JPH07238864A

JPH07238864A - 内燃機関のピストン及びその製造方法

Info

Publication number: JPH07238864A
Application number: JP2988094A
Authority: JP
Inventors: Masato Sasaki; 正登佐々木; Yutaka Tomono; 裕友野; Seiichi Kotake; 誠一小竹; Ryuichi Hotta; 隆一堀田; Junichi Fujita; 順一藤田
Original assignee: Hitachi Zosen Corp; Osaka Gas Co Ltd; Unisia Jecs Corp
Current assignee: Hitachi Unisia Automotive Ltd; Hitachi Zosen Corp; Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1994-02-28
Filing date: 1994-02-28
Publication date: 1995-09-12

Abstract

(57)【要約】【目的】ピストンの製造作業性及びコストの低廉化を
確保しつつリング溝内周壁の耐摩耗性と耐凝着性を満足
する。【構成】アルミニウム合金材からなるピストン本体１
のリングランド部３に３つのリング溝が形成されてい
る。トップリング溝４の内周壁を形成する複合材１１
を、アルミニウム合金材と、複合材１１全体に対して３
０〜６０％の割合で配合された炭素短繊維と、該炭素短
繊維に対して２０〜５０％の割合で配合されたチタン酸
カリウムウィスカーとから構成している。また、炭素短
繊維とチタン酸カリウムウィスカーの合計量を、複合材
全体の６０％以下に設定した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車等の内燃機関の
ピストン及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、近時、自動車用内燃機関
のピストンにあっては、高出力化高性能化の要請に伴い
軽量化を図るべくその材質を鋳鉄に代えてアルミニウム
合金で形成され、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ピストンリン
グ溝が形成されている。また、このピストンリング溝の
うち燃焼室に最も近いトップリング溝は、特に高温に晒
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
し易くなる。

【０００３】そこで、斯かるアルミ凝着を防止する種々
の技術が開発されており、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もの
（特開昭５９−２０１９５３号公報）や、（２）Ｉｎ−
Ｓｉｔｕ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もの（自動車技術１９８
９−５．ＮＯ８９１０５６）、（３）トップリング溝の
表面部にニッケル多孔体を複合させて強化するもの（特
公平３−３０７０８号公報）などがある。また、（４）
トップリング溝の表面部をアルマイト処理層により強化
したり（特開平１−１９０９５１号公報）、（５）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もの（三菱自動車１９
８８，ＮＯ１「テクニカルレビュー」）があり、更に
は、（６）トップリング溝部分にニレジスト鋳鉄をアル
フィン処理してアルミニウム合金に鋳ぐるんでリング支
持部材とするものなど、多くの改良技術が提示されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】然し乍ら、前記各従来
例には、以下のような問題がある。即ち、（１），
（２），（３）の従来例にあっては、無機繊維材等を用
いているため、アルミニウム合金材の強度や耐摩耗性が
向上するものの、自己潤滑性を有しない材料の組み合わ
せであるため、ピストンリングとアルミとの凝着を確実
に防止することが困難である。

【０００５】また、（４）の従来例にあっては、アルマ
イト処理層によりピストンリングとの耐凝着性は向上す
るものの、耐摩耗性が不十分になる。更に、（５）の従
来例は、逆に耐凝着性が不足する惧れがある。

【０００６】また、（６）の従来例は、最も古くから行
われている技術であり、耐摩耗性や耐凝着性は確保でき
るものの、鋳鉄製であるため、重量の増加が余儀なくさ
れる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記各従来例
の問題点に鑑みて案出されたもので、請求項１の発明
は、アルミニウム合金材からなるピストン本体の外周に
複数のピストンリング溝を形成すると共に、該ピストン
リング溝の少なくともトップリング溝の内周壁をアルミ
ニウム合金材に、炭素短繊維及びチタン酸カリウムウィ
スカーを複合化した複合材で形成してなる内燃機関のピ
ストンであって、前記炭素短繊維を前記複合材全体に対
して３０〜６０％（体積パーセント）の割合で配合する
と共に、前記炭素短繊維とチタン酸カリウムウィスカー
との合計量を複合材全体の６０％（体積パーセント）以
下に設定したことを特徴としている。

【０００８】請求項２の発明は、前記複合材を予め円環
状に形成し、該円環状の複合材を、前記ピストン本体の
成形時に鋳ぐるんで該ピストン本体と一体成形したこと
を特徴としている。

【０００９】請求項３の発明は、前記炭素短繊維とチタ
ン酸カリウムウィスカーとからなる円環状の成形体を予
め成形し、該成形体を、前記ピストン本体の成形時に溶
湯アルミニウム合金材に含浸させて該ピストン本体と一
体成形したことを特徴としている。

【００１０】

【作用】請求項１の発明によれば、複合材内の炭素短繊
維及びチタン酸カリウムウィスカーによってピストンリ
ングに対する耐摩耗性が向上すると共に、炭素短繊維の
自己潤滑性によってピストンリングとリング溝内周壁と
の耐凝着性が向上する。

【００１１】特に、複合材に対する炭素短繊維の特定の
配合割合によって、前記耐凝着性の著しい向上が図れ
る。

【００１２】請求項２の発明によれば、前記複合材の材
料上の点から鋳造によって成形できると共に、複合材を
ピストン本体に単に鋳ぐるむだけであるから、その製造
作業性の向上と製造コストの低廉化が図れる。

【００１３】請求項３の発明によれば、請求項２の発明
のようにアルミニウム合金をベースとして複合材を予め
成形するのではなく、炭素短繊維等の成形体を予め成形
して、該成形体にピストン本体の成形時に直接アルミニ
ウム合金溶湯を含浸させて一体成形するため、製造作業
性がさらに向上する。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳述
する。

【００１５】図１及び図２は本発明に係るピストンの断
面図を示し、このピストンは、ピストン本体１がアルミ
合金材で略円筒状に形成され、燃焼室に臨む冠部２と、
該冠部２の下部に有するリングランド部３の外周面に形
成された３つのピストンリング溝４，５，６と、該各ト
ップ，セカンド，オイルリング溝４〜６に嵌着されるピ
ストンリング７，８，９と、各リング溝４〜６下部のス
カート部１０とを備えている。

【００１６】前記トップリング溝４は、冠部２の頂面か
らスカート部１０側へ９mm離れた位置を中心に、幅４m
m，深さ８mmに形成されていると共に、この表面部のみ
が後述の成形方法で成形された円環状の複合材１１によ
って形成されている。

【００１７】この複合材１１は、母地材料としてのアル
ミニウムまたはアルミニウム合金材（ＪＩＳ規格鋳造用
アルミニウム合金ＡＣ８Ａ，Ａ３９０等）１２に、長さ
が０.１〜１０mmの炭素短繊維１３及びチタン酸カリウ
ムウィスカー（Ｋ₂Ｏ・６Ｔ１０₂）１４を含有した複合
材料で構成され、前記ピストン本体１内にトップリング
溝４の表面部を構成すべく鋳ぐるまれている。

【００１８】具体的には、前記炭素短繊維１３を、複合
材１１全体に対して３０〜６０％（体積パーセント）の
割合で配合し、またチタン酸カリウムウィスカー１４
を、炭素短繊維１３に対して２０〜５０％（体積パーセ
ント）の割合で配合している。したがって、炭素短繊維
１３とチタン酸カリウムウィスカー１４の比が４：１〜
１：１の範囲に設定されている。また、炭素短繊維１３
とチタン酸カリウムウィスカー１４との合計量は、複合
材１１全体の６０％（体積パーセント）以下に設定され
ている。

【００１９】また、上記各材料の複合化は加圧鋳造，粉
末冶金等の手法を用いて可能となるが、耐摩環やシリン
ダ等を対象とする場合は、金型鋳造の可能な加圧鋳造法
が最も望ましい。加圧鋳造法の場合、強化繊維はプリフ
ォーム体の製造が可能で、かつ鋳造によって欠陥のない
複合材を得なければならない。その意味で、炭素短繊維
１３とチタン酸カリウムウィスカー１４の強化繊維の複
合材１１に占める程度は６０％（体積パーセント、以下
省略する）とするのが望ましい。

【００２０】次に、炭素短繊維１３とチタン酸カリウム
ウィスカー１４の役割及び複合化量の決定理由を述べ
る。

【００２１】（１）炭素短繊維１３の複合化の役割（イ）アルミニウム合金材１２母地より比重の小さい繊
維であり、複合材１１の軽量化が可能となる。

【００２２】（ロ）アルミニウム合金材１２母地の耐摩
耗性及びピストンリング７に対する耐凝着性を向上させ
るが、チタン酸カリウムウィスカー１４との共存によっ
て一層の耐摩耗性向上をもたらす。また、前記耐凝着性
の向上は、炭素短繊維１３の自己潤滑作用による。

【００２３】（２）チタン酸カリウムウィスカー１４の
複合化の役割（イ）炭素短繊維１３に占める割合を２０〜５０％とす
ることによって、アルミニウム合金材１２の耐摩耗性を
著しく向上させ、かつ炭素短繊維１３単独あるいはチタ
ン酸カリウムウィスカー１４単独の場合より、良好な耐
摩耗性を得る。

【００２４】（ロ）炭素短繊維１３に混合することによ
り、プリフォーム体の製造を可能とするバインダーの役
割をなす。また、アルミニウム合金材１２及び炭素短繊
維１３に対し安定である。

【００２５】以上炭素短繊維１３とチタン酸カリウムウ
ィスカー１４の役割を説明したが、両繊維の複合化量
は、プリフォーム体の強度，アルミニウム合金溶湯の浸
透性（繊維密度に依存），さらに複合材１１の性能を考
慮して決定した。まず、繊維密度すなわち複合材１１に
対する強化繊維の割合（以下、体積率という）が６０％
以上のプリフォーム体は鋳造性が悪く、上限は６０％と
する。逆に、プリフォーム体としたものを加圧鋳造した
際に、複合材１１中に繊維がからみ合って均一分散を得
るためには体積率が３０％以上が望ましく、下限は３０
％とする。次に、炭素短繊維１３に占めるチタン酸カリ
ウムウィスカー１４の量が２０％（すなわち、炭素短繊
維１３：チタン酸カリウムウィスカー１４＝４：１）以
下ではプリフォーム体の強度が不十分で成形できない。
逆に５０％（炭素短繊維１３：チタン酸カリウムウィス
カー＝１：１）を越えるとチタン酸カリウムウィスカー
１４の集合部が生じやすく均一なアルミニウム複合材と
なりにくい。チタン酸カリウムウィスカー１４の炭素短
繊維１３に占める量は２０〜５０％が良好である。

【００２６】尚、アルミニウム合金材１２母地は複合材
１１の基礎強度を与えるものであり、部分的な複合化
（シリンダチューブの内壁のみ等の場合）を行った場合
は部材の外殻を形成するものである。ＡＣ８Ａや６０６
１などは時効硬化性の強いアルミニウム合金材であり、
かつチタン酸カリウムウィスカー１４や炭素短繊維１３
との濡れ性が良好であるため、母地合金として望まし
い。

【００２７】以下、前記複合材１１の具体的な製造方法
について説明する。

【００２８】即ち、まず、単繊維が直径５〜１５μm長
さ０.１〜１０mmの炭素短繊維１３（比重１.７７ｇ／cm
³）と、単繊維が直径０.４〜１.５μm，長さ１０〜１０
０μmのチタン酸カリウムウィスカー１４（比重３.３ｇ
／cm³）とを所定の重量比で混合して水中に入れ、十分
撹拌した後、金型を用いたプレス成形（圧力２０kg・ｆ
／cm²）により円筒状に成形し、乾燥させてプリフォー
ム体１５を成形した。このプリフォーム体１５は、形崩
れすることはなく、取り扱いは容易であった。これらの
プリフォーム体１５が体積率５５％となるようにして図
５Ａ〜図５Ｃに示す工程に基づく加圧鋳造法によりアル
ミニウム合金１２と複合化させた。

【００２９】つまり、図５Ａに示すように円筒鋳造１８
内に予めプリフォーム体１５を収納しておき、次にアル
ミニウム合金溶湯１９を注入する。その後、図５Ｂに示
すように円錐状のパンチ２０で圧力を加えて冷却凝固さ
せる。次に、図５Ｃに示すようにパンチ２０を鋳型１８
から抜いて、鋳型１８内からアルミニウム合金１２の中
に炭素短繊維１３及びチタン酸カリウムウィスカー１４
が複合した円筒状の粗形材１１ａを取り出す。これによ
って、図３に示すようなシリンダ状の粗材１１ａが型成
形される。つまり、アルミニウム合金材１２からなるシ
リンダチューブ１６に、加圧鋳造法によって外面部１７
だけを複合化したものである。そして、前記粗形材１１
ａを機械加工により必要な大きさに輪切りすれば所定の
円環状の複合材１１が得られる。尚、斯る複合材１１
は、図４に示すように炭素短繊維１３をチタン酸カリウ
ムウィスカー１４が囲み、かつアルミニウム合金材（母
地）１２が含浸されているのがよく分かる。

【００３０】前記加圧鋳造の条件は下記の通りであっ
た。

【００３１】注湯温度… ７８０ ℃ 加圧力… ５７７ kｇ・ｆ／cm² 金型予熱温度… ３００ ℃ 加圧時間… ８分尚、一般に炭素短繊維１３は金属との濡れ性が悪いが、
加圧鋳造法により両者を十分に接触させることができ、
かつ短時間に加圧鋳造強凝固するのでアルミニウムと炭
素との化合物を生成することがなく、材質が著しく脆く
なるようなことがない。加圧力としては３００kg・ｆ／
cm²以上であることが望ましい。

【００３２】そして、前記複合材１１をピストン本体１
に一体に鋳ぐるむには、金型鋳造法によって行う。この
方法を簡単に説明すれば、まず、予め前記複合材１１を
所定温度で予備加熱する。次に、この複合材１１を、所
定の温度に加熱された金型のキャビティ内に装着する。
続いて、型締め後に保持炉から取り出した溶湯を金型の
キャビティ内に注湯する。そして冷却後、離型を行えば
図１及び図２に示すようなピストン本体１の上部外周に
形成されるトップリング溝４の内周壁が複合材１１で形
成したピストンが得られる。

【００３３】ここで、前記鋳ぐるみ条件の一例を示せ
ば、複合材１１の予熱温度は６７３Ｋ，ピストン本体１
の注湯温度は９９３Ｋ，鋳型温度は４７３Ｋ，複合材１
１の化成処理はパーカライジング（株）のパルコール３
７５６の溶液を３１３Ｋに加熱し、６０秒間浸漬する。

【００３４】ここで、複合材１１にあらかじめ化成処理
を施す理由は、アルミニウム系材料の場合には、表面に
緻密な酸化膜が強固に形成されているため、溶湯との接
触界面は十分に溶着することができず、そのため溶湯に
よって形成されるピストン本体１のアルミニウム層部分
と、アルミニウム合金の複合材１１との接合が不十分に
なる。また、溶湯の加熱度を上げたり、また複合材１１
を十分に予熱した場合などには溶着する現象が認められ
るが、その条件範囲は極めて狭く、均一に接着すること
がむずかしいのが実情である。

【００３５】特に、複合材１１を予熱することにより酸
化膜が厚くなり、接着が増々困難になる惧れがある。

【００３６】そこで、前記のように予め化成処理を行う
と、予熱により化成処理層は酸化するが、複合材１１の
アルミニウム合金材１２までは酸化されず、上述の化成
処理層の酸化物もピストン本体１のアルミニウム合金の
溶湯により容易に除去される為、ピストン本体１のアル
ミニウム合金と複合材１１のアルミニウム合金材１２と
を高い接合強度で接着させることが可能となる。

【００３７】また、前記ピストンを製造する方法として
は、前述の加圧しない金型鋳造法の他に直接加圧法があ
る。

【００３８】即ち、前述の炭素短繊維１３とチタン酸カ
リウムウィスカー１４とを複合したプリフォーム体１５
を、前述のように予めアルミニウム合金材１２と複合化
させることなく、予備加熱後にそのまま金型のキャビテ
ィ内に装着する。その後、金型キャビティ内に、保持炉
から取り出されたアルミニウム合金の溶湯を速やかに注
湯する。

【００３９】続いて、加圧パンチである中子型を下降さ
せて製品キャビティを密閉する。続いて、溶湯を加圧
し、プリフォーム体１５の内部にアルミニウム合金溶湯
を含浸させる。さらに、設定圧力まで加圧し、溶湯が完
全に凝固するまで保持する。離型後、製品を取り出せ
ば、プリフォーム体１５とピストン本体１のアルミニウ
ム合金が一体に結合されたピストンが得られる。

【００４０】このような直接加圧法によれば、加圧効果
をプリフォーム体１５を含めたピストンの各部位にスピ
ーディに伝播させることができるため、アルミニウム合
金とプリフォーム体１５との凝着性が向上する。

【００４１】以下、前述のような工程で成形された複合
材１１の耐摩耗性と耐凝着性及び機械加工性についての
特性変化を実験した結果を述べる。

【００４２】まず、マトリックスのアルミニウム合金の
成分を表１に示す。この実験においては、加圧鋳造法で
製作した試料を用いた。体積率が各々３０，４０，５
０，６０の中でチタン酸カリウムウィスカーを、炭素短
繊維に対して０〜１００％変化させた成形体を用いた。

【００４３】

【表１】

【００４４】そして、耐摩耗性の評価方法は、図６に示
す装置を用いて行った。即ち、図外のモータで回転する
回転台２１上にピストンリング７を固定して、この上部
にヒータ２２の下端に固定されたテストピース２３を押
し付けて摩耗させる。このテストピース２３は、ピスト
ン本体１のトップリング溝４から切り出した複合材１１
である。この方法における温度，潤滑状態等の試験条件
は実際のエンジンのピストンと相関性のあるものとし
た。評価は、試験後の摩耗深さで行った。このテスト結
果を図７に示す。

【００４５】この結果からも明らかなように、炭素短繊
維１３に占めるチタン酸カリウムウィスカー１４の割合
が２０〜５０％の場合には、耐摩耗性が最も高くなって
いる。

【００４６】尚、ＡＣ８Ａやニレジスト鋳鉄を同様に試
験すると、比摩耗量は各々９０μｍ，１μｍとなり、本
複合材１１で十分に代替えできることが明らかである。
本複合材１１の特徴は炭素短繊維１３とチタン酸カリウ
ムウィスカー１４の混合量に最適摩耗特性範囲があるこ
とで、単独の繊維では得られない特性になる。

【００４７】これにより、炭素短繊維１３に対して、チ
タン酸カリウムウィスカー１４を２０％以上含有させれ
ば、どの繊維体積においても良好な耐摩耗性の得られる
ことがわかる。このことからもチタン酸カリウムウィス
カー１４の炭素短繊維１３に占める量は２０〜５０％が
良好であるとわかる。また、炭素短繊維１３も４０％以
上あれば良いことがわかる。

【００４８】また、耐凝着性の評価方法は、図８に示す
装置を用いて行い、ピストン本体１のトップリング溝４
下面にピストンリング７を押し当てて、アクチュエータ
２４，２５を介して矢印一方向にのみ摺動させる加速試
験法によった。評価は、凝着発生の有無で行った。その
結果を図９に示す。これより、複合材１１に対して炭素
短繊維１３が３０％以上含まれていれば耐凝着性が良い
ことがわかる。

【００４９】尚、前記複合材１１等をトップリング溝４
ばかりかセカンドリング溝等に適用することも可能であ
る。

【００５０】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、請求項１
の発明によれば、複合材内の炭素短繊維及びチタン酸カ
リウムウィスカーとの混合によってピストンリングに対
するリング溝内周面の耐摩耗性と耐凝着性が向上する。
特に、複合材に対する炭素短繊維の特定の配合割合によ
って、炭素短繊維の自己潤滑性によりピストンリングと
リング溝の内周壁との耐凝着性が一段と向上する。

【００５１】更には、ピストン全体の重量がアルミニウ
ム合金単体の場合よりも軽量化となる。

【００５２】請求項２の発明によれば、複合材の材料上
の点から鋳造によって成形できると共に、複合材をピス
トン本体に単に鋳ぐるむだけであるから、その製造作業
能率の向上と製造コストの低廉化が図れる。

【００５３】請求項３の発明によれば、炭素短繊維とチ
タン酸カリウムウィスカーとの成形体を、直接ピストン
本体を構成するアルミニウム合金溶湯を含浸させて一体
成形するようにしたため、ピストンの製造作業能率がさ
らに向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示すピストンの要部断面図。

【図２】本実施例のピストンの縦断面図。

【図３】本実施例に供される複合材の成形体を一部破断
して示す斜視図。

【図４】本実施例の複合材の組織を示す拡大図。

【図５】図５Ａ〜Ｃは複合材の製造工程を示す縦断面
図。

【図６】耐摩耗性のテスト装置を示す説明図。

【図７】摩耗量のテスト結果を示すグラフ。

【図８】耐凝着性のテスト装置を示す説明図。

【図９】耐凝着性のテスト結果を示すグラフ。

【符号の説明】１…ピストン本体２…冠部３…リクグランド部４…トップリング溝７…トップリング１１…複合材１２…アルミニウム合金１３…炭素短繊維１４…チタン酸カリウムウィスカー。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者友野裕大阪府大阪市此花区西九条５丁目３番28号日立造船株式会社内 (72)発明者小竹誠一大阪府大阪市此花区西九条５丁目３番28号日立造船株式会社内 (72)発明者堀田隆一大阪府大阪市此花区西九条５丁目３番28号日立造船株式会社内 (72)発明者藤田順一大阪府大阪市中央区平野町４丁目１番２号大阪ガス株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウム合金材からなるピストン本
体の外周に複数のピストンリング溝を形成すると共に、
該ピストンリング溝の少なくともトップリング溝の内周
壁を、アルミニウム合金材に炭素短繊維及びチタン酸カ
リウムウィスカーを複合化した複合材で形成してなる内
燃機関のピストンであって、前記炭素短繊維を前記複合材全体に対して３０〜６０％
（体積パーセント）の割合で配合すると共に、前記炭素
短繊維とチタン酸カリウムウィスカーとの合計量を複合
材全体の６０％（体積パーセント）以下に設定したこと
を特徴とする内燃機関のピストン。
【請求項２】前記複合材を予め円環状に形成し、該円
環状の複合材を、前記ピストン本体の成形時に鋳ぐるん
で該ピストン本体と一体成形したことを特徴とする内燃
機関のピストンの製造方法。
【請求項３】前記炭素短繊維とチタン酸カリウムウィ
スカーとからなる円環状の成形体を予め成形し、該成形
体を、前記ピストン本体の成形時に溶湯アルミニウム合
金材に含浸させて該ピストン本体と一体成形したことを
特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。