JPH07223B2 - セラミックス鋳包み部材の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、鋳鉄製シリンダヘッド、鋳鉄製ピストン、
鋳鉄製排気マニホルド等の高い熱応力を繰り返し受ける
鋳鉄製部品を製造する際に鋳込んで製造するセラミック
ス鋳包み部材の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

内燃機関の燃焼室を形成するシリンダヘッド及びシリン
ダライナは、通常、鋳鉄で形成されている。このため、
燃焼室は靱性に乏しい鋳鉄の性質に加えて、シリンダヘ
ッド及びシリンダライナの鋳造時の残留応力や、機関作
動時にシリンダヘッド及びシリンダライナが受ける熱疲
労、熱衝撃等によって絶えず破壊の危険にさらされてい
る。特に、シリンダヘッドについては、吸気ポートと排
気ポートとの間、及びこれらポートと予燃焼室孔又は燃
料噴射ノズル孔との間のいわゆるバルブブリッジ部は、
構造上、十分な寸法及び肉厚とすることが困難であるこ
とから強度的に弱く、これらの部分に亀裂、クラック等
の破壊が発生する恐れがある。

従来、このような問題に対する対策として、例えば、シ
リンダヘッドの鋳造時に、高い強度を必要とする箇所に
異種金属を鋳込んで補強を図ったり（実公昭48-25923号
公報参照）、バルブブリッジ部に、機関運転時に発生す
る熱応力の強弱に対応して強弱をつけて焼き入れしたり
（実公昭63-8831号公報参照）することによるシリンダ
ヘッドの補強が行われている。

しかしながら、特に、最近のエンジンの高出力化に伴
う、熱負荷と同時に機械的負荷の増大によって、この亀
裂発生の恐れは増々大きくなっており、熱応力の大きい
部分を単に補強するだけでは十分な対策とはいえない。

一方、エンジン性能の向上の一環として、燃焼室周りを
表面断熱して温度過上昇による熱疲労を抑制する技術の
開発が進められており、そのひとつとして、例えば、第
６図及び第７図に示すように、シリンダヘッドの燃焼室
面側の一部をセラミックス材料とすることにより、亀裂
発生防止と同時に断熱効果を高めるようにしたものが知
られている（例えば、実開昭59-85348号公報参照）。第
６図はシリンダヘッド構造を示す平面図、及び第７図は
第６図のＡ−Ａ断面図である。吸気ポート41と排気ポー
ト42との間にあって燃料噴射ノズル装着孔43に股がるシ
リンダヘッドのバルブブリッジ部に座ぐり部を入れて凹
部44を形成し、この凹部44にセラミックスを充填してセ
ラミックス層45を設けている。

しかしながら、鋳鉄製シリンダヘッドにおいて、燃焼室
面側の一部をセラミックス化する際に、鋳鉄材料とセラ
ミックスとをうまく接合する技術がなく、やむなくボル
ト締結等の機械的接合による性能試験が行われているの
が現状である。

また、排気マニホルドにおいては、内部排ガスの断熱性
によるターボ効率の向上を狙って、内部にセラミックス
製のポートライナを挿入したものもある。この場合、排
気マニホルドを鋳造する際に、セラミックスライナを同
時に鋳込む手段が用いられているが、鋳鉄とセラミック
スとの接合がないため、運転中の振動、衝撃等によって
セラミックスが破損するという問題が生じる。

また、特開昭62-298443号公報には、固体粒子の表面改
質方法が開示されている。該固体粒子の表面改質方法
は、表面に各種形状の凹凸や穴、溝を有する固体粒子の
凹部に他の固体粒子を埋め込み、衝撃式手段を用いてこ
の固体粒子を軟化、溶融、変形させて、他の固体粒子を
包み込んだ状態にするものである。この固体粒子の表面
改質方法は、第４図に示すような粉体衝撃装置及びその
周辺装置を利用して達成される。

第４図に示すように、該粉体衝撃装置Ｈは、ケーシング
１に回転可能に支持した回転軸４に回転盤２を支持し、
回転盤２の外周に複数の衝撃ピン３を間隔をおいて半径
方向に配置している。回転盤２は高速で回転することが
でき、該回転盤２の半径方向に一定の空間を置いて衝撃
ピン３の外周軌道面に沿って、衝突リング５がケーシン
グ１に周設されている。更に、衝突リング５の一部を切
り欠いた切欠き部には、カプセル粉体を排出するための
開閉弁６が設けられている。この開閉弁６は、アクチュ
エータ８の作動によって弁軸７を介して開閉作動され
る。回転盤２の外周と衝突リング５との間に設けられた
衝撃室13には、一端が衝突リング５の内壁に形成された
循環口14に開口し且つ他端が回転盤２の中心部付近に開
口する循環回路９が連通している。カプセル粉体の原料
は、原料ホッパ10と循環回路９とを連結する原料供給用
シュート11を通じて衝撃室13に投入され、該原料は衝撃
室13でカプセル粉体に製造され、該カプセル粉体は排出
用シュート12から排出される。この粉体衝撃装置の周辺
装置としては、原料計量フィーダ16、原料貯槽17、サイ
クロン21、ロータリバルブ22、バグフィルタ23、ロータ
リバルブ24、送風機25、時限制御装置31、予めセラミッ
クス粒子の表面に金属粒子を付着させるために用いられ
るプレプロセッサー32等から成る。

〔発明が解決しようとする課題〕

そこで、これらの問題を解決するために、鋳鉄材料とセ
ラミックスを接合する手段として、セラミックス粒子に
金属粒子を適量配合して焼結したものを鋳鉄に鋳込む方
法が有効と考えられる。これによると、セラミックスに
混合された金属粒子と鋳鉄溶湯とが金相学的に結合し、
その結果、セラミックスと鋳鉄とが強固に接合される。

しかしながら、上記のような方法は、以下の点で問題点
を有する。まず、セラミックス及び金属粒子が偏在する
ような混合体から成る部品である場合には、耐熱性、断
熱性、耐変形性等の低下は勿論のこと、部品そのものの
耐久強度の低下を招く恐れがある。また、セラミックス
と金属粒子を均一に混合した成形体を製作することは相
当に困難なことであり、そのためには、徹底した品質管
理を行う必要がある。そこで、上記の問題を解決するた
めには、セラミックスと金属粒子とを均一に混合させた
成形体を製作するという課題を解決する必要がある。

この発明の目的は、上記の課題を解決することであり、
各種形状の凹凸や穴、溝を表面に有する固体粒子に他の
固体粒子を埋め込み、衝撃式手段を用いてこの固体粒子
を軟化、溶融、変形させて他の固体粒子を包み込んだ状
態にすることができることに着眼し、セラミックス粒子
を核にして該セラミックス粒子の表面にわたって多数の
金属粒子を均一に固着させてカプセル粉体を製造し、該
カプセル粉体を原料として成形体を製作し、該成形体を
焼成と鋳込みによって鋳鉄と強固に結合させてセラミッ
クス鋳包み部材を製造し、該セラミックス鋳包み部材の
均一且つ良好な耐熱性、断熱性、耐変形性等を確保する
ことができるセラミックス鋳包み部材の製造方法を提供
することである。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、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、この発明は、セラミックス粒子
の表面に該粒子の粒径より小さい粒径の金属粒子を多数
付着させる工程、高速気流による衝撃作用によってセラ
ミックス粒子に金属粒子を食い込ませてカプセル粉体を
製造する工程、該カプセル粉体を原料として所定の形状
の成形体を形成する工程、及び該成形体に対して鋳鉄材
を鋳込むと共に前記成形体を焼成してセラミックス鋳包
み部材を製造する工程、から成るセラミックス鋳包み部
材の製造方法に関する。

また、このセラミックス鋳包み部材の製造方法におい
て、前記セラミックス鋳包み部材はピストンヘッドの燃
焼室壁面である。

或いは、このセラミックス鋳包み部材の製造方法におい
て、前記セラミックス鋳包み部材はシリンダヘッドの下
面部及び／又は排気ポートである。

又は、このセラミックス鋳包み部材の製造方法におい
て、前記セラミックス鋳包み部材は排気マニホルドの壁
面及び該入口部の壁面である。

或いは、このセラミックス鋳包み部材の製造方法におい
て、前記成形体を焼成して焼結体を製造する工程、及び
該焼結体に対して鋳鉄材を鋳込んでセラミックス鋳包み
部材を製造する工程を有するものである。

〔作用〕

この発明によるセラミックス鋳包み部材の製造方法は、
以上のように構成されており、次のように作用する。即
ち、このセラミックス鋳包み部材の製造方法において、
第一工程でセラミックス粒子の表面に金属粒子を付着さ
れる。その時の付着する力は一般によく知られているフ
ァンデルワールス力による。しかし、この段階では異種
粒子間付着が必ずしも強固ではない。そこで、第二工程
では、第一工程で製作したセラミックス粒子を核にして
該表面に多数の金属粒子を付着させた混合体に対して高
速気流による衝撃力を作用させることによって、セラミ
ックス粒子に金属粒子を食い込ませてカプセル粉体を製
造する。これにより異種粒子間の固着状態が強固なもの
になる。そこで、一個一個のセラミックス粒子の表面を
金属粒子が強固な付着力をもって覆い包むことになるの
で、該カプセル粉体を原料にして所定の形状の成形体を
製作すると、該成形体はセラミックス粒子と金属粒子と
の均一な混合状態になることができる。更に、次の工程
ではカプセル粉体から成る成形体を焼結して焼結体を製
造し、該焼結体に対して鋳鉄を鋳込み、例えば、シリン
ダヘッドのバルブブリッジ部、シリンダヘッドの排気ポ
ートライナ、ピストンヘッド部等のセラミックス鋳包み
部材を製作する。場合によっては、成形体を焼結すると
共に該成形体に対して鋳鉄を鋳込んでセラミックス鋳包
み部材を製作する。成形体の焼成時及び該成形体或いは
焼結体に対して鋳鉄を鋳込む時には、セラミックスを覆
っている金属粒子と金属粒子とが金属成分同士が冶金学
的に結合し、且つ結合金属と鋳鉄とが金属成分同士で冶
金学的に結合するので、セラミックス粒子は金属に鋳包
み状態になり、カプセル粉体の成形体と鋳鉄材とが強固
に結合され、耐熱性、断熱性、耐変形性に富んだ強固な
結合状態のセラミックス鋳包み部材が製造される。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、この発明によるセラミックス鋳
包み部材の製造方法の一実施例について説明する。

この発明によるセラミックス鋳包み部材の製造方法は、
例えば、第４図に示す粉体衝撃装置及びその周辺装置を
利用してカプセル粉体を製造することができる。この粉
体衝撃装置Ｈは、上記しているので、ここでは詳細な説
明は省略する。

この発明によるセラミックス鋳包み部材の製造方法は、
主として、三つの工程を有しているが、そのうちの第一
工程及び第二工程は、例えば、上記の粉体衝撃装置及び
その周辺装置を用いて、以下のようにして実施すること
ができる。

セラミックス成形体の原料としては、セラミックス粒子
としてアルミナ（Al₂O₃）粉体を使用し、また、金属粒
子として鉄系金属粉体を使用する。

アルミナ粉体であるセラミックス粒子の粒径と、該セラ
ミックス粒子を被覆する鉄系金属粉体の金属粒子の粒径
との比率は、例えば、10:1程度が適切である。

第一工程の処理は、プレプロセッサー32において行わ
れ、一般によく知られている粉体間のファンデルワール
ス力によって、鉄系金属粉体の金属粒子Ｍはアルミナ粉
体のセラミックス粒子Ｃの表面に付着する。アルミナ粒
子の表面に鉄系金属粒子を付着させた被処理粉体は、第
５図（Ａ）に示すような状態である。そして、この被処
理粉体は原料貯槽17へ送られる。

次に、第二工程の処理は、例えば、第４図に示すような
粉体衝撃装置Ｈによって行われる。

まず、開閉弁６を閉鎖した状態にしておき、不活性ガス
を装置内に導入しながら、回転軸４を駆動させて回転盤
２を回転させる。回転盤２の回転速度は、8000〜16000r
pmである。これにより、回転盤２の外周に設けた衝撃ピ
ン３の回転に伴って気流が発生し、この気流の遠心力に
基づくファン効果によって衝撃室13に開口する循環回路
９の循環口14から循環回路９を巡って回転盤２の中心部
に戻る気流の循環流れが形成される。

この循環気流が形成された後に、原料貯槽17に貯蔵され
ていた被処理粉体を原料計量フィーダ16より原料ホッパ
10に投入する。被処理粉体は原料ホッパ10から原料供給
用シュート11を通って衝撃室13に入る。衝撃室13に入っ
た被処理粉体は、ここで高速で回転する回転盤２の多数
の衝撃ピン３によって瞬間的な打撃作用を受け、更に、
周辺の衝突リング５に衝突して再度衝撃作用と強度の圧
縮作用を受ける。そして、同時に循環ガスの流れに同伴
して被処理粉体は循環回路９を循環して再び衝撃室13へ
と戻り、再度打撃衝撃作用を受ける。

セラミックス粒子Ｃの表面に多数の金属粒子Ｍを付着さ
せた被処理粉体は、上記のような衝撃作用を短時間のう
ちに連続して何回も繰り返し受けることになる。その経
過時間は、例えば、１〜10分程度である。その間にセラ
ミックス粒子Ｃの表面は熱エネルギーを受けることによ
り、金属粒子Ｍ或いはセラミックス粒子Ｃは短時間のう
ちに軟化、溶融或いは変形して金属粒子Ｍがセラミック
ス粒子Ｃの全表面に均一に拡がって食い込み、或いはセ
ラミックス粒子は金属粒子Ｍで覆い包まれ、第５図
（Ｂ）に示すように、セラミックス粒子Ｃを核とした金
属粒子Ｍの被覆のカプセル粉体（複合粉体）が製造され
る。

カプセル粉体の製造が終了した後は、開閉弁６を鎖線で
示す位置まで移動させて開放し、衝撃室13からカプセル
粉体を排出する。

カプセル粉体は、それ自身に作用している遠心力と、送
風機25の吸引力で短時間（数秒間）のうちに衝撃室13及
び循環回路９から排出され、排出用シュート12を通って
サイクロン21及びバグフィルタ23等の粉末捕集装置に導
入される。次いで、粉末捕集装置でカプセル粉体は捕集
されて、ロータリバルブ22、24を介して外に排出され
る。

第三工程は、第二工程で製造したカプセル粉体を、例え
ば、シリンダヘッド下面部、シリンダライナ、シリンダ
ヘッドの排気ポートライナ、排気マニホルドの壁面等の
所定の形状に成形し、それらの形状に対応する成形体を
形成し、該成形体を焼成すると共に、該成形体に対して
鋳鉄を鋳込んでセラミックス鋳包み部材を製作する。

セラミックス鋳包み部材の金属成分とセラミックス成分
との比率は、30:70を最高に、金属成分を少なくするこ
とが可能である。耐熱性、断熱性、耐変形性等を強化す
る場合には、金属成分を少なくする。また、振動、衝撃
等の多い種類の装置では、セラミックスの脆性を改良す
る目的で金属成分を多くする構造に構成することもでき
る。

この発明によるセラミックス鋳包み部材の製造方法は、
上記のようにして達成できるが、このセラミックス鋳包
み部材の製造方法によって製造したセラミックス鋳包み
部材は、例えば、次に示すようなものに利用できる。

まず、第１図（Ａ）及び第１図（Ｂ）に示すように、セ
ラミックス鋳包み部材としては、ピストン15を構成する
ピストンヘッド18の燃焼室壁面19を製作することができ
る。燃焼室壁面19をセラミックス鋳包み部材で製作すれ
ば、高温の燃焼ガスに晒されて繰り返しの熱応力を受け
ても、鋳鉄製ピストンの燃焼室面の亀裂、クラック等の
発生を防止することができる。

又は、第２図（Ａ）及び第２図（Ｂ）に示すように、セ
ラミックス鋳包み部材としては、排気マニホルド20の壁
部27内の内壁面26、或いは排気マニホルド20のシリンダ
ヘッドとの連結部即ち入口部のみに成形体或いは焼結体
を配置して鋳鉄を鋳込んでセラミックス鋳包み部材を形
成してもよいし、或いは、排気マニホルド20全体の内壁
面として成形体或いは焼結体を配置し、鋳鉄を鋳込んで
もよい。

或いは、第３図（Ａ）及び第３図（Ｂ）に示すように、
セラミックス鋳包み部材としては、鋳鉄製シリンダヘッ
ド28の下面部33、又はシリンダヘッド28の排気ポートラ
イナ30に適用することもできる。シリンダヘッド下面部
33及び排気ポートライナ30をセラミックス鋳包み部材で
製作した場合には、耐熱性、断熱性、耐変形性等に富ん
だ構造に構成でき、繰り返しの熱応力を受けても亀裂、
クラック等の発生を防止することができる。

更に、図示していないが、例えば、シリンダヘッドの下
面部の構造、例えば、吸気ポートと排気ポートとの間の
構造、或いは吸気ポートと排気ポートとの間で燃料噴射
ノズルの取付け孔に股がるシリンダヘッドのバルブブリ
ッジ部の座ぐり部の構造（第６図及び第７図参照）を、
この発明によるセラミックス鋳包み部材の製造方法で製
作し、該部位にセラミックス層を形成するように構成す
ることができる。

〔発明の効果〕

この発明によるセラミックス鋳包み部材の製造方法は、
以上のように構成されているので、次のような効果を有
する。即ち、このセラミックス鋳包み部材の製造方法に
よれば、一個一個のセラミックス粒子の表面を金属粒子
が強固な付着力をもって覆い包むので、特に品質管理を
しなくても、セラミックス粒子と金属粒子は均一に混合
された製品を造ることができる。このため、耐熱性、断
熱性、耐変形性等にむらのない非常に優れたセラミック
ス鋳包み部材を製造することができる。しかも、この発
明の製造方法によって製作したセラミックス鋳包み部材
は、セラミックス粒子を覆っている金属粒子同士が冶金
学的に結合すると共に、セラミックス鋳包み部材を鋳鉄
に鋳込んだ時に、セラミックスを覆っている金属成分が
鋳鉄と冶金学的に結合するので、セラミックス鋳包み部
材を鋳鉄材に対して強固に結合してセラミックス自体の
脆さがなくなり、耐熱性、断熱性、耐変形性等を向上で
きることは勿論のこと、強度、耐久性等を向上すること
ができる。

このように、この発明によるセラミックス鋳包み部材の
製造方法によって、セラミックスを鋳鉄材に適用する場
合に障害となっていた問題が一挙に解決されるので、高
い熱応力を繰り返し受ける鋳鉄部品にセラミックスの特
性を活かす構造に適用することができるようになり、セ
ラミックスを適用できる範囲を一挙に拡大することが可
能になる。例えば、この発明によるセラミックス鋳包み
部材の製造方法によって製造したセラミックス鋳包み部
材としては、ピストンヘッドの燃焼室壁面、シリンダヘ
ッドの下面部及び／又は排気ポート、或いは排気マニホ
ルドの壁面及び該入口部の壁面等に利用できることにな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）はこの発明によるセラミックス鋳包み部材
の製造方法によって製作したピストンヘッドの例を示す
斜視図、第１図（Ｂ）は第１図（Ａ）のピストンヘッド
の燃焼室壁面の例を示す斜視図、第２図（Ａ）はこの発
明によるセラミックス鋳包み部材の製造方法によって製
作した排気マニホルドの例を示す斜視図、第２図（Ｂ）
は第２図（Ａ）の線2B-2Bにおける断面図、第３図
（Ａ）はこの発明によるセラミックス鋳包み部材の製造
方法によって製作したシリンダヘッドの例を示す概略
図、第３図（Ｂ）は第３図（Ａ）の排気ポートライナの
例を示す斜視図、第４図はこの発明によるセラミックス
鋳包み部材の製造方法を実施するために使用される粉体
衝撃装置及びその周辺装置を示す概略図、第５図（Ａ）
はセラミックス粒子と金属粒子の関係を示す第一工程に
おける状態を説明する説明図、第５図（Ｂ）はセラミッ
クス粒子と金属粒子の関係を示す第二工程における状態
を説明する説明図、第６図はシリンダヘッド構造の一例
を示す平面図、及び第７図は第６図の線Ａ−Ａにおける
断面図である。 Ｃ……セラミックス粒子、Ｈ……粉体衝撃装置、Ｍ……
金属粒子、18……ピストンヘッド、19……燃焼室壁面、
20……排気マニホルド、27……壁部、28……シリンダヘ
ッド、29……排気ポート、30……排気ポートライナ、33
……下面部。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミックス粒子の表面に該粒子の粒径よ
   り小さい粒径の金属粒子を多数付着させる工程、高速気
   流による衝撃作用によってセラミックス粒子に金属粒子
   を食い込ませてカプセル粉体を製造する工程、該カプセ
   ル粉体を原料として所定の形状の成形体を形成する工
   程、及び該成形体に対して鋳鉄材を鋳込むと共に前記成
   形体を焼成してセラミックス鋳包み部材を製造する工
   程、から成るセラミックス鋳包み部材の製造方法。
2. 【請求項２】前記セラミックス鋳包み部材はピストンヘ
   ッドの燃焼室壁面である請求項１に記載のセラミックス
   鋳包み部材の製造方法。
3. 【請求項３】前記セラミックス鋳包み部材はシリンダヘ
   ッドの下面部及び／又は排気ポートである請求項１に記
   載のセラミックス鋳包み部材の製造方法。
4. 【請求項４】前記セラミックス鋳包み部材は排気マニホ
   ルドの壁面及び該入口部の壁面である請求項１に記載の
   セラミックス鋳包み部材の製造方法。
5. 【請求項５】前記成形体を焼成して焼結体を製造する工
   程、及び該焼結体に対して鋳鉄材を鋳込んでセラミック
   ス鋳包み部材を製造する工程を有する請求項１に記載の
   セラミックス鋳包み部材の製造方法。