JPH0747986B2 - 強化ピストン及びその製造方法 - Google Patents

強化ピストン及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、スクイズキャスティング法で金属から製造さ
れかつ少なくとも一部分繊維から成る強化部を有する、
エンジン又はコンプレッサ用ピストンス及びその製造方
法に関する。
［従来の技術］ このようなピストンをアルミニウム、アルミニウム合金
又はマグネシウム合金のような軽金属から製造すること
は公知である。この製造方法は、ピストンの重量及び慣
性が減少するという利点を有する。しかしながら、これ
らの金属の多くのものは運転中に遭遇する条件に迅速に
抵抗することができない。例えば、ディーゼルエンジン
においては、ピストンのクラウンが曝される温度は、こ
のような軽重量材料を亀裂させるのに十分な高さになる
ことがある。また、クラウンは燃焼ガスによって腐食せ
しめられる。更に、このようなピストンにおいて一般に
ピストンリング溝内に支持された鉄製ピストンリングは
ピストンリング溝を摩耗しやすい。また、摩耗はこのよ
うなピストンピン孔で起こることがあり、かつアルミニ
ウム及びアルミニウム合金の強度は膨張スロットのよう
な別の領域で生じる運転負荷に耐えるには不十分であ
る。
この理由から、軽金属ピストンの種々の領域を上記のよ
うな有害な条件に十分に耐えることができるように強化
する手段が種々に提案された。
溶融ピストン金属を型に入れ、次いで高圧下に固化させ
ることよりなるスクイズキャスティング法によってピス
トンを製造する際には、均質な材料内に配置された繊
維、例えば酸化アルミニウムの繊維からなる強化部が使
用された。このような強化部は鋳造前に型内に配置され
かつ固化中に加えられる圧力が溶融金属を繊維によって
形成された空隙に圧入する、そうして固化の過程で強化
部はピストン内に配合される。この際使用されるスクイ
ズキャスティング法の利点は、原理的には、該方法は気
孔の少ない、ひいては重力ダイキャスティング法に比較
してより強度の高い鋳造物を製造できることにある。
［発明が解決しようとする課題］ ピストンの種々異なった領域は異なった強化を必要とす
ることが１つの問題である。例えば、ピストンリング底
領域は摩耗に対する強化を必要とするが、一方クラウン
は高められた温度作用及びガス腐食作用に対する強化を
必要とする。
［課題を解決するための手段］ 前記課題は、本発明により解決される。
本発明の第１番目の発明によれば、スクイズキャスティ
ング法で金属から製造されかつ少なくとも一部分が繊維
から成る強化部を有する、エンジン又はコンプレッサ用
ピストンが提供され、該強化ピストンは、前記強化部が
0.025μｍ〜1.0μｍの寸法の粒状物質を含有する１つ以
上の領域を有し、前記粒状物質はピストン金属と結合
し、それにより鋳造ピストンにおける前記１つ以上の領
域の、前記粒状物質と前記繊維とにより付与された特性
が該領域の外部に存在する繊維によって付与される特性
とは異なっていることを特徴とする。
第２番目の発明によれば、強化部を型内に入れ、該型に
溶融金属を充填し、次いで溶融金属が強化部中に浸透す
るように加圧下に溶融金属を固化させることによりエン
ジン又はコンプレッサ用ピストンを製造する方法が提供
され、該方法は、繊維強化部の形成工程が、繊維強化部
の１つ以上の領域に0.025〜1.0μｍの寸法を有する粒状
物質を埋め込む工程を含み、その際溶融金属は固化しな
がら強化部に浸透しかつ微細分された物質と結合し、そ
れにより鋳造ピストン内に、前記１つ以上の領域の、前
記粒状物質と前記繊維とにより付与された特性が該領域
の外部に存在する繊維によって付与される特性とは異な
ることを特徴とする。
本発明の有利な実施態様は、特許請求の範囲第２及び３
項並びに第５〜７項に記載されている。
［実施例］ 次に、図示の実施例につき本発明を詳細に説明する。
第１図によれば、ピストン（これはディーゼルエンジン
用のピストンであってもよい）は、以下の方法で製造さ
れる。まず、全体的に円筒状の強化部20を繊維から製造
する。該繊維は以下に挙げるものの任意の適当な組成物
からなっていてもよい： 商 品 名 組 成 サッフィル（Saffil） Al2O3 ニカロン （Nicalon） SiC（Ｗベース） シラグ （Silag Inc.） SiC（ホイスカ） グラフィル（Grafil） Ｃ（繊維） Ｅガラス （E-Glass） SiO2CAOAl2O3B2O3 ニトリシル（Nitrisil） Si3N4（ホイスカ） St.スチール（St.Steel） Fe18％CR8％Ni2.5％Mo カオウール（Kaowool） Al2O3SiO2 強化部20を、英国特許出願番号第83.08174号に記載され
たような、クラウン降下式スクイズ・キャスティング装
置に配置する。この際、繊維は該強化部全体にわたり一
般に一様な容量％を有する。この容量％は１〜25％の任
意の適当なパーセンテージであってよいが、15〜20％の
範囲にあるのが有利である。該繊維は長さ及び幅及び十
分な厚さを有する厚いワッドの形、又は長さ及び幅、但
し僅かな厚さを有する薄いシートの形であってよい。
この型にアルミニウム又はアルミニウム合金のような溶
融軽量金属を注入し、次いで型を閉じかつ金属を例えば
40トン程度の十分な圧力下に固化させる。この圧力は溶
融金属を、強化部20内の繊維間に存在する空隙内に侵入
させる。圧力の大きさに基づき、金属は困難なく外側周
辺領域と中央領域の両者に浸透する。金属が固化した後
に、ピストン鋳造物を型から取り出しかつ次いで仕上げ
加工する。
該仕上げ加工は、ピストンのクラウンを包囲する１つ、
２つ又はそれ以上のリング状溝を形成するために材料を
切除することよりなる。更に、ピストン内に燃焼室を加
工することもできる。その他のピストン特徴（図示せ
ず）を付加することもできかつ一般的仕上げ加工を実施
することができる。
この実施例においては本発明に基づき、強化部の外側周
辺領域は、ピストン材料と組合わされて該領域内に形成
されたピストンリング溝内のピストンの特性を改善す
る、微細物質を含有する。ピストンリングにおける主要
な問題点は摩耗であるので、適当な材料はピストン材料
の耐摩耗性を向上させるもの、例えば珪素、酸化アルミ
ニウム、酸化珪素、二酸化ジルコニウム及び黒鉛であ
る。更に、ピストン材料の剛性を部分的に向上させる物
質が分散されていてもよく、これらの物質は酸化アルミ
ニウム、炭化珪素、窒化珪素、炭化タングステン、炭化
チタン、ムライト、炭化ホウ素又はその他の、鉱物粉末
のような比較的硬い粒子物質を包含することができる。
この領域内に配合された微細物質の量は、所望の特性を
有するピストン材料の合金を製造するための一般的合金
技術との関連で決定される。粒状物質の寸法は、0.025
〜1.0μｍであってよい。
例えばピストン材料がLo-Exとして知られたアルミニウ
ム合金の場合には、既に合金内に存在する珪素と組合わ
されて、過共晶合金が形成されるように配合すべきであ
る。この場合には、珪素含有率はピストンリング溝を形
成する材料に対して15〜35重量％（1.25〜7.25容量％）
を成す程度であってよい。
Lo-Exピストンリング材料に炭化珪素を添加する場合に
は、炭化珪素粒子の寸法は分散硬化が起こり得ないよう
に規制すべきである。
微細物質は、粒子、粉末又は粗粒の形で配合することが
できる。
黒鉛を使用する場合には、アルミニウム合金が既に黒鉛
をぬらす（wetting）ことができずかつ繊維内の黒鉛の
分散もアルミニウム合金が繊維をぬらすのを妨害すると
いう問題点が生じる。不十分なぬらしは鋳造時のアルミ
ニウム合金との完全な結合の形成を阻止する。この問題
点を克服するために黒鉛は繊維に配合する前に、ニッケ
ルカルボニルを黒鉛粒子上で分解させるか又は黒鉛上へ
の無電流析出によってニッケルコーティングすることが
できる。コーティングした黒鉛を繊維と混合しかつ強化
材を形成する。
その他の若干の、強化部の適当な組成を以下の第１表に
示す： 選択的に、第２図に示すように、強化部20は別々に形成
された２つの部分強化部20a,20bによりなっていてもよ
い。この場合、第１の部分強化部20aは長さ及び幅、但
し僅かな厚さを有するワッシャの形状である。これは前
記の第３図に関して説明した強化部20の中央領域と同じ
材料から構成されている。第２の部分強化部20bは短い
円筒体の形状であり、かつ第１の部分強化部20aの繊維
と同じか又は異なっていてもよい繊維から前記と同じ方
法で製造されている。この第２の部分強化部20bも、第
３の強化部20の外側周辺領域のために適当である前記し
た粒状物質又は粒状物質の組み合わせの任意のものを含
有する。
第１図又は第２図に関して前記した強化部20は、２つの
いずれか一方の部分が、ピストン鋳造物にスクイズキャ
ストされている。溶融ピストン材料が加圧下に強化材に
浸透するので、該材料は強化部中に保持された物質と接
触しかつそれと結合して変性された特性の材料領域を形
成する。例えば珪素の場合には、炭化珪素で粒状炭化珪
素の分散体を含有するLo-Exのマトリックスが形成され
るので、形成過共晶合金が形成される。鋳造後、ピスト
ンリング溝13は、他の仕上げ工程が実施される間に強化
された領域内に加工される。
第３図の顕微鏡写真は、サッフィルファイバ10容量％及
び粒状珪素10重量％によって強化されたアルミニウム合
金を示す。そらから明らかであるように、強化材は合金
全体にわたって均一に分散され、均一な特性を付与す
る。
従って、第１図〜第３図に関して前記した方法により、
繊維がピストンのクラウンを全体的に強化し、一方ピス
トンリング溝が細分されかつ良好に分散された粒状物質
の存在に基づき特に高い耐摩耗性を有するピストンが製
造される。
コーティングした黒鉛を使用する場合には、ニッケルコ
ーティングはアルミニウム合金内に溶解又は部分的に溶
解される。従って、アルミニウム合金内に十分に結合さ
れかつ繊維の存在に基づき優れた耐摩耗性を有し、かつ
同時に黒鉛に基づき適当な滑性を有する組成物が得られ
る。従って、両者の材料の利点が達成される。
次に、第５図につき説明すれば、該図面から、強化部30
は第１図に関して前記した方法で製造された、繊維の容
積密度を増大した中央領域31と、第２図に関して前記し
たように、粒状物質を保持する外側周辺領域32との両者
を有する。この強化部30は第１図及び第２図に関して前
記したと同じピストン鋳造物内に組み込まれ、かつクラ
ウンと、既述のように高密度の繊維によって強化された
燃焼室33と、粒状物質によって強化されたピストンリン
グ溝13とを有するピストンを形成する。
繊維密度の変更及び／又は微細物質の配合をピストンの
他の領域に適用しかつピストンにおいて他の改良された
特性を得るために粒状物質を変更することができること
は自明である。例えば、第５図に示すように、ピストン
のスカート表面及びピストンに設けられたピストンピン
孔43の内側表面の摩耗特性を改善する微細物質42を保持
する強化部40を製造することもできる。該繊維強化部は
第１及び２図に関して記載したようにして製造すること
ができ、かつ微細物質は任意の適当な低い摩擦材料、例
えば二硫化モリブデン、二硫化タングステン又は黒鉛か
らなっていてもよい。これらは作動する際にスカート表
面と係合シリンダ又はライナとの間の摩擦力を低下させ
かつまたピストンピン孔43と係合ピストンピンとの間の
摩擦力を低下させる。
スカートを強化し、ピストンピン孔を強化しないか、又
はその反対であってもよい。
【図面の簡単な説明】
第１図は、ピストンリング溝がクラウンとは異なって形
式で強化されたピストンの第１実施例の断面図、第２図
は２つの部分強化部によって強化されたピストンの第２
実施例の、第１図に相応する断面図、第３図は上方区分
が酸化アルミニウム繊維及び粒状珪素で強化されたアル
ミニウム合金の顕微鏡写真を示す図、第４図はクラウン
及びピストンリング溝がそれぞれ異なった強化部を有す
るピストンの第３実施例の、第１及び２図に相応する断
面図、及び第５図はピストンのスカート部分のピストン
ピンの、第1,2及び３図に相応する断面図である。 20,30,40……強化部
フロントページの続き (72)発明者 ノーマン・トミス イギリス国ウエスト・ヨークシヤー・ブラ ツドフオード・アラートン・マンスクー ム・ロード 11 (72)発明者 アンドリユー・ロバート・ベイカー イギリス国ウオーウイツクシヤー・ノー ス・ラグビー・ストレツトン―オン―ダン スモア・ラグビー・レイン ６ (56)参考文献 特開 昭58−93948（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−141703（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−13227（ＪＰ，Ａ)

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】スクイズキャスティング法で金属から製造
    されかつ少なくとも一部分が繊維から成る強化部を有す
    る、エンジン又はコンプレッサ用ピストンにおいて、前
    記強化部（20;30;40）が0.025μｍ〜1.0μｍの寸法の粒
    状物質を含有する１つ以上の領域を有し、前記粒状物質
    はピストン金属と結合し、それにより鋳造ピストンにお
    ける前記１つ以上の領域の、前記粒状物質と前記繊維と
    により付与された特性が該領域の外部に存在する繊維に
    よって付与される特性とは異なっていることを特徴とす
    る、強化ピストン。
  2. 【請求項２】第１の特性が高容量％の繊維を含有するピ
    ストンの１つ以上の領域に付与され、かつ第２の特性が
    低容量％の繊維を含有するピストンの１つ以上の領域に
    付与されるように、繊維の容量％に変更により、強化部
    の不均一性が構成されている、特許請求の範囲第１項記
    載のピストン。
  3. 【請求項３】ピストンがクラウン及びピストンリング溝
    を有し、かつ強化部がクラウンとピストンリング溝の両
    者を強化し、強化部がクラウン及び／又はピストンリン
    グ溝の特性を改善するために粒状物質を含有する、特許
    請求の範囲第１項又は第２項記載のピストン。
  4. 【請求項４】繊維からなる強化部を形成し、該強化部を
    型内に入れ、該型に溶融金属を充填し、次いで溶融金属
    が強化部中に浸透するように加圧下に溶融金属を固化さ
    せることにより、エンジン又はコンプレッサ用ピストン
    を製造する方法において、繊維強化部（20;30;40）の形
    成工程が、繊維強化部の１つ以上の領域に0.025〜1.0μ
    ｍの寸法を有する粒状物質を埋め込む工程を含み、その
    際溶融金属は固化しながら強化部に浸透しかつ微細分さ
    れた物質と結合し、それにより鋳造ピストン内に、前記
    １つ以上の領域の、前記粒状物質と前記繊維とにより付
    与された特性が該領域の外部に存在する繊維によって付
    与される特性とは異なることを特徴とする、強化ピスト
    ンの製造方法。
  5. 【請求項５】第１の特性が高容量％の繊維を含有するピ
    ストンの１つ以上の領域に付与され、かつ第２の特性が
    低容量％の繊維を含有するピストンの１つ以上の領域に
    付与されるように、繊維の容量％を変更することによ
    り、強化部の付加的な不均一性を生ぜしめる、特許請求
    の範囲第４項記載の製造方法。
  6. 【請求項６】第１と第２の特性を異なった繊維によって
    生ぜしめる、特許請求の範囲第５項記載の製造方法。
  7. 【請求項７】粒状物質が、ピストン材料と合金を形成す
    る物質である、特許請求の範囲第４項から第６項までの
    いずれか１項記載の方法。
JP59224300A 1983-10-26 1984-10-26 強化ピストン及びその製造方法 Expired - Lifetime JPH0747986B2 (ja)

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GB838328576A GB8328576D0 (en) 1983-10-26 1983-10-26 Reinforcement of pistons for ic engines
GB8328576 1983-10-26

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