JP2836795B2 - セラミックス−金属鋳ぐるみ複合部品 - Google Patents

セラミックス−金属鋳ぐるみ複合部品

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JP2836795B2
JP2836795B2 JP3285770A JP28577091A JP2836795B2 JP 2836795 B2 JP2836795 B2 JP 2836795B2 JP 3285770 A JP3285770 A JP 3285770A JP 28577091 A JP28577091 A JP 28577091A JP 2836795 B2 JP2836795 B2 JP 2836795B2
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貞昭 平井
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05C2251/042Expansivity
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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、セラミック部材が金属
により鋳ぐるまれてなるセラミックス−金属鋳ぐるみ複
合部品に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、セラミックスの有する優れた耐熱
性、耐摩耗性、軽量性、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。セラミック材料の
多くは金属に比較して脆いため、セラミック材料単独で
機械構造部品として用いることは困難な場合が多く、し
たがって一般的には金属との複合体の形として用いるこ
とが知られている。このようなセラミックスと金属の複
合化の方法として鋳ぐるみは安価で有効な方法である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、軸方向
断面外形状にテーパを設けないストレート形状を有する
セラミック部材を用いて鋳ぐるみを実施した場合、金属
収縮による方向ベクトルのセラミック部材を押さえつけ
る力が弱くなり、セラミック部材と金属の境界部に隙間
が発生するという問題がある。また、セラミック材料の
多くは、熱膨張係数が通常の機械構造用金属材料に比較
して小さいため、使用温度が変化する部品、特に高温で
使用する部品においては、高温時に金属とセラミック部
材との境界部に隙間が生じ易く、そのため、セラミック
部材の保持力が低下し、セラミック部材が抜け出してし
まうおそれがある。本発明は、このような従来技術の問
題点を鑑みてなされたものであり、その目的とするとこ
ろは、セラミック部材と金属の密着性が高く、高温域で
使用する場合においても高い保持力が維持でき、更に繰
り返し応力による金属疲労が起こった場合や過度な力が
掛かった場合においてもセラミック部材が抜け出してく
ることがない信頼性の高いセラミックス−金属鋳ぐるみ
複合部品を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、セラミ
ック部材が金属により鋳ぐるまれてなる複合部品であっ
て、該セラミック部材の軸方向断面外形状が、金属で被
覆されないセラミック部材側から金属で被覆されたセラ
ミック部材側に向かって徐々に太くなるテーパ形状を有
するとともに、金属と接触するセラミック部材の少なく
とも一部に段付き形状を有し、かつセラミック部材と金
属の接触面を滑りが可能な接触状態にしたことを特徴と
するセラミックス−金属鋳ぐるみ複合部品が提供され
また、本発明では、上記テーパ角度が10°〜45
°であることが好ましい。
【0005】
【作用】本発明は上記のように構成され、セラミック部
材の軸方向断面外形状を、金属で被覆されないセラミッ
ク部材側から金属で被覆されたセラミック部材側に向か
って徐々に太くなるテーパ形状にしたことにより、金属
収縮の方向ベクトルがセラミック部材を強く押さえつけ
る方向にはたらいて境界部に隙間が発生せず高い密着性
が得られるとともに、高温域で使用する場合において
も、高い保持力が維持される。更にセラミック部材の少
なくとも一部に段付き形状を有するようにしたことによ
り、繰り返し応力による金属疲労が起こった場合や過度
な力が掛かった場合においてもセラミック部材が抜け出
してくることがなくなる。
【0006】また、セラミック部材と金属の接触面を化
学反応による接合状態ではなく、滑りが可能な接触状態
したので、セラミックスと金属に熱膨張差が発生して
も複合部品内に高応力は発生せず、セラミック部材が破
壊することもない。
【0007】本発明では、上記セラミック部材のテーパ
角度を10°〜45°とするのが好ましい。テーパ角度
が10°未満では、金属収縮の方向ベクトルがセラミッ
ク部材を押さえつける力が弱く、図9に示すようにセラ
ミック部材1と鋳ぐるみ金属2の境界部に隙間15が生
じ、また、高温域で使用する場合に、セラミック部材1
と鋳ぐるみ金属2との熱膨張率の差により、境界部に隙
間が発生し易く、セラミック部材1の保持力が低下する
だけでなく、セラミック部材1が少しずつ抜け出して
おそれがある。一方、テーパ角度が45°を越える
と、図10に示すように金属部形状に鋭利な部分16が
でき、金属部分に割れを生じる危険性がある。
【0008】本発明に用いる鋳ぐるみ金属は、鋳造時の
収縮が小さく融点が低い鋳鉄系合金が望ましく、中でも
高温使用時を考慮して熱膨張係数が6×10-6/℃以下
の合金が望ましい。このような鋳鉄系合金として、例え
ば、特願平01−119952号、あるいは特公平60
−51547号に示された合金を挙げることができる。
具体的には、重量比で、 (イ)C 0.8〜3.0%(更に好ましくは1.5〜
2.5%)、Si 0.8〜3.0%(更に好ましくは
1.5〜2.5%)、Mn 2%以下、Ni 30〜3
4%(更に好ましくは31〜32%)、Co 4〜6
%、Mg又はCa 0.02〜0.08%、残部は不純
物を含むFe (ロ)C 0.3〜2.0%(更に好ましくは0.8〜
1.2%)、Si 0.3〜2.0%(更に好ましくは
1.0〜1.2%)、Mn 1%以下、Ni 26〜3
0%(更に好ましくは28〜29%)、Co 12〜1
6%、Mg又はCa 0.02〜0.08%、Nb
0.2〜0.8%、残部は不純物を含むFe の組成を有するものが好ましい。
【0009】本発明で使用するセラミック部材は特に制
限されるものではなく、例えば、窒化珪素、炭化珪素、
ジルコニア等が挙げられるが、高温で使用する場合は、
窒化珪素、炭化珪素のいずれかが好ましい。また、金属
に鋳ぐるまれる部分のセラミック外形状は、応力緩和の
ためエッジが丸められたR形状とするのが好ましい。な
お、本発明において、段付き形状とは、凹形状及び凸形
状をも含むものとする。
【0010】
【実施例】次に、本発明を実施例に基づき更に詳細に説
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。
【0011】図1ないし図6は本発明の実施例を示す縦
断面説明図である。図1は、上部に小さく深い窪み5を
有し、テーパ部3と段付部4とが連続的に設けられたセ
ラミック部材1を、その上面を除いて金属2により鋳ぐ
るんだ例である。図2は、上部に大きく深い窪み5を有
し、テーパ部3と段付部4とが円柱状胴部6を挟んで設
けられたセラミック部材1を鋳ぐるんだ例である。図3
は、上部に大きく浅い窪み5を有し、テーパ部3と段付
部4が連続的に設けられ、更にその下方にテーパ状胴部
3’が連続的に設けられたセラミック部材1の鋳ぐるみ
例を示している。また、図4は、上部に鋳ぐるまれない
突出部7を有し、その下方にテーパ部3と段付部4が円
柱状胴部6を挟んで設けられたセラミック部材1の鋳ぐ
るみ例である。図5は、段付部を設ける代わりに凹部8
を設けたセラミック部材1の鋳ぐるみ例であり、図6
は、同じく段付部を設ける代わりに凸部9を設けたセラ
ミック部材1の鋳ぐるみ例を示すものである。なお、本
実施例の図1ないし図6においては、説明の便宜上、金
属で被覆されないセラミック部材側を上としたが、本発
明のセラミック−金属鋳ぐるみ複合部品が実際の使用時
において、任意の向きを取り得るのは勿論である。
【0012】(実施例及び比較例)表1に示すテーパ角
度θ及び段付部寸法lを有するセラミック部材1をそれ
ぞれ、重量比で、C 1.2%、Si 1.2%、Mn
0.3%以下、Ni 28%、Co 14%、Mg
0.03%、Nb0.3%、残部は不純物を含むFeの
組成を有する鉄系低熱膨張合金の金属溶湯で鋳ぐるみ、
冷却後、得られたセラミックス−金属複合部品につい
て、セラミック部材と金属の境界部の隙間及び金属部ク
ラックの有無を調べた。更に、図7に示すように、セラ
ミックス−金属複合部品の底部金属部分に孔12をあ
け、該孔を上に向けて保持治具11に固定し、該孔より
セラミック部材1に荷重Fを加えて押し抜き荷重を測定
した。それらの結果を表1に示す。
【0013】
【表1】
【0014】以上実施例及び比較例より、次のことが分
かる。試験No.7の複合部品は、テーパ形状、段付部
ともに設けられていないため境界部分に隙間が発生し、
押し抜き荷重も非常に小さい。試験No.8の複合部品
は、テーパ角度が小さすぎるため境界部に若干隙間が発
生し、また、段付部が設けられていないため押し抜き荷
重は非常に小さい。試験No.9〜14の複合部品は、
適度なテーパ角度が設けられているため境界部に隙間は
発生しないが、段付部が設けられていないため押し抜き
荷重は小さい。試験No.15及び16の複合部品は、
テーパ角度が大きすぎるため金属部にクラックが発生
し、また、段付部が設けられていないため押し抜き荷重
がやや小さい。試験No.17及び18の複合部品は、
段付部が設けられているため押し抜き荷重は大きいが、
テーパ形状が設けられていないため境界部に隙間が発生
した。試験No.19及び20の複合部品は、段付部が
設けられているため押し抜き荷重は大きいが、テーパ角
度が大きすぎるため金属部にクラックが発生した。これ
ら比較例に対し、本発明の実施例である試験No.1〜
6の複合部品は、境界部の隙間及び金属部のクラックは
発生せず、押し抜き荷重も大きい。
【0015】(応用例)図8は、本発明のセラミックス
−金属鋳ぐるみ複合部品をディーゼルエンジンのピスト
ンに応用した例を示す縦断面説明図である。鋳型内にテ
ーパ角度15°、段付部寸法5mmのSi34製キャビ
ティー13をセットし、実施例及び比較例で用いたもの
と同じ組成を有する鉄系低熱膨張合金の金属溶湯を流し
込んで、冷却後鋳型内より取り出し、セラミックス−金
属鋳ぐるみ複合体を得た。その後、金属外周、ピストン
ピン穴14、ピストン上面等の機械加工を施し、ディー
ゼルエンジン用ピストンを得た。このディーゼルエンジ
ン用ピストンを、エンジン実機に組み込み耐久試験を実
施した結果、十分な耐久性を確認することができた。
【0016】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
次の効果が奏される。 (a)金属収縮の方向ベクトルがセラミック部材を強く
押さえつける方向にはたらくため、セラミック部材と金
属の境界部に隙間がなく高い密着性が得られ、高温域で
使用する場合にも、高い保持力が維持される。 (b)段付き形状を有するため、繰り返し応力による金
属疲労が起こった場合や過度な力が掛かった場合におい
てもセラミック部材が抜け出してくることがない。 (c)セラミック部材と金属の接触面を滑りが可能な接
触状態にすることにより、セラミックスと金属に熱膨張
差が発生しても複合部品内に高応力は発生せず、セラミ
ック部材が破壊することもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す縦断面説明図である。
【図2】本発明の実施例を示す縦断面説明図である。
【図3】本発明の実施例を示す縦断面説明図である。
【図4】本発明の実施例を示す縦断面説明図である。
【図5】本発明の実施例を示す縦断面説明図である。
【図6】本発明の実施例を示す縦断面説明図である。
【図7】押し抜き荷重の試験方法を示す縦断面説明図で
ある。
【図8】本発明のセラミックス−金属鋳ぐるみ複合部品
をディーゼルエンジンのピストンに応用した例を示す縦
断面説明図である。
【図9】テーパ角度が10°未満の場合のセラミックス
−金属複合部品を示す縦断面説明図である。
【図10】テーパ角度が45°を越えた場合のセラミッ
クス−金属複合部品を示す縦断面説明図である。
【符号の説明】
1 セラミック部材 2 鋳ぐるみ金属 3 テーパ部 3’テーパ状胴部 4 段付部 5 窪み 6 円柱状胴部 7 突出部 8 凹部 9 凸部 10 境界部隙間及び金属部クラック観察部位 11 保持治具12 底部金属部分の孔 13 Si34製キャビティー 14 ピストンピン穴 15 隙間 16 鋭利な部分 F 押し抜き荷重 θ テーパ角 l 段付部寸法
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−275562(JP,A) 特開 昭59−64150(JP,A) 特開 昭60−175750(JP,A) 特開 平5−33721(JP,A) 特開 平5−96358(JP,A) 特開 平5−38566(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B22D 19/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 セラミック部材が金属により鋳ぐるまれ
    てなる複合部品であって、該セラミック部材の軸方向断
    面外形状が、金属で被覆されないセラミック部材側から
    金属で被覆されたセラミック部材側に向かって徐々に太
    くなるテーパ形状を有するとともに、金属と接触するセ
    ラミック部材の少なくとも一部に段付き形状を有し、か
    つセラミック部材と金属の接触面を滑りが可能な接触状
    態にしたことを特徴とするセラミックス−金属鋳ぐるみ
    複合部品。
  2. 【請求項2】 テーパ角度が10°〜45°である請求
    記載のセラミックス−金属鋳ぐるみ複合部品。
JP3285770A 1991-10-31 1991-10-31 セラミックス−金属鋳ぐるみ複合部品 Expired - Lifetime JP2836795B2 (ja)

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