JPS60135652A - セラミツクス組込型ピストン - Google Patents
セラミツクス組込型ピストンInfo
- Publication number
- JPS60135652A JPS60135652A JP24084283A JP24084283A JPS60135652A JP S60135652 A JPS60135652 A JP S60135652A JP 24084283 A JP24084283 A JP 24084283A JP 24084283 A JP24084283 A JP 24084283A JP S60135652 A JPS60135652 A JP S60135652A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piston
- silicon nitride
- top plate
- zirconia
- sintering
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
- F02F3/00—Pistons
- F02F3/0015—Multi-part pistons
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
- F02F7/00—Casings, e.g. crankcases or frames
- F02F7/0085—Materials for constructing engines or their parts
- F02F7/0087—Ceramic materials
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- 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。
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、高い信頼性を有するセラミック
ス組込形ピストンに関する。
ス組込形ピストンに関する。
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迫られている。
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、燃焼室口９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、熱効率を向上させようと
するものである。
行われている。断熱エンジンは、燃焼室口９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、熱効率を向上させようと
するものである。
従来、アルミニウム合金で製作したエンジン用ピストン
が実用化されているが、アルミニウム合金の融点性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
多くなる欠点がおった。従って、断熱エンジンには、燃
焼室まわシに、アルミニウム合金のかわシに、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がある。
が実用化されているが、アルミニウム合金の融点性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
多くなる欠点がおった。従って、断熱エンジンには、燃
焼室まわシに、アルミニウム合金のかわシに、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シ、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ある。
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シ、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、高温強度、耐熱衝撃性に優れたシリコンナ
イトライド（５ｉ３Ｎ４）を用いるのが一般的である。
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（５ｉ３Ｎ４）を用いるのが一般的である。
しかし、第１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、Ｏ，０４６ｃａｔ／ｃｍ・ｅｅｃ ・℃と５
ＴＪＳ３０４の０、 Ｏ３９ｃａｔ／ｃｍ・ｓｅｃ ・
℃と同程度であシ、断熱性に富むとは言えない。とのた
め、十分な断熱効果を得るにはピストン頂板の厚みを厚
くする必要がちシコスト的に不利である。
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、Ｏ，０４６ｃａｔ／ｃｍ・ｅｅｃ ・℃と５
ＴＪＳ３０４の０、 Ｏ３９ｃａｔ／ｃｍ・ｓｅｃ ・
℃と同程度であシ、断熱性に富むとは言えない。とのた
め、十分な断熱効果を得るにはピストン頂板の厚みを厚
くする必要がちシ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０． ＯＯ６ｃａｔ／ｃｍ−ｓｅｃ
・℃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倍もあシ、
ピストン重量が増加するという欠点がある。
） は、熱伝導率０． ＯＯ６ｃａｔ／ｃｍ−ｓｅｃ
・℃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倍もあシ、
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
（ｙ／＋ｆ） （ｋｙ、ｚ讐） （ｃｅｌ／ｃｔｅｅａ
−’Ｃ）（ｘｊＤ−’ １／℃）常圧焼結Ｓｉ３Ｎ４
Ｋ１５ ６５ ０．０４６ ５ＡＺｒ０２（Ｄ８Ｚ）
５７６ ８０ ’ Ｑ、ＱＱ６． １０３ＳＵＳ ５０
４ ７．９５ − ０．０３９ １８７アルミ合金 ２
＆４ − ０．３５０ ２３ｊ１本発明者らは、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
ン本体を接合するに際し、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。
−’Ｃ）（ｘｊＤ−’ １／℃）常圧焼結Ｓｉ３Ｎ４
Ｋ１５ ６５ ０．０４６ ５ＡＺｒ０２（Ｄ８Ｚ）
５７６ ８０ ’ Ｑ、ＱＱ６． １０３ＳＵＳ ５０
４ ７．９５ − ０．０３９ １８７アルミ合金 ２
＆４ − ０．３５０ ２３ｊ１本発明者らは、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
ン本体を接合するに際し、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。
反面、シリコンナイトライド製ピストン頂板とジルコニ
ア製断熱プレートを組み合わせるという方法は、基本的
には、セラミックス組込型ピストンに対しては優れたア
イディアである。
ア製断熱プレートを組み合わせるという方法は、基本的
には、セラミックス組込型ピストンに対しては優れたア
イディアである。
そこで、本発明は、両者の接合が現状技術では難しいと
いう問題を解決するために、シリコンナイトライドとジ
ルコニア粉末を混合し、一体内にピストン頂板とする技
術を提案するものである。
いう問題を解決するために、シリコンナイトライドとジ
ルコニア粉末を混合し、一体内にピストン頂板とする技
術を提案するものである。
すなわち本発明は、シリコンナイトライド粉末と酸化ジ
ルコニウム粉末の混合比を順次変化させて成形した成形
体を焼結してピストン頂板とし、該頂板のシリコンナイ
トライドの混入量の多い側を触火面側とし、酸化ジルコ
ニウム量の多い側を金属製ピストン本体と結合して構成
したセラミックス組込型ピストンに関するものである。
ルコニウム粉末の混合比を順次変化させて成形した成形
体を焼結してピストン頂板とし、該頂板のシリコンナイ
トライドの混入量の多い側を触火面側とし、酸化ジルコ
ニウム量の多い側を金属製ピストン本体と結合して構成
したセラミックス組込型ピストンに関するものである。
本発明によるセラミックス組込型ピストンは、シリコン
ナイトライド製ピストン頂板と酸化ジルコニウム製断熱
グレートの接合が不用であるため、製造コストが低く、
信頼性の高いものである。
ナイトライド製ピストン頂板と酸化ジルコニウム製断熱
グレートの接合が不用であるため、製造コストが低く、
信頼性の高いものである。
本発明は、シリコンナイトライドとジルコニア粉末の配
合量を順次変化させて成形体を成形、焼結する乙とによ
り、−面はシリコンナイトライドで、反対面はジルコニ
アである焼結体を得て、これをセラミックス組込型ピス
トンのピストン頂板として用い、シリコンナイトライド
の混入量の多い側を触火面側とし、ジルコニア量の多い
側を金属製ピストン本体と結合して構成されるセラミッ
クス組込型ピストンである。
合量を順次変化させて成形体を成形、焼結する乙とによ
り、−面はシリコンナイトライドで、反対面はジルコニ
アである焼結体を得て、これをセラミックス組込型ピス
トンのピストン頂板として用い、シリコンナイトライド
の混入量の多い側を触火面側とし、ジルコニア量の多い
側を金属製ピストン本体と結合して構成されるセラミッ
クス組込型ピストンである。
本発明は、ピストンに限らず、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各種部品にも適用でき
る。
強度と断熱性を同時に要求される各種部品にも適用でき
る。
シリコンナイトライド粉末にジルニア粉末を添加するこ
とは、ジルコニアがシリコンナイトライドの焼結助剤と
なること、及びジルコニア微粉の添加で高靭性化が期待
されること等のことから多く研究されている。
とは、ジルコニアがシリコンナイトライドの焼結助剤と
なること、及びジルコニア微粉の添加で高靭性化が期待
されること等のことから多く研究されている。
本発明では、両者の配合比を順次変化させ、焼結体の一
面はシリコンナイトランド、反対面はジルコニアの性質
を持つ焼結体を用いて、ピストン頂板を形成するもので
ある。
面はシリコンナイトランド、反対面はジルコニアの性質
を持つ焼結体を用いて、ピストン頂板を形成するもので
ある。
これらの目的のためには、シリコンナイトランド焼結体
と、ジルコニア焼結体を拡散接合等の手段で接合するこ
とも考えられるが、この方法でハ製造工程が多くなシコ
ストアツブとす、６点、及び先の第１表に示すようにシ
リコンナイトライドとジルコニアの熱膨張率が異なるた
めピストン頂板として使用時に過大な熱応力が発生する
可能性がある。
と、ジルコニア焼結体を拡散接合等の手段で接合するこ
とも考えられるが、この方法でハ製造工程が多くなシコ
ストアツブとす、６点、及び先の第１表に示すようにシ
リコンナイトライドとジルコニアの熱膨張率が異なるた
めピストン頂板として使用時に過大な熱応力が発生する
可能性がある。
そこで、本発明では、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Ａ、４０３ 、
Ｙ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ａ４０３− Ｙｚ０４等）のみの層
１１から、順次、例えばシリコンナイトライドと焼結助
剤８０重量％とジルコニア粉末（部分安定化ジルコニア
）２０重量％の層１２のように配合量を変えた層１３〜
１５とし最後の６層目はジルコニアのみの層１６となる
ように成形する。この場合の配合割合の一例を第２表に
示す。また、各層の厚さは５ｍｍ以下とすることが好ま
しい。
コンナイトライドと焼結助剤（例えばＡ、４０３ 、
Ｙ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ａ４０３− Ｙｚ０４等）のみの層
１１から、順次、例えばシリコンナイトライドと焼結助
剤８０重量％とジルコニア粉末（部分安定化ジルコニア
）２０重量％の層１２のように配合量を変えた層１３〜
１５とし最後の６層目はジルコニアのみの層１６となる
ように成形する。この場合の配合割合の一例を第２表に
示す。また、各層の厚さは５ｍｍ以下とすることが好ま
しい。
第２表 配合割合の例
なお、上記の６層に限らず、例えば第３表のように３層
程度とすることもできる。
程度とすることもできる。
第３表
こうして成形した成形体１０を通常のシリコンナイトラ
イドを焼結する方法で焼結する。ジルコニアはシリコン
ナイトライドと焼結条件でも特に問題なく焼結するが、
熱膨張率の問題があり、できるだけ低温で焼結すること
が望ましい。具体的には、Ｓｉ３Ｎ４の焼結温度は１．
６５０〜１．８ Ｄ Ｄ ℃程度、ＺｒＯ２の焼結温度
はｉ、５００〜１．７００℃程度であｐ 、８１．３Ｎ
４ 、 ＺｒＯ２共温度が低いと緻密化せず、温度が高
いと結晶粒の成長が起こり、強度が低下する。また５１
３１□Ｊ４の方が焼結温度が高いので、極力ＺｒＯ２の
最適焼成条件に近い低温で焼結することが望ましく、温
度域としては１，６．５０〜１．８５０℃、好ましくは
ｔ６５０〜１，７５０℃程度とする。
イドを焼結する方法で焼結する。ジルコニアはシリコン
ナイトライドと焼結条件でも特に問題なく焼結するが、
熱膨張率の問題があり、できるだけ低温で焼結すること
が望ましい。具体的には、Ｓｉ３Ｎ４の焼結温度は１．
６５０〜１．８ Ｄ Ｄ ℃程度、ＺｒＯ２の焼結温度
はｉ、５００〜１．７００℃程度であｐ 、８１．３Ｎ
４ 、 ＺｒＯ２共温度が低いと緻密化せず、温度が高
いと結晶粒の成長が起こり、強度が低下する。また５１
３１□Ｊ４の方が焼結温度が高いので、極力ＺｒＯ２の
最適焼成条件に近い低温で焼結することが望ましく、温
度域としては１，６．５０〜１．８５０℃、好ましくは
ｔ６５０〜１，７５０℃程度とする。
また、焼結後の炉の冷却過程で、シリコンナイトライド
とジルコニアの熱膨張率の差から、焼結体にクラックが
入る恐れがあシ、焼結温度から１． ＯＯＱ℃℃程度で
は、例えば１００℃／Ｈｒ程度の冷却速度で徐冷するこ
とが望ましい。
とジルコニアの熱膨張率の差から、焼結体にクラックが
入る恐れがあシ、焼結温度から１． ＯＯＱ℃℃程度で
は、例えば１００℃／Ｈｒ程度の冷却速度で徐冷するこ
とが望ましい。
第３図に示すように、上記のようにして得られた焼結体
２０はシリコンナイトライド層２１からジルコニア層２
６へと連続的に各層２１〜２６の組成が変化し、熱膨張
率も連続的に変化するため、ピストン頂板として使用時
に過大な応力が発生する恐れはない。
２０はシリコンナイトライド層２１からジルコニア層２
６へと連続的に各層２１〜２６の組成が変化し、熱膨張
率も連続的に変化するため、ピストン頂板として使用時
に過大な応力が発生する恐れはない。
以上のようにして得られた焼結体を研削等の仕上加工し
て第４図に示すような七２はツクス製ピストン頂板３７
を得る。々お、該頂板３７の各層３１〜３６は第５図の
２１〜２６に対応している。このピストン頂板３７にア
ル２ニウム合金を鋳包むか、金属性ピストン本体３８を
焼嵌めすることでセラミックス組込型ピストン３０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５７（Ｄ割れの問題があることか
ら、同ピストン頂板３７を４００℃程度に予熱しアルミ
ニウム合金を鋳包むことが望ましい。また、焼嵌めは公
知の手法で糧々の金属製ピストン本体３Ｂと接合できる
。
て第４図に示すような七２はツクス製ピストン頂板３７
を得る。々お、該頂板３７の各層３１〜３６は第５図の
２１〜２６に対応している。このピストン頂板３７にア
ル２ニウム合金を鋳包むか、金属性ピストン本体３８を
焼嵌めすることでセラミックス組込型ピストン３０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５７（Ｄ割れの問題があることか
ら、同ピストン頂板３７を４００℃程度に予熱しアルミ
ニウム合金を鋳包むことが望ましい。また、焼嵌めは公
知の手法で糧々の金属製ピストン本体３Ｂと接合できる
。
本発明によるセラミックス組込型ピストン３０は、燃焼
室側の層３１がシリコンナイトライドであシ高温下でも
高強度を有している。さらに、ジルコニアのみの層３６
が存在す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
本体３８は使用温度まで十分に冷却できる。
室側の層３１がシリコンナイトライドであシ高温下でも
高強度を有している。さらに、ジルコニアのみの層３６
が存在す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
本体３８は使用温度まで十分に冷却できる。
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提供する
ことができる。
、高断熱、低燃費で、しかも軽量のピストンを提供する
ことができる。
第１図は常圧焼結Ｓｉ３Ｎ４とＺｒＯ２の高温強度を示
す図表、第２〜４図は本発明の一実施態様例を示す図で
ある。 復代理人 内 １） 明 復代理人 萩 原 亮 − ０５（］０ １０ＱＣ） Ｈ２Ｏ。 温 度 （’Ｃ；） 第１頁の続き
す図表、第２〜４図は本発明の一実施態様例を示す図で
ある。 復代理人 内 １） 明 復代理人 萩 原 亮 − ０５（］０ １０ＱＣ） Ｈ２Ｏ。 温 度 （’Ｃ；） 第１頁の続き
Claims (1)
- シリコンナイトライド及び焼結助剤の混合粉末と酸化ジ
ルコニウム粉末の混合比を順次変化させて成形焼成した
ピストン頂板をシリコンナイトライドの混入量の多い側
を触火面側とし、同ピストン頂板の酸化ジルコニウム量
の多い側を金属製ピストン本体と結合して構成されたこ
とを特徴とするセラミックス組込型ピストン。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24084283A JPS60135652A (ja) | 1983-12-22 | 1983-12-22 | セラミツクス組込型ピストン |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24084283A JPS60135652A (ja) | 1983-12-22 | 1983-12-22 | セラミツクス組込型ピストン |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60135652A true JPS60135652A (ja) | 1985-07-19 |
Family
ID=17065510
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24084283A Pending JPS60135652A (ja) | 1983-12-22 | 1983-12-22 | セラミツクス組込型ピストン |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60135652A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR200476362Y1 (ko) * | 2013-08-05 | 2015-03-20 | 주식회사 탑트레이딩이엔지 | 악취 관능측정용 오더 백 |
-
1983
- 1983-12-22 JP JP24084283A patent/JPS60135652A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR200476362Y1 (ko) * | 2013-08-05 | 2015-03-20 | 주식회사 탑트레이딩이엔지 | 악취 관능측정용 오더 백 |
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