JPH02298652A - 軽量金属製ピストン - 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（。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順
位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
止めナツ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。

−亘緩んだならば、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ツトは釈放され、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与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、クランクの成長が阻
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１
６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２
０、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ビン用のボア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、りラウン
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
た回り止めナツト、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３
２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状め
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状めされて
いる。第４図において、予成形品３４ｃのファイバ３２
ｃは予成形品の軸線３６に対して平行に方向状めされて
いる。第５図において、予成形品３４ｄのファイバ３２
ｄは三次元的に不規則に方向状めされている。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、或はマグネシラ・
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内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。

本発明の強化ピストンは第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３
４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、金属はさら恍啄縮、鷺４−。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４２０．リス
トビンボア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会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＃　　　　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 ＝ミＩＧ、１ 一モＥ’Ｉ６．６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、熱亀裂及び金属クリープに対するピストン耐久性を
   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設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、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、前記クラウンを通って伸長する軸部、及
   び前記クラウンと作用可能に協働し、前記ヒートプラグ
   を前記クラウンに固着する手段を備え、前記ピストンの
   軽量金属とは異なる材料から成り異なる材料性質を有す
   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
   設され、材料の性質を変化させて前記ヒートプラグと前
   記ピストン金属との間における材料の性質の差を軽減し
   かつ前記クラウンを強化する手段にして、前記ヒートプ
   ラグを囲繞する前記クラウンの一部の金属内に完全に押
   し込まれた強化ファイバを有する前記手段と、を備える
   ことを特徴とする軽量金属製ピストン。 ２、前記ピストンがアルミニウム、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
   の合金群から選択された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、前記ファイバが相互に組み合わされて予成形品を形
   成し、前記予成形品が前記ファイバの間の隙間を有し、
   前記隙間がピストンの金属にて充填され、前記ファイバ
   が前記クラウン内に埋め込みられ得るようにすることを
   特徴とする請求項１記載のピストン。 ４、前記クラウンの前記ファイバ強化部分が円筒状の形
   状を有し、その直径が前記強化部分の軸方向長さの２倍
   乃至１０倍であり、前記強化部分が前記クラウン内にて
   半径方向に中心決めされ、前記クラウン上面の中心を強
   化することを特徴とする請求項１記載のピストン。 ５、ファイバ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、ヒートプラグを囲繞する部分から半径
   方向外方に前記強化部分の周縁まで前記クラウンの材料
   の性質が変化する部分を形成することを特徴とする請求
   項１記載のピストン。 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、前記クラウンの前記強化ファイバが三次元的に不規
   則に方向決めされることを特徴とする請求項４記載のピ
   ストン。 ８、前記クラウン内の前記強化ファイバが軸方向に方向
   決めされることを特徴とする請求項４記載のピストン。 ９、前記クラウン内の前記強化ファイバが前記軸線を中
   心とする周縁面内にて二次元的に不規則に方向決めされ
   ることを特徴とする請求項４記載のピストン。 １０、前記クラウン内の前記強化ファイバが前記軸線に
   対して直角な面内にて二次元的に不規則に方向決めされ
   ることを特徴とする請求項４記載のピストン。