JPH01192462A - アルミニウム合金鋳物の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、アルミニウム合金鋳物の製造方法に関する。

（従来の技術） アルミニウム合金鋳物は、軽量性、熱伝導特性、耐蝕性
等に優れているため、鉄系材料に代わって、種々の自動
車部材に適用されてきている。近年、自動車においては
低燃費且つ高出力が求められており、エンジンのシリン
ダーヘッドやピストンへの熱負荷が高くなってきている
ため、このための材料として、耐熱性の高いものが要求
されている。また、自動車部品の中には高い耐摩耗性が
要求されるものが多い。しかしながら、上記のアルミニ
ウム合金鋳物は、耐摩耗性、耐熱性等の性質に関しては
、従来の鉄系材料より劣っており、これらの性質が要求
される部品にアルミニウム合金部材を適用するには、部
分的に耐摩耗性及び耐熱性を向上するための処理を施す
必要がある。このための方法としては、例えば、特開昭
６１−１６６９８４号に、アルミニウム合金部材の耐摩
耗性が要求される部位の表面にＮｉ及びＣｒを合金化し
て金属間化合物相とアルミニウム合金相からなる複合層
を形成することにより、該部位の耐摩耗性を向上する方
法が開示されている。また、特開昭６１−１７０５７８
号に、アルミニウム合金部材の耐熱性の要求される部位
の表面に、Ｆ　ｅ　−Ａ　Ｉ基金属間化合物を形成して
該部位の耐熱性を向上する方法が開示されている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記の方法により特定部位の性質を改善
する方法においては、鋳造後の製品に対して処理を行な
うため、製品の表面の比較的平坦な部分しか処理するこ
とができなかった。

従って、処理すべき部位が製品の内部にあるような製品
または、処理すべき表面に凹凸があり、形状が複雑であ
るような製品には適用できないか、または適用が非常に
困難であった。また、上記方法においては、製品を鋳型
から取り出した後に金属間化合物の晶出または金属間化
合物と基地合金との複合層の形成（以下、合金化という
）のための処理を行なうため、そのような処理のための
特別な設備や装置が必要になり、労力、設備コストの点
でも問題があった。従って、本発明は、耐摩耗性、耐熱
性等の性質の改善のための処理を鋳型内で行なうことが
でき、また、複雑な′形状の表面や製品の内部の性質を
も改善しうるアルミニウム合金鋳物の製造方法を提供す
ることを目的とする。

（課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するために、本発明のアルミニウム合
金鋳物の製造方法は、金属粉末を混合した発泡樹脂ビー
ズを発泡成形することにより消失模型を製造し、これを
鋳包んでアルミニウム合金鋳物を鋳造し、その後、鋳包
み部分を鋳型内で誘導加熱することにより再溶融するこ
とを特徴とする。

発泡権脂ビーズとしては、発泡ポリスチレン、発泡ポリ
エチレン、発泡ポリプロピレン等を使用できる。

発泡樹脂ビーズと混合する金属粉末は、処理により改善
すべき性質により選択される。例えば、エンジンのシリ
ンダーヘッドやピストン等、耐熱性が要求される部品を
製造する場合には、Ｆｅ粉末を使用することができ、ま
た、シリンダーヘッドのバルブシート部、シフトフォー
クの爪部、ロッカーアームのパッド部、ピストンの耐摩
環部、シリンダーブロックのライナ一部等のような耐摩
耗性が要求される部品を製造する場合には、Ｃｒ及びＮ
ｉからなる金属粉末を使用することができる。また、耐
熱性及び耐摩耗性の両方を向上するために、Ｎｉ粉末を
使用することができる。

発泡樹脂ビーズとの混合を均一に行なうためには、金属
粉末の粒径を、平均粒径として２０〜８０μｍとするの
が好ましい。

Ｆｅ粉末を使用する場合、発泡樹脂ビーズへの混合量は
、好ましくは合金化後の処理表面部の組成において、Ｆ
ｅ含有量が８〜３２重量％となるように決定される。こ
れは、８重量％未満ではＦ　ｅ　−Ａ　ｌ系の金属化合
物が充分に晶出しないため目的とする性質の改善が望め
ず、また、３２重量％を超えると、Ｆｅのみによる偏析
が発生し、強度の低下を招くとともに、誘導加熱時間が
長くなり、不要部分まで再溶融してしまうためである。

Ｃｒ及びＮｉ金属粉末を使用する場合、発泡樹脂ビーズ
への混合量は、好ましくは合金化後の処理表面部の組成
において、Ｃｒ及びＮｉの合計重量が２０重量％以上、
４０重量％以下となるように決定される。これは、４０
重量％を超えると、α−ＡＩ相が現れず、Ｎｉだけの偏
析が発生し、強度低下を招くとともに、加工性も悪くな
り、また、不要部分までも再溶融してしまうことになり
、２０重量％未満とすると、上記の金属間化合物があま
り晶出せず、耐摩耗性が極端に悪化するためである。ま
た、特にＣｒの添加は、Ｎｉのみの添加に比べて耐摩耗
性及び耐熱性の向上に大きな効果を奏する。従って、Ｃ
ｒ量は５重量％未満では、やはり金属間化合物の晶出量
が少なく、効果が得られず、また１０重量％を超えても
添加量の割に効果が向上しないため、５重量％以上、１
０重量％以下とするのが好ましい。Ｎｉの添加量は、Ｃ
ｒの添加量によって、ＣｒとＮｉとの合計量が上記範囲
となるように、ｌＯ〜３０重景％の間で変化させること
ができる。

Ｎｉ粉末を使用する場合、発泡樹脂ビーズへの混合量は
、好ましくは合金化後の処理表面部の組成において、Ｎ
ｉの合計重量が２０重量％以上、４０重量％以下となる
ように決定される。これは、２０％未満では、Ｎ　ｉ　
−Ａ　Ｉ基金属間化合物の晶出が充分でなく、４０％を
超えるとＮｉだけの偏析が発生し、強度低下を招くとと
もに誘導加熱時間が長くなり、不要部分までも再溶融し
てしまうためである。

誘導加熱は、例えば、鋳型の合金化すべき部分の近傍に
埋め込まれ、トランス、コンデンサ等の低周波または高
周波配電設備が配線されたコイルに、誘導電流を発生さ
せて、そのジュール熱により行なわれる。これにより、
鋳型内の製品の消失模型鋳包み部分は再溶融して、金属
間化合物または金属間化合物と基地合金との複合層が形
成される。加熱温度は、形成させる金属間化合物により
異なる。Ｆｅ−Ａｌ系金属間化合物を形成させる場合に
は、１１００〜１２００″Ｃが望ましい。ま、た、Ｎｉ
及びＣｒからなる金属粉末により金属間化合物を形成す
る場合には、Ｎｉ及びＣｒの添加量によっても異なり、
Ｎｉ３０重量％、ＣｒｌＯ重量％の場合は、１１００″
Ｃが好ましい。Ｎｉ粉末により金属間化合物を形成する
場合にも、加熱温度はＮｉの添加量により異なる。Ａｌ
−３０重量％Ｎｉの場合には約１１００°Ｃである。

本発明の方法は、種々の部材、例えばシリンダーヘッド
のバルブシート部、シフトフォークの爪部、ロッカーア
ームのパッド部、ピストンの耐摩環部、シリンダーブロ
ックのライナ一部等に適用できる。また、本発明の方法
において、必要部位の性質が確保されていれば他の部分
の性質はそれほど問題とならないような部材を製造する
ために、材料として再生塊等の低コスト材料を使用する
こともできる。

（作用） 本発明のアルミニウム合金鋳物の製造方法は、金属粉末
を混合して発泡成形した消失模型を鋳包んで鋳造し、そ
の後、鋳包み部分を鋳型内で誘導加熱することにより再
溶融するため、鋳込み部分に金属間化合物または金属間
化合物とアルミニウム合金からなる複合層が形成され、
該部分の耐摩耗性、耐熱性等の性質が向上する。

（実施例） 以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明する
。

実施例１： 自動車のシリンダーヘッド用アルミニウム合金鋳物とし
て知られるＪＩＳ　　ＡＣ２Ｂ合金を用いて、本発明の
方法により製造される試験片（以下、本発明試験片とい
う）及び比較のための試験片（以下、比較例試験片とい
う）を製造する。

第１図は、試験片の製造のための鋳造装置１の断面図で
あり、第２図は、該装置１の下型３の上面図である。鋳
型としては、製造が容易な砂型を用いた。該砂型は上型
２及び下型３よりなり、上型１には溶湯を注湯するため
の湯口４が形成されている。下型３には、本発明試験片
及び比較試験片のための形状部５ａ及び５ｂと、そこに
溶湯を導くための湯道６及び堰７，７がそれぞれ形成さ
れている。本実施例においては、本発明試験片のみの先
端部８の耐摩耗性を向上する。このために、下型３の形
状部５ａの湯道６と反対側の端部、即ち試験片の先端部
８に相当する部分の下方、並びに上型２の上記形状部５
ａの端部の上方に、それぞれ誘導加熱のための誘導加熱
用コイル１０．１０が埋設されている。

試験片の製造は、上記の鋳造装置を用いて、下記のよう
に行なう。まず、平均粒径５０μｍのＦｅ粉末を混合し
てなる発泡ポリスチレンビーズを発泡成形型へ充填し、
スチームにより発泡成形して、上記試験片の先端部８に
対応する形状の消失模型１１を製造する。次に、これを
鋳造装置１の下型３の形状部５ａに収める。その後、下
型２に上型１をかぶせて湯口４から溶融したアルミニウ
ム合金ＪＩＳ　　ＡＣ２Ｂを注湯する。

溶湯は、湯口４より湯道６、堰７，７を経て、形状部５
ａ及び５ｂに充填される。その後、鋳造を行なうと、比
較例試験片用の形状部５ｂにおいては、溶湯はそのまま
凝固し、比較例試験片１２が製造されるが、本発明試験
片用の形状部５ａにおいては、消失模型１１が消失して
混合されていたＦｅ粉末が先端部８に鋳包まれることに
なる。凝固が完了する前、即ちＡＣ２Ｂアルミニウム合
金の場合はＡ　ｌ−３１−Ｃｕの三元共晶が終了する前
に、上型２及び下型３に埋設したコイル１０．１０に所
定値の電力を通し、電磁誘導作用により、先端部８に誘
導電流を発生させ、そのジュール熱により、先端部８を
Ｆｅ−Ａｌ系金属間化合物の融点である１１００〜１２
００°Ｃまで短時間で加熱して再溶融させ、その後、冷
却して、金属間化合物を形成させる。なお、比較例試験
片１２には、ＪＩＳ規格Ｔ６熱処理を施す。

これにより、先端部の表面にＦｅ−Ａｌ系金属間化合物
が形成された本発明試験片９及び金属間化合物が形成さ
れていない比較例試験片１２が得られる。得られた本発
明試験片９の組成は、Ｆ　ｅ−１５％、Ｓ　ｉ−５，８
％、Ｃｕ−３，１％、及び残部ＡＩであり、第４図の金
属組織写真に示すような組織を有する。該写真において
、白い部分はアルミニウム合金マトリックス相であり、
また、灰色の部分はＦｅ−Ａｌ系金属間化合物相とアル
ミニウム合金マトリックス相とが均一に混在している部
分である。これにより、合金化部分がほぼ全域にわたっ
て均一な組織となっていることが確認された。比較例試
験片の組成は、Ｆｅを含まないこと以外は本発明試験片
と同じ組成、即ちＳ　ｉ−５，８％、Ｃｕ−３，１％及
び残部ＡＩであり、第５図の金属組織写真に示すような
組織を有する。第４図及び第５図において、金属組織写
真の倍率は、いずれも１００倍である。

上記の方法−により得られた比較例試験片１２及び本発
明試験片９について、研磨後、高温硬さ試験を行った。

高温硬さ試験は、室温、１００°Ｃ１２００°Ｃ及び３
００″Ｃの各温度において、荷重３００ｇ、荷重時間１
０秒でビッカース高温硬さ試験機により、５点測定にて
行った。なお、各測定温度への昇温速度は１００″Ｃ／
１５分、測定温度保持時間は５分とした。第３図のグラ
フに高温硬さ試験の結果を示す。該グラフにより明らか
なように、本発明試験片においては、いずれの試験温度
においても、比較例試験片に比べて格段に優れた硬度が
得られており、従って、本発明の方法において、合金化
された部分の耐熱性が著しく向上することがわかる。

実施例２ 第６図及び第７図に示すように、誘導加熱用コイル１０
．１０の近傍に鉄芯１３．１３が設けられていることの
他は、実施例１で使用したのと同様の鋳造装置１４を用
いて、本発明試験片１５及び比較例試験片１２を鋳造す
る。鋳造及び合金化は、消失模型１６として、平均粒径
５０μｍのＣｒ及びＮｉの金属粉末を合金化後の組成が
それぞれ１０重量％及び３０重量％となるような量で混
合した、発泡ポリスチレンビーズを発泡成形したものを
使用する以外は、実施例１の方法と同様の方法に従って
行なう。

得られた試験片の合金化が施された先端部１７を切削し
て、６０ＩＩＩ１１１×２５胴×８［［Ｉ［ＩＩの試験
片を切り出した。この表面を研磨した後、大越式迅速摩
耗試験に適するように試験片を仕上げ、該試験を行った
。相手材としては、５ＵＥＩを用い、比較のためには、
従来から自動車用エンジンのバルブシート材として使用
されているＰＭＺＩＯ２４の焼結材（Ｃ：０．７０重量
％、Ｍｇ：４．０〜６゜５重量％、Ｃｏニア〜１０重量
％、Ｐｂ：１０〜２２重量％、残部Ｆｅ）　　（以下、
耐摩耗性試験用比較試験片という）を用いて、最終荷重
６．３ｋｇ、すべり速度０．３１ｍ／ｓｅｃ　、すべり
距離１００ｍの条件で試験を行った。第８図のグラフに
該試験の結果を示す。該グラフより、本発明試験片が、
耐摩耗性試験用比較試験片に比べて摩耗痕面積が小さく
、耐摩耗性試験用比較試験片と同等以上の耐摩耗性を有
することが明らかである。

また、本発明試験片、及び本発明試験片と同時に、ただ
し消失模型は鋳包まずに鋳造した比較例試験片の表面の
金属組織の光学顕微鏡写真を取り、成分分析を行った。

本発明試験片の合金化部分の金属組織写真を第９図に、
比較例試駒片の合金化部分の金属組織写真を第１０図に
示す。倍率は、第９図及び第１０図のいずれも１００倍
である。該写真により、本発明試験片の合金化部分にお
いては、アルミニウム合金マトリックスであるα−ＡＩ
相中に種々の金属間化合物相が均一に晶出した複合層が
形成されていることが明らかである。また、該部分の組
成は、重量比で、Ｎｉ−２８％、Ｃｒ−９％、５ｉ−６
％、Ｃｕ−３％及び残部アルミニウムであった。

実施例３： 実施例２と同様の鋳造装置１４を用いて、本発明試験片
及び比較例試験片を鋳造する。鋳造及び合金化は、消失
模型として、平均粒径５０μｍ程度のＮｉ粉末を、合金
化後の組成がそれぞれ３０重量％となるような量で混合
した発泡ポリスチレンビーズを発泡成形したものを使用
する以外は、実施例１の方法と同様の方法に従って行な
った。

得られた本発明試験片及び比較例試験片について、実施
例１と同様の試験方法により、高温硬さ試験を行った。

結果を第１１図のグラフに示す。

また、本発明試験片の耐摩耗性を、実施例２と同様の試
験方法により、耐摩耗性試験用比較試験片としてＰ　Ｍ
　Ｚ　１０２４の焼結材（実施例２に記載のもの）を用
いて試験した。結果を第１２図のグラフに示す。該グラ
フより、本発明試験片が、耐摩耗性試験用比較試験片に
比べて摩耗痕面積が小さく、耐摩耗性試験用比較試験片
と同等以上の耐摩耗性を存することが明らかである。

また、本発明試験片、及び本発明試験片と同時に、ただ
し消失模型は鋳包まずに鋳造した上記の比較例試験片の
表面の金属組織の光学顕微鏡写真を取り、成分分析を行
った。本発明試験片の合金化部分の金属組織写真を第１
３図に、比較例試験片の合金化部分の金属組織写真を第
１４図に示す。倍率は、第１３図及び第１４図のいずれ
　　−も１００倍である。該写真により、本発明試験片
の合金化部分においては、アルミニウム合金マトリック
スであるα−ＡＩ相中に種々の金属間化合物相が均一に
晶出した複合層が形成されていることが明らかである。

また、該部分の組成は、重量比で、Ｎ　１−２８％、５
ｉ−６％、Ｃｕ−３％及び残部アルミニウムであった。

　　　　　ｌ（発明の効果） 本発明のアルミニウム合金鋳物の製造方法は、金属粉末
を混合して発泡成形した消失模型を鋳包んで鋳造し、そ
の後、鋳込み部分を誘導加熱により再溶融して、鋳物の
表面に金属間化合物または金属間化合物とアルミニウム
合金からなる複合層を形成し、これにより該表面の耐摩
耗性、耐熱性等の性質を改善する。従って、消失模型の
位置及び形状を選択することによって、複雑な形状の表
面でも、また、製品の内部でも処理することができるた
め、適用しうる部材の範囲が、形状、部位を問わず著し
く広くなる。

また、合金化のための再溶融を、鋳型内にコイルを設け
、それにより誘導加熱して行なうため、特別な設備を必
要とすることもなく、従来、アルミニウム合金の鋳造に
使用されていた鋳造装置の鋳型内にコイルを埋設すると
いう僅かな改良を加えるだけでよい。このため、製造コ
ストも低（抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例において使用される鋳造装置
を示す断面図、第２図は該鋳造装置の下型を示す上面図
、第３図は該実施例の試験結果を示すグラフ、第４図は
該実施例において製造された本発明試験片の合金化部の
金属組織写真、第５図は該実施例において製造された比
較例試験片の表面部の金属組織写真、第６図は本発明の
他の実施例において使用される鋳造装置を示す断面図、
第７図は該鋳造装置の下型を示す上面図、第８図は該実
施例の試験結果を示すグラフ、第９図は該実施例におい
て製造された本発明試験片の合金化部の金属組織写真、
第１０図は該実施例において製造された比較例試験片の
表面部の金属組織写真、第１１図は本発明の他の実施例
における耐摩耗性試験の結果を示すグラフ、第１２図は
該実施例における高温硬さ試験の結果を示すグラフ、第
１３図は本発明の他の実施例において製造された本発明
試験片の合金化部の金属組織写真、第１４図は該実施例
において製造された比較例試験片の表面部の金属組織写
真である。 １．１４・・・鋳造装置　　　２・・・上型３・・・下
型　　　　　　　５ａ、５ｂ・・・形状部６・・・湯道
　　　　　　　７・・・堰１０・・・コイル　　　　　
　１１．１６・・・消失模型牙１図 ゴイ戸　２　図 才３図 第４図 才　５　図 オフ図 牙８１ オ９図 ♂−Ｌ〈ゝ、 第１０図 第１１図 牙１３図 第１２０ ２１４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 金属粉末を混合した発泡樹脂ビーズを発泡成形すること
   により消失模型を製造し、これを鋳包んでアルミニウム
   合金鋳物を鋳造し、その後、鋳包み部分を鋳型内で誘導
   加熱することにより再溶融することを特徴とするアルミ
   ニウム合金鋳物の製造方法。