专利名称：强化部件、强化部件的制造方法及发动机体的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于对汽车部件及飞机部件等所使用的轻金属进行强化的强化部件。
背景技术：
在汽车部件及飞机部件等许多领域中，为了实现轻质化而使用着铝合金。铝合金具有轻质这一优越性，但有在曝露于高温的情况下热膨胀较大的问题。
例如，为了实现轻质化，公知的技术是用铝合金形成汽车用发动机的发动机体。在发动机体中，存在用于支承曲柄轴的轴承即轴颈部(轴颈轴承部)。
在如上所述为了实现轻质化而用铝合金形成发动机体的情况下，希望轴颈部也由铝合金形成。这是因为如果在构成发动机体的部件之间存在热膨胀率的差异，则发动机温度上升时会在发动机体内产生不必要的应力，成为制约发动机性能的主要原因。
又，在发动机旋转时，压力缸内产生的热量传导给整个发动机体，轴颈部的温度达到100℃～150℃。在由铝合金构成轴颈部的情况下，由于该温度上升而使构成轴颈部的铝合金膨胀，轴承的直径稍稍变大。
另一方面，曲柄轴从确保刚性的观点出发由铁类材料形成，当然其热膨胀率要比铝合金小，即使轴颈部达到上述的温度，其膨胀也较小。因此，如果发动机的温度上升，则在轴颈部与曲柄轴之间产生间隙，这会成为高速旋转时噪音及振动增加的原因。
作为抑制铝合金的热膨胀的技术，公知的有专利文献1～3所记载的技术。专利文献1中记载的是以下技术在由铝合金构成的部件中，在欲抑制热膨胀的部分上包铸有热膨胀系数较小的铁类材料。专利文献2中记载的是以下技术在用铝合金来包铸铁类材料的技术中，在对铁类材料实施镀敷处理以及退火处理后，用铝合金来包铸该铁类材料。专利文献3中记载的是以下技术得到包括强化材料和基质的金属基复合材料，进而实施加热处理而使表面的基质熔融，在含有1wt％以上的Mg的轻合金熔液中包铸该复合材料。
专利文献1特开昭60-219436号公报专利文献2特开昭58-112648号公报专利文献3特开平5-337631号公报可是，在专利文献1～3所记载的技术中，还有如下所述的应改进之处。首先，在专利文献1所记载的技术中，虽然热膨胀得到抑制，但是铝合金材料与强化部件即铁类材料的紧贴性差，铁类材料从铝合金材料剥离。因此，作为复合材料来说，具有强度较低且由于该剥离使热膨胀抑制效果降低的问题。因此，在应用于轴颈部的结构时，易于产生噪音或振动，是不理想的。此外，因为使用铁类材料，所以重量变重，从实现轻质化这一目的来说是不理想的。
专利文献2所记载的技术虽然是使铝合金材料与强化部件即铁类材料的紧贴性提高的技术，但是还需要镀敷工序和退火工序，成本变高。专利文献3所记载的技术必须另外制作金属基复合材料，还需要其热处理工序，成本变高。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种技术，以低成本得到热膨胀小、高强度、轻质的复合化铸造制品。
本发明是由铸造金属包铸的强化部件，其特征在于，由与前述铸造金属不同种类的材料形成，备有中空部分。根据本发明，因为在强化部件中形成有中空部，所以可减轻强化部件的重量。此外，因为中空部不热膨胀，所以可抑制强化部件本身的热膨胀，由此可以抑制在由铸造金属包铸的状态下铸造制品本身的热膨胀。
在本发明中，优选地，备有层叠结构体，层叠具有开口部的板状部件，具有由前述开口部构成的中空部；重合在前述层叠结构体的两面上、用以堵住前述开口部的部件。根据该方案，可以通过对板状部件进行冲裁加工而形成任意的形状，所以即使是复杂的形状也可用低成本制造。
在本发明的强化部件中，优选地，强化部件的一部分或者整个面被多孔体覆盖。根据该方案，通过多孔体提高其与铸造金属(基质)的紧贴性，抑制强化部件从铸造金属(基质)剥离的现象。
作为多孔体，利用作为纤维状金属的无纺布或织物、含有金属粒子的多孔质材料、金属纤维与金属粒子的混合物的多孔质材料、发泡金属材料等。多孔体优选地为其熔点与构成强化部件的材料相同。
本发明的强化部件适用于发动机体的轴颈部。发动机体的轴颈部是支承曲柄轴的轴承部，要求高强度，还因为成为高温而要求低热膨胀性。本发明的强化部件即使在使用铝合金的情况下也不损害其轻质性而可实现高强度与低热膨胀性，所以适用于该用途。
本发明的强化部件的制造方法，是由铸造金属包铸的强化部件的制造方法，其特征在于，包括层叠具有开口部的板状部件的工序；以与该板状部件的上层和下层相接的方式重合用于堵住前述开口部的板状部件的工序。
根据本发明，通过在包铸于铸造制品中的强化部件上设置中空部，可同时实现轻质与低热膨胀性。此外，因为可得到强化部件与铸造金属难以剥离的结构，所以可增高铸造的制品的强度。进而，在制造中，无需特殊的处理，可通过冲裁加工形成主要的部件，所以可将制造成本抑制得较低。
图1是表示本发明的强化部件的概要的立体图。
图2是表示本发明的强化部件的分解状态的分解立体图。
图3是表示利用了本发明的强化部件的铸造试验体的概要的立体图。
图4是使用了图3的试验体的评估样品的俯视图。
图5是表示使用了本发明的强化部件的发动机体的一部分的立体图。
图6是表示构成强化部件的铁板的尺寸的俯视图。
附图标记说明101强化部件 102层叠结构体 103多孔体 104铁板 105铁板 106开口部 107中空部 108轴承面 110铸造试验体111铸造试验体 112螺栓 114评估样品 120发动机体的一部分121强化部件 122轴颈部
具体实施例方式
1.实施方式的构成图1是表示本实施方式的强化部件的概要的立体图。图2是分解表示图1所示的强化部件的分解立体图。强化部件101具有以下结构重叠薄铁板而成的层叠结构体102、用于堵住开口部的铁板104、多孔体103相互通过烧结而紧贴在一起。
层叠结构体102是构成该强化部件101的主要部件，形成有中空部107。层叠结构体107具有重叠了多层铁板105的结构，铁板105进行了冲裁加工而形成有构成中空部107的开口部106。即、通过重叠开口部106而形成中空部107。
在层叠结构体107的上表面以及下表面上分别配置有用于堵住开口部的铁板104，成为中空部107被密闭的结构。在用于堵住开口部的铁板104的一个面上，重合有由金属纤维的无纺布形成的多孔体103，由此成为强化部件101的上表面及下表面被多孔体103覆盖的结构。
本实施方式的强化部件101具有适用于发动机体的轴颈部(曲柄轴的轴承部分)的形状。在图中，半圆形状的部分108成为承纳轴的轴承面。在该方案中，中空部107的形状与轴承面108的形状相配合地形成。即、中空部107的内表面由与轴承面108相似的曲面构成。
中空部108的截面形状之所以被加工成这样的形状，是因为要尽量不损害层叠结构体102的强度，且尽量确保中空部107的容积。此外，由于中空部107的形状如上所述，可以防止由于从曲柄轴经由轴承面108施加的力而在层叠结构体102内产生不均匀的应力，较高地维持强化部件101的强度。
中空部107具有以下的功能。首先，由于在强化部件101的内部形成中空部107，可使强化部件107轻质化。由此，可以抑制由于强化部件107本身引起的铸造制品的重量增加。该优点在利用铝合金等轻质金属作为铸造材料时尤为有用。
此外，中空部107具有以下功能在强化部件101包铸于铸造制品中的状态下，抑制铸造制品的热膨胀。这是因为虽然与铸造材料相比很微小，但是强化部件101本身的热膨胀也存在，所以通过设置中空部107，该部分的热膨胀不会发生，由此可使强化部件101本身的热膨胀变小。通过这样在强化部件的内部设置中空部，可达到以下效果抑制由于使用强化部件而引起的铸造制品的重量增加、还可进一步降低铸造制品的热膨胀。
接着，对多孔体103的作用进行说明。在强化部件101的上表面和下表面上重合有多孔体103。该多孔体103由多孔质纤维材料构成，而多孔质纤维材料由金属纤维的无纺布形成。多孔体103由于其多孔性质，在其与铸造金属之间显示出很高的紧贴性。即、多孔体103因为是多孔质的，所以可确保其与铸造金属的接触面积，此外，因为铸造金属进入该多孔质结构中，所以微观来看的话，成为形成有无数个在物理上与铸造金属结合的结合点的状态。由于得到这样的状态，可较高地确保与铸造金属之间的紧贴性。
此外，由于形成有中空部107的部分的结构如层叠结构体102那样由冲裁加工后的部件的层叠结构构成，所以可降低制造成本。虽然该部分也可以通过对块体进行切削加工而得到，但是在该情况下制造成本变高。在此，虽然对通过烧结使各部件一体化的例子进行了说明，但是也可以通过钎焊或粘接等固定各部件。此外，也可以通过粉体烧结来形成层叠结构体102。
2.实施方式的制造方法接着，对图1和图2所示的强化部件101的制造方法的一例进行说明。最先说明多孔体103的制造方法。首先，利用熔液提取法，得到由铁材料(SS400)形成的金属纤维(直径40μm)。然后利用分梳机使该金属纤维的单位面积重量为520g/m2，得到纤维定向在面方向上随机的网状物。利用针刺法将该网状物加工成ペネ(针刺的密度)为160根/英寸2的无纺布(毡)，得到金属纤维的无纺布，将该无纺布重叠6张而得到多孔体103。
接着，对厚度1mm的钢板进行冲裁加工，得到用来将形成有开口部106的铁板105和开口部106一起挡住的铁板104。铁板105与铁板104的不同仅在于是否形成有开口部106这一点。
得到各部件后，在图2所示的状态下，将各部件重合并施加200MPa的压力，进行压缩加工。在此，将层叠结构体102的层叠张数设为11张，在上述压缩压力下进行压缩，将整体的厚度压缩至15mm。接着，将压缩后的层叠体放入真空炉中，在1100℃×2小时的条件下进行烧结。这样，得到图1所示的强化部件101。另外，在不进行压缩加工的情况下，也可使用在烧结的同时进行加压的热压机。
3.实施方式的试验结果图3是表示使用本实施方式的强化部件101制造的铸造试验体的立体图。图3的试验体利用以下的方式得到。首先，根据上述的制造方法得到强化部件101。图6是表示构成包铸于铸造试验体110中的强化部件101的铁板105的尺寸的俯视图。
得到强化部件101后，将其配置在铸模中，在铸造压力100MPa的条件下注入750℃的铝熔液，得到由图3所示的强化部件101所强化的铝的铸造试验体110。该铸造试验体110成为强化部件101的周围都被铝材料覆盖的结构。另外，在后述的孔部113中，进行铸造使得强化部件的表面被铝材料以2mm的厚度覆盖。
图4是表示膨胀程度的评估试验的概要的俯视图。评估试验按照以下方式进行。首先，得到与图3所示的铸造试验体110相同的铸造试验体111，用螺栓112使2个铸造试验体110、111如图4所示地对合并结合，得到评估样品114(样品1)。接着，将评估样品114加热到100℃，使该状态维持30分钟。其后，计测孔部113的尺寸，用下述式1来评估热膨胀量(％)。
式1热膨胀量＝(100℃时的孔面积-室温时的孔面积)÷室温时的孔面积×100此外，切断上述评估后的评估样品111，观察强化部件101与基质(铝)的边界面(上下面的边界面)，观察强化部件101与基质(铝)是否剥离。以上的试验结果示于下述表1中。
表1
在表1中，样品2是使用没有图2的中空部107的试验体的样品。在该情况下，因为不存在中空部107，所以强化部件的重量变重。样品3是在图2所示的构成中未配置多孔体103时的样品。比较样品1是既没有形成中空部107、也未配置多孔体103时的样品。比较样品2是不使用强化部件而仅由基质的铝构成的样品。
观察表1可知，通过将强化部件101配置在铸造体中，可使热膨胀量减少。此外，通过在强化部件101中设置中空部107，如样品1和样品3所示，与没有中空部107时相比，可进一步减少热膨胀量。此外，通过设置多孔体103，可防止强化部件与基质之间的剥离。
4.实施方式的应用图5是利用本发明的加强部件的汽车用发动机体的一部分。该例子的汽车用发动机体的一部分120在其结构中具有5处的轴颈部122。在各轴颈部122上包铸有本发明的强化部件121。发动机体的一部分120由例如铝合金构成。根据该例的构成，承接曲柄轴的轴颈部122利用强化部件得到加强，而且成为其热膨胀率被降低的结构，所以提供可经受住发动机的高速旋转和剧烈动作且轻质的发动机体。另外，虽然省略图示，但是在轴颈部122的承接曲柄轴的面上还粘贴有金属，从而起到轴承的作用。
权利要求
1.一种强化部件，由铸造金属包铸，其特征在于，由与前述铸造金属不同种类的材料形成，备有中空部分。
2.如权利要求1所述的强化部件，其特征在于，备有层叠结构体，层叠具有开口部的板状部件，具有由前述开口部构成的中空部；重合在前述层叠结构体的两面上、用以堵住前述开口部的部件。
3.如权利要求1或2所述的强化部件，其特征在于，强化部件的一部分或者整个面被多孔体覆盖。
4.如权利要求3所述的强化部件，其特征在于，前述多孔体是由金属纤维构成的多孔质纤维材料。
5.一种发动机体，在轴颈部处使用了如权利要求1～4的任一项所述的强化部件。
6.一种强化部件的制造方法，所述强化部件由铸造金属包铸，其特征在于，包括层叠具有开口部的板状部件的工序；以与该板状部件的上层和下层相接的方式重合用于堵住前述开口部的板状部件的工序。
7.如权利要求6所述的强化部件的制造方法，其特征在于，还备用用多孔体来覆盖前述强化部件表面的一部分或者整个面的工序。
8.如权利要求7所述的强化部件的制造方法，其特征在于，前述多孔体是由金属纤维构成的多孔质纤维材料。
全文摘要
由层叠多个形成有开口(106)的铁板(105)而得到的层叠结构体(102)构成强化部件的一部分。在该层叠结构体(102)的内部形成有中空部分(107)，由此实现轻质化。此外，在与基质接触的面上配置由金属纤维等无纺布构成的多孔体(103)，从而提高其与基质的紧贴性，防止强化部件与基质的剥离。使用了这样的强化部件的轻金属的铸造制品轻质且热膨胀小，适用于例如发动机体的轴颈部。
文档编号F16C33/04GK1826195SQ20048002118
公开日2006年8月30日 申请日期2004年7月1日 优先权日2003年7月23日
发明者白石透, 胜矢晃弘 申请人:日本发条株式会社