JPH09177604A - 内燃機関用鋳造金属ピストン - Google Patents
内燃機関用鋳造金属ピストンInfo
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- JPH09177604A JPH09177604A JP8301981A JP30198196A JPH09177604A JP H09177604 A JPH09177604 A JP H09177604A JP 8301981 A JP8301981 A JP 8301981A JP 30198196 A JP30198196 A JP 30198196A JP H09177604 A JPH09177604 A JP H09177604A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 良好な対摩耗性と、高温強度と、所望の熱伝
達性とを備えた鋳造金属製品を提供する。 【解決手段】 金属製品の本体を、金属のみからなる第
１の部分とセラミック繊維からなるプレフォームインサ
ート部材及び金属の両方を含む複合部分からなる第２の
部分とから構成する。プレフォームインサート部材２４
は、本体の第１の部分と第２の部分との間に信頼性の高
い結合を行なわせるように配向されて第１の部分に隣接
する第１の予め選択された特性部分２１と、特別な表面
コートを必要とせずに最適の耐熱疲労特性及び耐摩耗特
性を得るように配向されて第１の予め選択された特性部
分から離れた第２の予め選択された特性部分２３とを有
する。
達性とを備えた鋳造金属製品を提供する。 【解決手段】 金属製品の本体を、金属のみからなる第
１の部分とセラミック繊維からなるプレフォームインサ
ート部材及び金属の両方を含む複合部分からなる第２の
部分とから構成する。プレフォームインサート部材２４
は、本体の第１の部分と第２の部分との間に信頼性の高
い結合を行なわせるように配向されて第１の部分に隣接
する第１の予め選択された特性部分２１と、特別な表面
コートを必要とせずに最適の耐熱疲労特性及び耐摩耗特
性を得るように配向されて第１の予め選択された特性部
分から離れた第２の予め選択された特性部分２３とを有
する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンピストン
のような金属製品並びにこれに組込まれるインサート(i
nsert)、より詳しく云うと少なくとも一部が無機繊維に
より補強された金属マトリックス複合材料である鋳造金
属製品に関する。
のような金属製品並びにこれに組込まれるインサート(i
nsert)、より詳しく云うと少なくとも一部が無機繊維に
より補強された金属マトリックス複合材料である鋳造金
属製品に関する。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関エンジン、より詳しくいうとデ
ィーゼルエンジンにおいては、ピストンは一般に非常に
過酷な作動条件に置かれ、その結果、強力な構造を得る
ことが特に重要である。特に、エンジンピストンについ
て特に重要なものは、（１）耐摩耗性、（２）耐焼付き
性（resistance to burning or seizure）及び（３）耐
熱疲労性（resistance to thermal fatigue ）（熱的に
誘起されるクラッキング）の３つの構造特性である。最
も厳しい条件に置かれ、従って、最大の構造材料特性を
必要とするピストンの領域は、頂部リング受け溝の上部
及び下部壁面とピストンのクラウン（crown ）の頂部燃
焼ボウル（combustion bowl ）である。
ィーゼルエンジンにおいては、ピストンは一般に非常に
過酷な作動条件に置かれ、その結果、強力な構造を得る
ことが特に重要である。特に、エンジンピストンについ
て特に重要なものは、（１）耐摩耗性、（２）耐焼付き
性（resistance to burning or seizure）及び（３）耐
熱疲労性（resistance to thermal fatigue ）（熱的に
誘起されるクラッキング）の３つの構造特性である。最
も厳しい条件に置かれ、従って、最大の構造材料特性を
必要とするピストンの領域は、頂部リング受け溝の上部
及び下部壁面とピストンのクラウン（crown ）の頂部燃
焼ボウル（combustion bowl ）である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従って、先行技術にお
いては、ディーゼルエンジンの場合には、頂部のピスト
ンリングの溝が形成されるピストンの部分に、ピストン
を主に構成するマトリックス（matrix）材料（例えば、
アルミニウムまたはアルミニウム合金）よりも耐摩耗性
及び耐熱疲労性に優れた、ニレジスト（NiResist）鋳鉄
のような特殊な鋳鉄により形成された補強インサート
（insert）を含ませることが広く行われている。しかし
ながら、ニレジスト鋳鉄のような耐摩耗性リング支持体
とともに鋳造されたピストンは、熱伝導性が低いこと、
インサートのピストン本体に対する被着性が劣ること、
並びに、インサートの製造及びピストンへの組込みに費
用を要すること、などの問題に遭遇する。燃焼ボウル領
域に関しては、ピストンのマトリックス合金を改質しか
つ燃焼ボウル自身の形状を変えることにより熱クラッキ
ング（thermal cracking）の傾向を低減させる試みがな
されてきたが、このような対策は、殆ど限界に近いこと
がわかった。また、ボウルの形状を変えると、エンジン
の燃焼効率を低下させることがある。
いては、ディーゼルエンジンの場合には、頂部のピスト
ンリングの溝が形成されるピストンの部分に、ピストン
を主に構成するマトリックス（matrix）材料（例えば、
アルミニウムまたはアルミニウム合金）よりも耐摩耗性
及び耐熱疲労性に優れた、ニレジスト（NiResist）鋳鉄
のような特殊な鋳鉄により形成された補強インサート
（insert）を含ませることが広く行われている。しかし
ながら、ニレジスト鋳鉄のような耐摩耗性リング支持体
とともに鋳造されたピストンは、熱伝導性が低いこと、
インサートのピストン本体に対する被着性が劣ること、
並びに、インサートの製造及びピストンへの組込みに費
用を要すること、などの問題に遭遇する。燃焼ボウル領
域に関しては、ピストンのマトリックス合金を改質しか
つ燃焼ボウル自身の形状を変えることにより熱クラッキ
ング（thermal cracking）の傾向を低減させる試みがな
されてきたが、このような対策は、殆ど限界に近いこと
がわかった。また、ボウルの形状を変えると、エンジン
の燃焼効率を低下させることがある。
【０００４】別の改善方法として、ピストンの金属マト
リックスにおける補強セラミック繊維に、更にセラミッ
クの表面コーティング層を形成することがしばしば行わ
れている。これらの繊維及び表面層は、ピストンの燃焼
ボウル領域及びリング領域のような、高温及び耐摩耗特
性の少なくとも一方が必要とされるピストンの領域に設
けられる。しかしながら、ピストンへの補強繊維の組込
みを、困難で費用のかかる合金添加法によらず、通常の
鋳造（casting ）法で行うことは困難であるので、この
ようにして得たピストンは作動において信頼性が問題と
なる。更に、所望の特性の複合材料を得るのに必要とさ
れる繊維の容積分率は大きくなるので、強度を最大にす
るためピストンの固溶化熱処理を行おうとすると、著し
い熱クラッキングが生ずることになる。
リックスにおける補強セラミック繊維に、更にセラミッ
クの表面コーティング層を形成することがしばしば行わ
れている。これらの繊維及び表面層は、ピストンの燃焼
ボウル領域及びリング領域のような、高温及び耐摩耗特
性の少なくとも一方が必要とされるピストンの領域に設
けられる。しかしながら、ピストンへの補強繊維の組込
みを、困難で費用のかかる合金添加法によらず、通常の
鋳造（casting ）法で行うことは困難であるので、この
ようにして得たピストンは作動において信頼性が問題と
なる。更に、所望の特性の複合材料を得るのに必要とさ
れる繊維の容積分率は大きくなるので、強度を最大にす
るためピストンの固溶化熱処理を行おうとすると、著し
い熱クラッキングが生ずることになる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】従って、本発明の目的
は、良好な耐摩耗性と、高温強度と、所望の熱伝達性と
を提供するプレフォーム(preform) セラミック繊維イン
サートを備えて製造される繊維強化金属製品を提供する
ことにある。
は、良好な耐摩耗性と、高温強度と、所望の熱伝達性と
を提供するプレフォーム(preform) セラミック繊維イン
サートを備えて製造される繊維強化金属製品を提供する
ことにある。
【０００６】本発明の鋳造金属製品は、アルミニウム、
マグネシウム、亜鉛及びこれらの合金よりなる群から選
ばれた金属により形成された本体を備えている。本体は
前記金属のみからなる第１の部分とセラミック繊維から
なるプレフォームインサート部材及び前記金属の両方を
含む複合部分からなる第２の部分とからなる。そしてプ
レフォームインサート部材は、本体の第１の部分と第２
の部分との間に信頼性の高い結合を行なわせるように配
向されて第１の部分に隣接する第１の予め選択された特
性部分と、特別な表面コートを必要とせずに最適の耐熱
疲労特性及び耐摩耗特性を得るように配向されて第１の
予め選択された特性部分から離れた第２の予め選択され
た特性部分とを有している。
マグネシウム、亜鉛及びこれらの合金よりなる群から選
ばれた金属により形成された本体を備えている。本体は
前記金属のみからなる第１の部分とセラミック繊維から
なるプレフォームインサート部材及び前記金属の両方を
含む複合部分からなる第２の部分とからなる。そしてプ
レフォームインサート部材は、本体の第１の部分と第２
の部分との間に信頼性の高い結合を行なわせるように配
向されて第１の部分に隣接する第１の予め選択された特
性部分と、特別な表面コートを必要とせずに最適の耐熱
疲労特性及び耐摩耗特性を得るように配向されて第１の
予め選択された特性部分から離れた第２の予め選択され
た特性部分とを有している。
【０００７】
【実施例】図面に関して説明すると、図１には、好まし
くはマグネシウム，アルミニウムまたはこれらの合金の
ような材料、例えば、９．５％のＳｉ、３．０％のＣ
ｕ、１．０％のＭｇ、１．０％のＺｎ、最大１．０％の
Ｆｅ及び残部がＡｌからなる合金［アルミニウム・アソ
シエイション（Aluminum Association）３３２．０］か
ら、公知のまたは好都合な形状に形成されたピストン本
体を備えたピストンが示されている。
くはマグネシウム，アルミニウムまたはこれらの合金の
ような材料、例えば、９．５％のＳｉ、３．０％のＣ
ｕ、１．０％のＭｇ、１．０％のＺｎ、最大１．０％の
Ｆｅ及び残部がＡｌからなる合金［アルミニウム・アソ
シエイション（Aluminum Association）３３２．０］か
ら、公知のまたは好都合な形状に形成されたピストン本
体を備えたピストンが示されている。
【０００８】使用される合金の別の例として４．０％の
Ｃｕ、２．０％のＮｉ、１．５％のＭｇ、最大０．７％
のＳｉ、最大１．０％のＦｅ及び残部がＡｌからなるア
ルミニウムアソシエイション２４２．０、１２．０％の
Ｓｉ、２．５％のＮｉ、１．０％のＭｇ、１．０％のＣ
ｕ、最大０．２％のＦｅ及び残部がＡｌからなるアルミ
ニウムアソシエイション３３６．０、あるいは３．０％
以下のＺｎを含むその他の鋳造もしくは錬造アルミニウ
ム合金がある。以下の記載において、「アルミニウム」
なる語は、アルミニウム及びアルミニウム合金の双方を
含むものである。
Ｃｕ、２．０％のＮｉ、１．５％のＭｇ、最大０．７％
のＳｉ、最大１．０％のＦｅ及び残部がＡｌからなるア
ルミニウムアソシエイション２４２．０、１２．０％の
Ｓｉ、２．５％のＮｉ、１．０％のＭｇ、１．０％のＣ
ｕ、最大０．２％のＦｅ及び残部がＡｌからなるアルミ
ニウムアソシエイション３３６．０、あるいは３．０％
以下のＺｎを含むその他の鋳造もしくは錬造アルミニウ
ム合金がある。以下の記載において、「アルミニウム」
なる語は、アルミニウム及びアルミニウム合金の双方を
含むものである。
【０００９】ピストン１０は、頂部に形成された燃焼ボ
ウル領域１６と、周壁部に形成されたリング溝領域１８
と、ピストンピンボス（gudgeon pin boss）２０と、ス
カート２２とを有するクラウン１４を備えている。
ウル領域１６と、周壁部に形成されたリング溝領域１８
と、ピストンピンボス（gudgeon pin boss）２０と、ス
カート２２とを有するクラウン１４を備えている。
【００１０】本発明によれば、リング溝領域１８と燃焼
ボウル領域１６の少なくとも一方は、図２（ａ），図２
（ｂ），図３（ａ），図３（ｂ），図４（ａ）及び図４
（ｂ）に明示されているように、セラミック繊維材料か
らなるプレフォームまたはプレフォームインサート部材
２４を有している。プレフォームインサート部材２４
は、アルミナ繊維、アルミナ／シリカ繊維（約５１重量
％のアルミナ）、炭化珪素繊維、その他本技術分野にお
いて公知の繊維のようなセラミック無機繊維からなる。
これらのプレフォームインサート部材は、真空成形のよ
うな本技術分野において知られているような、数多くの
方法によって作ることができる。これらの繊維の特徴、
即ち、これらの繊維の密度（density ）、タイプ及び繊
維の並ぶ方向即ち繊維の配向は、以下に記載するよう
に、繊維を含むピストンの第２の部分［複合部分（comp
osite portion ）］とアルミニウム材料だけを含むピス
トンの第１の部分（マトリックス部分）との間の熱的適
合性（thermal compatibility）により熱クラッキング
を生じることなく、ピストンを熱処理（溶体化処理及び
クエンチングの少なくとも一方）することにより、強度
及び摩耗特性を最大にすることができるように、慎重に
選定される。
ボウル領域１６の少なくとも一方は、図２（ａ），図２
（ｂ），図３（ａ），図３（ｂ），図４（ａ）及び図４
（ｂ）に明示されているように、セラミック繊維材料か
らなるプレフォームまたはプレフォームインサート部材
２４を有している。プレフォームインサート部材２４
は、アルミナ繊維、アルミナ／シリカ繊維（約５１重量
％のアルミナ）、炭化珪素繊維、その他本技術分野にお
いて公知の繊維のようなセラミック無機繊維からなる。
これらのプレフォームインサート部材は、真空成形のよ
うな本技術分野において知られているような、数多くの
方法によって作ることができる。これらの繊維の特徴、
即ち、これらの繊維の密度（density ）、タイプ及び繊
維の並ぶ方向即ち繊維の配向は、以下に記載するよう
に、繊維を含むピストンの第２の部分［複合部分（comp
osite portion ）］とアルミニウム材料だけを含むピス
トンの第１の部分（マトリックス部分）との間の熱的適
合性（thermal compatibility）により熱クラッキング
を生じることなく、ピストンを熱処理（溶体化処理及び
クエンチングの少なくとも一方）することにより、強度
及び摩耗特性を最大にすることができるように、慎重に
選定される。
【００１１】セラミックの繊維は、ピストンのような製
品用のモールドに入れられ、アルミニウムはモールドの
周囲及び中で加圧鋳造される（pressure cast ）。この
鋳造処理は、好ましくは、鋳物の気孔率（porosity）を
最小にし、樹枝状セル（dendritic cell）のサイズを小
さくし、かつ、セラミック繊維のプレフォームインサー
ト部材とマトリックスアルミニウム材料との間の結合を
大幅に改善するスキーズ鋳造（squeeze casting ）法に
よって行われる。スキーズ鋳造操作においては、アルミ
ニウムマトリックス材料は、全体的に、多孔質のプレフ
ォームインサート部材を介して流れ、かつ、プレフォー
ムインサート部材に浸透し、マトリックス材料とセラミ
ック繊維を含むピストンの複合部を形成する。
品用のモールドに入れられ、アルミニウムはモールドの
周囲及び中で加圧鋳造される（pressure cast ）。この
鋳造処理は、好ましくは、鋳物の気孔率（porosity）を
最小にし、樹枝状セル（dendritic cell）のサイズを小
さくし、かつ、セラミック繊維のプレフォームインサー
ト部材とマトリックスアルミニウム材料との間の結合を
大幅に改善するスキーズ鋳造（squeeze casting ）法に
よって行われる。スキーズ鋳造操作においては、アルミ
ニウムマトリックス材料は、全体的に、多孔質のプレフ
ォームインサート部材を介して流れ、かつ、プレフォー
ムインサート部材に浸透し、マトリックス材料とセラミ
ック繊維を含むピストンの複合部を形成する。
【００１２】更に、ある所望の特性を得るには、ピスト
ンの最終複合部分の機能表面（耐摩耗性及び耐熱性を提
供する表面）に、好ましくは１０乃至２０容量パーセン
ト以上の密度を持たせる必要があることがわかった。こ
の全密度（total density ）の要件（１０乃至５０容量
パーセント程度）は、複合体の熱膨脹係数を著しく下げ
るが、これはマトリックス材料に結合したときに問題を
生じる。更に、複合体の熱膨張の低下は、製品に最良の
強度特性を提供するのに所望される溶体化処理及びクエ
ンチングのような鋳造後の熱処理の際の、熱クラッキン
グの問題の原因となる。プレフォームインサート部材２
４は、繊維密度［図２（ａ）、図２（ｂ）、図３
（ａ）、図３（ｂ）参照］が変化しており、またベース
（マトリックス）ピストン材料と接触する表面部分から
所要の耐摩耗特性または耐熱疲労特性を備える機能表面
にかけて、繊維が並ぶ方向即ち繊維の配向を変化させて
いる。即ち、例えば、１５容量パーセントのセラミック
繊維密度が燃焼ボウル領域に必要とされる場合には、プ
レフォームインサート部材は、ピストン本体の金属のみ
からなる第１の部分に隣接する第１のインサート部材部
分において約５容量パーセント以下の繊維の密度を有
し、燃焼ボウルの機能面側に延びる第２のインサート部
材部分において１５容量パーセントとなるように徐々に
増加するように構成される。２つの層の容量パーセント
の相違が５パーセントよりも大きくならない限りは、一
連の連続した層を使用することも完全に許容することが
できるが、プレフォームインサート部材の密度の変化
は、最大密度の表面から最小密度の表面にかけて除々に
行われるのが好ましい［図２（ｂ）及び図３（ｂ）参
照］。可変密度のプレフォームインサート部材は、ピス
トンが、例えば、溶体化処理及びクエンチングの際に、
過酷な温度変化を受けるときに生じる応力を分散させ
る。プレフォーム２４は、複合部分とピストンの本体材
料部との界面部において、ピストンの軸線と平行な方向
に繊維が並ぶように繊維を配向させ、機能面２３でのセ
ラミック繊維の配向はピストンのクラウンとほぼ平行に
なるようにする［図４（ｂ）参照］。図４（ｂ）に示す
ように、ランダムに配向された即ちランダムな方向に繊
維が延びる配向を有する繊維の遷移領域２５を構成する
第３のインサート部材部分を含むことが望ましい場合も
ある。このように構成すると、熱処理または過酷なエン
ジン作動の場合に遭遇するような急激な温度変化により
応力を更に分散させることができる。更に、この構成に
より、別の表面層を使用することを必要とせずに、ピス
トンに優れた耐摩耗性と強度を提供することができる。
ンの最終複合部分の機能表面（耐摩耗性及び耐熱性を提
供する表面）に、好ましくは１０乃至２０容量パーセン
ト以上の密度を持たせる必要があることがわかった。こ
の全密度（total density ）の要件（１０乃至５０容量
パーセント程度）は、複合体の熱膨脹係数を著しく下げ
るが、これはマトリックス材料に結合したときに問題を
生じる。更に、複合体の熱膨張の低下は、製品に最良の
強度特性を提供するのに所望される溶体化処理及びクエ
ンチングのような鋳造後の熱処理の際の、熱クラッキン
グの問題の原因となる。プレフォームインサート部材２
４は、繊維密度［図２（ａ）、図２（ｂ）、図３
（ａ）、図３（ｂ）参照］が変化しており、またベース
（マトリックス）ピストン材料と接触する表面部分から
所要の耐摩耗特性または耐熱疲労特性を備える機能表面
にかけて、繊維が並ぶ方向即ち繊維の配向を変化させて
いる。即ち、例えば、１５容量パーセントのセラミック
繊維密度が燃焼ボウル領域に必要とされる場合には、プ
レフォームインサート部材は、ピストン本体の金属のみ
からなる第１の部分に隣接する第１のインサート部材部
分において約５容量パーセント以下の繊維の密度を有
し、燃焼ボウルの機能面側に延びる第２のインサート部
材部分において１５容量パーセントとなるように徐々に
増加するように構成される。２つの層の容量パーセント
の相違が５パーセントよりも大きくならない限りは、一
連の連続した層を使用することも完全に許容することが
できるが、プレフォームインサート部材の密度の変化
は、最大密度の表面から最小密度の表面にかけて除々に
行われるのが好ましい［図２（ｂ）及び図３（ｂ）参
照］。可変密度のプレフォームインサート部材は、ピス
トンが、例えば、溶体化処理及びクエンチングの際に、
過酷な温度変化を受けるときに生じる応力を分散させ
る。プレフォーム２４は、複合部分とピストンの本体材
料部との界面部において、ピストンの軸線と平行な方向
に繊維が並ぶように繊維を配向させ、機能面２３でのセ
ラミック繊維の配向はピストンのクラウンとほぼ平行に
なるようにする［図４（ｂ）参照］。図４（ｂ）に示す
ように、ランダムに配向された即ちランダムな方向に繊
維が延びる配向を有する繊維の遷移領域２５を構成する
第３のインサート部材部分を含むことが望ましい場合も
ある。このように構成すると、熱処理または過酷なエン
ジン作動の場合に遭遇するような急激な温度変化により
応力を更に分散させることができる。更に、この構成に
より、別の表面層を使用することを必要とせずに、ピス
トンに優れた耐摩耗性と強度を提供することができる。
【００１３】本発明の別の実施例によれば、図６に示す
ように、ピストンのような金属製品を提供することがで
きる。このピストンは、複合部セラミック繊維インサー
ト部材（multiple portion ceramic insert member）２
６を備えている。この複合部セラミック繊維インサート
部材により、鋳造後の熱処理により強度特性を最大にす
ることができるとともに、最終製品の製造を容易にする
ことができる。例えば、第５図に示すように、複合セラ
ミック繊維インサート２６は、頂面で最大の繊維密度を
有し、底面で最小の繊維密度を有する可変密度部分２８
を備えることができる。繊維の配向は、多くの場合、図
５に示すような、繊維がプレフォームインサート部材の
軸線に略直交するか、あるいは上面の形状に従うような
ものとなる。インサート２６の第２の部分は可変密度を
有していてもいなくてもよく、繊維の並ぶ方向即ち配向
は多くの場合、プレフォームインサート部材と略平行と
なる。即ち、プレフォームインサート部材の第２のイン
サート部材部分は、特性（組成繊維の配向、密度など）
が他の部分とは異なっている。実施する場合には、この
プレフォームインサート部材は、図６に示すようなピス
トン３２を作るのに使用することができ、ピストンの一
部として複合部セラミック繊維補強部を有する。更に、
セラミック繊維インサート部材はピンボス領域において
使用することもできる。
ように、ピストンのような金属製品を提供することがで
きる。このピストンは、複合部セラミック繊維インサー
ト部材（multiple portion ceramic insert member）２
６を備えている。この複合部セラミック繊維インサート
部材により、鋳造後の熱処理により強度特性を最大にす
ることができるとともに、最終製品の製造を容易にする
ことができる。例えば、第５図に示すように、複合セラ
ミック繊維インサート２６は、頂面で最大の繊維密度を
有し、底面で最小の繊維密度を有する可変密度部分２８
を備えることができる。繊維の配向は、多くの場合、図
５に示すような、繊維がプレフォームインサート部材の
軸線に略直交するか、あるいは上面の形状に従うような
ものとなる。インサート２６の第２の部分は可変密度を
有していてもいなくてもよく、繊維の並ぶ方向即ち配向
は多くの場合、プレフォームインサート部材と略平行と
なる。即ち、プレフォームインサート部材の第２のイン
サート部材部分は、特性（組成繊維の配向、密度など）
が他の部分とは異なっている。実施する場合には、この
プレフォームインサート部材は、図６に示すようなピス
トン３２を作るのに使用することができ、ピストンの一
部として複合部セラミック繊維補強部を有する。更に、
セラミック繊維インサート部材はピンボス領域において
使用することもできる。
【００１４】次に、本発明の鋳造金属品を製造する場合
の具体例を説明する。
の具体例を説明する。
【００１５】（１）最終複合材料繊維含有量が機能面の
頂部において１７容量％であり、底部において４％にな
るように徐々に低下している、アルミニウム繊維である
セラミック繊維の適宜のプレフォームインサート部材を
得た。このプレフォームインサート部材をピストンモー
ルドの中に入れ、組成が４．０重量％のＣｕと、２．０
重量％のＮｉと、１．５重量％のＭｇと、残部がアルミ
ニウムであり、温度が約６７７乃至７６０℃（１２５０
°Ｆ乃至１４００°Ｆ）のアルミニウム合金をプレフォ
ームインサート部材の周囲に、５乃至３５ｋｓｉの力を
かけて、本技術分野において公知のスクイーズ鋳造法に
より鋳込んだ。
頂部において１７容量％であり、底部において４％にな
るように徐々に低下している、アルミニウム繊維である
セラミック繊維の適宜のプレフォームインサート部材を
得た。このプレフォームインサート部材をピストンモー
ルドの中に入れ、組成が４．０重量％のＣｕと、２．０
重量％のＮｉと、１．５重量％のＭｇと、残部がアルミ
ニウムであり、温度が約６７７乃至７６０℃（１２５０
°Ｆ乃至１４００°Ｆ）のアルミニウム合金をプレフォ
ームインサート部材の周囲に、５乃至３５ｋｓｉの力を
かけて、本技術分野において公知のスクイーズ鋳造法に
より鋳込んだ。
【００１６】（２）次に、プレフォームインサート部材
を含むピストンを冷却し、モールドから取出した。
を含むピストンを冷却し、モールドから取出した。
【００１７】（３）次に、冷却したピストンを溶体化処
理し、クエンチングを施し、エージングを施した。熱処
理は、約５１６±５℃（９６０±１０°Ｆ）の温度で、
約４乃至１２時間行ない、その直後に、約３８乃至８２
℃（約１００乃至１８０°Ｆ）の温度の水でクエンチン
グを行なった。次に、ピストンを約２０４乃至２３２℃
（４００乃至４５０°Ｆ）の温度で３乃至５時間エージ
ング処理を行ない、ピストンに４７ｋｓｉの抗張力を付
与した。アルミニウム合金が変われば、熱処理条件も変
わるのは、当然である。
理し、クエンチングを施し、エージングを施した。熱処
理は、約５１６±５℃（９６０±１０°Ｆ）の温度で、
約４乃至１２時間行ない、その直後に、約３８乃至８２
℃（約１００乃至１８０°Ｆ）の温度の水でクエンチン
グを行なった。次に、ピストンを約２０４乃至２３２℃
（４００乃至４５０°Ｆ）の温度で３乃至５時間エージ
ング処理を行ない、ピストンに４７ｋｓｉの抗張力を付
与した。アルミニウム合金が変われば、熱処理条件も変
わるのは、当然である。
【００１８】（４）熱処理したピストンは、必要があれ
ば、従来の態様で機械加工して、所望の最終寸法にす
る。
ば、従来の態様で機械加工して、所望の最終寸法にす
る。
【００１９】このようにして得られたピストンは、特別
な表面コーティングその他の処理を施さなくても優れた
耐摩耗性と耐熱疲労性とを備えるとともに、優れた強度
特性を発揮し、しかも作動に信頼性がありかつ経済的に
製造することができることがわかった。クエンチング及
びエージングとともに熱処理をすることができないピス
トン抗張力は、クエンチング及びエージングともに熱処
理を行なったピストンの抗張力が４５ｋｓｉであるのに
比べ、約３７ｋｓｉであった。
な表面コーティングその他の処理を施さなくても優れた
耐摩耗性と耐熱疲労性とを備えるとともに、優れた強度
特性を発揮し、しかも作動に信頼性がありかつ経済的に
製造することができることがわかった。クエンチング及
びエージングとともに熱処理をすることができないピス
トン抗張力は、クエンチング及びエージングともに熱処
理を行なったピストンの抗張力が４５ｋｓｉであるのに
比べ、約３７ｋｓｉであった。
【００２０】
【発明の効果】このように、本発明によれば、熱クラッ
キングの問題が解決されるとともに、強度の大きい製品
を得ることができる。更に、所定の特性を有するプレフ
ォームインサート部材を使用することにより、特別の表
面処理を施さなくても、熱クラッキング及び耐摩耗性が
低いという従来技術の欠点を克服することができ、しか
も作動信頼性に優れた製品を経済的に得ることができ
る。
キングの問題が解決されるとともに、強度の大きい製品
を得ることができる。更に、所定の特性を有するプレフ
ォームインサート部材を使用することにより、特別の表
面処理を施さなくても、熱クラッキング及び耐摩耗性が
低いという従来技術の欠点を克服することができ、しか
も作動信頼性に優れた製品を経済的に得ることができ
る。
【図１】 本発明に係るピストンの横断面図である。
【図２】 （ａ）本発明に係るセラミック繊維材料の可
変密度プレフォームインサート部材の一実施例を示す概
略図、（ｂ）は図２（ａ）の実施例の変更例を示す概略
図である。
変密度プレフォームインサート部材の一実施例を示す概
略図、（ｂ）は図２（ａ）の実施例の変更例を示す概略
図である。
【図３】 （ａ）本発明に係るセラミック繊維材料の可
変密度プレフォームインサート部材の別の実施例を示す
概略図、（ｂ）は図２（ａ）の実施例の変更例を示す概
略図である。
変密度プレフォームインサート部材の別の実施例を示す
概略図、（ｂ）は図２（ａ）の実施例の変更例を示す概
略図である。
【図４】 （ａ）本発明に係る所定の変化された繊維の
配向を有するセラミック繊維プレフォームインサート部
材の別の実施例を示す概略図、（ｂ）はランダムな繊維
の配向の繊維領域を使用した図４（ａ）の実施例の変更
例を示す概略図である。
配向を有するセラミック繊維プレフォームインサート部
材の別の実施例を示す概略図、（ｂ）はランダムな繊維
の配向の繊維領域を使用した図４（ａ）の実施例の変更
例を示す概略図である。
【図５】本発明に係る所定の変化された密度または所定
の繊維の配向の１つ以上の部分を有するセラミック繊維
材料の可変密度プレフォームインサート部材の別の実施
例を示す断面図である。
の繊維の配向の１つ以上の部分を有するセラミック繊維
材料の可変密度プレフォームインサート部材の別の実施
例を示す断面図である。
【図６】 図５のプレフォームインサート部材を組込ん
だピストンの断面図である。
だピストンの断面図である。
１０ ピストン １４ クラウン １６ 燃焼ボウル領域 １８ リング溝領域 ２０ ピストンピンボス ２２ スカート ２３ 機能面値 ２４ プレフォームインサート部材 ２６ インサート ２８ 可変密度部分 ３２ ピストン
【手続補正書】
【提出日】平成８年１２月１３日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正内容】
【書類名】 明細書
【発明の名称】 内燃機関用鋳造金属ピストン
【特許請求の範囲】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、少なくとも一部が
無機繊維により補強された金属マトリックス複合材料で
ある内燃機関用鋳造金属ピストンに関する。
無機繊維により補強された金属マトリックス複合材料で
ある内燃機関用鋳造金属ピストンに関する。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関エンジン、より詳しくいうとデ
ィーゼルエンジンにおいては、ピストンは一般に非常に
過酷な作動条件に置かれ、その結果、強力な構造を得る
ことが特に重要である。特に、エンジンピストンについ
て特に重要なものは、（１）耐摩耗性、（２）耐焼付き
性（resistance to burning or seizure）及び（３）耐
熱疲労性（resistance to thermal fatigue ）（熱的に
誘起されるクラッキング）の３つの構造特性である。最
も厳しい条件に置かれ、従って、最大の構造材料特性を
必要とするピストンの領域は、頂部リング受け溝の上部
及び下部壁面とピストンのクラウン（crown ）の頂部燃
焼ボウル（combustion bowl ）である。
ィーゼルエンジンにおいては、ピストンは一般に非常に
過酷な作動条件に置かれ、その結果、強力な構造を得る
ことが特に重要である。特に、エンジンピストンについ
て特に重要なものは、（１）耐摩耗性、（２）耐焼付き
性（resistance to burning or seizure）及び（３）耐
熱疲労性（resistance to thermal fatigue ）（熱的に
誘起されるクラッキング）の３つの構造特性である。最
も厳しい条件に置かれ、従って、最大の構造材料特性を
必要とするピストンの領域は、頂部リング受け溝の上部
及び下部壁面とピストンのクラウン（crown ）の頂部燃
焼ボウル（combustion bowl ）である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従って、先行技術にお
いては、ディーゼルエンジンの場合には、頂部のピスト
ンリングの溝が形成されるピストンの部分に、ピストン
を主に構成するマトリックス（matrix）材料（例えば、
アルミニウムまたはアルミニウム合金）よりも耐摩耗性
及び耐熱疲労性に優れた、ニレジスト（NiResist）鋳鉄
のような特殊な鋳鉄により形成された補強インサート
（insert）を含ませることが広く行われている。しかし
ながら、ニレジスト鋳鉄のような耐摩耗性リング支持体
とともに鋳造されたピストンは、熱伝導性が低いこと、
インサートのピストン本体に対する被着性が劣ること、
並びに、インサートの製造及びピストンへの組込みに費
用を要すること、などの問題に遭遇する。燃焼ボウル領
域に関しては、ピストンのマトリックス合金を改質しか
つ燃焼ボウル自身の形状を変えることにより熱クラッキ
ング（thermal cracking）の傾向を低減させる試みがな
されてきたが、このような対策は、殆ど限界に近いこと
がわかった。また、ボウルの形状を変えると、エンジン
の燃焼効率を低下させることがある。
いては、ディーゼルエンジンの場合には、頂部のピスト
ンリングの溝が形成されるピストンの部分に、ピストン
を主に構成するマトリックス（matrix）材料（例えば、
アルミニウムまたはアルミニウム合金）よりも耐摩耗性
及び耐熱疲労性に優れた、ニレジスト（NiResist）鋳鉄
のような特殊な鋳鉄により形成された補強インサート
（insert）を含ませることが広く行われている。しかし
ながら、ニレジスト鋳鉄のような耐摩耗性リング支持体
とともに鋳造されたピストンは、熱伝導性が低いこと、
インサートのピストン本体に対する被着性が劣ること、
並びに、インサートの製造及びピストンへの組込みに費
用を要すること、などの問題に遭遇する。燃焼ボウル領
域に関しては、ピストンのマトリックス合金を改質しか
つ燃焼ボウル自身の形状を変えることにより熱クラッキ
ング（thermal cracking）の傾向を低減させる試みがな
されてきたが、このような対策は、殆ど限界に近いこと
がわかった。また、ボウルの形状を変えると、エンジン
の燃焼効率を低下させることがある。
【０００４】別の改善方法として、ピストンの金属マト
リックスにおける補強セラミック繊維に、更にセラミッ
クの表面コーティング層を形成することがしばしば行わ
れている。これらの繊維及び表面層は、ピストンの燃焼
ボウル領域及びリング領域のような、高温及び耐摩耗特
性の少なくとも一方が必要とされるピストンの領域に設
けられる。しかしながら、ピストンへの補強繊維の組込
みを、困難で費用のかかる合金添加法によらず、通常の
鋳造（casting ）法で行うことは困難であるので、この
ようにして得たピストンは作動において信頼性が問題と
なる。更に、所望の特性の複合材料を得るのに必要とさ
れる繊維の容積分率は大きくなるので、強度を最大にす
るためピストンの固溶化熱処理を行おうとすると、著し
い熱クラッキングが生ずることになる。
リックスにおける補強セラミック繊維に、更にセラミッ
クの表面コーティング層を形成することがしばしば行わ
れている。これらの繊維及び表面層は、ピストンの燃焼
ボウル領域及びリング領域のような、高温及び耐摩耗特
性の少なくとも一方が必要とされるピストンの領域に設
けられる。しかしながら、ピストンへの補強繊維の組込
みを、困難で費用のかかる合金添加法によらず、通常の
鋳造（casting ）法で行うことは困難であるので、この
ようにして得たピストンは作動において信頼性が問題と
なる。更に、所望の特性の複合材料を得るのに必要とさ
れる繊維の容積分率は大きくなるので、強度を最大にす
るためピストンの固溶化熱処理を行おうとすると、著し
い熱クラッキングが生ずることになる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】従って、本発明の目的
は、良好な耐摩耗性と、高温強度と、所望の熱伝達性と
を提供するプレフォーム(preform) セラミック繊維イン
サートを備えて製造される繊維強化金属製品としての内
燃機関用鋳造金属ピストンを提供することにある。
は、良好な耐摩耗性と、高温強度と、所望の熱伝達性と
を提供するプレフォーム(preform) セラミック繊維イン
サートを備えて製造される繊維強化金属製品としての内
燃機関用鋳造金属ピストンを提供することにある。
【０００６】本発明は、アルミニウム、マグネシウム、
亜鉛及びこれらの合金よりなる群から選ばれた金属によ
り形成され少なくとも１つのピストンリング溝を有する
内燃機関用鋳造金属ピストンを改良の対象とする。ピス
トンは金属のみからなる少なくとも第１の部分とセラミ
ック繊維からなるプレフォームインサート部材及び金属
の両方を含み且つピストンリング溝の領域を含む補強さ
れた複合部分からなる少なくとも第２の部分とからな
る。そしてプレフォームインサート部材は、第１のイン
サート部材部分と第１のインサート部材部分から離れた
少なくとも第２のインサート部材部分とからなり、第１
のインサート部材部分が２のインサート部材部分よりも
セラミック繊維の密度が低い。第１のインサート部材部
分は第１の部分に隣接して配置され且つ前記第１の部分
と結合され、第２のインサート部材部分はピストンの機
能表面まで延び且つピストンリング溝の領域を含む。
亜鉛及びこれらの合金よりなる群から選ばれた金属によ
り形成され少なくとも１つのピストンリング溝を有する
内燃機関用鋳造金属ピストンを改良の対象とする。ピス
トンは金属のみからなる少なくとも第１の部分とセラミ
ック繊維からなるプレフォームインサート部材及び金属
の両方を含み且つピストンリング溝の領域を含む補強さ
れた複合部分からなる少なくとも第２の部分とからな
る。そしてプレフォームインサート部材は、第１のイン
サート部材部分と第１のインサート部材部分から離れた
少なくとも第２のインサート部材部分とからなり、第１
のインサート部材部分が２のインサート部材部分よりも
セラミック繊維の密度が低い。第１のインサート部材部
分は第１の部分に隣接して配置され且つ前記第１の部分
と結合され、第２のインサート部材部分はピストンの機
能表面まで延び且つピストンリング溝の領域を含む。
【０００７】
【実施例】図面に関して説明すると、図１には、好まし
くはマグネシウム，アルミニウムまたはこれらの合金の
ような材料、例えば、９．５％のＳｉ、３．０％のＣ
ｕ、１．０％のＭｇ、１．０％のＺｎ、最大１．０％の
Ｆｅ及び残部がＡｌからなる合金［アルミニウム・アソ
シエイション（Aluminum Association）３３２．０］か
ら、公知のまたは好都合な形状に形成されたピストン本
体を備えたピストンが示されている。
くはマグネシウム，アルミニウムまたはこれらの合金の
ような材料、例えば、９．５％のＳｉ、３．０％のＣ
ｕ、１．０％のＭｇ、１．０％のＺｎ、最大１．０％の
Ｆｅ及び残部がＡｌからなる合金［アルミニウム・アソ
シエイション（Aluminum Association）３３２．０］か
ら、公知のまたは好都合な形状に形成されたピストン本
体を備えたピストンが示されている。
【０００８】使用される合金の別の例として４．０％の
Ｃｕ、２．０％のＮｉ、１．５％のＭｇ、最大０．７％
のＳｉ、最大１．０％のＦｅ及び残部がＡｌからなるア
ルミニウムアソシエイション２４２．０、１２．０％の
Ｓｉ、２．５％のＮｉ、１．０％のＭｇ、１．０％のＣ
ｕ、最大０．２％のＦｅ及び残部がＡｌからなるアルミ
ニウムアソシエイション３３６．０、あるいは３．０％
以下のＺｎを含むその他の鋳造もしくは錬造アルミニウ
ム合金がある。以下の記載において、「アルミニウム」
なる語は、アルミニウム及びアルミニウム合金の双方を
含むものである。
Ｃｕ、２．０％のＮｉ、１．５％のＭｇ、最大０．７％
のＳｉ、最大１．０％のＦｅ及び残部がＡｌからなるア
ルミニウムアソシエイション２４２．０、１２．０％の
Ｓｉ、２．５％のＮｉ、１．０％のＭｇ、１．０％のＣ
ｕ、最大０．２％のＦｅ及び残部がＡｌからなるアルミ
ニウムアソシエイション３３６．０、あるいは３．０％
以下のＺｎを含むその他の鋳造もしくは錬造アルミニウ
ム合金がある。以下の記載において、「アルミニウム」
なる語は、アルミニウム及びアルミニウム合金の双方を
含むものである。
【０００９】ピストン１０は、頂部に形成された燃焼ボ
ウル領域１６と、周壁部に形成されたリング溝領域１８
と、ピストンピンボス（gudgeon pin boss）２０と、ス
カート２２とを有するクラウン１４を備えている。
ウル領域１６と、周壁部に形成されたリング溝領域１８
と、ピストンピンボス（gudgeon pin boss）２０と、ス
カート２２とを有するクラウン１４を備えている。
【００１０】本発明によれば、リング溝領域１８と燃焼
ボウル領域１６の少なくとも一方は、図２（ａ），図２
（ｂ），図３（ａ），図３（ｂ），図４（ａ）及び図４
（ｂ）に明示されているように、セラミック繊維材料か
らなるプレフォームまたはプレフォームインサート部材
２４を有している。プレフォームインサート部材２４
は、アルミナ繊維、アルミナ／シリカ繊維（約５１重量
％のアルミナ）、炭化珪素繊維、その他本技術分野にお
いて公知の繊維のようなセラミック無機繊維からなる。
これらのプレフォームインサート部材は、真空成形のよ
うな本技術分野において知られているような、数多くの
方法によって作ることができる。これらの繊維の特徴、
即ち、これらの繊維の密度（density ）、タイプ及び繊
維の並ぶ方向即ち繊維の配向は、以下に記載するよう
に、繊維を含むピストンの第２の部分［複合部分（comp
osite portion ）］とアルミニウム材料だけを含むピス
トンの第１の部分（マトリックス部分）との間の熱的適
合性（thermal compatibility）により熱クラッキング
を生じることなく、ピストンを熱処理（溶体化処理及び
クエンチングの少なくとも一方）することにより、強度
及び摩耗特性を最大にすることができるように、慎重に
選定される。
ボウル領域１６の少なくとも一方は、図２（ａ），図２
（ｂ），図３（ａ），図３（ｂ），図４（ａ）及び図４
（ｂ）に明示されているように、セラミック繊維材料か
らなるプレフォームまたはプレフォームインサート部材
２４を有している。プレフォームインサート部材２４
は、アルミナ繊維、アルミナ／シリカ繊維（約５１重量
％のアルミナ）、炭化珪素繊維、その他本技術分野にお
いて公知の繊維のようなセラミック無機繊維からなる。
これらのプレフォームインサート部材は、真空成形のよ
うな本技術分野において知られているような、数多くの
方法によって作ることができる。これらの繊維の特徴、
即ち、これらの繊維の密度（density ）、タイプ及び繊
維の並ぶ方向即ち繊維の配向は、以下に記載するよう
に、繊維を含むピストンの第２の部分［複合部分（comp
osite portion ）］とアルミニウム材料だけを含むピス
トンの第１の部分（マトリックス部分）との間の熱的適
合性（thermal compatibility）により熱クラッキング
を生じることなく、ピストンを熱処理（溶体化処理及び
クエンチングの少なくとも一方）することにより、強度
及び摩耗特性を最大にすることができるように、慎重に
選定される。
【００１１】セラミックの繊維は、ピストンのような製
品用のモールドに入れられ、アルミニウムはモールドの
周囲及び中で加圧鋳造される（pressure cast ）。この
鋳造処理は、好ましくは、鋳物の気孔率（porosity）を
最小にし、樹枝状セル（dendritic cell）のサイズを小
さくし、かつ、セラミック繊維のプレフォームインサー
ト部材とマトリックスアルミニウム材料との間の結合を
大幅に改善するスキーズ鋳造（squeeze casting ）法に
よって行われる。スキーズ鋳造操作においては、アルミ
ニウムマトリックス材料は、全体的に、多孔質のプレフ
ォームインサート部材を介して流れ、かつ、プレフォー
ムインサート部材に浸透し、マトリックス材料とセラミ
ック繊維を含むピストンの複合部を形成する。
品用のモールドに入れられ、アルミニウムはモールドの
周囲及び中で加圧鋳造される（pressure cast ）。この
鋳造処理は、好ましくは、鋳物の気孔率（porosity）を
最小にし、樹枝状セル（dendritic cell）のサイズを小
さくし、かつ、セラミック繊維のプレフォームインサー
ト部材とマトリックスアルミニウム材料との間の結合を
大幅に改善するスキーズ鋳造（squeeze casting ）法に
よって行われる。スキーズ鋳造操作においては、アルミ
ニウムマトリックス材料は、全体的に、多孔質のプレフ
ォームインサート部材を介して流れ、かつ、プレフォー
ムインサート部材に浸透し、マトリックス材料とセラミ
ック繊維を含むピストンの複合部を形成する。
【００１２】更に、ある所望の特性を得るには、ピスト
ンの最終複合部分の機能表面（耐摩耗性及び耐熱性を提
供する表面）に、好ましくは１０乃至２０容量パーセン
ト以上の密度を持たせる必要があることがわかった。こ
の全密度（total density ）の要件（１０乃至５０容量
パーセント程度）は、複合体の熱膨脹係数を著しく下げ
るが、これはマトリックス材料に結合したときに問題を
生じる。更に、複合体の熱膨張の低下は、製品に最良の
強度特性を提供するのに所望される溶体化処理及びクエ
ンチングのような鋳造後の熱処理の際の、熱クラッキン
グの問題の原因となる。プレフォームインサート部材２
４は、繊維密度［図２（ａ）、図２（ｂ）、図３
（ａ）、図３（ｂ）参照］が変化しており、またベース
（マトリックス）ピストン材料と接触する表面部分から
所要の耐摩耗特性または耐熱疲労特性を備える機能表面
にかけて、繊維が並ぶ方向即ち繊維の配向を変化させて
いる。即ち、例えば、１５容量パーセントのセラミック
繊維密度が燃焼ボウル領域に必要とされる場合には、プ
レフォームインサート部材は、ピストン本体の金属のみ
からなる第１の部分に隣接する第１のインサート部材部
分において約５容量パーセント以下の繊維の密度を有
し、燃焼ボウルの機能面側に延びる第２のインサート部
材部分において１５容量パーセントとなるように徐々に
増加するように構成される。２つの層の容量パーセント
の相違が５パーセントよりも大きくならない限りは、一
連の連続した層を使用することも完全に許容することが
できるが、プレフォームインサート部材の密度の変化
は、最大密度の表面から最小密度の表面にかけて除々に
行われるのが好ましい［図２（ｂ）及び図３（ｂ）参
照］。可変密度のプレフォームインサート部材は、ピス
トンが、例えば、溶体化処理及びクエンチングの際に、
過酷な温度変化を受けるときに生じる応力を分散させ
る。プレフォーム２４は、複合部分とピストンの本体材
料部との界面部において、ピストンの軸線と平行な方向
に繊維が並ぶように繊維を配向させ、機能面２３でのセ
ラミック繊維の配向はピストンのクラウンとほぼ平行に
なるようにする［図４（ｂ）参照］。図４（ｂ）に示す
ように、ランダムに配向された即ちランダムな方向に繊
維が延びる配向を有する繊維の遷移領域２５を構成する
第３のインサート部材部分を含むことが望ましい場合も
ある。このように構成すると、熱処理または過酷なエン
ジン作動の場合に遭遇するような急激な温度変化により
応力を更に分散させることができる。更に、この構成に
より、別の表面層を使用することを必要とせずに、ピス
トンに優れた耐摩耗性と強度を提供することができる。
ンの最終複合部分の機能表面（耐摩耗性及び耐熱性を提
供する表面）に、好ましくは１０乃至２０容量パーセン
ト以上の密度を持たせる必要があることがわかった。こ
の全密度（total density ）の要件（１０乃至５０容量
パーセント程度）は、複合体の熱膨脹係数を著しく下げ
るが、これはマトリックス材料に結合したときに問題を
生じる。更に、複合体の熱膨張の低下は、製品に最良の
強度特性を提供するのに所望される溶体化処理及びクエ
ンチングのような鋳造後の熱処理の際の、熱クラッキン
グの問題の原因となる。プレフォームインサート部材２
４は、繊維密度［図２（ａ）、図２（ｂ）、図３
（ａ）、図３（ｂ）参照］が変化しており、またベース
（マトリックス）ピストン材料と接触する表面部分から
所要の耐摩耗特性または耐熱疲労特性を備える機能表面
にかけて、繊維が並ぶ方向即ち繊維の配向を変化させて
いる。即ち、例えば、１５容量パーセントのセラミック
繊維密度が燃焼ボウル領域に必要とされる場合には、プ
レフォームインサート部材は、ピストン本体の金属のみ
からなる第１の部分に隣接する第１のインサート部材部
分において約５容量パーセント以下の繊維の密度を有
し、燃焼ボウルの機能面側に延びる第２のインサート部
材部分において１５容量パーセントとなるように徐々に
増加するように構成される。２つの層の容量パーセント
の相違が５パーセントよりも大きくならない限りは、一
連の連続した層を使用することも完全に許容することが
できるが、プレフォームインサート部材の密度の変化
は、最大密度の表面から最小密度の表面にかけて除々に
行われるのが好ましい［図２（ｂ）及び図３（ｂ）参
照］。可変密度のプレフォームインサート部材は、ピス
トンが、例えば、溶体化処理及びクエンチングの際に、
過酷な温度変化を受けるときに生じる応力を分散させ
る。プレフォーム２４は、複合部分とピストンの本体材
料部との界面部において、ピストンの軸線と平行な方向
に繊維が並ぶように繊維を配向させ、機能面２３でのセ
ラミック繊維の配向はピストンのクラウンとほぼ平行に
なるようにする［図４（ｂ）参照］。図４（ｂ）に示す
ように、ランダムに配向された即ちランダムな方向に繊
維が延びる配向を有する繊維の遷移領域２５を構成する
第３のインサート部材部分を含むことが望ましい場合も
ある。このように構成すると、熱処理または過酷なエン
ジン作動の場合に遭遇するような急激な温度変化により
応力を更に分散させることができる。更に、この構成に
より、別の表面層を使用することを必要とせずに、ピス
トンに優れた耐摩耗性と強度を提供することができる。
【００１３】本発明の別の実施例によれば、図６に示す
ように、ピストンのような金属製品を提供することがで
きる。このピストンは、複合部セラミック繊維インサー
ト部材（multiple portion ceramic insert member）２
６を備えている。この複合部セラミック繊維インサート
部材により、鋳造後の熱処理により強度特性を最大にす
ることができるとともに、最終製品の製造を容易にする
ことができる。例えば、第５図に示すように、複合セラ
ミック繊維インサート２６は、頂面で最大の繊維密度を
有し、底面で最小の繊維密度を有する可変密度部分２８
を備えることができる。繊維の配向は、多くの場合、図
５に示すような、繊維がプレフォームインサート部材の
軸線に略直交するか、あるいは上面の形状に従うような
ものとなる。インサート２６の第２の部分は可変密度を
有していてもいなくてもよく、繊維の並ぶ方向即ち配向
は多くの場合、プレフォームインサート部材と略平行と
なる。即ち、プレフォームインサート部材の第２のイン
サート部材部分は、特性（組成繊維の配向、密度など）
が他の部分とは異なっている。実施する場合には、この
プレフォームインサート部材は、図６に示すようなピス
トン３２を作るのに使用することができ、ピストンの一
部として複合部セラミック繊維補強部を有する。更に、
セラミック繊維インサート部材はピンボス領域において
使用することもできる。
ように、ピストンのような金属製品を提供することがで
きる。このピストンは、複合部セラミック繊維インサー
ト部材（multiple portion ceramic insert member）２
６を備えている。この複合部セラミック繊維インサート
部材により、鋳造後の熱処理により強度特性を最大にす
ることができるとともに、最終製品の製造を容易にする
ことができる。例えば、第５図に示すように、複合セラ
ミック繊維インサート２６は、頂面で最大の繊維密度を
有し、底面で最小の繊維密度を有する可変密度部分２８
を備えることができる。繊維の配向は、多くの場合、図
５に示すような、繊維がプレフォームインサート部材の
軸線に略直交するか、あるいは上面の形状に従うような
ものとなる。インサート２６の第２の部分は可変密度を
有していてもいなくてもよく、繊維の並ぶ方向即ち配向
は多くの場合、プレフォームインサート部材と略平行と
なる。即ち、プレフォームインサート部材の第２のイン
サート部材部分は、特性（組成繊維の配向、密度など）
が他の部分とは異なっている。実施する場合には、この
プレフォームインサート部材は、図６に示すようなピス
トン３２を作るのに使用することができ、ピストンの一
部として複合部セラミック繊維補強部を有する。更に、
セラミック繊維インサート部材はピンボス領域において
使用することもできる。
【００１４】次に、本発明の鋳造金属品を製造する場合
の具体例を説明する。
の具体例を説明する。
【００１５】（１）最終複合材料繊維含有量が機能面の
頂部において１７容量％であり、底部において４％にな
るように徐々に低下している、アルミニウム繊維である
セラミック繊維の適宜のプレフォームインサート部材を
得た。このプレフォームインサート部材をピストンモー
ルドの中に入れ、組成が４．０重量％のＣｕと、２．０
重量％のＮｉと、１．５重量％のＭｇと、残部がアルミ
ニウムであり、温度が約６７７乃至７６０℃（１２５０
°Ｆ乃至１４００°Ｆ）のアルミニウム合金をプレフォ
ームインサート部材の周囲に、５乃至３５ｋｓｉの力を
かけて、本技術分野において公知のスクイーズ鋳造法に
より鋳込んだ。
頂部において１７容量％であり、底部において４％にな
るように徐々に低下している、アルミニウム繊維である
セラミック繊維の適宜のプレフォームインサート部材を
得た。このプレフォームインサート部材をピストンモー
ルドの中に入れ、組成が４．０重量％のＣｕと、２．０
重量％のＮｉと、１．５重量％のＭｇと、残部がアルミ
ニウムであり、温度が約６７７乃至７６０℃（１２５０
°Ｆ乃至１４００°Ｆ）のアルミニウム合金をプレフォ
ームインサート部材の周囲に、５乃至３５ｋｓｉの力を
かけて、本技術分野において公知のスクイーズ鋳造法に
より鋳込んだ。
【００１６】（２）次に、プレフォームインサート部材
を含むピストンを冷却し、モールドから取出した。
を含むピストンを冷却し、モールドから取出した。
【００１７】（３）次に、冷却したピストンを溶体化処
理し、クエンチングを施し、エージングを施した。熱処
理は、約５１６±５℃（９６０±１０°Ｆ）の温度で、
約４乃至１２時間行ない、その直後に、約３８乃至８２
℃（約１００乃至１８０°Ｆ）の温度の水でクエンチン
グを行なった。次に、ピストンを約２０４乃至２３２℃
（４００乃至４５０°Ｆ）の温度で３乃至５時間エージ
ング処理を行ない、ピストンに４７ｋｓｉの抗張力を付
与した。アルミニウム合金が変われば、熱処理条件も変
わるのは、当然である。
理し、クエンチングを施し、エージングを施した。熱処
理は、約５１６±５℃（９６０±１０°Ｆ）の温度で、
約４乃至１２時間行ない、その直後に、約３８乃至８２
℃（約１００乃至１８０°Ｆ）の温度の水でクエンチン
グを行なった。次に、ピストンを約２０４乃至２３２℃
（４００乃至４５０°Ｆ）の温度で３乃至５時間エージ
ング処理を行ない、ピストンに４７ｋｓｉの抗張力を付
与した。アルミニウム合金が変われば、熱処理条件も変
わるのは、当然である。
【００１８】（４）熱処理したピストンは、必要があれ
ば、従来の態様で機械加工して、所望の最終寸法にす
る。
ば、従来の態様で機械加工して、所望の最終寸法にす
る。
【００１９】このようにして得られたピストンは、特別
な表面コーティングその他の処理を施さなくても優れた
耐摩耗性と耐熱疲労性とを備えるとともに、優れた強度
特性を発揮し、しかも作動に信頼性がありかつ経済的に
製造することができることがわかった。クエンチング及
びエージングとともに熱処理をすることができないピス
トン抗張力は、クエンチング及びエージングともに熱処
理を行なったピストンの抗張力が４５ｋｓｉであるのに
比べ、約３７ｋｓｉであった。
な表面コーティングその他の処理を施さなくても優れた
耐摩耗性と耐熱疲労性とを備えるとともに、優れた強度
特性を発揮し、しかも作動に信頼性がありかつ経済的に
製造することができることがわかった。クエンチング及
びエージングとともに熱処理をすることができないピス
トン抗張力は、クエンチング及びエージングともに熱処
理を行なったピストンの抗張力が４５ｋｓｉであるのに
比べ、約３７ｋｓｉであった。
【００２０】
【発明の効果】このように、本発明によれば、熱クラッ
キングの問題が解決されるとともに、強度の大きい製品
を得ることができる。更に、所定の特性を有するプレフ
ォームインサート部材を使用することにより、特別の表
面処理を施さなくても、熱クラッキング及び耐摩耗性が
低いという従来技術の欠点を克服することができ、しか
も作動信頼性に優れた製品を経済的に得ることができ
る。
キングの問題が解決されるとともに、強度の大きい製品
を得ることができる。更に、所定の特性を有するプレフ
ォームインサート部材を使用することにより、特別の表
面処理を施さなくても、熱クラッキング及び耐摩耗性が
低いという従来技術の欠点を克服することができ、しか
も作動信頼性に優れた製品を経済的に得ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るピストンの横断面図である。
【図２】 （ａ）本発明に係るセラミック繊維材料の可
変密度プレフォームインサート部材の一実施例を示す概
略図、（ｂ）は図２（ａ）の実施例の変更例を示す概略
図である。
変密度プレフォームインサート部材の一実施例を示す概
略図、（ｂ）は図２（ａ）の実施例の変更例を示す概略
図である。
【図３】 （ａ）本発明に係るセラミック繊維材料の可
変密度プレフォームインサート部材の別の実施例を示す
概略図、（ｂ）は図２（ａ）の実施例の変更例を示す概
略図である。
変密度プレフォームインサート部材の別の実施例を示す
概略図、（ｂ）は図２（ａ）の実施例の変更例を示す概
略図である。
【図４】 （ａ）本発明に係る所定の変化された繊維の
配向を有するセラミック繊維プレフォームインサート部
材の別の実施例を示す概略図、（ｂ）はランダムな繊維
の配向の繊維領域を使用した図４（ａ）の実施例の変更
例を示す概略図である。
配向を有するセラミック繊維プレフォームインサート部
材の別の実施例を示す概略図、（ｂ）はランダムな繊維
の配向の繊維領域を使用した図４（ａ）の実施例の変更
例を示す概略図である。
【図５】本発明に係る所定の変化された密度または所定
の繊維の配向の１つ以上の部分を有するセラミック繊維
材料の可変密度プレフォームインサート部材の別の実施
例を示す断面図である。
の繊維の配向の１つ以上の部分を有するセラミック繊維
材料の可変密度プレフォームインサート部材の別の実施
例を示す断面図である。
【図６】 図５のプレフォームインサート部材を組込ん
だピストンの断面図である。
だピストンの断面図である。
【符号の説明】 １０ ピストン １４ クラウン １６ 燃焼ボウル領域 １８ リング溝領域 ２０ ピストンピンボス ２２ スカート ２３ 機能面値 ２４ プレフォームインサート部材 ２６ インサート ２８ 可変密度部分 ３２ ピストン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マーティン ディー スマルク アメリカ合衆国 オハイオ州 44129 パ ーマ スタンバリイ ロード 6434
Claims (7)
- 【請求項１】 アルミニウム、マグネシウム、亜鉛及び
これらの合金よりなる群から選ばれた金属により形成さ
れた本体を備え、 前記本体は前記金属のみからなる第１の部分とセラミッ
ク繊維からなるプレフォームインサート部材及び前記金
属の両方を含む複合部分からなる第２の部分とからな
り、 前記プレフォームインサート部材は、前記本体の前記第
１の部分と前記第２の部分との間に信頼性の高い結合を
行なわせるように配向されて前記第１の部分に直接隣接
する第１の予め選択された特性部分と、特別な表面コー
トを必要とせずに最適の耐熱疲労特性及び耐摩耗特性を
得るように配向されて前記第１の予め選択された特性部
分から離れた第２の予め選択された特性部分とを有して
いることを特徴とする鋳造金属製品。 - 【請求項２】 前記複合部分の前記第１の予め選択され
た特性部分は前記第２の予め選択された特性部分よりも
セラミック繊維の密度が低いことを特徴とする特許請求
の範囲第１項に記載の鋳造金属製品。 - 【請求項３】 前記第１の予め選択された特性部分の前
記セラミック繊維の前記密度は約０乃至５容量パーセン
トであり、前記第２の予め選択された特性部分の前記セ
ラミック繊維の密度は約１０乃至５０容量パーセントで
あることを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の鋳
造金属製品。 - 【請求項４】 前記第１の部分に直接隣接する前記第１
の予め選択された特性部分は第１のセラミック繊維の配
向を有しており、前記第２の予め選択された特性部分は
異なった第２のセラミック繊維の配向を有していること
を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の鋳造金属製
品。 - 【請求項５】 前記第１の予め選択された特性部分は前
記第２の予め選択された特性部分よりもセラミック繊維
の密度が低く且つ異なったセラミック繊維の配向を有し
ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
鋳造金属製品。 - 【請求項６】 前記プレフォームインサート部材は前記
第１の部分と前記第２の部分との間に第３の予め定めら
れた特性部分を有していることを特徴とする特許請求の
範囲第１項に記載の鋳造金属製品。 - 【請求項７】 前記第３の予め定められた特性部分のセ
ラミック繊維はランダムな配向になっていることを特徴
とする特許請求の範囲第６項に記載の鋳造金属製品。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US719938 | 1985-04-04 | ||
| US06/719,938 US4587177A (en) | 1985-04-04 | 1985-04-04 | Cast metal composite article |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61074388A Division JPS61235058A (ja) | 1985-04-04 | 1986-04-02 | 鋳造金属製品 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09177604A true JPH09177604A (ja) | 1997-07-11 |
| JP2866064B2 JP2866064B2 (ja) | 1999-03-08 |
Family
ID=24892004
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61074388A Pending JPS61235058A (ja) | 1985-04-04 | 1986-04-02 | 鋳造金属製品 |
| JP8301981A Expired - Lifetime JP2866064B2 (ja) | 1985-04-04 | 1996-11-13 | 内燃機関用鋳造金属ピストン |
Family Applications Before (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61074388A Pending JPS61235058A (ja) | 1985-04-04 | 1986-04-02 | 鋳造金属製品 |
Country Status (10)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4587177A (ja) |
| JP (2) | JPS61235058A (ja) |
| AU (1) | AU581734B2 (ja) |
| BR (1) | BR8601512A (ja) |
| CA (1) | CA1251010A (ja) |
| DE (1) | DE3610856C3 (ja) |
| GB (1) | GB2173134B (ja) |
| IN (1) | IN166369B (ja) |
| IT (1) | IT1208743B (ja) |
| MX (1) | MX166963B (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015518536A (ja) * | 2012-03-28 | 2015-07-02 | マーレ インターナショナル ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテルハフツングＭＡＨＬＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＧｍｂＨ | アルミニウムピストンの製造方法 |
| CN110431334A (zh) * | 2017-02-21 | 2019-11-08 | 标致雪铁龙汽车股份有限公司 | 用于热力发动机的动力传动装置 |
Families Citing this family (57)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61166934A (ja) * | 1985-01-17 | 1986-07-28 | Toyota Motor Corp | 複合材料製造用短繊維成形体及びその製造方法 |
| JPS62156938A (ja) * | 1985-12-28 | 1987-07-11 | 航空宇宙技術研究所 | 傾斜機能材料の製造方法 |
| JPS6342859A (ja) * | 1986-08-08 | 1988-02-24 | 航空宇宙技術研究所長 | 傾斜機能材料の製造方法 |
| EP0280830A1 (en) * | 1987-03-02 | 1988-09-07 | Battelle Memorial Institute | Method for producing metal or alloy casting, composites reinforced with fibrous or particulate materials |
| US4828008A (en) * | 1987-05-13 | 1989-05-09 | Lanxide Technology Company, Lp | Metal matrix composites |
| US5277989A (en) * | 1988-01-07 | 1994-01-11 | Lanxide Technology Company, Lp | Metal matrix composite which utilizes a barrier |
| US4935055A (en) * | 1988-01-07 | 1990-06-19 | Lanxide Technology Company, Lp | Method of making metal matrix composite with the use of a barrier |
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