(57)【要約】【課題】ウオータジャケットを含むシリンダヘッドをアルミニウム合金鋳物によって製造する際の残留応力を抑制することである。【解決手段】シリンダヘッド鋳物体１０を鋳造後切断することで、各切断面２０，２２にウオータジャケット部分が開口された部品１２，１４を得る。得られた各部品１２，１４をそれぞれ溶体化処理装置２６において溶体化処理温度で保持した後、焼入れ水槽２８で焼入れし溶体化処理を行う。溶体化処理後の各部品１２，１４の切断面の酸化膜を除去し、低融点金属薄膜３０を挟んで組付け、時効接合処理装置３４において、所定の時効処理条件の下で時効処理と、低融点金属薄膜３０のアルミニウム合金内への溶融拡散による接合処理とを行う。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に中空部を有する金属製品を、溶体化処理及び人工時効処理を施すアルミニウム合金材料によって製造する方法であって、
金属製品を成形後切断し、あるいは金属製品を構成する複数の部品をそれぞれ分割して成形することで、内部の中空部が開口された複数の部品を得る工程と、
各部品をそれぞれ所定の温度で溶体化処理する溶体化処理工程と、
各部品の切断面あるいは分割面の酸化膜を除去し、所定の時効処理条件の下においてアルミニウム合金内に拡散される低融点金属薄膜を配置する工程と、
各部品を、それぞれ対応する切断面あるいは分割面を合わせて組み付ける工程と、
組み付けられた各部品を一体として、所定の時効処理条件の下で時効処理と、低融点金属薄膜のアルミニウム合金内への溶融拡散による接合処理とを行う時効接合工程と、
を含むことを特徴とする金属製品の製造方法。
【請求項２】
ウオータジャケットを含むシリンダヘッドをアルミニウム合金鋳物によって製造する方法であって、
シリンダヘッド鋳物体を鋳造後切断し、あるいは複数の部品にそれぞれ分割して鋳造することで、ウオータジャケット部分が開口された複数のシリンダヘッドを構成する部品を得る工程と、
各シリンダヘッド部品をそれぞれ所定の温度で溶体化処理する溶体化処理工程と、
各シリンダヘッド部品の切断面あるいは分割面の酸化膜を除去し、所定の時効処理条件の下においてアルミニウム合金内に拡散される低融点金属薄膜を配置する工程と、
各シリンダヘッド部品を、それぞれ対応する切断面あるいは分割面を合わせて組み付ける工程と、
組み付けられた各シリンダヘッドを構成する部品を一体として、所定の時効処理条件の下で時効処理と、低融点金属薄膜のアルミニウム合金内への溶融拡散による接合処理とを行う時効接合工程と、
を含むことを特徴とするシリンダヘッドの製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載のシリンダヘッドの製造方法において、
溶体化処理工程は、４９０℃以上５４０℃以下の温度で処理し、
時効接合工程は、不活性ガス雰囲気の下で１４０℃以上２２０℃以下の温度で処理することを特徴とするシリンダヘッドの製造方法。
【請求項４】
請求項２に記載のシリンダヘッドの製造方法において、
低融点金属薄膜を構成する材料は、Ａｌ−９１質量％以上のＧａ合金、Ａｌ−９０質量％以上のＬｉ合金、Ａｌ−Ｉｎ共晶合金、Ｍｇ−９４質量％以上のＧａ合金、Ｍｇ−８３質量％以上のＬｉ合金、Ｌｉ−１７質量％以下のＮａ合金、Ｌｉ−９５質量％以上のＮａ合金、Ｌｉ−４９質量％以下のＺｎ合金、Ｚｎ−８９質量％以上８９質量％以下のＳｎ合金、Ｎａ−７質量％以下のＳｂ合金、Ｇａ−３５質量％以下のＺｎ合金、Ｇａ−１％以下のＳｒ合金、Ｇａ−９７質量％以下のＳｎ合金、Ｇａ−０．５質量％以下のＳｃ合金、Ｇａ−０．５質量％以下のＳｂ合金、Ｇａ−０．５質量％以下のＬｉ合金、Ｇａ−４８質量％以下のＬｉ合金、Ｇｅ−９９質量％以上のＧａ合金、Ｇａ−０．１質量％以上〜９９．９質量％以下のＩｎ合金の中のいずれか１つを含むことを特徴とするシリンダヘッドの製造方法。
【請求項５】
ウオータジャケットを含むシリンダヘッドであって、
アルミニウム合金鋳物で構成され、
ウオータジャケット部分が開口するように複数のシリンダヘッドを構成する部品に分割される接合面を有し、
接合面は、アルミニウム合金鋳物の溶体化処理の後の時効処理条件においてアルミニウム合金鋳物内に溶融拡散された低融点金属薄膜の接合層を含むことを特徴とするシリンダヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属製品の製造方法、シリンダヘッドの製造方法及びシリンダヘッドに係り、特に溶体化処理と人工時効処理とを行うことで強度等を向上させるアルミニウム合金鋳物を用いる金属製品の製造方法、シリンダヘッドの製造方法及びシリンダヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム合金には熱処理によって強度を上げることができるものと、できないものとが知られ、例えば高力アルミニウム合金、耐熱アルミニウム合金とともに鋳物用アルミニウム合金は、熱処理強化型の合金である。これらの合金は、例えば５００℃前後の温度に加熱した後焼入れすると、合金成分が下地金属の中に溶け込んで軟らかい状態が得られる。この熱処理は溶体化処理と呼ばれる。溶体化処理されたこれらの合金は、時間の経過とともに次第に硬くなり強度が大きくなる。これは時効硬化と呼ばれるが、例えば１２０℃から２００℃程度に長期間加熱すると硬化が促進される。これを常温の時効効果と対比させて人工時効と呼ばれる。このように溶体化処理の後人工時効処理を行う処理は、ＪＩＳ規格（日本工業標準規格）に定められるＴ６処理として知られている。
【０００３】
アルミニウム合金を用いて金属製品を成形し、これにＴ６処理を施すことで、所定の強度を得ることができるが、その際に残留応力が発生することが知られている。例えば、特許文献１には、Ａｌ合金製部材であるシリンダヘッドにおいて、ウオータジャケットが迷路のように張り巡らされているために、Ｔ６処理の溶体化処理（焼入れ）時の各部位の冷却速度の差異によって、ウオータジャケット側に引張残留応力が、外側に圧縮残留応力がそれぞれ発生し、これらの残留応力はその後の時効処理によっても開放されないことが述べられている。その対策として、時効温度に保持した後の冷却時に、シリンダヘッドに形成された孔部から冷却水等の冷媒を内側に導入し、ウオータジャケット側を外側よりも低温で冷却しながら時効処理することが述べられている。
【０００４】
また、特許文献２には、アルミニウム合金製シリンダヘッドを所定の焼入れ温度まで昇温させた後、冷媒で冷却することによって焼入れを施す熱処理方法において、シリンダヘッドの鋳造時または鋳造後に、シリンダヘッドの長手方向両端部と、両側部とに、ウオータジャケットとシリンダヘッド外部とを連通させる連通穴を設けておき、シリンダヘッドを昇温した上で容器内の冷媒に沈め、各連通穴によってウオータジャケット内への冷媒の流入を促進して冷却を均一化し、残留応力を低減させることが述べられている。
【０００５】
【特許文献１】特開平４−２３５２５９号公報
【特許文献２】特開平６−１０８２１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来技術においては、残留応力の低減のために、冷却速度をできるだけ各部位において均一となるように管理が行われる。これらの方法では、実際的に冷却速度、冷媒等の管理方法が容易でないことがあり、また、シリンダヘッドのウオータジャケット部は、ポートや外壁に拘束されるために、そのままの状態での水冷等の溶媒冷却では、確実な残留応力の除去が困難である。
【０００７】
本発明の目的は、溶体化処理及び人工時効処理を行う材料を用いて中空部を有する製品を製造する際の残留応力を抑制できる金属製品の製造方法、シリンダヘッドの製造方法を提供することである。また、残留応力を抑制できるシリンダヘッドを提供することである。以下の手段は、これらの目的の少なくとも１つに貢献する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る金属製品の製造方法は、内部に中空部を有する金属製品を、溶体化処理及び人工時効処理を施すアルミニウム合金材料によって製造する方法であって、金属製品を成形後切断し、あるいは金属製品を構成する複数の部品をそれぞれ分割して成形することで、内部の中空部が開口された複数の部品を得る工程と、各部品をそれぞれ所定の温度で溶体化処理する溶体化処理工程と、各部品の切断面あるいは分割面の酸化膜を除去し、所定の時効処理条件の下においてアルミニウム合金内に拡散される低融点金属薄膜を配置する工程と、各部品を、それぞれ対応する切断面あるいは分割面を合わせて組み付ける工程と、組み付けられた各部品を一体として、所定の時効処理条件の下で時効処理と、低融点金属薄膜のアルミニウム合金内への溶融拡散による接合処理とを行う時効接合工程と、を含むことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係るシリンダヘッドの製造方法は、ウオータジャケットを含むシリンダヘッドをアルミニウム合金鋳物によって製造する方法であって、シリンダヘッド鋳物体を鋳造後切断し、あるいは複数の部品にそれぞれ分割して鋳造することで、ウオータジャケット部分が開口された複数のシリンダヘッドを構成する部品を得る工程と、各シリンダヘッド部品をそれぞれ所定の温度で溶体化処理する溶体化処理工程と、各シリンダヘッド部品の切断面あるいは分割面の酸化膜を除去し、所定の時効処理条件の下においてアルミニウム合金内に拡散される低融点金属薄膜を配置する工程と、各シリンダヘッド部品を、それぞれ対応する切断面あるいは分割面を合わせて組み付ける工程と、組み付けられた各シリンダヘッドを構成する部品を一体として、所定の時効処理条件の下で時効処理と、低融点金属薄膜のアルミニウム合金内への溶融拡散による接合処理とを行う時効接合工程と、を含むことを特徴とする。
【００１０】
また、溶体化処理工程は、４９０℃以上５４０℃以下の温度で処理し、時効接合工程は、不活性ガス雰囲気の下で１４０℃以上２２０℃以下の温度で処理することが好ましい。
【００１１】
また、低融点金属薄膜を構成する材料は、Ａｌ−９１質量％以上のＧａ合金、Ａｌ−９０質量％以上のＬｉ合金、Ａｌ−Ｉｎ共晶合金、Ｍｇ−９４質量％以上のＧａ合金、Ｍｇ−８３質量％以上のＬｉ合金、Ｌｉ−１７質量％以下のＮａ合金、Ｌｉ−９５質量％以上のＮａ合金、Ｌｉ−４９質量％以下のＺｎ合金、Ｚｎ−８９質量％以上８９質量％以下のＳｎ合金、Ｎａ−７質量％以下のＳｂ合金、Ｇａ−３５質量％以下のＺｎ合金、Ｇａ−１％以下のＳｒ合金、Ｇａ−９７質量％以下のＳｎ合金、Ｇａ−０．５質量％以下のＳｃ合金、Ｇａ−０．５質量％以下のＳｂ合金、Ｇａ−０．５質量％以下のＬｉ合金、Ｇａ−４８質量％以下のＬｉ合金、Ｇｅ−９９質量％以上のＧａ合金、Ｇａ−０．１質量％以上９９．９質量％以下のＩｎ合金の中のいずれか１つを含むことが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係るシリンダヘッドは、ウオータジャケットを含むシリンダヘッドであって、アルミニウム合金鋳物で構成され、ウオータジャケット部分が開口するように複数のシリンダヘッドを構成する部品に分割される接合面を有し、接合面は、アルミニウム合金鋳物の溶体化処理の後の時効処理条件においてアルミニウム合金鋳物内に溶融拡散された低融点金属薄膜の接合層を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
上記構成により、アルミニウム合金を用いて成形された製品をその後切断し、あるいは製品を構成する複数の部品に分割してそれぞれ成形することで、製品の内部の中空部を開口させた複数の部品とする。そして、その後、各部品を溶体化処理する。したがって、溶体化処理の焼入れにおいて発生する可能性のある残留応力がこの開口により冷却速度が均一となるため、各部品における残留応力が抑制される。
【００１４】
その後、切断面等に低融点金属薄膜が配置されて各部品が製品の形状に組み付けられ、時効処理が行われるが、低融点金属薄膜はこの時効処理条件の下で下地金属であるアルミニウム合金の内部に溶融拡散するものが用いられる。したがって、１つの熱処理によって、アルミニウム合金の人工時効処理と、各部品の拡散接合とを行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下において、対象製品は、車両に用いられるシリンダヘッドで、ウオータジャケット付のものとするが、これ以外の製品であっても、内部に中空部を有して、熱処理によって残留応力が発生しやすい製品であってもよい。また、製品を構成する材料は、鋳物用アルミニウム合金として説明するが、それ以外のアルミニウム合金であって、溶体化処理及び人工時効処理が施されるものであれば、他のアルミニウム合金であってもよい。また、溶体化処理の前に複数の部品とする場合に、これを２つの部品に分割するとして説明するが、分割数はこれ以外の複数であればよい。また、分割の仕方は一平面の分割面で行うものとして説明するが、これより複雑な切断面形状で分割を行うものとしてもよい。
【００１６】
図１は、ウオータジャケットを含むシリンダヘッドの残留応力を抑制する製造方法の手順を示すフローチャートで、図２は、製造方法の各手順の様子を模式的な形状を用いて示す図である。ここで、シリンダヘッドは自動車等の車両のエンジン部品であり、その冷却のために張り巡らされる流路を有するウオータジャケットを含んでいる。したがって、シリンダヘッドはその内部に複雑な形状の中空部を含んでいる。
【００１７】
ウオータジャケットを含むシリンダヘッドの製造方法の最初は、２通りの方法のいずれかによって開始される。１つの方法は、シリンダヘッドを鋳物体で鋳造し（Ｓ１０）、これを、内部の中空部が開口するような切断面で複数の部品に切断する（Ｓ１２）。切断は機械加工、例えば、ワイヤカットや高圧の水を用いるウォータージェット等によって行われる。もう１つの方法は、シリンダヘッドを、内部の中空部が開口するように、予め複数の部品を設計し、これを別々に鋳造する（Ｓ１４）。前者の方法は、１つの鋳物体を製造した後に複数の部品に分割し、分割のところに機械加工面が現れるのに対し、後者の方法は、組み合わせてシリンダヘッドを構成できる複数の部品をそれぞれ鋳造し、接合する面は、やはりフラットな面に加工する。
【００１８】
Ｓ１０及びＳ１４における鋳造は、鋳物用アルミニウム合金材料を用い、周知の鋳造技術を用いて行うことができる。鋳物用アルミニウム合金材料は、ＪＩＳ、ＤＩＮ（ドイツ工業標準）、ＡＳＴＭ（米国試験材料協会規格）、ＩＳＯ（国際標準機構）等に定められる規格の中から所望の性能に合わせて選択することができる。例えば、ＪＩＳにおけるＡＣ２Ｂ又はＡＣ４Ｃ、及びこれらに対応するＤＩＮのＥＮＡＣ−２０００、ＩＳＯのＡｌ−Ｓｉ７Ｍｇを用いることができる。
【００１９】
また、Ｓｉを５質量％以上７質量％以下、Ｃｕを０．２質量％以上１．０質量％以下、Ｍｇを０．２質量％以上０．５質量％以下、Ｍｎを０．１％未満、Ｆｅを０．５％未満、残部Ａｌの成分系のアルミニウム合金を用いることができる。ここでＣｕについて、高温強度と常温延性を両立できる範囲として、０．２質量％以上１．０質量％以下とした。また、Ｍｇについて、延性を損なわず強度を確保できる範囲として、０．２質量％以上０．５質量％以下とした。Ｆｅについては、Ｍｎと結合してできる針状金属化合物が延性を損なうことと、リサイクル性による低コスト化を考慮して０．５％未満とした。
【００２０】
いずれかの方法を用いて、組み合わせてシリンダヘッドを構成できる複数の部品が得られる（Ｓ２０）。図２（ａ）、（ｂ）はその様子を示す図で、ここでは上記のＳ１０−Ｓ１２の方法を用いるときの様子が示されている。図２（ａ）は、シリンダヘッド鋳物体１０を鋳造したものを示す。ここで、シリンダヘッド鋳物体１０の上下方向が判別できるように、シリンダヘッド鋳物体１０の上面形状１６を参考のため図示してある。図２（ａ）にはさらに、シリンダヘッド鋳物体１０の図示されていない内部の中空部が開口するように２つの部品１２，１４に分割するための仮想切断面１８が示される。図２（ｂ）は、仮想切断面１８で切断して得られた２つの部品１２、１４を、実際の切断面のところで開いた様子を示す図である。ここではシリンダヘッド鋳物体１０の上面形状１６が現れず、各部品１２，１４の実際の各切断面２０、２２に、内部のウオータジャケット中空部が現れているのが示される。
【００２１】
得られた各部品１２，１４には、次に溶体化処理が施される（Ｓ２２）。溶体化処理工程は、高温保持の段階と、その後水冷の焼入れの段階を含む。高温保持の段階におけるいわゆる溶体化温度は、析出強化元素であるＣｕやＭｇを十分固溶できる温度として、４９０℃以上５４０℃以下の温度とする。５４０℃を超えるとＣｕ量が多いＡＣ２ＢやＡＣ４Ｂ系ではいわゆるバーニングを起こすため、上限を設定した。また、時効処理時の析出強化で強度を確保するために十分固溶できる温度として下限を４９０℃とした。高温保持の時間は、各部品１２，１４の具体的な材料組成、寸法、質量等で適宜設定される。焼入れ段階は、高温保持の後、あまり時間をおかずに焼入れ水槽の中に各部品１２，１４を入れることで行われる。水温は、一般的な溶体化処理で設定される５０℃〜８０℃で良い。
【００２２】
図２（ｃ）は、溶体化処理の様子を示す図で、分割された各部品１２，１４は、溶体化熱処理装置２６において、所定の溶体化温度に保持され、その後、焼入れ水槽２８に移される。各部品１２，１４は、溶体化熱処理装置２６、焼入れ水槽２８において、まとめて処理されてもよく、個別に処理されてもよい。ここで、各部品１２，１４は、中空部が切断面において開口しているので、表面積の拡大と、拘束部分がなくなり、焼入れ時の冷却において、各部分の冷却速度が均一となり、残留応力が生じにくくなる。したがって、中空部が切断面等によって開口されない場合に比べ、各部品１２，１４における残留応力が格段に少なくなる。
【００２３】
溶体化処理が施された各部品１２，１４はその後、合わせ面の酸化膜が除去（Ｓ２４）され、その清浄化した合わせ面に低融点金属薄膜が配置される（Ｓ２６）。ここで合わせ面とは、Ｓ１０−Ｓ１２の方法をとった場合には各切断面２０，２２のことであり、Ｓ１４の方法をとったときは、この仮想切断面１８に対応する面のことで、各部品１２，１４を組み合わせてシリンダヘッド外形を構成できるときの相互に面と面とを合わせて組み合わせる面のことである。酸化膜除去は研削等の機械的方法、あるいはエッチング等の化学的方法を用いることができる。もちろん機械的方法と化学的方法とを併用してもよい。
【００２４】
低融点金属薄膜は、これを各部品１２，１４の合わせ面に挟んで、所定の時効処理条件の下におくと、各部品１２，１４のアルミニウム合金内に熱拡散し、合わせ面において拡散接合を形成するような材料である。所定の時効処理条件は、各部品１２，１４を構成するアルミニウム合金材料の組成等で定められるので、これらの条件に合わせて適当な材料を選択することができる。具体的には、時効処理温度を１４０℃以上２２０℃以下として、この温度範囲で溶解でき、シリンダヘッド母材であるアルミニウム合金と共晶型あるいは固溶析出型となる金属元素、あるいはそれらの組み合わせ元素の成分系に限定した。このうち、ＮａやＳｒ等の元素は、改良処理の効果も期待でき、組織微細化による接合部のさらなる強度向上にもつながる。低融点金属薄膜の厚さは、例えば５０μｍ以上０．２ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ程度とすることができる。
【００２５】
このような低融点金属薄膜の材料としては、Ａｌ−９１質量％以上のＧａ合金、Ａｌ−９０質量％以上のＬｉ合金、Ａｌ−Ｉｎ共晶合金、Ｍｇ−９４質量％以上のＧａ合金、Ｍｇ−８３質量％以上のＬｉ合金、Ｌｉ−１７質量％以下のＮａ合金、Ｌｉ−９５質量％以上のＮａ合金、Ｌｉ−４９質量％以下のＺｎ合金、Ｚｎ−８９質量％以上８９質量％以下のＳｎ合金、Ｎａ−７質量％以下のＳｂ合金、Ｇａ−３５質量％以下のＺｎ合金、Ｇａ−１％以下のＳｒ合金、Ｇａ−９７質量％以下のＳｎ合金、Ｇａ−０．５質量％以下のＳｃ合金、Ｇａ−０．５質量％以下のＳｂ合金、Ｇａ−０．５質量％以下のＬｉ合金、Ｇａ−４８質量％以下のＬｉ合金、Ｇｅ−９９質量％以上のＧａ合金、Ｇａ−０．１質量％以上９９．９質量％以下のＩｎ合金の中の１つ、あるいはこれらの任意の組み合わせを用いることができる。
【００２６】
低融点金属薄膜の厚さは、各部品１２，１４の大きさ、切断面形状等の複雑性によって適当に定めることができる。例えば５０μｍ以上０．２ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ程度とすることができる。低融点金属薄膜の配置は、シート状のものを挟むことで行うことができる。
【００２７】
図２（ｄ）は、その様子を示す図で、部品１２と部品１４とが合わせ面における酸化膜除去のあと、合わせ面の少なくともいずれか一方側に低融点金属薄膜３０を配置し、相互の合わせ面を向かい合わせたところを示す。ここでは合わせ面における中空部の開口が内部に隠されて現れず、上面形状１６が示されるように、低融点金属薄膜３０が配置されていることを除けば、図２（ａ）と外観上は同じである。
【００２８】
次に、合わせ面の間に低融点金属薄膜が配置された各部品１２，１４に対し組付（Ｓ２８）が行われる。組付は、合わせ面に低融点金属薄膜が配置された各部品１２，１４を正確にシリンダヘッドの外形となるように合わせ面の位置決めを行い、位置決めされた状態で加圧しつつ固定して行われる。２つの部品１２，１４に予め位置決め用の目合わせマークや、穴、ボス等を設けておくことが好ましい。加圧固定は、組付用の穴等が準備されているときはそれらを用いてボルト、ナット等の締結手段を用いることができる。あるいは、各部品１２，１４を位置決めした後、適当な挟み込み治具を用いて加圧固定することでもよい。
【００２９】
組付のあと、時効加圧接合（Ｓ３０）が行われる。この工程は、Ｔ６処理における人工時効工程であるが、その条件下において、低融点金属薄膜がアルミニウム合金内に拡散し、合わせ面において拡散接合を形成する工程でもある。人工時効処理の温度条件としては、上記のように、１４０℃以上２２０℃以下とした。ここで下限の１４０℃はシリンダヘッドの強度を確保するための最低温度であり、上限の２２０℃は、過時効軟化を抑制するための上限温度である。時効接合処理の時間は、所定の強度を確保できるように十分長く設定される。時効接合の雰囲気は、真空雰囲気あるいは不活性ガス雰囲気あるいは窒素雰囲気とする。時効接合後の冷却は、水冷でも空冷でもよい。
【００３０】
図２（ｅ）は、時効接合処理の様子を示す図である。合わせ面に低融点金属薄膜３０が配置された各部品１２，１４は、組付加圧治具３２によって加圧固定された状態で、時効接合処理装置３４の中で酸化が生じない雰囲気の下で、所定の温度に保持される。
【００３１】
図２（ｆ）は、このようにして時効接合処理が終了したシリンダヘッド４０の様子を示す図である。シリンダヘッド４０は、接合面４２を有する一体構造で、接合面４２は、アルミニウム合金鋳物の溶体化処理の後の時効処理条件においてアルミニウム合金鋳物内に拡散された低融点金属の接合層４４を含んでいる。また、この接合面４２は、図２（ａ）における仮想切断面１８、あるいは図２（ｂ）の実際の切断面２０，２２に相当するので、仮にこのシリンダヘッド４０を接合面４２に沿って分解し、分解面で開いたとすれば、ウオータジャケット部分が開口するように現れる。また、接合層４４の組成は、元々のアルミニウム合金材料の母材に、それを構成するものとは異なる金属元素が共晶型あるいは固溶析出型で存在する。したがって、公知の元素分析法を用いて深さ方向の元素分布を調べることで接合層４４の組成及びその接合性能を評価することができる。
【実施例１】
【００３２】
Ｓｉを７質量％、Ｃｕを０．５質量％、Ｍｇを０．３５質量％、残部Ａｌの成分系のアルミニウム合金を用いて、ウオータジャケットを含むシリンダヘッドを鋳造した。鋳造後、長手方向を含む１つの切断面で切断し、ウオータジャケット部分が開口された上下２つのシリンダヘッド部品を得た。この上下２つのシリンダヘッド部品のそれぞれを、５３０℃５時間の溶体化温度に保持した後、水冷で焼入れすることで溶体化処理を行った。その後機械加工により、合わせ面の酸化膜を除去し、Ａｌ−９２質量％のＧａ合金の金属薄膜を合わせ面に挿入し、位置決め後組付治具で加圧固定、１４０℃４時間の時効接合処理を行った。冷却は空冷である。
【００３３】
比較例１として、シリンダヘッドを鋳造したのち、従来の方法による溶体化処理及び人工時効処理を行った。アルミニウム合金の組成、溶体化処理条件は実施例と同じであり、人工時効処理条件は実施例の時効接合処理条件と同じである。
【００３４】
比較例２として、比較例１において溶体化処理の焼入れ条件を水冷でなく空冷とした。その他の条件は比較例１と同様である。
【００３５】
図３は、実施例、比較例１、比較例２によって得られたそれぞれのシリンダヘッドについて、残留応力と硬さの相対的な相違を示す図である。縦軸には、比較例１の残留応力の値、硬さの値をそれぞれ１００としたときの、残留応力の値、硬さの値が取られる。残留応力の値は、例えば、シリンダヘッドの残留応力が発生し易い部位を一部切断し、そのときの歪等の変化を検出することで測定できる。硬さは、シリンダヘッドの残留応力が発生し易い部位を所定の硬度計で測定することで得られる。
【００３６】
図３に示されるように、実施例のシリンダヘッドにおける残留応力の大きさは、比較例１、すなわち標準的な従来技術におけるシリンダヘッドにおける残留応力の大きさ１／１０に低減する。その一方で、硬度は、比較例１と同じである。すなわち、強度を損なうことなく、残留応力の発生が大幅に抑制されることがわかる。比較例２は、焼入れを空冷とするもので、水冷焼入れの比較例１に比べ残留応力をやはり大幅に低下させることができるが、溶体化処理が不十分となるので、硬さに代表される強度が十分に確保できていないことがわかる。
【００３７】
このように、シリンダヘッドのウオータジャケットが開放することで、表面積の拡大と拘束部分がなくなり、溶体化処理の水冷においてシリンダヘッド全体が均一冷却され、引張残留応力が大幅に除去される。これによって、強度及び延性を確保しつつ疲労強度が向上する。接合面も、そこに挿入されたインサート材である低融点金属薄膜により析出強化がなされるため、接合面において母材より強度が低下することがない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る実施の形態において、ウオータジャケットを含むシリンダヘッドの製造方法の手順を示すフローチャートである。
【図２】本発明に係る実施の形態において、製造方法の各手順の様子を模式的な形状を用いて示す図である。
【図３】実施例、比較例１、比較例２によって得られたそれぞれのシリンダヘッドについて、残留応力と硬さの相対的な相違を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  シリンダヘッド鋳物体、１２，１４  部品、１６  上面形状、１８  仮想切断面、２０，２２  切断面、２６  溶体化熱処理装置、２８  焼入れ水槽、３０  低融点金属薄膜、３２  組付加圧治具、３４  時効接合処理装置、４０  シリンダヘッド、４２  接合面、４４  接合層。
【図１】
2007029956.tif 000003
【図２】
2007029956.tif 000004
【図３】
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