JPH0476255A - 内燃機関用ピストン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、自動車エンジン等の内燃機関用ピストンの改
良に関する。

［従来の技術］ 近年の自動車エンジン等の内燃機関においては、さらに
性能を向上させる目的で高速回転化や高圧縮化の傾向に
あり、また、排気ガス対策により熱負荷が増大する傾向
にある。このような情況下では、ピストンの作動に伴い
ピストンのスカート部とシリンダボアとが摺動すること
により、両者にスカッフィング（局部的な凝着、溶着に
よりその部分か引裂かれて生じる損傷）が発生しやすく
なるため、高耐焼付き性および高耐摩耗性が要求される
。

そこで、従来の対応策として、鋳鉄製のシリンダボアに
対してアルミニウム合金製のピストンが用いられる場合
には、ピストンのスカート部に樹脂コーティングを施し
たり、また、シリンダボアが高シリコンアルミニウム合
金製である場合には、ピストンのスカート部表面に種々
の金属をメツキしたり、金属層を形成したりして耐焼付
き性および耐摩耗性の向上を図る提案が種々開示されて
いる（特開昭５５−７８８５６号公報、実開昭５７−２
２３９号公報、実開昭５５−２０６９５号公報〉。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、上記提案による対策を講じたピストンは、い
ずれの場合にもスカフイングの発生を充分に防止するこ
とができない。

本発明の目的は、耐焼付き性および耐摩耗性に優れスカ
ッフィングの発生をより一層低減できる内燃機関用ピス
トンを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の内燃機関用ピストンは、スカート部をもつピス
トン本体と、該スカート部の外周面の少なくともシリン
ダボアと摺動する部分に一体的に設けられた摺動部材と
からなり、該摺動部材は、炭素マトリックス中に炭素繊
維があるいは炭素繊維と無機微小体とが一体的に埋設さ
れた組織を有し、該炭素マトリックスは偏光顕微鏡で見
て光学異方性の微粒子が均一に密集したモザイク構造を
もち、該炭素繊維と該炭素マトリックスとの間の界面で
剥離している界面の割合が全界面に対して１０％以下で
あり、かつ密度が１．６５以上である炭素繊維強化炭素
焼結体で構成されていることを特徴とする。

本発明に係るピストン本体は、ピストンヘッド、リング
溝、スカート部等をもつ通常のものと同様の所定形状に
形成することができる。このピストン本体は、アルミニ
ウム合金、マグネシウム合金、鋳鉄等で構成できる。

本発明を特徴づける摺動部材は、ピストン本体のスカー
ト部の外周面に一体的に設けられる。摺動部材は、ピス
トンとシリンダボアとの摺動に伴うスカッフィングの発
生を防止するものであり、スカート部の外周面の少なく
ともシリンダボアと摺動する部分に設けられる。シリン
ダボアと摺動する部分とは、通常、スカート部外周面の
両側である。摺動部材は、以下に詳述する特殊な炭素繊
維強化炭素焼結体で薄板状に形成され、スカート部の両
側にそれぞれ２以上配置してもよい。摺動部材の厚さは
、０．０５ｍｍ以上とするのが好ましい。

摺動部材を構成する炭素繊維強化炭素焼結体は、炭素マ
トリックス中に炭素繊維あるいは炭素繊維と金属および
セラミックスからなる無機微小体が一体的に埋設された
組織を有し、該炭素マトリックスは偏光顕微鏡で見て光
学的異方性の微粒子が均一に密集したモザイク構造をも
ち、該炭素繊維と該炭素マトリックスとの間の界面の全
界面面積に対する剥離している界面の剥離面積は１０％
以下、密度が１．６５以上のものでおる。

この炭素繊維強化炭素焼結体を構成する炭素繊維は、焼
結体の強度を確保するもので、偏光顕微鏡で見て、異方
性を示すものでも等方性を示すものでもよい。炭素繊維
は、切断された短繊維でも、長繊維でもよい。また、炭
素繊維はマトリックス中に一定方向に配向しているもの
でも逆にランダムに配向しているものでもよい。炭素繊
維強化炭素焼結体中の炭素繊維の配合割り合いは２〜５
０、より好ましくは１０〜４０重量％程度がよい。

炭素繊維強化炭素焼結体の構成部分となりうる無機微小
体としては、微小な金属、セラミックスで構成できる。

これら無機微小体の形状は、粉末状、ウィスカ等の繊維
状、箔片等でもよい。炭素繊維強化炭素焼結体中の無機
微小体の配合割り合いは２〜３０重量％程度が好ましい
。

炭素繊維強化炭素焼結体の構成成分である炭素マトリッ
クスは偏光顕微鏡で見て光学的異方性の微粒子が均一に
密集したモザイク構造をもつ。偏光顕微鏡で見て光学的
異方性をもつ乏は、炭素が一定方向に規則的に配列した
組織をもつものと考えられる。即ち、この炭素マトリッ
クスは、光学的異方性をもつ炭素粒子が密集した状態で
押し固められた状態にある。均一に密集したとは、炭素
粒子が流動していない。流れ線等の模様が無いことを意
味する。偏光顕微鏡下でモザイク状に観察される炭素粒
子の大きさは３０μｍ以下が好ましい。

本発明の炭素繊維強化炭素焼結体を構成する炭素繊維と
炭素マトリックスとの間の全界面面積に対する剥離して
いる界面の剥離面積は、１０％以下である必要がある。

炭素マトリックスと炭素繊維とが剥離していると炭素繊
維の補強効果が充分でない。このため界面の剥離面積は
全界面の１０％以下より好ましくは３％以下がよい。こ
の炭素繊維と炭素マトリックスとの剥離は走査型電子顕
微鏡（以下、ＳＥＭと称する。）で観察測定できる。

また、この炭素繊維強化炭素焼結体の気孔率は１０％以
下であるのが好ましい。この焼結体の気孔は偏光顕微鏡
で観察すると黒い点として観察される。従って観察して
いる面積に占める黒い点の面積より気孔率が計締できる
。

本発明にかかる炭素繊維強化炭素焼結体の密度が１．６
５以上とは、炭素マトリックスの緻密性、気孔か少なく
かつ炭素繊維と炭素マトリックスとの界面が剥離してい
ない等が総合された特性である。従って、これらマトリ
ックスの緻密性が欠けたり、気孔率が高すぎたり、繊維
とマトリックスとの間の剥離が多いと、比重は１．６５
以下となる。

この炭素繊維強化炭素焼結体を構成する炭素繊維の配合
割り合い、無機微小体の材質および配合割り合い、炭素
繊維と炭素マトリックスとの間の剥離面積の割り合い、
気孔率は直接にこの炭素繊維強化炭素焼結体の機械的強
度に影響する。この炭素繊維強化炭素焼結体の機械的特
性を曲げ強度で規定すると、この焼結体の曲げ強度は６
００ｋにｌ／Ｃｍ２以上であるのが好ましい。

本発明の炭素繊維強化炭素焼結体としては、未炭化炭素
質繊維あるいは未炭化炭素質繊維と金属およびセラミッ
クスからなる無機微小体とを埋設した自己焼結性を有す
る炭素質粉末からなる複合体を焼結して得られる焼結体
を採用できる。

ここで、未炭化炭素質繊維とは、通常の炭化処理の施さ
れていない状態の炭素質繊維をいう。換言すれば、ざら
に熱処理をすることにより、ざらに炭化する余地を有す
る炭素質粉末をいう。具体的には、原料ピッチを使用し
た場合には、紡糸したままの繊維または紡糸した繊維を
５５０℃を越えない温度で不融化した繊維をいう。ＰＡ
Ｎ（ポリアクリロニトリル）系レーヨン系などの高分子
系の繊維では分解工程を終え、黒鉛化処理前の繊維をい
う。この種の炭素質繊維としては、例えば、石炭系また
は石油系の原料ピッチを紡糸して得たピッチ繊維または
これを不融化して得た不融化繊維なとがある。

この原料ピッチの紡糸および不融化は富力に従って行え
ばよく、条件などは特に限定されない。

通常、ピッチ繊維は、原料ピッチを紡糸器に供給し、３
００〜４００℃程度に加熱した状態で不活性カスによる
加圧下にノズルから押出して得ることができる。また、
このようなピッチ繊維をざらに酸化性雰囲気中１５０〜
５００　’Ｃ程度で０．５〜５時間程度保持して不融化
繊維とすることができる。なお、この原料ピッチは、光
学的等方性のものでも、光学的異方性のものでもよい。

未炭化炭素質繊維の繊維長さは、短繊維、長繊維に限ら
ない。しかし、短繊維の場合には０．０１〜５０ｍｍの
ものを使用することができる。特に、０．０３〜１０ｍ
ｍのものか混合のしやすさ、アスペクト比の関係から好
ましい。長すぎては繊維同士が絡みあい分散性が低下し
、ひいては製品特性の等方性に劣り、また０、０１ｍｍ
より短くては製品の強度が急激に低下して好ましくない
。

また、ｌ！維径としては、５〜２５μｍ程度のものが好
ましい。さらに、これらの繊維からなる不織布またはコ
ーティング布として使用することもできる。

未炭化炭素質繊維は、さらにタール、ピッチ、有機高分
子などの粘結成分を含有する材料で表面処理し、結合材
とのなじみ性を向上させることか好ましい。この表面処
理は、炭素質繊維１００重量部に１００〜１０００重量
部程度の粘結成分含有材料を加えて撹拌し、有機溶媒に
より洗浄後、乾燥して行うことができる。

この表面処理に使用するタール、ピッチは、石炭系およ
び石油系のいずれでおってもよい。ピッチを使用する場
合には、撹拌時に１４０〜１７０°Ｃ程度の加熱が必要
となるので、処理材としては、タールの方がより好まし
く、また後続の炭化および黒鉛化工程での炭化歩留りの
点からは、石炭系のものがより好ましい。

この表面処理に使用する有機高分子として、フェノール
樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコールなどを挙
げることができる。

この表面処理の洗浄において使用する有機溶媒は、トル
エン、キシレンなどの芳香族系溶媒を使用することかで
きる。未炭化炭素質繊維と粘結成分含有材料との混合物
１００重量部に対して１０Ｏ〜１０００重量部程度を加
え、撹拌洗浄する。

この洗浄により、揮発成分が多く含まれる軽質油分が除
去される。洗浄を終えた未炭化炭素質繊維は、たとえば
、窒素、アルゴンなどの非酸化性雰囲気中で、加熱およ
び／または減圧などの条件下に乾燥処理される。乾燥処
理は、洗浄に使用した有機溶媒が除去される限り、これ
らの方法に限定されるものではない。

さらに、乾燥を終え表面処理された未炭化炭素質繊維は
、必要に応じて分散処理される。すなわち、乾燥させた
繊維が、塊状化または凝集していることがあるので、こ
のような場合には、通常の粉体ミル、アトマイザ−、パ
ルバライザーなどの任意の手段により分散を行う。

無機微小体は未炭化炭素質繊維とともに、本発明の炭素
繊維強化炭素焼結体の原料となる。この無機微小体は、
目的とするピストンの用途に応じて、スリーブの摩擦係
数μを低く安定したものとしたり、比較的高い値の摩擦
係数μであっても高耐摩耗性、高耐焼付き特性を付与し
たりするために、添加するものである。この無機微小体
は、融点１０００℃以上で炭素と反応しないもの、より
好ましくはざらにＨＶ１００Ｏ以上のものがよい。

かかる無機物として、無機酸化物、無機炭化物、無機窒
化物、無機ホウ化物などを挙げることができる。無機酸
化物として、たとえばＡ、１１２０３、Ｔ　ｉ　０２　
、ＺｒＯ２、Ｍｃ＋０などを挙げることができる。無機
炭化物として、たとえばＢ４Ｃ，ＴＣ，ＴａＣ，ＺｒＣ
などを挙げることができる。

無機窒化物として、たとえばＢＮ、丁ＩＮ、Ｏｒ２　Ｎ
、ＴａＮ、Ａ、Ｑ　Ｎ５ＺｒＮなどを挙げることができ
る。無機ホウ化物として、たとえばＴｉ３２　、ＺｒＢ
２．８４Ｃ，Ｎ　ｉ　Ｂ、ＣＯＢ、ＢＮ。

ＴａＢ２などを挙げることができる。ざらに、Ｆｅ、　
Ｍｎ、ＭＯｌＮｉ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｖ、Ｔｉ、Ｗなどの無
機物も使用することができる。なお、これらの無機物は
、金属の状態で添加することも可能である。また、無機
微小体としては、微粒子状のもののばかウィスカ、セラ
ミックス繊維が含まれる。

前記したような無機微小体のうちから、適切なものを選
択することによって、ピストンの用途に応じて、その摩
擦係数μ、耐摩耗特性、耐焼付き特性などを好適な特性
に管理することができる。

特に、摺動特性を好適なものとするため、すなわち、摺
動部材を高強度で耐摩耗性に優れ、かつ焼付き荷重が２
００ｋＣ］ｆ以上で必って、摩擦係数が０．１５以下を
示すものとするためには、無機微小体として、ホウ素化
合物を使用することができる。

かかるホウ素化合物として、焼結温度以下で分解または
融解しないものが好ましいが、ＭＣＪＢ２、ＣＯＢのよ
うに焼結温度で分解するが、分解したホウ素が炭素と反
応して炭化ホウ素を形成するものである場合には、焼結
温度で分解するものも使用できる。このようなホウ素化
合物として、炭化ホウ素、窒化ホウ素の他、Ｃｒ、Ｔ　
Ｉ、Ｔａ、Ｚｒ、ＡＮ　、Ｎ　ｉ、ＭＱ、Ｎｂ、Ｍｎ、
Ｆｅ、Ｖ、Ｗなどのホウ化物を挙げることができる。な
お、これらの添加物は、金属の状態で添加するこも可能
である。

無機微小体として無機粉末を使用した場合は、７１へソ
ックス材とのなじみ性、分散性およびでき上った焼結体
の強度と耐摩耗性を考慮して、粒径０．１〜５μｍのも
のが好ましく、より好ましくは０．２〜４μｍである。

また、無機微小体として無機繊維を使用した場合は、マ
トリックス材とのなじみ性、分散性、出来上った焼結体
の強度と耐摩耗性および繊維の離脱を考慮して、直径０
．７〜４０μｍ、長さ０゜０１〜８ｍｍのものが好まし
く、より好ましくは直径１〜１５μｍ、長さ０．０５〜
３ｍｍである。

特に、摺動特性を好適なものとするために、無機微小体
としてホウ素化合物を使用した場合は、ホウ素化合物粉
末の粒径は０．１〜１０μｍが好ましく、より好ましく
は０．３〜５μｍである。

粒径が０．１μｍより小さいと、均一混合が難しく、粒
径が１０ｕｍより大きいと、異常（アブレッシブ）摩耗
を起こす可能性が増す。

炭素質粉末は、本発明の炭素繊維強化炭素焼結体の結合
材を構成するものである。この炭素質粉末は自己焼結性
を有し、未炭化、または完全に炭化されていないもので
ある。この自己焼結性炭素質粉末としては、石、油系お
よび石炭系のいずれてあってもよく、具体的には、メソ
カーホンマイクロビーズ、バルクメソフェーズ粉砕品、
低温か焼コークス粉砕品などを挙げることができる。こ
れらの中では、粒径および組成の均一性、安定性などの
観点から、石油系および石炭系のメソカーボンマイクロ
ビーズが好ましく、炭化歩留りの観点から石炭系のもの
がより好ましい。自己焼結性炭素質粉末としては、粒径
３０μｍ以下、β−レジン置３〜５０％程度のものが好
ましい。なお、このβ−レジン量は、より好ましくは６
〜３０％、ざらに好ましくは８〜２５％である。

本発明の焼結体は、たとえば第１図に示ずような乾式混
合、乾式成形および焼成という簡単な工程で製造できる
。

未炭化炭素質繊維と、無機粉末または無機繊維と、自己
焼結性炭素質粉末とは、混合、成形されて複合体を構成
する。このときの混合手段は特に限定されないが、強度
および耐摩耗性を等方向にするためには、前記した原料
を均一に混合することが好ましい。また、自己焼結性炭
素質粉末と未炭化炭素質繊維との配合割合は、前者１０
０重量部に対して、後者２〜７０重量部程度であり、よ
り好ましくは前者１００重量部に対して後者１０〜５０
重量部程度である。また、無機微小体の添加量は、全体
を１００重量％としたとき３〜３０重量％が好ましく、
より好ましくは５〜１０重量％である。

特に、摺動特性を好適なものとするために、無機微小体
としてホウ素化合物を使用した場合は、ホウ素化合物粉
末の添加量は、全体を１００重量％とじたとき１〜５０
重量％が好ましく、より好ましくは３〜３５重量％であ
る。ホウ素化合物粉末の添加量が５０重量％を超えると
焼結体の切削加工性が不良となり、かつ強度が若干低下
する。

本発明にかかる焼結体の成形は、常法によって行うこと
ができ、通常１〜１０　ｔ　Ｏｎ／Ｃｍ２程度の加圧下
に所定の形状に成形すればよい。または、ＣＩＰ法、Ｈ
ＩＰ法、ホットプレス法などによって成形を行ってもよ
い。成形は、常温でまたは不活性雰囲気下５００　’Ｃ
程度までの加熱下に行うことかできる。

複合体は、焼結されて本発明にかかる焼結体となる。な
お、ここで焼結とは、常圧で７００〜１５００　’Ｃ程
度に焼成して未炭化炭素質繊維および自己焼結性炭素質
粉末を炭化固結させることをいう。なお、必要に応じて
この炭化された複合体を黒鉛化炉で焼結温度以上に加熱
して黒鉛化させてもよい。炭化の条件は、特に限定され
ないが、通常非酸化性雰囲気中０．１〜３００’Ｃ／時
間程度の速度で常温から１５００℃程度の温度まで昇温
し、０．５〜１０時間程時間待して行えばよい。

なお、焼結時においてもより高温で焼結することにより
複合体の一部は炭化の後、黒鉛化する。

また、黒鉛化の条件も、□特に限定されず、非酸化性雰
囲気中で焼結時の温度から０．１〜５００”Ｃ／時間程
度の速度で１５００〜３０００　°Ｃ程度の温度まで昇
温し、０．５〜１０時間稈時間待すればよい。黒鉛化を
行った場合には、黒鉛結晶か十分に成長するとともに秩
序正しく配向し、これにより製品の密度、強度および耐
摩耗性などがざらに向上する。

この特殊な炭素繊維強化炭素焼結体は、焼結前の複合体
を未炭化炭素質繊維および無機粉末または無機繊維と、
未炭化炭素質繊維および無機粉末または無機繊維を埋設
した自己焼結性を有する未炭化炭素質粉末とで構成した
ものである。したがって、複合体を焼結する場合、強化
材としての炭素質繊維が未炭化、または完全に炭化され
ていないものであるため、この未炭化炭素質繊維と自己
焼結性を有する未炭化炭素質粉末とは、炭化される際に
同程度の物理的性質（強度、収縮率など）をもつ。この
ため、これら炭素質繊維と炭素質粉末との界面密着性が
向上し、したがって、高強度および優れた耐摩耗性を得
ることができる。要するに、複合体を焼結する場合、未
炭化同士の炭素質繊維と炭素質粉末とが同程度に収縮し
て結合するのて、これらの界面密着性が高まり、摺動部
材の強度および耐摩耗性が向上する。

また、無機粉末または無機繊維を添加した炭素繊維強化
炭素焼結体で作られた部品は、相手材との間に機械的な
抵抗力が動き、これにより摩擦係数μが高く、安定した
ものとなる。すなわち、添加された無機粉末または無機
繊維が、相手材に対して機械的な抵抗力を及ぼすので、
摺動部材の摩擦係数μが高く、安定したものとなる。

たとえば、無機粉末を添加した場合には、粉末状である
ため荷重の増加に伴い炭素マトリックス部から離脱しや
すくなり、この無機粉末の離脱と炭素マトリックス部の
凝着とがつり合うことにより、荷重の変動に対して摩擦
係数μが安定したものとなる。また、無機繊維を添加し
た場合には、荷重が増加しても繊維状であるため炭素マ
トリックス部から離脱しにくく、このため摩擦係数μが
高い値となる。

また、前記したよう１結合材としての自己焼結性炭素質
粉末は、液状炭素質材料からなる従来の結合材の使用を
不要とする。したがって、液状結合材の使用により発生
する気孔を充填するために、含浸、焼成を繰返す必要が
なく、本発明にががる特殊炭素繊維強化炭素焼結体は、
前記したように第１図に示す乾式混合、乾式成形、焼成
という簡単な工程などで、安価に製造することができる
。

なお、適切な無機粉末または無機繊維を選択することに
よって、炭素繊維強化炭素焼結体で作られた部品の摩擦
係数μを、その用途に応じた好適な値に管理することが
できる。特に、無機粉末としてホウ素化合物を添加した
場合、このホウ素化合物粉末が、高荷重すなわち高温に
ざらされると熱分解し、その液相が生じる。この液相に
よって、摺動部材の耐焼付き性が向上し、かつその摩擦
係数μを低く押えることができるものと考えられる。

たとえば、無機粉末を無機ホウ化物とした場合、摺動部
品の摩擦係数μを０．０５〜０．２の範囲に管理するこ
とができ、無機粉末をＳ機炭化物とした場合、摺動部品
の摩擦係数μを０．１５〜０゜３５の範囲に管理するこ
とができ、無機粉末を無機窒化物とした場合、摺動部品
の摩擦係数μを０゜１〜０．３５の範囲に管理すること
ができ、そして無機粉末を無機酸化物とした場合、摺動
部品の摩擦係数μを０．２５〜０．５の範囲に管理する
ことができる。

なお、添加する無機粉末または無機繊維によって摺動部
品の摩擦係数μが大きく変化するのは、摺動に伴う発熱
により、無機粉末または無機繊維の状態が変化するため
と考えられている。たとえば、酸化物は耐熱性が高いた
め、摺動時にもその粒子とか繊維の形状を残し、このた
め、高い摩擦係数μを示すものと考えられている。また
、ホウ化物は、酸化物とは逆に開動時の熱により、分解
し液相を形成し、摩擦係数μを低下させていると考えら
れている。

さらに、未炭化炭素質繊維をタール、ピッチ、有機高分
子などの粘結成分を含有する材料により表面処理した場
合には、炭素質繊維の界面の濡れ性が高まり、これによ
り結合材としての炭素質粉末とのなじみ性が高まるので
、これら炭素質繊維と炭素質粉末との界面密着性がさら
に向上する。

［実施例］ 以下、本発明の詳細な説明する。

（実施例１） 本実施例に係るピストンの断面図を第２図に示す。

本実施例のピストンは、スカート部１５をもつピストン
本体１と、スカート部１５の外周面に一体的に設けられ
た摺動部材２とからなる。

ピストン本体１は、一端側が開口したほぼ円筒状のもの
であり、全体がアルミニウム合金（ＪＩＳＡＣ８Ａ−Ｔ
６）で形成されている。このピストン本体１は、閉口し
た他端面部分でヘッド部１１を形成している。外周面の
ヘッド部１１側には、軸方向に間隔を隔てて３個のリン
グ溝１２〜１４が周方向に１周して形成されており、各
リング溝１２〜１４にはヘッド部１１側から順にトップ
リング３、セカンドリング４およびオイルリング５が装
着されている。ピストン本体１の開口端とオイルリング
５のリング溝１４との間の部分でスカート部１５が形成
されている。スカート部１５の軸芯を中心に相対向する
２箇所には、コネククティングロツド（図示せず）連結
用の連結ピン（図示せず）が係合される係合孔１６か形
成されている。

摺動部材２は、後述のように形成した炭素Ｉｌｉ雑強化
炭素焼結体からなる厚さ２ｍｍの板状のものである。こ
の摺動部材２は、シリンダブロック６と摺動する部分、
すなわちスカート部１５の両側であって係合孔１６と９
０’位相をずらした位置を中心にそれぞれ１個づつ配置
されている。摺動部材２は、摺動部材植設用に予め切除
されたスカート部１５の外周面にフェノール系接着剤に
より接着されている。この摺動部材２は次のようにして
形成した。

石炭系の光学的等方性ピッチから常法により紡糸して得
られた、糸径１５μｍ、糸長さが３ｍｍの不融化繊維か
らなる未炭化炭素質繊維を準備した。この未炭化炭素質
繊維を強化材としてこの未炭化炭素質繊維１００重量部
に、中心粒径７μｍの］−ルタール系メソカーボンマイ
クロビーズからなる自己焼結性炭素質粉末９００重量部
を加えた後、均一に混合し、得られた混合物を２ｔｏｎ
／ｃｍ　　の成形圧力で成形して直径１０ｃｍ、高さ１
０ｃｍの柱状の複合体とした。

次に、この複合体を非酸化性雰囲気中、１５０℃／時間
の速度で１０００’Ｃまで上昇し、同温度で１時間保持
して焼成して、未炭化炭素質繊維及び自己焼結性炭素質
粉末を炭化固結させた。そして、さらに非酸化性雰囲気
中、５００℃／時間の速度で２８００℃まで加熱し、２
０分保持して黒鉛化した。

この炭素繊維強化炭素焼結体の一部を用いて、偏光顕微
鏡による表面観察、走査型電子顕微鏡によるマトリック
スと強化繊維の界面状態の観察、密度および曲げ強度を
測定した。偏光顕微鏡による観察では、マトリックスが
焼結した炭素粒子が互いに密着し個々の粒子が異なる色
模様に輝くモザイク状に観察され、繊維はこのマトリッ
クス中に点在した一様の色をもつ島状に観察された。

また、気孔を示す黒い点が所々に観察された。これら黒
い点の面積は、全体の面積を１００面積％としたとき約
３面積％であった。走査型電子顕微鏡で観察したマトリ
ックスと強化繊維の界面状態は両者が一体的に結合され
た状態が観察され、マトリックスと強化繊維とが剥離し
ている状態は観察されなかった。また、この炭素繊維強
化炭素焼結体の密度は１．７６ｑ／ｃｍｉ　、曲げ強度
は９゜３ｋｑ／ｍｍ２であった。

このようにして得られた炭素繊維強化炭素ブロックを機
械加工して所定形状の摺動部材２を製造した。

以上のように構成された本実施例のピストン１は、シリ
ンダポア６と摺動する部分に摺動部材２が設けられてい
るため、耐焼付き性および耐摩耗性に優れ、スカッフィ
ングの発生を確実に低減させることができる。この優れ
た効果は、後述の試験により確認された。

（実施例２） 本実施例に係るピストンの正面図を第３図に、第３図の
ＩＶ　−ＩＶ線矢視断面図を第４図に示す。

本実施例のピストンは、実施例１のピストンと摺動部材
８の配設方法が異なる。摺動部材８は、実施例１の摺動
部材２を構成する焼結体と同じ炭素ｍｕ強化炭素焼結体
で、縦１Ｑｍｍ、横１０ｍｍ、厚さ１ｍｍの薄板状に形
成されている。そして、この摺動部材８は、シリンダブ
ロック（図示せず）と摺動するスカート部１５の外周面
両側にそれぞれ３個づつ設けられており、各摺動部材８
は、スカート部７５の外周面から厚さの分突出している
。摺動部材８は、ピストン本体７の鋳造時に鋳ぐるみに
よりピストン本体７と一体化されている。

以上のように構成された本実施例のピストンは、実施例
１の場合と同様にスカッフィングの発生を確実に低減さ
せることができる。

（試験１〉 上記実施例１のピストンについてスカッフィングの発生
情況を調べるため耐久試験を行った。この試験では、２
０００ＣＣ４気筒ガソリエンジンを使用し、６０００ｒ
ｐｍ／分、全負荷Ｘ３００時間運転後、ピストンのスカ
ート部の面荒れ深さを測定した。比較例として従来のピ
ストンについても同様に試験を行った。比較例のピスト
ンは、アルミニウム合金（Ｊ　Ｉｓ、ＡＣ８Ａ−丁６〉
製でスカート部の表面に厚さ２μｍの錫メツキを施した
ものである。さらに、次の方法で作製した本発明に係る
炭素繊維強化炭素焼結体（炭素焼結体２として示す。）
で摺動部材を構成したピストン（実施例３として示す。

）についても同様に試験を行った。なお、実施例３のピ
ストンは、実施例１のピストンと摺動部材を構成する焼
結体が異なるのみである。

実施例３に係る炭素焼結体２を製造するに当り、まず、
石炭系の光学的等方性ピッチを紡糸器に供給し、３４０
℃に加熱した状態で不活性ガスによる加圧下にノズルか
ら押出して得られたピッチ繊維を、ざらに酸化性雰囲気
中３５０℃で２時間保持して不融化し、繊維径１５μｍ
、繊維長さが０゜５ｍｍの不融化未炭化炭素質繊維を準
備した。この強化材としての不融化未炭化炭素質、１１
３０重量％と、自己焼結性炭素質粉末としての中心粒径
７μｍのコールタール系メソカーボンマイクロビーズ７
０重量％とを混合したちの９５重量％に対し、粒径４．
０μｍの酸化アルミニウム５重量％加えて均一に混合し
、得られた混合物を２ｔｏｎ／ｃｍ２の成形圧力で成形
して複合体を得た。

次に、この複合体を常圧で非酸化性雰囲気中、１５０’
ｃ／時間の速度で１０００℃まで上昇し、同温度で１時
間保持して焼成して、未炭化炭素質繊維および自己焼結
性炭素質粉末を焼結固結させた。そして、さらに非酸化
性雰囲気中、５００℃／時間の速度で２０００℃まで加
熱し、２０分保持してざらに焼結した。これにより、実
施例３に係る炭素焼結体２を得た。

なお、この炭素繊維強化炭素焼結体の一部を用いて、実
施例１と同様に、偏光顕微鏡による表面観察、走査型電
子顕微鏡によるマトリックスと強化繊維の界面状態の観
察、密度および曲げ強度を測定した。偏光顕微鏡による
観察では、マトリックスが焼結した炭素粒子が互いに密
着し個々の粒子が異なる色模様に輝くモザイク状に観察
され、繊維はこのマトリックス中に点在した一様の色を
もつ島状に観察され、また、アルミナ粒子は白い点状に
観察された。また、気孔を示す黒い点が所々に観察され
た。これら黒い点の面積は、全体の面積を１００面積％
としたとき約３面積％であった。走査型電子顕微鏡で観
察したマトリックスと強化繊維の界面状態は両者が一体
的に結合された状態が観察され、マトリックスと強化繊
維とが剥離している状態は観察されなかった。また、こ
の炭素繊維強化炭素焼結体の密度は１．７６ｇ／Ｃｍ３
、曲げ強度は８．５ｋｇ／ｍｒｎ２であった。

上記の各ピストンについて、耐久試験後スカート部の面
荒れ深さを測定した結果を第５図に示す。

なお、面荒れ深さが深いほど大きなスカッフィングが発
生している。その結果、比較例のピストンの面荒れ深さ
は約２３μｍであり、大きなスカッフィングが発生して
いた。これに対して、実施例１のピストンの面荒れ深さ
は約５μｍであり、実施例３のピストンの面荒れ深さは
約３．５μｍでおり、両者ともにほとんどスカッフィン
グの発生がみられなかった。これにより、実施例１およ
び３のピストンは、耐焼付き性に優れていることがわか
る。

また、耐久試験後の各ピストンについてスカート部の摩
耗を測定したところ、比較例のピストンは最大１０μｍ
、実施例１および３のピストンはいずれも最大３μｍで
あった。これにより、実施例１および３のピストンは、
耐摩耗性にも優れていることがわかる。

さらに、上記試験でエンジン運転中におけるピストンの
スラップ音を騒音計で測定したところ、実施例１および
３のピストンの場合には、比較例のピストンの場合の約
２／３に低減することが確認できた。

（試験２） 摺動部材を構成する材質の摺動特性を定量化する目的で
、本発明に係る特殊炭素繊維強化炭素焼結体を機械試験
新式摩擦摩耗試験機およびＬＦＷ摩擦摩耗試験機にかけ
て試験した。試験は、機械試験新式摩擦摩耗試験機によ
り無潤滑下の摩擦係数および焼付荷重、そしてＬＦＷ摩
擦摩耗試験機による油潤滑下の１５分および６０分間の
摩耗量を測定した。これらの値を表に示す。なお、機械
試験新式摩擦摩耗試験機による試験は、試験片として３
０ｍｍｘ３０ｍｍ、厚さ５ｍｍのリング形状とし、この
試験片の上面に外径２５．６ｍｍ、内径２０ｍｍ、高さ
１７ｍｍの５ＵＪ２製の円筒状加圧体の下面を押圧し、
１０ｋＯｆの押圧をかけて試験片を無潤滑下で１６０回
転／分で２分回転し、焼付きの有無を測定するものであ
る。そして焼付きが生じない場合は次ぎ次ぎに１０ｋｃ
＋ｆを加え、同じ条件で試験し、焼付きの生じた荷重を
測定したるものでおる。また、ＬＦＷ摩擦摩耗試験機に
よる試験は、相手材として外径３５ｍｍ、内径３１　ｍ
ｍ、軸方向の長さ８．７ｍｍのリングを使用し、潤滑油
としてＳＡＥ規格の５Ｗ−３０基油を使用し、回転速度
１６０回転／分で、相手材の外周面に縦１５．７ｍｍ、
横５．３ｍ’ｍ、高ざ’ｌＱｍｍの試験片を荷重１５ｋ
Ｃｌｆで加圧し１５分および６０分摺動させ、その時の
摩擦係数および摩耗量を測定した。なお、相手材として
は表に示すクロムモリブデン合金鋼、アルミニウム合金
（Ｊ　ｌ５６０６１　）　、実施例１で使用した炭素繊
維強化炭素焼結体く炭素焼結体１として示す。）、実施
例３で使用した炭素繊維強化炭素焼結体（炭素焼結体２
として示す。）、炭素焼結体２で酸化アルミニウムの代
りに粒径１．４μｍ（日本新金属製）、粒径５．０μｍ
（共立窯業■製）ホウ化チタンを使用した以外は炭素焼
結体２と同様の方法で作製した炭素繊維強化炭素焼結体
（炭素焼結体３として示す。）を使用した。

表より、従来の材料の組合せでは、鉛青銅と合金鋼が比
較的低い摩擦係数をもつ。

本発明に係るものではいずれも低い摩擦係数をもつが、
特に炭素焼結体２と合金鋼の組合せが優れている。また
、本発明に係る特殊炭素繊維強化炭素焼結体は摩擦係数
が低くかつ摩耗が少ないばかりでなく、比重が小さくか
つ腐蝕に強いという第１表 合金にはない特徴をもつ。

また、本発明に係る炭素繊維強化炭素焼結体のうち、炭
素マトリックス中にセラミックス粉末を含む種々の炭素
焼結体について、ＬＦＷ摩擦摩耗試験機により摩耗量お
よび摩擦係数を測定した。

この試験に用いた各炭素焼結体の試験片は、前記炭素焼
結体２の場合と同様の製造方法でブロック状に形成した
ものである。そして、相手材としては、Ｓｔ、ＩＪ２で
リング形状に形成したものを使用した。その他の試験条
件は、前記試験２と同じ条件であるが、摩耗量の測定は
油潤滑下１５分とした。その結果を第６図に示す。

第６図から明らかなように、ＢＮ、Ｎｉ３ＢおよびＺｒ
Ｏ２については、添加量が多い場合には摩耗量が多くな
る点でやや問題があるが、試験を行ったほぼ全ての炭素
焼結体がピストンリングの表面層を構成する炭素焼結体
として好適である。

［発明の効果］ 本発明の内燃機関用ピストンは、スカート部をもつピス
トン本体と、前記スカート部の外周面の少なくともシリ
ンダボアと１と動する部分に一体的に設けられた摺動部
材とからなり、その摺動部材が特殊な炭素繊維強化炭素
焼結体で構成されている。この炭素繊維強化炭素焼結体
は、耐焼付き性および耐摩耗性に優れるため、スカッフ
ィングの発生をより一層低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るピストンの！言動部材を構成する
特殊炭素繊維強化炭素焼結体の製造工程を示すブロック
図、第２図は実施例１に係るピストンの断面図、第３図
実施例２に係るピストンの正面図、第４図は第３図のｖ
−ｖ線矢視断面図、第５図は耐久試験におけるスカート
部の面荒れ深さ測定結果を示すグラフ、第６図（ａ）、
（ｂ）、（Ｃ）、（ｄ）は本発明に係る炭素繊維強化炭
素焼結体の摩耗量および摩擦係数を示すグラフである。 １．７・・・ピストン本体 ２．８・・・摺動部材 ６・・・シリンダボア　　　１５・・・スカート部第１
図 第２図 第５図 第３図 す 第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）スカート部をもつピストン本体と、該スカート部
   の外周面の少なくともシリンダボアと摺動する部分に一
   体的に設けられた摺動部材とからなり、 該摺動部材は、炭素マトリックス中に炭素繊維があるい
   は炭素繊維と無機微小体とが一体的に埋設された組織を
   有し、該炭素マトリックスは偏光顕微鏡で見て光学異方
   性の微粒子が均一に密集したモザイク構造をもち、該炭
   素繊維と該炭素マトリックスとの間の界面で剥離してい
   る界面の割合が全界面に対して１０％以下であり、かつ
   密度が１．６５以上である炭素繊維強化炭素焼結体で構
   成されていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
2. （２）スカート部をもつピストン本体と、前記スカート
   部の外周面の少なくともシリンダボアと摺動する部分に
   一体的に設けられた摺動部材とからなり、 該摺動部材は、未炭化炭素質繊維をあるいは未炭化炭素
   質繊維と金属およびセラミックスからなる無機微小体と
   を埋設した自己焼結性を有する炭素質粉末からなる複合
   体を焼結して得られる炭素繊維強化炭素焼結体で構成さ
   れていることを特徴とする内燃機関用ピストン。