JPH02229763A

JPH02229763A - 鋳ぐるみ用セラミックス及び鋳ぐるみ体

Info

Publication number: JPH02229763A
Application number: JP1051434A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Yamamoto; 義昭山本; Koji Okashiro; 康治岡城; Manabu Sasaki; 学佐々木
Original assignee: Kitagawa Iron Works Co Ltd
Current assignee: Kitagawa Iron Works Co Ltd
Priority date: 1989-03-02
Filing date: 1989-03-02
Publication date: 1990-09-12

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１本発明は、金属，特には高温強度に優れる球状黒Ｎｕ鉄
で支障なく鋳ぐるめる，Ｕぐるみ用セラミックスに係り
、主に内燃機関の排気マニホールド内壁として用いるに
好適なものである．【従来の技術】近年自動車用内燃機関は、触媒による排気ガス中の有害
成分の低減と、高出力化や希薄燃焼化が図られて来てい
る．そのため排気ポートや排気マニホールドに対しては
、触媒浄化能力向上のための排気ガスの保温や高出力化
や希薄燃焼化によって生じる高温酸化性排気ガスに対し
ての対策が求められている，かかる要請に応ずべく，中空管状のセラミックスを金属
で鋳ぐるみ、内壁をセラミックス，外周を金属とする断
面構造となして、保温性、耐熱性，耐酸化性を備えた排
気ポートや排気マニホールドとすることが提案されてい
る．しかしながら、かかる提案では以下の課題を全て満
足するセラミックスが示されていないため、排気ボート
として実用に供することは可能であっても、排気マニホ
ールドとして実用に供することは困殖であった．（１）
　シリンダーヘッドあるいはシリンダー側壁に設けられ
る排気ポートは，水冷または空冷によって十分冷却され
ているので，前記外周金属として低融点のアルミニウム
合金が使用可能であるが，排気マニホールドは積極的に
冷却されないので高温となり、高融点の鉄系金属例えば
球状黒鉛鋳鉄の使用が必須となる．従って．ｔＪぐるみ時に排気マニホールド内壁用セラミ
ックスは排気ポート内壁用セラミックスよりはるかに大
きい熱衝撃に耐える必要がある．（２）　排気ボートに
比し、排気マニホールドは大形，複雑形状である．従って，排気ボート内壁用セラミックスよりも排気マニ
ホールド内壁用セラミックスの方が、鋳ぐるみ時セラミ
ックスと金属の熱膨張係数の差に起因して生ずる大きい
変形量に耐える必要がある．（３）　前述したように排
気ポートの方が排気マニホールドよりも良く冷却されて
いるので温度が低い．すなわち徘気マニホールド内壁用
セラミックスの方が排気ボート内壁用セラミックスより
も高い温度での使用に耐えなくてはならない．そこで，
上述の課題を解決すべく、チタン酸アルミニウムが備え
ている低熱膨張率な特性に注目して創作された，特公昭
６０−５５４４号と，特開昭６３−２３６７５９号とが
提案されている．特公昭６０−５５４４が開示する提案
は，チタン酸アルミニウムにカオリン，ケイ酸マグネシ
ウムを加えたものであって，最小の弾性率（８ｘＩＱ’
Ｎ／ａ＋”）を具備せしめた点に特徴がある．一方、特
開昭６３−２３６７５９号が開示する提案は，アルミナ
とチタニアに，シリカ、マグネシア，酸化第２鉄の少な
くとも１つを総量でｌＯｗｔ％以下添加したチタン酸ア
ルミニウム質セラミックスであって、弾性率５０〜２０
００ｋｇｆ／■７という軟らかい特性を在する点に特徴
があり，破壊に至るまでの許容変形量が大きく，応力集
中も生じにくいので．溶融金属で鋳ぐるむ場合有利であ
るという好ましい特性を備えたものである．（発明が解
決しようとする課Ｍｌ上述の従来技術には，次のような問題点がある．すなわ
ち、特公昭６０−５５４４号が開示するセラミックスは、破
壊に至るまでの許容変形量が小さいと共に、応力集中も
生じ易いので．１４００℃以上で注湯される球状黒鉛鋳
鉄による熱衝撃及び球状黒船鋳鉄との熱膨張係数の差に
起因する変形によって容易に破壊されてしまうという問
題がある．一方、特開昭６３−２３６７５９号が開示す
るセラミックスでは、大形複雑形状の排気マニボールド
内壁として、球状黒鉛鋳鉄で健全に鋳ぐるみ可能な物は
Ａｌ２Ｏ３に対するＴ　ｉ　Ｏ，のモル比が１以下で、
かつ極めて粗大な結晶を有する低弾性なセラミックスに
限定される．かかるセラミックスは結晶粒子の比表面積
が少ないため、粒子同士の結合力が弱いと共に，チタン
酸アルミニウムセラミックスの高温での分解防止に有効
なＴｉｅ，の含有量が乏しいため、排気ボートに比して
著しく高温となる排気マニホールド内壁として長時間使
用するには不十分である．更に，チタン酸アルミニウム質以外の窒化ケイ素，炭化
ケイ素，アルミナ，ジルコニ７等のセラミックスは耐熱
衝撃性及び破壊に至るまでの許容変形量が少ないので、
球状黒鉛鋳鉄で鋳ぐるむためには，弾性率の低い断熱材
でセラミックス外周を被覆する等の特別の作業が必要に
なり、商業上利用しにくいという問題があった．

【問題点を解決するための手段】

セラミックスを金属で鋳ぐるむ場合、アルミニウム合金
で鋳ぐるめたからと言って、球状黒鉛鋳鉄で鋳ぐるめる
ものではない．アルミニウム合金は約７００℃で注湯さ
れるのに対し，球状黒鉛鋳鉄は、実にその２倍以上の１
４００〜１４５０℃で注湯されるため，セラミックスに
加わる熱衝撃は．はかるに激しいものとなる．本発明が試みた例として，外径１６〜３２ｍ．肉厚２〜
３−，平均曲げ強度４　０　ｋｇ／　ａｍ”の円筒状ア
ルミナ質焼結体を７００℃で注湯されるアルミニウム合
金で鋳ぐるんだ場合．８０〜９５％の確率で容易に健全
な鋳ぐるみ体が得られたのに対し、同じアルミナ質焼結
体を１４３０℃で注湯される球状７％鉛鋳鉄で鋳ぐるん
だ場合，アルミナ質焼結体は１００％熱ｖＲ！で破壊さ
れてしまうのである．鋳ぐるみ時、従来のチタン酸アルミニウム質セラミック
スは、上述したような球状黒鉛鋳鉄による熱衝撃、及び
凝固収縮による締付けによって破壊される点、また破壊
されない物は結晶粒子が粗大で、脱落しやすい点を改善
するため、アスペクト比の大きな結晶と小さな結晶を混
在させることによって．粘り強くすると共に、結晶粒子
の脱落を防ぐ点を特徴とする．更に、本発明では，以上
の機械的特性を維持しつつ，高温での分解防止及び触媒
作用を有するＴ　ｉ　Ｏ．を多く含有せしめているので
，従来にない優れた性質を有する鋳ぐるみ用セラミック
スが実現できたのである．本発明の鋳ぐるみ用セラミッ
クスは以下のようにして作成される．化学組成が重量％
で，Ｆｅ２Ｏ，を０．５〜６％と、ＭｎＯ，を０．５〜
２％と，及び／またはＣｒ，○，を０．５〜２％と、か
らなる組成割合になした補助材料及び主材料が．Ａｌ２
０，とＴ　ｉ　Ｏ，であって，さらにＡｌ２Ｏ３とＴ１
０，とのモル比を０．９　７　：　ｌ〜０．８　：　１
からなる組成割合になした原料の配合とする．該原料に
対して重ｉ％で水を２０〜２５％，アクリル系分散剤を
０．５％，イソプロバノールを１％添加し，ボールミル
で２０時間混合し，その後更に，消泡剤０．５％，ポリ
ビニルアルコール１０％溶液を１％，水を５〜１０％添
加し，更に１〜２時間混合し、その後脱泡を行い１５０
〜８００ｃｐ　（１８℃）の粘度のスラリーを作る．こ
のスラリーを使用してスリップキャスト法で中空管状の
排気マニホールド内壁を成形する．乾燥の後１６００℃
、１．５時間焼成する．このようにして得たチタン酸アルミニウム質セラミック
スの排気マニホールド内壁は、亀裂を多数内包しており
、鋳ぐるみ時、球状黒鉛鋳鉄による急加熱によって生じ
るチタン酸アルミニウム結晶の軸方向の線膨張の差、及
び球状黒鉛鋳鉄の凝固収縮に伴う変形を前記亀裂で吸収
するので、割れることがないと共に、亀裂を内包してい
るセラミックス特有の結晶粒子が脱落しやすいという欠
点を、２種類のアスペクト比の異なる結晶が混在してい
る組織とすることによって防止している．また前記のよ
うな組織であるため、即時破壊することがなく、信頼性
も高い．なお、本発明にかかわる鋳ぐるみ用セラミックスは球状
黒鉛鋳鉄よりも低温で庄湯される金属によって支障なく
鋳ぐるめると共に、排気マニホールドよりも低温で使用
される部位、例えば排気ボート内壁として問題なく使用
できるものである．また鋳ぐるみ用セラミックスを単純
な形状，例えば円筒状となした場合は、１４５０℃より
更に高温で注湯する鋳鋼によっても支障なく紡ぐるむこ
とが可能である．数値限定は以下の理由による．Ｆｅ，Ｏ，は亀裂を内包し、かつアスベクト此の？きい
結晶と小さい結晶の混在した柔軟な組織を作るのに有効
であるが、０．５％未満では添加の効果が乏しく，６％
を超えると逆に硬い組織となるからである．Ａｌ，Ｏ，
とＴ　ｉ　Ｏ．のモル比は、高温での分解防止及び触媒
効果の観点からＴｉ○２が多い方が好ましいが、前記Ｆ
ｅ，Ｏ■の添加量の範囲では０．９　７　：　１〜０．
８　７　１が柔軟な組織となり，鋳ぐるみに好適である
．また，Ｆａ，Ｏ，とＡｌ２Ｏ３とＴ　ｉ　Ｏ．のみを
前記組成範囲内で配合、焼成すると結晶粒が成長しすぎ
て亀裂過多となると共に，黒い結晶と灰色の結晶が偏在
した組織となり、強度が低すぎると共に、焼結体自体の
結晶組織の安定性に乏ける．少なくともいずれか一方が
加えられるＭ　ｎ　ＯよとＣｒ．Ｏ■は、粒成長を抑制
して亀裂量を制御し，かつ異種の結晶が偏在するのを防
ぐ作用を有するので，前述の欠点を解消できる．添加量
としては２Ｏ．５％未満では効果が乏しく，２％を超え
ると粒成長を抑えすぎて亀裂量が不足し、弾性率が過大
となるのである．

【実施例】

セラミックスの組成を各種変えて，第１図に示す形状の
セラミックス鋳ぐるみマニホールドを作成し、セラミッ
クスの鋳ぐるみによる割れの有無と、約９５０℃の燃焼
ガスを２０時間洸して，セラミックス表面の侵食状況及
びＸ線回折によって、分解の有無を調べた．結果を第１
表例１〜例８に示す．本発明に係るセラミックスは、い
ずれの項目についても異常がなかった．また、例１〜例
８に示すセラミックスの物理的特性は、５０〜１０００
℃における平均熱膨張率の絶対値が１．４×１０”／’
Ｃ以下，熱伝導率は１．４ｋｃａｌｌ　／ｍｈ’ｋ以下
であり、チタン酸アルミニウム特有の低熱膨張率及び低
熱伝導率な特性を維持している．また弾性定数は３５〜
１８０ｋｇ／■３，気孔率は３〜１０％である，参考例１は鋳ぐるみによって亀裂が生じたり生じなかっ
たりする，臨界的組成を有する例である．しかし，この
例のセラミックスでも単純な円筒形状にすれば割れるこ
となく，球状黒鉛鰭鉄で鋳ぐるめる．なお、第１図１に示す金属は、球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ４
５相当品）であって、１３５０〜１４５０℃で注湯され
、肉厚は５ａｍである．また２に示す肋ぐるみ用セラミ
ックスの肉厚は３−である．また、より複雑形状で大型
のセラミックス中空管を鋳ぐるむ場合は，鋳ぐるまれる
セラミックスと鋳ぐるむ金属の境界面全面、あるいは部
分的にセラミックス繊維質の緩衝層を設けることによっ
て、本発明に係るセラミックスを球状黒鉛鋳鉄で鋳ぐる
むことができる．【発明の効果１本発明に係る鋳ぐるみ用セラミックスは，上述したよう
に工夫してあるので、排気マニホールド内壁として金属
で鋳ぐるんで使用するに際し、以下の優れた特性を発揮
する．（イ）　アルミニウム合金に比して、はるかに高温特性
に優れる球状黒鉛鋳鉄で鋳ぐるみできる．（口）　均一
な組織の焼結体が得られる．（ハ）　排気ガス噴流によ
って、表面が侵食されることがない．（二）　高温状態でも分解しない．（ホ）　排気ガス浄化用触媒としての特性を有するＴ　
ｉ　Ｏ，を多く含む．（へ）　低熱伝導率故に断熱性が良い．そのため、外周
金属の排気ガス噴流からの保護ならびに内燃機関周辺の
温度上昇を抑える．以上のように，本発明は従来の問題点を解決しており、
内燃機関の進歩に夜与するものである．

【図面の簡単な説明】

第１図は２本の排気ガス通路を有１するセラミックス鋳
ぐるみ排気マニホールドの新面図を示す．特許出願人　
株式会社北川鉄工所

Claims

【特許請求の範囲】

（１）セラミックス材料の化学組成が重量％で、（イ）
Ｆｅ＿２Ｏ＿３を０．５〜６％と、（ロ）ＭｎＯ＿２を０．５〜２％と、及び／またはＣｒ
＿２Ｏ＿３を０．５〜２％と、からなる組成割合になした補助材料及び主材料が、（ハ
）Ａｌ＿２Ｏ＿３とＴｉＯ＿２であって、さらに（ニ）
Ａｌ＿２Ｏ＿３とＴｉＯ＿２とのモル比を０．９７：１
〜０．８：１からなる組成割合になしたチタン酸アルミニウム質セラ
ミックス焼結体であることを特徴とする鋳ぐる用セラミ
ックス。
（２）前記鋳ぐるみ用セラミックスを、溶湯温度が１４
５０℃以下の金属で鋳ぐるんでなる鋳ぐるみ体。
（３）前記金属が鋳鉄であることを特徴とする請求項第
２項記載の鋳ぐるみ体。