JP3674970B2

JP3674970B2 - ピストンの鋳造方法

Info

Publication number: JP3674970B2
Application number: JP30788794A
Authority: JP
Inventors: 元治谷澤; 福夫五味
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 1994-12-12
Filing date: 1994-12-12
Publication date: 2005-07-27
Anticipated expiration: 2020-07-27
Also published as: JPH08165531A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、内燃機関、往復動型圧縮機、往復動型ポンプ等に用いられるピストンの鋳造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、特公昭５２−２７６０８号公報、特開昭５７−１０１６４１号公報、特開昭５７−９８６４７号公報に耐摩耗性アルミニウム合金材の鋳造方法が開示されている。これらの鋳造方法では、過共晶アルミニウム−珪素合金の溶湯を遠心鋳造することにより、耐摩耗性アルミニウム合金材を得ている。
【０００３】
こうして得られた耐摩耗性アルミニウム合金材では、比重差及び遠心力で初晶珪素が円筒状に凝集するため、円筒状の耐摩耗面をもつ耐摩耗摺動部材として利用可能である。
また、本出願人は、特開昭６０−６３３４４号公報において、過共晶アルミニウム−珪素合金製の耐摩耗摺動部材を提案した。この耐摩耗摺動部材を鋳造する場合、まず圧力鋳造可能な鋳造金型と、アルミナ短繊維等の補強繊維が集積された繊維集積体と、過共晶アルミニウム−珪素合金の溶湯を用意する。鋳造金型には、軸方向に延在するキャビティが形成されている。そして、キャビティを構成する一端面に繊維集積体を配置し、キャビティ内に溶湯を注湯して圧力鋳造し、繊維集積体内に溶湯を浸漬させる。このとき、繊維集積体が溶湯内の初晶珪素を濾過するため、繊維集積体側には高濃度の初晶珪素が凝集される。溶湯の凝固後、過共晶アルミニウム−珪素合金からなるマトリックスと、このマトリックス中に分散された補強繊維とからなる元の繊維集積体の部分が除去され、耐摩耗摺動部材が得られる。
【０００４】
こうして得られた耐摩耗摺動部材では、元の繊維集積体の部分を除去して得られる耐摩耗面に高濃度の初晶珪素が凝集され、残部の母材には耐摩耗面から遠ざかるに従って低濃度になる初晶珪素が存在することとなる。このため、平面状の耐摩耗面において高い耐摩耗性を発揮できるとともに、耐摩耗面から遠ざかるに従って初晶珪素を低濃度で含有する母材において強靱性及び高被削性を発揮することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特公昭５２−２７６０８号公報等の遠心鋳造により得られる耐摩耗摺動部材は、そのままでは円筒状であるため、これを内燃機関等のピストンにそのまま採用することはできない。
一方、特開昭６０−６３３４４号公報の耐摩耗摺動部材は、そのまま柱状のものが得られるため、これを内燃機関等のピストンに採用することも考えられる。そして、この耐摩耗摺動部材は、耐摩耗面に近づくに従って熱膨脹係数が小さくなるため、耐摩耗面をピストンヘッドとした場合、最も加熱・冷却が繰り返されやすいピストンヘッドでの熱膨脹・熱収縮を抑制でき、ボア内で優れた摺動性を発揮し得るとも考えられる。さらに、この耐摩耗摺動部材は、耐摩耗面が高濃度の初晶珪素を凝集して高強度にされているため、耐摩耗面をピストンヘッドとした場合、最も圧力変動を受けるピストンヘッドでの変形を抑制でき、ボア内で優れた耐久性を発揮し得るとも考えられる。
【０００６】
しかしながら、この耐摩耗摺動部材では、溶湯の凝固後、元の繊維集積体の部分を除去している。このため、ピストンヘッドでの熱膨脹・熱収縮の抑制及び圧力変動による変形の抑制のさらなる改善を望んだ場合、耐摩耗面の熱膨脹係数が母材側のそれと比較して未だ十分に小さくなっていないとともに、耐摩耗面の強度、特に剪断強度が未だ十分でない。
【０００７】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、ピストンヘッドでの熱膨脹・熱収縮の抑制及び圧力変動による変形の抑制のさらなる改善を実現可能なピストンの鋳造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（１）請求項１のピストンの鋳造方法は、軸方向に延在するピストン形状のキャビティをもち、圧力鋳造可能な鋳造金型と、該キャビティより小径に補強繊維が集積された繊維集積体と、過共晶アルミニウム−珪素合金の溶湯を用意する第１工程と、
該キャビティを構成するピストンヘッド側の一端面の中央に該繊維集積体を配置する第２工程と、
該キャビティ内に該溶湯を注湯して圧力鋳造し、該繊維集積体が該溶湯内の初晶珪素を濾過することで該繊維集積体内に該溶湯を浸漬させ過共晶アルミニウム−珪素合金からなるマトリックスと該繊維集積体とからなる繊維強化金属を形成するとともに該繊維集積体に隣接する外域に高濃度の該初晶珪素を凝集させたリッチ層と該繊維集積体から遠ざかるに従って該初晶珪素を低濃度としたプアー層とを形成する第３工程と、を有することを特徴とする。
【０００９】
補強繊維としては、アルミナ短繊維、カーボン繊維、炭化珪素繊維、アルミナ−シリカ繊維、ガラス繊維、炭化珪素ウィスカ、透過性セラミックス繊維等を採用することができる。
繊維集積体は、体積含有率（Ｖｆ）が１０〜３０％かつ厚さが１０〜２０ｍｍのものであることが好ましい。Ｖｆが３０％を超えるか又は厚さが２０ｍｍを超えれば、溶湯が浸透しにくい。逆に、Ｖｆが１０％を下回るか又は厚さが１０ｍｍを下回れば、繊維集積体が圧力鋳造時の圧力に耐えられず、変形しやすい。
【００１０】
（２）請求項２のピストンの鋳造方法は、請求項１記載のピストンの鋳造方法において、繊維集積体は補強繊維が一方向に略配向されたものであることを特徴とする。
（３）請求項３のピストンの鋳造方法は、請求項２記載のピストンの鋳造方法において、第２工程は一方向が軸方向となるように行うことを特徴とする。
【００１１】
【作用】
（１）各請求項１の鋳造方法においても、特開昭６０−６３３４４号公報記載の鋳造方法と同様、まず第１工程として、圧力鋳造可能な鋳造金型と、補強繊維が集積された繊維集積体と、過共晶アルミニウム−珪素合金の溶湯を用意する。但し、鋳造金型のキャビティはピストン形状であり、繊維集積体はキャビティより小径のものである。
【００１２】
そして、第２工程として、キャビティを構成するピストンヘッド側の一端面の中央に繊維集積体を配置する。
この後、第３工程として、同方法と同様、キャビティ内に溶湯を注湯して圧力鋳造し、繊維集積体内に溶湯を浸漬させる。このとき、繊維集積体が溶湯内の初晶珪素を濾過するため、繊維集積体側には高濃度の初晶珪素が凝集される。溶湯の凝固後、元の繊維集積体の部分は、過共晶アルミニウム−珪素合金からなるマトリックスと、このマトリックス中に分散された補強繊維とからなる繊維強化金属（ＦＲＭ）を構成する。この元の繊維集積体の部分、つまりＦＲＭは除去しない。こうして柱状のピストンが得られる。
【００１３】
このピストンは、繊維集積体がキャビティより小径のものであることから、ピストンヘッドのＦＲＭに隣接する外域に高濃度の初晶珪素が凝集され、残部の母材にはＦＲＭから遠ざかるに従って低濃度になる初晶珪素が存在する。このため、このピストンは、ピストンヘッドの中央域がＦＲＭで形成され、ピストンヘッドの外域及びその近傍が初晶珪素を高濃度に凝集させたリッチ層で形成され、ピストンスカートが初晶珪素を低濃度に凝集させたプアー層で形成される。
【００１４】
このため、このピストンは、ＦＲＭに近づくに従って熱膨脹係数が小さくなり、かつＦＲＭで最も熱膨脹係数が小さくなる。また、このピストンは、ピストンヘッドの中央域が高強度のＦＲＭであるとともに、ＦＲＭとの境界がボアとの摺動面に存在せず、かつＦＲＭの近傍が初晶珪素により高強度にされてＦＲＭを強固に支持している。
【００１５】
なお、このピストンは、同方法により得られた摺動部材と同様、ピストンスカートのピストンヘッド側において高い耐摩耗性を発揮できるとともに、ピストンヘッドの反対側において強靱性及び高被削性を発揮する。
（２）請求項２の鋳造方法では、補強繊維が一方向に略配向された繊維集積体を採用している。このため、得られたピストンは、ピストンヘッドの中央域を形成するＦＲＭが一方向の引張に対して高強度にされる。
【００１６】
（３）請求項３の鋳造方法では、一方向が軸方向となるように第２工程を行う。このため、得られたピストンは、ＦＲＭにおいて補強繊維が軸方向に略配向されるため、ＦＲＭが軸方向の引張に対して高強度にされる。
【００１７】
【実施例】
以下、各請求項の発明を内燃機関のピストンの製造方法に具体化した実施例１〜５を図面を参照しつつ説明する。
（実施例１）
実施例１では請求項１を具体化している。
【００１８】
「第１工程」
まず、図１に示すように、上型１と下型２とを有し、上型１内に摺動可能にプランジャ３が設けられた鋳造金型を用意する。上型１と下型２とには軸方向に延在するピストン形状のキャビティＣが形成されている。
また、アルミナ短繊維（ＩＣＩ（株）社製「サフィール」）が集積された厚さ１５ｍｍの繊維集積体５を用意する。この繊維集積体５はアルミナ短繊維をキャビティＣよりやや小径にＶｆ２０％でランダムに配向させたものである。
【００１９】
さらに、過共晶アルミニウム−珪素合金として、ＪＩＳ−Ａ３９０の溶湯（８５０℃）を用意する。
「第２工程」
下型２のキャビティＣを構成する下端面２ａの中央に繊維集積体５を配置する。
【００２０】
「第３工程」
キャビティＣ内に溶湯を注湯し、プランジャ３をキャビティＣ側に移動させることにより圧力鋳造し、繊維集積体５内に溶湯を浸漬させる。このとき、図２に示すように、繊維集積体５が溶湯内の初晶珪素６を濾過するため、繊維集積体５側には高濃度の初晶珪素６が凝集される。溶湯の凝固後、元の繊維集積体５の部分は、ＪＩＳ−Ａ３９０からなるマトリックスと、このマトリックス中に分散されたアルミナ短繊維とからなるＦＲＭ７を構成する。この元の繊維集積体５、つまりＦＲＭ７の部分は除去しない。こうして円柱状のピストンが得られる。
【００２１】
このピストンの断面の１００倍の顕微鏡写真を図３に示す。このピストンは、繊維集積体５がキャビティＣより小径のものであり、ピストンヘッドの中央域がＦＲＭ７で形成され、ピストンヘッドの外域及びその近傍が初晶珪素６を高濃度に凝集させた厚さ１０ｍｍ程度のリッチ層８で形成され、ピストンスカートが初晶珪素６を低濃度に存在させたプアー層９で形成される。
【００２２】
ＦＲＭ７の熱膨脹係数αは１６×１０^-6／℃、リッチ層８の熱膨脹係数αが１７×１０^-6／℃、プアー層９の熱膨脹係数αが１８×１０^-6／℃であった。
このため、このピストンは、ＦＲＭ７に近づくに従って熱膨脹係数αが小さくなり、かつＦＲＭ７で最も熱膨脹係数αが小さくなるため、最も加熱・冷却が繰り返されやすいピストンヘッドでの熱膨脹・熱収縮をさらに抑制でき、図示しないボア内で優れた摺動性を発揮し得ることがわかる。
【００２３】
また、このピストンは、ピストンヘッドの中央域がＦＲＭ７であることから、最も圧力変動を受けるピストンヘッドでの変形を抑制できる。同時に、このピストンは、ＦＲＭ７とリッチ層８との境界がボアとの摺動面に存在せず、かつＦＲＭ７の近傍が高強度にされてＦＲＭ７を強固に支持している。このため、このピストンは、ボア内で優れた耐久性を発揮し得ることがわかる。
【００２４】
なお、このピストンは、上記特開昭６０−６３３４４号公報記載の摺動部材と同様、ピストンスカートのピストンヘッド側において高い耐摩耗性を発揮し、ボア内でピッチ、ロール等の繰り返しに十分耐え得るものである。また、ピストンヘッドの反対側において強靱性及び高被削性を発揮し、図示しない斜板等との組付け用の加工を容易に行うことができる。
【００２５】
（実施例２）
実施例２でも請求項１を具体化している。
すなわち、過共晶アルミニウム−珪素合金として、ＪＩＳ−ＡＣ８Ａ９８ｗｔ％＋Ｓｉｗｔ２％の溶湯（８５０℃）を用意する。他の構成は実施例１と同一であり、同種の構成については同一符合を付して説明を省略する（以下同様。）。
【００２６】
こうして得られたピストンでは、ＦＲＭ７の熱膨脹係数αは１７×１０^-6／℃、リッチ層８の熱膨脹係数αが１８×１０^-6／℃、プアー層９の熱膨脹係数αが１９×１０^-6／℃であった。
したがって、このピストンにおいても実施例１と同様の作用及び効果を奏することができる。
【００２７】
（実施例３）
実施例３でも請求項１を具体化している。
すなわち、繊維集積体５として、カーボン繊維（東レ（株）社製「トレカＭ０４０」）が集積された厚さ１５ｍｍのものを用意する。この繊維集積体５はカーボン繊維をＶｆ２０％でランダムに配向させたものである。他の構成は実施例１と同一である。
【００２８】
こうして得られたピストンでは、ＦＲＭ７の熱膨脹係数αは１０×１０^-6／℃、リッチ層８の熱膨脹係数αが１７×１０^-6／℃、プアー層９の熱膨脹係数αが１８×１０^-6／℃であった。
したがって、このピストンにおいても実施例１と同様の作用及び効果を奏することができる。
【００２９】
（実施例４）
実施例４では請求項１、２を具体化している。
すなわち、繊維集積体５として、アルミナ短繊維が一方向に略配向されたものを用意する。そして、第２工程で繊維集積体５を配置する際、アルミナ短繊維を軸方向と直交させる。他の構成は実施例１と同一である。
【００３０】
こうして図４に示すピストンを得る。このピストンでは、ＦＲＭ７の軸直角方向の熱膨脹係数αは１６×１０^-6／℃、リッチ層８の熱膨脹係数αが１７×１０^-6／℃、プアー層９の熱膨脹係数αが１８×１０^-6／℃であった。
したがって、このピストンにおいても実施例１と同様の作用及び効果を奏することができる。
【００３１】
また、このピストンは、アルミナ短繊維が一方向に略配向された繊維集積体５を採用しているため、ピストンヘッドの中央域を形成するＦＲＭ７が軸直角の引張に対して高強度にされ、ピストンヘッドでの変形を抑制しやすい。
（実施例５）
実施例５では請求項１〜３を具体化している。
【００３２】
すなわち、繊維集積体５として、アルミナ短繊維が一方向に略配向されたものを用意する。そして、第２工程で繊維集積体５を配置する際、アルミナ短繊維を軸方向と略平行にする。他の構成は実施例１と同一である。
こうして図５に示すピストンを得る。このピストンでは、ＦＲＭ７の軸方向の熱膨脹係数αは１３×１０^-6／℃、リッチ層８の熱膨脹係数αが１７×１０^-6／℃、プアー層９の熱膨脹係数αが１８×１０^-6／℃であった。
【００３３】
したがって、このピストンにおいても実施例１と同様の作用及び効果を奏することができる。
また、このピストンは、ＦＲＭ７においてアルミナ繊維が軸方向に略配向されるため、ＦＲＭ７が軸方向の引張に対して高強度にされ、ピストンヘッドでの剪断による変形を抑制しやすい。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳述したように、各請求項１〜３の鋳造方法では、各請求項記載の構成を採用しているため、ピストンヘッドでの熱膨脹・熱収縮の抑制及び圧力変動による変形の抑制のさらなる改善を実現可能なピストンを鋳造することができる。
特に、請求項２の鋳造方法では、補強繊維として一方向に略配向された繊維集積体を採用しているため、得られたピストンがピストンヘッドでの変形を抑制しやすい。
【００３５】
また、請求項３の鋳造方法では、補強繊維が軸方向に略配向された繊維集積体を採用しているため、得られたピストンがピストンヘッドでの剪断による変形を抑制しやすい。
したがって、この鋳造方法により得られたピストンを往復動型圧縮機等に採用すれば、より優れた摺動性及び耐久性を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１〜５に係り、鋳造金型等の断面図である。
【図２】実施例１に係り、ピストンの模式断面図である。
【図３】実施例１に係り、ピストンの断面の金属組織を示す１００倍の顕微鏡写真である。
【図４】実施例４に係り、ピストンの模式断面図である。
【図５】実施例５に係り、ピストンの模式断面図である。
【符号の説明】
Ｃ…キャビティ２ａ…下端面（一端面）１…上型
２…下型５…繊維集積体

Claims

軸方向に延在するピストン形状のキャビティをもち、圧力鋳造可能な鋳造金型と、該キャビティより小径に補強繊維が集積された繊維集積体と、過共晶アルミニウム−珪素合金の溶湯を用意する第１工程と、
該キャビティを構成するピストンヘッド側の一端面の中央に該繊維集積体を配置する第２工程と、
該キャビティ内に該溶湯を注湯して圧力鋳造し、該繊維集積体が該溶湯内の初晶珪素を濾過することで該繊維集積体内に該溶湯を浸漬させ過共晶アルミニウム−珪素合金からなるマトリックスと該繊維集積体とからなる繊維強化金属を形成するとともに該繊維集積体に隣接する外域に高濃度の該初晶珪素を凝集させたリッチ層と該繊維集積体から遠ざかるに従って該初晶珪素を低濃度としたプアー層とを形成する第３工程と、
を有することを特徴とするピストンの鋳造方法。
繊維集積帯は補強繊維が一方向に略配向されたものであることを特徴とする請求項１記載のピストンの鋳造方法。
第２工程は一方向が軸方向となるように行うことを特徴とする請求項２記載のピストンの鋳造方法。