯部１４の下部一部に残存する部分は、割れが発生しない程度に、アルミニウム合金母材の伸びを許容する値（例えば約１５mm）に設定されたものである。
また、上述の鋳造には鋳鉄シリンダライナ１８に対して冷却収縮率が大なるアルミニウム合金の溶湯が用いられる。
【００２１】
このように構成した砂鋳型１１を用いて、シリンダブロック２２（図５参照）を鋳造する場合、図１の状態から図３に示すようにキャビティ部１２が上部に、押し湯部１４が下部に位置するように砂鋳型１１の上下を一旦に逆向きにし、溶湯の湯口１６から湯道１５，１５、押し湯部１４、製品に対する複数の湯口１３を介してキャビティ部１２にアルミニウム合金の溶湯２０を、乱流を起こさないように注湯する。
【００２２】
図３の状態におけるキャビティ部１２に溶湯２０が完全に注入されると、湯口１６（いわゆるゲート）を軸として砂鋳型１１の全体を図４に示す如く反転処理し、押し湯部１４内の溶湯２０により下方へ重力にて圧力を付勢して、該押し湯部１４に実質的な押し湯機能を発揮させる。
【００２３】
図４に示すアルミニウム合金の溶湯２０が凝固すると、図５に示すように、上述のキャビティ部１２の形状に対応してシリンダブロック本体２１が鋳造されると共に、この母材としてのアルミニウム合金製のシリンダブロック本体２１で鋳ぐるみ部材としての鋳鉄のシリンダライナ１８が鋳ぐるまれたシリンダブロック２２が鋳造される。この鋳造後で、かつ後工程において熱処理が施される前段階のアルミニウム合金の硬度が相対的に低い段階において、押し湯部１４により抑制、拘束されていたシリンダブロック２２の冷却収縮が上記所定深さのノッチ部１９にて許容、促進されて、母材が割れない程度に塑性変形するので、冷却収縮拘束に起因する内部応力が適度に開放されることになる。
【００２４】
この図５に示す実施例の砂鋳型（押し湯構造）を用いて鋳造されたシリンダブロック２２と、比較例として上述のノッチ部１９を押し湯部１４の全高にわたって形成した所謂フルノッチの押し湯構造の砂鋳型１１（図６参照）にて鋳造されたシリンダブロック２３と、従来のノッチ部を一切有さない押し湯構造の砂鋳型９５（図１０参照）にて鋳造されたシリンダブロック９８と、の三者の不良率および歪み量を実測した結果を図７に示す。
【００２５】
この場合、押し湯付きの状態から図８に示すように、シリンダボア２４〜２７のうちの第２気筒のシリンダボア２５における鋳鉄シリンダライナ１８の内面の測定個所１，２と、第３気筒のシリンダボア２６における鋳鉄シリンダライナ１８の内面の測定個所３，４とに予め歪みゲージを取付け、その後、気筒列方向に沿って湯口１３，９２を切断すると共に、気筒列方向と直交する方向の複数の切断ラインＣ…に沿ってシリンダブロック２２，２３，９８をそれぞれ同様に切断し、シリンダライナ１８または９７が完全に開放される時点までの歪み量（残留応力）を測定した結果を図７に棒グラフで示す。なお、各棒グラフ中の符号１，２，３，４は上述の測定個所を示す。また不良率については図７に折れ線グラフで示している。
【００２６】
図７からも明らかなように、ノッチ部１９の深さを押し湯部１４の下部一部を残す深さに設定したこの実施例のものでは、不良率が０％であるのに対して、ノッチ部を一切有さない従来例のものでは、不良率が約５％、押し湯部１４の全高にわたってノッチ部１９を形成した所謂フルノッチ構造の比較例のものでは、不良率が約６７％であった。
【００２７】
このフルノッチ構造のものでは、アルミニウム合金製の母材がフルノッチより過度に塑性変形し、割れが発生するために不良率が過大になるものと推考される。
一方、歪み量（歪み戻り量）については、この実施例のものでは、１１３８．０×１０^−６〜１２４２．０×１０^−６であるのに対して、従来例のものでは、１５８２．０×１０^−６〜２２０２．０×１０^−６と大きく、また、比較例のものでは、７５７．０×１０^−６〜８６５．０×１０^−６と小さいが、この比較例のものは、不良率が約６７％と過大になる。
【００２８】
つまり、比較例のフルノッチ構造のものでは、ノッチ形状を深く形成することで、切断時のシリンダライナ１８の歪み戻り量（残留応力）については低下するものの、ノッチ部１９が深すぎることにより過度の塑性変形が生じ、これによりクラックが発生して、不良率が増大するものである。
【００２９】
したがって、押し湯部１４に該押し湯部１４を鋳造品（シリンダブロック２２）の鋳造後の冷却収縮による応力の方向（気筒列と直交する方向）に対して分割する方向（気筒列方向）に所定深さのノッチ部１９を設けた本実施例のものが、不良率および歪み量の双方から考慮して最も優れていることが明白である。
【００３０】
なお、図９に他の実施例を示すように、押し湯部１４に設けるノッチ部１９の幅Ｌ２を若干大きく設定（Ｌ２＞Ｌ１）すると共に、ノッチ部１９の深さを、押し湯部１４の下部に若干高い所定の高さＨ２（但しＨ２＞Ｈ１）の一部のみを残す深さに設定しても、図１〜図５で示した実施例のものと略同様の作用、効果を奏するものと推考されるので、図９において前図と同一の部分には、同一符号を付して、その詳しい説明を省略する。
【００３１】
このように、上記実施例の鋳型構造は、鋳造品（シリンダブロック２２参照）を鋳造するキャビティ部１２に湯口１３を介して押し湯部１４が設けられた鋳型構造であって、上記押し湯部１４には該押し湯部１４を鋳造品（シリンダブロック２２参照）の鋳造後の冷却収縮による応力の方向（気筒列と直交する方向）に対して分割する方向（気筒列方向）に所定深さのノッチ部１９が設けられたものである。
【００３２】
この構成によれば、鋳造品の鋳造後の冷却収縮による応力の方向に対して押し湯部１４を分割する方向に、該押し湯部１４に所定深さのノッチ部１９を設けたので、押し湯部１４により抑制、拘束されていた鋳造品の冷却収縮が許容、促進され、この結果、冷却収縮拘束に起因する内部応力が開放されて、クラック等の欠陥が発生するのを防止することができる。
【００３３】
また、上記ノッチ部１９は押し湯部１４の下部一部を残す深さに設定されたものである。
この構成によれば、ノッチ部１９を押し湯部１４の下部一部を残す深さに設定したので、鋳造品の適度の塑性変形が促進されると共に、過度の塑性変形が下部一部の残部にて抑止されるので、内部応力を適切に開放することができる。
【００３４】
さらに、上記鋳造品（シリンダブロック２２参照）は母材（シリンダブロック本体２１参照）と鋳ぐるみ部材（シリンダライナ１８参照）とを有し、母材に対して冷却収縮率の異なる鋳ぐるみ部材が鋳ぐるまれたものである。
この構成によれば、母材と鋳ぐるみ部材との冷却収縮率の差異により、内部応力が発生しやすくなるが、上記ノッチ部１９により斯る内部応力を開放することができる。
【００３５】
しかも、上記母材と比較して冷却収縮率が小さい鋳ぐるみ部材が鋳ぐるまれたものである。
この構成によれば、母材に対して鋳ぐるみ部材の冷却収縮率が小さく、内部応力が発生しやすくなるが、上述の押し湯部１４のノッチ部１９にて、この内部応力を開放することができる。
【００３６】
また、上記母材はアルミニウム合金製のシリンダブロック本体２１に設定され、上記鋳ぐるみ部材は鋳鉄製のシリンダライナ１８に設定されたものである。
この構成によれば、アルミニウム合金製のシリンダブロック本体２１に対して、鋳鉄製のシリンダライナ１８の冷却収縮率が小さく、鋳造後の内部応力が発生しやすくなるが、上述の押し湯部１４のノッチ部１９にて、この内部応力を開放することができるので、シリンダブロック２２のシリンダボア２４，２５間、２５，２６間、２６，２７間（図８参照）にクラック等の欠陥が発生するのを防止することができる。
【００３７】
さらには、上記湯口１３は図２で示したように、シリンダボア間においてシリンダブロック２２の幅方向（気筒列と直交する方向つまり応力が作用する方向と同方向）に延びるように設定されたものである。
この構成によれば、シリンダボア間は肉厚が薄く、応力が集中してクラック等の欠陥が発生しやすいが、このシリンダボア間においてシリンダブロック２２の幅方向（気筒列方向と直交する方向）に延びるように湯口１３を設けたので、この湯口１３を介して上記ノッチ部１９にて応力が開放され、クラック等の欠陥発生を防止することができ、さらに鋳造性つまり注湯時の湯廻り性も良好となる。
【００３８】
この発明の構成と、上述の実施例との対応において、
この発明の鋳造品は、実施例のシリンダブロック２２に対応し、
以下同様に、
鋳型は、砂鋳型１１に対応し、
キャビティはキャビティ部１２に対応し、
鋳造後の冷却収縮による応力の方向は、気筒列方向と直交する方向（幅方向）に対応し、
分割する方向は、気筒列方向（長手方向）に対応し、
母材は、アルミニウム合金製のシリンダブロック本体２１に対応し、
鋳ぐるみ部材は、鋳鉄のシリンダライナ１８に対応し、
シリンダブロックの幅方向は、気筒列方向と直交する方向に対応するも、
この発明は、上述の実施例の構成のみに限定されるものではない。
【００３９】
例えば、本発明は母材と鋳ぐるみ部材との収縮率の異なるシリンダブロック以外の鋳造品の鋳型構造または押し湯構造に適用してもよいことは勿論である。
【００４０】
【発明の効果】
この発明によれば、押し湯部に該押し湯部を鋳造品の鋳造後の冷却収縮による応力の方向に対して分割する方向に所定深さのノッチ部（切り込み部）を設け、上記ノッチ部は、押し湯部の下部一部を残す深さに設定されたものであるから、押し湯部により抑制、拘束されていた鋳造品の冷却収縮が、押し湯部に上記ノッチ部を設けることにより許容されて、冷却収縮拘束に起因する内部応力が開放されて、クラック等の欠陥が発生するのを防止することができ、しかも、ノッチ部を押し湯部の下部一部を残す深さに設定したので、鋳造品の適度の塑性変形が促進され、内部応力を適切に開放することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の鋳型構造を示す断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線矢視断面図。
【図３】注湯時の説明図。
【図４】押し湯時の説明図。
【図５】溶湯凝固時の説明図。
【図６】比較例を示す断面図。
【図７】不良率および歪み量を示す特性図。
【図８】測定ポイントを示す平面図。
【図９】鋳型構造の他の実施例を示す断面図。
【図１０】従来の鋳型構造を示す断面図。
【図１１】冷却収縮による応力の発生方向を示す平面図。
【符号の説明】
１１…砂鋳型（鋳型）
１２…キャビティ部
１３…湯口
１４…押し湯部
１８…シリンダライナ（鋳ぐるみ部材）
１９…ノッチ部
２１…シリンダブロック本体（母材）
２２…シリンダブロック（鋳造品）
２４〜２７…シリンダボア

Claims

鋳造品を鋳造するキャビティに湯口を介して押し湯部が設けられた鋳型構造であって、
上記押し湯部には該押し湯部を鋳造品の鋳造後の冷却収縮による応力の方向に対して分割する方向に所定深さのノッチ部が設けられ、
上記ノッチ部は、押し湯部の下部一部を残す深さに設定された
鋳型構造。
上記鋳造品は母材と鋳ぐるみ部材とを有し、
上記母材に対して冷却収縮率が小さい鋳ぐるみ部材が鋳ぐるまれ、
上記母材は、アルミニウム合金製のシリンダブロック本体に設定され、
上記鋳ぐるみ部材は、鉄製のシリンダライナに設定され、
上記湯口は、シリンダボア間においてシリンダブロックの幅方向に延びるように設定された
請求項１記載の鋳型構造。