JPS5886968A - 繊維強化アルミニウム合金製ピストンの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 不発＃４會了例えば内燃機関用として使用するのに最適
な繊維強化アルミニウム合金製ピストンの製造方法に関
するものである。

周仰の如く内燃機関用のアルミニウム合金製のピストン
では、熱的負荷条件の最も厳しいピストン＠＠Ｉｃ　：
１ｆける燃焼室周辺に亀裂を生じ易い。またピストンり
ング溝中％に第１ピストンリング婢は運転中ピストンリ
ングによって激しくた＼かれて損傷され易い。Ｔ＊にま
たアルミニウム合金はシリンダ社である鉄基合金と比軟
して熱膨張係数が大きい為に、ピストンのスカート部が
シリンダに摺接して損傷され易い。そこで近時アルミニ
ウム合金製のピストンにおいて、高強度かつ高弾性のガ
ラス繊維やセラミックス繊維の如き無機質繊維構成体で
ピストンｌｉｔ部、第１ピストンリング溝、スカート部
を補強したものが知られている。この際無機質繊維構成
体は多大の空ｍｓを有しているから、これをピストン内
の上記補強部に％固に複合させる為ＶＣは、ピストン製
造時にアルミニウム合金の溶融金属を無機質繊維構成体
の空隙部内に無機質繊維構成体１２１を設電し、次に鋳
型１１１円にアルミニウム合金の溶融金Ｊｌｌｉ　１３
＋を供給し、この後ピストン内部形状を゛構成する中子
形のパンチ＋４１ｖ鋳型山内Ｖｃ強、制的に挿入して最
大的２　＋　０００　ｋｇ／ｃｍ”の高圧力を溶融金ｍ
　１３＋に狛荷させ、これにより溶融金Ｒ１３１を無機
質繊維構成体１２＋の空ｍ部に充填させると共に、七の
高圧力下で溶融金ｉ１ｇ　＋３１を凝固させる方法を採
っていた。

しかしながらこのような高圧凝固鋳造法を利用して無機
質繊維構成体をピストン内ＶＣ複合させる万ｌ！ｉ！−
ハ次のような欠陥があった。

ｍ、ｊｌ大約２　ｍ　０００　ｋｇ／ｃｍ”もの高圧力
を必要とするから、当然大型で高価なプレス機が必要で
ある。

（２１、高圧力である為に無機質繊維構成体が破壊され
易ｖｈ。

１３１、高圧力である為に無機質繊維構成体が伸度Ｋｆ
Ｅ＠され、その圧縮率にバラツキが生じ易くて、無機質
繊維構成体の空ｌＩｓ内への溶融金属の充積性が患い。

１４１、高圧力である為に無機質繊維構成体の鋳型内で
の位置ずれが発生し易い。

１５１％　１２１〜（４１項の問題点を出来るだけ解消
する為に圧力を制御する必要があり、この圧力制御の煩
られしさがある。

本発明は上述の如き欠陥を是正することが出来る繊維強
化アルミニウム合金製ピストンの製愈方法Ｖ提供しよう
とするものである。

以下本発明による繊維強化アルミニウム合金製ピストン
の製≠方法の一実施例を第２図〜第９図によって説明す
る。

先ず第２図は無機質繊維構成体０１）によるアルミニウ
ム合金御ピストンａ２の補強状況を示したものであって
、ピストンｍ５ｔｔ：ｉ、第１ピストンリング溝０４１
、スカート部０５１に無機質繊維構成体引；が夫々環状
に複合されてこれらが夫々補強されている。

次に本発明に適用される無機・實繊維構成体［＋１１と
しては、モリブデン、タングステン、ステンレス等の金
属繊維であっても良いが、好ましくはボロン、カーボン
、シリコンカーバイド、アルミナ等のセ″：１１ツクス
繊維やガラス繊維等の軽量な無機質繊維にて構成される
ものが良い。またその無機質繊維の表面はアルミニウム
合金の溶融金属との濡水性を良くする為に鋼勢の金属Ｙ
機種しておくと良い。

次＃／ｃ纂３図〜ＪＩ５図によってピストン頭部０３円
への無機質繊維構成体ａＤの複合方法を説明する。

先ず第３図の如く環状板形に形成された無機質繊維構成
体ａＵＳ−重力鋳造用金型Ｑ７）のキャビティ０８円の
所定位置に設置する。即ち例えばピストン外径より太き
ケ外会を有する無機質繊維構成体Ｏ１ｌの外周ａ９ｖ　
＊　ｍ　ａηのピストン１１１Ｓ（１３相当部に設けら
れｒｓｌＲ状設置Ｓ（至）忙設置する。

次［＠４図の如くアルミニウム合金の溶融金属ＱＩＩを
注湯口のからキャビティ０内に供給する。この際金型ａ
ηの最上部に設けられた押湯＃（ハ）内にまで溶融金ｊ
ｌＩ３］Ｊが充填される一定量を供給する。

次に纂５図の如くこの後直ちに注湯口＠を完全に閉鎖す
ると共に１窒素ガスや・・アルゴンガス等の＃融金属３
υに対して不活性なガス（至）によりその溶融金属（２
１の押湯部（ハ）内に充填されている押湯部（至）に最
大ｉＦｌ　５０　ｋｇ／ｃｍ”の圧力を負荷させる。

即ち例えば昇降自在の量体＠にて金ａ！ａηの上部を閉
鎖して、注湯口のと押湯Ｍｃ！３１の上部を同時に完全
閉鎖する。なｇこの際特に押湯１１１２３１と蓋体（ハ
）との間からガス＠が漏れないようにこれらの間を０り
ングＩｎＫて密封する。そしてガス供給管（ハ）のパル
プ□□□を開放して、ガスコンプレッサー等カラ押湯Ｓ
（ハ）の上ｉ１に加圧ガス（至）を供給して、最大的５
０　ｋｇ／ｃｍの低圧力を七の押湯ｓｃ５に負荷させる
。

この結果キャビティ０内の溶融金属３１１全体が低加圧
されて、その溶融金属Ｑυの一部が無機質繊維構成体Ｏ
１ｌの空隙部内に１１１実に完全充填される。そしてそ
のガス圧力は溶融金１１ｉ１Ｊυが凝固するまで（通常
？ＦＪ３〜４分関）負荷される。

以上の結果無機質繊維構成体［１１の空１！Ｊｇ内に溶
融金属Ｑυが完蚕光填された緻密組織を有する錐全な鋳
造品が製造される。なお無機質繊維構成体ＣＩ＋１つ体
積含有率は約］０〜６０１の範囲であるが、体積含有率
が低すぎると無機質繊維構成体（Ｉｌｌの特性が生かさ
れず、また大きすぎると溶融金属３υの光＃Ｉ４！１１
．に不具合が生じるので、通常約２０〜４０畳の範囲が
好ましい。

す１５以上の如き鋳造後罠、第２図の如くピストン外径
は切削ｍ１されて、無機質繊維構成体Ｇυの外局ＪＩｓ
分がピストン外径に合せて切削され、ｆたピストン頭部
（１３１忙燃焼Ｗ１■が切削される。

ところで第１ピストンりングＩｊＱ４１及びスカート５
Ｇ５１ＶＣ夫々無機質繊！ＩＩ＆構成体（Ｉｌｌを環状
に複合させる場合は、前述したピストンｍ５ｔｔ：ｉ内
への複合時と同時に行われる。

即ち例えば第６図及び第８図に示す如く第１ピストンり
ング＃１ＩＱ４１及びスカート９０５１の大きさに！ｉ
Ｌ合った大きさを有し、かつピストン外径よりも大ぎな
外径の夫々の無機質繊維構成体ａｔ＋を金型（１７１の
＃！ｌピストンりフグ溝ｏ＃８ｍｓ及びスカート部Ｑ５
１相当部に夫々設けられた環状設ｆｉ１部（至）圓に夫
々設置してキ丁ビテイａ８円に配置する。後は前述同様
の鋳造１機を行ってピストンａ７Ｊ％：鋳造し、この後
第７図及び第９図に示す如く菖１ピストンリング溝Ｉ及
びスカート５ａ５１を切削加工する。なお無機質繊維構
成体ａｌｌは必＊に応じて第２包に示された纂２及び第
３ピストンリング溝困（至）や侮り重要な箇所、例えば
ピストンボス近傍、ピストン餉部内の冷却空洞近傍部に
も複合させることが出来る。

次に本発明により製造されたピストンの実施例を貌明す
る。

実施例１ 太さがＩＦ１５μ、長さが約２００＃、表面に銅を１１
１１したガラス繊維力しらなり、嵩密度が１．０ｇ７ｃ
ｍの環状板からなる無方向性の無機質繊維構成体を金型
のキャビティ内においてピストン頭部相邑位置に設置し
、アルミニウム合金（ＪＩＳ−ＡＣａＡ）の７５０℃の
溶融金属を金型のキャビティ内に供給し、溶融金属がキ
ャビティ内に所定量充填された後、金型の注湯口を閉鎖
し、溶融金属の押湯部に２０　ｋｇ／ｃｍの窒素ガスを
負荷させて凝固させたもの。

この場合無機質線維ｓＩ！ｉｔ体の体積含有率は約３０
嘔であった。

このようにして無機質繊維構成体にて頭部が強化された
ピストンのａｓの耐熱衝撃性を、高周波・誘導加熱装置
によって約４００℃に加熱し、次いで約５０℃に空冷さ
せる熱応力を繰り返し３．０００回負荷させて、ピスト
ン一部の燃焼室周辺に怠ける亀裂の発生状況を調べた結
果を次表に示す。

実施例２ 太さが約８μ、長さが約２００μ、表面に鋼を１１８１
Ｌだガラス繊維からなり、嵩密度が０．８　ｇ／ｃｍ（
Ｆ）Ｎｌｌｌ状体からなる無方向性の無機質繊維構成体
を金製のキャビティ内において第１ピストンリング溝相
当位置に設置し、アルオニウム合金（ＪＩｓ−ＡＣａＡ
、１０７５０℃の溶融金属な金型のキャビティ内Ｋｐｋ
定量充填させた後、金製の注湯口を閉鎖し、溶融金属の
押湯部に３０　ｋｇ／ｃｍの′ＩＩｉ累ガスな負荷させ
て凝固させたもの。

この場合無機質繊維構成体−の体積含有率ｔ１約２ｓ優
であった。

ところで絹］ピストンリング＠１１．運Ｅ中ピストンリ
ングによる激しいた＼き岬によって、へたり或いは摩耗
による損傷を受は易い。耐へたり性、耐摩耗性には硬さ
が大きな役１１Ｊを果し、硬さが太き一程有利である。

そこで上記無機質繊維構成体によって補強された第１ピ
ストンリング溝部分の硬さを測定した結果を次表に示す
。

実施例３ 太さが約１５μ、長さが約２００μ、表面に銅ｖｉａＬ
だガラス繊維からなり、嵩密度が帆６ｇ／ｃｍ”の円筒
体からなる無方向性の無機質繊維構成体を金型のキャビ
ティ内に８いてスカート部相尚位置に設置し、アルミニ
ウム合金（ＪＩＳ−Ａ（：ｇＡＪの７５０℃の溶融金属
を金型のキャビティ内に所定量充填させた後、金型の注
湯口を閉鎖し、溶融金属の押湯Ｓに４５　ｋｇ／ｃｍの
窒素ガスを負荷させて凝固させたもの。

この場合無機質繊維構成体の体積含有率はＦ１２５鴫で
あった。なおこの実施例３では実施例】及び２と比軟し
て４Ｉに嵩密度が小さく、ｔｋガス圧力カ高イのは、ピ
ストンのスカート部は肉厚が薄い為に溶融金属が早く凝
固し、無機質繊維構成体の空１！Ｊｉ１１Ｐ３に＃１１
１ｉ金ａが充填ｊｔｔ−い！である。

ところでピストンのスカート部の熱膨侭を小さく抑制す
れば、シリンダとピストンとの閣のクリアランスを小さ
くすることが出来るので、摺動特性の改善や騒音の低下
にも効果がある。そこで上記無機質繊維構成体によって
補強されたスカート部の熱膨張係数を測定しｙ：Ｍ果を
次！！！に示す・勿論ピストンスカート部に２けるシ１
７ンダ忙対する耐焼付鎗注も大巾忙改４１された。

以上述べた本発＠による繊維強化アルずニウム合金製ピ
ストンの製造方法を１、電力鋳造法と低加ＥＥＪＩ固鋳
造法とを巧与に組合せたものであって、１１）４ガス圧
力によって溶融金＊Ｖ負負荷せる方法であり、その圧力
も最大１ＦＪ５０　ｋｇ／ｃｍの低圧力とすることが可
能であるから、従来のような大型で高価なプレス機は一
切不要である。

１２？、低圧力である為に無機質繊維構成体の破壊がな
く、その無機質繊維構成体の特性（耐熱衝撃性、耐へた
り性、耐摩耗性、耐熱膨張性、耐焼付き性等Ｊ１に充分
に発揮させることが出来る。

（３１、低圧力である為に無機質繊維構成体が圧縮され
難く、その田ＩｉＩ率にバラツキが少ないので、無機質
繊維構成体の空隙部内への溶融金属の充填性が非常に良
い。従って無機質繊維構成体はピストン内へ極めて確実
かつ強固忙複合される。

１４Ｉ、低圧力である為に無機質繊維構成体の鋳型内で
の位置ずれが発生し難く、無機質繊維構成体をピストン
の所定位置に常に正確に複合させることが出来る。

（５Ｉ、低圧力であるから、面倒な圧力側ａを行わなく
て済み、生産性が非常に高い。

る。

第２図〜第９図１本発明の製造方法の一実施例を示しｋ
ものであって、ｌＩ！、２図＆才製造されたピストンの
断面図、第３図〜第５１！ｌ−ピストンｒａ部内への無
機質繊維構成体の複合方法を説明する断面図、第６図及
び＃！７図Ｉ２＠］ピストン＋７　ｙグ＃１部分への無
機質繊維構成体の複合方法ケ説明する拡大断面図、＃！
８図及び第９図を１ス力−ト部分への無機質繊維構成体
の複合方法な説明する拡大断面図である。

また図面に用いられた符号に？いて、 ａＤ・・・・・・・・・・無機質線維構成体ｑ邊砦…伊
−・・・拳ピストン ａＪ・・・・・・・・・・ピストｙｌｉ部Ｉ・・・・・
・・・・・第】ピストン１）フグ溝（１５１・・・・・
・・・・・スカート部Ｃｌ７１・・・・・・・・・・電
力鏝造用金型鰻・・・・・・・・・・キャビティ （２１１・・・・・・・・・・アルミニウム合金の溶融
金属＠・・・・・・・・・・注湯口 圓・・・・・・・・・・ガス 鉋・・・・・・・・・・蓋体 （ハ）・・・・・・・・・・ガス供給管である。

代理人　上屋　勝 第２図 １５ 第６図　　第７図 第８図　　第９図 第３図 第４図 、？θ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電力鋳造用金型のキャビティ内の用足位置に無機質繊維
   構成体を設置し、次に前記キャビティ内にアルミニウム
   合金の溶融金）Ｉｓを供給し、この後直ちに前記溶融金
   １＠Ｖｔ対して不活性なガスによる圧力を前記キャビテ
   ィ内に負荷させることによって、前記溶融金ＸＶ前記繊
   維構成体の空隙部に充填させ、そのガス圧力による加圧
   下で前記溶融金Ｉｓを凝固さ警るようにしｙ：線維強化
   アルミニウム合金製ピストンの！ｌｌ遣方法。