WO2018198898A1 - ピストン - Google Patents

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WO2018198898A1
WO2018198898A1 PCT/JP2018/015963 JP2018015963W WO2018198898A1 WO 2018198898 A1 WO2018198898 A1 WO 2018198898A1 JP 2018015963 W JP2018015963 W JP 2018015963W WO 2018198898 A1 WO2018198898 A1 WO 2018198898A1
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WO
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piston
heat insulating
base material
insulating layer
layer
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/015963
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English (en)
French (fr)
Inventor
和也 野々村
一等 杉本
直也 沖崎
高橋　智一
圭太郎 宍戸
Original Assignee
日立オートモティブシステムズ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B77/00—Component parts, details or accessories, not otherwise provided for
    • F02B77/11—Thermal or acoustic insulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/10—Pistons  having surface coverings
    • F02F3/12—Pistons  having surface coverings on piston heads
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J1/00—Pistons; Trunk pistons; Plungers
    • F16J1/01—Pistons; Trunk pistons; Plungers characterised by the use of particular materials

Definitions

  • the present invention relates to a piston.
  • an internal combustion engine such as a reciprocating engine provided in an automobile, a ship, a generator, or the like includes a cylinder block (engine block), a cylinder head, a piston, and the like.
  • a piston is incorporated in the cylinder and a cylinder head is attached to the cylinder block.
  • the combustion chamber of an internal combustion engine is comprised by the inner wall of the cylinder which a cylinder block has, the piston head which a piston has on the top surface, and a cylinder head.
  • Cast iron or the like has been used as a material for the members constituting such a combustion chamber, but lighter aluminum alloys and the like have come to be widely used.
  • the internal combustion engine can achieve high output by increasing the displacement and compression ratio.
  • the cooling loss increases as the compression ratio increases, the improvement in the thermal efficiency of the internal combustion engine reaches its peak.
  • the cooling loss reaches about 30% of the heat energy generated in the internal combustion engine, and reducing the cooling loss is an important issue for realizing higher output of the internal combustion engine and further reducing fuel consumption. It has become.
  • a method of forming a ceramic heat shield film by sintering inorganic oxide, inorganic carbide, inorganic nitride or the like on the inner wall of the combustion chamber is known. It has been. Since ceramics such as zirconia have characteristics of high heat resistance and low thermal conductivity, a ceramic thermal barrier film is excellent in heat insulation. In addition to excellent heat resistance and low thermal conductivity, the thermal barrier film having a low heat capacity can appropriately follow the temperature of the thermal barrier film itself against the fluctuation of the gas temperature in the combustion chamber. It is effective in preventing a reduction in intake efficiency and abnormal combustion.
  • the thermal barrier film is subjected to repeated thermal expansion and contraction during the cycle of the internal combustion engine, and a strong combustion pressure due to the fuel gas is applied to the inner wall of the combustion chamber. Adhesiveness that is difficult to peel off from the inner wall is required. Therefore, as a technique for realizing a thermal barrier film having low thermal conductivity and good adhesion, a technique for forming a thermal barrier film by incorporating ceramic particles having a hollow structure with a low heat capacity into a hollow material, or porous particles Techniques have been proposed in which a sol containing coating is dried to form a thermal barrier film.
  • Patent Document 1 describes a thermal barrier film formed by spraying a frit containing hollow silica on the surface of an aluminum-based member.
  • the thermal barrier film is described as being composed of a diffusion bonding layer that does not include hollow particles and an upper layer that is provided on the diffusion bonding layer and includes hollow particles.
  • Patent Document 2 describes a thermal barrier film formed by applying a sol containing silica hollow particles onto an aluminum substrate. And it is described that a heat insulation film
  • membrane consists of the heat insulation layer containing a silica hollow particle, and the buffer joining layer which reduces the thermal expansion difference of a base material and a heat insulation layer.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 by using ceramic hollow particles, low heat capacity that contributes to low heat conductivity and heat responsiveness as well as heat resistance and heat insulation are achieved. It becomes possible to form a heat shield film.
  • the layer containing the hollow particles is diffusion bonded to the base material as described in Patent Document 1, or is bonded to the metal phase via the buffer bonding layer as described in Patent Document 2. Further, there is a possibility that followability to strain accompanying thermal expansion or thermal contraction can be obtained.
  • an object of the present invention is to provide a piston provided with a heat insulating layer that is suitable for stable production and has good heat insulating properties, thermal responsiveness, and adhesion.
  • a piston according to the present invention includes a base material, a bonding layer formed on the surface of the base material, and a heat insulating layer formed on the surface of the bonding layer, and has a lower melting point than the base material.
  • the insert material is diffused to the base material to form a bonding layer, and the insert material is diffused to the heat insulating layer to form the bonding layer.
  • the piston manufacturing method according to the present invention includes a step of diffusing a material having a lower melting point than the base material of the piston into the base material to form a joining layer, and a method of diffusing the low melting point material into the heat insulating layer. It has the process of forming.
  • a piston equipped with a heat insulating layer that is suitable for stable production and has good heat insulating properties, thermal responsiveness, and adhesion.
  • FIG. 1 is a schematic view showing an example of a piston according to an embodiment of the present invention, in which the upper view is a view of the piston as viewed from above, and the lower view is a view of the piston as viewed from the side.
  • the piston 1 is a piston provided with a heat insulating layer, and the heat insulating layer is formed on the crown surface 2 of the piston 1 made of an arbitrary metal.
  • the piston 1 can be made of an appropriate metal or alloy, but is preferably steel, aluminum, steel, nickel, titanium, or an alloy containing these as a main component, and among these, aluminum or aluminum alloy Is particularly preferred. With such a material, the weight of the piston is reduced.
  • FIG. 2 is an enlarged view of the crown surface 2 by cutting the piston 1 of FIG. 1 along the section AA. It is a mimetic diagram showing an example of the section structure of the piston concerning the embodiment of the present invention.
  • the crown surface of the piston 1 has a concave shape and comprises a concave side surface 1a and a concave bottom surface 1b.
  • the heat insulating layer 3 has a structure in contact with the concave bottom surface 1b or the concave side surface 1a of the piston 1, and preferably has a structure in contact with both the concave bottom surface 1b and the concave side surface 1a. With such a structure, a bonding layer, which will be described later, is formed on both the concave bottom surface 1b and the concave side surface 1a, and the adhesion between the piston 1 and the heat insulating layer 3 is improved.
  • FIG. 3 is an enlarged view of an example of a cross-sectional structure of the piston according to the embodiment of the present invention, and is an enlarged view of a portion B in FIG. Specifically, the heat insulation part which consists of the piston base material 1, the heat insulation layer 3, and the joining layer (diffusion layer) 4 is expanded.
  • the piston base material 1 includes a base material matrix 5 and a base material precipitate 6 dispersed in the base material matrix 5.
  • the base material precipitate 6 includes an element that forms a compound with the bonding layer 4. Preferably it is. With such a structure, the base material precipitate 6 forms a compound (precipitate) 11 at the interface between the joining layer 4 and the piston base material 1 and at the interface between the joining layer 4 and the heat insulating layer 3, and the anchor effect. As a result, the bonding strength at the interface is improved.
  • the base material matrix 5 can be made of an appropriate metal or alloy, but is preferably steel, aluminum, steel, nickel, titanium, or an alloy containing these as a main component, and among these, aluminum or Aluminum alloys are particularly preferred. With such a material, the weight of the piston is reduced.
  • the heat insulation layer 3 has a structure having a void including the heat insulation layer matrix 7 and either or both of the ceramic particles 8 and the hollow ceramic particles 9. With such a structure, in addition to the heat insulating properties, the heat shielding properties are also improved, and the thermal responsiveness is improved.
  • the heat insulating layer matrix 7 can use particles made of a suitable metal or alloy depending on the required performance of the heat insulating portion.
  • a suitable metal or alloy are steel, aluminum, steel, nickel, titanium, or an alloy containing these as a main component.
  • particles of an appropriate material can be used.
  • Preferred particles are siri force, silica balloon, alumina, alumina bubble, zirconia, glass, foamed glass, shirasu earth, fly ash balloon and the like.
  • the ceramic particles 8 may be any of a crystalline compound and an amorphous compound, and may be particles having an appropriate shape such as a spherical shape, a plate shape, a rectangular parallelepiped shape, or a fibrous shape.
  • the hollow ceramic particles 9 can be prepared by, for example, a method of mixing resin particles and inorganic compound powder, coating the resin particles with the inorganic compound powder, and then thermally decomposing and removing the resin particles by firing. it can.
  • the ceramic particles 8 and the hollow ceramic particles 9 in FIG. 3, a combination of the ceramic particles 8 and the hollow ceramic particles 9 is shown. Instead, only the ceramic particles 8 may be used, Only ceramic particles 9 may be used. However, from the viewpoint of reducing the heat capacity of the heat insulating layer 3, it is preferable to use the hollow ceramic particles 9. On the other hand, since the ceramic particles 8 are superior in mechanical strength and durability compared to the hollow ceramic particles 9, the strength and durability of the heat insulating layer 3 can be increased by using the ceramic particles 8 alone or in combination. It is possible to improve.
  • the heat insulating layer 3 may be bonded separately to the piston base material 1, or may be sintered at the same time as a powder or the like is bonded onto the piston base material 1.
  • the time required for joining can be shortened by separately manufacturing the heat insulating layer 3 by, for example, in-furnace heat sintering or hot isostatic pressing.
  • it can manufacture with one installation by a pulse electric current sintering method etc., and can shorten the total process time including sintering and joining.
  • the bonding layer 4 is preferably composed of a bonding layer matrix 10 and includes precipitates 11. With such a structure, the precipitate 11 is formed at the interface between the bonding layer 4 and the piston base material 1 and at the interface between the bonding layer 4 and the heat insulating layer 3, and the bonding strength of the interface is improved by the anchor effect. Further, the precipitate 11 that is harder than the bonding layer matrix 10 is formed, whereby the strength of the bonding layer itself is improved.
  • the bonding layer matrix 10 may include an insert material, and preferably includes the same type of metal as the base material matrix 1 and the heat insulating layer matrix 7. With such a configuration, the bonding layer matrix 10 is diffusion bonded to the base material matrix 1 and the heat insulating layer matrix 7, and the adhesion of the heat insulating layer is improved.
  • the bonding layer 4 is formed by diffusing an insert material having a lower melting point than the piston base material 1 into the piston base material 1 and the heat insulating layer 3.
  • the insert material preferably contains a metal that forms a precipitate 11 between the piston base material 1 and the heat insulating layer 3, and particularly preferably contains Mg. Since the typical piston base material 1 contains Al and Si, when the insert material contains Mg, a precipitate 11 made of an Al—Mg—Si compound is formed at the interface with the piston base material 1. It is easy to do and adhesion improves.
  • the insert material preferably contains an Al—Mg alloy. Since the typical piston base material 1 contains Al, if the insert material contains an Al-Mg alloy, the piston base material and the insert material can be easily diffusion-bonded via Al to improve adhesion. To do.
  • the insert material preferably contains Al 12 Mg 17 .
  • the melting point of the insert material is lowered, so that the construction can be performed at a low temperature.
  • the insert material since the insert material must have a lower melting point than the piston base material 1, the alloy design likelihood of the piston base material 1 improves when the melting point of the insert material decreases.
  • an insert material is a powder form or a sheet form. The powdered insert material can be easily controlled in amount and thickness, and can be bonded to a minute part. The sheet-like insert material is easily dissolved uniformly at the joining site, and the adhesion is improved.
  • the precipitate 11 preferably contains an Al—Mg—Si compound. Since the Al—Mg—Si compound is hard, it is effective not only for improving the adhesion due to the anchor effect of interface precipitation but also for improving the strength of the bonding layer itself.
  • the bonding between the recess bottom surface 1b and the heat insulating layer 3 has been described.
  • the bonding interface between the recess side surface 1a and the heat insulating layer 3 is preferably in the same state. In this case, the bonding strength is improved at the bottom and side surfaces of the heat insulating layer 3, which is more preferable.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating another example of the layer configuration of the piston according to the embodiment of the present invention.
  • the layer structure of the piston is such that the bonding layer 4 is formed between the piston base material 1 and the heat insulating layer 3, and the insert material remaining layer is further interposed between the bonding layer 4 and the heat insulating layer or the piston base material 1. 12 is formed.
  • FIG. 5 is a schematic view showing another example of the layer structure of the piston according to the embodiment of the present invention.
  • a bonding layer 4 may be formed between the piston base material 1 and the heat insulating layer 3, and a coating layer 13 may be formed on the heat insulating layer 3.
  • the coating layer is impregnated into the voids of the heat insulating layer 3, and the strength and durability of the heat insulating layer are improved.
  • the coating layer 13 only needs to be impregnated into the voids of the heat insulating layer, and is, for example, a resin or a metal.
  • the method for manufacturing a piston includes a step of diffusing a material having a lower melting point than the piston base material 1 into the piston base material 1 to form a bonding layer 4, and a material having a low melting point for the heat insulating layer 3. And a step of forming a bonding layer by diffusing the film.
  • the low melting point material may be included on the heat insulating material side.
  • the adhesion between the heat insulating material and the low melting point material is improved.
  • material costs and man-hours are reduced.
  • the piston base material 1 and the heat insulating layer 3 may be joined by a pulse current joining method.
  • a pulse current that repeatedly energizes a high current intermittently By using a pulse current that repeatedly energizes a high current intermittently, the low melting point material and the piston base material 1 and the heat insulating layer 3 can be heated more uniformly. It is difficult for defects to occur between 1 and the heat insulating layer 3.
  • the low melting point material used for pulse current bonding is an insert material, and is preferably in the form of powder or sheet.
  • the powdered insert material can be easily controlled in amount and thickness, and can be bonded to a minute part.
  • the sheet-like insert material is easily dissolved uniformly at the joining site, and the adhesion is improved.
  • the piston base material 1 and the heat insulating layer 3 may be joined by friction stir welding.
  • Friction stir welding in which a cylindrical tool is pressed while rotating and is joined by softening by frictional heat and plastic flow, can be joined in a shorter time than other methods, so the process time can be shortened.
  • the piston base material 1 and the heat insulating layer 3 may be joined by heating.
  • heating using a vacuum furnace, an atmospheric furnace, an atmospheric furnace, etc. the apparatus is simpler than other methods, and mass production by batch processing is also possible.
  • Table 1 shows the component and shape of the insert material, the component and shape of the sintered body that is the material of the heat insulating layer, the component of the piston, the bonding temperature, the bonding method, the precipitate, and the adhesion strength.
  • Al 12 Mg 17 powder was spread as an insert material in a recess provided on the crown surface of the piston, and the heat insulating layer was bonded thereon by a pulse current bonding method.
  • a die casting “AC8A” JIS (Japan Industrial Standards Committee) H 5202 made of an aluminum alloy containing Si is used, and a recess having a diameter of 20 mm and a depth of 9.6 mm is formed on the crown surface. used.
  • a dense sintered body obtained by subjecting a mixed powder of aluminum alloy A5083 (JIS H 4000) and zirconia to pulse current sintering was processed into a diameter of 20 mm and a height of 12 mm.
  • the energization in the pressurization energization process was performed by a pulse current, and the energization was started by reducing the pressure in the chamber with an initial load of 1.0 kN applied to the material to be treated by the pressurizing member.
  • the energization conditions were set so that the surface temperature of the piston base material was 450 ° C.
  • the piston diffusion-bonded by the pressurization energization process was cooled down to a range of 100 ° C. or less, and then recovered by opening the chamber.
  • formation of a compound composed of Al—Mg—Si was observed.
  • Zn powder was spread as an insert material in a recess provided on the crown surface of the piston, and the heat insulating layer was bonded thereon by a pulse current bonding method.
  • a piston base material a die casting “AC8A” (JIS H 5202) made of an aluminum alloy containing Si was used, and a concave portion having a diameter of 20 mm ⁇ depth of 9.6 mm was formed on the crown surface.
  • the sintered body a dense sintered body obtained by subjecting a mixed powder of aluminum alloy A5083 (JIS H 4000) and zirconia to pulse electric current sintering was processed into a diameter of 20 mm and a height of 12 mm.
  • the energization in the pressurization energization process was performed by a pulse current, and the energization was started by reducing the pressure in the chamber with an initial load of 1.0 kN applied to the material to be treated by the pressurizing member.
  • the energization conditions were set so that the surface temperature of the piston base material was 450 ° C.
  • the piston diffusion-bonded by the pressurization energization process was cooled down to a range of 100 ° C. or less, and then recovered by opening the chamber.
  • the metal structure of the obtained piston according to Example 2 was confirmed by EDX. As a result, formation of a compound composed of Al—Mg—Zn was observed.
  • Mg powder was spread as an insert material in a recess provided on the crown surface of the piston, and the heat insulating layer was bonded thereon by a pulse current bonding method.
  • a piston base material a die casting “AC8A” (JIS H 5202) made of an aluminum alloy containing Si was used, and a concave portion having a diameter of 20 mm ⁇ depth of 9.6 mm was formed on the crown surface.
  • the sintered body a dense sintered body obtained by subjecting a mixed powder of aluminum alloy A5083 (JIS H 4000) and zirconia to pulse electric current sintering was processed into a diameter of 20 mm and a height of 12 mm.
  • the energization in the pressurization energization process was performed by a pulse current, and the energization was started by reducing the pressure in the chamber with an initial load of 1.0 kN applied to the material to be treated by the pressurizing member.
  • the energization conditions were set so that the surface temperature of the piston base material was 450 ° C.
  • the piston diffusion-bonded by the pressurization energization process was cooled down to a range of 100 ° C. or less, and then recovered by opening the chamber.
  • formation of a compound composed of Al—Mg—Si was observed.
  • Al—Mg-based alloy powder was spread as an insert material in a concave portion provided on the crown of the piston, and the heat insulating layer was bonded thereon by a pulse current bonding method.
  • a piston base material a die casting “AC8A” (JIS H 5202) made of an aluminum alloy containing Si was used, and a concave portion having a diameter of 20 mm ⁇ depth of 9.6 mm was formed on the crown surface.
  • the sintered body a dense sintered body obtained by subjecting a mixed powder of aluminum alloy A5083 (JIS H 4000) and zirconia to pulse electric current sintering was processed into a diameter of 20 mm and a height of 12 mm.
  • the energization in the pressurization energization process was performed by a pulse current, and the energization was started by reducing the pressure in the chamber with an initial load of 1.0 kN applied to the material to be treated by the pressurizing member.
  • the energization conditions were set so that the surface temperature of the piston base material was 450 ° C.
  • the piston diffusion-bonded by the pressurization energization process was cooled down to a range of 100 ° C. or less, and then recovered by opening the chamber.
  • formation of a compound composed of Al—Mg—Si was observed.
  • a sheet-like alloy foil of Al 12 Mg 17 was spread as an insert material in the recess provided on the crown surface of the piston, and the heat insulating layer was bonded thereon by a pulse current bonding method.
  • a die casting “AC8A” JIS H 5202 made of an aluminum alloy containing Si was used, and a concave portion having a diameter of 20 mm ⁇ depth of 9.6 mm was formed on the crown surface.
  • a dense sintered body obtained by subjecting a mixed powder of aluminum alloy A5083 (JIS H 4000) and zirconia to pulse current sintering was processed into a diameter of 20 mm and a height of 12 mm.
  • the energization in the pressurization energization process was performed by a pulse current, and the energization was started by reducing the pressure in the chamber with an initial load of 1.0 kN applied to the material to be treated by the pressurizing member.
  • the energization conditions were set so that the surface temperature of the piston base material was 450 ° C.
  • the piston diffusion-bonded by the pressurization energization process was cooled down to a range of 100 ° C. or less, and then recovered by opening the chamber.
  • the metal structure of the obtained piston according to Example 5 was confirmed by EDX. As a result, formation of a compound composed of Al—Mg—Si was observed.
  • Al 12 Mg 17 powder was spread as an insert material in a recess provided on the crown surface of the piston, and the heat insulation layer was sintered and bonded thereto by friction stir sintering.
  • a die casting “AC8A” JIS H 5202 made of an aluminum alloy containing Si was used, and a concave portion having a diameter of 20 mm ⁇ depth of 9.6 mm was formed on the crown surface.
  • a mixed powder of aluminum alloy A5083 (JIS H 4000) and zirconia is spread on the insert powder, and the pressure member is rotated and fired by applying a load to the material to be treated by the pressure member. Bonded.
  • Al 12 Mg 17 powder was spread as an insert material in a recess provided on the crown surface of the piston, and the heat insulating layer was bonded thereon by a pulse current bonding method.
  • a die casting “AC8A” JIS H 5202 made of an aluminum alloy containing Si was used, and a concave portion having a diameter of 20 mm ⁇ depth of 9.6 mm was formed on the crown surface.
  • the sintered body a porous sintered body obtained by subjecting a mixed powder of aluminum alloy A5083 (JIS H 4000) and silica to pulse current sintering was processed into a diameter of 20 mm and a height of 12 mm.
  • the energization in the pressurization energization process was performed by a pulse current, and the energization was started by reducing the pressure in the chamber with an initial load of 1.0 kN applied to the material to be treated by the pressurizing member.
  • the energization conditions were set so that the surface temperature of the piston base material was 450 ° C.
  • the piston diffusion-bonded by the pressurization energization process was cooled down to a range of 100 ° C. or less, and then recovered by opening the chamber.
  • formation of a compound composed of Al—Mg—Si was observed.
  • Al 12 Mg 17 powder was spread as an insert material in a recess provided on the crown surface of the piston, and the heat insulating layer was bonded thereon by a pulse current bonding method.
  • the piston base material pure aluminum was used, and a concave portion having a diameter of 20 mm and a depth of 9.6 mm was formed on the crown surface.
  • the sintered body a dense sintered body obtained by subjecting a mixed powder of aluminum alloy A5083 (JIS H 4000) and zirconia to pulse current sintering was processed into a diameter of 20 mm and a height of 12 mm.
  • the energization in the pressurization energization process was performed by a pulse current, and the energization was started by reducing the pressure in the chamber with an initial load of 1.0 kN applied to the material to be treated by the pressurizing member.
  • the energization conditions were set so that the surface temperature of the piston base material was 450 ° C.
  • the piston diffusion-bonded by the pressurization energization process was cooled down to a range of 100 ° C. or less, and then recovered by opening the chamber.
  • formation of a compound composed of Al—Mg was recognized.
  • the energization in the pressurization energization process was performed by a pulse current, and the energization was started by reducing the pressure in the chamber with an initial load of 1.0 kN applied to the material to be treated by the pressurizing member.
  • the energization conditions were set so that the surface temperature of the piston base material was 450 ° C.
  • the piston diffusion-bonded by the pressurization energization process was cooled down to a range of 100 ° C. or less, and then recovered by opening the chamber.
  • formation of a compound composed of Al—Mg—Si was not recognized.
  • the energization in the pressurization energization process was performed by a pulse current, and the energization was started by reducing the pressure in the chamber with an initial load of 1.0 kN applied to the material to be treated by the pressurizing member.
  • the energization conditions were set so that the surface temperature of the piston base material was 420 ° C.
  • the piston diffusion-bonded by the pressurization energization process was cooled down to a range of 100 ° C. or less, and then recovered by opening the chamber.
  • formation of a compound composed of Al—Mg—Si was not recognized.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a piston adhesion evaluation method according to an embodiment of the present invention.
  • the manufactured piston including the heat insulating layer 3 was cut out by combining the piston base material 1 and the heat insulating layer 3 and fixed to the cylindrical jig 14 via the epoxy resin 15 to obtain a test piece for a tensile test.
  • a tensile test was carried out on the prepared test piece until it was broken by applying a tensile stress in a direction perpendicular to the interface of the heat insulating layer, and the contact pressure obtained from the load at the time of breakage was defined as adhesion strength.
  • the epoxy resin 15 used is Araldite AT-1 having a breaking strength of 80 MPa, and when the breaking strength exceeds 80 MPa, it breaks at the interface fixed with the epoxy resin.
  • Table 1 shows a summary of each joining condition, precipitate, and adhesion strength.
  • the present invention is summarized as above.
  • the piston according to the present invention includes a heat insulating layer 3, an insert material having a melting point lower than that of the base material 1 of the piston is diffused into the base material 1 to form a bonding layer 4, and the insert material becomes the heat insulating layer.
  • a bonding layer is formed by diffusion.
  • the precipitate 11 is diffused and deposited between the bonding layer 4 and the heat insulating layer 3. With such a structure, the precipitate 11 is formed at the interface between the bonding layer 4 and the heat insulating layer 3, and the bonding strength of the interface is improved by the anchor effect.
  • the insert material contains Mg.
  • a typical piston base material 1 contains Al and Si. Therefore, if the insert material contains Mg, an Al—Mg—Si system is formed at the interface with the piston base material 1. It is easy to form a precipitate 11 made of a compound, and adhesion is improved.
  • the piston according to the present invention is characterized in that the insert material contains an Al—Mg alloy.
  • the insert material contains an Al—Mg alloy, and the piston base material and the insert material are diffusion-bonded via Al. It is easy to do and adhesion improves more.
  • the piston according to the present invention is characterized in that the insert material contains Al 12 Mg- 17 .
  • the insert material contains Al12Mg17 as described above, the melting point of the insert material is lowered, so that the construction can be performed at a low temperature.
  • the piston according to the present invention is characterized in that the joining layer contains an Al—Mg—Si compound.
  • the precipitate 11 is an Al—Mg—Si-based compound, it is hard due to the characteristics of the material. Therefore, not only the adhesion due to the anchor effect of interface precipitation but also the strength of the bonding layer itself is improved. It is valid.
  • the insert material is powder.
  • the amount and thickness can be easily controlled, and it can be bonded to a minute part.
  • the piston according to the present invention has a sheet-like insert material.
  • a sheet-like insert material when used, it is easy to melt
  • the joining layer is formed on the bottom surface and the side surface of the heat insulating layer.
  • the bonding strength is improved at the bottom and side surfaces of the heat insulating layer 3, which is more preferable.
  • the base material of the piston includes Al and Si.
  • the heat insulating layer 3 has a gap. With such a structure, in addition to the heat insulating properties, the heat shielding properties are also improved, and the thermal responsiveness is improved.
  • the piston according to the present invention is characterized in that a resin is impregnated in the gap.
  • the coating layer impregnates the voids of the heat insulating layer 3, and the strength and durability of the heat insulating layer are improved.
  • the piston manufacturing method according to the present invention includes a step of diffusing a material having a lower melting point than the base material of the piston into the base material to form a joining layer, and a method of diffusing the low melting point material into the heat insulating layer and joining. And a step of forming a layer.
  • a low melting point material is included in the heat insulating material.
  • the adhesion between the heat insulating material and the low melting point material is improved.
  • material costs and man-hours are reduced.
  • a material having a low melting point is diffused by pulse current joining.
  • a pulse current that repeatedly energizes a high current intermittently, the low melting point material and the piston base material 1 and the heat insulating layer 3 can be heated more uniformly. It is difficult for defects to occur between 1 and the heat insulating layer 3.
  • the low melting point material is an insert material
  • the insert material is a powder.
  • the powdered insert material can be easily controlled in amount and thickness, and can be bonded to a minute part.
  • the low melting point material is an insert material and is in the form of a sheet.
  • the sheet-like insert material is easily dissolved uniformly at the joining site, and the adhesion is improved.
  • the low melting point material is diffused by friction stir welding.
  • Friction stir welding in which a cylindrical tool is pressed while rotating and is joined by softening by frictional heat and plastic flow, can be joined in a shorter time than other methods, so the process time can be shortened.
  • the piston manufacturing method according to the present invention is a method for manufacturing a piston, characterized in that a low melting point material is diffused by heating. Time required for joining can be shortened by in-furnace heat sintering or hot isostatic pressing.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various designs can be made without departing from the spirit of the present invention described in the claims. It can be changed.
  • the above-described embodiment has been described in detail for easy understanding of the present invention, and is not necessarily limited to one having all the configurations described.
  • a part of the configuration of an embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of an embodiment.

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Abstract

本発明では、安定的な生産に適し、断熱性、熱応答性及び密着性が良好な断熱層を備えたピストンを提供することを目的とする。　上記課題を解決するために本発明に係るピストンは、母材と、前記母材の表面に形成された接合層と、前記接合層の表面に形成された断熱層とを備え、前記母材よりも低融点のインサート材が前記母材に拡散して前記接合層が形成されており、かつ前記インサート材が前記断熱層に拡散して前記接合層が形成されていることを特徴とする。

Description

ピストン
　本発明は、ピストンに関する。
　一般に、自動車、船舶、発電機等に備えられているレシプロエンジン等の内燃機関は、シリンダブロック(エンジンブロック)、シリンダヘッド、ピストン等によって構成されている。シリンダブロックには、シリンダ内にピストンが組み込まれると共にシリンダヘッドが取り付けられる。そして、シリンダブロックが有するシリンダの内壁と、ピストンが頂面に有するピストンヘッドと、シリンダヘッドとによって内燃機関の燃焼室が構成される。このような燃焼室を構成する部材の材料としては、鋳鉄等が用いられてきたが、より軽量なアルミニウム合金等が汎用されるようになってきている。
　内燃機関は、排気量や、圧縮比等を高めることによって高出力化を図ることができる。しかしながら、圧縮比が高くなるに伴って冷却損失も増大するため、内燃機関の熱効率の改善は頭打ちとなってしまう。一般に、冷却損失は、内燃機関で発生する熱エネルギの３割前後に及んでおり、内燃機関の高出力化や、より一層の低燃費化を実現する上で、冷却損失の低減は重要な課題となっている。
　従来、内燃機関の燃焼室の断熱性を確保する方法としては、燃焼室の内壁に無機酸化物、無機炭化物、無機窒化物等を焼結させたセラミックス製の遮熱膜を形成する方法が知られている。ジルコニアをはじめとするセラミックス類は、耐熱性が高く熱伝導率が低い特性を有しているため、セラミックス製の遮熱膜は、断熱性については優れたものとなる。また、優れた耐熱性と低い熱伝導率とに加えて、熱容量も低い遮熱膜は、燃焼室のガス温度の変動に対して遮熱膜自身の温度を適切に追従させることができるため、吸気効率の低下や異常燃焼の発生の防止に有効である。これらの特性に加えて、燃焼室の内壁には、内燃機関のサイクルの間に熱膨張や熱収縮が繰り返し生じたり、燃料ガスによる強い燃焼圧力がかかったりするため、遮熱膜には燃焼室の内壁から剥離し難い密着性が要求される。そこで、低い熱伝導率や良好な密着性を有する遮熱膜を実現する技術として、熱容量が低い中空構造を有するセラミックス粒子をホーロー材に含有させて遮熱膜とする技術や、多孔質粒子を含むゾルを塗布乾燥させて遮熱膜とする技術が提案されている。
　例えば、特許文献１には、アルミニウム系部材の表面に中空シリカを含むフリットをスプレー塗布することによって形成される遮熱膜が記載されている。そして、遮熱膜は中空粒子を含まない拡散接合層と、拡散接合層の上に設けられ、中空粒子を含む上層とからなることが記載されている。
　また、特許文献２には、シリカ中空粒子を含むゾルをアルミニウム基板上に塗布することによって形成される遮熱膜が記載されている。そして、遮熱膜はシリカ中空粒子を含む断熱層と、基材と断熱層との熱膨張差を軽減する緩衝接合層とからなることが記載されている。
特開２０１５－４０３３１ 国際公開第２０１３／１２５７０４号
　特許文献１や特許文献２に記載されるような技術によれば、セラミックス製の中空粒子を用いることによって、耐熱性や断熱性と共に、低い熱伝導率や、熱応答性に寄与する低い熱容量を有する遮熱膜の形成が可能になる。また、中空粒子を含む層が、特許文献１に記載されるように基材と拡散接合したり、特許文献２に記載されるように緩衝接合層を介して金属相と接合されたりすることによって、熱膨張や熱収縮等に伴う歪への追従性も得られる可能性がある。
　しかしながら、特許文献１に記載されるような中空粒子を含むフリットを母材にスプレー塗布して遮熱膜を形成する方法では、母材への接合の工程や中空粒子成形体の形成する工程において工数を要する。また、スプレーの塗布量が不均一になり、冷却過程で欠陥を生じる恐れがあり、安定的な生産が容易ではない。
　また、特許文献２に記載されるような緩衝接合層を介して遮熱膜を形成する方法では、緩衝接合層を形成する工程や断熱層を形成する工程において工数を要する。また、緩衝接合層と断熱層または基材との界面は不連続になるため、衝撃により剥離する恐れがある。
　そこで、本発明では、安定的な生産に適し、断熱性、熱応答性及び密着性が良好な断熱層を備えたピストンを提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために本発明に係るピストンは、母材と、母材の表面に形成された接合層と、接合層の表面に形成された断熱層とを備え、母材よりも低融点のインサート材が母材に拡散して接合層が形成されており、かつインサート材が断熱層に拡散して接合層が形成されていることを特徴とする。
　また、本発明に係るピストンの製造方法は、ピストンの母材よりも低融点の材料を母材に拡散させて接合層を形成させる工程、及び低融点の材料を断熱層に拡散させて接合層を形成させる工程を有することを特徴とする。
　本発明によれば、安定的な生産に適し、断熱性、熱応答性及び密着性が良好な断熱層を備えたピストンを提供することができる。
本発明の実施形態に係るピストンの一例を示す模式図である。 本発明の実施形態に係るピストンの断面構造の一例を示す模式図である。 本発明の実施形態に係るピストンの断面構造の一例の拡大図である。 本発明の実施形態に係るピストンの層構成の他の例を示す模式図である。 本発明の実施形態に係るピストンの層構成の他の例を示す模式図である。 本発明の実施形態に係るピストンの密着性評価方法を示す模式図である。
　以下、本発明の一実施形態に係るピストン及びその製造方法について説明する。なお、各図において共通する構成については、同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
　図１は、本発明の実施形態に係るピストンの一例を示す模式図であり、上図はピストンを上面から見た図、下図はピストンを側面から見た図である。
　図１に示すように、本実施形態に係るピストン１は、断熱層を備えたピストンであって、断熱層は任意の金属で構成されるピストン１の冠面２に形成される。
　ピストン１は、適宜の金属や合金を材質とすることができるが、鉄鋼、アルミニウム、鋼、ニッケル、チタン、又は、これらを主成分とする合金とすることが好ましく、これらの中でもアルミニウム又はアルミニウム合金が特に好ましい。このような材質であると、ピストンが軽量化される。
　図２は、図１のピストン１をＡ－Ａ断面で切断し、冠面２を拡大した図である。本発明の実施形態に係るピストンの断面構造の一例を示す模式図である。
　ピストン１の冠面は凹形状となっており、凹部側面１ａ、凹部底面１ｂからなる。断熱層３は、ピストン１の凹部底面１ｂ又は凹部側面１ａと接触する構造となっており、凹部底面１ｂ及び凹部側面１ａの両方で接触する構造であることが好ましい。このような構造であると、凹部底面１ｂ及び凹部側面１ａの両方で後述する接合層が形成され、ピストン１と断熱層３との密着性が向上する。
　図３は、本発明の実施形態に係るピストンの断面構造の一例の拡大図であり、図２のＢ部を拡大した図である。具体的にはピストン母材１、断熱層３、接合層（拡散層）４とからなる断熱部を拡大している。
　ピストン母材１は、母材マトリックス５と、母材マトリックス５中に分散する母材析出物６とからなり、母材析出物６は接合層４との間に化合物を形成する元素を含んでいることが好ましい。このような構造であると、母材析出物６が接合層４とピストン母材１との界面、及び接合層４と断熱層３との界面において化合物（析出物）１１を形成し、アンカー効果によって界面の接合強度が向上する。母材マトリックス５は、適宜の金属や合金を材質とすることができるが、鉄鋼、アルミニウム、鋼、ニッケル、チタン、又は、これらを主成分とする合金とすることが好ましく、これらの中でもアルミニウム又はアルミニウム合金が特に好ましい。このような材質であると、ピストンが軽量化される。
　断熱層３は、断熱層マトリックス７と、セラミックス粒子８と中空セラミックス粒子９のいずれか又は両方とを含んだ、空隙を有する構造であることが好ましい。このような構造であると、断熱性に加えて遮熱性も向上し、熱応答性が向上する。
　断熱層マトリックス７は、断熱部の要求性能に応じて、適宜の金属や合金を材質とした粒子を用いることができる。好ましい材質は、鉄鋼、アルミニウム、鋼、ニッケル、チタン、又は、これらを主成分とする合金である。このような金属マトリックスを用いると、断熱層３の形成時の加圧通電処理において、良好な通電性が確保されるため、断熱層３を均一に拡散接合させることができる。
　セラミックス粒子８としては、適宜の材質の粒子を用いることができる。好ましい粒子は、シリ力、シリカバルーン、アルミナ、アルミナバブル、ジルコニア、ガラス、発泡ガラス、シラス土、フライアッシュバルーン等である。セラミックス粒子８は、結晶質化合物及び非晶質化合物のいずれであってもよいし、球状、板状、直方体状、繊維状等の適宜の形状の粒子とすることも可能である。
　中空セラミックス粒子９は、例えば、樹脂粒子と無機化合物粉体とを混合して、樹脂粒子を無機化合物粉体で被覆した後、焼成によって樹脂粒子を熱分解除去する等の方法で調製することができる。
　セラミックス粒子８及び中空セラミックス粒子９としては、図３においては、セラミックス粒子８と中空セラミックス粒子９との組み合わせが示されているが、これに代えて、セラミックス粒子８のみを用いてよいし、中空セラミックス粒子９のみを用いてもよい。但し、断熱層３の熱容量を低くする観点からは、中空セラミックス粒子９が用いられていることが好ましい。一方で、セラミックス粒子８は、中空セラミックス粒子９と比較して機械的強度や耐久性に優れるため、セラミックス粒子８を単独で用いたり併用したりすることによって、断熱層３の強度や耐久性を向上させることが可能である。
　断熱層３は、別途製造したものをピストン母材１に接合してもよいし、粉末等の状態のものをピストン母材１の上に接合するのと同時に焼結してもよい。断熱層３を別途製造する場合は、例えば炉内加熱焼結や熱間等方加圧法により断熱層３を別途製造することにより、接合に要する時間を短縮できる。また断熱層３の製造と接合を同時に実施する場合、パルス通電焼結法等により一つの設備で製造することができ、焼結と接合とを含めたトータルの工程時間を短縮できる。
　接合層４は、接合層マトリックス１０からなり、析出物１１を含んでいることが好ましい。このような構造であると、析出物１１が接合層４とピストン母材１との界面、及び接合層４と断熱層３との界面に形成され、アンカー効果によって界面の接合強度が向上する。また接合層マトリックス１０よりも硬質な析出物１１が形成されることによって、接合層そのものの強度が向上する。接合層マトリックス１０はインサート材を含んでいてもよく、母材マトリックス１及び断熱層マトリックス７と同種の金属を含んでいることが好ましい。このような構成であると、接合層マトリックス１０が母材マトリックス１及び断熱層マトリックス７と拡散接合し、断熱層の密着性が向上する。
　接合層４は、ピストン母材１よりも低融点のインサート材がピストン母材１及び断熱層３に拡散することによって形成される。インサート材はピストン母材１及び断熱層３との間に析出物１１を形成する金属を含んでいることが好ましく、Ｍｇを含んでいることが特に好ましい。典型的なピストン母材１はＡｌとＳｉとを含んでいるため、インサート材がＭｇを含んでいると、ピストン母材１との界面にＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系化合物からなる析出物１１を形成しやすく、密着性が向上する。また、インサート材はＡｌ－Ｍｇ系合金を含んでいることが好ましい。典型的なピストン母材１はＡｌを含んでいるため、インサート材がＡｌ－Ｍｇ系合金を含んでいると、ピストン母材とインサート材とがＡｌを介して拡散接合しやすく、密着性が向上する。
　さらに、インサート材はＡｌ１２Ｍｇ１７を含んでいることが好ましい。インサート材がＡｌ１２Ｍｇ１７を含んでいると、インサート材の融点が低下するため、低温で施工することが可能である。また、インサート材はピストン母材１よりも低融点でなければならないため、インサート材の融点が低下すると、ピストン母材１の合金設計尤度が向上する。また、インサート材は粉末状またはシート状であることが好ましい。粉末状のインサート材は量や厚みを制御しやすく、また微小部位にも接合できる。シート状のインサート材は接合部位に均一に溶解しやすく、密着性が向上する。
　析出物１１はＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系化合物を含んでいることが好ましい。Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系化合物は硬質であるため、界面析出のアンカー効果による密着性向上だけでなく、接合層そのものの強度向上にも有効である。
　なお、本説明では凹部底面１ｂと断熱層３との接合に関して説明したが、凹部側面１ａと断熱層３の接合界面についても同様の状態となっていることが好ましい。この場合には断熱層３の底面と側面で接合強度が向上するため、より好ましい。
　以下、本発明の変形例について説明する。図４は、本発明の実施形態に係るピストンの層構成の他の例を示す模式図である。
　本変形例では、ピストンの層構成は、ピストン母材１と断熱層３との間に接合層４が形成され、さらに接合層４と断熱層又はピストン母材１との間にインサート材残存層１２が形成されている。このような構造であると、断熱層３とピストン母材１との間の空間をインサート材残存層が充填するため、断熱層３及びピストン母材１の設計尤度が向上する。
　続いて第二の変形例について説明する。図５は、本発明の実施形態に係るピストンの層構成の他の例を示す模式図である。
　ピストンの層構成は、ピストン母材１と断熱層３との間に接合層４が形成され、さらに断熱層３の上に被覆層１３が形成されていてもよい。断熱性に加えて遮熱性も向上させるために断熱層の表面側に空隙を有する層とした場合、断熱層３の空隙に被覆層が含浸し、断熱層の強度や耐久性が向上する。被覆層１３は断熱層の空隙に含浸するものであればよく、例えば樹脂、金属などである。
　ここで、本発明の一実施形態に係るピストンの製造方法について説明する。
　本発明の一実施形態に係るピストンの製造方法は、ピストン母材１よりも低融点の材料をピストン母材１に拡散させて接合層４を形成させる工程、及び低融点の材料を断熱層３に拡散させて接合層を形成させる工程を有する。このような構成であると、ピストン母材１と断熱層３とが接合層４を介して拡散接合し、ピストン母材１と断熱層３との密着性が向上する。
　低融点の材料は、断熱材側に含まれていてもよい。低融点の材料が断熱材に含まれていると、断熱材と低融点の材料との間の密着性が向上する。また、低融点の材料をピストン母材１と断熱層３との間に加える工程が不要となるため、材料費や工数が削減される。
　ピストン母材１と断熱層３との接合は、パルス通電接合法で接合されてもよい。高電流を間欠的に繰り返し通電するパルス電流を利用すると、低融点の材料とピストン母材１及び断熱層３との間をより均一に加熱することができるため、低融点の材料とピストン母材１及び断熱層３との間に欠陥が発生しづらい。パルス通電接合に用いる低融点の材料はインサート材であり、かつ粉末状またはシート状であることが好ましい。粉末状のインサート材は量や厚みを制御しやすく、また微小部位にも接合できる。シート状のインサート材は接合部位に均一に溶解しやすく、密着性が向上する。
　ピストン母材１と断熱層３との接合は、摩擦攪拌接合によって接合されてもよい。円筒状工具を回転させながら押し付け、摩擦熱による軟化と塑性流動によって接合させる摩擦攪拌接合では、他の手法に比べて短時間で接合できるため、工程時間を短縮できる。
　ピストン母材１と断熱層３との接合は、加熱によって接合されてもよい。真空炉や雰囲気炉、大気炉等を用いた加熱では、他の手法に比べて装置が簡便であり、またバッチ処理による大量生産も可能である。
　以下、本発明の実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明の技術的範囲はこれに限定されるものではない。
　インサート材の成分及び形状、断熱層の材料となる焼結体の成分及び形状、ピストンの成分、接合温度、接合方法、析出物、及び密着強度を表1に示す。
　実施例１に係る断熱層は、ピストンの冠面に設けた凹部にインサート材としてＡｌ１２Ｍｇ１７の粉末を敷き詰め、その上に断熱層をパルス通電接合法により接合した。ピストン母材１としては、Ｓｉを含むアルミニウム合金製の金型鋳物「ＡＣ８Ａ」（ＪＩＳ（Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｓｔａｎｄａｒｄｓ　Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ）　Ｈ　５２０２）とし、冠面に直径２０ｍｍ×深さ９．６ｍｍの凹部を形成して使用した。また、焼結体としては、アルミニウム合金Ａ５０８３（ＪＩＳ　Ｈ　４０００）とジルコニアの混合粉末をパルス通電焼結した緻密焼結体を、直径２０ｍｍ×高さ１２ｍｍに加工して使用した。
　加圧通電処理における通電は、パルス電流によるものとし、加圧部材によって被処理材に１．０ｋＮの初期荷重を付加した状態でチャンバ内を減圧して通電を開始した。また、通電条件は、ピストン母材の表面温度が４５０℃となるように設定した。
　加圧通電処理によって拡散接合されたピストンは、１００℃以下の範囲にまで冷却した後に、チャンバを開放して回収した。得られた実施例１に係るピストンの金属組織をＥＤＸにより確認した結果、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉからなる化合物の形成が認められた。
　実施例２に係る断熱層は、ピストンの冠面に設けた凹部にインサート材としてＺｎの粉末を敷き詰め、その上に断熱層をパルス通電接合法により接合した。ピストン母材としては、Ｓｉを含むアルミニウム合金製の金型鋳物「ＡＣ８Ａ」（ＪＩＳ　Ｈ　５２０２）とし、冠面に直径２０ｍｍ×深さ９．６ｍｍの凹部を形成して使用した。また、焼結体としては、アルミニウム合金Ａ５０８３（ＪＩＳ　Ｈ　４０００）とジルコニアの混合粉末をパルス通電焼結した緻密焼結体を、直径２０ｍｍ×高さ１２ｍｍに加工して使用した。
　加圧通電処理における通電は、パルス電流によるものとし、加圧部材によって被処理材に１．０ｋＮの初期荷重を付加した状態でチャンバ内を減圧して通電を開始した。また、通電条件は、ピストン母材の表面温度が４５０℃となるように設定した。
　加圧通電処理によって拡散接合されたピストンは、１００℃以下の範囲にまで冷却した後に、チャンバを開放して回収した。得られた実施例２に係るピストンの金属組織をＥＤＸにより確認した結果、Ａｌ－Ｍｇ－Ｚｎからなる化合物の形成が認められた。
　実施例３に係る断熱層は、ピストンの冠面に設けた凹部にインサート材としてＭｇの粉末を敷き詰め、その上に断熱層をパルス通電接合法により接合した。ピストン母材としては、Ｓｉを含むアルミニウム合金製の金型鋳物「ＡＣ８Ａ」（ＪＩＳ　Ｈ　５２０２）とし、冠面に直径２０ｍｍ×深さ９．６ｍｍの凹部を形成して使用した。また、焼結体としては、アルミニウム合金Ａ５０８３（ＪＩＳ　Ｈ　４０００）とジルコニアの混合粉末をパルス通電焼結した緻密焼結体を、直径２０ｍｍ×高さ１２ｍｍに加工して使用した。
　加圧通電処理における通電は、パルス電流によるものとし、加圧部材によって被処理材に１．０ｋＮの初期荷重を付加した状態でチャンバ内を減圧して通電を開始した。また、通電条件は、ピストン母材の表面温度が４５０℃となるように設定した。
　加圧通電処理によって拡散接合されたピストンは、１００℃以下の範囲にまで冷却した後に、チャンバを開放して回収した。得られた実施例３に係るピストンの金属組織をＥＤＸにより確認した結果、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉからなる化合物の形成が認められた。
　実施例４に係る断熱層は、ピストンの冠面に設けた凹部にインサート材としてＡｌ－Ｍｇ系合金の粉末を敷き詰め、その上に断熱層をパルス通電接合法により接合した。ピストン母材としては、Ｓｉを含むアルミニウム合金製の金型鋳物「ＡＣ８Ａ」（ＪＩＳ　Ｈ　５２０２）とし、冠面に直径２０ｍｍ×深さ９．６ｍｍの凹部を形成して使用した。また、焼結体としては、アルミニウム合金Ａ５０８３（ＪＩＳ Ｈ　４０００）とジルコニアの混合粉末をパルス通電焼結した緻密焼結体を、直径２０ｍｍ×高さ１２ｍｍに加工して使用した。
　加圧通電処理における通電は、パルス電流によるものとし、加圧部材によって被処理材に１．０ｋＮの初期荷重を付加した状態でチャンバ内を減圧して通電を開始した。また、通電条件は、ピストン母材の表面温度が４５０℃となるように設定した。
　加圧通電処理によって拡散接合されたピストンは、１００℃以下の範囲にまで冷却した後に、チャンバを開放して回収した。得られた実施例４に係るピストンの金属組織をＥＤＸにより確認した結果、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉからなる化合物の形成が認められた。
　実施例５に係る断熱層は、ピストンの冠面に設けた凹部にインサート材としてＡｌ１２Ｍｇ１７のシート状合金箔を敷き詰め、その上に断熱層をパルス通電接合法により接合した。ピストン母材としては、Ｓｉを含むアルミニウム合金製の金型鋳物「ＡＣ８Ａ」（ＪＩＳ　Ｈ　５２０２）とし、冠面に直径２０ｍｍ×深さ９．６ｍｍの凹部を形成して使用した。また、焼結体としては、アルミニウム合金Ａ５０８３（ＪＩＳ　Ｈ　４０００）とジルコニアの混合粉末をパルス通電焼結した緻密焼結体を、直径２０ｍｍ×高さ１２ｍｍに加工して使用した。
　加圧通電処理における通電は、パルス電流によるものとし、加圧部材によって被処理材に１．０ｋＮの初期荷重を付加した状態でチャンバ内を減圧して通電を開始した。また、通電条件は、ピストン母材の表面温度が４５０℃となるように設定した。
　加圧通電処理によって拡散接合されたピストンは、１００℃以下の範囲にまで冷却した後に、チャンバを開放して回収した。得られた実施例５に係るピストンの金属組織をＥＤＸにより確認した結果、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉからなる化合物の形成が認められた。
　実施例６に係る断熱層は、ピストンの冠面に設けた凹部にインサート材としてＡｌ１２Ｍｇ１７の粉末を敷き詰め、その上に断熱層を摩擦攪拌焼結により焼結接合した。ピストン母材としては、Ｓｉを含むアルミニウム合金製の金型鋳物「ＡＣ８Ａ」（ＪＩＳ　Ｈ　５２０２）とし、冠面に直径２０ｍｍ×深さ９．６ｍｍの凹部を形成して使用した。また、焼結体としては、アルミニウム合金Ａ５０８３（ＪＩＳ　Ｈ　４０００）とジルコニアの混合粉末をインサート粉末上に敷き詰め、加圧部材によって被処理材に荷重を付加した状態で加圧部材を回転させて焼結接合した。
　得られた実施例６に係るピストンの金属組織をＥＤＸにより確認した結果、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉからなる化合物の形成が認められた。
　実施例７に係る断熱層は、ピストンの冠面に設けた凹部にインサート材としてＡｌ１２Ｍｇ１７の粉末を敷き詰め、その上に断熱層をパルス通電接合法により接合した。ピストン母材としては、Ｓｉを含むアルミニウム合金製の金型鋳物「ＡＣ８Ａ」（ＪＩＳ　Ｈ　５２０２）とし、冠面に直径２０ｍｍ×深さ９．６ｍｍの凹部を形成して使用した。また、焼結体としては、アルミニウム合金Ａ５０８３（ＪＩＳ　Ｈ　４０００）とシリカの混合粉末をパルス通電焼結した多孔焼結体を、直径２０ｍｍ×高さ１２ｍｍに加工して使用した。
　加圧通電処理における通電は、パルス電流によるものとし、加圧部材によって被処理材に１．０ｋＮの初期荷重を付加した状態でチャンバ内を減圧して通電を開始した。また、通電条件は、ピストン母材の表面温度が４５０℃となるように設定した。
　加圧通電処理によって拡散接合されたピストンは、１００℃以下の範囲にまで冷却した後に、チャンバを開放して回収した。得られた実施例７に係るピストンの金属組織をＥＤＸにより確認した結果、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉからなる化合物の形成が認められた。
　実施例８に係る断熱層は、ピストンの冠面に設けた凹部にインサート材としてＡｌ１２Ｍｇ１７の粉末を敷き詰め、その上に断熱層をパルス通電接合法により接合した。ピストン母材としては、純アルミニウムとし、冠面に直径２０ｍｍ×深さ９．６ｍｍの凹部を形成して使用した。また、焼結体としては、アルミニウム合金Ａ５０８３（ＪＩＳ　Ｈ　４０００）とジルコニアの混合粉末をパルス通電焼結した緻密焼結体を、直径２０ｍｍ×高さ１２ｍｍに加工して使用した。
　加圧通電処理における通電は、パルス電流によるものとし、加圧部材によって被処理材に１．０ｋＮの初期荷重を付加した状態でチャンバ内を減圧して通電を開始した。また、通電条件は、ピストン母材の表面温度が４５０℃となるように設定した。
　加圧通電処理によって拡散接合されたピストンは、１００℃以下の範囲にまで冷却した後に、チャンバを開放して回収した。得られた実施例８に係るピストンの金属組織をＥＤＸにより確認した結果、Ａｌ－Ｍｇからなる化合物の形成が認められた。
　〔比較例１〕
　比較例１に係る断熱層は、Ａｌ及びＳｉを含むピストンの冠面に設けた凹部の上に緻密焼結体をパルス通電接合法により接合した。ピストン母材としては、アルミニウム合金製の金型鋳物「ＡＣ８Ａ」（ＪＩＳ　Ｈ　５２０２）とし、冠面に直径２０ｍｍ×深さ９．６ｍｍの凹部を形成して使用した。また、焼結体としては、アルミニウム合金Ａ５０８３（ＪＩＳ　Ｈ　４０００）とジルコニアの混合粉末をパルス通電焼結したものを、直径２０ｍｍ×高さ１２ｍｍに加工して使用した。
　加圧通電処理における通電は、パルス電流によるものとし、加圧部材によって被処理材に１．０ｋＮの初期荷重を付加した状態でチャンバ内を減圧して通電を開始した。また、通電条件は、ピストン母材の表面温度が４５０℃となるように設定した。
　加圧通電処理によって拡散接合されたピストンは、１００℃以下の範囲にまで冷却した後に、チャンバを開放して回収した。得られた実施例１に係るピストンの金属組織をＥＤＸにより確認した結果、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉからなる化合物の形成は認められなかった。
　〔比較例２〕
　比較例２に係る断熱層は、Ａｌ及びＳｉを含むピストンの冠面に設けた凹部の上に緻密焼結体をパルス通電接合法により接合した。ピストン母材としては、アルミニウム合金製の金型鋳物「ＡＣ８Ａ」（ＪＩＳ　Ｈ　５２０２）とし、冠面に直径２０ｍｍ×深さ９．６ｍｍの凹部を形成して使用した。また、焼結体としては、アルミニウム合金Ａ５０８３（ＪＩＳ　Ｈ　４０００）とジルコニアの混合粉末をパルス通電焼結したものを、直径２０ｍｍ×高さ１２ｍｍに加工して使用した。
　加圧通電処理における通電は、パルス電流によるものとし、加圧部材によって被処理材に１．０ｋＮの初期荷重を付加した状態でチャンバ内を減圧して通電を開始した。また、通電条件は、ピストン母材の表面温度が４２０℃となるように設定した。
　加圧通電処理によって拡散接合されたピストンは、１００℃以下の範囲にまで冷却した後に、チャンバを開放して回収した。得られた実施例１に係るピストンの金属組織をＥＤＸにより確認した結果、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉからなる化合物の形成は認められなかった。
　次に、製造した断熱層を備えたピストンについて、断熱層とピストン母材との密着性の評価を行った。
　図６は、本発明の実施形態に係るピストンの密着性評価方法を示す模式図である。製造した断熱層３を備えたピストンは、ピストン母材１と断熱層３とを合わせて切り出し、エポキシ樹脂１５を介して円柱ジグ１４に固定して引張り試験用試験片とした。作製した試験片に対し、引張り試験を断熱層界面に対して垂直の方向に引張り応力を負荷して破断するまで実施し、破断時の荷重から求めた面圧を密着強度とした。使用したエポキシ樹脂１５は破断強度８０ＭＰａのアラルダイトＡＴ－１であり、破断強度が８０ＭＰａを越える場合はエポキシ樹脂で固定した界面で破断する。
　それぞれの接合条件、析出物、密着強度をまとめたものを表１として示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、インサート材を使用せずに作製した比較例１及び比較例２のピストンから作製した試験片は、いずれも断熱層とピストン母材との界面で破断し、比較例１は４７Ｍｐａ、比較例２は２５Ｍｐａで破断した。
　一方、インサート材としてＡｌ１２Ｍｇ１７を用いた実施例１のピストンから作製した試験片は、すべてエポキシ樹脂界面で破断しており、８０ＭＰａよりも高い密着強度を有していることが確認された。
　以上、本発明についてまとめる。本発明に記載のピストンは、断熱層３を備え、ピストンの母材１よりも低融点のインサート材が母材１に拡散して接合層４が形成されており、かつインサート材が断熱層に拡散して接合層が形成されている。言い換えると、本発明では、接合層４と断熱層３との間に析出物１１が拡散して析出している。このような構造であると、析出物１１が接合層４と断熱層３との界面に形成され、アンカー効果によって界面の接合強度が向上する。
　また、本発明に記載のピストンでは、インサート材がＭｇを含んでいる。このような構成にした場合、典型的なピストン母材１はＡｌとＳｉとを含んでいるため、インサート材がＭｇを含んでいると、ピストン母材１との界面にＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系化合物からなる析出物１１を形成しやすく、密着性が向上する。
　また、本発明に記載のピストンは、インサート材がＡｌ－Ｍｇ系合金を含んでいることを特徴とする。このような構成にした場合、典型的なピストン母材１はＡｌを含んでいるため、インサート材がＡｌ－Ｍｇ系合金を含んでおり、ピストン母材とインサート材とがＡｌを介して拡散接合しやすく、より密着性が向上する。
　また、本発明に記載のピストンにおいて、インサート材がＡｌ１２Ｍｇ-１７を含んでいることを特徴とするピストン。このようにインサート材がＡｌ１２Ｍｇ１７を含んでいると、インサート材の融点が低下するため、低温で施工することが可能である。
　また、本発明に記載のピストンは、接合層がＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系化合物を含んでいることを特徴とするピストン。このように、析出物１１がＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系化合物であると、その材料の特性上硬質であるため、界面析出のアンカー効果による密着性向上だけでなく、接合層そのものの強度向上にも有効である。
　また、本発明に記載のピストンは、インサート材が粉末である。このように粉末状のインサート材を用いた場合には、量や厚みを制御しやすく、また微小部位にも接合できる。
　また、本発明に記載のピストンは、インサート材がシート状である。このようにシート状のインサート材を用いた場合、接合部位に均一に溶解しやすく、密着性が向上する。
　また、本発明に記載のピストンは、接合層が断熱層の底面及び側面に形成されている。この場合には断熱層３の底面と側面で接合強度が向上するため、より好ましい。
　また、本発明に記載のピストンは、ピストンの母材がＡｌとＳｉとを含んでいる。
　また、本発明に記載のピストンは、断熱層３が空隙を有している。このような構造であると、断熱性に加えて遮熱性も向上し、熱応答性が向上する。
　また、本発明に記載のピストンは、空隙に樹脂が含浸していることを特徴とする。このような構造にした場合、断熱層３の空隙に被覆層が含浸し、断熱層の強度や耐久性が向上する。
　また、本発明に記載のピストンの製造方法は、ピストンの母材よりも低融点の材料を母材に拡散させて接合層を形成させる工程と、低融点の材料を断熱層に拡散させて接合層を形成させる工程とを有することを特徴とする。このような構成にすることによって、ピストン母材１と断熱層３とが接合層４を介して拡散接合し、ピストン母材１と断熱層３との密着性が向上する。
　また、本発明に記載のピストンの製造方法は、低融点の材料が断熱材に含まれている。低融点の材料が断熱材に含まれていると、断熱材と低融点の材料との間の密着性が向上する。また、低融点の材料をピストン母材１と断熱層３との間に加える工程が不要となるため、材料費や工数が削減される。
　また、本発明に記載のピストンの製造方法は、低融点の材料がパルス通電接合によって拡散される。高電流を間欠的に繰り返し通電するパルス電流を利用すると、低融点の材料とピストン母材１及び断熱層３との間をより均一に加熱することができるため、低融点の材料とピストン母材１及び断熱層３との間に欠陥が発生しづらい。
　また、本発明に記載のピストンの製造方法は、低融点の材料がインサート材であり、かつインサート材が粉末である。粉末状のインサート材は量や厚みを制御しやすく、また微小部位にも接合できる。
　また、本発明に記載のピストンの製造方法は、低融点の材料がインサート材であり、かつシート状である。シート状のインサート材は接合部位に均一に溶解しやすく、密着性が向上する。
　また、本発明に記載のピストンの製造方法は、低融点の材料が摩擦攪拌接合によって拡散される。円筒状工具を回転させながら押し付け、摩擦熱による軟化と塑性流動によって接合させる摩擦攪拌接合では、他の手法に比べて短時間で接合できるため、工程時間を短縮できる。
　また、本発明に記載のピストンの製造方法は、低融点の材料が加熱によって拡散されることを特徴とするピストンの製造方法。炉内加熱焼結や熱間等方加圧法により、接合に要する時間を短縮できる。
　以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　１…ピストン母材、２…ピストン冠面、３…断熱層、４…接合層、５…母材マトリックス、６…母材析出物、７…断熱層マトリックス、８…セラミックス粒子、９…中空セラミックス粒子、１０…接合層マトリックス、１１…析出物、１２…インサート材残存層、１３…被覆層、１４…円柱ジグ、１５…エポキシ樹脂。

Claims (17)

  1. 　母材と、前記母材の表面に形成された接合層と、前記接合層の表面に形成された断熱層とを備え、
    　前記母材よりも低融点のインサート材が前記母材に拡散して前記接合層が形成されており、かつ前記インサート材が前記断熱層に拡散して前記接合層が形成されていることを特徴とするピストン。
  2. 　前記母材を構成する元素と前記接合層を構成する元素との化合物が、前記母材と前記接合層との間に析出しており、
    　前記断熱層を構成する元素と前記接合層を構成する元素との化合物が、前記断熱層と前記接合層との間に析出していることを特徴とする請求項１に記載のピストン。
  3. 　前記接合層がＭｇを含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載のピストン。
  4. 　前記接合層がＡｌ－Ｍｇ系合金を含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載のピストン。
  5. 　前記接合層がＡｌ１２Ｍｇ１７を含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載のピストン。
  6. 　前記接合層がＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系化合物を含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載のピストン。
  7. 　
    　前記接合層が前記断熱層の底面及び側面に形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のピストン。
  8. 　前記母材がＡｌとＳｉとを含んでいることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のピストン。
  9. 　前記断熱層は空隙を有していることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のピストン。
  10. 　前記空隙に樹脂が含まれていることを特徴とする請求項９に記載のピストン。
  11. 　断熱層を備えたピストンの製造方法において、
    　前記ピストンの母材よりも低融点の材料を前記母材に拡散させて接合層を形成させる工程と、
    　前記低融点の材料を断熱層に拡散させて接合層を形成させる工程とを有することを特徴とするピストンの製造方法。
  12. 　請求項１１に記載のピストンの製造方法において、
    　前記低融点の材料が前記断熱層に含まれていることを特徴とするピストンの製造方法。
  13. 　請求項１１に記載のピストンの製造方法において、
    　前記低融点の材料がパルス通電接合によって拡散されることを特徴とするピストンの製造方法。
  14. 　請求項１３に記載のピストンの製造方法において、
    　前記低融点の材料がインサート材であり、かつ前記インサート材が粉末であることを特徴とするピストンの製造方法。
  15. 　請求項１３に記載のピストンの製造方法において、
    　前記低融点の材料がインサート材であり、かつシート状であることを特徴とするピストンの製造方法。
  16. 　請求項１１から１５のいずれか１項に記載のピストンの製造方法において、
    　前記低融点の材料が摩擦攪拌接合によって拡散されることを特徴とするピストンの製造方法。
  17. 　請求項１１から１５のいずれかに記載のピストンの製造方法において、
    　前記低融点の材料が加熱によって拡散されることを特徴とするピストンの製造方法。
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