JPH045713Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この考案は、カツプ状のセラミツク部材が軽合
金性のピストン本体に鋳込まれて燃焼室キヤビテ
イが形成されているエンジン用のピストンに関す
る。

（従来の技術） エンジン用のピストンにおいては、カツプ状の
セラミツク部材をアルミニウム合金等からなるピ
ストン本体に鋳込み、燃焼室キヤビテイを形成す
るようにしたものがある。このようにセラミツク
部材を用いることにより、ピストンの断熱性およ
び耐熱性が向上し、燃費の改善、排気、騒音、始
動性が改善する。

しかし、この形式のピストンではセラミツク部
材と軽合金との熱膨張率がかなり異なるために、
エンジン運転時に熱膨張差によりセラミツク部材
がピストン本体から剥離してしまうことがあると
共に、セラミツク部材の外周部分に応力が発生
し、セラミツク部材がその応力により破壊をして
しまう恐れがある。

そこで、従来においては、セラミツク部材とピ
ストン本体との間に、これらの部材の中間の熱膨
張率を有する補強用金属リングを配置することに
よつて、かかる問題を解決するようにしたものが
ある。実開昭53−92502号公報には、この形式の
ピストンの一例が開示されている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このように中間の熱膨張率を有
する金属リングを配置した場合においても、やは
りこのリングとセラミツク部材との間には熱膨張
差が依然として存在する。従つて、セラミツク部
材の外周部分に発生する熱応力をなくすことはで
きない。その結果、セラミツク部材が損傷する恐
れがあり、又エンジン運転に伴う加熱および冷却
の繰り返しにより、セラミツク部材とピストン本
体との間の結合が不完全になる恐れがあり、耐久
信頼性の点で問題がある。

この考案は、このような従来技術の問題点に鑑
みてなされたものであり、この考案の目的は、燃
焼室キヤビテイを形成するセラミツク部材に過度
の応力が生ずることなくこのセラミツク部材とピ
ストン本体との好適な結合状態を保持することの
可能なエンジン用ピストンを提供することであ
る。

（問題点を解決するための手段） 上記の目的を達成するために、この考案に係る
エンジン用ピストンは、アルミニウム合金で形成
されたピストン本体と、セラミツクで形成され、
上面の開口した凹部を備え、ピストン本体の上部
に配設されるセラミツクキヤビテイと、アルミニ
ウム合金とセラミツクとの中間の熱膨張係数を有
し、ピストン本体に鋳ぐまれると共に、セラミツ
クキヤビテイが内周に焼きばめ固着される中間部
材と、低熱膨張係数を有する材料で形成され、ろ
う材により全周を覆われ、上下両面に中間部材と
セラミツクキヤビテイに夫々接合する接合面を有
する接合部材と、この接合部材による接合時に、
下方に位置する側の中間部材またはセラミツクキ
ヤビテイの、接合部材の周囲に形成され、接合時
に溶融したろう材の一部を収容する凹所とを具備
することを特徴としている。

（作用） 以上のように、この考案に係るエンジン用ピス
トンは構成されており、この考案においては、セ
ラミツクキヤビテイとピストン本体との間に、
夫々の熱膨張係数の中間程度の熱膨張係数を有す
る中間部材が配設され、この中間部材はセラミツ
クキヤビテイの一部を焼きばめで機械的に拘束し
ており、銀ろう等のろう材で全周を覆われた低熱
膨張係数を有する接合部材を介して、これと中間
部材及びこれとセラミツクキヤビテイとを化学的
に反応して接合させている。この接合時には、凹
所が形成された方の中間部材、又はセラミツクキ
ヤビテイを下方に位置させ、この凹所内に接合時
に溶融したろう材の一部を収容するようにしてい
る。このようにして、溶融したろう材が、セラミ
ツクキヤビテイの不所望な部分へ流れ込み、セラ
ミツクキヤビテイにおける熱による応力集中の発
生を防止し、このセラミツクキヤビテイに割れが
生じるのが防止されている。

（実施例） 以下にこの考案に係るエンジン用ピストンの一
実施例につき、添付図面の第１図乃至第３図を参
照して、詳細に説明する。

第１図は、この一実施例としてのエンジン用ピ
ストンが好適される直噴式デイーゼルエンジンに
用いられるピストン１０を示している。このピス
トン１０は、図示するように、アルミニウム合金
（熱膨張係数；23×10^-6／℃）製のピストン本体
１２を備えている。このピストン本体１２の外周
面には、ピストンリングが嵌着されるピストンリ
ング溝１４が形成されると共に、ピストンロツド
の上端を回転自在に軸支するためのピンが挿入さ
れるピン受孔１６が形成されている。

このピストン本体１２の上面１２ａには、円筒
状の中空部１８が形成されている。この中空部１
８の内周面には、中間部材２０が鋳ぐるまれて、
円環形状となつてピストン本体１２に固着されて
いる。この中間部材２０の内周面には、カツプ形
状のセラミツクキヤビテイとしてのセラミツク部
材２２が焼きばめにより固着されている。このセ
ラミツク部材２２の中央部には凹所２４が形成さ
れており、この凹所２４が燃焼室キヤビテイを規
定している。このセラミツク部材２２は、セラミ
ツク（Si₃N₄，熱膨張係数；3.3×10^-6／℃）から
形成されている。

このセラミツク部材２０は、高さ方向の中央部
に、半径方向外方に突出するフランジ部２６を一
体に備えている。一方、ピストン本体１２の内周
面には、このフランジ部２６の下面外周縁部を受
けるための段部２８が形成されている。

尚、フランジ部２６と段部２８との間には、中
空部１８を閉塞するように、断熱キヤツプ３０の
外周縁部が挟持されている。この断熱キヤツプ３
０とセラミツク部材２０との間は、間隙が形成さ
れ、この間隙は断熱空気層３２として機能してい
る。この断熱キヤツプ３０、及び断熱空気層３２
を介して、燃焼室キヤビテイ２４での燃焼により
発生した熱が、このピストン１０の下方へ、特に
コンロツドに伝達されないように構成されてい
る。

一方、前述した中空部材２０は、ピストン本体
１２とセラミツク部材２０との夫々の熱膨張係数
の間の熱膨張係数を有する金属、例えばJIS
SCM435（熱膨張係数；13×10^-6／℃），JIS
SUS403（熱膨張係数；17×10^-6／℃）などから形
成されている。この中間部材２０の内周面の下半
部分２０ａは、上半部分２０ｂより半径方向外方
に位置した状態で起立して設けられている。換言
すれば、中間部材２０の下半部には円環状の溝が
形成されている。

そして、セラミツク部材２２のフランジ部２６
の外周面は、全面に渡つて、この中間部材２０の
下半部分２０ａに焼きばめられており、一方、中
間部材２０の上半部分２０ｂは、全面に渡つて、
セラミツク部材２２の上部外周面に焼きばめられ
ている。

ここで、フランジ部２６の高さは、下半部分２
０ａの高さより短く設定されている。このように
して、フランジ部２６の上面は、下半部分２０ａ
と上半部分２０ｂとを互いに接続する接続面２０
ｃから離間している。換言すれば、フランジ部２
６の上面と接続面２０ｃとの間には、断熱空気層
３４が形成されることになる。この断熱空気層３
４内には、中間部材２０とセラミツク部材２２と
の間を、化学的に反応し接合するための接合部材
３６が配設されている。この接合部材３６は、断
熱矩形を呈して円環状に形成されている。

この接合部材３６は、第２図に詳図するよう
に、全周をろう材、例えば銀ろう３８により覆わ
れている。また、この接合部材３６は、低熱膨張
係数を有する材料、例えば前述したセラミツクか
ら形成されている。

この接合部材３６の下面は、フランジ部２６の
上面に形成されたメタライズ層４０を介して、フ
ランジ部２６に接合されている。また、接合部材
３６の上面は、接合部材３６の上部を受けるよう
に、中間部材１２の接合面２０ｃに形成されたリ
ング状の穴部４２の天井面に接合されている。こ
こで、穴部４２の幅は、接合部材３６の幅より大
きく設定されている。従つて、接合部材３６の周
囲の接合面２０ｃには、凹所４４ａ，４４ｂが残
されることになる。この凹所４４ａ，４４ｂは、
後述する接合時に、溶融した銀ろう３８がセラミ
ツク部材２２の不所望な部分に流れ込んで、ここ
に熱的な応力集中を生じさせないようにするため
に、設けられている。

以上のように構成されるピストン１０の製造方
法につき、第２図及び第３図を参照して説明す
る。

まず、セラミツク部材２２を、所定の形状に加
工成形する。この後、接合部材３６の下面が接合
されるセラミツク部材２２のフランジ部２６の上
面にエチルセルローズペーストを用いたメタライ
ズ層を添付し、真空中において1230℃の雰囲気で
焼付け処理してメタライズ層４０を形成する。

このようにメタライズ層４０を形成した後、こ
のメタライズ層４０を介して、接合部材３６の下
面を、真空中において830℃の雰囲気で、セラミ
ツク部材２６の上面に接合する。この接合によ
り、メタライズ層４０のN₂がセラミツクのSiと
化学的に反応して接合し、互いに固着する。そし
て、中間部材２０の内周に、接合部材３６が固着
されたセラミツク部材２２を、大気中において
800℃の雰囲気で焼きばめにより固着する。

尚、この焼きばめの際に、接合部材３６の上部
は、穴部４２に挿入されており、接合部材３６の
上面は、穴部４２の天井面に当接している。

この状態において、第３図に示すように、姿勢
を上下逆転させて、接続面２０ｃがフランジ部２
６より下方に位置するようにもたらす。この後、
中間部材２０を真空中において830℃の雰囲気中
で加熱して、銀ろう３８を溶かし、接合部材３６
と中間部材２０とを接合する。この接合時に、溶
け出た銀ろう３８は凹所４４ａ，４４ｂ内に収納
されることになる。

このように、溶けた銀ろう３８がセラミツク部
材２２の不所望の部分に至り、この部分に熱的な
応力集中を生じさせ、クラツクが発生する事が確
実に防止されることになる。

このようにして、中間部材２０とセラミツク部
材２２とが焼きばめ、及び接合部材３６とを介し
て確実に固着された後、これら一体となつた組体
をアルミニウム合金で鋳込み、ピストン１０の形
状に加工形成する。

以上詳述したように、この一実施例によれば、
中間部材２０とセラミツク部材２２との間は焼き
ばめられると共に接合部材３６を介して互いに固
着されている。特に、セラミツク部材２２と接合
部材３６とは、メタライズ層４０を介して化学的
に反応した上で接合されている。このため、セラ
ミツク部材２２と接合部材３６とは互いに強固に
固着されることになる。また、中間部材２０と接
合部材３６とは、銀ろう４０を介して互いに強固
に固着されている。

ここで、中間部材２０と接合部材３６との接合
時において、セラミツク部材２２のフランジ部２
６が凹所４４が形成された中間部材２０の接続面
２０ｃより上方になるように姿勢を上下で逆転さ
れている。このようにして、接合分以外に余分に
溶け出した銀ろう４０の部分は、凹所４４ａ，４
４ｂに受けられて、セラミツク部材２２の不所望
な部分に至ることがなくなる。このようにして、
たとえ銀ろう４０を使用して固着したとしても、
この銀ろうがセラミツク部材２２の強度を損なう
ことは完全に防止されることになる。

この考案は、上述した一実施例の構成に限定さ
れることなく、この考案の要旨を逸脱しない範囲
で種々変形可能である。

例えば、上述した一実施例では、接合部材３６
はセラミツクから形成されるように説明したが、
これに限定されることなく、例えばKOVAR等の
低熱膨張係数を有する材料で形成するようにして
も良い。

また、上述した一実施例では、接合部材３６の
上部を、中間部材２０の接続面２０ｃに形成した
穴部４２内に挿入し、この穴部４２の側面と接合
部材３６の側面との間で、余分に溶け出した銀ろ
う４０を収容するための凹所４４ａ，４４ｂを規
定するように説明した。しかし、このような構成
に限定されることなく、第４図に第１の変形例と
して示すように、接合部材３６の上面を中間部材
２０の接続面２０ｃに直接に接合させ、この接合
部分３６が接合された接続面２０ｃの周囲に凹所
４４ａ，４４ｂを形成するようにしても、同様の
効果が得られる。

また、上述した一実施例では、凹所４４を中間
部材２０の接合面２０ｃに形成し、接合時に姿勢
を上下逆さまに設定するように説明した。しか
し、このような構成に限定されることなく、第５
図に第２の変形例として示すように、セラミツク
部材２２のフランジ部２６の上面に穴部４２′を
形成し、この穴部４２′内に接合部材３６の下部
を挿入し、穴部４２′の底面に接合部材３６の下
面を接合するように構成しても良い。このように
構成することにより、接合時に溶け出た銀ろう４
０は、姿勢を上下逆さまに設定しなくとも、凹所
４４a′，４４b′内に収容されることになる。

また、第６図に第３の変形例として示すよう
に、第１の変形例と同様に、穴部４２を設けず
に、フランジ部２６の上面に直接に接合部材３６
の下面を接合し、この接合部材３６が接合された
フランジ部２６の上面の部分の周囲に凹所４４
a′，４４b′を形成するようにしても良い。

尚、上述した種々の変形例の説明において、前
述した一実施例の構成と同一部分には同一の符号
を付してその説明を省略している。

（考案の効果） 以上詳述したように、この考案に係るエンジン
用ピストンは、アルミニウム合金で形成されたピ
ストン本体と、セラミツクで形成され、上面の開
口した凹所を備え、ピストン本体の上部に配設さ
れるセラミツクキヤビテイと、アルミニウム合金
とセラミツクとの中間の熱膨張係数を有し、ピス
トン本体に鋳ぐまれると共に、セラミツクキヤビ
テイが内周に焼きばめ固着される中間部材と、低
熱膨張係数を有する材料で形成され、ろう材によ
り全周を覆われ、上下両面に中間部材とセラミツ
クキヤビテイに夫々接合する接合面を有する接合
部材と、この接合部材による接合時に、下方に位
置する側の中間部材またはセラミツクキヤビテイ
の、接合部材の周囲に形成され、接合時に溶融し
たろう材の一部を収容する凹所とを具備すること
を特徴としている。

従つて、この考案によれば、燃焼室キヤビテイ
を形成するセラミツク部材に、過度の応力が生ず
ることなく、このセラミツク部材とピストン本体
との好適な結合状態を保持することのできるエン
ジン用ピストンが提供されることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案に係るエンジン用ピストンの
一実施例の構成を示す断面図；第２図は第１図に
示す接合部材の中間部材及びセラミツク部材に対
する接合状態を拡大して示す断面図；第３図は接
合時の姿勢を示す断面図；そして第４図乃至第６
図はそれぞれ一実施例の第１乃至第３の変形例を
示す断面図である。 図中、１０……ピストン、１２……ピストン本
体、１２ａ……上面、１４……ピストンリング
溝、１６……ピン受孔、１８……中空部、２０…
…中間部材、２０ａ……下半部分、２０ｂ……上
半部分、２０ｃ……接続面、２２……セラミツク
部材、２４……凹所、２６……フランジ部、２８
……段部、３０……断熱キヤツプ、３２……断熱
空気層、３４……断熱空気層、３６……接合部
材、３８……ろう材、４０……メタライズ層、４
２……穴部、４４ａ，４４ｂ……凹所である。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) アルミニウム合金で形成されたピストン本体
   と、 セラミツクで形成され、上面の開口した凹部
   を備え、ピストン本体の上部に配設されるセラ
   ミツクキヤビテイと、 アルミニウム合金とセラミツクとの中間の熱
   膨張係数を有し、ピストン本体に鋳ぐまれると
   共に、セラミツクキヤビテイが内周に焼きばめ
   固着される中間部材と、 低熱膨張係数を有する材料で形成され、ろう
   材により全周を覆われ、上下両面に中間部材と
   セラミツクキヤビテイに夫々接合する接合面を
   有する接合部材と、 この接合部材による接合時に、下方に位置す
   る側の中間部材またはセラミツクキヤビテイ
   の、接合部材の周囲に形成され、接合時に溶融
   したろう材の一部を収容する凹所とを具備する
   ことを特徴とするエンジン用ピストン。 (2) 前記接合部材はセラミツクで形成されている
   事を特徴とする実用新案登録請求の範囲第１項
   に記載のエンジン用ピストン。 (3) 前記凹所は中間部材側に形成され、接合時に
   はピストン本体は上下逆向きに載置される事を
   特徴とする実用新案登録請求の範囲第１項に記
   載のエンジン用ピストン。 (4) 前記凹所は、接合部材を取り囲む溝部から形
   成されている事を特徴とする実用新案登録請求
   の範囲第３項に記載のエンジン用ピストン。 (5) 前記中間部材は、接合部材の上部が緩挿され
   るに充分な大きさの穴部を有し、前記凹所は、
   この穴部の内周と接合部材の外周との間により
   規定される事を特徴とする実用新案登録請求の
   範囲第３項に記載のエンジン用ピストン。 (6) 前記凹所はセラミツクキヤビテイ側に形成さ
   れ、接合時にはピストン本体はそのままの向き
   に載置される事を特徴とする実用新案登録請求
   の範囲第１項に記載のエンジン用ピストン。 (7) 前記凹所は、接合部材を取り囲む溝部から形
   成されている事を特徴とする実用新案登録請求
   の範囲第６項に記載のエンジン用ピストン。 (8) 前記中間部材は、接合部材の下部が緩挿され
   るに充分な大きさの穴部を有し、前記凹所は、
   この穴部の内周と接合部材の外周との間により
   規定される事を特徴とする実用新案登録請求の
   範囲第６項に記載のエンジン用ピストン。