(57)【要約】【課題】成形された空隙の形状を正確に保持しつつ、母材と鋳ぐるまれたアルミニウムパイプとの密着性に優れたアルミニウム鋳造品及びその製造方法を提供する。【解決手段】成形されたアルミニウムパイプの内部に、熱伝導率が0.1〜20W/mKのビーズを充填する工程と、前記ビーズの充填されたアルミニウムパイプの表面にある酸化膜を、機械的処理又は化学的処理によって除去する工程と、前記酸化膜の除去されたアルミニウムパイプを、酸素濃度5体積％以下の雰囲気で予熱する工程と、前記予熱されたアルミニウムパイプを、アルミニウム合金で鋳ぐるむ工程とを具えることを特徴とする。【選択図】図１
2013202636.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形されたアルミニウムパイプの内部に、熱伝導率が0.1〜20W/mKのビーズを充填する工程と、
前記ビーズの充填されたアルミニウムパイプの表面にある酸化膜を、機械的処理又は化学的処理によって除去する工程と、
前記酸化膜の除去されたアルミニウムパイプを、酸素濃度5体積％以下の雰囲気で予熱する工程と、
前記予熱されたアルミニウムパイプを、アルミニウム合金で鋳ぐるむ工程とを具えることを特徴とするアルミニウム鋳造品の製造方法。
【請求項２】
前記ビーズの平均粒径が、50〜500μmであることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム鋳造品の製造方法。
【請求項３】
前記ビーズは、ソーダ石灰ガラス、セラミックビーズ、二酸化ジルコニウム及び酸化アルミニウムからなる群より選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアルミニウム鋳造品の製造方法。
【請求項４】
前記ビーズの充填は、前記アルミニウムパイプを加振しながら、前記ビーズを吸引することによって行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のアルミニウム鋳造品の製造方法。
【請求項５】
前記アルミニウムパイプの予熱は、200〜400℃で行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のアルミニウム鋳造品の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法によって得られたことを特徴とするアルミニウム鋳造品。
【請求項７】
前記アルミニウム鋳造品が、ウォータージャケットであることを特徴とする請求項６に記載のアルミニウム鋳造品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウォータージャケット等の内部に空隙を有するアルミニウム鋳造品及びその製造方法であって、特に、鋳ぐるまれたアルミニウムパイプによって成形された空隙の形状を正確に保持しつつ、アルミニウムパイプと母材との密着性に優れた、アルミニウム鋳造品及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、モーター用やＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）用のウォータージャケットとして、内部に空隙を有するアルミニウム鋳造品が用いられている。アルミニウム鋳造品内部の空隙については、樹脂入りの砂を焼き固めてなる砂中子を用いた鋳造や、切削によって空隙を切り出すことによって形成されることが一般的である。
【０００３】
しかしながら、砂中子を用いる場合、砂中子自体が構造的に脆いことから、破壊するおそれがあり、複雑な形状の空隙を形成できないという問題があった。さらに、砂を固めるための樹脂から発生する燃焼ガスにより、製品中に鋳巣欠陥が発生しやすくなるという問題や、砂中子を除去する時間や手間がかかるという問題もあった。
【０００４】
また、切削によって空隙を切り出す場合、部材を直線的な切削で空隙が作成できる部分と、これらをつなぐ蓋部分とに分けて製作し、これらを後にボルト等を用いて一体化させる技術であるため、継ぎ目のない一体構造の鋳造品を製造できないという問題があった。さらに、技術的な問題から、空隙の形状の自由度が限られるという問題があった。
【０００５】
そのため、予め成形されたアルミニウムパイプをアルミニウム合金で鋳ぐるむことによって、所望の形状の空隙を形成する技術が開発されている。
例えば、特許文献１には、鋳型内にアルミパイプを配置してアルミ溶湯を注湯することにより、該パイプを鋳込んでアルミ鋳造品の管路を構成するパイプ鋳ぐるみ鋳造法において、前記アルミパイプ内に耐熱性固形物を装填し、この装填状態で注湯して固化後に前記固形物を抜き取ることを特徴とするパイプ鋳ぐるみ鋳造法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−１５４６３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の技術や、その他従来のアルミニウムパイプを鋳ぐるむ技術では、内部の空隙を正確に形成するべく、アルミニウムパイプの溶融による変形を防ぐことを目的とした冷却が行われており、鋳造品の母材とアルミニウムパイプとの温度差が大きくなる。また、その他の製造時の要因が重なる結果、鋳造品の母材とアルミニウムパイプとの密着性が十分でないという問題があった。この場合、鋳造品の空隙内を通る冷媒（例えば、水）と、鋳造品の母材との熱交換が重要となる用途、例えばウォータージャケット等、に採用することは困難であるため、さらなる技術の改良が望まれている。
【０００８】
そのため、本発明は上記した従来技術が抱える問題を有利に解決するものであり、製造における各工程の適正化を図ることによって、成形された空隙の形状を正確に保持しつつ、母材とアルミニウムパイプとの密着性に優れたアルミニウム鋳造品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】
【０００９】
本発明者らは、鋳造品の空隙を形成するために鋳ぐるまれたアルミニウムパイプと母材との密着性との関係について鋭意検討を行ったところ、特定範囲の熱伝導率を有するビーズをアルミニウムパイプ内に充填することで、鋳造時、パイプの母材と接する外面については溶融しつつ、空隙を形成する内面については、溶融せずに空隙の形状を保持できることを見出した。
さらに、アルミニウムパイプの表面に形成された酸化膜を除去し、酸素濃度の低減された雰囲気で予熱を行った後、鋳造を行うことによって、母材とアルミニウムパイプとの密着性を大きく向上できることも見出した。
【００１０】
本発明は、上記の知見に基づき完成されたもので、その要旨構成は次のとおりである。
（１）成形されたアルミニウムパイプの内部に、熱伝導率が0.1〜20W/mKのビーズを充填する工程と、
前記ビーズの充填されたアルミニウムパイプの表面にある酸化膜を、機械的処理又は化学的処理によって除去する工程と、
前記酸化膜の除去されたアルミニウムパイプを、酸素濃度5体積％以下の雰囲気で予熱する工程と、
前記予熱されたアルミニウムパイプを、アルミニウム合金で鋳ぐるむ工程とを具えることを特徴とするアルミニウム鋳造品の製造方法。
【００１１】
（２）前記ビーズの平均粒径が、50〜500μmであることを特徴とする上記（１）に記載のアルミニウム鋳造品の製造方法。
【００１２】
（３）前記ビーズは、ソーダ石灰ガラス、セラミックビーズ、二酸化ジルコニウム及び酸化アルミニウムからなる群より選択される少なくとも一種であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のアルミニウム鋳造品の製造方法。
【００１３】
（４）前記ビーズの充填は、前記アルミニウムパイプを加振しながら、前記ビーズを吸引することによって行うことを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれか１項に記載のアルミニウム鋳造品の製造方法。
【００１４】
（５）前記アルミニウムパイプの予熱は、200〜400℃で行うことを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれか１項に記載のアルミニウム鋳造品の製造方法。
【００１５】
（６）上記（１）〜（５）のいずれかに記載の製造方法によって得られたことを特徴とするアルミニウム鋳造品。
【００１６】
（７）前記アルミニウム鋳造品が、ウォータージャケットであることを特徴とする上記（６）に記載のアルミニウム鋳造品。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、アルミニウムパイプにより成形された空隙の形状を正確に保持しつつ、母材とアルミニウムパイプとの密着性に優れたアルミニウム鋳造品を提供できる。また、得られたアルミニウム鋳造品は、ウォータージャケット等の熱交換を必要とされる用途にも適用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の製造方法によって得られたアルミニウム鋳造品について、一部透明にして内部構造を示した斜視図である。
【図２】本発明によるアルミニウム鋳造品の製造工程を示したフロー図である。
【図３】アルミニウム鋳造品の一例について模式的に示した断面図であって、(ａ)は従来技術、(ｂ)は本発明によって得られた状態を示す。
【図４】ビーズが十分に充填されていないアルミニウムパイプの状態についてＸ線を用いて観察した写真である。
【図５】ビーズが十分に充填されたアルミニウムパイプの状態についてＸ線を用いて観察した写真である。
【図６】比較例によって得られたアルミニウム鋳造品の一部の断面を観察した写真である。
【図７】本発明例によって得られたアルミニウム鋳造品の一部の断面を観察した写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を用いて、本発明を具体的に説明する。
図１は、本発明の製造方法によって得られたアルミニウム鋳造品について、内部構造がわかるように一部透明にした状態で示した斜視図である。図２は、本発明の本発明によるアルミニウム鋳造品の製造工程を示したフロー図である。
【００２０】
本発明によるアルミニウム鋳造品の製造方法は、図２に示すように、成形されたアルミニウムパイプの内部にビーズを充填する工程と、アルミニウムパイプの表面にある酸化膜を除去する工程と、アルミニウムパイプを予熱する工程と、アルミニウムパイプを鋳ぐるむ（鋳造する）工程とを具える。
以下、各工程について説明する。
【００２１】
（ビーズ充填工程）
本発明の製造法は、成形されたアルミニウムパイプの内部に、熱伝導率が0.1〜20W/mKのビーズを充填する工程を具える。
0.1〜20W/mKの熱伝導率を有するビーズをアルミニウムパイプ内に充填することによって、鋳造時、鋳造品の母材と接するパイプ外面については溶融し、溶着する結果、母材との高い密着性を実現でき、さらに、空隙を形成する内面については、溶融せず、ビーズによって機械的に補強される結果、空隙の形状を保持することが可能となる。
【００２２】
図３(ａ)及び(ｂ)は、アルミニウム鋳造品の断面の状態を模式的に示した図である。熱伝導率の適正化が図られていないビーズを充填し、アルミニウムパイプを鋳ぐるんだ場合、図３(ａ)に示すように、アルミニウムパイプ２と母材３との間に隙間４が生じ、密着性が低下する。
一方、本発明による製造方法によって製造された鋳造品は、図３(ｂ)に示すように、アルミニウムパイプ２と母材３との間に隙間がなく、密着性に優れる。
【００２３】
ここで、前記ビーズとは前記アルミニウムパイプ中に充填される固形物のことをいう。その形状や材質については特に限定されない。例えば、球状や柱状の固形物だけでなく、繊維状の固形物についても含まれるものとする。
【００２４】
前記ビーズの熱伝導率を、0.1〜20W/mKの範囲としたのは、0.1W/mK未満の場合、熱伝導率が低すぎるため、鋳造時において前記アルミニウムパイプに溶湯から加えられた熱量を充填材で充分吸収できなくなる結果、前記アルミニウムパイプの外面だけでなく内面まで溶融し、空隙の形状保持性が低下するおそれがあり、一方、熱伝導率が20W/mKを超えると、熱伝導率が高すぎるため、充填材で吸収される熱量が多くなりすぎてパイプの温度が上がらず外面も溶融しない結果、前記アルミニウムパイプと前記母材との間に十分な密着性を確保できないからである。
【００２５】
また、前記ビーズの充填については、ビーズの種類や形状によって適した充填率とすることができるが、通常、60体積％以上とすることが好ましく、65体積％以上とすることがより好ましく、70体積％以上とすることがさらに好ましく、80体積％以上とすることが特に好ましい。充填率が60体積％未満の場合、前記ビーズの充填が十分でなく、前記アルミニウムパイプの内面が溶融し、空隙の形状を保持できないおそれがある。
【００２６】
また、前記ビーズは、熱伝導率が0.1〜20W/mKの範囲であり、前記アルミニウムパイプ中で充填できる材料であれば特に限定はされない。その中でも、ソーダ石灰ガラス、セラミックビーズ、二酸化ジルコニウム及び酸化アルミニウムからなる群より選択される少なくとも一種を用いることが好ましい。所望の熱伝導率確保できるとともに、比較的入手しやすく、粒径や形状の加工も容易であるからである。なお、前記セラミックビーズとは、種々のセラミック（ガラス、黒鉛系の物質、又は金属等）からなるビーズであり、例えばアルミナとシリカとの混合物等が挙げられる。
なお、前記ビーズは熱伝導率の調整ができる点から、２種類以上の材料を混合して用いることが好ましい。
【００２７】
また、前記ビーズの平均粒径は、50〜500μmであることが好ましく、50〜400μmであることがより好ましく、100〜300μmであることが特に好ましい。前記平均粒径が50μm未満の場合、所望の充填率は確保できるものの、所望の熱伝導率の実現が難しく、またビーズの扱いが煩雑になるおそれがあり、一方、前記平均粒径が500μmを超えると、ビーズが大きくなりすぎるため、前記アルミニウムパイプ中に十分に充填できないおそれがあるからである。
ここで、前記平均粒径については、前記ビーズから任意の100粒を選択し、それらの最大粒径を測定し、平均を算出するによって算出することで得られる。また、予め粒径の定められた商品を購入しても良い。
【００２８】
なお、前記ビーズの形状は、上述したように特に限定はされないが、前記アルミニウムパイプの内部へ効率的に充填を行うことができる点からは、球状であることが好ましい。
ここで、球状とは、完全な球形に限定されず、繊維状や棒状、方体状ではない、丸みを帯びた粒状のものを意味する。
【００２９】
前記ビーズを、前記アルミニウムパイプ内に充填する方法については、欠陥なく前記ビーズを充填できる方法であれば特に限定はされない。
例えば、パイプの形状に関わらず、効率的且つ確実に前記ビーズの充填を行える点から、前記アルミニウムパイプを加振しながら、前記ビーズを吸引することによって、前記ビーズの充填を行うことが好ましい。前記アルミニウムパイプの加振は、例えば、市販の加振装置を用いて行うことができる。また、前記ビーズの吸引は、例えば、ポンプ等の市販の吸引装置を用いて行うことができる。
【００３０】
ここで、図４及び図５は、前記ビーズが充填されたアルミニウムパイプの内部の状態についてＸ線を用いて観察したものである。
図４から、前記ビーズの充填が十分でない場合には、アルミニウムパイプの内部に未充填の空間が生じていることがわかる。前記加振及び吸引等の技術を用いることによって、確実に前記ビーズの充填が行われた場合には、図５に示すように、未充填の空間がないことがわかる。
【００３１】
また、前記ビーズの充填率を把握する方法については、正確に測定できる方法であれば特に限定はされない。例えば、上述したＸ線を用いて把握することも可能である。また、比較的容易且つ正確に前記ビーズの充填率を把握できる点から、前記ビーズが充填されたアルミニウムの質量から把握することも可能である。
【００３２】
さらに、前記ビーズを前記アルミニウムパイプ内へと充填するのに先立って、前記ビーズを加温し、乾燥させることが好ましい。ビーズの流動性が良くなり、充填が容易に行えるようになるためである。
【００３３】
なお、本発明での「アルミニウムパイプ」とは、少なくとも１つ以上の入り口と出口があり、内部に空隙を有するように成形されたアルミニウム部材のことを意味し、必ずしもパイプの形状を持つものに限定されない。例えば、入り口と出口は小さく、内部の空隙が大きく膨らんだ風船のような形状も含まれる。
【００３４】
また、前記アルミニウムパイプの成形については、鋳造品の用途に応じて、所望の形状とすることができる。成形方法については特に限定はなく、定法によって成形を行うことが可能である。
【００３５】
（酸化膜除去工程）
本発明の製造方法は、前記ビーズ充填工程の後、前記アルミニウムパイプの表面にある酸化膜を、機械的処理又は化学的処理によって除去する工程を具える。
前記アルミニウムパイプの表面に形成された酸化膜は、前記アルミニウムパイプの母材との密着性を低下させる原因となる。そのため、本発明では、機械的処理又は化学的処理によって、前記酸化膜の除去を行い、前記アルミニウムパイプの母材との高い密着性を確保する。
【００３６】
ここで、前記機械的処理とは、前記酸化膜を機械的に除去する処理であって、具体的には、ブラストや、研削、研磨等が挙げられる。
【００３７】
また、前記化学的処理とは、前記酸化膜を化学的に除去する処理であって、具体的には、水酸化ナトリウム水溶液や、希釈した塩酸等を用いた処理が挙げられる。
【００３８】
（予熱工程）
本発明の製造方法は、前記酸化膜除去工程の後、前記アルミニウムパイプを、酸素濃度5体積％以下の雰囲気で予熱する工程を具える。
前記アルミニウムパイプを予熱する理由としては、前記アルミニウムパイプと前記母材とが溶着するためには、母材を形成するための溶湯が接触した際に、パイプの温度が一部溶融する温度まで上昇する必要がある。そして、溶湯側はパイプに熱を与えた後にすぐに固まらないことが好ましく、これを実現するためパイプを予熱することが必要となる。
【００３９】
前記予熱の雰囲気における酸素濃度を5体積％以下としたのは、5体積％を超えると、前記アルミニウムパイプの外面が再び酸化し、前記母材との密着性を低下させるためである。また、前記酸素濃度は、5体積％以下であることが好ましく、3体積％以下であることがより好ましい。
前記酸素濃度の低減は、例えば、予熱炉の内部へ不活性ガスを充填することによって行われる。
【００４０】
また、前記予熱の温度については、特に限定はされず、任意の温度とすることができる。例えば、前記母材との溶着を確実に行えるとともに、前記アルミニウムパイプ内の空隙の形状を確実に保持する点からは、前記予熱温度を200〜400℃の範囲とすることが好ましい。なお、前記予熱温度の測定は、炉内の雰囲気温度を測定することにより得られる。
【００４１】
（鋳造工程）
本発明の製造方法は、前記予熱工程の後、前記アルミニウムパイプを、アルミニウム合金で鋳ぐるむ工程を具える。
前記アルミニウムパイプを、アルミニウム合金で鋳ぐるむことで、例えば図１に示すような、内部に空隙を有するアルミニウムパイプ２を母材３で覆ったアルミニウム鋳造品１を得ることができる。
【００４２】
前記鋳造の条件については特に限定はされない。例えば、予熱後のアルミニウムパイプを金型にセットした後、保持炉温度700〜750℃の溶湯を用いて、重力式鋳造によって鋳造を行うことができる。
【００４３】
なお、型締め後の前記金型内は高温になるため、溶湯表面やパイプ表面の酸化が促進するおそれがあることから、これを防ぐべく型締め後、溶湯供給前に、金型内を不活性ガスでパージすることが好ましい。
【００４４】
また、鋳造方式については、前記アルミニウムパイプの表層部を溶融させることを目的としており、鋳造段階における中子としての前記アルミニウムパイプの機械的強度は、前記ビーズを内部に充填した場合でもそれほど大きくはないことから、溶湯の流速の早いダイキャストよりも、重力鋳造方式を採用することが好ましい。
【００４５】
なお、前記鋳造工程の後、前記アルミニウムパイプから、充填されたビーズを取り除く工程が行われる。前記ビーズを取り除く方法については特に限定はされず、任意の方法によって取り除くことが可能である。
【実施例】
【００４６】
（本発明例）
図２に示すように、成形されたアルミニウムパイプの内部にビーズを充填する工程と、アルミニウムパイプの表面にある酸化膜を除去する工程と、アルミニウムパイプを予熱する工程と、アルミニウムパイプを鋳ぐるむ（鋳造する）工程とを経て、アルミニウム鋳造品のサンプルを作製した。
なお、前記ビーズは、ソーダー石灰ガラスビーズを用い、球形であり、素材の熱伝導率が0.74W/mK、粒径は#80（0.2ｍｍ程度）とした。
また、前記酸化膜の除去工程は、NaOHの5％溶液を用いた化学的処理によって行った。
さらに、前記予熱工程は、酸素濃度が3体積％以下の雰囲気で、400℃で30分間行った。
前記鋳造工程は、重力鋳造方式によって行った。
【００４７】
（比較例）
前記ビーズ充填工程において、前記ガラスビーズに代えてステンレス系の充填材（熱伝導度：20w／mK、平均粒径：0.2mm、円柱形）を用いたこと以外は、本発明例と同様の条件によって、アルミニウム鋳造品のサンプルを作製した。
【００４８】
（評価）
上記のようにして得られた各サンプルの断面を観察し、アルミニウム鋳造品の母材とパイプとの密着性について評価を行った。
比較例によって得られたサンプルの断面の観察結果を図６、本発明例によって得られたサンプルの断面の観察結果を図７に示す。なお、図６及び図７では、前記母材と前記アルミニウムパイプとの間の隙間の把握を容易にするため、隙間部分は赤く色付けしている。
【００４９】
比較例の製造方法によって得られた鋳造品のサンプルは、図６に示すように、空隙の形状は保持されているものの、前記母材とパイプ外面との間に隙間が多く発生していることがわかった。一方、本発明の製造方法に従って製造された鋳造品のサンプルは、図７に示すように、前記母材とパイプ外面との間に隙間はほとんどなく、密着性に優れることがわかった。
以上のことから、本発明の製造方法を用いてアルミニウム鋳造品を製造することで、成形された空隙の形状を正確に保持しつつ、母材とアルミニウムパイプとの密着性を向上できたことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明によれば、成形された空隙の形状を正確に保持しつつ、母材とアルミニウムパイプとの密着性に優れたアルミニウム鋳造品を提供できる。その結果、得られたアルミニウム鋳造品は、ウォータージャケット等の熱交換を必要とされる用途にも適用が可能となり、産業上有用である。
【符号の説明】
【００５１】
１    アルミニウム鋳造品
２    アルミニウムパイプ
３    母材
４    隙間
【図１】
2013202636.tif 000003
【図２】
2013202636.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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