JPH0427379B2 - - Google Patents

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JPH0427379B2
JPH0427379B2 JP57186071A JP18607182A JPH0427379B2 JP H0427379 B2 JPH0427379 B2 JP H0427379B2 JP 57186071 A JP57186071 A JP 57186071A JP 18607182 A JP18607182 A JP 18607182A JP H0427379 B2 JPH0427379 B2 JP H0427379B2
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ceramic bodies
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NGK Insulators Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
本発明は優れた断熱性、耐熱性および機械的強
度をもつ耐久性に優れたセラミツクスよりなるエ
ンジン部品に関するものである。 近年、省エネルギーの見地から、往復ピストン
機関であるデイーゼルエンジンおよびスパークイ
グニツシヨンエンジンのエンジン作動温度を高く
することにより、熱効率を改良する研究開発が盛
んに行なわれている。エンジンの作動温度を高く
するため、エンジン部品は耐熱性に優れた断熱材
料で形成する必要がある。しかしながら、従来の
一般的に用いられている耐熱金属から成るエンジ
ン部品では用いる金属材料の耐熱温度に限界があ
るため、エンジンの作動温度を高くすることは極
めて困難であり、最近になり断熱性、耐熱性およ
び機械的強度に優れた酸化物系、窒化物系あるい
は炭化物系等のセラミツク体を断熱層としてエン
ジン部品に用いる研究が数多く提案されている。 しかしながら、従来知られているセラミツクス
を断熱層として用いたエンジン部品は、セラミツ
クスの断熱性が高く、熱が伝わりにくいうえに断
熱層がセラミツクスの一体構造で形成されている
ため、燃焼室内部の高温のセラミツク部と外側の
低温のセラミツク部との温度差が大きくなり、こ
の温度差により、低温部に発生する引張の熱応力
が機械的強度より大きくなりセラミツク体が破壊
するという致命的な欠点があつた。 本発明は従来のセラミツクエンジン部品のこの
ような欠点を解決するためになされた断熱性、耐
熱性および機械的強度に極めて優れた耐久性の大
きいエンジン部品に関するものであり、エンジン
部品が高温ガスに接触する第１のセラミツク体と
その第１のセラミツク体の背面に滑り合うように
設けられた少くとも第２のセラミツク体とを含む
肉厚１mm以上の複数のセラミツク体の嵌合構造体
から成り、かつ前記複数のセラミツク体とセラミ
ツク体との間に摺動性に優れたセラミツク、表面
硬度の高い金属又は融点の低い金属又はこれらの
合金より選ばれたもので、前記複数のセラミツク
体より薄い潤滑層を介在させ、かつ複数のセラミ
ツク体を機械的曲げ強度が20Kg／mm2以上のセラミ
ツク体で形成することを特徴とするエンジン部品
である。 すなわち本発明は、断熱層であるセラミツク体
の低温部に発生する引張の熱応力を低減し、セラ
ミツク体の破壊を防止する断熱層の構造について
検討した結果、機械的曲げ強度が特定値以上のセ
ラミツク体の積層構造とすることにより、断熱層
を形成するセラミツク体の低温部に発生する引張
の熱応力を低減し、破壊防止に著るしい効果があ
ることを見出したことに基づくものである。 従つて本発明の最も大きな目的は、セラミツク
断熱層を特定強度の複数のセラミツク体の積層構
造とすることにより、耐熱衝撃性と断熱性に優
れ、かつ耐久性に優れたエンジン部品を提供する
ものである。なお、本発明でいうエンジン部品と
は往復ピストン機関、すなわちデイーゼルエンジ
ンあるいはスパークイグニツシヨンエンジンに用
いるシリンダー、シリンダーヘツド、ピストン、
予燃焼室、ポートライナー等エンジンの高温気体
の発生部あるいは流路等に用いられる部品をい
う。 本発明のさらに詳しい構成を往復ピストン機関
用エンジン部品であるシリンダーに用いた第２図
に示す具体例に基づいて説明すれば、機械的曲げ
強度が20Kg／mm2以上、好ましく40Kg／mm2以上、よ
り好ましくは500℃の曲げ強度が30Kg／mm2以上よ
りなるジルコニア、窒化珪素、サイアロン、炭化
珪素、アルミナ等よりなる高温ガスに接触する内
側の第１のセラミツク体１とその第１のセラミツ
ク体の背面（後面）に滑り合うよう設けられる好
ましくは第１のセラミツク体１と同材質よりなる
外側の第２のセラミツク体２との嵌合構造よりな
り、第１のセラミツク体と第２のセラミツク体と
の間に後述する潤滑層を介在させるエンジン部品
である。 この場合、第１のセラミツク体１および第２の
セラミツク体２はいずれも予め成形され機械加工
された厚さ１mm以上好ましくは２〜10mmの厚さの
セラミツク成形体を嵌合することにより、第１の
セラミツク体１と第２のセラミツク体２が互に滑
り合えるような嵌合構造に形成するのが最もよ
い。ここで嵌合とは二つ以上の構造体を合体して
一つにすることであり、例えば焼きバメ法、圧入
法等により一方の構造体の内側に他方の構造体を
はめ合せ固定して一体化することをいう。 なお、セラミツク体としては、前記のものがよ
いが、この中でジルコニア、窒化珪素、サイアロ
ン、アルミナ等は熱伝導率がエンジン部品に用い
られる代表的な金属材料である鋳鉄の1/2以下と
小さく断熱性は熱伝導率の逆数に比例することか
ら鋳鉄の２倍以上優れ、かつ融点は1900℃以上で
あつて鋳鉄の約２倍の耐熱性を有している好まし
いセラミツク体である。また炭化珪素は断熱性が
鋳鉄と同等であるが、融点が2700℃と高く、高温
の機械的強度にも優れているので十分使用できる
ものである。そしてこれらのうち特にジルコニア
は熱伝導率が0.01cal／cmsec℃以下であり、断熱
性は金属の10倍以上優れ、融点が2600℃と耐熱性
にも優れ、さらに熱膨脹係数が10×10-6℃-1と鋳
鉄に近く、鋳鉄との嵌合性が最もよいので、エン
ジン部品のセラミツク断熱層として最も好ましい
セラミツク体である。 第２図に示すように内側の高温ガスに接触する
第１のセラミツク体１と外側の第２のセラミツク
体２との間にセラミツクス、金属あるいはセラミ
ツクスと金属の複合体の一種、又はそれ以上より
なる潤滑層４を介在させることにより熱応力が減
少できる。ここで言う潤滑層とは、複数のセラミ
ツク部品が嵌合されて嵌合構造体を形成する際
に、それぞれの部品の表面同志が直接接触するの
を防止し、嵌合構造体を構成するそれぞれの部品
間に温度差が生じた際に、熱膨脹の差によ部品同
志のずれを容易にする作用をする金属または摩擦
係数の低い低強度のセラミツクスの薄い層を指
す。これらの層は嵌合構造体を形成するセラミツ
クスに比較して局所的な剪断力による変形がより
容易に起こる特性を有するため、第１図に示すよ
うな、機械加工による凹凸を有する強度の高いセ
ラミツクス面同志が直接接触する場合に比較しセ
ラミツクス部品間のずれを容易にする。また、セ
ラミツクスとしてはボロンナイトライド、タル
ク、カーボン、グラフアイト等の摺動性に優れた
セラミツクスが、金属としては、Ni，Cr，Feの
如き表面硬度の高い金属か、例えばAl、Cuの如
き融点の低い金属か、これらの合金よりなるメツ
キ層又は蒸着層が好ましいものである。又これら
のセラミツク体の嵌合構造よりなるエンジン部品
を第３図に示すとおり金属スリーブ等の金属体５
の内側に嵌合すると、より機械的強度の高いエン
ジン部品が得られて好ましいものである。 また３層嵌合構造以上の嵌合構造としても勿論
よい。 しかしながら、３層以上の複数のセラミツク嵌
合構造体にした場合でもそのうちの少くとも第１
および第２のセラミツク体の機械的曲げ強度はい
ずれも20Kg／mm2以上のセラミツク体を使用するこ
とが大切であり、さらに複数のセラミツク体は同
材質のものが好ましい。 本発明のエンジン部品は以上の説明で明らかな
とおり複数のセラミツク体の嵌合構造よりなるの
で、高温ガスに接触する第１のセラミツク体とそ
の背面に嵌合された外側の低温の第２のセラミツ
ク体との接触面で互いに滑り合うよう潤滑層を介
挿したため隣接するセラミツク体中に発生する熱
応力は互いに作用し合うことなく、従つてセラミ
ツク体の低温部に発生する引張の熱応力を低減で
き、セラミツク断熱層の耐熱衝撃性が向上しセラ
ミツク体の破壊が防止できるものである。よつて
隣接する複数のセラミツク体は、セラミツク体間
において摩擦が少く互いに拘束せず摺り合うこと
が大切であるので、第２図および第３図に示すと
おり複数のセラミツク体間に滑り効果を促進する
潤滑層を介在させるのがより好ましいものであ
る。なお本発明において、セラミツク体の機械的
曲げ強度を20Kg／mm2以上に限定している理由は、
セラミツク体の機械的曲げ強度が20Kg／mm2より低
いと、複数のセラミツク体の嵌合構造にした場合
においてもセラミツク体の高温部と低温部の温度
差を大きくすることができなく、断熱層として実
用的な断熱特性を維持することが困難で、セラミ
ツク体の低温部に発生する引張の熱応力を緩和す
ることができず、破壊を完全に防止することがで
きないためである。なお機械的曲げ強度とは日本
工業規格JIS R1601「フアインセラミツクスの曲
げ強度試験方法」に基づく、厚さ３mm、幅４mm、
長さ40mmの試験体を外部スパン30mm、内部スパン
10mmで四点曲げ荷重を加えた時の破壊応力をい
う。 次に本発明を実施例に基づいて説明する。 実施例 １ 第１表に記載する機械的曲げ強度を有する材質
よりなる第１および第２のセラミツク体を用意
し、定寸法に機械加工を行つた後、第１のセラミ
ツク体の外表面に潤滑層を形成し、第２のセラミ
ツク体を100℃に加熱して膨脹させ第１のセラミ
ツク体に嵌合する焼きバメ法により２層嵌合構造
のシリンダー、No.１〜No.７の本発明のエンジン部
品を得た。また、本発明のさらに別の例として示
したNo.８〜No.10については、第１表に記載する機
械的曲げ強度を有する材質よりなる第１および第
２および第３のセラミツク体を用意し、定寸法に
機械加工を行つた後、第１のセラミツク体の外表
面に潤滑層を形成し、第２のセラミツク体を100
℃に加熱して膨張させ第１のセラミツク体に嵌合
する焼きバメ法により第１のセラミツク体と第２
のセラミツク体の２層嵌合構造体を作製し、この
２層嵌合構造体の外表面に潤滑層を形成した後、
第３のセラミツク体を100℃に加熱して膨張させ、
第１のセラミツク体と第２のセラミツク体の２層
嵌合構造体を嵌合することにより３層嵌合構造体
のシリンダー、No.８〜No.10の本発明のエンジン部
品を得た。これらの例における潤滑層としては、
Niの場合はメツキ法により形成した0.05mm厚さの
潤滑層、又タルクあるいはボロンナイトライドの
場合には、塗布法により形成した0.5mm厚さの潤
滑層とした。またNo.１〜No.５はセラミツク２層嵌
合構造体を厚さ７mm鋳鉄製スリーブの内側に焼き
バメ法により嵌合したエンジン部品であり、No.６
〜No.７はセラミツク２層嵌合構造体のみのエンジ
ン部品である。またNo.８〜No.９はセラミツク３層
嵌合構造体を厚さ７mmの鋳鉄製スリーブの内側に
焼きバメ法により嵌合したエンジン部品であり、
No.10はセラミツク３層嵌合構造体のみのエンジン
部品である。そしてこれらのエンジン部品を往復
ピストン機関であるデイーゼルエンジンに組み込
み、単筒エンジン試験を500時間実施した。なお、
比較のために参考品として機械的曲げ強度が本発
明の数値限定範囲外のものNo.11〜No.13および従来
品としてセラミツク体１層のみのものNo.14〜No.15
についても同様に試験した。なおNo.11〜No.15のエ
ンジン部品はいずれもセラミツク体を厚さ７mmの
鋳鉄製スリーブの内側に焼きバメ法により嵌合し
たものである。これらの単筒エンジン試験の結果
は第１表に示すとおりである。
【表】 第１表の試験結果より明らかなとおり、本発明
の機械的曲げ強度が20Kg／mm2以上のセラミツクス
の積層構造体よりなるNo.１〜No.10のエンジン部品
はは500時間の単筒エンジン試験でも全く異常は
認められなかつたが、参考品のNo.11〜No.13および
従来品のNo.14〜No.15はいずれも試験開始後10乃至
50時間程度でセラミツク体にクラツクが発生し
た。 実施例 ２ 高温ガスに接触する第１のセラミツク体として
曲げ強度60Kg／mm2のジルコニアを用意し、そのジ
ルコニア板を高温ガスに接触しない下面を平滑
に、高温ガスに接触する上面を凹面として最小肉
厚部が３mmで直径が100mmの円板に機械加工した
後、その第１のセラミツク体と同一のジルコニア
質よりなる第２、第３のセラミツク体をそれぞれ
の厚さが２mmで平滑な上下面を有する直径が100
mmの円板に機械加工し、第１〜第３のセラミツク
体を嵌合した時に中間に位置する第２のセラミツ
ク体の上下面に厚さ0.5mmのボロナイトライドを
塗布した。そして第１〜第３のセラミツク体を嵌
合して３層嵌合構造体とし、それを外径120mmの
鋳鉄製ピストンの上部に焼きバメ法により嵌合し
てジルコニア製３層嵌合構造体をピストンキヤツ
プとする本発明のエンジン部品であるデイーゼル
エンジン用ピストンを作製した。そして、そのデ
イーゼルエンジン用ピストンを1357c.c.の単筒エン
ジンを用いて試験した結果、1000時間セラミツク
体に何等のクラツクを発生することなく正常に稼
動した。しかし比較のため同一のジルコニアより
なる最小厚さが７mmの一体構造よりなるセラミツ
ク体を鋳鉄製ピストンに焼きバメ法により嵌合し
て作製したセラミツク１層からなる従来品は、同
様な単筒エンジン試験において試験開始後30時間
後にクラツクを発生した。 以上述べたとおり、本発明のエンジン部品は、
機械的曲げ強度が20Kg／mm2以上という特定値以上
の強度を有する複数のセラミツク体の嵌合構造よ
りなるものであるので、高温ガスに接触する第１
のセラミツク体とその背面に嵌合された外側の低
温の第２のセラミツク体との接合面において互い
にセラミツク体が滑り合い、低温の第２のセラミ
ツク体に発生する熱応力が低減できることによ
り、セラミツク体の破壊が防止できるものであつ
てエンジン部品として極めて耐久性に優れたもの
であり、さらにセラミツク材質特有の耐熱性およ
び断熱性も兼ねそなえているので、例えば往復ピ
ストン機関であるデイーゼルエンジンあるいはス
パークイグニツシヨンエンジンのシリンダー、シ
リンダーヘツド、ピストン、予燃焼室、ポートラ
イナー等に使用すると熱効率が大きく改善できて
省エネルギー効果の極めて大きいものであり、エ
ネルギーの効率的利用の見地からも有用なエンジ
ン部品である。
【図面の簡単な説明】
第１図は従来例のエンジン部品の一例であるシ
リンダーの縦断面を模式的に示した説明図、第２
図および第３図は本発明のシリンダーの縦断面を
模式的に示した説明図である。 １……第１のセラミツク体、２……第２のセラ
ミツク体、４……潤滑層、５……金属体。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ エンジン部品が高温ガスに接触する第１のセ
    ラミツク体とその第１のセラミツク体の背面に滑
    り合うように設けられた少くとも第２のセラミツ
    ク体とを含む肉厚１mm以上の複数のセラミツク体
    の嵌合構造体から成り、かつ前記複数のセラミツ
    ク体とセラミツク体との間に摺動性に優れたセラ
    ミツク、表面硬度の高い金属又は融点の低い金属
    又はこれらの合金より選ばれたもので、前記複数
    のセラミツク体より薄い潤滑層を介在させ、かつ
    複数のセラミツク体を機械的曲げ強度が20Kg／mm2
    以上のセラミツク体で形成することを特徴とする
    エンジン部品。 ２ セラミツク嵌合構造体がエンジン部品の基板
    金属体の内側に嵌合されている特許請求の範囲第
    １項記載のエンジン部品。 ３ エンジン部品の基板金属体がシリンダー、シ
    リンダーヘツド、ピストン、予燃焼室またはポー
    トライナーである特許請求の範囲第１項又は第２
    項記載のエンジン部品。 ４ 複数のセラミツク体のうち少くとも一方がジ
    ルコニアである特許請求の範囲第１項、第２項又
    は第３項記載のエンジン部品。
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DE8383300053T DE3371107D1 (en) 1982-10-25 1983-01-06 An engine part
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EP (1) EP0110488B1 (ja)
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