JP6638406B2 - 内燃機関用ピストンおよび内燃機関用ピストンの製造方法 - Google Patents

内燃機関用ピストンおよび内燃機関用ピストンの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、内燃機関用ピストンおよび内燃機関用ピストンの製造方法に関する。
従来、内燃機関の燃焼室の壁面を構成する部材に遮熱膜を形成する技術が知られている。
例えば、特許文献１には、アルミニウムまたはアルミニウム合金で形成された基材の頂面にアルマイト皮膜を形成する技術が開示されている。アルマイト皮膜を形成することによって、内燃機関用ピストンの遮熱性が高まり、内燃機関の熱効率を向上させることが可能となる。
また、従来、燃焼室が基材の頂面に凹溝状に設けられたものがある。近年のエンジンの出力向上に伴い、ピストンの機械的負荷が増大し、燃焼室の口元の部分に亀裂が発生する場合があり、耐久性が低下するという問題点があった。
例えば、特許文献２には、燃焼室の口元の部分の機械的強度を上げるため、口元の部分に複合材料部を形成する技術が開示されている。
特開平１１−２６７９２９号公報 特開２００１−４１１００号公報
上記したように、内燃機関用ピストンには高い遮熱性と共に、高い耐久性が要求される。
本発明の目的は、高い遮熱性および高い耐久性を得ることが可能な内燃機関用ピストンおよび内燃機関用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、本発明に係る内燃機関用ピストンは、アルミニウムまたはアルミニウム合金を材料として形成された基材と、
前記基材の表面における第１領域に、無機繊維またはウィスカーで強化した複合材料を材料として形成された複合材料部と、
前記複合材料部および前記基材の表面における前記第１領域と異なる第２領域に形成されたアルマイト皮膜と、
を有する。
また、本発明に係る内燃機関用ピストンの製造方法は、
アルミニウムまたはアルミニウム合金を材料として基材を形成し、
前記基材の表面における第１領域に、無機繊維またはウィスカーで強化した複合材料を材料とする複合材料部を形成し、
前記複合材料部および前記基材の表面における前記第１領域と異なる第２領域にアルマイト皮膜を形成する。
本発明によれば、高い遮熱性および高い耐久性を得ることができる。
本発明の実施の形態に係る内燃機関用ピストンの構成を示す側断面図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は内燃機関用ピストン１０の構成を示す側断面図である。
図１に示すように、内燃機関用ピストン１０は、基材２０と、複合材料部３０と、アルマイト皮膜４０とを有する。
基材２０は、アルミニウムまたはアルミニウム合金を材料として形成される。基材２０の頂面２２の中央には、凹溝状に形成された燃焼室２４が形成される。基材２０の周壁２６には、ピストンリングのリング溝２８が形成される。さらに、基材２０の周壁２６にはピストンピン（図示略）用の貫通孔２９（ピストン孔）が形成される。
複合材料部３０は、燃焼室２４の口元の部分２５の全周に形成される。なお、頂面２２において、口元の部分２５が形成される領域を第１領域といい、また、第１領域を除いた部分を、第２領域という場合がある。なお、複合材料部３０の表面に直交する方向を高さ方向といい、同じく、第２領域の表面に直交する方向を高さ方向という場合がある。さらに、図１に高さ方向の一例をＤ１で示す。
複合材料部３０は、強化用材としての無機繊維又はウィスカーを含む複合材料を材料として形成される。
無機繊維としては、熱応力に対し高い機械的強度を有する繊維であればどのようなものであってもよく、例えば、ガラス繊維、炭素繊維、炭化珪素繊維、窒化珪素、アルミナ繊維、ジルコニア繊維、チタン酸カリウム繊維が用いられる。また、無機繊維としては、遮熱材として高い遮熱性を有する繊維であればさらに好ましい。ウィスカーとしては炭化珪素、アルミナ、ホウ酸アルミニウム、窒化珪素、チタン酸カリウムなどのウィスカーが用いられる。
複合材料部３０は、上記の繊維又はウィスカーから作製したプリフォーム、又はセラミックスの粉末から直接焼成したホウ酸アルミニウムウィスカーからなる多孔質セラミックスを鋳型（図示略）における第１領域２３１に相当する位置に配置されてから、スクイズキャスティングまたはダイキャストなどの圧力鋳造法によりプリフォームまたは多孔質セラミックスに溶湯アルミを含浸させることにより作られる。
複合材料部３０は、例えば、特開２０１２−１３６９５８号公報に開示された公知の技術、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り作られる。
複合材料部３０は、鋳型（図示略）における第１領域２３１に相当する位置に配置される。次に、鋳型内に基材２０の材料の溶湯が注入される。これにより、複合材料部３０を基材２０の第１領域２３１に鋳込んだ鋳込み品が得られる。
高さ方向Ｄ１において、第２領域２３２は、第１領域２３１に形成された複合材料部３０の表面３２より低い表面２３２２を有する。なお、第２領域２３２の表面２３２２の高さは、例えば、鋳込み品における表面２３２２に相当する部分を例えば機械加工により削り取ることより得られる。
次に、第２領域２３２の表面２３２２を複合材料部３０の表面３２より低くした理由を述べる。
複合材料部３０にアルマイト皮膜４０を形成するときのアルマイト成長は、第２領域２３２にアルマイト皮膜４０を形成するときのアルマイト成長と比較して遅くなる。このようにアルマイト成長に差があるため、高さ方向Ｄ１において複合材料部３０の表面３２と第２領域２３２の表面２３２２とが同一の位置である場合、複合材料部３０の表面３２に形成されたアルマイト皮膜４０の表面が、第２領域２３２に形成されたアルマイト皮膜４０の表面より低くなり、両方の表面間に段差が生じてしまう。そこで、段差を生じなくするために、アルマイト皮膜４０を形成する前に、第２領域２３２の表面２３２２を、複合材料部３０の表面３２よりアルマイト成長の差だけ予め低くする。
なお、アルマイト成長の差は、複合材料部３０およびアルマイト皮膜４０の材料、アルマイト皮膜４０を成長させる時間などにより相違するが、経験則により特定することが可能である。つまり、第２領域２３２の表面２３２２は、複合材料部３０の材料等により特定されたアルマイト成長の差に応じて、高さ方向Ｄ１において複合材料部３０の表面３２に対して低くされる。
アルマイト皮膜４０は、第１領域２３１に形成された複合材料部３０および第２領域２３２に形成される。
アルマイト皮膜４０は、例えば、特開２０１２−１２２４４５号公報に開示された公知の技術、陽極酸化処理によって形成される。
複合材料部３０および第２領域２３２にアルマイト皮膜４０が形成された場合、第２領域２３２の表面２３２２を、複合材料部３０の表面３２よりアルマイト成長の差だけ予め低くしたため、複合材料部３０に形成されたアルマイト皮膜４０の表面と第２領域２３２に形成されたアルマイト皮膜４０の表面とが高さ方向Ｄ１において相互に同一位置となる。
本実施の形態に係る内燃機関用ピストン１０によれば、燃焼室２４の口元の部分２５の全周に無機繊維またはウィスカーで強化した複合材料を材料とする複合材料部３０を形成し、その複合材料部３０にアルマイト皮膜４０を形成した。これにより、高い遮熱性および高い耐久性を得ることができる。
また、基材２０の頂面２２における第２領域２３２の表面２３２２を、高さ方向Ｄ１において第１領域２３１に設けられた複合材料部３０の表面３２より低くした。これにより、複合材料部３０に形成されたアルマイト皮膜４０の表面と第２領域２３２に形成されたアルマイト皮膜４０の表面とが高さ方向Ｄ１において相互に同一位置となる。
なお、上記実施の形態では、複合材料部３０が形成される第１領域２３１を、基材２０の頂面２２における燃焼室２４の口元の部分２５の全周としたが、本発明は、これに限らず、口元の部分２５の全周における一部としてもよい。
また、上記実施の形態では、第１領域２３１を、基材２０の頂面２２としたが、本発明は、これに限らず、基材２０の表面であって、機械的強度を高くすることが要求される領域であれば、いずれの領域を第１領域２３１としてもよい。そのような第１領域２３１に複合材料部３０が形成され、さらに、アルマイト皮膜４０が形成されることにより、高い遮熱性および高い耐久性が得られる。
さらに、上記実施の形態では、燃焼室２４の口元の部分２５に複合材料部３０を形成し、複合材料部３０にアルマイト皮膜４０を形成した内燃機関用ピストン１０について説明したが、本発明はこれに限らず、燃焼室２４を備えない内燃機関用ピストンにおいても適用することが可能である。
本発明は、高い遮熱性および高い耐久性を得ることが可能な内燃機関用ピストンおよび内燃機関用ピストンの製造方法として有用である。
１０ 内燃機関用ピストン
２０ 基材
２２ 頂面
２３１ 第１領域
２３２ 第２領域
２３２２ 表面
２４ 燃焼室
２５ 口元の部分
２６ 周壁
２８ リング溝
２９ ピストン孔
３０ 複合材料部
３２ 表面
４０ アルマイト皮膜
Ｄ１ 高さ方向

Claims (3)

  1. アルミニウムまたはアルミニウム合金を材料として形成された基材と、
    前記基材の表面における第１領域に、無機繊維またはウィスカーで強化した複合材料を材料として形成された複合材料部と、
    前記複合材料部および前記基材の表面における前記第１領域と異なる第２領域に形成されたアルマイト皮膜と、
    を有し、
    前記第２領域は、前記第１領域に形成された前記複合材料部の表面に比べて、当該表面に直交する高さ方向において低い表面を有する、
    内燃機関用ピストン。
  2. 前記第２領域に形成された前記アルマイト皮膜は、前記複合材料部に形成された前記アルマイト皮膜の表面と前記高さ方向における同一位置に表面を有する、請求項１に記載の内燃機関用ピストン。
  3. アルミニウムまたはアルミニウム合金を材料として基材を形成し、
    前記基材の表面における第１領域に、無機繊維またはウィスカーで強化した複合材料を材料とする複合材料部を形成し、
    前記複合材料部および前記基材の表面における前記第１領域と異なる第２領域にアルマイト皮膜を形成し、
    前記複合材料部を形成する場合、前記第２領域の表面が、前記第１領域に形成された前記複合材料部の表面に比べて、当該表面に直交する高さ方向において低くなるように、前記複合材料部を形成する、
    内燃機関用ピストンの製造方法。

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