JPH042702A - ピストンの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は内燃機関に用いられるピストンの製造方法に関
する。

「従来の技術］ 自動車用ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等のピ
ストンは、その慣性力を低減するために主としてアルミ
ニウム合金から鋳造成形されている。　このアルミニウ
ム合金鋳物製（ＪＩＳ　ＡＣ８Ａ　ＡＣ８Ｃ等）のピス
トンは、その熱膨張係数（２１Ｘ　１０−６．・′°Ｃ
）が鋳鉄製のシリンダの熱膨張係数（１０ｘ　１０−’
／　”Ｃ）と比べて倍近く大きい。

よって、ピストンの焼付きを防止するためには、冷間時
には有害であるが、ピストンとシリンダとの間にエンジ
ンのフルパワー時のピストンの熱膨張を考慮したクリア
ランスをとる必要がある。

このクリアランスは、エンジンのフルパワー時にピスト
ンが熱膨張してシリンダ内に上手く納まるように設計さ
れているので、エンジンの冷間時にはシリンダ内のピス
トンがカバガバの状態となる。

従って、ピストンのトップランドとシリンダとの間の無
駄容積（デッドボリューム）が増大することになり、燃
焼効率が悪化する。

また、シリンダ内を往復動するピストンが上記クリアラ
ンスの範囲で首振り運動してピストンがシリンダ側壁に
叩きつけられ、スラップ音が発生する（特にアイドリン
グ時）。

このような燃焼効率の悪化及びスラップ音の発生を抑制
・低減するためには、ピストンとシリンダとの間のクリ
アランスを小さくすればよく、そのためにはアルミニウ
ム合金製のピストンの熱膨張率が低下できればよい。

よって、ピストンの熱膨張を低減させる種々の技術が研
究・開発されている９例えば、ピストン内部にスチール
製の板を鋳包み、熱膨張の低減を図ったいわゆるオート
マチックピストンがあるが、これは製造コストが高い。

また、ピストンの燃焼室側廻りをセラミ・ｙクファイバ
によって複合化し、熱膨張の低減を図ったセラミックフ
ァイバ複合化ピストンがあるが、このセラミックファイ
バを複合化した部位の熱膨張率は１８ｘ　１０−’／’
Ｃであり、アルミの熱膨張率２１ｘ１０−’／’Ｃと比
べると、その熱膨張低減効果は約１５％と小さく充分な
効果があるとはいえない。

これに対し、Ｔｉ−Ａｌ金属間化合物によってピストン
を成形すると、Ｔｉ−Ａｌ金属間化合物の熱膨張率は８
　ｘｌｏ−’／’Ｃであり、アルミの熱膨張率２１Ｘ　
１０−’／’Ｃと比べると約１７３となって、大幅な熱
膨張の低下を図ることができる。

Ｊ発明が解決しようとする課ｕ１ しかしながら、Ｔｉ−Ａｌ合金は鋳造性が悪く、また切
削性にも劣るため、例えば吸引法などの特殊な精密製造
法によって鋳造品の切削加工箇所を少なくしてピストン
を製造する必要がある。よって、製品歩留りが悪化する
。

本発明者は、鋳造ではなく粉末冶金法の焼結（例えば、
特開昭５５−１００２０９号「グラファイト材」に記載
のホットプレス法や通電焼結法等）によって、Ｔｉ−Ａ
ｊ’合金製のピストンを製造すれば、複雑な形状のピス
トンが切削加工なしに製造できることを見出した。

しかしながら、Ｔｉ−Ａｌ金合金焼結用アトマイズ粉末
は、その市場性が乏しいため、入手困雛である。そこで
、容易に入手可能なＴｉの焼結用アトマイズ粉末とＡｉ
の焼結用アトマイズ粉末とを混練してこれらを焼結する
ことになるが、Ｔｉ粉末とＡｌ粉末とを単に混練しただ
けではこれらが十分均一にならず、焼結されたＴｉ−Ａ
、１１合金製のピストンにはＴｉのみの部分やＡｌのみ
の部分が生成されてしまう。Ｔｉの熱膨張率（８，５：
＜１０−’／’Ｃ）とＡｌの熱膨張率（２１ｘ　１０−
’／’Ｃ）とは倍以上も違うため、このピストンが加熱
されるエンジンの運転時にはピストンにＡ、＆とＴｉと
の熱膨張率の差に基づく熱歪みが生じてしまい焼付くこ
とになる。

以上の事情を考慮して創案された本考案の目的は、熱膨
張の大幅な低下が図れるＴｉ−Ａｌ合金製ピストンを製
造するに際して、容易に入手可能なＴｉ粉末とＡｌＩ粉
末とを用いてＡ」とＴｉとが偏ることな（Ｔｉ−Ａｌ！
合金がピストン内部に均一に生成されるピストンの製造
方法を提供するものである。

［課題を解決するための手Ｐ１］ 上記目的を達成するため本発明のピストンの製造方法は
、Ｔｉ粒子を核体としてその表面にＡｌ粒子を被覆して
複合粒子を形成し、この複合粒子を集合させピストン状
に圧縮成形しつつ焼結し、複合粒子のＡｌ粒子をＴｉ粒
子側に熱拡散させてＴｉ−Ａｊ！合金相を生成するよう
にしたものである。

［作用］ 核体としてのＴｉ粒子の表面にＡｌ粒子を被覆させた複
合粒子を集合させ、この集合体をピストン状に圧縮成形
しつつ焼結するようにしたので、ＴｉとＡｌ！とが均一
に混練され、焼結によって得られるＴｉ−Ａｌ！合金相
がピストン内部に均一に分散生成される。

また、精度の高い圧縮成形及び焼結を行うことにより複
雑な形状のピストンを切削加工なしに製造できる。

［実施例コ 本発明の一実施例としてのピストンの製造方法を添付図
面に従って説明する。

先ず、一般に市販されている約１００μｍのＴｉ粒子と
約１０μｍ以下のＡｌ粒子とを準備する。

そして、これらＴｉ粒子とＡｌ粒子とを静電容器内で混
練し、第１図に示すように、約１００μ■のＴ１粒子１
を核体としてのその表面に約１０μｍ以下のＡｌ粒子２
を静電気力によって付着させる。

二のように表面にＡ、Ｒ粒子２が付着したＴｉ粒子１を
２０００ｒｐｌ〜８０００ｒｐｌｉの回転翼を備えた容
器（図示せず）内に投入し、数分間、高速気流による衝
撃力（遠心転勤）を与える。この衝撃作用により、第２
図に示すように静電付着したＡ、９粒子２が核体である
Ｔｉ粒子１に強固にくい込んで、Ｔｉ粒子１の表面がＡ
ｌ粒子２によって被覆された複合粒子３か成形される。

この複合粒子３のＴｉとＡｊとの重量比は約７＝３が望
ましい。

この複合粒子３を第５図に示す通電焼結装置４の焼結室
５に投入充填する。このときの複合粒子３は、第３図に
示す如く多数の複合粒子３が単に集合した状態となって
いる。第５図に示すように、上記通電焼結装置５の焼結
室５は、上下に対向されたパンチ電極６と、その間に設
けられた絶縁体（アルミナ等）の型枠７とによって、第
７図に示すピストン形状に区画形成されている。上記パ
ンチｔ＆６には、油圧機構によりピストンの軸方向に所
定の圧縮圧力Ｐ１が加わるようになっていると共に、直
流に高周波を重畳した特殊電源８にスイッチ９を介して
結線されている。

また、上記型枠７は、第６図に示すように、二分割可能
に縮割りされており、ピストンの軸方向に対して直角方
向に所定の圧縮圧力Ｐ２が加わるようになっている。

上記パンチ電極６の電流、電圧、圧力Ｐ１、及び型枠７
の圧力Ｐ２を経時変化させて運転制御することにより、
焼結室５に充填された複合粒子３がピストン形状に圧縮
成形されると共に、粒子３間に適宜放電が生じ、数十秒
という短時間で第７図に示すピストン１０が焼結製造さ
れる（いわゆるプラズマ放電を用いた通電焼結法）。

この通電焼結の際に、予め焼結室５をＡｌの融点より高
温でＴｉの融点より低温の約６００〜８００℃に予熱し
ておくことで、焼結室５内に投入充填された複合粒子３
の表層のＡｌ粒子２が核体としてのＴｉ粒子１側に熱拡
散し、第４図に示す如くＴｉ粒子１を内包するようにＴ
ｉ−ＡｌＪ金相１１が生成される。

また、これと同時に、隣接する複合粒子３の表層部のＡ
ｌ粒子２相互が焼結され、複合粒子３相互が結合するこ
とになる。

すなわち、このピストンの製造方法によれば、焼結室５
内に充填された複合粒子３は、第３図に示す如く単に複
合粒子３が集合した状態から、第４図に示すように複合
粒子３のＡ、Ｒ粒子２がＴｉ粒子１（ＰＩに熱拡散して
Ｔｉ粒子１を内包するようにＴｉ−Ａｌ台合金相１１生
成されると同時に、隣接する複合粒子３の表層部のＡｌ
粒子２相互が焼結された状態となって、第７図に示すよ
うなＴｉ−Ａｌ金合金ピストン１０が製造される。

このピストン１０は、Ａ、Ｒ粒子２とＴｉ粒子１とから
なる複合粒子３を焼結材としているので、第４図に示す
ようにＴｉ相とＡ、Ｎ相とが偏ることな（Ｔｉ−ＡｌＪ
金相１１がピストン１０内部に均一に分散生成されるこ
とになる。

従って、ＡｌとＴｉとの熱膨張差に基づくピストン１０
の熱歪みが抑制される。

また、このＴｉ−ＡｌＪ金製のピストン１０は、第４図
に示すＴｉ−ＡｌＪ金相の熱膨張率が８×１０−６／°
Ｃであり、且つ核体としてのＴｉの熱、膨張率が８．５
　ｘｌｏ−６／°Ｃであることから、ＡｌＩＩＪピスト
ン（Ａｌの熱膨張率は２１　Ｘ　１０−６．　”Ｃ）と
比べると大幅な熱膨張の低減か図れる。よって、ピスト
ン１０とシリンダとの間のクリアランスを狭くて゛き、
第７図に示すピストン１０のトップランド１０ａとシリ
ンダとの間の無駄容積（デッドボリューム）を小さくし
て燃焼効率の改善が図れると共に、上記クリアランスの
範囲でピストン１０か首振り運動することによって生じ
るスラップ音を低減できる。

また、精度の高い圧縮成形及び通電焼結を行うことによ
り、複雑な形状のピストン１０を切削加工なしに製造で
きる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、次のごとき優れた
効果が発揮できる。

（１〕　　熱膨張の大幅な低減か図れるＴｉ−Ａｌ合金
製ピストンを製造するに際して、容易に入手可能な焼結
用のＴｉ粒子とＡＡ粉粒子を用いて、ＴｉとＡｌとが偏
ることなく焼結によって得られるＴｉ−Ａｌ合金相をピ
ストン内部に均一に分散生成することができる。

（２］　　精度の高い圧縮成形及び焼結を行うことによ
り、複雑な形状のピストンを切削加工なしに製造できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図はＴｉ粒子の表面にＡｌ２粒子を静電付着させた
ものを示す断面図、第２図は第１図に示すＡｌ粒子をＴ
ｉ粒子に強固にくい込ませた複合粒子を示す断面図、第
３図は第２図に示す複合粒子の集合体を示す断面図、第
４図は第３図に示す集合体を圧縮成形しつつ焼結したも
のを示す断面図、第５図は通電焼結装置の側断面図、第
６図は第５図に示す通電焼結装置の型枠を示す斜視図、
第７図は第５図に示す通電焼結装置によって製造された
Ｔｉ−Ａｌ合金製ピストンである。 図中、１はＴｉ粒子、２はＡｌ粒子、３は複合粒子、１
１はＴｉ−Ａｌ合金相である。 第３ ２・・・Ｎ粒子 ３・−社舎塁子 ７７・・・ｒ７−Ａｔ金全金 相 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、Ｔｉ粒子を核体としてその表面にＡｌ粒子を被覆し
   て複合粒子を形成し、この複合粒子を集合させピストン
   状に圧縮成形しつつ焼結し、複合粒子のＡｌ粒子をＴｉ
   粒子側に熱拡散させてＴｉ−Ａｌ合金相を生成するよう
   にしたことを特徴とするピストンの製造方法。