JPH03189062A - 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１ 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〕

車両用のエンジンにおいては、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従来
よりも更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の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（■　ｒＣｅｒａｍｉｃ　　ｍａ
ｔｅｒｉａｌｅｓ　　＆　　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｆｏ
ｒ　ＥｎｇｉｎｅＪ　１９８６年第１１３５〜１１４３
頁、■　５ＡＥＴｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐａｐｅｒ　８８
０６７８参照）。

上記のような目的のためにセラミックスを使用する場合
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、所望の形状に成形された
セラミックス部品を金属で鋳ぐるむ方法が採られている
。

ところで、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。

（Ｌｉｔ）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
張に基づく繰り返し荷重が働き、セラミックス部品が疲
労破壊する可能性がある。

上記問題を解決するため種々の方法が提案されている０
例えば特願平１−８３６８４号明細書には、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の鋳
ぐるみ方法が開示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記特願平１−８３６８４号明細書に開示された方法に
おいては、鋳ぐるみ金属が凝固した後の冷却過程におけ
る収縮による寸法変化をセラミックス部品の表面に緩衝
材層として多孔質炭化物層を設けることにより吸収又は
緩和している。しかしながら、例えばパイプ状などの長
尺のセラミックスを鋳ぐるむ場合、上記方法を用いるこ
とにより径方向の収縮による寸法変化は容易に吸収又は
緩和することができるものの長手方向の収縮による寸法
変化は長手方向の長さが長くなる程鋳ぐるみ金属の収縮
量が大きくなるため、たとえ上記セラミックスの端面に
緩衝材層を設けたとしても寸法変化をそれにより吸収又
は緩和することは困難である。その結果、鋳ぐるんだセ
ラミックス部品の長手方向に沿って過大な圧縮応力が加
わることとなり、セラミックス部品が破壊される可能性
がある。

本発明は上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本発明の目的とするところは長尺のセラミ
ックス部品を鋳ぐるむ場合においても溶湯の凝固・冷却
過程及び鋳造品の使用時においても上記セラミックス部
品の長手方向に作用する寸法変化の影響を少なくしてセ
ラミックス部品の破壊を防ぐことができるセラミックス
の鋳ぐるみ方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段Ｊ 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長手方向の端面部に、鋳ぐ
るみ金属より高融点の金属からなる蓋状の部材を端面と
の間に所定の間隙を設けて嵌合し、しかる後前記セラミ
ックス部品を金属で鋳ぐるむことを特徴とする。

本発明に用いることができるセラミックス部品の材料は
、例えば窒化ケイ素（ｓｉｍＮ４）　、炭化ケイ素（ｓ
ｉＣｌ　　アルミナ（ｊｌ□０．）、ジルコニア（Ｚｒ
Ｏｚｌ、チタン酸アルミニウム（Ａｊ！　−Ｔｉｅｓ）
、コーディエライトなどの慣用のものであってよい、こ
れらは単独又は組合せて用いることができる。又、セラ
ミックス部品の大きさや形状等の性状は特に限定されな
いが、本発明はとりわけパイプ状部品などの長尺のセラ
ミックス部品に対して有用である。

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。

本発明の方法に用いる蓋状部材の材料は鋳ぐるみ金属の
材料に応じて適宜選択する。すなわち鋳ぐるみ金属がア
ルミニウムなどの比較的低融点の金属の場合には鋼材な
どを、又、鋳ぐるみ金属が鋳鉄などの高融点の金属の場
合にはステンレス鋼などを用いるのが好ましい、これら
の材料を組合せて使用しても勿論よい。

蓋状の部材は、端面との間に所定の間隙を設けてセラミ
ックス部品の端部に嵌合し得る大きさ及び形状のもので
あればよい。

セラミックス部品には必要に応じて鋳ぐるみ金属の溶湯
による熱応力を緩和するための緩衝材層を設ける。この
緩衝材層は例えばアルミニウムなどの金属のテープ、有
機ポリマー材料を炭化させて形成した多孔質炭化物層、
アルミナ・シリカなどのセラミックスの繊維、等からな
るものであってよい、又、緩衝材層が圧縮し得る性状の
ものである場合には、緩衝材層によって蓋状部材とセラ
ミックス部品の端面との間の間隙が満されていてもよい
。

蓋状部材をセラミックス部品の端部に嵌合させる場合に
、セラミックス部品と蓋状部材とが滑らかに摺動するた
め及び鋳ぐるみ金属が蓋状部材とセラミックス部品との
間の間隙に入り込まないように、少なくとも蓋状部材と
嵌合するセラミックス部品の嵌合部には緩衝材層を設け
るのが好ましい。

なお、セラミックス部品の長手方向の端面と金属製の蓋
状部材との間の間隙は、片側の間隙の最小距離をδとす
ると下記式１によって示される。

δ＝１２ｍ　・α（ＴＩ−Ｔ２）／２　　　　（■）４
２ｍ　：両面の金属製の蓋状部材間の距離α　：鋳ぐる
み金属の熱膨張係数 Ｔ、：鋳ぐるみ金属の凝固温度 Ｔよ　：最低使用環境温度 端部に金属製の蓋状部材を嵌合したセラミックス部品は
、鋳造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端面側の間隙によって鋳ぐるみ金属
が凝固・冷却する際の収縮及びセラミックス部品を鋳ぐ
るんだ鋳造品を使用する際の膨張・収縮による寸法の変
化が吸収又は緩和されるので、セラミックス部品に上記
寸法の変化に基づく応力がかからない。

［実施例］ 以下の実施例により本発明を更に詳細に説明する。

パイプ状のセラミックス部品１　（チタン酸アルミニウ
ム製）の外周面及び端面に多孔質炭化物よりなる緩衝材
層２を形成し、鋼製の蓋状部材３を嵌合した後、これを
鋳造型内に中子として配置し、次いで鋳ぐるみ金属４（
アルミニウム）の溶湯を注入して鋳ぐるんだ、第１図に
得られた鋳造物の部分断面図を示す、なお、図中のδ及
びｌ２Ｉ１１の意味は前述の式（Ｉ）における意味と同
じである。

実施例２ 緩衝材層２をセラミックス部品１の端部に設けたこと以
外は、実施例１と同様にしてセラミックス部品１を鋳ぐ
るんだ。

上記実施例１及び２において、４１！ｍ＝１００ｍｍ、
ａ　＝　２３．５Ｘ　１０−’／　’Ｃ１Ｔ、＝　６５
０℃、Ｔ２＝２０℃２＝２、前述の式（Ｉ）にこれらの
値を代入することによりδは以下の如く計算される。

δ＝１００・２３．５　ｘ　１０−　’　（６５０−２
０１／　２＝０．７４ｍｍ〔発明の効果〕 本発明のセラミックスの鋳ぐるみ方法は前述の如き構成
を有するため、鋳ぐるみ金属の収縮によりセラミックス
部品の長平方向に過大な応力がかかるのを防ぐことがで
き、セラミックス部品が破壊されることがない、そして
上記の応力防止効果は、セラミックス部品の長手方向の
寸法が大きくなるほど有効となるので、本発明の方法は
とりわけパイプ状などの長尺のセラミックス部品を鋳ぐ
るむ方法として適してぃる、又、金属からなる蓋状部材
の形状を例えばセラミックス部品の長手方向に伸びる筒
状とすれば、セラミックス部品の長手方向にかかる応力
のみならず、セラミックス部品の径方向にかかる応力も
防ぐことができる。更に、本発明の方法を用いることに
より、例えばエルボ−型や二股型などのセラミックス部
品を鋳ぐるむ場合にもこれらのセラミックス部品に作用
する曲げ応力を防止又は緩和することができるので、そ
れらの破壊を防ぐことができる。その結果、使用するセ
ラミックス部品の選択の自由度が増し、所望により種々
のセラミックス部品の鋳ぐるみ品を容易に得ることがで
きる。又、このようにして鋳ぐまれだ部品は、実機に組
み付ける作業等において、ボルトの締め付は等により鋳
ぐるみ金属に作用する荷重（又は応力）をセラミックス
部品へ伝えることなく使用することが可能であるので、
鋳ぐるみ部品としての取扱いがより容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１により得たセラミックス部品
の鋳ぐるみ品の部分断面図、第２図は本発明の実施例２
により得たセラミックス部品の鋳ぐるみ品の部分断面図
である０図中、

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長手方向の端面部に
   、鋳ぐるみ金属より高融点の金属からなる蓋状部材を端
   面との間に所定の間隙を設けて嵌合し、しかる後前記セ
   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。