(57)【要約】【課題】  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。【解決手段】  上記課題を解決するために本発明に係るピストンは、断熱層を備えたピストンであって、前記ピストンの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拡散層が形成されていることを特徴とする。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断熱層を備えたピストンにおいて、
前記ピストンの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拡散層が形成されていることを特徴とするピストン。
【請求項２】
請求項１に記載のピストンにおいて、
前記インサート材がＭｇを含んでいることを特徴とするピストン。
【請求項３】
請求項２に記載のピストンにおいて、
前記インサート材がＡｌ−Ｍｇ系合金を含んでいることを特徴とするピストン。
【請求項４】
請求項３に記載のピストンにおいて、
前記インサート材がＡｌ１２Ｍｇ-１７を含んでいることを特徴とするピストン。
【請求項５】
請求項３に記載のピストンにおいて、
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ピストン。
【請求項６】
請求項３に記載のピストンにおいて、
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。
【請求項７】
請求項３に記載のピストンにおいて、
前記インサート材がシート状であることを特徴とするピストン。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載のピストンにおいて、
前記拡散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ピストン。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載のピストンにおいて、
前記ピストンの母材がＡｌとＳｉとを含んでいることを特徴とするピストン。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載のピストンにおいて、
前記断熱層は空隙を有していることを特徴とするピストン。
【請求項１１】
請求項１０に記載のピストンにおいて、
前記空隙に樹脂が含浸していることを特徴とするピストン。
【請求項１２】
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拡散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。
【請求項１３】
請求項１２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断熱材に含まれていることを特徴とするピストンの製造方法。
【請求項１４】
請求項１２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。
【請求項１５】
請求項１４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。
【請求項１６】
請求項１４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。
【請求項１７】
請求項１３乃至１６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。
【請求項１８】
請求項１３乃至１６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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１５−４０３３１
【特許文献２】ＷＯ２０１３／１２５７０４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために本発明に係るピストンは、断熱層を備えたピストンであって、前記ピストンの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拡散層が形成されていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係るピストンの製造方法は、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、及び前記低融点の材料を断熱層に拡散させて拡散層を形成させる工程を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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の両方で拡散層及び接合層が形成され、ピストン１と断熱層３との密着性が向上する。
【００２２】
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４とからなる断熱部を拡大している。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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に拡散させて拡散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とが拡散層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。
【００４１】
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と断熱材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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
インサート材の成分及び形状、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】
【００４７】
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  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。
【００４８】
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。
【００４９】
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】
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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】
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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】
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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】
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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】
【００６２】
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。
【００６３】
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】
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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】
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
〔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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
〔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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
【表１】
2018184852.tif 000003
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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拡散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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
また、本発明に記載のピストンは、拡散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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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拡散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とが拡散層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。
【００９３】
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と断熱材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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【符号の説明】
【０１００】
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
【図１】
2018184852.tif 000004
【図２】
2018184852.tif 000005
【図３】
2018184852.tif 000006
【図４】
2018184852.tif 000007
【図５】
2018184852.tif 000008
【図６】
2018184852.tif 000009