JPH02247066A - セラミックス体の鋳ぐるみ方法 - 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、セラミックス−金属複合製品（以下、セラミ
ックス製品という）を製造するためのセラミックス体の
鋳ぐるみ方法に関する。

（従来の技術） 車両に設けられるエンジン等において、出力の向上や燃
費の向上などの高性能化を図るために、希薄燃焼システ
ムの採用、排気エネルギーの効率的利用等の研究開発が
活発に行なわれている。

そして、それにともない排気温度がさらに上昇する傾向
にあるため、断熱性および耐熱性が高いセラミックスを
使うことにより各部品の信頼性の向上および熱負荷低減
を図ることが検討され一部実用化されている。例えば、
レシプロエンジンのエキゾーストボート、エキゾースト
マニホールドなどの排気系部品にチタン酸アルミニウム
、コーディエライト等のセラミックスを適用したものか
実用化や検討かなされている（■ｒＭ＆ＥＪ　　（工業
調査会）　１９８８年３月号第９８頁、■ＳＡＥ　Ｔｅ
ｃｈｎｉｃａｌ　Ｐａｐｅｒ　８８０６７８．　■同８
８０６７７、■ｒ　Ｃｅｒａｍｉｃ　Ｍａｔｅｒｉａｌ
ｅｓ　＆　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｆｏｒ　Ｅｎｇｉｎｅ
Ｊ　１９８６年第３６９頁参照）。

また、デイ・−ゼルエンジンなどては、ｒ　５ＡＥＴｅ
ｃｈｎｉｃａｌ　Ｐａｐｅｒ　８５０５２３Ｊで開示さ
れているように、セラミックスチャンバーにより、ター
ボの高過給化、圧縮比の増大等によって従来の金属チャ
ンバーでは耐えられないほど燃焼温度を高くして高出力
を実現している。

そして、このように（セラミックスを応用する場合には
、セラミックス自体か強度および靭性に低いため、実際
上は外壁部を金属て形成することか不可欠であり、その
製造方法としては、一般に、所望の形状に形成されたセ
ラミックス体を金属て鋳ぐるむ方法か採られている。

しかし、セラミックス体を直接溶融金属で鋳ぐるむと、
セラミックス体か熱衝撃を受は内部に大きな応力か生じ
て破壊したり、セラミックス体と溶融金属の熱膨張率の
差により、溶融金属が冷却され凝固収縮する際に、セラ
ミックス体に大きな締付荷重か加わって破壊させられた
りする。

そこで、従来、特開昭６３−１９９０６１号公報なとで
開示されているように、セラミックス体の外周に、セラ
ミックスベーパ、アスベスト繊維、ガラス繊維、各種耐
火モルタル等の断熱性および柔軟性のある中間層を貼着
して、溶融金属な鋳ぐるむことにより、中間層か熱衝撃
の緩和および締付荷重を吸収して、鋳ぐるみ時のセラミ
ックス体の破壊を防止するセラミックス体の鋳ぐるみ方
法か提案されている。

（発明が解決しようとする課題） しかし、セラミックス体を中間層で覆って鋳ぐるむ上記
方法ては、中間層として多孔質な繊維体等を使用してい
るため、鋳ぐるみ時に中間層内に溶融金属が浸透してし
まう虞れかあり、特に、柔軟性を大きくするために、中
間層内部の空孔や間隙を多くした場合には、溶融金属か
セラミックス体まで浸透してしまうことがあるか、溶融
金属か中間体に浸透してしまうと、断熱か十分に行なわ
れず、さらに、溶融金属の凝固時の締付荷重を効率よく
吸収てきなくなって、セラミックス体の破壊を確実に防
止することがてきないという問題点か生じた。

本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたもので、その
目的とするところは、中間層に溶融金属が浸透するのを
防止して、セラミックス体を破壊させない鋳ぐるみ方法
を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明のセラミックスの鋳ぐるみ方法は、鋳ぐるむべき
セラミックス体の外周を、あらかしめ断熱性のあるクッ
ション材で覆い、さらにその外周に溶融金属の浸透を防
止する浸透防止部材を設け、しかる後その周りに溶融金
属を鋳込むことを特徴とする。

このクッション材としては、従来のセラミックスベーパ
、アスベスト繊維、ガラス繊維、各種耐火モルタルの他
に、金属繊維、発泡金属などの多孔質金属であってもよ
い。また、浸透防止部材としては、溶融金属が浸透しな
い材質のシート状、テープ状、ワイヤ状のものを隙間な
く巻き付ければよい。

上記クッション材や浸透防止部材の形状、厚さ、材質は
、鋳込み条件、例えば、溶融金属の温度、セラミックス
体の形状・寸法、セラミックス体の材質等によって適宜
選択すればよいが、クッション材を溶融金属と同種類材
質の多孔質金属体とし、浸透防止部材を溶融金属と同種
類の材質の薄肉金属シートとすると、鋳ぐるみ金属とク
ッション材との密着性が向上してきわめて良好である。

（作用） この方法によれば、鋳込まれた溶融金属が浸透防止部材
によってクッション材に浸透するのか防止されるため、
クッション材は、鋳込み時に溶融金属からセラミックス
体への熱衝撃を効率よく緩和し、かつ溶融金属の凝固収
縮によるセラミックス体へ加わる締付荷重を効率よく吸
収して、セラミックス体の破壊を確実に防止することが
できる。

（実施例） つぎに、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。な
お、第１図ないし第３図は第１の実施例であり、第１図
は本発明の鋳ぐるみ方法で成形したエキゾーストマニホ
ールドの軸線を含む平面で切断した断面図、第２図は第
１図の■−■線断面図、第３図は第１図のＡ部拡大図で
ある。

まず、第１の実施例で、は、所定の筒形状に形成された
セラミックス体ｌの外周をクッション材を構成する多孔
質金属体２て覆い、さらに、その外周に浸透防止部材で
ある薄肉金属シート３を巻き付けた後、このセラミック
ス体１を鋳型（図示せず）内にセットして、溶融金属を
鋳込むことによって、内側かセラミックス体ｌて外側か
金属４のエキゾーストマニホールド５を成形する。

ここて、多孔質金属体２は、溶融金属（金属４）と同種
類材質かまたは熱的特性か類似している材質のものて形
成することか好ましく、その形状としては、テープ、シ
ート状またはセラミックス体１に嵌合する円筒状など使
用状態に合わせるようにすればよい。

薄肉金属シート３は多孔質金属体２に溶融金属か浸透す
るのを防ぐためのものてあり、多孔質金属体２と同種類
の材質がよく、溶融金属か高温のときはこの薄肉金属シ
ート３か部分的に溶融して多孔質金属体２と金属４との
密着性を大幅に向上させることもてきる。

また、多孔質金属体２は、例えば、発泡金属（「住友電
気」昭和５３年８月　第１１３号１１８頁“発泡金属セ
ルメットの特性と応用″参照）を用いると、多孔率を高
くすることかでき、より断熱性をよくてき、かつ、弾性
率を低く設定できるなどの利点かあるため好適である。

以上の鋳ぐるみ方法によれば、溶融金属を鋳込んだ際に
、浸透防止部材である薄肉金属シート３により溶融金属
が多孔質金属体２に浸透するのが防止される。

そのため、多孔質金属体２は次のように効率よくその機
能を果たすこととなる。

多孔質金属体２によって溶融金属の高熱かセラミックス
体１に直接伝わらず、セラミックス体１内郁の温度勾配
が大きくならないため、熱膨張の差による過大な応力か
発生することがない。また、鋳込まれた溶融金属は凝固
する際に収縮するが、その収縮により生じる締付荷重を
弾性率の低い多孔質金属体２が弾性変形することによっ
て吸収し、セラミックス体ｌへの締付荷重を低減する。

そのため、鋳ぐるみ過程においてセラミックス体１の破
損が防止される。

なお、このようにして製造されたエキソ−ストマニホー
ルド５をレシプロエンジンに取付けて長時間運転状態て
使用しても、金属４の膨張・収縮の繰り返し荷重が多孔
質金属体２の弾性変形により緩和されるため、セラミッ
クス体ｌの疲労破壊を招くことがなくなる。さらに、多
孔質金属体２の空孔か断熱層を構成するため、断熱性が
良好となってエンジンの高性能化が一層期待できる。

第４図は第２の実施例であり、セラミックス体ｌの外周
に孔径の異なる二種類の多孔質金属体６，７を二層にし
て覆い、その後、このセラミックス体ｌを鋳型内にセッ
トし、溶融金属を鋳込むことによって、内側かセラミッ
クスて外側が金属４て鋳ぐるまれだエキゾーストマニホ
ールドを成形する一例を示す。

この方法では、内周側の多孔質金属体７を断熱性に優れ
た大きさの孔径とし、溶融金属が接触する外周側の多孔
質金属体７の孔径な小さくすることによって、溶融金属
か外周側の多孔質金属体７を浸透していく間に温度が低
下し粘性か増大して目すまりが生じ、内周側の多孔質金
属体６まで溶融金属が浸透しないようにしたもので、こ
の外側の多孔質金属体７が浸透防止部材の働きをしてい
る。

そして、上記第１の実施例同様に、セラミックス体１と
金属の間に介在させた多孔質金属体６によって、セラミ
ックス体１内部の温度勾配か低く抑えられ、かつ、溶融
金属の凝固する際の収縮によるセラミックス体ｌへの締
付荷重を低減することかできる。

第５図は第３の実施例てあり、セラミックス体ｌに孔径
の異なる多孔質金属体８，９．１０を３層に覆い、その
後、セラミックス体１を鋳型内にセットし、溶融金属を
鋳込むことによって、内側がセラミックス体ｌで外側が
金属４のエキゾーストマニホールドを成形する例である
。

この方法では、溶融金属が接触する外周側の多孔質金属
体１０の孔径を小さくして第２の実施例と同様に溶融金
属の浸透を防止する浸透防止部材の働きをさせ、クッシ
ョン材を構成する多孔質金属体８，９によって鋳込み時
のセラミックス体の破損を確実に防止する。

また、溶融金属が鋳込まれるときには、溶融金属の圧力
や多孔質金属体を厚くしたときの自重等により、溶融金
属の凝固前に多孔質金属体の圧縮変形が生じるか、多孔
質金属体をこのように複数層にしておくことによってそ
の圧縮変形を適度に抑えることか可使となる。

なお、鋳込み条件等によって圧縮変形量か異なるため、
鋳込み条件に応じて圧縮変形量を適正に抑えるように各
層の多孔質金属体の孔径および層の数を適宜設定すると
より効果的である。

第６図は第４の実施例であり、内周側の多孔質金属体１
１の外周側に間隙１２が構成されるように配設された２
層の多孔質金属体１１．１３でセラミックス体ｌを覆い
、その後、セラミックス体１を鋳型内にセットし、溶融
金属を鋳込こむことによって、内側がセラミックス体ｌ
て外側が金属４のエキゾーストマニホールドを成形する
例である。

この方法では、孔径を小さく設定し上記間隙１２を構成
する多孔質金属体１３が確実に溶融金属の浸透を食い止
める浸透防止部材の働きをし、さらに、この間隙１２に
よりより一層の弾性率の低下を図ることもできて、溶融
金属の凝固収縮によってセラミックス体１に加わる締付
荷重を確実に低減させることかできる。

なお、このような間隙１２は、上記第１ないし第３の実
施例に適宜組み合わせて実施することもできる。

そして、上記第２ないし第４の実施例において製造され
たエキゾーストマニホールドでも、セラミックス体と金
属との間に介在されている多孔質金属体がセラミックス
体と金属との熱膨張車の差を吸収して、セラミックス体
の疲労破壊を防止するとともに、多孔質金属体の空孔が
断熱層を構成するため、断熱性が良好となり高性能化が
一層期待てきる。

つぎに、第１の実施例における多孔質金属体２の収縮に
対する効果について理論考察を行なう。なお、本考察に
おいては、第８図に示すようなばね系の変位モデルを用
いて解析をする。

溶融金属の鋳込み部内径なり３（第７図に示す）、熱膨
張率をα、鋳込み温度をＴとすると、溶融金属の凝固時
の収縮量δは、 δ＝Ｄ３・α・（Ｔ−２０）　　　　　＋＋＋■で表わ
される。

ここて、鋳ぐるみ金属としてアルミニウム（素材）とす
る内径４ｈｍのエキゾーストマニホールドを成形する場
合、Ｔ＃７００°Ｃ１α４２３ｘｌＯ−６／’Ｃ１Ｄ３
＝　４０ｍｍであり収縮量δを０式により計算すると０
．６：ｌａｗとなるため、片側の収縮量δ１は約０．３
■となる。また、第８図に示すように、多孔質金属体２
およびセラミックス体１のそれぞれのばね定数をｋ。＋
Ｌとすると、多孔質金属体２とセラミックス体ｌの複合
構造のばね定数には、 ｋ＝に、・ｋ、／（ｋヨ＋に、）　　　　　・・・■て
表わされ、ｋヨ＝βに、とすると、 ｋ＝（β／（β＋１））・ｋ、　　・・・■となる。

そして、セラミックス体１に働く荷重Ｗは、Ｗ＝δ１　
・ｋ ＝６１×（β／（β＋１））・ｋ、・・・■となる。

そのため、多孔質金属体２を用いないものでは、Ｗ＝δ
□　・ｋ、であり、多孔質金属体２用いたものでは従来
よりもβ／（β＋１）分だけセラミックス体ｌに働く荷
重Ｗを小さくすることができる。

たとえば、β＝０．１に設定すれば、β／（β＋１）≠
０．１となるのて約１／１０に荷重Ｗを低減てきる。ま
た、多孔質金属体２として上述した発泡金属体を用いた
場合には、一般に、発泡金属の弾性率Ｅｆか、 Ｅｆ＝　Ｅｏ・（ρ　／６）・　［１＋１／（４（１７
＋９／／）））］　　・−■Ｅｏ：素材め弾性率 ρ：発泡金属の相対密度 て表わされるため、セラミックス体ｌの弾性率に比較し
て、発泡金属体の弾性率を容易に小さく設定することか
てきる。すなわち、β＝０．１に設定することも十分に
可能である。

極端に言うと、ｋ−＜＜　ｋ、　（ｋ、、を非常に小さ
く設定する）とすれば、■式は、 ｋ＝に、・ｋ、／　（ｋ−＋　ｋ、） ｋ、、／　（（ｋ−／にヨ）＋１）＝［Ｌ］となり、発
泡金属体がほとんど金属の収縮を吸収してしまいセラミ
ックス体ｌに加わる締付荷重を大幅に低減させることが
できる。

以上のことから、発泡金属体を用いれば、鋳込まれたア
ルミニウムの凝固時の収縮量０．３ｍｍ程度は容易に吸
収可能である。

この考察に基づいて、実際にセラミックス体１の内面に
歪ゲージを接着して応力測定を行なったところ、上記理
論とほぼ同一の結果が得られた。

つづいて、断熱性について実験考察を行なう。

厚さ１．Ｏｔｍの発泡金属をセラミックス体ｌに覆って
溶融金属を鋳込んだときのセラミックス体ｌの温度を測
定した結果、セラミックス体１の各部の温度か、発泡金
属かないもの（従来のもの）に対して約１７３以下とな
っており、耐熱衝撃性か大幅に改善されることか解った
。

また、鋳込んだ溶融金属が常温に戻る過程において、セ
ラミックス体１の内周と外周の温度差（温度勾配）か、
多孔質金属体２のないものに対して１７２以下となるの
て熱応力によるセラミックス体ｌの破壊が防止できるこ
とも解った。

これら断熱性および熱応力については、数値シュミレー
ションによっても確認された。

なお、本実施例では、クッション材として多孔質金属体
を用い、浸透防止部材としては、薄肉金属シート、多孔
質金属体、間隙等を用いたが、本発明はこれに限定され
るものてはなく、クッション材としては、従来のセラミ
ックスベーパ、アスベスト繊維、ガラス繊維、各種耐火
モルタルであってもよく、また、浸透防止部材としては
、溶融金属が浸透しない材質のシート状、テープ状、ワ
イヤ状のものを隙間なく巻き付けるようにしてもよい。

また、本実施例では、レシプロエンジンのエキゾースト
マニホールドを成形する場合の鋳ぐるみ方法を説明した
が、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、
エキゾーストポート、ターボハウジング等にも適用する
ことができるほか、種々の形状に対応させることも可能
である。

（発明の効果） 本発明は、セラミックス体の外周を、あらかしめ断熱性
のあるクッション材て覆い、さらにその外周に溶融金属
の浸透を防止する浸透防止部材を設け、しかる後その周
りに溶融金属を鋳込むようにしたため、溶融金属かクッ
ション材に浸透するのか防止される。そして、クッショ
ン材が、溶融金属からのセラミックス体に対する熱衝撃
を緩和し、溶融金属の凝固収縮時の締付荷重を吸収する
ため、セラミックス体を破損させることなく鋳ぐるむこ
とが可能となる。

そのため、セラミックス製品を歩留まりよく製造するこ
とができてコストの低減が図れ、さらに、材質、形状等
の設計自由度が増し、より高性能のセラミックス製品を
製造することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は、本発明の第１の実施例であり、
第１図は本発明の鋳ぐるみ方法て成形したエキゾースト
マニホールドの軸線を含む平面で切断した断面図、 第２図は第１図のｎ−ｎ線断面図、 第３図は第１図のＡ部拡大図、 第４図は、本発明の第２の実施例を示す要部拡大図、 第５図は、本発明の第３の実施例を示す要部拡大図、 第６図は、本発明の第４の実施例を示す要部拡大図、 第７図および第８図は、本発明の理論考察に用いる図面
である。 １・・・セラミックス体 ２・・・多孔質金属体（クック１ン材）３・・・薄肉金
属シート（浸透防止部材）４・・・金属

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）鋳ぐるむべきセラミックス体の外周を、あらかじ
   め断熱性のあるクッション材で覆い、さらにその外周に
   溶融金属の浸透を防止する浸透防止部材を設け、しかる
   後その周りに溶融金属を鋳込むことを特徴とするセラミ
   ックス体の鋳ぐるみ方法。