JPH0633726B2 - 複合材ピストン及びその製造方法 - Google Patents

複合材ピストン及びその製造方法

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JPH0633726B2
JPH0633726B2 JP29758986A JP29758986A JPH0633726B2 JP H0633726 B2 JPH0633726 B2 JP H0633726B2 JP 29758986 A JP29758986 A JP 29758986A JP 29758986 A JP29758986 A JP 29758986A JP H0633726 B2 JPH0633726 B2 JP H0633726B2
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00Pistons 
    • F02F3/16Pistons  having cooling means
    • F02F3/20Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
    • F02F3/22Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid
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    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02F3/00Pistons 
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    • F02F3/003Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、自動車等のエンジンに適用するピストン及
びその製造方法に関する。
〔従来の技術〕
従来、セラミック材を断熱材又は耐熱材として利用する
ピストン等のエンジン部材は、例えば、実開昭55−6
479号公報、特開昭58−25552号公報、実開昭
61−74651号公報等に開示されている。そこで、
実開昭61−74651号公報に開示されたものについ
て、第2図を参照して概説する。第2図において、内燃
機関の断熱ピストン20が示されている。この断熱ピス
トン20は、セラミックス製のピストン冠部21及び金
属製のスカート部22から構成され、互いにボルト23
及びナット24によって皿ばね28を介して固定されて
いる。ピストン冠部21とスカート部22との間には、
スペーサリング27及び断熱ガスケット26が介在さ
れ、しかも断熱空気層25,29が形成されている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら、上記のようなセラミック材を断熱材又は
耐熱材として利用するピストン等のエンジン部材におい
て断熱特性を十分に得ることは、極めて困難である。例
えば、ジルコニア系セラミック材等を断熱材として利用
しても、熱伝導率は、組成によって相違するが、ほぼ0.
009〜0.005cal/cm sec℃程度である。しかも、一般材料
である窒化珪素系セラミックス材等の熱伝導率と比較し
て余り大きな差はないものである。一般に、ピストン等
のエンジン部材についての断熱材の特性は、空気程度の
熱伝導率があることが好ましく、物性材料として適して
いるのは、チタン酸カリウムの熱伝導率程度を有するも
のである。一般的に、各材料の熱伝導率を比較すると、
組成によって種々相違するが、概略的には、窒化珪素系
セラミックスは0.03cal/cm sec℃であり、チタン酸カリ
ウム系セラミックスは0.00012cal/cm sec℃であり、ま
た空気は0.00005cal/cm sec℃である。ところで、チタ
ン酸カリウムを固形化することは相当に困難であり、他
のセラミック材と混合しても、チタン酸カリウムの融点
(1307℃)が低いため、焼結することができないという
問題点を有している。
この発明の目的は、上記の問題点を解消することであ
り、チタン酸カリウムと鋳鉄粉末とから成る複合材を用
いて、十分な断熱特性を得ることのできるピストン等の
エンジン部を提供し、しかも、複合材が高温ガスに接触
したとしても破壊エネルギの集中が発生することなく各
部位に分散し、靭性を向上させることができる複合材ピ
ストン及びその製造方法を提供することである。
〔問題点を解決するための手段〕
この発明は、上記の問題点を解消し、上記の目的を達成
するために、次のように構成されている。即ち、この出
願の第1番目の発生は、少なくともピストンヘッドをウ
ィウカー状チタン酸カリウムと鋳鉄粉末とから成形した
複合材で構成し、更に前記ピストンヘッドの高温度側部
位を前記ウィスカー状チタン酸カリウムの含有比率が高
い薄い被膜に形成したことを特徴とする複合材ピストン
に関し、更に具体的に詳述すると、前記ピストンヘッド
の内側を高純度の鋳鉄粉末で成形し、ピストンスカート
部を前記複合材で構成し、また前記ウィスカー状チタン
酸カリウム前記鋳鉄との含有比率が約7対3であること
を特徴とする複合材ピストンに関する。また、この出願
の第2番目の発明は、ウィスカー状チタン酸カリウムと
鋳鉄粉末を混合し、更に有機バインダを混合した後に、
これを高温の下で前記有機バインダを気化させ、次いで
焼結成形した複合材によって少なくともピストンヘッド
を形成したことを特徴とする複合材ピストンの製造方法
に関し、更に具体的に詳述すると、前記ピストンヘッド
の内側を高純度の鋳鉄粉末と前記有機バインダを混合し
て焼結成形し、またピストンスカート部を前記複合材で
構成し、更に前記ウィスカー状チタン酸カリウムと前記
鋳鉄との含有比率が約7対3になるように混合したこと
を特徴とする複合材ピストンの製造方法に関する。
〔作用〕
この発明による複合材ピスロン及びその製造方法は、以
上のように構成されており、次のように作用する。即
ち、この第1番目の発明は、少なくともピストンヘッド
をウィスカー状チタン酸カリウムと鋳鉄から成る複合材
で構成し、更に前記ピストンヘッドの高温度側部位を前
記ウィスカー状チタン酸カリウムの含有比率が高い薄い
被膜に形成したので、前記ピストヘッドの高温ガスが接
触する部分にはウィスカー状チタン酸カリウムの含有率
が多く、ウィスカー材が多く含まれているため、熱応力
が集中することがなく分散され、前記ウィスカー材から
成る薄い被膜の部分の靭性が大幅に向上し、高強度を維
持することができる。しかも、耐熱性が約 900℃〜1000
℃までの物質としては、断熱性も十分に有している。ま
た、ピストンスカート部を前記複合材で構成すると、前
記ピストンスカート部の熱膨張率を抑制することができ
る。更に、第2番目の発明は、ウィスカー状チタン酸カ
リウムと鋳鉄粉末を混合し、更に熱硬化性樹脂等の有機
バインダを混合した後に、これを高温の下で前記有機バ
インダを気化させ、焼結成形した複合材によって、少な
くとも前記ピストンヘッドを形成したので、従来、チタ
ン酸カリウムを固形化し、焼結することが困難であった
が、この製造方法によれば、チタン酸カリウムのウィス
カー材と鋳鉄の粉末とを良好に固形化して焼結すること
ができる。
〔実施例〕
以下、図面を参照して、この発明による複合材ピストン
及びその製造方法の一実施例を詳述する。
第1図において、この発明の一実施例である複合材ピス
トンが符号10によって全体的に示されている。複合材
ピストン10は、ピストンヘッド1とピストンスカート
部2とから成り、その組成は鋳鉄粉末とウィスカー状チ
タン酸カリウム(K2Ti6O13、融点1370℃、比重3.2、熱
伝導率0.0012cal/cm sec℃)とから成る。また、ピスト
ンヘッド1とピストンスカート部2との間には、断熱材
6が介在され、しかも断熱空気層9が形成されている。
ピストンスカート部2にはピストンリング溝が形成され
ている。これらのピストンリング溝には、圧力リング、
オイルリング等のピストンリング(図示省略)が嵌込ま
れるように構成されている。ピストンヘッド1について
は、ウィスカー状チタン酸カリウム鋳鉄粉末から成形さ
れた複合材で構成されており、ウィスカー状チタン酸カ
リウムと鋳鉄との比率が約7対3であるような組成に構
成している。更に、ピストンヘッド1の高温側部位は、
ウィスカー状チタン酸カリウムの含有比率が鋳鉄粉末よ
り高い組成から成る薄い被膜7で形成されている。ま
た、ピストンヘッド1の内側は、純度の鋳鉄粉末で成形
した層4から構成されている。更に、ピストンスカート
部2については、ピストンヘッド1と同様に、ウィスカ
ー状チタン酸カリウムと鋳鉄粉末から成形した複合材か
ら成形している。この場合には、ピストンスカート部2
の摺動部付近にウィスカー材3の比率の大きい層を形成
すると好ましいものである。しかしながら場合によって
は、必ずしもピストンスカート部2を前記複合材で構成
する必要もないことは勿論である。
この複合材ピストン10の製造方法については、次のよう
に行われる。まず、ウィスカー状のチタン酸カリウムと
鋳鉄粉末との混合比率を、約7:3程度に混合し、次い
で熱硬化性樹脂等の有機バインダを混合して煉り合わせ
る。この場合に、ピストンヘッド1の燃焼室側即ち高温
ガスが接触する側に対しては、チタン酸カリウムのウィ
スカー材3が鋳鉄粉末より高い含有比率になるように調
整し、高温側にウィスカー材による薄い被膜7が位置す
るように成形する。また、ピストンヘッド1の内側即ち
ピストンロッド側を高純度の鋳鉄粉末から形成された層
4により構成する。その後、この成形体については、高
温の下で前記有機バインダを気化させられ、更に焼結さ
れてピストンヘッド1の複合材に合成して成形される。
更に、ピストンスカート部2については、前記複合材で
構成することもできる。ピストンスカート部2を前記複
合材で形成した場合には、ピストンスカート部2の熱膨
張率を抑制することができる。従って、このようなピス
トンを、窒化珪素系セラミックスによって形成したシリ
ンダと組合わせて利用すれば、ピストンとシリンダとの
間の摺動性は良好な状態になる。
〔発明の効果〕
この発明による複合材ピストン及びその製造方法は、以
上のように構成されているので、次のような特有の効果
を奏する。即ち、この第1番目の発明は、少なくともピ
ストンヘッドをウィスカー状チタン酸カリウムと鋳鉄粉
末から成形した複合材で構成し、更に前記ピストンヘッ
ドの高温側部位を前記ウィスカー状チタン酸カリウムの
含有比率が高い組成から成る薄い被膜に形成したので、
前記ピストンヘッドの高温ガスが接触する部分にはウィ
スカー状チタン酸カリウムの含有比率が多く、ウィスカ
ー材が多く含まれているため、熱応力が集中することが
なく分散され、前記薄い被膜、従ってピストンヘッドの
靭性が大幅に向上し、高強度を維持することができる。
しかも、耐熱性が約 900℃〜1000℃までの物質として
は、断熱性も十分な効果を上げることができ、耐久性に
富んでいる。また、ピストンスカート部を前記複合材で
構成すると、熱膨張率を制御することができ、シリンダ
ライナを窒化珪素系セラミックス即ちセラミック材で構
成したシリンダに上記ピストンを適用した場合には、極
めて良好な状態で往復運動即ち摺動運動を行うことがで
き、熱膨張による焼付き等が発生することがない。更
に、この第2番目の発明は、ウィスカー状チタン酸カリ
ウムと鋳鉄粉末とを混合し、更に熱硬化性樹脂の有機バ
インダを混合した後に、これを高温の下で前記有機バイ
ンダを気化させ、次いで焼結成形した複合材によって少
なくともピストンヘッドを形成したので、従来、チタン
酸カリウムを固形化し焼結することが困難であったが、
この製造方法によれば、チタン酸カリウムのウィスカー
材と鋳鉄粉末とを極めて良好に且つ均質に固形化して焼
結することができ、しかも所望の含有比率の複合材を容
易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明による複合材ピストンの一実施例を示
す断面図、及び第2図は従来の内燃機関の断熱ピストン
を示す一部断面図である。 1……ピストンヘッド、2……ピストンスカート部、3
……ウィスカー材、4……鋳鉄の層、6……断熱材、7
……ウィスカー状チタン酸カリウムの被膜、9……断熱
空気層、10……複合材ピストン。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくともピストンヘッドをウィスカー状
    チタン酸カリウムと鋳鉄粉末とから成形した複合材で構
    成し、更に前記ピストンヘッドの高温側部位を前記ウィ
    スカー状チタン酸カリウムの含有比率が高い薄い被膜に
    形成したことを特徴とする複合材ピストン。
  2. 【請求項2】前記ピストンヘッドの内側を高純度の鋳鉄
    粉末で構成したことを特徴とする特許請求の範囲第1項
    に記載の複合材ピストン。
  3. 【請求項3】ピストンスカート部を前記複合材で構成し
    たことを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の複合
    材ピストン。
  4. 【請求項4】前記ウィスカー状チタン酸カリウムと前記
    鋳鉄との含有比率が約7対3であることを特徴とする特
    許請求の範囲第1項に記載の複合材ピストン。
  5. 【請求項5】ウィスカー状チタン酸カリウムと鋳鉄粉末
    とを混合し、更に有機バインダを混合した後に、これを
    高温の下で前記有機バインダを気化させ、次いで焼結成
    形した複合材によって少なくともピストンヘッドを形成
    したことを特徴とする複合材ピストンの製造方法。
  6. 【請求項6】前記ピストンヘッドの内側を高純度の鋳鉄
    粉末と前記有機バインダを混合して焼結成形したことを
    特徴とする特許請求の範囲第5項に記載の複合材ピスト
    ンの製造方法。
  7. 【請求項7】ピストンスカート部を前記複合材で構成し
    たことを特徴とする特許請求の範囲第5項に記載の複合
    材ピストンの製造方法。
  8. 【請求項8】前記ウィスカー状チタン酸カリウムと前記
    鋳鉄との含有比率が約7対3になるように混合したこと
    を特徴とする特許請求の範囲第5項に記載の複合材ピス
    トンの製造方法。
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FR2760488B1 (fr) * 1997-03-07 1999-06-04 Renault Procede de controle du papillon d'un moteur thermique pour vehicule automobile
JP2020012413A (ja) * 2018-07-18 2020-01-23 日立オートモティブシステムズ株式会社 内燃機関用ピストンの製造方法
JP7396173B2 (ja) * 2020-04-01 2023-12-12 マツダ株式会社 エンジンの燃焼室構造

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