JPS60240364A - セラミツクス体の鋳ぐるみ方法 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、鋳造法に係り、更に詳細にはセラミックス体
の鋳ぐるみ方法に係る。

従来技術 内燃機関の如き熱機関に於ては、その構成要素の最も過
酷な熱負荷や摩擦を受ける部位、例えばピストンのヘッ
ド部にアルミニウム合金の如き金属に比して耐熱性、断
熱性、耐摩耗性等に優れたセラミックス体を鋳ぐるんだ
りボルト等にて固定したり、セラミックス層を溶射等に
てコーティングすることにより、熱機関の熱効率や耐久
性を向上させてその高性能化を図る試みが行われている
。

しかしセラミックスと金属との密着性が悪くＣかもそれ
らの間の熱膨張差が比較的大きいため、セラミックス体
を鋳くるむ方法やセラミックス層をコーティングする方
法に於ては、セラミックスと金属との界面に於てセラミ
ックスが金属より剥離し易（、またセラミックス体をボ
ルトにて固定する方法に於ては、セラミックス体とそれ
が固定される金属製の主要部とがボルト等により相互に
機械的に固定されるに過ぎないため、熱機関が使用され
る過程に於てセラミックス体のがたつきやセラミックス
層の脱落が生じ、そのため熱機関を長期間に厘り正常な
状態にｊで使用することができないという問題がある。

発明の目的 本発明は、金属製の部材の一部をセラミックス化する上
述の如き従来の方法に於ける叙上の如き問題に鑑み、か
かる問題が生じることがないようセラミックス体が金属
製の主要部に強固に密着した状態にて鋳ぐるまれだ部材
を製造することのできるセラミックス体の鋳ぐるみ方法
を提供することを目的としている。

発明の構成 上述の如き目的は、本発明によれば、互に重合するセラ
ミックスの微細片の第一の層と溶媒中に溶解する材料の
微細片の第二の層ど前記第−及び第二の層に跨る無機質
繊維とを含む一体的な第一の成形体を形成し、前記成形
体中の前記材料の微細片を前記溶媒中に溶解させること
により除去し、かくして得られた前記第一の層と前記無
機質繊維とを含む第二の成形体を加熱して前記セラミッ
クスの微細片を焼結させ、かくして焼結された前記第二
の成形体を鋳型内の所定の位置に配置し、前記鋳型内の
前記無機質繊維を含む空間内に溶融金属を導入してこれ
を凝固させるセラミックス体の鋳ぐるみ方法によって達
成される。

発明の作用及び効果 上述の如き方法によれば、第一の成形体中の前記材料の
微細片を前記溶媒中に溶解させることにより除去し、か
くして得られた前記第一の層と前記無機質繊維とを含む
第二の成形体を加熱してカラミックスの微細片を焼結さ
せる過程に於て、セラミックスの微細片が焼結されるこ
とにより形成されたセラミックス体と一部にて該セラミ
ックス体中にこれに密着した状態にて埋設され他の部分
にてセラミックス体外に延在する多数の無機質繊維とを
含む構造体が形成され、その構造体が鋳型内の所定の位
置に配置され、該鋳型内の無機質繊維を含む空間内に溶
融金属が導入されてこれが凝固されることにより、無機
質繊維のセラミックス体外に延在していた部分が金属製
の主要部内にこれに密着した状態にて埋設されるので、
セラミックス体及び金属製の主要部の両方に跨って延在
しそれらに強固に密着した多数の無機質４ＭＭによりセ
ラミックス体と金属製の主要部とが強固に結合され、こ
れによりセラミックス体が主要部より剥離してセラミッ
クス体のがたつきが生じることのない部材を製造するこ
とができる。

本発明の一つの詳細な特徴によれば、個々の無機質繊維
間に溶融金属が良好に浸透し、また溶融金属が凝固した
場合にもその金属と無機質＃Ｂ稚とが良好に密着するよ
う、セラミックスの微細片が焼結された繊維成形体は鋳
型内に溶融金属が導入される前に室温以上の湯度、好ま
しくは部材の主要部を構成する金属の融点以上の温度に
予熱されることが好ましい。

また本発明の他の一つの詳細な特徴によれば、無機質繊
維の体積率が比較的大きい場合にも溶融金属が個々の無
機質繊維間に十分に浸堺し、またセラミックス体の表面
に溶融金属が十分に密着するよう、鋳型内の無機質繊維
を含む空間内に溶融金属を導入してこれを凝固させる過
程に於ては、溶融金属が鋳型内にて強制的に加圧される
ことが好ましい。

本発明の更に他の一つの詳細な特徴によれば、セラミッ
クスの微細片を焼結することにより形成されるセラミッ
クス体は多孔ＩＩｌ造のものであプてよ（、その場合に
は鋳型内に溶融金属が導入されると溶融金属がセラミッ
クス体の多数の小孔に侵入し、これによりセラミックス
体と主要部との結合がより一層強固なものになる。

尚本発明の方法に於て使用されるセラミックスの微細片
は任意のけラミックスの粉末、粒子、ホイスカ等であっ
てよく、無機質繊維は、セラミックスの微細片の焼結過
程に於てもその性質が実質的に変化せずｓ維の状態を保
持し得るｓａｇであれば任意の繊維であってよく、例え
ばアルミナ、アルミナ−シリカ、炭素、炭化ケイ素、ボ
ロン、タングステン、ステンレス鋼等の長繊維又は短繊
維、及び炭化ケイ素、窒化ケイ素等のホイスカであって
よく、主要部を構成する金属はこれらの無機質Ｍ＆維と
の密着性に優れたアルミニウム、マグネシラム、又はこ
れらを主成分と覆る合金であってよい。更に溶媒中に溶
解する材料の微細片は食塩の如き塩の粉末であってよい
。

実施例 以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

第１図乃至第５図はピストンのヘッド部に実質的に円板
形のセラミックス体を鋳くるむことに対し適用された本
発明による鋳ぐるみ方法の一つの実施例を示す工程図で
ある。

先ず平均繊維径が２０μである複数個のアルミナ繊維１
（９５ｗｔ％αＡ’　！！　Ｏａ　’ｔ　５ｗｔ％Ｓｉ
Ｏ２、デュポン社製［ファイバＦＰＪ）が一方向に配向
され各アルミナ繊維がワックスにてバインドされたシー
トを繊維長がｌＱｍｍになるよう切断し、これをアルミ
ナ繊維９配向方向に平行な軸線の周りに円柱状に巻き取
ることにより、第１図に示されている如き直径７５＋ｕ
＋、長さ１０１１１ＩＩｌの円柱状の繊Ｉ成形体２を形
成した。次いで図には示されていないが、ｍ雑成形体２
を内径７５ｍｍ、長さ１０ｍｍ、厚さｉ、５ｍｍのステ
ンレス鋼製のパイプに充填し、そ＼れを約８００℃に加
熱することによりワックスを焼失させた。次いで第２図
に示されている如く、直径７５ｍｍの孔３を有する金型
本体４と、孔３に嵌合するアッパパンチ５及びロアパン
チ６とよりなる圧縮成形金型７を用意し、金型本体４と
ロアバンチ６とにより郭定された円柱状の窪み内にアル
ミナ繊維をそのままの形状及び繊維配向状態にて移し、
個々のアルミナ＃７Ａｒｆｆｉ１の間の空隙に約２ｍｌ
！ｌの厚さにまで５ｗｔ％の酸化マグネシウムを含む粒
径１μの窒化ケイ素粉末８（α型９５％）を層状に充填
し、更に食塩の微粉末９を充填した。

次いで窒化ケイ素粉末８及び食塩の微粉末９をアッパパ
ンチ５とロアパンチ６との間にて圧縮することにより、
窒化ケイ素粉末の層と食塩の微粉末の層とこれらに跨っ
て軸線方向に延在する多数のアルミナ繊維とよりなる圧
縮成形体１０を形成した。次いで図には示されていない
が、圧縮成形体１０を流水中に浸漬することによって食
塩を流水中に溶解させて除去し、かくして処理された圧
縮成形体を流水より取出して水分を乾燥によって除去し
た後、１８００℃に６０分間加熱することにより窒化ケ
イ素粉末を焼結させた。これにより第３図に示されてい
る如く、窒化ケイ素よりなるセラミックス体１１と、一
部にてセラミックス体中に埋設され他の部分にてセラミ
ックス体外に延在し軸線方向社配向された多数のアルミ
ナ繊Ｈ，１とよりなる円板形の構造体１２を形成した。

次いでｍ進体１２を約６００℃に加熱した後、その構造
体を第４図に示されている如くピストン鋳造用の鋳造装
置１３の下型１４のモールドキャビティ１５内にセラミ
ックス体１１を下方にして配置し、更にモールドキャビ
ティ１５内に約７４０℃のアルミニウム合金（ＪＩＳ規
格ＡＣ８Ａ＞の溶湯１６を注湯し、該溶湯を上型１７に
より８００　ｋｏ／−の圧力にて加圧し、その加圧状態
を溶湯１６が完全に凝固するまで保持した。溶湯１６が
完全に凝固した後、かくして得られたピストン素材を鋳
造装＠１３より取出し、該素材に対しＴ６熱処理を施し
た後、研削等の機械加工を行って外径９２ｍｍ、長さ８
５ｍｍの第５図に示されている如きピストン１８を形成
した。

第５図に示されている如（、上述の如く形成されたピス
トン１８はアルミニウム合金のみよりなる主要部１９と
、ヘッド部の燃焼室側の表面２０を郭定し窒化ケイ素と
アルミナ繊維とよりなる円板状のセラミックス体１１と
、主要部１９とセラミックス体１１との間に位置しアル
ミナ繊維とアルミニウム合金とよりなる円板状のアルミ
ナ繊維／アルミニウム合金複合層２１（アルミナ繊維の
体積率３０％）とを含んでおり、セラミックス体１１が
実質的に複合層２１を介して主要部１９内に鋳くるまれ
た構造を有している。アルミナ繊維はセラミックス体１
１及び複合層２１の両方に跨って延在しており、これら
のアルミナ繊維はセラミックス体が主要部１９より剥−
１することがないにうセラミックス体を主要部に強固に
結合させており、またけラミックス体１１に充填された
アルミナｐａｗは該セラミックス体を強化して亀裂や溶
損を生じ難くさじでいる。２また主要部１９、複合層２
１、セラミックス体１１の径方向の熱膨張率はそれぞれ
２３ｘ１０＝　、、１６ｘｌ　Ｏ−’　、、４ｘ１０−
６／ｄｅｏであり、複合層２１の熱膨張率が主要部１９
の熱膨張率とセラミックス体１１の熱膨張ゞ　率とのほ
ぼ中間の値であり、かかる熱膨張率の関係によってもピ
ストンが冷熱ザイクルを受けて繰返し膨張及び収縮する
場合にも、セラミックス体が主要部１９より剥離したり
セラミックス体に亀裂が生じたりすることが抑制される
ことは明らかである。更に、上述の如く形成されたピス
トンを２４００ｃｃ４気筒デイ一ピル機関に組込み、回
転数５２０Ｏｒｐｍ、全負荷にて１００時間に屋る耐久
試験を行ったところ、試験後に於てもセラミックス体の
剥離や亀裂は全く認められなかった。

尚上述の実施例に於ける無機質繊維は長繊維であるが、
無機質繊維として短繊維又はボイス力が使用される場合
には、互に重合するセラミックスの微細片の第一の層と
溶媒中に溶解する材料の微細片の第二の層と前記第−及
び第二の層に跨る無機質繊維とを含む一体的な成形体は
、短繊維又はボイス力にて所定形状の繊維成形体を形成
し、該繊維成形体の一部を溶融塩中に浸漬して個々の無
機質繊維の間に溶融塩を充填し、その溶融塩を凝固させ
た後、［成形体の残りの部分をセラミックスの微細片と
バインダと水の如き分散媒体とよりなるスラリー中に浸
漬し、しかる後該繊維成形体を乾燥させる方法等によっ
て形成されて良い。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではな
く、本発明のｉｄ内にて種々の実施例が可能であること
は当業者にとって明らかであろう。例えば上述の実施例
に於ける鋳造法は高圧鋳造法であるが、ダイキトスト鋳
造法、低圧鋳造法、吸引鋳造法、遠心鋳造法等にて鋳造
が行われてもよい。また本発明の方法はシリンダヘッド
の燃焼室ボートの周りにセラミックス体を鋳ぐるむ場合
やターボチャージャのケーシングにセラミックス体を鋳
ぐるむ場合の如く種々の金属製の部材にセラミックス体
を鋳ぐるむことに対し適用されてよいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図はピストンのヘッド部に実質的に円板
形のセラミックス体を鋳ぐるむことに対し適用された本
発明による鋳ぐるみ方法の一つの実施例を示す工程図で
ある。 １・・・アルミナＩ１１．２・・・繊維成形体、３・・
・孔。 ４・・・金型本体、５・・・アッパバンチ、６・・・ロ
アパンチ、７・・・圧縮成形金型、８・・・窒化ケイ素
粉末、９・・・食塩の微粉末、１０・・・圧縮成形体、
１１・・・セラミックス体、１２・・・構造体、１３・
・・鋳造装置、１４・・・下型、１５・・・モールドキ
ャビティ、１６・・・アルミニウム合金の溶湯、１７・
・・上型、１８・・・ピストン、１９・・・主要部、２
０・・・ヘッド部の表面、２１・・・アルミナｍ、！Ｉ
Ｉ／アルミニウム合金複合層特許出願人　トヨタ自動車
株式会社 代　理　人　弁理士　明石　昌毅 第１図 第　２　図 第　３　図 ２

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 互に重合するセラミックスの微細片の第一の層と溶媒中
   に溶解する材料の微細片の第二の層と前記第−及び第二
   の層に跨る無機質繊維とを含む−１体的な第一の成形体
   を形成し、前記成形体中の前記材料の微細片を前記溶媒
   中に溶解させることにより除去し、かくして得られた前
   記第一の層と前記無機質繊維とを含む第二の成形体を加
   熱して前記セラミックスの微細片を焼結させ、かくして
   焼結された前記第二の成形体を鋳型内の所定の位置に配
   置し、前記鋳型内の前記無機質繊維を含む空間内に溶融
   金属を導入してこれを凝固させるセラミックス体の鋳ぐ
   るみ方法。