(57)【要約】【課題】ピストンの冠面における断熱層の耐久性の向上を図り、且つ比較的簡単な工法にて断熱層を形成することができる技術を提供する。【解決手段】ピストン１の頂部の冠面２に多孔質焼結金属体４ａからなる断熱層４を形成してある。断熱層４はアルミニウム合金製のピストン母材の冠面２に鋳ぐるみ方式にて埋設されている。断熱層４のうち内部の空孔部５ａを残して当該断熱層４の表層部の気孔部５ａに機械加工による塑性流動をもって封孔部５ｃを生じさせ、この封孔部５ｃにて封孔処理を施してある。封孔処理のための機械加工は、例えばボールエンドミル等の切削加工、研削加工、ショットピーニング等の塑性加工のうち少なくともいずれか一つとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
頂部の冠面に多孔質材料からなる断熱層を形成してあり、
この断熱層のうち内部の空孔を残して当該断熱層の表層部に機械加工による塑性流動をもって封孔処理を施してあることを特徴とするピストン。
【請求項２】
上記封孔処理のための機械加工は、切削加工、研削加工および塑性加工のうち少なくともいずれか一つであることを特徴とする請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
上記断熱層は、アルミニウム合金製のピストン母材の冠面に鋳ぐるみ方式にて埋設したものであることを特徴とする請求項２に記載のピストン。
【請求項４】
上記断熱層を形成している多孔質材料は、気孔率３０〜５０％、熱伝導率２〜１０Ｗ／ｍＫ、曲げ強度２４０ＭＰａのオーステナイト系ステンレス焼結材料であることを特徴とする請求項３に記載のピストン。
【請求項５】
頂部の冠面に多孔質材料からなる断熱層を形成し、
この断熱層のうち内部の空孔を残して当該断熱層の表層部に機械加工による塑性流動をもって封孔処理を施すことを特徴とするピストンの製造方法。
【請求項６】
上記封孔処理のための機械加工は、切削加工、研削加工および塑性加工のうち少なくともいずれか一つであることを特徴とする請求項５に記載のピストンの製造方法。
【請求項７】
上記断熱層は、アルミニウム合金製のピストン母材の冠面に鋳ぐるみ方式にて埋設したものであることを特徴とする請求項６に記載のピストンの製造方法。
【請求項８】
上記断熱層を形成している多孔質材料は、気孔率３０〜５０％、熱伝導率２〜１０Ｗ／ｍＫ、曲げ強度２４０ＭＰａのオーステナイト系ステンレス焼結材料であることを特徴とする請求項７に記載の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、内燃機関用のピストンとその製造方法に関し、特に頂部冠面に断熱層を有するピストンとその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種のピストンの構造として、機関燃焼室に臨むことになるピストンの頂部冠面に断熱層を形成したものが知られている。例えば特許文献１には溶射皮膜をもって断熱層を形成する技術が記載されており、最初にジルコニア粒子と気孔部を含む第１酸化物層を溶射にて形成し、次いでこの第１酸化物層に含まれる気孔部を封孔するべく、第１酸化物層の上にジルコニア粒子よりも小さな酸化物粒子を含む第２酸化物層を溶射にて形成し、実質的に二層構造の溶射皮膜をもって断熱層としている。
【０００３】
ここで、多孔質の第１酸化物層の上に封孔処理を目的とした第２酸化物層を形成しているのは次のような理由による。すなわち、多孔質材料は気孔部を有しているが故に熱伝導率が低く断熱性に優れる反面、表面に露出している気孔部に油分等が浸入して充満してしまうと熱伝導率が変化して性能劣化を招くおそれがあるほか、燃料噴射弁から噴射された燃料が同様に多孔質層の表面に露出している気孔部に浸入してしまうと、未燃損失割合が増加して熱効率の低下につながるおそれがあるからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２０１３−１８５２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された技術では、粒子径が大きく且つ気孔部を多く含む第１酸化物層と粒子径が小さく気孔部を含まない第２酸化物層との境界での密着性が不十分で層間剥離を起こす可能性があり、耐久性の面でなおも改善の余地を残している。また、溶射皮膜をもって断熱層としているためにマスキング処理が必須となり、工数増加とコストアップと招くという問題がある。
【０００６】
本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、とりわけ断熱層での相関剥離のおそれがなく耐久性に優れ、しかも工数とコストの低減を図ることができるピストンとその製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るピストンは、頂部の冠面に多孔質材料からなる断熱層を形成してあり、この断熱層のうち内部の空孔を残して当該断熱層の表層部に機械加工による塑性流動をもって封孔処理を施したものである。そして、断熱層を形成することになる多孔質材料は、例えばオーステナイト系ステンレス焼結材料のように高延性、低熱伝導性および高融点であることが望ましく、また上記封孔処理のための機械加工は、例えば切削加工、研削加工および塑性加工のうち少なくともいずれか一つとする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、多孔質材料からなる断熱層の表層部に塑性流動をもって封孔処理を施してあるので、相関剥離のおそれがなく断熱層の耐久性が向上するほか、封孔処理は機械加工によるものであるため加工が簡単であり、加工工数とコストの低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係るピストンのより具体的な実施の形態を示す図で、（Ａ）はその平面説明図、（Ｂ）は同図（Ａ）のａ−ａ線に沿った断面説明図。
【図２】断熱層の表層部の詳細を示す図で、図１の（Ｂ）のｄ部の拡大説明図。
【図３】図２の断熱層における封孔処理のための切削加工の一例を示す説明図。
【図４】同じく図２の断熱層における封孔処理のための研削加工の一例を示す説明図。
【図５】同じく図２の断熱層における封孔処理のための塑性加工としてショットピーニング加工の一例を示す説明図。
【図６】図１の（Ａ）のｂ部における拡大写真。
【図７】図１の（Ｂ）のｃ部における断面の拡大写真。
【図８】図１（Ｂ）のｄ部における断面の拡大写真。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は本発明に係るピストンの構造を実施するためのより具体的な形態を示し、図１の（Ａ）はピストン１の平面図を、（Ｂ）は同図（Ａ）のａ−ａ線に沿った断面図をそれぞれ模式的に示している。
【００１１】
図１に示すピストン１では、例えばアルミニウム合金を母材とするピストン頂部の冠面２のうち、図示外の燃料噴射弁から噴射される燃料が当たる位置に、比較的浅い楕円形の窪みまたは凹部としてキャビティ３を形成してある。そして、このキャビティ３の底部には、母材よりも熱伝導率が低く断熱性に優れた所定厚みの多孔質焼結金属体（多孔質材料）４ａを埋め込んで複合構造としてあり、この多孔質焼結金属体４ａをもって断熱層４を形成してある。
【００１２】
この多孔質焼結体４ａは例えばＳＵＳ３１６相当のものであって、先に述べたように熱伝導率が低く且つ延性に富むとともに高融点という特性を有していて、例えば気孔率３０〜５０％、熱伝導率２〜１０Ｗ／ｍＫ、曲げ強度２４０ＭＰａのオーステナイト系ステンレス焼結材料が使用される。そして、この多孔質焼結金属体４ａは、ピストン鋳造時の鋳ぐるみをもって冠面２におけるキャビティ３の底部相当部に埋め込まれるようにして一体的に固定された上で、二次加工によりピストン１の一部とともに切削加工が施されて、所定形状のキャビティ３の底部として仕上げられる。
【００１３】
図２は図１の（Ｂ）のｄ部を拡大した図であり、同図に示すように、多孔質焼結金属体４ａをもって形成された断熱層４の表層部に気孔部（空孔部または空隙部）５ａが露出しないように、当該表層部における多孔質焼結金属体４ａの粒子５ｂに機械加工による塑性流動を起こさせて封孔部５ｃとし、この封孔部５ｃをもって封孔処理を施してある。つまり、多孔質焼結金属体４ａをもって形成された断熱層４の内部には多くの気孔部５ａを残しつつ、断熱層４の表層部には気孔部５ａが露出しないように粒子５ｂを塑性変形させて封孔処理を目的とした封孔部５ｃを形成してある。
【００１４】
この封孔処理のための機械加工は、図３に示す切削加工をもって行うものとし、例えばボールエンドミルやフラットエンドミルを切削工具６として用い、この切削工具６に押付力Ｆ１のもとで切削送りＳ１を与え、多孔質焼結金属体４ａをもって形成された断熱層４の表面に所定の切削代のもとで切削加工を施すものとする。こうすることにより、断熱層４の表面のうち切削直後の部位には切削に伴って不可避的に塑性流動のよる封孔部５ｃが生じ、断熱層４の表面に開口している気孔部５ａを埋めるようにして平坦化することができる。ただし、塑性流動が生じるのは断熱層４の表層だけであるから、断熱層４の表層以外の内部の気孔部５ａは埋められることなくそのまま残されることになる。
【００１５】
また、上記の切削加工に代えて研削加工による封孔処理とすることもできる。例えば図４に示すように、砥石に代表されるような回転型の研削工具７を用い、この研削工具７に押付力Ｆ２を与えるとともに、多孔質焼結金属体４ａをもって形成された断熱層４側に送りＳ２を与え、断熱層４の表面に所定の研削代のもとで研削加工を施すものとする。この場合にも、断熱層４の表面のうち研削直後の部位には研削に伴って不可避的に塑性流動による封孔部５ｃが生じ、断熱層４の表面に開口している気孔部５ａを埋めるようにして平坦化することができる。なお、断熱層４側に送りを与えるのに代えて、回転する研削工具７側に送りを与えるようにしても良い。
【００１６】
さらに、上記の封孔処理はショットピーニングによる加工とすることもできる。図５に示すように、多孔質焼結金属体４ａをもって形成された断熱層４の表面にショット材８を吹き付けることにより、断熱層４の表面に開口している気孔部５ａがショット材８の衝撃力Ｆ３による塑性変形にて埋められて、断熱層４の表面に塑性変形による硬化層をもって封孔部５ｃが形成されることになる。
【００１７】
このように、いずれの方式においても、多孔質焼結金属体４ａをもって形成された断熱層４の内部の気孔部５ａを残したままで、表層に塑性流動または塑性変形による封孔部５ｃを形成することで、断熱層４の表面の気孔部５ａのみを埋めるようにして封孔処理を施すことができる。なお、断熱層４に要求される表面精度等によっては、ショットピーニングによる塑性加工に加えて、先に述べた切削加工や研削加工を併用することができる。
【００１８】
したがって、本実施の形態によれば、ピストン１の冠面２に、多孔質焼結金属体４ａをもって形成された断熱層４が鋳ぐるみにて埋設されていて、断熱層４はそれ自体の本来の断熱性や吸音性を維持しつつ表面のみが確実に封孔処理されているので、内燃機関として組み立てられた際には、燃料噴射弁から噴射された燃料が断熱層４に当たった時にその断熱効果で燃料の霧化を促進できるとともに、表面の封孔処理のために断熱層４の内部への燃料の浸入を未然に防止することができる。
【００１９】
また、ピストン母材と断熱層４との境界部では、断熱層４自体が多孔質であるために当該断熱層４の粗面効果のために両者の密着性が良く、断熱層４それ自体はもちろんのこと、断熱層４とピストン母材との間でも相関剥離のおそれがなく耐久性に優れたものとなるほか、従来の溶射二層構造のものに比べて加工工数とコストの低減を図ることができるようになる。
【００２０】
さらに、先に述べたＳＵＳ３１６相当の多孔質焼結金属体に代表されるように多孔質材料自体が高延性を有していると、塑性流動性に富み、断熱層４の表面の気孔部５ａを封孔部５ｃにて緻密に封孔処理することができる。
【００２１】
図６は冠面２の表面の一部である図１の（Ａ）のｂ部の拡大写真を示していて、ピストン母材であるアルミニウム合金層９と、多孔質焼結金属体４ａをもって形成された断熱層４のほか、それら両者の境界部１０とが明瞭に表れている。そして、断熱層４側にボールエンドミルによる切削加工を施してあるため、断熱層４側での塑性流動によって、境界部１０にある気孔部５ａの隙間を埋めるようにしてアルミニウム合金層９と断熱層４とが密着している。
【００２２】
また、図７は図１の（Ｂ）のｃ部における断面の拡大写真を示していて、上記と同様にピストン母材であるアルミニウム合金層９と、多孔質焼結金属体４ａをもって形成された断熱層４のほか、それら両者の境界部１０とが明瞭に表れている。そして、断熱層４の表面が封孔部５ｃによる封孔処理層となっているほか、アルミニウム合金層９と断熱層４の境界部１０では断熱層４側の気孔部５ａが臨んでいて、気孔部５ａでの粗面効果あるいはアンカー効果（投錨効果）のために、アルミニウム合金層９と断熱層４との密着性が良好なものとなっている。
【００２３】
さらに、図８は図１（Ｂ）のｄ部における断面の拡大写真を示していて、同図では図６，７に比べて拡大倍率が大きい故に、ピストン母材であるアルミニウム合金層９と、多孔質焼結金属体４ａをもって形成された断熱層４、およびそれら両者の境界部１０のほか、断熱層４の表面の封孔部５ｃが一段と顕著に表れている。特に図８では、断熱層４の厚みｔ１を例えば１ｍｍ程度とした場合に、封孔部５ｃによる封孔処理層の厚みｔ２が０．１〜０．３ｍｍ程度となっている。この図８においても、アルミニウム合金層９と断熱層４の境界部１０では断熱層４側の気孔部５ａが臨んでいて、気孔部５ａでの粗面効果あるいはアンカー効果（投錨効果）のために、アルミニウム合金層９と断熱層４との密着性が良好なものとなっている。
【００２４】
なお、図６〜８は、ＳＵＳ３１６相当のオーステナイト系ステンレス焼結体であるところの多孔質焼結金属体４ａ（気孔率５０％）からなる断熱層４をアルミニウム合金製のピストン１に鋳ぐるみ、断熱層４の表面をボールエンドミルにて切削加工を施した場合の例である。
【００２５】
ここで、上記封孔処理のための切削加工や研削加工あるいはショットピーニングは一例にすぎず、バーニッシュ加工等により封孔処理を施すようにしても良い。
【符号の説明】
【００２６】
１…ピストン
２…冠面
４…断熱層
４ａ…多孔質焼結金属体
５ａ…気孔部
５ｃ…封孔部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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