JP4328321B2

JP4328321B2 - 内燃機関用ピストン

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Publication number: JP4328321B2
Application number: JP2005273800A
Authority: JP
Inventors: 昭人谷畑; 奈緒子佐藤; 久育小島; 耕二勝俣; 白石　　隆
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2025-09-21
Also published as: US7398754B2; US20070062479A1; JP2007085224A

Description

本発明は、疲労強度と耐摩耗性を兼ね備えた内燃機関用ピストンに関する。

従来、内燃機関用ピストン（以下、単に「ピストン」と略称する）は、ＪＩＳＡＣ８ＡなどのＡｌ−Ｓｉ系合金を用いて重力鋳造製法により製造されていたが、近年のエンジン高出力化に伴い、疲労強度と耐摩耗性の更なる向上を図ってＳｉ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｎなどの添加元素の含有量を増加させる傾向にある。そのような添加元素の中でもＳｉは、１１重量％以上添加することによって過共晶組織を生成し、粒状で硬い初晶Ｓｉが晶出することにより耐摩耗性が向上することから、高出力エンジン用ピストンのＡｌ合金に広く採用されている。

しかしながら、Ａｌ−高Ｓｉ合金では、粗大な初晶Ｓｉが鋳造時に晶出し、この初晶Ｓｉが疲労破壊の起点となって疲労強度が低下する。また、局所的な組織の不均一を生じて硬さのばらつきが大きくなり、軟化した部分での耐摩耗性の低下や硬化した部分での加工性の悪化を招くといった欠点があった。

上記のような欠点を解消するために、例えば特許文献１では、Ａｌ−Ｓｉ合金から重力鋳造製法によりピストンを製造するにあたり、Ｐを添加することで初晶Ｓｉの粗大化を抑制している。また、特許文献２では、Ｓｉを含有するＡｌ合金を溶解した後に急冷凝固させて初晶Ｓｉが粉砕された微細な粉末を製造し、この粉末を加熱押出しおよび成形してピストンを製造している。
さらに、特許文献３では、Ａｌ−Ｓｉ合金からピストンを鋳造した後、必要な部分の強化を図るために、当該部分に電子ビームなどによって銅材を合金に鋳込んでいる。
特許第３０４３３７５号公報（作用）特開平１０−２１９３７８号公報（段落０００８）特開２００５−１２０８９１号公報（要約）

ところで、ピストンの機能は、燃焼圧力容器の形成、燃焼圧力の保持、および燃焼圧力の伝達であり、その機能を発揮するために、内燃機関用ピストンは、その部位によって異なる特性が要求されている。代表的なピストンの要求特性として以下の２点が挙げられる。
(1)トップリング溝やピン穴など、摺動部における耐摩耗性。
(2)ピストン燃焼室面、ピンボスリブ、ピンボス部の下部の外周面、スカートリブなど、燃焼圧や慣性力によって大きな応力負荷を受ける部位における高疲労強度。

ところが、初晶Ｓｉの粒度は相反する性質を有しており、初晶Ｓｉの粒度が大きいと耐摩耗性は良いが疲労強度が低下し、初晶Ｓｉの粒度が小さいと（または初晶Ｓｉが存在しなければ）疲労強度は高いが耐摩耗性が低下する。そして、前記特許文献１や特許文献２に記載のように初晶Ｓｉを微細化する技術では、いずれもピストンの全部位でほぼ同じ組織を呈し、部位毎に組織を最適化するものではないから、部位によって異なる特性が要求されるピストンでは耐摩耗性または疲労強度のいずれかが不足し、高出力エンジンに対応するには充分ではなかった。

また、Ｐを添加することで初晶Ｓｉを微細化する特許文献１に記載の技術では、重力鋳造法によるため鋳造時の冷却速度が比較的遅く、また、湯流れ性の観点から金型温度を低くすることもできないから、結局のところ初晶Ｓｉが粗大化してしまう。このため、初晶Ｓｉによりトップリング溝等の耐摩耗性を確保することができるものの、ピストン燃焼室面、ピンボスリブ、ピンボス部の下部の外周面、スカートリブの鋳肌面に初晶Ｓｉが晶出し、それらの部位の疲労強度を低下させる。

さらに、粉末を加熱押出しおよび成形してピストンを製造する特許文献２に記載の技術では、疲労破壊の起点とならない程度にまで初晶Ｓｉの粒度を小さくすることは可能であるが、トップリング溝等の耐摩耗性が不十分なためＳｉＣなどの第二粒子を粉末に添加せざるを得ない。このため、ピストンの製造コストが割高になってしまう。

部分的に銅材を鋳込んで強化する特許文献３に記載の技術では、銅材を溶融する際に発生するガスによる内部欠陥を抑制するための措置や、加熱によりピストンに発生する歪みの矯正工程が必要になり、溶融工程を含めた工程数が増えるため製造コストが割高になる。
したがって、本発明は、製造コストを増加させることなく疲労強度と耐摩耗性とを兼ね備えた内燃機関用ピストンおよびその製造方法を提供することを目的としている。

本発明の内燃機関用ピストンは、Ｓｉ：１１〜１８重量％を含有する過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金をダイカストにより鋳造してなる内燃機関用ピストンであって、頂面が燃焼室面とされたピストンクラウンと、ピストンスカート部と、ピストンピン穴と、このピストンピン穴が貫通するピンボスと、外周面に形成されたトップリング溝とを備え、燃焼室面と、ピンボスとクラウンとを接続するピンボスリブと、ピンボスの下部外周面と、ピンボスとピストンスカート部とを接続するスカートリブの少なくとも１つが鋳肌面とされるとともに、この鋳肌面を含む表層部が初晶Ｓｉが晶出していない第１の共晶組織からなり、トップリング溝およびピストンピン穴の少なくともいずれか一方は、表層部が除去されてなる加工面とされるとともに、この加工面を含む層が初晶Ｓｉが晶出している第２の共晶組織からなることを特徴としている。

本発明によれば、ピストンにおいて高い疲労強度が要求される部位を鋳肌面としこの鋳肌面を含む表層を初晶Ｓｉが晶出していない第１の共晶組織としているから、応力を負荷したときに初晶Ｓｉが基点となって疲労破壊が進展することを抑制することができる。また、ピストンにおいて高い耐摩耗性が要求される部位を表層が除去されてなる加工面としこの加工面を含む層を初晶Ｓｉが晶出している第２の共晶組織としているから、硬さの高い初晶Ｓｉの粒子の効果により摩耗を抑制することができる。

ここで、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金は、Ｓｉ：１１〜１８重量％を含有し、残部Ａｌおよび不可避不純物からなる組成であるが、さらに合金元素を添加してＣｕ：１．０〜６．０重量％、Ｎｉ：１．０〜６．０重量％、Ｍｇ：０．５〜２．０重量％、Ｆｅ：０．１〜２．０重量％、Ｐ：３０〜２００ｐｐｍの少なくとも１種をさらに含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなる組成とすると好適である。以下、上記合金元素の作用を説明する。

Ｓｉ：１１〜１８重量％
Ｓｉは耐摩耗性を向上させるために必要な元素であり、特に、粒状の初晶Ｓｉが耐摩耗性に有効であることが広く知られている。Ｓｉは１１重量％付近でＡｌ−Ｓｉ共晶点が存在するから、過共晶とするために１１重量％以上含有する必要がある。ただし、Ｓｉの含有量が１８重量％を超えると、合金の融点が過度に高くなり、溶湯中のガス量が増加したり金型の寿命が低下するという不都合が生じる。よって、Ｓｉの含有量は１１〜１８重量％とした。

Ｃｕ：１．０〜６．０重量％
ＣｕはＡｌ母層中にＡｌ_２Ｃｕを析出させ、１５０〜２５０℃付近の疲労強度の向上に寄与する。Ｃｕの含有量が１．０重量％未満であるとその効果が充分ではなく、６．０重量％を超えるとＡｌ中のＣｕの固溶限を超えてダイカストによる鋳造でもＡｌ_２Ｃｕが粗大化し易くなり、粗大化したＡｌ_２Ｃｕが鋳肌面で疲労破壊の起点となって疲労強度が低下する。よって、Ｃｕの含有量は１．０〜６．０重量％が望ましい。

Ｎｉ：１．０〜６．０重量％
ＮｉはＡｌ母層中にＡｌ−Ｎｉ系の晶出物を形成し、２００〜３５０℃付近の疲労強度の向上に寄与する。Ｎｉの含有量が１．０重量％未満であるとその効果が不十分となり、６．０重量％を超えるとＡｌ中のＮｉ共晶点を超えてダイカストによる鋳造でもＡｌ−Ｎｉ系晶出物が粗大化し易くなり、粗大化したＡｌ−Ｎｉ系晶出物が鋳肌面で疲労破壊の起点となって疲労強度が低下する。よって、Ｎｉの含有量は１．０〜６．０重量％が望ましい。

Ｍｇ：０．５〜２．０重量％
ＭｇはＳｉと共存することによりＭｇ_２Ｓｉを析出させて強度を向上する。Ｍｇの含有量が０．５重量％未満であると強度向上が不十分となり、２．０重量％を超えて含有するとダイカスト鋳造時の割れが発生し易く、鋳造不良が発生し易くなる。よって、Ｍｇの含有量は０．５〜２．０重量％が望ましい。

Ｆｅ：０．１〜２．０重量％
Ｆｅは種々の金属間化合物を生成し、Ｎｉと同様に２００〜３５０℃での疲労強度を向上させる。Ｆｅの含有量が０．１重量％未満であると強度向上が不十分となり、２．０重量％を超えて含有するとＡｌ中のＦｅ共晶点を超えてダイカストによる鋳造でもＡｌ−Ｆｅ系晶出物が粗大化し易くなり、粗大化したＡｌ−Ｆｅ系晶出物が鋳肌面で疲労破壊の起点となって疲労強度が低下する。よって、Ｆｅの含有量は０．１〜２．０重量％が望ましい。

Ｐ：３０〜２００ｐｐｍ
Ｐは耐摩耗性の向上に有効な初晶Ｓｉの核となり、初晶Ｓｉの均一かつ微細な分散に寄与する。Ｐの含有量が３０ｐｐｍ未満であるとそのような効果が不十分となり、２００ｐｐｍを超えて含有すると、湯流れ性が悪化し、鋳造不良が発生し易くなる。よって、Ｐの含有量は３０〜２００ｐｐｍが望ましい。

また、本発明では、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、およびＺｒのうち少なくとも１種を総量で０．０１〜０．３重量％含有することを好ましい態様としている。これらの元素は、Ａｌのα相を微細化して疲労強度を向上させる効果がある。上記元素の含有量は、０．０１重量％未満ではその効果が不十分であり、０．３重量％を超えて含有してもさらなる効果の向上は望めない。よって、上記元素は、総量で０．０１〜０．３重量％含有することが望ましい。

上記のような内燃機関用ピストンは、鋳造時の冷却速度を制御することによって得ることができる。すなわち、鋳造時の金型による冷却速度を速くすると、金型と接触している溶湯の表層では初晶Ｓｉが晶出し難くなり、初晶Ｓｉは表層よりも内部側に偏析する。したがって、Ａｌ−Ｓｉ系合金からダイカスト法によりピストンを鋳造すると、溶湯が金型により急冷されるから、表層部に初晶Ｓｉが晶出していないピストンを得ることができ、所定の部位を加工することで初晶Ｓｉを露出させて耐摩耗性を付与することができる。

本発明のピストンは、上記のように二次加圧を行った後に表層部を除去して初晶Ｓｉを露出させる製造方法以外の方法によっても製造することができるのは勿論である。たとえば、金型に温度制御手段を設けることによって、特定の部分、すなわち、燃焼室面と、ピンボスとクラウンとを接続するピンボスリブと、ピンボスの下部外周面と、ピンボスとスカートとを接続するスカートリブの少なくとも１つでの冷却速度を高め、初晶Ｓｉの表面を含む表層部への晶出を抑制することができる。また、金型の温度制御手段としては、金型内に冷媒を流通させたり金型に空気や液体の冷媒を吹き付ける方法がある。

本発明によれば、初晶Ｓｉが晶出していない第１の共晶組織と初晶Ｓｉが晶出している第２の共晶組織とを部位によって使い分けているから、製造コストを増加させることなく疲労強度と耐摩耗性とを兼ね備えることができる等の効果が得られる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１（Ａ）は実施形態のピストンを斜め上方から見た一部破砕断面図であり、図１（Ｂ）はピストンを斜め下方から見た一部破砕断面図である。図において符号１はピストンクラウンである。ピストンクラウン１の頂面は窪んで形成され、そこが図示しないシリンダとともに燃焼室を形成する燃焼室面１ａとされている。ピストンクラウン１の外周部から鉛直下方へ延在する円筒面２には、上から順にトップリング溝２ａ、セカンドリング溝２ｂおよびオイルリング溝２ｃが形成され、これらには、それぞれトップリング、セカンドリングおよびオイルシールが嵌合させられる。

円筒面２の下端縁には、相対向するピストンスカート部３が形成されている。ピストンスカート部３の外周面は、円筒面よりも僅かに小径な円筒面に形成されている。ピストンスカート部３の側縁どうしの中央には、他の部分よりも肉厚のピンボス４が形成され、ピンボス４にはピストンピン穴５が形成されている。ピンボス４とピストンスカート部３の側縁は、板状のスカートリブ６によって接続されている。

ここで、内燃機関の運転時には、燃焼室面１ａと、スカートリブ６とが大きな負荷を受ける。また、ピンボス４とクラウン１とを接続するピンボスリブ４ａと、ピンボス４の下部４ｂも大きな負荷を受ける。なお、図１において斜線で示した部分は、特に大きな負荷を受ける部分である。そこで、この実施形態では、それらの少なくとも１つの部位が鋳肌面とされるとともに、この鋳肌面を含む表層部が初晶Ｓｉが晶出していない第１の共晶組織とされている。これにより、それらの部位の疲労強度が向上されている。なお、第１の共晶組織の厚さは、５〜２００μｍである。また、この第１の共晶組織を失わない程度にバレル研摩などで鋳肌面の磨きを行うことにより、表面の切欠感受性が低くなって更に疲労強度の向上効果が得られる。

また、トップリング溝２ａはトップリングと激しく摺接し、ピストンピン穴５はピストンピンと激しく摺接する。そこで、トップリング溝２ａとピストンピン穴５は、機械加工などによって表層部が除去されてなる加工面とされるとともに、この加工面を含む層が初晶Ｓｉが晶出している第２の共晶組織とされている。そして、硬質な初晶Ｓｉが表面に露出することにより、耐摩耗性が向上されている。

１．ピストンの作製
表１に示す組成の過共晶Ａｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金からダイカスト法によりピストンを鋳造した。ダイカストは、能力が２５０トンのダイカストマシンを用い、溶湯温度を７２０℃、金型温度を２５０℃とし、射出速度２．５ｍ／ｓでピストン形状のキャビティを有する金型に射出した。次いで、鋳造したピストンに機械加工を施して最終製品とし、鋳肌面（燃焼室面）と機械加工面（トップリング溝）の各部位でミクロ組織を観察した。また、比較のために、表１に示す組成の過共晶Ａｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金から重力鋳造法によりピストンを鋳造し、鋳肌面（燃焼室面）のミクロ組織を観察した。以上の結果を図２に示す。

２．初晶Ｓｉの確認
図２（Ａ）は、実施例のピストンの機械加工を行ったトップリング溝の表面の断面図、同図（Ｂ）は燃焼室面の鋳肌面の断面図、同図（Ｃ）は比較例のピストンにおける鋳肌面（燃焼室面）の断面図である。図２（Ａ）に示すように、トップリング溝の表面には初晶Ｓｉが晶出しており、耐摩耗性が確保されていることが判る。また、同図（Ｂ）に示すように、鋳肌面には疲労破壊の起点となる初晶Ｓｉが晶出しておらず、疲労強度が向上されていることが判る。これに対して、比較例では、同図（Ｃ）に示すように鋳肌面に疲労破壊の起点となる初晶Ｓｉが晶出しており、疲労強度が不充分であることが判る。

このように、Ａｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金をダイカストで鋳造することにより、表層部に初晶Ｓｉが晶出していない鋳肌面が得られることが確認された。そして、図２に示す実施例のピストンは、高い応力が負荷される燃焼室面、スカートリブ、ピンボスリブおよびピンボス４の下部外周面に初晶Ｓｉが晶出していないことにより高い疲労強度を備え、トップリング溝とピストンピン穴は初晶Ｓｉが晶出することで高い耐摩耗性を備えている。

３．特性試験
次に、Ａｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金において表面に初晶Ｓｉを晶出させた場合と晶出させていない場合とで疲労強度と耐摩耗性を調査した。疲労強度試験では、直径１０ｍｍの丸棒状試験片の両端部を疲労試験機（（株）鷺宮製作所製、１０ｋＮサーボパルサー、ＦＴ−１）に間を２０ｍｍ空けて把持させ、２５０℃に加熱した試験片に引張および圧縮応力を３０Ｈｚで繰り返し負荷した。そして、１０^８サイクルの疲労強度を測定した。また、耐摩耗性試験では、直径８０ｍｍ、板厚１０ｍｍの円板状試験片を２５０℃で１００時間予備加熱した後、摩耗試験機（（株）リケン製、トライボリックIV）にセットした。そして、摩耗試験機に設けられたヒータで試験片を２５０℃に加熱するとともに、リング状の押圧子を試験片に１４８Ｎ／ｃｍ^２の圧力で周波数１０Ｈｚで断続的に押圧しながら９．８ｍｍ／秒で回転させ、押圧子との摩擦で形成された試験片の溝の断面積を測定した。以上の測定結果を表２に示す。

表２に示すように、表面に初晶Ｓｉを晶出させた合金では耐摩耗性は良好であるが疲労強度が低く、逆に、表面に初晶Ｓｉを晶出させていない合金では疲労強度は良好であるが耐摩耗性が低いことが判る。

４．二次加圧試験
表１に示す実施例の合金を用いてダイカスト法にてピストンを鋳造し、射出完了後に様々なタイミングで二次加圧を実施した。なお、二次加圧の圧力は射出圧力と同じである。鋳造したピストンの断面にカラーチェックを施した状態を図３に示す。同図（Ａ）は射出完了から１．５秒後に二次加圧を行った例、度図（Ｂ）は射出完了から３．５秒後に二次加圧を行った例、同図（Ｃ）は二次加圧を行わなかった例である。また、鋳造したピストンの気孔率を調査したのでその結果を図４に示す。

二次加圧を行う場合、そのタイミングが遅いと、ピストンの肉厚が比較的薄い部分において凝固が速やかに進行し、その凝固収縮によってピストン内部の圧力が低下する。図３に示すように、二次加工のタイミングが射出完了後１．５秒では、鋳巣の発生は僅かであったが、二次加工のタイミングが射出完了後３．５秒では、ピストン内部の圧力低下により鋳巣の発生が多く見られ、二次加圧を行わないとさらに広範囲に鋳巣が発生している。鋳巣が発生している部位は、金型との接触圧が低下していると考えられ、その結果、鋳肌面の急冷による効果が減殺される。

図４に示すように、二次加圧のタイミングが射出完了後１．５秒以内では、鋳巣の量を示す気孔率は僅かであるが、１．５秒を超えると気孔率が急激に増加する。この結果から、二次加圧のタイミングは、射出完了後１．５秒以内が好適であることが確認された。

本発明のピストンは、製造コストを増加させることなく疲労強度と耐摩耗性とを兼ね備えるているので、耐久性とコスト低減の要望が高い内燃機関に適用して極めて有望である。

本発明の実施形態のピストンを示す一部破砕断面図である。本発明の実施例におけるピストンの初晶Ｓｉを示す顕微鏡写真である。本発明の実施例におけるピストンの鋳巣を示す写真である。本発明の実施例における二次加圧タイミングと気孔率との関係を示すグラフである。

符号の説明

１…ピストンクラウン、１ａ…燃焼室面、２ａ…トップリング溝、
３…ピストンスカート部、４…ピンボス、４ａ…ピンボスリブ、
４ｂ…ピンボスの下部、５…ピストンピン穴、６…スカートリブ。

Claims

Ｓｉ：１１〜１８重量％を含有する過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金をダイカストにより鋳造してなる内燃機関用ピストンであって、頂面が燃焼室面とされたピストンクラウンと、ピストンスカート部と、ピストンピン穴と、このピストンピン穴が貫通するピンボスと、外周面に形成されたトップリング溝とを備え、上記燃焼室面と、上記ピンボスと上記クラウンとを接続するピンボスリブと、上記ピンボスの下部外周面と、上記ピンボスと上記ピストンスカート部とを接続するスカートリブの少なくとも１つが鋳肌面とされるとともに、この鋳肌面を含む表層部が初晶Ｓｉが晶出していない第１の共晶組織からなり、上記トップリング溝および上記ピストンピン穴の少なくともいずれか一方は、表層部が除去されてなる加工面とされるとともに、この加工面を含む層が初晶Ｓｉが晶出している第２の共晶組織からなることを特徴とする内燃機関用ピストン。
Ｃｕ：１．０〜６．０重量％、Ｎｉ：１．０〜６．０重量％、Ｍｇ：０．５〜２．０重量％、Ｆｅ：０．１〜２．０重量％、Ｐ：３０〜２００ｐｐｍの少なくとも１種をさらに含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用ピストン。
Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、およびＺｒのうち少なくとも１種を総量で０．０１〜０．３重量％含有することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関用ピストン。