JP2020099911A - 鋳造装置 - Google Patents
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Abstract
Description
シリンダヘッドは燃焼室の一部を形成するため、その部分は精度、強度が要求される。
冷却することで、燃焼室形成部の熱変形及び凝固組織の粗大化を抑制することができる。熱変形がなければ、燃焼室の精度を高めることができる。また、冷却することで、鋳物の組織を緻密にし強度を高くすることができる。
図12(a)に示すように、シリンダヘッド用金型の下型200には、入子201が取り付けられる。この入子201には、冷却通路202が設けられている。
図12(a)のb矢視図である図12(b)に示すように、冷却通路202は、ロングドリルで開けられ、両端がプラグ203で塞がれることで、形成される。このような冷却通路202は、「ストレート流路」と呼ばれる。
冷却通路202に、水を流すことで、入子201の温度上昇を防止する。
特許文献2は、低圧鋳造方法において、加圧開始から燃焼室部分の凝固が完了するまで入子を水令し、凝固が完了した後は入子を空冷することで、燃焼室部分の組織を緻密化させる技術に関する(特許文献2、段落0030、0031)。
水又は空気を流す冷却媒体通路において、空気を水に切り替えると、暫くは空気混じりの水が流れる。空気は冷却能力が低いため、水が100%になるまで、水を流し続ける必要がある。安定するまで、待たなければならないので、生産効率が低下する。
しかし、図12(a)に示す冷却通路202は、最上位にあるため、空気を容易に抜くことはできない。
よって、1つの冷却媒体通路に水と空気を交互に流すという特許文献2の技術は、推奨されない。
図12に示す冷却通路202の内壁面に、水に含まれる成分(カルシウムなど)が酸化物や水酸化物に変化した形態で付着する。この付着物は鉄などの金属より、格段に熱伝導率が小さい。熱伝導率が小さいと、水で入子201を十分に冷却することができなくなり、入子201の溶損が心配される。
前記入子は、タングステン、モリブデン、タングステンカーバイドの少なくとも1種を主材料とする粉末からなる燒結品であり、
この燒結品は、前記強制冷却用の気体を流す気体通路を内蔵していることを特徴とする。
前記気体通路は、渦巻き形又は蛇行形を呈していることを特徴とする。
前記気体通路の断面の一部は、前記入子の前記溶湯が接する面の近くに位置していることを特徴とする。
前記金型は、内燃機関のシリンダヘッドを鋳造するものであり、
前記入子は、燃焼室を形成するものであることを特徴とする。
よって、本発明により、水を使用しないで気体のみを使用する入子を備えた低圧鋳造装置が提供される。
従来の入子が、1本のストレート通路に水を流す金型用鋼製であったものを、本発明の入子は、通路を渦巻き形又は蛇行形とし、材質をタングステンなどの高い熱伝導率材とし、冷媒を気体にすることで、従来の水冷入子と遜色がないものとなった。
入子において、溶湯が接する面が最も高温になる。気体通路が入子の溶湯が接する面の近くまで延びているため、入子は効果的に冷却される。
本発明により、空冷入子の鋳造法でありながら、燃焼室が緻密な組織で構成されたシリンダヘッドが得られる。
図1に示すように、鋳造装置10は、入子90を備える金型20と、この金型20へ溶湯32を供給する溶湯供給装置30と、入子90へ強制冷却用の気体を供給する気体供給機構40とを備えている。
気体供給機構40で供給する気体は、空気、窒素、二酸化炭素又は同等のガスの何れでもよく、種類は問わない。
気体供給管42に、ストップ弁44及び流量調節弁45を備えており、所望の流速又は流量の気体を入子90へ供給することができる。
鋳造品は、内燃機関のシリンダヘッド50を例に説明する。ただし、鋳造品はシリンダヘッド50に限定されるものではない。
崩壊中子(図1、符号25)は溶湯の凝固が完了したら、壊されて掻きだされる。得られた空洞が吸気通路53となる。
同様に、崩壊中子(図1、符号26)で、排気通路54が形成される。
図3に示すように、内燃機関60は、シリンダブロック61と、このシリンダブロック61に載っているシリンダヘッド50と、このシリンダヘッド50の上面を覆うヘッドカバー63とを有する。
シリンダヘッド50の吸気通路53及び排気通路54は、動弁機構70により開閉される。
吸気側ばね座82や排気側ばね座83は、鋳造品に機械加工を施すことで形成される。
吸気側バルブシート84や、その上方に配置される吸気側バルブガイド85や、排気側バルブシート86や、その上方に配置される排気側バルブガイド87は、鋳造品に機械加工を施した後に、鋳造品に嵌められる。
図5(b)は、比較例を示し、入子221は、ロングドリルで穿けられたストレート通路222の両端がプラグ223で塞がれている。
また、図5(c)は、本発明に係る変更例を示し、気体通路93は、蛇行形を呈している。
図5(a)に示す気体通路93のうち、入口93aと出口93bとの間の距離は、概ね、7×Lであった。
また、図5(c)に示す気体通路93は、入口93aと出口93bとの間の距離が、概ね、6×Lであった。
ただし、渦巻き形や蛇行形を呈する気体通路93の形成は、容易ではない。そこで、渦巻き形を呈する気体通路93の形成方法を、図6〜図9に基づいて説明する。
混合割合としては、主材料が80〜99質量%、残部が補助材料であればよい。
以上により、図6(c)に示す第1圧粉成形体107が得られる。
次に、図6(d)に示すように、第1圧粉成形体107に、下へ開放されている溝状の気体通路93を機械加工により形成する。
尚、第1上パンチ103に溝状の気体通路を形成する凸部を設け圧縮時に気体通路93を同時に造ることも可能である。
金属混合粉104は、第1圧粉成形体(図6、符号107)の構成要素と同材とする。
以上により、図7(c)に示す第2圧粉成形体114が得られる。
得られた重畳体118は、第1縦穴92が気体通路93の入口93aに繋がり、第2縦穴94が気体通路93の出口93bに繋がっている。
焼結炉120は、例えば、円筒の容器121と、この容器121に内張りされた断熱材122と、容器121内に配置されるヒータ123と、容器121内を真空排気する真空ポンプ124とからなる。
タングステンの融点は、3380℃であり、ニッケルの融点は、1453℃である。容器121内を真空状態にした上で、ヒータ123により1500℃程度に保つ。
すると、低融点側のニッケル粉末が液相化し、高融点側のタングステン粉末は固相のままで、液相混在の状態による液相焼結が進行する。
この入子90では、気体を、第1横穴91に供給すると、この気体は第1縦穴92を介して気体通路93に進入し、気体通路93を通る間に入子90を隅々まで冷却する。温まった気体は、出口93b、第2縦穴94、第2横穴95を介して排出される。
図9(c)は、図9(a)のc部拡大図であり、出口93bと第2縦穴94との境界付近、すなわち境界(図8、符号117)を示す。図9(b)と同一であって、タングステン粒子96は、ニッケル溶融物97で隙間が埋められるようにして、焼結される。
対して、本実施例では、焼結は1回のみ実施するため、境界層はできない。すなわち、図8(a)に示す第1圧粉成形体107と第2圧粉成形体114の境界117が消失した上に、この接合部位が一般部と同じ形態で液相焼結され、有害な境界層ができない。
○実験1:
・実験の目的:ストレート通路に対する渦巻き形の気体通路の優位性を確かめる。
・実験設備:図1に示す低圧鋳造装置
・実施例での入子:
・・タングステン燒結品
・・渦巻き形の気体通路
・比較例での入子:
・・タングステン燒結品
・・ストレート通路
・冷媒:実施例、比較例とも空気
・溶湯:アルミニウム合金(AC2B)
また、図10(b)示すように、ストレート通路222を有する入子221を備えた金型から鋳造品50を外した。直後に、赤外線温度計125で、入子221の中央を測温し、温度Tbを得た。
ストレート通路を渦巻き形の気体通路に変更することにより、入子90の温度を大幅に下げることができた。
実施例と比較例において、入子の材質(タングステン)、冷媒(気体)は共通であり、冷媒通路又は気体通路の長さだけが異なる。通路長さの差により、実施例では大幅に温度を下げることができた。
・実験の目的:DASIIが小さくなることを確かめる。
DASIIは、デンドライト二次アーム間隔(Dendrite Arm Spacing II)の略号である。DASIIは、サンプルのカット面を、顕微鏡で観察し測定することで得られる。DASIIは、凝固組織の大きさでを示し、組織の緻密さを判断する値の一つである。
・実施例での入子:
・・タングステン燒結品
・・渦巻き形の通路
・・冷媒:気体(空気)
・比較例での入子:
・・タングステン燒結品
・・ストレート形の通路
・・冷媒:なし
・溶湯:アルミニウム合金(AC2B)
また、図11(b)示すように、ストレート通路222を有するが、実質無冷却の入子221を備えた金型から鋳造品を外した。得られた鋳造品のプラグ座55近傍から、サンプルを取得し、このサンプルを顕微鏡で拡大し、DASIIを複数箇所測定した。
対して、比較例では、DASIIは、最小値が34.1μmであり、最大値が41.7μmであり、平均値は38.1μmであった。
対して、本発明で採用したタングステンの熱伝導率は、177W/(m・K)である。 タングステンの方が、熱伝導率が3.5倍程度大きいため、冷却効率が良くなり、少量の気体で入子90を十分に且つ隅々まで冷やすことができる。
対してタングステンは融点が3400℃、熱伝導率が177W/(m・K)である。
また、モリブデンは融点が2620℃、熱伝導率が139W/(m・K)である。
また、タングステンカーバイドは融点が2870℃、熱伝導率が84W/(m・K)である。
よって、タングステン粉末をモリブデン粉末に変更することでモリブデン系焼結品を得ることや、タングステン粉末をタングステンカーバイド粉末に変更することでタングステンカーバイド系焼結品を得るようにしてもよい。
特許文献2は、低圧鋳造方法において、加圧開始から燃焼室部分の凝固が完了するまで入子を水冷し、凝固が完了した後は入子を空冷することで、燃焼室部分の組織を緻密化させる技術に関する(特許文献2、段落0030、0031)。
この入子90では、気体を、第1横穴91に供給すると、この気体は第1縦穴92を介して気体通路93に進入し、気体通路93を通る間に入子90を隅々まで冷却する。温まった気体は、出口93b、第2縦穴94、第2横穴95を介して排出される。
・実験の目的:DASIIが小さくなることを確かめる。
DASIIは、デンドライト二次アーム間隔(Dendrite Arm Spacing II)の略号である。DASIIは、サンプルのカット面を、顕微鏡で観察し測定することで得られる。DASIIは、凝固組織の大きさを示し、組織の緻密さを判断する値の一つである。
よって、タングステン粉末をモリブデン粉末に変更することでモリブデン焼結品を得ることや、タングステン粉末をタングステンカーバイド粉末に変更することでタングステンカーバイド焼結品を得るようにしてもよい。
Claims (4)
- 入子を備える金型と、この金型のキャビティへ溶湯を供給する溶湯供給装置と、前記入子へ強制冷却用の気体を供給する気体供給機構とを備えている鋳造装置であって、
前記入子は、タングステン、モリブデン、タングステンカーバイドの少なくとも1種を主材料とする粉末からなる燒結品であり、
この燒結品は、前記強制冷却用の気体を流す気体通路を内蔵していることを特徴とする鋳造装置。 - 請求項1記載の鋳造装置であって、
前記気体通路は、渦巻き形又は蛇行形を呈していることを特徴とする鋳造装置。 - 請求項1又は請求項2記載の鋳造装置であって、
前記気体通路の断面の一部は、前記入子の前記溶湯が接する面の近くに位置していることを特徴とする鋳造装置。 - 請求項1〜3のいずれか1記載の鋳造装置であって、
前記金型は、内燃機関のシリンダヘッドを鋳造するものであり、
前記入子は、燃焼室を形成するものであることを特徴とする鋳造装置。
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