JPH0240058A - 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、実機正転時においてもセラミ
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らんと
して、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
公報に記載のものか知られている。

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、　一体的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様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ＩＪＪか解決しようとする課題］ しかしなから、特開昭５１−１０１５６６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て行うことを目的
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が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
けもっているのて、強度−１−信頼性に欠け、ピストン
運転時に接合面か剥離し、燃焼ガスがその接合面から流
入することとなり、エンジンの燃焼効率か低下し燃費か
悪化するほか、アルミ合金の損傷、カーボンの蓄積等か
生しるという不都合かある。

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せんと
するものであって、燃焼ガスの接合面よりの流入を防止
するシールという観点からは何ら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
何ら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、」−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
ミックス製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のである。

すなわち、本発明によれば、セラミックス製部材からな
る頂板な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、該ピストン本体と頂板との間の外周部に環状部材を
設けることにより。

環状部材を介してセラミックス製部材とアルミニウム合
金ピストン本体とか間接的に接合され、且つ環状部材と
セラミックス製部材、及びピストン本体との各々の接合
面がシールされ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、か提供される。

本発明のセラミックス鋳ぐるみピストンにおいては、接
合面をシールすると同時に、セラミックス製部材はセラ
ミックス下部の凸部にてアルミニウム合金鋳ぐるみ時の
収縮力によりアルミニウム合金と強固に結合されており
、ピストンの慣性力はほとんどこの収縮力が受けもって
いる。従って、環状部材とセラミックス、あるいは環状
部材とアルミニウム合金の接合面は慣性力を負担しなく
てもよいため、接合面はシール七必要な部分たけてよく
、高い接合強度は必要なく、強度−にの信頼性も向上す
ることとなる。

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の外
周部に環状部材を摩擦圧接して取付けた後、アルミニウ
ム合金にて鋳ぐるむことによって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。

このように摩擦圧接を利用すると、メタライズ等の精密
作業を要しないのて、低コスト化か図れ量産化に適する
。

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
ンク溝を設けた場合、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
合金か接合している必要かなく、接合のための処理工程
か削減でき、ピストン製造コストの低減化か図れ、好ま
しい。

又、さらに環状部材とアルミニウム合金が接合していな
いのて、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
向上することかてきる。

ここて、摩擦圧接とは、圧接しようとする２つの素材を
接触させ、加圧しつつ接触面に相対運動を起こさせ、発
生する摩擦熱て接合面付近を加熱して圧接する方法をい
う。

本発明の環状部材の材質は、セラミックスとの摩擦圧接
か可能であれば、金属材料ばかりてなく非金属材料も使
用することができるが、熱膨張差による剥離を防止する
ため、環状部材の材質は熱膨張係数がセラミックスとア
ルミニウム合金の中間にあり、セラミックスに近い値で
あることか望ましい。更に、熱変形により、接合部に発
生する応力を緩和するために低ヤング率て軟質の材質で
あることが好ましい。

具体的には、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、チ
タン、チタン合金等か挙げられる。

環状部材の周方向厚さ（内径外径差のｌ／２）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％以下かより好ましい。これは温
度分布を小さくてきるため、熱応力の発生も小さくなる
からである。

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
ウム合金か溶接可能であれば、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
接か好ましい。

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か好
ましい。

次に、本発明を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明のセラミックス鋳ぐるみピストンを示す
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１
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、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か収
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ト５
近傍に環状部材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、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の外周部に
摩擦圧接して取付けられ、次いて鋳ぐるみ時に、アルミ
ニウム合金と接合される。

［実施例コ 以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明するか、本
発明はこれらの実施例に限られるものてはない。

（実施例１） 第２図に示すように、窒化珪素製クラウン６を固定し、
チタン製円環７をクラウン６に対して相対的に、７００
ｒｐｍて回転させ、徐々に圧力を上げ最高３　ｋ　ｇ　
ｆ　／　ｍ　ｍ　２の加圧力てクラウン６に押し付は摩
擦圧接した。なお、クラウン６を回転させて円環７を固
定してもよく、また両名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６を固定し円環
７を回転させる方が好ましい。

摩擦圧接する場合、円環７を装置に保持するため、円環
７のピストン軸方向長さをある程度大きくする必要かあ
るが、円環外径と同寸法程度てあれば十分である。

そして摩擦圧接後、円環７をそのピストン軸方向長さが
所定の寸法になるように加重し環状部材７′とした。環
状部材７′のピストン軸方向長さは、仕−Ｌげ加工てア
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７′のピストン軸方向長さは２　ｍ　ｍとし
た。

次に、環状部材７′表面て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
反応し接合てきるようにする。本例においては、環状部
材７′表面にアルメルト処理を施したか、その他アルフ
ィン処理等の表面処理も使用てき、アルミニウム合金湯
と円環の接合が可能て、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かてきる。

次いて、環状部材７′を設けた窒化珪素製クラウン６を
、第３図に示すように砂型による鋳型８内に設置し、２
００℃に予熱した後約７００℃のアルミニウム合金湯を
型内に注湯して、約３０分後に鋳型８を壊してセラミッ
クス鋳ぐるみ体を取り出した。鋳型８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っ
た。９は中子を示す。

鋳ぐるみ後、外周加工、リンク溝加工、ピストンピン穴
加工等の仕」−げ加二［を行い、セラミックス鋳ぐるみ
ピストンを製作した。

（実施例２） 第４図は、本発明に係るセラミックス鋳ぐるみピストン
の他の実施例を示す概略断面図である。

実施例２で示したように、金属製円環を窒化珪素製クラ
ウンｌに摩擦圧接後、円環加工するに当って、そのピス
トン軸方向長さを、図において）ヘラプリング溝位置よ
りも１〜３ｍｍ程度Ｆになるように環状部材３を加工し
た。次に、環状部材３の表面処理は行わず、実施例２と
同様の方法て窒化珪素製クラウンｌをアルミニウム合金
て鋳ぐるんた後、仕上げ加工において、摩擦圧接してな
る環状部材３にトップリンク溝ｌＯを加工した。

このように、環状部材３自体にトップリンク溝１０を加
工すると、燃焼ガスはトップリンクによりシールされる
のて、環状部材３とアルミニウム合金２か接合している
必要はなく、環状部材３の表面処理工程か削減てき、従
って、セラミックス鋳ぐるみピストンの製造コストの低
減を図ることがてきる。

クスと環状部材の接合部はアルミニウム合金ピストンの
熱変形による影響を受けないのて、接合部の信頼性を向
上することかできる。

［発明の効果］ 以上のことから明らかなように、本発明によれば、次の
効果か奏せられる。

請求項１記載のピストンは、ピストン本体と頂板との間
の外周部に環状部材を設けているのて、燃焼ガスかピス
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。

請求項２記載のピストンでは、上記請求項１記載のピス
トン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
けたので、燃焼ガスはトップリンクによってシールされ
ることになり、環状部材とアルミニウム合金が接合して
いる必要はなく、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か図れる。さらに、セラミツ

【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図及び第３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、第４
図は本発明に係るセラミックス鋳ぐるみピストンの他の
実施例を示す概略断面図である。 ｌ・−・セラミックス製クラウン、２・・・ピストン本
体、３・・・環状部材、４・・・凸部、５・・・トップ
ランド６・・・窒化珪素製クラウン、７・・・チタン製
円環、７　’−−・環状部材、８・・・鋳型、９・・・
中子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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、該ピストン本体と頂
   板との間の外周部に環状部材を設けることにより、環状
   部材を介してセラミックス製部材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
   ミックス製部材、及びピストン本体との各々の接合面が
   シールされ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。 ２、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、該環状部材の外側周にトップリンク溝を設けた請
   求項１記載のピストン。