(57)【要約】【課題】  被鋳ぐるみ部材とこれを鋳ぐるむ鋳造金属とが異種材である場合に、良好かつ容易に被鋳ぐるみ部材を鋳ぐるむ。【解決手段】  耐摩環１を予熱して鋳造金型２内に保持し、耐摩環１全体が均一に振動するように複数の方向から耐摩環１に超音波振動を付与した状態で、アルミニウム溶湯２０を鋳造金型２内に鋳込む。さらに、耐摩環１とアルミニウム溶湯２０との接合層１Ａが所定の厚みになるように、超音波振動の周波数、振幅および付与時間の少なくともひとつを調整する。【選択図】  図３
2010052000.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被鋳ぐるみ部材とこれを鋳ぐるむ鋳造金属とが異種材である鋳ぐるみ方法であって、
前記被鋳ぐるみ部材を予熱して鋳型内に保持し、前記被鋳ぐるみ部材全体が均一に振動するように複数の方向から前記被鋳ぐるみ部材に超音波振動を付与した状態で前記鋳造金属を鋳型内に鋳込む、ことを特徴とする鋳ぐるみ方法。
【請求項２】
少なくとも対向する２つの方向から前記被鋳ぐるみ部材に超音波振動を付与する、ことを特徴とする請求項１に記載の鋳ぐるみ方法。
【請求項３】
前記被鋳ぐるみ部材と鋳造金属との接合層が所定の厚みになるように、前記超音波振動の周波数、振幅および付与時間の少なくともひとつを調整する、ことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の鋳ぐるみ方法。
【請求項４】
前記被鋳ぐるみ部材が耐熱鋳鉄製で、前記鋳造金属がアルミニウムまたはアルミニウム合金の場合に、前記接合層の厚みを１μｍ以上１５μｍ未満とする、ことを特徴とする請求項３に記載の鋳ぐるみ方法。
【請求項５】
前記鋳造金属が内燃機関のピストンを構成し、前記被鋳ぐるみ部材がピストンリングを装着するリング溝部を構成する、ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の鋳ぐるみ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、被鋳ぐるみ部材を鋳型内に保持した状態で鋳造金属を鋳型内に鋳込み、被鋳ぐるみ部材が接合された鋳造品を成型する鋳ぐるみ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ディーゼルエンジンのピストンは、高圧縮の状態で燃焼を行うため、ピストンリングを装着するリング溝に凝着、摩耗が発生する。このため、リング溝の耐凝着性、耐摩耗性を向上させるために、ピストンを鋳造する際に、高い耐凝着性、耐摩耗性を有するリング（以下、「耐摩環」という）を鋳ぐるみ、この耐摩環にリング溝を形成している。例えば、アルミニウム製のピストンの場合、まず、耐熱鋳鉄（高Ｎｉのオーステナイト鋳鉄）製などの耐摩環をアルミナイジングする。すなわち、溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金の中に耐摩環を浸漬させ、耐摩環の表面層にアルミニウムを拡散浸透させる。次に、耐摩環を鋳造金型（鋳型）内に保持し、アルミニウムの溶湯を鋳造金型内に鋳込んで、耐摩環をアルミニウムで鋳ぐるむ。このとき、先のアルミナイジングによって耐摩環の表面層がアルミニウムに富んでいるため、耐摩環の表面層とアルミニウム溶湯とが良好に接合（融着結合）し、耐摩環が良好に接合、鋳ぐるまれた鋳造品が成型される。
【０００３】
また、耐摩環などの被鋳ぐるみ部材を保持具から取外しすることが容易で、被鋳ぐるみ部材を鋳型内に正確かつ容易に保持することを可能にするアルミナイジング処理方法および鋳ぐるみ方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平１１−１７９５２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、アルミナイジングを行うには、専用の溶解炉、溶湯炉を要するばかりでなく、アルミナイジング後の処理も煩雑で時間と労力とを要する。例えば、アルミナイジングした耐摩環を鋳造金型内に保持する場合、高温でしかも溶融したアルミニウムで濡れている耐摩環を鋳造金型内に保持するため、細心の注意、措置を施して作業性、安全性を確保しなければならず、自動化も困難なのが実情である。
【０００５】
さらに、アルミナイジングによるアルミニウムの拡散浸透層は、鉄とアルミニウムとの拡散結合によって熱伝導性や機械的強度が向上するが、衝撃などに対する強度、つまり靭性は高くなく、脆くなるおそれがあるという欠点を有する。このため、拡散浸透層が厚くなると、脆弱な領域も大きくなり、アルミニウムなどの鋳造金属との接合が破壊される（剥離する）おそれがある。このため、アルミナイジングによる拡散浸透層の厚みを適正に制御、管理することが必要となり、製造管理に多大な時間と労力とを要する。
【０００６】
そこでこの発明は、被鋳ぐるみ部材とこれを鋳ぐるむ鋳造金属とが異種材である場合に、良好かつ容易に被鋳ぐるみ部材を鋳ぐるむことが可能な鋳ぐるみ方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、被鋳ぐるみ部材とこれを鋳ぐるむ鋳造金属とが異種材である鋳ぐるみ方法であって、前記被鋳ぐるみ部材を予熱して鋳型内に保持し、前記被鋳ぐるみ部材全体が均一に振動するように複数の方向から前記被鋳ぐるみ部材に超音波振動を付与した状態で前記鋳造金属を鋳型内に鋳込む、ことを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、被鋳ぐるみ部材に超音波振動を与えた状態で鋳造金属を鋳込むため、超音波による振動エネルギーによって鋳造金属が被鋳ぐるみ部材の表面に拡散浸透し、鋳造金属の凝固に伴って被鋳ぐるみ部材と鋳造金属とが接合される。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の鋳ぐるみ方法において、少なくとも対向する２つの方向から前記被鋳ぐるみ部材に超音波振動を付与する、ことを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の鋳ぐるみ方法において、前記被鋳ぐるみ部材と鋳造金属との接合層が所定の厚みになるように、前記超音波振動の周波数、振幅および付与時間の少なくともひとつを調整する、ことを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の鋳ぐるみ方法において、前記被鋳ぐるみ部材が耐熱鋳鉄製で、前記鋳造金属がアルミニウムまたはアルミニウム合金の場合に、前記接合層の厚みを１μｍ以上１５μｍ未満とする、ことを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項１から４に記載の鋳ぐるみ方法において、前記鋳造金属が内燃機関のピストンを構成し、前記被鋳ぐるみ部材がピストンリングを装着するリング溝部を構成する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載の発明によれば、鋳造金属が被鋳ぐるみ部材の表面に拡散浸透し、被鋳ぐるみ部材の表面に拡散浸透層（接合層）が形成されるため、被鋳ぐるみ部材と鋳造金属とが良好に（強固に）接合される。しかも、被鋳ぐるみ部材全体が均一に振動するように超音波振動が付与されるため、被鋳ぐるみ部材の表面全体に拡散浸透層が形成され、被鋳ぐるみ部材全体が鋳造金属と良好に接合される。また、複数の方向から被鋳ぐるみ部材に超音波振動を付与した状態で鋳造金属を鋳込むだけで、容易に被鋳ぐるみ部材を鋳ぐるむことができる。すなわち、専用の溶解炉などが必要で、しかも煩雑で多くの時間と労力を要するアルミナイジングを行うことなく、良好な鋳ぐるみを行うことが可能となる。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、少なくとも対向する２つの方向から被鋳ぐるみ部材に超音波振動を付与することで、被鋳ぐるみ部材全体を均一に振動させるため、少ない振動子で効果的に超音波振動を与えて、良好な鋳ぐるみを行うことが可能となる。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、超音波振動の周波数、振幅および付与時間を調整して、被鋳ぐるみ部材と鋳造金属との接合層を所定の厚みにすることで、接合強度を適正にすることが可能となる。すなわち、接合層が厚すぎると、その脆性によって被鋳ぐるみ部材と鋳造金属とが剥離するおそれがある場合に、接合層を所定の厚みに（薄く）制御することで、被鋳ぐるみ部材と鋳造金属との剥離を防止し、接合強度を適正にすることが可能となる。
【００１６】
また、被鋳ぐるみ部材が耐熱鋳鉄製で、鋳造金属がアルミニウムまたはアルミニウム合金の場合、本発明者の調査、研究の結果、接合層の厚みを１μｍ以上１５μｍ未満とすることで、被鋳ぐるみ部材と鋳造金属との剥離が防止され、接合強度が適正になることが確認されている。このため、請求項４に記載の発明によれば、被鋳ぐるみ部材と鋳造金属との剥離を防止し、接合強度を適正になることが可能となる。
【００１７】
請求項５に記載の発明によれば、鋳造金属が内燃機関のピストンを構成し、被鋳ぐるみ部材がリング溝部を構成し、鋳造金属であるピストンと被鋳ぐるみ部材であるリング溝部とが良好に接合される。このため、高温高圧下においてもリング溝部がピストンから離脱することがなく、リング溝部が永続的に機能する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００１９】
図１は、この発明の実施の形態に係る鋳ぐるみ方法を示すフローチャートであり、この鋳ぐるみ方法は、被鋳ぐるみ部材とこれを鋳ぐるむ鋳造金属とが異種材、異種金属である場合の鋳ぐるみ方法である。この実施の形態では、被鋳ぐるみ部材が耐熱鋳鉄（高Ｎｉのオーステナイト鋳鉄）製の耐摩環、鋳造金属がアルミニウムで、耐摩環が配置されたアルミニウム製のディーゼルエンジン（内燃機関）用ピストンを鋳造する場合について説明する。すなわち、アルミニウムが内燃機関のピストンを構成し、耐摩環にピストンリングを装着するリング溝が形成されて、耐摩環がリング溝部を構成する場合について説明する。
【００２０】
まず、鋳造金属である原材料（アルミニウムインゴット等）を溶解炉で溶解し（ステップＳ１）、脱ガス処理や改質処理などの溶湯処理を行った（ステップＳ２）後に、アルミニウム溶湯を溶解炉から溶解保持炉へ移動する（ステップＳ３）。一方、耐摩環を雰囲気炉で２００〜３００℃程度に加熱（予熱）し（ステップＳ４）、図２に示すように、耐摩環１を鋳造金型（鋳型）２内の所定位置に載置することで保持する（ステップＳ５）。
【００２１】
次に、耐摩環１に超音波発振器の振動子を取り付ける（ステップＳ６）。このとき、耐摩環１全体が均一に振動するように、振動子を取り付ける。具体的には、円環状の耐摩環１に対して、図３に示すように、耐摩環１の中心を中心とする点対称の位置（対向する位置）に、それぞれ振動子１０を取り付ける。このように対向する２つの位置に振動子１０を取り付け、後述するように２つの方向から耐摩環１に超音波振動を付与するのは、次の理由によるものである。
【００２２】
すなわち、振動が伝わる際には１／２波長で共振が発生するため、１つの方向のみから耐摩環１に超音波振動を与えた場合、図４に示すように、振動しない無振動部が発生し、耐摩環１全体が均一に振動しなくなる。この結果、後述するアルミニウム溶湯２０の鋳込みの際に、耐摩環１とアルミニウムとが均一に接合しなくなる。このため、対向する２つの方向から交互に（１８０度位相をずらして）耐摩環１に超音波振動を与えることで、耐摩環１全体が均一に振動するようにするものである。
【００２３】
続いて、超音波発振器を起動して耐摩環１に超音波振動を付与し（ステップＳ７）、この状態で、図５に示すように、アルミニウム溶湯２０を鋳造金型２内に鋳込む（ステップＳ８）。ここで、超音波の周波数は、一般的な周波数（２０ｋＨｚ以上）でよいが、アルミニウム溶湯２０へのキャビテーションなどの影響を考慮すると、より高い周波数が望ましい。また、耐摩環１とアルミニウムとの接合層（拡散浸透層）が所定の厚みになるように、超音波振動の周波数、振幅および付与（照射）時間の少なくともひとつを調整する。すなわち、接合層が厚すぎると、その脆性によって耐摩環１とアルミニウムとが剥離するおそれがあり、接合層を所定の厚みに（薄く）制御することで、耐摩環１とアルミニウムとの剥離を防止し、接合強度を適正にすることが可能となる。
【００２４】
具体的には、高Ｎｉのオーステナイト鋳鉄製の耐摩環１とアルミニウムまたはアルミニウム合金の場合、本発明者の調査、研究の結果、接合層の厚みが７μｍ前後（１μｍ以上１５μｍ未満）の場合が最適である、ことが確認された。このため、接合層の厚みが７μｍ前後になるように、超音波振動の周波数、振幅および付与時間の少なくともひとつのパラメータを調整する。ここで、調整するパラメータは、被鋳ぐるみ部材（耐摩環１）の材質、大きさ、形状や、鋳造金属の材質、溶湯温度、さらには周囲温度などに基づいて決定する。例えば、次のように調整する。
超音波振動の周波数：２８〜５０ｋＨｚ
超音波振動の振幅：１５μｍ以下
アルミニウム溶湯の温度：７００〜８００℃
【００２５】
また、超音波振動の付与時間については、接合層の厚みを左右する最も大きなパラメータとなり、付与時間が長いと接合層が厚くなり、付与時間が短いと接合層が薄くなる。
【００２６】
このように、耐摩環１に超音波振動を与えた状態でアルミニウム溶湯２０を鋳込むことで、超音波による振動エネルギーによってアルミニウムが耐摩環１の表面に拡散浸透し、アルミニウム溶湯２０の凝固に伴って耐摩環１とアルミニウムとが接合されていく。
【００２７】
次に、鋳込みが完了した後に、鋳造金型２内のアルミニウム溶湯２０を冷却し、凝固させる（ステップＳ９）。その後、鋳造金型２から鋳造物（ピストン）を取り出し（ステップＳ１０）、鋳造物の冷却、湯口の切断などの後工程を行う（ステップＳ１１）。ここで、後工程には、耐摩環１にリング溝を形成する機械加工も含まれ、これにより、耐摩環１がリング溝部を構成することになる。
【００２８】
このような鋳ぐるみ方法によれば、鋳造金属であるアルミニウムが耐摩環１の表面に拡散浸透し、耐摩環１の表面に拡散浸透層（接合層）が形成されるため、耐摩環１と凝固アルミニウムとが良好に（強固に）接合される。しかも、耐摩環１全体が均一に振動するように超音波振動が付与されるため、耐摩環１の表面全体に拡散浸透層が形成され、耐摩環１全体が凝固アルミニウムと良好に接合される。さらに、超音波振動の周波数、振幅および付与時間を調整して、接合層の厚みが７μｍ程度になるように超音波振動が付与されているため、耐摩環１と凝固アルミニウムとの剥離を防止し、接合強度（靭性）を適正にすることが可能となる。
【００２９】
ここで、このような効果を確認した結果を図６〜９に示す。図６は、本鋳ぐるみ方法による鋳造品を製品外径（最終的なピストン外径）まで加工し、耐摩環１の周辺をレッドチェック（浸透探傷試験）した結果を示す。図７は、この鋳造品を切断し、耐摩環１と凝固アルミニウム２１との接合状態を顕微鏡で検証した結果を示す。一方、図８は、超音波振動を与えず、かつアルミナイジングを行わないで鋳ぐるみ（以下、「単純鋳ぐるみ方法」という）した鋳造品を製品外径まで加工し、耐摩環１の周辺をレッドチェックした結果を示し、図９は、図８を拡大した図である。
【００３０】
図８、９から明らかなように、単純鋳ぐるみ方法では、耐摩環１と凝固アルミニウム２１との間に隙間（赤色染色）が多く、かつ隙間が大きいこと、つまり両者が接合されていないことが確認された。一方、本鋳ぐるみ方法では、図６に示すように、耐摩環１と凝固アルミニウム２１との間に隙間がなく、耐摩環１と凝固アルミニウム２１とが良好に接合されていることが確認された。さらに、図７に示すように、耐摩環１の表面に接合層（拡散浸透層）１Ａが形成され、この接合層１Ａの厚みが５〜７μｍであることが確認された。すなわち、接合強度（靭性）が適正で、耐摩環１と凝固アルミニウム２１との剥離が防止されることが確認された。一方、耐摩環１をアルミナイジングした後にアルミニウム溶湯２０を鋳込んだ場合には、接合層１Ａの厚みが１５〜２０μｍ程度であることが確認されている。
【００３１】
また、２つの方向から耐摩環１に超音波振動を付与した状態でアルミニウム溶湯２０を鋳込むだけで、容易かつ適正に耐摩環１を鋳ぐるむことができる。すなわち、専用の溶解炉などが必要で、しかも煩雑で多くの時間と労力を要するアルミナイジングを行うことなく、異種材（異種金属）の鋳ぐるみを良好に行うことが可能となる。この結果、工程の簡素化、製造エネルギーおよび製造費の削減が可能となる。
【００３２】
以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、対向する２つの方向から交互に耐摩環１に超音波振動を与えているが、被鋳ぐるみ部材の形状、大きさ、材質などに応じて、３つ以上の方向から超音波振動を与え、被鋳ぐるみ部材全体が均一に振動するようにしてもよい。また、耐摩環１を鋳ぐるむ場合について説明したが、その他の被鋳ぐるみ部材にも適用できることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
以上のように、この発明に係る鋳ぐるみ方法は、被鋳ぐるみ部材とこれを鋳ぐるむ鋳造金属とが異種材であっても、良好かつ容易に被鋳ぐるみ部材を鋳ぐるむことが可能なものとして極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】この発明の実施の形態に係る鋳ぐるみ方法を示すフローチャートである。
【図２】図１の鋳ぐるみ方法において、耐摩環を鋳造金型内に載置する状態を示す図である。
【図３】図１の鋳ぐるみ方法において、耐摩環に振動子を取り付けた状態を示す図である。
【図４】図３に対して、耐摩環に振動子をひとつだけ取り付けた状態と、その場合の耐摩環に与える振動状態を示す図である。
【図５】図１の鋳ぐるみ方法において、アルミニウム溶湯を鋳造金型内に鋳込む状態を示す図である。
【図６】図１の鋳ぐるみ方法による耐摩環の周辺をレッドチェックした結果を示す写真である。
【図７】図１の鋳ぐるみ方法による耐摩環の周辺を切断し、耐摩環と凝固アルミニウムとの接合状態を顕微鏡撮影した結果を示す写真（ａ）と、その拡大写真（ｂ）である。
【図８】単純鋳ぐるみ方法による耐摩環の周辺をレッドチェックした結果を示す写真である。
【図９】図８の一部拡大写真である。
【符号の説明】
【００３５】
１          耐摩環（被鋳ぐるみ部材）
１Ａ        接合層
２          鋳造金型（鋳型）
２０        アルミニウム溶湯（鋳造金属）
１０        振動子
２１        凝固アルミニウム（鋳造金属）
【図１】
2010052000.tif 000003
【図２】
2010052000.tif 000004
【図３】
2010052000.tif 000005
【図４】
2010052000.tif 000006
【図５】
2010052000.tif 000007
【図６】
2010052000.tif 000008
【図７】
2010052000.tif 000009
【図８】
2010052000.tif 000010
【図９】
2010052000.tif 000011