JP5390761B2 - ピストン - Google Patents

Description

本発明は、ピストンに関し、例えば内燃機関等に用いられるＦＣＤ（Ｆｅｒｒｕｍ Ｃａｓｔｉｎｇ Ｄｕｃｔｉｌｅ：ダクタイル鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、ノジュラー鋳鉄などとも称される）その他の鋳鉄を材料とするピストンに関する。

一般的なアルミ合金等を材料とするピストンの場合、内燃機関等に用いられるピストン１０（図５参照）と、ピストン１０が嵌挿されるシリンダライナ（ボア）２０（ライナレスの場合はシリンダブロック）（図６参照）と、の間における摺動の結果生じる損傷の一種であるスカッフ（局所的にピストンスカートが溶融して生じる引っ掻き傷）や焼き付きなどを抑制するため、図５に示すように、ピストン１０のスカート部１１のシリンダライナ２０に対して摺動する摺動面１１Ａの表面粗さを、例えば十点平均粗さ（ＲｚＪＩＳ）＝１５μｍ前後に設定せざるを得ないという実情がある。

このため、図６に示したように、スカート部１１の摺動面１１Ａの潤滑状態は、所謂混合潤滑状態（流体潤滑と固体接触（金属同士の接触）とが混在する状態）的なものとなり、摩擦力が比較的大きいものとなっているのが実情である。

ところで、近年においては、アルミ合金等の代わりに、例えばダクタイル鋳鉄等を材料とするＦＣＤピストンが、特許文献１などにおいて提案されている。
特開２００６−１１２３０９号公報

特許文献１に記載されているようなＦＣＤピストンは、アルミ合金等に対して断熱性に優れ内燃機関の燃焼の改善等を図ることができるため、例えば排気有害物質や燃料消費量の低減などが可能で、このため環境保護や経済性等の面において優れるといった利点がある。

しかし、環境保護や経済性等の改善といった要求は希求されるべきものであり、その実現に寄与すべく、ＦＣＤピストンについてもより一層の改善が要求されるものである。

本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、簡単かつ安価な構成でありながら、より一層燃費性能に優れ環境保護や経済性等の改善に寄与することができる鋳鉄を材料とするピストンを提供することを目的とする。

このため、本発明に係るピストンは、
潤滑物質の存在下で使用され鋳鉄を材料とするピストンであって、当該ピストンのスカート部の摺動面の母材の表面粗さが、ＲｚＪＩＳ＝５．５μｍ〜０．５μｍの範囲の値に形成されたことを特徴とする。

本発明において、ピストンのスカート部の摺動面に対して、腐食反応を伴う表面処理が施されたことを特徴とすることができる。
本発明において、前記表面処理は、リン酸塩皮膜処理であることを特徴とすることができる。
また、本発明において、前記鋳鉄が、球状黒鉛鋳鉄であることを特徴とすることができる。

本発明によれば、簡単かつ安価な構成でありながら、より一層燃費性能に優れ環境保護や経済性等の改善に寄与することができる鋳鉄を材料とするピストンを提供することができる。

以下、本発明に係る実施例を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施例により、本発明が限定されるものではない。

本発明の実施例１に係るＦＣＤ等の鋳鉄を材料とするピストン１０について、図１から図４を参照しつつ、詳細に説明する。

ここで、既述したように、一般的なアルミ合金等を材料とするピストンの場合、ピストン１０と、ピストン１０が嵌挿されるシリンダライナ（ボア）２０（図６参照）と、の間における摺動の結果生じる損傷の一種であるスカッフや焼き付きなどを抑制するため、図５に示すように、ピストン１０のスカート部１１のシリンダライナ２０に対して摺動する摺動面１１Ａの表面粗さを、例えば十点平均粗さ（ＲｚＪＩＳ）＝１５μｍ前後に設定せざるを得ないという実情がある。

かかる比較的大きな表面粗さ（例えば、ＲｚＪＩＳ＝１５μｍ前後の値）を有するスカート部１１のシリンダライナ（ボア）２０に対して摺動する摺動面１１Ａの潤滑状態は、図６に示したように、境界潤滑状態（或いは混合潤滑状態）的なものとなり、摩擦係数延いては摩擦力が比較的大きいものとなっている。なお、ＲｚＪＩＳについては、ＪＩＳ Ｂ０６０１（２００１）の附属書１に記述されている。

このような境界潤滑状態を、例えば摩擦係数の小さい流体潤滑状態にすることができれば、スカート部１１の摺動面１１Ａに生じる摩擦力を低減することができ、以って燃料消費の低減が図られ、延いては環境保護や経済性の面で効果的に貢献することができる。

しかし、実際には、アルミ合金やスチール等を材料とするピストンの場合、境界潤滑状態を流体潤滑状態に移行させる有効な手段であるスカート部１１の摺動面１１Ａの表面粗さを低減していくと、スカート部１１の摺動面１１Ａなどにスカッフや焼付き等の損傷が発生する惧れが高くなるため、スカート部１１の摺動面１１Ａの表面粗さを十分に低減することができないというのが実情である。

これに対し、アルミ合金やスチール等と比較して摺動性や耐スカッフ性等に優れる鋳鉄を材料とするピストンの場合には、スカッフや焼付き等の発生を抑制しながら、スカート部１１の摺動面１１Ａの表面粗さを小さくして潤滑状態を境界潤滑状態から流体潤滑状態に近づけることが可能であると考えられる。

ここにおいて、図１に示すＦＣＤピストン１０のスカート部１１の摺動面１１Ａの表面粗さを、図２に示すように、ピストン１０のスカート部１１と、ピストン１０が所定間隙をもって摺動自在に嵌挿されるシリンダライナ（ボア）２０と、の間に生成される潤滑油等の潤滑物質膜の厚さ（以下、ここでは油膜厚さと称する）Ｘより小さくすると、スカート部１１の摺動面１１Ａの潤滑状態は流体潤滑状態となって摩擦係数を小さな値とすることができる。

従って、スカート部１１の摺動面１１Ａの潤滑状態を流体潤滑状態として摩擦係数を小さくするためには、スカート部１１の摺動面１１Ａの表面粗さを、スカート部１１とシリンダライナ（ボア）２０との間に生成される油膜厚さＸより小さく設定することが効果的であり望ましいものと考えられる。

なお、前記油膜厚さＸは、摺動面形状（ピストンスカートプロフィル）、摺動速度、荷重（負荷）、及び潤滑油粘度などによって決定される。

この一方で、耐スカッフ性や耐焼付き性等の観点からは、スカート部１１の摺動面１１Ａとシリンダライナ２０との間で発生する摩擦熱を冷却するために、摩擦熱発生部付近に潤沢に潤滑油が存在することが好ましい。

しかし、アルミ合金やスチール等を材料とするピストンの場合、スカート部１１の摺動面１１Ａの表面粗さを小さくすると、粗さの谷間（油溜り：図６参照）の部分に保持される潤滑油量が不足し、前述した摩擦熱を十分に冷却することができなくなり、スカッフや焼付き等が発生し易くなる。

これに対し、ＦＣＤピストンのように鋳鉄を材料とするピストンの場合には、母材が多数の孔（ピット或いはポア）を有する組織を持ち、かつ潤滑性に優れるカーボン粒が表面に析出しているため、表面粗さを低減しても、ピットが油溜りとして機能して当該ピットに潤滑油が保持されるため、前述した摩擦熱を効果的に冷却することができると共に、カーボン粒により摩擦係数が下げられるため摩擦熱の発生を抑制することができ、また融点がアルミ合金に比較して高いため、スカッフや焼付き等の発生を抑制することができ、かつ摩耗低減やフリクション低減を実現できることになる。

すなわち、ＦＣＤピストンのように鋳鉄を材料とするピストンの場合には、スカッフや焼付き等の発生を抑制しながら、表面粗さを低減することができるため、スカート部１１の摺動面１１Ａの潤滑状態を流体潤滑状態として摩擦係数延いてはフリクションを小さくすることができ、以って燃費性能に優れ環境保護や経済性等の改善に効果的に寄与することができることになる。

ここで、本発明者等による各種の研究実験などにより得られた知見の一部を、図３、図４に示しておく。

図３は、「スカート部の表面粗さ」と「摩擦損失」との関係を示しており、当該図３から、スカート部の表面粗さを現行のＲｚＪＩＳ＝１５μｍ程度から低減して行くに従い摩擦損失が低減され、ＲｚＪＩＳ＝５μｍ付近で変極し、更に表面粗さを低減して行くと摩擦損失は漸増し、ＲｚＪＩＳ＝０．５μｍ付近でスカッフが発生する惧れが高くなることが理解される。

また、図４は、「摩擦係数」と「油膜厚さ／スカート部の表面粗さ」との関係を示しており、当該図４から、「油膜厚さ／スカート部の表面粗さ」が１より小さい状態（「油膜厚さ」＜「スカート部の表面粗さ」であって、境界潤滑的な色合いが強い状態）から１に近づくに従って摩擦係数が徐々に小さくなり、１（「油膜厚さ」＝「スカート部の表面粗さ」であって、流体潤滑的な色合いが強い状態）付近で変曲し、１より大きくなる（「油膜厚さ」＞「スカート部の表面粗さ」であって、谷部における潤滑油保持能力が小さくなる）に従い、摩擦係数が徐々に大きくなるものの小さな値に維持されることが理解される。

従って、図３、図４から、鋳鉄を材料とするピストンにおいて、スカート部１１の摺動面１１Ａの表面粗さを、ＲｚＪＩＳ＝５．５μｍ付近の値からＲｚＪＩＳ＝０．５μｍ付近の値の範囲に設定することが望ましいものと考えられる。なお、製造バラツキ等を考慮すると、スカート部１１の摺動面１１Ａの表面粗さを、例えば、ＲｚＪＩＳ＝３μｍ付近〜１μｍ付近の値に設定することができる。また、フリクション低減を優先する場合には、摺動面１１Ａの表面粗さを、例えば、ＲｚＪＩＳ＝２μｍ付近〜０．５μｍ付近の値に設定することもできる。

また、鋳鉄を材料とするピストンにおいて、スカート部１１の摺動面１１Ａの表面粗さを、前記摺動面１１Ａとシリンダライナ２０との間に生成される油膜厚さより小さい値で、かつ表面粗さ（ＲｚＪＩＳ）が０．５μｍより小さくならない範囲に設定することが望ましいものと考えられる。

上述したような範囲に、スカート部１１の摺動面１１Ａの表面粗さを形成（例えば、切削加工等）することで、スカッフや焼付き等の発生を抑制しながら、スカート部１１の摺動面１１Ａの潤滑状態を流体潤滑状態として摩擦係数延いては摩擦力を小さくすることができ、以って燃費性能に優れ環境保護や経済性等の改善に効果的なＦＣＤピストンを提供することができることになる。

本発明の実施例２は、実施例１で説明したＦＣＤピストンに対して、更なる改良を施した一例について説明する。

実施例２では、ピストン１０のスカート部１１の摺動面１１Ａの表面粗さ（ＲｚＪＩＳ）を、実施例１で説明したように、例えば、生成される油膜厚さと略等しい値、或いはＲｚＪＩＳ＝５．５μｍ程度からＲｚＪＩＳ＝０．５μｍ程度の範囲となるように切削加工等を施した後、所謂リン酸塩皮膜処理（パーカライジング（登録商標）処理）を施す。

リン酸塩皮膜処理は、母材の表面に燐酸塩を生成させるもので、金属同士の直接接触を防止しながら犠牲的に摩耗して、よりフラットな摺動表面を創生すると共に、その結晶構造にはポーラスが多く潤滑油を十分に保持可能であることと相俟って、フリクションを低減し摩擦熱の発生を低く抑えることができ、摺動面の初期なじみ性を改善することができる。

従って、本実施例のＦＣＤ等を材料とするピストンにおいて、スカート部１１の摺動面１１Ａの表面粗さを小さくした場合に、リン酸塩皮膜処理を施すことは、初期なじみ性を向上できる点で有利である。

また、リン酸塩皮膜処理の処理過程は、腐食反応を伴うため、ピストン１０のスカート部１１の摺動面１１Ａの潤滑特性等に重要な影響を与える母材表面の孔（ピット或いはポーラス）の数を増加させたり、その大きさを拡大させることになる。

よって、リン酸塩皮膜処理を施した場合には、施さない場合に比べて、母材（鋳鉄）自体に関して、ポーラス部分による油溜りとしての機能を促進することができるため、母材（鋳鉄）が露出した場合でも、前述したように摩擦熱をより一層効果的に冷却することができると共に、カーボン粒の母材表面への析出も拡張されて摩擦係数がより下げられるため、より一層、スカッフや焼付き等の発生を抑制することができ、かつ摩耗低減やフリクション低減を実現できることになる。

このため、ピストン１０のスカート部１１の摺動面１１Ａの表面粗さ（ＲｚＪＩＳ）を小さくしても、本実施例のように、リン酸塩皮膜処理を施す場合には、施さない場合に比べて、初期なじみ性をより一層高いレベルにすることができることに加え、リン酸塩皮膜が摩耗等により消失したような場合においても、増加或いは拡大された母材のポーラス部分の存在により、スカッフや焼付き等の発生をより効果的に抑制でき、かつ摩耗低減やフリクション低減をより効果的なものとすることができる。

なお、上述した各実施例では、鋳鉄を材料とするピストンのうちＦＣＤピストンを代表的に説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、可鍛鋳鉄など各種の鋳鉄を材料とするピストンに適用可能である。
また、本発明に係るピストンに対して施される表面処理は、上述したリン酸塩皮膜処理に限定されるものではなく、腐食反応を伴う他の表面処理を要求に応じて適宜採用することも可能である。
更に、本発明に係るピストンは、内燃機関に使用される場合に限定されるものではなく、外燃機関の他、動力を取り出さない機械（コンプレッサなど）、或いは各種アクチュエータなど、潤滑物質の存在下で往復運動されるピストンに適用可能である。
なお、潤滑物質としては潤滑油が想定されるが、これに限定されるものではなく、例えば軽油、ガソリン等のニュートン流体の他、ＥＲ流体やＭＲ流体などの流体であっても、所定の潤滑特性を有する流体であれば本発明は適用可能である。

以上で説明した各実施例は、本発明を説明するための例示に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは可能である。

本発明の実施例１に係るＦＣＤピストンのスカート部の表面粗さの一例を示す図である。 同上実施例に係るＦＣＤピストンのスカート部とシリンダライナ（ボア）との間の潤滑状態（流体潤滑状態）を模式的に示す説明図である。 ピストンのスカート部の表面粗さと燃費との関係の一例を示す図である。 摩擦係数とピストンのスカート部の表面粗さとの関係の一例を示す図である。 従来のアルミピストンのスカート部の表面粗さの一例を示す図である。 従来のアルミピストンのスカート部とシリンダライナ（ボア）との間の潤滑状態（境界潤滑状態）を模式的に示す説明図である。

符号の説明

１０ ピストン
１１ スカート部
１１Ａ 摺動面
２０ シリンダライナ（ボア）

Claims (4)

1. 潤滑物質の存在下で使用され鋳鉄を材料とするピストンであって、当該ピストンのスカート部の摺動面の母材の表面粗さが、ＲｚＪＩＳ＝５．５μｍ〜０．５μｍの範囲の値に形成されたことを特徴とするピストン。
2. 請求項１に記載のピストンのスカート部の摺動面に対して、腐食反応を伴う表面処理が施されたことを特徴とするピストン。
3. 前記表面処理が、リン酸塩皮膜処理であることを特徴とする請求項２に記載のピストン。
4. 前記鋳鉄が、球状黒鉛鋳鉄であることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１つに記載のピストン。