JPS62170488A - 鋳鉄製内燃機関用ピストンおよびその製造方法 - 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 この発明は大型ディーゼルエンジン等の内燃機関に使用
される鋳鉄製ピストンおよびその製造方法に関するもの
であり、特に高温に曝されるピストンヘッド部の少なく
とも一部の表面層を局部的に強化した鋳鉄製ピストンお
よびその製造方法に関するものでおる。

従来の技術 鋳鉄製の内燃機関用ピストンは、アルミニウム合金製ピ
ストンと比較して重量は大きいものの、一般に高温強度
に優れているため、大型ディーゼルエンジン等に使用さ
れている。

ところでディーゼルエンジン、特に直噴型ディーゼルエ
ンジンにおいては、ビス］・ンのヘッド部は燃料噴射を
受けて高温に曝される。特にビス１〜ンヘッド部のうち
、噴射燃料が直接吹き付けられる噴口部のホットスポッ
ト部は著しく高温となるから、耐熱衝撃性、耐熱疲労性
が優れていることが要求される。最近のディーゼルエン
ジンの高出力化に伴なって、燃利至のより一層の高温化
が望まれるようになり、そのため前述のようなピストン
ヘッド部、特にホットスポット部の耐熱衝撃性、耐熱疲
労性の向上に対する要請はますます強まっている。

しかるに従来の通常の鋳鉄製ビス１〜ンは普通鋳鉄で作
られているものが多く、このような普通鋳鉄製ピストン
では上述のような要請に充分に応えることは困難であり
、熱応力等によってホットスポット部に亀裂が生じてし
まうことを避は得ず、したがってピストンの耐用青白も
短くならざるを１野なかった。そこで最近では耐熱衝撃
性、耐熱疲労性に優れた合金鋳鉄等の高級鋳鉄でピスト
ンを作成することも行なわれている。

発明が解決すべき問題点 前述のように合金鋳鉄等の高級鋳鉄を用いてピストンを
作成した場合には、いたずらにピストン原材料コストの
上昇を招く問題がある。すなわち優れた耐熱性が要求さ
れるのは、ピストン全体のうちでも特にピストンヘッド
部、とりわけホットスポット部であって、その他の部分
には合金鋳鉄等の高級鋳鉄が必要とされるほどの耐熱性
は要求されず、したがってピストン全体を高価な合金鋳
鉄等で構成することは無駄なコスト増大を招くことにな
る。また合金鋳鉄等の高級鋳鉄では、鋳造性が普通鋳鉄
より劣ることが多く、そのため歩留りの低下を招く問題
もある。ざらに合金鋳鉄の場合開織加工性が劣って鋳造
後の機械加工に困難を伴なうこともある。このような問
題を解決するためには、普通鋳鉄等の安価でしかも鋳造
性、加工性も良好な鋳鉄でピストンを作り、その一部す
なわちピストンヘッド部のホットスポット部などを部分
的に強化する方法を適用することが望ましい。

しかしながら従来はこのような手法は確立されていなか
ったのが実情である。

この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、鋳
鉄を基材としてそのピストンヘッド部のうち耐熱衝撃性
、耐熱疲労性が特に要求される部位、例えばホットスポ
ット部を部分的に強化して、その部位の耐熱衝撃性、耐
熱疲労性を向上さゼた鋳鉄製内燃機関用ピストンおよび
その製造方法を提供することを目的とするものである。

問題点を解決するための手段 第１発明の鋳鉄製内燃機関用ピストンは、鋳鉄製ピスト
ンのピストンヘッド部における耐熱衝撃・耐熱疲労性が
要求される部位に、ＣｒおよびＭｏのうち少なくとも一
方が合計で０．３〜２．０重量％含有されかつパーライ
ト基地もしくはパーライト主体の基地中に塊状黒鉛が分
散晶出している合金化鋳鉄層が、表面から少なくとも０
．２ｍｎ以上の深さにわたって形成されていることを特
徴とするもので必る。

第２発明の製造方法は、鋳鉄を県別としてピストン粗形
材を鋳造した後、そのピストン粗形材のピストンヘッド
部における耐熱衝撃・耐熱疲労性が要求される部位の表
面にＣｒおよびＭｏのうち少なくとも一方またはそれら
の合金もしくはＣｒ、Ｍｏの少なくとも一方とＦｅとの
合金を配置し、その上から高密度エネルギを照射して急
速溶融−急速再凝固させることにより鋳鉄とｃｒおよび
／またはＭｏとの合金属を形成し、次いでこの合金層に
８００〜１０５０’Ｃで１分間〜１０分間加熱する再加
熱処理を施して、Ｃｒ、Ｍｏの少なくとも一方を合計で
０．３〜２．０重量％含有しかつ塊状黒鉛５が分散晶出
している合金化鋳鉄層を前記部位に表面から０．２Ｍ以
上の深さにわたって形成することを特徴とするものであ
る。

作　　　用 ピストンの母材となる鋳鉄月料としては、コストおよび
鋳造性などの点からＪＩＳ　Ｆｅ１２．　Ｆｅ１２、Ｆ
ｅ１２などの普通鋳鉄が最も好ましいが、低合金鋳鉄な
ども用いることができる。

この発明では、上述のような普通鋳鉄等からなるピスト
ンのヘッド部のうち、特に耐熱衝撃性、耐熱疲労性が要
求される部位、例えばホットスポット部のみ、後述する
ような合金化鋳鉄層か形成される。

このホットスポット部について説明すると、第１図は直
接噴射型ディーゼル機関用ピストンの一例を示すもので
あり、ピストン本体１は砂型鋳造等により鋳造された鋳
鉄製のものであって、そのピストンヘッド部２の頂面に
形成された凹状の噴口部３の内壁面上部からエツジ部へ
かけてのクロス斜線を施した部分が燃料噴射を直接受け
て最も高温となるホットスポット部４に相当する。また
第２図には、直接噴射型ディーゼル機関用ピストンの他
の例のピストンヘッド部２のホットスポット部４を示す
。さらに第３図には通常のディーゼル１幾関用ピストン
のピストンヘッド部２のホットスポット部４を示す。

上）ホのホットスポット部４の如く特に耐熱衝撃性、耐
熱疲労性が要求される部位に、Ｃｒ、Ｍｏの少なくとも
一方を合計で０．３〜２．０重量％含有する、基地組織
がパーライトもしくはパーライト主体でかつ塊状黒鉛が
均一に分散晶出した合金化鋳鉄層が形成される。ここで
Ｃｒ、Ｍｏは強力な炭化物生成元素でおり、したがって
その合金化鋳鉄層のマトリックスはセメンタイトが強化
されたパーライトまたはパーライト主体の組織となる。

従来からピストンに使用されている普通鋳鉄の場合、基
地がパーライト組織でおるのが通常であり、その場合ピ
ストンのホットスポット部等が使用時に高温となること
により徐々にセメンタイトが黒鉛とフェライトに分解し
、この際体積膨張が生じてこの膨張がホットスポット部
等の熱応力を大きくして亀裂発生を招いていたと考えら
れる。

また従来の普通鋳鉄製ピストンでは晶出黒鉛形状が片状
で必るため、片状黒鉛が熱応力等による亀′　裂の起点
や伝播部となり易く、このことも亀裂発生の原因となっ
ていた。しかるにこの発明のピストンにおける合金化鋳
鉄層は、待にｃｒおよび／またはＭｏの合金化によって
基地のパーライト組織中のセメンタイトが強化されて安
定化されているため、セメンタイトの分解一体積膨張に
よる亀裂発生を招くおそれが少なく、かつ亀裂の成長も
緩やかとなるのである。また晶出黒鉛形状も塊状である
ことから、黒鉛が亀裂の起点や伝播部となりにくい。し
たがってその合金化鋳鉄層を形成したホットスポット部
等の部位は、部分的に耐熱衝撃性、耐熱疲労性が著しく
改善されるのである。

ここで、Ｃｒおよび／またはＭｏを合金化する理由は、
既に述べたようにその炭化物生成傾向が大きいことを利
用して基地のパーライト組織中のセメンタイトを強化・
安定化させ、亀裂発生を防止する点にあるが、それらの
含有量が合計で０１３重量％未満ではせメンタイトを安
定化させて亀裂発生を防止する効果が充分に得られず、
一方２．０ｆｆｌ１％を越えれば遊離セメンタイトがそ
のまま残留してパーライト組織が得られなくなる傾向が
強くなり、靭性の低下を招いてしまうから、その合計含
有量は０．３〜２．０重量％の範囲内とする必要がある
。

また上述のような合金化鋳鉄層は、ホットスポット部等
における表面から少なくとも０．２＃以上の深さにわた
って形成されている必要がおる。

０．２ｓ未満の深さでは、上述の効果が充分に得られな
い。

次に前述のような合金化鋳鉄層を有するピストンの製造
方法、すなわち第２発明について説明する。

先ずピストン粗形材の製造法としては、前述のような普
通鋳鉄等の鋳鉄材料を原材料として、砂型鋳造等の通常
の鋳造法により鋳造すれば良い。

得られたピストン粗形材に対しては、先ず高密度エネル
ギ源を用いて、Ｃｒおよび／またはＭｏの合金化処理を
行なう。すなわち、ピストン粗形材のピストンヘッド部
のうち、待に耐熱衝撃性、耐熱疲労性が要求されるホッ
トスポット部等の部位の表面に、ＣｒまたはＭｏもしく
はそれらの合金、あるいはＦｅ−Ｃｒ合金やＦｅ−Ｍｏ
合金もしくはＦｅ−Ｃｒ−Ｍ○合金を配置し、その上か
らレーザ、電子ビーム、プラズマアーク、丁ＩＧアーク
等の高密度エネルギを照射することにより、表面に配置
されたＣｒおよび／またはＭｏやそれらの合金とその下
側の鋳鉄母材表面層とを瞬時に急速溶融させて鋳鉄とＣ
ｒおよび／またはＭｏとを合金化し、続いてそのエネル
ギ照射位置の移動もしくは照射停止によりその溶融した
合金層を瞬時に急速凝固させる。ここで、高密度エネル
ギの照射により溶融した部分はピストン全体の質量に比
べれば格段に小さい質量でおるから、高密度エネルギ照
射位置の移動もしくは照射停止によってピストン母材側
への熱移動により溶融した合金層は瞬時に凝固し、遊離
セメンタイトを含むチル化された合金層となる。

なお、Ｃｒ、Ｍｏ，またはそれらの合金等をピストンの
ホットスポット部等に配置するための具体的手法として
は、例えばそれらの粉末、圧粉体、薄板等を載置または
溶射したりあるいはスラリーとして塗布したり、ざらに
は必要部位に溝を加工してその中に充填したりすれば良
い。

次いでそのチル化された合金層を、８００〜１０５０°
Ｃの範囲内の温度に１分間〜１０分間再加熱した後、空
冷、放冷めるいは徐冷する。このような再加熱処理を加
えることによって、チル化合金層から塊状黒鉛が晶出す
るとともに基地組織がパーライト相またはパーライト主
体の組織となる。すなわち前述のようにパーライト相ま
たはパーライト主体の組織をマトリックスとしかつ塊状
黒鉛が分散した合金化鋳鉄層が得られる。

ここで、チル化合金層に対する再加熱処理の加熱温度が
８００　’Ｃ未満では均一かつ充分な黒鉛の晶出が得ら
れず、一方１０５０″Ｃを越えれば黒鉛化が過度に進行
して基地にパーライトが得られなくなるおそれがある。

したがって加熱温度は８００〜１０５０℃の範囲内とし
た。また加熱時間が１分間未満では１０５０℃に近い高
温でも充分に黒鉛が晶出せず、一方１０分間を越える長
時間の加熱を施せば黒鉛化が過度に進行してパーライト
が得られなくなる。

したがって加熱時間は１分間〜１０分間とした。なお加
熱温度が８００　’Ｃ近辺と低い場合には加熱時間は１
０分間近い長時間とし、１０５０℃近辺と高い場合には
加熱時間は１分間程度の短時間とすることが好ましい。

また上記の加熱温度範囲内でも、特に９５０〜１０５０
’Ｃで加熱することがより望ましい。

なお以上の加熱処理においては、チル化合金層の部分の
みを加熱する局部加熱を適用することが好ましいが、場
合によってはピストン全体を加熱しても良い。局部加熱
の具体的加熱手段としては、高周波誘導加熱や火炎加熱
（バーナ加熱）等を用いることができ、またピストン全
体を加熱する場合は炉中加熱を用いることができる。

以上のように、高密度エネルギを用いた合金化・チル化
処理により表面層にＣｒおよび／またはＭｏと鋳鉄との
チル化合金層を形成した後、再加熱処理を施すことによ
って、セメンタイトが強化・安定化されたパーライト相
もしくはパーライト主体の組織からなるマトリックス中
に塊状黒鉛が分散晶出した合金化鋳鉄層をホットスポッ
ト部等の所要の箇所に形成することができる。

なお前述の再加熱処理後は、適宜研削加工、研磨７Ｊｌ
ｌ工等の機、滅加工を行なって最終的に製品ピストン形
状に仕上げれば良い。

実施例 実施例　１ ＪＩＳ　ＦＣ２５鋳鉄を溶解し、砂型鋳造によって外径
１２０＃２１Ｌ厚ざ５０ｍの実験用鋳鉄円板を作成した
。

これを外径ｉ　ｏｏ、、厚ざ５１１１１１１の円板状に
機械加工し、その板面の中心部の直径２０ｍの範囲内に
、プラズマ溶射法によってＣｒをＯ，ｉｍ厚に溶射し、
続いてその上から交流ＴＩＧ電源を用いたＴＩＧアーク
法により合金化・チル化処理を行なった。

なおＴＩＧアーク電流は１８０Ａとした。次いでそのチ
ル化合金層表面近傍に高周波誘導加熱コイルを配置して
、チル化合金層が１０００’Ｃとなるように２分間加熱
し、その後放冷する再加熱処理を施した。その後機械加
工により第４図（Ａ＞、（Ｂ）に示すように中心部に小
孔（内径５ａ＋ｎ）５を有する熱衝撃試験片に加工した
。

前述の再加熱処理後の中心部直径２０ｍの範囲内の金属
組織を観察したところ、第５図（倍率４００倍）に示す
ように、セメンタイトが強化されたパーライトをマトリ
ックスとしかつ塊状黒鉛が晶出した合金化鋳鉄層が得ら
れていることが判明した。

なおこの場合の合金化鋳鉄層におけるＣｒ濃度は、分析
の結果０．８重ｄ％であることが判明した。比較のため
、上）ホのようなＴＩＧアークによる合金化・デル化お
よび再加熱処理を行なわないＦＣ２５鋳鉄の組織を第６
図（倍率４００倍）に示す。

前述のようにして得られた熱衝撃試験片（本発明材］）
と、比較のためのＴＩＧアークによる合金化・チル化お
よび再加熱処理を行なわないＦＣ２５鋳鉄の同形状の熱
衝撃試験片（比較材）とについて、加熱−冷却サイクル
の繰返しによる熱衝撃性試験を行なった。なおこの試験
にあける加熱はプロパン−酸素バーナにより昇温速度１
１．５°Ｃ／　ＳｅＣ。

加熱温度４５０’Ｃとし、また冷却は水′ａ１１８°Ｃ
の冷却水による水冷とした。

こり熱衝撃試験においては、耐熱衝撃性が低い場合、カ
ロ熱−冷却による円周方向の膨張−収縮の繰返し熱応力
によって中心部の小孔５から亀裂が発生して、さらにそ
の亀裂が拡大する。この試験結果を第７図に示す。第７
図から明らかなようにこの発明による処理を行なわなか
ったＦＣ２５鋳鉄の比較材の場合と比較し、本発明材］
ては亀裂発生に至るまでの熱衝撃繰返し数が格段に多く
、したがって耐熱衝撃性が著しく優れていることが判る
。

実施例　２ 実施例１におけるＣｒの代りにＭｏを用い、その他の条
件は実施例１と同様として合金化・チル化処理−再加熱
処理を行なった。その場合の合金化鋳鉄層のＭｏ濃度は
１．１重量％であった。また実施例１と同様の熱衝撃試
験を行なった結果（本発明材２）を第７図に併せて示す
。この場合も、実施例１のＣｒ合金化の場合と同程度以
上の優れた耐熱衝撃性を示すことが判る。

実施例　３ ピストン材料として、ＪＩＳ　Ｆｅ１２の普通鋳鉄に脱
酸剤としてセリウム（Ｃｅ）を０．０２％添加したもの
を溶解し、砂型鋳造法により第１図に示すような形状の
直接＠剤型ディーゼル機関用ピストンの粗形材を鋳造し
た。このピストン粗形材の直径は１２０＃、噴口部内径
は４５ｍである。

次いでピストン粗形材の噴口部内面上部からエツジ部に
かけてのホットスポット部に対してプラズマ溶射法によ
りＱｒをｏ、ｉｓ厚に溶射し、次いでその上から平均電
流２１０ＡとしたＴＩＧアーク法により合金化・チル化
処理を施した。その後、高周波誘導加熱装置を用い、合
金化・チル化処理か施された部分に対して１０００’Ｑ
Ｘ　２分間の加熱後放冷する再加熱処理を行ない、ざら
に機械加工によって外径１１５薦、噴口部径４８＃のピ
ストンに仕上げた。このピストンは、噴口部の縁部は径
で５８履まで、噴口部内は奥行きで頂面から８１？２１
？２の位置まで、実施例１の第５図に示すようなパーラ
イトを基地とする合金化鋳鉄層が形成されていることが
確認された。なおこの合金化鋳鉄層のＣｒ濃度を分析し
たところ、Ｃｒ０．７重量％であることが判明した。

以上のようにして得られたピストンを３．５１の直接噴
射式ディーゼル機関に装着し、［３５００ｒｐｍ×全ｍ
×Ｘ２０分」と［アイドリングＸ１０分］のサイクルの
繰返しによる耐久試験に供した。その結果、５００時間
までピストンに何ら１〜ラブルか発生しないことが確認
された。一方、比較のため前）ホのような処理を施さな
い同寸法のＦＣ２５鋳鉄製ピストンについて、同一の耐
久試験を行なったところ、３００〜４００時間で川口部
のホットスポット部に熱亀裂が多数観察された。このよ
うな結果から、こ発明によるピストンでは耐熱衝撃・耐
熱疲労性か優れていることが判る。

実施例　４ 実施例３にあけるＣｒの代りにＭｏを用い、その他の条
件は実施例３と同一として直接噴射型ディーゼル機関用
ピストンを作成した。この場合のホットスポット部の合
金化鋳鉄層のＭｏ１度は分析の結果０．８重量％でめっ
た。また実施例３と同様な耐久試験に供したところ、Ｃ
ｒ合金化の場合とほぼ同様な優れた耐久性を示すことが
確認された。

発明の効果 この発明の鋳鉄製ピストンは、ピストンヘッド部のうち
特にホットスポット部の如く耐熱衝撃性、耐熱疲労性か
要求される部位に、Ｃｒおよび／またはＭｏを合金化す
ることにより、セメンタイトを強化・安定化したパーラ
イトもしくはパーライト主体の基地組織を有しかつ塊状
黒鉛が晶出した合金化鋳鉄層が形成されているため、そ
の部位の耐熱衝撃性、耐熱疲労性が著しく改善されてお
り、したがってピストン使用時の熱応力によってホット
スポット部に亀裂が生じるおそれが極めて少なく、ピス
トンの長寿命化を図ることができるとともに、燃焼至の
高温化ひいては高出力化を図ることができる。またこの
発明のピストンは特に耐熱衝撃性や耐熱疲労性が要求さ
れる部分のみを強化したものであって、ピストンの母材
としては安価な普通鋳鉄等を用いることができ、したが
ってピストンの原材料コストを安価にすることができる
とともに、加工性や鋳造性を損なったりするおそれも少
ない等の効果が得られる。またこの発明の製造方法によ
れば、上述のように優れた長所を有する鋳鉄製ピストン
を簡単かつ容易に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図まではそれぞれこの発明が適用される
ディーゼル機関用ピストンの一例を示す縦断面図、第４
図（Ａ＞、（Ｂ）は実施例における熱衝撃試験片を示す
図で、その（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は平面図、第５図
は実施例における不発明材の合金化鋳鉄層の金属断面組
織写真、第６図は比較材の金属断面組織写真、第７図は
熱衝撃試験結果を示す図である。 １・・・ピストン、　　　２・・・ピストンヘッド部、
４・・・ホットスポット部（合金化鋳鉄層を形成する部
分）。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）鋳鉄製ピストンのピストンヘッド部における耐熱
   衝撃・耐熱疲労性が要求される部位に、ＣｒおよびＭｏ
   のうち少なくとも一方が合計で０．３〜２．０重量％含
   有されかつパーライト基地もしくはパーライト主体の基
   地中に塊状黒鉛が分散晶出している合金化鋳鉄層が、表
   面から少なくとも０．２ｍｍ以上の深さにわたって形成
   されていることを特徴とする鋳鉄製内燃機関用ピストン
   。
2. （２）鋳鉄を原料としてピストン粗形材を鋳造した後、
   そのピストン粗形材のピストンヘッド部における耐熱衝
   撃・耐熱疲労性が要求される部位の表面にＣｒおよびＭ
   ｏのうち少なくとも一方またはそれらの合金もしくはＣ
   ｒ、Ｍｏの少なくとも一方とＦｅとの合金を配置し、そ
   の上から高密度エネルギを照射して急速溶融−急速再凝
   固させることにより鋳鉄とＣｒおよび／またはＭｏとの
   合金層を形成し、次いでこの合金層に８００〜１０５０
   ℃で１分間〜１０分間加熱する再加熱処理を施して、Ｃ
   ｒ、Ｍｏの少なくとも一方を合計で０．３〜２．０重量
   ％含有しかつ塊状黒鉛が分散晶出している合金化鋳鉄層
   を前記部位に表面から０．２ｍｍ以上の深さにわたって
   形成することを特徴とする鋳鉄製内燃機関用ピストンの
   製造方法。