JPH02115556A - セラミックス鋳ぐるみピストン - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、内燃機関等に用いられるセラミックス鋳ぐる
みピストンに関し、特に実４１運転時において、セラミ
ックス製頂板にクラックの入ることがなく、又、セラミ
ックスとアルミニウム合金との接合面が剥離しないよう
にしたセラミックス鋳ぐるみピストンに関する。

［従来の技術］ 近年、内燃機関用ピストンはエンジン本体の軽量化とい
う要請とともに、耐熱性及び耐摩耗性の向上を図るため
に、セラミックスと金属とを接合したピストンか提案さ
れ、実施化されつつある。

セラミックス製部材と金属製部材とを一体的に接合した
セラミックス接合ピストンについては、例えば特開昭５
９−１０１５６６号公報、実開昭６２−２００１４７号
公報に記載のものが知られている。

特開昭５９−１０１５６６号公報に記載のセラミックス
接合ピストンは、セラミックス製部材と金属製部材とを
、セラミックス製部材の表面に被着されたメタライズ層
およびそのメタライズ層に接合された緩衝金属体を介し
て、一体重に接合したものである。

また、実開昭６２−２００１４７号公報に記載のセラミ
ックス接合ピストンは、ピストン頂面に設けるセラミッ
クス外側周に溝を形成、又はこの外側周をピストン頂面
側から底部に向って広がる用にテーパー状に形成し、セ
ラミックスの脱落を防止しようとしたものである。そし
て、アルミニウム合金とのより強力な接合を図るべく、
セラミックス外側周にメタライズ処理を施すことも示さ
れている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、特開昭５９−１０１５６６号公報に記載
のセラミックス接合ピストンは、ピストン本体とセラミ
ックスの接合をメタライズ層の結合力で行なうことを目
的としたものであり、ピストンの慣性力、熱変形等によ
る応力に耐えるためピストン本体とセラミックスの接す
る面の広い範囲にメタライズ層を形成している。しかし
、広範囲に一様にメタライズすることは、技術的に困難
であるとともに製造コストか高くなり好ましくない。又
、メタライズ層のみで慣性力、熱変形等による応力を受
は持っているので、強度上信頼性に欠け、ピストン運転
時に接合面が剥離し、燃焼ガスがその剥離部から流入す
ることとなり、エンジンの燃焼効率が低下し燃費が悪化
するほか、アルミニウム合金の損傷、カーボンの蓄積等
が生じるという不都合がある。

一方、実開昭６２−２００１４７号公報に記載のセラミ
ックス接合ピストンは、前記したように、セラミックス
外側周に溝を形成するか、又はこの外側周をテーパー状
に形成することによりセラミックスの脱落を防止しよう
とするものであって、燃焼ガスが接合面より流入するの
を防止する、シールという観点からは何等の対策も講じ
られていない。このことは、この公報の第５図の実施例
において、ピストン頂面とセラミックスとの接合面のピ
ストン外周側に何等の処理も施していないことからも明
らかである。

［課題を解決するための手段］ 本発明者は、上記従来のセラミックス接合ピストンの問
題点に鑑み、アルミニウム合金製ピストン本体とセラミ
ックス酸の頂板との間のシールに特に着目することによ
り本発明を完成したものである。

すなわち１本発明によれば、セラミックス製部材からな
る頂板をピストン本体を形成するアルミニウム合金によ
り鋳ぐるんで成るセラミックス鋳ぐるみピストンにおい
て、該セラミックス製頂板のピストン本体と接する面の
外周部に、アルミニウムと異種金属材料よりなる環状部
材を摩擦圧接してなるセラミックス鋳ぐるみピストン、
が提供される。

上記ピストンでは、環状部材を介してセラミックス製頂
板とアルミニウム合金ピストン本体とが間接的に接合さ
れ、且つ環状部材とセラミックス製クラウン、及びピス
トン本体との各々の接合面がシールされており、シール
性の効果が極めて高いものである。

本発明のセラミックス鋳ぐるみピストンにおいては、セ
ラミックス製頂板とピストン本体との接合面を環状部材
によってシールすると同時に、セラミックス製頂板は、
該頂板下部の凸部にて、アルミニウム合金鋳ぐるみ後の
冷却過程における凝固時の収縮力によりアルミニウム合
金と強固に結合されている。

本発明のセラミックス鋳ぐるみピストンは、セラミック
ス製部材からなる頂板のピストン本体に相対する面（接
する面）の外周部にアルミニウムと異種金属材料よりな
る環状部材な摩擦圧接によって取付けた後、アルミニウ
ム合金にて鋳ぐるみピストン本体と頂板との間をシール
することにより製造することができる。

異種金属材料としてはチタン金属の他、鋳鉄、炭素鋼、
銅、ステンレス鋼、アルミニウム合金およびニッケル合
金のいずれか１種を用いることができるが、 の点からチタン金属が好ましい。

以下、説明の便宜上、異種金属材料としてチタン金属を
用いた場合について述べる。

ここで環状部材は、まずチタン金属とアルミニウムを摩
擦圧接によって接合させ、次にこの接合体より成る環状
部材のアルミニウム側とセラミックスとを摩擦圧接によ
って接合させる。

このように摩擦圧接を利用すると、メタライズ等の複雑
な作業を要しないので、低コスト化が図れ量産化に適す
る。

ここで摩擦圧接とは、接合しようとする材料を互いに接
触させ、一定の加圧力下で接合面同士を相対運動させて
面内で発生した摩擦熱で接合面を高温にし、さらに摩擦
力と加圧力で接合面のアルミニウムを塑性流動させると
ともに両者を拡散させて接合させるものであり、接合部
品の形状、大きさなどの制約はあるが、他の接合法には
ない特徴があり、特に異種材料の接合には非常に有効な
接合法である。

さらに本発明において、環状部材としてピストン軸方向
長さが大きなものを用い、環状部材の外側周にトップリ
ング溝を設けた場合、燃焼ガスはトップリングによって
シールされることになるため、環状部材とアルミニウム
合金が接合している必要がなく、接合のための処理工程
が削減でき、ピストン製造コストの低減化が図れ、好ま
しい。

尚、ニレジスト鋳鉄を環状部材の異種金属材料として用
いた場合において、該ニレジスト鋳鉄にピストントップ
リング溝を設けることも可能である。

又、さらに環状部材とアルミニウム合金ピストン本体が
接合していないので、アルミニウム合金の熱膨張による
影響がセラミックスと環状部材の接合面に及ばず、接合
面の信頼性を向上することができる。

環状部材におけるアルミニウム部材の材質は、アルミニ
ウム合金ダイカスト品を除くその他の材質であれば好ま
しく、特に安定した接合強度を要する際は、Ａｎ含有量
の高純度の材質が好ましい。また形状においては、輻及
び厚さは特に限定はないが、第１図における輻Ａは０．
２〜２■が好ましく、厚さＢはＬｏａｍ以下が適当であ
り１例えば０．４ｍｍとした場合、室温で１３ｋｇ／■
■２以上の引張り応力が得られ、好ましい。

環状部材の周方向厚さ（内径、外径差の１７２）として
は特に限定されないが、セラミックス製部材直径の２０
％以下が好ましく、１０％以下がより好ましい、これは
温度分布を小さくできるため、熱応力の発生も小さくな
るからである。

また、セラミックス製部材の特に摩擦圧接面の表面粗さ
は、０．０５〜１．０終ｍＲａが好ましく、圧接面の平
面度が管理された面てあれば焼成面であってもよい。

本発明においては、鋳ぐるむ前に、摩擦圧接してなる環
状部材表面に、アルミニウム合金湯との接合を可能とす
るために表面処理を行うか、また、環状部材とアルミニ
ウム合金が溶接回走であれば、表面処理を行わずに鋳ぐ
るみ後、環状部材とアルミニウム合金を溶接してもよい
。この場合には、周囲への熱影響が小さい電子ビーム溶
接が好ましい。

また、本発明において、セラミックス製部材の材質とし
ては、耐熱性、耐熱衝撃性、断熱性、軽量化に優れたセ
ラミックスが好ましく、窒化珪素、炭化珪素、サイアロ
ン、部分安定化ジルコニア、ムライトおよびアルミナか
らなる群より選ばれる一種から構成されていることが好
ましい。

次に、本発明を図面に基いて説明する。

第１図は本発明のセラミックス鋳ぐるみとストンを示す
概略断面図である。

ピストン頂部全体を形成するセラミックス製クラウンｌ
は、ピストン本体２を形成するアルミニウム合金によっ
て鋳ぐるまれており、該クラウンｌの下部に形成されて
いる凸部４において、鋳ぐるみ時にアルミニウム合金が
収縮する力によってピストン本体２とセラミックス製ク
ラウンｌは結合している。そして、セラミックス製クラ
ウンｌとピストン本体２との境界外周部でトップランド
近傍５に環状部材３が介在し、この環状部材３は燃焼ガ
スがセラミックス製クラウンｌとピストン本体２との境
界部に侵入するのを防止しているのである。

なお、環状部材３は、鋳ぐるみ前に、まず、アルミニウ
ム部材６とチタン金属部材７とを摩擦圧接によって接合
してアルミニウムとチタン金属−体の環状部材３を作製
し、次にこの環状部材３をセラミックス製部材からなる
クラウンｌのピストン本体に相対する面の外周部に摩擦
圧接して取付け、次いで鋳ぐるみ時に、アルミニウム合
金と接合させる。

［実施例］ 以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明するが１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） 第２図に示すように、内径８４朧■φ、外径９０ａｓφ
、長さｌ〇−膿のアルミニウム製円環６及び内径８４ｓ
■φ、外径９０朧塵φ、長さ６０ｍ１のチタン製円環７
を作り、チタン製円環７を固定し、アルミニウム製円環
６をチタン製円環７に対して相対的に８００ｒｐ■で回
転させ、徐々に圧力を上げて最高６　ｋｇｆ／ｍ■２加
圧力でチタン製円環に押し付けて摩擦圧接し、アルミニ
ウムーチタン結合体の円環（Ａｉ−Ｔｉ円環）８を得た
。なおこの場合、チタン製円環７を固定してアルミニウ
ム製円環６を回転してもよく、また両者を相対的に逆回
転になるように回転させてもよい０本実施例では、環状
部材の材質としてアルミニウムにはＡ１０５０、異種金
属材料には、チタン材であるチタン２種３５を用いた。

次に、第３図に示すように、外径９０膳■φの窒化珪素
製クラウンｌを固定し、上記で得たＡｎ−Ｔｉ円環８の
アルミニウムの長さを１０ｍ層とし。

外径９０ｍｍφの窒化珪素製クラウンｌを固定し、Ａ１
１−Ｔｉ円環８をクラウンｌに対して相対的に８０　Ｏ
ｒｐｍ、で回転させ、徐々に圧力を上げ最高３　ｋｇｆ
／ａｍ２の加圧力でクラウン６に押し付はアルミニウム
厚さが０．２〜２■になる様に摩擦圧接した。なお、こ
の場合、クラウンｌを回転させてＡｆＬ−Ｔｉ円環８を
固定してもよく、また両者を相対的に逆回転となるよう
に回転させてもよいが、取扱上、クラウンｌを固定しＡ
１−Ｔｉ円環８を回転させる方が好ましい。

そして摩擦圧接後、　　Ａ１−Ｔｉ円環８をそのピスト
ン軸方向の長さが所定の寸法になるように加工し環状部
材３とした。環状部材３のピストン軸方向長さは、仕上
げ加工でアルミニウム合金にトップリング溝を加工する
ので、トップリング溝位置により制約される。従って、
本実施例では環状部材３のピストン軸方向長さは４■と
した。（第４図参照） 次に、環状部材３表面でアルミニウム合金と接する部分
に表面処理を施し、鋳ぐるみ時にアルミニウム合金と反
応して接合できるようにする。

本実施例においては、環状部材３の表面にアルメルト処
理を施したが、その他アルフィン処理等の表面処理も使
用でき、アルミニウム合金層と環状部材３との接合が可
能で、熱膨張差で剥離しなければ、上記以外の表面処理
も用いることができる。

次いで、環状部材３を設けた窒化珪素製クラウン１を、
第５図に示すように砂型による鋳型９内に設置し、２０
０℃に予熱した後約７００℃のアルミニウム合金層ＡＣ
８Ｂを型内に注湯して、約３０分後に鋳型９を壊してセ
ラミックス鋳ぐるみ体を取り出した。鋳型９としては一
般に使用される砂型を用い、重力鋳造法により鋳ぐるみ
を行なりた。１０は中子を示す。

鋳ぐるみ後、外周加工、リング溝加工、とストンビン穴
加工等の仕上げ加工を行ない、セラミックス鋳ぐるみピ
ストンを製作した。

このように得たピストンの摩擦圧接部の接合強度を評価
する試験を４００℃の雰囲気において実施したところ、
引張応力は８　ｋｇ／ｍ■２以上であり、ピストン本体
とセラミックス製クラウンとの間の結合性能がよく、接
合部の剥離は認められなかった。

［発明の効果］ 以上のことから明らかなように、本発明のセラミックス
鋳ぐるみピストンによれば、セラミックス製頂板のピス
トン本体と接する面の外周部に、環状部材を摩擦圧接に
より接合して設けているので、燃焼ガスがピストン本体
と頂板の境界部に侵入するのを防止し、しかも連続運転
に際しても境界部は剥離することがない。

また環状部材の構成において、アルミニウム層の幅Ａの
値を２ｍｍ以下とすることにより、引張力が作用したと
きアルミニウム結晶粒内の辷りにより起こる塑性変形効
果が低減可能となり、接合面のより高い引張力を保障で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のセラミックス鋳ぐるみピストンの一実
施例を示す概略断面図、第２図〜第５図は本発明のピス
トンを得るための製造方法の一例を示す説明図である。 ｌ・・・セラミウクス製クラウン、２・・・ピストン本
体、３・・・環状部材、４・・・凸部、５・・・トップ
ランド６・・・アルミニウム、７・・・チタン、８・−
ｊｌｌ−Ｔｉ円環、９・・・鋳型、１０・・・中子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックス製部材からなる頂板をピストン本体
   を形成するアルミニウム合金により鋳ぐるんで成るセラ
   ミックス鋳ぐるみピストンにおいて該セラミックス製頂
   板のピストン本体と接する面の外周部に、アルミニウム
   と異種金属材料よりなる環状部材を摩擦圧接してなるこ
   とを特徴とするセラミックス鋳ぐるみピストン。