JP2010194582A - Method for producing hollow casting, and method for producing hollow forming member used therein - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば内燃機関用断熱ピストンのように、断熱等の目的で内部に空洞を有するようにした中空鋳物の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a hollow casting having a cavity inside for the purpose of heat insulation, such as a heat insulating piston for an internal combustion engine.
内燃機関用断熱ピストンのように、断熱等の目的で内部に空洞を持つ中空鋳物を製造するには、形成しようとする空洞と同形状の中空部を備えた中空形成部材を鋳型内に予め配置しておき、その鋳型内に鋳物母材金属の溶湯を注湯して、配置した中空形成部材を注湯した鋳物母材金属によって鋳ぐるむようにした製造方法が考えられる。 In order to manufacture a hollow casting having a cavity inside for the purpose of heat insulation, such as a heat insulating piston for an internal combustion engine, a hollow forming member having a hollow portion having the same shape as the cavity to be formed is placed in the mold in advance. In addition, a manufacturing method is conceivable in which a molten cast metal material is poured into the mold, and the formed hollow forming member is cast by the cast preform metal.
前記中空形成部材の一例として、鋳物母材金属の溶湯温度よりも融点が高い材料によって作られており、前記中空部をその一部が開放した状態で備えた例えばFe−Mn焼結体である本体部と、前記中空部の開放部を密封するように本体部に一体に固定される例えばステンレス板からなる閉鎖部材とからなる中空形成部材が考えられる。しかし、この形態の中空形成部材は、鋳込み時に、溶湯の熱によって密閉空間である前記中空部内の空気が急激に膨張して、中空部を変形させふくれが生じる場合がある。 An example of the hollow forming member is a Fe-Mn sintered body made of a material having a melting point higher than the molten metal temperature of a casting base metal, and having the hollow part opened in a part thereof, for example. A hollow forming member composed of a main body part and a closing member made of, for example, a stainless steel plate, which is integrally fixed to the main body part so as to seal the open part of the hollow part, can be considered. However, when the hollow forming member of this form is cast, the air in the hollow portion, which is a sealed space, is rapidly expanded by the heat of the molten metal, and the hollow portion may be deformed to cause blistering.
その不都合を解消した中空形成部材として、常温では固体であり鋳物母材金属の融点よりも低い温度でガス化するか溶融する固体物質を予め前記空洞の形状に作っておき、その固体物質を鋳物母材金属溶湯に対して安定な多孔質体で覆った形態の中空形成部材が特許文献1あるいは特許文献2に記載されている。中空鋳物の成形に当たっては、前記中空形成部材を鋳型内に配置し、鋳物母材金属の溶湯を注湯して加圧鋳造することで中空形成部材を鋳ぐるんだ鋳物とする。その鋳物に前記固体物質に連通する開口を形成した後、鋳物母材金属より低くかつ固体物質の融点以上の温度に加熱することによって、前記固体物質をガス化あるいは溶融させて前記開口から流出させることによって除去する。除去後、開口をねじ等によって閉鎖することにより、内部に空洞を有する中空鋳物が得られる。 As a hollow forming member that eliminates the inconvenience, a solid substance that is solid at room temperature and gasifies or melts at a temperature lower than the melting point of the casting base metal is previously formed in the shape of the cavity, and the solid substance is cast. Patent Document 1 or Patent Document 2 describes a hollow forming member that is covered with a porous material that is stable against a base metal melt. When forming a hollow casting, the hollow forming member is placed in a mold, and a cast metal in which the hollow forming member is cast by pressure casting by pouring a molten metal of a casting base metal. An opening communicating with the solid substance is formed in the casting, and then the solid substance is gasified or melted by being heated to a temperature lower than the casting base metal and equal to or higher than the melting point of the solid substance to flow out of the opening. To remove. After the removal, the opening is closed with a screw or the like to obtain a hollow casting having a cavity inside.
特許文献1および2に記載の中空鋳物の製造方法により、鋳造時の熱によって変形やふれが生じることがなく設計値どおりの形状の空洞を備えた中空鋳物を得ることができる。しかし、鋳込み後の鋳物に対して、ガス化または溶融した物質を除去するための開口を設ける作業と、再加熱して中空部に埋め込んだ低融点物質をガス化または溶融して除去する作業、除去後に前記開口を閉鎖する作業を必要とし、作業がやや煩雑となっている。 According to the method for producing a hollow casting described in Patent Documents 1 and 2, a hollow casting having a cavity having a shape as designed can be obtained without causing deformation or shaking due to heat during casting. However, an operation for providing an opening for removing a gasified or melted substance with respect to a cast product after casting, and a work for removing a low-melting-point substance embedded in a hollow part by gasification or melting, The operation | work which closes the said opening after removal is required, and an operation | work is a little complicated.
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、より簡単な作業工程でもって、設計値どおりの空洞を備えた中空鋳物を製造することのできる、新たな中空鋳物の製造方法を開示することを第1の課題とする。さらに、そこで用いる中空形成部材の製造方法を開示することを第2の課題とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and discloses a new method for producing a hollow casting that can produce a hollow casting having a cavity as designed by a simpler work process. This is the first problem. Furthermore, it is set as the 2nd subject to disclose the manufacturing method of the hollow formation member used there.
本発明による内部に空洞を有する中空鋳物の製造方法は、前記空洞と同形状の中空部をその一部が開放した状態で備え、少なくとも前記開放部には空気は通過するが鋳物母材金属の溶湯は通過しない細孔を多数備えた細孔部材が一体に取り付けられている中空形成部材を鋳型内に配置し、鋳物母材金属の溶湯を鋳型内に注湯して前記中空形成部材を注湯した鋳物母材金属によって鋳ぐるむことを特徴とする。 A method for manufacturing a hollow casting having a cavity inside according to the present invention comprises a hollow part having the same shape as the cavity in a state where a part thereof is open, and at least air passes through the open part, but of the casting base metal. A hollow forming member in which a pore member having a large number of pores through which molten metal does not pass is integrally attached is placed in a mold, and a molten metal of a casting base metal is poured into the mold to inject the hollow forming member. It is characterized by being cast with a cast metal base metal that has been heated.
本発明による製造方法によれば、前記中空形成部材を配置した鋳型内に溶湯を注湯することにより、中空形成部材は加熱され中空部の空気は膨張するが、膨張した空気は前記細孔部材の細孔を通って抜け出ることができるので、中空部にふくれが生じることはない。また、溶湯は細孔部材によって中空部内へは入り込まない。そのために、中空形成部材に形成した中空部の形状はそのまま維持され、製造後の中空鋳物には、設計値どおりの空洞が形成される。また、主たる製造工程も、中空形成部材を鋳型内に配置する工程と、鋳物母材金属の溶湯を鋳型内に注湯する工程だけであり、製造工程はきわめて簡素化される。 According to the manufacturing method of the present invention, by pouring the molten metal into the mold in which the hollow forming member is disposed, the hollow forming member is heated and the air in the hollow portion expands. Since it can escape through the pores, no swelling occurs in the hollow portion. Further, the molten metal does not enter the hollow portion due to the pore member. Therefore, the shape of the hollow part formed in the hollow forming member is maintained as it is, and a cavity as designed is formed in the hollow casting after manufacture. Also, the main manufacturing processes are only a process of placing the hollow forming member in the mold and a process of pouring a molten metal of the casting base metal into the mold, and the manufacturing process is greatly simplified.
本発明は任意の中空鋳物の製造方法に適用することができる。一例として、前記空洞を断熱部とした内燃機関の断熱ピストンを製造することが挙げられる。 The present invention can be applied to any hollow casting manufacturing method. As an example, it is possible to manufacture a heat insulating piston of an internal combustion engine using the cavity as a heat insulating portion.
本発明は、また、上記の中空鋳物の製造方法で用いる前記中空形成部材の製造方法として、成形型内に前記細孔部材を置き、その上の適所に前記中空部と同形状の加熱により消失する消失物を置き、成形型内に金属材料を入れて成形、加熱して前記消失物を消失させて中空部とすることを特徴とする中空形成部材の製造方法も開示する。 The present invention also provides a method for producing the hollow forming member used in the method for producing a hollow casting described above, wherein the pore member is placed in a mold, and disappears by heating in the same shape as the hollow portion at an appropriate position thereon. A method for producing a hollow forming member is also disclosed, in which a lost material is placed, a metal material is placed in a mold, and then molded and heated to disappear the lost material to form a hollow portion.
上記の製造方法により、任意の形状の中空部を持つ中空形成部材を容易に製造することができる。消失物の材料は、金属材料を成形するときの熱によってガス化して消失する材料であれば任意であり特に制限はないが、例として、紙、プラスチックなどを挙げることができる。 With the above manufacturing method, a hollow forming member having a hollow portion having an arbitrary shape can be easily manufactured. The material of the disappeared material is not particularly limited as long as it is a material that is gasified by heat when the metal material is molded and disappears, and examples thereof include paper and plastic.
中空形成部材を構成する本体部は、中空形成部材を用いて中空鋳物を製造するときの鋳物母材金属の溶湯温度よりも融点が高くかつ鋳物母材金属溶湯に対して安定な材料であれば任意の金属材料で作ることができる。一例として、例えば鋳物母材金属がアルミ系金属の場合、鉄系金属粉末が挙げられる。成形処理としては焼結処理などが挙げられる。他に、鉄マンガン合金粉末、チタン合金粉末のような金属材料を用いることもできる。 The main body constituting the hollow forming member is a material having a melting point higher than the molten metal temperature of the casting base metal when the hollow forming member is manufactured using the hollow forming member and is stable to the molten casting base metal. Can be made of any metal material. As an example, for example, when the casting base metal is an aluminum-based metal, an iron-based metal powder is used. Examples of the forming process include a sintering process. In addition, metal materials such as ferromanganese alloy powder and titanium alloy powder can be used.
中空形成部材を構成する細孔部材も、中空形成部材を用いて中空鋳物を製造するときの鋳物母材金属の溶湯温度よりも融点が高くかつ鋳物母材金属溶湯に対して安定な材料であれば任意であるが、一例として、ステンレス鋼、低合金鋼のような金属材料、あるいはセラミックス材料などが挙げられる。細孔部材に形成する細孔の大きさ、鋳物母材金属溶湯の粘性等を考慮して適宜設定すればよいが、鋳物母材金属がアルミ系金属の場合、60〜200メッシュ程度である。 The pore member constituting the hollow forming member should also be a material having a melting point higher than the molten metal temperature of the casting base metal when the hollow forming member is manufactured using the hollow forming member and stable to the molten casting base metal. As an example, a metal material such as stainless steel or low alloy steel, or a ceramic material can be given as an example. The size may be appropriately set in consideration of the size of the pores formed in the pore member, the viscosity of the cast base metal molten metal, etc., but when the cast base metal is an aluminum-based metal, it is about 60 to 200 mesh.
本発明によれば、簡単な作業工程でもって、設計値どおりの空洞を備えた中空鋳物を製造することができる。 According to the present invention, it is possible to manufacture a hollow casting having a cavity as designed by a simple work process.
以下、図面を参照して、本発明を実施の形態に基づき説明する。図1は本発明による中空鋳物の製造方法で用いる中空形成部材の一態様を説明する図、図2は中空形成部材を製造するための一態様を説明する図、図3は中空形成部材を製造する他の態様を説明する図、図4は中空形成部材を製造するさらに他の態様を説明する図、図5は図1に示す中空形成部材を用いて本発明による中空鋳物の製造方法を実施する一態様を説明する図、である。また、図6は本発明による中空鋳物の製造方法によって製造した断熱ピストンの一例を示す図である。 Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments with reference to the drawings. FIG. 1 is a view for explaining an embodiment of a hollow forming member used in the method for producing a hollow casting according to the present invention, FIG. 2 is a view for explaining an embodiment for producing the hollow forming member, and FIG. 3 is for producing the hollow forming member. FIG. 4 is a diagram for explaining another embodiment for producing a hollow forming member, and FIG. 5 is a diagram illustrating a method for producing a hollow casting according to the present invention using the hollow forming member shown in FIG. It is a figure explaining one mode to do. Moreover, FIG. 6 is a figure which shows an example of the heat insulation piston manufactured with the manufacturing method of the hollow casting by this invention.
図1(a)に底面側から見た斜視図を、図1(b)に断面図を示すように、中空形成部材10は、本体部11と細孔部材15とで形成される。この例で、本体部11は円柱状であり、その内部に底面側を開放するようにして円筒状の中空部12が形成されている。なお、中空部12は、その一部が開放し、他は本体部11により気密に囲まれていることを条件に、全体形状は任意である。
As shown in the perspective view of FIG. 1A viewed from the bottom side and the cross-sectional view of FIG. 1B, the hollow forming
細孔部材15は多数の細孔15aを有しており、本体部11における前記中空部12の開放した面が位置する側に適宜の手段により一体に固定されている。図示の例では、細孔部材15は本体部11の底面とほぼ同じ大きさであるが、少なくとも前記中空部12の開放した部分を覆うことのできる大きさであればよい。
The
また、細孔部材15に形成される細孔15aの大きさは、図5に示すように、中空形成部材10を用いて中空鋳物30を鋳造するときに用いられる鋳物母材金属20の溶湯21が通過することのできない大きさに設定される。前記したように、溶湯21がアルミ系金属の場合に、細孔15aの大きさは60〜200メッシュの範囲の大きさであればよい。
Further, the size of the
中空形成部材10を構成する前記本体部11および細孔部材15は、中空形成部材10を用いて中空鋳物30を鋳造するときに用いられる鋳物母材金属20の溶湯21の温度よりも溶融温度が高く、かつ鋳物母材金属20に対して安定な材料である適宜の材料で作ることができる。例えば、本体部11は鉄系金属で作られ、細孔部材15はステンレスのメッシュ板で作られる。
The
図2は、前記中空形成部材10を製造する1つの方法を示している。この方法では、最初に前記した細孔部材15を用意し、図2(a)に示すように、その上に例えば紙で作った消失材16を載置する。前記消失材16は、得ようとする中空鋳物30に形成する空洞と同じ立体形状を持つ。それを、図2(b)に示すように、適宜の成形型17の中にセットした後、図2(c)に示すように、その上から前記した適宜の金属材料18の粉末を充填して、加圧成形する。成形後の部材を成形型17から取り出し、焼結処理を行う。焼結処理時の熱により、前記消失材16は燃焼し、燃焼ガスは細孔部材15の細孔15aを通して排気される。それにより、図2(d)に示すように、本体部11と細孔部材15とからなり内部に中空部12を備えた前記した中空形成部材10が得られる。なお、金属材料18は、加熱所要の形状に成形できるものであれば、金属粉末である必要はなく、また、焼結処理を行うことも必須ではない。
FIG. 2 shows one method of manufacturing the hollow forming
図3は、中空形成部材10を製造する他の方法を示している。ここでは、消失材16として、形状の異なる2つの消失材16a,16bを細孔部材15の上に載置している。これを用いて、図2(b)以下の手法を取ることにより、異なった形状の2つの中空部を持つ中空形成部材を製造することができる。もちろん、同じ形状の消失材16を複数個用いることもでき、形状の異なる3つの消失材16を用いることもできる。結果として、この製造方法を採用することにより、任意の個数のまた任意の形状の中空部12を備えた中空形成部材10を容易に製造することができる。
FIG. 3 shows another method of manufacturing the hollow forming
図4は、中空形成部材10を製造する他の方法を示している。ここでは、従来知られた適宜の成形方法あるいは切削加工方法により、図4(a)に示すように、前記した一方側が開放した中空部12を有する本体部11を形成する。その本体部11の底面に前記した細孔部材15を適宜の方法により一体に固定することにより、図4(b)に示すように、中空形成部材10が完成する。
FIG. 4 shows another method of manufacturing the hollow forming
図5は、上記した中空形成部材10を用いて、中空鋳物30を形成する一態様を示している。この例では、鋳型50内に中空形成部材10を前記細孔部材15が上面側となるようにしてセットし、その上から鋳物母材金属20の溶湯21を鋳型50内に注湯している。細孔部材15は、前記したように、空気は通過するが鋳物母材金属20の溶湯21は通過しない細孔15aを多数備えており、溶湯の熱によって膨張した中空部12内の空気は細孔15aから中空部12の外に排気されるので、中空部12の形状が変化することはない。また、中空部12内に溶湯21が入り込むこともない。
FIG. 5 shows an aspect in which the hollow casting 30 is formed using the hollow forming
鋳物母材金属20の溶湯21を注湯することにより、中空形成部材10は鋳物母材金属20によって鋳ぐるまれ、中空鋳物30とされる。そして、製造後の中空鋳物30には、中空形成部材10に形成した中空部12と同形状の空洞が形成される。なお、焼結体をアルミ系金属にそのまま鋳込んでも接合面が合金化しない場合がある。それを解消するために、前記中空形成部材10をアルミ溶湯中で1〜2分程度のアルミナイジング処理を行った後、鋳型50内にセットすることが望ましい。
By pouring the
なお、本発明者らは、溶湯が細孔部材15を通過するかどうかを調べるための試験を行った。図6は試験に用いたテストピースTPを示し、図7は試験の方法を示す。テストピースTPは、細孔部材15として60メッシュおよび200メッシュの2種類のSUS304の薄板を用い、それを鉄製のリング19a,19bで扶持した。図7に示すように、2つのテストピースTPを鋳型50内にセットし、温度720℃のアルミ溶湯(AC8A)21を注湯して、テストピースTPを鋳ぐるんだ。冷却後、鋳物を取り出して、その裏面を観察したところ、いずれのテストビースTPでも、下位に位置する鉄製のリング19b内は中空状であり、下から細孔部材15を目視することができた。これにより、溶湯を通過させない細孔部材15が存在することを確認できた。
In addition, the present inventors performed a test for examining whether or not the molten metal passes through the
図8は、上記の製造方法を用いて、前記中空形成部材10の中空部12で形成される空洞を断熱部とした内燃機関の断熱ピストン60を示している。断熱ピストン60は、図示しない成形型内に前記中空形成部材10を配置した状態で、鋳物母材金属20を成形型内に流し込むことによって形成されており、中空形成部材10の中空部(空洞)12が断熱部として機能している。
FIG. 8 shows a
10…中空形成部材、
11…中空形成部材の本体部、
12…中空部、
15…中空形成部材の細孔部材、
15a…細孔部材の細孔、
16,16a,16b…消失材、
17…成形型、
18…金属材料
20…鋳物母材金属、
21…溶湯、
30…中空鋳物、
50…鋳型、
60…本発明による中空鋳物の製造方法によって内燃機関の断熱ピストン。
10: Hollow forming member,
11 ... Main body of the hollow forming member,
12 ... hollow part,
15 ... The pore member of the hollow forming member,
15a: pores of the pore member,
16, 16a, 16b ... vanishing material,
17 ... mold,
18 ...
21 ... molten metal,
30 ... hollow casting,
50 ... mold,
60 ... A heat-insulating piston of an internal combustion engine by the method for producing a hollow casting according to the present invention.
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