JPH08151954A

JPH08151954A - 内燃機関のピストン及びその製造方法

Info

Publication number: JPH08151954A
Application number: JP24564595A
Authority: JP
Inventors: Masato Sasaki; 正登佐々木
Original assignee: Unisia Jecs Corp
Current assignee: Hitachi Unisia Automotive Ltd
Priority date: 1994-09-26
Filing date: 1995-09-25
Publication date: 1996-06-11

Abstract

(57)【要約】【目的】ピストンの製造コストの低廉化と軽量化を確
保しつつ耐摩耗性と耐凝着性を満足すると共に、ピスト
ン本体と耐摩環との接合境界面の接合強度を向上させ
る。【構成】アルミニウム合金製からなるピストン本体１
のリングランド部３に３つのピストンリング溝が形成さ
れた内燃機関のピストンである。前記ピストンリング溝
４，５，６のトップリング溝４内に、炭化珪素ＳｉＣの
粒子を含有したアルミニウム合金材の耐摩環１１を鋳ぐ
るむ。また、耐摩環１１の上下面とトップリング溝４の
内面との接合境界面２０を、電子ビームの高エネルギー
密度のビームを照射して再溶融接合した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術】本発明は、自動車等の内燃機関の
ピストンの改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、近時、自動車用内燃機関
のピストンにあっては、高出力化高性能化の要請に伴い
軽量化を図るべくその材質を鋳鉄に代えてアルミニウム
合金で形成しており、また、シリンダボアの内壁面と対
向する外周面に、ピストンリングが装着される複数のピ
ストンリング溝が形成されている。さらに、このピスト
ンリング溝のうち燃焼室に最も近いトップリング溝は、
特に高温に晒され、かつ燃焼圧力を直接受けるため、ピ
ストンリング（トップリング）との摩耗が激しい。この
ため、トップリング溝とトップリングとの間には、アル
ミ凝着が発生し易くなる。

【０００３】そこで、斯かるアルミ凝着を防止する種々
の技術が開発されており、例えば（１）トップリング溝
の表面部に無機繊維集合体を複合させて強化するもの
（特開昭５９−２０１９５３号公報）や、（２）Ｉｎ−
ＳｉｔｕプロセスによるハイブリッドＭＭＣ（金属基複
合材料）をピストンへ応用するもの（自動車技術１９８
９−５．ＮＯ８９１０５６）、（３）トップリング溝の
表面部にニッケル多孔体を複合させて強化するもの（特
公平３−３０７０８号公報）などがある。また、（４）
トップリング溝の表面部をアルマイト処理層により強化
したり（特開平１−１９０９５１号公報）、（５）トッ
プリング溝の表面部に銅などを電子ビームで溶融拡散さ
せることにより合金層を形成するもの（三菱自動車１９
８８，ＮＯ１「テクニカルレビュー」，特開平２−１２
５９５２号）があり、更には、（６）トップリング溝部
分にニレジスト鋳鉄をアルフィン処理してアルミニウム
合金に鋳ぐるんでリング支持部材とするものなど、多く
の改良技術が提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】然し乍ら、前記各従来
例には、以下のような欠点がある。即ち、（１），
（２），（３）の従来例にあっては、無機繊維材等の材
料上の点からその成形法として高圧凝固法を用いなけれ
ばならない。したがって、製造コストの上昇が余儀なく
されるばかりか、ピストンの形状が制約されてしまう。

【０００５】また、（４）の従来例にあっては、アルマ
イト処理層によりピストンリングとの耐凝着性は向上す
るものの、耐摩耗性が不十分になる。更に、（５）の従
来例は、逆に耐凝着性が不足する惧れがある。

【０００６】また、（６）の従来例は、最も古くから行
われている技術であり、耐摩耗性や耐凝着性は確保でき
るものの、鋳鉄製であるため、重量の増加が余儀なくさ
れる。さらに、他の従来例として特開平２ー１０１１
４１号に記載された発明のように、アルニミウム合金
を、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｍｇ，Ｆｅ，Ｍｎを夫々所定の重量％
を割合で配合し、このマトリックスにＡｌ₂Ｏ₃等の一種
の粒子を分散させて高強度のアルニミウム合金を成形す
るものも提供されているが、この材料を高いエネルギー
密度の熱源により再溶融させると、該再溶融部の接合の
際に、再溶融部にブローホールが発生するおそれがあ
る。なぜならば、粉末粒子間に不可避の空気が存在して
最終加工まで残留してしまう可能性があるからである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述の各従来
例における実情に鑑みて案出されたもので、請求項１の
発明は、アルミニウム合金製からなるピストン本体の外
周に複数のピストンリング溝が形成されてなる内燃機関
のピストンにおいて、前記ピストンリング溝の少なくと
もトップリング溝内に、炭化珪素の粒子を含有したアル
ミニウム合金材の耐摩環を鋳ぐるむと共に、少なくとも
前記耐摩環の上下面とトップリング溝の内面との接合境
界面を、高エネルギー密度の熱源により再溶融接合した
ことを特徴としている。

【０００８】請求項２の発明は、アルミニウム合金製か
らなるピストン本体の外周に形成された複数のピストン
リング溝に耐摩環を固定する内燃機関のピストンの製造
方法において、前記耐摩環を炭化珪素の粒子を含有した
アルミニウム合金材で予め成形すると共に、前記ピスト
ン本体の成形時に、前記ピストンリング溝の少なくとも
トップリング溝内に前記耐摩環を鋳ぐるみ、その後、少
なくとも耐摩環の上下面とトップリング溝の内面との接
合面を、高エネルギー密度の熱源により再溶融して冷却
接合したことを特徴としている。

【０００９】請求項３の発明は、アルミニウム合金製か
らなるピストン本体の外周に複数のピストンリング溝が
形成されてなる内燃機関のピストンにおいて、前記ピス
トンリング溝の少なくともトップリング溝内に、炭化珪
素の粒子を含有し、かつピストン本体の母材よりも高濃
度の合金元素を含むアルミニウム合金材の耐摩環を鋳ぐ
るむと共に、該耐摩環の上下面とトップリング溝の内面
との接合境界面及び耐摩環全体を、高エネルギー密度の
熱源により再溶融し、この再溶融部のアルミニウム合金
を、７.０重量％≦Ｓｉ≦２８.０重量％、１０.０重量
％≦Ｃｕ≦２３.０重量％、０.３重量％≦Ｍｇ≦ ３.
５重量％、０.５重量％≦Ｍｎ≦ ２.９重量％、及び不
可避不純物を含むアルミニウム合金マトリックスに、Ａ
ｌ₂Ｏ₃粒子，Ｓｉｃ粒子，Ｓｉ₃Ｎ₄粒子，ＺｒＯ₂粒
子，ＳｉＯ₂粒子，ＴｉＯ₂粒子及び金属Ｓｉ粒子から選
択される少なくとも一種の硬質粒子を、前記アルミニウ
ム合金マトリックスに対して０.５重量％以上、１５.０
重量％以下分散させたことを特徴としている。

【００１０】

【作用】前記構成の請求項１及び２の発明によれば、耐
摩環自体は、材料上の点から鋳造等によって成形できる
と共に、該耐摩環を単にピストン成形時に鋳ぐるむだけ
であるため、その製造コストの低廉化が図れる。また、
前記耐摩耗環内のＳｉＣ粒子によってピストンリングに
対する耐摩耗性が向上すると共に、耐凝着性も向上す
る。

【００１１】しかも、ピストンリング溝の内面と耐摩環
の少なくとも上下面との接合境界面を、例えば電子ビー
ムを照射して再溶融し、その後冷却接合するようにした
ため、再溶融による均質な合金層が形成されて該両者の
境界面の接合強度を著しく高くすることができる。

【００１２】請求項３の発明によれば、溶融後の再溶融
部の合金成分を最適に調整することにより合金濃度の低
下を防止して、耐摩耗性，耐凝着性等の向上を図ること
ができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づいて詳述する。

【００１４】図１〜図２は本発明に係るピストンの断面
図を示し、このピストンは、ピストン本体１がアルミ合
金製（ＪＩＳＡＣ８Ａ−Ｔ６）で略円筒状に形成され、
燃焼室に臨む冠部２と、該冠部２の下部に有するリング
ランド部３の外周面に形成された３つのピストンリング
溝４，５，６と、該各トップ，セカンド，オイルリング
溝４〜６に嵌着されるピストンリング７，８，９と、各
リング溝４〜６下部のスカート部１０とを備えている。

【００１５】前記トップリング溝４は、冠部２の頂面２
ａから９mm離れた位置を中心に、幅４mm，深さ８mmに形
成されていると共に、この表面部のみが後述の成形方法
で成形された耐摩環１１によって形成されている。

【００１６】この耐摩環１１は、炭化珪素（ＳｉＣ）の
粒子を含有したアルミニウム合金で構成され、前記ピス
トン本体１内にトップリング溝４の表面部を構成すべく
鋳ぐるまれている。

【００１７】以下、前記耐摩環１１の具体的な製造方法
について説明する。即ち、まず、最大径で数μｍから数
十μｍのＳｉＣ粒子を１０〜２０％含有したアルミニウ
ム合金鋳造インゴットを、アルゴンガス等の不活性雰囲
気中で溶解し、９９３Ｋに保持した後、機械撹拌を行い
ＳｉＣ粒子をアルミニウム合金材内に均一に分散させ
る。

【００１８】その後、図３に示す下鋳型１２内に、Ｓｉ
Ｃ粒子を含有したアルミニウム合金溶湯１３を注入して
上鋳型１４で圧力を加えて凝固させる。次に、冷却後、
下鋳型１２内から耐摩環１１の粗形材を取り出した後、
押し湯を切断し、必要に応じて機械加工を行えば、耐摩
環１１の成形作業が完了する（溶湯鍛造法）。

【００１９】また、図１３Ａ，Ｂに示すような、左右の
合わせ金型２２，２３の内部に形成された環状のキャビ
ティ２４内に注入口２５から溶湯を注入し、凝固完了後
に押し湯を切断すると、所定形状の耐摩環１１が機械加
工する必要のない状態で得られる（重力鋳造法）。尚、
図１３中、２６は押湯口である。

【００２０】尚、前記耐摩環１１の粗形材は、前記溶湯
鍛造法や重力鋳造法の他に、ダイキャスト法を用いるこ
とも可能である。更に、別の方法として、粉末鍛造法が
ある。これは、ＳｉＣ粒子とアルミニウム合金粒子を混
合した後、金型内に充填して上鋳型１４で圧力を加えて
成形する。そして、加熱した後に鍛造成形を加えて密度
を上げる。また、密度が上昇しない場合は、再度加熱後
に鋳造を繰り返すと密度が上昇する。この方法によれ
ば、最終製品形状に仕上がるため、その後の機械加工が
不要になり、作業性が向上する。

【００２１】そして、このようにして成形した耐摩環１
１を、ピストン本体１に鋳ぐるみ固定する。この鋳ぐる
み条件の一例を示せば、耐摩環１１の予熱温度は６７３
Ｋ，ピストン本体１の注湯温度は９９３Ｋ，鋳型温度は
４７３Ｋ，耐摩環１１の表面はアルカリ溶液や有機溶剤
等で洗浄，脱脂をする。

【００２２】また、溶湯の加熱温度を上げたり、また耐
摩環１１を十分に予熱した場合などには、該両者の境界
面２０が十分に溶着する現象が認められるが、その温度
条件範囲は極めて狭く、均一に接合することがむずかし
い。そこで、本実施例では耐摩環１１とピストン本体１
の境界面を、電子ビームやＴｉＧレーザ等の高エネルギ
ー密度の熱源で、再溶融して接合するようになってい
る。

【００２３】以下、斯かる耐摩環１１をピストン本体１
と再溶融して接合する工程を図４〜図５に基づいて説明
する。即ち、まず、図４Ａに示すように耐摩環１１が鋳
込まれたピストン本体１のリングランド部３の外周を切
削加工して、図４Ｂに示すように前記耐摩環１１の外周
面１１ａを露出させる。その後、図５Ａ，Ｂに示すよう
に耐摩環１１の上下面とリングランド部３との間の境界
面２０を、例えば電子ビームの高いエネルギービームを
照射して高熱源により再溶融する。つまり、ピストン本
体１のアルミニウム合金と耐摩環１１のアルミニウム合
金を再溶融し、その後、急冷却して固化させる。したが
って、斯かる再溶融部２１によって、境界面２０に均質
な合金層が形成されて高い接合強度が得られる。尚、再
溶融して強固に接合した後は、図５Ｃに示すように耐摩
環１１の外周部にリング溝４ａを環状に切削加工する。

【００２４】また、図６Ａ，Ｂは第２実施例を示し、前
記耐摩環１１とリングランド部３との境界面全体を再溶
融して接合したものである。つまり、リングランド部３
の外周部を切削加工した後、耐摩環１１の外周部に図に
示すようにリング溝４ａを形成することは先の実施例と
同様であり、再溶融によって前記実施例と同様に耐摩環
１１とピストン本体１との強固な接合が得られる。特
に、この実施例では、再溶融部２１のＳｉＣ粒子の分散
が非常に均一になる。これは、電子ビームの高エネルギ
ービームによる撹拌効果と急冷効果によるものである。

【００２５】図７Ａは前記高ネルギービームで再溶融さ
せる前の断面組織写真を図面化したもので、図７Ｂは再
溶融させた後の断面組織写真を図面化したものであっ
て、図７Ａで明らかなように再溶融前の耐摩環１１の上
下面付近ではアルミニウム合金内のＳｉＣ粒子（黒点）
が局部的に集合した形になっているが、再溶融後は、図
７Ｂで明らかなようにＳｉＣ粒子が全体に均一に分散し
た形になり、耐摩環１１とピストン本体１の各アルミニ
ウム合金が均質な合金相となり、金属学的に強固に結合
されている。

【００２６】そして、耐摩環１１とピストン本体１と
は、互いのアルミニウム合金自体が再溶融して金属接合
するものであり、したがって、再溶融部２１のＳｉＣ粒
子の体積％はやや低下してしまう。このため、第１実施
例のようにリング溝４ａが再溶融部２１に掛からない場
合は問題が生じないが、再溶融部に掛かる場合や第２実
施例の場合には、ＳｉＣ粒子の体積％を大きく低下させ
ないために、ピストン本体１側のアルミニウム合金の溶
解量を少なくする必要がある。したがって、少なくとも
耐摩環１１の外周面から約１mm以内のピストン本体１側
のアルミニウム合金の溶融量とすることが望ましい。

【００２７】図８〜図９は本発明の第３実施例を示し、
耐摩環１１をピストン本体１の冠部２に露出させて、ト
ップランドハイトＨを最小にする場合の製造方法を示し
ている。

【００２８】即ち、予め耐摩環１１を、図４Ａに示した
ようにピストン本体１の冠部２内に鋳ぐるんだ後、図８
及び図９Ａに示すように冠部２の頂部を耐摩環１１の上
面高さ分だけまず切削加工する。次に、図９Ｂに示すよ
うに冠部２の上方から電子ビームの高エネルギービーム
を耐摩環１１及び境界面に照射して再溶融し、その後該
再溶融部２１を冷却固化することによって接合する。続
いて、図９Ｃに示すように、リングランド部３の外周部
を切削加工して耐摩環１１の外周面を露出させ、その
後、該耐摩環１１の外周面にリング溝４ａを形成する。

【００２９】したがって、この実施例によれば、トップ
ランドハイトＨを可及的に小さくすることができること
は勿論のこと、冠部２のコーナ部Ｃが耐摩環１１になっ
ているため、強度が著しく向上し、エンジンの高出力化
に十分に対応することが可能になる。

【００３０】また、この場合、高熱に晒される冠部２の
上面に耐摩環１１とピストン本体１との境界面２０が露
出することになるが、この部位は接合強度の大きな再溶
融部となっているため、両者間での剥離現象が確実に防
止される。即ち、従来例の前記（６）のようにニレジス
ト鋳鉄をアルフィン処理によって耐摩環とピストン本体
とを接合する場合には、冠部に発生する熱応力に耐えら
れず境界面に剥離が生じる惧れがあるが、前記本実施例
の場合には斯かる剥離現象を確実に回避できる。

【００３１】以下、前述のような工程で成形された耐摩
環１１の接合境界面２０の強度と耐摩耗性と耐凝着性及
び機械加工性についての特性変化を実験した結果を述べ
る。

【００３２】まず、マトリックスのアルミニウム合金の
成分を表に示す。この実験においては、鋳造法で製作し
た試料を用いた。またＳｉＣ粒子の添加量は、０，５，
１０，１５，２０，２５，３０重量％として７種の材料
について評価した。

【００３３】

【表１】

【００３４】そして、耐摩耗性の評価方法は、図１０に
示す装置を用いて行った。即ち、図外のモータで回転す
る回転台１５上にピストンリング７を固定して、この上
部にヒータ１６の下端に固定されたテストピース１７を
押し付けて摩耗させる。このテストピース１７は、ピス
トン本体１のリング溝から切り出した耐摩環である。こ
の方法における温度，潤滑状態等の試験条件は実際のエ
ンジンのピストンと相関性のあるものとした。評価は、
試験後の摩耗深さで行った。

【００３５】また、耐凝着性の評価方法は、図１１に示
す装置を用いて行い、ピストン本体１のトップリング溝
４下面にピストンリング７を押し当てて、アクチュエー
タ１８，１９を介して矢印一方向にのみ摺動させる加速
試験法によった。評価は、リング溝４のピストンリング
７摺動面積に対する凝着摩耗した面積の割合で行った。

【００３６】機械加工性の評価は、直径７０mmの円柱粗
材を以下の加工条件で加工し、工具の摩耗量が０.３mm
になるまでの加工数で評価した。切削速度：２００m/mi
n，切り込み量：０.３mm，送り量：０.０３mm（１回転
毎），工具：気相合成ダイヤモンド工具（旭ダイヤ
（株）製）前記各評価結果を表２に示す。

【００３７】ここで、耐摩耗性は、ＳｉＣ粒子が無添加
（Ｏ）の摩耗量を１００とした割合を示す。数値が小さ
い程摩耗しないことを示す。

【００３８】また、耐凝着性は、ＳｉＣ粒子が無添加の
凝着した面積を１００とした割合を示す。数値が小さい
程凝着しないことを示す。

【００３９】機械加工性は、ＳｉＣ粒子の無添加の粗材
を、工具としてＣＰＸを使って加工した場合の工具寿命
を１００とした。但し、ＳｉＣ粒子が添加された粗材は
気相合成ダイヤモンド工具で加工している。

【００４０】

【表２】

【００４１】上記表２から明らかなように、ＳｉＣ粒子
の添加量が５重量％でも無添加の場合に比べて耐摩耗性
は著しく向上し、１０重量％でほぼその効果は一定とな
る。

【００４２】一方、耐凝着性も同様な傾向にあり、Ｓｉ
Ｃ粒子の添加量が５重量％でも無添加に比べて著しく向
上していることがわかる。しかし、１０重量％以上では
凝着の発生はない。

【００４３】また、機械加工性は、ＳｉＣ粒子の添加量
が５重量％でも無添加に比べて加工性が悪くなる。更
に、添加量の増加に伴って加工性は悪化してゆき、３０
重量％では工具の刃先に欠けが生じて加工不能である。

【００４４】以上の実験から、最適なＳｉＣ粒子の添加
量は５重量％から２５重量％までで、望ましくは１０重
量％から２０重量％であることがわかる。

【００４５】さらに、以上説明してきたアルミニウム合
金のピストン本体１内に耐摩環１１を鋳ぐるんだピスト
ンを、内燃機関に組み込んで試験を行った。ここで、耐
摩環１１のＳｉＣ粒子の添加量は１０重量％に設定し
た。尚、比較のために前述のような耐摩環をピストン本
体に鋳ぐるまないピストンの試験も行った。

【００４６】運転条件は、４気筒で排気量が１,６００
ｃｃのガソリン機関を用い油温１５０度，冷却水温度１
２０度にて１００時間の連続運転を行った。

【００４７】この結果、耐摩環を鋳ぐるまないピストン
は５０μｍの摩耗が発生し、トップリング溝下面の８５
％に凝着の発生が認められたのに対し、前記耐摩環１１
を鋳ぐるんだピストンには、摩耗も凝着も認められなか
った。

【００４８】更に、本発明の実施例におけるＳｉＣ粒子
１０重量％の耐摩環１１とピストン本体１の接合部のせ
ん断強度を、従来におけるニレジスト鋳鉄をアルフィン
処理した耐摩環とピストン本体の接合部のせん断強度と
比較した実験を行った。この結果、本発明によるせん断
強度は、図１２に示すように従来例よりも４倍以上の強
度を有していることが明らかになった。

【００４９】請求項３に記載した発明の実施例は、前記
各実施例におけるピストン本体１内に鋳込まれる耐摩環
１１のアルミニウム合金母材に含有される成分を変更し
て、後述する再溶融部の合金成分を最適に調整したもの
である。

【００５０】即ち、耐摩環１１は、Ｓｉｃ粒子を２０体
積％を含んだアルミニウム合金インゴットを溶解し、溶
湯温度を約７４０℃に保持する。前記アルミニウム合金
インゴットは、商品名ＤＵＲＡＬＣＡＮ（Ｆ３Ｋ・２０
Ｓカタログ参照）の主成分をベースとして、目標成分と
なるようにＣｕ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｓｉを夫々母合金または
純金属の形で以下の表に示すように添加する。ここで、
Ｃｕは銅線、Ｎｉは粉末またはワイヤー、ＭｎはＡｌ−
６０Ｍｎ、ＳｉはＡｌ−４０Ｓｉの母合金の形で添加し
た。

【００５１】

【表３】

【００５２】硬質粒子の添加量を前記のように特定する
と、アルミニウム合金マトリックスにおける硬質粒子の
分散状態が、そのアルミニウム合金の耐摩耗性を向上さ
せる上で最適になる。また、硬質粒子は、アルミニウム
合金マトリックスの結晶転位を固着してクリープ特性及
び耐応力腐食割れ特性の改善，熱膨張係数の低下，ヤン
グ率及び疲労強度，耐摩耗性，耐凝着性の向上等の諸効
果を有する。

【００５３】ただし、アルミニウム合金マトリックスに
対する硬質粒子の含有量が０.５重量％を下回ると、耐
摩耗性が改善されず、またヤング率の向上及び熱膨張係
数の減少の程度も低くなり、一方、１５.０重量％を上
回ると、相手材の摩耗が増大する。

【００５４】他の成分の含有理由及び含有量の限定理由
は以下の通りである。

【００５５】(ａ) ＳｉについてＳｉは、耐摩耗性，ヤング率及び熱伝導率を向上し、ま
た熱膨張係数を低下する効果を有する。ただし、７.０
重量％を下回ると前記効果を得ることができず、一方、
２８.０重量％を上回ると、鋳造性と加工性が悪化し、
割れを生じ易くなる。

【００５６】(ｂ) ＣｕについてＣｕは、金属間化合物を形成し、アルミニウム合金マト
リックスを強化し耐摩耗性、耐凝着性を向上させる効果
を有する。ただし、１０重量％を下回ると前記効果を得
ることができず、一方、２３重量％を上回ると、非常に
硬くなる一方、脆くなり、耐摩耗性が悪化する。そし
て、溶融部のＣｕ量を変化させ、摩耗試験を行い、図１
４のような結果を得た。また、耐摩耗性の評価方法は、
図１０に示す装置を用いて行った。即ち、図外のモータ
で回転する回転台上にピストンリングを固定して、この
上部にヒータの下端に固定されたテストピースを押し付
けて摩耗させる。このテストピースは、ピストン本体の
リング溝から切り出した耐摩環である。この方法におけ
る温度、潤滑状態等の試験条件は、実際のエンジンのピ
ストンと相関性のあるものとした。評価は試験後の摩耗
深さで行った。

【００５７】(ｃ) ＭｇについてＭｇは、Ｃｕと同様に熱処理においてアルミニウム合金
マトリックスを強化する効果を有する。ただし、０.３
重量％を下回ると前記効果を得ることができず、一方、
３.５重量％を上回ると、耐応力腐食割れ特性が悪化
し、熱間鍛造加工性が低下する。

【００５８】(ｄ) ＭｎについてＭｎは、Ｆｅと金属間化合物を形成し、耐摩耗性、耐凝
着性を改善させる。ただし、０.５重量％を下回ると、
前記効果を得ることができず、一方、２.９重量％を上
回ると、鋳造性や加工性が悪化する等、悪影響が現れ
る。このような成分構成になる様に耐摩環の成分をあら
かじめ調整しておく。

【００５９】そして、目標成分に調整後、ＳｉＣ粒子を
溶湯の中で充分に均一にする為に溶湯の撹拌を行う。そ
の後、耐摩環１１を金型で鋳造する。

【００６０】尚、鋳造後の耐摩環１１は、合金母材が強
硬度になるため、切削加工が困難になり、したがって、
ニアネット（正味に近い）の形状に鋳造することが望ま
しい。

【００６１】そして、この耐摩環１１を鋳造した後は、
前述の第１実施例等と同様にピストン本体１のトップリ
ング溝に対応した位置に鋳ぐるみ固定する。この鋳ぐる
み条件等は第１実施例と同様である。

【００６２】また、耐摩環１１の鋳込み後に、リングラ
ンド部３の外周切削加工を行い、耐摩環１１の外周面を
露出させ、その後、耐摩環１１の上下面と、トップリン
グ溝４の内面との間の境界面２０を電子ビームの高いエ
ネルギー密度の熱源で再溶融して接合する。

【００６３】ここで、ピストン本体１のアルミ合金母材
が例えばＡＣ８Ａである場合は、再溶融部２１の合金濃
度は前述の目標成分より低くなり、Ｓｉが約１２重量
％，Ｃｕが約２０．０重量％，Ｍｎが約１重量％，Ｎｉ
が約２重量％，Ｍｇが約１重量％，ＳｉＣが約１０体積
％になる。これらが、最終的に得たい合金成分の代表値
である。

【００６４】即ち、再溶融部２１のアルミニウム合金
は、７.０重量％≦Ｓｉ≦２８.０重量％、１０.０重量
％≦Ｃｕ≦２３.０重量％、０.３重量％≦Ｍｇ≦３.５
重量％、０.５重量％≦Ｍｎ≦２.９重量％になる。

【００６５】このように、再溶融部２１の合金濃度とす
ることにより、該再溶融部２１内にブローホールの発生
を防止できると共に、合金濃度の低下が防止される。

【００６６】つまり、本実施例のように再溶融部２１の
合金濃度を設定しておけば、粉末粒子間に空気の残留を
防止できると共に、合金濃度の低下が防止されて、耐摩
耗性，耐凝着性等の向上を図ることができる。

【００６７】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、請求項１
および２記載の発明によれば、ＳｉＣ粒子を含有したア
ルミニウム合金製の耐摩環をアルミニウム合金製のピス
トン本体に鋳ぐるむ構成としたため、従来のような高圧
凝固法を用いることなく単に重力鋳造によって成形でき
るので、製造コストの低廉化が図れる。

【００６８】しかも、ピストン本体と耐摩環との境界面
を、高エネルギー熱源によって再溶融して冷却接合した
ため、該境界面部位の接合強度が極めて高くなる。ま
た、耐摩環の特異な内部構造によって軽量化が図れるこ
とは勿論のこと、ＳｉＣ粒子が均一に分散するため、耐
摩性及び耐凝着性の向上が図れる。

【００６９】さらに、請求項３記載の発明によれば、合
金濃度の低下が防止されて、耐摩耗性，耐凝着性等が一
層向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施例を示すピストンの要部断面図。

【図２】本実施例のピストンの縦断面図。

【図３】本実施例の耐摩環の金型成形を示す説明図。

【図４】Ａは本発明の第１実施例を示し、ピストン本体
内に耐摩環を鋳ぐるんだ状態を示す縦断面図、同図Ｂ
は、ピストン本体冠部のリングランド部を切削した状態
を示す縦断面図。

【図５】Ａは図４Ｂの要部拡大図、Ｂはピストン本体と
耐摩環との界面の再溶融部を示す要部拡大図、Ｃは耐摩
環にリング溝を切削加工した状態を示す要部拡大図。

【図６】Ａは本発明の第２実施例を示し、再溶融部を示
す拡大断面図、Ｂは耐摩環にリング溝を切削加工した状
態を示す拡大断面図。

【図７】Ａは再溶融前における耐摩環の顕微鏡写真を図
面化した組織図、Ｂは再溶融後における界面部の顕微鏡
写真を図面化した組織図。

【図８】本発明の第３実施例を示し、冠部のトップラン
ド上部を切削加工した状態を示す縦断面図。

【図９】Ａは本実施例の再溶融前における要部拡大図、
Ｂは耐摩環全体とピストン本体の界面とを再溶融した状
態を示す要部拡大図、Ｃは再溶融接合後においてトップ
ランドの外周側を切削加工すると共に、耐摩環に外周に
リング溝を切削加工した状態を示す要部拡大図。

【図１０】耐摩耗性のテスト装置を示す説明図。

【図１１】耐凝着性のテスト装置を示す説明図。

【図１２】本発明と従来例のせん断強度を比較して示す
棒グラフ。

【図１３】Ａは本実施例の重力鋳造法に用いられる一方
金型を示す正面図、ＢはＡのＡ−Ａ線断面図。

【図１４】摩耗試験の結果を示すグラフ。

【符号の説明】１…ピストン本体２…冠部３…リングランド部４…トップリング溝７…トップリング１１…耐摩環２０…境界面２１…再溶融部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウム合金製からなるピストン本
体の外周に複数のピストンリング溝が形成されてなる内
燃機関のピストンにおいて、前記ピストンリング溝の少なくともトップリング溝内
に、炭化珪素の粒子を含有したアルミニウム合金材の耐
摩環を鋳ぐるむと共に、少なくとも前記耐摩環の上下面
とトップリング溝の内面との接合境界面を、高エネルギ
ー密度の熱源により再溶融接合したことを特徴とする内
燃機関のピストン。
【請求項２】アルミニウム合金製からなるピストン本
体の外周に形成された複数のピストンリング溝に耐摩環
を固定する内燃機関のピストンの製造方法において、前記耐摩環を炭化珪素の粒子を含有したアルミニウム合
金材で予め成形すると共に、前記ピストン本体の成形時
に、前記ピストンリング溝の少なくともトップリング溝
内に前記耐摩環を鋳ぐるみ、その後、少なくとも耐摩環
の上下面とトップリング溝の内面との接合面を、高エネ
ルギー密度の熱源により再溶融して冷却接合したことを
特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。
【請求項３】アルミニウム合金製からなるピストン本
体の外周に複数のピストンリング溝が形成されてなる内
燃機関のピストンにおいて、前記ピストンリング溝の少なくともトップリング溝内
に、炭化珪素の粒子を含有し、かつピストン本体の母材
よりも高濃度の合金元素を含むアルミニウム合金材の耐
摩環を鋳ぐるむと共に、該耐摩環の上下面とトップリン
グ溝の内面との接合境界面及び耐摩環全体を、高エネル
ギー密度の熱源により再溶融し、この再溶融部のアルミ
ニウム合金を、７.０重量％≦Ｓｉ≦２８.０重量％、１０.０重量％≦Ｃｕ≦２３.０重量％、０.３重量％≦Ｍｇ≦ ３.５重量％、０.５重量％≦Ｍｎ≦ ２.９重量％及び不可避不純物を含むアルミニウム合金マトリックス
に、Ａｌ₂Ｏ₃粒子，ＳｉＣ粒子，Ｓｉ₃Ｎ₄粒子，ＺｒＯ
₂粒子，ＳｉＯ₂粒子，ＴｉＯ₂粒子及び金属Ｓｉ粒子か
ら選択される少なくとも一種の硬質粒子を、前記アルミ
ニウム合金マトリックスに対して０.５重量％以上、１
５.０重量％以下分散させたことを特徴とする内燃機関
のピストン。