JPS61501756A - 金属製品の圧搾成形方法 - 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】 金属製品の圧搾成形方法 この発明は、この明細書ならびに請求の範囲において、便宜上“圧搾成形”とし て表現する圧搾成形、圧搾鋳造または押し出し鋳造として知られている技術によ る製品の製造に関する。　圧搾成形の技術は、基本的には、型の一方に液体金属 を注入し、型を圧搾下で閉止し、型閉じにより、液体金属を型内のキャビティに 空気が入らないように充満させ、該液体金属の固化が行なわれる問、該金属を圧 搾して鋳造巣が生じないようにし、ついで型を開き、成形品を型から取り出す工 程からなる。 通常、アルミニウムまたはアルミ合金である各種の圧搾成形品を製造することは 、知“られているが、該製品は、おおむね単純な形状のものである。　したがっ て、複雑な形状のものが要求される場合には、一旦圧搾成形した製品を後研磨加 工により研磨加工して、そのような形状に４す、ることが必要となる。 しかしながら、本出願人が出願した英国特許願第８３１１２６２号には、圧搾成 形により成形し、成形されたままの製品における必要な形状が後研磨を必要とし ない金属製品の製造方法が記載され、請求されている。　前記した特許出願に記 載されているように、必要な形状は、溶融金属を注型するに先立ち、ある形状を した圧縮された塩の中子であって、該中子は、圧搾成形操作の工程中に受ける圧 力に対抗できる充分な一体性をもつように圧縮され、なんらの後研磨を要しない 表面が圧搾成形製品に形成されるような仕上げ表面を有する中子を圧搾成形プレ スの型に置くことによって達成される。　さらに詳しくは、圧縮された可溶性の 塩の中子は、内燃機関のピストンのクラウンに内方に向くボウルを形成する形状 をなしている。 前記した特許出願に記載された以外の方法により、内燃機関のピストンを圧搾成 形するに関し、前記ボウルの縁まわりのクラウン部分を補強することが提案され ている。　これらの他の方法は、補強インサートを圧搾成形プレス内に設置し、 これに溶融金属を注入し、成形されたままのピストンのピストンクラウンの表面 に補強インサートを一体化することからなる。　固形金属ブロック、または、ウ ィスカーあるいはファイバのマットである補強材料は、ついで研磨され、ボウル の所定形状に仕上げられて、ピストンが完成する。 この発明の目的は、圧搾成形により製品を成形し、これによって複雑な形状を何 等の後研磨加工を施すことなく、該製品に与え、しかも、このような形状が補強 の操作条件に影響を受ける部分を選択的に補強する圧搾成形による製品の改良さ れた製造方法を提供するものである。 この発明によれば、溶融金属を型内で圧搾成形することにより軽金属製品を製造 する方法を提供するものであり、溶融金属は、型内に導入され、圧搾されながら 型が閉止され、溶融金属を型キャピテイに充満させ、該金属を圧搾しながら固化 させ、ついで型開きして成形された製品を型から取り出す方法であり、要求され た形状が補強体とともに圧搾成形された製品に形成されており、この補強体は、 型内に中子と補強インサートを溶融金属が型内へ導入される前°に配置すること により、前記形状の少なくとも周縁部分に延設されている製品の金属マトリック ス内にあって、前記中子は、圧搾成形操作の間に前記金属により伝達される温度 と圧力の条件の下で、一体性を保持する密度と表面仕上げ状態に圧縮された可溶 性の塩の中子からなり、該中子は、その後、圧搾成形製品から溶解する点を特徴 とする。 本明細書ならびに請求の範囲において使用されている用語“補強”とは、例えば 、応力クラッキングなどに対する補強という意味ならびに耐摩耗性付与の補強と いう意味での補強として理解されるものである。 このような可溶性の塩の中子と補強インサートは、圧搾成形製品に内側向きの凹 部または貫通孔を与えるために実用されることができる。　例えば、このような 中子と補強体は、内燃機関ピストンのクラウンにおける内側向きのボウルを形成 するための形状とすることができ、さらに、また、例えば、このような中子と補 強体は、無端トラックのリンクに貫通孔を形成するための形状とすることができ る；前記ボウルまたは貫通孔の縁全体または一部は、補強インサート材料により 補強される。 前記の塩の中子は、イソスタティック圧縮のみにより必要とされた形状に圧縮さ れるか、または、イソスタティック圧縮のみにより圧縮され、ついで研磨される 。 溶融金属は、アルミニウム、マグネシュウムまたはそれらの合金のような軽金属 からなる。　補強インサート材料は、無機ウィスカーまたはファイバ・パッドか ら構成され、圧搾成形工程中、溶融金属は、ウィスカーまたはファイバの間の間 隙に浸透し、前記ウィスカーまたはファイバは、前記塩の中子により成形された 製品の形の一部に近接して成形製品の中に埋設される。　ウィスカーまたはファ イバのマットは、アルミナ−シリケート材料からなる。 補強インサートは、環状であり、圧搾成形プレスの型内に最初配置されたときは 、形状をなした塩の中子を取巻く。 この発明の方法は、内燃機関の軽金属ピストンであって、下型と、これと共働す る、他方に対し垂直方向に可動なトップ・パンチとを有し、下型内に形をもつ中 子と補強インサートが配置されており、補強縁をもつボウルがクラウン部分に形 成された圧搾成形により成形されるピストンの製造に適用される。　中子は、ピ ストン・クラウンにおける内側向きのボウル形状をなすように形成られる。 塩の中子の吸湿を防止すために、眼中子に乾燥剤を添加することが好ましく、こ れにより、自由な流動特性を与え、イソスタティック圧縮の間、塩の緊密なバッ キングを容易とし、密度のある圧縮を確保する。　乾燥剤は、中子に対し、約０ ．１重量％の割合の炭酸マグネシウムまたは燐酸マグネシウムからなる。　当然 のことながら、乾燥剤は、金属の成形温度、アルミニウムの場合、６８０℃から ７５０℃の範囲の温度で分解しないものを選択しなければならない。　乾燥剤を 伴なう塩は、下記の特性のすべてを有することが好ましいニー１、材料は、要求 された形状に容易に成形されなければならない。 ２、材料は、取扱い、圧搾成形プロセスの温度ならびに圧力条件に耐えるに充分 な強さのものでなければならない。 ３、材料は、容易に溶解（好ましくは水に）し、成形された製品から中子を簡単 に除去できるものでなければならない。 ４、中子材料の溶液は、金属腐蝕作用がほとんど無いか、または、皆無のもので なければならない。 ５、材料は、好ましくは、再使用のため回収可能なものであること。 中子には、粒径が５〜２５０ミクロンである微粒化された塩化ナトリウムを使用 することが好ましく、乾燥剤が一緒になった該材料は、簡単にイソスタティック 冷間圧縮されて、約３０．０００ｐ、　ｓ、　ｉ　（２０７ＨＰａ）の圧力で要 求された形状に圧縮される。　このイソスタティックに圧縮された塩と乾燥剤の 中子に対し、後加工の焼結処理を施す必要はない。 さらに、中子材料に膨張変性剤を添加して、圧搾成形工程中における塩の熱応力 クラック発生率を減少または無くすようにすることも好ましい。　このような膨 張変性剤は、例えば、酸化アルミニウム、ガラス・パウダ、銅合金浸潤剤、グラ フフィト、タルクまたは微細なアルミナ−シリケート・ファイバからなる。 この発明の他の特徴は、添附の図面を参考とする実施例により示されている下記 の記述により明らかとなる。 第１図は、ピストン・クラウンにおける内側へ向くボウル部を成形するための形 状をもった均衡的に圧縮された塩の中子の側面図である。 第２図は、環状の補強インサートの断面図である。 第３図は、第１図の中子と第２図のインサートとによりエツジが補強された内側 へ向く圧搾成形された成形時のままのアルミニウム・ピストンの長さ方向断面図 である。 第４図は、第３図の断面を９０”角度を変えて見た第３図と同様の長さ方向断面 図である。 第５図は、第３図５−５１１にそう横断面図である。 第６図は、研削加工後の完成されたピストンを示す第３図と同じ方向からの長さ 方向断面図である。 第７図は、第６図の完成ビス、トンの９０’角度を変えて見た同様の長さ方向断 面図である。 第８図は、第６図８−８線にそう横断面図である。 この発明の方法は、所望の複雑な成形されるべき形状を内部に有し、該形状に対 する後加工を必要としないどのような金属製品の圧搾成形に適用できるが、後続 の記述は、内燃機関のピストンの製造に関する図面を参照して与えられている。 　該ピストンは、マグネシウムまたは、その合金により製造することもできるが 、通常の場合、アルミニウムまたは、その合金により製造される。 前記ピストンは、圧搾（スクイズ）成形プレス（図示せず）において成形される もので、該プレスは、底部金型と、これに対し縦方向に可動する協働トップ・ポ ンチとから通常構成されている。　底部金型は、固定されていて、トップ・パン チが底部金型に対し往復動じ、底部金型それ自体は、２個または、それ以上の互 いに協働して閉止状態となり、底部金型内に成形キャビティを形成する横方向に 可動の金型部材を含む。　ここに図示の実施例においては、ピストンは、圧搾成 形されたピストンに組み込まれる２個の鉄を含む膨張インサートを含み、圧搾成 形操作の間、これら膨張インサートは、前記パンチの側壁に埋設されたマグネッ トの手段により、トップパンチにｌｆ！置されている。 塩の中子１０が液体内のウレタンまたはラバーエラストマーの袋内で、約３０， ０ＯＯｐ、ｓ、１（２７０ＨＰａ）　ノ圧力がかけられて冷間イソスタティック 圧縮により成形されるものである。　該塩は粒径が５から２５０ミクロンで、マ グネシウム炭酸塩またはマグネシウム燐酸塩からなる乾燥剤と混合した微粒子状 の塩化ナトリウムである。　また、例えば、酸化アルミニウム、ガラス・パウダ 、銅合金浸潤剤、グラフフィト、タルクまたは微小なアルミナ・シリケート・フ ァイバからなる膨張変性剤が前記混合物に添加される。　このような冷間イソス タティック圧縮プロセスにより、ある形状をした塩の中子が図面の第１図に示さ れているような形状のものに容易に成形され、これは、圧搾成形工程の間に受け る温度と圧力に抗する充分な一体性を有し、圧搾成形されるピストンの成形表面 を成形する、後研磨加工を必要としない仕上げ表面を有するものとなる。 第１図に示された中子１０は、イソスタティックに圧縮されて、後研磨加工を必 要としない所望の仕上げ形状となる。　しかしながら、所望の形状の複雑さによ り、中子材料をある形状に圧縮し、該形状の中子に後研磨加工を行なって、該中 子を要求される最終形状とすることも必要となる場合もある。 環状の補強インサート１１は、好ましくは、アルミナ基礎材料から成形され、該 材料のバランス組成物は、割合が２％から６０％の範囲で変化するシリカである 。 このような材料の例は、１．Ｃ，Ｉにより製造され、商標“５ａＨｉｌ”として 市販されているものである。 補強材を構成するアルミナ基礎ファイバは、平均直径が２．９ｕ−から３．５ｕ −のもので、縦横比（長さ：直径の比率）が５０：１から５００　：　１であり 、密度が２．８Ｑｌ／ＣＣから３．３ｇｉ／ｃｃ　（アルミナ：シリカの比率に よる）のものである。 ファイバは、まず最初、水中に分散され、ついで一方がｍ機で、他方が有機であ る二種類のバインダと、前記ファイバ上に均一に、かつ、効果的に前記バインダ をデポジットさせるに必要な他の添加剤とを前記水中に添加し、懸濁液をスクリ ーンで濾過し、その後の圧搾圧縮ならびに乾燥の段階においてもＷ！着したパッ ドとなるようにして製造されることが好ましい。　このパッドは、このパッドは 、濡れている状態であっても圧縮されてファイバが密に集合したものとなり、完 成された金属ファイバ複合体における補強体のボリュウムフラクションを増加さ せる。 スクリーンを介しての濾過によるファイバの収集により該ファイバをパッドの広 域面と平行な好ましい配向の基本的に二次元ランダム態様の形に配８１させる。 　このようなバッキングが完成複合体においてファイバの高ボリュウムフラクシ ョンの達成を可能とする。　また、パッドが組みこまれたとき、この配列により 金属に異方向性特性を与える。 無機バインダは、無機ファイバを基礎とする硬質および半硬質の構造体の製造技 術において知られているもののいずれかである。　好ましい無機バインダは、シ リカであって、その理由は、圧搾成形操作の間、シリカは、その位置にとどまり 、湿潤性を増加し、液体金属の浸透を容易にするからである。　有機バインダは 、フレキシブルおよび半硬質の構造体の製造技術において知られているもののい ずれかであり、このようなバインダの一つは、ラテックスである。　有機バイン ダの目的は、取扱い強度を増すことである。　例えば、良好な取扱い強度は、デ ィスクまたはディスクが切り取られるパッドの運送時ならびに切断操作時におい て損傷を受ける危険を減少する。　このような有機バインダは、前記インサート を圧搾成形金型に導入するに先立ち、どの段階でも焼失されることができ、この ような焼失は、有機バインダのみを除去するのみならず有機バインダとファイバ との結合強度を改善する。 第１図の中子は、圧搾成形プレスの下型における第２図のインサート１１内に配 置され、膨張インサートが磁石力で上側のパンチに固定され、横方向に可動の複 数の下型が型閉じされ、溶融アルミニウムが計量されながら型キャビティに注入 される。　ついで上側のパンチが型キャピテイに作用し、溶融アルミニウムを該 パンチと下型の間にあるキャビティに充満され、該アルミニウムは、固形化が行 なわれる間、約１０．０ＯＯｐ、　ｓ、　ｉ　（７０ＨＰａ）に圧搾される。　 ついで型が開かれ、圧搾成形されたピストンが型から取り出され、成形された塩 の中子は、例えば、温水を噴きつける手段により、ビスオンから溶解される。 成形されたままのピストンは、図面第３図、第４図ならびに第５図に示されてお り、内側に向くボウル１４がピストンのクラウン１６内に成形されている。　こ のボウル１４の形状ならびに表面仕上げは、それ以上の研磨加工を必要としない 程度のものになっている。　また、第４図と第５図から明らかなように、鉄の膨 張インサート１８がピストンのスカート部分２０に組み込まれている。　特に第 ３図から明らかなように、直径方向に対向するボア２２がスカート部分２０に成 形（圧搾成形プレスの横方向可動の型における適当な中子Ｏラドにより成形）さ れ、その位置において、貫通孔がピストンピンを受けるため研磨される。 また、第３図と第４図に示すように、成形されたままのピストン１２には、クラ ウン部分に別の環状インサート１５が設置されている。　このインサート１５は 、インサート１１と同じ材料で類似の方法により成形されるものであるが、イン サート１５の密度は、インサート１１のそれよりも低い。　代表的な例では、イ ンサート１５の密度は、０．２ｇ’ａｓ／ＣＣで、インサート１１の密度は、０ ．５９ＩＳ／ＣＣである。　インサート１５は、研磨の時、ピストンリングの溝 に耐摩耗性を付与するためのものであり、インサート１１は、１次的には、ボウ ル１４のエツジの補強を行ない、第２図の最初に成形された形状に後研磨加工を 必要とさせないようにするものである。 圧搾成形操作の間、溶融金属は、インサート１１とインサート１５のファイバの 間の隙間に完全に浸透し、ファイバは、成形されたピストンの硬化した金属内に 埋設される。 第６図から第８図は、完全に完成された研磨済みのピストン２４を示し、該ピス トンにおいては、ピストンピンを受ける貫通孔２６が形成され、ピストンリング の溝２８がクラウン領域の周側面とインサート１５の露出面に切設されている。 　クラウン１６とインサート１１の頂面には、表面研磨処−が施されるが、実際 の内側向きのボウル１４には、研磨処理が全く施されない。 このように、この発明は、成形されたままのピストンのクラウンに補強された縁 をもつ内側向きのボウルを形成が該ボウルまたは補強インサートのいずれをも後 研磨せずに可能とするものである。　かくて、実質的に内側へ向く角度がボウル に形成され、操作応力クラブキングが入りやすい部分、即ち、ボウルの縁は、そ のようなりラブキングに対し補強される。 成形されたままのピストンには、金属の薄い“スキン”が補強体が位置するピス トン・ボウルの表面部分における補強インサートに被覆される。　換言すれば、 インサートのファイバは、ボウル表面に露出しないが、仮にボウルとインサート とがピストンのボウル部分にインサートを設置した後で研磨されるとしたら、切 断または破損したファイバの端末が露出し、補強体の表面が不均一となる。　ピ ストン・ボウルに不均一な表面が存在すると、スワール特性に悪影響を与え、エ ンジンの燃焼パフォーマンスに致命的なものとなる。 この発明は、内燃機関のピストンを図示され説明された形状に圧搾成形すること に特に実施されるものではあるが、図面に示される特殊な補強された内側向きの ボされるべきものである。　かくて、多くの形状が、圧搾成形される金属に化学 的に作用せず、圧搾成形操作時に受ける圧力に対抗するに充分な一体性と表面仕 上げをもち、何らの後研磨を必要としない成形品に補強または耐摩耗性の縁をも つ形状のものを形成する適当な形状をもつ圧縮された可溶の塩の中子ならびに補 強体または耐摩耗性インサートにより、圧搾成形された製品に与えられることが できる。 例えば、貫通孔は、可溶の中子材料によるシリンドリカルな形状のものと溶融金 属を型へ注入する前に型キャビティに配置されたインサート材とにより、無限ト ラックの圧搾成形されたリンクに設けることができる。 或はまた、成形品に丸い貫通孔を設けるに当り、金属チューブの周囲に可溶の中 子材料をコーティングし、その後で圧搾成形された製品から可溶性のコーティン グを溶解し、細い径の金属チューブを引き抜くことによって、可溶性の中子材料 を節約することもできる。 ＋、、ｌ−、ｌ＠ｍＡｓ１ｍ＋＋ｗｈａ、ＰＣＴ／ＧＢ　８５１００１４０）４ ％’ＥＸ　Ｔｏ　Ｔｎ＝　ＩＮＴＩＥＲＮＡＴ工ＣＮＡｒ１，５ＥＡＲＣＨＲＥ ？ＯＲＴ　０ＮＩＮＴＥＲＮＡＴＺＯＮＡＬ　ＡＰＰＬＺＣＡＴｒＯＮ　Ｎｏ、 　’Ｅ’ＣＴ／ＧＢ　８５１００１４０　（ＳＡ　９２４９）υ５−Ａ−３９６ ３８１１３１５１０６／７６　ＮｏｎｅＯＢ−Ａ−２１０５３１２２３１０３／ ｌ１１３　ＮｏｎｅＵＳ−八−３４５９２５３０５１０Ｓ／６９　ＮＬ−Ａ−６ ５０３６４９２７１０９／６５ＤＥ−Ａ−２１３６５９４０３１０２／フ２　Ｎ ｏｎｅ

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. １．溶融金属を型内で圧搾成形することにより軽金属製品を製造する方法であっ て、溶融金属は、型内に導入され、圧搾されながら型が閉止され、溶融金属を型 キャビティに充満させ、該金属を圧搾しながら固化させ、ついで型開きして成形 された製品を型から取り出す方法であり、要求された形状が補強体とともに圧搾 成形された製品に形成されており、この補強体は、型内に中子と補強インサート を溶融金属が型内へ導入される前に配置することにより、前記形状の少なくとも 周緑部分に延段されている製品の金属マトリックス内にあって、前記中子は、圧 搾成形操作の間に前記金属により伝達される温度と圧力の条件の下で、一体性を 保持する密度と表面仕上げ状態に圧縮された可溶性の塩の中子からなり、該中子 は、その後、圧搾成形製品から溶解する点を特徴とする溶融金属を型内で圧搾成 形することにより軽金属製品を製造する方法。
2. ２．塩の中子は、イソスタティック圧縮のみにより圧縮成形される請求の範囲１ による方法。
3. ３．塩の中子は、約３０，０００ｐ．ｓ．ｉ（２７０ＨＰａ）の圧力下でイソス タティック圧縮により圧縮成形される請求の範囲１による方法。
4. ４．塩の中子を構成する塩は、粒径が５から２５０ミクロンの範囲の微粒化され た塩化ナトリウムである前記請求の範囲いずれかによる方法。
5. ５．塩の中子を構成する塩には、乾燥剤が混合されている前記請求の範囲いずれ かによる方法。
6. ６．溶融金属が、アルミニウムまたはマグネシウムまたは、これらの合金である 前記請求の範囲いずれかによる方法。
7. ７．補強インサートが無機ウイスカーまたはファイバ・パッドからなり、圧縮成 形の工程中、溶融金属がウイスカーまたはファイバの間隙に浸透し、前記ウイス カーまたはファイバが塩の中子により成形された製品部分に近接して製品に埋設 される前記請求の範囲いずれかによる方法。
8. ８．ウイスカーまたはファイバ・マットは、アルミナーシリケート材料からなる 請求の範囲７による方法。
9. ９．補強インサートは、環状であり、形状をなした塩の中子を取巻く前記請求の 範囲いずれかによる方法。
10. １０．内燃機関の軽金属ピストンであって、下型と、これと共働する、他方に対 し垂直方向に可動なトップ・パンチとを有し、下型内に形をもつ中子と補強イン サートが配置されており、補強縁をもつボウルがクラウン部分に形成された圧搾 成形によリ成形されるピストンを製造するための前記請求の範囲いずれかによる 方法。
11. １１．中子は、ピストン・クラウンにおける内側向きのボウル形状をなすように 形取られている請求の範囲１０による方法。
12. １２．トップ・パンチには、鉄系の膨張インサートを支持して、圧搾成形ピスト ンに組みこむ磁力保持手段が設けてある請求の範囲１０または請求の範囲１１に よる方法。
13. １３．前記し、添附図面に示されている圧搾成形ピストンの製造方法。
14. １４．前記された請求の範囲のいずれかに請求された方法により製造され、成形 された製品の後研磨が不要な補強縁をもつ形状の圧搾成形金属製品。
15. １５．ボウルの縁を取巻く環状の補強体をもつ内側向きのボウルをピストン・ク ラウンに形成した内燃機関の軽金属ピストンからなる請求の範囲１４に請求され た圧搾成形金属製品。