(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳造製品を形成する金属材（鋳造金属材）と１つ以上の物性値が異なる１種又は２種以上の機能選択素材を含む鋳造金属材の溶湯をアトマイズしてその小液滴を所望形状のコレクターの表面に付着固化させて金属素形材を形成せしめ、上記コレクターから分離した金属素形材を金型キャビティの所定の場所に設置して高圧鋳造することにより上記金属素形材を製品の鋳造時に鋳造金属材でもって鋳ぐるみ複合化させるようにした事を特徴とする鋳造製品の表面改質方法。
【請求項２】
鋳造製品を形成する金属材（鋳造金属材）と１つ以上の物性値が異なる１種又は２種以上の機能選択素材を含む鋳造金属材の溶湯をアトマイズしてその小液滴を所望形状のコレクターの表面に付着固化させて金属素形材を形成せしめ、金属素形材を付着固化させたコレクターを金型キャビティの所定の場所に設置して高圧鋳造することにより上記金属素形材を製品の鋳造時に鋳造金属材でもって鋳ぐるみ複合化させるようにした事を特徴とする鋳造製品の表面改質方法。
【請求項３】
前記金属素形材が、製品の鋳造時に鋳造金属材が侵入できる無数の空隙を有する請求項１又は２記載の鋳造製品の表面改質方法。
【請求項４】
前記機能選択素材が、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金粉末に晶出する初晶シリコン粒子，鋳鉄粉末に晶出するカーボン粒子，ＳｉＣ，Ａｌ2 Ｏ3 ，  Ｓｉ3 Ｎ4 ，ＳｉＯ2 ，ＴｉＣ，黒鉛，鉛，二硫化モリブデン，鉄，アルミニム系合金に晶出する金属間化合物，Ｋ2 Ｏ・６ＴｉＯ2 ，ニッケル合金，コバルト合金，フェライト磁石，磁石鋼，コバルト，軽石，シラスバルーン，アルミナバルーン，カーボンバルーン，中空ガラスビーズ，等から選ばれた１種又は２種以上からなるものである請求項１又は２記載の鋳造製品の表面改質方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳造製品においてその必要とされる部分の表面を機能的に改質するための鋳造製品の表面改質方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本願出願人は先に、特開平７−１２４７３９号公報で開示した如く、耐摩耗性微細粒子を鋳造金属材でもって直接鋳ぐるむことにより、鋳造製品の表面を耐摩耗性に優れたものに改質する方法を提案した。
しかし乍らこの方法では、耐摩耗性微細粒子を鋳造金属材で鋳ぐるむ際に、耐摩耗性微細粒子を保持していたバインダーが鋳造製品中に残留して後々鋳造製品の機能を損なう恐れがあると共に、鋳造製品の表面に形成された改質層の厚みを厚く形成することが難しかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこの様な従来の不具合に鑑みてなされたものであり、通常知られた加圧鋳造法でもって容易且つ安価に必要とされる部分の表面に耐磨耗性等要求される機能を付加して改質することが出来ると共に、鋳造製品の表面に形成される改質層の厚みを実用上十分な厚さに形成することが容易に可能な鋳造製品の表面改質方法を提供せんとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
斯る目的を達成する本発明の鋳造製品の表面改質方法は、鋳造製品を形成する金属材（鋳造金属材）と１つ以上の物性値が異なる１種又は２種以上の機能選択素材を含む鋳造金属材の溶湯をアトマイズしてその小液滴を所望形状のコレクターの表面に付着固化させて金属素形材を形成せしめ、該コレクターから分離した金属素形材を金型キャビティの所定の場所に設置して高圧鋳造することにより上記金属素形材を製品の鋳造時に鋳造金属材でもって鋳ぐるみ複合化させるようにした事を特徴としたものである。
この際、コレクターの表面に形成せしめた金属素形材をコレクターから分離せずにそのまま置中子として金型キャビティの所定の場所に設置し、高圧鋳造することにより上記金属素形材を製品の鋳造時に鋳造金属材でもって鋳ぐるみ複合化させるようにしてもよい。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明で「鋳造製品」とは、ダイカスト鋳造法や溶湯鍛造法又は半溶融鋳造法等の加圧鋳造法により鋳造される製品を言う。従って本発明に係る鋳造製品は、上記した鋳造法において通常に用いられる金属材、すなわちアルミニウムやその合金又はマグネシウム合金又は亜鉛合金或いは銅又はその合金などの金属材（以下、「鋳造金属材」と称する。）を用いて鋳造される。
【０００６】
そして本発明に係る鋳造製品は、その大部分は鋳造金属材で成形されるが、必要とされる部分の表面に、要求される機能を具備した層（以下、「改質層」と称する。）が所要の厚さに、当該鋳造製品の鋳造と同時に形成され、必要とされる部分が要求された機能に改質されるようにする。
【０００７】
そこで本発明では、鋳造金属材とは１つ以上の物性値が異なる素材、すなわち目的とする機能（物性）を有する素材（以下、「機能選択素材」と称する。）を含む鋳造金属材の溶湯をアトマイズして所望形状のコレクター表面に付着固化せしめて金属素形材を形成し、その金属素形材をコレクターから分離させ又はコレクターから分離させずにそのまま金型キャビティの所定の場所に設置して高圧鋳造するものである。
【０００８】
ここでアトマイズとは、金属溶湯を小液滴化（噴霧化）する技術を言い、圧力噴射式アトマイズ法やガスアトマイズ法等が知られている。
ちなみに、圧力噴射式アトマイズ法とは、金属溶湯に圧力を加え振動するノズルから金属溶湯を噴射させるアトマイズ法であり、またガスアトマイズ法とは、流下する金属溶湯に空気や窒素ガス等の不活性ガスを吹き付けて金属溶湯を小液滴化（噴霧化）し、細かい液滴となった金属溶湯を飛散中に急速に冷却凝固させるアトマイズ法を言う。
本発明では、これらのアトマイズ法を、小液滴化（噴霧化）した金属溶湯をコレクターの表面に付着固化させて、金属素形材を形成するのに応用したものである。尚、以下の説明では、ガスアトマイズ法による例を開示する。
【０００９】
これを詳しく説明すれば、１種又は２種以上の機能選択素材を含む鋳造金属材の溶湯に空気や不活性ガスを吹き付けて、金属溶湯を小液滴化（噴霧化）し、細かい液滴となった金属溶湯を飛散中に急速に冷却凝固させると同時に、その小液滴を、所望形状に形成したコレクターの表面に付着固化させて金属素形材を形成せしめるようにしたものである。この時、小液滴化（噴霧化）した金属溶湯のうち、比較的細かい液滴は飛散中に凝固を終了した状態でコレクターの表面に付着・堆積し、比較的大きな液滴は溶融状態のままコレクターの表面に付着・堆積し、又これらの中間の大きさの液滴は半溶融状態（液相と固相が混在した状態）のままコレクターの表面に付着・堆積し、結果的にはガスアトマイズ中においてはコレクターの表面に半溶融膜が形成され、その半溶融膜が凝固して金属素形材が形成されるものである。
【００１０】
上記金属素形材（半溶融膜）の形成に際しては、金属溶湯温度，アトマイズガス圧力，スプレイ距離，ノズル径等を適当な値に設定することにより、半溶融膜の温度及び固相率を一定に保持するようにする。この時、半溶融膜の固相率は、８０％程度に設定することが好ましい。即ち、半溶融膜の固相率を８０％程度にすると、半溶融膜が金属素形材として凝固した時に、製品の鋳造時に鋳造金属材が侵入できる空隙が無数形成される結果、金属素形材と鋳造金属材の密着性が良くなり改質層の剛性が向上するが、半溶融膜の固相率が８０％程度未満では、製品の鋳造時において金属素形材が鋳造金属材に単に鋳包まれるだけで金属素形材と鋳造金属材の密着性が良くない。また、半溶融膜の固相率が８０％程度以上になると、コレクターの表面に付着・堆積できないオーバースプレイ粒子が増加して歩留まりが悪くなる。
【００１１】
また、機能選択素材を含む鋳造金属材の溶湯をガスアトマイズしてコレクターの表面に付着固化させる場合に、鋳造金属材の溶湯中に機能選択素材を予め混合しておき、その溶湯に空気や不活性ガスを吹き付けてガスアトマイズしても良いし、または鋳造金属材の溶湯に機能選択素材を含む空気や不活性ガスを吹き付けてガスアトマイズしても良いし、或いは金属間化合物を晶出する金属溶湯に空気や不活性ガスを吹き付けてガスアトマイズしても良い。
【００１２】
本発明に適用可能な機能選択素材としては、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金粉末に晶出する初晶シリコン粒子や鋳鉄粉末に晶出するカーボン粒子，ＳｉＣ，Ａｌ2 Ｏ3 ，Ｓｉ3 Ｎ4 ，ＳｉＯ2 ，ＴｉＣ，黒鉛，鉛，二硫化モリブデン，鉄，アルミニム系合金に晶出する金属間化合物，Ｋ2 Ｏ・６ＴｉＯ2 ，ニッケル合金，コバルト合金，フェライト磁石，磁石鋼，コバルト，軽石，シラスバルーン，アルミナバルーン，カーボンバルーン，中空ガラスビーズ，等から選ばれた１種又は２種以上からなるものを挙げることができる。そして、これらの中から目的とする改質（機能化）に応じて適宜選択して使用する。
【００１３】
即ち、鋳造製品を例えば耐磨耗性の機能を具備したものに改質したい場合にはＳｉＣ，Ａｌ2 Ｏ3 やＳｉ3 Ｎ4 ，ＳｉＯ2 ，ＴｉＣ，鉄，アルミニム系合金に晶出する金属間化合物又は過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金粉末に晶出する初晶シリコン粒子や鋳鉄粉末に晶出するカーボン粒子等を機能選択素材として用い、耐熱性の機能を具備したものに改質したい場合にはＫ2 Ｏ・６ＴｉＯ2 やＡｌ2 Ｏ3 ，ニッケル合金，コバルト合金等を用い、自己潤滑性の機能を具備したものに改質したい場合には黒鉛や鉛，ＢＮ，二硫化モリブデン等を用い、磁性の機能を具備したものに改質したい場合にはフェライト磁石や磁石鋼，コバルト等を用い、防振性や防音性の機能を具備したものに改質したい場合には軽石，シラスバルーン，アルミナバルーン，カーボンバルーン，中空ガラスビーズ等を用い、そして発色性を改質したい場合にはＳｒ2 Ｐ2 Ｏ7 ：Ｅｕ（青紫），ＢａＭｇ2 Ａｌ16Ｏ27：Ｅｕ（青），ＭｇＷＯ4 （青白），ＭｇＧａ2 Ｏ4 ：Ｅｕ（青緑），Ｚｎ2 ＳｉＯ4 ：Ｅｕ（緑），Ｙ2 Ｏ3 ：Ｅｕ（赤），（Ｓｒ，Ｍｇ，Ｂａ）３（ＰＯ4 ）２：Ｓｎ（橙）等を用いるものである。更に、これらの機能を複数必要とする場合には、２種類以上の機能選択素材を用いる。
【００１４】
これら用いる機能選択素材の形状には格別な制約はないが、その大きさは、１μｍ〜５０μｍ程度が好ましく、製品鋳造後に切削等の機械加工を行なう場合には特に１μｍ〜４０μｍの範囲で揃っていることが好ましい。この時、機能選択素材の大きさが小さい分には問題を生じないが、５０μｍ以上になると製品鋳造後の機械加工性が悪くなり好ましくない。
【００１５】
また、機能選択素材として特に過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金粉末に晶出する初晶シリコン粒子を用いる場合には、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金をアトマイズすることにより急冷凝固して微細な初晶シリコン粒子を晶出させると共に、Ｓｉ成分を１２重量％〜５０重量％、好ましくは２０重量％〜３０重量％程度含有させることが好ましい。
そして、機能選択素材として鋳鉄粉末に晶出するカーボン粒子を用いる場合には、鋳鉄を凝固してカーボン粒子を晶出させる。
また、機能選択素材としてアルミニム系合金に晶出する金属間化合物を用いる場合には、下記の表１に示した鋳造金属材をアトマイズすることにより急冷凝固させて微細な金属間化合物を晶出させ、要求される機能に応じて適宜鋳造金属材を選択する。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
コレクターの表面に形成せしめる金属素形材の厚みは、鋳造製品の表面に生成される改質層の厚みに大きな影響をもたらすので、要求される改質層の厚みに応じて適宜選択する。
【００１８】
また、表面に金属素形材を形成させるためのコレクターは、アルミニウムや鉄などの金属材を用いて鋳造或いは機械加工などにより所望の形状に形成する。この時、コレクターを置中子として用いる場合には、ケイ砂，アルミナサンド，セラビーズ，クロマイトサンド等の砂を用いた砂中子やコールドボックス中子或いは低融点金属中子などの周知の置中子を使用できるだけでなく、アルミニウムや鉄などの金属材を用いて鋳造または機械加工或いは塑性加工（深絞りやインパクト）等により製作した金属中子も使用することができる。
【００１９】
而して、製品を鋳造しその必要とされる部分の表面を機能的に改質するには、所望の形状に形成したコレクターの表面に、機能選択素材を含む鋳造金属材の溶湯をアトマイズして付着固化させて金属素形材を形成せしめ、そのコレクターから金属素形材を分離してその金属素形材を金型キャビティの所定の場所に設置するか、或いは表面に金属素形材を形成させたままのコレクターを金型キャビティの所定の場所に設置し、然る後金型キャビティ内に溶融した鋳造金属材を充填し高圧で加圧する。
【００２０】
すると、上記金属素形材が、溶融した鋳造金属材で鋳ぐるまれて複合一体化されるか、または上記金属素形材に無数の空隙が形成されている場合には、無数の空隙内部に、溶融した鋳造金属材が浸入して複合一体化され、その結果、鋳造製品の所定部分の表面に一定の厚さ（深さ）にわたって機能選択素材と鋳造金属材とが複合一体化してなる改質層が形成された鋳造製品が得られる。
【００２１】
本発明に係る改質方法の具体的な実施例についてここでは省略するが、本発明は上述した機能選択素材を適宜選択して用いることにより目的とする改質（機能化）が可能であることは理解されるだろう。
【００２２】
【発明の効果】
本発明に係る鋳造製品の表面改質方法によれば、高圧鋳造法でもって製品を鋳造するだけで、鋳造製品の必要とされる部分の表面に耐磨耗性等要求される機能を付加し改質することが出来る。よって、鋳造製品の表面改質を容易且つ安価に行なうことが出来る。
【００２３】
しかも、鋳造金属材に鋳ぐるまれる機能選択素材を鋳造金属材と共にアトマイズしてコレクターの表面に付着固化させ、コレクターの表面に形成された金属素形材を鋳ぐるんで改質層を形成するようにしたので、機能選択素材を含む改質層が、鋳造製品を形成している鋳造金属材とほぼ完璧に複合一体化し、もって機能選択素材が脱落するような恐れがなくなり、改質層自体の強度を向上させることが出来ると共に、改質層の内部には鋳造金属材と機能選択素材以外の異質な物質が存在しないので、後々鋳造製品の機能を損なうような恐れもない。
【００２４】
その上、鋳造金属材に鋳ぐるまれる機能選択素材を鋳造金属材と共にアトマイズしてコレクターの表面に付着固化させる時に、金属溶湯温度やノズル径等のアトマイズ条件を適当な値に設定してコレクターの表面に形成される金属素形材内に無数の空隙を形成することにより、その空隙内に鋳造金属材が侵入して金属素形材と鋳造金属材の密着性が良くなり、改質層の剛性を向上させることが出来る。
【００２５】
また、機能選択素材として微細（例えば１μｍ〜１０μｍ程度）なものを用いても、鋳造製品の必要とされる部分の表面に、機能選択素材と鋳造金属材が複合一体化された改質層を実用上十分な厚さ（５００μｍ〜４０００μｍ以上）に形成することが出来る。ちなみに、製品鋳造後に機械加工を必要としない場合には３００μｍ〜５００μｍが、加工代が必要な場合には１０００μｍ以上が実用的な厚さとされている。従って、本発明に係る鋳造製品の表面改質方法によれば、必要に応じて仕上げ加工代がとれ、改質層部分の寸法精度を向上させることが出来る。
【００２６】
加えて、非常に微細な機能選択素材を用いることが可能となるので、製品鋳造後に切削等の機械加工が必要な場合に機械加工性が良好となり、生産性を向上させることが出来る。
【００２７】
更に、非常に微細な機能選択素材を用いることが可能となることと相俟って、機能選択素材を適当に選択して複数用いることにより、複数の機能を具備した表面改質を容易に行なうことが出来る。