JPH0755367B2 - 繊維強化シリンダブロツク素材の鋳造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 A.発明の目的 （１） 産業上の利用分野 本発明は、エンジンに用いられる繊維強化シリンダブロ
ック素材、特にシリンダボア回りを筒状繊維強化複合体
より構成したものの鋳造方法に関する。

（２） 従来の技術 従来、この種素材を鋳造する場合は、繊維成形体に対す
る溶湯の充填性を良好にするため繊維成形体の予熱温度
を、鋳型におけるシリンダボア成形用中子の加熱温度よ
りも高くなるように設定している。

（３） 発明が解決しようとする問題点 しかしながら、繊維成形体と中子との間に前記のような
温度設定を行うと、鋳型に溶湯を注入した際、繊維成形
体に発生する温度勾配において溶湯に接触する外周面お
よびその近傍になだらかに降下する部分を生じ、その部
分にミクロポロシテイ、繊維成形体の部分的破損等の鋳
造欠陥が発生するという問題がある。

本発明は前記問題を解決し得る前記鋳造方法を提供する
ことを目的とする。

B.発明の構成 （１） 問題点を解決するための手段 本発明は、シリンダボア回りを筒状繊維強化複合体より
構成した繊維強化シリンダブロック素材を鋳造するに当
り、鋳型のシリンダボア成形用中子に筒状繊維成形体を
嵌合して、前記鋳型に溶湯を注入したとき前記繊維成形
体に、前記溶湯に接触する外周面側から前記中子に接触
する内周面側に向って急激に、且つ略直線状に降下する
温度勾配を発生させるべく、前記中子の加熱温度と繊維
成形体の予熱温度とを50〜300℃の範囲で略同一に設定
し、次いで前記鋳型に溶湯を注入し、その後前記溶湯を
加圧することにより前記繊維成形体に充填して前記繊維
強化複合体を得ることを特徴とする。

（２） 作用 繊維成形体に前記のような温度勾配を発生させると、繊
維成形体の温度が湯温に対して相対的に低くなるので、
溶湯により繊維成形体を圧縮しながらその溶湯を繊維成
形体にその外周面から円周方向において略均一に充填さ
せることが可能となり、これにより繊維成形体の部分的
破損を防止することができる。また繊維成形体に充填さ
れた溶湯が中子側から外周面側に向って凝固するので、
繊維成形体内に最終凝固部が生じることがなく、これに
より繊維強化複合体におけるミクロポロシテイの発生を
防止することができる。

（３） 実施例 第１〜第３図は繊維強化アルミニウム合金製サイアミー
ズ型シリンダブロックＳを示し、そのシリンダブロック
Ｓは、直列に並ぶ複数、図示例は４個のシリンダバレル
1₁〜1₄を結合してなるサイアミーズシリンダバレル１
と、そのサイアミーズシリンダバレル１を囲繞する外壁
部２と、外壁部２の下縁に連設されたクランクケース３
とより構成される。各シリンダバレル1₁〜1₄におけるシ
リンダボア４回りは円筒状繊維強化複合体Cfより構成さ
れる。

サイアミーズシリンダバレル１と外壁部２間に、サイア
ミーズシリンダバレル１の外周が臨む水ジャケット６が
形成される。その水ジャケット６のシリンダヘッド側端
部において、サイアミーズシリンダバレル１と外壁部２
間は複数の補強デッキ部８により部分的に連結され、相
隣る補強デッキ部８間はシリンダヘッド側への連通口７
として機能する。これによりシリンダブロックＳはクロ
ーズドデッキ型に構成される。

第５〜第８図は、第４図に示すシリンダブロック素材Sm
を鋳造すべく本発明の実施に用いられる鋳造装置を示
し、その装置は鋳型としての金型Ｍを備え、その金型Ｍ
は昇降自在な上型９と、その上型９の下方に配設され、
第5,第６図において左右二つ割の第１および第２側型10
₁,10₂ならびに第７図において左右二つ割の第３および
第４側型10₃,10₄と、各側型10₁〜10₄を摺動自在に載置
する下型11とより構成される。

上型９の下面に、各側型10₁〜10₄の上半部と協働してサ
イアミーズシリンダバレル１および外壁部２を成形する
ための第１キャビテイC₁を画成する型締め用凹部12が形
成され、その凹部12と嵌合する型締め用凸部13が各側型
10₁〜10₄の上面に突設される。

第7,第８図に示すように、下型11に溶解炉（図示せず）
よりアルミニウム合金の溶湯を受ける湯溜部14と、その
湯溜部14に連通する給湯シリンダ15と、その給湯シリン
ダ15に摺合されるプランジヤ16と、湯溜部14より２本に
分岐して第１キャビテイC₁の長手方向に、且つそれと略
同一長さに亘って延びる一対の湯道17とが設けられる。
また下型11は両湯道17間において上方へ突出する成形ブ
ロック18を有し、その成形ブロック18は各側型10₁〜10₄
の下半部と協働してクランクケース３を成形するための
第２キャビテイC₂を画成する。そのキャビテイC₂の上端
は前記第１キャビテイC₁に連通し、また両側の下端は両
湯道17に複数の堰19を介して連通する。

成形ブロック18は、所定の間隔で形成された背の高い４
個のかまぼこ形第１成形部18₁と、相隣る第１成形部18₁
間および最外側の両第１成形部18₁の外側に位置する凸
字形第２成形部18₂とよりなり、各第１成形部18₁はクラ
ンクピンおよびクランクアーム用回転空間20（第2,第３
図）を成形するために用いられ、第２成形部18₂はクラ
ンクジャーナルの軸受ホルダ21（第2,第３図）を成形す
るために用いられる。各堰19は各第２成形部18₂に対応
して設けられており、第２キャビテイC₂の容量の大きな
部分に溶湯を早期に注入するようになっている。

両湯道17の断面積が湯溜部14側より湯道先17aに向けて
段階的に減少するように、湯道17底面は湯溜部14側より
数段の上り階段状に形成されている。各段部17bに連な
る各立上がり部17cは溶湯を各堰19にスムーズに導くこ
とができるように斜めに形成される。

このように湯道17の断面積を段階的に減少させると、断
面積の大きな部分では大量の溶湯を遅い速度で堰19を通
じて第２キャビテイC₂に注入し、また断面積の小さな部
分では少量の溶湯を速い速度で堰19を通じて第２キャビ
テイC₂に注入することができるので、そのキャビテイC₂
内に溶湯が湯道17の全長に亘って略均等に注入される。
したがって溶湯がキャビテイC₂内で乱流を起こすことが
なく、空気等のガスが溶湯に巻き込まれることを防止し
て巣の発生を回避することができる。また溶湯の注入作
業が効率良く行われるので、鋳造能率を向上させること
ができる。

第5,第６図に示すように、各第１成形部18₁の頂面に後
述する繊維成形体の下端部が嵌合する位置決め突起22が
突設され、その位置決め突起22の中心に凹部23が形成さ
れる。また両側に位置する２つの第１成形部18₁に、位
置決め突起22の両側において第１成形部18₁を貫通する
貫通孔24が形成され、それら貫通孔24に一対の仮設置ピ
ン25がそれぞれ摺合される。それら仮設置ピン25は、後
述する水ジャケット用砂中子の仮設置のために用いられ
る。両仮設置ピン25の下端は、成形ブロック18の下方に
配設された取付板26に固定される。その取付板26に２本
の支持ロッド27が挿通され、各支持ロッド27の下部と取
付板26の下面との間にコイルばね28が縮設される。型開
き時には、取付板26は各コイルばね28の弾発力を受けて
各支持ロッド27先端のストッパ27aに当接するまで上昇
し、これにより各仮設置ピン25の先端は第１成形部18₁
頂面より突出している。各仮設置ピン25の先端面に砂中
子の下縁と係合する凹部25aが形成される。

また両側に位置する２つの第１成形部18₁に、両貫通孔2
4間の二等分位置において第１成形部18₁を貫通する貫通
孔29が形成され、その貫通孔29に下端を取付板26に固定
された作動ピン30が摺合される。型開き時には、作動ピ
ン30の先端は凹部23内に突出し、また型閉め時には後述
するシリンダボア成形用中子により押し下げられ、これ
により両仮設置ピン25を第１成形部18₁頂面より引き込
ませるようになっている。

第１および第２側型10₁,10₂における第１キャビテイC₁
を画成する壁部の中央部分に砂中子を本設置するための
中子受31が２個所宛設けられている。各中子受31は砂中
子の位置決めを行う係合孔31aと、その開口部外周に形
成されて砂中子を挟持する挟持面31bとよりなる。

上型９の型締め用凹部12に、第１キャビテイC₁に連通し
て溶湯をオーバフローさせるための複数の第３キャビテ
イC₃および連通口７を成形するための第４キャビテイC₄
がそれぞれ開口し、また上型９に各第３キャビテイC₃お
よび第４キャビテイC₄に連通するガス抜き孔32,33がそ
れぞれ形成される。

それらガス抜き孔32,33に閉鎖ピン34,35がそれぞれ遊挿
され、それら閉鎖ピン34,35の上端部は上型９の上方に
配設される取付板36に固定される。

各ガス抜き孔32,33の、両キャビテイC₃,C₄に対する連通
端から上方へ所定の長さに亘って延びる小径部32a,33a
は各閉鎖ピン34,35の下端部と嵌合して第３キャビテイC
₃および第４キャビテイC₄を閉鎖し得るようになってい
る。

上型９の頂面と取付板36間に油圧シリンダ39が介装さ
れ、その油圧シリンダ39の作動により取付板36を昇降し
て各閉鎖ピン34,35により各小径部32a,33aを開閉するよ
うになっている。40は取付板36の案内ロッドである。

上型９の型締め用凹部12天面に、各シリンダバレル1₁〜
1₄に対応して軸線を上、下方向に向けたシリンダボア成
形用円柱状中子41が突設され、各中子41の下端面に第１
成形部18₁頂面の凹部23に嵌合し得る凸部41aが設けられ
る。また中子41内にヒータｈが埋設され、そのヒータｈ
により中子41を所定の温度に加熱することができる。

第9,第10図は水ジャケット用砂中子59を示し、その砂中
子59は、シリンダブロックＳの４本のシリンダバレル1₁
〜1₄に対応して４本の円筒部60₁〜60₄を備えると共にそ
れらの相隣るもの相互の重合する周壁を欠如させた中子
本体61と、水ジャケットをシリンダヘッドの水ジャケッ
トに連通する連通口７および補強デッキ部８を形成すべ
く、中子本体61の上端面に突設された複数の突起62と、
中間に位置する２本の円筒部60₂,60₃の両外側面にそれ
ぞれ突設された幅木63とより構成される。各幅木63は中
子本体61と一体の大径部63aと、その端面に突設される
小径部63bとより形成される。

第11図は、炭素繊維とアルミナ繊維との混合繊維より成
形された円筒状繊維成形体Ｆを示し、その寸法は外径89
mm、内径78mm、高さ152mmで、そのかさ密度は0.3〜1.2g
/cm³である。繊維成形体Ｆは、平均直径18μｍ、平均長
さ0.8mmの炭素繊維（短繊維）と、平均直径３〜４μ
ｍ、平均長さ0.5mmのアルミナ繊維（短繊維）とを１対
３の割合で混合し、その混合繊維にシリカゾルをバイン
ダとして加え、吸引付着成形法を適用して成形されたも
のである。この場合、シリカゾルの代りにアルミナゾル
単体、またはシリカゾルとアルミナゾルの混合物を用い
ることが可能である。

前記吸引付着成形法とは、前記混合繊維とシリカゾルの
混合物を入れた槽中に、両端面を密封した通気性を有す
る円筒型を立設し、その円筒型の内部に吸引作用を施し
て前記混合物を円筒型外周面に吸着させる手法をいう。

前記手法により成形された繊維成形体は、離型後乾燥お
よび焼成工程を経て使用に供される。

次に前記繊維成形体Ｆを用いた前記鋳造装置によるシリ
ンダブロック素材Smの鋳造作業について説明する。

先ず第５図に示すように上型９を上昇させ、また相対向
する両側型10₁,10₂;10₃,10₄を互いに離間するように移
動させて型開きを行う。上型９上の油圧シリンダ39を作
動させて取付板36を介し各閉鎖ピン34,35を上昇させ、
第3,第４キャビテイC₃,C₄に連通する小径部32a,33aの各
上部開口を開く。さらに給湯シリンダ15内のプランジヤ
16を下降させる。

略300℃に予熱された各繊維成形体Ｆを、それと略同温
度に加熱された各中子41に嵌合し、繊維成形体Ｆの上端
開口を上型９の凹部12天面に当接する。

この時点での中子41および繊維成形体Ｆの温度勾配は、
第12図（ａ）において線ｘで示すように略零である。

第5,第10図に示すように砂中子59における両側の円筒部
60₁,60₄下縁を、下型11における両側の第１成形部18₁の
頂面に突出する各仮設置ピン25の凹部25aに係合させて
砂中子59の仮設置を行う。

第６図に示すように、両側型10₁,10₂をそれらが互いに
接近する方向に所定距離移動させ、各中子受31と各幅木
63とを係合して砂中子59の本設置を行う。即ち、各中子
受31の係合孔31aに砂中子59における各幅木63の小径部6
3bを嵌合して砂中子59を位置決めし、また各大径部63a
のシリンダバレル配列方向と平行な端面を各中子受31の
挟持面31bに衝合して砂中子59をそれら挟持面31bにより
挟持するものである。また他の両側型10₃,10₄も同様に
移動させる。

次いで上型９を下降させ、各繊維成形体Ｆを砂中子59の
各円筒部60₁〜60₄内に挿入して各繊維成形体Ｆの下端部
を位置決め突起22に嵌合し、また中子41の凸部41aを第
１成形部18₁頂面の凹部23に嵌合する。この凹凸嵌合に
より作動ピン30が押し下げられるので各仮設置ピン25が
下降して第１成形部18₁頂面より引込む。また砂中子59
の各突起62が各第４キャビテイC₄に遊挿され、さらに上
型９の型締め用凹部12が各側型10₁〜10₄の型締め用凸部
13に嵌合して型締めが行われる。

下型11の湯溜部14に溶解炉より730〜740℃のアルミニウ
ム合金（JIS ADC12）よりなる溶湯を供給し、プアンジ
ヤ16を0.08〜0.3m/secの速度で上昇させ、第13図に示す
ように圧力p₁を以て溶湯を両湯道17より堰19を通じて第
２キャビテイC₂の両下部よりそのキャビテイC₂および第
１キャビテイC₁に注入する。両キャビテイC₁,C₂内の空
気等のガスは、溶湯により押し上げられて第3,第４キャ
ビテイC₃,C₄に連通するガス抜き孔32,33を経て上型９の
上方へ抜ける。

この場合、両湯道17の断面積が前述のように湯道先17a
に向けて段階的に減少するように、湯道底面が湯溜部14
側より数段の上り階段状に形成されているので、プラン
ジャ16の上昇により溶湯は両湯道17より各堰19を通じて
第２キャビテイC₂に、その両下部よりその全長に亘って
略均等に注入される。

また、ガス抜き孔32,33の小径部32a,33aの開口が狭くな
っているので、第1,第２キャビテイC₁,C₂内に溶湯を注
入する際、該キャビテイC₁,C₂内に背圧が発生し、その
背圧は湯面全体に均等に作用する。その結果、湯面は波
立ちを抑制されて略水平に上昇し、これにより溶湯への
ガスの巻込みが防止され、またガス抜きも効率良く行わ
れるので巣の発生が回避される。前記背圧に起因して、
第1,第２キャビテイC₁,C₂内における溶湯の注入圧は、
第13図に示すように大気圧を上回る圧力p₁、例えば２〜
5kg/cm²になる。

さらに繊維成形体Ｆが前記温度に予熱されているので、
繊維成形体Ｆ周りの溶湯の保温が行われ、これにより繊
維成形体Ｆに対する溶湯の凝着が回避される。

第3,第４キャビテイC₃,C₄に溶湯が完全に注入された時
点で、上型９上の油圧シリンダ39を作動させて取付板36
を下降させ、閉鎖ピン34,35によって両キャビテイC₃,C₄
に連通する小径部32a,33aを閉鎖する。

その後プランジャ16を0.14〜0.18m/secの速度で上昇さ
せて溶湯を、前記圧力p₁を上回る高圧力p₂下、即ち5400
kg/cm²の圧力下に所定時間保持して繊維強化複合体Cfを
得、またこの高圧下で溶湯を完全に凝固させてアルミニ
ウム合金の組織を緻密化し、その強度の向上を図る。こ
の溶湯の圧力上昇過程において溶湯の圧力５〜20kg/cm²
で溶湯が繊維成形体Ｆに充填される。このように溶湯の
充填圧力が低いので、充填中に繊維成形体Ｆが溶湯によ
り破壊されることはない。

第１キャビテイC₁に溶湯が注入されると、第12図（ａ）
において、線ｙで示すように繊維成形体Ｆに、溶湯Maに
接触する外周面側から中子41に接触する内周面側に向っ
て急激に且つ略直線状に降下する温度勾配が発生するの
で、繊維成形体Ｆの温度に対して相対的に低くなり、そ
の結果溶湯Maは繊維成形体Ｆを圧縮しながら繊維成が湯
温形体Ｆにその外周面から周方向において略均一に充填
される。これにより繊維成形体Ｆの部分的破損が防止さ
れる。

また前記温度勾配に起因して繊維成形体Ｆに充填された
溶湯が中子41側から剤周面側に向って凝固するので、繊
維成形体Ｆ内に最終凝固部が生じることがなく、これに
よりミクロポロシテイの発生のない繊維強化複合体Cfが
得られる。

砂中子59は、それの各幅木63を介して両側型10₁,10₂に
より正確な位置に挟持されているので、第１キャビテイ
C₁内への溶湯の注入時およびそのキャビテイC₁内の溶湯
の加圧時において砂中子59が浮き上がったりすることが
ない。また各幅木63の大径部63aの端面が両側型10₁,10₂
における中子受31の挟持面31bに衝合しているので、砂
中子59が脹らみ傾向になると、その変形力は各挟持面31
bにより支承され、これにより砂中子59の変形が防止さ
れて各シリンダボア４回りの肉厚が均一なサイアミーズ
シリンダバレル１が得られる。

溶湯が凝固を完了した後、型開きを行うと第４図に示す
シリンダブロック素材Smが得られる。

前記シリンダブロック素材Smに研削加工を施して各第４
キャビテイC₄と砂中子59の各突起62との協働により成形
された各突出部64を除去すると突起62により連通口７
が、また相隣る連通口７間に補強デッキ部８がそれぞれ
形成され、また砂抜きを行うことにより水ジャケット６
が得られ、さらに各シリンダボア４の内周面に真円加工
を施し、さらにまたその他の所定の加工を施すと第１〜
第３図に示すシリンダツロックＳが得られる。

第12図（ｂ）は従来法を示し、線x₁のように繊維成形体
Ｆの予熱温度を中子41の加熱温度、したがって、線x₂よ
りも高く設定したものである。このような温度設定を行
うと、鋳型に溶湯を注入した際、繊維成形体Ｆに発生す
る温度勾配において溶湯に接触する外周面およびその近
傍になだらかに降下する部分y₁を生じ、その結果、前記
部分に対応した領域ｚに前記のような鋳造欠陥が発生す
る。

本発明において、前記中子41の加熱温度および繊維成形
体Ｆの予熱温度は50〜300℃の範囲が最適である。前記
温度が50℃を下回ると、中子41および繊維成形体Ｆの熱
保有量が少なくなって湯温が低下するため繊維強化複合
体Cfに溶湯の未充填箇所が発生し、一方前記温度が300
℃を上回ると、中子41および繊維成形体Ｆの熱保有量が
多くなって溶湯の最終凝固部が繊維成形体Ｆ内に生じ、
繊維強化複合体Cfにミクロポロシテイを発生する。

なお、繊維成形体Ｆは一種類の強化繊維より成形しても
よく、またマトリックスとしては前記アルミニウム合金
の外に鋳鉄、銅、マグネシウム合金等が用いられる。

C.発明の効果 本発明によれば、中子の加熱温度と繊維成形体の予熱温
度とを50〜300℃の範囲で略同一に設定することによっ
て、繊維成形体に溶湯に接触する外周面側から中子に接
触する内周面側に向って急激に且つ略直線状に降下する
温度勾配を発生させるので、溶湯を繊維成形体の外周面
からその周方向において略均一に充填させることが可能
となり、これにより繊維成形体の部分的破損を防止する
ことができる。また繊維成形体に充填された溶湯が中子
側から外周面側に向って凝固するので、繊維成形体内に
最終凝固部が生じることがなく、これにより繊維強化複
合体におけるミクロポロシテイの発生を防止することが
できる。

したがって、前記手法を採用することによって鋳造欠陥
の発生のない繊維強化複合体を備えた繊維強化シリンダ
ブロック素材を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１乃至第３図は本発明により得られた素材からなるサ
イアミーズ型シリンダブロックを示し、第１図は上方か
ら見た斜視図、第２図は第１図II−II線断面図、第2A図
は第２図II a−II a線断面図、第３図は下方から見た斜
視図、第４図は本発明により得られたサイアミーズ型シ
リンダブロック素材を上方から見た斜視図、第５図は鋳
造装置の型開き時の縦断正面図、第６図は鋳造装置の型
閉め時の縦断正面図、第７図は第６図VII−VII線断面
図、第８図は第７図VIII−VIII線断面図、第９図は砂中
子を上方から見た斜視図、第10図は第９図Ｘ−Ｘ線断面
図、第11図は繊維成形体の斜視図、第12図は繊維成形体
における温度勾配を示す説明図、第13図は溶湯の圧力と
時間の関係を示すグラフである。 Cf……繊維強化複合体、Ｆ……繊維成形体、Ｍ……鋳型
としての金型、Ma……溶湯、Sm……繊維強化サイアミー
ズ型シリンダブロック素材、４……シリンダボア

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−111757（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリンダボア（４）回りを筒状繊維強化複
   合体（Cf）より構成した繊維強化シリンダブロック素材
   を鋳造するに当り、鋳型（Ｍ）のシリンダボア成形用中
   子（41）に筒状繊維成形体（Ｆ）を嵌合して、前記鋳型
   （Ｍ）に溶湯（Ma）を注入したとき前記繊維成形体
   （Ｆ）に、前記溶湯（Ma）に接触する外周面側から前記
   中子（41）に接触する内周面側に向って急激に、且つ略
   直線状に降下する温度勾配を発生させるべく、前記中子
   （41）の加熱温度と繊維成形体（Ｆ）の予熱温度とを50
   〜300℃の範囲で略同一に設定し、次いで前記鋳型
   （Ｍ）に溶湯を注入し、その後前記溶湯（Ma）を加圧す
   ることにより前記繊維成形体（Ｆ）に充填して前記繊維
   強化複合体（Cf）を得ることを特徴とする繊維強化シリ
   ンダブロック素材の鋳造方法。