JP2010172938A

JP2010172938A - 鋳ぐるみ方法及びピストン本体

Info

Publication number: JP2010172938A
Application number: JP2009018733A
Authority: JP
Inventors: Kimihiko Ando; 公彦安藤; Yuki Kamo; 雄貴鴨
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-01-29
Filing date: 2009-01-29
Publication date: 2010-08-12

Abstract

【課題】閉塞された空隙部を有する被鋳ぐるみ部材を、正規の形状で本体に鋳ぐるみする方法を提供する。
【解決手段】被鋳ぐるみ部材２１を予め加熱して、少なくとも基準温度（本体１１の母材の溶湯温度−１００度）以上の温度まで昇温させてから本体１１に鋳ぐるみする。これにより、鋳ぐるみする際に溶湯によって被鋳ぐるみ部材２１が急激に昇温されるのを抑制し、被鋳ぐるみ部材２１の熱変形を防ぐ。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋳ぐるみ方法及びピストン本体に関する。

従来から、低熱伝導の被鋳ぐるみ部材を本体に鋳ぐるみして、被鋳ぐるみ部材から本体への熱伝導を抑制する技術が知られている。

例えば特許文献１には、エンジンのピストン上面の燃料衝突部に低熱伝導部材を鋳ぐるみして、低熱伝導部材からピストン本体への熱伝導を抑制し、燃料衝突部の良好な昇温を図り、燃料の蒸発を促進させる技術が開示されている。

また、特許文献２には、鋳込みを行う際に、低熱伝導部材と鋳込み材料との接合面の一部にのみ、材料間の密着性を高めるための接合処理を行い、接合処理の施されていない部分の密着性を低下させて、低熱伝導部材とピストン本体との界面に部分的に空気層を形成し、熱伝導の抑制を図る技術が開示されている。

特開２００５−０７６４７１号公報特開２０００−１８６６１７号公報

本願発明者は、鋭意研究の結果、閉塞された空隙部を有する被鋳ぐるみ部材を本体に鋳ぐるみすることによって、被鋳ぐるみ部材から本体への熱伝導を効果的に抑制できることを見出した。

しかしながら、鋳ぐるみは、本体の母材が溶融する高温の下で行われることから、閉塞された空隙部を有する被鋳ぐるみ部材が熱の影響を受けて変形し、かかる変形状態のまま鋳ぐるみされるおそれがある。

本発明は、閉塞された空隙部を有する被鋳ぐるみ部材を、正規の形状で本体に鋳ぐるみする方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の鋳ぐるみ方法は、閉塞された空隙部を有する被鋳ぐるみ部材を本体に鋳ぐるみする方法であって、被鋳ぐるみ部材を予め加熱して、（本体の母材の溶湯温度−１００度）以上の温度まで昇温させる予備加熱工程と、昇温させた被鋳ぐるみ部材を金型内にセットし、金型内で母材の溶湯を流し込む鋳造工程とを含むことを特徴としている。

そして、本発明の鋳ぐるみ方法は、閉塞された空隙部を有する被鋳ぐるみ部材をピストン本体に鋳ぐるみする方法であって、低熱伝導部材を予め加熱して、（ピストン本体の母材の溶湯温度−１００度）以上の温度まで昇温させる予備加熱工程と、昇温させた被鋳ぐるみ部材を金型内にセットし、金型内に母材の溶湯を流し込む鋳造工程とを含むことを特徴としている。

本発明の鋳ぐるみ方法によれば、被鋳ぐるみ部材を予め加熱して、少なくとも（本体の母材の溶湯温度−１００度）以上の温度まで昇温させてから本体に鋳ぐるみするので、鋳ぐるみする際に溶湯によって被鋳ぐるみ部材が急激に昇温されるのを抑制し、被鋳ぐるみ部材の熱変形を防ぐことができる。

従って、閉塞された空隙部を有する被鋳ぐるみ部材を、正規の形状で本体に鋳ぐるみすることができる。従って、鋳ぐるみ方法によって製造された鋳造品の所期の性能を維持することができ、精度品質を一定に保つことができる。

また、本発明の鋳ぐるみ方法によれば、被鋳ぐるみ部材は、ピストン本体の母材よりも熱伝導率が低い低熱伝導の材料からなることが好ましい。
また、本発明の鋳ぐるみ方法によれば、被鋳ぐるみ部材は、焼結体からなる第１部材と、金属板からなる第２部材を有することが好ましい。

本発明によれば、閉塞された空隙部を有する被鋳ぐるみ部材を、正規の形状で本体に鋳ぐるみすることができるので、鋳造品の所期の性能を確保することができ、精度品質を一定に保つことができる。

本実施の形態における鋳ぐるみ方法によって製造されたピストンの使用状態を示す断面図。図１のピストンの構成を示す断面図。被鋳ぐるみ部材の構成を示す断面図。熱試験後の被鋳ぐるみ部材の状態を断面で示す図。疲労試験後の状態を拡大して示す断面図。

次に、本発明の実施の形態について図１から図４を用いて説明する。尚、本明細書における温度の単位は、全て摂氏で示す。図１は、筒内噴射式エンジンの断面図、図２は、ピストン本体の構成を示す断面図である。

ピストン本体１１は、本実施の形態における鋳ぐるみ方法によって製造された鋳造品であり、図１に示すように、筒内噴射式エンジン１のシリンダブロック２内に摺動可能に配設される。筒内噴射式エンジン１のシリンダヘッド３には、燃焼室に望むように燃料噴射弁４と点火プラグ５が取り付けられている。

ピストン本体１１は、アルミニウム合金製の鋳造品であり、ピストン本体１１の頂面であるピストンヘッド１２には、燃料噴射弁４の先端から点火プラグ５の先端に対向する部分にかけて凹状の皿部１３が形成されている。

燃料噴射弁４は、成層燃焼運転中にピストン本体１１の皿部１３に向けて燃料を噴射する。燃料噴射弁４から噴射された燃料は、皿部１３の底面に形成された燃料衝突部１４に吹き付けられる。

ピストン本体１１の燃料衝突部１４には、図２に示すように、被鋳ぐるみ部材２１が鋳ぐるみされている。被鋳ぐるみ部材２１は、ピストン本体１１と比較して熱伝導率が低い低熱伝導の材料からなり、皿部１３の底面全面に亘って平面状に延在するように鋳ぐるみされている。

尚、図２に符号２２で示される突起部は、被鋳ぐるみ部材２１をピストン本体１１に鋳ぐるみする際に、被鋳ぐるみ部材２１を図示していない金型内に支持するためのものであり、鋳ぐるみ後の切削加工によって取り除かれる（図１を参照）。

図３は、被鋳ぐるみ部材の構成を示す断面図である。被鋳ぐるみ部材２１は、図３に示すように、第１部材３１と第２部材４１を組み合わせることによって構成されており、第１部材３１と第２部材４１との間には、閉塞された空隙部２３が形成されている。

例えば、第１部材３１は、ピストン本体１１を構成するアルミニウム合金に熱膨張率が近似したＭｎ−Ｆｅ合金の焼結体によって構成され、第２部材４１は、ＳＵＳ材（ステンレス鋼）等の金属板によって構成されている。

第１部材３１の下面には、第２部材４１との協働によって空隙部２３を形成するための凹部３２が形成されている。第１部材３１と第２部材４１は、第１部材３１の下面と第２部材４１の外周との境界を電子ビームで溶接することによって互いに一体に固定されている。空隙部２３は、第１部材３１と第２部材４１との間でほぼ一定の高さ幅を有して平面状に広がるように形成されている。尚、空隙部２３の形状は、上記した形状に限定されるものではなく、例えば外側よりも中心部の方が深い高さ幅を有する形状としてもよい。

空隙部２３の厚み（高さ幅）は、厚すぎると、ピストン自体の高さが高くなってしまい、ピストン全体の重量の増大を招き、また、薄すぎると断熱効果が得られにくい。本実施の形態では、空隙部の厚みは０．２ミリメートル程度が好ましい。

次に、上記した構成を有する被鋳ぐるみ部材２１を、ピストン本体１１に鋳ぐるみする方法について説明する。
まず、被鋳ぐるみ部材２１を予め加熱して、予め設定された基準温度（ピストン本体１１の母材の溶湯温度−１００度）以上の温度まで昇温させる（予備加熱工程）。例えば、ピストン本体１１の母材であるアルミニウム合金の溶湯温度が７３０度の場合には、基準温度６３０度以上の温度まで、被鋳ぐるみ部材２１を予備加熱する。

そして、予備加熱によって少なくとも基準温度（ピストン本体１１の母材の溶湯温度−１００度）以上の温度まで昇温させた被鋳ぐるみ部材２１を、ピストン用の成形金型（図示せず））にセットし、アルミニウム合金を溶融させた溶湯を金型内に流し込み、鋳造する（鋳造工程）。

上記した鋳ぐるみ方法によれば、被鋳ぐるみ部材２１を少なくとも基準温度（ピストン本体１１の母材の溶湯温度−１００度）以上の温度まで昇温させてから、溶湯を金型内に流し込んで鋳造するので、鋳造工程において、被鋳ぐるみ部材２１が溶湯と接した際に、溶湯によって急激に加熱されるのを防ぐことができる。

従って、被鋳ぐるみ部材２１の温度が溶湯によって昇温されるのを抑制し、被鋳ぐるみ部材の熱変形を防ぐことができる。従って、閉塞された空隙部２３を有する被鋳ぐるみ部材２１を、熱変形させることなく、正規の形状でピストン本体に鋳ぐるみすることができる。従って、鋳造品の所期の性能を確保することができ、精度品質を一定に保つことができる。

次に、本発明の実施例について以下に説明する。
本実施例における第１部材３１の化学成分を下記の表１に示す。

本実施例における第１部材３１は、表１に示す合金粉末：還元鉄粉：黒鉛を、５０：４９：１の重量割合で混合し、８００ＭＰａで直径６５ミリメートル、厚さ１０ミリメートルの円板形状に成形した後、摂氏１２５０度で３０分、窒素雰囲気中で焼結した焼結体を素材とする。そして、焼結後に、直径Φ４０ミリメートル、高さ３．２ミリメートル、厚さ２．４ミリメートルの断面が略台形形状を有する試験片を素材から切り出して第１部材３１とした。

本実施例における第２部材４１は、ＳＵＳ３０４からなる厚さ０．５ミリメートルのＳＵＳ板によって構成されている。第２部材４１を第１部材３１の底部に嵌め込み、第１部材３１との境界を電子ビーム溶接により接合して被鋳ぐるみ部材２１を作成した。第１部材３１と第２部材４１の間には、外周部分を除いて、０．３ミリメートルの高さ幅を有する空隙部２３が形成されている。

本実施例では、被鋳ぐるみ部材２１を所定の加熱温度まで加熱した後に、溶湯に浸漬して被鋳ぐるみ部材２１の熱変形状態を確認する熱試験を行った。具体的には、表２に示す温度まで加熱した後に、アルミニウム合金ＡＣ８Ａ（溶融温度７２５度）に浸漬して、空隙部の高さ幅を計測した。上記熱試験の試験結果を表２に示す。

上記表２に示すように、加熱工程における加熱温度の上昇に伴い、浸漬時の第２部材４１の変形量が低減し、空隙部２３の高さ幅が減少する結果を得た。

図４は、熱試験後の変形状態を断面で示す図であり、図４（ａ）は、加熱工程なし、図４（ｂ）は、加熱工程時の加熱温度が４００度、図４（ｃ）は、加熱工程時の加熱温度が７００度の場合を示している。

鋳ぐるみ工程前に全く加熱を行わない場合、または加熱温度が基準温度である６２５度（ピストン本体１１の母剤の溶湯温度７２５度−１００度）よりも低い場合には、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、空隙部２３が膨張するように第２部材４１が変形した。そして、加熱温度が基準温度６２５度以上の温度である７００度の場合には、図４（ｃ）に示すように、高さ幅の変化なしという結果を得た。

また、本実施例では、鋳造品の耐久性を確認するための疲労試験を行った。以下にその結果を示す。疲労試験では、燃焼室内の燃焼状態を想定して、ピストン本体１１のピストンヘッド１２に繰り返し圧力を作用させて、その形状変化を観察した。
［試験条件］
１．ピストンヘッド圧力Ｐ：８ＭＰａ（最大）
２．圧力波形、繰り返し速度：サイン波で３０Ｈｚ
３．試験繰り返し数：２×１０^７回（中間チェック５×１０^５回、１×１０^７回）
４．試験雰囲気温度：２５０度
５．使用オイル：シリコンオイル

図５は、高温疲労試験後の状態を拡大して示す断面図であり、図５（ａ）は、被鋳ぐるみ部材２１を７００度まで加熱した後に鋳ぐるみしたピストンヘッド１２の断面図、図５（ｂ）は、鋳ぐるみ部材２１を加熱せずに鋳ぐるみしたピストンヘッド１２の断面図である。

被鋳ぐるみ部材２１は、本発明の鋳ぐるみ方法を用いて、予備加熱工程で基準温度６２５度（＝ピストン本体１１の母材の溶湯温度７２５度−１００度）以上の温度まで加熱して鋳ぐるみした場合には、第２部材４１の変形がなく、正規の形状でピストン本体１１に鋳ぐるみされる。従って、図５（ａ）に示すように、ピストンヘッド１２は、高温疲労試験後においても正規の形状を保っている。

一方、本発明の鋳ぐるみ方法を用いず、予備加熱工程で基準温度６２５度まで加熱せずに鋳ぐるみした場合には、第２部材４１が変形して空隙部２３が拡大した状態（例えば図４（ａ）、（ｂ）を参照）で、ピストン本体１１に鋳ぐるみされる。従って、ピストン本体１１は、空隙部２３が拡大した分だけ、ピストンヘッド１２の一部の肉厚が薄く形成されることとなる。

そして、高温疲労試験の試験繰り返し数が５×１０^５回において、図５（ｂ）に示すように、第１部材３１の中央が凹むように変形した。また、試験繰り返し数が１×１０^７回後には、第２部材４１の変形に沿って第１部材３１が変形し、更に第２部材４１の一部に板割れが生じていた。第１部材３１の変形は、燃焼室の容積の変化につながり、エンジンにとって好ましくない。

本発明の鋳ぐるみ方法によれば、被鋳ぐるみ部材２１を予め加熱して基準温度（ピストン本体１１の母材の溶湯温度−１００度）以上の温度まで昇温させてから鋳ぐるみするので、鋳ぐるみする際に溶湯によって被鋳ぐるみ部材２１が急激に昇温されるのを抑制し、被鋳ぐるみ部材２１の熱変形を防ぐことができる。

従って、閉塞された空隙部２３を有する被鋳ぐるみ部材２１を、正規の形状でピストン本体１１に鋳ぐるみすることができ、ピストン本体１１の所期の性能を維持することができ、精度品質を一定に保つことができる。

尚、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上述の実施の形態では、第１部材３１を焼結体により構成し、第２部材４１をＳＵＳ板により構成した場合を例に説明したが、被鋳ぐるみ部材２１は、閉塞された空隙部２３を有するものであればよく、例えば、第１部材３１と第２部材４１の両方を焼結体により構成してもよい。

１１ピストン本体
１２ピストンヘッド
１３皿部
２１被鋳ぐるみ部材（低熱伝導部材）
２２突起部
２３空隙部
３１第１部材
３２凹部
４１第２部材

Claims

閉塞された空隙部を有する被鋳ぐるみ部材を本体に鋳ぐるみする方法であって、
前記被鋳ぐるみ部材を予め加熱して、（本体の母材の溶湯温度−１００度）以上の温度まで昇温させる予備加熱工程と、
該昇温させた被鋳ぐるみ部材を金型内にセットし、該金型内に前記母材の溶湯を流し込む鋳造工程と、
を含むことを特徴とする鋳ぐるみ方法。
閉塞された空隙部を有する被鋳ぐるみ部材をピストン本体に鋳ぐるみする方法であって、
前記被鋳ぐるみ部材を予め加熱して、（ピストン本体の母材の溶湯温度−１００度）以上の温度まで昇温させる予備加熱工程と、
該昇温させた被鋳ぐるみ部材を金型内にセットし、該金型内に前記母材の溶湯を流し込む鋳造工程と、
を含むことを特徴とする鋳ぐるみ方法。
前記被鋳ぐるみ部材は、前記ピストン本体の母材よりも熱伝導率が低い低熱伝導の材料からなることを特徴とする請求項２に記載の鋳ぐるみ方法。
前記被鋳ぐるみ部材は、焼結体からなる第１部材と、金属板からなる第２部材とを有することを特徴とする請求項２に記載の鋳ぐるみ方法。
請求項２に記載の鋳ぐるみ方法によって製造されたピストン本体。