(57)【要約】【課題】極低圧での複合化が可能となり、安価で且つ形状自由度に優れる軽合金複合部材の製造方法の提供。【解決手段】アルミニウム合金が含浸されて母材と複合化される複合化用予備成形体７を、複合化用予備成形体７よりも通気度が低く、且つ溶湯の侵入を抑制する気孔径を有する砂中子６に保持させた状態で砂型１，２内にセットし、溶湯を砂型１，２内に注入すると共に複合化用予備成形体７中に存在するエアを砂中子６を介して排出しつつ、溶湯を複合化用予備成形体７内に含浸、充填させて複合化する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軽合金材料からなる溶湯が含浸されて母材と複合化される予備成形体を、当該予備成形体よりも通気度が低く、且つ溶湯の侵入を抑制する特性を有する砂型に保持させた状態で型内にセットし、
前記溶湯を前記型内に注入すると共に前記予備成形体中に存在するエアを前記砂型を介して排出しつつ、当該溶湯を当該予備成形体内に含浸、充填させて複合化することを特徴とする軽合金複合部材の製造方法。
【請求項２】
前記予備成形体を前記砂型の所定部位に嵌入して保持し、前記砂型の所定部位の内部に形成された中空部を介して前記エアが排出されることを特徴とする請求項１に記載の軽合金複合部材の製造方法。
【請求項３】
前記溶湯の注入圧力を０．１〜０．５ｋｇｆ／ｃｍ２としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の軽合金複合部材の製造方法。
【請求項４】
前記予備成形体の体積率を８〜２０％としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の軽合金複合部材の製造方法。
【請求項５】
前記予備成形体の気孔の平均径を０．２５〜０．６２５ｍｍとしたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の軽合金複合部材の製造方法。
【請求項６】
前記予備成形体を金属多孔体としたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の軽合金複合部材の製造方法。
【請求項７】
前記砂型の気孔の平均径を０．０７ｍｍ以下、体積率を６０〜７０％としたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の軽合金複合部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばアルミニウム合金製シリンダブロックのシリンダボア部に金属多孔体を複合化する軽合金複合部材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム合金製シリンダブロックにおけるピストン及びピストンリングが摺動するシリンダボア部には、耐摩耗性を確保するために鋳鉄製のライナ部材が鋳包み或いは圧入されている。
【０００３】
しかしながら、鋳鉄製のライナ部材を鋳包み或いは圧入する方法ではシリンダブロックの軽量化やアルミニウム合金の高い熱伝導性を生かすことができない。
【０００４】
シリンダブロックの軽量化が十分達成されないのは、ライナ部材自体が鋳鉄製であることによる重量増に加え、シリンダブロック本体側にライナ部材を保持するための鋳包み代、或いは圧入代が必要となるためシリンダボア間に厚みが必要となり、シリンダボア間のピッチを縮小させることができず、シリンダブロックのコンパクト化を阻害するためである。
【０００５】
また、高い熱伝導性を生かしきれないのは、鋳包みや圧入は冶金的な接合ではなく機械的嵌合であり、シリンダブロック本体とライナ部材との間に熱伝達上のギャップが生じるためである。
【０００６】
そこで、シリンダブロックの軽量化を促進し、高い熱伝導性を生かしてエンジン性能を向上させるために、鋳鉄製ライナ部材を廃したアルミニウム合金製シリンダブロックが開発され実用化されている。
【０００７】
特に、アルミニウム合金母材に予備成形体を複合化することによって材料特性（主に耐摩耗性）を向上させる手法における当該予備成形体の材料として、セラミック短繊維（アルミナ短繊維等）やカーボン短繊維等が知られている。
【０００８】
従来の複合化方法として、シリンダブロックのウォータジャケット部の形状に対応する表面を有する砂中子を純Ａｌとアルミナ短繊維からなる被覆材料で被覆し、砂中子を鋳型にセットして溶湯を注湯することでウォータジェケットの壁面に上記被覆材料を実質的にそのままの状態にて残留させてシリンダブロックを製造する、所謂転写法と呼ばれる鋳造法が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、アルミニウム合金製のブレーキディスクロータを高圧鋳造法によって製造する場合に中子への溶湯の差し込みによるバリが発生しないように、中子に塗型剤を塗布して溶湯の圧力に対する強度を高めると共に、型内に保持した予備成形体内に溶湯を含浸、充填させて複合化する手法（例えば、特許文献２参照）がある。
【０００９】
【特許文献１】
特開平５−２４５６１５号公報
【特許文献２】
特開２００２−９６１４１号公報
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記複合化方法には、溶湯の含浸性を確保する観点から高圧鋳造法（溶湯鍛造法）や低速中圧ダイキャストが採用されるが、高圧（数百ｋｇｆ／ｃｍ２）を必要とするため、金型より崩壊性の高い砂型には適用できず、設備や金型が高価となるといったコスト面や、崩壊性中子の使用に制約があり、形状自由度が低いといった課題がある。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その目的は、極低圧での複合化が可能となり、安価で且つ形状自由度に優れる軽合金複合部材の製造方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決し、目的を達成するため、本発明の軽合金複合部材の製造方法は、軽合金材料からなる溶湯が含浸されて母材と複合化される予備成形体を、当該予備成形体よりも通気度が低く、且つ溶湯の侵入を抑制する特性を有する砂型に保持させた状態で型内にセットし、前記溶湯を前記型内に注入すると共に前記予備成形体中に存在するエアを前記砂型を介して排出しつつ、当該溶湯を当該予備成形体内に含浸、充填させて複合化する。
【００１２】
また、好ましくは、上記方法において、前記予備成形体を前記砂型の所定部位に嵌入して保持し、前記砂型の所定部位の内部に形成された中空部を介して前記エアが排出される。
【００１３】
また、好ましくは、上記方法において、前記溶湯の注入圧力を０．１〜０．５ｋｇｆ／ｃｍ２とした。
【００１４】
また、好ましくは、上記方法において、前記予備成形体の体積率を８〜２０％とした。
【００１５】
また、好ましくは、上記方法において、前記予備成形体の気孔の平均径を０．２５〜０．６２５ｍｍとした。
【００１６】
また、好ましくは、上記方法において、前記予備成形体を金属多孔体とした。
【００１７】
また、好ましくは、上記方法において、前記砂型の気孔の平均径を０．０７ｍｍ以下、体積率を６０〜７０％とした。
【００１８】
【発明の効果】
以上のように、請求項１の発明によれば、軽合金材料からなる溶湯が含浸されて母材と複合化される予備成形体を、当該予備成形体よりも通気度が低く、且つ溶湯の侵入を抑制する特性を有する砂型に保持させた状態で型内にセットし、溶湯を型内に注入すると共に予備成形体中に存在するエアを砂型を介して排出しつつ、当該溶湯を当該予備成形体内に含浸、充填させて複合化することにより、極低圧での複合化が可能となり、安価で且つ形状自由度に優れた軽合金複合部材の製造方法を実現できる。
【００１９】
請求項２の発明によれば、予備成形体を砂型の所定部位に嵌入して保持し、砂型の所定部位の内部に形成された中空部を介してエアが排出されることにより、予備成形体の保持を簡単な方法により安定化させ、エア抜きも容易化することができる。
【００２０】
請求項３の発明によれば、溶湯の注入圧力を０．１〜０．５ｋｇｆ／ｃｍ２としたことにより、砂型表面への溶湯の差し込み等を招くことなく、必要な溶湯の含浸性を確保することができる。
【００２１】
請求項４の発明によれば、予備成形体の体積率を８〜２０％としたことにより、必要な溶湯の含浸性確保と、必要な製品の複合化層の物性（例えば、耐摩耗性）を得ることとの両立を図ることができる。
【００２２】
請求項５の発明によれば、予備成形体の気孔の平均径を０．２５〜０．６２５ｍｍとしたことにより、必要な溶湯の含浸性確保と、必要な製品の複合化層の物性（例えば、耐摩耗性）を得ることとの両立を図ることができる。
【００２３】
請求項６の発明によれば、予備成形体を金属多孔体としたことにより、極低圧での複合化に最適なものとなる。
【００２４】
請求項７の発明によれば、砂型の気孔の平均径を０．０７ｍｍ以下、体積率を６０〜７０％としたことにより、エア抜き性と溶湯の侵入を抑制する特性とを両立することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２６】
尚、以下に説明する実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で下記実施形態を修正又は変形したものに適用可能である。また、本発明の砂型には、溶湯を注入する鋳造用砂型のほか、この鋳造用砂型内部に設置される砂中子を含むものである。
【００２７】
［鋳造用砂型］
図１は、本実施形態として例示する鋳造用砂中子が配置されたシリンダブロック鋳造用砂型の断面図である。図２は、本実施形態として例示する鋳造用砂中子を製造するための中子型の断面図である。図３は、本実施形態の鋳造用砂型により成形されたシリンダブロックの断面図である。
【００２８】
図１に例示する鋳造用砂型は、自動車用エンジンにおけるアルミニウム合金製のシリンダブロックの低圧鋳造に用いられる。鋳造用砂型は、一対の上型１及び下型２とを有し、型内部に形成されたキャビティ３には砂中子６が配置される。
【００２９】
図３に示すように、本実施形態の低圧鋳造法により製造されるシリンダブロック２０は、シリンダボア内壁部に複合化層２１が形成された、所謂ライナレスシリンダブロックであり、ライナを無くしたことでシリンダボア間が短縮され、シリンダボア径の拡大やシリンダブロックの軽量化、小型化を図ることができる。
【００３０】
上型１及び下型２により形成されるキャビティ３はシリンダボア及びクランクケースの外壁部に対応する転写形状３ａを有し、キャビティ３に配置される砂中子６はシリンダボア及びクランクケースの内壁部に対応する転写形状６ａを有し、上型１がクランクケースとシリンダボアを画定し、下型２がシリンダボア上端部を画定するように実際のエンジンの配置とは上下が反対になってキャビティ３が形成されている。
【００３１】
下型２にはキャビティ３に連通して溶湯を充填するための湯口４と、この湯口４に連通する溶湯通路５とが設けられ、不図示の圧縮空気や電磁ポンプなどの低圧鋳造に用いられる装置を用いて溶湯を湯口４まで圧入させ、湯口４からキャビティ３内に導入させる。
【００３２】
砂中子６におけるシリンダボア内壁部（シリンダライナ）を画定する円筒部６ａの外周面には、軽合金材料としてのアルミニウム合金からなる溶湯が含浸（溶浸）されて母材と複合化される円筒状の複合化用予備成形体７が嵌合保持されている。また、砂中子６の内部には外部に通じる中空状の空洞部６ｂが形成されている。
【００３３】
本実施形態の鋳造では、上記複合化用予備成形体７を外嵌・保持させた砂中子６を上下型１，２におけるキャビティ３内の所定位置に設置し、下記鋳造条件に従い、空洞部６ｂを不図示のポンプにより減圧して負圧を発生させ、若しくは大気開放しながら、溶湯を電磁ポンプにより０．１−０．５ｋｇｆ／ｃｍ２に加圧・保持して複合化用予備成形体７に溶湯を含浸させると同時に、複合化用予備成形体７中で溶湯と置換されるエアや砂中子６中のレジンが燃焼して発生するガスを砂中子６の空洞部６ｂから排出することで複合化及び鋳造が行われる。
【００３４】
これにより、複合化用予備成形体７に複合性（溶湯含浸性）の良い金属多孔体を適用し、複合化用予備成形体中で溶湯と置換されるエアやレジンが燃焼して発生するガスを砂中子６の空洞部６ｂから排出することができ、従来のダイキャスト法での溶湯の加圧力に対して１／１０００程度の極低圧による複合化及び鋳造が可能となる。
【００３５】
また、高価な設備や金型を用いずに、一般的で簡便な砂型重力鋳造法や低圧鋳造法を適用できるため、安価で且つ形状自由度に優れたアルミニウム合金製シリンダブロックの製造方法となる。
【００３６】
＜鋳造条件＞
鋳造法：砂型低圧鋳造（電磁ポンプにより加圧）
材質（母材）：ＪＩＳＡＣ２Ｂ相当（Ａｌ−３Ｃｕ−６Ｓｉ）のアルミニウム合金
鋳込み温度：７５０℃
シリンダボア部における溶湯の加圧力：０．０７−０．３５ｋｇｆ／ｃｍ２
砂中子背面：大気開放
＜複合化用予備成形体＞
材質：金属多孔体（Ｆｅ−１８Ｃｒ−８Ｎｉ）
セル径：０．３８ｍｍ以上
尚、図４に示すように、上記溶湯の保持圧が０．０７−０．１ｋｇｆ／ｃｍ２程度の場合には５ｓｅｃ以上保持することが必要で、保持圧が０．１−０．２ｋｇｆ／ｃｍ２程度の場合には１０ｓｅｃ以上保持することが必要で、保持圧が０．２−０．３５ｋｇｆ／ｃｍ２程度の場合には２０ｓｅｃ以上保持することが必要である。
【００３７】
［中子型］
図２に例示する中子型は、一対の上型１１及び下型１２とを有し、型内部に形成されたキャビティ１３には複合化用予備成形体７が配置される。
【００３８】
上型１１及び下型１２により形成されるキャビティ１３は砂中子６の外壁部に対応する転写形状１３ａを有し、キャビティ１３内に配置される中子１６は砂中子６の空洞部６ｂに対応する転写形状を有している。
【００３９】
上下型１１，１２にはキャビティ１３に連通して砂を充填するための充填口１４が設けられ、アミンガスに反応して硬化する硬化剤を混ぜ込んだ砂を充填口１４から圧入してアミンガスを吹き付けることにより複合化用予備成形体７を外嵌・保持した状態で硬化させる。
【００４０】
本実施形態の砂中子は下記造型条件に従って造型される。
【００４１】
［造型条件］
造型法：コールドボックス（アミンガスにより硬化）
砂種：シリカサンド
粒度：ＡＦＳ６５〜７３（平均径０．２〜０．３ｍｍ）
通気度：７０〜１００
砂中子６の通気度は、下記式１で表されるＪＩＳに基づく試験により、複合化用予備成形体７の通気度より小さいことが要件とされる。砂中子６の通気度が複合化用予備成形体７の通気度より大きいと、空気は抜けやすいが、溶湯が砂中子表面に差し込みやすくなる（溶湯非浸入性が低くなる）からである。
【００４２】
Ｐ＝Ｖ×ｈ／ｐ×Ａ×ｔ
但し、Ｐ：通気度，Ｖ：通過する空気量（ｍｌ），ｈ：試験片の高さ（ｃｍ），ｐ：空気圧（ｃｍＨ２Ｏ），Ａ：試験片の断面積（ｃｍ２），ｔ：Ｖが通過する時間（ｍｉｎ）
また、砂中子６の気孔径は０．０７ｍｍ以下、砂中子６の体積率６０〜７０％のものが適用できる。尚、砂中子の体積率とは、中子全体の体積に対する複合化部位の体積が占める割合を意味する。
【００４３】
また、複合化用予備成形体７としての金属多孔体の体積率は８〜２０％のものが適用できる。図５に示すように、体積率が上記数値より低いと耐摩耗性が悪化し、高いと複合性が悪化するからである。尚、金属多孔体の体積率とは、鋳造品全体の体積に対する複合化部位の体積が占める割合を意味する。
【００４４】
また、金属多孔体の平均気孔サイズは１５〜４０個／ｃｍ、気孔径（セル径は０．２５〜０．６２５ｍｍのものが適用できる。図６に示すように、気孔サイズが上記数値より小さいと複合性が悪化し、大きいと耐摩耗性が悪化し、中子造型時に気孔内に砂が混入するからである。
【００４５】
また、金属多孔体の材質は、１５％以上のＣｒを含むＦｅ系のものが適用できる。Ｃｒの含有により鋳造中の多孔体表面の酸化による複合性の悪化を防止するためである。
【００４６】
多孔体としては、金属多孔体以外に、セラミック多孔体、ステンレス等からなる金属繊維材等も適用できる。金属繊維材としてはステンレス以外に、タングステン、モリブデン、炭素鋼等もあるが、ステンレス繊維材が最も強度が高くしかも安価なので実用的である。
【００４７】
以上が本発明の実施の形態の説明であるが、本発明により製造されるアルミニウム合金鋳物は、上述した実施形態のような低圧鋳造法によるシリンダブロックに限られず、他の耐摩耗性及び軽量化を必要とする部品にも適用できる。また、本発明によれば、アルミニウム合金以外に、例えばマグネシウム合金等の他の軽合金鋳物にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態として例示する鋳造用砂中子が配置されたシリンダブロック鋳造用砂型の断面図である。
【図２】本実施形態として例示する鋳造用砂中子を製造するための中子型の断面図である。
【図３】本実施形態の鋳造用砂型により成形されたシリンダブロックの断面図である。
【図４】本実施形態の低圧鋳造による溶湯の含浸性を溶湯の保持圧と保持時間との関係で示す図である。
【図５】本実施形態の低圧鋳造に適用される多孔体の体積率と耐摩耗性との関係を示す図である。
【図６】本実施形態の低圧鋳造に適用される多孔体のセル径を溶湯温度と必要含浸圧との関係で示す図である。
【符号の説明】
１　上型
２　下型
３　キャビティ
４　湯口
６　砂中子
７　複合化用予備成形体
１１　上型
１２　下型
１３　キャビティ
１４　充填口
２０　シリンダブロック
２１　複合化層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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