JP2581857B2 - セラミック金属複合ピストンとその製造方法 - Google Patents

セラミック金属複合ピストンとその製造方法

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JP2581857B2
JP2581857B2 JP3238693A JP23869391A JP2581857B2 JP 2581857 B2 JP2581857 B2 JP 2581857B2 JP 3238693 A JP3238693 A JP 3238693A JP 23869391 A JP23869391 A JP 23869391A JP 2581857 B2 JP2581857 B2 JP 2581857B2
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理夫 小澤
由紀夫 宮入
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2203/00Non-metallic inorganic materials
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、セラミックスと金属と
が強固に接合されたセラミック金属複合ピストンとその
製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】内燃機関のピストンは燃焼ガスによる熱
的・機械的な作用を繰り返し受けるため、耐熱性と共に
機械的強度が求められる。ところで、セラミックスは熱
には強いが脆く、金属は機械的強度は有するが熱に弱い
のでそれぞれ単独でピストンの構造部材とすることは適
当でない。そのため、これら両部材を複合して使用する
ことが行なわれている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】燃焼ガスによる最も過
酷な条件にさらされるピストン上部にセラミックスを固
定する方法として、圧入、焼き嵌め、ロウ付け、等の方
法が考えられるが、いずれの方法によってもセラミック
スと金属との結合強度が不充分である。ネジを利用して
機械的に結合する方法もあるが、部品点数が増加しコス
ト増となり、また信頼性に欠ける欠点があった。さらに
鋳ぐるみ方法も試みられているが、セラミックスと金属
の熱膨張差により高温での使用時に隙間が発生し、燃焼
ガスの洩れやゆるみの問題があった。従って、本発明は
セラミックスと金属の鋳ぐるみによって、高温での使用
時に隙間が発生することがなく、燃焼ガスの洩れやゆる
みの問題のない、信頼性の高い、強度も十分なセラミッ
ク金属複合ピストンを提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】そして、その目的は、本
発明によれば、ピストン上部をセラミック部材で構成
し、ピストン下部を金属部材で構成したセラミックスと
金属の複合ピストンであって、 (イ)セラミック部材に少なくとも1つのピストンリン
グ用溝が周接され、 (ロ)該セラミック部材の下面でピストン中心軸と干渉
しない位置に凹部が設けられるとともに凹部はピストン
中心軸側に傾斜し、(ハ)該金属部材の熱膨張係数は3×10 -6 〜9×10
-6 /℃の範囲内であり、 (ニ)該凹部内の少なくとも一部にピストン下部を構成
する金属が充填され、当該金属は、該凹部内面をピスト
ン中心軸方向に直接押し付ける ことを特徴とするセラミ
ック金属複合ピストン、により達成することができる。
【0005】なお、本発明では、凹部が、ピストン中心
軸を含む断面において、凹部内の金属のピストン中心軸
に最も近い点Pと金属の収縮中心Oとを結んだ線分OP
を対角線とし、ピストン中心軸の一部を一辺とする長方
形における、点Pを通りピストン中心軸に平行な辺がセ
ラミック部材の一部を通過するような位置関係に形成さ
れることが好ましい。また本発明によれば、上記のセラ
ミック金属複合ピストンを構成する該セラミック部材
、該凹部を設けた面が上を向くように鋳型内に配置
し、次いで金属溶湯を注湯することを特徴とするセラミ
ック金属複合ピストンの製造方法、が提供される。
【0006】以下、本発明を詳しく説明する。本発明の
セラミック金属複合ピストンでは、ピストンの下部を構
成する金属として、室温から400℃での熱膨張係数が
3×10-6〜9×10-6/℃の範囲にある金属を用いる
ことが好ましい。この熱膨張係数はセラミックスの熱膨
張係数と近いため、高温における使用時のセラミック部
材と金属間のゆるみの問題を解消することができる。
【0007】このような熱膨張係数を有する金属として
は、例えば重量比でC 0.3〜2.0%、Ni 25
〜32%、Co 12〜20%、Si 0.3〜2.0
%、Nb 0.2〜0.8%、Mg又はCa 0.01
〜0.2%、Mn1.0%以下、残部は不純物を含むF
eの組成を有する合金、あるいは重量比でC 0.8〜
3.0%、Ni 30〜34%、Co 4.0〜6.0
%、Si 1.0〜3.0%、Mn 2.0%以下、硫
黄 1.0%以下、リン 1.5%以下、Mg 1.0
%以下、残部は不純物を含むFeの組成を有する合金が
望ましい。
【0008】また、ガス洩れ防止のために、ピストン上
部のセラミック部材には少なくとも1つのピストンリン
グ装着用の溝を周設することが必要である。この場合、
ピストンリング装着用の溝を全てセラミック部材に設け
れば、より一層のガス洩れ防止効果があるが、セラミッ
ク部材の全厚さが増大するほか、更にこの下方のセラミ
ック部材に把持部を設けようとするとピストン全長が増
大して、ピストンの重量増加を招き好ましくない。
【0009】そこで、本発明では、次の構造を採用する
ことによりピストンの全長の増加を防止した。すなわ
ち、セラミック部材の下面でピストン中心軸と干渉しな
い位置に凹部が設けられるとともに凹部はピストン中心
軸側に傾斜し、かつ該凹部内の少なくとも一部にピスト
ン下部を構成する金属を充填することにより、ピストン
全長の増加を防止することができたのである。ここで、
凹部が、ピストン中心軸を含む断面において、凹部内の
金属のピストン中心軸に最も近い点Pと金属の収縮中心
Oとを結んだ線分OPを対角線とし、ピストン中心軸の
一部を一辺とする長方形における、点Pを通りピストン
中心軸に平行な辺がセラミック部材の一部を通過するよ
うな位置関係に形成されることが好ましい。
【0010】なお、ピストン中心軸と干渉しない位置と
は、凹部がピストン中心軸を通過あるいは横切らない位
置をいう。また、凹部は、ピストン中心軸に所定以上近
接しないことが好ましい。本発明では以上の構成を採用
することによって、セラミック部材下面における凹部内
側のピストン中心軸側の面においてのみ金属側からの圧
縮力がセラミック部材に作用し、一方、ピストン中心軸
から遠い反対側のセラミック部材凹部内側には隙間が生
ずることになる。この現象は、金属溶湯の凝固収縮の
際、注湯温度からの冷却過程での金属の熱収縮によるも
のである。この隙間は、内燃機関の始動時ピストン温度
が常温から使用温度に上昇する際に、金属の膨張を吸収
し、セラミック部材の破壊を防止する働きをする。
【0011】なお上述した熱膨張係数が3×10-6〜9
×10-6/℃の範囲の、セラミック部材の熱膨張係数に
近い金属を採用することは、金属の熱膨張によるセラミ
ック部材の破壊防止にも有効である。また、上述した如
き、点Pを通りピストン中心軸に平行な辺がセラミック
部材を通過する位置関係にあるようにセラミック部材に
おける凹部を形成することによって、鋳造後の金属の熱
収縮持に金属がセラミック部材を圧縮し、かつ、金属か
らセラミック部材が脱落しないアンダーカットの金属形
状となるため、強固な金属とセラミック部材との結合強
度が得られる。このような特定の形状を有するセラミッ
ク部材と金属からなる複合ピストンは、鋳型内に、特定
形状のセラミック部材を配置し、次いで金属溶湯を注湯
して製造される。
【0012】
【実施例】次に、本発明を図示の実施例に基づきさらに
詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限られる
ものではない。 (実施例1)図1は本発明のセラミック金属複合ピスト
ンの一実施例を示す断面説明図であり、ピストン中心軸
を含む断面を示している。また図2は図1のA−A断面
図である。図中、1はセラミック部材、2は金属、3は
セラミック部材1の凹部、4はピストンリング装着用
溝、5は燃焼室、6はセラミック部材1の凹部内に生ず
る間隙、そして7は金属の収縮による応力がセラミック
部材1に作用する面を示す。また、点Pは凹部3内側面
において金属のピストン中心軸Cに最も近い点であり、
長方形PQORは線分OPを対角線とし、ピストン中心
軸Cの一部を一辺とする長方形である。
【0013】図1および図2から明らかなように、燃焼
室5と干渉しない位置で、セラミック部材1の下面に、
ピストン中心軸Cを中心にして同心円の馬蹄形状に、か
つ凹部3はピストン中心軸C側に傾斜して形成される。
このため、金属2の収縮に際しては長方形PQORの辺
PRがセラミック部材1の下面と交わる点Sと点Pを結
ぶ線分PSより左側にあるセラミック部材1に収縮力を
作用させ、強固な結合のセラミック金属複合ピストンを
提供する。一方、凹部3には金属の収縮方向とは反対側
に間隙6を生ずる。この間隙6は金属2の熱膨張を吸収
し、セラミック部材1の破壊を防止する。なお本実施例
においては、ピストンリング装着用溝4として3本周設
したものを採用した。
【0014】(実施例2)図3はピストンの上部中央に
燃焼室5が形成された場合において、これと干渉するこ
となく、燃焼室5を囲んで、変形多角形状の凹部3を設
けた実施例であり、図4はこれのB−B断面図である。
図3および図4は、2分割ピストンのスカート部以外を
本発明の構造で作製した例である。
【0015】図3〜4に示すセラミック金属複合ピスト
ンは、次のように製造した。室温での4点曲げ強度10
00MPa、1100℃での4点曲げ強度800MPa
の窒化珪素材料により作製された2つのリング用溝12
を外周に設けた窒化珪素製ピストンクラウン10を、図
5に示すように、鋳型11にセットした後、重量比でC
1.2%、Si 1.2%、Mn 0.3%以下、N
i 28%、Co 14%、Mg 0.03%、Nb
0.3%の化学組成を有する1450℃の金属溶湯を鋳
型11に注湯した。次に、常温まで徐冷した後、鋳型1
1より離型して、図6のような窒化珪素−金属複合体を
得、次いで、金属部13の外周を加工してさらに1つの
リング用溝14を設けるとともにピストンピン用穴15
の加工を行ない、図7に示す如き窒化珪素−金属複合ピ
ストンを得た。
【0016】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るセラ
ミック金属複合ピストンによれば、高温での金属とセラ
ミック部材との間のゆるみの発生がなく、部品点数が少
なく低価格であり、信頼性があり、金属とセラミック部
材との間の燃焼ガスの洩れがないという優れた効果を奏
する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のセラミック金属複合ピストンの一実施
例を示す断面説明図である。
【図2】図1のA−A断面説明図である。
【図3】本発明のセラミック金属複合ピストンの他の実
施例を示す断面説明図である。
【図4】図3のB−B断面説明図である。
【図5】本発明のセラミック金属複合ピストンの製造例
を示す断面説明図である。
【図6】実施例2で得られた窒化珪素−金属複合体を示
す断面説明図である。
【図7】実施例2で得られた窒化珪素−金属複合ピスト
ンを示す断面説明図である。
【符号の説明】
1 セラミック部材 2 金属 3 凹部 4 ピストンリング装着用溝 5 燃焼室 6 凹部内における間隙 7 金属の収縮力がセラミック部材に作用する面 10 窒化珪素製ピストンクラウン 11 鋳型 12,14 リング用溝 13 金属部 15 ピストンピン用穴

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ピストン上部をセラミック部材で構成
    し、ピストン下部を金属部材で構成したセラミックスと
    金属の複合ピストンであって、 (イ)セラミック部材に少なくとも1つのピストンリン
    グ用溝が周接され、 (ロ)該セラミック部材の下面でピストン中心軸と干渉
    しない位置に凹部が設けられるとともに凹部はピストン
    中心軸側に傾斜し、(ハ)該金属部材の熱膨張係数は3×10 -6 〜9×10
    -6 /℃の範囲内であり、 (ニ)該凹部内の少なくとも一部にピストン下部を構成
    する金属が充填され、当該金属は、該凹部内面をピスト
    ン中心軸方向に直接押し付ける ことを特徴とするセラミ
    ック金属複合ピストン。
  2. 【請求項2】 凹部が、ピストン中心軸を含む断面にお
    いて、凹部内の金属のピストン中心軸に最も近い点Pと
    金属の収縮中心Oとを結んだ線分OPを対角線とし、ピ
    ストン中心軸の一部を一辺とする長方形における、点P
    を通りピストン中心軸に平行な辺がセラミック部材の一
    部を通過するような位置関係に形成される請求項1記載
    のセラミック金属複合ピストン。
  3. 【請求項3】 セラミック部材が、窒化珪素、サイアロ
    ン、および炭化珪素からなる群から選ばれた1つのセラ
    ミック材料からなる請求項1記載のセラミック金属複合
    ピストン。
  4. 【請求項4】 請求項1〜のいずれかに記載のセラミ
    ック金属複合ピストンを構成する該セラミック部材を
    該凹部を設けた面が上を向くように鋳型内に配置し、次
    いで金属溶湯を注湯することを特徴とするセラミック金
    属複合ピストンの製造方法。
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JPS60180969A (ja) * 1984-02-28 1985-09-14 日本碍子株式会社 エンジン部品およびその製造法
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