JP2591872B2 - 窒化珪素鋳ぐるみピストン - Google Patents
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- F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
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-
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- Y10T29/49261—Piston making with assembly or composite article making by composite casting or molding
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、窒化珪素と金属の鋳ぐ
るみ複合体構造からなる内燃機関用の窒化珪素鋳ぐるみ
ピストンに係り、さらに詳しくは、製造工程が単純で低
コストであり、低温において窒化珪素に発生する応力が
低く、高温においても窒化珪素部材と金属本体との結合
強度および強度信頼性が高く、かつ製造時に窒化珪素部
材の破壊が起こらない窒化珪素と金属の鋳ぐるみ複合体
構造からなる内燃機関用の窒化珪素鋳ぐるみピストンに
関する。
るみ複合体構造からなる内燃機関用の窒化珪素鋳ぐるみ
ピストンに係り、さらに詳しくは、製造工程が単純で低
コストであり、低温において窒化珪素に発生する応力が
低く、高温においても窒化珪素部材と金属本体との結合
強度および強度信頼性が高く、かつ製造時に窒化珪素部
材の破壊が起こらない窒化珪素と金属の鋳ぐるみ複合体
構造からなる内燃機関用の窒化珪素鋳ぐるみピストンに
関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、窒化珪素の有する優れた耐熱性、
耐摩耗性、断熱性等を利用した機械構造部品の研究開発
が盛んに行われている。窒化珪素は金属に比較して脆い
ため窒化珪素単独で機械構造部品として用いることは困
難な場合が多く、従って一般的には金属との複合体の形
で用いられることが知られている。窒化珪素と金属を結
合する方法としては、焼ばめ、圧入、ろう付等による接
合が知られているが、いづれの方法も窒化珪素焼結体を
ダイヤモンド砥石等を用いて研削加工し表面を精度良く
仕上げる必要があり、高コストであるという問題があっ
た。
耐摩耗性、断熱性等を利用した機械構造部品の研究開発
が盛んに行われている。窒化珪素は金属に比較して脆い
ため窒化珪素単独で機械構造部品として用いることは困
難な場合が多く、従って一般的には金属との複合体の形
で用いられることが知られている。窒化珪素と金属を結
合する方法としては、焼ばめ、圧入、ろう付等による接
合が知られているが、いづれの方法も窒化珪素焼結体を
ダイヤモンド砥石等を用いて研削加工し表面を精度良く
仕上げる必要があり、高コストであるという問題があっ
た。
【０００３】その対策として、従来、窒化珪素外周の研
削加工が不要な鋳ぐるみによる結合が提案されている
が、通常のピストン材料であるアルミニウム合金による
鋳ぐるみの場合には、窒化珪素の熱膨張率に比較してア
ルミニウム合金の熱膨張率が高いため高温での使用時に
窒化珪素と金属との間にガタや隙間が発生するという問
題があった。これを解消するための対策として、アルミ
ニウム合金よりも熱膨張率が低い鉄を主成分とする金属
材料による鋳ぐるみが提案されたが、鉄系材料はアルミ
ニウム合金に比較して融点が高く、従って鋳ぐるみ時の
注湯温度が高くなることから鋳ぐるみ時に窒化珪素に発
生する熱応力が過大になり、窒化珪素が破壊するという
問題があった。
削加工が不要な鋳ぐるみによる結合が提案されている
が、通常のピストン材料であるアルミニウム合金による
鋳ぐるみの場合には、窒化珪素の熱膨張率に比較してア
ルミニウム合金の熱膨張率が高いため高温での使用時に
窒化珪素と金属との間にガタや隙間が発生するという問
題があった。これを解消するための対策として、アルミ
ニウム合金よりも熱膨張率が低い鉄を主成分とする金属
材料による鋳ぐるみが提案されたが、鉄系材料はアルミ
ニウム合金に比較して融点が高く、従って鋳ぐるみ時の
注湯温度が高くなることから鋳ぐるみ時に窒化珪素に発
生する熱応力が過大になり、窒化珪素が破壊するという
問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記のような
従来の問題を解決して、窒化珪素の金属との結合部分の
機械加工を行なわずに作製可能で、製造工程が少なく低
コストであり、しかも鋳ぐるみ時に窒化珪素の破壊が生
じにくい窒化珪素と金属の鋳ぐるみ複合体構造からなる
内燃機関用の窒化珪素鋳ぐるみピストンを提供すること
を目的とする。
従来の問題を解決して、窒化珪素の金属との結合部分の
機械加工を行なわずに作製可能で、製造工程が少なく低
コストであり、しかも鋳ぐるみ時に窒化珪素の破壊が生
じにくい窒化珪素と金属の鋳ぐるみ複合体構造からなる
内燃機関用の窒化珪素鋳ぐるみピストンを提供すること
を目的とする。
【０００５】
【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、ピストン上部に鋳ぐるまれた窒化珪素部材
に燃焼室が設けられてなる内燃機関用の窒化珪素鋳ぐる
みピストンにおいて、（イ）ピストン本体を構成する金
属は鉄を主成分とし、（ロ）窒化珪素材料、窒化珪素部
材の形状、窒化珪素の高温強度、鉄系金属材料の融点お
よび鋳ぐるみ条件が下記式及び式を満足することを
特徴とする窒化珪素鋳ぐるみピストン、により達成する
ことができる。 ｋ1・ΔＴ・（１／Ｒ1−１／Ｒ2）＋ｋ2・ｌ2・ΔＴ＜０．５σc ・・ Ｔc＝Ｔm−０．４１３・ｌ・ΔＴ ・・・ （但し、上記式において、ｋ1＝０．２５、ｋ2＝０．０
５であり、σc（MPa）：温度Ｔc（℃）における窒化珪
素の４点曲げ強度、Ｔm（℃）：ピストン本体の鉄系金
属の融点、ΔＴ（℃）：鋳ぐるみ時の窒化珪素部材の予
加熱温度とピストン本体の鉄系金属の融点Ｔm（℃）と
の差、Ｒ1，Ｒ2 ：燃焼室中心軸とピストン中心軸を含
む平面で窒化珪素部材を切断した断面において、燃焼室
中心軸が窒化珪素外形線および燃焼室形状線とそれぞれ
交わる点を結んだ線分ＴＯによって分割された面積の小
の断面部分に関し、燃焼室中心軸に平行な直線が燃焼室
形状線および窒化珪素外形線とそれぞれ交わる点を結ん
だ線分の長さが最小になる位置における線分ＰＱによっ
て上記面積の小の断面部分の分割をした場合において、
線分ＰＱに対して燃焼室中心軸と反対側にある部分の断
面積をＳ1、線分ＰＱと線分ＴＯによって挟まれた部分
の断面積をＳ2としたとき、窒化珪素外形線と窒化珪素
上面が交わる点Ｓから窒化珪素外形線に沿って点Ｑまで
の曲線ＳＱの長さで上記断面積Ｓ1を除した値がＲ1、そ
して点Ｑから窒化珪素外形線に沿って点Ｔまでの曲線Ｑ
Ｔの長さで上記断面積Ｓ2を除した値がＲ2、ｌ：線分Ｐ
Ｑの長さ）
明によれば、ピストン上部に鋳ぐるまれた窒化珪素部材
に燃焼室が設けられてなる内燃機関用の窒化珪素鋳ぐる
みピストンにおいて、（イ）ピストン本体を構成する金
属は鉄を主成分とし、（ロ）窒化珪素材料、窒化珪素部
材の形状、窒化珪素の高温強度、鉄系金属材料の融点お
よび鋳ぐるみ条件が下記式及び式を満足することを
特徴とする窒化珪素鋳ぐるみピストン、により達成する
ことができる。 ｋ1・ΔＴ・（１／Ｒ1−１／Ｒ2）＋ｋ2・ｌ2・ΔＴ＜０．５σc ・・ Ｔc＝Ｔm−０．４１３・ｌ・ΔＴ ・・・ （但し、上記式において、ｋ1＝０．２５、ｋ2＝０．０
５であり、σc（MPa）：温度Ｔc（℃）における窒化珪
素の４点曲げ強度、Ｔm（℃）：ピストン本体の鉄系金
属の融点、ΔＴ（℃）：鋳ぐるみ時の窒化珪素部材の予
加熱温度とピストン本体の鉄系金属の融点Ｔm（℃）と
の差、Ｒ1，Ｒ2 ：燃焼室中心軸とピストン中心軸を含
む平面で窒化珪素部材を切断した断面において、燃焼室
中心軸が窒化珪素外形線および燃焼室形状線とそれぞれ
交わる点を結んだ線分ＴＯによって分割された面積の小
の断面部分に関し、燃焼室中心軸に平行な直線が燃焼室
形状線および窒化珪素外形線とそれぞれ交わる点を結ん
だ線分の長さが最小になる位置における線分ＰＱによっ
て上記面積の小の断面部分の分割をした場合において、
線分ＰＱに対して燃焼室中心軸と反対側にある部分の断
面積をＳ1、線分ＰＱと線分ＴＯによって挟まれた部分
の断面積をＳ2としたとき、窒化珪素外形線と窒化珪素
上面が交わる点Ｓから窒化珪素外形線に沿って点Ｑまで
の曲線ＳＱの長さで上記断面積Ｓ1を除した値がＲ1、そ
して点Ｑから窒化珪素外形線に沿って点Ｔまでの曲線Ｑ
Ｔの長さで上記断面積Ｓ2を除した値がＲ2、ｌ：線分Ｐ
Ｑの長さ）
【０００６】また、本発明においては、窒化珪素材料、
窒化珪素部材の形状、窒化珪素の高温強度および鉄系金
属材料の融点が下記式及び式を満足するように構成
されたことを特徴とする窒化珪素鋳ぐるみピストンが提
供される。 ｋ1・Ｔm・（１／Ｒ1−１／Ｒ2）＋ｋ2・ｌ2・Ｔm＜０．５σc ・・ Ｔc＝Ｔm−０．４１３・ｌ・Ｔm ・・・ （但し、上記式において、ｋ1＝０．２５、ｋ2＝０．０
５であり、σc（MPa）：温度Ｔc（℃）における窒化珪
素の４点曲げ強度、Ｔm（℃）：ピストン本体の鉄系金
属の融点、Ｒ1，Ｒ2 ：燃焼室中心軸とピストン中心軸
を含む平面で窒化珪素部材を切断した断面において、燃
焼室中心軸が窒化珪素外形線および燃焼室形状線とそれ
ぞれ交わる点を結んだ線分ＴＯによって分割された面積
の小の断面部分に関し、燃焼室中心軸に平行な直線が燃
焼室形状線および窒化珪素外形線とそれぞれ交わる点を
結んだ線分の長さが最小になる位置における線分ＰＱに
よって上記面積の小の断面部分の分割をした場合におい
て、線分ＰＱに対して燃焼室中心軸と反対側にある部分
の断面積をＳ1、線分ＰＱと線分ＴＯによって挟まれた
部分の断面積をＳ2としたとき、窒化珪素外形線と窒化
珪素上面が交わる点Ｓから窒化珪素外形線に沿って点Ｑ
までの曲線ＳＱの長さで上記断面積Ｓ1を除した値が
Ｒ1、そして点Ｑから窒化珪素外形線に沿って点Ｔまで
の曲線ＱＴの長さで上記断面積Ｓ2を除した値がＲ2、
ｌ：線分ＰＱの長さ）
窒化珪素部材の形状、窒化珪素の高温強度および鉄系金
属材料の融点が下記式及び式を満足するように構成
されたことを特徴とする窒化珪素鋳ぐるみピストンが提
供される。 ｋ1・Ｔm・（１／Ｒ1−１／Ｒ2）＋ｋ2・ｌ2・Ｔm＜０．５σc ・・ Ｔc＝Ｔm−０．４１３・ｌ・Ｔm ・・・ （但し、上記式において、ｋ1＝０．２５、ｋ2＝０．０
５であり、σc（MPa）：温度Ｔc（℃）における窒化珪
素の４点曲げ強度、Ｔm（℃）：ピストン本体の鉄系金
属の融点、Ｒ1，Ｒ2 ：燃焼室中心軸とピストン中心軸
を含む平面で窒化珪素部材を切断した断面において、燃
焼室中心軸が窒化珪素外形線および燃焼室形状線とそれ
ぞれ交わる点を結んだ線分ＴＯによって分割された面積
の小の断面部分に関し、燃焼室中心軸に平行な直線が燃
焼室形状線および窒化珪素外形線とそれぞれ交わる点を
結んだ線分の長さが最小になる位置における線分ＰＱに
よって上記面積の小の断面部分の分割をした場合におい
て、線分ＰＱに対して燃焼室中心軸と反対側にある部分
の断面積をＳ1、線分ＰＱと線分ＴＯによって挟まれた
部分の断面積をＳ2としたとき、窒化珪素外形線と窒化
珪素上面が交わる点Ｓから窒化珪素外形線に沿って点Ｑ
までの曲線ＳＱの長さで上記断面積Ｓ1を除した値が
Ｒ1、そして点Ｑから窒化珪素外形線に沿って点Ｔまで
の曲線ＱＴの長さで上記断面積Ｓ2を除した値がＲ2、
ｌ：線分ＰＱの長さ）
【０００７】以下、本発明を詳しく説明する。本発明の
窒化珪素鋳ぐるみピストンでは、鋳ぐるみ金属材料とし
て、室温〜４００℃の熱膨張係数が３．５×１０-6〜
９．０×１０-6／℃の範囲にある鉄系合金を用いること
が好ましい。これは、熱膨張係数が窒化珪素にできる限
り近いことが、使用時の窒化珪素と金属間のガタや隙間
の発生防止の観点から好ましいためである。
窒化珪素鋳ぐるみピストンでは、鋳ぐるみ金属材料とし
て、室温〜４００℃の熱膨張係数が３．５×１０-6〜
９．０×１０-6／℃の範囲にある鉄系合金を用いること
が好ましい。これは、熱膨張係数が窒化珪素にできる限
り近いことが、使用時の窒化珪素と金属間のガタや隙間
の発生防止の観点から好ましいためである。
【０００８】このような熱膨張係数を有する鉄系金属と
しては、例えば重量比でＣ ０．３〜２．０％，Ｎｉ ２
５〜３２％，Ｃｏ １２〜２０％，Ｓｉ ０．３〜２．０
％，Ｎｂ ０．２〜０．８％，Ｍｇ又はＣａ０．０１〜
０．２％，Ｍｎ １．０％以下，残部は不純物を含むＦ
ｅの組成を有し、室温〜４００℃の熱膨張係数が３．５
×１０-6〜５．５×１０-6／℃である合金、あるいは、
重量比でＣ ０．８〜３．０％，Ｎｉ ３０〜３４％，Ｃ
ｏ 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
成を有し、室温〜４００℃の熱膨張係数が約９×１０-6
／℃以下、室温〜２００℃の熱膨張係数が約２×１０-6
〜３×１０-6／℃である合金が望ましい。
しては、例えば重量比でＣ ０．３〜２．０％，Ｎｉ ２
５〜３２％，Ｃｏ １２〜２０％，Ｓｉ ０．３〜２．０
％，Ｎｂ ０．２〜０．８％，Ｍｇ又はＣａ０．０１〜
０．２％，Ｍｎ １．０％以下，残部は不純物を含むＦ
ｅの組成を有し、室温〜４００℃の熱膨張係数が３．５
×１０-6〜５．５×１０-6／℃である合金、あるいは、
重量比でＣ ０．８〜３．０％，Ｎｉ ３０〜３４％，Ｃ
ｏ 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
成を有し、室温〜４００℃の熱膨張係数が約９×１０-6
／℃以下、室温〜２００℃の熱膨張係数が約２×１０-6
〜３×１０-6／℃である合金が望ましい。
【０００９】上記鉄系金属の使用が好ましい理由は、こ
れらの合金では凝固時に黒鉛（密度約２g/cm3）が液体
金属（密度約８g/cm3）から析出して凝固収縮が低減
し、温度低下により常温に至るまでの全収縮がインバー
合金やコバールなどの低膨張合金より小さいこと、ま
た、上記組成の鉄系合金以外の鉄系金属の場合には、通
常の鉄系材料より熱膨張係数が窒化珪素に近く、かつ鋳
ぐるみが可能であるという好適な特性を有さないからで
ある。
れらの合金では凝固時に黒鉛（密度約２g/cm3）が液体
金属（密度約８g/cm3）から析出して凝固収縮が低減
し、温度低下により常温に至るまでの全収縮がインバー
合金やコバールなどの低膨張合金より小さいこと、ま
た、上記組成の鉄系合金以外の鉄系金属の場合には、通
常の鉄系材料より熱膨張係数が窒化珪素に近く、かつ鋳
ぐるみが可能であるという好適な特性を有さないからで
ある。
【００１０】鉄系金属の融点は通常１５００℃前後であ
るため、これにより窒化珪素部材を鋳ぐるむ場合には、
注湯時に高温の溶湯と接触することにより窒化珪素には
過渡的な熱応力が発生する。上記した本発明の式は、
この熱応力により窒化珪素部材が破壊しない窒化珪素形
状、窒化珪素材料、鉄系金属材料、窒化珪素予加熱温度
の条件を示している。すなわち、式左辺の第１項は窒
化珪素部材の中央部と外周部の平均的温度差により燃焼
室内面下部に発生する熱応力に対応し、第２項は窒化珪
素部材の厚さ方向の温度勾配により燃焼室内面に発生す
る熱応力に対応する。そして、式において、係数
ｋ1，ｋ2は窒化珪素材料の熱膨張係数、ヤング率、比
熱、密度、溶湯と窒化珪素部材との間の熱伝達係数の関
数となるが、通常考えれる窒化珪素の物性および鉄系金
属注湯時の熱伝達係数の範囲では、ｋ1＝０．２５、ｋ2
＝０．０５と一定値となることを実験により確認した。
るため、これにより窒化珪素部材を鋳ぐるむ場合には、
注湯時に高温の溶湯と接触することにより窒化珪素には
過渡的な熱応力が発生する。上記した本発明の式は、
この熱応力により窒化珪素部材が破壊しない窒化珪素形
状、窒化珪素材料、鉄系金属材料、窒化珪素予加熱温度
の条件を示している。すなわち、式左辺の第１項は窒
化珪素部材の中央部と外周部の平均的温度差により燃焼
室内面下部に発生する熱応力に対応し、第２項は窒化珪
素部材の厚さ方向の温度勾配により燃焼室内面に発生す
る熱応力に対応する。そして、式において、係数
ｋ1，ｋ2は窒化珪素材料の熱膨張係数、ヤング率、比
熱、密度、溶湯と窒化珪素部材との間の熱伝達係数の関
数となるが、通常考えれる窒化珪素の物性および鉄系金
属注湯時の熱伝達係数の範囲では、ｋ1＝０．２５、ｋ2
＝０．０５と一定値となることを実験により確認した。
【００１１】一方、式から明らかなように、窒化珪素
部材の熱応力割れを防止する観点からは、鋳ぐるみを行
う際、注湯の前に予め窒化珪素部材を加熱しておく予加
熱を行う方が有利であるが、製造工程数が増加する点で
好ましくない。さらに本発明では、予加熱を実施せずに
窒化珪素割れの無い鋳ぐるみ体を得るために、鉄系金属
の融点Ｔm（℃）を用いて式で表される温度Ｔc（℃）
における窒化珪素の４点曲げ強度σcと、Ｒ1，Ｒ2，
ｌ，およびＴmとの関係が式を満たすことがより好ま
しい。
部材の熱応力割れを防止する観点からは、鋳ぐるみを行
う際、注湯の前に予め窒化珪素部材を加熱しておく予加
熱を行う方が有利であるが、製造工程数が増加する点で
好ましくない。さらに本発明では、予加熱を実施せずに
窒化珪素割れの無い鋳ぐるみ体を得るために、鉄系金属
の融点Ｔm（℃）を用いて式で表される温度Ｔc（℃）
における窒化珪素の４点曲げ強度σcと、Ｒ1，Ｒ2，
ｌ，およびＴmとの関係が式を満たすことがより好ま
しい。
【００１２】
【実施例】以下、実施例に基づき本発明をさらに詳しく
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は窒化珪素鋳ぐるみピストンの上部を
示す断面説明図である。すなわち、燃焼室３を設けた窒
化珪素部材２を、金属１（ピストン本体を構成する）に
より鋳ぐるむことにより、ピストンを構成している。図
１のピストンにおいて、燃焼室中心軸５とピストン中心
軸４を含む平面で窒化珪素部材を切断した場合の断面で
あって、窒化珪素外形線６および燃焼室形状線７と交わ
る点Ｔおよび点Ｏを結んだ線分ＴＯによって窒化珪素部
材２の断面を２分割し、右側に位置する断面について検
討した。
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は窒化珪素鋳ぐるみピストンの上部を
示す断面説明図である。すなわち、燃焼室３を設けた窒
化珪素部材２を、金属１（ピストン本体を構成する）に
より鋳ぐるむことにより、ピストンを構成している。図
１のピストンにおいて、燃焼室中心軸５とピストン中心
軸４を含む平面で窒化珪素部材を切断した場合の断面で
あって、窒化珪素外形線６および燃焼室形状線７と交わ
る点Ｔおよび点Ｏを結んだ線分ＴＯによって窒化珪素部
材２の断面を２分割し、右側に位置する断面について検
討した。
【００１３】ここで、線分ＴＯに平行な直線が燃焼室形
状線７および窒化珪素外形線６と交わる点を結んだ線分
の長さが最小になる位置における線分が線分ＰＱであ
り、その長さがｌである。また、線分ＰＱ、燃焼室形状
線７、窒化珪素上面８および窒化珪素外形線６により形
成される面積がＳ1であり、線分ＰＱ、燃焼室形状線
７、線分ＴＯおよび窒化珪素外形線６により形成される
面積がＳ2である。さらに、窒化珪素上面８と窒化珪素
外形線６との交点Ｓから窒化珪素外形線６に沿って点Ｑ
までの曲線ＳＱの長さで前記Ｓ1を除した値がＲ1であ
り、点Ｑから窒化珪素外形線６に沿って点Ｔまでの曲線
ＱＴの長さで前記Ｓ2を除した値がＲ2である。
状線７および窒化珪素外形線６と交わる点を結んだ線分
の長さが最小になる位置における線分が線分ＰＱであ
り、その長さがｌである。また、線分ＰＱ、燃焼室形状
線７、窒化珪素上面８および窒化珪素外形線６により形
成される面積がＳ1であり、線分ＰＱ、燃焼室形状線
７、線分ＴＯおよび窒化珪素外形線６により形成される
面積がＳ2である。さらに、窒化珪素上面８と窒化珪素
外形線６との交点Ｓから窒化珪素外形線６に沿って点Ｑ
までの曲線ＳＱの長さで前記Ｓ1を除した値がＲ1であ
り、点Ｑから窒化珪素外形線６に沿って点Ｔまでの曲線
ＱＴの長さで前記Ｓ2を除した値がＲ2である。
【００１４】以上において、燃焼室形状、金属組成、窒
化珪素材料および／あるいは窒化珪素予加熱温度を変え
て鋳ぐるみ実験を行った。結果を表１に示す。また、図
４は表１より窒化珪素部材を予加熱しない場合のみ取り
出してグラフ化したものであり、図５は表１の結果をす
べてグラフ化したものである。表１および図４、図５、
において、×印は鋳ぐるみ時に熱応力により窒化珪素に
割れが発生したことを示し、○印は窒化珪素の熱応力割
れが発生しなかったことを示す。表１および図４、図５
から明らかな通り、窒化珪素の熱応力割れを防ぐために
は式又は式を満たす条件を選択することが必要であ
ることがわかる。
化珪素材料および／あるいは窒化珪素予加熱温度を変え
て鋳ぐるみ実験を行った。結果を表１に示す。また、図
４は表１より窒化珪素部材を予加熱しない場合のみ取り
出してグラフ化したものであり、図５は表１の結果をす
べてグラフ化したものである。表１および図４、図５、
において、×印は鋳ぐるみ時に熱応力により窒化珪素に
割れが発生したことを示し、○印は窒化珪素の熱応力割
れが発生しなかったことを示す。表１および図４、図５
から明らかな通り、窒化珪素の熱応力割れを防ぐために
は式又は式を満たす条件を選択することが必要であ
ることがわかる。
【００１５】
【表１】
【００１６】（実施例２）図２は本発明の窒化珪素鋳ぐ
るみピストンの一実施例を示す断面説明図であり、ピス
トン燃焼室３を１１００℃における４点曲げ強度が８０
０MPaの窒化珪素部材２で形成し、Ｆｅ，Ｎｉを主成分
とする鉄系合金２３によって鋳ぐるんだ構造のディーゼ
ルエンジン用２分割ピストンの例である。本実施例では
２分割ピストンのクラウン部のみを窒化珪素部材２と鉄
系合金２３の鋳ぐるみ構造としている。これはピストン
燃焼室３のキャビティーを重量当たりの伝熱抵抗がアル
ミニウム合金や鉄系材料に比較して大きい窒化珪素部材
で構成し、これをピストン本体を構成する鉄系材料２３
で鋳ぐるむことにより、燃焼室内の燃焼ガスから燃焼室
壁面への伝熱損失を低減し、また、燃焼室開口部の耐熱
性を向上させて、金属製のピストンで問題になる開口部
の焼損、亀裂発生のトラブルを防止することを目的とし
た利用例である。この利用例は、本発明の式及び式
を満足する条件を選択することにより作製可能となった
ものである。
るみピストンの一実施例を示す断面説明図であり、ピス
トン燃焼室３を１１００℃における４点曲げ強度が８０
０MPaの窒化珪素部材２で形成し、Ｆｅ，Ｎｉを主成分
とする鉄系合金２３によって鋳ぐるんだ構造のディーゼ
ルエンジン用２分割ピストンの例である。本実施例では
２分割ピストンのクラウン部のみを窒化珪素部材２と鉄
系合金２３の鋳ぐるみ構造としている。これはピストン
燃焼室３のキャビティーを重量当たりの伝熱抵抗がアル
ミニウム合金や鉄系材料に比較して大きい窒化珪素部材
で構成し、これをピストン本体を構成する鉄系材料２３
で鋳ぐるむことにより、燃焼室内の燃焼ガスから燃焼室
壁面への伝熱損失を低減し、また、燃焼室開口部の耐熱
性を向上させて、金属製のピストンで問題になる開口部
の焼損、亀裂発生のトラブルを防止することを目的とし
た利用例である。この利用例は、本発明の式及び式
を満足する条件を選択することにより作製可能となった
ものである。
【００１７】図３は、図２に示した実施例の鋳ぐるみ方
法の例を示す。図中、３２は鋳型、３３は低膨張鋳鉄、
そして３４は吸引装置である。外周面が焼成面のままで
研削加工を施していない窒化珪素部材２を鋳型３２の中
にセットした後、重量比でＣ １．２％，Ｓｉ １．２
％，Ｍｎ ０．３％以下，Ｎｉ ２８％，Ｃｏ １４％，
Ｍｇ ０．０３％，Ｎｂ ０．３％の化学組成の低膨張鋳
鉄３３の１４５０℃の溶湯を吸引装置３４によって減圧
しながら鋳型３２に注湯した。次いで常温まで徐冷後、
鋳型３２より離型して窒化珪素−金属複合体を得、次に
金属外周を機械加工した。
法の例を示す。図中、３２は鋳型、３３は低膨張鋳鉄、
そして３４は吸引装置である。外周面が焼成面のままで
研削加工を施していない窒化珪素部材２を鋳型３２の中
にセットした後、重量比でＣ １．２％，Ｓｉ １．２
％，Ｍｎ ０．３％以下，Ｎｉ ２８％，Ｃｏ １４％，
Ｍｇ ０．０３％，Ｎｂ ０．３％の化学組成の低膨張鋳
鉄３３の１４５０℃の溶湯を吸引装置３４によって減圧
しながら鋳型３２に注湯した。次いで常温まで徐冷後、
鋳型３２より離型して窒化珪素−金属複合体を得、次に
金属外周を機械加工した。
【００１８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に示す各種
条件を満足するように構成された窒化珪素鋳ぐるみピス
トンによれば、窒化珪素の金属との結合部分の機械加工
を行わずにすむため、製造工程が単純で低コストであ
り、低温において窒化珪素に発生する応力が低く、高温
においても金属本体との結合強度および強度信頼性が高
く、鋳ぐるみ時に窒化珪素部材の破壊が生じにくい窒化
珪素と金属の鋳ぐるみ複合体構造からなる内燃機関用の
窒化珪素鋳ぐるみピストンを得ることができる。
条件を満足するように構成された窒化珪素鋳ぐるみピス
トンによれば、窒化珪素の金属との結合部分の機械加工
を行わずにすむため、製造工程が単純で低コストであ
り、低温において窒化珪素に発生する応力が低く、高温
においても金属本体との結合強度および強度信頼性が高
く、鋳ぐるみ時に窒化珪素部材の破壊が生じにくい窒化
珪素と金属の鋳ぐるみ複合体構造からなる内燃機関用の
窒化珪素鋳ぐるみピストンを得ることができる。
【図１】窒化珪素鋳ぐるみピストンの上部を示す断面説
明図である。
明図である。
【図２】本発明の窒化珪素鋳ぐるみピストンの一実施例
を示す断面説明図である。
を示す断面説明図である。
【図３】図２に示した実施例の鋳ぐるみ方法を示す断面
説明図である。
説明図である。
【図４】実施例１の結果のうち、窒化珪素部材を予加熱
しない場合を示すグラフである。
しない場合を示すグラフである。
【図５】実施例１の結果を示すグラフである。
１ 金属（ピストン本体） ２ 窒化珪素部材 ３ 燃焼室 ４ ピストン中心軸 ５ 燃焼室中心軸 ６ 窒化珪素外形線 ７ 燃焼室形状線 ８ 窒化珪素上面 ２３ 鉄系材料 ３２ 鋳型 ３３ 低膨張鋳鉄 ３４ 吸引装置
Claims (2)
- 【請求項１】 ピストン上部に鋳ぐるまれた窒化珪素部
材に燃焼室が設けられてなる内燃機関用の窒化珪素鋳ぐ
るみピストンにおいて、（イ）ピストン本体を構成する
金属は鉄を主成分とし、（ロ）窒化珪素材料、窒化珪素
部材の形状、窒化珪素の高温強度、鉄系金属材料の融点
および鋳ぐるみ条件が下記式及び式を満足すること
を特徴とする窒化珪素鋳ぐるみピストン。 ｋ1・ΔＴ・（１／Ｒ1−１／Ｒ2）＋ｋ2・ｌ2・ΔＴ＜０．５σc ・・ Ｔc＝Ｔm−０．４１３・ｌ・ΔＴ ・・・ （但し、上記式において、ｋ1＝０．２５、ｋ2＝０．０
５であり、σc（MPa）：温度Ｔc（℃）における窒化珪
素の４点曲げ強度、Ｔm（℃）：ピストン本体の鉄系金
属の融点、ΔＴ（℃）：鋳ぐるみ時の窒化珪素部材の予
加熱温度とピストン本体の鉄系金属の融点Ｔm（℃）と
の差、Ｒ1，Ｒ2 ：燃焼室中心軸とピストン中心軸を含
む平面で窒化珪素部材を切断した断面において、燃焼室
中心軸が窒化珪素外形線および燃焼室形状線とそれぞれ
交わる点を結んだ線分ＴＯによって分割された面積の小
の断面部分に関し、燃焼室中心軸に平行な直線が燃焼室
形状線および窒化珪素外形線とそれぞれ交わる点を結ん
だ線分の長さが最小になる位置における線分ＰＱによっ
て上記面積の小の断面部分の分割をした場合において、
線分ＰＱに対して燃焼室中心軸と反対側にある部分の断
面積をＳ1、線分ＰＱと線分ＴＯによって挟まれた部分
の断面積をＳ2としたとき、窒化珪素外形線と窒化珪素
上面が交わる点Ｓから窒化珪素外形線に沿って点Ｑまで
の曲線ＳＱの長さで上記断面積Ｓ1を除した値がＲ1、そ
して点Ｑから窒化珪素外形線に沿って点Ｔまでの曲線Ｑ
Ｔの長さで上記断面積Ｓ2を除した値がＲ2、ｌ：線分Ｐ
Ｑの長さ） - 【請求項２】 窒化珪素材料、窒化珪素部材の形状、窒
化珪素の高温強度および鉄系金属材料の融点が下記式
及び式を満足するように構成されたことを特徴とする
窒化珪素鋳ぐるみピストン。 ｋ1・Ｔm・（１／Ｒ1−１／Ｒ2）＋ｋ2・ｌ2・Ｔm＜０．５σc ・・ Ｔc＝Ｔm−０．４１３・ｌ・Ｔm ・・・ （但し、上記式において、ｋ1＝０．２５、ｋ2＝０．０
５であり、σc（MPa）：温度Ｔc（℃）における窒化珪
素の４点曲げ強度、Ｔm（℃）：ピストン本体の鉄系金
属の融点、Ｒ1，Ｒ2 ：燃焼室中心軸とピストン中心軸
を含む平面で窒化珪素部材を切断した断面において、燃
焼室中心軸が窒化珪素外形線および燃焼室形状線とそれ
ぞれ交わる点を結んだ線分ＴＯによって分割された面積
の小の断面部分に関し、燃焼室中心軸に平行な直線が燃
焼室形状線および窒化珪素外形線とそれぞれ交わる点を
結んだ線分の長さが最小になる位置における線分ＰＱに
よって上記面積の小の断面部分の分割をした場合におい
て、線分ＰＱに対して燃焼室中心軸と反対側にある部分
の断面積をＳ1、線分ＰＱと線分ＴＯによって挟まれた
部分の断面積をＳ2としたとき、窒化珪素外形線と窒化
珪素上面が交わる点Ｓから窒化珪素外形線に沿って点Ｑ
までの曲線ＳＱの長さで上記断面積Ｓ1を除した値が
Ｒ1、そして点Ｑから窒化珪素外形線に沿って点Ｔまで
の曲線ＱＴの長さで上記断面積Ｓ2を除した値がＲ2、
ｌ：線分ＰＱの長さ）
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3238692A JP2591872B2 (ja) | 1991-08-26 | 1991-08-26 | 窒化珪素鋳ぐるみピストン |
| US07/933,230 US5273009A (en) | 1991-08-26 | 1992-08-21 | Silicon-nitride-inserted piston |
| DE4228216A DE4228216A1 (de) | 1991-08-26 | 1992-08-25 | Verbundkolben mit einem siliziumnitrid-einsatz |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3238692A JP2591872B2 (ja) | 1991-08-26 | 1991-08-26 | 窒化珪素鋳ぐるみピストン |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0560011A JPH0560011A (ja) | 1993-03-09 |
| JP2591872B2 true JP2591872B2 (ja) | 1997-03-19 |
Family
ID=17033881
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3238692A Expired - Lifetime JP2591872B2 (ja) | 1991-08-26 | 1991-08-26 | 窒化珪素鋳ぐるみピストン |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5273009A (ja) |
| JP (1) | JP2591872B2 (ja) |
| DE (1) | DE4228216A1 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB9304528D0 (en) * | 1993-03-05 | 1993-04-21 | T & N Technology Ltd | Piston with cavity |
| US6244161B1 (en) | 1999-10-07 | 2001-06-12 | Cummins Engine Company, Inc. | High temperature-resistant material for articulated pistons |
| GB0015689D0 (en) * | 2000-06-28 | 2000-08-16 | Federal Mogul Technology Ltd | Manufacturing pistons |
| DE10129046B4 (de) * | 2001-06-15 | 2006-01-05 | Ks Kolbenschmidt Gmbh | Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einem Eingußkörper |
| US7988430B2 (en) * | 2006-01-16 | 2011-08-02 | Lg Electronics Inc. | Linear compressor |
| WO2015029117A1 (ja) * | 2013-08-26 | 2015-03-05 | 日本碍子株式会社 | 内燃機関 |
Family Cites Families (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1588515A (en) * | 1976-09-02 | 1981-04-23 | Ass Eng Ltd | Pistons |
| JPS585453B2 (ja) * | 1978-02-10 | 1983-01-31 | 日本ビクター株式会社 | 磁気記録媒体 |
| JPS5848364B2 (ja) * | 1979-07-17 | 1983-10-28 | 横浜ゴム株式会社 | 空気入りタイヤ |
| US4506593A (en) * | 1979-12-19 | 1985-03-26 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Piston head structure |
| IT1194060B (it) * | 1981-07-31 | 1988-09-14 | Ae Borgo Spa | Pistone per motori diesel con camera di combustione isolata |
| DE3214093C2 (de) * | 1982-04-16 | 1985-08-08 | Alcan Aluminiumwerk Nürnberg GmbH, 6000 Frankfurt | Kolben für Verbrennungskraftmaschinen mit einem in einer brennraumnahen Kolbenkopfvertiefung angeordneten Einsatz |
| DE3230388A1 (de) * | 1982-08-14 | 1984-02-16 | Karl Schmidt Gmbh, 7107 Neckarsulm | Verfahren zum verbinden einer in ein aus einem leichtmetallwerkstoff gegossenes bauteil fuer brennkraftmaschinen eingiessbare aus einem keramikwerkstoff bestehende einlage |
| DE3328435A1 (de) * | 1982-09-10 | 1984-03-15 | Volkswagenwerk Ag, 3180 Wolfsburg | Kolben fuer brennkraftmaschinen |
| DE3301724C2 (de) * | 1983-01-20 | 1986-08-14 | Klöckner-Humboldt-Deutz AG, 5000 Köln | Leichtmetall-Kolben für eine Brennkraftmaschine mit Brennraummulde im Kolbenboden |
| JPS6045757A (ja) * | 1983-08-23 | 1985-03-12 | Ngk Spark Plug Co Ltd | セラミック組込型ピストン |
| JPS60240857A (ja) * | 1984-05-12 | 1985-11-29 | Honda Motor Co Ltd | エンジン用断熱ピストン |
| GB8622538D0 (en) * | 1986-09-18 | 1986-10-22 | Ae Plc | Pistons |
| JPS6441879A (en) * | 1987-08-07 | 1989-02-14 | Hitachi Ltd | Superconductive quantum interferometer |
| JPS6441878A (en) * | 1987-08-10 | 1989-02-14 | Nippon Telegraph & Telephone | Lsi tester |
| DE3827008A1 (de) * | 1987-08-11 | 1989-02-23 | Ngk Spark Plug Co | Kolben mit keramischem einsatz, der den den hohlraum begrenzenden kolbenkopfabschnitt bedeckt |
| JPH045428A (ja) * | 1990-04-23 | 1992-01-09 | Isuzu Motors Ltd | 内燃機関の燃焼室構造 |
-
1991
- 1991-08-26 JP JP3238692A patent/JP2591872B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1992
- 1992-08-21 US US07/933,230 patent/US5273009A/en not_active Expired - Fee Related
- 1992-08-25 DE DE4228216A patent/DE4228216A1/de not_active Withdrawn
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE4228216A1 (de) | 1993-03-04 |
| US5273009A (en) | 1993-12-28 |
| JPH0560011A (ja) | 1993-03-09 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 19961105 |