JPH08151954A - Piston for internal combustion engine and manufacture thereof - Google Patents

Piston for internal combustion engine and manufacture thereof

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JPH08151954A
JPH08151954A JP24564595A JP24564595A JPH08151954A JP H08151954 A JPH08151954 A JP H08151954A JP 24564595 A JP24564595 A JP 24564595A JP 24564595 A JP24564595 A JP 24564595A JP H08151954 A JPH08151954 A JP H08151954A
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Japan
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piston
ring
wear
aluminum alloy
particles
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Application number
JP24564595A
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Japanese (ja)
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Masato Sasaki
正登 佐々木
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Hitachi Unisia Automotive Ltd
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Unisia Jecs Corp
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00Metals
    • F05C2201/02Light metals
    • F05C2201/021Aluminium

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  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Abstract

PURPOSE: To satisfy wear resistance and adhesion resistance, while ensuring reducing a cost of manufacture and lightening weight of a piston, also to attain improving connecting strength of a connection boundary surface between a piston main unit and a wear resisting ring. CONSTITUTION: Three piston ring grooves are formed in a ring land part 3 of a piston main unit 1 made of an aluminum alloy. A wear resisting ring 11 of aluminum alloy material, containing a grain of silicon carbide SiC, is internally chilled in a top ring groove 4 of a piston ring groove 4. A connection boundary surface 20 between upper/lower surfaces of the wear resisting ring 11 and an internal surface of the top ring groove 4 is remelting connected by applying irradiation of an electron beam of high energy density.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術】本発明は、自動車等の内燃機関の
ピストンの改良に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to improvement of a piston of an internal combustion engine such as an automobile.

【0002】[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
合金で形成しており、また、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。さらに、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。
2. Description of the Related Art As is well known, in recent years, pistons for internal combustion engines for automobiles are formed of aluminum alloy instead of cast iron in order to reduce weight in response to demand for higher output and higher performance. Further, a plurality of piston ring grooves into which the piston rings are mounted are formed on the outer peripheral surface facing the inner wall surface of the cylinder bore. Furthermore, of these piston ring grooves, the top ring groove closest to the combustion chamber is
In particular, the piston ring (top ring) is exposed to high temperatures and is directly subjected to combustion pressure, so that the piston ring (top ring) is severely worn. Therefore, aluminum adhesion easily occurs between the top ring groove and the top ring.

【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」,特開平2−12
5952号)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
の改良技術が提案されている。
Therefore, various techniques for preventing such aluminum adhesion have been developed. For example, (1) a method in which an inorganic fiber aggregate is compounded on the surface portion of the top ring groove to strengthen it (JP-A-59-59). (201953), and (2) In-
Application of hybrid MMC (metal matrix composite material) by Situ process to piston (Automotive Technology 198)
9-5. No. 891056), and (3) a porous nickel body is compounded on the surface portion of the top ring groove to strengthen it (Japanese Patent Publication No. 3-30708). Also, (4)
The surface portion of the top ring groove is strengthened by an alumite treatment layer (JP-A-1-190951), or (5) an alloy layer is formed on the surface portion of the top ring groove by melting and diffusing copper or the like with an electron beam. Things (Mitsubishi Motors 19
88, NO1 "Technical Review", Japanese Patent Laid-Open No. 2-12
No. 5952), and further, (6) many improved techniques have been proposed, such as a method in which Niresist cast iron is subjected to Alfin treatment in the top ring groove portion and cast around an aluminum alloy to form a ring support member.

【0004】[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、以下のような欠点がある。即ち、(1),
(2),(3)の従来例にあっては、無機繊維材等の材
料上の点からその成形法として高圧凝固法を用いなけれ
ばならない。したがって、製造コストの上昇が余儀なく
されるばかりか、ピストンの形状が制約されてしまう。
However, each of the conventional examples described above has the following drawbacks. That is, (1),
In the conventional examples of (2) and (3), the high pressure solidification method must be used as the forming method in view of the material such as the inorganic fiber material. Therefore, not only is the manufacturing cost increased, but the shape of the piston is restricted.

【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。
Further, in the conventional example of (4), the alumite treatment layer improves the adhesion resistance to the piston ring, but the abrasion resistance becomes insufficient. Further, in the conventional example of (5), on the contrary, the adhesion resistance may be insufficient.

【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。 さらに、他の従来例として特開平2ー1011
41号に記載された発明のように、アルニミウム合金
を、Si,Cu,Mg,Fe,Mnを夫々所定の重量%
を割合で配合し、このマトリックスにAl23等の一種
の粒子を分散させて高強度のアルニミウム合金を成形す
るものも提供されているが、この材料を高いエネルギー
密度の熱源により再溶融させると、該再溶融部の接合の
際に、再溶融部にブローホールが発生するおそれがあ
る。なぜならば、粉末粒子間に不可避の空気が存在して
最終加工まで残留してしまう可能性があるからである。
Further, the conventional example of (6) is the technology that has been used for the longest time, and although it is possible to secure wear resistance and adhesion resistance, since it is made of cast iron, the weight must be increased. . Further, as another conventional example, Japanese Patent Laid-Open No. 2-1011
No. 41, the aluminum alloy contains Si, Cu, Mg, Fe, and Mn in predetermined weight percentages, respectively.
Is also provided to form a high-strength aluminum alloy by dispersing one kind of particles such as Al 2 O 3 in this matrix, but this material is remelted by a heat source with high energy density. Then, a blowhole may be generated in the remelted portion when the remelted portion is joined. This is because there is a possibility that unavoidable air exists between the powder particles and remains until the final processing.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は、前述の各従来
例における実情に鑑みて案出されたもので、請求項1の
発明は、アルミニウム合金製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が形成されてなる内燃機関
のピストンにおいて、前記ピストンリング溝の少なくと
もトップリング溝内に、炭化珪素の粒子を含有したアル
ミニウム合金材の耐摩環を鋳ぐるむと共に、少なくとも
前記耐摩環の上下面とトップリング溝の内面との接合境
界面を、高エネルギー密度の熱源により再溶融接合した
ことを特徴としている。
The present invention has been devised in view of the actual situation in each of the above-mentioned conventional examples, and the invention of claim 1 is such that a plurality of pistons are provided on the outer periphery of a piston body made of an aluminum alloy. In a piston of an internal combustion engine in which a ring groove is formed, at least a top ring groove of the piston ring groove is surrounded by a wear ring of an aluminum alloy material containing particles of silicon carbide, and at least on the wear ring. It is characterized in that the joining boundary surface between the lower surface and the inner surface of the top ring groove is remelted and joined by a heat source having a high energy density.

【0008】請求項2の発明は、アルミニウム合金製か
らなるピストン本体の外周に形成された複数のピストン
リング溝に耐摩環を固定する内燃機関のピストンの製造
方法において、前記耐摩環を炭化珪素の粒子を含有した
アルミニウム合金材で予め成形すると共に、前記ピスト
ン本体の成形時に、前記ピストンリング溝の少なくとも
トップリング溝内に前記耐摩環を鋳ぐるみ、その後、少
なくとも耐摩環の上下面とトップリング溝の内面との接
合面を、高エネルギー密度の熱源により再溶融して冷却
接合したことを特徴としている。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a piston for an internal combustion engine, wherein the wear ring is fixed to a plurality of piston ring grooves formed on the outer circumference of a piston body made of an aluminum alloy. While preforming with an aluminum alloy material containing particles, at the time of forming the piston body, the wear ring is cast into at least the top ring groove of the piston ring groove, and then at least the upper and lower surfaces of the wear ring and the top ring groove. It is characterized in that the joint surface with the inner surface of is re-melted by a heat source of high energy density and cooled and joined.

【0009】請求項3の発明は、アルミニウム合金製か
らなるピストン本体の外周に複数のピストンリング溝が
形成されてなる内燃機関のピストンにおいて、前記ピス
トンリング溝の少なくともトップリング溝内に、炭化珪
素の粒子を含有し、かつピストン本体の母材よりも高濃
度の合金元素を含むアルミニウム合金材の耐摩環を鋳ぐ
るむと共に、該耐摩環の上下面とトップリング溝の内面
との接合境界面及び耐摩環全体を、高エネルギー密度の
熱源により再溶融し、この再溶融部のアルミニウム合金
を、7.0重量%≦Si≦28.0重量%、10.0重量
%≦Cu≦23.0重量%、0.3重量%≦Mg≦ 3.
5重量%、0.5重量%≦Mn≦ 2.9重量%、及び不
可避不純物を含むアルミニウム合金マトリックスに、A
23粒子,Sic粒子,Si34粒子,ZrO2
子,SiO2粒子,TiO2粒子及び金属Si粒子から選
択される少なくとも一種の硬質粒子を、前記アルミニウ
ム合金マトリックスに対して0.5重量%以上、15.0
重量%以下分散させたことを特徴としている。
According to a third aspect of the present invention, in a piston of an internal combustion engine in which a plurality of piston ring grooves are formed on the outer circumference of a piston body made of an aluminum alloy, silicon carbide is provided in at least the top ring groove of the piston ring groove. The wear-resistant ring of the aluminum alloy material containing the above-mentioned particles and containing a higher concentration of alloying elements than the base material of the piston body, and the joining boundary surface between the upper and lower surfaces of the wear-resistant ring and the inner surface of the top ring groove. And the entire wear ring are remelted by a high energy density heat source, and the aluminum alloy in the remelted portion is 7.0 wt% ≤ Si ≤ 28.0 wt%, 10.0 wt% ≤ Cu ≤ 23.0. % By weight, 0.3% by weight ≦ Mg ≦ 3.
5% by weight, 0.5% by weight ≦ Mn ≦ 2.9% by weight, and an aluminum alloy matrix containing inevitable impurities, A
l 2 O 3 particles, 0 to Sic particles, Si 3 N 4 particles, ZrO 2 particles, SiO 2 particles, at least one of the hard particles are selected from TiO 2 particles and metallic Si particles, relative to the aluminum alloy matrix. 5% by weight or more, 15.0
It is characterized in that it is dispersed by less than or equal to wt%.

【0010】[0010]

【作用】前記構成の請求項1及び2の発明によれば、耐
摩環自体は、材料上の点から鋳造等によって成形できる
と共に、該耐摩環を単にピストン成形時に鋳ぐるむだけ
であるため、その製造コストの低廉化が図れる。また、
前記耐摩耗環内のSiC粒子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、耐凝着性も向上す
る。
According to the inventions of claims 1 and 2 having the above-mentioned structure, the wear resistant ring itself can be formed by casting or the like from the point of view of the material, and the wear resistant ring is simply encircled at the time of piston molding. The manufacturing cost can be reduced. Also,
The SiC particles in the wear ring improve wear resistance to the piston ring and also improve adhesion resistance.

【0011】しかも、ピストンリング溝の内面と耐摩環
の少なくとも上下面との接合境界面を、例えば電子ビー
ムを照射して再溶融し、その後冷却接合するようにした
ため、再溶融による均質な合金層が形成されて該両者の
境界面の接合強度を著しく高くすることができる。
Moreover, since the joining boundary surface between the inner surface of the piston ring groove and at least the upper and lower surfaces of the wear ring is re-melted by, for example, irradiating with an electron beam and then cooled and joined, a homogeneous alloy layer by re-melting is formed. Is formed, and the bonding strength at the interface between the two can be significantly increased.

【0012】請求項3の発明によれば、溶融後の再溶融
部の合金成分を最適に調整することにより合金濃度の低
下を防止して、耐摩耗性,耐凝着性等の向上を図ること
ができる。
According to the third aspect of the present invention, the alloy component of the remelted portion after melting is optimally adjusted to prevent a decrease in alloy concentration and to improve wear resistance and adhesion resistance. be able to.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づいて詳述する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

【0014】図1〜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
金製(JISAC8A−T6)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。
1 and 2 are sectional views of a piston according to the present invention, in which the piston body 1 is made of aluminum alloy (JIS AC8A-T6) and is formed into a substantially cylindrical shape.
The crown portion 2 facing the combustion chamber, the three piston ring grooves 4, 5, 6 formed on the outer peripheral surface of the ring land portion 3 provided at the lower portion of the crown portion 2, the respective top, second and oil ring grooves 4 1 to 6, piston rings 7, 8 and 9 are fitted, and a skirt portion 10 below each of the ring grooves 4 to 6 is provided.

【0015】前記トップリング溝4は、冠部2の頂面2
aから9mm離れた位置を中心に、幅4mm,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
で成形された耐摩環11によって形成されている。
The top ring groove 4 is formed on the top surface 2 of the crown portion 2.
A width of 4 mm and a depth of 8 mm are formed centering on a position 9 mm away from a, and only this surface portion is formed by a wear resistant ring 11 formed by a molding method described later.

【0016】この耐摩環11は、炭化珪素(SiC)の
粒子を含有したアルミニウム合金で構成され、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。
The wear resistant ring 11 is made of an aluminum alloy containing particles of silicon carbide (SiC), and is cast to form a surface portion of the top ring groove 4 in the piston body 1.

【0017】以下、前記耐摩環11の具体的な製造方法
について説明する。即ち、まず、最大径で数μmから数
十μmのSiC粒子を10〜20%含有したアルミニウ
ム合金鋳造インゴットを、アルゴンガス等の不活性雰囲
気中で溶解し、993Kに保持した後、機械撹拌を行い
SiC粒子をアルミニウム合金材内に均一に分散させ
る。
Hereinafter, a specific method for manufacturing the wear resistant ring 11 will be described. That is, first, an aluminum alloy cast ingot containing 10 to 20% of SiC particles having a maximum diameter of several μm to several tens of μm was melted in an inert atmosphere such as argon gas and held at 993K, followed by mechanical stirring. The SiC particles are uniformly dispersed in the aluminum alloy material.

【0018】その後、図3に示す下鋳型12内に、Si
C粒子を含有したアルミニウム合金溶湯13を注入して
上鋳型14で圧力を加えて凝固させる。次に、冷却後、
下鋳型12内から耐摩環11の粗形材を取り出した後、
押し湯を切断し、必要に応じて機械加工を行えば、耐摩
環11の成形作業が完了する(溶湯鍛造法)。
Then, in the lower mold 12 shown in FIG.
The molten aluminum alloy 13 containing C particles is injected and pressure is applied by the upper mold 14 to solidify. Then, after cooling,
After taking out the rough shaped material of the wear ring 11 from the lower mold 12,
If the riser is cut and machined if necessary, the work of forming the wear-resistant ring 11 is completed (molten forging method).

【0019】また、図13A,Bに示すような、左右の
合わせ金型22,23の内部に形成された環状のキャビ
ティ24内に注入口25から溶湯を注入し、凝固完了後
に押し湯を切断すると、所定形状の耐摩環11が機械加
工する必要のない状態で得られる(重力鋳造法)。尚、
図13中、26は押湯口である。
Further, as shown in FIGS. 13A and 13B, the molten metal is injected from an injection port 25 into an annular cavity 24 formed inside the left and right mating dies 22 and 23, and the molten metal is cut after the completion of solidification. Then, the wear resistant ring 11 having a predetermined shape can be obtained without the need for machining (gravity casting method). still,
In FIG. 13, reference numeral 26 is a feeder.

【0020】尚、前記耐摩環11の粗形材は、前記溶湯
鍛造法や重力鋳造法の他に、ダイキャスト法を用いるこ
とも可能である。更に、別の方法として、粉末鍛造法が
ある。これは、SiC粒子とアルミニウム合金粒子を混
合した後、金型内に充填して上鋳型14で圧力を加えて
成形する。そして、加熱した後に鍛造成形を加えて密度
を上げる。また、密度が上昇しない場合は、再度加熱後
に鋳造を繰り返すと密度が上昇する。この方法によれ
ば、最終製品形状に仕上がるため、その後の機械加工が
不要になり、作業性が向上する。
As the rough shape material of the wear resistant ring 11, a die casting method may be used in addition to the molten metal forging method and the gravity casting method. Furthermore, there is a powder forging method as another method. This is done by mixing SiC particles and aluminum alloy particles, filling them in a mold, and applying pressure with an upper mold 14 for molding. Then, after heating, forging is added to increase the density. When the density does not increase, the density increases when the casting is repeated after heating again. According to this method, since the final product shape is finished, the subsequent machining is unnecessary and the workability is improved.

【0021】そして、このようにして成形した耐摩環1
1を、ピストン本体1に鋳ぐるみ固定する。この鋳ぐる
み条件の一例を示せば、耐摩環11の予熱温度は673
K,ピストン本体1の注湯温度は993K,鋳型温度は
473K,耐摩環11の表面はアルカリ溶液や有機溶剤
等で洗浄,脱脂をする。
The wear-resistant ring 1 molded in this way
1 is fixed to the piston body 1 by casting. The preheating temperature of the wear-resistant ring 11 is 673 if one example of the conditions of this cast-molding is shown.
K, the pouring temperature of the piston body 1 is 993 K, the mold temperature is 473 K, and the surface of the wear resistant ring 11 is washed and degreased with an alkaline solution or an organic solvent.

【0022】また、溶湯の加熱温度を上げたり、また耐
摩環11を十分に予熱した場合などには、該両者の境界
面20が十分に溶着する現象が認められるが、その温度
条件範囲は極めて狭く、均一に接合することがむずかし
い。そこで、本実施例では耐摩環11とピストン本体1
の境界面を、電子ビームやTiGレーザ等の高エネルギ
ー密度の熱源で、再溶融して接合するようになってい
る。
Further, when the heating temperature of the molten metal is raised, or when the wear-resistant ring 11 is sufficiently preheated, a phenomenon in which the interface 20 between the two is sufficiently welded is recognized, but the temperature condition range is extremely high. Narrow and difficult to bond uniformly. Therefore, in this embodiment, the wear resistant ring 11 and the piston body 1 are
The boundary surface of 1 is remelted and joined by a heat source having a high energy density such as an electron beam or a TiG laser.

【0023】以下、斯かる耐摩環11をピストン本体1
と再溶融して接合する工程を図4〜図5に基づいて説明
する。即ち、まず、図4Aに示すように耐摩環11が鋳
込まれたピストン本体1のリングランド部3の外周を切
削加工して、図4Bに示すように前記耐摩環11の外周
面11aを露出させる。その後、図5A,Bに示すよう
に耐摩環11の上下面とリングランド部3との間の境界
面20を、例えば電子ビームの高いエネルギービームを
照射して高熱源により再溶融する。つまり、ピストン本
体1のアルミニウム合金と耐摩環11のアルミニウム合
金を再溶融し、その後、急冷却して固化させる。したが
って、斯かる再溶融部21によって、境界面20に均質
な合金層が形成されて高い接合強度が得られる。尚、再
溶融して強固に接合した後は、図5Cに示すように耐摩
環11の外周部にリング溝4aを環状に切削加工する。
Hereinafter, the wear-resistant ring 11 will be attached to the piston body 1 as follows.
The process of remelting and joining will be described with reference to FIGS. That is, first, as shown in FIG. 4A, the outer periphery of the ring land portion 3 of the piston body 1 in which the wear resistant ring 11 is cast is cut to expose the outer circumferential surface 11a of the wear resistant ring 11 as shown in FIG. 4B. Let After that, as shown in FIGS. 5A and 5B, the boundary surface 20 between the upper and lower surfaces of the wear resistant ring 11 and the ring land portion 3 is irradiated with a high energy beam of an electron beam and remelted by a high heat source. That is, the aluminum alloy of the piston body 1 and the aluminum alloy of the wear resistant ring 11 are re-melted and then rapidly cooled to solidify. Therefore, a uniform alloy layer is formed on the boundary surface 20 by the remelting portion 21 and high joint strength is obtained. After remelting and firmly joining, a ring groove 4a is annularly cut on the outer peripheral portion of the wear resistant ring 11 as shown in FIG. 5C.

【0024】また、図6A,Bは第2実施例を示し、前
記耐摩環11とリングランド部3との境界面全体を再溶
融して接合したものである。つまり、リングランド部3
の外周部を切削加工した後、耐摩環11の外周部に図に
示すようにリング溝4aを形成することは先の実施例と
同様であり、再溶融によって前記実施例と同様に耐摩環
11とピストン本体1との強固な接合が得られる。特
に、この実施例では、再溶融部21のSiC粒子の分散
が非常に均一になる。これは、電子ビームの高エネルギ
ービームによる撹拌効果と急冷効果によるものである。
FIGS. 6A and 6B show a second embodiment in which the entire boundary surface between the wear resistant ring 11 and the ring land portion 3 is remelted and joined. That is, the ringland part 3
After cutting the outer peripheral portion of the wear resistant ring 11, the ring groove 4a is formed in the outer peripheral portion of the wear resistant ring 11 as shown in the figure, which is the same as the previous embodiment. A strong joint between the piston body 1 and the piston body 1 can be obtained. Particularly, in this embodiment, the SiC particles in the remelting portion 21 are very uniformly dispersed. This is due to the stirring effect and the quenching effect of the high energy beam of the electron beam.

【0025】図7Aは前記高ネルギービームで再溶融さ
せる前の断面組織写真を図面化したもので、図7Bは再
溶融させた後の断面組織写真を図面化したものであっ
て、図7Aで明らかなように再溶融前の耐摩環11の上
下面付近ではアルミニウム合金内のSiC粒子(黒点)
が局部的に集合した形になっているが、再溶融後は、図
7Bで明らかなようにSiC粒子が全体に均一に分散し
た形になり、耐摩環11とピストン本体1の各アルミニ
ウム合金が均質な合金相となり、金属学的に強固に結合
されている。
FIG. 7A is a drawing showing a cross-sectional structure photograph before remelting with the high energy beam, and FIG. 7B is a drawing showing a cross-sectional structure photograph after remelting. As is apparent, SiC particles (black dots) in the aluminum alloy near the upper and lower surfaces of the wear resistant ring 11 before remelting.
Are locally aggregated, but after re-melting, SiC particles are uniformly dispersed throughout as shown in FIG. 7B, and the wear-resistant ring 11 and each aluminum alloy of the piston body 1 are It becomes a homogeneous alloy phase and is strongly metallurgically bonded.

【0026】そして、耐摩環11とピストン本体1と
は、互いのアルミニウム合金自体が再溶融して金属接合
するものであり、したがって、再溶融部21のSiC粒
子の体積%はやや低下してしまう。このため、第1実施
例のようにリング溝4aが再溶融部21に掛からない場
合は問題が生じないが、再溶融部に掛かる場合や第2実
施例の場合には、SiC粒子の体積%を大きく低下させ
ないために、ピストン本体1側のアルミニウム合金の溶
解量を少なくする必要がある。したがって、少なくとも
耐摩環11の外周面から約1mm以内のピストン本体1側
のアルミニウム合金の溶融量とすることが望ましい。
The wear-resistant ring 11 and the piston body 1 are such that the aluminum alloys themselves are remelted and metal-bonded to each other, so that the volume percentage of the SiC particles in the remelted portion 21 is slightly lowered. . Therefore, when the ring groove 4a does not reach the remelting portion 21 as in the first embodiment, no problem occurs, but in the case where the ring groove 4a reaches the remelting portion 21 or in the case of the second embodiment, the volume percentage of the SiC particles is In order not to significantly reduce the amount of aluminum alloy, it is necessary to reduce the melting amount of the aluminum alloy on the piston body 1 side. Therefore, it is desirable that the melting amount of the aluminum alloy on the piston body 1 side is at least about 1 mm from the outer peripheral surface of the wear resistant ring 11.

【0027】図8〜図9は本発明の第3実施例を示し、
耐摩環11をピストン本体1の冠部2に露出させて、ト
ップランドハイトHを最小にする場合の製造方法を示し
ている。
8 to 9 show a third embodiment of the present invention,
This shows a manufacturing method in which the wear-resistant ring 11 is exposed to the crown portion 2 of the piston body 1 to minimize the top land height H.

【0028】即ち、予め耐摩環11を、図4Aに示した
ようにピストン本体1の冠部2内に鋳ぐるんだ後、図8
及び図9Aに示すように冠部2の頂部を耐摩環11の上
面高さ分だけまず切削加工する。次に、図9Bに示すよ
うに冠部2の上方から電子ビームの高エネルギービーム
を耐摩環11及び境界面に照射して再溶融し、その後該
再溶融部21を冷却固化することによって接合する。続
いて、図9Cに示すように、リングランド部3の外周部
を切削加工して耐摩環11の外周面を露出させ、その
後、該耐摩環11の外周面にリング溝4aを形成する。
That is, as shown in FIG. 4A, after the wear-resistant ring 11 has been cast into the crown portion 2 of the piston body 1 in advance, as shown in FIG.
And, as shown in FIG. 9A, the top of the crown portion 2 is first cut by the height of the upper surface of the wear resistant ring 11. Next, as shown in FIG. 9B, a high energy beam of an electron beam is applied to the wear ring 11 and the boundary surface from above the crown portion 2 to remelt it, and then the remelting portion 21 is cooled and solidified to bond them. . Subsequently, as shown in FIG. 9C, the outer peripheral portion of the ring land portion 3 is cut to expose the outer peripheral surface of the wear resistant ring 11, and then the ring groove 4 a is formed on the outer peripheral surface of the wear resistant ring 11.

【0029】したがって、この実施例によれば、トップ
ランドハイトHを可及的に小さくすることができること
は勿論のこと、冠部2のコーナ部Cが耐摩環11になっ
ているため、強度が著しく向上し、エンジンの高出力化
に十分に対応することが可能になる。
Therefore, according to this embodiment, the top land height H can be made as small as possible, and since the corner portion C of the crown portion 2 is the wear resistant ring 11, the strength is high. It will be remarkably improved, and it will be possible to sufficiently cope with the high output of the engine.

【0030】また、この場合、高熱に晒される冠部2の
上面に耐摩環11とピストン本体1との境界面20が露
出することになるが、この部位は接合強度の大きな再溶
融部となっているため、両者間での剥離現象が確実に防
止される。即ち、従来例の前記(6)のようにニレジス
ト鋳鉄をアルフィン処理によって耐摩環とピストン本体
とを接合する場合には、冠部に発生する熱応力に耐えら
れず境界面に剥離が生じる惧れがあるが、前記本実施例
の場合には斯かる剥離現象を確実に回避できる。
Further, in this case, the boundary surface 20 between the wear resistant ring 11 and the piston body 1 is exposed on the upper surface of the crown portion 2 exposed to high heat, but this portion is a remelted portion having a large bonding strength. Therefore, the peeling phenomenon between the two is reliably prevented. That is, when the resist ring and the piston body are joined to each other by the Alfin treatment of Ni-resist cast iron as in the above-mentioned (6) of the conventional example, there is a fear that the thermal stress generated in the crown portion cannot be endured and the boundary surface is peeled off. However, in the case of the present embodiment, such peeling phenomenon can be surely avoided.

【0031】以下、前述のような工程で成形された耐摩
環11の接合境界面20の強度と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。
Below, the results of experiments on changes in the characteristics of the joint boundary surface 20 of the wear ring 11 formed by the above-mentioned process will be described, with respect to the strength, wear resistance, adhesion resistance and machinability.

【0032】まず、マトリックスのアルミニウム合金の
成分を表に示す。この実験においては、鋳造法で製作し
た試料を用いた。またSiC粒子の添加量は、0,5,
10,15,20,25,30重量%として7種の材料
について評価した。
First, the components of the matrix aluminum alloy are shown in the table. In this experiment, a sample manufactured by the casting method was used. The amount of SiC particles added is 0, 5,
Seven types of materials were evaluated as 10, 15, 20, 25, and 30% by weight.

【0033】[0033]

【表1】 [Table 1]

【0034】そして、耐摩耗性の評価方法は、図10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15上にピストンリング7を固定して、この上
部にヒータ16の下端に固定されたテストピース17を
押し付けて摩耗させる。このテストピース17は、ピス
トン本体1のリング溝から切り出した耐摩環である。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。
Then, the abrasion resistance was evaluated by using the apparatus shown in FIG. That is, the piston ring 7 is fixed on the rotary table 15 which is rotated by a motor (not shown), and the test piece 17 fixed to the lower end of the heater 16 is pressed against the piston ring 7 to wear it. The test piece 17 is an anti-wear ring cut out from the ring groove of the piston body 1. The test conditions such as temperature and lubrication condition in this method are assumed to be correlated with the actual piston of the engine. Evaluation,
The wear depth was measured after the test.

【0035】また、耐凝着性の評価方法は、図11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18,19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、リング溝4のピストンリング
7摺動面積に対する凝着摩耗した面積の割合で行った。
The method for evaluating the anti-adhesion property is carried out by using the apparatus shown in FIG. 11, and the piston ring 7 is pressed against the lower surface of the top ring groove 4 of the piston body 1, and the arrow marks are given via the actuators 18 and 19. It was based on the accelerated test method of sliding only in one direction. The evaluation was performed by the ratio of the area where the ring groove 4 was adhered and worn to the sliding area of the piston ring 7.

【0036】機械加工性の評価は、直径70mmの円柱粗
材を以下の加工条件で加工し、工具の摩耗量が0.3mm
になるまでの加工数で評価した。切削速度:200m/mi
n,切り込み量:0.3mm,送り量:0.03mm(1回転
毎),工具:気相合成ダイヤモンド工具(旭ダイヤ
(株)製) 前記各評価結果を表2に示す。
The machinability was evaluated by machining a cylindrical rough material having a diameter of 70 mm under the following processing conditions, and the wear amount of the tool was 0.3 mm.
It was evaluated by the number of processing until it became. Cutting speed: 200m / mi
n, Depth of cut: 0.3 mm, Feed: 0.03 mm (per rotation), Tool: Vapor phase synthetic diamond tool (manufactured by Asahi Diamond Co., Ltd.) Table 2 shows the evaluation results.

【0037】ここで、耐摩耗性は、SiC粒子が無添加
(O)の摩耗量を100とした割合を示す。数値が小さ
い程摩耗しないことを示す。
Here, the abrasion resistance refers to a ratio with the abrasion amount of SiC particles not added (O) as 100. The smaller the value, the less wear.

【0038】また、耐凝着性は、SiC粒子が無添加の
凝着した面積を100とした割合を示す。数値が小さい
程凝着しないことを示す。
The anti-adhesion property is the ratio of the adhered area of SiC particles to 100. The smaller the value, the less the adhesion.

【0039】機械加工性は、SiC粒子の無添加の粗材
を、工具としてCPXを使って加工した場合の工具寿命
を100とした。但し、SiC粒子が添加された粗材は
気相合成ダイヤモンド工具で加工している。
As for machinability, the tool life was set to 100 when a rough material without addition of SiC particles was machined using CPX as a tool. However, the coarse material to which the SiC particles are added is processed by the vapor phase synthetic diamond tool.

【0040】[0040]

【表2】 [Table 2]

【0041】上記表2から明らかなように、SiC粒子
の添加量が5重量%でも無添加の場合に比べて耐摩耗性
は著しく向上し、10重量%でほぼその効果は一定とな
る。
As is clear from Table 2, even if the amount of SiC particles added is 5% by weight, the wear resistance is remarkably improved as compared with the case where no addition is made, and at 10% by weight, the effect becomes almost constant.

【0042】一方、耐凝着性も同様な傾向にあり、Si
C粒子の添加量が5重量%でも無添加に比べて著しく向
上していることがわかる。しかし、10重量%以上では
凝着の発生はない。
On the other hand, the adhesion resistance tends to be the same as that of Si.
It can be seen that even when the addition amount of C particles is 5% by weight, it is significantly improved as compared with the case where no addition is made. However, at 10% by weight or more, no adhesion occurs.

【0043】また、機械加工性は、SiC粒子の添加量
が5重量%でも無添加に比べて加工性が悪くなる。更
に、添加量の増加に伴って加工性は悪化してゆき、30
重量%では工具の刃先に欠けが生じて加工不能である。
As for the machinability, the machinability becomes worse even if the amount of SiC particles added is 5% by weight, as compared with the case where no SiC particles are added. Further, as the addition amount increases, the workability deteriorates, and
When the content is% by weight, the cutting edge of the tool is chipped and machining is impossible.

【0044】以上の実験から、最適なSiC粒子の添加
量は5重量%から25重量%までで、望ましくは10重
量%から20重量%であることがわかる。
From the above experiment, it is understood that the optimum addition amount of SiC particles is 5% by weight to 25% by weight, preferably 10% by weight to 20% by weight.

【0045】さらに、以上説明してきたアルミニウム合
金のピストン本体1内に耐摩環11を鋳ぐるんだピスト
ンを、内燃機関に組み込んで試験を行った。ここで、耐
摩環11のSiC粒子の添加量は10重量%に設定し
た。尚、比較のために前述のような耐摩環をピストン本
体に鋳ぐるまないピストンの試験も行った。
Further, a test was carried out by incorporating the piston, in which the wear-resistant ring 11 was cast into the aluminum alloy piston body 1 described above, into an internal combustion engine. Here, the amount of SiC particles added to the wear resistant ring 11 was set to 10% by weight. For comparison, a test was also conducted on a piston in which the wear ring as described above was not cast around the piston body.

【0046】運転条件は、4気筒で排気量が1,600
ccのガソリン機関を用い油温150度,冷却水温度1
20度にて100時間の連続運転を行った。
The operating conditions are four cylinders and a displacement of 1,600.
Oil temperature 150 degrees, cooling water temperature 1 using a cc gasoline engine
Continuous operation was performed at 20 degrees for 100 hours.

【0047】この結果、耐摩環を鋳ぐるまないピストン
は50μmの摩耗が発生し、トップリング溝下面の85
%に凝着の発生が認められたのに対し、前記耐摩環11
を鋳ぐるんだピストンには、摩耗も凝着も認められなか
った。
As a result, the piston, which does not encircle the wear ring, is worn by 50 μm, and the wear of 85 on the lower surface of the top ring groove occurs.
%, While the occurrence of adhesion was observed, the wear-resistant ring 11
No wear or adhesion was observed on the piston that had been cast.

【0048】更に、本発明の実施例におけるSiC粒子
10重量%の耐摩環11とピストン本体1の接合部のせ
ん断強度を、従来におけるニレジスト鋳鉄をアルフィン
処理した耐摩環とピストン本体の接合部のせん断強度と
比較した実験を行った。この結果、本発明によるせん断
強度は、図12に示すように従来例よりも4倍以上の強
度を有していることが明らかになった。
Further, the shear strength of the joint between the wear ring 11 containing 10% by weight of SiC particles and the piston body 1 in the example of the present invention was determined by the conventional method. Experiments were performed comparing strength. As a result, it was revealed that the shear strength according to the present invention is four times or more that of the conventional example, as shown in FIG.

【0049】請求項3に記載した発明の実施例は、前記
各実施例におけるピストン本体1内に鋳込まれる耐摩環
11のアルミニウム合金母材に含有される成分を変更し
て、後述する再溶融部の合金成分を最適に調整したもの
である。
In the embodiment of the invention described in claim 3, the components contained in the aluminum alloy base material of the wear resistant ring 11 cast in the piston body 1 in each of the above-mentioned embodiments are changed, and remelting described later is carried out. This is an optimal adjustment of the alloy composition of the part.

【0050】即ち、耐摩環11は、Sic粒子を20体
積%を含んだアルミニウム合金インゴットを溶解し、溶
湯温度を約740℃に保持する。前記アルミニウム合金
インゴットは、商品名DURALCAN(F3K・20
Sカタログ参照)の主成分をベースとして、目標成分と
なるようにCu,Ni,Mn,Siを夫々母合金または
純金属の形で以下の表に示すように添加する。ここで、
Cuは銅線、Niは粉末またはワイヤー、MnはAl−
60Mn、SiはAl−40Siの母合金の形で添加し
た。
That is, the wear resistant ring 11 melts the aluminum alloy ingot containing 20% by volume of Sic particles and holds the temperature of the molten metal at about 740 ° C. The aluminum alloy ingot is a product name DURALCAN (F3K / 20
Cu, Ni, Mn, and Si in the form of a mother alloy or pure metal, respectively, as shown in the following table, based on the main component (see S catalog) as a target component. here,
Cu is copper wire, Ni is powder or wire, Mn is Al-
60Mn and Si were added in the form of an Al-40Si mother alloy.

【0051】[0051]

【表3】 [Table 3]

【0052】硬質粒子の添加量を前記のように特定する
と、アルミニウム合金マトリックスにおける硬質粒子の
分散状態が、そのアルミニウム合金の耐摩耗性を向上さ
せる上で最適になる。また、硬質粒子は、アルミニウム
合金マトリックスの結晶転位を固着してクリープ特性及
び耐応力腐食割れ特性の改善,熱膨張係数の低下,ヤン
グ率及び疲労強度,耐摩耗性,耐凝着性の向上等の諸効
果を有する。
When the addition amount of the hard particles is specified as described above, the dispersion state of the hard particles in the aluminum alloy matrix is optimum for improving the wear resistance of the aluminum alloy. Further, hard particles fix crystal dislocations in the aluminum alloy matrix to improve creep properties and stress corrosion cracking resistance properties, lower thermal expansion coefficient, Young's modulus and fatigue strength, wear resistance, adhesion resistance, etc. Have various effects.

【0053】ただし、アルミニウム合金マトリックスに
対する硬質粒子の含有量が0.5重量%を下回ると、耐
摩耗性が改善されず、またヤング率の向上及び熱膨張係
数の減少の程度も低くなり、一方、15.0重量%を上
回ると、相手材の摩耗が増大する。
However, if the content of the hard particles in the aluminum alloy matrix is less than 0.5% by weight, the wear resistance is not improved, and the Young's modulus is improved and the coefficient of thermal expansion is also decreased. , 15.0% by weight, the wear of the mating material increases.

【0054】他の成分の含有理由及び含有量の限定理由
は以下の通りである。
The reasons for containing the other components and the reasons for limiting the contents are as follows.

【0055】(a) Siについて Siは、耐摩耗性,ヤング率及び熱伝導率を向上し、ま
た熱膨張係数を低下する効果を有する。ただし、7.0
重量%を下回ると前記効果を得ることができず、一方、
28.0重量%を上回ると、鋳造性と加工性が悪化し、
割れを生じ易くなる。
(A) About Si Si has the effects of improving wear resistance, Young's modulus and thermal conductivity, and lowering the coefficient of thermal expansion. However, 7.0
If it is less than wt%, the above effect cannot be obtained, while
If it exceeds 28.0% by weight, castability and workability deteriorate,
It tends to crack.

【0056】(b) Cuについて Cuは、金属間化合物を形成し、アルミニウム合金マト
リックスを強化し耐摩耗性、耐凝着性を向上させる効果
を有する。ただし、10重量%を下回ると前記効果を得
ることができず、一方、23重量%を上回ると、非常に
硬くなる一方、脆くなり、耐摩耗性が悪化する。そし
て、溶融部のCu量を変化させ、摩耗試験を行い、図1
4のような結果を得た。また、耐摩耗性の評価方法は、
図10に示す装置を用いて行った。即ち、図外のモータ
で回転する回転台上にピストンリングを固定して、この
上部にヒータの下端に固定されたテストピースを押し付
けて摩耗させる。このテストピースは、ピストン本体の
リング溝から切り出した耐摩環である。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。
(B) Regarding Cu Cu has an effect of forming an intermetallic compound and strengthening an aluminum alloy matrix to improve wear resistance and adhesion resistance. However, if it is less than 10% by weight, the above effect cannot be obtained, while if it exceeds 23% by weight, it becomes very hard and brittle and wear resistance deteriorates. Then, the amount of Cu in the fusion zone was changed and a wear test was conducted,
The result of 4 is obtained. In addition, the evaluation method of wear resistance is
It carried out using the apparatus shown in FIG. That is, a piston ring is fixed on a rotary table that is rotated by a motor (not shown), and a test piece fixed to the lower end of the heater is pressed against the piston ring to wear it. This test piece is an anti-wear ring cut out from the ring groove of the piston body. The test conditions such as temperature and lubrication state in this method are assumed to be correlated with the actual piston of the engine. The evaluation was performed by the wear depth after the test.

【0057】(c) Mgについて Mgは、Cuと同様に熱処理においてアルミニウム合金
マトリックスを強化する効果を有する。ただし、0.3
重量%を下回ると前記効果を得ることができず、一方、
3.5重量%を上回ると、耐応力腐食割れ特性が悪化
し、熱間鍛造加工性が低下する。
(C) About Mg Like Mg, Mg has the effect of strengthening the aluminum alloy matrix during heat treatment. However, 0.3
If it is less than wt%, the above effect cannot be obtained, while
If it exceeds 3.5% by weight, stress corrosion cracking resistance is deteriorated and hot forgeability is deteriorated.

【0058】(d) Mnについて Mnは、Feと金属間化合物を形成し、耐摩耗性、耐凝
着性を改善させる。ただし、0.5重量%を下回ると、
前記効果を得ることができず、一方、2.9重量%を上
回ると、鋳造性や加工性が悪化する等、悪影響が現れ
る。このような成分構成になる様に耐摩環の成分をあら
かじめ調整しておく。
(D) Mn Mn forms an intermetallic compound with Fe and improves wear resistance and adhesion resistance. However, if less than 0.5% by weight,
The above effect cannot be obtained, and on the other hand, when it exceeds 2.9% by weight, adverse effects such as deterioration of castability and workability appear. The components of the wear resistant ring are adjusted in advance so as to have such a composition.

【0059】そして、目標成分に調整後、SiC粒子を
溶湯の中で充分に均一にする為に溶湯の撹拌を行う。そ
の後、耐摩環11を金型で鋳造する。
After adjusting to the target component, the molten metal is stirred so that the SiC particles are sufficiently uniform in the molten metal. After that, the wear resistant ring 11 is cast with a mold.

【0060】尚、鋳造後の耐摩環11は、合金母材が強
硬度になるため、切削加工が困難になり、したがって、
ニアネット(正味に近い)の形状に鋳造することが望ま
しい。
Since the alloy base material of the wear resistant ring 11 after casting has a high hardness, it becomes difficult to perform the cutting process.
It is desirable to cast in a near net (near net) shape.

【0061】そして、この耐摩環11を鋳造した後は、
前述の第1実施例等と同様にピストン本体1のトップリ
ング溝に対応した位置に鋳ぐるみ固定する。この鋳ぐる
み条件等は第1実施例と同様である。
After casting the wear resistant ring 11,
As in the above-described first embodiment, the cast body is fixed to the piston body 1 at a position corresponding to the top ring groove. The conditions of the cast gurney are the same as in the first embodiment.

【0062】また、耐摩環11の鋳込み後に、リングラ
ンド部3の外周切削加工を行い、耐摩環11の外周面を
露出させ、その後、耐摩環11の上下面と、トップリン
グ溝4の内面との間の境界面20を電子ビームの高いエ
ネルギー密度の熱源で再溶融して接合する。
After casting the wear resistant ring 11, the outer periphery of the ring resistant portion 3 is exposed to expose the outer peripheral surface of the wear resistant ring 11, and then the upper and lower surfaces of the wear resistant ring 11 and the inner surface of the top ring groove 4 are exposed. The interface 20 between them is remelted and joined by a heat source having a high energy density of the electron beam.

【0063】ここで、ピストン本体1のアルミ合金母材
が例えばAC8Aである場合は、再溶融部21の合金濃
度は前述の目標成分より低くなり、Siが約12重量
%,Cuが約20.0重量%,Mnが約1重量%,Ni
が約2重量%,Mgが約1重量%,SiCが約10体積
%になる。これらが、最終的に得たい合金成分の代表値
である。
Here, when the aluminum alloy base material of the piston body 1 is, for example, AC8A, the alloy concentration of the remelting portion 21 becomes lower than the target component described above, Si is about 12 wt% and Cu is about 20. 0% by weight, Mn is about 1% by weight, Ni
Is about 2% by weight, Mg is about 1% by weight, and SiC is about 10% by volume. These are typical values of the alloy components to be finally obtained.

【0064】即ち、再溶融部21のアルミニウム合金
は、7.0重量%≦Si≦28.0重量%、10.0重量
%≦Cu≦23.0重量%、0.3重量%≦Mg≦3.5
重量%、0.5重量%≦Mn≦2.9重量%になる。
That is, the aluminum alloy of the remelting portion 21 contains 7.0% by weight ≦ Si ≦ 28.0% by weight, 10.0% by weight ≦ Cu ≦ 23.0% by weight, 0.3% by weight ≦ Mg ≦ 3.5
% By weight, 0.5% by weight ≦ Mn ≦ 2.9% by weight.

【0065】このように、再溶融部21の合金濃度とす
ることにより、該再溶融部21内にブローホールの発生
を防止できると共に、合金濃度の低下が防止される。
By setting the alloy concentration in the remelting portion 21 in this manner, it is possible to prevent the generation of blowholes in the remelting portion 21 and prevent the alloy concentration from decreasing.

【0066】つまり、本実施例のように再溶融部21の
合金濃度を設定しておけば、粉末粒子間に空気の残留を
防止できると共に、合金濃度の低下が防止されて、耐摩
耗性,耐凝着性等の向上を図ることができる。
That is, if the alloy concentration of the remelting portion 21 is set as in the present embodiment, it is possible to prevent air from remaining between the powder particles and prevent the alloy concentration from decreasing, resulting in wear resistance, It is possible to improve adhesion resistance and the like.

【0067】[0067]

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、請求項1
および2記載の発明によれば、SiC粒子を含有したア
ルミニウム合金製の耐摩環をアルミニウム合金製のピス
トン本体に鋳ぐるむ構成としたため、従来のような高圧
凝固法を用いることなく単に重力鋳造によって成形でき
るので、製造コストの低廉化が図れる。
As is apparent from the above description, claim 1
According to the inventions described in (1) and (2), since the wear ring made of the aluminum alloy containing SiC particles is cast around the piston body made of the aluminum alloy, it is possible to simply perform gravity casting without using the conventional high pressure solidification method. Since it can be molded, the manufacturing cost can be reduced.

【0068】しかも、ピストン本体と耐摩環との境界面
を、高エネルギー熱源によって再溶融して冷却接合した
ため、該境界面部位の接合強度が極めて高くなる。ま
た、耐摩環の特異な内部構造によって軽量化が図れるこ
とは勿論のこと、SiC粒子が均一に分散するため、耐
摩性及び耐凝着性の向上が図れる。
Moreover, since the boundary surface between the piston body and the wear ring is remelted by the high energy heat source and cooled and bonded, the bonding strength at the boundary surface portion becomes extremely high. Further, not only the unique internal structure of the wear-resistant ring makes it possible to reduce the weight, but also the SiC particles are uniformly dispersed, so that the wear resistance and the adhesion resistance can be improved.

【0069】さらに、請求項3記載の発明によれば、合
金濃度の低下が防止されて、耐摩耗性,耐凝着性等が一
層向上する。
Furthermore, according to the third aspect of the present invention, a decrease in alloy concentration is prevented, and wear resistance, adhesion resistance and the like are further improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本考案の実施例を示すピストンの要部断面図。FIG. 1 is a sectional view of an essential part of a piston showing an embodiment of the present invention.

【図2】本実施例のピストンの縦断面図。FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of a piston of this embodiment.

【図3】本実施例の耐摩環の金型成形を示す説明図。FIG. 3 is an explanatory view showing die molding of the wear resistant ring of the present embodiment.

【図4】Aは本発明の第1実施例を示し、ピストン本体
内に耐摩環を鋳ぐるんだ状態を示す縦断面図、同図B
は、ピストン本体冠部のリングランド部を切削した状態
を示す縦断面図。
FIG. 4A is a longitudinal sectional view showing a first embodiment of the present invention, showing a state in which a wear ring is cast in a piston body, FIG.
[FIG. 4] is a vertical cross-sectional view showing a state in which a ring land portion of a crown portion of a piston body is cut.

【図5】Aは図4Bの要部拡大図、Bはピストン本体と
耐摩環との界面の再溶融部を示す要部拡大図、Cは耐摩
環にリング溝を切削加工した状態を示す要部拡大図。
5A is an enlarged view of an essential part of FIG. 4B, B is an enlarged view of an essential part showing a remelted portion at the interface between the piston body and the wear resistant ring, and C is a view showing a state in which a ring groove is cut on the wear resistant ring. Enlarged view of part.

【図6】Aは本発明の第2実施例を示し、再溶融部を示
す拡大断面図、Bは耐摩環にリング溝を切削加工した状
態を示す拡大断面図。
FIG. 6A is an enlarged sectional view showing a remelted portion according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 6B is an enlarged sectional view showing a state in which a ring groove is cut on a wear ring.

【図7】Aは再溶融前における耐摩環の顕微鏡写真を図
面化した組織図、Bは再溶融後における界面部の顕微鏡
写真を図面化した組織図。
FIG. 7A is a structural diagram showing a photomicrograph of a wear-resistant ring before remelting, and B is a structural diagram showing a micrograph of an interface portion after remelting.

【図8】本発明の第3実施例を示し、冠部のトップラン
ド上部を切削加工した状態を示す縦断面図。
FIG. 8 is a vertical cross-sectional view showing a third embodiment of the present invention and showing a state in which the top land upper portion of the crown portion is cut.

【図9】Aは本実施例の再溶融前における要部拡大図、
Bは耐摩環全体とピストン本体の界面とを再溶融した状
態を示す要部拡大図、Cは再溶融接合後においてトップ
ランドの外周側を切削加工すると共に、耐摩環に外周に
リング溝を切削加工した状態を示す要部拡大図。
FIG. 9A is an enlarged view of a main part before remelting of the present embodiment,
B is an enlarged view of an essential part showing a state in which the entire wear ring and the interface of the piston body are remelted, and C is the outer peripheral side of the top land is cut after remelting and the ring ring is cut on the outer periphery of the wear ring. The principal part enlarged view which shows the processed state.

【図10】耐摩耗性のテスト装置を示す説明図。FIG. 10 is an explanatory diagram showing a wear resistance test device.

【図11】耐凝着性のテスト装置を示す説明図。FIG. 11 is an explanatory view showing an adhesion resistance test device.

【図12】本発明と従来例のせん断強度を比較して示す
棒グラフ。
FIG. 12 is a bar graph showing the shear strengths of the present invention and a conventional example in comparison.

【図13】Aは本実施例の重力鋳造法に用いられる一方
金型を示す正面図、BはAのA−A線断面図。
13A is a front view showing a mold used in the gravity casting method of the present embodiment, and B is a sectional view taken along line AA of A. FIG.

【図14】摩耗試験の結果を示すグラフ。FIG. 14 is a graph showing the results of a wear test.

【符号の説明】 1…ピストン本体 2…冠部 3…リングランド部 4…トップリング溝 7…トップリング 11…耐摩環 20…境界面 21…再溶融部。[Explanation of Codes] 1 ... Piston body 2 ... Crown part 3 ... Ring land part 4 ... Top ring groove 7 ... Top ring 11 ... Wear ring 20 ... Boundary surface 21 ... Remelting part.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 アルミニウム合金製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が形成されてなる内
燃機関のピストンにおいて、 前記ピストンリング溝の少なくともトップリング溝内
に、炭化珪素の粒子を含有したアルミニウム合金材の耐
摩環を鋳ぐるむと共に、少なくとも前記耐摩環の上下面
とトップリング溝の内面との接合境界面を、高エネルギ
ー密度の熱源により再溶融接合したことを特徴とする内
燃機関のピストン。
1. A piston of an internal combustion engine having a plurality of piston ring grooves formed on the outer circumference of a piston body made of aluminum alloy, wherein silicon carbide particles are contained in at least the top ring groove of the piston ring groove. Along with casting a wear resistant ring of an aluminum alloy material, at least the bonding interface between the upper and lower surfaces of the wear resistant ring and the inner surface of the top ring groove is remelt-bonded by a high energy density heat source. piston.
【請求項2】 アルミニウム合金製からなるピストン本
体の外周に形成された複数のピストンリング溝に耐摩環
を固定する内燃機関のピストンの製造方法において、 前記耐摩環を炭化珪素の粒子を含有したアルミニウム合
金材で予め成形すると共に、前記ピストン本体の成形時
に、前記ピストンリング溝の少なくともトップリング溝
内に前記耐摩環を鋳ぐるみ、その後、少なくとも耐摩環
の上下面とトップリング溝の内面との接合面を、高エネ
ルギー密度の熱源により再溶融して冷却接合したことを
特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。
2. A method for manufacturing a piston of an internal combustion engine, wherein a wear ring is fixed to a plurality of piston ring grooves formed on the outer circumference of a piston body made of an aluminum alloy, wherein the wear ring is made of aluminum containing silicon carbide particles. While preforming with an alloy material, at the time of forming the piston body, the wear ring is cast into at least the top ring groove of the piston ring groove, and thereafter at least the upper and lower surfaces of the wear ring are joined to the inner surface of the top ring groove. A method for manufacturing a piston of an internal combustion engine, characterized in that the surfaces are remelted by a heat source having a high energy density and then cooled and bonded.
【請求項3】 アルミニウム合金製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が形成されてなる内
燃機関のピストンにおいて、 前記ピストンリング溝の少なくともトップリング溝内
に、炭化珪素の粒子を含有し、かつピストン本体の母材
よりも高濃度の合金元素を含むアルミニウム合金材の耐
摩環を鋳ぐるむと共に、該耐摩環の上下面とトップリン
グ溝の内面との接合境界面及び耐摩環全体を、高エネル
ギー密度の熱源により再溶融し、この再溶融部のアルミ
ニウム合金を、 7.0重量%≦Si≦28.0重量%、 10.0重量%≦Cu≦23.0重量%、 0.3重量%≦Mg≦ 3.5重量%、 0.5重量%≦Mn≦ 2.9重量% 及び不可避不純物を含むアルミニウム合金マトリックス
に、Al23粒子,SiC粒子,Si34粒子,ZrO
2粒子,SiO2粒子,TiO2粒子及び金属Si粒子か
ら選択される少なくとも一種の硬質粒子を、前記アルミ
ニウム合金マトリックスに対して0.5重量%以上、1
5.0重量%以下分散させたことを特徴とする内燃機関
のピストン。
3. A piston for an internal combustion engine, comprising a piston body made of an aluminum alloy and having a plurality of piston ring grooves formed on the outer circumference thereof, wherein at least the top ring groove of the piston ring groove contains silicon carbide particles. And, the wear-resistant ring of the aluminum alloy material containing a higher concentration of alloying elements than the base material of the piston body is cast, and the joint boundary surface between the upper and lower surfaces of the wear-resistant ring and the inner surface of the top ring groove and the entire wear-resistant ring are formed. The aluminum alloy in the remelted portion is re-melted by a high energy density heat source, and is 7.0 wt% ≤ Si ≤ 28.0 wt%, 10.0 wt% ≤ Cu ≤ 23.0 wt%, 0.0 3 wt% ≦ Mg ≦ 3.5% by weight, the aluminum alloy matrix containing 0.5 wt% ≦ Mn ≦ 2.9 wt% and unavoidable impurities, Al 2 O 3 particles, SiC particles, Si 3 N 4 particles ZrO
At least one kind of hard particles selected from 2 particles, SiO 2 particles, TiO 2 particles and metal Si particles is 0.5% by weight or more with respect to the aluminum alloy matrix, 1
A piston for an internal combustion engine, characterized by being dispersed in an amount of 5.0% by weight or less.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998027328A1 (en) * 1996-11-05 1998-06-25 Unisia Jecs Corporation Piston for internal combustion engine and method for manufacture thereof
JP2011236772A (en) * 2010-05-07 2011-11-24 Isuzu Motors Ltd Abrasion resistant ring using particle-dispersed aluminum alloy composite material, aluminum alloy piston thereof and method of manufacturing the same
JP2014148942A (en) * 2013-02-01 2014-08-21 Toyota Motor Corp Piston and internal combustion engine

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