JPH11285809A - 部分強化ピストンとその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 軽量で耐摩耗性と高温疲労強度に優れた部分
強化ピストンとその低コスト製造法を提供する。 【解決手段】 ピストン母材との化学反応によって耐摩
耗性を向上させる成分と高温耐疲労性を向上させるホイ
スカまたは長繊維とでなるＡｌ系反応複合材である部分
強化材を、ＡｌまたはＡｌ系母材で低・中圧鋳造法によ
って鋳ぐるむ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【従来技術と課題】最近自動車用ディーゼルエンジン
（ＤＥ）及びガソリンエンジン（ＧＥ）の高性能化に伴
い、ピストンに対する熱的及び力学的負荷が増大し、従
来のピストン用アルミ合金では耐久性が不足するためピ
ストンの部分強化が必要となって来ている。今日一般的
に行われているピストン部分強化手段として主なものに
は、ニレジスト鋳鉄の鋳ぐるみ、溶湯鍛造ＦＲＭに
よる部分強化などがある。

【０００２】しかし、ニレジスト鋳鉄はアルミ合金の比
重より２．８倍近くもあり、リング溝など極狭い範囲の
強化には有効だが、燃料直接噴射式ＤＥの燃焼室キャビ
ティリップの強化が必要な将来のＤＥ用ピストンには重
量が大幅増となり実用的ではない。

【０００３】また、溶湯鍛造ＦＲＭによる部分強化はニ
レジスト鋳鉄のような重量増の問題が無く程々の強度ア
ップが期待できるが、高圧鋳造のため鋳造装置および鋳
造金型が重力鋳造の場合より大幅なコストアップとなり
結果的にピストンのコストアップとなる。また溶湯鍛造
の場合、強化材の形状は鋳造性から制限され形状の自由
度が少なく摩耗強度はニレジスト鋳鉄より劣るという問
題がある（例えば特開平８−２８１４１６）。

【０００４】そこで、本考案者等は鋭意実験および研究
の結果、ＦＲＭの強度特性をさらに改善した反応複合材
を製造コストの安価な重力鋳造法ないし低圧鋳造法によ
り確実に鋳ぐるむ技術を開発して本発明に到達した。

【０００５】

【発明の目的】本発明の目的は、軽量で耐摩耗性及び高
温疲労強度に優れた部分強化ピストンとこれを低コスト
で製造する製造法を提供するにある。

【０００６】本発明の他の目的は、重力鋳造法ないし低
圧鋳造法により、余り設備コストをかけないで得られる
高耐摩耗性でかつ高温耐疲労強度が高く、軽量な部分強
化ピストンとその製造法を提供するにある。

【０００７】

【発明の構成】本発明により、Ａｌ系複合材である部分
強化材をＡｌもしくはＡｌ系ピストン母材で鋳ぐるんで
なる部分強化ピストンにおいて、Ａｌ系複合材が、ピス
トン母材との化学反応によって耐摩耗性を向上させる成
分と高温疲労強度を向上させるホイスカおよび／もしく
は長繊維とでなるＡｌ系反応複合材である事を特徴とす
る部分強化ピストン（請求項１）、部分強化材が、ピス
トンヘッドおよび／もしくはピストンリング溝部材であ
る請求項１に記載の部分強化ピストン（請求項２）、Ａ
ｌ系複合材である部分強化材をＡｌもしくはＡｌ系ピス
トン母材で鋳ぐるんで製造する部分強化ピストンの製造
法において、Ａｌ系複合材をアルミナイズした後、Ａｌ
系複合材表面のＡｌ層が液状もしくは固液共存状態の間
にＡｌもしくはＡｌ系ピストン母材で鋳ぐるむ事を特徴
とする部分強化ピストンの製造法（請求項３）、Ａｌ系
複合材をアルミナイズして金型内にセットした後、Ａｌ
もしくはＡｌ系ピストン母材を該金型内に注湯すると共
に、被鋳ぐるみ材であるＡｌ系複合材及び金型を加振し
て鋳ぐるみ性を向上させる請求項３に記載の部分強化ピ
ストンの製造法（請求項４）、Ａｌ系複合材が、ピスト
ン母材との化学反応によって耐摩耗性を向上させる成分
と高温疲労強度を向上させるホイスカおよび／もしくは
長繊維とでなるＡｌ系反応複合材である請求項３もしく
は４に記載の部分強化ピストンの製造法（請求項５）お
よび鋳造法が重力鋳造法もしくは低圧鋳造法である請求
項３ないし５の内いずれか１項に記載の部分強化ピスト
ンの製造法（請求項６）が提供される。

【０００８】以下に本発明を作用と共に詳細に説明す
る。Ａｌ系反応複合材 本発明におけるＡｌ系反応複合材とは、アルミナ、ホウ
酸アルミなどセラミック系のホイスカ又は粉末と長繊維
と、高温度において、Ａｌと反応して耐摩耗性物質を生
成するチタニアホイスカもしくは粉末等からなるプリフ
ォームを用いて高圧鋳造もしくは低圧鋳造により作製さ
れるＡｌ合金をベースとする反応複合材を言う。

【０００９】プリフォームを構成するアルミナは体積比
率として５〜２０％、その内高温疲労強度特性を向上さ
せる長繊維の割合は１００％まで許容できるが、プリフ
ォームの製造上及び製品の加工上１０〜５０％が望まし
い。また反応生成物となるチタニア（ＴｉＯ_２）は体積
比率として３〜１０％が実用的である。

【００１０】反応複合材の摩耗特性はチタニアとＡｌの
反応生成物の量に比例して向上するが、摩耗強度があり
すぎるとピストン硬度が高くなりすぎてピストンの機械
加工が困難となるため反応複合材の硬度がビッカース硬
度で２００程度となる反応複合材の製造条件が好まし
い。これはチタニアの体積比率が５〜１０％で複合化温
度が７００℃以上となる時間が５分以上保持出来る製造
条件が好ましい。

【００１１】このように反応複合材の摩耗強度は体積比
率、温度、温度保持時間を変化させる事で任意な強度を
得ることが出来る。図１は本発明実施例のＡｌ系反応複
合材における反応温度別の反応時間とビッカース硬度の
関係を示すグラフである。アルミナイズ法による鋳ぐるみ アルミナイズして鋳ぐるむ手法はＦｅ系の材料をＡｌ合
金で鋳ぐるむ時によく用いられる。これはＦｅ系材料の
表面にＡｌとの合金層を作り、その合金層を介してＡｌ
との接合性を強固にするためである。

【００１２】反応複合材をアルミナイズする場合の接合
メカニズムは、Ｆｅ系合金との場合と接合メカニズムが
異なることを以下に説明する。すなわち反応複合材はＡ
ｌ合金がベースであるため、複合材表面のＡｌは酸化皮
膜で覆われており、その酸化皮膜がＡｌ溶湯との接合を
防げる最大の原因であるから、反応複合材を７５０℃以
上のＡｌ溶湯中に浸漬する事により表面の酸化皮膜を洗
い流すようにする。

【００１３】アルミナイズされた反応複合材を金型にセ
ットし注湯するまでに生じるＡｌ酸化皮膜は、Ａｌ層が
まだ液状もしくは固液共存状態であるため注湯されたＡ
ｌ溶湯の流れにより容易に除去されるので、Ａｌ系反応
複合材とピストン母材であるＡｌ合金との接合は問題な
く行われる。アルミナイズによる鋳ぐるみは本発明のよ
うなＡｌ系反応複合材を鋳ぐるむ場合のみならず、一般
の複合材を鋳ぐるむ場合にも有効な手段である。加振による接合性の向上 反応複合材をアルミナイズ処理して鋳ぐるむ事の有効性
は前記の通りであるが、ピストン形状又強化材の形状に
よっては、なおＡｌ酸化皮膜を十分に洗い流す事が困難
な場合がある。このような場合、Ａｌ系反応複合材をア
ルミナイズして金型にセットし、上型でＡｌ系反応複合
材の位置決め固定を行い、注湯作業にはいるが、その注
湯と同時に上型に取り付けた加振機によりＡｌ系反応複
合材及び金型を加振しながら注湯を行うとよい。このよ
うにＡｌ系反応複合材に振動を加える事により溶湯の流
れだけよりも表面の酸化皮膜除去がより完全に行われ、
ピストン形状、強化材形状に関係なく接合が完全なもの
となる。

【００１４】

【発明の効果】（１）本発明を実施することにより、反
応複合材をピストンの任意の部位に鋳ぐるむ事が出来、
軽くて耐摩耗性に優れ、なお高温疲労強度に優れ、高強
度、高機能性のピストンを提供することが出来る。

【００１５】（２）鋳造法として低圧ないし重力鋳造法
を採用できるため、鋳造機及び鋳造金型を低コストで得
ることが出来、ピストン製造コストを低く押さえること
が可能となる。

【００１６】

【実施例】ディーゼルエンジン用ピストンのトップリン
グ溝部及び燃焼室キャビテイリップ部に反応複合材を鋳
ぐるんだ実施例について説明する。

【００１７】製造プロセス 図２は鋳造用金型の断面図である。

【００１８】図２において、１はピストン鋳造外型であ
ってピストンの外形を形成する。２はピストン鋳造中型
でピストンの内側形状を形成する。３はピストン部分強
化材となる反応複合材合材で外型の強化材指示部にセッ
トされている。４はピストン鋳造上型でこのケースでは
加振機７が上型にセットされている。加振機７のセット
位置は強化部材溶湯などに振動を与える場所なら何処で
も良い。また振動は機械的振動のみならず超音波など他
の手段で加振しても良いことは言うまでもない。５は反
応複合材又は複合材をアルミナイズするためのＡｌ合金
溶湯を溶解しておく処理浴である。６はＡｌ溶解炉でピ
ストン母材例えばＡＣ８Ａ材等を溶解保持する。また８
はピストン、９は湯口である。

【００１９】図３は鋳造操作手順を示す工程図である。

【００２０】図３において、ピストン母材例えばＡＣ８
Ａ材を７８０〜８００℃で溶解した後、フラックスによ
り非金属介在物やガス除去の溶湯処理を行い、更にアル
ゴンガスバブリングにより脱ガス（Ｈ２）処理を行う。

【００２１】他の工程により製造された反応複合材もし
くは複合材（部分強化材）を７５０〜７８０℃でアルミ
ナイズした後ピストン鋳造金型にセットする。この時ア
ルミナイズした反応複合材の表面が液状である事が望ま
しくその為には処理浴より取り出して２５秒以内にセッ
トを終了し直ちに上型をセットする。ピストン母材であ
る溶湯の注湯は反応複合材をを処理浴から取り出して２
５秒以内に行うことが望ましい。

【００２２】ピストン母材を外型の湯口に注湯開始と共
に上型に取り付けた加振機を作動させる。加振機の作動
時間は１０秒程度で十分である。その後約６０秒間の凝
固時間を経過させ中型を下降させ、上型を上昇させた後
外型を開いてピストン素材を取り出す。接合性の評価 反応複合材の鋳ぐるみ接合性の評価は、先ず接合界面の
カラーチェックを行い、次いでリング溝部及びキャビテ
ィリップ部の熱衝撃試験を行う。図４は実施例ピストン
の断面図である。

【００２３】図４に示すようにピストン素材の湯口及び
頭部押し湯を切断除去した後ピストン頭部及びリング溝
外周部を旋盤により反応複合材３の接合界面１０が出る
まで切削除去した後、ピストンを縦方向に４分割してそ
の接合界面１０をカラーチェックにより接合性の評価を
行う。

【００２４】図５はキャビティリップ部の熱衝撃試験の
断面概念図を示す。

【００２５】図５において８はピストン、１９はバーナ
ー、２０は水槽、２１は水である。

【００２６】これは実機エンジンより加熱、冷却サイク
ルを早めた加速試験のため１００℃−３５０℃−１００
℃のサイクルを６０秒間で行い、これを２０００サイク
ルクリア出来れば熱疲労度は合格とする。この条件で２
０００サイクルＯＫならば、エンジンテストでも問題が
ないことが確認されている。

【００２７】図６は熱疲労試験の結果を示すグラフであ
る。

【００２８】この図から長繊維を含むプリフォームを使
用した複合材（本発明実施例）がそうでない比較例に比
して優れていることが判る。また、接合界面の組織観察
など、さらに詳細な評価を行う場合は、ピストンを縦方
向にカットしてテストピースを切り出して接合界面を研
磨した後、金属顕微鏡、走査型電子顕微鏡等により観察
評価を行う。

【００２９】鋳ぐるみ時の条件を変化させて行った鋳造
テストの接合界面の金属顕微鏡（×１００）観察結果を
表１に示す。

【００３０】

【表１】 評価結果×の状態１００倍光学顕微鏡写真を図７に示
す。

【００３１】この場合図７に見られるように、複合材接
合界面にクラックを伴う明確な境界面が現れ、全く接合
していない。この場合は実用性なしである。次に評価結
果△の状態を図８に示す。この場合接合界面にクラック
はないがＡｌ酸化皮膜が部分的に存在しており接合が完
全とは言い難い。この場合同様に評価結果は実用性なし
である。

【００３２】また評価結果○の状態を図９に示す。この
場合接合面にＡｌ酸化皮膜は殆ど無く、接合界面のカラ
ーチェックによると９２％以上は完全に接合している。
評価結果◎は組織写真としては、図９と同じであるが、
接合界面の９５％以上が完全に接合しているものであ
る。先の熱疲労試験に用いたサンプルはこの状態のもの
を用いている。

【００３３】強化材であるＡｌ系反応複合材の摩耗特性
評価は図１０に示すようにピストントップリング溝とピ
ストンリングを直接に高温摺動摩耗を行わせる当社製ピ
ストン摩耗評価装置により評価した。その結果を図１１
に示す。すなわち図１１は同一測定条件における相対摩
耗深さを示すグラフである。これよりピストン母材のＡ
Ｃ８Ａ材とチタニアの反応を十分行わせたもの（本発明
実施例）ほど摩耗強度が高いことがわかる。

【００３４】図１０において、５０は評価ピストン、５
１はピストンリング、５２は補助治具、５３はシリンダ
ホルダ、５４は熱電対、５６はピストン回転駆動軸、５
７はブロックヒータ、５８は潤滑油供給口、６０は油圧
シリンダである。

【００３５】熱疲労強度試験にはピストン成形品を用い
て評価を行った。

【００３６】サンプルをプロパンガスバーナによりピス
トン頭部より加熱し、耐摩環部が３００℃に加熱される
と水冷されるという熱サイクルを繰り返す熱疲労試験機
により評価を行った。比較例として、ニレジスト耐摩環
を用いたピストンを使用した。ピストンリング溝部は実
際は２５０℃程度しか昇温しないが加速テストとして３
００℃〜１０℃のサイクルとした。

【００３７】評価法は１００サイクル毎に耐摩環接合海
面のカラーチェックを行い赤く発色した時点の熱サイク
ル数を求めた。本発明実施例では、従来技術であるニレ
ジスト鋳鉄鋳ぐるみによるトップリング溝強化ピストン
より大幅に熱疲労強度が向上している。

【００３８】現存するピストン部分強化技術ではニレジ
スト鋳鉄の摩耗強度が最も高いと言われている。しかし
等発明による反応複合機を用いると、エンジン性能より
ピストンに要求される摩耗強度を複合化条件の調整によ
り任意に設定する事が可能となる。その為、特に摩耗強
度を要求されるピストンに対しては図１に示すように反
応温度を高くすることで硬度アップがはかれニレジスト
鋳鉄より優れた摩耗特性を与える事が可能となる利点を
持つ。

【００３９】表２は反応複合材（本発明実施例）の鋳ぐ
るみ条件を記載した表である。

【００４０】

【表２】

【図面の簡単な説明】

【図１】反応温度別の反応時間と複合材硬度の関係を示
すグラフ。

【図２】鋳造用金型の断面図。

【図３】鋳造操作手順。

【図４】カラーチェック用サンプルピストン図。

【図５】燃焼室キャビティリップ部の熱衝撃試験、概念
構成図。

【図６】キャビティリップ部の熱衝撃試験結果。

【図７】評価結果×の顕微鏡写真（×１００）。

【図８】評価結果△の顕微鏡写真（×１００）。

【図９】評価結果○の顕微鏡写真（×１００）。

【図１０】トップリング溝の摩耗評価装置の構成概念
図。

【図１１】トップリング溝の摩耗評価結果。

【符号の説明】

１ ピストン鋳造外型 ２ ピストン鋳造中型 ３ ピストン部分強化材 ４ ピストン鋳造上型 ５ 反応複合材又は複合材をアルミナイズする
ためのＡｌ合金溶湯を溶解しておく処理浴 ６ ピストン母材を溶解保持するＡｌ溶解炉 ８ ピストン ９ 湯口 ５０ 評価ピストン ５１ ピストンリング ５２ 補助治具 ５３ シリンダホルダ ５４ 熱電対 ５６ ピストン回転駆動軸 ５７ ブロックヒータ ５８ 潤滑油供給口 ６０ 油圧シリンダ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｆ 3/00 ３０１ Ｆ０２Ｆ 3/00 ３０１Ｂ ３０２ ３０２Ｂ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ａｌ系複合材である部分強化材をＡｌもし
   くはＡｌ系ピストン母材で鋳ぐるんでなる部分強化ピス
   トンにおいて、Ａｌ系複合材が、ピストン母材との化学
   反応によって耐摩耗性を向上させる成分と高温疲労強度
   を向上させるホイスカおよび／もしくは長繊維とでなる
   Ａｌ系反応複合材である事を特徴とする部分強化ピスト
   ン。
2. 【請求項２】部分強化材が、ピストンヘッドおよび／も
   しくはピストンリング溝部材である請求項１に記載の部
   分強化ピストン。
3. 【請求項３】Ａｌ系複合材である部分強化材をＡｌもし
   くはＡｌ系ピストン母材で鋳ぐるんで製造する部分強化
   ピストンの製造法において、Ａｌ系複合材をアルミナイ
   ズした後、Ａｌ系複合材表面のＡｌ層が液状もしくは固
   液共存状態の間にＡｌもしくはＡｌ系ピストン母材で鋳
   ぐるむ事を特徴とする部分強化ピストンの製造法。
4. 【請求項４】Ａｌ系複合材をアルミナイズして金型内に
   セットした後、ＡｌもしくはＡｌ系ピストン母材を該金
   型内に注湯すると共に、被鋳ぐるみ材であるＡｌ系複合
   材及び金型を加振して鋳ぐるみ性を向上させる請求項３
   に記載の部分強化ピストンの製造法。
5. 【請求項５】Ａｌ系複合材が、ピストン母材との化学反
   応によって耐摩耗性を向上させる成分と高温疲労強度を
   向上させるホイスカおよび／もしくは長繊維とでなるＡ
   ｌ系反応複合材である請求項３もしくは４に記載の部分
   強化ピストンの製造法。
6. 【請求項６】鋳造法が重力鋳造法もしくは低圧鋳造法で
   ある請求項３ないし５の内いずれか１項に記載の部分強
   化ピストンの製造法。 【発明の属する技術分野】本発明は、部分強化ピストン
   とその製造法に関し、より詳しくは、ＦＲＭでなる部分
   強化材をＡｌ系ピストン母材で鋳ぐるんだ部分強化ピス
   トンとその製造法に関する。