JP5337142B2 - 内燃機関のピストンと該ピストンの製造法及び摺動部材 - Google Patents

Description

本発明は、冠部に耐摩環が鋳込まれた内燃機関のピストンと、該ピストンの製造方法及び摺動部材に関する。

周知のように、内燃機関のピストンにあっては、軽量化の要請からピストン本体をアルミニウム合金材によって形成しているが、このピストンの上端部に有する冠部に掛かる燃焼圧力が高いことから、前記冠部の外周にピストンリング溝を形成し、ここに直接ピストンリングを設けると、ピストンリング溝が破損するおそれがある。このため、前記冠部の内部にニレジスト鋳鉄製の耐摩環を埋設し、この強度の高い耐摩環の外周にピストンリング溝を形成するようになっている。

特開２０１０−９６０２２号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載のピストンは、耐摩環としてニレジスト鋳鉄などの単体で比重の大きな材料を用いているため、ピストン全体の重量が大きくなってしまうといった問題がある。

本発明は、前記従来技術の技術的課題に鑑みて案出されたもので、ピストンリング溝を構成する耐摩環を備えたピストンであっても、重量増加を十分に抑制できる内燃機関のピストンを提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、冠部にピストンリング溝形成用の耐摩環を有する内燃機関のピストンであって、前記耐摩環を、ピストンの母材よりも高硬度でかつ比重が大きい材料によって成形された多孔質の仮成形体の多孔空間内に、マグネシウムが２０重量％以上含有した材料が含浸した部材によって形成したことを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、冠部にピストンリング溝形成用の耐摩環を有する内燃機関のピストンの製造方法であって、前記ピストンの母材よりも高硬度でかつ比重が大きい金属酸化物の粉体を固めて成形された仮成形体の多孔空間内に、前記ピストン母材よりも比重が小さいマグネシウムが２０重量％以上含有した材料を前記仮成形体との酸化還元反応によって含浸させて前記耐摩環を形成し、その後、前記耐摩環を前記ピストン母材に鋳ぐるみ固定したことを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、母材よりも耐摩耗性の高い耐摩耗部が部分的に設けられた摺動部材であって、前記耐摩耗性部を、前記母材よりも高硬度でかつ比重が大きな材料によって成形された多孔質の仮成形体の多孔空間内に、マグネシウムが２０重量％以上含有した材料が含浸した成形体によって形成したことを特徴としている。

請求項１〜３に記載の各発明によれば、耐摩環を特異な成形材料と成形方法によって成形することによって、ピストン全体の重量の増加を抑制することができる。

本発明の実施形態に供されるディーゼル機関用のピストンを示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 本実施形態に供される耐摩環を示す斜視図である。 Ａ〜Ｃはパンチ成形機による圧粉体を成形する工程を示している。 本実施形態に供される仮成形体の斜視図である。 本実施形態に供されるピストン鋳造装置によって耐摩環を鋳込む状態を示す装置の縦断面図である。

以下、本発明に係る内燃機関用ピストンと、この製造装置及び摺動部材の実施形態及び実施例を図面に基づいて詳述する。なお、本実施形態に供されるピストンは、レシプロ・ディーゼル内燃機関に適用したものである。
〔実施形態〕
前記ピストン１は、母材としてＡＣ８Ａ Ａｌ−Ｓｉ系のアルミニウム合金によって一体に成形され、図１及び図２に示すように、ほぼ円筒状に形成されて、冠面２ａ上に燃焼室を画成する冠部２と、該冠部２の下端外周縁に一体に設けられた円弧状の一対のスラスト側及び反スラスト側のスカート部３と、該各スカート部３の円周方向の両側端に各連結部位を介して連結された一対のエプロン部４と、を備えている。この各エプロン部４には、図外のピストンピンの両端部を支持する一対のピンボス部４ａが一体に形成されている。

なお、前記ピストン１の母材としては、前記アルミニウム合金をベースとする以外に、このアルミニウム合金をベースとしてここにマグネシウム合金を含有させることも可能であり、これによって、ピストン母材自体の軽量化を図ることも可能である。

前記冠部２は、比較的肉厚に形成された円盤状を呈し、冠面２ａ上に燃焼室を構成する断面ほぼ逆Ｍ状の凹部２ｂが形成されていると共に、後述する鋳造後の外周面に切削・研磨などの機械加工がなされて図外のプレッシャリングやオイルリングなどの３つのピストンリングを保持する上下三段のピストンリング溝５，６，７がそれぞれ形成されている。

また、冠部２の内部には、摺動部材としての耐摩環８が埋設されていると共に、該耐摩環５の内周側には内部に冷却用オイルを循環させる環状空洞部９が形成されている。

前記耐摩環８は、図２及び図３に示すように、前述した冠部２の外周部の研磨後に、最上段側の前記プレッシャリングを保持するピストンリング溝５を形成するためのものであって、前記ピストン１のアルミニウム合金母材よりも高硬度でかつ比重の大きな鉄系金属であるニレジスト鋳鉄の圧粉体をベースとして、ここにアルミニウム合金（Ａｌ）とマグネシウム合金（Ｍｇ）を含浸させた成形体によって円環状一体に形成されている。この耐摩環８は、具体的には後述するように本願発明者の数多くの実験によって成形されたものである。

前記環状空洞部９は、前記耐摩環８とピストン１の中心軸線と同軸上に配置されて前記耐摩環８の内周面から径方向内側へ僅かな隙間幅長さ、たとえば約３ｍｍ程度の隙間幅長さをもって近接配置されていると共に、ピストン軸方向で互いにほぼ全体がオーバーラップする位置に配置されている。

前記耐摩環８と環状空洞部９内部の冷却用オイルは、燃焼室の高熱を吸収して外部との熱交換を効率良く行うために、燃焼室(凹部２ｂ)に近い冠部２の内部上端側に可及的に近づけことが望ましいため、ピストン軸方向の位置で両者８，９をオーバーラップさせるようになっている。

前記耐摩環８は、前記従来の技術的課題を踏まえた軽量化の実現と、成形作業の容易性や成形作業コストの低減化などを考慮して、本願の発明者において以下の数多くの実験を重ねた結果から得られたものである。
〔実施例〕
以下、耐摩環８を成形する材料及び実験を交えて行った基本的な成形方法について具体的に説明する。
（第１工程）
まず、耐摩環８のベース材料としては、金属酸化物（鉄系材料）であるニレジスト鋳鉄の切粉を粉砕し、この切粉を圧縮して多孔質の圧粉体である仮成形体１０を予め成形する。なお、この仮成形体１０は、基本的に圧粉体を称するが、便宜上、以下の多孔空間にＡｌとＭｇの溶湯が含浸され後の第７工程まで仮圧粉体と称する。

前記ニレジスト鋳鉄の切粉は、実験的には、一般的な試験研究用の小型振動ミルによってロッドで約８時間、ボールで４時間の合計１２時間を掛けて粉砕して得られたものであり、その平均粒径（μｍ）を、５０、１００、２００、４００、６００、８００、１０００になるように分級した。
（第２工程）
次に、前記ニレジスト鋳鉄の切粉を、図４に示す通常のパンチ成形機１１によって加圧して図５に示す仮成形体１０を成形する。つまり、まず、図４Ａに示すように、成形型１２の円柱状キャビティ１２ａ内に下方から成形ピン１３ａを内挿した下パンチ１３を挿入させて位置決め保持した状態で、前記ニレジスト鋳鉄の切粉１４をキャビティ１２ａ内に充填する。

続いて、図４Ｂに示すように、上パンチ１５をキャビティ１２ａの上方から挿入下降させて前記下パンチ１３と一緒に上下方向から前記切粉１４を所定の圧力で加圧して円筒状の圧粉体である仮成形体１０を成形する。

その後、図４Ｃに示すように、下パンチ１３と上パンチ１５を、同期させながら上昇させて前記仮成形体１０を成形型１２から取り出せば、図５に示す外径１６ｍｍ、内径８ｍｍ、高さ１０ｍｍの円筒状の仮成形体１０が得られる。

実験では、前記パンチ成形機１１による成形の際に、前記上下パンチ１３，１５のストロークを変えて、前記仮成形体１０の成形密度（ｇ／ｃｍ³）を、３，４，５，６，７，７．８とそれぞれ変化させた。

このニレジスト鋳鉄の仮成形体１０は、鉄（Ｆｅ）をベースとして、表１に示すような、炭素（ＴＣ）と、シリコン（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）などの材料が最大（ＭａＸ）、最小（Ｍｉｎ）で示す割合でそれぞれ含まれている。

また、この仮成形体１０は、熱膨張係数が１９．３×１０^-6で、密度が３．０〜７．８になっている。
（第３工程）
次に、前記仮成形体１０を、水素ガスと窒素ガスの混合がＨ２：Ｎ２＝３：１の割合の雰囲気ガス中で以下の条件で焼結成形した。

つまり、最初に６００℃で１分間加熱し、次に、６００℃で１０分間均熱し、３番目に再び１１５０℃で１５分間加熱した。続いて４番目に１１５０℃で１時間均熱し、５番目に８００℃で１５分間降熱し、６番目に８００℃で１０分間均熱した。さらに、７番目に５００℃で１５分間降熱し、８番目に５００℃で１０分間均熱し、最後の９番目に１５０℃で５分間降温して終了した。

一方、焼結成形が完了した前記仮成形体１０を浸漬するアルミニウム合金材（Ａｌ）とマグネシウム合金材（Ｍｇ）の混合溶湯を予め準備した。

つまり、前記Ａｌ合金のインゴットと、Ｍｇ合金を、坩堝に投入して７５０℃で溶解して溶湯を作るが、実験では、以下の表２に示すように、前記ＡｌとＭｇの投入量の比率（重量％）を変化させて溶湯を作った。

また、実験では、前記平均粒径の異なる複数の仮成形体１０に、大気中において以下の各温度条件下にて３０分間加熱して仮成形体１０の切粉の表面を酸化させた。この温度条件としては、１番目は未加熱（常温ＲＴ）の状態で酸化させた場合、２番目は５００℃で加熱して酸化させた場合、３番目は１０００℃で加熱して酸化させた場合とした。
（第４工程）
次に、前述した前記平均粒径や密度及び加熱条件がそれぞれ異なる各仮成形体１０を、表２に示した前記Ａｌ合金とＭｇ合金の相対的な含有量を変化させた溶湯（７５０℃）に１０分間浸漬する含浸処理を行った。
（第５工程）
その後、各仮成形体１０を、溶湯温度が７８０℃の９９．７％の純アルミニウムに近いＡｌ合金の溶湯に浸漬して、前記仮成形体１０の表面にＡｌ合金を付着させた。これによって、Ｍｇの大気中における酸化を抑制する。
（第６、第７工程）
続いて、前記仮成形体１０を常温にて所定時間の間、冷却保管し（第６工程）、その後、前記仮成形体１０を９９．７％のＡｌ合金の溶湯へ再浸漬して予熱する（第７工程）。このＡｌ合金の溶湯温度は、７８０℃に設定した。
（第８工程）
次に、前記溶湯内から取り出された成形体（耐摩環８）を、図６に示すピストンの鋳造金型１６内に形成されたキャビティ１６ｂ内の所定位置にセットする。その後、前記金型１６の注湯口１６ａからキャビティ１６ｂ内にピストン１の母材であるＡｌ合金の溶湯を注湯して前記耐摩環８を鋳ぐるむ。この場合の溶湯温度は７５０℃に設定し、前記Ａｌ合金の溶湯材料としては、Ａｌの他にＭｇやＺｎ、Ｍｎを含有したＡＺ９１Ｃを用いた。これによって、耐摩環８が鋳込まれたピストン１の成形作業が完了する。

以上の一連の工程によって耐摩環８を有するピストン１が成形されるわけであるが、本願発明者は、前記第４工程が終了した段階で以下の実験を行った。

すなわち、前記Ａｌ合金とＭｇ合金の混合溶湯への浸漬後に取り出した複数の成形体１０を、横方向（径方向）から切断して内部まで前記溶湯の含浸性（浸透性）を検証した。この結果を示す以下の表３〜表５に示し、表３では前述した仮成形体１０の加熱温度が常温の場合、表４では５００℃の場合、表５では１０００℃の場合である。この各表中、溶湯が仮成形体１０の内部まで十分に浸透している場合を○、未浸透部がある場合を×とした。

表３をみると、前記切粉１４の平均粒径が１００μｍ以上で、仮成形体１０の成形密度が３．０〜６．０ｇ／ｃｍ³、前記溶湯のＭｇの含有量が６０〜９０重量％の場合で十分浸透していることがわかった。また、表４をみると、前記切粉１４の平均粒径が１００μｍ以上で、仮成形体１０の成形密度が３．０〜６．０ｇ／ｃｍ³、前記溶湯のＭｇの含有量が４０〜９０重量％の場合で十分浸透していることがわかった。表５では、前記切粉１４の平均粒径が１００μｍ以上で、仮成形体１０の成形密度が３．０〜６．０ｇ／ｃｍ³、前記溶湯のＭｇの含有量が２０〜９０重量％の場合で十分浸透していることがわかった。

したがって、前記表３〜表５のうち、少なくとも○が記載された範囲であれば、仮成形体１０に対する溶湯の十分な浸透性が得られるのである。よって、これらのいずれかを選択することによって所望の耐摩環８を得ることができる。

また、前記各表３〜５に示す実験結果からして、ニレジスト鋳鉄の切粉１４の平均粒径が６００μｍで、成形密度６．０ｇ／ｃｍ³の場合のＭｇ量と酸化温度の関係は表６のようになる。

この表をみると、前記仮成形体１０の加熱温度（常温ＲＴ〜１０００℃）がいずれの場合でもＭｇ量が６０重量％で浸透し、前記加熱温度が１０００℃の場合はＭｇ量が２０重量％で浸透することが明らかである。この範囲で各条件を定めれば、より最適な溶湯の浸透性を確保できることが明らかである。

次に、焼結条件として加熱温度を１０００℃、加熱時間を１０分間として得られた仮成形体１０をＭｇ量が９０重量％の溶湯に浸漬した場合の前記仮成形体１０の切粉１４の平均粒径（μｍ）と密度（ｇ／ｃｍ³）の関係を表７に示す。

この表をみると、前記切粉１４の平均粒径は１００μｍ以上で、成形密度が６．０ｇ／ｃｍ³以下であれば仮成形体１０の多孔空間内に前記溶湯が十分に浸透することがわかった。

以上の各表に表れた実験結果からして、ニレジスト鋳鉄の切粉１４の平均粒径を１００〜１０００μｍとすると共に、仮成形体１０の成形密度を３．０〜６．０ｇ／ｃｍ³とし、前記仮成形体１０の加熱温度が１０００℃で、加熱時間を３０分間とし、溶湯のＭｇ量が６０〜９０重量％の範囲の条件下で成形すれば、前記仮成形体１０に対するＡｌとＭｇの混合溶湯を十分に浸透させることが可能になる。

好ましくは、ニレジスト鋳鉄の切粉１４の平均粒径が６００μｍにすると共に、仮成形体１０の成形密度を５．０ｇ／ｃｍ³とし、前記仮成形体１０の加熱温度を１０００℃で加熱時間を３０分間とし、溶湯のＭｇ量を９０重量％に設定すれば最良の耐摩環８が得られる。
〔実施例における溶湯の自発浸透のメカニズム〕
以下、前記第４工程での仮成形体１０に対するＡｌ、Ｍｇの混合溶湯の自発浸透のメカニズムを考察する。

前記第４工程で仮成形体１０（焼結体）が前記溶湯中に浸漬された直後、閉じこめられた空気は、マクロ的にはモル数とボイル・シャルル法則に基づいた圧力を保持している。これに対して、外力として大気圧と前記ＡｌとＭｇの混合溶湯の重力を合わせた圧力が焼結仮成形体１０に作用する。したがって、浸漬の直前に仮成形体１０の温度を溶湯の温度近傍に予熱しておくことは、浸漬後の仮成形体１０の内圧（空気のモル数）を低いレベルにするためにも有効と考えられる。

ミクロレベルにおいて酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の被膜に覆われた前記溶湯は、仮成形体１０に対して濡れないので、界面張力の働きで溶湯の浸入を妨げる方向に浸透圧が存在する。

前記溶湯は、約１０２３Ｋ（７５０℃）になると、成分中のマグネシウムが雰囲気中に蒸発し、窒化マグネシウム（Ｍｇ₃Ｎ₂）が生成し、仮成形体１０の多孔空間内の窒素を消耗する。

Ｎ２（Ｇ）＋３Ｍｇ（Ｇ）→Ｍｇ₃Ｎ₂（Ｓ）
生成した窒化マグネシウムＭｇ₃Ｎ₂は、仮成形体１０の切粉の粒子表面をコーティングして溶湯の酸化膜を還元し溶湯との濡れ性を改善することによって浸透圧を大きくする。

前記溶湯の振動などで前記ＭｇＯの被膜が壊れて溶湯が仮成形体１０の鉄酸化物に接触すると、テルミット反応が開始される。
４Ｍｇ＋Ｆｅ３０４＝４Ｍｇ＋３Ｆｅ−７７ｋｃａｌ／ｍｏｌ
Ｍｇ＋ＦｅＯ＝ＭｇＯ＋Ｆｅ−８０．５ｋｃａｌ／ｍｏｌ
この発熱反応によりＭｇ₃Ｎ₂（Ｓ）の生成及び酸化膜（ＭｇＯ）の還元が進み、空気と接触している溶湯表面には、仮成形体１０内のＯ₂による酸化が進む。

窒素と酸素は消費されて分圧は減少してＭｇの蒸気圧に近づき、大気圧と溶湯の重力との合力によって前記溶湯は十分に仮成形体１０の多孔空間内に浸透するのである。

このような浸透メカニズムによって、前記溶湯が仮成形体１０の内部に十分に浸透することから、最終的に得られた耐摩環８は、ニレジスト鋳鉄の多孔質化と、浸透したＡｌ、Ｍｇの金属材料の大幅な軽減化によって、前記従来のニレジスト鋳鉄の単体よりも重量（比重）が大幅に低減する。

この結果、この耐摩環８が鋳込まれたピストン１全体の軽量化が図れる。これによって、機関の振動音を抑制できると共に、耐摩環８とシリンダボアとのフリクションを低減させることができる。

しかも、前記浸透メカニズムによって仮成形体１０内への溶湯の浸透時間を短くすることができるので、製造作業能率の向上が図れると共に、製造コストの低減化が図れる。

さらに、本実施例では、前記仮成形体１０に対する前記ＡｌとＭｇの混合溶湯を、溶湯圧力によって含浸させるのではなく、酸化還元反応による発熱を利用して含浸させるようにしたことから、大型な圧力装置などが全く不要になるので、この点でも製造コストの大幅な低減化が図れる。

さらに、前記仮成形体１０を、ニレジスト鋳鉄の切粉を利用して成形するため、材料コストの低減化も図れる。

本発明は、前記実施例における成形方法などに限定されるものではなく、例えば、仮成形体１０の材料としてニレジスト鋳鉄の粉体を使用せずに、別の鉄系金属の粉体を使用することも可能である。

また、前記第３工程の仮成形体１０の焼結作業を省略して圧粉体のままで次の第４工程作業を行うことも可能であり、この工程の省略によって作業性の向上が図れる。

さらに、前記第６工程と第７工程である成形体１０の冷却保管と前記成形体１０の溶湯への再浸漬を省略することも可能である。つまり、前記第６，第７工程は、次の第８工程までのサイクルを合わせるためのものであるから、このサイクルタイミングが合えば前記工程を省略することも可能である。これによって、さらに作業性が向上する。

また、前記第６、７工程の他に第５工程のアルミニウム溶湯への浸漬作業も、前記第４工程から第８工程への作業が素早く行われて、Ｍｇの酸化が抑制できるのであれば省略することが可能である。

また、摺動部材としては、前記耐摩環８に限定されるものではなく、他の機器や機関などの用いられるものであればいずれのものであってもよい。

前記実施形態から把握される前記請求項以外の発明の技術的思想について以下に説明する。
〔請求項ａ〕請求項１に記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記多孔質の仮成形体は、金属粉体を固化して成形されていることを特徴とする内燃機関のピストン。
〔請求項ｂ〕請求項ａに記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記仮成形体は、圧粉体であることを特徴とする内燃機関のピストン。
〔請求項ｃ〕請求項ａに記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記仮成形体の粉体は、平均粒径が１００μｍ以上でかつ密度が３．０ｇ／ｃｍ³以上に設定されていることを特徴とする内燃機関のピストン。
〔請求項ｄ〕請求項ａに記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記粉体は、鉄系金属であることを特徴とする内燃機関のピストン。
〔請求項ｅ〕請求項ｄに記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記粉体は、ニレジスト鋳鉄によって形成されていることを特徴とする内燃機関のピストン。
〔請求項ｆ〕請求項１に記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記ピストン母材は、アルミニウム合金材であることを特徴とする内燃機関のピストン。
〔請求項ｇ〕請求項１に記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記ピストン母材は、マグネシウム合金材であることを特徴とする内燃機関のピストン。

この発明によれば、ピストン全体のさらなる軽量化が図れる。
〔請求項ｈ〕請求項２に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
前記仮成形体は、粉体を加圧するだけで成形される圧粉体によって形成したことを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。
〔請求項ｉ〕請求項２に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
前記ピストンの母材よりも比重が小さい金属材料は、大気圧によって前記仮成形体に浸透することを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。
〔請求項ｊ〕請求項２に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
前記成形された耐摩環をアルミニウム合金とマグネシウム合金の溶湯に浸漬し、その後、該耐摩環を前記ピストンの母材に鋳ぐるむことを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。

この発明によれば、耐摩環をアルミニウム合金とマグネシウム合金の溶湯に浸漬した後に、酸化しないうちに速やかにピストン母材に鋳ぐるむことによって、成形作業時間を短縮することが可能になる。

１…ピストン
２…冠部
３…スカート部
４…エプロン部
５〜７…ピストンリング溝
８…耐摩環
１０…仮成形体

Claims (3)

1. 冠部にピストンリング溝形成用の耐摩環を有する内燃機関のピストンであって、
   前記耐摩環を、ピストンの母材よりも高硬度でかつ比重が大きい材料によって成形された多孔質の仮成形体の多孔空間内に、マグネシウムが２０重量％以上含有した材料が含浸した部材によって形成したことを特徴とする内燃機関のピストン。
2. 冠部にピストンリング溝形成用の耐摩環を有する内燃機関のピストンの製造方法であって、
   前記ピストンの母材よりも高硬度でかつ比重が大きい金属酸化物の粉体を固めて成形された仮成形体の多孔空間内に、前記ピストン母材よりも比重が小さいマグネシウムが２０重量％以上含有した材料を前記仮成形体との酸化還元反応によって含浸させて前記耐摩環を形成し、
   その後、前記耐摩環を前記ピストン母材に鋳ぐるみ固定したことを特徴とする内燃機関のピストン製造方法。
3. 母材よりも耐摩耗性の高い耐摩耗部が部分的に設けられた摺動部材であって、
   前記耐摩耗性部を、前記母材よりも高硬度でかつ比重が大きな材料によって成形された多孔質の仮成形体の多孔空間内に、マグネシウムが２０重量％以上含有した材料が含浸した成形体によって形成したことを特徴とする摺動部材。

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