JPH0131030B2 - - Google Patents

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JPH0131030B2
JPH0131030B2 JP57211385A JP21138582A JPH0131030B2 JP H0131030 B2 JPH0131030 B2 JP H0131030B2 JP 57211385 A JP57211385 A JP 57211385A JP 21138582 A JP21138582 A JP 21138582A JP H0131030 B2 JPH0131030 B2 JP H0131030B2
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JP
Japan
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piston
metal body
engine
metal
buffer
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JP57211385A
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English (en)
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Minoru Matsui
Nobuo Tsuno
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NGK Insulators Ltd
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NGK Insulators Ltd
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Publication date
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Priority to AT83302822T priority patent/ATE29052T1/de
Priority to DE8383302822T priority patent/DE3373120D1/de
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Publication of JPH0131030B2 publication Critical patent/JPH0131030B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明はセラミツクスと金属からなるエンジン
部品に関するものである。
断熱性や耐摩耗性にすぐれたセラミツクスと金
属とを複合したエンジン部品は、エンジンの熱効
率の向上やエンジン部品の耐摩耗性の向上に効果
がある。
かかる部品によるエンジンの熱効率向上をはか
るための１つの構造として、セラミツクスを利用
した断熱構造のピストンがある。このための構造
として、ピストン本体にセラミツクス製のピスト
ンクラウンを金属製のボルトで固定する構造やセ
ラミツクス製のピストンクラウンの周囲に金属製
ピストンスカートを鋳造した構造などが提案され
ている。
しかし、ピストン本体にセラミツクス製ピスト
ンクラウンを金属製ボルトで固定した構造（米国
特許第4242948号明細書）では金属製のボルトを
通して熱がピストンスカートへ逃げるため、ピス
トンの断熱が不十分となる。また、ボルトの材料
は耐熱性を必要とするため、ピストンスカートと
は材料が異なるのが一般的であり、このため使用
中における繰り返しの熱膨脹差によりボルトが緩
む欠点がある。
さらにまた、セラミツクス製ピストンクラウン
にボルト孔を加工するのに高度の加工技術が必要
となるなどの欠点がある。
また、セラミツクス製ピストンクラウンの周囲
にピストンスカートを鋳造した構造では、セラミ
ツクスの熱膨脹係数がピストンスカート用として
一般に使用されるアルミニウム合金や球状黒鉛鋳
鉄より小さいため、セラミツクスが鋳造金属の凝
固後の収縮により破損する欠点がある。この欠点
を解消するため、セラミツクス製ピストンクラウ
ンと鋳造金属の間に繊維状セラミツクスからなる
クツシヨン層を介在させる構造（米国特許第
4245611号明細書）やセラミツクス製ピストンク
ラウンの周囲に金属製リングを焼ばめし、そのリ
ングの周囲にピストンスカートを鋳造した構造
（特開昭56−122659号公報）が提案されている。
しかし、繊維状セラミツクスのクツシヨン層を利
用する構造ではピストンスカートとピストンクラ
ウンの結合が不十分のため、ピストン運転中にピ
ストンクラウンが緩む欠点がある。また、セラミ
ツクス製ピストンクラウンの周囲に金属リングを
焼ばめした構造では、セラミツクス製ピストンク
ラウンと金属リングの加工に高精度が要求される
欠点がある。
さらにまた、エンジン部品の耐摩耗性向上のた
め、カムとの摺接面をセラミツクスとするタペツ
ト（WO82／01034号公報）が提案されている。
このタペツトはセラミツクス体がタペツト本体に
焼ばめされているため、セラミツクスと金属の加
工に高精度が要求される欠点がある。
本発明は従来のセラミツクスと金属を複合した
エンジン部品の欠点を解決するための、製造が容
易で断熱性あるいは耐摩耗性にすぐれたエンジン
部品を得ることを目的とするもので、セラミツク
ス製部材と金属製エンジン部品本体が、該金属製
エンジン部品本体とは異なる金属材料からなる緩
衝金属体を介して結合されている構造のエンジン
部品において、セラミツクス製部材と緩衝金属体
とが、該セラミツクス製部材の緩衝金属体との被
接合面に被着されたメタライズ層を介して、ろう
付けあるいは拡散接合のいずれかの方法で接合さ
れていることを特徴とするエンジン部品である。
ここでいうメタライズ層とは、セラミツクスの
表面を金属化させるために、金属粉末を主成分と
するペースト状組成物をセラミツクス表面に塗布
したのち乾燥し、その後還元性雰囲気、非酸化性
雰囲気または水蒸気分圧を調整した水素雰囲気中
で加熱してセラミツクス表面に被着させた金属層
のことである。
本発明を断熱エンジン用ピストンの具体例を示
す第１図、第２図、第３図、第４図、第５図なら
びにタペツトの一具体例を示す第６図を用いてさ
らに詳細に説明する。
第１図に示した断熱エンジン用ピストンは底面
にメタライズ層２を被着させた円板状セラミツク
ス製ピストンクラウン１と金属製ピストンスカー
ト６とを、ピストンスカートとは異なる種類の緩
衝金属体３を介し、メタライズ層と緩衝金属体と
の接合部４と緩衝金属体とピストンスカートとの
接合部５で一体的に接合した断熱エンジン用ピス
トンである。
ピストンクラウン１を構成するセラミツクスと
しては低熱伝導率、高強度、耐熱性、耐食性など
の特性を有し、熱膨脹係数がピストンスカート６
を構成する金属の熱膨脹係数に近いものが好まし
い。このようなセラミツクスとしては種々のアル
ミナ、炭化珪素、ジルコニア、窒化珪素等のセラ
ミツクスが利用できるが、どのセラミツクスを利
用するかはピストンスカート６を構成する金属の
種類に応じて選択する。
ジルコニアセラミツクス製ピストンクラウンに
対しては、熱膨脹係数がジルコニアセラミツクス
に近いので鋳鉄で作られたピストンスカートが好
ましく、とくに球状黒鉛鋳鉄製のピストンスカー
トがより好ましい。ジルコニアセラミツクスとし
てMgOあるいはY2O3を含む部分安定化ジルコニ
アが好ましく、Y2O3を含む部分安定化ジルコニ
アが高強度であり、しかも靭性が大きいのでより
好ましい。
セラミツクス製ピストンクラウン１の底面に被
着されるメタライズ層としては、Mo、Ｗ、Fe、
Ni、Cuなどの金属の一種又は一種以上を主成分
とするメタライズ層を利用する。このうちMoを
主成分とするメタライズ層が好ましく、Y2O3を
含むジルコニアセラミツクス製ピストンクラウン
に対してはMo70〜90重量％、MnO0.5〜15重量
％、Y2O30.1〜10重量％、Al2O30.1〜15重量％、
SiO20.1〜15重量％、ZrO20〜10重量％からなる
メタライズ層がジルコニアセラミツクスに対する
接合強度が大きいのでより好ましい。
セラミツクス製ピストンクラウンの底部に被着
したメタライズ層に接合する緩衝金属体３はフエ
ライト系ステンレス鋼、Fe−Cr合金、Fe−Cr−
Ni合金、Fe−Ni合金、Fe−Ni−Co合金、Ti、
Ti合金など熱膨脹係数が14×10-6（℃-1）以下の
緩衝金属が好ましく、熱膨脹係数がピストンクラ
ウン１を構成するセラミツクスの熱膨脹係数と同
等又はそれ以下の緩衝金属がより好ましい。セラ
ミツクス製ピストンクラウンの底部に被着してい
るメタライズ層に接合した緩衝金属体の熱膨脹係
数がピストンクラウンを構成するセラミツクスの
熱膨脹係数より大きい場合には、接合後の冷却時
にピストンクラウン１の側面に引張の熱応力が発
生するので好ましくなく、緩衝金属体の熱膨脹係
数が14×10-6（℃-1）以上ではこの引張の熱応力
のためピストンクラウンが破損するのでとくに好
ましくない。
メタライズ層２と緩衝金属体３との接合構造は
ろう付けあるいは拡散接合のいずれの構造であつ
てもよいが、緩衝金属体３の種類あるいはメタラ
イズ層２と緩衝金属体３の間に存在する接合層に
要求される高温での強度などの機械的特性に応じ
て、使用するろう材や拡散接合のインサート金属
を決定する。
また、メタライズ層２と緩衝金属体３の接合に
先立つて、メタライズ層あるいは緩衝金属体の表
面の両方あるいは一方に金属メツキを施すことが
メタライズ層２と緩衝金属体３の接合を強固にす
るうえで好ましく、一般にはメタライズ層に金属
メツキを行う方がより好ましい。メツキする金属
の種類はメタライズ層２、緩衝金属体３ならびに
使用するろう材の種類や接合構造に応じて、脆弱
な金属間化合物の形成防止、ろう材との濡れ、接
触する金属同士の相互拡散の容易さなどを考慮し
て選択する。
緩衝金属体３とピストンスカート６との接合
は、ピストンの構造、形状、使用条件、ピストン
スカートを構成する金属の種類に応じて、ろう付
け、拡散接合、溶接、ボルト結合、鋳ぐるみのい
ずれかを選択する。融点が低く、熱膨脹係数が大
きいアルミニウム合金製ピストンスカートと緩衝
金属体との接合は拡散接合、鋳ぐるみ、ボルト結
合のいずれかによるのが好ましい。ピストンクラ
ウン１とピストンスカート６の接合は、緩衝金属
体３とメタライズ層２との接合と、緩衝金属体３
とピストンスカート６との接合を同時に行つても
よいし、接合構造や使用するろう材の融点に応じ
て別々に行つてもよい。
第２図に示した断熱エンジン用ピストンは底部
にメタライズ層、表面に凹部を有するセラミツク
ス製ピストンクラウン１とピストンスカート６と
を緩衝金属体３を介し、メタライズ層と緩衝金属
体との接合部４の面積を緩衝金属体とピストンス
カートとの接合部５の面積より大として接合した
デイーゼルエンジン用ピストンの一具体例であ
る。直径が小さいピストンではメタライズ層と緩
衝金属体との接合部４と緩衝金属体とピストンス
カートとの接合部５は同じ面積としてもよいが、
直径が大きなピストンでは接合後の冷却時にピス
トンクラウン１とピストンスカート６との収縮量
の差が大きく、セラミツクス製ピストンクラウン
が破損することがあるので、これを防ぐため緩衝
金属体とピストンスカートとの接合部５の面積を
メタライズ層と緩衝金属体との接合部４の面積よ
り小さくするのが好ましい。
また、第２図に示したセラミツクス製ピストン
クラウン１に接合する緩衝金属体３は接合後の冷
却時にメタライズ層と緩衝金属体との接合部４と
ピストンクラウンの境界７に発生する残留応力を
小さくするため、熱膨脹係数がピストンクラウン
を構成するセラミツクスの熱膨脹係数と近似して
いるものが好ましく、とくにメタライズ層と緩衝
金属体との接合部４の境界７においてセラミツク
ス中に残留する熱応力を零ないし圧縮応力とする
ため、熱膨脹係数がピストンクラウンを構成する
セラミツクスと同等又はそれ以下の緩衝金属体が
より好ましい。
第３図に示した断熱エンジン用ピストンは底部
にメタライズ層２を被着させたセラミツクス製ピ
ストンクラウン１と金属製ピストンスカート６と
を直径がピストンクラウン底部の直径より小さい
緩衝金属体３を介して、メタライズ層と緩衝金属
体との接合部４と緩衝金属体とピストンスカート
との接合部５により接合したデイーゼルエンジン
用ピストンの一具体例である。緩衝金属体３の大
きさは各接合部の強度がピストンの運転中に各接
合部に作用する力に耐える大きさとなるように決
定する。なお、緩衝金属体３の周囲に形成される
空間には断熱シート８を設置して、より一層の断
熱化をはかることもある。
第４図に示した断熱エンジン用ピストンは底部
にメタライズ層２を被着させたセラミツクス製ピ
ストンクラウン１とボルト９とを、緩衝金属体３
を介してメタライズ層と緩衝金属体との接合部４
と緩衝金属体とボルトとの接合部１１により接合
し、そのボルトによつてピストンスカート６とセ
ラミツクス製ピストンクラウン１とを接合したデ
イーゼルエンジン用ピストンの一具体例である。
このボルトは緩衝金属体３と同一材料で一体とし
て形成してもよく、あるいはピストンスカート６
と熱膨脹係数が近似した金属を用いてもよく、使
用中のボルトの緩みを防ぐため、ピストンスカー
ト６と同種材料からなるボルト９を緩衝金属体３
に接合するのがもつとも好ましい。
第５図に示した断熱エンジン用ピストンは底部
にメタライズ層２を被着させたピストンクラウン
１と上部に緩衝金属体の片面に形成されている柱
状・突起が挿入可能な孔を有するピストンスカー
ト６を、緩衝金属体３に設けられている柱状突起
をピストンスカート上に設けられている孔に挿入
し、メタライズ層と緩衝金属体との接合部４と緩
衝金属体とピストンスカートとの接合部５により
一対的に接合したデイーゼルエンジン用ピストン
の一具体例である。
第６図に示したタペツトは片面にメタライズ層
２を被着させた円板状のセラミツクスからなるカ
ム摺接面１２とタペツト本体１３を緩衝金属体３
を介し、メタライズ層と緩衝金属体との接合部４
と金属体とタペツト本体との接合部１４で一体的
に接合したタペツトの一具体例である。
つぎに本発明の実施例について述べる。
実施例 １ 5.2重量％のY2O3を含む部分安定化ジルコニア
セラミツクスで直径70mm、厚さ３mmの円板を作製
した。この円板の片面にMo75重量％；Mn10重
量％；SiO210重量％；Al2O35重量％の組成物を
含むメタライズペーストを膜厚0.1mmに塗布し、
90℃で１時間加熱して乾燥したのち、40℃に加温
した水槽中を通した水素と窒素の混合ガス雰囲気
中で1300℃、10時間加熱してメタライズ層を形成
させた。このメタライズ層にはジルコニアセラミ
ツクスから拡散してきたY2O3が0.5〜1.5重量％含
まれている。
このようにして得た片面にメタライズ層を被着
させたジルコニアセラミツクス円板と球状黒鉛鋳
鉄ピストンとを直径70mm、厚さ１mmのチタン金属
板を介して真空中で銀ろう付けし、直径70mm、高
さ69mmの第１図に示すようなピストンを作製し
た。
また、参考例としてメタライズ層を被着させた
ジルコニアセラミツクス円板と球状黒鉛鋳鉄ピス
トンをチタン金属板を介さずに直接銀ろう付けし
た同一寸法のピストンを作製した。この２種類の
ピストンについてシリンダー直径70mm、ストロー
ク75mm、回転数2200rpmのデイーゼルエンジンを
使用し、ピストン頂部に接合したジルコニアセラ
ミツクスが破損する最大の平均有効圧を求めたと
ころ、本発明のピストンでは最大平均有効圧が
14.0Kg／cm2でありもジルコニアセラミツクスに異
常は認められなかつた。一方、参考例のピストン
では最大平均有効圧が8.5Kg／cm2であつた。
このように本発明のピストンは高い平均有効圧
で作動できることが確認された。なお、メタライ
ズ層と金属チタンの接合強度を調べるため、直径
7.5mm、厚さ５mmのジルコニアセラミツクス円板
の両面にMo72重量％；MnO12重量％；SiO28重
量％；Al2O35重量％；Y2O33重量％からなるメタ
ライズ層を被着させた試料と、Mo85重量％；
MnO7重量％；SiO25重量％；Al2O32.5重量％；
Y2O30.5重量％からなるメタライズ層を被着させ
た試料を作り、それぞれの両面に直径7.5mm、長
さ35mmのチタン丸棒を銀ろう付けしたのち、直径
6.7mmの棒状試験片に加工し、引張試験を行つて
接合強度を求めたところ、接合強度はそれぞれ12
Kg／mm2と15Kg／mm2であつた。
実施例 ２ 5.2重量％のY2O3を含む部分安定化ジルコニア
セラミツクスでピストンクラウン上部の直径Ａが
138.7mm、ピストンクラウン底部の直径Ｂが107.0
mm、ピストンクラウンの高さＣが24.4mmの第２図
に示すような形状のピストンクラウン１を作製し
た。
このピストンクラウンの底部にMo70重量％；
Mn10重量％；SiO210重量％；Al2O35重量％；
ZrO24.7重量％；Y2O30.3重量％の組成物を含む
メタライズペーストを塗布し、90℃で１時間加熱
して乾燥したのち35℃に加温した水槽中を通した
水素と窒素の混合ガス雰囲気中で1300℃、10時間
加熱してメタライズ層２を形成させた。また、頭
部に直径107.7mm、深さ27.5mmのくぼみを有する
直径139.7mm、高さ139.5mmの球状黒鉛鋳鉄のピス
トンを作り、くぼみの中央に直径50mm、高さ0.5
mmの円柱状突起を加工した。この円柱状突起表面
とピストンクラウン底部のメタライズ層にニツケ
ルメツキを施したのち、直径100mm、厚さ３mmの
チタン金属板を介し、ピストンクラウンとピスト
ン本体を真空中でろう付けし、第２図に示すよう
な形状のピストンを得た。このピストンはピスト
ンクラウンとピストン本体が強固に接合してい
る。一方、参考例として、チタン金属板を介さず
にピストンクラウン底部のメタライズ層とピスト
ン本体頭部のくぼみ内の円柱状突起表面を直接ろ
う付けしたピストンはろう付け後の冷却時にピス
トンクラウンが破損した。
以上述べたことから明らかなとおり、本発明の
エンジン部品はセラミツクス製部材の表面に被着
したメタライズ層に接合された緩衝金属体を介し
て熱膨脹係数が異なるセラミツクス製部材と金属
製部材とを接合するので、両部材の形状による制
約を受けることなく、強固に接合できる。
とくに、セラミツクス製ピストンクラウンの底
部に被着したメタライズ層と、そのメタライズ層
に接合した緩衝金属体を利用してセラミツクス製
ピストンクラウンと金属製ピストンスカートとを
接合した断熱エンジン用ピストンでは、高温の燃
焼ガスにさらされるピストンクラウンの全表面を
断熱性の高いセラミツクスとすることができるの
で、容易に断熱効果のすぐれたピストンを作るこ
とができる。
また、タペツトはカム摺接面、メタライズ層、
緩衝金属体、接合構造の選択により上述のピスト
ンと同様、耐摩耗性にすぐれたタペツトとするこ
とができる。このように本発明のエンジン部品は
セラミツクスと金属のそれぞれが有するすぐれた
特性を完全に発揮させることができる。
したがつて、セラミツクスの耐熱性、断熱性、
耐食性ならびに耐摩耗性を生かしてピストン、タ
ペツトはもちろん吸気弁、排気弁、ターボチヤー
ジヤー、ロツカーアーム、カムなど高温や繰り返
し荷重ならびに衝撃荷重などを受けるエンジン部
品に適用可能であり、本発明は産業の発展に寄与
する。
【図面の簡単な説明】
第１図、第２図、第３図、第４図ないし第５図
はそれぞれ本発明のエンジン部品の一具体例であ
る断熱エンジン用ピストンの断面を示す説明図、
第６図は本発明のエンジン部品の他の具体例であ
るタペツトの断面を示す説明図である。 １……ピストンクラウン、２……メタライズ
層、３……緩衝金属体、４……メタライズ層と緩
衝金属体との接合部、５……緩衝金属体とピスト
ンスカートとの接合部、６……ピストンスカー
ト、７……メタライズ層と緩衝金属体の接合部境
界、８……断熱シート、９……ボルト、１０……
ナツト、１１……緩衝金属体とボルトとの接合
部、１２……カム摺接面、１３……タペツト本
体、１４……緩衝金属体とタペツト本体との接合
部。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ セラミツクス製部材と金属製エンジン部品本
    体が、該金属製エンジン部品本体とは異なる金属
    材料からなる緩衝金属体を介して結合されている
    構造のエンジン部品において、 セラミツクス製部材と緩衝金属体とが、該セラ
    ミツクス製部材の緩衝金属体との被接合面に被着
    されたメタライズ層を介して、ろう付けあるいは
    拡散接合のいずれかの方法で接合されていること
    を特徴とするエンジン部品。 ２ メタライズ層に施されたメツキ層を介して緩
    衝金属体が接合されている特許請求の範囲第１項
    記載のエンジン部品。 ３ セラミツクス製部材がピストンクラウンであ
    り、金属製部材がピストンスカートである特許請
    求の範囲第１項記載のエンジン部品。 ４ セラミツクス製部材がカムとの摺接面を形成
    し、金属製部材がタペツトである特許請求の範囲
    第１項記載のエンジン部品。 ５ セラミツクス製部材がジルコニアセラミツク
    ス、金属製部材が鋳鉄よりなる特許請求の範囲第
    １項記載のエンジン部品。 ６ 緩衝金属体とセラミツクス製部材の接合面積
    が緩衝金属体と金属製部材との接合面積より大き
    い特許請求の範囲第１項、第２項、第３項又は第
    ４項のいずれかに記載のエンジン部品。 ７ 緩衝金属体の熱膨張係数がセラミツクス製部
    材の熱膨脹係数と同等又はそれ以下である特許請
    求の範囲第１項ないし第６項のいずれかに記載の
    エンジン部品。 ８ 緩衝金属体がチタン、チタン合金、フエライ
    ト系ステンレス鋼、Fe−Cr合金、Fe−Cr−Ni合
    金、Fe−Ni合金の何れかであつて、熱膨脹係数
    が14×10-6（℃-1）以下で緩衝性のある金属体で
    ある特許請求の範囲第１項記載のエンジン部品。 ９ 緩衝金属体がチタン又はチタン合金、セラミ
    ツクス製部材がジルコニアセラミツクスである特
    許請求の範囲第１〜８項の何れかに記載のエンジ
    ン部品。
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