JP2790464B2 - 内燃機関用アルミニウム合金製ピストン及びその製造方法 - Google Patents

内燃機関用アルミニウム合金製ピストン及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は内燃機関用のピストン、特に、トップリング
溝部分に多孔性金属からなる補強リングを鋳ぐるみ、ア
ルミニウム合金と複合して成る内燃機関用アルミニウム
合金製ピストン及びそのピストンを製造する方法に関す
る。
(従来の技術) 一般に内燃機関用のアルミニウム合金製ピストンのト
ップリング溝は高温にさらされるばかりでなく、ピスト
ンリングの機械的摺動により摩耗が進行し、その摩耗に
伴ってブローバイや潤滑油の消費量が増加する。
而して、これらの劣化が一定のレベルに達すると、エ
ンジン自身が廃却されることとなる。
換言すれば、ピストンのトップリング溝の寿命によ
り、エンジン自体の寿命が定まる事になっている。
このような摩耗を低減するため、特に溝摩耗の著しい
ディーゼル機関においては、トップリング溝部分に特殊
鋳鉄などから成る補強リングを鋳ぐるむ技術が広く採用
されている。
又、特開昭53-031014号には、トップリング溝部分の
補強用に、多孔性金属リングを使用し、鋳造時に高圧を
かけ気孔部にピストン母材のアルミニウム合金を浸透さ
せ、複合強化する技術が開示されている。
さらに、特開昭59-218341号及び特開昭59-212159号な
どには、鉄、ニッケル、銅等の多孔性補強材料を用い、
溶湯鍛造によりその気孔内にアルミニウム合金を充填す
ると共に、これらの材料とアルミニウム合金の金属間化
合物を形成させることにより摩耗性を向上させる技術が
開示されている。
(発明が解決しようとする課題) 本発明者等は、上記多孔性材料によるピストンリング
溝補強テストを続行しているうちに、多孔性材料の種類
によって、アルミニウムと多孔性材料との金属間化合物
の形成傾向が変わること、並びに金属間化合物は脆いた
め、それが形成された場合、ピストンが長時間加熱冷却
の熱サイクルを受けると、補強リングとアルミニウム合
金との間に熱亀裂が発生することがあることを発見し
た。
そして補強材料の体積率Vf(特に断り書きがない場
合、補強材料単独の体積率をいうものとする)が低い場
合には亀裂問題は生じないが、Vfが大きくなると、その
実体金属の表面積に比例して金属間化合物の発生量も増
加するので、補強部とアルミニウム母材との境界面にお
いて全面的に熱亀裂が発生し、補強部全体がピストンか
ら離脱するという問題が発生する。
一方、補強材の体積率Vfが低いと、金属間化合物量も
少なくなり、アルミニウム合金製ピストンに通常使用さ
れているニレジスト製耐摩環などよりすぐれた耐摩耗性
が得られないので、これを改善するため補強材のVfを少
なくとも20%以上に上げなければならなくなるが、この
ようにすると熱負荷の大きいエンジンに使用した場合、
前述のように補強部全体が脱落するといったような問題
点が発生することとなる。
本発明は上記の観点に立ってなされたものであり、そ
の目的とするところは、多孔性補強材でピストンのトッ
プリング溝を補強するに当たって、高い体積率の補強リ
ングを用いることができ、しかも金属間化合物を生じな
いので耐熱ショック性が高く、熱負荷の高いエンジンで
使用しても亀裂等の不具合を生じないようにした内燃機
関用アルミニウム合金製ピストン及びその製造方法を提
供しようとするものである。
(課題を解決するための手段及び作用) 本発明の叙上の目的は、トップリング溝部分に、8%
以上、70%以下の体積率を有する多孔性金属からなる補
強リングを鋳ぐるみ、溶湯鍛造することにより内燃機関
用アルミニウム合金製ピストンを製造するに際して、多
孔性金属により製造された補強リングに、クロムの添加
浸透処理を施し、その気孔を画成し後の溶湯鍛造により
アルミニウム合金と接触する金属表面にクロム層を形成
した後、常法により溶湯鍛造して、これをアルミニウム
合金に鋳ぐるむことによって達成される。
クロムの添加浸透処理としては、クロマイジング処理
又はクロムメッキ処理が、又、多孔性金属としてはニッ
ケル発泡体やオーステナイト系ステンレス焼結合金及び
モネル焼結合金などが挙げられる。
補強リングがニッケル発泡体であるときはクロマイジ
ング処理又はクロムメッキ処理が、またそれが焼結体で
ある場合にはクロムメッキ法が推奨される。
ニッケル、クロム、アルミニウムの溶湯鍛造は、740
℃、800kg/cm2で行うことが望ましい。
上記のようにして製造されたピストンは、その補強リ
ングの実体金属部分と、気孔内部に充填されたアルミニ
ウム合金との間にクロム層が介在しており、そのため補
強リングの実体金属とアルミニウム合金との間の金属間
化合物の生成が抑制されているものである。
(発明を実施するための最良の態様) 以下、図面及び実施例により本発明の詳細を説明す
る。
第1図は本発明に係るピストンにおける補強リング部
分の構成を示す一部破断拡大断面図、第2図は補強リン
グの実体金属であるニッケル発泡体とアルミニウム合金
の複合部(ニッケル発泡金属強化アルミニウム合金複合
材)の顕微鏡写真、第3図は第2図に示した複合部の走
査電子顕微鏡のX線マイクロアナライザによるニッケル
の定量分析結果を示すグラフ、第4図はアルミニウムの
定量分析結果を示す同様なグラフ、第5図乃至第7図
は、ニッケル発泡体から成る補強体をクロマイジング処
理し、表面に0.003〜0.005mmの厚みのクロム層を形成し
たものをアルミニウムと複合した試料の走査電子顕微鏡
によるニッケル、クロム、アルミニウムのX線マイクロ
アナライザによる分析結果を示すグラフである。
而して、第1図中、1はアルミニウム合金から成るピ
ストン本体の一部、2は補強リングであり、一部拡大図
中、10は補強リング2の気孔に充填されたアルミニウム
合金、20は補強リング2を構成する実体金属部分、30は
溶湯鍛造に先立ってその実体金属部分20の表面に設けら
れたクロム層である。
補強リング2の素材製造方法、溶湯鍛造による複合強
化方法などは従来公知の常法であるので、ここではその
説明を省略する。
本発明の重要な点は、常法により例えば、ニッケル発
泡体またはステンレス焼結合金などの多孔性金属により
補強リングの素材を製造した後、溶湯鍛造を行うに先立
って、それにクロマイジング処理又はクロムメッキを施
し、補強リングを構成する実体金属の表面、更に具体的
に言えば、気孔を画成し後の溶湯鍛造によりアルミニウ
ム合金と接触する金属表面にクロム層を形成することに
ある。
このようなクロムの添加処理を施した後、常法に従っ
て溶湯鍛造を行い、これをアルミニウム合金により鋳ぐ
るむものである。
而して溶湯鍛造後は、常法に従って、溶体化処理、時
効処理などの熱処理及び機械加工を施して所望のピスト
ンを得る。
以下に実施例について説明する。
(実施例) トップリング溝を補強するためにリング状のニッケル
発泡体(住友電工セルメット)から成る補強リングを、
ピストン本体を形成するアルミニウム合金との複合後の
体積率Vfが30%となるようにプレスして複数個成形し
た。
その約半分にクロマイジング処理を行って、その内部
の実体金属の表面部に0.003mmのクロム層を形成した。
継いで、これらの補強リングを溶湯鍛造用金型にセッ
トして、740℃のアルミニウム溶湯を注湯後、800kg/cm2
の圧力を加え、補強リングの気孔部にアルミニウム溶湯
を浸透させ、トップリング溝部分を複合強化したピスト
ンを製造した。
そしてこれらのピストンを、495℃で5時間溶体化処
理した後、200℃で5時間時効処理を行い、冷却後、テ
ストピースを切り出してミクロ組織を観察した。
第2図に示した顕微鏡写真から、クロム層を形成しな
かった試料では、アルミニウム領域とニッケル領域の間
に金属化合物層が生成していることが判る。
この試料を走査顕微鏡X線マイクロアナライザにより
定量分析をした結果が、第3図及び第4図に示されてい
る。
これらの図中、中央にみられる灰白色の領域はニッケ
ル領域であり、その左右の黒色の領域はアルミニウム領
域である。
而してそのニッケル領域とアルミニウム領域の間にや
ゝ濃い灰色の中間領域が金属化合物層と見られる領域で
あり、第3図中の輝点の軌跡として示されている曲線は
ニッケルの含有量を示し、第4図中のそれはアルミニウ
ムの含有量を示す。
図中の横座標は測定点の位置を示すものである。
図には縦座標のスケールが示されていないが、ニッケ
ル領域ではアルミニウム合金は殆ど存在せず、実体金属
の中心部はニッケルのみから成ることを示している。
然しながら、実体金属の表面に近くなるにつれてアル
ミニウム量が増大し、金属間化合物が形成されているこ
とが判明する。
ニッケル発泡体をクロマイジング処理した試料の同様
な分析結果が第5図ないし第7図に示されている。
このグラフは、ニッケル発泡体の表面にクロマイジン
グ処理を施し、0.003〜0.005mmの厚みのクロム層を形成
した補強リングを用い、これをアルミニウムと複合させ
た試料の走査電子顕微鏡のX線マイクロアナライザによ
るニッケル、クロム及びアルミニウムの分析結果を示す
ものである。
これらの図中においても、灰色領域はニッケル領域、
黒色部分はアルミニウム領域である。
これらの試料では金属間化合物層は見られない。
第6図からニッケル領域とアルミニウム領域の境界部
分にクロム層が存在していることが判明する。
又、第7図からニッケル領域中にはアルミニウムが存
在していないことが知られる。
これらの試料においては、クロマイジング処理によっ
て補強リングを構成する実体金属表面にクロム層が形成
されており、これにより内側のニッケルからなる実体組
織内へのアルミニウムの浸透が阻止されているものと考
えられる。
換言すれば、これらのニッケル−アルミニウム複合組
織では、ニッケルから成る骨格とその内部気孔に充填さ
れたアルミニウム合金とは、クロム層を介して結合して
おり、両者間には金属間化合物が生成しないということ
である。
これらのピストンをテストする場合、エンジンに組み
込み、全負荷最高速運転と無負荷アイドル運転とを交互
に繰り返すという運転条件で500時間運転してニッケル
−アルミニウム複合部と、アルミニウム母材の境界面を
観察するが、この方法では時間とコストが掛かりすぎ
る。
エンジンテストによらず複合部とアルミニウム母材間
の亀裂発生状況を観察するため、通常ピストンを500℃
に加熱した後、常温の水中に挿入する方法が採用され
る。
この方法は簡便であるが大約、前記のエンジンテスト
と同等のデータが得られる。
そこで、これらクロマイジング処理した補強リング
と、そのような処理を施されなかった補強リングを同一
組成のアルミニウム合金で鋳ぐるみ、ピストンを製造
し、それぞれを500℃に加熱した後、水中に投入して熱
ショックを与える操作を4回繰り返して行い、カラーチ
ェックしたところ、クロマイジング処理した補強リング
を用いた試料群ではクラックが認められなかったのに対
し、そのような処理をしなかった補強リングを用いた試
料群では複合部とアルミニウム合金の界面が完全に剥離
していることが確認された。
これらピストンのトップリング溝の大越式摩耗試験機
による試験結果は、クロマイジング処理を施した本発明
の場合、約21.5×10-10mm3/kg-mmであったのに対し、ク
ロマイジング処理を施さなかった上記の試料では、25×
10-10mm3/kg-mmであった。
試験条件は以下の通りである。
相 手 材:鋳鉄 摩擦速度 :0.121m/sec 摩擦距離 :570m 荷 重 :18.9kg 潤滑条件 :CC級オイル添加 このデータからクロマイジング処理した補強リングで
は、その耐摩耗性が改善されていることが判明する。
(発明の効果) 本発明は叙上の如く構成されるから、本発明によると
きは、耐摩耗性、耐熱ショック性に優れた内燃機関用ア
ルミニウム合金製ピストンと安価かつ大量に提供するこ
とができ、熱負荷の高いエンジンで使用しても亀裂の発
生を確実に防止でき、ピストンのみでなくエンジンの耐
久性を向上させるものであるから実施すれば多大の利益
がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係るピストンにおける補強リング部分
の構成を示す一部破断拡大断面図、第2図は補強リング
の実体金属であるニッケル発泡体とアルミニウム合金の
複合部(ニッケル発泡金属強化アルミニウム合金複合
材)の顕微鏡写真、第3図は第2図に示した複合部の走
査電子顕微鏡のX線マイクロアナライザによるニッケル
の定量分析結果を示すグラフ、第4図はアルミニウムの
定量分析結果を示す同様なグラフ、第5図乃至第7図
は、ニッケル発泡体から成る補強体をクロマイジング処
理し、表面に0.003〜0.005mmの厚みのクロム層を形成し
たものをアルミニウムと複合した試料の走行電子顕微鏡
によるニッケル、クロム、アルミニウムのX線マイクロ
アナライザ分析結果を示すグラフである。 1……ピストンのアルミニウム合金部分 2……補強リング 10……補強リング内に充填されたアルミニウム 20……補強リングの実体金属部分 30……クロム層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI F16J 9/00 F16J 9/00 A (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F02F 3/00 B22D 9/00 B22D 9/08

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】トップリング溝部分に、8%以上、70%以
    下の体積率を有する多孔性金属から成る補強リング
    (2)を鋳ぐるみ、溶湯鍛造することにより内燃機関用
    アルミニウム合金製ピストンを製造する方法において、
    多孔性金属により製造された補強リング(2)に、クロ
    ムの添加浸透処理を施し、その気孔を画成し後の溶湯鍛
    造によりアルミニウム合金と接触する実体金属部分(2
    0)の表面にクロム層(30)を形成した後、常法により
    これをアルミニウム合金(1)により鋳ぐるみ、溶湯鍛
    造することを特徴とする上記内燃機関用アルミニウム合
    金製ピストンを製造する方法。
  2. 【請求項2】補強リング(2)を形成する多孔性金属が
    ニッケル発泡体であり、そのクロム層(30)がクロマイ
    ジング処理により形成される請求項1に記載の内燃機関
    用アルミニウム合金製ピストンを製造する方法。
  3. 【請求項3】補強リング(2)がオーステナイト系ステ
    ンレスの粉末冶金により形成され、そのクロム層(30)
    がクロムメッキ処理により形成される請求項1に記載の
    内燃機関用アルミニウム合金製ピストンを製造する方
    法。
  4. 【請求項4】溶湯鍛造が、740℃、800kg/cm2で行われる
    請求項1ないし3の何れか一に記載の内燃機関用アルミ
    ニウム合金製ピストンを製造する方法。
  5. 【請求項5】トップリング溝部分に8%以上、70%以下
    の体積率を有する多孔性金属から成る補強リング(2)
    を鋳ぐるみ複合強化してなる内燃機関用アルミニウム合
    金製ピストンにおいて、補強リング(2)の実体金属部
    分(20)と、その気孔内部に充填されたアルミニウム合
    金(10)とから成る複合組織内で、両者がクロム層(3
    0)により隔てられていることを特徴とする上記の内燃
    機関用アルミニウム合金製ピストン。
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