JP2008221312A - 遠心鋳造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心鋳造によって円筒形状体を設ける際、内部欠陥を内周壁側に偏在させる。
【解決手段】Ａｌ−Ｓｉ系合金の溶湯Ｌを円筒状金型１２の内部に供給する注湯管２４は、４本の棒状ヒータ２６によって囲繞されている。溶湯Ｌが円筒形状体６０を形成すると、この円筒形状体６０は、内周壁側から棒状ヒータ２６で加温される。このために内周壁側の冷却速度が小さくなるので、溶湯Ｌに気泡が生じた場合であっても、該気泡は、円筒形状体６０が固化する前に遠心力によって内周壁側に移動する。この現象が進行しながら、円筒形状体６０が冷却固化する。その後、内周壁側からの削り出しが行われ、前記気泡に起因する欠陥が存在する部位が除去される。
【選択図】図４

Description

本発明は、回転する円筒状金型内で溶湯を冷却固化させて円筒形状体を形成する遠心鋳造装置に関する。

自動車を走行させる駆動源である内燃機関においては、シリンダボア内にシリンダスリーブが配設されることがある。この場合、シリンダボア内で往復動作するピストンの側周壁部は、このシリンダスリーブの内周壁に摺接する。近年、この種のシリンダスリーブの材質には、軽量でありながら耐摩耗性に優れ、高強度であるということから、アルミニウム合金、特に、Ａｌ−Ｓｉ系合金が選定されることが増加しつつある。

シリンダスリーブは、特許文献１に記載されているように、いわゆる遠心鋳造法によって作製されることがある。すなわち、回転動作する円筒状金型の内部に溶湯を導入すると、遠心力によって溶湯が円筒状金型の内周壁に偏在するようになり、円筒形状体が形成される。この状態で溶湯を冷却固化して得られた円筒形状の予備成形体に対して削り出し等の機械加工を行うことにより、シリンダスリーブが設けられる。なお、シリンダスリーブの外周壁には、塗型材の表面に形成された凹凸形状が転写されることによって、いわゆるスパイニーが形成される。

このシリンダスリーブを金型の所定の位置に配置した後、前記金型に溶湯を注湯して冷却固化すれば（すなわち、鋳造を行えば）、シリンダスリーブが鋳ぐるまれたシリンダブロックが設けられる。この際、前記スパイニーや、前記削り出し等の機械加工によってシリンダスリーブの外周壁に設けられた起伏（例えば、溝状の筋等）、ショットブラスト処理によってシリンダスリーブの外周壁に設けられた凹凸等がアンカーとして機能することにより、シリンダブロックとシリンダスリーブとの接合強度が確保される。

特公昭５２−２７６０８号公報

遠心鋳造を行う場合、溶湯の冷却速度が過度に大きいと、図６に示すように、円筒形状体１に内部欠陥２が生じることがある。すなわち、例えば、溶湯に大気が巻き込まれた場合、この大気が溶湯内で気泡となる。この気泡は、溶湯の冷却速度が小さいときには遠心力によって円筒形状体１の内周壁側に移動し、最終的に、内周壁側からの削り出しによって気泡が存在する部位が除去される。これに対し、溶湯の冷却速度が大きいときには、気泡が円筒形状体１から離脱する前に溶湯が固化するために気泡が残留し、その結果、内部欠陥２が生じてこの部位が低強度となる。

上記したように、シリンダスリーブを作製する際には、円筒形状体１の内周壁側から加工ラインＳに到達するまで削り出しが行われる。内部欠陥２がこの加工ラインＳよりも外周壁側に残留している場合、削り出しを行っても内部欠陥２を除去することができなくなる。一方、内部欠陥２が生じることを回避するべく溶湯の冷却速度を小さくしすぎると、初晶Ｓｉが大きく成長し、このためにシリンダスリーブの機械的特性が低下することがある。

以上の不具合を回避するには、溶湯の冷却速度が適切な範囲内となるように鋳造条件を設定すればよい。しかしながら、そのためには、鋳造条件を最適化するための実験を繰り返すという煩雑な作業が必要となる。その上、鋳造作業時にも鋳造条件を厳密に管理する必要がある。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、内部欠陥を内周壁側に偏在させることが可能であり、しかも、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金の溶湯を用いた場合には微細な初晶Ｓｉを晶出させることが可能な遠心鋳造装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、中空部が設けられ且つ回転可能な円筒状金型を有する遠心鋳造装置であって、
前記円筒状金型内に挿入される注湯管と、
前記注湯管を囲繞する位置に配設され、該注湯管と前記円筒状金型の内壁との間に介在する加熱手段と、
を有し、
前記円筒状金型は、前記注湯管を介して該円筒状金型の内部に供給された溶湯に対して遠心力を付与し、
前記加熱手段は、前記遠心力によって前記円筒状金型の内周壁に偏在して円筒形状体を形成した前記溶湯の内壁を加熱することを特徴とする。

このように構成された遠心鋳造装置では、円筒形状体を形成した溶湯の内壁が加熱手段で加熱されるため、該内壁側の冷却速度が小さくなる。このため、溶湯が大気を巻き込んで内部欠陥が生じたとしても、該内部欠陥は、固化途中の内壁側に遠心力によって移動することが可能である。すなわち、本発明によれば、欠陥を内壁側に集中させることが容易である。

最終的に、この内壁側から削り出しを行えば、欠陥が発生した部位を除去することもできる。すなわち、この場合、欠陥が極めて少ない円筒形状体を作製することができる。

以上から諒解されるように、本発明においては、鋳造条件を最適化するために実験を繰り返したり、鋳造条件を厳密に管理したりすることなく、欠陥の発生が抑制された円筒形状体を得ることができる。

しかも、円筒形状体の外壁側は円筒状金型に接触しているので、過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金の溶湯を用いて遠心鋳造を行う場合、外壁側では初晶Ｓｉが大きく成長する前に溶湯の冷却固化が進行する。従って、初晶Ｓｉが粗大化することを抑制することもできる。

この場合、さらに、前記円筒状金型に注湯される溶湯を収容するための溶湯保持炉と、前記溶湯保持炉から前記注湯管に橋架された供給管と、前記溶湯保持炉に収容された溶湯を加圧して前記供給管に送るための不活性ガスを導入するガス導入管とを設けることが好ましい。このような構成では、溶湯保持炉からラドル、ポット、トラフ等に移液を繰り返しながら溶湯を円筒状金型に導入する場合に比して大気を巻き込むことが少ない。すなわち、欠陥が生じること自体を抑制することができる。

また、前記注湯管を変位させて前記円筒状金型への挿入又は前記円筒状金型からの取り出しを可能とする変位手段を設けることが好ましい。この場合、注湯管の円筒状金型への挿入が容易となるとともに、冷却固化が終了した円筒形状体からのヒータの離間を迅速に行えるようになるという利点がある。

この場合、例えば、前記注湯管を前記溶湯保持炉ごと変位させればよい。すなわち、前記変位手段によって溶湯保持炉を変位させることで、前記注湯管を変位させるようにすればよい。

本発明においては、注湯管を囲繞する位置に加熱手段を配設し、遠心鋳造によって設けられた円筒形状体の内壁を該加熱手段で加熱するようにしているので、内壁側の冷却速度が小さくなり、このために欠陥が内壁側に集中する。換言すれば、欠陥の発生部位を容易に制御することができ、例えば、後工程で除去される加工代に欠陥を発生させることも可能である。

すなわち、本発明によれば、内部欠陥が極めて少なく、このために高強度である円筒形状体を容易に得ることができる。

以下、本発明に係る遠心鋳造装置につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施の形態では、シリンダブロックとともに内燃機関を構成するシリンダスリーブの予備成形体を円筒形状体として作製する場合を例示して説明する。

図１は、本実施の形態に係る遠心鋳造装置１０の要部概略構成図である。この遠心鋳造装置１０は、略水平方向に沿って横臥した円筒状金型１２を有し、該円筒状金型１２の外周壁には、その周回方向に沿って切り欠くようにして２本の環状溝１４、１４が設けられている。

環状溝１４、１４の各々の底部には、ローラ対をなすローラ１６、１６の外周壁がそれぞれ摺接する。すなわち、円筒状金型１２は２組のローラ対によって支持されている。

４個のローラ１６は図示しない回転駆動源に連結されており、このため、円筒状金型１２は、前記回転駆動源の作用下にローラ１６の各々が回転動作することに伴って回転する。

円筒状金型１２の一端部には円盤状閉塞部材１８が嵌着されており、一方、他端部には円環状枠体２０が取着されている。円環状枠体２０は貫通孔２２が設けられることで開口しており、この貫通孔２２を介して注湯管２４が円筒状金型１２の内部に挿入される。

ここで、注湯管２４は、４本の棒状ヒータ２６で囲繞されている。すなわち、各々の中央貫通孔に注湯管２４が通された第１挟持板２８、第１貫挿支持板３０、第２貫挿支持板３２、第２挟持板３４の各々は、該注湯管２４の先端側からこの順序で位置決め固定されており、各棒状ヒータ２６の両端部は、この中の第１挟持板２８及び第２挟持板３４で挟持されている。また、第１貫挿支持板３０及び第２貫挿支持板３２は、前記中央貫通孔の周囲に形成された小貫通孔に各棒状ヒータ２６を通すことで、その中腹部を支持している。

図２に示すように、注湯管２４は、供給管３６を介して溶湯保持炉３８に連結されている。すなわち、供給管３６は、注湯管２４に連結されたフレキシブルチューブ４０と、溶湯保持炉３８から延在して略逆Ｌ字型をなす逆Ｌ字管４２とが互いに連結されることで、注湯管２４から溶湯保持炉３８にわたって橋架されている。

一方、溶湯保持炉３８の底面には車輪４４が設けられており、各車輪４４は、作業ステーションの床に敷設された案内レール４６に摺動自在に係合している。すなわち、溶湯保持炉３８は、車輪４４が回転した際に案内レール４６に沿って変位する。

溶湯保持炉３８の内部には断熱材４８が収容されており、この断熱材４８に囲繞されるようにして溶湯収容容器５０が挿入されている。この溶湯収容容器５０の内部には図示しない浸漬ヒータが挿入されており、該溶湯収容容器５０に貯留されたＡｌ−２３％Ｓｉ系合金の溶湯Ｌは、前記浸漬ヒータによって加温されるとともに前記断熱材４８によって保温される。

また、溶湯収容容器５０の上端部の一部には溶湯を導入するための開口が設けられ、該開口は、蓋部材５２で封止されている。

蓋部材５２には２本の貫通孔が設けられており、この中の１本には、上記したように、前記供給管３６を構成する逆Ｌ字管４２が通されている。逆Ｌ字管４２の先端部は、溶湯Ｌに浸漬されている。また、残余の１本には、図示しないアルゴンガス供給源に連結されたガス導入管５４が通されており、該ガス導入管５４は、溶湯Ｌの液面から若干離間している。

本実施の形態に係る遠心鋳造装置１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その作用効果につき説明する。

円筒形状体を製造するに際しては、先ず、円筒状金型１２の内周壁に塗型材が塗布される。その後、ローラ１６の回転が開始され、これに追従して円筒状金型１２が回転動作する。その一方で、前記アルゴンガス供給源からアルゴンガス（不活性ガス）が供給され、ガス導入管５４を経由した後、溶湯保持炉３８を構成する溶湯収容容器５０の内部に放出される。

溶湯収容容器５０内では、溶湯Ｌがアルゴンガスによって押圧される。アルゴンガスの圧力がさらに上昇すると、溶湯Ｌは、逆Ｌ字管４２を上昇してフレキシブルチューブ４０を経由した後、注湯管２４に到達する。このように、本実施の形態においては、不活性ガスで溶湯Ｌを押圧することで溶湯保持炉３８から円筒状金型１２へ移液するようにしているので、大気を巻き込み難く、勿論、不活性ガスも巻き込み難い。

図３に示すように、注湯管２４は、その先端が円盤状閉塞部材１８の近傍に位置するまで円筒状金型１２の内部に挿入されている。このため、溶湯Ｌは円盤状閉塞部材１８の近傍に導出され、その後、円環状枠体２０側に向かって流動する。なお、棒状ヒータ２６は予め通電し、発熱させておく。棒状ヒータ２６の総発熱量は、例えば、約３０ｋＷに設定すればよい。

溶湯Ｌが導出される間、円筒状金型１２の回転動作が続行される。このため、溶湯Ｌは、図４に示すように、遠心力の作用によって円筒状金型１２の内周壁に偏在して円筒形状体６０を形成する。ここで、本実施の形態では、溶湯Ｌは、円筒形状体６０の厚みが５〜６ｍｍの範囲内となる量で供給され、棒状ヒータ２６と円筒形状体６０の内周壁とのクリアランスは約５ｍｍとなる。上記したように、溶湯Ｌが大気やその他のガスを巻き込んだとしてもその量は極めて僅かであるので、円筒形状体６０には気泡（内部欠陥）が生じ難い。なお、前記クリアランスが５ｍｍである場合、巻き込み量は極めて微量であることが本発明者らによって確認されている。

次に、注湯管２４が円筒状金型１２の内部に滞在した状態で溶湯Ｌの冷却固化が行われる。上記したように棒状ヒータ２６が予め発熱されているため、冷却固化の最中、円筒形状体６０の内周壁は棒状ヒータ２６によって加温されることになる。その一方で、円筒形状体６０の外周壁は、金属である円筒状金型１２に接触している。従って、円筒形状体６０における冷却速度は、外周壁側で大きく且つ内周壁側で小さくなる。

円筒形状体６０にこのような熱勾配が生じることにより、仮に溶湯Ｌにアルゴンガスが巻き込まれて気泡が生じたとしても、この気泡は、外周壁側に比して冷却速度が小さく固化に時間を要する内周壁側に移動することができる。最終的には、図５に示すように、内周壁面まで移動して開口する欠陥６２となることもある。

一方、外周壁側では冷却速度が大きいので、初晶Ｓｉが大きく成長して粗大化することが抑制される。すなわち、本実施の形態によれば、外周壁側に微細な初晶Ｓｉが分散し、且つ内周壁側に欠陥６２が集中した円筒形状体６０が得られる。

次に、溶湯保持炉３８に力を付与し、これにより該溶湯保持炉３８を案内レール４６に沿って円筒状金型１２から離間する方向に変位させる。勿論、この際には、溶湯保持炉３８の底面に設けられた車輪４４が回転する。

上記した溶湯保持炉３８の変位に追従して、注湯管２４及び棒状ヒータ２６が円筒状金型１２の外部に導出される。また、溶湯保持炉３８は、最終的に溶湯補給ステーションまで変位され、変位停止後に溶湯収容容器５０に溶湯Ｌが補給される。

次に、円筒状金型１２の一端部から円環状枠体２０を取り外した後、この端部側から円筒形状体６０を引き抜いて塗型材とともに取り出す。その後、該円筒形状体６０の外周壁に対してショットブラスト処理等を施して塗型材を除去し、さらに、図５に示す加工ラインＳまでの削り出しを内周壁側から行えば、欠陥６２が集中した内周壁側が除去され、且つ微細な初晶Ｓｉが略均等に分散した外周壁側が残留する。すなわち、内部欠陥が極めて少なく、且つ微細な初晶Ｓｉに富むために高強度で且つ耐摩耗性に優れたシリンダスリーブが得られる。このシリンダスリーブの外周壁には、塗型材の表面の凹凸が転写されることでスパイニーが形成されている。

このようにして得られたシリンダスリーブは、自動車用の内燃機関を構成するシリンダブロックを鋳造成形するための鋳造金型のキャビティに配置される。そして、このキャビティに対し、シリンダブロックとなる金属、例えば、ＡＤＣ１２等の溶湯が導入される。最終的に、シリンダブロックにシリンダスリーブが鋳ぐるまれ、これにより内燃機関が構成される。この鋳ぐるみの際、シリンダスリーブの外周壁のスパイニーがアンカーとして機能し、これにより、該シリンダスリーブとシリンダブロックとの接合強度が確保される。

内燃機関においては、シリンダスリーブの内周壁にピストンが摺接する。上記したように、このシリンダスリーブには内部欠陥がほとんど存在せず、しかも、その内周壁には初晶Ｓｉが多数存在する。従って、耐摩耗性が極めて大きく、耐久性に優れる。

以上のように、本実施の形態によれば、シリンダブロックとの接合強度が大きく、且つピストンが摺接する内周壁の耐摩耗性が良好なシリンダスリーブを構成することができる。

なお、上記した実施の形態では、溶湯保持炉３８を変位させることで注湯管２４及び棒状ヒータ２６を円筒状金型１２内から取り出すようにしているが、溶湯保持炉３８と、注湯管２４及び棒状ヒータ２６とを個別に変位可能としてもよいことは勿論である。

また、この実施の形態においては、Ａｌ−２３％Ｓｉ系合金の溶湯Ｌを用いてシリンダスリーブを作製する場合を例示したが、シリンダスリーブの材質は特にこれに限定されるものではなく、ＡＤＣ１０やＡＤＣ１２等、その他のＡｌ−Ｓｉ系合金であってもよい。なお、本発明は、初晶Ｓｉを晶出させる必要のない亜共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金の溶湯を用いた場合であっても適用可能である。

さらに、円筒形状体６０の厚み、及び該円筒形状体６０と棒状ヒータ２６とのクリアランスのそれぞれを５〜６ｍｍ、約５ｍｍに設定するようにしているが、特に限定されるものではなく、該円筒形状体６０の冷却速度を制御して所望の組織が得られるように設定される。

さらにまた、円筒形状体としてシリンダスリーブの予備成形体を例示して説明したが、特にこれに限定されるものではなく、如何なる部材であってもよい。

本実施の形態に係る遠心鋳造装置の要部概略構成図である。 図１の遠心鋳造装置を構成する注湯管及び溶湯保持炉の概略構成を示す一部縦断面要部構成説明図である。 図１の遠心鋳造装置を構成する円筒状金型に溶湯の導入を開始した状態を示す円筒状金型の長手方向に沿う断面説明図である。 円筒形状体を内周壁側から棒状ヒータで加温している状態を説明する円筒状金型の長手方向に沿う断面説明図である。 図１の遠心鋳造装置で設けられた円筒形状体の直径方向断面を拡大して示す要部拡大断面説明図である。 従来技術に係る遠心鋳造装置で設けられた円筒形状体の直径方向断面を拡大して示す要部拡大断面説明図である。

符号の説明

１０…遠心鋳造装置 １２…円筒状金型
１６…ローラ ２４…注湯管
２６…棒状ヒータ ３６…供給管
３８…溶湯保持炉 ４４…車輪
４６…案内レール ４８…断熱材
５０…溶湯収容容器 ５４…ガス導入管
６０…円筒形状体 Ｌ…溶湯

Claims (4)

1. 中空部が設けられ且つ回転可能な円筒状金型を有する遠心鋳造装置であって、
   前記円筒状金型内に挿入される注湯管と、
   前記注湯管を囲繞する位置に配設され、該注湯管と前記円筒状金型の内壁との間に介在する加熱手段と、
   を有し、
   前記円筒状金型は、前記注湯管を介して該円筒状金型の内部に供給された溶湯に対して遠心力を付与し、
   前記加熱手段は、前記遠心力によって前記円筒状金型の内周壁に偏在して円筒形状体を形成した前記溶湯の内壁を加熱することを特徴とする遠心鋳造装置。
2. 請求項１記載の装置において、さらに、前記円筒状金型に注湯される溶湯を収容するための溶湯保持炉と、前記溶湯保持炉から前記注湯管に橋架された供給管と、前記溶湯保持炉に収容された溶湯を加圧して前記供給管に送るための不活性ガスを導入するガス導入管とを有することを特徴とする遠心鋳造装置。
3. 請求項１又は２記載の装置において、前記注湯管を変位させて前記円筒状金型への挿入又は前記円筒状金型からの取り出しを可能とする変位手段を具備することを特徴とする遠心鋳造装置。
4. 請求項３記載の装置において、前記変位手段は、前記溶湯保持炉ごと前記注湯管を変位可能とするものであることを特徴とする遠心鋳造装置。

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