JPS62186043A - セラミツク溶射ピストン - 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 この発明はディーゼルエンジン等の内燃機関に使用され
るピストンに関し、特に頭部（シリンダヘッド部）をセ
ラミック溶射層により断熱したＡ１合金１ピストンに関
するものである。

従来の技術 近年、自動車用エンジンのピストンとしては、往復運動
部の慣性力低減するた４めの軽量化の観点から、Ａ２合
金を鋳造成形したものが一般に採用されるようになって
いる。しかしながらＡ１合金は熱伝導率の高い材料であ
るから、ピストンにＡ１合金を使用した場合、燃料の燃
焼により生じた燃焼室の熱がピストンを介して燃焼室外
に伝達され、その分だけエンジンの熱効率を低下させて
、エンジンの出力、燃費を低下させるという傾向があっ
た。またＡ１合金はその耐熱性が必ずしも充分ではない
ことがあり、そのため場合によってはピストンのヘッド
部の溶損の問題が生じてしまうことがあった。

そこでＡ１合金製ピストンにおいては、ピストンの頭部
（ピストンヘッド部）にジルコニアやアルミナ等の熱伝
導率が低くかつ耐熱性が良好なセラミック材料を溶射し
て、そのセラミック溶射層によってピストン頂面とＡ２
合金からなるピストン母材との間を断熱し、熱損失を防
止するとともに、耐熱性をも向上させたセラミック溶射
ピストンが提案されている（例えば「Ｃｕｍｍ１ｎｓ　
／ＴＡＣＯＨＡｄｖａｎｃｅｄ　Ａｄｉａｂａｔｉｃ　
Ｅｎｇｉｎ、　Ｊ　Ｒ，Ｋａｍｏ　ｅｔ　ａｔ。

ＳＡＥ　　ｐａｐｅｒ　　　Ｎｏ、８４０４２８等）　
。

しかしながらこのようにセラミック材料をＡｌ合金から
なるビス１〜ン本体の頂面に溶射したピストンにおいて
は、Ａ２合金母材とセラミック溶射層との間の熱膨張係
数の差あるいはエロージョンや熱応力などに暴いて、エ
ンジンの作動に伴なう加熱・冷却を繰返している間にＡ
２合金母材とセラミック溶射層との界面やセラミック）
δ射層内部に亀裂が発生し、遂には溶射層が剥離してし
まうことがある。

ところでＡ１合金母材にセラミック溶射層を形成するに
必たっては、熱膨張率が母材とセラミックとの中間でし
かもＡ１合金よりセラミックとの密着性が良好な金属、
例えばＮｉにッケル）やＮｉ基合金（Ｎｉ−Ｃｒ合金、
Ｎｉ　　Ｃｒ　　Ａ１合金必るいはＮｉ　　ｃｒ　　Ａ
Ｉ　　Ｙ合金など）を先ずＡ！合金母材表面に溶身寸し
てアンダーコート層を形成し、そのアンダーコート層の
上にセラミックを溶射する方法が知られている。この方
法はセラミック層とＡ１合金母材との熱膨張差をアンダ
ーツー１一層により吸収し、かつセラミック層の密着性
をも向上させるようにすることを意図したものである。

この方法では確かにセラミックを直接Ａ！合金母材表面
に溶射した場合よりは優れているものの、未だ充分では
なかった。すなわち、このようにアンダーコーＩ・層を
）谷射してからセラミックを溶射したピストンの場合で
も、これを自動車等のエンジンに実際に使用すればセラ
ミック層内部、セラミック層とアンダーコート層との境
界部、およびアンダーコート層と△！合金母伺との境界
部に亀裂が発生することを充分に防止し得ず、ひいて１
ま溶射層の剥離を招くという問題を充分に解決すること
はできなかった。

ところで、上述のような溶射層の剥離が生じる基本的な
原因は、母材と溶射層との熱膨張差、）Ｇ耐層内部にお
【プるアンダーコート層とセラミック層との熱膨張差、
およびセラミック層表面からのエロージョンと、セラミ
ック層やアンダーロー１〜層での熱応力と考えられる。

そこでこれらの問題に対処するために、既に次のＡ、Ｂ
、Ｃに記すような技術が提案されている。

Ａ：例えば特開昭５８−５２４５１号に記載されている
ように、母材の表面をアルミニウム合金等の母材金属と
セラミック繊維等の繊維との複合図とし、その上に前記
アンダーコート層として耐熱金属溶射層を形成し、さら
にその上にセラミクを溶射する方法、あるいは特開昭５
８−１８０７５２＠公報に記載されているようにアルミ
ニウム合金等の母材とセラミック溶射層との間のアンダ
ーロー１〜層として、溶射による層ではなく、多孔質金
属成形体の層を設ける方法。これらの提案は、いずれも
母材とセラミック層との熱膨張差を吸収する方法を開示
したものである。

Ｂ：例えば特開昭５９−２０５４８０号に記載されてい
るように、セラミック）容射層の表面に露出する気孔を
閉塞することによってエロージョンの防止を図る方法。

Ｃ：例えば特開昭６０−２６５９号に記載されているよ
うに、セラミック溶射層もしくはセラミック溶射層およ
び耐熱金属のアンダーコート溶射層の内部における気孔
率を、表面側から母材側へ向って大きくなるようにａＵ
ｆすることよって、熱応力の緩和を図る方法。

発明が解決すべき問題点 前記Ａの方法は、主としてアルミニウム合金等の母材と
アンダーコート層との境界部における剥離防止、には有
効であるが、セラミック層内部でのクラックの発生防止
に対して効果が少なく、またセラミック層とアンダーロ
ー１〜層との境界部についての剥離防止に対しても効果
は少ない。−万前記Ｂの方法は、セラミック層内でのク
ラック発生防止には有効であるが、その他については有
効ではない。ざらに前記Ｃの方法では、主にアンダーツ
ー１〜唐とセラミック層との境界部の剥離防止には有効
であるが、セラミック層内でのクランク発生には有効で
はなく、またアンダーコート層と母材との境界での剥離
防止に対しては効果か小さい。

このように従来の方法は、母材からセラミック層までの
全体にわたってクラック発生防止、剥離防止を図るには
有効ではなかったのが実情である。

もちろん前記Ａ−Ｃの方法を適宜組合せれば、全体にわ
たってクラック発生防止、剥離防止を図ることも可能か
と考えられるが、その場合工程が復雅となり、したがっ
て生産性も低下してコストも凸くなるという問題が必り
、実用化することは困難である。

また一方、セラミック溶射ピストンにおＣプる断熱性を
一層向上させるためには、セラミック溶射１１の扉みを
贈ぜば艮いことも知られている（ｌ！ｌｌえば前）小の
ｒｃｌＪｍｍ！ｎＳ　／丁ＡＣＯＮ　八〇ｖａｎｃｅｄ
　ＡｄｉａｂａｔｉｃＥｎｇｉｎ、ｊ　）が、セラミッ
ク）■耐層の厚みが増すほど溶射層の層内や母材の境界
おるいはアンダーコート層との境界などにおける熱応力
が大きくなり、そのためクランクや剥離が一層生じ易く
なる。

以上のように従来、へ１合金製ピストン本体の頂部に断
熱性および耐熱性確保のためにセラミック溶射層を形成
したビス１〜ンにおいては、溶射層の剥離が生じ易く、
特に断熱性をより高めるべく溶射層の厚みを増せば、溶
射層の剥離が一層生じ易くなってしまうという根Ａ的な
問題があった。

この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、セ
ラミック？’８　ａＪ　Ｆｉの剥離が生じにくく、特に
断熱性を一層向上させるべくセラミック溶射層の厚みを
大きくしても剥離の問題か生じないよう【こしたセラミ
ツクン容身寸ビス１〜ンを提イ共することを目的とする
ものでおる。

問題点を解決するための手段 この発明のセラミック溶射ビスｉ・ンは、表裏両面に連
続的な凹凸を形成した板状基材の両面にセラミック溶射
層を形成してなる溶射複合板が、アルミニウム合金から
なるピストン本体の頂部に固定されていることを特徴と
するものでおる。

作　　　用 前述のようにセラミック溶射層は、表裏両面に連続的な
凹凸を有する板状塞材の両面に形成されている。そして
その状態の溶射複合板がＡ１合金製のピストン本体の頂
部に固定されている。したがってセラミック溶射層は板
状基材の多数の凹部に喰い込んだ状態で形成されて、凹
部の蟹によって取囲まれているから、セラミック溶射層
は板状基材の凹部においていわゆる瀘械的投抽効果が与
えられていることになる。そのためエンジンに使用した
際において加熱・冷却の繰返しによってセラミック溶射
層内部やセラミック溶射層と板状基材との境界部に大き
な熱応力が生じても、前述の機械的投錨効果によってセ
ラミック溶射層の密着状態が保持され、亀裂が生じたり
ざらには剥離が生じたりすることが防止される。またた
とえセラミック溶射層の一部に亀裂が発生したとしても
、その亀裂が拡大して剥離に至ることはない。

なお板状基材の両面にセラミック溶射層を形成してなる
溶射複合板のＡ１合金製ピストン本体に対する固定は、
後述するように例えば鋳ぐるみあるいは搬機的固定手段
等によって行なわれれば艮いが、いずれにしてもセラミ
ック）容耐層自体は板状基材への溶射によって形成され
たものであって、セラミック溶射層とへ１合金製ビス１
〜ン奉体との間は積極的に結合している必要はなく、し
たがってその間における熱膨張差による応力は特に問題
とならない。また仮にその間の境界部の熱応力により亀
裂が発生したとしても、その境界部側のセラミック溶射
層はピストン頂面に対し板状基材を間に挟んで反対側（
裏面側）に位置するからその亀裂がビス１〜ン頂面側で
のセラミック溶射層の剥離を引起すことはない。

また板状垂板の両面の凹凸の深さを大きくすればセラミ
ック溶射層の全体の厚みを任意に厚くすることができ、
その場合でも前）ホの薇械的投錨効果に大きな変化はな
く、亀裂や剥離の発生を防止できる。したがって断熱効
果を一層高めるためにセラミック溶射層の厚みを大きく
しても、亀裂や剥離の問題を招くことなく、目的とする
断熱効果を得ることができる。

発明の実施のための具体的説明 第１図にこの発明を直噴式ディーゼルエンジン用ピスト
ンに適用した一例の仝体膚成を示し、第２図にその要部
を拡大して示す。

ビス１〜ン本体１はアルミニウム合金からなるもので必
り、このアルミニウム合金とし・では従来からアルミニ
ウム合金鋳物製ピストンに用いられている合金のほか、
任意のアルミニウム合金を使用することができる。ビス
１〜ン本体１の頂部、特に川口部２の外縁部上面から噴
口部２の内面の部分には、それらの部分に沿った形状の
溶射複合板３が鋳ぐるみによって一定に固定されている
。

この溶射複合板３は、表裏両面に連続的な凹凸を有する
ようにプレス加工箸によって凹凸ｎ０エしかつ全体形状
を前）ホのような形状に７Ｊ［］工した板状基材４の表
裏両面に、セラミック溶射層５が形成されたものでおる
。板状基材４としては、ピストン本体１のアルミニウム
合金と同等かまたはそれ以上の耐熱性を有しかつ凹凸を
形成しｊ５るもので′　あれば良く、例えばＪＩＳ　５
ｉ−ＩＰ　２８等の鋼板、あるいはステンレス鋼板、Ｊ
ＩＳ　ＡＣ８Ａ等のアルミニウム合金板等の金属板、あ
るいはセラミック溶射層と同様なセラミック材オ斗を使
用することができる。一方セラミック溶射層５を偶成す
るセラミックとしては、ＺｒＯ２（ジルコニア：　Ｙ２
０３　、ｃａｏ、Ｍ　ｇＯ等により支足化したものを含
む）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、Ｍｇｏ等の液化物系セ
ラミック、あるいはＳ　ｉ３Ｎ４　、Ａ、ｅＮ等の窒化
物系セラミック、またＳｉＣ等の炭化物系セラミック、
さらにはサイアロン、あるいはそれらの混合物等を、要
求される断熱特性や強度箸に応じて任三に１択すること
ができる。このような材料からなるセラミック溶射層５
は、板状基材４の各面の各凹部４１かセラミックにより
完全に浬まるように溶射することによって全体的に均一
に形成されている。

ここでセラミック溶射層５は板状基材４の表面に直接形
成しても良いが、第２図に詳細に示すように、通常は先
ずアンダーコー１−１（下地層）６として、ＮｉやＮｉ
合金（例えばＮｉＣｒ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−／ｌ’合金、
Ｎｉ　　Ｃｒ　　Ａ！−＼ど合金など）の如く、セラミ
ックとの密着性が良好でかつ望ましくはセラミックと板
状基材との中間の熱膨張率を有する金属を召射し・、）
７られ７ごアンダーコート層６の上にセラミックを溶射
してセラミック溶射層５を形成することが望ましい。な
あ）容射層形成のための具体的溶射手段としては、プラ
ズマ溶射が望ましいが、場合によってはガス式、アーク
式を用いることもできる。

板状基材４に形成される凹凸の形状は、要は前述のよう
にセラミック溶射層５に対して機械的投錨効果を与え１
ｑるように形状であれば良く、例えば第３図、第４図に
詳細に示すように小間隔を置いて一方の面から切頭円錐
台状の凹部７を形成することによって連続的な凹凸とし
ても良く、あるいは第５図に示すように湾曲面状の底面
を有する凹部８を前記同様に小間隔を置いて一方の面か
ら形成しても良い。ざらに、ピストン頂部での２．ｔＢ
膨張による応力はビス１〜ンの半径方向に作用するとこ
ろから、例えば第６図、第７図に示すようにビス１−ン
の中心軸線位置Ｏを基準として同心円状に多数の凹溝９
を一方の面側から形成して凹凸としても良い。

また板状基材４に形成される凹凸にあける凹部の径（痛
）は特に限定せず、また凹凸の深さによっても異なるが
、通常は０．２１ｍ程度以上１０．ｘｒｎ程度以下とす
ることが好ましい。凹凸の深さは、セラミック溶射層５
の全体の厚み等に関係するから、得るべき断熱効果に応
じて定めれば良く、将に限定はしながいが、通常は０．
２＃〜ｓａｉ程度以下である。

ざらに、セラミック溶射層５を板状塞材４の両面に形成
してなる溶射複合板３をピストン不休１に固定する手段
は任意に採用できるが、ピストン本体１を鋳造する際に
型内に溶射複合板を配置しておいて鋳ぐるみにより固定
する方法（第１図の場合）、必るいはビスなどの結合部
材を別途用いて機械的に結合固定する方法、ざらには溶
射複合板３の縁部を溶接する方法などを採用することが
できる。

なお第１図では直噴式ディーゼルエンジン用ピストンの
川口部２を主体とする部分に溶射複合板３を設けるもの
としたが、ピストン頂面の全体に溶射複合板３を設りて
も艮いことは勿論で必る。

また直噴式ディーゼルエンジンに限らず、副至式ディー
ゼルエンジン用ピストン、必るいはガソリンエンジン用
ビス１〜ンなどにも適用できることは勿論である。

実施例 以下にこの発明の実施例および比較例を示す。

［実施例］ 第１図、第２図に示すような直噴式ディーゼルエンジン
用ビス１〜ンを次のように製造した。

先ず板状基材４として、厚さ１！ｒＵｎの鋼板（ＪＩＳ
ＳＨＰ　２８）を用意し、これをプレス加工によってピ
ストン噴口部の形状に成形すると同時に、両面側に深さ
１馴程度の凹凸を持つように成形した。次いでこの基材
４の表面をアセトンなどの溶剤によって洗浄した後、シ
ョツトブラスト加工を施し、被溶射面を形成した。次い
でプラズマ洛射装置を用いて、基材４の両面に先ずアン
ダーコー１へ層６として厚ざ５０ＪＪｍの７５％Ｎｉ−
１９％Ｃｒ−６％Ａ１合金溶射層を形成し、続いてその
アンダーコート満６の上に、Ｚｒ０２−５％ＣａＯを全
厚ミカ２簡厚なるように溶射して、基材４の両面にセラ
ミック溶射層５を形成し、溶射複合板３とした。このよ
うにして得られた溶射複合板３を、ピストン鋳造用金型
内のビス１ヘンヘッド部に相当する位置に配置して、Ｊ
ＩＳ　ＡＣ８Ａのアルミニウム合金溶湯を注湯し、ピス
トン本体１を鋳造すると同時に、前記溶射複合板３をピ
ストン不休１に鋳ぐるみ、直径８３馴、筒長７８履のビ
ス１−ンを作成した。

［比較例］ 実施例と同じ寸法のビス１〜ン奉体を、ＪＩＳ　ＡＣ８
Ａアルミニウム合金により単独で鋳造し、このピストン
不休の頂部に脱脂洗浄およびショツトブラスト加工を施
して被溶射面を形成した。次いでプラズマ）谷射装閂を
用いて、ピストン本体の頂部に７５％Ｎｉ−１９％Ｃｒ
−６％Ａ１合金からなるアンダーロー１〜層を５０ＪＪ
ｍ厚に形成し、続いてＺｒＯ２−５％ＣａＯからなる２
馴厚のセラミック溶射層を形成した。

以上の実施例により得られたピストンおよび比較例によ
り得られたピストンを、それぞれ別のディーゼルエンジ
ンに組込み、実改による冷熱ザイクル耐久試験を行なっ
た。その結果、比較例のピストンでは１０時間でセラミ
ック溶射層の剥離か発生したが、実施例のピストンでは
３００時間後も全く異常が認められなかった。

上述のように比較例のピストンでセラミック溶射層の剥
離が生じたのは、セラミックｍＯＡ　層（Ｚｒ０２−５
％ＣａＯ）とピストン母材（ＪＩＳＡＣ８Ａアルミニウ
ム合金）の線膨張係数がそれぞれ１０Ｘ　１０−６／°
Ｃおよび２４Ｘ　１０弓／℃と、両部材の線膨張係数の
差が大きいため、エンジンの加熱・冷却による熱応力が
大きく、その熱応力によりセラミック溶射層に亀裂を発
生させ、剥離に至ったものと考えられる。特にこの場合
のセラミック溶射層は２馴と厚いため、熱応力が著しく
大きくなり、そのため剥離が発生し易くなったものと考
えられる。

一方、実施例のピストンでは、板状塞弓の凹部内にセラ
ミック溶射層が存在しているため、上述のような熱応力
に対しセラミック溶射層か投錨効果によってロックされ
るような状態となり、剥離に至らなかったものと考えら
れる。

発明の効果 前）ボの説明で明らかなようにこの発明のセラミック溶
射ビスｉ・ンは、ピストン頂部のセラミック溶射層が、
板状基材の凹凸によって取囲まれるように形成されてお
り、かつ板状基材の両側にセラミック溶剤層が存在して
いるため、全体として１、Ｏ＃程度以上の厚いセラミッ
ク溶射層を有する場合でも、エンジンに使用した際の加
熱−冷却の繰返しの厳しい条件下においてセラミック溶
射層が剥離することが有効に防止され、したがって優れ
た耐久性と高い断熱性能とを同時に得ることができる。

そしてこのようにビスｌ〜ン頂部における高い断熱性能
＠実現できるため、燃焼により発生した熱かピストンを
介して外部に逃げることが少なくなり、エンジンの熱効
率を上げ、出力、燃費を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明を直噴式ディーゼルエンジン用のビス
１〜ンに通用した一例の全体を１鵞成を概略的に示ｙ夜
断面図、第２図は第１図のピストンの要部を拡大して示
す要部拡大断面図、第３図はこの発明のピストンで使用
する板状基材の一例の−部を拡大して示す平面図、第４
図は第３図のＩＶ　−ＩＶ線における縦断面図、第５図
は板状基材の他の例の一部を示すもので、第４図と同様
な位置での縦断面図、第６図は板状基材のざらに他の例
を示す面図、第７図は第６図のＶＩ　−ＶＩｔ線におけ
る曝断面図で必る。 １・・・ピストン本体、　３・・・溶射後合板、　４・
・・板状基材、　５・・・セラミック溶射層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 表裏両面に連続的な凹凸を形成した板状基材の両面にセ
   ラミック溶射層を形成してなる溶射複合板が、アルミニ
   ウム合金からなるピストン本体の頂部に固定されている
   ことを特徴とするセラミック溶射ピストン。