JPH10184450A - 冷却空洞部を持つピストンとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課 題】 パイプ材からなる空洞部材を空隙がない状
態でアルミ鋳物に鋳ぐるんだピストンとその製造方法を
提供する。 【解決手段】 燃焼室２とトップリング溝１ｂとの間
に環状の冷却空洞部３を形成したピストン１であって、
前記冷却空洞部３は金属のパイプ材１０Ａで空洞部材３
Ａを形成し、この空洞部材３Ａの表面に形成したＮｉメ
ッキ被膜１３を介してアルミ合金に鋳ぐるんで一体化し
たアルミ合金製の冷却空洞部を持つピストン。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷却空洞部を中空
パイプを使用して形成したピストンの製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図４に示すように、ピストン１の頭部に
形成した燃焼室２より受ける大量の熱を除去するために
リング状の冷却空洞部３が設けてあるが、この冷却空洞
部３はスカート部４を鋳造するための図５及び６に示す
ような鋳型５ａの空洞内に配置された中子金型５の上面
に支柱６を３本植立し、その上に塩（Nacl）で製作した
中子（塩中子）７を載せて、この中子７の上面より前記
支柱６まで支持ピン８を挿入してこの中子７を前記中子
金型５の上面に位置決めして、特にピストン１の頂面１
ａに対して平行になるように、倒れ状態（頂面１ａに対
する傾斜角度）の精度出しを行なっている。

【０００３】さて、鋳造後のピストン１の加工工程とし
ては、図示しないオイルギャラリー孔の加工を行ない、
その孔に水を流して中子７を形成している塩を排除する
作業を行ない、その後、残塩を確認するために冷却空洞
部３内にボールを通して良好に通過するかどうかを判断
する作業やＸ線により非破壊で確認する作業を行い、更
にこの冷却空洞部３がピストン１の頂面１ａに対する倒
れの角度が許容値内であるかを確認するために非破壊検
査により探査する作業を行い、更に中子を支持していた
支柱６部分の孔を埋める作業がある。

【０００４】ピストンの冷却空洞部を形成する工程とし
て、前記塩中子を使用する方法の他にパイプ材を使用す
る方法がある。この方法はパイプ材で冷却空洞部３の内
面を形成する壁面を成形し、これをアルミ溶湯や亜鉛溶
湯中に所定時間浸漬（ドブ漬け）してその表面に溶融皮
膜（アルミ材と接合するための反応層）を形成させた
後、その表面温度が低下する前に、好ましくは固相温度
以上において、前記図５，６のように鋳型５ａの空洞中
に配置された中子型５上に設けた支柱６上に固定した状
態でアルミ合金の鋳造（以下、単にアルミ鋳造あるいは
アルミ鋳物という）を行なって冷却空洞部３を形成させ
るもの等がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図７のように冷却空洞
部３の壁面をパイプ材１０で形成する方法においては、
このパイプ材１０の断面形状やリング状の平面形状を正
確に形成することができるために前記塩中子を使用した
場合に比較して良好な冷却空洞部３を形成することがで
きるが、パイプ材１０を鋳型中に配置する前にアルミ鋳
物との接合を良好にするためにアルミ溶湯や亜鉛溶湯中
に浸漬処理して反応層を形成する工程が必要であるが、
この工程において、パイプ材１０の表面にアルミ等の反
応層が均一に形成されるかどうかが大きな問題となる。

【０００６】即ち、このパイプ材１０の表面に酸化膜が
残っている部位は溶湯の濡れ性が悪く、鋳造時にアルミ
等との間の接合性を良好にする反応層が形成されず、こ
の場合は鋳造後にアルミ合金とパイプ材との間が密着せ
ず、間隙が形成されることになる。この間隙は断熱層を
形成することになるから伝熱性が悪く、それに伴なって
冷却効率が低下するという問題がある。

【０００７】なお、このパイプ材とこれを包むアルミ鋳
物部分との間の接合面積率（パイプ材の直線長さに対す
る反応層が形成している長さ）により管理した場合に
は、反応層にムラがあることから歩留りが低下すること
になる。また、パイプ材をアルミや亜鉛の溶湯中に浸漬
処理する場合、表面の濡れ性を改善するために酸化膜を
除去し、これを予熱した後に浸漬処理する必要がある
が、この予熱時に酸化膜を除去した部分に再び酸化膜が
形成され、それに伴なって接着率が低下してしまうとい
う問題もある。

【０００８】パイプ材１０の下方には図７に示すように
エンジンのクランク室内に配置されたノズルより噴射さ
れたオイルをこの冷却空洞部３を形成するパイプ材１０
の内部に案内するためのガイドパイプ１１が設けてあ
る。そしてこのパイプ材１０をアルミや亜鉛の溶湯浸漬
処理を行う場合は、比較的高温処理となるが、この溶湯
浸漬処理の際にはパイプ材１０の内部にガイドパイプ１
１を経由して溶湯が流入しないようにその先端部を封止
する必要がある。しかし、この封止材を簡単に剥がせる
接着剤がないことから、セラミック系ボンド等で封止し
た後に溶湯浸漬処理し、その後、前記ガイドパイプ１１
の部分を残して封止部の近傍より切断除去する等の工程
が必要である。さらに、切断工程中にパイプ温度が低下
して予熱工程が必要となる。

【０００９】一方、パイプ材１０やガイドパイプ１１に
高熱伝導性の銅パイプやアルミパイプ等の低融点合金を
使用した場合は耐熱性の問題からアルミや亜鉛の溶湯へ
の浸漬時間を短くする必要がある。しかし、短時間処理
ではその表面に反応層皮膜が形成され難く、逆に浸漬時
間が長いとパイプ材１０等が溶融して冷却空洞形成材と
しての充分な空間を確保できなくなり、また、例えこの
低融点合金を空洞形成材料として使用することができた
としても、その管理幅が極めて狭いという問題がある。

【００１０】前記のようにパイプ材１０を冷却空洞部３
を形成する部材として使用する場合は、一般にその表面
にアルミや亜鉛の反応層皮膜が形成される状態にムラが
多いことから、均一な反応層皮膜を形成するための慎重
な作業が必要である。また、このパイプ材１０を金型内
に配置する際は、変形し易いものであるために作業性が
悪いという問題がある。

【００１１】本発明は、ピストンの冷却空洞部を形成す
るための材料としてパイプ材を使用した場合の前記各種
の問題点を解消し、パイプ材とアルミとの接合性が良好
で、このパイプ材の周囲に間隙を形成することがなく、
冷却効率が高く、更に工程数が少なく、また、パイプ材
の位置決め精度に優れ、正確な形状の冷却空洞部を持つ
ピストンとその製造方法を提供することを目的とするも
のである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の本発明に係る冷却空洞部を持つピストンと、その製造
方法は次の通りである。 １）燃焼室とトップリング溝との間に環状の冷却空洞部
を形成したピストンであって、この冷却空洞部は金属の
パイプ材で空洞部材を形成し、この空洞部材の表面に形
成したＮｉメッキ被膜を介してアルミ合金に鋳ぐるんで
一体化したアルミ合金製の冷却空洞部を持つピストン。
また、前記空洞部材は燃焼室の回りに配置される環状の
パイプ部材と、このパイプ部材よりスカート部側に延長
されたパイプで構成されている。

【００１３】２）金属パイプ材で形成した空洞部材の表
面にＮｉメッキ処理してＮｉ被膜を形成し、この空洞部
材を金型内の所定の位置に配置してアルミ合金の鋳造を
行なう冷却空洞部を持つピストンの製造方法。そして前
記Ｎｉメッキ処理は無電解メッキである。更にＮｉメッ
キ被膜の厚さは５μｍ以上、１０〜４０μｍの範囲に形
成するのが良い。また、金属パイプ材として熱伝導性の
良いＣｕ，Ａｌ合金を使用するのが良い。

【００１４】３）本発明は冷却空洞部を持つピストンと
その製造法を提案するものであるが、これらに使用する
表面にＮｉメッキ被膜を形成した鋳造製品用金属パイプ
もその技術的範囲に含まれるものである。 本発明は、金属パイプ材で形成した空洞部材の表面に反
応層ないしは反応層被膜を無電解Ｎｉメッキによって行
うので、形状が複雑な空洞部材であってもその表面に形
成されるＮｉ被膜の厚さが均一である。更にその被膜形
成にムラがないことから、鋳造時の溶融アルミ合金との
間の反応性が均一で、鋳造後のこの空洞部材とアルミ合
金との間に間隙（空気層）が形成されず、冷却特性効率
の優れたピストンを製造できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】次に図面を参照して本発明の実施
の形態を説明する。先ず、直線状の銅パイプを曲げ加工
とバルジ加工とにより所定の断面形状に成形した環状の
パイプ材１０Ａを形成し、その両端部をロウ付けする。
そしてこのパイプ材１０Ａの一側にオイルギャラリー孔
を形成する２本のガイドパイプ１１Ａをロウ付により接
合して図１に示す空洞部材３Ａを製作する。そしてパイ
プ１１Ａの内面にメッキが施されないようにガイドパイ
プ１１Ａの口先で塩化ビニル系溶剤を使用してマスキン
グ１２を行なう。

【００１６】次に前記空洞部材３Ａの表面に形成されて
いる酸化膜（不純物）を除去するために、アルカリ脱脂
処理→水洗処理→硫酸脱脂処理→水洗処理→電解脱脂処
理→水洗処理→硫酸脱脂処理→水洗処理等の一連の酸化
膜を除去するための前処理を行なう。そしてＮｉ−Ｂ無
電解メッキ浴槽中において３０分間浸漬して図２に拡大
して示すようにパイプ材１０Ａの表面にＮｉメッキ被膜
１３を形成させる。なお、この被膜１３の厚さは多数の
実験より５μｍ以上で１０〜４０μｍの範囲で形成する
のが良い。

【００１７】次にガイドパイプ１１Ａの先端部のマスキ
ング１２部分を剥がした後、ヒーターで２００℃になる
まで加熱する。そして加熱状態でピストンの中子型（図
５，６）の支柱６にこのガイドパイプ１１Ａを圧入して
空洞部材３Ａを金型内の所定の位置に固定する。そして
金型内に溶融アルミ合金を注入し、この金型を傾動させ
て重量鋳造し、図３に要部を拡大して示すようなパイプ
材１０Ａ等の表面に施したＮｉメッキ被膜１３（反応
層）を介して接合状態で形成されたアルミ層１４を有す
るピストンを製造する。

【００１８】本発明に係るピストンと比較するために、
ａ）塩中子を使用して冷却空洞部を形成するようにアル
ミ合金で鋳造した従来のピストンと、ｂ）パイプ材から
なる空洞部材を溶融アルミ浸漬処理した後に鋳造を行な
って製造したピストンとを準備した。なお、溶融アルミ
浸漬処理によるピストンは、前記と同様の方法によって
図１に示された空洞部材３Ａを製作し、ガイドパイプ１
１Ａの先端をセラミック系ボンドにてシール（前記マス
キング１２と同様にパイプの先端を閉止した）した。

【００１９】次に、前記ｂ）の工程により形成した空洞
部材３Ａをヒーターによって２００℃で加熱した後、約
７００℃のアルミ合金の溶湯中に５分間浸漬する。そし
てこれを溶湯から取出した後、ガイドパイプ１１Ａの先
端のセラミックボンドでマスキングした部分をマイクロ
カッターで切断除去する。更に、この空洞部材３Ａを再
度２００℃までヒーターで加熱した後、中子型の上面に
固定して鋳造を行なった。

【００２０】評価として非破壊法でＸ線を照射させたも
のを画像化し、冷却空洞部の倒れ量を測定した。又、冷
却空洞部のセンターから切断したものを研磨し、アルミ
合金と空洞部材３Ａとが接合されていない剥離部の測定
を行なった。前記本発明のピストンの製造方法によれ
ば、空洞部材３Ａを低温で酸化膜の除去処理を行なった
上でＮｉメッキ処理を行っており、顕微鏡検査でパイプ
材１０Ａやガイドパイプ１１Ａの表面の、特にＮｉメッ
キ被膜１３とアルミとの反応層の形成状態を見ると、こ
の被膜１３はパイプ材１０Ａ等の表面に正確に形成され
ていることが分かった。

【００２１】そしてこの空洞部材３Ａを金型内に配置し
てアルミ合金鋳物を製造した場合、図３に示すようにＮ
ｉメッキ被膜１３を介してアルミ層１４が、間隙もなく
形成されて一体化されていることが分かった。本発明の
ピストンの効果を比較するために、鋳造されたピストン
における冷却空洞部の倒れ量について本発明のピストン
と、塩中子を使用した従来のピストンとを比較すると表
１のようになった。

【００２２】

【表１】

【００２３】また、鋳造されたピストンにおける冷却空
洞の周面と、アルミ層の接着率との関係について本発明
によるピストンと、溶融アルミ浸漬処理して得られた従
来のピストンとを比較すると表２のようになった。

【００２４】

【表２】

【００２５】本発明は以上のように構成されているので
従来技術と対比すると次のように評価できる。 イ）本発明のピストンにおいては、空洞部材３Ａの表面
に形成したＮｉメッキ被膜１３によって、Ｎｉ−Ａｌ系
の反応層を良好に形成するので、鋳造の際にこの空洞部
材３Ａの高温の加熱処理が不要となり、これに要する費
用が不必要となり、その分、ランニングコストが低下す
ることになる。

【００２６】一方、従来技術のようにアルミパイプで製
造した空洞部材３Ａを溶融アルミ合金中に浸漬処理（ア
ルフィン）した場合は、約７５０℃程度まで加熱しなけ
れば溶融アルミ合金の浸漬処理ができないので、本発明
に比較してランニングコストが高くなるという問題があ
る。 ロ）本発明のピストンの空洞部材３Ａとしてアルミパイ
プ材あるいは銅パイプ材からなる低融点・高伝熱金属を
使用し、その表面にＮｉメッキ処理を施した場合は、反
応層を構成する被膜の形成が低温処理であるので前記の
ような予熱処理が実質的に不要となる上に、パイプ材が
変形したり、被膜の形成不良等の問題を全く生じない。

【００２７】更に、パイプ材の表面に均一にＮｉ−Ａｌ
系の反応層を形成することができるので、鋳ぐるみの際
のピストンの本体部分であるアルミ合金との接合性が極
めて良好であり、従来のピストンでは問題となっていた
パイプ材とアルミ合金との間に間隙が実質的に形成され
ず、従って熱伝達率の高いピストンを製造することがで
きる。

【００２８】これに対してアルミ系や銅系の低融点・高
熱伝導材料を使用したパイプ材で空洞部材を形成したも
のにアルフィン処理を行うとすると、アルミパイプの場
合は融点が６１０℃であるのに対して溶融アルミの温度
はこれより高い７００℃程度もあり、結局、溶融アルミ
への浸漬処理の間に空洞部材が溶融もしくは変形してし
まうことになり、使用することができないことになる。
また、銅系のパイプ材を使用した空洞部材は、銅とアル
ミ溶湯との間の反応性が極めて良好であり、そのために
銅が溶湯中に拡散してパイプ材が侵食される上に、必要
とする反応層が殆ど形成されない。

【００２９】ハ）Ｎｉは一般的にも耐蝕性に優れてお
り、更に多少の高温に曝されても大幅に酸化被膜を形成
することがなく、例え形成されたとしても極く薄いもの
である。従って、鋳造時の熱量でこの酸化被膜は簡単に
破壊されるので、反応層が均一に形成され、未反応部が
少なく、アルミ合金と一体化された空洞部材からなる冷
却空洞部を持つ、冷却性能に優れたピストンを製造する
ことができる。

【００３０】

【発明の効果】本発明は、パイプ材を使用した空洞部材
の表面にＮｉメッキ被膜を形成したものをアルミに鋳ぐ
るんでピストンを製造するので、次の効果を奏すること
ができる。 Ａ）鋳造の際に空洞部材の高温の加熱処理が不要となる
ので、これに要する費用が不必要となる。

【００３１】Ｂ）Ｎｉ−Ａｌ系の反応層の形成が低温処
理であるので、パイプ材が変形したり、反応層の形成不
良等の問題が全くない。また、アルミ地金と空洞部材と
の接合性が良好であり、従来のピストンでは問題となっ
ていたパイプ材とアルミ地金との間に間隙が形成され
ず、ピストンの熱伝達率の悪化を防止できる。 Ｃ）Ｎｉは一般的にも耐蝕性に優れており、更に多少の
高温に曝されても大幅に酸化被膜を形成することがな
く、鋳造時の熱量で充分に被膜が破壊されるので反応層
が均一に形成され、冷却性能に優れたピストンを効率的
に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ピストン用空洞部材の一例を示す断面図であ
る。

【図２】パイプ材の表面に形成したＮｉメッキ被膜を示
す拡大断面図である。

【図３】ピストンに鋳ぐるんだパイプ材の拡大断面図で
ある。

【図４】ピストンの一例を示す断面図である。

【図５】図４のピストン鋳造金型の平面図である。

【図６】図５の金型の中子金型部分を示す横断面図であ
る。

【図７】パイプ材を使用したピストンの冷却空洞部の断
面図である。

【図８】塩中子を使用して形成したピストンの冷却空洞
部の断面図である。

【符号の簡単な説明】

１ ピストン １ａ ピストンの頂面 １ｂ トッ
プリング用溝 ２ 燃焼室 ３ 冷却空洞部 ３Ａ 空洞部材
４ スカート部 ５ 中子金型 ５ａ 鋳型 ６ 支柱 ７ 塩中
子 ８ 支持ピン １０，１０Ａ パイプ材 １１，１１Ａ パイプ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼室とトップリング溝との間に環状の
   冷却空洞部を形成したピストンであって、前記冷却空洞
   部は金属のパイプ材で空洞部材を形成し、この空洞部材
   の表面に形成したＮｉメッキ被膜を介してアルミ合金に
   鋳ぐるんで一体化したアルミ合金製の冷却空洞部を持つ
   ピストン。
2. 【請求項２】 空洞部材は燃焼室の回りに配置される環
   状のパイプ部材と、この環状のパイプ部材よりスカート
   側に延長されたパイプとからなる請求項１記載の冷却空
   洞部を持つピストン。
3. 【請求項３】 金属パイプ材で形成した空洞部材の表面
   にＮｉメッキ処理してＮｉ被膜を形成し、この空洞部材
   を金型内の所定の位置に配置してアルミ合金の鋳造を行
   なう冷却空洞部を持つピストンの製造方法。
4. 【請求項４】 Ｎｉメッキ処理は無電解メッキである請
   求項３記載の冷却空洞部を持つピストンの製造方法。
5. 【請求項５】 Ｎｉメッキ被膜の厚さは５μｍ以上に形
   成した請求項３記載の冷却空洞部を持つピストンの製造
   方法。
6. 【請求項６】 金属パイプ材は銅合金で形成した請求項
   ３記載の冷却空洞部を持つピストンの製造方法。
7. 【請求項７】 表面にＮｉメッキ被膜を形成した鋳造製
   品用金属パイプ。