JPH04153529A - 円筒部材及びその製造方法 - 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、例えば、エンジン、モーター等のように振動
、騒音等を発生するものの冷却、防音用外壁材として使
用される円筒部材及びその製造方法に関し、特に配管ス
ペースを不要にしながら冷却効率を向上でき、かつ振動
、騒音の抑制効果を向上さ廿ながら軽量化に貢献できる
ようにした材質　及び冷却水通路構造の改善に関する。

［従来の技術］ ノエントエノジンやガスタービン等においては、艶、騒
音、振動等の外部放出を抑制するために円筒状の外壁材
で囲うようにする場合がある。・このような冷却、防音
用外壁材として、従来、例えば第８図及び第９図に示す
円筒部材１０．１５が使用されている。これらの円筒部
材１０．１５には振動や騒音を遮断するためにジュラル
ミン、あるいはステンレス等の金属が使用されている。

またエンジンからの熱を吸収して冷却するために、第８
図に示す円筒部材１０では厚肉の壁部１０ａに直線状の
冷却水ｉ１１＊１１を貫通形成しており、第９図に示す
円筒部材１５ではこれの外周面、あきいは内周面に冷却
水管１６を螺旋状に配設してしる。

〔発明が解決しようとする課題） しかしながら、第８図に示す従来の円筒部材１０では、
冷却通路１１が短いことから冷却効率力・低いという問
題点があり、冷却効率を向上させるためには多数の通路
を形成する必要があるが、このようになると強度、剛性
が低下するという問題が生じる。また、第９図に示す従
来の円筒部材１５では、冷却効率は良いものの、構造が
複Ｍになり易（、しかも冷却水管１６の体積分だけ余分
なスペースが必要となるという問題点がある。

さらにまた、上記従来の各円筒部材１０．１５に採用さ
れるジュラルミンは、−船釣に剛性が低いことから固有
振動数が大きく、そのため振動騒音の遮断効果が低いと
いう問題点がある。またステンレスの場合は、ジュラル
ミンに比べて比重が大きいことから重くなるという問題
がある。

本発明は、上記従来の各問題点を解決するためになされ
たもので、強度、剛性を確保しながら冷却効率を向上で
きるとともに、スペースの拡大を回避でき、しかも剛性
を向上して振動、騒音の遮断効果を向上できるとともに
、軽量化できる円筒部材及びその製造方法を提供するこ
とを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

そこで請求項（１１の発明は、１０〜３０ｗｔ％のＳｉ
Ｃウィスカ又はＳｉＣ粒子とアルミ合金との複合材料か
らなり、肉厚の壁部に、軸方向にかつ螺旋状に延びる少
なくとも１つの貫通孔が形成されていることを特徴とす
る円筒部材である。また請求項（２ｉの発明は、上記円
筒部材の製造方法であって、壁部に軸方向に貫通する少
なくとも１つの孔を有する複数のリング部材を、上記各
孔が上記螺旋状をなすように周方向にずらして、かつ同
心円をなすように重ね、各リング部材同士を拡散接合に
より接合することにより、所定長さを有する円筒部材を
形成し、かつ上記少なくとも１つの螺旋状の貫１孔を形
成したことを特徴としでいる。

ここで、上記リング部材同士を接合する場合、ろう材に
よる接合や溶接で行うと接合部の強度が母材に比べて劣
ることから、全体が圧縮、引張りねしれ等の応力に対し
て弱くなるという問題が住しる。この問題を回避するに
は、上記リング部材同士を自己拡散接合するのが望まし
く、例えばＨＩＰや１軸ホントプレス等を採用すること
により一度に接合処理を行うことができる。

次に、上記ＳｉＣウィスカ、ＳｉＣ粒子強化ＡＩ合金複
合材料を採用した理由について説明する。

本件発明者らは、上記従来のジュラルミン、ステンレス
に代わるものとして、軽量金属であるＡ１合金とＳｉＣ
ウィスカ又はＳｉＣ粒子セラミックスとを複合一体化し
たＳｉＣ強化Ａ７合金複合材料に着目した。この複合材
料は、後述するように、マトリックスとなるＡ１合金粉
末と強化材となるＳｉＣウィスカ又はＳｉＣ粒子とを混
合し、該混合粉末をポットプレスや熱間等方加圧（）（
Ｉ　Ｐ）により形成するとともに加圧焼成して製造され
るもので、これは比強度、比弾性率、疲労強度、耐摩耗
性、及び剛性等において優れた特性を有している。

また、上記ＳｉＣウィスカ又はＳｉＣ粒子の添加量を１
０〜３０ｗｔ％としたのは、これの添加量が】Ｏ−ｔ％
未満では補強材としての絶対量が不足し、所定の強度が
得られないからである。また、３Ｑｗｔ冗を超えると、
特性はそれほど向上せず、逆にへｌ量か減る分だけ靭性
が低下し、しかも押出、圧延等による円筒への塑性加工
性が低下し、割損が生し５くなり、結局軽量化が達成で
きなくなるからである。

さらに、マトリックスとなるＡ１合金としては、通常、
時効による強化能の大きいＭｇを０４〜６゜０ｗ１％程
度含有したものを使用するのが好ましい。

さらにまた上記ＳｉＣ強化強化Ａ１台金打合材料度１弾
性率をさらに同上させるためには、上記複合材料中のＡ
７！ｇｃｓ量及び残存酸素量をそれぞれＱ、５　ｗｔ％
以下、０．４　ｗｔ％以下に規制することが好ましい、
即ち、上記複合材料の加圧焼結時に、ＳｉＣウィスカ又
はＳｉＣ粒子とＡ１合金粉末との界面結合を強固にする
には、ＳｉＣとＡ４合金粉末とが濡れである程度反応す
ることが必要である。一方この反応によりＳｉＣは分解
し、反応生成物としてＡ１４’Ｃ３を生成する。そして
この反応が過剰となってＡ１ａＣｓ生成量がＱ、５　ｗ
ｔ％を超えると強度が著しく低下する。この点から、上
記Ａｉ　Ｃｓ住成■を０．５１１量％以下に抑制するこ
とが好ましい。

次に、上記ＳｉＣ強化Ａ１合金複合材料の製造方法とし
ては、一般に溶湯鍛造法、粉末冶金法が採用できる。上
記溶湯鍛造法は、ＳｉＣウィスカ又はＳｉＣ粒子プリフ
ォーム体にＡＩ合金熔溶金加えて溶湯鍛造する方法、あ
るいはＳｉＣウィスカ又はＳｉＣ粒子をＡｆ合金熔湯中
に添加混合する方法である。また、上記粉末冶金法には
、バインダを用いてＳｉＣウィスカ又はＳｉＣ粒子とマ
トリックスとなるＡｆ合金粉末とを混合し、ホットプレ
スやＨＩＰを用いて高温高圧下で固化成形した後、押出
、圧延、鍛造等の熱開成形を行う方法と、バインダを用
いずに両者を混合して直接粉末鍛造する方法とがある。

ここで、バインダを用いる場合は上記バインダの種類に
よってバインダに含まれる０２量を制御することにより
、あるいは成形時の雰囲気中のｅＩＩ素量装置□分圧）
を制御することにより、複合材料の残存酸素量を調整す
る。またバインダを用いない場合は、成形時の雰囲気の
みを制御して残存Ｍ素置をｉ！整する。

また、上記ＳｉＣウィスカを採用する場合は、該ウィス
カを一方向に配向させ、かつ均一に分散させるのが望ま
しい。このような構造にすることにより配向方向におけ
る比強度、比弾性率をさらム二向上できるからである。

このＳｉＣウィスカを一方向に配向させる点は、焼結後
における熱間成形方法として、押出、あるいは圧延（強
加工）法を採用することにより実現できる。なお、配向
させない場合は鍛造法を用いればよいやまた、ＳｉＣウ
ィスカを均一に分散させるには、有１１１溶媒中でウィ
スカに超音波振動を与えて絡まりを解きほぐし、この中
にＡｆ合金粉末を加えて攪拌し、これにより得られた混
合粉末スラリーを吸引ろ過し、該ケーキを真空乾燥して
有ｌ！溶媒を除去することにより実現できる。なお、か
かる製造方法は特開昭６２−８９８０１号公報、特開昭
６０−２５１９２２号公報に記載されている。

〔作用〕

請求項（１）の発明に係る円筒部材によれば、円筒部材
の肉厚の壁部に拶旋状の貫通孔を形成したので、これを
エンジン等の冷却、防音用外壁材として使用することに
より、冷却通路を長くできる分だけ冷却効率を向上でき
、しかも従来の冷却管を円筒部材の外、内周面に配設す
る場合に比べて構造を簡略化できるとともに、配設スペ
ースの拡大を回避できる。

また、上記円筒部材に採用したＳｉＣウィスカ又はＳｉ
Ｃ粒子とアルミ合金との複合材料は、比強度、比弾性率
、疲労強度、耐摩耗性、及び剛性等において優れた特性
を有しており、従って従来のジュラルミンに比べて剛性
９強度を大幅に向上できるとともに、固有振動数も小さ
くでき、振動騒音遮断効果を向上できる。また従来のス
テンレスに比べて比重が小さいことがら、軽量化に貢献
できる。

また、請求項（２）の発明に係る円筒部材の製造方法で
は、複数のリング部材を、これの各孔が９Ｍ状をなすよ
うに、かつ同心円をなすように重ね、各リング部材同士
を拡散接合したので、これにより藝旋状の貫通孔を有す
る円筒部材を製造することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図について説明する。

第１図ないし第５図は本発明の一実施例による肉厚部に
ｖＩ旋状の貫１孔を有する円筒部材及びその製造方法を
説明するための図である。

図において、１は外径Ｒ：　３００　ｗｓ、内径ｒ：２
５０向、軸長さ／　：　４００　ｔｍ程度の大きさ、形
状からなる円筒部材であり、この円筒部材１の肉厚の壁
部１ａには軸方向に螺旋状に延びる貫通孔２が形成され
ている。

上記円筒部材１は、孔４を有する多数のリング部材３を
同心円をなすように重ね、この各リング部材３同士をＨ
ＩＰ、あるいはホットプレスにより自己拡散接合させる
ことによって構成されている。また、上記各リング部材
３の孔４は機械加工。

あるいはエツチングにより壁部３ａを軸方向に貫通する
ように形成されたものである。そしてこの答礼４の位置
は周方向に少しずつずれて位置しており、これにより上
記螺旋状の貫通孔２が構成されている。

また、上記円筒部材１はＳｉＣ強化Ａ１合金複合材料か
らなり、これは１０〜３Ｑｗｔ％のＳｉＣウィスカ又は
ＳｉＣ粒子にＡ１合金粉末を混合して形成されたもので
ある。

ここで、上記円筒部材１の各寸法の設定方法について説
明する。

第５図に示すように、内径ｒ、軸長ｉの円筒部材１の壁
部１ａに螺旋状の貫通孔２を作製する場合、外径Ｒは必
要な強度が得られるよう設定する。

この場合、壁部１ａの貫通孔２の半径Ｘは次式％式％ 半径Ｘの貫通孔２の中心の円周距離は次式で与えられる
。

π　（Ｒ＋　ｒ　）　−−−−−一■ また軸長ｌのリング部材３の積層枚数は、リング部材３
の壁部３ａの厚さｈとすると次式で与えられる。

１　／　ｈ　　　（Ｊ　＞　ｈ　）−−−−−−−・−
・　　　−０次に各リング部材３の位置ずれによる孔４
の中点の全水平方向移動距離は、各リング部材３の孔４
の中点の位置ずれ量をｐとすると次式で与えられる。こ
の場合、位置ずれ量ｐが孔４の半径Ｘより太き（なると
冷却水通路における抵抗が大きくなり過ぎることから、
上記ｐはＸより小さい方が好ましい。

ｐ　−１／ｈ　　　（Ｘ＞ｐ）・−−一−−−−−・・
−−−−−−一■上記貫通孔２の一端から他端にいたる
までの円周の螺旋回数は、１回以上であることが冷却効
果の向上の点から好ましい、従って、この関係は次式で
与えられる。

１）−１／ｈπ　（Ｒ＋ｒ）＞１．ｐ／ｈ＞ｔｔ（Ｒ＋
ｒ＞／ｌ−ｍ−・−・−■ 例えば、上記外径Ｒ３００ｍ、内径ｒ２５０ｍ、軸長ｆ
４００ｍで、１つの貫通孔２を有する円筒部材１を作製
する場合、孔４の半径Ｘ、リング部材３の厚さり、積層
枚数、及び孔の位置ずれ量ｐは次にようになる。

上記０式により孔の半径Ｘは、 ０〈χ＜１２．５　　であるからＸ−１０Ｍと設定する
。

また０式から、上記厚さｈと位置ずれ量ｐとの関係は、 ｐ　／　ｈ　＞π（３００＋２５０）／４００−４．３
２　　であるから、 従って、ｈ　＜　ｐ　／４．３２となり、ｐはＸ以下で
ある必要から、 ０＜ｐ＜Ｈ＋　　従って、Ｑ　＜　ｈ　＜２．３１とな
るこれにより、リング部材３の厚さｈは’１ｗｓ、位置
ずれ量ｐは９■と設定でき、積層枚数は０式より２００
枚となる。

次に、本実施例の円筒部材１の製造方法について説明す
る。

１、ＳｉＣウィスカ又はＳｉＣ粒子１０〜３０ｗｔ％と
Ａｊ合金粉末とをミキサーで乾式混合し、均一に分散し
た複合混合粉を得る。

■０次に、この混合粉を軟鋼製ＨＩＰカプセルに充填し
、真空脱気するとともに密封した後、所定の温度、圧力
１時間でＨＩＰ処理を行い、内径ｒ２５０ｍ、外径Ｒ３
００ｍ、厚さｈ２ｍｍの多数のリング部材３を作製する
。

■、上記各リング部材３の壁部３ａに半径１０ｆｉの孔
４を機械加工、あるいはエツチングにより形成する６次
に、上記各リング部材３をこれの孔４の位！ずれ量ｐが
９Ｍとなるよう周方向にずらしながら、２００枚積層重
る。

■、そして、上記各リング部材３同士をＨＩＰ。

あるいはホントプレスにより自己拡散接合させる。

これにより螺旋状の貫通孔２を有する円筒部材１が製造
される。

このように本実施例によれば、円筒部材】の壁部１ａに
螺旋状の貫通孔２を形成したので、この円筒部材１をジ
ェットエンジンやガスタービン等の冷却、防音用外壁材
として使用することにより、冷却効率を向上できるとと
もに、配設スペースの拡大を回避できる。

また、上記円筒部材１は、多数のリング部材３を、これ
の孔４の位置が少しずつ周方向にずれるように、かつ同
心円をなすように重ね、これをＨＩＰ、ホットプレスに
より拡散接合することにより製造でき、各リング部材３
同士の圧縮、引張りねじれ等に対する必要強度を確保し
ながら、螺旋状の貫通孔２を容易に形成できる。

さらに、本実施例によれば、上記円筒部材１にＳｉＣウ
ィスカ又はＳｉＣ粒子を配合したアルミ合金複合材料製
を採用したので、比強度、比弾性率、疲労強度、耐摩耗
性、及び剛性等において優れた特性を得ることができ、
従来のジュラルミンステンレスに比べて剛性、ｉ＠度を
大幅に向上して振動、Ｉｉ音遮断効果を向上できるとと
もに、軽量化でき、冷却、防音用外壁材として全ての特
性を満足できる。

なお、上記実施例ではリング部材３の孔４を軸方向に直
線状に形成したが、本発明の孔は螺旋の進行方向に沿っ
て傾斜させてもよく、この場合は冷却水の抵抗をさらに
小さくできる。

また、上記実施例では、１つの貫通孔２を形成したが、
本発明は勿論複数の貫通孔を形成してもよい、さらに、
上記実施例では、ジェットエンジンやガスタービン等の
冷却、防音用外壁材に使用した場合を例にとって説明し
たが、本発明の円筒部材の用途はこれに限られるもので
はなく、要は内部に発熱、騒音等の発生源を有する場合
の冷却。

防音用外壁部材に適用できる。

次に本実施例の円筒部材の各特性の測定を行った試験に
ついて説明する。

この試験では０〜３５−ｔ％のＳｉＣウィスカ、及び０
〜３５ｗｔ％のＳｉＣ粒子と７０１ＳＡ１合金粉末とを
使用し、これにより円筒部材を作製した。そして各円筒
部材の引張強度、比強度３弾性率、比重。

比剛性を測定した。

第１表及び第２表はそれぞれＳｉＣウィスカＳｉＣ粒子
の含有量を変化させた場合の試験結果を示す、なお、比
較するために５ＵＳ３０４からなる円筒部材の弾性率、
比重、比剛性を測定した。

各表からも明らかなように、ＳｉＣウィスカＳｉＣ粒子
が８ｗｔ％以下の場合は、引張強度、比強度等の債が若
干低く、補強材としての絶対量が少ないことがわかる。

一方各ＳｉＣが３５ｗｔ％以上になると、大幅に引張強
度、比強度、比剛性の値が低下しており、逆に特性が悪
化している。これに対してＳｉＣが１０〜３Ｑｗ　ｔ％
の場合は、引張強度５８〜７８．５睦ｆ／鶴８１弾性率
８９００〜１４０００　ｋｘｆ／ｍ”比剛性３，１３９
〜４，８５４　ＸＩＯ’鶴と全て満足できる特性値が得
られている。また、比重では５ＵＳ３０４が８．０３ｇ
／ｃｄであるのに対して、本実施例ではいずれも２．８
２７〜２．９０９ｇ／−と小さくなっている。

第６図はＳｉＣ粒子の体積率と引張強度、及び伸びとの
関係を示す特性図であり、第７図はＳｉＣウィスカ、Ｓ
ｉＣ粒子の各体積率と弾性率との関係を示す特性図であ
る。各図からも明らかなように、引張強度、伸び１弾性
率とも優れた特性値が得られていることがわかる。

〔発明の効果〕

以上のように請求項（１）の発明に係る円筒部材によれ
ば、ＳｉＣウィスカ又はＳｉＣ粒子を配合したアルミ合
金複合材料で円筒部材を形成したので、これを上記振動
、騒音発生部品の外壁材として使用した場合は強度を確
保しながら振動、騒音抑制効果を大幅に向上できるとと
もに、軽量化に貢献できる効果があり、また肉厚の壁部
に螺旋状の貫通孔を形成したので、上記円筒部材を発熱
部品の外壁材として使用することにより、所定の強度を
確保しながら冷却効率を向上できるとともに（簡単な構
造で配設スペースの拡大を回避できる効果がある。

また請求項（２１の発明に係る製造方法によれば、複数
のリング部材を、これの孔の位置が少しずつ周方向にず
れるように、かつ同心円をなすように重ね、これを拡散
接合したので、円筒部材の壁部に螺旋状の貫通孔を容易
に形成できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は本発明の一実施例による壁部に螺
旋状の貫通孔を有する円筒部材及びその製造方法を説明
するための図であり、第１図はその円筒部材の斜視図、
第２図はリング部材の分解斜視図、第３図は答礼を周方
向にずらした状態を示す平面図、第４図はその正面図、
第５図は上記円筒部材の各寸法の設定方法を説明するた
めの斜視図、第６図はＳｉＣ粒子と引張強度との関係を
示す特性図、第７図はＳｉＣウィスカ、ＳｉＣ粒子と弾
性率との関係を示す特性図、第８図及び第９図はそれぞ
れ従来の円筒部材を示す斜視図である。 図において、１は円筒部材、１ａは壁部、２は貫通孔、
３はリング部材、３ａは壁部、４は孔である。 特許出願人　　　　　株式会社　神戸製鋼所代理人　弁
理士　　　下布　　努 第１ 図 ａ 第３ 図 第５図 第６図 Δ ５ｉＣａ）Ｖｆ （’／、）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）１０〜３０ｗｔ％のＳｉＣウィスカ又はＳｉＣ粒
   子とアルミ合金との複合材料からなり、肉厚の壁部に、
   軸方向にかつ螺旋状に延びる少なくとも１つの貫通孔が
   形成されていることを特徴とする円筒部材。
2. （２）肉厚の壁部に、軸方向にかつ螺旋状に延びる少な
   くとも１つの貫通孔を有する所定長さの円筒部材の製造
   方法であって、壁部に軸方向に貫通する少なくとも１つ
   の孔を有する複数のリング部材を、上記各孔が上記螺旋
   状をなすように周方向にずらして、かつ同心円をなすよ
   うに重ね、各リング部材同士を拡散接合により接合し、
   これにより上記所定長さを有する円筒部材を形成し、か
   つ上記少なくとも１つの螺旋状の貫通孔を形成したこと
   を特徴とする円筒部材の製造方法。