WO2020129271A1 - 鋳造装置 - Google Patents

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WO2020129271A1
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insert
gas
casting
passage
mold
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慎太郎 荒木
誠 澤井
石井　啓介
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本田金属技術株式会社
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    • B22D15/04—Machines or apparatus for chill casting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C1/00—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F5/10—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of articles with cavities or holes, not otherwise provided for in the preceding subgroups

Definitions

  • the present invention relates to a casting apparatus suitable for manufacturing a cylinder head, a piston and the like.
  • one of the components of an internal combustion engine is a cylinder head.
  • This cylinder head is manufactured by a casting method.
  • a molten metal such as an aluminum alloy is poured into the cavity of the mold and taken out from the mold when the solidification of the molten metal is completed. The one taken out becomes the cylinder head.
  • a combustion chamber is provided in the internal combustion engine.
  • the shape of the combustion chamber greatly affects the output of the internal combustion engine. Therefore, the accuracy of the combustion chamber is required.
  • the cylinder head forms part of the combustion chamber. Precision and strength are required for the part of the cylinder head where a part of the combustion chamber is formed.
  • Patent Document 1 A technique for cooling a combustion chamber forming portion in a cylinder head mold is disclosed in Patent Document 1, for example.
  • the thermal deformation of the combustion chamber forming portion and the coarsening of the solidified structure can be suppressed. If there is no thermal deformation, the accuracy of the combustion chamber can be increased. Further, by cooling, the structure of the casting can be made dense and the strength can be increased.
  • FIG. 12A an insert die 201 is attached to the lower die 200 of the cylinder head die.
  • a cooling passage 202 is provided in the nest 201.
  • FIG. 12B which is a view taken in the direction of arrow b in FIG. 12A, the cooling passage 202 is opened with a long drill. Both ends of the cooling passage 202 are closed by plugs 203.
  • Such a cooling passage 202 is called a "straight channel".
  • Patent Document 2 a technique of casting a cylinder head using a nest is disclosed in Patent Document 2, for example.
  • the insert is water-cooled from the start of pressurization until the solidification of the combustion chamber portion is completed. After the solidification is complete, the insert is air cooled. By cooling, the structure of the combustion chamber portion is densified.
  • Patent Document 2 has the following problems. When air is switched to water in the cooling medium passage through which water or air flows, water mixed with air flows for a while. Since air has a low cooling capacity, it is necessary to keep flowing water until the water becomes 100%. Since it has to wait until it stabilizes, the production efficiency decreases.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 have the following common problems.
  • Components (calcium etc.) contained in water adhere to the inner wall surface of the cooling passage 202 shown in FIG. 12 in the form of being converted into oxides or hydroxides.
  • This deposit has a much lower thermal conductivity than metals such as iron. If the thermal conductivity is small, it is not possible to sufficiently cool the insert 201 with water, and the insert 201 is melted and damaged.
  • An object of the present invention is to provide a casting device equipped with an insert die that does not use water.
  • the invention according to claim 1 is provided with a mold including an insert, a melt supply device for supplying a melt to a cavity of the mold, and a gas supply mechanism for supplying a gas for forced cooling to the insert.
  • a casting machine that The insert is a sintered product made of a powder containing at least one of tungsten, molybdenum, and tungsten carbide as a main material, This sintered product contains a gas passage through which the gas for forced cooling flows.
  • the gas passage has one of a spiral shape and a meandering shape.
  • a part of the cross section of the gas passage is located near a surface of the insert that contacts the molten metal.
  • the mold is for casting a cylinder head of an internal combustion engine, and the insert is for forming a combustion chamber.
  • the insert is made of tungsten, molybdenum, or tungsten carbide, which has a significantly higher thermal conductivity than the die steel.
  • the gas passage is built in the nest. Therefore, the present invention provides a low-pressure casting apparatus having an insert that uses only gas without using water.
  • the gas passage has a spiral shape or a meandering shape.
  • the conventional insert is made of steel for molds that allows water to flow through one straight passage
  • the insert of the present invention has a spiral passage or a meandering passage and is made of a material such as tungsten having a high thermal conductivity. By using a rate material and a refrigerant as a gas, it was comparable to the conventional water cooling insert.
  • a part of the cross section of the gas passage is located near the surface where the molten metal of the insert contacts. In the nesting, the surface where the molten metal comes into contact has the highest temperature. Since the gas passage extends close to the surface of the insert that contacts the molten metal, the insert is effectively cooled.
  • the present invention is applied to a cylinder head of an internal combustion engine. According to the present invention, it is possible to obtain a cylinder head in which a combustion chamber has a dense structure even though it is an air-cooled insert casting method.
  • FIG. 12A is a cross-sectional view of a lower mold of a conventional cylinder head mold
  • FIG. 12B is a view on arrow b of FIG. 12A.
  • the casting apparatus 10 includes a mold 20 having an insert 90, a melt supply device 30 for supplying the melt 32 to the mold 20, and a gas for forced cooling to the insert 90.
  • the gas supply mechanism 40 is provided.
  • the gas supplied by the gas supply mechanism 40 may be any of air, nitrogen, carbon dioxide, or an equivalent gas, and the type is not limited.
  • the mold 20 includes, for example, a lower mold 21, a left side mold 22 and a right side mold 23 that slide left and right, an upper mold 24 that is placed on the left side mold 22 and the right side mold 23, and an upper center of the lower mold 21.
  • the nest 90 is placed, the collapsing core 25 is passed to the nest 90 and the left side mold 22, and the collapsing core 26 is passed to the nest 90 and the right side mold 23.
  • the molten metal supply device 30 includes, for example, a furnace body 31 having a built-in heater, a pan 33 that is surrounded by the furnace body 31 and stores the molten metal 32, a stalk (conduit) 34 that is inserted into the molten metal 32 from above, and an upper portion of the pan 33. And an air supply pipe 35 for sending a compressed gas. A gas having a pressure of (atmospheric pressure+50 kPa) is sent from the air supply pipe 35. Then, the molten metal 32 is pushed down. Along with this pushing down, part of the molten metal 32 rises in the stalk 34 and is supplied to the cavity 27 in the mold 20.
  • this casting method is also called low pressure casting or low pressure casting.
  • low pressure casting is adopted.
  • the gas supply mechanism 40 includes, for example, a compressed gas source 41 such as a compressor or a compressed gas tank, a gas supply pipe 42 that sends a compressed gas from the compressed gas source 41 to the nest 90, and a spent gas from the nest 90. And a gas discharge pipe 43 for discharging.
  • the gas supply pipe 42 is provided with a stop valve 44 and a flow rate adjusting valve 45, and a gas having a desired flow velocity or flow rate is supplied to the insert 90.
  • the molten product 32 is supplied to the cavity 27 by the molten metal supply device 30 while forcibly cooling the insert 90 with a gas, so that a cast product can be obtained.
  • the cast product will be described by taking the cylinder head 50 of the internal combustion engine as an example. However, the cast product is not limited to the cylinder head 50.
  • the cylinder head 50 as a cast product has a recessed portion 51 for accommodating the valve mechanism (FIG. 3, reference numeral 70) in the upper part, a combustion chamber 52 in the center of the lower part, and a left side on the left side. It has an intake passage 53 and an exhaust passage 54 on the right side.
  • valve mechanism FIG. 3, reference numeral 70
  • the combustion chamber 52 is formed by a nest (FIG. 1, reference numeral 90).
  • the collapsing core (reference numeral 25 in FIG. 1) is broken and scraped out after the solidification of the molten metal is completed.
  • the obtained cavity becomes the intake passage 53.
  • the exhaust passage 54 is formed by the collapsing core (reference numeral 26 in FIG. 1).
  • the internal combustion engine 60 includes the cylinder head 50 will be described based on FIG. As shown in FIG. 3, the internal combustion engine 60 has a cylinder block 61, a cylinder head 50 mounted on the cylinder block 61, and a head cover 63 that covers the upper surface of the cylinder head 50.
  • the intake passage 53 and the exhaust passage 54 of the cylinder head 50 are opened and closed by the valve mechanism 70.
  • the valve operating mechanism 70 includes an intake valve 71 that opens and closes the intake passage 53, an intake-side spring 72 that biases the intake valve 71 to the closing side, an intake-side rocker arm 73 that pushes the intake valve 71 to the opening side, and an intake valve
  • the intake side rocker arm shaft 74 that supports the side rocker arm 73, the cam shaft 75 that swings the intake side rocker arm shaft 74, the exhaust valve 76 that opens and closes the exhaust passage 54, and the exhaust side that urges the exhaust valve 76 to the closing side. It comprises a spring 77, an exhaust side rocker arm 78 that pushes the exhaust valve 76 to the open side, and an exhaust side rocker arm shaft 79 that supports the exhaust side rocker arm 78.
  • the exhaust side rocker arm 78 is also swung by the cam shaft 75.
  • the intake side spring seat 82 and the exhaust side spring seat 83 are formed by machining a cast product.
  • the intake-side valve seat 84, the intake-side valve guide 85 arranged above it, the exhaust-side valve seat 86, and the exhaust-side valve guide 87 arranged above it are It is fitted into a casting.
  • combustion chamber 52 Since the combustion chamber 52 is exposed to high-temperature combustion gas, it requires higher temperature strength than other parts. By cooling with the nest 90, the metal structure of the combustion chamber 52 becomes dense. When it becomes dense, the strength of the combustion chamber 52 increases.
  • the insert 90 extends from the first horizontal hole 91, a first vertical hole 92 extending obliquely from the first horizontal hole 91, an inlet 93a following the first vertical hole 92, and the inlet 93a.
  • the gas passage 93, an outlet 93b of the gas passage 93, a second vertical hole 94 that descends from the outlet 93b, and a second horizontal hole 95 that extends from the second vertical hole 94 are provided.
  • the gas passage 93 has a vertically long rectangular or elliptical cross section, and the upper end reaches the vicinity of the upper surface of the insert 90.
  • the upper surface of the insert 90 is a surface that contacts the molten metal.
  • a part of the cross section of the gas passage 93 is located near the surface of the insert 90 in contact with the molten metal (the upper surface in this example). In the nest 90, the surface where the molten metal comes into contact has the highest temperature. Since the gas passage 93 extends close to the surface of the insert 90 in contact with the molten metal, the insert 90 is effectively cooled.
  • FIG. 5A is a sectional view taken along line 5a-5a in FIG. 4, in which the gas passage 93 has a spiral shape.
  • a comparative example is shown in FIG.
  • the insert 221 has a straight passage 222 formed by a long drill. Both ends of this straight passage 222 are closed by plugs 223.
  • FIG. 5C shows a modified example according to the present invention. In this modification, the gas passage 93 has a meandering shape.
  • the distance between the inlet 222a and the outlet 222b is L.
  • a refrigerant pool is formed between the inlet 222a and the plug 223, and contributes little to cooling. The same is true between the outlet 222b and the plug 223. Therefore, the distance L becomes a length that contributes to cooling.
  • the distance between the inlet 93a and the outlet 93b was approximately 7 ⁇ L.
  • the distance between the inlet 93a and the outlet 93b was approximately 6 ⁇ L.
  • the gas passage 93 having a spiral shape or a meandering shape is 6 to 7 times longer than the conventional straight passage 222. However, it is not easy to form the gas passage 93 having a spiral shape or a meandering shape. Therefore, a method of forming the gas passage 93 having a spiral shape will be described with reference to FIGS. 6 to 9.
  • a first die 101 As shown in FIG. 6A, a first die 101, a first lower punch 102 that is fitted into the first die 101 from below, and a first upper punch 103 that is arranged above the first lower punch 102.
  • a first molding die 100 consisting of is prepared. Then, the metal mixed powder 104 as a powder containing tungsten as a main material is put into the first die 101.
  • the metal mixed powder 104 is preferably a mixture of a tungsten powder 105 as a main material and a nickel powder 106 as an auxiliary material.
  • the main material may be molybdenum powder, tungsten carbide powder, or a mixture thereof.
  • the main material may be 80 to 99% by mass, and the balance may be an auxiliary material.
  • FIG. 6B the metal mixed powder 104 in the first die 101 is compressed by the first lower punch 102 and the first upper punch 103. From the above, the first green compact 107 shown in FIG. 6C is obtained. Next, as shown in FIG. 6D, a groove-shaped gas passage 93 that is open downward is formed in the first green compact 107 by machining.
  • the first upper punch 103 may be provided with a protrusion in order to form the first powder compact 107 and the gas passage 93 at the same time.
  • This convex portion corresponds to a groove-shaped gas passage.
  • a second die 111 As shown in FIG. 7A, a second die 111, a second lower punch 112 that is fitted into the second die 111 from below, and a second upper punch 113 that is arranged above the second lower punch 112.
  • a second molding die 110 consisting of is prepared. Then, the metal mixed powder 104 is put into the second die 111.
  • the metal mixed powder 104 is made of the same material as the constituent elements of the first green compact (FIG. 6, reference numeral 107).
  • the second powder compact 114 is machined to have a long first lateral hole 91, a first vertical hole 92 rising from the tip of the first lateral hole 91, and a first lateral hole 91.
  • a short second horizontal hole 95 provided on the opposite side of the second horizontal hole 95 and a second vertical hole 94 rising from the tip of the second horizontal hole 95 are formed.
  • the first green compact 107 is stacked on the second green compact 114.
  • a boundary 117 between the first green compact 107 and the second green compact 114 is a boundary 117.
  • the first vertical hole 92 is connected to the inlet 93a of the gas passage 93
  • the second vertical hole 94 is connected to the outlet 93b of the gas passage 93.
  • the sintering furnace 120 includes, for example, a cylindrical container 121, a heat insulating material 122 lined in the container 121, a heater 123 arranged in the container 121, and a vacuum pump 124 that evacuates the inside of the container 121. ..
  • liquid phase sintering process may be performed in an inert gas (argon gas, nitrogen gas) atmosphere in addition to the vacuum. Therefore, the sintering furnace 120 is not limited to the vacuum type sintering equipment.
  • the liquid-phase sintering method is a processing method in which some components are dissolved during sintering and proceed in a liquid-phase mixed state.
  • the description will be made again based on the embodiment.
  • the melting point of tungsten is 3380°C
  • the melting point of nickel is 1453°C.
  • the inside of the container 121 is evacuated and then maintained at about 1500° C. by the heater 123. Then, the nickel powder on the low melting point side becomes a liquid phase, and the tungsten powder on the high melting point side remains a solid phase, and liquid phase sintering proceeds in a mixed state of the liquid phase.
  • the insert 90 as a sintered product shown in FIG. 9A is obtained.
  • the gas when gas is supplied to the first lateral hole 91, the gas enters the gas passage 93 through the first vertical hole 92 and cools the nest 90 to every corner while passing through the gas passage 93. ..
  • the warmed gas is discharged through the outlet 93b, the second vertical hole 94, and the second horizontal hole 95.
  • FIG. 9B is an enlarged view of part b of FIG. 9A.
  • FIG. 9B shows a cross section of a general part of the insert 90.
  • the tungsten particles 96 are sintered so that the gap is filled with the nickel melt 97.
  • FIG. 9C is an enlarged view of portion c of FIG. 9A.
  • FIG. 9C shows the vicinity of the boundary between the outlet 93b and the second vertical hole 94, that is, the boundary (reference numeral 117 in FIG. 8). Same as FIG. 9B, the tungsten particles 96 are sintered so that the gap is filled with the nickel melt 97.
  • the boundary layer itself does not exist as described with reference to FIGS. 9(a) to 9(c).
  • the mechanical strength is sufficiently high.
  • the boundary layer hinders heat conduction, the nest 90 according to the present invention maintains high heat conductivity because the boundary layer itself does not exist.
  • the cast product (cylinder head 50) was removed from the mold provided with the insert 90 having the spiral gas passage 93.
  • the infrared thermometer (or radiation thermometer) 125 was used to measure the temperature of the center of the insert 90 (the portion corresponding to the plug seat 55) to obtain the temperature Ta.
  • the casting 50 was removed from the mold including the insert 221 having the straight passage 222. Immediately after that, the temperature of the center of the insert 221 was measured by the infrared thermometer 125 to obtain the temperature Tb.
  • Ta Example was 341° C.
  • Tb Comparative Example
  • the temperature of the insert 90 was greatly lowered.
  • the materials of the inserts are both tungsten and the refrigerant is both gas.
  • the example and the comparative example are different only in the length of the refrigerant passage or the gas passage. Due to the difference in the passage length, the temperature was greatly lowered in the example.
  • DASII is an abbreviation for Dendrite Arm Spacing II.
  • DASII is obtained by observing and measuring the cut surface of a sample with a microscope.
  • DASII indicates the size of the coagulated tissue and is one of the values for judging the compactness of the tissue.
  • the cast product was removed from the mold including the insert 90 having the spiral gas passage 93.
  • a sample was obtained from the vicinity of the plug seat 55 of the obtained cast product, the sample was magnified with a microscope, and DASII was measured at a plurality of points.
  • the insert 221 has a straight passage 222, but is substantially uncooled.
  • the cast product was removed from the mold provided with the insert 221.
  • a sample was obtained from the vicinity of the plug seat 55 of the obtained cast product, the sample was magnified with a microscope, and DASII was measured at a plurality of points.
  • the minimum value of DASII was 22.6 ⁇ m, the maximum value was 27.8 ⁇ m, and the average value was 26.1 ⁇ m.
  • the minimum value of DASII was 34.1 ⁇ m, the maximum value was 41.7 ⁇ m, and the average value was 38.1 ⁇ m.
  • the DASII in the combustion chamber is required to be 35 ⁇ m or less, preferably 30 ⁇ m or less. In this embodiment, the maximum value is 27.8 ⁇ m, which satisfies the requirement sufficiently.
  • a general insert is cast steel or steel for molds.
  • the thermal conductivity of cast steel or steel for molds is about 50 W/(m ⁇ K).
  • the thermal conductivity of tungsten used in the present invention is 177 W/(m ⁇ K). Since the thermal conductivity of tungsten is about 3.5 times higher, the cooling efficiency is improved. Since it is made of tungsten, the nest 90 is sufficiently and thoroughly cooled with a small amount of gas.
  • Carbon steel (Fe) has a melting point of 1540° C. and a thermal conductivity of about 50 W/(m ⁇ K).
  • tungsten has a melting point of 3400° C. and a thermal conductivity of 177 W/(m ⁇ K).
  • molybdenum has a melting point of 2620° C. and a thermal conductivity of 139 W/(m ⁇ K).
  • tungsten carbide has a melting point of 2870° C. and a thermal conductivity of 84 W/(m ⁇ K).
  • a molybdenum sintered product may be obtained by changing the tungsten powder to a molybdenum powder, or a tungsten carbide sintered product may be obtained by changing the tungsten powder to a tungsten carbide powder.
  • the casting product obtained by the casting apparatus 10 of the present invention may be a piston core or a piston top core other than the cylinder head 50, and is not limited to the cylinder head 50.
  • the casting apparatus 10 of the present invention is a low pressure casting apparatus in the embodiment, it may be gravity casting, high pressure casting or sand casting, and is not limited to low pressure casting.
  • the gas passage 93 has a spiral shape or a meandering shape in the embodiment, it may have a shape capable of achieving a cooling length rather than a linear shape, and may have a U shape, a circular shape, a flat shape, a fin shape, or a spiral shape. It is not limited to the serpentine shape.
  • the present invention is suitable for a casting device for casting a cylinder head, a piston, and the like.

Abstract

鋳造装置(10)は、入子(90)を備える金型(20)と、この金型(20)へ溶湯を供給する溶湯供給装置(30)と、入子(90)へ強制冷却用の気体を供給する気体供給機構(40)とを備えている。入子(90)は、金型用鋼より熱伝導率が格段に大きなタングステン製とされる。入子(90)は、渦巻き形又は蛇行形の気体通路を内蔵する。渦巻き形又は蛇行形の気体通路は、ストレート通路より格段に通路長さが大きい。

Description

鋳造装置
　本発明は、シリンダヘッド及びピストン等の製造に好適な鋳造装置に関する。
　例えば、内燃機関の構成要素の一つは、シリンダヘッドである。このシリンダヘッドは、鋳造法で製造される。鋳造法では、金型のキャビティにアルミニウム合金などの溶湯を注入し、溶湯の凝固が完了したら金型から取り出す。取り出されたものが、シリンダヘッドとなる。
　内燃機関に燃焼室が備えられている。この燃焼室の形状は、内燃機関の出力に大きく影響する。そのため、燃焼室の精度が要求される。
　シリンダヘッドは燃焼室の一部を形成する。シリンダヘッドにおいて燃焼室の一部が形成される部分は精度、強度が要求される。
　シリンダヘッド用金型において、燃焼室形成部を冷却する技術は、例えば、特許文献１に開示されている。
　冷却することで、燃焼室形成部の熱変形及び凝固組織の粗大化を抑制することができる。熱変形がなければ、燃焼室の精度を高めることができる。また、冷却することで、鋳物の組織を緻密にし強度を高くすることができる。
　特許文献１によるシリンダヘッド用金型の下型を、図１２に基づいて説明する。
　図１２（ａ）に示されるように、シリンダヘッド用金型の下型２００には、入子（ｉｎｓｅｒｔ　ｄｉｅ）２０１が取り付けられる。この入子２０１には、冷却通路２０２が設けられている。
　図１２（ａ）のｂ矢視図である図１２（ｂ）に示されるように、冷却通路２０２は、ロングドリルで開けられる。冷却通路２０２は、両端がプラグ２０３で塞がれている。このような冷却通路２０２は、「ストレート流路」と呼ばれる。
　冷却通路２０２に、水を流すことで、入子２０１の温度上昇が防止される。
　同様に、入子を使用してシリンダヘッドを鋳造する技術が、例えば、特許文献２に開示されている。
　特許文献２による低圧鋳造方法では、加圧開始から燃焼室部分の凝固が完了するまでは、入子は水冷される。凝固が完了した後は、入子は空冷される。冷却することで、燃焼室部分の組織は緻密化させる。
　この特許文献２に開示される技術には、次に述べる問題点が存在する。
　水又は空気を流す冷却媒体通路において、空気を水に切り替えると、暫くは空気混じりの水が流れる。空気は冷却能力が低いため、水が１００％になるまで、水を流し続ける必要がある。安定するまで、待たなければならないので、生産効率が低下する。
　また、管内に存在する水と水との間に空気が介在すると、水が流れにくくなることが知られている。空気が圧縮性流体であるため、入側の水の圧力が出側の水にうまく伝わらないからである。そこで、水等の液体を流す管には、空気抜き弁が設けられる。空気抜き弁により、空気が排出される。
　しかし、図１２（ａ）に示される冷却通路２０２は、最上位（最も高い位置）にあるため、空気を抜くことは困難である。
　よって、１つの冷却媒体通路に水と空気を交互に流すという特許文献２の技術は、推奨されない。
　また、特許文献１及び特許文献２の技術には、次に述べる共通の問題点が存在する。
　図１２に示される冷却通路２０２の内壁面に、水に含まれる成分（カルシウムなど）が酸化物や水酸化物に変化した形態で付着する。この付着物は鉄などの金属より、格段に熱伝導率が小さい。熱伝導率が小さいと、水で入子２０１を十分に冷却することができなくなり、入子２０１が溶損する。
　そこで、入子の冷却に、水を使用しない鋳造技術が求められる。
特許第３６３６１０８号公報 特開２０１１－２３５３３７号公報
　本発明は、水を使用しない入子（ｉｎｓｅｒｔ　ｄｉｅ）を備えた鋳造装置を提供することを課題とする。
　請求項１に係る発明は、入子を備える金型と、この金型のキャビティへ溶湯を供給する溶湯供給装置と、前記入子へ強制冷却用の気体を供給する気体供給機構とを備えている鋳造装置であって、
　前記入子は、タングステン、モリブデン、タングステンカーバイドの少なくとも１種を主材料とする粉末からなる燒結品であり、
　この燒結品は、前記強制冷却用の気体を流す気体通路を内蔵している。
　請求項２に係る発明では、好ましくは、前記気体通路は、渦巻き形と蛇行形との一方の形状を呈している。
　請求項３に係る発明では、好ましくは、前記気体通路の断面の一部は、前記入子の前記溶湯が接する面の近くに位置している。
　請求項４及び請求項５に係る発明では、好ましくは、前記金型は、内燃機関のシリンダヘッドを鋳造するものであり、前記入子は、燃焼室を形成するものである。
　請求項１に係る発明では、金型用鋼より格段に熱伝導率が大きいタングステン、モリブデン又はタングステンカーバイドで入子が作製された。加えて、入子に気体通路が内蔵されている。
　よって、本発明により、水を使用しないで気体のみを使用する入子を備えた低圧鋳造装置が提供される。
　請求項２に係る発明では、気体通路は、渦巻き形又は蛇行形とした。
　従来の入子が、１本のストレート通路に水を流す金型用鋼製であったものを、本発明の入子は、通路を渦巻き形又は蛇行形とし、材質をタングステンなどの高い熱伝導率材とし、冷媒を気体にすることで、従来の水冷入子と遜色がないものとなった。
　請求項３に係る発明では、気体通路の断面の一部は、入子の溶湯が接する面の近くに位置している。
　入子において、溶湯が接する面が最も高温になる。気体通路が入子の溶湯が接する面の近くまで延びているため、入子は効果的に冷却される。
　請求項４及び請求項５に係る発明では、本発明を内燃機関のシリンダヘッドに適用した。
　本発明により、空冷入子の鋳造法でありながら、燃焼室が緻密な組織で構成されたシリンダヘッドが得られる。
本発明に係る鋳造装置の原理図である。 シリンダヘッドの断面図である。 内燃機関の断面図である。 入子の断面図である。 図５（ａ）は図４の５ａ－５ａ線断面図、図５（ｂ）は比較例を説明する図、図５（ｃ）は変更例を説明する図である。 入子の製造工程を説明する図である。 入子の製造工程を説明する図である。 入子の製造工程を説明する図である。 入子の金属組織を説明する図である。 渦巻き形気体通路の優位性を説明する図である。 ＤＡＳＩＩの測定結果を説明する図である。 図１２（ａ）は従来のシリンダヘッド用金型の下型の断面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のｂ矢視図である。
　以下、本発明の好ましい実施例について、添付した図面に基づいて説明する。
　図１に示されるように、鋳造装置１０は、入子９０を備える金型２０と、この金型２０へ溶湯３２を供給する溶湯供給装置３０と、入子９０へ強制冷却用の気体を供給する気体供給機構４０とを備えている。
　気体供給機構４０で供給する気体は、空気、窒素、二酸化炭素又は同等のガスの何れでもよく、種類は問わない。
　金型２０は、例えば、下型２１と、左右にスライドする左サイド型２２及び右サイド型２３と、左サイド型２２及び右サイド型２３に載せる上型２４と、下型２１の上面中央に載せられた入子９０と、この入子９０と左サイド型２２に渡される崩壊中子２５と、入子９０と右サイド型２３に渡される崩壊中子２６とからなる。
　溶湯供給装置３０は、例えば、ヒータを内蔵する炉体３１と、この炉体３１で囲われ溶湯３２を貯える鍋３３と、溶湯３２に上から差し込まれるストーク（導管）３４と、鍋３３の上部に圧縮気体を送る送気管３５とを備えている。送気管３５から（大気圧＋５０ｋＰａ）程度の圧力の気体を送る。すると、溶湯３２は押し下げられる。この押し下げに伴って溶湯３２の一部がストーク３４内を上昇し、金型２０内のキャビティ２７に供給される。
　（大気圧＋５０ｋＰａ）は、ダイカスト圧力より格段に低いため、この鋳造法は低加圧鋳造又は低圧鋳造とも呼ばれる。本書では、低圧鋳造の呼称を採用する。
　気体供給機構４０は、例えば、コンプレッサや圧縮気体タンクのような圧縮気体源４１と、この圧縮気体源４１から入子９０まで圧縮気体を送る気体供給管４２と、入子９０から用済みの気体を排出する気体排出管４３とを備えている。
　気体供給管４２に、ストップ弁４４及び流量調節弁４５を備えており、所望の流速又は流量の気体が、入子９０へ供給される。
　このような構成の鋳造装置１０において、入子９０を気体で強制冷却しつつ、溶湯供給装置３０でキャビティ２７へ溶湯３２を供給することで、鋳造品を得ることができる。
　鋳造品は、内燃機関のシリンダヘッド５０を例に説明する。ただし、鋳造品はシリンダヘッド５０に限定されるものではない。
　図２に示されるように、鋳造品としてのシリンダヘッド５０は、上部に動弁機構（図３、符号７０）を収納する凹部５１を有し、下部中央に燃焼室５２を有し、左側に吸気通路５３を有し、右側に排気通路５４を有する。
　燃焼室５２は、入子（図１、符号９０）で形成される。
　崩壊中子（図１、符号２５）は溶湯の凝固が完了したら、壊されて掻きだされる。得られた空洞が吸気通路５３となる。
　同様に、崩壊中子（図１、符号２６）で、排気通路５４が形成される。
　シリンダヘッド５０を含む内燃機関６０を、図３に基づいて説明する。
　図３に示されるように、内燃機関６０は、シリンダブロック６１と、このシリンダブロック６１に載っているシリンダヘッド５０と、このシリンダヘッド５０の上面を覆うヘッドカバー６３とを有する。
　シリンダヘッド５０の吸気通路５３及び排気通路５４は、動弁機構７０により開閉される。
　動弁機構７０は、吸気通路５３を開閉する吸気バルブ７１と、この吸気バルブ７１を閉じ側へ付勢する吸気側ばね７２と、吸気バルブ７１を開側へ押す吸気側ロッカアーム７３と、この吸気側ロッカアーム７３を支える吸気側ロッカアーム軸７４と、この吸気側ロッカアーム軸７４をスイングするカム軸７５と、排気通路５４を開閉する排気バルブ７６と、この排気バルブ７６を閉じ側へ付勢する排気側ばね７７と、排気バルブ７６を開側へ押す排気側ロッカアーム７８と、排気側ロッカアーム７８を支える排気側ロッカアーム軸７９とからなる。排気側ロッカアーム７８もカム軸７５でスイングされる。
　吸気バルブ７１と排気バルブ７６の下方が燃焼室（正確には、燃焼室頂部）５２となる。
　吸気側ばね座８２や排気側ばね座８３は、鋳造品に機械加工を施すことで形成される。
　吸気側バルブシート８４や、その上方に配置される吸気側バルブガイド８５や、排気側バルブシート８６や、その上方に配置される排気側バルブガイド８７は、鋳造品に機械加工を施した後に、鋳造品に嵌められる。
　燃焼室５２は、高温の燃焼ガスに晒されるため、他の部位よりも、高温強度が要求される。入子９０で冷却することで、燃焼室５２の金属組織が緻密になる。緻密になると、燃焼室５２の強度が高まる。
　図４に示されるように、入子９０は、第１横穴９１と、この第１横穴９１から斜めに延びる第１縦穴９２と、この第１縦穴９２に続く入口９３ａと、この入口９３ａから延びる気体通路９３と、この気体通路９３の出口９３ｂと、この出口９３ｂから下がる第２縦穴９４と、この第２縦穴９４から延びる第２横穴９５とを備えている。
　気体通路９３は、縦長矩形又は長円断面を呈し、上端は入子９０の上表面の近傍に達している。入子９０の上表面は溶湯と接する面である。上表面の近傍に達する気体通路９３に冷媒を流すことにより、入子９０で最も高温になる上表面が、効果的に冷却される。
　すなわち、気体通路９３の断面の一部は、入子９０の溶湯が接する面（この例では上表面）の近くに位置している。入子９０において、溶湯が接する面が最も高温になる。気体通路９３が入子９０の溶湯が接する面の近くまで延びているため、入子９０は効果的に冷却される。
　図５（ａ）は図４の５ａ－５ａ線断面図であり、気体通路９３は、渦巻き形を呈している。
　図５（ｂ）に比較例が示されている。この比較例では、入子２２１は、ロングドリルで穿けられたストレート通路２２２を有する。このストレート通路２２２は、両端がプラグ２２３で塞がれている。
　また、図５（ｃ）に本発明に係る変更例が示されている。この変更例では、気体通路９３は、蛇行形を呈している。
　図５（ｂ）に示されるストレート通路２２２において、入口２２２ａと出口２２２ｂとの間の距離をＬとする。入口２２２ａとプラグ２２３との間は冷媒溜まりとなり、冷却に殆ど貢献しない。出口２２２ｂとプラグ２２３との間も同様である。よって、距離Ｌが冷却に寄与する長さとなる。
　図５（ａ）に示される気体通路９３のうち、入口９３ａと出口９３ｂとの間の距離は、概ね、７×Ｌであった。
　また、図５（ｃ）に示される気体通路９３は、入口９３ａと出口９３ｂとの間の距離が、概ね、６×Ｌであった。
　渦巻き形や蛇行形を呈する気体通路９３は、従来のストレート通路２２２の６～７倍の長さになる。
　ただし、渦巻き形や蛇行形を呈する気体通路９３の形成は、容易ではない。そこで、渦巻き形を呈する気体通路９３の形成方法を、図６～図９に基づいて説明する。
　図６（ａ）に示されるように、第１ダイ１０１と、この第１ダイ１０１に下から嵌める第１下パンチ１０２と、この第１下パンチ１０２の上方に配置する第１上パンチ１０３とからなる第１成形型１００を準備する。そして、第１ダイ１０１に、タングステンを主材料とする粉末としての金属混合粉１０４を投入する。
　金属混合粉１０４は、主材料としてのタングステン粉末１０５と、補助材料としてのニッケル粉末１０６との混合物が好適である。なお、主材料はタングステン粉末の他、モリブデン粉末やタングステンカーバイド粉末であってもよいし、これらの混合物であってもよい。
　混合割合としては、主材料が８０～９９質量％、残部が補助材料であればよい。
　図６（ｂ）にて、第１ダイ１０１内の金属混合粉１０４を、第１下パンチ１０２と第１上パンチ１０３で圧縮する。
　以上により、図６（ｃ）に示される第１圧粉成形体１０７が得られる。
　次に、図６（ｄ）に示されるように、第１圧粉成形体１０７に、下へ開放されている溝状の気体通路９３を機械加工により形成する。
　尚、第１圧粉成形体１０７と気体通路９３を同時に造るために、第１上パンチ１０３に凸部を設けてもよい。この凸部は溝状の気体通路に対応している。
　図７（ａ）に示されるように、第２ダイ１１１と、この第２ダイ１１１に下から嵌める第２下パンチ１１２と、この第２下パンチ１１２の上方に配置する第２上パンチ１１３とからなる第２成形型１１０を準備する。そして、第２ダイ１１１に、金属混合粉１０４を投入する。
　金属混合粉１０４は、第１圧粉成形体（図６、符号１０７）の構成要素と同材とする。
　図７（ｂ）にて、第２ダイ１１１内の金属混合粉１０４を、第２下パンチ１１２と第２上パンチ１１３で圧縮する。
　以上により、図７（ｃ）に示される第２圧粉成形体１１４が得られる。
　図７（ｄ）に示されるように、第２圧粉成形体１１４に、機械加工により、長い第１横穴９１と、この第１横穴９１の先端から立ち上がる第１縦穴９２と、第１横穴９１の反対側に設けられる短い第２横穴９５と、この第２横穴９５の先端から立ち上がる第２縦穴９４とを形成する。
　次に、図８（ａ）に示されるように、第２圧粉成形体１１４に第１圧粉成形体１０７を重ねる。第１圧粉成形体１０７と第２圧粉成形体１１４の境目が境界１１７となる。
　得られた重畳体１１８は、第１縦穴９２が気体通路９３の入口９３ａに繋がり、第２縦穴９４が気体通路９３の出口９３ｂに繋がっている。
　次に、図８（ｂ）に示されるように、重畳体１１８を焼結炉１２０に入れ、液相焼結処理を施す。
　焼結炉１２０は、例えば、円筒の容器１２１と、この容器１２１に内張りされた断熱材１２２と、容器１２１内に配置されるヒータ１２３と、容器１２１内を真空排気する真空ポンプ１２４とからなる。
　真空ポンプ１２４で真空引きされると、大気圧が容器１２１の外周面に掛かる。容器１２１が円筒であるため、潰れる心配はない。炭素（カーボン）は大気中では燃えるが、真空中では燃えない。よって、断熱材１２２にカーボンファイバーを使用し、ヒータ１２３に炭素棒を使用することができる。炭素棒は通電するだけで赤熱しヒータの役割を果たす。
　なお、液相焼結処理は、真空中の他、不活性ガス（アルゴンガス、窒素ガス）雰囲気で実施してもよい。よって、焼結炉１２０は、真空式焼結設備に限定されない。
　液相焼結法とは、焼結中に一部の成分が溶解し、液相混在の状態で進行する処理法である。実施例に基づいて再度説明を試みる。
　タングステンの融点は、３３８０℃であり、ニッケルの融点は、１４５３℃である。容器１２１内を真空状態にした上で、ヒータ１２３により１５００℃程度に保つ。
　すると、低融点側のニッケル粉末が液相化し、高融点側のタングステン粉末は固相のままで、液相混在の状態による液相焼結が進行する。
　以上により、図９（ａ）に示される焼結品としての入子９０が得られる。
　この入子９０では、気体を、第１横穴９１に供給すると、この気体は第１縦穴９２を通って気体通路９３に進入し、気体通路９３を通る間に入子９０を隅々まで冷却する。温まった気体は、出口９３ｂ、第２縦穴９４、第２横穴９５を通って排出される。
　図９（ｂ）は、図９（ａ）のｂ部拡大図である。図９（ｂ）に、入子９０の一般部の断面が示されている。タングステン粒子９６は、ニッケル溶融物９７で隙間が埋められるようにして、焼結される。
　図９（ｃ）は、図９（ａ）のｃ部拡大図である。図９（ｃ）に、出口９３ｂと第２縦穴９４との境界付近、すなわち境界（図８、符号１１７）が示されている。図９（ｂ）と同一であって、タングステン粒子９６は、ニッケル溶融物９７で隙間が埋められるようにして、焼結される。
　仮に、ある燒結品を燒結法により作製し、また、別の燒結品を燒結法により作製したとする。そして、ある燒結品と別の燒結品とを重ね、再度焼結接合する。すると、ある焼結品と別の焼結品との境界に不可避的に境界層ができる。２回実施した焼結で発生した境界層は、強度低下の要因となり好ましくない。
　対して、本実施例では、焼結は１回のみ実施するため、境界層はできない。すなわち、図８（ａ）に示される第１圧粉成形体１０７と第２圧粉成形体１１４の境界１１７が消失した。その上に、第１圧粉成形体１０７と第２圧粉成形体１１４との接合部位が一般部と同じ形態で液相焼結された。接合部位に、有害な境界層が発生しない。
　このように、本発明に係る入子９０には、図９（ａ）～図９（ｃ）で説明したように、境界層そのものが存在しない。結果、機械的強度は十分に高くなる。境界層は熱伝導を妨げるが、本発明に係る入子９０は、境界層そのものが存在しないため、高い熱伝導性が維持される。
　以上に述べた入子９０の優位性を、実験により確認した。その内容を以下に説明する。
○実験１：
・実験の目的：ストレート通路に対する渦巻き形の気体通路の優位性を確かめる。
・実験設備：図１に示される低圧鋳造装置
・実施例での入子：
・・タングステン燒結品
・・渦巻き形の気体通路
・比較例での入子：
・・タングステン燒結品
・・ストレート通路
・冷媒：実施例、比較例とも空気
・溶湯：アルミニウム合金（ＡＣ２Ｂ）
　図１０（ａ）に示されるように、渦巻き形の気体通路９３を有する入子９０を備えた金型から鋳造品（シリンダヘッド５０）を外した。直後に、赤外線温度計（又は輻射温度計）１２５で、入子９０の中央（プラグ座５５に対応する部位）を測温し、温度Ｔａを得た。
　また、図１０（ｂ）示されるように、ストレート通路２２２を有する入子２２１を備えた金型から鋳造品５０を外した。直後に、赤外線温度計１２５で、入子２２１の中央を測温し、温度Ｔｂを得た。
　図１０（ｃ）に示されるように、Ｔａ（実施例）は、３４１℃であった。対して、Ｔｂ（比較例）は、５０９℃であった。
　ストレート通路を渦巻き形の気体通路に変更することにより、入子９０の温度が大きく下がった。
　実施例と比較例において、入子の材質は共にタングステンであり、冷媒は共に気体である。実施例と比較例において、冷媒通路又は気体通路の長さだけが異なる。通路長さの差により、実施例では温度が大きく下がった。
○実験２：
・実験の目的：ＤＡＳＩＩが小さくなることを確かめる。
　ＤＡＳＩＩは、デンドライト二次アーム間隔（Ｄｅｎｄｒｉｔｅ　Ａｒｍ　Ｓｐａｃｉｎｇ　ＩＩ）の略号である。ＤＡＳＩＩは、サンプルのカット面を、顕微鏡で観察し測定することで得られる。ＤＡＳＩＩは、凝固組織の大きさを示し、組織の緻密さを判断する値の一つである。
・実験設備：図１に示される低圧鋳造装置
・実施例での入子：
・・タングステン燒結品
・・渦巻き形の通路
・・冷媒：気体（空気）
・比較例での入子：
・・タングステン燒結品
・・ストレート形の通路
・・冷媒：なし
・溶湯：アルミニウム合金（ＡＣ２Ｂ）
　図１１（ａ）に示されるように、渦巻き形の気体通路９３を有する入子９０を備えた金型から鋳造品を外した。得られた鋳造品のプラグ座５５近傍から、サンプルを取得し、このサンプルを顕微鏡で拡大し、ＤＡＳＩＩを複数箇所測定した。
　また、図１１（ｂ）示されるように、入子２２１は、ストレート通路２２２を有するが、実質的に無冷却である。この入子２２１を備えた金型から鋳造品を外した。得られた鋳造品のプラグ座５５近傍から、サンプルを取得し、このサンプルを顕微鏡で拡大し、ＤＡＳＩＩを複数箇所測定した。
　図１１（ｃ）に示されるように、実施例では、ＤＡＳＩＩは、最小値が２２．６μｍであり、最大値が２７．８μｍであり、平均値は２６．１μｍであった。
　対して、比較例では、ＤＡＳＩＩは、最小値が３４．１μｍであり、最大値が４１．７μｍであり、平均値は３８．１μｍであった。
　燃焼室におけるＤＡＳＩＩは、３５μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下にすることが求められている。本実施例では、最大値が２７．８μｍであり、十分に要求を満たしている。
　尚、一般の入子は、鋳鋼又は金型用鋼とされる。鋳鋼又は金型用鋼の熱伝導率は、約５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。
　対して、本発明で採用したタングステンの熱伝導率は、１７７Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。　タングステンの方が、熱伝導率が３．５倍程度大きいため、冷却効率が良くなる。タングステン製であるため、少量の気体で入子９０が十分に且つ隅々まで冷やされる。
　炭素鋼（Ｆｅ）は融点が１５４０℃、熱伝導率が約５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。
　対してタングステンは融点が３４００℃、熱伝導率が１７７Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。
　また、モリブデンは融点が２６２０℃、熱伝導率が１３９Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。
　また、タングステンカーバイドは融点が２８７０℃、熱伝導率が８４Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。
　本発明者が、試作したところ、モリブデン焼結品及びタングステンカーバイド焼結品も鋼より熱伝導率が高く、溶損に強いことが確認できた。
　よって、タングステン粉末をモリブデン粉末に変更することでモリブデン焼結品を得ることや、タングステン粉末をタングステンカーバイド粉末に変更することでタングステンカーバイド焼結品を得るようにしてもよい。
　また、本発明の鋳造装置１０で得る鋳造品は、シリンダヘッド５０の他、ピストン中子や、ピストントップコアであってもよく、シリンダヘッド５０に限定されるものではない。
　また、本発明の鋳造装置１０は、実施例では低圧鋳造装置としたが、重力鋳造、高圧鋳造、砂型鋳造であってもよく、低圧鋳造に限定されるものではない。
　また、気体通路９３は、実施例では渦巻き形又は蛇行形としたが、直線形よりも冷却長さが稼げる形状であればよく、Ｕ字形、円形、平面形、フィン形などでもよく、渦巻き形や蛇行形に限定されるものではない。
　本発明は、シリンダヘッド及びピストン等を鋳造する鋳造装置に好適である。
　１０…鋳造装置、２０…金型、２７…キャビティ、３０…溶湯供給装置、３２…溶湯、４０…気体供給機構、５０…シリンダヘッド、５２…燃焼室、６０…内燃機関、９０…入子、９３…気体通路、１０５…タングステン粉末。

Claims (5)

  1. 　入子を備える金型と、この金型のキャビティへ溶湯を供給する溶湯供給装置と、前記入子へ強制冷却用の気体を供給する気体供給機構とを備えている鋳造装置であって、
    　前記入子は、タングステン、モリブデン、タングステンカーバイドの少なくとも１種を主材料とする粉末からなる燒結品であり、
    　この燒結品は、前記強制冷却用の気体を流す気体通路を内蔵している鋳造装置。
  2. 　請求項１記載の鋳造装置であって、
    　前記気体通路は、渦巻き形と蛇行形との一方の形状を呈している鋳造装置。
  3. 　請求項１又は請求項２記載の鋳造装置であって、
    　前記気体通路の断面の一部は、前記入子の前記溶湯が接する面の近くに位置している鋳造装置。
  4. 　請求項１又は請求項２記載の鋳造装置であって、
    　前記金型は、内燃機関のシリンダヘッドを鋳造するものであり、
    　前記入子は、燃焼室を形成するものである鋳造装置。
  5. 　請求項３記載の鋳造装置であって、
    　前記金型は、内燃機関のシリンダヘッドを鋳造するものであり、
    　前記入子は、燃焼室を形成するものである鋳造装置。
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