JP2920004B2 - セラミックスと金属の鋳ぐるみ複合体 - Google Patents
セラミックスと金属の鋳ぐるみ複合体Info
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- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
- F05C2251/00—Material properties
- F05C2251/04—Thermal properties
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はセラミックスと金属の鋳
ぐるみ複合体に係り、さらに詳しくは、高温においても
高いセラミックス−金属間の接合強度を有し、かつ低温
においてもセラミックスに発生する応力が低くて強度信
頼性が高く、しかも製造工程が単純で低コストのセラミ
ックスと金属の鋳ぐるみ複合体に関する。
ぐるみ複合体に係り、さらに詳しくは、高温においても
高いセラミックス−金属間の接合強度を有し、かつ低温
においてもセラミックスに発生する応力が低くて強度信
頼性が高く、しかも製造工程が単純で低コストのセラミ
ックスと金属の鋳ぐるみ複合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、セラミックスの有する優れた耐熱
性、耐摩耗性、軽量性、断熱性等を利用した機械構造部
品の研究開発が盛んに行なわれている。セラミック材料
の多くは金属に比較して脆いため、セラミック材料単独
で機械構造部品として用いることは困難な場合が多く、
従って一般的には金属との複合体の形として用いること
が知られている。しかしながら、前記のような優れた特
性を有するセラミック材料の多くは熱膨張係数が通常の
機械構造用金属材料に比較して小さいため、使用温度が
変化する部品、特に高温で使用する部品においては高温
時に金属とセラミックス間の保持力が低下したり、隙間
が生じたりする問題がある。また、逆に高温での保持力
を充分に得ようとすると、常温においてセラミックスに
過大な応力が発生し、セラミックスが破壊する問題があ
った。
性、耐摩耗性、軽量性、断熱性等を利用した機械構造部
品の研究開発が盛んに行なわれている。セラミック材料
の多くは金属に比較して脆いため、セラミック材料単独
で機械構造部品として用いることは困難な場合が多く、
従って一般的には金属との複合体の形として用いること
が知られている。しかしながら、前記のような優れた特
性を有するセラミック材料の多くは熱膨張係数が通常の
機械構造用金属材料に比較して小さいため、使用温度が
変化する部品、特に高温で使用する部品においては高温
時に金属とセラミックス間の保持力が低下したり、隙間
が生じたりする問題がある。また、逆に高温での保持力
を充分に得ようとすると、常温においてセラミックスに
過大な応力が発生し、セラミックスが破壊する問題があ
った。
【０００３】これらの対策としてセラミックスと熱膨張
係数の近いチタン、コバール等の低熱膨張金属を鋳鉄あ
るいはアルミニウム合金等の鋳ぐるみ金属とセラミック
スの間に中間層として設ける方法が提案されているが、
これらの中間層部材はセラミックスに焼ばめ、圧入、ろ
う付などで接合する必要があり、セラミックスの機械加
工、ろう付等のため工程が多く高コストである問題があ
った。また、中間層としてセラミックウール、低密度の
セラミック仮焼層、あるいは銅等の低剛性の材料を用い
る方法も提案されているが、充分な強度が得られない問
題があった。特に軽量化を必要とする運動部品等におい
ては、金属材料としてアルミニウム合金を用いることが
軽量化の観点からは有利であるが、アルミニウム合金は
鉄系材料よりさらに熱膨張係数が高いため、上記のセラ
ミックスとの熱膨張係数の差による問題は鉄系材料を用
いる場合よりさらに深刻であった。
係数の近いチタン、コバール等の低熱膨張金属を鋳鉄あ
るいはアルミニウム合金等の鋳ぐるみ金属とセラミック
スの間に中間層として設ける方法が提案されているが、
これらの中間層部材はセラミックスに焼ばめ、圧入、ろ
う付などで接合する必要があり、セラミックスの機械加
工、ろう付等のため工程が多く高コストである問題があ
った。また、中間層としてセラミックウール、低密度の
セラミック仮焼層、あるいは銅等の低剛性の材料を用い
る方法も提案されているが、充分な強度が得られない問
題があった。特に軽量化を必要とする運動部品等におい
ては、金属材料としてアルミニウム合金を用いることが
軽量化の観点からは有利であるが、アルミニウム合金は
鉄系材料よりさらに熱膨張係数が高いため、上記のセラ
ミックスとの熱膨張係数の差による問題は鉄系材料を用
いる場合よりさらに深刻であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は上記
のような従来の問題を解決して、常温でのセラミックス
の応力が低く、かつ、セラミックスの金属との結合部分
の機械加工を行なわずに作製可能な、製造工程が少なく
低コストであり、しかも充分な強度を有するセラミック
スと金属の鋳ぐるみ複合体を提供することを目的とす
る。
のような従来の問題を解決して、常温でのセラミックス
の応力が低く、かつ、セラミックスの金属との結合部分
の機械加工を行なわずに作製可能な、製造工程が少なく
低コストであり、しかも充分な強度を有するセラミック
スと金属の鋳ぐるみ複合体を提供することを目的とす
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】 そしてその目的は、本
発明によれば、セラミックスを、重量比で、Ｃ ０．３
〜２．０％、Ｎｉ ２５〜３２％、Ｃｏ １２〜２０
％、Ｓｉ ０．３〜２．０％、Ｎｂ ０．２〜０．８
％、Ｍｇ又はＣａ０．０１〜０．２％、Ｍｎ １．０％
以下、残部は不純物を含むＦｅの組成を有し、室温〜４
００℃の熱膨張係数が３．５×１０-6／℃〜９．０×１
０-6／℃である低膨張鋳鉄、あるいは、重量比で、Ｃ
０．８〜３．０％、Ｎｉ ３０〜３４％、Ｃｏ ４．０
〜６．０％、Ｓｉ １．０〜３．０％、Ｍｎ ２．０％
以下、硫黄１．０％以下、リン １．５％以下、Ｍｇ
１．０％以下、残部は不純物を含むＦｅの組成を有し、
室温〜４００℃の熱膨張係数が９×１０ -6 ／℃以下、室
温〜２００℃の熱膨張係数が２×１０ -6 ／℃〜３×１０
-6 ／℃である低膨張鋳鉄で鋳ぐるんでなるセラミックス
と金属の鋳ぐるみ複合体により達成することができる。
また、本発明では、上記した低膨張鋳鉄側をさらにアル
ミニウム合金で鋳ぐるんでなるセラミックスと金属の鋳
ぐるみ複合体が提供される。さらに本発明の鋳ぐるみ複
合体は、セラミックスを熱負荷の厳しい部位、例えば、
燃焼室開口リップ部、燃焼室中心部等のみに用い、その
セラミックスを低膨張鋳鉄で鋳ぐるんだセラミック鋳ぐ
るみピストンとして適用すると好ましい。
発明によれば、セラミックスを、重量比で、Ｃ ０．３
〜２．０％、Ｎｉ ２５〜３２％、Ｃｏ １２〜２０
％、Ｓｉ ０．３〜２．０％、Ｎｂ ０．２〜０．８
％、Ｍｇ又はＣａ０．０１〜０．２％、Ｍｎ １．０％
以下、残部は不純物を含むＦｅの組成を有し、室温〜４
００℃の熱膨張係数が３．５×１０-6／℃〜９．０×１
０-6／℃である低膨張鋳鉄、あるいは、重量比で、Ｃ
０．８〜３．０％、Ｎｉ ３０〜３４％、Ｃｏ ４．０
〜６．０％、Ｓｉ １．０〜３．０％、Ｍｎ ２．０％
以下、硫黄１．０％以下、リン １．５％以下、Ｍｇ
１．０％以下、残部は不純物を含むＦｅの組成を有し、
室温〜４００℃の熱膨張係数が９×１０ -6 ／℃以下、室
温〜２００℃の熱膨張係数が２×１０ -6 ／℃〜３×１０
-6 ／℃である低膨張鋳鉄で鋳ぐるんでなるセラミックス
と金属の鋳ぐるみ複合体により達成することができる。
また、本発明では、上記した低膨張鋳鉄側をさらにアル
ミニウム合金で鋳ぐるんでなるセラミックスと金属の鋳
ぐるみ複合体が提供される。さらに本発明の鋳ぐるみ複
合体は、セラミックスを熱負荷の厳しい部位、例えば、
燃焼室開口リップ部、燃焼室中心部等のみに用い、その
セラミックスを低膨張鋳鉄で鋳ぐるんだセラミック鋳ぐ
るみピストンとして適用すると好ましい。
【０００６】 以下、本発明を詳しく説明する。本発明
におけるセラミックスと金属の鋳ぐるみ複合体は、その
複合構造の中に、重量比で、Ｃ ０．３〜２．０％、Ｎ
ｉ ２５〜３２％、Ｃｏ １２〜２０％、Ｓｉ ０．３
〜２．０％、Ｎｂ ０．２〜０．８％、Ｍｇ又はＣａ
０．０１〜０．２％、Ｍｎ １．０％以下、残部は不純
物を含むＦｅの組成を有し、室温〜４００℃の熱膨張係
数が３．５×１０ -6 ／℃〜９．０×１０ -6 ／℃である低
膨張鋳鉄、あるいは、重量比で、Ｃ ０．８〜３．０
％、Ｎｉ ３０〜３４％、Ｃｏ ４．０〜６．０％、Ｓ
ｉ １．０〜３．０％、Ｍｎ ２．０％以下、硫黄１．
０％以下、リン １．５％以下、Ｍｇ １．０％以下、
残部は不純物を含むＦｅの組成を有し、室温〜４００℃
の熱膨張係数が９×１０ -6 ／℃以下、室温〜２００℃の
熱膨張係数が２×１０ -6 ／℃〜３×１０ -6 ／℃である低
膨張鋳鉄によりセラミックスを鋳ぐるんだ部分を有する
ことを特徴とする。
におけるセラミックスと金属の鋳ぐるみ複合体は、その
複合構造の中に、重量比で、Ｃ ０．３〜２．０％、Ｎ
ｉ ２５〜３２％、Ｃｏ １２〜２０％、Ｓｉ ０．３
〜２．０％、Ｎｂ ０．２〜０．８％、Ｍｇ又はＣａ
０．０１〜０．２％、Ｍｎ １．０％以下、残部は不純
物を含むＦｅの組成を有し、室温〜４００℃の熱膨張係
数が３．５×１０ -6 ／℃〜９．０×１０ -6 ／℃である低
膨張鋳鉄、あるいは、重量比で、Ｃ ０．８〜３．０
％、Ｎｉ ３０〜３４％、Ｃｏ ４．０〜６．０％、Ｓ
ｉ １．０〜３．０％、Ｍｎ ２．０％以下、硫黄１．
０％以下、リン １．５％以下、Ｍｇ １．０％以下、
残部は不純物を含むＦｅの組成を有し、室温〜４００℃
の熱膨張係数が９×１０ -6 ／℃以下、室温〜２００℃の
熱膨張係数が２×１０ -6 ／℃〜３×１０ -6 ／℃である低
膨張鋳鉄によりセラミックスを鋳ぐるんだ部分を有する
ことを特徴とする。
【０００７】上記組成の鋳鉄の使用が望ましい理由は、
これらの鋳鉄では凝固時に黒鉛（密度約２g/cm3 ）が液
体金属（密度約８g/cm3 ）から析出して凝固収縮が低減
し、温度低下により常温に至るまでの全収縮がインバー
合金やコバールなどの低熱膨張合金より小さいこと、ま
た、上記組成の低膨張鋳鉄以外の金属では、通常の鉄系
材料より熱膨張係数がセラミックスに近く、かつ鋳ぐる
みが可能であるという上記組成の低膨張鋳鉄のような好
適な特性を有さないからである。又ここでいうセラミッ
クスとは、耐熱性、耐熱衝撃性、耐摩耗性、軽量性、断
熱性等において金属より優れ、かつ、機械構造部材とし
て必要な強度を有する窒化珪素（シリコンナイトライ
ド）、サイアロン、炭化珪素、アルミナ、チタン酸アル
ミニウム等を指す。
これらの鋳鉄では凝固時に黒鉛（密度約２g/cm3 ）が液
体金属（密度約８g/cm3 ）から析出して凝固収縮が低減
し、温度低下により常温に至るまでの全収縮がインバー
合金やコバールなどの低熱膨張合金より小さいこと、ま
た、上記組成の低膨張鋳鉄以外の金属では、通常の鉄系
材料より熱膨張係数がセラミックスに近く、かつ鋳ぐる
みが可能であるという上記組成の低膨張鋳鉄のような好
適な特性を有さないからである。又ここでいうセラミッ
クスとは、耐熱性、耐熱衝撃性、耐摩耗性、軽量性、断
熱性等において金属より優れ、かつ、機械構造部材とし
て必要な強度を有する窒化珪素（シリコンナイトライ
ド）、サイアロン、炭化珪素、アルミナ、チタン酸アル
ミニウム等を指す。
【０００８】本発明において、セラミック部材の厚さと
まわりに鋳ぐるみ低膨張鋳鉄の厚さの関係としては、セ
ラミック部材の平均的な厚さより鋳ぐるみ鋳鉄の平均的
厚さが薄いことが望ましい。このような厚さの関係が望
ましい理由は、低膨張鋳鉄といえども熱膨張係数の広範
囲の温度領域の平均値はやはりセラミックスの熱膨張係
数よりも大きく、鋳ぐるみ後の冷却時にセラミック部材
内にセラミックス−金属の熱膨張係数の差による応力が
発生し、セラミックスが薄すぎるとこの応力が大きくな
りすぎてセラミックスが破壊するからである。同様の理
由によりセラミック部材および鋳鉄部材に発生する応力
をＦＥＭ解析等により把握し、応力が充分に小さくなる
よう設計すると更に好ましい。本発明においてセラミッ
ク部材の外形形状としては、開口部の直径を他の部分の
直径よりも小さくすることが望ましい。このような外形
形状が望ましい理由は、低膨張鋳鉄といえども高温時に
おいては、セラミック部材よりも熱膨張係数が大きいた
め、セラミック部材と低膨張鋳鉄との結合力が低下す
る。このような高温時においてもセラミック部材が低膨
張鋳鉄から容易に抜け出さないようにするためである。
まわりに鋳ぐるみ低膨張鋳鉄の厚さの関係としては、セ
ラミック部材の平均的な厚さより鋳ぐるみ鋳鉄の平均的
厚さが薄いことが望ましい。このような厚さの関係が望
ましい理由は、低膨張鋳鉄といえども熱膨張係数の広範
囲の温度領域の平均値はやはりセラミックスの熱膨張係
数よりも大きく、鋳ぐるみ後の冷却時にセラミック部材
内にセラミックス−金属の熱膨張係数の差による応力が
発生し、セラミックスが薄すぎるとこの応力が大きくな
りすぎてセラミックスが破壊するからである。同様の理
由によりセラミック部材および鋳鉄部材に発生する応力
をＦＥＭ解析等により把握し、応力が充分に小さくなる
よう設計すると更に好ましい。本発明においてセラミッ
ク部材の外形形状としては、開口部の直径を他の部分の
直径よりも小さくすることが望ましい。このような外形
形状が望ましい理由は、低膨張鋳鉄といえども高温時に
おいては、セラミック部材よりも熱膨張係数が大きいた
め、セラミック部材と低膨張鋳鉄との結合力が低下す
る。このような高温時においてもセラミック部材が低膨
張鋳鉄から容易に抜け出さないようにするためである。
【０００９】セラミックスを低膨張鋳鉄で鋳ぐるむ際
は、注湯時に熱衝撃によりセラミックスが破壊すること
がないようセラミック部材の耐熱衝撃温度を考慮してセ
ラミック部材を予加熱してセラミックスと金属溶湯との
温度差を小さくしておくことが好ましい。この理由から
セラミック部材を約６００℃以上に予加熱しておくこと
が望ましく、約８００℃以上に予加熱すればさらに好ま
しい。セラミック部材の予加熱に際しては、セラミック
スを鋳型にセットした状態で鋳型とともに予加熱するこ
とが作業能率上、さらにはセラミックスが冷えてしまう
ことを防止する観点から好ましく、また鋳型としては高
温に耐えるセラミック鋳型を用いることが好ましい。
は、注湯時に熱衝撃によりセラミックスが破壊すること
がないようセラミック部材の耐熱衝撃温度を考慮してセ
ラミック部材を予加熱してセラミックスと金属溶湯との
温度差を小さくしておくことが好ましい。この理由から
セラミック部材を約６００℃以上に予加熱しておくこと
が望ましく、約８００℃以上に予加熱すればさらに好ま
しい。セラミック部材の予加熱に際しては、セラミック
スを鋳型にセットした状態で鋳型とともに予加熱するこ
とが作業能率上、さらにはセラミックスが冷えてしまう
ことを防止する観点から好ましく、また鋳型としては高
温に耐えるセラミック鋳型を用いることが好ましい。
【００１０】さらに鋳ぐるみにおいては、セラミックス
と鋳鉄の密着性を良くするため溶湯を鋳型に注湯した直
後より溶湯を加圧するか、または鋳型内部を吸引、減圧
することが好ましい。鋳造後は、焼鈍炉にて徐冷し、特
に４００℃〜６００℃においては保持時間を長くとるこ
とが鋳物の応力除去に有効である。冷却が早すぎると熱
膨張差による応力のためにセラミックスの破損又は剥離
を生ずる。部品の軽量化の観点からは、セラミックス−
金属複合体の金属部分のできる限り多くの部分をアルミ
ニウム合金等の（強度／重量）比の高い材料で構成する
ことが望ましいため、セラミックスを低膨張鋳鉄で鋳ぐ
るんだ外側をさらにアルミニウム合金等で鋳ぐるむ構造
とすることが望ましい。
と鋳鉄の密着性を良くするため溶湯を鋳型に注湯した直
後より溶湯を加圧するか、または鋳型内部を吸引、減圧
することが好ましい。鋳造後は、焼鈍炉にて徐冷し、特
に４００℃〜６００℃においては保持時間を長くとるこ
とが鋳物の応力除去に有効である。冷却が早すぎると熱
膨張差による応力のためにセラミックスの破損又は剥離
を生ずる。部品の軽量化の観点からは、セラミックス−
金属複合体の金属部分のできる限り多くの部分をアルミ
ニウム合金等の（強度／重量）比の高い材料で構成する
ことが望ましいため、セラミックスを低膨張鋳鉄で鋳ぐ
るんだ外側をさらにアルミニウム合金等で鋳ぐるむ構造
とすることが望ましい。
【００１１】低膨張鋳鉄の外側をアルミニウム合金で鋳
ぐるむ際には、低膨張鋳鉄の表面にアルフィン処理、又
はアルメルト処理を施すと、鋳鉄とアルミニウム合金が
化学的に結合し、界面に隙間の無い強固な結合を実現す
るのに有効である。セラミックス−低膨張鋳鉄複合体を
アルミニウム合金で鋳ぐるむ際には、ヒケス等が発生し
ないようにガス圧もしくは油圧にて２〜５０kg/cm2の加
圧鋳造を行なうことが望ましい。
ぐるむ際には、低膨張鋳鉄の表面にアルフィン処理、又
はアルメルト処理を施すと、鋳鉄とアルミニウム合金が
化学的に結合し、界面に隙間の無い強固な結合を実現す
るのに有効である。セラミックス−低膨張鋳鉄複合体を
アルミニウム合金で鋳ぐるむ際には、ヒケス等が発生し
ないようにガス圧もしくは油圧にて２〜５０kg/cm2の加
圧鋳造を行なうことが望ましい。
【００１２】
【実施例】以下、図示の実施例に基づき本発明をさらに
詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限られる
ものではない。 （実施例１） 図１は本発明のセラミックスと金属の鋳ぐるみ複合体を
直噴ディーゼルエンジンの２分割ピストンのクラウン部
に応用した例である。図１に示すように、ピストン燃焼
室のキャビティー１を重量当りの伝熱抵抗が大きく外形
形状としては、開口部の直径が他の部分の直径よりも小
さいシリコンナイトライド製の肉厚の部材で構成し、こ
れをピストン本体を構成する低膨張鋳鉄３で鋳ぐるむこ
とにより、燃焼室内の燃焼ガスから燃焼室壁面への伝熱
損失を低減可能とし、また、燃焼室開口部の耐熱性が向
上させて、金属製のピストンで問題になる開口部の焼
損、亀裂発生等のトラブルを防止することを目的とした
利用例である。このような構成としたことにより、使用
温度範囲全域でセラミックスの応力が低く、かつ、金属
−セラミックス間の結合強度の高い強度信頼性の高い部
品が得られた。
詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限られる
ものではない。 （実施例１） 図１は本発明のセラミックスと金属の鋳ぐるみ複合体を
直噴ディーゼルエンジンの２分割ピストンのクラウン部
に応用した例である。図１に示すように、ピストン燃焼
室のキャビティー１を重量当りの伝熱抵抗が大きく外形
形状としては、開口部の直径が他の部分の直径よりも小
さいシリコンナイトライド製の肉厚の部材で構成し、こ
れをピストン本体を構成する低膨張鋳鉄３で鋳ぐるむこ
とにより、燃焼室内の燃焼ガスから燃焼室壁面への伝熱
損失を低減可能とし、また、燃焼室開口部の耐熱性が向
上させて、金属製のピストンで問題になる開口部の焼
損、亀裂発生等のトラブルを防止することを目的とした
利用例である。このような構成としたことにより、使用
温度範囲全域でセラミックスの応力が低く、かつ、金属
−セラミックス間の結合強度の高い強度信頼性の高い部
品が得られた。
【００１３】図２は、図１に示した実施例の鋳ぐるみ方
法の例を示すものである。外周面が焼成面のままで機械
加工を施していないシリコンナイトライド製ピストンキ
ャビティー部材１をセラミック製鋳型２の中にセットし
た後、セラミック鋳型２ごと加熱し、約９００℃に予め
加熱した後に、重量比でＣ １．２％、Ｓｉ １．２
％、Ｍｎ ０．３％以下、Ｎｉ ２８％、Ｃｏ １４
％、Ｍｇ ０．０３％、Ｎｂ ０．３％の化学組成の低
膨張鋳鉄３の１４００℃の溶湯を鋳型に注湯した。この
際、シリコンナイトライド製ピストンキャビティー部材
１と低膨張鋳鉄３との密着性を良くするため、下部チャ
ンバー４を通じて鋳型２の内部を吸引減圧した。溶湯温
度が約８００℃に低下した時点で電気炉に鋳型２ごと移
し、常温まで除冷後、鋳型２より離型してセラミックス
−低膨張鋳鉄複合体を得た後、低膨張鋳鉄３の外周を機
械加工した。
法の例を示すものである。外周面が焼成面のままで機械
加工を施していないシリコンナイトライド製ピストンキ
ャビティー部材１をセラミック製鋳型２の中にセットし
た後、セラミック鋳型２ごと加熱し、約９００℃に予め
加熱した後に、重量比でＣ １．２％、Ｓｉ １．２
％、Ｍｎ ０．３％以下、Ｎｉ ２８％、Ｃｏ １４
％、Ｍｇ ０．０３％、Ｎｂ ０．３％の化学組成の低
膨張鋳鉄３の１４００℃の溶湯を鋳型に注湯した。この
際、シリコンナイトライド製ピストンキャビティー部材
１と低膨張鋳鉄３との密着性を良くするため、下部チャ
ンバー４を通じて鋳型２の内部を吸引減圧した。溶湯温
度が約８００℃に低下した時点で電気炉に鋳型２ごと移
し、常温まで除冷後、鋳型２より離型してセラミックス
−低膨張鋳鉄複合体を得た後、低膨張鋳鉄３の外周を機
械加工した。
【００１４】（実施例２）図３はディーゼルエンジンの
シリンダライナーに本発明のセラミックスと金属の鋳ぐ
るみ複合体を適用した例を示す。すなわち、シリンダラ
イナー５の内面を耐摩耗性に優れ、金属ピストンリング
との間の摩擦係数の小さいシリコンナイトライド６で構
成し、その外側を低膨張鋳鉄３で鋳ぐるむことによりシ
リンダライナー５の摩耗低減、及びエンジンの摩擦損失
の低減を目的とした利用例である。図４は図３の実施例
の部品作製方法を示す。内外面とも焼成面のままで機械
加工を施していない円筒状のシリコンナイトライド製部
材６を金型７内にセットし、表面をカーボン、ジルコン
等にて塗型したインサート金型（中子）８をセットした
後約４００℃に予加熱し、重量比でＣ ２．０％、Ｓｉ
２．３％、Ｍｎ０．３％以下、Ｎｉ ３２．５％、Ｃ
ｏ ５．４％、Ｍｇ ０．０３％の化学組成の低膨張鋳
鉄３の約１３００℃の溶湯を注湯した直後より、油圧約
４０kg/cm2の圧力で上部よりピストン９にて加圧した。
その後、金型７ごと電気炉内で常温まで徐冷した後金型
７より離型して、セラミックスと金属の鋳ぐるみ複合体
を得た。この複合体の鋳鉄外周および上下面を機械加工
し、セラミックス内面を研削加工してシリンダライナー
５を得た。
シリンダライナーに本発明のセラミックスと金属の鋳ぐ
るみ複合体を適用した例を示す。すなわち、シリンダラ
イナー５の内面を耐摩耗性に優れ、金属ピストンリング
との間の摩擦係数の小さいシリコンナイトライド６で構
成し、その外側を低膨張鋳鉄３で鋳ぐるむことによりシ
リンダライナー５の摩耗低減、及びエンジンの摩擦損失
の低減を目的とした利用例である。図４は図３の実施例
の部品作製方法を示す。内外面とも焼成面のままで機械
加工を施していない円筒状のシリコンナイトライド製部
材６を金型７内にセットし、表面をカーボン、ジルコン
等にて塗型したインサート金型（中子）８をセットした
後約４００℃に予加熱し、重量比でＣ ２．０％、Ｓｉ
２．３％、Ｍｎ０．３％以下、Ｎｉ ３２．５％、Ｃ
ｏ ５．４％、Ｍｇ ０．０３％の化学組成の低膨張鋳
鉄３の約１３００℃の溶湯を注湯した直後より、油圧約
４０kg/cm2の圧力で上部よりピストン９にて加圧した。
その後、金型７ごと電気炉内で常温まで徐冷した後金型
７より離型して、セラミックスと金属の鋳ぐるみ複合体
を得た。この複合体の鋳鉄外周および上下面を機械加工
し、セラミックス内面を研削加工してシリンダライナー
５を得た。
【００１５】（実施例３）図５は小型直噴ディーゼルエ
ンジンのピストンに本発明のセラミックスと金属の鋳ぐ
るみ複合体を適用した例である。ピストン燃焼室開口に
設けられたリップ部１１に耐熱性に優れたシリコンナイ
トライドを用いることにより、金属製ピストンでは問題
となるリップ部１１の焼損、亀裂発生等を回避し、かつ
ピストン本体１２は軽量のアルミニウム合金で構成する
ことにより、局部的な熱負荷対策を行ないつつ、かつ部
品全体の重量増加を抑えることを目的とした本発明の利
用例である。実施例１または実施例２と同様の方法によ
り、シリコンナイトライド製リング（リップ部）１１と
低膨張鋳鉄リング３の複合リング状部材を得た後、低膨
張鋳鉄３の表面をアルメルト処理し、この複合リング状
部材を金属製鋳型内にセットして予熱した後、約６００
〜７００℃のアルミニウム合金溶湯を注湯した。この
際、ヒケスの発生を防止するため約５kg/cm2の加圧鋳造
を行なった。その後常温まで除冷後鋳型より離型し、外
周部、ピストンリング溝、ピストンピン穴加工を施して
ピストンを得た。
ンジンのピストンに本発明のセラミックスと金属の鋳ぐ
るみ複合体を適用した例である。ピストン燃焼室開口に
設けられたリップ部１１に耐熱性に優れたシリコンナイ
トライドを用いることにより、金属製ピストンでは問題
となるリップ部１１の焼損、亀裂発生等を回避し、かつ
ピストン本体１２は軽量のアルミニウム合金で構成する
ことにより、局部的な熱負荷対策を行ないつつ、かつ部
品全体の重量増加を抑えることを目的とした本発明の利
用例である。実施例１または実施例２と同様の方法によ
り、シリコンナイトライド製リング（リップ部）１１と
低膨張鋳鉄リング３の複合リング状部材を得た後、低膨
張鋳鉄３の表面をアルメルト処理し、この複合リング状
部材を金属製鋳型内にセットして予熱した後、約６００
〜７００℃のアルミニウム合金溶湯を注湯した。この
際、ヒケスの発生を防止するため約５kg/cm2の加圧鋳造
を行なった。その後常温まで除冷後鋳型より離型し、外
周部、ピストンリング溝、ピストンピン穴加工を施して
ピストンを得た。
【００１６】（実施例４）図６はシリコンナイトライ
ド、低膨張鋳鉄、アルミ合金からなる本発明のセラミッ
クスと金属の鋳ぐるみ複合体を実施例３と同様の工程で
作製した例を示す。すなわち、シリコンナイトライドの
耐熱性、断熱性を利用してピストン上部の耐熱性向上、
熱損失低減を目的とし、アルミニウム合金製ピストン１
２の上部をシリコンナイトライド１８で覆う形状で、小
型直噴ディーゼルエンジンのピストンに適用した例であ
る。
ド、低膨張鋳鉄、アルミ合金からなる本発明のセラミッ
クスと金属の鋳ぐるみ複合体を実施例３と同様の工程で
作製した例を示す。すなわち、シリコンナイトライドの
耐熱性、断熱性を利用してピストン上部の耐熱性向上、
熱損失低減を目的とし、アルミニウム合金製ピストン１
２の上部をシリコンナイトライド１８で覆う形状で、小
型直噴ディーゼルエンジンのピストンに適用した例であ
る。
【００１７】（実施例５〜７）図７〜９はそれぞれセラ
ミックスを熱負荷の厳しい部位のみに用いた例で、直噴
ディーゼルエンジンの２分割ピストンに適用した例を示
す。図７は、ピストン燃焼室開口に設けられたリップ部
１１に耐熱性に優れたシリコンナイトライドを用い、そ
れを低膨張鋳鉄３にて鋳ぐるんだ例である。尚、２１は
アルミニウム製スカート部を示す。図８は、ピストン燃
焼室の中心部を含んだ下部全体の比較的広い部分２０
に、耐熱性、断熱性に優れたシリコンナイトライドを用
いた例を示す。この構成により、熱負荷による溶損、亀
裂対策を行ないつつ燃焼室の断熱性を高め、燃焼室内の
ガス温度を上昇させ、燃費の改善、排ガスの清浄化を実
現することができる。図９は、前記図７および図８の例
を組合せることにより、熱負荷対策、燃焼室の断熱度を
更に向上させた例である。また、図９の実施例のよう
に、複数のセラミック部材で燃焼室を構成することは、
従来の焼ばめ法などでは困難であったが、本発明の鋳ぐ
るみ体により容易に実施可能となった。このように、セ
ラミックスを分割して用いるため、セラミック部材個々
の破壊を回避することができる。
ミックスを熱負荷の厳しい部位のみに用いた例で、直噴
ディーゼルエンジンの２分割ピストンに適用した例を示
す。図７は、ピストン燃焼室開口に設けられたリップ部
１１に耐熱性に優れたシリコンナイトライドを用い、そ
れを低膨張鋳鉄３にて鋳ぐるんだ例である。尚、２１は
アルミニウム製スカート部を示す。図８は、ピストン燃
焼室の中心部を含んだ下部全体の比較的広い部分２０
に、耐熱性、断熱性に優れたシリコンナイトライドを用
いた例を示す。この構成により、熱負荷による溶損、亀
裂対策を行ないつつ燃焼室の断熱性を高め、燃焼室内の
ガス温度を上昇させ、燃費の改善、排ガスの清浄化を実
現することができる。図９は、前記図７および図８の例
を組合せることにより、熱負荷対策、燃焼室の断熱度を
更に向上させた例である。また、図９の実施例のよう
に、複数のセラミック部材で燃焼室を構成することは、
従来の焼ばめ法などでは困難であったが、本発明の鋳ぐ
るみ体により容易に実施可能となった。このように、セ
ラミックスを分割して用いるため、セラミック部材個々
の破壊を回避することができる。
【００１８】（実施例８）図１０は、ディーゼルエンジ
ンのシリンダヘッド本体１３に設けられている排気ポー
トの内面１４を管状のチタン酸アルミニウム部材で構成
するとともに、バルブガイド１５をシリコンナイトライ
ド部材で構成し、またバルブシート１６をシリコンナイ
トライドで構成し、さらに触火面であるシリンダーヘッ
ドプレート１７をシリコンナイトライドの円板状部材で
構成することにより、排気ポートでの熱損失低減、バル
ブガイド１５およびバルブシート１６の摩耗低減、触火
面への熱損失低減を図った本発明のセラミックス−金属
の鋳ぐるみ複合部材の適用例である。
ンのシリンダヘッド本体１３に設けられている排気ポー
トの内面１４を管状のチタン酸アルミニウム部材で構成
するとともに、バルブガイド１５をシリコンナイトライ
ド部材で構成し、またバルブシート１６をシリコンナイ
トライドで構成し、さらに触火面であるシリンダーヘッ
ドプレート１７をシリコンナイトライドの円板状部材で
構成することにより、排気ポートでの熱損失低減、バル
ブガイド１５およびバルブシート１６の摩耗低減、触火
面への熱損失低減を図った本発明のセラミックス−金属
の鋳ぐるみ複合部材の適用例である。
【００１９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のセラミッ
クスと金属の鋳ぐるみ複合体によれば、常温においてセ
ラミックスに発生する応力が低く、セラミックスの金属
との結合部の機械加工を行なわずに作製可能なため作業
工程が少なく低コストであり、しかも充分なセラミック
ス−金属間の結合強度を高温においても有するセラミッ
クス−金属複合体を得ることができる。また、本発明に
おいては、単独では脆性のため信頼性の低いセラミック
スを金属との複合構造で機械構造用部材として使用する
ことを容易にして、セラミックスの耐熱性、耐摩耗性、
軽量性、断熱性等を利用した機械構造用部品、特にセラ
ミック鋳ぐるみピストンとして実用化可能とするため、
産業上極めて有益である。
クスと金属の鋳ぐるみ複合体によれば、常温においてセ
ラミックスに発生する応力が低く、セラミックスの金属
との結合部の機械加工を行なわずに作製可能なため作業
工程が少なく低コストであり、しかも充分なセラミック
ス−金属間の結合強度を高温においても有するセラミッ
クス−金属複合体を得ることができる。また、本発明に
おいては、単独では脆性のため信頼性の低いセラミック
スを金属との複合構造で機械構造用部材として使用する
ことを容易にして、セラミックスの耐熱性、耐摩耗性、
軽量性、断熱性等を利用した機械構造用部品、特にセラ
ミック鋳ぐるみピストンとして実用化可能とするため、
産業上極めて有益である。
【図１】本発明に係るセラミックスと金属の鋳ぐるみ複
合体の一実施例を示す概略断面図である。
合体の一実施例を示す概略断面図である。
【図２】図１に示した実施例の鋳ぐるみ方法の例を示す
概略断面図である。
概略断面図である。
【図３】本発明の鋳ぐるみ複合体の他の実施例を示す概
略断面図である。
略断面図である。
【図４】図３の実施例の部品作製方法を示す概略断面図
である。
である。
【図５】本発明の鋳ぐるみ複合体の他の実施例を示す概
略断面図である。
略断面図である。
【図６】本発明の鋳ぐるみ複合体の他の実施例を示す概
略断面図である。
略断面図である。
【図７】熱負荷の厳しい部位のみにセラミックスを適用
した実施例を示す概略断面図である。
した実施例を示す概略断面図である。
【図８】熱負荷の厳しい部位のみにセラミックスを適用
した他の実施例を示す概略断面図である。
した他の実施例を示す概略断面図である。
【図９】熱負荷の厳しい部位のみにセラミックスを適用
した他の実施例を示す概略断面図である。
した他の実施例を示す概略断面図である。
【図１０】本発明の鋳ぐるみ複合体の他の実施例を示す
概略断面図である。
概略断面図である。
【符号の説明】 １ ピストンキャビティー、２ セラミック製鋳型、３
低膨張鋳鉄、４ 下部チャンバー、５ シリンダライ
ナー、６ シリコンナイトライド、７ 金型、８インサ
ート金型、９ ピストン、１１ リップ部、１２ ピス
トン本体、１３ シリンダヘッド本体、１４ 排気ポー
ト内面、１５ バルブガイド、１６ バルブシート、１
７ シリンダーヘッドプレート、１８ シリコンナイト
ライド、２０ 燃焼室下部、２１ アルミニウム製スカ
ート部
低膨張鋳鉄、４ 下部チャンバー、５ シリンダライ
ナー、６ シリコンナイトライド、７ 金型、８インサ
ート金型、９ ピストン、１１ リップ部、１２ ピス
トン本体、１３ シリンダヘッド本体、１４ 排気ポー
ト内面、１５ バルブガイド、１６ バルブシート、１
７ シリンダーヘッドプレート、１８ シリコンナイト
ライド、２０ 燃焼室下部、２１ アルミニウム製スカ
ート部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭53−79112（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−216966（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−210149（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−298236（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−306540（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−80650（ＪＰ，Ｕ)
Claims (3)
- 【請求項１】 セラミックスを、重量比で、Ｃ ０．３
〜２．０％、Ｎｉ２５〜３２％、Ｃｏ １２〜２０％、
Ｓｉ ０．３〜２．０％、Ｎｂ ０．２〜０．８％、Ｍ
ｇ又はＣａ ０．０１〜０．２％、Ｍｎ １．０％以
下、残部は不純物を含むＦｅの組成を有し、室温〜４０
０℃の熱膨張係数が３．５×１０-6／℃〜９．０×１０
-6／℃である低膨張鋳鉄で鋳ぐるんだことを特徴とする
セラミックスと金属の鋳ぐるみ複合体。 - 【請求項２】 セラミックスを、重量比で、Ｃ ０．８
〜３．０％、Ｎｉ３０〜３４％、Ｃｏ ４．０〜６．０
％、Ｓｉ １．０〜３．０％、Ｍｎ ２．０％以下、硫
黄１．０％以下、リン １．５％以下、Ｍｇ １．０％
以下、残部は不純物を含むＦｅの組成を有し、室温〜４
００℃の熱膨張係数が９×１０ -6 ／℃以下、室温〜２０
０℃の熱膨張係数が２×１０ -6 ／℃〜３×１０ -6 ／℃で
ある低膨張鋳鉄で鋳ぐるんだことを特徴とするセラミッ
クスと金属の鋳ぐるみ複合体。 - 【請求項３】 低膨張鋳鉄側をさらにアルミニウム合金
で鋳ぐるんだことを特徴とする請求項１又は２記載のセ
ラミックスと金属の鋳ぐるみ複合体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3205558A JP2920004B2 (ja) | 1990-07-23 | 1991-07-22 | セラミックスと金属の鋳ぐるみ複合体 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19445390 | 1990-07-23 | ||
| JP2-194453 | 1990-07-23 | ||
| JP3205558A JP2920004B2 (ja) | 1990-07-23 | 1991-07-22 | セラミックスと金属の鋳ぐるみ複合体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04356344A JPH04356344A (ja) | 1992-12-10 |
| JP2920004B2 true JP2920004B2 (ja) | 1999-07-19 |
Family
ID=26508511
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3205558A Expired - Fee Related JP2920004B2 (ja) | 1990-07-23 | 1991-07-22 | セラミックスと金属の鋳ぐるみ複合体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2920004B2 (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8707853B1 (en) | 2013-03-15 | 2014-04-29 | S.P.M. Flow Control, Inc. | Reciprocating pump assembly |
| USD726224S1 (en) | 2013-03-15 | 2015-04-07 | S.P.M. Flow Control, Inc. | Plunger pump thru rod |
| USD791192S1 (en) | 2014-07-25 | 2017-07-04 | S.P.M. Flow Control, Inc. | Power end frame segment |
| US10316832B2 (en) | 2014-06-27 | 2019-06-11 | S.P.M. Flow Control, Inc. | Pump drivetrain damper system and control systems and methods for same |
| US10352321B2 (en) | 2014-12-22 | 2019-07-16 | S.P.M. Flow Control, Inc. | Reciprocating pump with dual circuit power end lubrication system |
| US10436766B1 (en) | 2015-10-12 | 2019-10-08 | S.P.M. Flow Control, Inc. | Monitoring lubricant in hydraulic fracturing pump system |
| USD870157S1 (en) | 2015-07-24 | 2019-12-17 | S.P.M. Flow Control, Inc. | Power end frame segment |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5379112A (en) * | 1976-12-24 | 1978-07-13 | Isuzu Motors Ltd | Piston having a combustion chamber |
| JPS6051547B2 (ja) * | 1982-05-29 | 1985-11-14 | 新一 榎本 | 低熱膨張鋳鉄 |
| JPS60216966A (ja) * | 1984-04-10 | 1985-10-30 | Daido Steel Co Ltd | セラミクス−鉄基合金複合体 |
| JPH0180650U (ja) * | 1987-11-20 | 1989-05-30 | ||
| JPH01306540A (ja) * | 1988-05-31 | 1989-12-11 | Shinichi Enomoto | 低熱膨張合金鉄 |
| JPH02298236A (ja) * | 1989-05-12 | 1990-12-10 | Shinichi Enomoto | 鋳造用低熱膨脹合金 |
-
1991
- 1991-07-22 JP JP3205558A patent/JP2920004B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| USD726224S1 (en) | 2013-03-15 | 2015-04-07 | S.P.M. Flow Control, Inc. | Plunger pump thru rod |
| US9695812B2 (en) | 2013-03-15 | 2017-07-04 | S.P.M. Flow Control, Inc. | Reciprocating pump assembly |
| US8707853B1 (en) | 2013-03-15 | 2014-04-29 | S.P.M. Flow Control, Inc. | Reciprocating pump assembly |
| US10316832B2 (en) | 2014-06-27 | 2019-06-11 | S.P.M. Flow Control, Inc. | Pump drivetrain damper system and control systems and methods for same |
| US11181101B2 (en) | 2014-06-27 | 2021-11-23 | Spm Oil & Gas Inc. | Pump drivetrain damper system and control systems and methods for same |
| US10393182B2 (en) | 2014-07-25 | 2019-08-27 | S.P.M. Flow Control, Inc. | Power end frame assembly for reciprocating pump |
| US11204030B2 (en) | 2014-07-25 | 2021-12-21 | Spm Oil & Gas Inc. | Support for reciprocating pump |
| US11898553B2 (en) | 2014-07-25 | 2024-02-13 | Spm Oil & Gas Inc. | Power end frame assembly for reciprocating pump |
| US9879659B2 (en) | 2014-07-25 | 2018-01-30 | S.P.M. Flow Control, Inc. | Support for reciprocating pump |
| US11746775B2 (en) | 2014-07-25 | 2023-09-05 | Spm Oil & Gas Inc. | Bearing system for reciprocating pump and method of assembly |
| US10087992B2 (en) | 2014-07-25 | 2018-10-02 | S.P.M. Flow Control, Inc. | Bearing system for reciprocating pump and method of assembly |
| USD791192S1 (en) | 2014-07-25 | 2017-07-04 | S.P.M. Flow Control, Inc. | Power end frame segment |
| US10520037B2 (en) | 2014-07-25 | 2019-12-31 | S.P.M. Flow Control, Inc. | Support for reciprocating pump |
| US10677244B2 (en) | 2014-07-25 | 2020-06-09 | S.P.M. Flow Control, Inc. | System and method for reinforcing reciprocating pump |
| US11421682B2 (en) | 2014-12-22 | 2022-08-23 | Spm Oil & Gas Inc. | Reciprocating pump with dual circuit power end lubrication system |
| US10352321B2 (en) | 2014-12-22 | 2019-07-16 | S.P.M. Flow Control, Inc. | Reciprocating pump with dual circuit power end lubrication system |
| USD870156S1 (en) | 2015-07-24 | 2019-12-17 | S.P.M. Flow Control, Inc. | Power end frame segment |
| USD870157S1 (en) | 2015-07-24 | 2019-12-17 | S.P.M. Flow Control, Inc. | Power end frame segment |
| US10436766B1 (en) | 2015-10-12 | 2019-10-08 | S.P.M. Flow Control, Inc. | Monitoring lubricant in hydraulic fracturing pump system |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04356344A (ja) | 1992-12-10 |
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