JPS58192949A - 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】 本発明は内燃機関に用いられるピストンおよびその製造
方法に係９、特に耐熱性および断熱性に優れた内燃機関
用ピストンおよびその製造方法に関するものである。

内燃機関のシリンダ内に配され、その出力を取出すよう
Ｋなっているピストンは、その頂面において局部的に高
い熱応力を受ける。従ってピストンをアルミニウムある
いはアルミニウム合金によって形成した場合には、上記
局部的な高い熱応力（よってピストンの頂直に亀裂が発
生し、これがピスト／の寿命、ひいてはエンジンの性能
および寿命に影響を及ぼすことになる。例えば副室型デ
ィーゼル機関においては、副室から吹出される高温の燃
焼ガスが直接当たる部分に亀甲状の亀裂が発生する。ま
た直噴型ディーゼル機関においては、局部的に加熱され
るピストン頂部の燃焼室の周縁部に亀裂が発生する。こ
のよ５な亀裂を防止するために、従来よりピストンの構
造や形状あるいは材料面からの種々の対策がなされてい
た。

すなわち例えばピストンの頂面を局部的に陽極酸化する
ことにより、頂面に４０〜１１０ｓの厚さのアルマイト
層を形成することが行なわれており、これによってピス
トンの頂部が熱応力によって亀裂を生じることを防止す
るようにしていた。

しかしながらこのような対策によっても、エンジンの熱
負荷が著しく高くなった場合や、ピストンの頂面にシャ
ープエツジを形成せざるを得ない場合には、この部分か
ら亀裂が発生するのを防止することができなかった。ま
た同時にピストンの温度が上昇し、ピストンリングの膠
着のような問題も生じていた。燃焼爆発によって′ピス
トンの温度が上昇することに対しては、ピストン頭部の
内側方法が実用化されている。しかしこの方法によって
もピストンの頂面に生ずる熱亀裂を完全に防止すること
ができず、むしろ潤滑油の劣化が促進されるという問題
点があった。

一方内燃機関の燃焼室を断熱化し、燃料消費を改善する
方法が研究されており、この目的のためにピストンにつ
いてはその全体をセラミックで形成することが提案され
ている。しかしセラミックの機械的な強度に対する信頼
性の低さおよびコストの点で高価であるという理由から
、全体をセラミックにすることは問題がある。そこでピ
ストンの頂部側のみをセラミックにしようとすると、こ
のセラミック製の頂部とピストンの本体部との結合が困
難になるという問題が表面化する。これは　□頂部を構
成するセラミックとピストン本体を構成する金属との熱
膨張率の差によって接合部に高い歪応力が発生するから
である。すなわちピストンの全体あるいは一部をセラミ
ック化するようにしたピストンはまだ実用の段階には至
っていない。

アルミニウムあるいはアルミニウム合金から成るピスト
ンの断熱性を高める別の方法は、断熱性を有するセラミ
ックをピストンの頂面に溶射することである。この場合
においてセラミックの溶射層の厚みを厚くすれば、これ
に伴ってピストン頂部が断熱化されることになり、アル
ミニウムあるいはアルミニウム合金から成るビストノに
断熱性を付与することができる。ところがこの場合にお
いても溶射層を構成するセラミックと、ピストン本体を
構成するアルミニウムあるいはアルミニウム合金との間
の熱膨張係数の差が大きいために、ピストン頂部を別部
材から成るセラミックで形成し、た場合と同様に、セラ
ミック溶射層が剥離し易いという問題点を生ずる。この
溶射層の結合強度を高めるために、あらかじめピストン
の頂面をショツトブラストで荒くシ、セラミック溶射層
とピストン本体のアルミニウム母材との機械的な接合強
度を高める等の対策がなされているが、大きな効果は得
られていない。またピストンの頂面（溶射層を形成する
前（、あらかじめ中間層をピストンの頂ｓＫ設けておき
、この中間層の上にセラミックを溶射することにより、
セラミックとアルミニウムとの熱膨張率の差による歪応
力を緩和させて、セラミック溶射層の結合強度を向上さ
せる工夫がなされている。しかしこのようにして得られ
る結合強度は決して十分なものではな（、中間層とピス
トン本体の関に特に剥離が生じ易いという欠点を有して
いる。

本発明はこのような問題点（鑑みてなされたものであっ
て、ピストンの頂面に発生し扁い熱亀裂を効果的（防止
するとともに、エンジンの性簿を向上する場合において
要求されるピストン頂面の断熱性を高めるようＫ【また
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。

このような目的を達成するために、本発明においては、
アルミニウムまたはアルミニウム合金から成るピストン
の頂部側にまずアルマイト層全形成し、ついでこのアル
マイト層の表ｉＩＫセラミック層を形成するよ５Ｋして
いる。第１のアルマイト層に、例えば陽極酸化の方法に
よってアルミニウムあるいはアルミニウム合金から成る
ピストン本体の頂面側を局部的（酸化することによって
得られ、所定の厚さのアルマイト層をピストン本体の頂
面側に一体に形成するものである。１走ａ！２のセラミ
ック溶射層は、例えばプラズマ溶射によって各種のセラ
ミック材料を溶射して得られるものであって、所定の厚
さのセラミック溶射層を上記アルマイト層の上に形成す
るものである。

本発明においてピスト７（ｔ）ＴＲＷｉ側に形成される
アルマイト層は、好ましくａ２０μ以上であって２５０
μ以下であることが好ましい。すなわち２０μ以下のア
ルマイト層の場合には、耐熱亀裂性があまり改善されず
、さらにセラミック層の密着性が低下することになる。

またアルマイト層は２５０μ以上の厚さとすることが比
較的困難であり、従って２５０μ程度を上限とすると技
術的に容易にアルマイト層を形成することができる。次
にセラミック溶射層は、その厚さがあまり薄くなると断
熱性の改善が十分でな（、従って２０μ以上とすること
が好ましい。またセラミック層はその厚さがあまり厚く
なるとアルマイト層との間で剥離が生じ易くなるために
、３關以下にすることが好ましい。

そして上記アルマイト層およびセラミック層の厚さにつ
いてに、そのピストンに要求される耐熱亀裂性および断
熱性に厄じてその値を上記の範囲内で自由に変更するこ
とができる。耐熱亀裂性に対しては、例えば２０〜９０
μのアルマイト層の上に、２０〜７０μの程度のセラミ
ック溶射層を形成するととくよって、アルマイト層のみ
をピストン頂部に形成したピストンに比べて著しく耐熱
亀裂性を改善でき、従ってそれ以上アルマイト層および
セラミック溶射層の厚さを厚くする必要はない。しかし
ながら耐熱亀裂性を損なわずに断熱性をさらに高めたい
場合には、さらにアルマイト層およびセラミック層の厚
みを大きくすればよい。

ただしアルマイト層についてＦ１２５０μ以上の厚さに
すると技術的に困難性を伴うために、アルごイト層につ
いては２５０μ程度に留め、セラミック層をより厚（す
ることにより断熱性を高めることが可能になる。

本発明におけるアルマイト層の形ＦＩＬｈ、一般には陽
極酸化によって形成することが好ましい。この場合ＶＣ
はアルミニウムあるいはアルミニウム合金から成るピス
トンを硫酸浴中に浸漬するとともに、このピストンを陽
極として直流電＃Ｌを供給することにより、ピストンの
頂面側を酸化するものである。１次このアルマイト層の
上に形成されるセラミックの材＠は、アルミナ、ジルコ
ニア等の酸化物系セラミックばか９でな（、非酸化物系
セラミックであってもよく、溶射可能なセラミックであ
ればその材′ｐＰｒｉ問わ娼〜九だしセラミックとして
アルミナ系のセラミックを用いると、セラミック溶射層
とアルマイト層との化学的な組成が同じＡｉｔ　Ｏ＋＋
となるために、両者間の親和性が高く１［るとともに、
セラミック層とアルマイト層との間の熱応力による歪が
なくなって極めて高い接合強度が得られること（なる。

本発明によって得られるピストン（おいては。

セラミック層とアルミニウムあるいけアルミニウム合金
から成るピストンとの接合が中間のアルマイト層を介し
てなされており、Ｌ７かもこのアルマイト層はピストン
本体の母材を酸化して一体に形成したものであるから、
アルミニウム母材とアルマイト層との結合強度が非常（
高くなり、剥離が生じることがなくなる。またセラミッ
ク層とアルマイト層との結合強度本、アルマイト層の表
面のミクａな活性化され良凹凸の存在によって、極めて
高いために、セラミック層およびアルマイト層はピスト
ン本体から分離することがなく、結合強度の高いピスト
ンを得ることが可能になる。また本発明においては、ア
ルマイト層の上にセラミック層を形成するようにしてい
るために、特にこのセラミック層によって高い耐熱′亀
裂性をピストンに付与することが可能になる。また本発
明によるピストンにおいては、熱亀裂に対する抵抗性を
著しく高めることができるばかジでなく、セラミツりか
Ｉ−１なる厚い断熱層が剥離の心配なく形成できるため
に、ピストンの断熱化を図ることが可能になる。従って
このピストンを用いて断熱性を高めだエンジンを構成す
ることにより、燃費の低減を図ることが可能になる。ま
たピストンの断熱化はその頂部に形成されたセラミック
層によって達成されているために、コスト的にも有利な
断熱ピストンおよびそのＮ遣方法を提供することが可能
になる。

以下不発明を実施例につき説明する。

実施例１ １ずビストノ用アルミニウム合金（ＪＩＳ−人Ｃ８人）
で第１図に示すようなピストン本体１を鋳潰して成形し
た。そしてこのピストン本体１を０°０．２０チの硫酸
浴中に浸漬し、このピストン本体全電源の陽極側に接続
し、て電流密度５＾／ｄｍ２の直ｉ電流を６０分間通し
、ピストン本体の頂面側を陽極酸化処理した。これによ
って表面にミクロな凹凸を有する活性化された約９０μ
の厚みのアルマイト層２を形成した。さらにこのアルマ
イト層２の凹凸を有する表面に、プラズマ溶射によって
アルミナを溶射し、約４０岸のセラミック層３を形成し
た。このようにして耐熱亀裂性および断熱性に優れたピ
ストンを得るようにした。

このようなピストンの耐熱亀裂性および断熱性に属する
確認を行なうために、第２図に示すテストピース４の頂
部Ｋ、上記実施例と同様の方法によって、それぞれアル
マイト層２とセラミック層３とを形成し友。同時に比較
のために、アルマイト層２およびセラミック層３を形成
せずにテストピースのそのままの状態のもの、およびこ
のテストピース４にアルマイト層２のみを形成したもの
を用意した。そしてこれらの３種類のテストピースにつ
いて、８３図に示すような温度分布をもつ加熱冷却を繰
返す試験を行ない、エンジン内での加熱冷却条件をシュ
ミレートしてみた。なお第３図における断面方向の熱勾
配については、同図において実線で示すように、燃焼室
５の周縁′ｉｌＫお　。

ける温度が最も高くなるようにするとともに、その温度
を約４００℃とし、ｉた外周側に行くに従つて次第に温
度が低くなるようにしている。またこの熱サイクルの低
温側においては、同図において点線で示すように、その
断面方向の全体がほぼ１３０℃程度となるようにしてい
る。

第４図はこのような熱サイクルを繰返すことによって亀
裂が生ずるかどうかを確認する試験を行なった結果であ
って、同図においてＸ印を結んだＩＩｉ！はテストピー
ス４にアルマイト層２およびセラミック層３を共（形成
せず（そのままの状態にして上記熱サイクルを加えた時
の亀裂の発生個数を示している。また同図においてΔ印
を結んだｌｉｌは。

テストピース４にアルマイト層２のみを形成し九ものの
結果である。また同図において○印倉結んだａｍｔｌ、
テストピース４にアルマイト層２とセラミック層３とを
それぞれ形成したものの結果である。この結果から明ら
かなよ５に一テストピースそのままのものよりもアルマ
イト層２を形成し友ものの方がより耐熱亀裂性が向上し
、さらにセラミック層３をその上に形成したものはより
一層耐熱亀裂性が向上していることが明確になった。

実施例２ 上記第１の実施例と同様にして形成されたピストン本体
を、硫酸１５慢、蓚酸３チの電解液中に浸漬し、これに
よって約１５０μの厚さのアルマイト層をピストンの頂
部に形成した。次いで７％の酸化カルシウムを含む震化
ジルコニウム（ＺｒＯｉ）をプラズマ溶射し、上記アル
マイト層の表面に約２５０μのセラミック層を形成した
。このようなピストンについて、同じくテストピースを
作って上記第１の実施例と同様の熱亀裂試験を行なった
ところ、第４図に示す結果とほぼ同様の結果が得られ、
耐熱亀裂性に優れるとともに、セラミック層の剥離がな
いことが確認された。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係るピストンの縦断面
図、第２図はこの実施例に係るピストンの耐熱亀裂性を
試験するためのテストピースの縦断ｉ図、第３図はこの
テストピースに加えられる熱サイクルの温度分布を示す
グラフ、第４図に上記テストピースによって本実施例に
係るピストンの耐熱電装性を確認する試験を行なった結
果を示すグラフである。 なお図面に用い九符号Ｋかいて。 ｌ・・・・・・・・−ピストン本体 ２・・・・・・・・・アルマイト層 ３・−・・・・・−・セラミック層 である。 代理人　　松　村　　　修 第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　アルミニウムまたはアルミニウム合金から成るピ
   ストンにおいて、その頂面側に形成されたアルマイト層
   と、このアルマイト層の表面に形成されたセラミック層
   とをそれぞれ具備することを特徴とするピストン。 ２、　　＄１１記アルマイト層が２０〜２５０μの厚み
   を有するとともに、前記セラミック層が２０μ〜３鵡の
   厚みを有することを特徴とする特許請求の範囲第１＠に
   記載のピストン。 ３、　前記セラミック層が酸化物系セラミックから成る
   ことを特徴とする特許請求の範囲８１項または！＠２項
   に記載のピストン。 ４、　　＠配置化物系セラミックがアルミナ系セラミッ
   クから成ることを特徴とする特許請求の範囲第３項に記
   載のピストン。 ５、　アルミニウムま九はアルミニウム合金によってピ
   ストンを形成し、このピストンの頂面−を酸化させてア
   ルマイト層を形成し、さらにこのアルマイト層の表面（
   セラミック層を形成することを特徴とするピストンの製
   造方法。 ６、＃Ｉ記アルマイト層を陽極醸化の方法によって形成
   するとともに、前記セラミック層をプラズマ溶射によっ
   て形成するようにしたことを特徴とする特許請求の範囲
   第５項に記載のピストンの製造方法。