JPH0372831B2 - - Google Patents

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JPH0372831B2
JPH0372831B2 JP26881988A JP26881988A JPH0372831B2 JP H0372831 B2 JPH0372831 B2 JP H0372831B2 JP 26881988 A JP26881988 A JP 26881988A JP 26881988 A JP26881988 A JP 26881988A JP H0372831 B2 JPH0372831 B2 JP H0372831B2
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    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00Pistons 
    • F02F3/0015Multi-part pistons
    • F02F3/003Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
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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ツク
ス鋳ぐるみピストンに関し、特に実機運転時にお
いて、セラミツクス製頂板にスラツクの入ること
がなく、又、セラミツ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ツクス鋳
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、セラミツクスと金属とを接合
したピストンが提案され、実施化されつつある。
セラミツクス製部材と金属製部材とを一体的に
接合したセラミツクス接合ピストンについては、
例えば特開昭59−101566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ツクス
接合ピストンは、セラミツクス製部材と金属製部
材とを、セラミツ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
ツクス接合ピストンは、ピストン頂面に設けるセ
ラミツ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つて広がる用にテー
パー状に形成し、セラミツ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、セラミツクス外
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
のセラミツクス接合ピストンは、ピストン本体と
セラミツ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
ン本体とセラミツ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
応力を受け持つているので、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
ツクス接合ピストンは、前記したように、セラミ
ツ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ツクス
の脱落を防止しようとするものであつて、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ツ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、上記従来のセラミツクス接合ピス
トンの問題点に鑑み、アルミニウム合金製ピスト
ン本体とセラミツ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もので
ある。
すなわち、本発明によれば、セラミツクス製部
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ツクス鋳
ぐるみピストンにおいて、該セラミツクス製頂板
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
してなるセラミツ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ツ
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ツクス
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。
本発明のセラミツクス鋳ぐるみピストンにおい
ては、セラミツクス製頂板とピストン本体との接
合面を環状部材によつてシールすると同時に、セ
ラミツクス製頂板は、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。
本発明のセラミツクス鋳ぐるみピストンは、セ
ラミツ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を摩擦圧接によ
つて取付けた後、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
よびニツケル合金のいずれか1種を用いることが
できるが、耐熱性および耐蝕性の面からチタン金
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つて接合させ、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ツ
クスとを摩擦圧接によつて接合させる。
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
側周にトツプリング溝を設けた場合、燃焼ガスは
トツプリングによつ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
ピストントツ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ツクスと環状部材の
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、Al含有量の高純度の材質が好ましい。
また形状においては、幅及び厚さは特に限定はな
いが、第1図における幅Aは0.2〜2mmが好まし
く、厚さBは10mm以下が適当であり、例えば0.4
mmとした場合、室温で13Kg/mm2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1/2)
としては特に限定されないが、セラミツクス製部
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、セラミツクス製部材の特に摩擦圧接面の
表面粗さは、0.05〜1.0μmRaが好ましく、圧接面
の平面度が管理された面であれば焼成面であつて
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が
好ましい。
また、本発明において、セラミツクス製部材の
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ツクスが好ましく、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ツ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ツクス製ク
ラウン1は、ピストン本体2を形成するアルミニ
ウム合金によつて鋳ぐるまれており、該クラウン
1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つて
ピストン本体2とセラミツクス製クラウン1は結
合している。そして、セラミツクス製クラウン1
とピストン本体2との境界外周部でトツプランド
近傍5に環状部材3が介在し、この環状部材3は
燃焼ガスがセラミツクス製クラウン1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
接によつて接合してアルミニウムとチタン金属一
体の環状部材3を作製し、次にこの環状部材3を
セラミツクス製部材からなるクラウン1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、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84mmφ、外径90mm
φ、長さ10mmのアルミニウム製円環6及び内径84
mmφ、外径90mmφ、長さ60mm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
800rpmで回転させ、徐々に圧力を上げて最高6
Kgf/mm2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−チタン結合体の円環
(Al−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。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90mmφの窒化
珪素製クラウン1を固定し、上記で得たAl−Ti
円環8のアルミニウムの長さを10mmとし、外径90
mmφの窒化珪素製クラウン1を固定し、Al−Ti
円環8をクラウン1に対して相対的に800rpmで
回転させ、徐々に圧力を上げ最高3Kgf/mm2の加
圧力でクラウン6に押し付けアルミニウム厚さが
0.2〜2mmになる様に摩擦圧接した。なお、この
場合、クラウン1を回転させてAl−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
1を固定し、Al−Ti円環8を回転させる方が好
ましい。
そして摩擦圧接後、Al−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圧
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ツ
プリング溝を加工するので、トツプリング溝位置
により制約される。従つて、本実施例では環状部
材3のピストン軸方向長さは4mm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、その他アルフイン処理等
の表面処理も使用でき、アルミニウム合金湯と環
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、200℃に予熱した後約700℃のアルミニ
ウム合金湯AC8Bを型内に注湯して、約30分後に
鋳型9を壊してセラミツ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つた。10
は中子を示す。
鋳ぐるみ後、外周加工、リング溝加工、ピスト
ンピン穴加工等の仕上げ加工を行ない、セラミツ
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8Kg/mm2以上であり、ピ
ストン本体とセラミツ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つ
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
ミツクス鋳ぐるみピストンによれば、セラミツク
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ツ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。 1……セラミツクス製クラウン、2……ピスト
ン本体、3……環状部材、4……凸部、5……ト
ツプランド、6……アルミニウム、7……チタ
ン、8……Al−Ti円環、9……鋳型、10……
中子。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 セラミツ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
    で成るセラミツクス鋳ぐるみピストンにおいて該
    セラミツ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
    ラミツクス鋳ぐるみピストン。
JP26881988A 1988-10-25 1988-10-25 セラミックス鋳ぐるみピストン Granted JPH02115556A (ja)

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JP26881988A JPH02115556A (ja) 1988-10-25 1988-10-25 セラミックス鋳ぐるみピストン
KR1019890013586A KR900006661A (ko) 1988-10-25 1989-09-21 시래믹스-금속의 마찰 압접체 및 그것으로 이루어지는 시래믹스 따로 만들어 붙임 피스턴
DE68914584T DE68914584T2 (de) 1988-10-25 1989-10-24 Aus Keramik und Metall zusammengesetzter Körper mit einer Reibschweissverbindung und mit einem keramischen Einsatz gegossener Kolben.
EP89310943A EP0366410B1 (en) 1988-10-25 1989-10-24 Ceramic-metal composite body with friction welding joint and ceramic insert cast piston
US07/759,773 US5144885A (en) 1988-10-25 1991-09-13 Ceramic-metal friction welding member and ceramic cast-in bonded piston made thereof

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JP26881988A JPH02115556A (ja) 1988-10-25 1988-10-25 セラミックス鋳ぐるみピストン

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JPH02115556A JPH02115556A (ja) 1990-04-27
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ES2361777T3 (es) * 2007-08-24 2011-06-22 ThyssenKrupp Metalúrgica Campo Limpo Ltda. Pistón para un motor de combustión interna y procedimiento para fabricar un pistón de este tipo.
AT519583B1 (de) * 2017-01-26 2018-11-15 Mahle Koenig Kg Gmbh & Co Kg Kolben zum Einsatz in Verbrennungskraftmaschinen

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JPH02115556A (ja) 1990-04-27

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