JP3758114B2 - Aluminum alloy member and manufacturing method thereof - Google Patents

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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
    • F05C2203/00—Non-metallic inorganic materials
    • F05C2203/04—Phosphor

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、アルミニウム系金属で構成されるエンジンのシリンダ本体をシリンダライナの外周を取り囲む状態にダイカスト鋳造してなる内燃機関のシリンダブロックなどのアルミニウム合金製部材及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、アルミニウム合金製部材、例えば、内燃機関のシリンダブロックは軽量化を図るため、その材質にアルミニウム合金が使用され、また、耐摩耗性を向上させるためにライナを鋳ぐるんで製造される。この製造方法として、代表的なものにダイカスト鋳造法、高圧鋳造法及び低圧鋳造法がある。
これら高圧鋳造法とダイカスト鋳造法は、生産性及び寸法精度の高い鋳造法であり、シリンダボアの壁面部をアルミナ繊維等のセラミックス繊維や発泡金属などを複合して強化される。
上記ダイカスト鋳造法によるシリンダブロックの製造方法が、例えば特開昭６３−５５３４９号公報、特開昭６１−１２６３５７号公報及び特開昭６２−４１４６９号公報に開示されているが、鋳造条件については詳細な説明が記載されていない。通常のダイカスト法で発泡金属をシリンダブロックに鋳込む場合、発泡金属自体の内部にある気孔が残ったり、アルミニウム合金との界面で密着性が劣ることがある。また、発泡金属自体の硬さが低いものが多く、鋳込んだだけで使用することができないため、鋳造後に熱処理を行って金属間化合物を形成しなければならない。さらに、通常のダイカスト法では、溶湯に空気が巻き込まれることがあるため、シリンダブロック自体にブリスターが発生するという問題があった。
【０００３】
このため、高圧鋳造法として、特開昭５９−２１２１５９号公報及び住友電気第１２６号（昭和６０年３月発行）の第７７頁〜第８１頁に示すように、金型のキャビティ内の溶湯に高圧を加えながら成形凝固させる溶湯鍛造法（高圧凝固鋳造法ともいう）がエンジンのピストン等の製造に適用された。しかし、生産性や設備費等の問題でシリンダブロックへ適用されていない。
さらに、低圧鋳造法による製造については、溶湯への空気の巻き込みがないため、鋳造後の熱処理には問題ない。しかし、アルミニウム合金の発泡金属への廻り込みが非常に悪いため、鋳込みは不十分なものとなる。よって、ブリスターの発生、不十分な金属化合物化、ピストンの摺動時におけるシリンダブロックの燃焼室壁に鋳込まれた発泡金属が脱落したりする。
【０００４】
なお、上記特開昭６３−５５３４９号公報、特開昭６１−１２６３５７号公報及び特開昭６２−４１４６９号公報では発泡金属の成分を限定していない。この発泡金属として利用される金属成分はＮｉがほとんどで、その他にＮｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌが存在する。また、特開平１−２６８８２７号公報では、Ｎｉ−Ｃｒ多孔質体表面にＮｉ−Ｂめっきを施し、ボロン（Ｂ）の延性によりアルミニウム合金を鋳造した後の熱処理によって生成するＮｉ−Ａｌ化合物でのクラック発生及び伝播を抑えている。また、特開昭５９−２１２１５９号公報では、一部でニッケル（Ｎｉ）発泡体にＣｕめっきを施し、高温硬度を向上させている。しかし、前記二者、即ち特開平１−２６８８２７号公報及び特開昭５９−２１２１５９号公報では、主に硬さを向上する目的で鋳造後に熱処理を行い、化合物層を生成させているため、非常に生産性が低い。また、熱処理を行わなければ、発泡金属の硬度が低すぎて使用できないため、溶湯鍛造法を適用しなければならなかったが、該溶湯鍛造法は生産性が低く、製造物が制限されるという問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、充分な硬度及び密着性を有する発泡金属を鋳込んだアルミニウム合金製部材、例えばアルミニウム合金製シリンダブロック及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明に係るアルミニウム合金製部材及びその製造方法では、次のような技術を採用している。
(1) 発泡金属を収容した金型内部にアルミニウム合金溶湯を注入して凝固させることにより、上記発泡金属をシリンダブロックに鋳込むアルミニウム合金製部材の製造方法において、上記金型内部から空気を除去して減圧にした状態で溶湯を注入する。
「減圧にした状態」とは、具体的には、金型内部の真空度を２００ｍｍＨｇ以下に、好ましくは５０ｍｍＨｇ以下にした状態をいう。また、上記製造方法は、アルミニウム合金製シリンダブロックなどに適用することができる。
(2) また、本発明の別の態様として、発泡樹脂にめっき層を形成し、該発泡樹脂を焼失させたのち、上記めっき層にＮｉ−Ｐめっき又はＮｉ−Ｂめっきを施して発泡金属を成形し、該発泡金属をダイカスト法を用いてアルミニウム合金で鋳込むことにより作製することができる。
「発泡樹脂」には、連通気孔を有する三次元網状構造をもつ、例えばウレタン系樹脂やポリスチレン系樹脂などが好ましい。「発泡金属」とは、Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｆｅ等の金属又は金属合金中に多数の気孔を有する多孔金属の一種であり、本発明のシリンダブロックに限らず、触媒の担体やミスト分離フィルター等にまで広く用いることができる。
(3) さらに、発泡樹脂にめっき層を形成し、該発泡樹脂を焼失させたのち、上記めっき層にＮｉ−Ｐめっき又はＮｉ−Ｂめっきを施して発泡金属を成形し、該発泡金属を金型内部に収容し、該金型内部から空気を除去して減圧にした状態でアルミニウム合金溶湯を注入することにより、上記発泡金属をダイカスト法を用いて鋳込むことにより作製することもできる。
(4) また、本発明は別の側面として、発泡樹脂にめっき層を形成し、該発泡樹脂を焼失させたのち、上記めっき層にＮｉ−Ｐめっき又はＮｉ−Ｂめっきを施して発泡金属を成形し、該発泡金属をダイカスト法を用いてアルミニウム合金で鋳込んだアルミニウム合金製部材である。この部材として、例えばアルミニウム合金製シリンダブロックが好ましい。
【０００７】
本発明の一つの態様に用いるダイカスト法は、金型内部の空気を強制的に除去して減圧した状態で、該金型内部にアルミニウム合金溶湯を大気圧以上の圧力で高圧注入する鋳造法であり、これによって、本発明に係るアルミニウム合金製部材を作製する。ここで、該部材の一例としてのシリンダブロックは、例えば、底面にクランクケース、頂面にシリンダヘッドが取り付けられる内燃機関用Ａｌ合金製シリンダブロックであり、その燃焼室壁の内面側に発泡金属が鋳込まれるように、上記ダイカスト鋳造を施す。
本発明において採用できるアルミニウム合金製部材、例えば、アルミニウム合金製シリンダブロックを製造する工程では、まず、発泡金属を固定側金型のキャビティ内に収納し、可動側金型を水平方向に移動させて金型を閉じる。次に、上記真空ポンプを稼動させて金型のキャビティ内の空気を除去することにより、金型内の圧力を減圧する。この状態で溶湯金属を上記注入口からスリーブ内に入れ、プランジャで金型内に加圧注湯する。溶融金属が凝固したら、可動側金型を開いて発泡金属が鋳込まれたアルミ合金製シリンダブロックを取り出す。ここで、より優れた摺動特性を必要とする場合、ＳｉＣ，ＢＮ等の粒子分散めっきを施すことが好ましい。なお、必要に応じて発泡金属を予備加熱してもよい。
【０００８】
【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ながら説明する。
まず、発泡金属を図１に示す製造工程に従って、以下の要領で作製する。
発泡金属の作製方法
最初に、図２に示すような連通気孔を有する三次元網状構造をもつウレタン系発泡樹脂１の骨格２表面に、Ｎｉなどを無電解めっきしたり、カーボン等からなる導電性塗料を塗布して導電性皮膜３を形成し、上記樹脂１に導電処理を行う。この導電処理を施した樹脂１に、電気めっきによってめっき層４を形成する。次いで、熱処理をして上記樹脂１を焼失させたのち、Ｎｉ−Ｐめっき又はＮｉ−Ｂめっきを施してＮｉ−Ｐめっき層又はＮｉ−Ｂめっき層５を形成することにより発泡金属６を作製する。なお、予め、導電性物質を含有し、溶融除去可能な三次元網状構造をもつ樹脂を使用すれば、上記導電処理を省略することができる。
これによって得られた発泡金属６を、次に示すダイカスト装置７に装着する。
【０００９】
ダイカスト装置
一般に、ダイカスト装置には、溶湯の注入方法によって、ホットチャンバ式とコールドチャンバ式の二通りに分類されるが、溶湯にアルミニウム合金を用いる場合は、グーズネックが高温にさらされて合金化するため、コールドチャンバ式の方が好ましい。
本発明に用いる真空ダイカスト装置７の要部断面図を図３に示す。この装置７は、コールドチャンバ式横形ダイカスト装置であり、金型取付盤８に固定側金型ホルダ９が取り付けられ、該固定側金型ホルダ９に設けられた凹部に固定側金型１０が嵌合されている。この固定側金型１０に対向して、可動側金型ホルダ１１に可動側金型１２が固定されている。これらの固定側金型１０と可動側金型１２の対向する面に凹部が設けられ、金型のキャビティ１３を形成している。固定側金型１０上部から固定側金型ホルダ９を貫通して真空パイプ１４が上方に延設され、真空タンク１５を介して真空ポンプ１６に連結されている。この真空タンク１５と固定側金型ホルダ９との間に真空シャットオフ弁１７が配設されている。また、上記固定側金型１０の下部から金型取付盤８を貫通して、窒化鋼等の特殊鋼で作られた円筒形のスリーブ１８が配設されており、該スリーブ１８の上面には、溶湯を入れる注入口１９が開口している。また、スリーブ１８の内部には、溶湯金属を金型内に射出するためのプランジャ２０が配設されている。
上記構成を有する真空ダイカスト装置７の動きを説明する。
発泡金属６を金型のキャビティ１３内部に装着したのち、可動側金型１２と可動側金型ホルダ１１を移動させて金型を閉じる。次に、真空ポンプ１６によって真空パイプ１４を介してキャビティ１３内部から空気を吸引してキャビティ１３内を減圧する。この状態でスリーブ１８の注入口１９から溶湯を注入したのち、プランジャ２０を移動させると溶湯がスリーブ１８内部を通って金型のキャビティ１３内部に高圧注入される。この鋳造時の製造条件として主なものを説明する。
【００１０】
ダイカスト法を用いた場合の製造条件
本発明の一例として、ダイカスト法を用いた場合の製造条件を以下に示す。
(1) 金型内の真空度
本発明に用いるダイカストにおいて、金型内の真空度は、２００ｍｍＨｇ以下が好ましい。２００ｍｍＨｇ以上では、発泡金属自体の内部にある気孔が残ったり、アルミニウム合金との界面で密着性が劣ることがあるからである。
(2) 溶湯の材質としては、ＡＤＣ材が好ましい。
(3) 溶湯の加圧圧力は、５００Ｋｇ／ｃｍ2 以上が好ましい。
(4) 鋳造温度は、６７０℃〜７３０℃が好ましい。
(5) 溶湯の射出速度は、１．０ｍ／ｓｅｃ以上が好ましい。
上記製造条件で鋳造されたアルミニウム合金製部材の一例であるアルミニウム合金製シリンダブロックの構造について説明する。
【００１１】
アルミニウム合金製シリンダブロック
本発明の一態様に係るアルミニウム合金製シリンダブロックの一例を示す斜視図と断面図を図４，図５に示す。
このアルミニウム合金製シリンダブロック２１は、オープンデッキタイプのものであり、上部のシリンダ部２２と下部のスカート部２３とから構成されている。該シリンダ部２２の内部には、略円柱状の空間である燃焼室２４が上下方向に形成され、その内面は燃焼室壁２５となっており、この燃焼室壁２５に上記発泡金属６が鋳込まれる。また、スカート部２３内部の中央部には、クランク軸支承部２６が形成されている。
【００１２】
本発明に係るアルミニウム合金製部材、例えばアルミニウム合金製シリンダブロックの製造方法によれば、発泡金属６の製造上から生ずる骨格２内のパイプ状の空洞にまで溶湯を充填することができるため、通常のダイカスト法に対して以下の効果が得られる。
1)溶湯であるアルミニウム合金と発泡金属６との密着性及び結合性が向上する。
2)アリミニウム合金製シリンダブロック２１及び発泡金属６内の空気の取り込みを防止することにより、硬さ向上のための熱処理を行うことができる。
3)新たな設備を用いることなく、既存の設備を使用でき、ダイカスト法の長所である高い生産性を維持できる。
4)空気の巻き込みによる巣が低減されるため、ダイカスト製品の歩留まりが向上する。
5)セラミックス繊維強化合金に比べ、スリーブ１８の破損防止のための鋳造圧力を低くする必要がない。
6)セラミックス繊維強化合金のようにアルミニウム合金とセラミックスとの境界に熱的不連続が発生せず、熱間時のスリーブ内径が歪むことがない。
【００１３】
また、本発明に係るアルミニウム合金製部材、例えばアルミニウム合金製シリンダブロックの製造方法によれば、低圧鋳造法に比較して以下の効果が得られる。
1)溶湯であるアルミニウム合金との密着性及び結合性が向上する。
2)発泡金属内の空気の取り込みを防止でき、通常の熱処理でアルミニウム合金製シリンダブロック２１自身と金属間化合物の形成を同時にできる。
3)セラミックス繊維強化合金のようにアルミニウム合金とセラミックスの境界に熱的不連続が発生せず、熱間時のスリーブ内径が歪むことがない。
【００１４】
【実施例】
次に、本発明の一態様に係るアルミニウム合金製シリンダブロック２１についての実施例を示す。
実施例１
(1) まず、図１に示す製造工程で、鋳込み可能な形状にニッケル（Ｎｉ）系金属で発泡金属６を成形し、シリンダブロック内部の燃焼室壁２５に鋳込まれるように金型のキャビティ１３に装着した。この発泡金属６のセル数は３７〜４３個／インチ、孔径は０．６ｍｍであった。
(2) 次いで、図３に示した可動側金型１２を移動させて２２５０ｔｏｎの型締め圧力で閉成したのち、該金型のキャビティ１３内から真空ポンプ１６と真空タンク１５を用いて空気を除去し、キャビティ１３内を減圧状態にした。このときの真空度は、５０〜２００ｍｍＨｇであった。
(3) 図３に示したスリーブ１８の注入口１９から溶湯を入れ、プランジャ２０を作動させて金型のキャビティ１３内に溶湯を加圧注湯してダイカスト法による鋳造を施した。この鋳造条件は、以下に示すとおりである。
溶湯の材質：ＡＤＣ１２（ダイカスト用アルミニウム合金の一種）
鋳造圧力（溶湯の加圧圧力）：８００〜９００ｋｇｆ／ｃｍ2
鋳造温度：６７０〜７００℃
溶湯の射出速度：１．０〜２．５ｍ／ｓ
その結果、溶湯は発泡金属６の骨格２内のパイプ状の空洞にまで充填されて密着性と結合性が向上したアルミニウム合金製シリンダブロック２１を作製することができた。さらに、鋳ぐるみ後の加熱により金属間化合物層が形成され、発泡金属６の硬さが向上した。
【００１５】
実施例２
(1) 予め、図１に示す製造工程により、発泡金属６を作成した。
まず、連通気孔を有する三次元網状構造をもつウレタン系発泡樹脂１に、カーボン塗料を塗布し、上記ウレタン系発泡樹脂に導電処理を行って導電性皮膜３を形成した。この導電性皮膜３を形成したウレタン系発泡樹脂１に、電気めっきによってニッケル（Ｎｉ）のめっき層４を形成した。次いで、熱処理をして上記ウレタン系発泡樹脂１を焼失させたのち、リン（Ｐ）含有量が２ｗｔ％の条件で、各セル表面に５０〜１００μｍの厚さとなるようにＮｉ−Ｐめっきを施してＮｉ−Ｐめっき層５を形成した発泡金属６を作成した。また、比較例として、Ｎｉ−Ｐめっきを施さない発泡金属も作成した。これらの発泡金属６単体を各５個用意して測定したビッカース硬さ（単位：ＨV ）を表１の左半分に示す。
(2) 上記発泡金属６を鋳込み可能な形状に成形し、図５に示すアルミニウム合金製シリンダブロック２１の燃焼室壁２５に鋳込まれるように、金型のキャビティ１３内に装着した。
(3) 図３に示すように、金型を閉成したのち、該金型のキャビティ１３内にアルミニウム合金溶湯を加圧注入してダイカスト鋳造を施した。このときの鋳造条件は、以下のとおりであった。
溶湯の材質：ＡＤＣ１２
鋳造圧力（溶湯の加圧圧力）：８００ｋｇｆ／ｃｍ2
鋳造温度：７００℃
溶湯の射出速度：１．９ｍ／ｓ
このダイカストによってアルミニウム合金製シリンダブロック２１の燃焼室壁２５に鋳込まれた発泡金属６のビッカース硬さを表１の右半分に示す。
【００１６】
【表１】

Figure 0003758114
【００１７】
この表１から判るように、ダイカストの過程に加えられる熱のため、発泡金属６の硬さがＮｉ−Ｐめっき処理されたときよりも、更に向上する場合もあり、溶湯鍛造後の加熱処理によって生成するＮｉ−Ａｌ化合物の硬さＨｖ３８０〜５３０に相当するか、若しくは高くなった。また、Ｎｉ−Ｐめっきされた発泡金属６自身の強度、つまり抗折強度はＮｉ−Ｐめっきを施す前のＮｉのみの発泡金属に比べて５．５〜７．６倍程高かった。
【００１８】
実施例３
実施例３は、Ｎｉ−Ｐめっきの代わりにＮｉ−Ｂめっきを施した他は、実施例２と同様の内容である。
(1) 予め、Ｎｉ−Ｂめっきを施した発泡金属６を作成した。まず、ウレタン系発泡樹脂１に、カーボン塗料を塗布し、電気めっきによってニッケル（Ｎｉ）のめっき層４を形成した。次いで、熱処理をして上記ウレタン系発泡樹脂１を焼失させたのち、ホウ素（Ｂ）含有量が１ｗｔ％の条件で、各セル表面に５０〜１００μｍの厚さとなるようにＮｉ−Ｂめっきを施して発泡金属６を作成した。また、比較例として、Ｎｉ−Ｂめっきを施さない発泡金属も作成した。これらの発泡金属６単体（各５個）のビッカース硬さを測定した結果を表２の左半分に示す。
(2) 上記発泡金属６を鋳込み可能な形状に成形し、図５に示すアルミニウム合金製シリンダブロック２１の燃焼室壁２５に鋳込まれるように、金型のキャビティ１３内に装着した。
(3) 金型を閉成したのち、該金型内にアルミニウム合金溶湯を加圧注入してダイカスト鋳造を施した。このときの鋳造条件は、以下のとおりであった。
溶湯の材質：ＡＤＣ１２
鋳造圧力（溶湯の加圧圧力）：８２０ｋｇｆ／ｃｍ2
鋳造温度：７１０℃
溶湯の射出速度：２．０ｍ／ｓ
このダイカストによってアルミニウム合金製シリンダブロック２１の燃焼室壁２５の内面に鋳込まれた発泡金属６のビッカース硬さを表２の右半分に示す。
【００１９】
【表２】
Figure 0003758114
【００２０】
この表２から判るように、実施例２と同様に、溶湯鍛造後の加熱処理によって生成するＮｉ−Ａｌ化合物の硬さ３８０〜５３０ＨV よりも、Ｎｉ−Ｂめっきを施した発泡金属６の方が硬くもなった。また、Ｎｉ−Ｂめっきされた発泡金属６自身の強度、つまり抗折強度はＮｉ−Ｂめっきを施す前のＮｉのみの発泡金属に比べて５．２〜７．０倍程高かった。
【００２１】
【発明の効果】
上述したように、本発明に係るアルミニウム合金製部材及びその製造方法によれば、以下の効果を奏する。
(1) 発泡金属を収容した金型内部にアルミニウム合金溶湯を注入して凝固させることにより、上記発泡金属を鋳込むアルミニウム合金製部材の製造方法において、上記金型内部から空気を除去して減圧にした状態で溶湯を注入するので、発泡金属の気孔及び空洞にアルミ合金溶湯が充填され、発泡金属中の気孔、空洞が極めて少ない。また、鋳造後に溶体化処理等の熱処理が行え、発泡金属とアルミニウム合金との密着性や結合性が向上し、さらに製品の歩留まりが向上する。
(2) 発泡樹脂にめっき層を形成し、該発泡樹脂を焼失させたのち、上記めっき層にＮｉ−Ｐめっき又はＮｉ−Ｂめっきを施して発泡金属を成形し、該発泡金属をダイカスト法を用いてアルミニウム合金で鋳込むことにより作製するので、熱処理によるＮｉ−Ａｌ化合物を生成せずともダイカストで鋳込まれた後、高い硬さを維持できる。また、Ｎｉ−ＰめっきやＮｉ−Ｂめっきは強度が高いため、薄いものでも容易にかつ精度良く鋳込むことができるため、鋳込み前の金型への装着が容易に行え、かつ、薄いものでも精度よく鋳込むことができる。よって、発泡金属の製造にかかるコストを大幅に抑えることができる。なお、ＳｉＣ，ＢＮ等のセラミックス粒子をめっき皮膜中に分散することにより、さらなる摺動特性の向上を図ることができる。
(3) 発泡樹脂にめっき層を形成し、該発泡樹脂を焼失させたのち、上記めっき層にＮｉ−Ｐめっき又はＮｉ−Ｂめっきを施して発泡金属を成形し、該発泡金属を金型内部に収容し、該金型内部から空気を除去して減圧にした状態でアルミニウム合金溶湯を注入することにより、上記発泡金属をダイカスト法を用いて鋳込むことにより作製するので、発泡金属中の気孔、空洞が極めて少なく、発泡金属とアルミニウム合金との密着性や結合性が更に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る発泡金属の製造工程を示すフローチャートである。
【図２】本図のうち、(a) はウレタン系発泡樹脂を示す概略図、(b) はウレタン系樹脂の骨格を示す断面図、(c) は導電処理を施したウレタン系樹脂の骨格を示す断面図、(d) は電気めっきを施したウレタン系樹脂の骨格を示す断面図、(e) はウレタン系樹脂を焼失させた中間体を示す断面図、(f) は(e) の中間体にＮｉ−Ｐめっき又はＮｉ−Ｂめっきを施した発泡金属を示す断面図である。
【図３】本発明に用いる真空ダイカスト装置を示す断面図である。
【図４】本発明に係るアルミニウム合金製部材の一例であるシリンダブロックを示す斜視図である。
【図５】図４のＡ−Ａ線による断面図である。
【符号の説明】
１ 樹脂
２ 骨格
３ 導電性皮膜
４ めっき層
５ Ｎｉ−Ｐめっき，Ｎｉ−Ｂめっき層
６ 発泡金属
７ 真空ダイカスト装置
８ 金型取付盤
９ 固定側金型ホルダ
１０ 固定側金型
１１ 可動側金型ホルダ
１２ 可動側金型
１３ キャビティ
１４ 真空パイプ
１５ 真空タンク
１６ 真空ポンプ
１７ 真空シャットオフ弁
１８ スリーブ
１９ 注入口
２０ プランジャ
２１ アルミニウム合金製シリンダブロック
２２ シリンダ部
２３ スカート部
２４ 燃焼室
２５ 燃焼室壁
２６ クランク軸支承部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an aluminum alloy member such as a cylinder block of an internal combustion engine formed by die casting a cylinder body of an engine made of an aluminum-based metal so as to surround an outer periphery of a cylinder liner, and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
In general, an aluminum alloy member, for example, a cylinder block of an internal combustion engine, is made of an aluminum alloy as a material in order to reduce the weight, and is manufactured by casting a liner in order to improve wear resistance. As typical manufacturing methods, there are a die casting method, a high pressure casting method and a low pressure casting method.
These high pressure casting methods and die casting methods are casting methods with high productivity and high dimensional accuracy, and the wall surface of the cylinder bore is reinforced by combining ceramic fibers such as alumina fibers, foam metal, or the like.
The manufacturing method of the cylinder block by the die casting method is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 63-55349, 61-126357, and 62-41469. Detailed explanation is not described. When the foam metal is cast into the cylinder block by a normal die casting method, pores inside the foam metal itself may remain, or the adhesion may be inferior at the interface with the aluminum alloy. In addition, since the foam metal itself is often low in hardness and cannot be used simply by being cast, an intermetallic compound must be formed by performing a heat treatment after casting. Furthermore, in the normal die casting method, since air may be caught in the molten metal, there is a problem that blisters are generated in the cylinder block itself.
[0003]
Therefore, as a high-pressure casting method, as shown on pages 77 to 81 of JP-A-59-212159 and Sumitomo Electric 126 (issued in March 1985), the molten metal in the mold cavity is used. A melt forging method (also referred to as a high pressure solidification casting method) in which a high pressure is formed and solidified while applying high pressure was applied to the production of engine pistons and the like. However, it is not applied to cylinder blocks due to problems such as productivity and equipment costs.
Further, in the production by the low pressure casting method, there is no problem in the heat treatment after casting because no air is involved in the molten metal. However, the casting of the aluminum alloy into the foam metal is very bad, so the casting is insufficient. Therefore, generation of blisters, insufficient metal compounding, and foam metal cast on the combustion chamber wall of the cylinder block during sliding of the piston fall off.
[0004]
Note that the components of the foam metal are not limited in the above-mentioned JP-A-63-55349, JP-A-61-126357, and JP-A-62-41469. Most of the metal components used as the foam metal are Ni, and there are Ni-Cr and Ni-Cr-Al. In JP-A-1-268827, Ni-B plating is applied to the surface of a Ni-Cr porous body, and an Ni-Al compound produced by heat treatment after casting an aluminum alloy by the ductility of boron (B). Crack generation and propagation are suppressed. In Japanese Patent Laid-Open No. 59-212159, a nickel (Ni) foam is partially plated with Cu to improve high temperature hardness. However, in the above two, ie, Japanese Patent Laid-Open No. 1-268827 and Japanese Patent Laid-Open No. 59-212159, a heat treatment is performed after casting mainly for the purpose of improving hardness, and a compound layer is generated. Productivity is low. In addition, since the hardness of the foam metal is too low to be used without heat treatment, the molten forging method had to be applied. However, the molten forging method has low productivity and the product is limited. There was a problem.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
An object of this invention is to provide the member made from aluminum alloy which casted the foam metal which has sufficient hardness and adhesiveness, for example, a cylinder block made from aluminum alloy, and its manufacturing method.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the aluminum alloy member and the method for manufacturing the same according to the present invention employ the following techniques.
(1) In a method of manufacturing an aluminum alloy member in which the foam metal is cast into a cylinder block by injecting and solidifying molten aluminum alloy into the mold containing the foam metal, air is removed from the mold interior. Then, the molten metal is poured in a reduced pressure state.
Specifically, the “depressurized state” refers to a state in which the degree of vacuum inside the mold is set to 200 mmHg or less, preferably 50 mmHg or less. Moreover, the said manufacturing method is applicable to an aluminum alloy cylinder block etc.
(2) Moreover, as another aspect of the present invention, a plated layer is formed on the foamed resin, the foamed resin is burned off, and then the plated metal is subjected to Ni-P plating or Ni-B plating to form a foam metal. It can be produced by molding and casting the foam metal with an aluminum alloy using a die casting method.
The “foamed resin” is preferably a urethane resin or a polystyrene resin having a three-dimensional network structure having continuous air holes. "Foamed metal" is a kind of porous metal having a large number of pores in a metal or metal alloy such as Ni, Cr, Al, Fe, etc., and is not limited to the cylinder block of the present invention. It can be used widely.
(3) Further, after forming a plating layer on the foamed resin and burning off the foamed resin, Ni-P plating or Ni-B plating is applied to the plating layer to form a foam metal. It can also be produced by casting the above-mentioned foam metal using a die casting method by injecting the molten aluminum alloy in a state where it is housed inside the mold and the pressure is reduced by removing air from the inside of the mold.
(4) As another aspect of the present invention, a plated layer is formed on the foamed resin, and after the foamed resin is burned off, Ni-P plating or Ni-B plating is applied to the plated layer to form the foam metal. This is an aluminum alloy member formed and molded by casting the foam metal with an aluminum alloy using a die casting method. As this member, for example, an aluminum alloy cylinder block is preferable.
[0007]
The die casting method used in one embodiment of the present invention is a casting method in which air inside a mold is forcibly removed and decompressed, and a molten aluminum alloy is injected into the mold at a pressure higher than atmospheric pressure. Yes, thereby producing an aluminum alloy member according to the present invention. Here, the cylinder block as an example of the member is, for example, an Al alloy cylinder block for an internal combustion engine in which a crankcase is attached to the bottom surface and a cylinder head is attached to the top surface, and a foam metal is formed on the inner surface side of the combustion chamber wall. The die casting is performed so as to be cast.
In the process of manufacturing an aluminum alloy member that can be employed in the present invention, for example, an aluminum alloy cylinder block, first, the foam metal is stored in the cavity of the fixed mold, and the movable mold is moved in the horizontal direction. Close the mold. Next, the pressure in the mold is reduced by operating the vacuum pump to remove air in the cavity of the mold. In this state, the molten metal is put into the sleeve from the inlet and pressurized and poured into the mold with the plunger. When the molten metal solidifies, the movable mold is opened and the aluminum alloy cylinder block in which the foam metal is cast is taken out. Here, when more excellent sliding characteristics are required, it is preferable to apply particle dispersion plating of SiC, BN or the like. In addition, you may preheat a metal foam as needed.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, a foam metal is produced in the following manner according to the manufacturing process shown in FIG.
Method for producing foam metal First, Ni or the like is electrolessly plated on the surface of the skeleton 2 of the urethane foam resin 1 having a three-dimensional network structure having continuous air holes as shown in FIG. A conductive coating 3 is applied to form a conductive film 3, and the resin 1 is subjected to a conductive treatment. A plating layer 4 is formed on the resin 1 subjected to the conductive treatment by electroplating. Next, after heat-treating the resin 1 by burning, the Ni—P plating or Ni—B plating is performed to form the Ni—P plating layer or the Ni—B plating layer 5 to produce the foam metal 6. . Note that the conductive treatment can be omitted if a resin containing a conductive substance and having a three-dimensional network structure that can be melted and removed is used in advance.
The foam metal 6 obtained in this way is mounted on a die casting apparatus 7 shown below.
[0009]
Die-casting equipment Generally, there are two types of die-casting equipment, hot chamber type and cold chamber type, depending on the molten metal injection method. When aluminum alloy is used for the molten metal, the gooseneck is exposed to high temperature. Therefore, the cold chamber type is preferable.
FIG. 3 shows a cross-sectional view of a main part of the vacuum die casting apparatus 7 used in the present invention. This apparatus 7 is a cold chamber type horizontal die casting apparatus, in which a fixed mold holder 9 is mounted on a mold mounting board 8 and a fixed mold 10 is fitted in a recess provided in the fixed mold holder 9. Are combined. A movable mold 12 is fixed to the movable mold holder 11 so as to face the fixed mold 10. Concave portions are provided on the opposing surfaces of the fixed mold 10 and the movable mold 12 to form a mold cavity 13. A vacuum pipe 14 extends upward from the upper part of the fixed mold 10 through the fixed mold holder 9, and is connected to a vacuum pump 16 through a vacuum tank 15. A vacuum shutoff valve 17 is disposed between the vacuum tank 15 and the fixed mold holder 9. Further, a cylindrical sleeve 18 made of special steel such as nitrided steel is disposed from the lower side of the fixed-side mold 10 through the mold mounting plate 8. An inlet 19 for introducing molten metal is opened. A plunger 20 for injecting molten metal into the mold is disposed inside the sleeve 18.
The movement of the vacuum die casting apparatus 7 having the above configuration will be described.
After mounting the foam metal 6 inside the cavity 13 of the mold, the movable mold 12 and the movable mold holder 11 are moved to close the mold. Next, the vacuum pump 16 decompresses the inside of the cavity 13 by sucking air from the inside of the cavity 13 through the vacuum pipe 14. In this state, after the molten metal is injected from the injection port 19 of the sleeve 18, when the plunger 20 is moved, the molten metal is injected into the cavity 13 of the mold through the sleeve 18 at a high pressure. The main production conditions during casting will be described.
[0010]
Manufacturing conditions when using the die-casting method Manufacturing conditions when using the die-casting method are shown below as an example of the present invention.
(1) Degree of vacuum in the mold In the die casting used in the present invention, the degree of vacuum in the mold is preferably 200 mmHg or less. This is because at 200 mmHg or more, pores inside the foam metal itself may remain or adhesion may be inferior at the interface with the aluminum alloy.
(2) The material of the molten metal is preferably an ADC material.
(3) The pressurized pressure of the molten metal is preferably 500 kg / cm 2 or more.
(4) The casting temperature is preferably 670 ° C to 730 ° C.
(5) The injection speed of the molten metal is preferably 1.0 m / sec or more.
The structure of an aluminum alloy cylinder block which is an example of an aluminum alloy member cast under the above manufacturing conditions will be described.
[0011]
Aluminum alloy cylinder block FIGS. 4 and 5 are a perspective view and a cross-sectional view showing an example of an aluminum alloy cylinder block according to an embodiment of the present invention.
The aluminum alloy cylinder block 21 is of an open deck type, and includes an upper cylinder portion 22 and a lower skirt portion 23. A combustion chamber 24, which is a substantially cylindrical space, is formed in the cylinder portion 22 in the vertical direction, and an inner surface thereof is a combustion chamber wall 25. The foam metal 6 is cast on the combustion chamber wall 25. Is included. Further, a crankshaft support portion 26 is formed at the center portion inside the skirt portion 23.
[0012]
According to the method of manufacturing an aluminum alloy member according to the present invention, for example, an aluminum alloy cylinder block, the molten metal can be filled up to the pipe-shaped cavity in the skeleton 2 generated from the manufacture of the foam metal 6. The following effects can be obtained with respect to the die casting method.
1) Adhesion and bondability between the molten aluminum alloy and the foam metal 6 are improved.
2) By preventing the intake of air in the cylinder block 21 made of the aluminium alloy and the metal foam 6, heat treatment for improving the hardness can be performed.
3) Existing equipment can be used without using new equipment, and high productivity, which is an advantage of the die casting method, can be maintained.
4) Since the nest caused by air entrainment is reduced, the yield of die-cast products is improved.
5) Compared to the ceramic fiber reinforced alloy, it is not necessary to lower the casting pressure for preventing the sleeve 18 from being damaged.
6) No thermal discontinuity occurs at the boundary between the aluminum alloy and the ceramic as in the case of the ceramic fiber reinforced alloy, and the sleeve inner diameter does not distort when hot.
[0013]
Moreover, according to the manufacturing method of the aluminum alloy member according to the present invention, for example, the aluminum alloy cylinder block, the following effects can be obtained as compared with the low pressure casting method.
1) Adhesion and bondability with an aluminum alloy as a molten metal are improved.
2) Intake of air in the foam metal can be prevented, and an aluminum alloy cylinder block 21 itself and an intermetallic compound can be simultaneously formed by a normal heat treatment.
3) Thermal discontinuity does not occur at the boundary between the aluminum alloy and the ceramic as in the case of ceramic fiber reinforced alloy, and the sleeve inner diameter is not distorted when hot.
[0014]
【Example】
Next, the Example about the aluminum alloy cylinder block 21 which concerns on 1 aspect of this invention is shown.
Example 1
(1) First, in the manufacturing process shown in FIG. 1, the metal mold cavity is formed such that the foam metal 6 is formed of a nickel (Ni) -based metal into a castable shape and is cast into the combustion chamber wall 25 inside the cylinder block. 13 was attached. The number of cells of the foam metal 6 was 37 to 43 / inch, and the hole diameter was 0.6 mm.
(2) Next, after moving the movable mold 12 shown in FIG. 3 and closing it with a mold clamping pressure of 2250 tons, air is supplied from the cavity 13 of the mold using the vacuum pump 16 and the vacuum tank 15. It removed and the inside of the cavity 13 was made into the pressure reduction state. The degree of vacuum at this time was 50 to 200 mmHg.
(3) The molten metal was poured from the inlet 19 of the sleeve 18 shown in FIG. 3, the plunger 20 was operated, and the molten metal was pressurized and poured into the cavity 13 of the mold to perform casting by the die casting method. The casting conditions are as shown below.
Material of molten metal: ADC12 (a kind of aluminum alloy for die casting)
Casting pressure (pressurizing pressure of molten metal): 800 to 900 kgf / cm 2
Casting temperature: 670-700 ° C
Molten metal injection speed: 1.0 to 2.5 m / s
As a result, the molten metal was filled into a pipe-like cavity in the skeleton 2 of the foam metal 6 to produce an aluminum alloy cylinder block 21 with improved adhesion and bondability. Furthermore, the intermetallic compound layer was formed by heating after casting, and the hardness of the foam metal 6 was improved.
[0015]
Example 2
(1) Foam metal 6 was prepared in advance by the manufacturing process shown in FIG.
First, a carbon paint was applied to the urethane foam resin 1 having a three-dimensional network structure with continuous air holes, and the conductive film 3 was formed by conducting a conductive treatment on the urethane foam resin. A nickel (Ni) plating layer 4 was formed by electroplating on the urethane foam resin 1 on which the conductive film 3 was formed. Next, after heat-treating the urethane foam resin 1 to burn off, Ni-P plating is applied to each cell surface to a thickness of 50 to 100 μm under the condition that the phosphorus (P) content is 2 wt%. Thus, a foam metal 6 on which the Ni-P plating layer 5 was formed was prepared. Moreover, the foam metal which does not give Ni-P plating as a comparative example was also created. The Vickers hardness (unit: H V ) measured by preparing five of each of these metal foams 6 is shown in the left half of Table 1.
(2) The foam metal 6 was formed into a shape that can be cast and mounted in the cavity 13 of the mold so as to be cast into the combustion chamber wall 25 of the aluminum alloy cylinder block 21 shown in FIG.
(3) As shown in FIG. 3, after the mold was closed, the molten aluminum alloy was pressurized and injected into the cavity 13 of the mold to perform die casting. The casting conditions at this time were as follows.
Melt material: ADC12
Casting pressure (pressure of molten metal): 800 kgf / cm 2
Casting temperature: 700 ° C
Molten metal injection speed: 1.9 m / s
The Vickers hardness of the foam metal 6 cast into the combustion chamber wall 25 of the aluminum alloy cylinder block 21 by this die casting is shown in the right half of Table 1.
[0016]
[Table 1]
Figure 0003758114
[0017]
As can be seen from Table 1, due to the heat applied during the die casting process, the hardness of the foam metal 6 may be further improved than when the Ni-P plating treatment is performed. It corresponds to the hardness Hv380-530 of the Ni-Al compound to be formed or increased. Further, the strength of the foam metal 6 itself plated with Ni—P, that is, the bending strength, was about 5.5 to 7.6 times higher than the foam metal of Ni alone before the Ni—P plating.
[0018]
Example 3
Example 3 has the same contents as Example 2 except that Ni—B plating was applied instead of Ni—P plating.
(1) The foam metal 6 which gave Ni-B plating beforehand was created. First, a carbon paint was applied to the urethane-based foamed resin 1, and a nickel (Ni) plating layer 4 was formed by electroplating. Next, after heat-treating the urethane-based foamed resin 1 and burning it out, Ni-B plating is applied to each cell surface so as to have a thickness of 50 to 100 μm under the condition that the boron (B) content is 1 wt%. Thus, metal foam 6 was prepared. Moreover, the foam metal which does not give Ni-B plating as a comparative example was also created. The results of measuring the Vickers hardness of these foam metal 6 alone (5 pieces each) are shown in the left half of Table 2.
(2) The foam metal 6 was formed into a shape that can be cast and mounted in the cavity 13 of the mold so as to be cast into the combustion chamber wall 25 of the aluminum alloy cylinder block 21 shown in FIG.
(3) After the mold was closed, the molten aluminum alloy was injected under pressure into the mold to perform die casting. The casting conditions at this time were as follows.
Melt material: ADC12
Casting pressure (pressure of molten metal): 820 kgf / cm 2
Casting temperature: 710 ° C
Molten metal injection speed: 2.0 m / s
The right half of Table 2 shows the Vickers hardness of the foam metal 6 cast on the inner surface of the combustion chamber wall 25 of the aluminum alloy cylinder block 21 by this die casting.
[0019]
[Table 2]
Figure 0003758114
[0020]
As can be seen from Table 2, in the same manner as in Example 2, than the hardness 380～530H V of Ni-Al compound produced by heat treatment after squeeze casting, towards the metal foam 6 which has been subjected to Ni-B plating Became hard. Further, the strength of the foam metal 6 itself plated with Ni-B, that is, the bending strength, was about 5.2 to 7.0 times higher than the foam metal of Ni only before the Ni-B plating.
[0021]
【The invention's effect】
As described above, the aluminum alloy member and the manufacturing method thereof according to the present invention have the following effects.
(1) In a method for producing an aluminum alloy member in which the foam metal is cast by injecting a molten aluminum alloy into the mold containing the foam metal and solidifying it, the air is removed from the mold to reduce the pressure. Since the molten metal is injected in such a state, the pores and cavities of the foam metal are filled with the molten aluminum alloy, and there are very few pores and cavities in the foam metal. In addition, heat treatment such as solution treatment can be performed after casting, and adhesion and bonding between the foam metal and the aluminum alloy are improved, and the yield of the product is further improved.
(2) After forming a plating layer on the foamed resin and burning off the foamed resin, Ni-P plating or Ni-B plating is applied to the plating layer to form a foam metal, and the foam metal is subjected to a die casting method. Since it is produced by casting using an aluminum alloy, high hardness can be maintained after casting by die casting without generating a Ni-Al compound by heat treatment. Also, since Ni-P plating and Ni-B plating have high strength, even thin ones can be cast easily and accurately, so that they can be easily mounted on the mold before casting and even thin ones can be cast. Can be cast with high accuracy. Therefore, the cost concerning manufacture of a metal foam can be suppressed significantly. In addition, by further dispersing ceramic particles such as SiC and BN in the plating film, it is possible to further improve the sliding characteristics.
(3) After forming a plating layer on the foamed resin and burning off the foamed resin, Ni-P plating or Ni-B plating is applied to the plating layer to form a foam metal, and the foam metal is placed inside the mold. Since the foam metal is cast by using the die casting method by injecting the molten aluminum alloy in a state where the pressure is reduced by removing air from the inside of the mold, the pores in the foam metal , There are very few cavities, and the adhesion and bonding between the foam metal and the aluminum alloy are further improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart showing a manufacturing process of a foam metal according to the present invention.
2A is a schematic view showing a urethane-based foamed resin, FIG. 2B is a cross-sectional view showing the skeleton of the urethane-based resin, and FIG. 2C is a skeleton of the urethane-based resin subjected to a conductive treatment. (D) is a cross-sectional view showing a skeleton of an electroplated urethane-based resin, (e) is a cross-sectional view showing an intermediate obtained by burning out the urethane-based resin, and (f) is a cross-sectional view of (e). It is sectional drawing which shows the foam metal which gave Ni-P plating or Ni-B plating to the intermediate body.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a vacuum die casting apparatus used in the present invention.
FIG. 4 is a perspective view showing a cylinder block as an example of an aluminum alloy member according to the present invention.
5 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Resin 2 Frame | skeleton 3 Conductive film 4 Plating layer 5 Ni-P plating, Ni-B plating layer 6 Foam metal 7 Vacuum die casting apparatus 8 Mold mounting board 9 Fixed side mold holder 10 Fixed side mold 11 Movable side mold Holder 12 Movable mold 13 Cavity 14 Vacuum pipe 15 Vacuum tank 16 Vacuum pump 17 Vacuum shut-off valve 18 Sleeve 19 Inlet 20 Plunger 21 Aluminum alloy cylinder block 22 Cylinder part 23 Skirt part 24 Combustion chamber 25 Combustion chamber wall 26 Crank Shaft bearing

Claims (4)

発泡樹脂にめっき層を形成し、該発泡樹脂を焼失させたのち、上記めっき層にＮｉ−Ｐめっき又はＮｉ−Ｂめっきを施して発泡金属を成形し、該発泡金属を、シリンダブロック用の金型内部に、シリンダブロックの燃焼室壁の内面側に該発泡金属が鋳込まれるように収容し、ダイカスト法を用いてアルミニウム合金で鋳込むことにより作製することを特徴とするアルミニウム合金製部材の製造方法。The plating layer is formed on the foamed resin, mixture was allowed to burn off the foam resin, subjected to Ni-P plating or Ni-B plating by forming a metal foam in the plating layer, a foamed metal, gold cylinder block An aluminum alloy member characterized by being housed in the mold so that the foam metal is cast on the inner surface side of the combustion chamber wall of the cylinder block and cast by an aluminum alloy using a die casting method. Production method. 上記金型内部から空気を除去して減圧にした状態でアルミニウム合金溶湯を注入することにより、上記発泡金属をダイカスト法を用いて鋳込むことにより作製することを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金製部材の製造方法。 2. The method according to claim 1 , wherein the metal foam is cast by using a die casting method by injecting molten aluminum alloy in a state where the pressure is reduced by removing air from the inside of the mold. A method for producing an aluminum alloy member. 発泡樹脂にめっき層を形成し、該発泡樹脂を焼失させたのち、上記めっき層にＮｉ−Ｐめっき又はＮｉ−Ｂめっきを施して発泡金属を成形し、該発泡金属を、シリンダブロック用の金型内部に、シリンダブロックの燃焼室壁の内面側に該発泡金属が鋳込まれるように収容し、ダイカスト法を用いてアルミニウム合金で鋳込むことにより作製したことを特徴とするアルミニウム合金製部材。The plating layer is formed on the foamed resin, mixture was allowed to burn off the foam resin, subjected to Ni-P plating or Ni-B plating by forming a metal foam in the plating layer, a foamed metal, gold cylinder block An aluminum alloy member characterized by being housed in a mold so that the foam metal is cast on the inner surface side of a combustion chamber wall of a cylinder block and cast by an aluminum alloy using a die casting method. 上記金型内部から空気を除去して減圧にした状態でアルミニウム合金溶湯を注入することにより、上記発泡金属をダイカスト法を用いて鋳込むことを特徴とする請求項３に記載のアルミニウム合金製部材。 4. The aluminum alloy member according to claim 3, wherein the foam metal is cast using a die casting method by injecting molten aluminum alloy in a state where the pressure is reduced by removing air from the inside of the mold. .
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