JPWO2019013287A1 - 内燃機関用ピストン及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2017年7月14日に、日本国に出願された特願2017−138445号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
例えば特許文献1には、基地組織がδフェライト−マルテンサイトでかつ組織中の共晶炭化物が3μm以下で共晶コロニーを形成する鋳鋼を用いたピストンが提案されている。鋳造による一体物として製造する場合、ニアネットシェイプで製造できるので、機械加工等のコストを低減できるメリットがある。
しかし、鋼とアルミニウム合金を接合するピストンでは、往復運動による接合部にかかる荷重が大きくなるため、接合面積を大きくする必要がある。そのため、摩擦圧接時に接合面の回転軸より遠い外側の接合強度が高くなる条件で接合しても、接合面の回転軸に近い内側は未接合となる問題があった。逆に、接合面の回転軸に近い内側の接合強度が高くなる条件で接合すると、外側は合金層が厚くなり、接合強度が低くなるという問題があった。
(1)本発明の一態様に係る内燃機関用ピストンは、鋼製の第1部品と、前記第1部品に対し環状の接合層を介して接合されたアルミニウム合金製の第2部品とを備え、前記接合層の厚さが、前記接合層の内周側及び外周側の双方とも1.0μm以上20.0μm以下である。
上記(1)に記載の態様によれば、耐熱性が高い鋼製の第1部品と、軽量なアルミニウム合金製の第2部品との組み合わせにより、高い耐久性と軽量化とを両立できる。さらに、接合層の内周側及び外周側の双方が1.0μm〜20.0μmの範囲内にあるので、接合層が過度に厚みを持って脆化したり、または接合層が過度に薄くなって十分な接合強度が保てなかったりする不具合も回避出来る。
上記(2)に記載の場合、径方向に沿って均等な接合強度を得ることが出来る。
上記(3)に記載の態様によれば、第1部品及び第2部品間の接合層を、その内周側及び外周側の双方において1.0μm〜20.0μmの範囲内の厚みに形成できる。よって、第1部品に対して高い接合強度をもって第2部品を接合させることができる。
上記(4)に記載の場合、より確実に、接合層を適切な厚みに形成することができる。
上記(5)に記載の場合、接合層の外周側の厚みをより適切な厚みに管理できる。
図1は、本実施形態に係る内燃機関用ピストン1の斜視図である。図2Aは、同内燃機関用ピストンを図1のA−A断面で見た断面図である。図2Bは、同内燃機関用ピストンを図1のB−B断面で見た断面図である。図3Aは、同内燃機関用ピストンのピストン上部を図1のA−A断面で見た断面図である。図3Bは、同内燃機関用ピストンのピストン上部を図1のB−B断面で見た断面図である。図4Aは、同内燃機関用ピストンのピストン下部を図1のA−A断面で見た断面図である。図4Bは、同内燃機関用ピストンのピストン下部を図1のB−B断面で見た断面図である。
なお、各図における符号CLは、内燃機関用ピストン1の中心軸線を示す。
図1〜図2Bに示すように、内燃機関用ピストン1は、円盤状のピストン上部2(第1部品)と、このピストン上部2の下面に一体に接合された筒状のピストン下部3(第2部品)と、を備えている。
また、ピストン上部2の接合面をなす下面2cには、クーリングチャンネル2d及び凹所2eが形成されている。クーリングチャンネル2dは、中心軸線CLと同軸に形成された円環状の流路である。また、凹所2eも、中心軸線CLと同軸をなすように、前記中央部分2a1の裏面側に形成されている。凹所2eは、図3Aに示す断面で見た場合と、図3Bに示す断面で見た場合とで断面形状が異なっており、軸線CLに直交する左右方向の幅寸法が互いに異なっている。
さらに、ピストン上部2の外周面2fには、トップリング溝2f1,セカンドリング溝2f2,サードリング溝2f3が中心軸線CLと同軸をなすように、上から下に向かってこの順に並んで形成されている。
図1に示すように、スカート部3aは一部が切り欠かれた概略筒状をなしており、一対の円弧外周面3bと、これら円弧外周面3bの両側縁間に形成された一対の切り欠き面3cとを有している。各円弧外周面3bは、図2Aに示すように、ピストン上部2の外周面2fと同じ外径寸法を有し、面一になっている。
以上説明のように、上面3eと下面2cは、互いに同一形状を有している。そして、下面2cに対して上面3eが摩擦接合することで、図2A及び図2Bに示す太線位置に遷移層a(以下、Fe−Al遷移層と称する)が形成されている。
そこで、接合界面に合金層が殆ど形成されない固相接合である摩擦攪拌接合(Friction Stir Welding。以下、単に摩擦接合と言う)を採用することが考えられる。摩擦接合をした場合、ピストン上部2及びピストン下部3間の接合面では、鋼とアルミニウム合金の母材とが溶け合っているのではなく、両方の母材同士が拡散し合って薄い層を形成することで接合している。この手法によれば、接合面に厚い合金層が生成されず、高い接合強度を実現できる。
摩擦接合によってピストン上部2及びピストン下部3間を固相接合するには、まずピストン上部2を固定し、続いてピストン下部3を回転させながらピストン上部2に押し付ける。
まず、内燃機関用ピストン1を、軸線CLを含む4断面C1〜C4において切断して4個のピースに分ける。4断面C1〜C4としては、軸線CLに沿った視線で見て等角度間隔(すなわち90°間隔)となるように断面を決める。
4断面C1〜C4のそれぞれにおいて、EPMAによる線分析を行い、アルミニウム成分が95%である点から5%である点にかけての厚みを求める。その際、EPMAのビーム径は、2nmとする。
続いて、外周側である4つの点P1の厚み測定値の平均値を求める。同様に、内周側である4つの点P2の厚み測定値の平均値を求める。このようにして求めた外周側の厚み平均値と、内周側の厚み平均値とのいずれもが、上述した1.0〜20.0μmの範囲内であれば、十分な結合強度が確保される。
摩擦接合においては、ピストン上部2の接合面(下面2c)に対してピストン下部3の接合面(上面3e)を押し付けつつ、回転させる。その際、凹所2e及び開口3gが共に円形ではないため、ピストン下部3の回転と共に摩擦を受けたり受けなかったりを繰り返す部分が、下面2c及び上面3e双方の内周側に生じる。そのような部分が図5の円ICよりも内周側であり、強固な摩擦接合を得る上では、円ICよりも外側の環状部分におけるFe−Al遷移層の厚さを管理することが求められる。このような理由により、安定した摩擦接合が得られる、円ICよりも外側にある上記環状部分内でFe−Al遷移層の厚さを管理することが求められる。
アルミニウム合金からなるピストン下部3の摩擦接合に際しては、上面3eに形成されている酸化膜を取り除くと共にFe−Al遷移層を適切な厚みにする必要がある。特に、上記環状部分の内周側における酸化膜除去不足とFe−Al遷移層の厚さ不足を生じないようにする必要がある。そのために、ピストン下部3の回転数及び押し付け力(以下、摩擦圧力)の少なくとも一方を単純に増すことも考えられる。しかし、この場合、上記環状部分の外周側で周速が上がりすぎて必要以上に高温化し、Fe−Al遷移層が厚くなりすぎる虞がある。
図6に示すように、製造装置10は、基台11と、基台11上に固定された固定チャック12と、基台11上に据え付けられた回転駆動部13と、回転駆動部13に保持された回転チャック14と、空気供給源15と、空気供給源15にフレキシブル配管15aを介して接続されたノズル16と、図示されない制御装置と、を備えている。
回転チャック14は、ピストン上部2と同軸にピストン下部3を保持する。
回転駆動部13は、回転チャック14を中心軸線CL回りに回転させると共に、回転チャック14を固定チャック12に対して接近離間させる。回転駆動部13は、回転チャック14の回転数を測定する第1測定部(不図示)と、回転チャック14の押し付け力(摩擦圧力及びアプセット圧力)を測定する第2測定部(不図示)とを有する。
前記制御装置は、回転駆動部13の駆動制御と、ノズル16からの圧縮空気の吹き付けのON/OFF制御とを行う。
まずステップS1において、ピストン上部2を固定チャック12に固定し、またピストン下部3を回転チャック14に固定する。そして、凹所2eと開口3gが正しく重なるように、回転方向の位置決めをする。
続くステップS2において、前記制御部が空気供給源15を起動させ、ノズル16からピストン下部3の外周側のみに対して圧縮空気を吹きつける強制冷却を開始する。なお、ピストン下部3の内周側には圧縮空気を吹きつけず、自然放熱となる。
続くステップS5では、回転チャック14の回転数を前記所定の回転数に維持したまま、所定の摩擦圧力が得られるよう、回転駆動部13が、回転チャック14を固定チャック12に向かってさらに押し付けていく。
続くステップS10では、ピストン上部2に対するピストン下部3の押し付け力の強さであるアプセット圧力が所定範囲内にあるか否かを、前記第2測定部で測定する。測定の結果、アプセット圧力が不足(ステップS10:NO)であれば、ステップS9に戻ってさらにピストン下部3を送り出す。一方、アプセット圧力が適切(ステップS10:YES)であれば、それ以上の送り出しは行わずにステップS11へ進む。
続くステップS13では、前記制御部が空気供給源15を停止させ、ノズル16からの圧縮空気の吹きつけを停止させる。
続くステップS14では、固定チャック12及び回転チャック14による固定を解除することで、内燃機関用ピストン1を製造装置10から取り外す。その後、ピストン上部2及びピストン下部3の接合箇所にバリが出るため、旋削によりバリを除去し、製造工程が終了する。
一方、摩擦加熱時の回転数が2500rpmを超えると、発熱量が大きくなり、接合界面の温度が高くなるため、アプセット後の遷移層が厚くなって接合強度が低下する。したがって、摩擦加熱時の回転数は、2500rpm以下であり、好ましくは2493rpm以下であり、さらに好ましくは2492rpm以下である。
また、上記環状部分の内周側及び外周側における温度差も生じないので、接合層であるFe−Al遷移層の、外周側における厚みから内周側における厚みを差し引いた差分が10.0μm以下となるように、Fe−Al遷移層を均等な厚み分布にすることができる。よって、ピストン上部2及びピストン下部3間の接合強度を十分に高めることが出来る。
上述の図3A,図3Bに示すピストン上部2をSCM435で製造するとともに、図4A,図4Bに示すピストン下部3をA4032のアルミニウム合金で製造した。そして、ピストン上部2に対してピストン下部3を摩擦接合して内燃機関用ピストン1を製造した。この摩擦接合の際、摩擦加熱時回転数、摩擦加熱時押し付け力、摩擦加熱時押し付け時間、強制空冷の有無、の各条件を変え、アプセット直前におけるピストン下部3の外周面温度を測定した。外周面温度は、放射温度計を用いて、図7に示すように、接合面よりピストン下部3側に向かってL2=2mmの位置P’を測定した。
以上の結果を、表1にまとめる。
なお、接合界面のピストン下部3の外周面温度、Fe−Al遷移層の各部厚さは、いずれも、上述の方法により測定した。また、引張試験での破断箇所が接合面でなくピストン下部3である場合には、接合面の接合強度が十分であると判断し、破断箇所が接合面である場合には、接合面の接合強度が十分でないと判断した。
本発明例であるNo.1〜13は、遷移層の厚さが内周側及び外周側の双方において1.0〜20.0μmの範囲内であり、引張試験での破断応力が300MPa以上と高く、破断箇所が接合面以外のピストン下部であった。
No.20は、Fe−Al遷移層の外周側厚みt1が適切であるものの、内周側厚みt2が薄すぎるために十分な接合強度が得られなかった。本比較例では、強制空冷なしの条件下でFe−Al遷移層の外周側厚みt1を適正にするために摩擦加熱時回転数を適正範囲外まで下げている。しかし、Fe−Al遷移層の内周側の温度が上がらず、内周側厚みt2が薄くなったものと推察される。引張試験では、接合箇所で破断した。
No.22は、アプセット時の押し付け時間が適切であるものの、押し付け力が高すぎるためにFe−Al遷移層の内周側厚みt2が薄くなりすぎ、その結果、十分な接合強度が得られなかった。すなわち、本比較例ではアプセット時の押し付け力が強すぎたため、Fe−Al遷移層の内周側の部分を余計に押し出しすぎてしまい、内周側厚みt2が薄くなりすぎた。その結果、引張試験では接合箇所で破断した。
No.24は、アプセット時の押し付け力が適切であるものの、押し付け時間が長すぎるためにFe−Al遷移層における内周側厚みt2が薄くなりすぎ、その結果、十分な接合強度が得られなかった。すなわち、本比較例ではアプセット時の押し付け時間が長すぎたため、Fe−Al遷移層の内周側の部分を外部に押し出しすぎた。そのため、Fe−Al遷移層の内周側厚みt2が薄くなった。その結果、引張試験では接合箇所で破断した。
No.26は、摩擦加熱時の押し付け時間が長すぎたためにFe−Al遷移層の外周側厚みt1が厚くなりすぎ、その結果、十分な接合強度が得られなかった。すなわち、本比較例では摩擦加熱時の押し付け時間が長すぎたためにFe−Al遷移層の外周面温度が高くなりすぎ、Fe−Al遷移層の外周側厚みt1が厚くなった。その結果、引張試験では接合箇所で破断した。
(1)本実施形態の内燃機関用ピストン1は、鋼製のピストン上部2と、ピストン上部2に対し環状のFe−Al接合層を介して接合されたアルミニウム合金製のピストン下部3とを備え、Fe−Al接合層の厚さが、Fe−Al接合層の内周側及び外周側の双方とも1.0μm以上20.0μm以下である。
2 ピストン上部(第1部品)
2c 下面(接合面)
3 ピストン下部(第2部品)
3A 外周面
3e 上面(接合面)
a 接合層,Fe−Al遷移層
Claims (5)
- 鋼製の第1部品と、前記第1部品に対し環状の接合層を介して接合されたアルミニウム合金製の第2部品とを備え、
前記接合層の厚さが、前記接合層の内周側及び外周側の双方とも1.0μm以上20.0μm以下である
ことを特徴とする内燃機関用ピストン。 - 前記接合層の、前記外周側における前記厚みから前記内周側における前記厚みを差し引いた差分が、10.0μm以下である
ことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関用ピストン。 - 請求項1又は2に記載の内燃機関用ピストンの製造方法であって、
前記第1部品を定位置に固定する工程と、
前記第2部品を回転させながら前記第1部品に対し押し付けて摩擦加熱する工程と、
前記第2部品の回転を停止させた後、前記第2部品を前記第1部品に対し押し付けて前記接合層を形成する工程と、
を有し、
前記摩擦加熱する工程で、前記第1部品及び前記第2部品間の接合位置よりも前記第2部品側の位置における前記第2部品の外周面に対し、冷却流体を供給する
ことを特徴とする内燃機関用ピストンの製造方法。 - 前記摩擦加熱する工程で、
前記第2部品を1000rpm〜2500rpmの回転数で回転させながら前記第1部品に対し2.0MPa以上20.0MPa以下の押し付け力で10.0秒以上60.0秒以下、押し付け、
前記接合層を形成する工程で、
前記第2部品を前記第1部品に対し10.0MPa以上50.0MPa以下かつ前記摩擦加熱する工程よりも大きい押し付け力で1.0秒以上10.0秒以下、押し付ける、
ことを特徴とする請求項3に記載の内燃機関用ピストンの製造方法。 - 前記摩擦加熱する工程で、前記第2部品の外周面の温度を200℃以上550℃以下にする
ことを特徴とする請求項3または4に記載の内燃機関用ピストンの製造方法。
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