WO2014017586A1 - 内燃機関のピストン及びこのピストンの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストン母材と低熱伝導率部との間の高い断熱性と結合強度の両方を満足することができる内燃機関のピストン及びこのピストンの製造方法を提供する 【解決手段】低熱伝導率部５は、ピストン１のアルミニウム合金母材１'よりも熱伝導率の低いホウ珪酸ガラスからなる多孔質部材６と、該多孔質部材の内部に含浸された前記母材１'の一部のアルミニウム合金材１ａとからなり、前記ガラス粉末の第１粉体８と塩化ナトリウム粉末の第２粉体９を混合して焼成して成形体を形成し、この成形体を湯中に入れて前記第２粉体を溶解して多孔質部材内に空孔９ａを形成し、その後、減圧鋳造用金型でピストンを鋳造する際に、前記多孔質部材の空孔内に前記アルミニウム合金を浸透含浸させてピストン母材と一体化して結合強度を高めたものである。

Description

内燃機関のピストン及びこのピストンの製造方法

　本発明は、鋳造によって形成される内燃機関のピストン及びこのピストンの製造方法に関する。

　周知のように、火花点火式のガソリン内燃機関にあっては、リーンバーンによる燃費の向上や均質燃焼による出力の向上などを狙ったいわゆる直噴型（ＧＤＩ）内燃機関が提供されている。

　これは特に、燃焼室を構成するアルミニウム合金製のピストンの冠面に、部分的に断熱材を設けることによって、噴射燃料の霧化促進効果があることが解っているが、アルミニウム合金母材に断熱材を強固に結合することが困難である。

　そこで、以下の特許文献１に記載されたもののように、アルミニウム合金母材よりも熱伝導率の低い材料からなる多孔質の断熱材の内部にアルミニウム合金母材を含浸させて、母材と断熱材を強固に結合することも提案されている。

特開平１１－１９３７２１号公報

　しかしながら、前記特許文献１に記載された従来の技術は、多孔質断熱材の空孔全体に母材が含浸してしまうと十分な断熱効果が得られなくなることから、前記多孔質断熱材と母材との間に空気層や真空層を形成するようになっている。このため、断熱効果を優先的に確保したことによって、母材と多孔質断熱材との結合強度が十分に得られなくなってしまうといった技術的課題を再び招いている。

　本発明は、ピストン母材と低熱伝導率部との間の高い断熱性と結合強度の両方を満足することができる内燃機関のピストン及びこのピストンの製造方法を提供することを目的としている。

　請求項１に記載の発明は、筒内噴射式火花点火式の内燃機関に用いられ、インジェクターから燃料が噴射される冠面の所定部位に、母材よりも熱伝導率の低い低熱伝導率部が部分的に設けられている内燃機関のピストンであって、
　前記低熱伝導率部は、前記母材よりも熱伝導率の低いガラス材からなる多孔質部材の内部に前記母材が含浸され、前記多孔質部材と母材との間の少なくとも一部に、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、硫酸マグネシウム、硫酸カリウム、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、硝酸マグネシウム、硝酸カルシウム、四ホウ酸ナトリウムの少なくとも一つを含む材料が介在していることを特徴としている。

　本発明によれば、ピストン母材と低熱伝導率部との間の高い断熱性と結合強度の両方を満足することができる。

Ａは本発明に係る内燃機関のピストンの縦断面図、Ｂは図１Ａに示すＡ部拡大図である。 Ａは本実施形態に供される多孔質部材の縦断面図、Ｂは図２Ａに示すＢ部拡大図である。 本実施形態に供される多孔質部材における塩化ナトリウムの体積と体積率との関係から空孔(空隙率)と残留塩化ナトリウムを示す特性図である。 塩化ナトリウムの体積と熱伝導度との関係を示す特性図である。 本実施形態に供される鋳造金型装置を示し、Ａは該装置の縦断面図、Ｂは該装置の一部を示す縦断面図である。 同鋳造金型装置に多孔質部材が配置された状態を示す拡大断面図である。 同鋳造金型装置によって鋳造された直後のピストン成形体を示す縦断面図である。

　以下、本発明に係る内燃機関用ピストンと、このピストンの製造方法の実施形態を図面に基づいて詳述する。本実施形態に供されるピストンは、火花点火式の直噴型ガソリン機関に適用したものである。

　前記ピストン１は、全体が母材としてＡＣ８Ａ　Ａｌ－Ｓｉ系のアルミニウム合金によって一体に鋳造され、図１に示すように、ほぼ円筒状に形成されて、冠面２ａ上に燃焼室を画成する冠部２と、該冠部２の下端外周縁に一体に設けられた円弧状の一対のスラスト側スカート部３及び反スラスト側スカート３と、該各スカート部３の円周方向の両側端に各連結部位を介して連結された一対のエプロン部４、４と、を備えている。なお、このエプロン部４には、図外のピストンピンの両端部を支持するピンボス部４ａ、４ａが一体に形成されている。

　前記冠部２は、比較的肉厚に形成された円盤状を呈し、燃焼室を構成する冠面２ａが断面ほぼ凹凸状に形成されて一部に表面積の大きな平坦状の凹部２ｂが形成されていると共に、該凹部２ｂの上面所定位置に前記ピストン母材１’よりも熱伝導率の低い低熱伝導率部５が埋設されている。また、冠部２の外周には、３つのピストンリング溝２ｃが形成されている。

　この低熱伝導率部５は、凹部２ｂでの埋設位置が図外のシリンダヘッドに設けられた燃料噴射弁であるインジェクターからの燃料が直接噴射される位置であって、後述するピストン１の鋳造時に凹部２ｂ内に一体的に埋設されるようになっていると共に、図１Ｂに示すように、ピストン母材１’よりも熱伝導率の低いガラス材からなる多孔質部材６の内部にピストン母材１’の一部１ａが含浸されている。

　すなわち、この低熱伝導率部５は、ピストン１とは別途に後述する製造方法によって基本的に凸円盤状に形成されて前記ガラス材からなる多孔質部材６と、該多孔質部材６の空孔内に予め充填される水溶性塩が溶解した後の空孔９ａに充填される母材１’の一部であるアルミニウム合金材１ａとから構成されている。

　〔多孔質部材の製造方法〕
　以下、前記多孔質部材６の製造方法の概略について説明すると、まず、水に溶けないガラスの粉末である第１粉体８と、水溶性の粉末材（塩化ナトリウム粉末材）としての第２粉体９を混合し、この混合粉を型に入れて所定圧で加圧成形した後、温度Ｔ_BＢによって焼結させる。なお、前記第１粉体８の焼結温度Ｔ_BＢは、第２粉体９の焼結温度Ｔ_AＡよりも低い。

　その後、焼結された焼結体を、攪拌された水または湯に浸漬させて、焼結体内の第２粉体９を水または湯によって溶解して除去して多くの空孔９ａにすることによって、図２に示す多孔質部材６を成形する。この多孔質部材６の熱伝導率は、溶湯金属である前記母材１’の熱伝導率よりも十分に小さい。

　前記第１粉体８は、前述したようにガラス粉末であって、昇温によりガラス転移現象を示す非結晶固体である珪酸塩、ホウ酸塩、リン酸塩を主成分とする硬く透明な物質である。化学的にはガラス状態になる主として珪酸化合物（珪酸塩鉱物）である。ガラスを構成する酸化物としては、ＳｉＯ₂２、Ａｌ₂２０₃３、Ｂ₂２０₃３、ＢａＯ、Ｂｉ₂２０₃３、Ｌｉ₂２０、ＭｇＯ、Ｐ₂２０₅５、ＰｂＯ、ＳｎＯ、ＴｉＯ₂２、ＺｎＯ、Ｒ₂２Ｏ（Ｒはアルカリ金属：Ｌｉ、Ｎａ、Ｋの略号）、ＲＯ（Ｒはアルカリ土類金属；Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａの略号）がある。

　前記第１粉体８は、軟化する温度（軟化点）が第２粉体９の融点より低く、融点７００℃以上になっている。

　前記転移点は、ガラス構造が変化する温度であって、粘性約１０１３．３ｐｏｉｓｅ。前記軟化点は、ガラスが自重で軟化変形する温度であって、粘性約１０７．６ｐｏｉｓｅである。

　一方、第２粉体９は、材料として塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウム、炭酸カルシウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、硫酸マグネシウム、硫酸カリウム、硝酸ナトリウム、硝酸カルシウム、硝酸マグネシウム、硝酸カリウム、四ホウ酸ナトリウムなど水溶性の塩類であるが、この中の一つもしくは二つ以上の塩の混合塩であってもよい。

　前記塩化ナトリウムと、塩化カリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウム、炭酸カルシウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、硫酸マグネシウム、硫酸カリウム、四ホウ酸ナトリウムのように融点が７００℃を超えかつ水溶性である塩が望ましい。本実施形態では前記塩化ナトリウムを用いている。
〔実施例〕
　以下、多孔質部材６の具体的な製造方法について説明する。

　まず、ホウ珪酸ガラス（旭硝子（株）製の粉末ガラス　ＡＳＦ１８９８）の第１粉体８に前記塩化ナトリウムである第２粉体９を混合する。

　第１粉体８と第２粉体９の混合割合は、第２粉体９が６０～８０体積％で、第１粉体が４０～２０体積％に設定した。重量比の比率割合が５４：４６（重量比）となる混合粉を混合した（混合工程）。

　各粉末の粒径は、第１粉体８が平均粒径４．５μｍ、第２粉体９が８５０～１３００μｍに設定した。

　次に、前記混合粉を型に入れて加圧成形し、６５０℃～７５０℃の温度で、２０～４０分加熱して焼成するが、本実施例では、７００℃の温度で３０分加熱して焼結成形体を得た（焼成工程）。

　この焼結成形体を、攪拌された５５℃の湯中に浸漬して内部の第２粉体９（塩化ナトリウム）を溶解して成形体から抜き出して多くの空孔９ａを有する多孔質部材６を得た（溶解工程）。なお、この溶解工程は、第２粉体９を５０℃～９５℃の湯中で５分～３時間の範囲内で行うようになっている。

　この多孔質部材６は、図２Ａに示すように、円盤状の基部６ａと、該基部６ａの上面に一体に設けられた小径円柱状の突起部６ｂとからなり、前記基部６ａの上端外周縁がテーパ面６ｃに形成されている。また、この多孔質部材６は、図２Ｂに示すように、第２粉体９が殆ど溶解されて消失して前記第１粉体８（ガラス）が残存する形になるので、第１粉体８の周囲には多数の空孔９ａが形成された状態になる。

　そして、前述した混合工程と焼成工程において、第１粉体８（ガラス粉末）と第２粉体９（塩化ナトリウム）の混合粉の成形体を加熱すると、塩化ナトリウムの粒子の周りをガラス粉末が覆うことになり、第１粉体８と第２粉体９の混合割合によって多孔質部材６の出来方が異なる。

　つまり、本願の発明者が、第１粉体８と第２粉体９の混合割合を種々変えた実験をしたところ、図６及び図７に示す結果になった。

　すなわち、例えば、塩化ナトリウムの粉末が８０体積％以上で、ガラス粉末が２０体積％以下である場合には、加熱によってガラス粉末同士が溶融接合しないため、成形体を作ることができず、水または湯で溶解したときに成形体が崩れてしまう。

　また、塩化ナトリウムの粉末が６０体積％より少なく、ガラス粉末が４０体積％より多いと、加熱によってガラス粉末同士が容易に溶融接合して、塩化ナトリウム粉末の周りを覆ってしまう。したがって、その後の水または湯で塩化ナトリウムの粉末が溶かし出す際に、塩化ナトリウム粉末に水や湯が接触することができず、前記多孔質部材６を成形することが出来なくなる。

　塩化ナトリウム粉末が６０～８０体積％で、ガラス粉末が４０～２０体積％のとき、オープンな空孔９ａ（表面から内部までつながっている空孔）が得られる。塩化ナトリウム粉末は全て溶け出されことはなく、その一部はガラス粉末に覆われてクローズな状態になっている。このクローズな状態の塩化ナトリウム粉末の量は、該塩化ナトリウム粉末（第２粉体９）とガラス粉末（第１粉体８）の混合割合で決定される。

　そして、塩化ナトリウム（第２粉体９）が８０体積％のとき、溶解によって残留する塩化ナトリウムはなくなり、第２粉体９の体積％が減少していくと、残留塩化ナトリウムの体積％も上昇して第２粉体９が６０体積％のとき、残留する塩化ナトリウムの粉末は２５体積％となる。残留した塩化ナトリウム粉末は第１粉体８のガラス粉末に囲まれており、断熱材として機能する一方、得られた多孔質部材６に、後述するピストン鋳造合金（アルミニウム合金１ａ）を含浸させた後、含浸部分を切削加工して仕上げるが、その加工表面に残留した塩化ナトリウムが現れる。

　現れた塩化ナトリウム粉末を再び水または湯で溶解除去すると、加工表面は多孔質部材６であるガラスとピストン母材１’の鋳造合金の複合構造になって、塩化ナトリウム粉末が多くなるほど溶解量が多くなり、表面の凹凸が多くなって表面積が増大する。

　なお、残留する塩化ナトリウムは、該塩化ナトリウムの体積率が少なくなるほど多くなる。

　そこで、本実施例では、第２粉体９の塩化ナトリウム粉末を６０～８０体積％とし、第１粉体８のガラス粉末を４０～２０体積％に設定したのである。

　次に、前記第２粉体９の殆どが除去されて、主として第１粉体８（ガラス）によって構成された多孔質部材６を、ピストン１を成形する減圧鋳造用金型１０内に配置して、ピストン１の鋳造中に多孔質部材６の空孔内に母材１’の一部を含浸させて冠面２ａの凹部２ｂに低熱伝導率部５を一体に埋設するようになっている。
〔ピストンの鋳造用金型構造〕
　前記減圧鋳造用金型１０は、図３Ａ、Ｂに示すように、モールド型１１を備え、このモールド型１１内には、センターコア１２及び該センターコア１２の周囲に配置したフィリップコア１３やサイドコア１４などの複数の分割コアを組み合せてなる中子１５を下部側に備えている。この中子１５は、前記ピストン１を成形する場合にピストン１の内部形状を形成するものである。

　また、前記減圧鋳造用金型１０には、内部に冷却水を循環するための冷却路を形成した左右一対のリストピン１６が対向して水平に備えられている。このリストピン１６の先端部が前記サイドコア１４に形成した穴に係脱可能に係合されている。

　さらに、前記減圧鋳造用金型１０は、前記リストピン１６を支持するモールドブッシュ１７を有し、上部側には、前記モールド型１１に対して着脱可能なトップコア１９が設けられている。

　該トップコア１９は、吸引排出部２０の一例としての空間部を備えた外トップコア２１と、この外トップコア２１に一体的に設けた内トップコア２３とから構成されている。

　前記外トップコア２１は、上端部に前記吸引排出部２０を封止するアダプター２５が設けられていると共に、このアダプター２５のほぼ中央にパイプ状の第１連通管２７が設けられている。この第１連通管２７は、前記吸引排出部２０に連通していると共に、例えば真空ポンプ（図示省略）などのような負圧発生手段に接続されている。したがって、前記負圧発生手段を作動することにより、前記吸引排出部２０内を減圧し負圧にすることができるものである。

　なお、前記吸引排出部２０は、空間部になっているが、空間部としては室状の空間は勿論のこと、穴状の空間、溝状の空間をも含むものである。要するに、吸引排出部２０としては、前記内トップコア２３を介して（透過して）後述するキャビティ内の気体を効果的に吸引排出する機能を奏する構成であれば良いものである。

　前記内トップコア２３は、前記中子１５と対向して設けられると共に、該中子１５及び前記モールド型１１との間にキャビティ２９を形成するものである。また、この内トップコア２３は、例えばＳＵＳ材等の鉄系金属粉末を焼結してなる多孔質材料により通気性金型（多孔質金型）によって構成されている。

　すなわち、前記内トップコア２３は、粉末粒度１００メッシュ以下、２５０メッシュ以上の鉄系金属粉末を用いて、熱間等方圧プレス［ＨＩＰ（Ｈｏｔ　Ｉｓｏｓｕｔａｔｉｃ　Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）］によって空孔径が４μｍ～１２μｍの通気性金型素材に成形した後に焼結され、または成形と焼結とを同時に行って製造されている。これによって、通気性金型として形成されている。

　そして、前記内トップコア２３の下面、つまり前記中子１５と対向したキャビティ面２３Ａは、前記キャビティ２９にアルミニウム合金の溶湯を給湯（注湯）して製品としてのピストン１を成形するときに、ピストン１の冠面２ａを転写するための転写面に形成されている。このキャビティ面２３Ａは、放電加工により仕上げ面に形成され、つまり、形彫放電加工機における放電加工条件の仕上領域を用いて、後加工としての例えば仕上げ加工やバフ加工が不要であるように、予め製品の仕上げ面粗さに対応した表面粗さの製品仕上げ面に形成されている。

　したがって、アルミニウム合金の溶湯に対する耐熱性、耐摩耗性に優れていると共に、かじりを生じることがない。すなわち、内トップコア２３のキャビティ面２３Ａは、切削加工や研磨加工によることなく放電加工によって製品仕上げ面に加工されているので、金属粉末粒子が潰れて粒子間の空孔を塞ぐようなことがなく、粉末粒子間の空孔の通気性が良好に保持されているものである。

　また、前記内トップコア２３のキャビティ面２３Ａにおいて、製品としてのピストン１における冠面２ａの冠面燃焼室の細い部分やエッジに対応した部分２３Ｂの肉厚は２ｍｍよりは厚く１２ｍｍ以下に形成してある。

　また、内トップコア２３の所定位置、つまり前記冠面２ａの凹部２ｂが形成される部位に対応する位置には、図３Ａ及び図６に示すように、該内トップコア２３と前記吸引排出部２０及びアダプター２５を上下方向から貫通した金属パイプ状の第２連通管３０が設けられていると共に、該第２連通管３０の下端部に位置する部位に、前記多孔質部材６を保持するほぼ円錐状の保持溝３１が形成されている。つまり、前記多孔質部材６は、予め内トップコア２３のキャビティ面２３Ａの所定位置に保持されているおり、前記突起部６ｂが第２連通管３０の下端部内に圧入によって嵌合保持されていると共に、基部６ａが保持溝３１の周面に当接保持されている。

　前記第２連通管３０は、上端部に前記第１連通管２７と同じく例えば真空ポンプ（図示省略）などのような負圧発生手段に接続されている。したがって、前記負圧発生手段を作動することにより、前記保持溝３１に予め保持された前記多孔質部材６の内部を減圧し負圧にして、後述するアルミニウム溶湯を多くの空孔９ａに含浸させるようになっている。

　前述したように、前記内トップコア２３が多孔質型に構成されていることによって、前記吸引排出部２０を負圧にすると、前記キャビティ２９内の気体は内トップコア２３を介して吸引排出部２０に吸引されて外部へ排出されることになる。また、前記キャビティ２９に注湯されたアルミ合金の溶湯は、前記内トップコア２３のキャビティ面２３Ａ（転写面）に吸引されて直接接触し、前記キャビティ面２３Ａの形状がそのまま転写されることになる。

　また、前記内トップコア２３のキャビティ面２３Ａに溶湯が直接接触することによって製品に対してキャビティ面２３Ａの形状をそのまま転写するとき、製品に細い部分やエッジが存在する場合、溶湯の表面張力によって精密に転写し難いものである。そこで、本実施形態においては、前記内トップコア２３の細い部分やエッジに対応した部分２３Ｂの肉厚は、他の部分の肉厚より薄く形成されている。

　したがって、前記吸引排出部２０を負圧にしてキャビティ２９の気体を吸引排出すると共に、キャビティ２９内の溶湯を吸引して内トップコア２３のキャビティ面２３Ａに直接密着するとき、製品の細い部分やエッジに対応した部分の吸引が効果的に行われることとなり、製品の細い部分やエッジの部分であっても内トップコア２３のキャビティ面２３Ａの形状を正確に転写することができるものである。

　ところで、燃料をピストン１の冠面２ａに形成されている燃焼室へ直接噴射してタンブル流又はスワール流を形成する型式のガソリン直噴用のピストン１の冠面２ａに要求される仕様粗さは、噴射ノズルを配置する位置等によって異なるが、大略Ｒａ＝８μｍ以下、冠面形状部最小抜き勾配は５°であるから、内トップコア２３の多孔質材料として１００メッシュ（粒径２０μｍ）のステンレス粉を使用し、ＨＩＰ成形法により空孔径４μｍの多孔質金型素材を形成する。その後、この多孔質金型素材を焼結し、放電加工によってキャビティ面２３Ａを表面粗さＲａ＝８μｍ以下に仕上げ加工する。

　この際、ピストン冠面２ａに形成される凸部に対応して前記キャビティ面２３Ａに形成された凹部２３Ｃに対応した部分２３Ｂ、すなわちピストン冠面２ａの形状の出にくい部分の肉厚を８ｍｍとした。なお、肉厚については、強度又は金型温度の関係から精度を必要とする箇所のみの薄肉化にとどめることが望ましい。

　前記モールド型１１には、前記キャビティ２９内に注湯（給湯）された溶湯が冷却・凝固するときの体積収縮を補うための押し湯キャビティ３１が前記キャビティ２９に連通している。この押し湯キャビティ３１の周囲には、保温性の高い材料よりなる押し湯入子３３が設けられている。さらに、前記モールド型１１には、前記キャビティ２９に対して溶湯を給湯するための湯道３５が設けてあり、この湯道３５は前記キャビティ２９の下部側に連通している。

　〔ピストンの鋳造方法〕
　したがって、前記金型１０を用いてピストン１を鋳造するには、モールド型１１の前記湯道３５から前記キャビティ２９内へアルミ合金の溶湯を注湯すると共に、吸引排出部２０内を負圧にする。この際、前記キャビティ２９に対する溶湯の供給は、キャビティ２９の下部側に行われ、前記吸引排出部２０を減圧し負圧にすることにより、前記キャビティ２９内の気体は、前記内トップコア２３を透過して外部へ排出されるものである。したがって、キャビティ２９内の気体の排出を効果的に行うことができるものである。

　また、同時に前記真空ポンプによって第２連通管３０を介して多孔質部材６内を減圧して負圧にする。

　したがって、前記キャビティ２９内に供給された溶湯は、前記吸引排出部２０が負圧であることにより、内トップコア２３のキャビティ面２３Ａ（転写面）に直接吸引接触されて密着されるものである。この際、前記内トップコア２３の、製品形状の細い部分やエッジの部分に対応する部分２３Ｂの肉厚は他の部分より薄く形成してあるので、この部分における溶湯の吸引密着が効果的に行われることとなり、より正確な転写が行われ得るものである。

　すなわち、キャビティ２９に対してアルミニウム合金溶湯を湯道３５から給湯し、湯口が溶湯によって閉塞されると、図外の減圧用のモータが駆動されて吸引排出部２０内の空気が排出され、吸引排出部２０が減圧される。この減圧によって吸引排出部２０とキャビティ２９との間に差圧が生じると、キャビティ２９内の気体は通気性金型（多孔質金型）２３の空孔を透過して外部へ排出される。

　そして、キャビティ２９内の溶湯が次第に上昇して前記内トップコア２３のキャビティ面２３Ａに接触すると、吸引排出部２０が減圧されていることにより、前記溶湯はキャビティ面２３Ａに吸引密着される態様となる。この際、ピストン１を成形する場合には、前記キャビティ面２３Ａの凹凸がピストンの冠面に転写されるものであり、ピストン冠面の凸部に相当するキャビティ面２３Ａの凹部２３Ｃの部分２３Ｂは、他の部分よりも薄く形成してあるので、この部分の溶湯の吸引密着がより効果的に行われるものであり、ピストン冠面２ａの形状の出にくい部分であっても高精度に成形することができるものである。

　また、前記多孔質部材６内も負圧になっていることから、キャビティ２９内のアルミニウム溶湯の一部は前記多孔質部材６内に吸引されて、塩化ナトリウムが溶解された多数の空孔９ａ内に浸透して充填される。これにより、図７に示すように、内部にピストン母材１’と同じアルミニウム合金材１ａが含浸された低熱伝達率部５が母材１’に対して一体的に埋設固定される。なお、前記各空孔９ａにアルミニウム合金材１ａが充填されるが、僅かに前記第２粉体９（塩化ナトリウム）が残存している。

　その後、冷却された減圧鋳造用金型１０から前記低熱伝導率部５が一体となったピストン母材１’を取り出して、図１Ａに示すように、ピストン母材１’の外周面に形成された鋳バリ等やピストンリング溝２ｃを切削加工すると共に、前記低伝導率部５（多孔質部材６）の突起部６ａや基部６ａ上面を切削加工して冠面２ａと同一面に形成した（切削工程）。これら一連の成形加工によってピストン１の成形作業が完了する。

　以上のように、本実施形態では、ピストン１の冠面２ａの燃料が直接噴射される部位に低熱伝導率部５が設けられ、この低熱伝達率部５は、主たる構造がアルミニウム合金材よりも熱伝導率の低いホウ珪酸ガラス製の多孔質部材６によって形成されていることから、高い断熱性が得られる。したがって、燃料の霧化が十分に促進されて燃焼性能が向上すると共に、燃費が向上する。

　ここで、前記低熱伝達率部５の熱伝導率について考察すると、前記多孔質部材６の空孔９ａによる空隙率が小さいほどこの空孔９ａへのピストン１の鋳造合金１ａの含浸量が少なくなるため、第１粉体８（ガラス粉末）と残留した塩化ナトリウム粉末の合計体積率が大きくなることから熱伝導率が低下する。

　表面に現れた残留塩化ナトリウムを水や湯で溶解除去すると、除去前の第１粉体８と残留した塩化ナトリウムの表面積が除去後に第１粉体８のガラス成分だけになって凹凸が形成されるので、その表面積が増大する
　そして、前述のように、低熱伝達率部５の熱伝導率が低下すると、該低熱伝導率部５の熱の蓄積が増大し、蓄積された熱量は、燃料の霧化に寄与させるが、その際、表面積の大きい方が燃料に熱を伝え易くなって、燃料の霧化が促進される。

　しかも、前記低熱伝導率部５は、多くの空孔９ａを介してピストン母材１’と同じアルミニウム合金材１ａが含浸されていることから、該アルミニウム合金材１ａとピストン母材１’との融着性が高くなって結合強度が向上する。

　この結果、ピストン母材１’と低熱伝導率部５との間の高い断熱性と結合強度の両方を満足することができる。

　特に、前記多孔質部材６の多くの空孔９ａ内にピストン１の鋳造合金１ａが含浸されるので、ピストン１の鋳造合金と多孔質部材６との界面強度が大きくなる。

　なお、多孔質部材６の表面に現れたガラス材が欠け落ちるおそれがあるので、ピストン１のアルミニウム合金を陽極酸化することによって前記表面のガラス材を覆うことによって欠け落ちが抑制されると共に、陽極酸化層の断熱効果が得られる。

　また、前記内トップコア２３のキャビティ面２３Ａは、予め製品仕上げ面に高精度に加工してあるので、鋳造したピストン１の冠面２ａは仕上げ加工等の後加工を必要とすることなく、そのまま使用可能であるのでピストン１を安価に製造することができるものである。

　なお、前記説明においては、内トップコア２３のみを多孔質型（通気性金型）に形成した場合について例示したが、内トップコア２３のみに限ることなく、例えば前記中子１５やモールドブッシュ１７をも多孔質型とすることが望ましいものである。このように、中子やモールドブッシュを多孔質型にすると、多孔質型は内部に気体を包含しているので保温性に優れ、溶湯の流動性を良好に保持することができるものである。

　また、減圧鋳造用金型１０において多孔質材料で形成した内トップコア２３の空孔径を４μｍ～１２μｍとしてあるので、塗型を行うことなくアルミニウム合金の溶湯を給湯して製品の成形を行う場合であっても、溶湯の表面張力により空孔内に溶湯の一部が入り込むようなことがなく、かじりを生じることはないものである。

　さらに、前記内トップコア２３において、転写精度を必要とする箇所の肉厚を１２ｍｍ以下に形成してあるので、この箇所においてキャビティ内の気体を効果的に排気して溶湯を吸引することにより精確な転写を行うことができるものである。

　また、前記内トップコア２３の多孔質材料は、鉄系金属粉を焼結してなるものであるから、アルミニウム合金の溶湯をキャビティに給湯して成形を行う場合の耐熱性に優れているものである。

　また、前記鉄系金属粉がステンレス粉であることにより、耐食性、耐熱性、耐摩耗性に優れているものである。

　前記実施形態から把握される前記請求項以外の発明の技術的思想について以下に説明する。
〔請求項ａ〕請求項１に記載の内燃機関のピストンにおいて、
　前記多孔質部材は、ホウ珪酸ガラスであることを特徴とする内燃機関のピストン。
〔請求項ｂ〕請求項１に記載の内燃機関のピストンにおいて、
　前記多孔質部材の空孔率は、約６０～８０体積％であることを特徴とする内燃機関のピストン。
〔請求項ｃ〕請求項１に記載の内燃機関のピストンにおいて、
　前記母材は、アルミニウム合金であることを特徴とする内燃機関のピストン。
〔請求項ｄ〕請求項１に記載の内燃機関のピストンにおいて、
　多孔質部材と母材との間に介在される材料は、塩化ナトリウムであることを特徴とする内燃機関のピストン。

　この発明によれば、介在物として塩化ナトリウムを用いることにより、溶解度が高くかつ材料コストが低いことから、製造コストの低減化が図れる。
〔請求項ｅ〕請求項３に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
　前記第１粉体はホウ珪酸ガラスである一方、第２粉体は塩化ナトリウムであることを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。
〔請求項ｆ〕請求項３に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
　前記第１粉体と第２粉体の重量比率は、５４対４６であることを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。
〔請求項ｇ〕請求項３に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
　前記混合粉の焼成は、６５０℃～７５０℃の温度で、２０～４０分の間行われることを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。
〔請求項ｈ〕請求項３に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
　前記第２粉体を、５０℃～９５℃の湯中で５分～３時間の間で溶解させることを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。

１…ピストン
１ａ…アルミニウム合金材
２…冠部
２ａ…冠面
２ｂ…凹部
３…スカート部
４…エプロン部
５…低熱伝導率部
６…多孔質部材
８…第１粉体
９…第２粉体
９ａ…空孔
１０…減圧鋳造用金型

Claims (20)

1. 　筒内噴射式火花点火式の内燃機関に用いられ、インジェクターから燃料が噴射される冠面の所定部位に、母材よりも熱伝導率の低い低熱伝導率部が部分的に設けられている内燃機関のピストンであって、
   　前記低熱伝導率部は、前記母材よりも熱伝導率の低いガラス材からなる多孔質部材の内部に前記母材が含浸され、前記多孔質部材と母材との間の少なくとも一部に、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、硫酸マグネシウム、硫酸カリウム、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、硝酸マグネシウム、硝酸カルシウム、四ホウ酸ナトリウムの少なくとも一つを含む材料が介在していることを特徴とする内燃機関のピストン。
2. 　少なくとも冠面に母材に対して熱伝導率の低い低熱伝導率部を有する内燃機関のピストンであって、
   　前記低熱伝導率部は、前記母材よりも熱伝導率の低いガラス材からなる多孔質部材の内部に母材が含浸され、前記多孔質部材と母材との間の少なくとも一部に、水溶性で、かつ前記多孔質部材よりも融点が高い材料が介在していることを特徴とする内燃機関のピストン。
3. 　少なくとも冠面に母材に対して熱伝導率の低い低熱伝導率部を有する内燃機関のピストンの製造方法であって、
   　少なくとも前記母材よりも熱伝導率が低く、熱によって軟化する材料の第１粉体と、水溶性で、かつ前記第１粉体よりも融点が高い第２粉体を混合する工程と、
   　前記混合粉を加圧成形して焼成する工程と、
   　該焼成工程後に、前記第２粉体を液体で溶解させて多孔質部材を成形する工程と、
   　金型内に設置された前記多孔質部材を吸引または溶湯を加圧しながら前記金型内に注湯する工程と、
   　冷却された後に金型から取り出されたピストンの冠面に切削加工を施す工程と、
   　を備えたことを特徴とする内燃機関のピストの製造方法。
4. 　請求項１に記載の内燃機関のピストンにおいて、
   　前記多孔質部材の空孔率は、約６０～８０体積％であることを特徴とする内燃機関のピストン。
5. 　請求項４に記載の内燃機関のピストンにおいて、
   　前記多孔質部材は、少なくともホウ珪酸ガラスを含有して形成されていることを特徴とする内燃機関のピストン。
6. 　請求項１に記載の内燃機関のピストンにおいて、
   　前記母材は、アルミニウム合金であることを特徴とする内燃機関のピストン。
7. 　請求項１に記載の内燃機関のピストンにおいて、
   　多孔質部材と母材との間に介在される材料は、塩化ナトリウムであることを特徴とする内燃機関のピストン。
8. 　請求項３に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
   　前記第１粉体はホウ珪酸ガラスでを含む粉体である一方、第２粉体は塩化ナトリウムを含む粉体であることを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。
9. 　請求項３に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
   　前記第１粉体と第２粉体の重量比率は、ほぼ５４対４６であることを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。
10. 　請求項３に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
    　前記混合粉の焼成は、６５０℃～７５０℃の温度で、２０～４０分の間行われることを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。
11. 　請求項３に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
    　前記第２粉体を、５０℃～９５℃の湯中で５分～３時間の間で溶解させることを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。
12. 　請求項３に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
    　前記第２粉体の平均粒径を８５０～１３００μｍとしたことを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。
13. 　請求項３に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
    　前記金型であって、前記冠面を形成するトップコアは、空孔径が４μｍ～１２μｍの通気性金型によって構成されていることを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。
14. 　請求項１３に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
    　前記トップコアは鉄系金属粉を焼結して形成されることを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。
15. 　請求項１４に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
    　前記鉄系金属粉はステンレス粉であることを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。
16. 　請求項６に記載の内燃機関のピストンにおいて、
    　前記低熱伝導率部は、表面にアルミニウム合金の陽極酸化皮膜で覆われていることを特徴とする内燃機関のピストン。
17. 　請求項３に記載の内燃機関のピストンにおいて、
    　前記切削工程後に、表面の前記第２粉体を液体で溶解させて多孔質部材を成形する工程を有することを特徴とする内燃機関のピストン。
18. 　請求項５に記載の内燃機関のピストンにおいて、
    　前記多孔質部材は珪酸化合物であり、前記母材はアルミニウム合金であり、かつ、前記珪酸化合物とアルミニウム合金の間の少なくとも一部に塩化ナトリウムを有することを特徴とする内燃機関のピストン。
19. 　請求項１８に記載の内燃機関のピストンにおいて、
    　前記多孔質部材は、表面にアルミニウム合金の陽極酸化皮膜で覆われていることを特徴とする内燃機関のピストン。
20. 　請求項３に記載の内燃機関のピストンにおいて、
    　前記第１粉体及び前記第２粉体はどちらも融点が７００℃より高いことを特徴とする内燃機関のピストン。

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