CN102510781B - 中空铸件的制造方法和内燃机活塞的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能够抑制铸件母材的氧化物和铸件气孔的发生，并且提高铸件母材和中空形成构件的接合性的中空铸件的制造方法。该制造方法是通过采用铸件母材金属的熔液对中空形成构件进行包心浇铸来制造中空铸件的方法，至少包括：按照使得在所述熔液接触的接触表面的表层内部形成空隙层那样，采用熔点比所述铸件母材金属高的材料制造中空形成构件的工序；采用与所述铸件母材金属相同的金属的层被覆所述接触表面的工序；和通过将该被被覆了的中空形成构件配置于铸模内，并将所述铸件母材金属的熔液浇注到铸模内，从而采用所述铸件母材金属对所述中空形成构件进行包心浇铸的工序。
Description
技术领域
本发明涉及例如如内燃机用绝热活塞那样出于绝热等目的在内部具有空洞的中空铸件的制造方法。
背景技术
为了制造如内燃机用绝热活塞那样出于绝热等目的在内部具有空洞的中空铸件，预先将具有与要形成的空洞相同的形状的中空部的中空形成构件配置于铸模内，向该铸模内浇注铸件母材金属的熔液，采用铸件母材金属对中空形成构件进行包心浇铸。
该中空形成构件一般采用熔点比铸件母材金属的熔液温度高的材料(不同材料)制成。具体地讲，中空形成构件由烧结体和盖构件构成，所述烧结体是以在其一部分开放的状态具有中空部的氧化铝等的烧结体，所述盖构件是以对上述中空部的开放部分进行密封的方式一体地固定于主体部的不锈钢板等的盖构件。
在此，为了确保铸造时的中空部的形状，例如也有时填充在常温下为固体、在比铸件母材金属的熔点低的温度下铸造时发生气化或熔融的固体物质(例如铅、热塑性树脂等)(例如参照专利文献1)。
此外，在铸造前的中空形成构件的表面设置与铸件母材金属等同的金属材料的被覆层(例如镀层等的金属层)的情况较多。在采用铸件母材金属对设置了这样的被覆层的中空形成构件进行包心浇铸时，由于铸件母材金属的熔液的热而使金属层熔融，由此能够使铸件母材金属与中空形成构件熔合。
已有技术文献
专利文献：日本特公平3-9821号公报
发明内容
可是，为了将中空形成构件的金属层采用铸件母材金属的熔液进行熔融而使金属层的金属确实地熔入铸件母材金属，优选更加提高铸件母材金属的熔液温度，但随着熔液温度上升，有铸件母材金属发生氧化、或铸件母材容易产生铸件气孔，铸造品的品质受到损害的可能性。
鉴于该情况，优选不过度提高熔液温度而采用铸件母材金属的熔液对中空形成构件进行包心浇铸。可是，该场合下，在熔液与中空形成构件接触的瞬间，中空形成构件的周围的熔液的热被传递到中空形成构件的内部，因此其周围的熔液局部地被冷却。其结果，不能够采用熔液的热充分地熔融金属层，存在不能够将铸件母材和中空形成构件熔合并将它们接合的可能性。
本发明是鉴于上述的情况而完成的，提供一种能够抑制铸件母材的氧化物和铸件气孔的发生，并且提高铸件母材和中空形成构件的接合性的中空铸件的制造方法。
为了解决上述课题，发明者们反复进行刻苦研究的结果，得到了下述的新见解：在铸造时，如果在中空形成构件的表层设置绝热层，以使得铸件母材金属的熔液的热不被中空形成构件的内部获取，则铸造时的中空形成构件的周围的熔液温度被保持为与其他的熔液温度同等，由此未进一步提高熔液温度就可采用熔液将中空形成构件的表面的金属层熔融，能够提高铸件母材和中空形成构件的接合性。
本发明是基于本发明者们的该新见解的发明，是通过采用铸件母材金属的熔液对中空形成构件进行包心浇铸来制造中空铸件的方法，其特征在于，至少包括：
按照使得在所述熔液接触的接触表面的表层内部形成空隙层那样，采用熔点比所述铸件母材金属高的材料制造中空形成构件的工序；
采用与所述铸件母材金属相同的金属的层被覆所述接触表面的工序；和
通过将该被被覆了的中空形成构件配置于铸模内，并将所述铸件母材金属的熔液浇注到铸模内，从而采用所述铸件母材金属对所述中空形成构件进行包心浇铸的工序。
根据本发明，首先，在中空形成构件的制造工序中，能够得到在表面之中与铸件母材金属的熔液接触的接触表面(被包心浇铸的表面)的表层内部形成有空隙层的中空形成构件。
在此，接触表面的表层内部的空隙层，是形成成为密闭空间以使得隔绝从中空形成构件的接触表面向其内部部分传递的热量的中空绝热层，如果在铸造成中空铸件时、以及作为中空铸件使用时能够确保机械强度，则优选该空隙层更接近接触表面。
该中空形成构件，例如可通过将主体部和盖体部接合来制造，所述主体部形成有相当于空隙层的凹部或者沟槽部，所述盖体部通过覆盖该凹部或者沟槽部的开口而形成空隙层。
在此，所谓本发明中所说的中空形成构件，是指形成有空洞的构件，该空洞在本发明中相当于空隙层，空隙层相当于包心浇铸后的中空铸件的空洞。
其次，在被覆工序中，由与铸件母材金属相同的金属形成的层通过例如镀覆处理、溅射处理等的被覆处理而被覆于中空形成构件的接触表面。在此，所谓与铸件母材金属相同的金属，是指基础材料(base material)与铸件母材金属相同的金属。例如，铸件母材金属为铝合金的情况下，金属层的金属是以铝为主材的金属，如果在包心浇铸时金属层的金属能够熔入铸件母材金属，则其中所添加的其他的成分也可以不同。
将这样地得到的中空形成构件配置于铸模内，向铸模内浇注铸件母材金属的熔液，使铸件母材金属与在中空形成构件的表层形成有空隙层的接触表面接触，对中空形成构件进行包心浇铸。
此时，对于中空形成构件的周围的熔液的热，空隙层作为绝热层发挥作用，因此即使熔液接触中空形成构件，其周围的熔液的热也难以传递到中空形成构件的内部。这样的结果，被覆于中空形成构件上的金属层和铸件母材金属(熔液)的界面温度可保持在它们可熔合的温度以上，因此金属层熔融，铸件母材金属和金属层成为一样的组织，能够将中空形成构件和铸件母材金属熔合。
而且，即使得到的中空铸件使用时，也能够使形成于中空形成构件的表层的空隙层作为中空铸件的绝热层发挥作用。
中空形成构件，只要是熔点比使用中空形成构件制造中空铸件时的铸件母材金属的熔液温度高、且相对于铸件母材金属熔液稳定的材料，则可以使用任意的金属材料制成。
作为一例，在铸件母材金属为铝合金等的铝系金属的场合，中空形成构件更优选使用铁系金属、钛系金属、陶瓷等。这些金属的熔点比铝系金属高，热导性低，因此是合适的。在使用铁系金属的场合，中空形成构件可通过对铁系的粉末进行烧结处理、或对铁系的块材进行机械加工、或利用铸模铸造来得到。作为铁系金属，可举出碳钢、不锈钢、铁锰合金等的金属材料。
在进行了这样的材料选择的情况下，更优选：在上述中空形成构件的制造工序中，按照使得上述空隙层的厚度成为0.3mm以上那样来制造上述中空形成构件。通过设置这样的层厚度的空隙层，能够更确实地隔绝铸件母材金属的熔液的热。
进而，在本发明涉及的中空铸件的制造方法中，更优选在真空气氛下制造中空形成构件。由于这样地以中空形成构件的空隙层成为真空的方式制造中空形成构件，因此能够提高空隙层的绝热性。另外，由于空隙层为真空状态，因此在浇铸时，不会出现因熔液的热而使作为密闭空间的空隙层内的空气急剧膨胀的情况，也基本没有中空形成构件产生膨胀的情况。
更优选利用本发明涉及的中空铸件的制造方法来制造内燃机的活塞，更优选：在包心浇铸工序中，按照使得上述中空形成构件配置在上述活塞的顶部那样，采用上述铸件母材金属对上述中空形成构件进行包心浇铸。
根据本发明，由于在活塞的顶部配置中空形成体，因此可抑制内燃机的燃烧室内的热通过活塞而被散热的现象，由此，燃烧室的绝热性提高。其结果，能够促进被供给到燃烧室内的燃料的气化，抑制未燃气体的排出。
根据本发明，能够抑制铸件母材的氧化物和铸件气孔的发生，并且提高铸件母材和中空形成构件的接合性。
附图说明
图1是说明在本发明的实施方式涉及的中空铸件的制造方法中使用的中空形成构件的制造工序的图，(a)为中空形成构件的主体部的截面图，(b)为用于说明在中空形成构件的主体部安装了盖部的状态的图。
图2是用于说明对图1所示的中空形成构件被覆金属层的工序的的图。
图3是用于说明采用铸件母材金属的熔液对图2所示的中空形成构件进行包心浇铸的工序的图。
图4是表示采用本实施方式的中空铸件的制造方法制造的内燃机活塞的图。
图5是中空铸件的组织截面的照片图，(a)为实施例1涉及的中空形成构件的周侧面附近和铸件母材的照片图，(b)为比较例1涉及的中空形成构件的周侧面附近和铸件母材的照片图。
图6是说明在实施例2和比较例2中使用的试验样品(test piece)的图。
图7是表示实施例2和比较例2中的空隙层的层厚度和实效热导率的关系的图。
具体实施方式
以下参照附图，基于实施方式说明本发明。图1是说明在本发明的实施方式涉及的中空铸件的制造方法中使用的中空形成构件的制造工序的图，(a)为中空形成构件的主体部的截面图，(b)为用于说明在中空形成构件的主体部安装了盖部的状态的图。图2是用于说明对图1所示的中空形成构件被覆金属层的工序的图，图3是用于说明采用铸件母材金属的熔液对图2所示的中空形成构件进行包心浇铸的工序的图。
如图1(a)、(b)所示，本实施方式涉及的中空形成构件10包括主体部11和盖体部15。主体部11为圆柱状，在其内部形成有：开放底面侧、底面表层13的内部成为空隙层13a的圆盘状的中空凹部13b，而且，在侧面侧形成有其侧面表层14的内部成为空隙层14a的圆筒状的中空沟槽部14b。
这样的主体部11，例如，可以通过机械加工如图1(a)那样制造圆柱状的金属，也可以将烧结用的粉末填充到图1(a)所示的形状的成型模的腔内来成型，并对其进行烧结而制造。
在此，在本实施方式中，后述的铸造母材金属使用铝系金属(铝合金)，因此中空形成构件，是使用碳钢、不锈钢、铁锰合金等的铁系金属、钛合金或者陶瓷作为熔点比铝系合金高的金属材料来制造的。在此，使用了铁系的材料的场合，按照使得中空形成构件10的空隙层13a、14a的层厚度成为0.3mm以上那样，形成主体部11的中空凹部13b、中空沟槽部14b。
而且，在底面(周侧面)和空隙层之间形成的中空形成构件10的壁部分的壁厚，为能够确保中空形成构件和中空铸件的机械强度的程度的壁厚，优选为0.5～2.0mm左右。
另外，在主体部11的中空凹部13b，突出地形成有环状的肋(加强筋；rib)13d。通过该肋13d，不仅能够进行定位以使得盖体部15不进入到中空凹部13b，而且能够对中空形成构件10进行增强，使得在铸造成中空铸件时、以及作为中空铸件使用时，中空形成构件10的底面侧的空隙层13a不被压溃。
其次，如图1(b)所示，通过钎焊以覆盖主体部11的开口17的方式，从底面侧接合铁制的圆盘状的盖体部15。由此，在后述的铸件母材金属的熔液32接触的圆状的底面(接触表面)13c的底面表层13的内部形成空隙层13a，且在铸件母材金属的熔液32接触的周侧面(接触表面)14c的侧面表层14的内部形成空隙层14a(参照图3)。
主体部11与盖体部15接合时的钎焊，为使空隙层13a、14a成为真空状态(空气未进入的状态)，更优选在真空气氛下钎焊(真空钎焊)。由于这样地以中空形成构件10的空隙层13a、14a成为真空的方式制造中空形成构件10，因此能够提高空隙层的绝热性。
而且，利用该制造方法，能够抑制空隙层13a、14a的空气的热膨胀。即，由于空隙层13a、14a为真空状态，因此在浇铸时，不会出现由于熔液的热，作为密闭空间的空隙层13a、14a因内部的空气而急剧地膨胀的情况。由此，在浇铸时也基本没有中空形成构件产生膨胀的情况。
接着，如图2所示，使中空形成构件10浸渍于装有与铸件母材金属相同的铝系金属的熔液31的浴槽51中，通过1～2分钟左右的渗铝(aluminizing)处理(镀覆处理)，来被覆金属层(镀层)21。在图中，对中空形成构件10的全表面进行了镀覆处理。可是，本实施方式的场合，只要在中空形成构件10的表面之中的至少铸件母材金属的熔液32接触的底面13c和周侧面14c被覆有金属层21即可。
另外，金属层21的层厚度优选为0.02～0.2mm左右，只要是铸件母材金属的熔液32能够熔入，通过该熔入能够确保铸件母材与中空形成构件的粘附性的厚度，则并没有特别的限定。
另外，在此，通过将中空形成构件10浸渍于铝系金属熔融成的熔液31中来进行了镀覆处理，但该金属层21也可以通过电镀处理、溅射处理等来被覆。
进而，如图3所示，将被覆有金属层21的中空形成构件20配置于铸模52内，将铸件母材金属的熔液32浇注到铸模内，由此利用铸件母材金属对中空形成构件20进行包心浇铸，将其自然冷却后，脱模，制成为中空铸件30。
此时，相对于中空形成构件20的周围的熔液(铸件母材金属的熔融物)32的热，空隙层13a，14a作为绝热层发挥作用，因此即使熔液32接触中空形成构件20，其周围的熔液32的热也难以传递到中空形成构件20的内部。这样的结果，被覆于中空形成构件20的金属层21与铸件母材金属的熔液32的界面温度被保持在它们可熔合的温度以上。由此，金属层21熔融，铸件母材金属和金属层的金属成为一样的组织，能够将中空形成构件和铸件母材金属熔合，可对它们提高接合性。
而且，在得到的中空铸件18使用时，形成于中空形成构件20的底面表层13和侧面表层14的空隙层13a、14a也作为中空铸件18的绝热层发挥作用。
图4表示将使用上述的制造方法，由中空形成构件10的空隙层13a、14a形成的空洞作为绝热部的内燃机活塞60。活塞60，是通过在包心浇铸工序中，在未图示的铸模内，以在活塞60的顶部61配置中空形成构件10的方式配置了中空形成构件10的状态下，将铸件母材金属的熔液浇入成型模内而铸造的，中空形成构件10的空隙层13a、14a作为绝热部发挥功能。
通过这样地抑制内燃机的燃烧室内的燃烧热通过活塞被散热，燃烧室内的绝热性提高，其结果，能够促进燃料的气化，抑制未燃气体的排出。
实施例
通过以下的实施例说明本发明。另外，本发明并不被以下的实施例限定。
[实施例1]
(中空形成构件的制造工序)
将含有锰的铁系合金粉末、还原铁粉和石墨以含有锰的铁系合金粉末∶还原铁粉∶石墨＝50∶49∶1的重量比例混合，使得在铁中含有25质量％的锰、1质量％的碳，在800MPa下成型成为形状为直径40mm、高度10mm、在侧面的表层具有厚度为0.3mm的沟槽、在底面设有0.3mm的阶差的圆板形状。接着，在加热条件为1250℃、30分钟的条件下，在氩气氛下烧结成型体，制造了如图1(a)所示的主体部。
接着，将作为盖体部的、由不锈钢(JIS标准：SUS304)构成的厚度为0.5mm的圆板嵌入到绝热板的底面，将接触部通过真空铜钎焊进行接合，在主体部的底面表层的内部和侧面表层内部形成了厚度为0.3mm的空隙层。
(金属层的被覆工序)
将中空成形构件浸渍于725℃的铸件用铝合金(JIS标准：AC3A)的熔液中，将该状态保持2分钟，在中空形成构件的表面被覆了铝合金的金属层(镀层)。
(包心浇铸工序)
形成有铝合金的金属层的件安置于铸模中，采用750℃的铸件用铝合金(JIS标准：AC8A)的熔液进行包心浇铸。将铸模内的熔液散热后得到的铸件从上述铸模脱模，得到了中空铸件。
[比较例1]
与实施例1相同地操作，制造了中空铸件。与实施例1不同的点是：在制造中空形成构件时，在侧面的表层内部不设置沟槽部。即，得到的中空铸件，在图1(b)所示的侧面的表层内部没有空隙层。
<组织观察>
通过显微镜观察了实施例1和比较例1的中空铸件的截面的金属组织。该结果示于图5。另外，图5(a)是实施例1涉及的中空形成构件的周侧面附近和铸件母材的照片图，图5(b)是比较例1涉及的中空形成构件的周侧面附近和铸件母材的照片图。
<结果1>
如图5(a)所示，在中空形成构件的侧面的表层中设置了空隙层的场合(实施例1)，铝合金的金属层熔入铸件母材(熔液)，金属层与铸件母材一体化。另一方面，在中空形成构件的侧面的表层中不设置空隙层的场合(比较例1)，铝合金的金属层未熔入铸件母材，而且在金属层和铸件母材之间确认有间隙。
<评价1>
由该结果1可以认为，实施例1的场合，对于中空形成构件的周围的熔液的热，侧面的空隙层作为绝热层发挥作用，因此被覆于中空形成构件的金属层熔入铸件母材金属的熔液，铸件母材金属和金属层的金属成为一样的组织，能够将中空形成构件和铸件母材金属熔合。
[实施例2]
与实施例1同样地，将铁系合金粉末、还原铁粉和石墨以铁系合金粉末∶还原铁粉∶石墨＝50∶49∶1的重量比例混合，使得成为Fe-25质量％Mn-1质量％C，在800MPa下形成为直径65mm、厚度为10mm的圆板形状。接着，在加热条件为1250℃、30分钟的条件下，在氩气氛下进行成型体的烧结，制造了烧结体。将烧结后的烧结体切取成24mm×24mm、厚度为1.7mm的烧结板体。
如图6所示，将厚度为3mm的铸件用铝合金(JIS标准：AC8R)71、和厚度为0.5mm的不锈钢板(JIS标准：SUS304)72层叠。接着，在不锈钢板72上配置宽度为1mm、厚度为0.1mm、0.3mm和1.0mm中的任一厚度的不锈钢制的分隔件73，在分隔件73上钎焊烧结板体78的试件，使得形成具有与分隔件73的厚度同等的层厚度的空隙层75，制作了与中空铸件相当的试验体70。
[比较例2]
与实施例2相同地操作，制作了试验体。与实施例2不同的点是：未隔有不锈钢制的分隔件73而将不锈钢板72和烧结板体78直接钎焊，即，没有空隙层(层厚度为0mm)。
<热导性的评价试验>
使用常规热导率测定装置(ULVAC公司制)，将实施例2以及比较例2的试验体夹在装置内的上部和下部的加热器间，利用防护加热器(guardheater)进行调整，使得附加规定的温度差，成为一维的热流。测定此时的热流束，由校正值和试验体的厚度求出实效热导率。其结果示于图7。
<结果2>
如图7所示，通过设置不锈钢制的分隔件，形成空隙层，其结果，试验体的实效热导率变小。而且，如实施例2所示，实效热导率在空隙层的层厚度为0.1mm以上时减少比例降低，在0.3mm以上时变得大致一定。
<评价2>
由结果2可以说，空隙层作为绝热层发挥作用，为了确保稳定的绝热性能，空隙层的层厚度优选为0.3mm以上。
以上对本发明的实施方式进行了详述，但本发明并不被上述的实施方式限定，在不脱离请求保护的方案所记载的本发明的精神的范围内，可以进行各种的设计变更。
例如，在本实施方式中，使用了圆柱状的中空形成构件，但并不限定于该形状，可以是与希望提高绝热性能的中空铸件的部分匹配的形状，可以是多棱柱状或者椭圆柱状等。另外，在本实施方式中，在与熔液接触的部分的表面的表层中设置了空隙层，但也可以在希望提高绝热性的其他的部分进一步设置空洞。
附图标记说明
10：中空形成构件、11：主体部、13：底面表层、13a：空隙层、13b：中空凹部、13c：底面、14：侧面表层、14a：空隙层、14b：中空沟槽部、14c：周侧面、15：盖体部、20：中空形成构件、21：金属层、31：熔液、32：熔液、51：浴槽、52：铸模、60：活塞、61：顶部。
Claims (3)
1.一种中空铸件的制造方法，是通过采用铸件母材金属的熔液对中空形成构件进行包心浇铸来制造中空铸件的方法，其特征在于，至少包括：
按照使得在所述熔液接触的接触表面的表层内部形成空隙层那样，采用熔点比所述铸件母材金属高的材料制造中空形成构件的工序；
采用与所述铸件母材金属相同的金属的层被覆所述接触表面的工序；和
通过将该被被覆了的中空形成构件配置于铸模内，并将所述铸件母材金属的熔液浇注到铸模内，从而采用所述铸件母材金属对所述中空形成构件进行包心浇铸的工序，
在真空气氛下制造所述中空形成构件，使得所述中空形成构件的空隙层成为真空。
2.根据权利要求1所述的中空铸件的制造方法，其特征在于，所述中空铸件金属使用铝系金属，所述中空形成构件使用铁系金属，
在所述中空形成构件的制造工序中，按照使得所述空隙层的厚度成为0.3mm以上那样来制造所述中空形成构件。
3.一种内燃机活塞的制造方法，包括权利要求1或2所述的中空铸件的制造方法，其特征在于，
在包心浇铸工序中，按照使得所述中空形成构件配置于所述活塞的顶部那样，采用所述铸件母材金属对所述中空形成构件进行包心浇铸。
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