JPH05155671A

JPH05155671A - 窒化けい素系構造体

Info

Publication number: JPH05155671A
Application number: JP3320760A
Authority: JP
Inventors: Katsunori Hirai; 克典平井; Mamoru Kosakai; 守小坂井; Makoto Mabuchi; 真馬渕; Hiroshi Suzuki; 弘鈴木
Original assignee: Sumitomo Cement Co Ltd; Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Sumitomo Cement Co Ltd; Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1991-12-04
Filing date: 1991-12-04
Publication date: 1993-06-22

Abstract

(57)【要約】【目的】窒化けい素系構造物は、一般に高温強度に優
れるが、熱伝導率が大きい。そこで、構造物全体の高温
強度は保持つつ断熱性を大幅に向上させた窒化けい素系
構造物を得る。【構成】緻密構造の窒化けい素構造物１と、相対密度
が１０〜７０％である多孔質構造の窒化けい素構造物２
とを一体に構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、窒化けい素系構造体に
係り、特に高温強度と断熱性に優れた窒化けい素系構造
体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から自動車のエンジンなどをセラミ
ックスによって造る研究が盛んに行われている。この場
合、各種セラミックスの優れた特質を十分に発揮できる
ように、エンジンの部位によってセラミックスの種類も
変えている。例えばピストン、シリンダーライナ、排気
バルブ、ターボチャージャなどのように、高温強度の他
に耐熱衝撃性が要求される部位では窒化けい素系のセラ
ミックスが用いられ、また排気マニホールド、ポートラ
イナなどのように耐熱衝撃性の他に断熱性が要求される
部位ではコーデュエライトやチタン酸アルミが用いられ
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
なセラミックエンジンの場合、冷却効率の点から断熱特
性を向上させるためには、ピストンおよびシリンダライ
ナの断熱性を上げる必要がある。しかし、これらピスト
ンなどを構成していた窒化けい素の焼結体は熱伝導率が
大きく、また従来におけるピストンは窒化けい素の一体
焼結物で構成されていたために、熱の伝わりがよく断熱
性の点で十分であるとはいえなかった。一方、他のコー
デュエライト、チタン酸アルミなどのセラミックスは、
断熱性の点では窒化けい素より優れているものの高温で
の機械強度に問題を有しており、ピストンなどに用いる
ことはできなかった。

【０００４】そこで、本発明の技術的課題は、自動車の
エンジンなど高温での使用に耐え得るような断熱性およ
び高温機械強度に優れたセラミック構造体を提供するこ
とである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記技術的課
題を解決するために、緻密構造の窒化けい素構造物と、
相対密度が１０〜７０％である多孔質構造の窒化けい素
構造物とを一体とした窒化けい素系構造体を手段とす
る。

【０００６】緻密構造の窒化けい素構造物は、従来から
セラミックエンジンのピストン等に用いられていたもの
と同じものであり、例えば所定形状の枠体の中で窒化け
い素の粉末または粒状体を高温で焼結することにより得
られる。

【０００７】一方、相対密度が１０〜７０％である多孔
質構造体は、緻密構造体と同じ窒化けい素により構成さ
れる。そのため、両者は同一の熱膨張率を有する。この
ように両者の熱膨張率を同一としたのは、上下２個の緻
密構造体の間に多孔質構造体を挟み込み、上下の緻密構
造体を接合するときに、例えばムライトのように熱膨張
率が窒化けい素のそれに比べて大きいセラミックスで
は、接合時の昇温過程において多孔質構造体の方が大き
く膨張してしまって緻密構造体が破損したり、また接合
昇温時で位置調整してある場合には冷却時に多孔質構造
体にクラックが生じたり、緻密構造体との間に隙間を生
じるからである。一方、多孔質構造体として、緻密構造
体より熱膨張率の小さいコーデュエライト材やチタン酸
アルミを使用した場合には、高温での使用時に多孔質構
造体に比べて緻密構造体の膨張が大きく、両者の間に隙
間を生じてしまうからである。隙間が生じている状態で
使用すると、緻密構造体に外力を加えた時に多孔質構造
体に十分に力が伝達されず、緻密構造体の破損の原因と
なるので好ましくない。この点、多孔質構造体として窒
化けい素を用いた場合には、熱膨張率が緻密構造体と等
しく、また窒素ガス雰囲気では１８００℃まで安定であ
ることから、緻密構造体同士を接合する際の制約が少な
くて済む。この点でも、コーデュエライト材は、１３０
０℃以上の非酸化雰囲気では窒化けい素材と反応溶解
し、またチタン酸アルミでは１０００℃以上において還
元分解してしまうといった問題がある。

【０００８】本発明における多孔質構造体は、相対密度
が１０〜７０％の範囲にある。これは１０％より小さく
なると十分な強度が得られず断熱材としての実用性に乏
しくなり、また７０％より大きくなると十分な断熱性能
が得られなくなるからである。したがって、それを構成
する窒化けい素は、緻密構造体のものとは異なって、そ
の一つ一つが針状もしくは繊維状になっているものがよ
い。これは、これら針状もしくは繊維状の多数の細片を
互いに絡ませて結合させ、所定形状に形成したときに、
多孔質構造体の内部に多くの気孔を作り易くして断熱効
果を高めるためであり、また粒状または粉末状の窒化け
い素材に比べて、得られる多孔質構造体の機械強度を高
く保ちつつ低密度化することが可能となるからである。
本発明において相対密度を１０〜７０％の範囲に調整す
るためには、多孔質構造体の気孔率を９０〜３０％の間
に設定するのが望ましい。

【０００９】上述のような針状もしくは繊維状の窒化け
い素としては、線径が０．０５〜１０μｍ程度、長さが
０．０１〜１０ｍｍ程度のものが好ましい。そして、そ
の種類として、例えばα−窒化けい素ウイスカー、β−
窒化けい素ウイスカー、窒化けい素繊維などを良好に用
いることができる。また、本発明では多孔質構造体の強
度を高めるために、結合剤を用いることが望ましい。こ
の結合剤は、例えば酸化アルミニウム、酸化カルシウ
ム、希土類酸化物の中から選ばれた少なくとも１種類
と、酸化けい素とからなるものが好ましいが、少なくと
も酸化けい素だけでもよい。そして、多孔質構造体を作
る場合には、多孔質構造体を成形する前に予めこれら結
合剤を窒化けい素ウイスカーや窒化けい素繊維に所定量
配合し、よく混合してから所定形状に合わせて吸引濾過
したのちこれを焼結する。そうすることにより、結合剤
が窒化けい素のウイスカーや繊維と反応して酸窒化物を
形成し、この酸窒化物がウイスカー同士、又は繊維同士
の結合を助け、所定の強度を確保することになる。ま
た、添加したアルミニウムや酸素原子などが窒化けい素
に固溶することにより窒化けい素の熱伝導率が減少す
る。上記α−窒化けい素ウイスカーとβ−窒化けい素ウ
イスカーとを比較したときに、断熱性の点ではα−窒化
けい素ウイスカーの方が好ましいが、この場合、多孔質
構造体を成形するときの焼結温度を１６００℃以下とす
る必要がある。なお、結合剤を３０ｗｔ％以上添加する
ことは、窒化けい素との間に熱膨張率の差を生じて好ま
しくない。

【００１０】次に、緻密構造体と多孔質構造体を一体に
する方法について説明する。第１の方法は、図１に示し
たように、カップ状のベース１を緻密構造体で形成し、
その内部に多孔質構造体２を嵌め入れ、さらにその上を
緻密構造体からなるプレート３で覆い、ベース１とプレ
ート３を例えばCaO-SiO₂-Si₃N₄系ガラスからなる接合剤
４により接合して緻密構造体の中に多孔質構造体２を封
じ込めたものである。第２の方法は、図２に示したよう
に緻密構造体からなるベース１と多孔質構造体２を例え
ばCaO-SiO₂-Si₃N₄系ガラスからなる接合剤５により直接
に接合したものである。また、第３の方法は、図３に示
したように、カップ状のベース１内にカップの上面より
突出する多孔質構造体２を嵌め入れ、ホットプレス法に
より多孔質構造体２をベース１内に埋め込むものであ
る。なお、上記第１〜３の方法は、互いに組み合わせて
行うことも可能であり、例えば第１の方法でベース１と
多孔質構造体２とを接合してもよく、また第２、第３の
方法でプレート３を用いて多孔質構造体２を緻密構造体
の中に封じ込めてもよい。

【００１１】

【作用】上述の手段によれば、多孔質構造体と緻密構造
体とは一体に構成したことにより多孔質構造体自身およ
び多孔質構造体と緻密構造体との間の熱伝達が悪く、全
体として断熱効果の大きい窒化けい素構造体となる。ま
た、多孔質構造体は緻密構造体と熱膨張率が同じなの
で、高温での接合および使用に際しても両者の熱膨張差
によって多孔質構造体または緻密構造体にクラックが入
ったり、両者の間に隙間が生じたりといったことはな
い。

【００１２】

【実施例】

実施例１８０wt％のβ−窒化けい素ウイスカーと２０wt％のシリ
カゲルを十分に混合したのち所定形状に成形し、焼成し
て気孔率７０％の断熱材を得た。この断熱材は、曲げ強
度が５kg/mm²、圧縮強度が５kg/mm²、熱伝導率が２w/mk
の特性を有していた。次に、上記断熱材を用いて図４に
示したようなエンジン用のピストンヘッド６を作製し
た。このピストンヘッド６は、下部フランジ７を有する
緻密構造体としてのリング部材８内に緻密構造体として
のベース部材９を嵌め入れて下部フランジ７上に載置す
るとともに、ベース部材９の上面に多孔質構造体として
の断熱材１０を載置した。その後、リング部材８とベー
ス部材９との間およびベース部材９と断熱材１０との間
をCaO-SiO₂-Si₃N₄系ガラスからなる接合剤１１によりそ
れぞれ接合し、リング部材８に対してベース部材９およ
び断熱材１０を固定した。次に、リング部材８の上面全
周にCaO-SiO₂-Si₃N₄ガラスからなる接合剤１２を断熱材
１０の高さより多少厚く塗布したのち、断熱材１０の上
に緻密構造からなるプレート部材１３を載置し、加熱下
でプレート部材１３上に所定の圧力を加えてリング部材
８の上面にプレート部材１３の周縁部を接合した。この
場合、プレート部材１３の上面に加熱下で圧力を加える
ことにより接合剤１２は次第に軟化し、プレート部材１
３が次第に下がっていくが、断熱材１０に均一に当たる
ことにより下がるのが止まり、プレート部材１３とリン
グ部材８との間が接合され、断熱材１０が緻密構造体の
内部に封じ込まれた構造となる。

【００１３】このような構造からなるピストンヘッド６
において、接合加熱時におけるリング部材８およびプレ
ート部材１３の破壊変形は認められず、また断熱材１０
とプレート部材１３との間では両者の間に隙間が生ずる
などの問題はなかった。更に、プレート部材１３の上か
ら５トンの荷重を加え、繰り返し疲労試験を行ったが、
断熱材１０の剥離破損およびプレート部材１３の破損な
どの問題はなかった。

【００１４】比較例１ムライト材を用いて上記と同様の多孔質体からなる断熱
材を作り、図４に示したのと同じ構造からなるピストン
ヘッドを試作した。なお、リング部材、ベース部材およ
びプレート部材は、いずれも上記と同様の窒化けい素に
より構成した。そして、上記と同様の接合剤を用いてリ
ング部材とプレート部材とを接合させたところ、ムライ
ト材の熱膨張によりリング部材が破壊した。

【００１５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る窒化
けい素系構造体によれば、緻密構造体と多孔質構造体と
をいずれも窒化けい素により構成し、これらを一体の構
造物としたから、構造物全体が高温強度を保ちつつしか
も断熱性が大幅に向上した。その結果、この窒化けい素
系構造体を、例えば自動車のセラミックエンジンのピス
トンなどに適用した場合には、ピストンでの発熱を抑え
ることができ、エンジン全体の冷却効率を上げることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】緻密構造体の内部に多孔質構造体を封じ込めて
一体構造とした断面図である。

【図２】緻密構造体に多孔質構造体を接合して一体構造
とした断面図である。

【図３】緻密構造体に多孔質構造体を埋め込んで一体構
造とした断面図である。

【図４】ピストンヘッドの断面図である。

【符号の説明】

１ベース（緻密構造体）２多孔質構造体３プレート（緻密構造体）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者馬渕真千葉県船橋市豊富町585番地住友セメント株式会社中央研究所内 (72)発明者鈴木弘千葉県船橋市豊富町585番地住友セメント株式会社中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】緻密構造の窒化けい素構造物と、相対密
度が１０〜７０％である多孔質構造の窒化けい素構造物
とを一体に構成したことを特徴とする窒化けい素系構造
体。
【請求項２】多孔質構造の窒化けい素構造物は、針状
もしくは繊維状に形成された窒化けい素の細片の集合物
を、結合剤により結合させたものである請求項１記載の
窒化けい素系構造体。
【請求項３】結合剤は、酸化アルミニウム、酸化カル
シウム、希土類酸化物の中から選ばれた少なくとも１種
類と酸化けい素とで構成され、これを３０wt％以下含む
ことを特徴とする請求項２記載の窒化けい素系構造体。