(57)【要約】  鋳型キャビティを含む鋳型を使用する物品の鋳造の方法であり、この方法は、鋳型キャビティに隣接する鋳型の表面の少なくとも一部分にハロゲンを含む化合物を提供するステップと、鋳型キャビティの中に熔融金属を注入するステップと、金属を冷却し凝固させるステップと、物品を鋳型から取り出すステップとを含んでいる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハロゲンを含む化合物を、鋳型キャビティに隣接する鋳型の表面の少なくとも一部分に提供するステップと、
熔融金属を前記鋳型キャビティの中に注入するステップと、
前記金属を冷却し凝固させるステップと、
前記鋳型から前記物品を取り出すステップと、
を含む、鋳型キャビティを含む鋳型を使用して物品を鋳造する方法。
【請求項２】
前記ハロゲンは、フッ素であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記被覆材は、フッ化チタン酸二カリウムであることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ハロゲンは、塩素であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記被覆は、塩化カリウム−塩化マグネシウム共晶物を含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ハロゲン含有化合物は、前記鋳型キャビティの少なくとも一部を形成する前記鋳型の表面の少なくとも一部に適用される被覆中に提供されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
物品に静水圧をかけるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記物品を、前記物品全体が静水圧を適用している間は固体状態を維持する、昇温された温度に維持するステップをさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記金属は、主にアルミニウムであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記金属は、アルミニウム−珪素合金であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記金属は、亜共晶アルミニウム−珪素合金であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記被覆は、前記鋳型上にスプレイされることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記鋳型は、主に砂から作られていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記物品は、エンジンブロックであることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記被覆材で被覆される前記鋳型キャビティの表面の一部は、エンジンブロック中のシリンダを形成することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法を使用して鋳造された物品。
【請求項１７】
添付の図面を参照して明細書に実質的に記載された物品を作る方法。
【請求項１８】
添付の図面を参照して明細書に実質的に記載された、及び／又は添付の図面に実質的に示された物品。
【請求項１９】
添付の図面を参照して明細書に実質的に記載された、及び／又は添付の図面に実質的に示された、すべての新規な特徴又は特徴の新規な組み合わせ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物品の鋳造の方法、特に、それに限られるわけではないが、アルミニウム合金のエンジンブロックの砂型成型の方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、エンジンブロックはアルミニウム合金を砂型成型することによって作られる。好適な低摩擦性を有し、磨耗耐性に優れる、往復運動する表面を提供するために、ピストンが往復するエンジンブロック内のそれぞれのシリンダの表面を、鋳鉄のライナーで裏打ちすることが知られている。このようなライナーはエンジンの重量を増し、このようなライナーの使用は、鋳鉄がアルミニウム基合金より低い熱伝導性を有するために、エンジンシリンダからの熱の除去に対する短所となっている。
【０００３】
よって、鋳鉄のライナーを除去するために、それぞれのシリンダの内面をアルミニウムより硬い金属でコーティングし、低摩擦性で磨耗耐性を有する往復運動する表面を提供する様々な工程が開発されてきており、これら工程は電気被覆、プラズマトランスファワイヤアーク被覆、及びレーザによる合金化を含んでいる。例えば、鉄系合金被覆のプラズマスプレイが特許文献１に記載されており、レーザによる合金化の使用が特許文献２及び特許文献３に記載されている。残念なことに、このような工程は、比較的滑らかな基板に適用される場合にのみ満足のいく被覆を製造し、機械加工の後でさえ、砂型成型されたエンジンブロックの表面は非常に多孔質となっている。
【０００４】
この問題は、特許文献４に取り上げられており、この特許文献４は、円筒状の真鍮製挿入部材が砂型の中に挿入され、この真鍮製挿入部材がエンジンブロックの中のシリンダを形成する、アルミニウムのエンジンブロックの鋳造方法を開示している。このような高い熱伝導度を有する挿入部材の使用の結果として、挿入部材の周りのアルミニウム合金の冷却速度は、鋳型キャビティの中の別の場所のアルミニウム合金の冷却速度より非常に速い。したがって、結果的な鋳造物内の空孔率は挿入部材の周りの容積において大幅に減少され、いったん挿入部材が取り除かれると、それぞれのシリンダの内部の機械加工は、上述の方法を使用する被覆のために好適である表面を生産する。
【０００５】
この方法は、しかしながら、多くの欠点を有している。真鍮製の挿入部材の除去は、特にシリンダがエンジンブロックに対して傾斜しているＶ−エンジンにおいては困難である場合があり、製造工程における余分で、比較的労力の増大するステップを必要とする。さらに、真鍮製挿入部材は機械的損傷を受けやすく、特に熔融アルミニウム合金に繰り返し曝された後には、真鍮製挿入部材が焼鈍され柔らかくなっており、一定の期間で交換される必要があり、さらに鋳造工程のコストを増加させる。
【特許文献１】米国特許第６５４８１９５号明細書
【特許文献２】米国特許第６３９００５０号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第１０４１１７３号明細書
【特許文献４】米国特許第５９３１２１３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の第１の特徴によれば、我々は、鋳型キャビティを含む鋳型を使用する物品の鋳造の方法を提供し、この方法は、鋳型キャビティに隣接する鋳型の表面の少なくとも一部分にハロゲンを含む化合物を提供するステップと、鋳型キャビティの中に熔融金属を注入するステップと、金属を冷却し凝固させるステップと、物品を鋳型から取り出すステップとを含んでいる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような化合物の使用によって、鋳型の適切な部分に隣接する鋳造物の表面での反応によって形成される空孔率は削減され、いったん機械加工されると、この表面は、電気被覆、プラズマトランスファワイヤアーク被覆などのための好適な基板を提供し、低い摩擦性を有する、磨耗耐性のある表面を生産する。
【０００８】
好ましくは、ハロゲンはフッ素である。被覆は、例えば、フッ化チタン酸二カリウムとすることができる。代替的に、ハロゲンは塩素とすることができ、例えば、塩化カリウム−塩化マグネシウム共晶物とすることができる。
【０００９】
好ましくは、化合物を含むハロゲンは、鋳型キャビティの少なくとも一部分を形成する鋳型表面の少なくとも一部分に適用される被覆中に提供される。
【００１０】
好ましくは、この方法は、物品に静水圧をかけるステップをさらに含む。この場合、好ましくはこの方法は、静水圧を適用している間は物品全体が固体である温度まで、物品を加熱するステップをさらに含んでいる。
【００１１】
物品に静水圧を、特に高い圧力でかけることは、通常は鋳造された物品内の内部空孔を除去し、物品の機械的完全性を改善し、物品の機械加工の間にこのような空孔が物品の表面に露出する危険を削減する。
【００１２】
金属は、好ましくは主にアルミニウムである。金属は、アルミニウム−シリコン合金とすることができ、好ましくは亜共晶のアルミニウムーシリコン合金である。
【００１３】
好ましくは、被覆は鋳型の表面上にスプレイされる。
好ましくは、鋳型はもっぱら砂から作られる。
物品は、エンジンブロックとすることができる。この場合、好ましくは、鋳型の被覆材で被覆された部分は、エンジンブロックの中のシリンダである。
【００１４】
本発明の第２の特徴によれば、我々は、本発明の第１の特徴からなる方法を使用する物品の鋳造物を提供する。
【００１５】
本発明の実施形態は、添付の図面を参照して記載され、図面は、本発明に従って物品を作る方法の模式図を示している。
【００１６】
この例において、この方法は、以下に詳述される３５６合金又は３５４合金のような、従来の亜共晶アルミニウム−シリコン合金からのエンジンブロック１０の砂型成型に適用される。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
【表２】
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【００１９】
しかし、この方法は、アルミニウムーマグネシウム合金、又はマグネシウム基の合金のようないずれの金属又は合金を使用するいずれの鋳造物品の製造にも同様に適用することが理解されなければならない。
【００２０】
鋳型１２は、従来の砂型技術を使用して、ジルコン砂又は珪素砂から作られた第１の鋳型部品１２ａと第２の鋳型部品１２ｂとから形成されている。例えばエンジンブロックのシリンダのためのような円筒状のキャビティを形成する上部鋳型部品１２ａの円筒状部分は、次いでフッ素のようなハロゲンを含む被覆材１４で被覆される。この例においては、ハロゲンはフッ素であり、被覆材はフッ化チタン酸二カリウム（Ｋ２ＴｉＦ６）の粉体を含んでいる。塩化カリウム−塩化マグネシウム共晶体、硼フッ化カリウム、又は塩化アルミニウムの混合物のような、別のハロゲン含有化合物を代替的に使用することもできる。
【００２１】
Ｋ２ＴｉＦ６粉は、溶媒、ジルコン粉のようなフィラー材料、及びゲル化剤と混合される。被覆材は、例えば、６０重量％の粉体（粉体は、２５重量％のジルコン粉と７５重量％のＫ２ＴｉＦ６の乾燥ミルド粉を備えている）と４０％のＩＰＡ溶媒とを備えている。
【００２２】
被覆材は、通常鋳型の表面上にスプレイされるが、また、鋳型上に塗ることもできる。代替的に、乾燥したＫ２ＴｉＦ６粉が鋳型の表面上にすり込まれても良く、又は、鋳型を形成するために使用される砂に、約０．５重量％Ｋ２ＴｉＦ６の割合で直接添加されても良い。
【００２３】
鋳型部品１２ａ、１２ｂは、次いで、ともにクランプされて鋳型キャビティを形成し、熔融したアルミニウム−珪素合金が鋳型キャビティに注入され、鋳型は、合金が凝固するまで冷却される。鋳造されたままのエンジンブロック１０は、次いで鋳型１２から取り出される。
【００２４】
通常、アルミニウム−珪素（Ａｌ−Ｓｉ）の亜共晶合金のような合金の砂型鋳造の間には、水素イオンが鋳型１２から鋳型表面に隣接する液体金属の中に移動する。熔融金属が凝固する際に、溶解した水素は凝固領域から、まだ熔融している液体金属の中へ出て、鋳造物の表面に略垂直に、鋳造物の深さ３〜４ｍｍまで延在する複数の表面下の細長い微小空孔を形成する。合金中のストロンチウムの介在物は、この微小空孔の形成を助長すると信じられている。従来は、鋳造された物品の機械加工の間に、３ｍｍ未満の材料が物品の表面から除去され、よってこのような機械加工によってこれら空孔が物品の表面に露出し、プラズマトランスファワイヤアーク被覆、電気被覆、及びその種のものを使用した被覆のためには不適である表面に形成されてしまっていた。
【００２５】
しかし、Ｋ２ＴｉＦ６の被覆が存在すると、被覆は熔融金属中への水素イオンの移動を軽減し、よって鋳造物の表面及び表面下の微小空孔を大幅に削減する。これは、水素イオンが熔融金属中に溶解できる前に、被覆中のフッ素が水素イオンと反応することにより生じると信じられている。結果として、被覆に隣接する鋳造物の表面が、すなわちこの例においてはエンジンブロック中のシリンダの内面が、被覆の完成度に悪影響を有する表面の微細空孔を有すること無しに、上述のように機械加工し、被覆することができる。
【００２６】
しかし、Ｋ２ＴｉＦ６の被覆が使用されている場合であっても、このような鋳造品は、上述のような鋳型との反応の結果としてではなく、砂型鋳造に関連する比較的遅い冷却速度の結果として形成される内部空孔を含む場合がある。内部空孔は、鋳造品の機械加工の間に物品の表面に露出する場合があり、よって表面の微細空孔に加えてこれら空孔を除去することが望ましい。
【００２７】
したがって、鋳造されたままのエンジンブロックは、従来の、例えば商業的に入手可能なＡＩＨＩＰＰＩＮＧ工程や、Ｂｏｄｙｃｏｔｅ  Ｄｅｎｓａｉ（登録商標）ＩＩ工程を使用した熱静水圧圧縮成型にかけられる。このような工程においては、エンジンブロックは流体の容器に収容され、合金の熔融温度に近いが合金が個体のままでいる、例えば合金の固相線温度より４０度低い温度まで加熱され、流体に例えば１０００アトムの圧力がかけられる。エンジンブロックは通常、圧力をかけられ、加熱された流体中に、４５分から１時間保持される。
【００２８】
流体圧力及び昇温の組み合わせは、内部空孔を陥没させ、それぞれの空孔を囲んでいた物質は拡散結合される。よって、内部空孔は実質的に除去され、鋳造物の機械的完成度は改善される。このように、鋳造物は、鋳造物の表面における内部空孔の露出の危険を実質的に削減した状態で機械加工されることができる。
【００２９】
圧力をかけられた流体が、表面の空孔を充填し、空孔を陥没しないようにする内部支持を提供するので、ＨＩＰＰＩＮＧは、表面の微細空孔を改善するために使用することはできないことが理解されるべきである。さらに、それぞれの空孔を、物品の表面から分離させるアルミニウムの合金層が比較的薄く、圧力をかけられた流体の圧力下では簡単に破壊され、よって空孔の内部を圧力をかけられた流体に露出し、空孔の周りの物質の合体を妨げるので、ＨＩＰＰＩＮＧは表面下の微細空孔を除去することには効果的ではない。したがって、表面／表面化の空孔と内部空孔との問題を解決するために、ＨＩＰＰＩＮＮＧに加えて、ハロゲンを含む化合物で被覆した鋳型、又はハロゲンを含む化合物を含有する鋳型を使用することが必要である。
【００３０】
ＨＩＰＰＩＮＧの後に、次いで鋳造品は要求された寸法及び表面粗さに機械加工される。この例においては、シリンダの内面は、プラズマトランスファーワイヤ被覆、電気被覆、又はこの種のものを使用する低摩擦性を有し、磨耗耐性に優れる被覆の適用のための準備のために機械加工される。
【００３１】
この明細書及び請求の範囲に使用される場合、“備える”及び“備えている”という用語、及びこれら用語の変型は、特定の特徴、ステップ又は完全体が含まれる、ということを意味する。用語は、別の特徴、ステップ又は要素の存在を排除すると考えられてはならない。
【００３２】
前述の記載に開示された特徴、又は添付に示す請求の範囲、若しくは特定の形態又は開示された機能を行うための手段を示す添付の図面、又は開示された結果を達成するための方法もしくは工程は、場合に応じて別々に、若しくはこれら特徴の組み合わせの形で、本発明をその多様な形態で実現するために使用される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に従って物品を作る方法の模式図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０・・・エンジンブロック
１２・・・鋳型
１２ａ、１２ｂ・・・鋳型部品
１４・・・被覆材
【図１】
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【国際調査報告】
2008523994.tif 000006
2008523994.tif 000007