JP2753880B2 - エンジン構成部材 - Google Patents

エンジン構成部材

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JP2753880B2
JP2753880B2 JP2090420A JP9042090A JP2753880B2 JP 2753880 B2 JP2753880 B2 JP 2753880B2 JP 2090420 A JP2090420 A JP 2090420A JP 9042090 A JP9042090 A JP 9042090A JP 2753880 B2 JP2753880 B2 JP 2753880B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ピストンがシリンダーに摺動する関係にあ
るエンジン構成部材に関する。
〔従来の技術〕
現在使用されている往復式内燃機関であるエンジンの
代表的なものは、ADC10合金又はADC12合金にクロムメ
ッキしたシリンダーとAC8A合金鋳物からなるピストンと
の組合せ、又は390合金からなるシリンダーとAC8A合
金にクロムメッキしたピストンの組合せによって構成さ
れているものである。これらのエンジンはいずれもシリ
ンダーの内壁又はピストンの表面にクロムメッキを施し
ており、これは相互の摺動に対して耐磨性を大きくする
ためである。この製造工程は、母材を加工し、その表面
を表面を処理し(クロムメッキ)、それを再度100〜150
μm程度加工研摩し、最終仕上げすることからなってい
る。
このエンジンの製造技術においては、シリンダー又は
ピストンにクロムメッキをするために製造工程の数が多
くなり、またメッキ工程で使用する処理液は6価クロム
を含有するため極めて有害でその管理を厳重にしなけれ
ばならず、その廃液も無害化するように十分に処理をし
なければならないという問題点を有する。
さらに、このクロムメッキにより形成されたシリンダ
ー又はピストンのクロムメッキの厚さは、一般に30〜50
μm以内で、耐摩耗の作用が奏されるのはメッキ層が有
効に存在するときであるからメッキ層の厚さ以上に摩耗
が進行した場合、素地材が露出し、焼き付き等が発生す
る。また、何らかの欠陥のためにメッキ層と素地材との
結合が弱く、摺動中にメッキ層の部分が素他材から剥げ
た場合においても、素地材が露出してエンジントラブル
が発生する等の欠点がある。
また、390合金からなるシリンダーとAC8A合金にクロ
ムメッキをしたピストンの組合せにおいては、特開昭63
−250438号に開示されているような熱処理不要な強靭性
を備えたアルミニウム合金をピストンに用いてクロムメ
ッキを省く試みがなされているが、耐摩耗性や耐スカッ
フ性に問題がある。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明は、従来のエンジンが有する上述の問題点に鑑
みてなされたものであって、メッキを部材の表面に施さ
なくても、従来製品と同程度の耐摩耗性及び諸特性を有
するエンジン構成部材を提供することを目的とするもの
である。特に、例えばクロムメッキを施すことを要しな
いピストン及びシリンダーからなるエンジン構成部材を
提供することを目的とするものである。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、次の手段によって上記の目的を達成した。
(1) Al−1〜5.5wt%Ni−2〜5.5wt%Mg−0.5〜2.5
wt%MnであるAl−Ni−Mg−Mn系合金をマトリックスとし
て、このマトリックスにNiAl,Al3Ni,Ni3Alの遷移金属間
化合物のうちから選ばれる1種以上の強化粉末を分散さ
せた粒子分散型複合材料からなるピストン部材と、Al−
16.0〜18.0wt%Si−4.0〜5.0wt%Cu−0.40〜0.65wt%Mg
である390合金からなるシリンダー部材との組合せから
なることを特徴とするエンジン構成部材。
本発明のエンジン構成部材は、運動側部材であるピス
トン部材と、運動側部材と摺動側部材であるシリンダー
部材とからなっている。本発明は、相互に摺動関係にあ
る組み合わせた部材であるピストンとシリンダーとから
なるエンジンに適用される。
前記ピストン部材は、Al−1〜5.5wt%Ni−2〜5.5wt
%Mg−0.5〜2.5wt%MnであるAl−Ni−Mg−Mn系合金をマ
トリックスとして、このマトリックスにNiAl,Al3Ni,Ni3
Alの遷移金属間化合物のうちから選ばれる1種以上の強
化粉末を分散させた粒子分散型複合材料からつくる。強
化粉末のNiAl,Al3Ni,Ni3Alは目的とする特性を与えるの
に効果的である。
上記Al−Ni−Mg−Mn系合金としては、Niが1〜5.5wt
%、Mgが2〜5.5wt%、Mnが0.5〜2.5wt%、残りがAlで
ある組成からなるもので、Siが0.5wt%以下であるもの
が効果的である。
強化粉末の添加量は、4〜30wt%の範囲とするのがよ
い。
粒子分散型複合材料を用いたピストン部材は例えば次
のようにして製造することができる。マトリックスであ
るAl−Ni−Mg−Mn系合金の溶湯中に粒子径が50μm以下
の強化粉末を添加し、これを攪拌混合装置の攪拌混合槽
内に注入し、攪拌羽根をモーターで回転させて攪拌混合
し、分散粒子混合合金溶湯を得る。この溶湯をダイカス
トマシンの金型に注湯し、粒子分散型のピストン部材を
製造する。
この粒子分散型複合材料及びその製造方法について
は、特開平1−246340号公報に記載されている。
また、390合金は、Al−16.0〜18.0wt%Si−4.0〜5.0w
t%Cu−0.40〜0.65Tw%Mgの組成からなっている。この3
90合金からシリンダー部材を製造する。
〔作用〕
本発明のピストン部材は前記した粒子分散型複合材料
から構成し、かつそのピストン部材と摺動関係にあるシ
リンダー部材を390号合金から構成することにより、相
互の摩耗量を著しく減少させることができて、耐摩耗性
を向上させることができる。その耐摩耗性はADC10合金
(組成Al−7.5〜9.5%Si−2.0〜4.0%Cu、Mg<0.3%、Z
n<1.0%、Fe<1.3%、Mn<0.1%、Ti<0.2%)にクロ
ムメッキをしたシリンダーと、AC8A合金(組成Al−11〜
13%Si−0.8〜1.3%Cu−0.8〜1.5%Ni−0.7〜1.3%Mg、
Zn≦0.15%、Mn≦0.15%、Pb≦0.05%、Sn≦0.15%、Fe
≦0.18%)からなるピストンとの組合せにおける耐摩耗
性、あるいは390合金(組成Al−16.0〜18.9wt%Si−4.0
〜5.0wt%Cu−0.40〜0.65wt%Mg−0.6〜1.1%Fe、Zn<
0.1%、Mn<0.5%、Ni<0.5%、Sn<0.3%)からなるシ
リンダーとAC8A合金にクロムメッキうしたピストンとの
組合せにおける耐摩耗性と同程度である。
前記した粒子分散型複合材料から構成したピストンは
それ自体の耐摩耗性が大きいので、上述した390合金以
外の素材からなるシリンダーに対しても全体として有効
な作用を有する。
〔実施例〕
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。ただ
し、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものでは
ない。
実施例1 次の組成のA100合金の溶湯に10wt%のNiAl粉末(粒径
50μm以下)を添加し、攪拌し、複合化して、B100合金
としダイカストマシンで次の鋳造条件で小型ピストンを
鋳造した。
A100合金(母合金) Cu 0.02wt%,Si 0.23wt%,Mg 4.97wt% Zn 0.06wt%,Fe 0.27wt%,Mn 0.87wt% Ni 2.93wt%,Ti 0.08wt%,B 0.0025wt% Al 残り 鋳造条件 *90tダイカストマシン *溶湯温度(B100合金) 740〜770℃ *金型温度 110〜150℃ *ゲート通過速度 40〜60m/sec *鋳造圧力 760kgf/mm2 *チルタイム 4〜5秒 次の組成の390合金の溶湯をダイカストマシンにより
次の鋳造条件で小型シリンダーを鋳造した。
390合金 Si 17.5wt%,CU 4.56wt%,Mg 0.40wt% Zn 0.36wt%,Fe 0.78wt%,Mn 0.35wt% Ni 0.25wt%,Sn 0.02wt%,Al 残り 鋳造条件 *250tダイカストマシン *溶湯温度(390合金) 730〜750℃ *金型温度 110〜150℃ *ゲート通過速度 40〜60m/sec *鋳造圧力 760kgf/mm2 *チルタイム 5〜6秒 上記により製造した小型ピストンと小型シリンダーと
F.C.鋳造ピストンリングを組合せたエンジンにより実機
耐久試験を行ったところ、100時間後もエンジンは良好
に駆動し、シリンダー、ピストン摺動面の表面状態も良
好で、クロムメッキを施している現在エンジンと同程度
の結果が得られた。
第1表は実機耐久試験結果を示し、第1図は、100時
間実機耐久試験下におけるピストンとシリンダーの摩耗
量を示したものである。比較材として現行のエンジンの
場合を示す。
第1表からみるように、本発明のB100合金製ピストン
と390合金製シリンダーとFCねずみ鋳鉄製ピストンリン
グとの組合せからなるエンジンの運転状況は、クロムメ
ッキを施したシリンダーを用いる現行品のエンジンと同
程度の結果を示し、100時間運転後のシリンダー、ピス
トン、ピストンリングの摩耗量も小さく、現行品のエン
ジンと同程度である。また、現行品においては、シリン
ダーボア部がメッキ厚さ以上に摩耗された場合、焼き月
を生じて運転不能になるが、本発明の組合せによるエン
ジンは焼き付きを生じない。
実施例2 実施例1に示した複合材料、390合金及びFC鋳鉄の試
験片を作製し、その組合せについて耐スカッフ性、耐摩
耗性等を検討した。比較としてAC8A合金とADC10合金に
クロムメッキしたもの等の各試験片の組合せを用いた。
第2図は往復動摩耗試験機を湿式条件下で行った摩耗試
験及びスカップ試験の結果を示す。摩耗試験は、上試験
片を固定し下試験片を往復運動させ、湿式条件下で上試
験片の摩耗量、摩耗係数を測定し、スカッフが発生した
時間(分)を測定して評価した。この試験法では、上試
験片をピストン、ピストンリング、下試験片をシリンダ
ーと想定したものである。第2図の結果から、本発明に
よる組合せ、即ちピストンとしての粒子分散型複合材料
B100合金、シリンダーとしての390合金、ピストンリン
グとしてのFC鋳鉄の組合せは極めて優れた耐スカッフ
性、耐摩耗性、耐アタック性を示していて、現行品と同
程度かまたはそれ以上の特性が認められる。
実施例3 本発明で用いる粒子分散型複合材料により本発明のピ
ストンを形成したときの実用性を検討するため、実施例
1で示した複合材料(B100合金)より作成した試験片に
ついて摩耗試験等を行った。比較材として390合金及びA
DC10合金を用いた。
(1) 耐摩耗性 第3図は、乾式条件下で行った大越式迅速摩耗試験結
果を示す。この図は材料の比摩耗量を測定し、これを滑
り速度に対してプロットしたグラフである。第4図は、
湿式条件下で行った大越式迅速摩耗試験結果を示す。い
ずれの条件下で行った結果から、粒子分散型複合材料か
らなる部材の優れた耐摩耗性が認められる。
(2) 機械的性質 高温状態における機械的性質を測定した。第5図は、
高温状態における本発明材料(B100合金)、比較材の引
張強度、伸びを示したものである。本発明における粒子
分散型複合材料からなる部材は比較材と比べると200℃
以上で優れた機械的性質を有することがわかる。
(3) 熱的安定性 第6図は、本発明の試験片を200℃に加熱して各々長
時間保持し、冷却し、その時の硬さを特定したものであ
る。比較材(AC8A合金)は長時間加熱によって硬さの低
下は大きいが、本発明の複合材料からなる試験片は長時
間の保持後も硬さの変化は認められず安定している。
これからみるように、粒子分散型複合材料からなる部
材は熱的に安定で200℃、300℃に加熱しても安定であ
る。
(4) 寸法変化率 第7図は、本発明材料(B100合金)と比較材(AC8A合
金)の試験片を200℃に加熱して、各々長時間保持し、
冷却し、その時の寸法変化を測定したものである。比較
材(AC8A合金)は保持時間によって寸法が増加するが、
本発明材料のものは、長時間の保持後も寸法の変化は認
められず、安定している。
これからわかるように、本発明の粒子分散型複合材料
からなる部材は低い寸法変化率をもっていて、熱による
寸法精度への影響は他の材料と比較すると小さい。
(5) 鋳造性 第8図は、ダイカスト法での本発明材料(B100合金)
と比較材の湯流れ性の試験結果を示したもので、横軸に
ゲート通過速度、縦軸にその時の溶湯の流動長を示す。
本発明材料(B100合金)の湯流れ性はADC6アルミニウム
ダイカスト合金と同程度でダイカスト可能である。
〔発明の効果〕
本発明の、粒子分散型複合材料からなる運動側部材で
あるピストン部材と390合金からなる静止側部材である
シリンダー部材との組合せからなるエンジン構成部材
は、摩耗量が少なく、クロムメッキを施してなくても、
ピストン又はシリンダーの一方にクロムメッキを施した
従来のエンジンと同程度の耐摩耗性を有する。また、前
記のピストンは前記のシリンダーとの関係で耐スカッフ
性を示し、優れたエンジン構成部材を提供する。
本発明のピストンとシリンダーを組み合わせてエンジ
ンを構成するときには、摩耗量が少なくクロムメッキを
施した従来のエンジンと同程度の耐摩耗性を示すもの
で、クロムメッキ工程を省略できるし、有害な廃液を出
すこともない。
また、前記の粒子分散型複合材料からなるピストン部
材は、耐摩耗性、高温における機械的性質、熱的安定性
が優れ、また熱による変化率が小さい。そして、潤滑油
膜形成と耐摩耗性に優れ、鋳造性も良く、ダイカスト法
によって製造が可能で、他の複合材料と比較して高い量
産性を有するこのピストンは、390合金からなるシリン
ダーとの対応関係において特にその機能を奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の複合材料製ピストンと390合金製シ
リンダーとの組合せ等からなるエンジンの実機耐久性試
験結果を示すグラフであり、第2図は、往復動摩擦試験
を湿式条件下で行った摩擦試験及びスカッフ試験の結果
を示すグラフであり、第3図は、本発明部材等の乾式条
件下での大越式迅速摩擦試験結果を示すグラフであり第
4図は、上記部材の湿式条件下での大越式迅速摩擦試験
結果を示すグラフであり、第5図は、上記部材の高温に
おける引張強度及び伸びを示すグラフであり、第6図
は、上記部材の加熱下保持後冷却したものの硬さを示す
グラフであり、第7図は、上記部材の加熱下保持後冷却
したものの寸法変化を示すグラフであり、第8図は、ダ
イカスト法での本発明材料などの湯流れ性の試験結果を
示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 庸輔 東京都千代田区外神田3―15―1 リョ ービ株式会社東京本社内 (56)参考文献 特開 昭57−101641(JP,A) 特開 平1−246340(JP,A) 特開 昭63−138141(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】Al−1〜5.5wt%Ni−2〜5.5wt%Mg−0.5
    〜2.5wt%MnであるAl−Ni−Mg−Mn系合金をマトリック
    スとして、このマトリックスにNiAl,Al3Ni,Ni3Alの遷移
    金属間化合物のうちから選ばれる1種以上の強化粉末を
    分散させた粒子分散型複合材料からなるピストン部材
    と、Al−16.0〜18.0wt%Si−4.0〜5.0wt%Cu−0.40〜0.
    65wt%Mgである390合金からなるシリンダー部材との組
    合せからなることを特徴とするエンジン構成部材。
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