(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミ合金製のピストン本体の上側に、下側中間層としてのアルミニウム−シリコン系急冷凝固粉末を充填した後、上側中間層としてのチタン粉末とアルミニウム粉末との混合粉末を充填し、次いで、上側中間層の混合粉末と配合率を異ならせるとともに、上側中間層の混合粉末よりも焼結温度の高い最上層としてのチタン粉末およびアルミニウム粉末との混合粉末を充填し、これらの積層したピストン本体、アルミニウム−シリコン系急冷凝固粉末、上下の混合粉末に対し放電プラズマ焼結法によるパルス通電加圧を行い、最上層の混合粉末により金属間化合物を生成するとともに、この金属間化合物が生成されるときの発熱反応による熱を複合的に利用して上側中間層の混合粉末および下側中間層のアルミニウム−シリコン系急冷凝固粉末を焼結させるとともに、金属間化合物と上側中間層、上側中間層と下側中間層、下側中間層とピストン本体を焼結接合させ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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料中の成分組成を傾斜化させて使用環境に適した機能を分布させたピストンの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
傾斜機能材料の製造方法としては、本出願人により提案された放電プラズマ焼結法、放電焼結法或いはプラズマ活性化焼結法などを含むパルス通電加圧焼結法を用いた製造方法が知られている。すなわち、黒鉛などの導電性材料よりなる中心軸方向に貫通する原料充填穴と、互いに軸方向に隔てられていて外周の直径が小さい小径部分および大きい大径部分と、該小径部分と大径部分との間のテーパー部分とを有する異形状のダイを用い、このダイの原料充填穴内に２種類以上の混合粉末を、その配合率などを中心軸方向で異ならせた状態で入れて順に積層し、ダイの原料充填穴の両側から押し棒状の黒鉛などの導電性材料よりなる上下一対のパンチをそれぞれ挿入して加圧し、混合粉末を圧縮して圧粉体とし、この圧粉体粒子間隙に直接オン・オフ直流パルス状電圧・電流を印加し傾斜機能材料を製造する。該焼結法は、通電初期にはミクロな火花放電現象が発生し、放電衝撃圧力のスパッタ作用による粉体粒子表面の浄化・活性化効果が生じ、通電中期、後期にはジュール加熱により緻密化が進行すると考えられている。通電中〜後期の主焼結駆動力は粉体と焼結型（ダイ、パンチ）全体のパルス通電によるジュール熱と時間、塑性変形圧力であるが、同時に大電流パルス通電効果により電界拡散効果が付与され、焼結の進行が促進される。このとき、固定抵抗（α）の導電体の電気抵抗（Ｒ）は、導電体の長さ（Ｌ）に比例し、断面積（Ｓ）に反比例する。Ｒ＝α（Ｌ／Ｓ）。また、時間（ｔ）に電流（Ｉ）のなす仕事（Ｗ）は、（Ｗ＝Ｉ２×Ｒ×ｔ）で表される。
【０００３】
このため、ダイの断面積の小さな部位では発熱量が大きくなる一方、断面積の大きな部位では発熱量が小さくなって、温度傾斜を発現させ、焼結温度に差が生じることになり、これによって、所望する機能を備えた傾斜機能材料が得られるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の傾斜機能材料の製造方法では、以下に述べるような課題を有している。
【０００５】
即ち、放電プラズマ焼結法を用いても、ストレート均等断面形状のダイなどの型の原料充填穴内で積層される混合粉末が通電性のある金属の混合粉末である場合には、パルス通電が、金属の混合粉末を介して行われる。このため、金属の混合粉末が直接的かつ同時均等に加熱され温度傾斜が発現できず、所望する傾斜機能材料を生成することができない。
【０００６】
また、ダイの断面積差によって電気抵抗を異ならせて発熱量に差を持たせる温度傾斜・異形状ダイを用いているものでは、ダイの原料充填穴内で積層される混合粉末の層間での溶融温度に大きな差がある場合に、発熱量に差を持たせるだけの断面積差をダイに形成するのが難しく、高い焼結温度の物質（粉末）と低い焼結温度の物質（粉末）との層間の間隔を狭くすることができない。
【０００７】
さらに、断面積差によって電気抵抗を異ならせて発熱量に差を持たせる上で、既述のような異形状のダイが必要となるため、ダイの加工が難しい上、そのダイの加工に要するコストが嵩むことになる。
【０００８】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、通電性のある金属の混合粉末を用いた場合の、高い焼結温度の粉末と低い焼結温度の粉末との層間の間隔の狭小化、型（ダイ）の加工性の簡単化およびコストの低廉化を図ることができるピストンの製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係るピストンの製造方法は、アルミ合金製のピストン本体の上側に、下側中間層としてのアルミニウム−シリコン系急冷凝固粉末を充填した後、上側中間層としてのチタン粉末とアルミニウム粉末との混合粉末を充填し、次いで、上側中間層の混合粉末と配合率を異ならせるとともに、上側中間層の混合粉末よりも焼結温度の高い最上層としてのチタン粉末およびアルミニウム粉末との混合粉末を充填し、これらの積層したピストン本体、アルミニウム−シリコン系急冷凝固粉末、上下の混合粉末に対し放電プラズマ焼結法によるパルス通電加圧を行い、最上層の混合粉末により金属間化合物を生成するとともに、この金属間化合物が生成されるときの発熱反応による熱を複合的に利用して上側中間層の混合粉末および下側中間層のアルミニウム−シリコン系急冷凝固粉末を焼結させるとともに、金属間化合物と上側中間層、上側中間層と下側中間層、下側中間層とピストン本体を焼結接合させることを特徴とするものである。
【００１０】
これにより、アルミ合金製のピストン本体と、下側中間層としてのアルミニウム−シリコン系急冷凝固粉末と、上側中間層としてのチタン粉末とアルミニウム粉末との混合粉末と、上側中間層の混合粉末と配合率を異ならせた最上層としてのチタン粉末とアルミニウム粉末との混合粉末とは、ダイの原料充填穴の両側から挿入された押し棒状のパンチによって加圧されながら、ダイ、パンチ全体でパルス通電を行うことによって加熱される。すると、このダイ、パンチ全体でのパルス通電による熱によって最上層の混合粉末が発熱し、金属間化合物を生成する。このとき、金属間化合物の発熱反応の熱を複合的に利用して上側中間層の混合粉末および下側中間層のアルミニウム−シリコン系急冷凝固粉末も焼結し、金属間化合物とアルミ合金製のピストン本体とが上下の中間層を介して焼結接合することになる。これにより、焼結温度の高い金属間化合物とアルミ合金製のピストン本体とが焼結温度の低い上下の中間層を介して同時に接合されて、所望する傾斜機能性を有するピストンを製造することが可能となる上、その製造に要する時間を大幅に短縮することが可能となる。
【００１１】
しかも、アルミ合金製のピストン本体が、ダイ、パンチ全体でのパルス通電時に加熱された焼結温度の高い混合粉末（金属間化合物）の発熱反応によって焼結温度の低い上下の中間層を介して金属間化合物と接合されることにより、金属間化合物とアルミ合金製のピストン本体との層間の間隔を狭くすることが可能となる。
【００１２】
また、断面積差によって電気抵抗を異ならせて発熱量に差を持たせるような異形状のダイが不要となり、ダイが簡単に成形される上、ダイの加工にかかるコストが大幅に低減されることになる。
【００１３】
また、アルミ合金製のピストン本体に上下の中間層を介して金属間化合物を焼結接合したことにより、ピストン頂部の耐熱性を図ることが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１は本発明の実施形態に係わるピストンの製造方法を用いて製造されるピストンを示している。
【００１７】
図１において、ピストン１は、その材料中の成分組成を傾斜化させて使用環境に適した機能を４層の層状に分布させた傾斜機能材料よりなる。具体的には、ピストン１は、その最頂部側（図示しない燃焼室側）に設けられたＴｉＡｌ（チタンアルミ）よりなる金属間化合物１１と、この金属間化合物１１のピストンロッド側（図１では下側）に連接された上側中間層１２と、この上側中間層１２のピストンロッド側に連接された中間層としての下側中間層１３と、この下側中間層１３のピストンロッド側に連接されたアルミ合金製の金属物質１４との４層で成形されている。
【００１８】
金属間化合物１１は、５０ａｔ％Ｔｉ粉末（チタン粉末）と、５０ａｔ％Ａｌ粉末（アルミニウム粉末）との燃焼合成反応により生成されるものであり、非常に優れた耐熱性を備えている。
【００１９】
上側中間層１２は、３０ａｔ％Ｔｉ粉末（チタン粉末）と、７０ａｔ％Ａｌ粉末（アルミニウム粉末）とにより生成されるものであり、熱膨張係数の整合性をとるために設けられている。
【００２０】
下側中間層１３は、Ａｌ元素（アルミニウム元素）に対して多量のＳｉ元素（シリコン元素）を含む急冷凝固粉末であり、非常に優れた耐摩耗性を備えていると共に、熱膨張係数の整合性をとるために設けられている。
【００２１】
金属物質１４は、鋳造法により成形されるアルミ合金製の鋳物であって、ピストン本体を成形している。
【００２２】
そして、ピストン１の下側中間層１３には、金属間化合物１１側寄りとなる最燃焼室寄りの第１ピストン溝１５が形成されている。また、金属物質１４の上側には、上下の第２ピストン溝１６および第３ピストン溝１７が形成されている。
【００２３】
次に、このような複数層からなるピストン１を放電プラズマ焼結法により製造する場合の手順を図２に基づいて説明する。
【００２４】
図２および図３は、ピストン１を放電プラズマ焼結法により製造する場合に用いられる製造装置Ｘの概略構成図を示している。
【００２５】
図３に示すように、放電プラズマ焼結装置Ｘは、粉体などを充填する成形用のダイ２および上下一対の加圧通電用パンチ２２，２２を備えている。この各パンチ２２は、加圧駆動機構３２により駆動され、冷却水通路３３を内蔵する上下一対の加圧通電パンチ電極３４，３５によって、パルス電流が供給される。また、粉体などの焼結時の酸化を防止するため、ダイ２および各パンチ２２は、真空ポンプ３６を備えた真空チャンバ３７内に収容されている。これにより、真空チャンバ３７内は所定の真空度に維持される。この場合、真空チャンバ３７内は、真空の代わりにアルゴン雰囲気などとしてもよい。
【００２６】
ここで、ピストン１を放電プラズマ焼結法により製造する場合の手順について説明する。
【００２７】
先ず、図２に示すように、中心軸方向に貫通する原料充填穴２１を有し、かつ黒鉛などの導電性材料よりなる略円筒形状のダイ２を用意し、このダイ２の原料充填穴２１内にアルミ合金製の鋳物よりなる略円柱形状の金属物質１４を挿通し、この金属物質１４を最下層とする。
【００２８】
次いで、金属物質１４の上側に、Ａｌ元素に対しＳｉ元素（シリコン元素）を多量に含有した急冷凝固粉末を充填し、下側中間層１３が重ね合わされるようにする。
【００２９】
さらに、下側中間層１３の上側に、３０ａｔ％Ｔｉ粉末（チタン粉末）と、７０ａｔ％Ａｌ粉末（アルミニウム粉末）との混合粉末を充填し、上側中間層１２が重ね合わされるようにする。
【００３０】
そして、上側中間層１２の上側に、５０ａｔ％Ｔｉ粉末（チタン粉末）と、５０ａｔ％Ａｌ粉末（アルミニウム粉末）との混合粉末を充填し、金属間化合物１１の層（最上層）が重ね合わされるようにする。
【００３１】
その後、ダイ２の原料充填穴２１の両側から加圧通電用パンチ２２，２２をそれぞれ上下方向から挿入したものを真空チャンバ３７（図３に表れる）内にセットし、真空チャンバ３７を密封して、真空ポンプ３６で真空状態とするか、または必要に応じて不活性雰囲気ガスを充填した後、各パンチ２２によって上下方向（図２および図３に示す矢印方向）から加圧し、混合粉末を圧縮して圧粉体とする。さらに、この圧粉体粒子間隙に直接、オン・オフ直流のパルス大電流を通電する。これによって各材料の層１１〜１４を加熱する。
【００３２】
しかる後、最上層の５０ａｔ％Ｔｉ粉末（チタン粉末）と、５０ａｔ％Ａｌ粉末（アルミニウム粉末）との混合粉末の温度が所定の温度、例えばアルミニウムの融点以上の温度に達すると、この混合粉末が燃焼合成反応を誘起して金属間化合物１１を生成する。このとき、金属間化合物１１は生成時の発熱、パルス通電による粉末の自己発熱、ダイ２の抵抗発熱、および加圧力などにより焼結され、さらに、上側中間層１２を加熱し、上側中間層１２の燃焼合成反応を励起するとともに、上側中間層１２の上側に金属間化合物１１を強固に焼結接合する。また、金属間化合物１１および上側中間層１２の生成時の熱、パルス通電による粉末の自己発熱、ダイ２の抵抗発熱、および加圧力などによって、下側中間層１３も焼結し、下側中間層１３の上側に上側中間層１２を強固に焼結接合するとともに、金属物質１４の上側に下側中間層１３を強固に焼結接合する。この結果、材料中の成分組成を各層１１〜１４ごとに順に傾斜化させることによって、使用環境に適して機能を分布させた傾斜機能性を有するピストン１を得る。その場合、ピストン１の製造に要するパルス通電時間は、各層１１〜１４に直接的に通電し金属間化合物１１の燃焼合成反応による熱を複合的に利用することで、各層１１〜１４の材料の冷却時間を加味しても、約１０〜２０分程度で収まることになる。
【００３３】
同時に、下側中間層１３に第１ピストン溝１５を形成するとともに、金属物質１４の上側に上下の第２ピストン溝１６および第３ピストン溝１７を形成する。
【００３４】
したがって、本実施形態では、焼結温度の高い金属間化合物１１と焼結温度の低いアルミニウム合金製の金属物質１４とが上下の中間層１２，１３の焼結とともに同時に接合されて、所望する傾斜機能材料よりなるピストン１を生成することができる。また、ピストン１の製造に要する時間も約１０〜２０分程度で済み、ピストン１の製造時間を大幅に短縮することができる。
【００３５】
さらに、焼結温度の低い金属物質１４が、ダイ２、パンチ２２全体でパルス通電時に加熱された焼結温度の高い混合粉末（金属間化合物１１）の発熱反応によって焼結されることにより、焼結温度の高い混合粉末（金属間化合物１１）とこれよりも焼結温度の低い上側中間層１２、下側中間層１３および金属物質１４との層間の間隔を狭くすることができる。
【００３６】
また、オン・オフ直流のパルス大電流が各材料（各粉末および金属物質１４）の層１１〜１４に直接的に通電されて金属間化合物１１の燃焼合成反応による熱を複合的に利用することにより、円筒状のダイ２で良く、断面積差によって電気抵抗を異ならせて発熱量に差を持たせるような異形状のダイが不要となる。これにより、ダイ２を簡単に成形することができる上、ダイ２の加工にかかるコストを大幅に低減することができる。
【００３７】
そして、ピストン本体（金属物質１４）の頂部に上下の中間層１２，１３を介して金属間化合物１１が焼結されていることにより、アルミ合金製のピストン本体の頂部に金属間化合物１１が容易に成形され、ピストン本体頂部の耐熱性を図ることができる。
【００３８】
さらに、アルミニウム元素に対しシリコン元素を多量に含む急冷凝固粉末によって生成される下側中間層１３を、上側中間層１２を介して金属間化合物１１と金属物質１４（アルミ合金）との間に焼結し、この中間層１３に、最燃焼室側寄りの第１ピストン溝１５が形成されているので、シリンダ内でピストン運動する際に金属間化合物１１側寄りにある燃焼室からの燃焼熱および圧力によって膨縮するピストンリングからの荷重による第１リング溝１５の摩耗を効果的に低減させることができる。
【００３９】
さらにまた、金属間化合物１１の燃焼合成反応による熱を複合的に利用することで、ピストン１の製造に要するパルス通電時間が各層１１〜１４の材料の冷却時間を加味しても約１０〜２０分程度で収められるので、下側中間層１３においてアルミニウム中に混在するシリコン粒子の粗大化が抑制され、急冷凝固粉末特有の特性、つまりシリコンが微粒子状のままでアルミニウム中に分散する特性が得られることになる。このため、下側中間層１３自身の耐摩耗性を効果的に向上させることができる上、アルミニウム粉末に対し高価なセラミックなどの繊維を用いることによって耐摩耗性を高めるものに比べて、材料費に要するコストも低廉化することができる。
【００４０】
なお、本実施形態では、下側中間層１３をアルミニウム元素に対し多量のシリコン元素を含む急冷凝固粉末により成生したが、４０ａｔ％Ｔｉ粉末（チタン粉末）と、６０ａｔ％Ａｌ粉末（アルミニウム粉末）との混合粉末によって生成されるようにしてもよい。この場合には、上側中間層１２と相俟って、熱膨張係数の整合性をとる上で非常に有利なものとなる。
【００４１】
また、本実施形態では、金属間化合物１１を、５０ａｔ％Ｔｉ粉末（チタン粉末）と、５０ａｔ％Ａｌ粉末（アルミニウム粉末）との燃焼合成反応により生成したが、５０ａｔ％Ｆｅ粉末（鉄粉末）と５０ａｔ％Ａｌ粉末（アルミニウム粉末）との燃焼合成反応、または５０ａｔ％Ｃｕ粉末（銅粉末）と、５０ａｔ％Ａｌ粉末（アルミニウム粉末）との燃焼合成反応によって金属間化合物を金属物質に対し焼結する場合にも適用することができる。
【００４２】
さらに、上記実施形態では、傾斜機能材料によりピストン１を製造したが、ピストンに限定されるものではなく、材料中の成分組成を傾斜化させて使用環境に適した機能を分布させた傾斜機能材料を製造する場合にも適用できるのはもちろんである。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ダイとパンチ全体でのパルス通電による熱によって最上層のチタン粉末とアルミ粉末との混合粉末を発熱させて金属間化合物を生成し、この金属間化合物の発熱反応を複合的に利用して上下の中間層を焼結させるとともに、金属間化合物とアルミ合金製のピストン本体とを上下の中間層の焼結と同時に接合させて、所望する傾斜機能性を有するピストンを製造することができる上、その製造に要する時間を大幅に短縮することができる。しかも、アルミ合金製のピストン本体を焼結温度の高い金属間化合物の発熱反応によって焼結温度の低い上下の中間層を焼結させて接合することで、焼結温度の高い金属間化合物とアルミ合金製のピストン本体との層間の間隔を狭くすることができる。さらに、ダイを簡単に成形することができる上、ダイの加工にかかるコストを大幅に低減させることができる。また、ピストンの頂部に金属間化合物を焼結することで、ピストン頂部の耐熱性を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係わるピストンの製造方法を用いて製造されるピストンの断面図である。
【図２】ピストンを放電プラズマ焼結法により製造する際のダイ、パンチ内の各粉末の充填および金属物質の挿通の様子を示す説明図である。
【図３】ピストンを放電プラズマ焼結法により製造する際に用いられる製造装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１  ピストン
１１  金属間化合物
１２  上側中間層
１３  下側中間層
１４  ピストン本体
１５  第１ピストン溝
【図１】
0004355431.tif 000002
【図２】
0004355431.tif 000003
【図３】
0004355431.tif 000004