JPH0737660B2 - アルミ合金鋳物製内燃機関用シリンダヘッドの改良処理方法 - Google Patents

アルミ合金鋳物製内燃機関用シリンダヘッドの改良処理方法

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JPH0737660B2
JPH0737660B2 JP60031627A JP3162785A JPH0737660B2 JP H0737660 B2 JPH0737660 B2 JP H0737660B2 JP 60031627 A JP60031627 A JP 60031627A JP 3162785 A JP3162785 A JP 3162785A JP H0737660 B2 JPH0737660 B2 JP H0737660B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明はアルミ合金鋳物製内燃機関用シリンダヘッド
を熱処理によって改良する方法に関するものである。
従来の技術 近時、アルミ合金鋳物製内燃機関用シリンダヘッドの使
用が増加している。アルミ合金は軽量でかつ熱伝導性に
優れ、また他の軽合金と比較した場合耐熱性が優れる
等、多くの利点を有するからである。しかし、そのよう
な利点を有する反面、アルミ合金には溶融状態で水素ガ
スを吸収しやすく、また凝固収縮量も多いので、鋳造時
にピンホール、ブローホールや引け巣等の鋳造欠陥を生
じやすいという問題があった。また、それ等の鋳造欠陥
はアルミ合金溶湯の冷却速度が遅いと一層増加し、凝固
組織自体も冷却速度が遅いと粗大化するので、アルミ合
金鋳物の機械的性質は鋳造時の冷却速度に大きく依存
し、冷却速度が遅くなるほど劣ることが知られている。
一方、内燃機関用シリンダヘッドは大型で複雑な形状を
しているため、鋳造時の冷却速度が遅く、アルミ合金を
鋳造して内燃機関用シリンダヘッドを製造する場合に
は、前述の理由から機械的性質が必ずしも十分ではな
く、燃焼室部に亀裂が発生し易い傾向があるという問題
があった。
そこで、そのような問題に対処するために、内燃機関用
シリンダヘッドに対する負荷応力は全体的に均一ではな
く、数カ所の高負荷部が存在し、その数カ所の高負荷部
で特に機械的性質の要求値が高いという点を考慮して、
従来次のような対策が講じられた。
先ず第１には、肉厚を大にすると共に寸法・形状等の設
計変更を行なうという手段がある。また第２には、アル
ミ合金を鋳造する砂中子の、アルミ合金鋳物の改良した
い部分に相当する部分に冷し金を設け、部分的に冷却速
度を大きくするという手段がある。さらに第３の手段と
して、アルミ合金を鋳造する鋳型の、アルミ合金鋳物の
改良したい部分に相当する部分の近傍に水冷パイプを通
し、部分的に強制冷却するという手段がある。
発明が解決しようとする問題点 しかし、以上の従来の対策には、それぞれ次のような問
題があった。
まず第１の手段を採る場合、アルミ合金を用いることに
よるコンパクトで軽量な設計ができるという利点が、肉
厚を大にし、また設計変更を行なうことによって失われ
てしまうという問題がある。
また第２の手段を採る場合、砂中子自体が非常に複雑と
なり、その造型が容易でないという問題がある他、鋳物
部品としては大型である内燃機関用シリンダヘッドを必
要な冷却速度で冷却させるには、冷し金の熱容量を相当
大きくする必要があるのに対し、実際にはそれほど大き
な熱容量を持つ冷し金を設けるのは難しく、その結果第
２の手段では鋳物の品質改良の効果が少ないという問題
があった。
さらに第３の手段を採る場合、冷却能という観点からは
確かに上述の第２の手段に比べ有利になるが、しかし鋳
型自体が非常に複雑な構造になり、必要な部分に思うよ
うに通水することができず、得られる鋳物の品質を要求
される程度まで改良することはできないという問題が残
る。またその第３の手段ではアルミ合金溶湯の近くで水
を取扱うため、安全上の観点から実用化が難しいという
問題もあった。
この発明は以上の従来の事情に鑑みてなされたものであ
って、アルミ合金を用いることによって得られるコンパ
クトで軽量な設計ができるという利点を生かしたまま、
機械的性質の要求値が高い高負荷部の品質を簡易にかつ
十分に改良することができるアルミ合金鋳物製内燃機関
用シリンダヘッドの改良処理方法を提供することを目的
とする。
問題点を解決するための手段 すなわちこの発明のアルミ合金鋳物製内燃機関用シリン
ダヘッドの改良処理方法は、アルミ合金鋳物製内燃機関
用シリンダヘッドの必要部分に高密度エネルギを照射す
ることにより、母材の表面を加熱して溶融させ、ついで
母材側から表面側に向けて順に急速凝固を進行させると
ともに微細組織を形成し、しかる後焼入れを含む熱処理
を行うことを特徴とするものである。
以下にこの発明をさらに具体的に説明する。
アルミ合金としては、JIS AC2B、AC4B、AC4C亜共晶系合
金、JIS AC8A共晶系合金や、AC5A、あるいはAA規格A390
過共晶系合金等を用いることができる。また、高密度エ
ネルギ源としてはレーザ、電子ビーム、プラズマアー
ク、TIGアーク等を用いることができる。
またアルミ合金鋳物製内燃機関用シリンダヘッドの再溶
融させて改良する部分には、例えばインテークポート用
孔の弁座とエキゾーストポート用孔の弁座とに挟まれた
弁間部や、その他に点火プラグ用孔の周辺部、副燃焼室
用孔の周辺部等がある。
さらにこの発明は、ディーゼルエンジン用シリンダヘッ
ドのみならず、ガソリンエンジン用シリンダヘッドにも
適用できる。
この発明では、以上のようにすることによって、高密度
エネルギが照射されて再溶融した部分を、母材側から表
面側へ向けて指向性凝固させる。これにより、再溶融前
に存在した微小気孔等の鋳造欠陥が外部に押し出される
様な状態となり、鋳造欠陥が解消される。また、再溶融
されない部分が再溶融部に対する熱容量の大きな冷し金
として機能するため再溶融部は急冷されて組織が微細化
し、機械的性質が改善される。
実施例 以下にこの発明の実施例を記す。
実施例 JIS AC2B合金を溶解し、低圧金型鋳造によって、ディー
ゼル機関用シリンダヘッド鋳物を製造した。得られたシ
リンダヘッド鋳物を第１図に示す。図においてシリンダ
ヘッド本体１には、インテークポート用孔２とエキゾー
ストのポート用孔３との間に弁間部４が形成されてい
る。その弁間部４をTIGアークによって再溶融させた。T
IGアークによる再溶融は、3.2mm径のタングステン電極
棒を用い、シールドガスとしてアルゴンガスを25l/min
流して行なつた。電流はピーク電流を210A、ベース電流
を180Aとし、トーチ移動速度は0.75mm/secとした。
そのようにして弁間部４に再溶融処理を施した後、シリ
ンダヘッド１に熱処理を施した。熱処理はT6処理とし
た。
比較例１ JIS AC2B合金を溶解して低圧金型鋳造によって実施例と
同様のディーゼル機関用シリンダヘッドを鋳造し、再溶
融処理を施さず熱処理を行なった。
比較例２ JIS AC2B合金を溶解して低圧金型鋳造によって実施例、
比較例１と同様のディーゼル機関用シリンダヘッドを鋳
造した。その際、鋳型に水冷パイプを通して鋳造される
シリンダヘッドの弁間部が急冷されるようにした。
以上の実施例および比較例１によって得られたシリンダ
ヘッド鋳物を機械加工によって仕上げ、エンジンに組付
けて耐久試験を行なった。耐久試験は、実際運転時にお
ける全負荷状態で4700rpmおよび無負荷状態で1000rpmと
いう条件で行なった。
以上の耐久試験の結果、比較例１のシリンダヘッドが10
0〜200時間で弁間部に微小な亀裂が発生するのが観察さ
れたのに対し、実施例のシリンダヘッドは300時間の連
続運転を行なっても何ら異常は認められなかった。
次に、以上の実施例および比較例１、比較例２によって
得られたシリンダヘッドの弁間部から試験片を採取し、
比重、気孔率、引張り強さ、伸びシャルピー衝撃値を測
定した。各種試験の結果を第２図〜第６図に示す。第２
図〜第６図に示すように、通常の鋳造品（比較例１）に
比べ、水冷パイプを用いた鋳造品（比較例２）は僅かに
気孔率が減少し、また比重が増加しており、そのことか
ら欠陥が減少していることがわかる。またそれに伴ない
引張り強さ、伸び、シャルピー衝撃値が向上している。
しかし、この発明の実施例の再溶融処理鋳造品は、その
比較例２の鋳造品よりもさらに比重が増加し、気孔率は
極めて小さい。そのことから、実施例のものは、ほぼ無
欠陥に近いことがわかる。またそれに伴ない、引張り強
さ、伸びシャルピー衝撃値等の機械的性質も比較例２の
ものより向上している。第７図に実施例のシリンダヘッ
ドを第１図に示すVII−VII線で切断して撮影した断面拡
大写真を示す。図に示すように本体材料（母材）５には
鋳造欠陥である微小気孔が見られるのに対し、再溶融処
理部６には気孔は全くなく、また組織も著しく微細であ
ることがわかる。
尚、以上はディーゼルエンジン用シリンダヘッドにこの
発明を適用した場合を示したが、この発明の実施例はそ
れに限られるものではなく、第９図および第10図に示す
ガソリンエンジン用シリンダヘッド７にこの発明の方法
を適用することもできる。図において符号８で示す斜線
部分がこの発明による再溶融処理部である。
発明の効果 以上のようにこの発明のアルミ合金製内燃機関用シリン
ダヘッドの改良処理方法によれば、アルミ合金鋳物製内
燃機関用シリンダヘッドの必要部分に高密度エネルギを
照射することにより、母材の表面を加熱して溶融させ、
ついで母材側から表面側に向けて順に急速凝固させると
ともに微細組織を形成し、しかる後焼入れを含む熱処理
を行うことによって、内燃機関用シリンダヘッドをアル
ミ合金鋳物とする利点を維持したまま、シリンダヘッド
の高負荷部の鋳造欠陥を解消して機械的特性を十分に向
上することができるという優れた効果が奏される。しか
も、特段の危険性はなく、簡易に多量の処理を行なうこ
とができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明の方法を実施したディーゼルエンジン
用シリンダヘッドの平面図、第２図〜第６図はこの発明
の実施例および比較例によって得られたシリンダヘッド
の弁間部材質特性の試験結果を比較して示し、第２図は
気孔率、第３図は比重、第４図は引張り強さ、第５図は
伸び、第６図はシャルピー衝撃値を示す。第７図はこの
発明を実施したシリンダヘッド弁間部の金属組織写真、
第８図はガソリンエンジン用シリンダヘッドの弁間部に
この発明を実施する場合の一例を示す図、第９図は同じ
く他の例を示す図である。 １……シリンダヘッド本体、２……インテークポート用
孔、３……エキゾーストのポート用孔、４……弁間部、
５……母材、６……再溶融処理部。
フロントページの続き (72)発明者 小山 原嗣 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 坂口 寛治 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (56)参考文献 特開 昭53−3913（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−99044（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−86966（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−134354（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】アルミ合金鋳物製内燃機関用シリンダヘッ
    ドの必要部分に高密度エネルギを照射することにより、
    母材の表面を加熱して溶融させ、ついで母材側から表面
    側に向けて順に急速凝固させるとともに微細組織を形成
    し、しかる後焼入れを含む熱処理を行うことを特徴とす
    るアルミ合金鋳物製内燃機関用シリンダヘッドの改良処
    理方法。
JP60031627A 1985-02-21 1985-02-21 アルミ合金鋳物製内燃機関用シリンダヘッドの改良処理方法 Expired - Lifetime JPH0737660B2 (ja)

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