JPH02115555A - セラミックスー金属の摩擦圧接体およびそれから成るセラミックス鋳ぐるみピストン - 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］ 本発明は、セラミックス製部材と金属製部材とからなる
摩擦圧接体およびそれから成るセラミックス鋳ぐるみピ
ストンに関するもので、エンジン等の耐熱及び耐摩耗部
品及び産業機械等の分野において利用価値の高いもので
ある。

［従来の技術］ 近年、例えば内燃機関用のピストンはエンジン本体の軽
量化という要請とともに、耐熱性及び耐摩耗性の向上を
図るため、セラミックスと金属とを鋳ぐるみにより一体
的に接合したピストンが提案され、実用化されつつある
。

セラミックス製部材と金属製部材とを一体的に鋳ぐるみ
接合したセラミックス接合ピストンについては、例えば
特開昭５９−１０１５６６号公報、実開昭６２−２００
１４７号公報に記載のものが知られている。

特開昭５９−１０１５６６号公報に記載のセラミックス
接合ピストンは、セラミックス製部材と金属製部材とを
、セラミックス製部材の表面に被着されたメタライズ層
およびそのメタライズ層に接合された緩衝金属体を介し
て、一体重に鋳ぐるみ接合したものである。

また、実開昭６２−２００１４７号公報に記載のセラミ
ックス接合ピストンは、ピストンキャビティに設けるセ
ラミックス外側周に溝を形成、又はこの外側周をピスト
ン上端面側から底部に向って広がる様にテーパー状に形
成し、セラミックスの脱落を防止しようとしたものであ
る。そして、アルミニウム合金とのより強力な接合を図
るべく、セラミックス外側周にメタライズ処理を施すこ
とも示されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、特開昭５９−１０１５６６号公報に記載
のセラミックス接合ピストンは、ピストン本体とセラミ
ックスの接合をメタライズ層の結合力で行なうことを目
的としたものであり、ピストンの慣性力、熱変形等によ
る応力に耐えるためピストン本体とセラミックスの接す
る面の広い範囲にメタライズ層を形成している。しかし
、広範囲に一様にメタライズすることは、技術的に困難
であるとともに製造コストが高くなり好ましくない。又
、メタライズ層のみで慣性力、熱変形等による応力を受
は持っているので、強度上信頼性に欠け、ピストン運転
時に接合面が剥離し、燃焼ガスがその剥離部から流入す
ることとなり、エンジンの燃焼効率が低下し燃費が悪化
するほか、ピストン母材の損傷、カーボンの蓄積等が生
じるという不都合がある。

一方、実開昭６２−２００１４７号公報に記載のセラミ
ックス接合ピストンは、前記したように、セラミックス
外側周に溝を形成するか、又はこの外側周をテーパー状
に形成することによりセラミックスの脱落を防止しよう
とするものであって、燃焼ガスが接合面より流入するの
を防止する、シールという観点からは何等の対策も講じ
られていない、このことは、この公報の第５図の実施例
において、ピストン頂面とセラミックスとの接合面のピ
ストン外周側に何等の処理も施していないことからも明
らかである。

［課題を解決するための手段］ そこで、本発明者は、上記した従来の問題に鑑み種々検
討した結果、本発明に到達した。

即ち１本発明によれば、セラミックス部材と金属製部材
とからなる摩擦圧接体であって、上記セラミックス製部
材接合面の外周部に切欠き部を設け、該切欠き部に上記
金属製部材を摩擦圧接によって接合することを特徴とす
るセラミックス−金属の摩擦圧接体、が提供される。

また１本発明によれば、セラミックス製部材からなる頂
板をピストン本体を形成するアルミニウム合金により鋳
ぐるんで成るセラミックス鋳ぐるみピストンにおいて、
該頂板のピストン本体と接する面の外周部に切欠き部を
設け、該切欠き部に金属製環状部材を摩擦圧接してなる
ことを特徴とするセラミックス鋳ぐるみピストン、が提
供される。

本発明の摩擦圧接体では、金属製部材としてセラミック
スとの直接摩擦圧接による接合が困難なものを用いる場
合に、特に好適なものといえる。

また、セラミックス製部材と、セラミックスと直接接合
することか困難な金属製部材との間にアルミニウムを介
在させると、より強固に接合されてなるセラミックス−
金属の摩擦圧接体を提供することができる。

本発明に係るセラミックス−金属の摩擦圧接体は、上記
したように、セラミックス鋳ぐるみピストンに適用でき
る他、金属２０とセラミックス２１とからなるエンジン
バルブ（第８図（ａ）、（ｂ）参照）、又、エンジンバ
ルブをｔｉｔｉ＠させるための動力を伝達させるロッカ
ーアーム２４、ブツシュロッド２５、タペット２６の摺
動部にセラミックス２１を摩擦圧接したもの〔第８図（
ｃ）参照〕や、産業機械分野の耐食性・耐熱性機器、例
えば耐酸ポンプのセラミックスピンドル、セラミックロ
ータ等に利用することができる。

ここで摩擦圧接とは、接合しようとする材料を互いに接
触させ、一定の加圧力下で接合面同士を相対運動させて
面内で発生した摩擦熱で接合面を高温にし、さらに摩擦
力と加圧力で金属材料を塑性流動させて両者を接合させ
るものであり、接合部品の形状、大きさなどの制約はあ
るが、他の接合法にはない特徴があり、特に異種材料の
接合には有効な接合法である。

本発明において、セラミックス製部材の材質としては、
耐熱性、耐熱衝撃性、断熱性、軽量化に優れたセラミッ
クスが好ましく、窒化珪素、炭化珪素、サイアロン、ジ
ルコニア、ムライトおよびアルミナからなる群より選ば
れる一種から構成されていることが好ましい。

本発明において、セラミックス製部材との摩擦圧接に使
用される金属製部材は、セラミックスと直接摩擦圧接が
不可能な金属であれば効果的であって、例えばＡｇ、Ｃ
ｕ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＷＮｉ、Ｆｅ、インコネル、イ
ンコロイ等が使用できるが、その他ＡＪ１等のセラミッ
クスと直接摩擦圧接か可能なものであっても勿論用いる
ことがてき、この場合にはより接合力に信頼性が得られ
る摩擦圧接体とすることができる。

なお、セラミックス製部材の外周部に設ける切欠き部の
形状としては、周方向の厚さはセラミックス製部材直径
の２０％以下が好ましく、１０％以下がより好ましく、
さらに金属製環状部材の内径より若干小さめ、例えば１
％以上小さめに切欠くと好ましい、またセラミックス製
部材切欠き部側面の距ｇｉｔ（第１図参照）は、接合面
に要求される応力を勘案して決定することか必要である
がセラミックスピストンのように熱影響を受ける部品て
はｔ＝３〜ｌ１０ｌ１であることが好ましい。

また、金属製部材をセラミックス製部材の環状部材とし
て用いた場合、その周方向厚さ（内径、外径差のｌ／２
）は特に限定されないが、セラミックス製部材直径の２
０％以下が好ましく、１０％以下かより好ましい。これ
は摩擦圧接面に発生する温度分布を小さくできるため、
熱応力の発生も小さくなるからである。

尚、セラミックス製部材の表面粗さは０．０５〜１．Ｏ
ＩＬｍＲａが好ましく、圧接面の平面度が管理できれば
焼成面のままでも用いることができる。

［実施例］ 以下、本発明を図示の実施例に基いて更に詳細に説明す
るが、本発明はこれらの実施例に限られるものてはない
。

第１図は本発明のセラミックス−金属の摩擦圧接体の一
実施例を示す概略断面図である。

窒化珪素等からなるセラミックス製部材１の。

Ｔｉなとの金属製部材３と相対する面の外周部に切欠き
部２を設け、該切欠き部２に金属製環状部材３を摩擦圧
接により接合する。上記の接合において、セラミックス
製部材ｌと金属製環状部材３との間に隙間Ａを設けるこ
とにより、摩擦熱によって軟化した金属製環状部材３が
隙間Ａに塑性流動し、焼去・正大作用によりセラミック
ス製部材ｌの凸部４を拘束する。この際、セラミックス
製部材１の凸部４と金属製環状部材３との隙間Ａの値は
、庁擦圧接時の金属製環状部材３の軟化量を体積に換算
し、その体積量の１７３の量をセラミックス製部材１の
凸部４と金属製環状部材３の隙間Ａの内側に流れ込む量
と推定して隙間Ａの値とすると好ましく１例えば、隙間
Ａは０．２〜１１！Ｉｌとすると特に良い結果が得られ
る。

第２図は本発明のセラミックス−金属の摩擦圧接体の他
の実施例を示す概略断面図て、第１図のセラミックス製
部材ｌの凸部４が円柱型であったのに対し、凸部４の根
元部を内側方向に曲率Ｒ＝１．５のくびれ状にしたもの
である。この場合には摩擦圧接によって軟化した金属が
くびれ状部に塑性流動するため、第１図の場合よりも更
に高性能の抜は防止効果が期待できる。

上記のセラミックス−金属の摩擦圧接体において、ｒ、
：２０ｍｍφ、ｒ＊　：　１４ｍｍφ、ｔ：５ｍｍに加
工したセラミックスでＴｉ金属との摩擦圧接を行ない、
摩擦圧接体の引張試験（室温）を行なったところ、第１
図の場合には荷重１７００ｋｇで、第２図の場合には荷
重２３００ｋｇで接合部の抜けが発生した。

以上のことから、第９図に示す従来例と比較しセラミッ
クス製部材に切欠き部を有しない従来のセラミックス−
金属の接合構造では、アルミニウム以外の異種金属との
接合は不可能であったがセラミックス製部材を本発明の
如く切欠き部構造とすることにより、アルミニウム以外
の異種金属とセラミックスの摩擦圧接が可能となる。

なお、摩擦圧接体を使用温度領域てアニール処理するこ
とが好ましい。

また、不活性ガス又は真空中で摩擦圧接を行なうと酸化
が促進されないため、材料のもろさ破壊を低減すること
がてき好ましい。

次に、本発明の摩擦圧接体を、内燃機関用のセラミック
ス鋳ぐるみピストンに適用した場合の具体的な実施例に
ついて説明する。

（実施例１） 第３図（ａ）に示すように、ピストン本体５（第３図（
ｄ））に相対する面の外周部に幅３ｍｍ、深さ３１１１
の切欠き部６を設けた、外径９０■Ｉφの窒化珪素製の
クラウン７を作製した。

次に、第３図（ｂ）に示すように、内径８０■識φ、外
径９０ｍｍφ、長さ５０＋＊ｍのチタン製円環８を作り
、次いで、上記クラウン７を固定し、チタン製円環８を
該クラウン７に対して相対的に、８００　ｒｐｍで回転
させ、徐々に圧力を上げて最高３　ｋｇ／　ｇ＋ｎ”の
圧力で該クラウン７に押し付けて摩擦圧接し、セラミッ
クス−金属結合体を得た。

更にチタン製円環８の外周を加工して、第３図（Ｃ）に
示すようなピストン軸方向長さ４＋ｓｍのチタン環状部
材９に仕上げ、該環状部材９のＢ面にアルフィン処理を
行なった（アルメルト処理でもよい）後、上記環状部材
９を設けた窒化珪素製クラウン７を砂型による鋳型内に
設置し、約７００℃のアルミニウム合金湯を型内に注湯
してセラミックス鋳ぐるみ体を得た。これをピストン使
用温度付近の温度でアニール処理し、外周加工、リング
溝加工、ピストンピン穴加工等の仕上げ加工を行い、チ
タン環状部材によってシールされたセラミックス鋳ぐる
みピストンを作製した。（第３図（ｄ）参照）　本実施
例では、窒化珪素との摩擦圧接に使用される金属製部材
の材質をチタン製としたが、材料コストの低い鋳鉄でも
、同様の性能及び効果を得ることが可能である。

（実施例２） 窒化珪素製クラウン７の切欠き部６を、第４（ａ）図に
示すように７０６の勾配を付けた形状とした以外は実施
例１と同じ条件て行ない、第４（ｂ）図に示すようなチ
タン環状部材９によってシールされたセラミ・シクス鋳
ぐるみピストンを作製した。次に、該ピストンのチタン
環状部材９とアルミニウム合金ピストン本体５との接合
面ｌＯに対してレーザビーム溶接あるいは電子ビーム溶
接を行なった。

本実施例は、窒化珪素製クラウン７の切欠き部６にアー
ルとつながる勾配を付け、このアール部分に摩擦圧接に
よって軟化したチタンが流れ込むため抜は防止効果が高
まる。更に、上記の如く、接合面１０をレーザビーム溶
接あるいは電子ビーム溶接したことによって、チタン環
状部材９とピストン本体５との接合が強固になり、高性
能のセラミックス鋳ぐるみピストンか作製できた。また
、チタン環状部材９のアルミニウム合金と接する面にア
ルフィンおよびアルメルト処理を施してアルミニウム合
金湯と接合しても良い。

（実施例３） 表面か焼成面である他は実施例１と同様の方法で、第５
図（ａ）に示すような切欠き部を設けた窒化珪素製クラ
ウン７を作製した。

また第５図（ｂ）に示すように、アルミニウム合金製ピ
ストン本体５と窒化珪素製クラウン７との接合による応
力を緩和するため、該ピストン本体５の中央部に深穴ｌ
ｌを開け、該クラウン底面Ｃと接合しないようにアルミ
ニウム合金製ピストン本体５の中央部深穴１１は窒化珪
素製クラウン７の凸部長Ｇの寸法より７〜１０ｍｍ深く
加工した。

次に、該ピストン本体５にチタン環状部材９を摩擦圧接
した。その後アルミニウム合金製ピストン本体５のチタ
ン環状部材９の突出長さを窒化珪素製クラウン７の外周
部切欠き寸法Ｆと同一に加工し、また、窒化珪素製クラ
ウン７の側面と接するアルミニウム合金製ピストン本体
５の接触面を０．２〜［ｌの隙間Ｅとなる様に加工した
６次いで、第５図（ｃ）に示すように、該クラウン７と
、上記のチタン環状部材９と一体になったピストン本体
５とを摩擦圧接した。この場合、該クラウン７の０部は
ピストン本体５のアルミニウム合金による焼去め圧入効
果で抜は止めされ、さらにＨ部で窒化珪素とアルミニウ
ム合金が摩擦圧接されまたチタン環状部材９は該クラウ
ン７との摩擦熱によって軟化して該クラウン７の切欠き
部６に食込み、焼去め圧入効果によってＣ部分のシール
性か向上した。

次いてこれを機械加工し、第５図（ｃ）に示す如き、チ
タン環状部材９によってシールされたセラミックスピス
トンを作製した。

（実施例４） チタン環状部材９を、アルミニウム環状部材１２とチタ
ン環状部材９とからなる環状部材１３に代え、クラウン
７側にアルミニウム環状部材１２が位置するようにした
以外は実施例１と同様の方法により、第６図に示すセラ
ミックス鋳ぐるみピストンを得た。このピストンは、セ
ラミックス製クラウン７とチタン環状部材９との間にア
ルミニウム環状部材１２が存在するが、セラミックスと
アルミニウムとの接合性が高いため、より接合性のよい
セラミックスピストンを作製することができた。なおア
ルミニウム環状部材１２の材質としてはアルミニウム純
度の高い材質が好ましく、本実施例では、ＡｆＬ純度９
９．５％のＡ１０５０を用いた。環状部材９としては本
実施例てはチタンとしたが、鋳鉄製としてもよく、ピス
トンリングキャリア材として用いられるニレジスト鋳鉄
が特に好ましい。

（実施例５） 第７図に示すように、アルミニウム環状部材１２をチタ
ン環状部材９の内周側に位置させた形状の環状部材１３
を作製した以外は、実施例４と同様のセラミックスピス
トンを作製した。このピストンは、実施例４に較べて、
エンジンの燃焼ガスにさらされる個所にアルミニウムが
露出せず、チタンによって覆われているため耐食性がよ
く、更にアルミニウムがチタンとセラミックスとの間に
介在するため接合性も高く、高性能のセラミックスピス
トンを作製することができた。

［発明の効果］ 以上のことから明らかなように１本発明によれば、次の
効果が奏せられる。

請求項１記載の摩擦圧接体は、セラミックス製部材と金
属製部材との接合において、セラミックス製部材に切欠
き部を設は摩擦圧接によって、接合体の側面に焼去・圧
入作用の特性を備えたものである。焼去・圧入作用によ
る拘束力は、摩擦熱により軟化した金属の硬化時での熱
膨張率によって決定される。このため強固な拘束力とな
り高い結合力が得られる。

従って、従来の焼去・圧入技術に比較し、接合用部品の
加工精度を高める必要がなく、また、メタライズ接合に
比較し、複雑な作業を要しないので低コスト化を図るこ
とかでき、量産化に適する。

請求項２記載の摩擦圧接体によれば、セラミックスとは
直接摩擦圧接による接合が困難な金属製部材でも強固な
摩擦圧接体を提供できる。

請求項３記載の摩擦圧接体によれば、より強固に接合さ
れた摩擦圧接体を提供できる。

請求項４記載のセラミックス鋳ぐるみピストンによれば
、接合部側面における焼去・圧入作用のため、信頼性の
高い結合が得られる。また、接合用部品の加工精度を高
める必要がなく、メタライズ等の複雑な作業を要しない
ので低コスト化を図ることができ、量産化に適する。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はそれぞれ本発明のセラミックス−金
属の摩擦圧接体の実施例を示す概略断面図、第３図（ａ
）　（ｂ）（ｃ）　（ｄ）および第４図（ａ）　（ｂ）
は本発明の摩擦圧接体をセラミックスピストンに適用し
た場合の実施例を示す概略断面図、第５図（ａ）（ｂ）
（Ｃ）、第６図および第７図は本発明をセラミックスピ
ストンに適用した場合の他の実施例を示す概略断面図、
第８図は本発明の応用例の概略図で（ａ）、（ｂ）はエ
ンジン・バルブ、（Ｃ）はロッカー・アームを示す説明
図、第９図は従来の摩擦圧接構造を示す説明図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックス製部材と金属製部材とからなる摩擦
   圧接体であって、上記セラミックス製部材接合面の外周
   部に切欠き部を設け、該切欠き部に上記金属製部材を摩
   擦圧接によって接合することを特徴とするセラミックス
   −金属の摩擦圧接体。
2. （２）金属製部材がセラミックスとの直接摩擦圧接によ
   る接合が困難な部材である請求項１記載のセラミックス
   −金属の摩擦圧接体。
3. （３）セラミックス製部材と金属製部材との間にアルミ
   ニウムを介在させる請求項１または２記載のセラミック
   ス−金属の摩擦圧接体。
4. （４）セラミックス製部材からなる頂板をピストン本体
   を形成するアルミニウム合金により鋳ぐるんで成るセラ
   ミックス鋳ぐるみピストンにおいて該頂板のピストン本
   体と接する面の外周部に切欠き部を設け、該切欠き部に
   金属製環状部材を摩擦圧接してなることを特徴とするセ
   ラミックス鋳ぐるみピストン。