JP2545068B2 - 機械構造部材 - Google Patents
機械構造部材Info
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- JP2545068B2 JP2545068B2 JP61106870A JP10687086A JP2545068B2 JP 2545068 B2 JP2545068 B2 JP 2545068B2 JP 61106870 A JP61106870 A JP 61106870A JP 10687086 A JP10687086 A JP 10687086A JP 2545068 B2 JP2545068 B2 JP 2545068B2
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- silicon nitride
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- nitride sintered
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は窒化珪素焼結体により構成した機械構造部材
に関するものである。
に関するものである。
（従来の技術） 従来、ターボチャージャーロータ、エンジンのピスト
ンキャップ、シリンダライナー、ガスタービンロータ等
の機械構造部材にZrO2,Si3N4等の耐熱性セラミックスを
使用し、稼動温度を上昇して熱効率を上げる試みがなさ
れてきた。
ンキャップ、シリンダライナー、ガスタービンロータ等
の機械構造部材にZrO2,Si3N4等の耐熱性セラミックスを
使用し、稼動温度を上昇して熱効率を上げる試みがなさ
れてきた。
（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記機械構造部材の材料としてZrO2を
使用した場合は、ZrO2は熱伝導率が0.007cal/cm・sec・
℃と低く断熱性に優れるものの、熱膨張率が高いので耐
熱衝撃性が低く、また比重が高く重い欠点があった。
使用した場合は、ZrO2は熱伝導率が0.007cal/cm・sec・
℃と低く断熱性に優れるものの、熱膨張率が高いので耐
熱衝撃性が低く、また比重が高く重い欠点があった。
また、従来高温構造材料として使用されているSi3N4
は緻密かつ高強度であり、熱膨張率も低いため、ZrO2と
比較して耐熱衝撃性には優れるが熱伝導率は約0.07cal/
cm・sec・℃と高いため、断熱性に劣る欠点があった。
そのため、例えばターボチャージャーロータやガスター
ビンロータとしてSi3N4を使用した場合は、金属部材と
の結合部の温度が上昇し易く、高い稼動温度を得ること
が困難であったり、シリンダライナーとして使用した場
合は断熱効果が悪い分だけ熱損失が増大する欠点があっ
た。
は緻密かつ高強度であり、熱膨張率も低いため、ZrO2と
比較して耐熱衝撃性には優れるが熱伝導率は約0.07cal/
cm・sec・℃と高いため、断熱性に劣る欠点があった。
そのため、例えばターボチャージャーロータやガスター
ビンロータとしてSi3N4を使用した場合は、金属部材と
の結合部の温度が上昇し易く、高い稼動温度を得ること
が困難であったり、シリンダライナーとして使用した場
合は断熱効果が悪い分だけ熱損失が増大する欠点があっ
た。
本発明の目的は上述した不具合を解消して、従来の窒
化珪素焼結体を用いた機械構造部材より高温での稼動性
能を向上することのできる機械構造部材を提供しようと
するものである。
化珪素焼結体を用いた機械構造部材より高温での稼動性
能を向上することのできる機械構造部材を提供しようと
するものである。
（問題点を解決するための手段） 本発明の機械構造部材は、強度が72kg/mm2以上であ
り、かつ熱伝導率が0.030cal/cm・sec・℃未満である高
密度窒化珪素焼結体を用いたことを特徴とするものであ
る。
り、かつ熱伝導率が0.030cal/cm・sec・℃未満である高
密度窒化珪素焼結体を用いたことを特徴とするものであ
る。
（作 用） 上述した構成において、強度が72kg/mm2以上で、熱伝
導率が0.030cal/cm・sec・℃未満の窒化珪素焼結体を使
用して機械構造部材を構成すると、特に稼動温度が高
く、稼動効率が良好な部材を得ることができる。すなわ
ち本発明は、高密度で強度が72kg/mm2以上の任意の窒化
珪素焼結体のうち熱伝導率が0.030cal/cm・sec・℃未満
の窒化珪素焼結体を使用すれば、両条件の相乗効果によ
り良好な高温稼動率を達成できる機械構造部材を得るこ
とができることを見出したことによる。なお、耐酸化性
等の他の性質は直接本発明の機械構造部材に関係するも
のではないが、もちろんこれらの性質も良好な方が良い
ことは言うまでもない。
導率が0.030cal/cm・sec・℃未満の窒化珪素焼結体を使
用して機械構造部材を構成すると、特に稼動温度が高
く、稼動効率が良好な部材を得ることができる。すなわ
ち本発明は、高密度で強度が72kg/mm2以上の任意の窒化
珪素焼結体のうち熱伝導率が0.030cal/cm・sec・℃未満
の窒化珪素焼結体を使用すれば、両条件の相乗効果によ
り良好な高温稼動率を達成できる機械構造部材を得るこ
とができることを見出したことによる。なお、耐酸化性
等の他の性質は直接本発明の機械構造部材に関係するも
のではないが、もちろんこれらの性質も良好な方が良い
ことは言うまでもない。
（実施例） 本発明で使用する熱伝導率が0.030cal/cm・sec・℃未
満の窒化珪素焼結体としては、例えば本願出願人による
特公平２−7910号公報に明らかなようにSr,Mg,Ce,Zrお
よびAlの化合物を、SrOに換算して0.1〜18重量％、MgO
に換算して0.2〜25重量％、CeO2に換算して、0.1〜20重
量％、ZrO2に換算して0.1〜15重量％およびAl2O3に換算
して１〜20重量％を含み残部が窒化珪素よりなる窒化珪
素焼結体が、その高温強度が高い点で好適である。しか
しながら本発明は上述した窒化珪素焼結体に限定される
ものでないことは明らかであり、機械的性質が使用条件
に耐え得るとともに、強度72kg/mm2以上で熱伝導率が0.
030cal/cm・sec・℃未満の窒化珪素焼結体であればすべ
てのものが使用できることは言うまでもない。
満の窒化珪素焼結体としては、例えば本願出願人による
特公平２−7910号公報に明らかなようにSr,Mg,Ce,Zrお
よびAlの化合物を、SrOに換算して0.1〜18重量％、MgO
に換算して0.2〜25重量％、CeO2に換算して、0.1〜20重
量％、ZrO2に換算して0.1〜15重量％およびAl2O3に換算
して１〜20重量％を含み残部が窒化珪素よりなる窒化珪
素焼結体が、その高温強度が高い点で好適である。しか
しながら本発明は上述した窒化珪素焼結体に限定される
ものでないことは明らかであり、機械的性質が使用条件
に耐え得るとともに、強度72kg/mm2以上で熱伝導率が0.
030cal/cm・sec・℃未満の窒化珪素焼結体であればすべ
てのものが使用できることは言うまでもない。
以下、実際の例について説明する。
実施例１ 焼結助剤として以下の第１表に示す割合でSrO、MgO、
CeO2、Al2O3およびZrO2を添加した窒化珪素焼結体で、J
IS R−1601による室温４点曲げ強度が72kg/mm2以上で、
熱伝導率が0.030cal/cm・sec・℃未満の窒化珪素焼結体
を作成した。この焼結体を用いたチップ径60mmのターボ
チャージャーロータを使い、以下の実験を行った（本発
明試験No.1〜４）。
CeO2、Al2O3およびZrO2を添加した窒化珪素焼結体で、J
IS R−1601による室温４点曲げ強度が72kg/mm2以上で、
熱伝導率が0.030cal/cm・sec・℃未満の窒化珪素焼結体
を作成した。この焼結体を用いたチップ径60mmのターボ
チャージャーロータを使い、以下の実験を行った（本発
明試験No.1〜４）。
ロータを金属製の軸に圧入法により結合後、予め内側
にビスを突出させロータが回転できないようにしたハウ
ジングに装着し、外部から上記軸のジャーナル部へ熱電
対を挿入し、ホットスピンテスターにとりつけた。次
に、ホットスピンテスターのバーナーからガス温880℃
の条件で10分間高温ガス流をロータに送り、加熱した。
その後、高温ガス流と軸冷却オイルの循環を同時に停止
してジャーナル部の温度上昇を測定した。さらにこの条
件での運転・停止を10回くり返した後でロータをとり出
し、軸への冷却オイル焼きつきの程度およびロータの外
観を調べた。また、比較例として、熱伝導率が0.030cal
/cm・sec・℃未満であるが、強度が65kg/mm2以下であ
る、Y2O3,Al2O3を添加した窒化珪素焼結体（比較例試験
No.5〜６）および熱伝導率が0.030cal/cm・sec・℃以上
で、強度が72kg/mm2以上のY2O3,MgO,ZrO2を添加した窒
化珪素焼結体（比較例試験No.7〜８）を用いたロータに
関しても同様の実験を行なった。結果を第１表に示す。
にビスを突出させロータが回転できないようにしたハウ
ジングに装着し、外部から上記軸のジャーナル部へ熱電
対を挿入し、ホットスピンテスターにとりつけた。次
に、ホットスピンテスターのバーナーからガス温880℃
の条件で10分間高温ガス流をロータに送り、加熱した。
その後、高温ガス流と軸冷却オイルの循環を同時に停止
してジャーナル部の温度上昇を測定した。さらにこの条
件での運転・停止を10回くり返した後でロータをとり出
し、軸への冷却オイル焼きつきの程度およびロータの外
観を調べた。また、比較例として、熱伝導率が0.030cal
/cm・sec・℃未満であるが、強度が65kg/mm2以下であ
る、Y2O3,Al2O3を添加した窒化珪素焼結体（比較例試験
No.5〜６）および熱伝導率が0.030cal/cm・sec・℃以上
で、強度が72kg/mm2以上のY2O3,MgO,ZrO2を添加した窒
化珪素焼結体（比較例試験No.7〜８）を用いたロータに
関しても同様の実験を行なった。結果を第１表に示す。
実験においてローターは回転させていないが、強度が
72kg/mm2未満の窒化珪素焼結体においてチッピングが生
じた原因としては、10回の運転・停止のくり返しにより
発生する熱応力に対し強度が低すぎるためと考えられ
る。
72kg/mm2未満の窒化珪素焼結体においてチッピングが生
じた原因としては、10回の運転・停止のくり返しにより
発生する熱応力に対し強度が低すぎるためと考えられ
る。
なお、各窒化珪素焼結体の熱伝導率は、レーザー法熱
定数測定装置を使用してレーザーフラッシュ法により測
定した。試料形状は直径10mm、厚さ3mmとし、片面をカ
ーボンスプレーによりコーティングし、裏側への熱電対
接着には銀ペーストを使用した。
定数測定装置を使用してレーザーフラッシュ法により測
定した。試料形状は直径10mm、厚さ3mmとし、片面をカ
ーボンスプレーによりコーティングし、裏側への熱電対
接着には銀ペーストを使用した。
第１表から明らかなように、強度が72kg/mm2以上で熱
伝導率が0.030cal/cm・sec・℃未満の窒化珪素焼結体を
用いたロータは、使用におけるロータの破壊が無く、エ
ンジン急停止時の軸ジャーナル部の温度上昇が抑制さ
れ、その繰り返しによる冷却オイルの軸への焼きつきも
軽減されることがわかった。
伝導率が0.030cal/cm・sec・℃未満の窒化珪素焼結体を
用いたロータは、使用におけるロータの破壊が無く、エ
ンジン急停止時の軸ジャーナル部の温度上昇が抑制さ
れ、その繰り返しによる冷却オイルの軸への焼きつきも
軽減されることがわかった。
実施例２ 排気量288cc、単気筒副燃焼室式ディーゼルエンジン
に、第２表に示すように本発明の実施例である強度が72
kg/mm2以上で熱伝導率が0.030cal/cm・sec・℃を有する
SrO、MgO、CeO2、Al2O3およびZrO2を添加した窒化珪素
焼結体を用いたシリンダライナーとシリンダヘッド、ピ
ストンヘッドを取りつけた場合（本発明試験No.1〜３）
および、同じディーゼルエンジンに比較例として熱伝導
率が0.030cal/cm・sec・℃以下で強度が65kg/mm2以下で
あるY2O3,Al2O3添加の窒化珪素焼結体（比較例試験No.4
〜５）および熱伝導率が0.030cal/cm・sec・℃以上で強
度が72kg/mm2以上であるY2O3,MgO,ZrO2添加の窒化珪素
焼結体（比較例試験No.6〜７）を用いたシリンダライナ
ーとシリンダヘッド、ピストンヘッドを取りつけた場合
について、2400rpm全負荷の運転時において冷却水の入
口、出口温度を測定し冷却熱量を求め、燃料消費量から
算出される供給熱量に対する冷却水損失割合を算出し、
第２表に示した。
に、第２表に示すように本発明の実施例である強度が72
kg/mm2以上で熱伝導率が0.030cal/cm・sec・℃を有する
SrO、MgO、CeO2、Al2O3およびZrO2を添加した窒化珪素
焼結体を用いたシリンダライナーとシリンダヘッド、ピ
ストンヘッドを取りつけた場合（本発明試験No.1〜３）
および、同じディーゼルエンジンに比較例として熱伝導
率が0.030cal/cm・sec・℃以下で強度が65kg/mm2以下で
あるY2O3,Al2O3添加の窒化珪素焼結体（比較例試験No.4
〜５）および熱伝導率が0.030cal/cm・sec・℃以上で強
度が72kg/mm2以上であるY2O3,MgO,ZrO2添加の窒化珪素
焼結体（比較例試験No.6〜７）を用いたシリンダライナ
ーとシリンダヘッド、ピストンヘッドを取りつけた場合
について、2400rpm全負荷の運転時において冷却水の入
口、出口温度を測定し冷却熱量を求め、燃料消費量から
算出される供給熱量に対する冷却水損失割合を算出し、
第２表に示した。
第２表から明らかなように、強度が72kg/mm2以上で、
熱伝導率が0.030cal/cm・sec・℃未満の窒化珪素焼結体
を用いた本発明のシリンダライナーとシリンダヘッド、
ピストンヘッドは、比較例に比べてディーゼルエンジン
の冷却水損失割合を低減させること、また、室温強度が
低いと使用時にクラックが発生し、強度が72kg/mm2以上
の窒化珪素焼結体を使用する必要があることがわかっ
た。これは、室温強度の低い窒化珪素では一般に高温強
度も低く、かつ耐熱衝撃性に劣るためと考えられる。
熱伝導率が0.030cal/cm・sec・℃未満の窒化珪素焼結体
を用いた本発明のシリンダライナーとシリンダヘッド、
ピストンヘッドは、比較例に比べてディーゼルエンジン
の冷却水損失割合を低減させること、また、室温強度が
低いと使用時にクラックが発生し、強度が72kg/mm2以上
の窒化珪素焼結体を使用する必要があることがわかっ
た。これは、室温強度の低い窒化珪素では一般に高温強
度も低く、かつ耐熱衝撃性に劣るためと考えられる。
実施例３ 実施例２の第２表に示すシリンダーNo.1,2,7において
シリンダーブロックとシリンダーヘッドの間から挿入し
た熱電対をシリンダライナー内表面に加工した溝に耐熱
接着剤で接着した。シリンダー内壁および冷却水が25℃
の状態でエンジンを始動し、シリンダー内壁温度の上昇
を測定した。結果を第１図に示す。
シリンダーブロックとシリンダーヘッドの間から挿入し
た熱電対をシリンダライナー内表面に加工した溝に耐熱
接着剤で接着した。シリンダー内壁および冷却水が25℃
の状態でエンジンを始動し、シリンダー内壁温度の上昇
を測定した。結果を第１図に示す。
第１図から明らかなように、熱伝導率が0.030cal/cm
・sec・℃未満の窒化珪素焼結体を用いたシリンダライ
ナーは、比較例に比べて始動時にシリンダー内壁温度が
速やかに上昇することがわかり、始動特性の向上が期待
できる。
・sec・℃未満の窒化珪素焼結体を用いたシリンダライ
ナーは、比較例に比べて始動時にシリンダー内壁温度が
速やかに上昇することがわかり、始動特性の向上が期待
できる。
（発明の効果） 以上詳細に説明したところから明らかなように、本発
明の機械構造部材によれば、強度が72kg/mm2以上で熱伝
導率が0.030cal/cm・sec・℃未満の低熱伝導率の高密度
窒化珪素焼結体を使用して機械構造部材を構成している
ため、従来の窒化珪素焼結体を用いた機械構造部材に比
べて断熱性に優れ、特に高温での稼動性能を向上するこ
とができる。
明の機械構造部材によれば、強度が72kg/mm2以上で熱伝
導率が0.030cal/cm・sec・℃未満の低熱伝導率の高密度
窒化珪素焼結体を使用して機械構造部材を構成している
ため、従来の窒化珪素焼結体を用いた機械構造部材に比
べて断熱性に優れ、特に高温での稼動性能を向上するこ
とができる。
そのため本発明の機械構造部材は、ディーゼルエンジ
ンの副燃焼室、シリンダーヘッドおよびピストンキャッ
プ、さらにターボチャージャーロータ、ガスタービンロ
ータ等のエンジン部品、更にベアリング等の機械部品と
して好適に応用することができる。
ンの副燃焼室、シリンダーヘッドおよびピストンキャッ
プ、さらにターボチャージャーロータ、ガスタービンロ
ータ等のエンジン部品、更にベアリング等の機械部品と
して好適に応用することができる。
第１図は本発明の機械部品におけるシリンダー内壁温度
の上昇を示すグラフである。
の上昇を示すグラフである。
Claims (1)
- 【請求項１】強度72kg/mm2以上で熱伝導率が0.030cal/c
m・sec・℃未満である高密度窒化珪素焼結体を用いたこ
とを特徴とする機械構造部材。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61106870A JP2545068B2 (ja) | 1986-05-12 | 1986-05-12 | 機械構造部材 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61106870A JP2545068B2 (ja) | 1986-05-12 | 1986-05-12 | 機械構造部材 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62265174A JPS62265174A (ja) | 1987-11-18 |
| JP2545068B2 true JP2545068B2 (ja) | 1996-10-16 |
Family
ID=14444571
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61106870A Expired - Lifetime JP2545068B2 (ja) | 1986-05-12 | 1986-05-12 | 機械構造部材 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2545068B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6345174A (ja) * | 1986-08-07 | 1988-02-26 | 株式会社 香蘭社 | 窒化ボロン系焼結体 |
| JPH01230479A (ja) * | 1988-03-10 | 1989-09-13 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 内燃機関の構造部材 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61127666U (ja) * | 1985-01-28 | 1986-08-11 |
-
1986
- 1986-05-12 JP JP61106870A patent/JP2545068B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62265174A (ja) | 1987-11-18 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |