JP2014104512A - シリンダヘッドの鋳造装置及びシリンダヘッドの熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶湯の給湯と加圧を分離することにより、熱処理時間を短縮できるシリンダヘッドの鋳造装置及びシリンダヘッドの熱処理方法を提供する。
【解決手段】
シリンダヘッドの鋳造装置及びこれによって製造されたシリンダヘッドの熱処理方法に関し、加圧部と連結管によって鋳型と連結され、前記鋳型内に溶湯を加圧注入して製品を鋳造するシリンダヘッドの鋳造装置において、供給する溶湯を貯蔵して安定化させる給湯部と、前記給湯部と分離形成され、前記安定化された溶湯を給湯部から供給され鋳型に供給する加圧部と、前記給湯部内部の溶湯に浸漬され、前記加圧部に移送する溶湯の量を制御するストッパとを含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリンダヘッドの鋳造装置及びシリンダヘッドの熱処理方法に係り、より詳しくは、溶湯の供給及び加圧を分離して鋳造するシリンダヘッドの鋳造装置及びシリンダヘッドの熱処理方法に関する。

一般に、自動車のシリンダヘッドを製造するための鋳造工法として低圧鋳造法があるが、これは主にガソリンエンジンのシリンダヘッドの製造に使用される。

複雑な形状を有するシリンダヘッドは、部位によって凝固速度が異なって組成及び組織が相異しているが、所望の組織を確保するために熱処理を実施する。

このときの熱処理はＴ７熱処理が主に適用されるが、Ｔ７熱処理は、溶体化処理、急冷、時効（ａｇｉｎｇ）、及び空冷の順序で実施する。前記熱処理工程時間を短縮するには、生産時間を短縮する溶体化処理時間または時効時間の短縮が必要である。

反面、低圧鋳造方法は、密閉された鋳造炉の上部に置かれた鋳型の中に、溶湯面を空気あるいは不活性ガスによって低圧で加圧して重力と反対方向に連結管を通じて溶湯を押し上げて鋳湯して鋳型を満たした後、低圧の保圧を加えて一定時間押湯効果を出して、鋳型内に製品を凝固させる鋳造方法である。（例えば特許文献１参照。）

図７は、従来のシリンダヘッドの鋳造装置の概略図であるが、従来の低圧鋳造方法は、レードル１０を利用して給湯部と加圧部が一体に形成された給湯／加圧部２０を利用して、給湯時に溶湯を給湯／加圧部２０に給湯した直後に直ちに鋳造が行われるので、溶湯の安定性を確保することができないだけでなく、２０〜２５ショット（ｓｈｏｔ）後に給湯を実施するので、給湯を待機する間に金型５０内に酸化物が流入する問題があった。説明を省略した符号４０はヒータである。

それだけでなく、上記方法による鋳造方式によれば、鋳造後にシリンダヘッド組織が粗大になって、シリンダヘッド素材の溶体化時間が６．５時間以上かかり溶体化時間が過多になるという問題があった。

特開２００９−１９５９７０号公報

本発明は前記のような点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、溶湯の給湯と加圧を分離することにより、熱処理時間を短縮できるシリンダヘッドの鋳造装置及びシリンダヘッドの熱処理方法を提供することにある。

このような目的を達成するための、本発明の一つまたは多数の実施例においては、加圧部と連結管によって鋳型と連結されて、前記鋳型内に溶湯を加圧注入して製品を鋳造するシリンダヘッドの鋳造装置において、供給する溶湯を貯蔵して安定化させる給湯部と、前記給湯部と分離形成されて、前記安定化された溶湯を給湯部から供給を受けて鋳型に供給する加圧部と、前記給湯部内部の溶湯に浸漬されて、前記加圧部に移送される溶湯の量を制御するストッパとを含むシリンダヘッドの鋳造装置を提供することを特徴とする。

前記ストッパは駆動シリンダによって昇・下降して、前記駆動シリンダの一端に形成されて、前記給湯部と加圧部を連結する連結孔に選択的に挿入されるロッドと、前記ロッドの外周をコーティングする耐火剤とを含むことを特徴とする。

前記ロッドはＳＵＳ材質であり、前記連結管の上部に４個の溶湯ゲートを対称に形成することを特徴とする。

前記鋳型には、燃焼室冷却チャンネル及びスパークプラグピンを形成することを特徴とする。

また、本発明の一つまたは多数の実施例においては、供給する溶湯を貯蔵して安定化させる給湯部と、前記給湯部と分離形成されて、前記安定化された溶湯を給湯部から供給され鋳型に供給する加圧部と、前記給湯部内部の溶湯に浸漬されて、前記加圧部に移送される溶湯の量を制御するストッパとを含むシリンダヘッドの鋳造装置によって製造されるシリンダヘッドの熱処理方法において、前記鋳造装置によって鋳造されたシリンダヘッドを溶体化処理する段階と、急冷する段階と、時効処理を行う段階とを含むシリンダヘッドの熱処理方法を提供することを特徴とする。

前記溶体化処理は、４９０〜５１０℃の温度範囲で３．５〜４．５時間行うことを特徴とする。

前記時効処理は、２４０〜２６０℃の温度範囲で３．５〜４．５時間行うことを特徴とする。

前記急冷する段階は、７０〜８０℃まで実施することを特徴とする。

本発明の実施例によれば、溶湯の給湯と加圧を分離して実施することにより、鋳造後の組織を微細にしてシリンダヘッド素材の熱処理時間を短縮することができる。

本発明の実施例による鋳造装置の概略図。 本発明の実施例による給湯部及び加圧部の拡大図。 本発明の実施例によって製造されたシリンダヘッドの鋳造装置の一部形状。 本発明の実施例による熱処理時間のグラフ。 本発明の実施例によるストッパの形状。 本発明の実施例によるシリンダヘッドの一面。 従来のシリンダヘッドの鋳造装置の概略図。 本発明の実施例によって製造されたシリンダヘッドの硬度をテストした結果を示すグラフ。 本発明の実施例によって製造されたシリンダヘッドの引張強度をテストした結果を示すグラフ。 本発明の実施例によって製造されたシリンダヘッドの熱伝導度をテストした結果を示すグラフ。 本発明の実施例によって製造されたシリンダヘッドの第２デンドライトアーム（Ｓ−ＤＡＳ）をテストした結果を示すグラフ。 本発明の実施例によって製造されたシリンダヘッドの気孔率をテストした結果を示すグラフ。

本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は、詳細に後述している実施例を参照すれば明確になるはずである。しかし、本発明は以下に開示される実施例に限られるものではなく、互いに異なる多様な形態に実現でき、本実施例は本発明の開示を完全にし、本発明が属する技術分野における当業者に発明の範疇を知らせるために提供するものであり、本発明は請求項の範疇によってのみ定義される。

本発明による実施例は、低圧鋳造方式によって製造されるアルミニウムシリンダヘッドの熱処理時間を短縮するために、対称形の４ゲートを適用し、燃焼室及びスパークプラグホール冷却チャネルを適用し、酸化物流入防止のためのストッパを適用した給湯部／加圧部分離型（ＮＬＰ）鋳造炉を使用して、溶体化時間を短縮するシリンダヘッドの鋳造装置及びシリンダヘッドの製造方法に関する。

図１は、本発明の実施例によるシリンダヘッドの鋳造装置を示したものであり、図２は、図１の給湯部及び加圧部を拡大して示したものである。

まず、図１を参照すれば、本発明の実施例によるシリンダヘッドの鋳造装置は、溶湯２０を貯蔵する給湯部１００と、前記給湯部１００と分離形成されて、前記給湯部１００から移送されて鋳型４００に溶湯２０を供給する加圧部２００と、前記給湯部１００の内部の溶湯２０に浸漬されて、前記加圧部２００に移送する溶湯２０の量を制御するストッパ３００（ｓｔｏｐｐｅｒ）とを含んで構成される。

この時、前記ストッパ３００は、駆動シリンダ３１０の終端に形成されて溶湯２０に浸漬され、前記駆動シリンダ３１０によって選択的に昇・下降するロッド３２０と、前記ロッド３２０の外周をコーティングする耐火剤３３０とを含んで構成される。前記耐火剤３３０はセラミックであってもよく、前記ロッド３２０の材質は腐蝕防止のためにＳＵＳ材質であってもよい。

このとき、前記ロッド３２０は、前記駆動シリンダ３１０によって前記給湯部１００と加圧部２００を連結する連結孔２５０に選択的に挿入されて、給湯部１００から加圧部２００に移送される溶湯２０の量を制御するようになっている。つまり、加圧部で必要とする量が供給されると、前記ストッパ３００が前記連結孔２５０に挿入されて、溶湯２０が加圧部２００に移送されることを防止する。

本発明による実施例においては、前記構成以外にも給湯部１００の給湯水位を感知する第１レベルセンサー１２０が備えられており、これは加圧部２００においても同様で、給湯の水位を感知して安定した溶湯２０の供給が行われるように第２レベルセンサー２２０が備えられている。また、給湯部１００と加圧部２００における溶湯２０の温度が下がらないように、第１ヒータ１１０及び第２ヒータ２１０がそれぞれ備えられており、加圧部２００には温度測定装置２３０が溶湯２０に浸漬されている。また、溶湯２０を鋳型４００に供給するために、外部からガスを供給する加圧装置２７０が備えられている。

図２を参照すれば、レードル１０から供給される溶湯２０は、ストッパ３００によって給湯部１００だけに留まりながら安定化する。つまり、溶湯２０は続けて内部と表面の温度差に起因して自然対流して乱流（ｔｕｒｂｕｌａｎｃｅ）を発生するが、これによって溶湯２０の表面にアルミニウム酸化物が存在するようになる。このように不安定な溶湯２０を加圧部２００に供給すれば、温度差によって組織の不均一が発生しうる。これを防止するために、本発明による実施例においては、ストッパ３００を給湯部１００の溶湯２０に浸漬させて、加圧部２００に移送される溶湯２０の量を制御する。これによって溶湯２０の安定時間が経過して安定すると、加圧部２００に移送する。このとき、本発明による実施例における溶湯２０の安定時間は３０分以上であり、前記ストッパ３００が連結孔２５０に挿入されている間には、表面に存在するアルミニウム酸化物の加圧部２００への流入を防止することができる。

また、シリンダヘッド４６０の素材の熱処理時間を短縮させるために、鋳造後の組織を微細化することが必要である。特に、複雑な形状を有する燃焼室４５０部分の冷却が重要である。図３は、本発明の実施例によるシリンダヘッド及び鋳造装置の一部を示したものであるが、前記シリンダヘッドの鋳造装置には、対称形に形成された４個の溶湯ゲート４２０が形成されており、燃焼室４５０を冷却するための燃焼室冷却チャネル４４０、及びスパークプラグホール（図示せず）を冷却するためのスパークプラグピン４３０が垂直に形成されている。本発明による実施例における溶湯ゲート４２０は、鋳型４００の下部から溶湯２０を供給するようにする直上ゲート方式であってもよい。

このような構成によって燃焼室４５０の部分を局部的に冷却させて、燃焼室４５０の冷却速度を向上させた。即ち、前記シリンダヘッド４６０が、連結管４１０と連結された溶湯ゲート４２０から溶湯２０の供給を受けて鋳造され、鋳造されるシリンダヘッド４６０の素材は、燃焼室４５０の冷却チャネル４４０とスパークプラグピン４３０を通じて速かに冷却されて、燃焼室４５０の部分が局部的に速かに冷却されるようにし、これによって微細組織を形成するようにする。微細化された組織は、熱処理段階における溶体化処理時間の短縮に役に立つ。

以下、本発明の実施例によるシリンダヘッドの熱処理方法について説明する。

本発明による実施例のシリンダヘッドの熱処理方法は、シリンダヘッド素材の熱処理時間、特に、溶体化処理時間を短縮させるために安定化した溶湯２０を供給し、供給された溶湯２０を加圧して鋳型４００に供給して鋳造した後、鋳造された素材を熱処理する段階を含んで構成される。

本発明による実施例では、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金であるＡＣ２Ｂ合金を用いてシリンダヘッドを製造するが、溶湯の組成は、重量％でＳｉ：５．０〜７．０、Ｃｕ：２．０〜４．０、Ｍｇ：０．５以下、Ｚｎ：１．０以下、Ｍｎ：０．５以下、Ｎｉ：０．３以下、Ｔｉ：０．２以下を含み、残部はＡｌである。

前記溶湯によって上述したシリンダヘッドの鋳造装置を利用してシリンダヘッド素材を鋳造することにおいて、まず、前記溶湯を給湯部１００に供給して安定化させ、溶湯２０が安定化すると、加圧部２００に供給して鋳型４００に供給することによって鋳物を生産する。

以降、前記鋳物を熱処理することにおいて、前記熱処理は溶体化処理、急冷、及び時効処理段階を含む。

本発明による実施例における溶体化処理段階は、鋳造後にシリンダヘッド４６０の素材の内部に不均一に成長した析出物と合金元素が基地（ｍａｔｒｉｘ）内に均一に固溶されるように、十分に高い温度まで加熱して単一相の固体を形成するようにする段階である。
本発明による実施例において溶体化温度は、シリンダヘッド素材が溶融されないながら固溶が十分に行われるように、溶融点の以下の４９０〜５１０℃の温度範囲に限定する。

この時、溶体化処理時間は３．５〜４．５時間と限定するが、溶体化処理時間が３．５時間より少ない場合には、析出物などの十分な固溶が行われれず、４．５時間を超える場合には、完全な固溶は行われるが、時間の増加により費用が増加し、結晶粒が成長（ｇｒａｉｎ ｇｒｏｗｔｈ）して材質物性を低下させるため、本発明による実施例における溶体化処理時間は前記範囲と限定する。

前記溶体化処理段階において、不均一な析出物などが基地内に固溶されれば急冷処理を行うが、７０〜８０℃まで急冷させる。前記急冷過程で４００℃以上の急激な温度変化によってシリンダヘッド４６０の素材では冷却による収縮によって残留応力が発生する。前記残留応力は急冷温度を高めるほど抑制される。

前記残留応力は時効工程で応力を減少させることができるが、本発明による実施例では２４０〜２６０℃の範囲で時効処理を行う。前記時効処理は、溶体化処理を通じて均一に固溶させた合金元素を基地の内部に均一に析出させるためであるが、アルミニウム鋳造品の物性を決定する重要な段階である。

このような強度と残留応力の除去などを効果的に行うために、本発明による実施例ではＡＣ２Ｂシリンダヘッド４６０の時効時間を３．５〜４．５間実施する。

本発明による時効処理温度を既存よりも上昇させることにより、安定した構造の析出物を速やかに成長させることができ、本発明による実施例における時効処理時間を４．５時間以内に制限した理由は、長時間の熱処理によって析出物が粗大に成長することにより、素材の物性が減少するためであり、３．５未満の時間で時効処理を行えば、残留応力の除去が円滑に行われないため、本発明による実施例における時効処理時間は前記範囲と限定する。

また、時効温度の変化は析出に大きい影響を与えるので、時効温度を２４０〜２６０℃と限定する。

一般に、溶湯の凝固時にデンドライトアーム（Ｄｅｎｄｒｉｔｅ Ａｒｍ）が成長するが、成長したデンドライトアームの間の間隔をＤＡＳ（Ｄｅｎｄｒｉｔｅ Ａｒｍ Ｓｐａｃｉｎｇ）という。また、デンドライトアームは、溶湯の凝固方向に成長する第１デンドライトアーム（ｆｒｉｓｔ ｄｅｎｄｒｉｔｅ ａｒｍ）と、１次方向の垂直方向である第２デンドライトアーム（ｓｅｃｏｎｄ ｄｅｎｄｒｉｔｅ ａｒｍ）に区分されるが、前記第２デンドライトアームの間の間隔をＳ−ＤＡＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｄｅｎｄｒｉｔｅ Ａｒｍ Ｓｐａｃｉｎｇ）という。また、気孔率は、任意の表面に気孔部が占有する面積を百分率に表わした数値であり、気孔率が高ければ、強度が低下するおそれがある。

本発明の実施例によって製造されるシリンダヘッドの熱処理後には、Ｓ−ＤＡＳが４５〜５５μｍとなり、気孔率は０．１２〜０．５％程度となった。これは従来の６．５時間溶体化処理を行ったシリンダヘッドの数値と同等な値である。

また、本発明の実施例によって製造されたシリンダヘッドの溶体化時間による機械的特性（硬度、引張強度）、熱伝導度、Ｓ−ＤＡＳ、及び気孔率を測定した。

図８乃至図１２は、測定結果を示したグラフであるが、溶体化時間による機械的特性について説明すれば、硬度は、溶体化時間の増加により３．５時間時効処理した試片がさらに高い硬度を示しており、引張強度（ＵＴＳ）は、溶体化時間の増加に比例し、３．５時間時効処理した試片がさらに高い引張強度を示しており、熱伝導度は、鋳造状態に比べて増加するが、３．５〜６．５時間溶体化するときに熱伝導度の変化は大きくなく、時効時間が長くなるほど、熱伝導度は上昇する傾向を示した。

また、Ｓ−ＤＡＳと気孔率は、それぞれ５５μｍ以下、０．２５％以下であって、従来の低圧鋳造方式によって製造されたシリンダヘッドを６．５時間溶体化処理した場合のＳ−ＤＡＳと気孔率と同等な水準の値が得られた。

要するに、本発明による実施例においては、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金であるＡＣ２Ｂ合金を用いて製造されたアルミニウムシリンダヘッドを熱処理するＴ７熱処理工程において、溶体化及び時効工程に対して正確な温度及び時間範囲を規定して、従来のＴ７熱処理方法によって製造された製品と同様の水準の引張強度及び降伏強度を短時間内に得ることができた。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明が属する技術分野における当業者は、本発明がその技術的思想や特徴を変更することなく、他の具体的な形態に実施できることを理解できるはずである。

したがって、上述した種々の実施例は全て例示的なものであり、限定的ではない。本発明の範囲は、前記詳細な説明よりは後述する特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲の意味及び範囲、そしてその均等概念から導き出される全ての変更または変更された形態が本発明の範囲に含まれるものと解釈しなければならない。

本発明は、シリンダヘッドの鋳造装置及びシリンダヘッドの熱処理方法の分野に適用できる。

２０ 溶湯
１００ 給湯部
２００ 加圧部
３００ ストッパ
４００ 鋳型
３１０ 駆動シリンダ

Claims (9)

1. 加圧部と連結管によって鋳型と連結されて、前記鋳型内に溶湯を加圧注入して製品を鋳造するシリンダヘッドの鋳造装置において、
   供給する溶湯を貯蔵して安定化させる給湯部と、
   前記給湯部と分離形成されて、前記安定化された溶湯を給湯部から供給を受けて鋳型に供給する加圧部と、
   前記給湯部内部の溶湯に浸漬されて、前記加圧部に移送される溶湯の量を制御するストッパとを含むことを特徴とする、シリンダヘッドの鋳造装置。
2. 前記ストッパは駆動シリンダによって昇・下降し、
   前記駆動シリンダの一端に形成されて、前記給湯部と加圧部を連結する連結孔に選択的に挿入されるロッドと、前記ロッドの外周をコーティングする耐火剤とを含むことを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッドの鋳造装置。
3. 前記ロッドはＳＵＳ材質であることを特徴とする請求項２に記載のシリンダヘッドの鋳造装置。
4. 前記連結管の上部には４個の溶湯ゲートが対称に形成されることを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッドの鋳造装置。
5. 前記鋳型には燃焼室冷却チャネル及びスパークプラグピンが形成されることを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッドの鋳造装置。
6. 供給する溶湯を貯蔵して安定化させる給湯部と、前記給湯部と分離形成されて、前記安定化された溶湯を給湯部から供給されて鋳型に供給する加圧部と、前記給湯部内部の溶湯に浸漬されて、前記加圧部に移送される溶湯の量を制御するストッパとを含むシリンダヘッドの鋳造装置によって製造されるシリンダヘッドの熱処理方法において、
   前記鋳造装置によって鋳造されたシリンダヘッドを溶体化処理する段階と、
   急冷する段階と、
   時効処理を行う段階とを含むことを特徴とするシリンダヘッドの熱処理方法。
7. 前記溶体化処理は、
   ４９０〜５１０℃の温度範囲で３．５〜４．５時間行うことを特徴とする請求項６に記載のシリンダヘッドの熱処理方法。
8. 前記時効処理は、
   ２４０〜２６０℃の温度範囲で３．５〜４．５時間行うことを特徴とする請求項６に記載のシリンダヘッドの熱処理方法。
9. 前記急冷する段階は、
   ７０〜８０℃まで実施することを特徴とする請求項６に記載のシリンダヘッドの熱処理方法。

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