JPS6260967A

JPS6260967A - セラミックリング付ピストンの製造方法

Info

Publication number: JPS6260967A
Application number: JP19922285A
Authority: JP
Inventors: Fumihiro Wakai; 史博若井; Shuji Sakaguchi; 修司阪口; Seisuke Sakai; 酒井　清介; Hidesumi Kato; 英純加藤; Koji Onishi; 宏司大西; Hiroshi Tomatsu; 戸松　浩
Original assignee: NIPPON KAGAKU TOGYO KK; Agency of Industrial Science and Technology; Suzuki Motor Corp
Current assignee: NIPPON KAGAKU TOGYO KK; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Suzuki Motor Corp
Priority date: 1985-09-09
Filing date: 1985-09-09
Publication date: 1987-03-17
Anticipated expiration: 2010-03-15
Also published as: JPH0723747B2

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】ａ、　産業上の利用分野本発明はセラミックスをピストンリングとしたピストン
とその製造方法に関する。

ｂ、　従来の技術従来、セラミックスは耐熱性、断熱性、耐摩耗性に優れ
ているため、各種の用途に使用されている。しかし、弾
性がなく、硬く、かつ脆く、塑性変形加工が困難である
ため特定の用途のみに使用が限定されている。

またエンジンに用いられているピストンのピストンリン
グには塑性変形ができる金属製のピストンリングが用い
られている。

Ｃ１発明が解決しようとする問題点以上のように従来のセラミックスは耐熱性、断熱性、耐
摩耗性に優れているため、これを金属部品の代替として
使用できれば非常に好都合である。

すなわち、エンジンのピストンに用いられる金属製のピ
ストンリングは、摺動部に用いられ、耐熱性と耐摩耗性
と寸法精度が要求されており、精密成形後に、弾性変形
を利用してピストンのリング溝へ嵌着している。ところ
がこのピストンリングをセラミックス北代替して使用し
ようとすると、前記のようにセラミックスは硬くかつ脆
いため成形が困難であるとともに、成形後に、金属製の
ピストンリングと同じ方法でピストンのリング溝へ取り
付けようとしても破損してしまうという問題点がある。

一方、セラミックスは極めて硬く、研削などをおこなう
場合は通常ダイヤモンド砥石を用いて加工するため加工
コストが高くなる。また複雑な曲面を存し、かつ厳しい
寸法精度が要求されるピストンリングのような部材を研
削によって製作することは実質的に困難である。すなわ
ち、セラミックスに塑性変形を施して、ピストンリング
を製作し、これをピストンに嵌着することは殆ど不可能
であった。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、前記従来技
術の問題点を解消し、セラミックスを用いてピストンリ
ングを成形するとともに、成形と同時にピストンに嵌着
するようにしたセラミックリング付ピストンとその製造
方法を提供しようとするのもであるｄ、　問題点を解決するための手段本発明は前記問題点を解決するため、常温で正方晶を含
む部分安定化ジルコニアであって、その微細結晶粒を含
有する多結晶体からなる焼結体をピストンリングとした
ものであり、さらに常温で正方晶を含む部分安定化ジル
コニアであって、その微細結晶粒を含有する多結晶体を
用い、これを所定形状に焼結後、温度１２００℃〜１６
００’Ｃ１変形速度ＩＱｍ／ｓｅｃ以下でピストン周囲
に巻き付けるようにしたものである。

以下、本発明について詳細に説明する。

まず本発明においては、セラミックス材料のうち、常温
で正方晶系ジルコニアの微細結晶粒を含有する多結晶体
は、ある適切な温度範囲およびひずみ速度において、引
張り、圧縮などの応力を加えることにより、１２０％以
上に達する超塑性変形を生じ、各種の成形加工方法が通
用できることを見い出したものであり、これをエンジン
のピストンに用いられるピストンリングの成形と取り付
けに適用したものである。

すなわち、前記超塑性変形をうるために用いる前記多結
晶体は、含まれる正方晶系ジルコニア結晶を少なくとも
２０体積％以上含有していることが必要であり、かつそ
の粒径が２μｍ以下であることが望ましく、１μｍ以下
がより好ましい。

また、前記加工を施す適切な温度範囲とは１２００℃〜
１６００℃で、好ましくは１４００℃〜１５００℃であ
る。

１２００℃以下では変形速度（加工速度）が極めて遅く
なり実用的ではなく、また１６００℃以上ではジルコニ
アの粒成長が顕著で臨界粒径を越えて大きくなり、室温
において単斜晶となってしまい、応力誘起変態による強
化機構が期待できなくなる。

したがって変形加工は容易となるが成形体の強度は著し
く低下する。

さらに前記ひずみ速度は、たとえば、温度１４５０℃に
おいてはｌＸｌ０−’〜６　Ｘ　１０−’／ｓｅｃであ
ればよく、高温になるとともに速くすることができるが
、前記温度範囲において１０−”７ｓｅｃ以下であるこ
とが好ましい。これを変形速度（加工速度）で“示せば
１０ｍ■／ｓｅｃ以下となる。これ以上の速度範囲では
、結晶粒界におけるキャビティ　（隙間）の生成・成長
が著しくなり、加工中に破壊してしまうか、強度低下を
もたらす。

なお、室温において正方晶系ジルコニアの多結晶体をう
るには、たとえば、Ｙ　ｚ　Ｏ３＋　Ｍ　ｇ　Ｏ＋　Ｃ
ａ　Ｏ＋　Ｃｅ　Ｏ２等を添加してジルコニア固溶体を
作ればよい。固溶体の濃度範囲は化合物の種類により異
り、ＺｒＯ□との平衡状態図によって正方晶系ジルコニ
アの生成割合を決定する。たとえばＹｔＯ３では２モル
％〜６モル％までの範囲であれば正方晶系ジルコニアが
含有されることになる。

次に本発明に係るピストンの製作方法を具体的に説明す
る。

第１図〜第３図は、本発明に係る方法の実施要領を説明
するもので、工はピストンリングを嵌着せしめるピスト
ン、２は本発明に係る前記セラミックスを用いたピスト
ンリングの素材、３は左右に往復動する左側の上部成形
型、４は同しく左右に往復動する右側の上部成形型、５
は下部成形ハ１′、６は上下方向に往復動する押し棒、
７は下部成形型５上に凹設された半円状の型部、８およ
び９は上部成形型３および４にぞれぞれ設けられた弧状
の型部、１０は型部７の両側に設けられた案内用のロー
ラーである。

前記ピストン１は第４図に示すようにピストンリングを
嵌着するためのリング溝１１を周設しである。このピス
トン１は本発明に係る方法を実施してピストンリングを
嵌着する場合に、後述のように加熱するため、この加熱
温度に耐える材料あるいは方法を採用することが必要で
ある。すなわち、通常のガソリンエンジンで使用してい
る軽合金製のピストンは加熱によって軟化溶融するおそ
れがあるため採用できない。したがってたとえばやや溶
融温度の高い鋳鉄製ピストンを用い、内側に冷し金を当
接したり、あるいは水冷するなどして、温度上昇を防ぐ
ことが必要である。あるいはピストン自体に炭化珪素、
窒化珪素、アルミナ等からなるセラミックスを使用し、
ピストン自体を耐熱性のある素材で形成することが好ま
しい。

前記ピストンリングの素材２は、たとえば、Ｙ２Ｏ。

を３モル％含有したジルコニア粉末を用い、ピストンリ
ングを形成するに必要な所定断面と所定長さの形状、す
なわち方形断面を有する棒状の形状に成形した後、これ
を１３００℃〜’１５００℃で加熱焼結し、正方晶系ジ
ルコニア結晶を７０体積％含有した平均結晶粒径０．３
　μｍの焼結体をうる。次に、この焼結した素材２をダ
イヤモンドの砥石を用いた研削機等にて前記ピストン１
のリングａ１１に対応する寸法に仕上加工を施したもの
である。

前記各成形型３・４・５は耐熱性材料を用い、たとえば
、アルミナ、炭化珪素、ムライト等を使用し、加工中に
ピストンリングと−なる素材２との間に反応を生じない
ように、加工温度に応じて適切な材料を選択する。そし
て、素材２に当接する各成形型の面は鏡面仕上げを施し
てお（。

ｅ、　作用第１図に示すように、上部成形型３・４を左右に開き、
下部成形型５の型部７上に前記素材２を載置する。次に
、この素材２に対し、第４図に示すように前記ピストン
ｌのリングａ１１の一部を合わせるとともに、ピストン
１と型部７の中心を一致させ、適当な保持手段によって
、この位置を保持する。

次に、この状態において加工すべき素材２が１２００°
Ｃ〜１６００℃好ましくは１４００℃〜１５００℃とな
るように加熱し、この温度範囲を維持しながら、前記押
し捧６を下降させて、ピストンリングｌを所定の変形速
度、すなわち１０ｍ／ｓｅｅ以下で押し下げ、素材２と
ともに下部成形型５の型部７内に第２図に示すように押
し込む。ローラー１０の存在によって素材２は円滑に案
内され図示のようにＵ字状に成形される。

次に左右の上部成形型３・４を第３図に示すように中央
のピストン１に向って移動させ、ピストン１の上半分に
ある残りのリング４１１に、下部成形型５の上部に立ち
上がっている素材２を、型部８・９によって所定の変形
速度を維持しながら押し込めばよい。

このようにしてピストンリングの成形とピストンの溝へ
の取り付けが同時に行われ、セラミックスのピストンリ
ングを装着したピストンが製造される。

以上の方法によって製造されたピストンリングは、成形
型の内面に鏡面仕上げを施しておくことによって、加工
後の製品表面、すなわち、ピストンリング表面も鏡面と
なり、優れた潤滑性、耐摩耗性かえられる。なお、前記
方法によって複数本のピストンリングを一度に装着して
もよい。

ｆ、　実施例ＹｔＯｙを３モル％含有したジルコニア粉末を用い、１
３００℃〜１５００℃で加熱焼結し、正方晶系ジルコニ
ア結晶を７０体積％含有した平均結晶粒径０．３　μｍ
の焼結体を得る。これを用いて］、８７ｎ、幅４龍。

厚さ２Ｎの細長いピストンリング用の素材を成形した。

次にこれを第１図に示した前記装置（炭化珪素製）に直
径６０鶴の炭化珪素製のピストンとともにセットし、温
度１４５０℃〜１５００℃で、押し捧及び上部の各成形
型の変形速度を６ｕ／ｌｌｌ１ｎとして加工を施した。

加工に要した時間は約１０分であった。

その結果、成形前のジルコニア焼結体からなるピストン
素材の表面粗さは１μｍであったが、鏡面仕上げを施し
た前記炭化珪素の成形型によって加工したあとのピスト
ンリングの表面粗さは０．１μｍ以下となり、極めて高
精度の製品かえられた。

ｇ、　発明の効果以上のように本発明によれば、セラミックスの超塑性加
工によりピストンリングの成形１表面仕上げ、ピストン
への取り付けが同時になされるとともに、金属部材では
えられない耐摩耗性、耐熱性、断熱性に優れた性質を有
し、かつ潤滑性も良好なセラミックリングを備えたピス
トンかえられ、エンジンの高効率化に大きく寄与するこ
とができる。

また、成形型の寸法精度を高くすることによって、本発
明のピストンリングの精度を高めることが可能であり、
成形型の複雑な曲面や微細な性状も、製品すなわち、ピ
ストンリングに容易に転写。

再現することが可能となった。

さらに、ピストンリングの変形加工速度は実用的な範囲
にあり、量産にも適している。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明に係る方法の実施要領を説明す
る図、第４図は同第１図におけるピストン部分を拡大し
て示す斜視説明図である。 ■・・・ピストン、２・・・ピストンリングの素材、３・４・・・上部成形型、５・・・下部成形型、６・・・押し棒、８・９・１０・・・型部、１１・・・ピストンのリング溝。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）常温で正方晶を含む部分安定化ジルコニアであっ
て、その微細結晶粒を含有する多結晶体からなる焼結体
を、ピストンリングとしたことを特徴とするセラミック
リング付ピストン。
（２）常温で正方晶を含む部分安定化ジルコニアであっ
て、その微細結晶粒を含有する多結晶体を用い、これを
所定形状に焼結後、温度１２００℃〜１６００℃、変形
速度１０ｍｍ／ｓｅｃ以下で、ピストン周囲に巻き付け
ることを特徴とするセラミックリング付ピストンの製造
方法。