JPS59155551A - セラミツクス組込型エンジンピストン及びその製造方法 - Google Patents

セラミツクス組込型エンジンピストン及びその製造方法

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JPS59155551A
JPS59155551A JP2921183A JP2921183A JPS59155551A JP S59155551 A JPS59155551 A JP S59155551A JP 2921183 A JP2921183 A JP 2921183A JP 2921183 A JP2921183 A JP 2921183A JP S59155551 A JPS59155551 A JP S59155551A
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JP
Japan
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piston
top plate
zirconia
silicon nitride
molded member
Prior art date
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Pending
Application number
JP2921183A
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English (en)
Inventor
Hiroichi Yamamoto
博一 山本
Keiichi Iwamoto
啓一 岩本
Takashi Oguro
大黒 貴
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Filing date
Publication date
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Publication of JPS59155551A publication Critical patent/JPS59155551A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F7/00Casings, e.g. crankcases or frames
    • F02F7/0085Materials for constructing engines or their parts
    • F02F7/0087Ceramic materials
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00Metals
    • F05C2201/02Light metals
    • F05C2201/021Aluminium
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2203/00Non-metallic inorganic materials
    • F05C2203/08Ceramics; Oxides
    • F05C2203/0865Oxide ceramics
    • F05C2203/0891Zinc oxide

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

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、低コストで、十分なエンジン性能全有するセ
ラミックス組込型エンジンピストンと、その製造方法に
関するものである。
従来、全体をアルミ合金で製作したピストンが実用され
ているが、アルミ合金の融点は600〜700℃と低い
ため、高温にさらされるピストン頂部までアルミ合金と
するのは好ましくない。また、アルミ合金は熱伝導率が
大きいため、熱損失が多くなる欠点があった。
さらK、オイルショック以降、省資源・省エネルギーが
叫ばれ、エンジンの低燃費化がせまられている。低燃費
化への対応の手段として、断熱エンジンの研究がさかん
に行なわれている。
断熱エンジンは、燃焼南回わl−断熱化して燃焼温度を
上昇させ、排気ガスからエネルギーを回収して冷却損失
を減らし、熱効率をアップさせようというものである。
従って、この断腸エンジンには、燃焼南回わシに高温に
耐え、断熱性を有するセラミックス全利用する必要があ
る。
従来も、ピストン頂部の溶融を防ぎ、かつピストン頂部
から熱會逃げ難くするため、ピストンの頂部にセラミッ
クスの頂板をネジ止めしたり、鋳包みしたものが提案さ
れている。しかし、ネジ止めしたものはネジが緩む欠点
がある。
また、このセラミックス頂板は、高温下にさらされるた
め、耐熱性に優れ、高温強度も高く、熱衝撃抵抗にも優
れたシリコンナイトライド(81sN< ) (第1図
参照)を用いることが一般的である。しかし、第1表に
示すように、シリコンナイトライドの熱伝導率は0.0
46 calA−m・sec・℃とSU8504の0.
059 cal/cm−see・r: トホIY同程度
丁あり、断熱性に富むとは言えない。このため、十分な
断熱性金得るには、ピストン頂板の厚みが厚くなシ、コ
スト的に不利である。
これに対し、断熱性に富むジルコニアZrO,は、熱伝
導率0.0o6cavcrn・sec・℃で、ピストン
頂板の厚みを薄くすることが可能である。しかし、ジル
コニアは第1図に示すように、5oo℃以上の温度で強
度が極端に低下するため、強度の面からピスト/頂板の
厚みを厚くするなどの制限?受け、十分なコ2ト低下′
(l!−はかれない上K、ジルコニアは比重が6程度と
アルミ合金の2倍もあり、重量増加の原因となる。
本発明は、従来からあるセラミックス利用のピストンの
欠点を改善するために、高強度、断熱性、耐熱衝撃性に
優れたシリコンナイトライドと、断熱性に優れたジルコ
ニアとを組合せたピストン頂板音用いることによシ、コ
’xトも安く、十分なエンジンを有するセラミックス組
込型エンジンピストンと、その製造方法を提供するもの
である。
すガわち本発明は、 (1)  シリコンナイトライド製ピストン頂板とアル
ミニウム合金製ピストン本体とをジルコニア製グレート
を介して結合してなるセラミックス組込型エンジンピス
トン、 (2)  シリコンナイトライド製ピストン頂板とアル
ミニウム合金製ピストン本体とを結合するに際し、前記
頂板の前記本体との結合面側にジルコニア材?溶射又は
機械的涙金によりプレート状に設け、次いで前記頂板に
前記本体會鋳包み又は焼嵌めにより結合することを特徴
とするセラミックス組込型エンジンピストンの製造方法 に関するものである。
第2〜4図は本発明のシリコンナイトライド製ピストン
頂板とジルコニア製プレートとの接合態様例を示す図で
ある。
第2図は、シリコンナイトライド製のピストン頂板1の
下部の凹部2にジルコニア製プレート5をはめ込む例で
ある。この例ではシリコンナイトライド製のピストン頂
板1とジルコニア製グレート5は全く接合されていない
が、後にアルミ合金で鋳ぐるむか、アルミ合金製ピスト
ン本体全焼嵌めするので、落下することはない。
また、ジルコニア製グレート5は単に断熱効果をもたせ
る目的で用い、強度面はシリコンナイトライド製のピス
トン頂板IKも、几せるので、両者が強固に接合してい
る必要は全くない。
第3図は、シリコンナイトライド製のピストン頂板+1
の下部にジルコニアの溶射層17をもうける例である。
この例もジルコニアの溶射層17は断熱効果をもたせる
ためだけのものであるので、特別な多層コーティング等
を行う必要はない。以下、との溶射層を、便宜上、ジル
コニア製プレートと称す。
第4図に示すものは、まずシリコンナイトライド卿のピ
ストン頂板21を作る。このピストン頂板21の下部に
は凸部23をもうけておく。
一方、ジルコニア製の成形体24を一般的な手法で成形
する。このジルコニア製の成形体24の孔26をピスト
ン頂板21の凸部23の内に挿入する。両者を一緒に炉
内に入れ、ジルコニア袈の成形体24の焼結を行う。ジ
ルコニアの焼結温度は一般に1,500℃以下であシ、
I、600℃以上の温度で焼結されたシリコンナイトラ
イド部のピストン頂板21はほとんど影響を受けない。
すなわち、セラミックスは、焼結時に収縮する性質を有
するため、炉内での焼結時にジルコニア製の成形体24
は収縮するが、シリコンナイトライド部のピストン頂板
21Viすでに焼結させているので収縮しない。そこで
、ピストン頂板21の凸部23の外径とジルコニア製の
成形体24の孔26の内径の寸法差をジルコニア製の成
形体24の焼結時の収縮寸法に合わせておくと、ジルコ
ニア果の成形体24の孔26が収縮し、シリコンナイト
ライド部のピストン頂板21の凸部23と完全に一体化
し、第5図に示すように強固に接合する。なお、第5図
中の25はジルコニア製の成形体24が焼結・収縮した
プレートラ示す。
以上のような方法によっ、て、シリコンナイトライ)−
ffピストン頂板とジルコニア製プレートが接合できる
。こうして得られて、接合型のピストン頂板にアルミ合
金を鋳包むが、アルミ合金製ピストン本体全焼嵌めする
。鋳包む際には接合型のピストン頂板’1400℃程度
に予熱し、鋳包めば、特別の工夫をすることなく一体化
でき、例えば第6図に示すようなセラミックス組込型エ
ンジンビストシが得られる。ま念、焼嵌めに際しては全
く通常の方法で一体化することができる。なお、第6図
に示すものは第4,5図に示したものを使用した例であ
シ、図中31はシリコンナイトライド製ピストン頂板、
35はジルコニア製プレート、38はアルミ合金製ピス
トン本体である。
この方法で得られたセラミックス組込型エンジンピスト
ンは、燃焼室側がシリコンナイトライド部′であるため
、高温下でも高強度を保ち、#熱衝撃性にも優れている
。さらにシリコンナイトライド部のピストン頂板51の
下部にジルコニア製プレート′55′にもうけであるた
め十分な断熱性を有している。このため、燃焼室の温度
が+;’oOo℃近くまで上昇しても、アルミ合金部は
十分に使用温度まで冷される。また、断熱、高強度ケ有
するセラミックス製のピストン頂板31は、′厚み?薄
くするこ−とができるため、低コスト、軽重量で得るこ
とができる。
さらに、金属との接合で問題となるのは熱膨張率の差か
ら発生する熱応力である。第1表に示すように熱膨張率
はアルミ合金〉ジルコニア〉シリコンナイトライドの順
である。一方、セラミックス組込型エンジンピストンの
高さ方向  4の温度変化は、第7図に示すように、シ
リコンナイトライド部31、ジルコニア部35、アルミ
合金の接合面近傍部68において、シリコンナイトライ
ド部31〉ジルコニア部55 >アルミ合金の接合面近
傍部68の順となる。このように、熱膨張率の順は温度
の順と逆であり、熱膨張率と温度を掛は合わせた値であ
る変形値は各部分でほぼ近い値となる。このため、この
セラミックス組込型エンジンピストンのシリコンナイト
ライド部31とジルコニア部35の界面はもちろんのこ
と、セラミックス製のピストン頂板31とアルミ合金製
ピストン本体5Bにも熱応力はほとんど発生することが
ないので、通常のセラミックス組込型エンジンピストン
のように熱応力によってセラミックス、アルミ合金が破
壊されることはない。
以上詳述したように本発明によれば、低コスト、高強度
、高断熱、低燃費で、しかも軽量のピストンを得ること
ができる。
【図面の簡単な説明】
第1図はシリコンナイトライドとジルコニアとの高温強
度を示す図表、第2〜4図は本発明におけるシリコンナ
イトライド製ピストン頂板とジルコニア製プレートとの
接合態様例を示す図、第5図は第4図のものの一体化状
態を示す図、第6図は第4.5図のものを用いて製造し
たエンジンピストンケ示す図、第7図は第6図のピスト
ンの使用時における高さ方向の温度分布を示す図表であ
る。 復代理人  内 1)  明 復代理人  萩 原 亮 − 児1図 温  度(°C) 児2図 第4図 第6図 第7図 材料温度(°C) 手続補正書 昭和58年 6 月2719 特許庁長官 若杉和夫殿 1、事件の表示 昭和” 8年u’i’1Qfi第29211  号2、
発明の名称 セラミックス組込型エンジンピストン及びその製造方法
3、補正をする者 事件との関係  1.〒t′「出願人 1、iI’li   東京都千代田区丸の内二丁目5番
1号復 4、代理人 什 +’lj  東京都港区虎ノ門−丁fi116番2
号)Jεノ門千代111ビル 電話1504) ] 8
94忠氏  名     jFFl!−l: (717
9)   内   1.+      +1JIZ補正
の対象 (1)  明細書の「発明の詳細な説明」の項a補正の
内容 (1)  明細書第5頁11行目の「−−−が厚くなシ
」を「−m−を厚くする必要があり」と訂正する。 (2)  明細省第4頁の第1表を下記の通、り訂正す
る。 「 」 (3)同第5頁2〜3行目の「断熱性」を1耐熱性」に
訂正する。 (4)同第5頁6行目の「十分なエン−シン」の次に「
性能」を挿入する。 (5)同第7頁12行目の「1.500℃以下」をr 
1. s o o℃程度」に訂正する。 (6)同第8頁11行目の「こうして得られて、」を「
こうして得られた、」に訂正する。 (7)同第9頁12〜13行目の「断熱」を「耐熱」と
訂正する。 (8)同第9頁15行目の「、軽重量」を肖+1除する
。 (9)同第10頁17〜18行目の「低コスト]を「低
コストで」に訂正する。 (It))  同第100頁18行目「低燃費で、」を
肖11除する。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (11シリコンナイトライド製ピストン頂板とアルミニ
    ウム合金製ピストン本体とをジルコニア製プレートを介
    して結合してなるセラミックス組込型エンジンピストン (2)  シリコンナイトライド製ピストン頂板とアル
    ミニウム合金製ピストン本体とを結合するに際し、前記
    頂板の前記本体との結合面側にジルコニア材を溶射又は
    機械的嵌合にょシブレート状に設け、次いで前記頂板に
    前記本体を鋳包み又は焼嵌めにょ力結合すること?特徴
    とするセラミックス組込型エンジンピストンの製造方法
JP2921183A 1983-02-25 1983-02-25 セラミツクス組込型エンジンピストン及びその製造方法 Pending JPS59155551A (ja)

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