JPH09287661A - 内燃機関用ピストン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 銅の含有量を１０〜３５重量％としたアルミ
ニウム合金−銅の合金層にピストンリング溝を形成した
場合、高温・高負荷のシリンダ内雰囲気でピストンリン
グ溝に摩耗を生じる虞がある。また合金層がピストンリ
ングに溶着する虞がある。 【解決手段】 アルミニウム合金製ピストン１のピスト
ンリング溝３を形成する外周部２に、アルミニウム合金
−銅−鉛−鉄−ニッケルの合金層１２を生成させると共
に、合金層１２の銅の含有量を１０〜３５重量％、鉛の
含有量を３〜１５重量％とし、該合金層１２にピストン
リング溝３を形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関用ピスト
ンに関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関用ピストンは、一般にアルミニ
ウム合金からなり、外周部には複数のピストンリング溝
が形成され、このピストンリング溝内にピストンリング
が嵌挿される。前記ピストンリング溝のうち、最も冠面
に近いトップリングが嵌挿されるピストンリング溝は、
燃焼室に近く温度が高いことや、トップリングが燃焼圧
力を受けること等の理由により、摩耗を生じる虞があ
る。

【０００３】これを対策するために、特開平２−１２５
９５２号公報には、アルミニウム合金製ピストンのピス
トンリング溝を形成する外周部に周溝を形成し、この周
溝内に銅線材を巻き付けて嵌挿した後、電子ビームによ
って銅線材及びその近傍のピストンの母材を局部的に溶
融し、ピストンの母材中に銅を溶融拡散させ、銅の含有
量が１０〜３５重量％のアルミニウム合金−銅の合金層
を生成し、この合金層にピストンリング溝を形成したも
のが提案されている。このアルミニウム合金−銅の合金
層は硬く、アルミニウム合金にピストンリング溝を形成
したものに比べピストンリング溝の耐摩耗性を高めるこ
とができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の内燃機関用ピストンを、例えばターボディーゼル
等、とくにシリンダ内雰囲気が高温・高負荷になる内燃
機関に用いた場合、銅の含有量を１０〜３５重量％とし
たアルミニウム合金−銅の合金層では十分に対応でき
ず、ピストンリング溝に摩耗を生じる虞がある。また高
温・高負荷のシリンダ内雰囲気では、前記合金層にピス
トンリングが凝着する虞がある。

【０００５】本発明は上記従来の実情に鑑みて案出され
たもので、ターボディーゼル等の高温・高負荷のシリン
ダ内雰囲気に対応可能なピストンリング溝を備えた内燃
機関用ピストンを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そこで本発明は、アルミ
ニウム合金製ピストンのピストンリング溝を形成する外
周部に、アルミニウム合金−銅−鉛−鉄−ニッケルの合
金層を生成させると共に、該合金層の銅の含有量を１０
〜３５重量％、鉛の含有量を３〜１５重量％とし、該合
金層にピストンリング溝を形成した構成にしてある。

【０００７】ここで、アルミニウム合金−銅−鉛−鉄−
ニッケルの合金層は、アルミニウム合金製ピストンのピ
ストンリング溝を形成すべき外周部に、銅線材、鉛線
材、鉄線材、ニッケル線材を配置し、この銅線材、鉛線
材、鉄線材、ニッケル線材及びその近傍のアルミニウム
合金の母材を局部的に溶融して、銅、鉛、鉄、ニッケル
をアルミニウム合金中に溶融拡散させて形成される。こ
の場合に、銅線材、鉛線材、鉄線材及びニッケル線材
は、銅の含有量が１０〜３５重量％、鉛の含有量が３〜
１５重量％の合金層が形成されるために適当な大きさが
選択される。

【０００８】前記銅線材、鉛線材、鉄線材、ニッケル線
材の配置は、例えば、ピストンの外周部に溝を形成し、
この溝の内部に銅線材、鉛線材、鉄線材、ニッケル線材
を巻き付けて嵌挿することによって実行される。また、
銅線材、鉛線材、鉄線材、ニッケル線材及びその近傍の
アルミニウム合金の母材の溶融は、真空雰囲気中で電子
ビームを照射して行うことを可とする。この場合に、電
子ビームの照射はピストン本体を緩速度で回転しつつ実
施される。

【０００９】この電子ビーム照射後、即ち電子ビームが
通過した後、合金層はアルミニウム合金の母材によって
急速に冷却され、アルミニウム合金−銅−鉛−鉄−ニッ
ケルの金属間化合物が微細に生成される。また、電子ビ
ームはエネルギ密度が高いため、溶融部分には合金材料
が均一に拡散され、均質な合金層が得られる。

【００１０】なお、電子ビームに替えてレーザービーム
を用いることも可能である。この場合には大気中の作業
が可能となる。

【００１１】また、アルミニウム合金−銅−鉛−鉄−ニ
ッケルの合金層は、予め、鋳造した環状の銅−鉛−鉄−
ニッケル合金線材をピストンの鋳型内に装着し、この鋳
型内でアルミニウム合金のピストンを鋳造することによ
り、このピストンのピストンリング溝を形成する外周部
に前記銅−鉛−鉄−ニッケル合金線材を鋳包み、更にこ
の後、前記銅−鉛−鉄−ニッケル合金線材及びその近傍
のアルミニウム合金の母材を電子ビーム又は、レーザー
ビームにより局部的に溶融して、銅、鉛、鉄及びニッケ
ルをアルミニウム合金中に溶融拡散させて形成可能であ
る。この場合に、銅−鉛−鉄−ニッケル合金線材は、銅
の含有量が１０〜３５重量％、鉛の含有量が３〜１５重
量％の合金層が形成されるために、適当な成分比率に調
整されると共に適当な大きさが選択される。

【００１２】その後、合金層部分にピストンリング溝を
形成する。

【００１３】前記構成では、アルミニウム合金−銅−鉛
−鉄−ニッケルの合金層の銅の含有量を１０〜３５重量
％、鉛の含有量を３〜１５重量％とすることにより、前
記合金層において拡散した鉛の粒子が、アルミニウム合
金−銅の金属間化合物の粒子を包含するようになる。す
なわち、前記合金層においては、アルミニウム合金−銅
の金属間化合物の粒子が鉛の粒子により被膜された状態
でアルミニウム合金−銅−鉛−鉄−ニッケルの金属間化
合物が生成される。また、前記アルミニウム合金−銅−
鉛−鉄−ニッケルの合金層中に含まれる鉛は、高温の雰
囲気中で溶融して前記合金層の表面に薄い膜を形成す
る。このため、前記アルミニウム合金−銅−鉛−鉄−ニ
ッケルの合金層では、非常に優れた耐摩耗性、耐凝着性
が得られるようになる。

【００１４】したがって、前記合金層にピストンリング
溝を形成することにより、ターボディーゼル等の高温・
高負荷のシリンダ内雰囲気に対応可能な、耐摩耗性、耐
凝着性を有するピストンリング溝が形成できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳述する。

【００１６】図１は本発明の実施の形態を示す内燃機関
用ピストンの断面図である。図において１は内燃機関用
ピストンで、このピストン１は高シリコンアルミニウム
合金材料（ＡＣ８Ａ材）からなり、このピストン１の冠
部１ａの外周部２には複数のピストンリング溝、即ちト
ップリング溝３、セカンドリング溝４、オイルリング溝
５が形成してある。

【００１７】前記複数のピストンリング溝３，４，５の
うち、トップリング溝３は次のようにして形成される。

【００１８】即ち、まずピストン１のピストンリング溝
３を形成する外周部２に溝６を形成し、この溝６内に銅
線材７と、鉛線材８と、鉄線材９と、ニッケル線材１０
を巻き付けて嵌挿する（図２（Ａ）及び図３参照）。各
線材７，８，９，１０の線径は後述する合金層１２の好
ましい成分比率を得るために適当な寸法が選択される。

【００１９】次に、前記銅線材７、鉛線材８、鉄線材
９、ニッケル線材１０を押圧してピストン１の溝６内に
定着させる（図２（Ｂ）及び図４参照）。

【００２０】その後、真空雰囲気中で電子ビーム１１を
照射して、銅線材７、鉛線材８、鉄線材９、ニッケル線
材１０及びその近傍のピストン１の母材を局部的に溶融
し、銅、鉛、鉄、及びニッケルをアルミニウム合金中に
溶融拡散させてアルミニウム合金−銅−鉛−鉄−ニッケ
ルの合金層１２を形成する（図２（Ｃ）参照）。

【００２１】前記電子ビーム１１の照射は、図５に示す
ように、ピストン１を緩速度で回転させつつ実施され
る。したがって、電子ビーム１１照射後、即ち電子ビー
ム１１が通過した後、合金層１２はアルミニウム合金の
母材によって急速に冷却され、アルミニウム合金−銅−
鉛−鉄−ニッケルの金属間化合物が微細に生成される。
また、電子ビーム１１はエネルギ密度が高いため、溶融
部分には合金材料が均一に拡散され、均質な合金層１２
が得られる。

【００２２】また、前記合金層１２は銅線材７と、鉛線
材８、鉄線材９と、ニッケル線材１０の線径の選択と、
電子ビーム１１のアルミニウム合金の母材への照射容積
を調節してアルミニウム合金の溶融量を加減することに
より、銅の含有量が１０〜３５重量％、鉛の含有量が３
〜１５重量％の成分比率に生成される。

【００２３】次に、ピストン１を一旦、空冷した後、ピ
ストン１に強化および変形防止のための熱処理を施す。

【００２４】更にこの後、ピストン１に切削加工を施
し、図２（Ｄ）に示すように、合金層１２部分にピスト
ンリング溝３を形成する。

【００２５】前記構成の内燃機関用ピストン１では、ア
ルミニウム合金−銅−鉛−鉄−ニッケルの合金層１２の
銅の含有量を１０〜３５重量％、鉛の含有量を３〜１５
重量％とすることにより、前記合金層１２において拡散
した鉛の粒子が、アルミニウム合金−銅の金属間化合物
の粒子を包含するようになる。すなわち、前記合金層１
２においては、アルミニウム合金−銅の金属間化合物の
粒子が鉛の粒子により被膜された状態でアルミニウム合
金−銅−鉛−鉄−ニッケルの金属間化合物が生成され
る。また、前記アルミニウム合金−銅−鉛−鉄−ニッケ
ルの合金層１２中に含まれる鉛は、高温の雰囲気中で溶
融して前記合金層１２の表面に薄い膜を形成する。この
ため、前記アルミニウム合金−銅−鉛−鉄−ニッケルの
合金層１２では、非常に優れた耐摩耗性、耐凝着性が得
られるようになる。

【００２６】したがって、前記合金層１２にピストンリ
ング溝３を形成することにより、ターボディーゼル等の
高温・高負荷のシリンダ内雰囲気に対応可能な、耐摩耗
性、耐凝着性を有するピストンリング溝３が形成でき
る。

【００２７】また、前記銅線材７、鉛線材８、鉄線材
９、ニッケル線材１０を押圧して溝６内に定着させるこ
とにより、各線材７，８，９，１０間の隙間を可及的に
少なくして、これら各線材７，８，９，１０を溶融する
場合の空気の巻き込みを有利に防止できる。

【００２８】図６及び図７は本発明の別の実施の形態を
示す図面で、この実施の形態によれば、まず、図６
（Ａ）に示すように、溶鉱炉１３内で銅の溶湯１４に鉛
塊１５、鉄塊１６及びニッケル塊１７を溶融させて、銅
−鉛−鉄−ニッケルの合金の溶湯１８を生成する。

【００２９】次に、図６（Ｂ）に示すように、前記銅−
鉛−鉄−ニッケルの合金の溶湯１８を環状の成形空洞１
９ａを有する鋳型１９内に流し込んで、環状の銅−鉛−
鉄−ニッケル合金線材２０を形成する。

【００３０】次に、前記銅−鉛−鉄−ニッケル合金線材
１９をピストン１を鋳造する鋳型２１内に装着し、この
鋳型２１内でアルミニウム合金のピストン１を鋳造する
ことにより、このピストン１のピストンリング溝３を形
成する外周部２に、前記銅−鉛−鉄−ニッケル合金線材
２０を鋳包む（図６（Ｄ）及び図７（Ａ）参照）。

【００３１】この後、図７（Ｂ）に示すように、電子ビ
ーム１１を照射して、銅−鉛−鉄−ニッケル合金線材２
０及びその近傍のアルミニウム合金の母材を局部的に溶
融し、銅、鉄及びニッケルをアルミニウム合金の母材中
に溶融拡散させることにより、アルミニウム合金−銅−
鉛−鉄−ニッケルの合金層１２を形成する。

【００３２】また、この形成工程においても、銅の溶湯
１４に溶融させる鉛塊１５、鉄塊１６及びニッケル塊１
７の量を加減して銅−鉛−鉄−ニッケル合金線材２０の
成分比率を調整すると共に、銅−鉛−鉄−ニッケル合金
線材２０の適当な大きさを選択することにより、合金層
１２の銅の含有量を１０〜３５重量％、鉛の含有量を３
〜１５重量％に調整する。

【００３３】次に、ピストン１を一旦、空冷した後、ピ
ストン１に強化、変形防止のための熱処理を施す。

【００３４】更にこの後、ピストン１に切削加工を施
し、図７（Ｃ）に示すように、合金層１２部分にピスト
ンリング溝３を形成する。

【００３５】斯く構成しても前記実施の形態で述べたと
同様の作用・効果が得られる。

【００３６】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明の内燃機
関用ピストンによれば、銅の含有量を１０〜３５重量
％、鉛の含有量を３〜１５重量％としたアルミニウム合
金−銅−鉛−鉄−ニッケルの合金層が耐摩耗性、耐凝着
性に非常に優れた特性を有する。

【００３７】したがって、この合金層にピストンリング
溝を形成することにより、ターボディーゼル等の高温・
高負荷のシリンダ内雰囲気に対応可能な、耐摩耗性、耐
凝着性を有するピストンリング溝を形成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示す内燃機関用ピストン
の断面図である。

【図２】（Ａ）ピストンリング溝の形成工程を説明する
図面であって、ピストンの外周部に形成した溝に４種類
の線材を挿入した状態を示す図面である。 （Ｂ）同じく、電子ビームを照射して４種類の線材及び
その近傍のピストンの母材を溶融して合金層を形成した
状態を示す図面である。 （Ｃ）同じく、合金層部分にピストンリング溝を形成し
た状態を示す図面である。

【図３】図２（Ａ）を拡大して示す図面である。

【図４】図２（Ｂ）を拡大して示す図面である。

【図５】電子ビームの照射状態を説明する斜視図であ
る。

【図６】（Ａ）本発明の別の実施の形態を示す内燃機関
用ピストンの製作工程を説明する図面であって、銅−鉛
−鉄−ニッケル合金の溶湯の生成工程を示す図面であ
る。 （Ｂ）同じく、銅−鉛−鉄−ニッケル合金線材の鋳造工
程を示す図面である。 （Ｃ）同じく、ピストンの鋳造工程を示す図面である。

【図７】（Ａ）ピストンリング溝の別の形成工程を示す
図２と同様の図面であって、ピストンの外周部に銅−鉛
−鉄−ニッケル合金線材を鋳包んだ状態を示す図面であ
る。 （Ｂ）同じく、電子ビームを照射して銅−鉛−鉄−ニッ
ケル合金線材及びその近傍のピストンの母材を溶融して
合金層を形成した状態を示す図面である。 （Ｃ）同じく、合金層部分にピストンリング溝を形成し
た状態を示す図面である。

【符号の説明】

１ 内燃機関用ピストン ２ 外周部 ３ トップリング溝（ピストンリング溝） １２ 合金層

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成８年７月２５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示す内燃機関用ピストン
の断面図である。

【図２】（Ａ）ピストンリング溝の形成工程を説明する
図面であって、ピストンの外周部に形成した溝に４種類
の線材を挿入した状態を示す図面である。（Ｂ）同じく、４種類の線材をピストンの外周部に形成
した溝内に定着させた状態を示す図面である。 （Ｃ）同じく、電子ビームを照射して４種類の線材及び
その近傍のピストンの母材を溶融して合金層を形成した
状態を示す図面である。 （Ｄ）同じく、合金層部分にピストンリング溝を形成し
た状態を示す図面である。

【図３】図２（Ａ）を拡大して示す図面である。

【図４】図２（Ｂ）を拡大して示す図面である。

【図５】電子ビームの照射状態を説明する斜視図であ
る。

【図６】（Ａ）本発明の別の実施の形態を示す内燃機関
用ピストンの製作工程を説明する図面であって、銅−鉛
−鉄−ニッケル合金の溶湯の生成工程を示す図面であ
る。 （Ｂ）同じく、銅−鉛−鉄−ニッケル合金線材の鋳造工
程を示す図面である。 （Ｃ）同じく、ピストンの鋳造工程を示す図面である。

【図７】（Ａ）ピストンリング溝の別の形成工程を示す
図２と同様の図面であって、ピストンの外周部に銅−鉛
−鉄−ニッケル合金線材を鋳包んだ状態を示す図面であ
る。 （Ｂ）同じく、電子ビームを照射して銅−鉛−鉄−ニッ
ケル合金線材及びその近傍のピストンの母材を溶融して
合金層を形成した状態を示す図面である。 （Ｃ）同じく、合金層部分にピストンリング溝を形成し
た状態を示す図面である。

【符号の説明】 １ 内燃機関用ピストン ２ 外周部 ３ トップリング溝（ピストンリング溝） １２ 合金層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ２２Ｃ 21/12 Ｃ２２Ｃ 21/12 Ｆ０２Ｆ 3/00 Ｆ０２Ｆ 3/00 Ｎ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミニウム合金製ピストンのピストン
   リング溝を形成する外周部に、アルミニウム合金−銅−
   鉛−鉄−ニッケルの合金層を生成させると共に、該合金
   層の銅の含有量を１０〜３５重量％、鉛の含有量を３〜
   １５重量％とし、該合金層にピストンリング溝を形成し
   たことを特徴とする内燃機関用ピストン。