JPH07197147A - 繊維で強化された金属製ピストン - Google Patents

繊維で強化された金属製ピストン

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JPH07197147A
JPH07197147A JP6299718A JP29971894A JPH07197147A JP H07197147 A JPH07197147 A JP H07197147A JP 6299718 A JP6299718 A JP 6299718A JP 29971894 A JP29971894 A JP 29971894A JP H07197147 A JPH07197147 A JP H07197147A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 最上位リング用みぞが設けられたピストン領
域に含まれた比較的に高い密度の繊維インサートを有す
る内燃機関用ピストンを提供する。 【構成】 ピストン１０は環状の繊維で強化されたピス
トン領域２６が設けられ、該ピストン領域２６に最上位
リング用みぞ１２´が設けられるように構成されてい
る。セラミック繊維で強化された領域２６はクラウン表
面１４の周囲部分を構成することも可能である。この繊
維は当初は１０−２０％の範囲内の比較的に高い密度の
繊維材料を含むピストン用インサートの形態にある。ピ
ストンが製造されるときに、インサートに溶融したピス
トン材料が浸透せしめられる。ピストンは押込み鋳造の
ような加圧鋳造技術により形成される。ピストン材料は
２．０−５．５重量％の銅および１１−１７重量％の珪
素、好ましくは２．５−３．５重量％の銅および１２−
１４重量％の珪素を含有するアルミニウム合金を含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は内燃機関、特にディーゼ
ル機関用の繊維で強化された金属製ピストンに関し、そ
して特に本発明は各々が最上位リング用みぞが設けられ
たピストンの領域に強化用セラミック繊維を有する金属
製ピストンにして、鋳造されたアルミニウム合金からな
るピストンに関し、ピストンが例えば押込み鋳造（ｓｑ
ｕｅｅｚｅ ｃａｓｔｉｎｇ）のような加圧技術（ｐｒ
ｅｓｓｕｒｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）を使用することに
より鋳造されるときに繊維強化材に溶融した金属が浸透
せしめられる。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】セラミッ
ク繊維強化材は該強化材が設けられたピストン領域の強
度を高め、かつ該ピストン領域が強化材が設けられない
場合よりも高い温度に耐えることを可能にする。繊維材
料の密度に関してピストン領域に当初に含まれた繊維イ
ンサートの密度が高ければ高いほど、繊維インサートが
設けられた領域の強度がより高くなる。
【０００３】運転中または溶解熱処理（ｓｏｌｕｔｉｏ
ｎ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｉｎｇ）および急冷のような
鋳造後の熱処理工程中に、このようなピストンは繊維で
強化された領域とこのように強化されていない隣接した
領域との間の境界における熱膨張の差異のために亀裂を
生ずることがある。この亀裂は繊維で強化された領域に
当初に含まれた繊維インサートが比較的に高い密度を有
するときに、例えば、繊維材料の密度が１０％ないし２
０％の範囲内であるときに発生する傾向が高い。
【０００４】ピストンを強化するセラミック繊維は慣行
的に酸化アルミニウムおよび／または珪酸アルミニウム
で構成され、そしてピストンが鋳造される前の繊維イン
サート内の繊維は繊維とシリカゲルを含むバインダー系
との組合わせからなる適切に成形された予備成形物を乾
燥させることにより形成されたシリカの薄いコーティン
グを有している。その後に行うことが必要なピストンの
加圧鋳造の間に、ピストン材料を含む溶融したアルミニ
ウム合金がシリカでコーティングされた繊維表面と反応
して該繊維表面と結合する。いずれにせよ、鋳造された
ピストン材料の微小収縮が起こり、この収縮がアルミニ
ウム合金と繊維との間の結合を破壊する傾向があり、ま
たはさもなければ、繊維がアルミニウム合金内に保持さ
れる度合が低下する。その結果、繊維で強化されたピス
トン領域の耐磨耗性がその他の場合の耐磨耗性よりもか
なり低くなる。
【０００５】繊維インサートがピストン中に比較的に高
い密度で組み込まれてピストンクラウン表面を構成する
ことが知られているのに、このような比較的に高い密度
の繊維インサートを最上位リング用みぞが設けられたピ
ストンの領域に含めることは、みぞの機械加工をより困
難にし、かつみぞの磨耗を増大させるほかに、みぞ内の
ピストンリングの磨耗を増大させるので、以前には望ま
しくないと考えられていた。
【０００６】高速機関、特にディーゼル機関（ディーゼ
ル機関のみではない）に含まれたピストンにおいては、
高い耐磨耗性を有する材料で構成されたピストン領域に
最上位リング用みぞを設けることが望ましい。少なくと
も最上位リング用みぞは慣行的に望ましい高い耐磨耗性
を有するニッケルレジスト（Ｎｉ−ｒｅｓｉｓｔ）イン
サート内に設けられている。しかしながら、ニッケルレ
ジストインサートは高速機関においてインサートが受け
ることがある温度よりも低い２７０℃よりも高い温度に
耐えることができない。ピストン領域がより高い温度を
受ける場合には、ニッケルレジストインサートからなる
ピストン領域のかわりに、この領域内に繊維インサート
を比較的に高密度で含めることができる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は最上位リ
ング用みぞが設けられた高い耐磨耗性を有するピストン
領域に含まれた比較的に高い密度の繊維インサートを有
する内燃機関用ピストンを提供することにある。
【０００８】本発明によれば、内燃機関用ピストンはそ
の一つの領域において強化用セラミック繊維を有し、か
つ前記の繊維で強化された領域において最上位リング用
みぞが設けられ、前記繊維は当初は１０％から２０％ま
での範囲内の比較的に高い密度の繊維材料を含むピスト
ン用インサートの形態にあり、ピストンを製造するとき
にインサートに溶融したピストン材料が浸透せしめら
れ、ピストンは、例えば、絞り鋳造のような加圧鋳造技
術を使用することにより形成され、ピストン材料が２．
０−５．５重量％の銅および１１．０−１７．０重量％
の珪素を含有し、好ましくは、２．５−３．５重量％の
銅および１２ー１４重量％の珪素を含有するアルミニウ
ム合金を含むことを特徴としている。
【０００９】いかなるこのようなアルミニウム合金材料
はより小量の銅を含むアルミニウム合金よりも高い熱間
強度を有し、かつピストンの運転中に、より小量の銅を
含有するアルミニウム合金から得られる強化用セラミッ
ク繊維を保持するためのマトリックスよりも強いマトリ
ックスを提供する。
【００１０】さらに、２．０−５．５重量％の銅を含む
アルミニウム合金はみぞ内に設けられるピストンリング
との相容性が高いので、有利である。
【００１１】上記の二項に述べた基準の一方または両方
のために、ピストンの運転中のリング用みぞの磨耗を望
ましい程度に低減可能であるほかに、所用のピストンリ
ングの磨耗の低減を図ることができる。
【００１２】それに加えて、より低いパーセントの銅を
含む合金と比較して２．０−５．５重量％の銅を含有す
るアルミニウム合金の熱間強度が高いために、運転温度
がその他の部分よりも高いピストンクラウンの表面によ
り近い位置に最上位リング用みぞを設けることができ
る。このクラウンの表面の運転温度はニッケルレジスト
インサートに対して望ましい温度よりも高い。従って、
最上位ランドの軸線方向の長さはニッケルレジストイン
サートが使用される場合の軸線方向の長さよりも短くす
ることができる。短いピストンランドを有するこのよう
なピストン装置は、エンジンにおいて、ピストンの上方
の燃焼室と連絡する最上位リングの上方の「死容積」
（“ｄｅａｄ ｖｏｌｕｍｅ”）をその他の構成の場合
よりも小さくすることができる。この死容積の減少によ
り望ましくない排気放出量の相応した有利な減少を図る
ことができ、エンジンの燃料消費量を改良することがで
き、従って、エンジンの耐用寿命をより長くすることが
できる。
【００１３】このピストン装置は最上位リング用みぞが
設けられた繊維で強化されたピストン領域がクラウン表
面の周囲部分を提供するように構成することができる。
それゆえに、最上位ピストンランドが繊維で強化された
ピストン領域のみにより構成され、その他の構成の場合
よりも該ピストンランドの軸線方向の範囲を短くするこ
とができるので、好ましい。
【００１４】
【実施例】さて、本発明の一実施例を添付図面を参照し
て説明する。ディーゼル機関用の図１のピストン１０は
下記の成分を含むアルミニウム合金を絞り鋳造すること
により製造される。 銅 ２．５重量％ 珪素 １３．５重量％ ニッケル １．０重量％ マグネシウム １．０重量％ 残余はアルミニウムと有意な量の不純物および微量の不
純物の両方とを含む。
【００１５】３５０℃におけるこの合金の極限引張強さ
は７０メガパスカルである。
【００１６】例示したピストンは３個のリング用みぞ１
２を備えているが、任意の所望の数のこのようなリング
用みぞを設けることができる。ピストンクラウンの表面
は符号１４で示してあり、そして燃焼用ボール１６がこ
のクラウン表面に形成されている。ガジョンピン用穴１
８がリング用みぞ１２の下方のピストンに設けられたボ
スを貫通して延びている。ピストンスカートを符号２０
で示してある。また、図面には、ピストン軸線２２およ
びガジョンピン用穴１８の軸線２４を示してある。
【００１７】例えば、繊維がアルミナである強化用セラ
ミック繊維のインサート（図示せず）が押込み鋳造工程
においてピストン１０内に組み込まれる。特に、この繊
維インサートが鋳造用金型内の所用位置に配置され、そ
して外部から圧力を加えて、上記の組成の溶融したアル
ミニウム合金を繊維インサートに浸透させる。このピス
トンは環状の繊維で強化されたピストン領域２６が設け
られ、このピストン領域２６内に最上位リング用みぞ１
２´が設けられるように構成されている。
【００１８】このピストンは高速ディーゼル機関用であ
り、最上位リング用みぞ１２´は最上位ピストンランド
２８が有限の軸線方向の長さを有するとはいえ、最上位
リング用みぞ１２´とクラウン表面１４の周囲との間に
１０ミリメートルよりも短い有利に小さい軸線方向の長
さを有するようにクラウン表面１４に対して配置されて
いる。この軸線方向の長さは３ミリメートルから１０ミ
リメートルまでの範囲内とすることができ、そして５ミ
リメートルから９ミリメートルまでの範囲内に便利に設
定することができる。従来、最上位ピストンランドの軸
線方向の長さをいかなるこのような短い値に設定した場
合でも、ピストンランドがピストンの通常の運転状態で
破断する傾向が高かった。しかしながら、本発明によれ
ば、高い熱間強度を有するアルミニウム合金とアルミニ
ウム合金を浸透させる比較的に高密度のセラミック繊維
の強化用インサートとの組合わせにより最上位ピストン
ランドの破断が起こらないことを保証することができ
る。このピストンランドは、例えば、８．５ミリメート
ルの軸線方向の長さを有している。最上位リング用みぞ
１２´をこのような位置に配置したために、ピストン領
域２６が受ける温度をこのようなピストン領域に慣行的
に使用されているニッケルレジスト材料に不適当な２７
０℃よりも高くすることができる。
【００１９】ピストン中に組み込まれた繊維インサート
は１５％の比較的に高い密度の繊維材料を有していた。
この高い密度と、前記のアルミニウム合金の高い熱間強
度と、アルミニウム合金のピストンリングに対する改良
された適合性と、強化用アルミナ繊維に対してアルミニ
ウム合金により付与された固有の高強度の支持のため
に、ピストン領域２６において望ましい高い耐磨耗性が
得られ、かつこの領域に設けられたみぞ内に含まれたピ
ストンリングの磨耗速度を低減することができる。
【００２０】図１のピストンの変型を図２に示してあ
り、図１および図２の両方において、適切な場合には、
全く同じ部分または極めて類似した部分を識別するため
に同じ符号が使用されている。
【００２１】図２のピストン１０´は環状の繊維で強化
された領域２６´が内部に形成された最上位リング用み
ぞ１２´を有する以外にクラウン表面１４の周囲部分ま
で延びて、最上位ピストンランド２８´全体を構成して
いる点で図１のピストン１０と異なっている。この変型
は最上位ピストンランド２８´およびピストン１０´の
軸線方向の範囲をその他の構成の場合に可能な軸線方向
の範囲よりも短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるピストンの一実施例をピストンの
軸線およびガジョンピン用穴の軸線の両方を含む平面で
裁った断面立面図。
【図２】図１のピストンの変型を示した図１に対応した
図。
【符号の説明】
１０ ピストン １０´ ピストン １２ リング用みぞ １２´ 最上位リング用みぞ １４ クラウン表面 １６ 燃焼用ボール １８ ガジョンピン用穴 ２０ ピストンスカート ２２ ピストンの軸線 ２４ ガジョンピン用穴の軸線 ２６ 繊維で強化されたピストン領域 ２６´ 繊維で強化されたピストン領域 ２８ 最上位ピストンランド ２８´ 最上位ピストンランド

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 一つの領域において強化用セラミック繊
    維を有する内燃機関用のピストンにして、前記の繊維で
    強化された領域においてピストンの最上位リング用みぞ
    が設けられ、前記繊維は当初は１０％から２０％までの
    範囲内の比較的に高い密度の繊維材料を含むピストン用
    のインサートの形態にあり、ピストンを製造するとき
    に、インサートに溶融したピストン材料が浸透せしめら
    れ、加圧鋳造技術を使用することにより形成されたピス
    トンにおいて、ピストン材料が２．０−５．５重量％の
    銅および１１．０−１７．０重量％の珪素を含有するア
    ルミニウム合金を含むことを特徴とするピストン。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載のピストンにおいて、ア
    ルミニウム合金が２．５−３．５重量％の銅を含有する
    ことを特徴とするピストン。
  3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載のピスト
    ンにおいて、アルミニウム合金が１２−１４重量％の珪
    素を含有することを特徴とするピストン。
  4. 【請求項４】 請求項１または請求項２または請求項３
    に記載のピストンにおいて、ピストン材料が下記の成分
    を含むことを特徴とするピストン。 銅 ２．５重量％ 珪素 １３．５重量％ ニッケル １．０重量％ マグネシウム １．０重量％ 残余はアルムニウムと有意な量の不純物および微量の不
    純物の両方とを含む。
  5. 【請求項５】 請求項１から請求項４までのいずれか一
    項に記載のピストンにおいて、強化用セラミック繊維が
    酸化アルムニウムおよび／または珪酸アルミニウムで構
    成されていることを特徴とするピストン。
  6. 【請求項６】 請求項１から請求項５までのいずれか一
    項に記載のピストンにおいて、ディーゼル機関に組み込
    まれていることを特徴とするピストン。
  7. 【請求項７】 請求項６に記載のピストンにおいて、最
    上位リング用みぞとピストンのクラウン表面の周囲との
    間のランドの軸線方向の長さが３ミリメートルから１０
    ミリメートルまでの範囲内にあることを特徴とするピス
    トン。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載のピストンにおいて、最
    上位リング用みぞとピストンのクラウン表面の周囲との
    間のランドの軸線方向の長さが５ミリメートルから９ミ
    リメートルまでの範囲内にあることを特徴とするピスト
    ン。
  9. 【請求項９】 請求項１から請求項８までのいずれか一
    項に記載のピストンにおいて、繊維で強化されたピスト
    ン領域がクラウン表面の周囲部分をも構成していること
    を特徴とするピストン。
JP6299718A 1993-12-04 1994-12-02 繊維で強化された金属製ピストン Pending JPH07197147A (ja)

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KR (1) KR950019315A (ja)
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