JP4983822B2 - 中空鋳物の製造方法およびそこで用いる中空形成部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば内燃機関用断熱ピストンのように、断熱等の目的で内部に空洞を有するようにした中空鋳物の製造方法に関する。

内燃機関用断熱ピストンのように、断熱等の目的で内部に空洞を持つ中空鋳物を製造するには、形成しようとする空洞と同形状の中空部を備えた中空形成部材を鋳型内に予め配置しておき、その鋳型内に鋳物母材金属の溶湯を注湯して、配置した中空形成部材を注湯した鋳物母材金属によって鋳ぐるむようにした製造方法が考えられる。

前記中空形成部材の一例として、鋳物母材金属の溶湯温度よりも融点が高い材料によって作られており、前記中空部をその一部が開放した状態で備えた例えばＦｅ−Ｍｎ焼結体である本体部と、前記中空部の開放部を密封するように本体部に一体に固定される例えばステンレス板からなる閉鎖部材とからなる中空形成部材が考えられる。しかし、この形態の中空形成部材は、鋳込み時に、溶湯の熱によって密閉空間である前記中空部内の空気が急激に膨張して、中空部を変形させふくれが生じる場合がある。

その不都合を解消した中空形成部材として、常温では固体であり鋳物母材金属の融点よりも低い温度でガス化するか溶融する固体物質を予め前記空洞の形状に作っておき、その固体物質を鋳物母材金属溶湯に対して安定な多孔質体で覆った形態の中空形成部材が特許文献１あるいは特許文献２に記載されている。中空鋳物の成形に当たっては、前記中空形成部材を鋳型内に配置し、鋳物母材金属の溶湯を注湯して加圧鋳造することで中空形成部材を鋳ぐるんだ鋳物とする。その鋳物に前記固体物質に連通する開口を形成した後、鋳物母材金属より低くかつ固体物質の融点以上の温度に加熱することによって、前記固体物質をガス化あるいは溶融させて前記開口から流出させることによって除去する。除去後、開口をねじ等によって閉鎖することにより、内部に空洞を有する中空鋳物が得られる。

特公平２−３６３５０号公報 特公平３−９８２１号公報

特許文献１および２に記載の中空鋳物の製造方法により、鋳造時の熱によって変形やふれが生じることがなく設計値どおりの形状の空洞を備えた中空鋳物を得ることができる。しかし、鋳込み後の鋳物に対して、ガス化または溶融した物質を除去するための開口を設ける作業と、再加熱して中空部に埋め込んだ低融点物質をガス化または溶融して除去する作業、除去後に前記開口を閉鎖する作業を必要とし、作業がやや煩雑となっている。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、より簡単な作業工程でもって、設計値どおりの空洞を備えた中空鋳物を製造することのできる、新たな中空鋳物の製造方法を開示することを第１の課題とする。さらに、そこで用いる中空形成部材の製造方法を開示することを第２の課題とする。

本発明による内部に空洞を有する中空鋳物の製造方法は、前記空洞と同形状の中空部をその一部が開放した状態で備え、少なくとも前記開放部には空気は通過するが鋳物母材金属の溶湯は通過しない細孔を多数備えた細孔部材が一体に取り付けられている中空形成部材を鋳型内に配置し、鋳物母材金属の溶湯を鋳型内に注湯して前記中空形成部材を注湯した鋳物母材金属によって鋳ぐるむことを特徴とする。

本発明による製造方法によれば、前記中空形成部材を配置した鋳型内に溶湯を注湯することにより、中空形成部材は加熱され中空部の空気は膨張するが、膨張した空気は前記細孔部材の細孔を通って抜け出ることができるので、中空部にふくれが生じることはない。また、溶湯は細孔部材によって中空部内へは入り込まない。そのために、中空形成部材に形成した中空部の形状はそのまま維持され、製造後の中空鋳物には、設計値どおりの空洞が形成される。また、主たる製造工程も、中空形成部材を鋳型内に配置する工程と、鋳物母材金属の溶湯を鋳型内に注湯する工程だけであり、製造工程はきわめて簡素化される。

本発明は任意の中空鋳物の製造方法に適用することができる。一例として、前記空洞を断熱部とした内燃機関の断熱ピストンを製造することが挙げられる。

本発明は、また、上記の中空鋳物の製造方法で用いる前記中空形成部材の製造方法として、成形型内に前記細孔部材を置き、その上の適所に前記中空部と同形状の加熱により消失する消失物を置き、成形型内に金属材料を入れて成形、加熱して前記消失物を消失させて中空部とすることを特徴とする中空形成部材の製造方法も開示する。

上記の製造方法により、任意の形状の中空部を持つ中空形成部材を容易に製造することができる。消失物の材料は、金属材料を成形するときの熱によってガス化して消失する材料であれば任意であり特に制限はないが、例として、紙、プラスチックなどを挙げることができる。

中空形成部材を構成する本体部は、中空形成部材を用いて中空鋳物を製造するときの鋳物母材金属の溶湯温度よりも融点が高くかつ鋳物母材金属溶湯に対して安定な材料であれば任意の金属材料で作ることができる。一例として、例えば鋳物母材金属がアルミ系金属の場合、鉄系金属粉末が挙げられる。成形処理としては焼結処理などが挙げられる。他に、鉄マンガン合金粉末、チタン合金粉末のような金属材料を用いることもできる。

中空形成部材を構成する細孔部材も、中空形成部材を用いて中空鋳物を製造するときの鋳物母材金属の溶湯温度よりも融点が高くかつ鋳物母材金属溶湯に対して安定な材料であれば任意であるが、一例として、ステンレス鋼、低合金鋼のような金属材料、あるいはセラミックス材料などが挙げられる。細孔部材に形成する細孔の大きさ、鋳物母材金属溶湯の粘性等を考慮して適宜設定すればよいが、鋳物母材金属がアルミ系金属の場合、６０〜２００メッシュ程度である。

本発明によれば、簡単な作業工程でもって、設計値どおりの空洞を備えた中空鋳物を製造することができる。

本発明による中空鋳物の製造方法で用いる中空形成部材の一態様を説明する図。 中空形成部材を製造するための一態様を説明する図。 中空形成部材を製造する他の態様を説明する図。 中空形成部材を製造するさらに他の態様を説明する図。 図１に示す中空形成部材を用いて本発明による中空鋳物の製造方法を実施する一態様を説明する図。 実験で用いたテストピ−スを説明する図。 実験の仕方を説明する図。 本発明による中空鋳物の製造方法によって製造した断熱ピストンを示す図。

以下、図面を参照して、本発明を実施の形態に基づき説明する。図１は本発明による中空鋳物の製造方法で用いる中空形成部材の一態様を説明する図、図２は中空形成部材を製造するための一態様を説明する図、図３は中空形成部材を製造する他の態様を説明する図、図４は中空形成部材を製造するさらに他の態様を説明する図、図５は図１に示す中空形成部材を用いて本発明による中空鋳物の製造方法を実施する一態様を説明する図、である。また、図６は本発明による中空鋳物の製造方法によって製造した断熱ピストンの一例を示す図である。

図１（ａ）に底面側から見た斜視図を、図１（ｂ）に断面図を示すように、中空形成部材１０は、本体部１１と細孔部材１５とで形成される。この例で、本体部１１は円柱状であり、その内部に底面側を開放するようにして円筒状の中空部１２が形成されている。なお、中空部１２は、その一部が開放し、他は本体部１１により気密に囲まれていることを条件に、全体形状は任意である。

細孔部材１５は多数の細孔１５ａを有しており、本体部１１における前記中空部１２の開放した面が位置する側に適宜の手段により一体に固定されている。図示の例では、細孔部材１５は本体部１１の底面とほぼ同じ大きさであるが、少なくとも前記中空部１２の開放した部分を覆うことのできる大きさであればよい。

また、細孔部材１５に形成される細孔１５ａの大きさは、図５に示すように、中空形成部材１０を用いて中空鋳物３０を鋳造するときに用いられる鋳物母材金属２０の溶湯２１が通過することのできない大きさに設定される。前記したように、溶湯２１がアルミ系金属の場合に、細孔１５ａの大きさは６０〜２００メッシュの範囲の大きさであればよい。

中空形成部材１０を構成する前記本体部１１および細孔部材１５は、中空形成部材１０を用いて中空鋳物３０を鋳造するときに用いられる鋳物母材金属２０の溶湯２１の温度よりも溶融温度が高く、かつ鋳物母材金属２０に対して安定な材料である適宜の材料で作ることができる。例えば、本体部１１は鉄系金属で作られ、細孔部材１５はステンレスのメッシュ板で作られる。

図２は、前記中空形成部材１０を製造する１つの方法を示している。この方法では、最初に前記した細孔部材１５を用意し、図２（ａ）に示すように、その上に例えば紙で作った消失材１６を載置する。前記消失材１６は、得ようとする中空鋳物３０に形成する空洞と同じ立体形状を持つ。それを、図２（ｂ）に示すように、適宜の成形型１７の中にセットした後、図２（ｃ）に示すように、その上から前記した適宜の金属材料１８の粉末を充填して、加圧成形する。成形後の部材を成形型１７から取り出し、焼結処理を行う。焼結処理時の熱により、前記消失材１６は燃焼し、燃焼ガスは細孔部材１５の細孔１５ａを通して排気される。それにより、図２（ｄ）に示すように、本体部１１と細孔部材１５とからなり内部に中空部１２を備えた前記した中空形成部材１０が得られる。なお、金属材料１８は、加熱所要の形状に成形できるものであれば、金属粉末である必要はなく、また、焼結処理を行うことも必須ではない。

図３は、中空形成部材１０を製造する他の方法を示している。ここでは、消失材１６として、形状の異なる２つの消失材１６ａ，１６ｂを細孔部材１５の上に載置している。これを用いて、図２（ｂ）以下の手法を取ることにより、異なった形状の２つの中空部を持つ中空形成部材を製造することができる。もちろん、同じ形状の消失材１６を複数個用いることもでき、形状の異なる３つの消失材１６を用いることもできる。結果として、この製造方法を採用することにより、任意の個数のまた任意の形状の中空部１２を備えた中空形成部材１０を容易に製造することができる。

図４は、中空形成部材１０を製造する他の方法を示している。ここでは、従来知られた適宜の成形方法あるいは切削加工方法により、図４（ａ）に示すように、前記した一方側が開放した中空部１２を有する本体部１１を形成する。その本体部１１の底面に前記した細孔部材１５を適宜の方法により一体に固定することにより、図４（ｂ）に示すように、中空形成部材１０が完成する。

図５は、上記した中空形成部材１０を用いて、中空鋳物３０を形成する一態様を示している。この例では、鋳型５０内に中空形成部材１０を前記細孔部材１５が上面側となるようにしてセットし、その上から鋳物母材金属２０の溶湯２１を鋳型５０内に注湯している。細孔部材１５は、前記したように、空気は通過するが鋳物母材金属２０の溶湯２１は通過しない細孔１５ａを多数備えており、溶湯の熱によって膨張した中空部１２内の空気は細孔１５ａから中空部１２の外に排気されるので、中空部１２の形状が変化することはない。また、中空部１２内に溶湯２１が入り込むこともない。

鋳物母材金属２０の溶湯２１を注湯することにより、中空形成部材１０は鋳物母材金属２０によって鋳ぐるまれ、中空鋳物３０とされる。そして、製造後の中空鋳物３０には、中空形成部材１０に形成した中空部１２と同形状の空洞が形成される。なお、焼結体をアルミ系金属にそのまま鋳込んでも接合面が合金化しない場合がある。それを解消するために、前記中空形成部材１０をアルミ溶湯中で１〜２分程度のアルミナイジング処理を行った後、鋳型５０内にセットすることが望ましい。

なお、本発明者らは、溶湯が細孔部材１５を通過するかどうかを調べるための試験を行った。図６は試験に用いたテストピースＴＰを示し、図７は試験の方法を示す。テストピースＴＰは、細孔部材１５として６０メッシュおよび２００メッシュの２種類のＳＵＳ３０４の薄板を用い、それを鉄製のリング１９ａ，１９ｂで扶持した。図７に示すように、２つのテストピースＴＰを鋳型５０内にセットし、温度７２０℃のアルミ溶湯（ＡＣ８Ａ）２１を注湯して、テストピースＴＰを鋳ぐるんだ。冷却後、鋳物を取り出して、その裏面を観察したところ、いずれのテストビースＴＰでも、下位に位置する鉄製のリング１９ｂ内は中空状であり、下から細孔部材１５を目視することができた。これにより、溶湯を通過させない細孔部材１５が存在することを確認できた。

図８は、上記の製造方法を用いて、前記中空形成部材１０の中空部１２で形成される空洞を断熱部とした内燃機関の断熱ピストン６０を示している。断熱ピストン６０は、図示しない成形型内に前記中空形成部材１０を配置した状態で、鋳物母材金属２０を成形型内に流し込むことによって形成されており、中空形成部材１０の中空部（空洞）１２が断熱部として機能している。

１０…中空形成部材、
１１…中空形成部材の本体部、
１２…中空部、
１５…中空形成部材の細孔部材、
１５ａ…細孔部材の細孔、
１６，１６ａ，１６ｂ…消失材、
１７…成形型、
１８…金属材料
２０…鋳物母材金属、
２１…溶湯、
３０…中空鋳物、
５０…鋳型、
６０…本発明による中空鋳物の製造方法によって内燃機関の断熱ピストン。

Claims (3)

1. 内部に空洞を有する中空鋳物の製造方法であって、前記空洞と同形状の中空部をその一部が開放した状態で備え前記中空鋳物を鋳造するときに用いられる鋳物母材金属の溶湯の温度よりも溶融温度が高くかつ鋳物母材金属に対して安定な材料からなる中実の本体部と、前記中実の本体部と同じ材料からなり該本体部の開放した部分に一体に取り付けられた空気は通過するが鋳物母材金属の溶湯は通過しない細孔を多数備えた細孔部材とからなる中空形成部材とを鋳型内に配置し、鋳物母材金属の溶湯を鋳型内に注湯して前記中空形成部材を注湯した鋳物母材金属によって鋳ぐるむことを特徴とする中空鋳物の製造方法。
2. 前記空洞を断熱部とした内燃機関の断熱ピストンを製造することを特徴とする請求項１に記載の中空鋳物の製造方法。
3. 請求項１または２に記載の中空鋳物の製造方法で用いる前記中空形成部材の製造方法であって、成形型内に前記細孔部材を置き、その上の適所に前記中空部と同形状の加熱により消失する消失物を置き、前記成形型内に加熱により所要の形状が得られる金属材料粉末を入れて加熱成形し、その加熱により前記消失物を消失させて中空部とすることを特徴とする中空形成部材の製造方法。

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