JPH0364699B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、低コストで、十分なエンジン性能を
有するセラミツクス組込型ピストンに関する。 従来、全体をアルミニウム合金で製作したエン
ジン用ピストンが実用化されているが、アルミニ
ウム合金の融点は600〜700℃と低いため、高温に
さらされるピストン頂部までアルミニウム合金と
するのは好ましくない。また、このアルミニウム
合金は熱伝導率が大きいため、熱損失が多くなる
欠点があつた。 さらに、オイルシヨツク以降、省資源・省エネ
ルギーが呼ばれ、エンジンの低燃費比が迫られて
いる。かかる低燃費化への対応の手段として、断
熱エンジンの研究がさかんに行なわれている。断
熱エンジンは、燃焼室周りを断熱化して燃焼温度
を上昇させ、高温の排気ガスからエネルギーを回
収して冷却損失を減らし、熱効率をアツプさせよ
うというものである。従つて、この断熱エンジン
には、燃焼室周りに、高温に耐え断熱性を有する
セラミツクスを利用する必要がある。 かかる観点から従来も、ピストン頂部の溶融を
防ぎ、かつピストン頂部から熱を逃げ難くするた
めピストンの頂部にセラミツクスの頂板をねじ止
めしたり、これを鋳包みしたものが提案されてい
る。しかしねじ止めしたものはネジが弛む欠点が
ある。 また、このセラミツクス頂板は、高温下にさら
されるため、耐熱性に優れ、高温強度も高く、熱
衝撃抵抗にも優れたシリコンナイトライド
（Si₃N₄）（第１図にその高温強度特性を示す）を
用いることが一般的である。しかし、第１表に示
すように、複雑形状品の成形が可能で強度的にも
優れた常圧焼結シリコンナイトライドの熱伝導率
は0.046cal／cm・sec・℃と、SUS304の
0.039cal／cm・sec・℃とほぼ同程度であり、断
熱性に富むとは言えない。このため、十分な断熱
性を得るには、ピストン頂板の厚みを厚くする必
要がありコスト的に不利である。 これに対し、断熱性に富むジルコニアZrO₂は、
熱伝導率0.006cal／cm・sec・℃、ピストン頂板
の厚みを厚くすることが可能である。しかし、ジ
ルコニアは第１図に示すように、500℃以上の温
度で強度が極端に低下するため、強度の面からピ
ストン頂板の厚みを厚くするなどの制限を受け、
十分なコスト低下を図れない上に、その比重が６
程度とアルミニウム合金の２倍もあり、ピストン
の重量が増加する。

【表】 そこで、本発明者らは、先に特願昭58−29211
号で、常圧焼結シリコンナイトライド製ピストン
頂板とアルミ合金製ピストン本体を接合する際
に、両者の接合面の間に断熱を目的としたジルコ
ニア製プレートを介在させる方法を提案した。し
かしながらこの方法においては、常圧焼結シリコ
ンナイトライド製ピストン頂板とジルコニア製断
熱プレートの接合が難しいこと、及び両者の熱膨
張率に差があるため、接合面に過大な応力が発生
する可能性がある、という問題点が残つている。 これらの問題点を解決するためには、反応焼結
シリコンナイトライドの使用が考えられる。 しかしながら反応焼結シリコンナイトライド
は、常圧焼結シリコンナイトライドと比較して熱
伝導率は約半分と低い値であるが、強度が低く反
応焼結シリコンナイトライド単体の使用ではピス
トン頂板の厚みを厚くする必要があるという不具
合がある。 本発明は上記に鑑みなされたもので、従来のセ
ラミツクス利用ピストンに変わり、十分なエンジ
ン性能が得られかつ製造コストの低いセラミツク
ス組込型ピストンを提供することを目的とする。 以下第２図ないし第６図を参照して本発明の１
実施例につき説明すると、第２図ないし第５図は
本発明に係る常圧焼結シリコンナイトライド製ピ
ストン頂板と、反応焼結シリコンナイトライド製
プレートとの接合態様例を示す図である。 シリコンナイトライド製部材の接合例の第一の
例として、最簡単なものを第２図に示す。同図の
ものは、常圧焼結シリコンナイトライド製のピス
トン頂板１の下部に形成された凹部２に反応焼結
シリコンナイトライド製プレート４をはめ込む構
造のものである。この実施例においては、常圧焼
結シリコンナイトライド製のピストン頂板１と反
応焼結シリコンナイトライド製プレート４とは全
く接合されていないが、後にアルミニウム合金で
鋳包むか、アルミニウム合金製ピストン本体を焼
嵌めするので上記プレート４が落下することはな
い。また、このピストンの強度は常圧焼結シリコ
ンナイトライド製ピストン頂板１に持たせるの
で、両者が強固に接合している必要は全くない。 第３図のものは、ピストン頂板とプレートをそ
れぞれ別個に焼成し、その後に両者を接合させる
ものである。即ち、第３図のものは、公知の常圧
焼結法で製造されたシリコンナイトライド製ピス
トン頂板１１と、公知の反応焼結法で製造された
シリコンナイトライド製プレート１４の夫々に形
成された凸部１３と凹部１５を嵌め合わせる。こ
の際、両者のすき間にシリコンナイトライドの粉
末１６を入れておく。このように組合わされたピ
ストンをそのまま炉内に入れ窒素ガス雰囲気下で
1500〜1600℃の温度で熱処理を行う。この熱処理
によつて、シリコンナイトライド粉末１６を介し
て常圧焼結シリコンナイトライド製ピストン頂板
１１と反応焼結シリコンナイトライド製プレート
１４とが強固に接合され一体化される。 第４図のものは、反応焼結シリコンナイトライ
ド製プレートの焼結と接合に同時に行なうもので
ある。即ち同図に示すように、先ず常圧焼結シリ
コンナイトライド製ピストン頂板２１を通常の常
圧焼結法で製造する。その後、シリコン粉末成形
体１７を公知の手法で成形する。次に、シリコン
粉末成形体１７の凹部１８を、常圧焼結シリコン
ナイトライド製ピストン頂板２１の凸部２３に挿
入する。更にこの組立品を炉内に入れシリコン粉
末成形体１７の焼結を行う。尚、上記凸部２３の
凹部１８への挿入時に両者の空隙にシリコンナイ
トライド粉末を入れると接合の効果が増す。上記
焼結の際、シリコン粉末成形体１７は焼結にとも
なう収縮がほとんど０であるため焼結前に挿入部
の寸法を合わせておく必要がある。こうして、反
応焼結を行うと、シリコン粉末成形体１７は、第
５図に示すような反応焼結シリコンナイトライド
製プレート２７となり、これと常圧焼結シリコン
ナイトライド製ピストン頂板２１とが強固に接合
され一体化される。 以上のような手法によつて、第６図に図示する
如く焼結シリコンナイトライド製ピストン頂板４
１と反応焼結シリコンナイトライド製プレート４
４が接合できる。こうして得られた複合型ピスト
ン頂板にアルミニウム合金を鋳包むか、アルミニ
ウム合金製ピストン本体４９を焼嵌めする。鋳包
む際に、複合型ピストン頂板を400℃程度に予熱
し鋳包めば、特別の工夫をすることなく両者を一
体化でき第６図に示すようなセラミツクス組込型
エンジンピストンが得られる。尚、上記焼嵌めは
公知の手法で行なえる。 上記製法により得られたセラミツクス組込型ピ
ストンは、燃焼室測が常圧焼結シリコンナイトラ
イド製であるため高温下でも高強度を有してい
る。さらに、常圧焼結シリコンナイトライド製ピ
ストン頂板４１の下部に、反応焼結シリコンナイ
トライド製プレート４４をもうけてあるため、十
分な断熱性を有している。このため、燃焼室壁温
が1000℃近くまで上昇しても、アルミニウム合金
部４９は使用温度まで十分に冷却される。 本発明は以上のように構成されており、本発明
によれば、高強度かつ断熱性を有する複合ピスト
ン頂板部の厚さを薄くすることができ低コストか
つ軽量のセラミツクス組込型ピストンを提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は常圧焼結シリコンナイトライドとジル
コニアとの高温強度を示す線図、第２図ないし第
４図は本発明におけるシリコンナイトライド製ピ
ストン頂板と反応焼結シリコンナイトライド製プ
レートとの接合態様例を示す断面図、第５図は第
４図のものの一体化状態を示す断面図、第６図は
第２図ないし第５図のものを用いて製造したエン
ジン用ピストンを示す断面図である。 １，１１，２１，４１……ピストン頂板、４，
１４，１７，２７，４４……プレート、４９……
ピストン本体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 常圧焼結シリコンナイトライドからなるピス
   トン頂板とアルミニウム合金からなるピストン本
   体とを、反応焼結シリコンナイトライドからなる
   プレートを介して結合して構成されたことを特徴
   とするセラミツクス組込型ピストン。