JPH063170B2 - セラミックス鋳ぐるみピストン - Google Patents

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ックス鋳ぐる
みピストンに関し、特に、実機運転時においてもセラミ
ックスとアルミニウム合金との接合面が剥離しないよう
にしたセラミッ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らんと
して、セラミッ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。

セラミックス製部材と金属製部材とを一体的に接合した
セラミックス接合ピストンについては、例えば特開昭５
９−１０１５６６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ックス
接合ピストンは、セラミックス製部材と金属製部材と
を、セラミッ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
ックス接合ピストンは、ピストン頂面に設けるセラミッ
クス外側周に溝を形成、又はこの外側周をピストン頂面
側から底部に向って広がる様にテーパー状に形成しセラ
ミックスの脱落を防止しようとしたものである。そし
て、アルミ合金とのより強力な接合を図るべく、セラミ
ッ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
のセラミックス接合ピストンは、ピストン本体とセラミ
ックスの接合をメタライズ層の結合力で行うことを目的
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ックスの接す
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
受けもっているので、強度上信頼性に欠け、ピストン運
転時に接合面が剥離し、燃焼ガスがその接合面から流入
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
ックス接合ピストンは、前記したように、セラミックス
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ックスの脱落を防止せんと
するものであって、燃焼ガスの接合面よりの流入を防止
するシールという観点からは何ら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ックスとの接合面のピストン
外周側に何ら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、上記従来のセラミッ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
ッ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のである。

すなわち、本発明によれば、セラミックス製部材からな
り外周部に鍔を有す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ックス鋳ぐ
るみピストンにおいて、該ピストン本体と頂板との境界
外周部のトップランド近傍に、摩擦圧接により頂板に接
合された金属製環状部材を設けることにより、金属製環
状部材を介してセラミックス製部材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、且つ金属製環状部
材とセラミックス製部材、及びピストン本体との各々の
接合面がシールされてなることを特徴とするセラミック
ス鋳ぐるみピストンが、提供される。

本発明のセラミックス鋳ぐるみピストンにおいては、接
合面をシールすると同時に、セラミックス製部材はセラ
ミックス下部の凸部にてアルミニウム合金鋳ぐるみ時の
収縮力によりアルミニウム合金と強固に結合されてお
り、ピストンの慣性力はほとんどこの収縮力が受けもっ
ている。従って、環状部材とセラミックス、あるいは環
状部材とアルミニウム合金の接合面は慣性力を負担しな
くてもよいため、接合面はシール上必要な部分だけでよ
く、高い接合強度は必要なく、強度上の信頼性も向上す
ることとなる。

本発明のセラミックス鋳ぐるみピストンは、セラミック
ス製部材からなる頂板のピストン本体に相対する面の外
周部に環状部材を摩擦圧接して取付けた後、アルミニウ
ム合金にて鋳ぐるむことによって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。

このように摩擦圧接を利用すると、メタライズ等の精密
作業を要しないので、低コスト化が図れ量産化に適す
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ップリ
ング溝を設けた場合、燃焼ガスはトップリングによって
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。

又、さらに環状部材とアルミニウム合金が接合していな
いので、アルミニウム合金の熱膨張による影響がセラミ
ッ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。

ここで、摩擦圧接とは、圧接しようとする２つの素材を
接触させ、加圧しつつ接触面に相対運動を起こさせ、発
生する摩擦熱で接合面付近を加熱して圧接する方法をい
う。

本発明の環状部材の材質は、セラミックスとの摩擦圧接
が可能な金属材料が使用でき、熱膨張差による剥離を防
止するため、環状部材の材質は熱膨張係数がセラミック
スとアルミニウム合金の中間にあり、セラミックスに近
い値であることが望ましい。更に、熱変形により、接合
部に発生する応力を緩和するために低ヤング率で軟質の
材質であることが好ましい。

具体的には、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、チ
タン、チタン合金等が挙げられる。

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、セラミックス製部材直径の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。

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、セラミッ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
ラミックスが好ましく、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、本発明を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明のセラミッ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ックス製クラウン１
は、ピストン本体２を形成するアルミニウム合金によっ
て鋳ぐるまれており、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
縮する力によってピストン本体２とセラミックス製クラ
ウン１は結合している。そして、セラミックス製クラウ
ン１とピストン本体２との境界外周部でトップランド５
近傍に金属製環状部材３が介在し、この環状部材３は燃
焼ガスがセラミックス製クラウン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、金属環状部材３は、鋳ぐるみ前に、セラミックス
製部材からなる頂板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られ、次いで鋳ぐるみ時に、ア
ルミニウム合金と接合される。

［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、窒化珪素製クラウン６を固定し、
チタン製円環７をクラウン６に対して相対的に、７００
ｒｐｍ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に押し付け摩擦圧接した。なお、
クラウン６を回転させて円環７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６を固定し円環７を回転させる方
が好ましい。

摩擦圧接する場合、円環７を装置に保持するため、円環
７のピストン軸方向長さをある程度大きくする必要があ
るが、円環外径と同寸法程度であれば十分である。

そして摩擦圧接後、円環７をそのピストン軸方向長さが
所定の寸法になるように加工し環状部材７′とした。環
状部材７′のピストン軸方向長さは、仕上げ加工でアル
ミニウム合金にトップリング溝を加工するので、トップ
リング溝位置により制約される。従って、本実施例では
環状部材７′のピストン軸方向長さは２mmとした。

次に、環状部材７′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
反応し接合できるようにする。本例においては、環状部
材７′表面にアルメルト処理を施したが、その他アルフ
ィン処理等の表面処理も使用でき、アルミニウム合金湯
と円環の接合が可能で、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７′を設けた窒化珪素製クラウン６
を、第３図に示すように砂型による鋳型８内に設置し、
２００゜Cに余熱した後約７００゜Cのアルミニウム合金湯
を型内に注湯して、約３０分後に鋳型８を壊してセラミ
ックス鋳ぐるみ体を取り出した。鋳型８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
った。９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い、セラミックス鋳ぐるみピス
トンを製作した。

（実施例２） 第４図は、本発明に係るセラミックス鋳ぐるみピストン
の他の実施例を示す概略断面図である。

実施例２で示したように、金属製円環を窒化珪素製クラ
ウン１に摩擦圧接後、円環加工するに当って、そのピス
トン軸方向長さを、図においてトップリング溝位置より
も１〜３mm程度下になるように環状部材３を加工した。
次に、環状部材３の表面処理は行わず、実施例２と同様
の方法で窒化珪素製クラウン１をアルミニウム合金で鋳
ぐるんだ後、仕上げ加工において、摩擦圧接してなる環
状部材３にトップリング溝１０を加工した。

このように、環状部材３自体にトップリング溝１０を加
工すると、燃焼ガスはトップリングによりシールされる
ので、環状部材３とアルミニウム合金２が接合している
必要はなく、環状部材３の表面処理工程が削減でき、従
って、セラミックス鋳ぐるみピストンの製造コストの低
減を図ることができる。

［発明の効果］ 以上のことから明らかなように、本発明によれば、次の
効果が奏せられる。

請求項１記載のピストンは、ピストン本体と外周部に鍔
を有する頂板との境界外周部のトップランド近傍に、摩
擦圧接により頂板に接合された金属製環状部材を設けて
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。

請求項２記載のピストンでは、上記請求項１記載のピス
トンにおいて金属製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、金属製環状部材の外側周にトップ
リング溝を設けたので、燃焼ガスはトップリングによっ
てシールされることになり、環状部材とアルミニウム合
金が接合している必要はなく、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る。さら
に、セラミックスと環状部材の接合部はアルミニウム合
金ピストンの熱変形による影響を受けないので、接合部
の信頼性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のセラミッ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図及び第３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、第４
図は本発明に係るセラミックス鋳ぐるみピストンの他の
実施例を示す概略断面図である。 １…セラミックス製クラウン、２…ピストン本体、３…
環状部材、４…凸部、５…トップランド、６…窒化珪素
製クラウン、７…チタン製円環、７′…環状部材、８…
鋳型、９…中子。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミックス製部材からなり外周部に鍔を
   有す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ックス鋳ぐるみピストンに
   おいて、該ピストン本体と頂板との境界外周部のトップ
   ランド近傍に、摩擦圧接により頂板に接合された金属製
   環状部材を設けることにより、金属製環状部材を介して
   セラミックス製部材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、且つ金属製環状部材とセラミック
   ス製部材、及びピストン本体との各々の接合面がシール
   されてなることを特徴とするセラミックス鋳ぐるみピス
   トン。
2. 【請求項２】金属製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、該金属製環状部材の外側周にトッ
   プリング溝を設けた請求項１記載のピストン。