JPH063171B2 - セラミックスー金属の摩擦圧接体およびそれから成るセラミックス鋳ぐるみピストン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、セラミックス−金属の摩擦圧接体およびそれ
から成るセラミックス鋳ぐるみピストンに関するもの
で、エンジン等の耐熱及び耐摩耗部品及び産業機械等の
分野において利用価値の高いものである。

［従来の技術］ 近年、例えば内燃機関用のピストンはエンジン本体の軽
量化という要請とともに、耐熱性及び耐摩耗性の向上を
図るため、セラミックスと金属とを鋳ぐるみにより一体
的に接合したピストンが提案され、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鋳ぐるみ
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５９−１０１５６６号公報、実開昭６２−２００
１４７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、一体的に鋳ぐるみ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、ピストンキャビティに設けるセ
ラミックス外側周に溝を形成、又はこの外側周をピスト
ン上端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、アルミニウム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、ピストン本体とセラミ
ックスの接合をメタライズ層の結合力で行うことを目的
としたものであり、ピストンの慣性力、熱変形等による
応力に耐えるため、ピストン本体とセラミックスの接す
る面の広い範囲にメタライズ層を形成している。しか
し、広範囲に一様にメタライズすることは、技術的に困
難であるとともに製造コストが高くなり好ましくない。
又、メタライズ層のみで慣性力、熱変形等による応力を
受け持っているので、強度上信頼性に欠け、ピストン運
転時に接合面が剥離し、燃焼ガスがその剥離部から流入
することとなり、エンジンの燃料効率が低下し燃費が悪
化するほか、ピストン母材の損傷、カーボンの蓄積等が
生じるという不都合がある。

一方、実開昭６２−２００１４７号公報に記載のセラミ
ックス接合ピストンは、前記したように、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しよう
とするものであって、燃焼ガスが接合面より流入するの
を防止する、シールという観点からは何等の対策も講じ
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
ストン外周側に何等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］ そこで、本発明者は、上記した従来の問題に鑑み種々検
討した結果、本発明に到達した。

即ち、本発明によれば、セラミックス製部材と金属製部
材との間にアルミニウム部材を介在させて構成される摩
擦圧接体であって、上記セラミックス製部材接合面の外
周部に切欠き部を設け、該切欠き部に上記金属製部材お
よびアルミニウム部材を摩擦圧接によって接合すること
を特徴とするセラミックス−金属の摩擦圧接体が提供さ
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、
該頂板のピストン本体と接する面の外周部に切欠き部を
設け、該切欠き部に金属製環状部材およびアルミニウム
環状部材を摩擦圧接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、が提供される。

本発明の摩擦圧接体では、金属製部材としてセラミック
スとの直接摩擦圧接による接合が困難なものを用いる場
合に、特に好適なものといえる。

本発明では、セラミックス製部材と、セラミックスと直
接接合することが困難な金属製部材との間にアルミニウ
ム部材を介在させているため、より強固に接合されてな
るセラミックス−金属の摩擦圧接体を提供することがで
きる。

本発明に係るセラミックス−金属の摩擦圧接体は、上記
したように、セラミックス鋳ぐるみピストンに適用でき
る他、金属２０とセラミックス２１とからなるエンジン
バルブ〔第８図（ａ）、（ｂ）参照〕、又、エンジンバ
ルブを稼働させるための動力を伝達させるロッカーアー
ム２４、プッシュロッド２５、タペット２６の摺動部に
セラミックス２１を摩擦圧接したもの〔第８図（ｃ）参
照〕や、産業機械分野の耐食性・耐熱性機器、例えば耐
酸ポンプのセラミックスピンドル、セラミックロータ等
に利用することができる。

ここで摩擦圧接とは、接合しようとする材料を互いに接
触させ、一定の加圧力下で接合面同士を相対運動させて
面内で発生した摩擦熱で接合面を高温にし、さらに摩擦
力と加圧力で金属材料を塑性流動させて両者を接合させ
るものであり、接合部品の形状、大きさなどの制約はあ
るが、他の接合法にはない特徴があり、特に異種材料の
接合には有効な接合法である。

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
クスが好ましく、窒化珪素、炭化珪素、サイアロン、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ことが好ましい。

本発明において、セラミックス製部材との摩擦圧接に使
用される金属製部材は、セラミックスと直接摩擦圧接が
不可能な金属であれば効果的であって、例えばＡｇ、Ｃ
ｕ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、Ｆｅ、インコネル、
インコロイ等が使用できるが、その他Ａｌ等のセラミッ
クスと直接摩擦圧接が可能なものであっても勿論用いる
ことができ、この場合にはより接合力に信頼性が得られ
る摩擦圧接体とすることができる。

なお、セラミックス製部材の外周部に設ける切欠き部の
形状としては、周方向の厚さはセラミックス製部材直径
の２０％以下が好ましく、１０％以下がより好ましく、
さらに金属製環状部材の内径より若干小さめ、例えば１
％以上小さめに切欠くと好ましい。またセラミックス製
部材切欠き部側面の距離ｔ（第１図参照）は、接合面に
要求される応力を勘案して決定することが必要である
が、セラミックスピストンのように熱影響を受ける部品
ではｔ＝３〜１０mmであることが好ましい。

また、金属製部材をセラミックス製部材の環状部材とし
て用いた場合、その周方向厚さ（内径、外径差の１／
２）は特に限定されないが、セラミックス製部材直径の
２０％以下が好ましく、１０％以下がより好ましい。こ
れは摩擦圧接面に発生する温度分布を小さくできるた
め、熱応力の発生も小さくなるからである。

尚、セラミックス製部材の表面粗さは０．０５〜１．０
μｍＲａが好ましく、圧接面の平面度が管理できれば焼
成面のままでも用いることができる。

次に、説明の便宜上、実施例ではない参考例について説
明する。このことにより、後述する本発明の実施例がよ
り明確となる。

第１図はセラミックス−金属の摩擦圧接体の一例を示す
概略断面図である。

窒化珪素等からなるセラミックス製部材１の、Ｔｉなど
の金属製部材３と相対する面の外周部に切欠き部２を設
け、該切欠き部２に金属製環状部材３を摩擦圧接により
接合する。上記の接合において、セラミックス製部材１
と金属製環状部材３との間に隙間Ａを設けることによ
り、摩擦熱によって軟化した金属製環状部材３が隙間Ａ
に塑性流動し、焼嵌・圧入作用によりセラミックス製部
材１の凸部４を拘束する。この際、セラミックス製部材
１の凸部４と金属製環状部材３との隙間Ａの値は、摩擦
圧接時の金属製環状部材３の軟化量を体積に換算し、そ
の体積量の１／３の量をセラミックス製部材１の凸部４
と金属製環状部材３の隙間Ａの内側に流れ込む量と推定
して隙間Ａの値とすると好ましく、例えば、隙間Ａは
０．２〜１mmとすると特に良い結果が得られる。

第２図はセラミックス−金属の摩擦圧接体の他の例を示
す概略断面図で、第１図のセラミックス製部材１の凸部
４が円柱型であったのに対し、凸部４の根元部を内側方
向に曲率Ｒ＝１．５のくびれ状にしたものである。この
場合には摩擦圧接によって軟化した金属がくびれ状部に
塑性流動するため、第１図の場合よりも更に高性能の抜
け防止効果が期待できる。

上記のセラミックス−金属の摩擦圧接体において、
ｒ_１：２０mmφ、ｒ_２：１４mmφ、ｔ：５mmに加工した
セラミックスＴｉ金属との摩擦圧接を行ない、摩擦圧接
体の引張試験（室温）を行なったところ、第１図の場合
には荷重1700kgで、第２図の場合には荷重2800kgで接合
部の抜けが発生した。

以上のことから、第９図に示す例と比較し、セラミック
ス製部材に切欠き部を有しないセラミックス−金属の接
合構造では、アルミニウム以外の異種金属との接合は不
可能であったが、セラミックス製部材を切欠き部構造と
することにより、アルミニウム以外の異種金属とセラミ
ックスの摩擦圧接が可能となる。

なお、摩擦圧接体を使用温度領域でアニール処理するこ
とが好ましい。

また、不活性ガス又は真空中で摩擦圧接を行なうと酸化
が促進されないため、材料のもろさ破壊を低減すること
ができ好ましい。

次に、摩擦圧接体を、内燃機関用のセラミックス鋳ぐる
みピストンに適用した場合の参考例について説明する。

（参考例１） 第３図（ａ）に示すように、ピストン本体５（第３図
（ｄ））に相当する面の外周部に幅３mm、付加さ３mmの
切欠き部６を設けた、外径９０mmφの窒化珪素製のクラ
ウン７を作製した。

次に、第３図（ｂ）に示すように、内径８０mmφ、外径
９０mmφ、長さ５０mmのチタン製円環８を作り、次い
で、上記クラウン７を固定し、チタン製円環８を該クラ
ウン７に対して相対的に、８００rpmで回転させ、徐々
に圧力を上げて最高３kg／mm²の圧力で該クラウン７に
押し付けて摩擦圧接し、セラミックス−金属結合体を得
た。

更にチタン製円環８の外周を加工して、第３図（ｃ）に
示すようなピストン軸方向長さ４mmのチタン環状部材９
に仕上げ、該環状部材９のＢ面にアルフィン処理を行な
った（アルメルト処理でもよい）後、上記環状部材９を
設けた窒化珪素製クラウン７を砂型による鋳型内に設置
し、約７００゜Cのアルミニウム合金湯を型内に注湯して
セラミックス鋳ぐるみ体を得た。これをピストン使用温
度付近の温度でアニール処理し、外周加工、リング溝加
工、ピストンピン穴加工等の仕上げ加工を行い、チタン
環状部材によってシールされたセラミックス鋳ぐるみピ
ストンを作製した。（第３図（ｄ）参照） 本参考例では、窒化珪素との摩擦圧接に使用される金属
製部材の材質をチタン製としたが、材料コストの低い鋳
鉄でも、同様の性能及び効果を得ることが可能である。

（参考例２） 窒化珪素製クラウン７の切欠き部６を、第４（ａ）図に
示すように７０°の勾配を付けた形状とした以外は参考
例１と同じ条件で行ない、第４（ｂ）図に示すようなチ
タン環状部材９によってシールされたセラミックス鋳ぐ
るみピストンを作製した。次に、該ピストンのチタン環
状部材９とアルミニウム合金ピストン本体５との接合面
１０に対してレーザビーム溶接あるいは電子ビーム溶接
を行なった。

本参考例は、窒化珪素製クラウン７の切欠き部６にアー
ルとつながる勾配を付け、このアール部分に摩擦圧接に
よって軟化したチタンが流れ込むため抜け防止効果が高
まる。更に、上記の如く、接合面１０をレーザビーム溶
接あるいは電子ビーム溶接したことによって、チタン環
状部材９とピストン本体５との接合が強固になり、高性
能のセラミックス鋳ぐるみピストンが作製できた。ま
た、チタン環状部材９のアルミニウム合金と接する面に
アルフィン及びアルメルト処理を施してアルミニウム合
金湯と接合しても良い。

（参考例３） 表面が焼成面である他は参考例１と同様の方法で、第５
図（ａ）に示すような切欠き部を設けた窒化珪素製クラ
ウン７を作製した。

また第５図（ｂ）に示すように、アルミニウム合金製ピ
ストン本体５と窒化珪素製クラウン７との接合による応
力を緩和するため、該ピストン本体５の中央部に深穴１
１を開け、該クラウン底面Ｃと接合しないようにアルミ
ニウム合金製ピストン本体５の中央部深穴１１は窒化珪
素製クラウン７の凸部長Ｇの寸法より７〜１０mm深く加
工した。

次に、該ピストン本体５にチタン環状部材９を摩擦圧接
した。その後アルミニウム合金製ピストン本体５のチタ
ン環状部材９の突出長さを窒化珪素製クラウン７の外周
部切欠き寸法Ｆと同一に加工し、また、窒化珪素製クラ
ウン７の側面と接するアルミニウム合金製ピストン本体
５の接触面を０．２〜１mmの隙間Ｅとなる様に加工し
た。次いで、第５図（ｃ）に示すように、該クラウン７
と、上記のチタン環状部材９と一体になったピストン本
体５とを摩擦圧接した。この場合、該クラウン７のＣ部
はピストン本体５のアルミニウム合金による焼嵌め圧入
効果で抜け止めされ、さらにＨ部で窒化珪素とアルミニ
ウム合金が摩擦圧接され、またチタン環状部材９は該ク
ラウン７との摩擦熱によって軟化して該クラウン７の切
欠き部６に食込み、焼嵌め圧入効果によってＣ部分のシ
ール性が向上した。

次いでこれを機械加工し、第５図（ｃ）に示す如き、チ
タン環状部材９によってシールされたセラミックスピス
トンを作製した。

［実施例］ 以下、本発明を実施例に基いて更に詳細に説明する。

（実施例１） チタン環状部材９を、アルミニウム環状部材１２とチタ
ン環状部材９とからなる環状部材１３に代え、クラウン
７側にアルミニウム環状部材１２が位置するようにした
以外は参考例１と同様の方法により、第６図に示すセラ
ミックス鋳ぐるみピストンを得た。このピストンは、セ
ラミックス製クラウン７とチタン環状部材９との間にア
ルミニウム環状部材１２が存在するが、セラミックスと
アルミニウムとの接合性が高いため、より接合性のよい
セラミックスピストンを作製することができた。なおア
ルミニウム環状部材１２の材質としてはアルミニウム純
度の高い材質が好ましく、本実施例では、Ａｌ純度９
９．５％のＡ１０５０を用いた。環状部材９としては本
実施例ではチタンとしたが、鋳鉄製としてもよく、ピス
トンリングキャリア材として用いられるニレジスト鋳鉄
が特に好ましい。

（実施例２） 第７図に示すように、アルミニウム環状部材１２をチタ
ン環状部材９の内周側に位置させた形状の環状部材１３
を作製した以外は、実施例１と同様のセラミックスピス
トンを作製した。このピストンは、実施例１に較べて、
エンジンの燃料ガスにさらされる個所にアルミニウムが
露出せず、チタンによって覆われているため耐食性がよ
く、更にアルミニウムがチタンとセラミックスとの間に
介在するため接合性も高く、高性能のセラミックスピス
トンを作製することができた。

［発明の効果］ 以上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記載の摩擦圧接体は、セラミックス製部材と金
属製部材およびアルミニウム部材との接合において、セ
ラミックス製部材に切欠き部を設け摩擦圧接によって、
接合体の側面に焼嵌・圧入作用の特性を備えたものであ
る。焼嵌・圧入作用による拘束力は、摩擦熱により軟化
した金属の硬化時での熱膨張率によって決定される。こ
のため強固な拘束力となり高い結合力が得られる。さら
に、セラミックス製部材と金属製部材との間にアルミニ
ウム部材を介在させているので、より強固に接合された
摩擦圧接体を提供できる。

従って、従来の焼嵌・圧入技術に比較し、接合用部品の
加工精度を高める必要がなく、また、メタライズ接合に
比較し、複雑な作業を要しないので低コスト化を図るこ
とができ、量産化に適する。

請求項２記載のセラミックス鋳ぐるみピストンによれ
ば、接合部側面における焼嵌・圧入作用およびセラミッ
クスとアルミニウムとの高い接合性のため、信頼性の高
い結合が得られる。また、接合用部品の加工精度を高め
る必要がなく、メタライズ等の複雑な作業を要しないの
で低コスト化を図ることができ、量産化に適する。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はそれぞれセラミックス−金属の摩擦
圧接体の参考例を示す概略断面図、第３図(a)(b)(c)
(d)、第４図(a)(b)および第５図(a)(b)(c)は摩擦圧接体
をセラミックスピストンに適用した場合の参考例を示す
概略断面図、第６図および第７図は本発明をセラミック
スピストンに適用した場合の実施例を示す概略断面図、
第８図は本発明の応用例の概略図で、(a)、(b)はエンジ
ン・バルブ、(c)はロッカー・アームを示す説明図、第
９図は従来の摩擦圧接構造を示す説明図である。 １…セラミックス製部材、２…切欠き部、３…環状部
材、４…凸部、５…ピストン本体、６…切欠き部、７…
窒化珪素製クラウン、９…チタン環状部材、１２…アル
ミニウム環状部材、１３…環状部材、２７…金属部材、
２８…摩擦圧接面。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミックス製部材と金属製部材との間に
   アルミニウム部材を介在させて構成される摩擦圧接体で
   あって、上記セラミックス製部材接合面の外周部に切欠
   き部を設け、該切欠き部に上記金属製部材およびアルミ
   ニウム部材を摩擦圧接によって接合することを特徴とす
   るセラミックス−金属の摩擦圧接体。
2. 【請求項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において、該頂板のピ
   ストン本体と接する面の外周部に切欠き部を設け、該切
   欠き部に金属製環状部材およびアルミニウム環状部材を
   摩擦圧接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。