JPH09170490A - 内燃機関用鋳鉄ピストン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内燃機関用鋳鉄ピストンにおいて、高出力化
によるピストンのスカート部分の慴動抵抗が少なく、か
つ、油膜形成を良くし、耐焼付き性、耐摩耗性を向上す
る。又、高出力化によるピストンの燃焼室リム部の長時
間稼働で微細亀裂を起点とする疲労破壊を防止し、か
つ、トップリング溝及び、ピストンピン穴の耐摩耗性を
向上した、高温酸化性、高温強度、耐摩耗性の優れた鋳
鉄ピストンを提供する。 【解決手段】 耐摩耗及び／又は、耐酸化性／及び／又
は、耐高温強度向上のため表面に窒化又は、軟窒化処理
を施す鋳鉄又は、鉄系ピストンにおいて、ピストンの表
面に、窒化又は、軟窒化処理を施す前に、窒化処理、燃
焼時の熱及び筒内圧による変形による影響を小さくする
ため、ピストンのスカート部で、かつ、下端部面より所
定間隔離間した位置に環状の凹形逃げ溝を形成したこと
にしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関用鋳鉄ピ
ストンに係わり、特には、ディーゼルエンジンのピスト
ンの表面に、窒化又は、軟窒化処理を施した鋳鉄ピスト
ンに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、車両用高出力のディーゼルエンジ
ンで耐熱負荷性が要求されるピストンに、最近、ダクタ
イル鋳鉄から成る仕上げ加工後のピストン本体の外形形
成面所要部にガス軟窒化処理を施した事例が実開平３−
８７８４８号公報で知られており、図４に基づき説明す
る。図４に示すように、内部にアンモニアガス等２２を
導入したガス軟窒化炉、２３は仕上げ加工が終了したダ
クタイル鋳鉄製のピストン本体、２４、２５、２６はピ
ストン本体２３の外形形成面の所要箇所、すなわち、ピ
ストン本体２３の外周２３ａの表面、ピストンリング溝
２３ｂの表面、ピストンピン穴２３ｃの内周面、燃焼室
２３ｄの内面等の各外形形成面２８ａ、２８ｂ、２８
ｃ、２８ｄ、を加熱するための高周波加熱コイル、２７
はピストン本体を載置するための架台である。ピストン
本体２３に軟窒化処理を施す際には、先ずピストン本体
２３を軟窒化処理炉２１の架台に載置し、続いて高周波
加熱コイル２４をピストン本体２３の外周２３ａ及びピ
ストンリング溝２３ｂ近傍に設置し、高周波加熱コイル
２５をピストンピン孔２８ｃの外形成面２８ｃ近傍に設
置し、高周波加熱コイル２６を燃焼室２３ｄの外形成面
２８ｄ近傍に設置する。次に外部から炉２１内へアンモ
ニアガス等２２を導入すと共に高周波加熱コイル２４、
２５、２６、に通電を行ってピストン本体２３の外周２
３ａ、ピストンリング溝２３ｂ、ピストンピン孔２３
ｃ、燃焼室２３ｄの各外形形成面２８ａ、２８ｂ、２８
ｃ、２８ｄを高周波により所定の温度（約５５０℃）に
加熱する。このため、アンモニアガス等は加熱されて窒
素ガスと水素ガスに分解され、窒素ガスがピストン本体
２３の外周２３ａ、ピストンリング溝２３ｂ、ピストン
ピン穴２３ｃ、燃焼室２３ｄの各外形形成面２８ａ、２
８ｂ、２８ｃ、２８ｄに含侵されて、図４の斜線で示す
部分にガス軟窒化処理が施される。上述のように、ダク
タイル鋳鉄製のピストン本体２３の外周２３ａ、ピスト
ンリング溝２３ｂ、ピストンピン穴２３ｃ、燃焼室２３
ｄの各外形形成面２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄにガ
ス軟窒化処理を施すと、これらの部分の疲労強度はガス
軟窒化処理を施さない場合に比べて約１．５倍高くな
り、耐焼つき性、耐摩耗性は、例えば硬質クロームメッ
キを行った場合よりもさらに向上する。このため、ピス
トン本体２３の各外形形成面２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、
２８ｄに、亀裂が入ることがなくなり、又、慴動部であ
る外周２３ａ、ピストンリング溝２３ｂ、ピストンピン
孔２３ｃ、の耐焼つき性、耐摩耗性が向上する。又、ピ
ストン本体２３全体を軟窒化処理する場合には、ピスト
ン本体２３を加熱せねばならず、従ってピストン本体２
３が変形する虞れがあるが、高周波加熱により、必要な
箇所のみを部分的に加熱しているため、ピストン本体２
３が変形することがない。さらに、ピストン本体２３全
体を加熱する必要がないため、ガス軟窒化処理炉２１全
体を加熱する必要がなく省エネルギー化を図ることがで
き、処理時間が短縮されて能率の良いガス軟窒化処理を
行うことができる。なお、本考案の実施例においては、
ピストン本体のガス軟窒化処理を高周波加熱により行う
場合について説明したが、所要部分の加熱をおこなうこ
とができるなら高周波加熱に限らず、種々の加熱手段を
採用することが可能なこと、その他、本考案の要旨を逸
脱しない範囲内で種々変更を加え得ること、等は勿論で
あることが記載されている。

【０００３】次は、ピストンのスカート部の慴動面積を
著しく小さくして、慴動抵抗を減少させたピストンの事
例が実開昭６２−８３４６号公報、及び、実開昭６２−
２０７１号公報、で知られている。図５及至図８に基づ
き説明する。先ず、実開昭６２−８３４６号公報の事例
を図５、図６に基づき説明する。なお、図６は図５のＡ
−Ａ断面図を示している。図５に示すように、ピストン
本体３１のピストンピン孔３２の軸線を中心とするスカ
ート部３３両側中央部の上下２箇所に、下面を円弧面３
４とした半円形の外径面３５ａ，３５ｂを残して凹み３
６を設け、下部外径面の凹曲面３７を形成している。こ
の構成により、凹みの空間内にて空気と潤滑油と攪合作
用し、潤滑油の粘度を低減させる作用をしている。スカ
ート部の慴動面積を著しく小さくしているので、慴動抵
抗が少ない。

【０００４】又、実開昭６２−２０７１号公報の事例を
図７、図８に基づき説明する。なお、図８は図７のＢ−
Ｂ断面図を示している。図７に示すように、ピストン本
体４１のスカート部４２に、上下複数箇所に環状の外径
面４３を円周方向に残して、凹み４４を設け、かつ、環
状の外径面４３の上辺には凹み４４に向かう傾斜面４５
が形成されている。この構成により、前記と同様に、凹
みの空間内にて空気と潤滑油と攪合作用し、潤滑油の粘
度を低減させる作用をしている。スカート部の慴動面積
を著しく小さくしているので、慴動抵抗が少ない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
技術は次のような問題点がある。 (1) 従来の技術の実開平３−８７８４８号公報の事例で
はピストンの燃焼室部にはガス軟窒化処理が施されてい
るが、ピストン頂面部に、ガス軟窒化処理が施されてい
なく、長時間の稼働で微細亀裂を起点とする疲労破壊の
虞があるという問題がある。高出力のディーゼルエンジ
ンのピストンにおいては、エンジン稼働時、燃焼室及び
ピストン頂面部が高温の燃焼ガスに曝される。このた
め、ピストンの燃焼室温度が上昇し、特に、燃焼改善し
たリエントラン形ピストンの燃焼室のリム部で、かつ、
ピストン頂面部で排気弁が作動する付近の温度が特に高
く、ダクタイル鋳鉄製の軟窒化処理が施されてないピス
トンで、長時間の稼働で微細亀裂を起点とする疲労破壊
するという問題がある。ピストン頂面部で排気弁が作動
する付近の温度が高くなる部分は軟窒化処理を施し、高
温疲労強度を上げる必要がある。すなわち、高温条件下
で稼働する鋳鉄ピストンにおいて、燃焼室のリム部の材
料強度はその高温疲労強度、及び稼働時に発生する鉄系
酸化皮膜の強度により、ほぼ決定される。高温条件下で
稼働する鋳鉄ピストンピストンのリム部の破損は、リム
部表面に発生す鉄系酸化皮膜の微細亀裂を起点とする疲
労破壊である。鉄系酸化皮膜は鉄母材に比較して一般に
脆く、その強度は鉄母材よりも低い。鉄系酸化皮膜の強
度はその厚さの増加と共に低下する。又、その厚さはエ
ンジン稼働時間、あるいは、ピストンの上昇と共に増加
する。

【０００６】(2) 次に、ピストンのスカート部分に窒化
処理を施し、耐焼付き性、耐摩耗性を向上することが望
まれているが、ピストンのスカート部分を窒化処理する
ことにより形状が変形し易いという問題がある。図２で
従来の鋳鉄ピストンで、窒化処理前に、窒化による変
形、燃焼時の熱及び筒内圧による変形による影響を考慮
しない、すなわち、ピストンのスカート部８に環状の凹
形逃げ溝８ａを施さない、従来のピストンの全部の表面
に軟窒化処理を施した、事例を説明する。図２に示すよ
うに、材質はフェライト焼鈍化した球状黒鉛鋳鉄で、機
械加工完了後、軟窒化処理２を施す。図中の１点鎖線に
示すように鋳鉄ピストン１０の全部の表面に軟窒化処理
２を施す。すなわち、ピストン頂部３、燃焼室４、リム
部４ａ、トップリング溝５、セカンドリング溝６、オイ
ルリング溝７、スカート８、ピストンピン穴９部の表面
に処理を施している。図３の右側は縦軸に鋳鉄ピストン
１０の高さを示し、図３の左側のピストン１０の各部と
対応している。横軸は鋳鉄ピストン１０のピストンピン
穴９と直角方向のスラスト側のピストン外径寸法mmを示
している。図中の点線のプロフィールＤ、すなわち、j
1、k1、l 、は機械加工完了後で、軟窒化処理前のプロ
フィールの形状を形成している。このようなプロフィー
ルＤの形状で軟窒化処理２をすると、窒化により、実線
のプロフィールＥ、すなわち、j1、k2、l 、の形状に変
形する。この変形はピストンピン穴９中心部分で大き
く、k1からk2のΔＤだけ変形する。スカート８の上部j1
及び、スカート８の下部はl は鋳鉄ピストン１０の剛性
があり、変形はない。この結果、窒化処理後の実線のプ
ロフィールＥは樽形形状になる。この実線のプロフィー
ルＥのピストン作動運転時は、燃焼時の熱及び筒内圧に
よる変形ΔＥがあり、ピストン外径j1からj2に変形し、
慴動面が樽形形状の２点鎖線のプロフィールＨになる。
この慴動面が樽形形状の２点鎖線のプロフィールＨの鋳
鉄ピストン１０をエンジンに組み込んで、作動すると、
プロフィールＥのk2部分の局部面圧が高くなり、油膜形
成の慴動特性が悪く、焼付き易いという問題点があっ
た。

【０００７】(3) 又、従来の技術の実開昭６２−８３４
６号公報、及び、実開昭６２−２０７１号公報の事例で
は、ピストンのスカート部の慴動面積を著しく小さくし
て、慴動抵抗が少なくしている。しかしながら、ディー
ゼルエンジン高出力化によりピストンスラップも大きく
なり、ピストンのスカート部に加わる荷重が増大する。
荷重の増大、及び、スカート部の慴動面積の著しい減少
により、スカート部の慴動面の単位面積当たりの荷重が
大幅に増加する。又、図７の実開昭６２−２０７１号公
報の事例では、スカート部４２の下端部が無駄な凹み４
４となっている。この無駄な凹み４４により、ピストン
の作動時、傾きが大きくなり、面圧を、さらに、増加さ
せている。この面圧増加により、ピストンのスカート部
からの焼付き、摩耗が増加する虞がある。耐焼付き性、
耐摩耗性、に優れ、かつ、慴動抵抗が少ないピストンが
必要である。

【０００８】本発明は上記のような従来の問題点に着目
し、内燃機関用鋳鉄ピストンにおいて、高出力化によ
る、耐高温酸化性、耐高温強度に優れ、燃焼室リム部の
長時間稼働で微細亀裂を起点とする疲労破壊を防止す
る。又、ピストンのスカート部の耐焼付き性、耐摩耗性
に優れ、かつ、慴動抵抗が少ないピストンとし、さら
に、トップリング溝、ピストンピン穴の耐摩耗性が向上
した鋳鉄ピストンを提供することを目的にする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を解決するため
に、本発明の内燃機関用鋳鉄ピストンの発明では、耐摩
耗及び／又は、耐酸化性／及び／又は、耐高温強度向上
のため表面に窒化又は、軟窒化処理を施す鋳鉄又は、鉄
系ピストンにおいて、ピストンの表面に、窒化又は、軟
窒化処理２を施す前に、窒化処理、燃焼時の熱及び筒内
圧による変形による影響を小さくするため、ピストンの
スカート部８で、かつ、下端部面より所定間隔離間Laし
た位置に環状の凹形逃げ溝８ａを形成したことにしてい
る。このような構成により、耐高温酸化性、耐高温強度
が向上され、その結果、ピストンの燃焼室リム部の長時
間稼働で微細亀裂を起点とする疲労破壊が防止すること
ができる。又、高出力化によるピストンのスカート部分
の耐焼付き性、耐摩耗性が向上し、かつ、慴動抵抗が少
ないピストンにすることができる。さらに、トップリン
グ溝５、及び、ピストンピン穴９の耐摩耗性を向上する
ことができる。

【００１０】

【発明の実施の形態及び実施例】以下に、実施例を図１
を参照して、詳細に説明する。なお、図１の左側は本発
明の鋳鉄ピストン部分半断面図を、図１の右側は本発明
の鋳鉄ピストンのスカート部のプロフィールの図面を示
している。図１の左側に示すように、材質はフェライト
焼鈍化した球状黒鉛鋳鉄で、機械加工完了後、軟窒化処
理を施す。図中の１点鎖線に示すように鋳鉄ピストン１
の全部の表面に軟窒化処理２を施す。すなわち、ピスト
ン頂部３、燃焼室４、リム部４ａ、トップリング溝５、
セカンドリング溝６、オイルリング溝７、スカート８、
ピストンピン穴９部の表面に処理を施している。ピスト
ン１のスカート部８は 窒化処理前に、窒化による変
形、燃焼時の熱及び筒内圧による変形による影響を小さ
くするため、スカート部８の下端部面より所定間隔離間
Laした位置に、環状のＤａ凹形逃げ溝８ａを形成してい
る。凹形逃げ溝８ａのプロフィールの形状を図２により
説明する。図１の右側は縦軸に鋳鉄ピストン１の高さを
示し、図１の左側のピストン１の各部と対応している。
横軸は鋳鉄ピストン１のピストンピン穴９と直角方向の
スラスト側のピストン外径寸法mmを示している。図中の
点線のプロフィールＡ、すなわち、a1、b1、c1、d1、e
、は機械加工完了後で、軟窒化処理前のプロフィール
の形状を形成している。外径d1から外径c1までの距離Ｄ
ａが変形による影響を小さくするため、予め環状の凹形
逃げ溝８ａをする寸法を示している。このような点線の
プロフィールＡの形状で軟窒化処理２をすると、窒化に
より、実線のプロフィールＢ、すなわち、a1、b2、c2、
d2、e 、の形状に変形する。この変形は凹形逃げ加工８
ａをした部分で大きく、c1からc2の剛性の低い所でΔＣ
だけ変形する。b1、b2、及び、d1、d2、の変形量は剛性
があるので少ない。この実線のプロフィールＢのピスト
ン作動運転時は、２点鎖線のプロフィールＣ、すなわ
ち、a2、b2、c2、d2、e 、に変形する。（実線と重なる
ためズラして表示している。）燃焼時の熱及び筒内圧に
よる変形ΔＡがあり、a1からa2に変形し、実際の作動時
の慴動面はスカート８の上半Caと、下半Cbの２箇所であ
る。

【００１１】次に、作動を説明する。ピストンのスカー
ト部分に変形を考慮して、予め環状の凹形逃げ加工８ａ
を形成したことにより、ピストン作動時の慴動面はスカ
ート８の上半Caと、下半Cbの２箇所となり、慴動面の当
たりが均等化された。その結果、油膜形成の慴動特性が
良くなった。又、高出力化により燃焼室リム部の長時間
稼働で微細亀裂を起点とする疲労破壊するという問題点
があったが、軟窒化処理することで改善された。改善の
効果を図３で説明する。図３の事例は材質がフェライト
焼鈍化した球状黒鉛鋳鉄で、機械加工完了後、軟窒化処
理を施したものと、施さなかった場合の比較で、改善の
効果をみている。縦軸に酸化膜厚さを、横軸はエンジン
耐久の運転時間を示している。縦軸の酸化膜厚さはピス
トンの劣化を表す特性で、厚みが大きい程劣化が大き
い、従来の経験から、許容限度は７０μｍを基準とし、
この値以上は危険域、この値以下を安全域としている。
測定箇所はピストンに亀裂の入易い燃焼室のリム部とし
ている。図中の実線Ｆは軟窒化処理なしの劣化特性で、
ｑ点で耐久運転時間９５０ｈで許容限度に達する。又、
図中の点線Ｇは軟窒化処理ありの劣化特性で、耐久運転
時間１０００ｈで余裕のある安全域にある。軟窒化処理
あり、なしを、耐久運転時間５００ｈで比較すると、酸
化膜厚さはｎ点からｐ点（太い点線の矢印）に下がり、
約１／５に低減される。

【００１２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ピストンの表面に、窒化又は、軟窒化処理２を施す前
に、窒化処理２、燃焼時の熱及び筒内圧による変形によ
る影響を小さくするため、ピストンのスカート部８に環
状の凹形逃げ溝８ａを形成し、ピストン作動時の慴動面
はスカート８の上半Caと、下半Cbの２箇所となり、慴動
面の減少、及び、窒化処理２による摩擦係数の低減の相
乗効果で、慴動抵抗が少なくすることができ、かつ、油
膜形成が良くすることができ、その結果ピストンのスカ
ート部分の高出力化による耐焼付き性、耐摩耗性が向上
される。又、ピストンの表面に、窒化又は、軟窒化処理
２を施したことで、耐高温酸化性、耐高温強度が向上さ
れ、その結果、ピストンの燃焼室リム部の長時間稼働で
微細亀裂を起点とする疲労破壊が防止することができ
る。さらに、高出力化によるトップリング溝５、及び、
ピストンピン穴９の耐摩耗性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の鋳鉄ピストンを表わす部分半断面図及
び本発明のスカ−ト部のプロフィール図を示す。

【図２】従来の鋳鉄ピストンを表わす半断面図及び従来
のスカ−ト部のプロフィール図を示す。

【図３】本発明と、従来例との、縦軸の酸化膜厚さと、
横軸の運転時間と、の関係を説明する図を示す。

【図４】従来技術の鋳鉄ピストンの窒化処理を説明する
図を示す。

【図５】慴動抵抗を低減する従来技術のピストンを表わ
す正面図を示す。

【図６】図５のＡ−Ａ断面図を示す。

【図７】他の従来技術の慴動抵抗を低減するピストンを
表わす正面図を示す。

【図８】図７のＢ−Ｂ断面図を示す。

【符号の説明】

１ 鋳鉄ピストン ２ 軟窒化処理 ８ スカート ８ａ 凹面逃げ加工

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 耐摩耗及び／又は、耐酸化性／及び／又
   は、耐高温強度向上のため表面に窒化又は、軟窒化処理
   を施す鋳鉄又は、鉄系ピストンにおいて、 ピストンの表面に、窒化又は、軟窒化処理(2) を施す前
   に、窒化処理、燃焼時の熱及び筒内圧による変形による
   影響を小さくするため、 ピストンのスカート部(8) で、かつ、下端部面より所定
   間隔離間(La)した位置に環状の凹形逃げ溝(8a)を形成し
   たことを特徴とする内燃機関用鋳鉄ピストン(1) 。