JP2010509070A - 鋳物を鋳造する鋳型および該鋳型の使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 少なくとも１つの局部的に厳格に限定されたセクションに、鋳物の残部とは異なったミクロ組織が形成された鋳物を、簡単な方法で作ることを可能にする鋳型を提供することにある。
【解決手段】 本発明は、鋳物砂から作られた鋳型部品１、２、３と、鋳造中子４、５、６、７とを有し、該鋳造中子４、５、６、７の少なくとも１つは鋳物中に空間を形成するためのものである、燃焼エンジン用エンジンブロックを鋳造する鋳型、および該鋳型の使用方法に関する。本発明による鋳型は、少なくとも局部的に閉じ込められた部分が、残部とは異なるミクロ組織をもつように形成される鋳物を簡単な方法で作ることができる。これは、鋳造中子４、５、６、７の一部がチル９により形成され、該チル９は、鋳造中子４、５、６、７の他のセクション８を形成する材料の熱伝導率より多数倍高い熱伝導率をもつ、鋳物砂からなる材料から製造されていることにより達成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋳物砂および鋳造中子から作られかつ鋳物内に空間を形成する少なくとも１つの鋳造中子を備えた鋳型部品を有する、鋳物を鋳造する鋳型に関する。

この形式の鋳型は、より詳しくは、燃焼エンジンのエンジンブロックの鋳造に使用される。この状況において、エンジンブロックの鋳造での鋳造中子は個々の燃焼室を形成し、一方、他の鋳型部品はエンジンブロックのヘッド表面を形成する。ヘッド表面上には、組立て時に、必要に応じて、アド・オン部品として個々の燃焼エンジンのシリンダヘッドが置かれかつ固定される。

実際の作業では、正確には鋳造中子により鋳物内に形成される空間と、アド・オンコンポーネントが取付けられる表面との間の領域に、熱または機械的荷重の効果により大きい荷重が引起こされる。影響を受ける領域内の空間を包囲する鋳造材料内でこれにより生じる応力は非常に大きく、このためクラックの形成および破損が生じることがある。この問題は、アルミニウムまたはアルミニウム鋳造合金等の軽金属または軽金属合金から鋳造される現在の燃焼エンジンのエンジンブロックにとって特に重大である。一方では性能に対する要望および他方ではエンジンの重量の軽量化に対する要望が常に増大しているため、これは、特に、シリンダヘッドに割当てられた開口領域、すなわちシリンダチャンバまたは燃焼室において問題であり、燃焼室の内面領域に局部的な材料破壊を生じさせる極端な荷重が引起こされる。多気筒エンジンブロックでは、燃焼室は互いに近接して配置されるため、このような破壊は、特に、シリンダヘッド側でシリンダを互いに分離しているウェブに影響を与える。現代のエンジン設計では、エネルギの最適利用およびエンジンブロックの構造的長さの最短化を図るため、燃焼室を互いにできるだけ近接させて配置することにより、この領域内での鋳造材料の蓄積は最小限に低減されている。

凝固中に特に冷却による影響を受けるセクションにより実際の作動時に特に応力を受ける鋳物のセクションの領域内の鋳造材料の機械的および熱的応力抵抗性を改善する試みがなされている。この試みにより、凝固時に、特定条件が賦課される場合には好ましいミクロ組織が形成される。

この目的のため、下記特許文献１に開示された、アルミニウム製のエンジンブロックを砂型内で鋳造する方法によれば、エンジンブロックのシリンダキャビティは砂型内に挿入されるダイ（ダイは黄銅からなる）により形成される。ダイを形成する金属の熱伝導率は高いため、アルミニウムは、黄銅ダイの表面の方が砂型の表面より迅速に凝固する。この結果、充分な深さに亘ってミクロ組織が形成されるため、シリンダの運転表面上での実際の作動時に生じる荷重に対し、より高い抵抗性が得られる。

上記既知の方法による実際の経験から、個々の鋳型内に溶融金属を注ぐ前に、黄銅ダイを予熱しておく必要があることが証明されている。さもなければ、鋳造金属がダイの金属に接触して非常に迅速に凝固し、クラックまたは金属の破損が生じる危険がある。ダイを予熱する必要性は、製造の努力および出費を大きくするだけでなく、燃焼エンジンの燃焼室すなわちシリンダチャンバの特に小さい領域において、エンジンの実際の作動時に支配的な条件に抵抗する特別なミクロ組織の形成が非常に困難になるという問題も引起こす。

ドイツ国特許ＤＥ １９５ ３３ ５２９ Ｃ２号明細書

上記背景技術に対し、本発明の目的は、少なくとも１つの局部的に厳格に限定されたセクションに、鋳物の残部とは異なったミクロ組織が形成された鋳物を、簡単な方法で作ることを可能にする鋳型を提供することにある。これに加え、本発明は、このような鋳型の有利な使用方法も提供する。

鋳型に関しては、上記目的は、本発明の特許請求の範囲の請求項１に記載の要旨により解決される。この解決の有利な実施形態は、請求項１に従属する特許請求の範囲の記載により提供される。

使用方法に関しては、上記目的は、特許請求の範囲の請求項１１に記載の要旨により解決される。この使用方法の有利な実施形態は、請求項１１に従属する特許請求の範囲の記載に特定されている。

本発明による鋳型では、各鋳物内に空間を形成する鋳造中子は、少なくとも２つのセクションに分割される。この状況では、第一セクションはチルにより形成され、一方、他方のセクションは、通常、砂鋳造の領域内に置かれる鋳物砂からなる。このような鋳物砂は、不規則流動する基本鋳型材料とバインダとの混合物から既知の方法で形成される。この鋳物砂混合物は、中子型内で個々の鋳型部品または鋳造中子に成形され、次に、得られる鋳型部品または中子が鋳造工程で充分な形状安定性を有するように、適当な機械的、化学的および／または熱的処理により固化される。

空間を形成する鋳造中子の一部として本発明に従って使用されるチルは、本発明により、鋳造コアの他のセクションが作られる鋳物砂よりも多数倍高い熱伝導率を有する。したがって、鋳型内に注がれる溶融金属がダイと接触する鋳型の領域では、局部的に限定された加速冷却が生じる。この状況では、チルの材料および体積を選択することにより、局部的に限定された冷却が生じる速度並びに鋳造金属から除去される熱量に直接影響が与えられる。

この状況では、鋳造チルを形成することにより、特に加速された熱の排除が行われる領域の広さは、チルの全体的設計により簡単に調節できる。例えばエンジンブロックを鋳造するときに、エンジンブロック内に形成すべきシリンダの空間を包囲する鋳造材料を、シリンダ空間の特定部分の長さに亘って、特に耐応力特性に優れた鋳造ミクロ組織を形成する目的で特別にかつ大量に冷却すべきことを考える場合には、この目的のために、個々のシリンダ空間を形成する鋳造中子にリング状チルが設けられ、チルの高さは、熱移動を考慮に入れて、シリンダチャンバの特別に冷却される部分の長さに等しくされる。

本発明によれば、鋳物内に形成すべき空間の内面領域での局部的に厳格に限定された冷却を行うことができるとともに、本発明は実際のプラクティスにおいて重要な他の長所も有し、この長所は、本発明にしたがって使用されるチルが、その使用前に特殊な表面処理または予熱を行う必要がないという事実にある。例えば、材料および形状を適当に選択することにより、チルは凝固した完成鋳物から簡単な方法で除去できることが証明されている。これに加え、本発明に従って使用されるチルは、チルに接触する鋳造材料の領域内で、チルがコーティングすることなく鋳型内に挿入できるという優れた表面特性を形成する。したがって、本発明による鋳型では、断熱材として機能するいかなる中間層によっても妨げられることなく、特に迅速な熱除去が行われるように、鋳造材料がチルに接触する。この結果、本発明は鋳物の経済的な製造を可能にし、鋳物に形成される空間領域内には、加速冷却により形成された鋳物のミクロ組織をもつ局部的に厳格に限定されたゾーンが存在する。

本発明による実施形態により達成される特性は、本発明による鋳型を、燃焼エンジン用の大形エンジンブロックの鋳造に特に適したものとし、これらの長所は、軽金属または軽金属合金、より詳しくはアルミニウムまたはアルミニウム合金で作られるこのようなエンジンコンポーネンツの鋳造に特に注目される。本発明が、個々のシリンダチャンバの厳格に限定された一部領域内での特別な大量冷却ができるという特に好ましい効果を有することは、エンジンブロックの鋳造に特に有利である。特に冷却すべきエンジンブロックのゾーンが、個々のシリンダチャンバが組立て表面（この組立て表面上にエンジンのシリンダヘッドが取付けられる）内に融合する領域である場合には、特に注目すべきものとなる。本発明により、特に、鋳造材料をその凝固中に冷却できこれにより、実際の作動で生じる条件に常に一致する材料特性により最適効果を生じさせることができる。

大量生産に関連して特に有利である本発明の１つの変更により、チルを鋳鉄から作ることが可能になる。この状況で、鋳鉄からなるチルは、経済的に製造できかつ加工目的に関して好ましい熱伝導率をもつことができる。

上述したように、本発明による鋳型は、鋳物に形成される空間と、作動中に生じる荷重を支持できる組立て表面との間の遷移領域内にミクロ組織が形成される鋳物の製造に特に適している。したがって、プラクティスにおいて重要である本発明の一実施形態は、本発明による鋳型の少なくとも１つの鋳型部品を有し、鋳物に、組立て表面（鋳物の凝固後に鋳物の組立て表面上にアド・オン部品が取付けられる）を形成する。本発明の一実施形態は更に、この鋳型部品に隣接する、特にチルを備えた鋳造中子を有する。この状況で、局部的に限定された所望の加速冷却を信頼できる態様で実施するには、チルの熱伝導率は、組立て表面を形成する鋳型部品の熱伝導率より多数倍高くすべきである。

チルの配置および鋳物内の正しい位置に空間を形成する鋳造中子の他のセクションの配置は、簡単な手順で確保される。要素が、チルおよび鋳造中子の他のセクションに形成され、これにより、チルおよび鋳造中子の他のセクションが、確実嵌合により互いに連結される。

チルを使用して、組立て表面内への遷移部に形成されるべき鋳物のゾーンを冷却する場合には、鋳型部品の対応形状を有するカットアウト孔内に確実嵌合して係合する少なくとも１つの要素をチルに形成するのが有利である。

この状況では、この要素は、鋳型部品内に係合する突出部として形成するのが好ましい。このようにして、関連する鋳型部品内に係合するチルは、この場合には、鋳造で作られるべき組立て表面上に延び、このため、個々のシリンダチャンバの孔の領域内のバリの発生またはこれに匹敵する鋳型の欠陥が信頼性をもって防止される。鋳造中子の孔の直径が鋳型部品の方向に拡大されるように、突出部の内面がチルの長手方向軸線に対して傾斜している限り、完成した鋳物からのチルの除去が更に容易になる。

特に、本発明による鋳型を大形技術に使用すると、チルを備えた鋳造中子が、該鋳造中子内に延びるラムにより保持される場合に有利である。他方で、このラムは、鋳造中子を正確に位置決めする保持に使用できる。また、このようなラムは、適当な調節装置に連結すると、鋳造中子自体を自動的に設置できる。

燃焼エンジンのシリンダチャンバの運転表面の領域に生じる高い摩耗荷重のため、「ライナ」と呼ばれるものを、エンジンブロック内に鋳込むことがしばしば必要になる。これらのライナは、例えば、ねずみ鋳鉄で作られかつ予製造された管状構造要素であり、この内径はエンジンブロック内に形成されるシリンダチャンバの内径に等しく、またこの内面は、完成したエンジンブロック内の運転表面を形成し、エンジンの作動時に、この表面に沿ってピストンが移動する。本発明の鋳型によれば、鋳造中子がその外表面上に、鋳物内に鋳込むべきライナを支持する場合には、本発明の長所を同時的に利用して、製造すべき鋳物内にライナを鋳込むことができる。

以下、本発明の一実施形態を示す添付図面を参照して、本発明を詳細に説明する。

直列４気筒エンジン用エンジンブロックを鋳造する鋳型Ｇを示す概略図である。

鋳型Ｇは、異なる鋳型部品１、２、３と、鋳造中子４、５、６、７からなり、該鋳造中子４、５、６、７の各々は、鋳物砂から作られかつ鋳物砂から予め製造されたセクション８とチル９から形成されている。

図面の頂部に示された鋳型部品１は「底中子（bottom core）」と呼ばれるもので、鋳造すべきエンジンブロックの組立て表面１０を形成する。この組立て表面１０は「トップデッキ表面（top-deck surface）」とも呼ばれ、燃焼エンジンの組立て時に、このトップデッキ表面上にシリンダヘッド（図示せず）が固定される。鋳型部品１とは反対側に配置された鋳型部品２は、「クランクチャンバ中子（crank chamber core）」と呼ばれ、鋳造すべきエンジンブロックのクランクチャンバを形成する。

各鋳造中子４、５、６、７は、ラム１１、１２、１３、１４により保持される。ラム１１−１４はアクチュエータ装置（図示せず）に連結されており、該アクチュエータ装置は、ラム１１−１４を、取付け位置（該取付け位置では、鋳造中子４、５、６、７がラムに取付けられる）から、図示の位置に移動させる。この場合、個々の鋳造中子４−７内に突出するラム１１−１４のフロントセクション１５は、鋳造工程の終了後にラム１１−１４を妨げられることなく鋳造中子４−７から抜出すことができるように、鋳造中子４−７の全高に亘って、ラムの自由端の方向に円錐状にテーパするように形成されている。

鋳物砂で作られた鋳造中子４−７のセクション８は、ビーカの形状を有している。セクション８が包囲する内部は、関連するセクション１５がセクションの内部に確実嵌合して配置されるように、ラム１１−１４のフロントセクション１５の形状に適合される。この状況において、セクション１５のフロント自由端には突出部１６が形成されている。各突出部１６は鋳造中子４−７のフェース側で中心に配置され、対応する形状を有する鋳型部品３のカットアウト孔１７内に係合し、この中子で確実嵌合して同様に保持される。

ねずみ鋳鉄からなるモノリシックブロックとして作られたチル９に対面する反対側の縁部で、鋳造中子４−７の各セクション８は周方向ショルダ１８を有し、該ショルダ１８内には、セクション８に対面するチル９のフェース側縁部に形成されたリング状周方向突出部１９が係合する。このようにして、鋳造中子４−７のチル９は、鋳物砂で作られた個々の鋳造中子４−７のセクション８に確実嵌合してリンクされる。

この状況において、チル９自体はリング状デザインを有している。この状況において、チル９により包囲された内部は、チルに対面する各ラム１１−１４のフロントセクション１５の形状に適合している。これにより、チル９は確実嵌合して同様に保持され、チルに割当てられるラム１１−１４の遊びは本質的に存在しない。

鋳型部品１に対面する各チル９の上縁部には、周方向突出部２０が同様に形成されている。突出部２０の外周面は、突出部１９と同様に、個々のチル９のメインセクションの外周面２１内に滑らかに融合している。

この状況において、チル９は、該チルの突出部１９の自由端の方向にテーパしている、僅かに円錐状の形状を有している。この目的のため、チル９の共通外周面２１は、チル９の長手方向軸線Ｌ（該軸線Ｌは、ラム１１−１４の長手方向軸線に一致している）に対して少なくとも２°の角度で傾斜されている。同様に、チル９の内面も傾斜している。チル９の円錐状外側形状は、ライナ２２からのチルの取出しを容易にする。各ライナ２２は、個々の鋳造中子４−７により確実嵌合で保持され、凝固後に、鋳型Ｇ内で鋳造されるエンジンブロック内に留まる。鋳造されるエンジンブロック内で、ライナ２２は、鋳造中子４−７によりエンジンブロック内に形成されるシリンダチャンバを包囲する。

チル９の各突出部２０の高さは、鋳造中子４−７および鋳造部品１−３が鋳型Ｇ内に容易に配置され、突出部２０が組立て表面１０上で、鋳造部品１の対応する形状のカットアウト孔２３内に係合できるような寸法を有している。これにより、鋳造すべきエンジンブロックのシリンダチャンバの開口領域におけるバリの形成を容易に防止できる。

鋳型Ｇには、フィーダおよび充填チャネル（図示せず）が既知の固有の態様で形成されている。これらのフィーダおよび充填チャネルにより鋳型Ｇ内に注がれた溶融アルミニウムは、鋳型Ｇにより包囲された鋳型キャビティ２４内に流入する。熱は、溶融金属（溶融金属は、この状況ではチル９に隣接する鋳型キャビティ２４の領域２５内に流入する）から、ライナ２２および個々のチル９を介して、加速された態様で排除され、これにより、溶融金属は、鋳型キャビティ２４の他のゾーン内に存在する溶融金属よりも迅速に凝固する。したがって、鋳造すべきエンジンブロックの領域２５内には、より微細な粒子が整合したミクロ組織が形成されるため、組立て表面１０に隣接するエンジンブロックのセクション（この領域のセクションが特に苛酷な荷重を受ける）が、実際の作動中に生じる熱的荷重および機械的荷重に対して信頼性をもって耐えることができる。

１、２、３ 鋳型部品
４、５、６、７ 鋳造中子
８ 鋳物砂から作られた鋳造中子４−７のセクション
９ チル
１０ 組立て表面
１１、１２、１３、１４ ラム
１５ ラム１１−１４のフロントセクション
１６ セクション８のフェース側突出部
１７ 鋳型部品２のカットアウト孔
１８ セクション８のショルダ
１９ チル９の突出部
２０ チル９の突出部
２１ チル９のメインセクションの外周面
２２ ライナ
２３ 鋳型部品１のカットアウト孔
２４ 鋳型キャビティ
２５ チル９に隣接する鋳型キャビティ２４の領域
Ｇ 鋳型
Ｌ チル９の長手方向軸線

Claims (15)

1. 鋳物砂から作られた鋳型部品（１、２、３）と、鋳造中子（４、５、６、７）とを有し、該鋳造中子（４、５、６、７）の少なくとも１つは鋳物中に空間を形成するためのものである、特に燃焼エンジン用エンジンブロックを鋳造する鋳型において、鋳造中子（４、５、６、７）の一セクションはチル（９）により形成され、該チル（９）は、鋳造中子（４、５、６、７）の他のセクション（８）を形成する材料の熱伝導率より多数倍高い熱伝導率をもつ、鋳物砂からなる材料から製造されていることを特徴とする鋳型。
2. 前記チル（９）は鋳鉄から製造されていることを特徴とする請求項１記載の鋳型。
3. 少なくとも１つの鋳型部品（１）が鋳物の組立て表面（１０）を形成し、鋳物の凝固後に、アド・オン部品が前記組立て表面（１０）で鋳物に取付けられ、前記鋳造中子（４、５、６、７）がこの鋳型部品（１）に隣接していることを特徴とする請求項１または２記載の鋳型。
4. 前記チル（９）の熱伝導率は、組立て表面（１０）を形成する鋳型部品（１）の熱伝導率より多数倍高いことを特徴とする請求項３記載の鋳型。
5. 前記チル（９）および鋳造中子（４、５、６、７）の他のセクション（８）には少なくとも１つの要素（１９）が形成されており、該要素（１９）により、チル（９）および鋳造中子（４、５、６、７）の他のセクション（８）が互いに確実嵌合して連結されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の鋳型。
6. 前記チル（９）には少なくとも１つの要素（２０）が形成されており、該要素（２０）は、鋳型部品（１）の対応形状を有するカットアウト孔（２３）内に確実嵌合により係合することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の鋳型。
7. 前記要素は、鋳型部品（１）内に係合する突出部（２０）として形成されていることを特徴とする請求項６記載の鋳型。
8. 前記突出部（２０）の内面は、チル（９）の長手方向軸線（Ｌ）に対して傾斜して配置されていることを特徴とする請求項７記載の鋳型。
9. 前記突出部（２０）は、組立て表面（１０）上で鋳型部品（１）内に係合することを特徴とする請求項７および８のいずれかに記載の鋳型。
10. 前記鋳造中子（４、５、６、７）は、該鋳型中子（４、５、６、７）内に延びるラム（１１、１２、１３、１４）により、チル（９）を介して保持されることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項記載の鋳型。
11. 請求項１から１０のいずれか１項記載の燃焼エンジン用エンジンブロックを鋳造する鋳型（Ｇ）を使用することを特徴とする方法。
12. 軽金属または軽金属合金からなる鋳造材料が使用されることを特徴とする請求項１１記載の鋳型使用方法。
13. 鋳型（Ｇ）の鋳造中子（４、５、６、７）は、その外面上にライナ（２２）を支持し、仕上げ鋳造時に、鋳造中子（４、５、６、７）により形成される空間の内壁を形成することを特徴とする請求項１１および１２のいずれか１項記載の鋳型使用方法。
14. 鋳型（Ｇ）の鋳造中子（４、５、６、７）がエンジンブロックのシリンダチャンバを形成することを特徴とする請求項１１から１３のいずれか１項記載の鋳型使用方法。
15. アド・オン部品はシリンダヘッドであることを特徴とする請求項１１から１４のいずれか１項記載の鋳型使用方法。
    
    
    

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