JPH11325249A

JPH11325249A - 耐摩環

Info

Publication number: JPH11325249A
Application number: JP14511598A
Authority: JP
Inventors: Yoshikatsu Nakamura; 義勝中村; Teruo Takahashi; 輝夫高橋
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1998-05-11
Filing date: 1998-05-11
Publication date: 1999-11-26

Abstract

(57)【要約】【課題】ピストンリングへのアルミ凝着の問題が生じ
ず、トップリング溝の摩耗を低減し、ピストン本体との
鋳ぐるみ性、熱伝導性、加工性等の問題を解決する耐摩
環の提供。【解決手段】耐摩環１０はピストン３とは異種材料で
形成され、ピストンリング溝８面全体に固着されてピス
トンリング７を装着する。製造に際し、アトマイズ法に
より、溶融したアルミニウム−珪素合金をガスアトマイ
ズしながら急冷凝固堆積させて耐摩環用のインゴットを
製造し、インゴットをベースに耐摩環が構成される。耐
摩環の組成は珪素２０〜５０重量％、銅０．５〜１０重
量％、マグネシウム０．５〜５重量％、鉄、ニッケル、
マンガン及び亜鉛の合計で３重量％以下、残部アルミニ
ウムであり、微細均一な初晶珪素の粒径が２０μｍ以下
であり、初晶珪素の平均粒径は２〜４μｍである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は耐摩環に関し、特にディ
ーゼルエンジン用及び高出力ガソリンエンジン用の耐摩
環に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年のエンジンの軽量化及び放熱性を高
める目的から、アルミニウム合金製のエンジンが一般化
しつつあり、ピストンもアルミニウム合金製としてい
る。一方で、エンジン高出力化の要請に伴い、エンジン
は高温の燃焼温度にさらされ、またピストンリング材に
も厳しい耐摩耗性が要求されている。そのためピストン
リングを装着するためのピストンリング溝は、硬度の高
いピストンリングの端面で叩きを受けるので、通常のア
ルミ合金ではピストンリング溝のへたりや変形が生じる
おそれがある。特にディーゼルエンジンのトップリング
は、燃焼圧が直接作用するので、トップリング溝はピス
トンリングの衝撃の繰り返しでへたり摩耗が生じ、ガス
漏れやオイル漏れが生じると、エンジン出力の低下を来
たすこととなる。

【０００３】この問題を解決するために、ピストンリン
グ溝にピストン材料よりは高強度の材料にて耐摩環を固
着し、ピストンリングを耐摩環により支持する構成が提
案されている。例えば、ディーゼルエンジン用のトップ
リング溝には、ニレジスト合金により構成されるインサ
ート（耐摩環）を鋳ぐるんだピストンが提案されてお
り、この耐摩環によってシリンダ内におけるピストン摺
動時のピストンリング溝の摩耗を防止している。

【０００４】また特開昭５８−９３８３５号公報では、
アルミナ−シリカ繊維を複合化したアルミニウム基ＭＭ
Ｃ材（金属マトリックス複合材）からなる耐摩環が提案
されており、また特開平６−２６４０７９号公報では、
炭素質粉末と金属で被覆した固体潤滑材とアルミニウム
基金属からなる摺働部材が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしニレジスト合金
により耐摩環を構成する場合には、鋳造品であるため材
料費が高くなりかつ歩留まりが悪く加工性も悪く、総合
的にコスト高となっていた。さらに鋳ぐるみ性を向上さ
せるためにアルミナイズ処理が必要不可欠であり、また
鉄合金のため密度が高くなりエンジン性能の低下を招い
ていた。また熱伝導率も今一つ不充分であった。

【０００６】一方特開昭５８−９３８３５号公報に記載
されているように、アルミニウム基ＭＭＣ材により耐摩
環が構成される場合には、近年のディーゼルエンジンの
出力向上とそれに伴うピストンリング溝部の温度上昇に
より、ピストンリング溝とピストンリングとの間で相互
に発生する凝着（アルミ凝着）が生じていた。即ちピス
トンリング溝が高温と叩きとにより軟化してピストンリ
ングの端面に固着することである。この現象は特に、ピ
ストンリングの下面側（燃焼室と対向していない側）で
顕著である。

【０００７】また特開平６−２６４０７９号公報に記載
されている材料では、トップリング溝用の耐摩環として
は耐熱性が十分でなく、また強度も十分ではなかった。

【０００８】そこで本発明は、ピストンリングへのアル
ミ凝着の問題が生じず、トップリング溝の摩耗を低減
し、ピストン本体との鋳ぐるみ性、熱伝導性、加工性等
の問題を解決する耐摩環を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、内燃機関のピストンとは異なる材料で形
成され、ピストンリング溝面全体に固着されてシリンダ
ライナに対して摺動するピストンリングを装着する耐摩
環に関し、組成が珪素を２０〜５０重量％、銅を０．５
〜１０重量％、マグネシウムを０．５〜５重量％、鉄、
ニッケル、マンガン及び亜鉛の合計が３重量％以下、残
部アルミニウムであり、アルミニウムマトリックス中に
初晶珪素粒子が微細均一に分散しているアルミニウム合
金製耐摩環を提供している。

【００１０】ここで初晶珪素粒子の粒径が２０μｍ以下
であり且つ該初晶珪素粒子の平均粒径が２〜４μｍであ
るのが好ましい。また前記アルミニウム合金は、アトマ
イズ法により、溶融したアルミニウム−珪素合金をガス
アトマイズしながら急冷凝固堆積させることにより製造
されるのが好ましい。具体的にはアトマイズ法により、
溶融したアルミニウム−珪素合金をガスアトマイズしな
がら急冷凝固堆積させてインゴットを製造し、このイン
ゴットをベースに耐摩環が構成される。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態による耐摩環
について図１乃至図２に基づき説明する。

【００１２】図１はディーゼルエンジンの要部を示して
おり、鋳造されたクランクケース２内にシリンダライナ
６を内周面側に圧入したライナ４が設けられ、このシリ
ンダライナ６内にアルミ合金製のピストン３が摺動可能
に案内されている。クランクケース２内でシリンダ胴４
の周りには、シリンダ冷却用ウォータージャケット５が
形成されている。またクランクケース２の上部には、シ
リンダヘッド１が設けられ、ピストン３の上面との間で
燃焼室が画成される。またピストンの上部側には複数の
ピストンリング７が装着されている。

【００１３】図２に示されるように、ピストンリング７
を装着するためのリング溝８が、ピストン３の外周面に
環状に形成されている。リング溝８は上面、下面、底面
からなる断面コの字状をしており、リング溝８にはピス
トンより高強度材料により形成される断面コの字状の耐
摩環１０が固着されている。ピストン３の摺動に伴いピ
ストンリングとリング溝８との間に相対的移動が生じる
が、摩耗環１０によりピストンリング溝の摩耗やへた
り、変形が防止できる。

【００１４】次に耐摩環１０の組成及びその製造方法に
ついて説明する。耐摩環１０の材料は、重量％で次の組
成を有している。珪素２０〜５０％銅０．５〜１０％マグネシウム０．５〜５％鉄、ニッケル、マンガン、亜鉛の合計３％以下アルミニウム残部珪素は含有率が２０重量％未満であると初晶珪素粒子の
析出が少なすぎて耐摩耗性が劣る結果となり、５０重量
％を超えると初晶珪素粒子の微細化が困難となる。また
アルミニウム基地部が少なくなることとなり、ピストン
母材との密着性が悪くなる。

【００１５】銅及びマグネシウムはともに時効硬化性を
付与し、機械的強度、硬度、耐摩耗性を改善するが、含
有率が０．５重量％未満ではその効果が認められない。
一方銅の含有量が１０重量％を超えると強度、伸びが低
下し、マグネシウムの含有量が５重量％を超えると熱膨
張性が増加する。

【００１６】鉄、ニッケル、マンガン及び亜鉛には、高
温強度、熱膨張を改善する効果があるが、これらの合計
の含有率が３重量％を超えると強度と伸びが低下すると
いう欠点を有する。

【００１７】また初晶珪素の粒径は２０μｍ以下であ
る。粒径が２０μｍを超えると、粗大化した珪素粒によ
り靱性が無くなり耐摩耗性が劣る。また靱性及び耐摩耗
性の観点からは粒径の平均値が２〜４μｍであるのが望
ましい。

【００１８】次に耐摩環１０の製造過程について説明す
る。

【００１９】はじめに、アトマイズ法（スプレーフォー
ミング法）により、アルミニウム−珪素合金のインゴッ
トを製造する。一般にアトマイズ法とは溶解した金属を
細いノズルから流出させ、高圧の不活性ガス雰囲気の室
の中に霧状に滴化することをいう。アトマイズされてで
きた粒滴は、半溶融半凝固状態でコレクタと呼ばれるベ
ースの上に受けられて固化される。コレクタの形状や動
きを選択することで、円柱形状のプリフォーム（インゴ
ット）が形成される。ガスアトマイズされた金属溶滴が
飛行中また堆積後に急冷凝固することにより、マクロ偏
析がなく、微細均一等方性の組織、微細に析出した組
織、低酸素含有量、熱間加工性の良好なインゴットが得
られる。また、鋳造に比較して工数が少ないために、生
産速度が高く、製造コスト上も有利である。

【００２０】本実施の形態においては皿状のコレクタを
用い、それを回転させている状態でアトマイズされた溶
湯滴を皿上に堆積させることにより円柱状のインゴット
が製造される。この過程で、アルミニウムマトリックス
中に初晶珪素が形成され、合金マトリックス内におい
て、硬質の粒子が細かく分散した分布及び均質な分布が
得られる。

【００２１】具体的には、アトマイズされた溶湯滴は、
高速のガスにより急速に加速され、飛行速度が急激に上
昇し、ついにはガス速度と等しくなり、最高速度は溶湯
滴の径によっても異なるが３０〜１００ｍ／秒となる。
またアトマイズされた粒子はガスによって冷却され、温
度が急激に低下する。コレクタへの衝突時の粒子温度は
飛行距離が５００ｍｍの場合で平均的には固液共存の温
度となっている。

【００２２】即ち、アトマイズされた溶湯滴は、ガスに
よって急速に冷却され、過冷されるが、細かい粒子は凝
固を開始する。このような粒子群が堆積し、半溶融の薄
い膜が形成される。それと同時にこの膜は主にガスによ
る冷却により凝固が終了する。これらが繰り返されるこ
とによって、プリフォーム（インゴット）が形成され
る。プリフォームが厚くなった場合でも凝固までの冷却
速度は最後まで変化はなく、厚さ方向に均一な微細組織
が得られる。特に急冷凝固により微細な凝固組織が得ら
れ、析出物の微細化、均一化が達成される。また偏析が
低減されるとともに、非晶質相、過飽和固溶体等の準安
定相が出現するという効果がある。

【００２３】アトマイズ後にプリフォームを押出成形す
ることによってプリフォームを管状に成形し、必要に応
じて鍛造（ハンマリング）を行い、最後に管状成形体を
軸方向で所定幅毎にスライスしてリング状部材を得て、
リング溝８に嵌着させる。嵌着後、ピストン全体を切削
機にセットして、リング溝８に嵌着されたリング状部材
に対して環状溝加工を行うことにより、耐摩環１０が製
造される。

【００２４】アトマイズ法による製造方法により耐摩環
を製造し、耐摩環の材料組成を上述のように構成するこ
とにより、ピストンリングへの耐摩環のアルミ凝着を低
減させ、またリング溝特にトップリング溝の摩耗を低減
させることができる。また従来問題となっていたピスト
ン本体との鋳ぐるみ性、熱伝導性、加工性を大幅に改善
することができる。

【００２５】次に本実施の形態による耐摩環の試験方法
及び試験結果について図３及び表１に基づき説明する。

【００２６】図３は耐摩環についての試験機１１を示
す。試験機１１は高温弁座摩耗試験機を用いた。耐摩環
１０に対応するピストン側材１３を試験機１１に対して
軸方向に移動不能に固定し、ピストンリング７に対応す
るリング材１２をピストン側材１３に同心に装着し、リ
ング材１２の内周面側にシリンダライナに対応する鋳鉄
製円柱棒１５を軸方向に往復動作させ、ピストン側の摩
耗量（耐摩環材１３の摩耗量）、リング摩耗量（リング
材１２の摩耗量）、リング材へのアルミ凝着性について
試験を行った。試験機１１は加熱するためのヒーター１
４を有しており、実際には燃料の燃焼を行わなくともエ
ンジン内の燃焼時の高温状態を作り出すことができ、耐
摩環の状態変化を試験することができる。

【００２７】試験条件は次のとおりであった。ピストン側材温度３４０℃ 繰返し数１５００回／分ローテーション３．０ｒｐｍ面圧２０ｋｇ／ｃｍ² 試験時間１０Ｈｒなお、ローテーションとはリング材の回転数のことであ
る。

【００２８】試験片としては本発明によるピストン側材
１３として、初晶珪素の平均粒径や組成を表１のように
異ならせた本発明材１乃至３を用意した。また比較材１
は表１の組成を有するアルミニウム鋳造引抜き材であ
り、比較材２はアルミニウム材（ＪＩＳＡＣ８Ａ）、比
較材３はアルミニウム材（ＪＩＳＡＣ８Ａ）をアルマイ
ト処理したもの、比較材４はニレジストから構成される
ものである。

【００２９】一方リング材１２としては、リング材１乃
至３の３種を用意した。リング材１はＦＣＤを母材とし
て、外周面をクロムでメッキしたもの、リング材２は珪
素−クロム鋼を母材として、外周面をクロムでメッキし
たもの、リング材３は１７クロムステンレス鋼をガス窒
化したものである。また表１において、アルミ凝着の欄
のＡは「アルミ凝着なし且つ表面状態良好」を意味し、
Ｂは「アルミ凝着なし」を意味する。又Ｃは「アルミ凝
着あり」を意味する。

【００３０】

【表１】

【００３１】試験結果は表１に示されるとおりであり、
初晶粒径が２〜４μｍの範囲に収まり、珪素、銅、マグ
ネシウム、鉄、ニッケル、マンガン、亜鉛、アルミニウ
ムの比率が本発明の重量％に収まっている本発明材１乃
至３の場合には、ピストン側摩耗、リング側摩耗、アル
ミ凝着のいずれをとっても試験結果は良好であった。ピ
ストン側摩耗についてはリング材１〜３のどの場合でも
３．８〜５．５ｍｇの範囲に収まっており、比較材１〜
４を試験した場合のビストン側摩耗の範囲である６．８
〜２３．０ｍｇを大きく下回っていることが判る。リン
グ材摩耗についても本発明材では、３．０〜５．２ｍｇ
であるのに対して、比較材１〜４では４．８〜１５．０
ｍｇと格段に大きく、本発明による耐摩環がピストンリ
ング７の摩耗の改善にも寄与していることが判る。

【００３２】更にアルミ凝着については、本発明による
耐摩環の場合には全く生じず且つ耐摩環及びピストンリ
ング表面の状態も極めて良好であった。一方比較材につ
いては、比較材１及び２ではアルミ凝着が生じており、
また比較材３ではアルミ凝着は生じないものの、耐摩環
及びピストンリング表面の状態は良好ではなかった。

【００３３】以上の試験結果から、本発明による耐摩環
はピストン側摩耗性、リング側摩耗性及びアルミ凝着の
どの特性をとっても良好であることが判明した。

【００３４】本発明は上述した実施の形態に限定され
ず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変形が可
能である。例えば、上述した実施の形態では、皿状のコ
レクタにアトマイズされた溶湯滴を堆積させて円柱状の
インゴットを製造しているが、コレクタを中空円筒材料
にて形成してアトマイズ室内に水平方向に設置し、コレ
クタをその軸心を中心に回転させると共に軸方向に移動
させることにより、コレクタの周面にアトマイズされた
合金を順次堆積させるようにして、円筒状のインゴット
を製造するようにしてもよい。その場合には、コレクタ
の内径をリング溝８の底面の直径と同一とすることで、
インゴットをスライスした後のリング状部材のリング溝
８への嵌着が容易となる。又製造された中空円筒状のイ
ンゴットに対して押出し成形をしてもよい。ここでリン
グ溝との嵌着面はコレクタ材料となるが、アトマイズ時
の溶湯滴の付着性とピストン材料との相性を考慮してコ
レクタ材料を適宜選択すればよい。

【００３５】

【発明の効果】請求項１記載の耐摩環によれば、耐摩環
自体の耐摩耗性が向上するばかりか、ピストンリング自
体の摩耗量を低下させ、またアルミ凝着の発生を防止す
ることができる。また、アトマイズ法によって耐摩環用
の合金を形成するので、アトマイズ法本来の利点である
微細均一等方性の組織、微細に析出した組織、低酸素含
有量、熱間加工性の良好な合金組織が得られ、その合金
を耐摩環として使用することにより工程の簡素化等の改
善を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による耐摩環が固着された
内燃機関を示す断面図。

【図２】本発明の実施の形態による耐摩環を備えたピス
トンの一部断面図。

【図３】本発明の実施の形態による耐摩環の特性試験を
行う試験機を示す斜視図。

【符号の説明】

３ピストン７ピストンリング１０耐摩環

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＣ２２Ｃ 1/02 Ｃ２２Ｃ 21/02 21/02 Ｆ０２Ｆ 3/00 ＮＦ０２Ｆ 3/00 ３０２Ｚ３０２Ｂ２２Ｆ 3/10 Ｘ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】組成が珪素を２０〜５０重量％、銅を
０．５〜１０重量％、マグネシウムを０．５〜５重量
％、鉄、ニッケル、マンガン及び亜鉛の合計が３重量％
以下、残部アルミニウムであり、アルミニウムマトリッ
クス中に初晶珪素粒子が微細均一に分散していることを
特徴とするアルミニウム合金製耐摩環。
【請求項２】前記初晶珪素粒子の粒径が２０μｍ以下
であり且つ該初晶珪素粒子の平均粒径が２〜４μｍであ
ることを特徴とする請求項１記載の耐摩環。
【請求項３】前記アルミニウム合金は、アトマイズ法
により、溶融したアルミニウム−珪素合金をガスアトマ
イズしながら急冷凝固堆積させたことを特徴とする請求
項１又は２記載の耐摩環。