| 【発明の名称】 |
耐摩環 |
| 【発明者】 |
【氏名】中村 義勝
【氏名】高橋 輝夫
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| 【要約】 |
【課題】ピストンリングへのアルミ凝着の問題、トップリング溝の摩耗を低減し、熱伝導性等の問題を解決する耐摩環の提供。
【解決手段】耐摩環１０はピストン３とは異種材料であり、ピストンリング溝８面全体に固着され、ピストンリング７を装着する。製造に際し、溶融したアルミニウム−珪素合金を噴霧化し急冷凝固させて粉末を製造する。この粉末は押出成形され管状となり、これをベースに耐摩環が構成される。耐摩環の組成は珪素１５〜４０重量％、鉄１．０〜１０．０重量％、銅０．５〜５重量％、マグネシウム０．１〜３．０重量％、ジルコニウム、ニッケル、マンガン及び亜鉛の合計で３重量％未満、硬質粒子１〜１０重量％、固体潤滑剤１〜１０重量％、残部アルミニウムであり、硬質粒子、固体潤滑剤の平均粒径はそれぞれ５μｍである。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 内燃機関のピストンとは異なる材料で形成され、ピストンリング溝面全体に固着されてシリンダライナに対して摺動するピストンリングを装着する耐摩環において、組成が、珪素を１５〜４０重量％、鉄を１．０〜１０．０重量％、銅を０．５〜５重量％、マグネシウムを０．１〜３．０重量％、ジルコニウム、ニッケル、マンガン及び亜鉛の合計が３．０重量％未満、残部アルミニウムであるアルミニウム合金体からなり、該アルミニウム合金体は、上記組成からなる溶融したアルミニウム合金を急冷凝固させてアルミニウム合金粉末を製造し、次に該アルミニウム合金粉末を押出成形させることにより製造されることを特徴とする耐摩環。
【請求項２】 前記アルミニウム合金粉末には、炭化珪素及びアルミナからなる硬質粒子の合計が１〜１０重量％含有され、該炭化珪素、アルミナの平均粒径は５μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の耐摩環。
【請求項３】 前記アルミニウム合金粉末には、グラファイト、硫化物及びフッ化物からなる固体潤滑剤の合計が１〜１０重量％含有され、該グラファイト、硫化物、フッ化物の平均粒径は５μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の耐摩環。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は耐摩環に関し、特にディーゼルエンジン用及び高出力ガソリンエンジン用の耐摩環に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年のエンジンの軽量化及び放熱性を高める目的から、アルミニウム合金製のエンジンが一般化しつつあり、ピストンもアルミニウム合金製としている。一方で、エンジン高出力化の要請に伴い、エンジンは高温の燃焼温度にさらされ、またピストンリング材にも厳しい耐摩耗性が要求されている。そのためピストンリングを装着するためのピストンリング溝は、硬度の高いピストンリングの端面で叩きを受けるので、通常のアルミ合金ではピストンリング溝のへたりや変形が生じるおそれがある。特にディーゼルエンジンのトップリングは、燃焼圧が直接作用するので、トップリング溝はピストンリングの衝撃の繰り返しでへたり摩耗が生じ、ガス漏れやオイル漏れが生じると、エンジン出力の低下を来たすこととなる。
【０００３】この問題を解決するために、ピストンリング溝にピストン材料よりは高強度の材料にて耐摩環を固着し、ピストンリングを耐摩環により支持する構成が提案されている。例えば、ディーゼルエンジン用のトップリング溝には、ニレジスト合金により構成されるインサート（耐摩環）を鋳ぐるんだピストンが提案されており、この耐摩環によってシリンダ内におけるピストン摺動時のピストンリング溝の摩耗を防止している。
【０００４】また特開昭５８−９３８３５号公報では、アルミナ−シリカ繊維を複合化したアルミニウム基ＭＭＣ材（金属マトリックス複合材）からなる耐摩環が提案されており、また特開平６−２６４０７９号公報では、炭素質粉末と金属で被覆した固体潤滑材とアルミニウム基金属からなる摺動部材が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしニレジスト合金により耐摩環を構成する場合には、鋳造品であるため材料費が高くなりかつ歩留まりが悪く加工性も悪く、総合的にコスト高となっていた。さらに鋳ぐるみ性を向上させるためにアルミナイズ処理が必要不可欠であり、また鉄合金のため密度が高くなりエンジン性能の低下を招いていた。また熱伝導率も今一つ不充分であった。
【０００６】一方特開昭５８−９３８３５号公報に記載されているように、アルミニウム基ＭＭＣ材により耐摩環が構成される場合には、近年のディーゼルエンジンの出力向上とそれに伴うピストンリング溝部の温度上昇により、ピストンリング溝とピストンリングとの間で相互に発生する凝着（アルミ凝着）が生じていた。即ちピストンリング溝が高温と叩きとにより軟化してピストンリングの端面に固着することである。この現象は特に、ピストンリングの下面側（燃焼室と対向していない側）で顕著である。
【０００７】また特開平６−２６４０７９号公報に記載されている材料では、トップリング溝用の耐摩環としては耐熱性が十分でなく、また強度も十分ではなかった。
【０００８】そこで本発明は、ピストンリングへのアルミ凝着の問題が生じず、トップリング溝の摩耗を低減し、熱伝導性、加工性等の問題を解決する耐摩環を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明は、内燃機関のピストンとは異なる材料で形成され、ピストンリング溝面全体に固着されてシリンダライナに対して摺動するピストンリングを装着する耐摩環において、組成が、珪素を１５〜４０重量％、鉄を１．０〜１０．０重量％、銅を０．５〜５重量％、マグネシウムを０．１〜３．０重量％、ジルコニウム、ニッケル、マンガン及び亜鉛の合計が３．０重量％未満、残部アルミニウムであるアルミニウム合金体からなり、該アルミニウム合金体は、上記組成からなる溶融したアルミニウム合金を急冷凝固させてアルミニウム合金粉末を製造し、次に該アルミニウム合金粉末を押出成形させることにより製造される耐摩環を提供している。
【００１０】ここで、前記アルミニウム合金粉末には、炭化珪素及びアルミナからなる硬質粒子の合計が１〜１０重量％含有され、該炭化珪素、アルミナの平均粒径は５μｍ以下であるのが好ましい。また、前記アルミニウム合金粉末には、グラファイト、硫化物及びフッ化物からなる固体潤滑剤の合計が１〜１０重量％含有され、該グラファイト、硫化物、フッ化物の平均粒径は５μｍ以下であるのが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態による耐摩環について図１乃至図３に基づき説明する。
【００１２】図１はディーゼルエンジンの要部を示しており、鋳造されたクランクケース２内にシリンダライナ６を内周面側に圧入したライナ４が設けられ、このシリンダライナ６内にアルミ合金製のピストン３が摺動可能に案内されている。クランクケース２内でシリンダ胴４の周りには、シリンダ冷却用ウォータージャケット５が形成されている。またクランクケース２の上部には、シリンダヘッド１が設けられ、ピストン３の上面との間で燃焼室が画成される。またピストンの上部側には複数のピストンリング７が装着されている。
【００１３】図２に示されるように、ピストンリング７を装着するためのリング溝８が、ピストン３の外周面に環状に形成されている。リング溝８は上面、下面、底面からなる断面コの字状をしており、リング溝８にはピストンより高強度材料により形成される断面コの字状の耐摩環１０が固着されている。ピストン３の摺動に伴いピストンリングとリング溝８との間に相対的移動が生じるが、耐摩環１０によりピストンリング溝の摩耗やへたり、変形が防止できる。
【００１４】次に耐摩環１０の組成及びその製造方法について説明する。耐摩環１０の材料は、重量％で次の組成を有している。
珪素 １５〜４０％鉄 １．０〜１０．０％銅 ０．５〜５％マグネシウム ０．１〜３．０％ジルコニウム、ニッケル、マンガン、亜鉛の合計 ３．０％未満アルミニウム 残部【００１５】珪素については、微細な初晶珪素粒子が耐摩耗性を高める。含有率が１５重量％未満であるとその効果が認められない。一方、含有率が４０重量％を超えると粉末が硬くなり過ぎ、耐摩環の製造過程で後述する押出成形を行う際に、押出形成性が悪くなる。
【００１６】鉄は、耐熱性を高める効果がある。含有率が１．０重量％未満ではその効果が認められない。一方、含有率が１０重量％を超えると高融点成分が増えることになり、後述するアルミニウム合金粉末製造の際のアトマイズ工程における噴霧性を低下させる。
【００１７】銅は、時効硬化性を付与し、機械的強度、硬度、耐摩耗性を改善する効果がある。含有率が０．５重量％未満ではその効果は認められない。一方、含有率が５重量％を超えると強度、伸びが低下する。
【００１８】マグネシウムは、銅とともに時効硬化性を付与し、機械的強度、硬度、耐摩耗性を改善する効果があるが、含有率が０．１重量％未満ではその効果が認められない。一方、含有率が３．０重量％を超えると、熱膨張が増加する。
【００１９】ジルコニウム、ニッケル、マンガン、亜鉛は、高温強度、熱膨張を改善する効果があるが、これらの合計の含有率が３．０重量％を超えると、強度、伸びが低下する。
【００２０】次に耐摩環１０の製造過程について説明する。
【００２１】はじめに、アトマイズ法により、アルミニウム−珪素合金の粉末を製造する。一般にアトマイズ法とは溶解した金属を細いノズルから流出させ、高圧の不活性ガス雰囲気の室の中に霧状に滴化することをいう。ガスアトマイズされた金属溶滴が飛行中に急冷凝固することにより、マクロ偏析がなく、微細均一等方性の組織、微細に析出した組織、低酸素含有量、熱間加工性の良好な粉末が得られる。
【００２２】本実施の形態においては、アルミニウムマトリックス中に初晶珪素が形成され、合金マトリックス内において、硬質の粒子が細かく分散した分布及び均質な分布が得られる。
【００２３】具体的には、アトマイズされた溶湯滴は、高速のガスにより急速に加速され、飛行速度が急激に上昇し、ついにはガス速度と等しくなり、最高速度は溶湯滴の径によっても異なるが３０〜１００ｍ／秒となる。またアトマイズされた粒子はガスによって冷却され、温度が急激に低下する。この冷却の速度は、１０3Ｋ／Ｓ以上であり、粒子は固化して粉末状になる。この粉末状のものは、珪素の含有率の高いアルミ合金であり、初晶珪素をはじめとする析出物が微細化されたものである。
【００２４】即ち、アトマイズされた溶湯滴は、ガスによって急速に冷却され過冷されて、凝固し粉末状となる。凝固までの冷却速度は最後まで変化はなく、均一な微細組織を有する粉末が得られる。特に急冷凝固により微細な凝固組織が得られ、析出物の微細化、均一化が達成される。また偏析が低減されるとともに、非晶質相、過飽和固溶体等の準安定相が出現するという効果がある。
【００２５】アトマイズ後には、得られた粉末を押出成形法によって管状に成形する。この押出成形法は、管状等の形状の製品を成形する際に、極めて有効な方法である。
【００２６】ここで、押出成形を行う前に、必要に応じて硬質粒子又は個体潤滑剤の粒子を粉末に添加し混合わせる。硬質粒子、固体潤滑剤はそれぞれ、粒子の平均粒径が５μｍ以下のものであり、粉末中で含有率がそれぞれ１〜１０重量％となる量だけ添加される。硬質粒子は耐摩耗性に効果があるが、含有率が１重量％未満では効果がなく、一方、含有率が１０重量％を超えると加工性が悪化する。硬質粒子の平均粒径が５μｍを超えると、耐摩環として使用された際に、相手材であるピストンリングを過度に摩耗させる。固体潤滑剤は、耐摩耗性を向上させる効果があるが、含有率が１重量％未満では効果がなく、一方、含有率が１０重量％を超えると強度が低下する。固体潤滑剤の平均粒径が５μｍを超えると、さらに強度が低下する。硬質粒子としては、炭化珪素（ＳｉＣ）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等が挙げられ、また、固体潤滑剤としては、グラファイト、二硫化モリブデン（ＭｏＳ2）、硫化タングステン（ＷＳ2）、硫化マンガン（ＭｎＳ）等の硫化物、フッ化カルシウム（ＣａＦ2）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）等のフッ化物等が挙げられる。これらの硬質粒子、固体潤滑剤は、１種類、若しくは２種類以上添加される。
【００２７】その後、粉末を冷間静水圧プレスで圧縮成形し、円柱状のコンパクトを作成する。このコンパクトが、図３に示されるような押出機によって熱間押出成形に供される。
【００２８】押出機１１は、押出室１３を画成するとともに、押出室内には押出棒１４が移動可能に設けられている。押出室１３の開口端には金型１２が配置され、金型１２を囲むように管状成形部材１６が設けられている。金型１２は円形開口部を画成し、管状成形部材１６も金型１２の円形開口部と同軸の円形開口部が形成されている。押出棒１４内には、それと同軸の断面円形のガイド穴１４ａが形成され、ガイド穴１４ａ内には断面円形のロッド１７が延び、該ロッド１７は、金型１２の円形開口及び管状成形部材１６の円形開口とも同軸に固定されている。従ってロッド１７の先端部と管状成形部材１６の円形開口部とによって管状空間をなす押出口１５が画成される。押出室１３の断面積とこの押出口１５の断面積は、押出の断面収縮率が約２０対１となるように形成されている。
【００２９】押出成形を行っている間、押出室１３内の温度は、約５００℃の高温に維持されている。この高温下で押出棒１４が、押出室１３内で図３の矢印の方向に摺動され、溶融した粉末を押出口１５より押出す。押出口１５からは、管状に成形され固形化された、ＳｉＣ（炭化珪素）粒子分散型のアルミ合金基複合材料である押出材１８が得られる。
【００３０】押出成形後、得られた押出材１８に必要に応じて鍛造（ハンマリング）を行い、最後に軸方向で所定幅毎にスライスしてリング状部材を得て、リング溝８に嵌着させる。嵌着後、ピストン全体を切削機にセットして、リング溝８に嵌着されたリング状部材に対して環状溝加工を行うことにより、耐摩環１０が製造される。
【００３１】アトマイズ法による製造方法により耐摩環を製造し、耐摩環の材料組成を上述のように構成することにより、ピストンリングへの耐摩環のアルミ凝着を低減させ、またリング溝特にトップリング溝の摩耗を低減させることができる。また従来問題となっていた熱伝導性、加工性を大幅に改善することができる。さらに押出成形法による製造方法により、粉末から有形固形物を成形することを容易にしている。
【００３２】次に本実施の形態による耐摩環の試験方法及び試験結果について図４及び表１に基づき説明する。
【００３３】図４は耐摩環についての試験機１９を示す。試験機１９は高温弁座摩耗試験機を用いた。耐摩環１０に対応するピストン側材２１を試験機１９に対して軸方向に移動不能に固定し、ピストンリング７に対応するリング材２０をピストン側材２１に同心に装着し、リング材２０の内周面側にシリンダライナに対応する鋳鉄製円柱棒２３を軸方向に往復動作させ、ピストン側の摩耗量（耐摩環材２１の摩耗量）、リング摩耗量（リング材２０の摩耗量）、リング材へのアルミ凝着性について試験を行った。試験機１９は加熱するためのヒーター２２を有しており、実際には燃料の燃焼を行わなくともエンジン内の燃焼時の高温状態を作り出すことができ、耐摩環の状態変化を試験することができる。
【００３４】試験条件は次のとおりであった。
ピストン側材温度 ３４０℃繰返し数 １５００回／分ローテーション ３．０ｒｐｍ面圧 ２０ｋｇ／ｃｍ2試験時間 １０Ｈｒなお、ローテーションとはリング材の回転数のことである。
【００３５】試験片としては本発明によるピストン側材２１として、組成を表１のように異ならせた本発明材１乃至５を用意した。比較材１は表１の組成を有するアルミニウム鋳造引抜き材であり、比較材２はアルミニウム材（ＪＩＳＡＣ８Ａ）、比較材３はアルミニウム材（ＪＩＳＡＣ８Ａ）をアルマイト処理したもの、比較材４はニレジストから構成されるものである。
【００３６】一方リング材２０としては、リング材１乃至３の３種を用意した。リング材１はＦＣＤを母材として、外周面をクロムでメッキしたもの、リング材２は珪素−クロム鋼を母材として、外周面をクロムでメッキしたもの、リング材３は１７クロムステンレス鋼をガス窒化したものである。なお、ＦＣＤとは、球状黒鉛鋳鉄品のことであり、ＪＩＳ Ｇ ５５０２に規定されるものである。また表１において、アルミ凝着の欄のＡは「アルミ凝着なし且つ表面状態良好」を意味し、Ｂは「アルミ凝着なし」を意味する。又Ｃは「アルミ凝着あり」を意味する。
【００３７】
【表１】
【００３８】試験結果は表１に示されるとおりであり、珪素、鉄、銅、マグネシウム、ジルコニウム、ニッケル、マンガン、亜鉛、アルミニウムの比率が本発明の重量％に収まっている本発明材１乃至５の場合には、ピストン側摩耗、リング側摩耗、アルミ凝着のいずれをとっても試験結果は良好であった。ピストン側摩耗についてはリング材１〜３のどの場合でも２．０〜５．０ｍｇの範囲に収まっており、比較材１〜４を試験した場合のピストン側摩耗の範囲である６．８〜２３．０ｍｇを大きく下回っていることが判る。また、硬質粒子、固体潤滑剤が添加されている本発明材２〜４は、これらが添加されていない本発明材１よりも、ピストン側摩耗がさらに少ないことが判る。リング材摩耗についても本発明材では、５．０〜１０．５ｍｇであるのに対して、比較材１〜４では４．８〜１５．０ｍｇとばらつきが大きく、本発明による耐摩環がピストンリング７の摩耗の改善にも寄与していることが判る。
【００３９】更に、アルミ凝着は、本発明による耐摩環の場合には全く生じなかった。一方比較材については、比較材１及び２ではアルミ凝着が生じており、また比較材３ではアルミ凝着は生じないものの、耐摩環及びピストンリング表面の状態は良好ではなかった。
【００４０】以上の試験結果から、本発明による耐摩環はピストン側摩耗性、リング側摩耗性及びアルミ凝着のどの特性をとっても良好であることが判明した。
【００４１】本発明は上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変形が可能である。例えば、上述した実施の形態では、押出成形後、得られた押出材に必要に応じて鍛造（ハンマリング）を行い、軸方向で所定幅毎にスライスしてリング状部材を得たが、押出形成後にＴ６（焼入後焼もどし処理）等の時効硬化処理を加えてもよい。
【００４２】
【発明の効果】請求項１記載の耐摩環によれば、耐摩環自体の耐摩耗性が向上するばかりか、ピストンリング自体の摩耗量を低下させ、またアルミ凝着の発生を防止することができる。また、溶融したアルミニウム合金を１０3Ｋ／Ｓ以上の速度で急冷凝固することができ、この急冷凝固により耐摩環用の合金粉末を形成するので、微細均一等方性の組織、微細に析出した組織、低酸素含有量、熱間加工性の良好な合金組織が得られる。得られた良好な合金組織を有する粉末を押出形成し、耐摩環として使用することにより、工程の簡素化等の改善を図ることができる。また、押出形成により、アルミニウム合金粉末を容易に固形化できる。
【００４３】請求項２記載の耐摩環によれば、硬質粒子を粉末に混ぜて押出形成することにより耐摩環を製造するため、より耐摩耗性に優れた耐摩環とすることができる。
【００４４】請求項３記載の耐摩環によれば、固体潤滑剤を粉末に混ぜて押出形成することにより耐摩環を製造するため、より耐摩耗性に優れた耐摩環とすることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】３９００２２８０６
【氏名又は名称】日本ピストンリング株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年９月１８日（１９９８．９．１８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９４９８３
【弁理士】
【氏名又は名称】北澤 一浩 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−８８１０２（Ｐ２０００−８８１０２Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年３月３１日（２０００．３．３１） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−２６４３７７ |
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