JP3280516B2 - Piston for internal combustion engine and method of manufacturing the same - Google Patents

Piston for internal combustion engine and method of manufacturing the same

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JP3280516B2
JP3280516B2 JP10581694A JP10581694A JP3280516B2 JP 3280516 B2 JP3280516 B2 JP 3280516B2 JP 10581694 A JP10581694 A JP 10581694A JP 10581694 A JP10581694 A JP 10581694A JP 3280516 B2 JP3280516 B2 JP 3280516B2
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    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • F05C2201/00Metals
    • F05C2201/02Light metals
    • F05C2201/021Aluminium

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、自動車等の内燃機関の
ピストンの改良に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an improvement in a piston of an internal combustion engine of an automobile or the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】周知のように、近時、自動車用内燃機関
のピストンにあっては、高出力化高性能化の要請に伴い
軽量化を図るべくその材質を鋳鉄に代えてアルミニウム
合金で形成され、シリンダボアの内壁面と対向する外周
面に、ピストンリングが装着される複数のピストンリン
グ溝が形成されている。また、このピストンリング溝の
うち燃焼室に最も近いトップリング溝は、特に高温に晒
され、かつ燃焼圧力を直接受けるため、ピストンリング
(トップリング)との摩耗が激しい。このため、トップ
リング溝とトップリングとの間には、アルミ凝着が発生
し易くなる。
2. Description of the Related Art As is well known, in recent years, pistons of internal combustion engines for automobiles have been formed of aluminum alloy instead of cast iron in order to reduce weight in response to demands for higher output and higher performance. A plurality of piston ring grooves in which piston rings are mounted are formed on the outer peripheral surface facing the inner wall surface of the cylinder bore. Further, among the piston ring grooves, the top ring groove closest to the combustion chamber is particularly exposed to a high temperature and directly receives the combustion pressure, so that the piston ring (top ring) is heavily worn. For this reason, aluminum adhesion easily occurs between the top ring groove and the top ring.

【0003】そこで、斯かるアルミ凝着を防止する種々
の技術が開発されており、例えば(1)トップリング溝
の表面部に無機繊維集合体を複合させて強化するもの
(特開昭59−201953号公報)や、(2)In−
SituプロセスによるハイブリッドMMC(金属基複
合材料)をピストンへ応用するもの(自動車技術198
9−5.NO891056)、(3)トップリング溝の
表面部にニッケル多孔体を複合させて強化するもの(特
公平3−30708号公報)などがある。また、(4)
トップリング溝の表面部をアルマイト処理層により強化
したり(特開平1−190951号公報)、(5)トッ
プリング溝の表面部に銅などを電子ビームで溶融拡散さ
せることにより合金層を形成するもの(三菱自動車19
88,NO1「テクニカルレビュー」)があり、更に
は、(6)トップリング溝部分にニレジスト鋳鉄をアル
フィン処理してアルミニウム合金に鋳ぐるんでリング支
持部材とするもの、また(7)低Siのアルミニウム−
マグネシウム系合金部材を鋳ぐるみ、アルマイト処理を
施すもの(特開平1−190951号公報)など多くの
改良技術が提案されている。
Therefore, various techniques for preventing such aluminum adhesion have been developed. For example, (1) a technique in which an inorganic fiber aggregate is compounded on the surface of a top ring groove to reinforce it (Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 201953) or (2) In-
Application of hybrid MMC (metal-based composite material) to the piston by the Situ process (Automotive Technology 198)
9-5. No. 891056), and (3) a method in which a nickel porous body is compounded on the surface of the top ring groove to strengthen it (Japanese Patent Publication No. 3-30708). Also, (4)
An alloy layer is formed by strengthening the surface of the top ring groove with an alumite treatment layer (JP-A-1-190951), or (5) melting and diffusing copper or the like with an electron beam on the surface of the top ring groove. Things (Mitsubishi Motors 19
88, NO1 "Technical Review"), and (6) a ring support member by casting a niresist cast iron in the top ring groove portion and subjecting it to an aluminum alloy, and (7) a low Si aluminum −
Many improved techniques have been proposed, such as casting of a magnesium-based alloy member and alumite treatment (Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-190951).

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】然し乍ら、前記各従来
例には、以下のような欠点がある。即ち、(1),
(2),(3)の従来例にあっては、無機繊維材等の材
料上の点からその成形法として高圧凝固法を用いなけれ
ばならない。したがって、製造コストの上昇が余儀なく
されるばかりか、ピストンの形状が制約されてしまう。
However, each of the conventional examples has the following disadvantages. That is, (1),
In the conventional examples (2) and (3), a high-pressure solidification method must be used as a molding method from the viewpoint of materials such as inorganic fiber materials. Therefore, not only is the production cost increased, but also the shape of the piston is restricted.

【0005】また、(4)の従来例にあっては、アルマ
イト処理層によりピストンリングとの耐凝着性は向上す
るものの、単なるアルマイト処理層を形成するだけであ
るから、耐摩耗性が不十分になる。更に、(5)の従来
例は、逆に耐凝着性が不足する惧れがある。
Further, in the conventional example of (4), although the alumite-treated layer improves the adhesion resistance to the piston ring, the alumite-treated layer only forms the alumite-treated layer, so that the abrasion resistance is poor. Will be enough. Further, in the conventional example of (5), there is a possibility that the adhesion resistance is insufficient.

【0006】また、(6)の従来例は、最も古くから行
われている技術であり、耐摩耗性や耐凝着性は確保でき
るものの、鋳鉄製であるため、重量の増加が余儀なくさ
れる。
The prior art (6) is the oldest technique. Although it is possible to secure abrasion resistance and adhesion resistance, it is made of cast iron, so that the weight must be increased. .

【0007】更に、(7)の従来例は、アルミニウム−
マグネシウム系合金展伸材を用いているため、この場合
も耐摩耗性及び耐凝着性が不十分になる。
Further, in the conventional example of (7), aluminum-
Since the wrought magnesium alloy is used, the wear resistance and the adhesion resistance are also insufficient in this case.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は、前記各従来例
における実情に鑑みて案出されたもので、請求項1に記
載の発明は、アルミニウム合金製からなるピストン本体
の外周に複数のピストンリング溝が形成されてなる内燃
機関のピストンにおいて、炭化珪素(SiC)粒子を含
有したアルミニウム合金の耐摩環を、アルミ合金製ピス
トンのトップリング溝に対応する位置に鋳ぐるむと共
に、該耐摩環で形成されたリング溝の表面に陽極酸化処
理(アルマイト処理)によるアルマイト処理層を形成し
て、該アルマイト処理層内に前記炭化珪素の粒子を分散
露呈させたことを特徴としている。請求項2に記載の発
明は、アルミニウム合金製からなるピストン本体の外周
に複数のピストンリング溝が形成されてなる内燃機関の
ピストンの製造方法であって、アルミニウム合金材の内
部に炭化珪素を含有した耐摩環を予め成形すると共に、
前記ピストン本体の鋳造時に、前記ピストンリング溝の
少なくともトップリング溝に対応する位置に前記耐摩環
を鋳込み、その後、前記耐摩環で形成されたリング溝の
表面を陽極酸化処理を行なってアルマイト処理層を形成
し、該アルマイト処理層内に前記炭化珪素の粒子を分散
露呈させたことを特徴としている。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been devised in view of the circumstances in each of the above-mentioned conventional examples. The invention according to claim 1 is directed to a piston body made of an aluminum alloy.
Internal Combustion with Multiple Piston Ring Grooves Formed Outside
In an engine piston, a wear-resistant ring of an aluminum alloy containing silicon carbide (SiC) particles is cast into a position corresponding to a top ring groove of an aluminum alloy piston, and a surface of the ring groove formed by the wear-resistant ring is formed. To form an anodized layer by anodizing (anodizing)
Dispersing the silicon carbide particles in the alumite treatment layer
It is characterized by being exposed . Claim 2
Akira is the outer periphery of the piston body made of aluminum alloy
Internal combustion engine with multiple piston ring grooves formed in
A method of manufacturing a piston, comprising:
While pre-forming a wear ring containing silicon carbide in the part,
During casting of the piston body, the piston ring groove
At least at the position corresponding to the top ring groove,
And then the ring groove formed by the wear-resistant ring is cast.
Form anodized layer by anodizing the surface
And dispersing the silicon carbide particles in the alumite treatment layer.
It is characterized by being exposed.

【0009】[0009]

【作用】前記構成の本発明によれば、耐摩環自体は、材
料上の点から鋳造等によって成形できると共に、該耐摩
環を単にピストン成形時に鋳ぐるむだけであるため、そ
の製造コストの低廉化が図れる。
According to the present invention having the above-described structure, the wear-resistant ring itself can be formed by casting or the like from the viewpoint of the material, and the wear-resistant ring is simply cast when the piston is formed, so that the manufacturing cost can be reduced. Can be achieved.

【0010】また、本発明においては、耐摩環としてア
ルミニウム合金中に炭化珪素(SiC)が分散したもの
となっている。そして、特にアルマイト処理層を形成し
た例えばトップリング溝の少なくとも上下面においても
アルマイト処理層表面に前記耐摩環から析出したSiC
粒子が分散露呈している。
Further, in the present invention, silicon carbide (SiC) is dispersed in an aluminum alloy as a wear-resistant ring. In particular, at least the upper and lower surfaces of, for example, the top ring groove on which the alumite-treated layer is formed, the SiC deposited from the wear-resistant ring on the surface of the alumite-treated layer.
Particles are dispersed and exposed.

【0011】アルマイト処理層は、それ自体で硬質であ
ると共に、非金属層であるため、相手材であるピストン
リングに対して凝着が生じにくく、したがってアルマイ
ト処理層をトップリング溝の上下面に形成しただけでも
ある程度耐摩耗性、耐スカッフ性は向上するが、それだ
けでは必ずしも充分ではない。すなわち、アルマイト処
理層自体が摩耗して母材が露出してしまえば、急激にス
カッフや摩耗が進行するようになる。そこで、この発明
では、アルミニウム合金にSiC粒子を分散した合金を
耐摩環として用いて、アルマイト処理層表面に耐摩環か
ら析出したH3000程度の著しく硬質なSiC粒子
を分散露呈させ、その硬質なSiC粒子により相手材か
らの荷重を支持させて、アルマイト処理層の摩耗の進行
を防止している。すなわち、アルマイト処理層とSiC
粒子との相乗効果によってトップリング溝の耐摩耗性、
耐凝着性を著しく向上させることが可能になった。
The alumite-treated layer is hard in itself and, because it is a non-metal layer, hardly adheres to the piston ring as a mating material. Therefore, the alumite-treated layer is formed on the upper and lower surfaces of the top ring groove. Although abrasion resistance and scuff resistance are improved to some extent just by forming, it is not always sufficient. That is, if the alumite treatment layer itself is worn and the base material is exposed, scuffing and abrasion will rapidly progress. Therefore, in the present invention, by using the aluminum alloy obtained by dispersing SiC particles alloy as ring carrier, a significantly hard SiC particles of about H V 3000 deposited from the ring carrier to the anodized layer surface are dispersed exposed, thereof rigid The load from the counterpart material is supported by the SiC particles to prevent the alumite-treated layer from advancing wear. That is, the alumite treatment layer and the SiC
Wear resistance of top ring groove, due to synergistic effect with particles,
It has become possible to significantly improve the adhesion resistance.

【0012】[0012]

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳述
する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0013】図1〜図2は本発明に係るピストンの断面
図を示し、このピストンは、ピストン本体1がアルミ合
金製(JISAC8A−T6)で略円筒状に形成され、
燃焼室に臨む冠部2と、該冠部2の下部に有するリング
ランド部3の外周面に形成された3つのピストンリング
溝4,5,6と、該各トップ,セカンド,オイルリング
溝4〜6に嵌着されるピストンリング7,8,9と、各
リング溝4〜6下部のスカート部10とを備えている。
FIGS. 1 and 2 show a sectional view of a piston according to the present invention. In this piston, a piston body 1 is made of an aluminum alloy (JISAC8A-T6) and is formed in a substantially cylindrical shape.
A crown portion 2 facing the combustion chamber, three piston ring grooves 4, 5, 6 formed on an outer peripheral surface of a ring land portion 3 provided below the crown portion 2, and each of the top, second and oil ring grooves 4 6, and a skirt portion 10 below each of the ring grooves 4-6.

【0014】前記トップリング溝4は、冠部2の頂面か
ら9mm離れた位置を中心に、幅4mm,深さ8mmに
形成されていると共に、この表面部のみが後述の成形方
法で成形された耐摩環11によって形成されている。
The top ring groove 4 is formed to have a width of 4 mm and a depth of 8 mm around a position 9 mm away from the top surface of the crown portion 2 and only this surface portion is formed by a molding method described later. It is formed by the wear ring 11.

【0015】この耐摩環11は、図3にも示すように炭
化珪素(SiC)の粒子11aを含有したアルミニウム
合金11bで構成され、前記ピストン本体1内にトップ
リング溝4の表面部を構成すべく鋳ぐるまれている。
The wear ring 11 is made of an aluminum alloy 11b containing particles 11a of silicon carbide (SiC), as shown in FIG. 3, and forms the surface of the top ring groove 4 in the piston body 1. It is buried in it.

【0016】また、この耐摩環11の表面及びピストン
本体1の冠部2及びリングランド部3のトップリング溝
4付近の外周面に陽極酸化処理によるアルマイト処理層
20が形成されている。このアルマイト処理層20は、
内部に耐摩環11と同様に炭化珪素SiCの粒子20a
が含有されている。即ち、前述のように陽極酸化処理時
に、耐摩環11内のSiC粒子が折出してアルマイト処
理層20に含有されるのである。
An anodized aluminum layer 20 is formed on the surface of the ring 11 and on the outer peripheral surface of the crown 2 and the ring land 3 near the top ring groove 4 of the piston body 1 by anodizing. This anodized aluminum layer 20
Silicon carbide SiC particles 20a inside, like the wear ring 11
Is contained. That is, as described above, during the anodizing treatment, the SiC particles in the wear-resistant ring 11 are bent out and contained in the alumite treatment layer 20.

【0017】以下、前記耐摩環11の具体的な製造方法
について説明する。即ち、まず、最大径で数μmから数
10μmのSiC粒子を10〜20%含有したアルミニ
ウム合金鋳造インゴットを、アルゴンガス等の不活性雰
囲気中で溶解し、993Kに保持した後、機械撹拌を行
いSiC粒子をアルミニウム合金材内に均一に分散させ
る。
Hereinafter, a specific method of manufacturing the wear-resistant ring 11 will be described. That is, first, an aluminum alloy casting ingot containing 10 to 20% of SiC particles having a maximum diameter of several μm to several tens μm is melted in an inert atmosphere such as an argon gas, and is maintained at 993K. SiC particles are uniformly dispersed in the aluminum alloy material.

【0018】その後、図4に示す下鋳型12内に、Si
C粒子を含有したアルミニウム合金溶湯13を注入して
上鋳型14で圧力を加えて凝固させる。次に、冷却後、
下鋳型12内から耐摩環11の粗形材を取り出した後、
押し湯を切断し、必要に応じて機械加工を行えば、耐摩
環11の成形作業が完了する。
Thereafter, Si is placed in the lower mold 12 shown in FIG.
The molten aluminum alloy 13 containing the C particles is poured and solidified by applying pressure with the upper mold 14. Next, after cooling,
After taking out the rough material of the wear ring 11 from inside the lower mold 12,
If the hot water is cut and machined as needed, the forming operation of the wear-resistant ring 11 is completed.

【0019】尚、前記耐摩環11の粗形材は、前記重力
鋳造法の他に、ダイキャスト法や溶湯鋳造法を用いるこ
とも可能である。更に、別の方法として、粉末鍛造法が
ある。これは、SiC粒子とアルミニウム合金粒子を混
合した後、金型内に充填して上鋳型14で圧力を加えて
成形する。そして、加熱した後に鍛造成形を加えて密度
を上げる。また、密度が上昇しない場合は、再度加熱後
に鋳造を繰り返すと密度が上昇する。この方法によれ
ば、最終製品形状に仕上がるため、その後の機械加工が
不要になり、作業性が向上する。
It is also possible to use a die casting method or a molten metal casting method in addition to the gravity casting method for the crude material of the wear ring 11. Another method is a powder forging method. In this method, after mixing the SiC particles and the aluminum alloy particles, the mixture is filled in a mold and molded by applying pressure with the upper mold 14. Then, after heating, forging is performed to increase the density. When the density does not increase, the density increases when the casting is repeated after heating again. According to this method, since the final product shape is obtained, subsequent machining is not required, and workability is improved.

【0020】そして、このようにして成形した耐摩環1
1を、ピストン本体1に鋳ぐみ固定する。この鋳ぐるみ
条件の一例を示せば、耐摩環11の予熱温度は673
K,ピストン本体1の注湯温度は993K,鋳型温度は
473K,耐摩環11の化成処理はパーカライジング
(株)のパルコール3756の溶液を313Kに加熱
し、60秒間浸漬する。
The anti-wear ring 1 thus formed is
1 is cast-fixed to the piston body 1. As an example of the conditions for this insert, the preheating temperature of the wear ring 11 is 673.
K, the pouring temperature of the piston body 1 is 993 K, the mold temperature is 473 K, and the chemical conversion treatment of the wear ring 11 is performed by heating a solution of Parcol 3756 manufactured by Parkerizing Co., Ltd. to 313 K and immersing for 60 seconds.

【0021】ここで、耐摩環11にあらかじめ化成処理
を施す理由は、アルミニウム系材料の場合には、表面に
緻密な酸化膜が強固に形成されているため、溶湯との接
触界面は十分に溶着することができず、そのため溶湯に
よって形成されるピストン本体1のアルミニウム層部分
と、アルミニウム合金の耐摩環11との接合が不十分に
なる。また、溶湯の加熱度を上げたり、また耐摩環11
を十分に予熱した場合などには溶着する現象が認められ
るが、その条件範囲は極めて狭く、均一に接着すること
がむずかしいのが実情である。
Here, the reason why the chemical conversion treatment is applied to the wear ring 11 in advance is that, in the case of aluminum-based materials, a dense oxide film is firmly formed on the surface, so that the contact interface with the molten metal is sufficiently welded. Therefore, the joining between the aluminum layer portion of the piston body 1 formed by the molten metal and the wear-resistant ring 11 of the aluminum alloy becomes insufficient. In addition, the degree of heating of the molten metal can be increased, and
However, when preheating is sufficiently performed, the phenomenon of welding is observed, but the condition range is extremely narrow, and it is difficult to adhere uniformly.

【0022】特に、耐摩環11を予熱することにより酸
化膜が厚くなり、接着が増々困難になる惧れがある。
In particular, the preheating of the wear ring 11 may increase the thickness of the oxide film, making the adhesion more difficult.

【0023】そこで、前記のように予め化成処理を行う
と、予熱により化成処理層は酸化するが、耐摩環11の
アルミニウム合金材までは酸化されず、上述の化成処理
層の酸化物もピストン本体1のアルミニウム合金の溶湯
により容易に除去される為、ピストン本体1のアルミニ
ウム合金と耐摩環11のアルミニウム合金11bとを高
い接合強度で接着させることが可能となる。
Therefore, if the chemical conversion treatment is performed in advance as described above, the chemical conversion treatment layer is oxidized by preheating, but is not oxidized up to the aluminum alloy material of the wear-resistant ring 11. Since the aluminum alloy of the piston body 1 is easily removed by the molten aluminum alloy, the aluminum alloy of the piston body 1 and the aluminum alloy 11b of the wear ring 11 can be bonded with high bonding strength.

【0024】また、前記アルマイト処理層20を形成す
る部分を、摩耗の激しいトップリング溝4の上下面の他
に、冠部2及びリングランド部3のトップリング溝4付
近の外周面のみとし、スカート部には施こさなかったの
は、この部分に施すとここに油膜切れが発生してスカッ
フが発生し易くなるからである。
In addition to the upper and lower surfaces of the top ring groove 4 where wear is severe, only the outer peripheral surface near the top ring groove 4 of the crown portion 2 and the ring land portion 3 is provided. The reason why the coating was not applied to the skirt portion is that if applied to this portion, the oil film would break there and scuffing would easily occur.

【0025】また、アルマイト処理層20の厚さは後述
する実験結果からして、10〜50μmの範囲内に設定
した。つまり、10μm未満では充分な耐摩耗性が得ら
れず、一方、50μmを越えれば表面粗さが大きくな
り、処理コストも高くなるからである。
The thickness of the anodized aluminum layer 20 was set in the range of 10 to 50 μm based on the experimental results described later. That is, if the thickness is less than 10 μm, sufficient wear resistance cannot be obtained, while if it exceeds 50 μm, the surface roughness increases and the processing cost increases.

【0026】さらに、SiC粒子11a,20aの大き
さは、3〜40μmの範囲内に定めた。なぜなら、後述
の実験結果からして、3μm未満の場合はピストンリン
グ7の荷重を十分に支持することが困難であるため、十
分な耐摩耗性を示すことが困難であり、一方、40μm
を越えれば溝加工後の表面粗さが大きくなるため、アル
マイト処理後の粗さも大きくなってしまい、またアルマ
イト処理層20にクラックが生じ易くなって剥離する惧
れがあるためである。
Further, the size of the SiC particles 11a and 20a is set in a range of 3 to 40 μm. Because, from the experimental results described below, when the diameter is less than 3 μm, it is difficult to sufficiently support the load of the piston ring 7, and it is difficult to show sufficient wear resistance.
If the thickness exceeds, the surface roughness after the groove processing increases, the roughness after the alumite treatment also increases, and the alumite treatment layer 20 may be easily cracked and peeled off.

【0027】以下、前述のような工程で成形された耐摩
環11にアルマイト処理層20を施した場合の耐摩耗性
と耐凝着性及び耐摩環11材料の材料の機械加工性につ
いての特性変化を実験した結果を説明する。
In the following, when the alumite-treated layer 20 is applied to the wear ring 11 formed in the above-described process, a change in characteristics of wear resistance and adhesion resistance and the machinability of the material of the wear ring 11 are described. Will be described.

【0028】まず、マトリックスのアルミニウム合金の
成分を表に示す。この実験においては鋳造法で製作した
試料を用いた。粒径9.3±4μmのSiC粒子の添加
量は、0,5,10,15,20,25,30体積%と
して7種の材料にアルマイト処理をしたものについて評
価した。
First, the components of the matrix aluminum alloy are shown in the table. In this experiment, a sample manufactured by a casting method was used. The amount of the SiC particles having a particle size of 9.3 ± 4 μm was evaluated for the alumite-treated seven materials at 0, 5, 10, 15, 20, 25, and 30% by volume.

【0029】次に、SiC粒子の体積率を10.0%と
して、添加するSiC粒子の粒径を2,5,10,2
0,30,40μmの6種の材料にアルマイト処理を施
こしたものについて評価した。また同時にSiC粒子を
添加せずマトリックスのアルミニウム合金のみとアルマ
イト処理を施こさないものについても評価した。
Next, assuming that the volume ratio of the SiC particles is 10.0%, the particle size of the SiC particles to be added is 2, 5, 10, 2
The alumite treatment of six types of materials of 0, 30, and 40 μm was evaluated. At the same time, an aluminum alloy of the matrix alone without addition of SiC particles and alumite-treated aluminum alloy were also evaluated.

【0030】[0030]

【表1】 [Table 1]

【0031】そして、耐摩耗性の評価方法は、図5に示
す装置を用いて行った。即ち、図外のモータで回転する
回転台15上にピストンリング7を固定して、この上部
にヒータ16の下端に固定されたテストピース17を押
し付けて摩耗させる。このテストピース17は、ピスト
ン本体1のリング溝から切り出した耐摩環である。この
方法における温度,潤滑状態等の試験条件は実際のエン
ジンのピストンと相関性のあるものとした。評価は、試
験後の摩耗深さで行った。
The wear resistance was evaluated using the apparatus shown in FIG. That is, the piston ring 7 is fixed on a turntable 15 that is rotated by a motor (not shown), and a test piece 17 fixed to a lower end of the heater 16 is pressed against the piston ring 7 to be worn. The test piece 17 is a wear-resistant ring cut out from a ring groove of the piston body 1. Test conditions such as temperature and lubrication condition in this method were assumed to be correlated with the actual engine piston. The evaluation was performed based on the wear depth after the test.

【0032】また、耐凝着性の評価方法は、図6に示す
装置を用いて行い、ピストン本体1のトップリング溝4
下面にピストンリング7を押し当てて、アクチュエータ
18,19を介して矢印一方向にのみ摺動させる加速試
験法によった。評価は、リング溝4のピストンリング7
摺動面積に対する凝着摩耗した面積の割合で行った。試
験はアルマイト皮膜が充分になくなるまでの摺動回数と
した。
The adhesion resistance was evaluated using the apparatus shown in FIG.
The acceleration test method was used in which the piston ring 7 was pressed against the lower surface and slid in only one direction of the arrow via the actuators 18 and 19. The evaluation was made on the piston ring 7 in the ring groove 4
The measurement was performed at the ratio of the area where the adhesive wear occurred to the sliding area. The test was performed by the number of sliding operations until the alumite film was not sufficiently removed.

【0033】機械加工性の評価は、直径70mmの円柱
粗材を以下の加工条件で加工し、工具の摩耗量が0.3
mmになるまでの加工数で評価した。切削速度:200
m/min,切り込み量:0.3mm,送り量:0.0
3mm(1回転毎),工具:気相合成ダイヤモンド工具
(旭ダイヤ(株)製) 前記各評価結果を表2及び表3に示す。
The evaluation of machinability was performed by machining a columnar coarse material having a diameter of 70 mm under the following processing conditions and reducing the amount of wear of the tool to 0.3.
It was evaluated by the number of processings until it became mm. Cutting speed: 200
m / min, depth of cut: 0.3 mm, feed amount: 0.0
3 mm (per rotation), tool: vapor phase synthetic diamond tool (manufactured by Asahi Diamond Co., Ltd.) Tables 2 and 3 show the evaluation results.

【0034】[0034]

【表2】 [Table 2]

【0035】[0035]

【表3】 [Table 3]

【0036】ここで、耐摩耗性は、SiC粒子が無添加
つまりOで、アルマイト処理無しの摩耗量を100とし
た割合を示す。数値が小さい程摩耗しないことを示す。
Here, the abrasion resistance refers to a ratio where the amount of abrasion without alumite treatment is 100 when no SiC particles are added, that is, O. The smaller the value, the less wear.

【0037】耐凝着性は、SiC粒子が無添加アルマイ
ト処理無しの凝着した面積を100とした割合を示す。
数値が小さい程凝着しないことを示す。
The adhesion resistance indicates a ratio of the area where the SiC particles adhered without addition of the alumite treatment to 100, where the area was 100.
The smaller the value, the less adhesion.

【0038】機械加工性は、SiC粒子の無添加の粗材
を、工具としてCPXを使って加工した場合の工具寿命
を100とした。但し、SiC粒子が添加された粗材は
気相合成ダイヤモンド工具で加工している。
The machinability was defined as a tool life of 100 when a coarse material without addition of SiC particles was processed using CPX as a tool. However, the coarse material to which the SiC particles are added is processed by a vapor phase synthetic diamond tool.

【0039】表2及び表3から明らかのように、アルマ
イト処理無しの場合はSiC粒子の添加量が5体積%で
も無添加の場合に比べて耐摩性は著しく向上し10体積
%でほぼその効果は一定となる。
As is clear from Tables 2 and 3, the abrasion resistance was remarkably improved when the alumite treatment was not performed, even when the amount of added SiC particles was 5% by volume, and the effect was substantially improved at 10% by volume. Is constant.

【0040】アルマイト処理をした場合、アルマイト皮
膜の耐摩耗がアルミニウム合金に比べて優れるためSi
C粒子を添加したアルミニウム合金にアルマイト処理を
した場合、しない場合と比べて耐摩性は向上する。
When alumite treatment is performed, the wear resistance of the alumite film is superior to that of aluminum alloy, so
When the alumite treatment is performed on the aluminum alloy to which the C particles are added, the abrasion resistance is improved as compared with the case where no alumite treatment is performed.

【0041】一方、耐凝着性も同様な傾向にありアルマ
イト処理無しの場合SiC粒子の添加量が増加するにつ
れて、耐凝着性が著しく向上していることが判る。そし
て25体積%以上では凝着の発生は無い。
On the other hand, the adhesion resistance has the same tendency, and it can be seen that the adhesion resistance is remarkably improved as the amount of added SiC particles increases without alumite treatment. At 25% by volume or more, no adhesion occurs.

【0042】アルマイト処理をした場合にはSiC添加
量が5体積%でも凝着の発生はなく著しく耐凝着性の向
上していることが判る。
When the alumite treatment was performed, no adhesion occurred even when the amount of SiC added was 5% by volume, indicating that the adhesion resistance was remarkably improved.

【0043】また、機械加工性は、SiC粒子の添加量
が5体積%でも無添加に比べて加工性が悪くなる。更
に、添加量の増加に伴って加工性は悪化して行き、30
体積%では工具の刃先に欠けが生じて加工不能である。
In addition, the machinability is poor even when the SiC particles are added in an amount of 5% by volume as compared with the case where no SiC particles are added. Furthermore, the processability deteriorated with the increase of the addition amount,
At volume%, the cutting edge of the tool is chipped and cannot be machined.

【0044】SiC粒子の大きさの効果はアルマイト処
理無しの場合では5μm正確には3μm以上あれば耐摩
耗性は著しく向上する。また耐凝着性においても粒子の
大きさが大きくなるほど向上する様であるがSiC粒子
の体積率が一定の場合著しい向上は無い。
The effect of the size of the SiC particles is that the abrasion resistance is remarkably improved if the alumite treatment is not performed and 5 μm or more precisely 3 μm or more. The adhesion resistance also seems to improve as the size of the particles increases, but there is no significant improvement when the volume fraction of the SiC particles is constant.

【0045】しかしアルマイト処理をした場合SiC粒
子の大きさが5μm正確には3μm以上あれば耐摩耗性
は著しく向上しまた凝着の発生もなくなる。
However, when the alumite treatment is performed, if the size of the SiC particles is 5 μm, more precisely, 3 μm or more, the abrasion resistance is remarkably improved and the generation of adhesion is eliminated.

【0046】また粒子の大きさが大きくなればなるほど
加工性は悪化し40μmでは加工後の粗さが悪くなりそ
の後のアルマイト処理による粗さの悪化が著しい。
Further, as the size of the particles increases, the workability deteriorates, and when the particle size is 40 μm, the roughness after processing deteriorates, and the roughness due to the subsequent alumite treatment significantly deteriorates.

【0047】以上の実験から、最適なSiC粒子の添加
量は5体積%から25体積%までで、望ましくは10体
積%から20体積%であることがわかる。
From the above experiments, it can be seen that the optimum amount of SiC particles to be added is 5 to 25% by volume, preferably 10 to 20% by volume.

【0048】また粒子の大きさは3μm以上40μm以
内であり望ましくは20μm以下である方が良い。
The size of the particles is 3 μm or more and 40 μm or less, preferably 20 μm or less.

【0049】分散粒子は以上説明してきたSiC粒子の
他に同等以上の硬さを有するものであれば良くBN,S
4,Al23,WC,TiC,TiB2,等の粒子
を用いても良い。
The dispersed particles may be those having the same or higher hardness than the above-described SiC particles.
i 3 n 4, Al 2 O 3, WC, TiC, TiB 2, may be used particles equal.

【0050】以上説明してきたSiC粒子を添加したア
ルミニウム合金で形成された耐摩環11を、アルミニウ
ム合金のピストン本体1内に鋳ぐるんだピストンにアル
マイト処理を施したピストンを、内燃機関に組み込んで
試験を行った。ここで、耐摩環11のSiC粒子の添加
量は10体積%に設定した。尚、比較のためにアルマイ
ト処理をしないピストンおよび前述のような耐摩環をピ
ストン本体に鋳ぐるまないピストンの試験も行った。
The above-described wear ring 11 made of an aluminum alloy to which SiC particles are added is assembled into an internal combustion engine by mounting an alumite-treated piston in a piston main body 1 made of an aluminum alloy. The test was performed. Here, the addition amount of the SiC particles in the wear ring 11 was set to 10% by volume. For comparison, a test was performed on a piston that was not subjected to an alumite treatment and a piston that did not cast the above-described wear ring into the piston body.

【0051】運転条件は、4気筒で排気量が2000c
cのディーゼル機関を用い油温150度,冷却水温度1
20度にて200時間の連続運転を行った。
The operating conditions are as follows.
oil temperature 150 ° C, cooling water temperature 1 using diesel engine
The continuous operation was performed at 20 degrees for 200 hours.

【0052】この結果、耐摩環を鋳ぐるまないピストン
は50μmの摩耗が発生し、トップリング溝下面の85
%に凝着の発生が認められたのに対し、前記耐摩環11
を鋳ぐるんだピストンでアルマイト処理をしないもので
は5μmの摩耗が発生し、トップリング溝下面の50%
に凝着の発生が認められたのに対してアルマイト処理を
したものでは摩耗も凝着も認められなかった。
As a result, the piston which does not cast the wear ring has a wear of 50 μm, and the piston under the top ring groove has a wear of 85 μm.
%, While the occurrence of adhesion was recognized,
If the alumite treatment is not performed with a piston that is made of cast iron, abrasion of 5 μm occurs and 50% of the bottom surface of the top ring groove
No abrasion or adhesion was observed in the anodized aluminum alloy.

【0053】[0053]

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、炭化珪素(SiC)粒子を含有したアルミニウ
ム合金材に耐摩環を、アルミニウム合金製のピストン本
体に鋳ぐるんでリング溝を形成したため、ピストンリン
グとの耐摩耗性等が向上することは勿論のこと、単なる
溶湯鋳造法によって成形できるため、製造コストの低廉
化が図れる。
As is apparent from the above description, according to the present invention, a ring groove is formed by casting a wear-resistant ring on an aluminum alloy material containing silicon carbide (SiC) particles and casting it into a piston body made of an aluminum alloy. Since it is formed, not only the wear resistance with the piston ring and the like are improved, but also it can be formed by a simple molten metal casting method, so that the manufacturing cost can be reduced.

【0054】特に、前記耐摩環のリング溝表面にアルマ
イト処理層を形成したため、該アルマイト処理層とアル
マイト処理層内の炭化珪素粒子との相乗効果によって前
記リング溝表面の耐摩耗性や耐凝着性が著しく向上す
る。
In particular, since the alumite-treated layer is formed on the surface of the ring groove of the ring, the synergistic effect of the alumite-treated layer and the silicon carbide particles in the alumite-treated layer results in wear resistance and adhesion resistance of the ring groove surface. The properties are significantly improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本考案の実施例を示すピストンの要部断面図。FIG. 1 is a sectional view of a main part of a piston showing an embodiment of the present invention.

【図2】本実施例のピストンの縦断面図。FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a piston according to the embodiment.

【図3】本実施例のピストンの要部拡大断面図。FIG. 3 is an enlarged sectional view of a main part of the piston of the embodiment.

【図4】本実施例の耐摩環の金型成形を示す説明図。FIG. 4 is an explanatory view showing molding of a wear-resistant ring of the present embodiment.

【図5】耐摩耗性のテスト状態を示す説明図。FIG. 5 is an explanatory view showing a test state of wear resistance.

【図6】耐凝着性のテスト状態を示す説明図。FIG. 6 is an explanatory view showing a test state of adhesion resistance.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…ピストン本体 2…冠部 3…リングランド部 4…トップリング溝 7…トップリング 11…耐摩環 11a…SiC粒子 20…アルマイト処理層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Piston main body 2 ... Crown part 3 ... Ring land part 4 ... Top ring groove 7 ... Top ring 11 ... Wear-resistant ring 11a ... SiC particle 20 ... Alumite treatment layer

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F02F 3/00 F02F 3/00 301 F02F 3/00 302 F02F 3/10 Continuation of the front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) F02F 3/00 F02F 3/00 301 F02F 3/00 302 F02F 3/10

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 アルミニウム合金製からなるピストン本
体の外周に複数のピストンリング溝が形成されてなる内
燃機関のピストンにおいて、 前記ピストンリング溝の少なくともトップリング溝に対
応する位置に、炭化珪素の粒子を含有したアルミニウム
合金材の耐摩環を鋳ぐるむと共に、該耐摩環で形成され
たリング溝の表面に陽極酸化処理によるアルマイト処理
層を形成して、該アルマイト処理層内に前記炭化珪素の
粒子を分散露呈させたことを特徴とする内燃機関のピス
トン。
1. A piston of an internal combustion engine in which a plurality of piston ring grooves are formed on the outer periphery of a piston body made of an aluminum alloy, wherein silicon carbide particles are provided at least in positions corresponding to the top ring grooves of the piston ring grooves. And an anodized aluminum layer formed by anodic oxidation on the surface of the ring groove formed by the anodized aluminum alloy material .
A piston for an internal combustion engine, wherein particles are dispersed and exposed .
【請求項2】 アルミニウム合金製からなるピストン本
体の外周に複数のピストンリング溝が形成されてなる内
燃機関のピストンの製造方法であって、 アルミニウム合金材の内部に炭化珪素を含有した耐摩環
を予め成形すると共に、前記ピストン本体の鋳造時に、
前記ピストンリング溝の少なくともトップリング溝に対
応する位置に前記耐摩環を鋳込み、その後、前記耐摩環
で形成されたリング溝の表面を陽極酸化処理を行なって
アルマイト処理層を形成し、該アルマイト処理層内に前
記炭化珪素の粒子を分散露呈させたことを特徴とする内
燃機関のピストンの製造方法。
2. A method for manufacturing a piston of an internal combustion engine, comprising a piston body made of an aluminum alloy and having a plurality of piston ring grooves formed on an outer periphery thereof, comprising: a wear-resistant ring containing silicon carbide inside an aluminum alloy material. While being molded in advance, when casting the piston body,
The casting of the ring carrier in a position corresponding to at least the top ring groove of the piston ring groove, then the anodic oxidation treatment of the surface of the ring groove formed in the ring carrier lines Do I
Forming an alumite-treated layer;
A method for manufacturing a piston of an internal combustion engine , wherein particles of the silicon carbide are dispersed and exposed .
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