JP3376595B2 - アルミ部品用鋳包み部材及びその製造方法 - Google Patents
アルミ部品用鋳包み部材及びその製造方法Info
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- JP3376595B2 JP3376595B2 JP34545991A JP34545991A JP3376595B2 JP 3376595 B2 JP3376595 B2 JP 3376595B2 JP 34545991 A JP34545991 A JP 34545991A JP 34545991 A JP34545991 A JP 34545991A JP 3376595 B2 JP3376595 B2 JP 3376595B2
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
- F05C2201/00—Metals
- F05C2201/02—Light metals
- F05C2201/021—Aluminium
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- Powder Metallurgy (AREA)
- Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
Description
【産業上の利用分野】本発明は、アルミ製ピストンなど
のアルミ部品に使用される鋳包み部材及びその製造方法
に関するものである。
のアルミ部品に使用される鋳包み部材及びその製造方法
に関するものである。
【従来の技術】Ｎｉ3Ａｌ，ＴｉＡｌ，Ｔｉ3Ａｌ等の金
属間化合物は、航空、宇宙、情報処理、新エネルギー、
バイオインダストリーなどの次世代産業の確立にそれら
の新素材の開発が不可欠とされている。とりわけＴｉ−
Ａｌ系，Ｎｉ−Ａｌ系の金属間化合物は、その耐熱比強
度が高いこと及び低熱膨張性を有することから、高出力
化する内燃機関用及び航空機用エンジン材料として注目
されている。
属間化合物は、航空、宇宙、情報処理、新エネルギー、
バイオインダストリーなどの次世代産業の確立にそれら
の新素材の開発が不可欠とされている。とりわけＴｉ−
Ａｌ系，Ｎｉ−Ａｌ系の金属間化合物は、その耐熱比強
度が高いこと及び低熱膨張性を有することから、高出力
化する内燃機関用及び航空機用エンジン材料として注目
されている。
【発明が解決しようとする課題】しかしながら金属間化
合物は、伸び値が低く且つ硬いために切削加工、塑性加
工が困難であり、現状では専ら精密鋳造及び普通焼結法
によりnear net shapeが研究されている。普通焼結法に
よると、圧粉成形時の圧力等の調整により、みかけ密度
で6 〜7 g/cm3 が一般的で、これ以上ポーラスで均一品
質の焼結体の製造は非常に難しい。また一般に、ポーラ
スな材料、すなわち発泡金属の作り方は発泡スチロール
へのメッキ法によるが、金属間化合物のメッキは不可能
である。一方、アルミ部品の耐摩耗性など機械的強度の
向上を図るものとして、金属多孔体を使用した構成が提
案されている（「アルミニウム合金製ピストン」，特開
昭５９−２１８３４１号公報）。この提案は、図５に示
すように、ピストン１のリング溝２を区画するリング支
持部材３が、金属多孔体の気孔にアルミ合金が充填され
た状態でピストン本体４に鋳ぐるまれ、金属多孔体とア
ルミニウム合金との境界にアルミニウムと金属との化合
物層を形成されて成るものである。この提案によれば、
実質的に発泡体状となる金属間化合物を形成し得ること
になる。ただしこのような金属間化合物を形成するに際
しては、金属多孔体を鋳包んだ後に、「Ｔ６又はＴ７」
の熱処理にて、アルミを金属多孔体に拡散させる工程が
必要であるという課題が残されていた。すなわち、上記
提案中に開示されている450 〜550 ℃の温度範囲でなけ
れば生産できず、製造工程においてエネルギーの過大な
消費をまねくこととなっていた。そこで本発明は、上記
事情に鑑み、所望する密度となる発泡体状の金属間化合
物を鋳包むことができ、しかも鋳包み後の拡散のための
熱処理を省略できるアルミ部品用鋳包み部材及びその製
造方法を提供すべく創案されたものである。
合物は、伸び値が低く且つ硬いために切削加工、塑性加
工が困難であり、現状では専ら精密鋳造及び普通焼結法
によりnear net shapeが研究されている。普通焼結法に
よると、圧粉成形時の圧力等の調整により、みかけ密度
で6 〜7 g/cm3 が一般的で、これ以上ポーラスで均一品
質の焼結体の製造は非常に難しい。また一般に、ポーラ
スな材料、すなわち発泡金属の作り方は発泡スチロール
へのメッキ法によるが、金属間化合物のメッキは不可能
である。一方、アルミ部品の耐摩耗性など機械的強度の
向上を図るものとして、金属多孔体を使用した構成が提
案されている（「アルミニウム合金製ピストン」，特開
昭５９−２１８３４１号公報）。この提案は、図５に示
すように、ピストン１のリング溝２を区画するリング支
持部材３が、金属多孔体の気孔にアルミ合金が充填され
た状態でピストン本体４に鋳ぐるまれ、金属多孔体とア
ルミニウム合金との境界にアルミニウムと金属との化合
物層を形成されて成るものである。この提案によれば、
実質的に発泡体状となる金属間化合物を形成し得ること
になる。ただしこのような金属間化合物を形成するに際
しては、金属多孔体を鋳包んだ後に、「Ｔ６又はＴ７」
の熱処理にて、アルミを金属多孔体に拡散させる工程が
必要であるという課題が残されていた。すなわち、上記
提案中に開示されている450 〜550 ℃の温度範囲でなけ
れば生産できず、製造工程においてエネルギーの過大な
消費をまねくこととなっていた。そこで本発明は、上記
事情に鑑み、所望する密度となる発泡体状の金属間化合
物を鋳包むことができ、しかも鋳包み後の拡散のための
熱処理を省略できるアルミ部品用鋳包み部材及びその製
造方法を提供すべく創案されたものである。
【課題を解決するための手段】本発明は、アルミ粒子を
核粒子とし、金属間化合物の粒子を被覆粒子としてカプ
セル粒子を形成した後、該カプセル粒子の表面にアルミ
粒子を付着させて二重のカプセル粒子を形成し、該二重
カプセル粒子の粉末を所定形状に焼結してなるものであ
る。また本発明は、アルミ粒子を核粒子とし、金属間化
合物の粒子を被覆粒子としてカプセル粒子を形成した
後、該カプセル粒子の表面にアルミ粒子を付着させて二
重のカプセル粒子を形成し、該二重カプセル粒子の粉末
を所定形状に焼結するものである。
核粒子とし、金属間化合物の粒子を被覆粒子としてカプ
セル粒子を形成した後、該カプセル粒子の表面にアルミ
粒子を付着させて二重のカプセル粒子を形成し、該二重
カプセル粒子の粉末を所定形状に焼結してなるものであ
る。また本発明は、アルミ粒子を核粒子とし、金属間化
合物の粒子を被覆粒子としてカプセル粒子を形成した
後、該カプセル粒子の表面にアルミ粒子を付着させて二
重のカプセル粒子を形成し、該二重カプセル粒子の粉末
を所定形状に焼結するものである。
【作用】上記構成によって、所望の密度の発泡体状の金
属間化合物で構成される鋳包み部材をアルミ部品に鋳包
むことができ、しかも鋳包み後の拡散のための熱処理が
不要になる。
属間化合物で構成される鋳包み部材をアルミ部品に鋳包
むことができ、しかも鋳包み後の拡散のための熱処理が
不要になる。
【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に従って説
明する。図３は、本発明に係わるアルミ部品用鋳包み部
材の一実施例を示したものである。この鋳包み部材は、
内部にアルミ体１１が形成された金属間化合物１２と、
この金属間化合物１２の表面を覆うアルミ層１３とが一
体的に焼結された焼結体１４として構成されている。金
属間化合物１２としては例えばＮｉ3Ａｌ粒子を使用す
る。そしてこの金属間化合物１２が、アルミのマトリッ
クス中に多数、均一に散在した形になっている。次に本
発明に係わるアルミ部品用鋳包み部材の製造方法の一実
施例として、上記構成の鋳包み用部材を製造する工程を
説明する。まず外径が50〜 150μｍのアルミ粒子と、そ
の1/10程度の5 〜15μｍ径の金属間化合物の粒子とを用
意する。この金属間化合物の微粒子は、規定組成に配合
溶解した溶液から、公知のアトマイズ法によって容易に
製造することができる。そしてアルミ粒子の表面に、金
属間化合物の粒子を静電付着させた後、高速空気衝撃法
（後述する粉体衝撃装置２３を用い、高速の気流により
粉末に衝撃を与える方法（高速気流中衝撃法））にて強
固に付着させ、図１に示すように、アルミ粒子を核粒子
１５とし、金属間化合物粒子を被覆粒子１６としたカプ
セル粒子１７を形成する。次に、形成されたカプセル粒
子１７を核粒子として扱い、これに第二の被覆粒子１８
となる小径のアルミ粒子を付着させ、同様にしてカプセ
ル構造にすることで、図２に示すように、カプセル粒子
１７のさらに外側を第二の被覆粒子１８が覆う二重カプ
セル粒子１９を形成する。この二重カプセル粒子１９の
粉末を圧粉成形してから、放電焼結（ＰＡＳ法）にて一
体的に固形化する。これで内側のカプセル粒子１７の被
覆粒子１６である金属間化合物粒子が連なって、図３に
示したように金属間化合物１２となり、アルミの核粒子
１５がアルミ体１１になる。そして外側の第二の被覆粒
子１８同士が焼結されて、アルミ層１３として強固に一
体化される。この焼結体１４を、或いは圧粉成形体の段
階で所定の形状に、例えば図５で示したようなピストン
のリング溝を区画する円環部材の形状に成形し、アルミ
製ピストン本体の鋳造時に鋳包む。この際、後工程での
拡散のための熱処理を必要とせず、アルミ部品鋳造時の
金型の冷却効果を利用することで、その170 〜220 ℃の
焼戻し処理のみにて所望する鋳包みがなされる。このよ
うに、アルミ粒子を核粒子１５としてこれを金属間化合
物粒子及びアルミ粒子で覆って二重のカプセル粒子１９
を形成し、これを焼結させて金属間化合物１２とアルミ
層１３とが一体的に焼結された鋳包み部材を構成したの
で、均一でしかも所望の密度となる実質発泡体状の金属
間化合物１２を、強化対象の部位に鋳包むことができ、
耐熱性、耐摩耗性、高温強度などの向上が図れると共
に、拡散のための熱処理が不要になり、アルミ部品鋳造
工程での省エネルギーに貢献できる。また第二の被覆粒
子１８にアルミを使用したことで、本体のアルミとのな
じみがよく、鋳包み性が良好になる。さらに接合・鋳包
み性の向上を図るために、鋳包み部材の表面に珪砂など
のフラックスを塗布させるものとしてもよい。そして上
記実施例のように、鋳包み部材をピストンのリング溝を
区画する形状に成形してピストン本体に鋳包むことによ
り、熱膨張が低いピストンが得られ、クリアランスの低
減が達成される。また金属間化合物としてはＮｉ3Ａｌ
の他、ＦｅＡｌ，Ｃｕ2Ａｌ，ＴｉＡｌなどを使用して
もよい。なお上記説明では詳細工程を省略したが、カプ
セル粒子１７（１９）の製造に際しては、例えば次のよ
うにして行うことができる。図４に示すように、まずプ
ロセッサー２１においてファンデルワールス力により核
粒子１５に被覆粒子１６を付着させた後、この粉末を原
料貯槽２２に送る。その下方に設置した粉体衝撃装置２
３では、ハウジング２４及び衝突リング２５により適宜
区画された衝撃室２６を、ロッド２７で駆動部２８に連
結された開閉弁２９を上昇位置させることで閉鎖した状
態にしておき、不活性ガスを装置内に導入しながら、回
転軸３０を駆動させて回転盤３１を回転させる。回転盤
３１の回転速度は、例えば制御部３２の制御により8,00
0 〜16,000rpm とする。これにより、回転盤３１の外周
に設けた衝撃ピン３３の回転に伴って気流が発生し、こ
の気流の遠心力に基づくファン効果によって、衝撃室２
６に開口する循環口３４から循環回路３５を巡って回転
盤３１の中心部に戻る気流が形成される。この循環気流
が形成された後に、原料貯槽２２に貯蔵されていた粉末
を原料計量フィーダ３６により粉体衝撃装置２３の原料
ホッパー３７に投入する。粉末は、原料ホッパー３７か
ら原料供給用シュート３８を通って衝撃室２６に入る。
衝撃室２６に入った粉末は、高速回転する回転盤３１の
多数の衝撃ピン３３によって瞬間的な打撃作用を受け、
更に、周辺の衝突リング２５に衝突して再度衝撃作用と
強い圧縮作用を受ける。そして粉末は、循環ガスの流れ
に同伴して循環回路３５を循環して再び衝撃室２６へと
戻り、再度打撃・衝撃作用を受ける。粉末は、このよう
な衝撃作用を短時間のうちに連続して何回も繰り返し受
け、例えば1 〜10分程度の経過時間内に、核粒子１５の
表面が熱エネルギーを受けることにより、被覆粒子１６
は核粒子１５の全表面に均一に拡がって食い込み、核粒
子１５を覆い包んでカプセル粒子１７が製造される。製
造されたカプセル粒子１７は、開閉弁２９が下方に移動
されて衝撃室２６が開放されることにより排出され、そ
れ自身に作用している遠心力と、送風機３９の吸引力と
で短時間（数秒間）のうちに排出用シュート４０を通っ
てサイクロン４１及びバグフィルタ４２等の粉末捕集装
置に導入され、これらに捕集されることによりそのロー
タリーバルブ４３，４４を経て外方に取り出される。次
に、形成されたカプセル粒子１７を核粒子として扱い、
これに第二の被覆粒子１８となる小径のアルミ粒子を付
着させ、同様にしてカプセル構造にすることで、カプセ
ル粒子１７のさらに外側を第二の被覆粒子１８で覆った
二重カプセル粒子１９を製造する。なおカプセル粒子の
製造工程としては、上記方法に限るものではなく、また
製造装置の構成も図示例に限るものではない。
明する。図３は、本発明に係わるアルミ部品用鋳包み部
材の一実施例を示したものである。この鋳包み部材は、
内部にアルミ体１１が形成された金属間化合物１２と、
この金属間化合物１２の表面を覆うアルミ層１３とが一
体的に焼結された焼結体１４として構成されている。金
属間化合物１２としては例えばＮｉ3Ａｌ粒子を使用す
る。そしてこの金属間化合物１２が、アルミのマトリッ
クス中に多数、均一に散在した形になっている。次に本
発明に係わるアルミ部品用鋳包み部材の製造方法の一実
施例として、上記構成の鋳包み用部材を製造する工程を
説明する。まず外径が50〜 150μｍのアルミ粒子と、そ
の1/10程度の5 〜15μｍ径の金属間化合物の粒子とを用
意する。この金属間化合物の微粒子は、規定組成に配合
溶解した溶液から、公知のアトマイズ法によって容易に
製造することができる。そしてアルミ粒子の表面に、金
属間化合物の粒子を静電付着させた後、高速空気衝撃法
（後述する粉体衝撃装置２３を用い、高速の気流により
粉末に衝撃を与える方法（高速気流中衝撃法））にて強
固に付着させ、図１に示すように、アルミ粒子を核粒子
１５とし、金属間化合物粒子を被覆粒子１６としたカプ
セル粒子１７を形成する。次に、形成されたカプセル粒
子１７を核粒子として扱い、これに第二の被覆粒子１８
となる小径のアルミ粒子を付着させ、同様にしてカプセ
ル構造にすることで、図２に示すように、カプセル粒子
１７のさらに外側を第二の被覆粒子１８が覆う二重カプ
セル粒子１９を形成する。この二重カプセル粒子１９の
粉末を圧粉成形してから、放電焼結（ＰＡＳ法）にて一
体的に固形化する。これで内側のカプセル粒子１７の被
覆粒子１６である金属間化合物粒子が連なって、図３に
示したように金属間化合物１２となり、アルミの核粒子
１５がアルミ体１１になる。そして外側の第二の被覆粒
子１８同士が焼結されて、アルミ層１３として強固に一
体化される。この焼結体１４を、或いは圧粉成形体の段
階で所定の形状に、例えば図５で示したようなピストン
のリング溝を区画する円環部材の形状に成形し、アルミ
製ピストン本体の鋳造時に鋳包む。この際、後工程での
拡散のための熱処理を必要とせず、アルミ部品鋳造時の
金型の冷却効果を利用することで、その170 〜220 ℃の
焼戻し処理のみにて所望する鋳包みがなされる。このよ
うに、アルミ粒子を核粒子１５としてこれを金属間化合
物粒子及びアルミ粒子で覆って二重のカプセル粒子１９
を形成し、これを焼結させて金属間化合物１２とアルミ
層１３とが一体的に焼結された鋳包み部材を構成したの
で、均一でしかも所望の密度となる実質発泡体状の金属
間化合物１２を、強化対象の部位に鋳包むことができ、
耐熱性、耐摩耗性、高温強度などの向上が図れると共
に、拡散のための熱処理が不要になり、アルミ部品鋳造
工程での省エネルギーに貢献できる。また第二の被覆粒
子１８にアルミを使用したことで、本体のアルミとのな
じみがよく、鋳包み性が良好になる。さらに接合・鋳包
み性の向上を図るために、鋳包み部材の表面に珪砂など
のフラックスを塗布させるものとしてもよい。そして上
記実施例のように、鋳包み部材をピストンのリング溝を
区画する形状に成形してピストン本体に鋳包むことによ
り、熱膨張が低いピストンが得られ、クリアランスの低
減が達成される。また金属間化合物としてはＮｉ3Ａｌ
の他、ＦｅＡｌ，Ｃｕ2Ａｌ，ＴｉＡｌなどを使用して
もよい。なお上記説明では詳細工程を省略したが、カプ
セル粒子１７（１９）の製造に際しては、例えば次のよ
うにして行うことができる。図４に示すように、まずプ
ロセッサー２１においてファンデルワールス力により核
粒子１５に被覆粒子１６を付着させた後、この粉末を原
料貯槽２２に送る。その下方に設置した粉体衝撃装置２
３では、ハウジング２４及び衝突リング２５により適宜
区画された衝撃室２６を、ロッド２７で駆動部２８に連
結された開閉弁２９を上昇位置させることで閉鎖した状
態にしておき、不活性ガスを装置内に導入しながら、回
転軸３０を駆動させて回転盤３１を回転させる。回転盤
３１の回転速度は、例えば制御部３２の制御により8,00
0 〜16,000rpm とする。これにより、回転盤３１の外周
に設けた衝撃ピン３３の回転に伴って気流が発生し、こ
の気流の遠心力に基づくファン効果によって、衝撃室２
６に開口する循環口３４から循環回路３５を巡って回転
盤３１の中心部に戻る気流が形成される。この循環気流
が形成された後に、原料貯槽２２に貯蔵されていた粉末
を原料計量フィーダ３６により粉体衝撃装置２３の原料
ホッパー３７に投入する。粉末は、原料ホッパー３７か
ら原料供給用シュート３８を通って衝撃室２６に入る。
衝撃室２６に入った粉末は、高速回転する回転盤３１の
多数の衝撃ピン３３によって瞬間的な打撃作用を受け、
更に、周辺の衝突リング２５に衝突して再度衝撃作用と
強い圧縮作用を受ける。そして粉末は、循環ガスの流れ
に同伴して循環回路３５を循環して再び衝撃室２６へと
戻り、再度打撃・衝撃作用を受ける。粉末は、このよう
な衝撃作用を短時間のうちに連続して何回も繰り返し受
け、例えば1 〜10分程度の経過時間内に、核粒子１５の
表面が熱エネルギーを受けることにより、被覆粒子１６
は核粒子１５の全表面に均一に拡がって食い込み、核粒
子１５を覆い包んでカプセル粒子１７が製造される。製
造されたカプセル粒子１７は、開閉弁２９が下方に移動
されて衝撃室２６が開放されることにより排出され、そ
れ自身に作用している遠心力と、送風機３９の吸引力と
で短時間（数秒間）のうちに排出用シュート４０を通っ
てサイクロン４１及びバグフィルタ４２等の粉末捕集装
置に導入され、これらに捕集されることによりそのロー
タリーバルブ４３，４４を経て外方に取り出される。次
に、形成されたカプセル粒子１７を核粒子として扱い、
これに第二の被覆粒子１８となる小径のアルミ粒子を付
着させ、同様にしてカプセル構造にすることで、カプセ
ル粒子１７のさらに外側を第二の被覆粒子１８で覆った
二重カプセル粒子１９を製造する。なおカプセル粒子の
製造工程としては、上記方法に限るものではなく、また
製造装置の構成も図示例に限るものではない。
【発明の効果】以上要するに本発明によれば、発泡体状
の金属間化合物をアルミ部品に適切に鋳包むことができ
て、対象部位の耐熱性、耐摩耗性、高温強度などの向上
が図れ、しかも鋳包み後の拡散のための熱処理が不要に
なるという、優れた効果を発揮する。
の金属間化合物をアルミ部品に適切に鋳包むことができ
て、対象部位の耐熱性、耐摩耗性、高温強度などの向上
が図れ、しかも鋳包み後の拡散のための熱処理が不要に
なるという、優れた効果を発揮する。
【図１】本発明に係わるアルミ部品用鋳包み部材の製造
方法の一実施例を説明するためのカプセル粒子を示した
断面図である。
方法の一実施例を説明するためのカプセル粒子を示した
断面図である。
【図２】図１の次の工程を説明するための二重のカプセ
ル粒子を示した断面図である。
ル粒子を示した断面図である。
【図３】本発明に係わるアルミ部品用鋳包み部材の一実
施例を示した断面図である。
施例を示した断面図である。
【図４】図１のカプセル粒子の製造工程を説明するため
の粉体衝撃装置を示した構成図である。
の粉体衝撃装置を示した構成図である。
【図５】従来技術の課題を説明するためのピストンの部
分破断側面図である。
分破断側面図である。
１１ アルミ体
１２ 金属間化合物
１３ アルミ層
１５ 核粒子
１６ 被覆粒子
１７ カプセル粒子
１８ 第二の被覆粒子
１９ 二重カプセル粒子
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
B22F 5/00
B22F 1/00
Claims (2)
- 【請求項１】 アルミ粒子を核粒子とし、金属間化合物
の粒子を被覆粒子としてカプセル粒子を形成した後、該
カプセル粒子の表面にアルミ粒子を付着させて二重のカ
プセル粒子を形成し、該二重カプセル粒子の粉末を所定
形状に焼結してなることを特徴とするアルミ部品用鋳包
み部材。 - 【請求項２】 アルミ粒子を核粒子とし、金属間化合物
の粒子を被覆粒子としてカプセル粒子を形成した後、該
カプセル粒子の表面にアルミ粒子を付着させて二重のカ
プセル粒子を形成し、該二重カプセル粒子の粉末を所定
形状に焼結することを特徴とするアルミ部品用鋳包み部
材の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34545991A JP3376595B2 (ja) | 1991-12-26 | 1991-12-26 | アルミ部品用鋳包み部材及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34545991A JP3376595B2 (ja) | 1991-12-26 | 1991-12-26 | アルミ部品用鋳包み部材及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05171221A JPH05171221A (ja) | 1993-07-09 |
| JP3376595B2 true JP3376595B2 (ja) | 2003-02-10 |
Family
ID=18376739
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP34545991A Expired - Fee Related JP3376595B2 (ja) | 1991-12-26 | 1991-12-26 | アルミ部品用鋳包み部材及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3376595B2 (ja) |
-
1991
- 1991-12-26 JP JP34545991A patent/JP3376595B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05171221A (ja) | 1993-07-09 |
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