JP2000153353A

JP2000153353A - 鋳物の鋳造方法

Info

Publication number: JP2000153353A
Application number: JP10325529A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Yamada; 美廣山田; Hirosuke Yabe; 弘裕矢部; Kenichiro Kamei; 謙一郎亀井; Hiroshi Asai; 浩浅井
Original assignee: Unisia Jecs Corp
Current assignee: Hitachi Unisia Automotive Ltd
Priority date: 1998-11-16
Filing date: 1998-11-16
Publication date: 2000-06-06

Abstract

(57)【要約】【課題】金型及び鋳造機等の剛性を格別高くする必要
がなく、鋳造精度の優れた鋳物を得ることが可能な鋳造
方法を提供する。【解決手段】鋳造のキャビティ５を形成する金型１の
一部を、気孔率が３〜３０％である多孔質材料で形成す
る。前記金型１に形成したキャビティ５内に溶湯１０を
充填した後、このキャビティ５内に充填した溶湯１０を
０．０１〜２．０Ｋｇ／ｃｍ２の圧力で加圧する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は鋳物の鋳造方法に関
し、とりわけ、内燃機関用ピストン等の製造に施用して
良好な鋳物の鋳造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、効率を高めるために、シリンダ内
に燃料を直接噴射する形式の内燃機関が開発されてお
り、この内燃機関には、凹凸形状の頂面を有するピスト
ンが採用される。

【０００３】前記ピストンは、頂面の凹凸形状を精度よ
く鋳出すために、例えば、特開昭５７−５０２６６号公
報に示されるように、鋳物のキャビティを形成した金型
内に大気圧以上の圧力で溶湯（溶融金属）を充填し、そ
の後、更に高圧力を加えて溶湯を加圧凝固させることに
よって得られる。

【０００４】一方、例えば特公平３−２１２５７号公報
には鋳造製品を精度よく形成するための改良された金型
が提案されており、この金型は、一部が多孔性燒結体か
ら形成され、この多孔性燒結体の気孔率が１８〜５０％
としてある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記特
開昭５８−５０２６６号公報記載の従来例にあっては、
圧力を加えつつ溶湯を充填すると共に、３０Ｋｇ／ｃｍ
２以上の高圧力で加圧するから、金型の剛性を高くする
必要があることはもとより、鋳造機全体の剛性を高くす
る必要があり、鋳造機全体が大型化し、高価となる虞が
ある。

【０００６】また、前記特公平３−２１２５７号公報記
載の従来例にあっては、大気圧の下における鋳造であっ
て、多孔質燒結体の保温性に着目して溶湯の充填性を上
げることによって製品精度を向上させようとするもので
ある。このため、前記金型の気孔率については研究され
ているが、キャビティ内に充填した溶湯に圧力を加える
ことについて考慮されところはなく、更なる精度要求に
対しては満足できない虞がある。

【０００７】発明者らの研究によれば、一部が多孔質材
料から形成され金型を用い、溶湯に所定の圧力を加える
ことは製品精度を向上させるために有効であって、多孔
質材料の気孔率と加圧力を所定の値とすることによって
精度の高い鋳造製品を得ることに成功した。

【０００８】本発明は前記研究の結果案出されたもの
で、金型及び鋳造機等の剛性を格別高くする必要がな
く、鋳造精度の優れた鋳物を得ることが可能な鋳造方法
を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そこで、請求項１記載の
発明は、金型に形成したキャビティ内に溶湯を充填して
なる鋳物の鋳造方法において、前記キャビティを形成す
る金型の一部を気孔率が３〜３０％である多孔質材料で
形成し、この金型に形成したキャビティ内に溶湯を充填
した後、このキャビティ内に充填した溶湯を０．０１〜
２．０Ｋｇ／ｃｍ２の圧力で加圧する構成にしてある。

【００１０】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載の発明の構成のうち、前記金型の一部を気孔率が３％
〜５％未満である多孔質材料から形成し、加圧力を０．
１〜２．０Ｋｇ／ｃｍ２とした構成にしてある。

【００１１】また、請求項３記載の発明は、請求項１記
載の発明の構成のうち、前記金型の一部を気孔率が５％
〜１５％未満である多孔質材料から形成し、加圧力を
０．０５〜２．０Ｋｇ／ｃｍ２とした構成にしてある。

【００１２】また、請求項４記載の発明は、請求項１記
載の発明の構成のうち、前記金型の一部を気孔率が１５
％〜１８％未満である多孔質材料から形成し、加圧力を
０．０２〜２．０Ｋｇ／ｃｍ２とした構成にしてある。

【００１３】また、請求項５記載の発明は、請求項１記
載の発明の構成のうち、前記金型の一部を気孔率が１８
％〜２０％未満である多孔質材料から形成し、加圧力を
０．０１〜２．０Ｋｇ／ｃｍ２とした構成にしてある。

【００１４】また、請求項６記載の発明は、請求項１記
載の発明の構成のうち、前記金型の一部を気孔率が２０
％〜２５％である多孔質材料から形成し、加圧力を０．
０１〜１．５Ｋｇ／ｃｍ２とした構成にしてある。

【００１５】また、請求項７記載の発明は、請求項１記
載の発明の構成のうち、前記金型の一部を気孔率が２５
％を超え３０％である多孔質材料から形成し、加圧力を
０．０１〜１．０Ｋｇ／ｃｍ２とした構成にしてある。

【００１６】ここで、前記多孔質材料は、ステンレス鋼
やダイス鋼の粉体を用いて、所定の気孔率、即ち３〜３
０％の気孔率を持つ密度に燒結成形される。また、前記
多孔質材料の所定位置に、ガス抜き機構を設けることも
任意に可能である。

【００１７】斯かる構成において、前記金型のキャビテ
ィ内に溶湯（溶融金属）が充填される。前記キャビティ
内への溶湯の充填は大気圧の下で行われ、格別加圧され
ない。即ち、通常の所謂重力鋳造の鋳造方案が採用さ
れ、キャビティ内に充填された溶湯に与えられる力は、
キャビティよりも上側に位置する湯口や押湯に作用する
重力によってのみ与えられる。

【００１８】次に、前記キャビティ内の溶湯を所定の圧
力で加圧する。前記溶湯への加圧圧力は、多孔質材料の
気孔率に応じて０．０１〜２．０Ｋｇ／ｃｍ２の範囲内
で選択される。

【００１９】前記溶湯への加圧は、押湯や湯口に所定の
圧力を加えることによって行われるのを可とし、加圧媒
体として具体的には空気または各種の不活性ガスが採用
されるか、またはプランジャ等によって機械的に加圧さ
れ、好ましくは溶湯が凝固するまで継続される。

【００２０】また、前記溶湯への加圧開始時期は、溶湯
のキャビティ内への充填直後か、好ましくはキャビティ
表面の溶湯が凝固し始めた時期とされる。前記キャビテ
ィの表面の溶湯が凝固し始めた時期は、キャビティの表
面近傍に極めて薄い凝固層が形成されるか、或いは凝固
層が形成されない所謂粥状凝固で、固液共存相の状態が
好ましく、具体的には溶湯の充填後の基準時期からの経
過時間によって決定可能である。

【００２１】これによって、精度の高い鋳造製品が得ら
れる。ここに、前記キャビティ内の溶湯は比較的低い圧
力で加圧される。

【００２２】したがって、金型及び鋳造機等の剛性を格
別高くする必要がなく、鋳造精度の優れた鋳物を得るこ
とが可能な鋳造方法が得られる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を内燃
機関用ピストンの鋳造方法に適用した態様として、図面
に基づいて詳述する。

【００２４】図１は本発明を内燃機関用ピストンの鋳造
方法に適用するための装置を示す断面模式図、図２は図
１のＡ−Ａ線断面図、図３は上型の別の実施の形態を示
す断面図、図４は気孔率と加圧力との組合せによって得
られた製品を評価した図表である。

【００２５】図において１は金型で、この金型１は上型
２と、下型３と、中子４とを有している。前記金型１内
には鋳物粗材としての内燃機関用ピストン（以下、ピス
トンと称す）のキャビティ５が形成してある。

【００２６】６は前記上型２と下型３との間に配置され
たリング金型である。また、７はピストンのピン孔部分
を形成するピン中子である。

【００２７】前記上型２は、ピストンの頂面部分を形成
するように賦形されており、耐熱性を有するステンレス
鋼やダイス鋼の粉体を用いて、３〜３０％の気孔率を持
つ密度に、ポーラス状に燒結成形してある。また、前記
上型２には、図３に示すように、形状の精度を求める位
置にガス抜き機構２ａを形成することが可能である。前
記ガス抜き機構２ａは幅が０．０３〜０．１ｍｍの溝か
ら形成される。なお、前記上型２のキャビティ５を形成
する表面に、珪藻土質等の塗型を施すか否かは任意に可
能である。

【００２８】前記下型３には、キャビティ５内に連通す
る湯口８が形成してある。前記湯口８は、とりべ９等か
ら溶湯１０を受ける漏斗状の湯溜まり１１と、この湯溜
まり１１に連通する縦湯口１２と、この縦湯口１２とキ
ャビティ５内とを連通する湯道１３及びこの湯道１３内
に設けられた堰１４とから構成してある。前記湯口８の
湯溜まり１１は通常の重力鋳造の場合と同様に、キャビ
ティ５よりも上側に配置してある。

【００２９】また、前記下型３内には、ピストン（鋳
物）の肉厚部分を形成するキャビティ５に臨んで保温中
子１５が配置されており、この保温中子１５によって形
成された空間に、押湯１６が形成してある。なお、前記
押湯１６は、好ましくは金型１の軸芯線に対して対象な
位置の２箇所に設けられる。

【００３０】前記中子４は、型ばらしを容易にするため
に、この実施の形態において芯中子４ａと、周中子４ｂ
とから形成してある。

【００３１】１８は湯口８の封止装置で、この封止装置
１８は湯溜まり１１の開口端に接して湯口８を封止する
する湯口封止板１９と、この湯口封止板１９を移動させ
るシリンダ装置２０とから構成してある。

【００３２】２１は加圧装置である。前記加圧装置２１
は、下型３及び保温中子１５に貫通して形成した貫通孔
２２に配管２３を接続し、この配管２３を通じて図外の
気体供給源から加圧気体が導かれるようにしてあり、こ
れによって、押湯１６に加圧気体を作用させ、キャビテ
ィ５内に充填された溶湯１０を所定の圧力で加圧するよ
うになっている。このため、前記配管２３の途中には圧
力調整弁２４及び開閉弁（図示せず）が設けられてい
る。また、前記貫通孔２２内には、燒結材料から形成さ
れて通気性を有するベント２５が設けられている。

【００３３】前記加圧装置２１は、押湯１６が金型１の
対象位置の２箇所に設けられている場合に、それぞれの
押湯１６に対応して設けられる。また、前記キャビティ
５内に充填された溶湯１０を加圧する気体としては、空
気または各種の不活性ガスが採用される。

【００３４】斯かる構成において、前記溶湯１０がとり
べ９から湯口８に注がれ、金型１のキャビティ５内に充
填される。前記キャビティ５内への溶湯１０の充填は、
大気圧の下で行われる。したがって、前記キャビティ５
内に充填された溶湯１０に与えれられる圧力は、キャビ
ティ５よりも上側に位置する湯口８内の溶湯１０及び押
湯１６に作用する重力によってのみ与えられることにな
る。

【００３５】前記キャビティ５内への溶湯１０の充填完
了後、封止装置１８で湯口８を封止する。具体的には、
前記封止装置１８のシリンダ装置２０で湯口封止板１９
を下動させ、この湯口封止板１９を湯溜まり１１の開口
端に当接させることによって、湯口８を封止する。

【００３６】その後、前記キャビティ５内の溶湯１０を
所定の圧力で加圧する。具体的には、前記加圧装置２１
の配管２３を通じて図外の気体供給源から供給される加
圧気体の圧力を、圧力調整弁２４による調整の下に押湯
１６に作用させ、キャビティ５内に充填された溶湯１０
を所定の圧力で加圧する。

【００３７】前記溶湯１０への加圧開始時期は、溶湯１
０のキャビティ５内への充填直後か、好ましくはキャビ
ティ５の表面の溶湯１０が凝固し始めた時期とされる。
前記キャビティ５の表面の溶湯１０が凝固し始めた時期
は、キャビティ５の表面近傍に極めて薄い凝固層が形成
されるか、或いは凝固層が形成されない所謂粥状凝固
で、固液共存相の状態が好ましく、具体的には溶湯の充
填後５秒程度の間に開始される。

【００３８】前記溶湯１０への加圧力は、多孔質材料か
らなる上型２の気孔率に応じて０．０１〜２．０Ｋｇ／
ｃｍ２の範囲で選択される。

【００３９】即ち、発明者らの研究によれば、図４に示
すように、加圧力が小さくなると、前記上型２の気孔率
が小さい場合には型の形状が正しく転写されず、形状不
良となる。一方、加圧力が大きくなると形状不良は解消
されるが、型の隙間や上型２の気孔内にバリが生じる虞
があると共に、キャビティ５内に塗型を施した場合に、
この塗型の損傷が生じる虞がある。とりわけ、加圧力が
２Ｋｇ／ｃｍ２を超えると塗型の損傷が多くなる傾向に
ある。

【００４０】そこで、前記上型２の気孔率が３％〜５％
未満である場合には、０．１〜２．０Ｋｇ／ｃｍ２で加
圧される。また、前記上型２の気孔率が５％〜１５％未
満である場合は０．０５〜２．０Ｋｇ／ｃｍ２で加圧さ
れる。また、前記上型２の気孔率が１５％〜１８％未満
である場合は、０．０２〜２．０Ｋｇ／ｃｍ２で加圧さ
れる。また、前記上型２の気孔率が１８％〜２０％未満
である場合は０．０１〜２．０Ｋｇ／ｃｍ２で加圧され
る。また、前記上型２の気孔率が２０％〜２５％である
場合は０．０１〜１．５Ｋｇ／ｃｍ２で加圧される。ま
た、前記上型２の気孔率が２５％を超え３０％である場
合は０．０１〜１．０Ｋｇ／ｃｍ２で加圧される。

【００４１】前記溶湯１０への加圧は、この溶湯１０が
凝固するまで実行される。この場合に、前記押湯１６
は、従来からの鋳造方案が教えるところによって、キャ
ビティ５内の溶湯１０が凝固するときの収縮によってピ
ストン（鋳物）に空洞が生じることを防止するために設
けられている。したがって、前記押湯１６は空洞の発生
しやすいところ、即ちピストンの肉厚部分を形成するキ
ャビティ５に臨んで設けられており、この押湯１６はキ
ャビティ５内よりも後に凝固するから、押湯１６に加圧
気体を作用させることによってキャビティ５内の溶湯１
０が効果的に加圧されるのである。

【００４２】前記溶湯１０が加圧されることによって、
キャビティ５内の空気の一部または全部は、所定の気孔
率を有する上型２の気孔から排出されると共に、上型２
にガス抜き機構２ａ（図３参照）が設けられている場合
にはこのガス抜き機構２ａからも排出される。

【００４３】これによって、精度の高い鋳造製品が得ら
れる。ここに、前記キャビティ５内の溶湯１０は比較的
低い圧力で加圧される。

【００４４】したがって、金型１及び鋳造機等の剛性を
格別高くする必要がなく、鋳造精度の優れた鋳物を得る
ことが可能な鋳造方法が得られる。

【００４５】以上、実施の形態を図面に基づいて説明し
たが、具体的構成はこの実施の形態に限られるものでは
なく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、前記加圧装置２１の配管２３を押湯１６の保温
中子１５に接続して、この押湯１６を介してキャビティ
５内の溶湯を加圧する形態について述べたが、加圧装置
２１の配管２３を封止装置１８の湯口封止板１９に接続
し、湯口８を介してキャビティ５内の溶湯１０を加圧す
るようにしてもよい。

【００４６】また、前記加圧装置２１として、加圧気体
を用いる方法について述べたが、プランジャ等を用い
て、このこプランジャを押湯１６や湯口８に機械的に挿
入することによって加圧するようにしてもよい。

【００４７】

【実施例】具体的に次のような条件で実験した結果、良
好な製品が得られた。

【００４８】即ち、図４に示すように、前記上型２の気
孔率が３％である場合には０．１〜３．０Ｋｇ／ｃｍ２
で加圧することによって良好な製品が得られた。しか
し、前記キャビティ５内に塗型を用いた場合に、圧力が
２．０Ｋｇ／ｃｍ２を超えると塗型の損傷が若干見られ
た。

【００４９】前記上型２の気孔率が５％である場合には
０．０５〜３．０Ｋｇ／ｃｍ２で加圧することによって
良好な製品が得られた。しかし、前記キャビティ５内に
塗型を用いた場合に、圧力が２．０Ｋｇ／ｃｍ２を超え
ると塗型の損傷が若干見られた。

【００５０】前記上型２の気孔率が１０％である場合は
０．０５〜２．５Ｋｇ／ｃｍ２で加圧することによって
良好な製品が得られた。しかし、前記キャビティ５内に
塗型を用いた場合に、圧力が２．０Ｋｇ／ｃｍ２を超え
ると塗型の損傷が若干見られた。

【００５１】前記上型２の気孔率が１５％である場合は
０．０２〜２．５Ｋｇ／ｃｍ２で加圧することによって
良好な製品が得られた。しかし、前記キャビティ５内に
塗型を用いた場合に、圧力が２．０Ｋｇ／ｃｍ２を超え
ると塗型の損傷が若干見られた。

【００５２】前記上型２の気孔率が１７％である場合は
０．０２〜２．０Ｋｇ／ｃｍ２で加圧することによって
良好な製品が得られた。また、前記キャビティ５内に塗
型を用いた場合にも、塗型の損傷は見られなかった。

【００５３】前記上型２の気孔率が１８％である場合及
び２０％である場合には０．０１〜２．０Ｋｇ／ｃｍ２
で加圧することによって良好な製品が得られた。また、
前記キャビティ５内に塗型を用いた場合にも、塗型の損
傷は見られなかった。

【００５４】前記上型２の気孔率が２５％である場合は
０．０１〜１．５Ｋｇ／ｃｍ２で加圧することによって
良好な製品が得られた。また、前記キャビティ５内に塗
型を用いた場合にも、塗型の損傷は見られなかった。

【００５５】前記上型２の気孔率が３０％である場合は
０．０１〜１．０Ｋｇ／ｃｍ２で加圧することによって
良好な製品が得られた。また、前記キャビティ５内に塗
型を用いた場合にも、塗型の損傷は見られなかった。

【００５６】前記上型２の気孔率が４０％である場合は
０．０１〜０．０２Ｋｇ／ｃｍ２で加圧することによっ
て良好な製品が得られた。また、前記キャビティ５内に
塗型を用いた場合にも、塗型の損傷は見られなかった。

【００５７】前記上型２の気孔率が５０％である場合は
０．０１Ｋｇ／ｃｍ２で加圧することによって良好な製
品が得られた。また、前記キャビティ５内に塗型を用い
た場合にも、塗型の損傷は見られなかった。

【００５８】また、前記上型２の気孔率が何れの場合に
あっても、加圧力を加えない場合には形状不良が生じ
た。この場合に、前記上型２の隅部の先端Ｒ形状を０．
５Ｒとし、この型形状に対する製品の先端Ｒ形状が０．
５〜０．７Ｒの範囲内にあるもの、即ち転写率が７１．
７％までのものを良品とし、Ｒ形状が０．７Ｒを超える
ものを形状不良と判定した。

【００５９】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、金型及び鋳造機等の剛性を格別高くする必要が
なく、鋳造精度の優れた鋳物を得ることが可能な鋳造方
法が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態として、本発明を内燃機関
用ピストンの鋳造方法に適用するための装置を示す断面
模式図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。

【図３】上型の別の実施の形態を示す断面図である。

【図４】気孔率と加圧力との組合せによって得られた製
品を評価した図表である。

【符号の説明】

１金型２上型（金型）３下型（金型）４中子（金型）５キャビティ１０溶湯２１加圧装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者亀井謙一郎神奈川県厚木市恩名1370番地株式会社ユニシアジェックス内 (72)発明者浅井浩神奈川県厚木市恩名1370番地株式会社ユニシアジェックス内Ｆターム(参考） 3J044 AA18 BA01 DA09 EA01 4E093 NA01 NB08 UA06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金型に形成したキャビティ内に溶湯を充
填してなる鋳物の鋳造方法において、前記キャビティを
形成する金型の一部を気孔率が３〜３０％である多孔質
材料で形成し、この金型に形成したキャビティ内に溶湯
を充填した後、このキャビティ内に充填した溶湯を０．
０１〜２．０Ｋｇ／ｃｍ２の圧力で加圧することを特徴
とする、鋳物の鋳造方法。
【請求項２】前記金型の一部を気孔率が３％〜５％未
満である多孔質材料から形成し、加圧力を０．１〜２．
０Ｋｇ／ｃｍ２としたことを特徴とする、請求項１記載
の鋳物の鋳造方法。
【請求項３】前記金型の一部を気孔率が５％〜１５％
未満である多孔質材料から形成し、加圧力を０．０５〜
２．０Ｋｇ／ｃｍ２としたことを特徴とする、請求項１
記載の鋳物の鋳造方法。
【請求項４】前記金型の一部を気孔率が１５％〜１８
％未満である多孔質材料から形成し、加圧力を０．０２
〜２．０Ｋｇ／ｃｍ２としたことを特徴とする、請求項
１記載の鋳物の鋳造方法。
【請求項５】前記金型の一部を気孔率が１８％〜２０
％未満である多孔質材料から形成し、加圧力を０．０１
〜２．０Ｋｇ／ｃｍ２としたことを特徴とする、請求項
１記載の鋳物の鋳造方法。
【請求項６】前記金型の一部を気孔率が２０％〜２５
％である多孔質材料から形成し、加圧力を０．０１〜
１．５Ｋｇ／ｃｍ２としたことを特徴とする、請求項１
記載の鋳物の鋳造方法。
【請求項７】前記金型の一部を気孔率が２５％を超え
３０％である多孔質材料から形成し、加圧力を０．０１
〜１．０Ｋｇ／ｃｍ２としたことを特徴とする、請求項
１記載の鋳物の鋳造方法。