JPS58180751A - 内燃機関用ピストンおよびその製造方法 - 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】 本発明は内燃機関用ピストンおよびその製造方法に係り
、特に金属から成るピストン本体の頂部にセラミック溶
射層を形成して成るピストンおよびその製造方法に関す
る。

内燃機関用ピストンの燃焼室に臨む頂部の近傍は、爆発
に伴う圧力と熱とを直接受けるために、機械的応力およ
び熱的応力が複合されて負荷されることになる。これら
の応力の内、熱的応力については、高温に長時間さらさ
れることによる熱的負荷、爆発時と吸気時におけるピス
トン頂部近傍の表面での加熱および冷却に伴う熱的疲労
、およびエンジンの運転時と停止時における加熱および
冷却に伴う熱的疲労がある。さらにディーゼルエンジン
用ピストンにおいては、低質燃料が使用されるために、
燃焼室での燃焼により生成される腐蝕性燃焼生成物によ
ってもたらされる腐蝕をも考慮しなければならない。こ
のように、内燃機関用ピストンは高温強度、耐熱性およ
び耐蝕性に優れたものでなければならない。

このような条件を満たす材料としてセラミックが有望で
あり、ピストンの頂部をセラミックによって構成したも
のが提案されている。このようなピストンは耐熱性およ
び耐蝕性の点で従来のピストンに対して大きな優位性を
示すものである。ところで金属から成るピストン本体の
頂部にセラミックを複合させる方法には、ピストンの頂
部をセラミック構成体によってつくり、このセラミック
構成体を鋳造による鋳込み等の方法によってピストン本
体に結合する方法、ボルト等の結合手段によってセラミ
ック構成体をピストン本体に結合する方法、および金属
から成るピストン本体の頂部に溶射によってセラミック
層を形成する方法がある。本発明はこれらの内、ピスト
ン頂部をセラミック溶射層によって被覆したピストンお
よびその製造方法に係るものである。

従来より行なわれている内燃機関のピストンの頂部にセ
ラミックを溶射する方法においては、金属製のピストン
の頂部表面にあらかじめスチールグリッドでプラストし
て可及的に荒い凹凸の表面状態としていた。これはピス
トン頂部に形成されるセラミック溶射層とピストン本体
を構成する金属との結合が、ケミカルボンドではなくメ
カニカルボンドだからである。しかし上記のような凹凸
によるセラミック層とピストン本体との結合は十分な強
度をもたらすものではなかった。すなわち従来のセラミ
ック溶射被覆型のピストンの最大の問題点は、セラミッ
ク溶射層とピストン本体との熱膨張係数に差があるため
に、高温で運転している際にセラミック溶射層と金属素
地との間に＾い歪応力が発生していた。この応力の一部
はセラミック溶射層中に存在する気孔によっである程度
は吸収されるが、セラミック溶射層とピストン本体との
結合を確実に保証するものではなく、セラミック溶射層
がやがて剥離あるいは亀裂暴こ至るという欠陥があった
。

このような問題点を解決するために、ピストン本体を構
成する金属素地の表面に密着性の良い金属を薄く溶射し
て下地層を形成し、この下地層の上にセラミックを溶射
する試みがなされていた。

また上記下地層の上にさらにセラミックと金属との複合
材を溶射していわゆる中間層を形成し、この中間層の上
にさらにセラミックを溶射するという方法が行なわれて
いた。しかしながらこのような対策によっても高温作動
時におけるセラミック溶射被接層の剥離や亀裂発生の防
止は十分には達成されず、セラミック溶射層とピストン
本体との間の結合強度も十分ではない。またこのような
対策によれば異種材料の溶射層を複数回形成する必要が
あり、このために工程数が多くなるという欠点を生ずる
とともに、コスト的にも不利なものになる。

本発明はこのような問題点に鑑みてなさイアたものであ
って、金属から成るピストン本体の頂部にセラミック溶
射層を形成するとともに、このセラミック溶射層とピス
トン本体とが強固に結合された内燃機関用ピストンおよ
びその製造方法を提供することを目的とするものである
。そして本発明はこの目的を達成するために、特にピス
トン本体の頂部に形成されるセラミック溶射層とピスト
ン本体との強固な結合を図るために、両者の間に多孔質
の金属成形体を介在させている。従ってこの金属成形体
の気孔部にピストン本体を構成する金属の少なくとも一
部と、セラミック溶射層を形成するセラミックの少なく
とも一部かそれぞれ充填され、セラミック溶射層がピス
トン本体に強固に結合されるようになっていることに大
きな特徴を肩するものである。

本発明において用いられる金属成形体は、その気孔部に
ピストン本体を構成する金属と、セラミック溶射層を構
成するセラミックとがそれぞれ充填されるものであるか
ら、所定の範囲の気孔率を有するものであることが好ま
しい。また一般にセラミック溶射層を厚くする場合には
、金属成形体の気孔率を大きくする必要がある。本発明
における金属成形体は一般に３０価から９０％の気孔率
を有するものが好ましく、＜ｓ％から６５％の気孔率を
有するものがさらに好ましい。

このような多孔質の金属成形体は、例えば５から５０μ
の太さの鉄基合金あるいは銅基合金等の金属繊維から成
る成形体が用いられてよい。このような金属繊維はその
所定量が金属繊維集合体となされ、これを所定の形状に
成形したものであってよい。なお上記金属繊維はこれら
を単ζこ機械的に結合して繊維塊としたものであっても
よいが、その強度を改善させるには、焼結によって金属
繊維の交錯する部分を互いに点溶接することによりスポ
ットウェルディング効果を生ずるようにした方がより好
ましい。このような金属繊維集合体は、所定の形状に成
形され、これによって多孔質の金属成形体が得られるこ
とになる。

このような金属成形体の燃焼室側の表面には、セラミッ
ク溶射層が形成される。ここで用いられるセラミックと
しては、安定化あるいは部分安定化ジルコニア（酸化カ
ルシウムあるいは酸化イツトリウムで安定化あるいは部
分安定化処理を施したジルコニア）やアルミナ等の醸化
物事セラミック、あるいはタングステンカーバイド等の
非酸化物糸セラミック物が用いられる。そしてこれらの
セラミックは金属成形体の表向にプラズマ溶射等の方法
によって溶射され、これによってセラミック溶射層が形
成さｔする。

なおここでセラミックとして安定化ジルコニアを用いる
と、アルミニウム合金から成るピストン本体との間に強
固な結合力が得られ、剥離あるいは亀裂をより確実に防
止することができる。これは安定化ジルコニアの熱膨張
係数が約１０　Ｘ　１０　／’Ｃであって他のセラミッ
ク材料の熱膨張係数の約２倍であり、２０Ｘ１０／’Ｃ
のアルミ合金と比較的良くマツチングすることによる。

またこの安定化ジルコニアは他のセラミックと比較して
ｈ性が高いために、このことによっても損傷しにくいセ
ラミック溶射層をピストン本体の頂部に形成することが
可能になる。

このセラミック溶射工程で、上記多孔質の金属成形体の
燃焼室側の表面の気孔部がセラミックによって充填され
、約０１１〜３ｒｔｍの厚さのセラミ　　　　−ツク溶
射層が形感される。このセラミ゛ンク溶射層の厚さは任
意に変更可能であるが、セラミ゛ンク溶射層の厚さを約
１ｍｍとする場合には、多孔質全域成形体の気孔率を５
０−程度としておけはよＧ）。

またセラミック溶射層の厚さをさらに厚くする場合には
、金属成形体の気孔率をさらに高め、これによって溶射
時においてセラミックが気孔部番こ十芥に充填されるよ
うにしておくことが望ましＧ）。

このようにして得られたセラミック溶射層は、その全部
または一部が多孔質の金属成形体により複合強化される
ことになる。すなわち金属繊維集合体等から成る金属成
形体が、セラミック溶射層の補強材あるいは骨材として
機能することになる。

次にセラミック溶射層をその一方の表面に有する上記多
孔質の金属成形体の残りの気孔部遥こは、ピストン本体
を構成する金属が充填されること番こなる。すなわち上
記多孔質の金属成形体を介して、セラミック溶射層とピ
ストン本体を構成する金属とが結合されるとともに、金
属成形体の上記セラミック溶射鳩とは反対餞の面にはピ
ストン本体カ形成されることになる。

このピストン本体を形成する場合には、セラミック溶射
層が下側に配されるように上記金Ｊｋ＆形体を円筒状を
なす鋳型内に配し、この鋳型内にピストン本体を構成す
る金属の溶融体を所定量供給する。そしてその彼に直ち
にパンチ型を下降させ、好ましくは加圧下で上記金属の
溶融体を上記金属成形体の残りの気孔部に完全に充填さ
せる。そしてこの後に溶融金属体を凝固させてピストン
本体を形成する。従って上記パンチ型はピストン本体を
成形する雄型をなすものである。

本発明に係るピストンによれば、金属縁線集合体等から
成る多孔質の金属成形体を介して、セラミック溶射層と
ピストン本体を構成する金属素地とが結合されているた
めに、セラミックと金属素地との間に熱膨張係数に差が
あっても、セラミック溶射層が亀裂あるいは剥離を生ず
ることが少なくなり、またセラミック溶射層のピストン
本体に対する結合強度が非常に高くなる。またセラミッ
ク溶射層とピストン本体との結合部においては、多孔質
の金属成形体が補強材として機能しているために、従来
量も弱いとされていた両者の接合部の強度が非常に高く
なる。

またセラミックは耐熱性とともに断熱性を有しているた
め！ン、本発明によって得られるピストンは断熱性を有
することになる。従って本発明に係るピストンを用いる
ことにより燃焼温度を高くすることが可能になる。この
ために内燃機関の効率を高くすることができるとともに
、液化石炭等のセタン指数の低い低質燃料の使用も可能
になる。

またこのピストンが断熱性を有することから、ピストン
本体への熱の侵入が少なくなるために、ピストン本体を
より少量のオイルにより冷却することが可能になり、あ
るいは冷却を簡素化し、または冷却オイルの使用量を少
なくすることができる。

従って冷却オイルのオイルクーラの容量を小さくするこ
とも可能になる。

以下本発明を図示の一実施例につき説明する。

第１図に示すよう番こまず円盤状をなす多孔質の金属成
形体１を用意する。この金属成形体１は、例えば繊維の
太さが約１００μのステンレス鋼から成り、これを所定
の形状に成形するとともに、焼結により繊維と繊維の交
錯する部分を点接させたものである。そしてこの金属成
形体１は、例えばその直径が１１０ｒｍ′１、高さが５
ｒ１１１１、気孔率が約ω優になされている。またこの
金属成形体１のほぼ中央部には第１図および第２図に示
すように燃焼室を構成する凹部２が形成されている。こ
のような金属成形体１の上面に、第３図に示すようにプ
ラズマガン３によって、酸化カルシウムを約７−添加し
た安定化ジルコニアの粉末（粒子径約１μ）を溶射する
。これによって金属成形体１の表面に約１．５ｒｒｔｎ
の厚さのセラミック溶射層４を形成する。

このようにしてセラミック溶射層４が形成された金属成
形体ｌは、第４図に示すように円筒状の金型５内に配さ
れる。金型５の底部は底型６によって閉塞されており、
しかも底型６には上記凹部２と嵌合される凸部７が形成
されている。ここで注意しなくてはいけないのは、セラ
ミック溶射層４が下側となるように、すなわち底型６と
接触するように金型５内に配されることである。またこ
の金型５の内径は、上記金属成形体１の直径と同じ寸法
であるｌ　ｌ　Ｑｍｍに構成されていＬｏこのように金
型５内に金属成形体１を配した後に、アルミニウム合金
（ＪＩＳ−ＡＣｇＡ）の７５０°Ｃの溶融金属を上記金
型５内に上方から所定量注入する。そして第４図および
第５図に示すように、ピストンの雄型を構成するパンチ
型８を上方°より下降させて、溶融するアルミニウム合
金に約５００Ｋｇ／ｃｍの圧力を加え、このアルミニウ
ム合金を上記金属成形体１の残りの気孔部に充填する。

そしてパンチ型８により圧力を加えたままで、上記アル
ミニウム合金を凝固させてピストン本体９を形成する。

このようにして形成されたピストンは第６図および第７
−に示すように、アルミニウム合金から成るピストン本
体９の上部に、セラミック溶射層４が形成されており、
しかもセラミック溶射層４とピストン本体９とは多孔質
の金属成形体１によつて結合されている。すなわち特に
第７図に示すように金属成形体１の気孔部の内、上側の
部分にはセラミック溶射層４がくい込むように結合され
ており、また金属成形体１の残りの気孔部にはピストン
本体９を構成する金属がくい込むように結合されている
。従ってセラミック溶射層４がピストン本体９から剥離
したり、あるいは亀裂を生じたりすることが防止される
ことが容易に理解される。

このようにして得られたピストンの頂部に、酸Ｘ＝７’
ロパンガスの燃焼炎をあてて、このピストン本体を約６
０００Ｃに加熱し、次いで水を噴射して約５０００にま
で急冷するという比較的苛酷な熱衝撃を繰り返して与え
てみたところ、本実施例１こ係るピストンは１０００回
の熱サイクルでも亀裂や剥離等の異常が認められなかっ
た。ちなみにアルミニウム合金から成るピストン本体の
頂部に単にプラズマ溶射によってセラミック溶射層を形
成してなる従来のピストンにおいては、上記と同じ条件
で熱衝撃を加えたところ約１００回の熱サイクルで亀裂
が発生し始めた。従って本実施例に係るピストンは従来
のピストンに比べてはるかに優れた耐熱特性を有してい
ることが明らかになった。

【図面の簡単な説明】

第一１図は本発明の一実施例に係るピストンに用いられ
る金属成形体の斜視図、第２図は同断面図、第３図はプ
ラズマ溶射を行なっている状態の同断−面図、第４図は
ピストン本体を成形する金型の縦断面図、第５図はピス
トン本体を成形する状態を示す金型の縦断面図、第６図
はこの実施例に係るピストンの縦断面図、第７図は同要
部拡大断面図である。 なお図面に用いた符号において、 １・・・・・・・・・金属成形体 ４・・・・・・・・セラミック溶射層 ５・・・・・・・・・円筒状の金型 ８・・・・・・・・・パンチ型 ９・・・・・−・−・　ピストン本体 である。 代理人　　松　村　　　修 ３０７− ６　４　　　　　ど （自発）手続補正書 １．事件の表示 昭和５７年特許願第６２９５９号 ２、発明の名称 内燃機関用ピストンおよびその製造方法６、　補正をす
る者 事件との関係　　特許出願人 埼玉県川越市大字大中居６２０番地 泉自動車工業株式会社 ４、代理人 〒１６０　　東京都新宿区西新宿７の１８の１８゜新宿
税理士ビル　４０２号。 明細書の１発明の詳細な説明」の欄 ６、　補正の内容 １１）　　明細書第９頁第１３行目「アルミ合金」を「
アルミニウム合金」と補正する。 （２）同１３頁第１４目「０１１」を「０．１」と補正
する。 （３）同１３頁第１４行目［１，５ｍ　ｍ　ｊを１”’
１．５ｍｍＪと補正する。 以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　金属から成るピストン本体の頂部にセラミック溶射
   層を形成して成るピストンにおいて、前記ピストン本体
   と前記セラミック溶射層との間に多孔質の金属゛成形体
   が介在されるとともに、この金属成形体の気孔部に前記
   ピストン本体を構成する金属の少なくとも一部と前記セ
   ラミック溶射層を構成するセラミックの少なくとも一部
   とがそれぞれ充填され、これによって前記セラミック溶
   射層が前記ピストン本体に結合されるようにしたことを
   特徴とする内燃機関用ピストン。 ２　前記多孔質の金属成形体が金属繊維集合体から構成
   されることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   内燃機関用ピストン。 ３　前記ピストン本体がアルミニウム合金から構成され
   るとともに、前記溶射層を構成するセラミックが安定化
   ジルコニアから成ることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項または第２項に記載の内燃機関用ピストン。 ４　金属から成るピストン本体の頂部にセラミック溶射
   層を形成するようにしたピストンの製造方法において、
   前記セラミック溶射層を構成するセラミックの少なくと
   も一部が多孔質の金属成形体の気孔部に充填されるよう
   にこの金属成形体の頂部側表面にセラミックを溶射し、
   次いでセラミック溶射層が形成された金属成形体の頂部
   匈を下にしてこの成形体を鋳屋内に配し、溶融された金
   属を注入固化してピストン本体を形成するとともに、こ
   の金属の少なくとも一部が前記金属成形体の気孔部に充
   填されるようにし、これによって前記セラミック溶射層
   を前記ピストン本体に結合するようにしたことを特徴と
   する内燃機関用ピストンの製造方法。 ５７前記セラミック溶射層がプラズマ溶射によって形成
   されるようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第４
   項に記載の内燃機関用ピストンの製造方法。 ６　前記ピストン本体が加圧鋳造によって成形されるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第４項または第５項に記
   載の内燃機関用ピストンの製造方法。