JPS60180969A - エンジン部品およびその製造法 - Google Patents

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】 本発明はセラミックスと金属からなる断熱性、耐熱性お
よび耐久性にすぐれたエンジン部品とその製造法に関す
るものである。

セラミックス材料は機械的強度、耐熱性、耐酸化性、断
熱性にすぐれているので、エンジンのピストン、シリン
ダーライナー、シリンダーヘッドなど高温の燃焼ガスと
接する部分をセラミックス材料で構成すれば、燃焼温度
の向上や熱損失の減少が可能となり、エンジン効率の改
善、排ガス中の有害成分の減少などの効果が期待できる
。また、タペットやロッカーアームパッドなどの繰り返
し衝撃荷重を受ける部分をセラミックス材料とずれば、
耐摩耗性の向上に効果がある。このため、金属製エンジ
ン部品とセラミックス製部品を複合したエンジン部品が
提案されている。

例えば、金属製ピストンの頂部にセラミックス製ピスト
ンキャップを鋳ぐるみで固定したエンジ、ン用ピストン
が特開昭５８−９５６７４号公報、米国特許第４２４５
６１１号明細書に開示されている。

しかし、鋳ぐるみでセラミックス製ピストンキャップを
金属製ピストン本体に固定するには、セラミックス製ピ
ストンキャップと金属製ピストン本体の熱膨張差による
鋳造応力を緩和する必要がある。このための手段として
、セラミックス製ピストンキャップに装着した金属製リ
ングで鋳造応力を緩和する方法（特開昭５８−９５６７
４号公報）がある。しかし、この方法ではセラミックス
製ピストンキャップに金属製リングを装着するためのフ
ランジ部を形成する必要があるので、セラミックス製ピ
ストンキャップの形状が複雑となるはかり′　でなく、
フランジのコーナ一部分に応力集中によりクラックが生
じやすい欠点がある。

マタ、上記鋳造応力をセラミックス製ピストンキャップ
と金属製ピストン本体との間に繊維状のセラミックス材
料からなるクッション層を介在させて緩和する方法（米
国特許第４１４５ｆｌｌ１号明細１））もある。しかし
、この方法は該クッション層の存、在のため金属製ピス
トン本体に対するセラミック。

ス製ピストンキャップの固定が不十分となり、ピストン
使用中にピストンキャップが駿んだすする欠点がある。

さらにまた、セラミックス製ピストンキャップを鋳造製
ピストンに鋳ぐるみで固定する方法には、溶融金属の注
入による熱衝撃でセラミックス製ピストンキャップが破
壊するのを防ぐため、該ピストンキャップを予熱する必
要があるので鋳辺作業が複雑となる欠点がある。

このような鋳ぐるみにともなう種々の欠点を解決するた
め、セラミックス製ピストンキャップに金属製部材を固
着後、該金属製部材の外周部を加工して、焼はめ、螺合
などの機械的結合方法で金属製ピストン本体に固定する
方法がある。しかし、この方法にも該金属製部材外周部
の加工に際し、加工用工具がセラミックス製ピストンキ
ャップ表面に接触して、セラミックス製ピストンキャッ
プが破損する欠点があった。

本発明の目的は加工が容易で、製造時にセラミ、ツクス
製部材が破損することがなく、シかもセラミックス製部
材と金属製エンジン部品本体を構成する材料の組合せを
自由に選択できる、セラミックスと金属からなる断熱性
、耐熱性、耐久性にすぐれたエンジン部品とその製造法
を提供することである。

本発明はセラミックス製部材が該セラミックス製部材に
固着された金属製部側を介して金属製エンジン部品本体
に固定されているエンジン部品にして、該金属製部材の
外周部直径がセラミックス製部材の外径より小であると
ともに、該金属製部材外周部のセラミックス製部材がわ
端部に環状の切欠部が設けられており、該金属製部材が
外周の大径部で金属製エンジン部品本体に固定されてい
るエンジン部品であり、また、セラミックス製部材を該
セラミックス製部材に固着された金属製部材を介して金
属製エンジン部品本体に固定してエンジン部品とする方
法にして、セラミックス製部材に外周部直径が該セラミ
ックス製部材外径より小径でしかも外周の一端に環状の
切欠部を有する冷属製部材をセラミックス製部材がわに
該切欠部１が位置するように固着したのち、該金に製部
材外周の大径部を仕上げ加工し、該仕上げ加工部で金属
製部材を金属製エンジン部品本体に固定するエンジン部
品の製造法である。

本発明では、セラミックス製部材に外周部直径が該セラ
ミックス製部材の外径より小径の金）ＩＩ４製部材を固
着し、この金属製部材を介してセラミックス製部材と金
属製エンジン部品本体を結合する。

この金属製部材の外径寸法はセラミックス製部材Ｉ。

への固着により変化するので、該金属製部材外周部の加
工はセラミックス製部材への固着後に行う。

該金属製部材外周部のセラミックス製部材がわ端部には
あらかじめ外丸削り、丸みつけおよび面取りのいずれか
の方法で環状の切欠部を加工しておく。これにより、金
属製部材の外周部上には該切欠部の開始点からセラミッ
クス製部材表面までの距離に相当する空隙が形成される
ので、外周部の仕上げ加工中に工具がセラミックス製部
材表面に接触することがなくなり、金属製部材外周部の
加・・・工が容易となるばかりでなくセラミックス製部
材の破損もなくなる。金属製部材に設ける環状の切欠部
の深さと幅の大きさは外周部の仕上げ加工の削り代、使
用する工具の形状と寸法および加工方法に応じて決定す
る。

セラミックス製部材はジルコニア、アルミナ。

窒化珪素、炭化珪素およびサイアロンよりなる群から選
ばれた一種のセラミックス材料で作る。金属製部材は熱
膨張係数が金属製エンジン部品本体を構成する金属の熱
膨張係数と同等以下の金属を使用する。

セラミックス製部材と金属製部材の固着は焼はめ、圧入
あるいはセラミックス製部材の金属製部材との被接合面
に被着させたメタライズ層を介しての接合のいずれによ
ってもよい。

ここでいうメタライズ層とはセラミックス製部材の表面
を全編化させるために、全編粉末を主成分とするペース
ト状組成物をセラミックス製部材表函に箪布したのち乾
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
製部材表面に被着１させた金属層のことである。

金属製部材とセラミックス製部材の固着をどの方法で行
うかは、セラミックス製部材と金属製部材を構成する材
料の種類とその組合せにＪＪかじて決定すればよい。例
えば、金Ｊｌ！製部材がアルミニウム合金のように融点
の低い金属の場合には、セラミックス製部材との固着が
比較的低温度で可能な焼ばめや圧入が好ましい。金属製
部材が鋳鉄、鋼などのように融点の高い金属の場合には
、焼ばめ圧入、メタライズ層を介した接合のいずれも利
用できる。

焼ばめと圧入はすべてのセラミックス材料と金属材料の
組′合せに利用できる。しかし、メタライズ層を介した
接合の場合には、セラミックス製部材を構成するセラミ
ックス材料に応じて、セラミックス製部材に被着させる
メタライズ層の組成を選定する。例えば、セラミックス
８部材がＹ２Ｏ３を含む部分安定化ジルコニアセラミッ
クス製の場合にはＭＯ？？−０〜９０重ｆｉ１％、Ｍｎ
Ｏ：　０．５〜１５ＪＩｋ％、Ｙ、０８：　０．ＩＮｌ
　０重量％、ム１，０．　：　０．１゜〜１５３１ｉ量
％、Ｓｉｎ、　：　０．１〜１５重社％からなるメタラ
イズ層が接合強度が大きいのでとくに好ましい。

メタライズ層と金属製部材の接合はろう付けあるいは拡
散接合のいずれで行ってもよいが、接合部に要求される
接合強度、疲労強度、高温強度などの機械的特性に応じ
て使用するろう材や拡散接合のインサート金属を決定す
る。また、セラミックス製部材に被着させたメタライズ
層と金属製部材の間に、セラミックス製部材と金属製部
材の熱膨張差を緩和するため、熱膨張係数が金属製部材
の熱膨張係数以下の金属を緩衝材として介在させて接合
してもよい。

セラミックス製部材に固着した金属製部材と全１属製エ
ンジン部品本体との結合は焼はめあるいは螺合により行
う。

つぎに図面を参照して実施例を説明する。

第１図ないし第８図はセラミックス製部材がピストンキ
ャップ、金属極エンジン部品本体がビス、トン本体であ
る本発明のエンジン部品の縦断面図である。

第１図のピストンは窒化珪素製のピストンキャップ１０
、外周部直径がピストンキャップ直径より小径で外周の
ピストンキャップがわ端部に小径の環状切欠部１８を有
するｙｅ　−Ｈ土台金製の円筒状金属製部材１２および
アルミニウム合金製ピストン本体１４からなり、ピスト
ンキャップ１０に設けられた凸部１１が金属製部材１２
に設けられた貫通孔に焼はめにより嵌合されている。ピ
ストンキャップ１０とピストン本体１４は金属製部材１
２の外周部に設けられたねじとピストン本体１４頂部の
四部の内周面１５に設けたねじによる螺合で結合されて
いる。該凹部底幅は必要に応じてセラミックス製の断熱
用円板１６を配設してもよい。

このピストンは例えば次のようにして製造することがで
きる。まず、窒化珪素で所定形状のピストンキャップｌ
Ｏを焼成し、所定寸法に加工する。

つぎに円板状あるいは円筒状金ＪｉＩＩｉ１１部材１２
の中−・・央部にピストンキャップの凸部１１を嵌合す
るための貫通孔、゛外周部の一端に外周より小径の環状
の切欠部】８を加工し、貫通孔の該環状切欠部側コーナ
ーは面取を行う。この金属製部材を所定温度に加熱し、
ピストンキャップがわに金属製部材外周部の環状切欠部
１８が位置するようにして貫通孔にピストンキャップの
凸部１１を焼ばめする。

焼ばめ代はピストンキャップ１０と金属製部材１２を構
成する材料の熱膨張係数、嵌合部の使用温度、嵌合部直
径を考慮しピストンの使用温度で必要な締付強度が確保
できるように決定する。

その後、金Ｆ４製部材１２外周の大径部とピストン本体
頂部の凹部の内周面１５に所定寸法のねじをそれぞれ加
工する。このねじによりピストンキャップとピストン本
体を結合して一体とする。この方法ではピストンキャッ
プとピストン本体の結合に加熱処理を必要とせず、熱処
理済のピストン本体な使用しても機械的強度の変化が起
らないので、ピストンキャップとピストン本体の結合後
にピストン本体を再度熱処理する必要がない。

、・第２図はジルフニアセラミックス製のピストン１キ
ヤツプ２０、ピストンキャップがわ端部の外周部に小径
の環状切欠部２３を有する球状黒鉛鋳鉄製の金属製部材
２２、アルミニウム合金製ピストン本体２４からなり、
ピストンキャップに設けられた凸部の頂面２１に被着さ
れたメタライズ層（図示せず）を介して、ピストンキャ
ップ２０と金属製部材２２が接合されている。

ピストンキャップ２０とピストン本体２４は、金属製部
材２２の外周部に設けられたねじとピストン本体頂部の
四部内周面２５に設けられたねじによる螺合で結合され
ている。

金属製部材の底面には必要に応じて、セラミックス製断
熱材２６を介装してもよい。このピストンは例えば次の
ようにして作る。まず、Ｙ、０８を含む部分安定化ジル
コニアセラミックスで所定形状のピストンキャップを焼
成し、所定寸法に加工する。ピストンキャップの凸部頂
面２１にＭｏ　−Ｉｎ　−Ｓｉｎ、　−Ａｊ、Ｏ，を主
成分とするペースト状組成物を塗布して乾燥したのち、
加湿水素雰題気、中で加熱して表面に所定組成のメタラ
イズ層を被着させる。メタライズ層表面にＮｉメッキを
施す。

一方、球状黒鉛鋳鉄の円板を準備し２、該円板の片面に
上記ピストンキャップの凸部を配設するための四部２８
を加工し、該凹部２８の開放端の外周部には外周部より
小径の環状切欠部２８を設け、さらに内周面は面取りを
行って金属製部材２２とする。該凹部２８の底面にもＮ
ｉメッキを施したのち、該四部にピストンキャップの凸
部２１を配設し、ピストンキャップの凸部２１と金属製
部材の四部２８の相対する表面を銀ろうで接合する。

しかるのち、この金属製部材２２の外周部の大径部とピ
ストン本体２４頂部に設けた金属製部材２２を配設する
ための凹部の内周面２６にθ１定寸法のねじをそれぞれ
加工する。このねじによりピストンキャップとピストン
本体を結合する。

第８図はジルコニアセラミックス族の円板状ピストンキ
ャップ８０、ピストンキャップより小径の球状黒鉛鋳鉄
製の金属製部材８２、該金属製部材の直径より小径の円
板状チタン製緩衝金属体、８７、球状黒鉛鋳鉄製ピスト
ン本体８４からなり、１ピストンキヤツプの片面に被着
されたメタライズ層およびメタライズ層にろう付けされ
たチタン製緩衝金属体８７を介して、ピストンキャップ
８０と金属製部材８２がろう付けにより結合されている
。ピストンキャップ８０とピストン本体８４は金属製部
材８２の外周部とピストン本体８４頂部の四部内周面８
５の焼はめにより結合されている。

このピストンは例えば次のようにして作る。まず、Ｙ、
０８ヲ含む部分安定化ジルコニアセラミックス　１．１
で所定形状のピストンキャップを焼成したのち、所定寸
法に加工する。

つぎにピストンキャップの片面に所定組成のメタライズ
層を被着させ、該メタライズ層表面にＮｉメッキを施す
。また、金属製部材８２の片面にも□Ｎｉメッキを施す
。該金属製部材８２のＮｉメッキを施した表面とピスト
ンキャップのメタライズ被着表面の間に該金属製部材８
２より小径のチタン円板８７をはさみ、それぞれの相接
する面をろう付けする。使用するろう材はピストンの使
用温度、で必要な接合強度を有するろう材、例えば銀ろ
う、ＩＣ３ｕ　−Ｉｎ合金ろう、Ｎ１ろうを使用する。

しかるのち、金属製部材８２の外周面を所定寸法に加工
するＯ 第８図に示す実施例ではチタン円板８７の外周面８８が
第１図および第２図に示した実施例の小径の環状切欠部
１８，２８と同じ作用をする。このため、金属製部材８
２外周部の加工に際しピストンキャップを損傷させるこ
とがない。つぎに、頂部に該金属製部材を嵌合するため
の所定寸法の凹部を加工したピストン本体を所定温度に
加熱し、該凹部に金属製部材８２を焼ばめしてピストン
キャップ８０とピストン本体８４を結合する。焼はめ温
度は、ピストンキャップ８０と金属製部材８２のろう付
けに使用したろう材の融点以下でしかもピストン本体を
構成する金属の金属組織の変化が起こらない温度が望ま
しい。焼はめ代はピストンの使用温度で必要な締付力が
得られる大きさとする。

第４図はセラミックス製部材がカム７エイス１、金属製
エンジン部品本体がタペット本体である本１発明のエン
ジン部品の縦断面歯である。このタペットはジルコニア
セラミックス族のカム７エイス４０、カムフェイス側端
部に小径の環状切欠部４８を有する鋼製の円筒状全編製
部材４２、鋳鉄製のタペット本体４４からなる。カムフ
ェイス４０に設けられた凸部４１が金属製部材４２に設
けられた貫通孔に焼はめにより嵌合され、カム７エイス
４０とタペット本体４４は金ＩＲＩ製部拐４２の外周部
に設けられたねじとタペット本体４４に１・・設けられ
た貫通孔の内周面４５に設けられたねじにより結合され
ている。カム７エイス４θ上の凸部４１の端面にはブツ
シュロッドと当接する四部４６が設けられている。

第５図はセラミックス製部材がロッカーパッド、１金属
製工ンジン部品本体がロッカーアーム本体である本発明
のエンジン部品の部分断ｍ１図である。

このロッカーアームはジルコニアセラミックス族のりツ
カ−パッド５０ｓ一端に小径の環状切欠部５８を有する
鋼製の金属製部材５２、アルミニウム合金製ロッカーア
ーム本体６４からなる。ロッカーパッド５０に設けられ
た凸部５１が金属製部材５２に設けられた貫通孔に圧入
により嵌合され、四ツカーパッド５０とロッカーアーム
本体６４は金属製部材５２の外周部に設けられたねじと
ロッカーアーム本体５４に設けられた凹部内周面５５に
設けられたねじにより結合されている。金属製部材５２
とロッカーパッド５０の圧入は、使用中に圧入部が抜け
ないように圧入部の使用温度以上の温度で行う。

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が該セラミックス製部材に固
着された外周部直径がセラミックス製部材の外径より小
径でしかも外周のセラミックスがわ端部に外周部よりや
や小径の環状切欠部を有する金属製部材を介して金属製
エンジン部品本体に固定されているエンジン部品である
が、この金属製部材外周部に設けた小径の環状切欠部の
存在のため、セラミックス製部材に固着した金属製部材
外周部の仕上げ加工が容易となるばかりで壊も起らなく
なる。

また、セラミックス製部材に固着した金属部材と金属製
エンジン部品本体は加熱処理を必要とせずに結合するこ
ともできるので、熱処理済の金属製エンジン部品本体の
性質を変化させることなくセラミックス製部材と結合す
ることができる。さらにまた、アルミニウム合金のよう
な低融点金属からなるエンジン部品本体に対しても、鋳
ぐるみのような複雑な製造法によらないでセラミックス
１．。

製部材をエンジン部品本体に結合することができる。こ
のように、本発明のエンジン部品はセラミックスの断熱
性、耐熱性、耐食性、耐摩耗性などの特長を生かして、
容易に断熱性、耐熱性あるいは耐摩耗性にすぐれたエン
ジン部品とすることが１できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第８図は本発明のエンジン部品の実施例で
あるピストンの縦断面図を示す説明図、第４図は本発明
のエンジン部品の他の実施例であるタペットの縦断面図
を示す説明図、第５図は本発明のエンジン部品のさらに
別の一実施例であるレッカーアームの部分断面図を示す
説明図である。 １０・・・セラミックス製ピストンキャップ１１・・・
ピストンキャップ上の凸部 １２・・・金属製部材　１８・・・環状切欠部１４・・
・金属製ピストン本体 １５・・・ピストン本体上の四部内周面１６・・・断熱
材 ２０・・・セラミックス製ピストンキャップ２１・・・
ピストンキャップ上の凸部頂面２２・・・金属製部材　
２８・・・環状切欠部２４・・・金属製ピストン本体 ２５・・・ピストン本体上の四部内周面２６・・・断熱
材　２８・・・金属製部材上の四部８０・・・セラミッ
クス製ピストンキャップ３２・・・金属製部材　３８・
・・環状切欠部８４・・・金属製ピストン本体 ８５・・・ピストン本体上の四部内周面、８７・・・緩
衝金属体　４０−・・七２ミックス製力　１４１・・・
カムフェイス上の凸部　ムフエイス４２・・・金属製部
材　４８・・・環状切欠部４４・・・タペット本体　４
５・・・貫通孔内周面４６・・・四部 ５０・・・セラミックス製ロッカーパッド５１・・・凸
部　５２・・・金Ｐ１４製部材５３・・・環状切欠部　
５４・・・四ツカーアーム本体５５・・・ロッカーアー
ム上の四部内周面特許出願人　日本碍子株式会社 第１図 第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｌ　セラミックス製部材が該セラミックス製部材に固着
   された金属製部材を介して、金属製エンジン部品本体に
   固定されているエンジン部品にして、該金属製部材の外
   周部直径がセラミックス製部材の外径より小であるとと
   もに、該金属製部材外周部のセラミックス製部材がわ端
   部に環状の切欠部が設けられており、該金属製部材が外
   周の大径部で金属製エンジン部品本体に固定されている
   ことを特徴とするエンジン部品。 ２　セラミックス製部材と金属製部材が焼＆ずめにより
   嵌合されている特許請求の範囲第１項。 記載のエンジン部品。 ａ　セラミックス製部材と金Ｊ４Ｉｉ１１部材がセラミ
   ックス製部側に被着されたメタライズ層または該メタラ
   イズ層に被着された緩−金属体を介して接合されている
   特許請求の範囲第１項記載のエンジン部品。 ４　セラミックス製部材上のメタライズ層に被着された
   緩機金属体が金属製部材外周部の切欠部の一部または全
   部を形成している特許請求の範囲第８項記載のエンジン
   部品。 ａ　セラミックス製部材に固着された金属製部材と金属
   製エンジン部品本体が嵌合または螺合のいずれかにより
   固定されている特許請求の範囲第１項ないし第４項のい
   ずれかに記載のエンジン部品。 ａ　セラミックス製部材がジルコニア、アルミナ、窒化
   珪素、炭化珪素およびサイアロンよりなる群から選はれ
   た少くともＩｆｌｌであり、金属製エンジン部品本体が
   鋳鉄、鋼およびアルミニウム合金よりなる群から選ばれ
   た少くとも１種である特許請求の範囲第１項ないし第５
   項のいずれかに記載のエンジン部品。 ｔ、　セラミックス製部材を該セラミックス製部材に固
   着さ糺た金属製部材を介して金属製エンジン部品本体に
   固定しエンジン部品とするエンジン部品の製造法にして
   、セラミックス製部材に、外周部直径が該セラミックス
   製部材外径より小径でしかも外周の一端に環状の切欠部
   を有する金属製部材を、セラミックス製部材がわに該環
   状切欠部が位置するように固着したのち、該金属製部材
   外周の大径部を仕上げ加工し、該仕上げ加工部で金属製
   部材を金属製エンジン部品本体に固定することを特徴と
   するエンジン部品の製造法。 ＆　セラミックス製部材と金属製部材を焼はめにより固
   着する特許請求の範囲第７項記載のエンジン部品の製造
   法。 ９、　セラミックス製部材と金゛属製部材をセラミック
   ス製部材に被着されているメタライズ層またはそのメタ
   ライズ層に被着された緩衝金属体を介して接合する特許
   請求の範囲第７項記載のエンジン部品の製造法。 １０　セラミックス製部材に固着された金属製部材と金
   属製エンジン部品本体を嵌合または螺合のいずれかで固
   定する特許請求の範囲第７項ないし第９項のいずれかに
   記載のエンジン部品の製造法。