JPH01232152A - 繊維強化アルミニウム合金製内燃機関用ピストン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、内燃機関用ピストンに係り、更に詳細′には
繊維強化アルミニウム合金製の内燃機関用ピストンに係
る。

従来の技術 アルミニウム合金にて形成された内燃機関用ピストンに
於ては、そのトップリング溝に於て摩耗し易く、そのた
めトップリング溝周囲の部分が種々の強化材にて複合強
化されたピストンが従来より提案され実施されている。

例えば本願出願人と同一の出願人の出願にかかる特開昭
５８−９３８６号公報には、トップリング溝周囲の部分
をセラミック繊維にて複合強化することが記載されてお
り、特開昭５９−２１８３４１号公報及び特開昭６１−
１３２２６０号公報にはそれぞれトップリング溝周囲の
部分が発泡金属体及び鋳鉄繊維にて複合強化されたピス
トンが記載されている。

発明が解決しようとする課題 トップリング溝周囲の部分が強化材にて複合強化された
上述の如きピストンによれば、ピストン全体がアルミニ
ウム合金のみにて形成されている場合に比してトップリ
ング溝の壁面の耐摩耗性を向上させ、これによりピスト
ンの耐久性を向上させることができる。しかし内燃機関
の高性能化を図るべく、これらのピストンが比較的高い
温度条件下にて使用される場合には、トップリング溝の
壁面の摩耗が大きくなり、特にトップリング溝の壁面の
温度が２５０℃以上になる場合には、アルミニウム合金
のみよりなるピストンの場合とほぼ同等の耐摩耗性しか
得られなくなる。

本願発明者等は、上述の如き従来のアルミニウム合金製
のピストンについて種々の実験的研究を行ったところ、
トップリング溝の壁面が２５０℃以上になる過酷な熱的
条件下に於て従来のピストンが使用される場合には、マ
トリックスのアルミニウム合金がトップリングに移着す
ることに起因する急激な摩耗、即ち凝着摩耗がトップリ
ング溝の下面に生じ易いことが解った。またこの凝着摩
耗は通常の状態に於ては強化材によりマトリックスがト
ップリングに直接接触することが回避されるのに対し、
アルミニウム合金が高温に加熱されると軟化し、これに
より複合材料の表面の強化材がマトリックスによって適
正には保持されなくなり、軟化したアルミニウム合金が
直接トップリングと接触することにより生ずるものであ
ることが解った。

従って上述の如き従来のピストンに於ては、内燃機関の
運転時に於けるトップリング溝周囲の到達温度を少くと
も２２０℃以下、好ましくは２００℃以下に維持するこ
とが必要であり、このことは例えばトップリング溝の位
置、ピストンの各部の寸法、オイルチャンネルの形成等
の如く、ピストンの設計の自由度を制約する一つの要因
となっている。

更に本願発明者等は、２５０℃前後の高温域に於けるト
ップリング溝壁面の摩耗量を低減させるためには、この
温度域に於ても複合材料自体の耐摩耗性が高く且用手材
への攻撃性が小さいことが必要であり、そのためには （イ）強化材が高温度に於てもトップリングを支えるの
に十分な剛性を有していること、（ロ）マトリックスが
高温度に於ても塑性変形を生じることなく強化材を適正
な状態に保持するに十分な耐熱性を有していること、 の二つの点が重要であり、上述の特開昭５８−９３８６
号の複合材料に於ては（ロ）の特性が不足しており、上
述の特開昭５９−２１８３４１号のピストンの複合材料
及び特開昭６１−１３２２６０号の複合材料に於ては（
イ）の特性が不足していることを究明した。

本願発明者等は如上の如き問題に鑑み、更に押々の実験
的研究を行った結果、少くともトップリング溝の下面が
アルミニウム合金をマトリックスとし短繊維若しくはウ
ィスカを強化材とする複合材料にて郭定されたピストン
であって、マトリックスとしてのアルミニウム合金中に
Ａｌと特定の金属元素との金属間化合物が微細に分散さ
れ、強化材、金属間化合物、強化材及び金属間化合物の
合計の各体積率が所定の値に設定されたピストンによれ
ば、トップリングの摩耗量を増大させることなくトップ
リング溝の下面の耐摩耗性及び耐凝着性を大幅に改善し
、これにより内燃機関の軽量化及び高出力化を図ること
ができることを見出した。

即ち従来のアルミニウム合金系複合材料の研究開発に於
ては、マトリックスは強化材間の応力伝達を担う担体と
いう考え方が支配的であり、マトリックスは比較的高い
靭性を有していなければならないものと考えられてきた
。従ってマトリックスを脆化させる原因となる金属間化
合物の析出を極力抑制する努力が払われてきた。しかし
種々の実験的研究の結果、２５０℃以上の高温に於ける
アルミニウム合金系複合材料の耐凝着性を向上させるた
めには、従来より脆化の原因と考えられていた金属間化
合物をマトリックス中に析出させることが極で有効であ
り、金属間化合物の種類、量等を強化材の量との関連に
於て適宜に設定することにより、トップリング溝部の耐
摩耗性及び耐凝着性に優れたピストンが得られることが
解った。

尚前述の特開昭５９−２１８３４１号公報や特開昭６１
−１３２２６．０号公報に記載されている如く、アルミ
ニウム合金のマトリックス中に金属間化合物が形成され
た複合材料及びかかる複合材料がトップリング溝部に組
込まれたピストンは既に知られている。しかしこれらの
複合材料に於ては、金属間化合物が形成された部位は網
状構造体の周囲の部分及び鋳鉄繊維の周囲の部分であり
、網状構造体のセル部（網状構造体の空隙部）や鋳鉄繊
維の間のマトリックスの部分ではないため、網状構造体
のセル部や鋳鉄繊維の間のマトリックスに耐熱性の低い
アルミニウム合金のみの部分が存在し、従って金属間化
合物が形成されない複合材料に比して耐摩耗性を向上さ
せることはできても２５０℃以上の高温度に於ける凝着
の発生を回避することはできない。

本発明は、本願発明者等が行った種々の実験的研究の結
果得られた知見に基き、特にトップリング溝の壁面の耐
摩耗性及び耐凝着性に優れ、相手材であるトップリング
の摩耗量を増大させることがなく、従って設計の自由度
が大きく、これにより内燃機関の軽量化及び高出力化を
可能ならしめる内燃機関用ピストンを提供することを目
的としている。

ａ８を解決するための手段 上述の如き目的は、本発明によれば、少くともトップリ
ング溝の下面がアルミニウム合金をマトリックスとし短
繊維若しくはウィスカを強化材とする複合材料にて郭定
されており、前記複合材材のマトリックス中にＡＩとＦ
　ｅ　ＳＮ　Ｉ　ＳＣｏ　ｓ　Ｃｒ５Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｏ
、Ｖ、Ｗ、Ｔａ５ＮｂＳＴｉ、Ｚｒよりなる群より選択
された少くとも一種の金属元素との金属間化合物が微細
に分散されており、前記複合材料中の前記強化材の体積
率は３％以上であり、前記金属間化合物の体積率は１０
〜５０％であり、前記強化材及び前記金属間化合物の合
計の体積率は６０％以下である繊維強化アルミニウム合
金製内燃機関用ピストンによって達成される。

発明の作用及び効果 本発明によれば、少くともトップリング溝の下面を郭定
する部分に於て、マトリックスとしてのアルミニウム合
金中にＡｌと他の所定の金属元素との金属間化合物が微
細に分散されており、金属間化合物によって強化材の間
のマトリックスが強化、即ち地固めされ、これにより高
温度に於ても強化材が所定の状態に保持され、マトリッ
クスが直接トップリングに接触することが回避されるの
で、従来のピストンの場合に比してトップリング溝の壁
面の耐摩耗性及び耐凝着性を向上させることができ、ま
た強化材及び金属間化合物の量が所定の値に設定される
ので、トップリングの摩耗量の増大を回避することがで
きる。

本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、強化
材の体積率が低すぎる場合にはトップリング溝の下面の
耐摩耗性や耐凝着性を十分に向上させることができず。

逆に強化材の体積率が高すぎる場合には相手材としての
トップリングの摩耗量が増大したり、機械加工によるト
ップリング溝の形成が困難になる。従って本発明の一つ
の゛詳細な特徴によれば、強化材の体積率は３〜４０９
６、特に３〜３０％に設定される。

また本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、
金属間化合物はＡｌと上述の金属元素との任意の金属間
化合物であってよいが、金属間化合物のうちＡＩ　とＦ
　ｅ　ｓ　Ｃｏ　ＳＮ　ｉの少くとも一種の金属元素と
の金属間化合物の比率が５０％以上であることが好まし
く、特にかかる特定の金属間化合物の体積率が１０９６
以上であることが好ましい。従って本発明の更に他の一
つの詳細な特徴によれば、金属間化合物のうちＡＩ　と
Ｆ　６　ｓ　ＣＯＮＮｉの少くとも一種の金属元素との
金属間化合物の比率は５０％以上に設定され、複合材料
中のかかる特定の金属間化合物の体積率は１０％以上に
設定される。

また本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、
金属間化合物はできるだけ均一に分散されていることが
好ましく、金属間化合物間の最短距離の平均値は１００
μｍ以下、特に５０μｍ以下であることが好ましく、ま
たマトリックスの脆化を回避するためには金属間化合物
間の最短距離の平均値は３μｍ以上、特に５μｍ以上で
あることが好ましい。従って本発明の更に他の一つの詳
細な特徴によれば、金属間化合物間の最短距離の平均値
は３〜１００μｍ１特に５〜５０μｍに設定される。

更に本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、
金属間化合物が粒状である場合にはその最大粒径が５０
μｍ以下、特に３０μｍ以下であることが好ましく、金
属間化合物が針状である場合にはその最大長さが１００
μｍ以下、特に５０μｍ以下であることが好ましい。

尚、本発明の複合材料に於ける強化材は従来より複合材
料の製造に使用されている任意の材質のものであってよ
いが、耐摩耗性向上効果や高温安定性等に優れている点
からセラミックよりなっていることが好ましい。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

実施例１ 平均繊維径２．８μｍ１繊維長２〜３■のアルミナ短繊
維（９５％ＡＩ　！！０３．５％Ｓ１０２、ＩＣＩ社製
「サフィルＲＦＪ）と、平均粒径５μｍのＮｉ粉末（純
度９９％）とを水中で均一に撹拌した後吸引成形を行う
ことにより、第１図に示されている如く、外径９０＋ｎ
ｍ、内径７０ｍｆｆ１．高さ２０）の寸法を有する円筒
状の成形体１０を四個形成した。この場合各成形体中の
アルミナ短繊維及びＮｉ粉末の体積率はそれぞれ７％及
び５％であり、アルミナ短繊維１２及びＮｉ粉末粉末１
４は実質的に互いに均一に混合された状態にあり、特に
アルミナ短繊維は成形体の円筒面に沿う二次元ランダム
にて配向されていた。

次いで各成形体を大気中に於て３００℃に２０分間予熱
し、しかる後第２図に示されている如く、各成形体１０
をピストン鋳造用の高圧鋳造装置１６の鋳型１．８のモ
ールドキャビティ２０内にてノックアウトプランジャ２
２上に配置し、モールドキャビティ内に７８０℃のアル
ミニウム合金（ＪＩｓ規格ＡＣ８Ａ）の溶湯２４を注湯
し、該溶湯を鋳型に嵌合する加圧プランジャ２６によっ
て１０００ｋｇ／ｃ−の圧力に加圧し、その加圧状態を
溶出が完全に凝固するまで保持し、これによりピストン
粗材を四個形成した。次いで各ピストン粗材に対し熱処
理ＴＶｓ即ち４９０’Ｃに４時間加熱した後水冷し、し
かる後２２０’Ｃに６時間加熱した後炉冷する熱処理を
施した。

次いで上述の如く形成されたピストン粗材の一つを切断
し、アルミナ短繊維にて複合強化された部分の組織を調
査したところ、ピストンの母材であるアルミニウム合金
（ＪＩＳ規格ＡＣ８Ａ）中にアルミナ短繊維が分散して
おり、各アルミナ短繊維の間の領域に於てはＮｉ粉末が
アルミニウム合金中のＡｌと反応し拡散することにより
形成された金属間化合物Ａｌ３Ｎｉが微細に分散された
状態にて存在していた。このＡｌ３Ｎｉの体積率は約２
７％であった。またピストン粗材の複合強化部以外の領
域の組成は元のアルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ８Ａ
）の組成のままであることが認められた。

［摩耗試験］ 上述の如く切断されたピストン粗材の複合部よりｌＯ×
１５×６ＩＩＩＩｎの寸法を有する摩擦摩耗試験用の摩
耗試験片を形成した。この場合１５Ｘ６ｍｎの寸法を有
する試験面がピストン粗材の軸線に垂直になるよう試験
片が切出された。

次いで外径３５ＩＩｌｆｆ１１内径３０ＩＩＩＩＩ１１
幅１０ｍｍのガス軟窒化処理されたステンレス鋼（ＪＩ
Ｓ規格５ＵＳ４４０Ｂ）製の円筒試験片の外周面に摩耗
試験片を常温にて接触させ、それらの試験片の接触部に
常温の潤滑油（ＳＡＥ　　ｌ０Ｗ−３０）を供給しつつ
、接触面圧６０　ｋｇ／　ｍｍ’　、滑り速度０゜３ｍ
／ｓｅｅにて円筒試験片を１時間回転させる摩耗試験を
行った。この摩耗試験の結果を第３図に示す。尚第３図
に於て、上半分は摩耗試験片の摩耗量（摩耗痕深さμｍ
）を表わしており、下半分は相手材である円筒試験片の
摩耗量（摩耗域Ｑ　ｒａ　ｇ　）を表わしている。

第３図より、摩耗試験片の摩耗痕深さは６μｍであり、
円筒試験片の摩耗量は０．４ｍｇであり、従って上述の
ピストン粗材の複合強化部に形成された複合材料は常温
に於て極めて優れた摩擦摩耗特性を有するものであるこ
とが解る。

［ピストンの製造コ 上述の如く形成されたピストン粗材より、第４図に示さ
れている如く、直径８５■、高さ７５ｍｍの寸法を有し
、ヘッド部２８の端面２８ａが平坦であり、トップリン
グ溝３０を含む端面２８ａより１７ｍｍの範囲の部分が
円筒状の外周面より７゜５Ｉｌ１１１の範囲に亘りアル
ミナ短繊維にて複合強化されマトリックス中に金属間化
合物が微細に分散された複合材料３２よりなるピストン
を機械加工により形成した。尚第４図に於て、３４．３
６．３８．４０はそれぞれトップランド、セカンドラン
ド、サードランド、スカート部を示しており、４２．４
４はそれぞれセカンドリング溝、オイルリング溝を示し
ており、４６はピストンピン孔を示している。またこの
場合、トップリング溝の下面３０ａの熱的条件を種々の
条件に設定すべく、端面２８より下面３０ａまでの距離
が１５　ｍｍｓ　１２＋１１１１１．８ｍｍである三種
類のピストン■〜■を形成した。

次いでピストン■〜■を４気筒２０００ＣＣのターボチ
ャージャ付きディーゼル機関に組込み、下記の条件にて
３００時間に亘る全負荷連続運転耐久試験を行い、試験
終了後にトップリング溝の下面の最大摩耗深さ及びトッ
プリングの下面の最大摩耗深さを測定した。これらの測
定結果を複合材料Ｎｏ、１として下記の表１に示す。尚
トップリングはガス軟窒化処理されたステンレスｍ（Ｊ
ＩＳ規１ｓＵｓ４４０Ｂ）にて形成されていた。

表　　１ 回転数：　　４５００　ｒｐｎ＋ 冷却水温：　１０５±５℃ 油温：　１２５±５℃ 排気温：　８５０℃ 出力／トルク：　１０６ＰＳ／２６．４ｋｇｍ表２より
、トップリング溝の位置に拘らずトップリング溝の下面
及びトップリングの下面の摩耗量はほぼ一定の小さい値
であり、また凝着等の異常摩耗は発生しておらず、従っ
てこの実施例の複合材料Ｎｏ、１にてトップリング溝の
下面が郭定されたピストンは高温度に於ける優れた耐摩
耗性及び耐凝着性を有するものであることが解る。

実施例２ Ｎｉ粉末の代りに平均粒径１２μｍのＣｏ粉末（純度９
９％）及び平均粒径１０μｍのＦｅ粉末（純度９９％）
を使用して実施例１の場合と同一の要領にてそれぞれ複
合材料Ｎｏ、２及びＮｏ、３を含むピストン粗材を４個
ずつ形成した。尚成形体中のＣｏ粉末及びＦｅ粉末の体
積率はそれぞれ４％、５％であった。

次いで各ピストン粗材の断面の組織を調査したところ、
複合材料Ｎｏ、２に於てはマトリックス中に体積率３０
％の金属間化合物Ａｌ９ＣＯ！！が微細に分散されてお
り、複合材料Ｎｏ、３に於てはマトリックス中に体積率
２８％のＡｌ３Ｆｅが微細に分散されていた。

また各複合材料より実施例１の場合と同様の要領にて摩
耗試験片を切出し、各試験片について実施例１の場合と
同一の要領及び条件にて常温に於ける摩耗試験を行った
。この摩耗試験の結果を第３図に示す。第３図より、複
合材料Ｎ００２及びＮｏ、３は複合材料Ｎｏ、１と同様
の優れた摩擦摩耗特性を有していることが解る。

更に残りの各ピストン粗材より実施例１の場合と同一の
要領にて実施例１の場合と同様の寸法のピストン■〜■
を形成し、各ピストンについて実施例１の場合と同一の
要領及び条件にて耐久試験を行った。これらの試験の結
果を表２に示す。

表２より、トップリング溝の下面を郭定する複合材料が
複合材料Ｎｏ、２及びＮｏ、３の何れのピストンの場合
にも、トップリング溝の下面及びトップリングの下面の
摩耗量は小さい値であり、従ってこれらのピストンは実
施例１のピストンの場合と同様高温度に於ける耐摩耗性
及び耐凝着性に優れていることが解る。

比較例 上述の実砲例１に於て形成された成形体１０と同一の寸
法及び形状を有する成形体であって、Ｎｌ粉末を含まず
体積率７％のアルミナ短繊維のみよりなる成形体Ａｌ平
均繊維径２０μｍ１平均繊維長３■の鋳鉄短繊維（ＪＩ
Ｓ規格Ｆ　Ｃ２Ｂ）を体積率が２０％になるよう圧縮成
形することにより形成された成形体Ｂ１ニッケルよりな
る三次元網状構造体（空隙率９０％、セルサイズ約１’
ｍｍ）を加工することにより形成された体積率約１０％
の成形体Ｃ，Ｎｉ粉末の代りに体積率約８％のＮＩＯ粉
末（平均粒径２μｍ１純度９９％）と体積率７９６のア
ルミナ短繊維よりなる成形体Ｅを用いて、それぞれ実施
例１の場合と同一の要領及び条件にてピストン粗材Ａ−
Ｃ及びＥを形成した。

次いで各ピストン粗材の複合材料Ａ−Ｃ及びＥの断面の
組織を調査したところ、複合材料Ａに於てはマトリック
ス中４こ金属間化合物が存在しておらず、複合材料Ｂ及
びＣに於てはそれぞれ鋳鉄繊維及び網状構造体の周囲に
それぞれ金属間化合物Ａｌ　３　Ｆｅ及びＡＩ３．Ｎｉ
が生成していることが認められた。また複合材料Ｅに於
ては、マトリックスのＡｌとＮｉＯ粉末との反応により
、体積率約２７％の金属間化合物Ａｌ３Ｎｉ及び体積率
約７％のＡＩ　！！０３が生成しており、それらの大き
さは約１００〜１５０μｍであった。

次いでこれらの複合材料より摩耗試験片Ａ−Ｃを切出し
、またマトリックスとしてのアルミニウム合金（ＪＩＳ
規格ＡＣ８Ａ）のみよりなる部分より摩耗試験片りを切
出し、これらの閑耗試験片について実施例１の場合と同
一の要領及び条件にて常温に於ける摩耗試験を行った。

これらの摩耗試験の結果を第３図に示す。

第３図より、比較例の複合材料Ａ−Ｃはマトリックスの
みの場合（Ｄ）よりも摩擦摩耗特性に優れているか、実
施例の複合材料Ｎｏ、１〜Ｎｏ、３はこれらの比較例の
複合材料よりも遥かに摩擦摩耗特性に優れていることが
解る。また複合材料Ｅに於ては、摩耗試験片及び円筒試
験片の何れの摩耗量も比較的高い値であり、トップリン
グ溝の下面を郭定する材料としては適切でないことが解
る。

これは摩耗試験片と円筒試験片が相互に摺動する状況に
於てＡｌ　２０３がマトリックスより脱落し、その脱落
した粒子によって摩耗が促進されることによるものと推
測される。またこの複合材料の場合には、金属間化合物
Ａｌ３Ｎ１と酸化物Ａ＋＝０３との生成割合が化学反応
の関係上京に一定となるため、成る程度の耐摩耗性を確
保するためには成形体中に含まれるＮｉＯ粉末の量を低
減させることが必要である。実験結果としては示されて
いないが、Ａｌ３Ｎｉの体積率が１％以下である場合に
かなり良好な耐摩耗性を確保することが認められた。し
かしその場合には金属間化合物Ａｌ３Ｎｉの体積率が４
％以下になり、その複合材料によりトップリング溝の下
面が郭定されたピストンに於ては容易に凝着摩耗が発生
してしまうことが認められた。

［温度測定］ 第５図に示されている如く、実施例１に於て、耐久試験
に供されたピストン■〜■に於て、トップリング溝の底
壁３０ｂより０．２ｍＩｎ内側の位置に先端が位置する
よう直径０．１ｎ＋＋＋＋の熱電対４８を組込み、実施
例１に於ける耐久試験と同一の条件にてディーゼル機関
を３０分間運転し、これによりトップリング溝近傍の温
度を測定しその平均値を求めた。その結果トップリング
溝近傍の温度はピストン■の場合には２１０℃であり、
ピストン■の場合には２５０℃であり、ピストン■の場
合には２７０℃であることが解った。

これらの温度測定結果と上述の各摩耗試験及び耐久試験
の結果六から以下のことが明らかである。

（１）約２１０℃以下の温度域に於ては、従来の複合材
料Ａ−Ｃ及び本発明に於ける複合材料の何れもかなり良
好な摩擦摩耗特性を有する。またアルミニウム合金のみ
（Ｄ）であっても摩耗量そのものは高い値になるが凝着
は発生しない。

（２）２５０℃以上の温度域に於ては、本発明に於ける
複合材料が２１０℃以下の場合と殆ど同等の耐摩耗性を
有しているのに対し、従来の複合材料Ａ−Ｃは何れも極
端な凝着摩耗、最悪の場合にはリングスティックを発生
する。これらの従来の複合材料に於ては、結果的にアル
ミニウム合金のみの場合と殆ど変らない異常摩耗が生じ
る。

（３）複合材料Ｅは本発明に於ける複合材料と同様２５
０℃以上の温度に於ても凝着を生じないが、摩耗量が極
めて高い。この複合材料に於ては、凝着防止に有効な金
属間化合物と摩耗発生の原因となるＡＩ　＝　０３粒子
とが一定の割合で生成するため、摩擦摩耗特性と凝着特
性とを両立させることが実質的に不可能である。

実施例３ 実施例１のアルミナ短繊維の代りに炭化ケイ素長繊維（
α−５ｉ　Ｃ９９％、平均繊維径２０μｍ）を長さ２〜
３■にチョッピングした繊維、窒化ケイ素ウィスカ（α
−５１３Ｎ４９９％、平均繊維径１μｍ、平均繊維長１
００μｍ）を使用した点を除き実施例１の場合と同一の
要領及び条件にてそれぞれ複合材料Ｎ、ｏ、４及びＮｏ
、５にてトップリング溝の下面が郭定され、トップリン
グ溝の位置が実施例１のピストン■と同一のピストンを
形成した。また同様に実施例１のアルミナ短繊維の代り
に平均繊維径２０μｍ、平均繊維長３■の鋳鉄短繊維（
ＪＩＳ規格ＦＣ２３）を体積率２０％にて使用すること
により、トップリング溝の下面が複合材料Ｎｏ、６によ
り郭定され、トップリング溝の位置が実施例１のピスト
ン■と同一のピストンを実施例１の場合と同一の要領及
び条件にて形成した。

次いでこれらのピストンについて実施例１の場合と同一
の要領及び条件にて耐久試験を行った。

この試験の結果を表３に示す。

表３より、強化材が鋳鉄短繊維である場合にはトップリ
ング溝の下面及びトップリングの下面の摩耗量が比較的
高く、また凝着摩耗が発生するのに対し、強化材が炭化
ケイ素繊維や窒化ケイ素ウィスカである場合にはトップ
リング溝の下面及びトップリングの下面の何れの摩耗量
も小さく、また凝着も発生せず、従って強化材が炭化ケ
イ素繊維や窒化ケイ素ウィスカである場合にも良好な耐
摩耗性及び耐凝着性を確保し得ることが解る。尚実験結
果としては示されていないが、強化材がアルミナ−シリ
カ短繊維（５２％Ａｌ２５ｉ０３．４８％ＳｉＯご、平
均繊維長３ＩＩＩ１１１・平均繊維径３μ１１）、炭化
ケイ素ウィスカ（９９％β−８Ｉ　Ｃ。

平均繊維長５０μ１１平均繊維径０．１μａ＋）、鉱物
短繊維（４５％ＳｌＯ！、４０％ＣａＯ１１０％Ａｌ！
！０３、残部Ｍｇ　Ｏ１平均繊維長２Ｉｌ１ｍ１平均繊
維径５μｍＭ）、ガラス繊維（６４％５ＩＯ２１２５％
ＡＩ　２０３、残部Ｍｇ　Ｏ１平均繊維長５１０Ｇ％平
均繊維径１０μｍ）である場合にも良好な耐摩耗性及び
耐凝着性を確保し得ることが認められた。

実施例４ 成形体中に混入される粉末の種類を実施例１に於て使用
されたＮｉ粉末と同一のＮｉ粉末、実施例２に於て使用
されたＣｏ粉末及びＦｅ粉末と同一のＣｏ粉末及びＦｅ
粉末に設定し、下記の表４に示されている如く各粉末の
量を種々の値に設定することにより、形成される複合材
料中の金属間化合物の体積率が実質的に０％、５９６．
１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％とな
るよう成形体を形成し、これらの成形体を用いて実施例
１の場合と同一の要領及び条件にてトップリング溝の位
置が実施例１のピストン■と同一のピストンを形成し、
各ピストンについて実施例１の場合と同一の要領及び条
件にて耐久試験を行った。

これらの試験の結果を表５に示す。

表５より、金属間化合物の種類に拘らず、その体積率が
５％以下の場合には凝着が発生し、逆に体積率が６０％
以上の場合には複合材料のマトリックスが脆化し過ぎる
ことによってピストンのランド部が欠損することが解る
。従って金属間化合物の体積率は１０〜５０％であるこ
とが好ましいことが解る。

実施例５ 成形体中に含まれるアルミナ短繊維の体積率を２９６．
３％、５％、１０％、２０％、３０％、４０％に設定し
、またＮｉ粉末の体積率を実施例４の表４に示された値
に設定することにより５６種類の成形体を形成し、各成
形体を用いて実施例１の場合と同一の要領及び条件にて
ピストン■と同一の寸法を有す°るピストンを形成し、
各ピストン−について実施例１の場合と同一の要領及び
条件にて耐久試験を行った。これらの試験の結果を第６
図に示す。尚第６図に於て、０は凝着が発生せず、トッ
プリング溝の下面の摩耗量も極く僅かであることを意味
し、Δは凝着は発生しないがトップリング溝の下面の摩
耗量が１５μｍを越えたことを示しており、×は凝着摩
耗が発生したことを示しており、＋はピストンのランド
部が欠損したことを示している。

第６図より、トップリング溝の下面に於て良好な耐摩耗
性及び耐凝着性を確保するためには、アルミナ短繊維の
体積率は３％以上であり、金属間化合物Ａｌ３Ｎ１の体
積率は１０〜５０％、アルミナ短繊維と金属間化合物Ａ
ｌ３ＮＩの合計の体積率は６０％以下であることが好ま
しいことが解る。

尚この実施例と同様の試験を強化材が実施例３に於て使
用された炭化ケイ素繊維及び窒化ケイ素ウィスカについ
ても、また成形体に混入される粉末が実施例２に於て使
用されたＣｏ粉末及びＦｅ粉末についても行ったところ
、第６図に示された結果と同一の結果が得られた。

実施例６ 実施例１のＮ１粉末の代りに、下記の表６に示された合
金粉末及び純金属粉末を使用し、下記の表７に示されて
いる如く、合金粉末については成形体中の体積率を５％
に設定し、純金属粉末については全体として体積率が５
％になるよう混合して成形体を形成し、各成形体を用い
て実施例１の場合と同一の要領及び条件にてピストン粗
材を二個ずつ形成した。次いで各組の一方のピストン粗
材の複合部の断面組織を調査することにより、マトリッ
クス中に分散されていた金属間化合物の種類を判定した
。その結果を下記の表７に示す。

また残りの各ピストン粗材より実施例１のピストン■と
同一の寸法のピストンを形成し、各ピストンについて実
施例１の場合と同一の要領及び条件にて耐久試験を行っ
た。その結果何れのピストンに於てもトップリング溝の
下面に凝着の如き異常は発生せず、その摩耗量も極めて
僅かであることが認められた。

また下記の表７に示された種々の粉末の成形体中の体積
率や混合粉末の混合比を変化させて凝着が生じるか否か
の検討を詳細に行ったところ、（１）金属間化合物の総
量が体積率で１０％以上である （２）ＡＩ　とＦｅ　ｓ　Ｃｏ　、Ｎ１の少くとも一種
との金属間化合物が全金属間化合物量の５０％以上であ
る の二つの点を満足する場合にピストンのトップリング溝
の下面の耐摩耗性及び耐凝着性が極めて良好であること
が認められた。また上述の（１）及び（２）の二つの条
件が充足される場合に於ては、Ｆ　ｅ　ｓ　Ｃｏ　ｓ　
Ｎ　！以外の金属元素がＣｒ　、Ｍ　ｏ　ｓＶ、Ｗ、Ｎ
ｂ　、Ｔａである場合にも同様に良好な結果が得られた
。更にＡＩとＦｅ５Ｃｏ、Ｎｉとの金属間化合物以外の
金属間化合物が含まれている場合に於ては、ＡＩとＦｅ
５Ｃｏ１Ｎｉの金属間化合物の体積率が１０％以上であ
る場合に特に良好な結果が得られることが解った。

表　　　２ ０・・・・・・凝着発生せず Ｘ・・・・・・凝着発生 完　； 表　　　６ 粉末の種類　　純度（％）　平均粒径（μｆｆ１）Ｎｌ
−５０％Ｆｅ　　　　９９　　　　１２Ｎｉ−５０％Ｃ
ｏ　　　　９９　　　　１２Ｆｅ−５０％Ｃｏ　　　　
９９　　　　１ＯＮ　ｌ−３０％Ｃｕ　　　　９９　　
　　１０Ｆｅ−２０％Ｍｎ　　　　９９　　　．１０Ｃ
ｕ　　　　　　　９９　　　　１５ Ｍｎ　　　　　　　９９　　　　１０ Ｔｉ　　　　　　　９９　　　　１０ 以上に於ては本願発明者等が行った種々の実験的研究の
結果と共に本発明の幾つかの実施例について詳細に説明
したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものでは
なく、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能であ
ることは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図はアルミナ短繊維とＮ１粉末とよりなる円筒状の
成形体を示す斜虱図、第２図は第１図に示された成形体
を用いて高圧鋳造によりピストン粗材が形成される要領
を示す解図、第３図は実施例１．２及び比較例の複合材
料について行われた摩耗試験の結果を示すグラフ、第４
図は本発明によるピストンの一つの実施例を示す断面図
、第５図はピストンの内部に熱雷対が配置される態様を
示す解図、第６図は実施例４に於ける耐久試験の結果を
示すグラフである。 １０・・・成形体、１２・・・アルミナ短繊維、１４・
・・Ｎｉ粉末、１６・・・高圧鋳造装置、１８・・・鋳
型、２０・・・モールドキャビティ、２２・・・ノック
アウトプランジャ、２４・・・アルミニウム合金の溶湯
、２６・・・加圧プランジャ、２８・・・ヘッド部、２
８ａ・・・端面、３０・・・トップリング溝、３２・・
・複合材料、３４・・・トップランド、３６・・・セカ
ンドランド、３８・・・サードランド、４０・・・スカ
ート部、４２・・・セカンドリング溝、４４・・・オイ
ルリング溝、４６・・・ピストンピン孔、４８・・・熱
電対 特　許　出　願　人　　トヨタ自動車株式会社代　　　
　　理　　　　　人　　　弁理士　　明　　石　　昌　
　毅第１図 第２図 第３図 り 第４図 ３０・・　トップリング溝 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 少くともトップリング溝の下面がアルミニウム合金をマ
   トリックスとし短繊維若しくはウイスカを強化材とする
   複合材料にて郭定されており、前記複合材料のマトリッ
   クス中にＡｌとＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｎ、
   Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒよりなる群より
   選択された少くとも一種の金属元素との金属間化合物が
   微細に分散されており、前記複合材料中の前記強化材の
   体積率は３％以上であり、前記金属間化合物の体積率は
   １０〜５０％であり、前記強化材及び前記金属間化合物
   の合計の体積率は６０％以下である繊維強化アルミニウ
   ム合金製内燃機関用ピストン。