JP2001123884A - 調整された機械的特性を有するピストン - Google Patents
調整された機械的特性を有するピストンInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ピストンの他の領域よりも比較的に高いサー
ビス温度に供されるクラウン領域を含む内燃機関用の鋳
造ピストンであって、老朽化に対して良好な耐久性を有
するピストンを提供することにある。 【解決手段】 本発明のピストンは、クラウン領域と他
の領域とを有している。クラウン領域は、補強材料を伴
う合金マトリックス及び強化析出物を含む微細構造を有
しており、このクラウン領域の強化析出物は、より低い
サービス温度に供されるピストンの他の領域の微細構造
中に形成された別の強化析出物に比して、老朽化に対し
てより良好な耐久性を有しており、この強化析出物によ
り、クラウン領域には、より高いサービス温度に適した
強度特性が与えられている。ピストンの他の領域におけ
る別の析出物は、他の領域で、比較的に低いサービス温
度に適した強度特性を与える。
ビス温度に供されるクラウン領域を含む内燃機関用の鋳
造ピストンであって、老朽化に対して良好な耐久性を有
するピストンを提供することにある。 【解決手段】 本発明のピストンは、クラウン領域と他
の領域とを有している。クラウン領域は、補強材料を伴
う合金マトリックス及び強化析出物を含む微細構造を有
しており、このクラウン領域の強化析出物は、より低い
サービス温度に供されるピストンの他の領域の微細構造
中に形成された別の強化析出物に比して、老朽化に対し
てより良好な耐久性を有しており、この強化析出物によ
り、クラウン領域には、より高いサービス温度に適した
強度特性が与えられている。ピストンの他の領域におけ
る別の析出物は、他の領域で、比較的に低いサービス温
度に適した強度特性を与える。
Description
【０００１】
【発明の分野】本発明は、内燃機関用のピストンに関す
る。
る。
【０００２】
【発明の背景】鋳造アルミニウム合金ピストンは、内燃
機関において広く使用されている。このような鋳造アル
ミニウム合金ピストンは、代表的には、析出硬化熱処理
によって、鋳造後、強化される。このために、アルミニ
ウム合金は、合金元素、例えばＳｉ、Ｍｇ、Ｃｕ等を含
んでおり、これら合金元素は、後鋳造（ポスト−キャス
ト）析出硬化熱処理の結果としての合金微細構造中に合
金の及び他の強化析出物を形成する。
機関において広く使用されている。このような鋳造アル
ミニウム合金ピストンは、代表的には、析出硬化熱処理
によって、鋳造後、強化される。このために、アルミニ
ウム合金は、合金元素、例えばＳｉ、Ｍｇ、Ｃｕ等を含
んでおり、これら合金元素は、後鋳造（ポスト−キャス
ト）析出硬化熱処理の結果としての合金微細構造中に合
金の及び他の強化析出物を形成する。
【０００３】内燃機関の運転中、ピストンの異なる領域
は、実質的に異なる温度で動作している。例えば、特定
のガソリンエンジンにおいて、ピストンのクラウンは、
典型的には、約３００℃の温度に達する。この温度は、
ピストンのボス及びスカートの温度（例えば、２００℃
未満）よりも非常に高い。ピストンのクラウンにおける
より高い温度によって、その微細構造は、いわゆる老朽
化することになる。即ち、クラウンの強度をより低い温
度のピストンのボス及びスカートの強度よりも速く低下
させるように、微細構造中に存在する強化析出物のサイ
ズは大きくなる。このような事態は好ましくなく、運転
中、ピストンのクラウンは、より高いサービス温度とそ
れに伴う燃焼応力に耐える高い強度を有するべきであ
る。
は、実質的に異なる温度で動作している。例えば、特定
のガソリンエンジンにおいて、ピストンのクラウンは、
典型的には、約３００℃の温度に達する。この温度は、
ピストンのボス及びスカートの温度（例えば、２００℃
未満）よりも非常に高い。ピストンのクラウンにおける
より高い温度によって、その微細構造は、いわゆる老朽
化することになる。即ち、クラウンの強度をより低い温
度のピストンのボス及びスカートの強度よりも速く低下
させるように、微細構造中に存在する強化析出物のサイ
ズは大きくなる。このような事態は好ましくなく、運転
中、ピストンのクラウンは、より高いサービス温度とそ
れに伴う燃焼応力に耐える高い強度を有するべきであ
る。
【０００４】分散粒子としての又は微粒子から形成され
る１以上の予備成形された挿入物としての補強粒子を含
ませることにより、金属及び合金の１以上の特性（例え
ば、強度、靭性、耐摩耗性、耐疲労性など）を改善する
ことは、当業界においてよく知られている。補強粒子
は、細長い繊維、丸い粒子及び他の粒子形状を含むこと
ができる。このような補強された金属又は合金は、金属
マトリックス複合物（ＭＭＣ）として注目されている。
ここで、金属マトリックス複合物では、金属又は合金
は、補強粒子に対してマトリックスを提供している。米
国特許第5679041号及び米国特許第5588477号には、様々
な補強粒子及びマトリックス金属／合金を有する金属マ
トリックス複合物が記載されている。
る１以上の予備成形された挿入物としての補強粒子を含
ませることにより、金属及び合金の１以上の特性（例え
ば、強度、靭性、耐摩耗性、耐疲労性など）を改善する
ことは、当業界においてよく知られている。補強粒子
は、細長い繊維、丸い粒子及び他の粒子形状を含むこと
ができる。このような補強された金属又は合金は、金属
マトリックス複合物（ＭＭＣ）として注目されている。
ここで、金属マトリックス複合物では、金属又は合金
は、補強粒子に対してマトリックスを提供している。米
国特許第5679041号及び米国特許第5588477号には、様々
な補強粒子及びマトリックス金属／合金を有する金属マ
トリックス複合物が記載されている。
【０００５】アルミニウムを基本とするＭＭＣは、内燃
機関のピストンの選択的補強材の用途に候補材料として
考慮されてきた。例えば、米国特許第4920864号及び米
国特許第5505171号には、補強目的でＭＭＣ構造を有す
るピストンクラウン又はヘッドを備えたピストンが記載
されている。
機関のピストンの選択的補強材の用途に候補材料として
考慮されてきた。例えば、米国特許第4920864号及び米
国特許第5505171号には、補強目的でＭＭＣ構造を有す
るピストンクラウン又はヘッドを備えたピストンが記載
されている。
【０００６】本発明の目的は、ピストンの微細構造を選
択的に制御することによって、ピストンの機械的物性
を、ピストンの異なる領域が受ける異なるサービス条件
に選択的に調整することを特徴とする、内燃機関のため
の鋳造ピストン及びその製造方法を提供することであ
る。
択的に制御することによって、ピストンの機械的物性
を、ピストンの異なる領域が受ける異なるサービス条件
に選択的に調整することを特徴とする、内燃機関のため
の鋳造ピストン及びその製造方法を提供することであ
る。
【０００７】
【発明の概要】本発明は、内燃機関用の鋳造ピストン及
びその製造方法を提供するものであり、クラウン領域
が、補強材料を伴う金属マトリックス及び強化析出物を
含む微細構造を含み、クラウン領域の強化析出物は、ピ
ストンの他の領域の微細構造中に形成された別の強化析
出物と比べて、機関の使用期間中の老朽化に対してより
良好な耐久性を有しており、この強化析出物により、よ
り高いクラウンサービス温度に適した強度特性（例え
ば、疲労強度）が与えられている。別の析出物は、ピス
トンの他の領域で、その領域が受ける比較的に低い温度
に適した強度特性（例えば、疲労強度）を与える。これ
により、本発明は、疲労強度などの強度特性を有するピ
ストンを提供するものである。この強度特性は、ピスト
ンの異なる領域で受ける異なるサービス温度に対して選
択的に調整されている。
びその製造方法を提供するものであり、クラウン領域
が、補強材料を伴う金属マトリックス及び強化析出物を
含む微細構造を含み、クラウン領域の強化析出物は、ピ
ストンの他の領域の微細構造中に形成された別の強化析
出物と比べて、機関の使用期間中の老朽化に対してより
良好な耐久性を有しており、この強化析出物により、よ
り高いクラウンサービス温度に適した強度特性（例え
ば、疲労強度）が与えられている。別の析出物は、ピス
トンの他の領域で、その領域が受ける比較的に低い温度
に適した強度特性（例えば、疲労強度）を与える。これ
により、本発明は、疲労強度などの強度特性を有するピ
ストンを提供するものである。この強度特性は、ピスト
ンの異なる領域で受ける異なるサービス温度に対して選
択的に調整されている。
【０００８】本発明の実施態様（この実施態様は、説明
のためのみ提供されるものであって、限定のために提供
されない。）において、ピストンは、溶融したマトリッ
クス形成合金を鋳型に注入し、鋳型のクラウン形成領域
でセラミック補強材料及び溶融した合金を選択的に反応
させて、型のクラウン形成領域において合金組成物を局
所的に変性することによって鋳造される。合金組成物
は、鋳造ピストンの続く析出硬化熱処理によってピスト
ンのクラウン微細構造中に強化析出物（例えば、小板状
析出物）が選択的に形成されるように局所的に変性され
る。この強化析出物は、機関のサービス温度での老朽化
を低減することにより、機関のサービス温度でのピスト
ンのクラウン領域に優れた疲労強度を与える。同時に、
別の強化析出物（例えば、回転楕円面状析出物）は、ピ
ストンの他の領域の微細構造中に形成され、この領域が
受ける比較的に低いサービス温度での優れた疲労強度を
与える。
のためのみ提供されるものであって、限定のために提供
されない。）において、ピストンは、溶融したマトリッ
クス形成合金を鋳型に注入し、鋳型のクラウン形成領域
でセラミック補強材料及び溶融した合金を選択的に反応
させて、型のクラウン形成領域において合金組成物を局
所的に変性することによって鋳造される。合金組成物
は、鋳造ピストンの続く析出硬化熱処理によってピスト
ンのクラウン微細構造中に強化析出物（例えば、小板状
析出物）が選択的に形成されるように局所的に変性され
る。この強化析出物は、機関のサービス温度での老朽化
を低減することにより、機関のサービス温度でのピスト
ンのクラウン領域に優れた疲労強度を与える。同時に、
別の強化析出物（例えば、回転楕円面状析出物）は、ピ
ストンの他の領域の微細構造中に形成され、この領域が
受ける比較的に低いサービス温度での優れた疲労強度を
与える。
【０００９】本発明は、疲労強度などの機械的特性を有
するピストンを提供する。この機械的特性は、ピストン
の性能を改善するために内燃機関の運転中における、ピ
ストンの異なる領域の作動温度分布に適応するように調
整されている。
するピストンを提供する。この機械的特性は、ピストン
の性能を改善するために内燃機関の運転中における、ピ
ストンの異なる領域の作動温度分布に適応するように調
整されている。
【００１０】本発明の、上記及び他の、目的及び利点
は、以下の図面を組み合わせた以下の詳細な説明によっ
て直ちに明らかとなるであろう。
は、以下の図面を組み合わせた以下の詳細な説明によっ
て直ちに明らかとなるであろう。
【００１１】
【発明の説明】図１には、ガソリン、ディーゼル又は他
のスパーク点火式の内燃機関用の鋳造ピストン１０が概
略的に示されている。ピストン１０は、アルミニウム合
金体１２を含む。このアルミニウム合金体１２は、下部
に、スカート領域１６及びボス領域１８を、上部に、ヘ
ッド又はクラウン領域２０を含む。ヘッド又はクラウン
領域２０は、従来様式の一又はそれ以上の円周シーリン
グリング受け溝２２（二つ示されている）、及びシリン
ダー壁及びシリンダーヘッド（図示せず）と共に内燃機
関の燃焼室を規定する上向き壁２０ａを有する。ピスト
ンのボス領域１８は、ボスボア１８ａを含む。ボスボア
１８ａは、鋳造後ピストン内に機械加工により形成され
る。シーリング溝２２もまた、鋳造後ピストン内に機械
加工により形成される。
のスパーク点火式の内燃機関用の鋳造ピストン１０が概
略的に示されている。ピストン１０は、アルミニウム合
金体１２を含む。このアルミニウム合金体１２は、下部
に、スカート領域１６及びボス領域１８を、上部に、ヘ
ッド又はクラウン領域２０を含む。ヘッド又はクラウン
領域２０は、従来様式の一又はそれ以上の円周シーリン
グリング受け溝２２（二つ示されている）、及びシリン
ダー壁及びシリンダーヘッド（図示せず）と共に内燃機
関の燃焼室を規定する上向き壁２０ａを有する。ピスト
ンのボス領域１８は、ボスボア１８ａを含む。ボスボア
１８ａは、鋳造後ピストン内に機械加工により形成され
る。シーリング溝２２もまた、鋳造後ピストン内に機械
加工により形成される。
【００１２】上述したように、内燃機関の運転中、ピス
トンのクラウン領域２０は、典型的には、約３００℃の
サービス温度に達する。対照的に、スカート領域１６及
びボス領域１８は、２００℃未満の典型的なサービス温
度に達する。本発明は、スカート領域１６及びボス領域
１８に対して、クラウン領域２０が受ける異なるサービ
ス温度に対する鋳造ピストン１０の機械的物性、特に疲
労強度、を選択的に調整して、内燃機関の運転中のピス
トンの性能を改善することを含む。
トンのクラウン領域２０は、典型的には、約３００℃の
サービス温度に達する。対照的に、スカート領域１６及
びボス領域１８は、２００℃未満の典型的なサービス温
度に達する。本発明は、スカート領域１６及びボス領域
１８に対して、クラウン領域２０が受ける異なるサービ
ス温度に対する鋳造ピストン１０の機械的物性、特に疲
労強度、を選択的に調整して、内燃機関の運転中のピス
トンの性能を改善することを含む。
【００１３】本発明を説明する（限定ではない）目的
で、ピストン１０は、本発明の一態様に従って、溶融し
たマトリックス形成合金を鋳型３０（図２）に注入する
ことによって鋳造される。鋳型３０は、ピストンのヘッ
ド又はクラウン領域２０を形成するために形造られるク
ラウン形成型キャビティ領域３０ａ、及びピストンスカ
ート１６及びピストンボス１８を形成するための他の型
キャビティ領域３０ｂ、３０ｃを有する。ピストンボス
ボア１８ａ及びシーリング溝２２は、上述したように、
鋳造後、鋳造ピストン内に機械加工により形成される。
型３０は、典型的には、雌型３１及び雄型ポンチ３３を
含む。雌型３１及び雄型ポンチ３３は、雌型３１を満た
す溶融したマトリックス形成合金に圧力をかけるよう
に、従来の様式で相対的に動かすことができる。
で、ピストン１０は、本発明の一態様に従って、溶融し
たマトリックス形成合金を鋳型３０（図２）に注入する
ことによって鋳造される。鋳型３０は、ピストンのヘッ
ド又はクラウン領域２０を形成するために形造られるク
ラウン形成型キャビティ領域３０ａ、及びピストンスカ
ート１６及びピストンボス１８を形成するための他の型
キャビティ領域３０ｂ、３０ｃを有する。ピストンボス
ボア１８ａ及びシーリング溝２２は、上述したように、
鋳造後、鋳造ピストン内に機械加工により形成される。
型３０は、典型的には、雌型３１及び雄型ポンチ３３を
含む。雌型３１及び雄型ポンチ３３は、雌型３１を満た
す溶融したマトリックス形成合金に圧力をかけるよう
に、従来の様式で相対的に動かすことができる。
【００１４】型３０に溶融したマトリックス形成合金を
注入するに先立ち、セラミック補強材料４０をクラウン
形成領域３０ａ内に図２に示すように配置して、セラミ
ック補強材料に溶融した合金を浸透させ、セラミック補
強材料を鋳造ピストンのクラウン領域で鋳造ピストンに
組み込む。補強材料４０は、典型的には、雌ダイ３１の
底壁上に配置され、その結果、鋳造ピストン１０の上部
クラウン壁２０ａに又は上部クラウン壁２０ａの近くに
（例えば、数（１〜２）ミクロン以内に）補強材料４０
が配置される。
注入するに先立ち、セラミック補強材料４０をクラウン
形成領域３０ａ内に図２に示すように配置して、セラミ
ック補強材料に溶融した合金を浸透させ、セラミック補
強材料を鋳造ピストンのクラウン領域で鋳造ピストンに
組み込む。補強材料４０は、典型的には、雌ダイ３１の
底壁上に配置され、その結果、鋳造ピストン１０の上部
クラウン壁２０ａに又は上部クラウン壁２０ａの近くに
（例えば、数（１〜２）ミクロン以内に）補強材料４０
が配置される。
【００１５】本発明の一態様によれば、セラミック補強
材料４０及び溶融したマトリックス形成合金は、これら
が型のクラウン形成領域３０ａに接触した状態で反応し
て、クラウン形成領域においてマトリックス形成合金組
成物を局部的に変性するように、選択される。一方、こ
のマトリックス形成合金組成物は、型３０の他の領域３
０ｂ、３０ｃでは、本質的に変性されないままである。
一つ例を挙げれば、溶融した合金がＳｉ、Ｍｇ及びＣｕ
を含むアルミニウム合金を含む場合、この合金組成物
は、クラウン形成領域３０ａにおいて局部的に変性され
る。この変性は、鋳造ピストン１０の続く析出硬化熱処
理によって、ピストンクラウン領域２０の微細構造中に
小板状析出物を含む析出物が形成されるように行う。こ
れとは対照的に、鋳造ピストンのスカート及びボス領域
１６、１８においては、変性されていない合金組成物の
微細構造中に、回転楕円面状又は円形状の析出物が形成
される。
材料４０及び溶融したマトリックス形成合金は、これら
が型のクラウン形成領域３０ａに接触した状態で反応し
て、クラウン形成領域においてマトリックス形成合金組
成物を局部的に変性するように、選択される。一方、こ
のマトリックス形成合金組成物は、型３０の他の領域３
０ｂ、３０ｃでは、本質的に変性されないままである。
一つ例を挙げれば、溶融した合金がＳｉ、Ｍｇ及びＣｕ
を含むアルミニウム合金を含む場合、この合金組成物
は、クラウン形成領域３０ａにおいて局部的に変性され
る。この変性は、鋳造ピストン１０の続く析出硬化熱処
理によって、ピストンクラウン領域２０の微細構造中に
小板状析出物を含む析出物が形成されるように行う。こ
れとは対照的に、鋳造ピストンのスカート及びボス領域
１６、１８においては、変性されていない合金組成物の
微細構造中に、回転楕円面状又は円形状の析出物が形成
される。
【００１６】典型的なアルミニウム合金は、約０．５〜
約１．５重量％のＭｇ、約０．５〜約５重量％のＣｕ、
約７〜約２０重量％のＳｉ及び残りの本質的なアルミニ
ウムを含む。しかし、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃｕ及びその他の可
能な合金元素を含む他の様々なアルミニウム合金も同様
に使用できる。そのようなアルミニウム合金が図２の型
内に注入され、型内でスクイーズキャストされる場合、
溶融した合金を通じて樹枝状結晶が生じ、発達して、金
属間化合物を含む凝固した微細構造が与えられる。この
金属間化合物は、凝固した合金微細構造中の樹枝状結晶
間及び／又は樹枝状結晶中の一次析出物として形成され
る。しかしながら、いくつかの残りのＳｉ、Ｍｇ及びＣ
ｕは、樹枝状結晶中に固溶状態で残される。
約１．５重量％のＭｇ、約０．５〜約５重量％のＣｕ、
約７〜約２０重量％のＳｉ及び残りの本質的なアルミニ
ウムを含む。しかし、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃｕ及びその他の可
能な合金元素を含む他の様々なアルミニウム合金も同様
に使用できる。そのようなアルミニウム合金が図２の型
内に注入され、型内でスクイーズキャストされる場合、
溶融した合金を通じて樹枝状結晶が生じ、発達して、金
属間化合物を含む凝固した微細構造が与えられる。この
金属間化合物は、凝固した合金微細構造中の樹枝状結晶
間及び／又は樹枝状結晶中の一次析出物として形成され
る。しかしながら、いくつかの残りのＳｉ、Ｍｇ及びＣ
ｕは、樹枝状結晶中に固溶状態で残される。
【００１７】セラミック補強材料４０は、凝固した樹枝
状結晶中の残りのマグネシウム濃度を低下させるよう
に、型のクラウン形成領域３０ａにおいて溶融したアル
ミニウム合金のマグネシウム成分と反応するために、選
択される。特に、樹枝状結晶中のマグネシウム濃度は、
型のクラウン形成領域３０ａにおいて低減され、凝固さ
れた鋳造ピストンの続く析出硬化熱処理の間に、ピスト
ンのクラウン領域２０の合金マトリックス微細構造にわ
たって小板状析出物を与える。しかし、小板状析出物の
いくらか少量は、型３０内の溶融したアルミニウム合金
の凝固及び冷却の間に、その冷却速度に応じて生じても
よい。この目的のために実例となるＭｇ濃度は、実施例
において後述する。セラミック／合金反応により生成す
るアルミニウム合金のマグネシウム消耗領域は、典型的
には、セラミック補強材料４０（例えば、プリフォーム
繊維）のきわめて近接した範囲内（例えば、数（１〜
２）ミクロンの範囲内）に制限される。
状結晶中の残りのマグネシウム濃度を低下させるよう
に、型のクラウン形成領域３０ａにおいて溶融したアル
ミニウム合金のマグネシウム成分と反応するために、選
択される。特に、樹枝状結晶中のマグネシウム濃度は、
型のクラウン形成領域３０ａにおいて低減され、凝固さ
れた鋳造ピストンの続く析出硬化熱処理の間に、ピスト
ンのクラウン領域２０の合金マトリックス微細構造にわ
たって小板状析出物を与える。しかし、小板状析出物の
いくらか少量は、型３０内の溶融したアルミニウム合金
の凝固及び冷却の間に、その冷却速度に応じて生じても
よい。この目的のために実例となるＭｇ濃度は、実施例
において後述する。セラミック／合金反応により生成す
るアルミニウム合金のマグネシウム消耗領域は、典型的
には、セラミック補強材料４０（例えば、プリフォーム
繊維）のきわめて近接した範囲内（例えば、数（１〜
２）ミクロンの範囲内）に制限される。
【００１８】結果として、型３０の他の領域での合金組
成物は、実質的に未変性のまま残り、比較的高いマグネ
シウム濃度を有することになる。こうして、樹枝状結晶
中の比較的高いＭｇは、続く析出硬化熱処理の間に鋳造
ピストンのスカート、ボス及び他の領域における合金マ
トリックス微細構造にわたって回転楕円面状又は円形状
の析出物を析出させるのに効果的である。しかし、回転
楕円面状析出物の析出のいくらか少量は、型３０内の溶
融したアルミニウム合金の凝固の間に、型内の溶融した
合金の冷却速度に応じて生じてもよい。
成物は、実質的に未変性のまま残り、比較的高いマグネ
シウム濃度を有することになる。こうして、樹枝状結晶
中の比較的高いＭｇは、続く析出硬化熱処理の間に鋳造
ピストンのスカート、ボス及び他の領域における合金マ
トリックス微細構造にわたって回転楕円面状又は円形状
の析出物を析出させるのに効果的である。しかし、回転
楕円面状析出物の析出のいくらか少量は、型３０内の溶
融したアルミニウム合金の凝固の間に、型内の溶融した
合金の冷却速度に応じて生じてもよい。
【００１９】ピストンのスカート、ボス及び他の領域の
微細構造中に優先的に形成された強化析出物は、シリコ
ンの回転楕円面状析出物及び回転楕円面状粒子としての
四元素Si-Cu-Mg-Al化合物を含む。強化析出物は、析出
硬化された微細構造中に現れ、一般の回転楕円面状又は
円形状のモルフォロジーを有する。強化析出物の典型的
な粒径は、約５０ｎｍであり、図３中に灰色の回転楕円
面状析出物Ｑとして示される。図３において、線状の特
徴は、転位を構成する。
微細構造中に優先的に形成された強化析出物は、シリコ
ンの回転楕円面状析出物及び回転楕円面状粒子としての
四元素Si-Cu-Mg-Al化合物を含む。強化析出物は、析出
硬化された微細構造中に現れ、一般の回転楕円面状又は
円形状のモルフォロジーを有する。強化析出物の典型的
な粒径は、約５０ｎｍであり、図３中に灰色の回転楕円
面状析出物Ｑとして示される。図３において、線状の特
徴は、転位を構成する。
【００２０】クラウン領域２０の合金マトリックス微細
構造中に優先的に形成される小板状析出物も、シリコン
の小板及び小板（platelet）としての一又はそれ以上の
四元素Si-Cu-Mg-Al化合物を含むと信じられる。しか
し、本発明は、析出物のいかなる特定の組成に限定しよ
うとするものではない。析出硬化された微細構造中に、
両析出物は、小板状のモルフォロジー（典型的な小板の
横断（即ち幅）寸法は、５００〜１０００ナノメートル
（ｎｍ）の直径及び３０ｎｍの厚さである。）を有して
現れる。小板状析出物は、図４にＮとして示される。ク
ラウン領域２０の微細構造は、いくらかの回転楕円面状
析出物を含んでもよい。
構造中に優先的に形成される小板状析出物も、シリコン
の小板及び小板（platelet）としての一又はそれ以上の
四元素Si-Cu-Mg-Al化合物を含むと信じられる。しか
し、本発明は、析出物のいかなる特定の組成に限定しよ
うとするものではない。析出硬化された微細構造中に、
両析出物は、小板状のモルフォロジー（典型的な小板の
横断（即ち幅）寸法は、５００〜１０００ナノメートル
（ｎｍ）の直径及び３０ｎｍの厚さである。）を有して
現れる。小板状析出物は、図４にＮとして示される。ク
ラウン領域２０の微細構造は、いくらかの回転楕円面状
析出物を含んでもよい。
【００２１】上述したように合金組成物を変性させる実
例的反応は、上述したタイプの、シリカ担持（silica-b
earing）セラミック補強材料４０及びアルミニウム合金
を使用することによって与えられる。即ち、反応： ＳｉＯ2＋２Ｍｇ＝２ＭｇＯ＋Ｓｉ が、セラミック補強材料のシリカと合金のマグネシウム
との間で起こる。この反応において、補強材料のシリカ
成分は、アルミニウム合金のマグネシウム合金成分と反
応して、酸化マグネシウム及び珪素を形成する。これら
は、界面層として導入されることになる。上記の反応を
型のクラウン形成領域３０ａで達成するのに効果的であ
ると判明した好適なセラミック補強材料としては、例え
ば、互いにシリカ結合剤で結合された９６重量％のアル
ミナ及び４重量％のシリカを含むアルミノ−シリケート
が挙げられる。しかし、他のシリカ担持セラミック材料
をこの同じ目的に使用することができる。
例的反応は、上述したタイプの、シリカ担持（silica-b
earing）セラミック補強材料４０及びアルミニウム合金
を使用することによって与えられる。即ち、反応： ＳｉＯ2＋２Ｍｇ＝２ＭｇＯ＋Ｓｉ が、セラミック補強材料のシリカと合金のマグネシウム
との間で起こる。この反応において、補強材料のシリカ
成分は、アルミニウム合金のマグネシウム合金成分と反
応して、酸化マグネシウム及び珪素を形成する。これら
は、界面層として導入されることになる。上記の反応を
型のクラウン形成領域３０ａで達成するのに効果的であ
ると判明した好適なセラミック補強材料としては、例え
ば、互いにシリカ結合剤で結合された９６重量％のアル
ミナ及び４重量％のシリカを含むアルミノ−シリケート
が挙げられる。しかし、他のシリカ担持セラミック材料
をこの同じ目的に使用することができる。
【００２２】セラミック補強材料４０と溶融したマトリ
ックス形成合金組成物との間の反応は、上述した目的の
ために型のクラウン形成領域３０ａ中で合金組成物を局
部的に変性するのみならず、セラミック補強材料（例え
ば、セラミック繊維及び／又は粒子）と凝固したマトリ
ックス合金との間に強力な界面結合を形成する。その結
果、クラウンの微細構造の機械的補強が増大する。
ックス形成合金組成物との間の反応は、上述した目的の
ために型のクラウン形成領域３０ａ中で合金組成物を局
部的に変性するのみならず、セラミック補強材料（例え
ば、セラミック繊維及び／又は粒子）と凝固したマトリ
ックス合金との間に強力な界面結合を形成する。その結
果、クラウンの微細構造の機械的補強が増大する。
【００２３】その後、鋳造ピストンは、析出硬化熱処理
に供される。この処理では、上述した小板状析出物がピ
ストンのクラウン領域２０の凝固した樹枝状の微細構造
にわたって析出物の非常に微細な分散状態を形成し、回
転楕円面状又は円形状の析出物がピストンのスカート１
６、ボス１８及び他の領域の凝固した樹枝状の微細構造
にわたって析出物の非常に微細な分散状態を形成する。
析出硬化熱処理は、凝固した鋳造ピストンを２１０℃で
８時間加熱して、公知の所謂Ｔ５熱処理条件を生成する
ことを、典型的には含む。しかしながら、本発明は、い
ずれの特定の析出硬化熱処理パラメータに限定されな
い。Ｔ５析出硬化熱処理は、本発明を実施するにあたっ
て使用されることができ、より高い機関のサービス温度
に曝されるピストンのクラウン領域２０において、小板
状析出物によって、優れた疲労強度が発達し、更にま
た、より低い機関のサービス温度に曝されるピストンの
他の領域において、これら領域の微細構造における回転
楕円面状の強化析出物の存在によって、優れた疲労強度
が提供される。
に供される。この処理では、上述した小板状析出物がピ
ストンのクラウン領域２０の凝固した樹枝状の微細構造
にわたって析出物の非常に微細な分散状態を形成し、回
転楕円面状又は円形状の析出物がピストンのスカート１
６、ボス１８及び他の領域の凝固した樹枝状の微細構造
にわたって析出物の非常に微細な分散状態を形成する。
析出硬化熱処理は、凝固した鋳造ピストンを２１０℃で
８時間加熱して、公知の所謂Ｔ５熱処理条件を生成する
ことを、典型的には含む。しかしながら、本発明は、い
ずれの特定の析出硬化熱処理パラメータに限定されな
い。Ｔ５析出硬化熱処理は、本発明を実施するにあたっ
て使用されることができ、より高い機関のサービス温度
に曝されるピストンのクラウン領域２０において、小板
状析出物によって、優れた疲労強度が発達し、更にま
た、より低い機関のサービス温度に曝されるピストンの
他の領域において、これら領域の微細構造における回転
楕円面状の強化析出物の存在によって、優れた疲労強度
が提供される。
【００２４】表１から明らかなように、析出硬化熱処理
の使用にかかわらず、回転楕円面状の強化析出物が、小
板状析出物よりも、合金に対する大きな強度を最初は付
与する。しかしながら、回転楕円面状析出物は、高温
（例えば、クラウン領域２０での機関のサービス温度）
では、小板状析出物よりも速く老化する。この結果、高
いサービス温度（例えば、３００℃以上）に長期間曝さ
れた後では、小板状析出物は、回転楕円面状析出物（例
えば、表１において、引張り強度２０５ＭＰａ）よりも
高い強度（例えば、表１において、引張り強度２１９Ｍ
Ｐａ）を与える。こうして、小板状析出物は、ピストン
のクラウン領域２０において好適であり、一方、回転楕
円面状析出物は、ピストンの他の領域に好適である。
の使用にかかわらず、回転楕円面状の強化析出物が、小
板状析出物よりも、合金に対する大きな強度を最初は付
与する。しかしながら、回転楕円面状析出物は、高温
（例えば、クラウン領域２０での機関のサービス温度）
では、小板状析出物よりも速く老化する。この結果、高
いサービス温度（例えば、３００℃以上）に長期間曝さ
れた後では、小板状析出物は、回転楕円面状析出物（例
えば、表１において、引張り強度２０５ＭＰａ）よりも
高い強度（例えば、表１において、引張り強度２１９Ｍ
Ｐａ）を与える。こうして、小板状析出物は、ピストン
のクラウン領域２０において好適であり、一方、回転楕
円面状析出物は、ピストンの他の領域に好適である。
【００２５】
【表１】
【００２６】異なる析出物が異なるＭｇ濃度でどのよう
に形成され得るか検証するために、３３９アルミニウム
ベース合金を（セラミック補強材料なしで）、異なるマ
グネシウム濃度で、含む析出硬化された引張り試験片を
使用して、表１に示された引張り強度値を測定した。例
えば、合金における１．１５重量％及び０．７３重量％
のマグネシウム濃度は、３３９アルミニウム合金におけ
る１．１重量％のＣｕ濃度に対して使用された。異なる
Ｍｇ濃度は、Ｔ５析出硬化熱処理によるマトリックス微
細構造において異なる強化析出物の形成をもたらした。
特に、Ｍｇ濃度が高いほど、試験片（図３）における上
述した回転楕円面状析出物のみが生成し、一方、Ｍｇ濃
度が低いほど、引張り試験片（図４）における上述した
小板状析出物及び回転楕円面状析出物の組み合わせが生
成した。
に形成され得るか検証するために、３３９アルミニウム
ベース合金を（セラミック補強材料なしで）、異なるマ
グネシウム濃度で、含む析出硬化された引張り試験片を
使用して、表１に示された引張り強度値を測定した。例
えば、合金における１．１５重量％及び０．７３重量％
のマグネシウム濃度は、３３９アルミニウム合金におけ
る１．１重量％のＣｕ濃度に対して使用された。異なる
Ｍｇ濃度は、Ｔ５析出硬化熱処理によるマトリックス微
細構造において異なる強化析出物の形成をもたらした。
特に、Ｍｇ濃度が高いほど、試験片（図３）における上
述した回転楕円面状析出物のみが生成し、一方、Ｍｇ濃
度が低いほど、引張り試験片（図４）における上述した
小板状析出物及び回転楕円面状析出物の組み合わせが生
成した。
【００２７】本発明の実施において、セラミック補強材
料４０と型のクラウン形成領域３０ａにおけるマトリッ
クス形成合金のマグネシウム（又は他の反応性の合金元
素）との間の反応は、鋳造の間の型のクラウン形成領域
における合金に関する、セラミック補強材料の化学組成
及び体積フラクション、型のクラウン形成領域における
セラミック補強材料及び合金の温度、溶融した合金の冷
却速度、及び析出硬化によってクラウン領域以外のピス
トン領域で微細構造中に回転楕円面状の析出物を形成す
るために要求される量又はその量より過剰な量に、Ｍｇ
濃度が制御されている合金組成、の適切な選択によって
制御される。これらパラメーターの様々な組み合わせを
採用することによって、セラミック補強材料と型のクラ
ウン形成領域における溶融した合金との間の反応の必要
量が提供され、本発明で規定するピストンの異なる領域
が受ける異なるサービス条件に対してピストンの微細構
造の機械的特性を選択的に調整することができる。
料４０と型のクラウン形成領域３０ａにおけるマトリッ
クス形成合金のマグネシウム（又は他の反応性の合金元
素）との間の反応は、鋳造の間の型のクラウン形成領域
における合金に関する、セラミック補強材料の化学組成
及び体積フラクション、型のクラウン形成領域における
セラミック補強材料及び合金の温度、溶融した合金の冷
却速度、及び析出硬化によってクラウン領域以外のピス
トン領域で微細構造中に回転楕円面状の析出物を形成す
るために要求される量又はその量より過剰な量に、Ｍｇ
濃度が制御されている合金組成、の適切な選択によって
制御される。これらパラメーターの様々な組み合わせを
採用することによって、セラミック補強材料と型のクラ
ウン形成領域における溶融した合金との間の反応の必要
量が提供され、本発明で規定するピストンの異なる領域
が受ける異なるサービス条件に対してピストンの微細構
造の機械的特性を選択的に調整することができる。
【００２８】以下の記載は、公称で、１２重量％のＳ
ｉ、１重量％のＣｕ、１重量％のＭｇ、１重量％のＮ
ｉ、及び０．５重量％のＦｅ、並びに残りのアルミニウ
ムを含む３３９アルミニウム合金から成るガソリンエン
ジンピストンを鋳造するために採用し得る圧入鋳造パラ
メーターを説明する。アルミノ−シリケート（上述した
シリカ結合剤を伴うアルミナ繊維／シリカ繊維）を含む
多孔性の円盤形状のプリフォームを図２に示す雌型３１
中に配置する。このプリフォームは、マトリックス合金
の体積に関して１５％の体積フラクションを与えるため
に選択される。６００℃のプリフォーム温度、７３０℃
の金属温度及びパンチ３３によってかけられる７０ＭＰ
ａの最終加圧を使用して、プリフォームに溶融した３３
９アルミニウム合金をしみ込ませる。合金は、型中で固
化される。固化された鋳造ピストンは、型から取り出さ
れた後、前述した析出硬化熱処理に供することができ
る。
ｉ、１重量％のＣｕ、１重量％のＭｇ、１重量％のＮ
ｉ、及び０．５重量％のＦｅ、並びに残りのアルミニウ
ムを含む３３９アルミニウム合金から成るガソリンエン
ジンピストンを鋳造するために採用し得る圧入鋳造パラ
メーターを説明する。アルミノ−シリケート（上述した
シリカ結合剤を伴うアルミナ繊維／シリカ繊維）を含む
多孔性の円盤形状のプリフォームを図２に示す雌型３１
中に配置する。このプリフォームは、マトリックス合金
の体積に関して１５％の体積フラクションを与えるため
に選択される。６００℃のプリフォーム温度、７３０℃
の金属温度及びパンチ３３によってかけられる７０ＭＰ
ａの最終加圧を使用して、プリフォームに溶融した３３
９アルミニウム合金をしみ込ませる。合金は、型中で固
化される。固化された鋳造ピストンは、型から取り出さ
れた後、前述した析出硬化熱処理に供することができ
る。
【００２９】本発明は、その特別の態様の表現で主に開
示されてきたが、本発明はこれら態様に限定されず、む
しろ、特許請求の範囲に示された範囲にのみ制限され
る。
示されてきたが、本発明はこれら態様に限定されず、む
しろ、特許請求の範囲に示された範囲にのみ制限され
る。
【図１】 本発明の一態様に従って製造できる内燃機関
のピストンの概略断面図である。
のピストンの概略断面図である。
【図２】 本発明の一態様に従ってピストンを鋳造する
場合における、鋳型の概略断面図である。
場合における、鋳型の概略断面図である。
【図３】 回転楕円面状析出物を有する、特定の析出硬
化された３３９アルミニウム合金の顕微鏡写真である。
化された３３９アルミニウム合金の顕微鏡写真である。
【図４】 より少ないＭｇを含むように合金組成物を変
性することにより形成された回転楕円面状析出物及び小
板状析出物の両方を有する、同様な析出硬化された３３
９アルミニウム合金の顕微鏡写真である。
性することにより形成された回転楕円面状析出物及び小
板状析出物の両方を有する、同様な析出硬化された３３
９アルミニウム合金の顕微鏡写真である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アニル・ケイ・ザクデフ アメリカ合衆国ミシガン州48309，ロチェ スター・ヒルズ，ブレットン・ドライブ・ サウス 2152 (72)発明者 ラジャ・ケイ・ミシュラ アメリカ合衆国ミシガン州48315，シェル ビー・タウンシップ，イロコイ・レーン 54280
Claims (18)
- 【請求項１】 ピストンの他の領域よりも比較的に高い
サービス温度に供されるクラウン領域を含む、内燃機関
用の鋳造ピストンにおいて、 クラウン領域が、補強材料を伴う金属マトリックス及び
強化析出物を含む微細構造を有しており、 強化析出物により、クラウン領域には、より高いサービ
ス温度に適した強度特性が与えられており、 クラウン領域の強化析出物は、ピストンの他の領域の微
細構造中に形成された別の強化析出物よりも、機関の使
用期間中の老朽化に対してより良好な耐久性を有してお
り、 別の析出物は、他の領域で、比較的に低いサービス温度
に適した強度特性を与える、ことを特徴とするピスト
ン。 - 【請求項２】 アルミニウム合金を含む請求項１に記載
のピストン。 - 【請求項３】 アルミニウム合金が、合金元素としてＭ
ｇを含む請求項２に記載のピストン。 - 【請求項４】 補強材料が、Ｍｇ合金元素と反応するセ
ラミック材料を含む請求項３に記載のピストン。 - 【請求項５】 補強材料が、プリフォームを構成する請
求項１に記載のピストン。 - 【請求項６】 クラウン領域が、他の領域の別の析出物
のモルフォロジーとは異なるモルフォロジーを有する強
化析出物を含む請求項１に記載のピストン。 - 【請求項７】 クラウン領域が小板状析出物を含み、他
の領域が回転楕円面状析出物を含む請求項５に記載のピ
ストン。 - 【請求項８】 回転楕円面状析出物が、ケイ素を含む請
求項７に記載のピストン。 - 【請求項９】 小板状析出物が、ケイ素を含む請求項７
に記載のピストン。 - 【請求項１０】 ピストンの他の領域よりも比較的に高
いサービス温度に供されるクラウン領域を含む、内燃機
関用の鋳造アルミニウム合金ピストンにおいて、 クラウン領域が、セラミック補強材料及び小板状析出物
を含む微細構造を有しており、 他の領域が、回転楕円状析出物を含む微細構造を有して
いる、ことを特徴とするピストン。 - 【請求項１１】 クラウン領域の微細構造が、合金組成
に関して、他の領域の微細構造とは異なる請求項１０に
記載のピストン。 - 【請求項１２】 クラウン領域における合金マトリック
スのＭｇ濃度が、他の領域におけるものよりも小さい請
求項１１に記載のピストン。 - 【請求項１３】 溶融したマトリックス形成合金を鋳型
に注入し（鋳型のクラウン形成領域でセラミック補強材
料及び溶融したマトリックス形成合金を反応させてクラ
ウン形成領域において合金組成物を局所的に変性するこ
とを含む）、 合金を固化して、クラウン領域及び他の領域を有する鋳
造ピストンを形成し、及び鋳造ピストンを析出硬化し、 その結果、局所的に変性された合金組成物が、クラウン
領域に強化析出物を生成し、 クラウン領域の強化析出物は、鋳造ピストンの他の領域
における変性されていない合金組成物によって形成され
る別の析出物よりも、機関の使用期間中の老朽化に対し
てより良好な耐久性を有しており、この強化析出物によ
り、より高いサービス温度に適した強度特性が与えられ
ており、 別の析出物は、他の領域において、比較的に低いサービ
ス温度に適した強度特性を与える、ことを特徴とする内
燃機関用のピストンを製造する方法。 - 【請求項１４】 補強材料が、セラミックプリフォーム
を構成する請求項１３に記載の方法。 - 【請求項１５】 ピストン型が、金属製の型を含む請求
項１３に記載の方法。 - 【請求項１６】 変性された合金組成物が、他の領域の
析出物とは異なるモルフォロジーをピストンクラウンに
生成する請求項１３に記載の方法。 - 【請求項１７】 マグネシウムを含む溶融したマトリッ
クス形成アルミニウム合金を鋳型に注入し（クラウン形
成領域に存在する合金のマグネシウム濃度を低減するこ
とによって合金組成物が局所的に変性するように、鋳型
のクラウン形成領域でセラミック補強材料及び溶融した
マトリックス形成アルミニウム合金のマグネシウムを反
応させることを含む）、 合金を固化して、クラウン領域及び他の領域を有する鋳
造ピストンを形成し、及び鋳造ピストンを析出硬化し、 その結果、低減されたマグネシウム濃度を有する変性さ
れた合金組成物が、クラウン領域に析出物を生成し、 クラウン領域の析出物は、鋳造ピストンの他の領域にお
ける変性されていない合金組成物において形成される別
の析出物よりも、機関の使用期間中の老朽化に対して改
善された耐久性を有しており、この析出物により、より
高いサービス温度に適した強度特性が与えられており、 別の析出物は、他の領域において、比較的に低いサービ
ス温度に適した強度特性を与える、ことを特徴とする内
燃機関用のピストンを製造する方法。 - 【請求項１８】 ピストンのクラウン領域が小板状析出
物を含み、他の領域が回転楕円面状析出物を含む請求項
１７に記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/401,908 US6202618B1 (en) | 1999-09-23 | 1999-09-23 | Piston with tailored mechanical properties |
| US09/401908 | 1999-09-23 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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|---|---|---|---|
| JP2000257787A Pending JP2001123884A (ja) | 1999-09-23 | 2000-08-28 | 調整された機械的特性を有するピストン |
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| Country | Link |
|---|---|
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| EP (1) | EP1087123A3 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| FR2592374B1 (fr) * | 1985-12-27 | 1991-08-16 | Peugeot | Procede de liaison directe ceramique-metal |
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| GB8714287D0 (en) * | 1987-06-18 | 1987-07-22 | Ae Plc | Pistons |
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| DE3823704A1 (de) * | 1988-07-13 | 1990-01-18 | Metallgesellschaft Ag | Leichtmetallkolben fuer brennkraftmaschinen |
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| GB2284461B (en) | 1993-12-04 | 1996-06-26 | Ae Piston Products | Fibre-reinforced metal pistons for diesel engines |
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| US5679041A (en) | 1994-09-29 | 1997-10-21 | General Motors Corporation | Metal matrix composite and preform therefor |
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| A02 | Decision of refusal |
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