JP5724373B2

JP5724373B2 - アルミニウム合金複合材料ピストン、それを備えた内燃機関、及び、アルミニウム合金複合材料ピストンの製造方法。

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Publication number: JP5724373B2
Application number: JP2010288193A
Authority: JP
Inventors: 建興飯塚
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2030-12-24
Also published as: JP2012136958A

Description

本発明は、アルミニウム合金複合材料ピストン、それを用いた内燃機関、及び、アルミニウム合金複合材料ピストンの製造方法に関し、より詳細には、ピストンの燃焼室の口部のみならず、ピストンの全体でも、強度、耐摩耗性、高温特性が向上し、高Ｐｍａｘ対応のディーゼルエンジンのピストンとして使用することができるアルミニウム合金複合材料ピストン、それを備えた内燃機関、及び、アルミニウム合金複合材料ピストンの製造方法に関する。

従来の方法では、粒子分散強化アルミニウム合金複合材料は、アルミニウム合金の溶湯に粒子を直接混合する混合法や、金属酸化物の粉末をアルミニウム合金の溶湯に添加してアルミナ粒子をｉｎ−ｓｉｔｕ生成させる反応法や、圧力によりアルミニウム合金の溶湯を粒子プリフォームに含浸させる含浸法等によって作られている。

この混合法を用いる場合は、溶湯アルミニウム合金と粒子との濡れ性が良くないため、粒径１０μ（ミクロン）以下の粒子の溶湯アルミニウム合金中への分散は非常に難しく、粒径数μ以下のセラミックスを攪拌しながら溶湯アルミニウム合金に添加すると、粒子間で凝集が生じてしまうという問題がある。また、反応法においても、粒径１０μ以下の金属酸化物粒子を用いると、同様に金属酸化物の粒子間での凝集の問題が生じ、混合が難しいという問題がある。また、圧力鋳造の含浸法では、予め粒子プリフォームを作製する必要があり、粒径１０μ以下の粒子を用いると、プリフォームの作製が非常に困難となるという問題がある。そのため、現状の粒子分散強化アルミニウム合金複合材料の製造方法においては、粒径１０μ以下の粒子を溶融金属へ分散する技術はまだ確立されたとは言えない。そして、この未含浸の粒子凝集体が複合材料中に含まれていると、複合材料の機械的特性が劣化する。

また、繊維強化アルミニウム合金複合材料の場合には、繊維プリフォームを用いて、圧力鋳造により圧力を加えてアルミニウム合金の溶湯を繊維プリフォームの空隙に圧入することによって作製される。この繊維の含有率は数％〜十数％である。しかしながら、この方法では、プリフォームのない部分では、アルミニウム合金が繊維で強化されないため、部品や部材の全体を強化することができないという問題がある。

一方、ディーゼルエンジンにおいては、軽量化が進み、アルミニウム合金がエンジン部品へ応用されてきている。特に、内燃機関のピストンにおいては、エンジンの軽量化のため、鋳鉄やスチールのピストンに対して、アルミニウム合金のピストンが開発され、使用されてきている。

しかしながら、エンジンの燃費を改善したり、排気ガスの規制をクリアしたりするためにＰｍａｘ（シリンダ内の最高圧力）が大幅に増加し、従来のＰｍａｘが１５ＭＰａであったのに対して、２倍の３０ＭＰａまで耐えられるエンジン材料が求められてきている。その結果、アルミニウム合金単体ではこのＰｍａｘの大幅な増加に対して対応できなくなってきており、更に耐熱性が良くかつ高強度のアルミニウム合金が求められている。

このピストンの補強に関して、二酸化チタンのセラミック粒子、ホウ酸アルミニウムの第１のウィスカを含む複合化材料をスラリー化して、焼結により複合化用予備成形体を製造し、この複合化用予備成形体にアルミニウム系金属の溶湯を注入して複合化する複合アルミニウム系金属部品の製造法と、これによりピストンリング溝部を複合化したエンジンのピストンが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、高Ｐｍａｘ対応のピストンでは、ピストン燃焼室の口元部に繊維の含有率Ｖｆが１５％位程度の繊維強化アルミニウム合金複合材料（ＦＲＭ）が使われている。しかし、Ｐｍａｘの更なる向上で燃焼室の口元の強度の更なる増強が求められると共に、ピストン全体の強度についても増強が求められている。そのため、高Ｐｍａｘ対応のピストンにおいては、繊維強化アルミニウム合金複合材料による部分的な強化もその限界に来ているという問題がある。

特開平０９−３１６５６６号公報

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、ピストンの燃焼室の口部のみならず、ピストンの全体でも、強度、耐摩耗性、高温特性が向上し、高Ｐｍａｘ対応のディーゼルエンジンのピストンとして使用できるアルミニウム合金複合材料ピストン、それを用いた内燃機関、及び、アルミニウム合金複合材料ピストンの製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するためのアルミニウム合金複合材料ピストンは、内燃機関に用いるアルミニウム合金複合材料ピストンにおいて、内燃機関のピストンの燃焼室の口元の部分を、セラミックス粒子とセラミックス短繊維を分散させたアルミニウム合金で形成すると共に、前記口元以外の部分を、セラミックス粒子を分散させたアルミニウム合金で形成すると共に、前記セラミックス粒子の粒径を０．５μ〜３０μの範囲として構成される。

この構成によれば、内燃機関のピストンの燃焼室の口元がセラミックス短繊維とセラミックス粒子により強化され、その他の部位はセラミックス粒子により強化されているため、強度、耐摩耗性、高温特性が向上し、高Ｐｍａｘ対応のディーゼルエンジンのピストンとして応用できる。

また、上記のアルミニウム合金複合材料ピストンにおいて、前記アルミニウム合金を、ＪＩＳ規格のＡＣ８種、ＡＣ９種のアルミニウム−ケイ素の合金系列、または、ＪＩＳ規格のＡＣ８種、ＡＣ９種において銅、ニッケル、マグネシウムの含有量を変化させたアルミニウム−ケイ素合金系列で形成し、前記セラミックス粒子を、酸化アルミニウム，炭化ケイ素，スピネル、炭化ホウ素，窒化ケイ素の各粒子のいずれか一つ又は幾つかの組み合わせで形成し、前記セラミックス短繊維を、酸化アルミニウム、ムライトの短繊維のいずれか又は両方で形成して構成すると、強度、耐摩耗性、高温特性が向上し、高Ｐｍａｘ対応のディーゼルエンジンのピストンに適したピストンとなる。なお、このアルミニウム−ケイ素合金系列には、亜共晶、共晶又は過共晶のアルミニウム−ケイ素合金が含まれる。

また、上記の目的を達成するための内燃機関は、上記のアルミニウム合金複合材料ピストンを備えて構成される。これにより、強度、耐摩耗性、高温特性が向上した、高Ｐｍａｘ対応のディーゼルエンジンとして使用できるようになる。

そして、上記の目的を達成するためのアルミニウム合金複合材料ピストンの製造方法は、セラミックス短繊維からなるプリフォームをピストン製造用の金型内のピストンの燃焼室の口元に相当する位置に配置した後、前記金型内に０．５μ〜３０μの範囲の粒径のセラミックス粒子を含んだ溶湯アルミニウム合金を鋳込み、更に、その溶湯アルミニウム合金に圧力を加えて、圧力鋳造により前記溶湯アルミニウム合金を前記プリフォームに圧入する工程を含むことを特徴とする方法である。この方法により、上記のアルミニウム合金複合材料ピストンを容易に製造することができる。

本発明のアルミニウム合金複合材料ピストンと、それを備えた内燃機関によれば、ピストンの燃焼室の口元がセラミックス短繊維とセラミックス粒子により強化され、その他の部位はセラミックス粒子より強化されているため、ピストンの燃焼室の口部のみならず、ピストンの全体でも、強度、耐摩耗性、高温特性が向上し、高Ｐｍａｘ対応のディーゼルエンジンに使用できるようになる。

また、本発明のアルミニウム合金複合材料ピストンの製造方法によれば、容易に、ピストンの燃焼室の口部のみならず、ピストンの全体でも、強度、耐摩耗性、高温特性が向上した、高Ｐｍａｘ対応のディーゼルエンジンのピストンを製造することができる。

本発明に係る実施の形態のアルミニウム合金複合材料ピストンの構成を示す側断面図である。

以下、本発明に係る実施の形態のアルミニウム合金複合材料ピストン、それを備えた内燃機関、及び、アルミニウム合金複合材料ピストンの製造方法について、図面を参照しながら説明する。図１に示すように、本発明に係るアルミニウム合金複合材料ピストン１は、内燃機関に用いるアルミニウム合金複合材料ピストンであり、内燃機関のピストン１の燃焼室２の口元２ａの部分を、セラミックス粒子とセラミックス短繊維を分散させたアルミニウム合金で形成すると共に、この口元２ａ以外の部分を、セラミックス粒子を分散させたアルミニウム合金で形成する。このセラミックス粒子とセラミックス短繊維、又はセラミックス粒子は均一に分散させるようにする。

このアルミニウム合金は、ＪＩＳ規格のＡＣ８種、ＡＣ９種のアルミニウム（Ａｌ）−ケイ素（Ｓｉ）の合金系列（亜共晶、共晶又は過共晶合金）、または、ＪＩＳ規格のＡＣ８種、ＡＣ９種において銅（Ｃｕ）、ニッケル（ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）の含有量を変化させたアルミニウム−ケイ素合金系列（亜共晶、共晶又は過共晶合金）で形成する。

また、セラミックス粒子は、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）、炭化ホウ素（Ｂ₄Ｃ）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）の各粒子のいずれか一つ又は幾つかの組み合わせで形成する。このセラミックス粒子の粒径は、セラミックス短繊維のプリフォームの隙間に、このセラミックス粒子を含んだ溶湯アルミニウム合金を浸透させるために、０．５μ〜３０μの範囲が好ましい。添加されるセラミックス粒子の粒径が細かければ細かいほど、複合材料の強度が向上するが、粒径が細かすぎると、攪拌法では粒子の分離が難しくなる。一方、セラミックス粒子の粒径は３０μ以上になると、プリフォームの隙間への浸透が難しくなる。

また、セラミックス短繊維は、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、ムライト（Ａｌ₆Ｏ₁₃Ｓｉ₂：３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）の短繊維のいずれか又は両方で形成する。このセラミックス繊維の直径は１μ〜３０μとし、また、繊維の体積含有率を３％〜２０％とすることが好ましい。

この構成によれば、内燃機関のピストン１の燃焼室２の口元２ａがセラミックス短繊維とセラミックス粒子により強化され、その他の部位はセラミックス粒子により強化される。そのため、強度、耐摩耗性、高温特性が向上し、高Ｐｍａｘ対応のディーゼルエンジンのピストンとして応用できる。なお、このアルミニウム−ケイ素合金系列には、亜共晶、共晶又は過共晶のアルミニウム−ケイ素合金を含む。

また、本発明に係る実施の形態の内燃機関は、上記の構成のアルミニウム合金複合材料ピストン１を備えて構成される。これにより、強度、耐摩耗性、高温特性が向上した、高Ｐｍａｘ対応のディーゼルエンジンとして使用できるようになる。

そして、本発明に係る実施の形態のアルミニウム合金複合材料ピストンの製造方法は、セラミックス短繊維からなるプリフォームをピストン製造用の金型内のピストンの燃焼室の口元に相当する位置に配置した後、この金型内にセラミックス粒子を含んだ溶湯アルミニウム合金を鋳込み、更に、その溶湯アルミニウム合金に圧力を加えて、圧力鋳造により溶湯アルミニウム合金をプリフォームに圧入する。

つまり、予め酸化アルミニウムやムライト等のセラミックス短繊維のプリフォームをピストン製造用の金型内のピストンの燃焼室の口元に相当する位置にセットした後、酸化アルミニウム，炭化ケイ素、スピネル、炭化ホウ素，窒化ケイ素等のセラミックス粒子を分散させて溶湯アルミニウム合金を加圧下でセラミックス短繊維のプリフォームに圧入することにより、セラミックス粒子とセラミックス繊維で強化したアルミニウム合金複合材料が得られる。

なお、圧力鋳造用に備えて、金型への鋳込み前に、セラミックス粒子をアルミニウム合金に溶湯攪拌法や半凝固攪拌法などの方法で分散させておく。圧力鋳造用の金型やプリフォームは、アルミニウム粒子を含む溶湯アルミニウム合金をセラミックス短繊維のプリフォームに圧入するため、予熱しておく必要がある。この予熱温度は金型で２００℃〜５００℃で、プリフォームで３００℃〜９００℃である。特に、プリフォームの予熱は高ければ高いほどよい。

この方法により、ピストンの内部の組織は、セラミックス短繊維のプリフォームのある燃焼室口元の部分ではセラミックス短繊維とセラミックス粒子の両方を均一に分散させたアルミニウム複合材料となり、また、その他の部分ではセラミックス粒子を均一に分散させたアルミニウム複合材料となる。

また、この方法によれば、圧力鋳造法を使うため、溶湯攪拌法で添加したセラミックス粒子の粒径が細かくて、粒子の未分散の凝集体が生じても、後の圧力鋳造で凝集体の中まで溶湯アルミニウム合金が浸透するので、セラミックス粒子の凝集による未含浸の問題を解決できる。その結果、欠陥のない複合材料が得られる。

更に、セラミックス短繊維のプリフォームの内部の空隙へ粒子を含んだ溶湯アルミニウム合金が圧入されるので、プリフォームのある場所ではセラミックス短繊維とセラミックス粒子の両方による補強効果を発揮でき、より強度が向上される。

一般的に、このセラミックス繊維のプリフォームは、湿式法で作られるが、この湿式法では水を吸引で取るため、プリフォーム内に、吸引される水の流れに沿って繊維に一定程度の配向性が生じる。この配向性のある繊維プリフォームを補強材として使う場合、複合材料内でも方向が異なると強度に若干の差が生じる。そして、アルミニウム合金中の繊維の分布は、プリフォーム中の繊維の分布がそのままに近い形で残されるため、共晶組織の中だけではなく、アルミニウム合金中の初晶α−アルミニウムの中にも繊維が存在する。

この方法では、プリフォーム中にセラミックス粒子を含んだアルミニウム合金を圧入して、プリフォームの内部空隙へセラミックス粒子を配合するので、セラミックス短繊維とセラミックス粒子が同時にアルミニウム合金に分散される組織が得られ、セラミックス補強材料の含有率が高い複合材料が得られる。この含有率が高くなるにつれ、アルミニウム合金複合材料の強度と耐熱性が向上する。これにより、配向性のあるプリフォーム内部への粒子の分散による、繊維と粒子の複合強化により、繊維による補強効果が少ない方向に対しても粒子の分散によって補強効果を増すことができる。

また、一般的に、セラミックス粒子を分散させた溶湯アルミニウム合金においては、凝固の時に、アルミニウム−ケイ素の亜共晶合金と過共晶合金の場合は、初晶α−アルミニウムや初晶ケイ素の内部への析出がなく、共晶溶湯に押し出された後、アルミニウム合金が凝固するので、セラミックス粒子が初晶の周りや共晶の内部へ分散される。しかし、この方法では、短繊維のプリフォームにセラミックス粒子を含んだ溶湯アルミニウム合金を加圧下で鋳込むので、短繊維の位置はそのまま保たれ、初晶α−アルミニウムや初晶ケイ素の中に析出させることも可能である。

また、通常、攪拌法で粒径１０μ以下の細かいセラミックス粒子を溶湯アルミニウム合金に複合する場合は、粒径が細かいため、溶湯アルミニウム金属が浸透できていないセラミックス粒子の凝集体が生じ、複合材料の性能を劣化させる。しかし、この方法では、攪拌法で溶湯アルミニウム金属が浸透できていないセラミックス粒子の凝集体が生じても、その後の圧力鋳造で、粒子の凝集体に対してアルミニウム合金を浸透させることができる。

また、従来技術において、ディーゼルエンジン用のアルミニウム合金ピストンの耐磨耗性を改善するため、繊維強化アルミニウム合金複合材料（ＦＲＭ）や二レジスト耐磨環でトップリング溝を強化する場合がある。しかし、この方法では、セラミックス粒子を含んだアルミニウム合金をピストン製造用の金型に鋳込むので、ピストンの全体の部位にセラミックス粒子が分散している。従って、耐磨耗性の観点からは、粒子強化アルミニウムそのものは十分な耐摩耗性を有しているため、従来技術のようにトップリング溝に対して繊維強化アルミニウム合金複合材料や二レジスト耐磨環を複合しなくてもよい。そして、二レジスト耐磨環を複合しない場合は、ピストンの熱処理温度を従来のＪＩＳ規格のＴ５ではなく、ＪＩＳ規格のＴ６のような処理条件でも熱処理することが可能になる。

次に、上記の製造方法を用いた実施例１，２について説明する。実施例１では、平均粒径１０μ（ミクロン）の炭化ケイ素（ＳｉＣ）を、６ｖｏｌ％（体積％）で分散させたＪＩＳ規格ＡＣ８Ａの溶湯アルミニウム合金を７５０℃に加熱し、保持した後、平均直径６μのアルミナ短繊維からなるプリフォーム（繊維の含有率Ｖｆ＝６％）を５００℃で予熱し、ピストン製造用の金型内のピストンの燃焼室の口元に相当する位置にセットし、その金型にその炭化ケイ素粒子を含んだ、ＪＩＳ規格ＡＣ８Ａの溶湯アルミニウム合金を鋳込み、更に、その溶湯アルミニウム合金に１００ＭＰａの圧力をかけ、圧力鋳造により炭化ケイ素粒子を含んだ溶湯アルミニウム合金をアルミナ短繊維のプリフォームに圧入した。

得られたアルミニウム合金複合材料ピストンをＪＩＳ規格のＴ６で熱処理した後、ピストンを切断して研磨し、その組織を観察した。研磨した試料の組織から、元のプリフォームの場所ではアルミナ短繊維と炭化ケイ素粒子が均一に分布していることが観察され、元のプリフォームのない場所では、炭化ケイ素粒子が均一に分布していることが観察された。

更に、ピストンとして評価するために、加工した後、ディーゼルエンジンに装着し、実機による耐久テストを行った。その結果、シリンダ内最高圧力Ｐｍａｘが２１ＭＰａに達しても、ピストンの燃焼室の口元においてクラックの発生が確認されなかった。

また、実施例２では、攪拌法により、平均粒径２μのスピネル粒子を４ｖｏｌ％で、ＪＩＳ規格のＡＣ８Ａのアルミニウム合金に混合した後、７５０℃に加熱し、ピストンの圧力鋳造に備えた。平均直径６μのアルミナ短繊維からなるプリフォーム（繊維の含有率Ｖｆ＝６％）を６００℃で予熱したのち、４５０℃に予熱したピストン製造用の金型内のピストンの燃焼室の口元に相当する位置にセットし、上記のスピネル粒子を含んだ溶湯アルミニウム合金を鋳込み、その後、１００ＭＰａの圧力でその溶湯アルミニウム合金に圧力をかけ、スピネル粒子を含んだ溶湯アルミニウム合金をプリフォームに浸透させた。

得られたアルミニウム合金複合材料ピストンをＪＩＳ規格のＴ６で熱処理した後、ピストンを切断して研磨し、その組織を観察した。研磨した試料の組織から、元のプリフォームの場所ではアルミナ短繊維と炭化ケイ素粒子が均一に分布していることが観察され、元のプリフォームのない場所では、炭化ケイ素粒子が均一にアルミニウム合金に分布していることが観察された。

一方、比較例として、ＪＩＳ規格のＡＣ８Ａのアルミニウム合金を７５０℃に溶解した後、アルゴンガスによる脱ガスを行った後、ピストン製造用金型に鋳込み、また、トップリング溝にニレジスト耐磨環を鋳ぐるみした。鋳造後、鋳造品をＪＩＳ規格のＴ５で熱処理し、加工した後、ディーゼルエンジンに装着し、実機による耐久テストを行った。その結果、シリンダ内最高圧力Ｐｍａｘが１９ＭＰａに達すると、ピストンの燃焼室の口元においてクラックが発生したことが確認された。

本発明のアルミニウム合金複合材料ピストンによれば、ピストンの燃焼室の口元がセラミックス短繊維とセラミックス粒子により強化され、その他の部位はセラミックス粒子より強化されているため、ピストンの燃焼室の口部のみならず、ピストンの全体でも、強度、耐摩耗性、高温特性が向上し、高Ｐｍａｘ対応のディーゼルエンジンのピストンとして使用できる。また、本発明の、このアルミニウム合金複合材料ピストンを備えた内燃機関は、高Ｐｍａｘ対応のディーゼルエンジンとして使用できる。また、本発明のアルミニウム複合材料ピストンの製造方法によれば、容易に強度、耐摩耗性、高温特性が向上した、高Ｐｍａｘ対応のディーゼルエンジンのピストンを製造することができる。

そのため、これらのアルミニウム合金複合材料ピストン、それを備えた内燃機関、及びアルミニウム合金複合材料ピストンの製造方法は、自動車等の内燃機関における高強度軽量化部材として利用できる。

１ピストン
２燃焼室
２ａ燃焼室の口元
３トップリング溝

Claims

内燃機関に用いるアルミニウム合金複合材料ピストンにおいて、内燃機関のピストンの燃焼室の口元の部分を、セラミックス粒子とセラミックス短繊維を分散させたアルミニウム合金で形成すると共に、前記口元以外の部分を、セラミックス粒子を分散させたアルミニウム合金で形成すると共に、前記セラミックス粒子の粒径を０．５μ〜３０μの範囲としたことを特徴とするアルミニウム合金複合材料ピストン。
前記アルミニウム合金を、ＪＩＳ規格のＡＣ８種、ＡＣ９種のアルミニウム−ケイ素の合金系列、または、ＪＩＳ規格のＡＣ８種、ＡＣ９種において銅、ニッケル、マグネシウムの含有量を変化させたアルミニウム−ケイ素合金系列で形成し、
前記セラミックス粒子を、酸化アルミニウム，炭化ケイ素，スピネル、炭化ホウ素、窒化ケイ素の各粒子のいずれか一つ又は幾つかの組み合わせで形成し、
前記セラミックス短繊維を、酸化アルミニウム、ムライトの短繊維のいずれか又は両方で形成したことを特徴とする請求項１記載のアルミニウム合金複合材料ピストン。
請求項１又は２項に記載のアルミニウム合金複合材料ピストンを備えたことを特徴とする内燃機関。
セラミックス短繊維からなるプリフォームをピストン製造用の金型内のピストンの燃焼室の口元に相当する位置に配置した後、前記金型内に０．５μ〜３０μの範囲の粒径のセラミックス粒子を含んだ溶湯アルミニウム合金を鋳込み、更に、その溶湯アルミニウム合金に圧力を加えて、圧力鋳造により前記溶湯アルミニウム合金を前記プリフォームに圧入する工程を含むことを特徴とするアルミニウム合金複合材料ピストンの製造方法。