JP5240427B2 - 鋳造部品の欠陥部補修方法及び鋳造部品 - Google Patents

Description

本発明は、鋳造部品の表面に現出された欠陥部、例えば、表面に現出された凹状の鋳巣を肉盛して補修する鋳造部品の欠陥部補修方法及び鋳造部品に関するものである。

一般的に、エンジンの構成部品であるシリンダブロックに代表されるようなダイカスト鋳造法により成形された鋳造部品は、その鋳造時に鋳巣等の欠陥部が発生しやすい。そのために、現状では、鋳造部品のシール面に、欠陥部、例えば、凹状の鋳巣等が現出された場合、シール性が確保されないために廃棄されており、生産効率を向上させるには、この欠陥部を補修する必要があった。

しかしながら、鋳造部品のシール面に現出された凹状の鋳巣に、レーザビーム等の高密度エネルギービームを照射して肉盛して補修しようとすると、以下の問題点が発生する。
鋳造部品の表面に現出された凹状の鋳巣及びその周辺に高密度エネルギービームを照射し再溶融すると、溶融池内に鋳造部品の内部に圧縮されていたガスが噴出し、溶融金属が凝固した後、図３に示すような、内部欠陥（ピンホール１５）として残留してしまう。
すなわち、アルミニウム合金からなるダイカスト粗材に代表される鋳造部品は、鋳造時の空気の巻き込みや水素ガスの固溶限が低いことによりその内部に多量のガスが圧縮されて含有してしまっている。そのために、高密度エネルギービームを用いて鋳巣及びその周辺を再溶融すると、鋳造部品の内部に圧縮されていたガスが開放されて溶融池内に噴出するようになる。
すると、図３に示すように、溶融池４内に噴出されたガスは、溶融金属の粘性が高いために、ガス自身の浮力だけでは外部に排出されないために、溶融金属の凝固後に、多数のピンホール１５として残留してしまう。なお、これらピンホール１５は、鋳造部品１のガス含有量に依存するが、製品規格を満足できない内径（φ）：０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の大きさのものがある。

また、鋳造部品の表面に現出した欠陥部を補修する従来技術として特許文献１には、鋳鋼品の鋳造欠陥及びその周囲を局部的に溶融して溶融プールを形成して鋳造欠陥を浮上除去する工程と、上記溶融プールを凝固させて上部に溶融クレータ部を形成する工程と、上記溶融クレータ部に鋳鋼品と同等の化学成分を有するフレッシュメタルを添加・溶融させる工程とを具備している鋳造欠陥補修方法が開示されている。
特開昭６３−１９４８５８号公報

しかしながら、特許文献１の発明の欠陥補修方法においても、溶融プール内に、鋳造粗材から開放されたガスが噴出して、凝固後にピンホールとして残留してしまうために採用することはできない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、鋳造部品の表面に現出した凹状の鋳巣等の欠陥部を、内部欠陥を残留させることなく補修する鋳造部品の欠陥部補修方法及び鋳造部品を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の鋳造部品の欠陥部補修方法は、前記欠陥部及びその周辺を溶融しながら、溶融池に高圧ガスを噴射することで溶融金属をその内部に発生したピンホールと共に外部に排出して、内部欠陥が抑制された健全層を内面に有する凹部を形成する第１ステップと、次に、前記凹部に、前記健全層の厚さの範囲内で溶融して肉盛し、前記欠陥部を補修する第２ステップと、を備え、前記健全層の厚さは、前記凹部の最深部から周縁部に向かって薄く形成されることを特徴としている。
また、本発明の鋳造部品は、鋳造部品の表面に現出した欠陥部及びその周辺を溶融しながら、溶融池に高圧ガスを噴射することで溶融金属をその内部に発生したピンホールと共に外部に排出して、内部欠陥が抑制された健全層を内面に有する凹部を形成し、その後、該凹部に、前記健全層の厚さの範囲内で溶融し肉盛してなる補修部を有し、前記健全層の厚さは、前記凹部の最深部から周縁部に向かって薄く形成されることを特徴としている。
これにより、欠陥部を補修した後、補修部の内部に、製品規格を満足できないような大きさのピンホールが残留されることはない。
なお、本発明の鋳造部品の欠陥部補修方法及び鋳造部品の各種態様およびそれらの作用については、以下の発明の態様の項において詳しく説明する。

（発明の態様）
以下に、本願において特許請求が可能と認識されている発明（以下、「請求可能発明」という場合がある。）の態様をいくつか例示し、それらについて説明する。なお、各態様は、請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付して、必要に応じて他の項を引用する形式で記載する。これは、あくまでも請求可能発明の理解を容易にするためであり、請求可能発明を構成する構成要素の組み合わせを、以下の各項に記載されたものに限定する趣旨ではない。つまり、請求可能発明は、各項に付随する記載、実施の形態等を参酌して解釈されるべきであり、その解釈に従う限りにおいて、各項の態様にさらに他の構成要件を付加した態様も、また、各項の態様から構成要件を削除した態様も、請求可能発明の一態様となり得るのである。なお、以下の各項において、（１）項乃至（３）項の各々が、請求項１乃至３の各々に相当し、（７）項乃至（１０）項の各々が、請求項４乃至７に相当する。

（１）鋳造部品の表面に現出した欠陥部を補修する鋳造部品の欠陥部補修方法であって、前記欠陥部及びその周辺を溶融しながら、溶融池に高圧ガスを噴射することで溶融金属をその内部に発生したピンホールと共に外部に排出して、内部欠陥が抑制された健全層を内面に有する凹部を形成する第１ステップと、次に、前記凹部に、前記健全層の厚さの範囲内で溶融して肉盛し、前記欠陥部を補修する第２ステップと、を備え、前記健全層の厚さは、前記凹部の最深部から周縁部に向かって薄く形成されることを特徴とする鋳造部品の欠陥部補修方法。
従って、（１）項の鋳造部品の欠陥部補修方法では、第１ステップでは、溶融時、溶融池内に鋳造部品内に圧縮されていたガスが噴出し、製品規格を満足できないような大きさのピンホールを含む多数のピンホールが発生しても、ほとんどのピンホールは、高圧ガスの噴射により溶融金属と共に外部に排出される。これと同時に、凹部の内面に、内部欠陥が抑制された、すなわち、製品規格を満足できない大きさのピンホールが残留しない健全層を形成する。
次に、第２ステップでは、健全層の厚さの範囲内で溶融して肉盛するので、肉盛時に、鋳造部品を溶融することで新たなガスが噴出することなく、肉盛層に製品規格を満足できないような大きさのピンホールが残留することはない。

（２）前記健全層の厚さは、製品規格に定められた許容ピンホール径に基いて設定されることを特徴とする（１）項に記載の鋳造部品の欠陥部補修方法。
従って、（２）項の鋳造部品の欠陥部補修方法では、健全層の厚さは、溶融時に溶融池内に発生するピンホールの大きさ、すなわち、製品規格を満足するピンホールの大きさの上限値より小さい値に設定するので、健全層に、製品規格を満足できないような大きさのピンホールが残留することはない。

（３）前記第１及び第２ステップでは、同一の高密度エネルギー熱源が使用されることを特徴とする（１）項または（２）項に記載の鋳造部品の欠陥部補修方法。
（４）前記高密度エネルギー熱源は、ＹＡＧレーザビームであることを特徴とする（３）項に記載の鋳造部品の欠陥部補修方法。
従って、（３）項及び（４）項の鋳造部品の欠陥部補修方法では、 第１及び第３ステップにおいては、同一の高密度エネルギー熱源であるＹＡＧレーザビームが使用されるので、既存のレーザ肉盛装置を使用することができ、実用化が容易である。

（５）前記健全層は、その厚さが０．３ｍｍ以下になるように形成されることを特徴とする（１）項〜（４）項のいずれかに記載の鋳造部品の欠陥部補修方法。
従って、（５）項の鋳造部品の欠陥部補修方法では、例えば、製品規格を満足するピンホールの大きさの上限値が内径（φ）：０．３ｍｍである場合、健全層には、少なくとも製品規格を満足できない０．３ｍｍより大きいピンホールが残留されることはない。

（６）前記第１ステップで噴射される高圧ガスは、前記第２ステップの肉盛時に使用されるシールドガスと同一種類であることを特徴とする（１）項〜（５）項のいずれかに記載の鋳造部品の欠陥部補修方法。
従って、（６）項の鋳造部品の欠陥部補修方法では、第１ステップで噴射される高圧ガスは、第２ステップの肉盛時に使用されるシールドガスと同一種類であるので、既存のレーザ肉盛装置を使用することができ、実用化が容易である。

（７）前記鋳造部品は、シリンダブロックであることを特徴とする（１）項〜（６）項のいずれかに記載の鋳造部品の欠陥部補修方法。
従って、（７）項の鋳造部品の欠陥部補修方法では、鋳造で成形されるシリンダブロックのシール面に現出された欠陥部を補修することができる。

（８）鋳造部品の表面に現出した欠陥部及びその周辺を溶融しながら、溶融池に高圧ガスを噴射することで溶融金属をその内部に発生したピンホールと共に外部に排出して、内部欠陥が抑制された健全層を内面に有する凹部を形成し、その後、該凹部に、前記健全層の厚さの範囲内で溶融し肉盛してなる補修部を有し、前記健全層の厚さは、前記凹部の最深部から周縁部に向かって薄く形成されることを特徴とする鋳造部品。
従って、（８）項の鋳造部品では、従来、シール面に現出された欠陥部が原因で廃棄されていた鋳造部品を製品として取り扱うことができるので、歩留まりが良くなり、生産効率を大幅に向上させることができる。

（９）前記補修部は、他部位に比べて組織が微細化されていることを特徴とする（８）項に記載の鋳造部品。
従って、（９）項の鋳造部品では、補修部は、他部位に比べて組織が微細化され、しかも、製品規格を満足できない内径（φ）：０．３ｍｍより大きいピンホールは残留されないので、強度的にも他部位と遜色ない。

（１０）前記鋳造部品は、シリンダブロックであることを特徴とする（８）項または（９）項に記載の鋳造部品。
従って、（１０）項の鋳造部品では、シリンダブロックに、そのシール面に現出された欠陥部を補修してなる補修部が備えられている。

本発明によれば、鋳造部品の表面に現出した凹状の鋳巣等の欠陥部を、内部欠陥を残留させることなく補修する鋳造部品の欠陥部補修方法及び鋳造部品を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図１及び図２に基いて詳細に説明する。
本発明の実施の形態に係る鋳造部品の欠陥部補修方法は、図１（ａ）に示すような、ダイカスト鋳造法によって成形された鋳造部品１（アルミニウム合金）のシール面６に現出した凹状の鋳巣（欠陥部）２を補修するものである。また、本欠陥部補修方法が採用される鋳造部品としては、エンジンの構成部品であるシリンダブロックが代表的である。

本欠陥部補修方法を具現化する欠陥部補修装置は、既存のレーザ肉盛装置と略同じものが使用される。図１には、加工ノズル３の先端部分しか示していないが、レーザ肉盛装置は、ＹＡＧレーザビーム５を照射する面に対向して配置される加工ノズル３と、レーザ発振器（高密度エネルギー熱源：本実施の形態ではＹＡＧレーザ）と、発振されたＹＡＧレーザビーム５を、加工ノズル３内を通過させて鋳造部品１のシール面６に現出した凹状の鋳巣２及びその周辺に集束させる集光レンズと、肉盛する際に加工ノズル３の間隙部分７から粉末材（本実施の形態ではＡｌ系合金）を供給する粉末材供給装置と、肉盛の際に溶融する金属材料のガスシールドを行うためにＨｅ、ＡｒやＮ_２等の不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置とからなる。
なお、本実施の形態では、不活性ガス供給装置は、ガスの噴射圧を適宜調節することが可能となっており、鋳巣２及びその周辺を溶融する際、不活性ガスを高圧で溶融池４に噴射して、溶融金属を外部に排出するようにしている。

そして、この欠陥部補修装置を使用した本欠陥部補修方法を説明する。
本発明の実施の形態に係る欠陥部補修方法では、図１（ａ）に示すように、鋳造部品１のシール面６に現出され、内径（φ）：１．０ｍｍ程度で、深さ：０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の凹状の鋳巣２を補修するものとする。
まず、図１（ｂ）に示すように、凹状の鋳巣２に加工ノズル３を対向させて配置し、加工ノズル３からＹＡＧレーザビーム５を照射して、内径（φ）：１．０ｍｍ程度で、深さ：０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の凹状の鋳巣２に対して、内径（φ）：２．０ｍｍ程度で、深さ：１．０ｍｍ〜１．５ｍｍ程度で内面が球面状の凹部１１を形成すべく溶融する（第１ステップに相当）。ＹＡＧレーザ出力は２．０ｋＷ〜２．５ｋＷである。なお、図１（ｂ）の符号１５は、溶融池４内に発生したピンホールを示している。
次に、図１（ｃ）に示すように、ＹＡＧレーザビーム５による溶融工程と同時に、不活性ガスを不活性ガス供給装置から加工ノズル３を経由して噴射圧０．４ＭＰａで溶融池４に噴射する（第１ステップに相当）。噴射時間は０．２秒〜０．４秒である。図１（ｃ）に示す矢印は、加工ノズル３内の高圧ガスの流れを示している。

その結果、図１（ｃ）及び図２に示すように、図１（ａ）の鋳巣２の部分に、内部欠陥が抑制された弓状の健全層１０を内面に有する凹部１１が形成される。健全層１０の厚みは、凹部１１の最深部が０．３ｍｍ程度で、凹部１１の周縁部に向かって薄くなり、該周縁部付近では０．１ｍｍ程度になる。
なお、健全層１０の厚みは、溶融時、溶融池４内に発生するピンホール１５の大きさに基いて設定される。例えば、本実施の形態では、製品規格を満足するピンホール１５の大きさの上限値が内径（φ）：０．３ｍｍに設定されているために、健全層１０は、その厚みが０．１ｍｍ〜０．３ｍｍの範囲内になるように形成される。従って、健全層１０には、少なくとも、製品規格を満足できない０．３ｍｍよりも大きいピンホール１５が残留されなくなる。なお、健全層１０の厚みの管理は、溶融時のレーザ条件及び不活性ガスの噴射条件によって管理される。

これにより、ＹＡＧレーザビーム５により鋳巣２及びその周辺を溶融した際に、鋳造部品１内に圧縮されていた水素ガス等が溶融池４に噴出され、溶融池４内には、図３に示すような、製品規格を満足できない大きさのピンホール１５を含む多数のピンホール１５が発生する。しかしながら、ほとんどのピンホール１５は高圧ガスの噴射により溶融金属と共に外部に排出されるために、凹部１１の内面に形成される健全層１０には、製品規格を満足できないような大きさのピンホール１５は残留されない。

次に、図１（ｄ）及び（ｅ）に示すように、凹部１１に、ＹＡＧレーザビーム５を照射すると共に粉末材１２を添加し、凹部１１内に肉盛層１７を形成して、鋳巣２を補修する（第２ステップに相当）。この肉盛工程時には、凹部１１の内面に形成した健全層１０の厚みの範囲内で溶融して、肉盛層１７内に製品規格を満足できない大きさのピンホール１５が残留されることを防いでいる。これは、肉盛時、鋳造部品１の部分を溶融してしまうと、鋳造部品１内に圧縮されていたガスが再び噴出するためである。肉盛時の溶融深さの管理は、レーザ条件によって管理される。
なお、肉盛レーザ条件は、ＹＡＧレーザ出力：５００Ｗ〜６００Ｗ，粉末材：Ａｌ系合金，粉末供給量０．１ｇ／ｓ，レーザ照射時間：０、２秒〜０．５秒，シールドガスの流量：２０リットル／ｓである。

また、鋳造部品１、例えばシリンダブロックのシール面に凹状の鋳巣２が現出した場合には、上述した本欠陥部補修方法が採用される。
そのため、シリンダブロックのシール面には、内径（φ）：２．０ｍｍ程度で、厚さ：０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の肉盛層（補修部）１７（図１（ｅ）参照）が形成される。該肉盛層１７は、他の部位に比べて組織が微細化されており、色彩コントラストが他部位と異なっている。

以上説明したように、本発明の実施の形態に係る鋳造部品の欠陥部補修方法では、鋳造部品１のシール面６に現出した凹状の鋳巣（欠陥部）２及びその周辺をＹＡＧレーザビーム５により溶融しながら、溶融池４に向かって不活性ガスを高圧で噴射して、ほとんどのピンホール１５を溶融金属と共に外部に排出し、製品規格を満足できない大きさのピンホール１５が残留されない健全層１０を内面に有する凹部１１を形成する。そして、凹部１１に、ＹＡＧレーザビーム５により健全層１０の厚さの範囲内で溶融して肉盛し、鋳巣２を補修するので、肉盛層１７の内部には、製品規格を満足できないような大きさのピンホール１５が残留されることはない。
要するに、本発明の実施の形態において最も特徴とするところは、鋳巣２及びその周辺をＹＡＧレーザビーム５により溶融する際に、高圧ガスの噴射により溶融金属をピンホール１５と共に外部に排出し、しかも、凹部１１の内面に健全層１０を形成するところにある。これにより、まず、溶融時に溶融池４内に発生した多数のピンホール１５を外部に排出することでき、さらに、凹部１１に肉盛する際、健全層１０の形成により鋳造部品１からの新たなガスの噴出を防ぐことができるので、肉盛層１７にピンホール１５が残留されないのである。

また、本発明の実施の形態に係る鋳造部品の欠陥部補修方法は、エンジンの構成部品であるシリンダブロックに採用されるので、従来、凹状の鋳巣２が原因で廃棄されていたシリンダブロックを製品として取り扱うことができ、歩留まりが良くなり、生産効率を大幅に向上させることができる。
さらに、本発明の実施の形態に係る鋳造部品の欠陥部補修方法は、既存のレーザ肉盛装置によって具現化することができるので、実用化が容易である。

なお、本発明の実施の形態では、アルミニウム合金からなる鋳造部品１のシール面６に現出した内径（φ）：１．０ｍｍ程度で、深さ：０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の凹状の鋳巣２を補修すべく最良のレーザ条件、高圧ガスの噴射条件及び健全層１０の厚み等が適宜設定されているが、当然ながら、補修する対象によってこれらの条件は適宜変更されるものである。
また、本発明の実施の形態では、鋳巣２及びその周辺の溶融工程及び凹部１１の肉盛工程には、高密度エネルギー熱源としてＹＡＧレーザビーム５を使用しているが、補修する対象によって、電子ビーム、ＣＯ_２レーザビームやルビーレーザビーム等を採用しても良く、さらに、アーク溶接、ＴＩＧ溶接やＭＩＧ溶接等を使用しても良く、高密度エネルギー熱源の種類が限定されることはない。
さらに、本発明の実施の形態では、溶融池４に高圧で噴射されるガスは、不活性ガスを使用しており、これが最良の形態であるが、単に、外気を圧縮して高圧で噴射しても良い。

図１は、本発明の実施の形態に係る鋳造部品の欠陥部補修方法を段階的に示した図である。 図２は、凹部の拡大図である。 図３は、溶融時、溶融池内に発生する多数のピンホールを示した図である。

符号の説明

１ 鋳造部品（シリンダブロック），２ 鋳巣（欠陥部），４ 溶融池，５ ＹＡＧレーザビーム，１０ 健全層，１１ 凹部，１７ 肉盛層（補修部）

Claims (7)

1. 鋳造部品の表面に現出した欠陥部を補修する鋳造部品の欠陥部補修方法であって、
   前記欠陥部及びその周辺を溶融しながら、溶融池に高圧ガスを噴射することで溶融金属をその内部に発生したピンホールと共に外部に排出して、内部欠陥が抑制された健全層を内面に有する凹部を形成する第１ステップと、
   次に、前記凹部に、前記健全層の厚さの範囲内で溶融して肉盛し、前記欠陥部を補修する第２ステップと、を備え、
   前記健全層の厚さは、前記凹部の最深部から周縁部に向かって薄く形成されることを特徴とする鋳造部品の欠陥部補修方法。
2. 前記健全層の厚さは、製品規格に定められた許容ピンホール径に基いて設定されることを特徴とする請求項１に記載の鋳造部品の欠陥部補修方法。
3. 前記第１及び第２ステップでは、同一の高密度エネルギー熱源が使用されることを特徴とする請求項１または２に記載の鋳造部品の欠陥部補修方法。
4. 前記鋳造部品は、シリンダブロックであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の鋳造部品の欠陥部補修方法。
5. 鋳造部品の表面に現出した欠陥部及びその周辺を溶融しながら、溶融池に高圧ガスを噴射することで溶融金属をその内部に発生したピンホールと共に外部に排出して、内部欠陥が抑制された健全層を内面に有する凹部を形成し、その後、該凹部に、前記健全層の厚さの範囲内で溶融し肉盛してなる補修部を有し、
   前記健全層の厚さは、前記凹部の最深部から周縁部に向かって薄く形成されることを特徴とする鋳造部品。
6. 前記補修部は、他部位に比べて組織が微細化されていることを特徴とする請求項５に記載の鋳造部品。
7. 前記鋳造部品は、シリンダブロックであることを特徴とする請求項５または６に記載の鋳造部品。
   

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