JPH0147619B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関用ピストンおよびその製造方
法に係り、特に金属から成るピストン本体の頂部
にセラミツク溶射層を形成して成るピストンおよ
びその製造方法に関する。

内燃機関用ピストンの燃焼室に臨む頂部の近傍
は、爆発に伴う圧力と熱とを直接受けるために、
機械的応力および熱的応力が複合されて負荷され
ることになる。これらの応力の内、熱的応力につ
いては、高温に長時間さらされることによる熱的
負荷、爆発時と吸気時におけるピストン頂部近傍
の表面での加熱および冷却に伴う熱的疲労、およ
びエンジンの運転時と停止時における加熱および
冷却に伴う熱的疲労がある。さらにジーゼルエン
ジン用ピストンにおいては、低質燃料が使用され
るために、燃焼室での燃焼により生成される腐蝕
性燃焼生成物によつてもたらされる腐蝕をも考慮
しなければならない。このように、内燃機関用ピ
ストンは高温強度、耐熱性および耐蝕性に優れた
ものでなければならない。

このような条件を満たす材料として、セラミツ
クが有望であり、ピストンの頂部をセラミツクに
よつて構成したものが提案されている。このよう
なピストンは耐熱性および耐蝕性の点で従来のピ
ストンに対して大きな優位性を示すものである。
ところで金属から成るピストン本体の頂部にセラ
ミツクを複合させる方法には、ピストンの頂部を
セラミツク構成体によつてつくり、このセラミツ
ク構成体を鋳造による鋳込み等の方法によつてピ
ストン本体に結合する方法、ボルト等の結合手段
によつてセラミツク構成体をピストン本体に結合
する方法、および金属から成るピストン本体の頂
部に溶射によつてセラミツク層を形成する方法が
ある。本発明はこれらの内、ピストン頂部をセラ
ミツク溶射層によつて被覆したピストンおよびそ
の製造方法に係るものである。

従来より行なわれている内燃機関のピストンの
頂部にセラミツクを溶射する方法においては、金
属製のピストンの頂部表面にあらかじめスチール
グリツドでブラストして可及的に荒い凹凸の表面
状態としていた。これはピストン頂部に形成され
るセラミツク溶射層とピストン本体を構成する金
属との結合が、ケミカルボンドではなくメカニカ
ルボンドだからである。しかし上記のような凹凸
によるセラミツク層とピストン本体との結合は十
分な強度をもたらすものではなかつた。すなわち
従来のセラミツク溶射被覆型のピストンの最大の
問題点は、セラミツク溶射層とピストン本体との
熱膨脹係数に差があるために、高温で運転してい
る際にセラミツク溶射層と金属素地との間に高い
歪応力が発生していた。この応力の一部はセラミ
ツク溶射層中に存在する気孔によつてある程度は
吸収されるが、セラミツク溶射層とピストン本体
との結合を確実に保証するものではなく、セラミ
ツク溶射層がやがて剥離あるいは亀裂に至るとい
う欠陥があつた。

このような問題点を解決するために、ピストン
本体を構成する金属素地の表面に密着性の良い金
属を薄く溶射して下地層を形成し、この下地層の
上にセラミツクを溶射する試みがなされていた。
また上記下地層の上にさらにセラミツクと金属と
の複合材を溶射していわゆる中間層を形成し、こ
の中間層の上にさらにセラミツクを溶射するとい
う方法が行なわれていた。しかしながらこのよう
な対策によつても、高温作動時におけるセラミツ
ク溶射被覆層の剥離や亀裂発生の防止は十分には
達成されず、セラミツク溶射層とピストン本体と
の間の結合強度も十分ではない。またこのような
対策によれば異種材料の溶射層を複数回形成する
必要があり、このために工程数が多くなるという
欠点を生ずるとともに、コスト的にも不利なもの
になる。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたも
のであつて、ピストン本体の頂部に形成されたセ
ラミツク溶射層とピストン本体との間における剥
離や、セラミツク溶射層の亀裂等を効果的に防止
するようにした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。特に本発明におい
てはピストン本体とセラミツク溶射層とを結合す
るために多孔質の金属成形体が用いられており、
この金属成形体によつてピストン本体とセラミツ
ク溶射層が強固に結合されるようになつている。
しかもこの金属成形体の気孔部にはまずピストン
本体を構成する金属がほぼ完全に充填され、この
後に上記金属を選択的に除去することにより金属
成形体の一部に再び気孔部を形成し、この気孔部
によつてセラミツク溶射層を金属成形体を介して
ピストン本体と結合するようにしている。

本発明において用いられる金属成形体は所定の
気孔率を有する多孔質のものであつて、その気孔
率は30％〜90％の範囲のものが望ましく、さらに
45％〜65％のものがより好ましい。このような多
孔質の金属成形体は、例えば金属繊維集合体によ
つて構成される。すなわち例えば５〜500μの太
さの鉄基合金あるいは銅基合金の金属繊維の集合
体を用い、この集合体を所定の形状に成形したも
のであつてよい。この金属繊維集合体は、金属繊
維を交錯させるようにして塊状にしたものであつ
てもよいが、交錯点を接合するために焼結を行な
い、これによつてスポツトウエルデイング効果を
得るようにしてもよい。またこの焼結工程は成形
工程の前に行なつてもよく、あるいは後に行なつ
てもよい。

このような金属成形体はピストン本体を鋳造す
るための鋳型内に配される。そしてこの鋳型内に
はピストン本体を構成する金属の溶融体が供給さ
れ、直ちにピストンの内部形状を形成するための
雄型を構成するパンチ型を下降させ、好ましくは
加圧鋳造によつてピストン本体が成形される。こ
の時にピストン本体を構成する溶融金属は上記金
属成形体の気孔部に完全に充填されるとともに、
凝固されてピストン本体を形成することになる。
従つてここで得られるピストン本体は、その上部
に上記金属成形体が一体にかつ強固に結合された
ものである。

次に金属成形体が上部に結合されたピストン本
体を腐蝕液内に導き、上記金属成形体の頂部に充
填されたピストン本体を構成する金属を選択的に
除去する。上記ピストン本体がアルミニウム合金
から構成されるとともに、多孔質の金属成形体が
鉄基合金からなる場合には、水酸化ナトリウムに
よつてエツチングが行なわれ、これによつて金属
成形体の頂部側に充填されたアルミニウム合金の
みが選択的に除去されることになる。この結果ピ
ストンの頂部側において、金属成形体の表面には
再び気孔部が形成されることになる。このように
してセラミツク溶射に極めて好都合な表面状態の
ピストン本体が得られる。

次にこのピストン本体と結合されている金属成
形体の上面にセラミツク溶射層が形成される。こ
こで用いられるセラミツクとしては、安定化ある
いは部分安定化ジルコニア（酸化カルシウムある
いは酸化イツトリウムで安定化あるいは部分安定
化処理を施したジルコニア）やアルミナ等の酸化
物系セラミツク、あるいはタングステンカーバイ
ド等の非酸化物系セラミツクが用いられ、これら
の中から選択されたセラミツクはプラズマ溶射等
の方法により金属成形体の表面に溶射され、セラ
ミツク溶射層が形成される。

なおセラミツクとして安定化ジルコニアを採用
すると、アルミニウム合金からなるピストン本体
との結合強度がより高まり、剥離等の恐れのない
ピストンが得られる。これは安定化ジルコニアの
熱膨張係数が約10×10^-6／℃であり、他のセラミ
ツクの熱膨張係数の約２倍の値であつて、約20×
10^-6／℃のアルミニウム合金とよりマツチングし
易いことによる。また安定化ジルコニアは他のセ
ラミツクと比較して靭性が高いためにセラミツク
溶射層自体の強度も大きくなる。

このようにして形成されたセラミツク溶射層
は、エツチングによつて形成された金属成形体の
気孔部に充填され、約0.1〜３mmの厚さのセラミ
ツク溶射層となる。なおセラミツク溶射層の厚さ
を大きくする場合には、多孔質金属成形体の気孔
率を大きくするとともに、エツチング時間を長く
してより多くのアルミニウム合金等のピストン本
体を構成する金属を除去することが好ましい。そ
してこの多孔質の金属成形体が上記セラミツク溶
射層の補強材として機能するために、この金属成
形体によつてセラミツク層が複合強化されること
になる。

このようなピストンによれば、その頂部に形成
されているセラミツク溶射層は、多孔質の金属成
形体を介してピストン本体と結合されているため
に、セラミツクとピストン本体を構成する金属と
の間に熱膨脹率に差があつても、セラミツク溶射
層が剥離あるいは亀裂等によつて損傷することが
なくなる。すなわちセラミツク溶射層がピストン
本体に強固に結合したピストンが得られることに
なる。

またセラミツクは耐熱性とともに断熱性を有し
ているために、本発明に係るピストンは断熱性の
ピストンになる。従つて内燃機関の燃焼温度を高
くすることによりその効率をより高めることが可
能になる。また液化石炭などのセタン指数の低い
低質燃料の使用も可能になる。さらにピストンの
オイルによる冷却を省略するか、あるいは冷却を
より簡素化することが可能になり、冷却油の劣化
が防止され、またオイルクーラの容量を小さくす
ることが可能になる。

さらに本発明のピストンによれば、ピストン本
体を成形した後に、エツチングによつて金属成形
体に再び気孔部を形成し、そしてプラズマ溶射等
の方法によつてセラミツク溶射層を形成している
ために、鋳造時にセラミツク溶射層が存在してお
らず、このために鋳造の圧力を上げても溶射層が
損傷する心配はない。よつて本発明は特にピスト
ン本体を加圧鋳造によつて成形する場合において
有利な方法であり、例えば500Kg/cm²〜3000Kg/cm²
の範囲の圧力下でピストン本体を加圧鋳造するこ
とにより、極めて高品質のピストンを提供するこ
とが可能になる。

以下本発明を図示の実施例につき説明する。ま
ず第１図および第２図に示すように円盤状をなす
金属成形体１を用意する。この金属成形体１は、
例えば太さが約100μのステンレス鋼からなる金
属繊維によつて構成されており、これを焼結する
とともに所定の形状に成形したものである。そし
てこの金属成形体１には燃焼室を構成する凹部２
が形成されている。またこの金属繊維からなる成
形体１は、その直径が110mm、高さが５mm、気孔
率が約60％になされている。

この金属成形体１は第３図に示すように円筒状
をなす金型３内に配される。なおこの金型３はそ
の底部が底型４によつて閉塞されている。そして
底型４には凸部５が形成されておりこの凸部５が
上記金属成形体１の凹部２と嵌合されるようにな
つている。金型３内にはアルミニウム合金（JIS
−AC8A）の約750℃の溶融体が所定量供給され、
そしてその後に直ちにピストン本体の雄型を構成
するパンチ型６が下降される（第４図参照）。こ
のパンチ型６は上記溶融金属に約1500Kg/cm²の圧
力を与え、これによつて上記金属成形体１の気孔
部に溶融するアルミニウム合金を完全に充填させ
る。そしてこのアルミニウム合金は金型３内にお
いて、パンチ型６によつて加圧された状態で凝固
され、これによつてピストン本体７が成形され
る。このピストン本体７は、上記気孔部によつて
金属成形体１と強固に結合された状態になつてい
る。

このようにして金属成形体１と結合された状態
で成形されたピストン本体７は、第５図に示すよ
うに、エツチング浴８に供給され、これによつて
エツチング処理がなされる。なおこのエツチング
を行なう前に、ピストン頂部の表面および側面の
頂部側の約１mmの高さを露出させ、残りの部分に
はマスキングが施される。エツチング浴８内には
10％の水酸化ナトリウムを60℃に加温した腐蝕液
が入れてあり、この中においてピストン本体７は
約10分間浸漬される。これによつてピストン本体
７の頂部側であつて、上記金属成形体１の気孔部
内に充填されたアルミニウム合金が選択的に除去
される。すなわちこのエツチングによりピストン
本体の頂部には再び金属成形体１が有する気孔部
が露出されることになる。

次にこのピストンの頂部に、酸化カルシウム約
７％添加した安定化ジルコニアの粉末（粒子径約
30μ）をプラズマガン９によつて溶射し、ピスト
ンの頂部に約１mmの厚さのセラミツク溶射層１０
を形成する。このようにして第６図に示すよう
に、ピストン本体７とセラミツク溶射層１０とが
金属成形体１を介して結合されたピストンが得ら
れる。このピストンは第７図に示すように、金属
成形体１の気孔部内にピストン本体を構成する金
属が充填されるとともに、その上側のセラミツク
層１０も金属成形体１の気孔部に食い込むように
なつており、金属成形体１の気孔部によつてピス
トン本体７とセラミツク溶射層１０とが強固に結
合されたピストンになる。

本実施例によつて得られたピストンの頂部に、
酸素−プロパンガスの燃焼炎をあてて約600℃に
加熱し、次いで水を噴射して約50℃まで急冷する
という比較的苛酷な熱衝撃を繰り返して見たとこ
ろ、約1000回の上記熱サイクルでも亀裂や剥離等
の異常が認められなかつた。ちなみにアルミニウ
ム合金製のピストン本体の頂部に、単にセラミツ
ク溶射層を形成した従来のピストンについて上記
と同様の熱衝撃を与える比較テストを行なつたと
ころ、従来のピストンでは約100回の熱サイクル
でセラミツク溶射層に亀裂が発生するのが認めら
れた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に用いられる金属成
形体の斜視図、第２図は同縦断面図、第３図はピ
ストン本体を成形する金型の縦断面図、第４図は
ピストン本体を成形する状態を示す金型の縦断面
図、第５図はピストン本体をエツチングしている
状態の縦断面図、第６図はプラズマ溶射によつて
セラミツク溶射層を形成している状態を示すピス
トンの縦断面図、第７図はこのようにして得られ
たピストンの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……金属成
形体、７……ピストン本体、８……エツチング
浴、９……プラズマガン、１０……セラミツク溶
射層である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 金属から成るピストン本体の頂部にセラミツ
   ク溶射層を形成して成るピストンにおいて、前記
   ピストン本体と前記セラミツク溶射層との間に多
   孔質の金属成形体が介在され、しかも前記ピスト
   ン本体を構成する金属の少なくとも一部が前記金
   属成形体の気孔部に充填されるとともに、エツチ
   ングによつてピストン本体を構成する金属を選択
   的に除去することによつて形成された前記金属成
   形体の気孔部に前記セラミツク溶射層を構成する
   セラミツクの少なくとも一部が充填され、これに
   よつて前記セラミツク溶射層が前記ピストン本体
   に結合されるようにしたことを特徴とする内燃機
   関用ピストン。 ２ 前記多孔質の金属成形体が金属繊維集合体か
   ら構成されることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項に記載の内燃機関用ピストン。 ３ 前記ピストン本体がアルミニウム合金から構
   成されるとともに、前記溶射層を構成するセラミ
   ツクが安定化ジルコニアから成ることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項または第２項に記載の内
   燃機関用ピストン。 ４ 金属から成るピストン本体の頂部にセラミツ
   ク溶射層を形成するようにしたピストンの製造方
   法において、多孔質の金属成形体を鋳型内に配
   し、この鋳型内に溶融された金属を注入するとと
   もにこの金属を前記金属成形体の気孔部に充填固
   化してピストン本体を形成し、前記金属成形体の
   頂部側気孔部に充填された金属をエツチングによ
   つて選択的に除去し、このエツチングによつて形
   成された気孔部内に少なくとも一部のセラミツク
   が充填されるようにこの金属成形体の頂部側にセ
   ラミツク溶射層を形成するようにしたことを特徴
   とする内燃機関用ピストンの製造方法。 ５ 前記セラミツク溶射層がプラズマ溶射によつ
   て形成されるようにしたことを特徴とする特許請
   求の範囲第４項に記載の内燃機関用ピストンの製
   造方法。 ６ 前記ピストン本体が加圧鋳造によつて形成さ
   れることを特徴とする特許請求の範囲第４項また
   は第５項に記載の内燃機関用ピストンの製造方
   法。 ７ 前記加圧鋳造が500Kg/cm²〜3000Kg/cm²の圧力
   下で行なわれることを特徴とする特許請求の範囲
   第６項に記載の内燃機関用ピストンの製造方法。