JP2866064B2 - 内燃機関用鋳造金属ピストン - Google Patents

内燃機関用鋳造金属ピストン

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Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、少なくとも一部が
無機繊維により補強された金属マトリックス複合材料で
ある内燃機関用鋳造金属ピストンに関する。 【０００２】 【従来の技術】内燃機関エンジン、より詳しくいうとデ
ィーゼルエンジンにおいては、ピストンは一般に非常に
過酷な作動条件に置かれ、その結果、強力な構造を得る
ことが特に重要である。特に、エンジンピストンについ
て特に重要なものは、（１）耐摩耗性、（２）耐焼付き
性（resistance to burning or seizure）及び（３）耐
熱疲労性（resistance to thermal fatigue ）（熱的に
誘起されるクラッキング）の３つの構造特性である。最
も厳しい条件に置かれ、従って、最大の構造材料特性を
必要とするピストンの領域は、頂部リング受け溝の上部
及び下部壁面とピストンのクラウン（crown ）の頂部燃
焼ボウル（combustion bowl ）である。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】従って、先行技術にお
いては、ディーゼルエンジンの場合には、頂部のピスト
ンリングの溝が形成されるピストンの部分に、ピストン
を主に構成するマトリックス（matrix）材料（例えば、
アルミニウムまたはアルミニウム合金）よりも耐摩耗性
及び耐熱疲労性に優れた、ニレジスト（NiResist）鋳鉄
のような特殊な鋳鉄により形成された補強インサート
（insert）を含ませることが広く行われている。しかし
ながら、ニレジスト鋳鉄のような耐摩耗性リング支持体
とともに鋳造されたピストンは、熱伝導性が低いこと、
インサートのピストン本体に対する被着性が劣ること、
並びに、インサートの製造及びピストンへの組込みに費
用を要すること、などの問題に遭遇する。燃焼ボウル領
域に関しては、ピストンのマトリックス合金を改質しか
つ燃焼ボウル自身の形状を変えることにより熱クラッキ
ング（thermal cracking）の傾向を低減させる試みがな
されてきたが、このような対策は、殆ど限界に近いこと
がわかった。また、ボウルの形状を変えると、エンジン
の燃焼効率を低下させることがある。 【０００４】別の改善方法として、ピストンの金属マト
リックスにおける補強セラミック繊維に、更にセラミッ
クの表面コーティング層を形成することがしばしば行わ
れている。これらの繊維及び表面層は、ピストンの燃焼
ボウル領域及びリング領域のような、高温及び耐摩耗特
性の少なくとも一方が必要とされるピストンの領域に設
けられる。しかしながら、ピストンへの補強繊維の組込
みを、困難で費用のかかる合金添加法によらず、通常の
鋳造（casting ）法で行うことは困難であるので、この
ようにして得たピストンは作動において信頼性が問題と
なる。更に、所望の特性の複合材料を得るのに必要とさ
れる繊維の容積分率は大きくなるので、強度を最大にす
るためピストンの固溶化熱処理を行おうとすると、著し
い熱クラッキングが生ずることになる。 【０００５】 【課題を解決するための手段】従って、本発明の目的
は、良好な耐摩耗性と、高温強度と、所望の熱伝達性と
を提供するプレフォーム(preform) セラミック繊維イン
サートを備えて製造される繊維強化金属製品としての内
燃機関用鋳造金属ピストンを提供することにある。 【０００６】本発明は、アルミニウム、マグネシウム、
亜鉛及びこれらの合金よりなる群から選ばれた金属によ
り形成され少なくとも１つのピストンリング溝を有する
内燃機関用鋳造金属ピストンを改良の対象とする。ピス
トンは金属のみからなる少なくとも第１の部分とセラミ
ック繊維からなるプレフォームインサート部材及び金属
の両方を含み且つピストンリング溝の領域を含む補強さ
れた複合部分からなる少なくとも第２の部分とからな
る。そしてプレフォームインサート部材は、第１のイン
サート部材部分と第１のインサート部材部分から離れた
少なくとも第２のインサート部材部分とからなり、第１
のインサート部材部分が２のインサート部材部分よりも
セラミック繊維の密度が低い。第１のインサート部材部
分は第１の部分に隣接して配置され且つ前記第１の部分
と結合され、第２のインサート部材部分はピストンの機
能表面まで延び且つピストンリング溝の領域を含む。 【０００７】 【実施例】本発明の実施例を説明する前に、本発明の実
施例の理解を容易にするために、図１〜図４を用いて発
明者が考えた本発明の前提の技術について説明する。図
１には、好ましくはマグネシウム，アルミニウムまたは
これらの合金のような材料、例えば、９．５％のＳｉ、
３．０％のＣｕ、１．０％のＭｇ、１．０％のＺｎ、最
大１．０％のＦｅ及び残部がＡｌからなる合金［アルミ
ニウム・アソシエイション（Aluminum Association）３
３２．０］から、公知のまたは好都合な形状に形成され
たピストン本体を備えたピストンが示されている。 【０００８】使用される合金の別の例として４．０％の
Ｃｕ、２．０％のＮｉ、１．５％のＭｇ、最大０．７％
のＳｉ、最大１．０％のＦｅ及び残部がＡｌからなるア
ルミニウムアソシエイション２４２．０、１２．０％の
Ｓｉ、２．５％のＮｉ、１．０％のＭｇ、１．０％のＣ
ｕ、最大０．２％のＦｅ及び残部がＡｌからなるアルミ
ニウムアソシエイション３３６．０、あるいは３．０％
以下のＺｎを含むその他の鋳造もしくは錬造アルミニウ
ム合金がある。以下の記載において、「アルミニウム」
なる語は、アルミニウム及びアルミニウム合金の双方を
含むものである。 【０００９】ピストン１０は、頂部に形成された燃焼ボ
ウル領域１６と、周壁部に形成されたリング溝領域１８
と、ピストンピンボス（gudgeon pin boss）２０と、ス
カート２２とを有するクラウン１４を備えている。 【００１０】この例では、リング溝領域１８と燃焼ボウ
ル領域１６の少なくとも一方は、図２（ａ），図２
（ｂ），図３（ａ），図３（ｂ），図４（ａ）及び図４
（ｂ）に明示されているように、セラミック繊維材料か
らなるプレフォームまたはプレフォームインサート部材
２４を有している。プレフォームインサート部材２４
は、アルミナ繊維、アルミナ／シリカ繊維（約５１重量
％のアルミナ）、炭化珪素繊維、その他本技術分野にお
いて公知の繊維のようなセラミック無機繊維からなる。
これらのプレフォームインサート部材は、真空成形のよ
うな本技術分野において知られているような、数多くの
方法によって作ることができる。これらの繊維の特徴、
即ち、これらの繊維の密度（density ）、タイプ及び繊
維の並ぶ方向即ち繊維の配向は、以下に記載するよう
に、繊維を含むピストンの第２の部分［複合部分（comp
osite portion ）］とアルミニウム材料だけを含むピス
トンの第１の部分（マトリックス部分）との間の熱的適
合性（thermal compatibility ）により熱クラッキング
を生じることなく、ピストンを熱処理（溶体化処理及び
クエンチングの少なくとも一方）することにより、強度
及び摩耗特性を最大にすることができるように、慎重に
選定される。 【００１１】セラミックの繊維は、ピストンのような製
品用のモールドに入れられ、アルミニウムはモールドの
周囲及び中で加圧鋳造される（pressure cast ）。この
鋳造処理は、好ましくは、鋳物の気孔率（porosity）を
最小にし、樹枝状セル（dendritic cell）のサイズを小
さくし、かつ、セラミック繊維のプレフォームインサー
ト部材とマトリックスアルミニウム材料との間の結合を
大幅に改善するスキーズ鋳造（squeeze casting ）法に
よって行われる。スキーズ鋳造操作においては、アルミ
ニウムマトリックス材料は、全体的に、多孔質のプレフ
ォームインサート部材を介して流れ、かつ、プレフォー
ムインサート部材に浸透し、マトリックス材料とセラミ
ック繊維を含むピストンの複合部を形成する。 【００１２】更に、ある所望の特性を得るには、ピスト
ンの最終複合部分の機能表面（耐摩耗性及び耐熱性を提
供する表面）に、好ましくは１０乃至２０容量パーセン
ト以上の密度を持たせる必要があることがわかった。こ
の全密度（total density ）の要件（１０乃至５０容量
パーセント程度）は、複合体の熱膨脹係数を著しく下げ
るが、これはマトリックス材料に結合したときに問題を
生じる。更に、複合体の熱膨張の低下は、製品に最良の
強度特性を提供するのに所望される溶体化処理及びクエ
ンチングのような鋳造後の熱処理の際の、熱クラッキン
グの問題の原因となる。プレフォームインサート部材２
４は、繊維密度［図２（ａ）、図２（ｂ）、図３
（ａ）、図３（ｂ）参照］が変化しており、またベース
（マトリックス）ピストン材料と接触する表面部分から
所要の耐摩耗特性または耐熱疲労特性を備える機能表面
にかけて、繊維が並ぶ方向即ち繊維の配向を変化させて
いる。即ち、例えば、１５容量パーセントのセラミック
繊維密度が燃焼ボウル領域に必要とされる場合には、プ
レフォームインサート部材は、ピストン本体の金属のみ
からなる第１の部分に隣接する第１のインサート部材部
分において約５容量パーセント以下の繊維の密度を有
し、燃焼ボウルの機能面側に延びる第２のインサート部
材部分において１５容量パーセントとなるように徐々に
増加するように構成される。２つの層の容量パーセント
の相違が５パーセントよりも大きくならない限りは、一
連の連続した層を使用することも完全に許容することが
できるが、プレフォームインサート部材の密度の変化
は、最大密度の表面から最小密度の表面にかけて除々に
行われるのが好ましい［図２（ｂ）及び図３（ｂ）参
照］。可変密度のプレフォームインサート部材は、ピス
トンが、例えば、溶体化処理及びクエンチングの際に、
過酷な温度変化を受けるときに生じる応力を分散させ
る。プレフォーム２４は、複合部分とピストンの本体材
料部との界面部において、ピストンの軸線と平行な方向
に繊維が並ぶように繊維を配向させ、機能面２３でのセ
ラミック繊維の配向はピストンのクラウンとほぼ平行に
なるようにする［図４（ｂ）参照］。図４（ｂ）に示す
ように、ランダムに配向された即ちランダムな方向に繊
維が延びる配向を有する繊維の遷移領域２５を構成する
第３のインサート部材部分を含むことが望ましい場合も
ある。このように構成すると、熱処理または過酷なエン
ジン作動の場合に遭遇するような急激な温度変化により
応力を更に分散させることができる。更に、この構成に
より、別の表面層を使用することを必要とせずに、ピス
トンに優れた耐摩耗性と強度を提供することができる。 【００１３】図６は、図１乃至図４を用いて説明した上
記前提技術をベースにした本発明の実施例を示してい
る。図６に示すように、本発明の実施例のピストン３２
は、金属のみからなる第１の部分３２ａと、セラミック
繊維からなるプレフォームインサート部材を構成する複
合部セラミック繊維インサート部材（multiple portion
ceramic insert member）２６と金属の両方を含み且つ
ピストンリング溝１８の領域を含む補強された複合部分
からなる第２の部分３２ｂとを有している。この複合部
セラミック繊維インサート部材（multiple portion cer
amic insert member）２６により、鋳造後の熱処理によ
り強度特性を最大にすることができるとともに、最終製
品の製造を容易にすることができる。例えば、第５図に
示すように、複合セラミック繊維インサート部材２６
は、頂面で最大の繊維密度を有し、底面で最小の繊維密
度を有する可変密度部分２８を備えることができる。繊
維の配向は、多くの場合、図５に示すような、繊維がプ
レフォームインサート部材の軸線に略直交するか、ある
いは上面の形状に従うようなものとなる。このインサー
ト部材２６の第２のインサート部材部分２６ｂは可変密
度を有していてもいなくてもよく、繊維の並ぶ方向即ち
配向は多くの場合、プレフォームインサート部材と略平
行となる。即ち、プレフォームインサート部材の第２の
インサート部材部分２６ｂは、特性（組成繊維の配向、
密度など）が他の部分とは異なっている。実施する場合
には、このプレフォームインサート部材は、図６に示す
ようなピストン３２を作るのに使用することができ、ピ
ストンの一部として複合部セラミック繊維補強部を有す
る。更に、セラミック繊維インサート部材はピンボス領
域において使用することもできる。別の言い方で説明す
ると、プレフォームインサート部材２６は、第１のイン
サート部材部分２６ａと第１のインサート部材部分２６
ａから離れた第２のインサート部材部分２６ｂとから構
成されている。第１のインサート部材部分２６ａは、第
２のインサート部材部分２６ｂよりもセラミック繊維の
密度が低くなっている。この第１のインサート部材部分
２６ａは、第１の部分３２ａに隣接して配置された状態
で第１の部分３２ａと結合している。また、第２のイン
サート部材部分２６ｂはピストン３２の機能表面まで延
び且つピストンリング溝１８の領域を含んでいる。そし
て、第１のインサート部材部分２ ６ａは第１のセラミッ
ク繊維の配向を有しており、第２のインサート部材部分
２６ｂは第１のセラミック繊維の配向と異なった第２の
セラミック繊維の配向を有している。 【００１４】また、プレフォームインサート部材２６に
おいても、図４のプレフォーム２４のようなプレフォー
ムインサート部材を用いることができる。即ち、第１の
インサート部材部分と第２のインサート部材部分との間
に第３のインサート部材部分［図４（ｂ）の符号２５参
照］を設け、この部分のセラミック繊維の配向をランダ
ムにすることができる。 【００１５】次に、本願明細書に記載した鋳造金属品を
製造する場合の具体例を説明する。 （１）最終複合材料繊維含有量が機能面の頂部において
１７容量％であり、底部において４％になるように徐々
に低下している、アルミニウム繊維であるセラミック繊
維の適宜のプレフォームインサート部材を得た。このプ
レフォームインサート部材をピストンモールドの中に入
れ、組成が４．０重量％のＣｕと、２．０重量％のＮｉ
と、１．５重量％のＭｇと、残部がアルミニウムであ
り、温度が約６７７乃至７６０℃（１２５０°Ｆ乃至１
４００°Ｆ）のアルミニウム合金をプレフォームインサ
ート部材の周囲に、５乃至３５ｋｓｉの力をかけて、本
技術分野において公知のスクイーズ鋳造法により鋳込ん
だ。 【００１６】（２）次に、プレフォームインサート部材
を含むピストンを冷却し、モールドから取出した。 【００１７】（３）次に、冷却したピストンを溶体化処
理し、クエンチングを施し、エージングを施した。熱処
理は、約５１６±５℃（９６０±１０°Ｆ）の温度で、
約４乃至１２時間行ない、その直後に、約３８乃至８２
℃（約１００乃至１８０°Ｆ）の温度の水でクエンチン
グを行なった。次に、ピストンを約２０４乃至２３２℃
（４００乃至４５０°Ｆ）の温度で３乃至５時間エージ
ング処理を行ない、ピストンに４７ｋｓｉの抗張力を付
与した。アルミニウム合金が変われば、熱処理条件も変
わるのは、当然である。 【００１８】（４）熱処理したピストンは、必要があれ
ば、従来の態様で機械加工して、所望の最終寸法にす
る。 【００１９】このようにして得られたピストンは、特別
な表面コーティングその他の処理を施さなくても優れた
耐摩耗性と耐熱疲労性とを備えるとともに、優れた強度
特性を発揮し、しかも作動に信頼性がありかつ経済的に
製造することができることがわかった。クエンチング及
びエージングとともに熱処理をすることができないピス
トン抗張力は、クエンチング及びエージングともに熱処
理を行なったピストンの抗張力が４５ｋｓｉであるのに
比べ、約３７ｋｓｉであった。 【００２０】 【発明の効果】このように、本発明によれば、熱クラッ
キングの問題が解決されるとともに、強度の大きい製品
を得ることができる。更に、所定の特性を有するプレフ
ォームインサート部材を使用することにより、特別の表
面処理を施さなくても、熱クラッキング及び耐摩耗性が
低いという従来技術の欠点を克服することができ、しか
も作動信頼性に優れた製品を経済的に得ることができ
る。
【図面の簡単な説明】 【図１】 本発明の実施例の前提条件としてのピストン
の横断面図である。 【図２】 （ａ）はセラミック繊維材料の可変密度プレ
フォームインサート部材の一例を示す概略図、（ｂ）は
図２（ａ）の例の変更例を示す概略図である。 【図３】 （ａ）はセラミック繊維材料の可変密度プレ
フォームインサート部材の別の例を示す概略図、（ｂ）
は図２（ａ）の例の変更例を示す概略図である。 【図４】 （ａ）は所定の変化された繊維の配向を有す
るセラミック繊維プレフォームインサート部材の別の例
を示す概略図、（ｂ）はランダムな繊維の配向の繊維領
域を使用した図４（ａ）の例の変更例を示す概略図であ
る。 【図５】 本発明の実施例で用いることができる所定の
変化された密度または所定の繊維の配向の１つ以上の部
分を有するセラミック繊維材料の可変密度プレフォーム
インサート部材の例を示す断面図である。 【図６】 図５のプレフォームインサート部材を組込ん
だ本発明の実施例のピストンの断面図である。 【符号の説明】 １０ ピストン １４ クラウン １６ 燃焼ボウル領域 １８ リング溝領域 ２０ ピストンピンボス ２２ スカート ２３ 機能面値 ２６ プレフォームインサート部材 ２８ 可変密度部分 ３２ ピストン
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｆ１６Ｊ 1/01 Ｆ１６Ｊ 1/01 (72)発明者 マーティン ディー スマルク アメリカ合衆国 オハイオ州 44129 パーマ スタンバリイ ロード 6434 (56)参考文献 特開 昭59−218342（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−168959（ＪＰ，Ａ) 特公 昭52−21505（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F02F 3/00 302 F02F 3/00 B22D 19/08 B22D 19/14 F02F 3/26 F16J 1/01

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 １．アルミニウム、マグネシウム、亜鉛及びこれらの合
    金よりなる群から選ばれた金属により形成され少なくと
    も１つのピストンリング溝(18)を有する内燃機関用鋳造
    金属ピストン(32)であって、 前記ピストンは前記金属のみからなる少なくとも第１の
    部分(32a) とセラミック繊維からなるプレフォームイン
    サート部材(26)及び前記金属の両方を含み且つ前記ピス
    トンリング溝の領域を含む補強された複合部分からなる
    少なくとも第２の部分(32b) とからなり、 前記プレフォームインサート部材(26)は、第１のインサ
    ート部材部分(26a) と前記第１のインサート部材部分(2
    6a) から離れた少なくとも第２のインサート部材部分(2
    6b) とからなり、前記第１のインサート部材部分(26a)
    が前記２のインサート部材部分(26b) よりもセラミック
    繊維の密度が低く、 前記第１のインサート部材部分(26a) は前記第１の部分
    (32a) に隣接して配置され且つ前記第１の部分(32a) と
    結合され、 前記第２のインサート部材部分(26b) は前記ピストンの
    機能表面まで延び且つ前記ピストンリング溝(18)の領域
    を含むことを特徴とする内燃機関用鋳造金属ピストン。 ２．前記第１のインサート部材部分(26a) の前記セラミ
    ック繊維の前記密度は約０乃至５容量パーセントであ
    り、前記第２のインサート部材部分(26b) の前記セラミ
    ック繊維の密度は約１０乃至５０容量パーセントである
    ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の内燃機
    関用鋳造金属ピストン。 ３．前記第１のインサート部材部分(26a) は第１のセラ
    ミック繊維の配向を有しており、前記第２のインサート
    部材部分(26b) は前記第１のセラミック繊維の配向と異
    なった第２のセラミック繊維の配向を有していることを
    特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項に記載の
    内燃機関用鋳造金属ピストン。 ４．前記プレフォームインサート部材(26)は前記第１の
    インサート部材部分(26a) 及び前記第２のインサート部
    材部分(26b) の間に配置された第３のインサート部材部
    分(25)を有し、前記第３のインサート部材部分(25)はラ
    ンダムなセラミック繊維の配向を有していることを特徴
    とする特許請求の範囲第３項に記載の内燃機関用鋳造金
    属ピストン。
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