JPS6336958A - 工学構成部品の製作における改良またはそれに関係する改良 - 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〕 本発明は鋳造による工学構成部品の表作に関するーもの
であり、詳しくいえば、例えば、繊維またはホイスカで
作らｎたもののような補強インサートを有するような構
成部品に関するものである。

〔従来の技術〕

例えば、内燃機関またはコンプレッサに用いられるピス
トンのような構成部凸金より強く、より耐摩耗性に作る
ための研究がここ数年にわｔって多く行われてきた。

よりよい構成部品？作るために多くの研究者によってた
どられた一つの方法は、インサートラ構成部品に組入ｎ
るやり方である。例えば、そのようなインサートは、金
属かまたは非金属のいずｎかの粒子、繊維またはホイス
カの成形さ扛た未完成品から成ることができる。前者の
例は、ステンレス鋼やニッケル基合金線、繊維または粉
末冶金構成部品であり、後者の例は、アルミナ、シリカ
、ジルコニア、炭化ケイ素及び窒化ケイ素である。

一般的にいえば、インサートは、多孔質であるかまたは
少なくとも構成部品の母金属が金属とインサートとの間
に強い結合を生ずるために中にしみ込むことのできる多
孔質重たは繊維状の表面金もっている必要がある。イン
サートがその容積の全体にわたって多孔質である場合、
その構成部品の母金属は、理想的に完全にインサートに
しみ込むことが必要である。

ピストンを作る公知の方法は、重力ダイカストである。

しかし、この技術は、多孔質のインサートを組入れる必
要がある場合に不適当なだけでなく、非繊維補強鋳造に
おいてさえ、総体に欠陥のないものを作るのにあてにす
ることができない。

重力ダイカストは、インサートの含浸をほんのわずかし
か、またはよくても不完全にしか達成しないので、多孔
質インサートを鋳物に組入れるのに不適当である。ピス
トン鋳物に不健全性ができたり多孔質果ができる効果は
、ピスト７の逓伝温度における疲れ強さを広範囲に広が
ったものにすることである。疲れ強さが広範囲に広がる
ということは、平均の疲れ強さが完全に健全な材料から
得ることのできるものより相応して低いということ及び
重力ダイカストピストンがもつと厳しい用途に不向きで
あることがあるということを意味する。

不完全な含浸と不健全性の両方の問題を克服するために
、他の鋳造技術の開発が近年性なわれた。

現在広く用いられるそのような技術の一つは、圧搾鋳造
であり、それでは溶湯を雌鋳型空洞に注いで、次にその
鋳型空洞を雄鋳型部材で閉じて、熔融金属を何に９／−
にもなることが多い圧力をかけて固めることができるよ
うにする。雌鋳型空洞に含浸されるべきインサートも入
っている場合、圧搾鋳造は、液体金属をインサートの多
孔性構造部の中に物理的に押込み、金属にかかる圧力が
固化の間保たれるので、多孔質巣の形成が防止される。

従って、健全な部材でインサートが含まれている場合、
完全なインサートの含浸を達成できる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

圧搾鋳造は、通常、物理的に太きいと同時に高価である
流体圧プレスを使うことを必要とする。

約１３０１の直径のディーゼルエンジンピストンを製作
するだめの圧搾鋳造設備に用られたプレスの価格は高い
。圧搾鋳造の一つの特徴は、圧搾鋳造材料の固化及び冷
却の間に雌鋳型部材と雌鋳型部材との間にわずかではあ
るが有意の相対運動が存在することである。この効果は
、例えば、ピストンにおけるピストンピン孔のような加
工部分を鋳物に組入れるのを困難にすることである。

〔問題点を解決するための手段〕

最良の重力ダイカスト材料に少なくとも匹敵し、圧搾鋳
造によって達せられた性ηに近い材料の機械的性質をも
った構成部品を同等の寸法の圧搾鋳造品の生産に必要な
装置よりずっと安い装置で生産できることを此の度発見
した。

本発明の第１の面によれば、工学構成部品を製作する一
つの方法が提供され、その方法は咽型組立体内の鋳型空
洞全遠心力を用すて溶湯で満たし、鋳型空洞をその空洞
から遠くに離れた軸の回りに鋳型空洞内の浴湯に少なく
とも２００”１°の加速度を作るに十分な回転速度で回
転することを含んでいる。

本発明の第２の面によれば、本発明の第１の面によって
作られるとき、一つの工学構成部品が提供される。

本発明の方法によって作られたピストン鋳物は、重力ダ
イカスト品に見られる多孔質巣をもっていないことがわ
かった。

本発明の好ましい実施態様においては、工学構成部品は
さらに補強インサートを含む。

回転速度は、溶湯にかかる２５０〜１１５０　’ｙ。

の加速度を作るに十分なことが好ましい。

二つ割り雌鋳型部材と単−雌鋳型部材とから成る三つ割
り鋳型を用いるのが好ましいことがある。

ここに説明した鋳型の種類は、圧搾鋳造設備に用いられ
るものの代表的なものであるが、雌鋳型部材が雌鋳型部
材に対して固定した関係にあるので、ピストンにあるピ
ストンピン孔のような加工部分を中子ピンを用いて鋳造
で作り込みできるという点で遠心鋳造にある利点をもっ
ている。そのような加工部分を作るのに用いられる中子
ピンは、金属にすることができて、鋳造金子に焼入れ効
果を与えることができるので、作られる結晶粒構造が非
常に細かいと共にそれが最も必要とされる領域で浸れた
性質をもっている。しかし、鋳型に作用する力は、回転
によって生ずる遠心力によるものだけなので、雌鋳型部
材及び他の中子ピンなどは、セラミックの絶縁効果を用
いることによって、鋳物の特定の領域が早期に固まるの
を防止するために、例えば、窒化ケイ素などのセラミッ
ク材料から成っていてもよい。

〔実施例〕

次に図面について説明する。図面では同じまたは類世の
部分は共通の参照番号によって表わされている。

第１図ないし第５図はピストンのブランク鋳物を含んで
いる遠心鋳造鋳型集合体の種々の断面スを示している。

これらの図面に示した実施例はどの種類のインサートも
含んでいない。鋳型集合体は総括的に１０で示され、二
つの半体１２及び１３に分割される雌鋳型部材が取付け
できる基板１１を備えている。鋳型半体１２及び１うば
、締め付は手段１１ｉによって一つに保持され、かつ別
の締め付は手段１５（図示なし）によって基板１１に固
定されている。凹角部分をもたず、固まったピストン鋳
物から容易に引抜きできる雌鋳型部材１６が基板１１を
突抜けている。ピストン鋳物１９の中にピストンピン孔
１８をその場で作ることのできる中子ピン１７が鋳型半
体１２及び１５の中の孔を突抜けている。鋳型半体１２
及び１３には溶湯供給部２０及び２１を形成するチャネ
ルと分配室２２がある。第２の鋳型空洞２５（図示なし
）が実質的に軸２１１の回りに対称である幾何学図形を
もった鋳型集合体１０に組入れられている。鋳型集合体
１０は、回転台２う（図示なし）に固定されて軸２４の
回りに回転できる。鋳型集合体１０と回転台２５は、適
当な安全保護物２６（図示なし）に囲われて、鋳型破裂
または金属濃れの場合に作業者全保護する。回転台２う
は、当該技術で公知の適当な、繋動手段２７（図示なし
）及び速度１ｔｉＵ御手段２８（図示なし）に接続され
てｂる。給湯チャネル２０と共同作動する充てん管（図
示なし）が安全防獲物２６を通り軸２嶋と一致して設け
られて鋳型１０を外部の源からくる溶湯で満たす。

動作について説明すると、鋳型集合体ｌＯは。

鋳造される金属によって異なるある温度にあらかじめ加
熱されて鋳型空洞の領域において２５０〜１Ｉ５０“ｌ
ｏの範囲内の加速度を作るような回転速度で軸２ＩＩの
回りに回転される。溶湯は充てん管２９（図示なし）を
経て給湯チャネル２０に注がれる。次いで溶湯は遠心作
用によって分配室２２かうチャネル２１の中に次いで鋳
型部材１１．１２゜１５．１６及びＩＴの間に形成され
た鋳型空洞の中に投げ込まれる。鋳型の回転によって溶
湯に生じた遠心力の結果とし１空気が金属の流れと反対
の方向に半径方向に内側に追いやられる。特定な鋳型＠
塘の選択的加熱または１例えば、給湯チャネルの絶縁を
含む適当な鋳型の設計によって固化は、鋳物１９の押湯
が最後に固まる金属になるように制御できる。従って、
溶湯が常に存在して生じてくる引は果に給湯する。抽気
チャネルなどを設けるような通常の鋳型設計に対する考
慮は、遠心鋳造のための鋳型の設計に当てはまる。

ピストン鋳造空洞の直径が約７６ｍであり、鋳型空洞の
内側半径方向の縁の回転軸２１ｉからの距離が約１２７
−である場合の上述の型の鋳型においては、約５１　ｇ
　１，１の加速度が１５００回転／分の回転速度で鋳型
空洞の中心に作られる。

化学的成分が１量％で、Ｃｕｌｏ、Ｂ　９−Ｍｇ／α８
７−　Ｇ　Ｌ　／　ｌ　Ｌ　１６−　Ｆ　ｅ　／　０．
５７　　＞ｌ　ｎ　１０、１１−　Ｎ　ｉ　／　０．９
９−　Ａ　Ｉ残でちって５１　ｇ’ｙ’で鋳造されたピ
ストンからとった熱処理した材料の試料は２ａ４に９／
−と５０，２Ｋｇ／−の間の引張り強さ金与えた。同じ
公称成分の重力鋳造合金は。

２０、９　Ｋり／−と２１↓、Ｆｉｋ’、９／−の範囲
の引張り強さを与えた。さらに、遠心鋳造材料は、■実
、圧搾鋳造材料に対する試験の結果の変動と同様に殆ど
変動がなく、常に他の方法によるものより高い疲れ強さ
を与えた。

次に第１図と同様であるが、ピストンのクラウン領域に
アルミナ繊維インサートを組込みできるように変更され
た鋳型を示す第４図を参照する。

鋳型半休１２及び１５はロケータピンＩｌｌを受けるた
めの孔ｌＩＯを備えることによって変更されている。こ
のロケータピン４１は、その下端にアルミナ繊維インサ
ー）１１１４にある凹部０５の中に受けられるスピゴッ
ト１１２を備えている。ピストン１９は上述の方法によ
って鋳造された。アルミニウムペースのピストン合金は
発生した高い“！°の加速度の影響を受けて繊維インサ
ートに完全に浸み込んだ。第５囚は第嶋図による鋳型で
作られたビストノからとった切片の顕微鏡写真を示す。

Ｌ。

−Ｅｘ（商標）として知られているピストン合金５０が
顕＠鏡写真の左に現れ、繊維インサート５１はＬｏ−Ｆ
Ｌｘを完全に含浸された状態で右に現れる。Ｌｏ−Ｅｘ
５０と含浸されたインサー）５１との間の界面５２を不
連続な領域なしに完全に連続していることがわかる。

ピストンのクラウン領域の繊維強化を示す本発明を説明
したが、ピストンリングの溝領域及びピンボス領域もそ
のように強化できることも考えられる。ピンボスは、位
置決めのためにピンボス中子ピン１７に置くことのでき
る繊維プリフォーム環を与えることによって強化できる
。ζ型半休１２゜１５はまたピストンリング溝の補強材
の位置決めのための位置決め手段を組込むことができる
。そのような位置決め手段は、鋳型を閉じる６？】に俄
維リングプリフォームを中に入れることのできる鋳型の
胴体空洞の回りに溝を一つ以上備えている。

この方法は、燃焼室皿のような凹角を有する加工部分を
鋳造体に設けることを含んでいることも考えられる。そ
のような加工部分を公知の方法で塩中子を用いることに
よって達成できる。第４図の繊維インサー）ｔｉｌｌは
代りのやり方として鋳物の表面における凹角形を有する
塔中子と考えることができる。

上述の大きさの鋳型集合体においては、約四つまでの鋳
型空洞を回転の中心の回りに半径方向に配置して組込む
ことができる。

上述の方法の変更形を作ることのできることが当業者に
はわかるであろう。例えば鋳型内部の構成部品の相対的
向きを変えること及び鋳形をｋ　１−ｆｉｎ（商標）形
ピストンリング溝補強インサート全組込みできるように
作ることができる。

本発明の方法を重力鋳造材料金上回る改良された性質を
有するピストンの製作に関して説明したが、補強インサ
ートの有る無しにかかわらず本発明はそのようなものに
明らかに限定されない。他の工学構成部品の製作も考え
られる。そのような構成部品の例として内燃機関のコン
ロッド、コンプレッサ及びターピンの羽、自動車などの
懸架構成部品などがある。もちろん繊維補強金有するそ
のような構成部品を作ることができる。

〔発明の効果〕

以上に述べた本発明の方法によれば、内燃機関に用いる
ピストンである本発明の第１の実施例において、約８０
％の有孔率を有する繊維インサートの完全な含浸を同様
の重力ダイカスト部品からＩｆ＞られるものに比較して
非常に高い材料機械的性質を与えるようにして達成でき
ることがわかった。

合金材料の特性の向上は代表的なもので約５０％であっ
た。

遠心鋳造で実現される圧搾鋳造と異なる追加の利点は、
遠心鋳造の場合鋳造機械と鋳型を適当に強くすれば、１
機械サイクル当りにより多くの構成部品全作ることがで
きる能力があることである。

例えば二つの空洞のある圧搾鋳造鋳型を考えた場合、構
成部品を作るのに２倍の力を必要とすることになろう。

従って１サイクル当りの鋳物の数は、明らかにプレスの
容量によって制限される。このことは、溶湯にかかる力
が回転速度によって作られ、かつ鋳型空洞の数に関係な
く与えられた鋳型空洞の幾何学的形状と半径方向の位置
が同じである遠心鋳造の場合には当ては１らない。しか
しもちろん与えられた大きさの鋳造機械に組込みできる
鋳型空洞の数に物理的な制限はある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による方法によってピストンを作るだめ
の鋳型空洞を通る断面立面図、第２図は本発明の方法に
よってピストン合作る鋳型集合体の半休の第１図の線Ｘ
Ｘを通る断面平面図、 第３図は本発明の方法によってピストンを作る鋳型集合
体の半休の第２図の線ＹＹを通る断面立面図、 第４図はアルミナ繊維インサートラピストンクラウン領
域に組込むように第１図の鋳型空洞を改変したもの、 第５図は・ピストン合金とアルミナ繊維インサーＩｆ有
するピストンの含浸インサートとの間の界面領域？示す
２００倍の顕微鏡写真である。 ｈａ、Ｊ。 Ｆ／Ｇ、４゜ 釦 ｈｃ、、Ｓ 手　　続　　補　　正　　書（方式） ％式％ １　事件の表示 昭和６１年　特　　許　　　願第　１７１１０１０号２
、発明−輔に）の名称、指宇商ｉｅｉ分　　　　　　　
　　：　〃字工学構成部品の農作における改良またはそ
れに関する改良　３−３、補正する者 事件との関係　特許出願人 ４代理人 ６　補正により増加する発明の数　　　　○　　　発明
７　補正の対象　明細書の「図面の簡単な説明」１）明
細書の「図面の簡単な説明」のｇを以下の通り補正する
。 第１７頁、第９〜１１行の「第５図は・・・・・・叩微
鏡写真である。を 「　第５図はピストン合金とアルミナ礒維インサートヲ
有するピストンの含浸インサートとの間の界面頭載を示
す２００倍の金属組織顕微鏡写真である。」 に訂正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、鋳型集合体内の鋳型空洞を遠心力によつて溶湯を充
   てんすることを含む工学構成部品を製作する方法におい
   て、鋳型空洞が鋳造空洞から遠くに離れた軸の回りに鋳
   型空洞内の溶湯に少なくとも２００‘ｇ’の加速度を生
   ずるのに十分な回転速度で回転させられることを特徴と
   する方法。 ２、鋳型空洞内の金属にかかる加速度が２５０‘ｇ’と
   ４５０‘ｇ’の間であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の方法。 ３、鋳型集合体が少なくとも二つ割雌鋳型部材と単一雄
   鋳型部材とからなることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項または第２項に記載の方法。 ４、工学構造部品が内燃機関またはコンプレッサ用のピ
   ストンからなることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   ないし第３項のいずれかに記載の方法。 ５、鋳型集合体がさらにピストンピンボス用の中子ピン
   を含むことを特徴とする特許請求の範囲第４項に記載の
   方法。 ６、雄鋳型部材がセラミックからなることを特徴とする
   特許請求の範囲第３項に記載の方法。 ７、中子ピンがセラミックからなることを特徴とする特
   許請求の範囲第５項に記載の方法。 ８、補強インサートが注湯前に鋳型空洞内に置かれるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第７項のい
   ずれかに記載の方法。 ９、補強インサートが多孔性であることを特徴とする特
   許請求の範囲第８項に記載の方法。 １０、補強インサートがセラミックの繊維またはホイス
   カからなることを特徴とする特許請求の範囲第９項に記
   載の方法。 １１、補強インサートが金属の繊維、ワイヤまたは粒子
   からなることを特徴とする特許請求の範囲第９項に記載
   の方法。 １２、補強インサートがピストンのクラウン、ピストン
   リングまたはピストンピンボスの領域の中の一つ以上の
   中にあることを特徴とする特許請求の範囲第９項または
   第１０項または第１１項に記載の方法。 １３、ピストンの加工部分を形成するために注湯前に鋳
   型空洞の中に塩中子を置くことを特徴とする特許請求の
   範囲第４項に記載の方法。 １４、ピストン造作が凹角形部を有するクラウン領域内
   の燃焼ボウルであることを特徴とする特許請求の範囲第
   １３項に記載の方法。 １５、鋳型集合体が多重鋳型空洞を有することを特徴と
   する特許請求の範囲第１項ないし第１４項のいずれかに
   記載の方法。 １６、注湯金属がアルミニウム基合金であることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項ないし第１５項に記載の方
   法。