JP3212245B2 - 鋳造方法及び鋳造装置並びに鋳造品 - Google Patents
鋳造方法及び鋳造装置並びに鋳造品Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属又は無機質の
多孔体もしくは繊維、及びその成形体等を複合用材料と
する鋳造方法に関する。
多孔体もしくは繊維、及びその成形体等を複合用材料と
する鋳造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】アルミニウム合金は軽量で熱伝導性が良
好なため、自動車用エンジン部品に多く用いられている
が、鋳鉄や鋼等の鉄系材料に比較して耐熱性や耐磨耗性
に劣るという弱点がある。そこで、例えばディーゼルエ
ンジン用ピストンでは、耐磨耗性が要求されるトップリ
ング溝を強化するため、ニッケル等の金属多孔体によっ
てトップリング溝の周囲に複合強化部を形成する手法
（特公平２−３０７９０号）あるいはアルミナ−シリカ
繊維等の無機質繊維で複合強化する手法等が開発されて
きた。また、特開昭６３−５３２２５号には、アルミニ
ウム合金を無機質繊維で強化したエンジン用シリンダス
リーブが記載されている。
好なため、自動車用エンジン部品に多く用いられている
が、鋳鉄や鋼等の鉄系材料に比較して耐熱性や耐磨耗性
に劣るという弱点がある。そこで、例えばディーゼルエ
ンジン用ピストンでは、耐磨耗性が要求されるトップリ
ング溝を強化するため、ニッケル等の金属多孔体によっ
てトップリング溝の周囲に複合強化部を形成する手法
（特公平２−３０７９０号）あるいはアルミナ−シリカ
繊維等の無機質繊維で複合強化する手法等が開発されて
きた。また、特開昭６３−５３２２５号には、アルミニ
ウム合金を無機質繊維で強化したエンジン用シリンダス
リーブが記載されている。
【０００３】
【０００４】
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の複合強
化部形成方法は、金属多孔体や無機質繊維からなる予備
成形体の気孔内にアルミニウム合金溶湯を含浸させるた
めに、高圧鋳造法が用いられる。すなわち、所定の気孔
率を有する強化材の予備成形体を鋳造型内にセットし、
アルミニウム合金溶湯を注湯した後、加圧パンチやプラ
ンジャ等の機械的手段によって３００〜１５００ kg/cm
2 程度の圧力を加え、凝固完了まで保持するものであ
る。
化部形成方法は、金属多孔体や無機質繊維からなる予備
成形体の気孔内にアルミニウム合金溶湯を含浸させるた
めに、高圧鋳造法が用いられる。すなわち、所定の気孔
率を有する強化材の予備成形体を鋳造型内にセットし、
アルミニウム合金溶湯を注湯した後、加圧パンチやプラ
ンジャ等の機械的手段によって３００〜１５００ kg/cm
2 程度の圧力を加え、凝固完了まで保持するものであ
る。
【０００６】しかしながら、この方法によると複合化に
高圧を用いるため、実施に際しては以下の問題点があ
る。 （１）設備が大型で高価。高圧を付加するための加圧装
置や強力な型締め装置が必要となる。 （２）崩壊性中子（例えば塩中子や砂中子）の使用が困
難。圧力によって中子に溶湯が差し込んだり、中子自体
に変形や破損が生じ易い。
高圧を用いるため、実施に際しては以下の問題点があ
る。 （１）設備が大型で高価。高圧を付加するための加圧装
置や強力な型締め装置が必要となる。 （２）崩壊性中子（例えば塩中子や砂中子）の使用が困
難。圧力によって中子に溶湯が差し込んだり、中子自体
に変形や破損が生じ易い。
【０００７】（３）製品の形状自由度が低い。金型自体
が高圧に耐える必要があり、型構造に制約がある。複雑
形状や大型製品の製造に不向きである。 上述の事情に鑑み、本発明は、通常の金型重力鋳造法に
気体を媒体とした加圧手段を用いて複合部の形成を可能
にした鋳造方法及び鋳造装置の提供を目的とする。
が高圧に耐える必要があり、型構造に制約がある。複雑
形状や大型製品の製造に不向きである。 上述の事情に鑑み、本発明は、通常の金型重力鋳造法に
気体を媒体とした加圧手段を用いて複合部の形成を可能
にした鋳造方法及び鋳造装置の提供を目的とする。
【０００８】また、本発明は、既存の設備を用いること
で、より低コストで高い強度と靱性を有する鋳造品の提
供を目的とする。
で、より低コストで高い強度と靱性を有する鋳造品の提
供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上述の課題を解決し、目
的を達成するため、複合用材料が鋳込まれた鋳造品を鋳
造するための本発明の方法は、製品キャビティと、製品
キャビティの上方に位置する押湯部と、気孔を有する複
合用材料を製品キャビティの内壁に接する状態で該製品
キャビティ内に保持する保持部とが形成された鋳型を用
いる。本発明においては、鋳型に、保持部が形成された
製品キャビティの内壁と大気とを連通させるガス抜き通
路を形成する。そして、気孔を有し５〜２０％の体積率
を有する複合用材料を製品の所定部位の形状に成形し、
この複合用材料をガス抜き通路と連通するように保持部
に保持し、鋳型内に軽合金材料の溶湯を注入し、鋳型を
閉じた状態で、該鋳型内に注入された溶湯に０．５〜１
０ｋｇ／ｃｍ２の圧力のエアを作用させながら、ガス抜
き通路を介して前記複合用材料の気孔内のガスを鋳型外
部に押し出し、同時に溶湯を複合用材料の気孔内に含浸
充填させ、軽合金材料と前記複合用材料とを複合化させ
る。
的を達成するため、複合用材料が鋳込まれた鋳造品を鋳
造するための本発明の方法は、製品キャビティと、製品
キャビティの上方に位置する押湯部と、気孔を有する複
合用材料を製品キャビティの内壁に接する状態で該製品
キャビティ内に保持する保持部とが形成された鋳型を用
いる。本発明においては、鋳型に、保持部が形成された
製品キャビティの内壁と大気とを連通させるガス抜き通
路を形成する。そして、気孔を有し５〜２０％の体積率
を有する複合用材料を製品の所定部位の形状に成形し、
この複合用材料をガス抜き通路と連通するように保持部
に保持し、鋳型内に軽合金材料の溶湯を注入し、鋳型を
閉じた状態で、該鋳型内に注入された溶湯に０．５〜１
０ｋｇ／ｃｍ２の圧力のエアを作用させながら、ガス抜
き通路を介して前記複合用材料の気孔内のガスを鋳型外
部に押し出し、同時に溶湯を複合用材料の気孔内に含浸
充填させ、軽合金材料と前記複合用材料とを複合化させ
る。
【００１０】また、好ましくは、溶湯を注ぐ湯口におい
て前記エアにより該溶湯を加圧する。 また、好ましくは、前記押湯部において前記エアにより
前記溶湯を加圧する。 また、好ましくは、前記ガス抜き通路は前記鋳型の型合
わせ面に形成されている。
て前記エアにより該溶湯を加圧する。 また、好ましくは、前記押湯部において前記エアにより
前記溶湯を加圧する。 また、好ましくは、前記ガス抜き通路は前記鋳型の型合
わせ面に形成されている。
【００１１】
【００１２】
【００１３】
【００１４】
【００１５】また、好ましくは、前記複合用材料は５〜
２０％の体積率を有する金属多孔体からなる。
２０％の体積率を有する金属多孔体からなる。
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】上記複合用材料としては、ニッケル等の金
属の多孔体、繊維およびその成形体、アルミナ等の無機
質の多孔体、繊維およびその成形体等を用いることがで
きる。そして、上記複合用材料の体積率の好ましい範囲
は、該複合用材料の材質および予熱温度、溶湯温度等の
諸条件によって変わるが、平均して５〜２０％の体積
率、すなわち８０〜９５％の空隙率（空孔率）を有する
ものが適している。
属の多孔体、繊維およびその成形体、アルミナ等の無機
質の多孔体、繊維およびその成形体等を用いることがで
きる。そして、上記複合用材料の体積率の好ましい範囲
は、該複合用材料の材質および予熱温度、溶湯温度等の
諸条件によって変わるが、平均して５〜２０％の体積
率、すなわち８０〜９５％の空隙率（空孔率）を有する
ものが適している。
【００２５】上記気体による加圧は、湯口及び／又は押
湯部から行なうのがよい。また、上記気体による加圧力
は０．５〜３０ kg/cm2 の範囲内で行なうことができ
る。特に好ましいのは０．５〜１０ kg/cm2 の範囲内で
ある。加圧力０．５〜３０ kg/cm2 の範囲内で複合化す
るのに好ましい複合用材料の体積率は、一般に下記のよ
うな範囲である。 複合用材料の種類 複合化するのに好ましい体積率の範囲 金属多孔体、金属繊維 ： 〜２０％ 無機質短繊維、ウイスカ ： 〜１０％ 無機質粒子 ： 〜１５％ 図１は、加圧力と複合用材料の体積率との関係を示すグ
ラフである。図１を参照すると、例えば体積率が９％程
度の金属多孔体の場合、０．２ kg/cm2 程度の加圧力で
複合が開始され、２ kg/cm2 程度の加圧力で複合が完了
することを示している。
湯部から行なうのがよい。また、上記気体による加圧力
は０．５〜３０ kg/cm2 の範囲内で行なうことができ
る。特に好ましいのは０．５〜１０ kg/cm2 の範囲内で
ある。加圧力０．５〜３０ kg/cm2 の範囲内で複合化す
るのに好ましい複合用材料の体積率は、一般に下記のよ
うな範囲である。 複合用材料の種類 複合化するのに好ましい体積率の範囲 金属多孔体、金属繊維 ： 〜２０％ 無機質短繊維、ウイスカ ： 〜１０％ 無機質粒子 ： 〜１５％ 図１は、加圧力と複合用材料の体積率との関係を示すグ
ラフである。図１を参照すると、例えば体積率が９％程
度の金属多孔体の場合、０．２ kg/cm2 程度の加圧力で
複合が開始され、２ kg/cm2 程度の加圧力で複合が完了
することを示している。
【００２６】また、鋳型に保持された複合用材料近傍の
鋳型部分に上記複合用材料に連通するガス抜き部を設
け、このガス抜き部を介して上記複合用材料内のガスを
抜くことが好ましい。さらに、鋳造後、複合部にＴ６処
理（一例として、５００°Ｃ×４．５時間→水焼入れ→
１８０°Ｃ×５時間）、Ｔ４処理、Ｔ５処理、Ｔ７処理
あるいは焼きなまし等の熱処理を施すことが好ましい。
鋳型部分に上記複合用材料に連通するガス抜き部を設
け、このガス抜き部を介して上記複合用材料内のガスを
抜くことが好ましい。さらに、鋳造後、複合部にＴ６処
理（一例として、５００°Ｃ×４．５時間→水焼入れ→
１８０°Ｃ×５時間）、Ｔ４処理、Ｔ５処理、Ｔ７処理
あるいは焼きなまし等の熱処理を施すことが好ましい。
【００２７】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、従来の
高圧鋳造に用いられるような大型で高価な鋳造設備が不
要になる利点がある。また、従来の高圧鋳造に用いられ
るような大型で高価な鋳造設備が不要になるとともに、
製品の形状自由度が高くなるという利点がある。
高圧鋳造に用いられるような大型で高価な鋳造設備が不
要になる利点がある。また、従来の高圧鋳造に用いられ
るような大型で高価な鋳造設備が不要になるとともに、
製品の形状自由度が高くなるという利点がある。
【００２８】また、ガス抜き性が良好になり、複合用材
料の気孔内への溶湯の含浸充填が容易になる。さらに、
従来の重力鋳造法に極低圧の気体で加圧するだけで複合
化が可能になる。また、気体による低圧加圧のため、崩
壊性中子の使用が可能であり、さらに金型自体が高圧に
耐える必要がないから、型構造に制約がなく、したがっ
て製品の形状自由度が高くなるという利点もある。
料の気孔内への溶湯の含浸充填が容易になる。さらに、
従来の重力鋳造法に極低圧の気体で加圧するだけで複合
化が可能になる。また、気体による低圧加圧のため、崩
壊性中子の使用が可能であり、さらに金型自体が高圧に
耐える必要がないから、型構造に制約がなく、したがっ
て製品の形状自由度が高くなるという利点もある。
【００２９】更に、上記複合用材料の体積率を５〜２０
％の範囲内に設定したので、複合部への所望物性の付
与、ならびに複合用材料の予備成形性（保形性）の確保
等を図りつつ、低圧加圧にもって軽合金材料と複合用材
料との複合化が十分に行なえる利点がある。また、上記
気体による加圧を、製品部等から行なうと、製品部に巣
が発生するおそれがあるが、上記気体による加圧を湯口
および／または押湯部から行なえば、製品部に巣が発生
するおそれを伴うことなしに鋳造を行なうことができ
る。
％の範囲内に設定したので、複合部への所望物性の付
与、ならびに複合用材料の予備成形性（保形性）の確保
等を図りつつ、低圧加圧にもって軽合金材料と複合用材
料との複合化が十分に行なえる利点がある。また、上記
気体による加圧を、製品部等から行なうと、製品部に巣
が発生するおそれがあるが、上記気体による加圧を湯口
および／または押湯部から行なえば、製品部に巣が発生
するおそれを伴うことなしに鋳造を行なうことができ
る。
【００３０】また、上記気体による加圧力を０．５〜１
０ kg/cm2 の範囲内に設定した場合は、一般に製造工場
で使用されている工場エアを使用することができるか
ら、譜活性ガス等の加圧気体源を別個に用意する必要が
なくなり、鋳造設備のさらなる低廉化を図ることができ
る。さらに、鋳型に保持された複合用材料近傍の鋳型部
分にこの複合用材料に連通するガス抜き部を設け、この
ガス抜き部を介して記複合用材料内のガスを抜くように
した場合は、ガス抜き性が良好になり、上記複合用材料
の気孔内への溶湯の含浸充填が容易になる。
０ kg/cm2 の範囲内に設定した場合は、一般に製造工場
で使用されている工場エアを使用することができるか
ら、譜活性ガス等の加圧気体源を別個に用意する必要が
なくなり、鋳造設備のさらなる低廉化を図ることができ
る。さらに、鋳型に保持された複合用材料近傍の鋳型部
分にこの複合用材料に連通するガス抜き部を設け、この
ガス抜き部を介して記複合用材料内のガスを抜くように
した場合は、ガス抜き性が良好になり、上記複合用材料
の気孔内への溶湯の含浸充填が容易になる。
【００３１】さらに、鋳造後、複合部にＴ６処理等の熱
処理を施すことにより、軽合金材料と複合用材料との境
界に金属間化合物層（固相拡散層）が生成するととも
に、軽合金母材の溶体化処理も行えるから、軽合金材料
の強度向上および耐磨耗性、耐ヘタリ性の向上を図るこ
とができる。さらに、鋳型として分割鋳型が用いられ、
この分割鋳型の合わせ面に上記ガス抜き部が設けられて
いる場合は、ガス抜きに伴ってガス抜き部内に侵入した
溶湯は、鋳造終了後の鋳型の分割によって、バリとして
容易に除去することができるという利点がある。
処理を施すことにより、軽合金材料と複合用材料との境
界に金属間化合物層（固相拡散層）が生成するととも
に、軽合金母材の溶体化処理も行えるから、軽合金材料
の強度向上および耐磨耗性、耐ヘタリ性の向上を図るこ
とができる。さらに、鋳型として分割鋳型が用いられ、
この分割鋳型の合わせ面に上記ガス抜き部が設けられて
いる場合は、ガス抜きに伴ってガス抜き部内に侵入した
溶湯は、鋳造終了後の鋳型の分割によって、バリとして
容易に除去することができるという利点がある。
【００３２】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。 実施の形態１：ディーゼルエンジン用ピストンの鋳造 図２は本発明の方法によって製造されたアルミニウム合
金製ピストン１を示し、ピストン本体２の外周部は、ト
ップリングを嵌装するトップリング溝３と、セカンダリ
リングを嵌装するセカンダリリング溝４と、オイルリン
グを嵌装するオイルリング溝５とがそれぞれ形成されて
いる。
て、図面を参照して説明する。 実施の形態１：ディーゼルエンジン用ピストンの鋳造 図２は本発明の方法によって製造されたアルミニウム合
金製ピストン１を示し、ピストン本体２の外周部は、ト
ップリングを嵌装するトップリング溝３と、セカンダリ
リングを嵌装するセカンダリリング溝４と、オイルリン
グを嵌装するオイルリング溝５とがそれぞれ形成されて
いる。
【００３３】ピストン１のトップリング溝３は、後述す
る方法によって形成されたリング状複合部６上に設けら
れ、この複合部６以外のピストン本体２はアルミニウム
合金によって構成されている。上記ピストン１の製造
は、先ず、図３に示すように、ニッケル多孔体（住友電
工製セルメット：体積率＝約５％、平均気孔径０．８m
m）によって複合用材料リング７を成形する。この場
合、トップリング溝３は、後加工で切削して形成するの
で、複合用材料リング７は単なるリング状に成形する。
る方法によって形成されたリング状複合部６上に設けら
れ、この複合部６以外のピストン本体２はアルミニウム
合金によって構成されている。上記ピストン１の製造
は、先ず、図３に示すように、ニッケル多孔体（住友電
工製セルメット：体積率＝約５％、平均気孔径０．８m
m）によって複合用材料リング７を成形する。この場
合、トップリング溝３は、後加工で切削して形成するの
で、複合用材料リング７は単なるリング状に成形する。
【００３４】図４は、上記ディーゼルエンジン用ピスト
ンの製造に用いられる本発明による製造装置全体の概略
的断面図である。この装置１０の鋳型１１は、左右に分
割される割型である外型１２Ｌ，１２Ｒと、下方に配置
された中型１３と、押湯部１４ａを備えて上方に配置さ
れた上型１４とによって構成され、内部に製品部キャビ
ティ１５が形成されている。この鋳型１１内に複合用材
料リング７が保持され、また上型１４に形成された押湯
部１４ａには、エアによる加圧をこの押湯部１４ａから
行なう場合のパイプ１６が取り付けられている。１７は
ピストンピン挿入孔を形成する鋳抜きピンである。
ンの製造に用いられる本発明による製造装置全体の概略
的断面図である。この装置１０の鋳型１１は、左右に分
割される割型である外型１２Ｌ，１２Ｒと、下方に配置
された中型１３と、押湯部１４ａを備えて上方に配置さ
れた上型１４とによって構成され、内部に製品部キャビ
ティ１５が形成されている。この鋳型１１内に複合用材
料リング７が保持され、また上型１４に形成された押湯
部１４ａには、エアによる加圧をこの押湯部１４ａから
行なう場合のパイプ１６が取り付けられている。１７は
ピストンピン挿入孔を形成する鋳抜きピンである。
【００３５】また、外型１２Ｌ，１２Ｒは外型用シリン
ダ１８Ｌ，１８Ｒによって、中型１３は中型用シリンダ
１９によって、上型１４は上型用シリンダ２０によって
それぞれ駆動されるようになっている。 実施の形態１Ａ 図５は、エアによる加圧を湯口から行なう場合の鋳型１
１の断面図、図６は図５のVI−VI線に沿った断面図（一
部省略）をそれぞれ示す。なお、図５の断面は図４の断
面に対して直角である。
ダ１８Ｌ，１８Ｒによって、中型１３は中型用シリンダ
１９によって、上型１４は上型用シリンダ２０によって
それぞれ駆動されるようになっている。 実施の形態１Ａ 図５は、エアによる加圧を湯口から行なう場合の鋳型１
１の断面図、図６は図５のVI−VI線に沿った断面図（一
部省略）をそれぞれ示す。なお、図５の断面は図４の断
面に対して直角である。
【００３６】本実施の形態では、外型１２Ｌ，１２Ｒの
合わせ面１２ａに、鋳型１１内に保持された複合用材料
リング７に連通する幅約５〜１０mm、厚さ約０．２mmの
寸法を有するエア抜き溝（大気開放）２１が、外型１２
Ｌ，１２Ｒの一方、例えば１２Ｌに形成される態様で設
けられている。そして、エアによる加圧を行なうための
パイプ１６が、湯口２２を覆うカバ−２３に取り付けら
れている。この鋳型１１の場合、上型１４が上下に分割
される割型からなり、押湯部１４ａまで溶湯を充填させ
る際のエア抜き溝２４（大気開放）がその合わせ面に形
成されている。なお、２５は湯口２２から製品部キャビ
ティ１５に通じる湯道、２６はピストン内に冷却用オイ
ル通路を形成するために、図示しない支持手段により支
持されて配置された塩中子である。
合わせ面１２ａに、鋳型１１内に保持された複合用材料
リング７に連通する幅約５〜１０mm、厚さ約０．２mmの
寸法を有するエア抜き溝（大気開放）２１が、外型１２
Ｌ，１２Ｒの一方、例えば１２Ｌに形成される態様で設
けられている。そして、エアによる加圧を行なうための
パイプ１６が、湯口２２を覆うカバ−２３に取り付けら
れている。この鋳型１１の場合、上型１４が上下に分割
される割型からなり、押湯部１４ａまで溶湯を充填させ
る際のエア抜き溝２４（大気開放）がその合わせ面に形
成されている。なお、２５は湯口２２から製品部キャビ
ティ１５に通じる湯道、２６はピストン内に冷却用オイ
ル通路を形成するために、図示しない支持手段により支
持されて配置された塩中子である。
【００３７】以上の構成において、湯口２２からアルミ
ニウム合金（ＡＣ８Ａ）の溶湯を注湯後、カバ−２３を
下げて湯口２２を密閉すると同時に、カバ−２３に設け
られたパイプ１６から、５ kg/cm2 の圧力を有する工場
エアを注入して溶湯を約５０秒〜１分間加圧する。この
エアによる加圧時には、エア抜き溝２１，２４内に溶湯
の一部が差し込み、溝２１，２４内で冷却凝固して、溝
２１，２４のシールが行なわれる。そして、溝２１，２
４内で凝固した溶湯は、鋳型１１の分割に伴ってバリと
して除去される。なお、上記エアによる加圧は、注湯後
１０〜３０秒以内に開始する必要があるが、この時間範
囲は、一般的には、溶湯凝固前の有効に圧力がかけられ
る時間範囲に設定すればよい。
ニウム合金（ＡＣ８Ａ）の溶湯を注湯後、カバ−２３を
下げて湯口２２を密閉すると同時に、カバ−２３に設け
られたパイプ１６から、５ kg/cm2 の圧力を有する工場
エアを注入して溶湯を約５０秒〜１分間加圧する。この
エアによる加圧時には、エア抜き溝２１，２４内に溶湯
の一部が差し込み、溝２１，２４内で冷却凝固して、溝
２１，２４のシールが行なわれる。そして、溝２１，２
４内で凝固した溶湯は、鋳型１１の分割に伴ってバリと
して除去される。なお、上記エアによる加圧は、注湯後
１０〜３０秒以内に開始する必要があるが、この時間範
囲は、一般的には、溶湯凝固前の有効に圧力がかけられ
る時間範囲に設定すればよい。
【００３８】実施の形態１Ｂ 図７は、図４と同様に、エアによる加圧を上型１４に設
けられた押湯部１４ａから行なう場合の鋳型１１の断面
図を示す。この場合、図５に示すようにエア抜き溝２４
を上型１４に設けてもよいが、図７では、押湯部１４ａ
を加圧エア源と大気とに選択的に連通させるバルブ２７
をパイプ１６の途中に設けている。その場合には、押湯
部１４ａをバルブ２７を通じて大気に開放した状態で、
湯口２２からアルミニウム合金の溶湯を注湯後、水冷銅
塊２８のような冷却機構を設けたカバー２３を下げて湯
口２２を密閉すると同時に、バルブ２７を操作してパイ
プ１６を加圧エア源に連通させ、パイプ１６から、工場
エアを注入して溶湯を加圧するようにすればよい。図７
の構成の場合、被複合部の近辺を効果的に加圧できる利
点があるからより好ましい。
けられた押湯部１４ａから行なう場合の鋳型１１の断面
図を示す。この場合、図５に示すようにエア抜き溝２４
を上型１４に設けてもよいが、図７では、押湯部１４ａ
を加圧エア源と大気とに選択的に連通させるバルブ２７
をパイプ１６の途中に設けている。その場合には、押湯
部１４ａをバルブ２７を通じて大気に開放した状態で、
湯口２２からアルミニウム合金の溶湯を注湯後、水冷銅
塊２８のような冷却機構を設けたカバー２３を下げて湯
口２２を密閉すると同時に、バルブ２７を操作してパイ
プ１６を加圧エア源に連通させ、パイプ１６から、工場
エアを注入して溶湯を加圧するようにすればよい。図７
の構成の場合、被複合部の近辺を効果的に加圧できる利
点があるからより好ましい。
【００３９】実施の形態１Ｃ 図８は、製品部キャビティ１５の側方において外型１２
Ｌ，１２Ｒの間に押湯部１２ｂを設け、エアによる加圧
をこの押湯部１２ｂから行なう場合の鋳型１１の断面図
を示す。この鋳型１１は、直噴ディーゼルエンジンに用
いられる、図９に示すような頂部に燃焼室３０を備えた
ピストン１の鋳造に適した構造を有する。
Ｌ，１２Ｒの間に押湯部１２ｂを設け、エアによる加圧
をこの押湯部１２ｂから行なう場合の鋳型１１の断面図
を示す。この鋳型１１は、直噴ディーゼルエンジンに用
いられる、図９に示すような頂部に燃焼室３０を備えた
ピストン１の鋳造に適した構造を有する。
【００４０】一般に押湯部は、ピストン頂部のような厚
肉部における鋳巣の発生を抑制するために設けられるも
のであるが、その結果、材料歩留まりが低下するのみで
なく、図９に示すような構成を有するピストン１では、
燃焼室３０を形成するための機械加工に時間を要すると
いう問題がある。また、燃焼室３０のリップ部３０ａ
は、耐熱疲労性の点から、金属組織が微細であること
（凝固速度が早いこと）が望ましいにも拘らず、頂部に
押湯部が存在すると、リップ部３０ａの凝固速度が遅
く、金属組織が粗大になり、耐熱疲労強度の点で劣るこ
とになる。
肉部における鋳巣の発生を抑制するために設けられるも
のであるが、その結果、材料歩留まりが低下するのみで
なく、図９に示すような構成を有するピストン１では、
燃焼室３０を形成するための機械加工に時間を要すると
いう問題がある。また、燃焼室３０のリップ部３０ａ
は、耐熱疲労性の点から、金属組織が微細であること
（凝固速度が早いこと）が望ましいにも拘らず、頂部に
押湯部が存在すると、リップ部３０ａの凝固速度が遅
く、金属組織が粗大になり、耐熱疲労強度の点で劣るこ
とになる。
【００４１】そこで、図１０に示すように、製品部キャ
ビティ１５の側方に押湯部１２ｂを設けることが考えら
れるが、一般的なディーゼルエンジン用ピストンでは、
トップリング溝３の耐磨耗性を確保するためのニレジス
ト鋳鉄製耐磨耗環３１を鋳ぐるむ必要から、押湯部１２
ａから製品部キャビティ１５に至る湯道３２の断面積に
制約がある。また、側面からの押湯であるため、ピスト
ン頂部の厚肉部への押湯効果が小さい。さらに、鋳鉄製
耐磨耗環３１はアルミニウム合金溶湯よりも低温の状態
で鋳型にセットされるため、湯道３２内の溶湯の凝固が
促進され、製品部よりも早く凝固する。その結果、製品
部に対する十分な押湯効果が期待できないことになる。
ビティ１５の側方に押湯部１２ｂを設けることが考えら
れるが、一般的なディーゼルエンジン用ピストンでは、
トップリング溝３の耐磨耗性を確保するためのニレジス
ト鋳鉄製耐磨耗環３１を鋳ぐるむ必要から、押湯部１２
ａから製品部キャビティ１５に至る湯道３２の断面積に
制約がある。また、側面からの押湯であるため、ピスト
ン頂部の厚肉部への押湯効果が小さい。さらに、鋳鉄製
耐磨耗環３１はアルミニウム合金溶湯よりも低温の状態
で鋳型にセットされるため、湯道３２内の溶湯の凝固が
促進され、製品部よりも早く凝固する。その結果、製品
部に対する十分な押湯効果が期待できないことになる。
【００４２】これに対して、本実施の形態において従来
の鋳鉄製耐磨耗環３１に代えて用いられる金属多孔体か
らなる複合用材料リング７は、気孔率が８０％以上と高
いため、それ自体の断熱性が高く、アルミニウム合金溶
湯を鋳型１１に充填した際、湯道３２を保温する効果が
あり、その結果、湯道３２内の溶湯の凝固を遅らせるこ
とができる。そして、これに併せて、押湯部１２ａを気
体で加圧することにより、複合用材料リング７の気孔内
にアルミニウム合金溶湯が含浸され、複合部が形成され
るとともに、十分な加圧力を製品部に伝えることが可能
になり、内部品質および複合部品質に優れたピストンが
得られる。また、この場合は、燃焼室３０の一部を鋳抜
く鋳抜き部３３を設けることができるため、燃焼室３０
のリップ部３０ａの金属組織を微細化することができ、
ピストン１の熱疲労寿命を延ばすことができる。また、
燃焼室３０を形成するための機械加工時間を短縮するこ
とができ、かつ材料歩留まりが向上する。
の鋳鉄製耐磨耗環３１に代えて用いられる金属多孔体か
らなる複合用材料リング７は、気孔率が８０％以上と高
いため、それ自体の断熱性が高く、アルミニウム合金溶
湯を鋳型１１に充填した際、湯道３２を保温する効果が
あり、その結果、湯道３２内の溶湯の凝固を遅らせるこ
とができる。そして、これに併せて、押湯部１２ａを気
体で加圧することにより、複合用材料リング７の気孔内
にアルミニウム合金溶湯が含浸され、複合部が形成され
るとともに、十分な加圧力を製品部に伝えることが可能
になり、内部品質および複合部品質に優れたピストンが
得られる。また、この場合は、燃焼室３０の一部を鋳抜
く鋳抜き部３３を設けることができるため、燃焼室３０
のリップ部３０ａの金属組織を微細化することができ、
ピストン１の熱疲労寿命を延ばすことができる。また、
燃焼室３０を形成するための機械加工時間を短縮するこ
とができ、かつ材料歩留まりが向上する。
【００４３】以上の実施の形態１Ａ〜１Ｃにより、図１
１に示すように、ピストン本体２の一部にリング状複合
部６を鋳ぐるんだアルミニウム合金鋳物素材８が形成さ
れる。上記リング状複合部６は、ニッケル多孔体よりな
る複合用材料リング７の気孔内にアルミニウム合金が充
填されて形成されたものである。次に、このアルミニウ
ム合金鋳物素材８を加熱炉に入れて、温度５００°Ｃで
４．５時間加熱することにより、リング状複合強化部６
におけるニッケル多孔体とアルミニウム合金との境界に
金属間化合物層を生成させるとともに、アルミニウム合
金母材の溶体化処理を施した後、水焼入れを行ない、さ
らに温度１８０°Ｃで５時間焼戻し処理を施す。
１に示すように、ピストン本体２の一部にリング状複合
部６を鋳ぐるんだアルミニウム合金鋳物素材８が形成さ
れる。上記リング状複合部６は、ニッケル多孔体よりな
る複合用材料リング７の気孔内にアルミニウム合金が充
填されて形成されたものである。次に、このアルミニウ
ム合金鋳物素材８を加熱炉に入れて、温度５００°Ｃで
４．５時間加熱することにより、リング状複合強化部６
におけるニッケル多孔体とアルミニウム合金との境界に
金属間化合物層を生成させるとともに、アルミニウム合
金母材の溶体化処理を施した後、水焼入れを行ない、さ
らに温度１８０°Ｃで５時間焼戻し処理を施す。
【００４４】このようなＴ６処理の施されたアルミニウ
ム合金鋳物素材８に対し、機械切削加工を行なって、リ
ング状複合部６およびピストン本体２の外周面を切削す
るとともに、図１に示すように、リング状複合強化部６
にトップリング溝３を形成し、かつセカンダリリング溝
４およびオイルリング溝５を形成する。なお、上述から
明らかなように、ピストンの製造に際しては、鋳造後、
上述のようにリング状複合部６の外周部分を相当量切削
して除去している。したがって、この除去される外周部
分におけるアルミニウム合金充填状態が多少不完全でも
品質に影響するおそれはないから、その分、気体による
加圧力を低くしてもよいことになる。
ム合金鋳物素材８に対し、機械切削加工を行なって、リ
ング状複合部６およびピストン本体２の外周面を切削す
るとともに、図１に示すように、リング状複合強化部６
にトップリング溝３を形成し、かつセカンダリリング溝
４およびオイルリング溝５を形成する。なお、上述から
明らかなように、ピストンの製造に際しては、鋳造後、
上述のようにリング状複合部６の外周部分を相当量切削
して除去している。したがって、この除去される外周部
分におけるアルミニウム合金充填状態が多少不完全でも
品質に影響するおそれはないから、その分、気体による
加圧力を低くしてもよいことになる。
【００４５】以上が、本発明による鋳造品並びに鋳造方
法及び鋳造装置を用いてディーゼルエンジン用ピストン
を鋳造する実施の形態の説明であり、この実施の形態で
は、湯口２２からアルミニウム合金の溶湯を注湯後、カ
バ−２３を下げて湯口２２を密閉すると同時に、カバ−
２３または押湯部１４ａ，１２ｂに設けられたパイプ１
６から、５ kg/cm2 程度の圧力を有する工場エアを注入
して溶湯を加圧しているが、加圧力に対する複合部の比
重の関係を示す図１２から明らかなように、加圧力が１
kg/cm2 以上は複合化部の比重が一定、すなわち複合用
材料リング７の気孔内にアルミニウム合金が十分に充填
される。そして、加圧力が０．５kg/cm2未満では健全な
複合化が困難であるが、加圧力が０．５ kg/cm2 以上あ
れば、健全な複合化が達成される。しかしながら、加圧
力が３０ kg/cm2 を超えると、分割鋳型の合わせ面から
の溶湯の吹出しを防止するために、大きな型締め力を要
することになり好ましくないから、加圧力は３０ kg/cm
2 以下に設定するのがよい。特に、１０ kg/cm2 以下で
あれば、上記型締め力をさほど大きくしなくても、上記
溶湯の吹出しを防止することができるから、加圧力を
０．５〜１０kg/cm2の範囲内に設定するのがもっとも好
ましい。
法及び鋳造装置を用いてディーゼルエンジン用ピストン
を鋳造する実施の形態の説明であり、この実施の形態で
は、湯口２２からアルミニウム合金の溶湯を注湯後、カ
バ−２３を下げて湯口２２を密閉すると同時に、カバ−
２３または押湯部１４ａ，１２ｂに設けられたパイプ１
６から、５ kg/cm2 程度の圧力を有する工場エアを注入
して溶湯を加圧しているが、加圧力に対する複合部の比
重の関係を示す図１２から明らかなように、加圧力が１
kg/cm2 以上は複合化部の比重が一定、すなわち複合用
材料リング７の気孔内にアルミニウム合金が十分に充填
される。そして、加圧力が０．５kg/cm2未満では健全な
複合化が困難であるが、加圧力が０．５ kg/cm2 以上あ
れば、健全な複合化が達成される。しかしながら、加圧
力が３０ kg/cm2 を超えると、分割鋳型の合わせ面から
の溶湯の吹出しを防止するために、大きな型締め力を要
することになり好ましくないから、加圧力は３０ kg/cm
2 以下に設定するのがよい。特に、１０ kg/cm2 以下で
あれば、上記型締め力をさほど大きくしなくても、上記
溶湯の吹出しを防止することができるから、加圧力を
０．５〜１０kg/cm2の範囲内に設定するのがもっとも好
ましい。
【００４６】また、上述の実施の形態１では、体積率５
％のニッケル多孔体からなる複合用材料リング７を用い
ているが、これに代えて、ステンレス繊維成形体からな
る複合用材料リング７を用いることもできる。この場合
は、平均径３０μｍ程度のステンレス繊維を所定形状に
プレス成形した後、ブタン変成ガス雰囲気中で１１３０
℃の温度に２時間保持して焼結して、１０％の体積率を
有する複合用材料リング７を作成した。そして、この複
合用材料リング７を上述と同様の鋳型１１にセットし、
アルミニウム合金（ＡＣ８Ａ）を注湯後、湯口２２をシ
ールし、押湯部に対し気体によって３ kg/cm2 の圧力を
凝固完了まで加え、リング状複合部６を形成した。
％のニッケル多孔体からなる複合用材料リング７を用い
ているが、これに代えて、ステンレス繊維成形体からな
る複合用材料リング７を用いることもできる。この場合
は、平均径３０μｍ程度のステンレス繊維を所定形状に
プレス成形した後、ブタン変成ガス雰囲気中で１１３０
℃の温度に２時間保持して焼結して、１０％の体積率を
有する複合用材料リング７を作成した。そして、この複
合用材料リング７を上述と同様の鋳型１１にセットし、
アルミニウム合金（ＡＣ８Ａ）を注湯後、湯口２２をシ
ールし、押湯部に対し気体によって３ kg/cm2 の圧力を
凝固完了まで加え、リング状複合部６を形成した。
【００４７】 実施の形態２：シリンダブロックのベアリングキャップ
の鋳造 図１３は、エンジンのシリンダブロックに設けられるベ
アリング部との合わせ面に、本発明による方法を用いて
複合部を形成したベアリングキャップを鋳造する場合の
鋳型の概略的断面図である。この場合の鋳型４１は上型
４２と下型４３とによって構成され、製品部キャビティ
４４と押湯部４２ａとが上型４２に形成されている。そ
して、例えばアルミナ短繊維からなる多孔性複合用材料
成形体（体積率１０％）４５が下型４３上にセットされ
るとともに、上型４２と下型４３との合わせ面に複合用
材料成形体４５に連通するエア抜き溝４６が形成されて
いる。
の鋳造 図１３は、エンジンのシリンダブロックに設けられるベ
アリング部との合わせ面に、本発明による方法を用いて
複合部を形成したベアリングキャップを鋳造する場合の
鋳型の概略的断面図である。この場合の鋳型４１は上型
４２と下型４３とによって構成され、製品部キャビティ
４４と押湯部４２ａとが上型４２に形成されている。そ
して、例えばアルミナ短繊維からなる多孔性複合用材料
成形体（体積率１０％）４５が下型４３上にセットされ
るとともに、上型４２と下型４３との合わせ面に複合用
材料成形体４５に連通するエア抜き溝４６が形成されて
いる。
【００４８】そして、湯口４７から製品部キャビティ４
４内にアルミニウム合金の溶湯を注湯後、カバー４８を
下げて湯口４７を密閉すると同時に押湯部４２ａからパ
イプ１６を通じて、工場エアを注入して溶湯を加圧する
ことにより、複合用材料成形体４５の気孔内にアルミニ
ウム合金を含浸させて、ベアリングキャップの合わせ面
を複合化し、熱膨張を抑制するように構成されている。
４内にアルミニウム合金の溶湯を注湯後、カバー４８を
下げて湯口４７を密閉すると同時に押湯部４２ａからパ
イプ１６を通じて、工場エアを注入して溶湯を加圧する
ことにより、複合用材料成形体４５の気孔内にアルミニ
ウム合金を含浸させて、ベアリングキャップの合わせ面
を複合化し、熱膨張を抑制するように構成されている。
【００４９】実施の形態３：コンロッドの鋳造 図１４は、ビッグエンドとスモールエンドの双方のピン
孔の周囲に、本発明による方法を用いてそれぞれ複合部
を形成したコンロッドを鋳造する場合の鋳型の概略的断
面図、図１５は、図１４のXV−XV線に沿った断面図であ
る。この場合の鋳型５１は左右の外型５２Ｌ，５２Ｒに
よって構成され、製品部キャビティ５３内のビッグエン
ドとスモールエンドにそれぞれ対応する部位に大小の例
えばアルミナ短繊維の成形体からなる多孔性複合用材料
リング５４，５５がそれぞれ鋳抜きピン５６，５７に支
持されてセットされる。この場合は、ビッグエンドとス
モールエンドとの双方に押湯部５２ａ，５２ｂを設け、
これら押湯部５２ａ，５２ｂにそれぞれ気体加圧用のパ
イプ１６を連通させて、複合部の近傍を加圧するように
構成されている。また、外型５２Ｌ，５２Ｒと鋳抜きピ
ン５６，５７との間にそれぞれエア抜き溝５８が設けら
れる。
孔の周囲に、本発明による方法を用いてそれぞれ複合部
を形成したコンロッドを鋳造する場合の鋳型の概略的断
面図、図１５は、図１４のXV−XV線に沿った断面図であ
る。この場合の鋳型５１は左右の外型５２Ｌ，５２Ｒに
よって構成され、製品部キャビティ５３内のビッグエン
ドとスモールエンドにそれぞれ対応する部位に大小の例
えばアルミナ短繊維の成形体からなる多孔性複合用材料
リング５４，５５がそれぞれ鋳抜きピン５６，５７に支
持されてセットされる。この場合は、ビッグエンドとス
モールエンドとの双方に押湯部５２ａ，５２ｂを設け、
これら押湯部５２ａ，５２ｂにそれぞれ気体加圧用のパ
イプ１６を連通させて、複合部の近傍を加圧するように
構成されている。また、外型５２Ｌ，５２Ｒと鋳抜きピ
ン５６，５７との間にそれぞれエア抜き溝５８が設けら
れる。
【００５０】そして、湯口５９から製品部キャビティ５
３内にアルミニウム合金の溶湯を注湯後、カバー６０を
下げて湯口５９を密閉すると同時に押湯部５２ａ，５２
ｂからパイプ１６を通じて、工場エアを注入して溶湯を
加圧することにより、複合用材料リング５４，５５の気
孔内にアルミニウム合金を含浸させて複合部を形成し、
熱膨張を抑制するように構成されている。なお、鋳造さ
れたコンロッドのビッグエンドからベアリングキャップ
部が切断された後、切削加工が施される。
３内にアルミニウム合金の溶湯を注湯後、カバー６０を
下げて湯口５９を密閉すると同時に押湯部５２ａ，５２
ｂからパイプ１６を通じて、工場エアを注入して溶湯を
加圧することにより、複合用材料リング５４，５５の気
孔内にアルミニウム合金を含浸させて複合部を形成し、
熱膨張を抑制するように構成されている。なお、鋳造さ
れたコンロッドのビッグエンドからベアリングキャップ
部が切断された後、切削加工が施される。
【００５１】以上が本発明の実施の形態の説明である
が、本発明の方法により製造されるアルミニウム合金鋳
物素材は、上述した実施の形態のようなディーゼルエン
ジン用ピストンやベアリングキャップ、あるいはコンロ
ッドに限られるものではない。またアルミニウム合金鋳
物素材以外に、例えばマグネシュームのような他の軽合
金鋳物素材も本発明により製造可能である。
が、本発明の方法により製造されるアルミニウム合金鋳
物素材は、上述した実施の形態のようなディーゼルエン
ジン用ピストンやベアリングキャップ、あるいはコンロ
ッドに限られるものではない。またアルミニウム合金鋳
物素材以外に、例えばマグネシュームのような他の軽合
金鋳物素材も本発明により製造可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法の実施に用いられる複合用材料の
体積率と複合用材料内に溶湯を含浸させるのに必要な加
圧力との関係を示すグラフである。
体積率と複合用材料内に溶湯を含浸させるのに必要な加
圧力との関係を示すグラフである。
【図２】本発明の方法を用いて製造したアルミニウム合
金製ピストンの一部を断面にして示す正面図である。
金製ピストンの一部を断面にして示す正面図である。
【図３】複合用材料リングの斜視図である。
【図４】ピストンの鋳造に用いられる本発明による製造
装置全体の概略的断面図である。
装置全体の概略的断面図である。
【図５】本発明の方法によりピストンを鋳造する場合に
用いられる鋳型の一例を示す断面図である。
用いられる鋳型の一例を示す断面図である。
【図６】図５のVI−VI線に沿った断面図である。
【図７】本発明の方法によりピストンを鋳造する場合に
用いられる鋳型の他の例を示す断面図である。
用いられる鋳型の他の例を示す断面図である。
【図８】本発明の方法により直噴式ディーゼルエンジン
のピストンを鋳造する場合に用いられる鋳型の断面図で
ある。
のピストンを鋳造する場合に用いられる鋳型の断面図で
ある。
【図９】従来の直噴式ディーゼルエンジンのピストンの
断面図である。
断面図である。
【図１０】直噴式ディーゼルエンジンのピストンを鋳造
する場合に用いられる従来の鋳型の要部断面図である。
する場合に用いられる従来の鋳型の要部断面図である。
【図１１】本発明の方法により鋳造されたアルミニウム
合金鋳物素材（ピストン）の要部断面図である。
合金鋳物素材（ピストン）の要部断面図である。
【図１２】加圧力に対する複合部の比重の関係を示すグ
ラフである。
ラフである。
【図１３】本発明の方法によりシリンダブロックのベア
リングキャップを鋳造する場合に用いられる鋳型の断面
図である。
リングキャップを鋳造する場合に用いられる鋳型の断面
図である。
【図１４】本発明の方法によりコンロッドを鋳造する場
合に用いられる鋳型の断面図である。
合に用いられる鋳型の断面図である。
【図１５】図１４のXV−XV線に沿った断面図である。
１…アルミニウム合金製ピストン ２…ピストン本体 ３…トップリング溝 ６…リング状複合部 ７…複合用材料リング １１…鋳型 １２Ｌ，１２Ｒ…外型 １２ｂ，１４ａ…押湯部 １４…上型 １５…製品部キャビティ １６…パイプ ２１，２４…エア抜き溝 ２２…湯口 ２３…カバー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｂ２２Ｄ 27/13 Ｂ２２Ｄ 27/13 Ｃ２２Ｃ 47/08 Ｃ２２Ｃ 1/09 Ａ (72)発明者 坂本 和夫 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツ ダ株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−81059（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−254349（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−230860（ＪＰ，Ａ) 特公 平２−25700（ＪＰ，Ｂ２)
Claims (2)
- 【請求項１】 製品キャビティと、前記製品キャビティ
の上方に位置する押湯部と、気孔を有する複合用材料を
前記製品キャビティの内壁に接する状態で該製品キャビ
ティ内に保持する保持部とが形成された鋳型を用いて複
合用材料が鋳込まれた鋳造品を鋳造する方法であって、 前記鋳型に、前記保持部が形成された前記製品キャビテ
ィの内壁と大気とを連通させるガス抜き通路を形成し、 気孔を有し５〜２０％の体積率を有する複合用材料を製
品の所定部位の形状に成形し、 前記複合用材料を前記ガス抜き通路と連通するように前
記保持部に保持し、 前記鋳型内に軽合金材料の溶湯を注入し、 前記鋳型を閉じた状態で、該鋳型内に注入された溶湯に
０．５〜１０ｋｇ／ｃｍ２の圧力のエアを作用させなが
ら、前記ガス抜き通路を介して前記複合用材料の気孔内
のガスを鋳型外部に押し出し、同時に溶湯を前記複合用
材料の前記気孔内に含浸充填させ、 前記軽合金材料と前記複合用材料とを複合化させる、こ
とを特徴とする鋳造方法。 - 【請求項２】 前記鋳型は、合わせ面で分割された分割
型鋳型であり、 前記ガス抜き通路は前記鋳型の合わせ面に形成されてい
ることを特徴とする請求項１に記載の鋳造方法。
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