JPH0357172B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は、エンジン用ピストンに係り、更に詳
細にはリング溝にピストンリングが嵌め込まれた
エンジン用ピストンに係る。 〔従来の技術〕 自動車用エンジンの如きエンジンに於ては、エ
ンジンの性能に対する要求が高くなるにつれて、
ピストンの比強度や剛性が優れていることに加え
て、その摺動面が耐摩耗性に優れていることが強
く要請されるようになつてきた。ピストンの比強
度や耐摩耗性等を向上させる一つの手段として、
その要部を各種の無機質繊維等を強化材としアル
ミニウム合金の如き軽金属をマトリツクスとする
複合材料にて構成することが試られている。かか
る複合材料の一つとして、アルミナ質繊維を強化
材とし、アルミニウム、マグネシウム、又はそれ
らの合金をマトリツクスとする繊維強化金属複合
材料は既に知られており、かかる繊維強化金属複
合材料によれば、ピストンの比強度や耐摩耗性等
を向上させることができる。 〔発明が解決しようとする課題〕 しかし、ピストンの少なくともリング溝部を上
述の如き繊維強化金属複合材料にて構成した場合
には、強化繊維の種類やピストンリングの材質に
よつてはリング溝の壁面又はピストンリングの摩
耗量が著しく増大し、従つてピストンの性能を向
上させることによつてエンジンの高性能化を達成
することができない。 本願発明者等は、ピストン及びピストンリング
用の材料の組合せであつて、その一方の材料がア
ルミナ−シリカ繊維又はアルミナ繊維を強化材と
しアルミニウム合金の如き軽金属をマトリツクス
とする繊維強化金属複合材料であり、その他方の
材料が鋳鉄である材料の組合せに於て、それら両
方の材料の摩耗量を共に最小限に抑えるために
は、それらの組成や材質の組合せとしては如何な
るものが適切であるかについて種々の実験的研究
を行なつた結果、それぞれ特定の特徴を有するも
のでなければならないことを見出した。 本発明は、本願発明者等が行なつた上述の如き
実験的研究の結果得られた知見に基き、リング溝
にピストンリングが嵌め込まれたエンジン用ピス
トンであつて、ピストンの少なくともリング溝部
がアルミナ−シリカ繊維を強化材としアルミニウ
ム合金の如き軽金属をマトリツクスとする繊維強
化金属複合材料にて構成され、ピストンリングが
鋳鉄にて構成され、それら両方の部材の互いに他
に対する摺動面に於ける耐摩耗性が改善されたエ
ンジン用ピストンを提供することを目的としてい
る。 〔課題を解決するための手段〕 かかる目的は、本発明によれば、リング溝にピ
ストンリングが嵌め込まれたエンジン用ピストン
にして、前記ピストンの少なくとも前記ピストン
リングに対する摺動面部は40〜65wt％のアルミ
ナと残部としてのシリカとよりなるアルミナ−シ
リカ繊維を強化材としアルミニウム、マグネシウ
ム、それらの合金よりなる群より選択された金属
をマトリツクスとする複合材料にて構成されてお
り、前記ピストンリングの少なくとも前記ピスト
ンに対する摺動面部はリユーブライト処理された
球状黒鉛鋳鉄にて構成されていることを特徴とす
るエンジン用ピストンによつて達成される。 尚ピストンが複数個のピストンリング及びリン
グ溝を有する場合には、少なくともトツプリング
及びトツプリング溝が上述の如く構成される。 〔発明の作用〕 アルミナ−シリカ繊維はアルミナ繊維ほど硬質
ではないが、ピストンリングの構成材料がリユー
ブライト処理された球状黒鉛鋳鉄ではない場合に
はその摩耗量を十分に低減することができない。
また強化繊維がアルミナ−シリカ繊維である場合
であつても、そのアルミナ含有量によつてはリン
グ溝の壁面又はピストンリングの何れかの摩耗量
が高い値になる。 本発明によれば、ピストンの少なくともピスト
ンリングに対する摺動面部は40〜65wt％のアル
ミナと残部としてのシリカとよりなるアルミナ−
シリカ繊維を強化材としアルミニウム、マグネシ
ウム、それらの合金よりなる群より選択された金
属をマツトリツクスとする複合材料にて構成さ
れ、ピストンリングの少なくともピストンに対す
る摺動面部はリユーブライト処理（リン酸塩被膜
処理）された球状黒鉛鋳鉄にて構成されている。 後に説明する本願発明者等が行なつた実験的研
究の結果からも明らかである如く、この組成のア
ルミナ−シリカ繊維及びリユーブライト処理され
た球状黒鉛鋳鉄の組合せによれば、ピストンのリ
ング溝の壁面及びピストンリング両方の摩耗量が
最小限に抑えられ、これによりピストンの耐久性
が改善され、エンジンの性能が向上される。 以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例
について詳細に説明する。 〔実施例〕 摩耗試験 まず、互いに当接して相対的に摺動する二つの
材料の組合せであつて、その一方の材料がアルミ
ナ−シリカ繊維等を強化繊維としアルミニウム合
金の如き軽金属をマトリツクスとする繊維強化金
属複合材料であり、その他方の材料が鋳鉄である
材料の組合せに於て、それぞれの材料の組成や材
質が如何なるものであるのが適切であるかについ
て本願発明者等が行なつた摩耗試験について説明
する。 繊維径2.8μのアルミナ−シリカ繊維（55wt％
Al₂O₃、45wt％SiO₂）をカサ密度0.16g／cm³にて
無作為に配向した繊維成形体を強化材とし、アル
ミニウム合金（JIS規格AC8A）をマトリツクス
とする複合材料を製造し、大きさが16×６×10mm
であり、その一つの面（16mm×10mm）を試験面と
するブロツク試験片を作成した。また比較用とし
て、繊維径3.0μのアルミナ繊維（95wt％Al₂O₃、
5wt％SiO₂）をカサ密度0.16g／cm³にて無作為に
配向した繊維成形体を強化材とし、アルミニウム
合金（JIS規格AC8A）をマトリツクスとする複
合材料、ニレジスト鋳鉄、及び繊維にて強化され
ていないアルミニウム合金（JIS規格AC8A）の
みよりなる上述のブロツク試験片と同一寸法のブ
ロツク試験片を作成した。 これらの試験片を順次摩擦摩耗試験機にセツト
し、相手部材である外径35mm、内径30mm、幅10mm
の球状黒鉛鋳鉄（JIS規格FCD70）、リユーブラ
イト処理された球状黒鉛鋳鉄（JIS規格FCD70）、
ねずみ鋳鉄（JIS規格FC25）製の円筒試験片の外
周面と接触させ、それら試験片の接触部に常温
（25℃）の潤滑油（キヤツスルモータオイル5W−
30）を供給しつつ、押圧力60Kg、回転数160rpm
にて円筒試験片を１時間回転させる摩耗試験を行
なつた。尚この摩耗試験に於けるブロツク試験片
と円筒試験片との組合せは下記の表１に示す通り
であつた。

【表】

【表】 上述の摩耗試験の結果を第１図に示す。尚第１
図に於て、上半分はブロツク試験片の摩耗量（摩
耗痕深さμ）を表しており、下半分は相手材であ
る円筒試験片の摩耗量（摩耗減量mg）を表してお
り、記号Ａ〜Ｆはそれぞれ上掲の表１に於ける試
験片の組合せＡ〜Ｆに対応している。 この第１図より、アルミニウム合金のみよりな
るブロツク試験片Ｆはその摩耗量が非常に大きい
のに対し、強化繊維にて強化されたアルミニウム
合金よりなるブロツク試験片Ａ〜Ｅは、何れもア
ルミニウム合金のみよりなるブロツク試験片Ｆに
比べその摩耗量が非常に小さいことが解る。また
相手材としての円筒試験片の摩耗については、組
合せＡ〜Ｃ、Ｅ、Ｆの円筒試験片の摩耗量は組合
せＤの場合よりも小さく、特に組合せＡの円筒試
験片の摩耗量は組合せＢ及びＣの場合よりも小さ
いいことが解る。更に組合せＡ及びＥはブロツク
試験片及び円筒試験片の摩耗量とも実質的に同一
であるが、ニレジスト鋳鉄はアルミナ−シリカ繊
維強化アルミニウム合金よりも熱伝導性が劣るの
で、組合せＥは耐摩耗性のみならず熱伝導性にも
優れていることを要する用途には妥当でない。 また、40〜65wt％のアルミナと残部としての
シリカとよりなる種々の組成のアルミナ−シリカ
繊維を強化材とし、アルミニウム、マグネシウ
ム、マグネシウム合金をマトリツクスとする複合
材料にてブロツク試験片を作成し、また種々の鋳
鉄にて円筒試験片を作成し、上述の摩耗試験と同
様の摩耗試験を行なつたところ、第１図に示され
た結果と実質的に同様の傾向を示す試験結果を得
た。 これらの摩耗試験の結果より、互いに当接して
相対的に摺動する二つの材料の組合せであつて、
その一方の材料がアルミナ−シリカ繊維を強化材
とし、アルミニウム合金の如き軽金属をマトリツ
クスとする複合材料であり、その他方の材料が鋳
鉄である如き二つの材料の組合せに於ては、複合
材料は40〜65wt％のアルミナと残部としてのシ
リカとよりなるアルミナ−シリカ繊維を強化材と
し、アルミニウム、マグネシウム、それらの合金
よりなる群より選択された金属をマトリツクスと
する複合材料であり、鋳鉄はリユーブライト処理
された球状黒鉛鋳鉄であることが好ましいことが
解る。 具体例実施例 次に本発明によるエンジン用ピストンの具体的
実施例について説明する。 第２図は上述の実施例を示す解図的縦断面図、
第３図はその要部を示す解図的拡大部分縦断面
図、第４図はピストンリング（トツプリング）を
拡大して示す解図的部分縦断面図である。これら
の図に於て、１はピストンであり、アルミニウム
合金（JIS規格AC8A）にて構成されている。ピ
ストン１の側部外周面２には、燃焼ガスがピスト
ン１とシリンダブロツク３のシリンダ壁面との間
を経てエンジンの燃焼室より漏洩するのを防止す
るコンプレツシヨンリング４及び５を受入れる二
つのリング溝６及び７と、余分のオイルを掻落す
オイルリング８を受入れるリング溝９とが形成さ
れている。図示の実施例に於ては、ピストン１の
側部外周面２に沿うピストンヘツド１０よりトツ
プリング溝６の下面１１の下方までの部分は、繊
維径3μのアルミナ−シリカ繊維（55wt％Al₂O₃、
45wt％SiO₂）をカサ密度0.14g／cm³にて無作為に
配向してなる繊維成形体を強化材とし、ピストン
１の他の部分を構成するアルミニウム合金（JIS
規格AC8A）をマトリツクスとする複合材料１２
にて構成されている。この複合材料１２はトツプ
リング４を受入れるトツプリング溝６の壁面を郭
定しており、またピストンの側部外周面２に露出
する部分にてトツプランド１３及びセカンドラン
ド１４の一部を郭定している。 尚、かかるピストンはそれを鋳造するための鋳
型のモールドキヤビテイ底壁上に繊維成形体を載
置し、その鋳型内に溶融アルミニウム合金を注湯
し、その鋳型に液密的に嵌合するプランジヤによ
りアルミニウム合金を加圧しつつ凝固させてピス
トン予成形体とし、それを熱処理（T6処理）し
た後所定の寸法に加工し、更にリング溝６，７，
９を形成することによつて製造されてよい。 上述の如きピストン１と互いに当接して相対的
に摺動するトツプリング４は、球状黒鉛鋳鉄
（JIS規格FCD70）にて構成されており、表面処
理としてリユーブライト処理されたものである。
特に図示の実施例は7゜のキーストンリングとして
構成されており、そのシリンダブロツク３のシリ
ンダ壁面との摺動面部にモリブデン溶射層１５が
形成されたものである。 上述の如く構成されたピストンとピストンリン
グ（組合せＡ）、及び上掲の表１の組合せＤ〜Ｆ
（但し組合せＥのピストンは従来のニレジスト鋳
鉄製耐摩環を鋳ぐるみされたアルミニウム合金
（JIS規格AC8A）製）にて構成されたピストンと
ピストンリングを４気筒４サイクルデイーゼルエ
ンジンに組込み、下記の表２に示す試験条件にて
実機による摩耗試験を行なつた。 尚組合せＥについては、試験開始後約100時間
経過した時点でピストンのヘツド部が溶損し、試
験を続行することができなくなつた。これはニレ
ジスト鋳鉄製耐摩環の熱伝導性が悪いため、ヘツ
ド部にて受けた熱が耐摩環及びピストンリングを
経て効率よくシリンダライナへ伝達されなかつた
ことによるものと考えられる。

〔発明の効果〕

以上の説明より明らかである如く、本発明によ
れば、ピストンのリング溝部及びピストンリング
がそれぞれ互いに両者の摩耗量を低減する点に於
て相性のよい特定の組成のアルミナ−シリカ繊維
にて強化された複合材料及びリユーブライト処理
された球状黒鉛鋳鉄にて構成されるので、ピスト
ンのリング溝の壁面及びピストンリング両方の摩
耗量を最小限に抑えることができ、これによりピ
ストンの耐久性を改善してエンジンの性能を向上
させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本願発明者等が行なつた摩耗試験の結
果を示すグラフ、第２図は本発明によるエンジン
用ピストンの一つの実施例を示す解図的縦断面
図、第３図は第２図に示された実施例の要部を示
す解図的拡大部分縦断面図、第４図はピストンリ
ング（トツプリング）を拡大して示す解図的拡大
部分縦断面図、第５図は実機による摩耗試験の結
果を示すグラフである。 １……ピストン、２……側部外周面、３……シ
リンダライナ、４……トツプリング、５……セカ
ンドリング、６……トツプリング溝、７……セカ
ンドリング溝、８……オイルリング、９……リン
グ溝、１０……ピストンヘツド、１１……トツプ
リング溝の下面、１２……複合材料、１３……ト
ツプランド、１４……セカンドランド、１５……
モリブデン溶射層、１６……トツプリング溝の上
面、１７……トツプリングの下面。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ リング溝にピストンリングが嵌め込まれたエ
   ンジン用ピストンにして、前記ピストンの少なく
   とも前記ピストンリングに対する摺動面部は40〜
   65wt％のアルミナと残部としてのシリカとより
   なるアルミナ−シリカ繊維を強化材としアルミニ
   ウム、マグネシウム、それらの合金よりなる群よ
   り選択された金属をマトリツクスとする複合材料
   にて構成されており、前記ピストンリングの少な
   くとも前記ピストンに対する摺動面部はリユーブ
   ライト処理された球状黒鉛鋳鉄にて構成されてい
   ることを特徴とするエンジン用ピストン。