JPH1026225A - ピストンおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、ピストンヘッド部に熱伝導度の高
い純アルミニウム系合金を鋳ぐるむことにより、燃焼に
て発生した熱を迅速にピストンリングやスカート部に逃
がしてピストンヘッド部の強度低下を抑えつつ吹き抜け
対策とし、高強度かつ耐熱性に優れるピストンを提供
し、さらにそのピストンを能率良くかつ安価に製造する
ことが可能なピストンの製造方法を提供することにあ
る。 【解決手段】 本発明に係るピストン１は、ピストンヘ
ッド部２に、溶射皮膜６が表面に形成されかつピストン
用アルミニウム合金にて鋳ぐるまれる純アルミニウム系
合金の鋳ぐるみ材４を設けている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関用のピス
トンおよびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】エンジンの高出力化，高性能化に伴って
燃焼温度が上昇すると、ピストンのピストンヘッド部に
対する熱負荷が増大する。このため、シリンダとピスト
ンとの気密保持が不完全となり、圧縮や燃焼ガスがクラ
ンク室に吹き抜ける等の不具合を生じることがある。従
来、この対策として、鋳ぐるみ材を母材となるアルミニ
ウム合金で鋳ぐるむ方法が採用されている。

【０００３】例えば、従来の鋳ぐるみ方法は、図８〜図
１１に示すように、鋳ぐるみ材５１の表面に母材たるア
ルミニウム合金との濡れ性に優れた金属をメッキ皮膜５
２として形成した後、アルミニウム合金溶湯５３を注湯
し、溶湯鍛造金型５４を用いて高圧鋳造法で鋳ぐるむこ
とにより、界面の接合強度を向上させたピストン５５を
得ている（特開平４ー５２０６５号）。

【０００４】また、他の従来の鋳ぐるみ方法は、図１２
および図１３に示すように、鋳ぐるみ材６１を鋳造金型
６２内に配置し、しかる後に、１ｗｔ％以上のＭｇを含
有するアルミニウム合金を湯口６３から注湯し、当該ア
ルミニウム合金で鋳ぐるみ材６１を鋳ぐるむことにより
表面の酸化皮膜をＭｇとの酸化還元反応にて破壊し、鋳
ぐるみ材６１との境界面の接合強度を向上させたピスト
ン６４を得ている（特開平５ー３３７６３１号）。

【０００５】さらに、このような鋳ぐるみ方法の他に
も、鋳ぐるまれる材料の４０〜７０倍の重量に相当する
溶湯量、もしくは鋳造素材重量に対して２〜７倍の押し
湯を用いて、その熱エネルギーにより鋳ぐるみ材表面の
酸化皮膜を除去するという方法も知られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図８〜
図１１で示す従来の鋳ぐるみ方法では、鋳ぐるみに当た
って鋳ぐるみ材５１のマトリックス界面に濡れ性の優れ
た金属皮膜５２をメッキによって設けなければならない
ので、能率良くかつ安価に鋳ぐるみを行うことが困難で
あった。しかも、密着強度を向上させるために高圧鋳造
法を用いると、専用の鍛造金型５４が必要となるので、
汎用性がなく、コストの上昇は避けられないという不都
合を有していた。

【０００７】また、図１２および図１３で示す従来の鋳
ぐるみ方法では、使用するＭｇの含有量が高くなると、
アルミニウム合金溶湯の流動性、溶湯補給性が劣化する
ので、引け巣が発生しやすくなり、重力鍛造が困難であ
った。それに加えて、一般のピストン用アルミニウム合
金の組成を変更することは、コスト高を招来するという
問題を有していた。一方、直接鋳ぐるみ材を鋳ぐるみ、
押し湯等の溶湯からの熱エネルギーを直接に利用する方
法は、それ自体特別な型法案が必要とされるため、汎用
性がなかった。

【０００８】本発明はこのような実状に鑑みてなされた
ものであって、その目的は、ピストンヘッド部に熱伝導
度の高い純アルミニウム系合金を鋳ぐるむことにより、
燃焼にて発生した熱を迅速にピストンリングやスカート
部に逃がしてピストンヘッド部の強度低下を抑えつつ吹
き抜け対策とし、高強度かつ耐熱性に優れるピストンを
提供し、さらにそのピストンを能率良くかつ安価に製造
することが可能なピストンの製造方法を提供することに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記従来技術の有する課
題を解決するために、本発明においては、ピストンヘッ
ド部に、溶射皮膜が表面に形成されかつピストン用アル
ミニウム合金にて鋳ぐるまれる純アルミニウム系合金を
設けている。

【００１０】また、他の本発明においては、純アルミニ
ウム系合金の鋳ぐるみ材の表面に、アルミニウム溶湯と
濡れ性の良い合金を溶射して溶射皮膜を形成し、この溶
射皮膜を形成した鋳ぐるみ材をピストン用鋳造金型と同
等の温度に予熱するとともに、同様に予熱しておいた鋳
造金型内に配置し、その後、ピストン用アルミニウム合
金溶湯を鋳造金型内に注湯して、鋳ぐるみ材をピストン
ヘッド部に鋳ぐるんでいる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示の実施の形態
に基づいて詳細に説明する。

【００１２】図１〜図６は本発明に係るピストンおよび
その製造方法の実施の形態を示している。図において、
１はエンジンのシリンダ内を往復動するピストンであ
り、このピストン１は、図１に示す如く、ピストン用ア
ルミニウム合金（ＡＣ８Ａ等）材料から構成され、その
頂部はピストンヘッド部２となり、その下部はピストン
スカート部３となっている。しかも、ピストン１のピス
トンヘッド部２には、当該ピストン１の材料よりも熱伝
導度が高く、速やかに熱を逃がすことが可能な純アルミ
ニウム系合金の鋳ぐるみ材４が設けられている。

【００１３】本実施の形態における鋳ぐるみ材４は、図
２に示すように、ＪＩＳ １０７０相当の直径がφ６０
ｍｍ、厚さがｔ５ｍｍのプレート４ａを用いて形成され
ている。すなわち、プレート４ａの表面をブラスト処理
し、しかる後、図３に示す如く、トーチ５により当該プ
レート４ａの表面に純アルミニウム粉末を溶射した。す
ると、図４に示す如く、プレート４ａの表面に溶射皮膜
６が形成された鋳ぐるみ材４が得られる。プレート４ａ
の表面の粗さは、溶射を行うのに必要な程度でよい。

【００１４】溶射に用いた金属は、鋳ぐるみ材４の界面
にアルミニウム溶湯と濡れ性が良くて、合金成分として
汎用性のあるＺｎ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉを１種または２種
以上含む合金粉末である。しかも、プレート４ａの表面
上に設けられた溶射皮膜６の層は０．５〜１．０ｍｍ
（本実施例では約１ｍｍ）の厚さに設定されている。溶
射皮膜６の厚さが０．５ｍｍ以下であると、アルミニウ
ム溶湯とのアンカー効果がなくなり、一方、溶射皮膜６
の厚さが１．０ｍｍ以上であると、コスト高を招来する
ことから、好ましくない。また、この際の溶射皮膜６の
中心線平均表面粗さは、１５〜３０μｍＲａ（本実施例
では約３０μｍＲａ）程度であり、ポーラス（多孔性）
な合金層となっている。溶射皮膜６の表面粗さが１５μ
ｍＲａ以下であると、ポーラスな合金層が得られず、一
方、溶射皮膜６の表面粗さが３０μｍＲａ以上である
と、十分な接合強度が得られないことから、好ましくな
い。

【００１５】上記溶射皮膜６の溶射法としては、プラズ
マ溶射法を用いている。このプラズマ溶射では、陰極と
ノズル陽極との間の直流アークによって送給される作動
ガス（Ａｒ，Ｎ₂ ，Ｈ₂ あるいはそれらの混合ガス）が
熱せられ、プラズマジェットとなってトーチ５のノズル
から噴出し、プレート４ａの表面に吹き付けられ、皮膜
となって形成される。

【００１６】次に、このような鋳ぐるみ材４を用いて本
実施の形態のピストン１を製造する方法について説明す
る。

【００１７】（１） 予熱 まず、図４に示すように溶射皮膜６が形成された鋳ぐる
み材４をピストン用鋳造金型７と同等の温度に予熱す
る。すなわち、鋳ぐるみ材４は、鋳ぐるまれる溶射皮膜
６を設けたプレート４ａに吸着されている水分および油
分のガスを除去するために、２５０〜３５０゜Ｃに予熱
しておく。この予熱温度が２５０゜Ｃ以下であると、ガ
スが飛ばなくなり、一方、予熱温度が３５０゜Ｃ以上で
あると、溶射皮膜６等に悪影響を及ぼすことから、好ま
しくない。また、鋳造金型７も同時に加熱するので、鋳
ぐるみ材４と同等の温度、２５０〜３５０゜Ｃになる。
これは、鋳ぐるみ材４の予熱温度を金型鋳造における金
型予熱温度と同等にしておくことによって、注湯時に鋳
造金型７と鋳ぐるみ材４との温度のギャップが無くな
り、より健全な素材が得られるからである。

【００１８】（２） 注湯および鋳ぐるみ 次いで、図５に示す如く、上記した温度に予熱しておい
た鋳ぐるみ材４を同様に予熱しておいた鋳造金型７内に
配置する。その後、温度７００〜７８０゜Ｃのピストン
用アルミニウム合金（ＡＣ８Ａ）溶湯を矢印で示すよう
に湯口８より鋳造金型７内のキャビティ９内に注湯し
て、鋳ぐるみ材４をピストンヘッド部２に鋳ぐるむ。そ
して、鋳造金型７に注湯したピストン用アルミニウム合
金溶湯を冷却させてから、鋳造金型７より取り出すと、
図１に示すような高性能ピストン１が得られる。なお、
この際に用いる鋳造金型７は、通常使用される既存のピ
ストン用鋳造金型であり、上下型１０，１１と湯口８を
有するサイド型１２とで構成され、これら上下型１０，
１１およびサイド型１２を型締めした状態では内部にピ
ストン形状のキャビティ９が形成されるようになってい
る。

【００１９】本実施の形態の製造方法により製造された
図６で示すピストン１と、溶射皮膜６が形成されていな
い鋳ぐるみ材を用いて製造された図７で示すピストンと
を比較してみると、マクロ観察ではいずれも同等に見え
る。しかし、ミクロでは、プレート４ａの表面が処理さ
れていない鋳ぐるみ材の界面に未接合部が観察され、溶
射した鋳ぐるみ材４にはポーラスな溶射皮膜６にアルミ
ニウム合金溶湯が浸透し、当該溶射皮膜６の凹凸部にマ
トリックス成分が観察された。このことから、鋳ぐるみ
材との界面の接合強度は、溶射皮膜を設けた方が高いこ
とが容易に推測できる。

【００２０】以上、本発明の実施の形態につき述べた
が、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではな
く、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形および変
更が可能である。

【００２１】

【発明の効果】上述の如く、本発明に係るピストンは、
ピストンヘッド部に、溶射皮膜が表面に形成されかつピ
ストン用アルミニウム合金にて鋳ぐるまれる純アルミニ
ウム系合金を設けているので、メッキに比べてポーラス
な溶射皮膜の存在でアルミニウム合金溶湯とのアンカー
効果が向上することにより高い接合強度が得られる上、
ピストンヘッド部に高い熱伝導度が付与され、燃焼によ
る熱を速やかにピストンスカート部等に逃がすことによ
って、ピストンヘッド部の強度低下が防止されており、
高強度性かつ耐熱性に優れている。しかも、本発明のピ
ストンでは、鋳ぐるみ材との界面に溶射皮膜の合金層を
有しているので、わずかに発生する熱膨張による応力を
緩和することができる。

【００２２】また、本発明に係るピストンの製造方法
は、純アルミニウム系合金の鋳ぐるみ材の表面に、アル
ミニウム溶湯と濡れ性の良い合金を溶射して溶射皮膜を
形成し、この溶射皮膜を形成した鋳ぐるみ材をピストン
用鋳造金型と同等の温度に予熱するとともに、同様に予
熱しておいた鋳造金型内に配置し、その後、ピストン用
アルミニウム合金溶湯を鋳造金型内に注湯して、鋳ぐる
み材をピストンヘッド部に鋳ぐるんでいるので、鋳ぐる
み材の表面に皮膜を形成する工程がメッキや蒸着と比べ
て容易であり、効率良く鋳ぐるみ材の前処理を行うこと
ができ、生産性の向上を図ることができる。それに加
え、本発明に係るピストンの製造方法では、溶射皮膜の
アンカー効果を用いて接合強度を得ているので、アルミ
ニウム表面の酸化皮膜を除去する必要がなくなり、従っ
て、特別な型法案を使用せずに済み、安価にピストンを
製造することができ、汎用性に優れている。しかも、本
発明の製造方法は、アルミニウム合金溶湯に圧力を加え
なくても健全な界面が得られるので、中子を用いた複雑
形状の製品を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係るピストンを示す断面
図である。

【図２】本発明の実施の形態に係るピストンの製造方法
に使用される鋳ぐるみ材の基材たる純アルミニウム系合
金プレートを示す斜視図である。

【図３】上記純アルミニウム系合金プレートの表面に純
アルミニウム粉末を溶射している状態を示す概念図であ
る。

【図４】表面に溶射皮膜が形成された純アルミニウム系
合金の鋳ぐるみ材を示す断面図である。

【図５】上記鋳ぐるみ材を鋳造金型内に配置し、ピスト
ン用アルミニウム合金溶湯を注湯する状態を示す断面図
である。

【図６】上記製造方法により溶射皮膜処理されたピスト
ン断面の金属組織を示す１００倍の顕微鏡写真である。

【図７】溶射皮膜処理されていないピストン断面の金属
組織を示す１００倍の顕微鏡写真である。

【図８】メッキ皮膜が形成された従来の鋳ぐるみ方法に
使用される鋳ぐるみ材を示す断面図である。

【図９】図８における鋳ぐるみ材を鍛造金型内に配置
し、アルミニウム合金溶湯を注湯した状態を示す断面図
である。

【図１０】図９における鍛造金型を用いて鋳ぐるみ材を
高圧鋳造法で鋳ぐるんでいる状態を示す断面図である。

【図１１】上記従来の鋳ぐるみ方法により得られたピス
トンを示す断面図である。

【図１２】他の従来の鋳ぐるみ方法に使用される鋳ぐる
み材を鋳造金型内に配置し、Ｍｇを含有するアルミニウ
ム合金溶湯を注湯する状態を示す断面図である。

【図１３】上記他の従来の鋳ぐるみ方法により得られた
ピストンを示す断面図である。

【符号の説明】

１ ピストン ２ ピストンヘッド部 ４ 鋳ぐるみ材 ４ａ プレート ６ 溶射皮膜 ７ ピストン用鋳造金型

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピストンヘッド部に、溶射皮膜が表面に
   形成されかつピストン用アルミニウム合金にて鋳ぐるま
   れる純アルミニウム系合金を設けたことを特徴とするピ
   ストン。
2. 【請求項２】 上記溶射皮膜の層が０．５〜１．０ｍｍ
   の厚さであることを特徴とする請求項１に記載のピスト
   ン。
3. 【請求項３】 純アルミニウム系合金の鋳ぐるみ材の表
   面に、アルミニウム溶湯と濡れ性の良い合金を溶射して
   溶射皮膜を形成し、この溶射皮膜を形成した鋳ぐるみ材
   をピストン用鋳造金型と同等の温度に予熱するととも
   に、同様に予熱しておいた鋳造金型内に配置し、その
   後、ピストン用アルミニウム合金溶湯を鋳造金型内に注
   湯して、鋳ぐるみ材をピストンヘッド部に鋳ぐるむこと
   を特徴とするピストンの製造方法。