JPH0497964A - 金属とセラミックスの結合体及びその製造方法 - 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〕 この発明は、金属とセラミックスの結合体及びその製造
方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、セラミック部品の製造方法として、特開昭６１−
２５９８６５号公報に開示されたものがある。該セラミ
ック部品の製造方法は、他金属との接合を目的とする構
造用セラミック部品の成形時に接合面に粒状のワックス
、樹脂等有機物を埋め込み、成形後これを熱処理によっ
て除去することにより、他金属との混合が容易、堅固に
行える形状を得るものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、前掲特開昭６１−２５９８６５号公報に
開示されたセラミック部品の製造方法は、粒状有機物を
分散させた面に対し垂直方向に加圧して成形体を作製し
、焼成後、多孔とした部分に金属を鋳込んで一体化させ
るものであるが、この方法では、リング状セラミック部
品の外周部とその周囲に配した金属部品とを結合させる
ことは困難なことである０例えば、セラミック部分とし
て窒化ケイ素（ＳｉｓＮ４）又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）
を用いた場合、このセラミック材料とアルミニウム合金
とのぬれ性が良くなく、また、セラミックスとアルミニ
ウム合金との互いの熱膨張係数の差が大きいことにより
、両者の界面に割れが生じ易いという問題がある。

ところで、リエントラント型の燃焼室を有するアルミニ
ウム等の金属製のピストンを構成する場合、燃焼室の開
口部のリップ部をセラミックスで製作し、該エツジ部の
耐熱性、耐変形性を確保する場合に、アルミニウムとセ
ラミックスとのぬれ性が良くないことにより、両者が強
固に結合できず、また、熱膨張係数の差により繰り返し
の熱応力を受けた場合に両者間の境界部に割れ、クラッ
ク等が発生するという現象が発生する。

この発明の目的は、上記の課題を解決することであり、
窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎｍ）　、炭化ケイ素（Ｓａｃ）等
のセラミック材とアルミニウム、アルミニウム合金等の
金属材料を半径方向に配合を変化させたループ状即ちリ
ング状の構造に簡単に且つ低コストで強力に結合するこ
とであり、特に、燃焼室を備えたピストンヘッドを製造
するのに好ましい金属とセラミックスの結合体を提供す
ることである。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、上記の目的を達成するために、次のように
構成されている。即ち、この発明は、セラミックスの緻
密質構造から成るループ状の第１部分、該第１部分の周
囲に位置して前記第１部分と一体構造であるセラミック
スの多孔質構造から成るループ状の第２部分、該第２部
分の多孔質構造の空隙中に充填されている金属、及び該
金属と結合する金属から成り且つ前記第２部分と一体構
造である第３部分から成る金属とセラミックスの結合体
に関する。

また、この金属とセラミックスの結合体において、前記
セラミックスが窒化ケイ素、炭化ケイ素又はその複合材
である。

また、この金属とセラミックスの結合体において、前記
金属はアルミニウム系の合金である。

また、この金属とセラミックスの結合体において、リエ
ントラントピストンに形成した燃焼室に通用し、前記第
１部分が前記燃焼室のリップ部を構成し、前記第３部分
はキャビティを形成した金属製ピストンヘッド部を構成
し、前記第２部分は前記リップ部を前記ピストンヘッド
部に結合する部分を構成するものである。

或いは、この発明は、型内キャビティを仕切板で仕切っ
て前記キャビティに複数の区分室を形成する工程、前記
各区分室に配合比の異なるセラミック造粒粉と粒状金属
又は有機物から成る混合物を充填する工程、前記仕切板
を前記キャビティから抜き取る工程、前記キャビティ内
の各種の前記混合物を同時に加圧して加圧成形体を成形
する工程、前記加圧成形体を加熱して前記粒状金属又は
前記有機物を除去してセラミックス成形体を作る工程、
前記セラミックス成形体を焼成してセラミックス焼結体
を製作する工程、及び前記セラミックス焼結体の空隙に
金属を充填しつつ鋳造成形する工程から成る金属とセラ
ミックスの結合体の製造方法に間する。

また、この金属とセラミックスの結合体の製造方法にお
いて、前記粒状金属がアルミニウム又はアルミニウム合
金である。

〔作用〕

この発明による金属とセラミックスの結合体は、以上の
ように構成されており、次のように作用する。

この金属とセラミックスの結合体は、セラミックスの緻
密質構造から成るループ状の第１部分の周囲にセラミッ
クスの多孔質構造から成る第２部分を位置させて第１部
分と第２部分とを一体構造にし、前記第２部分の多孔質
構造の空隙中に充填した金属と及び該金属と結合した金
属から成る第３部分から成るので、前記第１部分と前記
第２部分とは同一のセラミック材料で強固に結合され、
また、前記第２部分と前記第３部分とは、前記第２部分
の空隙に存在する金属と前記第３部分との金属とが強固
に結合される。従って、結合体は全体として金属とセラ
ミックスとが強固に結合されることになる。

また、この金属とセラミックスの結合体の製造方法は、
型内キャビティを仕切板で仕切った複数の区分室に配合
比の異なるセラミック造粒粉と粒状金属又は有機物から
成る混合物を充填し、前記仕切板を前記キャビティから
抜き取り、各種の前記混合物を同時に加圧して成形する
。次いで、混合物の加圧成形体を加熱して前記粒状金属
及び前記有機物を溶出除去し、前記粒状金属及び前記有
機物を溶出除去したセラミックス成形体を焼成してセラ
ミックス焼結体を製作し、該セラミックス焼結体の空隙
に金属を充填しつつ鋳造成形するので、多孔質のセラミ
ック部分に形成された空隙に金属を容易に充填させるこ
とができ、該空隙に充填された金属が該多孔質のセラミ
ック部分の周囲に配置される金属と強固に結合され、従
って、半径方向に配合の異なる材料を配置した状態でセ
ラミックス部分と金属部分とを強固に結合した状態の結
合体に製造することができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、この発明による金属とセラミッ
クスの結合体の実施例を説明する。

第１図はこの発明による金属とセラミックスの結合体の
一実施例を示す概略断面図、及び第２図は第１図の金属
とセラミックスの結合体をピストンに適用した例を示す
概略断面図である。

この発明による金属とセラミックスの結合体は、主とし
て、セラミックスの緻密質構造から成る筒状即ちループ
状の第１部分である内側部分２、該内側部分の周囲に配
置されて内側部分２と一体構造であるセラミックスの多
孔Ｗ構造と該多孔質構造の空隙５中に充填された金属と
から成る第２部分である中間部分３，４、及び該空隙５
中の金属と同一系の金属から成り且つ前記第２部分と一
体構造である第３部分である外側部分１から構成されて
いる。この構造において、セラミックスは、内側部分２
の先端部分６が最も緻密な構造になっており、中間部分
３から中間部分４になるに従ってセラミックスは粗の構
造になり、粗になった構造の空隙部５に金属が充填され
、外側部分１は金属から成る構造を有している。

この金属とセラミックスの結合体において、セラミック
スは窒化ケイ素（ＳｉｓＮａ）　、炭化ケイ素（ＳｉＣ
）又はその複合材が用いられている。また、外側部分ｌ
から構成する金属はアルミニウム系の合金が用いられて
いる。

また、この金属とセラミックスの結合体は、第２図に示
すように、リエントラントピストンに形成した燃焼室に
適用して好ましいものであり、内側部分２が燃焼室７の
り・２１部を構成し、外側部分１は燃焼室７を構成する
キャビティを形成した金属製ピストンヘッド部を構成し
、中間部分３４はリップ部をピストンへノド部に結合す
る部分を構成している。従って、内側部分２の先端部分
６が密な窒化ケイ素（Ｓｔ３Ｎ４）等のセラミックスか
ら成るので、燃焼室７のリップ部は極めて耐熱性に富ん
だ構造に構成される。また、この金属とセラミックスの
結合体を用いた燃焼室７の底部は、金属材料から構成さ
れているので、断熱エンジンに適用した場合に、燃焼室
７内の温度が過熱し過ぎることがなく、吸入効率を低下
させることもない。

次に、この発明による金属とセラミックスの結合体の製
造方法を、第３図及び第４図を参照して説明する。第３
図はこの金属とセラミックスの結合体の製造方法を達成
するための製造工程を示す断面図、及び第４図は第３図
に引き続く工程を示す説明図である。

この発明による金属とセラミックスの結合体の製造方法
は、主として、第３図に示すように、型１０内キヤビテ
イ１１を径の異なる筒状の仕切板１２．１３で仕切って
キャビティ１１に複数の区分室２Ｃ，３Ｃ，４Ｃを形成
する工程、各区分室２Ｃ，３Ｃ，４Ｃに配合比の異なる
セラミック造粒粉２Ｐと粒状金属又は有機物から成る混
合物３Ｐ、４Ｐを充填する工程、仕切板１２．１３を型
内キャビティＩＩから抜き取る工程、次いで、第４図に
示すように、キャビティ１１内のセラミック造粒粉２Ｐ
と各種の混合物３Ｐ、４Ｐを同時に加圧して成形する工
程、セラミック造粒粉２Ｐと混合物３Ｐ、４Ｐの加圧成
形体を加熱して粒状金［５Ｐ及び有機物を溶出除去する
工程、粒状金属及び前記有機物を溶出除去したセラミッ
クス成形体を焼成する工程、及び粒状金属又は有機物５
Ｐを溶出除去によって形成されたセラミックス焼結体の
空隙５に金属を充填しつつ鋳造成形する工程、から成る
ものである。

キャビティ１１を形成する型１０は、円形孔を有する筒
状外型１５、底面を構成する底型１４及びリング状即ち
ループ状のキャビティ１１を形成するように中央部位に
配置された柱状内型１６によって構成されている。キャ
ビティ１１を形成した型ｌＯ内に設けたガイド（図示せ
ず）に従って外側の筒状の仕切板１２と内側の筒状の仕
切板１３を設置する。勿論、仕切板は、図では２個が示
されているが、所望に応して増加又は減少させることが
できる。内側の筒状の仕切板１３と柱状内型１６との間
に形成される筒状区分室２Ｃには、セラミックス造粒粉
を密に充填する。内側の筒状の仕切板１３と外側の筒状
の仕切板１２との間に形成される筒状区分室３Ｃには、
セラミックス造粒粉に少量のアルミニウム粉末又は有機
物を混合させた混合物を充填する。更に、外側の筒状の
仕切ＦＪ、１２と筒状外型１５との間に形成される筒状
区分室４Ｃには、少量のセラミックス造粒粉に多量のア
ルミニウム粉末又は有機物を混合させた混合物を充填す
る。このアルミニウム粉末は、アルミニウム又はアルミ
ニウム合金から成る。

各区分室２Ｃ，３Ｃ，４Ｃにセラミックス、アルミニウ
ム粉末又は有機物を充填した後、仕切板１２．１３を型
１０から引き抜いて除去する０次いで、下面を所定の形
状に構成された筒状の上パンチ１７で混合物を加圧し、
該混合物を所定の形状に成形する０図では、混合物はリ
ング状の成形体に形成されている。このリング状成形体
を、加熱し、アルミニウム粉末又は有機物を溶融除去し
、セラミックス加熱成形体を形成する。このセラミック
ス加熱成形体は、内周部がセラミックスの緻密質に且つ
中間から外周部がセラミックスの多孔質に形成される。

更に、セラミックス加熱成形体を焼成してセラミックス
焼結体を形成する。このセラミックス焼結体の多孔質の
空隙に、アルミニウム合金等の金属が充填されるように
鋳造し、アルミニウム合金等の金属とセラミックスの結
合体を形成する。

次に、この発明による金属とセラミックスの結合体の製
造方法について、具体的に説明する。

実施例１ まず、セラミックスと有機物の混合物の原料として、平
均粒径５０μｍ程度の窒化ケイ素（ＳｉＪ、）造粒粉に
、１０重量部、平均粒径５００μｍ程度のポリエチレン
ワックスを１．３．５重量部配合した各種の配合の混合
粉末を製造する。

次いで、第３図番こ示すよう番こ、各区分室２Ｃ。

３Ｃ，４Ｃにセラミックス粉末及び上記混合粉末を、所
定量充填した。この場合に、内周側の区分室２Ｃには窒
化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）のみから成る粉末２Ｐを充填し
、外周になるに従って有機物５Ｐであるポリエチレンワ
ックスの量が多くなる組成にして区分室３Ｃ，４Ｃに充
填した。

次に、第４図に示すように、型１０から仕切板１２．１
３を抜き取り、上バンチ１７をガイド（図示せず）に嵌
め、プレス機により、ｌ　ｔｏｎ／ｅｌ１２の圧力をか
けることによって成形体を形成した。

この成形体を、最高５００℃まで加熱することによって
、ポリエチレンワックスを揮発除去し、この部分に空隙
を形成した。更に、有機物を揮発除去したセラミックス
成形体を、最高１７００℃まで加熱焼成し、セラミック
ス焼結体を製造した、このセラミックス焼結体は、内周
が緻密な窒化ケイ素（ＳｉＪａ）となり、外周になるに
従って多孔質の窒化ケイ素（Ｓｉ、５Ｎａ）に形成され
たリング状焼結体を得た。このリング状焼結体を、鋳造
機内に配置し、アルミニウム合金溶湯を鋳込んで、セラ
ミックス焼結体の空隙に充填し、これを炉冷後鋳造機内
から取り出し、金属とセラミックスの結合体を製造した
。次いで、この金属とセラミックスの結合体に対して所
定の加工を施し１、例えば、第２図に示すように、リエ
ントラントピストンを製作した。

実施例２ セラミックスと金属粉末の混合物の原料として、平均粒
径５０μｍ程度の窒化ケイ素（ＳｉＪ４）造粒粉に、１
０重量部、平均粒径１００μｍ程度のアルミニウム粉末
を１．３．５重１部配合した各種の配合の混合粉末を製
造する。

次いで、上記実施例と同様の方法で、成形体を形成した
。この成形体を、不活性雰囲気内で最高１０００℃まで
加熱することによって、アルミニウム分を溶出させ、こ
の部分に空隙を形成した。

更に、アルミニウム分を溶出させたセラミックス成形体
を、上記実施例と同様の方法で、加熱焼成し、セラミッ
クス焼結体を製造した、このセラミックス焼結体は、内
周が緻密な窒化ケイ素（ＳｉＪ４）となり、外周になる
に従って多孔質の窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎｎ）に形成され
たリング状焼結体を得た。

次いで、リング状焼結体を、鋳造機内に配置し、アルミ
ニウム合金溶湯を鋳込んで、セラミックス焼結体の空隙
に充填し、これを炉冷後鋳造機内から取り出し、金属と
セラミックスの結合体を製造した。次いで、この金属と
セラミックスの結合体に対して所定の加工を施し２、例
えば、第２図に示すように、リエントラントピストンを
製作した。

このアルミニウム粉末を用いた場合の金属とセラミ、ク
スの結合体の製造方法では、アルミニウム分を溶出させ
た後、セラミックス粒子の表面に残留アルミニウム成分
との反応層が形成され、これがアルミニウム合金ｆＪ　
湯とのぬれ性を助長するため、空隙部への付き回りが良
好になり、好ましい金属とセラミックスの結合体が製造
できた。

［発明の効果］ この発明による金属とセラミックスの結合体及びその製
造方法は、以上のように構成したので、次のような効果
を有する。

まず、この金属とセラミックスの結合体は、セラミック
スの緻密質構造から成るループ状の第１部分、該第１部
分の周囲に配置されて前記第１部分と一体構造であるセ
ラミックスの多孔質構造から成る第２部分、該第２部分
の多孔質構造の空隙中に充填されている金属、及び該金
属に結合した金属から成り且つ前記第２部分と一体構造
である第３部分から成るので、径方向となるリング状の
セラミック部品と金属との強固な結合体を簡単に製作す
ることができる。即ち、第１部分と第２部分とは同一の
セラミック材料で強固に結合され、また、第２部分と第
３部分とは、第２部分に存在する金属と第３部分との金
属とが強固に結合される。従って、全体として、金属と
セラミックスとが強固に結合されることになる。

また、この金属とセラミックスの結合体の製造方法は、
型内キャビティを仕切板で仕切って前記キャビティに複
数の区分室を形成する工程、前記各区分室に配合比の異
なるセラミック造粒粉と粒状金属又は有機物から成る混
合物を充填する工程、前記仕切板を前記型内キャビティ
から抜き取る工程、前記キャビティ内の各種の前記混合
物を同時に加圧して加圧成形体を成形する工程、前記加
圧成形体を加熱して前記粒状金属又は前記有機物を溶出
除去してセラミックス成形体を作る工程、前記セラミッ
クス成形体を焼成してセラミックス焼結体を作る工程、
及び前記セラミックス焼結体の空隙に金属を充填しつつ
鋳造成形する工程から成るので、多孔質のセラミック部
分に形成された空隙に金属を容易に充填させることがで
き、該空隙に充填された金属が該多孔質のセラミック部
分の周囲に配置される金属と強固に結合され、従って、
半径方向に配合の異なる材料を配置した状態でセラミッ
クス部分と金属部分とを強固に結合した状態の結合体を
得ることができる。

しかも、前記加圧成形体を製作するのに、アルミニウム
粉末等の粒状金属を用いると、アルミニウム等の金属分
を溶出させた後、セラミックス粒子の表面に残留金属成
分との反応層が形成され、これが金属溶湯とのぬれ性を
助長するため、空隙部への付き回りが良好になり、好ま
しい金属とセラミックスの結合体が製造できる。

上記のように、この金属とセラミックスの結合体の製造
方法によって、断熱ピストン等のりエンドラントピスト
ンを製作すれば、極めて強度に富み、耐久性、断熱性、
耐熱性に富んだ金属とセラミックスの結合体から成るピ
ストンを製作することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による金属とセラミックスの結合体の
一実施例を示す断面図、第２図はこの金属とセラミック
スの結合体の製造方法で製作した金属とセラミックスの
結合体をピストンに適用した例を示す断面図、第３図は
この金属とセラミックスの結合体の製造方法を達成する
ための製造工程を示す断面図、及び第４図は第３図に引
き続く工程を示す説明図である。 １・・−・・外側部分、２−一一一一内側部分、２Ｃ，
３Ｃ４Ｃ・・・・−区分室、２Ｐ・−−−−−セラミッ
ク造粒粉、３４−・−中間部分、３Ｐ、４Ｐ・−一−−
混合物、５空隙、５Ｐ−一粒状金属又は有機物、６−−
一先端部分、７−・・・−燃焼室、１０−−−一型、１
１−−・キャビティ、１２．　１３−−−一仕切板。 出願人　　いすり自動車株式会社 代理人　　　弁理士　尾仲　−宗 第　　１ 図 第　　３ 図 第　　４ 図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックスの緻密質構造から成るループ状の第
   １部分、該第１部分の周囲に位置して前記第１部分と一
   体構造であるセラミックスの多孔質構造から成るループ
   状の第２部分、該第２部分の多孔質構造の空隙中に充填
   されている金属、及び該金属と結合する金属から成り且
   つ前記第２部分と一体構造である第３部分から成る金属
   とセラミックスの結合体。
2. （２）前記セラミックスが窒化ケイ素、炭化ケイ素又は
   その複合材である請求項１に記載の金属とセラミックス
   の結合体。
3. （３）前記金属はアルミニウム系の合金である請求項１
   に記載の金属とセラミックスの結合体。
4. （４）リエントラントピストンに形成した燃焼室に適用
   し、前記第１部分が前記燃焼室のリップ部を構成し、前
   記第３部分はキャビティを形成した金属製ピストンヘッ
   ド部を構成し、前記第２部分は前記リップ部を前記ピス
   トンヘッド部に結合する部分を構成する請求項１に記載
   の金属とセラミックスの結合体。
5. （５）型内キャビティを仕切板で仕切って前記キャビテ
   ィに複数の区分室を形成する工程、前記各区分室に配合
   比の異なるセラミック造粒粉と粒状金属又は有機物から
   成る混合物を充填する工程、前記仕切板を前記キャビテ
   ィから抜き取る工程、前記キャビティ内の各種の前記混
   合物を同時に加圧して加圧成形体を成形する工程、前記
   加圧成形体を加熱して前記粒状金属又は前記有機物を除
   去してセラミックス成形体を作る工程、前記セラミック
   ス成形体を焼成してセラミックス焼結体を製作する工程
   、及び前記セラミックス焼結体の空隙に金属を充填しつ
   つ鋳造成形する工程から成る金属とセラミックスの結合
   体の製造方法。
6. （６）前記粒状金属がアルミニウム又はアルミニウム合
   金である請求項５に記載の金属とセラミックスの結合体
   の製造方法。