JPH02197366A - セラミックス鋳ぐるみ体 - 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、鋳ぐるみの容易性と高い機械的強度を兼備し
たセラミックス鋳ぐるみ体に係り、特に、苛酷な環境下
で使用される内燃機関の燃焼室や排気部品、軸受、高温
高圧の気体、液体または粉体が流動する輸送管等の機械
部品構造材にセラミックスの活用範囲を拡張せしめたセ
ラミックス鋳ぐるみ体に関するものである。

【従来技術】

セラミックス焼結体を機械部品の構造材として積極的に
活用すべく、従来から次のような方向から開発された鋳
ぐるみ体が提案されている。 すなわち、 ■　前記セラミックス焼結体を内層とし、鋳ぐるむに用
いる金属を外層とし、内外層間に多孔質の物質を利用す
るか、あるいは、断熱性と耐熱性を備えたセラミックス
を利用するかして形成された緩衝層を介在せしめる構成
となした鋳ぐるみ体とする。 ■　前記セラミックス焼結体自体に、耐熱衝撃性にすぐ
れた物理的性質を帯有せしめ、緩衝層を設けることなく
前記セラミックス焼結体を直接鋳ぐるんだ鋳ぐるみ体と
する。 上記■系列の鋳ぐるみ体として、の繊維質の緩衝層を内
層であるセラミックス焼結体と、外層である金属間に介
在せしめた鋳ぐるみ体と、Ｏ金属と接する緩衝層の外周
側を多孔質となしたことに特徴がある米国特許３５６８
７２３号が開示する鋳ぐるみ体と、Ｏ熱伝導率０．０２
〜０　、２５　Ｗ　／　ｔｙｉ’Ｋ　（１，７〜２１．
５ｋｃａ１２／ｍ、ｈ’Ｋ）及び弾性率５０００−１５
０００ＯＮ／＋ｍ”という大きな熱伝導率と大きな弾性
率を有するセラミックス緩衝層とし、該緩衝層を内層た
るセラミックスと外層たる金属の間に介在せしめたこと
を特徴とする特公昭５８−４２１４９号が開示する鋳ぐ
るみ体とがある。 一方、上述■系列の鋳ぐるみ体として、特公昭６２−３
２１５５号あるいは特開昭６３−２３６７５９号が開示
する鋳ぐるみ体がある。

【発明が解決しようとする課題】

前述の従来技術には、次のような問題点がある。 すなわち、のにより提案された鋳ぐるみ体では、繊維質
特有の極めて低い弾性率及び該弾性率の経時変化のため
、セラミックス内層と金属外層の間に、強力且つ安定し
た摩擦力を付与できないため、かかる鋳ぐるみ体の用途
は限定されてしまう。また、従来技術Ｏに係る米国特許
３５６８７２号が開示する鋳ぐるみ体では、鋳ぐるみ時
の熱衝撃と金属の凝固収縮による締めつけ、及び加熱、
冷却の繰り返しによって、該多孔質部が破壊変形するた
め、鋳ぐるみ体の性質（押抜き抵抗力）がばらつくと共
に、耐久性にも問題がある。 さらに、従来技術Ｏに係る特公昭５８−４２１４９号が
開示する鋳ぐるみ体には、下記問題点がある。 すなわち。 １）　熱伝導率が大きいため、必要な耐熱衝撃性を確保
するには、セラミックス緩衝層が厚くなり、その結果セ
ラミックス鋳ぐるみ体の外径が大−くなる、また、熱伝
導率が大きいため、溶融金属が鋳鉄の場合急冷され、チ
ル化する可能性が大きい。 ２）　内層たるセラミックスをセラミックスにて形成さ
れた緩衝層で被覆する場合、その接合面を密着させるた
めには、該緩衝層が弾性率の大きい硬いセラミックスな
ので、内層に係るセラミックスの外面及び緩衝層に係る
セラミックスの内面を機械加工するか、あるいは緩衝層
に係るセラミックスにスリットを設けて、変形しやすく
する。 という作業が必要となる。したがって、コストや時間を
要するのみならず、前記接合面の再現性に問題が生じる
。 ３）　前述したように緩衝層に係るセラミックスにスリ
ットを設けると、そのスリット内に溶融金属が侵入する
。この結果、該溶融金属と内層に係るセラミックスとが
接触し、該内層に係るセラミックスに熱衝撃が作用する
。例えば金属として、１４００℃の溶融球状黒鉛鋳鉄、
内層に係るセラミックスとして、常温状態のジルコニア
あるいはアルミナを用いると、容易に割れてしまう。 ４）　弾性率が５０００〜１５０００　ＯＮ／■２と大
きいセラミックスを緩衝層形成に使用すると、熱衝撃に
弱く、特に１４００℃の溶融球状黒鉛鋳鉄で鋳ぐるむと
、熱衝撃で割れが生じやすく、その割れに該溶融球状黒
鉛鋳鉄が侵入し、内層に係るセラミックスに接触して、
さらに熱緩衝を与える。この結果、該内層に係るセラミ
ックスが破損したり、強度の低下を招くこととなる。 ■系列の従来技術に係る特公昭６２−３２１５５号及び
特開昭６３−２３６７５９号が開示する鋳ぐるみ体は、
いずれも機械的強度が低い、気孔の多いチタン酸アルミ
ニウム質セラミックスを使用するため、利用分野が限定
される。 叙上のような問題点が生ずるのは、単一の化学組成及び
焼成条件により製造されるセラミックスに耐熱衝撃性、
高い強度、密度ないしは耐摩耗性といった互いに相反す
る物理的特性を同時に備わしめることが不可能な点と、
緩衝層形成に使用するセラミックスに、最高１５００℃
にも達する球状黒鉛鋳鉄との接触時の熱衝撃に対する耐
久力及び鋳ぐるまれる内層のセラミックスとの密着性が
不十分である点とが起因しているからである。 １課題を解決するための手段】 本発明は、鋳ぐるまれるセラミックスと、緩衝層形成に
用いられるセラミックスとを異なる条件で焼成して、鋳
ぐるまれるセラミックスには強度、耐摩耗性、耐薬品性
なる物理的特性を付与し、緩衝層形成に用いられるセラ
ミックスレこけ、耐熱衝撃性と前記鋳ぐるまれるセラミ
ックスとの高い密着性という物理的特性を付与して、鋳
ぐるみ体全体として、鋳ぐるみの容易性と高い機械的強
度といった相反する特性を兼備せしめたものである。 具体的には、 鋳ぐるまれるセラミックスＡを内層とし、金属を外層と
し、内外層間に緩衝層を介在せしめた断面構造となした
鋳ぐるみ体において、該緩衝層がＡｌ、Ｏ，とＴｉｅ、
を主成分とした材料を焼結したチタン酸アルミニウム質
セラミックスであって、且つ、具備する物理的特性を弾
性率５５〜１０００ｋｇ／膿２、圧縮強度６〜３７　ｋ
ｇ　／　ｍ”、熱伝導率Ｌ　、　１ｋｃａ　Ｑ　１ｍ、
ｈ”Ｋ以下となさしめたセラミックスＢであることを特
徴とするセラミックス鋳ぐるみ体とすることにより、上
述の従来技術の課題を解決するものである。

【作　用】

鋳ぐるまれるセラミックスの外周に、低弾性率なる物理
的特性を具備するチタン酸アルミニウム質セラミックス
の緩衝層を付着せしめると、該緩衝層は、前記鋳ぐるま
れるセラミックス外周の表面形状の微少な変化に相応し
て変形し、あたかもゴムをかぶせたように前記鋳ぐるま
れるセラミックスと、前記緩衝層の境界面を隙間が生じ
ることなく密着される。 上述のようになされたセラミックス焼結体を、常温状態
で鋳型内に納め、しかる後に溶融金属を鋳型内に注湯す
る。すると、前述した緩衝層に係るセラミックスは、チ
タン酸アルミニウム質セラミックス特有の、低熱膨張率
な特性に加えて、弾性率が小さいので、優れた耐熱衝撃
損傷抵抗を示し、亀裂が伸展して破壊される現象は生じ
ない。 また、前述の緩衝層に係るセラミックスは、熱伝導率が
小さいので、たとえ緩衝層を薄くしても。 鋳ぐるまれるセラミックスには熱衝撃が伝わらない。さ
らに、前記緩衝層を薄く形成すると、緩衝層が周方向に
はたわみやすく、厚さ方向にはたわみにくくなり、溶融
金属の凝固収縮によって生じる締めつけ力が、効率良く
鋳ぐるまれるセラミックスに伝えられ、終極的に鋳ぐる
まれるセラミックスと金属とが緩衝層を介して強固に固
着される。 かようになされた鋳ぐるみ体に対して、加熱冷却を繰り
返してもゆるむことがない。

【実施例］ 本発明の実施例を、図面を参照して説明する。 実施例１ 本発明の一実施例である第１図に図示するごとき、基本
構造を備えたセラミックス鋳ぐるみ体は、次のようにし
て製造する。 まず、セラミックスＡｌｌの外周に緩衝層であるチタン
酸アルミニウム質のセラミックスＢ１２を接着せしめた
セラミックス構造体を下記手順で作る。 前記セラミックスＡｌｌは、外径４２閣、肉厚１．５〜
５ｍ、長さ７０ｍのアルミナあるいはジルコニアを使用
する。一方、前記セラミックスＢ１２は、Ａｌ　２０ｓ
　トＴ　ｉ　Ｏ２を主成分としたチタン酸アルミニウム
質セラミックスであり、次のようになして焼成される。 すなわち、弾性率が５５〜１０００ｋｇ／■２、圧縮強
度が６〜３７ｋｇ／ｍ”、熱伝導率が１．１ｋｃａＱ／
ｍ、ｈ°Ｋなる物理的特性となさしめるべく、まず、化
学組成が重量％で、Ａｌ２Ｏ，を５２〜５６％、Ｔ　ｉ
　Ｏ□を３８−４３％、Ｆｅ２Ｏ３を３．０〜６．０％
、Ｓｉｎ、を０〜２．８％となし、さらに両者の組成割
合関係をａ≦−１，２ｂ＋６．３６（Ｆｅ、Ｏ，を８％
、Ｓ　ｉ　Ｏ，を５％とする）となした原料成分を調整
する。 ついで、該原料成分に溶媒、分散剤、湿潤剤。 バインダー、消泡剤を添加して湿式混合した後、スラリ
ーを作る。しかる後に、スリップキャスト成形、プレス
成形、あるいは押し出し成形等のいずれかの手段にて形
成した後、焼成して作られる。 なお、前記補助成分は、Ｆａ、Ｏ，やＳ　ｉ　Ｏ，、カ
オリン、ムライトのいずれの形で加えても良い。 本実施例では、上述のようになして焼成された。 前記セラミックスＢ１２のサイズを内径４２■、肉厚１
．０〜３．０ｍ、長さ７０ｍ５とする。 以上のように、個別に製造したセラミックスＡ１１にセ
ラミックスＢ１２をがん合して、前記セラミックス構造
体１３を製造する。ついで、前記セラミックス構造体１
３を常温で鋳型内に納めた後、鋳ぐるみ用金属１４とし
て、７００〜７５０℃の溶融アルミニウム合金か、また
は１４００〜１４５０℃の溶融球状黒鉛鋳鉄を注湯する
。適宜時間経過した後、脱型して取出すと、第１図に図
示する基本構造を備えたセラミックス鋳ぐるみ体が得ら
れる。 このセラミックス鋳ぐるみ体を観察した結果、セラミッ
クスに割れは発見できず、また球状黒鉛鋳鉄に関しては
チル化していないことがわかった。 すなわち、得られたセラミックス鋳ぐるみ体は、機械部
品の構造材として使用に耐える健全なセラミックス鋳ぐ
るみ体であることかたしかめられた。 本発明者は、上述実施例において得られた好ましい結果
が、一定の数値限定内で一定の確実性をもって再現可能
であることを確認するため、第４図の例１から例６に示
すような種々の組み合わせにて上述実施例と同様な手順
を用いて、多種類のセラミックス鋳ぐるみ体を得た。 同図下欄に示すように、セラミックスの割れの発生は皆
無であった。 実施例２ ０ストワツクス法により製造される本発明の他の実施例
を詳述する。 第２図Ａは、上述方法により製造されたセラミックス鋳
ぐるみ体の基本構造を図示したものである。同図に図示
するごとく、セラミックスＡ２１は、材質がアルミナあ
るいはジルコニア、寸法が外径１４園、肉厚１　、５〜
３　２Ｏ　＋ｍｓ、長さ３０＋ｗであって、鋳ぐるみ体
内層を構成する。一方、該セラミックスＡ２１の外周に
設けられる緩衝層であるところのチタン酸アルミニウム
質のセラミックスＢ２２は、寸法が内径１４■、肉厚１
．５〜３゜０■、長さ３０■であり、実施例１にて詳述
したと同様な手順にて作られたセラミックスである。 ２３は鋳ぐるみに用いられた金属であって、鋳ぐるみ体
の外層を構成するものである。本実施例に係るセラミッ
クス鋳ぐるみ体は、以下のようにして作る。まずセラミ
ックスＡ２１に、セラミックスＢ２２をがん合してセラ
ミックス構造体２４を形成後、セラミックスＢ２２の外
周にワックスの層を付ける。次に、第２図Ｂに図示する
ごとく。 前記セラミックス焼結体の上下位置に断面が略凹状の中
子２５を装着後、前記ワックス層を付けられたセラミッ
クス構造体全面に、セラミックスシェル鋳型となるスラ
リーを塗布する。 しかる後に、乾燥、脱ワツクス、焼結過程を経て前記ワ
ックスを消失せしめると、ワックスが消失した部分であ
る空間２６及び前記セラミックス構造体２４を内蔵した
セラミックスシェル鋳型２７が形成される。 なお、同図中の２８はガス抜穴である。 ついで、前記セラミックスシェル鋳型２７の型温度が７
００℃〜９００℃なる温度状態下で、１６００〜１７０
０℃なる溶融鋳鋼を前記空間２６に注湯する。 所定時間経過後、脱型して取出すと第２図Ａに図示する
セラミックス鋳ぐるみ体が得られる。 本実施例においても、実施例１と同様な意図のもとに第
５図の例１から例６に示すような種々の組み合わせにて
多種類のセラミックス鋳ぐるみ体を製造した。 同図下欄に示すように、セラミックスの割れは皆無であ
った。また、金属の組織も健全なものであった。なお、
実施例１及び２で示した緩衝層のチタン酸アルミニウム
質セラミックスに占めるＦｅ２Ｏ３とＳ　ｉ　Ｏ，の重
量％の範囲を第３図の３０に示す。 以上の実施例において、緩衝層用のセラミックスの物理
的特性が、特定の数値限定範囲内におさまるべく焼成し
たのは１次のような理由があるからである。 弾性率を５５〜１０００ｋｇ／ｍ”としたのは、これ以
下では強度不足であり、これ以上では硬すぎて鋳ぐるま
れるセラミックスとの界面の密着性が劣るとともに、耐
熱衝撃性も悪いからである。 圧縮強度を６〜３７欣／■２としたのは、これ以下では
強度不足であり、これ以上では、弾性率が大きくなり過
ぎて、前述したのと同様な理由で好ましくない。熱伝導
率を１　、１ｋｃａ　Ｑ　／ｍ、ｈ°Ｋ以下としたのは
、これ以上では特に高い融点を有する鋳鉄や鋳鋼によっ
て鋳ぐるまれるセラミックスに作用する熱衝撃の緩和作
用が不十分だからである。 なお、鋳ぐるまれるセラミックスの材質につぃては、実
施例１及び２にて記述したアルミナやジルコニアに限定
されるものではなく、アルミナやジルコニア以上の耐熱
衝撃性や、高温強度を有する窒化ケイ素や炭化ケイ素を
用いた場合についても、当然鋳ぐるみ可能である。また
、実施例１及び２の鋳ぐるまれるセラミックスとして使
用したアルミナのＪＩＳ３点曲げによる平均曲げ強度は
３５瞳／■２、ジルコニアの平均曲げ強度は９０ｋｇ／
■２である。 【発明の効果】 本発明は、以上に詳述したごとくなされているので１次
のような著効を奏する。 ■　鋳ぐるまれるセラミックスを、耐熱衝撃性を特に考
慮する必要がなく、ただ機械的強度のみ考慮して選択す
ることができる。 ■　溶融温度の高い金属に対しても簡便な手段で容易に
鋳ぐるむことかできる。 ■　苛酷な環境下で使用される内燃機関の燃焼室や排気
部品、軸受、高温高圧の流体または粒体が流動する輸送
管等の機械部品構造材にもセラミックスを活用すること
が実施できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例１に係るセラミックス鋳ぐるみ体の基
本構造を図示した一部切欠断面図、第２図は、ロストワ
ックス法により製造する実施例２に係るセラミックス鋳
ぐるみ体に関し図示したものであって、同図Ａは、セラ
ミックス鋳ぐるみ体の基本構造を図示した一部切欠断面
図、同図Ｂは前記セラミックスを鋳ぐるむ際に用いるセ
ラミックシェル鋳型を図示した断面図、第３図は、緩衝
層として用いられるセラミックスを焼成するに際し用い
られる。補助成分であるところのＦｅ、Ｏ□とＳ　ｉ　
Ｏ２との使用可能範囲を図示した配合関係図、第４図及
び第５図は、それぞれ実施例１．実施例２にて製造する
セラミックス構造体を、本発明が開示する一定範囲の数
値限定内で、多種類製造して所定の物理的特性を得、し
かる後に第４図の場合は、球状黒鉛鋳鉄またはアルミニ
ウム合金にて鋳ぐるんだ後の、第５図の場合は、鋳鋼に
て鋳ぐるんだ後の、セラミックスの割れの有無を調査し
た実験のデータをまとめた図表である。 １１．２１　　・・・・・・セラミックスＡ１２．２２
　・・・・・・セラミックスＢ１３．２４１・・・・セ
ラミックス構造体特許出願人　株式会社北川鉄工所 ５ｉ０２　ｉ量〆 平成０１年０５月２５日

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）鋳ぐるまれるセラミックスＡを内層とし、金属を
   外層とし、内外層間に緩衝層を介在せしめた断面構造と
   なした鋳ぐるみ体において、該緩衝層が、Ａｌ＿２Ｏ＿
   ３とＴｉＯ＿２を主成分とした材料を焼結したチタン酸
   アルミニウム質セラミックスであって、且つ、具備する
   物理的特性を弾性率５５〜１０００ｋｇ／ｍｍ＾２、圧
   縮強度６〜３７ｋｇ／ｍｍ＾２、熱伝導率１．１ｋｃａ
   ｌ／ｍ．ｈ°Ｋ以下となさしめたセラミックスＢである
   ことを特徴とするセラミックス鋳ぐるみ体。
2. （２）前記金属が、アルミニウム合金、鋳鉄、鋳鋼のう
   ちいずれかであることを特徴とする請求項第１項記載の
   セラミックス鋳ぐるみ体。
3. （３）前記セラミックスＢの化学組成を、重量％で、主
   成分であるＡｌ＿２Ｏ＿３が５２〜５６％、ＴｉＯ＿２
   が３８〜４３％、補助成分であるＦｅ＿２Ｏ＿３が３．
   ０〜６．０％、ＳｉＯ＿２が０〜２．８％であって、該
   Ｆｅ＿２Ｏ＿３と該ＳｉＯ＿２の組成割合関係をａ≦−
   １．２ｂ＋６．３６（Ｆｅ＿２Ｏ＿３をａ％、ＳｉＯ＿
   ２をｂ％とする。）となさしめたことを特徴とする請求
   項第１項または第２項記載のセラミックス鋳ぐるみ体。