JP2005334897A - 減圧鋳造用金型及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属粉末を焼結してなる通気性金型部を効果的に冷却することのできる減圧鋳造用金型及びその製造方法を提供する。
【解決手段】減圧鋳造用金型１９であって、１つの金型２７は、キャビティ面３３を有する通気性金型部３１と通気性金型部３１を支持する支持金型部２９とを接合してなり、接合部に減圧用通路３７を備えると共に支持金型部２９に冷却通路４１を備え、通気性金型部３１と支持金型部２７とを、固相接合によって接合してあり、固相接合は、ロー付けである。そして、キャビティ面３３を有する通気性金型部３１と通気性金型部３１を支持する支持金型部２９とにより金型２７を構成するに際しては、通気性金型部３１は減圧通路用凹部３７を形成した焼結部材により構成し、支持金型部２９は冷却通路４１を形成した溶製材により成形し、通気性金型部３１と支持金型部２９とを固相接合によって一体化するものである。
【選択図】図３

Description

本発明は、複数の金型の組合せによってキャビティを形成した減圧鋳造用金型及びその製造方法に係り、さらに詳細には、減圧鋳造を行うために備えている通気性金型部の冷却を効果的に行うことのできる減圧鋳造用金型及びその製造方法に関する。

従来、アルミニウム合金溶湯を金型におけるキャビティ内に注湯（給湯）して製品の成形を行う場合、前記キャビティ内を減圧する減圧鋳造法がある。この減圧鋳造法に使用される鋳造用金型は、複数の金型を組合せることによってキャビティを形成するものであって、そのうちの１つの金型の構成として、図４に示すごとき構成の金型が知られている。

すなわち、上記金型１００は、例えばＭＣ９銅合金溶材よりなる支持金型部１０１に、例えばＳＵＳ６３０の金属粉末を焼結して構成した通気性金型部１０２を、複数のボルトＢを介して一体的に接合した構成である。そして、前記通気性金型部１０２のキャビティ面の反対側の面が接合面であって、この接合面には、減圧通路用凹部１０３が形成してあり、前記支持金型部１０１には、前記減圧通路用凹部１０３に連通した吸引孔１０５が形成してある。また、前記支持金型部１０１には、前記通気性金型部１０２を冷却するための冷却材が流通する冷却通路１０７が形成してある。

上記構成により、複数の金型を組合せて減圧鋳造用金型のキャビティを構成し、このキャビティに対してアルミニウム合金溶湯を給湯するとき、前記吸引孔１０５の吸引が行われ、前記通気性金型部１０２を介してキャビティ内の空気が吸引排出されると共に、キャビティ内に充填されたアルミニウム合金の溶湯が通気性金型部１０２のキャビティ面に吸引接触されることになる。前述のごとくキャビティ内に溶湯を注湯して成形品を製造するとき、前記冷却通路１０７内に冷却水などの冷却材（冷媒）が循環されて、前記通気性金型部１０２の冷却が行われる。

なお、本発明に関係あると思われる先行例としては特許文献１がある。
特開平８−１５０４３７号公報

前記構成においては、通気性金型部１０２と支持金型部１０１は複数のボルトＢを介して一体的に接合した構成であるから、ボルトＢ近傍においての支持金型部１０１と通気性金型部１０２との密着性は良いものの、ボルトＢから離れた位置においては、支持金型部１０１と通気性金型部１０２との間に、熱変形等によって微小なクリアランスが生じ易く、前記通気性金型部１０２から前記支持金型部１０１への直接的な熱伝導が行われ難くなり、前記通気性金型部１０２の冷却が不充分である、という問題がある。

本発明は、上述のごとき問題に鑑みてなされたものであって、支持金型部材と通気性金型部との接合面を固相接合によって一体に接合した構成である。したがって、支持金型部材と通気性金型部との接合面の全面を介して通気性金型部から支持金型部への熱伝導が直接行われる。よって、通気性金型部の冷却が充分に行われることになると共に、冷却むらを生じるようなことがなく、熱応力分布の均一化を図ることができるものである。

以下、図１を用いて本発明の実施形態について説明するに、前述した従来の金型１００と同様に構成した金型１は、前述した支持金型部１０１に相当する支持金型部３を備えると共に、前記通気性金型部１０２に相当する通気性金型部５を備えている。そして、上記支持金型部３と通気性金型部５の接合面は固相接合によって一体に接合してある。

前記支持金型部３は、例えばＳ４５Ｃ等の鉄系金属の溶製材よりなるものであって、前記通気性金型部５の冷却を行うために、この通気性金型部５との接合面に近接した位置には、例えば冷却水などの冷却材（冷媒）を流通するための冷却通路７が形成してある。したがって、出入口９（入口と出口は別に設けてある）から前記冷却通路７へ冷却材を供給し排出することにより、熱伝導によって前記通気性金型部５の冷却を行うことができる。

また、前記支持金型部３には、前記通気性金型部５の接合面に形成した減圧用通路１１に連通する吸引孔１３が形成してある。この吸引孔１３は、例えば真空ポンプ等のごとき適宜の負圧発生手段に接続してある。

前記通気性金型部５は、例えばＳＵＳ６３０等の鉄系金属粉末，コバルト，ニッケル合金材等の粉末を焼結することによって形成してある。より詳細には、上記通気性金型部５は、ＨＩＰ（Hot Isostatic Press）成形法によって焼結成形してある。すなわち、予め所望の形状に形成したＨＩＰ缶といわれる容器内に金属粉末を充填し、高温高圧下での等方圧加圧によって焼結成形するものである。そして、焼結成形後には、複数の金型を組合せてキャビティを形成する際のキャビティ面１５を放電加工によって仕上げ加工を行うと共に、上記キャビティ面１５の反対側の面である接合面には、前記減圧用通路１１が放電加工によって形成してある。

前記キャビティ面１５は、金型のキャビティ内にアルミ合金等の溶湯を給湯して製品の鋳造を行うとき、上記製品に対して形状を転写するための転写面をなすものである。この転写面をなすキャビティ面１５及び前記減圧用通路１１を放電加工によって仕上げ加工を行うものであるから、例えば切削加工等と異なり、焼結した後の金属粉末粒子を潰すようなことがなく、また金属粉末間の微細な空孔に詰まり等を生じさせるようなことがなく、精度のよい製品仕上げ面に加工することができるものである。

そして、前記支持金型部３の接合面と前記通気性金型部５の接合面は、ニッケル基による真空ロー付けによって固相接合してある。したがって、前記通気性金型部５から前記支持金型部３への熱伝導は接合面の全面でもって直接行われ得るものであり、通気性金型部５の冷却を効果的に行うことができるものである。

ところで、前記減圧用通路１１は、前記通気性金型部５におけるキャビティ面１５に、製品における凸部などの細い部分に対応して形成した凹部１７に沿って形成してある。したがって、通気性金型部５においては前記減圧用通路１１と前記凹部１７との間の厚さが最も薄く形成されるものである。

よって、減圧用鋳造金型において、前記吸引孔１３に吸引力を作用してキャビティ内のエアー等を吸引排出すると共に前記キャビティ内にアルミニウム合金等の溶湯を注湯すると、溶湯が前記通気性金型部５のキャビティ面１５に吸引密着されることになる。この際、前記凹部１７部分においての排気が効果的に行われ、前記凹部１７に対しての溶湯の吸引が効果的に行われることとなり、前記凹部１７部分への溶湯の密着力が向上し、精度の良い転写が行われるものである。

前述のごとく冷却通路７及び吸引孔１３を形成した前記支持金型部３と前記通気性金型部５との接合は、固相接合によって行われているので、前記支持金型部３と通気性金型部５は、前記減圧用通路１１の部分を除いて隙間を生じることなく全面的に接合してある。したがって、前記通気性金型部５の冷却を行うとき、通気性金型部５と支持金型部３とが接合した接合面の全面を介して、通気性金型部５から支持金型部３へ直接熱伝導が行われることとなり、効率の良い冷却が可能になるものである。

そして、接合面の全面を介して通気性金型部５の冷却が行われることにより、全体をほぼ均等に冷却することが可能であって、熱分布の不均一性に起因する熱応力の不均一化を抑制することができるものである。

前記構成において、効果を確認するために、次のごとき試験を行った。すなわち、前述した従来の金型１００と本実施形態に係る金型１とを同一形状寸法に作成し、単位時間当り同量の冷却材をそれぞれの冷却通路７，１０７に流通し、矢印Ａで示す同一部分をガスバーナーによって３６０℃まで加熱した。そして、加熱を止めて１５０℃まで冷却される時間を測定したところ、図２に示すように、従来の構成においては約４９０秒の時間を要したのに対し、本実施形態に係る金型１においては約１８０秒であった。

したがって、支持金型部と通気性金型部とを複数のボルトにより締付けることによって接合する構成においては、支持金型部と通気性金型部との接合部に、熱変形による微小な隙間が生じて通気性金型部から支持金型部への熱伝導が低下しているものである。それに対し、本実施形態に係る金型１においては、支持金型部３と通気性金型部５とが固相接合（ロー付け）によって接合してあるから、接合面の全面において熱伝導が直接行われることとなり、通気性金型部５を効果的に冷却することができる。

ところで、前記金型１を、内燃機関のピストン成形用の減圧鋳造金型に適用した場合の構成について、図３を用いて説明する。

上記減圧鋳造用金型１９は、モールド型２１を備えており、このモールド型２１内には、前記ピストンを成形するためのキャビティ２３が形成されている。このキャビティ２３の下部側には、中子２５が備えられており、上記キャビティ２３を間にして前記中子２５の上方には、前記金型１に準じた構成の金型２７が備えられている。

前記金型２７には、前記支持金型部３に準じた構成の支持金型部２９が備えられており、この支持金型部２９には前記通気性金型部５に準じた構成の通気性金型部３１が前述同様に固相接合してある。上記通気性金型部５のキャビティ面３３には、鋳造するピストンにおける冠面の凸部に沿って溝状の凹部３５が形成してある。そして、前記支持金型部２９と通気性金型部３１との接合部には、前記凹部３５に沿って対応して減圧用通路３７が形成してある。

なお、本実施形態においては、上記減圧用通路３７は、前記通気性金型部３１の接合面に形成した構成について例示してある。しかし、減圧用通路は支持金型部２９の接合面に形成することも可能である。すなわち、減圧用通路は、相対的なこととして、支持金型部２９又は通気性金型部３１の一方の接合面又は両方の接合面に形成することが可能なものである。

前記支持金型部２９の上部にはアダプター３９が設けてあり、このアダプター３９には、前記冷却通路７に準じて支持金型部２９に形成した冷却通路４１の出入口４３（入口と出口は別々に設けてある）が設けてある。また、前記支持金型部２９には前記減圧用通路３７に連通した吸引孔４５が形成してあり、この吸引孔４５は、前記アダプター３９に形成した吸引孔４７に接続してある。さらに、前記アダプター３９には、前記通気性金型部３１の温度を検出するための熱電対などのごとき温度センサ４９が備えられている。

したがって、上記温度センサ４９の検出値に基いて前記冷却通路４１に流通する冷却水などの冷却材（冷媒）の流量を制御することにより、通気性金型部３１の温度を適正温度に制御することができるものである。上記冷却材の流量制御を行う構成としては、前記出入口４３に接続した接続路に配置してある開閉弁のＯＮ，ＯＦＦ制御を行う構成や、上記接続路に配置した流量制御弁の開度の制御を行う構成とすることができる。

前記中子２５は鋳造するピストンの内部形状を形成するものであって、センターコア５１の周囲に配置した複数のフィリップコア５３及びサイドコア５５を組合せることによって構成してある。そして、上記センターコア５１には、冷却水等の冷却材を循環する冷却通路５７が形成されていると共に、センターコア５１の温度を検出するための温度センサ５９が備えられている。

したがって、前記温度センサ５９の検出値に基いて、前記冷却通路５７に流通する冷却材の流量を制御することにより、センターコア５１の温度を適正温度に制御することができる。

さらに、前記モールド型２１には、前記サイドコア５５に形成した係合孔に先端部を係合離脱可能に係合した一対のリストピン６１が対向して水平に設けられていると共に、上記リストピン６１を支持するモールドブッシュ６３が備えられている。上記リストピン６１内には、リストピン６１の冷却を行うための冷却通路６５が形成してあり、前記モールドブッシュ６３には温度センサ６７が備えられている。

したがって、前記温度センサ６７の検出値に基いて、前記冷却通路６５に流通する冷却材の流量を制御することにより、前記リストピン６１、モールドブッシュ６３の温度を適正温度に制御することができる。

また、前記モールド型２１には、ピストンを鋳造する際に、アルミニウム合金の溶湯を前記キャビティ２３内へ給湯するための湯道６９が設けてある。そして、前記キャビティ２３内に充填された溶湯が冷却・凝固するときの体積収縮を補うための押し湯キャビティ７１が前記キャビティ２３に連通して備えられている。この押し湯キャビティ７１の周囲には、保温性の高い材料よりなる押し湯入子７３が設けられている。

以上のごとき構成において、アルミニウム合金等の溶湯を湯道６９からキャビティ２３内の下側へ給湯するとき、前記溶湯によって湯口がふさがれた後に真空ポンプ等の吸引手段（図示省略）が駆動され、吸引孔４５，４７内が負圧になるので、減圧用通路３７に負圧が発生し、キャビティ２３内の気体及び溶湯を、通気性金型部３１の空孔を介して吸引することになる。したがって、キャビティ２３内においての溶湯の上昇、キャビティ２３に対する溶湯の給湯が迅速，効果的に行われることになる。そして、キャビティ２３内に溶湯が充填されると、前記吸引手段の駆動が停止される。

前述のごとく吸引手段を駆動してキャビティ２３内の気体，溶湯を吸引する際、通気性金型部３１のキャビティ面３３に形成された凹部３５と接合面に形成された減圧用通路３７との間における通気性金型部３１の肉厚は他の部分よりも薄いので、前記凹部３５の気体の排気が効果的に行われると共に、他の部分よりも大きな吸引力が作用することになる。したがって、キャビティ２３内の溶湯は前記凹部３５に効果的に吸引密着されることとなり、凹部３５の形状がピストンの冠面に精確に転写されることになる。

そして、前記通気性金型部３１から前記支持金型部２９への熱伝導は、通気性金型部３１と支持金型部２９とを固相接合した接合面全体において通気性金型部３１から支持金型部２９へ直接行われるものであり、通気性金型部３１を効果的に冷却することができる。したがって、製品の鋳造サイクルの向上を図ることができるものである。

ところで、前記キャビティ２３内へアルミ合金の溶湯を給湯して製品の鋳造を行うとき、前記通気性金型部３１における空孔の径が大きいと、上記空孔内に溶湯の一部が入り込み、かじりを生じることがあり、また製品の表面粗さが粗くなる。逆に前記空孔径を小さくすると、前記かじりを防止することができるものの、通気性が低下するので、通気性の向上を図るには肉厚を薄くしなければならず、剛性、強度の上において問題がある。

そして、ピストンとして、ピストンの冠面に形成されている冠面燃焼室へ燃料を直接噴射してタンブル流又はスワール流を形成する型式のガソリン直噴エンジン用のピストンの冠面部に要求される仕様粗さはＲａ＝８μ以下である。そこで、ピストンの表面粗さがＲａ＝８μ以下となる場合の空孔径を調べたところ、ほぼ１２μ以下が適切であった。したがって、前記空孔径としては１２μ以下であることが望ましい。

前記空孔径が２μになると、前記吸引口４５，４７内を所定の負圧にしたときの通気量が所望量以下に減少するので、肉厚を薄くしなければならず、強度上問題がある。そこで、強度上問題なく所定の通気量を得るには、前記空孔径は４μ以上であることが望ましい。

すなわち、前記通気性金型部３１の空孔径は４μ〜１２μの範囲であることが望ましいものである。この場合、強度上問題のない肉厚としては２ｍｍ以上の肉厚であることが望ましく、空孔径が１２μの場合であって比較的通気性が良好の場合には、所定の通気量を得る肉厚として１２ｍｍの厚さとすることが可能である。したがって、前記通気性金型部３１の厚さは、２ｍｍ〜１２ｍｍの範囲であることが望ましい。

そして、金属粉末を焼結して前記通気性金型部３１を成形するに当り、空孔径として４μ〜１２μを確保するには、金属粉末の粒度は２５０メッシュ〜１００メッシュの範囲とすることが望ましい。すなわち、２５０メッシュ以上の粒度になると、金属粉末の粒子が小径であって、焼結したときの空孔径は４μ以下になり望ましいものではない。また、１００メッシュ以下の粒度になると金属粉末粒子の径が大きくなり、焼結したときの空孔径１２μ以上となり望ましいものではない。

以上のごとき説明より理解されるように、本実施形態においては、支持金型部３，２９と通気性金型部５，３１との接合面を固相接合した構成であるから、通気性金型部５，３１から支持金型部３，２９への熱伝導が接合面全体で直接行われるものであり、通気性金型部５，３１の冷却を効果的に行うことができるものである。

また、前記固相接合はロー付けであることにより、毛管現象により、支持金型部３，２９と通気性金型部５，３１の細部にまでロー材が浸透して接合する。したがって、直接熱伝導を行うための接合面積が大きくなるものである。

また、前記ロー付けがニッケル基真空ロー付けであることにより、支持金型部と通気性金型部との接合部を強固に接合することができる。

また、前記通気性金型部を形成する焼結材は鉄系金属粉であることにより、アルミニウム合金の溶湯に対する耐熱性を有するものである。

また、上記鉄系金属粉はステンレス金属粉であることにより、耐食性，耐熱性，耐摩耗性に優れているものである。

また、前記支持金型部を形成する溶製材は鉄系金属であることにより、耐熱性および強度に優れているものである。

また、減圧鋳造用金型として内燃機関のピストン成形用金型で、ピストン冠面側を通気性金型部としたことにより、通気性金型におけるキャビティ面を精確に転写することができる。

また、通気性金型部の接合面に形成した減圧用通路は、ピストン冠面における凸部に対応して通気性金型部のキャビティ面に形成した凹部に沿って対応するように形成してあるので、ピストン冠面の凸部の転写がより精確に行われ得るものである。

本発明の実施形態に係る金型の構成を概略的に示した説明図である。 従来品と本実施形態に係る金型の冷却能力を試験した結果を示す説明図である。 本発明に係る金型を、内燃機関のピストン成形用金型に適用した場合の説明図である。 従来の金型の構成を示す説明図である。

符号の説明

１，２７ 金型
３，２９ 支持金型部
５，３１ 通気性金型部
７，４１ 冷却通路
１１，３７ 減圧用通路
１５，３３ キャビティ面
１９ 減圧鋳造用金型
２３ キャビティ

Claims (3)

1. 複数の金型の組合せによってキャビティを形成した減圧鋳造用金型であって、少なくとも１つの金型は、キャビティ面を有する通気性金型部と当該通気性金型部を支持する支持金型部とを接合してなり、前記接合部に減圧用通路を備えると共に前記支持金型部に冷却通路を備え、前記通気性金型部と前記支持金型部とを、固相接合によって接合してあることを特徴とする減圧鋳造用金型。
2. 前記固相接合は、ロー付けであることを特徴とする請求項１記載の減圧鋳造用金型。
3. 複数の金型の組合せによってキャビティを形成した減圧鋳造用金型の製造方法であって、少なくとも１つの金型を、キャビティ面を有する通気性金型部と当該通気性金型部を支持する支持金型部の接合により構成するに際し、前記通気性金型部は接合面側に減圧通路用凹部を形成した焼結部材により構成し、前記支持金型部は冷却材を流通する冷却通路を内部に形成した溶製材により成形し、前記通気性金型部と前記支持金型部との接合面を固相接合によって接合することを特徴とする減圧鋳造用金型の製造方法。

Images