JP2001335814A - 超軽量・高強度・高冷却ピストンの複合成型法 - Google Patents
超軽量・高強度・高冷却ピストンの複合成型法Info
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- F05C2201/02—Light metals
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】トップリング溝部の冷却効率がよく、ピストン
上部とアルミニウム合金本体との接合強度が強く、軽量
のピストンの製造方法及び該方法により得られるピスト
ンの提供。 【解決手段】ＡＣ８Ａ溶製材ピストン下部鋳造成形体１
８上の鋳造品上部溝にソルトコア１９をセットし、良導
体粉末２０、２１を充填後、５００℃、５０ＭＰａの圧
力でプラズマ放電で焼結する。焼結後内側からドリル穴
２４をあけ、温水でソルトコアを溶解流出させ、冷却孔
２３を形成させる。
上部とアルミニウム合金本体との接合強度が強く、軽量
のピストンの製造方法及び該方法により得られるピスト
ンの提供。 【解決手段】ＡＣ８Ａ溶製材ピストン下部鋳造成形体１
８上の鋳造品上部溝にソルトコア１９をセットし、良導
体粉末２０、２１を充填後、５００℃、５０ＭＰａの圧
力でプラズマ放電で焼結する。焼結後内側からドリル穴
２４をあけ、温水でソルトコアを溶解流出させ、冷却孔
２３を形成させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム又は
マグネシウム合金で成形されたピストン上に高強度・軽
量粉末材を一体成形して、中にリング上の冷却孔を作る
複合成型法に関する。
マグネシウム合金で成形されたピストン上に高強度・軽
量粉末材を一体成形して、中にリング上の冷却孔を作る
複合成型法に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃焼温度が高く、２００〜４００℃にあ
がる燃焼部に近いピストン上部はニレジスト鋳鉄から成
る耐熱性の補強部材を本体とは別体に作製しておき、こ
のような補強部材を摩擦圧接の方法によってアルミニウ
ム合金から成る本体上部に結合固着する。このときに本
体の上部に設けられている周溝を補強部材によって閉塞
することにより冷却用空洞を形成する。（例えば、特公
平６−２６１３参照）
がる燃焼部に近いピストン上部はニレジスト鋳鉄から成
る耐熱性の補強部材を本体とは別体に作製しておき、こ
のような補強部材を摩擦圧接の方法によってアルミニウ
ム合金から成る本体上部に結合固着する。このときに本
体の上部に設けられている周溝を補強部材によって閉塞
することにより冷却用空洞を形成する。（例えば、特公
平６−２６１３参照）
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来の高温対応ピスト
ン上部はニレジスト鋳鉄で構成している為、表１のよう
に重量が重く、トップリング溝部の冷却効率も悪く、ア
ルミニウム合金本体との接合は温度、圧力が高く接合部
に脆い金属間化合物が生成され接合強度が弱く、アルミ
ニウム合金本体も変形してしまう。又ニレジスト鋳鉄は
アルミニウム合金に比べ切削性が悪い。
ン上部はニレジスト鋳鉄で構成している為、表１のよう
に重量が重く、トップリング溝部の冷却効率も悪く、ア
ルミニウム合金本体との接合は温度、圧力が高く接合部
に脆い金属間化合物が生成され接合強度が弱く、アルミ
ニウム合金本体も変形してしまう。又ニレジスト鋳鉄は
アルミニウム合金に比べ切削性が悪い。
【表１】
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ために、(イ)高強度・軽量で融点が低い良導体粉末をア
ルミニウムピストン本体上部に充填させ、プラズマ放電
で一体成形させる。これにより、低温、低圧力で接合が
可能になり、本体が変形しないで高強度な接合が可能に
なる。絶縁体粉末で成形したリングを上記良導体粉末に
入れてプラズマ放電すると良導体は化学的に一体化する
が、絶縁体粉末はそのままで、焼結後溶剤でバインダ−
を溶かし、外に排出することで冷却孔が成形される。表
１のようなアルミニウム合金粉末であれば、軽量で冷却
能力もＵＰする。
ために、(イ)高強度・軽量で融点が低い良導体粉末をア
ルミニウムピストン本体上部に充填させ、プラズマ放電
で一体成形させる。これにより、低温、低圧力で接合が
可能になり、本体が変形しないで高強度な接合が可能に
なる。絶縁体粉末で成形したリングを上記良導体粉末に
入れてプラズマ放電すると良導体は化学的に一体化する
が、絶縁体粉末はそのままで、焼結後溶剤でバインダ−
を溶かし、外に排出することで冷却孔が成形される。表
１のようなアルミニウム合金粉末であれば、軽量で冷却
能力もＵＰする。
【０００５】
【発明実施の形態】本発明は構造体の一部に軽量・高強
度良導体粉末材をもちい、用途におうじて、部位別に、
粉末の種類を変え、絶縁体粉末成形リングをセット後ア
ルミニウム又はマグネシウム合金成形品に充填、プラズ
マ放電で焼結成形、接合したものである。
度良導体粉末材をもちい、用途におうじて、部位別に、
粉末の種類を変え、絶縁体粉末成形リングをセット後ア
ルミニウム又はマグネシウム合金成形品に充填、プラズ
マ放電で焼結成形、接合したものである。
【０００６】上記の高温用ピストン上部（燃焼部が近
い）の材料は、下部ピストン本体材料より、耐熱、耐摩
耗性に優れ、変形温度が近い材料の方が接合しやすく、
本体が変形しにくい。
い）の材料は、下部ピストン本体材料より、耐熱、耐摩
耗性に優れ、変形温度が近い材料の方が接合しやすく、
本体が変形しにくい。
【０００７】高温用ピストン上部材料とピストン本体の
間に良材料より低温で変形する材料をはさむと、さらに
低温で接合出来、本体が変形しにくい。
間に良材料より低温で変形する材料をはさむと、さらに
低温で接合出来、本体が変形しにくい。
【０００８】冷却孔を作る絶縁体材料は高温用ピストン
上部材料の焼結温度以上の融点を持った材料で簡単に溶
剤で材料そのもの又はバインダ−が溶けるものが良い。
上部材料の焼結温度以上の融点を持った材料で簡単に溶
剤で材料そのもの又はバインダ−が溶けるものが良い。
【０００９】冷却孔を構成する絶縁体は図２のように、
本体１の溝の高さに焼結成形後セット又は本体上部に冷
却孔を成形したい場合は図３のように薄肉アルミパイプ
に粉の状態で充填後、良導体粉末を充填して、焼結した
方が良電体粉末の密度が均等化する。
本体１の溝の高さに焼結成形後セット又は本体上部に冷
却孔を成形したい場合は図３のように薄肉アルミパイプ
に粉の状態で充填後、良導体粉末を充填して、焼結した
方が良電体粉末の密度が均等化する。
【００１０】
【実施例】実施例について図面を参照して説明すると、
図７の（ｃ）は直憤ディ−ゼルピストンの完成図で外径
６０ｍｍ、高さ６０ｍｍ、重量２５０ｇである。ピスト
ン上部はアルミニウム合金粉末成形体でトップリング溝
下２ｍｍから上側の形状を構成し、トップリング溝奥
１．５ｍｍのところに冷却孔があり冷却孔外周の内２
０、外２１で、。内側２０粉末材料成分は、(1-1)Ａｌ
（残）＋Ｓｉ（２０％）＋Ｆｅ（９％）＋Ｃｕ（３％）
＋Ｍｇ（１％）で、(1-2)外側２１は内側の粉末にＦｅ
ＭｏＳの粉末を重量比で３０％混合したもので、平均結
晶粒は１μｍである。上記材料を使用した理由は、リッ
プ部２６は３５０℃前後での高温強度が必要な為、図４
のように、高温強度の高い(1-1)の超微粒粉末をもち
い、２５のトップリング溝は３００℃前後での耐凝着性
が必要なため、図５のように、ＦｅＭｏＳの粉を添加し
た材料をもちいた。ＦｅＭｏＳは比重が重いため、最小
限必要な部分にとどめた。１８をＡＣ８Ａ溶製材にした
のは、この部分は２０、２１に比べ温度、負荷共低いた
め、ＡＣ８Ａ材で強度が確保でき、又材料費も１／３以
下な為、コストをさげるため、粉末の使用は最小限にと
どめた。図７の（ｄ）は工程図で型（外周形状部を拘
束）にＡＣ８Ａ鋳造品１８をセットして、鋳造品上部溝
にソルトコア１９をセット後、アルミ管をセットして
（1-2）、(1-1)を外、内に充填して、アルミ管をはず
す。図６のプラズマ放電焼結機に型をセットして５００
℃の温度で５０ＭＰａの圧力で上部粉末を成形すると同
時に下部１８と接合させる。焼結後、内側から２カ所ド
リル穴２４をあけ、温水でソルトコアを溶解流出させ、
冷却孔２３を成形させる。
図７の（ｃ）は直憤ディ−ゼルピストンの完成図で外径
６０ｍｍ、高さ６０ｍｍ、重量２５０ｇである。ピスト
ン上部はアルミニウム合金粉末成形体でトップリング溝
下２ｍｍから上側の形状を構成し、トップリング溝奥
１．５ｍｍのところに冷却孔があり冷却孔外周の内２
０、外２１で、。内側２０粉末材料成分は、(1-1)Ａｌ
（残）＋Ｓｉ（２０％）＋Ｆｅ（９％）＋Ｃｕ（３％）
＋Ｍｇ（１％）で、(1-2)外側２１は内側の粉末にＦｅ
ＭｏＳの粉末を重量比で３０％混合したもので、平均結
晶粒は１μｍである。上記材料を使用した理由は、リッ
プ部２６は３５０℃前後での高温強度が必要な為、図４
のように、高温強度の高い(1-1)の超微粒粉末をもち
い、２５のトップリング溝は３００℃前後での耐凝着性
が必要なため、図５のように、ＦｅＭｏＳの粉を添加し
た材料をもちいた。ＦｅＭｏＳは比重が重いため、最小
限必要な部分にとどめた。１８をＡＣ８Ａ溶製材にした
のは、この部分は２０、２１に比べ温度、負荷共低いた
め、ＡＣ８Ａ材で強度が確保でき、又材料費も１／３以
下な為、コストをさげるため、粉末の使用は最小限にと
どめた。図７の（ｄ）は工程図で型（外周形状部を拘
束）にＡＣ８Ａ鋳造品１８をセットして、鋳造品上部溝
にソルトコア１９をセット後、アルミ管をセットして
（1-2）、(1-1)を外、内に充填して、アルミ管をはず
す。図６のプラズマ放電焼結機に型をセットして５００
℃の温度で５０ＭＰａの圧力で上部粉末を成形すると同
時に下部１８と接合させる。焼結後、内側から２カ所ド
リル穴２４をあけ、温水でソルトコアを溶解流出させ、
冷却孔２３を成形させる。
【００１１】
【発明の効果】本発明は以上説明したような形態で実施
され、以下に記載されるような効果を奏する。
され、以下に記載されるような効果を奏する。
【００１２】微細な結晶粒の粉末成形材の為、図４のよ
うに従来のＡＣ８Ａ溶製材より、材料、又温度によって
強度が２〜５倍高い為、薄肉設計が可能になり、３０〜
６０％軽量化（溶製材鋳造品上部比）ができる。
うに従来のＡＣ８Ａ溶製材より、材料、又温度によって
強度が２〜５倍高い為、薄肉設計が可能になり、３０〜
６０％軽量化（溶製材鋳造品上部比）ができる。
【００１３】冷却孔がトップリング溝、リップ部に近接
又従来のニレジストに比べ、冷却効率が良いため、リン
グ溝の焼き付き、リップ部の高温疲労割れが生じにく
い。冷却孔の形状は自由自在でこれによりさらなる軽量
化が可能になる。
又従来のニレジストに比べ、冷却効率が良いため、リン
グ溝の焼き付き、リップ部の高温疲労割れが生じにく
い。冷却孔の形状は自由自在でこれによりさらなる軽量
化が可能になる。
【００１４】従来のディ−ゼルピストン冠面部はニレジ
スト鋳鉄成形品を摩擦圧接で母材と接合していたため、
高温、高圧の接合でアルミニウムピストン本体が変形し
やすく、接合部の金属間化合物が脆く、接合強度が弱
い。本発明品はアルミ合金同志で粉末とのプラズマ放電
接合なため、接合部に金属間化合物ができにくく、接合
強度が高く、上記理由によりトップリング溝が焼き付き
にくい。その為、トップリングハイトの短縮が可能にな
る。（トップリングハイトの短縮は燃費向上に効果があ
る）
スト鋳鉄成形品を摩擦圧接で母材と接合していたため、
高温、高圧の接合でアルミニウムピストン本体が変形し
やすく、接合部の金属間化合物が脆く、接合強度が弱
い。本発明品はアルミ合金同志で粉末とのプラズマ放電
接合なため、接合部に金属間化合物ができにくく、接合
強度が高く、上記理由によりトップリング溝が焼き付き
にくい。その為、トップリングハイトの短縮が可能にな
る。（トップリングハイトの短縮は燃費向上に効果があ
る）
【図１】請求項１の複合成型体を示す縦断面図である。
【図２】請求項２の複合成型体を示す縦断面図である。
【図３】請求項３の複合成型体を示す縦断面図である。
【図４】アルミニウム合金結晶粒微細化による引張り強
度を表したグラフである。
度を表したグラフである。
【図５】アルミニウム合金粉末（Ａｌ−２０Ｓｉ−３Ｃ
ｕ−１Ｍｇ−９Ｆｅ）とＦｅＭｏＳ粉末の混合鍛造成形
体とＡＣ８Ａ材のプラズマ放電接合部のせん断応力の関
係グラフである。
ｕ−１Ｍｇ−９Ｆｅ）とＦｅＭｏＳ粉末の混合鍛造成形
体とＡＣ８Ａ材のプラズマ放電接合部のせん断応力の関
係グラフである。
【図６】プラズマ放電接合の概略図である
【図７】請求項１の内燃機関ピストン粗材成形工程を示
した図でａはＡＣ８Ａ鋳造品を型にセットして耐熱粉末
を充填、ｂは枠をつけて内、耐熱材、外、耐摩材を充填
後プラズマ放電により高速超塑性加工、ｃは加工後の形
状、ｄは工程図である。
した図でａはＡＣ８Ａ鋳造品を型にセットして耐熱粉末
を充填、ｂは枠をつけて内、耐熱材、外、耐摩材を充填
後プラズマ放電により高速超塑性加工、ｃは加工後の形
状、ｄは工程図である。
１ アルミニウム又はマグネシウム合金成形体 ２ 冷却孔 ３ 耐熱良導体粉末成形体 ４ ３に低フリクション材を混合した耐摩性、耐凝着性
にすぐれた良導体粉末成形体 ５ トップリング溝 ６ ドリル穴 ７ 薄肉アルミ管 ８ 上部電極 ９ 上部パンチ １０ 型 １１ サンプル １２ 下部パンチ １３ 真空室 １４ 真空ポンプ １５ 油圧ユニット １６ パルス電気エネルギ− １７ 熱制御系 １８ ＡＣ８Ａ溶製材ピストン下部鋳造成形体 １９ ソルトコア ２０ 耐熱アルミニウム合金粉末成形体 ２１ ２０材料にＦｅＭｏＳ粉末を３０％添加混合した
粉末材料 ２２ 金型 ２３ 冷却孔 ２４ ドリル穴 ２５ 直噴ディ−ゼルピストントップリング溝 ２６ 直噴ディ−ゼルピストンリップ部
にすぐれた良導体粉末成形体 ５ トップリング溝 ６ ドリル穴 ７ 薄肉アルミ管 ８ 上部電極 ９ 上部パンチ １０ 型 １１ サンプル １２ 下部パンチ １３ 真空室 １４ 真空ポンプ １５ 油圧ユニット １６ パルス電気エネルギ− １７ 熱制御系 １８ ＡＣ８Ａ溶製材ピストン下部鋳造成形体 １９ ソルトコア ２０ 耐熱アルミニウム合金粉末成形体 ２１ ２０材料にＦｅＭｏＳ粉末を３０％添加混合した
粉末材料 ２２ 金型 ２３ 冷却孔 ２４ ドリル穴 ２５ 直噴ディ−ゼルピストントップリング溝 ２６ 直噴ディ−ゼルピストンリップ部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ１６Ｊ 1/01 Ｆ１６Ｊ 1/01 1/09 1/09
Claims (3)
- 【請求項１】図１のようにアルミニウム又はマグネシウ
ム合金で成形された１ピストン本体上に絶縁体で焼結さ
れたリング２をセット、良導体粉末３，４を充填してプ
ラズマ放電で成形後、穴６から溶剤を圧入して絶縁体リ
ングを除去してトップリング溝５近郊内周に冷却孔２を
作る工法。 - 【請求項２】図２のようにアルミニウム又はマグネシウ
ム合金で成形された１ピストン本体の溝に溝と同じ高さ
に絶縁体で成形されたリング２をセット後、良導体粉末
３，４を充填してプラズマ放電で成形後、穴６から溶剤
を圧入して絶縁体粉を除去してトップリング溝５近郊内
周に冷却孔２を作る工法。 - 【請求項３】図３のようにアルミニウム又はマグネシウ
ム合金で成形された１ピストン本体上に、絶縁体粉末を
充填した軽合金パイプ７をセットして、良導体粉末３，
４を充填し、プラズマ放電で成形後、穴６から溶剤を圧
入して絶縁体粉を除去してトップリング溝５近郊内周に
冷却孔２を作る工法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000155520A JP2001335814A (ja) | 2000-05-26 | 2000-05-26 | 超軽量・高強度・高冷却ピストンの複合成型法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000155520A JP2001335814A (ja) | 2000-05-26 | 2000-05-26 | 超軽量・高強度・高冷却ピストンの複合成型法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001335814A true JP2001335814A (ja) | 2001-12-04 |
Family
ID=18660453
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000155520A Pending JP2001335814A (ja) | 2000-05-26 | 2000-05-26 | 超軽量・高強度・高冷却ピストンの複合成型法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001335814A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6973723B2 (en) * | 2003-01-08 | 2005-12-13 | International Engine Intellectual Property Company, Llc | Piston formed by powder metallurgical methods |
| GB2430940A (en) * | 2005-10-04 | 2007-04-11 | Rolls Royce Plc | A method of joining two components to form a product |
| US7299715B2 (en) | 2004-05-27 | 2007-11-27 | International Engine Intellectual Property Company, Llc | Non-homogeneous engine component formed by powder metallurgy |
| US7509890B2 (en) | 2004-05-27 | 2009-03-31 | International Engine Intellectual Property Company, Llc | Non-homogeneous engine component formed by powder metallurgy |
| JP2014500909A (ja) * | 2010-11-10 | 2014-01-16 | サンドビック インテレクチュアル プロパティー アクティエボラーグ | 内部キャビティを伴うコンポーネント製造方法 |
| JP2017508918A (ja) * | 2014-03-03 | 2017-03-30 | フェデラル−モーグル コーポレイション | 付加加工が燃焼ボウル周縁および冷却ギャラリーを製造することを特徴とする１部品ピストン |
| JP2018053879A (ja) * | 2016-09-30 | 2018-04-05 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | 内燃機関用ピストンおよび内燃機関用ピストンの製造方法 |
-
2000
- 2000-05-26 JP JP2000155520A patent/JP2001335814A/ja active Pending
Cited By (11)
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| WO2018061591A1 (ja) * | 2016-09-30 | 2018-04-05 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | 内燃機関用ピストンおよび内燃機関用ピストンの製造方法 |
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