JP2011236772A - 粒子分散アルミ合金複合材料を用いた耐摩環及びそのアルミ合金ピストン、並びにその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】強度、耐摩耗性を向上させると共に高温特性を改善した粒子分散アルミ合金複合材料を用いた耐摩環を提供する。
【解決手段】ＡＣ８Ａ，ＡＣ８Ｂ，ＡＣ８Ｃのいずれかからなる鋳物８種合金で形成するアルミ合金ピストンのトップリング溝３に相当する位置に鋳包むための耐摩環２において、アルミ合金ピストンを形成する鋳物８種合金より高融点のアルミ合金を用い、これにセラミックス粒子を分散させて形成したものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルミ合金からなるピストンのトップリング溝を形成するための粒子分散アルミ合金複合材料を用いた耐摩環及びそのアルミ合金ピストン、並びにその製造方法に関するものである。

セラミックス粒子分散アルミニウム複合材料はアルミニウム合金より優れた強度、耐摩耗性、弾性率と耐熱性を有しているため、自動車エンジンの部品として非常に有望である。

自動車エンジンのピストンのような部品は、従来、鋳鉄やスチールなどの材料が使われてきたが、軽量化のためアルミ合金製のピストンに変わってきた。しかし、アルミ合金の耐熱性や耐摩耗性が十分でないため、アルミ合金製のピストンの内部に鋳鉄製の耐摩環やアルミナ短繊維のプリフォームを使って部分的に必要な部位を強化している。

アルミナ短繊維を使う場合、予めアルミナ短繊維のプリフォームを作製し、その後金型にセットし、圧力鋳造法で高圧で溶湯アルミ合金をプリフォームの中に圧入することによりアルミナ短繊維強化アルミ合金のピストンが製造されている。

この工法は耐熱性のよいピストンが製造されているが、圧力鋳造設備を使用するため、生産性がよくない。また、鋳鉄製の耐摩環をアルミ合金に鋳包むと、良好な耐摩耗性を有するが、鋳鉄とアルミの熱膨張係数差や反応性等で熱処理温度が制限される。例えば、ＡＣ８Ａ（ＪＩＳ規格）ベースの合金に鋳鉄製の耐摩環を鋳包むと、Ｔ６処理（溶体化処理５１０℃×４時間、時効硬化処理１７０℃×１０時間）ができなくなり、Ｔ５処理（時効硬化処理のみ２００℃×４時間）を行っている。Ｔ５で熱処理したＡＣ８Ａ合金の引張強度は２６０ＭＰａ程度で、Ｔ６で熱処理した材料の３３５ＭＰａよりはるかに低い。

エンジン燃費の改善を図るため、高圧力対応のピストンが求められている。しかしながら、Ｔ５処理ではアルミ合金の強度が低いため、Ｔ６熱処理でも可能なアルミ合金製ピストンが求められている。

アルミナ繊維等の短繊維で作ったリング状プリフォームをピストンのトップリング溝部にセットして高圧で鋳造し、プリフォーム中に溶湯アルミ合金を含浸させ、リング溝部の耐摩耗性を向上させる方法がある。この場合、プリフォーム中のアルミ合金はピストンと同種のアルミ合金になるので、Ｔ６でも熱処理が可能であるが、前述のように高圧鋳造用の設備が必要で、生産性がよくない。

特許文献１ではＳｉＣ粒子を含有したアルミ合金複合材料の耐摩環をピストントップリング溝に鋳包んだピストンが提案され、アルミ合金の耐摩耗性と耐凝着性の問題を解決した。従来の特許では、耐摩環に使用するアルミ合金はピストンと同種の鋳物８種アルミ合金（ＡＣ８Ａ合金またはＡＣ８Ａをベースにしたアルミ合金）を使用することは特徴である。鋳鉄やアルミ合金複合材料の耐摩環をピストンに鋳包む場合、耐摩環とアルミ合金との界面の強度を向上させるため、耐摩環の予熱が必要である。

特開平８−１５１９５４号公報

しかしながら、耐摩環用のアルミ合金とピストンは同種の鋳物８種合金を使用する場合、固相線温度は５２０℃〜５３０℃であるので、固相線温度以上の予熱は不可能である。界面強度を高くするため、なるべく高い温度で予熱する必要があるが、鋳物８種合金を使用すると、５１０℃〜５１５℃は限界である。高い予熱温度が望まれている。

そこで本発明の目的は、上記課題を解決し、強度、耐摩耗性を向上させると共に高温特性を改善した粒子分散アルミ合金複合材料からなる耐摩環及びそのアルミ合金ピストン、並びにその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成すべく請求項１の発明は、ＡＣ８Ａ，ＡＣ８Ｂ，ＡＣ８Ｃのいずれかからなる鋳物８種合金で形成するアルミ合金ピストンのトップリング溝に相当する位置に鋳包むための耐摩環において、前記アルミ合金ピストンを形成する鋳物８種合金より高融点のアルミ合金を用い、これにセラミックス粒子を分散させて形成した粒子分散アルミ合金複合材料を用いた耐摩環である。

請求項２の発明は、前記高融点のアルミ合金は、鋳物１種合金（ＡＣ１Ａ，ＡＣ１Ｂ）、鋳物３種合金（ＡＣ３Ａ）、鋳物４種合金（ＡＣ４Ａ，ＡＣ４Ｂ，ＡＣ４Ｃ，ＡＣ４Ｄ，ＡＣ４ＣＨ）、鋳物５種合金（ＡＣ５Ａ）、鋳物７種合金（ＡＣ７Ａ）のいずれかを用いる請求項１に記載の粒子分散アルミ合金複合材料を用いた耐摩環である。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の耐摩環を用い、これをＡＣ８Ａ，ＡＣ８Ｂ，ＡＣ８Ｃのいずれかからなる鋳物８種合金を用いて鋳包んだアルミ合金ピストンである。

請求項４の発明は、ＡＣ８Ａ，ＡＣ８Ｂ，ＡＣ８Ｃのいずれかからなる鋳物８種合金で形成するアルミ合金ピストンのトップリング溝に相当する位置に鋳包むための耐摩環の製造方法において、前記鋳物８種合金より高融点のアルミ合金に、セラミックス粒子を分散させて形成することを特徴とする粒子分散アルミ合金複合材料を用いた耐摩環の製造方法である。

請求項５の発明は、請求項１又は２に記載の耐摩環を用い、これをＡＣ８Ａ，ＡＣ８Ｂ，ＡＣ８Ｃのいずれかからなる鋳物８種合金を用いて鋳包むアルミ合金ピストンの製造方法である。

請求項６の発明は、前記耐摩環を４００℃〜５８０℃に予熱してから鋳包む請求項５に記載のアルミ合金ピストンの製造方法である。

請求項７の発明は、鋳造後のピストンをＴ５またはＴ６で熱処理する請求項５又は６に記載のアルミ合金ピストンの製造方法である。

本発明によれば、強度、耐摩耗性を向上させると共に高温特性を改善した粒子分散アルミ合金複合材料からなる耐摩環を得ることができる。

本発明に係るピストンに鋳包まれる耐摩環を説明する図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

先ず、耐摩環は、ピストンの鋳造時にトップリング溝部に位置するように鋳包まれるものである。図１に示すように、この耐摩環２は、トップリング（図示せず）を装着するように、ピストンリング溝３がピストン本体１の外周に断面コ字状に形成される。

本発明では、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、スピネルやアルミナ等のセラミックス粒子を鋳物８種合金より融点の高いアルミ合金に分散させることにより作られたピストン用耐摩環を、アルミ合金ピストンのトップリング溝に相当する位置に鋳包むことで、耐摩環とピストンアルミ合金間の結合力を向上させると同時に、ピストンの耐摩耗性と高温強度を向上させることができる粒子分散アルミ合金材料を用いた耐摩環（以下、単に耐摩環ともいう）とその製造方法を提供する。また、上記の耐摩環を鋳包んだアルミ合金ピストンとそのピストンの製造方法を提供する。

粒子分散アルミ合金材料を用いた耐摩環に使用するアルミ合金はピストンの作製に使用するアルミ合金より融点の高いアルミ合金を使用するため、高い温度で耐摩環を予熱することができるので、耐摩環とピストンアルミ合金間の界面の結合強度を向上させることができる。また、粒子分散アルミ合金材料を用いた耐摩環をアルミ合金製のピストンに鋳包むため、Ｔ５処理はもちろん、Ｔ６熱処理条件でもピストンを処理することが可能になるので、熱処理によるアルミ合金（マトリックス）の強度向上が可能になる。

本発明は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、スピネルやアルミナ等のセラミックス粒子を分散したＡＣ８Ａ，ＡＣ８Ｂ，ＡＣ８Ｃ（ＪＩＳ規格）のいずれかからなるアルミニウム合金鋳物８種より高融点のアルミ合金複合材料を用いた耐摩環とその製造方法、その耐摩環をピストンのトップリング溝に相当する位置に鋳包んだアルミニウム合金ピストンとその製造方法から構成されている。

粒子分散アルミ合金複合材料に使うアルミ合金は、鋳物８種合金（ＡＣ８Ａ，ＡＣ８Ｂ，ＡＣ８Ｃ）より固相線温度の高い鋳物１種合金（ＡＣ１Ａ，ＡＣ１Ｂ）、鋳物３種合金（ＡＣ３Ａ）、鋳物４種合金（ＡＣ４Ａ，ＡＣ４Ｂ，ＡＣ４Ｃ，ＡＣ４Ｄ，ＡＣ４ＣＨ）、鋳物５種合金（ＡＣ５Ａ）、鋳物７種合金（ＡＣ７Ａ）等のアルミ合金である。ピストン用合金（鋳物８種合金またはそれをベースにした合金）より固相線温度の高いアルミ合金を用いることで、ピストンを鋳包む前に、高い温度で予熱することができるので、耐摩環とピストンアルミ合金間の結合力を向上させることができる。

粒子分散アルミ合金複合材料を用いた耐摩環は、攪拌法で溶湯アルミ合金にＳｉＣ粒子、スピネル粒子やアルミナ粒子を分散させることにより作製される。鋳造後、押し出しのようなプレスで塑性加工を施すと、より強度の高い耐摩環が作られるので、さらに好ましい。ＳｉＣ粒子、スピネル粒子とアルミナ粒子はそれぞれ単独で使ってもよいが、混ぜて使用してもよい。また、アルミナ粒子を添加する場合、アルミナ粒子と合金中のＭｇが反応するので、反応によるＭｇの減少分を補う必要がある。

溶湯アルミ合金に粒子を添加する場合、攪拌法で高温の溶湯アルミ合金に添加する溶湯攪拌法があるが、半凝固のアルミ合金に攪拌して添加する半凝固攪拌法がある。半凝固攪拌法を用いると、粒子をより均一にマトリックス合金中に分散できる。

半凝固攪拌法で粒子をアルミ合金に分散した後、型に鋳込み、冷却後、そのまま耐摩環として使っても良いが、鋳造後、押し出しのような塑性加工工程を施してから使っても良い。

アルミ合金のピストンにＳｉＣ粒子、スピネル粒子またはアルミナ粒子で強化したアルミ合金複合材料を用いた耐摩環を鋳包むには、まず耐摩環を予熱する必要がある。予熱温度は４００℃〜５８０℃の範囲で行う。予熱温度が高くなるにつれ、耐摩環とアルミ合金の界面結合が強くなるのでなるべく高い温度で予熱を行う。

予熱した耐摩環を型にセットしてから、溶湯アルミ合金を鋳込むことにより、ピストンのトップリング溝に相当する位置に粒子分散アルミ合金複合材料を用いた耐摩環を鋳包んだアルミ合金ピストンが得られる。その後、Ｔ５またはＴ６の熱処理条件でこのピストンを熱処理する。耐摩環に使っているのはアルミ合金であるので、Ｔ５処理はもちろん、Ｔ６条件で熱処理が可能になるので、ピストンの強度が熱処理により向上できる。

さらに、仕上げ加工と共に耐摩環のリング溝部を切削加工して、トップリングを装着するためのリング溝を形成する。なお、リング溝部の切削加工を容易に行うようにするために、耐摩環は最終製品形状に近い形状に鋳造することが望ましい。

以上要するに本発明によれば、アルミ合金からなるピストンのトップリング溝を形成するための耐摩環を、ＳｉＣ粒子、スピネル粒子またはアルミナ粒子をＡＣ８Ａ，ＡＣ８Ｂ，ＡＣ８Ｃのいずれかからなる鋳物８種アルミ合金より固相線温度の高いアルミ合金に分散させて形成しているため、ピストンの強度、耐摩耗性、高温特性が改善され、高圧力のエンジンのピストンに応用できる。

（実施例１）
溶湯攪拌法で７３０℃の溶湯アルミニウム合金（ＡＣ４Ｄ）を攪拌しながらスピネル粒子（平均粒径１０ミクロン、１０ｍａｓｓ％）をアルミ合金に添加し、その後リング状の金型に鋳込んで、その後、押し出し成形過程を経て、耐摩環を得た。鋳造後、その耐摩環を５７０℃に加熱した後、ピストン鋳造用の型にセットし、溶湯アルミ合金（ＡＣ８Ａ）をピストンの型へ鋳込み、ピストントップリング溝に相当する位置に耐摩環を鋳包んだ。その後、Ｔ６（５１０℃×４ｈ、１７５℃×１０ｈ）で熱処理を行って、トップリング溝に粒子分散アルミ合金複合材料を鋳包んだピストンを得た。

（実施例２）
半凝固攪拌法で５８０℃のアルミニウム合金（ＡＣ３Ａ）を攪拌しながらスピネル粒子（平均粒径１０ミクロン、１０ｍａｓｓ％）をアルミ合金に添加し、リング状の金型に鋳込み、耐摩環を作製した。その耐摩環を５６５℃に加熱した後、ピストン鋳造用の型にセットした。その後、溶湯アルミ合金（ＡＣ８Ａ）をピストンの型へ鋳込み、ピストントップリング溝に相当する位置に耐摩環を鋳包んだ。鋳造後、Ｔ６（５１０℃×４ｈ、１７５℃×１０ｈ）で熱処理を行って、トップリング溝に粒子分散アルミ合金複合材料を鋳包んだピストンを得た。

１ ピストン本体
２ 耐摩環
３ トップリング溝

Claims (7)

1. ＡＣ８Ａ，ＡＣ８Ｂ，ＡＣ８Ｃのいずれかからなる鋳物８種合金で形成するアルミ合金ピストンのトップリング溝に相当する位置に鋳包むための耐摩環において、
   前記アルミ合金ピストンを形成する鋳物８種合金より高融点のアルミ合金を用い、これにセラミックス粒子を分散させて形成したことを特徴とする粒子分散アルミ合金複合材料を用いた耐摩環。
2. 前記高融点のアルミ合金は、鋳物１種合金（ＡＣ１Ａ，ＡＣ１Ｂ）、鋳物３種合金（ＡＣ３Ａ）、鋳物４種合金（ＡＣ４Ａ，ＡＣ４Ｂ，ＡＣ４Ｃ，ＡＣ４Ｄ，ＡＣ４ＣＨ）、鋳物５種合金（ＡＣ５Ａ）、鋳物７種合金（ＡＣ７Ａ）のいずれかを用いる請求項１に記載の粒子分散アルミ合金複合材料を用いた耐摩環。
3. 請求項１又は２に記載の耐摩環を用い、これをＡＣ８Ａ，ＡＣ８Ｂ，ＡＣ８Ｃのいずれかからなる鋳物８種合金を用いて鋳包んだことを特徴とするアルミ合金ピストン。
4. ＡＣ８Ａ，ＡＣ８Ｂ，ＡＣ８Ｃのいずれかからなる鋳物８種合金で形成するアルミ合金ピストンのトップリング溝に相当する位置に鋳包むための耐摩環の製造方法において、
   前記鋳物８種合金より高融点のアルミ合金に、セラミックス粒子を分散させて形成することを特徴とする粒子分散アルミ合金複合材料を用いた耐摩環の製造方法。
5. 請求項１又は２に記載の耐摩環を用い、これをＡＣ８Ａ，ＡＣ８Ｂ，ＡＣ８Ｃのいずれかからなる鋳物８種合金を用いて鋳包むことを特徴とするアルミ合金ピストンの製造方法。
6. 前記耐摩環を４００℃〜５８０℃に予熱してから鋳包む請求項５に記載のアルミ合金ピストンの製造方法。
7. 鋳造後のピストンをＴ５またはＴ６で熱処理する請求項５又は６に記載のアルミ合金ピストンの製造方法。

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