JP5638062B2 - キャビティを有する物品を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明はキャビティを有する物品を製造する方法に関する。

精密鋳造は複雑な中空内部を有する鋳造品を製造するために一般的に使用される。そのような鋳造物品の実施例は、内部冷却通路を備えるピストンエンジンのバルブシート（弁座）インサートである。鋳造物品中に中空内部を製造するために、鋳型はコアを備えなければならず、コアは鋳造材料の凝固後に物品から除去される。特に精密鋳造において、長い孔又は通路は作製困難である。何故ならば、既存のコア材料は不十分な表面品質をもたらすか、或いは、凝固した鋳造物品から除去するのが困難だからである。例えば、酸又は他の化学溶液を用いてコアを除去可能である。これはプロセスのコストを増大し、化学溶液は、貯蔵、取扱い、及び、廃棄において、それら独自の不利点を有する。類似のコアの問題は他の鋳造法及び静水圧プレス成形プロセスでも存在する。

文献ＥＰ２１００２７は、主として石膏から成る鋳造型内にスリップを鋳込むこと及びスリップの凝固後に鋳造型を除去することを通じたスリップ鋳造法によって鋳造物品を形成する方法を開示している。

本発明の目的は物品からコアを容易に除去し得る解決策を提供することである。

本発明の目的は、請求項１及び６に開示されるように達成される。

本発明に従った方法では、コアを備える型が物品材料で充填され、物品材料はコアの周りで硬化されて物品を形成する。コアはイットリア正方晶ジルコニア多結晶体材料（Ｙ−ＴＺＰ）又は部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）で構成される。追加的に、物品材料の硬化後、コアは蒸気環境に晒され、然る後、コアは物品から除去される。

本発明によって多数の利点が達成される。コアのイットリア正方晶ジルコニア多結晶体材料（Ｙ−ＴＺＰ）又は部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）を蒸気環境に晒すことによって、材料は劣化し、然る後、凝固した物品からコアを容易に除去し得る。従って、物品からコアを除去するために酸又は他の化学溶液は必要とされない。加えて、典型的には、キャビティ内部の表面品質は、従来的な方法によって製造される物品の表面品質よりも良好である。更に、本発明において使用されるコア材料は化学的に不活性であり、高温耐性を有する。

以下において、添付の図面を参照して、一例として本発明を記載する。

型内の中空バルブシートインサートを示す断面図である。

本発明に従った方法は、キャビティ４を有する物品１を製造する方法に向けられている。この種類の物品は中空であり得るか、或いは、複雑なキャビティ構造を含み得る。物品１は型２内で製造され、物品１中にキャビティを形成するよう、型２内にコア３が配置される。型１は物品の材料で充填され、材料はコア３の周りで少なくとも部分的に硬化される。然る後、コアは凝固した物品１から除去される。

物品は、例えば、内燃機関のシリンダヘッドに取り付けられる冷却バルブシートインサート１であり得る。バルブシートインサート１は環状であり、キャビティ、即ち、冷媒のための内部冷却通路４を備える。

追加的に、バルブシートインサート１は、冷却液を冷却通路４内に送り込むための入口ポートと、冷却液を冷却通路４から排出するための出口ポートとを含む。鋳造又は静水圧プレス成形によって物品１を製造し得る。適切な鋳造法は、精密鋳造、ダイカスト鋳造、デッドモールド鋳造（dead mould casting）、及び、砂型鋳造である。相応して、適切な静水圧プレス成形は、熱間静水圧プレス成形及び冷間静水圧プレス成形である。

物品１の中空形状又は他の複雑な形状は、適切に成形されるコア３によって達成される。コア３は物品１の内表面を形成するよう成形される。図示される実施態様において、コア３は完成バルブシートリング１内の冷却通路４の形状に対応する形状を有する。

コア３は、一般的にＹ−ＴＺＰとして知られるイットリア正方晶ジルコニア多結晶体材料（ＺｒＯ_２−Ｙ_２Ｏ_３）で構成される。Ｙ−ＴＺＰ材料は、高強度及び靱性の特異な組み合わせの故に、構造用途において使用される。典型的には、Ｙ−ＴＺＰは歯科用途において使用される。他の適切なコア材料は、ＰＳＺとしても知られる部分安定化ジルコニア（ＺｒＯ_２−ＭｇＯ）である。Ｙ−ＴＺＰ及びＰＳＺは、双方とも、蒸気活性材料である、即ち、それらの微細構造は蒸気環境において劣化する。セラミック材料に適切な従来的な方法によってコア３を製造し得る。例えば、コア３を所望に成形し、然る後、高温で焼結し得る。

物品１を精密鋳造によって作製し得る。精密鋳造法は、複雑な中空内部又は他の複雑な形状を有する物品を製造するために一般的に使用される。精密鋳造プロセスでは、パターンがコア３について形成される。パターンは、ろう（ワックス）、ポリスチレン、又は、適切に低い融点を有する他のパターン作製材料で構成される。コア３は適切な材料で作製されるピンによって支持される。ピンは、ピンがコア３の表面と係合するまで、パターン材料を通じて押し込まれる。然る後、セラミック型２がパターン組立体、即ち、パターン材料、コア３、及び、ピンの周りに構築される。多数の方法で型２を形成し得る。典型的には、パターン組立体はセラミックスラリ中に繰り返し浸漬されて、型２を形成する。型２がパターン組立体上に構築された後、パターン材料は型２から除去される。然る後、型２は熱処理されて、その硬度を増大する。型２とコア３との間の空間は、溶融物品材料、例えば、鋼又は鉄のような金属材料で充填される。溶融材料は入口通路５を通じて型２内に注入される。物品材料の硬化後、型２は凝固した物品１の周りから除去される。

然る後、コア３を蒸気（水蒸気）環境に晒すことによって、即ち、コア３を蒸気処理することによって、コア３は物品１から除去される。コア３は、少なくとも１００℃、好ましくは、少なくとも２００℃の温度で蒸気環境に晒される。典型的には、蒸気環境の温度は、１００〜５００℃の間、例えば、２００〜３００℃の間である。コア３は、少なくとも１時間に亘って、好ましくは、少なくとも３時間に亘って蒸気環境に晒される。蒸気処理の期間は、多数の要因、例えば、コア３及び鋳造物品１の寸法並びに蒸気環境の特性に依存する。物品が処理されるチャンバを含む加圧釜又は類似の装置内でコア３の蒸気処理を行い得る。蒸気処理プロセス中、飽和又は過熱蒸気がチャンバ内に送り込まれる。蒸気はチャンバから空気を排出する。処理中、蒸気はコア３の微細構造を破壊する、即ち、コア材料を劣化する。蒸気処理後、物品はチャンバから除去される。最後に、劣化したコア３が物品１から除去される。

熱間静水圧プレス成形によって物品１を作製し得る。熱間静水圧プレス成形（ＨＩＰ）プロセスは、物品１を高温及び静水圧の両方に晒す。ＨＩＰプロセスにおいて、コア３は型２内に配置され、然る後、型２は粉末形態の物品材料で充填される。物品材料は鋼又は鉄のような金属であり得る。次に、型２は高温で均一（平衡）な圧力の下で圧縮される。圧力及び温度は、粉末がコア３の周りで固化又は硬化される圧力及び温度である。そのようなＨＩＰプロセスは当該技術分野において周知であり、発明を理解する必要以上に更に詳細にここに記載しない。静水圧（均衡）圧縮後、物品１は型２から除去される。コア３は、精密鋳造プロセスと関連して上述された方法と同じ蒸気処理法によって凝固した物品１から除去される。

Claims (5)

1. キャビティを有する物品を製造する方法であって、
   コアを備える型が物品材料で充填され、該物品材料は前記コアの周りで硬化されて前記物品を形成し、前記コアは前記凝固した物品から除去され、
   前記コアは、イットリア正方晶ジルコニア多結晶体材料（Ｙ−ＴＺＰ）から成り、前記硬化段階の後、前記コアは蒸気環境に晒され、然る後、前記コアは前記物品から除去されることを特徴とする、
   方法。
2. 前記コアは、少なくとも１００℃で前記蒸気環境に晒されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記コアは、少なくとも１時間に亘って前記蒸気環境に晒されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記型は溶融金属材料で充填されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記型は金属粉末で充填され、該金属粉末は、静水圧プレス成形プロセスによって前記コアについて硬化されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

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