JPH0476256A - 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、自動車エンジンなどの内燃機関用ピストンの
改良に関する。

［従来の技術］ 内燃機関用ピストンは、軽量な点からアルミニウム合金
でその多くが形成され、シリンダボアの内壁面と対向す
る外周面にピストンリングが装着される複数のリング溝
を有する。このリング溝のうち燃焼室に最も近いトップ
リング溝は、特に高温にざらされかつ燃焼圧力を直接受
けるためピストンリング（トップリング）との摩耗が激
しい。

このため、トップリング溝とトップリングとの間には、
アルミ凝着が発生しやすく、この防止策としての種々の
技術が開示されている。例えば、（１）トップリング溝
の表面部に無機繊維集合体を複合させて強化する（特開
昭５９−２０１９５３号公報）。（２）トップリング溝
の表面部をアルマイト処理により強化する（特開平１−
１９０９５１号公報）。（３）Ｉｎ−ｓ　＋　ｔｕプロ
セスによるハイブリッドＭＭＣ（金属基複合材料）をピ
ストンへ応用する（自動車技術１９８９−５゜Ｎｏ８９
１０５６）。（４）トップリング溝の表面部に銅などを
電子ビームで溶融拡散させることにより合金層を形成す
る（三菱自動車１９８８゜Ｎ０１「テクニカルレビュー
」）。などがある。

「発明が解決しようとする課題］ ところで、近年の高性能化に伴い、ピストンの各部分の
温度が上昇する傾向にあり、トップリング溝の凝着摩耗
特性の一層の向上が望まれる。しかし、上記従来の技術
では、アルミ凝着の発生を完全に防止できなかったり、
耐摩耗性に難点があつたりして充分な対応ができない。

本発明の目的は、耐摩耗性に優れリング溝部での凝着発
生を防止し得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、シリンダポアの内壁面
と対向する外周面にピストンリングが装着される複数の
リング溝を有する内燃機関用ピストンにおいて、前記リ
ング溝の少なくともトップリング溝の表面部は、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
結体で構成したことを特徴とする。

本発明の内燃機関用ピストンは、その外周面に形成され
るリング溝の少なくともトップリング溝の表面部が、以
下に詳述する特殊な炭素ｔｉ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、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
、密度は１．６５以上のものである。

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ｍ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ｔ！
＆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
異方性をもつとは、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篩できる
。

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、気孔が少なく
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
００ｋｇ／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、さら
に熱処理をすることにより、さ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ＩＩＭ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ガスによる
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さらに酸化性雰囲気中１５０〜
５００℃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０１Ｏ１〜５Ｑｍｍの
ものを使用することができる。特に、０．０３〜４０ｍ
ｍのものが混合のしやすさ、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
より短ぐては製品の強度が急激に低下して好ましくない
。

また、繊維径としては、５〜２５μｍ程度のものが好ま
しい。さらに、これらの４ｍ［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が好ましい。この表面処
理は、炭素質１ｕｉｉｏｏ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あってもよい。ピッチを使用する場
合には、撹拌時に１４０〜１７０℃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がで
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１００〜’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。

ざらに、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Ｈｖ１０００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、ｌ！２０３、ＴｉＯ２、Ｚｒ
Ｏ２、ＭｑＯ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，Ｔｉ　Ｃ，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、Ｔ　ｉ　Ｎ、Ｃｒ２
　Ｎ、ＴａＮ５Ａｊ　Ｎ、ＺｒＮ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ＴｌＢ２　、Ｚｒ
Ｂ２　、Ｂ４Ｃ，Ｎ　＋　Ｂ、ＣＯＢ、ＢＮ、丁ａｄ２
などを挙げることができる。さらに、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍｏ
、Ｎ　ｉ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｖ、ＴＷ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、リ
ング溝の表面部を高強度で耐摩耗性に優れ、かつ焼付き
荷重が２００ｋｇｆ以上であって、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、ＭｇＢｚ、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、Ｔｉ、
Ｔａ、Ｚｒ、Ａ、Ｉ！、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｍｎ、　Ｆ
ｅ、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、マトリッ
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Ｏ０１〜５μｍ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
．７〜４０ｕｍ、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０．１〜１０ｔｉｍ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１０μｍ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であってもよく、具体的には、メソ
カーボンマイクロビーズ、バルクメソフェーズ粉砕品、
低温か類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−レジン量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％、さらに好ましくは８〜２５％である。

本発明の焼結体は、たとえば第１図に示すような乾式混
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
重間部程度である。また、無機微小体の添加量は、全体
を１００重量％とじたとき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％としたとき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℃程度
までの加熱下に行うことができる。

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℃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℃程度の温度まで昇温し、
０．５〜１０時間程時間待すればよい。黒鉛化を行った
場合には、黒鉛結晶が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
などがさらに向上する。

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ｌｌ１Ｍ
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。したかつて、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
縮して結合するので、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、前記したように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、本発明にかか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分の摩擦
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、リング溝の表面部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。

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１１ｉ維と炭素質粉末との界面密着性が
さらに向上する。

なお、本発明に係るリング溝の表面部は、ピストンを鋳
造する際に、鋳ぐるみにより溶着され、ピストン本体と
強固に一体化される。

［実施例コ 以下、本発明の詳細な説明する。

本実施例に係るピストンの断面図を第２図に、要部断面
図を第３図に示す。このピストン１は、一端側が開口し
たほぼ円筒状のものであり、閉口した端面部分でヘッド
部１１が形成されている。

ピストン］の外周面のヘッド部１１近傍には、周方向に
１周する３個のリング溝、すなわちトップリグ溝１２、
セカンドリング溝１３、オイルリング溝１４がヘッド部
１１側から順に軸方向に間隔を隔てて形成されている。

トップリグ溝１２は、ヘッド部１１の頂面から１２ｍｍ
離れた位置を中心に幅４ｍｍ、深さ８ｍｍで形成されて
いる。各リング溝１２〜１４には、トップリング２、セ
カンドリング３およびオイルリング４が装着されている
。このピストン］は、アルミニウム合金（ＪＩＳＡＣ８
Ａ−Ｔ６）製であり、トップリング溝１２の表面部５の
みが、後述のようにして形成された炭素繊維強化炭素焼
結体で構成されている。

表面部５の炭素繊維強化炭素焼結体は、鋳ぐるみにより
ピストン本体と一体化されている。この表面部５は、ト
ップリング溝１２の表面から約２ｍｍの厚さで設けられ
ている。表面部５を構成する炭素繊維強化炭素焼結体は
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３０重量％と
、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７０重量％とを
均一に混合し、得られた混合物を２　ｔ　Ｏｎ／Ｃｍ　
　の成形圧力で成形して直径３４ｃｍ、高さ１０ｃｍ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℃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、ざらに非酸化性雰囲気中
、５００℃／時間の速度で２８００℃まで加熱し、２０
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
焼結した炭素粒子か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１．７６Ｃ］／ｃｍ３　、曲げ強
度は９゜３ｋｃ＋／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、トップリング溝の表面部となる所定形状の
部品を製造した。

以上のように構成された本実施例のピストンは、トップ
リング溝１２の表面部５が特殊な炭素繊維強化炭素焼結
体で構成されているため、高温、高圧の苛酷な条件下で
使用され場合でも、耐摩耗性に優れ、トップリング２と
の間でアルミ凝着が発生することがない。

実際に、本実施例のピストンを１５８０　ｃ　ｃガソリ
ンエンジンに組込み、６８００ｒＤｍ／分、全負荷Ｘ３
００時間で高速耐久試験を行った。しかし、トップリン
グ溝１５の表面部５には、トップリング２との間にアル
ミ凝着は全く発生しなかった。また、表面部５およびト
ップリング２の摩耗も非常に少なく良好であった。

（試験１） 本発明の効果を確認するため、アルミ凝着の発生情況お
よび耐摩耗性を調べる試験を行った。この試験では、上
記実施例で用いた炭素繊維強化炭素焼結体（実施例１と
して示す。）と、実施例１に強化材としてのＡ９２０３
を５重量％含ませた炭素繊維強化炭素焼結体〈実施例２
として示す。）とを用意した。比較例としては、アルミ
ニウム合金（ＡＣ８Ａ＞９５体積％と、アルミナｌ１ｌ
ｆｆｉ（Ａ５２２０３９５％）５体積％とからなる複合
材料（比較例１として示す。）と、アルミニウム合金（
ＡＣ８Ａ）の表面にアルマイト処理（被膜２０μｍ）を
施したもの（比較例２として示す。）を用意した。相手
材としては、５ＵＳ４２０Ｊ　２′ＩＡのピストンリン
グを使用しな。アルミ凝着を調べる試験方法は、円板状
に形成した試験片をヒータにより２５０℃に加熱し、そ
の上面にピストンリングを５Ｈ２の速度で押付け、これ
を３０分間繰返した後、試験片にアルミ凝着が発生した
か否かを調べるものであった。その結果を第４図に示す
。

第４図からも明らかなように、比較例１の場合のアルミ
凝着率は６０％であり、比較例２の場合のアルミ凝着率
は１０％であった。これに対して、実施例１および２の
場合はいづれもアルミ凝着が発生しなかった。

ま、た、耐摩耗性を調べる試験は、ＬＦＷ摩擦摩耗試験
機を使用して行った。相手材としては外径３５ｍｍ、内
径３１　ｒｏｍ、軸方向の長さ８．７ｍｍの５ＵＳ４２
０Ｊ２製のリングを使用し、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６．３ｍｍ、高ざ
１ＱｒＴ１ｒｒｌの各試験片を荷重１５ｋｇｆで加圧し
１５分間摺動させ、その時の各試験片の摩耗および相手
材の摩耗量を測定した。その結果を第５図に示す。

第５図からも明らかなように、比較例１の場合は、それ
自体の摩耗が１０μｍと少なく、相手材の摩耗量が２ｍ
Ｃｌと極めて多かった。比較例２の場合は、それ自体の
摩耗が４５μｍと極めて多く、相手材の摩耗量が１ｍＣ
ｌとやや少なかった。一方、実施例１の場合は、それ自
体の摩耗が３５μｍとやや多く、相手材の摩耗量が２ｍ
Ｃｌと極めて少なかった。また、実施例２の場合は、そ
れ自体の摩耗が１０μｍと極めて少なく、相手材の摩耗
量も３ｍＯと極めて少なかった。この結果から、実施例
１および２は相手材の摩社量が極めて少なく、また、実
施例２はそれ自体の摩耗も極めて少ないことがわかった
。

（試験２） リング溝の表面部を構成する材質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と従来より使
用されている合金とを摩擦摩耗試験機にかけて試験した
。試験は、機械試験所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分間の摩耗間を測
定した。

これらの値を表に示す。なお、機械試験所式摩擦摩耗試
験機による試験は、試験片として３０ｍｍＸ３０ｍｍ、
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、高ざ１７ｍｒｎの５ＬＪ
Ｊ２製の円筒状加圧体の下面を押圧し、１０ｋＣ］ｆ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、焼付の有無を測定するものである。そして焼付
が生じない場合は次ぎ次ぎに１０ｋｇｆを加え、同じ条
件で試験し、焼付の生じた荷重を測定したるものである
。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　ｍｍ、軸方向の長さ３．
７ｍｍのリングを使用し、潤滑油としてＳＡＥ規格の５
Ｗ−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６．３ｍｍ、高さ１
Ｑｍｍの試験片を荷重１５ｋｇｆ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（ＪＩＳ６０６１）、前記実施例１
として使用した炭素ｍ維強化炭素焼結体く炭素焼結体１
として示す。〉、および次ぎの方法で作った２種の炭素
繊維強化炭素焼結体（炭素焼結体２、炭素焼結体３とし
て示す。）を使用した。

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、さらに酸化性雰囲気中３５０℃で２
時間保持して不敵化し、繊維径１５μｍ、、Ｉ維長さが
Ｑ、５ｍｍの不融化未膨化炭素質ＩＭを準備した。この
強化材としての不融生米炭化炭素質繊維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７０重量％とを混
合したちの９５重量％に対し、粒径１゜９μｍ（共立窯
業■製）、５．０μｍ（電気化学■製）、０．５μｍ（
電気化学ｖ／Ｊ製）の炭化ホウ素粉末をそれぞれ５重量
％加えて均一に混合し、得られた混合物を２ｔｂ 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℃
／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、ざらに非酸化性
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。これにより本発明
に係る炭素Ｗ７Ａ維強化炭素焼結体（炭素焼結体２）を
得た。

なあ、この炭素繊維強化炭素焼結体の一部を用いて、実
施例と同様に、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、炭化ホウ素粒子は白い点状に
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１．７６Ｑ／ｃｍｉ
　、曲げ強度は８．５ｋＣ］／ｍｍ２であった。

炭素焼結体３は、ホウ素化合物粉末として、粒径１．４
μｍ（日本新金属製）、粒径５．Ｏμｍ（共立窯業■製
）のホウ化チタンを使用したこと以外は、炭素焼結体２
と同様の方法により作った。

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合金にはない特徴をもつ。

また、本発明に係る炭素ｌｌｉ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、５ＵＪ２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図からも明らかなように、ＢＮ、　Ｎ　ｉ　３　Ｂ
およびＺｒＯ２については、添加量が多い場合には摩耗
量が多くなる点でヤヤ問題があるが、試験を行ったほぼ
全ての炭素焼結体がリング溝の表面部を構成する炭素焼
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、リング溝の少なくとも
トップリング溝の表面部が、特殊な炭素ｔｉ＆Ｍ強化炭
素焼結体を鋳ぐるんで形成されている。

この炭素繊維強化炭素焼結体は、耐久摩耗性などに優れ
た性質を有するため、リング溝部での凝着発生を防止す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るリング溝の表面部を構成する特殊
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図はピストン全体の断面図、第３図は要部断面図で
ある。第４図および第５図は実施例および比較例の試験
結果を示し、第４図はリング溝材および相手材（ピスト
ンリング）の摩耗量を示すグラフ、第５図は凝着発生率
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
摩耗係数を示すグラフでおる。 １・・・ピストン　　　　２・・・トラプリ〉′グ５・
・・表面部　　　　１２・・・トップリング溝特許出願
人　　トヨタ自動車株式会社 同　　　　大阪瓦斯株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリンダボアの内壁面と対向する外周面にピスト
   ンリングが装着される複数のリング溝を有する内燃機関
   用ピストンにおいて、 前記リング溝の少なくともトップリング溝の表面部は、
   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を鋳ぐるんで形成さ
   れていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
2. （２）シリンダボアの内壁面と対向する外周面にピスト
   ンリングが装着される複数のリング溝を有する内燃機関
   用ピストンにおいて、 前記リング溝の少なくともトップリング溝の表面部は、
   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
   焼結体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を鋳ぐるんで形成されて
   いることを特徴とする内燃機関用ピストン。