JP3145094B2 - 軽量金属製ピストン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は全体として、内燃機関用の軽量金属製ピスト
ン、特に、耐食性、亀裂抵抗性及びクリープ抵抗性を改
良するために強化された上面を有するピストンに関す
る。

（従来の技術及びその課題） 最近数年、アルミニウム、マグネシウム、チタニウム
及びアルミニウム、マグネシウム及びチタニウムの合金
のような軽量金属にてピストンを製造することが一般的
となっている。ピストンに軽量金属を使用することによ
り、ピストンの質量及び慣性力が軽減され、エンジンの
燃料経済性が向上する。しかし、多くの軽量金属は作動
中における条件に対する耐久性を欠く。例えば、ディー
ゼルエンジンにおいては、各シリンダ室に予燃焼室を設
け、この予燃焼室から火炎がシリンダ室まで伝播しピス
トンクラウン表面に当たることは珍しいことではない。
強化しなかったならば、火炎は軽量金属ピストンのクラ
ウン面を腐食させる。

クラウン面の腐食を防止するため、鉄系ヒートプラグ
を使用して、クラウン面を保護することが出来る。この
ヒートプラグは短い４ストロークのエンジン弁と外観が
類似したインサートから成る。このヒートプラグはクラ
ウン上面の一部分を覆い、クラウン面を火炎から保護す
る円形の上面を有している。このヒートプラグはピスト
ンのクラウンを貫通する軸部を有する。ヒートプラグは
クラウンの下側から軸部に回り止めナットをねじ込むこ
とにより適所に保持される。ヒートプラグは予燃焼室か
ら火炎が伝播するときにクラウン表面に発生される熱を
放散させ、噴出される火炎面に対して耐食性表面を提供
する。有効に機能するためには、ピストンプラグはピス
トンに緊密に固定し、優れた伝熱効果を提供し、燃焼ガ
スを緊密に密封することが必要とされる。

しかし、ヒートプラグピストンの寿命のある時点（一
般に、1,000乃至2,000時間の運転時間）にて、クラウン
にヒートプラグから外方向に放射する亀裂が生じること
がある。この亀裂はエンジンがその負荷サイクルに応答
するときに生じる熱循環に起因するものである。エンジ
ンの運転時間が長くなると、この亀裂の長さ、幅及び深
さが増大する。最終的に、この亀裂が拡大し、ガスの透
過を許容し、結局、ピストンクラウンが焼ける。

さらに、熱循環サイクルの結果、材料のクリープ又は
緩和が生じる。その結果、ヒートプラグの緩みが生じ
る。一旦緩んだならば、ヒートプラグがピストンクラウ
ン内にて動くことにより回り止めナットは釈放され、プ
ラグは燃焼室内にて浮動し、エンジンの破局的な故障の
原因となる。

故に、本発明の目的はヒートプラグを囲繞するピスト
ンクラウンの強化を実現し、亀裂及び材料の緩和を防止
することによりヒートプラグの欠点を解決することであ
る。

（課題を解決するための手段） 本発明は熱亀裂の形成を防止し、クラウンのクリープ
抵抗性を向上させかつクラウン表面の耐食性を向上させ
る材料特性をクラウンに付する強化ファイバによりアル
ミニウム製ピストンクラウンを強化するものである。本
発明は典型的に真空成形法により形成された円筒状の予
成形品の形態による強化ファイバを利用するものであ
る。このファイバ予成形品は一般にピストンを製造する
ときに採用される圧力鋳造法によりピストン金属母材中
に組み込まれる。

研究の結果、単一結晶合金の物理的及び機械的性質は
強化ファイバを選択的に加えることにより著しく影響さ
れることが分かった。例えば、熱膨張、熱伝導性のよう
な物理的性質、及び強度、硬さ、疲労及び摩耗のような
機械的性質は比較的僅かな量の強化ファイバを加えるこ
とにより変化させることが出来る。

従来のヒートプラグにおける熱亀裂及びクリープとい
う問題点は主として、アルミニウム製ピストンと鋼製ヒ
ートプラグとの間における高温強度の差及び熱膨張係数
の差に関係する。強化ファイバを適正に選択することに
より、アルミニウムの熱膨張係数は鋼のそれに近づける
ことが出来、アルミニウムの高温耐力を約２倍にするこ
とが出来る。強化ファイバを鉄系ヒートプラグの周囲に
てピストンクラウン内に位置決めすることにより、ピス
トンの性質を有利に変化させることが出来、半径方向の
熱疲労亀裂の形成が著しく遅くなり、クラックの成長が
阻止される。クラウンのクリープは著しく軽減され、こ
のため、ヒートプラグが使用中、緩む傾向は少なくな
る。

本発明の利点はピストンクラウンをファイバにより選
択的に強化することにより、ピストン合金の性質を鉄系
ヒートプラグの性質により正確に適合するように調節す
ることが可能であることである。２つの金属間の性能が
一致すれば、本発明のピストンの寿命及び耐久性を従来
技術に比べて向上させることが可能となる。

本発明はピストンの寿命を延長させる目的を達成する
ため、幾つかの設計を組み合わせることが出来る。強化
領域の幾何学的配設形態はファイバ予成形品の直径、及
び高さ又は肉厚の点で変えることが出来る。直径、長
さ、表面コーティング等のような強化ファイバの組成及
びその他の性質は広範囲の強化ファイバから選択するこ
とが出来る。これらには、アルミノケイ酸塩、アルミ
ナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ホウ素、炭化ホウ素及び
グラファイトが含まれる。又、ファイバの量及び容積も
金属合金の容積に応じて変えることが出来る。ファイバ
はピストン本体に対して種々の方向に整合させることが
出来る。軽量なピストン金属は最も一般的にはアルミニ
ウム及びその合金であるが、マグネシウム、又はチタニ
ウム及びマグネシウムとチタニウムの合金とすることも
出来る。強化ファイバをピストン金属内に組み込む好適
な方法は圧締め鋳造法である。しかし、金型鋳造法又は
遠心鋳造法のようなその他の鋳造技術を利用して補強ピ
ストンを製造することも可能である。

（実施例） 本発明のその他の目的、特徴及び利点は添付図面と共
に、以下の説明及び特許請求の範囲の記載を読むことに
より明らかになるであろう。

本発明のファイバ強化ピストンが第１図に全体として
符号10で図示されている。このピストン10は皿状の上面
14及びキャビティ19を形成する縦軸18を中心としてクラ
ウン12から下方に伸長する環状スカート部16を有する状
態に図示したクラウン12を備えている。ピストン10の周
縁には、３つのピストンリングの溝20、及びピストン10
を接続ロッド（図示せず）に接続するのに使用されるリ
ストピン用のボア22が形成されている。

ヒートプラグ24はピストンのクラウン12内に中心決め
される。このヒートプラグ24はクラウン12を通って貫入
する軸部26を備えている。ヒートプラグの上端は半径方
向外方に拡がり、クラウンの上面14の中心を覆う円形の
上面28を形成する。ヒートプラグ24はキャビティ19内に
て軸部に螺着された回り止めナット、又はその他の適当
なねじ止め手段によりクラウン12に固着される。

クラウン12の上面14は強化ファイバ32によりヒートプ
ラグ24の周囲に沿って強化される。この強化ファイバ32
は第１図に示すように、その軸方向長さの２倍乃至10倍
の直径を有する円筒状の予成形品の形態に配設される。
この予成形品34はその外面がクラウンの上面にあるよう
にして、クラウン12内に位置決めされる。

予成形品34はファイバ間に隙間を有するファイバ32の
集合体である。予成形品34は典型的に、無機質の結合剤
を添加し、予成形品に耐久性を付与することにより剛性
化される。ピストン10は以下に説明する従来の圧力鋳造
法により成形され、この方法において、ピストン母材金
属が隙間内に強制され、個々のファイバ12を完全に囲繞
し得るようにする。

ファイバはヒートプラグの周囲に沿ってクラウンを強
化し、ピストン金属に対して鉄系ヒートプラグにより類
似した物理的及び機械的性質を付与する。クラウンの強
化軽量金属の熱膨張係数は強化ファイバ32を加えた鉄系
ヒートプラグのそれに近い。ピストンクラウンの高温に
おける耐力も又増大する。このようにして、ファイバ32
は亀裂の発生及びその成長を軽減し、ヒートプラグが緩
む可能性のあるクラウンにおけるクリープの発生を軽減
する。

予成形品におけるファイバ32の方向は第２図乃至第５
図に示すように変化を持たせることが出来る。第２図に
おいて、予成形品34aのファイバ32aは円形の予成形品に
対する周縁面内にて二次元的に不規則に方向決めした状
態が図示されている。第３図において、予成形品34bの
ファイバ32bは予成形品34bの軸36に対して直角の面内に
て二次元的に不規則に方向決めされている。第４図にお
いて、予成形品34cのファイバ32cは予成形品の軸線36に
対して平行に方向決めされている。第５図において、予
成形品34dのファイバ32dは三次元的に不規則に方向決め
されている。予成形品に使用されるファイバはアルミノ
ケイ酸塩、アルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ホウ
素、窒化ホウ素及びグラファイトを含む１又は２以上の
幾つかの強化材料にて形成することが出来る。ピストン
を鋳造するのに使用される金属は一般にアルミニウム又
はアルミニウム合金であるが、マグネシウム又はチタニ
ウム、或はマグネシウムとチタニウムの合金とする。

予成形品の直径及び高さは所望の強化特性いかんによ
り変えることが出来る。同様にして、ファイバ、その直
径、長さ及び表面コーティングの選択も変えることも出
来る。ファイバの量及び密度を変えることも出来る。

ファイバの密度も所定の予成形品にて変えることが出
来る。ファイバ密度が異なる予成形品において、最大の
ファイバ密度は予成形品の半径方向内側部分にあり、そ
の密度は予成形品の周縁まで半径方向外方に低下する。

従来、ヒートプラグは典型的に耐熱性の鉄合金にて形
成されていた。しかし、ヒートプラグは各種のセラミッ
ク材料のようなその他の材料にて形成することが可能で
ある。本発明のファイバ強化ピストンは、ピストンの母
材金属及びヒートプラグの材料が異なる物理的及び機械
的性質を有するヒートプラグに有用である。ファイバの
組成、密度及び方向は変化させ、ヒートプラグを囲繞す
るピストンクラウンがヒートプラグと同様の性質を備え
るようにすることが出来る。

本発明の強化ファイバは第６図に図示するように、強
化ファイバから成る予成形品34をピストン金型キャビテ
ィ40内に位置決めすることにより成形される。ピストン
は第１図に示したピストンクラウンの皿状上面14と相補
的な輪郭の底面42を有する中空の金型キャビティ40内に
て鋳造される。真空鋳造のような従来の予成形法を利用
して形成することの出来るファイバ予成形品34が上面42
の金型キャビティ40内に位置決めされる。金型キャビテ
ィ40は頂部にて開放し、溶融金属又は金属合金を金型キ
ャビティ内に鋳込むことが出来るようにする。溶融金属
がキャビティ内に鋳込まれたならば、金型は金型キャビ
ティ40の頂部から開口部内に挿入される上方ポンチ46に
より閉じられる。この上方ポンチ46はピストン10の底部
キャビティ（第１図）と相補的な輪郭を有している。

ポンチ46は溶融金属に圧力を作用させ、この圧力によ
り合金は絶えず金型キャビティの壁に対し、及び個々の
ファイバ32間のファイバ予成形品34の隙間内に押し込め
られ、これにより、ファイバは溶融金属によりカプセル
状に包囲される。金属が凝固すると、上方ポンチは金型
キャビティ内に入り、金属はさらに収縮する。ポンチに
より付与される圧力の結果、ピストンは金型キャビティ
の表面に十分に適合し、孔が比較的少ないか又は全く存
在しない微小構造となる。ピストンが鋳造され、金型キ
ャビティ30から取り出されたならば、ピストンリング溝
20、リストピンボア22及びその他の要素がピストン10に
機械加工される。

好適な鋳造法は上述のように、開放金型圧締め鋳造法
であるが、本発明のピストンはファイバ予成形品の隙間
内に母材合金を注入する閉金型圧力鋳造法又はその他の
鋳造法にて形成することも可能である。

本発明のピストンはその内部に押し込んだ強化ファイ
バから成る予成形品を有するピストンクラウンから成る
クラウン強化部分、及びクラウンを通って伸長し、クラ
ウンの上面の耐摩耗性を向上させる鉄系ヒートプラグを
提供することである。クラウン表面が耐摩耗性を備える
ことは、予燃焼室からの火炎面がピストン表面にぶつか
る、予燃焼室を採用するエンジンのピストンにとって特
に重要なことである。ファイバ強化部分が増大した耐摩
耗性を提供し、鉄系ヒートプラグと同様の物理的及び機
械的性質が実現される。

これはピストンクラウンの熱亀裂及び時間に伴う材料
のクリープに起因するヒートプラグの緩みを軽減する。

本発明は上述の構造又は方法にのみ限定されるもので
はなく、特許請求の範囲に記載した本発明の精神及び範
囲から逸脱することなく、幾多の変形例及び応用例が可
能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による強化クラウンを有するヒートプラ
グピストンの縦断面図、 第２図はファイバが周縁面内にて二次元的に不規則に方
向決めされた強化ファイバ予成形品の斜視図、 第３図はファイバがピストンの縦軸に対して直角の面内
にて二次元的に方向決めされた強化予成形品の斜視図、 第４図はファイバが予成形品の縦軸に対して平行な方向
に方向決めされた強化ファイバ予成形品の斜視図、 第５図はファイバが三次元的に不規則に方向決めされた
強化ファイバ予成形品の斜視図、 第６図は本発明のピストンを圧締め鋳造する金型の縦断
面図である。 10:ファイバ強化ピストン 12:クラウン、14:上面 19:キャビティ 20:ピストンリング溝、22:ボア 24:ヒートプラグ、26:軸部 28:上面 32:強化ファイバ 34:予成形品 36:予成形品の軸線 40:金型キャビティ 46:上方ポンチ

フロントページの続き (72)発明者 ミルトン・ウィリアム・トーズ アメリカ合衆国オハイオ州44146，ベッ ドフォード，ベックスレイ・ドライブ 206 (56)参考文献 特開 昭53−126420（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−182261（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭56−38121（ＪＰ，Ｕ)

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱亀裂及び金属クリープに対するピストン
   の耐久性を向上させる強化上面を有する軽量金属製ピス
   トンであって、 縦軸線、前記縦軸線に略直角で上面を有するクラウン、
   及び前記クラウンから下方に伸長し、中空の内部キャビ
   ティを形成する円筒状スカート部を有する円筒状本体
   と、 前記クラウン内に配置されたヒートプラグにして、前記
   クラウンの上面の一部を覆う所定の寸法を有していて耐
   食性上面を提供する円形の上面、前記所定の直径よりも
   小さい直径を有していて前記クラウンを通って伸長する
   軸部、及び前記軸部とクラウンとを結合して前記ヒート
   プラグを前記クラウンに固定する手段を備え、前記ピス
   トンの軽量金属とは異なる材料から成り且つ異なる特性
   を有する前記ヒートプラグと、 前記ヒートプラグの上面に隣接して前記クラウン内に配
   置され、ピストンの高温強度及び熱膨張係数の材料特性
   をヒートプラグの高温強度及び熱膨張係数の材料特性に
   近づけるようにすることによりクラウンを強化する手段
   であって、前記ヒートプラグを囲繞していて前記クラウ
   ンの一部の金属内に完全に埋め込まれた強化ファイバを
   有する、前記クラウンを強化する手段と、を備えること
   を特徴とする軽量金属製ピストン。
2. 【請求項２】前記ピストンが、アルミニウム、マグネシ
   ウム、チタニウム、並びにアルミニウム、マグネシウム
   及びチタニウムの合金のうちから選択されて金属にて形
   成されることを特徴とする請求項１記載のピストン。
3. 【請求項３】前記クラウンを強化する手段は前記強化フ
   ァイバを相互に組み合わせて形成された予成形品を備
   え、前記予成形品は、前記強化ファイバの間に隙間を有
   していて前記隙間がピストンの金属にて充填されること
   により、前記クラウン内に埋め込まれるように構成され
   ていることを特徴とする請求項１記載のピストン。
4. 【請求項４】前記クラウンの前記強化ファイバにより強
   化された部分が円筒状の形状を有し、その直径が前記強
   化された部分の軸線方向の長さに対して２倍乃至10倍で
   あり、かつ前記強化された部分が前記クラウン内にて判
   定方向に中心決めされ、前記クラウン上面の中心部分を
   強化することを特徴とする請求項１記載のピストン。
5. 【請求項５】前記強化ファイバの密度が前記ヒートプラ
   グから半径方向外方に向けて低下しており、それによ
   り、前記強化ファイバにより強化された部分のヒートプ
   ラグを囲繞する部分から半径方向外方の周縁部分まで、
   前記クラウンの材料特性が変化していることを特徴とす
   る請求項１記載のピストン。
6. 【請求項６】前記強化ファイバがアルミノケイ酸塩、ア
   ルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ホウ素、炭化ホウ素
   及びグラファイトの群から選択されることを特徴とする
   請求項１記載のピストン。
7. 【請求項７】前記クラウン内の前記強化ファイバが三次
   元的に不規則な方向に向けられていることを特徴とする
   請求項４記載のピストン。
8. 【請求項８】前記クラウン内の前記強化ファイバが、前
   記円筒形状の強化された部分の軸線方向に対して略平行
   に向けられていることを特徴とする請求項４記載のピス
   トン。
9. 【請求項９】前記クラウン内の前記強化ファイバが、前
   記円筒形状の強化された部分の周縁面に沿って二次元的
   に不規則な方向に向けられていることを特徴とする請求
   項４記載のピストン。
10. 【請求項１０】前記クラウン内の前記強化ファイバが、
    前記円筒形状の強化された部分の軸線に対して垂直な面
    内にて二次元的に不規則な方向に向けられていることを
    特徴とする請求項４記載のピストン。