JPH05864A - エンジン部品 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 セラミック製部材と金属製エンジン部品本体
が、セラミックス製部材に被着されたメタライズ層、該
金属製エンジン部品本体とは異なる金属材料からなる緩
衝金属体を介して結合されている構造のエンジン部品の
提供。 【構成】 セラミックス製部材と緩衝金属体が、セラミ
ックス製部材側より順に層状に介挿された以下の各層を
介して接合されているエンジン部品。 1) セラミックス製部材の緩衝金属体との被接合面に被
着された、Mo:70 〜90重量％、MnO:0.5 〜15重量％、Y2
O3:0.1〜10重量％、Al2O3:0.1 〜15重量％、SiO2: 0.1
〜15重量％および不可避の不純物からなるメタライズ層 2) 該メタライズ層に施されたメッキ層 3) 該メッキ層と緩衝金属体との間にろう付けで形成さ
れた接合層 4) 緩衝金属体層
が、セラミックス製部材に被着されたメタライズ層、該
金属製エンジン部品本体とは異なる金属材料からなる緩
衝金属体を介して結合されている構造のエンジン部品の
提供。 【構成】 セラミックス製部材と緩衝金属体が、セラミ
ックス製部材側より順に層状に介挿された以下の各層を
介して接合されているエンジン部品。 1) セラミックス製部材の緩衝金属体との被接合面に被
着された、Mo:70 〜90重量％、MnO:0.5 〜15重量％、Y2
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〜15重量％および不可避の不純物からなるメタライズ層 2) 該メタライズ層に施されたメッキ層 3) 該メッキ層と緩衝金属体との間にろう付けで形成さ
れた接合層 4) 緩衝金属体層
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はセラミックスと金属から
なるエンジン部品に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】断熱性や耐摩耗性にすぐれたセラミック
スと金属とを複合したエンジン部品は、エンジンの熱効
率の向上やエンジン部品の耐摩耗性の向上に効果があ
る。かかる部品によるエンジンの熱効率向上をはかるた
めの１つの構造として、セラミックスを利用した断熱構
造のピストンがある。このための構造として、ピストン
本体にセラミックス製のピストンクラウンを金属製のボ
ルトで固定する構造やセラミックス製のピストンクラウ
ンの周囲に金属製ピストンスカートを鋳造した構造など
が提案されている。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】しかし、ピストン本体
にセラミックス製ピストンクラウンを金属製ボルトで固
定した構造（米国特許第４２４２９４８号明細書）では
金属製のボルトを通して熱がピストンスカートへ逃げる
ため、ピストンの断熱が不十分となる。また、ボルトの
材料は耐熱性を必要とするため、ピストンスカートとは
材料が異なるのが一般的であり、このため使用中におけ
る繰り返しの熱膨脹差によりボルトが緩む欠点がある。 【０００４】さらにまた、セラミックス製ピストンクラ
ウンにボルト孔を加工するのに高度の加工技術が必要と
なるなどの欠点がある。また、セラミックス製ピストン
クラウンの周囲にピストンスカートを鋳造した構造で
は、セラミックスの熱膨脹係数がピストンスカート用と
して一般に使用されるアルミニウム合金や球状黒鉛鋳鉄
より小さいため、セラミックスが鋳造金属の凝固後の収
縮により破損する欠点がある。この欠点を解消するた
め、セラミックス製ピストンクラウンと鋳造金属の間に
繊維状セラミックスからなるクッション層を介在させる
構造（米国特許第４２４５６１１号明細書）やセラミッ
クス製ピストンクラウンの周囲に金属製リングを焼ばめ
し、そのリングの周囲にピストンスカートを鋳造した構
造（特開昭５６−１２２６５９号公報）が提案されてい
る。しかし、繊維状セラミックスのクッション層を利用
する構造ではピストンスカートとピストンクラウンの結
合が不十分のため、ピストン運転中にピストンクラウン
が緩む欠点がある。また、セラミックス性ピストンクラ
ウンの周囲に金属リングを焼ばめした構造では、セラミ
ックス製ピストンクラウンと金属リングの加工に高精度
が要求される欠点がある。 【０００５】さらにまた、エンジン部品の耐摩耗製向上
のため、カムとの摺接面をセラミックスとするタペット
（ＷＯ ８２／０１０３４号公報）が提案されている。
このタペットはセラミックス体がタペット本体に焼ばめ
されているため、セラミックスと金属の加工に高精度が
要求される欠点がある。 【０００６】 【課題を解決するための手段】本発明は従来のセラミッ
クスと金属を複合したエンジン部品の欠点を解決するた
めの、製造が容易で断熱性あるいは耐摩耗性にもすぐれ
たエンジン部品を得ることを目的とするものであって、
本発明は、セラミック製部材と金属製エンジン部品本体
が、セラミックス製部材に被着されたメタライズ層、該
金属製エンジン部品本体とは異なる金属材料からなる緩
衝金属体を介して結合されている構造のエンジン部品に
おいて、セラミックス製部材と緩衝金属体が、セラミッ
クス製部材側より順に層状に介挿された以下の各層を介
して接合されている 1) セラミックス製部材の緩衝金属体との被接合面に被
着された、Mo:70 〜90重量％、MnO:0.5 〜15重量％、Y2
O3:0.1〜10重量％、Al2O3:0.1 〜15重量％、SiO2: 0.1
〜15重量％および不可避の不純物からなるメタライズ層 2) 該メタライズ層に施されたメッキ層 3) 該メッキ層と緩衝金属体との間にろう付けで形成さ
れた接合層 4) 緩衝金属体層 ことを特徴とするエンジン部品である。 【０００７】ここでいうメタライズ層とは、セラミック
スの表面を金属化させるために、金属粉末を主成分とす
るペースト状組成物をセラミックス表面に塗布したのち
乾燥し、その後還元性雰囲気、非酸化性雰囲気または水
蒸気分圧を調整した水素雰囲気中で加熱してセラミック
ス表面に被着させた金属層のことである。前記メタライ
ズ層の組成は Mo 70〜90 重量％; MnO2 0.5〜15 重量
％; Y2O3 0.1〜10 重量％、Al2O3 0.1 〜15 重量％;
SiO2 0.1〜15 重量％; ZrO2 ０〜10重量％より成る。 【０００８】本発明を断熱エンジン用ピストンの具体例
を示す図１，図２，図３，図４，図５ならびにタペット
の一具体例を示す図６を用いてさらに詳細に説明する。
図１に示した断熱エンジン用ピストンは底面にメタライ
ズ層２を被着させた円板状セラミックス製ピストンクラ
ウン１と金属製ピストンスカート６とを、ピストンスカ
ートとは異なる種類の緩衝金属体３を介し、メタライズ
層と緩衝金属体との接合部４と緩衝金属体とピストンス
カートとの接合部５で一体的に接合した断熱エンジン用
ピストンである。 【０００９】ピストンクラウン１を構成するセラミック
スとしては低熱伝導率、高強度、耐熱性、耐食性などの
特性を有し、熱膨脹係数がピストンスカート６を構成す
る金属の熱膨脹係数に近いものが好ましい。このような
セラミックスとしては種々のアルミナ、炭化珪素、ジル
コニア、窒化珪素等のセラミックスが利用できるが、ど
のセラミックスを利用するかはピストンスカート６を構
成する金属の種類に応じて選択する。 【００１０】ジルコニアセラミックス製ピストンクラウ
ンに対しては、熱膨脹係数がジルコニアセラミックスに
近いので鋳鉄で作られたピストンスカートが好ましく、
とくに球状黒鉛鋳鉄製のピストンスカートがより好まし
い。ジルコニアセラミックスとして MgO あるいは Y2O
3 を含む部分安定化ジルコニアが好ましく、 Y2O3 を含
む部分安定化ジルコニアが高強度であり、しかも靱性が
大きいのでより好ましい。 【００１１】セラミックス製ピストンクラウン１の底面
に被着されるメタライズ層としては、 Mo, W, Fe, Ni,
Cuなどの金属の一種又は一種以上を主成分とするメタラ
イズ層を利用する。このうち Mo を主成分とするメタラ
イズ層が好ましく、Y2O3を含むジルコニアセラミックス
製ピストンクラウンに対しては Mo 70〜90重量％；MnO
0.5〜15重量％； Y2O3 0.1 〜10重量％； Al2O3 0.1
〜15重量％； SiO20.1〜15重量％； ZrO2 ０〜10重量％
からなるメタライズ層がジルコニアセラミックスに対す
る接合強度が大きいのでより好ましい。 【００１２】セラミックス製ピストンクラウンの底部に
被着したメタライズ層に接合する緩衝金属体３はフェラ
イト系ステンレス鋼、Fe−Cr合金、Fe−Cr−Ni合金、Fe
−Ni合金、Fe−Ni−Co合金、Ti, Ti合金など熱膨脹係数
が14×10-6／℃以下の緩衝金属が好ましく、熱膨脹係数
がピストンクラウン１を構成するセラミックスの熱膨脹
係数と同等又はそれ以下の緩衝金属がより好ましい。セ
ラミックス製ピストンクラウンの底部に被着しているメ
タライズ層に接合した緩衝金属体の熱膨脹係数がピスト
ンクラウンを構成するセラミックスの熱膨脹係数より大
きい場合には、接合後の冷却時にピストンクラウン１の
側面に引張の熱応力が発生するので好ましくなく、緩衝
金属体の熱膨脹係数が14×10-6／℃以上ではこの引張の
熱応力のためピストンクラウンが破損するので特に好ま
しくない。 【００１３】メタライズ層２と緩衝金属体３との接合構
造はろう付けの構造であるが、緩衝金属体３の種類ある
いはメタライズ層２と緩衝金属体３の間に存在する接合
層に要求される高温での強度などの機械的特性に応じ
て、使用するろう材を決定する。 【００１４】また、メタライズ層２と緩衝金属体３の接
合に先立って、メタライズ層あるいは緩衝金属体の表面
の両方あるいは一方に金属メッキを施すことがメタライ
ズ層２と緩衝金属体３の接合を強固にするうえで好まし
く、一般にはメタライズ層に金属メッキを行う方がより
好ましい。メッキする金属の種類はメタライズ層２、緩
衝金属体３ならびに使用するろう材の種類や接合構造に
応じて、脆弱な金属間化合物の形成防止、ろう材との濡
れ、接触する金属同士の相互拡散の容易さなどを考慮し
て選択する。 【００１５】緩衝金属体３とピストンスカート６との接
合は、ピストンの構造、形状、使用条件、ピストンスカ
ートを構成する金属の種類に応じて、ろう付け、拡散接
合、溶接、ボルト結合、鋳ぐるみのいずれかを選択す
る。融点が低く、熱膨脹係数が大きいアルミニウム合金
製ピストンスカートと緩衝金属体との接合は拡散接合、
鋳ぐるみ、ボルト結合のいずれかによるのが好ましい。
ピストンクラウン１とピストンスカート６の接合は、緩
衝金属体３とメタライズ層２との接合と、緩衝金属体３
とピストンスカート６との接合を同時に行ってもよい
し、接合構造や使用するろう材の融点に応じて別々に行
ってもよい。 【００１６】図２に示した断熱エンジン用ピストンは底
部にメタライズ層、表面に凹部を有するセラミックス製
ピストンクラウン１とピストンスカート６とを緩衝金属
体３を介し、メタライズ層と緩衝金属体との接合部４の
面積を緩衝金属体とピストンスカートとの接合部５の面
積より大として接合したディーゼルエンジン用ピストン
の一具体例である。直径が小さいピストンではメタライ
ズ層と緩衝金属体との接合部４と緩衝金属体とピストン
スカートとの接合部５は同じ面積としてもよいが、直径
が大きなピストンでは接合後の冷却時にピストンクラウ
ン１とピストンスカート６との収縮量の差が大きく、セ
ラミックス製ピストンクラウンが破損することがあるの
で、これを防ぐため緩衝金属体とピストンスカートとの
接合部５の面積をメタライズ層と緩衝金属体との接合部
４の面積より小さくするのが好ましい。 【００１７】また、図２に示したセラミックス製ピスト
ンクラウン１に接合する緩衝金属体３は接合後の冷却時
にメタライズ層と緩衝金属体との接合部４とピストンク
ラウンの境界７に発生する残留応力を小さくするため、
熱膨脹係数がピストンクラウンを構成するセラミックス
の熱膨脹係数と近似しているものが好ましく、とくにメ
タライズ層と緩衝金属体との接合部４の境界７において
セラミックス中に残留する熱応力を零ないし圧縮応力と
するため、熱膨脹係数がピストンクラウンを構成するセ
ラミックスと同等又はそれ以下の緩衝金属体がより好ま
しい。図３に示した断熱エンジン用ピストンは底部にメ
タライズ層２を被着させたセラミックス製ピストンクラ
ウン１と金属製ピストンスカート６とを直径がピストン
クラウン底部の直径より小さい緩衝金属体３を介して、
メタライズ層と緩衝金属体との接合部４と緩衝金属体と
ピストンスカートとの接合部５により接合したディーゼ
ルエンジン用ピストンの一具体例である。緩衝金属体３
の大きさは各接合部の強度がピストンの運転中に各接合
部に作用する力に耐える大きさとなるように決定する。
なお、緩衝金属体３の周囲に形成される空間には断熱シ
ート８を設置して、より一層の断熱化をはかることもあ
る。 【００１８】図４に示した断熱エンジン用ピストンは底
部にメタライズ層２を被着させたセラミックス製ピスト
ンクラウン１とボルト９とを、緩衝金属体３を介してメ
タライズ層と緩衝金属体との接合部４と緩衝金属体とボ
ルトとの接合部11により接合し、そのボルトによってピ
ストンスカート６とセラミックス製ピストンクラウン１
とを接合したディーゼルエンジン用ピストンの一具体例
である。このボルトは緩衝金属体３と同一材料で一体と
して形成してもよく、あるいはピストンスカート６と熱
膨脹係数が近似した金属を用いてもよく、使用中のボル
トの緩みを防ぐため、ピストンスカート６と同種材料か
らなるボルト９を緩衝金属体３に接合するのがもっとも
好ましい。 【００１９】図５に示した断熱エッジン用ピストンは底
部にメタライズ層２を被着させたピストンクランウ１と
上部に緩衝金属体の片面に形成されている柱状・突起が
挿入可能な孔を有するピストンスカート６を、緩衝金属
体３に設けられている柱状突起をピストンスカート上に
設けられている孔に挿入し、メタライズ層と緩衝金属体
との接合部４と緩衝金属体とピストンスカートとの接合
部５により一対的に接合したディーゼルエンジン用ピス
トンの一具体例である。 【００２０】図６に示したタペットは片面にメタライズ
層２を被着させた円板状のセラミックスからなるカム摺
接面12とタペット本体13を緩衝金属体３を介し、メタラ
イズ層と金属体との接合部４と金属体とタペット本体と
の接合部14で一体的に接合したタペットの一具体例であ
る。 【００２１】次に本発明の実施例について述べる。 【実施例】実施例１ 5.2 重量％の Y2O3 を含む部分安定化ジルコニアセラミ
ックスで直径 70 mm、厚さ３ mm の円板を作製した。こ
の円板の片面にMo 75 重量％; Mn 10 重量％;SiO2 10
重量％; Al2O3 5 重量％の組成物を含むメタライズペー
ストを膜厚0.1mm に塗布し、90℃で１時間加熱して乾燥
したのち、40℃に加温した水槽中を通した水素と窒素の
混合ガス雰囲気中で1300℃、10時間加熱してメタライズ
層を形成させた。このメタライズ層にはジルコニアセラ
ミックスから拡散してきた Y2O3 が0.5 〜1.5 重量％含
まれている。 【００２２】このようにして得た片面にメタライズ層を
被着させたジルコニアセラミックス円板と球状黒鉛鋳鉄
ピストンとを直径70mm、厚さ１mmのチタン金属板を介し
て真空中で銀ろう付けし、直径70mm、高さ69mmの図１に
示すようなピストンを作製した。 【００２３】また、参考例としてメタライズ層を被着さ
せたジルコニアセラミックス円板と球状黒鉛鋳鉄ピスト
ンをチタン金属板を介さずに直接銀ロー付けした同一寸
法のピストンを作製した。この２種類のピストンについ
てシリンダー直径70mm、ストローク75mm、回転数2200 r
pmのディーゼルエンジンを使用し、ピストン頂部に接合
したジルコニアセラミックスが破損する最大の平均有効
圧を求めたところ、本発明のピストンでは最大平均有効
圧が14.0kg/cm2でもジルコニアセラミックスに異常は認
められなかった。一方、参考例のピストンでは最大平均
有効圧が8.5kg/cm2 であった。 【００２４】このように本発明のピストンは高い平均有
効圧で作動できることが確認された。なお、メタライズ
層と金属チタンの接合強度をしらべるため、直径7.5mm
、厚さ５mmのジルコニアセラミックス円板の両面にMo
72 重量％、 MnO 12 重量％;SiO2 ８重量％; Al2O3 ５
重量％； Y2O3 ３重量％からなるメタライズ層を被着さ
せた試料と、Mo 85 重量％; MnO ７重量％； SiO2 ５重
量％； Al2O32.5重量％; Y2O3 0.5 重量％からなるメ
タライズ層を被着させた試料を作り、それぞれの両面に
直径 7.5 mm 、長さ 35 mmのチタン丸棒を銀ろう付けし
たのち、直径6.7 mmの棒状試験片に加工し、引張試験を
行って接合強度を求めたところ、接合強度はそれぞれ12
kg/mm2 と 15 kg/mm2であった。 【００２５】実施例２ 5.2 重量％の Y2O3 を含む部分安定化ジルコニアセラミ
ックスでピストンクラウン上部の直径Ａが 138.7 mm 、
ピストンクラウン底部の直径Ｂが 107.0 mm 、ピストン
クラウンの高さＣが 24.4 mmの図２に示すような形状の
ピストンクラウン１を作製した。 【００２６】このピストンクラウンの底部に Mo 70 重
量％; Mn 10 重量％; SiO2 10 重量％; Al2O3 ５重量
％； ZrO2 4.7 重量％; Y2O3 0.3 重量％ の組成物を
含むメタライズペーストを塗布し、90℃で１時間加熱し
て乾燥したのち35℃に加温した水槽中を通した水素と窒
素の混合ガス雰囲気中で1300℃、10時間加熱してメタラ
イズ層２を形成させた。また、頭部に直径107.7 mm、深
さ 27.5 mmのくぼみを有する直径 139.7 mm 、高さ139.
5 mmの球状黒鉛鋳鉄のピストンを作り、くぼみの中央に
直径 50 mm、高さ 0.5 mm の円柱状突起を加工した。こ
の円柱状突起表面とピストンクラウン底部のメタライズ
層にニッケルメッキを施したのち、直径100mm 、厚さ３
mm のチタン金属板を介し、ピストンクラウンとピスト
ン本体を真空中でろう付けし、図２に示すような形状の
ピストンを得た。このピストンはピストンクラウンとピ
ストン本体が強固に接合している。一方、参考例とし
て、チタン金属板を介さずにピストンクラウン底部のメ
タライズ層とピストン本体頭部のくぼみ内の円柱状突起
表面を直接ろう付けしたピストンはろう付け後の冷却時
にピストンクラウンが破損した。 【００２７】以上述べたことから明らかなとおり、本発
明のエンジン部品はセラミックス製部材の表面に被着し
たメタライズ層に接合された緩衝金属体を介して熱膨脹
係数が異なるセラミックス製部材と金属製部材とを接合
するので、両部材の形状による制約を受けることなく、
強固に接合できる。 【００２８】とくに、セラミックス製ピストンクラウン
の底部に被着したメタライズ層と、そのメタライズ層に
接合した緩衝金属体を利用してセラミックス製ピストン
クラウンと金属製ピストンスカートとを接合した断熱エ
ンジン用ピストンでは、高温の燃焼ガスにさらされるピ
ストンクラウンの全表面を断熱性の高いセラミックスと
することがてきるので、容易に断熱効果のすぐれたピス
トンを作ることができる。 【００２９】また、タペットはカム摺接面、メタライズ
層、緩衝金属体、接合構造の選択により上述のピストン
と同様、耐摩耗性にすぐれたタペットとすることができ
る。このように本発明のエンジン部品はセラミックスと
金属のそれぞれが有するすぐれた特性を完全に発揮させ
ることができる。 【００３０】したがって、セラミックスの耐熱性、断熱
性、耐食性ならびに耐摩耗性を生かしてピストン、タペ
ットはもちろん吸気弁、排気弁、ターボチャージャー、
ロッカーアーム、カムなど高温や繰り返し荷重ならびに
衝撃荷重などを受けるエンジン部品に適用可能であり、
本発明は産業の発展に大きく寄与する。
なるエンジン部品に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】断熱性や耐摩耗性にすぐれたセラミック
スと金属とを複合したエンジン部品は、エンジンの熱効
率の向上やエンジン部品の耐摩耗性の向上に効果があ
る。かかる部品によるエンジンの熱効率向上をはかるた
めの１つの構造として、セラミックスを利用した断熱構
造のピストンがある。このための構造として、ピストン
本体にセラミックス製のピストンクラウンを金属製のボ
ルトで固定する構造やセラミックス製のピストンクラウ
ンの周囲に金属製ピストンスカートを鋳造した構造など
が提案されている。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】しかし、ピストン本体
にセラミックス製ピストンクラウンを金属製ボルトで固
定した構造（米国特許第４２４２９４８号明細書）では
金属製のボルトを通して熱がピストンスカートへ逃げる
ため、ピストンの断熱が不十分となる。また、ボルトの
材料は耐熱性を必要とするため、ピストンスカートとは
材料が異なるのが一般的であり、このため使用中におけ
る繰り返しの熱膨脹差によりボルトが緩む欠点がある。 【０００４】さらにまた、セラミックス製ピストンクラ
ウンにボルト孔を加工するのに高度の加工技術が必要と
なるなどの欠点がある。また、セラミックス製ピストン
クラウンの周囲にピストンスカートを鋳造した構造で
は、セラミックスの熱膨脹係数がピストンスカート用と
して一般に使用されるアルミニウム合金や球状黒鉛鋳鉄
より小さいため、セラミックスが鋳造金属の凝固後の収
縮により破損する欠点がある。この欠点を解消するた
め、セラミックス製ピストンクラウンと鋳造金属の間に
繊維状セラミックスからなるクッション層を介在させる
構造（米国特許第４２４５６１１号明細書）やセラミッ
クス製ピストンクラウンの周囲に金属製リングを焼ばめ
し、そのリングの周囲にピストンスカートを鋳造した構
造（特開昭５６−１２２６５９号公報）が提案されてい
る。しかし、繊維状セラミックスのクッション層を利用
する構造ではピストンスカートとピストンクラウンの結
合が不十分のため、ピストン運転中にピストンクラウン
が緩む欠点がある。また、セラミックス性ピストンクラ
ウンの周囲に金属リングを焼ばめした構造では、セラミ
ックス製ピストンクラウンと金属リングの加工に高精度
が要求される欠点がある。 【０００５】さらにまた、エンジン部品の耐摩耗製向上
のため、カムとの摺接面をセラミックスとするタペット
（ＷＯ ８２／０１０３４号公報）が提案されている。
このタペットはセラミックス体がタペット本体に焼ばめ
されているため、セラミックスと金属の加工に高精度が
要求される欠点がある。 【０００６】 【課題を解決するための手段】本発明は従来のセラミッ
クスと金属を複合したエンジン部品の欠点を解決するた
めの、製造が容易で断熱性あるいは耐摩耗性にもすぐれ
たエンジン部品を得ることを目的とするものであって、
本発明は、セラミック製部材と金属製エンジン部品本体
が、セラミックス製部材に被着されたメタライズ層、該
金属製エンジン部品本体とは異なる金属材料からなる緩
衝金属体を介して結合されている構造のエンジン部品に
おいて、セラミックス製部材と緩衝金属体が、セラミッ
クス製部材側より順に層状に介挿された以下の各層を介
して接合されている 1) セラミックス製部材の緩衝金属体との被接合面に被
着された、Mo:70 〜90重量％、MnO:0.5 〜15重量％、Y2
O3:0.1〜10重量％、Al2O3:0.1 〜15重量％、SiO2: 0.1
〜15重量％および不可避の不純物からなるメタライズ層 2) 該メタライズ層に施されたメッキ層 3) 該メッキ層と緩衝金属体との間にろう付けで形成さ
れた接合層 4) 緩衝金属体層 ことを特徴とするエンジン部品である。 【０００７】ここでいうメタライズ層とは、セラミック
スの表面を金属化させるために、金属粉末を主成分とす
るペースト状組成物をセラミックス表面に塗布したのち
乾燥し、その後還元性雰囲気、非酸化性雰囲気または水
蒸気分圧を調整した水素雰囲気中で加熱してセラミック
ス表面に被着させた金属層のことである。前記メタライ
ズ層の組成は Mo 70〜90 重量％; MnO2 0.5〜15 重量
％; Y2O3 0.1〜10 重量％、Al2O3 0.1 〜15 重量％;
SiO2 0.1〜15 重量％; ZrO2 ０〜10重量％より成る。 【０００８】本発明を断熱エンジン用ピストンの具体例
を示す図１，図２，図３，図４，図５ならびにタペット
の一具体例を示す図６を用いてさらに詳細に説明する。
図１に示した断熱エンジン用ピストンは底面にメタライ
ズ層２を被着させた円板状セラミックス製ピストンクラ
ウン１と金属製ピストンスカート６とを、ピストンスカ
ートとは異なる種類の緩衝金属体３を介し、メタライズ
層と緩衝金属体との接合部４と緩衝金属体とピストンス
カートとの接合部５で一体的に接合した断熱エンジン用
ピストンである。 【０００９】ピストンクラウン１を構成するセラミック
スとしては低熱伝導率、高強度、耐熱性、耐食性などの
特性を有し、熱膨脹係数がピストンスカート６を構成す
る金属の熱膨脹係数に近いものが好ましい。このような
セラミックスとしては種々のアルミナ、炭化珪素、ジル
コニア、窒化珪素等のセラミックスが利用できるが、ど
のセラミックスを利用するかはピストンスカート６を構
成する金属の種類に応じて選択する。 【００１０】ジルコニアセラミックス製ピストンクラウ
ンに対しては、熱膨脹係数がジルコニアセラミックスに
近いので鋳鉄で作られたピストンスカートが好ましく、
とくに球状黒鉛鋳鉄製のピストンスカートがより好まし
い。ジルコニアセラミックスとして MgO あるいは Y2O
3 を含む部分安定化ジルコニアが好ましく、 Y2O3 を含
む部分安定化ジルコニアが高強度であり、しかも靱性が
大きいのでより好ましい。 【００１１】セラミックス製ピストンクラウン１の底面
に被着されるメタライズ層としては、 Mo, W, Fe, Ni,
Cuなどの金属の一種又は一種以上を主成分とするメタラ
イズ層を利用する。このうち Mo を主成分とするメタラ
イズ層が好ましく、Y2O3を含むジルコニアセラミックス
製ピストンクラウンに対しては Mo 70〜90重量％；MnO
0.5〜15重量％； Y2O3 0.1 〜10重量％； Al2O3 0.1
〜15重量％； SiO20.1〜15重量％； ZrO2 ０〜10重量％
からなるメタライズ層がジルコニアセラミックスに対す
る接合強度が大きいのでより好ましい。 【００１２】セラミックス製ピストンクラウンの底部に
被着したメタライズ層に接合する緩衝金属体３はフェラ
イト系ステンレス鋼、Fe−Cr合金、Fe−Cr−Ni合金、Fe
−Ni合金、Fe−Ni−Co合金、Ti, Ti合金など熱膨脹係数
が14×10-6／℃以下の緩衝金属が好ましく、熱膨脹係数
がピストンクラウン１を構成するセラミックスの熱膨脹
係数と同等又はそれ以下の緩衝金属がより好ましい。セ
ラミックス製ピストンクラウンの底部に被着しているメ
タライズ層に接合した緩衝金属体の熱膨脹係数がピスト
ンクラウンを構成するセラミックスの熱膨脹係数より大
きい場合には、接合後の冷却時にピストンクラウン１の
側面に引張の熱応力が発生するので好ましくなく、緩衝
金属体の熱膨脹係数が14×10-6／℃以上ではこの引張の
熱応力のためピストンクラウンが破損するので特に好ま
しくない。 【００１３】メタライズ層２と緩衝金属体３との接合構
造はろう付けの構造であるが、緩衝金属体３の種類ある
いはメタライズ層２と緩衝金属体３の間に存在する接合
層に要求される高温での強度などの機械的特性に応じ
て、使用するろう材を決定する。 【００１４】また、メタライズ層２と緩衝金属体３の接
合に先立って、メタライズ層あるいは緩衝金属体の表面
の両方あるいは一方に金属メッキを施すことがメタライ
ズ層２と緩衝金属体３の接合を強固にするうえで好まし
く、一般にはメタライズ層に金属メッキを行う方がより
好ましい。メッキする金属の種類はメタライズ層２、緩
衝金属体３ならびに使用するろう材の種類や接合構造に
応じて、脆弱な金属間化合物の形成防止、ろう材との濡
れ、接触する金属同士の相互拡散の容易さなどを考慮し
て選択する。 【００１５】緩衝金属体３とピストンスカート６との接
合は、ピストンの構造、形状、使用条件、ピストンスカ
ートを構成する金属の種類に応じて、ろう付け、拡散接
合、溶接、ボルト結合、鋳ぐるみのいずれかを選択す
る。融点が低く、熱膨脹係数が大きいアルミニウム合金
製ピストンスカートと緩衝金属体との接合は拡散接合、
鋳ぐるみ、ボルト結合のいずれかによるのが好ましい。
ピストンクラウン１とピストンスカート６の接合は、緩
衝金属体３とメタライズ層２との接合と、緩衝金属体３
とピストンスカート６との接合を同時に行ってもよい
し、接合構造や使用するろう材の融点に応じて別々に行
ってもよい。 【００１６】図２に示した断熱エンジン用ピストンは底
部にメタライズ層、表面に凹部を有するセラミックス製
ピストンクラウン１とピストンスカート６とを緩衝金属
体３を介し、メタライズ層と緩衝金属体との接合部４の
面積を緩衝金属体とピストンスカートとの接合部５の面
積より大として接合したディーゼルエンジン用ピストン
の一具体例である。直径が小さいピストンではメタライ
ズ層と緩衝金属体との接合部４と緩衝金属体とピストン
スカートとの接合部５は同じ面積としてもよいが、直径
が大きなピストンでは接合後の冷却時にピストンクラウ
ン１とピストンスカート６との収縮量の差が大きく、セ
ラミックス製ピストンクラウンが破損することがあるの
で、これを防ぐため緩衝金属体とピストンスカートとの
接合部５の面積をメタライズ層と緩衝金属体との接合部
４の面積より小さくするのが好ましい。 【００１７】また、図２に示したセラミックス製ピスト
ンクラウン１に接合する緩衝金属体３は接合後の冷却時
にメタライズ層と緩衝金属体との接合部４とピストンク
ラウンの境界７に発生する残留応力を小さくするため、
熱膨脹係数がピストンクラウンを構成するセラミックス
の熱膨脹係数と近似しているものが好ましく、とくにメ
タライズ層と緩衝金属体との接合部４の境界７において
セラミックス中に残留する熱応力を零ないし圧縮応力と
するため、熱膨脹係数がピストンクラウンを構成するセ
ラミックスと同等又はそれ以下の緩衝金属体がより好ま
しい。図３に示した断熱エンジン用ピストンは底部にメ
タライズ層２を被着させたセラミックス製ピストンクラ
ウン１と金属製ピストンスカート６とを直径がピストン
クラウン底部の直径より小さい緩衝金属体３を介して、
メタライズ層と緩衝金属体との接合部４と緩衝金属体と
ピストンスカートとの接合部５により接合したディーゼ
ルエンジン用ピストンの一具体例である。緩衝金属体３
の大きさは各接合部の強度がピストンの運転中に各接合
部に作用する力に耐える大きさとなるように決定する。
なお、緩衝金属体３の周囲に形成される空間には断熱シ
ート８を設置して、より一層の断熱化をはかることもあ
る。 【００１８】図４に示した断熱エンジン用ピストンは底
部にメタライズ層２を被着させたセラミックス製ピスト
ンクラウン１とボルト９とを、緩衝金属体３を介してメ
タライズ層と緩衝金属体との接合部４と緩衝金属体とボ
ルトとの接合部11により接合し、そのボルトによってピ
ストンスカート６とセラミックス製ピストンクラウン１
とを接合したディーゼルエンジン用ピストンの一具体例
である。このボルトは緩衝金属体３と同一材料で一体と
して形成してもよく、あるいはピストンスカート６と熱
膨脹係数が近似した金属を用いてもよく、使用中のボル
トの緩みを防ぐため、ピストンスカート６と同種材料か
らなるボルト９を緩衝金属体３に接合するのがもっとも
好ましい。 【００１９】図５に示した断熱エッジン用ピストンは底
部にメタライズ層２を被着させたピストンクランウ１と
上部に緩衝金属体の片面に形成されている柱状・突起が
挿入可能な孔を有するピストンスカート６を、緩衝金属
体３に設けられている柱状突起をピストンスカート上に
設けられている孔に挿入し、メタライズ層と緩衝金属体
との接合部４と緩衝金属体とピストンスカートとの接合
部５により一対的に接合したディーゼルエンジン用ピス
トンの一具体例である。 【００２０】図６に示したタペットは片面にメタライズ
層２を被着させた円板状のセラミックスからなるカム摺
接面12とタペット本体13を緩衝金属体３を介し、メタラ
イズ層と金属体との接合部４と金属体とタペット本体と
の接合部14で一体的に接合したタペットの一具体例であ
る。 【００２１】次に本発明の実施例について述べる。 【実施例】実施例１ 5.2 重量％の Y2O3 を含む部分安定化ジルコニアセラミ
ックスで直径 70 mm、厚さ３ mm の円板を作製した。こ
の円板の片面にMo 75 重量％; Mn 10 重量％;SiO2 10
重量％; Al2O3 5 重量％の組成物を含むメタライズペー
ストを膜厚0.1mm に塗布し、90℃で１時間加熱して乾燥
したのち、40℃に加温した水槽中を通した水素と窒素の
混合ガス雰囲気中で1300℃、10時間加熱してメタライズ
層を形成させた。このメタライズ層にはジルコニアセラ
ミックスから拡散してきた Y2O3 が0.5 〜1.5 重量％含
まれている。 【００２２】このようにして得た片面にメタライズ層を
被着させたジルコニアセラミックス円板と球状黒鉛鋳鉄
ピストンとを直径70mm、厚さ１mmのチタン金属板を介し
て真空中で銀ろう付けし、直径70mm、高さ69mmの図１に
示すようなピストンを作製した。 【００２３】また、参考例としてメタライズ層を被着さ
せたジルコニアセラミックス円板と球状黒鉛鋳鉄ピスト
ンをチタン金属板を介さずに直接銀ロー付けした同一寸
法のピストンを作製した。この２種類のピストンについ
てシリンダー直径70mm、ストローク75mm、回転数2200 r
pmのディーゼルエンジンを使用し、ピストン頂部に接合
したジルコニアセラミックスが破損する最大の平均有効
圧を求めたところ、本発明のピストンでは最大平均有効
圧が14.0kg/cm2でもジルコニアセラミックスに異常は認
められなかった。一方、参考例のピストンでは最大平均
有効圧が8.5kg/cm2 であった。 【００２４】このように本発明のピストンは高い平均有
効圧で作動できることが確認された。なお、メタライズ
層と金属チタンの接合強度をしらべるため、直径7.5mm
、厚さ５mmのジルコニアセラミックス円板の両面にMo
72 重量％、 MnO 12 重量％;SiO2 ８重量％; Al2O3 ５
重量％； Y2O3 ３重量％からなるメタライズ層を被着さ
せた試料と、Mo 85 重量％; MnO ７重量％； SiO2 ５重
量％； Al2O32.5重量％; Y2O3 0.5 重量％からなるメ
タライズ層を被着させた試料を作り、それぞれの両面に
直径 7.5 mm 、長さ 35 mmのチタン丸棒を銀ろう付けし
たのち、直径6.7 mmの棒状試験片に加工し、引張試験を
行って接合強度を求めたところ、接合強度はそれぞれ12
kg/mm2 と 15 kg/mm2であった。 【００２５】実施例２ 5.2 重量％の Y2O3 を含む部分安定化ジルコニアセラミ
ックスでピストンクラウン上部の直径Ａが 138.7 mm 、
ピストンクラウン底部の直径Ｂが 107.0 mm 、ピストン
クラウンの高さＣが 24.4 mmの図２に示すような形状の
ピストンクラウン１を作製した。 【００２６】このピストンクラウンの底部に Mo 70 重
量％; Mn 10 重量％; SiO2 10 重量％; Al2O3 ５重量
％； ZrO2 4.7 重量％; Y2O3 0.3 重量％ の組成物を
含むメタライズペーストを塗布し、90℃で１時間加熱し
て乾燥したのち35℃に加温した水槽中を通した水素と窒
素の混合ガス雰囲気中で1300℃、10時間加熱してメタラ
イズ層２を形成させた。また、頭部に直径107.7 mm、深
さ 27.5 mmのくぼみを有する直径 139.7 mm 、高さ139.
5 mmの球状黒鉛鋳鉄のピストンを作り、くぼみの中央に
直径 50 mm、高さ 0.5 mm の円柱状突起を加工した。こ
の円柱状突起表面とピストンクラウン底部のメタライズ
層にニッケルメッキを施したのち、直径100mm 、厚さ３
mm のチタン金属板を介し、ピストンクラウンとピスト
ン本体を真空中でろう付けし、図２に示すような形状の
ピストンを得た。このピストンはピストンクラウンとピ
ストン本体が強固に接合している。一方、参考例とし
て、チタン金属板を介さずにピストンクラウン底部のメ
タライズ層とピストン本体頭部のくぼみ内の円柱状突起
表面を直接ろう付けしたピストンはろう付け後の冷却時
にピストンクラウンが破損した。 【００２７】以上述べたことから明らかなとおり、本発
明のエンジン部品はセラミックス製部材の表面に被着し
たメタライズ層に接合された緩衝金属体を介して熱膨脹
係数が異なるセラミックス製部材と金属製部材とを接合
するので、両部材の形状による制約を受けることなく、
強固に接合できる。 【００２８】とくに、セラミックス製ピストンクラウン
の底部に被着したメタライズ層と、そのメタライズ層に
接合した緩衝金属体を利用してセラミックス製ピストン
クラウンと金属製ピストンスカートとを接合した断熱エ
ンジン用ピストンでは、高温の燃焼ガスにさらされるピ
ストンクラウンの全表面を断熱性の高いセラミックスと
することがてきるので、容易に断熱効果のすぐれたピス
トンを作ることができる。 【００２９】また、タペットはカム摺接面、メタライズ
層、緩衝金属体、接合構造の選択により上述のピストン
と同様、耐摩耗性にすぐれたタペットとすることができ
る。このように本発明のエンジン部品はセラミックスと
金属のそれぞれが有するすぐれた特性を完全に発揮させ
ることができる。 【００３０】したがって、セラミックスの耐熱性、断熱
性、耐食性ならびに耐摩耗性を生かしてピストン、タペ
ットはもちろん吸気弁、排気弁、ターボチャージャー、
ロッカーアーム、カムなど高温や繰り返し荷重ならびに
衝撃荷重などを受けるエンジン部品に適用可能であり、
本発明は産業の発展に大きく寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明のエンジン部品の一具体例である
断熱エンジン用ピストンの断面を示す説明図である。 【図２】図２は本発明のエンジン部品の一具体例である
断熱エンジン用ピストンの断面を示す説明図である。 【図３】図３は本発明のエンジン部品の一具体例である
断熱エンジン用ピストンの断面を示す説明図である。 【図４】図４は本発明のエンジン部品の一具体例である
断熱エンジン用ピストンの断面を示す説明図である。 【図５】図５は本発明のエンジン部品の一具体例である
断熱エンジン用ピストンの断面を示す説明図である。 【図６】図６は本発明のエンジン部品の他の具体例であ
るタペットの断面を示す説明図である。 【符号の説明】 １ ピストンクラウン ２ メタライズ層 ３ 緩衝金属体 ４ メタライズ層と緩衝金属体との接合部 ５ 緩衝金属とピストンスカートとの接合部 ６ ピストンスカート ７ メタライズ層と緩衝金属体の接合部境界 ８ 断熱シート ９ ボルト １０ ナット １１ 緩衝金属体とボルトとの接合部 １２ カム摺接面 １３ タペット本体 １４ 緩衝金属体とタペット本体との接合部
断熱エンジン用ピストンの断面を示す説明図である。 【図２】図２は本発明のエンジン部品の一具体例である
断熱エンジン用ピストンの断面を示す説明図である。 【図３】図３は本発明のエンジン部品の一具体例である
断熱エンジン用ピストンの断面を示す説明図である。 【図４】図４は本発明のエンジン部品の一具体例である
断熱エンジン用ピストンの断面を示す説明図である。 【図５】図５は本発明のエンジン部品の一具体例である
断熱エンジン用ピストンの断面を示す説明図である。 【図６】図６は本発明のエンジン部品の他の具体例であ
るタペットの断面を示す説明図である。 【符号の説明】 １ ピストンクラウン ２ メタライズ層 ３ 緩衝金属体 ４ メタライズ層と緩衝金属体との接合部 ５ 緩衝金属とピストンスカートとの接合部 ６ ピストンスカート ７ メタライズ層と緩衝金属体の接合部境界 ８ 断熱シート ９ ボルト １０ ナット １１ 緩衝金属体とボルトとの接合部 １２ カム摺接面 １３ タペット本体 １４ 緩衝金属体とタペット本体との接合部
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(51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所
Ｆ０２Ｆ 3/00 ３０２ Ａ 8503−3Ｇ
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1. セラミック製部材と金属製エンジン部品本体が、セ
ラミックス製部材に被着されたメタライズ層、該金属製
エンジン部品本体とは異なる金属材料からなる緩衝金属
体を介して結合されている構造のエンジン部品におい
て、セラミックス製部材と緩衝金属体が、セラミックス
製部材側より順に層状に介挿された以下の各層を介して
接合されているエンジン部品。 1) セラミックス製部材の緩衝金属体との被接合面に被
着された、Mo:70 〜90重量％、MnO:0.5 〜15重量％、Y2
O3:0.1〜10重量％、Al2O3:0.1 〜15重量％、SiO2: 0.1
〜15重量％および不可避の不純物からなるメタライズ層 2) 該メタライズ層に施されたメッキ層 3) 該メッキ層と緩衝金属体との間にろう付けで形成さ
れた接合層 4) 緩衝金属体層 2. 前記メタライズ層はモリブデン70〜90重量％、酸化
マンガン 0.5〜15重量％、酸化イットリウム 0.1〜10重
量％、酸化アルミニウム 0.1〜15重量％、二酸化ケイ素
0.1〜15重量％および酸化ジルコニウム 10 重量％以下
より成る特許請求の範囲１記載のエンジン部品。 3. 緩衝金属体がろう付け、拡散接合、溶接、鋳ぐるみ
およびボルト結合のいずれか１つの構造で金属部材に接
合されている特許請求の範囲１又は２のいずれかに記載
のエンジン部品。 4. セラミックス製部材がピストンクラウンであり、金
属製部材がピストンスカートである特許請求の範囲１記
載のエンジン部品。 5. セラミックス製部材がカムとの摺接面を形成し、金
属製部材がタペットである特許請求の範囲１記載のエン
ジン部品。 6. セラミックス製部材がジルコニアセラミックス、金
属製部材が鋳鉄よりなる特許請求の範囲１記載のエンジ
ン部品。 7. 緩衝金属体とセラミックス製部材の接合面積が緩衝
金属体と金属製部材との接合面積より大きい特許請求の
範囲１，２，３又は４のいずれかに記載のエンジン部
品。 8. 緩衝金属体の熱膨脹係数がセラミックス製部材の熱
膨脹係数と同等又はそれ以下である特許請求の範囲１な
いし７のいずれかに記載のエンジン部品。 9. 緩衝金属体がチタン、チタン合金、フェライト系ス
テンレス鋼、Fe−Cr合金、Fe−Cr−Ni合金、Fe−Ni合金
の何れかであって、熱膨脹係数が14×10-6／℃以下で緩
衝性のある金属体である特許請求の範囲１記載のエンジ
ン部品。 10. 緩衝金属体がチタン又はチタン合金、セラミック
ス製部材がジルコニアセラミックスである特許請求の範
囲１記載のエンジン部品。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19738291A JPH0660065B2 (ja) | 1991-07-12 | 1991-07-12 | エンジン部品 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19738291A JPH0660065B2 (ja) | 1991-07-12 | 1991-07-12 | エンジン部品 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57211385A Division JPS59101566A (ja) | 1982-12-03 | 1982-12-03 | エンジン部品 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05864A true JPH05864A (ja) | 1993-01-08 |
| JPH0660065B2 JPH0660065B2 (ja) | 1994-08-10 |
Family
ID=16373588
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19738291A Expired - Lifetime JPH0660065B2 (ja) | 1991-07-12 | 1991-07-12 | エンジン部品 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0660065B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9370847B2 (en) | 2013-06-27 | 2016-06-21 | Hyundai Motor Company | Method for manufacturing piston of automobile engine |
| CN114160899A (zh) * | 2021-12-19 | 2022-03-11 | 南京理工大学 | 一种铸铝发动机活塞部件的制造方法 |
-
1991
- 1991-07-12 JP JP19738291A patent/JPH0660065B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9370847B2 (en) | 2013-06-27 | 2016-06-21 | Hyundai Motor Company | Method for manufacturing piston of automobile engine |
| CN114160899A (zh) * | 2021-12-19 | 2022-03-11 | 南京理工大学 | 一种铸铝发动机活塞部件的制造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0660065B2 (ja) | 1994-08-10 |
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