JPS6224853A - 断熱部を有する鋳物部材の製造方法 - 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 この発明は、ディーゼルエンジン用断熱ピストンの如く
、断熱等の目的のための空気断熱層を内部に形成した鋳
物部材を製造する方法に関するものである。

従来の技術 近年に至り、ディーゼルエンジンにおいてはその燃焼室
を高温化して燃費の改善を図るとともに始動初期の不完
全燃焼を防止するため、ピストン頂面部を断熱化するこ
とが検討されている。

ピストン頂面部の断熱化のための手法としては、ピスト
ン頂面にセラミックを溶射する方法、あるいはピストン
頂面にセラミック板を接合する方法、さらにはピストン
頂面を低熱伝導物質で複合化する方法なども提案されて
いるが、高い断熱性、耐熱性、耐熱衝撃性などで代表さ
れる断熱ピストン、　に不可欠の緒特性を併せ持たせる
ための最も有効な手段としては、ピストン頂面の直下に
空気断熱層を形成してその空気断熱層により断熱を図り
、かつ断熱による頂面温度上昇に対処するために、頂面
を耐熱材で形成しておく方法が知られている。

具体的には、例えばインコネルの如き超合金などからな
る耐熱材によって頂面を形成し、その頂面耐熱材とピス
トン母材との間に空気断熱層としての空洞部を設けて両
者をボルト止めする方法が知られている。しかしながら
この方法では、頂面材やピストン母材に予め穴加工、ネ
ジ加工等の機械加工を施しておく必要があり、しかもボ
ルト止めの作業を必要とするため、生産性が低く、高コ
ストとならざるを得ないという問題があり、またピスト
ン稼動時に母材、特にボルト穴の部分がクリープ変形し
て頂面耐熱材−母材間の有効な接合強度が得られなくな
るという問題があった。またこの方法では耐熱金属板の
下面側が空洞部となっているため、ピストン稼動時の燃
焼圧によって耐熱金属板が変形し易く、これを防ぐため
には耐熱金属板の肉厚を相当に厚くしなければならない
が、その場合には高コスト化を招いたり、ピストン軽量
化に反する等の問題が生じる。

そこで頂面耐熱材を母材に強固に接合することができ、
しかも高コスト化や重量増大を招いたり生産性の低下を
招いたりすることなく、頂面直下に断熱用の空気断熱層
を有するピストンを製造し得る方法の開発が強く望まれ
ている。このような方法の一つとしては、ピストン母材
の鋳造時に頂面耐熱材を鋳ぐるみによって一体に保持し
かつ頂面ＴＩ＃熱材の直下に空気断熱層を残して鋳造す
る鋳ぐるみ鋳造法の適用が考えられる。この場合、鋳ぐ
るみを円滑に行ない、しがもピストン母材の鋳造欠陥の
発生防止や組織微細化を図るために、鋳造法としては所
謂高圧鋳造法などの加圧鋳造法を適用することが最適と
考えられる。

ピストンの頂面耐熱材の直下に形成する空気断熱層とし
ては前述のような空洞部のみならず多数の微絽な空隙を
有する多孔質断熱層も考えられる。

このうに多孔質体からなる断熱層を形成しておけば、空
洞部断熱層の場合と異なり、頂面耐熱材が燃焼圧によっ
て変形することを防止でき、したがって頂面断熱材の薄
肉化によるピストン軽量化が達成され、エンジン性能や
燃費の点で有利となると予想される。

ところで鋳物内部に多孔質部を形成するための従来の方
法としては、シラスバルーン等の中空球体を鋳くるむ方
法あるいはシェル中子等の多孔質体を鋳くるむ方法など
がある。

発明が解決すべき問題点 前述″のようにシラスバルーン等の中空球体を鋳くるむ
ことにより鋳物内部に多孔質部を形成する方法を高圧鋳
造に適用した場合、溶湯圧力によって中空球体が破壊し
て所要の空隙率を有する多孔質部を形成できな・くなり
、一方シエル中子等の多孔質体をそのまま鋳ぐるむ方法
では、多孔質体内へ鋳物母材溶湯が含浸されて断熱性が
低下してしまう。

したがって従来は高圧鋳造法の如き加圧鋳造法によって
鋳物内部に任意の形状および任意の空隙率を有しかつ母
材が含浸されていない空気断熱用の多孔質部を形成する
ことは極めて困難であった。

この発明は以上のｓ債を背景としてなされたもので、前
述のような問題が発生することなく、加圧鋳造により内
部に断熱用多孔質部を有するｉ物、例えば断熱ピストン
を支障なく製造し得る方法を提供することを目的とする
ものである。

問題点を解決するための手段 この発明の方法は、加圧鋳造によって内部に多孔質断熱
部を有する＆！物部材を鋳造するにあたり、常温では固
体状態を保ちかつ鋳物母材金属の融点よりも低い加熱温
度でガス化する常温固体物質と少なくともそのガス化温
度で安定な物質とからなる複合材を前記断熱部の形状に
作っておき、その複合材を母材金属溶湯に対して安定な
多孔質体で覆った状態で鋳型内に配置し、母材金属溶湯
を鋳型内に注渇して加圧鋳造することにより前記複合材
を鋳ぐるんだ鋳物を作成し、その後母材金属の融点より
低くかつ前記常温固体物質のガス化温度以上の温度で前
記鋳物を加熱して前記常温固体物質をガス化除去し、こ
れによって前記複合材の部分を多孔質化して内部に多孔
質断熱部を有する鋳物部材を製造することを特徴とする
ものである。

ここで、鋳物母材金属の融点よりも低い加熱温度でガス
化する常温固体物質とは、その加熱温度で燃焼、昇華、
蒸発もしくは分解する固体物質を意味する。また前記多
孔質体としては、注目の母材合名の溶湯温度（したがっ
て往渇温度ンよりも融点が高い物質を用いるのが通常で
ある。

作　　　用 この発明の方法においては、前述のように常温では固体
状態を保ちかつ鋳物母材金属の融点よりも低い加熱温度
でガス化する常温固体物質と、少なくもそのガス化温度
で安定物質とを複合一体化した複合材を用い、最終的に
形成すべき多孔質断熱部の形状にその複合材を成形して
おき、その複合材を母材に対し安定な多孔質体で覆った
状態で鋳型内に配置してアルミニウム合金等の母材？１
７瀉を注渇し、加圧鋳造する。

ここで、前記複合材を多孔質体で覆わずにＱ温の母材溶
湯を注湯した場合には、複合材は母材溶湯との接触によ
り急速に温度上昇してその複合材中の常温固体物質が直
ちに燃焼、昇華、蒸発もしくは分解してガス化し、その
ガスが母材溶湯中へ分散してブローホールや巣などの鋳
造欠陥を招く原因となり、またそのガス化により消失し
た部分に母材溶湯が含浸されて最終的に断熱性の優れた
断熱部が得られなくなり、ざらに場合によっては＠湯加
圧力に対し形状を保てなくなって、最終製品Ｍ物におい
て所員の形状の断熱部が得られなくなることもある。し
かしながらこの発明の方法の場合には、複合材を多孔質
体で覆っているため、注湯した母材溶湯は直ちには複合
材に接触しない。

すなわち母材溶湯に加圧力が加えられて多孔質体に含浸
され、その母材溶湯が多孔質体内の空隙を透過してから
はじめて複合材に接触することになる。このように注湯
時には母材ｒＢｍが直接複合材に接触せず、しかも母材
溶湯と複合材との閂に介在する多孔質体は多孔質である
が故にその断熱性が高いから、注湯時においては複合材
の温度はさほど上昇せず、したがって複合材中の常温固
体物質が燃焼、昇華、蒸発もしくは分解によりガス化す
ることが防止される。そして加圧力が加えられれば母材
溶湯は前述のように多孔質体の空隙を透過して複合材に
接する状態が生じるが、高圧鋳造の如き加圧鋳造では、
その加圧力によって母材溶湯と金型表面との接触状態が
極めて良好となるため母材溶湯は急速に冷却凝固され、
したがうて母材と複合材との接触によりその接触部の複
合材中常温固体物質からたとえガスが発生しても母材中
に分散することがなく、鋳物に鋳造欠陥が生じることが
防止される。また上述のように加圧鋳造により母材溶湯
が急速冷却されるため、母材溶湯が多孔質体を３１過し
て複合材に母材が接触してもその接触部で複合材中の常
温固体物質がそのガス化温度以上となっている期間は極
めて短時間に過ぎず、したがって接触部でのガス発生量
もさほど多くはなく、このことも鋳造欠陥の発生防止に
仝与する。さらに、母材溶湯が急速に冷却・凝固される
結果、多孔質体を連通して複合材の部分まで侵入する母
材の量は掻くわずかとなり、そのため母材金３が複合材
中にほとんど含浸されず、このことは複合材がその後多
孔質断熱部となった状態でその多孔質断熱部に母材金属
がほとんど含浸されないことを意味し、したがってその
断熱部のｇ熱機能が低下するおそれがない。また複合材
を覆っている多孔質体によって複合材はその形状を溶湯
加圧力に抗して維持し、したがって！＆ｎ的に多孔質断
熱部となるべき部分の形状は実質的に保持されることに
なる。

このようにして加圧鋳造して得られた鋳物を、金型から
取出°した後、母材の融点よりも低くかつ常温固体物質
のガス化温度以上の温度で加熱すれば、複合材中の常温
固体物質が燃焼、昇華、蒸発もしくは分解によりガス化
して、所定のガス抜通路を経て外部へ放散され、その常
温固体物質が存在していた部分が空隙となって複合材が
多孔質化される。すなわち多孔質断熱部が形成される。

ここで、前記ガス抜逼路としては、通常は鋳造後に鋳物
外部から複合材の部分まで連通する穴を形成すれは良い
が、鋳造時に複合材の一部が金型表面に接するようにし
た場合には、その部分が鋳物外部に露呈することとなり
、したがってその露呈部分がガス複通路となるから、鋳
造後に改めてガス扱通路を形成する必要はない。

以上のようにして、鋳造時に配置した複合材の部分に、
その複合材の形状寸法に実質的に相当する多孔質断熱部
を有する涛吻を得ることができる。

ここで、複合材を覆っていた多孔質体は母材金属と複合
された層となり、この層は複合化により高強度となるか
ら、多孔質断熱部の周囲が強化されることになり、耐久
性を向上させる役ｔ１を果たす。

なお常温固体物質を最終的に燃焼、昇華、蒸発または分
解によりガス化して除去する処理は、鋳物に対する熱処
理と兼ねて行なうことができう。

すなわち例えばアルミニウム合金製ピストン鋳物の場合
、溶体化処理後焼入れし、その後安定化処理する所ＷＴ
７処理を施すのが一般的であるが、この処理で常温固体
物質のガス化除去を行なうことができ、したがってその
場合には別にガス化除去のための加熱を行なう必要がな
い。

発明を実施するための具体的な説明 この発明の具体的構成について、第１図に示すような断
熱ピストンを製造する場合を例にとって以下に説明する
。

第１図に示すような断熱ピストンを製造する場合は、第
２図〜第４図に示すような多孔質体１、複合材２、およ
び耐熱金８板３を予め用意しておき、これらを第５図に
示すように組合せる。

前記複合材２は、常温付近では固体状態を保ち、かつ鋳
造すべき母材金属例えばアルミニウム合金の融点よりも
低い温度に加熱した場合に燃焼、昇華、蒸発もしくは分
解によってガス化し得る常温固体物質と、少なくともそ
の常温固体物質のガス化温度で安定な物質（以下これを
安定物質と記す）とを複合一体化したものである。

前記常温固体物質は、有深材料、無機材料のいずれを用
いることができ、要は使用する母材金属の融点に応じ、
前記安定物質との複合化の容易さの観点等から選択すれ
ば良い。例えば母材金属がアルミニウム合金の場合、有
東材料としてはエポキシ別語、あるいはポリイミド別脂
等のＦＭ脂や、シリコンゴム等のゴム材籾などを用いる
ことができ、また無機材料としてはＳ８０２　、３ｎ　
Ｂｒ、、などを用いることができるが、これらに限定さ
れないことは勿論である。

一方、常温固体物質と複合される安定物質は、少なくと
も常温固体物質のガス化温度で安定な物質であれば良い
が、実際に選択するにあたっては、母材金属の融点また
はそれより高い温度まで安定な物質であることが望まし
く、さらに特に断熱ピストンの場合には、稼動時のピス
トン頂面温度（約７００〜８００℃）以上の温度まで安
定な物質であることが望ましく、またこの安定化物質は
最終的に多孔質断熱部となるから、可及的に低熱伝導度
の物質を用いることが望ましい。これらの観点から前記
安定物質としては、アルミナ、窒化ケイ素、ＳｉＣ等の
セラミック物質、あるいはガラスｌｉｔなどを用いるこ
とが望ましく、またステンレス繊維の如き比較的低熱伝
導率の金属繊維を用いることもできる。またその安定物
質の形状は、要は常温固体物質との複合化が容易でかつ
常温固体物質がガス化除去された後に多孔質となるよう
な形状であれば良く、通常は短繊維、あるいは長４１１
！、さらには粒状、箱状、小片状など、種々の形態で使
用することができ、また発泡体として用いることもでき
る。またもちろん安定物質としては１種のみならず２種
以上を併用しても良い。

このような常温固体物質と安定物質とを複合一体化した
複合材は２は、最終的に形成すべき多孔質断熱部４（第
１図参照）の形状となるように、例えば円盤状に成形し
ておく。なお樹脂等の常温固体物質とセラミック様維等
の安定物質とを複合一体化して複合材２を製造する方法
としては、従来公知の方法を適用することができる。

多孔質体１は注湯すべき母材金肥例えばアルミニウム合
金の溶湯に対して安定な物質、望ましくはその注湯温度
よりも高融点の物質からなるものである。この多孔質体
１は、母材金属溶湯の注？１時に複合材２の温度が可及
的に上昇しないように、熱伝導率が低いことが望ましく
、その意味からセラミック多孔質体、例えばアルミナあ
るいは窒化ケイ素等の短ｍｎ成形体を使用することが好
ましく、またこのほかステンレスｒ＆維成形体等の金底
質多孔質体を用いることもできるが、これらに限定され
ないことももちろんである。なお多孔質体１は、要は母
材金属注瀾時にその円材溶浬が直接複合材２に接触する
ことを防止するためのものであり、その観点から体積率
５％以上が望ましく、一方余り体積率が直過ぎれば母材
金属との勘合化が困難となるから、体積率６０％以下と
することが好ましい。このような多孔質体１は、前記複
合材２を覆うような形状に予め作成しておく。但し複合
材２の外面の全てを覆う必要はなく、要は注瀉時に母材
金居溶泪が直ｔ＆Ｍ合材２に接しないように覆えば良い
。すなわち第１図の断熱ピストンを作成する場合、複合
材２の一面はｍ熱台左板３に覆われて母材金Ｚ＆：接し
ないから、その面を除いた残りの面を多孔質体１が覆う
ように、前記円盤状の複合材２が嵌め込まれる凹ａｌｌ
ｌＡを一面側に形成しておけば良い。

耐熱金属板３はこの発明の方法では基本的に必須のもの
ではないが、特に断熱ピストンを対象とする場合には必
要となる。すなわちこの断熱金ぶ板３は断熱ピストンの
頂面部を形成するものであって、母材金ａ（例えばＡ１
合金）よりも耐熱性の襄い金属、例えば５ＵＳ３０４等
のステンレス鋼、あるいはＪＩＳ　　ＳＵＨ系の耐熱鋼
、さらにはインコロイ等のＦｅ基ｍ熱合金（Ｆｅ基超超
合金、インコネル等のＮｉ基耐熱合金（Ｎｉｌ超合金）
、Ｎ　１Ｖｃｏ等のＣＯ基耐熱合金（Ｃｏ　３３超合金
）、さらにはＪＩＳ　　ＳＣＨ系の鋳鋼、そのほか７＋
金合金を用いることができる。この耐熱金属板３は、図
示の倒では円板の周囲をほぼ直角に折曲げて凹部３Ａを
形成し、かつその折曲げられた部分３Ｂの先遣部３Ｃを
さらに内側へ直角に折曲げた形状に作られたものであり
、例えば液圧成形によって加工されている。そしてこの
ような形状の耐熱金属板３の凹部３Ａの底面に前記ｊす
合材２の一面が接するように複合材２および多孔質体１
が粗金されろ。

以上のように多孔質体１、複合材２およびＦＡｆＡ金１
ｉ１ｒｉ３を粗金せて、第６図に示すように加圧鋳造用
鋳型、例えば高圧鋳造用金型５内の所要位ｎに配置する
。すなわち図示の断熱ピストンの場合、耐熱金属′ｊｌ
ｉ３が金型５の底面に接１゛るように配置する。なお第
６図において６は加圧パンチ、７は鋳物取出用のノック
アウトビンである。

次いでアルミニウム合金溶湯等の涛物母材溶瀉８を金型
５内に注）口する。この際には、既に述べたように母材
溶湯８が直接複合材２に接触せず、そのため複合材２中
の常温固体物質は未だ燃焼、昇華、蒸発もしくは分解に
よりガス化しない。

続いて加圧パンチ６などによって母材溶湯８を加圧すれ
ば、その加圧力によって母材溶１１８は多孔質体１に含
浸され、その部分が複合部９となる。

この際、多孔質体１の内部の空１８３！過した母材溶ｓ
８が多孔質体１で覆われた複合材、２に接触してその接
触部で複合材中の常温固体物質が一面ガス化することも
あるが、既に述べたように加圧力によって母材溶湯８が
急速に冷ＴＪ１’ｌｉ固せしめられる結果、そのガスが
鋳吻母材中に分散することが防止され、鋳造欠陥の発生
が防止される。また母材溶湯の複合材２中への含浸もほ
とんど生じない。

ここで、加圧力の程度は特に限定しないが、引は巣等の
発生を防止しかつ鋳造組織をｙｉ佃化させ、しかも金型
５と母ｔｔｌＪ８との接触状態を良好にして急速冷却凝
固を促進させるとともに多孔質体１に母材溶湯８を充分
に含浸させるためには、３００ｋＯ／ｃ♂程度以上の加
圧力とすることが望ましい。また加圧鋳造法としては、
パンチによって加圧する高圧鋳造法のほか、いわゆるダ
イキャスト法などを適用でき、また鋳物の形状によって
は遠心鋳造法を適用することもできる。なお加圧力は母
材溶湯８の完全凝固まで保持する。

このようにして多孔質体１が母材との複合部つとなりか
つ複合材２と耐熱台ＪｉｔＩ１２３がアルミニウム合金
等の母材１２によって鋳ぐるみされた断熱ピストン用鋳
物を金型５から取出した状態を第７図に示す。

次いで、Ｍ７図の断熱ピストン用鋳物の場合には、複合
材２に連通するガス汰通路１ｏを形成した後、母材の融
点よりも低くかつ複合材２中の常温固体物質のガス化温
度（すなわち燃焼温度、昇＠温度、蒸発温度もしくは分
解温度）以上の温度に加熱する。斯くすれば複合材２中
の常温固体物質がガス化してその常温固体物質が存在し
ていた部分が空隙となって、多孔質断熱部４が形成され
る。この後には必要に応じて連室機械加工し、前記ガス
抜通路１０を例えばネジ１１などによって埋めれば、第
１図に示すような断熱ピストンが得られる。

ここで、アルミニウム合金鋳物で自動車エンジン用ピス
トンを作成する場合、鋳造後にＴ７！６理を行なうのが
一般的であるが、その場合Ｔ７処理によって前記常温固
体物質をガス化除去することができ、Ｉ、　ｋがって別
途ガス化のための加熱を行なう必要がない。

以上のようにして得られた断熱ピストンは第１図に示す
ように、頂市部が耐熱金属板３で形成されるとともに、
その直下に多孔質断熱部４が形成され、しかもその多孔
質断熱部４の周囲および下側は金属は母材金属−多孔質
体の複合部９で強化されていることになる。

なおここで耐熱金属板３の周辺の折曲げた部分３Ｂ、３
Ｇによって囲まれる部分３Ｄには、母材溶湯の加圧時に
多孔質体１を透過した母材溶湯８が侵入し、したがって
耐熱金属板３はその部分で強固に保持されることになる
。

この発明の方法によって製造されたピストン鋳物の他の
例を第９図に示す。この例においてはピストン頂面を形
成する耐熱金属板３に堪焼室凹部２０が形成されている
。またその耐熱台３板３の近曲げた端部３Ｆは母材中に
埋込まれるようになっている。すなわち第９図の例では
耐熱金属板３の９キ部３Ｆを取囲むピストン頂面周縁部
１４は、多孔質断熱部４を覆う複合部つと同様な複合部
で形成されており、このピストン頂面周縁部く複合部）
１４は、俊速する実ＩｊＡ例３でＳｉ２明するように、
複合部つと同様に母材金属湯）コの加圧時に母材が含浸
されてセラミック！１雑８と複合一体化されたものであ
るが、結局耐熱金属板３の端部３Ｆは母材金属に取囲ま
れていることになり、そのため耐熱金属板３Ｆｌ、ｔＢ
ｌ材１２に対して強固に接合保持されていることになる
。なおこの例では耐熱台１板３を金型内に配置する際に
その耐熱金属板３の折曲げた端部３Ｆを位置決めするた
めその端部３Ｆの周囲にアルミナ短機維等の多孔質体を
２置した結果、端部３Ｆの周囲すなわちピストン頂面周
縁部１４が複合部とされているが、必ずしもこの部分を
複合部とする必要はない。

上述のように耐熱金属板３の端部３Ｆを母材金属中に埋
込むことによってその耐熱金属板３と母材１２との接合
は極めて強固となるが、このようにするための耐熱金属
板３の端部形状としては例えば第１０図（Ａ）〜（１）
に示すような種々の形状とすることができる。

またピストン頂面部の形状すなわち耐熱金属板３の形状
は、例えば第１１図（Ａ）〜（Ｄ）に示すような種々の
形状とすることができる。

さらに耐熱金属板３の直下に形成される多孔質断熱部４
は、要は少なくともピストン頂面の最も１ｓ温となる部
分に対応し、その部分の耐熱金属板３の裏面に接して形
成されていれば良く、第１図、第９図に示すもののほか
、例えば第１２図（Ａ）〜（Ｄ）に示すような配置を適
用することができる。

以上の例では断熱ピストンの例について説明したが、そ
の他の中空鋳物にもこの発明の方法を適用できることは
勿論である。

実施例 ［実施例１］ 第１図に示すような断熱ピストンを製造するにあたり、
第２図〜第４図に示すような形状の多孔質体１、複合材
２および耐熱金属板３を用意した。

多孔質体１としてはかさＷ：ｒｌ　００１７　ｑ／ｃｃ
（１）フルミナ短Ｉ’ｌｌ成形体を用い、その寸法は外
形７０．２ｍｍ。

全厚ミ３０ＩｌｌＩ１１凹部１Ａの径５Ｑｍｍ、凹部１
Ａの深さ１０１１１１１１とした。また複合材２は、常
温固体物質としてのエポキシ系ｅ＋脂と安定物質として
のアルミナ長繊維（直？！２０μｌとを複合一体化した
ものであって、ｘ８図に示すようにエポキシ系樹脂とア
ルミナ長Ｉ！雑とからなるＦＲＰ用プリプリプレグシー
ト１５形型１６内でバンチ１７により３５０℃にて圧縮
成形して外径６（ｌｎｘ長さ１０Ｑｅｌ１１の円柱状の
ＦＲＰ１８とし、これを厚さ１０Ｉに切断することによ
って、外径６０ＩｌｌＷ１厚さ１Ｑｕ＋の複合材２とし
た。また耐熱金属板３としてケ液圧成形した５ＵＳ３０
４の厚み４ｍｍのステンレス板を用い、その外径は８３
　ａｒｍ、高ざは１５１１、凹部３Ａの開口端の内径は
７Ｑｍｉとした。

これらを第５図に示すように組合せて、第６図に示すよ
うに金型５内に配置し、温度７２０℃のアルミニウム合
金（ＪＩｓ　　ＡＣ８Ａ：Ａｆｆ−１２％３ｉ−１，２
％ＣＬＩ　−１，０％Ｍｇ−２％Ｎ　ｉ−〇、３％Ｆｅ
）の溶湯８を注濡し、続いて加圧バンチ６により５００
ｋｌＪ／ｃｄの圧力を加えて高圧鋳造を行なった。なお
加圧力はアルミニウム合金浴温の完全凝固まで保持した
。凝固後にｖＩ物を金型から取出して第７図に示ずよう
な内径３ｆｆｌ＋のガス抜通路１０を機械加工によって
形成した後、Ｔ７熱処理（溶体化４９０℃×４ＦＲ間、
時効処理２２０’ＣＸＢ時聞）を施した。この熱処理後
のｌ物を調べたところ、内部の複合材２中のエポキシ樹
脂〈常温固体物質）は完全に分解気化しており、ピスト
ン内部にアルミナ長繊維からなる気孔率５０％の多孔質
断熱部４が形成されていることがＶ１認された。

その後、機械加工を行なってピストン形状とし、さらに
前記ガス後通路１０をステンレス製のネジ１１で埋めて
最終的に第１図に示すような断熱ピストンを得た。

また複合材２としてポリイミドＩＩとＥグラス長繊維（
直径１３μｍ）からなるＦＲＰを用いて前記と同じ条件
、方法でピストンを作成した。こて複合材２としてのＦ
ＲＰは、ポリイミドｔＸ？ｆｆｌとＥグラスｆｆ１１！
［からなるＦＲＰ用プリプリプレグシート維長約５■と
なるように細断してチョップ状とし、これを２５０℃で
圧縮成形してランダムな繊維配向としたものであって、
その寸法は前記同様に直径６０ｍ５ｘ厚ざ１０ｍ＋ｌｌ
、繊維体稙出は４０％である。

この場合においても、第１図に示すピストンと実質的に
同じ構造のピストンを製造することができた。なおこの
場合の多孔質ｒＳ熱部４は気孔率６０％であった。

さらに複合材２の常温固体１！Ｊ質として樹脂の代りに
シリコンゴムを用い、これをアルミナ長繊維と複合一体
化して複合材２とし、＠記と同じ条件、同じ方法でピス
トンを製造したところ、第１図に示すピストンと°実質
的に同様な多孔質断熱部を有するピストンを得ることが
できた。また複合材２の常温固体物質として樹脂の代り
に３ｅ　０２、ＳｎＢｒ４を用いた場合、前者ではＴ７
処理で昇華し、後者ではＴ７処理で蓋発することにより
、それぞれ第１図に示すビス１−ンと同様な多孔質断熱
部を有するピストンを製造することができた。

［実施例２コ 第１３図に示すような断熱ピストンを製造するにあたり
、多孔質体１として第１４図（Ａ）、（Ｂ）に示すよう
な形状寸法のステ〉・レス短Ｈｕ成形体を用い、また複
合材２として第１５図に示すような形状寸法のＦＲＰ　
（アルミナ長繊維／エポキシ樹脂）を用い、さらに断熱
金Ｉ＋２ＩＪｉ３として第１６図（Ａ）、（Ｂ）に示す
ような寸法形状の５ＵＳ３０４のステンレス板を用い、
これらを第１７図に示すように組合せて、第１８図に示
すように高圧ＩＲ造用金型５内に配置し、以下実施例１
と同じ方法でＪＩｓ　　ＡＣ８Ａ合金を母材とするピス
トンを製造した。なおステンレス短繊維成形体としては
、単位ａｍ形状が５５μｍｘ５５μｍｘ３ｍｍで成形体
かさ密度が２．３６　Ｑ／ＣＯのものを用いた。この場
合にも第１９図に示すように前記複合材２の当初の形状
寸法に実質的に対応する多孔質断熱部４を有する断熱ピ
ストンを得ることができた。

以上の実施例１および実施例２により得られた断熱ピス
トンは、いずれも頂面耐熱材（耐熱金属板３）と母材と
の門の接合程度が極めて高く、断熱性も良好であり、か
つ多孔質断熱部周辺が１合強化された構造となっている
ため傅れた耐久性を示すことが確認された。また燃焼特
性試験を行なったところ、始動時から高負荷稼り時に至
るまで、従来の通常のアルミニウム合金製ピストンと比
較して不完全燃焼ガス（スモーク）の発生時間、門が明
らかに減少し、かつ燃費の向上も達成されており、ディ
ーゼルエンジン用ピストンとして極めて優れていること
が明らかとなった。

［比較例］ 第３図に示す複合材（ＦＲＰ）２の代りに、同形状のエ
ポキシ樹脂中休を用い、他は実施例１と同様な条件、方
法によって、空洞断熱部を有するピストンを製造した。

ピストン形状は第１図のものと同様であり、アルミナ長
！１維多孔質体からなる多孔質断熱部４が空洞となった
ものである。

この比較例によって得られた空洞断熱ピストンと、実施
例１により得られたアルミナ良識雑多孔質断熱ピストン
において、それぞれ頂面の耐熱金属板３の板厚が２＋Ｉ
１１のものと４Ｈｍのものとを製造し、ディーゼルエン
ジンに組付けて毎分４４ｏＯｒｐｌｉの高負荷で５０時
間の連続耐久試験を行ない、頂面耐久性を調べた。その
結果、空洞断熱ピストンにおいては、頂面の耐熱金属板
板厚が４ｍｍの場合には特に変形が生じなかったが、２
１ｍの場合には燃焼熱および圧力により頂面部が変形し
た。これに対しこの発明による多孔質断熱ピストンにお
いては、頂面耐熱金属板の板厚が４１ｍの場合、２Ｈの
場合のいずれにおいても頂面の変形は認められなかった
。

この結果から明らかなように、空洞断熱を行なったピス
トンの場合に比べ、多孔質断熱を行なったピストンでは
、頂面の耐熱金属板の板厚を薄くすることができ、した
がってピストンの軽】化と低コスト化を図ることができ
る。ここで、本発明者筈の実験によれば、板厚４ＩＩＩ
ｌの５ＵＳ３０４を頂面耐熱金属板に用いかつ母材とし
てアルミニウム合金を用いた比較例の空洞断熱ピストン
の場合、１層が７５５ｇであり、一方仮享２）の５ＬＪ
Ｓ３０４を頂面耐熱金属板仮に用いかつｆｆｌ材として
アルミニウム合金を用いた実施′Ｉ４１の多孔質断熱ピ
ストンの１合は＠場が５７２ｇであり、このことから多
孔質断熱とすることにより約２４％のＵ珊１ヒが達成で
きた。したがってエンジン准能、懲′Ｒ筈に極め°Ｃ有
効となることがわかる。

［実施例３１ 第９図に示すような断熱ピストンを製造するにあたり、
多孔質体１として第１９図に示すような形状寸法のアル
ミナ短瀾帷成形体（橢雑径３μｍ１繊維長３ＩｌｌｌＤ
、かさ密度０．１７　Ｑ／ｃｃ）を用い、複合材２とし
てアルミナＦｆｚＲｎ　（径２０μｍ）とエポキン樹脂
とからなる第２０図に示すような形状寸法のＦＲＰ（Ｉ
Ｉ配向は厚み方向：ｒａ維体積率５０％）を用い、さら
に耐熱金属板３として第２１図に示すように成形した５
ＵＳ３０４のステンレス板（厚さ２１１）を用い、ざに
耐熱金属板３の周囲に配置する多孔質体１９として第２
２図に示すような寸法形状のアルミナｌｌ維成形体を用
意した。これらを第２３図に示すように組合せ、第２４
図に示すように高圧ＨＮ用金型５に！Ｓｉ！置して、Ｊ
ＩＳ　　ＡＣ８Ａのアルミニウム合金溶湯（’ａ　’Ｊ
Ａ７２０℃）８を注湯し、５００に！Ｊ／ｃｄの加圧力
で＾圧鋳造を行なって、頂面部に耐熱金属板３としての
ステンレス板と複合材２としてのＦＲＰ＠鋳ぐるんだピ
ストン素材を＠造した。

このピストン素材に第２５図に示すよう−にＦＲＰの部
分まで連通する内径３■のガス後通路１０ヲ形成シタ後
、Ｔ７処理（４９０℃Ｘ　３　Ｍ　ＩＪＩ　１８体処理
後急冷、２２０℃×６時間時効）を施し、ピストン母材
Ａ１合金の熱処理と同時に、ＦＲＰのエポキシ樹脂部分
を燃焼除去させ、多孔質断熱部４を形成した。その後ピ
ストンリング溝等の加工を行ない、さらに前記ガス後通
路１０をステンレス製ネジで埋めて、最終的に第９図に
示すようにアルミナ長＊ｉ多孔質断熱部４を有する断熱
ピストンをた。なおこのピストンの場合、ピストン頂面
周縁部１４もアルミニウム合金母材１２とアルミナ短繊
維とが接合一体化されている。

このピストンをディーゼルエンジンに組付けて燃焼特性
試験を行なったところ、始動時から高負荷稼動時に至る
まで、従来の通常のＡ１合金製ピストンと比較して不完
全燃焼ガスの発生時圏、および量が明らかに減少し、か
つ懲費の向上も達成されていることが判明しｌこ。

またこの実耀例３における複合材２としＣのＦＲＰの代
りに、Ｓ＊Ｃａ子とエポキシ４Ａ脂とをＳｉＣ粒子の体
積率が６０％となるように複合した複合材を用い、その
他は前記と同じ条件方法でピストンを製造した。得られ
たピストンは頂面直下にＳｉＣ粒子からなる多孔質部Ｊ
Ｌｉｉｌが形成されたものとなった。さらに、複合材２
として、体積率４０％のＳｉＯ２Ａｌ２Ｏ３発泡体中に
エポキシ樹脂を含浸させた複合材を用いて、前記同様の
条件、方法により発泡構造の多孔質断熱部を有するピス
トンを製造した。これらのピストンの場合もアルミナ長
繊維多孔賀断熱部を有するピストンの場合と同様にディ
ーゼルエンジンとしての霜焼特性が極めて偽れているこ
とが判明した。

［実施例４］ 次にピストン以外の多孔質断熱構造鋳物、すなわち第２
６図に示すような鋳物を製造した実施例を記す。

Ｓｔ　０２−Ａ２２０３発泡体（気孔率７０％）にエポ
キシ樹脂を含浸させて第２７図に示すような形状寸法の
複合材２を作成し、この複合材２を第２８図に示すよう
に多孔質体１としてのアルミナ短繊維で覆い、その一方
の面１Ｂが金型底面０に接するように第２９図に示す如
く高圧鋳造用金型５内に配置し、５５０℃のＺｎ溶攬８
を注湯し、５００ｋＭｃｌＩｒの加圧力を加えて高圧鋳
造して、第３０図に示すようにアルミナ短繊維多孔質体
１の部分が複合部９となった鋳物を作成した。なお第３
０図において２１はｚｎ母材である。得られた鋳物を大
０中において３５０℃で３時間加熱保持した。その結果
、複合材２中のエポキシｍ脂は完全に分解気化して、そ
の部分が多孔質部４となり、しかもその多孔質部４の周
”辺が複合強化された鋳１ｉｌｌ（第２６図）を得るこ
とができた。

発明の効果 以上の実施例からも明らかなようにこの発明の方法によ
れば、内部に任意の形状の多孔質断熱部を有する鋳物を
簡単かつ容易に製造することができ、しかも多孔質断熱
部を形成すると同時にその近傍を多孔質体と母材金属と
の複合部として強化することができる。したがってこ、
の発明の方法は、ｍ面直下に多孔質断熱部を有する断熱
ピストンの製造に適用して有益なものである。すなわち
特にこの発明の方法を断熱ピストンの製造に適用すれば
、従来公知の空洞断熱部を有するピストンと比較して強
度、耐久性に優れかつ軽量でしかも同等の断熱特性を有
するエンジンを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の方法により製造される断熱鋳物の一
例としての断熱ピストンを示す切欠斜視図、第２図は第
１図のピストンの製造に使用される多孔質体を示す切欠
斜視図、第３図は第１図のピストンの製造に使用される
複合材を示す斜視図、第４図は第１図のピストンの製造
に使用される耐熱金属板を示す切欠斜視図、第５図は第
２図から第４図に示される各部材を組合せた状態を示す
縦断面図、第６図は？４１図のピストンの製造過程にお
ける母材溶湯注湯時の状況を模式的に示す縦断面図、第
７図は第１図のピストンの製造過程におけるｉ′ｌ！Ｉ
後複合材中常温固体物質除去前の状況を示す縦断面図、
第８図は第１図のビトンの製造に使用される複合材の＊
＊方法を示す略解図である。 第９図はこの発明の方法により製造される断熱鋳物とし
ての断熱ピストンの他の例を示す縦断面図、第１０図（
Ａ）〜（１）はそれぞれこの発明の方法により断熱ピス
トンを製造する場合に使用される耐熱金属板の端部形状
の他の例を示す略解図、１１１図（Ａ）〜（Ｄ）はそれ
ぞれこの発明の方法により製造される断熱ピストンの頂
面形状（耐熱金１板形状）の他の例を示す略解図、第１
２図（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれこの発明の方法により１
造さ九る断熱ピストンの多孔質断熱部の配諏例を示す略
解図である。第１３図はこの発明の方法により製造され
る断熱鋳物としての断熱ピストンのさらに他の例を示す
縦断面図、第１４図（Ａ）、＜８）は第１３図のピスト
ンの製造に使用される多孔質体を示す図で、＜Ａ＞はそ
の斜視図、（Ｂ）は）２ｉｌｉ面図、第１５図は第１３
図のピストンの製造に使用される複合材（ＦＲＰ）の斜
視図、第１６図（Ａ）、（Ｂ）は第１３図のピストンの
製造に使用される耐熱金属板を示す図で、（Ａ）はその
斜視図、（８）は縦断面図、第１７図は第１４図〜第１
６図に示される各部材を組合せた状態を示す縦断面図、
第１８図は第１３図のピストンの製造過程における母材
層）婦注湯時の状況を模式的に示す！断面図である。第
１９図は第９図に示されるピストンの製造に使用される
多孔質体のｆａ縦断面図第２０図は第９図のピストンの
製造に使用される複合材の縦断面図、第２１図は第９図
のピストンの製造に使用される耐熱金属板の縦断面図、
第２２図は第９図のピストン製造のために耐熱台Ｚ根周
囲に配置される多孔質体の断面図、第２３図は第１９図
〜第２２図に示される各部材を組合せた状態を示す斜視
断面口、第２４図は第９０のピストン製造過程における
母材溶泪注）９時の状況を模式的に示す縦断面図、第２
５因は第９図のピストン製造過程における騎造後の状況
を示す縦断面図である。第２６図はこの発明の方法によ
り製造される鋳物の他の例を示す縦断面図、第２７図は
第２６図の鋳物の製造に使用される複合材の斜？ｊ２図
、第２８図は第２６図の複合材を多孔質体（アルミナ短
！！維成形体）で覆った状態を示す縦断面図、第２９図
は第２６図の鋳物の製造過程における母材溶湯注湯時の
状況を模式的に示す縦断面図、第３０図は第２６図の鋳
物の製造過程６二おける鋳造後の状況を示すＩ！！断面
図である。 １・・・多孔質体、　２・・・複合部、　４・・・多孔
質断熱部、　８・・・母材溶湯。 出願人　　トヨタ自動車株式会社 代理人　　弁理士　豊　１）武　久 （ほか１名） 第１図 第３図 第６図 第７図 第１０図 第１１図 （Ａ）　　　　　　ＣＢ） ｕＪｕｌにｉｌ 第１８図 第１９図 第２４図 第５図 第２６図 Ｌ−一７ｏｒｒＩ［−興

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）加圧鋳造によって内部に多孔質断熱部を有する鋳
   物を鋳造するにあたり、常温では固体状態を保ちかつ鋳
   物母材金属の融点よりも低い加熱温度でガス化する常温
   固体物質と少なくともその常温固体物質のガス化温度で
   安定な物質とを複合一体化してなる複合材を前記空洞の
   形状に作つておき、その複合材を母材金属溶湯に対して
   安定な多孔質体で覆った状態で鋳型内に配置し、母材金
   属溶湯を鋳型内に注湯して加圧鋳造することにより前記
   複合材を鋳ぐるんだ鋳物を作成し、その後母材金属の融
   点より低くかつ前記常温固体物質のガス化温度以上の温
   度で前記鋳物を加熱して前記常温固体物質をガス化除去
   し、これによつて前記複合材の部分を多孔質化して内部
   に多孔質断熱部を有する鋳物を製造することを特徴とす
   る、断熱部を有する鋳物部材の製造方法。
2. （２）前記常温固体物質のガス化が燃焼、昇華、蒸発も
   しくは分解である特許請求の範囲第１項記載の鋳物部材
   の製造方法。
3. （３）前記複合材において常温固体物質と複合一体化さ
   れる物質として、母材金属の融点で安定な物質を用いる
   特許請求の範囲第１項記載の鋳物部材の製造方法。
4. （４）前記多孔質体として、注湯時の母材金属溶湯温度
   よりも融点が高い物質を用いる特許請求の範囲第１項記
   載の鋳物部材の製造方法。
5. （５）前記多孔質断熱部を頂面直下に形成した断熱ピス
   トンを製造する特許請求の範囲第１項記載の鋳物部材の
   製造方法。