JPH0559994B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は大型デイーゼルエンジン等の内燃機
関に使用される鋳鉄製ピストンおよびその製造方
法に関するものであり、特に高温に曝されるピス
トンヘツド部の少なくとも一部の表面層を局部的
に強化した鋳鉄製ピストンおよびその製造方法に
関するものである。

従来の技術 鋳鉄製の内燃機関用ピストンは、アルミニウム
合金製ピストンと比較して重量は大きいものの、
一般に高温強度に優れているため、大型デイーゼ
ルエンジン等に使用されている。

ところでデイーゼルエンジン、特に直噴型デイ
ーゼルエンジンにおいては、ピストンのヘツド部
は燃料噴射を受けて高温に曝される。特にピスト
ンヘツド部のうち、噴射燃料が直接吹き付けられ
る噴口部のホツトスポツト部は著しく高温となる
から、耐熱衝撃性、耐熱疲労性が優れていること
が要求される。最近のデイーゼルエンジンの高出
力化に伴なつて、燃料室のより一層の高温化が望
まれるようになり、そのため前述のようなピスト
ンヘツド部、特にホツトスポツト部の耐熱衝撃
性、耐熱疲労性の向上に対する要請はますます強
まつている。

しかるに従来の通常の鋳鉄製ピストンは普通鋳
鉄で作られているものが多く、このような普通鋳
鉄製ピストンでは上述のような要請に充分に応え
ることは困難であり、熱応力等によつてホツトス
ポツト部に亀裂が生じてしまうことを避け得ず、
したがつてピストンの耐用寿命も短くならざるを
得なかつた。そこで最近では耐熱衝撃性、耐熱疲
労性に優れた合金鋳鉄等の高級鋳鉄でピストンを
作成することも行なわれている。

発明が解決すべき問題点 前述のように合金鋳鉄等の高級鋳鉄を用いてピ
ストンを作成した場合には、いたずらにピストン
原材料コストの上昇を招く問題がある。すなわち
優れた耐熱性が要求されるのは、ピストン全体の
うちでも特にピストンヘツド部、とりわけホツト
スポツト部であつて、その他の部分には合金鋳鉄
等の高級鋳鉄が必要とされるほどの耐熱性は要求
されず、したがつてピストン全体を高価な合金鋳
鉄等で構成することは無駄なコスト増大を招くこ
とになる。また合金鋳鉄等の高級鋳鉄では、鋳造
性が普通鋳鉄より劣ることが多く、そのため歩留
りの低下を招く問題もある。さらに合金鋳鉄の場
合機械加工性が劣つて鋳造後の機械加工に困難を
伴なうこともある。このような問題を解決するた
めには、普通鋳鉄等の安価でしかも鋳造性、加工
性も良好な鋳鉄でピストンを造り、その一部すな
わちピストンヘツド部のホツトスポツト部などを
部分的に強化する方法を適用することが望まし
い。しかしながら従来はこのような手法は確立さ
れていなかつたのが実情である。

この発明は以上の事情を背景としてなされたも
ので、鋳鉄を基材としてそのピストンヘツド部の
うち耐熱衝撃性、耐熱疲労性が特に要求される部
位、例えばホツトスポツト部を部分的に強化し
て、その部位の耐熱衝撃性、耐熱疲労性を向上さ
せた鋳鉄製内燃機関用ピストンおよびその製造方
法を提供することを目的とするものである。

問題点を解決するための手段 第１発明の鋳鉄製内燃機関用ピストンは、鋳鉄
製ピストンのピストンヘツド部における耐熱衝
撃・耐熱疲労性が要求される部位に、Crおよび
Moのうち少なくとも一方が合計で0.3〜2.0重量
％含有されかつパーライト基地もしくはパーライ
ト主体の基地中に塊状黒鉛が分散晶出している合
金化鋳鉄層が、表面から少なくとも0.2mm以上の
深さにわたつて形成されていることを特徴とする
ものである。

第２発明の製造方法は、鋳鉄を原料としてピス
トン粗形材を鋳造した後、そのピストン粗形材の
ピストンヘツド部における耐熱衝撃・耐熱疲労性
が要求される部位の表面にCrおよびMoのうち少
なくとも一方またはそれらの合金もしくはCr、
Moの少なくとも一方とFeとの合金を配置し、そ
の上から高密度エネルギを照射して急速溶融−急
速再凝固させることにより鋳鉄とCrおよび／ま
たはMoとの合金層を形成し、次いでこの合金層
に800〜1050℃で１分間〜10分間加熱する再加熱
処理を施して、Cr、Moの少なくとも一方を合計
で0.3〜2.0重量％含有しかつ塊状黒鉛が分散晶出
している合金化鋳鉄層を前記部位に表面から0.2
mm以上の深さにわたつて形成することを特徴とす
るものである。

作 用 ピストンの母材となる鋳鉄材料としては、コス
トおよび鋳造製などの点からJIS FC20、FC25、
FC30などの普通鋳鉄が最も好ましいが、低合金
鋳鉄なども用いることができる。

この発明では、上述のような普通鋳鉄等からな
るピストンのヘツド部のうち、特に耐熱衝撃性、
耐熱疲労性が要求される部位、例えばホツトスポ
ツト部のみ、後述するような合金化鋳鉄層が形成
される。

このホツトスポツト部について説明すると、第
１図は直接噴射型デイーゼル機関用ピストンの一
例を示すものであり、ピストン本体１は砂型鋳造
等により鋳造された鋳鉄製のものであつて、その
ピストンヘツド部２の頂面に形成された凹状の噴
口部３の内壁面上部からエツジ部へかけてのクロ
ス斜線を施した部分が燃料噴射を直接受けて最も
高温となるホツトスポツト部４に相当する。また
第２図には、直接噴射型デイーゼル機関用ピスト
ンの他の例のピストンヘツド部２のホツトスポツ
ト部４を示す。さらに第３図には通常のデイーゼ
ル機関用ピストンのピストンヘツド部２のホツト
スポツト部４を示す。

上述のホツトスポツト部４の如く特に耐熱衝撃
性、耐熱疲労性が要求される部位に、Cr、Moの
少なくとも一方を合計で0.3〜2.0重量％含有す
る、基地組織がパーライトもしくはパーライト主
体でかつ塊状黒鉛が均一に分散晶出した合金化鋳
鉄層が形成される。ここでCr、Moは強力な炭化
物生成元素であり、したがつてその合金化鋳鉄層
のマトリツクスはセメンタイトが強化されたパー
ライトまたはパーライト主体の組織となる。

従来からピストンに使用されている普通鋳鉄の
場合、基地がパーライト組織であるのが通常であ
り、その場合ピストンのホツトスポツト部等が使
用時に高温となることにより徐々にセメンタイト
が黒鉛とフエライトに分解し、この際体積膨張が
生じてこの膨張がホツトスポツト部等の熱応力を
大きくして亀裂発生を招いていたと考えられる。
また従来の普通鋳鉄製ピストンでは晶出黒鉛形状
が片状であるため、片状黒鉛が熱応力等による亀
裂の起点や伝播部となり易く、このことも亀裂発
生の原因となつていた。しかるにこの発明のピス
トンにおける合金化鋳鉄層は、特にCrおよび／
またはMoの合金化によつて基地のパーライト組
織中のセメンタイトが強化されて安定化されてい
るため、セメンタイトの分解−体積膨張による亀
裂発生を招くおそれが少なく、かつ亀裂の成長も
緩やかとなるのである。また晶出黒鉛形状も塊状
であることから、黒鉛が亀裂の起点や伝播部とな
りにくい。したがつてその合金化鋳鉄層を形成し
たホツトスポツト部等の部位は、部分的に耐熱衝
撃性、耐熱疲労性が著しく改善されるのである。

ここで、Crおよび／またはMoを合金化する理
由は、既に述べたようにその炭化物生成傾向が大
きいことを利用して基地のパーライト組織中のセ
メンタイトを強化・安定化させ、亀裂発生を防止
する点にあるが、それらの含有量が合計で0.3重
量％未満ではセメンタイトを安定化させて亀裂発
生を防止する効果が充分に得られず、一方2.0重
量％を越えれば遊離セメンタイトがそのまま残留
してパーライト組織が得られなくなる傾向が強く
なり、靱性の低下を招いてしまうから、その合計
含有量は0.3〜2.0重量％の範囲内とする必要があ
る。

また上述のような合金化鋳鉄層は、ホツトスポ
ツト部等における表面から少なくとも0.2mm以上
の深さにわたつて形成されている必要がある。

0.2mm未満の深さでは、上述の効果が充分に得
られない。

次に前述のような合金化鋳鉄層を有するピスト
ンの製造方法、すなわち第２発明について説明す
る。

先ずピストン粗形材の製造法としては、前述の
ような普通鋳鉄等の鋳鉄材料を原材料として、砂
型鋳造等の通常の鋳造法により鋳造すれば良い。

得られたピストン粗形材に対しては、先ず高密
度エネルギ源を用いて、Crおよび／またはMoの
合金化処理を行なう。すなわち、ピストン粗形材
のピストンヘツド部のうち、特に耐熱衝撃性、耐
熱疲労性が要求されるホツトスポツト部等の部位
の表面に、CrまたはMoもしくはそれらの合金、
あるいはFe−Cr合金やFe−Mo合金もしくはFe
−Cr−Mo合金を配置し、その上からレーザ、電
子ビーム、プラズマアーク、TIGアーク等の高密
度エネルギを照射することにより、表面に配置さ
れたCrおよび／またはMoやそれらの合金とその
下側の鋳鉄母材表面層とを瞬時に急速溶融させて
鋳鉄とCrおよび／またはMoとを合金化し、続い
てそのエネルギ照射位置の移動もしくは照射停止
によりその溶融した合金層を瞬時に急速凝固させ
る。ここで、高密度エネルギの照射により溶融し
た部分はピストン全体の質量に比べれば格段に小
さい質量であるから、高密度エネルギ照射位置の
移動もしくは照射停止によつてピストン母材側へ
の熱移動により溶融した合金層は瞬時に凝固し、
遊離セメンタイトを含むチル化された合金層とな
る。

なお、Cr、Mo、またはそれらの合金等をピス
トンのホツトスポツト部等に配置するための具体
的手法としては、例えばそれらの粉末、圧粉体、
薄板等を載置または溶射したりあるいはスラリー
として塗布したり、さらには必要部位に溝を加工
してその中に充填したりすれば良い。

次いでそのチル化された合金層を、800〜1050
℃の範囲内の温度に１分間〜10分間再加熱した
後、空冷、放冷あるいは徐冷する。このような再
加熱処理を加えることによつて、チル化合金層か
ら塊状黒鉛が晶出するとともに基地組織がパーラ
イト相またはパーライト主体の組織となる。すな
わち前述のようにパーライト相またはパーライト
主体の組織をマトリツクスとしかつ塊状黒鉛が分
散した合金化鋳鉄層が得られる。

ここで、チル化合金層に対する再加熱処理の加
熱温度が800℃未満では均一かつ充分な黒鉛の晶
出が得られず、一方1050℃を越えれば黒鉛化が過
度に進行して基地にパーライトが得られなくなる
おそれがある。したがつて加熱温度は800〜1050
℃の範囲内とした。また加熱時間が１分間未満で
は1050℃に近い高温でも充分に黒鉛が晶出せず、
一方10分間を越える長時間の加熱を施せば黒鉛化
が過度に進行してパーライトが得られなくなる。
したがつて加熱時間は１分間〜10分間とした。な
お加熱時間が800℃近辺と低い場合には加熱時間
は10分間近い長時間とし、1050℃近辺と高い場合
には加熱時間は１分間程度の短時間とすることが
好ましい。また上記の加熱温度範囲内でも、特に
950〜1050℃で加熱することがより望ましい。

なお以上の加熱処理においては、チル化合金層
の部分のみを加熱する局部加熱を適用することが
好ましいが、場合によつてはピストン全体を加熱
しても良い。局部加熱の具体的加熱手段として
は、高周波誘導加熱や火災加熱（バーナ加熱）等
を用いることができ、またピストン全体を加熱す
る場合は炉中加熱を用いることができる。

以上のように、高密度エネルギを用いた合金
化・チル化処理により表面層にCrおよび／また
はMoと鋳鉄とのチル化合金層を形成した後、再
加熱処理を施すことによつて、セメンタイトが強
化・安定化されたパーライト相もしくはパーライ
ト主体の組織からなるマトリツクス中に塊状黒鉛
が分散晶出した合金化鋳鉄層をホツトスポツト部
等の所要の箇所に形成することができる。

なお前述の再加熱処理後は、適宜研削加工、研
磨加工等の機械加工を行なつて最終的に製品ピス
トン形状に仕上げれば良い。

実施例 実施例 １ JIS FC25鋳鉄を溶解し、砂型鋳造によつて外
径120mm、厚さ50mmの実験用鋳鉄円板を作成した。
これを外径100mm、厚さ５mmの円板状に機械加工
し、その板面の中心部の直径20mmの範囲内に、プ
ラズマ溶射法によつてCrを0.1mm厚に溶射し、続
いてその上から交流TIG電源を用いたTIGアーク
法により合金化・チル化処理を行なつた。なお
TIGアーク電流は180Aとした。次いでそのチル
化合金層表面近傍に高周波誘導加熱コイルを配置
して、チル化合金層が1000℃となるように２分間
加熱し、その後放冷する再加熱処理を施した。そ
の後機械加工により第４図Ａ，Ｂに示すように中
心部に小孔（内径５mm）５を有する熱衝撃試験片
に加工した。

前述の再加熱処理後の中心部直径20mmの範囲内
の金属組織を観察したところ、第５図（倍率400
倍）に示すように、セメンタイトが強化されたパ
ーライトをマトリツクスとしかつ塊状黒鉛が晶出
した合金化鋳鉄層が得られていることが判明し
た。なおこの場合の合金化鋳鉄層におけるCr濃
度は、分析の結果0.8重量％であることが判明し
た。比較のため、上述のようなTIGアークによる
合金化・チル化および再加熱処理を行なわない
FC25鋳鉄の組織を第６図（倍率400倍）に示す。

前述のようにして得られた熱衝撃試験片（本発
明材１）と、比較のためのTIGアークによる合金
化・チル化および再加熱処理を行なわないFC25
鋳鉄の同形状の熱衝撃試験片（比較材）とについ
て、加熱−冷却サイクルの繰返しによる熱衝撃性
試験を行なつた。なおこの試験における加熱はプ
ロパン−酸素バーナにより昇温速度11.5℃／sec、
加熱温度450℃とし、また冷却は水温18℃の冷却
水による水冷とした。

この熱衝撃試験においては、耐熱衝撃性が低い
場合、加熱−冷却による円周方向の膨張−収縮の
繰返し熱応力によつて中心部の小孔５から亀裂が
発生して、さらにその亀裂が拡大する。この試験
結果を第７図に示す。第７図から明らかなように
この発明による処理を行なわなかつたFC25鋳鉄
の比較材の場合と比較し、本発明材１では亀裂発
生に至るまでの熱衝撃繰返し数が格段に多く、し
たがつて耐熱衝撃性が著しく優れていることが判
る。

実施例 ２ 実施例１におけるCrの代りにMoを用い、その
他の条件は実施例１と同様として合金化・チル化
処理−再加熱処理を行なつた。その場合の合金化
鋳鉄層のMo濃度は1.1重量％であつた。また実施
例１と同様の熱衝撃試験を行なつた結果（本発明
材２）を第７図に併せて示す。この場合も、実施
例１のCr合金化の場合と同程度以上の優れた耐
熱衝撃性を示すことが判る。

実施例 ３ ピストン材料として、JIS FC25の普通鋳鉄に
脱酸剤としてセリウム（Ce）を0.02％添加したも
のを溶解し、砂型鋳造法により第１図に示すよう
な形状の直接噴射型デイーゼル機関用ピストンの
粗形材を鋳造した。このピストン粗形材の直径は
120mm、噴口部内径は45mmである。

次いでピストン粗形材の噴口部内面上部からエ
ツジ部にかけてのホツトスポツト部に対してプラ
ズマ溶射法によりCrを0.1mm厚に溶射し、次いで
その上から平均電流210AとしたTIGアーク法に
より合金化・チル化処理を施した。その後、高周
波誘導加熱装置を用い、合金化・チル化処理が施
された部分に対して1000℃×２分間の加熱後放冷
する再加熱処理を行ない、さらに機械加工によつ
て外径115mm、噴口部径48mmのピストンに仕上げ
た。このピストンは、噴口部の縁部は径で58mmま
で、噴口部内は奥行きで頂面から８mmの位置ま
で、実施例１の第５図に示すようなパーライトを
基地とする合金化鋳鉄層が形成されていることが
確認された。なおこの合金化鋳鉄層のCr濃度を
分析したところ、Cr0.7重量％であることが判明
した。

以上のようにして得られたピストンを3.5の
直接噴射式デイーゼル機関に装着し、［3500rpm
×全負荷×20分］と［アイドリング×10分］のサ
イクルの繰返しによる耐久試験に供した。その結
果、500時間までピストンに何らトラブルが発生
しないことが確認された。一方、比較のため前述
のような処理を施さない同寸法のFC25鋳鉄製ピ
ストンについて、同一の耐久試験を行なつたとこ
ろ、300〜400時間で噴口部のホツトスポツト部に
熱亀裂が多数観察された。このような結果から、
こ発明によるピストンでは耐熱衝撃・耐熱疲労性
が優れていることが判る。

実施例 ４ 実施例３におけるCrの代りにMoを用い、その
他の条件は実施例３と同一として直接噴射型デイ
ーゼル機関用ピストンを作成した。この場合のホ
ツトスポツト部の合金化鋳鉄層のMo濃度は分析
の結果0.8重量％であつた。また実施例３と同様
な耐久試験に供したところ、Cr合金化の場合と
ほぼ同様な優れた耐久性を示すことが確認され
た。

発明の効果 この発明の鋳鉄製ピストンは、ピストンヘツド
部のうち特にホツトスポツト部の如く耐熱衝撃
性、耐熱疲労性が要求される部位に、Crおよ
び／またはMoを合金化することにより、セメン
タイトを強化・安定化したパーライトもしくはパ
ーライト主体の基地組織を有しかつ塊状黒鉛が晶
出した合金化鋳鉄層が形成されているため、その
部位の耐熱衝撃性、耐熱疲労性が著しく改善され
ており、したがつてピストン使用時の熱応力によ
つてホツトスポツト部に亀裂が生じるおそれが極
めて少なく、ピストンの長寿命化を図ることがで
きるとともに、燃焼室の高温化ひいては高出力化
を図ることができる。またこの発明のピストンは
特に耐熱衝撃性や耐熱疲労性が要求される部分の
みを強化したものであつて、ピストンの母材とし
ては安価な普通鋳鉄等を用いることができ、した
がつてピストンの原材料コストを安価にすること
ができるとともに、加工性や鋳造性を損なつたり
するおそれも少ない等の効果が得られる。またこ
の発明の製造方法によれば、上述のように優れた
長所を有する鋳鉄製ピストンを簡単かつ容易に得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図まではそれぞれこの発明が適
用されるデイーゼル機関用ピストンの一例を示す
縦断面図、第４図Ａ，Ｂは実施例における熱衝撃
試験片を示す図で、そのＡは縦断面図、Ｂは平面
図、第５図は実施例における本発明材の合金化鋳
鉄層の金属断面組織写真、第６図は比較材の金属
断面組織写真、第７図は熱衝撃試験結果を示す図
である。 １……ピストン、２……ピストンヘツド部、４
……ホツトスポツト部（合金化鋳鉄層を形成する
部分）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 鋳鉄製ピストンのピストンヘツド部における
   耐熱衝撃・耐熱疲労性が要求される部位に、Cr
   およびMoのうち少なくとも一方が合計で0.3〜
   2.0重量％含有されかつパーライト基地もしくは
   パーライト主体の基地中に塊状黒鉛が分散晶出し
   ている合金化鋳鉄層が、表面から少なくとも0.2
   mm以上の深さにわたつて形成されていることを特
   徴とする鋳鉄製内燃機関用ピストン。 ２ 鋳鉄を原料としてピストン粗形材を鋳造した
   後、そのピストン粗形材のピストンヘツド部にお
   ける耐熱衝撃・耐熱疲労性が要求される部位の表
   面にCrおよびMoのうち少なくとも一方またはそ
   れらの合金もしくはCr、Moの少なくとも一方と
   Feとの合金を配置し、その上から高密度エネル
   ギを照射して急速溶融−急速再凝固させることに
   より鋳鉄とCrおよび／またはMoとの合金層を形
   成し、次いでこの合金層に800〜1050℃で１分間
   〜10分間加熱する再加熱処理を施して、Cr、Mo
   の少なくとも一方を合計で0.3〜2.0重量％含有し
   かつ塊状黒鉛が分散晶出している合金化鋳鉄層を
   前記部位に表面から0.2mm以上の深さにわたつて
   形成することを特徴とする鋳鉄製内燃機関用ピス
   トンの製造方法。