JPS5893836A - エンジン用ピストン - 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】 本発明は、互いに当接して相対的に摺動する二つの部材
の組合せに係り、更に詳細には一方の部材が複合材料に
て構成され他方の部材が鋳鉄にて構成された二つの部材
の組合せに係る。

各種機械の構成要素や部材に於ては、部分的に特別な機
械的特性を要求されることが多い６例えば、自動車用エ
ンジンに於τは、エンジンの性能に対する要求が高くな
るにつれて、ピストンの如き部材はその比強度や剛性が
優れていることに加えて、その摺動面が耐摩耗性に優れ
ていることが強く要請されるようになってきた。かかる
部材の比強度や耐摩耗性等を向上させる一つの手段とし
て、それらの部材を各種の無機質繊維等を強化材−とし
アルミニウム合金の如き軽金属をマトリックスとする複
合材料にて構成することが試られている。かかる繊維強
化金属複合材料の一つとして、アルミナ質繊維を強化材
とし、アルミニウム、マグネシウム、又けそれらの合金
をマトリックスとする繊維強化金属複合材料は既に知ら
れており、かかる繊維強化金属複合材料によれば、それ
らにて構成された部材の比強度や耐摩耗性等を向上させ
ることができる。

しかし、互・いに当接して相対的に震動する二つの部材
の組合せに於て、その一方の部材を上述の如き繊維強化
金属複合材料にて構成した場合には、その、他方の部材
の材質によってはその他方の部材の摩耗が著しく増大し
、従ってそれらを互いに当接して相対的に摺動する囲動
部材の組合せとして使用することはできない。

本願発明者等は、互いに当接して相対的に摺動する二つ
の部材の組合せであって、その一方の部材がアルミナ−
シリカ繊維又はアルミナ繊維を強化材としアルミニウム
合金の如き軽金属をマトリックスとする繊維強化金属複
合材料にて構成され、その他方の部材が鋳鉄にて構成さ
れた部材の組合せに於て、それら両方の部材の摩耗量を
最小限に抑えるためには、それらの組成及び材質の組合
せとしては如何なるものが適切であるかについて種々の
実験的研究を行なった結果、それぞれ特定の特徴を有す
るものでなければならないことを見出した。

本発明は、本願発明者等が行なった上述の如き実験的研
究の結果得られた知見に基き、一方の部材がアルミナ−
シリカ繊維を強化材としアルミニウム合金の如き軽金属
をマトリックスとする繊維強化金属複合材料にて構成さ
れ、その他方の部材が鋳鉄にて構成された互いに当接し
て相対的に摺動する二つの部材の組合せであって、それ
ら両方の部材の互いに他に対する衝動面に於ける耐摩耗
性が改善された二つの部材の組合せを提供することを目
的としている。

かかる目的は、本発明によれば、互いに当接して相対的
に摺動する第一の部材と第二の部材との組合せにして、
前記第一の部材の少なくとも前記第二の部材に対する摺
動面部は４０〜６５ｗｔ％のアルミナと残部としてのシ
リカとよりなるアルミナ−シリカ繊維を強化材としアル
ミニウム、マグネシウム、それらの合金よりなる群より
選択された金属をマトリックスとする複合材料にて構成
されており、前記第二の部材の少なくとも前記第一の部
材に対する摺動面部は鋳鉄にて構成されていることを特
徴とする部材の組合せによって達成される。

本発明によれば、互いに当接し１相対的に摺動する二つ
の部材の組合せであって、それら両方の部材の互いに他
に対する衝動面は耐摩耗性に優れており、従ってそれら
両方の部材のそれぞれの摺動面に於ける摩耗量を最小限
に抑えることができ、しかもその一方の部材は比強度や
剛性などにも優れている如き部材の組合せを得ることが
できる。

本発明の一つの詳細な特徴によれば、前記第二の部材の
前記第一の部材に対する摺動面はリュープライト処理さ
れていることが好ましく、また前記第二の部材の前記囲
動面部をＩＩＩ或する鋳鉄は球状黒鉛鋳鉄であることが
好ましい。

本発明の伯の一つの詳細な特徴によれば、前記他方の部
材はピストンリングであり、前記一方の部材は該ピスト
ンリングを受入れるリング溝部が繊維強化金属複合材料
にて構成されたエンジン用ピストンであってよい、かか
るピストンとピストンリングとの組合せによれば、ピス
トンのリングｌｌＩ！面及びピストンリング上下面両方
の摩耗量を最小限に抑えることができ、これにより長期
に亙すエンジンの正常な作動を確保することができる。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

まず、互いに当接して相対的に摺動する二つの部材の組
合せであって、その一方の部材がアルミナ−シリカ繊維
を強化材としアルミニウム合金の如き軽金属をマトリッ
クスとする繊維強化金属複合材料にて構成されており、
その他方の部材が鋳鉄にて構成された部材の組合せに於
て、それぞれの部材の組成や材質が如何なるものである
のが適切であるかについて本願発明者等が行なった摩耗
試験について説明する。

＄１１１１！２．８μのアルミナ−シリカ繊維（５５ｗ
ｔ％Ａｌ　！　Ｏ＠、４５ｗｔ％Ｓｌｏｗ）！カサ密度
０．１６　Ｍａｍ’にて無作為に配向したｓ１１成形体
を強化材とし、アルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ８Ａ
）をマトリックスとする複合材料を製造し、大きさが１
６Ｘ６Ｘ１０−であり、その−〇の面（１６ａｓｘ　１
０ｍ５）を試験部とするブロック試験片を作成した。ま
た比較用として、繊＠径３゜０μのアルミナ繊維（９５
ｗｔ％”　ｔ　Ｏ＠　、５　ｗｔ％８１０ｇ　＞をカサ
密１０．１６　Ｑ／ａｍ”にて無作為に配向した４１１
ＩＩ成形体を強化材とし、アルミニウム合金（ＪＩ８１
１ＡＣ８Ａ）ｅｖト！Ｊｙクスとする複合材料、ニレジ
スト鋳鉄、及び繊維にて強化されていないアルミニウム
合金（ＪＩＳ規格ＡＣ８Ａ）のみよりなる上述のブロッ
ク試験片と同一寸法のブロック試験片を作成した。

これらの試験片を順次摩擦摩耗試験機にセットし、相手
部材である外１！３５ｍ−１内！！３０−１幅１０１ｍ
（Ｆ）球状黒鉛鋳１（ＪＩＳｊｌｌｌｌＦＣＤ７０）製
の円筒試験片の外周面と接触させ、それら試験片の接触
部に常温（２５℃）の潤滑油（キャッスルモータオイル
５Ｗ−３０）を供給しつつ、押圧力６０ｋｏ、回転数１
６０ｒｐ−にて円筒試験片を１時間回転させる摩耗試験
を行なった。尚この摩耗試験に於けるブロック試験片と
円筒試験片との組合せは下記の表１に示す通りでありた
。

１　：　　　　　の　　　せ 注　：１）５５豐ｔ％ＡＩ！Ｏ−、４５ｗｔ％Ｓ：　０
！２）ＪＩ８１１１！ＡＣ８Ａ ３）９５ｗｔ％Ａｌ　ｔ　Ｏ＠　、５１１％Ｓ１０！４
）ＪＩＳ規格ＦＣＤ７０ 上述の一耗試験の結果を第１ａｌｌに示す。尚第１図に
於て、上半分はブロック試験片の摩耗量（摩耗痕深さμ
）を表しており、下半分は相手材である円筒試験片の摩
耗量（摩耗減量−９）を表しており、記号Ａ−Ｄはそれ
ぞれ１掲の表１に於ける試験片の岨合せＡ〜０に対応し
ている。

この第１図より、アルミニウム合金のみよりなるブロッ
ク試験片＜Ｄ）はその摩耗量が非常に大きいのに対し、
強化繊維にて強化されたアルミニウム合金よりなるブロ
ック試験片（Ａ−Ｃ）は、何れもアルミニウム合金のみ
よりなるブロック試験片（Ｄ）に比べその摩耗量が非常
に小さいことが解る。また相手材としての円筒試験片の
一粍に一ついては、組合せＡ、Ｃ，Ｄの円筒試験片の摩
耗量は、組合せＢの場合よりも小さいことが解る。

更に組合せＡ及びＣはブロック試験片及び円筒試験片の
摩耗量とも実質的に同一であるが、ニレジスト鋳鉄はア
ルミナ−シリカ繊維強化アルミニウム合金よりも熱伝導
性が劣るので、組合せＣは耐摩耗性のみならず熱伝導性
にも優れていることを要する部材の組合せとしては妥当
でない。

また、４０〜６５ｖｙｔ％のアルミナと残部としてのシ
リカとよりなる種々の組成のアルミナ−シリカ繊維を強
化材とし、アルミニウム、マグネシウム、マグネシウム
合金をマトリックスとする複合材料にてブロック試験片
を作成し、また悪心可鍛鋳鉄など種々の鋳鉄にて円筒試
験片を作成し、上述の摩耗試験と同様の摩耗試験を行な
ったところ、第１図に示す結果と実質的に同様の傾向（
但しこの場合の円筒試験片の摩耗最は球状黒鉛鋳鉄の場
合よりも僅かに大きい）を示す試験結果を得た。

これらの摩耗試験の結果より、互いに当接して相対的に
摺動する二つの部材の組合せであって、その一方の部材
がアルミナ−シリカ繊維を強化材とし、アルミニウム合
金の如き軽金属をマトリックスとする複合材料にて構成
されており、その他方の部材が鋳鉄にて構成されている
如き二つの部材の組合せに於ては、前記一方の部材を構
成する複合材料は４０〜ａｓｗｔ％のアルミナと残部と
してのシリカとよりなるアルミナ−シリカ繊維を強化材
とし、アルミニウム、マグネシウム、それらの合金より
なる群より選択された金属をマトリックスとする複合材
料であり、前記他方の部材を構成する鋳鉄は球状黒鉛鋳
鉄、特にリュープライト処理された球状黒鉛鋳鉄である
ことが好ましいことが解る。

次にエンジン用ピストンとピストンリングとの組合せに
対し適用された本発明による部材の組合せの具体的実施
例について説明する。

第２図は上述の実施例を示す解重的ｌ１ｌｉ面図、第３
図はその要部を示す解重的拡大部分ｌＩｉ面図、第４図
はピストンリング（トップリング）を拡大して示す解重
的部分縦断面図である。これらの図に於て、１はピスト
ンであり、アルミニウム合金（ＪＩＳＪＩ格ＡＣ８Ａ）
にて構成されている。ピストン１の側部外周面２には、
燃焼ガスがピストン１とシリンダブロック３のシリンダ
！！面との閣を経てエンジンの燃焼室より濡洩するのを
防止するコンプレッションリング４及び５を受入れる二
つのリング溝６及び７と、余分のオイルを掻落すオイル
リング８を受入れるリング溝９とが形成されている。図
示の実施例に於ては、ピストン１の側部外周面２に沿う
ピストンヘッド１０よりトップリング溝６の下面１１の
下方までの部分は、繊維ｌ！３μのアルミナ−シリカ繊
維（５５ｗｔ％Ａｌｔ　Ｏｓ　Ｎ　４５ｗｔ％８１０り
をカサ密度０．１４ｇ／ａｓ”にて無作為に配向してな
る繊維成形体を強化材とし、ピストン１の他の部分を構
成するアルミ、ニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ８Ａ）をマ
トリックスとする複合材料１２にて構成されている。

この複合材料１２はトップリング４を受入れるトップリ
ング溝６の壁面を郭定しており、またピストンの側部外
周面２に露出する部分にてトップランド１３及びセカン
ドランド１４の一部を郭定している。

尚、かかるピストンはそれを鋳造するための鋳型のモー
ルドキャピテイ底壁上にＳＶ成形体を載置し、その鋳型
内にＩｌｌアルミニウム合金を注湯し、その鋳型に液密
的に°嵌合するプランジャによりアルミニウム合金を加
圧しつつ凝固させてピストン予成形体とし、それを熱処
理（Ｔ６処理）した優所定の寸法に加工し、更にリング
１６．７．９を形成することによって観造されてよい。

上述の如きピストン１と互いに当接して相対的に摺動す
るトップリング４＆ｔ１球状黒鉛鋳鉄（ＪＩｓ規格ＦＣ
Ｄ７０）にて構成されており、表面処理としてリュープ
ライト処理されたものである。

特に図示の実施例は７°のキーストンリングとして構成
されており、そのシリンダブロック３のシリンダ！！面
との摺動面部にモリブデン溶射−１５が形成されたもの
である。

上述の如く構成されたピストンとピストンリング、及び
１掲の表１の組合せＢ〜Ｄ（但し組合せＣのピストンは
従来のニレジスト鋳鉄製耐摩環を鋳ぐるみされたアルミ
ニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ８Ａ）ＩＮ）にて構成され
たピストンとピストンリングを４気筒４サイクルデイー
ゼルエンジンに組込み、下記の表２に示す試験条件にて
実機による摩耗試験を行なった。

尚組合せＣについては、試験開始後約１００時開経過し
た時点でピストンめヘッド部が溶損し、試験を続行する
ことができなくなりだ。これはニレジスト鋳鉄製耐摩環
の熱伝導性が悪いため、ヘッド部にて受けた熱が耐摩環
及びピストンリングを経て効率よくシリンダライナへ伝
達されなかったことによるものと考えられる。

ＩｎＬＬＬＬＬ 使用エンジン＝　　４気筒４サイクル デイーゼルエンジン シリンダポア径：　　　９０ｎ ストローク：　　　　　　８６ｇ＋ｎ 圧縮比：　　　　　　　２１．５ 排気量：　　　　　２１８８００ シリンダ材質：　　ねずみ鋳鉄 （Ｊ　Ｉ　８Ｍ格ＦＣ２５） 使用燃料二　　　　軽油 エンジン回転数：　　５２００　ｒｐｍエンジン負荷：
　　フルロード 試験時間：　　　　５００時圀 この実機による摩耗試験の結果を組合せＡ、Ｂ。

Ｄについて第５図に示す。この第５図より、岨合せＤの
場合はピストンのトップリング溝６の下面１１、トップ
リング４の下１ｉ１７とも摩耗量が大きく、組合せＢの
場合はピストンのトップリング溝６の下１ｉ１１の摩耗
量は組合せＤの場合の１／８程度となるが、トップリン
グ４の下１ｉ１７の摩耗量は組合せＤの場合よりも大き
いことが解る。

また本発明の組合せへの場合はトップリング溝下面の摩
耗量が組合せＤの場合の１／２以下であり、またトップ
リング下面の摩耗量も組合せＤの場合よりも小さいこと
が解る。更に本発明の組合せへの場合には他の組合せＢ
、Ｄに比較してオイル消費量及びブローバイガス量は約
３７４であり良好′な結果を示した。

更に上述の実機による摩耗試験と同様の摩耗試験を複合
材料中のアルミナ−シリカ繊維のアルミナ組成を積々に
変化させて行なったところ、アルミナの組成値が６５ｗ
ｔ％以上の場合にはトップリング下面の摩耗量が増大し
、またアルミナの組成値が４ＱＩＩＦｔ％以下の場合に
はトップリング溝下面の摩耗量が増大し、アルミナ−シ
リカ繊維にてアルミニウム合金を強化した効果を得るこ
とができないことが認められた。このことから、複合材
料の強化繊維としてアルミナ−シリカ繊維は４ｏ〜ｅｓ
ｗｔ％のアルミナと残部としてのシリカとよりなるもの
が好ましいことが解る。

以上に於ては本発明をピストンとピストンリングとの組
合せに対し適用された一つの実施例について詳細に説明
したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではな
く、互いに当接して相対的に震動する他の部材の組合せ
にも適用可能であることが理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本願発明者等が行なった摩耗試験の結果を示す
グラフ、第２図はピストンとピストンリングとの組合せ
に対し適用された本発明による部材の組合せの一つの実
施例を示す解重的縦断面図、第３−は第２′１に示され
た実施例の要部を示す解重的拡大部分縦断面図、第４図
はピストンリング（トップリング）を拡大して示すＩｆ
ｓ的拡大部分縦断ｍ１ｌｌ、第５１！Ｉは実機による摩
耗試験の結果を示すグラフである。 １−・ピストン、２・・・側部外周面、３・−シリンダ
ライナ、４・・・トップリング、５・・・セカンドリン
グ。 ６・・・トップリング溝、７・・・セカンドリング溝、
８・・・オイルリング、９・・・リング溝、１０・・・
ピストンヘッド、１１−・・トップリング溝の下面、１
２・・・複合材料、１３・・・トップランド、１４・・
・セカンドランド、１５・・・モリブデン溶射層、１６
−・・トップリング溝の上面、１７−・・トップリング
の下面時　許　出　願　人　トヨタ自動車工業株式会社
同　　　　　アート金属工業株式会社 代　　　　　理　　　　　人　　弁理士　　　明　　石
　　昌　　毅第１図 第３図　　　第４図 第５　図 ど グ ！ （／’） 第１頁の続き ０発　明　者　三浦修弘 豊田型トヨタ町１番地トヨタ自 動車工業株式会社内 ０発　明　者　榊原達雄 上田市緑ケ丘１の１０の１０ ０発　明　者　三宅紀明 上田型上田１９５３−３ ■出　願　人　アート金属工業株式会社東京都中央区銀
座６丁目１４番５ 号

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）互いに当接して相対的に摺動する第一の部材と第
   二の部材との組合せにして、前記第一の部材の少なくと
   も前記第二の部材に対する摺動山部は４０〜６５Ｗ【％
   のアルミナと残部としてのシリカとよりなるアルミナ−
   シリカ繊維を強化材としアルミニウム、マグネシウム、
   それらの合金よりなる群より選択された金属をマトリッ
   クスとする複合材料にて構成されており、前記第二の部
   材の少なくとも前記第一の部材に対する震動面部は鋳鉄
   にて構成されていることを特徴とする部材の組合せ。 （２、特許請求の範囲第１項の部材の組合せに於て、前
   記第二の部材の前記第一の部材に対する摺動面はリュー
   プライト処理されていることを特徴とする部材の組合せ
   。 （３）特許請求の範囲第１項又は第２項の部材の組合せ
   に於て、前記第一の部材はエンジン用ピストンであり、
   前記第二の部材はピストンリングであることを特徴とす
   る部材の組合せ。