JP2790807B2

JP2790807B2 - 複合ピストン

Info

Publication number: JP2790807B2
Application number: JP62287372A
Authority: JP
Inventors: 忠男平野; 耕二高橋; 俊幸山本; 亮一吉村
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1987-11-16
Filing date: 1987-11-16
Publication date: 1998-08-27
Anticipated expiration: 2013-08-27
Also published as: JPH01131374A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はAl合金製耐摩環を複合化したAl合金製複合ピ
ストンに係わるものである。〔従来の技術〕従来、往復動エンジンにはAl合金製ピストンが使用さ
れており、Al合金製ピストンの使用はエンジンの軽量化
と効率向上に有効である。然しながら、従来、エンジン用ピストンとして一般に
用いられているAl合金は、その耐熱強度と耐摩耗性が十
分でなく、従って、苛酷な使用条件下で使用されるとピ
ストンリングが装着されているリング溝の壁面、特に下
側壁面に摩耗や変形が発生しピストンの機能が損われ易
いという問題がある。このため、Al合金製ピストンの上
記難点を解消することを目的として、ピストンリングが
装着される部分に耐摩耗性が良好で且つ高強度を有する
材質でなる環体、即ち耐摩環を鋳包み、リング溝側壁部
分の耐熱、耐摩耗性を向上させたAl合金製ピストンの使
用が増加してきている。この種のAl合金製ピストンに使用される耐摩環は、耐
熱特性や耐摩耗特性が良好な材質であることが必要であ
るが、Al合金に鋳包まれて使用される関係でその熱膨脹
係数が該Al合金のそれに近い材質であることが必要であ
る。これらの要求を満足する耐摩環として、ニレジスト
と称されている高Niオーステナイト鋳鉄よりなる耐摩環
が一般に使用されている。〔発明が解決しようとする問題点〕然しながら、従来使用されている高Niオーステナイト
鋳鉄製の耐摩環は、高価なNiを多量に含有し、且つ鋳造
性の良くない材質であるために製造コストが高く経済的
でなく、また、重量が大きいためにピストンの軽量化の
観点からも十分満足されるものではない。さらに、ピス
トン本体の材質であるAl合金との密着性を良好にするた
めに鋳包む前にアルフィン処理が必要であること、また
熱伝導率がAl合金のそれより小さいためピストンヘッド
からの熱の拡散が阻害されて異常昇温による不具合発生
が生ずるなどの問題がある。本発明は、高Niオーステナイト鋳鉄製耐摩環を鋳包ん
で製造されたAl合金製複合ピストンの上記不具合点を解
決することを目的としたものであり、軽量かつリング溝
部の耐摩耗性に優れた耐摩環を何らの前処理も要さずに
鋳包むことができ、さらに、ピストンヘッド部からの熱
の拡散が十分に生ずるAl合金製複合ピストンを提供しよ
うとするものである。〔問題点を解決するための手段〕即ち、本発明によれば、Al−Si系合金粉末成形体のマ
トリックス中に１〜10wt％のセラミックス粒子が均一分
散している耐摩環をピストンヘッド部に複合化したこと
を特徴とするAl合金製複合ピストンによって、この目的
を達成できる。更に、好ましい実施態様としては、Al−
Si系合金はいずれも重量％でSi:10〜15％,Cu:0.5〜５
％,Mg:0.2〜３％およびFe,Ni,Mnの１種以上を合計で3.1
〜7wt％を含み、残部が実質的に不可避的不純物を含むA
lからなる合金であり、この合金の粉末成形体からなる
マトリックス中にセラミックス粒子としてSiCおよび／
又はAl₂O₃粒子を１〜10wt％を均一分散させた耐摩環を
複合化したAl合金製複合ピストンによってこの目的を達
成できる。ピストン用として使用されているAl合金は、通常Siを
12％程度含むAC8AやADC12のようなAl−Si系合金が用い
られている。この合金は共晶Si晶の分散によって高温強
度や耐摩耗性が改善されているが、前述のようにリング
溝部の耐摩耗性や変形の点においては必ずしも十分でな
い。本発明者らは耐摩環の材質を検討するに当たり、ピ
ストンの耐摩環との熱膨脹、熱伝導特性のバランスを考
慮してAl−Si系を基本にして、高温強度および耐摩耗性
の改善策を種々調査した。その結果、Si:10〜15wt％と
してFe,Ni,Mnの１種以上を3.1〜7wt％添加することによ
って高温強度を大巾に向上させることができ、耐摩耗性
も若干向上させることができた。また、セラミックス粒
子１〜10wt％を添加し、均一に分散させると耐摩耗性を
著しく向上させることができた。即ち、耐摩環の材質と
しては、Fe,Ni,Mnの１種以上を3.1〜7wt％添加した高Si
のAl−Si系合金マトリックス中にセラミックス粒子を１
〜10wt％を均一に分散させることによって、高温強度、
耐摩耗性を向上できることを見出だしたのである。そこで、次にAl合金製耐摩環の製法およびピストンへ
の複合化方法について鋭意検討を行なった。この際、配
慮した点は、セラミックス粒子の均一分散が容易で且
つ耐摩環の材質がセラミックス粒子を含有しており切削
性が低下しているので耐摩環の二次加工としての切削加
工を極力少なくできるようにNear Net Shapeの形状に製
作できること、ピストンの製法に用いられている重力
鋳造や加圧鋳造の際に何らの前処理も要さずに複合化で
きること、の２点である。第１点に関しては、溶製法お
よび粉末法について検討したが、Al−Si系合金粉とセラ
ミックス粒子を混合した後、耐摩環形状に近い形状のプ
リフォームを圧粉成形によって作り、これを焼結後、熱
間鍛造し更に再焼結する方法が最適であることを見出だ
した。第２点に関しては、耐摩環の材質のマトリックス
がAl−Si系であったためか、特別な前処理を施さなくて
も鋳包みによって良好な接合状態になることが判った
が、粉末法で製作した耐摩環の場合には鋳包み後の断面
観察を行なうと耐摩環内および耐摩環−ピストン界面に
径が５〜100μｍのvoidが発生していたものがあった。
鋳包み前の耐摩環は真密度でありvoidは全く認められな
かったことから、この原因を解析したところ耐摩環の含
有水素ガス量とvoid発生程度との間に相関が認められ
た。即ち、熱間鍛造後の耐摩環の水素ガス量が10cc/100
g・Alを越えるとvoidが多数発生し、5cc/100g・Al以下
ではvoidは全く認められず、５〜10cc/100g・Alでは微
小なvoidが少数認められる程度であった。このことか
ら、耐摩環の水素ガス量は10cc/100g・Al以下、望まし
くは5cc/100g・Al以下にすることが必要であり、耐摩環
の粉末法による製造条件はこの点を満足するように制御
する必要がある。上述の点について種々の調査検討を行なうことによ
り、本発明に到ったものである。即ち、本発明によるピ
ストンの製造方法としてはAl−Si系合金粉末とセラミッ
クス粒子を均一に混合し、該混合粉末を真密度比70〜95
％のプリフォームに成形した後、450〜550℃の真空又は
不活性雰囲気中で焼結し、その後200〜550℃の温度で鍛
造して真密度比95％以上とし、更にその後450〜550℃の
温度で再焼結することを特徴とする耐摩環の製造工程
と、この耐摩環を重力鋳造あるいは加圧鋳造によってAl
合金製ピストンに鋳包み一体化する工程から成ることを
特徴とする複合ピストンの製造方法により、高温強度、
耐摩耗性に優れた耐摩環を何らの前処理を必要とせずに
良好な接合状態でAl合金製ピストンと複合化でき、かつ
耐摩環でのvoid発生も抑制できるのである。耐摩環を使用する位置は、第２図に示すようにトップ
リング溝（一番上部にある第１ピストンリング溝）を含
むピストンヘッド部である。トップリングはピストンと
シリンダーライナー間とのシールの役割を果すもので、
ピストンヘッド部にあり温度も最も高くなり過酷な条件
で使用される部分である。この部位の摩耗が最も激しい
のであるが、トップリング溝に限らず、トップリングを
含むピストンヘッド部（第２図点線位置）を一体に構成
しても良い。次に、本発明の条件限定理由について説明する。耐摩
環のマトリックス合金はAl−Si系合金を用いる。これ
は、通常ピストン用として用いられる合金がAC8A,ADC12
のように約12％のSiを含有するAl−Si系合金であり、こ
れと複合化した時の熱膨脹、熱伝導のバランスが良好で
あるからである。更に、望ましくはAl−Si系合金はいず
れも重量比でSi:10〜15％,Cu:0.5〜５％,Mg:0.2〜３％
およびFe,Ni,Mnの１種以上を合計で3.1〜7wt％を含み、
残部が実質的に不可避的不純物を含むAlからなる合金を
用いる。Siは共晶Siあるいは初晶Siとして存在し、熱膨
脹や熱伝導を低下させてピストン用合金のそれらに近く
する作用があると共に、耐摩耗性、強度の向上に有効で
ある。 Si量が10％より少ないと、これらの作用、効果が十分
でなく、15％を越えると熱膨脹、熱伝導の値が小さくな
り過ぎると共にSi晶が粗大化し易く延性低下の原因とな
る。このため、Siの含有量は10〜15％とする。 Cuは時効硬化および固溶強化によってAl−Si系マトリ
ックスの強化に有効であり、この効果は200℃より低い
温度で特に顕著である。このためには、Cuを0.5％以上
添加する必要がある。また、５％を越えると加工性、延
性の低下をもたらすので、５％を上限とする。 MgもCuと同様に時効硬化および固溶強化によってAl−
Si系マトリックスの強化に有効である。このためには、
0.2％以上の添加が必要であり、３％を越えると加工
性、延性が低下するので、Mgの添加量は0.2〜３％とす
る。 Fe,Ni,Mnは高温強度の向上に特に有効であり、耐摩耗
性も向上させる。これらの元素はAl−Si系合金におい
て、それぞれAl−Si−Fe系、Al−Ni系およびAl−Si−Mn
系の金属間化合物を形成し、これらの金属間化合物の分
散によって高温強度と耐摩耗性を向上させる効果があ
り、Fe,Ni,Mnのいずれの元素でも同様の効果がある。こ
れらの元素が１％未満では上述の効果がなく、10％を越
えると金属間化合物が粗大化し延性、加工性を害する。
このため、Fe,Ni,Mnの添加量は１種以上の合計で3.1〜7
wt％が望ましい。セラミックス粒子は耐摩環の耐摩耗性を向上させるた
めに添加する。Al−Si系マトリックスの耐摩耗性は、ピ
ストン用合金のそれと同等以上であるが、耐摩環に要求
される耐摩耗性が苛酷であるため、Al−Si系マトリック
スだけではリング溝の摩耗が生じ十分な特性が得られな
い。この点を改善するために、セラミックス粒子を添加
し、これらの粒子としてはSiCおよび／又はAl₂O₃粒子が
望ましい。これらの添加量が、１％未満では耐摩耗性の
改善効果が不十分であり、10％を越えると自分自身は摩
耗しないものの相手材を摩耗させてしまう。このため、
セラミックス粒子、望ましくはSiCおよび／又はAl₂O₃粒
子の添加量は１〜10％であり、更に望ましくは２〜７％
である。また、粒径は耐摩耗性の点より３〜30μｍが望
ましい。耐摩環とピストンの複合化は、重力鋳造あるい
は加圧鋳造によってピストンを製造する際、型内の所定
場所に耐摩環を予め設置しておき溶湯を注入して鋳包む
ことによって行なう。この場合、耐摩環のマトリックス
がAl−Si系合金であるため、高Niオーステナイト鋳鉄製
耐摩環のように鋳包む前の特殊処理を施さなくても、耐
摩環とピストンの良好な接合状態を得ることができる。次に、本発明の複合ピストンの製造方法について説明
する。まず、Al−Si系合金粉末とセラミックス粒子を所定の
配合にした後、これをＶ型混合機等の乾式混合によって
セラミックス粒子を均一に分散させ、この混合粉末を成
形して真密度比70〜95％のプリフォームを作る。真密度
比が70％より低いと、プリフォームをハンドリングする
際、コーナー部が欠ける等の問題がある。また、真密度
比が95％よりも高いと、本発明の特徴の１つである次工
程の焼結工程における脱ガスが阻害され、10cc/100g・A
l望ましくは5cc/100g・Al以下のガス量の耐摩環が得ら
れないだけでなく、いたずらに大きな能力の成形プレス
が必要となり、好ましくない。なお、プリフォームの成
形には、金型成形や冷間静水圧成形を用いることができ
る。プリフォームの焼結は、450〜550℃の真空又は不活性
雰囲気中で行なう。大気中では脱ガスが十分に進行せ
ず、10cc/100g・Al以下のガス量の耐摩環が得られな
い。このため、真空又は不活性雰囲気中で焼結すること
が必要である。真空の場合、真空度は0.1Torr以下、望
ましくは0.01Torr以下にするのがよい。Ar,N₂のような
不活性雰囲気では、露点が−10℃以下、望ましくは−20
℃以下になるように雰囲気を制御するとよい。焼結温度
が450℃より低いと焼結の進行が遅く、また、アルミニ
ウム酸化物表面に吸着した水分や結晶水を完全に除去す
ることができないため脱ガスが十分に進行しない。550
℃より高いと焼結は進行するものの組織の粗大化が生
じ、機械的特性の劣化が生ずるので好ましくない。鍛造は、200〜550℃にて行ない鍛造後の耐摩環の真密
度比を95％以上とする。鍛造によってAl合金粉末に十分
な塑性変形を与え、その表面に形成されている酸化皮膜
を破壊して新生活性表面を現出させるためには、Al合金
粉末を200℃以上に加熱し軟化させておくのが好まし
い。このためには、プリフォームを200℃以上に加熱保
持しておくとよい。温度が550℃を超えると、組織の粗
大化が生じ機械的性質の劣化が生ずるので好ましくな
い。なお、プリフォームの加熱は焼結時の加熱と兼ねる
のが望ましく、プリフォームの温度降下および大気中に
さらされることによるガス量の増加を少なくするため、
焼結炉から取り出した後、直ちに鍛造することが望まし
い。もし、鍛造前のプリフォームの加熱を焼結時の加熱
とは別途に行なうのであるならば、真空あるいは不活性
雰囲気中で450〜550℃に加熱することが必要であり、炉
から取り出した後の配慮は前記と同じである。鍛造後の
耐摩環の真密度比が95％より低いと、機械的性質に劣る
ので好ましくない。鍛造後の再焼結は450〜550℃で行なう。再焼結の目的
は、鍛造時に生じた新性活性面の焼結を十分に行なうた
めであり、このためには450℃以上で行なう必要があ
る。550℃より温度が高いと組織の粗大化が生じ、機械
的性質が劣化するので好ましくない。なお、再焼結は大
気中で行なっても支障ないが、望ましくは真空あるいは
不活性雰囲気が良い。このように製造した耐摩環はガス量が10cc/100g・Al
以下になっているため、重力鋳造あるいは加圧鋳造によ
ってピストンに鋳包んでもブリスターの発生がなく、か
つピストンとの良好な接合状態を得ることができる。このようにして得られた耐摩環に切削加工してピスト
ンリング溝を形成したのち、ピストン頂部位置にくるよ
う鋳型内に固定し、重力鋳造あるいは加圧鋳造法を用い
て鋳包んでピストンと一体化する。鋳造後仕上げ加工及
び研磨をしてピストンとする。次に、本発明の実施例を示す。〔実施例〕大気アトマイズ法によって製造した100メッシュ以下
のAl−Si系合金粉末に粒径３〜30μｍのセラミックス粒
子を、表１に示す組み合わせおよび量で添加・混合し、
直径75mm,厚さ20mmのプリフォームを面圧6ton/cm²にて
冷間で金型成形した。得られたプリフォームの真密度比
は73〜80％であった。次いで、これらのプリフォームを露点−20℃以下のN₂
雰囲気中で500℃,30minの条件で焼結した。焼結後、炉
内からプリフォームを取り出し、400℃に加熱した金型
にて大気中、8ton/cm²の面圧で鍛造した。得られた成形
体の真密度比はいずれも99％以上であった。引き続いて、成形体を大気中で520℃,30minの条件で
再焼結し、水素ガス分析、引張試験、熱膨脹測定、熱伝
導率測定、摩耗試験および焼付試験を行なった。尚、水
素ガス分析は再焼結のままの状態で行ない、それ以外の
項目についてはT6処理（480℃×2hr,WQ→175℃×8hr,A
C）を施した状態で供試した。水素ガス分析は溶融ガスキャリヤ法により行なった。引張試験は、平行部５^φ×20mmの試験片を用い、室
温および200℃で行なった。尚、200℃での試験は、試験
前に200℃×100hr加熱した試験片について行なった。熱膨脹測定は５^φ×20mmの試験片を用い、昇温速度
５℃/minで行ない、室温〜200℃の熱膨脹率を求めた。熱伝導率測定は12^φ×３mmの試験片を用い、クセノ
ンフラッシュ法にて行ない、200℃での熱伝導率を求め
た。耐摩耗性試験は直径70mmの円板状試験片を用い、相手
材としてはピストンリング材を想定して５×５×10mmの
Crメッキを施した球状黒鉛鋳鉄を用いた。試験機はピン
−ディスク型であり、70^φmmの固定ディスクに所定の押
圧力で５×５×10mmのピンを押しつけて回転させる方式
であり、摺動速度5m/sec,押圧力100kg/cm²,潤滑油SAE20
エンジンオイル,90℃,500ml/min,摺動距離500kmの条件
で摩耗量を測定した。円板状の試験片の摩耗量は表面粗
さ計にて90゜づつずれた位置で４ケ所摺動方向と直角と
なるように触針を走らせ、摩耗痕の状況をチャート上に
記録して摩耗痕の凹部の面積を求めて算出し、ニレジス
トの摩耗痕の面積を１とした時の相対比で材料間の比較
を行なった。相手材試験片の摩耗量は５×５×10mmの角状試験片の
高さ寸法を試験前後にマイクロメーターで測定し、その
差を求める方法で行った。耐焼付性試験は前記耐摩耗性試験と同様にして押圧力
を100kg/cm²で開始し、その後３分間経過毎に10kg/cm²
づつ押圧力を上昇させ、焼付が発生する時の面押圧を測
定した。表２は水素ガス分析、引張試験、熱膨脹率および熱伝
導率の結果を示したものである。水素ガス量はいづれも
5cc/100g・Al以下であり、高温強度はFe,Ni,Mnの一種以
上を添加すると改善されることがわかる。また、熱膨脹
率、熱伝導率についてはAC8A,ニレジストの結果も示し
てあるが、本発明材の熱伝導率はAC8Aとほぼ同じであ
り、ニレジストより熱伝導性が良好である。表３は耐摩耗性試験と耐焼付性試験の結果を示したも
のであり、AC8Aおよびニレジストの結果も併せて示して
ある。耐摩耗性、耐焼付性はセラミックス粒子の添加に
よって改善されており、本発明材はニレジストと同等の
特性を有している。このように、本発明材はAC8Aと同等の良好な熱伝導性
およびニレジストと同等の良好な耐摩耗性、耐焼付性を
有しており、かつ軽量であることから耐摩環用材料とし
ての優れた特性を具備している。次に、表１のNo.5で得られた材料を使用して耐摩環の
試作とピストンへの鋳包み実験を行なった。まず、第１図に示す形状の耐摩環を実施例１と同じ方
法で作り、切削加工によってリング溝を付けた後、第２
図のようにピストン頂部の第１リング部の位置に重力鋳
造法およびダイカスト鋳造法によって鋳包み、複合ピス
トンを作った。その後、複合ピストンを縦方向に切断し
て耐摩環の組織および耐摩環〜ピストンの接合界面を光
学顕微鏡により調べた。その結果、耐摩環にはvoidが発
生しておらず、また耐摩環〜ピストンの接合界面にもvo
idは認められず良好な接合状況であった。尚、この耐摩
環の水素ガス量は2.4cc/100g・Alであった。一方、比較のためにプリフォームの焼結雰囲気を大気
とし、その他の条件は上記方法と同じにして作製した耐
摩環についても同様の実験を行なった。この場合の耐摩
環の水素ガス量は16.8cc/100g・Alであったが、耐摩環
および耐摩環〜ピストンの接合界面のいずれにもvoidが
発生していた。尚、voidの発生はダイカスト鋳造法より
重力鋳造法で鋳包んだ場合の方が多かった。このように、本発明方法によれば鋳包み前に何らの処
理を行なわなくても耐摩環とピストンの良好な接合界面
を有する複合ピストンを製造することができる。〔効果〕以上詳述したように、本発明によれば、軽量で耐摩耗
性、熱伝導性、高温強度に優れた耐摩環を、特別な前処
理を必要とせずに良好な耐摩環〜ピストン接合界面を有
する状態に鋳包むことができる。従って、従来のニレジ
スト製耐摩環を複合化したピストンに比べ、軽量でかつ
ピストンヘッド部の熱伝導性が良好なAl合金製複合ピス
トンを得ることができ、高性能エンジン用ピストンとし
てその効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】第１図は耐摩環の斜視図、第２図は耐摩環を有するピス
トンの断面図である。図中1:耐摩環、2:リング溝、3:ピストンヘッド、4:ピス
トンヘッド部、5:ピストン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉村亮一東京都港区芝大門２―10―12 昭和電工株式会社内 (56)参考文献特開昭60−47849（ＪＰ，Ａ) 実開昭62−137359（ＪＰ，Ｕ) 実開昭60−28245（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F16J 1/00 - 10/04 F02F 3/00 - 3/28

Claims

(57)【特許請求の範囲】１．重量％でSi:10〜15％、Cu:0.5〜５％、Mg:0.2〜３
％およびFe,Ni,Mnのうち少くとも１種以上を合計で3.1
〜７％を含み、残部が実質的に不可避的不純物を含むAl
からなるアルミニウム・シリコン系合金マトリックス中
に１〜10wt％のセラミックス粒子が均一分散している粉
末冶金法により製造された耐摩環をトップリング溝を含
むピストンヘッド部に複合化したことを特徴とするアル
ミニウム合金製複合ピストン。２．セラミックス粒子が、SiCおよび、又はAl₂O₃である
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の複合ピス
トン。