JP3685901B2

JP3685901B2 - Ａｌ基複合体の製造方法

Info

Publication number: JP3685901B2
Application number: JP08596997A
Authority: JP
Inventors: 英男清水; 恒久畑; 裕介豊田; 武雄伊藤; 紀人鈴木; 捷弥長瀬
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1997-03-19
Filing date: 1997-03-19
Publication date: 2005-08-24
Anticipated expiration: 2017-03-19
Also published as: JPH10263793A; US6006819A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＡｌ基複合体、特に、Ａｌ基本体と、そのＡｌ基本体に鋳ぐるまれた鋳鉄材とよりなるＡｌ基複合体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のＡｌ基複合体としてはディーゼルエンジン用ピストンが知られている。このピストンは、Ａｌ合金よりなるピストン本体と、そのピストン本体に鋳ぐるまれて第１圧力リング溝を形成する環状ニレジスト鋳鉄材とより構成される。このようなピストンの製造に当っては、ニレジスト鋳鉄材とピストン本体との接合強度を高めるためニレジスト鋳鉄材の表面にＡｌ基メッキ層が形成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記Ａｌ基メッキ層は溶融Ａｌ基メッキ処理により形成される。この溶融Ａｌ基メッキ処理に先立って、ニレジスト鋳鉄材表面には酸化膜除去、脱脂、酸洗等を含む前処理が施されて、その表面の清浄化および活性化がなされる。しかしながら従来は、前処理後において特別な表面保護対策が採られていないので、前処理後経時的に、また溶融Ａｌ基メッキ処理に先立ってニレジスト鋳鉄材を予熱すると、ニレジスト鋳鉄材表面が再び酸化されてその活性状態が大いに減退する。
【０００４】
そのため、所定厚さのＡｌ基メッキ層を得べく、溶融Ａｌ基メッキ処理においてニレジスト鋳鉄材をＡｌ基溶湯中に比較的長く浸漬しておかなければならず、その結果、次のような問題を惹起する。
【０００５】
即ち、浸漬時間が長くなって或時間を超えると、ニレジスト鋳鉄材の表面層がＡｌ基溶湯中に溶出し、その溶出量は前記表面層厚さにして２０〜４０μｍに達する。この溶出により、前記表面層に存在していた片状黒鉛がニレジスト鋳鉄材の新たな表面から突出し、またその新たな表面上にはニレジスト鋳鉄材とＡｌ基溶湯との間の化学反応で生じた金属間化合物層が形成される。この金属間化合物層は、硬くて脆い上に、それを貫通する片状黒鉛の混在により切欠き効果を受け、これに起因してピストン本体とニレジスト鋳鉄材との接合強度が低下する。
【０００６】
また溶融Ａｌ基メッキ処理後において、ニレジスト鋳鉄材の冷却速度が遅い場合には、前記金属間化合物層の成長およびＡｌ基メッキ層表面の酸化が進行するため、これも前記接合強度を低下させる原因となる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、特定の手段を採用することによって溶融Ａｌ基メッキ処理における鋳鉄材の浸漬時間を大いに短縮し、また溶融Ａｌ基メッキ処理後における鋳鉄材の冷却を速め、これによりＡｌ基本体と鋳鉄材との接合強度の高いＡｌ基複合体を得ることのできる前記製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
前記目的を達成するため本発明によれば、Ａｌ基本体と、そのＡｌ基本体に鋳ぐるまれた鋳鉄材とよりなるＡｌ基複合体を製造するに当り、前記鋳鉄材表面の酸化膜を除去すると共にその表面を活性化する第１工程と、前記鋳鉄材表面に、厚さａが０．８μｍ≦ａ≦５μｍの保護メッキ層を形成する第２工程と、前記鋳鉄材を還元雰囲気中で予熱すると共に前記保護メッキ層表面の酸化物を還元する第３工程と、前記鋳鉄材をＡｌ基溶湯中に浸漬することにより、前記保護メッキ層を拡散現象により消失させて前記鋳鉄材表面にＡｌ基メッキ層を形成する第４工程と、前記鋳鉄材を不活性ガスおよび還元ガスの一方の雰囲気中にて急冷する第５工程と、前記鋳鉄材を前記Ａｌ基本体に鋳ぐるむ第６工程とを順次行うＡｌ基複合体の製造方法が提供される。
【０００９】
前記方法において、第１工程で清浄化され、且つ活性化された鋳鉄材表面は、第２工程で形成された保護メッキ層により保護される。第４工程の溶融Ａｌ基メッキ処理に先立って鋳鉄材を予熱するとき、その予熱を還元雰囲気中で行うので保護メッキ層表面を活性化することができる。
【００１０】
第４工程の溶融Ａｌ基メッキ処理において、保護メッキ層表面が活性化されているので、その保護メッキ層を構成している金属元素がＡｌ基溶湯中へ効率良く拡散して保護メッキ層が消失する。これにより清浄化され、且つ活性化された鋳鉄材表面が露出するので、その表面にＡｌ基メッキ層が形成される。これら一連の現象は迅速に行われるので、鋳鉄材のＡｌ基溶湯中への浸漬時間は大いに短縮される。例えば、浸漬時間ｃは１秒間≦ｃ≦１０秒間に設定される。
【００１１】
第５工程において、不活性ガスまたは還元ガス中にて急冷を行うと、鋳鉄材およびＡｌ基メッキ層間に生成された金属間化合物層の成長およびＡｌ基メッキ層表面の酸化の進行を極力抑制することができる。
【００１２】
第６工程の鋳造においては、Ａｌ基本体と鋳鉄材とが、薄い金属間化合物層および清浄な表面を持つＡｌ基メッキ層を介して接合されるので、Ａｌ基本体と鋳鉄材との接合強度が大いに高められる。
【００１３】
なお、保護メッキ層の厚さａがａ＜０．８μｍでは、その保護メッキ層とＡｌ基溶湯との濡れ性が悪く、一方、ａ＞５μｍでは鋳鉄材表面に保護メッキ層が残留し、この残留保護メッキ層は金属間化合物層と同様にＡｌ基本体と鋳鉄材との接合強度を低下させるので好ましくなく、また経済的にも不利である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１，２において、Ａｌ基複合体１は厚板状Ａｌ基本体２と、そのＡｌ基本体２に鋳ぐるまれた薄板状鋳鉄材３とよりなり、その鋳鉄材３の一部はＡｌ基本体２から突出している。
【００１５】
このようなＡｌ基複合体１は次のような各工程を経て製造される。
【００１６】
＜第１工程＞
（ａ）酸化膜除去処理：鋳鉄材３表面に、ショットとして砥粒を用いたショットブラスト処理を施して、その表面の酸化膜を除去し、また粗面化により表面積を拡大する。
【００１７】
（ｂ）脱脂処理：鋳鉄材３を、アセトン等の浸透性の良好な有機溶剤中に２〜４８時間浸漬し、これにより黒鉛等に吸着されている油脂を完全に除去する。
【００１８】
（ｃ）酸洗処理：鋳鉄材３を、２０％塩酸に１〜３分間浸漬して、その表面を活性化する。鋳鉄材３表面に塩化鉄等のスマットが付着しているときには、鋳鉄材３を純水中に入れて超音波洗浄を行う。
【００１９】
＜第２工程＞
鋳鉄材３表面に、電気メッキ処理、無電解メッキ処理または気相メッキ処理（真空蒸着等）を施して、厚さａが０．８μｍ≦ａ≦５μｍの保護メッキ層を形成する。この保護メッキ層は、Ｎｉ、Ｃｕ若しくはＦｅといった金属単体、これら金属単体の二以上を含む合金、または前記金属単体および前記合金の一方と拡散促進元素であるＰ、Ｂ等とよりなる合金より構成される。また保護メッキ層は、前記厚さ範囲内において、積層構造をなしていてもよい。これらの金属単体および合金は、その酸化物が水素ガスにより還元されることから選択されたものである。これは次工程の還元ガスが水素ガスを含むからである。
【００２０】
図３は、Ｎｉよりなる保護メッキ層、つまりＮｉ保護メッキ層４の厚さａと、Ａｌ基溶湯５およびＮｉ保護メッキ層４間の接触角θとの関係を示す。これはメニスコグラフ法により求められたもので、Ａｌ基溶湯５はＪＩＳＡＣ３Ａ相当のＡｌ合金よりなり、その温度は６５０℃に設定され、また鋳鉄材の予熱温度も６５０℃に設定された。図３より、Ｎｉ保護メッキ層４の厚さａがａ＜０．８μｍでは接触角θが大きくなって、そのＮｉ保護メッキ層４とＡｌ基溶湯５との濡れ性が悪くなることが判る。これは、Ｃｕ、Ｆｅ等よりなる保護メッキ層についても同様である。
【００２１】
＜第３工程＞
鋳鉄材３は、この第３工程から第５工程を終了するまで、セラミックコートを施されたバケット内に入れられた状態で処理される。
【００２２】
鋳鉄材３を無酸化還元雰囲気炉内で予熱すると共に保護メッキ層表面の酸化物を還元する。還元ガスとしては、窒素ガスと水素ガスの混合ガスが用いられ、その体積比はＮ₂：Ｈ₂＝（２５〜５０）：（７５〜５０）である。還元温度ｄは６５０℃≦ｄ≦８００℃、還元のための保持時間ｅは１０秒間≦ｅ≦６００秒間である。
【００２３】
＜第４工程＞
還元雰囲気において、鋳鉄材３の温度を、溶融Ａｌ基メッキ処理に用いられるＡｌ基溶湯の温度ｆ、即ち６２０℃≦ｆ≦７２０℃に調節して、その鋳鉄材３をＡｌ基溶湯中に浸漬する。浸漬時間ｃは、前記のように１秒間≦ｃ≦１０秒間である。これにより保護メッキ層が拡散現象により消失して鋳鉄材３表面にＡｌ基メッキ層が形成される。次いで鋳鉄材３、したがってバケットをＡｌ基溶湯中より引上げて回転させ、過剰のＡｌ基溶湯を飛散させてＡｌ基メッキ層の厚さを調節する。この間にも、鋳鉄材３表面の金属間化合物は成長し続けているので、前記厚さ調節は短時間、例えば５秒間以内で行うのがよい。
【００２４】
この溶融Ａｌ基メッキ処理に用いられるＡｌ基溶湯組成において、Ｓｉは必須化学成分であり、その含有量は７重量％≦Ｓｉ≦１５重量％に設定される。このようにＳｉ含有量を設定すると、金属間化合物層の成長を抑制し、また溶湯の融点を下げることができる。またＭｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｂｅ等の化学成分を適宜添加して、酸化および金属間化合物層の成長をそれぞれ抑制し、また特性改善、例えば靱性の向上等を行う。
【００２５】
＜第５工程＞
鋳鉄材３を、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気中にて急冷する。つまり、不活性ガスを鋳鉄材３に噴射して鋳鉄材３の温度が、Ａｌ基溶湯中より取出されたときの温度から３５０℃未満の温度まで降下する間、鋳鉄材３の冷却速度ｂをｂ≧５℃／sec に設定する。その後、鋳鉄材３をバケットより取出す。
【００２６】
金属間化合物層は、鋳鉄材３の温度が約５００℃に保持されるとその成長が促進され、またＡｌ基メッキ層の酸化は、鋳鉄材３の温度が約３５０℃に保持されると、進行するが、このような不具合は前記急冷手段を採用することによって回避される。前記不活性ガスの代わりに、前記同様の還元ガスを用いてもよい。
【００２７】
＜第６工程＞
鋳鉄材３を誘導加熱等により２００〜３５０℃に予熱し、これを金型に設置して鋳造作業を行い、鋳鉄材３をＡｌ基本体２に鋳ぐるむ。鋳造法としては各種の方法が適用可能であり、特に、鋳鉄材３の金型への設置が容易であることから、Ａｌ合金を用いた通常のダイカスト法の適用も可能である。
【００２８】
以下、具体例について説明する。
【００２９】
〔実施例〕
＜第１工程＞
幅５０mm、長さ８０mm、厚さ５mmのニレジスト鋳鉄材３に、酸化膜除去処理、アセトン中に２４時間浸漬する脱脂処理、２０％塩酸に２分間浸漬する酸洗処理を順次施した。
【００３０】
＜第２工程＞
ニレジスト鋳鉄材３にＮｉ電気メッキ処理を施して厚さａ＝１．５μｍのＮｉ保護メッキ層を形成した。
【００３１】
＜第３工程＞
ニレジスト鋳鉄材３をバケット内に入れて無酸化還元雰囲気炉内に設置し、そのニレジスト鋳鉄材３を、加熱速度ｇ＝５℃／sec にて約１３５秒間で７００℃まで予熱した。そして、還元温度ｄ＝７００℃、保持時間ｅ＝１０秒間にてＮｉ保護メッキ層表面の酸化物を還元した。還元ガスとしては、体積比で、Ｎ₂：Ｈ₂＝５０：５０の混合ガスを用いた。
【００３２】
＜第４工程＞
第３工程で用いられた還元ガスと同様の還元ガスを用いた還元雰囲気において、ニレジスト鋳鉄材３の温度を、冷却速度ｈ＝５℃／sec にて約１０秒間で約６５０℃まで降下させた。
【００３３】
次いで、ニレジスト鋳鉄材３を同温度、つまり６５０℃に保持されたＡｌ合金溶湯中に浸漬し、ニレジスト鋳鉄材３に溶融Ａｌ合金メッキ処理を施して、その表面にＡｌ合金メッキ層を形成した。このＡｌ合金はＳｉを１２重量％含有するＪＩＳＡＣ３Ａ相当のＡｌ合金であり、また浸漬時間ｃはｃ＝２秒間に設定された。
【００３４】
その後、バケットをＡｌ合金溶湯中より引上げ、約３００rpm で２秒間回転させて過剰のＡｌ合金溶湯を飛散させた。
【００３５】
＜第５工程＞
ニレジスト鋳鉄材３に窒素ガスを噴射して、冷却速度ｂ＝２０℃／sec にて、１５秒間で３５０℃まで冷却し、次いでニレジスト鋳鉄材３をバケットより取出した。
【００３６】
＜第６工程＞
ニレジスト鋳鉄材３を誘導加熱により２５０℃に予熱し、次いでそのニレジスト鋳鉄材３を金型に設置し、その後Ａｌ合金溶湯を用いて重力鋳造を行い、Ａｌ基本体２にニレジスト鋳鉄材３を鋳ぐるんで、図１，２に示したＡｌ基複合体１の例１を得た。この鋳造用Ａｌ合金としては、ＪＩＳＡＣ８Ａ相当のＡｌ合金を用いた。
【００３７】
第４工程における浸漬時間ｃおよび／または第５工程における冷却速度ｂを変えたということ以外は前記と同様の作業を繰返して複数のＡｌ基複合体１を製造した。
【００３８】
また従来例として、前記第１工程を行い、次いで大気下にて、前記同様のＡｌ合金溶湯を用いた溶融Ａｌ合金メッキ処理を行い、その後前記第５，第６工程を行って複数のＡｌ基複合体を製造した。
【００３９】
次に、各Ａｌ基複合体について、ニレジスト鋳鉄材３およびＡｌ基本体２間に存する金属間化合物層の厚さｋならびに両者２，３間の接合強度ｍを測定した。
【００４０】
接合強度ｍの測定に当っては、図４に示すように、先ず、中央部分に貫通孔６を有するニレジスト鋳鉄材部７と、その貫通孔６の一方の開口を覆うようにニレジスト鋳鉄材部７に接合されているＡｌ基本体部８とよりなる試験片９を作製する。次いで、Ａｌ基本体部８を下側に位置させると共に支持ブロック１０の上向きに開口する孔部１１内に入れて、ニレジスト鋳鉄材部７の周辺部分を支持ブロック１０の環状上端面１２上に載せる。その後、ニレジスト鋳鉄材部７の貫通孔６にピン１３を入れ、そのピン１３を介してＡｌ基本体部８に荷重を付与し、Ａｌ基本体部８がニレジスト鋳鉄材部７から分断したときの荷重を求め、これを接合強度ｍとした。
【００４１】
表１〜４に、実施例により製造されたＡｌ基複合体１の例Ａ₁〜Ａ₉および従来例により製造されたＡｌ基複合体の例Ｂ₁〜Ｂ₁₅に関する前記浸漬時間ｃ、冷却速度ｂ、金属間化合物層の厚さｋおよび接合強度ｍを示す。
【００４２】
【表１】

【００４３】
【表２】

【００４４】
【表３】

【００４５】
【表４】

【００４６】
図５は、例Ａ₅の、第４工程を経た中間体におけるＡｌ合金メッキ層部分の金属組織を示す顕微鏡写真であり、図６は例Ｂ₈に関する同様の顕微鏡写真である。図５に示した例Ａ₅の中間体に関しては、金属間化合物層の厚さｋが薄く、またその層を片状黒鉛が貫通していないが、図６に示した例Ｂ₈の中間体に関しては、金属間化合物層の厚さｋが、例Ａ₅の中間体のそれの約３．３倍であり、その上、片状黒鉛が金属間化合物層を貫通している。この貫通状態は、溶融Ａｌ合金メッキ処理における浸漬時間ｃでｃ≧１５秒間になると現出し易い。
【００４７】
図７は、例Ａ₁における接合部分の金属組織を示す顕微鏡写真であり、図８は、例Ｂ₆における同様の顕微鏡写真である。例Ａ₁においては、片状黒鉛が金属間化合物層を貫通していないが、例Ｂ₆においては片状黒鉛が金属間化合物層を貫通している。
【００４８】
図９は、表１〜４に基づいて、浸漬時間ｃと接合強度ｍとの関係を、冷却速度ｂ別にグラフ化したものである。図９から明らかなように、例Ａ₁〜Ａ₉のごとく浸漬時間ｃをｃ≦１０秒間に設定すると共に冷却速度ｂをｂ≧５℃／sec に設定すれば接合強度ｍを高めることができる。冷却速度ｂは、好ましくはｂ≧１２℃／sec である。
【００４９】
図１０は、表１〜４に基づいて、金属間化合物層の厚さｋと接合強度ｍとの関係をグラフ化したものである。図１０から、明らかなように、例Ａ₁〜Ａ₉のごとく金属間化合物層の厚さｋをｋ≦１０μｍに設定することによって接合強度ｍをｍ≧１６ＭＰａ以上に向上させることができる。前記厚さｋは、好ましくはｋ≦６μｍである。
【００５０】
例Ｂ₁〜Ｂ₉，Ｂ₁₃〜Ｂ₁₅においては、片状黒鉛が金属間化合物層を貫通していることから、例Ａ₁〜Ａ₉に比べて接合強度ｍが低い。また例Ｂ₁₀〜Ｂ₁₂の場合は浸漬時間ｃが短いので前記のような片状黒鉛の貫通状態は現出しないが、冷却速度ｂが遅いことから金属間化合物層が成長し、これに起因して接合強度が低下している。
【００５１】
図１１は、本発明により製造されたＡｌ基複合体としてのディーゼルエンジン用ピストン１を示す。このピストン１は、Ａｌ合金、例えばＪＩＳＡＣ８Ａよりなるピストン本体２と、そのピストン本体２に鋳ぐるまれて第１圧力リング溝１４を形成する環状ニレジスト鋳鉄材３とより構成される。この場合、ピストン本体２とニレジスト鋳鉄材３との接合強度が高いので、このピストン１は、その高強度化を狙ったＴ６，Ｔ７処理等の熱衝撃の高い熱処理に十分に耐えることができる。これにより、薄肉軽量で、且つ高強度であって、ディーゼルエンジンの高出力化を可能にするピストンを得ることができる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、前記のような手段を採用することによって、Ａｌ基本体と鋳鉄材との接合強度の高いＡｌ基複合体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａｌ基複合体の正面図である。
【図２】図１の２−２矢視図である。
【図３】Ｎｉ保護メッキ層の厚さａと接触角θとの関係を示すグラフである。
【図４】接合強度試験法の説明図である。
【図５】例Ａ₅の中間体におけるＡｌ合金メッキ層部分の金属組織を示す顕微鏡写真である。
【図６】例Ｂ₈の中間体におけるＡｌ合金メッキ層部分の金属組織を示す顕微鏡写真である。
【図７】例Ａ₁における接合部分の金属組織を示す顕微鏡写真である。
【図８】例Ｂ₆における接合部分の金属組織を示す顕微鏡写真である。
【図９】浸漬時間ｃと接合強度ｍとの関係を示すグラフである。
【図１０】金属間化合物層の厚さｋと接合強度ｍとの関係を示すグラフである。
【図１１】ディーゼルエンジン用ピストンの縦断正面図である。
【符号の説明】
１Ａｌ基複合体
２Ａｌ基本体
３鋳鉄材
４Ｎｉ保護メッキ層
５Ａｌ基溶湯

Claims

Ａｌ基本体（２）と、そのＡｌ基本体（２）に鋳ぐるまれた鋳鉄材（３）とよりなるＡｌ基複合体（１）を製造するに当り、前記鋳鉄材（３）表面の酸化膜を除去すると共にその表面を活性化する第１工程と、前記鋳鉄材（３）表面に、厚さａが０．８μｍ≦ａ≦５μｍの保護メッキ層（４）を形成する第２工程と、前記鋳鉄材（３）を還元雰囲気中で予熱すると共に前記保護メッキ層（４）表面の酸化物を還元する第３工程と、前記鋳鉄材（３）をＡｌ基溶湯（５）中に浸漬することにより、前記保護メッキ層（４）を拡散現象により消失させて前記鋳鉄材（３）表面にＡｌ基メッキ層を形成する第４工程と、前記鋳鉄材（３）を不活性ガスおよび還元ガスの一方の雰囲気中にて急冷する第５工程と、前記鋳鉄材（３）を前記Ａｌ基本体（２）に鋳ぐるむ第６工程とを順次行うことを特徴とするＡｌ基複合体の製造方法。
前記第５工程において、前記鋳鉄材（３）の温度が、前記Ａｌ基溶湯（５）中より取出されたときの温度から３５０℃未満の温度まで降下する間、前記鋳鉄材（３）の冷却速度ｂをｂ≧５℃／sec に設定する、請求項１記載のＡｌ基複合体の製造方法。