(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コージェライトを８０〜９９．５重量％、希土類元素（ＲＥ）を酸化物換算で０．５〜２０重量％の割合で含み、コージェライト結晶粒子の平均粒径が１０μｍ以下、開気孔率が５％以下であり、前記コージェライト結晶粒子の粒界に希土類元素酸化物と酸化ケイ素との複合酸化物結晶相が析出してなるとともに、室温における熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以下のセラミックスからなることを特徴とするエンジン部品。
【請求項２】
前記セラミックスの室温から８００℃までの抗折強度が８０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１記載のエンジン部品。
【請求項３】
コージェライトを８０〜９９．５重量％、希土類元素（ＲＥ）を酸化物換算で０．５〜２０重量％の割合で含有する成分を７０重量％以上、窒化珪素、炭化珪素および酸窒化けい素の中から選ばれる少なくとも１種を３０重量％以下の割合で含み、前記コージェライト結晶粒子の粒界に希土類元素酸化物と酸化ケイ素との複合酸化物結晶相が析出してなるとともに、室温における熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることを特徴とするエンジン部品。
【請求項４】
平均粒径５μｍ以下のコージェライト粉末を８０〜９９．５重量％、平均粒径２μｍ以下の希土類元素酸化物を０．５〜２０重量％の割合で配合した成形体を、１２００〜１５００℃の温度範囲で焼結した後、１０００℃までを１０℃／ｍｉｎ以下の速度で冷却することを特徴とするエンジン部品の製造方法。
【請求項５】
平均粒径５μｍ以下のコージェライト粉末を８０〜９９．５重量％、平均粒径２μｍ以下の希土類元素酸化物を０．５〜２０重量％の割合で配合した成分を７０重量％以上、窒化珪素、炭化珪素および酸窒化けい素の中から選ばれる少なくとも１種を３０重量％以下の割合で混合した成形体を、１２００〜１５００℃の温度範囲で焼結した後、１０００℃までを１０℃／ｍｉｎ以下の速度で冷却することを特徴とするエンジン部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピストン、シリンダー、チャンバー等の断熱性が要求される部品として好適なエンジン部品とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
コージェライト系焼結体は、従来から低熱膨張のセラミックスとして知られており、フィルター、ハニカム、耐火物などに応用されている。このコージェライト系焼結体は、コージェライト粉末、あるいはコージェライトを形成するＭｇＯ、
Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 粉末を配合して、これに焼結助剤として、希土類元素酸化物や、ＳｉＯ2 、ＣａＯ、ＭｇＯなどの添加し、所定形状に成形後、１０００〜１４００℃の温度で焼成することによって製造される（特公昭５７−３６２９号、特開平２−２２９７６０号）。
【０００３】
近年、自動車用エンジンは高出力化に伴い、高温燃焼化が進んでいる。そのため燃焼室周りの高温化が進み、その断熱性が重要になってきている。また省エネルギー、高効率化の観点からも熱の発散を防ぐことが重要である。そこで、従来より、チタン酸アルミニウム、コージェライト等の低熱伝導性セラミックスがエンジン部品に用いられてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらのセラミックスは断熱性に優れ、低熱膨張であるため、耐熱衝撃性にある程度優れるものの、緻密体が得にくく、強度も４０ＭＰａ程度と低く、構造部材として使用できる範囲および条件は限られていた。
【０００５】
一方、高温高強度材料として窒化珪素等のセラミックスが知られているが、窒化ケイ素セラミックスは、熱伝導率は３０Ｗ／ｍ・Ｋと高く断熱性に乏しいものであり、断熱性と、強度特性を兼ね備えた材料はこれまで得られていなかった。
【０００６】
従って、本発明は、それ自体低熱伝導性を有するとともに、高強度を有するエンジン部品と、それを安定に製造することのできるエンジン部品の製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題に対し鋭意研究を重ねた結果、コージェライトに希土類元素酸化物を適量添加し、その焼結体の粒径を制御するとともに、コージェライト結晶粒界に特定の結晶相を析出させることにより、低熱伝導特性を保持しつつ緻密化を促進し、且つ強度を大幅に高めることができることを見いだし、本発明に至った。
【０００８】
即ち、本発明のエンジン部品は、コージェライトを８０〜９５．５重量％、希土類元素（ＲＥ）を酸化物換算で０．５〜２０重量％の割合で含み、コージェライト結晶粒子の平均粒径が１０μｍ以下、気孔率が５％以下であり、前記コージェライト結晶粒子の粒界に希土類元素酸化物と酸化ケイ素との複合酸化物結晶相が析出してなるとともに、室温における熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることを特徴とするものであり、特に、室温から８００℃までの抗折強度が８０ＭＰａ以上であることを特徴とし、また、コージェライトを８０〜９９．５重量％、希土類元素（ＲＥ）を酸化物換算で０．５〜２０重量％の割合で含有する成分を７０重量％以上、窒化珪素、炭化珪素および酸窒化けい素の中から選ばれる少なくとも１種を３０重量％以下の割合で含み、前記コージェライト結晶粒子の粒界に希土類元素酸化物と酸化ケイ素との複合酸化物結晶相が析出してなるとともに、室温における熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明のエンジン部品の製造方法は、平均粒径５μｍ以下のコージェライト粉末を８０〜９５．５重量％、平均粒径２μｍ以下の希土類元素酸化物を０．５〜２０重量％の割合で配合した成形体を、１２００〜１５００℃の温度範囲で焼結した後、１０００℃までを１０℃／ｍｉｎ以下の速度で冷却することを特徴とするものであり、さらには、窒化珪素、炭化珪素および酸窒化けい素の中から選ばれる少なくとも１種を３０重量％以下の割合で添加することを特徴とするものであり、また、平均粒径５μｍ以下のコージェライト粉末を８０〜９９．５重量％、平均粒径２μｍ以下の希土類元素酸化物を０．５〜２０重量％の割合で配合した成分を７０重量％以上、窒化珪素、炭化珪素および酸窒化けい素の中から選ばれる少なくとも１種を３０重量％以下の割合で混合した成形体を、１２００〜１５００℃の温度範囲で焼結した後、１０００℃までを１０℃／ｍｉｎ以下の速度で冷却することを特徴とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明のエンジン部品は、組成上、２ＭｇＯ・２Ａｌ2 Ｏ3 ・５ＳｉＯ2 で表される複合酸化物のコージェライトを８０〜９９．５重量％、特に８５〜９５重量％の割合で含有するとともに、このコージェライト結晶相は、平均粒径が１〜１０μｍ、好ましくは１〜５μｍの微細な結晶粒子として存在することが重要であり、このような微粒な結晶構造によって、低熱伝導性を損なわず、強度を向上させることができる。
【００１１】
また、この焼結体中には、焼結助剤成分として希土類元素を酸化物換算で０．５〜２０重量％、特に５〜１５重量％の割合で含有するものである。このようなこれらは、焼結過程でコージェライトの一部と反応し、焼結助剤として働き、低温での焼結を可能とし、組織を微粒化するとともに緻密化を促進する。希土類元素としては、Ｙ、Ｙｂ，Ｅｒ、Ｓｍ等が挙げられる。
【００１２】
なお、上記コージェライトおよび希土類元素の量を上記の比率に限定したのは、コージェライトが９９．５重量％よりも多い、言い換えれば上記希土類元素量が
０．５重量％よりも少ないと、緻密化が阻害され、焼結温度を高くする必要があり、その結果、コージェライトの結晶粒径が大きくなり、低熱伝導性、高強度が達成されない。また、コージェライト量が８０重量％よりも少ない、言い換えれば上記希土類元素量が２０重量％よりも大きいと、粒成長が促進され、かつ粒界相が多くなるため、低熱伝導性や高温での高強度が達成されない。
【００１３】
また、このセラミックスは、開気孔率が５％以下、特に３％以下の緻密体からなることが重要であり、開気孔率が５％よりも大きいと、気孔が破壊源となり、強度が低下する。
【００１４】
また、このセラミックスにおいては、コージェライト結晶相の粒界に希土類元素酸化物と酸化ケイ素との複合酸化物結晶相が析出してなることも重要である。
【００１５】
このように粒界に上記結晶相が析出することにより、高温強度を高めることができる。希土類元素酸化物（ＲＥ2 Ｏ3 ）と酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）との複合酸化物結晶相としては、モノシリケート（ＲＥ2 ＳｉＯ5 ）、ダイシリケート（ＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 ）等が挙げられる。
【００１６】
本発明によれば、上記の構成によって、室温において５Ｗ／ｍ・Ｋ以下、特に３Ｗ／ｍ・Ｋ以下の低熱伝導性とともに、室温から８００℃の温度範囲において、ＪＩＳ−Ｒ−１６０１に基づく４点曲げ抗折強度において、８０ＭＰａ以上、特に１００ＭＰａ以上の高強度化を達成することができる。
【００１７】
また、本発明によれば、更に強度を高める上で、コージェライトを８０〜９９．５重量％、希土類元素（ＲＥ）を酸化物換算で０．５〜２０重量％の割合で含有する成分を７０重量％以上、窒化珪素、炭化珪素および酸窒化けい素の群から選ばれる少なくとも１種を３０重量％以下、好ましくは１０〜２０重量％の割合で含有させることが望ましく、さらに前記コージェライト結晶粒子の粒界に希土類元素酸化物と酸化ケイ素との複合酸化物結晶相が析出してなるとともに、室温における熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることを特徴とするものである。
【００１８】
但し、これらの含有量が３０重量％を超えると、低熱伝導性が失われてしまうために望ましくない。
【００１９】
このようなセラミックスは、エンジン部品として用いられる。そこで、図１のエンジンの概略断面図を示した。図１において、本発明におけるセラミックスは、ピストンクラウン１、シリンダライナ２、ピストン耐摩環３、シリンダヘッドライナ４、チャンバ５、さらには、排気ポートライナ６などにも好適に採用される。特に、ピストンクラウンとして最も好適である。
【００２０】
上記のようなセラミックスを作製するには、まず、平均粒子径５μｍ以下、好ましくは３μｍ以下のコージェライト粉末を８０〜９９．５重量％、好ましくは８５〜９５重量％、平均粒径２μｍ以下、特に１μｍ以下の希土類元素酸化物を０．５〜２０重量％、好ましくは５〜１５重量％の割合で添加混合する。また、強度改善のために、コージェライト粉末を８０〜９９．５重量％、平均粒径２μｍ以下の希土類元素酸化物を０．５〜２０重量％の割合で配合した系を７０重量％以上、窒化珪素、炭化珪素、酸窒化けい素の中から少なくとも１種を３０重量％以下、特に１０〜２０重量％の割合で混合する。
【００２１】
そして、上記の比率で各成分を配合した後、ボールミルなどにより十分に混合し、所定形状に所望の成形手段、例えば、金型プレス，冷間静水圧プレス，押出し成形等により任意の形状に成形後、焼成する。
【００２２】
焼成は、大気中もしくは、真空、Ａｒ、Ｎ2 などの不活性ガス雰囲気中で１２００〜１５００℃、好ましくは１２５０〜１４００℃の温度範囲で１〜１０時間程度焼結することにより、相対密度９５％以上に緻密化することができる。
【００２３】
このときの焼成温度が１２００℃よりも低いと緻密化できず、１５００℃を越えると、成形体が溶融したり、粒成長を伴い、低熱伝導性、高強度の特性を損なう。
【００２４】
また、セラミックスの粒界に希土類元素酸化物と酸化ケイ素との複合酸化物結晶相が析出させるためには、焼成後の冷却過程で、最高焼成温度から１０００℃までの温度領域を１０℃／ｍｉｎ以下、特に５℃／ｍｉｎ以下の速度で冷却すればよい。この温度領域の冷却速度が１０℃／ｍｉｎよりも速いと粒界に希土類元素酸化物と酸化ケイ素との複合酸化物結晶相を析出させることが困難である。なお、徐冷温度領域は、最高焼成温度から１０００℃以下の領域まで拡大しても  何ら差し支えない。
【００２５】
【実施例】
平均粒径が１〜６μｍのコージライト粉末と、平均粒径が０．５〜３μｍの希土類元素酸化物粉末、さらに平均粒径が１μｍ以下の窒化珪素、炭化珪素、酸窒化珪素の各粉末を用いて、表１に示す組成になるように調合後、ボールミルで２４時間混合した後、１ｔ／ｃｍ2 の圧力で金型成形した。そして、その成形体をアルミナの匣鉢に入れて大気中もしくは窒化珪素、炭化珪素、酸窒化珪素を含むものは窒素雰囲気中、表１の条件で焼成した後、さらに１０００℃までの温度領域を表１の冷却速度で冷却した。
【００２６】
得られたセラミックスを研磨し、１０ｍｍφ×３ｍｍ、３×４×１５ｍｍの大きさに研削加工し、この試料の室温、８００℃のＪＩＳＲ１６０１に基づく４点曲げ強度を測定した。また、レーザーフラッシュ法（試料厚み３ｍｍ）により室温における熱伝導率を測定した。また焼結体を鏡面加工し、走査型電子顕微鏡写真からインタセプト法に基づきコージェライト結晶相の平均粒径を測定した。さらに、Ｘ線回折測定によって、セラミックス中の結晶相を同定した。結果は、表１に示した。
【００２７】
【表１】
0003856939.tif 000002
【００２８】
【表２】
0003856939.tif 000003
【００２９】
表１、２の結果から明らかなように、従来のコージェライトト焼結体である試料Ｎo.１では、熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋと低熱伝導率であるが、８００℃における強度が３０ＭＰａと低い。
【００３０】
これに対して、本発明に基づき、希土類元素酸化物を所定比率で添加するとともに、コージェライト結晶の平均粒径、開気孔率、粒界結晶相を制御することにより、熱伝導率を５Ｗ／ｍ・Ｋを達成しながら、８００℃における強度を８０ＭＰａ以上に高めることができた。
【００３１】
しかし、希土類元素量が酸化物換算で２０重量％よりも多い試料Ｎo.８や０．５重量％より低い試料Ｎo.９では、結晶粒径が１０μｍを越え、８００℃における強度が８０ＭＰａよりも低く、熱伝導率も５Ｗ／ｍ・Ｋを超えるものであった。
【００３２】
また、原料粉末に粒径の大きいコージェライト粉末や希土類元素酸化物粉末を用いた試料Ｎo.１２，１５でも、コージェライト結晶粒径が１０μｍを越え、８００℃における強度が強度が８０ＭＰａよりも低く、熱伝導率も５Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものであった。
【００３３】
また、添加成分を適量配合した系に、窒化珪素、炭化珪素、酸窒化珪素を添加することにより強度の向上が見られた。しかし、その量が３０重量％を越える試料Ｎo.２６では、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋを越えてしまい目的に適さないものであった。
【００３４】
また、焼成温度については、１２００℃よりも低い試料Ｎo.２２では、緻密化することができず開気孔率が大きく、１５００℃よりも高い試料Ｎo.２３では、強度の低下、熱伝導率の向上がみられた。
【００３５】
さらに、冷却速度が１０℃／ｍｉｎよりも速い試料Ｎo.２９では、粒界に希土類元素酸化物と酸化ケイ素との結晶相が析出しておらず、その結果、低熱伝導性を有するものの、８００℃における強度が不十分であった。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明のエンジン用部品は、コージェライトの優れた低熱伝導率を維持しつつ、８００℃の高温での強度を高めることができる。その結果、断熱性に優れしかも高い強度が要求されるピストン、シリンダ等のエンジン部品等として用いることにより、エンジンにおける信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】エンジンの概略断面図である。
【符号の説明】
１  ピストンクラウン
２  シリンダライナ
３  ピストン耐摩環
４  シリンダヘッドライナ
５  チャンバ
６  排気ポートライナ
【図１】
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