JPS61250129A - マグネシウム合金製内燃機関用ピストン - 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】 ＬＬＩ匹皿■豆１ 本発明は、その一部が繊維強化されたマグネシウム合金
製内燃機関用ピストンに関するものである。

−の口 内燃機関の運動部品を軽合金材料で形成して慣性力を低
減化することは、高速化を計る上で有効な手段であり、
従来より比重の小さなアルミニウム合金製ピストンが使
用されている。アルミニウム合金に比して更に比重の小
さなマグネシウム合金でピストンを形成することは、極
めて有利であるが、マグネシウム合金は、アルミニウム
合金に比して、硬さ、耐摩耗性が劣るだけでなく、熱膨
張率が１０％以上大きいため、実用上、下記の問題が生
ずる。

（１）機関始動時に生ずるピストン・スラップ音：ピス
トンは、機１１！ｌ稼動の１ｎ熱膨張するため、その膨
張量を見込んで、常温でシリンダー内壁との間に成る程
度のすき間（ピストン・クリアランス）が生ずる寸法に
形成されている。クリアランスが小さ過ぎると、ピスト
ンとシリンダとの間で焼付きが生じ、これが大き過ぎる
と、圧縮圧力の低小、吹扱け、オイル上がり、潤滑オイ
ルの希釈等の原因となる他、ピストン・スラップ（１）
ｉｓｔｏｎ　５ｌａｐ　）による異音が生ずる。ピスト
ン・スラップが激しいと、ピストン・リングとリング溝
の摩耗が促進され、ピストン・リングの機能が低下し、
潤滑オイルの消費量が増大する。それ故、これ等の弊害
が生じない範囲で、ピストン・クリアランスを゛十分小
さく定めなければならない。

ピストン・クリアランスを十分小さくするための工夫と
して、ピストン・ビン・ボス方向（ピストン・ビンの軸
心線に沿う方向）の径を小さくし、それと直角方向の径
（スラスト側の径）を大きくした楕円形状にピストン形
状を定める手法が一般的に採用されている。斯くするこ
とにより、機関の運転による温度の上昇に伴ってピスト
ン・ビン・ボス方向の直径が増大し、目標温度において
ピストンの断面形状が真円に近くなり、適正なピストン
・クリアランスを設定することが可能である。

しかるに、アルミニウム合金に比して熱膨張係数が１０
％以上も大きなマグネシウム合金でピストンを形成した
場合には、目４ｇ！温度において、ピストン・ビン・ボ
ス側のピストン・ビン・クリアランスを適正に定め様と
すると、熱膨張状態でスラスト側の径がシリンダーの内
径を超えてしまい、スカート部の変形（へたり）、焼付
き、摩耗が生ずる。そこで、マグネシウム合金製ピスト
ンについて、シリンダー内径に対するピストン径の、熱
膨張による前記超過量、すなわち″“はり量“を、アル
ミニウム合金製ピストンのそれと同等にしようとすれば
、常温時におけるピストン・クリアランスを、アルミニ
ウム合金製ピストンに比して大きくしなければならない
。従って、マグネシウム合金製ピストンを採用すると、
機関始動時におけるピストン・スラップ音が増大する傾
向になる。

（２）ピストン・スカート部の摩耗ニ ジリング−内壁に摺接するピストン・スカート部は、連
接棒の傾斜によって生ずる側圧（ｓｒｄｅｔｈｒｕｓｔ
　）を受け、ピストンの直線運動を正しく維持する作用
をしているが、ピストン・クリアランスがあるため、ピ
ストンが運動方向を変える時、シリンダー内壁に衝接す
る（ピストン・スラップ）。マグネシウム合金製ピスト
ンでは、硬さ、耐摩耗性が不足することに加えて、前述
の様に、そのピストン・クリアランスを大きく設定しな
ければならないため、ピストン・スラップ現象によりス
カート部の摩耗が促進され、ピストン・クリアランスが
更に増大して、ピストン・スラップ音の増大、吹抜は等
の不具合が生じ、ピストンの耐久性が低下することとな
る。

一方、ピストン・スラップ音を低減化するための手段と
して、熱膨張係数の小さなインバ鋼（ｉｎｗａｒ　）等
を鋳包みによってピストン・スカート部内層に付し、ピ
ストン・ビン・ボス方向側とスラスト側の熱膨張量に差
を作り出して、温度上昇に伴うスラスト側の熱膨張分を
ピストン・ビン・ボス方向側に逃がすことにより、スラ
スト側の外径増大を抑え、常温時におけるピストン・ク
リアランスを小さく設定することを可能にする方法があ
るが、マグネシウム合金製ピストンにこの方法を採用し
た場合、熱膨張昌調整用付加材がピストンの重量を増大
させるため、マグネシウム合金による軽量化の利点が失
われることになる。

また、ピストンのスラスト側オイル溝部にスリット（ｓ
ｌｉｔ）を形成し、ピストンの頭頂部からスラスト側ス
カート部に直接伝達されるはずの熱の流れを遮断してス
ラスト側スカート部の温度上昇を抑制することにより、
スラスト側の外径増大を抑え、常温時におけるピストン
・クリアランスを小さく設定することを可能にする方法
もあるが、その効果が不十分であってマグネシウム合金
製ピストンの欠点を解消することはできない。

他方、軽合金製ピストンにおけるピストン・スカート部
の摩耗を低減化するための手段として、陽極酸化処理等
の化成処理、メッキ処１！Ｉ！（ｃｒｌＮｉ。

Ｆｅ、　ｅｔｃ　）等の表面処理を行うことが提案され
ているが、現時点では、表面処Ｉ！！！層の耐久性に乏
しいため、実用化されるに至っていない。

ｌｌ、を　°するための−および 本発明の目的は、マグネシウム合金製ピストンにおける
スカート部の耐摩耗性を向上させるとともにその熱膨張
を抑制する点にある。

この目的は、マグネシウム合金製内燃機関用ピストンに
おいて、シリンダ内壁に摺接するピストン・スカート部
の全周、またはその一部に、炭素繊維を複合化した内壁
層と、セラミック繊維を複合化した外壁層とより成る繊
維強化層を設けることによって達成される。

アルミニウム合金製ピストンのリング溝部をセラミック
Ｉ維で複合強化し、該リング溝部の耐摩耗性を向上させ
る方法が知られていることから、マグネシウム合金製ピ
ストンのスカート部をセラミック繊維で複合強化して耐
摩耗性を向上させることが当然予測される。しかるに、
マグネシウム合金製ピストンの熱膨張を抑制し、アルミ
ニウム合金製ピストンと同程度の熱膨張量にするために
は、強化用セラミック繊維の体積率（Ｖｒ　）を３０％
程度にしなければならない。ところが、繊維体Ｒ＊　（
Ｖｒ　）を自由に選択決定することはできず、仕上げ加
工のための切削性およびシリンダ内壁摺接部に対する影
Ｗ（すなわち、相手材の摩耗に与える影響）を考慮する
必要がある。

そこで、複合強化材におけるセラミック繊維の体積率（
Ｖｆ）の大きさが、摺接する相手材に如何なる影響を与
えるかを見るために、第１図に示すチップ・オン・ディ
スク式摩耗試験機を用いて摩耗試膿を実施した。図中、
１は回転円板であり、その上にシリンダー・ライナー材
として使用される鋳鉄で形成した環状体２を載置、固定
し、該環状体２の上面に、アルミナ繊維（ＩＣＴ社製　
商品名サフイル）で複合強化したマグネシウム合金（Ｊ
Ｉｓ　ＡＺ９１Ａ）製試験片であるチップ材３を圧力（
Ｐ）＝１２５ｋＱ／ｃａｒで押しつけ、周部において摺
接速度（Ｖ）が２ｍ／秒、摺動距離が１０００ｍになる
様に回転円板１を回転させた。その際、チップ材３と環
状体２の摺接面に、試験開始時点でＯ，Ｉｇｒの１１１
滑油を塗布した。この方法で、繊維体積率（Ｖｒ　）が
、それぞれ５．７．５，１０，１２．５％である四種類
のチップ材３について、環状体２の摩耗！（ｍａｒ）を
求め、その結果を第２図に示した。

同図から、Ｖｆ〉１０％の範囲で環状体２の摩耗量が急
激に増大することが判る。

他方、前記チップ材３と同質の材料を用いて切削試験を
行った結果、Ｖｒ＞１０％の範囲では、切削工具の寿命
が著しく短く、実用に供し得ないこが判った。

以上の結果からして、マグネシウム合金製ピストンをセ
ラミック繊維で強化する場合、Ｖｒ≦１０％でなければ
ならないため、耐摩耗性の向上を計り得るものの、熱膨
張を抑えることができず、ピストン・スラップ音の発生
は、これを阻止し烈い。

斯かる理由に基づき、本発明では、セラミック繊維を用
いてピストン・スカート部の耐摩耗性を向上させると同
時に、熱膨張係数の小さな炭素繊維を用いてピストン・
スカート部の熱膨張を抑制し、ピストン・スラップ音の
低減化を企図した。

炭素ｌ１ｉｔ４は特異な材料であって、その熱膨張係数
は、表１に示す様にマイナスであり、複合材の熱膨張を
抑ｆ、ＩＪする材料として最も適している。しかも、炭
素繊維で複合強化したマグネシウム合金の切削性、およ
び摺接する相手材への摩耗の影響を、前記アルミナ繊維
で複合強化したマグネシウム合金と同じ試験方法で調べ
たところ、−全く問題がないことが判った。しかしなが
ら、炭素繊維で複合強化したマグネシウム合金の耐摩耗
性は、アルミナ繊維で複合強化したマグネシウム合金の
それに比して劣り、相手材の損耗に代って、自身の摩耗
が生ずる傾向を示す。

表１ それ故、相手材と摺接する部分に炭素繊維を用いるのは
好ましくなく、相手材と摺接する外層部に適当な体積率
（Ｖｒ　）のセラミック繊維を用い、内層部に熱膨張抑
制効果の大きな炭素！Ｉ維を用いるのが有効となる。両
繊維の使用量については、自己および相手材の摩耗、ピ
ストン・スカート部の熱膨張量を考慮して定めなければ
ならず、セラミック繊維の体積率（Ｖｒ　）は、これを
２．０〜１０．０％にするのが好適であり、炭素繊維の
体積率（Ｖｒ　）は、これを２．０〜２０，０％にする
のが好適である。

セラミック繊維の体積率（Ｖｒ　）を２．０〜１０．０
％にする理由は、２．０％未満では、結合剤を用いて予
備成形体（プリフォーム）を得る際、１８８の凝集が生
じ易く、その分布が不均一になって、マグネシウム合金
の鋳造時に予備成形体が変形するおそれが生ずるととも
に、必要な耐摩耗性が得られないからであり、１０．０
％を超えると、鋳造による複合化後の仕上げ加工が困難
になり、かつ相手材（シリンダー内壁）の摩耗が増大す
るからである。

また、炭素繊維の体積率（Ｖｒ　）を２．０〜２０．０
％にする理由は、２．０％未満では、熱膨張抑制効果が
低く、フィラメント・ワインディング法によって形成す
る成形体の強度が不足し、マグネシウム合金を鋳造する
際に鋳造欠陥が生じ易いからであり、２０．０％を超え
ると、熱膨張が過小になって、昇温状態でシリンダーと
の熱膨張差が大きく、ピストン・クリアランスが増大し
て逆効果になるからである。

大−思一透 第３図に示す内燃機関用ピストン（ボア径７４ｍｍ）１
０を高圧鋳造法により製造した。

マトリックスは、マグネシウム合金（ＪＩＳ　ＡＺ９１
＾）であり、スカート部１２の外層１４が繊維径３μ、
Ｖｔ＝６％のアルミナ繊１（ｒｃｒ社製　商品名サフィ
ル）で複合強化され、内層１Ｂが１１維径６．５μ、Ｖ
ｆ＝１２．５％の炭素繊Ｍ（東し■製　Ｍ２Ｏ）で複合
されている。

外層１４におけるセラミック繊維は、無秩序に配向され
、かつ摺動面に露出しており、内Ｆ！Ｊ１６における炭
素繊維は、円周方向に配向されている。

（第４図参照。但し、第４図は第３図の要部拡大図であ
る）炭素繊維を円周方向に配向させるには、複合化鋳造
に先立ってフィラメント・ワインディング法により円筒
体を成形を形成するが、この形成方法は、製造が容易で
品質も安定しており、かつ円周方向に配向させると、そ
の長さ方向の熱膨張係数がマイナスであることから、同
−岱の炭素繊維を他配向方向で複合化した場合に比して
熱膨張抑制効果が最大になる。

前記構造のピストンを実機に組込んで、２００時間の耐
久試験を実施したところ、焼付き、摩耗等は発生ぜず、
機関始動時におけるピストン・スラップ音も、通常使用
されているアルミニウム合金製ピストンのそれと同等で
あった。

なお、内層１６における炭素繊維は、必ずしもスカート
部１２の全周に複合化さゼる必要はなく、適宜部分的に
複合化してスカート部１２の熱膨張量を調整することが
できる。

また、前記実施例では、内層１６に炭素繊維を複合化さ
せたが、熱膨張係数が小さいＳλｃｓｕｔを炭素ｍｓに
代えて用いても良い。

２１目と１里 以上の説明から明らかな様に、シリンダー内壁に摺接す
るピストン・スカート部の全周、または、その一部に、
炭素繊維を複合化した内壁層と、セラミック繊維を複合
化した外壁層とより成るＩ１１強化層を設けて成るマグ
ネシウム合金製内燃機関用ピストンが提案された。　・ 斯かる構造を採用するならば、ヒラミック！Ｉ維で強化
されたビスｉ・ン・スカート部外壁層の耐摩耗性は良好
であり、かつ内壁層に、複合化された炭素繊維を有する
ピストン・スカート部の熱膨張が効果的に抑制されるこ
とから、常温時におけるピストン・クリアランスが適正
な大きさになる様にピストン・スカート部の外径を定め
ることが可能となり、機関始動時にのピストン・スラッ
プ音を低減化し、軽量化を狙ったマグネシウム合金製ピ
ストンの耐久性を著しく向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はアルミナ繊維で複合強化したマグネシラム合金
が摺接する相手材に与える影響を調べるためのチップ・
オン・ディスク式摩耗試験機の要部概略図、第２図は該
試験機による試験結果（前記マグネシウム合金における
Ｖｔと、摺接する相手材の摩耗量との関係）を示すグラ
フ、第３図は本発明の一実施例に係るピストンの断面図
、第４図はその要部拡大図である。 １・・・回転円板、２・・・環状体、３・・・チップ材
。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリンダ内壁に摺接するピストン・スカート部の
   全周、またはその一部に炭素繊維を複合化した内壁層と
   、セラミック繊維を複合化した外壁層とより成る繊維強
   化層を設けたことを特徴とするマグネシウム合金製内燃
   機関用ピストン。
2. （２）前記内壁層の繊維体積率（Ｖｆ）が２．０〜２０
   ．０％であり、前記外壁層の繊維体積率（Ｖｆ）が２．
   ０〜１０．０％であることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項に記載されたマグネシウム合金製内燃機関用ピス
   トン。
3. （３）繊維内壁層の炭素繊維がピストン・スカート部の
   円周方向にそって配向され、前記外壁層のセラミック繊
   維が無秩序ないし二次元方向に配向されていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項、または第２項に記載さ
   れたマグネシウム合金製内燃機関用ピストン。