JPS61500838A - 合成ピストン製作方法並びに装置 - 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】 合成ピストン製作方法並びに′＆装 技術分野 本発明は、往復動するエンジンておいて役立つセラミック／金属合成ピストンの 製作技術に係る。

発明の背景及び従来の技術の説明 往復動するエンジンにお−で従来使用されるピストンは、さまざまの有害な力を 受けしめられる；そのような有害な力′／ｃｔまれるものとして、高熱応力（特 に、ぎストン上面付近）、ピストン・リングの１上のピストン区域を摩耗する高 温度摩蕉力、及びぎストン材料の密度から生じる肩慣注力がある。今日でｉ：ｊ 、重量慣性を減じるためアルミニウムを基材とするピストンを用へるのが一般で あるが、そのようなアルミニウムは抗摩耗性におい′Ｃ高くなく且つ高＠度にお いて弱く、高ａ牝応用分野においてそれを保護するには断熱材を必要とする。

最新技術は、高温度摩耗を減じるためアルミニウム・ピストンの上層に牽擦、溶 接によって、環状耐摩ＩＩング（ｍ、ブロンズまたげシリコン合金から収る）を 埋設している（米国特許第３５９６５７１号参照）。しかし、そのような台底構 造は高＠度熱応力を減じるまたに無くすることＫＩＩＥ功しておらず、且つ′ｇ ｒ熱部材を全く欠いて−る。

また、最新技術は、ぎストンの高熱頂部の断熱性を向上させるため、アルミニウ ム・ぎストンにセラミックのコーティングを塗設している（米国特許第４２４５ ６１１号参照）。しかし、そのようなコーティングは、極度に厚くしないかぎり 、断熱性において不充分であり、そのことは、従って、支持アルミニ脹の間晒を 生じさせる原因になる。また、最新技術は、ぎストンの基一部をニンジンの高熱 区域から断熱するぺく、鉄ビス＋ンの頂面に対し、炭化硅素と鉄との顆粒混合物 を焼結しくいる（米国特許第２６５７９６１号参照）。あＩＡ５にく、炭化珪素 は、多孔状聾においてすら、鉄より高い導熱性を有し、従って、ピストンの断熱 にお−て有意味な向上を達成することを阻む。この技術はアルミニウム・ぎスト ンにおいて熱応力を防ぐ方法を提案していない。

すぐれた断熱性を有するセラミック材は当某界において知られて□いるが、それ らは典型的に脆弱であり、隣接材料の異する熱膨張から生じる力にさらされると きけ、亀裂士−生じるおそれがある。アルミニウムまたはそあ他の低密度材料の 長所を利用するため、そしてアルミニラ羞に関連する熱応力の問題を克服するた め必要とされるものは、アルミニウムとセラミックとの間の熱膨張係数の差を無 くする方式でアルミニウム・ｔｙ、トン上に高度に密度の大きい断熱セラミ７り ・キャップを支持する方法である。

発明の要旨 本発明は、往復動するエンジンの合成ぜストンを製作する方法と、そのようなピ ストンのための構造である。この方法Ｕ　：　（ａ）　約６８９　／　２．５４ ｃｍ３（Ｃ１，１５”／１ｎ３）以下の密度を有する金属とプラスチックから選 ばれる材料から放るピストン部材と、該ぎストンの頂部上に延在するようにされ たセラミック裏張部材と、ピストン部材から裏張部材を渦離する働きをするキャ リヤ部材であって、裏張部材とピストン部材とを一緒に運動するように結合し、 その一部分をピストン側部の少なくとも一部分に添って下垂させてピストンの頂 部を掩包するようにされた片側を有し、裏張部材をそれと一緒に運動するように 結合する手段を具えた反対側を有し、セラミックの熱膨張係数に比し約２、ＯＸ 　１０″″６までの差を以て異なる熱膨張係数を有する材料から成るものとを含 む合成ピストンを構成する部材を底形することと；（ｂ）　ギヤリヤ部材が掩包 位宜に在るときギヤリヤ部材の下垂部分に対し半径方向反対の立置に配置される ピストン部材の側面に環状の溝付き壁を画収することと；（Ｃ）　キャリヤ部材 によってピストンが攬包されている状態で、溝付き壁に対して半径方向に整・合 されたキャリヤ部材の区域に対して高エネルイ°のビームを指向し、ビームによ って横切られるキャリヤｗ５＝＃の部分を溶融するように作用させ、それ【よっ て、溶融された材料部分を溝付き壁内に流入させてそれを満たすとともに、固化 したときピストンをキャリヤ部材に対しロックさせることとを含む。

好ましくは、ピストンｒｉキストンの＠部に形づくられる、適所隅造式金属リン グを形成され、環状の溝付き壁が金属ＪＪラング画数される。金属リングはビス ）　−−−ンの材料の熱ｌ張係数とキャリヤ部材の材料のそれとの中間の熱膨、 脹係数を有する材料から取る。適所鋳造式１Ｊングの材料は、リングがｉｔ摩肩 要素として役立つことを可能に′するニッケル・レジスト鉄から匠ることが有利 である。。

キャリヤ部材の材料は、おのおの金属としては低い熱膨張係数を有するステンレ ス鋼及び鋳鉄から成るグループから選、ばれ得る。ぎストンの材料は、アルミニ ウム、プラスチック及びマグネシウムから底るグループから選ばれ：る。好まし くは、セラミックは、キャリヤ部材の熱Ｈ張係数（金属としては低い）と正しく 調和する熱膨張係数（セラミックスとしては高い）をおのおの有するジルコニア とアルミニアとから成るグループから選ばれる材料から底る。

ピストン、より好ましくは、ピストンの一部を？ＪＦ！。

する埋設された金属リングに形成される溝付き壁に、約０．２５４ｒａ（０，０ １０１ｒ１）以下の深さと約０．５０８ｍ（０，０２０ｉｎ　）の幅とを有する ことが推奨される。

高エネルギ・ビームは、好ましくは適所鋳造金属リングを溶融することなしにキ ャリヤ部材の一部分を溶融するのて役立つ電子ビームであって、通常３０００ワ ツト〜６０００ワツトの範囲内で制御され得る少なくとも３０００ワツトのエネ ルイ・レベルを有するものである。

本発明に、また、（→　頂部、側部及び創部に画成された溝付き壁を有する低重 量ピストン部材と；　（ｂ）　セラミック面張部材と；（Ｃ）その一部分をピス トン側部に整合して下垂させてピストン部材の頂部な掩包せしめられたキャリヤ 部材であって、セラミック面張部材をピストン部材から隔離して且つそれと一緒 に運動させるように支持する働きを為し、下垂部分の一部が溶融されて溝付き壁 に対しロックされるものとを含む、往復動するエンジンにおいて有用な合ｉｆス トンである。

第１図は、エンジン・ブロック及びニンジンヘッドの一部分と作動的に関連して いる合成ピストンを図示するニンジンの一部分の中心断面立面図である；第２図 １−ｊ第１図の構造の一部分の拡大断面図である。

発明を実施するための最良の態様 第１図を見ると、台底ピストン１ｏに、ピストン部材１５と、セラミック面張部 材１４と、キャリヤ部材１５とを含む。キャリヤ部材は面長部材をピストン部材 から隔離するが、それを部分１７によってピストン部材と一緒に運動するよって 確保する。部分１７はぎストン部材の溝を形成された壁１８に溶着固定されてい る（第２図参照）。セラミック面張部材は上向きに露出されて、エンジンヘッド １２及びブロック１１と協働して燃・焼室１９を画成するのに役立ち、ガスケッ ト１３がエンジンヘッドとブロックとの間に配置されて内部熱焼室１９の密閉を 保証している。台底ピストン１０の側面はエンジン・ブロック１１の内壁に沿っ て往復動するようにされており、それらの間の接触は、ブロックに接するリスト ン部材上の金属シールリング２３によって為される。

ピストン組立体を製作する方法は次の通りである：ｔ　星！ 合Ｈｖストンの諸部材は底形される。先ず、セラミック面張部材１４が、セラミ ックのための高熱膨張係数、典型的には概ね２〜２．２Ｘ１０″″’　ｃｍ／ｃ ｍ／　Ｏ−５６℃（５，０−５，６Ｘ　１０−’　ｉｎ／ｉｎ／Ｆ）、を＞ノ＞ ノ有−ｆる、ジルコニアとアルミニアから成るグループから選ばれるのが好まし ｂ材料から成形される。成形は在来のセラミック粉加圧焼結技術によって実施さ れる。セラミック粉の焼結のためのダイスまたは型は、典型的には２−５４ｃｍ 　〜１５．２４ｍ（１ｉｎ　〜６　ｉｎ　）の範囲の１径と、約０．２５４　ｃ ｍ〜１．２７ａｒｔ　（０，ｉ　ｉｎ　〜０．５ｉｎ）の厚さとを有する円板を 画成するように形づくられる。

面長部材は好ましくは１、ぜストン部材の頂ｌ！Ｘ１５１）の大部分をおおうご とく延在する寸法を与えられる。

ピストン部材１５は典型的には鋳造または鍛造によって成形され、約６８１　／ 　２．５４　ｃｍ”　（０，１５ｊｂ／１ｎ３）以下の密度をおのおの有するア ルミニウム、プラスチック及びｉグネシウムから放るグループから選ばれる材料 から作られる。アルミニウムとマグネシウムの熱！Ｉ＋脹係数は、４（アルミニ ウム合金の場合）〜５．６（純マグネシウムの場合）　Ｘ　１０−’　ｃｍ／ｃ ｍ１０．５６℃）（１０，０（アルミニウム合金の場合）〜１４．０（純マグネ シウムの場合）×１０″″’　ｉｎ／ｉｎ／″Ｆ）の範囲に亘る。

ピストン部材は狭くされた首部分１５ａを有し、首部分１５ａはその円筒形の外 側壁２１から半径方向内方へ離された上側壁２０を有する。ｌ１ＩＩ壁２１は割 り金属ぜストンリング２３を担持するため画成された溝２２を五する。アルミニ ウム・ピストンの＠壁２０の上Ｍ即ち側壁２０の摩耗特注を改番するため、挿入 りング２４が、アルミニウム・ピストンが成形されるとき適所に鋳造される。、 そのようなリングは鋳造、鍛造、またはスタンぜング、またはその他の在来の技 術によって形成され得る。そのようなリングは好ましくは、ピストン材料とキャ リヤ部材の中間の熱膨張係数を有する材料から収る。そのようなリングはニッケ ルレジスト鉄、即ち約１．１〜４　ｘ　Ｉ　Ｃｌ″’　ｃｍ　／　ｃｒＩＬ／　 ０．５６℃（２，８−１０ｘ　１０−’　ｔｎ／１ｎ　／’Ｆ　）　（７）範囲 ノサマサまの熱膨張係数を有するように作られ得る鉄、を以て収ることが有利で ある。従ってニッケルレジスト鉄は、組立体に適合され得るように所望の熱膨張 特性を有するごとく設計され得る。そのような鉄を作りそして設計する技術は、 インターナショナル・ニッケル出版（第５版）「ニッケル・レジスト鉄の工学特 性と応用」に記載されており、そのような論文の開示事項は引用によってここに 包含される。

前記挿入リングは半径方向内方に位！される首２５を有し、首２５はぜストンの 首部分１５ａの外面と整合された表面２５ａを画成する。前記リングは半径方向 に延びたフランジ２６を有し、該フランジｈｖストン部材の側壁２１１りも僅か に前方へ突出する程度まで外方へ延びており、表面２４！Ｌはぎストン部材の上 清として働く。

キャリヤ部材１６は、鋳造、鍛造またはその池の在来の技術によって底形され、 そして金属としては２．４〜２．８　Ｘ　１０−’ｃ＊／ｃｒ！Ｌ１０．５６° Ｃ（６，０〜７．Ｏｘ　１０−’ｉｎ　／　ｉｎ　／″Ｆ）の範囲に亘る低い熱 膨張係数をおのおの有するステンレス鋼及び鋳鉄から選ばれる材料から−取り、 おのおのセラミックの熱膨張係数との差に、約０．８　ｘ　１０−’　ａｍ／ｃ ｒｒｔ／　０．５６℃（２，ＯＸ　１０−’ｉｎ　／ｉｎ／’Ｆ）以下である。

キャリヤ部材は、ピストンの表面１５ｂ）て係合しそしてピストン部材側部２０ の少なくとも一部分を掩い包んでそれ：Ｃ添って下手するようにすした一側部１ ６ａを有する。これは、ここでは、キストン部材の上首部分ｉ５ａに滑合するよ ってされた下手する環状フランジ２６を用いることによって実現される。キャリ ヤ部材は反対側面１６１）を有し、それはそれ（ここでは環状フランジ）と−緒 に運動するように開帳部材を受けて確保する手段２８を設けられて環状の溝付き の吸１８は、リング２４の首２５において機械削りされる（表面２５１１ストン 部材の上側壁２０と整合されている）。溝付き壁に、キャリヤ部材が掩包状態に 在るときキャリヤ部材の一部分に対して半径方向反対の一装置に配置される：即 ち、溝付き壁１８は、フランジがぎストン部材の首１５＆に添って下手するとき 、フランジ２６の半径方向反対に位置する。好ましくは、溝付き壁１８は約０． ２５４Ｕ特に８胚１−５００８３８　（５） 用いて覆管１５＆のまわりに嵌着または包着される。

キャリヤ部材の丁岳フランジ２６は１、首１５＆とニッケル・レジスト挿入リン グ２４の上部分とを包囲するように滑合しそして溝付き壁１８に対して半径方向 に整合される。

次疋、高エネルギビームが溝付き壁１８に対して半径方向に整合されたキャリヤ 部材（フランツ２６）の区域２９に指向され、それによって、ビームにより横切 られるキャリヤ部材の部分３０を溶融するとともに、該＠融部分を溝付き壁１８ 内に流入させて溝を満たすようにされる。高エネルギ・ビームは、好ましくは、 ３０００ワツト〜６０００ワツトの範３のエネルＶレベルを有する電子ビームで あって、適所鋳造リング２４を浴融することなしに約０．７分間以内に、前記横 切られたキャリヤ部材の温度を融点にまで上昇させるように作用するものから収 る。ビームを移転したのち、溝付き壁内に流入して出来た固化物は、キャリヤ部 材とニッケル・レジストリング（ぎストン部材の一部を形成する口 国際調！：報告 −一、ゆ、−ＡＨｋ４ａｋｈｍｌｌａ　；Ｃ７／：５　ａ二／ロ２０コ５ュ、５ 工＋ｍ　Ａｅｍ６１ａ＠Ｉｎ−？Ｃτ／ｕｓａ３１０２０３５

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. １．往復エンジンのための合成ピストンを製作する方法において： （ａ）（ｉ）約６８ｇ／２．５４ｃｍ３（０．１５ｌｂ／ｉｎ３）以下の密度を 有する金属とプラスチツクから選ばれる材料から成るピストン部材であつて、項 部と側部とを有し、キヤリヤ部材がその掩包位置に在るとき該キヤリヤ部材の下 垂部分に対し半径方向反対の位置に配置される前記ピストン部材の側部に環状の 溝付き壁を有するものと、 （ｉｉ）前記ピストンの頂部上に延在するようにされたセラミツク面張部材と、 （ｉｉｉ）前記ピストン部材から前記面張部材を隔離するとともに前記面張部材 とピストン部材とを一緒に運動するように結合するのに役立つキヤリヤ部材であ つて、その一部分をピストン側部の少なくとも一部分に添つて下垂させてピスト ン頂部を掩包するようにされた片側を有し、前記面張部材をそれと一緒に運動す るように結合する手段を具えた反対側を有し、前記セうミツクの熱膨脹係数に比 し最大約０．８ｘｌＯ−６ｃｍ／ｃｍ／０．５６℃（２．ＯｘｌＯ−６ｉｎ／ｉ ｎ／Ｆ）までの差を以て異なる熱膨脹係数を有する材料から成るもの とを含む、前記合成ピストンを構成する部材を成形することと； （ｂ）前記セラミツク面張部材をキヤリヤ部材の前記反対側に結合し、キヤリヤ 部材の前記片側を以て、ピストン側部の少なくとも一部分に添つて下垂した前記 部分によつて前記ピストン頂部を掩包することによつて前記諸部材を組立てるこ とと； （Ｃ）前記ピストンがキヤリや部材によつて掩包されたとき、前記溝付き壁に対 し半径方向に整合された前記キヤリヤ部材の区域に対して高エネルギのビームで あつてそれによつて横切られるキヤリヤ部材の部分を溶融するように作用するも りを指向し、前記溶融された材料を前記溝内に流入させてそれを溝たすとともに 、それが固化したとき前記ピストン部材をキヤリや部材に対してロツクさせるこ ととを含む、往復エンジンのための合成ピストンを製作する方法。
2. ２．請求の範囲第１項記載の方法において：前記ピストンがピストンの側部に適 所鋳造式金属リングを形成され、前記環状の溝付き壁が前記金属リングに面成さ れ、前記金属リングがピストン材料の熱膨脹係数とキヤリヤ部材材料のそれとの 中間の熱膨脹係数を有する材料から成る前記方法。
3. ３．請求の範囲第２項記載の方法において：前記高エネルギのビームが前記適所 鋳造式金属リングを溶融することなしに前記キヤリヤ部の前記部分を溶融するよ うに作用する前記方法。
4. ４．請求の範囲第１項記載の方法において：前記ビームが少なくとも３０００ワ ツトのエネルギ・レベルを有する電子ビームである前記方法。
5. ５．請求の範囲第２項記載の方法において：前記金属リングがニツケル・レジス ト鉄から成る前記方法。
6. ６．請求の範囲第１項記載の方法において：前記キヤリヤ部材の材料が、ステン レス鋼と鋳鉄から成るグループから選ばれる前記方法。
7. ７．請求の範囲第１項記載の方法において：前記ピストン材料が、アルミニウム 、プラスチツク及びマグネシウムから成るグループから選ばれる前記方法。
8. ８．請求の範囲第１項記載の方法において：前記セラミツクが、ジルコニアとア ルミニアから成るグループから選ばれる材料から成る前記方法。
9. ９．往復エンジンのための合成ピストンを製作する方法において： （ａ）その直径よりも小さい直径に凹まされた首を有する円筒形のピストンの本 体であつて、該ピストンがその上層として働く半径方向に延びたフランジと、前 記本体の首の直径と同寸法の直径を有する軸方向に延びた表面を画成する半径方 向内方に位置される首とを有する適所鋳造式の挿入片を有するものを形成するこ とと；（ｂ）前記ピストンの頂部上に延在するようにされたセラミツク面張部材 を形成することと； （ｃ）前記ピストン部材から前記面張部材を隔離するとともに前記面張部材をピ ストン部材に対し一緒に運動するように結合するのに役立つキヤリヤ部材であつ て、その一部分を前記挿入片の首に添つて下垂させて前記本体の首を掩包するよ うにされた片側を有し、前記セラミツクの熱膨脹係数に比し最大約０．８×１０ −６ｃｍ／ｃｍ／０．５６℃（２．０ｘ１０−６ｉｎ／ｉｎ／Ｆ）までの差を以 て異なる熱膨張係数を有するものを面成することと； （ｄ）キヤリヤ部材の前記下垂部分に対し半径方向反対に位置される前記挿入片 の前記首に環状の溝付き壁を面成することと； （ｅ）溝付き壁に対して半径方向に整合されたキヤリヤ部材の前記下垂部分を通 じて高エネルギのビームを指向して該ビームによつて横切られるキヤリヤ部材部 分を溶融しそして前記溶融部分を前記溝付き壁内に流入させ、それによつて該溶 融部分の固化とともに機械的ロツクを生じさせること を含む、往復エンジンのための合成ピストンを製作する方法。
10. １０．請求の範囲第９項記載の方法において：前記挿入片がニツケル・レジスト 鉄から成る前記方法。
11. １１．請求の範囲第１０項記載の方法において：前記溝付き壁が約０．２５４ｍ ｍ（０．０１ｉｎ）以上の深さと、約Ｏ・５０８ｍｍ（Ｏ・０２ｉｎ）以上の幅 とを有する前記方法。
12. １２．往復エンジンにかいて有用である合成ピストンにおいて： （ａ）頂部、側部及び前記側部に面成された溝付き壁とを有する低重量ピストン 部材と； （ｂ）セラミツク面張部材と； （ｃ）前記ピストン側部に対し整合する下垂部分を有する、前記ピストン部材の 頂部を掩包するようにされたキヤリヤ部材であつて、前記セラミツク面張部材を 前記ピストン部材から隔離してそれと一緒に運動させるように支持する働きを為 し、前記下垂部分の一部が溶融されて前記溝付き壁に対しロツクされるようにさ れたものと を含む往復エンジンにおいて有用である合成ピストン。
13. １３．請求の範囲第１２項記載の合成ピストンにおいて：前記ピストンがその側 部に金属リングを有し、前記環状の溝付き壁が前記金属リングに面成され、前記 金属リングがピストン材料の熱膨脹係数とキヤリヤ部材のそれとの中間の熱膨脹 係数を有する材料から成る前記合成ピストン。
14. １４．請求の範囲第１３項記載の合成ピストンにおいて：前記金属リングがニツ ケル・レジスト鉄から成る前記合成ピストン。
15. １５．請求の範囲第１２項記載の合成ピストンにおいて：前記キヤリヤ部材の材 料がステンレス鋼と鋳鉄から成るグループから選ばれる前記合成ピストン。
16. １６．請求の範囲第１２項記載の合成ピストンにおいて：前記ピストン材料が、 アルミニウム、プラスチツク及びマグネシウムから成るグループから選ばれる前 記合成ピストン。
17. １７．請求の範囲第１２項記載の合成ピストンにおいて：前記セラミツクが、ジ ルコニアとアルミニアから成るグループから選ばれる材料から成る前記合成ピス トン。