JPH0790355B2 - 繊維強化金属部材の鋳造方法 - Google Patents

繊維強化金属部材の鋳造方法

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JPH0790355B2
JPH0790355B2 JP61199381A JP19938186A JPH0790355B2 JP H0790355 B2 JPH0790355 B2 JP H0790355B2 JP 61199381 A JP61199381 A JP 61199381A JP 19938186 A JP19938186 A JP 19938186A JP H0790355 B2 JPH0790355 B2 JP H0790355B2
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Description

【発明の詳細な説明】 A.発明の目的 (1) 産業上の利用分野 本発明は繊維強化金属部材の鋳造方法、特に孔部回りを
筒状繊維成形体により強化したものの鋳造方法に関す
る。
(2) 従来の技術 従来、この種部材を鋳造する場合は、繊維成形体を、孔
部を成形する中子に装着し、次いで大気圧下において注
湯作業を行って繊維成形体回りを溶湯で満たし、その後
溶湯を加圧して繊維成形体に充填している。この場合、
中子に対する繊維成形体の装着作業を容易に行うため、
中子の外径と繊維成形体の内径との差は比較的大きく設
定される。
(3) 発明が解決しようとする問題点 しかしながら、前記のように内、外径差を設定すると、
注湯作業中に溶湯が繊維成形体の端面側から、中子外周
面と繊維成形体内周面との間の間隙に浸入してその間隙
を埋め、その結果、溶湯を繊維成形体が充填してその内
部のガスを押出す際、ガスの逃げ道が無くなって繊維強
化金属部材にガス孔を発生するという問題がある。
本発明は前記問題を解決し得る前記鋳造方法を提供する
ことを目的とする。
B.発明の構成 (1) 問題点を解決するための手段 本発明は、孔部回りを筒状繊維成形体により強化した繊
維強化金属部材を鋳造するに当り、前記孔部を成形する
中子の外周面と、その中子に装着された前記繊維成形体
の内周面との間に、その繊維成形体に含まれているガス
を収容するための間隙を形成すると共にその間隙の半径
方向長さの上限値を0.3mmに設定した状態で、大気圧下
にて注湯作業を行う工程と;溶湯を加圧して前記繊維成
形体に充填すると共にその繊維成形体内のガスを前記間
隙に押出す工程と;を用いることを特徴とする。
(2) 作用 中子外周面と繊維成形体内周面との間の間隙における半
径方向長さの上限値を、前記のように設定すると、溶湯
の粘性との関係から注湯作業中に溶湯が前記間隙に浸入
することがない。その結果、繊維成形体に対する溶湯の
充填時、その内部のガスが溶湯により前記間隙に押出さ
れ、これにより繊維強化金属部材におけるガス孔の発生
を防止することができる。
前記間隙の半径方向長さが0.3mmを超えると、注湯作業
中に溶湯が前記間隙に浸入してそれを埋めてしまう。
(3) 実施例 第1図は、繊維強化金属部材としての軽合金製シリンダ
ヘッド1を示し、そのシリンダヘッド1における吸、排
気側の弁座21,22がそれぞれ短円筒状をなす繊維強化複
合体c1,c2より構成される。
各繊維強化複合体c1,c2は、短円筒状繊維成形体と軽合
金マトリックスとよりなり、それら複合体c1,c2はシリ
ンダヘッド1の鋳造工程で得られる。
繊維成形体は強化繊維を無機バインダにより部分的に結
合したものである。強化繊維としては、軽合金マトリッ
クスとの密着性に優れ、また耐摩耗性向上効果、強度向
上効果、熱膨脹係数抑制効果等の諸効果を有するもの
で、例えばアルミナ繊維、シリカ繊維、炭化ケイ素繊維
の単体、およびこれらの混合繊維が該当し、その外、ホ
イスカ、窒化ケイ素等のセラミック繊維を用いることも
可能である。
各繊維強化複合体c1,c2における繊維成形体の繊維体積
率(Vf)は、吸気側では10〜20%、排気側では20%以上
が適当である。このように排気側の繊維体積率を高く設
定する理由は、排気側の弁座22に対する熱負荷が大きい
からである。
軽合金としてはアルミニウム合金、マグネシウム合金等
が該当する。
次に、前記シリンダヘッド1の鋳造作業について説明す
る。
先ず、吸気側の弁座21に用いられる繊維成形体の製造に
ついて述べると、強化繊維としてのアルミナ短繊維(IC
I社製・商品名 サフイル・平均直径 3μm、平均長
さ 0.2mm)を、無機バインダとしてのコロイダルシリ
カ5%水溶液中に分散させて成形材料を調製する。
平均粒度 AFS34、レジン添加率2.2%のシエル砂を用い
て多孔質の筒状成形型を製作する。
成形型を成形材料中に浸漬し、その成形型を回転させな
がらその内部に吸引作用を与えて、成形材料を成形型の
外周面に所定の厚さに付着させる。
ラバープレスを用いて成形材料を成形型外周面に10kg f
/cm2の圧力を以て押圧し、次いで乾燥炉を用いて400
℃、2時間の乾燥作業を行い短円筒状繊維成形体素材を
得る。
真空炉を用いて繊維成形体素材に800℃、30分間の焼成
処理を施し、外径 31.5mm、内径 24.5mm、高さ 4.0m
m、繊維体積率 約15%(カサ密度 約0.51g/cc)で、
短円筒状をなす繊維成形体を得る。
前記成形材料を用いて応用の手法により、排気側の弁座
22に用いられる繊維成形体を得る。この繊維成形体は、
外径 30mm、内径 21mm、高さ 4.0mm、繊維体積率
約21%(カサ密度約0.68g/cc)で、短円筒状をなす。
第2図に示すように、砂中子の表面に耐圧コーテイング
層を有する吸、排気ポート成形用中子31,32において、
孔部としての弁孔41,42を成形する弁孔成形部51,52の外
周面に、吸、排気側の繊維成形体f1,f2を装着した後、
それら中子31,32をシリンダヘッド鋳造用金型61におけ
るキャビテイ71の吸、排気ポート81,82に対応する部位
にそれぞれ配設する。
この場合、第3図に示すように両繊維成形体f1,f2内周
面と両弁孔成形部51,52外周面との間の間隙g1における
半径方向長さの上限値はそれぞれ0.3mmに設定される。
またキャビテイ71において、両バルブガイド91,92の圧
入孔101,102に対応する部位に、心金111,112とそれら心
金111,112の外周面に一体に形成された砂層121,122とよ
りなる圧入孔成形用中子131,132を、さらに両動弁機構
収容用空間141,142に対応する部位に両空間成形用中子1
51,152を、さらにまた水ジャケット16に対応する部位に
水ジャケット成形用中子17をそれぞれ配設する。
キャビテイ71の下部にゲート181およびランナ191を介し
て湯溜り201が連通し、その湯溜り201の下部に連通する
シリンダ孔211にプランジャ221が摺合される。
金型61に、そのキャビテイ71上部に連通する複数のガス
抜き孔231が形成され、各ガス抜き孔231に閉鎖ピン241
が挿入される。各ガス抜き孔231はキャビテイ71側の小
径部23aと、それに連通する大気側の大径部23bとよりな
り、各閉鎖ピン241が各小径部23aに嵌合するとキャビテ
イ71が大気との連通を断たれ、また各閉鎖ピン241が各
大径部23b内に位置するとキャビテイ71が大気に連通す
る。
キャビテイ71を大気に連通させ、またプランジャ221
下降させた状態において、湯溜り201に720℃のアルミニ
ウム合金(JIS AC2B)の溶湯を供給し、プランジャ221
を上昇させて大気圧下にてキャビテイ71に溶湯を注入す
る。
この大気圧下における注湯作業中では、溶湯の圧力が低
く、また両繊維成形体f1,f2が所定の繊維体積率を有す
るので、溶湯は各繊維成形体f1,f2に浸入しない。また
各弁孔成形部51,52と各繊維成形体f1,f2との間の間隙g1
の寸法が前記のように設定されているので、各繊維成形
体f1,f2の下端面とキャビテイ面との間に浸入した溶湯
および各繊維成形体f1,f2の上端面に接する溶湯が、そ
の粘性との関係もあって前記間隙g1に浸入することがな
い。さらにキャビテイ71内のガスは溶湯により押上げら
れて各ガス抜き孔231を通じて大気中に抜ける。
キャビテイ71が溶湯により満された後、各閉鎖ピン241
によりキャビテイ71と大気との連通を断つ。そしてプラ
ンジャ221によりキャビテイ71内の溶湯を50kg f/cm2
圧力を以て加圧して各繊維成形体f1,f2に充填する。こ
の溶湯の充填により各繊維成形体f1,f2内のガスは間隙g
1に押出され、これによりガス孔の発生のない繊維強化
複合体c1,c2、したがって吸、排気側の弁座21,22が得ら
れる。
第4図は、排気側の弁座22の金属組織を示す顕微鏡写真
(100倍)であり、アルミニウム合金マトリックスmに
アルミナ短繊維aが分散しており、またガス孔の発生の
ないことが分かる。
第5図は繊維強化金属部材としてのアルミニウム合金製
シリンダブロック25を示し、そのシリンダブロック25に
おける孔部としてのシリンダボア26回りが円筒状をなす
繊維強化複合体c3より構成される。繊維強化複合体c
3は、円筒状繊維成形体とアルミニウム合金マトリック
スとよりなり、複合体c3はシリンダブロック25の鋳造工
程で得られる。
繊維成形体は強化繊維を無機バインダにより部分的に結
合したものである。
次に前記シリンダブロック25の鋳造作業について説明す
る。
先ず、繊維成形体の製造について述べると、強化繊維と
して、アルミナ端繊維(ICI社製・商品名 サフイル・
平均直径3〜4μm、平均長さ0.5mm)と炭素短繊維
(東レ社製・商品名 トレカT−300・平均直径 18μ
m・平均長さ0.8mm)とを4対3の割合で混合した混合
繊維を、無機バインダとしてのシリカゾル中に分散させ
て成形材料を得る。
平均粒度 AFS34、レジン添加率2.2%のシエル砂を用い
て多孔質の筒状成形型を製作する。
成形型を成形材料中に浸漬し、その成形型を回転させな
がらその内部に吸引作用を与えて、成形材料を成形型の
外周面に所定の厚さに付着させる。
ラバープレスを用いて成形材料を成形型外周面に10kg f
/cm2の圧力を以て押圧し、次いで乾燥炉を用いて400
℃、2時間の乾燥作業を行い繊維成形体素材を得る。
真空炉を用いて繊維成形体素材に800℃、30分間の焼成
処理を施し、外径 89mm、内径 78mm、高さ 152mm、
繊維体積率 約21.0%(カサ密度 約0.54g/cc)の円筒
状繊維成形体を得る。
第6図に示すように、シリンダブロック鋳造用金型62
シリンダボア成形用中子27に繊維成形体f3を装着して型
閉めを行い、その中子27を金型62におけるキャビティ72
のシリンダボア26に対応する部位に配設する。
この場合、第7図に示すように中子27外周面と繊維成形
体f3内周面との間隙g2における半径方向長さの上限値は
0.3mmに設定される。
またキャビテイ72において、水ジャケット28に対応する
部位に水ジャケット成形用砂中子29が配設される。
キャビテイ72の両側下部にゲート182を介してランナ192
が連通し、各ランナ192は湯溜り202に連通する。その湯
溜り202の下部に連通するシリンダ孔212にプランジャ22
2が摺合される。
金型62に、そのキャビテイ72上部に連通する複数のガス
抜き孔232が形成され、各ガス抜き孔232に閉鎖ピン242
が挿入される。各ガス抜き孔232はキャビテイ72側の小
径部23aと、それに連通する大気側の大径部23bとよりな
り、各閉鎖ピン242が各小径部23aに嵌合するとキャビテ
イ72が大気との連通を断たれ、また各閉鎖ピン242が各
大径部23b内に位置するとキャビテイ72が大気に連通す
る。
中子27の上部は金型62の上型部6aに嵌入されており、そ
の中子27の嵌入部と上型部6aとの間の間隙および上型部
6aの合せ面間の間隙は、ガス抜き孔232の大径部23bに連
通するガス抜き通路30として機能する。
キャビテイ72を大気に連通させ、またプランジャ222
下降させた状態において、湯溜り202に730〜740℃のア
ルミニウム合金(JIS ADC12)の溶湯を供給し、プラン
ジャ222を上昇させて大気圧下にてキャビテイ72に溶湯
を注入する。
この大気圧下における注湯作業中では、溶湯の圧力が低
く、また繊維成形体f3が所定の繊維体積率を有するの
で、溶湯は繊維成形体f3に侵入しない。また中子27と繊
維成形体f3との間の間隙g2の寸法が前記のように設定さ
れているので、繊維成形体f3の上、下端面とキャビテイ
面との間に浸入した溶湯が、その粘性との関係もあって
前記間隙g2に浸入することがない。さらにキャビテイ72
内のガスは溶湯により押上げられて各ガス抜き孔232
通じて大気中に抜ける。
キャビテイ72が溶湯により満たされた後、各閉鎖ピン24
2によりキャビテイ72と大気との連通を断つ。そしてプ
ランジャ222によりキャビテイ72内の溶湯を400kg f/cm2
の圧力を以て加圧して繊維成形体f3に充填する。この溶
湯の充填により繊維成形体f3内のガスは間隙g2に押出さ
れて前記ガス抜き通路30およびガス抜き孔232を経て大
気中に抜ける。これによりガス孔の発生のない繊維強化
複合体c3を得ることができる。
C.発明の効果 本発明によれば、中子外周面と繊維成形体内周面との間
に、繊維成形体に含まれているガスを収容するための間
隙を形成し、またその間隙における半径方向長さの上限
値を前記のように特定することにより、注湯作業中に溶
湯が前記間隙に浸入することを防止し、これにより繊維
成形体に対する溶湯の充填時、その内部のガスを溶湯に
より前記間隙に押出して、ガス孔の発生のない、健全な
繊維強化金属部材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1ないし第4図は本発明の第1実施例を示し、第1図
はシリンダヘッドの縦断正面図、第2図はシリンダヘッ
ド鋳造用金型の縦断正面図、第3図は第2図III矢示部
の拡大図、第4図は繊維強化複合体の金属組織を示す顕
微鏡写真、第5ないし第7図は本発明の第2実施例を示
し、第5図はシリンダブロックの縦断正面図、第6図は
シリンダブロック鋳造用金型の縦断正面図、第7図は第
6図VII矢示部の拡大図である。 f1〜f3……繊維成形体、g1,g2……間隙、31,32,27……
中子、41,42……孔部としての弁孔、26……孔部として
のシリンダボア

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】孔部(41,42,26)回りを筒状繊維成形体
    (f1〜f3)により強化した繊維強化金属部材を鋳造する
    に当り、前記孔部(41,42,26)を成形する中子(31,32,
    27)の外周面と、その中子(31,32,27)に装着された前
    記繊維成形体(f1〜f3)の内周面との間に、その繊維成
    形体(f1〜f3)に含まれているガスを収容するための間
    隙(g1,g2)を形成すると共にその間隙(g1,g2)の半径
    方向長さの上限値を0.3mmに設定した状態で、大気圧下
    にて注湯作業を行う工程と;溶湯を加圧して前記繊維成
    形体(f1〜f3)に充填すると共にその繊維成形体(f1
    f3)内のガスを前記間隙(g1,g2)に押出す工程と;を
    用いることを特徴とする繊維強化金属部材の鋳造方法。
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