WO2017122564A1 - 内燃機関用ピストンおよび内燃機関用ピストンの製造方法 - Google Patents

内燃機関用ピストンおよび内燃機関用ピストンの製造方法 Download PDF

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    • F05C2253/00—Other material characteristics; Treatment of material
    • F05C2253/12—Coating

Definitions

  • the present disclosure relates to a piston for an internal combustion engine and a method for manufacturing a piston for an internal combustion engine.
  • Patent Document 1 discloses a technique for forming an alumite film on the top surface of a substrate formed of aluminum or an aluminum alloy. By forming the alumite film, the heat shielding property of the piston for the internal combustion engine is increased, and the thermal efficiency of the internal combustion engine can be improved.
  • Patent Document 2 discloses a technique for forming a composite material portion at the mouth portion in order to increase the mechanical strength of the mouth portion of the combustion chamber.
  • pistons for internal combustion engines are required to have high durability as well as high heat shielding properties.
  • the present disclosure is to provide a piston for an internal combustion engine and a method for manufacturing the piston for the internal combustion engine that can obtain high heat insulation and high durability.
  • a piston for an internal combustion engine is formed using a base material formed of aluminum or an aluminum alloy as a material, and a composite material reinforced with inorganic fibers or whiskers in a first region on the surface of the base material.
  • a method for manufacturing a piston for an internal combustion engine includes forming a base material using aluminum or an aluminum alloy as a material, and using a composite material reinforced with inorganic fibers or whiskers in the first region on the surface of the base material. And forming an alumite film in a second region different from the first region on the surface of the composite material portion and the base material.
  • FIG. 1 is a side sectional view showing a configuration of a piston for an internal combustion engine according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 is a side sectional view showing a configuration of a piston 10 for an internal combustion engine.
  • the piston 10 for an internal combustion engine includes a base material 20, a composite material portion 30, and an alumite film 40.
  • the base material 20 is formed using aluminum or an aluminum alloy as a material.
  • a combustion chamber 24 formed in a concave groove shape is formed in the center of the top surface 22 of the base material 20.
  • a ring groove 28 of a piston ring is formed in the peripheral wall 26 of the base material 20.
  • a through hole 29 (piston hole) for a piston pin is formed in the peripheral wall 26 of the base material 20.
  • the composite material part 30 is formed all around the mouth portion 25 of the combustion chamber 24.
  • a region where the mouth portion 25 is formed may be referred to as a first region, and a portion excluding the first region may be referred to as a second region.
  • the direction orthogonal to the surface of the composite material part 30 may be referred to as a height direction, and the direction orthogonal to the surface of the second region may be referred to as a height direction.
  • the composite material portion 30 is formed using a composite material containing inorganic fibers or whiskers as a reinforcing material.
  • the inorganic fiber may be any fiber as long as it has high mechanical strength against thermal stress, such as glass fiber, carbon fiber, silicon carbide fiber, silicon nitride, alumina fiber, zirconia fiber, Potassium titanate fiber is used. Moreover, as an inorganic fiber, if it is a fiber which has high heat-shielding property as a heat-shielding material, it is still more preferable. As the whiskers, whiskers such as silicon carbide, alumina, aluminum borate, silicon nitride, and potassium titanate are used.
  • the composite material portion 30 is formed at the position corresponding to the first region 231 in the mold (not shown) by using a preform made from the above-mentioned fibers or whiskers, or porous ceramics made of aluminum borate whiskers directly fired from ceramic powder. After being placed, it is made by impregnating molten aluminum with a preform or porous ceramic by a pressure casting method such as squeeze casting or die casting.
  • the composite material section 30 may be a known technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-136958, a mixing method in which particles are directly mixed into a molten aluminum alloy, or a metal oxide powder is added to a molten aluminum alloy.
  • a reaction method in which alumina particles are generated in situ
  • an impregnation method in which a molten aluminum alloy is impregnated into a particle preform by pressure, or the like.
  • the composite material part 30 is disposed at a position corresponding to the first region 231 in the mold (not shown). Next, a molten material of the base material 20 is poured into the mold. Thereby, a cast product in which the composite material portion 30 is cast in the first region 231 of the base material 20 is obtained.
  • the second region 232 has a surface 2322 lower than the surface 32 of the composite material portion 30 formed in the first region 231. Note that the height of the surface 2322 of the second region 232 is obtained, for example, by scraping a portion corresponding to the surface 2322 in the cast product by, for example, machining.
  • the alumite growth when the alumite film 40 is formed on the composite material portion 30 is slower than the alumite growth when the alumite film 40 is formed on the second region 232. Since there is a difference in the alumite growth in this way, when the surface 32 of the composite material portion 30 and the surface 2322 of the second region 232 are in the same position in the height direction D1, they are formed on the surface 32 of the composite material portion 30. The surface of the alumite film 40 becomes lower than the surface of the alumite film 40 formed in the second region 232, and a step is generated between both surfaces. Therefore, in order to prevent the level difference from occurring, the surface 2322 of the second region 232 is previously made lower than the surface 32 of the composite material portion 30 by a difference in anodization before forming the alumite film 40.
  • the difference in anodized growth differs depending on the material of the composite material portion 30 and the anodized film 40, the time for growing the anodized film 40, etc., but can be specified by empirical rules. That is, the surface 2322 of the second region 232 is lowered with respect to the surface 32 of the composite material part 30 in the height direction D1 in accordance with the difference in anodized growth specified by the material of the composite material part 30 and the like.
  • the anodized film 40 is formed in the composite material portion 30 and the second region 232 formed in the first region 231.
  • the anodized film 40 is formed by, for example, a known technique disclosed in JP 2012-122445 A, anodizing treatment.
  • the surface 2322 of the second region 232 is made lower than the surface 32 of the composite material portion 30 in advance by a difference in anodized growth.
  • the surface of the formed anodized film 40 and the surface of the anodized film 40 formed in the second region 232 are at the same position in the height direction D1.
  • the composite material portion 30 made of a composite material reinforced with inorganic fibers or whiskers is formed on the entire circumference of the mouth portion 25 of the combustion chamber 24, and the composite An alumite film 40 was formed on the material part 30. Thereby, high heat-shielding property and high durability can be obtained.
  • the surface 2322 of the second region 232 on the top surface 22 of the base material 20 was made lower than the surface 32 of the composite material portion 30 provided in the first region 231 in the height direction D1.
  • the surface of the alumite film 40 formed on the composite material portion 30 and the surface of the alumite film 40 formed on the second region 232 are in the same position in the height direction D1.
  • the first region 231 in which the composite material portion 30 is formed is the entire circumference of the mouth portion 25 of the combustion chamber 24 on the top surface 22 of the base material 20. Not limited to this, it may be a part of the entire circumference of the mouth portion 25.
  • region 231 was made into the top surface 22 of the base material 20, this indication is not only this but is the surface of the base material 20, Comprising: Mechanical strength is made high. Any area may be used as the first area 231 as long as the area is required. By forming the composite material portion 30 in such a first region 231 and further forming the alumite film 40, high heat shielding properties and high durability can be obtained.
  • the internal combustion engine piston 10 in which the composite material portion 30 is formed in the mouth portion 25 of the combustion chamber 24 and the alumite film 40 is formed in the composite material portion 30 has been described.
  • the present invention is not limited to this and can be applied to a piston for an internal combustion engine that does not include the combustion chamber 24.
  • the present disclosure is useful as a piston for an internal combustion engine and a method for manufacturing the piston for an internal combustion engine capable of obtaining high heat shielding properties and high durability.

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Abstract

高い遮熱性および高い耐久性を得ることが可能な内燃機関用ピストンは、アルミニウムまたはアルミニウム合金を材料として形成された基材と、基材の表面における第１領域に、無機繊維またはウィスカーで強化した複合材料を材料として形成された複合材料部と、複合材料部および基材の表面における第１領域と異なる第２領域に形成されたアルマイト皮膜と、を有する。

Description

内燃機関用ピストンおよび内燃機関用ピストンの製造方法
　本開示は、内燃機関用ピストンおよび内燃機関用ピストンの製造方法に関する。
　従来、内燃機関の燃焼室の壁面を構成する部材に遮熱膜を形成する技術が知られている。
　例えば、特許文献１には、アルミニウムまたはアルミニウム合金で形成された基材の頂面にアルマイト皮膜を形成する技術が開示されている。アルマイト皮膜を形成することによって、内燃機関用ピストンの遮熱性が高まり、内燃機関の熱効率を向上させることが可能となる。
　また、従来、燃焼室が基材の頂面に凹溝状に設けられたものがある。近年のエンジンの出力向上に伴い、ピストンの機械的負荷が増大し、燃焼室の口元の部分に亀裂が発生する場合があり、耐久性が低下するという問題点があった。
　例えば、特許文献２には、燃焼室の口元の部分の機械的強度を上げるため、口元の部分に複合材料部を形成する技術が開示されている。
日本国特開平１１－２６７９２９号公報 日本国特開２００１－４１１００号公報
　上記したように、内燃機関用ピストンには高い遮熱性と共に、高い耐久性が要求される。
　本開示は、高い遮熱性および高い耐久性を得ることが可能な内燃機関用ピストンおよび内燃機関用ピストンの製造方法を提供することにある。
　本開示に係る内燃機関用ピストンは、アルミニウムまたはアルミニウム合金を材料として形成された基材と、前記基材の表面における第１領域に、無機繊維またはウィスカーで強化した複合材料を材料として形成された複合材料部と、前記複合材料部および前記基材の表面における前記第１領域と異なる第２領域に形成されたアルマイト皮膜と、を有する。
　また、本開示に係る内燃機関用ピストンの製造方法は、アルミニウムまたはアルミニウム合金を材料として基材を形成し、前記基材の表面における第１領域に、無機繊維またはウィスカーで強化した複合材料を材料とする複合材料部を形成し、前記複合材料部および前記基材の表面における前記第１領域と異なる第２領域にアルマイト皮膜を形成する。
　本開示によれば、高い遮熱性および高い耐久性を得ることができる。
図１は、本開示の実施の形態に係る内燃機関用ピストンの構成を示す側断面図である。
　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
　図１は内燃機関用ピストン１０の構成を示す側断面図である。
　図１に示すように、内燃機関用ピストン１０は、基材２０と、複合材料部３０と、アルマイト皮膜４０とを有する。
　基材２０は、アルミニウムまたはアルミニウム合金を材料として形成される。基材２０の頂面２２の中央には、凹溝状に形成された燃焼室２４が形成される。基材２０の周壁２６には、ピストンリングのリング溝２８が形成される。さらに、基材２０の周壁２６にはピストンピン（図示略）用の貫通孔２９（ピストン孔）が形成される。
　複合材料部３０は、燃焼室２４の口元の部分２５の全周に形成される。なお、頂面２２において、口元の部分２５が形成される領域を第１領域といい、また、第１領域を除いた部分を、第２領域という場合がある。なお、複合材料部３０の表面に直交する方向を高さ方向といい、同じく、第２領域の表面に直交する方向を高さ方向という場合がある。さらに、図１に高さ方向の一例をＤ１で示す。
　複合材料部３０は、強化用材としての無機繊維又はウィスカーを含む複合材料を材料として形成される。
　無機繊維としては、熱応力に対し高い機械的強度を有する繊維であればどのようなものであってもよく、例えば、ガラス繊維、炭素繊維、炭化珪素繊維、窒化珪素、アルミナ繊維、ジルコニア繊維、チタン酸カリウム繊維が用いられる。また、無機繊維としては、遮熱材として高い遮熱性を有する繊維であればさらに好ましい。ウィスカーとしては炭化珪素、アルミナ、ホウ酸アルミニウム、窒化珪素、チタン酸カリウムなどのウィスカーが用いられる。
　複合材料部３０は、上記の繊維又はウィスカーから作製したプリフォーム、又はセラミックスの粉末から直接焼成したホウ酸アルミニウムウィスカーからなる多孔質セラミックスを鋳型（図示略）における第１領域２３１に相当する位置に配置されてから、スクイズキャスティングまたはダイキャストなどの圧力鋳造法によりプリフォームまたは多孔質セラミックスに溶湯アルミを含浸させることにより作られる。
　複合材料部３０は、例えば、特開２０１２－１３６９５８号公報に開示された公知の技術、アルミニウム合金の溶湯に粒子を直接混合する混合法や、金属酸化物の粉末をアルミニウム合金の溶湯に添加してアルミナ粒子をｉｎ－ｓｉｔｕ生成させる反応法や、圧力によりアルミニウム合金の溶湯を粒子プリフォームに含浸させる含浸法等により作られる。
　複合材料部３０は、鋳型（図示略）における第１領域２３１に相当する位置に配置される。次に、鋳型内に基材２０の材料の溶湯が注入される。これにより、複合材料部３０を基材２０の第１領域２３１に鋳込んだ鋳込み品が得られる。
　高さ方向Ｄ１において、第２領域２３２は、第１領域２３１に形成された複合材料部３０の表面３２より低い表面２３２２を有する。なお、第２領域２３２の表面２３２２の高さは、例えば、鋳込み品における表面２３２２に相当する部分を例えば機械加工により削り取ることより得られる。
　次に、第２領域２３２の表面２３２２を複合材料部３０の表面３２より低くした理由を述べる。
　複合材料部３０にアルマイト皮膜４０を形成するときのアルマイト成長は、第２領域２３２にアルマイト皮膜４０を形成するときのアルマイト成長と比較して遅くなる。このようにアルマイト成長に差があるため、高さ方向Ｄ１において複合材料部３０の表面３２と第２領域２３２の表面２３２２とが同一の位置である場合、複合材料部３０の表面３２に形成されたアルマイト皮膜４０の表面が、第２領域２３２に形成されたアルマイト皮膜４０の表面より低くなり、両方の表面間に段差が生じてしまう。そこで、段差を生じなくするために、アルマイト皮膜４０を形成する前に、第２領域２３２の表面２３２２を、複合材料部３０の表面３２よりアルマイト成長の差だけ予め低くする。
　なお、アルマイト成長の差は、複合材料部３０およびアルマイト皮膜４０の材料、アルマイト皮膜４０を成長させる時間などにより相違するが、経験則により特定することが可能である。つまり、第２領域２３２の表面２３２２は、複合材料部３０の材料等により特定されたアルマイト成長の差に応じて、高さ方向Ｄ１において複合材料部３０の表面３２に対して低くされる。
　アルマイト皮膜４０は、第１領域２３１に形成された複合材料部３０および第２領域２３２に形成される。
　アルマイト皮膜４０は、例えば、特開２０１２－１２２４４５号公報に開示された公知の技術、陽極酸化処理によって形成される。
　複合材料部３０および第２領域２３２にアルマイト皮膜４０が形成された場合、第２領域２３２の表面２３２２を、複合材料部３０の表面３２よりアルマイト成長の差だけ予め低くしたため、複合材料部３０に形成されたアルマイト皮膜４０の表面と第２領域２３２に形成されたアルマイト皮膜４０の表面とが高さ方向Ｄ１において相互に同一位置となる。
　本実施の形態に係る内燃機関用ピストン１０によれば、燃焼室２４の口元の部分２５の全周に無機繊維またはウィスカーで強化した複合材料を材料とする複合材料部３０を形成し、その複合材料部３０にアルマイト皮膜４０を形成した。これにより、高い遮熱性および高い耐久性を得ることができる。
　また、基材２０の頂面２２における第２領域２３２の表面２３２２を、高さ方向Ｄ１において第１領域２３１に設けられた複合材料部３０の表面３２より低くした。これにより、複合材料部３０に形成されたアルマイト皮膜４０の表面と第２領域２３２に形成されたアルマイト皮膜４０の表面とが高さ方向Ｄ１において相互に同一位置となる。
　なお、上記実施の形態では、複合材料部３０が形成される第１領域２３１を、基材２０の頂面２２における燃焼室２４の口元の部分２５の全周としたが、本開示は、これに限らず、口元の部分２５の全周における一部としてもよい。
　また、上記実施の形態では、第１領域２３１を、基材２０の頂面２２としたが、本開示は、これに限らず、基材２０の表面であって、機械的強度を高くすることが要求される領域であれば、いずれの領域を第１領域２３１としてもよい。そのような第１領域２３１に複合材料部３０が形成され、さらに、アルマイト皮膜４０が形成されることにより、高い遮熱性および高い耐久性が得られる。
　さらに、上記実施の形態では、燃焼室２４の口元の部分２５に複合材料部３０を形成し、複合材料部３０にアルマイト皮膜４０を形成した内燃機関用ピストン１０について説明したが、本開示はこれに限らず、燃焼室２４を備えない内燃機関用ピストンにおいても適用することが可能である。
　本出願は、２０１６年１月１２日付で出願された日本国特許出願（特願２０１６－００３５０９）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　本開示は、高い遮熱性および高い耐久性を得ることが可能な内燃機関用ピストンおよび内燃機関用ピストンの製造方法として有用である。
　１０　内燃機関用ピストン
　２０　基材
　２２　頂面
　２３１　第１領域
　２３２　第２領域
　２３２２　表面
　２４　燃焼室
　２５　口元の部分
　２６　周壁
　２８　リング溝
　２９　ピストン孔
　３０　複合材料部
　３２　表面
　４０　アルマイト皮膜
　Ｄ１　高さ方向
 

Claims (4)

  1. 　アルミニウムまたはアルミニウム合金を材料として形成された基材と、
    　前記基材の表面における第１領域に、無機繊維またはウィスカーで強化した複合材料を材料として形成された複合材料部と、
    　前記複合材料部および前記基材の表面における前記第１領域と異なる第２領域に形成されたアルマイト皮膜と、
    　を有する、内燃機関用ピストン。
  2. 　前記第２領域は、前記第１領域に形成された前記複合材料部の表面に比べて、当該表面に直交する高さ方向において低い表面を有する、請求項１に記載の内燃機関用ピストン。
  3. 　前記第２領域に形成された前記アルマイト皮膜は、前記複合材料部に形成された前記アルマイト皮膜の表面と前記高さ方向における同一位置に表面を有する、請求項２に記載の内燃機関用ピストン。
  4. 　アルミニウムまたはアルミニウム合金を材料として基材を形成し、
    　前記基材の表面における第１領域に、無機繊維またはウィスカーで強化した複合材料を材料とする複合材料部を形成し、
    　前記複合材料部および前記基材の表面における前記第１領域と異なる第２領域にアルマイト皮膜を形成する、内燃機関用ピストンの製造方法。
PCT/JP2017/000103 2016-01-12 2017-01-05 内燃機関用ピストンおよび内燃機関用ピストンの製造方法 WO2017122564A1 (ja)

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