JP4376127B2 - 減圧鋳造用金型の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、製品として、例えばエンジンのピストンを鋳造する減圧鋳造用金型の製造方法に係り、さらに詳細には、多孔質材料で構成した通気性金型における空孔内への溶湯の入り込みによるカジリを生じることのない減圧鋳造用金型の製造方法に関する。

従来、エンジンのシリンダ内にガソリンを直接噴射する型式のガソリン直噴エンジンにおいては、希薄燃焼を行うため、ピストンが圧縮行程の終期の上死点付近に位置するときに、ピストンの頂面に形成されている冠面燃焼室に向けて燃料（ガソリン）を噴射して、タンブル流又はスワール流を形成し、適正濃度の燃料を点火プラグの位置に導くものである。

前述のごときエンジンにおいては、ピストンの冠面に形成された前記冠面燃焼室の表面粗さが粗いと、デポジット反応が発生してデポジットが付着することがあり、均質な混合気の生成を妨げ、燃焼効率が悪化することがあるので、従来は、切削加工などの適宜の加工によって、ピストン冠面の鏡面仕上げ加工を行っている。

ところで、アルミニウム合金によって、エンジンのピストン等の製品を鋳造する場合、アルミニウム合金の溶湯は表面張力が大きいので、金型のキャビティ面との濡れ性の向上を図るために、金型のキャビティ面に塗型剤を塗布することが行われている。このように塗型（塗型剤をキャビティ面に塗装すること）を行うと、保温性が向上すると共にキャビティ面と溶湯との濡れ性が向上する。そして、塗型剤の粒子間へ気体が逃げ込むので、転写の形状を出し易いという効果がある。

しかし、塗型を行うと、塗型の厚さが不均一になり易いことや、製品の鋳造を繰り返すと、塗型が次第に摩耗するので、再び塗型を行うために、ショットブラスト等によって古い塗型を除去するときに、金型も摩耗することがあるという問題がある。さらに、製品の表面粗さは、前記塗型の粒子の影響を受けるという問題がある。すなわち、塗型を行うと、製品の均一性に欠けるという問題があると共に製品の表面粗さの向上を図る上においては問題がある。

そこで、金型の一部に多孔性材料を採用し、この多孔性材料を介してキャビティ内の気体を吸引してキャビティ内を減圧し、溶湯を上記キャビティ内に給湯することにより、塗型を用いないで製品の鋳造を行う鋳造用金型が提案されている（特許文献１参照）。
特開平１−２０５８４６号公報

前記特許文献１においては、金型内に多孔性材料を配置し、この多孔性材料を介してキャビティ内を減圧して製品を鋳造するものである。上記多孔性材料は、粒度１００メッシュ以下の鉄系金属粉末をカサ密度４．０〜６．５ｇ／ｃｍ³ に焼結した多孔性焼結体よりなるものである。

上記構成においては、粒径の大きい粉末（１００メッシュ）を用いて密度４．０〜６．５ｇ／ｃｍ³ に焼結してあるので、空孔径は約３０μｍとなり、比較的大きなものである。したがって、アルミニウム合金の溶湯を給湯すると、前記空孔内にアルミニウム合金の溶湯の一部が入り込み、かじりを発生し易く、また製品の表面粗さが粗くなるという問題がある。

本発明は上記に鑑みてなされたもので、粉末粒度１０００メッシュ以下、２５０メッシュ以上の金属粉末を用いて、ＨＩＰ成形法により空孔径を４μｍ〜１２μｍの通気性金型素材に成形した後、又は成形と同時に焼結し、そのキャビティ面を放電加工により仕上げ面に形成してあるので、アルミニウム合金の溶湯に対する耐熱性、耐摩耗性に優れていると共に、前述のごときかじりを生じることがない。また、キャビティ面の加工時に空孔の詰まりを生じるようなことがないと共に鋳造により表面粗さの小さな成形製品を得ることができるものである。

図１を参照するに、図１は本発明の実施形態に係る減圧鋳造用金型を概念的、概略的に示した断面説明図である。減圧鋳造用金型１は、モールド型３を備えており、このモールド型３内には、センターコア５及びセンターコア５の周囲に配置したフィリップコア７；サイドコア９などの複数の分割コアを組み合せてなる中子１１を下部側に備えている。この中子１１は、製品としてエンジンのピストンを成形する場合にピストンの内部形状を形成するものである。

また、前記金型１には、内部に冷却水を循環するための冷却路を形成した左右一対のリストピン１３が対向して水平に備えられており、このリストピン１３の先端部は、前記サイドコア９に形成した穴に係脱可能に係合してある。さらに、前記金型１には、上記リストピン１３を支持するモールドブッシュ１５が備えられている。また、前記金型１の上部側には、前記モールド型３に対して着脱可能なトップコア１７が備えられている。

上記トップコア１７は、吸引排出部１９の一例としての空間部を備えた外トップコア２１と、この外トップコア２１に一体的に設けた内トップコア２３よりなるものであって、前記外トップコア２１には前記吸引排出部１９を封鎖したアダプター２５が設けてある。そして、前記アダプター２５に備えた連通孔２７は、前記吸引排出部１９に連通してあると共に、例えば真空ポンプ（図示省略）などのごとき負圧発生手段に接続してある。したがって、上記負圧発生手段を作動することにより、前記吸引排出部１９を減圧し負圧にすることができるものである。

なお、前記吸引排出部１９は空間部にて例示してあるが、空間部としては室状の空間は勿論のこと、穴状の空間、溝状の空間をも含むものである。要するに、吸引排出部１９としては前記内トップコア２３を介して（透過して）後述するキャビティ内の気体を効果的に吸引排出する機能を奏する構成であれば良いものである。

前記内トップコア２３は、前記中子１１と対向して設けられると共に、上記中子１１及び前記モールド型３との間に、キャビティ２９を形成するものである。この内トップコア２３は、例えばＳＵＳ材等の鉄系金属粉末を焼結してなる多孔質材料により通気性金型（多孔質金型）に構成してある。そして、上記内トップコア２３が前記中子１１と対向したキャビティ面２３Ａは、前記キャビティ２９にアルミニウム合金の溶湯を給湯（注湯）して製品としてのピストンを成形するときに、ピストンの冠面（頂面）を転写するための転写面に形成してある。

前記内トップコア２３は、鉄系金属粉末を熱間等方圧プレス［ＨＩＰ（Hot Isosutatic Pressing）］によって成形と焼結とを同時に行って製造し、かつ前記転写面は、形彫放電加工機における放電加工条件の仕上領域を用いて、後加工としての例えば仕上げ加工やバフ加工が不要であるように、予め製品の仕上げ面粗さに対応した表面粗さの製品仕上げ面に形成してある。すなわち、内トップコア２３の前記転写面は、切削加工や研磨加工によることなく放電加工によって製品仕上げ面に加工してあるので、金属粉末粒子が潰れて粒子間の空孔を塞ぐようなことがなく、粉末粒子間の空孔の通気性が良好に保持されているものである。

ところで、前記内トップコア２３が多孔質型に構成してあることにより、前記吸引排出部１９を負圧にすると、前記キャビティ２９内の気体は内トップコア２３を介して吸引排出部１９に吸引されて外部へ排出されることになる。また、前記キャビティ２９に注湯されたアルミ合金の溶湯は、前記内トップコア２３の下面（転写面）に吸引されて直接接触し、上記転写面の形状がそのまま転写されることになる。

上述のごとく、前記内トップコア２３の転写面（下面）に溶湯が直接接触することによって製品に対して前記転写面の形状をそのまま転写するとき、製品に細い部分やエッジが存在する場合、溶湯の表面張力によって精密に転写し難いものである。そこで、本実施形態においては、前記内トップコア２３の細い部分やエッジに対応した部分２３Ｂの肉厚は、他の部分の肉厚より薄く形成してある。

したがって、前記吸引排出部１９を負圧にしてキャビティ２９の気体を吸引排出すると共に、キャビティ２９内の溶湯を吸引して内トップコア２３の下面に直接密着するとき、製品の細い部分やエッジに対応した部分の吸引が効果的に行われることとなり、製品の細い部分やエッジの部分であっても、内トップコア２３の転写面（下面）の形状を精確に転写することができるものである。

なお、前記内トップコア２３は多孔質材料よりなる通気性金型（多孔質金型）であるから、以後は、内トップコアに代えて通気性金型又は多孔質金型と称することにする。

前記モールド型３には、前記キャビティ２９内に注湯（給湯）された溶湯が冷却・凝固するときの体積収縮を補うための押し湯キャビティ３１が前記キャビティ２９に連通して備えられており、この押し湯キャビティ３１の周囲には、保温性の高い材料よりなる押し湯入子３３が設けられている。さらに、前記モールド型３には、前記キャビティ２９に対して溶湯を給湯するための湯道３５が設けてあり、この湯道３５は前記キャビティ２９の下部側に連通してある。

既に理解されるように、前記金型１を用いてエンジンのピストンの鋳造を行うには、モールド型３に形成してある湯道３５から前記キャビティ２９内へアルミ合金の溶湯を注湯すると共に、吸引排出部１９内を負圧にするものである。この際、前記キャビティ２９に対する溶湯の供給は、キャビティ２９の下部側に行われ、前記吸引排出部１９を減圧し負圧にすることにより、前記キャビティ２９内の気体は、前記通気性金型２３を透過して外部へ排出されるものである。したがって、キャビティ２９内の気体の排出を効果的に行うことができるものである。

また、キャビティ２９内の溶湯は、前記吸引排出部１９が負圧であることにより、通気性金型２３の下面（転写面）に直接吸引接触されて密着されるものである。この際、前記通気性金型２３の、製品形状の細い部分やエッジの部分に対応する部分２３Ｂの肉厚は他の部分より薄く形成してあるので、この部分における溶湯の吸引密着が効果的に行われることとなり、より精確な転写が行われ得るものである。

そして、前記通気性金型２３の転写面（下面）は、予め製品仕上げ面に高精度に加工してあるので、鋳造したピストンの冠面（頂面）は仕上げ加工等の後加工を必要とすることなく、そのまま使用可能であるので、従来に比較してピストンを安価に製造することができるものである。

ところで、前記通気性金型２３を焼結するとき、金属粉末の粒径が同一であっても焼結するときの加圧力によって空孔径が多少変化するものの、空孔径は粉末粒子の粒径の大きさが大きく影響する。そして、空孔径が大きく変わることにより、通気性金型２３の表面粗さ、及び上記空孔内に溶湯の一部入り込んでかじりを発生し易くなる。

前記通気性金型２３は、前述したように、例えばステンレス粉末等の鉄系金属粉末を焼結してなるものである。ここで、塗型を行なわない場合の、多孔質金型（通気性金型）における抜き角度と表面粗さとかじりとの関係を実験によって調べると、図２に示すごとき結果が得られた。

図２より明らかなように、表面粗さがＲａ＝１２μｍ以上では抜き角度に関係なくかじりを生じることが分かる。また、かじりを生じないためには、抜き角度が小さくなるほど表面粗さを小さくする必要があることも分かる。

次に、種々の粒径の金属粉末を用いて多孔質金型の焼結を行い、放電加工によって仕上げ加工を行った後の表面粗さと空孔径との関係を調べると、図３に示すごとき結果が得られた。

この図３より明らかなように、多孔質金型における空孔径が大きくなるほど表面粗さが粗くなることが分かる。そして、表面粗さがＲａ＝１２μｍ以下を確保するには、空孔径が１２μｍ以下である必要があることが分かる。

そして、多孔質金型における金型粉末の粒径と空孔径との関係を示すと、図４に示すとおりである。

したがって、表面粗さがＲａ＝１２μｍ以下を確保するには、メッシュ２５０以上（粒径６０μｍ以下）の金属粉末を用いて多孔質金型の焼結を行う必要がある。

次に、６００℃に加熱して５０℃に水冷する熱衝撃テストを繰り返して、熱衝撃により割れが発生するまでの回数を、空孔径と肉厚との関係で調べると、図５に示す結果が得られた。

この図５より理解されるように、肉厚が２ｍｍの場合には空孔径の大きさに拘りなく１０回以下の熱衝撃テストで割れを生じた。そして、肉厚４ｍｍで空孔径４μｍの場合には１００回の熱衝撃テストを繰り返しても割れを生じることはなかった。また、肉厚１２ｍｍにおいては、空孔径の大きさに拘りなく割れを生じることはなかった。したがって、多孔質金型の肉厚Ｔとしては、２ｍｍ＜Ｔ≦１２ｍｍの範囲であることが望ましいものである。

次に、減圧力０．００８ＭＰａでの金型肉厚と空孔径との関係においての通気量を調べると、図６に示す結果が得られた。

この図６より明らかなように、空孔径２μｍの場合、肉厚２ｍｍにおいて通気が認められるものの、肉厚４ｍｍになると、通気量はほぼ零である。したがって、空孔径２μｍの場合は望ましいものではない。空孔径４μｍの場合には、肉厚４ｍｍの場合であっても充分に通気量が認められる。そして、空孔径１２μｍの場合には、肉厚１２ｍｍにおいて通気量がほぼ零になる。

したがって、多孔性金型における空孔径は４μｍ〜１２μｍが好ましく、肉厚Ｔは２ｍｍ＜Ｔ≦１２ｍｍの範囲が望ましいものである。

以上のごとき結果を考慮して、前記通気性金型２３は、粉末粒度２５０メッシュ〜１００メッシュの金属粉材料を用いてＨＩＰ成形法によって空孔径４μｍ〜１２μｍの通気性金型素材（多孔質金型素材）に成形した後、又は成形と同時に焼結し、そのキャビティ面２３Ａを放電加工により仕上げ面に形成してある。

したがって、前記通気性金型２３のキャビティ面２３Ａの加工時に金属粉末を潰して空孔に詰まりを生じるようなことがないと共に、成形加工時に、キャビティ内のアルミニウム合金の溶湯が前記空孔に入り込んでかじりを生じるようなことはないものである。

そして、前記通気性金型２３のキャビティ面２３Ａにおいて、製品としてのピストンにおける冠面の冠面燃焼室の細い部分やエッジに対応した部分２３Ｂの肉厚は２ｍｍよりは厚く１２ｍｍ以下に形成してある。

ところで、前記減圧鋳造用金型１によって内燃機関のピストンとして、燃料をピストンの冠面に形成されている冠面燃焼室へ直接噴射してタンブル流又はスワール流を形成する型式のガソリン直噴エンジン用のピストンの冠面部に要求される仕様粗さは、噴射ノズルを配置する位置等によって異なるが、大略Ｒａ＝８μｍ以下、冠面形状部最小抜き勾配は５°であるから、多孔質材料として１０００メッシュ（粒径２０μｍ）のステンレス粉を使用し、ＨＩＰ成形法により空孔径４μｍの多孔質金型素材を形成する。その後、この多孔質金型素材を焼結し、放電加工によってキャビティ面２３Ａを表面粗さＲａ＝８μｍ以下に仕上げ加工する。

この際、ピストン冠面に形成される凸部に対応して前記キャビティ面２３Ａに形成された凹部２３Ｃに対応した部分２３Ｂ、すなわちピストン冠面の形状のでにくい部分の肉厚を８ｍｍとした。なお、肉厚については、強度又は金型温度の関係から精度を必要とする箇所のみの薄肉化にとどめることが望ましい。

以上のごとき構成において、キャビティ２９に対してアルミニウム合金等の溶湯を湯道３５から給湯し、湯口が溶湯によってふさがれると、減圧用のモータ（図示省略）が駆動されて吸引排出部１９内の空気が排出され、吸引排出部１９が減圧される。この減圧によって吸引排出部１９とキャビティ２９との間に差圧が生じると、キャビティ２９内の気体は通気性金型（多孔質金型）２３の空孔を透過して外部へ排出される。

そして、キャビティ２９内の溶湯が次第に上昇して前記通気性金型２３のキャビティ面２３Ａに接触すると、吸引排出部１９が減圧されていることにより、前記溶湯はキャビティ面２３Ａに吸引密着される態様となる。この際、内燃機関のピストンを成形する場合には、前記キャビティ面２３Ａの凹凸がピストンの冠面に転写されるものであり、ピストン冠面の凸部に相当するキャビティ面２３Ａの凹部２３Ｃの部分２３Ｂは、他の部分よりも薄く形成してあるので、この部分の溶湯の吸引密着がより効果的に行われるものであり、ピストン冠面の形状のでにくい部分であっても高精度に成形することができるものである。

ところで、前記説明においては、内トップコア２３のみを多孔質型（通気性金型）に形成した場合について例示したが、内トップコア２３のみに限ることなく、例えば前記中子１１やモールドブッシュ１５をも多孔質型とすることが望ましいものである。このように、中子やモールドブッシュを多孔質型にすると、多孔質型は内部に気体を包含しているので保温性に優れ、溶湯の流動性を良好に保持することができるものである。

以上のごとき説明より理解されるように、減圧鋳造用金型において多孔質材料で形成した通気性金型の空孔径を４μｍ〜１２μｍとしてあるので、塗型を行うことなくアルミニウム合金の溶湯を給湯して製品の成形を行う場合であっても、溶湯の表面張力により空孔内に溶湯の一部が入り込むようなことがなく、かじりを生じることはないものである。

また、前記通気性金型において、転写精度を必要とする箇所の肉厚を１２ｍｍ以下に形成してあるので、この箇所においてキャビティ内の気体を効果的に排気して溶湯を吸引することにより精確な転写を行うことができるものである。

また、前記多孔質材料は鉄系金属粉を焼結してなるものであるから、アルミニウム合金の溶湯をキャビティに給湯して成形を行う場合の耐熱性に優れているものである。

また、上記鉄系金属粉がステンレス粉であることにより、耐食性、耐熱性、耐摩耗性に優れているものである。

また、減圧鋳造用金型が内燃機関のピストンを成形する金型であって、ピストンの冠面側を通気性金型としてあることにより、通気性金型に対する溶湯の密着性が向上し、精度の良い転写が行われるものであり、ピストンの冠面側の精度向上を図ることができる。

また、前記通気性金型は、ピストン冠面の凸部に対応する部分の肉厚を他の箇所より薄く形成してあることにより、ピストン冠面の凸部に相当する部分の吸引を効果的に行うことができ、前記凸部の形状をより精度良く形成することができる。

さらに、減圧鋳造用金型の製造に際しては、２５０メッシュ〜１０００メッシュの金属粉材料を用いてＨＩＰ成形法により空孔径４μｍ〜１２μｍの通気性金型素材を成形し、又は成形と同時に焼結し、かつキャビティ面を放電加工によって仕上げ加工を行うものであるから、キャビティ面の表面粗さを、空孔に詰りを生じることなく前記空孔径に対応した表面粗さに加工することができる。

本発明の実施形態に係る減圧鋳造用金型を概念的，概略的に示した断面説明図である。 多孔質金型の抜き角度と表面粗さとかじり発生との関係を示す説明図である。 多孔質金型の表面粗さと空孔径との関係を示す説明図である。 多孔質金型のメッシュ，粒径，空孔径の関係を示す説明図である。 多孔質金型の空孔径と金型肉厚と熱衝撃テストとの関係を示す説明図である。 多孔質金型の肉厚と通気量と空孔径との関係を示す説明図である。

符号の説明

１ 減圧鋳造用金型
３ モールド型
１１ 中子
１７ トップコア
１９ 吸引排出部
２１ 外トップコア
２３ 内トップコア（通気性金型、多孔質金型）
２５ アダプター
２７ 連通孔
２９ キャビティ
３５ 湯道

Claims (1)

1. 複数の金型の組合せによってキャビティを形成し、前記キャビティの少なくとも一部に、多孔質材料で構成した通気性金型を有する減圧鋳造用金型の製造方法であって、粉末粒度１０００メッシュ以下、２５０メッシュ以上の金属粉材料を用いてＨＩＰ成形法により空孔径が４μｍ〜１２μｍの通気性金型素材を成形した後、又は成形と同時に前記通気性金型素材を焼結し、その後に上記通気性金型素材のキャビティ面を放電加工により仕上げ面に形成したことを特徴とする減圧鋳造用金型の製造方法。

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