JPH11336899A - トップリング溝の上方位置設置が可能なAl−Si系合金製ピストン - Google Patents

トップリング溝の上方位置設置が可能なAl−Si系合金製ピストン

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JPH11336899A
JPH11336899A JP14102998A JP14102998A JPH11336899A JP H11336899 A JPH11336899 A JP H11336899A JP 14102998 A JP14102998 A JP 14102998A JP 14102998 A JP14102998 A JP 14102998A JP H11336899 A JPH11336899 A JP H11336899A
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    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 トップリング溝の上方位置設置が可能なAl
−Si系合金製ピストンを提供する。 【解決手段】 ピストン鋳物本体のトップリング溝をピ
ストンリング耐摩環の鋳包みにより形成してなるAl−
Si系合金製ピストンにおいて、上記ピストン鋳物本体
を、重量%で、Si:11〜13%、Cu:0.8〜
1.3%、Mg:0.7〜1.3%、Ni:0.8〜
1.5%、Fe:0.2〜1%、Mn:0.05〜0.
3%、を含有し、残りがAlと不可避不純物からなる組
成を有する初晶Si分散Al−Si系合金で構成し、か
つ上記ピストンリング耐摩環を、同じく重量%で、C
r:0.5〜5%、Mn:0.2〜1%、S:0.05
〜1%、B:0.05〜1%、C:0.5〜5%、N
i:1〜12%、Ti:0.5〜5%、Cu:1〜8
%、を含有し、さらに必要に応じてMo:0.1〜2
%、を含有し、残りがFeと不可避不純物からなる組
成、並びに素地はオーステナイト相を主体とし、かつ気
孔内には析出成長した遊離黒鉛が存在する組織を有する
遊離黒鉛析出鉄系焼結材料で構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、鋳包まれるピス
トンリング耐摩環の接合強度が高く、トップリング溝を
上方位置に移動しても、前記トップリング溝を形成する
前記ピストンリング耐摩環が小さい相手攻撃性で、すぐ
れた高温耐摩耗性を発揮するAl−Si系合金製ピスト
ンに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、例えば特公昭57−32743号
公報に記載されるように、例えばトラック・バス用ディ
ーゼルエンジンのピストンが、図1(a)の概略縦断面
図および同(b)の要部縦断面図で示される構造を有
し、かつ図示される通りトップランド部直下のトップリ
ング溝にはピストンリング耐摩環がピストン鋳物本体の
鋳造時に鋳ぐるまれて設けられた構造をもつことは良く
知られるところである。また、ピストン鋳物本体が、A
l−Si系合金で構成され、さらに上記ピストンリング
耐摩環には、良好な耐摩耗性と相手攻撃性の低いFe−
Ni−Cu系焼結材料(組成:Fe−8〜25%Ni−
3.5〜10%Cu−2.0%以下C)や、Ni−Cu
−Cr系オーステナイト鋳鉄であるニレジスト鋳鉄(組
成:Fe−1.5〜3.5%Cr−0.8〜1.5%M
n−3%以下C−13〜22%Ni−8%以下Cu−
1.0〜2.8%Si、以上重量%、以下%は重量%を
示す)などが広く用いられていることも良く知られると
ころである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】一方、自動車に対する
排気ガス規制は年々厳しさを増す傾向にあり、この対応
手段の1つとして、トラック・バス用ディーゼルエンジ
ンでは、ピストンのトップランド部直下のトップリング
溝の位置を上方へ移動させてトップランド部外周面、ト
ップリング上面、およびシリンダー内周面で形成される
空隙の容量を小さくし、もって未燃焼のまま大気に排出
されてしまう前記空隙部分のガス量を少なくする試みも
なされているが、このようにトップリング溝の位置を上
方へ移動すると、トップリング溝の温度が急激に高くな
り、この結果鋳包まれたピストンリング耐摩環に剥離が
発生し易くなるばかりでなく、前記ピストンリング耐摩
環が上記のFe−Ni−Cu系焼結材料やニレジスト鋳
鉄で構成されていても、これの摩耗進行の急速な進行は
避けられず、この摩耗現象は近年のエンジンの高出力化
および大型化に伴って一段と加速され、この摩耗部分か
らガス漏れが発生するようになるのが現状である。
【0004】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者等は、
上述のような観点から、トップリング溝の上方位置移動
が可能なピストンを開発すべく研究を行った結果、ピス
トン鋳物本体を、 Si:11〜13%、 Cu:0.8〜1.3%、 Mg:0.7〜1.3%、 Ni:0.8〜1.5%、 Fe:0.2〜1%、 Mn:0.05〜0.3%、 を含有し、残りがAlと不可避不純物からなる組成を有
する初晶Si分散Al−Si系合金に特定した上で、こ
れに鋳包まれるピストンリング耐摩環を、原料粉末とし
て、基本的にFeに、合金成分としてS(硫黄)成分、
あるいはNiおよびS成分、さらにCr、Mn、および
S成分、必要に応じてMo成分をそれぞれ所定量含有さ
せてなるアトマイズFe合金粉末と、六方晶窒化ほう素
(以下、h−BNで示す)粉末および/またはほう酸粉
末を用い、さらに水素化チタン(以下、TiHx で示
す)粉末、Ni粉末、Mo粉末、Mn粉末、Cu粉末、
S(硫黄)粉末、および黒鉛粉末を用い、これら原料粉
末を所定の配合組成に配合し、通常の条件で混合し、圧
粉体にプレス成形した状態で、前記圧粉体を、還元性雰
囲気中、相対的に高い焼結温度となる1100〜125
0℃の範囲内の所定温度に加熱し、所定時間保持後、相
対的に遅い冷却速度、望ましくは40℃/分以下の冷却
速度で、少なくとも600℃まで冷却の条件で焼結する
ことにより製造した、 Cr:0.5〜5%、 Mn:0.2〜1%、 S :0.05〜1%、 B :0.05〜1%、 C :0.5〜5%、 Ni:1〜12%、 Ti:0.5〜5%、 Cu:1〜8%、 を含有し、さらに必要に応じて、 Mo:0.1〜2%、を含有し、残りがFeと不可避不
純物からなる組成を有し、かつ望ましくは6.0〜7.
2g/cm3 の密度、さらに言い換えれば80〜95%
の理論密度比をもった鉄系焼結材料で構成すると、この
鉄系焼結材料においては、上記初晶Si分散Al−Si
系合金のピストン鋳物本体に対する密着性がきわめて高
く、したがってピストンリング耐摩環に剥離が発生する
ことはなく、その上、前記焼結温度で、素地を形成する
上記Fe合金粉末にC成分(黒鉛粉末)が固溶し、この
固溶したC成分が上記h−BN粉末およびほう酸粉末の
B成分と前記Fe合金粉末中に固溶のS成分の共働作用
で、冷却過程で気孔内に遊離黒鉛として析出し、成長し
て、すぐれた耐焼付性と高温潤滑性を示すようになるこ
とから、前記鉄系焼結材料からなるピストンリング耐摩
環は、前記気孔内に析出して成長した遊離黒鉛と、N
i、Cr,Mn、およびTi成分、さらに必要に応じて
Mo成分が固溶して形成された耐熱性のすぐれたオース
テナイト相を主体とする素地とによって、低い相手攻撃
性で、かつすぐれた高温耐摩耗性を発揮し、この結果ピ
ストンにおけるトップリング溝の上方位置移動が可能に
なるという研究結果を得たのである。
【0005】この発明は、上記の研究結果に基づいてな
されたものであって、ピストン鋳物本体のトップリング
溝をピストンリング耐摩環の鋳包みにより形成してなる
Al−Si系合金製ピストンにおいて、ピストン鋳物本
体を、 Si:11〜13%、 Cu:0.8〜1.3%、 Mg:0.7〜1.3%、 Ni:0.8〜1.5%、 Fe:0.2〜1%、 Mn:0.05〜0.3%、 を含有し、残りがAlと不可避不純物からなる組成を有
する初晶Si分散Al−Si系合金で構成し、かつ上記
ピストンリング耐摩環を、 Cr:0.5〜5%、 Mn:0.2〜1%、 S :0.05〜1%、 B :0.05〜1%、 C :0.5〜5%、 Ni:1〜12%、 Ti:0.5〜5%、 Cu:1〜8%、 を含有し、さらに必要に応じて、 Mo:0.1〜2%、を含有し、残りがFeと不可避不
純物からなる組成、並びに素地はオーステナイト相を主
体とし、かつ気孔内には析出成長した遊離黒鉛が存在す
る組織を有する遊離黒鉛析出鉄系焼結材料で構成してな
る、トップリング溝の上方位置設置が可能なAl−Si
系合金製ピストンに特徴を有するものである。
【0006】つぎに、この発明のピストンにおいて、ピ
ストン鋳物本体を構成する初晶Si分散Al−Si系合
金、およびピストンリング耐摩環を構成する遊離黒鉛析
出鉄系焼結材料の成分組成を上記の通りに限定した理由
を説明する。 (A)初晶Si分散Al−Si系合金 (a)Si Si成分には、素地に硬質の初晶Siとして分散晶出し
て耐摩耗性を向上させる作用があるが、その含有量が1
1%未満では、所望のすぐれた耐摩耗性を確保すること
ができず、一方その含有量が13%を越えると強度が低
下するようになることから、その含有量を11〜13%
と定めた。
【0007】(b)Cu Cu成分には、素地に固溶して強度を向上させる作用が
あるが、その含有量が0.8%未満では、所望の強度向
上効果がえられず、一方その含有量が1.3%を越える
と硬さが低下するようになることから、その含有量を
0.8〜1.3%と定めた。
【0008】(c)Mg Mg成分には、ピストンリング耐摩環との接合面(鋳包
み面)を活性化し、もって密着性を向上させる作用があ
るが、その含有量が0.7%未満では、所望の活性化効
果が得られず、一方その含有量が1.3%を越えると強
度が低下するようになることから、その含有量を0.7
〜1.3%と定めた。
【0009】(d)Ni Ni成分には、素地に固溶して耐熱性を向上させる作用
があるが、その含有量が0.8%未満では、所望の耐熱
性向上効果が得られず、一方その含有量が1.5%を越
えると強度が低下するようになることから、その含有量
を0.8〜1.5%と定めた。
【0010】(e)Fe Fe成分には、素地に固溶し、Mg成分による活性化効
果と相まって、鋳包まれるピストンリング耐摩環との密
着性を向上させる作用があるが、その含有量が0.2%
未満では、所望のすぐれた密着性を確保することができ
ず、一方その含有量が1%を越えると強度が低下するよ
うになることから、その含有量を0.2〜1%と定め
た。
【0011】(f)Mn Mn成分には、直接当接するセカンドリングやオイルリ
ングなどとのなじみ性を改善する作用があるが、その含
有量が0.05%未満では、所望のなじみ性を確保する
ことができず、一方その含有量が0.3%を越えると硬
さが低下するようになることから、その含有量を0.0
5〜0.3%と定めた。
【0012】(B)遊離黒鉛析出鉄系焼結材料 (a)Cr Cr成分は、オーステナイト相を主体とする素地に固溶
して、これの耐熱性を向上させ、もってピストンリング
耐摩環の高温耐摩耗性向上に寄与する作用をもつが、そ
の含有量が0.5%未満では前記作用に所望の向上効果
が得られず、一方その含有量が5%を越えると、B成分
およびS成分による黒鉛の析出および成長作用が抑制さ
れるようになることから、その含有量を0.5〜5%、
望ましくは1〜3%と定めた。
【0013】(b)Mn Mn成分は、素地に固溶して強度を向上させる作用をも
つが、その含有量が0.2%未満では所望の強度向上効
果が得られず、一方その含有量が1%を越えると、B成
分およびS成分による黒鉛化が著しく阻害されるように
なることから、その含有量を0.2〜1%、望ましくは
0.4〜0.8%と定めた。
【0014】(c)SおよびB これらの成分は、共働作用により固溶した黒鉛を冷却過
程で微細な遊離黒鉛として主に気孔内に積極的に析出さ
せ、成長させる作用をもち、このような黒鉛化作用は、
S成分については、予めFe、Fe−Ni合金やFe−
Ni−Mo合金、さらにFe−Cr−Mn合金やFe−
Cr−Mn−Mo合金にそれぞれ所定量のS成分を含有
させた溶湯をアトマイズして形成したFe合金粉末、ま
た、B成分については、ほう素源としてh−BN粉末お
よびほう酸粉末をそれぞれ原料粉末として用いることに
より一段と促進されるものであるが、その含有量が、S
およびB成分のいずれかでも0.05%未満になると、
所望の黒鉛化を図ることができず、この結果耐焼付性お
よび高温潤滑性の向上、すなわち高温耐摩耗性の向上が
不十分となるばかりでなく、硬質のセメンタイト(Fe
3 C)が析出するようになって、相手攻撃性(ピストン
リング攻撃性)が増大するようになり、一方その含有量
が、SおよびB成分のいずれかでも1%を越えると、焼
結性が低下し、所望の強度を確保することができなくな
るばかりでなく、素地にフェライト相が出現するように
なり、この結果オーステナイト相が減少するようになっ
て所望の高温耐摩耗性を確保することができなくなるこ
とから、その含有量を、それぞれS:0.05〜1%、
望ましくは0.1〜0.5%、B:0.05〜1%、望
ましくは0.1〜0.5%と定めた。
【0015】(d)C C成分は、素地に固溶して強度を向上させるほか、上記
の通り遊離黒鉛として気孔中に析出して耐焼付性および
高温潤滑性を向上させ、もって高温耐摩耗性の向上に寄
与すると共に、相手攻撃性を緩和する作用をもつが、そ
の含有量が0.5%未満では前記作用に所望の向上効果
が得られず、一方その含有量が5%を越えると、強度に
急激な低下傾向が現れるようになることから、その含有
量を0.5〜5%、望ましくは1〜3%と定めた。
【0016】(e)NiおよびTi これらの成分は、共に素地に固溶してオーステナイト相
の形成を促進し、かつ上記の通りCr成分との共存固溶
によってオーステナイト相の耐熱性を向上させ、もって
高温耐摩耗性の向上に寄与する作用をもつが、その含有
量が、それぞれNi:1%未満、Ti:0.5%未満で
は前記作用に所望の向上効果が得られず、一方その含有
量が、Niにあってはオーステナイト相の形成には12
%で十分であり、またTiにあっては3%を越えると強
度が低下するようになることから、その含有量を、それ
ぞれNi:1〜12%、望ましくは3〜8%、Ti:
0.5〜5%、望ましくは1〜3%と定めた。なお、T
i成分に関しては、原料粉末としてTiHx 粉末を用
い、焼結の活性化を図ると共に、焼結に際して分解水素
による強力な還元作用を発揮させるようにするのが望ま
しい。
【0017】(f)Cu Cu成分は、所定の強度を確保するのに不可欠な液相焼
結のために必要な成分であると共に、ピストン鋳物本体
との密着性向上に寄与する作用をもつが、その含有量が
1%未満では前記作用に所望の効果が得られず、一方そ
の含有量が8%を越えると、硬さが低下し、高温条件下
では摩耗の進行が促進するようになることから、その含
有量を1〜8%、望ましくは2〜4%と定めた。
【0018】(g)Mo Mo成分は、素地に固溶して強度を向上させる作用をも
つので、必要に応じて含有されるが、その含有量が0.
1%未満では所望の強度向上効果が得られず、一方その
含有量が2%を越えると、原料粉末(混合粉末)のプレ
ス成形性(圧縮性)が低下し、この結果焼結材料の密度
が6.0g/cm3 未満となってしまい、望ましい密度
である6.0〜7.2g/cm3 の密度が得られず、所
望の強度を確保することができなくなることから、その
含有量を0.1〜2%、望ましくは0.5〜1.5%と
定めた。
【0019】
【発明の実施の形態】この発明のAl−Si系合金製ピ
ストンを実施例により具体的に説明する。まず、原料粉
末として、いずれも10〜150μmの範囲内の所定の
平均粒径を有するアトマイズFe−S合金粉末(S:
0.32%含有)、アトマイズFe−Ni−Mo−S合
金粉末(Ni:4.5%、Mo:1.5%、S:0.3
3%含有)、アトマイズFe−Cr−Mn−S合金粉末
(Cr:2.1%、Mn:0.75%、S:0.22%
含有)、TiHx 粉末、Ni粉末、Mo粉末、Mn粉
末、Cu粉末、黒鉛粉末、h−BN粉末、およびほう酸
粉末を用意し、これら原料粉末を所定の配合組成に配合
し、潤滑材としてステアリン酸亜鉛を0.7%添加して
V型ミキサーで30分間混合し、6ton/cm2 の圧
力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体をアンモニア分
解ガス雰囲気中、温度:1140℃に1時間保持した
後、35℃/分の冷却速度で550℃まで徐冷して放冷
の条件で焼結することにより表1、2に示される成分組
成を有し、かつ外径:120mm×内径:102mm×
厚さ:7mmの寸法をもった本発明ピストンリング耐摩
環(以下、本発明耐摩環と云う)1〜29をそれぞれ製
造した。上記本発明耐摩環1〜29は、いずれも6.2
〜7.1g/cm3 の範囲内の密度を有し、素地がオー
ステナイト相、あるいは主体がオーステナイト相で僅か
なパーライト相が存在する素地からなり、かつ気孔内に
遊離黒鉛が析出した光学顕微鏡組織観察結果を示した。
また、比較の目的で、通常の高周波溶解炉にて、同じく
表2に示される成分組成をもったニレジスト鋳鉄の溶湯
を調製し、これをシェルモールド鋳型に鋳造して、同じ
寸法をもった従来ピストンリング耐摩環に相当する比較
ピストンリング耐摩環(以下、比較耐摩環と云う)を製
造した。
【0020】ついで、上記の各種耐摩環を、通常の条件
で前処理、すなわち脱脂、乾燥、および温度:700℃
の後述の本発明Al−Si系合金と同じ組成をもったA
l−Si系合金溶湯中に5分間浸漬の前処理を施した状
態で、それぞれピストン精密鋳造金型内に設置し、これ
にAl−12.1%Si−1.03%Cu−0.96%
Mg−1.22%Ni−0.46%Fe−0.10%M
nの組成をもった本発明Al−Si系合金の溶湯を鋳造
してピストン鋳物本体を形成すると共に、前記耐摩環を
鋳包み、ついで前記耐摩環に切削加工にて溝径:7mm
×溝幅:3mmの寸法のトップリング溝を形成すること
により、いずれもトップリング溝を上方位置移動してト
ップランド部上面とトップリング溝上面間の距離を5m
mとした、上記本発明耐摩環1〜29をそれぞれ使用の
本発明Al−Si合金製ピストン(以下、本発明ピスト
ンと云う)1〜29、および上記比較耐摩環使用の比較
Al−Si合金製ピストン(以下、比較ピストンと云
う)をそれぞれ製造した。
【0021】さらに、これらの各種のピストンを、排気
量:8200cm3 の直列6気筒直噴ディーゼルエンジ
ンに組み込み、回転数:3200rpm、エンジン冷却
水温度:80℃、運転モード:500時間連続運転、負
荷:フル出力の条件で加速運転試験を行ない、試験後の
耐摩環のトップリング溝における外周面の最大溝幅を測
定することにより高温耐摩耗性を評価し、また上記トッ
プリング溝に嵌合されたピストンリング(Fe−2.7
%Si−3.5%Cの組成を有する球状黒鉛鋳鉄製でC
rメッキしたもの)の上下面における最大摩耗深さを測
定することにより相手攻撃性を評価した。これらの測定
結果を表3に示した。また、表3には、上記の加速運転
試験後のピストンにおける耐摩環底面位置に相当する部
分から試験片を切り出し、ピストン鋳物本体と耐摩環の
接合面の引張強さを測定した結果も示した。
【0022】
【表1】
【0023】
【表2】
【0024】
【表3】
【0025】
【発明の効果】表3に示される結果から、本発明ピスト
ン1〜29においては、いずれも耐摩環のピストン鋳物
本体に対する接合強度がきわめて高く、さらにトップリ
ング溝の上方位置移動にもかかわらず、耐摩環はすぐれ
た高温耐摩耗性を示し、かつ耐摩環による相手攻撃性も
きわめて小さいのに対して、比較ピストンおいては、耐
摩環とピストン鋳物本体の接合強度は相対的に低く、ト
ップリング溝が上方位置に移動した構造ではニレジスト
鋳鉄からなる耐摩環は十分な高温耐摩耗性を示さず、摩
耗進行が著しく加速されるようになることが明らかであ
る。上述のように、この発明のピストンは、トップリン
グ溝の位置を上方へ移動した状態で耐摩環は小さい相手
攻撃性で、すぐれた高温耐摩耗性を発揮することから、
エンジンの排気ガス規制に十分満足に対応することがで
きるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】ディーゼルエンジンのピストンを例示する概略
縦断面図(a)および同要部縦断面図(b)である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI C22C 38/00 302 C22C 38/00 302Z 38/54 38/54 F02F 3/00 F02F 3/00 N 302 302Z F16J 1/01 F16J 1/01 (72)発明者 渡辺 英昭 東京都港区芝5−33−8 三菱自動車工業 株式会社内 (72)発明者 山本 英継 東京都港区芝5−33−8 三菱自動車工業 株式会社内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ピストン鋳物本体のトップリング溝をピ
    ストンリング耐摩環の鋳包みにより形成してなるAl−
    Si系合金製ピストンにおいて、 上記ピストン鋳物本体を、重量%で、 Si:11〜13%、 Cu:0.8〜1.3%、 Mg:0.7〜1.3%、 Ni:0.8〜1.5%、 Fe:0.2〜1%、 Mn:0.05〜0.3%、 を含有し、残りがAlと不可避不純物からなる組成を有
    する初晶Si分散Al−Si系合金で構成し、かつ上記
    ピストンリング耐摩環を、同じく重量%で、 Cr:0.5〜5%、 Mn:0.2〜1%、 S :0.05〜1%、 B :0.05〜1%、 C :0.5〜5%、 Ni:1〜12%、 Ti:0.5〜5%、 Cu:1〜8%、 を含有し、残りがFeと不可避不純物からなる組成、並
    びに素地はオーステナイト相を主体とし、かつ気孔内に
    は析出成長した遊離黒鉛が存在する組織を有する遊離黒
    鉛析出鉄系焼結材料で構成したことを特徴とするトップ
    リング溝の上方位置設置が可能なAl−Si系合金製ピ
    ストン。
  2. 【請求項2】 ピストン鋳物本体のトップリング溝をピ
    ストンリング耐摩環の鋳包みにより形成してなるAl−
    Si系合金製ピストンにおいて、 上記ピストン鋳物本体を、重量%で、 Si:11〜13%、 Cu:0.8〜1.3%、 Mg:0.7〜1.3%、 Ni:0.8〜1.5%、 Fe:0.2〜1%、 Mn:0.05〜0.3%、 を含有し、残りがAlと不可避不純物からなる組成を有
    する初晶Si分散Al−Si系合金で構成し、かつ上記
    ピストンリング耐摩環を、同じく重量%で、 Cr:0.5〜5%、 Mn:0.2〜1%、 S :0.05〜1%、 B :0.05〜1%、 C :0.5〜5%、 Ni:1〜12%、 Ti:0.5〜5%、 Cu:1〜8%、 を含有し、さらに、 Mo:0.1〜2%、を含有し、残りがFeと不可避不
    純物からなる組成、並びに素地はオーステナイト相を主
    体とし、かつ気孔内には析出成長した遊離黒鉛が存在す
    る組織を有する遊離黒鉛析出鉄系焼結材料で構成したこ
    とを特徴とするトップリング溝の上方位置設置が可能な
    Al−Si系合金製ピストン。
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