JPH01241368A - 鋳ぐるみ用の中空セラミック体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は内燃機関の排気系の断熱に用いられる鋳ぐるみ
用の中空セラミック体およびその製造方法に関するもの
である。

（従来の技１ネテ） 近年自動車排ガスによる環境汚染が重要な社会問題とな
っており、自動車排ガス中の有害１！７Ｉ實を触媒によ
り除去する方法が主体となっている。この触媒として使
用されているｐｉ、　Ｒｈ等の貴金属は資源上、コスト
上の問題から使用量の削減が課題となっており、また近
年増加傾向にある４バルブエンジンは排ガス温度低下に
よる触媒浄化性能の低下が問題となっている。これらの
問題を解決づる方法の１つにエンジンの排気ポートの内
面を中空セラミック体であるポートライナーによってラ
イニングし、その断熱作用により排ガス温度を上昇させ
ることが従来から提案されている。一般にセラミックポ
ートライナーの装着についてはエンジンのシリンダーヘ
ッドを製造する際に、セラミック製のポートライナーを
アルミニウム等の金属によって同時に鋳ぐるむ方法が取
られているが、溶融金属の固化時の収縮により大きな圧
縮応力が加わるため高強度セラミックス材料でも鋳くる
み時に部分的に応力が集中するとセラミックが破壊して
しまう問題があった。

そこでこのような問題を解決するために、ボートライナ
ーの外表面に石綿、アルミナ等のセラミックファイバー
層を形成し、その弾力により溶融金属の固化収縮時の圧
縮応力を緩和する方法が提案されている（例えば、特開
昭５２−１２１）１４号公報、特開昭５９−１７５６９
３号公報）。

ところがこのようにセラミックファイバーを緩衝材とし
て介在させたものは、エンジン作動による高温と振動に
よりファイバー層が弾性を失い、ボートライナーの脱離
等の問題を生ずるうえに、鋳ぐるみ時の工数が増加し、
鋳ぐるみ作業も難しい欠点がある。またボートライナー
自体を高強度材料により形成して破壊を防止する試みも
数多く提案されているが、４バルブ用エンジンに用いら
れる２連式のボートライナーの中央部分のように外表面
が内側にくぼんだ部分では金属とボートライナーとが剥
離し、この部分に挽めて大きい応力集中が生しるためク
ランクの発生を完全に防止することはできなかった。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は上記のような従来の問題点を解決して、鋳ぐる
み時に発生する圧縮力によってクラックを発生すること
がなく、また鋳ぐるみを容易に行うことができるととも
に断熱性に優れ、排気圧を員の減少にも効果的な鋳ぐる
み用の中空セラミック体およびその製造方法を目的とし
て完成されたものである。

（課題を解決するための手段） 本発明者等は上記の課題を解決するために研究を重ねた
結果、鋳ぐるみ時の圧縮応力による破壊は中空セラミッ
ク体と鋳ぐるみ用の金属とが剥離した場合に著しり、剥
離を防止すれば応力集中が緩和されてクラック発生が激
減することを見出した。またこれとともに排気の断熱性
を向上させるためには、中空セラミック体の内周面の粗
さが重要な役割を果たすことを知った。本発明はこのよ
うな知見に基いて完成されたものであって、内部に排気
ガスの流通孔を備え金属中にＳＲぐるんで用いられるセ
ラミック体の外表面を十点平均粗さＲｚが３０μｍ以上
の粗面とするとともに、その流通孔の内表面を十点平均
粗さＲｚが２０μｍ以下の平滑面としたことを特徴とす
るものである。

本発明の中空セラミック体＋１）は例えば図面に示され
るような形状のもので、図示の４バルブエンジン用のボ
ートライナーの場合には内部の排気ガスの流通孔（２）
は２個のポート（３）、（３）と単一の排気口（４）と
を備えている。このような中空セラミック体１０の材質
としては、好ましくはチタン酸アルミニウムを主成分と
する低ヤング率のセラミック材料で、より詳しくは結晶
相としてチタン酸アルミニウムを６５％以上含有し、そ
の結晶の平均粒径が１０μｍ以上であり、ヤング率を５
０〜２０００　ｋｇ　ｆ／ｌｌ１ｍ”、圧縮強度を５〜
４０ｋｇｆ／ａ＋ｍ”、気孔率を５〜３５％としたもの
を用いることができる。このようなチタン酸アルミニウ
ム結晶の各軸方向の熱膨張率は、ａ、ｂ軸が正、Ｃ軸が
負であり、かつその差が非常に大きいため焼結体冷却時
に結晶粒界や結晶それ自体が、各軸方向の膨張収縮差に
耐えきれず、結晶粒間や結晶粒内に多数のマイクロクラ
ンクを生ずることとなる。そして外力によってこれらの
マイクロクランクの内部空間が接近したり離間する性質
を持つため、鋳ぐるんだ金属材料が収縮する際に金属材
料とともに収縮することができる利点がある。

本発明においては、このような中空セラミ−７り体（１
）の外表面をその十点平均粗さＲｚが３０μｍ以上の粗
面となるように加工する。加工の方法としては、通常の
アランダム等を砥材として中空セラミック体（１）の外
表面をブラスト処理する方法や、ガラスピーズその他の
比較的軟質の砥材を中空セラミック体（１）の外表面に
低圧でプラストする方法、また中空セラミック体＋１）
を成形するための鋳型の内面を粗面としておき、鋳型か
ら細かい凹凸を転写する方法等の任意の方法を採用する
ことができる。特に石膏型の場合には酸によりエツチン
グし粗面化することができる。

外表面の表面粗さは３０μｍ　Ｒｚ未満では鋳ぐるむ金
属材料との接着性が悪（、金属ｌ容重を表面からはしい
たり金属溶湯の湯流れが悪くなる。このため外表面を３
０μｍＲｚ以上、好ましくは５０〜１５０μｍＲｚとし
ておくものとする。これによって鋳ぐるみ用金属と中空
セラミック体＋１）との接着性は著しく高められること
となる。

また本発明においては、流通孔（２）の内表面を２０μ
ｍＲｚ以下の平滑面とする。この程度の平滑面は砥粒を
含んだ液体を流通孔（２）の内部に強制的に通過させ、
内表面の研摩を行わせることによって得ることができる
。また材質あるいは成形状態によっては研摩を行わなく
ても２０μｌｌｌＲｚ以下の表面粗さを得ることもでき
る。この場合は排泥性鋳込成形では内表面が排泥操作に
より粗面になり易いので排泥のコントロールが重要とな
る。内表面に耐熱性コーティング材料を塗布して平滑度
を上げることも効果的である。但しコーティング材料は
セラミックスとの熱膨脹を近似させる必要があり、８０
０℃以上の耐熱性も要求される。コーティング材料の熱
膨張率は８００℃で０．１％以内に近似させることが必
要である。

このように平滑な内表面を持つ中空セラミック体（１）
を金属材料中に鋳ぐるんで内燃機関の排気系の断熱に用
いれば、排気ガスの流動圧損を従来のものよりも小さく
することができ、また流通孔（２）の内表面における境
界熱伝達率が小さくなるために優れた断熱性を得ること
ができる。

以下に本発明の実施例を示す。

（実施例１） 八１ｚ（ｈ：４９．０％、ＴｉＣｈ：４５．５％、Ｆｅ
ｚＯ３：１，５％、５ｉＯｚ：４．０％の化学組成から
なるチタン酸アルミニウム（Ａ　Ｔ）Ｍｌ成の原料にポ
リカルボン酸系解膠材とアクリル樹脂系のバインダーを
加え更に２５％の水分を加えて粘度０．５ボイズのスラ
リーを調整した。このスラリーを石膏型に流し込み一定
時間着肉させた後徘泥して肉厚４顛、長径６４ｍｍ、短
径３６ｍ５、長さ２００　ｔｍの楕円筒形状の中空テス
トピースを成形した。乾燥後酸化雰囲気１５５０℃で６
時間焼成し気孔率１）％、ＡＴ平均結晶粒径２５μｍ、
ヤング率１８０ｋｇｆ／ａｍ”、圧縮強度１４ｋｆｆ／
ｉｎ”、ＡＴ結晶量９０％の焼結体を得た。この楕円筒
形状ＡＴテストピース階１〜阻１５を研摩材として２４
番から４００番のホワイト７ランダム（電融アルミナ）
を用い、圧力１．０〜４．０ｋｇ／−の乾式ショツトブ
ラスト装置で外表面の粗面化加工を実施した。また一部
のテストピースは内径内を粒径０．５μｍの研摩材を含
む研摩液を強制的に通過させて内表面の研摩加工を実施
した。それぞれのテストピースの内、外表面の表面粗さ
のデータを表１に示す０表面加工を実施した全てのテス
トピースの内径内に鋳砂をつめて中子とし、重力鋳造で
アルミニウムにより鋳ぐるんでアルミニウムの肉厚７鶴
の金属セラミック複合体を作成した。鋳砂を除去し、内
径内を７００℃の温度のプロパンガス燃焼排ガスを流し
た場合の円筒中央でのアルミ表面温度を測定したこの結
果を表１に示す。さらに測温の後アルミ−セラミ。

り複合体を流路方向に切断二分割しアルミ−セラミック
のすき間の有無をチエツクした。この結果を表１に示す
。表１から明らかなようにＡＴ焼結体の外表面を粗面化
することによりアルミ鋳ぐるみ状態が改良され、特にＲ
ｚ　＝　５０μｍ以上で欠陥は皆無となる。一方排泥操
作により平滑度が外面より悪い内面については内表面が
平滑な内面研摩品についてはアルミニウム表面温度が低
く、内表面の熱伝達が小さいため断熱性が良好である。

＊　未騨窄 ＊＊　　ＪＩＳ規格 （実施例２） 実施例１、比較例７のアルミ鋳ぐるみセラミックの内表
面にコロイダルシリカを塗布し、１５０°Ｃで乾燥後内
表面のＲｚは１３μｍである。実施例１と同様に７００
℃排ガスを通過させた時のアルミ表面温度を測定したと
ころ、中央部表面温度は２５８℃に低下し、内表面の平
滑度向上により断熱性が向上した。

（発明の効果） 本発明は以上の説明からも明らかなように、外表面を３
０μｍＲｚ以上の粗面としたことにより鋳ぐるみ時の圧
縮力による破損発生率を大幅に減少できること、使用中
の脱離がないこと、鋳ぐるみを容易に行えること等の効
果を発揮するものであるうえ、内表面を２０μｍＲｚ以
下の平滑面とすることによって排気ガスの流動圧損を減
少できること、境界熱伝達率を小さくして排気ガスから
の熱伝達を防止し、優れた断熱効果が得られること等の
効果をも発揮できるものである。よって本発明はエンジ
ン排気系のボートライナー、エギゾーストマ二ホールド
等に適用するに好適なものであり、従来の問題点を一掃
した鋳くるみ用の中空セラミック体として、産業の発展
に寄与するところは極めて大である。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示す斜視図である。 （１）：セラミック体、（２）二流通孔、（４）：排気
口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内部に排気ガスの流通孔（２）を備え金属中に鋳ぐ
   るんで用いられるセラミック体（１）の外表面を十点平
   均粗さＲｚが３０μｍ以上の粗面とするとともに、その
   流通孔（２）の内表面を十点平均粗さＲｚが２０μｍ以
   下の平滑面としたことを特徴とする鋳ぐるみ用の中空セ
   ラミック体。 ２、セラミック体（１）の外表面をブラスト処理により
   十点平均粗さＲｚが３０μｍ以上の粗面とすることを特
   徴とする請求項１に記載された鋳ぐるみ用の中空セラミ
   ック体の製造方法。