(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウムとマグネシウムとを少なくとも含有する基材を溶融させて基材溶湯を作成する工程と、
前記基材溶湯と、ケイ素と酸素とを少なくとも含有するガラス酸化物から構成されたガラス外殻を含むガラス中空粒子とを混合することにより、前記基材溶湯のアルミニウムおよびマグネシウムと、前記ガラス中空粒子における前記ガラス外殻のガラス酸化物とが酸化還元反応を行うことによって、アルミニウムとマグネシウムと酸素とから少なくとも構成された複合酸化物を含有する外殻を含む複数の中空粒子が形成されるとともに、前記複数の中空粒子が前記基材内部に分散されたアルミ複合材を作成する工程と、
ピストン本体の頂部に前記アルミ複合材から構成された低熱伝導部を接合する工程と、を備える、ピストンの製造方法。
【請求項２】
前記アルミ複合材を作成する工程は、前記基材の溶融温度以上で、かつ、前記ガラス酸化物のガラス転移温度以下の温度範囲で、前記基材溶湯と前記ガラス中空粒子とを混合する工程を含む、請求項１に記載のピストンの製造方法。
【請求項３】
前記ガラス中空粒子の前記ガラス外殻は、ホウケイ酸ガラスまたはソーダ石灰ホウケイ酸ガラスから構成されている、請求項１または２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、ピストンの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の中空粒子を含むアルミ複合材を用いたピストンが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１には、アルミニウム合金からなる母材金属に中空鉄粒子を分散させたアルミ複合材からなるピストン頂面部を含むピストンが開示されている。このピストン頂面部では、母材金属よりも熱伝導率の低い空気溜まりを有する中空鉄粒子が母材金属に分散されていることによって、熱伝導率が低くされている。なお、上記特許文献１には、中空鉄粒子の代わりに、鉄以外の金属素材や、セラミックスを用いる点が開示されているものの、中空鉄粒子以外の具体的な構成は開示されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１７５１６３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、上記特許文献１のピストンでは、アルミニウム合金からなる母材金属に中空粒子の外殻を構成する鉄が溶けこむことに起因して、中空鉄粒子が破損する虞があるという不都合がある。このため、中空粒子の空気溜まり（中空状態）が維持されないことに起因して、アルミ複合材の熱伝導率を十分に低下させることができないという問題点がある。また、中空粒子の外殻を構成する素材として、比較的熱伝導率が高い鉄を用いているため、これによっても、アルミ複合材の熱伝導率を十分に低下させることができないという問題点がある。
【０００６】
また、中空粒子として鉄以外の金属素材を用いた場合であっても、金属は一般的に熱伝導率が高いので、これによっても、アルミ複合材の熱伝導率を十分に低下させることができないという問題点があると考えられる。さらに、中空粒子としてセラミックスを用いた場合には、母材金属との濡れ性が低く母材金属内部で中空粒子が十分に分散しないという不都合や、セラミックスの強度（硬度）が低いことに起因して中空粒子が破損してしまい、その結果、中空粒子の空気溜まりが維持されないという不都合があると考えられる。これらの結果、中空粒子としてセラミックスを用いた場合であっても、アルミ複合材の熱伝導率を十分に低下させることができないという問題点があると考えられる。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、熱伝導率を十分に低下させることが可能なピストンの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために本願発明者が鋭意検討した結果、上記目的を達成可能な下記のような構成を見出した。
【００１２】
この発明の一の局面におけるピストンの製造方法は、アルミニウムとマグネシウムとを少なくとも含有する基材を溶融させて基材溶湯を作成する工程と、基材溶湯と、ケイ素と酸素とを少なくとも含有するガラス酸化物から構成されたガラス外殻を含むガラス中空粒子とを混合することにより、基材溶湯のアルミニウムおよびマグネシウムと、ガラス中空粒子におけるガラス外殻のガラス酸化物とが酸化還元反応を行うことによって、アルミニウムとマグネシウムと酸素とから少なくとも構成された複合酸化物を含有する外殻を含む複数の中空粒子が形成されるとともに、複数の中空粒子が基材内部に分散されたアルミ複合材を作成する工程と、ピストン本体の頂部にアルミ複合材から構成された低熱伝導部を接合する工程と、を備える。
【００１３】
この発明の一の局面におけるピストンの製造方法では、基材溶湯と、ケイ素と酸素とを少なくとも含有するガラス酸化物から構成されたガラス外殻を含むガラス中空粒子とを混合することにより、ガラス酸化物を基材溶湯の内部に十分に分散させることができる。さらに、基材溶湯のアルミニウムおよびマグネシウムと、ガラス中空粒子におけるガラス外殻のガラス酸化物とが酸化還元反応を行うことによって、アルミニウムとマグネシウムと酸素とから少なくとも構成された複合酸化物を含有する外殻を含む複数の中空粒子を形成する。これにより、酸化還元反応により生成されたアルミニウムとマグネシウムと酸素とから少なくとも構成された複合酸化物は、反応前のガラス中空粒子よりも強度（硬度）が高いと考えられるので、中空粒子が破損することが抑制され、その結果、中空粒子の中空状態を維持することができる。また、中空粒子の外殻が熱伝導率の低い、アルミニウムとマグネシウムと酸素とから少なくとも構成された複合酸化物を含有することによって、中空粒子の外殻が一般的に熱伝導率の高い金属材料からなる場合と比べて、中空粒子の外殻自体の熱伝導率を低くすることができる。これらの結果、熱伝導率が低い中空粒子の空気溜まりを基材の内部に十分に分散させることができるとともに、中空粒子の外殻自体の熱伝導率を低くすることができるので、アルミ複合材の熱伝導率を十分に低下させることができる。そして、ピストン本体の頂部にこのアルミ複合材から構成された低熱伝導部を接合することによって、上記第２の局面のピストンと同様に、ピストン本体の頂部における熱伝導率を十分に低下させることができる。
【００１４】
一の局面におけるピストンの製造方法において、好ましくは、アルミ複合材を作成する工程は、基材の溶融温度以上で、かつ、ガラス酸化物のガラス転移温度以下の温度範囲で、基材溶湯とガラス中空粒子とを混合する工程を含む。このように構成すれば、基材の溶融温度以上の温度範囲で基材溶湯とガラス中空粒子とを混合することによって、基材を十分に溶融させた状態で、基材溶湯とガラス中空粒子とを混合することができる。また、ガラス酸化物のガラス転移温度以下の温度範囲で基材溶湯とガラス中空粒子とを混合することによって、ガラス酸化物の流動性が過度に高くなることに起因してガラス中空粒子のガラス外殻が過度に軟化するのを抑制することができる。これにより、酸化還元反応が十分に行われる前に過度に軟化したガラス中空粒子が破損することを抑制することができるので、中空粒子の中空状態が維持できなくなるのを抑制することができる。
【００１５】
一の局面におけるピストンの製造方法において、好ましくは、ガラス中空粒子のガラス外殻は、ホウケイ酸ガラスまたはソーダ石灰ホウケイ酸ガラスから構成されている。このように構成すれば、ガラス転移点が高く、その結果、基材溶湯の内部でほとんど軟化しないシリカからガラス外殻が構成されている場合と比べて、ガラス中空粒子のガラス外殻を若干軟化させることによりガラス外殻と基材溶湯との濡れ性を向上させることができる。これにより、容易に、ガラス酸化物を基材溶湯の内部に十分に分散させることができるとともに、基材溶湯のアルミニウムおよびマグネシウムと、ガラス外殻のガラス酸化物との間の酸化還元反応を促進させることができる。
【００１６】
なお、本出願の上記一の局面によるピストンの製造方法では、以下のような構成も考えられる。
【００１７】
（付記項）
すなわち、本出願の一の局面によるピストンの製造方法において、ピストン本体の頂部に低熱伝導部を接合する工程は、鋳ぐるみ鋳造により、ピストン本体の頂部に低熱伝導部を接合する工程を含む。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、上記のように、熱伝導率を十分に低下させることが可能なピストンの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態による内燃機関の燃焼室周辺を示した模式図である。
【図２】本発明の一実施形態による低熱伝導部を示した断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による低熱伝導部の中空粒子を示した拡大断面図である。
【図４】本発明の一実施形態によるピストンの製造方法を説明するための図である。
【図５】本発明の一実施形態によるガラス中空粒子を示した拡大断面図である。
【図６】本発明の一実施形態によるピストンの製造方法を説明するための図である。
【図７】本発明の一実施形態によるピストンの製造方法を説明するための図である。
【図８】本発明の実施例におけるアルミ複合材を示した写真である。
【図９】本発明の実施例におけるアルミ複合材を示した拡大写真である。
【図１０】本発明の実施例における中空粒子を示した拡大写真である。
【図１１】本発明の実施例における中空粒子の元素比率測定を行う位置を説明するための拡大写真である。
【図１２】本発明の実施例における元素比率測定の結果を示した表である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２１】
図１〜図３を参照して、本発明の一実施形態による車両の内燃機関１００（エンジン）の構成について説明する。
【００２２】
本発明の一実施形態による内燃機関１００は、図１に示すように、燃料が燃焼する燃焼室１００ａを有している。この燃焼室１００ａは、下部を構成するピストン１０と、側部の一部を構成するシリンダブロック２０と、上部を構成するシリンダヘッド３０とに囲まれた空間に形成されている。また、ピストン１０は、アルミニウム合金からなるピストン本体１１と、ピストン本体１１の燃焼室１００ａ側の頂部１１ａに配置され、熱伝導率の低い低熱伝導部１２とを含んでいる。同様に、シリンダブロック２０は、アルミニウム合金からなるシリンダブロック本体２１と、シリンダブロック本体２１の燃焼室１００ａ側の側面部２１ａに配置され、熱伝導率の低い低熱伝導部２２とを含んでいる。また、シリンダヘッド３０は、アルミニウム合金からなるシリンダヘッド本体３１と、シリンダヘッド本体３１の燃焼室１００ａ側の内面部３１ａに配置され、熱伝導率の低い低熱伝導部３２とを含んでいる。
【００２３】
この低熱伝導部１２、２２および３２に燃焼室１００ａが囲われていることによって、燃焼室１００ａ内の熱がピストン本体１１、シリンダブロック本体２１およびシリンダヘッド本体３１から逃げるのを抑制することが可能である。
【００２４】
ここで、本実施形態では、低熱伝導部１２、２２および３２は、図２に示すように、アルミニウムとマグネシウムとを少なくとも含むアルミニウム合金から主に構成される基材１と、基材１内部に分散された複数の中空粒子２とを含むアルミ複合材３から構成されている。なお、アルミニウムとマグネシウムとを少なくとも含むアルミニウム合金としては、たとえば、約０．５ｗｔ％のマグネシウムと、約７ｗｔ％のケイ素と、約３．５ｗｔ％の銅と、アルミニウムとから主に構成されたＡ６０００番台のアルミニウム合金や、約１０ｗｔ％のマグネシウムと、アルミニウムとから主に構成されたＡＣ７ＡなどのＡ５０００番台のアルミニウム合金などを用いることが可能である。また、アルミニウム合金としては、鋳型用のアルミニウム合金を用いるのが好ましい。
【００２５】
なお、基材１には、後述する製造工程においてガラス中空粒子１０２のガラス外殻１０２ａ（図５参照）が還元されることによって生じたケイ素が分散されている。
【００２６】
また、図３に示すように、中空粒子２は、真球状の外殻２ａと、外殻２ａの内側に形成された中空部分２ｂとを有している。中空部分２ｂには、空気が溜められている。ここで、空気の熱伝導率は、約０．０２（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）であり、アルミニウム合金の熱伝導率（約１００（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）以上約１４０（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）以下の範囲）と比べて、非常に低い。これにより、熱伝導率が低い中空部分２ｂによって、低熱伝導部１２、２２および３２の熱伝導率が低くなるように構成されている。また、中空部分２ｂは、中空粒子２の体積の約７５％以上約９５％以下の体積を占めている。なお、図３には、拡大した中空粒子２を１つのみ図示している。
【００２７】
また、本実施形態では、中空粒子２の外殻２ａは、アルミニウムとマグネシウムと酸素とから少なくとも構成された複合酸化物を含んでいる。なお、アルミニウムとマグネシウムと酸素とから少なくとも構成された複合酸化物としては、たとえば、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）が挙げられる。このスピネルは、モース硬度が８程度であり、後述するホウケイ酸ガラスなどのガラス酸化物のモース硬度（大きくても６程度）よりも大きい。また、アルミニウム酸化物（アルミナ）もモース硬度が９程度であり、ガラス酸化物のモース硬度よりも大きい。
【００２８】
この結果、アルミニウムとマグネシウムと酸素とから少なくとも構成された複合酸化物が外殻２ａに含有されていることによって、ガラス酸化物よりも外殻２ａの強度は大きくなる。さらに、スピネルおよびアルミナの融点は共に約２１００℃程度であることにより、外殻２ａの複合酸化物もある程度の高温環境下であっても安定であると考えられるので、複合酸化物が含有された外殻２ａが内燃機関１００使用時の熱によって変性するのを抑制することが可能である。これにより、高温環境下であっても中空粒子２が破損するのを抑制することができるので、中空粒子２は中空の状態を確実に維持することが可能である。
【００２９】
また、スピネルは、熱伝導率が約１５（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）以下であり、アルミニウム合金の熱伝導率（約１００（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）以上約１４０（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）以下の範囲）と比べて、十分に低い。このことから、中空粒子２の外殻２ａを形成するアルミニウムとマグネシウムと酸素とから少なくとも構成された複合酸化物の熱伝導率も、アルミニウム合金の熱伝導率と比べて十分に低いと考えられる。これにより、中空部分２ｂに加えて熱伝導率が低い外殻２ａによっても、低熱伝導部１２、２２および３２の熱伝導率が低くなるように構成されている。
【００３０】
なお、複合酸化物としては、アルミニウム、マグネシウムおよび酸素から結晶構造が構成されるスピネルなどの酸化物でもよいし、アルミニウム酸化物（アルミナ）やマグネシウム酸化物が厳密な結晶構造を構成しない状態で混在しているような状態の酸化物も含む広い概念である。
【００３１】
上記実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【００３２】
本実施形態では、上記のように、アルミニウムとマグネシウムとを少なくとも含有する基材２の内部に、アルミニウムとマグネシウムと酸素とから少なくとも構成された複合酸化物を含有する外殻２ａを含む中空粒子２を分散させるように構成する。これにより、アルミニウムとマグネシウムとを少なくとも含有する基材１の内部で中空粒子２を十分に分散させることができるとともに、中空粒子２が破損することが抑制され、その結果、中空粒子２の中空状態を維持することができる。また、中空粒子２の外殻２ａが熱伝導率の低い、アルミニウムとマグネシウムと酸素とから少なくとも構成された複合酸化物を含有することによって、中空粒子２の外殻２ａが般的に熱伝導率の高い金属材料からなる場合と比べて、中空粒子２の外殻２ａ自体の熱伝導率を低くすることができる。これらの結果、熱伝導率が低い中空粒子２の空気溜まりを基材１の内部に十分に分散させることができるとともに、中空粒子２の外殻２ａ自体の熱伝導率を低くすることができるので、アルミ複合材３の熱伝導率を十分に低下させることができる。
【００３３】
また、本実施形態では、アルミ複合材３から構成された低熱伝導部１２をピストン本体１１の頂部１１ａに配置することによって、ピストン本体１１の頂部１１ａにおける熱伝導率を十分に低下させることができる。これにより、ピストン本体１１の頂部１１ａが面する燃焼室１００ａの内部の熱がピストン本体１１の頂部１１ａからピストン本体１１を介して逃げるのを抑制することができるので、燃焼室１００ａの内部の温度が低下するのを抑制することができる。これにより、燃焼室１００ａを備える内燃機関１００における燃焼効率を向上させることができるとともに、燃焼室１００ａの内部の温度が低い場合に発生しやすいハイドロカーボンや窒素酸化物の発生を抑制することができる。
【００３４】
次に、図１〜図７を参照して、本発明の一実施形態による内燃機関１００のピストン１０の製造プロセスについて説明する。
【００３５】
まず、図４に示すように、溶湯容器２００ａと、溶湯容器２００ａ内の溶湯を撹拌するための撹拌部２００ｂと、溶湯容器２００ａの温度を略一定に維持するためのヒータ２００ｃとを備える撹拌装置２００を準備する。なお、図４には撹拌部２００ｂとして撹拌羽根を用いた撹拌装置２００を図示しているものの、撹拌部２００ｂとしては、非接触で溶湯を撹拌可能な電磁式の撹拌部などを用いてもよい。そして、アルミニウムとマグネシウムとを少なくとも含むアルミニウム合金からなる基材を溶湯容器２００ａに投入した状態で、ヒータ２００ｃにより溶融温度以上の温度で基材を溶融させることにより、アルミニウムとマグネシウムとを少なくとも含むアルミニウム合金からなる溶湯（基材溶湯１０１）を作成する。
【００３６】
そして、撹拌部２００ｂにより基材溶湯１０１を撹拌しつつ、複数の微小なガラス中空粒子１０２を投入して混合する。この撹拌により、基材溶湯１０１内で複数のガラス中空粒子１０２が十分に分散される。このガラス中空粒子１０２は、図５に示すように、真球状のガラス外殻１０２ａと、ガラス外殻１０２ａの内側に形成された中空部分１０２ｂとを有している。また、ガラス中空粒子１０２の粒径（メジアン径）は、約１００μｍ以下であるのが好ましい。また、ガラス中空粒子１０２の中空部分１０２ｂは、ガラス外殻１０２ａが中空状態を維持可能な強度を有する状態で、できるだけ大きく確保されるのが好ましい。具体的には、中空部分１０２ｂは、ガラス中空粒子１０２の体積の約７５％以上約９５％以下の体積を占めるのが好ましい。なお、図５には、拡大したガラス中空粒子１０２を１つのみ図示している。
【００３７】
ガラス中空粒子１０２のガラス外殻１０２ａは、ケイ素と酸素とを少なくとも含有する非晶質のガラス酸化物から構成されている。具体的には、ガラス酸化物は、たとえば、ケイ素酸化物（ＳｉＯ２）、ナトリウム酸化物（Ｎａ２Ｏ）およびカルシウム酸化物（ＣａＯ）から主に構成されるソーダ石灰ガラス、ソーダ石灰ガラスのナトリウム酸化物の一部をホウ素酸化物（Ｂ２Ｏ３）に置き換えたソーダ石灰ホウケイ酸ガラス、ソーダ石灰ガラスのナトリウム酸化物の一部およびカルシウム酸化物の大部分をホウ素酸化物（Ｂ２Ｏ３）に置き換えたホウケイ酸ガラス、または、ケイ素酸化物からほとんど構成されるシリカガラスなどから構成されている。
【００３８】
ここで、本実施形態の製造プロセスでは、ヒータ２００ｃにより基材溶湯１０１の温度を基材１（図２参照）の溶融温度以上で、かつ、ガラス外殻１０２ａを構成するガラス酸化物のガラス転移点以下に維持した状態で、複数のガラス中空粒子１０２が投入された基材溶湯１０１を所定の時間撹拌して混合する。それにより、ガラス外殻１０２ａと基材溶湯１０１との界面において、ガラス酸化物のケイ素酸化物と基材溶湯１０１内のアルミニウムおよびマグネシウムとの酸化還元反応が行われる。つまり、ケイ素酸化物が還元されてケイ素（単体）になるとともに、アルミニウムおよびマグネシウムがそれぞれ酸化されてスピネルなどのアルミニウム、マグネシウムおよび酸素を少なくとも含有する複合酸化物になる。
【００３９】
また、基材溶湯１０１内のアルミニウムおよびマグネシウムが基材溶湯１０１側からガラス外殻１０２ａ側に移動（拡散）することによって、ガラス外殻１０２ａと基材溶湯１０１との界面だけでなく、ガラス外殻１０２ａの内部においても、ガラス酸化物のケイ素酸化物と基材溶湯１０１内のアルミニウムおよびマグネシウムとの酸化還元反応が進行する。これにより、ガラス外殻１０２ａを含む複数のガラス中空粒子１０２は、アルミニウム、マグネシウムおよび酸素を少なくとも含有する複合酸化物から構成された外殻２ａを含む複数の中空粒子２（図３参照）に変化した状態で、基材溶湯１０１の内部に分散される。これにより、溶融状態のアルミ複合材（アルミ複合材溶湯）が作成される。
【００４０】
なお、酸化還元反応において生成したケイ素（単体）は、ガラス外殻１０２ａ側から基材溶湯１０１側に分散される。これにより、ケイ素（単体）が留まることに起因してガラス酸化物のケイ素酸化物と基材溶湯１０１内のアルミニウムおよびマグネシウムとの酸化還元反応が阻害されることが抑制される。
【００４１】
また、ガラス外殻１０２ａは、基材溶湯１０１に投入された際に、ガラス中空粒子１０２の中空状態を維持した状態で、基材溶湯１０１の熱によりある程度軟化するのが好ましい。これにより、ガラス外殻１０２ａと基材溶湯１０１との濡れ性を向上させることが可能であるとともに、ガラス外殻１０２ａと基材溶湯１０１との接触面積が大きくすることが可能である。この結果、ガラス外殻１０２ａを構成するガラス酸化物のガラス転移点はある程度低い方が好ましい。具体的には、ガラス酸化物は、ガラス転移点が非常に高いシリカガラスよりも、ガラス転移点が比較的低いソーダ石灰ガラス、ソーダ石灰ホウケイ酸ガラス、または、ホウケイ酸ガラスからなるのが好ましい。なお、ガラス酸化物のガラス転移点は、基材１の溶融温度以上である必要がある。
【００４２】
また、ガラス酸化物にナトリウム酸化物（Ｎａ２Ｏ）が含有されている場合には、ケイ素酸化物と同様に、つまり、ナトリウム酸化物が還元されてナトリウム（単体）になるとともに、アルミニウムおよびマグネシウムがそれぞれ酸化されて複合酸化物になる。そして、酸化還元反応において生成したナトリウム（単体）は、ガラス外殻１０２ａ側から基材溶湯１０１側に分散される。ここで、ナトリウム（単体）は、アルミニウム合金において脆化の原因となる。この結果、ガラス酸化物における酸化ナトリウムの含有量は少ない方が好ましい。つまり、ナトリウムの含有量の観点からは、ガラス酸化物は、ナトリウムの含有量が多いソーダ石灰ガラスよりも、ソーダ石灰ホウケイ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス、または、シリカガラスからなるのが好ましい。これらの結果、ガラス転移点およびナトリウムやカルシウムの含有量の双方の観点からは、ガラス酸化物は、ソーダ石灰ホウケイ酸ガラス、または、ホウケイ酸ガラスからなるのが好ましい。
【００４３】
また、複数のガラス中空粒子１０２は、アルミ複合材の熱伝導率を十分に低下させるために、アルミ複合材３（図２参照）の強度が過度に低下しない程度にできるだけ多く含有されるのが好ましい。具体的には、複数のガラス中空粒子１０２の合計体積が基材溶湯１０１の体積の約７０％以下になるように、複数のガラス中空粒子１０２を混合するのが好ましい。また、アルミ複合材の熱伝導率を十分に低下させるために、複数のガラス中空粒子１０２の合計体積が基材溶湯１０１の体積の約２０％以上になるように、複数のガラス中空粒子１０２を混合するのが好ましい。
【００４４】
次に、図６に示すような、鋳ぐるみ鋳造用の鋳型３００を準備する。この鋳型３００は、図１に示すピストン１０の外形形状に対応するように形成されている。そして、溶融したアルミニウム合金溶湯を鋳型３００内に充填することによって、ピストン１０の低熱伝導部１２以外のピストン本体１１の部分を作成する。そして、図７に示すように、アルミ複合材溶湯を頂部１１ａに配置するように鋳型３００内に充填することによって、ピストン本体１１にアルミ複合材３から構成された低熱伝導部１２を接合する。これにより、鋳ぐるみ鋳造により、ピストン本体１１と、ピストン本体１１の頂部１１ａに接合された低熱伝導部１２とを備えるピストン１０が製造される。
【００４５】
なお、内燃機関１００のシリンダブロック２０およびシリンダヘッド３０（図１参照）も、上記ピストン１０と同様に、鋳ぐるみ鋳造などによって製造することが可能である。
【００４６】
上記実施形態の製造方法では、以下のような効果を得ることができる。
【００４７】
本実施形態の製造方法では、上記のように、基材溶湯１０１と、ケイ素と酸素とを少なくとも含有するガラス酸化物から構成されたガラス外殻１０２ａを含むガラス中空粒子１０２とを混合することにより、ガラス酸化物を基材溶湯１０１の内部に十分に分散させることができる。さらに、基材溶湯１０１のアルミニウムおよびマグネシウムと、ガラス中空粒子１０２におけるガラス外殻１０２ａのガラス酸化物とが酸化還元反応を行うことによって、アルミニウムとマグネシウムと酸素とから少なくとも構成された複合酸化物を含有する外殻２ａを含む複数の中空粒子２を形成する。これにより、酸化還元反応により生成されたアルミニウムとマグネシウムと酸素とから少なくとも構成された複合酸化物は、反応前のガラス中空粒子１０２よりも強度（硬度）が高いと考えられるので、中空粒子２が破損することが抑制され、その結果、中空粒子２の中空状態を維持することができる。
【００４８】
また、本実施形態の製造方法では、基材溶湯１０１の温度を基材１の溶融温度以上で、かつ、ガラス外殻１０２ａを構成するガラス酸化物のガラス転移点以下に維持した状態で、所定の時間撹拌して混合することによって、溶融状態のアルミ複合材を作成する。これにより、基材１の溶融温度以上の温度範囲で基材溶湯１０１とガラス中空粒子１０２とを混合することによって、基材１を十分に溶融させた状態で、基材溶湯１０１とガラス中空粒子１０２とを混合することができる。また、ガラス酸化物のガラス転移温度以下の温度範囲で基材溶湯１０１とガラス中空粒子１０２とを混合することによって、ガラス酸化物の流動性が過度に高くなることに起因してガラス中空粒子１０２のガラス外殻１０２ａが過度に軟化するのを抑制することができる。これにより、酸化還元反応が十分に行われる前に過度に軟化したガラス中空粒子１０２が破損することを抑制することができるので、中空粒子２の中空状態が維持できなくなるのを抑制することができる。
【００４９】
また、本実施形態の製造方法では、ガラス中空粒子１０２のガラス外殻１０２ａを、ホウケイ酸ガラスまたはソーダ石灰ホウケイ酸ガラスから構成する。これにより、ガラス転移点が高く、その結果、基材溶湯１０１の内部でほとんど軟化しないシリカからガラス外殻１０２ａが構成されている場合と比べて、ガラス中空粒子１０２のガラス外殻１０２ａを若干軟化させることによりガラス外殻１０２ａと基材溶湯１０１との濡れ性を向上させることができる。これにより、容易に、ガラス酸化物を基材溶湯１０１の内部に十分に分散させることができるとともに、基材溶湯１０１のアルミニウムおよびマグネシウムと、ガラス外殻１０２ａのガラス酸化物との間の酸化還元反応を促進させることができる。
【００５０】
また、本実施形態の製造方法では、鋳ぐるみ鋳造により、ピストン本体１１と、ピストン本体１１の頂部１１ａに接合された低熱伝導部１２とを備えるピストン１０を製造する。これにより、容易に、ピストン本体１１の頂部１１ａに低熱伝導部１２を接合することができる。さらに、鋳ぐるみ鋳造により、ピストン本体１１と低熱伝導部１２との界面が一体的になるので、低熱伝導部１２がピストン本体１１から脱落するのを効果的に抑制することができる。
【００５１】
[実施例]
次に、図２および図８〜図１２を参照して、実施例として行ったアルミ複合材３の断面観察と、中空粒子２の外殻２ａの元素比率の測定とについて説明する。
【００５２】
まず、上記本実施形態の製造方法に基づき、アルミ複合材３を作成した。ここで、基材１を構成するアルミニウム合金として、１０ｗｔ％のマグネシウムと、アルミニウムとから主に構成されたＡＣ７Ａを用いた。なお、このＡＣ７Ａの溶融温度は、６５０℃である。また、ガラス中空粒子１０２として、ガラス外殻１０２ａがソーダ石灰ホウケイ酸ガラスからなるグラスバブルズ（３Ｍ  Ｃｏｍｐａｎｙ製）を用いた。なお、このガラス中空粒子１０２のメジアン径ｄ５０は、２０μｍであり、比重は、０．４６である。また、ガラス外殻１０２ａを構成するソーダ石灰ホウケイ酸ガラスのガラス転移点は、８００℃である。
【００５３】
そして、基材１の溶融温度（６５０℃）以上で、かつ、ガラス外殻１０２ａを構成するソーダ石灰ホウケイ酸ガラスのガラス転移点（８００℃）以下の７２０℃で、基材１を溶融させることによって図４に示すように基材溶湯１０１を作成した。その後、基材溶湯１０１の温度を７２０℃に維持した状態で、基材溶湯１０１を毎分５００〜６００回転で撹拌しつつ、基材溶湯１０１に複数のガラス中空粒子１０２を投入した。この際、複数のガラス中空粒子１０２の合計体積が基材溶湯１０１の体積の２０％になるように投入した。そして、複数のガラス中空粒子１０２の投入後、３０分間撹拌を続けた後、自然放冷により冷却することによって、図２に示すアルミ複合材３を形成した。
【００５４】
そして、アルミ複合材３の断面をＦＥ−ＳＥＭ（電界放出型走査電子顕微鏡）を用いて観察した。
【００５５】
図８に示すアルミ複合材３の断面写真から、実施例のアルミ複合材３では、複数の中空粒子２が基材１内で凝集しておらず、十分に分散していることが確認できた。なお、白い基材１内に分散する黒い点状のものが中空粒子２である。また、図８よりも倍率を大きくした図９のアルミ複合材３の断面写真であっても、実施例のアルミ複合材３において、複数の中空粒子２が基材１内で凝集しておらず、十分に分散していることが確認できた。
【００５６】
また、図９の断面写真では、濃い黒色部分として中空部分２ｂが明確に確認できた。これにより、実施例のアルミ複合材３では、中空粒子２の外殻２ａが破損しておらず、中空粒子２の中空状態が略完全に維持されていることが確認できた。さらに、図９よりもより倍率を大きくした図１０の中空粒子２の断面写真からも、中空粒子２の外殻２ａが破損しておらず、中空粒子２の中空状態が略完全に維持されていることが確認できた。なお、図１０では、濃い黒色部分の中空部分２ｂと、中空部分２ｂの周囲の薄い部分の外殻２ａとが確認できた。
【００５７】
また、図９および図１０の断面写真から、実施例のアルミ複合材３では、中空粒子２と基材１との間に隙間は略存在しておらず、中空粒子２と基材１とが密着して接合していることが確認できた。この結果から、中空粒子２と基材１との隙間を起点としてクラック等が発生するのを抑制することが可能であり、その結果、アルミ複合材３の強度が低下するのが抑制されていることが確認できた。
【００５８】
次に、外殻２ａの元素比率を、ＥＤＸ分析装置（エネルギー分散型Ｘ線分析装置）を用いて測定するとともに、混合前のガラス外殻１０２ａの元素比率と比較した。なお、ＥＤＸ分析装置において、図１０に示す中空粒子２のうち、四角で囲まれた部分を拡大して示す図１１の３点（ポイント１、ポイント２、ポイント３）において、外殻２ａの元素比率を測定した。なお、この３点は、中空部分２ｂと外殻２ａとの界面から外殻２ａ側（外側）に０．５μｍ程度離れた位置を選択した。また、投入前のガラス外殻１０２ａ（図５参照）の表面の任意の３点において、投入前のガラス外殻１０２ａの元素比率を測定した。
【００５９】
図１２に示す外殻２ａの元素比率の結果としては、投入前のガラス中空粒子１０２のガラス外殻１０２ａに平均２８．５７％含まれていたケイ素（Ｓｉ）が、分散後の外殻２ａにおいて平均１．１２％に大幅に減少した。また、ガラス外殻１０２ａに平均３．５５％含まれていたナトリウム（Ｎａ）が、外殻２ａにおいて元素比率に含まれなくなった（略検出されなかった）。この結果から、ガラス外殻１０２ａを構成するソーダ石灰ホウケイ酸ガラスのケイ素酸化物（ＳｉＯ２）とナトリウム酸化物（Ｎａ２Ｏ）とが、それぞれ、基材溶湯１０１内のアルミニウムおよびマグネシウムと酸化還元反応を行ったことによって、ソーダ石灰ホウケイ酸ガラスのケイ素酸化物が還元されてケイ素（単体）になるとともに、ナトリウム酸化物が還元されてナトリウム（単体）になり、それらが、外殻２（ガラス外殻１０２ａ）から基材１に分散（拡散）したことが確認できた。
【００６０】
一方、ガラス外殻１０２ａに含まれていなかったマグネシウム（Ｍｇ）およびアルミニウム（Ａｌ）が、それぞれ、外殻２ａにおいて平均３４．０６％および平均２７．７１％の元素比率になった。この結果から、上記酸化還元反応において、アルミニウムおよびマグネシウムがそれぞれ酸化されてスピネルなどのアルミニウム、マグネシウムおよび酸素を少なくとも含有する複合酸化物になって、外殻２ａ内に形成されたことが確認できた。また、外殻２ａの中空部分２ｂ側（内側）のポイント１〜３にまで、アルミニウムおよびマグネシウムが拡散して、酸化還元反応が行われたことも確認できた。
【００６１】
ここで、複数のガラス中空粒子１０２が投入された基材溶湯１０１を３０分間に亘って十分に撹拌することによって、撹拌中に、酸化還元反応前の基材溶湯１０１のマグネシウムおよびアルミニウムがケイ素酸化物に常に供給されるとともに、酸化還元反応後のケイ素が基材溶湯１０１に常に分散されると考えられる。このことから、撹拌によって、酸化還元反応が十分に行われたと考えられる。なお、このことは、分散後の外殻２ａにおけるケイ素の元素比率が大幅に減少した点からも推測することが可能である。
【００６２】
なお、カルシウムに関しては、投入前のガラス中空粒子１０２のガラス外殻１０２ａに平均５．７２％含まれていたものの、分散後の外殻２ａにおいて平均０．７３％に減少した。これは、ソーダ石灰ホウケイ酸ガラスのカルシウム酸化物（ＣａＯ）は、アルミニウムやマグネシウムにより還元されないため、反応前後でカルシウムは外殻２ａ内から基材１側にほとんど移動しなかったものの、アルミニウムおよびマグネシウムが外殻２ａ側に移動したことにより、カルシウム自体の外殻２ａにおける割合が相対的に小さくなったことに主に起因すると考えられる。
【００６３】
なお、今回開示された実施形態および実施例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態および実施例の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。
【００６４】
たとえば、上記実施形態では、車両の内燃機関（エンジン）１００の燃焼室１００ａ側の低熱伝導部１２、２２および３２に熱伝導率が低いアルミ複合材３を用いた例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、船舶や航空機などの内燃機関の燃焼室側の低熱伝導部に熱伝導率が低い本発明のアルミ複合材を用いてもよい。
【００６５】
また、上記実施形態では、ピストン１０、シリンダブロック２０およびシリンダヘッド３０にアルミ複合材３からなる低熱伝導部１２、２２および３２をそれぞれ設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、ピストン、シリンダブロックおよびシリンダヘッドの少なくともいずれか１つにアルミ複合材からなる低熱伝導部を設ければよい。なお、ピストンに低熱伝導部を設けるのが好ましい。
【００６６】
また、上記実施形態では、ヒータ２００ｃにより基材溶湯１０１の温度を基材１の溶融温度以上で、かつ、ガラス外殻１０２ａを構成するガラス酸化物のガラス転移点以下に維持した状態で、複数のガラス中空粒子１０２が混合された基材溶湯１０１を所定の時間撹拌して混合する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、ガラス外殻を構成するガラス酸化物のガラス転移点よりも大きな温度で、複数のガラス中空粒子が混合された基材溶湯を混合してもよい。この際、ガラス中空粒子が破損しないように、基材溶湯内にガラス中空粒子を迅速に分散させる必要がある。
【００６７】
また、上記実施形態では、ピストン本体１１と、アルミ複合材３からなる低熱伝導部１２とを含むピストン１０を鋳ぐるみ鋳造により製造した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、ピストン本体と、アルミ複合材からなる低熱伝導部とを含むピストンを、鋳ぐるみ鋳造以外の製造方法により製造してもよい。たとえば、ピストン本体の頂部に、アルミ複合材からなる低熱伝導部を嵌め込むように接合することによって、ピストンを製造してもよい。
【符号の説明】
【００６８】
１  基材
２  中空粒子
２ａ  外殻
３  アルミ複合材
１０  ピストン
１１  ピストン本体
１１ａ  頂部
１２  低熱伝導部
１０１  基材溶湯
１０２  ガラス中空粒子
１０２ａ  ガラス外殻
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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