JPH05864A - Engine parts - Google Patents
Engine partsInfo
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- JPH05864A JPH05864A JP19738291A JP19738291A JPH05864A JP H05864 A JPH05864 A JP H05864A JP 19738291 A JP19738291 A JP 19738291A JP 19738291 A JP19738291 A JP 19738291A JP H05864 A JPH05864 A JP H05864A
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- piston
- metal body
- ceramic
- weight
- engine component
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
- F05C2251/00—Material properties
- F05C2251/04—Thermal properties
- F05C2251/042—Expansivity
Landscapes
- Valve-Gear Or Valve Arrangements (AREA)
- Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はセラミックスと金属から
なるエンジン部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】断熱性や耐摩耗性にすぐれたセラミック
スと金属とを複合したエンジン部品は、エンジンの熱効
率の向上やエンジン部品の耐摩耗性の向上に効果があ
る。かかる部品によるエンジンの熱効率向上をはかるた
めの１つの構造として、セラミックスを利用した断熱構
造のピストンがある。このための構造として、ピストン
本体にセラミックス製のピストンクラウンを金属製のボ
ルトで固定する構造やセラミックス製のピストンクラウ
ンの周囲に金属製ピストンスカートを鋳造した構造など
が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、ピストン本体
にセラミックス製ピストンクラウンを金属製ボルトで固
定した構造（米国特許第４２４２９４８号明細書）では
金属製のボルトを通して熱がピストンスカートへ逃げる
ため、ピストンの断熱が不十分となる。また、ボルトの
材料は耐熱性を必要とするため、ピストンスカートとは
材料が異なるのが一般的であり、このため使用中におけ
る繰り返しの熱膨脹差によりボルトが緩む欠点がある。
【０００４】さらにまた、セラミックス製ピストンクラ
ウンにボルト孔を加工するのに高度の加工技術が必要と
なるなどの欠点がある。また、セラミックス製ピストン
クラウンの周囲にピストンスカートを鋳造した構造で
は、セラミックスの熱膨脹係数がピストンスカート用と
して一般に使用されるアルミニウム合金や球状黒鉛鋳鉄
より小さいため、セラミックスが鋳造金属の凝固後の収
縮により破損する欠点がある。この欠点を解消するた
め、セラミックス製ピストンクラウンと鋳造金属の間に
繊維状セラミックスからなるクッション層を介在させる
構造（米国特許第４２４５６１１号明細書）やセラミッ
クス製ピストンクラウンの周囲に金属製リングを焼ばめ
し、そのリングの周囲にピストンスカートを鋳造した構
造（特開昭５６−１２２６５９号公報）が提案されてい
る。しかし、繊維状セラミックスのクッション層を利用
する構造ではピストンスカートとピストンクラウンの結
合が不十分のため、ピストン運転中にピストンクラウン
が緩む欠点がある。また、セラミックス性ピストンクラ
ウンの周囲に金属リングを焼ばめした構造では、セラミ
ックス製ピストンクラウンと金属リングの加工に高精度
が要求される欠点がある。
【０００５】さらにまた、エンジン部品の耐摩耗製向上
のため、カムとの摺接面をセラミックスとするタペット
（ＷＯ ８２／０１０３４号公報）が提案されている。
このタペットはセラミックス体がタペット本体に焼ばめ
されているため、セラミックスと金属の加工に高精度が
要求される欠点がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は従来のセラミッ
クスと金属を複合したエンジン部品の欠点を解決するた
めの、製造が容易で断熱性あるいは耐摩耗性にもすぐれ
たエンジン部品を得ることを目的とするものであって、
本発明は、セラミック製部材と金属製エンジン部品本体
が、セラミックス製部材に被着されたメタライズ層、該
金属製エンジン部品本体とは異なる金属材料からなる緩
衝金属体を介して結合されている構造のエンジン部品に
おいて、セラミックス製部材と緩衝金属体が、セラミッ
クス製部材側より順に層状に介挿された以下の各層を介
して接合されている
1) セラミックス製部材の緩衝金属体との被接合面に被
着された、Mo:70 〜90重量％、MnO:0.5 〜15重量％、Y2
O3:0.1〜10重量％、Al2O3:0.1 〜15重量％、SiO2: 0.1
〜15重量％および不可避の不純物からなるメタライズ層
2) 該メタライズ層に施されたメッキ層
3) 該メッキ層と緩衝金属体との間にろう付けで形成さ
れた接合層
4) 緩衝金属体層
ことを特徴とするエンジン部品である。
【０００７】ここでいうメタライズ層とは、セラミック
スの表面を金属化させるために、金属粉末を主成分とす
るペースト状組成物をセラミックス表面に塗布したのち
乾燥し、その後還元性雰囲気、非酸化性雰囲気または水
蒸気分圧を調整した水素雰囲気中で加熱してセラミック
ス表面に被着させた金属層のことである。前記メタライ
ズ層の組成は Mo 70〜90 重量％; MnO2 0.5〜15 重量
％; Y2O3 0.1〜10 重量％、Al2O3 0.1 〜15 重量％;
SiO2 0.1〜15 重量％; ZrO2 ０〜10重量％より成る。
【０００８】本発明を断熱エンジン用ピストンの具体例
を示す図１，図２，図３，図４，図５ならびにタペット
の一具体例を示す図６を用いてさらに詳細に説明する。
図１に示した断熱エンジン用ピストンは底面にメタライ
ズ層２を被着させた円板状セラミックス製ピストンクラ
ウン１と金属製ピストンスカート６とを、ピストンスカ
ートとは異なる種類の緩衝金属体３を介し、メタライズ
層と緩衝金属体との接合部４と緩衝金属体とピストンス
カートとの接合部５で一体的に接合した断熱エンジン用
ピストンである。
【０００９】ピストンクラウン１を構成するセラミック
スとしては低熱伝導率、高強度、耐熱性、耐食性などの
特性を有し、熱膨脹係数がピストンスカート６を構成す
る金属の熱膨脹係数に近いものが好ましい。このような
セラミックスとしては種々のアルミナ、炭化珪素、ジル
コニア、窒化珪素等のセラミックスが利用できるが、ど
のセラミックスを利用するかはピストンスカート６を構
成する金属の種類に応じて選択する。
【００１０】ジルコニアセラミックス製ピストンクラウ
ンに対しては、熱膨脹係数がジルコニアセラミックスに
近いので鋳鉄で作られたピストンスカートが好ましく、
とくに球状黒鉛鋳鉄製のピストンスカートがより好まし
い。ジルコニアセラミックスとして MgO あるいは Y2O
3 を含む部分安定化ジルコニアが好ましく、 Y2O3 を含
む部分安定化ジルコニアが高強度であり、しかも靱性が
大きいのでより好ましい。
【００１１】セラミックス製ピストンクラウン１の底面
に被着されるメタライズ層としては、 Mo, W, Fe, Ni,
Cuなどの金属の一種又は一種以上を主成分とするメタラ
イズ層を利用する。このうち Mo を主成分とするメタラ
イズ層が好ましく、Y2O3を含むジルコニアセラミックス
製ピストンクラウンに対しては Mo 70〜90重量％；MnO
0.5〜15重量％； Y2O3 0.1 〜10重量％； Al2O3 0.1
〜15重量％； SiO20.1〜15重量％； ZrO2 ０〜10重量％
からなるメタライズ層がジルコニアセラミックスに対す
る接合強度が大きいのでより好ましい。
【００１２】セラミックス製ピストンクラウンの底部に
被着したメタライズ層に接合する緩衝金属体３はフェラ
イト系ステンレス鋼、Fe−Cr合金、Fe−Cr−Ni合金、Fe
−Ni合金、Fe−Ni−Co合金、Ti, Ti合金など熱膨脹係数
が14×10-6／℃以下の緩衝金属が好ましく、熱膨脹係数
がピストンクラウン１を構成するセラミックスの熱膨脹
係数と同等又はそれ以下の緩衝金属がより好ましい。セ
ラミックス製ピストンクラウンの底部に被着しているメ
タライズ層に接合した緩衝金属体の熱膨脹係数がピスト
ンクラウンを構成するセラミックスの熱膨脹係数より大
きい場合には、接合後の冷却時にピストンクラウン１の
側面に引張の熱応力が発生するので好ましくなく、緩衝
金属体の熱膨脹係数が14×10-6／℃以上ではこの引張の
熱応力のためピストンクラウンが破損するので特に好ま
しくない。
【００１３】メタライズ層２と緩衝金属体３との接合構
造はろう付けの構造であるが、緩衝金属体３の種類ある
いはメタライズ層２と緩衝金属体３の間に存在する接合
層に要求される高温での強度などの機械的特性に応じ
て、使用するろう材を決定する。
【００１４】また、メタライズ層２と緩衝金属体３の接
合に先立って、メタライズ層あるいは緩衝金属体の表面
の両方あるいは一方に金属メッキを施すことがメタライ
ズ層２と緩衝金属体３の接合を強固にするうえで好まし
く、一般にはメタライズ層に金属メッキを行う方がより
好ましい。メッキする金属の種類はメタライズ層２、緩
衝金属体３ならびに使用するろう材の種類や接合構造に
応じて、脆弱な金属間化合物の形成防止、ろう材との濡
れ、接触する金属同士の相互拡散の容易さなどを考慮し
て選択する。
【００１５】緩衝金属体３とピストンスカート６との接
合は、ピストンの構造、形状、使用条件、ピストンスカ
ートを構成する金属の種類に応じて、ろう付け、拡散接
合、溶接、ボルト結合、鋳ぐるみのいずれかを選択す
る。融点が低く、熱膨脹係数が大きいアルミニウム合金
製ピストンスカートと緩衝金属体との接合は拡散接合、
鋳ぐるみ、ボルト結合のいずれかによるのが好ましい。
ピストンクラウン１とピストンスカート６の接合は、緩
衝金属体３とメタライズ層２との接合と、緩衝金属体３
とピストンスカート６との接合を同時に行ってもよい
し、接合構造や使用するろう材の融点に応じて別々に行
ってもよい。
【００１６】図２に示した断熱エンジン用ピストンは底
部にメタライズ層、表面に凹部を有するセラミックス製
ピストンクラウン１とピストンスカート６とを緩衝金属
体３を介し、メタライズ層と緩衝金属体との接合部４の
面積を緩衝金属体とピストンスカートとの接合部５の面
積より大として接合したディーゼルエンジン用ピストン
の一具体例である。直径が小さいピストンではメタライ
ズ層と緩衝金属体との接合部４と緩衝金属体とピストン
スカートとの接合部５は同じ面積としてもよいが、直径
が大きなピストンでは接合後の冷却時にピストンクラウ
ン１とピストンスカート６との収縮量の差が大きく、セ
ラミックス製ピストンクラウンが破損することがあるの
で、これを防ぐため緩衝金属体とピストンスカートとの
接合部５の面積をメタライズ層と緩衝金属体との接合部
４の面積より小さくするのが好ましい。
【００１７】また、図２に示したセラミックス製ピスト
ンクラウン１に接合する緩衝金属体３は接合後の冷却時
にメタライズ層と緩衝金属体との接合部４とピストンク
ラウンの境界７に発生する残留応力を小さくするため、
熱膨脹係数がピストンクラウンを構成するセラミックス
の熱膨脹係数と近似しているものが好ましく、とくにメ
タライズ層と緩衝金属体との接合部４の境界７において
セラミックス中に残留する熱応力を零ないし圧縮応力と
するため、熱膨脹係数がピストンクラウンを構成するセ
ラミックスと同等又はそれ以下の緩衝金属体がより好ま
しい。図３に示した断熱エンジン用ピストンは底部にメ
タライズ層２を被着させたセラミックス製ピストンクラ
ウン１と金属製ピストンスカート６とを直径がピストン
クラウン底部の直径より小さい緩衝金属体３を介して、
メタライズ層と緩衝金属体との接合部４と緩衝金属体と
ピストンスカートとの接合部５により接合したディーゼ
ルエンジン用ピストンの一具体例である。緩衝金属体３
の大きさは各接合部の強度がピストンの運転中に各接合
部に作用する力に耐える大きさとなるように決定する。
なお、緩衝金属体３の周囲に形成される空間には断熱シ
ート８を設置して、より一層の断熱化をはかることもあ
る。
【００１８】図４に示した断熱エンジン用ピストンは底
部にメタライズ層２を被着させたセラミックス製ピスト
ンクラウン１とボルト９とを、緩衝金属体３を介してメ
タライズ層と緩衝金属体との接合部４と緩衝金属体とボ
ルトとの接合部11により接合し、そのボルトによってピ
ストンスカート６とセラミックス製ピストンクラウン１
とを接合したディーゼルエンジン用ピストンの一具体例
である。このボルトは緩衝金属体３と同一材料で一体と
して形成してもよく、あるいはピストンスカート６と熱
膨脹係数が近似した金属を用いてもよく、使用中のボル
トの緩みを防ぐため、ピストンスカート６と同種材料か
らなるボルト９を緩衝金属体３に接合するのがもっとも
好ましい。
【００１９】図５に示した断熱エッジン用ピストンは底
部にメタライズ層２を被着させたピストンクランウ１と
上部に緩衝金属体の片面に形成されている柱状・突起が
挿入可能な孔を有するピストンスカート６を、緩衝金属
体３に設けられている柱状突起をピストンスカート上に
設けられている孔に挿入し、メタライズ層と緩衝金属体
との接合部４と緩衝金属体とピストンスカートとの接合
部５により一対的に接合したディーゼルエンジン用ピス
トンの一具体例である。
【００２０】図６に示したタペットは片面にメタライズ
層２を被着させた円板状のセラミックスからなるカム摺
接面12とタペット本体13を緩衝金属体３を介し、メタラ
イズ層と金属体との接合部４と金属体とタペット本体と
の接合部14で一体的に接合したタペットの一具体例であ
る。
【００２１】次に本発明の実施例について述べる。
【実施例】実施例１
5.2 重量％の Y2O3 を含む部分安定化ジルコニアセラミ
ックスで直径 70 mm、厚さ３ mm の円板を作製した。こ
の円板の片面にMo 75 重量％; Mn 10 重量％;SiO2 10
重量％; Al2O3 5 重量％の組成物を含むメタライズペー
ストを膜厚0.1mm に塗布し、90℃で１時間加熱して乾燥
したのち、40℃に加温した水槽中を通した水素と窒素の
混合ガス雰囲気中で1300℃、10時間加熱してメタライズ
層を形成させた。このメタライズ層にはジルコニアセラ
ミックスから拡散してきた Y2O3 が0.5 〜1.5 重量％含
まれている。
【００２２】このようにして得た片面にメタライズ層を
被着させたジルコニアセラミックス円板と球状黒鉛鋳鉄
ピストンとを直径70mm、厚さ１mmのチタン金属板を介し
て真空中で銀ろう付けし、直径70mm、高さ69mmの図１に
示すようなピストンを作製した。
【００２３】また、参考例としてメタライズ層を被着さ
せたジルコニアセラミックス円板と球状黒鉛鋳鉄ピスト
ンをチタン金属板を介さずに直接銀ロー付けした同一寸
法のピストンを作製した。この２種類のピストンについ
てシリンダー直径70mm、ストローク75mm、回転数2200 r
pmのディーゼルエンジンを使用し、ピストン頂部に接合
したジルコニアセラミックスが破損する最大の平均有効
圧を求めたところ、本発明のピストンでは最大平均有効
圧が14.0kg/cm2でもジルコニアセラミックスに異常は認
められなかった。一方、参考例のピストンでは最大平均
有効圧が8.5kg/cm2 であった。
【００２４】このように本発明のピストンは高い平均有
効圧で作動できることが確認された。なお、メタライズ
層と金属チタンの接合強度をしらべるため、直径7.5mm
、厚さ５mmのジルコニアセラミックス円板の両面にMo
72 重量％、 MnO 12 重量％;SiO2 ８重量％; Al2O3 ５
重量％； Y2O3 ３重量％からなるメタライズ層を被着さ
せた試料と、Mo 85 重量％; MnO ７重量％； SiO2 ５重
量％； Al2O32.5重量％; Y2O3 0.5 重量％からなるメ
タライズ層を被着させた試料を作り、それぞれの両面に
直径 7.5 mm 、長さ 35 mmのチタン丸棒を銀ろう付けし
たのち、直径6.7 mmの棒状試験片に加工し、引張試験を
行って接合強度を求めたところ、接合強度はそれぞれ12
kg/mm2 と 15 kg/mm2であった。
【００２５】実施例２
5.2 重量％の Y2O3 を含む部分安定化ジルコニアセラミ
ックスでピストンクラウン上部の直径Ａが 138.7 mm 、
ピストンクラウン底部の直径Ｂが 107.0 mm 、ピストン
クラウンの高さＣが 24.4 mmの図２に示すような形状の
ピストンクラウン１を作製した。
【００２６】このピストンクラウンの底部に Mo 70 重
量％; Mn 10 重量％; SiO2 10 重量％; Al2O3 ５重量
％； ZrO2 4.7 重量％; Y2O3 0.3 重量％ の組成物を
含むメタライズペーストを塗布し、90℃で１時間加熱し
て乾燥したのち35℃に加温した水槽中を通した水素と窒
素の混合ガス雰囲気中で1300℃、10時間加熱してメタラ
イズ層２を形成させた。また、頭部に直径107.7 mm、深
さ 27.5 mmのくぼみを有する直径 139.7 mm 、高さ139.
5 mmの球状黒鉛鋳鉄のピストンを作り、くぼみの中央に
直径 50 mm、高さ 0.5 mm の円柱状突起を加工した。こ
の円柱状突起表面とピストンクラウン底部のメタライズ
層にニッケルメッキを施したのち、直径100mm 、厚さ３
mm のチタン金属板を介し、ピストンクラウンとピスト
ン本体を真空中でろう付けし、図２に示すような形状の
ピストンを得た。このピストンはピストンクラウンとピ
ストン本体が強固に接合している。一方、参考例とし
て、チタン金属板を介さずにピストンクラウン底部のメ
タライズ層とピストン本体頭部のくぼみ内の円柱状突起
表面を直接ろう付けしたピストンはろう付け後の冷却時
にピストンクラウンが破損した。
【００２７】以上述べたことから明らかなとおり、本発
明のエンジン部品はセラミックス製部材の表面に被着し
たメタライズ層に接合された緩衝金属体を介して熱膨脹
係数が異なるセラミックス製部材と金属製部材とを接合
するので、両部材の形状による制約を受けることなく、
強固に接合できる。
【００２８】とくに、セラミックス製ピストンクラウン
の底部に被着したメタライズ層と、そのメタライズ層に
接合した緩衝金属体を利用してセラミックス製ピストン
クラウンと金属製ピストンスカートとを接合した断熱エ
ンジン用ピストンでは、高温の燃焼ガスにさらされるピ
ストンクラウンの全表面を断熱性の高いセラミックスと
することがてきるので、容易に断熱効果のすぐれたピス
トンを作ることができる。
【００２９】また、タペットはカム摺接面、メタライズ
層、緩衝金属体、接合構造の選択により上述のピストン
と同様、耐摩耗性にすぐれたタペットとすることができ
る。このように本発明のエンジン部品はセラミックスと
金属のそれぞれが有するすぐれた特性を完全に発揮させ
ることができる。
【００３０】したがって、セラミックスの耐熱性、断熱
性、耐食性ならびに耐摩耗性を生かしてピストン、タペ
ットはもちろん吸気弁、排気弁、ターボチャージャー、
ロッカーアーム、カムなど高温や繰り返し荷重ならびに
衝撃荷重などを受けるエンジン部品に適用可能であり、
本発明は産業の発展に大きく寄与する。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an engine part made of ceramics and metal. 2. Description of the Related Art An engine part composed of a ceramic and a metal, which has excellent heat insulation and wear resistance, is effective in improving the thermal efficiency of the engine and the wear resistance of the engine part. As one structure for improving the thermal efficiency of the engine by such components, there is a piston having a heat insulating structure using ceramics. As a structure for this purpose, a structure in which a ceramic piston crown is fixed to a piston body with a metallic bolt, a structure in which a metallic piston skirt is cast around a ceramic piston crown, and the like have been proposed. However, in the structure in which the ceramic piston crown is fixed to the piston body with the metal bolt (US Pat. No. 4,242,948), heat escapes to the piston skirt through the metal bolt. Therefore, the heat insulation of the piston becomes insufficient. In addition, since the material of the bolt requires heat resistance, it is generally different from the material of the piston skirt, which causes a drawback that the bolt loosens due to repeated thermal expansion differences during use. Furthermore, there is a drawback that a high level processing technique is required to process the bolt holes in the ceramic piston crown. Also, in the structure in which the piston skirt is cast around the ceramic piston crown, the coefficient of thermal expansion of the ceramic is smaller than that of aluminum alloy and spheroidal graphite cast iron that are generally used for piston skirts. It has the drawback of being damaged. In order to eliminate this drawback, a structure in which a cushion layer made of fibrous ceramics is interposed between a ceramic piston crown and cast metal (US Pat. No. 4,245,611) or a metal ring is burned around the ceramic piston crown. A structure has been proposed in which a shrink fit and a piston skirt is cast around the ring (Japanese Patent Laid-Open No. 56-122659). However, in the structure using the cushion layer of fibrous ceramics, the piston skirt and the piston crown are insufficiently coupled, and thus there is a drawback that the piston crown becomes loose during piston operation. Further, the structure in which the metal ring is shrink-fitted around the ceramic piston crown has a drawback that high precision is required for processing the ceramic piston crown and the metal ring. Furthermore, in order to improve wear resistance of engine parts, a tappet (WO 82/01034) has been proposed in which a sliding contact surface with a cam is made of ceramics.
Since the ceramic body of this tappet is shrink-fitted to the tappet body, there is a drawback that high precision is required for processing ceramics and metals. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides an engine part which is easy to manufacture and has excellent heat insulation and wear resistance, which is intended to solve the drawbacks of the conventional engine parts composed of ceramics and metal. The purpose is to obtain
The present invention relates to a structure in which a ceramic member and a metal engine component body are connected via a metallized layer attached to the ceramic member and a buffer metal body made of a metal material different from the metal engine component body. In the engine part of 1, the ceramic member and the buffer metal body are bonded through the following layers which are sequentially inserted in layers from the ceramic member side 1) The surface of the ceramic member to be bonded to the buffer metal body Deposited on, Mo: 70-90% by weight, MnO: 0.5-15% by weight, Y 2
O 3: 0.1 to 10 wt%, Al 2 O 3: 0.1 ~15 wt%, SiO 2: 0.1
~ 15 wt% and inevitable impurities metallized layer 2) Plating layer applied to the metallized layer 3) Bonding layer formed by brazing between the plated layer and the buffer metal body 4) Buffer metal body layer It is an engine component characterized in that. The term "metallized layer" as used herein means that in order to metallize the surface of ceramics, a paste-like composition containing metal powder as a main component is applied to the surface of the ceramic and then dried, and then a reducing atmosphere and non-oxidizing property are applied. It is a metal layer deposited on the ceramic surface by heating in an atmosphere or a hydrogen atmosphere in which the partial pressure of water vapor is adjusted. The composition of the metallization layer is Mo 70 to 90 wt%; MnO 2 0.5 to 15 wt%; Y 2 O 3 0.1 to 10 wt%, Al 2 O 3 0.1 ~15% by weight;
SiO 2 0.1 to 15% by weight; ZrO 2 0 to 10% by weight. The present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 1, 2, 3, 4, and 5 showing a concrete example of a piston for an adiabatic engine and FIG. 6 showing a concrete example of a tappet.
The piston for an adiabatic engine shown in FIG. 1 has a disc-shaped ceramic piston crown 1 having a metallized layer 2 adhered to the bottom surface and a metal piston skirt 6 via a buffer metal body 3 of a type different from the piston skirt. A heat-insulating engine piston integrally joined at a joint 4 between the metallized layer and the buffer metal body and at a joint 5 between the buffer metal body and the piston skirt. It is preferable that the ceramic constituting the piston crown 1 has characteristics such as low thermal conductivity, high strength, heat resistance and corrosion resistance, and a coefficient of thermal expansion close to that of the metal constituting the piston skirt 6. As such ceramics, various ceramics such as alumina, silicon carbide, zirconia, and silicon nitride can be used. Which ceramic is used is selected according to the type of metal forming the piston skirt 6. For a piston crown made of zirconia ceramics, a piston skirt made of cast iron is preferable because the coefficient of thermal expansion is close to that of zirconia ceramics.
In particular, a piston skirt made of spheroidal graphite cast iron is more preferable. MgO or Y 2 O as zirconia ceramics
Partially stabilized zirconia containing 3 is preferable, and partially stabilized zirconia containing Y 2 O 3 is more preferable because it has high strength and high toughness. The metallization layer deposited on the bottom surface of the ceramic piston crown 1 includes Mo, W, Fe, Ni,
A metallized layer containing one or more metals such as Cu as a main component is used. Among these, a metallized layer containing Mo as a main component is preferable, and Mo is 70 to 90% by weight for the zirconia ceramics piston crown containing Y 2 O 3 ;
0.5-15% by weight; Y 2 O 3 0.1-10% by weight; Al 2 O 3 0.1
15 wt%; SiO 2 0.1 to 15 wt%; ZrO 2 0 wt%
It is more preferable that the metallized layer consisting of (3) has a high bonding strength to zirconia ceramics. The buffer metal body 3 bonded to the metallized layer deposited on the bottom of the ceramic piston crown is a ferritic stainless steel, Fe-Cr alloy, Fe-Cr-Ni alloy, Fe.
-Ni alloys, Fe-Ni-Co alloys, Ti, Ti alloys and the like are preferably buffer metals having a coefficient of thermal expansion of 14 × 10 -6 / ° C or less, and a coefficient of thermal expansion equal to or equal to that of the ceramic constituting the piston crown 1. The following buffer metals are more preferred. When the coefficient of thermal expansion of the buffer metal body joined to the metallized layer adhered to the bottom of the ceramic piston crown is larger than the coefficient of thermal expansion of the ceramic constituting the piston crown, the side surface of the piston crown 1 is cooled during cooling after joining. It is not preferable because the tensile thermal stress is generated, and when the thermal expansion coefficient of the buffer metal body is 14 × 10 −6 / ° C. or more, the tensile crown causes damage to the piston crown, which is not particularly preferable. The joint structure between the metallized layer 2 and the buffer metal body 3 is a brazing structure, but it is required for the kind of the buffer metal body 3 or the joint layer existing between the metallized layer 2 and the buffer metal body 3. The brazing material to be used is determined according to mechanical properties such as strength at high temperature. Prior to joining the metallized layer 2 and the buffer metal body 3, metallization is applied to both or one of the surfaces of the metallized layer and the buffer metal body to firmly bond the metallized layer 2 and the buffer metal body 3. It is preferable that the metallization layer is plated with metal. The type of metal to be plated depends on the type of metallization layer 2, the buffer metal body 3 and the type of brazing material used and the joining structure, preventing the formation of brittle intermetallic compounds, wetting with the brazing material, and interdiffusion between the metals in contact. Select in consideration of ease of use. The shock-absorbing metal body 3 and the piston skirt 6 are joined by brazing, diffusion joining, welding, bolt connection, and cast iron according to the structure of the piston, the shape of the piston, the conditions of use, and the type of metal forming the piston skirt. Select one of The aluminum alloy piston skirt, which has a low melting point and a large coefficient of thermal expansion, and the buffer metal body are bonded by diffusion bonding.
It is preferable to use either cast iron or bolt connection.
The piston crown 1 and the piston skirt 6 are joined to each other by joining the buffer metal body 3 and the metallized layer 2 to each other.
The piston skirt 6 and the piston skirt 6 may be joined at the same time or separately depending on the joining structure and the melting point of the brazing material used. In the adiabatic engine piston shown in FIG. 2, a ceramic piston crown 1 having a metallized layer on the bottom and a recess on the surface and a piston skirt 6 are joined to each other with a metallized layer 3 interposed between the metallized layer and the metallized layer. 1 is a specific example of a diesel engine piston in which the area of the portion 4 is larger than the area of the joint portion 5 between the buffer metal body and the piston skirt. In a piston having a small diameter, the joint 4 between the metallized layer and the buffer metal body and the joint 5 between the buffer metal body and the piston skirt may have the same area. Since the difference in the amount of contraction with the piston skirt 6 is large and the ceramic piston crown may be damaged, in order to prevent this, the area of the joint 5 between the buffer metal body and the piston skirt is set to the area of the metallized layer and the buffer metal body. It is preferable that the area is smaller than the area of the bonding portion 4. Further, the buffer metal body 3 bonded to the ceramic piston crown 1 shown in FIG. 2 has residual stress generated at the boundary 7 between the joint 4 of the metallized layer and the buffer metal body and the piston crown during cooling after the bonding. To make
It is preferable that the coefficient of thermal expansion be close to the coefficient of thermal expansion of the ceramic constituting the piston crown, and in particular, the thermal stress remaining in the ceramic at the boundary 7 of the joint 4 between the metallized layer and the buffer metal body should be zero or compressive stress. Therefore, a buffer metal body having a thermal expansion coefficient equal to or less than that of the ceramics forming the piston crown is more preferable. The adiabatic engine piston shown in FIG. 3 has a ceramic piston crown 1 having a metallized layer 2 adhered to the bottom and a metal piston skirt 6 via a buffer metal body 3 having a diameter smaller than the diameter of the piston crown bottom.
1 is a specific example of a diesel engine piston joined by a joint 4 between a metallized layer and a buffer metal body and a joint 5 between a buffer metal body and a piston skirt. Buffer metal body 3
Is determined so that the strength of each joint can withstand the force acting on each joint during operation of the piston.
In addition, the heat insulating sheet 8 may be installed in the space formed around the buffer metal body 3 to achieve further heat insulation. In the adiabatic engine piston shown in FIG. 4, a ceramic piston crown 1 having a metallized layer 2 adhered to the bottom thereof and a bolt 9 are joined to each other through a buffer metal body 3 between the metallized layer and the buffer metal body. The portion 4 is joined with the joint portion 11 of the buffer metal body and the bolt, and the piston skirt 6 and the ceramic piston crown 1 are joined by the bolt.
It is a specific example of a piston for a diesel engine in which is joined. This bolt may be integrally formed of the same material as the buffer metal body 3, or may be formed of a metal having a coefficient of thermal expansion similar to that of the piston skirt 6, and in order to prevent the bolt from loosening during use, Most preferably, the bolt 9 made of the same material is joined to the buffer metal body 3. The adiabatic edging piston shown in FIG. 5 has a piston crawl 1 having a metallized layer 2 adhered to the bottom and a hole into which a column or a protrusion formed on one side of a buffer metal body can be inserted. The piston skirt 6 is inserted into the hole provided on the piston skirt by the columnar projection provided on the buffer metal body 3, and the joint 4 between the metallized layer and the buffer metal body and the buffer metal body and the piston skirt are inserted. 1 is a specific example of a diesel engine piston that is joined pairwise by a joining portion 5. In the tappet shown in FIG. 6, a cam sliding contact surface 12 made of a disk-shaped ceramic having a metallized layer 2 adhered to one side and a tappet body 13 are provided with a metallized layer and a metal body via a buffer metal body 3. This is a specific example of the tappet integrally joined at the joint portion 4 of FIG. 4 and the joint portion 14 of the metal body and the tappet body. Next, examples of the present invention will be described. Example 1 A disk having a diameter of 70 mm and a thickness of 3 mm was made of partially stabilized zirconia ceramics containing 5.2% by weight of Y 2 O 3 . Mo 75 wt%; Mn 10 wt%; SiO 2 10 on one side of this disk
Wt%; Al 2 O 3 5 wt% compositionized metallizing paste was applied to a film thickness of 0.1 mm, heated at 90 ° C for 1 hour and dried, and then hydrogen was passed through a water tank heated to 40 ° C. A metallized layer was formed by heating in a mixed gas atmosphere of nitrogen and nitrogen at 1300 ° C. for 10 hours. This metallized layer contains 0.5 to 1.5% by weight of Y 2 O 3 diffused from the zirconia ceramics. A zirconia ceramics disc having a metallized layer adhered on one side thus obtained and a spheroidal graphite cast iron piston were silver-brazed in vacuum through a titanium metal plate having a diameter of 70 mm and a thickness of 1 mm, A piston having a diameter of 70 mm and a height of 69 mm as shown in FIG. 1 was produced. Further, as a reference example, a zirconia ceramics disc having a metallized layer and a spheroidal graphite cast iron piston were directly silver-soldered without a titanium metal plate to produce a piston of the same size. About these two types of pistons, cylinder diameter 70mm, stroke 75mm, rotation speed 2200 r
Using a diesel engine of pm, the maximum average effective pressure at which the zirconia ceramics bonded to the top of the piston is broken was determined, and in the piston of the present invention, an abnormality was found in the zirconia ceramics even when the maximum average effective pressure was 14.0 kg / cm 2. I couldn't do it. On the other hand, the piston of the reference example had a maximum average effective pressure of 8.5 kg / cm 2 . Thus, it was confirmed that the piston of the present invention can operate at a high average effective pressure. In addition, in order to examine the bonding strength between the metallized layer and metallic titanium, the diameter is 7.5 mm.
, Mo on both sides of a 5 mm thick zirconia ceramic disc
72% by weight, MnO 12% by weight; SiO 2 8% by weight; Al 2 O 3 5
Wt%; Y 2 O 3 3 wt% metallized layer deposited sample, Mo 85 wt%; MnO 7 wt%; SiO 2 5 wt%; Al 2 O 3 2.5 wt%; Y 2 O 3 A sample with a 0.5 wt% metallized layer applied was prepared, and a titanium round bar with a diameter of 7.5 mm and a length of 35 mm was silver brazed on each side, and then processed into a rod-shaped test piece with a diameter of 6.7 mm. When a tensile strength test was performed to find the joint strength, the joint strength was 12
They were kg / mm 2 and 15 kg / mm 2 . Example 2 5.2 A partially stabilized zirconia ceramic containing 5.2% by weight of Y 2 O 3 and having a diameter A of 138.7 mm at the top of the piston crown.
A piston crown 1 having a shape shown in FIG. 2 having a diameter B of the bottom of the piston crown of 107.0 mm and a height C of the piston crown of 24.4 mm was produced. On the bottom of this piston crown, a composition containing 70% by weight of Mo; 10% by weight of Mn; 10% by weight of SiO 2 ; 5% by weight of Al 2 O 3 ; 4.7% by weight of ZrO 2 ; 0.3% by weight of Y 2 O 3 is added. Apply the metallizing paste containing it, heat it at 90 ℃ for 1 hour and dry it, then heat it to 35 ℃ in a mixed gas atmosphere of hydrogen and nitrogen in a water tank heated at 1300 ℃ for 10 hours to form metallized layer 2 Formed. Also, the head has a diameter of 107.7 mm, a depression with a depth of 27.5 mm, a diameter of 139.7 mm, and a height of 139.
A 5 mm spheroidal graphite cast iron piston was made, and a cylindrical protrusion with a diameter of 50 mm and a height of 0.5 mm was machined in the center of the hollow. Nickel plating is applied to the surface of the cylindrical protrusion and the metallization layer on the bottom of the piston crown, and then the diameter is 100 mm and the thickness is 3 mm.
The piston crown and the piston body were brazed in a vacuum through a titanium metal plate of mm to obtain a piston having a shape as shown in FIG. In this piston, the piston crown and the piston body are firmly joined. On the other hand, as a reference example, a piston in which the metallized layer at the bottom of the piston crown and the cylindrical projection surface in the recess of the piston body head were directly brazed without a titanium metal plate, the piston crown was damaged during cooling after brazing. .. As is clear from the above description, the engine component of the present invention is a ceramic member and a metal member having different thermal expansion coefficients via the buffer metal body bonded to the metallization layer deposited on the surface of the ceramic member. Since and are joined, without being restricted by the shapes of both members,
Can be joined firmly. Particularly, in a heat insulating engine piston in which a ceramic piston crown and a metal piston skirt are joined by utilizing a metallized layer adhered to the bottom of the ceramic piston crown and a buffer metal body joined to the metallized layer. Since the entire surface of the piston crown exposed to the high-temperature combustion gas can be made of ceramics having a high heat insulating property, a piston having an excellent heat insulating effect can be easily manufactured. Further, the tappet can be made into a tappet excellent in wear resistance, like the above-mentioned piston, by selecting the cam sliding contact surface, the metallized layer, the buffer metal body, and the joining structure. As described above, the engine component of the present invention can fully exhibit the excellent characteristics of ceramics and metals. Therefore, taking advantage of the heat resistance, heat insulation, corrosion resistance and wear resistance of ceramics, not only pistons and tappets but also intake valves, exhaust valves, turbochargers,
It is applicable to rocker arms, cams, and other engine parts subject to high temperatures, repeated loads, and impact loads.
The present invention greatly contributes to industrial development.
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明のエンジン部品の一具体例である
断熱エンジン用ピストンの断面を示す説明図である。
【図２】図２は本発明のエンジン部品の一具体例である
断熱エンジン用ピストンの断面を示す説明図である。
【図３】図３は本発明のエンジン部品の一具体例である
断熱エンジン用ピストンの断面を示す説明図である。
【図４】図４は本発明のエンジン部品の一具体例である
断熱エンジン用ピストンの断面を示す説明図である。
【図５】図５は本発明のエンジン部品の一具体例である
断熱エンジン用ピストンの断面を示す説明図である。
【図６】図６は本発明のエンジン部品の他の具体例であ
るタペットの断面を示す説明図である。
【符号の説明】
１ ピストンクラウン
２ メタライズ層
３ 緩衝金属体
４ メタライズ層と緩衝金属体との接合部
５ 緩衝金属とピストンスカートとの接合部
６ ピストンスカート
７ メタライズ層と緩衝金属体の接合部境界
８ 断熱シート
９ ボルト
１０ ナット
１１ 緩衝金属体とボルトとの接合部
１２ カム摺接面
１３ タペット本体
１４ 緩衝金属体とタペット本体との接合部BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an explanatory view showing a cross section of a piston for an adiabatic engine which is a specific example of the engine component of the present invention. FIG. 2 is an explanatory view showing a cross section of a piston for an adiabatic engine which is a specific example of the engine component of the present invention. FIG. 3 is an explanatory view showing a cross section of a heat-insulating engine piston, which is a specific example of the engine component of the present invention. FIG. 4 is an explanatory view showing a cross section of a heat insulating engine piston which is a specific example of the engine component of the present invention. FIG. 5 is an explanatory view showing a cross section of a piston for an adiabatic engine, which is a specific example of the engine component of the present invention. FIG. 6 is an explanatory view showing a cross section of a tappet which is another specific example of the engine component of the present invention. [Description of Reference Signs] 1 piston crown 2 metallized layer 3 buffer metal body 4 joint portion between metallized layer and buffer metal body 5 joint portion between buffer metal and piston skirt 6 piston skirt 7 joint portion between metallized layer and buffer metal body 8 Heat-insulating sheet 9 Bolt 10 Nut 11 Joint part of buffer metal body and bolt 12 Cam sliding contact surface 13 Tappet body 14 Joint part of buffer metal body and tappet body
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｆ 3/00 ３０２ Ａ 8503−3Ｇ ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 5 Identification code Internal reference number FI technical display location F02F 3/00 302 A 8503-3G
Claims (1)
ラミックス製部材に被着されたメタライズ層、該金属製
エンジン部品本体とは異なる金属材料からなる緩衝金属
体を介して結合されている構造のエンジン部品におい
て、セラミックス製部材と緩衝金属体が、セラミックス
製部材側より順に層状に介挿された以下の各層を介して
接合されているエンジン部品。 1) セラミックス製部材の緩衝金属体との被接合面に被
着された、Mo:70 〜90重量％、MnO:0.5 〜15重量％、Y2
O3:0.1〜10重量％、Al2O3:0.1 〜15重量％、SiO2: 0.1
〜15重量％および不可避の不純物からなるメタライズ層 2) 該メタライズ層に施されたメッキ層 3) 該メッキ層と緩衝金属体との間にろう付けで形成さ
れた接合層 4) 緩衝金属体層 2. 前記メタライズ層はモリブデン70〜90重量％、酸化
マンガン 0.5〜15重量％、酸化イットリウム 0.1〜10重
量％、酸化アルミニウム 0.1〜15重量％、二酸化ケイ素
0.1〜15重量％および酸化ジルコニウム 10 重量％以下
より成る特許請求の範囲１記載のエンジン部品。 3. 緩衝金属体がろう付け、拡散接合、溶接、鋳ぐるみ
およびボルト結合のいずれか１つの構造で金属部材に接
合されている特許請求の範囲１又は２のいずれかに記載
のエンジン部品。 4. セラミックス製部材がピストンクラウンであり、金
属製部材がピストンスカートである特許請求の範囲１記
載のエンジン部品。 5. セラミックス製部材がカムとの摺接面を形成し、金
属製部材がタペットである特許請求の範囲１記載のエン
ジン部品。 6. セラミックス製部材がジルコニアセラミックス、金
属製部材が鋳鉄よりなる特許請求の範囲１記載のエンジ
ン部品。 7. 緩衝金属体とセラミックス製部材の接合面積が緩衝
金属体と金属製部材との接合面積より大きい特許請求の
範囲１，２，３又は４のいずれかに記載のエンジン部
品。 8. 緩衝金属体の熱膨脹係数がセラミックス製部材の熱
膨脹係数と同等又はそれ以下である特許請求の範囲１な
いし７のいずれかに記載のエンジン部品。 9. 緩衝金属体がチタン、チタン合金、フェライト系ス
テンレス鋼、Fe−Cr合金、Fe−Cr−Ni合金、Fe−Ni合金
の何れかであって、熱膨脹係数が14×10-6／℃以下で緩
衝性のある金属体である特許請求の範囲１記載のエンジ
ン部品。 10. 緩衝金属体がチタン又はチタン合金、セラミック
ス製部材がジルコニアセラミックスである特許請求の範
囲１記載のエンジン部品。[Claims] 1. A ceramic member and a metal engine component body are joined together through a metallized layer adhered to the ceramic member and a buffer metal body made of a metal material different from the metal engine component body. In the engine component having the structure described above, the ceramic component and the buffer metal body are joined together through the following layers which are sequentially inserted in layers from the ceramic component side. 1) Mo: 70 to 90% by weight, MnO: 0.5 to 15% by weight, Y 2 deposited on the surface of the ceramic member to be joined with the buffer metal body.
O 3: 0.1 to 10 wt%, Al 2 O 3: 0.1 ~15 wt%, SiO 2: 0.1
~ 15 wt% and inevitable impurities metallized layer 2) Plating layer applied to the metallized layer 3) Bonding layer formed by brazing between the plated layer and the buffer metal body 4) Buffer metal body layer 2. 70 to 90% by weight of molybdenum, 0.5 to 15% by weight of manganese oxide, 0.1 to 10% by weight of yttrium oxide, 0.1 to 15% by weight of aluminum oxide, and silicon dioxide.
The engine component according to claim 1, which comprises 0.1 to 15% by weight and 10% by weight or less of zirconium oxide. 3. The engine component according to claim 1 or 2, wherein the buffer metal body is bonded to the metal member by any one structure of brazing, diffusion bonding, welding, cast iron and bolt connection. 4. The engine component according to claim 1, wherein the ceramic member is a piston crown and the metal member is a piston skirt. 5. The engine component according to claim 1, wherein the ceramic member forms a sliding contact surface with the cam, and the metal member is a tappet. 6. The engine component according to claim 1, wherein the ceramic member is zirconia ceramics and the metal member is cast iron. 7. The engine part according to any one of claims 1, 2, 3 or 4, wherein a joint area between the buffer metal body and the ceramic member is larger than a joint area between the buffer metal body and the metal member. 8. The engine component according to any one of claims 1 to 7, wherein the thermal expansion coefficient of the buffer metal body is equal to or less than the thermal expansion coefficient of the ceramic member. 9. The buffer metal body is any one of titanium, titanium alloy, ferritic stainless steel, Fe-Cr alloy, Fe-Cr-Ni alloy, and Fe-Ni alloy, and the coefficient of thermal expansion is 14 × 10 -6 / ° C or less. The engine component according to claim 1, which is a metal body having a shock absorbing property. 10. The engine component according to claim 1, wherein the buffer metal body is titanium or a titanium alloy, and the ceramic member is zirconia ceramics.
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| JP19738291A JPH0660065B2 (en) | 1991-07-12 | 1991-07-12 | Engine parts |
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|---|---|---|---|
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05864A true JPH05864A (en) | 1993-01-08 |
| JPH0660065B2 JPH0660065B2 (en) | 1994-08-10 |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP19738291A Expired - Lifetime JPH0660065B2 (en) | 1991-07-12 | 1991-07-12 | Engine parts |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0660065B2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9370847B2 (en) | 2013-06-27 | 2016-06-21 | Hyundai Motor Company | Method for manufacturing piston of automobile engine |
| CN114160899A (en) * | 2021-12-19 | 2022-03-11 | 南京理工大学 | Manufacturing method of cast aluminum engine piston component |
-
1991
- 1991-07-12 JP JP19738291A patent/JPH0660065B2/en not_active Expired - Lifetime
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|---|---|---|---|---|
| US9370847B2 (en) | 2013-06-27 | 2016-06-21 | Hyundai Motor Company | Method for manufacturing piston of automobile engine |
| CN114160899A (en) * | 2021-12-19 | 2022-03-11 | 南京理工大学 | Manufacturing method of cast aluminum engine piston component |
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|---|---|
| JPH0660065B2 (en) | 1994-08-10 |
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