JP2004351472A - 繊維強化アルミニウム合金ピストンの製造法 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンの高温強度を向上させる目的でプリフォ−ムを用い強度を増す製造法として、気体加圧による低圧鋳造法、或いは、合金溶湯に直接、高圧を掛ける高圧鋳造法等が実施されきたが、製造コストと複合材としての品質の両面を満足させる鋳造法の確立にはいたっていない。
【解決手段】空気加圧による低圧鋳造において、金型への注湯終了１秒後より加圧を開始し、徐々に加圧圧力を増加させることによりアルミニウム合金溶湯が高温度、低粘度の時からフラッシュさせることなく加圧可能となり繊維強化材プリフォ−ム空隙内へのアルミニウム溶湯の含浸率を向上させることができる小型で、安価な製造方法を提供する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関用ピストンの部分強化製造法としての、繊維強化アルミニウム合金ピストン鋳造法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用などの高出力ガソリン機関や高速ディ−ゼル機関に用いられる軽合金製ピストンでは、第１ピストンリング溝の摩耗が激しかったり、ピストン頭部が高温疲労による損傷を受ける。そこでこれら部位を部分的に強化する方法が実施されている。第１ピストンリング溝に鋳鉄製耐摩耗リングとか、ピストン頭部の強化法として、金属繊維等を組み合わせたプリフォ−ムを鋳込む等の対策が講じられた。しかし異種金属等を鋳込むため、気孔の発生など鋳造欠陥が基本的な課題であった。対策として金属繊維、金属粉末を組み合わせて成るプリフォ−ムにアルミニウム合金溶湯を含浸させるために、７００〜８００℃のアルミニウム合金溶湯を金型に注湯し、油圧式の加圧プランジャによって３００〜１２００気圧の圧力（物によっては最大２０００気圧となる）で加圧し、溶湯が完全に凝固するまで加圧を続ける、いわゆるスクイズキャストする高圧鋳造法がある。（例えば、特許文献１参照）。
その他、金型内にアルミニウム合金溶湯を鋳込んだ直後、湯口と押し湯部を閉鎖し、押し湯部から５０気圧以下の不活性気体により加圧して、繊維強化材の空隙部にアルミニウム合金溶湯を含浸させる低圧鋳造法が提案されている。（例えば、特許文献２参照）
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−１０４９３０号公報（第７頁、第６図）
【特許文献２】
特許公報平２−２５７００号公報（第６頁、第５図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
自動車エンジン用ピストンの高温強度を向上させる目的で各種繊維、粒子から構成されるプリフォ−ムを用いて強度を増す製造法において、重力金型鋳造とか、気体加圧による低圧鋳造法、或いは、アルミニウム合金溶湯に直接、高圧を掛ける高圧鋳造法等により、プリフォ−ム内の空間にアルミニウム合金溶湯が容易に浸透し、気孔などの鋳造欠陥が発生しないように、プリフォ−ム内のアルミニウム合金含浸率向上のために種々工夫されてきた。従来技術として上記した種々の方法においても下記の如く課題を多く持っている。
【０００５】
特許文献１で引用した、スクイズキャストする高圧鋳造法の技術課題は、高圧力を溶湯が凝固するまで持続して付加するため、当然大型で高価なプレス機が必要になる。それに従い金型も高圧に耐える構造となり、複雑で高価な鋳造機となる。また、高圧力であるため、繊維構造体であるプリフォ−ムが破壊されやすく、変形、圧縮率のバラツキ、鋳型内での位置ずれ等が起こる確率が増え、不良率が高く成りやすい課題を有している。
【０００６】
特許文献２で引用した技術は、前記、高圧鋳造法の種々の技術的課題を解決するためのものであるが、この低圧鋳造法では、一般的に鋳造装置は重力鋳造用の鋳造機および金型を使用しているため加圧タイミングが早いと注湯口などからフラッシュする可能性が高く、注湯後しばらくして加圧することが一般的である。そのため湯温低下などによりプリフォ−ム内の空隙部内にアルミニウム合金溶湯が含浸されにくく、体積率１５％以下のプリフォ−ムを用いるか、アルミニウム合金溶湯との濡れ性をよくするためプリフォ−ムを構成する材料に、例えば、銅などの表面処理を行う等の使用上の制約が多く、実用性からの課題がある。
【０００７】
以上引用したような種々の従来技術は、生産技術として一長一短が有り、製品として高機能、高信頼性を実現し、製造装置として小型、低廉、高生産性であると言う両面の課題を解決できる製造法とは言い難い。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
真空ポンプでキャビティー内を吸引減圧状態にした後、気体加圧を行う低圧鋳造機であって、頭部押し湯部から加圧を行う鋳造法において、アルミニウム合金溶湯の注湯終了直後に湯口ゲート狭窄部に金型内に設けられた冷却水通路に冷却水を流し、この部分のアルミ溶湯を急速冷却する。湯口狭窄部が凝固し始める、注湯後１〜３秒以内で金型キャビティ内アルミニウム合金溶湯が出来るだけ高温度のうちに、０．３〜２Ｋｇｆ／ｃｍ^２のごく低圧で加圧を開始する。時間経過とともに注湯口のアルミ溶湯が固形化してくるからそれに伴い頭部押し湯部からの加圧圧力を徐々に高くして注湯後５秒後には６〜２０ｋｇｆ／ｃｍ^２の最大圧力とする。注湯直後のアルミニウム合金溶湯が高温度で低粘度のうちに加圧することでプリフォーム内にアルミニウム合金溶湯が容易に浸透し内部の空気を確実に押し出す事で複合部に気孔の少ない機械的特性に優れた製品を得ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、ピストン鋳造装置の概念構成図を示している。一般的な気体加圧低圧鋳造では、上型１７と下型１６で形成される金型キャビティ−に湯口６より注湯後５秒から１０秒後に上型１７に設けられた押し湯部７から矢印の方向に２気圧から２０気圧の空気加圧を行うことでプリフォ−ム２内の空気を押し出しアルミニウム溶湯をプリフォ−ム２内に充填して複合材を得る。
【００１０】
上記工程に加えて、アルミニウム溶湯の金型キャビティ−内への注湯に先立ち真空ポンプ１４により吸引減圧経路３の空気の流れ方向４の方向に金型キャビティ−内の空気を吸引減圧状態にする。この状態で注湯するとアルミニウム溶湯は吸引減圧経路３に直接入り吸引減圧経路３を詰まらせてしまうので、ピストン素材１の頭部で吸引減圧経路３の入り口近くにアルミニウム溶湯と接すれば冷却固化してしまうフィルタ−５を設置する。
【００１１】
金型キャビティ内が減圧状態で注湯口６より注湯する。注湯終了とともに湯口部金型の冷却通路１０に冷却水を流し、湯口部のアルミ溶湯を急速凝固させる。アルミ溶湯の凝固が開始する注湯後１〜３秒後に頭部加圧経路のバルブ１１を開き０．３〜２ｋｇｆ／ｃｍ^２の低圧空気で頭部押し湯８を加圧する。さらに時間経過とともに空気による加圧圧力を徐々に上昇させ５秒後には、６〜２０ｋｇｆ／ｃｍ^２の通常の低圧鋳造の加圧圧力とする。湯口ゲート狭窄部９の冷却水はこの時点では不要となるので抜き取る。
【００１２】
真空ポンプによるキャビティ内の吸引減圧、吸引の停止、冷却水の流通及び抜き取り、さらに頭部押し湯部に対しては可変圧力制御装置１３により加圧を行うが、これら一連の制御は、制御装置１５によりプログラム自動制御される。
【００１３】
図２は、ピストン母材であるＪＩＳＡＣ８Ａ材を７８０から８００℃で溶解した後、フラックスにより非金属介在物やガス除去の溶湯処理を行い、更にアルゴンガスバブリングにより脱ガスを完全に行う。鋳造用金型、上型１７，下型１６等を組み付けセットした後ＡＣ８Ａ材による捨て打ちを３回から５回行い、金型温度を２５０から３００℃とする。金型が所定の温度になったなら予熱されたプリフォ−ム２を金型にセットする。
【００１４】
金型への注湯に先立ちプリフォ−ム２内の空気を吸引除去する目的で真空ポンプ１４によりフィルタ５を介して吸引経路３から金型内の空気を吸引除去して減圧させる。続いてピストン母材であるＡＣ８Ａ材を保持炉から杓ですくい外型の注湯口６より注湯する。注湯終了とともに金型狭窄部９の冷却水通路１０に冷却水を流し、アルミ溶湯を強制冷却して凝固を早める。注湯終了後１秒から３秒後に上型１７の押し湯部７へ０．３ｋｇｆ／ｃｍ^２から２ｋｇｆ／ｃｍ^２の空気圧で加圧を行い繊維強化材のプリフォ−ム２の内部にアルミニウム溶湯を充填を開始させる。さらに注湯後５秒まで加圧圧力を連続的に変化させ、５秒後には６〜２０ｋｇｆ／ｃｍ^２の通常の低圧鋳造の加圧を２０秒から４０秒間行う。その後、凝固時間を経てピストン素材１を取り出す。素材が冷却した後、ハツリを行い、熱処理後機械加工によりピストンに成型する。
【００１５】
図３は、高負荷ガソリンエンジン用ピストンに本発明の技術を採用した実施例のピストンの断面図を示す。ピストン頭部１ａの強化材となる複合部のプリフォ−ム２の位置を示している。実施例の強化材は鉄系金属細繊維で構成されたプリフォ−ム２にピストン母材であるＡＣ８Ａ材を含浸させたものである。金属細繊維の体積率は２５％のものを用いた。ピストン頭部１ａにはピストンピンボス１８，ピストンピン穴１９が連続形成されており、形状が複雑であり、高温・高負荷・高サイクルの燃焼圧力が矢印の方向に付加される。この時、応力集中や高い引張り、圧縮応力が発生するが、これをプリフォ−ム２からなる複合材が吸収、緩和して高温疲労強度を向上させる。
【００１６】
図４は、ピストン頭部１ａを上から見たプリフォ−ム２の位置を示す。溶湯の加圧ははプリフォ−ム２の両側面の開口部とスリット２０を通路として行われる。
【００１７】
図５は、吸引減圧、注湯開始、空気加圧のタイミング、および可変加圧の概念図である。金型が所定の温度に予熱されていることを確認した後、注湯開始の約１０秒前より金型内の吸引減圧を開始する。注湯が開始され湯口が塞がれると金型キャビティ−内は約−０．０９０Ｍｐａ程度まで減圧されることが確認されている。減圧状態で注湯が続行されるとプリフォ−ム内に溶湯が含浸されるところまでは行かないが、注湯後１〜３秒後に空気加圧経路６からキャビティ内の溶湯が高温度で低粘度の時から押し湯８の頭部に加えることで容易にプリフォ−ム２の空隙内に溶湯が浸透して複合部に気孔などのアルミニウム合金未含浸による鋳造欠陥を少なくすることが可能となる。その具体的効果は図６，図７を用いて後述する。
【００１８】
【発明の効果】
本発明による繊維強化アルミニウム合金製ピストンの鋳造法は、低圧鋳造の欠点であるプリフォーム内への溶湯の浸透性を著しく改善したもので、従来の低圧鋳造法より気孔発生など品質面の改良のみならず、プリフォームの応用範囲も広げることが可能となった。また前記の高圧鋳造法の欠点としての、大型で複雑な鋳造機、プリフォムの破壊、変形、圧縮率のバラツキ、等を解決し、低コストと高品質・高機能性を両立させる実用性に優れた鋳造技術を提案することが出来た。次にその効果を、「可変加圧の有無と気孔率の関係」と「気孔率と高温度疲労強度の関係」において、具体的に述べる。
【００１９】
「１秒後より可変加圧の有無と気孔率の関係」を図６により説明する。従来の低圧鋳造法と本発明による注湯終了１秒後より可変加圧による低圧鋳造法の比較において、鋳造後のプリフォ−ムの気孔の割合からアルミニウム合金の含浸の程度を評価した。従来の低圧鋳造と本発明の鋳造法とで気孔率を複数個のサンプルの平均値で比較すると、本発明の鋳造法の方が約ニ分の一であり含浸の程度が良好であることが判明した。
【００２０】
「気孔率と高温度疲労強度の関係」を図７により説明する。従来の低圧鋳造法と本発明の加圧条件による鋳造法とにおいて、鋳造後のプリフォ−ムの気孔率と高温疲労強度の関係を評価した。ピストン頭部から切り出したテストピースにより温度３００℃で破断にいたるまでの繰り返し回数を評価した。結果、本発明で得た気孔率の小さい鋳造品の方が大幅に高温疲労強度を改善していることが証明された。本発明が、高温、高負荷に対応した機械特性を持った繊維強化アルミニウム合金ピストンの製造を確実なものとした。
【図面の簡単な説明】
【図１】ピストン鋳造装置の概念構成図である。
【図２】ピストン鋳造作業の工程を説明する図である。
【図３】ピストン頭部の断面図である。
【図４】ピストン頭部の上面図である。
【図５】吸引減圧、注湯開始、空気加圧のタイミング関係の説明図である。
【図６】減圧の有無と気孔率の関係の説明図である。
【図７】気孔率と高温度疲労強度の関係の説明図である。
【符号の説明】
１ ピストン素材
１ａ ピストン頭部
２ プリフォ−ム
３ 吸引減圧経路
４ 空気の吸引方向
５ フィルタ−
６ 湯口
７ 押し湯部
８ 押し湯
９ 湯口ゲート狭窄部
１０ 冷却水通路
１１ 加圧用バルブ
１２ 加圧経路
１３ 可変加圧制御装置
１４ 真空ポンプ
１５ 制御装置
１６ 下型
１７ 上型
１８ ピストンピンボス
１９ ピストンピン穴
２０ スリット

Claims (2)

1. 金属繊維、セラミック繊維、セラミックウイスカ、セラミック粒子、或いはこれらの混合物で構成されたプリフォ−ムの空隙内へアルミニウム合金溶湯の含浸率向上の方法として、真空ポンプでキャビティ−内を吸引減圧状態にした後に頭部押し湯部から空気加圧する低圧鋳造方法において、注湯直後１秒から３秒の短時間で加圧を開始し、加圧終了まで連続的に加圧圧力を変化させてプリフォーム内の空気を十分排出させ気孔など鋳造欠陥を少なくすることを特徴とする繊維強化アルミニウム合金ピストン鋳造法。
2. 金型湯口ゲート部の狭窄部にアルミ溶湯を冷却する目的の冷却水通路を金型内に設け、アルミニウム合金溶湯を注湯終了直後に冷却水を流し、狭窄部のアルミニウム合金溶湯を急速冷却、凝固させることを特徴とする鋳造方法。

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