JPS63318365A - 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】 産業上のｆｉｌ用分野 本発明は、自動車用エンジン等に使用されるピストンに
関する。

従来の技術 従来から、例えば自動車用エンジンに使用されるアルミ
ニウム合金製ピストンは、ピストンリング溝の耐摩耗性
を向上するため、電子ビームやレーザビーム等のエネル
ギビームにより、ピストンリング溝の表面にニッケル或
は鉄等の金属を溶かし込んで、ピストン母材表面に合金
層を形成している（実開昭５５−２７５８７号公報参照
）。又、ディーゼルエンジン用のピストンにおいては、
ピストンリング溝部にニレジスト耐摩環を鋳ぐるんで耐
摩耗性を向上させている場合もある。

発明が解決しようとする問題点 しかし、電子ビーム等のエネルギビームによってピスト
ンリング溝部に合金層を形成して耐摩耗性を向上させた
ピストンは、その合金層形成過程において、ピストンを
真空容器中に保持して処理しなければならないため、処
理装置が大型化するとともに、処理装置内に空気を供給
、排出するのに時間がかかり、生産性が悪く製造コスト
が高くなるという問題点を有している。又、ピストンリ
ング溝部にニレジスト耐摩環を鋳ぐるんて耐摩耗性を向
上させたディーゼルエンジン用のピストンは、熱伝導率
が悪く熱の蓄積が大きいため、ピストン温度が高温とな
り焼付きを生じゃすくなるとともに、重量が重くなって
、近年の自動車の軽量化の要求に対応出来ないという問
題点を有している。

そこで本発明はこれら問題点を解消し得るピストンを提
供することを目的とする。

問題点を解決するための手段 本発明のピストンは、上記従来技術の問題点を解消する
ため、アルミニウムを主成分とするピストン素材のピス
トンリング溝形成部分に、ニッケル５〜３０重量パーセ
ント及び銅１５重Ｒ１パーセント以下を含むアルミニウ
ム合金を溶接により溶融して、このアルミニウム合金と
前記ピストン素材との融解部が形成される。

作用 本発明に係るピストンは、ピストンリングミＩ子部の融
解部にＮｉ−Ａｌ２合金及びＣｕ−ＡＱ金合金析出する
ため、ピストンリング溝の耐摩耗性が昔しく向上される
とともに、耐熱性が向上されろ。そのため、ディーゼル
エンジン等の高熱負荷エンジンのピストンや、タクシ−
等の長寿命保障が必要とされるエンジンのピストンとし
て使用され、優れた耐久信頼性が発揮される。

実施例 以下本発明の実施例を図面に基づき詳述する。

第１図は本発明に係るピストンを製造するための一工程
を示すもので、図において、１′はアルミニウム合金（
ＡＣ８Ａ）製ピストン素材であり、このピストン素材ビ
にはピストンリング溝形成部位にノツチ２を切欠き形成
しである。このノツチ２は、第２図に示すように断面略
台形状を呈し、ノツチ幅Ｗ＝３ｍｍ、ノツチ深さＨ−３
，６ｍｍ、側面傾斜角θ、−〇、−１５°となるように
ピストン素材外周に環状に切欠き形成されている。３は
溶接トーチであり、この溶接トーチ３はノツチ２に対応
する部位に配置されており、この溶接トーチ３のコンタ
クトチップ４には溶接棒５（Ｎｉ１０．５％、Ｓｉｏ、
０８％以下、Ｃｕｂ、０１％、ＭｇＯ。

０１％、Ｆｅｄ、１５％、Ｔｉｅ、０２％以下、　Ｚｎ
０．０４％、残部ＡＱ、（尚、成分割合（％）は市川パ
ーセントをき味するものとする。））が挿入されている
。この溶接棒５は略１，６ｍｍの線径を有し、コンタク
トチップ４から連続的に供給され、不活性ガス中で溶接
（ＭＩＧ溶接）が行われろ。

このＭＩＧ溶接（パルス電流制御方式）は、平均電流＋
６０Ａ、電圧２４■、溶接速度８００ｍｍ／ｍｉｎ。

不活性ガス（アルゴンガス）　ｆｆｉ　２００．／　ｍ
ｉｎで行われろ。その結果、第３図に示すように、ピス
トン温度 ストン素材ビと溶接ｔ４５とが融解溶接された融解部６
（Ｎｉ７’、２％、５ｉ１０．２％、Ｃｕｂ。

４５％、Ｍ２Ｏ，４３％、Ｅｅｏ、２９％、Ｔｉｅ。

０４％、ＺｎＯ，０３％、残部Ａ（２）が形成された。

第４図は、このようにして形成されたピストンｌの融解
部６を機械加工することにより得られたピストンリング
溝７の断面形状であり、このピストンリング溝７は断面
略矩形状を呈し、図中上部側壁面８及び下部側壁面９に
は融解部８の合金が露出している。そして、本発明に係
るピストンｌは、前記したピストンリング溝７の加工を
行った後に、外径等を仕上げ加工して形成される。

第５図はピストンリング溝部に形成された融解部の耐摩
耗特性を調べる摩耗試験方法（サバン式）を示すもので
、この図においてＩＯはピストン素材と同一材料（ＡＣ
８Ａ）からなる試験片母材であり、この試験片母材ｌＯ
に融解部６を形成して試験片１１としている。１２はピ
ストンリング相当材料（ＳＵＳ４２０）で形成されたロ
ーラである。この摩耗試験は、試験片温度を８０°Ｃと
し、ローラ１２にはＧＯＫ９ｒの摩擦荷重が負荷され、
ローラ１２と試験片１１とを１時間摩擦接触させて試験
が行われた。

第６図は融解部のＮｉの成分量を変えて行った摩耗試験
の結果を示すものである。この試験結果によれば、融解
部６のＮｉ成分量が増加するに従いｌγ耗量が少なくな
ることが分かる。これはＮ１−ＡＱ系金金属間化合物Ｎ
１ＡＱ３が晶出するためであり、その晶出量はＮｉ成分
量が少ない場合には少なく、Ｎｉ成分量が多い場合には
多くなる。

このＮ１−Ａ（！基金属間化合物の共晶点はＮｉ成分量
が５，７％付近であり、５，７％以下では亜共晶状態と
なり、５．７％以上では過共晶状態となる。このうち、
耐摩耗性の高いＮ１−Ａ（！基金属間化合物は過共晶状
態のものであり、第６図においてもＮｉ成分量が５％付
近（過共晶状態になる直前の状態）で耐摩耗性向上の効
果が大きくあらイつれることかわかる。一方、Ｎｉ成分
量が３０％を越えろと、Ｎｉ成分量を増加させても摩耗
量はほとんど減少しなくなることがこの試験結果から判
明した。以上、第６図の試験結果によれば、耐摩耗性向
上のためには、融解部６のＮｉ成分量を５〜３０重量パ
ーセントに設定すればよいことが分かる。尚、Ｎ＋成成
分４註０ 接棒（Ｎｉ−ＡＩ２合金）を工業的に容易に製造できろ
上限値でもある。

第７図は、Ｎｉを１５重量パーセント含む溶接棒を使用
し、側面傾斜角Ｏを変化さ仕たノツチ２（第８図参照）
にＭＩＧ溶接した場合における融解部のＮｉ成分量を示
すものである。尚、この図において、Ｔ，線は溶接電流
値１００Ａで溶接した場合の実験結果を示し、Ｔ，線は
溶接電流値１４ＯＡで溶接した場合の実験結果を示すも
のである。この図によれば、ノツチ形状及び溶接条件（
溶接電流値）を適宜選択することにより、融解部のＮｉ
成分量を溶接棒のＮｉ成分量と略等しい値にすることが
てきろことが示されている。この実験結果から溶接棒は
Ｎｌ成分量が５〜３０重Ｗパ重上パーセントを使用して
融解部を形成すればよいことが分かる。

次に、前記摩耗試験方法（サバン式）により融解部のＮ
ｉ成分量を設定することが妥当であるか否かを実機試験
をして確認した。その結果を第９図に示す。この図にお
いて、Ｘｏはピストンリング溝部の材料がＡＣ８Ａ　（
ピストン素材と同一材料）の場合であり、Ｘｌはピスト
ンリング溝部にＮｌを６５重量パーセント含む融解部を
ＭＩＧ溶接で形成した場合、Ｘ２はピストンリング溝部
にＮｉを２０重重量パーセント含融解部をＭＩＧ溶接で
形成した場合を示す。この図によれば、ピストンリング
溝部にＮｉを所定重信パーセント含む融解部が形成され
たＸ、及びＸ、が、ＡＣＩＡ材のみからなるＸ。に比較
してリング溝の摩耗量が極めて少ないことか分かる。又
、この実験結果から、Ｎｉ成分量が多いＸ、の方かＮｉ
成分量の比較的少ないｘｌよりも摩耗量が少ないことが
分かる。尚、この実験において使用したピストンリング
はばね鋼（ＳＷＯＳＣ−Ｖ）製のピストンリングであり
、ｘ、、ｘ、、、ｘｔの各実験材料は同一条件下で実験
が行われたことはもちろんである。この実験結果と前記
摩耗試験結果（第６図）とを比較すると、摩耗量とＮｉ
成分量との関係はほぼ同様の傾向を示しており、前記摩
耗試験により溶接棒のＮｉ成分量を決定することが妥当
であることが確認された。

第１θ図は融解部６（第３図参照）に含まれるＣｕの成
分量を変えた試験片を数種作製し、前記摩耗試験方法（
サバン式）により摩耗試験を行い、その結果を図に示し
たものである。この試験では、溶接棒のＮｉ成分量は１
５重量パーセントとし。

Ｃｕの成分量のみを変えたしのをＭＩＧ溶接で試験片母
材に溶接して融解部６を形成した試験片１１を使用した
（第５図参照）。又ノツチ形状及び溶接条件は変化させ
ず、融解部６のＮ　ｉ成分量が一定となるようにした。

この試験結果によれば、Ｃｕの成分量か増加するに従い
摩＄Ｔ［も低下することがわかる。これは、融解部６に
Ｃｕが添加されることにより、Ａ［とＣｕとの金属間化
合物ＣｕＡｌ２．が析出し、融解部６の、ｌ基地部の硬
度増加、結晶組織強化及び結晶組織の安定化がはかられ
るためである。しかし、Ｃｕの成分量が１５重量パーセ
ント以上に増加してし、摩耗量の低下は極めて少なくな
り、Ｃｕの成分量は耐摩耗性向上の観点から、１５重量
パーセントを上限値とすれば充分であることが分かった
。又、融解部のＣｕの成分量を１５重量パーセント以上
に増加するためには、溶接棒のＣｕの含ａ量を１５重量
パーセント以上にしなければならないか、そうすると溶
接棒の伸びが小さくなり、溶接棒の製造が困難になると
共に、融解部６の溶接割れを発生しやすくなることから
も、溶接棒のＣｕの成分量の上限値を１５重量パーセン
トにすることは妥当である。

以上の摩耗試験結果から融解部の成分は、少なくともＮ
ｉ成分量を５〜３０重量パーセントとし、Ｃｕ成分量を
１５重量パーセント以下含むように設定され、これに応
じて溶接棒らＮｉを５〜３０重量パ重量パーセント色乙
に、Ｃｕを１５重量パーセント以下含み、残部はＡρと
し、必要に応じてＭｇ、Ｍｎ、Ｃｒを添加したものが使
用される。

このように融解部の成分量と溶接棒の成分量を決定した
ため、従来から使用されている電子ビーム法によりピス
トンリング溝部に合金層を形成する方法に比較して、エ
ネルギー密度の小さいアーク溶接で偏析が少なく耐摩耗
性に優れたＮ＋−１！合金の融解部が形成される。又、
汎用的なアーク溶接で耐摩耗性に優れた融解部を形成で
きるため、電子ビーム法等のように高価で大規模な設備
を導入することなく、安価で小規模な設備で、耐久性に
優れたピストンが製造される。加えて、電子ビーム法の
ようにピストン素材を真空中に保持して処理する必要が
なく、製造（処理）工程を簡素化できると共に、溶接棒
の連続的供給を可能とし、製造（処理）工数を著しく削
減できるらのであるため、安価なピストンの提供が可能
となった。更に、ピストン素材と融解部の材料の比重が
同等であるため、ピストン重量が重くならず、加工性も
良好であり、ピストン素材よりも融点が高いので耐熱性
も向上する。そのため、ピストンリング消印にニレジス
ト耐〃環を鋳ぐるんて耐摩耗性を向上し１こ従来例に比
較して、格段に軽量化を図ることができるととらに、焼
付き防止効果も向上でき、ピストンの耐久信頼性を大幅
に向上できた。これ　　−によって、本発明に係るピス
トンは、ディーゼルエンジン等の高熱負荷エンジンや、
タクシ−等の長寿命保証が必要とされるエンジンに対し
、特に効果的に使用されることが期待される。

尚、以上の実施例においては、ＭＩＧ溶接により融解部
を形成する場合を示したが、これに限られずＴＩＧ溶接
、プラズマアーク溶接等によってしＭＩＧ溶接と同等の
融解部が形成される。

発明の効果 以上述べたように本発明のピストンは、アルミニウムを
主成分とするピストンのピストンリング溝形成部分に、
ニッケル５〜３０重信パーセント及び銅１５重量パーセ
ント以下を含むアルミニウム合金を溶融して、このアル
ミニウム合金とピストン素材との融解部を形成する構成
であるため、簡便な溶接によりピストンリング溝に耐摩
耗性に優れた合金層を形成でき、耐久信頼性を著しく向
上できると共に、従来の電子ビーム法等により生産され
たピストンに比較して生産性が格段によいため、製造コ
ストの低誠が図れるという実用上多大な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るピストンの製造工程の一例を示す
図、第２図はノツチ部形状、第３図は融解部所面図、第
４図はピストンリング溝部断面図、第５図は摩耗試験（
サバン式）概略図、第６図は融解部のＮｉ成分量を変化
させた場合の摩耗試験結果図、第７図はノツチ形状と融
解部のＮ　ｉ　１５分量との相関図、第８図は第７図に
関する試験で使用されたノツチ形状断面図、第９図はピ
ストンリング溝の実機試験結果図、第１Ｏ図は融解部の
ＣＵ成分量を変化させた場合の摩耗試験結果図である。 １・・ピストン、１′・・・ピストン素材、５・・・ア
ルミニウム合金（溶接棒）、６・・・融解部、７・ピス
トンリング溝。 ２（２名 第１図 第２図 第３図　　　　第４図 ＭＭ部ＮｉＡ介ｔ　Ｃｗｔ”Ｑ 第７図 ｅ　（ｄｅｇ） 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. アルミニウムを主成分とするピストン素材のピストンリ
   ング溝形成部分に、ニッケル５〜３０重量パーセント及
   び銅１５重量パーセント以下を含むアルミニウム合金を
   溶接により溶融して、このアルミニウム合金と前記ピス
   トン素材との融解部が形成されたことを特徴とするピス
   トン。