JP2005201101A - Piston and cylinder for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、摺動部分の耐摩耗性を改善した内燃機関に用いられるシリンダー及びピストンに関する。 The present invention relates to a cylinder and a piston used in an internal combustion engine with improved wear resistance of a sliding portion.
近年、内燃機関などにおいても、省エネルギーの観点から燃料消費量の低減を図るため軽量化の要求が高まっている。このような要求に対応するため、アルミニウム含有金属のような軽金属の利用が盛んである。 In recent years, there has been an increasing demand for weight reduction in internal combustion engines and the like in order to reduce fuel consumption from the viewpoint of energy saving. In order to meet such demands, light metals such as aluminum-containing metals are actively used.
しかしながら、アルミニウム含有金属は、一般的に耐熱性、剛性、機械的な強度の面で改善が必要とされている。特に、内燃機関用のピストンやシリンダーのような摺動部材として使用する場合、耐摩耗性などの耐久性に欠けるという課題があった。このような課題の改善を目的として、アルミニウム含有金属の表面に各種の表面処理を施すことが提案されている。汎用内燃機関の場合、アルミニウム合金鋳物製のピストンと摺動面に硬質クロムめっきを施したアルミニウム合金ダイカスト製のシリンダーとを組み合わせたものが一般的である。 However, aluminum-containing metals are generally required to be improved in terms of heat resistance, rigidity, and mechanical strength. In particular, when used as a sliding member such as a piston or cylinder for an internal combustion engine, there is a problem that durability such as wear resistance is lacking. For the purpose of improving such problems, it has been proposed to perform various surface treatments on the surface of the aluminum-containing metal. In the case of a general-purpose internal combustion engine, a combination of a piston made of an aluminum alloy casting and a cylinder made of an aluminum alloy die cast having a sliding surface plated with hard chrome is common.
しかしながら、このシリンダーに施される硬質クロム電気めっき工程は、めっき電流効率が20%程度という低いもので、成膜速度は著しく遅く、コストが高いという課題がある。また、硬質クロムめっき工程は、クロムめっき廃液の処理などで環境保護のために強い規制を受けるなどの課題がある。 However, the hard chrome electroplating process applied to the cylinder has a problem that the plating current efficiency is as low as about 20%, the film forming speed is remarkably slow, and the cost is high. In addition, the hard chrome plating process has problems such as being subjected to strong regulations for environmental protection in the treatment of chrome plating waste liquid and the like.
この硬質クロムめっきに替え、ニッケルめっきを用いる方法が提案されているが、ニッケルは発ガン性物質とされ、例えば人体に直接触れるネックレスやイヤリングなどの装飾品では、現在、その使用が禁じられている。 In place of this hard chrome plating, a method using nickel plating has been proposed, but nickel is considered a carcinogenic substance, and its use is currently prohibited in decorative items such as necklaces and earrings that directly touch the human body. Yes.
近い将来、シリンダーやピストンなどの内燃機関の部材においてもニッケルは規制の対象になり、可能であるなら全廃の必要があるという問題がある。 In the near future, there will be a problem that nickel will be subject to regulation in internal combustion engine members such as cylinders and pistons, and if necessary, it will need to be abolished.
本発明は上記従来の問題点を解決するものであり、摺動部分に優れた耐摩耗性と自己潤滑性を有するコーティング層を形成した内燃機関用シリンダー及びピストンを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a cylinder and a piston for an internal combustion engine in which a coating layer having excellent wear resistance and self-lubricating properties is formed on a sliding portion.
本発明は、アルミニウム合金または鋳鉄からなるシリンダーであって、少なくともピストンと接する面のアルミニウム合金または鋳鉄の表面に粒子径0.1から1μmのフッ素樹脂の微粒子と粒子径0.1から1μmのセラミックの微粒子とを分散、複合させた厚さ20から50μmのコーティング層からなる構成を有している。 The present invention relates to a cylinder made of an aluminum alloy or cast iron, and at least the surface of the aluminum alloy or cast iron in contact with the piston has a fine particle of fluororesin having a particle size of 0.1 to 1 μm and a ceramic having a particle size of 0.1 to 1 μm And a coating layer having a thickness of 20 to 50 μm in which the fine particles are dispersed and combined.
また、本発明は、その外周面にピストンリング用の溝を有するアルミニウム含有金属からなるピストンであって、少なくともシリンダーと接する面に粒径0.1から1μmのフッ素樹脂の微粒子と粒子径0.1から1μmのセラミックの微粒子とを分散、複合させた厚さが20から50μmのコーティング層からなる構成を有している。 Further, the present invention is a piston made of an aluminum-containing metal having a groove for a piston ring on its outer peripheral surface, and a fluororesin fine particle having a particle size of 0.1 to 1 μm and a particle size of 0. It has a configuration comprising a coating layer having a thickness of 20 to 50 μm, in which ceramic fine particles of 1 to 1 μm are dispersed and combined.
本発明の効果として、表面に粒子径0.1から1μmのフッ素樹脂の微粒子と粒子径0.1から1μmのセラミックの微粒子とを分散、複合させた厚さ20から50μmコーティング層を形成した摺動部分に優れた耐摩耗性と自己潤滑性を有し、かつ環境負荷の少ない内燃機関用シリンダー及びピストンを実現できるものである。 As an effect of the present invention, a slide having a coating layer having a thickness of 20 to 50 μm formed by dispersing and combining fluororesin fine particles having a particle size of 0.1 to 1 μm and ceramic fine particles having a particle size of 0.1 to 1 μm on the surface. It is possible to realize a cylinder and a piston for an internal combustion engine that has excellent wear resistance and self-lubricating properties in a moving part and has a low environmental load.
本発明の請求項1に記載した発明は、アルミニウム合金または鋳鉄からなるシリンダーであって、少なくともピストンと接する面のアルミニウム合金または鋳鉄の表面に粒子径0.1から1μmのフッ素樹脂の微粒子と粒子径0.1から1μmのセラミックの微粒子とを分散、複合させたコーティング層を設けてなる内燃機関用シリンダーとする構成であり、この構成とすることにより優れた自己潤滑性と耐磨耗性を実現する内燃機関用シリンダーとすることができる。
The invention described in
請求項2に記載の発明は、フッ素樹脂の微粒子とセラミックの微粒子とを分散、複合させた20から50μmのコーティング層を設けてなる内燃機関用シリンダーとする構成であり、この構成とすることにより優れた耐磨耗性を実現する内燃機関用シリンダーとすることができる。
The invention according to
請求項3に記載の発明は、その外周面にピストンリング用の溝を有するアルミニウム含有金属からなるピストンであって、少なくともシリンダーと接する面に粒径0.1から1μmのフッ素樹脂の微粒子と粒子径0.1から1μmのセラミックの微粒子とを分散、複合させたコーティング層を設けてなる内燃機関用ピストンとする構成であり、この構成とすることにより優れた自己潤滑性と耐磨耗性を実現する内燃機関用ピストンとすることができる。
The invention according to
請求項4に記載の発明は、フッ素樹脂の微粒子とセラミックの微粒子とを分散、複合させたコーティング層を設けてなる内燃機関用ピストンとする構成であり、この構成とすることにより優れた耐磨耗性を実現する内燃機関用ピストンとすることができる。
The invention according to
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の実施例1におけるコーティング層の概念図である。図1において、1はシリンダー及びピストンの金属母材、2はフッ素樹脂の微粒子、3はセラミックの微粒子、4は下地層、5は中間層、6は表層である。 FIG. 1 is a conceptual diagram of a coating layer in Example 1 of the present invention. In FIG. 1, 1 is a metal base material of a cylinder and a piston, 2 is a fine particle of fluororesin, 3 is a fine particle of ceramic, 4 is an underlayer, 5 is an intermediate layer, and 6 is a surface layer.
以上のように、構成された内燃機関用シリンダー及びについて以下説明する。 The cylinder for an internal combustion engine thus configured will be described below.
シリンダーはADC12材(JIS H5302)を鋳造により所定のシリンダブロック形状に仕上げる。ピストンとの摺動面は機械加工によりピッチ3μm、粗さ3μmの表面状態に仕上げ、図1に示すように機械加工された摺動面に粒子径0.1μmから1μmのセラミックの微粒子3が多い強固な下地層4、組織の急激な変化を緩和する中間層5、粒子径0.1から1μmのフッ素樹脂の微粒子2の多い表面層6と傾斜めっき加工を施す。これにより、表層6では潤滑性を、中間層5及び下地層4で耐磨耗性を実現できる。フッ素樹脂微粒子2は、従来のフッ素樹脂PTFE(テトラフロロエチレン樹脂、米国デュポン社)は、その融点327℃、連続使用温度260℃であり、フッ素樹脂PFA(パーフロロアルコキシ樹脂、米国デュポン社)は、その融点300℃〜310℃、連続使用温度は260℃であるが、溶解と冷却固化を複数回繰り返し、微粒子化することで350℃の耐熱温度を実現できるものである。
A cylinder finishes ADC12 material (JISH5302) to a predetermined cylinder block shape by casting. The sliding surface with the piston is finished to a surface state with a pitch of 3 μm and a roughness of 3 μm by machining, and as shown in FIG. 1, the machined sliding surface has a large number of ceramic
この実施例1において、内燃機関用ピストンはシリンダーとの摺動面であるスカート部は機械加工により、ピッチ0.1から0.3μm、粗さ6μmの表面状態に仕上げる。さらに、機械加工された摺動面に粒子径0.1から1μmのセラミックの微粒子3が多い強固な下地層4、組織の急激な変化を緩和する中間層5、粒子径0.1から1μmのフッ素樹脂の微粒子2の多い表層6と傾斜めっき加工を施す。これにより、表層6では潤滑性を、中間層5及び下地層4で耐磨耗性と溶解と冷却固化を複数回繰り返し、微粒子化されたフッ素樹脂で350℃の高耐熱性を実現できるものである。ピストンリングはねずみ鋳鉄により製作する。
In the first embodiment, the piston for the internal combustion engine is finished to a surface state with a pitch of 0.1 to 0.3 μm and a roughness of 6 μm by machining the skirt portion which is a sliding surface with the cylinder. Further, the machined sliding surface has a
比較例として、ピストンと摺動面に硬質クロムめっきを施したアルミニウム合金ダイカスト製の従来のシリンダー(シリンダーA)とシリンダーとの摺動面となるスカート部は機械加工により、ピッチ0.1から0.3μm、粗さ6μmの表面状態に仕上げたピストン(ピストンA)を準備した。 As a comparative example, a conventional cylinder (cylinder A) made of aluminum alloy die-casting with a hard chrome plating on the piston and sliding surface, and the skirt portion that becomes the sliding surface of the cylinder are machined to a pitch of 0.1 to 0 A piston (piston A) finished to a surface state of 3 μm and a roughness of 6 μm was prepared.
実機耐久試験は表1に示す組み合わせで、2サイクル空冷2気筒エンジンに組み込み、回転数5、200rpm、全負荷、試験時間100時間の条件で実施した。その結果を同じく表1に示す。 The actual machine durability test was incorporated into a two-cycle air-cooled two-cylinder engine in the combinations shown in Table 1, and was carried out under conditions of a rotation speed of 5, 200 rpm, full load, and a test time of 100 hours. The results are also shown in Table 1.
表1の結果に示すように、本発明の実施例1のシリンダー及びピストンと従来のシリンダー(シリンダーA)及びピストン(ピストンA)では、耐磨耗性において同等の性能を有していた。 As shown in the results of Table 1, the cylinder and piston of Example 1 of the present invention and the conventional cylinder (cylinder A) and piston (piston A) had equivalent performance in terms of wear resistance.
1 シリンダー及びピストンの金属母材
2 フッ素樹脂の微粒子
3 セラミックの微粒子
4 下地層
5 中間層
6 表層
DESCRIPTION OF
Claims (4)
4. The piston for an internal combustion engine according to claim 3, wherein the coating layer in which the fine particles of fluororesin and the fine particles of ceramic are dispersed and combined has a thickness of 20 to 50 [mu] m.
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