JPS58180752A - 内燃機関用ピストンおよびその製造方法 - 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】 本発明は内燃機関用ピストンおよびその製造方法に係り
、特に金属から成るピストン本体の頂部にセラミック耐
射層を形成して成るピストンおよびその製造方法に関す
る。

内燃機関用ピストンの燃焼室に臨む頂部の近傍は、爆発
に伴う圧力と熱とｔ直接受けるために、機械的応力およ
び熱的応力が複合されて負荷されることになる。これら
の応力の内、熱的応力については、高温に長時間さらさ
れることによる熱的負荷、爆発時と吸気時におけるピス
トン頂部近傍の表面での加熱および冷却に伴う熱的疲労
、およびエンジンの運転時と停止時における加熱および
冷却に伴う熱的疲労がある。さらにジーゼルエンジン用
ピストンにおいては、低質燃料が使用されるために、燃
焼室での燃焼により生成される腐蝕性燃焼生成物によっ
てもたらされる腐蝕をも考慮しなければならない。この
ように、内燃機関用ピストンは高温強度、耐熱性および
耐蝕性に優れたものでなければならない。

このような条件を満たす材料として、セラミックが有望
であり、ピストンの頂部をセラミックによって構成した
ものが提案されている。このようなピストンは耐熱性お
よび耐蝕性の点で従来のピストンに対して大きな優位性
を示すものである。

ところで金属から成るピストン本体の頂部にセラミック
を複合させる方法には、ピストンの頂部をセラミック構
成体によってつくり、このセラミック構成体を鋳造によ
る鋳込み等の方法によってピストン本体に結合する方法
、ボルト等の結合手段によってセラミック構成体をピス
トン本体に結合する方法、および金属から成るピストン
本体の頂部に溶射によってセラミック層を形成する方法
がある。本発明はこれらの内、ピストン頂部をセラミッ
ク溶射層によって被覆したピストンおよびその製造方法
に係るものである。

従来より行なわれている内燃機関のピストンの頂部にセ
ラミックを溶射する方法においては、金属製のピストン
の頂部表面にあらかじめスチールグリッドでプラストし
て可及的に荒い凹凸の表面状態としていた。これはピス
トン頂１１に形成されるセラミック溶射層とピストン本
体を構成する金属との結合が、ケミカルボンドではなく
メカニカルボンドだからである。しかし上記のような凹
凸によるセラミック層とピストン本体との結合は十分な
強度をもたらすものではなかった。すなわち従来のセラ
ミック溶射被覆型のピストンの最大の問題点は、セラミ
ック溶射層とピストン本体との熱膨張係数に差があるた
めに、高温で運転している際にセラミック溶射層と金属
素地との間に高い歪応力が発生していた。この応力の一
部はセラミック溶射層中に存在する気孔によっである程
度は吸収されるが、セラミック溶射層とピストン本体と
の結合を確実に保証するものではなく、セラミック溶射
層がやがて剥離あるいは亀裂に至るという欠陥があった
。

このような問題点を解決するために、ピストン本体を構
成する金属素地の表面に密着性の良い金属を薄（溶射し
て下地層を形成し、この下地層の上にセラミックを溶射
する試みがなされていた。

また上記下地層の上にさらにセラミックと金属との複合
材を溶射していわゆる中間層を形成し、この中間層の上
にさらにセラミックを溶射するという方法が行なわれて
いた。しかしながらこのような対策によっても、高温作
動時におけるセラミック溶射被覆層の剥離や亀裂発生の
防止は十分には達成されず、セラミック溶射層とピスト
ン本体との間の結合強度も十分ではない。またこのよう
な対策によれば異種材料の溶射層を複数回形成する必要
があり、このために工程数が多（なるという欠点を生ず
るとともに、コスト的にも不利なものになる。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであっ
て、ピストン本体の頂部に形成されたセラミック溶射層
とピストン本体との間における剥離や、セラミック溶射
層の亀裂等を効果的に防止するようにした内燃機関用ピ
ストンおよびその製造方法を提供するものである。特に
本発明においてはピストン本体とセラミック溶射層とを
結合するために多孔質の金属成形体が用いられており、
この金属成形体によってピストン本体とセラミック溶射
層が強固に結合されるようになっている。

しかもこの金属成形体の気孔部にはまずピストン本体を
構成する金属かはぼ完全に充填され、この後に上記金属
を選択的に除去することにより金属成形体の一部に再び
気孔部を形成し、この気孔部によってセラミック溶射層
を金属成形体を介してピストン本体と結合するようにし
ている。

本発明において用いられる金属成形体は所定の気孔率を
有する多孔質のものであって、その気孔率は３０％〜９
０チの範囲のものが望ましく、さらに４５．−〜６５ｇ
６のものがより好ましい。このような多孔質の金属成形
体は、例えば金属繊維集合体によって構成される。すな
わち例えば５〜５００声の太さの鉄基合金あるいは銅基
合金の金属繊維の集合体を用い、この集合体を所定の形
状に成形したものであってよい。この金属繊維集合体は
、金属繊維集合体させるようＶＣ，Ｉ、て塊状にしたも
のであってもよいが、交錯点ｔ−接合するために焼結を
行ない、これによってスポットウェルディング効果を得
るようにしてもよい。ま九この焼結工程は成形工程のＩ
ＩＫ行なってもよく、あるいは後に行なってもよい。

このような金属成形体はピストン本体を鋳造するための
鋳型内圧配される。そしてこの鋳型円にはピストン本体
を構成する金属の溶融体が供給され、直ちにピストンの
内部形状を形成するための雄型を構成するパンチｍｔ−
下降させ、好ましくは加圧鋳造によってピストン本体が
成形される。この時にピストン本体を構成する溶融金属
は上記金属成形体の気孔部に完全に充填されるとともに
、凝固されてピストン本体を形成することになる。

従ってここで得られるピストン本体は、その上部に上記
金属成形体が一体にかつ強固に結合されたものである。

次に金属成形体が上部に結合されたピストン本体を腐蝕
液内に導き、上記金属成形体の頂１１に充填されたピス
トン本体を構成する金属ｔ−選択的に除去する。上記ピ
ストン本体がアルミニウム合金から構成されるとともに
、多孔質の金属成形体が鉄基合金からなる場合には、水
酸化ナトリウムによってエツチングが行なわれ、これ罠
よって金属成形体の頂部側に充填されたアルミニウム合
金のみが選択的に除去されることになる。この結果ピス
トンの頂部側において、金属成形体の訝面に１１再び気
孔部が形成されることになる。このよ５にしてセラミッ
ク溶射１Ｃ極めて好都合な表面状緒のピストン本体が得
られる。

次ニコノヒストン本体と結合されている金属成形体の上
面にセラミック溶射層が形成される。ここで用いられる
セラミックとしては、安定化あるいは部分安定化ジルコ
ニア（酸化カルシウムあるいは酸化イッ）　ＩＪウムで
安定化あるいは部分安定化処理を施したジルコニア）や
アルミナ等の酸化物系セラミック、あるいはタングステ
ンカーバイド等の非酸化物系セラミックが用いられ、こ
れらの中から選択されたセラミックはプラズマ溶射等の
方法Ｖこより金属成形体の表面に溶射され、センミック
溶射層が形成される。

なおセラミックとして安定化ジルコニアを採用すると、
アルミニウム合金からなるピストン本体との結合強度が
より高まり、剥離等の恐れのないピストンが得られる。

これは安定化ジルコニアの熱膨張係数が約１０　Ｘ　１
０＝／”Ｃであり、他のセラミックの熱膨訣係数の約２
倍の値であって、約２゜Ｘ　１０−’／℃　　のアルミ
ニウム合金とよりマツチングし易いことによる。また安
定化ジルコニアは他のセラミックと比較して靭性が高い
ためにセラミック溶射層自体の強度も大きくなる。

こθようにして形成されたセラミック溶射層は、エツチ
ングによって形成された金属成形体の気孔部に充填され
、約０．１〜３１ＥＩ　の厚さのセラミック溶射層とな
る。なおセラミック溶射層の厚さを太き（する場合には
、多孔質金属成形体の気孔率を大きくするとともに、エ
ツチング時間管長（してより多くのアルミニウム合金等
のピストン本体を構成する金属を除去することが好まし
い、そしてこの多孔質の金属成形体が上記セラミック溶
射層の補強材として機能するために、この金属成形体に
よってセラミック層が複合強化されることになる。

このようなピストンによれば、その頂部に形成されてい
るセラミック溶射層は、多孔質の金属成形体を介してピ
ストン本体と結合されているために、セラミックとピス
トン本体を構成する金部との間に熱膨張率に差があって
も、セラミック溶射層が剥離あるいは亀裂等によって損
傷することがな（なる。すなわちセラミック溶射層がピ
ストン本体に強固に結合したピストンが得られることに
なる。

またセラミックは耐熱性とともに断熱性を有しているた
めに、本発明に係るピストンは断熱性のピストンになる
。従って内燃機関の燃焼ｉｉ度を高くすることによりそ
の効率をより高めることが５Ｊ能になる。また液化石炭
などのセタン指数の低い低質燃料の使用も可能になる。

さらにピストンのオイルによる冷却を省略するか、ある
いは冷却をより簡素化することが可能になり、冷却油の
劣化が防止され、またオイルクーラの容量を小さくする
ことが可能になる。

さらに本発明のピストンによれば、ピストン本体を成形
した後に、エツチングによって金属成形体に再び気孔Ｓ
を形成し、そしてプラズマ溶射等の方法によってセラミ
ック溶射層を形成しているために、鋳造時にセラミック
溶射層が存在しておらず、このために鋳造の圧力を上げ
ても溶射層が損傷する心配はない。よって本発明は特に
ピストン本体を加圧鋳造によって成形する場合において
有利な方法であり、例えば５００Ｋｐ／ｄ〜３０００Ｋ
ｔ／ｃｄの範囲の圧力下でピストン本体を加圧鋳造する
ことにより、極めて高品質のピストンを提供することが
可能になる。

以下本発明を図示の実施例につき説明する。まず第１図
および第２図に示すように円盤状をなす金属成形体１を
用意する。この金属成形体１は、例えば太さが約１００
声のステンレス鋼からなる金属繊維によって構成されて
おり、これを焼結するとともに所定の形状に成形したも
のである。そしてこの金属成形体１には燃焼室を構成す
る凹ｓ２が形成されている。またこの金属繊維からなる
成形体１は、その直径が１１０ｍ、高さが５ｍ＠、気孔
率が約６０％になされている。

この金属成形体１は第３図に示すように円筒状をなす金
型３内に配される。なおこの金型３はその底部が底型４
によって閉塞されている。そして底型４には凸部５が形
成されておりこの凸ｓ５が上記金属成形体１の凹部２と
嵌合されるようになっている。金型３内にはアルミニウ
ム合金（ＪＩＳ−ＡＣ８Ａ）の約７５０℃の溶融体が所
定量供給され、そしてその後に直ちにピストン本体の雄
ｍｔ−構成するパンチ型６が下降される（第４図参照）
。このパンチ型６は上記溶融金属に約１５００１１ｗ／
ｃＩｌの圧力を与え、これによって上記金属成形体１の
気孔部に溶融するアルミニウム合金を完全に充填させる
。そしてこのアルミニウム合金は金型３内において、パ
ンチ’１１６によって加圧された状態で凝固され、これ
Ｋよってピストン本体７が成形される。このピストン本
体７は、上記気孔部によって金属成形体１と強固に結合
された状態になっている。

このようにして金属成形体１と結合された状態で成形さ
れたピストン本体７は、第５図に示すように、エツチン
グ浴８に供給され、これによってエツチング処理がなさ
れる。なおこのエツチングを行なう前に、ピストン頂部
の表面および側面の頂部側の約１諺の高さを露出させ、
残りの部分ＶＣはマスキングが１される。エツチング浴
８内には１０％の水酸化ナトリウムを６０℃に加温した
腐蝕液が入れてあり、こ“の中においてピストン本体７
は約１０分間浸漬される。これによってピストン本体７
の頂部側であって、上記金属成形体１の気孔部内に充填
されたアルミニウム合金が選択的に除去される。すなわ
ちこのエツチングによりピストン本体の頂部ＶＣは再び
金属成形体ｌが有する気孔部が露出されることになる。

次にこのピストンの頂部に１酸化カルシウム約７％添加
した安定化ジルコニアの粉末（粒子径的３０／１）ｔプ
ラズマガン９によって溶射し、ピストンの頂部に約１１
１１１の厚さのセラミック溶射層１０を形成する。この
ようにして第６図に示すように、ピストン本体７とセラ
ミック溶射層１Ｇとが金属成形体ｌを介して結合された
ピストンが得られる。このピストンは８７図に示すよ５
に、金属成形体１の気孔部内にピストン本体を構成する
金属が充填されるとともに、その上側の七ランツク層１
０も金属成形体１の気孔部に食い込むようになっており
、金属成形体１の気孔１１によってピストン本体７とセ
ラミック溶射層１０七が強ｌ！１に結合されたピストン
になる。

本実施例によって得られたピストンの頂部に、酸素−プ
ロパンガスの燃焼炎をあてて約６００”Ｃに加熱し、次
いで水を噴射して約５０℃まで急冷するという比較的苛
酷な熱衝撃を繰り返して見たところ、約１０００回の上
記熱サイクルでも亀裂や剥離等の異常が認められなかっ
た。ちなみにアルミニウム合金製のピストン本体の頂部
に、単にセラミック溶射層を形成した従来のピストンに
ついて上記と同様の熱衝撃を与える比較テストを行なっ
たところ、従来のピストンでは約１００回の熱サイクル
でセラミック溶射層に亀裂が発生するのが関められた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に用いられる金属成形体の斜
視図、第２図は同縦断面図、第３図はピストン本体管成
形する金型の縦断面図、第４図はピストン本体を成形す
る状ｗＡを示す金型の縦断面図、第５図はピストン本体
をエツチングしている状態の縦断面図、第６図はプラズ
マ溶射によってセラミック溶射層管形成している状Ｍｆ
示すピストンの縦断面図、第７図はこのようにして得ら
れたピストンの要部拡大断面図である。 なお図面に用いた符号において １・・・・・・・・・金属成形体 ７・・・・・・・−・ピストン本体 ８・・・・・・・・・エツチング浴 ９・・・・・・・・・プラズマガン １０・・・・・・・・・セラミック溶射層である。 代理人　　松　村　　　修 〜３

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属から成るピストン本体の頂部にセラミック溶
   射層を形成して成るピストンにおいて、前記ピストン本
   体と前記セラミック溶射層との間に多孔質の金属成形体
   が介在され、しかも前記ピストン本体全構成する金属の
   少なくとも一部が前記金属成形体の気孔部に充填される
   とともに、エツチングによってピストン本体を構成する
   金属を選択的に除去することによって形成された前記金
   属成形体の気孔部に前記セラミック溶射層を構成するセ
   ラミックの少な（とも一部が充填され、これによって前
   記セラミック溶射層が前記ピストン本体に結合されるよ
   うにしたことを特徴とする内燃機関用ピストン。
2. （２）前記多孔質の金属成形体が金属繊維集合体から構
   成されることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   の内燃機関用ピストン。
3. （３）　　前記ピストン本体がアルミニウム合金から構
   成されるとともに１前記溶射層を構成するセラミックが
   安定化ジルコニアから成ることｔ％黴とする特許請求の
   範囲第１項ま友は第２項に記載の内燃機関用ピスト／。
4. （４）　　金属から成るピストン本体の頂部にセラミッ
   ク溶射層を形成するようにしたピストンの製造方法にお
   いて、多孔質の金属成形体を鋳型内に配し、この鋳型内
   に溶融された金属を注入するとともＶｃこの金属を前記
   金属成形体の気孔部に充填面このエツチングによって形
   成された気孔Ｓ内に少なくとも一部のセラミックが充填
   されるようＫこの金属成形体の頂ｓＩｌにセラミック溶
   射層を形成するようにしたこと１−特徴とする内燃機関
   用ピストンの製造方法。
5. （５）　　前記セラミック溶射層がプラズマ溶射によっ
   て形成されるようにしたこと１−特徴とする特許請求の
   範囲第４項に記載の内燃機関用ピスト／の製造方法。
6. （６）前記ピストン本体が加圧鋳造によって形成される
   ことを特徴とする特許請求の範囲第４項または第５項に
   記載の内燃機関用ピストンの製造方法０
7. （７）　　前記加圧鋳造１；５００Ｋｒ／ｄ〜３０００
   Ｋｒ／ｃｄノ圧力下で行なわれることを特徴とする特許
   請求の範囲第６項に記載の内燃機関用ピストンの製造方
   法。