JP2012136958A - Piston formed of aluminum alloy composite material, internal combustion engine equipped with the same, and manufacturing method of piston formed of aluminum alloy composite material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アルミニウム合金複合材料ピストン、それを用いた内燃機関、及び、アルミニウム合金複合材料ピストンの製造方法に関し、より詳細には、ピストンの燃焼室の口部のみならず、ピストンの全体でも、強度、耐摩耗性、高温特性が向上し、高Ｐｍａｘ対応のディーゼルエンジンのピストンとして使用することができるアルミニウム合金複合材料ピストン、それを備えた内燃機関、及び、アルミニウム合金複合材料ピストンの製造方法に関する。 The present invention relates to an aluminum alloy composite material piston, an internal combustion engine using the same, and a method for manufacturing an aluminum alloy composite material piston, and more specifically, not only the mouth of the combustion chamber of the piston but also the entire piston. TECHNICAL FIELD The present invention relates to an aluminum alloy composite piston that has improved strength, wear resistance, and high temperature characteristics and can be used as a piston of a high Pmax compatible diesel engine, an internal combustion engine including the same, and an aluminum alloy composite piston manufacturing method. .
従来の方法では、粒子分散強化アルミニウム合金複合材料は、アルミニウム合金の溶湯に粒子を直接混合する混合法や、金属酸化物の粉末をアルミニウム合金の溶湯に添加してアルミナ粒子をｉｎ−ｓｉｔｕ生成させる反応法や、圧力によりアルミニウム合金の溶湯を粒子プリフォームに含浸させる含浸法等によって作られている。 In the conventional method, the particle dispersion strengthened aluminum alloy composite material is produced by mixing particles directly into the molten aluminum alloy or by adding metal oxide powder to the molten aluminum alloy to generate alumina particles in-situ. It is made by a reaction method or an impregnation method of impregnating a particle preform with a molten aluminum alloy by pressure.
この混合法を用いる場合は、溶湯アルミニウム合金と粒子との濡れ性が良くないため、粒径１０μ（ミクロン）以下の粒子の溶湯アルミニウム合金中への分散は非常に難しく、粒径数μ以下のセラミックスを攪拌しながら溶湯アルミニウム合金に添加すると、粒子間で凝集が生じてしまうという問題がある。また、反応法においても、粒径１０μ以下の金属酸化物粒子を用いると、同様に金属酸化物の粒子間での凝集の問題が生じ、混合が難しいとう問題がある。また、圧力鋳造の含浸法では、予め粒子プリフォームを作製する必要があり、粒径１０μ以下の粒子を用いると、プリフォームの作製が非常に困難となるという問題がある。そのため、現状の粒子分散強化アルミニウム合金複合材料の製造方法においては、粒径１０μ以下の粒子を溶融金属へ分散する技術はまだ確立されたとは言えない。そして、この未含浸の粒子凝集体が複合材料中に含まれていると、複合材料の機械的特性が劣化する。 When this mixing method is used, since the wettability between the molten aluminum alloy and the particles is not good, it is very difficult to disperse particles having a particle size of 10 μm or less in the molten aluminum alloy. When ceramics is added to a molten aluminum alloy while stirring, there is a problem that aggregation occurs between particles. Also in the reaction method, when metal oxide particles having a particle size of 10 μm or less are used, there is a problem of aggregation between the metal oxide particles, which makes it difficult to mix. In addition, in the pressure casting impregnation method, it is necessary to prepare a particle preform in advance, and when particles having a particle size of 10 μm or less are used, there is a problem that the preparation of the preform becomes very difficult. Therefore, in the current method for producing a particle dispersion-strengthened aluminum alloy composite material, it cannot be said that a technique for dispersing particles having a particle size of 10 μm or less in molten metal has been established. And when this unimpregnated particle aggregate is contained in the composite material, the mechanical properties of the composite material deteriorate.
また、繊維強化アルミニウム合金複合材料の場合には、繊維プリフォームを用いて、圧力鋳造により圧力を加えてアルミニウム合金の溶湯を繊維プリフォームの空隙に圧入することによって作製される。この繊維の含有率は数％〜十数％である。しかしながら、この方法では、プリフォームのない部分では、アルミニウム合金が繊維で強化されないため、部品や部材の全体を強化することができないという問題がある。 Further, in the case of a fiber reinforced aluminum alloy composite material, it is produced by using a fiber preform and applying pressure by pressure casting to press the molten aluminum alloy into the gap of the fiber preform. The content of this fiber is several percent to several tens percent. However, this method has a problem that the parts and members cannot be reinforced because the aluminum alloy is not reinforced by the fiber in the portion without the preform.
一方、ディーゼルエンジンにおいては、軽量化が進み、アルミニウム合金がエンジン部品へ応用されてきている。特に、内燃機関のピストンにおいては、エンジンの軽量化のため、鋳鉄やスチールのピストンに対して、アルミニウム合金のピストンが開発され、使用されてきている。 On the other hand, in a diesel engine, weight reduction has progressed and aluminum alloys have been applied to engine parts. In particular, pistons made of aluminum alloys have been developed and used for pistons of internal combustion engines in contrast to cast iron and steel pistons in order to reduce the weight of the engine.
しかしながら、エンジンの燃費を改善したり、排気ガスの規制をクリアしたりするためにＰｍａｘ（シリンダ内の最高圧力）が大幅に増加し、従来のＰｍａｘが１５ＭＰａであったのに対して、２倍の３０ＭＰａまで耐えられるエンジン材料が求められてきている。その結果、アルミニウム合金単体ではこのＰｍａｘの大幅な増加に対して対応できなくなってきており、更に耐熱性が良くかつ高強度のアルミニウム合金が求められている。 However, Pmax (maximum pressure in the cylinder) has greatly increased in order to improve the fuel efficiency of the engine and to satisfy the regulations of exhaust gas, which is twice that of the conventional Pmax of 15 MPa. Therefore, engine materials that can withstand up to 30 MPa have been demanded. As a result, an aluminum alloy alone cannot respond to the large increase in Pmax, and an aluminum alloy with better heat resistance and high strength is required.
このピストンの補強に関して、二酸化チタンのセラミック粒子、ホウ酸アルミニウムの第１のウィスカを含む複合化材料をスラリー化して、焼結により複合化用予備成形体を製造し、この複合化用予備成形体にアルミニウム系金属の溶湯を注入して複合化する複合アルミニウム系金属部品の製造法と、これによりピストンリング溝部を複合化したエンジンのピストンが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。 Regarding the reinforcement of the piston, a composite material containing ceramic particles of titanium dioxide and a first whisker of aluminum borate is slurried, and a composite preform is manufactured by sintering, and the composite preform is manufactured. A manufacturing method of a composite aluminum-based metal component in which a molten metal of aluminum-based metal is injected into a composite and an piston of an engine in which a piston ring groove is combined thereby has been proposed (for example, see Patent Document 1).
また、高Ｐｍａｘ対応のピストンでは、ピストン燃焼室の口元部に繊維の含有率Ｖｆが１５％位程度の繊維強化アルミニウム合金複合材料（ＦＲＭ）が使われている。しかし、Ｐｍａｘの更なる向上で燃焼室の口元の強度の更なる増強が求められると共に、ピストン全体の強度についても増強が求められている。そのため、高Ｐｍａｘ対応のピストンにおいては、繊維強化アルミニウム合金複合材料による部分的な強化もその限界に来ているという問題がある。 In the piston corresponding to high Pmax, a fiber reinforced aluminum alloy composite material (FRM) having a fiber content Vf of about 15% is used at the mouth of the piston combustion chamber. However, a further increase in the strength of the mouth of the combustion chamber is required by further improving Pmax, and an increase in the strength of the entire piston is also required. Therefore, in the piston corresponding to high Pmax, there is a problem that partial strengthening by the fiber reinforced aluminum alloy composite material has reached its limit.
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、ピストンの燃焼室の口部のみならず、ピストンの全体でも、強度、耐摩耗性、高温特性が向上し、高Ｐｍａｘ対応のディーゼルエンジンのピストンとして使用できるアルミニウム合金複合材料ピストン、それを用いた内燃機関、及び、アルミニウム合金複合材料ピストンの製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above situation, and the object thereof is to improve the strength, wear resistance, and high temperature characteristics not only at the mouth portion of the combustion chamber of the piston but also at the entire piston, and high Pmax. An object of the present invention is to provide an aluminum alloy composite piston that can be used as a piston of a corresponding diesel engine, an internal combustion engine using the same, and a method of manufacturing the aluminum alloy composite piston.
上記の目的を達成するためのアルミニウム合金複合材料ピストンは、内燃機関に用いるアルミニウム合金複合材料ピストンにおいて、内燃機関のピストンの燃焼室の口元の部分を、セラミックス粒子とセラミックス短繊維を分散させたアルミニウム合金で形成すると共に、前記口元以外の部分を、セラミックス粒子を分散させたアルミニウム合金で形成して構成される。 An aluminum alloy composite material piston for achieving the above object is an aluminum alloy composite material piston used in an internal combustion engine, in which an aluminum portion in which ceramic particles and ceramic short fibers are dispersed in a mouth portion of a combustion chamber of the piston of the internal combustion engine. In addition to being formed of an alloy, the portion other than the mouth is formed of an aluminum alloy in which ceramic particles are dispersed.
この構成によれば、内燃機関のピストンの燃焼室の口元がセラミックス短繊維とセラミックス粒子により強化され、その他の部位はセラミックス粒子により強化されているため、強度、耐摩耗性、高温特性が向上し、高Ｐｍａｘ対応のディーゼルエンジンのピストンとして応用できる。 According to this configuration, the mouth of the combustion chamber of the piston of the internal combustion engine is reinforced with ceramic short fibers and ceramic particles, and the other parts are reinforced with ceramic particles, which improves strength, wear resistance, and high temperature characteristics. It can be applied as a piston of a diesel engine compatible with high Pmax.
また、上記のアルミニウム複合材料ピストンにおいて、前記アルミニウム合金を、ＪＩＳ規格のＡＣ８種、ＡＣ９種のアルミニウム−ケイ素の合金系列、または、ＪＩＳ規格のＡＣ８種、ＡＣ９種において銅、ニッケル、マグネシウムの含有量を変化させたアルミニウム−ケイ素合金系列で形成し、前記セラミックス粒子を、酸化アルミニウム，炭化ケイ素，スピネル、炭化ホウ素，窒化ケイ素の各粒子のいずれか一つ又は幾つかの組み合わせで形成し、前記セラミックス短繊維を、酸化アルミニウム、ムライトの短繊維のいずれか又は両方で形成して構成すると、強度、耐摩耗性、高温特性が向上し、高Ｐｍａｘ対応のディーゼルエンジンのピストンに適したピストンとなる。なお、このアルミニウム−ケイ素合金系列には、亜共晶、共晶又は過共晶のアルミニウム−ケイ素合金が含まれる。 In the above aluminum composite material piston, the aluminum alloy contains JIS standard AC8 class, AC9 class aluminum-silicon alloy series, or JIS standard AC8 class, AC9 class containing copper, nickel and magnesium. The ceramic particles are formed of any one or a combination of aluminum oxide, silicon carbide, spinel, boron carbide, and silicon nitride particles. When the short fibers are formed by forming either or both of aluminum oxide and mullite short fibers, the strength, wear resistance, and high temperature characteristics are improved, and the piston is suitable for a piston of a diesel engine compatible with high Pmax. The aluminum-silicon alloy series includes hypoeutectic, eutectic or hypereutectic aluminum-silicon alloys.
また、上記の目的を達成するための内燃機関は、上記のアルミニウム合金複合材料ピストンを備えて構成される。これにより、強度、耐摩耗性、高温特性が向上した、高Ｐｍａｘ対応のディーゼルエンジンとして使用できるようになる。 An internal combustion engine for achieving the above object includes the above-described aluminum alloy composite material piston. As a result, it can be used as a high Pmax compatible diesel engine with improved strength, wear resistance, and high temperature characteristics.
そして、上記の目的を達成するためのアルミニウム合金複合材料ピストンの製造方法は、セラミックス短繊維からなるプリフォームをピストン製造用の金型内のピストンの燃焼室の口元に相当する位置に配置した後、前記金型内にセラミックス粒子を含んだ溶湯アルミニウム合金を鋳込み、更に、その溶湯アルミニウム合金に圧力を加えて、圧力鋳造により前記溶湯アルミニウム合金を前記プリフォームに圧入する工程を含むことを特徴とする方法である。この方法により、上記のアルミニウム合金複合材料ピストンを容易に製造することができる。 And the manufacturing method of the aluminum alloy composite material piston for achieving the above-mentioned object is that after placing a preform made of ceramic short fibers at a position corresponding to the mouth of the combustion chamber of the piston in the mold for manufacturing the piston. And a step of casting a molten aluminum alloy containing ceramic particles in the mold, further applying pressure to the molten aluminum alloy, and press-fitting the molten aluminum alloy into the preform by pressure casting. It is a method to do. By this method, the above-described aluminum alloy composite material piston can be easily manufactured.
本発明のアルミニウム合金複合材料ピストンと、それを備えた内燃機関によれば、ピストンの燃焼室の口元がセラミックス短繊維とセラミックス粒子により強化され、その他の部位はセラミックス粒子より強化されているため、ピストンの燃焼室の口部のみならず、ピストンの全体でも、強度、耐摩耗性、高温特性が向上し、高Ｐｍａｘ対応のディーゼルエンジンに使用できるようになる。 According to the aluminum alloy composite material piston of the present invention and an internal combustion engine equipped with the piston, the mouth of the combustion chamber of the piston is reinforced by ceramic short fibers and ceramic particles, and other parts are reinforced by ceramic particles. Strength, wear resistance, and high temperature characteristics are improved not only in the mouth portion of the combustion chamber of the piston but also in the whole piston, and can be used for a diesel engine that supports high Pmax.
また、本発明のアルミニウム合金複合材料ピストンの製造方法によれば、容易に、ピストンの燃焼室の口部のみならず、ピストンの全体でも、強度、耐摩耗性、高温特性が向上した、高Ｐｍａｘ対応のディーゼルエンジンのピストンを製造することができる。 In addition, according to the method of manufacturing an aluminum alloy composite material piston of the present invention, not only the mouth portion of the combustion chamber of the piston but also the entire piston can be improved in strength, wear resistance, and high temperature characteristics. A compatible diesel engine piston can be manufactured.
以下、本発明に係る実施の形態のアルミニウム合金複合材料ピストン、それを備えた内燃機関、及び、アルミニウム合金複合材料ピストンの製造方法について、図面を参照しながら説明する。図１に示すように、本発明に係るアルミニウム合金複合材料ピストン１は、内燃機関に用いるアルミニウム合金複合材料ピストンであり、内燃機関のピストン１の燃焼室２の口元２ａの部分を、セラミックス粒子とセラミックス短繊維を分散させたアルミニウム合金で形成すると共に、この口元２ａ以外の部分を、セラミックス粒子を分散させたアルミニウム合金で形成する。このセラミックス粒子とセラミックス短繊維、又はセラミックス粒子は均一に分散させるようにする。
Hereinafter, an aluminum alloy composite material piston according to an embodiment of the present invention, an internal combustion engine including the same, and a method for manufacturing the aluminum alloy composite material piston will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, an aluminum alloy composite material piston 1 according to the present invention is an aluminum alloy composite material piston used for an internal combustion engine, and a portion of a
このアルミニウム合金は、ＪＩＳ規格のＡＣ８種、ＡＣ９種のアルミニウム（Ａｌ）−ケイ素（Ｓｉ）の合金系列（亜共晶、共晶又は過共晶合金）、または、ＪＩＳ規格のＡＣ８種、ＡＣ９種において銅（Ｃｕ）、ニッケル（ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）の含有量を変化させたアルミニウム−ケイ素合金系列（亜共晶、共晶又は過共晶合金）で形成する。 This aluminum alloy is JIS standard AC8 class, AC9 class aluminum (Al) -silicon (Si) alloy series (hypereutectic, eutectic or hypereutectic alloy), or JIS standard AC8 class, AC9 class. In the aluminum-silicon alloy series (hypereutectic, eutectic or hypereutectic alloy) in which the contents of copper (Cu), nickel (ni), and magnesium (Mg) are changed.
また、セラミックス粒子は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、炭化ホウ素（Ｂ4Ｃ）、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）の各粒子のいずれか一つ又は幾つかの組み合わせで形成する。このセラミックス粒子の粒径は、セラミックス短繊維のプリフォームの隙間に、このセラミックス粒子を含んだ溶湯アルミニウム合金を浸透させるために、０．５μ〜３０μの範囲が好ましい。添加されるセラミックス粒子の粒径が細かければ細かいほど、複合材料の強度が向上するが、粒径が細かすぎると、攪拌法では粒子の分離が難しくなる。一方、セラミックス粒子の粒径は３０μ以上になると、プリフォームの隙間への浸透が難しくなる。 The ceramic particles may be any one of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon carbide (SiC), spinel (MgAl 2 O 4 ), boron carbide (B 4 C), and silicon nitride (Si 3 N 4 ). Or one or several combinations. The particle size of the ceramic particles is preferably in the range of 0.5 to 30 μ so that the molten aluminum alloy containing the ceramic particles penetrates into the gaps between the preforms of the ceramic short fibers. The finer the particle size of the ceramic particles to be added, the higher the strength of the composite material. However, if the particle size is too small, it becomes difficult to separate the particles by the stirring method. On the other hand, when the particle size of the ceramic particles is 30 μm or more, it becomes difficult to penetrate into the gaps of the preform.
また、セラミックス短繊維は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、ムライト（Ａｌ6Ｏ13Ｓｉ2：３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）の短繊維のいずれか又は両方で形成する。このセラミックス繊維の直径は１μ〜３０μとし、また、繊維の体積含有率を３％〜２０％とすることが好ましい。 The ceramic short fibers are formed of one or both of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and mullite (Al 6 O 13 Si 2 : 3Al 2 O 3 .2SiO 2 ) short fibers. The diameter of the ceramic fiber is preferably 1 μ to 30 μ, and the volume content of the fiber is preferably 3% to 20%.
この構成によれば、内燃機関のピストン１の燃焼室２の口元２ａがセラミックス短繊維とセラミックス粒子により強化され、その他の部位はセラミックス粒子により強化される。そのため、強度、耐摩耗性、高温特性が向上し、高Ｐｍａｘ対応のディーゼルエンジンのピストンとして応用できる。なお、このアルミニウム−ケイ素合金系列には、亜共晶、共晶又は過共晶のアルミニウム−ケイ素合金を含む。
According to this configuration, the
また、本発明に係る実施の形態の内燃機関は、上記の構成のアルミニウム合金複合材料ピストン１を備えて構成される。これにより、強度、耐摩耗性、高温特性が向上した、高Ｐｍａｘ対応のディーゼルエンジンとして使用できるようになる。 Moreover, the internal combustion engine of the embodiment according to the present invention includes the aluminum alloy composite material piston 1 having the above-described configuration. As a result, it can be used as a high Pmax compatible diesel engine with improved strength, wear resistance, and high temperature characteristics.
そして、本発明に係る実施の形態のアルミニウム合金複合材料ピストンの製造方法は、セラミックス短繊維からなるプリフォームをピストン製造用の金型内のピストンの燃焼室の口元に相当する位置に配置した後、この金型内にセラミックス粒子を含んだ溶湯アルミニウム合金を鋳込み、更に、その溶湯アルミニウム合金に圧力を加えて、圧力鋳造により溶湯アルミニウム合金をプリフォームに圧入する。 In the method of manufacturing an aluminum alloy composite material piston according to the embodiment of the present invention, after the preform made of the ceramic short fiber is arranged at a position corresponding to the mouth of the combustion chamber of the piston in the mold for manufacturing the piston. A molten aluminum alloy containing ceramic particles is cast into the mold, and pressure is applied to the molten aluminum alloy, and the molten aluminum alloy is press-fitted into the preform by pressure casting.
つまり、予め酸化アルミニウムやムライト等のセラミックス短繊維のプリフォームをピストン製造用の金型内のピストンの燃焼室の口元に相当する位置にセットした後、酸化アルミニウム，炭化ケイ素、スピネル、炭化ホウ素，窒化ケイ素等のセラミックス粒子を分散させて溶湯アルミニウム合金を加圧下でセラミックス短繊維のプリフォームに圧入することにより、セラミックス粒子とセラミックス繊維で強化したアルミニウム合金複合材料が得られる。 In other words, a ceramic short fiber preform such as aluminum oxide or mullite is set in a position corresponding to the mouth of the combustion chamber of the piston in the mold for manufacturing the piston, and then aluminum oxide, silicon carbide, spinel, boron carbide, An aluminum alloy composite material reinforced with ceramic particles and ceramic fibers is obtained by dispersing ceramic particles such as silicon nitride and press-fitting a molten aluminum alloy into a ceramic short fiber preform under pressure.
なお、圧力鋳造用に備えて、金型への鋳込み前に、セラミックス粒子をアルミニウム合金に溶融攪拌法や半凝固攪拌法などの方法で分散させておく。圧力鋳造用の金型やプリフォームは、アルミニウム粒子を含む溶湯アルミニウム合金をセラミックス短繊維のプリフォームに圧入するため、予熱しておく必要がある。この予熱温度は金型で２００℃〜５００℃で、プリフォームで３００℃〜９００℃である。特に、プリフォームの予熱は高ければ高いほどよい。 In preparation for pressure casting, ceramic particles are dispersed in an aluminum alloy by a method such as a melt stirring method or a semi-solidified stirring method before casting into a mold. A die or preform for pressure casting needs to be preheated in order to press-fit a molten aluminum alloy containing aluminum particles into a preform of ceramic short fiber. This preheating temperature is 200 ° C. to 500 ° C. for the mold and 300 ° C. to 900 ° C. for the preform. In particular, the higher the preheating of the preform, the better.
この方法により、ピストンの内部の組織は、セラミックス短繊維のプリフォームのある燃焼室口元の部分ではセラミックス短繊維とセラミックス粒子の両方を均一に分散させたアルミニウム複合材料となり、また、その他の部分ではセラミックス粒子を均一に分散させたアルミニウム複合材料となる。 By this method, the internal structure of the piston becomes an aluminum composite material in which both ceramic short fibers and ceramic particles are uniformly dispersed in the portion of the combustion chamber mouth where the ceramic short fiber preform is located, and in the other portions. An aluminum composite material in which ceramic particles are uniformly dispersed is obtained.
また、この方法によれば、圧力鋳造法を使うため、溶湯攪拌法で添加したセラミックス粒子の粒径が細かくて、粒子の未分散の凝集体が生じても、後の圧力鋳造で凝集体の中まで溶湯アルミニウム合金が浸透するので、セラミックス粒子の凝集による未含浸の問題を解決できる。その結果、欠陥のない複合材料が得られる。 Further, according to this method, since the pressure casting method is used, even if the particle size of the ceramic particles added by the molten metal stirring method is fine and an undispersed aggregate of the particles is generated, Since the molten aluminum alloy penetrates to the inside, the problem of non-impregnation due to agglomeration of ceramic particles can be solved. As a result, a composite material having no defects is obtained.
更に、セラミックス短繊維のプリフォームの内部の空隙へ粒子を含んだ溶湯アルミニウム合金が圧入されるので、プリフォームのある場所ではセラミックス短繊維とセラミックス粒子の両方による補強効果を発揮でき、より強度が向上される。 Furthermore, since the molten aluminum alloy containing particles is press-fitted into the voids inside the ceramic short fiber preform, the reinforcing effect of both the ceramic short fibers and the ceramic particles can be exerted at a place where the preform is present, and the strength is increased. Be improved.
一般的に、このセラミックス繊維のプリフォームは、湿式法で作られるが、この湿式法では水を吸引で取るため、プリフォーム内に、吸引される水の流れに沿って繊維に一定程度の配向性が生じる。この配向性のある繊維プリフォームを補強材として使う場合、複合材料内でも方向が異なると強度に若干の差が生じる。そして、アルミニウム合金中の繊維の分布は、プリフォーム中の繊維の分布がそのままに近い形で残されるため、共晶組織の中だけではなく、アルミニウム合金中の初晶α−アルミニウムの中にも繊維が存在する。 In general, this ceramic fiber preform is made by a wet method, and in this wet method, water is taken by suction, so that the fiber is oriented to a certain degree along the flow of sucked water in the preform. Sex occurs. When using this oriented fiber preform as a reinforcing material, there is a slight difference in strength if the direction is different even within the composite material. And since the distribution of fibers in the aluminum alloy remains in a form that is close to the distribution of fibers in the preform, not only in the eutectic structure, but also in the primary α-aluminum in the aluminum alloy. Fiber is present.
この方法では、プリフォーム中にセラミックス粒子を含んだアルミニウム合金を圧入して、プリフォームの内部空隙へセラミックス粒子を配合するので、セラミックス短繊維とセラミックス粒子が同時にアルミニウム合金に分散される組織が得られ、セラミックス補強材料の含有率が高い複合材料が得られる。この含有率が高くなるにつれ、アルミニウム合金複合材料の強度と耐熱性が向上する。これにより、配向性のあるプリフォーム内部への粒子の分散による、繊維と粒子の複合強化により、繊維による補強効果が少ない方向に対しても粒子の分散によって補強効果を増すことができる。 In this method, an aluminum alloy containing ceramic particles is press-fitted into the preform, and the ceramic particles are blended into the internal voids of the preform, so that a structure in which ceramic short fibers and ceramic particles are simultaneously dispersed in the aluminum alloy is obtained. Thus, a composite material having a high content of the ceramic reinforcing material can be obtained. As this content increases, the strength and heat resistance of the aluminum alloy composite material improve. As a result, the reinforcing effect of the fibers can be increased by the dispersion of the particles even in the direction in which the reinforcing effect of the fibers is small due to the composite reinforcement of the fibers and the particles by the dispersion of the particles in the preform having the orientation.
また、一般的に、セラミックス粒子を分散させた溶湯アルミニウム合金においては、凝固の時に、アルミニウム−ケイ素の亜共晶合金と過共晶合金の場合は、初晶α−アルミニウムや初晶ケイ素の内部への析出がなく、共晶溶湯に押し出された後、アルミニウム合金が凝固するので、セラミックス粒子が初晶の周りや共晶の内部へ分散される。しかし、この方法では、短繊維のプリフォームにセラミックス粒子を含んだ溶湯アルミニウム合金を加圧下で鋳込むので、短繊維の位置はそのまま保たれ、初晶α−アルミニウムや初晶ケイ素の中に析出させることも可能である。 In general, in molten aluminum alloys in which ceramic particles are dispersed, when solidifying, in the case of aluminum-silicon hypoeutectic alloy and hypereutectic alloy, the interior of primary α-aluminum or primary silicon After the aluminum alloy is solidified after being extruded into the eutectic melt, the ceramic particles are dispersed around the primary crystal and inside the eutectic. However, in this method, a molten aluminum alloy containing ceramic particles is cast into a short fiber preform under pressure, so that the position of the short fiber is kept as it is and is precipitated in primary α-aluminum or primary silicon. It is also possible to make it.
また、通常、攪拌法で粒径１０μ以下の細かいセラミックス粒子を溶湯アルミニウム合金に複合する場合は、粒径が細かいため、溶湯アウルミニウム金属が浸透できていないセラミックス粒子の凝集体が生じ、複合材料の性能を劣化させる。しかし、この方法では、攪拌法で溶湯アルミニウム金属が浸透できていないセラミックス粒子の凝集体が生じても、その後の圧力鋳造で、粒子の凝集体に対してアルミニウム合金を浸透させることができる。 Further, when fine ceramic particles having a particle size of 10 μm or less are usually combined with molten aluminum alloy by a stirring method, the fine particle size results in an aggregate of ceramic particles into which the molten aurmium metal cannot penetrate, resulting in a composite material Degrades the performance. However, in this method, even if an agglomeration of ceramic particles in which the molten aluminum metal cannot be infiltrated by the stirring method occurs, the aluminum alloy can be infiltrated into the agglomerate of particles by subsequent pressure casting.
また、従来技術において、ディーゼルエンジン用のアルミニウム合金ピストンの耐磨耗性を改善するため、繊維強化アルミニウム合金複合材料（ＦＲＭ）や二レジスト耐磨環でトップリング溝を強化する場合がある。しかし、この方法では、セラミックス粒子を含んだアルミニウム合金をピストン製造用の金型に鋳込むので、ピストンの全体の部位にセラミックス粒子が分散している。従って、耐磨耗性の観点からは、粒子強化アルミニウムそのものは十分な耐摩耗性を有しているため、従来技術のようにトップリング溝に対して繊維強化アルミニウム合金複合材料や二レジスト耐磨環を複合しなくてもよい。そして、二レジスト耐磨環を複合しない場合は、ピストンの熱処理温度を従来のＪＩＳ規格のＴ５ではなく、ＪＩＳ規格のＴ６のような処理条件でも熱処理することが可能になる。 Further, in the prior art, in order to improve the wear resistance of an aluminum alloy piston for a diesel engine, the top ring groove may be reinforced with a fiber reinforced aluminum alloy composite material (FRM) or a two-resist wear ring. However, in this method, since an aluminum alloy containing ceramic particles is cast into a mold for producing a piston, the ceramic particles are dispersed throughout the piston. Therefore, from the viewpoint of wear resistance, the particle-reinforced aluminum itself has sufficient wear resistance. It is not necessary to combine the rings. If the two resist wear-resistant rings are not combined, the heat treatment temperature of the piston can be heat-treated even under treatment conditions such as JIS standard T6 instead of the conventional JIS standard T5.
次に、上記の製造方法を用いた実施例１，２について説明する。実施例１では、平均粒径１０μ（ミクロン）の炭化ケイ素（ＳｉＣ）を、６ｖｏｌ％（体積％）で分散させたＪＩＳ規格ＡＣ８Ａの溶湯アルミニウム合金を７５０℃に加熱し、保持した後、平均直径６μのアルミナ短繊維からなるプリフォーム（繊維の含有率Ｖｆ＝６％）を５００℃で予熱し、ピストン製造用の金型内のピストンの燃焼室の口元に相当する位置にセットし、その金型にその炭化ケイ素粒子を含んだ、ＪＩＳ規格ＡＣ８Ａの溶湯アルミニウム合金を鋳込み、更に、その溶湯アルミニウム合金に１００ＭＰａの圧力をかけ、圧力鋳造により炭化ケイ素粒子を含んだ溶湯アルミニウム合金をアルミナ短繊維のプリフォームに圧入した。 Next, Examples 1 and 2 using the above manufacturing method will be described. In Example 1, a JIS standard AC8A molten aluminum alloy in which silicon carbide (SiC) having an average particle size of 10 μm was dispersed at 6 vol% (volume%) was heated to 750 ° C. A preform made of 6 μ alumina short fibers (fiber content Vf = 6%) is preheated at 500 ° C. and set at a position corresponding to the mouth of the combustion chamber of the piston in the mold for manufacturing the piston. A molten aluminum alloy of JIS standard AC8A containing the silicon carbide particles in the mold was cast, and a pressure of 100 MPa was applied to the molten aluminum alloy, and the molten aluminum alloy containing silicon carbide particles was made of alumina short fiber by pressure casting. Press-fitted into the preform.
得られたアルミニウム合金複合材料ピストンをＪＩＳ規格のＴ６で熱処理した後、ピストンを切断して研磨し、その組織を観察した。研磨した試料の組織から、元のプリフォームの場所ではアルミナ短繊維と炭化ケイ素粒子が均一に分布していることが観察され、元のプリフォームのない場所では、炭化ケイ素粒子が均一に分布していることが観察された。 The obtained aluminum alloy composite material piston was heat-treated at JIS standard T6, then the piston was cut and polished, and the structure was observed. From the structure of the polished sample, it is observed that the alumina short fibers and silicon carbide particles are uniformly distributed at the location of the original preform, and the silicon carbide particles are uniformly distributed at the location where the original preform is not present. It was observed that
更に、ピストンとして評価するために、加工した後、ディーゼルエンジンに装着し、実機による耐久テストを行った。その結果、シリンダ内最高圧力Ｐｍａｘが２１ＭＰａに達しても、ピストンの燃焼室の口元においてクラックの発生が確認されなかった。 Furthermore, in order to evaluate as a piston, after processing, it was mounted on a diesel engine and subjected to a durability test using an actual machine. As a result, even when the maximum cylinder pressure Pmax reached 21 MPa, no cracks were observed at the mouth of the combustion chamber of the piston.
また、実施例２では、攪拌法により、平均粒径２μのスピネル粒子を４ｖｏｌ％で、ＪＩＳ規格のＡＣ８Ａのアルミニウム合金に混合した後、７５０℃に加熱し、ピストンの圧力鋳造に備えた。平均直径６μのアルミナ短繊維からなるプリフォーム（繊維の含有率Ｖｆ＝６％）を６００℃で予熱したのち、４５０℃に予熱したピストン製造用の金型内のピストンの燃焼室の口元に相当する位置にセットし、上記のスピネル粒子を含んだ溶湯アルミニウム合金を鋳込み、その後、１００ＭＰａの圧力でその溶湯アルミニウム合金に圧力をかけ、スピネル粒子を含んだ溶湯アルミニウム合金をプリフォームに浸透させた。 In Example 2, spinel particles having an average particle diameter of 2 μ were mixed at 4 vol% with a JIS standard AC8A aluminum alloy by a stirring method, and then heated to 750 ° C. to prepare for pressure casting of the piston. Corresponds to the mouth of the combustion chamber of the piston in the mold for piston production preheated to 600 ° C after preforms made of alumina short fibers with an average diameter of 6μ (fiber content Vf = 6%) at 600 ° C The molten aluminum alloy containing the spinel particles was cast, and then the molten aluminum alloy containing the spinel particles was infiltrated into the preform by applying pressure to the molten aluminum alloy at a pressure of 100 MPa.
得られたアルミニウム合金複合材料ピストンをＪＩＳ規格のＴ６で熱処理した後、ピストンを切断して研磨し、その組織を観察した。研磨した試料の組織から、元のプリフォームの場所ではアルミナ短繊維と炭化ケイ素粒子が均一に分布していることが観察され、元のプリフォームのない場所では、炭化ケイ素粒子が均一にアルミニウム合金に分布していることが観察された。 The obtained aluminum alloy composite material piston was heat-treated at JIS standard T6, then the piston was cut and polished, and the structure was observed. From the structure of the polished sample, it is observed that the alumina short fibers and silicon carbide particles are uniformly distributed at the location of the original preform, and the silicon carbide particles are uniformly distributed at the location where the original preform is not present. It was observed that it was distributed.
更に、ピストンとして評価するために、加工した後、ディーゼルエンジンに装着し、実機による耐久テストを行った。その結果、シリンダ内最高圧力Ｐｍａｘが２１ＭＰａに達しても、ピストンの燃焼室の口元においてクラックの発生が確認されなかった。 Furthermore, in order to evaluate as a piston, after processing, it was mounted on a diesel engine and subjected to a durability test using an actual machine. As a result, even when the maximum cylinder pressure Pmax reached 21 MPa, no cracks were observed at the mouth of the combustion chamber of the piston.
一方、比較例として、ＪＩＳ規格のＡＣ８Ａのアルミニウム合金を７５０℃に溶解した後、アルゴンガスによる脱ガスを行った後、ピストン製造用金型に鋳込み、また、トップリング溝にニレジスト耐磨環を鋳ぐるみした。鋳造後、鋳造品をＪＩＳ規格のＴ５で熱処理し、加工した後、ディーゼルエンジンに装着し、実機による耐久テストを行った。その結果、シリンダ内最高圧力Ｐｍａｘが１９ＭＰａに達すると、ピストンの燃焼室の口元においてクラックが発生したことが確認された。 On the other hand, as a comparative example, a JIS standard AC8A aluminum alloy was melted at 750 ° C., degassed with argon gas, cast into a piston manufacturing die, and a Niresist wear ring was formed in the top ring groove. I cast it. After casting, the cast product was heat-treated at JIS standard T5 and processed, and then mounted on a diesel engine, and an endurance test using an actual machine was performed. As a result, it was confirmed that when the maximum cylinder pressure Pmax reached 19 MPa, cracks occurred at the mouth of the combustion chamber of the piston.
本発明のアルミニウム合金複合材料ピストンによれば、ピストンの燃焼室の口元がセラミックス短繊維とセラミックス粒子により強化され、その他の部位はセラミックス粒子より強化されているため、ピストンの燃焼室の口部のみならず、ピストンの全体でも、強度、耐摩耗性、高温特性が向上し、高Ｐｍａｘ対応のディーゼルエンジンのピストンとして使用できる。また、本発明の、このアルミニウム合金複合材料ピストンを備えた内燃機関は、高Ｐｍａｘ対応のディーゼルエンジンとして使用できる。また、本発明のアルミニウム複合材料ピストンの製造方法によれば、容易に強度、耐摩耗性、高温特性が向上した、高Ｐｍａｘ対応のディーゼルエンジンのピストンを製造することができる。 According to the aluminum alloy composite material piston of the present invention, since the mouth of the combustion chamber of the piston is reinforced with ceramic short fibers and ceramic particles, and other portions are reinforced with ceramic particles, only the mouth of the combustion chamber of the piston In addition, the piston as a whole has improved strength, wear resistance, and high temperature characteristics, and can be used as a piston of a diesel engine compatible with high Pmax. Moreover, the internal combustion engine provided with this aluminum alloy composite material piston of the present invention can be used as a high Pmax compatible diesel engine. Further, according to the method for manufacturing an aluminum composite material piston of the present invention, it is possible to easily manufacture a piston for a high Pmax compatible diesel engine having improved strength, wear resistance, and high temperature characteristics.
そのため、これらのアルミニウム合金複合材料ピストン、それを備えた内燃機関、及びアルミニウム複合材料ピストンの製造方法は、自動車等の内燃機関における高強度軽量化部材として利用できる。 Therefore, the aluminum alloy composite material piston, the internal combustion engine including the same, and the method for manufacturing the aluminum composite material piston can be used as a high-strength and lightweight member in an internal combustion engine such as an automobile.
１ ピストン
２ 燃焼室
２ａ 燃焼室の口元
３ トップリング溝
1
Claims (4)
前記セラミックス粒子を、酸化アルミニウム，炭化ケイ素，スピネル、炭化ホウ素、窒化ケイ素の各粒子のいずれか一つ又は幾つかの組み合わせで形成し、
前記セラミックス短繊維を、酸化アルミニウム、ムライトの短繊維のいずれか又は両方で形成したことを特徴とする請求項１記載のアルミニウム合金複合材料ピストン。 The aluminum alloy is a JIS standard AC8 type, AC9 type aluminum-silicon alloy series, or a JIS standard AC8 type, AC9 type aluminum-silicon alloy series in which the contents of copper, nickel, and magnesium are changed. Forming,
The ceramic particles are formed of any one or some combination of aluminum oxide, silicon carbide, spinel, boron carbide, silicon nitride particles,
2. The aluminum alloy composite material piston according to claim 1, wherein the ceramic short fibers are formed of one or both of aluminum oxide and mullite short fibers.
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