JPS6261770A

JPS6261770A - 長繊維の断熱層を有する金属部材及びその製造方法

Info

Publication number: JPS6261770A
Application number: JP19874985A
Authority: JP
Inventors: Kaneo Hamashima; 浜島　兼男; Tadashi Donomoto; 堂ノ本　忠; Atsuo Tanaka; 淳夫田中; Masahiro Kubo; 雅洋久保
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1985-09-09
Filing date: 1985-09-09
Publication date: 1987-03-18

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、金属部材に係り、更に詳細には多数のセラミ
ック長繊維により多孔質の断熱層が郭定された金属部材
に係る。

従来の技術内燃機関、特にディーゼル機関に於て燃費の改善や高出
力化を図るべく、機関部品の燃焼ガスに曝される表面部
を断熱化することが検討されており、例えばピストンの
ヘッド部、吸排気バルブの傘裏面、シリンダヘッドの燃
焼空調壁面、排気ボートの内壁面等にソリッドなセラミ
ック断熱層を設けることが既に提案されている。かかる
ソリッドなセラミック断熱層を設ける方法としては、従
来より一般に、部材の特定の表面にセラミックを溶射す
る方法、部材の特定の表面部にセラミック板等を鋳くる
む方法、部材の特定の表面にセラミック板等をボルト等
にて機械的に固定する方法等が知られている。

発明が解決しようとする問題点しかしセラミックは金属材料に比して熱膨張率が小さく
且比較的脆性破壊し易いものであるため、サーマルショ
ックや急激な圧力変化によって破損し易く、そのため比
較的熱伝導率の高いセラミックが使用される場合を除き
、ソリッドなセラミック断熱層を有する部材が組込まれ
た内燃機関は実用化されていない。

本発明は、従来のソリッドなセラミック断熱層を有する
金属部材及びその製造方法に於ける上述の如き問題に区
み、サーマルショックや急激な圧力変化を受けた場合に
も破損等を生じることがなく、これにより長期間にＥり
断熱機能を有効に発揮し得るよう改良された金属部材及
びかかる改良された金属部材を容易に製造することので
きる方法を提供することを目的としている。

問題点を解決するための手段上）本の如き目的は、本発明によれば、一部にて金属母
材中に埋設され他の一部にて前記金属母材外に露呈され
実質的に一方向に配向された多数のセラミック環Ｊａ　
ｌｉｔを含み、前記露呈された部分により多孔質断熱層
が郭定された金属部材、及び一部にて金属母材中に埋設
され他の一部にて前記金属母材外に露呈され実質的に一
方向に配向された多数のセラミック長繊維を含み、前記
露呈された部分により多孔質断熱層が郭定された金属部
材の製造方法にして、実質的に一方向に配向された多数
のピラミック長繊維より成る繊維束を形成し、前記繊維
束を多孔質成形体に固定し、前記繊維束及び前記成形体
を前記金属部材を鋳造する鋳型内に前記Ｊｌ雑束の側を
前記鋳型の内壁面側にして配置し、前記鋳型内に前記金
属母材の溶湯を注湯し、該溶湯を加圧しつつ凝固させ、
得られた鋳物の前記セラミック良、俄雑にて強化された
部分の金属母材の表面層を除去づる製造方法によって；
ヱ成される。

発明の作用及び効果本発明の金属部材は、一部にて金属母材中に埋設され他
の一部にて金属母材外に露呈され実質的に一方向に配向
された多数のセラミック長繊維を含み、長繊維の露呈さ
れた部分により個々の繊維間に空隙を有する多孔質の断
熱層が郭定されているので、セラミック環ｍＨの露♀さ
れた部分及びそれらの間の空隙により断熱作用が発揮さ
れ、また各セラミック長繊維は金属母材及び他のセラミ
ック長繊維に対し弾性的に相対的に変位可能であるので
、断熱層がサーマルショックや急激な圧力変化を受ける
場合にも断熱層が破壊されることはない。

また本発明の製造方法によれば、実質的に一方向に配向
された多数のセラミック長繊維より成る繊維束が多孔質
成形体に固定され、かくして形成されたｍ８束及び成形
体を用いて高圧鋳造により金属部品が製造されるので、
セラミック長繊維の体積率や配向状態が成形体よって所
定の状態に維持され、これにより断熱層に於けるセラミ
ック長繊維の体積率及び配向状態が所望の体積率及び配
向状態である金属部材を容易に製造することができる。

本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、セラ
ミック１ｋａｍのＢ呈された部分により郭定される多孔
質断熱層が十分な断熱機能を発揮するためには、セラミ
ック長繊維の体積率は３０％以上、特に４０％以上であ
ることが好ましい。また長繊維が一方向に配向される場
合に於ける長繊維の最大体積率は理論的には７８．５％
であるが、実際にはこの理論限界値の繊維体積率の繊維
束を形成することは困難であり、現実的に可能な繊維束
の繊維体積率は６５％以下である。従って本発明の金属
部材の一つの詳細な特徴によれば、断熱層に於けるセラ
ミック長繊維の体積率は３０〜６５％、特に４０〜６０
％に設定される。

また本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、
断熱層の厚さが０．２〜０．３Ｉｌｌｌｉの範囲に於て
断熱層の断熱機能が大幅に向上し、また断熱層はその厚
さがＱ、５ｍｍ以上の場合に特に優れた断熱機能を発揮
する。従って本発明の金属部材の他の一つの詳細な特徴
によれば、断熱層の厚さはＱ、３ｎ＋ｍ以上、特にＱ、
５ｍｍ以上に設定される。

また本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、
断熱層を郭定するセラミック長繊維が金属母材の表面に
対し実質的に垂直に延在している場合に、断熱層の断熱
機能が最も良好に発揮され、また各セラミック長繊維は
金属母材に最も効果的に支持される。従って本発明の更
に他の一つの詳細な特徴によれば、セラミック長Ｉ！雌
は金属母材の表面に対し実質的に垂直に配向される。

本発明の製造方法の一つの詳細な特徴によれば、゛多数
のセラミック長ｍ雑よりなる繊維束は多孔質成形体の凹
部に圧入式に固定される。かかる方法によれば、一般に
個々のセラミック長繊維の延在方向に垂直な方向の寸法
が大きく且厚さが小さいことが必要とされる繊維束の形
状、繊維体積率、繊維配向状態が多孔質成形体により所
定の好ましい状態に維持されるので、セラミック長繊維
が所望の体積率及び配向状態をなす金属部材を容易に製
造することができる。

本発明の製造方法の他の一つの詳細な特徴によれば、多
孔質成形体は短繊維の成形体である。かかる方法によれ
ば、セラミック長繊維の金ｆｆ１ｆｆｌ材中に埋設され
た部分近傍に於ける金Ｂ母材が短繊維にて強化されるの
で、金属部材の断熱層直下の部分の強度に優れた金属部
材を製造することができる。

本発明の製造方法の更に他の一つの詳細な特徴によれば
、繊維束及び多孔質成形体は該成形体が鋳型内に圧入式
に固定されることにより鋳型内に固定的に配置される。

かかる方法によれば、鋳型内に金屈ｆｆｔｈ材の溶湯が
注湯される場合にも、繊維束及び多孔質成形体は鋳型内
の所定の位置に維持されるので、所望の部位に正確に断
熱層が形成された金属部材を容易に製造することができ
る。

尚本発明の金属部材及びその製造方法に於けるセラミッ
ク長繊維は耐熱性に優れた任意のセラミック長繊維であ
ってよく、例えばアルミナ繊維、炭化ケイ素繊維、アル
ミナ−シリカ繊維、ガラスｍＭ等であってよい。また本
発明の製造方法に於て金属母材の表面層を除去すること
は、電解エツチングや酸エツチングにより行われてよい
。　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。

実施例１まず第１図に示されている如く、アルミナ長繊維１（デ
ュポンａ％ｉ　ｒ　Ｆ　Ｐ　７　アイハＪ　’ｔ　ＩＡ
Ｉ径２０μｌ）とエポキシ樹脂２とより成るプリプレグ
シート３を用意し、該プリプレグシートを１５０℃に加
熱した後、第２図に示されている如く型本体４とパンチ
６とより成る圧縮成形装置７を用いて圧縮することによ
り、繊維の体積率が５５％であり、繊維が長手方向に一
方向に配向された直径７Ｑｎ＋ｍ、長さ１００ｍｍの第
３図に示されている如き円柱状のアルミナ長繊維強化エ
ポキシ樹脂複合材料８（以下ＦＲＰという）を形成した
。

次いでＦＲＰ８を機械加工することにより、直径７ｏｌ
ＩＩＩ１１１高さ５ｍｍの第４図に示されている如き円
盤状のＦＲＰ９を形成した。次いで第５図に示されてい
る如く、アルミナ短繊維１０（ｔｃ１株式会社製「サフ
イルＲＦＪ）より成り、直径９０ｎｖ、高さ１０ｍｍの
円盤状を成し、一方の端面の中央に直径７０ｍｍ、深さ
５ｍｍの凹部１１を有する短繊維成形体１２を用意し、
凹部１１内にＦＲＰ９を圧入式に充填した。この場合ア
ルミナ短繊維１０は成形体１２の端面に平行な平面内に
於ては実質的に二次元ランダムにて配向され、高さ方向
に積重ねられた状態にて配向されており、個々のアルミ
ナ９ａ　ｍ　Ｎはバインダとしてのコロイダルシリカに
て結合されていた。

次いでかくして組立てられたＦＲＰ９及び短繊維成形体
１２を加熱炉内に装入し、該加熱炉内にて８００℃に３
０分ｌ＃ＸＩＤ１ｌ　熱ｔ　ルコトニヨリ、ＦＲＰ９の
マトリックスとしてのエポキシ樹脂を燃焼によって除去
し、これにより第６図に示されている如く、短繊維成形
体１２と、その凹部１１に高さ方向に沿って一方向に配
向されたアルミナ良識１１の繊維束１３とより成る複合
成形体１４を形成した。

次いで第７図に示されている如く、複合成形体１４をそ
の繊維束１３の側を下方にして高圧鋳造装Ｖ：１１５の
鋳型１６内に配置した。この場合複合成形体１４は短繊
維成形体１２がその外周部にて鋳型の内壁面の側周部に
圧入されることにより鋳型内の下端に固定的に配置され
た。次いで鋳型内に湯温７４０℃のアルミニウム合金（
ＪＩｓ規格ＡＣ８Ａ）の溶１１ｉ１１７を注渇し、該溶
湯をプランジャ１８により１０００　ｋＱ／　ａｕｇの
圧力にて加圧し、その加圧状態を溶湯が完全に凝固する
まで保持した。

溶湯が完全に凝固した後、鋳型１６内より鋳物を取出し
、該鋳物の下端より直径８０１、高さ１Ｑｍｎ＋の第８
図に示されている如き円柱体１９を切出した。円柱体１
つはアルミナ短繊維１０にて強化された部分２０と、ア
ルミナ長繊維１にて強化された部分２１とより成ってお
り、部分２０の端面の中央に直径１，５１１１Ｒ，深さ
５ｉｌＩｌの測温用の孔２２を形成した。

次いで第９図に示されている如く、部分２０の円筒状外
周面及び部分２１の側の端面にエポキシ樹脂接４剤２３
（商品名「アラルダイト」〉を塗缶し、部分２１の側を
下方にして円柱体１９を容器２４に貯容された塩酸水溶
液２５中に浸漬し、これにより部分２１のマトリックス
としてのアルミニウム合金を部分的に溶解させることに
よって除去し、これにより第１０図に示されている如く
、アルミナ短ＩＩ　Ｉｆｆ　１０により強化された部分
２０と、アルミナ長域維１にて強化された部分２１′　
と、アルミナ長繊維にて郭定された断熱層２６とより成
ろ木岱明の金属部材としてのテストピース２７を形成し
た。尚この場合塩酸水溶液の濃度及び円柱体１９を塩酸
水溶液中に浸漬でる時間を変化させることにより、断熱
層２６の厚さがＱ、ｉｍｍ。

０．２ｍＬ　０．３ｍｍ、Ｑ、５ｍｍ１１．２ｍｍ、　
２゜１ｍｍである６種類のテストピースを形成した。

また比較の目的に、直径Ｂ□ｍｍ、高さ１０ＩＩＩＩ１
１のアルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ８△）の円盤の
一方の端面にジルコニア及びアルミナをそれぞれプラズ
マ溶射することにより、それぞれ厚さＯ０８■、１．０
ＩＴＩＩｌのソリッドなセラミック層にて郭定された断
熱層を有するテストピース（比較例１及び比較例２）を
形成し、また同−寸法及び同一材質の円盤の一方の端面
に厚さ２ｍ＋ｉの窒化ケイ素板をその外周部にて８個の
ボルトにて固定することにより、窒化ケイ素のソリッド
な断熱層を有するテストピース（比較例３）を形成した
。

次いでこれらのテストピースの断熱鋼をガスバーナ（燃
料プロパン）にて６００℃に３０秒間加熱し、測温用の
孔に装入された熱電対により断熱層の表面より深さ５ｍ
ｍの位置に於ける温度を測定した。その結果を第１１図
に示す。尚第１１図に示された温度はガスバーナによる
加熱が開始された時点より１分経過した時点に於ける温
度である。

第１１図より、この実施例に於ける断熱層の断熱性は何
れの比較例よりも優れていることが解る。

また第１１図より、アルミナ長繊維にて郭定された断熱
層の断熱性はその厚さが０．２〜Ｑ、３ｍ１１１の範囲
に於て大幅に向上し、従って断熱層の厚さはＱ、３＋ｎ
ｏ＋以上、特に０．５１１ＩＩ１以上であることが好ま
しいことが解る。

゛実施例２アルミナ長繊維の代りに炭化ケイ素長繊維（日本カーボ
ン株式会社製「ニカロン」、繊維径１５μｎ＋ｎ＋）が
使用され、繊維体積率が５０％に設定され、断熱層の厚
さがＱ、ｉｍｍ、０．２１１１１．０．４ｍＬ　１　、
５ａｕａ、２．２＋ａｍに設定された点を除き、上述の
実施例１の場合と同一の要領にて６個のテストピースを
形成し、各テストピースについて実施例１の場合と同一
の要領及び同一の条件にて断熱試験を行った。その結果
を第１１図に示す。第１１図より、セラミック長繊維と
して炭化ケイ素長繊維を使用する場合にも、本発明の金
属部材の断熱層の断熱性は上述の何れの比較例よりも優
れていることが解る。また第１１図より、この実施例の
場合にも断熱層の厚さは０．３１１ＩＩ１以上、特に０
．５ＩＩ１ｍ以上であることが好ましいことが解る。

実施例３及び４上述の実施例１及び２の場合と同一の要領にて鋳造され
た鋳物に対し機械加工を施すことにより、内燃機関用の
ビス１−ン粗材を形成し、該粗材のヘッド部端面の中央
部のアルミニウム合金を塩酸水溶液にて部分的に除去す
ることにより、第１２図に示されている如く、アルミナ
短繊維１０にて強化された部分２８と、アルミナ良識Ｈ
１にて強化さた部分２９と、アルミナ長繊維１にて郭定
され直径６０ＲＩＩＩ、厚さ２ｍｌｌ１の寸法を有する
断熱層３０、！：ヲｆｔ　ル直径８０ｎｕ＋＋、　ｌさ
９Ｑｍｍのピストン３１（実施例３）を形成した。

またこれと同様の要領にて、第１２図に於てアルミニウ
ムＨ１が炭化ケイ素長繊維に置換えられた点を除き同一
の構造及び同一の寸法を有するピストン（実施例４）を
形成した。

更に比較の目的で、第１３図に示されている如く、ピス
トン本体３２のヘッド部の端面に直径６０１１厚さｉｍ
ｍのソリッドなジルコニア及びアルミナの溶射層３３が
形成された実施例３及び４と同一寸法のピストン（比較
例４及び５）を形成し、また第１４図に示さている如く
、ヘッド部の端面に直径６０１１ｍ、厚さ２ＩＩＩＩ１
１円板状の窒化ケイ素板３４がその外周部にて６木のね
じ３５によりピストン本体３６に固定された実施例３及
び４と同一寸法のピストン（比較例６）を形成した。

次いでこれらのピストンを副燃焼室を備えたディーゼル
機関に組込み、空燃比０．０２）機関回転数２２０　Ｏ
ｒｐｍにてディーゼル機関を運転し、これにより各ピス
トンの断熱層の耐久性を評価した。その結果を下記の表
１に示す。

表　　１実施例３　　良好　　良好　　良好　　良好実施例４　
　良好　　良好　　良好　　良好比較例４　　剥離　　
−−− 比較例５　　剥離　　−−− 比較例６　　剥離　　−−− 表１より解る如く、比較例４〜６の何れの場合にも、デ
ィーゼル機関の運転開始後１０分が経過した時点に於て
、溶射層及び窒化ケイ素板がピストン本体より剥離する
現象が生じＩＣのに対し、実施例３及び４のピストンに
於ては、機関の運転開始後５０時間が経過した時点に於
ても、断熱層は適正な状態にあり、かくしてこれらの実
施例の断熱層は従来のソリッドなセラミック断熱層に比
して遥かに優れた耐久性を有していることが解る。

尚実施例３及び４に於けるピストンは燃焼９！窪みを有
しないピストンであるが、ピストンが例えば第１５図に
示さている如くヘッド部３７に燃焼室窪み３７ａを有す
るピストンである場合には、セラミック長繊維３８は燃
焼室窪みの底面の領域に於てはピストンの長手方向に配
向され、燃焼室窪みの側周部の領域に於ては実質的に放
射状に配向されることが好ましい。また本発明の金属部
材は内燃機関のピストンに限定されるものではなく、例
えば第１６図に於て黒く塗りつぶされて示されている如
く、本発明の金属部材の断熱層は内燃鍬関のシリンダヘ
ッドの燃焼室３つの内壁面４０、吸気バルブ４１及び排
気バルブ４２の傘裏面４３及び４４、シリンダヘッドの
排気ポート４５の内壁面４６等に対し適用されてよく、
更には内燃機関以外の高レベルに断熱性を要求される任
意の金属部材に適用さてよいものである。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳ｌｌｌ１
に説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるも
のではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可
能であることは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図はアルミナ長繊維とエポキシ樹脂とより成るプリ
プレグシートを示す平面図、第２図は第１図に示された
プリプレグシートに対する圧縮成形工程を示す斜視図、
第３図は第２図の圧縮成形工程により形成された円柱状
のＦＲＰを示す斜視図、第４図は第３図のＦＲＰより形
成さた円盤状のＦＲＰを示す斜視図、第５図はアルミナ
短繊維より成る短８Ｎ成形体に対し第４図に示されたＦ
ＲＰが固定される要領を示す断面図、第６図はアルミナ
短繊維の成形体とアルミナ長繊維の繊維束とより成る複
合成形体を示す断面図、第７図は第６図に示された複合
成形体を用いて行われるｖｆ造工程を示す断面図、第８
図は第７図の鋳造工程により形成された鋳物を示す断面
図、第９図は第８図に示された鋳物のアルミナ長ｍＮに
て強化された部分の表面よりマトリックスとしてのアル
ミニウム合金を除去する要領を示す断面図、第１０図は
第９図の工程により形成されたアルミナ長繊維により郭
定された断熱層を含む金属部材としてのテストピースを
示す断面図、第１１図は実施例１及び２に於ける断熱試
験の結果を示すグラフ、第１２図は内燃機関のピストン
として構成された本発明の金属部材の他の一つの実施例
を示す断面図、第１３図はヘッド部の端面にセラミック
の溶射層が形成された従来のピストンを示す断面図、第
１４図はヘッド部の端面にセラミック板が機械的に固定
された従来のピストンを示す断面図、第１５図はヘッド
部に燃焼室窪みを有するピストンとして構成された本発
明の金属部材の更に他の一つの実施例を示す断面図、第
１６図は本発明の金属部材の断熱層が適用されてよい内
燃機関の各部位を示す断面図である。１・・・アルミナ長ｍ維、２・・・エポキシ樹脂、３・
・・プリプレグシート、４・・・型本体、６・・・パン
チ、７・・・ＩＴｌ：綿成形装置、８・・・円柱状のＦ
ＲＰ、９・・・円盤状のＦＲＰ。１０・・・アルミナ短
繊維、１１・・・凹部。１２・・・短繊維成形体、１３・・・繊維束、１４・・
・複合成形体、１５・・・高圧鋳造装置、１６・・・鋳
型、１７・・・溶湯、１８・・・プランジＶ、１９・・
・鋳物、２０・・・アルミナ類ＪＩＭにて強化された部
分、２３・・・アルミツ長繊維にて強化された部分、２
２・・・測温用の孔、２３・・・エポキシ樹脂接着剤、
２４・・・容器、２５・・・塩酸水溶液、２６・・・断
熱層、２７・・・テストピース、２８・・・アルミナ短
繊維にて強化された部分。２９・・・アルミナ長繊維にて強化された部分、３０・
・・断熱層、３１・・・ピストン、３２・・・ピストン
本体。３３・・・溶射層、３４・・・窒化ケイ素板、３５・・
・りじ。３６・・・ピストン本体、３７・・・ヘッド部、３７ａ
・・・燃焼″ｇ窪み、３８・・・セラミック長繊維、３
９・・・燃焼室、４０・・・内壁面、４１・・・吸気バ
ルブ、４２・・・排気バルブ、４３．４４・・・傘寅面
、４５・・・排気ポート２４６・・・内壁面特　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４図１アルミナ長繊維第８図第９図第１０図断熱層厚２ｉｒｎｍ＋第１３図第１４図第１５図第１６図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）一部にて金属母材中に埋設され他の一部にて前記
金属母材外に露呈され実質的に一方向に配向された多数
のセラミック長繊維を含み、前記露呈された部分により
多孔質断熱層が郭定された金属部材。
（２）特許請求の範囲第１項の金属部材に於て、前記断
熱層に於ける前記セラミック長繊維の体積率は３０〜６
５％であることを特徴とする金属部材。
（３）特許請求の範囲第１項又は第２項の金属部材に於
て、前記断熱層の厚さは０．３ｍｍ以上であることを特
徴とする金属部材。
（４）特許請求の範囲第１項乃至第３項の何れかの金属
部材に於て、前記セラミック長繊維は前記金属母材の表
面に対し実質的に垂直に配向されていることを特徴とす
る金属部材。
（５）一部にて金属母材中に埋設され他の一部にて前記
金属母材外に露呈され実質的に一方向に配向された多数
のセラミック長繊維を含み、前記露呈された部分により
多孔質断熱層が郭定された金属部材の製造方法にして、
実質的に一方向に配向された多数のセラミック長繊維よ
り成る繊維束を形成し、前記繊維束を多孔質成形体に固
定し、前記繊維束及び前記成形体を前記金属部材を鋳造
する鋳型内に前記繊維束の側を前記鋳型の内壁面側にし
て配置し、前記鋳型内に前記金属母材の溶湯を注湯し、
該溶湯を加圧しつつ凝固させ、得られた鋳物の前記セラ
ミック長繊維にて強化された部分の金属母材の表面層を
除去する製造方法。
（６）特許請求の範囲第５項の製造方法に於て、前記繊
維束は前記成形体の凹部に圧入式に固定されることを特
徴とする製造方法。
（７）特許請求の範囲第５項又は第６項の製造方法に於
て、前記成形体は短繊維の成形体であることを特徴とす
る製造方法。
（８）特許請求の範囲第５項乃至第７項の何れかの製造
方法に於て、前記繊維束及び前記成形体は前記成形体が
前記鋳型内に圧入式に固定されることにより前記鋳型内
に固定的に配置されることを特徴とする製造方法。