JPH0356832B2

JPH0356832B2 -

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Publication number: JPH0356832B2
Application number: JP58093319A
Authority: JP
Priority date: 1982-05-27
Filing date: 1983-05-26
Publication date: 1991-08-29
Also published as: EP0095604A2; US4432313A; JPS58215291A; DE3375763D1; EP0095604B1; MX160644A; EP0095604A3; DE95604T1

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、アルミニウム合金製ピストンに使用
されるフエーシングつまり硬化肉盛用のアルミニ
ウム基合金に関する。本発明は特に、315℃（600〓）に達する高い作
動温度で使用されるアルミニウム製ピストンの表
面に被着される硬化肉盛用アルミニウム基合金に
関するものである。内燃機関では、殆んど全ての場合、ピストンと
シリンダ内壁との間の間隙は、該ピストンによつ
て担持される少くとも１個のピストンリングでシ
ールされる。特に、ピストンには環状のピストン
リング溝があり、ピストンが往復動する場合にピ
ストンリングがピストンと一体に動き得るよう
に、ピストンリングの一部は前記のピストンリン
グ溝内に収容されている。ピストンリングには、シリンダ壁に接触する面
と、前記のピストンリング溝の壁に接する表面と
がある。代表的には、ピストンは主としてアルミニウム
−けい素合金の基本材料から構成されている。アルミニウム−けい素合金は、軽量であるこ
と、耐摩耗性が良好なこと、熱伝導性が高く、高
温で熱膨脹特性が低くかつ比較的安定であること
から一般に使用されている。一例として、高荷重
デイーゼルエンジンのピストンの基本合金として
産業的に使用されているアルミニウム合金の一例
としては重量基準で次の成分が含まれる。けい素 10.5〜11.5％銅 1.5〜2.0％マンガン 0.4〜0.9％鉄最大0.7％亜鉛最大0.4％マグネシウム 0.5〜0.9％不純物最大0.8％アルミニウム残部ピストンの基本材料として使用されるアルミニ
ウム合金の多くは、高温強度が高くない、つまり
高い作動温度での変形に対する抵抗性は高くな
い。高負荷デイーゼルエンジンでは、ピストンリン
グ溝は315℃（600〓）にも達するピストンリング
との接触を余儀なくされる。このような高温で
は、ほとんど全ての金属、特にアルミニウム−け
い素、合金では変形に対する抵抗性の大部分が消
失する。さらに燃焼室内に存在する高圧がピストンリン
グ溝のいくつかの部分に対し、直接にあるいはピ
ストンリングを通じ間接的に、かなりの大きさの
力を及ぼす。ピストンリング溝の壁部の高温硬度が、高温、
高圧を受けた際の変形に対し抵抗するに十分でな
くなると、ピストンリングは燃焼室を正しくシー
ルすることができなくなる。ブローバイ（即ち燃焼ガスがピストンリングを
通り抜けて吹き出す現象）が起り、その結果該エ
ンジンの圧縮比が低下してエンジンの作動に不利
な影響を及ぼすようになる。ピストンリング溝の
壁部の変形を最小限にするために、種々の技術が
利用されている。その中の一つは、より硬質の、
例えば、Ni−resist（ニツケル含有鋳鉄の冶金工
業での名称）のリングの周囲に、アルミニウム基
合金を鋳造あるいは鍛造により被着し、リング溝
部を切削成形するものである。この技術によれ
ば、ピストンリング溝の高温硬度を上昇させるこ
とはできるが、いくつかの好ましくない性質を伴
なう。その一つは、鋳造または鍛造によるのでは
ニレジスト（Ni−resist）と基体合金間の冶金的
接合が良好でないことである。冶金的接合が良好でなければ、ピストンリング
溝を形成する材料と基体合金との間の熱伝導も良
好ではなくなり、ピストンリングの周辺から熱を
伝導により奪うというピストン全体の能力が阻止
されることになる。ピストンリング溝の高温硬度を上昇させるため
の別の提案が、アメリカ国特許第3285717号に開
示されている。この特許によれば、あるアルミニ
ウム系の表面硬化肉盛り合金をピストンの肉盛り
溶接し、この溶着金属に少くとも部分的にピスト
ンリング溝を形成する。該特許に開示されているハードフエーシング用
アルミ合金は、重量で12−30％のけい素と、10−
30％の銅と、２−６％のマンガンと６％以下の鉄
を含むものである。前記アメリカ特許3285717に開示されている合
金は、315℃（600〓）での高温硬さがBHN（ブ
リネル硬度）で45−139である。本願の出願人は、
これらの硬度値は合金成分が希釈化つまり薄めら
れていない状態、即ち基体合金上に溶着される前
の状態での値であると信じている。しかしながら、前記アメリカ特許3285717の入
手可能な形状の合金を、同じく商用アルミ基ピス
トン合金に溶接する場合には、このハードフエー
シング合金の高温硬さは、溶接前でも、本出願が
達成したい目標値［つまり315℃（600〓）での硬
さBHN100］よりはかなり低いことが判つた。溶接工程間に、ハードフエーシング合金は基体
合金によつて薄められ、溶着金属部の高温硬さは
顕著な低下を示した。特にアルミニウム肉盛り合
金は、実質的に20％のけい素と、15％の銅と、４
％の銅と、２％の鉄と、残部がアルミニウムから
なり、これがピストン用基体合金に溶着された。
溶着用合金は、薄められない状態で315℃での高
温硬さが63.7BHNであつた。ピストン基体合金に溶接された後の溶着金属部
は、315℃（600〓）での高温硬度は約50BHNで
あつた。肉盛材料の溶着金属部内にピストンリン
グ溝を切削形成した場合に、高温では該リング溝
の壁部にかなりの変形が認められた。出願人ならびに譲受人としては、高荷重デイー
ゼル機関ピストン用としては、溶着金属部の高温
硬度は上記の実際値よりは実質的に改良されたも
のでなければならないものと確信している。特
に、溶着金属部は315℃（600〓）で最低
100BHNでなければならず、高荷重デイーゼル
機関の作動温度ならびに圧力下で変形に耐えるに
は好適には100BHNよりはかなり高い硬度（即
ち、150BHNまたはそれ以上）でなけらばなら
ないと信じている。本発明は、硬化肉盛用のアルミニウム基合金に
関し、この硬化肉盛用のアルミニウム基合金は高
荷重デイーゼル機関のピストンが受ける温度でも
極めて良好な高温硬さを有するものである。特に本発明は、ピストンを構成するアルミニウ
ム基材料で薄められても、315℃（600〓）でブリ
ネル硬度で少くとも100の硬さの硬化肉盛り溶着
金属を形成しうるようなアルミニウム基合金を提
供するものである。さらに本発明の合金は、ニツ
ケル含有量が高いにもかかわらず、アルミニウム
−けい素基材料に割れを生ずることなく満足な溶
接ができ、デイーゼルエンジンの作動温度と圧力
を受けた状態でクラツクの発生に耐えるだけの靭
性を有している。本発明の合金はアルミニウム合金製ピストンに
使用される硬化肉盛用のアルミニウム基合金であ
つて、重量で、６％から12％までのけい素と、0.5％
から６％までの銅と、２％から６％までのマンガ
ンと、0.5％から３％までの鉄と、16％から25％
までのニツケルと、残部アルミニウムと不可避不
純物とから成り且つ合金元素が少なくとも34％含
まれるアルミニウム合金である。本発明は、高温強度が重要なピストンリング溝
上に適用する硬化肉盛りとなるアルミニウム基合
金を提供するものである。次に本発明合金の成分組成に関する数値限定理
由を示す。けい素に関し、けい素が６％より少ないと合金
の耐摩耗性が低下し、一方12％より多いと合金の
脆化が生じる。銅はけい素との相互作用により合金に良好な耐
摩耗性と増大した硬さを付与する成分であるが、
0.5％より少ないとこの効果が充分でなく、６％
より多いと高温硬さを低下させる。即ち0.5〜６
％までの銅は合金中においてけい素と協働して析
出硬化を生じさせ上記作用効果をもたらす。マンガンは合金の高温硬さを付与する成分であ
り、２％より少ないその硬化が生じず、６％より
多いと合金が脆化する。鉄は、マンガン及びニツケルと協働して合金の
高温硬さを付与する成分であり、0.5％より少な
いとマンガン及びニツケルが所定量含有されてい
ても高温硬さの増大が生じず、３％より多いと合
金が脆化する。 Niは、マンガン及び鉄と協働して合金の高温
硬さの改善をおこなう成分であり、25％より多い
と合金が脆化し、16％より少ないと合金の高温硬
さが充分でない。合金の高温硬さをブリネル硬度で315℃で100以
上とするためには、上記添加成分の合計量が34％
以上であることが必要である。本発明のその他の特徴は、添付の図面を参照し
て、以下に述べる実施例の説明から当業者には明
らかになるであろう。図面中、第１図は、内燃機関に使用するピスト
ン１０の断面図である。ピストン１０には、エン
ジンの燃焼室の燃料に点火された場合に高温の膨
脹ガスが作用する上面１０ａとエンジンのクラン
クケースの比較的低温部に接する下面（図示せ
ず）とがある。このピストン１０は、シリンダ壁１４を有する
シリンダ１１内で往復動する。ピストンの外周面
１３とシリンダ壁１４との間には隙間１２があ
る。開示された実施例においては、この隙間１２
はピストンによつて担持されている一連のピスト
ンリング１６，１８および２０によつてシールさ
れる。このピストンリング１６と１８は、それぞれピ
ストンリング溝２２，２３に配置されている圧縮
リングである。リング２０は、伸張ばね２１によ
つて前記シリンダ壁１４と係合するように押圧さ
れているオイル制御リングである。上部制御溝２２には図示のように、本発明の原
理に則り部分的に硬化肉盛り２６が施こされてい
る。これ以外のピストンリング溝でも、本発明に則
り、硬化肉盛りされうることは当業者には明白で
ある。このピストンリング溝２２には、ピストンの軸
線に平行に延在する内壁２５と、この内壁から半
径方向外方に向つて互に拡大する側壁２４とを含
んでいる。前記の圧縮リング１６には、両側壁２
７（第２図）があり、好適には前記の側壁２４と
は僅に相異する角度で拡大するようになつてい
る。ピストンリング溝とピストンリングとは別の
形状にすることも可能である。第１図と第２図に見られるように、圧縮リング
１６は、ピストンリング溝２２内に、すきまば
め、つまり遊合状態になつている。従つて、燃焼
ガスは、リング１６の半径方向の内方部（即ち内
壁２５に近い方）に向つて流入し、そこでリング
１６をシリンダ壁１４に向つて半径方向外方に押
圧する。ピストン１０が往復動するのに伴なつて、ピス
トン１０の材質よりも硬い圧縮リング１６は、ピ
ストンリング溝２２の側壁２４の半径方向で外側
反対側にある部分２４ａに向つて交互に押圧され
る。従つて、側壁２４の半径方向外側部２４ａは、
ピストンに与えられる高温・高圧の状態にされて
いる圧縮リング１６との反復接触にも、大した変
形を生じることなく耐え得るだけの十分な硬さに
なつていなければならない。従つて、ピストンリング溝２２の側壁２４の半
径方向外方部には、本発明に従つて硬化肉盛り部
が形成される。前記側壁２４の外方部２４ａと接
触する外方部も、アメリカ国特許第4299401号の
技術に則り、劣化防止の目的で強化される。第２
図は、硬化肉盛り層２６を形成したピストン１０
の冶金学的形状を模式的に図示したものである。
ピストン１０の本体は、軽量で耐摩耗性が良く、
熱伝導性が高く、高温での熱膨脹性が低く且つ安
定なアルミニウム−けい素基合金３０を含んでい
る。１例として、高荷重ピストン用軸受として
は、重量で次のような成分のものがある。けい素 10.5−11.5％銅 1.5−2.0％マンガン 0.4−0.9％鉄最大0.7％亜鉛最大0.4％マグネシウム 0.5−0.9％不純物最大0.8％アルミニウム残部本発明の硬化肉盛り層２６は、基本合金３０に
よつては殆んど薄められていない肉盛り合金部２
６ａと、基本合金によつて幾分薄められ、前記の
薄められていない部分２６ａを基本合金に冶金学
的に接合するための別の部分２６ｂとを含んでい
る。ピストンリング溝２２は、この硬化肉盛り層２
６内に形成され、さらに該層２６を通り越し基体
合金部３０に達している。このような構成は好ましいものである、それは
硬化肉盛りを形成する必要のある部分は、ピスト
ンリング１６と接触しうるピストンリング溝２２
の半径方向外側部２４ａに限られるからである。さらに別の理由としては、より軟質の基体合金
３０は、ノツチ疲労強度が硬化肉盛り層２６より
も大きく、ピストンリング溝２２の最内側部に疲
労クラツクが発生する可能性は極めて少ないから
である。ピストンに硬化肉盛り層を形成するに際して
は、基体合金に最初から、好適には切削加工によ
つて、面取り４４（第３図）を形成する。この面
取りは、通常は断面形状が半円形のものとする。
この半径は、好ましくは硬化肉盛層の、壁２４の
上部および下部での巾２６が圧縮リング１６とピ
ストンリング溝間の実質的な接触が発生する領域
において、ピストンリング溝の巾の少くとも45％
になるようなものであることである。そこで、基体合金部を約260℃（500〓）に予熱
し、硬化肉盛り合金３０を面取り部４４内に、好
適にはプラズマ移行アーク（PTA）法によつて
溶着する。次にピストンを、溶接後の温度299℃（570〓）
を越えないように内部的に、つまり内部の温度が
越えないように冷却する。ピストン約504℃（940
〓）で２時間熱処理し水冷する。次にピストンを
238℃（460〓）で４時間時効処理し空冷する。最
終的に、硬化肉盛り層の内部までピストンリング
溝を切削加工し、ピストンの外周囲を平滑に仕上
げる。出願人としては、プラズム移行アーク溶接法
（PTA）が基体合金30に肉盛り層２６を溶着する
には好適なものとして選定する。この方法は当業
者に周知であるから説明を特に追加する必要はな
い。溶接技術の一例として、直径139.7mm（5.5″）
のデイーゼルエンジンピストンを製造するに際
し、次の溶接パラメータによつて行なつた。回転速度：0.76rpm−332.7−333mm（13.1−13.5″）棒の送り：165.1−177.8（6.5−7.0インチ／分）溶接電流：100−105Apm直流逆極性アーク電圧：33−37ボルトシールドガス：ヘリウム1.70−1.98m³（60−70立
方フイート／時）プラズマガス：アルゴン 0.085〜0.156m³（3.0−
5.5立方フイート／時）溶加棒直径：6.35mm（1/4インチ）電極直径：球状端で7.94mm（5/16インチ）ピストンの溶着では、硬化肉盛り合金の溶着に
２回の溶接パスで十分である。溶接施行の間、硬化肉盛り合金が基体合金によ
つて多少薄められるものと予期される。溶接作業
の多くの場合に溶着金属部全体にわたつて、通常
20％程度の稀薄化が起り得るものである。然し、
本発明の硬化肉盛り部では、稀薄化は主として
（）面取り部４４の表面に近い基体金属３０の
部分と（）溶着金属２６の外皮部に起る。溶着金属の中心部では、硬化肉盛り合金の稀薄
化は、仮にあつたとしても、極めて少い（殆どな
い）。従つて、第３図に図示したように、リング溝２
２を形成する以前には（）基体金属に近い稀薄
域２６ｂ、（）実質的に稀薄されていない中心
核２６ａ、（）基体金属層５５ａと稀薄溶着合
金層５５ｂを含む外皮層５５が存在することにな
る。前記の各領域の境界線は、第３図に図示して
いるようにはつきりとしたものではない。溶接作業が終りピストンと溶着金属部とが前述
の方式で熱処理された後に、ピストンリング溝２
２を前記溶着金属部中にさらにそこを通り越すま
で機械加工される。まず最初に、ピストンリング
溝の壁２４の最外側部２４ａが溶着金属の中央域
２６に形成されるように密着金属部の外皮部２５
を切削除去する、この部分は既に述べたように実
質的に稀釈化されていない硬質肉盛り材になつて
いる。第３図中に破線で示した部分は、ピストン外表
面の輪かくと、前記ピストン中に形成さるべきピ
ストンリング溝２２の形状とを図示したものであ
る。破線で示されているように、ピストンリング溝
２２は溶着金属部の稀薄化されていない領域２６
を起点とし基体材料３０の領域まで達する。本発明によれば、圧縮リング１６とリング溝の
接触が起る領域２４ａでは、溶着金属部は、６％
から12％のけい素と、0.5％から６％までの銅と、
２％から６％までのマンガンと、0.5％から３％
までの鉄と、16％から25％までのニツケルと残部
がアルミニウムとから成り、合金元素の添加量が
合金全体の少くとも34％に達するものである。前記のような組成を有する溶着金属部によつ
て、ピストンリング溝の壁部２４は、ピストンと
接触する半径方向外方領域において、315℃での
高温硬度が少くともブリネル硬度100以上でなけ
ればならない。実質手に薄められていない合金からなる溶着金
属部中に形成される２６ａのようなピストンリン
グ溝の部分は、高温硬度がブリネル１５０または
それ以上を有しうる。溶着金属層のそれ以上の特徴については、下記
の実施例と関連して説明する。実施例１高温硬度の高いピストンリング溝を得るため
に、アルミニウム基ピストンにアルミニウム合金
を溶着した。この合金は重量で9.9％のけい素と、
4.87％の銅と、19.5％のニツケルと、3.69％のマ
ンガンと、1.93％の鉄と残部（60.1％）がアルミ
ニウムから成るものであつた。薄められない状態
でのこの合金は、315℃でのブリネル硬度が159.2
であつた。ピストン中の１個に溶着された溶着部は、溶着
金属部の表面に直角に、溶着金属ビードの中心に
向つたビード部の315℃での硬度はブリネル99.3
であつた。溶接ビードの中心に向つての溶着金属部のニツ
ケル含有量は、13.8％であつた。また、実測はし
なかつたが、溶着金属層の中間部はマンガンが２
％、鉄が１％であると確信できる。このように、
ニツケルとマンガンと鉄の合計量が17％に達した
場合の溶着層の高温硬さは、ブリネル１００であ
つた。所望の硬度を維持することの可能な許容可能な
稀釈因子を決定するために、実施例１と合金を商
用のピストン部材と溶接して薄め、室温と315℃
での高温硬度を測定した。試験の結果を第４図（19％）に、前述の市販の
硬化肉盛り合金を同様に薄めた結果と共にプロツ
トした。実施例１の合金の高温硬度を下記の表に示す。

【表】

【表】生成された合金の化学成分を下表に示す。

【表】上記の２つの表から、けい素と銅の合計量はか
なり一定であるがニツケル、マンガン、鉄の合金
成分はアルミニウムとは逆に変化していることが
認められる。高温硬度も、ニツケル、マンガンおよび鉄の合
計量が減少するのに伴つて減少している。さら
に、薄め率（希釈度）が20％でアルミニウム成分
が65％以下の場合は、合金の315℃での高温硬度
は少くとも100を示した。このように、溶接間の希釈度が20％までなら
ば、実施例の合金の溶着金属部は、315℃で少く
とも100BHN（ブリネル硬さ）を示す筈である。
実施例１の合金について、一連のシヤルピ衝撃試
験を行なつた。試験結果から実施例１の合金は、
高温に於けるピストンの作動条件での繰返し打撃
を受ける場合の割れに対しても十分な靭性を有し
ていることを示している。実施例２実施例１の合金では、合金の高温硬度は、ニツ
ケル、鉄およびマンガンの含有量の低下に伴なつ
て低下する。また、溶着金属部のニツケル成分は（16−25
％）で、多くのアルミニウム合金の場合よりも高
い値であつた。出願人は、アルミニウム−ニツケル合金の潜在
的な脆性により、このような高ニツケル成分の合
金の提供が阻止されていると信じている。そこ
で、ニツケル成分の影響を評価するため、２種の
高ニツケル含有合金を溶製して鋳造した成分を下
記に示す。

【表】第３番目の溶解試料は、実施例１に似ている
が、アルミニウムを減少させ、代りにニツケルを
５％だけ多く添加したもので、近似的に下記の成
分であつた。

【表】合金２ａを商用のアルミニウム基材料で希釈し
た一連の試料を鋳造し、試験結果を第４図に（25
％ニツケル系）としてプロツトし、さらに下表に
示す。

【表】第表から、ニツケル分が高いほど、また希釈
度が30％までは、合金の高温硬度は100BHNを
越えていることが判る。合金２ａ，２ｂおよび２
ｃにつき２個づつのピストンを準備して溶接した
場合に、25％Niの合金２ａと２ｃはいずれも良
好であつたが、合金２ｂを用いた中の一個は、溶
接ビートの付け根の部分にクラツクが生じた。また合金２ａの中の一個も、ピストンを水焼入
れた場合の品質が不良であつた、その原因はニツ
ケル成分が高いためと確信できた。従つて、出願人としては、溶着金属部でのニツ
ケルの実用的上限は25％であると考える。最終的に、出願人は二つに記載した合金元素の
いくつかは、本明細書では開示していない他の添
加元素と、ある量の範囲内で、比較可能な結果を
示しうる程度に置換可能であると判定している。
例えば、コバルトの少量をニツケルの一部と置換
しても、所望の高温硬度を得ることが可能である
と判断した。コバルトはアルミニウムに対してはニツケル程
の固溶度はないので、置換の実用的上限は５％と
考えることができる。従つて、このような置換
は、実際問題として所望の特性を維持するために
は、コバルト５％以下に限定さるべきであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を実施して硬化肉盛り溶着部
にピストンリング溝を形成したピストンの部分断
面図；第２図は、第１図のピストンのリング溝部
の拡大断面図；第３図は、表面に硬化肉盛りを行
なつたピストンの模式部分断面図で、この肉盛り
を越えてピストンリング溝を形成すべきことを示
す；また第４図は市販アルミニウム基合金を使用
して希釈した本発明の肉盛り溶着層を形成する２
実施例の希釈度に対する高温硬度の変化を示すグ
ラフである。

Claims

【特許請求の範囲】１アルミニウム合金製ピストンに使用される硬
化肉盛用のアルミニウム基合金であつて、重量で、６％から12％までのけい素と、0.5％
から６％までの銅と、２％から６％までのマンガ
ンと、0.5％から３％までの鉄と、16％から25％
までのニツケルと、残部アルミニウムと不可避不
純物とから成り且つ合金元素が少なくとも34％含
まれるアルミニウム合金である、上記アルミニウ
ム基合金。２ 315℃でブリネル硬度が少なくとも100であ
る、特許請求の範囲第１項のアルミニウム基合
金。３硬化肉盛用のアルミニウム合金は、ピストン
リング溝の少なくとも一部に使用されている、特
許請求の範囲第１項によるアルミニウム基合金。