JP3138785B2 - 鋳物−セラミックス複合部材の製造方法 - Google Patents

鋳物−セラミックス複合部材の製造方法

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JP3138785B2 JP05014167A JP1416793A JP3138785B2 JP 3138785 B2 JP3138785 B2 JP 3138785B2 JP 05014167 A JP05014167 A JP 05014167A JP 1416793 A JP1416793 A JP 1416793A JP 3138785 B2 JP3138785 B2 JP 3138785B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は鋳物−セラミックス複合
部材、特に、鋳物にセラミック筒体を鋳ぐるんだ複合部
材の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、この種部材の製造方法としては、
鋳物が完全凝固して常温まで冷却した後、内部応力の調
節を目的とした熱処理を行う、といった方法が知られて
いる。(特公平1−52107号公報参照)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来法に
よると、複合部材の形状、鋳物の体積等によっては、溶
湯が凝固した後の鋳物の冷却過程で、その鋳物における
鋳ぐるみ部の圧縮残留応力σ1 (凝固収縮力と熱収縮応
力との和)とセラミック筒体の圧縮応力σ2 との関係が
σ1 >σ2 となり、その結果、セラミック筒体が圧潰し
たり、またその筒体周壁の孔部回りにチッピングが発生
する、といった不具合を生じることがあった。
【0004】本発明は前記に鑑み、溶湯が凝固した後の
鋳物の冷却過程において、その特定の時期に冷却過程を
中止して鋳物に特定の熱的処理を施すことにより、健全
な鋳物−セラミックス複合部材を得ることができるよう
にした前記製造方法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、鋳物と、その
鋳物に鋳ぐるまれたセラミック筒体とよりなる複合部材
を製造するに当り、前記セラミック筒体を鋳型内に設置
して鋳込みを行い、次いで溶湯が凝固した後の前記鋳物
の冷却過程において、その鋳物における鋳ぐるみ部の圧
縮残留応力σ1 と前記セラミック筒体の圧縮強さσ2
の関係がσ1 <σ2 のとき、前記冷却過程を中止し、直
ちに前記鋳物を冷却過程中止時の温度よりも高い温度ま
で加熱してその加熱温度に恒温保持する過程を含む溶体
化処理を行うことを特徴とする。
【0006】本発明は、鋳物と、その鋳物に鋳ぐるまれ
たセラミック筒体とよりなる複合部材を製造するに当
り、前記セラミック筒体を鋳型内に設置して鋳込みを行
い、次いで溶湯が凝固した後の前記鋳物の冷却過程にお
いて、その鋳物における鋳ぐるみ部の圧縮残留応力σ1
と前記セラミック筒体の圧縮強さσ2 との関係がσ1
σ2 のとき、前記冷却過程を中止して、直ちに前記鋳物
を冷却過程中止時の温度に恒温保持することを特徴とす
る。
【0007】本発明は、鋳物と、その鋳物に鋳ぐるまれ
たセラミック筒体とよりなる複合部材を製造するに当
り、前記セラミック筒体を鋳型内に設置して鋳込みを行
い、次いで溶湯が凝固した後の前記鋳物の冷却過程にお
いて、その鋳物における鋳ぐるみ部の圧縮残留応力σ1
と前記セラミック筒体の圧縮強さσ2 との関係がσ1
σ2 のとき、前記冷却過程を中止し、直ちに前記鋳物を
冷却過程中止時の温度よりも高い温度まで加熱してその
加熱温度に恒温保持し、その後前記鋳物の放冷を行うこ
とを特徴とする。
【0008】
【作用】前記のように、特定の時期に冷却過程を中止し
て特定の熱的処理を行うと、鋳物における鋳ぐるみ部の
圧縮残留応力σ1 を低減することが可能となり、これに
より鋳ぐるみ部の圧縮残留応力σ1 とセラミック筒体の
圧縮強さσ2 との関係を常温下においてもσ1 <σ2
維持し得るので、健全な鋳物−セラミックス複合部材を
得ることができる。
【0009】
【実施例】図1,図2において、鋳物−セラミックス複
合部材としてのエンジン用シリンダヘッド1は、1個の
入口2および2個の出口3を有するY字形吸気通路4
と、2個の入口5および1個の出口6を有するY字形排
気通路7とを備え、鋳物としてのアルミニウム合金鋳物
製シリンダヘッド本体8と、そのシリンダヘッド本体8
に鋳ぐるまれたセラミック筒体としての二股筒形セラミ
ックライナ9とより構成され、そのセラミックライナ9
により排気通路7が形成される。
【0010】アルミニウム合金としては、6.5重量%
≦Si≦7.5重量%、3.5重量%≦Cu≦4.5重
量%、Mn<0.2重量%、Fe<0.2重量%、残部
Alといった組成を有するJIS AC2B相当材が用
いられる。
【0011】図3〜図5にも示すように、セラミックラ
イナ9は、アルミニウムチタネート(54.2重量%A
2 3 、42.5重量%TiO2 、3.3重量%Si
2)を用いて構成され、そのアルミニウムチタネート
は比較的小さな三点曲げ破断応力σB と、比較的低いヤ
ング率Eを有し、その上、熱膨脹係数および熱伝導率が
小さく、さらに、優れた耐熱衝撃性を有するもので、こ
の種セラミックライナ9の構成材料として最適である。
【0012】セラミックライナ9は、中空筒状ライナ本
体10およびそのライナ本体10から分岐する一対の筒
部11を備え、各筒部11からライナ本体10に延びる
ように、弁ガイド12を挿通させるための透孔13を有
する。
【0013】前記セラミックライナ9の製造条件の一例
について述べれば、次の通りである。アルミニウムチタ
ネート粒子の直径0.1〜10μm;成形法 スリップ
キャスティング;焼結温度1500℃;焼結時間5時
間;肉厚3mm。
【0014】シリンダヘッド1の製造には、第1〜第3
の方法が採用される。
【0015】第1の方法では、図6に示すように、セラ
ミックライナ9を鋳型としての金型内に設置して注湯を
行う鋳込み過程と、溶湯の凝固によりシリンダヘッド本
体8が造形された後離型を行い、そのシリンダヘッド本
体8の放冷(自然に冷却させること)を行う冷却過程
と、その冷却過程において、シリンダヘッド本体8にお
ける鋳ぐるみ部(セラミックライナ9周りの部分)8a
の圧縮残留応力σ1 とセラミックライナ9の圧縮強さσ
2 との関係がσ1 <σ2 のとき、冷却過程を中止し、直
ちにシリンダヘッド本体1を冷却過程中止時の温度T1
よりも高い温度T 2 まで加熱してその加熱温度T2 に恒
温保持する過程を含む溶体化処理とが基本的に採用さ
れ、その溶体化処理後人工時効が行われる。この溶体化
処理および人工時効はT6処理に対応する。
【0016】鋳込み過程において、溶湯温度は約680
℃に、さらに溶湯の注入圧は約0.25〜0.3kgf/
cm2 にそれぞれ設定される。
【0017】冷却過程において、鋳ぐるみ部8aの圧縮
残留応力σ1 は、その温度の降下に伴い増大する。そこ
で種々実験を行って、前記圧縮残留応力σ1 とセラミッ
クライナ9の圧縮強さσ2 との関係がσ1 >σ2 となる
ときの最低圧縮残留応力σ1を、鋳ぐるみ部8aの出口
6側における環状端面14について、X線残留応力測定
器により調べたところ、その端面14における鋳ぐるみ
部8aの圧縮残留応力(以下、単に鋳ぐるみ部8aの圧
縮残留応力という)σ1 がσ1 =−5kgf/mm 2 になる
と、σ1 >σ2 となってセラミックライナ9が圧潰し、
したがってσ1<σ2 の関係を成立させるための圧縮残
留応力σ1 はσ1 <−5kgf/mm2 であり、このときの
前記端面14における鋳ぐるみ部8aの温度(以下、単
に鋳ぐるみ部8aの温度という)TはT≧約100℃で
あることが判明した。このことから、σ1 <σ2 の関係
を成立させるべく、冷却過程を中止するときの鋳ぐるみ
部8aの温度T1 の下限値TmはTm=約100℃に設
定される。
【0018】T6処理の溶体化処理において、恒温保持
過程の温度T2 は500℃に、時間は4時間にそれぞれ
設定され、また水冷過程では水没法が適用される。さら
に人工時効の温度は200℃に、時間は4時間にそれぞ
れ設定される。
【0019】第2の方法では、図7に示すように、セラ
ミックライナ9を鋳型としての金型内に設置して注湯を
行う鋳込み過程と、溶湯の凝固によりシリンダヘッド本
体8が造形された後離型を行い、そのシリンダヘッド本
体8の放冷を行う冷却過程と、その冷却過程において、
シリンダヘッド本体8における鋳ぐるみ部8aの圧縮残
留応力σ1 とセラミックライナ9の圧縮強さσ2 との関
係がσ1 <σ2 のとき、冷却過程を中止して、直ちにシ
リンダヘッド本体8を冷却過程中止時の温度T 1 に恒温
保持し、その後シリンダヘッド本体8の放冷または水冷
を行う、といった手段が基本的に採用される。必要に応
じて、放冷終了後T6処理が行われる。冷却過程を中止
するときの鋳ぐるみ部8aの温度T1 の下限値Tmは前
記同様にTm=約100℃であり、またT6処理条件は
前記と同じである。
【0020】第3の方法では、図8に示すように、セラ
ミックライナ9を鋳型としての金型内に設置して注湯を
行う鋳込み過程と、溶湯の凝固によりシリンダヘッド本
体8が造形された後離型を行い、そのシリンダヘッド本
体8の放冷を行う冷却過程と、その冷却過程において、
シリンダヘッド本体8における鋳ぐるみ部8aの圧縮残
留応力σ1 とセラミックライナ9の圧縮強さσ2 との関
係がσ1 <σ2 のとき、冷却過程を中止し、直ちにシリ
ンダヘッド本体8を冷却過程中止時の温度T1よりも高
い温度T2 まで加熱してその加熱温度T2 に恒温保持
し、その後シリンダヘッド本体8の放冷を行う、といっ
た手段が基本的に採用される。必要に応じて、放冷終了
後T6処理が行われる。冷却過程を中止するときの鋳ぐ
るみ部8aの温度T1 の下限値Tmは前記同様にTm=
約100℃であり、またT6処理条件は前記と同じであ
る。
【0021】表1は、前記第1の方法(図6)により得
られた各種シリンダヘッド1における鋳ぐるみ部8aの
冷却過程中止時の温度T1 、恒温保持過程の温度T2
よび時間(T6処理における溶体化処理)ならびにセラ
ミックライナ9の性状を示す。なお、例12の場合は、
冷却過程を中止せずにシリンダヘッド本体8を室温まで
連続的に放冷し、その後T6処理を行った場合である。
【0022】
【表1】
【0023】図9は、冷却過程中止時における鋳ぐるみ
部8aの温度T1 および冷却時間と、鋳ぐるみ部8aの
圧縮残留応力σ1 との関係を示す。
【0024】表1および図9から明らかなように、鋳ぐ
るみ部8aの圧縮残留応力σ1 がσ 1 <−5kgf/mm2
の範囲(図9の斜線領域)にあるとき、したがって鋳ぐ
るみ部8aの温度T1 がT1 ≧Tmの範囲にあるとき、
冷却過程を中止して、T6処理の恒温保持過程を実施す
る、したがってシリンダヘッド本体8を加熱温度500
℃に4時間恒温保持することにより、セラミックライナ
9の圧潰を回避した健全なシリンダヘッド1を得ること
ができる。
【0025】表2は、前記第2の方法(図7)および第
3の方法(図8)ならびに第3の方法の比較例により得
られた各種シリンダヘッド1における鋳ぐるみ部8aの
冷却過程中止時の温度T1 、恒温保持過程の温度T1
たはT2 および時間、その後の冷却方法ならびにセラミ
ックライナ9の性状を示す。
【0026】
【表2】
【0027】表2から明らかなように、第2の方法によ
って得られた例13〜15のシリンダヘッド1において
はそのセラミックライナ9に異常はなく、健全であるこ
とが確認された。また第3の方法によって得られた例1
6のシリンダヘッド1についても同様であった。
【0028】比較例によって得られたシリンダヘッド1
においては、主として、恒温保持過程の時間が短いこと
に起因して合金元素の固溶化が十分に行われていない、
といった理由により、鋳ぐるみ部8aの圧縮残留応力σ
1 が増大してセラミックライナ9が圧潰する。
【0029】なお、第1〜第3の方法において、各例か
ら明らかなように、恒温保持過程の時間は4時間以上で
あることが望ましい。
【0030】本発明はシリンダヘッドの製造に限らず、
排気マニホルド、排気管等の製造にも適用され、また鋳
物を構成する合金としてはAl合金に限らず、Mg合
金、Fe合金等も用いられる。
【0031】
【発明の効果】請求項1〜3記載の発明によれば、前記
のように特定された手段を用いることによって、セラミ
ック筒体を圧潰することなく、健全な鋳物−セラミック
ス複合部材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】シリンダヘッドの縦断正面図で、図2の1−1
線断面図に対応する。
【図2】図1の2−2矢視図である。
【図3】セラミックライナの斜視図である。
【図4】セラミックライナの平面図である。
【図5】図4の5−5線断面図である。
【図6】第1の方法における時間と温度との関係を示す
グラフである。
【図7】第2の方法における時間と温度との関係を示す
グラフである。
【図8】第3の方法における時間と温度との関係を示す
グラフである。
【図9】冷却過程中止時における鋳ぐるみ部の温度と圧
縮残留応力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1 シリンダヘッド(複合部材) 8 シリンダヘッド本体(鋳物) 8a 鋳ぐるみ部 9 セラミックライナ(セラミック筒体)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI F02F 1/24 F02F 1/24 L (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B22D 27/04 B22D 19/00 B22D 19/08 B22D 30/00 C21D 9/00 F02F 1/24

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 鋳物(8)と、その鋳物(8)に鋳ぐる
    まれたセラミック筒体(9)とよりなる複合部材(1)
    を製造するに当り、前記セラミック筒体(9)を鋳型内
    に設置して鋳込みを行い、次いで溶湯が凝固した後の前
    記鋳物(8)の冷却過程において、その鋳物(8)にお
    ける鋳ぐるみ部(8a)の圧縮残留応力σ1 と前記セラ
    ミック筒体(9)の圧縮強さσ2 との関係がσ1 <σ2
    のとき、前記冷却過程を中止し、直ちに前記鋳物(8)
    を冷却過程中止時の温度よりも高い温度まで加熱してそ
    の加熱温度に恒温保持する過程を含む溶体化処理を行う
    ことを特徴とする鋳物−セラミックス複合部材の製造方
    法。
  2. 【請求項2】 鋳物(8)と、その鋳物(8)に鋳ぐる
    まれたセラミック筒体(9)とよりなる複合部材(1)
    を製造するに当り、前記セラミック筒体(9)を鋳型内
    に設置して鋳込みを行い、次いで溶湯が凝固した後の前
    記鋳物(8)の冷却過程において、その鋳物(8)にお
    ける鋳ぐるみ部(8a)の圧縮残留応力σ1 と前記セラ
    ミック筒体(9)の圧縮強さσ2 との関係がσ1 <σ2
    のとき、前記冷却過程を中止して、直ちに前記鋳物
    (8)を冷却過程中止時の温度に恒温保持することを特
    徴とする鋳物−セラミックス複合部材の製造方法。
  3. 【請求項3】 鋳物(8)と、その鋳物(8)に鋳ぐる
    まれたセラミック筒体(9)とよりなる複合部材(1)
    を製造するに当り、前記セラミック筒体(9)を鋳型内
    に設置して鋳込みを行い、次いで溶湯が凝固した後の前
    記鋳物(8)の冷却過程において、その鋳物(8)にお
    ける鋳ぐるみ部(8a)の圧縮残留応力σ1 と前記セラ
    ミック筒体(9)の圧縮強さσ2 との関係がσ1 <σ2
    のとき、前記冷却過程を中止し、直ちに前記鋳物(8)
    を冷却過程中止時の温度よりも高い温度まで加熱してそ
    の加熱温度に恒温保持し、その後前記鋳物(8)の放冷
    を行うことを特徴とする鋳物−セラミックス複合部材の
    製造方法。
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