JPS6299451A - 断熱ピストンの製造方法 - 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〕 本発明は断熱ピストンの製造方法に関し、特にピストン
頂部に燃焼室が形成されたディーゼルエンジン用ピスト
ンに好適な断熱ピストンに関する。

〔従来の技術〕

近年、エンジンのピストンにおいては、往復運動部の慣
性力を低減させるための軽量化、及びピストンの耐熱性
を確保するという観点から、ＡＩ。

合金により鋳造成形されたものが一般的に採用されてい
る。

しかし、ＡＩ１合金は熱伝導率の高い金属材料（熱膨張
率：　２３　Ｘ　Ｉ　Ｏ−ｂ／”Ｃ）であることから、
燃焼室におけるガソリン等の燃焼により発生した燃焼熱
の一部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。

そこで、このような／１合金製ピストンを介して伝熱さ
れる熱（ｌ失を抑制するために、ピストンノｒＮ　Ｍ　
（ピストンヘッド）等にジルコニア、アルミナ等の熱伝
導率の低いセラミック材料を溶射処理して断熱１ｆ４を
改善させたセラミック溶射ピストンの採用が試みられて
いる（例えば、ｒｃｕｍｍｉｎｓ／ＴＡＣＯＭ　　Ａｄ
ｖａｎｃｅｄ　　　Ａｄｉａｂａｔｉｃ　　Ｅｎｇｉｎ
　　、　　　Ｊ　　　Ｒ，Ｋａｍｏ　　ｅｔ　ａｌ　Ｓ
ＡＨＰａｐｅｒ　Ｎｏ、　８４０４２８　　、特公昭６
０−２７８２０号、特開昭５８−１６４７７５号等）。

また、断熱性に優れたセラミック材料を溶射する代わり
に、セラミック焼結体を鋳込む方法も検討されている（
例えば、ＳＡＥ　Ｐａｐｅｒ　Ｎｏ、　８４０４２８、
特公昭５６−６１６号等）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、このようなＡｎ合金製ピストンを介して
伝熱される熱損失を抑制させるために、ピストンの頂部
等に熱伝導率の低いセラミック材料を溶射処理して、あ
るいはセラミック焼結体を鋳込んで断熱性を改善させた
セラミック溶射ピストンにおいては、ＡＩ１合金である
ピストン母材表面と溶射層あるいはセラミック焼結体と
の間における熱膨張係数の差異に基づいて、エンジンの
作動に伴う加熱、冷却を繰り返している間にビス１〜ン
母材表面と溶射層との界面あるいはセラミック焼結体に
亀裂を発生し、遂にはピストン母材表面から溶射層が剥
離あるいはセラミック焼結体が破損することがある。

また、上記溶射層の剥離は、直接噴射式のようにピスト
ンの噴孔部にセラミック溶射層を形成させる場合におい
ては、次のような原理に基づいて溶射処理後に前述のよ
うなエンジンの作動に伴う加熱冷却を受けないでも生じ
ることが知られている。

即ち、第５図（ａｌに示すようなピストン９に対する溶
射処理工程において、ｉｌ常実施される予熱によりピス
トン母材９ａ（Ａｊ！合金）が矢印ａのように円周方向
に熱膨張することから、ピストン９の噴孔部（燃焼室）
形状Ｃも予熱前の噴孔部形状Ｃ１から予熱後の噴孔部形
状ｃｇに拡大される。

そして、このようなピストン９の噴孔部形状Ｃが拡大さ
れた状態で、ビスＩ・ンｆ（Ｊ材９ａ表面には第５図（
ｂｌに示すようなＮｉ合金等の下地溶射層１０ａ（第６
図参照）及びセラミック溶射層１０ｂ（第６図参照）か
らなる溶射層１０が溶射処理される。

その後、溶射処理した後のピストン９の温度の低下に伴
い、ピストン母材９ａは矢印すのように元の予熱前の噴
孔部形状Ｃ１に熱収縮することから、ピストン母材９ａ
表面と溶射処理された下地溶射層１０ａとの界面には、
第５図（Ｃ１に示すような剪断応力τが発生することと
なる。

−例としてピストン９の外径がφ８３ｍｍ、噴孔部径が
φ４５龍のピストン９においてピストン母材９ａ表面と
下地溶射層１０ａとの界面に発生する剪断応力は、下地
溶射層１０ａとしてのＮｉ合金溶射層とジルコニア等の
セラミック溶射層１０ｂとを０．５■ｌの厚さで溶射処
理した場合においては約４　Ｋｇ　ｆ　／ｍｍ”となり
、しばしばピストン母材９ａ表面と下地溶射層１０ａと
の界面における密着強度（約３Ｋｇｆ／ｍｍ”）以上と
なって、溶射処理した後に第６図に示すような剥離部１
１を形成させることとなるのである。

また、ピストンの噴口部への溶射は、四部形状の噴口部
の内部に行うものであるため、溶射中、酸化された溶融
粉末がはね返り等により母材に付着する。この結果、溶
射層中の酸化層が密着性を損なう一因となる場合がある
。

更に、ピストンへの溶射は、溶射層の均一な厚さを得る
ことが難しく、特に噴［−１部（燃焼室）のような複雑
形状の場合には溶射層の厚さが不均一になり易い。

なお、セラミックスとアルミニウム合金の熱膨張差に起
因する溶射層の剥離、脱落を防出する方法として、例え
ば特開昭５８−８７２７３号のように、セラミック材料
を溶射後、急冷することによりセラミック溶射層に微小
クランクを発生させ、熱応力を緩和する方法が提案され
ている。しかしながら、この場合には、セラミック溶射
層と下地金属との間でクラックが発生し、剥離すること
がある。

そこで、上記従来の問題点を解決するために、熱１．Ｆ
、、力を緩和してセラミック溶射層の剥離、脱落を１部
月１し、耐久性を向にさせた断熱ピストンの開発が望ま
れていた。

〔問題点を解決するための手段〕

Ｌ記問題は、次に述べる本発明の断熱ピストンの製造方
法によって解決される。

即ち、本発明の断熱ピストンの製造方法は、以し−の［
程からなる。

（イ）ピストンの燃焼室形状を形成する金属製分割型の
各型の表面に別々にセラミック材料を溶射する工程、 （ロ）セラミック溶射層が形成された分割型を燃焼室形
状に糾み立てる工程、 （ハ）組み立てた分割型の燃焼室形状面に下地金属を溶
射する工程、 （ニ）下地金属で一体化された分割型を、ピストン形状
の製品キャビティが祁定された鋳型内に設置し、アルミ
ニウム合金溶湯を注ぐ工程、（ポ）溶湯凝固後、分割型
を取り外し、分割型表面のセラミック溶射層と下地金属
溶射層を、鋳造したピストンに転写する］′稈、 （へ）ピストンの燃焼室部分のセラミック溶射層を研磨
等して仕上げる工程。

以下に、本発明を更に詳細に説明する。

本発明においては、転１°を利用して分割型に溶射した
セラミック溶射層と下地金属溶射層をピストンに写し取
る。このとき使用される分割型は、表面がピストンの燃
焼室（噴口部）形状を有する。

この分割型は、高温のセラミックス溶射に十分耐えられ
るようにアルミニうム合金等の金属で形成する。この分
割型を幾つに分割するかは、ピストンの燃焼室の形状等
を考慮して適宜法めることができるが、通常は３〜６個
程度が望ましい。また、分割された分割型の各部分Ｃａ
ｔ、略均等な大きさとするのが望ましい。

このとき使用するセラミックス溶射としては、イツトリ
ア部分安定化ジルコニア（ＺｒＯ□・８Ｙ２０３）、酸
化アルミニウム（ＡＡｇ（’）＋）−窒化珪素（ｓ　１
３Ｎ４）　、酸化り「１ム（Ｃｒ　２０３）　、酸化チ
タン（Ｔ　ｉ　０２）等のように断熱性があり、高温で
安定なものであればどのようなものでも用いることがで
きる。また、セラミック溶射層の厚さは、断熱効果を考
慮すると０．５　ｍｍ以上とすることが望ましい。

セラミック溶射層が形成された分割型の各ピース（部分
）を燃焼室形状となるように組み立てる。

次いで、この燃焼室部分に下地金属を溶射して一体化す
る。この下地金属としては、ニッケルーり１１ム−アル
ミニウム合金（Ｎｉ−Ｃｒ−ＡＡ金合金等を用いること
ができる。この下地金属溶射層の厚さは、０．　ｌ　１
１〜１酊とするのが望ましい。

下地金属を溶射後、分割型を鋳型に設置する。

この鋳型には、ピストン形状の製品キャビティが形成さ
れており、この製品キャビティのピストン頂部に当たる
部分に分割型を設置する。その後、重力鋳造法、低圧鋳
造法等を用いてピストンを鋳造する。

鋳造完了後、型バラクあるいは型開きを行うと共に、分
割型を鋳造したピストンから取り外す。

しかる後、ピストンの噴口部に転写されたセラミツク溶
射層の表面を研磨して所定寸法に仕−にげる。

〔作用〕

本発明の断熱ピストンの製造方法によれば、分割型の各
ピースごとに形成したセラミック溶射層をピストンの噴
「１部に転写したため、噴口部に転写されたセラミック
溶射層は、分割型の数に応じた不連続部分（切れ目）を
有する。このため、ピストン鋳造時におけるアルミニウ
ム合金溶湯の収縮、更には稼動時における熱膨張、熱収
縮の繰り返し応力がセラミック溶射層に作用したとき、
上記不連続部分のところで応力が開放され、緩和される
ことになる。従って、従来のように熱応力の集中がなく
なり、セラミック溶射層の剥離や脱餡等の欠陥が大幅に
低減される。

また、予め燃焼室形状を有する分割型に溶射したものを
転写する形をとるため、噴「１部のよう２（四部に溶射
する際の不具合が解消される。即ち、溶射は凸形状の分
割型に行われるため、溶射時に発生する酸化物がピスト
ンの母材面に直接付着ことがなく、密着性が向−にする
。また、溶射層の厚さの制御も容易と２（る。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例を図面を参考にして説明する。

ここで、第１図は本発明の実施例に係る断熱ピストンの
製造方法の各工程を示ず１ユ程図、第２図は本発明の実
施例で得られた断熱ピストンを示す概略構成図である。

まず、第１図ｆａｌに示すような分割型１をアルミニウ
ム合金で製作した。この分割型ｌは４個のピース２から
なり、各ピース２が合わさった状態でピストンの噴口部
（燃焼室）を形成する。そして、各ピース２には、長さ
５０ｍ−の鋼製のスティック３が取り付けられている。

次に、分割型ｌの各ピース２をアセトン等の有機溶剤に
て洗浄した後、表面の形状が変化しない程度にショツト
ブラスト処理を施し、表面相さをＩＯ〜３０μＲｚとし
た。

続いて、各ピース２毎に溶射処理を施した。即ち、プラ
ズマ溶射装置により１５０±５０℃程度となるまで予熱
した後、ＺｒＯ□−５重量％ＣａＯからなるセラミック
材料をプラズマ溶射して厚さｌ　ｍｗｓのセラミック溶
射層４を形成した。その後、第１図ｆｂｌに示すように
、各ピース２の側面に番才み出した溶射層を削り取り、
側面を平らにした。

次いで、セラミック溶射層４を設けた各ピース２を噴口
部形状に絹み付け、この分割型１のセラミック溶射層４
表面に下地金属を溶射した。即ち、セラミック材料の溶
射に用いたプラズマ溶射Ｗｆｆを用いて、９４重量％（
８０重酸％Ｎｉ−２０重量％Ｃｒ）−６重量％Ａｎから
なる組成を有する下地金属を溶射し、厚さ０．５　鰭の
下地金属溶射層５を形成した。

下地金属で一体化された分割型１を、第１図ｉｃ）に示
すように、鋳型６に設置した。ここで、７ば分割型１の
変形を防１１−するために分割型１の内部に挿入される
支持部材である。この鋳型６には、ピストン形状の製品
キャビティ８が９１一定されている。この鋳型６の上方
からアルミニウム合金溶湯（ＪＩＳ　　ＡＣ８Ｃ）を注
ぎ、ビス１−ンを鋳造ずる。溶湯凝固後、型バラクを行
い、支持部材７、分割型１を取り除く。すると、分割型
ｌの表面に形成されていたセラミック溶射層４と下地金
属溶射層５がピストン９　（第２図参照）に転写される
。

その後、ピストン９の噴口部（燃焼室）１０に形成され
たセラミック溶射層４の表面を研磨して最終製品とした
。この結果、第２図に示すピストンＡが得られた。

（比較例） 実施例と同形状のピストンを鋳造し、噴口部をショツト
ブラスト処理したのち、実施例と同じ下地金属およびセ
ラミック材料を実施例と同様なプラズマ溶射装置を用い
、同じ条件で溶射してピストンを製造した。この結果得
られたピストンをピストンＢとする。

（評価試験） −り述のようにして製作した各断熱ピストンＡ、Ｂをそ
れぞれ別々のエンジンに組込み、同一条件にてエンジン
実機による冷熱サイクル耐久試験を行った。

その結果、従来の方法により溶射層を形成させた比較例
のピストンＢにおいては、５〜ＩＯ時間の冷熱サイクル
耐久試験にてほぼ全数における溶射層の剥離・脱落が認
められたものの、本実施例のピストンＡにおいては５０
０時間の冷熱サイクル耐久試験後においても全く溶射層
に異常は認められなかった。

また、上述の冷熱サイクル耐久試験に供した断熱ピスト
ンと同時に製作した各断熱ピストンを、溶射処理直後に
切断してピストン形状材と下地溶射層との界面状態を観
察したところ、ピストンＢにおいては約半数において界
面に剥離部（溶射層の浮き上がり）が既に発生しており
、それ以りＩのものについてもヘアクラックの発生が認
められた。

一方、本実施例のピストンＡにおいては、このような剥
離部もしくはヘアクラックの発生といった異常は全く認
められなかった。

上述の結果から明らかなように、ピストンＢにおいては
溶射処理後の熱収縮に基づいて、ピストン母材と下地溶
射層との界面に残留剪断応力が形成され、冷熱サイクル
耐久試験前において既に剥暉部が形成されたものと考え
られる。

そして、エンジン実機による冷熱サイクル耐久試験によ
って、剥離部がピストン負荷、冷熱サイクルに伴う加熱
冷却により拡大されて溶射層の剥離・脱落に至ったもの
と考えられる。

一方、本実施例のピストンＡにおいては、セラミック溶
射層が４つに分断されており、このセラミック溶射層の
不連続部で熱応力が開放され、緩和された結果、剥離や
脱落が防１Ｆできたものと考えられる。

以−に、本発明の特定の実施例について説明したが、本
発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求
の範囲内において種々の実施態様を包含するものである
。

例えば、本実施例では本発明を直接噴射式ディーゼルエ
ンジンに適用した例を示したが、副室式ディーゼルエン
ジン、ガソリンエンジンに適用しても同様な効果を期待
することのできる。

また、実施例においては、分割型を４個のピースに分け
た例を示したが、不連続部が１または２以上形成できれ
ばよいため、分割型は２以上のピースからなるものであ
れば、幾つでもよい。例えば、第３図、第４図に示すよ
うに、６個、８個に分割してもよい。

〔発明の効果〕

以上より、本発明の断熱ピストンの製造方法によれば、
以下の効果を奏する。

（イ）ピストンのセラミック溶射層に不連続部が形成さ
れているため、熱応力の緩和が図れる。従って、セラミ
ック溶射層の剥離や脱落が大幅に低減される。

（ロ）転写方式を採用しているため、溶射時にピストン
の母材表面に酸化物が付着する不具合が解消される。こ
のため、セラミック溶射層の密着性が向上する。

（ハ）転写方式を採用しているため、セラミック溶射層
の膜厚の制御が容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る断熱ピストンの製造方法
の各工程を示す工程図、 第２図は本発明の実施例で得られた断熱ピストンを示す
概略構成図である。 第３図は本発明において使用できる他の分割型の例を示
す底面図、 第４図は本発明において使用できる更に他の分割型の例
を示す底面図、 第５図はピストンに対する従来の溶射処理工程を示す説
明図、 第６図は従来法により溶射処理した溶射層の断面模式図
である。 ］　−−−一分割型 ２−・−・−ピース ３−一−−−−−スティック ４−−−−セラミック溶射層 ５−−−−一下地金属溶射層 ６−−−−−−鋳型 ７−一一−−−−支持部材 ８−−−−製品キャビティ ９−−−−ピストン 第１図 （ａ） ７°５”′１″′ 第２図 ｉ。 第５図 第３図 第 ６図 園７７

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）次の工程からなる断熱ピストンの製造方法。 （イ）ピストンの燃焼室形状を形成する金属製分割型の
   各型の表面に別々にセラミック材料を溶射する工程、 （ロ）セラミック溶射層が形成された分割型を燃焼室形
   状に組み立てる工程、 （ハ）組み立てた分割型の燃焼室形状面に下地金属を溶
   射する工程、 （ニ）下地金属で一体化された分割型を、ピストン形状
   の製品キャビティが郭定された鋳型内に設置し、アルミ
   ニウム合金溶湯を注ぐ工程、 （ホ）溶湯凝固後、分割型を取り外し、分割型表面のセ
   ラミック溶射層と下地金属溶射層を、鋳造したピストン
   に転写する工程、 （へ）ピストンの燃焼室部分のセラミック溶射層を研磨
   等して仕上げる工程。