JPH02263557A - セラミックスの鋳ぐるみ方法 - 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の鋳ぐるみ方法、更に詳しくは、
断熱性に優れたセラミックスを金属で鋳ぐるむ方法に関
するものである。

〔従来の技術〕

車両に設けられるエンジン等において、出力の向上や燃
費の向上などの高性能化を図るために、稀薄燃焼システ
ムの採用、排気エネルギーの効率的利用等の研究開発が
活発に行なわれている。

そして、それにともない排気温度がさらに上昇する傾向
にあるため、断熱性及び耐熱性が高いセラミックスを使
うことにより各部品の信頼性の向上及び熱負荷低減を図
ること例えばシリンダヘッド冷却の軽減やひいてはラジ
ェータ等冷却システムの縮小化等が検討され一部実用化
されている０例えば、レシプロエンジンのエキゾースト
ボート、エキゾーストマニホールドなどの排気系部品に
チタン酸アルミニウム、コーディエライト等のセラミッ
クスを適用したものの実用化や検討がなされている（■
ｒｃｅｒａｍｉｃｍａｔｅｒｉａ　ｌ　　ｅｓ　　　＆
　　　　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　　　ｆｏｒ　　Ｅｎｇ
ｉｎｅＪ１９Ｂ１３年第１１３５〜１１４３頁、■５Ａ
ＩＥ　　丁ｅｃｈｎｉｃａ　ＩＰａｐｅｒ　８８０８７
Ｂ　　参照）。

そして、このようにセラミックス応用する場合には、セ
ラミックス自体の強度及び靭性が低いため、実用上は外
壁部を、金属で形成することが不可欠であり、その製造
方法としては、一般に、所望の形状に形成されたセラミ
ックス部１品を金属で鋳ぐるむ方法が採られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、セラミックス部品を金属で鋳ぐるむ場合
には以下に例示するように種々の問題がある。

（ｉ）耐熱性に優れたセラミックス例えばチタン酸アル
ミニウムやコーディエライト等は金属に比較して低強度
・低靭性である。それ故、そのような素材で作られたパ
イプ形状などの部品をアルミニウムや鋳鉄等の金属で鋳
ぐるむと。

金属が凝固した後冷却過程において金属の熱膨張率がセ
ラミックスの熱膨張率よりも大きいので、金属の収縮に
よりセラミックス部品が破壊されることがある。

（１１）鋳ぐるむ際、高温の溶融金属と常温のセラミッ
クス部品とが直接に接触すると、セラミックス部品が熱
衝撃を受けた状態となり、セラミックス部品内部に大き
な熱応力が発生し破壊される可能性が高い。

（ｉｉｉ　）鋳ぐるみ品が、セラミックス部品と金属が
接触している状態で実機に組み込まれ、運転・停止を繰
り返すことによって、セラミックス部品と鋳ぐるみ金属
との熱膨張差により金属とセラミックス部品間に圧縮・
引張の繰り返し荷重が働き、セラミックス部品が疲労破
壊する可使性がある。

本出願人ｆ″−よす前記問題を解決するために、特願昭
６３−２１１９８８号において、セラミックス部品を金
属テープで巻いた後、金属で鋳ぐるむ方法ｂゞ提案Σ六
てｔｓ３．又、特願平１−１８６５２号において、セラ
ミックス部品の表面に鋳造用溶湯よりも融点の高いアル
ミニウムでなる皮膜層を形成した後、鋳ぐるむ方法６゛
提案２ｔＬ１ｕ２゜更に、セラミックス部品を断熱性の
あるクツジオン材（例えば多孔質金属体）及び溶融金属
の浸透を防止する浸透防止部材（例えば薄肉金属シート
）で順に覆い、しかる後鋳ぐるむ方法ｈ”提案さｔＬで
Ｌｉ２（平成元年３月１８日付は提出の特許願）しかし
本出願人により提案ざした前記方法も不具合を生じる場
合がある０例えば、特願昭６３−２１１９８８号及び平
成元年３月１８日付は特許願記載の方法は、セラミック
ス部品に凹部がある場合にはその箇所で金属テープなど
が浮いてしまい、注湯時に溶融金属がセラミックス部品
に直接接触する可能性がある。又、セラミックス部品が
分岐部を有したり、複雑な形状である場合には分岐部な
どには金属テープなどが具合よく巻けない、更に、特願
平１−１８６５２号記載の方法も鋳ぐるみ金属がアルミ
ニウム合金に限られ適用範囲が狭いなどの問題がある。

本発明は前記従来技術における問題点を解決するための
ものである０本発明の目的はセラミックス部品を金属に
鋳ぐるむ際にセラミックス部品が破壊されにくく、又、
セラミックス部品が複雑な形状のものであっても適用可
能であり、且つ使用に際してセラミックス部品が熱負荷
によって破壊されにくいセラミックス鋳ぐるみ品を容易
に得ることができる方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

すなわち本発明のセラミックスの鋳ぐるみ方法は、鋳ぐ
るむべきセラミックス部品の表面に有機ポリマー材料を
塗布し、次いで該セラミックス部品を加熱することによ
り該有機ポリマー材料を炭化させて多孔質炭化物層を形
成し、しかる後該多孔質炭化物層を介して前記セラミッ
クス部品を金属で鋳ぐるむことを特徴とする。

セラミックス部品の材質は例えばチタン酸アルミニウム
などの慣用のものであってよい。

又、セラミックス部品の大きさや形状等の性状は適宜選
択する。形状は例えばブローツク状やパイプ状であって
よい。

セラミックス部品を鋳ぐるむ金属としては例えばアルミ
ニウム、鉄、又はこれらの合金などが挙げられる。

有機ポリマー材料としては、薄膜状に塗布することがで
き、加熱によって多孔質炭化物層を形成することができ
る天然又は合成のボリマ−一ル樹脂、メラミン樹脂、尿
素樹脂、ポリカーボネート、アルキッド樹脂、エポキシ
樹脂、ポリエステル、ポリアミド、ポリスチレン、ポリ
オレフィン等である。又、ゴムの例は天然ゴム、ブチル
ゴム、スチレン・ブタジェンゴム、クロロプレンゴム、
ネオプレンゴム等である。

これらの樹脂又はゴムは単独又は組合せて使用すること
ができ、適する溶媒に溶解するか又は無溶媒で溶融させ
て所定厚さに塗布する。

塗布方法は噴霧法、浸漬法などの慣用の方法であってよ
い。

又、表面に有機ポリマー材料を塗布したセラミックス部
品を加熱する際に、有機ポリマー材料が流動してセラミ
ックス部品から除去されることがないように、有機ポリ
マー材料の材質や加熱条件を選択する。

有機ポリマー材料の塗布厚は、それを炭化させて形成す
る多孔質炭化物層の厚さが、金属の収縮による応力を緩
和するのに十分な厚さとなるように決定する。

以下に溶融金属が凝固した後の収縮量について具体的に
考察する。

セラミックス部品としてチタン酸アルミニウム製の外径
断面が円形のパイプを用い、金属としてアルミニウムを
用いて鋳ぐるむことを考えた場合、パイプ外径を４０ｍ
ｍとし、アルミニウムがパイプの外面に接していると仮
定すると、アルミニウム溶湯が凝固してから常温になる
までの収縮量は次式（１）： ％式％（） 〔式中、δは収縮量（ｍ　ｍ）を表わし、Ｄはパイプ外
径（ｍｍ）を表わし、αは熱膨張率（”０”　　）を表
わし、Ｔは凝固温度（融点℃）を表わす）で表わされる
。

アルミニウムの場合は、α＝２３．５Ｘ１０゛６　℃、
Ｔ＝８５０℃であり、これを式（Ｉ）に代入して計算す
るとδキ０．１３ｍ　ｍとなる。すなわち、半径当りで
は０．３ｍｍとなり、炭化物層の厚さは少なくともこの
程度であることが好ましい。

他の場合においても上記と同様にして最適の炭化物層の
厚さを決定し、それを得ることができる有機ポリマー材
料の塗布厚を定める。

表面に多孔質炭化物層を形成したセラミックス部品は、
鋳物用型内に中子として配置し、溶融金属を注湯して鋳
ぐるむ。

〔作　用〕

セラミックス部品の表面に多孔質炭化物層を均一に形成
することにより、多孔質炭化物層が断熱層及び応力緩和
層として働くので、鋳ぐるむ際のセラミックス部品の破
壊が防止され、又、鋳ぐるみ品の耐久性が向上する。

〔実施例〕

以下の実施例において本発明を更に詳細に説明する。な
お、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

第１図（＆）ないしくＣ）に本発明の方法の一実施例を
示す、第１図（ａ）にお゛いて、セラミックパイプｌを
ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）溶液４（約３００℃、無溶媒
）中に浸漬した後引き上げて冷却・凝固させる。この際
、必要に応じてセラミックパイプ１の端面を閉じておき
、その内部にはＰＶＣが入らないようにする。第２図（
ａ）に示すように、セラミックパイプ１の外周面に厚さ
１〜２ｍｍの２７０層５が形成される０次いで、第１図
（ｂ）に示すようにセラミックパイプ１を電気炉６内に
入れ、毎分２０℃づつ７００℃まで昇温し、１０分間保
持する。その間、ｐｖｃ層５は約３５０℃で脱塩化水素
され。

６００〜７００℃で第２図（ｂ）に示す多孔質炭化物層
２を形成する。この際の多孔質化は、燃焼ガスの発生に
よりＰＶＣ層５内部に空孔が生じ、そのまま炭化される
ために起る。なお、炭化物層２の厚さは０．７〜Ｌ、Ｓ
　ｍ　ｍ　（Ｐ　Ｖ　Ｃ層の厚さの７０〜８０％）とな
る０次いで第１図（Ｃ）に示すように、セラミックパイ
プ１を鋳物用型７の中子として使用し、注湯具８からア
ルミニウムや鋳鉄等の溶湯９を注いで鋳ぐるむと、第２
図（Ｃ）に示すように金属層３が形成される。

第３図に本発明の方法によって得られた製品の一例の断
面図を示す、第３図（ａ）は長さ方向の断面図、第３図
（ｂ）は煙方向の半断面図である。これより、円筒形状
のセラミックス部品ｌの外周に、多孔質炭化物層２が溶
融金属が凝固した後の収縮に対して十分な厚さで存在し
、その周囲を金属層３が取り巻いているのが判る。

〔発明の効果〕

上述の如く本発明のセラミックスの鋳ぐるみ方法は、鋳
ぐるむべきセラミックス部品の表面に有機ポリマー材料
を塗布し、次いで該セラミックス部品を加熱することに
より該有機ザリマー材料を炭化させて多孔質炭化物層を
形成し、しかる後該多孔質炭化物層を介して前記セラミ
ックス部品を金属で鋳ぐるむため、以下に例示する如く
種々の効果を奏する。

ｌ）多孔質炭化物層が、鋳造時における溶融金属の凝固
後の収縮による応力を緩和するため、セラミックス部品
に過大な力が加わらず、鋳造時のセラミックス部品の破
壊が防止される。

２）多孔質炭化物層を介在させることにより、鋳造時に
溶融金属とセラミックス部品とが直接接触せず、それ故
セラミックス部品が受ける熱衝撃が緩和されるのでセラ
ミックス部品の熱衝撃による破壊が防止される。

３）鋳造時の使用時の金属層の膨張・収縮による応力を
を多孔質炭化物層が緩和するので、セラミック部品が破
損しにくく、鋳造品の耐久性が向上する。

４）溶融樹脂などによりセラミックス部品を被覆するた
め、セラミ−２クス部品の形状が複雑な場合にも表面に
均一に多孔質炭化物層を形成することが可能であり、い
かなる形状のセラミックス部品の場合にも適用すること
ができる。

５）有機ポリマー材料の種類や塗布厚、加熱条件等を適
宜選択することにより、多孔質炭化物層の多孔度や厚さ
などの性状を変えることができるので、セラミックス部
品や鋳ぐるみ金属の種類や鋳造条件などに応じて種々の
変法が可能であり、適用範囲が広い。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）ないしくＣ）は本発明のセラミックスの鋳
ぐるみ方法の一実施例の説明図、第２図（ａ）ないしく
Ｃ）は第１図の方法におけるセラミックパイプの断面形
状の変化を説明するための図、 第３図（ａ）及び（ｂ）は本発明の方法によって得られ
た製品の一例の断面図である。 図中、 １・・・セラミックバイブ　　２・・・炭化物層３・・
・金属層　　　　　　　４・・・ＰＶＣ溶液５・・・ｐ
ｖｃ層　　　　　　６・・・電気炉７・・・鋳物用室　
　　　　　８・・・注湯具９・・・溶湯 第２　図 （θ） （ｂ） （Ｃ） （ａ） Ｊ ＄３ 図 （ｂ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 鋳ぐるむべきセラミックス部品の表面に有機ポリマー材
   料を塗布し、次いで該セラミックス部品を加熱すること
   により該有機ポリマー材料を炭化させて多孔質炭化物層
   を形成し、しかる後該多孔質炭化物層を介して前記セラ
   ミックス部品を金属で鋳ぐるむことを特徴とするセラミ
   ックスの鋳ぐるみ方法。