JPH0339828B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、熱移動規制型複合材料に関し、例
えば自動車用燃焼機関や化学反応装置などの部品
として利用され、とくに部材中における熱流移動
方向を効果的に規制しあるいはその移動方向を任
意にかつ部分的に規制するのに適した熱移動規制
型複合材料に関するものである。

（従来技術） 一般に、機械構造物用の部材においては、部分
的にその構成材料自体からは得られない特別な特
性を要求されることが多い。

例えば、内燃機関用のピストンなどは、その軽
量化が要求されるために、通常は、アルミニウム
やマグネシウムなどの軽金属材料が用いられてい
る。しかし、これらの軽金属材料は融点が低くか
つ耐熱性があまり良くないため、とくに高出力型
のピストンの場合には、摺動部となるピストン
リング溝周辺の耐熱性向上もしくは断熱による
熱負荷の低減が要求される。

そこで、その対策としては、前記に示す耐熱
性向上のために、第７図に示すような形状のピス
トン１において、第１ピストンリング溝２の周辺
にニレジスト鋳鉄製の耐摩環３を配設する方法
や、第８図に示すように、第１ピストンリング溝
２の周辺およびその上方部分に、特開昭52−
60222号公報に記載されているようにセラミツク
ス繊維強化部材４を配設する方法がある。

しかしながら、前者のニレジスト鋳鉄製の耐摩
環３を配設する場合において、このニレジスト鋳
鉄は耐熱性に優れるものの、ピストン１の素材で
あるアルミニウム合金（例えばJIS：AC8A）の
比重2.7に対してこのニレジスト鋳鉄の比重が7.6
であるため、ピストン１の重量が増大するという
問題がある。

また、後者のセラミツクス繊維強化部材４を配
設する場合には、ピストンリング溝２の付近にお
ける耐熱性を向上させようとしたものであるが、
耐熱性を十分なものとするために、前記繊維強化
部分におけるセラミツクス繊維の含有量を多くす
ると、ピストン１の素材との間で熱膨張収縮差が
著しく異なることとなつて、運転時等の熱サイク
ル下では、前記強化部材４の部分とピストン１の
素材部分との界面で剥離などの問題が生じやすく
なるので、前記強化部材４中の繊維の含有量を多
くすることができず、したがつて、セラミツクス
繊維強化部材４を配設することによる耐熱性向上
には限界があり、多くは期待できないという問題
があつた。

他方、前記に示した断熱による熱負荷低減の
ために、第９図および第１０図に示すように、ピ
ストン１のピストンヘツド冠面にセラミツクスや
耐火金属などからなる耐熱性および断熱性に優れ
た材料を設けて、ピストン１へ流入する熱量その
ものを低下させようという試みが種々なされてい
る。これらのうち第９図に示すものは、セラミツ
クス平板体５をあらかじめ成形加工しておき、こ
の平板体５をボルト締めやかしめ固定などによつ
てピストン１のヘツド部分に結合する方法であ
り、第１０図に示すものは、溶射や陽極酸化等の
表面被覆法によりピストン１のヘツド部分にセラ
ミツクス被覆層６を設ける方法である。

しかしながら、第９図に示した方法において
は、平板体５を形成するセラミツクスは一般に熱
膨張率がピストン１を形成するアルミニウム合金
等の熱膨張率と大きく異なることから、使用中に
セラミツクス平板体５に亀裂が生じたり、破損し
たりしやすく、したがつて耐久性を高めることが
非常に困難であるという欠点を有している。さら
に、セラミツクス平板体５は加工性が劣るため、
所定の形状に仕上げるためのコストが高くつくと
いう欠点もある。

一方、第１０図に示した表面被覆法において
は、例えば陽極酸化等による場合には、せいぜい
0.1mm程度までしか厚くすることができず、この
程度の厚みでは十分な断熱性および耐火性が得ら
れないという欠点がある。また、溶射法において
は、膜厚を２mm程度まで厚くすることは可能であ
るが、この場合には、前述のセラミツクス平板体
５を用いた場合と同様に、ピストン１との熱膨張
差によつて、使用中にセラミツクス被覆層６に亀
裂や剥離を生じて耐久性に劣るという欠点を有し
ているのが実情である。

したがつて、このような背景のもとに、熱流の
移動方向を規制することにより、所要部分の熱負
荷の低減が可能である材料の開発が要求されてい
た。

（発明の目的） この発明は、以上述べた実情に鑑みてなされた
もので、熱流の移動方向を規制することが可能で
あり、あるいは熱流の移動方向を任意にかつ部分
的に規制することが可能であり、しかも耐久性な
らびに生産性等の良好な複合材料を提供すること
を目的とするものである。

（発明の構成） この発明による熱移動規制型複合材料は、母材
金属よりも熱伝導率の低いセラミツクス粒子ある
いはセラミツクス繊維等からなるセラミツクスハ
ニカム体のセル部分に母材金属を充填して複合一
体化した構成とすることにより、熱流の移動方向
を規制したり、熱流の移動方向を任意に変えたり
することができるようにしたことを特徴とするも
のであり、より望ましくはその一実施態様におい
て、セラミツクスハニカム体の内部の気孔率を30
パーセント以上とし、セラミツクスハニカム体内
部の気孔にも前記母材金属を浸透させることによ
り、熱膨張差による界面剥離などを防止できるよ
うにしたことを特徴とするものである。

この発明による熱移動規制型複合材料を製造す
るに際しては例えば、鋳型内部の所要箇所にセラ
ミツクス粒子および（または）セラミツクス繊維
等からなるより望ましくは30パーセント以上の気
孔率を有するセラミツクスハニカム体を配置した
状態で、前記鋳型内に母材金属溶湯を供給し、こ
の溶湯に静水圧的加圧力を加えることにより前記
セラミツクスハニカム体の各セル部分に母材金属
溶湯を充填させると共に、さらには前記セラミツ
クスハニカム体内部の気孔にまで上記母材金属溶
湯を浸透させ、セラミツクスハニカム体と、母材
金属とを十分に結合させるようにする。

第１図はこの発明の一実施態様による熱移動規
制型複合材料の部分説明図であつて、この熱移動
規制型複合材料１１は、母材金属１２と、セラミ
ツクスハニカム体１３とを複合して一体化したも
のである。

このような構造の複合材料１１において、母材
金属１２としては、この複合材料１１を使用する
部品として要求される特性に応じた金属材料を選
択すれば良い。また、この母材金属１２として使
用される金属材料は、セラミツクスハニカム体１
３と複合一体化されるものであるから、当該セラ
ミツクスハニカム体１３との複合性が良好なもの
を選択することが望ましい。そして、このような
母材金属１２としては、例えば、アルミニウム系
金属、マグネシウム系金属、銅系金属、亜鉛系金
属、鉄系金属等が用いられる。

一方、セラミツクスハニカム体１３は、後述す
るように、セラミツクス粒子あるいはセラミツク
ス繊維などから形成されるものであり、このセラ
ミツクス粒子あるいはセラミツクス繊維は前記母
材金属１２よりも熱伝導率の低いものから選択さ
れる。このセラミツクスハニカム体１３は、例え
ば第２図に示すように、通常において意味すると
ころの各セル部分１３ａが六角形状をなすハチの
巣構造体であるものを使用することができるが、
この発明においては、このような六角形状をなす
ものに限定されず、一体構造体であれば各セル部
分１３ａの形状は、三角形状、四角形状、五角形
状、八角形状、などの様な形状でもかまわないも
のである。

また、セラミツクスハニカム体１３の気孔率
は、30パーセンナ以上であるものとすることがよ
り望ましい。この理由は、セラミツクスハニカム
体１３の気孔率が小さすぎる場合には、前記母材
金属１２が前記セラミツクスハニカム体１３の内
部へ浸透するのが困難となり、母材金属１２とセ
ラミツクスハニカム体１３との界面で熱サイクル
下における界面剥離などが生じて耐久性上の問題
が起きるばかりでなく、セラミツクスハニカム体
１３の加工性が悪くなるため、所定の形状に仕上
げる際にコスト高となる傾向が出てくることによ
る。

この発明による熱移動規制型複合材料１１は、
前述のように、母材金属１２よりも熱伝導率の低
いセラミツクスハニカム体１３のセル部分１３ａ
に母材金属１２を充填して複合一体化させること
により、母材金属１２の内部に、前記母材金属１
２よりも熱伝導率の低いハニカム状の壁が配置さ
れたこととなり、これによつて、熱流の移動を第
１図におけるＺ方向、すなわち、セラミツクスハ
ニカム体１３のセル方向に移動しやすくすると共
に、Ｘ−Ｙ平面方向へは移しにくいようにするも
のとなる。

このような構成の熱移動規制型複合材料１１を
製造するための具体的工程としては種々のものが
考えられるが、それらのうちのより好ましい製造
例について説明する。

まず、あらかじめ、熱伝導率の低いセラミツク
ス粒子および／またはセラミツクス繊維からなり
かつ第２図に示した形状を有するセラミツクスハ
ニカム体１３を製造する。この際、セラミツクス
ハニカム体１３の内部における気孔率は30％以上
となるようにすることが望ましく、このため、押
出成形法による場合にははセラミツクスよりなる
押出原料中の粘結剤などの量を制御する。そし
て、このセラミツクスハニカム体１３を最終製品
におけるハニカム複合化部分の寸法および形状に
加工しておく。

次いで、このセラミツクスハニカム体１３を鋳
型内面の所定箇所、すなわち最終製品における複
合化の位置に対応する部分に配置し、その状態で
アルミニウム合金溶湯などの金属溶湯を鋳型内に
注湯して静水圧的に加圧する。これによつて、セ
ラミツクスハニカム体１３の各セル部分１３ａに
金属溶湯が充填されるのみならず、セラミツクス
ハニカム体１３中の粒子間隙あるいは繊維間隙に
まで、換言すればセラミツクスハニカム体１３中
の気孔内部にまで金属溶湯が浸透し、凝固後に鋳
型内から鋳造品を取り出せば、鋳造品の所定箇所
（一部または全体）に前記セラミツクスハニカム
体１３と母材金属１２とが十分に複合一体化され
たものが得られる。

次いで、必要に応じて前記鋳造品を機械加工す
ることによつてこの発明による熱移動規制型複合
材料１１を用いた製品が得られる。

上述のような製造方法においては、母材金属１
２とセラミツクスハニカム体１３とが一体的に複
合化され、しかもセラミツクスハニカム体１３の
セル中の金属とセラミツクスハニカム体１３の気
孔中の金属とが連続するため、セラミツクスハニ
カム体１３と母材金属１２との間での結合強度が
著しく高く、従来のように接触界面での剥離のお
それもかなり小さく、また製造上も工数が少なく
なつて有利である。そしてまた、セラミツクスハ
ニカム体１３を機械加工することによつて鋳型内
に配置する前記セラミツクスハニカム体１３のセ
ル方向を任意に定めることがきるので、熱流の移
動方向を規制したり、熱流の移動方向を任意に変
えたりすることが容易に可能である。

（実施例） 以下に、この発明の実施例を示す。

実施例 １ コーデイエライト（組成：2MgO・2Al₂O₃・
5SiO₂）製のセラミツクスハニカム体（セル形
状：四角形、セル数：400ヶ／inch²、壁厚：0.15
mm、気孔率：35％）を製作したのち、直径100mm、
厚さ25mmの円盤状に加工した。次いでこれを直径
100mmの鋳造空間を有する鋳型内面に配置して前
記鋳造空間内にJIS AC1Aのアルミニウム合金溶
湯を注ぎ、前記合金溶湯を加圧する高圧凝固鋳造
法によつて直径100mm、厚さ50mmの金属ブロツク
を作製した。

次に、上記金属ブロツクのハニカム複合部より
熱伝導試験片を切り出して熱伝導率を測定したと
ころ、第１図における（ただし、この実施例では
四角形状のセル）Ｚ方向（垂直方向）において
20cal／cm・sec・℃，Ｘ方向（水平方向）におい
て44cal／cm・sec・℃であつた。また、AC1A合
金自体の熱伝導率は28cal／cm・sec・℃であつ
た。したがつて、このような特性から、熱流はＺ
方向すなわちハニカム体のセル方向に移動しやす
く、Ｘ−Ｙ平面方向には移動しにくいものである
ことが確かめられた。

また、上記金属ブロツクのＸ−Ｙ方向におる金
属組織を調べたところ、第３図に示す結果が得ら
れ、セラミツクスハニカム体の気孔部分に母材金
属が十分に浸透していることが確認された。

実施例 ２ この実施例では、94重量パーセントAl₂O₃−４
重量％パーセントSiO₂なる組成を有する平均繊
維長250μm、繊維径3μmの短繊維セラミツクス繊
維と、平均粒子径0.08μmのα−Al₂O₃粒子、およ
びパラフインワツクスを混練し、押出成形法によ
りセラミツクスハニカム体を製作した。

次いで、得られたセラミツクスハニカム体を
1200℃で焼成したものは、当該ハニカム体中にお
いて繊維の占める割合が５体積パーセント、粒子
の占める割合が45体積パーセント、残部50パーセ
ントが気孔であつた。

次に、上記セラミツクスハニカム体をピストン
製造用高圧凝固鋳造金型のピストンヘツド部に配
置し、続いて前記金型内にJIS AC8Aのアルミニ
ウム合金溶湯を供給し、この合金溶湯を加圧する
ことによつて、第４図に示すように、ヘツド部分
にセラミツクスハニカム体１３を有するピストン
粗材１５を作製した。次いで全体を同じく第４図
の加工線ｌに沿つて機械加工することにより内燃
機関用のピストンを製作した。

続いて、このようにして得たピストンをガソリ
ンエンジンに組み込んで次のような実機試験を行
い、ピストンの性能および耐久性を調べた。すな
わち、４気筒2000c.c.のガソリンエンジンにおい
て、4200rpm20分間およびアイドリング運転10分
間を交互に行つて合計200時間運転し、第１およ
び第２リング溝周りの温度を調べ、またピストン
ヘツド部のハニカム複合部分の状況を観察した。
なお、リング溝周りの温度は焼もどし硬さ法によ
り調べた。その結果を第５図に示す。第５図に示
すように、第１リング溝周りの温度は約230〜240
℃であつた。さらに、ピストンヘツド部分のハニ
カム複合部をカラーチエツク法で調べたが何んら
異常はなかつた。

（比較例） セラミツクスハニカム体をピストン製造用鋳造
金型内に配置せずに実施例２とほぼ同様にしてピ
ストン粗材を作成し、機械加工を施したのち実施
例２と同様の実機試験を行つた。この温度測定結
果を第６図に示す。第６図に示すように、第１リ
ング溝周りの温度は約240〜260℃であつた。

第５図および第６図に示す結果から、この発明
による熱移動規制型複合材料は、十分にその機能
を果していることがら明らかである。すなわち、
第６図の結果と比較して、第５図の温度測定結果
の方が低いのは、セラミツクスハニカム体の複合
部分に浸入する熱量がリング溝の方向へあまり移
動せず、ハニカム体のセル方向すなわちピストン
冠面の裏側へより多く移動し、ピストン冠面の裏
側より放出されるため、このような結果になつた
ものと考えられる。

また、このようにセラミツクスハニカム体をピ
ストン冠面に複合化させることは、セラミツクス
が一般に金属よりも低熱膨張率を有しかつ高硬度
であることから、前記ピストン冠面の低熱膨張化
ならびに耐圧強度の向上などを実現することがで
きるという利点がある。

なお、前記実施例１，２においては、母材金属
としてアルミニウム合金を用いた場合について示
したが、マグネシウム合金や銅合金などを用いた
場合も同様に実施し得ることは明らかである。

なおまた、上記実施例においては、ピストンヘ
ツドに適用した場合について示したが、この発明
による熱移動規制型複合材料はその他シリンダヘ
ツド、シリンダブロツクなどの自動車部品、さら
には非自動車部品において種々の用途に適用可能
である。

（発明の効果） 以上説明してきたように、この発明により熱移
動規制型複合材料は、母材金属よりも熱伝導率の
低いセラミツクスハニカム体のセル部分に母材金
属を充填して複合一体化した構成としたものであ
るから、部材における熱流の移動方向を効果的に
規制することが可能であり、あるいはまた、熱流
の移動方向を任意にかつ部分的に規制することが
可能であり、セラミツクスハニカム体の気孔内に
浸入した母材金属と、セラミツクスハニカム体の
セル中にある母材金属とが一体化しているため、
熱サイクルなどに対しても優れた耐久性を示すも
のである。加えて、このような優れた特性を有す
る複合材料を比較的簡単かつ容易に製造すること
ができるので製造性にも優れた複合材料であると
いう著大なる効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施態様による熱移動規
制型複合材料の構成を示す斜面説明図、第２図は
同じくセラミツクスハニカム体の構造例を示す斜
面説明図、第３図はこの実施例において製造した
熱移動規制型複合材料の第１図ｘ−ｙ方向におけ
る金属組織を示す拡大写真、第４図はこの発明の
実施例において製造したピストン粗材の特にピス
トン冠部におけるセラミツクスハニカム体の複合
化状態を示す説明図、第５図はこの発明の実施例
において製作したピストンの温度分布測定結果を
示す説明図、第６図は比較例である従来ピストン
の温度分布測定結果を示す説明図、第７図は第１
ピストンリング溝周りにニレジスト鋳鉄製耐摩環
を配設した従来のピストンの断面説明図、第８図
は第１ピストンリング溝周りおよびその上部に繊
維強化を施した従来のピストンの断面説明図、第
９図はピストンヘツドにセラミツクス平板体を配
設した従来のピストンの断面説明図、第１０図は
ピストンヘツドにセラミツクス被覆を施した従来
のピストンの断面説明図である。 １１…熱移動規制型複合材料、１２…母材金
属、１３…セラミツクスハニカム体、１３ａ…セ
ラミツクスハニカム体のセル部分。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 母材金属よりも熱伝導率の低いセラミツクス
   ハニカム体のセル部分に母材金属を充填して複合
   一体化したことを特徴とする熱移動規制型複合材
   料。 ２ セラミツクスハニカム体の気孔率が30％以上
   であり、前記ハニカム体の気孔内部にも母材金属
   が浸透している特許請求の範囲第１項記載の熱移
   動規制型複合材料。