JPH0129979B2 - - Google Patents

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JPH0129979B2
JPH0129979B2 JP56114846A JP11484681A JPH0129979B2 JP H0129979 B2 JPH0129979 B2 JP H0129979B2 JP 56114846 A JP56114846 A JP 56114846A JP 11484681 A JP11484681 A JP 11484681A JP H0129979 B2 JPH0129979 B2 JP H0129979B2
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JP
Japan
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piston
ceramic
bonded structure
internal combustion
piston body
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JP56114846A
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JPS5815743A (ja
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Tsugio Iino
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Mahle Engine Components Japan Corp
Original Assignee
Izumi Automotive Industry Co Ltd
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00Pistons 
    • F02F3/10Pistons  having surface coverings
    • F02F3/12Pistons  having surface coverings on piston heads
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F7/00Casings, e.g. crankcases
    • F02F7/0085Materials for constructing engines or their parts
    • F02F7/0087Ceramic materials
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2253/00Other material characteristics; Treatment of material
    • F05C2253/16Fibres

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関に用いられるピストンおよび
その製造方法に係り、特にその一部にセラミツク
構造体を用いたピストンおよびその製造方法に関
するものである。
内燃機関の燃焼室を断熱化することにより、放
熱損失が少なくなり熱効率が向上する。さらに燃
焼室を断熱化すると排ガス対策が容易になり、低
質燃料を使用し得るようになるとともに、排気エ
ネルギーを有効利用することが可能となる。そこ
でシリンダヘツド、シリンダライナ、およびピス
トンについて耐熱性に優れかつ断熱性を有する材
料、例えばセラミツクを利用する試みがなされて
いる。特に燃焼室壁面の一部を構成するピストン
は断熱によつて相当の高温にさらされるので、高
温特性すなわち耐熱亀裂性や耐酸化性を有してい
なければならない。このような観点からみると、
セラミツクは好ましいものである。しかしセラミ
ツクでピストンを一体に形成することは、生産性
やコストの面で困難な問題を伴つている。
そこで従来から公知のピストン材料、例えばア
ルミニウム等の軽金属や鋳鉄によつてピストン本
体を形成し、その頭部にセラミツク構造体を被せ
てピストン本体を熱的に防禦する試みがなされて
いる。この場合にはピストン本体とは別体に構成
されたセラミツク構造体をピストン本体頭部に固
着する際に、しまりばめによつて機械的に結合す
る方法や、鋳込みによつて結合する方法、あるい
は溶射によつて被覆結合する方法等が試みられて
いる。しかしこれらの何れの方法によつてもセラ
ミツク構造体とピストン本体との結合がうまくい
かず、セラミツク構造体に亀裂が発生し、断熱性
に優れたピストンを提供することができなかつ
た。
そこで例えば、実開昭54−141209号公報に示さ
れているように、セラミツクを多孔性金属材料の
一部に先づ含浸させて焼成し、その後この金属材
料を鋳型の壁の所定位置に沿うように配して注湯
を行い、鋳造するようにした内燃機関用ピストン
が提案された。
しかしながらこのような考案も、熱膨張率の相
違等苛酷な条件を克服するには充分な手段として
機能していない。
本発明は上述の点に鑑み、前記セラミツク構造
体が一部脱落するような不都合を生じない内燃機
関用ピストンおよびその製造方法を提供するもの
である。
本発明は、多孔性結合構造体の一部にセラミツ
クを充填しかつ焼成することによつて形成される
ピストン頂部と、金属で構成されかつ少なくとも
その一部が上記多孔性結合構造体の残部に加圧注
入された部分より成る加圧鋳造製のピストン本体
とを具備する内燃機関用ピストンに係るものであ
る。
また本発明は、所定形状に形成された多孔性結
合構造体の一部にピストン頂部となるべきセラミ
ツクを充填するため上記多孔性結合構造体の残部
にワツクスを充填し、上記一部にセラミツクが充
填された多孔性結合構造体を所定温度で加熱して
上記セラミツクを焼結すると共に、上記ワツクス
を除去して、ピストン本体を加圧鋳造するとき多
孔性結合構造体の上記残部に溶湯を圧入すること
により上記ピストン本体の一部を形成した内燃機
関用ピストンの製造方法に係るものである。
したがつてセラミツクにて構成されたピストン
頂部と、鋳造金属から成るピストン本体とは、加
圧鋳造により多孔性結合構造体を介して確実に結
合される。それ故上記セラミツクが一部脱落する
ごとき不都合は生じない。
以下本発明を実施例につき図面を参照して説明
する。まず第1の実施例をその製造工程の順に説
明する。第1図および第2図に示すように偏平な
円柱状の金属繊維集合体から成る結合構造体1を
用意する。この構造体1はニツケル基合金、コバ
ルト基合金、鉄基合金、銅合金等より成る、例え
ば太さ500μ以下の金属繊維の集合体から成り、
好ましくはこの金属繊維を焼結させたものであ
る。焼結する場合には、この焼結工程において金
属繊維が互に交差するところは点溶接されるため
に、構造体を構成する無数の繊維は互に強固に結
合されることになる。そしてこの結合構造体1は
繊維間に無数の孔を有しており、その気孔率は最
大で約90%に達する。なおこの結合構造体1は焼
結の際に、その直径がピストンの直径とほぼ同じ
で、その高さがピストンの直径の1/2〜1/20の範
囲の所望の偏平な円柱状の形状に成形される。ま
たその上面には燃焼室を構成する凹部4が形成さ
れる。
次に第3図に示すようにこの結合構造体1に形
成されている無数の孔の内、高さ方向の約半分の
部分の孔にワツクス2を完全に充填する。このワ
ツクス2は例えばロストワツクス法で使用されて
いるワツクスであつてよい。次に第4図に示すよ
うに、この結合構造体1を反転させて上下を逆様
にする。そしてスラリー状にしたセラミツクを供
給して、このセラミツクを結合構造体1の残りの
約半分の部分の孔に充填させる。なおこのセラミ
ツクのスラリーの注入は図外の型枠内に上記結合
構造体1を配して行なうとよい。このようにして
結合構造体1の上側の約半分の高さの部分にセラ
ミツク層が形成されることになる。このセラミツ
クの層がピストン頂部となる後述のセラミツク構
造体3を構成する。なおここで使用されるセラミ
ツクとしては、酸化物系あるいは非酸化物系のセ
ラミツクであつてよく、例えばAl2O3、ZrO2
SiO2、MgO、SiC、Si3N4、AlN、サイアロン
(SiN4+Al2O3)等あるいはこれらの混合物であ
つてよい。
結合構造体1にセラミツク構造体3を構成する
セラミツク層を充填して形成したら、これらを加
熱炉に導き、約400℃〜2100℃の温度に加熱し、
上記セラミツク層を焼結固化させる。このように
して第5図および第6図に示すように、セラミツ
ク構造体3を結合構造体1内に一体に形成する。
このセラミツク構造体3は、結合構造1を構成す
る金属繊維によつて補強されており、しかも結合
構造体1に形成された無数の孔にくい込むように
充填されて結合されているために、セラミツク構
造体3と結合構造体1との結合は極めて大きくな
つている。また炉中におけるセラミツク層の焼結
によつてセラミツク構造体3の上部に上記凹部4
から成る燃焼室が形成される。さらに上記セラミ
ツク層の焼結の際に、結合構造体1の約半分の孔
の部分に充填されていたワツクス2は完全に溶出
し、焼失してしまう。従つて上記ワツクスを除去
するためにさらに別の工程を設ける必要がなく、
工程数が少なくなる。
次にこのセラミツク構造体3と結合構造体(1)と
が一体になつたものを第7図に示すように、下型
5によつて底部が閉塞された円筒状の金型6内に
収納配置する。この場合に上記セラミツク構造体
3が下側になるように配する。そしてピストン本
体を構成するアルミニウム合金あるいは鋳鉄等の
金属8の溶湯を所定量金型6内に注入する。
注湯後直ちにピストンの内部形状と同じ形状を
有する中子状のパンチ型7を第8図に示すように
金型6内に挿入し、このパンチ型7に最大2500
Kg/cm2の圧力を加える。すると溶融金属8は上記
結合構造体1の残りの上半分の部分の孔内に完全
に充填される。
さらに特筆されるべきことは、上記セラミツク
構造体3と溶融金属8との間の境界部分およびそ
の近傍に、この溶融金属の充填されない局部的な
欠陥は全く形成されない。かくして前記圧力下で
金属8が冷却固化されると、ピストン本体8とピ
ストン頂部3とは、前記先行技術の場合よりもは
るかに確実に結合構造体1を介し互いに結合され
ることになる。なおピストン本体8も加圧鋳造に
より、従来の重力鋳造の場合に比してはるかに優
れた特性を有する。
次に本発明の第2の実施例を第9図および第1
0図につき説明する。この実施例において、セラ
ミツク構造体3を形成するまでの工程は上記第1
の実施例と同様であるので、その説明を省略し、
それ以降の工程を説明すると、第5図および第6
図に示すように結合構造体1に一体的に形成され
たセラミツク構造体3を第9図に示すように、下
型5によつて閉塞された円筒状の金型6内に配置
する。この場合においても、セラミツク構造体3
が下側となるように配する。
次いでこの金型6内に溶融したアルミニウム等
の金属11を注入し、注湯後直ちに円柱状のパン
チ型12を押込む。これによつて溶融金属11が
結合構造体1の多数の孔の部分に完全に充填され
る。なお注入される金属11の量は、この金属1
1が結合構造体1の孔を完全に充填した後に、こ
の結合構造体1の上に金属構造体13が形成され
る量であることを要する。この金属構造体13の
高さ方向の厚みは、結合構造体1の厚みとほぼ等
しいか、あるいはそれよりもやや小さな値であつ
てよい。
次にこの金属構造体13を介して、予め別体に
鋳造成形されたピストン本体14を結合する。こ
の結合は電子ビーム溶接によつて行なうことが好
ましい。すなわち上記金属構造体13の下部に嵌
合用凸部15を形成するとともに、この凸部15
に対応してピストン本体14に嵌合用凹部16を
形成する。そしてこれらの凸部15と凹部16と
を第10図に示すようにしまりばめによつて嵌合
して結合する。そしてこれらを回転させながら第
10図および第11図に示すように、矢印17,
18の位置に電子ビームを照射して、ピストン本
体14と金属構造体13との接合部を溶接して結
合する。
電子ビーム溶接によると、そのビームの強さを
所望の値とすることにより、金属材料中を完全に
貫通させることができ、従つて金属構造体13と
ピストン本体14とを、それらの中心部まで完全
に溶接することができる。また電子ビーム溶接に
よれば、溶融部の巾が極めて狭くなり、熱的に影
響を及ぼす区域も限られて不都合な熱応力分布が
生ずることがない。従つてこの溶接によつてピス
トンに亀裂を生ずることもなく、内部欠陥のない
ピストンが得られる。
本発明は上述ような構成であるから、セラミツ
クから成るピストン頂部と、金属で構成されるピ
ストン本体との境界部分およびその近傍に、ピス
トン本体の鋳造時に局部的な欠陥を生じることが
ない。このためピストン頂部とピストン本体と
は、多孔性結合構造体を介して互いに強固に結合
され、ピストン頂部を構成するセラミツクが、使
用中に脱落するようなおそれは全くない。
さらにピストン本体も加圧鋳造によるから、こ
の発明に係るピストンの形状、強度は、従来のこ
の種ピストンに較べて著しく改善される。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1の実施例における結合構
造体の斜視図、第2図は同断面図、第3図はワツ
クスで一部の孔を充填した結合構造体の断面図、
第4図はセラミツクを注入充填した結合構造体の
断面図、第5図は上記セラミツクを焼結して得ら
れたセラミツク構造体と結合構造体との結合体の
斜視図、第6図は同断面図、第7図はこの結合物
を収納した金型の断面図、第8図はこの金型内に
おける加圧鋳造の動作を示す断面図、第9図は本
発明の第2の実施例における加圧鋳造の動作を示
す金型の断面図、第10図は電子ビーム溶接の動
作を示すピストンの断面図、第11図は同要部拡
大断面図である。 なお図面に用いた符号において、1……結合構
造体、2……ワツクス、3……セラミツク構造体
(ピストン頂部)、8……金属構造体(ピストン本
体)、11……金属、13……金属構造体、14
……ピストン本体である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 多孔性結合構造体の一部にセラミツクを充填
    しかつ焼成することによつて形成されるピストン
    頂部と、 金属で構成されかつ少なくともその一部が上記
    多孔性結合構造体の残部に加圧注入された部分よ
    り成る加圧鋳造製のピストン本体とを具備する内
    燃機関用ピストン。 2 上記ピストン本体は最大2500Kg/cm2の圧力下
    で加圧鋳造されたことを特徴とする請求項1記載
    の内燃機関用ピストン。 3 所定形状に形成された多孔性結合構造体の一
    部にピストン頂部となるべきセラミツクを充填す
    るため上記多孔性結合構造体の残部にワツクスを
    充填し、 上記一部にセラミツクが充填された多孔性結合
    構造体を所定温度で加熱して上記セラミツクを焼
    結すると共に、上記ワツクスを除去して、 ピストン本体を加圧鋳造するとき多孔性結合構
    造体の上記残部に溶湯を圧入することにより上記
    ピストン本体の一部を形成した内燃機関用ピスト
    ンの製造方法。 4 その一部にセラミツクが充填された上記多孔
    性結合構造体の加熱温度が400〜2100℃の範囲に
    ある請求項3記載の内燃機関用ピストンの製造方
    法。 5 上記ピストン本体は最大2500Kg/cm2の圧力下
    で加圧鋳造される請求項3記載の内燃機関用ピス
    トンの製造方法。 6 スラリー状の上記セラミツクが上記多孔性結
    合構造体の一部に充填される請求項3記載の内燃
    機関用ピストンの製造方法。
JP11484681A 1981-07-22 1981-07-22 内燃機関用ピストンおよびその製造方法 Granted JPS5815743A (ja)

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