JP2004136324A

JP2004136324A - 複合化用予備成形体及びそれを備えた砂型の製造方法

Info

Publication number: JP2004136324A
Application number: JP2002303103A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Fukumoto; 福本　康博; Makoto Otsuka; 大塚　真; Nobuyuki Oda; 小田　信行
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2002-10-17
Filing date: 2002-10-17
Publication date: 2004-05-13

Abstract

【課題】砂型成形時に砂が予備成形体内に混入することを防止する。
【解決手段】砂中子６におけるシリンダボア内壁部を画定する円筒部６ａの外周面には、アルミニウム合金からなる溶湯が含浸されて母材と複合化される円筒状の複合化用予備成形体７が嵌合・保持されている。また、複合化用予備成形体７の内壁部であって、砂中子６に設置される部位には、通気性を有すると共に複合化用予備成形体７の気孔内への鋳型砂の混入を防止する防止層７ａが形成されている。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばアルミニウム合金製シリンダブロックのシリンダボア部に複合化される複合化用予備成形体及びそれを備えた砂型の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム合金製シリンダブロックにおけるピストン及びピストンリングが摺動するシリンダボア部には、耐摩耗性を確保するために鋳鉄製のライナ部材が鋳包み或いは圧入されている。
【０００３】
しかしながら、鋳鉄製のライナ部材を鋳包み或いは圧入する方法ではシリンダブロックの軽量化やアルミニウム合金の高い熱伝導性を生かすことができない。
【０００４】
シリンダブロックの軽量化が十分達成されないのは、ライナ部材自体が鋳鉄製であることによる重量増に加え、シリンダブロック本体側にライナ部材を保持するための鋳包み代、或いは圧入代が必要となるためシリンダボア間に厚みが必要となり、シリンダボア間のピッチを縮小させることができず、シリンダブロックのコンパクト化を阻害するためである。
【０００５】
また、高い熱伝導性を生かしきれないのは、鋳包みや圧入は冶金的な接合ではなく機械的嵌合であり、シリンダブロック本体とライナ部材との間に熱伝達上のギャップが生じるためである。
【０００６】
そこで、シリンダブロックの軽量化を促進し、高い熱伝導性を生かしてエンジン性能を向上させるために、鋳鉄製ライナ部材を廃したアルミニウム合金製シリンダブロックが開発され実用化されている。
【０００７】
特に、アルミニウム合金母材に予備成形体を複合化することによって材料特性（主に耐摩耗性）を向上させる手法における当該予備成形体の材料として、セラミック短繊維（アルミナ短繊維等）やカーボン短繊維等が知られている。
【０００８】
従来の複合化方法として、シリンダブロックのウォータジャケット部の形状に対応する表面を有する砂中子を純Ａｌとアルミナ短繊維からなる被覆材料で被覆し、砂中子を鋳型にセットして溶湯を注湯することでウォータジェケットの壁面に上記被覆材料を実質的にそのままの状態にて残留させてシリンダブロックを製造する、所謂転写法と呼ばれる鋳造法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開平５−２４５６１５号公報
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記複合化方法では、例えば、シリンダボア中子を成形する際には、多孔質の予備成形体を中子金型にセットし、中子砂を所定圧力でブローすることでシリンダボア中子に予備成形体を支持させる構造となるが、採用され得る予備成形体の気孔径が比較的大きいためこの中子砂のブロー時に中子砂が予備成形体の気孔部に入り込んだ状態となり、鋳造後（複合化後）のシリンダボア内面にも砂中子が残存してしまうことになる。
【００１０】
このため、鋳造後の後工程であるシリンダボア面の機械加工において、ブロー時に混入した砂と刃物が接触して摩耗が促進され、工具寿命が低下するといった課題がある。
【００１１】
また、一般に、砂中子の成形後に予備成形体を当該砂中子の所定部位に嵌め込んで保持させようとした場合には、砂中子と予備成形体との嵌め合い寸法のバラツキによって砂中子が崩壊したり、クラックが入って溶湯が砂中子表面に差し込む原因となる。また、中子が複雑な形状の場合には予備成形体を嵌め込むことができないという問題もある。
【００１２】
また、アルミニウム合金母材と予備成形体の複合性を改善するため予備成形体を注湯直前に予熱する際には、金属質の予備成形体であればシリンダボア中子を介して電磁誘導で加熱することができるが、採用され得る予備成形体の体積率が小さいため、熱効率が悪い上、温度低下も大きいことから、予備成形体の予熱温度を十分に上昇させることができず、複合性の改善が十分行えないといった課題がある。
【００１３】
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その目的は、砂型成形時に当該砂型を構成する砂が予備成形体内に混入することを防止できる複合化用予備成形体及びそれを備えた砂型の製造方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決し、目的を達成するため、本発明の複合化用予備成形体は、砂に圧力を付与して砂型を成形することにより当該砂型に設置される複合化用予備成形体であって、前記砂型に設置される部位に、通気性を有すると共に、前記砂型を構成する砂の混入を防止する防止層を形成した。
【００１５】
また、好ましくは、上記複合化用予備成形体において、前記防止層は、前記予備成形体に溶湯を含浸する際の熱により焼失する素材からなる。
【００１６】
また、好ましくは、上記複合化用予備成形体において、前記防止層は、磁性材料を含有してなる。
【００１７】
本発明の複合化用予備成形体を備えた砂型の製造方法は、砂に圧力を付与して砂型を成形することにより当該砂型に設置される複合化用予備成形体を備えた砂型の製造方法であって、前記複合化用予備成形体の前記砂型に設置される部位に、通気性を有すると共に、前記砂型を構成する砂の混入を防止する防止層を形成し、前記防止層が形成された予備成形体を砂型成形用の型内の保持位置に設置し、前記予備成形体と砂型との間に前記防止層が介在するように砂型を成形する。
【００１８】
【発明の効果】
以上のように、請求項１及び４の発明によれば、複合化用予備成形体の砂型に設置される部位に、通気性を有すると共に、前記砂型を構成する砂の混入を防止する防止層を形成し、防止層が形成された予備成形体を砂型の型内の保持位置に設置し、予備成形体と砂型との間に防止層が介在するように砂型を成形することにより、砂型成形時に砂が予備成形体内に混入することを防止でき、例えば、鋳造後の後工程であるシリンダボア面の機械加工において、砂中子の造型時に混入した砂と刃物が接触することによる工具寿命の低下を防止できる。また、防止層が通気性を有することで、予備成形体中で溶湯と置換されるエアやレジンが燃焼して発生するガスの排出を阻害することもなくなる。
【００１９】
請求項２の発明によれば、防止層は、予備成形体に溶湯を含浸する際の熱により焼失する素材からなることにより、後工程にて除去する手間が省け、生産性を向上させることができる。
【００２０】
請求項３の発明によれば、防止層は、磁性材料を含有してなることにより、予備成形体の熱容量が小さく、また、その材料が非磁性材料であったとしても、溶湯含浸時前に効率よく電磁加熱することができ、予備成形体への砂の混入を防止しつつ、溶湯の含浸性をよくできる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
尚、以下に説明する実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で下記実施形態を修正又は変形したものに適用可能である。また、本発明の砂型には、溶湯を注入する鋳造用砂型のほか、この鋳造用砂型内部に設置される砂中子を含むものである。
【００２３】
［鋳造用砂型］
図１は、本実施形態として例示する鋳造用砂中子が配置されたシリンダブロック鋳造用砂型の断面図である。図２は、本実施形態として例示する鋳造用砂中子を製造するための中子型の断面図である。図３は、本実施形態の鋳造用砂型により成形されたシリンダブロックの断面図である。
【００２４】
図１に例示する鋳造用砂型は、自動車用エンジンにおけるアルミニウム合金製のシリンダブロックの低圧鋳造に用いられる。鋳造用砂型は、一対の上型１及び下型２とを有し、型内部に形成されたキャビティ３には砂中子６が配置される。
【００２５】
図３に示すように、本実施形態の低圧鋳造法により製造されるシリンダブロック２０は、シリンダボア内壁部に複合化層２１が形成された、所謂ライナレスシリンダブロックであり、ライナを無くしたことでシリンダボア間が短縮され、シリンダボア径の拡大やシリンダブロックの軽量化、小型化を図ることができる。
【００２６】
上型１及び下型２により形成されるキャビティ３はシリンダボア及びクランクケースの外壁部に対応する転写形状３ａを有し、キャビティ３に配置される砂中子６はシリンダボア及びクランクケースの内壁部に対応する転写形状６ａを有し、上型１がクランクケースとシリンダボアを画定し、下型２がシリンダボア上端部を画定するように実際のエンジンの配置とは上下が反対になってキャビティ３が形成されている。
【００２７】
下型２にはキャビティ３に連通して溶湯を充填するための湯口４と、この湯口４に連通する溶湯通路５とが設けられ、不図示の圧縮空気や電磁ポンプなどの低圧鋳造に用いられる装置を用いて溶湯を湯口４まで圧入させ、湯口４からキャビティ３内に導入させる。
【００２８】
砂中子６におけるシリンダボア内壁部（シリンダライナ）を画定する円筒部６ａの外周面には、軽合金材料としてのアルミニウム合金からなる溶湯が含浸（溶浸）されて母材と複合化される円筒状の複合化用予備成形体７が嵌合・保持されている。また、複合化用予備成形体７の内壁部であって、砂中子６に設置（保持）される部位には、通気性を有すると共に複合化用予備成形体７の気孔内への鋳型砂の混入を防止する防止層７ａが形成されている。
【００２９】
本実施形態の鋳造では、上記防止層７ａが形成された複合化用予備成形体７を外嵌・保持させた砂中子６を上下型１，２におけるキャビティ３内の所定位置に設置し、下記鋳造条件に従い、溶湯を電磁ポンプにより０．１−０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２に加圧・保持して複合化用予備成形体７に溶湯を含浸させる。また、防止層７ａが通気性を持つことで、複合化用予備成形体７中で溶湯と置換されるエアやレジンが燃焼して発生するガスの排出が阻害されることなく複合化及び鋳造が行われる。
【００３０】
＜鋳造条件＞
鋳造法：砂型低圧鋳造（電磁ポンプにより加圧）
材質（母材）：ＪＩＳＡＣ２Ｂ相当（Ａｌ−３Ｃｕ−６Ｓｉ）のアルミニウム合金
鋳込み温度：７５０℃
シリンダボア部における溶湯の加圧力：０．０７−０．３５ｋｇｆ／ｃｍ^２
＜複合化用予備成形体＞
材質：金属多孔体（Ｆｅ−１８Ｃｒ−８Ｎｉ）
セル径：０．３８ｍｍ以上
［中子型］
図２に例示する中子型は、一対の上型１１及び下型１２とを有し、型内部に形成されたキャビティ１３には複合化用予備成形体７が配置される。
【００３１】
上型１１及び下型１２により形成されるキャビティ１３は砂中子６の外壁部に対応する転写形状１３ａを有し、キャビティ１３内に配置される中子１６は砂中子６の空洞部６ｂに対応する転写形状を有している。
【００３２】
上下型１１，１２にはキャビティ１３に連通して砂を充填するための充填口１４が設けられ、砂を充填口１４からアミンガスと共に圧入して複合化用予備成形体７を外嵌・保持する。
【００３３】
上述したように、複合化用予備成形体７としての金属多孔体の内壁部には、図４に示すように、砂中子６を成形する前に、鋳型砂の粒径よりも小さな孔が開いた通気性のある防止層（膜）７ａが形成されており、砂中子６の成形時において複合化用予備成形体７と砂中子６との間に防止層７ａを介在させることで中子砂が金属多孔体の気孔内に混入するのを防止している。
【００３４】
この防止層７ａは、例えば、エアは通すが砂は通さない粒子保持能が１０〜２０μｍ程度の紙や布などを貼り付けるか、若しくは塗型剤を塗布することにより金属多孔体の内壁部に予め形成されており、鋳造時の溶湯の熱によって燃焼ガス化するか、離型後に複合化層から容易に剥離できる素材からなる。
【００３５】
燃焼ガス化することにより、後工程にて除去する手間が省け、生産性を向上させることができる。
【００３６】
防止層７ａは、具体的には、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＭｇＯなどを成分とするアルミニウム合金鋳造用塗型剤であって、通気性を持たせるために、粒度５０〜２００μｍにしたものを水又はエタノールで希釈した溶液を金属多孔体の内壁部にスプレーによる吹き付けや刷毛で塗布し、その後自然乾燥又は加熱乾燥して通気性のある防止層が形成される。
【００３７】
更に、防止層７ａに強磁性体の金属（例えば、鉄粉）を含有させてもよく、これにより、溶湯を注入する直前の金属多孔体の電磁誘導による加熱効率を高められ、金属多孔体の温度を高くして溶湯の含浸性をよくして強固に複合化することができる。
【００３８】
強磁性体を含有させることで、複合化用予備成形体７の熱容量が小さく、また、その材料が非磁性材料であったとしても、溶湯含浸時前に効率よく電磁加熱することができ、複合化用予備成形体への砂の混入を防止しつつ、溶湯の含浸性をよくできる。
【００３９】
防止層７ａに強磁性体の金属（例えば、鉄）を含有させるためには、具体的には、上記塗型剤に同等粒度の鉄粉を混合し、同様に塗布して乾燥させればよい。
【００４０】
また、金属多孔体の電磁誘導による加熱は、図５に示すように、砂中子６の内部に外部に通じる中空状の空洞部６ｂを形成し、溶湯の注入直前に空洞部６ｂに電磁誘導コイル８を挿入して砂中子６を介して電磁誘導により加熱すればよい。上記実施形態によれば、砂中子造型時における複合化用予備成形体７の気孔内への鋳型砂の混入を防止でき、鋳造後の後工程であるシリンダボア面の機械加工において、砂中子の造型時に混入した砂と刃物が接触することによる工具寿命の低下を防止できる。また、防止層７ａが通気性を有することで、複合化用予備成形体中で溶湯と置換されるエアやレジンが燃焼して発生するガスの排出を阻害することもない。
【００４１】
本実施形態の砂中子６は、下記造型条件に従い、複合化用予備成形体７の砂中子６に保持される部位に防止層７ａを形成した後、防止層７ａが形成された複合化用予備成形体７を砂中子の型内の保持位置に設置し、アミンガスに反応して硬化する硬化剤を混ぜ込んだ砂を充填口１４から圧入してアミンガスを吹き付けることにより複合化用予備成形体７を外嵌・保持した状態で硬化させて造型される。
【００４２】
［造型条件］
造型法：コールドボックス（アミンガスにより硬化）
砂種：シリカサンド
粒度：ＡＦＳ６５〜７３（平均径０．２〜０．３ｍｍ）
多孔体としては、金属多孔体以外に、セラミック多孔体、ステンレス等からなる金属繊維材等も適用できる。金属繊維材としてはステンレス以外に、タングステン、モリブデン、炭素鋼等もあるが、ステンレス繊維材が最も強度が高くしかも安価なので実用的である。
【００４３】
以上が本発明の実施の形態の説明であるが、本発明により製造されるアルミニウム合金鋳物は、上述した実施形態のような低圧鋳造法によるシリンダブロックに限られず、他の耐摩耗性及び軽量化を必要とする部品にも適用できる。また、本発明によれば、アルミニウム合金以外に、例えばマグネシウム合金等の他の軽合金鋳物にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態として例示する鋳造用砂中子が配置されたシリンダブロック鋳造用砂型の断面図である。
【図２】本実施形態として例示する鋳造用砂中子を製造するための中子型の断面図である。
【図３】本実施形態の鋳造用砂型により成形されたシリンダブロックの断面図である。
【図４】本実施形態の砂中子の保持される複合化用予備成形体を示す図である。
【図５】本実施形態において金属多孔体を電磁誘導により加熱するための装置及び方法を示す図である。
【符号の説明】
１　上型
２　下型
３　キャビティ
４　湯口
６　砂中子
７　複合化用予備成形体
７ａ　防止層
１１　上型
１２　下型
１３　キャビティ
１４　充填口
２０　シリンダブロック
２１　複合化層

Claims

砂に圧力を付与して砂型を成形することにより当該砂型に設置される複合化用予備成形体であって、
前記砂型に設置される部位に、通気性を有すると共に、前記砂型を構成する砂の混入を防止する防止層を形成したことを特徴とする複合化用予備成形体。
前記防止層は、前記予備成形体に溶湯を含浸する際の熱により焼失する素材からなることを特徴とする請求項１に記載の複合化用予備成形体。
前記防止層は、磁性材料を含有してなることを特徴とする請求項１に記載の複合化用予備成形体。
砂に圧力を付与して砂型を成形することにより当該砂型に設置される複合化用予備成形体を備えた砂型の製造方法であって、
前記複合化用予備成形体の前記砂型に設置される部位に、通気性を有すると共に、前記砂型を構成する砂の混入を防止する防止層を形成し、
前記防止層が形成された予備成形体を砂型成形用の型内の保持位置に設置し、
前記予備成形体と砂型との間に前記防止層が介在するように砂型を成形することを特徴とする複合化用予備成形体を備えた砂型の製造方法。