JP2002161741A - 排気系部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 摩擦圧接による排気系部品において、摩擦圧
接の際の切粉の飛散や、接合部の内側に発生するバリを
抑え、例えば触媒ケース内に収納した触媒担体や、過給
機内部に装填されるタービンブレードなどを損傷させ
ず、また、高温の排気ガスが通過する際に排気ガスが直
接接合部にあたらずに接合部の酸化を緩和し、また、摩
擦圧接時のアプセット圧力に耐えて変形が少なく、ま
た、排気系部品として使用中にき裂発生を抑制でき、排
気系部品が複雑形状であっても、安定した接合状態を確
保する。 【解決手段】 ２つ以上の部材を摩擦圧接で接合される
排気系部品であって、部材の接合される端部に、軸方向
で外側に突出する少なくとも１つ以上の円筒状突出部を
形成し、両方の部材の円筒状突出部同士、または一方の
部材の端部と他方の部材の円筒状突出部、のうち外周側
で相対する端面同士を摩擦圧接で接合することにより、
接合された外周側の円筒状突出部と、内周側の円筒状突
出部と、端部の端面と、で形成される空間で、接合部の
内周側を包囲する形状とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車等の内燃機
関において、２つ以上の部材を摩擦圧接にて接合される
排気系部品に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車用エンジンの排気系部品は、近
年、環境問題及び燃費改善等の問題により、重要性が増
してきている。たとえば、環境問題に関連して、排気ガ
ス中の有害成分を浄化するひとつの装置として触媒コン
バータがあり、排気ガス温度により触媒担体に担持した
触媒を活性化温度以上に加熱することにより触媒作用を
起こしている。触媒コンバータには、触媒の配置の違い
により、排気マニホルドから離れたフロントパイプの後
ろに置く床下触媒と、排気マニホルド直後に置くマニホ
ルド触媒、またはこれらを組合せた触媒がある。従来
は、床下触媒が一般的であったが、エンジン始動直後の
触媒の昇温特性が良く、またエンジン運転中の排気ガス
浄化性能に優れるマニホルド触媒が増加している。

【０００３】従来のマニホルド触媒は、排気マニホルド
と触媒ケースにフランジを形成して別体に構成し、フラ
ンジ同士をボルトなどにより連結する構造であった。し
かし、フランジの肉厚で熱容量が大きくなり、エンジン
始動直後における触媒の急速昇温を阻害して排気ガス浄
化性能の低下要因になることがあった。また、フランジ
締結構造は狭いエンジンルーム内への搭載性にも問題が
あり、よりコンパクトな形状が要求されてきている。

【０００４】また、燃費改善等の要求に関連して、燃費
の良い小さなエンジンにおいて大きな出力を得るため
に、過給機の搭載要求が強くなってきている。過給機
は、排気ガスによる排気圧力を利用してタービンブレー
ドを回転させ、このタービンブレードと軸を同一にする
コンプレッサにより外気を圧縮して、吸気側に供給して
より大きな出力を得るための排気系部品である。この過
給機もまた、エンジンルーム内への搭載性の問題によ
り、ほかの排気系部品との一体化の要求が大きくなって
きている。

【０００５】これらの問題を解決するために、特開昭５
７−２１０１１７号公報には、排気マニホルドと触媒ケ
ースとを鋳造一体として、締結フランジ部やボルト等を
なくし、さらに排気マニホルドから触媒ケースに至る排
気ガス通路長を短くして、エンジン始動直後での触媒を
急速昇温する記載がある。

【０００６】しかし、排気マニホルドと触媒ケースとが
鋳造一体のものは、排気マニホルドの排気枝管の数が特
開昭５７−２１０１１７号公報に開示するように例え
ば、２本と少ない場合には可能であるが、エンジンが高
出力になり排気マニホルドの排気枝管数が３本、４本と
多くなり、寸法が長くかつ複雑形状になるに従い、排気
マニホルドと触媒ケースを一体で鋳造することは困難に
なる。

【０００７】また、過給機においては、その構造がツイ
ンスクロールと呼ばれる、排気ガスの流入部が２箇所に
なる複雑形状のものが主流になりつつあり、ほかの排気
系部品との鋳造による一体化は困難になってきている。

【０００８】排気マニホルドと触媒ケース、または排気
マニホルドと過給機のハウジングを接合する手段とし
て、溶融溶接を用いることもできるが、溶接の熱影響に
より広い範囲に熱ひずみが発生しやすい。さらに、一方
の部材をフェライト系球状黒鉛鋳鉄として溶接するとチ
ル（セメンタイト）やマルテンサイトが発生する。特に
Ｍｏを含有する高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄はＭｏの効果により
溶接性が悪くなり、接合部にチルが発生しやすくなると
同時に、接合部近傍にマルテンサイトも発生しやすくな
る。チルの発生は高温での耐酸化性を悪化させ、特にメ
タル温度７３０℃以上の状況下においてはチルが優先的
に酸化され、接合部の強度を著しく低下させる。また、
チル及びマルテンサイトの発生は、接合部の機械的特性
を低下させ、部材の耐熱性に悪影響を及ぼすことがあ
る。発生した熱ひずみやチル及びマルテンサイトを除去
するためには熱処理工程が必要となり、生産性の低下や
コスト高を招く。

【０００９】また、溶接では接合面を少しずつ溶融接合
していくため、異なる基地組織の相を有する鋳物部材を
用いて溶接を行うと、溶接完了部において両部材の線膨
張率の違いによる両部材の熱ひずみの差により接合部に
き裂が生じやすく、健全な接合層を形成することが困難
である。特にフェライト系球状黒鉛鋳鉄とオーステナイ
ト系球状黒鉛鋳鉄では、線膨張率が大きく異なることが
知られている。

【００１０】一方、排気マニホルドと触媒ケースを接合
する手段として、排気マニホルドと触媒ケースを別体に
て製作した後、摩擦圧接にて一体化することが考えられ
てきている。例えば、特開平１０−２９０７７号公報に
は、排気ガス浄化用の触媒を担持した触媒担体を触媒ケ
ースに挿入固定した後、触媒ケースと、排気マニホル
ド、または異形断面のレジューサを介して摩擦圧接で接
合する自動車用排気系部品の接合方法の記載がある。ま
た、特開平１０−２９０７７号公報には、排気マニホル
ドとして、鋳鉄または球状黒鉛鋳鉄を用いる記載、触媒
ケースまたはレジューサの接合部が、板厚１．０〜２．
０ｍｍ、外径６０〜２００ｍｍ、外径のばらつきが真円
の±０．５％以内とする記載、また、排気マニホルド、
レジューサ、触媒担体を内装した触媒ケース、パイプ、
及びフランジを少なくとも１箇所以上摩擦圧接で接合す
る記載がある。

【００１１】上記特開平１０−２９０７７号公報によれ
ば、触媒ケースと排気マニホルドを精度良く低コストで
接合する方法とこの接合方法で一体化した自動車用排気
系部品が得られるとしている。

【００１２】本出願人も、特開平１０−２６６８３８号
公報として、排気マニホルドと触媒ケースを鋳鉄及び／
または鋳鋼とし、この排気マニホルドと触媒ケースを摩
擦圧接する発明を開示している。また、特開平９−２４
２５３９には、排気マニホルドと過給機のハウジングを
精度よく低コストで接合する過給機付き排気マニホルド
の発明を開示している。

【００１３】特開平１０−２６６８３８号公報によれ
ば、（１）排気マニホルドの排気枝管の数が多く、排気
マニホルドや触媒ケースが複雑形状で寸法が大きくと
も、排気マニホルドと触媒ケースを一体化してエンジン
の占有域を少なくでき、（２）排気マニホルドと触媒ケ
ースを各々別体で鋳造するので、複雑な方案を必要とせ
ず鋳造性が向上し、（３）接合部には気孔や介在物がな
く、また熱影響部が少なくてセメンタイトは発生せず、
摩擦圧接条件を制御することで安定した品質のものが得
られ、（４）排気マニホルドから触媒ケースに至る排気
ガス通路長を短くできるので、エンジンを始動してすぐ
に触媒が昇温して、排気ガス浄化が行われ、（５）接続
用フランジ部やボルト等をなくすことで材料費が低減で
きる。

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記特
開平１０−２９０７７号公報は、触媒ケースまたはレジ
ューサの接合部が、板厚１．０〜２．０ｍｍ、外径６０
〜２００ｍｍと薄くて比較的大径で剛性がない。また、
薄肉のため摩擦圧力を付与した段階で発熱量を蓄熱でき
ず、また、摩擦圧接装置で一方の部材の接合部近くを取
付具に当接して取り付けると摩擦発熱を吸収してしま
い、接合部への熱量供給が不足して接合強度が不足する
おそれがある。また、アプセット工程においては、摩擦
圧接する部材がアプセット圧力で変形、またバリが発生
して、部材が触媒ケースの場合には、これに収納してい
る触媒担体を損傷させ、担持している高価な触媒を脱落
させるおそれがある。また、高温の排気ガスが通過する
際に、排気ガスが接合部に直接あたると、この接合部の
酸化が進行し耐久性を低下させ、また通過断面積を小さ
くしてしまい、排気効率の低下や異常音を発生させるお
それがある。

【００１４】一方、本出願人による特開平１０−２６６
８３８号公報及び特開平９−２４２５３９号公報により
単に突き合わせて摩擦圧接した場合には、摩擦圧接の際
に飛散した切粉や、接合部の内周側に発生したバリによ
り、触媒ケースでは収納した触媒担体を損傷して触媒を
脱落させたり、過給機のハウジングでは過給機内部に装
填されるタービンブレードなどを損傷するおそれがあ
る。

【００１５】本発明の課題は、上記従来の課題に鑑みて
なされたものであり、２つ以上の部材を摩擦圧接で接合
される排気系部材であって、摩擦圧接の際の切粉の飛散
や、接合部の内側に発生するバリを抑え、また、排気ガ
スが直接、接合部にあたらずに接合部の酸化を緩和し、
また、摩擦圧接時の変形が少なく、また、排気系部品と
して使用中にき裂発生を抑制でき、安定した接合状態を
確保する排気系部品を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記課題を
解決するため、２つ以上の部材を摩擦圧接で接合する排
気系部品において、接合される部材の端部に、軸方向で
外側に突出する円筒状突出部を形成して接合すれば、接
合部の内周側を、円筒状突出部と端部の端面などで形成
される空間で包囲でき、摩擦圧接の際に飛散する切粉
や、接合部の内周側に発生するバリで排気系部品内部の
部品を損傷せず、排気ガスが直接、接合部にあたらずに
接合部の酸化を緩和できると考えた。また、接合部の最
小肉厚が２．０ｍｍ以下と薄肉では、摩擦圧接時のアプ
セット圧力に耐えることができず変形が大きくなると考
え、接合部の最小肉厚を２．０ｍｍを超える寸法にし
て、高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄、Ｍｏを含有する高Ｓｉ球状黒
鉛鋳鉄、オーステナイト系球状黒鉛鋳鉄、フェライト系
耐熱鋳鋼、またはオーステナイト系耐熱鋳鋼から選択す
れば、排気系部材の変形を少なくし、排気系部品として
使用中にき裂発生を抑制でき、安定した接合状態を確保
した排気系部品が得られるとの知見を得て本発明に想到
した。

【００１７】すなわち本発明の排気系部品は、２つ以上
の部材を摩擦圧接で接合される排気系部品であって、何
れの部材にも、接合される端部に、軸方向で外側に突出
する少なくとも１つ以上の円筒状突出部を形成し、両方
の部材の円筒状突出部同士、または一方の部材の端部と
他方の部材の円筒状突出部、のうち外周側で相対する端
面同士を摩擦圧接で接合することにより、前記接合され
た外周側の円筒状突出部と、内周側の円筒状突出部と、
端部の端面と、で形成される空間で、接合部の内周側を
包囲することを特徴とする。

【００１８】また、本発明の排気系部品は、何れか１つ
の前記円筒状突出部に、外周側または内周側に向けて伸
長する突起部を形成し、両方の部材の円筒状突出部同
士、または一方の部材の円筒状突出部と他方の部材の端
部、のうち外周側で相対する端面同士を摩擦圧接で接合
することにより、前記接合された外周側の円筒状突出部
と、内周側の円筒状突出部と、突起部と、端部の端面
と、で形成される空間で、接合部の内周側を包囲するこ
とを特徴とする。

【００１９】また、本発明の排気系部品は、２つ以上の
部材を摩擦圧接で接合される排気系部品であって、何れ
か一方の部材にのみ、接合される端部に、軸方向で外側
に突出する少なくとも１つ以上の円筒状突出部を形成
し、かつ、一方の部材の前記円筒状突出部及び／または
他方の部材の端部近傍に、外周側及び／または内周側に
向けて伸長する突起部を形成し、両方の部材の端部同
士、または一方の部材の円筒状突出部と他方の部材の端
部、のうち外周側で相対する端面同士を摩擦圧接で接合
することにより、前記接合された外周側の円筒状突出部
を形成しない部材の端部または前記接合された外周側の
一方の部材の円筒状突出部と他方の部材の端部と、内周
側の円筒状突出部と、突起部と、端部の端面と、で形成
される空間で、接合部の内周側を包囲することを特徴と
する。

【００２０】接合部の内周側を包囲することで、摩擦圧
接の際に飛散する切粉や、接合部の内周側に発生するバ
リによる、触媒ケース内の触媒担体の損傷や、過給機内
部に装填されるタービンブレードなどの損傷を防止でき
る。

【００２１】また、接合部の内周側を包囲することで、
高温の排気ガスが通過する際に排気ガスが直接接合部に
あたらず、接合部の酸化を緩和して、耐久性を向上でき
る。

【００２２】また、両方の部材の円筒状突出部同士と、
または一方の部材の円筒状突出部と他方の部材の端部
と、の相対する端面を接合すれば、摩擦圧接時に摩擦発
熱を吸収しにくく接合に必要な熱量を確保することがで
きるので好ましい。

【００２３】特に、請求項３に係る発明によれば、何れ
か一方の部材にのみ円筒状突出部を形成すればよく、他
方の部材の円筒状突出部を鋳造や機械加工で形成する必
要がないので、低コストに排気系部品を製造できる。

【００２４】また、本発明の排気系部品は、一方の部材
と他方の部材が異なる材質であって、前記円筒状突出部
のうち、最も内周側に配置される円筒状突出部を有する
部材が、他方の部材より耐酸化性に優れる部材からなる
ことを特徴とする。

【００２５】最も内周側に配置される円筒状突出部を有
する部材を、他方の部材より耐酸化性に優れる部材とす
れば、接合部の内周側を包囲する効果に加えて、さらに
高温の排気ガスによる接合部の酸化を緩和して、耐久性
を向上できる。

【００２６】また、本発明の排気系部品は、摩擦圧接で
接合する接合部の形状が円形であり、その接合部の肉厚
が２．０ｍｍを超え２０ｍｍ以下であることを特徴とす
る。

【００２７】摩擦圧接で接合することにより、溶融溶接
のように、両部材の線膨張率の違いによる両部材の熱ひ
ずみの差により接合部にき裂が生ずることがない。特
に、接合部の形状を円形とすることで、一気に健全な接
合状態を作り出すことができるので、熱ひずみが接合部
の全周にわたって均一にバランスしやすくなり、さらに
接合部のき裂の発生を抑制して健全な接合層を形成する
ことができる。

【００２８】接合部の肉厚が２．０ｍｍ以下の場合に
は、摩擦圧接の接合時のアプセット圧力に耐えることが
できず変形のおそれがある。また、排気系部品として使
用中の変形も懸念される。一方、接合部の肉厚が２０ｍ
ｍを超えると、摩擦圧接時の接合部が冷却するときに内
外面に温度差が生じ、接合界面に発生する熱ひずみのバ
ランスが壊れき裂発生のおそれがある他、接合部の熱容
量が大きくなり、エンジン始動直後における触媒の急速
昇温を阻害して排気ガス浄化性能の低下要因になった
り、エンジンルーム内への搭載性が悪化する。従って接
合部の肉厚は、２．０ｍｍを超え２０ｍｍ以下が好まし
く、２．５〜５．０ｍｍがより好ましい。

【００２９】また、本発明の排気系部品は、前記接合部
の内周側を包囲する空間の径方向の隙間が１．０ｍｍ以
上であることを特徴とする。

【００３０】接合部の内周側を包囲する空間の径方向の
隙間が１．０ｍｍ未満では、摩擦圧接の際に飛散する切
粉や、接合部の内周側に発生するバリを収容するのが困
難となる。隙間を、１．０ｍｍ以上とすれば、切粉やバ
リを収容するに十分な空間を確保できるが、大き過ぎる
と接合部が外周側に拡大するため、エンジンルーム内へ
の搭載性が悪化する。接合部の内周側を包囲する空間の
径方向の隙間は、２．０〜３．０ｍｍが好ましい。

【００３１】また、本発明の排気系部品は、前記円筒状
突出部及び／または前記突起部の付根に少なくとも０．
３ｍｍ以上の隅Ｒを有することを特徴とする。

【００３２】円筒状突出部及び／または前記突起部の付
根の隅Ｒが０．３ｍｍより小さいと、排気系部品として
使用中に、部材に生ずる熱応力で、前記付根にき裂発生
のおそれがある。円筒状突出部及び／または前記突起部
の付根の隅Ｒは、０．３ｍｍ以上が好ましく、０．５ｍ
ｍ以上がより好ましい。

【００３３】また、本発明の排気系部品は、接合されな
い前記相対する端面の軸方向の隙間の幅が、２つの部材
の接合部から接合されない端面までの軸方向の距離のう
ち、どちらか少ない部材の前記距離の５０％以下である
ことを特徴とする。

【００３４】また、本発明の排気系部品は、接合部の近
傍で、一方の部材と他方の部材とが交叉して挟まれる径
方向の隙間が、前記接合部の内周側を包囲する空間の径
方向の隙間の１／２以下であることを特徴とする。

【００３５】接合されない前記相対する端面の軸方向の
隙間の幅を、２つの部材の接合部から接合されない端面
までの軸方向の距離のうち、どちらか少ない部材の前記
距離の５０％以下とし、また、突起部の軸方向に平行な
側面と他方の部材の円筒状突出部または端部とによって
挟まれる径方向の隙間を、前記接合部の内周側を包囲す
る空間の径方向の隙間の１／２以下とすることで、摩擦
圧接の際に飛散する切粉や、接合部の内周側に発生する
バリが排気系部品内部に侵入することを抑え、内部の部
品の損傷を防止できる。

【００３６】そして、本発明の排気系部品は、その材質
が、球状黒鉛鋳鉄、高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄、Ｍｏを含有す
る高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄、オーステナイト系球状黒鉛鋳
鉄、フェライト系耐熱鋳鋼、またはオーステナイト系耐
熱鋳鋼から選択されることを特徴とする。

【００３７】部材を、鋳造法により、球状黒鉛鋳鉄、高
Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄、Ｍｏを含有する高Ｓｉ球状黒鉛鋳
鉄、オーステナイト系球状黒鉛鋳鉄、フェライト系耐熱
鋳鋼、またはオーステナイト系耐熱鋳鋼から選択するこ
とで、加熱冷却が繰り返される排気系部品での耐熱性が
確保でき、複雑な形状の排気系部品が製造できる。

【００３８】特に、Ｍｏを含有する高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄
は、通常の溶融溶接ではセメンタイトが析出しやすいの
で、接合が困難になることがあるが、摩擦圧接によれば
迅速で容易に接合することが可能である。

【００３９】そして、本発明の排気系部品において、何
れか一方の部材が、排気マニホルド、過給機のハウジン
グ、触媒ケース、ディフューザ、又は締結フランジであ
ることを特徴とする。

【００４０】排気マニホルド、過給機のハウジング、触
媒ケース、ディフューザ、又は締結フランジの何れか同
士を摩擦圧接で接合することで、低コストな排気系部品
を得られる。

【００４１】前記特開平１０−２９０７７号公報では触
媒ケースと排気マニホルドの接合で両者を挟む異形断面
の部材をレジューサと称しているが、本発明では上記に
加え、触媒ケースと排気パイプの接続で両者を挟む部材
を含め、異径断面の部材を接続する際に中間に介在する
部材を、以下ディフューザと称す。

【００４２】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）図１は、排気マ
ニホルド２と、触媒坦体７と緩衝材８を内装した触媒ケ
ース３とを接合部９ａで摩擦圧接した排気系部品１の要
部断面図である。排気マニホルド２は、化学成分として
質量比で、Ｃ：０．１５〜１．２０％、Ｃ−Ｎｂ／８：
０．０５〜０．４５％、Ｓｉ：２％以下、Ｍｎ：２％以
下、Ｃｒ：１６．０〜２５．０％、Ｗ及び／またはＭ
ｏ：１．０〜５．０％、Ｎｂ：０．４０〜６．０％、Ｎ
ｉ：０．１〜２．０％、Ｎ：０．０１〜０．１５％、そ
の他不可避的不純物及び残部Ｆｅを含む、フェライト系
耐熱鋳鋼からなり、シリンダヘッド取付面２ａ、多数の
取付孔２ｂ、４つの排気枝管２ｃ、この排気枝管２ｃの
集合管２ｄなどからなる。

【００４３】一方、触媒ケース３は、化学成分として質
量比で、Ｃ：２．８〜３．４％、Ｓｉ：３．７５〜５．
００％、Ｍｎ：０．６％以下、Ｓ：０．０２％以下、
Ｐ：０．０８％以下、Ｍｇ：０．０３％以上、その他不
可避的不純物及び残部Ｆｅを含む高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄か
らなり、触媒坦体７及び緩衝材８を装着する内径３ｂ、
図示しない排気パイプと接続するフランジ３ｃなどから
なる。

【００４４】排気マニホルド２は、さらに耐熱性が要求
される場合、フェライト系耐熱鋳鋼に代えて、化学成分
として質量比で、Ｃ：０．２〜１％、Ｓｉ：２％以下、
Ｍｎ：２％以下、Ｎｉ：８〜２０％、Ｃｒ：１５〜３０
％、Ｎｂ：０．５〜６％、Ｗ：１〜６％、Ｎ：０．０１
〜０．３％、その他不可避的不純物及び残部Ｆｅを含
む、オーステナイト系耐熱鋳鋼で作製することもでき
る。

【００４５】触媒ケース３は、耐熱性が要求される場
合、高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄に代えて、化学成分として質量
比で、Ｃ：２．８〜３．４％、Ｓｉ：３．７５〜５．０
０％、Ｍｎ：０．６％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｐ：
０．０８％以下、Ｍｇ：０．０３％以上、Ｍｏ：０．４
〜０．７％、その他不可避的不純物及び残部Ｆｅを含
む、Ｍｏを含有する高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄とすることもで
きる。

【００４６】図４は、図１の排気系部品１での接合部９
ａ近傍の軸心方向片側要部断面図であり、（ａ）は摩擦
圧接前、（ｂ）は摩擦圧接後を示す。図１及び図４で、
排気マニホルド２及び触媒ケース３は、何れの部材も接
合される端部に、軸心方向断面視で、軸方向で外側に突
出する円筒状突出部を形成している。

【００４７】図４（ａ）で、排気マニホルド２の端部１
０には、排気系部品として使用中に排気ガスがあたる内
周側に円筒状突出部１２ｂを、さらにこの円筒状出部１
２ｂの外側（外周側）に１．０ｍｍ以上の隙間をあけて
形成した円筒状突出部１２ａを形成している。排気マニ
ホルド２の端部１０は、鋳造後、外周側の円筒状突出部
１２ａの内径１６ａを１１６ｍｍ、肉厚Ａ１を２．２ｍ
ｍの円形に、摩擦圧接後に接合部９ａの内周側を包囲す
る空間の径方向の隙間となるＣを１．０ｍｍに、内周側
の円筒状突出部１２ｂの肉厚Ｂを２ｍｍに、また、外周
側の円筒状突出部１２ａの付根の隅Ｒ、１４ａと、内周
側の円筒状突出部１２ｂの付根の隅Ｒ、１４ｂが、何れ
も０．５ｍｍとなるように機械加工を施している。ま
た、外周側の円筒状突出部１２ａの端面１３ａと、内周
側の円筒状突出部１２ｂの端面１３ｂにも機械加工を施
し、内壁１６ｂの内径は、鋳肌のまま１１０ｍｍとして
いる。

【００４８】一方、図４（ａ）で、触媒ケース３の端部
２０には、前述の排気マニホルド２の端部１０に形成し
た外周側の円筒状突出部１２ａに相対する位置に、円筒
状突出部２２ａを形成している。触媒ケース３の端部２
０は、鋳造後、円筒状突出部２２ａの内径２６ａを１１
６ｍｍに、肉厚Ａ２を２．２ｍｍに、円筒状突出部２２
ａの付根の隅Ｒ、２４ａを０．５ｍｍとなるように機械
加工を施す。また、円筒状突出部２２ａの端面２３ａ
と、端部２０の端面２１ａにも機械加工を施し、内壁２
６ｂの内径は、排気マニホルド２の端部１０の内壁１６
ｂの内径と同一とし、鋳肌のまま１１０ｍｍとしてい
る。

【００４９】排気マニホルド２と触媒ケース３は、図４
（ｂ）に示すように排気マニホルド２と触媒ケース３の
円筒状突出部１２ａ、２２ａの端面１３ａ、２３ａ同
士、または触媒ケース３の端部２０の端面２１ａと排気
マニホルド２の円筒状突出部１２ｂの端面１３ｂ、の２
つの相対する端面の組合せのうち、外周側で相対する端
面１３ａと端面２３ａを、後述する摩擦圧接により接合
部９ａとして接合する。

【００５０】ここで、摩擦圧接後に、排気マニホルド２
の円筒状突出部の端面１３ｂと触媒ケース３の端面２１
ａ（接合されない相対する端面）に挟まれて形成される
軸方向の隙間Ｄについて説明する。摩擦圧接の際に飛散
する切粉や、接合部の内周側に発生するバリが排気系部
品内部に侵入することを抑え、内部の部品の損傷を防止
するためには、摩擦圧接後に隙間Ｄはないほうがよい。
一方、摩擦圧接の際、２つの部材が接合部以外の部位が
接触すると、良好な接合ができないおそれがある。従っ
て接合部の寸法精度や摩擦圧接時の圧接条件のバラツキ
を考慮して、部材同士の接触を防止するため隙間の形成
が必要となる。形成する隙間は可能な限り少ないほうが
よく、摩擦圧接の際、接合部以外での部材同士の接触が
なく、かつ摩擦圧接後に皆無なることがよりよいことは
云うまでもない。

【００５１】次に、接合部と隙間との位置関係について
図５に沿って説明する。図５（ａ）において、２つの部
材のうち、一方の部材２の接合部９から接合されない端
面１３までの軸方向の距離をＬ１１とし、他方の部材３
の接合部９から接合されない端面２３までの軸方向の距
離をＬ２１とし、接合されない端面１３、２３の軸方向
の隙間をＤ１０とすれば、距離Ｌ１１はＬ２１より隙間
Ｄ１０の距離だけ短い。摩擦圧接の際、部材同士の接触
を防止するために隙間を形成すれば、接合部から接合さ
れない端面までの距離は、２つの部材で長短の差を生ず
る。接合部と隙間との位置関係は、接合部から接合され
ない端面までの距離のうち、どちらか短い距離について
検討しなければならない。

【００５２】今、図５（ａ）では接合部と隙間Ｄ１０ま
での距離は、前述の距離Ｌ１１、Ｌ２１のうち、短いほ
うのＬ１１だけ離れており、隙間Ｄ１０は、摩擦圧接の
際に飛散する切粉や、接合部の内周側に発生するバリの
排気系部品内部への侵入を抑えるに充分に狭く形成した
とする。一方、（ｂ）の隙間Ｄ２０は（ａ）の隙間Ｄ１
０と同一の幅であるが、接合部９から接合されない端面
２３までの軸方向の距離Ｌ３１を、（ａ）の距離Ｌ１１
に較べて短く（Ｌ３１＜Ｌ１１）形成したとする。
（ｂ）の場合、隙間をＤ２０＝Ｄ１０にしても、接合部
と隙間との距離が近すぎるため、即ち距離Ｌ３１が短す
ぎるため、切粉やバリが排気系部品内部へ侵入するのを
抑えことができない。

【００５３】従って、接合されない相対する端面の軸方
向の隙間の幅は、２つの部材の接合部から隙間までの距
離、より詳しくは接合部から接合されない端面までの軸
方向の距離のうち、どちらか短いほうの距離から相対的
に決定する必要がある。即ち、接合部から隙間までの距
離が長ければ隙間は広くてもよいが、前記距離が短けれ
ば隙間は狭くしなければならない。具体的には、切粉や
バリが排気系部品内部へ侵入するのを抑えるためには、
隙間の幅は、接合部から隙間までの距離の５０％以下が
好ましく、１０％以下がより好ましい。

【００５４】図４（ｂ）で、接合部から隙間までの距離
Ｌ１、Ｌ２は夫々５ｍｍ、７．３ｍｍに、隙間Ｄは前記
距離Ｌ１、Ｌ２の短いほうの距離Ｌ１（５ｍｍ）の５０
％以下である２．３ｍｍとなるように形成している。

【００５５】次に、排気マニホルド２と触媒ケース３と
の摩擦圧接について説明する。図１１は、摩擦圧接装置
５１を模式的に示す要部断面図である。まず、触媒坦体
７及び緩衝材８を装着した触媒ケース３を摩擦圧接装置
５１の取付具５３に取り付ける。一方、排気マニホルド
２はスライド５４の取付具５５に取り付ける。そして、
電動機５６を回転してこの回転力を主軸５２に伝達し、
主軸５２を回転させつつ、油圧シリンダ５８のロッドに
連結したスライド５４を主軸５２側（図で左側）に移動
させる。そして、排気マニホルド２の円筒状突出部１２
ａの端面１３ａと、触媒ケース３の円筒状突出部２２ａ
の端面２３ａとを接触させ、摩擦速度２．０〜４．０ｍ
／ｓ、摩擦圧力５０〜７５ＭＰａ、摩擦時間１５〜６０
ｓとして摩擦発熱させる。摩擦発熱後、電動機５６を停
止し、かつブレーキ５７により主軸５２を急停止させ、
回転方向の位相位置決めを行い、アプセット工程でアプ
セット圧力を付与することで、図４（ｂ）に示すよう
に、接合部９ａの形状を有して固相接合する。

【００５６】これにより、排気マニホルド２と触媒ケー
ス３の接合部９ａの内周側を、接合された外周側の円筒
状突出部１２ａ、２２ａと、内周側の円筒状突出部１２
ｂと、端部１０、２０の端面１１ａ、２１ａとで形成さ
れる空間Ｓで包囲して接合できる。

【００５７】ここで、図６（ａ）〜（ｇ）に排気系部品
の接合方法の数例を示す。図６に示す接合方法は、後述
する接合例（ａ）〜（ｇ）で説明する部分の接合方法が
前述の図４の形態と異なるのみで、その他は図４に示し
た実施の形態と同様で、何れも請求項１に係る発明を示
す。即ち、何れの部材にも、接合される端部に、軸方向
で外側に突出する少なくとも１つ以上の円筒状突出部を
形成し、両方の部材の円筒状突出部同士、または一方の
部材の端部と他方の部材の円筒状突出部、のうち外周側
で相対する端面同士を摩擦圧接で接合することにより、
前記接合された外周側の円筒状突出部と、内周側の円筒
状突出部と、端部の端面と、で形成される空間で、接合
部の内周側を包囲している。

【００５８】（ａ）は、一方の部材の端部１０の内周側
の円筒状突出部１２ｂを他方の部材の端部２０の内壁２
６ｂより内周側に交叉して配置させた接合方法である。
接合部９の近傍で、一方の部材と他方の部材とが交叉し
て挟まれる径方向の隙間Ｅを、接合部９の内周側を包囲
する空間の径方向の隙間Ｃの１／２以下にしている。径
方向で、隙間Ｅを前記空間の隙間Ｃの１／２以下とする
ことで、摩擦圧接の際に飛散する切粉や、接合部の内周
側に発生するバリが排気系部品内部に侵入することを抑
え、内部の部品の損傷を防止できる。円筒状突出部１２
ｂと他方の部材の端部２０の内壁２６ｂとの軸方向での
交叉距離を長くすれば、切粉やバリの侵入をさらに抑制
できる。また、円筒状突出部１２ｂの端面１３ｂは、こ
れに相対する他方の部材の端面などがないので機械加工
は不要である。（ａ）では、一方の部材の端部１０を排
気ガスの流れの下流側に配置してしまうと図中の矢印Ｊ
で示すように高温の排気ガスが通過する際に、排気ガス
が接合部に直接あたり好ましくないので、一方の部材の
端部１０を排気ガスの流れの上流側に配置したほうがよ
い。

【００５９】（ｂ）は、他方の部材の端部２０の円筒状
突出部２２ａを２段に形成して、２つの部材を、軸方向
の隙間Ｄ及び径方向の隙間Ｅの２つの隙間で挟んで、接
合部の内周側を包囲する空間を構成した接合例である。
この場合、図４、図６（ａ）のように、２つの部材を１
箇所の隙間で挟む構成に比較して、さらに切粉やバリの
侵入を抑制できる。

【００６０】（ｃ）は、他方の部材の端部２０に２つの
円筒状突出部２２ａ、２２ｂを形成し、円筒状突出部１
２ｂを円筒状突出部２２ｂの内周側に交叉して配置させ
た接合方法である。接合部を包囲する空間は、円筒状突
出部１２ｂ、２２ｂに２重に包囲されるので、円筒状突
出部が１つの場合に較べて、高温の排気ガスによる接合
部の酸化をより緩和して、耐久性をさらに向上できる。
加えて、２つの部材を軸方向の隙間Ｄ１、Ｄ２及び径方
向の隙間Ｅ、３つの隙間で挟むこととなるので前記図６
（ｂ）よりもさらに切粉やバリの侵入を抑制できる。

【００６１】（ｄ）は、一方の部材の端部の端面と他方
の部材の円筒状突出部の端面を接合する例を示す。この
場合、一方の部材の端部１０と他方の部材の円筒状突出
部２２ａ、または一方の部材の端部２０と他方の部材の
円筒状突出部１２ｂ、の２つの端面の組合せのうち、外
周側で相対する端面１１ａと端面２３を接合している。
また、接合部９の内周側を包囲する空間の径方向の隙間
Ｃを１．０ｍｍ以上として摩擦圧接の際に飛散する切粉
や、接合部の内周側に発生するバリを収容するに十分な
空間を確保している。（ｄ）は、前述の図４の形態に対
して、一方の部材の端部１０の外周側の円筒状突出部１
２ａを形成しないことで、図４の形態に較べ機械加工の
工程を減らせるので、低コストに排気系部品を製造でき
る。

【００６２】（ｅ）は（ａ）の、（ｆ）は（ｂ）の、
（ｇ）は（ｃ）の接合方法に対して、（ｄ）と同様、一
方の部材の端部の端面と他方の部材の円筒状突出部の端
面を接合する例を示す。（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）は、何
れも接合部９の内周側を包囲する空間の径方向の隙間Ｃ
を１．０ｍｍ以上として摩擦圧接の際に飛散する切粉
や、接合部の内周側に発生するバリを収容するに十分な
空間を確保している。また、前述の（ａ）、（ｂ）、
（ｃ）の形態に対して、一方の部材の端部１０の外周側
の円筒状突出部１２ａを形成しないことで、機械加工の
工程を減らせるので、低コストに排気系部品を製造でき
る。

【００６３】本実施の形態１によれば、何れの部材に
も、接合される端部に、軸方向で外側に突出する少なく
とも１つ以上の円筒状突出部を形成することで、２つの
部材を、軸方向及び径方向の１つ以上の隙間で挟んで、
接合部の内周側を包囲する空間を構成することで、摩擦
圧接の際に飛散する切粉や、接合部の内周側に発生する
バリは、これらを収容するに十分に確保された１．０ｍ
ｍ以上の径方向の隙間を有する空間に収容されるととも
に、内周側の円筒突出部に阻まれて排気系部品の内部に
侵入することがなく、触媒ケース内に装着した触媒担体
の損傷を防止できる。また、高温の排気ガスが通過する
際に排気ガスが直接接合部にあたらず、接合部の酸化を
緩和して、耐久性を向上できる。また、最も内周側に配
置される円筒状突出部を有する部材（排気マニホルド
２）の材質をフェライト系耐熱鋳鋼とし、他方の部材
（触媒ケース３）の材質である高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄より
耐酸化性に優れる部材としたので、接合部の内周側を包
囲する効果に加えて、さらに高温の排気ガスによる接合
部の酸化を緩和して、耐久性を向上できる。また、接合
部の肉厚を２．０ｍｍを超える寸法としたので摩擦圧接
時の変形が少ない。また、接合部の形状を円形としたの
で、熱ひずみが接合部の全周にわたって均一にバランス
しやすくなり接合部のき裂の発生を抑制できる。また、
円筒状突出部の付根の隅Ｒ、を０．３ｍｍ以上としたの
で、排気系部品として使用中に、部材に生ずる熱応力
で、前記付根にき裂発生のおそれがない。以上により安
定した接合状態を確保した排気系部品が得られる。

【００６４】（実施の形態２）図２は、排気マニホルド
２と、過給機のハウジング４とを接合部９ｂで摩擦圧接
した排気系部品１の要部断面図である。排気マニホルド
２は、化学成分として質量比で、Ｃ：２．８〜３．４
％、Ｓｉ：３．７５〜５．００％、Ｍｎ：０．６％以
下、Ｓ：０．０２％以下、Ｐ：０．０８％以下、Ｍｇ：
０．０３％以上、Ｍｏ：０．４〜０．７％、その他不可
避的不純物及び残部Ｆｅを含む、Ｍｏを含有する高Ｓｉ
球状黒鉛鋳鉄からなり、シリンダヘッド取付面２ａ、多
数の取付孔２ｂ、４つの排気枝管２ｃ、この排気枝管２
ｃの集合管２ｄなどからなる。

【００６５】一方、過給機のハウジング４は、化学成分
として質量比で、Ｃ：３．０％以下、Ｓｉ：１．０〜
５．５％、Ｍｎ：１．２５％以下、Ｐ：０．０８％以
下、Ｍｇ：０．０３％以上、Ｎｉ：１８．０〜３６．０
％、Ｃｒ：１．６０〜２．７５％、その他不可避的不純
物及び残部Ｆｅを含む、オーステナイト系球状黒鉛鋳鉄
からなり、図示しないタービンブレードを装填するター
ビン車室４ａからなる。

【００６６】排気マニホルド２と過給機のハウジング４
は、耐熱性が要求される場合、フェライト系耐熱鋳鋼、
オーステナイト系耐熱鋳鋼を選択することもできる。一
方、耐熱性が充分であれば、高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄とする
こともできる。また、過給機のハウジング４はオーステ
ナイト系球状黒鉛鋳鉄に代えて、Ｍｏを含有する高Ｓｉ
球状黒鉛鋳鉄とすることもできる。

【００６７】図７は、図２の排気系部品１での接合部９
ｂ近傍の軸心方向片側要部断面図であり、（ａ）は摩擦
圧接前、（ｂ）は摩擦圧接後を示す。図２及び図７で、
過給機のハウジング４及び排気マニホルド２は、何れの
部材も接合される端部に、軸心方向断面視で、軸方向で
外側に突出する円筒状突出部を形成している。

【００６８】図７（ａ）で、過給機のハウジング４の端
部１０には、排気系部品として使用中に排気ガスがあた
る内周側に円筒状突出部１２ｂを、さらにこの円筒状突
出部１２ｂの先端に外周側に向けて伸長する突起部１５
を形成している。過給機のハウジング４の端部１０は、
鋳造後、円筒状突出部１２ｂの肉厚Ｂを２ｍｍに、突起
部１５の径方向の高さＦ１を１．５ｍｍに、軸方向の幅
Ｆ２を３ｍｍに、また、円筒状突出部１２ｂの付根の隅
Ｒ、１４ｂと、突起部１５の付根の隅Ｒ、１４ｃが、何
れも０．３ｍｍとなるように機械加工を施している。ま
た、円筒状突出部１２ｂの端面１３ｂと、端部１０の端
面１１ａにも機械加工を施し、内壁１６ｂは鋳肌のまま
内径を３０ｍｍとしている。

【００６９】一方、図７（ａ）で、排気マニホルド２の
端部２０には、前述の過給機のハウジング４の端部１０
の端面１１ａの外周側に相対する位置に、円筒状突出部
２２ａを形成している。排気マニホルド２の端部２０
は、鋳造後、円筒状突出部２２ａの内径２６ａを４０ｍ
ｍ、肉厚Ａ２を２．１ｍｍの円形に、円筒状突出部２２
ａの付根の隅Ｒ、２４ａを０．３ｍｍとなるように機械
加工を施す。また、円筒状突出部２２ａの端面２３ａ
と、端部２０の端面２１ａにも機械加工を施し、内壁２
６ｂの内径は、過給機のハウジング４の端部１０の内壁
１６ｂの内径と同一とし、鋳肌のまま３０ｍｍとしてい
る。

【００７０】排気マニホルド２と過給機のハウジング４
は、図７（ｂ）に示すように、過給機のハウジング４の
端部１０の端面１１ａと排気マニホルド２の円筒状突出
部２２ａの端面２３ａ、または過給機のハウジング４の
円筒状突出部１２ｂの端面１３ｂと排気マニホルド２の
端部２０の端面２１ａ、の２つの相対する端面の組合せ
のうち、外周側で相対する端面１１ａと端面２３ａを、
後述する摩擦圧接により接合部９ｂとして接合する。

【００７１】摩擦圧接後に構成される空間や隙間の寸法
は、接合部９ｂの内周側を包囲する空間Ｓの径方向の隙
間となるＣを１．０ｍｍ以上の３．０ｍｍとなるよう
に、また、接合部９ｂの近傍で、過給機のハウジング４
の円筒状突出部１２ｂの先端の突起１５と排気マニホル
ド２の円筒状突出部２２ａとが交叉して挟まれる径方向
の隙間Ｅを、接合部９ｂの内周側を包囲する空間Ｓの径
方向の隙間Ｃの１／２以下である１．５ｍｍとなるよう
に、また、接合部９ｂから隙間Ｄまでの距離Ｌ１、Ｌ２
が、夫々１０ｍｍ、１３ｍｍとなるように形成してい
る。接合されない相対する端面である過給機のハウジン
グ４の円筒状突出部の端面１３ｂと、排気マニホルド２
の端面２１ａとで形成される軸方向の隙間Ｄの幅は、前
述の実施の形態１と同様に、接合部と隙間との位置関係
から、接合部９ｂから接合されない端面までの軸方向の
距離Ｌ１，Ｌ２のうち、短いほうの距離Ｌ１（１０ｍ
ｍ）の５０％以下である３ｍｍとなるように形成してい
る。

【００７２】摩擦圧接は、図１１の摩擦圧接装置５１を
用いて、前述の実施の形態１にならって行う。まず、過
給機のハウジング４を摩擦圧接装置５１の取付具５３に
取り付け、排気マニホルド２をスライド５４の取付具５
５に取り付ける。電動機５６を回転してこの回転力を主
軸５２に伝達し、主軸５２を回転させつつスライド５４
を主軸５２側（図で左側）に移動して、過給機のハウジ
ング４の端部１０の端面１１ａと排気マニホルド２の円
筒状突出部２２ａの端面２３ａとを接触させて摩擦速度
２．０〜４．０ｍ／ｓ、摩擦圧力５０〜７５ＭＰａ、摩
擦時間１５〜６０ｓとして摩擦発熱させる。摩擦発熱
後、電動機５６を停止し、かつブレーキ５７により主軸
５２を急停止させ、回転方向の位相位置決めを行い、ア
プセット工程でアプセット圧力を付与することで、図７
（ｂ）に示すように、接合部９ｂの形状を有して固相接
合する。

【００７３】これにより、過給機のハウジング４と排気
マニホルド２の接合部９ｂの内周側を、接合された外周
側の円筒状突出部２２ａと、内周側の円筒状突出部１２
ｂと、突起部１５と、端部１０の端面１１ａと、で形成
される空間Ｓで包囲して接合できる。

【００７４】ここで、図８（ａ）〜（ｄ）に排気系部品
の接合方法の数例を示す。図８に示す接合方法は、後述
する接合例（ａ）〜（ｄ）で説明する部分の接合方法が
前述の図７の形態と異なるのみで、その他は図７に示し
た実施の形態と同様で、何れも請求項２に係る発明を示
す。即ち、何れの部材にも、接合される端部に、軸方向
で外側に突出する少なくとも１つ以上の円筒状突出部を
形成し、何れか１つの前記円筒状突出部に、外周側また
は内周側に向けて伸長する突起部を形成し、両方の部材
の円筒状突出部同士、または一方の部材の端部と他方の
部材の円筒状突出部、のうち外周側で相対する端面同士
を摩擦圧接で接合することにより、前記接合された外周
側の円筒状突出部と、内周側の円筒状突出部と、突起部
と、端部の端面と、で形成される空間で、接合部の内周
側を包囲している。

【００７５】（ａ）は、一方の部材の端部１０の円筒状
突出部１２ｂの途中に外周側に向けて伸長する突起部１
５を形成し、他方の部材の端部２０の円筒状突出部２２
ａを２段に形成した接合方法である。２つの部材を軸方
向の隙間Ｄ１、Ｄ２及び径方向の隙間Ｅ、３つの隙間で
挟んで接合部を包囲する空間を構成することで前述の図
７の形態よりもさらに切粉やバリの侵入を抑制できる。

【００７６】（ｂ）は、一方の部材の端部１０の円筒状
突出部１２ｂの途中に外周側に向けて伸長する突起部１
５を形成した他は、図７の形態と同様にした接合例であ
る。この接合方法では、一方の部材の円筒状突出部１２
ｂの途中に設けた突起部１５と、他方の部材の端部２０
の端面２１ａで挟まれる空間Ｇは、高温の排気ガスが通
過する際に、接合部を包囲する空間Ｓの断熱層として作
用し、接合部の酸化を緩和して、耐久性を向上できる。

【００７７】（ｃ）は、前記図８（ｂ）の形態に対し
て、一方の部材の端部１０の円筒状突出部１２ａに突起
部を形成する代わりに、他方の部材の端部２０の円筒状
突出部２２ａの途中に内周側に向けて伸長する突起部１
５を形成した他は、前記図８（ｂ）の形態と同様にした
接合例である。この接合方法でも、空間Ｇは、高温の排
気ガスが通過する際に、接合部を包囲する空間Ｓの断熱
層として作用する。

【００７８】（ｄ）は、前記図８（ｃ）の形態に対し
て、一方の部材の端部１０の内周側に円筒状突出部１２
ｂを、さらにこの円筒状出部１２ｂの外側（外周側）に
１．０ｍｍ以上の隙間をあけて形成した円筒状突出部１
２ａを形成した他は、前記図８（ｃ）の形態と同様にし
た接合例である。この接合方法でも、空間Ｇは、高温の
排気ガスが通過する際に、接合部を包囲する空間Ｓの断
熱層として作用する。

【００７９】本実施の形態２によれば、何れか１つの円
筒状突出部に、外周側または内周側に向けて伸長する突
起部を形成することで、２つの部材を、軸方向及び径方
向の２つ以上の隙間で挟んで、接合部の内周側を包囲す
る空間を構成することが前記実施の形態１と異なるのみ
で、その他の構成と作用は前記実施の形態１と同様であ
る。即ち、接合部の内周側を包囲することで、摩擦圧接
の際に飛散する切粉や、接合部の内周側に発生するバリ
は排気系部品の内部に侵入することがなく、過給機内部
に装填されるタービンブレードなどの損傷を防止でき
る。また、高温の排気ガスが通過する際に排気ガスが直
接接合部にあたらず、接合部の酸化を緩和して、耐久性
を向上できる。また、最も内周側に配置される円筒状突
出部を有する部材（過給機のハウジング４）の材質をオ
ーステナイト系球状黒鉛鋳鉄とし、他方の部材（排気マ
ニホルド２）の材質であるＭｏを含有する高Ｓｉ球状黒
鉛鋳鉄より耐酸化性に優れる部材としたので、接合部の
内周側を包囲する効果に加えて、さらに高温の排気ガス
による接合部の酸化を緩和して、耐久性を向上できる。
また、接合部の肉厚を２．０ｍｍを超える寸法としたの
で摩擦圧接時の変形が少ない。また、接合部の形状を円
形とし、円筒状突出部と突起部の付根の隅Ｒを０．３ｍ
ｍ以上としたので、き裂の発生を抑制できる。以上によ
り安定した接合状態を確保した排気系部品が得られる。

【００８０】（実施の形態３）図３は、排気マニホルド
２、ディフューザ５、触媒坦体７と緩衝材８を内装した
触媒ケース３、及びディフューザ６を、接合部９ｃ〜９
ｅで摩擦圧接した排気系部品１の要部断面図である。排
気マニホルド２は、化学成分として質量比で、Ｃ：０．
２〜１％、Ｓｉ：２％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｎｉ：８
〜２０％、Ｃｒ：１５〜３０％、Ｎｂ：０．５〜６％、
Ｗ：１〜６％、Ｎ：０．０１〜０．３％、その他不可避
的不純物及び残部Ｆｅを含む、オーステナイト系耐熱鋳
鋼からなり、シリンダヘッド取付面２ａ、多数の取付孔
２ｂ、４つの排気枝管２ｃ、この排気枝管２ｃの集合管
２ｄなどからなる。

【００８１】触媒ケース３は、化学成分として質量比
で、Ｃ：２．８〜３．４％、Ｓｉ：３．７５〜５．００
％、Ｍｎ：０．６％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｐ：
０．０８％以下、Ｍｇ：０．０３％以上、Ｍｏ：０．４
〜０．７％、その他不可避的不純物及び残部Ｆｅを含
む、Ｍｏを含有する高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄からなり、触媒
坦体７及び緩衝材８を装着する内径３ｂからなる。

【００８２】また、排気マニホルド２と触媒ケース３の
異径間を接続するディフューザ５、及び触媒ケース３か
ら図示しない排気パイプに接続するディフューザ６も、
触媒ケース３と同じＭｏを含有する高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄
とする。

【００８３】排気マニホルド２は、耐熱性が充分であれ
ば、オーステナイト系耐熱鋳鋼に代えて、フェライト系
耐熱鋳鋼、オーステナイト系球状黒鉛鋳鉄を選択するこ
ともできる。

【００８４】また、触媒ケース３、ディフューザ５及び
６は、耐熱性が充分であれば、Ｍｏを含有する高Ｓｉ球
状黒鉛鋳鉄に代えて、高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄とすることも
できる。特に温度の低下した排気ガスが通過するディフ
ューザ６は、耐熱性が充分であれば、Ｓｉ含有量の少な
い球状黒鉛鋳鉄とすることもできる。

【００８５】図９は、図３の排気系部品１での接合部９
ｃ〜９ｅ近傍の軸心方向片側要部断面図であり、（ａ）
は摩擦圧接前、（ｂ）は摩擦圧接後を示す。ただし、図
９では、接合部９ｄを代表として示すが、接合部９ｃ及
び接合部９ｅも同様である。図３及び図９で、排気マニ
ホルド２、触媒ケース３、ディフューザ５及び６は、何
れか一方の部材にのみ、接合される端部に、軸方向で外
側に突出する少なくとも１つ以上の円筒状突出部を形成
している。

【００８６】図９（ａ）で、ディフューザ５の端部１０
は、前記実施の形態２と同様に円筒状突出部１２ｂと突
起部１５を形成している。ディフューザ５の端部１０
は、鋳造後、円筒状突出部１２ｂの肉厚Ｂを３ｍｍに、
突起部１５の径方向の高さＦ１を２ｍｍに、軸方向の幅
Ｆ２を５ｍｍに、また、円筒状突出部１２ｂの付根の隅
Ｒ、１４ｂと、突起部１５の付根の隅Ｒ、１４ｃが、何
れも１．０ｍｍとなるように機械加工を施している。ま
た、端部１０の端面１１ａにも機械加工を施し、円筒状
突出部１２ｂの端面１３ｂと内壁１６ｂは鋳肌のまま
で、内壁１６ｂの内径を１３８ｍｍとしている。

【００８７】一方、図９（ａ）で、触媒ケース３の端部
２０は、前記ディフューザ５の端面１１ａの外周側に相
対する位置に、端面２１ａを形成している。触媒ケース
３の端部２０は肉厚Ａ２を５．０ｍｍの円形に形成し、
鋳造後、端面２１ａに機械加工を施し、内壁２６ａの内
径は鋳肌のまま１５０ｍｍとしている。

【００８８】ディフューザ５と触媒ケース３は、図９
（ｂ）に示すようにディフューザ５の端面１１ａと触媒
ケース３の端面２１ａを、後述する摩擦圧接により接合
部９ｄとして接合する。摩擦圧接後に構成される空間や
隙間の寸法は、まず、接合部９ｄの内周側を包囲する空
間Ｓの径方向の隙間となるＣを１．０ｍｍ以上の２．５
ｍｍとなるように、また、接合部９ｄの近傍で、ディフ
ューザ５の円筒状突出部１２ｂの先端の突起１５と触媒
ケース３の端部２０とが交叉して挟まれる径方向の隙間
Ｅを、接合部９ｄの内周側を包囲する空間Ｓの径方向の
隙間Ｃの１／２以下である１ｍｍとなるように形成して
いる。

【００８９】触媒ケース３とディフューザ６との接合部
９ｅ及びディフューザ５と排気マニホルド２との接合部
９ｃは、図９（ａ）に示した構成と同様に形成する。接
合部９ｅで、触媒ケース３の端部は図９（ａ）の端部１
０と同様とし、その内壁１６ｂの内径を鋳肌のまま１５
０ｍｍとしている。ディフューザ６の端部は図９（ａ）
の端部２０と同様とし、その内壁２６ｂの内径を鋳肌の
まま１６２ｍｍとしている。

【００９０】接合部９ｃで、ディフューザ５の端部は図
９（ａ）の端部２０と同様とし、その内壁２６ｂの内径
を鋳肌のまま９２ｍｍとしている。排気マニホルド２の
端部は図９（ａ）の端部１０と同様とし、その内壁１６
ｂの内径を鋳肌のまま８０ｍｍとしている。

【００９１】摩擦圧接は、図１１の摩擦圧接装置５１を
用いて、前述の実施の形態１にならって行う。まず、触
媒ケース３とディフューザ６を接合部９ｅで接合する。
次に、ディフューザ６と摩擦圧接で一体となった触媒ケ
ース３に、触媒坦体７及び緩衝材８を装着した後、触媒
ケース３とディフューザ５を接合部９ｄで接合する。次
に、摩擦圧接で一体となったディフューザ６、触媒ケー
ス３及びディフューザ５と排気マニホルド２を接合部９
ｃで接合する。これにより、排気マニホルド２、ディフ
ューザ５、触媒ケース３、及びディフューザ６の各々の
接合部９ｃ〜９ｅは、図９（ｂ）に代表して示すよう
に、一方の部材（ディフューザ５）の端面１１ａと他方
の部材（触媒ケース３）の端面２１ａとが、接合部９ｄ
の形状を有して固相接合する。

【００９２】これにより、一方の部材（ディフューザ
５）と他方の部材（触媒ケース３）の接合部９ｃ〜９ｄ
の内周側を、接合された外周側の円筒状突出部を形成し
ない部材の端部２０と、内周側の円筒状突出部１２ｂ
と、突起部１５と、端部１０の端面１１ａとで形成され
る空間Ｓで包囲して接合できる。

【００９３】ここで、図１０（ａ）〜（ｃ）に排気系部
品の接合方法の数例を示す。図１０に示す接合方法は、
後述する接合例（ａ）〜（ｃ）で説明する部分の接合方
法が前述の図９の形態と異なるのみで、その他は図９に
示した実施の形態と同様で、何れも請求項３に係る発明
を示す。即ち、何れか一方の部材にのみ、接合される端
部に、軸方向で外側に突出する少なくとも１つ以上の円
筒状突出部を形成し、かつ、一方の部材の前記円筒状突
出部及び／または他方の部材の端部近傍に、外周側及び
／または内周側に向けて伸長する突起部を形成し、両方
の部材の端部同士、または一方の部材の円筒状突出部と
他方の部材の端部、のうち外周側で相対する端面同士を
摩擦圧接で接合することにより、前記接合された外周側
の円筒状突出部を形成しない部材の端部または前記接合
された外周側の一方の部材の円筒状突出部と他方の部材
の端部と、内周側の円筒状突出部と、突起部と、端部の
端面と、で形成される空間で、接合部の内周側を包囲し
ている。

【００９４】（ａ）は、一方の部材の突起部１５に相対
するように、他方の部材の端部２０近傍に内周側に向け
て伸長する突起部２５を形成して、２つの部材を軸方向
の隙間Ｄ及び径方向の隙間Ｅ、２つの隙間で挟んで接合
部を包囲する空間を構成した接合方法である。この場
合、図９のように、２つの部材を１箇所の隙間で挟む構
成に比較して、さらに切粉やバリの侵入を抑制できる。

【００９５】（ｂ）は、前記図９の形態に対して、一方
の部材の円筒状突出部１２ｂに突起部１５を形成する代
わりに、他方の部材の端部２０近傍に内周側に向けて伸
長する突起部２５を形成した他は、前記図９の形態と同
様にした接合例である。

【００９６】（ｃ）は、前記図１０（ｂ）の形態に対し
て、一方の部材の端部１０の内周側に円筒状突出部１２
ｂを、さらにこの円筒状出部１２ｂの外側（外周側）に
１．０ｍｍ以上の隙間をあけて形成した円筒状突出部１
２ａを形成した他は、前記図１０（ｂ）の形態と同様に
した接合例である。（ｃ）では接合された外周側の一方
の部材の円筒状突出部１２ａと、他方の部材の端部２０
と、内周側の円筒状突出部１２ｂと、突起部２５と、端
部の端面１１ａと、で形成される空間で、接合部の内周
側を包囲している。

【００９７】本実施の形態３は、何れか一方の部材にの
み円筒状突出部を形成することが前記実施の形態１と異
なるのみで、その他の構成と作用は前記実施の形態１と
同様であり、安定した接合状態を確保した排気系部品が
得られる。実施の形態３は、何れか一方の部材にのみ円
筒状突出部を形成すればよく、他方の部材の円筒状突出
部を鋳造や機械加工で形成する必要がないので、前記実
施の形態１、２に比較して低コストに排気系部品を製造
できる。

【００９８】

【実施例１】実施の形態１の排気系部品１を、２リット
ル直列４気筒高性能ガソリンエンジンに取付けて、加熱
と冷却を繰り返し耐久性試験を行った。試験条件は、エ
ンジン回転数６０００ｒｐｍでの全負荷運転相当の加熱
１０分と、運転停止しての冷却１０分を１サイクルとし
て２５０時間行った。なお、全負荷時の排気ガス温度は
約９５０℃であった。耐久性試験の結果、接合部にき裂
の発生はなく、接合部９ａから排気ガスの漏れも生じな
かった。

【００９９】

【実施例２】実施の形態２の排気系部品１を、２リット
ル直列４気筒高性能ガソリンエンジンに取付けて、加熱
と冷却を繰り返し耐久性試験を行った。試験条件は、エ
ンジン回転数６０００ｒｐｍでの全負荷運転相当の加熱
１０分と、運転停止しての冷却１０分を１サイクルとし
て２５０時間行った。なお、全負荷時の排気ガス温度は
９００℃であった。耐久性試験の結果、接合部９ｂにき
裂の発生はなく、接合部９ｂからの排気ガスの漏れも生
じなかった。また、実施の形態２の排気系部品１を、２
リットル直列４気筒高性能ディーゼルエンジンに取付け
て、加熱と冷却を繰り返し耐久性試験を行った。試験条
件は、エンジン回転数４０００ｒｐｍでの全負荷運転相
当の加熱１０分と、運転停止しての冷却７分を１サイク
ルとして５００時間行った。なお、全負荷時のメタル温
度は約８００℃であった。耐久性試験の結果、接合部９
ｂにき裂の発生はなく、接合部９ｂから排気ガスの漏れ
も生じなかった。

【０１００】

【実施例３】実施の形態３の排気系部品１を、２リット
ル直列４気筒高性能ガソリンエンジンに取付けて、加熱
と冷却を繰り返し耐久性試験を行った。試験条件は、エ
ンジン回転数６２００ｒｐｍでの全負荷運転相当の加熱
１０分と、運転停止しての冷却１０分を１サイクルとし
て２００時間行った。なお、全負荷時の排気ガス温度は
９８０℃であった。耐久性試験の結果、接合部９ｃ〜９
ｅにき裂の発生はなく、接合部９ｃ〜９ｅからの排気ガ
スの漏れも生じなかった。

【０１０１】

【発明の効果】以上の説明の通り、本発明の２つ以上の
部材を摩擦圧接で接合される排気系部品は、摩擦圧接の
際の切粉の飛散や、接合部の内側に発生するバリを抑
え、例えば触媒ケース内に収納した触媒担体や、過給機
内部に装填されるタービンブレードなどを損傷させず、
また、高温の排気ガスが通過する際に排気ガスが直接接
合部にあたらずに接合部の酸化を緩和し、また、摩擦圧
接時のアプセット圧力に耐えて変形が少なく、また、排
気系部品として使用中にき裂発生を抑制でき、安定した
接合状態を確保できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１の、排気マニホルドと、触媒坦体
と緩衝材を内装した触媒ケースを摩擦圧接した排気系部
品の要部断面図である。

【図２】実施の形態２の、排気マニホルドと、過給機の
ハウジングとを摩擦圧接した排気系部品の要部断面図で
ある。

【図３】実施の形態３の、排気マニホルド、ディフュー
ザ、触媒坦体と緩衝材を内装した触媒ケース、およびデ
ィフューザを摩擦圧接した排気系部品の要部断面図であ
る。

【図４】実施の形態１の、図１の排気系部品での接合部
近傍の軸心方向片側要部断面図であり、（ａ）は摩擦圧
接前、（ｂ）は摩擦圧接後を示す。

【図５】接合部と隙間との位置関係について説明した接
合部近傍の軸心方向片側要部断面図である。

【図６】実施の形態１の、接合例を示す摩擦圧接後の接
合部近傍の軸心方向片側要部断面図である。

【図７】実施の形態２の、図２の排気系部品での接合部
近傍の軸心方向片側要部断面図であり、（ａ）は摩擦圧
接前、（ｂ）は摩擦圧接後を示す。

【図８】実施の形態２の、接合例を示す摩擦圧接後の接
合部近傍の軸心方向片側要部断面図である。

【図９】実施の形態３の、図３の排気系部品での接合部
近傍の軸心方向片側要部断面図であり、（ａ）は摩擦圧
接前、（ｂ）は摩擦圧接後を示す。

【図１０】実施の形態３の、接合例を示す摩擦圧接後の
接合部近傍の軸心方向片側要部断面図である。

【図１１】摩擦圧接装置を模式的に示す側面図である。

【符号の説明】

１：排気系部品 ２：排気マニホルド ３：触媒ケース ４：過給機のハウジング ５、６：ディフューザ ７：触媒担体 ８：緩衝材 ９、９ａ〜９ｅ：接合部 １１ａ、２１ａ：端部の端面 １２ａ、１２ｂ、２２ａ、２２ｂ：円筒状突出部 １３、１３ａ、１３ｂ、２３、２３ａ：円筒状突出部の
端面 １４ａ〜１４ｃ、２４ａ：隅Ｒ １５、２５：突起部 １６ａ、１６ｂ、２６ａ、２６ｂ：内壁 １９ａ、１９ｂ：バリ ５１：摩擦圧接装置 ５２：主軸 ５３、５５：取付具 ５４：スライド ５６：電動機 ５７：ブレーキ ５８：油圧シリンダ Ａ１、Ａ２、Ｂ：肉厚 Ｃ、Ｅ：径方向の隙間 Ｄ：軸方向の隙間 Ｆ１：突起部の高さ Ｆ２：突起部の幅 Ｇ、Ｓ：空間 Ｌ１、Ｌ２：接合部から接合されない端面までの距離

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０１Ｎ 7/10 Ｆ０１Ｎ 7/10 Ｆ０２Ｂ 39/00 Ｆ０２Ｂ 39/00 Ｔ Ｄ (72)発明者 関口 謙一郎 栃木県真岡市鬼怒ケ丘11番地 日立金属株 式会社素材研究所内 (72)発明者 大平 章永 栃木県真岡市鬼怒ケ丘11番地 日立金属株 式会社素材研究所内 Ｆターム(参考） 3G004 AA01 DA02 GA02 3G005 FA13 FA27 FA41 GB24 GB26 HA18 KA07 3G091 AA28 AB01 BA39 GA06 GB01Z HA03 HB01 HB02 4E067 BG00 DA13 DA17 EA07 EB00

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】２つ以上の部材を摩擦圧接で接合される排
   気系部品であって、何れの部材にも、接合される端部
   に、軸方向で外側に突出する少なくとも１つ以上の円筒
   状突出部を形成し、両方の部材の円筒状突出部同士、ま
   たは一方の部材の端部と他方の部材の円筒状突出部、の
   うち外周側で相対する端面同士を摩擦圧接で接合するこ
   とにより、前記接合された外周側の円筒状突出部と、内
   周側の円筒状突出部と、端部の端面と、で形成される空
   間で、接合部の内周側を包囲することを特徴とする排気
   系部品。
2. 【請求項２】請求項１に記載の排気系部品において、何
   れか１つの前記円筒状突出部に、外周側または内周側に
   向けて伸長する突起部を形成し、両方の部材の円筒状突
   出部同士、または一方の部材の円筒状突出部と他方の部
   材の端部、のうち外周側で相対する端面同士を摩擦圧接
   で接合することにより、前記接合された外周側の円筒状
   突出部と、内周側の円筒状突出部と、突起部と、端部の
   端面と、で形成される空間で、接合部の内周側を包囲す
   ることを特徴とする排気系部品。
3. 【請求項３】２つ以上の部材を摩擦圧接で接合される排
   気系部品であって、何れか一方の部材にのみ、接合され
   る端部に、軸方向で外側に突出する少なくとも１つ以上
   の円筒状突出部を形成し、かつ、一方の部材の前記円筒
   状突出部及び／または他方の部材の端部近傍に、外周側
   及び／または内周側に向けて伸長する突起部を形成し、
   両方の部材の端部同士、または一方の部材の円筒状突出
   部と他方の部材の端部、のうち外周側で相対する端面同
   士を摩擦圧接で接合することにより、前記接合された外
   周側の円筒状突出部を形成しない部材の端部または前記
   接合された外周側の一方の部材の円筒状突出部と他方の
   部材の端部と、内周側の円筒状突出部と、突起部と、端
   部の端面と、で形成される空間で、接合部の内周側を包
   囲することを特徴とする排気系部品。
4. 【請求項４】請求項１乃至請求項３何れか１項に記載の
   排気系部品において、一方の部材と他方の部材が異なる
   材質であって、前記円筒状突出部のうち、最も内周側に
   配置される円筒状突出部を有する部材が、他方の部材よ
   り耐酸化性に優れる部材からなることを特徴とする排気
   系部品。
5. 【請求項５】請求項１乃至請求項４何れか１項に記載の
   排気系部品において、摩擦圧接で接合する接合部の形状
   が円形であり、その接合部の肉厚が２．０ｍｍを超え２
   ０ｍｍ以下であることを特徴とする排気系部品。
6. 【請求項６】請求項１乃至請求項５何れか１項に記載の
   排気系部品において、前記接合部の内周側を包囲する空
   間の径方向の隙間が１．０ｍｍ以上であることを特徴と
   する排気系部品。
7. 【請求項７】請求項１乃至請求項６何れか１項に記載の
   排気系部品において、前記円筒状突出部及び／または前
   記突起部の付根に少なくとも０．３ｍｍ以上の隅Ｒを有
   することを特徴とする排気系部品。
8. 【請求項８】請求項１乃至請求項７何れか１項に記載の
   排気系部品において、接合されない前記相対する端面の
   軸方向の隙間の幅が、２つの部材の接合部から接合され
   ない端面までの軸方向の距離のうち、どちらか少ない部
   材の前記距離の５０％以下であることを特徴とする排気
   系部品。
9. 【請求項９】請求項１乃至請求項８何れか１項に記載の
   排気系部品において、接合部の近傍で、一方の部材と他
   方の部材とが交叉して挟まれる径方向の隙間が、前記接
   合部の内周側を包囲する空間の径方向の隙間の１／２以
   下であることを特徴とする排気系部品。
10. 【請求項１０】請求項１乃至請求項９何れか１項に記載
    の排気系部品において、その材質が、球状黒鉛鋳鉄、高
    Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄、Ｍｏを含有する高Ｓｉ球状黒鉛鋳
    鉄、オーステナイト系球状黒鉛鋳鉄、フェライト系耐熱
    鋳鋼、またはオーステナイト系耐熱鋳鋼から選択される
    ことを特徴とする排気系部品。
11. 【請求項１１】請求項１乃至請求項１０何れか１項に記
    載の排気系部品において、何れか一方の部材が、排気マ
    ニホルド、過給機のハウジング、触媒ケース、ディフュ
    ーザ、又は締結フランジであることを特徴とする排気系
    部品。