WO2011104836A1 - 中空鋳物の製造方法及び内燃機関のピストンの製造方法 - Google Patents

中空鋳物の製造方法及び内燃機関のピストンの製造方法 Download PDF

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安藤公彦
鴨雄貴
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トヨタ自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a hollow casting having a hollow inside for the purpose of heat insulation, such as a heat insulating piston for an internal combustion engine.
  • a hollow forming member having a hollow portion having the same shape as the cavity to be formed is placed in the mold in advance.
  • molten metal of the casting base metal is poured into the mold so that the hollow forming member is cast with the casting base metal.
  • This hollow forming member is generally made of a material (different material) having a melting point higher than the molten metal temperature of the casting base metal. Specifically, the hollow forming member is integrally fixed to the main body so as to seal a sintered body such as alumina provided with the hollow part opened to a part thereof and the open part of the hollow part. And a lid member such as a stainless steel plate.
  • a solid substance that is solid at normal temperature and gasifies or melts at the time of casting at a temperature lower than the melting point of the casting base metal (for example, lead, thermoplasticity) Resin) or the like for example, a solid substance that is solid at normal temperature and gasifies or melts at the time of casting at a temperature lower than the melting point of the casting base metal (for example, lead, thermoplasticity) Resin) or the like (see, for example, Patent Document 1).
  • a coating layer for example, a metal layer such as a plating layer
  • a metal material equivalent to the casting base metal is often provided on the surface of the hollow forming member before casting.
  • the casting base metal may be oxidized, or a casting hole may be easily formed in the casting base material, which may impair the quality of the cast product.
  • the hollow forming member with a cast metal metal melt without excessively increasing the melt temperature.
  • the heat of the molten metal around the hollow forming member is transmitted to the inside of the hollow forming member at the moment when the molten metal comes into contact with the hollow forming member, the molten metal around the hollow forming member is locally cooled.
  • the metal layer cannot be sufficiently melted by the heat of the molten metal, and there is a possibility that the casting base material and the hollow forming member are welded and cannot be joined.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and is a hollow casting that can improve the bondability between a casting base material and a hollow forming member while suppressing the generation of oxides and casting voids in the casting base material. It is to provide a manufacturing method.
  • the inventors have conducted intensive studies, and as a result, in the casting, the surface of the hollow forming member is insulated so that the heat of the molten metal of the casting base metal is not taken away inside the hollow forming member. If a layer is provided, the molten metal temperature around the hollow forming member during casting is maintained at the same level as the other molten metal temperatures, thereby melting the metal layer on the surface of the hollow forming member with the molten metal without further increasing the molten metal temperature. It was possible to improve the bondability between the casting base material and the hollow forming member.
  • the present invention is based on the new knowledge of the present inventors, and is a method of manufacturing a hollow casting by casting a hollow forming member with a molten metal of a casting base metal, and the molten metal contacts with the molten metal.
  • a hollow layer in which a void layer is formed inside the surface layer of the contact surface (surface to be cast) of the surface that contacts the molten metal of the casting base metal A forming member can be obtained.
  • the void layer inside the surface layer of the contact surface is a hollow heat insulating layer formed in a sealed space so as to insulate heat transferred from the contact surface of the hollow forming member to the inner portion thereof, and cast into a hollow casting.
  • the void layer is closer to the contact surface as long as mechanical strength can be ensured.
  • This hollow forming member for example, by joining a main body portion in which a concave portion or a groove portion corresponding to the void layer is formed and a lid portion that forms the void layer by covering the opening of the concave portion or the groove portion, Can be manufactured.
  • the hollow forming member referred to in the present invention refers to a member in which a cavity is formed.
  • This cavity corresponds to a void layer in the present invention, and the void layer is a cavity of a hollow casting after casting. Equivalent to.
  • the contact surface of the hollow forming member is coated with a layer made of the same metal as the casting base metal by a coating process such as a plating process or a sputtering process.
  • the same metal as the casting base metal means that the base material is the same metal as the casting base metal.
  • the metal of the metal layer is a metal whose main material is aluminum, and the metal of the metal layer can be melted into the casting base metal during casting.
  • the other components added to these may be different.
  • the obtained hollow forming member is placed in a mold, a cast metal base metal melt is poured into the mold, and a casting is formed on the contact surface where a void layer is formed on the surface layer of the hollow forming member.
  • the base metal is brought into contact with the hollow forming member.
  • the void layer acts as a heat insulating layer against the heat of the molten metal around the hollow forming member, even if the molten metal contacts the hollow forming member, the heat of the molten metal around the inside of the hollow forming member It is hard to be transmitted to. As a result, the interface temperature between the metal layer coated on the hollow forming member and the casting base metal (molten metal) can be maintained at a temperature higher than the temperature at which they can be welded. The base metal and the metal layer become a uniform structure, and the hollow forming member and the cast base metal can be welded.
  • the void layer formed on the surface layer of the hollow forming member can act as a heat insulating layer of the hollow casting.
  • the hollow forming member may be any metal material as long as it has a melting point higher than the molten metal temperature of the casting base metal when the hollow forming member is manufactured using the hollow forming member and is stable to the molten casting base metal. Can be made.
  • the casting base metal is an aluminum-based metal such as an aluminum alloy
  • iron-based metal, titanium-based metal, ceramics, or the like are preferable because they have a higher melting point and lower thermal conductivity than aluminum-based metals.
  • the hollow forming member can be obtained by sintering an iron-based powder, machining an iron-based bulk material, or casting with a mold.
  • the iron-based metal include metal materials such as carbon steel, stainless steel, and iron-manganese alloy.
  • the hollow forming member When such a material is selected, it is more preferable to manufacture the hollow forming member so that the thickness of the gap layer is 0.3 mm or more in the manufacturing process of the hollow forming member.
  • the void layer By providing the void layer having such a layer thickness, it is possible to more reliably insulate the heat of the molten metal of the casting base metal.
  • the hollow forming member in a vacuum atmosphere.
  • the space layer of a hollow formation member may become a vacuum
  • the heat insulation of a space layer can be improved.
  • the void layer is in a vacuum state, the air in the void layer, which is a sealed space, does not rapidly expand due to the heat of the molten metal during casting, and the hollow forming member is hardly bulged.
  • the hollow forming member is arranged so that the hollow forming member is disposed on the top of the piston. More preferably, it is cast with a casting base metal.
  • the hollow formed body is arranged at the top of the piston, it is possible to suppress the heat in the combustion chamber of the internal combustion engine from being radiated through the piston, thereby increasing the heat insulation of the combustion chamber. As a result, vaporization of the fuel supplied into the combustion chamber can be promoted, and discharge of unburned gas can be suppressed.
  • the present invention it is possible to improve the bondability between the casting base material and the hollow forming member while suppressing the generation of oxides and cast holes in the casting base material.
  • FIG. 1 It is a figure explaining the manufacturing process of the hollow formation member used with the manufacturing method of the hollow casting which concerns on embodiment of this invention
  • (a) is sectional drawing of the main-body part of a hollow formation member
  • (b) is a hollow formation member
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a manufacturing process of a hollow forming member used in a method for manufacturing a hollow casting according to an embodiment of the present invention, wherein (a) is a cross-sectional view of a main body portion of the hollow forming member, and (b) is a cross-sectional view. It is a figure for demonstrating the state which attached the cover part to the main-body part of a hollow formation member.
  • FIG. 2 is a view for explaining a process of covering the hollow forming member shown in FIG. 1 with a metal layer
  • FIG. 3 is a process of casting the hollow forming member shown in FIG. 2 with a molten metal of a casting base metal. It is a figure for demonstrating.
  • the hollow forming member 10 includes a main body 11 and a lid 15.
  • the main body 11 has a columnar shape, and a disk-shaped hollow recess 13b in which the inside of the bottom surface layer 13 becomes a gap layer 13a is formed in the inside so as to open the bottom surface side. Is formed with a cylindrical hollow groove portion 14b in which the inside of the side surface layer 14 becomes a void layer 14a.
  • Such a main body 11 may be manufactured, for example, by machining a cylindrical metal as shown in FIG. 1 (a), and sintering powder having a shape shown in FIG. 1 (a). It may be produced by filling the mold cavity and molding it, and sintering it.
  • the hollow forming member is made of carbon steel, stainless steel, iron as a metal material having a melting point higher than that of the aluminum-based alloy.
  • ferrous metals such as manganese alloys, titanium alloys, or ceramics.
  • the hollow concave portion 13b and the hollow groove portion 14b of the main body portion 11 are formed so that the layer thickness of the void layers 13a and 14a of the hollow forming member 10 is 0.3 mm or more. .
  • the thickness of the wall portion of the hollow forming member 10 formed between the bottom surface (circumferential side surface) and the void layer is such that the mechanical strength of the hollow forming member and the hollow casting can be ensured. It is preferably about 5 to 2.0 mm.
  • a ring-shaped rib 13d protrudes from the hollow recess 13b of the main body 11.
  • the ribs 13d can be positioned so that the lid 15 does not enter the hollow recess 13b, and the bottom side of the hollow forming member 10 can be used when casting into a hollow casting and when used as a hollow casting.
  • the hollow forming member 10 can be reinforced so that the gap layer 13a is not crushed.
  • an iron disk-shaped lid 15 is joined from the bottom side by brazing so as to cover the opening 17 of the main body 11.
  • a void layer 13a is formed inside the bottom surface layer 13 of a circular bottom surface (contact surface) 13c with which the molten metal 32 of the casting base metal, which will be described later, comes into contact with.
  • a void layer 14a is formed inside the side surface layer 14 of the peripheral side surface (contact surface) 14c that comes into contact (see FIG. 3).
  • Brazing at the time of joining the main body part 11 and the lid part 15 is brazing in a vacuum atmosphere (vacuum brazing) so that the gap layers 13a and 14a are in a vacuum state (a state where air does not enter). Is more preferable.
  • vacuum brazing a vacuum atmosphere
  • the hollow formation member 10 is manufactured so that the space
  • the thermal expansion of the air in the gap layers 13a and 14a can be suppressed by this manufacturing method. That is, since the void layers 13a and 14a are in a vacuum state, the void layers 13a and 14a, which are sealed spaces, are not rapidly expanded by the internal air during casting. Thereby, at the time of casting, the hollow forming member hardly bulges.
  • the hollow forming member 10 is immersed in a bath 51 containing a molten metal 31 of the same aluminum metal as the casting base metal, and aluminizing treatment (plating treatment) for about 1 to 2 minutes.
  • the metal layer (plating layer) 21 is covered by the above.
  • the entire surface of the hollow forming member 10 is plated.
  • the metal layer 21 should just be coat
  • the layer thickness of the metal layer 21 is preferably about 0.02 to 0.2 mm, and the molten metal 32 of the casting base metal can be melted. By this melting, the casting base material and the hollow forming member are melted.
  • the thickness is not particularly limited as long as the adhesion can be secured.
  • the hollow forming member 10 is plated by immersing it in a molten metal 31 in which an aluminum-based metal is melted.
  • the metal layer 21 may be covered by electroplating or sputtering. Good.
  • the hollow forming member 20 coated with the metal layer 21 is disposed in the mold 52, and a molten metal 32 of a casting base metal is poured into the mold to thereby form the hollow forming member 20.
  • the cast metal is cast with a casting base metal, and after cooling, the mold is removed to obtain a hollow casting 30.
  • the gap layers 13a and 14a act as a heat insulating layer against the heat of the molten metal (cast metal base metal melt) 32 around the hollow forming member 20, the molten metal 32 contacts the hollow forming member 20. Even so, the heat of the molten metal 32 around it is hardly transmitted to the inside of the hollow forming member 20. As a result, the interface temperature between the metal layer 21 covered with the hollow forming member 20 and the molten metal 32 of the casting base metal is maintained at a temperature at which these can be welded. As a result, the metal layer 21 is melted, the casting base metal and the metal of the metal layer become a uniform structure, and the hollow forming member and the casting base metal can be welded together. Can be increased.
  • the void layers 13 a and 14 a formed on the bottom surface layer 13 and the side surface layer 14 of the hollow forming member 20 function as a heat insulating layer of the hollow casting 18.
  • FIG. 4 shows a piston 60 of an internal combustion engine using the above-described manufacturing method and having a cavity formed by the void layers 13a and 14a of the hollow forming member 10 as a heat insulating portion.
  • the piston 60 is formed by casting a cast metal base metal with the hollow forming member 10 disposed so that the hollow forming member 10 is disposed at the top 61 of the piston 60 in a mold (not shown). It casts by pouring in a type
  • Example 1 (Manufacturing process of hollow forming member) Iron-based alloy powder containing manganese: reduced iron powder: graphite is mixed at a weight ratio of 50: 49: 1 so that iron contains 25% by mass of manganese and 1% by mass of carbon, and is shaped at 800 MPa and has a diameter of 40 mm.
  • the disk was formed into a disk shape having a height of 10 mm, a groove having a thickness of 0.3 mm on the side surface layer, and a step of 0.3 mm on the bottom surface.
  • the compact was sintered in an argon atmosphere under heating conditions of 1250 ° C. for 30 minutes to produce a main body as shown in FIG.
  • a 0.5 mm-thick disc made of stainless steel JIS standard: SUS304
  • the contact portion is joined by vacuum copper brazing, and the bottom surface of the main body portion.
  • a gap layer having a thickness of 0.3 mm was formed inside the surface layer and inside the side surface layer.
  • the hollow molded member is immersed in a molten aluminum alloy for casting at 725 ° C. (JIS standard: AC3A), this state is maintained for 2 minutes, and the surface of the hollow forming member is coated with a metal layer (plating layer) of the aluminum alloy did.
  • JIS standard: AC3A JIS standard: AC3A
  • Example 1 A hollow casting was produced in the same manner as in Example 1. The difference from Example 1 is that no groove was provided in the surface layer on the side surface during the production of the hollow forming member. That is, the obtained hollow casting is that there is no void layer inside the surface layer on the side surface shown in FIG.
  • FIG. 5A is a photograph of the vicinity of the peripheral side surface of the hollow forming member according to Example 1 and the casting base material
  • FIG. 5B is the peripheral side surface of the hollow forming member according to Comparative Example 1. It is a photograph figure of the neighborhood and a casting base material.
  • Example 1 As a result, in Example 1, in the case of Example 1, since the gap layer on the side surface acts as a heat insulating layer against the heat of the molten metal around the hollow forming member, the metal layer covered with the hollow forming member is the casting mother. It is considered that the molten metal melted into the molten metal, and the cast base metal and the metal of the metal layer became a uniform structure, and the hollow forming member and the cast base metal could be welded.
  • Example 2 As in Example 1, iron-based alloy powder: reduced iron powder: graphite was mixed at a weight ratio of 50: 49: 1 so that Fe-25 mass% Mn-1 mass% C was obtained, and the diameter was 65 mm at 800 MPa. The disk was formed into a disk shape having a thickness of 10 mm. Next, the formed body was sintered in an argon atmosphere under a heating condition of 1250 ° C. for 30 minutes to produce a sintered body. The sintered body after sintering was cut into a sintered plate body having a size of 24 mm ⁇ 24 mm and a thickness of 1.7 mm.
  • an aluminum alloy for casting (JIS standard: AC8R) 71 having a thickness of 3 mm and a stainless steel plate (JIS standard: SUS304) 72 having a thickness of 0.5 mm were laminated.
  • a stainless steel spacer 73 having a width of 1 mm and a thickness of 0.1 mm, 0.3 mm, or 1.0 mm is arranged on the stainless steel plate 72, and the thickness of the spacer 73 is placed on the spacer 73.
  • the test piece 70 of the sintered plate 78 was brazed so that a void layer 75 having a layer thickness equivalent to the above was formed, and a corresponding test piece 70 of a hollow casting was manufactured.
  • Example 2 A test body was manufactured in the same manner as in Example 2. The difference from Example 2 is that the stainless steel plate 72 and the sintered plate body 78 are directly brazed without using the stainless steel spacer 73, that is, there is no void layer (the layer thickness is 0 mm). It is.
  • Example 2 ⁇ Evaluation test for thermal conductivity> Using a steady-state thermal conductivity measuring device (manufactured by ULVAC), the specimens of Example 2 and Comparative Example 2 were sandwiched between the upper and lower heaters in the device, and a one-dimensional heat flow was created with a predetermined temperature difference. It was adjusted with a guard heater. The heat flux at this time was measured, and the effective thermal conductivity was determined from the calibration value and the thickness of the specimen. The result is shown in FIG.
  • the layer thickness of the gap layer is preferably 0.3 mm or more in order for the gap layer to act as a heat insulation layer and ensure stable heat insulation performance.
  • a cylindrical hollow forming member is used, but the shape is not limited to this shape, and is a shape that matches a portion of a hollow casting in which heat insulation performance is desired to be improved, and is a polygonal column shape or an elliptical column shape. It may be.
  • gap layer was provided in the surface layer of the surface of the part which contacts a molten metal, you may provide a cavity in the other part which wants to improve heat insulation.

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Abstract

鋳物母材の酸化物や鋳巣の発生を抑えつつ、鋳物母材と中空形成部材との接合性を高めることができる中空鋳物の製造方法を提供する。中空形成部材を、鋳物母材金属の溶湯で鋳ぐるむことにより、中空鋳物を製造する方法であって、前記溶湯が接触する接触表面の表層内部に空隙層が形成されるように、前記鋳物母材金属よりも融点の高い材料で中空形成部材を製造する工程と、前記接触表面を、前記鋳物母材金属と同じ金属の層で被覆する工程と、該被覆された中空形成部材を鋳型内に配置し、前記鋳物母材金属の溶湯を鋳型内に注湯することにより、前記中空形成部材を前記鋳物母材金属によって鋳ぐるむ工程と、を少なくとも含む。

Description

中空鋳物の製造方法及び内燃機関のピストンの製造方法
　本発明は、例えば内燃機関用断熱ピストンのように、断熱等の目的で内部に空洞を有するようにした中空鋳物の製造方法に関する。
　内燃機関用断熱ピストンのように、断熱等の目的で内部に空洞を持つ中空鋳物を製造するには、形成しようとする空洞と同形状の中空部を備えた中空形成部材を鋳型内に予め配置しておき、その鋳型内に鋳物母材金属の溶湯を注湯して、中空形成部材を鋳物母材金属によって鋳ぐるむようにしている。
　この中空形成部材は、一般的に鋳物母材金属の溶湯温度よりも融点が高い材料（異材）によって作られている。具体的には、中空形成部材は、中空部をその一部に開放した状態で備えたアルミナなどの焼結体と、前記中空部の開放部分を密封するように本体部に一体に固定されるステンレス板などの蓋部材と、から構成されている。
　ここで、鋳造時の中空部の形状を確保するために、例えば、常温では固体であり鋳物母材金属の融点よりも低い温度で鋳造時にガス化するか溶融する固体物質（例えば鉛、熱可塑性樹脂など）を充填することもある（例えば特許文献１参照）。
　さらに、鋳造の前の中空形成部材の表面に、鋳物母材金属と同等の金属材料の被覆層（例えばめっき層などの金属層）を設けることが多い。このような被覆層を設けた中空形成部材を鋳物母材金属で鋳ぐるむ際に、鋳物母材金属の溶湯の熱により金属層を溶融させ、これにより、鋳物母材金属を中空形成部材に溶着させることができる。
特公平３－９８２１号公報
　しかしながら、中空形成部材の金属層を鋳物母材金属の溶湯で溶融させて、金属層の金属を鋳物母材金属に確実に溶け込ませるには、鋳物母材金属の溶湯温度をより高めることが好ましいが、溶湯温度が上昇するに従って、鋳物母材金属が酸化したり、鋳物母材に鋳巣ができ易くなったりして、鋳造品の品質が損なわれるおそれがある。
　このことを鑑みれば、溶湯温度を過度に高めずに鋳物母材金属の溶湯で中空形成部材を鋳ぐるむことが好ましい。しかしながら、この場合、中空形成部材に溶湯が接触した瞬間に、中空形成部材の周りの溶湯の熱が中空形成部材の内部に伝達されるので、その周りの溶湯が局所的に冷却されてしまう。この結果、金属層を溶湯の熱で充分に溶融することができず、鋳物母材と中空形成部材とを溶着しこれらを接合することができないおそれがある。
　本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、鋳物母材の酸化物や鋳巣の発生を抑えつつ、鋳物母材と中空形成部材との接合性を高めることができる中空鋳物の製造方法を提供することにある。
　上記課題を解決すべく、発明者らは鋭意検討を重ねた結果、鋳造時において、鋳物母材金属の溶湯の熱が中空形成部材の内部に奪われないように、中空形成部材の表層に断熱層を設ければ、鋳造時の中空形成部材のまわりの溶湯温度は他の溶湯温度と同等に保持され、これにより、溶湯温度をさらに高めることなく中空形成部材の表面の金属層を溶湯により溶融することができ、鋳物母材と中空形成部材との接合性を高めることができるとの新たな知見を得た。
　本発明は、この発明者らの新たな知見によるものであり、中空形成部材を、鋳物母材金属の溶湯で鋳ぐるむことにより、中空鋳物を製造する方法であって、前記溶湯が接触する接触表面の表層内部に空隙層が形成されるように、前記鋳物母材金属よりも融点の高い材料で中空形成部材を製造する工程と、前記接触表面を、前記鋳物母材金属と同じ金属の層で被覆する工程と、該被覆された中空形成部材を鋳型内に配置し、前記鋳物母材金属の溶湯を鋳型内に注湯することにより、前記中空形成部材を前記鋳物母材金属によって鋳ぐるむ工程と、を少なくとも含むことを特徴とするものである。
　本発明によれば、まず、中空形成部材の製造工程において、表面のうち、鋳物母材金属の溶湯に接触する接触表面（鋳ぐるみされる表面）の表層内部に、空隙層が形成された中空形成部材を得ることができる。
　ここで、接触表面の表層内部の空隙層は、中空形成部材の接触表面から、その内部部分に伝達される熱を断熱するように密閉空間に形成された中空断熱層であり、中空鋳物に鋳造する際、および中空鋳物として使用の際に、機械的強度を確保することができるのであれば、この空隙層は、より接触表面に近いことが好ましい。
　この中空形成部材は、例えば、空隙層に相当する凹部または溝部が形成された本体部と、該凹部または溝部の開口を覆うことにより空隙層を形成する蓋体部と、を接合することにより、製造することができる。
　ここで、本発明にいう中空形成部材とは、空洞が形成された部材のことをいい、この空洞は、本発明では空隙層に相当し、空隙層が、鋳ぐるみ後の中空鋳物の空洞に相当する。
　次に、被覆工程において、中空形成部材の接触表面には、鋳物母材金属と同じ金属からなる層が、たとえばめっき処理、スパッタリング処理などのコーティング処理により被覆される。ここで、鋳物母材金属と同じ金属とは、ベース材が鋳物母材金属と同じ金属のことをいう。例えば、鋳物母材金属がアルミニウム合金である場合には、金属層の金属はアルミニウムを主材とした金属であり、鋳ぐるみ時に、金属層の金属が鋳物母材金属に溶け込むことができるのであれば、これらに添加された他の成分は異なっていてもよい。
　このようにして、得られた中空形成部材を鋳型内に配置し、鋳型内に鋳物母材金属の溶湯を注湯して、中空形成部材の表層に空隙層が形成された接触表面に、鋳物母材金属を接触させて、中空形成部材を鋳ぐるむ。
　この際に、中空形成部材の周りの溶湯の熱に対して、空隙層が断熱層として作用するので、中空形成部材に溶湯が接触しても、その周りの溶湯の熱は中空形成部材の内部に伝達され難い。このような結果、中空形成部材に被覆された金属層と鋳物母材金属（溶湯）との界面温度は、これらが溶着可能な温度以上に保つことができるので、金属層は溶融し、鋳物母材金属と金属層とが一様な組織となって、中空形成部材と鋳物母材金属とを溶着することができる。
　さらに、得られた中空鋳物の使用時においても、中空形成部材の表層に形成された空隙層を、中空鋳物の断熱層として作用させることができる。
　中空形成部材は、中空形成部材を用いて中空鋳物を製造するときの鋳物母材金属の溶湯温度よりも融点が高くかつ鋳物母材金属溶湯に対して安定な材料であれば任意の金属材料で作ることができる。
　一例として、鋳物母材金属が、アルミニウム合金などのアルミニウム系金属の場合、中空形成部材は、鉄系金属やチタン系金属、セラミックスなどを用いることがより好ましい。これらの金属は、アルミニウム系金属よりも、融点が高く、熱伝導性が低いので好適である。鉄系金属を用いた場合、中空形成部材は、鉄系の粉末を焼結処理したり、鉄系のバルク材を機械加工したり、鋳型で鋳造したりすることにより得ることができる。鉄系金属としては、炭素鋼、ステンレス鋼、鉄マンガン合金などの金属材料を挙げることができる。
　このような材料選択をした場合、前記中空形成部材の製造工程において、前記空隙層の厚みが０．３ｍｍ以上となるように、前記中空形成部材を製造することがより好ましい。このような層厚みの空隙層を設けることにより、より確実に鋳物母材金属の溶湯の熱を断熱することができる。
　さらに、本発明に係る中空鋳物の製造方法において、中空形成部材を真空雰囲気下で製造することがより好ましい。このように、中空形成部材の空隙層が真空となるように中空形成部材を製造するので、空隙層の断熱性を高めることができる。また、空隙層が真空状態であるため、鋳込み時に、溶湯の熱によって密閉空間である空隙層内の空気が急激に膨張することがなく、中空形成部材にふくれが生じることもほとんどない。
　本発明に係る中空鋳物の製造方法により、内燃機関のピストンを製造することがより好ましく、鋳ぐるみ工程において、前記ピストンの頂部に前記中空形成部材が配置されるように、前記中空形成部材を前記鋳物母材金属によって鋳ぐるむことがより好ましい。
　本発明によれば、ピストンの頂部に中空形成体が配置されるので、内燃機関の燃焼室内の熱がピストンを介して放熱されることを抑えられ、これにより燃焼室の断熱性が高まる。この結果、燃焼室内に供給される燃料の気化を促進し、未燃ガスの排出を抑制することができる。
　本発明によれば、鋳物母材の酸化物や鋳巣の発生を抑えつつ、鋳物母材と中空形成部材との接合性を高めることができる。
本発明の実施形態に係る中空鋳物の製造方法で用いる中空形成部材の製造工程を説明する図であり、（ａ）は、中空形成部材の本体部の断面図、（ｂ）は、中空形成部材の本体部に蓋部を取り付けた状態を説明するための図。 図１に示す中空形成部材に金属層を被覆する工程を説明するための図。 図２に示す中空形成部材を鋳物母材金属の溶湯で鋳ぐるむ工程を説明するための図。 本実施形態の中空鋳物の製造方法によって製造した内燃機関のピストンを示す図。 中空鋳物の組織断面の写真図であり、（ａ）は、実施例１に係る中空形成部材の周側面近傍と鋳物母材との写真図であり、（ｂ）は、比較例１に係る中空形成部材の周側面近傍と鋳物母材との写真図。 実施例２及び比較例２で用いたテストピ－スを説明する図。 実施例２及び比較例２における空隙層の層厚みと実効熱伝導率との関係を示した図。
　以下、図面を参照して、本発明を実施の形態に基づき説明する。図１は、本発明の実施形態に係る中空鋳物の製造方法で用いる中空形成部材の製造工程を説明する図であり、（ａ）は、中空形成部材の本体部の断面図、（ｂ）は、中空形成部材の本体部に蓋部を取り付けた状態を説明するための図である。図２は、図１に示す中空形成部材に金属層を被覆する工程を説明するための図であり、図３は、図２に示す中空形成部材を鋳物母材金属の溶湯で鋳ぐるむ工程を説明するための図である。
　図１（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態に係る中空形成部材１０は、本体部１１と、蓋体部１５とからなる。本体部１１は、円柱状であり、その内部には、底面側を開放するようにして、底面表層１３の内部が空隙層１３ａとなる円盤状の中空凹部１３ｂが形成され、さらに、側面側には、その側面表層１４の内部が空隙層１４ａとなる円筒状の中空溝部１４ｂが形成されている。
　このような本体部１１は、例えば、円柱状の金属を機械加工により、図１（ａ）のように製造してもよく、また、焼結用の粉末を図１（ａ）に示す形状の成形型のキャビティ内に充填して成形し、これを焼結して製造してもよい。
　ここで、本実施形態では、後述する鋳造母材金属にアルミニウム系金属（アルミニウム合金）を用いるので、中空形成部材は、アルミニウム系合金よりも融点の高い金属材料として、炭素鋼、ステンレス鋼、鉄マンガン合金などの鉄系金属、チタン合金、またはセラミックスを用いて製造する。ここで、鉄系の材料を用いた場合、中空形成部材１０の空隙層１３ａ，１４ａの層厚みが、０．３ｍｍ以上となるように、本体部１１の中空凹部１３ｂ，中空溝部１４ｂを形成する。
　さらに底面（周側面）と空隙層の間に形成される中空形成部材１０の壁部分の肉厚は、中空形成部材及び中空鋳物の機械的強度を確保できる程度の肉厚であって、０．５～２．０ｍｍ程度であることが好ましい。
　なお、本体部１１の中空凹部１３ｂには、リング状のリブ１３ｄが突出して形成されている。このリブ１３ｄにより、蓋体部１５が中空凹部１３ｂに入り込まないよう位置決めをすることができるばかりでなく、中空鋳物に鋳造する際、および中空鋳物として使用の際に、中空形成部材１０の底面側の空隙層１３ａが潰れないよう中空形成部材１０を補強することができる。
　次に、図１（ｂ）に示すように、本体部１１の開口１７を覆うように、底面側から鉄製の円盤状の蓋体部１５をろう付けにより接合する。これにより、後述する、鋳物母材金属の溶湯３２が接触する円状の底面（接触表面）１３ｃの底面表層１３の内部に、空隙層１３ａが形成され、かつ、鋳物母材金属の溶湯３２が接触する周側面（接触表面）１４ｃの側面表層１４の内部に、空隙層１４ａが形成される（図３参照）。
　本体部１１と蓋体部１５との接合時におけるろう付けは、空隙層１３ａ，１４ａを真空状態（空気が入り込まない状態）とすべく、真空雰囲気下でろう付け（真空ろう付け）されることがより好ましい。このように、中空形成部材１０の空隙層１３ａ，１４ａが真空となるように中空形成部材１０を製造するので、空隙層の断熱性を高めることができる。
　さらには、この製造方法により、空隙層１３ａ，１４ａの空気の熱膨張を抑えることができる。すなわち、空隙層１３ａ，１４ａが真空状態であるため、鋳込み時に、溶湯の熱によって密閉空間である空隙層１３ａ，１４ａが、内部の空気により急激に膨張することがない。これにより、鋳込み時に、中空形成部材にふくれが生じることもほとんどない。
　次に、図２に示すように、中空形成部材１０を、鋳物母材金属と同じアルミニウム系金属の溶湯３１が入った浴槽５１に浸漬させ、１～２分程度のアルミナイジング処理（めっき処理）により金属層（めっき層）２１を被覆する。図では、中空形成部材１０の全表面にめっき処理をしている。しかしながら、本実施形態の場合には、中空形成部材１０の表面のうち、少なくとも鋳物母材金属の溶湯３２が接触する底面１３ｃ及び周側面１４ｃに、金属層２１が被覆さればよい。
　また、金属層２１の層厚みは、０．０２～０．２ｍｍ程度であることが好ましく、鋳物母材金属の溶湯３２が溶け込むことができ、この溶け込みにより、鋳物母材と中空形成部材との密着性を確保できる厚みであれば特に限定されるものではない。
　なお、ここでは、中空形成部材１０をアルミニウム系金属が溶融した溶湯３１に浸漬することによりめっき処理を行ったが、この金属層２１は、電気めっき処理や、スパッタリング処理などによって、被覆してもよい。
　さらに、図３に示すように、金属層２１が被覆された中空形成部材２０を鋳型５２内に配置し、鋳物母材金属の溶湯３２を鋳型内に注湯することにより、中空形成部材２０を鋳物母材金属によって鋳ぐるみ、これを放冷後、脱型して中空鋳物３０とされる。
　この際に、中空形成部材２０の周りの溶湯（鋳物母材金属の溶融物）３２の熱に対して、空隙層１３ａ，１４ａが断熱層として作用するので、中空形成部材２０に溶湯３２が接触しても、その周りの溶湯３２の熱は中空形成部材２０の内部に伝達され難い。このような結果、中空形成部材２０に被覆された金属層２１と鋳物母材金属の溶湯３２との界面温度は、これらが溶着可能な温度以上に保たれる。これにより、金属層２１は溶融し、鋳物母材金属と金属層の金属とが一様な組織となって、中空形成部材と鋳物母材金属とを溶着することができ、これらに接合性を高めることができる。
　さらに、得られた中空鋳物１８の使用時においても、中空形成部材２０の底面表層１３及び側面表層１４に形成された空隙層１３ａ，１４ａが、中空鋳物１８の断熱層として作用する。
　図４は、上記の製造方法を用いて、中空形成部材１０の空隙層１３ａ，１４ａで形成される空洞を断熱部とした内燃機関のピストン６０を示している。ピストン６０は、鋳ぐるみ工程において、図示しない鋳型内で、ピストン６０の頂部６１に中空形成部材１０が配置されるように、中空形成部材１０を配置した状態で、鋳物母材金属の溶湯を成形型内に流し込むことによって鋳造され、中空形成部材１０の空隙層１３ａ，１４ａが断熱部として機能している。
　このようにして、内燃機関の燃焼室内の燃焼熱が、ピストンを介して放熱されることを抑えることにより、燃焼室内の断熱性が高まり、ここ結果、燃料の気化を促進し、未燃ガスの排出を抑制することができる。
　本発明を以下の実施例により説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
［実施例１］
（中空形成部材の製造工程）
　鉄にマンガンが２５質量％、炭素が１質量％含有するように、マンガンを含む鉄系合金粉末：還元鉄粉：黒鉛を５０：４９：１の重量割合で混合し、８００ＭＰａで形状、直径４０ｍｍ、高さ１０ｍｍ、側面の表層に厚さ０．３ｍｍの溝を有し、底面に０．３ｍｍの段差を設けた円板形状に成形した。次に、加熱条件１２５０℃で３０分の条件で、アルゴン雰囲気下で成形体を焼結し、図１（ａ）に示すような本体部を製造した。
　次に、蓋体部として、ステンレス鋼（ＪＩＳ規格：ＳＵＳ３０４）からなる厚さ０．５ｍｍの円板を断熱板の底面にはめ込み、接触部を真空銅ろうづけにより接合して、本体部の底面表層の内部と側面表層内部に厚さ０．３ｍｍの空隙層を形成した。
（金属層の被覆工程）
　中空成形部材を、７２５℃の鋳物用アルミニウム合金（ＪＩＳ規格：ＡＣ３Ａ）の溶湯中に浸漬し、この状態を２分間保持し、中空形成部材の表面にアルミニウム合金の金属層（めっき層）を被覆した。
（鋳ぐるみ工程）
　アルミニウム合金の金属層が形成された鋳型にセットし７５０℃の鋳物用アルミニウム合金（ＪＩＳ規格：ＡＣ８Ａ）の溶湯で鋳ぐるみを行った。鋳型内の溶湯を放熱後得られた鋳造物を上記鋳型から脱型して、中空鋳物を得た。
［比較例１］
　実施例１と同じようにして、中空鋳物を製造した。実施例１と相違する点は、中空形成部材の製造時に、側面の表層内部に溝部も設けなかった点である。すなわち、得られた中空鋳物は、図１（ｂ）に示す側面の表層内部に空隙層がない点である。
＜組織観察＞
　実施例１及び比較例１の中空鋳物の断面の金属組織を顕微鏡により観察した。この結果を図５に示す。なお、図５（ａ）は、実施例１に係る中空形成部材の周側面近傍と鋳物母材との写真図であり、図５（ｂ）は、比較例１に係る中空形成部材の周側面近傍と鋳物母材との写真図である。
＜結果１＞
　図５（ａ）に示すように、中空形成部材の側面の表層に空隙層を設けた場合（実施例１）、アルミニウム合金の金属層が鋳物母材（溶湯）に溶け込み、金属層が鋳物母材と一体化していた。一方、中空形成部材の側面の表層に空隙層を設けない場合（比較例１）、アルミニウム合金の金属層が鋳物母材に溶け込まず、さらに、金属層と鋳物母材との間に隙間が認められた。
＜評価１＞
　この結果１から、実施例１の場合には、中空形成部材の周りの溶湯の熱に対して、側面の空隙層が断熱層として作用するので、中空形成部材に被覆された金属層が鋳物母材金属の溶湯に溶け込み、鋳物母材金属と金属層の金属とが一様な組織となって、中空形成部材と鋳物母材金属とを溶着することができたと考えられる。
［実施例２］
　実施例１と同様に、Ｆｅ－２５質量％Ｍｎ－１質量％Ｃとなるように、鉄系合金粉末：還元鉄粉：黒鉛を５０：４９：１の重量割合で混合し、８００ＭＰａで直径６５ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円板形状に形成した。次に、加熱条件１２５０℃で３０分の条件で、アルゴン雰囲気下で形成体の焼結を行い、焼結体を製造した。焼結後の焼結体を、２４ｍｍ×２４ｍｍ、厚さ１．７ｍｍの焼結板体に切り出した。
　図６に示すように、厚さ３ｍｍの鋳物用アルミニウム合金（ＪＩＳ規格：ＡＣ８Ｒ）７１と、厚さ０．５ｍｍのステンレス板（ＪＩＳ規格：ＳＵＳ３０４）７２と積層した。次にステンレス板７２の上に、幅１ｍｍとし、厚さ０．１ｍｍ、０．３ｍｍ、及び１．０ｍｍのいずれかのステンレス製のスペーサ７３を配置し、スペーサ７３の上に、スペーサ７３の厚みと同等の層厚みを有した空隙層７５が形成されるように、焼結板体７８の試験片をろう付けし、中空鋳物の相当する試験体７０を製作した。
［比較例２］
　実施例２と同じようにして試験体を製作した。実施例２と相違する点は、ステンレス製のスペーサ７３を介さずにステンレス板７２と焼結板体７８とを直接ろう付けした点であり、すなわち空隙層が無い（層厚み０ｍｍとした）点である。
＜熱伝導性の評価試験＞
　定常熱伝導率測定装置（アルバック社製）を用いて、実施例２及び比較例２の試験体を装置内の上部及び下部のヒータ間にはさみ、所定の温度差をつけ一次元の熱流になるようガードヒータによって調整した。この時の熱流束を測定して、較正値と試験体の厚さから実効熱伝導率を求めた。この結果を図７に示す。
＜結果２＞
　図７に示すように、ステンレス製のスペーサを設けることにより、空隙層が形成され、この結果、試験体の実効熱伝導率は小さくなった。さらに、実施例２に示すように、実効熱伝導率は空隙層の層厚み０．１ｍｍ以上で減少割合が低下し０．３ｍｍ以上でほぼ一定となった。
＜評価２＞
　結果２より、空隙層が断熱層として作用し、安定した断熱性能を確保するためには、空隙層の層厚みが０．３ｍｍ以上であることが好ましいといえる。
　以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
　例えば、本実施形態では、円柱状の中空形成部材を用いたが、この形状に限定されるわけではなく、断熱性能を高めたい中空鋳物の部分に合わせた形状であり、多角柱状、または楕円柱状などであってもよい。また、本実施形態では、溶湯に接触する部分の表面の表層に空隙層を設けたが、断熱性を高めたいその他の部分に、空洞をさらに設けてもよい。
　１０：中空形成部材、１１：本体部、１３：底面表層、１３ａ：空隙層、１３ｂ：中空凹部、１３ｃ：底面、１４：側面表層、１４ａ：空隙層、１４ｂ：中空溝部、１４ｃ：周側面、１５：蓋体部、２０：中空形成部材、２１：金属層、３１：溶湯、３２：溶湯、５１：浴槽、５２：鋳型、６０：ピストン、６１：頂部

Claims (4)

  1. 　中空形成部材を、鋳物母材金属の溶湯で鋳ぐるむことにより、中空鋳物を製造する方法であって、
    　前記溶湯が接触する接触表面の表層内部に空隙層が形成されるように、前記鋳物母材金属よりも融点の高い材料で中空形成部材を製造する工程と、
    　前記接触表面を、前記鋳物母材金属と同じ金属の層で被覆する工程と、
    　該被覆された中空形成部材を鋳型内に配置し、前記鋳物母材金属の溶湯を鋳型内に注湯することにより、前記中空形成部材を前記鋳物母材金属によって鋳ぐるむ工程と、を少なくとも含むことを特徴とする中空鋳物の製造方法。
  2. 　前記中空鋳物金属に、アルミニウム系金属を用い、前記中空形成部材に、鉄系金属を用い、
    　前記中空形成部材の製造工程において、前記空隙層の厚みが０．３ｍｍ以上となるように、前記中空形成部材を製造することを特徴とする請求項１に記載の中空鋳物の製造方法。
  3. 　前記中空形成部材を真空雰囲気下で製造することを特徴とする請求項１または２に記載の中空鋳物の製造方法。
  4. 　請求項１～３のいずれかに記載の中空鋳物の製造方法を含む内燃機関のピストンの製造方法であって、
    　鋳ぐるみ工程において、前記ピストンの頂部に前記中空形成部材が配置されるように、前記中空形成部材を前記鋳物母材金属によって鋳ぐるむことを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。
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