JPH0634045A - 黒鉛・アルミニウム合金複合系ピストン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 全体に軽量で、高温強度に優れるヘッド部と
応力負荷に十分耐える材質強度のスカート部を備えた低
燃費、高出力、低騒音等の要求性能を満たす黒鉛・アル
ミニウム合金複合系のピストンを提供する。 【構成】 ピストンヘッド部１が黒鉛単体組織、ピンボ
スを含むピストンスカート部２が黒鉛−アルミニウム合
金複合組織、ピストンリング溝のトップリング４とサカ
ンドリング５の間の部位３が黒鉛と黒鉛−アルミニウム
合金複合組織からなる傾斜機能組織により構成され、こ
れら組織が連続的に一体化した構造。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、軽量で優れた耐熱性な
らびに材質強度を備える黒鉛・アルミニウム合金複合系
ピストンに関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関のピストンは、通常、リング溝
を介して頂部のヘッド部と下部のスカート部から構成さ
れている。このうち燃焼部分に接して直接的に苛酷な熱
衝撃を受けるヘッド部には高温強度に優れる材質が求め
られる。これに対し、スカート部では燃焼部分から離れ
ている関係でヘッド部に比べて高温度合は低く、また急
激な温度変動は生じないが、往復運動を回転運動に転換
するための機構（ピンボス部）が存在するため応力負荷
に耐える材質強度が要求される。

【０００３】従来、ピストン用素材としては、比較的多
量の珪素成分を含むＡｌ−Ｓｉ系のアルミニウム合金
（ＪＩＳ ＡＣ８Ａ、Ａ４０３２等）が軽量で低熱膨張
率を有しているために多用されてきたが、近年、ピスト
ン部材には低燃費化、高出力化、低騒音化などをクリア
ーするために上記の要求性能が一層厳しくなってきてお
り、アルミニウム合金製のピストン素材では特性的に対
応が困難となっている。

【０００４】このため、アルミニウム合金製ピストンの
ヘッドに改良を加え、この部位を繊維強化複合材として
構成する技術が数多く提案されている（例えば特開昭58
−100642号公報、特開昭62−294751号公報等) 。しか
し、これらの構造ではヘッド部にマトリックスとしてア
ルミニウム合金が存在するため、耐熱性の点で十分では
ない問題が残されている。そのうえ、強化用繊維として
アルミナ繊維、炭化珪素ウイスカー、炭素繊維、ホウ酸
アルミニウムウイスカーが挙げられているが、炭素繊維
を除いていずれもアルミニウム合金よりも比重が高い関
係でピストン全体の重量軽減化には寄与しない欠点もあ
る。

【０００５】黒鉛材料は、低密度で熱膨張率が小さく、
潤滑性があって高温下でも強度低下を生じないというピ
ストン用素材に好適な固有の特性を備えているが、材質
強度そのものは金属材料に比べて格段に低いという致命
的な欠点がある。このため、黒鉛単体としてピストン用
素材に適用された例はないが、その固有の特性を利用し
て金属材料と複合化させることによりピストン性能を部
分的に改善する試みがなされている。

【０００６】例えばアルミニウム合金に対し黒鉛を複合
化したピストンとして、特開平１−132736号公報に記載
されているようなアルミニウム合金粉末に黒鉛粉末を混
合して焼結する方法（粉末焼結法）または特開昭57−12
4564号公報に開示されているアルミニウム合金の溶湯に
黒鉛粉末を分散させて鋳造する方法（分散鋳造法）があ
る。ところが、これらの方法は黒鉛粉末の添加によりア
ルミニウム合金のピストン素材に潤滑性を与えることを
主要な目的とするものであって、黒鉛の低熱膨張性や高
温強度に着目されたものではない。因みに、粉末焼結法
における黒鉛粉末添加量の限界は５重量％程度であり、
また分散鋳造法においても３０重量％以上の黒鉛粉末を
分散させることは操作の面から不可能であり、前記のよ
うな黒鉛固有の低熱膨張性や高温強度性を発揮させるた
めには量的に不足する。

【０００７】他方、特開昭62−294751号公報にはピスト
ンの熱膨張・収縮による変形を抑え、かつ強度を改良す
るために、緻密質または多孔質黒鉛環状成形体をアルミ
ニウム合金製ピストンに鋳ぐるむことによって一部を補
強する複合系の内燃機関用ピストンが提案されており、
鋳ぐるみ手段として高圧鋳造法による含浸処理が示され
ている。しかしながら、このピストンは特定箇所に黒鉛
環状体を部分的な補強材として介在させ、その周囲はア
ルミニウム合金で鋳ぐるんだ構造を呈しているから、材
質の主体はあくまでもアルミニウム合金であって構成材
料に占める黒鉛の量はピストン全体の低熱膨張性や高温
強度を改善するほどの比率ではない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記した従
来技術による複合系とは異なり骨格全体の組織を黒鉛材
質とし、かつ黒鉛単体のヘッド部と黒鉛−アルミニウム
合金複合材からなるスカート部とを連続組織として一体
に形成することにより近時要求されている高性能特性を
全面的に満足するピストン部材の開発に成功したもので
ある。

【０００９】すなわち本発明の目的は、全体に軽量で、
高温強度に優れるヘッド部と応力負荷に十分耐える材質
強度のスカート部を備えた低燃費、高出力、低騒音等の
要求性能を満たす黒鉛・アルミニウム合金複合系のピス
トンを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の黒鉛・アルミニウム合金複合系ピストン
は、ピストンヘッド部が黒鉛単体組織、ピンボスを含む
ピストンスカート部が黒鉛−アルミニウム合金複合組
織、ピストンリング溝のトップリングとセカンドリング
間の部位が黒鉛と黒鉛−アルミニウム合金複合組織から
なる傾斜機能組織により構成され、これら組織が連続的
に一体化した構造を備えてなることを特徴とする。

【００１１】図１は本発明に係る黒鉛・アルミニウム合
金複合系ピストンを模式的に示した側面図で、１は黒鉛
単体組織のピストンヘッド部、２は黒鉛−アルミニウム
合金複合組織からなるピストンスカート部、３はピスト
ンリング溝のトップリング４とセカンドリング５の間に
介在する黒鉛と黒鉛−アルミニウム合金複合組織による
傾斜機能組織部位である。傾斜機能組織とは複合成分の
混在度合が連続的に変化する組織状態を意味し、本発明
の場合には前記部位においてピストンスカート部２の上
面からピストンヘッド部１の下面に向かうに従ってアル
ミニウム合金の分散充填濃度が連続的に逓減化する複合
形態を指す。

【００１２】前記のピストン構造において、ピストンヘ
ッド部を構成する黒鉛単体組織は気孔率が２５％以下の
等方性黒鉛であり、またピストンスカート部を構成する
黒鉛−アルミニウム合金複合組織はアルミニウム合金の
含有量が体積比で５〜２５％の範囲にあることが好まし
い。等方性黒鉛材は、材料の全方向において機械的、熱
的、電気的などの特性が等方性を示す組織の黒鉛材料
で、通常、熱膨張係数、固有抵抗、機械的強度等を測定
した際の最大値と最小値の比（異方比）が１．０〜１．
１の範囲にあるためピストンヘッド部材として材質的に
極めて安定する。しかし、この気孔率が２５％を上廻る
と機械的強度が減退して不適となる。また黒鉛−アルミ
ニウム合金複合部におけるアルミニウム合金の含有量が
５％（体積比率）未満であると応力負荷に対して十分な
複合強度が得られなくなる。

【００１３】本発明で黒鉛材に複合化するアルミニウム
合金としては、例えば銅、マグネシウム、マンガン、ニ
ッケル、珪素、亜鉛などの合金成分が少なくとも１種以
上、０．２〜１３重量％の範囲で含有されている組成の
ものが好適に使用される。かかる複合系材質は、等方性
黒鉛材の気孔組織内にアルミニウム合金が分散介在して
緻密かつ安定に充填された形態である必要があり、分
散、接合あるいは鋳ぐるみ等によって黒鉛とアルミニウ
ム合金を複合させた構造では本発明の目的は達成されな
い。

【００１４】上記の組成性状を備えるピストンは、例え
ば円柱状等方性黒鉛基材の一軸方向からアルミニウム合
金の溶湯を１００kg/cm²以上の圧力下で加圧含浸する方
法、予めヘッド部に相当する部位にパラフィン等を含浸
して目封じした状態で基材全体を前記のようにアルミニ
ウム合金溶湯により加圧含浸する方法、あるいは基材全
体を前記のようにアルミニウム合金溶湯で加圧含浸した
のちヘッド部に相当する部位のアルミニウム合金を化学
的にエッチング除去する方法などによって製造すること
ができる。この際、傾斜機能組織部位は含浸その他の条
件を適宜制御して形成する。含浸処理後の基材はアルミ
ニウム溶湯から引上げて冷却し、必要に応じて表面に付
着した不要のアルミニウム合金を切削除去したのち、ア
ルミニウム合金が含浸されていない黒鉛単体部分をヘッ
ド部としてピストン形状に加工される。

【００１５】

【作用】本発明に係る黒鉛・アルミニウム合金複合系ピ
ストンは、黒鉛単体組織のピストンヘッド部と同一黒鉛
材の気孔組織内にアルミニウム合金が分散充填した複合
系のピストンスカート部とがピストンリング溝のトップ
リングとセカンドリング間に形成された黒鉛と黒鉛−ア
ルミニウム合金複合組織からなる傾斜機能組織を介して
連続的に一体化した組織構造を呈している。したがっ
て、ピストンヘッド部は黒鉛単体組織による優れた耐熱
衝撃性と高温安定性が苛酷な熱負荷に十分に耐える材質
機能を果たし、また機械的な応力負荷のかかるピストン
スカート部では黒鉛−アルミニウム合金複合組織による
高度の材質強度が効果的な補強機能を営む。この間に介
在する傾斜機能組織の境界層は、ピストンヘッド部の黒
鉛単体組織とピストンスカート部の黒鉛−アルミニウム
合金複合組織の熱膨張差を巧みに緩和し、この部位の破
損、亀裂等を防止するために機能する。

【００１６】これらの各機能が総合的に作用し、良好な
摺動性、低熱膨張性ならびに全体の軽量性と相俟って低
燃費化、高出力化、低騒音性など高性能ピストンに要求
される特性を効果的に付与することが可能となる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して説
明する。

【００１８】実施例、比較例 嵩密度１．８５g/cc、気孔率１８．１％の等方性黒鉛材
〔東海カーボン（株）製、Ｇ３４７〕を直径５５mm、長
さ８０mmの円柱状に加工して基材とした。この基材をア
ルゴンガス中で６００℃に予熱して内径５５．２mmの金
型にセットし、これに密閉系内で真空加熱して７００℃
の温度に保持されたアルミニウム合金（ＡＣ８Ａ）の溶
湯を注入して直ちに加圧パンチにより５００kg/cm²の圧
力を加え上部から一方向的に加圧含浸した。その結果、
複合化基材には下面から２０mmまでは未含浸の黒鉛単体
組織で、その上面は約３mmの傾斜機能組織層を介して８
０mmまで黒鉛−アルミニウム合金の複合部を有する組織
が連続的に一体形成され、その上部にはアルミニウム合
金のみの層が付着していた。

【００１９】得られた複合材の黒鉛−アルミニウム合金
複合部分の断面組織を調査したところ、黒鉛気孔組織の
内部までアルミニウム合金が均質に分散充填されている
ことが確認された。この複合部分のアルミニウム合金の
含有量は体積比で１５．８％であった。

【００２０】上記の材料を、黒鉛単体組織部分がヘッド
部になり、傾斜機能組織部分がトップリングとセカンド
リングに間に位置するように切削加工し、８０cc用（外
径４７mm) のエンジンピストンを形成した。このピスト
ンをバイク〔ヤマハ製ＹＺ８０型〕のエンジンにセット
し、エンジン性能をテストした。比較のために、複合マ
トリックス材に用いたアルミニウム合金（ＡＣ８Ａ）単
体で作製したピストンについても同様にテストした。そ
の結果を対比して表１に示したが、本発明による黒鉛・
アルミニウム合金複合系ピストンは比較例のアルミニウ
ム合金製ピストンに比べ、軽量で高性能であることが認
められた。

【００２１】

【表１】

【００２２】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば黒鉛材を
骨格基材とした軽量で低燃費化、高出力化、低騒音化等
の要求性能を満たす黒鉛・アルミニウム合金複合系のピ
ストンを提供することができる。したがって、高負荷用
の内燃機関ピストンとして有用性が期待される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による黒鉛・アルミニウム合金複合系ピ
ストンを模式的に示した側面図である。

【符号の説明】

１ ピストンヘッド部（黒鉛単体組織） ２ ピストンスカート部（黒鉛−アルミニウム合金複合
組織） ３ 傾斜機能組織部位 ４ トップリング ５ セカンドリング

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピストンヘッド部が黒鉛単体組織、ピン
   ボスを含むピストンスカート部が黒鉛−アルミニウム合
   金複合組織、ピストンリング溝のトップリングとセカン
   ドリング間の部位が黒鉛と黒鉛−アルミニウム合金複合
   組織からなる傾斜機能組織により構成され、これら組織
   が連続的に一体化した構造を備えることを特徴とする黒
   鉛・アルミニウム合金複合系ピストン。
2. 【請求項２】 黒鉛単体組織が気孔率２５％以下の等方
   性黒鉛であり、黒鉛−アルミニウム合金複合組織中に占
   めるアルミニウム合金の含有量が体積比で５〜２５％の
   範囲にある請求項１記載の黒鉛・アルミニウム合金複合
   系ピストン。