JPH042705A - アルミ鋳物部品の局部強化方法 - 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、内燃機関のシリンダヘッドなどのアルミ鋳物
部品の局部強化方法に関する。

［従来の技術］ 近来にあっては、エンジンの高出力化に伴い、シリンダ
ヘッドに、温度上昇による熱負荷と同時に、機械的負荷
の増大が問題となっている。

即ち第７図に示すように、この負荷増大により、シリン
ダヘッド１の下面２、特に他の部位より比較的肉薄な部
分である吸気ボート３と排気ボート４との間（弁間部）
、及びこれらと燃料噴射ノズル孔（或いは予燃焼室孔）
５との間の部分６に、熱キレツが生じてしまう。

また第８図に示すように、ピストン７においても負荷の
大きい燃焼室８の周囲（図中斜線にて示す）が強化され
るべき部位となる。

この対策として従来採用された局部強化方法には、次の
ような技術があった。

■合金化；鮒熱成分（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉ等）を適
量添加し、耐熱強度を向上 させる。

■鋳包み；熱キレツ発生部位に鉄鋼材料、耐熱金属材料
を鋳包む。

■改良処理ニストロンチウムやチタンを適量添加し、析
出する結晶粒を微細化し、 引張強度を高めると同時に、伸び特 性を向上させ、耐熱キレツ性を向上 させる。

■硬質アルマイト処理；硬質アルマイト処理被膜を１０
０μ１前後形成させることで 耐熱性を向上させる。

■再溶融処理；レーザ、電子ビーム、ＴＩＧなどの高密
度エネルギ源によりアルミ 母材を溶融、急冷凝固させることで、 結晶粒の微細化を図り耐熱強度を高 める。

ただしこれらの従来技術には、次のような問題があった
。

■合金化・・・コスト高となるほか、合金添加により鋳
造性が悪くなり、“引は巣”等の鋳造欠陥発生により、
生産性、歩留りの悪化を伴う。

また鋳造性の悪化により、耐熱強度に大きな影響を及ぼ
すミクロシュリンケージが多くなり、合金化によってか
えって耐熱強度を悪化させることになる。

■鋳包み・・・鋳包み性の確保のため、鋳包み鉄鋼材料
の前処理としてアルミナイズ処理を必要とするほか、酸
化防止、鋳包み温度の徹底管理、及び鋳包み後の非破壊
検査が必要となり、大幅な工数増大となる。

■改良処理・・・簡便な改良方法であるが、効果が小さ
い。

■硬質アルマイト処理・・・耐熱性向上効果は上記■、
■と比べ大きいが、キレツ発生部位のみを処理するため
には、他の部位のマスキングによるアルマイト除去処理
が必要となり、手間がかかる高価な処理となる。

■再溶融処理・・・処理方法が簡便で耐熱性向上効果が
大きい処理であるが、現在求められている耐熱性向上目
標に対して不充分である。

［発明が解決しようとする課題］ 上記■〜■の従来技術が有している問題点を避けるもの
として、■の再溶融時に耐熱成分を添加する合金再溶融
処理がある。近来にあっては、強化したい部位に耐熱金
属粉末（Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ。

Ｍｏ、Ｗなど）を溶射し、レーザ或いは電子ビームなど
によって再溶融させることで、結晶粒微細化すると同時
に、合金化する方法が研究されている。

このような合金再溶融処理によれば、前記再溶融処理よ
りも耐熱性の向上が図れることとなる。

ただしこの方法においては、健全な（欠陥、再溶融合金
化後のキレツ発生なし）再溶融合金化層を形成すること
が困難であった。従って、欠陥或いは処理後のキレツを
防止するためには添加元素の濃度を１０〜２０％以下に
抑える必要があり、耐熱性の向上に制限があるという問
題があった。

さらに、上記溶射は霧吹き状になされるため、所望の部
位に耐熱金属粉末を盛付は難いという問題があった。

また合金再溶融処理に関連する技術として、「粒子分散
表面被覆層の形成方法」　（特開昭６１９１３２３号公
報）がある。この提案は、高密度エネルギの照射により
形成された溶融プール内に、溶射粒子速度の速い溶射法
によって微細硬質粒子を溶射・注入することで被膜層を
形成し、微細硬質粒子と母材との結合性、及び粒子の分
散性を確保しようとするものである。

しかしながらこの提案においては、溶融プール内に粉末
を入れることができるのはその１０％程度であり、耐熱
成分の濃度が低いという課題が残されていると考えられ
る。

そこで本発明は、所望する部位に確実に、大幅な耐熱性
を付加できるアルミ鋳物部品の局部強化方法を提供すべ
く創案されたものである。

［課題を解決するための手段及び作用］本発明は、強化
対象の部位に耐熱物質粉末を通電焼結により接合させた
後、上記部位を高密度エネルギにて再溶融させるもので
ある。

また上記通電焼結は、上記耐熱物質を部位の中央で部品
仕上げ面よりも充分盛り上げて為されることが望ましい
。

さらに上記耐熱物質粉末は、耐熱元素を核とし、アルミ
となじみ性が良い金属粒子を被覆粒子としたカプセル粒
子で成るものであってもよい。

上記方法によって、所望の部位に大量の耐熱物質を添加
することができる。

［実施例］ 以下、本発明に係わるアルミ鋳物部品の局部強化方法の
一実施例を、添付図面に従って説明する。

まず、第１図に示すように、シリンダヘッドなどのアル
ミ鋳物部品１１の強化対象となる部位１２に、所定の深
さを有した凹部３を形成し、これに耐熱物質たるＮｉ粉
末１４を投入する。この際、その中央１５を充分盛り上
げた形にしておく。

次に、第２図に示すように、この状態のアルミ鋳物部品
１１を通電焼結装置１６にセットする。

この通電焼結装置１６は、上下に対向されたパンチ電ｉ
（上電極１７のみ示す）と、非導電性の物質（Ａｊ　２
０ｓなど）で成る枠体１８とが備えられており、電極１
７には所定の圧力Ｐが掛かるようになっていると共に、
電源（図示せず）と結線されている。そして電流、電圧
及び圧力を適宜制御することによって、電極１７にセッ
トされた粉体の粒子間に放電圧力を発生させて、焼結す
るようになっている。

特に本実施例にあっては、第３図に示すように、粉体と
接触する電ｆｌｉ１７の端面１９がドーム状に窪まされ
て形成されており、Ｎｉ粉末１４を盛り上げた形のまま
で焼結できるようになっている。

また枠体１８は、電極１７の周側部に嵌合され、電極１
７に形成された鍔部２０との間に設けられた加圧スプリ
ング２１によって、母材（アルミ鋳物部品１１）に押し
付けられて当接するようになっている。

このように構成された通電焼結装置１６に、Ｎｉ粉末１
４が盛られたアルミ鋳物部品１１をセットした後、適宜
通電させることで焼結し、Ｎｉ粉末１４をアルミ鋳物部
品１１の所定部位１２に接合する。

次に、第４図に示すように、Ｎｉ粉末１４が焼結接合さ
れたアルミ鋳物部品１１をＴＩＧ溶接を行う溶接装置に
セットし、高密度エネルギたるＴＩＧアークにより再溶
融させる。この溶接装置には、カスノズル２２内に電極
２３を設けたＴＩＧ溶接トーチ２４が備えられており、
不活性カス＜Ａｒ、Ｈｅ等）でシールドしつつ、母材と
の間にアークを発生させるようになっている。

このＴＩＧ溶接トーチ２４のアークによって、強化すべ
き部位１２は再溶融され、第５図に示すようにＮｉの再
溶融合金化層２５が形成されることになる。

この再溶融が終わって冷却させた後、機械加工により再
溶融合金化層２５及び母材なるアルミ鋳物部品１１の表
面を部品仕上げ面Ａまで切除し、シリンダヘッドなどの
製品として仕上げる。

このように、強化対象の部位１２にＮｉ粉末１４を通電
焼結で接合させた後、ＴＩＧ溶接トーチ２４によって再
溶融させるようにしたので、添加するＮｉ濃度を濃くす
ることができ、耐熱性の大幅な向上が達成される。

また第７図や第８図に示したようなシリンダやピストン
の限られた強化部位にも確実にＮｉを添加・盛り付けす
ることができ、極めて実際的で汎用性に富む。

そして本実施例にあっては、Ｎｉ粉末１４を中央１５を
盛り上げて焼結するようにしたので、再溶融後の加工工
数を少なくすることができる。即ちＴＩＧアークなどで
再溶融する際には、その再溶融合金化層２５の中央に“
引け”　（第５図中Ｂ）が生じる。従ってこの“引け”
による凹みを加工除去するために、加工代（しろ）が大
きくなってしまうおそれがある０本実施例は、実質的に
“引け”を見込んだ形状にＮｉ粉末１４を盛り付けるよ
うにしたので、母材の加工代内に納めることができるも
のである。

なお高密度エネルギとしては、本実施例のＴＩＧアーク
の他、電子ビームやレーザビーム、プラズマアークなど
を用いることができる。

また耐熱物質としては、Ｎｉの他、Ｃｒ、Ｍ。

などの耐熱金属でもよい。さらに、異種物質粒子を複合
させたカプセル粒子を使用してもよい。

このカプセル粒子は、例えば第６図に示すように、耐熱
金属粒子３１を核とし、これよりも小径の被覆粒子３２
を強固に付着して成るものである。

その製造方法としては、核となる耐熱金属粒子３１に、
その１７１０程度の粒径を有した被覆粒子３２となるア
ルミ粒子を静電付着させた後、８．０００〜１６．００
Ｏｒｐｍの回転翼を備えた容器（遠心転勤装置）の内に
投入し、１〜１０分間、気流による衝撃力を与え、この
衝撃作用により、アルミ粒子をＭｏ粒子に食い込ませる
ものである。

このようなカプセル粒子３３を使用することで、非導電
性のセラミックス（ＡＪ２０ｓなど）も通電焼結させる
ことができ、耐熱物質として利用できるものである。な
お被覆粒子としては、アルミの他、アルミとなじみ性の
ある金属（Ｃｕ、Ｃｕ合金など）であればよい。

［発明の効果］ 以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を
発揮する。

（１）強化対象の部位に耐熱物質粉末を通電焼結により
接合させた後、上記部位を高密度エネルギにて再溶融さ
せるようにしたので、所望する部位に多量の耐熱物質を
添加することができ、大幅な耐熱性の向上が達成される
。

（２）上記耐熱物質粉末の通電焼結が、部位の中央で部
品仕上げ面よりも充分盛り上げて為される方法において
は、再溶融後の加工工数を少なくすることができる。

（３）上記耐熱物質粉末が、耐熱元素を核とし、アルミ
となじみ性が良い金属粒子を被覆粒子としたカプセル粒
子で成る方法においては、非導電性の耐熱元素を通電焼
結により接合させて耐熱性の向上を図る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わるアルミ鋳物部品の局部強化方法
の一実施例を説明するための部位に耐熱物質粉末を盛り
付けた状態を示した断面図、第２図は第１図の状態を通
電焼結する工程を示した断面図、第３図は第２図中のｔ
極を示した斜視図、第４図は接合後の再溶融の工程を示
した断面図、第５図は再溶融された状態を示した断面図
、第６図は耐熱物質の他の実施例を説明するためのカプ
セル粒子の断面図、第７図は従来技術の課題を説明する
ためのアルミ鋳物部品なるシリンダヘッドの下面図、第
８図は同じくピストンの斜視図である。 図中、１２は強化対象の部位、１４は耐熱物質粉末、１
６は通電焼結装置、２４はＴＩＧ溶接トーチである。 特許出願人　　いすず自動車株式会社 代理人　弁理士　　絹　谷　信　雄

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．強化対象の部位に耐熱物質粉末を通電焼結により接
   合させた後、上記部位を高密度エネルギにて再溶融させ
   ることを特徴とするアルミ鋳物部品の局部強化方法。
2. ２．上記通電焼結が、上記耐熱物質粉末を上記部位の中
   央で部品仕上げ面よりも充分盛り上げて為される請求項
   １記載のアルミ鋳物部品の局部強化方法。
3. ３．上記耐熱物質粉末が、耐熱元素を核とし、アルミと
   なじみ性が良い金属粒子を被覆粒子としたカプセル粒子
   で成る請求項１又は２記載のアルミ鋳物部品の局部強化
   方法。