JPH0234269A - セラミックス鋳ぐるみピストンとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、内燃機関等に用いられるセラミックス鋳ぐる
みピストンとその製造方法に関し、特に、実ａ運転時に
おいてもセラミックスとアルミニウム合、金との接合面
か剥離しないようにしたセラミックス鋳ぐるみピストン
とその製造方法に関する。

［従来の技術］ 近年、内燃機関用ピストンはエンジン本体の軽九１化と
いう要請とともに、耐熱性及び耐摩耗性の向上を図らん
として、セラミックスと金属とを接合したピストンか提
案され、実施化されつつある。

セラミックス製部材と金属製部材とを一体的に接合した
セラミックス接合ピストンについては、例えば特開昭５
９−１０１５６６号公報、実開昭６２−２００１４７号
公報に記載のものが知られている。

特開昭５９−１０１５６６号公報に記載のセラミックス
接合ピストンは、セラミックス製部材と金属製部材とを
、セラミックス製部材の表面に被着されたメタライズ層
およびそのメタライズ層に接合された緩衝金属体を介し
て、一体重に接合したものである。

また、実開昭６２−２００１４７号公報に記載のセラミ
ックス接合ピストンは、ピストン頂面に設けるセラミッ
クス外側周に溝を形成、又はこの外側周をピストン頂面
側から底部に向って広がる様にテーパー状に形成しセラ
ミックスの脱落を防止しようとしたものである。そして
、アルミ合金とのより強力な接合を図るべく、セラミッ
クス外側周にメタライズ処理を施すことも示されている
。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、特開昭５９−１０１５６６号公報に記載
のセラミックス接合ピストンは、メタライズ層がセラミ
ックス製部材と金属製部材との接合面の広い範囲に亙っ
て形成されているため、実機運転時における温度分布に
よって熱応力が発生し、セラミックス製部材にクラック
か発生すると共に接合面か′Ａａｔ、、燃焼ガスかその
接合面から流入することとなり、エンジンの燃焼効率か
低下し燃費が悪化する等のエンジン性能低下の他、アル
ミ合金の損傷・腐食、カーボンの蓄積等が生じるという
不都合がある。

一方、実開閉６２−２００１４７号公報に記載のセラミ
ックス接合ピストンは、１γｊ記したように、セラミッ
クス外側周に溝を形成するか、又はこの外側周をテーパ
ー状に形成することによりセラミックスの脱落を防止せ
んとするものであって、燃焼ガスの接合面よりの流入を
防止するシールという観点からは何らの対策も講じられ
ていない。

このことは、この公報の第５図の実施例においてピスト
ン頂面とセラミックスとの接合面のピストン外周側に何
らの処理も施していないことからも明らかである。

［課題を解決するための手段］ 本発明者は、上記従来のセラミックス接合ピストンの問
題点に鑑み、アルミニウム合金製ピストン本体とセラミ
ックス製の頂板との間のシールに特に着１１することに
より本発明を完成したのである。

すなわち、本発明によれば、セラミックス製部材からな
る頂板をピストン本体を形成するアルミニウム合金によ
り鋳ぐるんで成るセラミックス鋳ぐるみピストンにおい
て、該ピストン本体と頂板との間の外周部に金属層を設
けてシールしてなることを特徴とするセラミックス鋳ぐ
るみピストンか提供される。

また、本発明によれば、セラミックス製部材からなる頂
板なピストン本体を形成するアルミニウム合金により鋳
ぐるんで成るセラミックス鋳ぐるみピストンの製造方法
において、セラミックス製部材からなる頂板のピストン
本体上端面に相対する面の外周部にメタライズ層を形成
した後、アルミニウム合金にて鋳ぐるむことにより、ピ
ストン本体と頂板との間をシールすることを特徴とする
セラミックス鋳ぐるみピストンの製造方法、および、セ
ラミックス製部材からなる頂板なピストン本体を形成す
るアルミニウム合金により鋳ぐるんで成るセラミックス
鋳ぐるみピストンの製造方法において、鋳ぐるみ後、ピ
ストン外周面の頂板とピストン本体間の境界部に溶射材
料を外周部より溶射して頂板とピストン本体境界の隙間
を埋設した金属層を設けることにより、ピストン本体と
頂板との間をシールすることを特徴とするセラミックス
鋳ぐるみピストンの製造方法、が提供される。

本発明では、まず第１に、セラミックス製部材からなる
頂板のピストン本体上端面に相対する面の外周部にメタ
ライズ層を形成した後アルミニウム合金により鋳ぐるむ
ことにより、頂板とピストン本体の境界をシールしてい
る。

ここでメタライズ層の形成領域としては、セラミックス
製部材からなる頂板のピストン本体上端面に相対する面
の外周部であって、ピストン上端面における面積の２０
％以下が好ましく、さらに好ましくは６〜１８％の範囲
とする。メタライズ層の形成領域が２０％であると、メ
タライズ層形成領域における温度分布を小さくできるた
め、それによる熱応力の発生も小さくなり、メタライズ
層の接合強度を維持することができる。

メタライズ層としては、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、
Ａｇ及びＡｕからなる群より選ばれる金属の一種または
一種以上を主成分とすることが有効である。

更にメタライズ層の形成に際しては、セラミックス製部
材の表面を焼成面とするか、あるいはサンドフラスト処
理面とすることが接合性の点から好ましい。

また、メタライズ層の形成に・当っては、まずセラミッ
クス製部材の表面に反応性の高い金属層を設けた後、そ
の上から展延性に富む緩衝金属層を設けることが好まし
い。このことにより、セラミックス製部材とアルミニウ
ム合金からなるピストン本体間の熱膨張差による応力を
より緩和することが＋ｉ［ｆｆｆｉとなり、メタライズ
層との剥離の防止を完全ならしめることができる。

一方、緩衝金属としては、セラミックス製部材と高い反
応性を有するＴｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｚｒ。

Ｈｆ、Ｗとこれらを含む合金が有効であり、更にヤング
率の低い材料特性を有することか好ましい。

第２に、本発明では、鋳ぐるみ後、ピストン外周面の頂
板とピストン本体間の境界部に溶射材料を溶射してその
接合部の外周部側領域に金属層を設け、頂板とピストン
本体の境界をシールしている。

ここて金属層のシール性をより高めるため、ピストン本
体側の頂板と接するアルミニウム合金からなるピストン
本体の外周を開先形状及び円環状の溝加工とすることが
より好ましい。

溶射方法としては、特にその種類を制限されるものては
ないが１例えばアーク溶射、プラズマ溶射、溶接式等の
電気溶射法、及びガス溶射法を使用することかできる。

また、溶射する溶射材料としては、例えばアルミニウム
合金、純アルミニウム、チタン合金、純チタン、Ｎｉ−
Ｃｒ合金、銅、銅合金等が好適に用いられるが、境界の
隙間を埋設できる粒子径を有する材料であれば好ましく
、さらにピストン本体の材質であるアルミニウム合金と
接着可能なジルコニア、アルミナ、窒化ボロン、酸化チ
タン等のセラミックスも好ましく用いられ、特に頂板材
料とピストン本体材料の中間の熱膨張率を有する部材で
あるとより好ましい。

本発明では、以上のような構成を採用することにより、
運転時において、セラミックス部材とピストン本体の境
界に燃焼ガスの流入が無くなりエンジン性渣か低下しな
いピストンを提供できる。

本発明において、セラミックス製部材の材質としては、
耐熱性、耐熱衝撃性、断熱性、軽量化に優れたセラミッ
クスか好ましく、窒化珪素、炭化珪素、サイアロン、部
分安定化ジルコニア、ムライトおよびアルミナからなる
群より選ばれる一種から構成されていると好ましい。

さらに、セラミックス製部材をアルミニウム合金で鋳ぐ
るむ前に、セラミックス製部材外周部に接合された緩衝
金属リングのアルミニウム合金と接する面の拡散反応結
合を活性化させるため、アルフィン処理かアルメルト処
理のいずれかを行うと、より一層緩衝金属リングとアル
ミニウム合金の結合力が高められ、好適である。

［実施例］ 以下１本発明を図示の実施例に基づいて説明するが、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） 第１図は本発明のセラミックス鋳ぐるみピストンの一実
施例を示す概略断面図である。

第１図に示す実施例においては、キャビティ部２を有す
るセラミックス製部材ｌの外周面に緩い曲率で結んだ段
部３を設け、この段部３によりアルミニウムピストン本
体５とを結合した例を示している。そして、この実施例
は、さらに、セラミックス製部材ｌのピストン本体５の
上端面に相対する面の外周部に、メタライズ層６により
接合された緩衝金属リング４を配設し、次いでアルミニ
ウム合金を鋳込むことにより、一体化したピストン構造
を形成したものである。

以下、第１図に示すセラミックス鋳ぐるみピストンの製
造方法の例を説明する。

焼成面を有する外径９０ｍｍ（φ）のキャビティ付き窒
化珪素部材ｌと、外径９０ｍｍ（φ）、内径８４ｍｍ（
φ）、厚さ３ｍｍのチタン製緩衝金属リング４の間に、
メタライズ層としてＴｉ−Ａｇ−Ｃｕ合金のシートを挟
み込んで８５０　”Ｃの真空中にて熱処理する。その後
、この結合部材の緩衝全屈リング４のアルミニウム合金
層と接する面に、Ｔ　ｉ　−Ａ　９．合金層を形成させ
、次いでアルメルト処理を行い、約７００℃のアルミニ
ウム合金層（ＡＣ８Ａ）により前記の結合部材を鋳ぐる
み一体化する。

最後に、アルミニウム合金ピストン本体の強度を高める
ため、熱処理としてＴ−５処理（Ｊ　Ｉ　５Ｈ５２０２
に規定）を行う。

（実施例２） 第２図は、緩衝金属リング４にリング溝７を設けた場合
を示す。第２図のセラミックス鋳ぐるみピストンの場合
、セラミックス製部材ｌと緩衝金属リング４をメタライ
ズ層６によって接合させる際、相互の熱膨張差によりず
れを生じるため、セラミックス部材ｌの緩衝金属リング
４の位置する個所を窪み形状、あるいは突起形状とし、
緩衝金属リング４と緩い嵌め合せ構造とすることにより
より精度高くセラミックス製部材ｌに緩衝金属リング４
を接合させることができた。

（実施例３） 上記実施例１及び２で示したセラミックス鋳ぐるみピス
トンについて、実機エンジンによるメタライズ層の評価
試験を行った。

検査方法としては、実機エンジン試験前後のメタライズ
層について、超音波試験、蛍光探傷試験及び実体顕微鏡
による検査を用いた。

実機エンジン試験は、シリンダ径１３０ｍｍ（φ）、ス
トローク１４０　ｍ　ｍの台上エンジンに、上記実施例
１及び２で示したピストンを装着し。

インタークーラ・ターボ仕様で、正味平均有効圧力（Ｂ
ＭＥＰ）約１１ｋｇ／ｃｍ２の条件で１００詩間の連続
運転を行った。

連続運転後に、セラミックス製部材、メタライズ層部に
ついて前記検査を行ったか、双方ともクラック及び隙間
は検出されず健全であることが分かった。

（実施例４） また、第４図はセラミックス製部材ｌを直接アルミニウ
ム合金で鋳ぐるんた後、セラミックス製部材ｌとアルミ
ニウム合金よりなるピストン本体５の境界部８の隙間を
外周からアーク溶射ガン９にてアーク溶射することによ
り溶射材料を吹き付け、埋設させた例を示す概略断面図
である。

第４図に示す、セラミックス製部材外周にメタライズ層
を形成しないセラミックス鋳ぐるみピストン外周面のセ
ラミックス製部材とアルミニウムピストン本体間の境界
部に、約５０ｃｍｆすれた地点よりアーク溶射によりア
ルミニウム合金を吹付けたところ、該境界部外表面に約
０．３ｍｍの厚さで、内側方向に１０ｍｍまてアルミニ
ウム合金層か形成された。

この溶射によって境界部に金属層か形成されたセラミッ
クス鋳ぐるみピストンについて、実施例３と同様の評価
試験を行ったところ、セラミックス製部材、メタライズ
層部とも、クラック及び隙間は検出されず健全であるこ
とが分かった。

（比較例） 本発明の効果確認のため、セラミックス製部材ｌを直接
アルミニウム合金（ＡＣ８Ａ）で砂型重祉ＶＪ造し、第
３図に示すセラミックス鋳ぐるみピストン（外径１３０
ｍｍ（φ））を作製し、実施例３に示したと同様の実機
エンジン試験を実施した。

その結果、ｉｏ時間後に開放点検を行ったところ、第３
図における符号８の部分（セラミックス製部材ｌとアル
ミニウムピストン本体部５の境界部分）にかなりの黒煙
の侵入と、アルミニウムピストン本体部５のセラミック
ス製部材ｌと接する面の外側付近のアルミニウム合金表
面に溶融跡が確認された。

［発ＩＪＩの効果］ 以−ヒのことから明らかなように、本発明によれば、次
の効果が奏せられる。

請求項１記儀のピストンによれば、ピストン本体と頂板
との間の外周部に金属層を設けてシールしているので、
連続運転に際してもピストン本体と頂板の境界部は剥離
せず、隙間も生じない。

請求項２記載の製造方法によれば、セラミックス製部材
からなる頂板のピストン本体上端面に相対する面の外周
部にメタライズ層を形成した後にアルミニウム合金にて
鋳ぐるんでいる゛ため、連続運転に際してもピストン本
体と頂板の境界部か剥離せず、隙間も生しないセラミッ
クス鋳ぐるみピストンを製造することができる。

請求項３記佐の製造方法によれば、鋳ぐるみ後にピスト
ン外周面の頂板とピストン本体間の境界部に溶射材料を
溶射して頂板のピストン本体上端面に相対する面の外周
部に金属層を設けているので、ピストン本体と頂板の境
界部か剥離せず、隙間も生じないセラミックス鋳ぐるみ
ピストンを製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のセラミックス鋳ぐるみピストンの一実
施例を示す概略断面図、第２図は本発明に係るピストン
の他の実施例を示す概略断面図、第３図は従来のセラミ
ックス鋳ぐるみピストンの例を示す概略断面図、第４図
は本発明に係るピストンのさらに他の実施例を示す概略
断面図である。 ｌ・・・セラミックス製部材、２・・・キャビティ一部
３・・・段部、４・・・緩衝金属リング、５・・・アル
ミニウムピストン本体、６・・−メタライズ層、７・・
・リング溝、９・・・アーク溶射ガン、１０・・・アー
ク炎。 第１１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、セラミックス製部材からなる頂板をピストン本体を
   形成するアルミニウム合金により鋳ぐるんで成るセラミ
   ックス鋳ぐるみピストンにおいて、該ピストン本体と頂
   板との間の外周部に金属層を設けてシールしてなること
   を特徴とするセラミックス鋳ぐるみピストン。 ２、セラミックス製部材からなる頂板をピストン本体を
   形成するアルミニウム合金により鋳ぐるんで成るセラミ
   ックス鋳ぐるみピストンの製造方法において、セラミッ
   クス製部材からなる頂板のピストン本体上端面に相対す
   る面の外周部にメタライズ層を形成した後、アルミニウ
   ム合金にて鋳ぐるむことにより、ピストン本体と頂板と
   の間をシールすることを特徴とするセラミックス鋳ぐる
   みピストンの製造方法。 ３、セラミックス製部材からなる頂板をピストン本体を
   形成するアルミニウム合金により鋳ぐるんで成るセラミ
   ックス鋳ぐるみピストンの製造方法において、鋳ぐるみ
   後、ピストン外周面の頂板とピストン本体間の境界部に
   溶射材料を外周部より溶射して頂板とピストン本体境界
   の隙間を埋設した金属層を設けることにより、ピストン
   本体と頂板との間をシールすることを特徴とするセラミ
   ックス鋳ぐるみピストンの製造方法。