JPS60135651A - セラミツクス組込型ピストンの製造方法 - Google Patents

セラミツクス組込型ピストンの製造方法

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JPS60135651A
JPS60135651A JP24084183A JP24084183A JPS60135651A JP S60135651 A JPS60135651 A JP S60135651A JP 24084183 A JP24084183 A JP 24084183A JP 24084183 A JP24084183 A JP 24084183A JP S60135651 A JPS60135651 A JP S60135651A
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JP
Japan
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piston
silicon nitride
silicon carbide
molded
carbide whisker
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Pending
Application number
JP24084183A
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Hiroichi Yamamoto
博一 山本
Takashi Oguro
大黒 貴
Tetsuo Iki
壱岐 哲夫
Kunihiko Shimoda
下田 邦彦
Nobuhiko Yasuda
保田 順彦
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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Publication date
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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
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00Pistons 
    • F02F3/0015Multi-part pistons
    • 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
    • F05C2203/0804Non-oxide ceramics
    • F05C2203/0813Carbides
    • F05C2203/0817Carbides of silicon
    • 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
    • F05C2253/00Other material characteristics; Treatment of material
    • F05C2253/16Fibres

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (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】 不発明は、ディーゼルエンジンピストン等のセラミック
ス組込型ピストンの製造方法に関する。
オイルショック以降、省資源、省エネルギーが叫dれ、
エンジンの低燃費化が迫られている。
低燃費化の手段として、断熱エンジンの研究がさかんに
行われている。断熱エンジンは、燃焼室まわりを断熱化
して燃焼温度を上昇させ、高温の排気ガスからエネルギ
ーを回収して冷却損失を減らし、熱効率全向上させよう
とするものである。
従来のアルミニウム合金で製作したエンジン用ピストン
が笑用化されているが、アルミニウム合金の融点は60
0〜700℃と低いため、高温にさらされるピストン頂
部までアルミニウム合金とするのは好ましくない。また
、アルミニウム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。そこで、断熱エンジンには、燃
焼室まわりにアルミニウム合金のかわりに、高温に耐え
断熱性を有するセラミックスを利用する必要かめる。
従来から、ピストン頂部の溶融を防ぎ、かつピストン頂
部から熱を逃げ難くするためにピストンの頂部にセラミ
ックスの頂板をねじ止めしたり、これらを鋳包みしたも
のが多く提案されている。しかし、ねじ止めしたものは
、ネジがゆるむ欠点がらる・ 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、高温強度、耐熱衝撃性に優れたシリコンナ
イトライド(eisN4)が用いられるのが一般的であ
る。しかし、第−表に示すように、複雑形状品の成形が
可能で強度的にも優れた常圧焼結シリコンナイトライド
の熱伝導率は、α0460at/cInIISθCe℃
と13US 504のαO390817画・θθC・℃
と同程度であり、断熱性に富むとは言えない。このため
、十分な断熱効果を得るにはピストン頂板の厚みを厚く
する必要がおりコスト的に不利である。
これに対し、断熱性に富む酸化ジルコニウム(Zr02
)は、熱伝導率αOO60at/cma sec ’C
でピストン頂板の厚みを薄くすることが可能であるが、
第1図に示すように500℃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ン頂板の厚みを厚く
する等の制約を受け、十分にコスト低下を図れない上に
、比重が6程度とアルミニウム合金の2倍もアリ、ピス
トン重量が増加するという欠点がある。
第1表 各種セラミックスの性質 不発明者らは、先に、特願昭58−29211号として
、常圧焼結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を接合する際に、両者の接
合面の間に断熱を目的とした酸化ジルコニウム製プレー
トを介在させる方法を提案した。しかしながらこの方法
においては、シリコンナイトライド製ピストン頂板とジ
ルコニア製断熱プレートの接合が難しいこと、両者の熱
膨張率に差があるため接合部に過大な応力が発生する可
能性もある。
また、特願昭58−131587号として、常圧焼結シ
リコンナイトライドと断熱性を有する反応焼結シリコン
ナイトライドを接合させたピストン頂板とアルミニウム
合金製ピストン本体を接合させる方法を提案した。しか
しながら、この方法ではセラミックス製ピストン頂板の
製造工程が繁雑となり、コストアップの原因となるとい
う問題がある。
不発明は、耐熱性、高温強度、耐熱衝撃性の面で優れた
シリコンナイトライドを用い、単純な製造工程で安価に
、さらに断熱性にも富むピストン頂板を有するセラミッ
クス組込型ピストンの製造方法全提供するものである・ よく知られているように、断熱性に最も優れたものは空
気である。断熱性に劣るシリコンナイトライド焼結体中
に空気層を設けることができれば、飛躍的に断熱性が向
上する。空気層を設ける手段としては中空にする、スチ
レンビーズ、ガラスピーズを混入する等の方法が考えら
れる。しかし、中空にすることは成形が非常に難しい。
スチレンビーズ混入は、スチレンが低温で熱分解してし
1うため、シリコンナイトライドの焼成に際しての収縮
時に気泡がつぶれてし1い、十分な効果が得られない。
ガラスピーズ混入では、ガラスが焼成温間で溶融して不
純物としてシリコンナイトライド焼結体にとり込まれ、
高温強度低下の原因となることが考えられる。
そこで、不発明者らは、高温下でもシリコンナイトライ
ドと反応しないシリコンカーバイド。
・ウィスカーを用いて空気層を設けることを考え、不発
明に到達したものである。
すなわち、本発明は、シリコンナイトライドと焼結助剤
の混合粉末を混合して成形するに際して、空隙を有する
シリコンカーバイド・ウィスカー成形体をシリコンナイ
トライド成形体中に入れ込むように成形し、焼結して得
られたピストン頂板と、金属製ピストン本体とを結合す
ることを特徴とするセラミックス組込型ピストの製造方
法に関するものである。
本発明方法は、ガスタービン部品等高温強度と断熱性を
同時に要求されるq!r樵部品に適用できる。
本発明方法は、シリコンカナイトライドと反応せず、し
かも高温1で溶融しないシリコンカーバイド・ウィスカ
ーを利用するもので、該シリコンカーバイド−ウィスカ
ーをウィスカーを適当なプレス圧で成形した成形体とし
て用いる。
このウィスカー成形体の空隙率は特VC考慮する必要は
なく、通常のプレス機で成形した場合に40〜50%程
度となり、不発明ではこの程度の空隙率で十分効果があ
る。ただし、上記成形体は空隙率の大きい方が断熱効果
はめるが、ノ・ンドリングの点、すなわちセラきツクス
粉末と合わせて成形する際の取り扱いを考えると、70
〜40’%程度とすることが望ましい。
本発明方法においては、例えば第2図に示すように、シ
リコンナイトライドと焼結助剤(例えば、At203 
、 Y2O3、MgO,At2O1l−Y2O3等)の
混合粉末11で、シリコンカーバイド・ウィスカー成形
体12をつつむように成形する。この成形は通常の手段
を用いて行えばよい。
なお、焼結助剤とシリコンナイトライドとの配合割合は
、81sN4が97〜80重量%で焼結助剤が5〜20
重量%とすることが望1し埴。
例えば、次のような配合で用いられる。
97〜95wt%Si3N4+3〜7wtチMgO9M
wt係S 1sN4+2wt%A40B−1−5wt%
Y2O389,5wt%S 1sN4+3 wt%A4
0g+ス5wt%Y2 o386wt%S i3 N4
−1−4wt%A103−1−10wt%Y2Y2O3
8Z5%Si3N4 +5wt%A403+12.5w
t%Y2O3こうして得られた成形体10をシリコンナ
イトライドの焼結に際して知られている条件、例えば、
窒素ガス中、1.750℃で焼結する。得られた焼結体
20は、第3図に示すように、シリコンナイトライド部
21の中に、シリコンカー ハイド・ウィスカ一部22
が存在するものである。シリコンカーバイド・ウィスカ
一部22は、シリコンナイトライドの焼結温度で少し焼
結・収縮を起こすが、シリコンカーバイドの焼結温度は
2,100〜λ200℃と高温でおるため、十分な空隙
が残存し、断熱性を有する焼結体20が得られる。
この焼結体20は、シリコンナイトライド質であるため
、耐熱性、高温強度、耐熱衝撃性に優れ、さらに空気層
を有しているため断熱性も有している。
以上のような方法によって得られた焼結体を研削等の仕
上加工して第4図に示すようなセラミックス製ピストン
頂板53を得る。この際、シリコンカーバイド−ウィス
カー成形体32はなるべく燃焼室から離れた側に設ける
ことが望ましい。これは、ウィスカー成形体32の存在
する部分が強度面で若干劣るためでおる。
また、シリコンカーバイド・ウィスカー成形体は、ピス
トン頂板33の中で、容積として1−80%、好1しく
は20〜50%程度を占めるようにすることが望ましい
。シリコンカーバイド・ウィスカー厄形体量が少いと、
空気層が残らず十分な断熱効果が期待できず、多いとシ
リコンナイトライド質の部分が減り、ピストンクラウン
の強度が低下するからである。このピスト1ン頂板33
にアルミニウム会合を鋳ぐるむか、金属製ピストン本体
34を焼嵌めすることでセラミックス組込型ピストンが
得られる。なお、鋳包みは、注湯時の熱衝撃によるセラ
ミックス製ピストン頂板35の割れの問題がらるため、
同ピストン頂板33を400℃程度に予熱しアルミニウ
ム会合を鋳包むことが望ましい。
また、焼嵌めは公知の手法で各種の金属製ピストン本体
34と接合できる。
本発明方法により得られるセラミックス組込型ピストン
30は、シリコンナイトライド質のピストン頂板35を
有しており、高温下でも高強度を有している。さらに空
気層が存在しているため、十分な断熱性を有している。
このため、燃焼温度が1.000℃近くなっても、金属
製ピストン不休34は使用温度まで十分に冷却される。
以上詳述したように不発明方法によれば、低コスト、高
強度、低燃費、軽量でしかも断隔性に優れたセラミック
ス組込型ピストンヲ提供できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は常圧焼結S i3N4とZr01の高温強度を
示す図表、第2〜4囚は不発明方法の一実施例を工程順
に示す図である。 復代理人 内 1) 明 復代理人 萩 原 亮 − 温 蔑 (0C) 第1頁の続き @発明者 保1)順彦 相模原市

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. シリコンナイトライド成形体をシリコンナイトライドと
    焼結助剤の混合粉末を混合して成形するに際し、空隙を
    有するシリコンカーバイド・ウィスカー成形体をシリコ
    ンナイトライド成形体の中に入れ込むように成形し、焼
    結して得られたピストン頂板と、金属製ピストン不休と
    を結合することを特徴とするセラミックス組込型ピスト
    ンの製造方法。
JP24084183A 1983-12-22 1983-12-22 セラミツクス組込型ピストンの製造方法 Pending JPS60135651A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5868112A (en) * 1996-12-19 1999-02-09 Cummins Engine Company, Inc. Deep angle injection nozzle and piston having complementary combustion bowl
US6732703B2 (en) 2002-06-11 2004-05-11 Cummins Inc. Internal combustion engine producing low emissions
US7210448B2 (en) 2002-06-11 2007-05-01 Cummins, Inc. Internal combustion engine producing low emissions
US8677970B2 (en) 2011-03-17 2014-03-25 Cummins Intellectual Property, Inc. Piston for internal combustion engine

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