JPH02180763A - 断熱セラミック鋳ぐるみ鋳造体及びその製造方法 - 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、セラミックスからなる内層を金属によって鋳
ぐるんだ構造の断熱セラミック鋳ぐるみ鋳造体に関し、
特にエキゾーストマニホルド等に用いるのに適した断熱
セラミック鋳ぐるみ鋳造体に関するものである。

〔従来の技術〕

従来から、エキゾーストマニホルドや排気パイプ等の排
気系機器に、断熱の目的でセラミック内層を設けること
が試みられている。セラミック内層は、金属部品の内面
にセラミック層を塗布し、焼成することにより形成する
ことができるが、逆にあらかじめセラミック内層用のセ
ラミックス部品を形成しておき、それをアルミニウム、
鋳鉄などの金属で鋳ぐるむ方法もあり、かかる鋳ぐるみ
法により断熱セラミック鋳ぐるみ鋳造体を製造する種々
の方法提案されている（特公昭５０−３７３７号公報、
特公昭５１−１６１６８号公報、特開昭５０−１２６０
１０号公報等）。しかしながら、セラミックスの熱膨張
係数は金属よりも小さいため、鋳ぐるんだ金属溶湯が冷
却固化して収縮する際に、セラミック焼結体には圧縮応
力がかかる。このため、セラミック焼結体にマイクロク
ラックが生じたり、破壊したりするという問題がある。

かかる問題を解決するために、種々の提案がなされた。

特開昭５１−１６１６８号は、弾性率が２００〜５００
０ｋｇ／ｍｍ’　、曲げ強さが８〜２００　ｋｇ　／　
ｃｔｊ、肉厚が内径の１７４以下で、表面が滑らかな耐
火物骨材とアルミナセメントよりなる可撓性のセ・ラミ
ック半製品を鋳型内に設置し、該セラミック半製品を溶
解金属で鋳ぐるむことを特徴とする断熱鋳物の製造方法
を開示している。また特公昭５８−３７２７７号はこの
可撓性のセラミック半製品に熱衝撃による亀裂防止用の
コーティング剤を塗布した後で鋳ぐるむ方法を開示して
いる。いずれの方法でも、溶融金属が冷却凝固する際の
圧縮応力をセラミック半製品の弾性限界内での収縮によ
り吸収することにより、セラミックの亀裂を防止してい
る。これと同様の方法が特公昭５２−４８６０２号にも
開示されている。

また特公昭５６−３７０２１号は、セラミック部品の組
織全体にあらかじめマイクロクラックを発生させ、この
マイクロクラックで鋳ぐるみの際の圧縮応力を吸収して
セラミック部品の圧縮破壊を阻止するようにしたセラミ
ック鋳ぐるみ鋳物の製造法を提案している。

さらに特公昭６０−２４０３６５号は、無機質繊維にて
繊維成形体を形成し、前記繊維成形体の表面層の個々の
無機質繊維間にセラミックの微細片を含むスラリーを充
填し、これを乾燥し加熱して前記セラミックの微細片を
焼結させ、かくして処理された前記繊維成形体を鋳型内
の所定の位置に配置し、前記鋳型内の前記無機質繊維を
含む空間内に溶融金属を導入してこれを凝固させるセラ
ミックス体の鋳ぐるみ方法を開示している。

この方法によれば、繊維成形体の表面層の個々の無機質
繊維間にセラミックスの微細片を含むスラリーを充填し
、これを乾燥し加熱してセラミックスの微細片を焼結さ
せる過程において、セラミックスの微細片が焼結される
ことにより形成されたセラミックス体と、一部にてセラ
ミックス体中に密着した状態にて埋設され、他の部分に
てセラミックス体外に延在する多数の無機質繊維とを含
む構造体が形成される。この構造体が鋳型内の所定の位
置に配置され、鋳型内の無機質繊維を含む空間内に溶融
金属が導入される。溶融金属が凝固することにより、無
機質繊維のセラミックス体外に延在していた部分が金属
製の主要部内に密着した状態にて埋設されるので、セラ
ミックス体及び金属製の主要部の両方に跨がって延在し
、それらに強固に密着した多数の無機質繊維によりセラ
ミックス体と金属製の主要部とが強固に結合される。

これによりセラミックス体が主要部より剥離してセラミ
ックス体のがたつきが生じることのない部材が得られる
。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、特公昭５１−１６１６８号等の方法では
、溶融金属の凝固に伴う圧縮応力をセラミック半製品の
弾性変形により完全に吸収して、亀裂等を防止すること
は事実上難しいという問題がある。従って、亀裂や破損
のない断熱セラミック鋳ぐるみ鋳造品を確実に製造する
には適さない方法である。

また特公昭５６−３７０２１号の方法では、セラミック
体にマイクロクラックを発生させて、鋳込時の圧縮応力
を緩和させるようにしているが、これだと使用時のヒー
トサイクル、振動等によってマイクロクラックが成長拡
大し、鋳造体が破壊してしまうおそれがある。

さらに特開昭６０−２４０３６５号の方法では、鋳ぐる
み金属の圧縮応力による亀裂や破壊の問題が解決されて
いない。

本発明の目的は、かかる亀裂や破壊の問題を解消し、鋳
ぐるみの際の圧縮応力を吸収してセラミック体のクラッ
ク発生や破壊を防止した断熱セラミック鋳ぐるみ鋳造体
、及びその製造方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成すべく種々検討を重ねた結果
、収縮性のあるセラミックフェルト層を、セラミック焼
結体の外周に設けることにより、鋳ぐるみの際に生ずる
圧縮応力を吸収させればよいことを見出し、本発明を完
成させた。

すなわち、本発明の断熱セラミック鋳ぐるみ鋳造体及び
その製造方法は、セラミック焼結体の鋳ぐるみ面にセラ
ミックフェルト層を形成して、鋳ぐるみ金属により鋳ぐ
るんだことを特徴とする。

本発明を以下詳細に説明する。

第１図は、本発明の断熱セラミック鋳ぐるみ鋳造体の一
例を示す一部切欠斜視図であり、１はセラミック層、２
はその鋳ぐるみ面に形成したセラミックフェルト層、３
は鋳ぐるみ金属層である。

セラミック層ｌは、高温強度及び断熱性を有するととも
に、熱衝撃に十分に耐えられる材質からなるもので、こ
のようなセラミック材としては、アルミナ系セラミック
ス、アルミナセメント又はこれらの混合物等が好ましい
が、その他にアルミノカルシエート、窒化珪素等のセラ
ミックスを用いることもできる。

アルミナセラミックスは、平均！径０．３〜５０μｍ程
度のアルミナ粉末１００重量部に、必要に応じてＭｇＯ
，Ｓｉｎ□等の焼結助剤を０．１〜５重量重量度混合し
、スリップキャスト法等により成形後、１４００〜１８
００℃で０゜５〜４時間焼結することにより得ることが
できる。

またアルミナセメントは、ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ，を主成分
とするセメントであり、耐火性、耐熱性、強度等を上げ
るために種々の粒子を配合することができる。

さらにアルミナセラミックスとアルミナセメントとを適
当な割合で配合したものもセラミック材料として用いる
ことができる。この場合、繊維状のアルミナセラミック
成分が含まれていてもよく、粒子セラミックス／繊維状
セラミックスの重量比が４５１５５〜９５１５の範囲内
にあることが好ましい。

なおセラミックス層１は、０．５　ｋｇ／ｍｍ２　以上
、好ましくは２．５　ｋｇ／ｍｍ２　以上の強度を有し
ていることが望ましい。

セラミックフェルト層２は、セラミック層１の外周に形
成されるもので、アルミナ、アルミナ−シリカ、炭化ケ
イ素、ジルコニア、ガラス等の長繊維又は短繊維からな
るフェルト状の層である。

ガラス繊維などのように編織できる場合は、加工性が良
ければ、編織物としてもよい。

セラミックフェルト層２は、鋳ぐるみ時の鋳ぐるみ金属
の収縮応力を緩和するように作用する。

例えば、鋳ぐるみ金属にアルミニウム合金を用いた場合
、下記式で表される収縮量Ｄ（％）以上の収縮が必要と
なる。

ここで、Ｄ＝収縮１（％） Ｒｏ：金属層内径、 Ｒ２＝セラミックフェルト層内径、 ＴＥニアルミニウムの線形熱膨張率、 ＭＰニアルミニウムの溶解温度、 ＲＴ：室温 ここで、例えば、セラミックフェルト層２の厚さ＝　１
ｍｍ％　ＲＯ＝４１ｍｍ、　Ｒ２＝４９ｍｍとすると、
アルミニウムの線形熱膨張率ＴＥ＝２３Ｘ１０　’／ｄ
ｅｇ　、（アルミニウム合金の融点−室温）　＝７００
　℃であるので、 となる。セラミックフェルト層２は、厚さ１ｍｆｆ１で
６６％の収縮量を吸収できるように、収縮できるもので
なければならない。このような収縮のためには、フェル
ト状となっていることは非常に有利である。

以上の収縮性を有するセラミックフェルト層２は、フェ
ルト密度が０．１〜３．０ｇ／ＣＣＮフェルト厚さが９
．５ｍｍ以上、好ましくは１〜３ｍｍ程度であるのが好
適である。

このようなセラミックフェルト層２は、直径３〜ｌＯμ
ｍ１長さ数ｍｍ程度のセラミック繊維を抄紙法により抄
いて作成することができる。

鋳ぐるみ金属としては、鉄、アルミニウム合金、マグネ
シウム合金等の通常鋳ぐるみに用いることのできる金属
を使用することができるが、軽量化の目的にはアルミニ
ウム合金が好ましい。

第２図は、本発明の断熱セラミック鋳ぐるみ鋳造体の他
の実施態様を示す一部切欠斜視図であり、セラミックス
層ｌの鋳ぐるみ面にセラミックフェルト層２を形成する
とともに、セラミックス層１の内面にガラス層４を形成
し、さらにセラミックフェルト層２の外面を鋳ぐるみ金
属３よりも高融点の金属箔５で被覆している。６は、フ
ランジ部の面加工を行う際に、加工性を向上させるため
に設けたマシナブルセラミック層である。

セラミックス層ｌは、上記の通り、耐火性、耐熱性のあ
るセラミック焼結体であるので、ある程度の微細孔が存
在し、これに高温、高圧のガス流があたると、ガスがセ
ラミックス層１を透過して、断熱性能を悪化させるうえ
、鋳ぐるみ金属層３にまで到達し、鋳ぐるみ金属層３の
温度が高くなりすぎたり、溶解したりするという問題が
生ずる。

特にエキゾーストマニホールドに用いた場合は、廃ガス
の圧力が２　ｋｇ　／　ｃｔｌにも達し、このような問
題が生じやすい。そのため、セラミックス層ｌの内面に
、ガラス層４をコートして、ガス流の透過を阻止し、断
熱性能の悪化、及び鋳ぐるみ金属層３の温度上昇及び溶
解を防ぐのが望ましい。エキゾーストマニホールドの場
合、廃ガス温度が８００〜９００　℃にも達するので、
溶解温度が１０００℃以上のガラスを用いるのが好まし
い。ガラスの組成は、アルミナ、シリカを主成分として
、これに８□０３、Ｂａｎ　、Ｎａ、０、ＣａＯ、Ｌｉ
、０、ＮａＣｌ１ＳＳｒＯ、ＰｂＯＫ２Ｏ、Ｆｅ２Ｏ３
などの成分を１種類以上添加してもよい。セラミックス
層ｌを構成するセラミック材料とガラス層４を構成する
ガラスとの線熱膨張率の差は−２Ｘｌ０−’〜ｌ０ＸＩ
Ｏ−’／ｌの範囲内にあるのが最適である。

さらに、鋳ぐるみに際し、溶解鋳ぐるみ金属がセラミッ
クフェルト層２内に浸透するのを防ぎ、渦流れを良くし
て均一な鋳造を行わせるために、鋳ぐるみ金属３よりも
幾分融点の高い金属箔５でセラミックフェルト層２の外
面を被覆するのが好ましい。例えばアルミニウム合金に
より鋳造する場合、市販のアルミ箔は注湯時に溶解しに
くいので、好ましい。

マシナブルセラミック層６はセラミック層ｌの端面を覆
い、鋳造体の端面加工を容易にする。このようなマシナ
ブルセラミックスとしては、チタン酸アルミニウム等を
用いることができる。

本発明の断熱セラミック鋳ぐるみ鋳造体は以下の方法に
より製造することができる。

第３図は本発明の方法によりエキゾーストマニホルドを
製造する例を示す。

まず、セラミック成形体を作成するための型１０と、そ
の中へいれる中子１１を準備する（Ａ）　　セラミック
成形型１０は、樹脂型等でよく、また中子１１はワック
スのような溶融除去できる材質から、なるのが好ましい
。

樹脂型１０と中子１１の間へセラミックススラリ＝１２
を鋳込み（Ｂ）、次いで、養生する（ｃ）。養生は水蒸
気雰囲気中で６〜２０時間程度行う。次いで、離型しく
Ｄ）、中子のワックスを溶かし出し、脱脂して、セラミ
ック成形体１３を得る（Ｂ）。その後焼結して、セラミ
ックス焼結体１４を得る（Ｆ）　　その後、必要に応じ
、セラミックス焼結体１４の内面にガラスフリットを塗
布して、１０００〜１４００ｔ：で０．５〜４時間加熱
し、ガラス化することによりガラス層を形成する（Ｇ）
　　またセラミック焼結体１４の端面にマシナブルセラ
ミックスからなる７ランジ１５を取り付ける（Ｈ） 一方、セラミックフェルト１６に、若干のバインダー（
例えば高塩基性塩化アルミナ）を加え、セラミック焼結
体と同じ形状の木型１７に巻き付けて（１）、真空成形
法によりセラミックフェルト層を形成し、その半割り１
８．１８を作る（Ｊ）この半割り２つをセラミックス焼
結体層１４にかぶせて接合し、接合面をガラス繊維織布
で覆って固定する（に）　これに必要に応じて、その上
を金属箔で被覆して、鋳ぐるみ金属により鋳ぐるみ成形
する（シ） 本発明の断熱セラミック鋳ぐるみ鋳造体は、エキゾース
トマニホルドをはじめ、ポート、パイプ等の広い分野に
使用することができる。

〔作　用〕

本発明の断熱セラミック鋳ぐるみ鋳造体においては、セ
ラミック層１と鋳ぐるみ金属層３との間に、鋳ぐるみ金
属の凝固による圧縮応力に応じて収縮し得るセラミック
フェルト層２を介在させているので、鋳ぐるみ時に生ず
る圧縮応力が、このセラミックフェルト層２により吸収
されて、セラミックス層１のクラック発生や破壊が防止
される。

そして、従来例のように、セラミックス層にマイクロク
ラックをあらかじめ発生させていないので、マイクロク
ラックの成長による破壊のおそれは全くない。

〔実施例１〕 以下実施例により本発明をさらに詳細に説明する。

実施例１ 円筒型のキャビティを有する樹脂型を作成し、この中へ
エキゾーストマニホルドの内面と同じ形状を有する円筒
形の発泡スチロール製の中子をセットし、樹脂型と中子
の間へ下記組成のセラミックススラリーを注入した。

アルミナ粉末（粒径４０μｍ）　　　：５５重量部アル
ミナセメント　　　　　　　　＝３０重量部アルミナ繊
維（平均繊維長　ｍｍ）：２０重量部水　　　　　　　
　　　　　　　　　　：３７重量部次いで、１６時間養
成して離型し、中子の発泡スチロールを溶出させて脱脂
した後、１４００℃で２時間焼成して、セラミック内層
用のセラミック焼結体を形成した。

一方、平均直径５μｍ、平均繊維長２．５ｍｍのアルミ
ナ短繊維からなるフェルト（厚さ３ｍｍ、密度０、１９
ｇ　／ｃｃ）にバインダーとして高塩基塩化アルミナを
加えて、真空成形法により半割りのフェルト成形体を作
成しておき、この半割りフェルト成形体を２つ合わせて
セラミックス成形体にかぶせ、接合面上をガラス繊維織
布で′Ｊ６′Ｊ６って固定した。

次いで、アルミニウム合金の溶湯を注湯して鋳ぐるみ成
形を行い、断熱セラミック鋳ぐるみ鋳造体を得た。

この場合、セラミックス層にクラックや破壊は全く認め
られなかった。

また、この鋳造体に約８００℃のエンジン排気ガスを通
したところ、第４図のグラフａに示すように、表面温度
が上昇したが、使用開始後３０分経過した時点でも、表
面温度は約４００℃程度であった。

これに対して、セラミックフェルト層なしに鋳ぐるんだ
鋳造体では、セラミック層にクラックの発生が認められ
るとともに、同じ加熱試験により、表面温度は３０分後
に約５００℃に上昇した。（グラフＣ）これにより、本
発明の鋳造体においてセラミックフェルト層はクラック
や破壊の防止効果があるとともに、優れた断熱作用を有
することがわかる。

実施例２ 実施例１において、セラミックスを焼成した後、下記組
成のガラスフリットをセラミックス焼結体の内面に塗布
し、１２００℃で３０分間加熱してガラス化し、厚さ０
．２５＋ｍｍのガラス層とした。次いで、実施例１と同
様にして、アルミナ繊維フェルトをかぶせ、フェルト接
合面をガラス繊維織布でおおって固定した後、さらにそ
の上を市販のアルミニウム箔で被覆し、実施例１と同じ
鋳ぐるみ成形を行った。

この場合、鋳ぐるみ成形は極めて円滑に行われ、セラミ
ックス焼結体のクラックや破壊は全く認められなかった
。また、この鋳造体に約８００℃のエンジン排気ガスを
通したところ、第４図のグラフｂに示すように、表面温
度の上昇は僅かであり、３０分経過後の表面温度はわず
か２５０℃であり、極めて優れた断熱効果を示すことが
わかった。

ガラスフリフト組成 ５１０２　　　　・　　６５重量部 Ａｆ　２０３　　　・　　２０重量部 Ｃａ１ｌ　　　　・　　８重量部 に２０　　　　・　　４重量部 Ｂａｎ　　　　・　　２重量部 Ｎａ、ｉ　　：　　＜１重量部 実施例３ 平均粒径０．５μｍのアルミナ粉末１００重量部に、焼
結助剤としてＭｇＯを１重量部混合し、スリップキャス
ト法により成形後１５５０℃で２時間焼結することによ
り、長さ２０ｍｍ、外径４０ｍｍ、厚さ４ｍｍの試験片
Ａを作成した。また試験片Ａと同じサイズの焼結体にア
ルミナファイバーからなる厚さ３ｍｍ、密度０．２ｇ／
ｃｃのセラミックフェルトを貼付し、試験片Ｂとした。

さらに比較のために、従来の鋳込み用セラミックスであ
るアルミノカルシエートからなる同じサイズの試験片Ｃ
を作成した。

各試験片に荷重をかけ、ひずみ量と荷重との関係を求め
た。結果を第５図に示す。第５図から明らかなように、
セラミックフェルト層を有する試験片Ｂでは、初期ひず
み段階ではほとんど荷重が上がらず（セラミックフェル
ト層によりひずみを吸収）　セラミックフェルト層の収
縮が終了後に荷重が増大して、破壊が生じることがわか
る。また初期ひずみ量はアルミニウム合金により鋳ぐる
んだ場合の圧縮ひずみを十分に吸収し得る大きさであり
、これにより鋳ぐるみ鋳造品としたときの圧縮応力によ
るクラックや破壊のおそれがないことがわかる。一方、
アルミノカルシエートからなる試験片Ｃでは、マイクロ
クラブクが発生し、機械的強度が不十分であることがわ
かる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、鋳ぐるみの際の圧縮応力を吸収して、
セラミックス層の圧縮破壊を防止することができ、しか
もマイクロクラブクの成長によるセラミック層破壊のお
それもない。

また、本発明の断熱セラミック鋳ぐるみ鋳造体は、優れ
た断熱性を有し、特にセラミックス層の内面にガラス層
を形成すると断熱効果が一段と向上する。

このような本発明の断熱セラミック鋳ぐるみ鋳造体をエ
キゾーストマニホルドに使用した場合、その出口温度が
高くなり（約５０℃上昇）　、ＮＯＸ除去用触媒を効率
的に作用させることができ、エミッション特性を向上さ
せることができるという利点も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の断熱セラミック鋳ぐるみ鋳造体の一例
を示す一部切欠斜視図であり、第２図は本発明の断熱セ
ラミック鋳ぐるみ鋳造体の他の例を示す一部切欠斜視図
であり、第３図は本発明の一実施例による断熱セラミッ
ク鋳ぐるみ鋳造体（エキゾーストマニホルド）の製造例
を示すフローチャートであり、 第４図は実施例の断熱セラミック鋳ぐるみ鋳造体に高温
ガスを流しだ場合の、表面温度とガス流通時間との関係
を示すグラフであり、 第５図は、実施例３の各試験片の荷重試験において、ひ
ずみ量と荷重との関係を示すグラフである。 ・セラミックス層 ・セラミックフェルト層 ・鋳ぐるみ金属層 ・ガラス層 ・金属箔 第３図 ■ 第４図 第５図 ひずみ量

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）内側からセラミック層と、セラミックフェルト層
   と鋳ぐるみ金属層とを順に有することを特徴とする断熱
   セラミック鋳ぐるみ鋳造体。
2. （２）請求項１に記載の断熱セラミック鋳ぐるみ鋳造体
   において、前記セラミックフェルト層が、Ａｌ＿２Ｏ＿
   ３繊維からなるフェルトからなり、前記鋳ぐるみ金属層
   がアルミニウム合金からなることを特徴とする断熱セラ
   ミック鋳ぐるみ鋳造体。
3. （３）請求項１又は２に記載の断熱セラミック鋳ぐるみ
   鋳造体において、前記セラミック層の内面にガラス層を
   有することを特徴とする断熱セラミック鋳ぐるみ鋳造体
   。
4. （４）請求項１乃至３のいずれかに記載の断熱セラミッ
   ク鋳ぐるみ鋳造体において、端部にマシナブルセラミッ
   ク層を有することを特徴とする断熱セラミック鋳ぐるみ
   鋳造体。
5. （５）内側からセラミック層と、セラミックフェルト層
   と鋳ぐるみ金属層とを順に有する断熱セラミック鋳ぐる
   み鋳造体の製造方法において、（ａ）前記セラミック層
   としてセラミック焼結体を形成し、 （ｂ）前記セラミック焼結体の周囲にセラミックフェル
   ト層を付着させ、 （ｃ）鋳型内に入れて鋳ぐるみ金属の溶湯を注入するこ
   とにより前記鋳ぐるみ金属層を形 成する ことを特徴とする方法。
6. （６）請求項５に記載の方法において、前記セラミック
   フェルト層の外周を金属箔で覆った後で、前記鋳ぐるみ
   金属の溶湯を注入し、前記鋳ぐるみ金属層を形成するこ
   とを特徴とする方法。
7. （７）請求項５又は６に記載の方法において、前記セラ
   ミック焼結体の内面にガラスフリットを塗布し焼成した
   後で、前記セラミックフェルト層を形成することを特徴
   とする方法。
8. （８）　請求項５乃至７のいずれかに記載の方法におい
   て、前記セラミック焼結体の端面にマシナブルセラミッ
   ク焼結体を付着した後で、鋳ぐるみ鋳造を行うことを特
   徴とする方法。