JP2691770B2 - 内燃機関用アルミニウム合金ピストン - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、内燃機関用アルミニウム合金ピストンの
強度の改善に関し、特に直噴ディーゼル機関用ピストン
に適用して最適なものである。
強度の改善に関し、特に直噴ディーゼル機関用ピストン
に適用して最適なものである。
〔発明の概要〕 この発明は、内燃機関用ピストンの頭部に設けられた
燃焼室の口縁部に沿って繊維強化線材を配し、この繊維
強化線材を上記口縁部と共に加熱再溶解して凝固させる
ことにより、上記口縁部を上記繊維強化線材にて補強し
たものである。
燃焼室の口縁部に沿って繊維強化線材を配し、この繊維
強化線材を上記口縁部と共に加熱再溶解して凝固させる
ことにより、上記口縁部を上記繊維強化線材にて補強し
たものである。
第４図に示すごとく、内燃機関用ピストン１の頭部1a
に設けた燃焼室２は、高温ガスによって局部的に過熱さ
れると共に、高い燃焼圧力下で使用される。したがって
上記燃焼室２の口縁部2aには、上記ピストン１の半径方
向に発生、進展する亀裂が生じ易い。
に設けた燃焼室２は、高温ガスによって局部的に過熱さ
れると共に、高い燃焼圧力下で使用される。したがって
上記燃焼室２の口縁部2aには、上記ピストン１の半径方
向に発生、進展する亀裂が生じ易い。
そこでセラミック繊維をピストンの補強部に相当する
環状に成形したある一定かさ密度のプリフォーム３を予
め金型に配置し、ピストン合金溶湯を注入し高圧凝固鋳
造法によりこのセラミック繊維プリフォームに溶湯を浸
透させながらピストンを鋳造して、上記口縁部2aをセラ
ミック繊維で複合強化し、強度を改善するようにしたも
のがある。
環状に成形したある一定かさ密度のプリフォーム３を予
め金型に配置し、ピストン合金溶湯を注入し高圧凝固鋳
造法によりこのセラミック繊維プリフォームに溶湯を浸
透させながらピストンを鋳造して、上記口縁部2aをセラ
ミック繊維で複合強化し、強度を改善するようにしたも
のがある。
しかしながら上記高圧凝固鋳造法では、600〜1200kg/
cm2の高圧を溶湯に加えるために、鋳造装置や金型はこ
の高圧に耐え得る設計を必要とする。このためピストン
のコストは、一般的な重力鋳造法に拠る生産に較べて著
しく高くなる。
cm2の高圧を溶湯に加えるために、鋳造装置や金型はこ
の高圧に耐え得る設計を必要とする。このためピストン
のコストは、一般的な重力鋳造法に拠る生産に較べて著
しく高くなる。
また高圧凝固鋳造法を採用すれば、分割界面に溶湯が
差込むために分割された中子は使用することができな
い。このためアンダーカット４をピストン１内部に形成
することができないという設計上の制約も生じる。
差込むために分割された中子は使用することができな
い。このためアンダーカット４をピストン１内部に形成
することができないという設計上の制約も生じる。
なおセラミック繊維で金属を複合強化する場合、亀裂
の進行する方向と直角に繊維の配向を揃えることにより
最大の複合効果が得られる（ピストンの場合燃焼室の口
縁部2aの円周方向に繊維の配向を揃える）ことがわかっ
ているが、上記プリフォーム３を使用する場合、成形す
るセラミック繊維の配向方向の環形状のプリフォーム３
内で円周方向に揃えることは製法上の困難がある。この
ため口縁部2aの縁を連ねた曲線に直交して発生しかつ進
展する亀裂をプリフォーム３で防止する効果は不充分な
ものになる。
の進行する方向と直角に繊維の配向を揃えることにより
最大の複合効果が得られる（ピストンの場合燃焼室の口
縁部2aの円周方向に繊維の配向を揃える）ことがわかっ
ているが、上記プリフォーム３を使用する場合、成形す
るセラミック繊維の配向方向の環形状のプリフォーム３
内で円周方向に揃えることは製法上の困難がある。この
ため口縁部2aの縁を連ねた曲線に直交して発生しかつ進
展する亀裂をプリフォーム３で防止する効果は不充分な
ものになる。
なお上記製法上の困難とは、セラミック短繊維を混入
したスラリーを減圧濾過させる上記プリフォームの従来
の製法では、ろ過するフィルターと平行に繊維が配向す
る傾向にあるが、フィルターと平行な２次元の面に於け
る繊維の配向は不同となるため、リング状プリフォーム
の周方向に繊維の配向を整えることはできないというこ
とである。
したスラリーを減圧濾過させる上記プリフォームの従来
の製法では、ろ過するフィルターと平行に繊維が配向す
る傾向にあるが、フィルターと平行な２次元の面に於け
る繊維の配向は不同となるため、リング状プリフォーム
の周方向に繊維の配向を整えることはできないというこ
とである。
一方上記短繊維の代りに長繊維を使用し、この長繊維
をプリフォームの環状形に沿って巻くことが課題の解決
に有効と考えられるが、このような長繊維の製造法では
繊維を巻く工数がかかると共に、繊維の体積率の調整が
難しいため、プリフォームのコストも非常にに高くな
る。
をプリフォームの環状形に沿って巻くことが課題の解決
に有効と考えられるが、このような長繊維の製造法では
繊維を巻く工数がかかると共に、繊維の体積率の調整が
難しいため、プリフォームのコストも非常にに高くな
る。
本発明は上述の点に鑑み、上記プリフォームを使用す
るピストンに較べてその生産コストをはるかに低減させ
ながら、しかも上記燃焼室の口縁部強度を一層改善でき
る内燃機関用ピストンを提供するものである。
るピストンに較べてその生産コストをはるかに低減させ
ながら、しかも上記燃焼室の口縁部強度を一層改善でき
る内燃機関用ピストンを提供するものである。
本発明は、セラミック繊維複合アルミニウム合金ビレ
ットを押出し又は引き抜き加工し、上記繊維の体積率を
５〜30％にかつ線材の長手方向の繊維配向率を60％以上
としたセラミック繊維強化線材を形成し、その燃焼室の
口縁部に沿って配した上記セラミック繊維強化線材を上
記口縁部と共に高密度エネルギービームにて再溶解凝固
させて、上記口縁部を強化した内燃機関用アルミニウム
合金ピストンにかかるものである。
ットを押出し又は引き抜き加工し、上記繊維の体積率を
５〜30％にかつ線材の長手方向の繊維配向率を60％以上
としたセラミック繊維強化線材を形成し、その燃焼室の
口縁部に沿って配した上記セラミック繊維強化線材を上
記口縁部と共に高密度エネルギービームにて再溶解凝固
させて、上記口縁部を強化した内燃機関用アルミニウム
合金ピストンにかかるものである。
〔作用〕 かくして上記内燃機関用ピストンでは、高温ガスの局
部的な反復加熱により発生する熱応力と、機械的繰返し
応力とに曝されるピストン頭部の燃焼室のうち、強度的
問題を生じ易いその口縁部分を繊維強化線材で補強し、
上記ピストンの損傷を有効に防止することができる。
部的な反復加熱により発生する熱応力と、機械的繰返し
応力とに曝されるピストン頭部の燃焼室のうち、強度的
問題を生じ易いその口縁部分を繊維強化線材で補強し、
上記ピストンの損傷を有効に防止することができる。
以下本発明を直噴ディーゼル機関用ピストンに適用し
た実施例につき、第１図〜第３図を参照しながら説明す
る。
た実施例につき、第１図〜第３図を参照しながら説明す
る。
繊維強化線材５は、先ずセラミック繊維の体積率Vfを
５〜30％の範囲としたアルミニウム合金複合材ビレット
を作り、次にこのビレットを熱間で押出し又は引き抜き
加工して得る。また繊維の配向率は、この押出し又は引
き抜き加工で60％以上にする。ここで配向率とは、上記
押出し方向と平行な任意断面内において、この押出し又
は引き抜き方向と繊維の配向方向との交角が30度以内に
ある繊維の全繊維に対する比を百分率にて表わしたもの
である。
５〜30％の範囲としたアルミニウム合金複合材ビレット
を作り、次にこのビレットを熱間で押出し又は引き抜き
加工して得る。また繊維の配向率は、この押出し又は引
き抜き加工で60％以上にする。ここで配向率とは、上記
押出し方向と平行な任意断面内において、この押出し又
は引き抜き方向と繊維の配向方向との交角が30度以内に
ある繊維の全繊維に対する比を百分率にて表わしたもの
である。
次に上記繊維強化線材を燃焼室２の口縁部2a寸法に合
せて環状に成形し、口縁部2aに埋込む。
せて環状に成形し、口縁部2aに埋込む。
次に高密度エネルギービームを口縁部2aに当て、線材
５と、この線材５近傍の口縁部2aとを再溶解し凝固させ
て、両者を一体とする。なお上記高密度エネルギービー
ムは、例えばTIG溶接機、あるいはレーザビーム装置で
発生させる。
５と、この線材５近傍の口縁部2aとを再溶解し凝固させ
て、両者を一体とする。なお上記高密度エネルギービー
ムは、例えばTIG溶接機、あるいはレーザビーム装置で
発生させる。
ところで上記ビレットの製造に用いられるセラミック
繊維は、アルミナ、炭化珪素、窒化珪素、アルミナ・シ
リカ等の結晶化・非晶質繊維又はウイスカであることが
できる。
繊維は、アルミナ、炭化珪素、窒化珪素、アルミナ・シ
リカ等の結晶化・非晶質繊維又はウイスカであることが
できる。
また繊維径は、ピストンの複合化特性、およびビレッ
トの押出し加工性の観点から、15μｍ以下であることが
好ましい。さらに繊維長さは、繊維のVfが必要な高い値
のビレットを得るように1mm以下のことが好ましい。
トの押出し加工性の観点から、15μｍ以下であることが
好ましい。さらに繊維長さは、繊維のVfが必要な高い値
のビレットを得るように1mm以下のことが好ましい。
次に繊維のVfを５〜30％の範囲にしたのは以下の理由
による。すなわち５％以下では、繊維による強度の改善
効果が充分に得られない。また30％以上では複合材の塑
性変形性が悪くなり、上記押出し又は引き抜き加工性が
困難になるほか、押し出される繊維間にからみ合いを生
じ、その結果上記配高率の向上が望まれないためであ
る。なお繊維による強度の改善効果は、この配向率が大
きい程大きくなるが60％を超えると余り増加しない。
による。すなわち５％以下では、繊維による強度の改善
効果が充分に得られない。また30％以上では複合材の塑
性変形性が悪くなり、上記押出し又は引き抜き加工性が
困難になるほか、押し出される繊維間にからみ合いを生
じ、その結果上記配高率の向上が望まれないためであ
る。なお繊維による強度の改善効果は、この配向率が大
きい程大きくなるが60％を超えると余り増加しない。
一般に、繊維長さおよび配向率の値は大きい程、繊維
による強度改善効果が期待できるが、押し出し又は引き
抜き加工時に、繊維は切断するが押し出された線材中の
繊維長さ、配向率、押出し比および押出し温度の４つの
要因間には次のような関係が認められる。
による強度改善効果が期待できるが、押し出し又は引き
抜き加工時に、繊維は切断するが押し出された線材中の
繊維長さ、配向率、押出し比および押出し温度の４つの
要因間には次のような関係が認められる。
すなわち押出し比と、配向率および繊維長さとの間に
はそれぞれ順相関および逆相関の関係がある。また押出
し温度と、配向率および繊維長さとの間にはそれぞれ逆
相関および順相関の関係がある。そして配向率の60％
は、このような関係を考慮して求められたものである。
はそれぞれ順相関および逆相関の関係がある。また押出
し温度と、配向率および繊維長さとの間にはそれぞれ逆
相関および順相関の関係がある。そして配向率の60％
は、このような関係を考慮して求められたものである。
次にこの発明に係るピストンと、前記プリフォームで
補強された従来のピストンとの比較試験結果について述
べる。
補強された従来のピストンとの比較試験結果について述
べる。
本発明に係るピストンでは、先ず径１〜0.1μｍ、長
さ10〜300μｍの範囲にある炭化珪素ウイスカのVf値を1
5％にして、45φ×45mmの円筒形プリフォームを作り、
これを金型内にセットして、温度780℃、純度99.7％の
アルミ溶湯を700kg/cm2の圧力の下で上記金型に注入
し、プリフォームに浸透させてビレットを製造した。
さ10〜300μｍの範囲にある炭化珪素ウイスカのVf値を1
5％にして、45φ×45mmの円筒形プリフォームを作り、
これを金型内にセットして、温度780℃、純度99.7％の
アルミ溶湯を700kg/cm2の圧力の下で上記金型に注入
し、プリフォームに浸透させてビレットを製造した。
次にこのビレットを40φ×40mmの寸法に仕上げて、温
度640℃、圧力20000kgの下で押出し加工を行い、径7mm
の繊維強化線材を得た。なお、この場合の配向率は平均
で95％であった。次にこの線材に曲げ加工を施して、第
１図に示す径Ｄ＝55mmの環状体５を得た。
度640℃、圧力20000kgの下で押出し加工を行い、径7mm
の繊維強化線材を得た。なお、この場合の配向率は平均
で95％であった。次にこの線材に曲げ加工を施して、第
１図に示す径Ｄ＝55mmの環状体５を得た。
一方、アルミニウム合金AC8Aを素材にピストンが鋳造
され、このピストンの頭部から第１図に示す熱衝撃試験
用試片６が切り出された。なおこの試片６には、断面が
同図に示すごとく半径ｒ＝4mmの半円形である環状溝6a
が設けられ、この環状溝6aに前記環状体５が図示のよう
に嵌入された。
され、このピストンの頭部から第１図に示す熱衝撃試験
用試片６が切り出された。なおこの試片６には、断面が
同図に示すごとく半径ｒ＝4mmの半円形である環状溝6a
が設けられ、この環状溝6aに前記環状体５が図示のよう
に嵌入された。
次に試片６は200℃の温度で予熱され、その後、環状
体５とその周縁部がTIG溶接機を使用してほぼ6mmの深さ
まで再溶融され直ちに凝固された。溶融条件は次の通り
である。なお図中の符号８は、上記TIG溶接機の電極を
示す。
体５とその周縁部がTIG溶接機を使用してほぼ6mmの深さ
まで再溶融され直ちに凝固された。溶融条件は次の通り
である。なお図中の符号８は、上記TIG溶接機の電極を
示す。
次に試片６の中心部に、第２図に示すごとく径Dfが50
mm、深さＨが15mmの凹部７を実際の燃焼室に似せて設け
た。
mm、深さＨが15mmの凹部７を実際の燃焼室に似せて設け
た。
一方、比較用試片の場合には、先づ径１〜0.1μｍ、
長さ10〜300μｍの範囲にある珪素ウイスカ（前記試片
の場合と同様）のスラリーを減圧濾過し、加圧乾燥し
て、ウイスカのVf値を15％としたプリフォームを作っ
た。なおこのプリフォームは、第２図に示した繊維強化
線材の環状体５と同一の寸法、形状とした。
長さ10〜300μｍの範囲にある珪素ウイスカ（前記試片
の場合と同様）のスラリーを減圧濾過し、加圧乾燥し
て、ウイスカのVf値を15％としたプリフォームを作っ
た。なおこのプリフォームは、第２図に示した繊維強化
線材の環状体５と同一の寸法、形状とした。
次にこのプリフォームを金型にセットし、高圧凝固法
でアルミニウム合金AC8Aを素材にピストンを製造し、機
械化仕上げを行って、従来のピストンを模した第２図に
示す形状の試片を得た。
でアルミニウム合金AC8Aを素材にピストンを製造し、機
械化仕上げを行って、従来のピストンを模した第２図に
示す形状の試片を得た。
次に比較試験は、試片６の加熱用コイル９を第２図に
示すごとく配して高周波電流を供給し、（400℃加熱）
→（150℃空冷）の加熱冷却サイクルの下で試片６の熱
衝撃試験を行った。なお上記サイクルの周期は12sec/cy
cleであった。
示すごとく配して高周波電流を供給し、（400℃加熱）
→（150℃空冷）の加熱冷却サイクルの下で試片６の熱
衝撃試験を行った。なお上記サイクルの周期は12sec/cy
cleであった。
第３図に示す試験結果によると、従来のピストンを模
した試片の場合、亀裂は折線Ａで示すごとく4000サイク
ルで発見されたが、本発明に係るピストンを模した試片
の場合には、6000サイクルの繰返し後にも亀裂は発見さ
れなかった（ｐ点）。
した試片の場合、亀裂は折線Ａで示すごとく4000サイク
ルで発見されたが、本発明に係るピストンを模した試片
の場合には、6000サイクルの繰返し後にも亀裂は発見さ
れなかった（ｐ点）。
なお、第３図には、重力鋳造法で製造されかつ口縁部
の補強が全く行われないピストンを模した試片の試験結
果が折線Ｂで示されているが、この折線Ｂから、燃焼室
の口縁部に亀裂が発生し易い傾向が読み取れる。
の補強が全く行われないピストンを模した試片の試験結
果が折線Ｂで示されているが、この折線Ｂから、燃焼室
の口縁部に亀裂が発生し易い傾向が読み取れる。
本発明は上述のような構成であるから、 1.燃焼室の口縁部を補強するため従来のようにピストン
を高圧凝固鋳造法（溶湯鋳造法）で製造する必要がな
い。したがって高価な鋳造装置や金型が不要になるか
ら、ピストンの生産コストを低減させることができる。
を高圧凝固鋳造法（溶湯鋳造法）で製造する必要がな
い。したがって高価な鋳造装置や金型が不要になるか
ら、ピストンの生産コストを低減させることができる。
2.またこの発明では、ピストンを重力鋳造法で製造する
ため、ピストンにアンダカットなどを設けることができ
る。したがって設計の自由度が大きくなる。
ため、ピストンにアンダカットなどを設けることができ
る。したがって設計の自由度が大きくなる。
3.また本発明の場合には、繊維強化線材を構成するアル
ミニウム合金と、ピストン本体を構成するアルミニウム
合金との間に材質を合せる必要を生じないから、繊維強
化線材を構成するアルミニウム合金の材質を強化目的に
応じて自由に選択することが可能になる。
ミニウム合金と、ピストン本体を構成するアルミニウム
合金との間に材質を合せる必要を生じないから、繊維強
化線材を構成するアルミニウム合金の材質を強化目的に
応じて自由に選択することが可能になる。
4.また本発明の場合、繊維強化線材と、その周縁のピス
トン本体とは高エネルギービームで完全に溶融されるた
め、両者は完璧に一体となる。またこの溶融された部分
は、周囲から急速に熱を奪われる指向性凝固を受けるか
ら、ピストンやブローホールのような鋳造欠陥が生じに
くい。
トン本体とは高エネルギービームで完全に溶融されるた
め、両者は完璧に一体となる。またこの溶融された部分
は、周囲から急速に熱を奪われる指向性凝固を受けるか
ら、ピストンやブローホールのような鋳造欠陥が生じに
くい。
第１図〜第３図は、この発明を直噴ディーゼル機関用ピ
ストンに適用した実施例を示すもので、第１図は同上ピ
ストンの供試片製作法の説明図、第２図は試験法説明
図、第３図は試験結果を示す亀裂発生線図である。 また第４図は、従来の補強法を採用したピストンの正面
図である。 なお図面に用いられた符号において、 １……ピストン ２……燃焼室 2a……口縁部 ５……繊維強化線材 である。
ストンに適用した実施例を示すもので、第１図は同上ピ
ストンの供試片製作法の説明図、第２図は試験法説明
図、第３図は試験結果を示す亀裂発生線図である。 また第４図は、従来の補強法を採用したピストンの正面
図である。 なお図面に用いられた符号において、 １……ピストン ２……燃焼室 2a……口縁部 ５……繊維強化線材 である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−201952（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−49156（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−199739（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−274727（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−72458（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−159645（ＪＰ，Ｕ)
Claims (1)
- 【請求項１】セラミック繊維複合アルミニウム合金ビレ
ットを押出し又は引き抜き加工し、上記繊維の体積率を
５〜30％にかつ線材の長手方向の繊維配向率を60％以上
としたセラミック繊維強化線材を形成し、 その燃焼室の口縁部に沿って配した上記セラミック繊維
強化線材を上記口縁部と共に高密度エネルギービームに
て再溶解凝固させて、上記口縁部を強化した内燃機関用
アルミニウム合金ピストン。
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|---|---|---|---|
| JP1101298A JP2691770B2 (ja) | 1989-04-20 | 1989-04-20 | 内燃機関用アルミニウム合金ピストン |
| EP90303921A EP0393922B1 (en) | 1989-04-20 | 1990-04-11 | Piston of aluminium for internal combustion engines |
| DE9090303921T DE69000515T2 (de) | 1989-04-20 | 1990-04-11 | Aluminiumkolben fuer brennkraftmaschinen. |
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|---|---|---|---|
| JP1101298A JP2691770B2 (ja) | 1989-04-20 | 1989-04-20 | 内燃機関用アルミニウム合金ピストン |
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| JP2691770B2 true JP2691770B2 (ja) | 1997-12-17 |
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| JP1101298A Expired - Fee Related JP2691770B2 (ja) | 1989-04-20 | 1989-04-20 | 内燃機関用アルミニウム合金ピストン |
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| JPS6272458U (ja) * | 1985-10-28 | 1987-05-09 | ||
| JPS62107216A (ja) * | 1985-11-05 | 1987-05-18 | Ngk Insulators Ltd | バルブシートインサート及びその製造法並びにそれを使用してなるシリンダーヘッド |
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-
1989
- 1989-04-20 JP JP1101298A patent/JP2691770B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1990
- 1990-04-11 EP EP90303921A patent/EP0393922B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1990-04-11 DE DE9090303921T patent/DE69000515T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1990-04-12 US US07/507,769 patent/US4971003A/en not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US4971003A (en) | 1990-11-20 |
| EP0393922B1 (en) | 1992-12-02 |
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