JPH09170489A - 内燃機関用鋳鉄ピストン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内燃機関用鋳鉄ピストンにおいて、ピストン
の表面に窒化又は、軟窒化処理し、かつ、窒化又は、軟
窒化処理時に形状が変形しにくい形状、ならびに、変形
しにくい窒化処理方法にして、燃焼室リム部の長時間稼
働で微細亀裂を起点とする疲労破壊を防止し、耐焼きつ
き性、高温酸化性、高温強度、耐摩耗性の優れた鋳鉄ピ
ストンを提供する。 【解決手段】 ピストンの頂面部の部分窒化、又は、ピ
ストンの頂面部、燃焼室、ピストンリング部、スカート
部、ピストンピン穴部の全面に窒化処理を施し、窒化処
理時のスカート部変形と剛性との関係より、許容範囲を
設定している。又、変形しにくい窒化処理方法として、
電気的窒化法であるイオン窒化を施し、処理時間を短く
し、歪みによる変形が少なく、加工表面を清浄にしてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関用鋳鉄ピ
ストンに係わり、特には、ディーゼルエンジンのピスト
ンの表面に、窒化又は、軟窒化処理を施した鋳鉄ピスト
ンに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、車両用高出力のディーゼルエンジ
ンで耐熱負荷性が要求されるピストンに、最近、ダクタ
イル鋳鉄から成る仕上げ加工後のピストン本体の外形形
成面所要部にガス軟軟窒化処理を施した事例が実開平３
−８７８４８号公報で知られている。図６に基づき説明
する。図６に示すように、内部にアンモニアガス等２２
を導入したガス軟窒化炉、２３は仕上げ加工が終了した
ダクタイル鋳鉄製のピストン本体、２４、２５、２６は
ピストン本体２３の外形形成面の所要箇所、すなわち、
ピストン本体２３の外周２３ａの表面、ピストンリング
溝２３ｂの表面、ピストンピン穴２３ｃの内周面、燃焼
室２３ｄの内面等の各外形形成面２８ａ、２８ｂ、２８
ｃ、２８ｄ、を加熱するための高周波加熱コイル、２７
はピストン本体を載置するための架台である。ピストン
本体２３に軟窒化処理を施す際には、先ずピストン本体
２３を軟窒化処理炉２１の架台に載置し、続いて高周波
加熱コイル２４をピストン本体２３の外周２３ａ及びピ
ストンリング溝２３ｂ近傍に設置し、高周波加熱コイル
２５をピストンピン孔２８ｃの外形成面２８ｃ近傍に設
置し、高周波加熱コイル２６を燃焼室２３ｄの外形成面
２８ｄ近傍に設置する。次に外部から炉２１内へアンモ
ニアガス等２を導入すと共に高周波加熱コイル２４、２
５、２６、に通電を行ってピストン本体２３の外周２３
ａ、ピストンリング溝２３ｂ、ピストンピン孔２３ｃ、
燃焼室２３ｄの各外形形成面２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、
２８ｄを高周波により所定の温度（約５５０℃）に加熱
する。このため、アンモニアガス等は加熱されて窒素ガ
スと水素ガスに分解され、窒素ガスがピストン本体２３
の外周２３ａ、ピストンリング溝２３ｂ、ピストンピン
穴２３ｃ、燃焼室２３ｄの各外形形成面２８ａ、２８
ｂ、２８ｃ、２８ｄに含侵されて、図６の斜線で示す部
分にガス軟窒化処理が施される。上述のように、ダクタ
イル鋳鉄製のピストン本体２３の外周２３ａ、ピストン
リング溝２３ｂ、ピストンピン穴２３ｃ、燃焼室２３ｄ
の各外形形成面２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄにガス
軟窒化処理を施すと、これらの部分の疲労強度はガス軟
窒化処理を施さない場合に比べて約１．５倍高くなり、
耐焼つき性、耐摩耗性は、例えば硬質クロームメッキを
行った場合よりもさらに向上する。このため、ピストン
本体２３の各外形形成面２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８
ｄ、による亀裂が入ることがなくなり、又、慴動部であ
る外周２３ａ、ピストンリング溝２３ｂ、ピストンピン
孔２３ｃ、の耐焼つき性、耐摩耗性が向上する。又、ピ
ストン本体２３全体を軟窒化処理する場合には、ピスト
ン本体２３を加熱せねばならず、従ってピストン本体２
３が変形する虞れがあるが、高周波加熱により、必要な
箇所のみを部分的に加熱しているため、ピストン本体２
３が変形することがない。さらに、ピストン本体２３全
体を加熱する必要がないため、ガス軟窒化処理炉２１全
体を加熱する必要がなく省エネルギー化を図ることがで
き、処理時間が短縮されて能率の良いガス軟窒化処理を
行うことができる。なお、本考案の実施例においては、
ピストン本体のガス軟窒化処理を高周波加熱により行う
場合について説明したが、所要部分の加熱をおこなうこ
とができるなら高周波加熱に限らず、種々の加熱手段を
採用することが可能なこと、その他、本考案の要旨を逸
脱しない範囲内で種々変更を加え得ること、等は勿論で
あることが記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
技術は次のような問題点がある。 (1) 従来の技術の実開平３−８７８４８号公報の事例で
はピストンの燃焼室部にはガス軟窒化処理が施されてい
るが、ピストン頂面部に、ガス軟窒化処理が施されてい
なく、長時間の稼働で微細亀裂を起点とする疲労破壊の
虞があるという問題がある。高出力のディーゼルエンジ
ンのピストンにおいては、エンジン稼働時、燃焼室及び
ピストン頂面部が高温の燃焼ガスに曝される。このた
め、ピストンの燃焼室温度が上昇し、特に、燃焼改善し
たリエントラン形ピストンの燃焼室のリム部で、かつ、
ピストン頂面部で排気弁が作動する付近の温度が特に高
く、ダクタイル鋳鉄製の軟窒化処理が施されてないピス
トンで長時間の稼働で微細亀裂を起点とする疲労破壊す
るという問題がある。ピストン頂面部で排気弁が作動す
る付近の温度が高くなる部分は軟窒化処理を施し、高温
疲労強度を上げる必要がある。すなわち、高温条件下で
稼働する鋳鉄ピストンにおいて、燃焼室のリム部の材料
強度はその高温疲労強度、及び稼働時に発生する鉄系酸
化皮膜の強度により、ほぼ決定される。高温条件下で稼
働する鋳鉄ピストンピストンのリム部の破損は、リム部
表面に発生す鉄系酸化皮膜の微細亀裂を起点とする疲労
破壊である。鉄系酸化皮膜は鉄母材に比較して一般に脆
く、その強度は鉄母材よりも低い。鉄系酸化皮膜の強度
はその厚さの増加と共に低下する。又、その厚さはエン
ジン稼働時間、あるいは、ピストンの上昇と共に増加す
る。

【０００４】(2) ディーゼルエンジン高出力化により
ピストンスラップも大きくなり、ピストンのスカート部
分に窒化処理を施し、耐焼つき性、耐摩耗性を向上する
ことが望まれているが、ピストンのスカート部分を窒化
処理することにより形状が変形し易いという問題があ
る。窒化処理時に形状が変形しにくい形状、ならびに、
変形しにくい窒化処理方法が必要である。

【０００５】本発明は上記のような従来の問題点に着目
し、内燃機関用鋳鉄ピストンにおいて、ピストンの表面
に窒化又は、軟窒化処理し、かつ、窒化又は、軟窒化処
理時に形状が変形しにくい形状、ならびに、変形しにく
い窒化処理方法にして、燃焼室リム部の長時間稼働で微
細亀裂を起点とする疲労破壊を防止し、高温酸化性、高
温強度、耐摩耗性の優れた鋳鉄ピストンを提供すること
を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を解決するため
に、本発明の内燃機関用鋳鉄ピストンの第１発明では、
耐摩耗及び／又は、耐酸化性／及び／又は、耐高温強度
向上のため表面に窒化又は、軟窒化処理を施す鋳鉄又
は、鉄系ピストンにおいて、ピストンピン穴９中心から
ピストン１下端までの長さＬに対するスカート８中央部
の肉厚ｔ１の比と、長さＬに対するスカート８下端の肉
厚ｔ２との比の積が０．０１２５〜０．２５００の範囲
にあり、かつ、ピストンの表面に、窒化又は、軟窒化処
理を施すことを特徴とする。このようなピストンのスカ
ート部の剛性と、窒化処理によるスカート部の窒化処理
前と窒化処理後との寸法変化が小さい、窒化処理したピ
ストンが得られる。又、このように窒化処理をおこなう
ことにより、ピストンの燃焼室リム部の長時間稼働で微
細亀裂を起点とする疲労破壊が防止することができ、か
つ、高出力化によるピストンのスカート８部分の耐焼つ
き性、耐摩耗性、及び、トップリング溝５、及び、ピス
トンピン穴９の耐摩耗性を向上することができる。

【０００７】第２発明では、耐摩耗及び／又は、耐酸化
性／及び／又は、耐高温強度向上のため表面に窒化又
は、軟窒化処理を施す内燃機関用の鋳鉄又は、鉄系ピス
トンにおいて、窒化又は、軟窒化処理を施す表面は、少
なくともピストン頂面部(3) および燃焼室(4) である。
このようにピストンのピストン頂面部３に窒化処理をお
こななうことにより、燃焼室リム部の長時間稼働で微細
亀裂を起点とする疲労破壊が防止することができる。
又、ピストンのスカート部の窒化処理による寸法形状の
変形がないので、所定寸法に精度良く加工することがで
きる。

【０００８】第１発明あるいは第２発明において、ピス
トンの表面の窒化又は、軟窒化処理は、イオン窒化であ
る。このようなイオン窒化は、プラズマ中に発生する陰
イオンを鋳鉄表面に蒸着させる電気的窒化法である。窒
化ポテンシャルが高く、ガス窒化方法に比べて処理時間
が短い上、深い窒化層を得られる点が大きな特徴であ
る。加えて、表面脆化層の生成を抑えるため後加工の必
要がない。又、部分窒化が容易で、歪みが少なく、加工
表面を清浄にすることができる。

【０００９】

【発明の実施の形態及び実施例】以下に、第１実施例を
図１及至図４を参照して、詳細に説明する。第１実施例
は鋳鉄ピストンの表面に窒化又は、軟窒化処理を施した
した例、及び、イオン窒化の例である。先ず、図１の左
側で表面に窒化又は、軟窒化処理を施した鋳鉄ピストン
１の構成から説明する。図１の左側は鋳鉄ピストン１の
半断面図を示している。材質はフェライト焼鈍化した球
状黒鉛鋳鉄で、機械加工完了後、窒化又は、軟窒化処理
を施す。図中の１点鎖線に示すように鋳鉄ピストン１の
全部の表面に軟窒化処理２を施す。すなわち、ピストン
頂部３、燃焼室４、リム部４ａ、トップリング溝５、セ
カンドリング溝６、オイルリング溝７、スカート８、お
よびピストンピン穴９部の表面に処理を施す。

【００１０】次に、作動を説明する。鋳鉄ピストン１の
全部の表面に軟窒化処理２を施すことにより、歪みが発
生する。この歪みは鋳鉄ピストン１のスカート８部分が
大きい。軟窒化処理した場合の歪みの変形を図１の右側
により説明をする。図１の右側は縦軸に鋳鉄ピストン１
の高さを示し、図１の左側のピストン１の各部と対応し
ている。横軸は鋳鉄ピストン１のピストンピン穴９と直
角方向のスラスト側のピストン外径寸法mmを示してい
る。図中のプロフィールＡ、すなわち、ａ、ｂ、ｃ、ｄ
は機械加工完了後で、軟窒化処理前の形状を示し、プロ
フィールＢ、すなわち、ｅ、ｆ、ｇ、ｈは軟窒化処理後
の形状を示している。軟窒化処理によりプロフィールＡ
からプロフィールＢに変形する。スカート８の下端ｄ及
びｈ部では軟窒化処理による歪みの変形はないが、ピス
トンピン穴９部中心付近ｃ〜ｇ及びｂ〜ｆで、歪みが最
大ΔＤになる。この歪み量はスカート１５下面の剛性で
決まる。剛性と歪み量との関係を図２により説明をす
る。図２は縦軸にスカート変形比、ピストンの外径Ｄに
対する歪み量ΔＤとの比（ΔD/D ）を示し、横軸はピス
トンピン穴１６中心からピストン下端までの長さＬに対
するスカート中央部の肉厚ｔ１の比（t1/L）と、長さＬ
に対するスカート下端の肉厚ｔ２との比（t2/L）の積
（t1/L×t2/L）との関係を示している。各種の実験結果
より求めた値で、剛性が大きいと歪み量は小さく、剛性
が小さいと歪み量は大きくなる。t1/L×t2/Lの値が０．
０１２５以下になるとΔD/D の歪み量が急激に大きくな
ることを示している。図３はピストンピン穴中心Ｑから
ピストン下端までの長さＬに対するスカート中央部の肉
厚ｔ１の比と、長さＬに対するスカート下端の肉厚ｔ２
との比の積が０．０１２５〜０．２５００の範囲（ハッ
チングの範囲）であることを示している。縦軸にスカー
ト縦横比、長さＬに対するスカート下端の肉厚ｔ２（t2
/L）とを示し、横軸は、スカート縦横比、長さＬに対す
るスカート下端の肉厚ｔ１（t1/L）を示している。下限
値Ｅはt1/L×t2/L≧０．０１２５、上限値Ｆはt1/L×t2
/L≦０．２５００、を示している。下限値Ｅの０．０１
２５は軟窒化処理による歪み量から見た許容限界の値
で、又、上限値Ｆの０．２５００はピストンの重量増加
から見た許容限界の値である。次に、ピストンの材質が
フェライト焼鈍化した球状黒鉛鋳鉄で、軟窒化処理した
場合の効果を図４で説明する。図４は縦軸に酸化膜厚さ
を、横軸はエンジン耐久の運転時間を示している。縦軸
の酸化膜厚さはピストンの劣化を表す特性で、厚みが大
きい程劣化が大きい、従来の経験から、許容限度は７０
μｍを基準とし、この値以上は危険域、この値以下を安
全域としている。測定箇所はピストンに亀裂の入り易い
燃焼室のリム部としている。図中の実線Ｇは軟窒化処理
なしの劣化特性で、ｍ点で耐久運転時間９５０ｈで許容
限度に達する。又、図中の点線Ｈは軟窒化処理ありの劣
化特性で、耐久運転時間１０００ｈで余裕のある安全域
にある。軟窒化処理の有り、無しを、耐久運転時間５０
０ｈで比較すると、酸化膜厚さはｊ点からｋ点（太い点
線の矢印）に下がり、約１／５に低減される。

【００１１】次に、イオン窒化について説明する。イオ
ン窒化は１〜１０mmHgの低圧ガス雰囲気中で炉体を陽極
＋、被処理物を陰極−とし、通常３５０〜１０００Ｖの
直流電圧を印加し、グロー放電を発生させ窒化を行わせ
る。グロー放電により窒化用ガスはイオン化し、電場に
よつて加速され、被処理物に衝突する。このエネルギー
は熱エネルギーに変換され被処理物を加熱するととも
に、カソード・スパッタリングを起こし、その表面から
鉄等（Ｆｅ，Ｃ，Ｏ）の原子及び電子を叩きだす。飛び
出した鉄原子はグロープラズマ中の原子状窒素と結合し
て窒化鉄ＦｅＮを形成し、被処理物表面状に蒸着する。
そして低位の窒化物に分解過程で放出される窒素Ｎが鋼
内部に拡散する。窒素を放出した鉄原子はグロープラズ
マ中に戻って再びＦｅＮを形成、先述した反応を繰返し
行い窒化を促進する。このようなイオン窒化は、従来の
ガス窒化方法に比べて処理時間が短い上、歪みが少な
く、加工表面を清浄にすることができる点が大きな特徴
である。又、表面脆化層の生成を抑えるため後加工の必
要がない。

【００１２】次に、第２実施例を図５を参照して説明す
る。第２実施例はピストン頂面部に、窒化又は、軟窒化
処理を施した例である。なお、図５は鋳鉄ピストン１の
半断面図を示しており、第１実施例と同じ部品には同一
符号を付けて説明は以下では省略する。図５に示すよう
に材質はフェライト焼鈍化した球状黒鉛鋳鉄で、機械加
工完了後、窒化又は、軟窒化処理を施す。図中の１点鎖
線２に示すように、少なくともピストン頂面部３および
燃焼室４に、窒化又は、軟窒化の部分処理１０を施す。
すなわち、ピストン頂面部３および燃焼室４の間のリム
部４ａにも窒化又は、軟窒化の部分処理１０を施す。ト
ップリング溝５、セカンドリング溝６、オイルリング溝
６、スカート８、およびピストンピン穴９部は窒化又
は、軟窒化をしないための防窒化処理を施す。このよう
にピストンのピストン頂面部および燃焼室に窒化処理を
行うことにより、燃焼室リム部の長時間稼働で微細亀裂
を起点とする疲労破壊が防止することができる。又、ピ
ストンのスカート部の窒化処理による寸法形状の変化が
ないので、所定寸法に精度良く加工することができる。

【００１３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ピストンピン穴中心Ｑからピストン端までの長さＬに対
するスカート中央部の肉厚ｔ１の比と、長さＬに対する
スカート下端の肉厚ｔ２との比の積が０．０１２５〜
０．２５００の範囲にあり、かつ、ピストンの表面に、
窒化又は、軟窒化処理を施こしたのでピストンのスカー
ト部の剛性と、窒化処理によるスカート部の窒化処理前
と窒化処理後との、寸法変化の小さいピストンが得られ
る。又、このように窒化処理をおこなうことにより、ピ
ストンの燃焼室リム部の長時間稼働で微細亀裂を起点と
する疲労破壊が防止することが可能となり、かつ、高出
力化によるピストンのスカート部分の耐焼つき性、耐摩
耗性、及び、トップリング溝、及び、ピストンピン穴の
耐摩耗性を向上することができる。又、ピストンのピス
トン頂面部および燃焼室に、窒化又は、軟窒化処理を施
すことにより、燃焼室リム部の長時間稼働で微細亀裂を
起点とする疲労破壊が防止することができた。又、ピス
トンのスカート部の窒化処理による寸法形状の変形がな
いので、所定寸法に精度良く加工することができる。
又、鋳鉄ピストンにおいて、ピストンの表面に、窒化又
は、軟窒化処理として、イオン窒化を施すことにより、
従来のガス窒化方法に比べて処理時間が短い上、歪みに
よる変形が少なく、加工表面を清浄にすることができ、
かつ、表面脆化層の生成を抑えるため後加工の必要がな
くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の鋳鉄ピストンを表わす半
断面図及び軟窒化処理前後のピストン外径の変化を示す
図である。

【図２】縦軸のピストンの外径に対する歪み量との比
と、横軸のピストンピン穴中心からピストン下端までの
長さに対するスカート中央部の肉厚の比、および、長さ
に対するスカート下端の肉厚との比の積と、の関係を示
す図である。

【図３】縦軸の長さに対するスカート下端の肉厚との比
と、および横軸のピストンピン穴中心からピストン下端
までの長さに対するスカート中央部の肉厚の比と、の関
係を示す図である。

【図４】縦軸の酸化膜厚さと、および横軸のエンジン耐
久の運転時間と、の関係を示す図である。

【図５】本発明の第２実施例の鋳鉄ピストンを表わす半
断面図を示す。

【図６】従来技術の鋳鉄ピストンの窒化処理を説明する
図を示す。

【符号の説明】

１…鋳鉄ピストン、３…ピストン頂面部、４…燃焼室、
８…スカート、９…ピストンピン穴。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 耐摩耗及び／又は、耐酸化性／及び／又
   は、耐高温強度向上のため表面に窒化又は、軟窒化処理
   を施す内燃機関用の鋳鉄又は、鉄系ピストンにおいて、 ピストンピン穴(9) 中心からピストン(1) 下端までの長
   さＬに対するスカート(8) 中央部の肉厚ｔ１の比と、 長さＬに対するスカート(8) 下端の肉厚ｔ２との比の積
   が０．０１２５〜０．２５００の範囲にあり、 かつ、ピストンの表面に、窒化又は、軟窒化処理を施す
   ことを特徴とする内燃機関用鋳鉄ピストン。
2. 【請求項２】 耐摩耗及び／又は、耐酸化性／及び／又
   は、耐高温強度向上のため表面に窒化又は、軟窒化処理
   を施す内燃機関用の鋳鉄又は、鉄系ピストンにおいて、 窒化又は、軟窒化処理を施す表面は、少なくともピスト
   ン頂面部(3) および燃焼室(4) であることを特徴とする
   内燃機関用鋳鉄ピストン。
3. 【請求項３】 ピストンの表面の窒化又は、軟窒化処理
   は、イオン窒化である請求項１あるいは、請求項２の内
   燃機関用鋳鉄ピストン。