JP3790195B2

JP3790195B2 - Remelting method for cylinder head

Info

Publication number: JP3790195B2
Application number: JP2002219742A
Authority: JP
Inventors: 吉史岸本; 裕一武本
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2021-06-28
Also published as: JP2003145263A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、鋳造されたアルミニウム製のエンジン用シリンダヘッド素材の吸排気孔間等の局部的表面層を高密度エネルギーの照射で再溶融処理する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高出力ディーゼルエンジンの軽量化を目的として使用されているアルミニウム製シリンダヘッドを通常の方法で鋳造した場合、吸気孔や排気孔、副燃焼室孔等の熱負荷の高い孔相互間が熱疲労で亀裂発生する可能性が高くなる。かかる熱疲労による亀裂発生を防止する方法として、鋳造されたアルミニウム製シリンダヘッド素材の孔間等の必要部分の表面層を高密度エネルギーの印加で再溶融させ、その後、急冷凝固させて耐熱亀裂性を高める再溶融処理方法が知られている。この再溶融処理方法は、特開平２−１５８６６号公報や特開平５−３４０２９７号公報等に開示されている。
【０００３】
また、アルミニウム製シリンダヘッド素材を局部的に加熱溶融させてから急冷凝固させると、シリンダヘッド素材に歪みが生じることが経験的に知られている。シリンダヘッド素材に歪みが生じた場合、シリンダヘッド素材表面を切削加工して平面仕上げするときに、再溶融処理時に発生したビード跡が残存して、再溶融処理した部所の耐熱亀裂性が劣化することがある。
【０００４】
そこで、シリンダヘッド素材の再溶融処理される部所である被再溶融処理部を余肉構造にして、平面切削加工後にビード跡が残存しないようにすることが一部で実施されている。この被再溶融処理部の余肉構造は、シリンダヘッド素材を鋳造する鋳型を入れ子構造にして、鋳造の段階で形成される。
【０００５】
また、アルミニウム製シリンダヘッド素材を鋳型で鋳造する際、アルミニウム素材の冷却速度の調整等を目的として鋳型面に黒鉛系等の塗型剤を塗布している。この塗型剤は一種の断熱剤で、鋳造直後のシリンダヘッド素材の鋳型に接する表面の冷却速度を緩和して、シリンダヘッド素材内部にピンホールが発生し難いようにする。
【０００６】
図５に鋳造されたアルミニウム製のシリンダヘッド素材１の一例を示すと、このシリンダヘッド素材１には接近させて吸気孔２と排気孔３と副燃焼室孔４が形成され、これら孔相互間の狭い部分が被再溶融処理部５となる。被再溶融処理部５は、例えば図５の矢印方向に高密度エネルギーが移動しながら照射されて再溶融処理される。高密度エネルギーは、ＴＩＧアークやレーザービーム、電子ビーム、プラズマアーク等で、通常はＴＩＧアークが使用される。
【０００７】
被再溶融処理部５は、例えば図６に示すような余肉構造で、被再溶融処理部５の表面である余肉面ａと被再溶融処理部５の周辺面ｃは平行な平面であり、余肉面ａと周辺面ｃの間の段差面ｂの余肉面ａとのなす勾配角αは概ね４５゜から９０゜の型抜き角である。また、被再溶融処理部５は、図７に示すようなシリンダヘッド素材１を鋳造する鋳型８に挿入した入れ子型９で余肉量調節可能に形成される。また、シリンダヘッド素材１を鋳造する際に、鋳型８と入れ子型９の内面全体に塗型剤１０が塗布される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
シリンダヘッド素材１の鋳造の段階で使用される塗型剤１０に、粒径の大きな（約５０μｍ）ものを使用すると、シリンダヘッド素材１の鋳造直後の冷却速度の緩和に効果大であり、ピンホール発生が抑制されるが、シリンダヘッド素材１の鋳肌面の面粗さが大きくなる。このような面粗さの大きな鋳肌面が被再溶融処理部５に生じると、高密度エネルギー照射による再溶融ビードの凹凸が大きくなり、平面切削加工後にビード跡が残存して耐熱亀裂性が劣化する。この耐熱亀裂性劣化の対策として、次の（Ａ）〜（Ｃ）の対策を取ることが考えられているが、いずれも後述の問題があった。
【０００９】
（Ａ）、鋳肌面の面粗さが大きな被再溶融処理部５を再溶融処理する前に、平面切削加工を追加して、被再溶融処理部５の鋳肌面の面粗さを小さく修正する。このようにすれば、再溶融処理後の平面切削時にビード跡が生じず、耐熱亀裂性が劣化する心配が無い。しかし、再溶融処理前の平面切削加工工程の追加で、シリンダヘッドの製作コストが高くなる不具合が発生する。
【００１０】
（Ｂ）、シリンダヘッド素材１の切削加工時の素材取代を、平面切削加工でビード跡が残存しないように十分大きく設定しておく。この場合、シリンダヘッド素材１の鋳肌面の面粗さが大きくても、ビード跡による耐熱亀裂性の劣化は防止できる。しかし、被再溶融処理部５の耐熱亀裂性を確保するためには、被再溶融処理部５を十分な深さで再溶融処理する必要があるが、切削加工時の素材取代を大きくした分、再溶融処理層深さが必要な深さより浅くなり、この深さ不足から耐熱亀裂性が悪くなる可能性が高くなる。更に、切削加工時の素材取代を大きくした分、シリンダヘッド素材１の素材費が高くなる。
【００１１】
（Ｃ）、塗型剤１０に粒径の小さな希釈倍率の高いものを使用して、シリンダヘッド素材１の鋳肌面の面粗さを小さくする。このようにすると、被再溶融処理部５を高密度エネルギー照射で再溶融したときの再溶融ビードの凹凸が小さくなり、平面切削加工後にビード跡が残存しなくなる。ところが、粒径の小さな塗型剤１０を使用してシリンダヘッド素材１を鋳造すると、鋳造直後の冷却速度が速くなって、素材内部にピンホールが発生する確率が高くなり、製品の不良率が高くなる。
【００１２】
本発明の目的とするところは、シリンダヘッド素材に特別な平面切削加工工程を追加する必要無く安価にシリンダヘッドが製作できるようにしたシリンダヘッドの再溶融処理方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、シリンダヘッド素材の被再溶融処理部表面に対応する鋳型面に塗布される塗型剤の粒径を、シリンダヘッド素材の被再溶融処理部周辺面に対応する鋳型面に塗布される塗型剤の粒径より小さく設定した鋳型を用いてシリンダヘッド素材を鋳造し、このシリンダヘッド素材の被再溶融処理部の表面層を高密度エネルギーの照射で再溶融することを特徴とする。
【００１４】
【作用】
シリンダヘッド素材を鋳造する鋳型の、シリンダヘッド素材の被再溶融処理部表面に対応する鋳型面に塗布される塗型剤の粒径を、シリンダヘッド素材の被再溶融処理部周辺面に対応する鋳型面に塗布される塗型剤の粒径より小さく設定したことにより、鋳造後の被再溶融処理部の鋳肌面の面粗さが小さくなり、再溶融処理時のビードの凹凸を小さくして平面切削加工後のビード跡を軽減することが容易になる。また、被再溶融処理部に対応する塗型剤の粒径を小さくすると、鋳造時に被再溶融処理部にピンホールが発生し易くなるが、ここでのピンホールは被再溶融処理部の平面切削加工時に切削されて除去されるので問題無い。更に、シリンダヘッド素材の被再溶融処理部以外の表面の面粗さは大きくなるが、この表面は再溶融処理されないので問題無い。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明方法の具体的一実施例について図１乃至図４を参照して説明する。尚、図１に示すシリンダヘッド素材１は、図５と同様なアルミニウム製シリンダヘッドを製造するもので、図５乃至図７を含む全図を通じ同一、又は、相当部分には同一符号を付して説明の重複を避ける。
【００１６】
図１のシリンダヘッド素材１の鋳造は、図４に示すような鋳型８、入れ子型９を使って行われる。本発明においては、シリンダヘッド素材１の鋳造時に粒径の大小異なる２種類の塗型剤１０ｍ、１０ｎを用意して次のように使い分ける。
【００１７】
例えば２０μｍ程度の粒径の小さい塗型剤１０ｍを被再溶融処理部５の表面に対応する入れ子型９の内面に塗布し、５０μｍ程度の粒径の大きい塗型剤１０ｎをシリンダヘッド素材１の被再溶融処理部５以外の表面に対応する鋳型８の内面に塗布して、シリンダヘッド素材１を鋳造する。
【００１８】
粒径の小さい塗型剤１０ｍの作用で被再溶融処理部５の表面の余肉面ａと段差面ｂは冷却速度が速くなってピンホールが発生し易くなるが、鋳肌面の面粗さが３０Ｚ程度まで小さくなり、再溶融時のビード凹凸が小さくなる。そのため、被再溶融処理部５を平面切削加工したときのビート跡が減少し、ビート欠陥不良率が低くなる。また、被再溶融処理部５でピンホールが発生しても、これは平面切削加工で除去されるので問題無い。
【００１９】
また、シリンダヘッド素材１の被再溶融処理部５以外の周辺面ｃは、粒径の大きな塗型剤１０ｎの作用で鋳肌面の面粗さが８０Ｚ程度まで大きくなるが、ここは再溶融処理されないので、ビード発生等の問題は無い。更に、周辺面ｃは、粒径の大きな塗型剤１０ｎの作用で鋳造直後の冷却速度が緩和されて、ピンホールの発生率が低減され、シリンダヘッドの品質を高いものにする。
【００２０】
次に、図１のシリンダヘッド素材１にＪＩＳＡＳ２Ｂ相当材を使用した場合の実験データを表１に示し、これを説明する。
【表１】

表１の従来品▲２▼と▲３▼は、面粗さが大きくて、ピンホール不良率が低いが、ビード欠陥不良率が高く、特に従来品▲３▼は処理電流（図３の再溶融処理時の電流）を小さくした分、再溶融深さが要求値に達しない。これに対して表１の本発明品▲１▼は、塗型剤を選択使用することで被再溶融処理部の面粗さが従来の半分以下となり、ビード欠陥不良率が０．５％と大幅に減少した。このことは、２種類の塗型剤の粒径を２０〜５０Ｚの範囲で選択することで達成されることが実験により実証された。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の再溶融処理方法によれば、鋳造後のシリンダヘッド素材の被再溶融処理部の鋳肌面粗さが小さくなり、再溶融処理時のビードの凹凸を小さくして平面切削加工後のビード跡を軽減させ、被再溶融処理部の耐熱亀裂性を確保することが容易になる。また、被再溶融処理部の耐熱亀裂性改善が塗型剤の粒径選択で可能となるので、特別な平面切削加工工程を追加する必要が無くなり、安価にシリンダヘッドが製作できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法によるシリンダヘッド素材の部分平面図。
【図２】図１Ａ−Ａ線に沿う拡大断面図。
【図３】図２の被再溶融処理部の再溶融時の断面図。
【図４】図１のシリンダヘッド素材を鋳造する鋳型の部分断面図。
【図５】再溶融処理されるシリンダヘッド素材の部分平面図。
【図６】図５Ｂ−Ｂ線に沿う拡大断面図。
【図７】図５のシリンダヘッド素材を鋳造する鋳型の部分断面図。
【符号の説明】
１シリンダヘッド素材
５被再溶融処理部
１０ｍ粒径の小さい塗型剤
１０ｎ粒径の大きい塗型剤
ａ余肉面
ｂ段差面
α 段差面勾配角[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a method of remelting a local surface layer such as a space between intake and exhaust holes of a cast aluminum cylinder head material for an engine by irradiation with high-density energy.
[0002]
[Prior art]
When an aluminum cylinder head, which is used to reduce the weight of high-power diesel engines, is cast by the usual method, thermal fatigue occurs between the holes with high heat loads such as the intake holes, exhaust holes, and auxiliary combustion chamber holes. The possibility of cracking increases. As a method to prevent cracking due to such thermal fatigue, the surface layer of the necessary part such as the hole of the cast aluminum cylinder head material is remelted by applying high density energy, and then rapidly solidified to heat crack resistance. There are known remelting treatment methods for increasing the temperature. This remelting method is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2-15866 and 5-340297.
[0003]
It is also empirically known that when an aluminum cylinder head material is locally heated and melted and then rapidly solidified, distortion occurs in the cylinder head material. When the cylinder head material is distorted, when the cylinder head material surface is machined to finish the surface, the bead marks generated during the remelting process remain and the heat cracking resistance of the remelted part deteriorates. There are things to do.
[0004]
In view of this, a part of the remelted portion to be remelted of the cylinder head material is made to have a surplus structure so that no bead trace remains after the surface cutting. The surplus structure of the remelted portion is formed at the casting stage by nesting a mold for casting the cylinder head material.
[0005]
Also, when casting an aluminum cylinder head material with a mold, a graphite-based coating agent is applied to the mold surface for the purpose of adjusting the cooling rate of the aluminum material. This coating agent is a kind of heat insulating agent, which relaxes the cooling rate of the surface of the cylinder head material in contact with the mold immediately after casting so that pinholes are less likely to occur inside the cylinder head material.
[0006]
An example of the cast aluminum cylinder head material 1 is shown in FIG. 5. An intake hole 2, an exhaust hole 3, and a sub-combustion chamber hole 4 are formed close to the cylinder head material 1. The narrow part is the remelted processing part 5. The to-be-remelted processing unit 5 is irradiated and remelted with high-density energy moving in the direction of the arrow in FIG. The high density energy is a TIG arc, a laser beam, an electron beam, a plasma arc, or the like, and a TIG arc is usually used.
[0007]
The to-be-remelted processing part 5 has a surplus structure as shown in FIG. 6, for example, and the surplus surface a which is the surface of the to-be-remelted processing part 5 and the peripheral surface c of the to-be-remelted processing part 5 are parallel planes. The slope angle α formed by the surplus surface a of the step surface b between the surplus surface a and the peripheral surface c is a die cutting angle of approximately 45 ° to 90 °. Further, the remelted processing part 5 is formed by a nesting die 9 inserted into a casting mold 8 for casting the cylinder head material 1 as shown in FIG. Further, when the cylinder head material 1 is cast, the coating agent 10 is applied to the entire inner surfaces of the mold 8 and the insert mold 9.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Using a coating material 10 having a large particle size (about 50 μm) used in the casting stage of the cylinder head material 1 is effective in reducing the cooling rate immediately after casting of the cylinder head material 1. Although the generation of holes is suppressed, the surface roughness of the casting surface of the cylinder head material 1 is increased. When such a cast surface with a large surface roughness is generated in the remelted portion 5, the unevenness of the remelted bead due to high-density energy irradiation becomes large, and the bead trace remains after plane cutting, resulting in heat crack resistance. to degrade. As countermeasures against this heat cracking deterioration, it is considered to take the following countermeasures (A) to (C).
[0009]
(A) Before remelting the to-be-remelted processing part 5 having a large surface roughness of the casting surface, a surface cutting process is added to reduce the surface roughness of the casting surface of the to-be-remelted processing part 5. Correct it small. In this way, no bead marks are generated at the time of flat cutting after the remelting process, and there is no fear that the thermal crack resistance is deteriorated. However, the addition of the plane cutting process before the remelting process causes a problem that the manufacturing cost of the cylinder head is increased.
[0010]
(B) The material allowance at the time of cutting of the cylinder head material 1 is set to be sufficiently large so that no bead marks remain in the flat cutting. In this case, even if the surface roughness of the cast surface of the cylinder head material 1 is large, it is possible to prevent the heat cracking deterioration due to the bead marks. However, in order to ensure the heat cracking resistance of the remelted portion 5, it is necessary to remelt the remelted portion 5 at a sufficient depth, but the material allowance during cutting is increased. The depth of the remelted layer becomes shallower than the required depth, and the possibility that the thermal crack resistance is deteriorated due to the insufficient depth increases. Further, the material cost of the cylinder head material 1 is increased by the amount of material allowance for cutting.
[0011]
(C) The surface of the casting surface of the cylinder head material 1 is reduced by using a coating agent 10 having a small particle size and a high dilution ratio. If it does in this way, the unevenness | corrugation of a remelt bead when the to-be-remelted process part 5 is remelted by high density energy irradiation will become small, and a bead trace will not remain after plane cutting. However, when the cylinder head material 1 is cast using the coating agent 10 having a small particle size, the cooling rate immediately after casting increases, and the probability of pinholes occurring in the material increases, resulting in a product defect rate. Get higher.
[0012]
An object of the present invention is to provide a method of remelting a cylinder head that allows the cylinder head to be manufactured at low cost without the need for adding a special plane cutting process to the cylinder head material.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, the particle size of the coating agent applied to the mold surface corresponding to the surface of the remelted portion of the cylinder head material is applied to the mold surface corresponding to the peripheral surface of the remelted portion of the cylinder head material. The cylinder head material is cast using a mold set smaller than the particle size of the coating agent to be remelted, and the surface layer of the remelted portion of the cylinder head material is remelted by irradiation with high-density energy. .
[0014]
[Action]
Corresponding to the peripheral surface of the cylinder head material to be remelted, the particle size of the coating material applied to the mold surface corresponding to the surface of the cylinder head material to be remelted of the mold for casting the cylinder head material By setting it to be smaller than the particle size of the coating agent applied to the mold surface, the surface roughness of the cast surface of the remelted part after casting is reduced, and the irregularities of the beads during remelting are reduced. Thus, it becomes easy to reduce the bead marks after plane cutting. Also, if the particle size of the coating agent corresponding to the remelted processing part is reduced, pinholes are likely to occur in the remelted processing part during casting, but the pinhole here is the plane of the remelted processing part. There is no problem because it is removed by cutting during cutting. Further, the surface roughness of the surface of the cylinder head material other than the portion to be remelted becomes large, but this surface is not remelted, so there is no problem.
[0015]
【Example】
Hereinafter, a specific embodiment of the method of the present invention will be described with reference to FIGS. The cylinder head material 1 shown in FIG. 1 is used to manufacture an aluminum cylinder head similar to that in FIG. 5, and the same reference numerals are given to the same or corresponding parts throughout the drawings including FIGS. Avoid duplicating explanations.
[0016]
The casting of the cylinder head material 1 in FIG. 1 is performed using a mold 8 and a nested mold 9 as shown in FIG. In the present invention, at the time of casting the cylinder head material 1, two types of

coating agents

10m and 10n having different particle sizes are prepared and used as follows.
[0017]
For example, a coating material 10 m having a small particle size of about 20 μm is applied to the inner surface of the nesting die 9 corresponding to the surface of the remelted processing part 5, and a coating material 10 n having a large particle size of about 50 μm is applied to the cylinder head material 1. The cylinder head material 1 is cast by applying to the inner surface of the mold 8 corresponding to the surface other than the remelted portion 5.
[0018]
The surplus surface a and the stepped surface b of the surface of the remelted processing part 5 are easily cooled by the action of the coating agent 10 m having a small particle size, and pinholes are easily generated. Is reduced to about 30Z, and the bead unevenness during remelting is reduced. Therefore, beat traces when the remelted processing part 5 is subjected to plane cutting are reduced, and the defect rate of beat defects is reduced. Further, even if a pinhole is generated in the remelted processing part 5, this is not a problem because it is removed by plane cutting.
[0019]
Further, the peripheral surface c of the cylinder head material 1 other than the portion to be remelted 5 is increased in surface roughness of the casting surface to about 80Z by the action of the coating agent 10n having a large particle size. Since it is not processed, there is no problem such as generation of beads. Further, the peripheral surface c is relaxed at the cooling rate immediately after casting by the action of the coating agent 10n having a large particle size, the pinhole generation rate is reduced, and the quality of the cylinder head is improved.
[0020]
Next, Table 1 shows experimental data when a JIS AS2B equivalent material is used for the cylinder head material 1 of FIG. 1, and this will be described.
[Table 1]

The conventional products (2) and (3) in Table 1 have a large surface roughness and a low pinhole defect rate, but a high bead defect defect rate. In particular, the conventional product (3) has a processing current (reproduction of FIG. 3). The remelting depth does not reach the required value because the current during melting is reduced. On the other hand, the product (1) of the present invention shown in Table 1 has the surface roughness of the remelted portion to be less than half that of the conventional one by selectively using the coating agent, and the bead defect defect rate is 0.5%. It decreased significantly. Experiments have demonstrated that this is achieved by selecting the particle size of the two coating agents in the range of 20-50Z.
[0021]
【The invention's effect】
According to the remelting treatment method of the present invention, the cast surface roughness of the remelted portion of the cylinder head material after casting is reduced, and the unevenness of the beads during remelting treatment is reduced to reduce the unevenness of the surface after plane cutting. It becomes easy to reduce bead marks and to secure heat cracking resistance of the portion to be remelted. In addition, since it is possible to improve the heat crack resistance of the remelted portion by selecting the particle size of the coating agent, it is not necessary to add a special plane cutting process, and the cylinder head can be manufactured at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial plan view of a cylinder head material according to the method of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged sectional view taken along line 1A-A in FIG.
3 is a cross-sectional view of the remelted portion of FIG. 2 during remelting.
4 is a partial cross-sectional view of a mold for casting the cylinder head material of FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a partial plan view of a cylinder head material to be remelted.
6 is an enlarged cross-sectional view taken along the line 5B-B in FIG.
7 is a partial cross-sectional view of a mold for casting the cylinder head material of FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cylinder head material 5 Remelted processing part 10m Coating agent with small particle size 10n Coating agent with large particle size a Extra surface b Step surface α Step surface gradient angle

Claims

A mold for applying the particle size of the coating agent applied to the mold surface corresponding to the surface of the remelted portion of the cylinder head material to the mold surface corresponding to the peripheral surface of the remelted portion of the cylinder head material. cylinder the casting of the cylinder head material, characterized by re-melting the surface layer of the object to be re-melting processing section of the cylinder head material by irradiation of high density energy using a mold set smaller than the particle size of the agent Remelting method of the head.