JPS5977062A - エンジン部品 - Google Patents

エンジン部品

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JPS5977062A
JPS5977062A JP57186071A JP18607182A JPS5977062A JP S5977062 A JPS5977062 A JP S5977062A JP 57186071 A JP57186071 A JP 57186071A JP 18607182 A JP18607182 A JP 18607182A JP S5977062 A JPS5977062 A JP S5977062A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は優れた断熱性、耐熱性およびＩ＆Ａ株的強度を
もつ耐久性に優れたセラミックスよりなるエンジン部品
に関するものである。
近年、省エネルギーの見地から、往復ピストン４８胸で
あるディーセルエンジンおよびスパークイグニッション
エンジンのエンジン作動温ｉを高くすることにより、熱
効畢を改良する研死−釦か盛んに灯なわれている。エン
ジンの作１１１Ｊ温度を高くするため、エンジン部品は
耐熱性に後れた助恭刷料で形成する心安がある。しかし
なから、従来の一般的に用いられている納熱金縞から成
るエンジン部品では用いる金桐材料の耐熱温度に限界が
あるため、エンジンの作動温度を高くすることは極、め
て困餘であり、最近になり断熱性、耐熱性および機械的
強度に優れた酸化物系、窒化物糸あるいは炭化？Ｉ糸等
のセラミック体を１１ｆ熱Ｊ曽としてエンジン部品に用
いる研究が数多く提案されている。
しかしながら、従来知られているセラミックスを断熱Ｘ
！／として用いた、エンジン部品はセラミックスの断熱
性か旨く、熱か伝わりにくいうえに断熱層がセラミック
スの１体栴造で形成されているため、燃焼室内部の高温
のセラミック部と外側の低温のセラミック部との温度差
が大きくなり、この温度差により、低温部に発生する引
張の熱応力かＩ＆Ａ械的ｇｉ反より大きくなりセラミッ
ク体が破壊するという致命的な欠点があった。
本発明は従来のセラミックエンジン部品のこのような欠
点を解決するためになされた〜［熱性、耐熱性および横
掘的強度に極めて優れた耐久性の大きいエンジン部品に
−するものであり、エンジン部品か高温ガスに接触する
第１のセラミック体とその第１のセラミック疹の背向に
設けられた少くとも第２のセラミック体とを含む襞畝の
セラミック体の積層構造から成り、かつ複数のセラミッ
ク体のうち少くとも第１のセラミック体および第２のセ
ラミック体を機械釣菌は強ｌが２０に八−以上のセラミ
ック体で形成するエンジン部品である。
すなわち本発明は、ｌＵｒｆｉｊｍであるセラミック体
の低温部に発生する引張の熱応力を低減し、セラミック
体の＠壊を防止するＨｆ熱層の＃４危について検討した
結果、機械釣菌は強度か特足価以上のセラミック体の積
層構造とすることにより、断熱）曽を形成するセラミッ
ク体の低湿部に発生するジ１張の熱応力を低減し、破壊
防止に着るしい効果があることを見出したことに基づく
ものである。
便って本発明の蚊も大きな目的は、セラミック断熱層を
ｉＩｖ足強度の襞数のセラミック体の槓増慟遣とするこ
とにより、向（熱絢躍性と…ｒ熱注に潰れかつ耐久性に
潰れたエンジン部品を提供するものである。なお、本発
明でいうエンジン部品とは往ｆ 後ピストン機関、すなわちディーゼルエンジンあるいは
スパークイグニッションエンジンに用いるシリンダー、
シリンダーヘッド、ピストン予燃焼、室、ボートライナ
ー等エンジンの高温気体の発生部あるいは流路等に用い
られる部品をいう。
本発明のさらに詳しい構成を往複ピストン機関用エンジ
ン部品であるシリンダーに用いた第１図に示す具体例に
基づいて説明すれは、機械釣菌は強度が２０も一以上好
ましくは４０−９＋ａ以上より好ましくは５００°Ｃの
曲は強度が３０〜−以上よりなるジルコニア、窒化珪素
、サイアロン。
炭化珪素、アルミナ等よりなる高温ガスに接触する内側
の第１のセラミック体゛Ｉとその第１のセラミック体の
背面（後面〕に設けられる好ましくはｍｌのセラミック
体１と回材寅よりなる外側の第２のセラミック体２との
槓Ｎ［危よりなるエンジン部品である。
この場合、ｍｌのセラミック体ｌおよび第２の１セラミ
ック体２はいずれも予じめ成彫されａ孤加工された厚さ
１市以上好ましくは２〜１０闘の厚さのセラミック成形
体を嵌合することにより、槓増惧最に形成するのか鮫も
よい。ここで嵌合とは二つ以上の構造体を合体して一つ
にすることであ、す、例えは焼きＩ／Ｓメ法、圧入法等
により一方の構造体の内側に他方の構造体をはめ合せ固
定して一体化することをいう。
なお、セラミック体としては、前記のものかよいか、こ
の中でジルコニア、窒化珪素、サイアロン、アルミナ等
は熱伝導率がエンジン部品に用いられる代表的な金属材
料である鋳鉄のｈ以下と小さく断熱性は熱伝導率の逆数
に比例することがら鋳鉄の２倍以上優れ、かつ融点は１
９００″Ｃ以上であって鋳鉄の約２倍の耐熱性を有して
いる好ましいセラミック体である。また炭化珪素はＦＵ
ｒ熱性が鋳鉄と同等であるか、融点か２７００°Ｃと高
く、鴇温の横掘的強度にも後れているので十分便用でき
るものである。そしてこれらのうち特にジルコニアは熱
伝導命が０．０１　Ｃａｔｌｏ、８ｏｏ”Ｃ以１であり
、断熱性は金属のｌθ倍以上責れ、融点が２６００″Ｃ
と側熱性にも優れ、さらに熱膨張係数かｌ０ＸＩＯ−”
ｃ−１と鋳鉄に近く、鋳鉄との嵌合性が最もよいので、
エンジン部品のセラミック断熱層として最も好ましいセ
ラミック体である。
なお、第１図に示す例においては、第１のセラミック体
ｌと第２のセラミック体２のみよりなる。
積層構造でエンジン部品を形成した例であるが、第２図
に示す例のとおり、高温ガスに接触する第１のセラミッ
ク１４−１とその背面（こ積層されたタト層の第２のセ
ラミック体２との間に第１および第２のセラミック体以
外の第８のセラミック体８をイト在させて８層積層構造
とするとさらに熱応力を減少できるのでより好ましいも
のである。
そしてこの場合、第８のセラミック体８は第ｌと第２の
セラミック体の間でなくても第２のセラミック体の外側
に歌合してもグーよく、またセラミツク１ｆｊ１増Ｗ造
体な蛍槁捧の内側に歌合するエンジン都市では、第８の
セラミック体はあらかじめ金属体の内側に＠Ｌ憧したセ
ラミツクコーテイング層としてもよい。さらに８層積層
４＃危以上の槓僧＃＃造としても勿−よい。
し、かしなから、８層以上の隻数の積層櫓造にした場合
でもそのうちの少くともへ曳気へｑ欠ちべ１第１および
第２のセラミック体の機械的曲は強６度はいずれも２０
Ｑ４２以上のセラミック体を使用することが大切であり
、さらに複数のセラミック体は同材質のものが好ましい
。又異なる具体例として第８図に示すように内側のｆｉ
！Ｊ渇ガスに接触する第１のセラミック体ｌと外側の第
２のセラミック体２との間にセラミックス金属あるいは
セラミックスと金属の復合体の一極、又はそれ以上より
なる藺り＃層４を介在させるとざらに熱応力が減少でき
る。ここでセラミックスとしてはボロンナイトライド、
タルク、カーボン、グラファイト等の活動性に潰れたセ
ラミックスか、金＼属としては、Ｎｉ　、　Ｏｒ　、　
Ｊ’ｅの如さ衣面硬反の篩い金掬か、例えはｌ　、Ｑｕ
の如き融点の低い金属か、これらの合金よりなるメッキ
層又は蒸盾層か灯ましいものである。又これらのセラミ
ック体の槓ｍ　Ｊｍ　造よりなるエンジン部品を第４図
に示すとおり金属スリーブ等の金属体５の内側に嵌合す
ると、よりａｍ的強度の扁いエンジン部品か得られて好
ましいものである。
不発明のエンジン部品は以上の説明で明らがな、とおり
Ｗ数のセラミック体のＨｋ構造よりなるので、高温ガス
に接触する第１のセラミック体とそ・の背面に積層され
た外側の低温の第２のセラミック体との接触面で互いに
滑り合うため瞬接するセラミック体中に発生する熱ｌＩ
Ｃ−力は互いに作用し会うことなく、従ってセラミック
体の低温部に発生ずる引張の熱Ｊ心力を低減でさ、セラ
ミック断熱層の耐熱衝撃性が同上しセラミック体の破壊
が防止できるものである。よって−接するｈｈのセラミ
ック体は、セラミック体間において摩擦か少く互いに拘
束せず摺り合うことか大ν」であるので、第３図および
第４図に不すとおり羨叙のセラミック体間にγけり効果
を促進する＠−ｆ＃層を介在さセるのかより’Ｉｆまし
いものである。又こわらの潤滑層は第４図に示す金属体
とセラミック槓層構造体との間に入れても同様の効果の
得られるものである。
なお不発明において、セラミック体のｈ　ｆ＆的釣菌強
度を２０に６Ｊ以上に限定している埋出は、セラミック
体の機械的曲げｔＡ度か２０に八−より低いと、複数の
セラミック体の積層悔造にした場合、においてもセラミ
ック体の高温部と低温部の湿度差を大きくすることがで
きなく、断熱層として実用的な断熱特性を維持すること
が内給で、セラミック体の低温りに発生する引張の熱応
力を緩和することかでさす、破壊を完全に防止すること
ができないためである。なおａｉｉ械的曲釣菌度とは日
不工業規格ＪＩＳ　Ｒ１６０１Ｆファインセラミックス
の曲けｒＪｉ＆度試験方法」に基、づ＜、厚さ８關、巾
４ｍｍ。
長さ４０能の試験体を外部スパン８０勲１１内部スパン
ｌ　Ｑ　ａｍで四点曲げ荷重を加えた時の破壊ｊ心力を
いう。
次に不発明を実地例に基づいて説明する。
第１表に記載する機械的曲げ強度を有する材賀よりなる
第ｌおよび第２のセラミック体を用慈し、定寸法に機械
加工を行った後、第〜〜２のセラミック体を１００°Ｃ
に加熱して膨張させ第ｌのセラミック体に嵌合する焼き
バフ法により２７！槓層構造のシリンダー、Ａ１〜７ａ
、　７の不発明のエンジン部品を得た。なお第ｌのセラ
ミック体と第２のセ、ラミック体との間に憫滑増を介在
させたものは、嵌合に先立って第１のセラミック体の外
表面に、。
Ｎｉの場合はメッキ法により０．０５Ｋｍの厚さの潤＃
層を、又タルクあるいはボロンナイトライドの場合は、
塗布法により０．５篩の厚さの掴滑層を形成した。また
Ａ　ｌ　”　ｊＷｘ　５はセラミツク２１曽檀１曽構造
体を厚さ７關の鋳鉄製スリーブの内側に焼きバフ法によ
り嵌合したエンジン部品でありＡ６〜Ａ７はセラミツク
２盾ｍ層構造体のみのエンジン部品である。そしてこれ
らのエンジン部品を住複ピストン機−であるディーゼル
エンジンに組み込み、単筒エンジン部品を５００時間実
施した。なお比較のために一考品として機械釣菌は強度
が不釦明の数値限定軛囲外のものＡ８〜Ａｌ　Ｏおよび
従来品としてセラミック体１７ｉ＆のみのものノｌｌｉ
　１１　”　Ａ１２についても同様に試験した。なおＪ
ｌｈ　８〜Ａ　１２のエンジン部品はいずれ゛もセラミ
ック体を屡さ７鴎の＃鉄製スリーブの内側に焼きバフ法
により嵌合したものである。これらの単筒エンジンＥｌ
の結果は第１表に下すとおりである。
、第１表の試験結果より明らかなとおり、本発明の機械
的曲げ強度が２０〜にゆ２以上のセラミックスの積層構
造体よりなるＡ１〜Ａ７のエンジン部品は５００時間の
単筒エンジン試験でも全く異箒は紹められなかったか、
奈考品のＡ８〜ＩＦｈ　ｌ　ｏおよび従来品の應１１−
應１２はいずれも試験開始後１０乃至５０時間程度でセ
ラミック体にクラックが発生した。
高温ガスに接触する第１のセラミック体として、、１曲
は強度６０鳴−のジルコニアを用慧し、そのシルコニγ
板を高温カスに接触しない下面を平滑に高温カスに接触
する上回ケ凹出１として最小閃厚都か３　ａｍでｌ１ｉ
Ｌ径か１００馴の円板に機械加工した。
俊その第１のセラミック体と同一のジルコニア寅。
よりなる第２．第８のセラミック体をそれぞれの厚さが
２−で平滑な土下田１を有する直径が１００關の円板に
機械加工し、第１〜第８のセラミック体を積増した時に
中間に位置する第２のセラミック体の上下向に厚さ０．
５１のボロナイトライドを、。
層して８層積層構造体とし、それを外径１２０　ａｍの
鋳鉄製ピストンの上部に焼きバフ法により嵌合してシル
コニγ製ａ層＠＃＊ｉ体をピストンキャップとする本発
明のエンジン部品であるディーゼルエンジン用ピストン
を作製した。そして、そのディーセルエンジン用ピスト
ン全ｌａ　５７　ｃｃノａｍエンジンを用いて試験した
結果、１０００時間セラミック体に何等のクラックを発
生することなく正常に稼動した。しかし比較のため同一
のジルコニアよりなる最小厚さが７敵の一体ｍＭよりな
るセラミック体を＠製製ピストンに焼さバフ法により嵌
合して作製したセラミック１層からなる使来品は、同様
な年尚エンジン試験にわいて試験開始後８０時曲後にク
ラックを発生した。
以上述べたとおり、本発明のエンジン部品は、機械的曲
げ強度が２０や一２以上という特定値以上の強度を有す
る複数のセラミック体の積増構造よりなるもので、ある
ので、高温カスに接触する第１のセラミック体とその背
面に積層された外側の、。
、低温の第２のセラミック体との接合面において互。
いにセラミック体が滑り合い、低温の第２のセラミック
体に発生する熱応力が低減できることにより、セラミッ
ク体の破壊が防止できるものであってエンジン部品とし
て極めて耐久性に潰れたものであり、さらにセラミック
材質特有の耐熱性および断熱性も兼ねそなえているので
、例えは往復ピストン横開であるティーセルエンジンあ
るいはスパムクイグニツションエンジンのシリンダー、
シリンダーヘッド、ピストン、予燃焼室、ボートラ１．
。
イナー等に使用すると熱効率が大きく改善できて省エネ
ルギー効朱の極めて大きいものであり、エネルギーの効
率的利用の見地からも不用なエンジン部品である。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明のエンジン部品の一例であるシリンダー
の縦断面を模式的に示した説明図、第２図、第８図およ
び第４図は異なる具体例のシリンダーの縦断面を模式的
に示した説明図である。 ｌ・・・第ｌのセラミック体、２・・・第２のセラミツ
、り体、８・・・第８のセラミック体、４・・・潤滑触
、５・・・金属体。 特許出願人　日本碍子株式会社 第１図 １ 第３図 第２図 第４図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 Ｌ　エンジン部品が高温ガスに接触する第１の□　　セ
    ラミック体、とその第１のセラミック体の背面に設けら
    れた少くとも第２のセラミック体とを含む複数のセラミ
    ツタ体の横Ｊｖ構造から成り、かつ複数のセラミック体
    のうち少くとも第１のセラミック体および第２のセラミ
    ック体を機械的曲げ強度が２９Ｑ／−以上のセラミック
    体で形成することを特徴とするエンジン部品。 ム　セツミック槓層構蔗体か金属体の内側に嵌合されて
    いる符＃Ｐ請求の範囲第１狽記載のエンジン部品。 ＆　複数のセラミック１４１１Ｍ１に層聞滑り効果を促
    進する陶滑層を介在させた特ｙＩｆ請求の範囲第１項又
    は第２項記載のエンジン部品。 表　エンジン部品かシリンダー、シリンダーヘッド、ピ
    ストン、予燃焼案またはポートライナーである特許請求
    の範囲第１項、第２項又は第８項記載のエンジン部品。 翫　第１のセラミック体および第２のセラミック体のう
    ち少くとも一方がジルコニアである特ＩＦ１′請求の軛
    囲第１項、第２項、第８項又は第４項記載のエンジン部
    品。
JP57186071A 1982-10-25 1982-10-25 エンジン部品 Granted JPS5977062A (ja)

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