JP2001240902A

JP2001240902A - 低熱伝導率アルミニウム焼結材料及びその製造方法並びにピストン頂面材

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Publication number: JP2001240902A
Application number: JP2000053876A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Hojo; 浩北條; Katsunori Yamada; 勝則山田; Nobuo Kamiya; 信雄神谷; Kiyomi Nakakita; 清己中北; Yoshihiro Hotta; 義博堀田
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2000-02-29
Filing date: 2000-02-29
Publication date: 2001-09-04

Abstract

(57)【要約】【課題】軽量かつ低熱伝導率及び高熱膨張率を有する
低熱伝導率アルミニウム焼結材料及びその製造方法、並
びにこのような低熱伝導率アルミニウム焼結材料を用い
たピストン頂面材を提供すること。【解決手段】低熱膨張率アルミニウム焼結材料１０
は、Ａｌ及び／又はＡｌ合金からなるマトリックス２０
中に、低熱伝導相３０が三次元網目状に形成された組織
を有している。低熱伝導相３０は、網目構造のセルサイ
ズの１／３以下であるＡｌ及び／又はＡｌ合金微粒子及
びＦｅ、Ｎｉ、Ｚｒ等の第２相粒子からなる基材３２
と、基材３２内部に均一に分散した気孔３４からなって
いる。このような組織を有する低熱伝導率アルミニウム
焼結材料１０は、粒径の大きなマトリックス形成用母粒
子に対して、粒径の小さい子粒子及び第２相粒子を、そ
れぞれ５〜２０ｖｏｌ％加えて混合し、これを成形及び
焼結することにより得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低熱伝導率及び高
熱膨張係数を有する低熱伝導率アルミニウム焼結材料及
びその製造方法、並びにこのような低熱伝導率アルミニ
ウム焼結材料を用いたピストン頂面材に関する。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジンやガソリンエンジン
等の内燃機関のピストンには、一般に、軽量で熱伝導率
の高いＡｌ合金が用いられる。これは、ピストンが軽量
であるほど、エンジンの効率が高くなり、また、ピスト
ンの熱伝導率が高くなるほど、エンジン内で発生した熱
が効率よく放散され、ピストンの強度低下を抑制できる
ためである。

【０００３】一方、内燃機関の燃焼室は、一般にピスト
ンの頂部に設けられるが、燃焼室の内壁は、熱伝導率が
低い方が望ましい。これは、燃焼室内壁の熱伝導率が高
いと、始動時等の低負荷下において燃焼室内の温度が低
下し、ハイドロカーボン（ＨＣ）を増加させる原因とな
ったり、ＮＯｘも増加する場合があるためである。

【０００４】単一の材料によってこのような相反する熱
伝導率特性を両立させるのは困難であるので、このよう
な場合には、熱伝導率の低い材料を別途作製し、これと
高熱伝導率材料とを組み合わせて使用するか、あるい
は、高熱伝導率材料の表面に低熱伝導率層を形成するの
が一般的である。

【０００５】熱伝導率の低い材料を得る方法としては、
材料中の気孔率、気孔径、あるいは気孔分布を制御する
方法が一般的である。例えば、特開平９−３１０１０３
号公報には、粒径４５〜２５０μｍのＳＵＳＵ３０４ス
テンレス鋼粉末に対して、粒径５μｍのＳＵＳ３０４ス
テンレス鋼粉末及び粒径０．５μｍのＺｒＯ_２粉末を加
えて、成形、焼結することにより、粒径の大きなステン
レス鋼粉末の周囲に三次元網目状に気孔を分散させた複
合材料が本件出願人により提案されている。

【０００６】また、材料表面に低熱伝導率層を形成する
方法としては、多孔質の低熱伝導率材料の表面に溶湯を
鋳込み、気孔に溶湯を含浸させる含浸法、材料表面に低
熱伝導率被膜を形成するコーティング法などが知られて
いる。例えば、特開平６−１０７５７号公報には、多孔
質窒化アルミニウム製のシリンダライナを鋳造型にセッ
トし、鋳造型にアルミニウム合金等の金属溶湯を鋳込む
ことにより、シリンダライナの開気孔内に金属を含浸さ
せたセラミックライナを持つシリンダボディが開示され
ている。

【０００７】また、特開平８−４２３４３号公報には、
Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３等からなる多孔質セラ
ミックスの内表面にＳｉ_３Ｎ_４及びＴｉＯ_２からなる無
収縮セラミックスを形成した複合体を作製し、複合体外
側の多孔質セラミックスの開気孔内に、鋳込みによって
アルミニウム合金を含浸させた副燃焼室を持つピストン
の構造が開示されている。

【０００８】さらに、特開平９−１７６８２１号公報に
は、金属基材上に、気孔率が１％以下であるＭＣｒＡｌ
Ｙ合金層（Ｍは、Ｎｉ、Ｃｏ及びＦｅの少なくとも１
つ）からなる溶射被膜を形成し、その上にプラズマ溶射
法を用いてＺｒＯ_２等を主成分とする低熱伝導率を有す
る遮熱セラミックス層を形成した遮熱コーティング部材
が開示されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本件出願人により提案
された方法によれば、相対密度９０％、熱伝導率がＳＵ
Ｓ３０４ステンレス鋼単体の約１／２である複合材料を
得ることができる。しかしながら、ＳＵＳ３０４ステン
レス鋼とＺｒＯ_２微粉との組み合わせでは、気孔が多い
割に熱伝導率の低減割合が低く、また、ＺｒＯ_２粒子を
添加しているために被削性が劣るという問題がある。ま
た、ステンレス鋼は、アルミニウム合金に代表される軽
合金に比較して比重が大きいので、特に軽量化が要求さ
れる部品には不適当である。

【００１０】一方、含浸、あるいは、コーティングによ
って、金属基材表面に低熱伝導率を有するセラミックス
層を形成する方法によれば、セラミックス層によって金
属基材に高い断熱特性を付与することができる。また、
セラミックスの比重は、比較的小さいので、軽合金と組
み合わせて使用する場合であっても、軽量化の障害とな
ることは少ない。

【００１１】しかし、セラミックスの熱膨張係数は、一
般に金属基材に比較して小さいので、金属基材とセラミ
ックスとを複合化すると、熱膨張係数のミスマッチによ
り、耐熱衝撃性や耐熱疲労性が劣化するという問題があ
る。特に、金属基材が熱膨張係数の大きい軽合金である
場合には、熱膨張係数のミスマッチは大きくなり、耐熱
衝撃性や耐熱疲労性は著しく低下する。

【００１２】本発明が解決しようとする課題は、軽量か
つ低熱伝導率及び高熱膨張率を有し、軽合金と組み合わ
せて使用した場合であっても良好な耐熱衝撃性、耐熱疲
労性を示す低熱伝導率アルミニウム焼結材料及びその製
造方法、並びにこのような低熱伝導率アルミニウム焼結
材料を用いたピストン頂面材を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明に係る低熱伝導率アルミニウム焼結材料は、ア
ルミニウム及び／又はアルミニウム合金からなるマトリ
ックスと、該マトリックス中に三次元網目状に形成され
た低熱伝導相とを備え、該低熱伝導相は、前記網目構造
のセルサイズの１／３以下のアルミニウム及び／又はア
ルミニウム合金微粒子と、その粒径が前記網目構造のセ
ルサイズの１／３以下で気孔形成用の第２相粒子とより
なり、該低熱伝導相内に前記微粒子及び／又は前記第２
相粒子の間隙に形成された気孔とを備えていることを要
旨とするものである。

【００１４】この場合、前記第２相粒子は、前記マトリ
ックス材料に比べて高融点、又は前記マトリックスへの
拡散が遅い金属粒子が好ましい。中でも、鉄、ニッケ
ル、ジルコニウム、クロム、タングステン、希土類元素
及びこれらのいずれか１以上を主成分とする合金の中か
ら選ばれる１又は２以上の金属粒子が好ましい。また、
前記第２相粒子は、微細な気孔を有する粒子であっても
よい。

【００１５】本発明に係る低熱伝導率アルミニウム焼結
材料は、微細な気孔が均一に分散した低熱伝導相がマト
リックス中に三次元網目状に形成されているので、相対
的に気孔率が小さい場合であっても熱伝導率が著しく低
下する。また、マトリックスがアルミニウム及び／又は
アルミニウム合金であるので、軽量かつ高熱膨張率が維
持される。

【００１６】また、本発明に係る低熱伝導率アルミニウ
ム焼結材料の製造方法は、アルミニウム及び／又はアル
ミニウム合金からなるマトリックス形成用母粒子に対
し、その粒径が前記マトリックス形成用母粒子の１／３
以下であるアルミニウム及び／又はアルミニウム合金か
らなる子粒子を５〜２０ｖｏｌ％、並びにその粒径が前
記マトリックス形成用母粒子の１／３以下で前記子粒子
の凝集及び焼結を抑止する第２相粒子を５〜２０ｖｏｌ
％加えて混合する混合工程と、該混合工程で得られた混
合物を成形する成形工程と、該成形工程で得られた成形
体を焼結する焼結工程とを備えていることを要旨とする
ものである。

【００１７】本発明に係る低熱伝導率アルミニウム焼結
材料の製造方法は、粒径の大きなマトリックス形成用母
粒子に対する、粒径の小さな子粒子及び第２相粒子の配
合比率が最適化されているので、マトリックス形成用母
粒子の周囲に子粒子及び第２相粒子を均一に分散させる
ことができる。また、焼結時には、第２相粒子によって
子粒子の焼結や粒成長及び気孔の合体が抑制されるの
で、マトリックス形成用母粒子の周囲には、微細な気孔
が均一に分散した低熱伝導相が三次元網目状に形成され
る。

【００１８】さらに、本発明に係るピストン頂面材は、
アルミニウム及び／又はアルミニウム合金マトリックス
中に、請求項１に記載の低熱伝導相が三次元網目状に形
成された低熱伝導率アルミニウム焼結材料からなること
を要旨とするものである。

【００１９】本発明に係る低熱伝導率アルミニウム焼結
材料は、熱伝導率が極めて低いにもかかわらず相対密度
が高いので、マトリックスとほぼ同等の高熱膨張係数が
維持される。そのため、これを軽合金製ピストンの頂面
材として用いれば、ピストン本体との熱膨張の整合性が
得られ、ピストンの軽量化を損なうことなく耐熱衝撃性
や耐熱疲労性が向上し、かつエミッションも大幅に低減
できる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係る
低熱伝導率アルミニウム焼結材料（以下、これを「焼結
材料」という。）の典型的な組織を示す模式図である。
図１において、本発明に係る焼結材料１０は、マトリッ
クス２０と低熱伝導相３０とを備えている。

【００２１】マトリックス２０は、アルミニウム又はア
ルミニウム合金（以下、これを「アルミニウム合金等」
という。）からなっている。具体的には、純Ａｌ、Ａｌ
−Ｃｕ合金、Ａｌ−Ｆｅ合金、Ａｌ−Ｍｎ合金、Ａｌ−
Ｓｉ合金、Ａｌ−Ｍｇ合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金、Ａ
ｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金等が一例と
して挙げられる。マトリックス２０は、単一組成を有す
る１種類のアルミニウム合金等であっても良く、あるい
は、異なる組成を有する２種以上のアルミニウム合金等
の混合物であっても良い。

【００２２】マトリックス２０中に形成される網目構造
のセルの大きさは、特に限定されるものではないが、マ
トリックス２０を形成するための母粒子（以下、これを
「マトリックス形成用母粒子」という。）の製造コス
ト、得られる焼結材料１０の熱伝導率特性等を考慮する
と、１５〜１００μｍ程度が好適である。また、マトリ
ックス形成用母粒子の形状は、凹凸の少ない、球形又は
楕円形に近い形状であることが望ましいがこれに限るも
のではない。マトリックス形成用母粒子の表面に巨視的
な凹凸があると、凹凸が応力集中の基点となり、焼結材
料の強度を低下させるので好ましくない。

【００２３】低熱伝導相３０は、基材３２の内部に気孔
３４が均一に分散した構造を有しており、マトリックス
２０中に三次元網目状に形成されている。この場合、網
目構造の各セルは、隣接する他のセルと部分的に接触し
ていてもよい。しかしながら、高い断熱特性を得るため
には、一方のセルから他方のセルへの熱の流れを遮断す
る必要があり、そのためには、三次元網目状に形成され
た低熱伝導相３０によって、各セルができるだけ又は完
全に分断されている方が好ましい。

【００２４】基材３２は、図示はしないが、アルミニウ
ム合金等からなる微粒子と、微粒子の凝集・焼結を抑止
して気孔を形成するための第２相粒子の焼結体からなっ
ている。微粒子は、マトリックス２０と同一又は異なる
組成を有するアルミニウム合金等であってもよく、ある
いは、これらの２種以上のアルミニウム合金等の混合物
であっても良い。また、基材３２を構成する微粒子の粒
径は、網目構造のセルサイズの１／３以下が好適であ
る。微粒子の粒径が網目構造のセルサイズの１／３を超
えると、微細な気孔３４が均一に分散した低熱伝導相３
０が得られないので好ましくない。

【００２５】第２相粒子は、後述するように、原料粉末
に添加した子粒子同士の凝集や焼結を部分的に抑止し、
低熱伝導相３０内に微細な気孔３４を均一に形成するた
めに用いられるものである。そのため、第２相粒子は、
アルミニウム合金等と容易に化合物を作らない材質であ
ることが望ましい。また、第２相粒子は、焼結後に低熱
伝導相３０の一部となるので、高い断熱特性を得るため
には、第２相粒子は、マトリックス２０より熱伝導率の
低い材質であることが望ましい。ただし、これに限定す
るものではなく、バルクでは熱伝導率が高い材質の粒子
でも、凝集体、多孔体、クラスターなどのように微細な
気孔を有し低熱伝導化された粒子であっても良い。

【００２６】このような条件を満たす材料としては、例
えば、アルミニウム合金等より融点の高い金属、合金、
金属間化合物、無機化合物等、及び／又は、アルミニウ
ム合金等に対する拡散が遅い金属、合金、金属間化合
物、無機化合物等が一例として挙げられる。具体的に
は、前記第２相粒子は、周期律表のIIIＡ〜VIＡ族の金
属又はこれらのいずれか１以上を主成分とする合金から
選ばれる１又は２以上の金属粒子が好ましい。中でも、
鉄、ニッケル、ジルコニウム、クロム、タングステン、
希土類元素及びこれらのいずれか１以上を主成分とする
合金の中から選ばれる１又は２以上の金属粒子は、第２
相粒子として好適である。また、第２相粒子は、シラス
バルーン、あるいはエマルジョン法等で作製したアルミ
ナ、シリカ、アルミノシリケート等からなるサブミクロ
ンサイズの微細な中空粒子や、凝集体、多孔体、クラス
ター等の微細な気孔を有する粒子であっても良い。

【００２７】また、第２相粒子の粒径は、網目構造のセ
ルサイズの１／３以下であることが望ましい。第２相粒
子の粒径が網目構造のセルサイズの１／３を超えると、
微細な気孔３４が均一に分散した低熱伝導相３０が得ら
れないので好ましくない。

【００２８】低熱伝導相３０内部に形成される気孔３４
は、低熱伝導相３０内部に均一かつ微細に分散している
ことが望ましい。大きな気孔が形成されると、断熱特性
が低下したり、あるいは、気孔が応力集中の基点とな
り、焼結材料１０の機械的特性を低下させるので好まし
くない。なお、気孔３４の内部は、低熱伝導性の発現の
ためには、真空であることが好ましいが、ガス等で満た
されていてもよい。

【００２９】次に、本発明に係る焼結材料の作用につい
て説明する。本発明に係る焼結材料１０は、マトリック
ス２０中に微細な気孔３４が均一に分散した低熱伝導相
３０が三次元網目状に形成された組織、すなわち気孔３
４が三次元網目状に分散した組織を呈しているので、低
熱伝導相３０により、隣接するセル間の熱の流れが効率
的に遮断される。

【００３０】また、鉄、ニッケル、ジルコニウム等又は
これらのいずれか１以上を主成分とする金属粉末、ある
いは、シラスバルーン等の中空粒子は、マトリックス２
０であるアルミニウム合金等より低い熱伝導率を有して
いる。そのため、これらを第２相粒子として用いた場合
には、微細な気孔３４が均一に分散した低熱伝導相３０
が得られるだけでなく、第２相粒子によって低熱伝導相
３０の熱伝導率がさらに低下する。特に、微粒子及び第
２相粒子の組成や形態を最適化すれば、焼結材料１０の
熱伝導率をマトリックス２０の熱伝導率の約１／１０程
度まで低下させることができる。

【００３１】さらに、本発明に係る焼結材料１０は、低
熱伝導率にかかわらず相対密度が高いので、マトリック
ス２０とほぼ同等の高熱膨張率が維持される。そのた
め、これを軽合金と組み合わせて使用した場合には、熱
膨張係数差が極めて小さくなり、耐熱衝撃性や耐熱疲労
性が向上する。また、焼結材料１０の主要部を占めるマ
トリックス２０がアルミニウム合金等であるので、比重
が軽く、部品を軽量化できる。特に、本発明に係る焼結
材料１０を内燃機関のピストンの頂面材として用いた場
合には、軽量性や耐熱衝撃性を損なうことなく、エミッ
ションを大幅に低減できる。

【００３２】次に、本発明に係る焼結材料１０の製造方
法について説明する。本発明に係る製造方法は、混合工
程と、成形工程と、焼結工程とを備えている。

【００３３】混合工程は、マトリックス形成用母粒子、
子粒子及び第２相粒子を混合する工程である。上述した
ように、マトリックス形成用母粒子には、比較的粒径の
大きいアルミニウム合金等が用いられる。また、子粒子
及び第２相粒子の粒径は、それぞれ、マトリックス形成
用母粒子の粒径の１／３以下が好ましい。具体的には、
マトリックス形成用母粒子の粒径が１５〜１００μｍで
ある場合には、子粒子及び第２相粒子の粒径は、５μｍ
以下が好適である。

【００３４】原料の配合比率は、全原料に対して子粒子
を内添加で５〜２０ｖｏｌ％、第２相粒子を５〜２０ｖ
ｏｌ％とするのが好ましい。子粒子及び／又は第２相粒
子の配合比率が５ｖｏｌ％未満になると、焼結しなかっ
たり、高い断熱特性が得られないので好ましくない。ま
た、子粒子及び／又は第２相粒子の配合比率が２０ｖｏ
ｌ％を超えると、微細な気孔３４が均一分散した低熱伝
導相３０が得られないので好ましくない。子粒子及び第
２相粒子の配合比率は、それぞれ、５〜１０ｖｏｌ％の
範囲が特に好適である。

【００３５】混合方法は、子粒子及び第２相粒子をマト
リックス形成用母粒子の周囲に均一分散可能な方法でき
るものであれば良く、特に限定されるものではない。し
かしながら、マトリックス形成用母粒子の周囲に所定の
厚さを有する低熱伝導相３０を均一に形成するには、粒
径の大きいマトリックス形成用母粒子表面に、子粒子及
び第２相粒子を連続的又は不連続的に存在させたような
原料粉末を調製することが望ましい。子粒子及び／又は
第２相粒子が偏在していると、焼結材料の機械的特性を
低下させるので好ましくない。混合方法としては、マト
リックス形成用母粒子表面に子粒子及び第２相粒子をま
ぶす方法、あるいは、ボールミルや旋回流体中で混合す
る方法が特に好適である。

【００３６】成形工程は、上述した混合工程において得
られた原料粉末を、所定形状に成形する工程である。成
形方法としては、種々の方法を用いることができるが、
一軸プレス成形又はＣＩＰ成形が好ましい。成形圧力
は、原料粉末の組成、流動性、粒径等により最適値が異
なるので、原料粉末に応じて、適宜、調製すればよい。

【００３７】加熱工程は、上述した成形工程において得
られた成形体を、所定温度に加熱する工程である。焼結
方法は特に限定されるものではなく、常圧焼結法、真空
焼結法、ガス圧焼結法等の各種の方法を用いることがで
きる。焼結温度、保持時間、焼結雰囲気等の加熱条件
は、マトリックス形成用母粒子、子粒子及び第２相粒子
の組成や配合比率、成形圧力等により異なるので、これ
らに応じて最適な条件を選択するとよい。

【００３８】次に、本発明に係る製造方法の作用につい
て説明する。本発明に係る製造方法は、アルミニウム合
金等からなる粒径の大きなマトリックス形成用母粒子
と、粒径の小さな子粒子及び第２相粒子とを混合する場
合において、子粒子及び第２相粒子の配合比率を最適化
したので、第２相粒子によって子粒子の凝集や焼結が効
率的に抑制され、マトリックス形成用母粒子の周囲に子
粒子及び第２相粒子を均一に分散させることができる。
また、焼結時には、第２相粒子によって子粒子の焼結や
粒成長及び気孔の合体が抑制される。そのため、マトリ
ックス中に、微細な気孔が均一に分散した低熱伝導相３
０が三次元網目状に形成された焼結材料が得られ、高い
断熱特性を発現する。

【００３９】

【実施例】（実施例１）マトリックス形成用母粒子とな
る粒径６５〜１００μｍの粗粒の純アルミニウム粉末
（以下、これを「粗粒Ａｌ」という。）に対して、子粒
子となる粒径３μｍの微粒の純アルミニウム粉末（以
下、これを「微粒Ａｌ」という。）を１０〜２５ｖｏｌ
％、第２相粒子となる粒径５μｍの鉄粉末（以下、これ
を「微粒Ｆｅ」という。）を５〜２５ｖｏｌ％加え、ボ
ールミルで均一に混合した。これらの混合粉末を成形圧
力４５ＭＰａでプレス成形し、真空中（２．０ｘ１０
^−５Ｐａ）、５５０℃ｘ５ｍｉｎの条件下で焼成を行っ
た。

【００４０】得られた焼結材料の焼結体密度ρ、比熱
Ｃ、熱拡散率κを測定した。焼結体密度は、アルキメデ
ス法により測定し、比熱及び熱拡散率は、レーザーフラ
ッシュ法熱定数測定装置（真空理工製ＵＬＶＡＣＴＣ
−３０００Ｈ−ＮＣ）を用いて測定した。また、測定し
た焼結密度ρ、比熱Ｃ、熱拡散率κを用いて、熱伝導率
λを次式により求めた。λ＝ρＣκ

【００４１】８０ｖｏｌ％粗粒Ａｌ＋１０ｖｏｌ％微粒
Ａｌ＋１０ｖｏｌ％微粒Ｆｅの組成を有する焼結材料
は、図１に示すように、気孔３４が三次元網目状に分散
した組織が得られた。この焼結材料の相対密度は、９２
％であり、室温における熱伝導率は、２５Ｗ／（ｍ・
Ｋ）であった。この熱伝導率の値は、純アルミニウムの
熱伝導率（２３７Ｗ／（ｍ・Ｋ））の約１０分の１であ
る。

【００４２】一方、７０ｖｏｌ％粗粒Ａｌ＋２５ｖｏｌ
％微粒Ａｌ＋５ｖｏｌ％微粒Ｆｅの組成を有する焼結材
料の組織を図２に示す。この組成を有する焼結材料４０
の場合、粗粒Ａｌからなるセル同志が一部接触してお
り、気孔３４を有する低熱伝導相３０が部分的に分断さ
れた組織を呈していた。そのため、焼結材料４０の室温
における熱伝導率は、６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）を若干超えて
いた。

【００４３】また、６５ｖｏｌ％粗粒Ａｌ＋１０ｖｏｌ
％微粒Ａｌ＋２５ｖｏｌ％微粒Ｆｅの組成を有する焼結
材料の組織を図３に示す。この組成を有する焼結材料５
０の場合、粗粒Ａｌからなるセルの周囲に厚い低熱伝導
相３０が形成された組織を呈していた。また、低熱伝導
相３０内部の気孔３４は、ほとんど消滅しており、微細
な気孔３４が離散的に分散しているのみであった。その
ため、焼結材料５０の室温における熱伝導率は、５０Ｗ
／（ｍ・Ｋ）を超えていた。

【００４４】さらに、６５ｖｏｌ％粗粒Ａｌ＋２５ｖｏ
ｌ％微粒Ａｌ＋１０ｖｏｌ％微粒Ｆｅの組成を有する焼
結材料の組織を図４に示す。この組成を有する焼結材料
６０の場合、粗粒Ａｌからなるセルが消失し、全体がＡ
ｌとＡｌ−Ｆｅ化合物の混合相と思われる単一相６２に
なっていた。また、焼結材料６０は、大きく合体した気
孔３４ａと微細な気孔３４ｂが離散的に分散した組織を
呈していた。そのため、焼結材料６０の室温における熱
伝導率は、８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）を超えていた。

【００４５】以上の結果からわかるように、焼結材料の
組織と原料粉末の配合比率の間には密接な関係があり、
マトリックス中に低熱伝導相が三次元網目状に形成され
た組織、すなわち、気孔が三次元網目状に分散した組織
を得るには、少なくとも、微粒Ａｌ及び微粒Ｆｅの配合
比率をそれぞれ、５〜２０ｖｏｌ％の範囲とする必要が
ある。特に、粗粒Ａｌ、微粒Ａｌ及び微粒Ｆｅの配合比
率を図５に示すハッチング領域の範囲内とすると、セル
が低熱伝導相によってほぼ完全に分断された組織が得ら
れ、高い断熱特性を発現することがわかった。

【００４６】（実施例２）実施例１で得られた８０ｖｏ
ｌ％粗粒Ａｌ＋１０ｖｏｌ％微粒Ａｌ＋１０ｖｏｌ％微
粒Ｆｅの組成を有する焼結材料を用いて、ピストン頂面
材を作製し、この頂面材をアルミニウム合金製のピスト
ンの頂部に接合した。得られたピストンは、ディーゼル
エンジン用のピストンであり、その頂部に浅皿型燃焼室
を備え、浅皿型燃焼室の内周壁が本発明に係る焼結材料
によって構成されているものである。このピストンをデ
ィーゼルエンジンに取り付け、低負荷でのＨＣ発生量を
測定した。その結果、本発明に係る焼結材料で作製した
頂面材を接合したピストンによれば、燃焼室の内壁がす
べてアルミニウム合金で囲まれた燃焼室を備えたピスト
ンに比較して、ＨＣ排出量が２７％減少することが確認
された。

【００４７】以上、本発明の実施の形態について詳細に
説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々
の改変が可能である。

【００４８】例えば、本発明に係る製造方法において、
原料粉末を混合する時には、必要に応じてその他の添加
物を加えても良い。具体的には、低熱伝導相３０の気孔
率を上げるために、加熱時に揮発、燃焼除去される物質
を添加しても良い。あるいは、成形方法に応じて、離型
材、バインダ、可塑剤等を原料粉末に添加しても良い。

【００４９】また、上記実施例においては、本発明に係
る焼結材料をディーゼルエンジン用ピストンの頂面材に
適用した例について説明したが、本発明の用途はこれに
限定されるものではなく、ガソリンエンジン用ピストン
の頂面材、マニホールド、バルブ等、軽量で高い断熱性
が要求される他の部品や建材に対しても適用でき、これ
により上記実施の形態と同様の効果を得ることができ
る。

【００５０】

【発明の効果】本発明に係る低熱伝導率アルミニウム焼
結材料は、アルミニウム及び／又はアルミニウム合金か
らなるマトリックスと、該マトリックス中に三次元網目
状に形成された低熱伝導相とを備え、該低熱伝導相は、
前記網目構造のセルサイズの１／３以下のアルミニウム
及び／又はアルミニウム合金微粒子と、その粒径が前記
網目構造のセルサイズの１／３以下で気孔形成用の第２
相粒子とよりなり、該低熱伝導相内に前記微粒子及び／
又は前記第２相粒子の間隙に形成された気孔とを備えて
いるので、相対的に気孔率が小さい場合であっても、熱
伝導率が著しく低下するという効果がある。

【００５１】また、前記第２相粒子が、前記マトリック
ス材料に比べて高融点、又は前記マトリックスへの拡散
が遅い金属粒子である場合、特に、鉄、ニッケル、ジル
コニウム、クロム、タングステン、希土類元素及びこれ
らのいずれか１以上を主成分とする合金の中から選ばれ
る１又は２以上の金属粒子である場合、又は、微細な気
孔を有する粒子である場合には、気孔の合体が抑制され
ると同時に、第２相粒子によって低熱伝導相の断熱特性
が向上し、焼結材料の熱伝導率がさらに低下するという
効果がある。

【００５２】また、本発明に係る低熱伝導率アルミニウ
ム焼結材料の製造方法は、アルミニウム及び／又はアル
ミニウム合金からなるマトリックス形成用母粒子に対
し、その粒径が前記マトリックス形成用母粒子の１／３
以下であるアルミニウム及び／又はアルミニウム合金か
らなる子粒子を５〜２０ｖｏｌ％、並びにその粒径が前
記マトリックス形成用母粒子の１／３以下で前記子粒子
の凝集及び焼結を抑止する第２相粒子を５〜２０ｖｏｌ
％加えて混合する混合工程と、該混合工程で得られた混
合物を成形する成形工程と、該成形工程で得られた成形
体を焼結する焼結工程とを備えているので、微細な気孔
が三次元網目状に分散した焼結材料が容易に得られると
いう効果がある。

【００５３】さらに、本発明に係るピストン頂面材は、
アルミニウム及び／又はアルミニウム合金マトリックス
中に、三次元網目状に低熱伝導相が形成された低熱伝導
率アルミニウム焼結材料からなっているので、耐熱衝撃
性を損なうことなく、エミッションを低減できるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】８０ｖｏｌ％粗粒Ａｌ＋１０ｖｏｌ％微粒Ａｌ
＋１０ｖｏｌ％微粒Ｆｅ組成の原料粉末から得られた焼
結材料の組織を示す模式図である。

【図２】７０ｖｏｌ％粗粒Ａｌ＋２５ｖｏｌ％微粒Ａｌ
＋５ｖｏｌ％微粒Ｆｅ組成の原料粉末から得られた焼結
材料の組織を示す模式図である。

【図３】６５ｖｏｌ％粗粒Ａｌ＋１０ｖｏｌ％微粒Ａｌ
＋２５ｖｏｌ％微粒Ｆｅ組成の原料粉末から得られた焼
結材料の組織を示す模式図である。

【図４】６５ｖｏｌ％粗粒Ａｌ＋２５ｖｏｌ％微粒Ａｌ
＋１０ｖｏｌ％微粒Ｆｅ組成の原料粉末から得られた焼
結材料の組織を示す模式図である。

【図５】気孔が三次元網目状に分散した組織が得られる
原料粉末の組成範囲を示す図である。

【符号の説明】

１０低熱伝導率アルミニウム焼結材料（焼結材料）２０マトリックス３０低熱伝導相３４気孔

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０２Ｆ 3/12 Ｆ０２Ｆ 3/12 // Ｃ２２Ｃ 21/00 Ｃ２２Ｃ 21/00 ＥＣ２２Ｆ 1/00 ６２７Ｃ２２Ｆ 1/00 ６２７６２８６２８６５０６５０Ｆ６５１６５１Ｂ６８７６８７ (72)発明者神谷信雄愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者中北清己愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者堀田義博愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内Ｆターム(参考） 4K018 AA14 BA08 BA09 BA10 BA14 BA20 BB04 DA11 JA02 KA08 KA22 KA62 KA70

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウム及び／又はアルミニウム合
金からなるマトリックスと、該マトリックス中に三次元
網目状に形成された低熱伝導相とを備え、該低熱伝導相は、前記網目構造のセルサイズの１／３以
下のアルミニウム及び／又はアルミニウム合金微粒子
と、その粒径が前記網目構造のセルサイズの１／３以下で気
孔形成用の第２相粒子とよりなり、該低熱伝導相内に前記微粒子及び／又は前記第２相粒子
の間隙に形成された気孔とを備えていることを特徴とす
る低熱伝導率アルミニウム焼結材料。
【請求項２】前記第２相粒子は、前記マトリックス材
料に比べて高融点、又は前記マトリックスへの拡散が遅
い金属粒子であることを特徴とする請求項１に記載の低
熱伝導率アルミニウム焼結材料。
【請求項３】前記第２相粒子は、鉄、ニッケル、ジル
コニウム、クロム、タングステン、希土類元素及びこれ
らのいずれか１以上を主成分とする合金の中から選ばれ
る１又は２以上の金属粒子である請求項２に記載の低熱
伝導率アルミニウム焼結材料。
【請求項４】前記第２相粒子は、微細な気孔を有する
粒子である請求項１に記載の低熱伝導率アルミニウム焼
結材料。
【請求項５】アルミニウム及び／又はアルミニウム合
金からなるマトリックス形成用母粒子に対し、その粒径
が前記マトリックス形成用母粒子の１／３以下であるア
ルミニウム及び／又はアルミニウム合金からなる子粒子
を５〜２０ｖｏｌ％、並びにその粒径が前記マトリック
ス形成用母粒子の１／３以下で前記子粒子の凝集及び焼
結を抑止する第２相粒子を５〜２０ｖｏｌ％加えて混合
する混合工程と、該混合工程で得られた混合物を成形する成形工程と、該成形工程で得られた成形体を焼結する焼結工程とを備
えている低熱伝導率アルミニウム焼結材料の製造方法。
【請求項６】アルミニウム及び／又はアルミニウム合
金マトリックス中に、請求項１に記載の低熱伝導相が三
次元網目状に形成された低熱伝導率アルミニウム焼結材
料からなるピストン頂面材。