図面 (/)

技術 内燃機関用アルミニウム合金製ピストン

出願人 スズキ株式会社
発明者 鈴木誠水村雄一佐倉正規深城準也佐貫武志川合保明武田信弘
出願日 2008年9月30日 (13年3ヶ月経過) 出願番号 2008-253987
公開日 2010年4月15日 (11年8ヶ月経過) 公開番号 2010-084185
状態 特許登録済
技術分野 燃焼機関のピストン ピストン、ピストンリング、シリンダ
主要キーワード 摺動抵抗低減 試験片素材 往復運動部品 バイト寿命 アルミ凝着 ピストンクリアランス 反転速度 重力金型鋳造
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2010年4月15日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (6)

課題

実用的な鋳造性切削性を確保しながら、耐摩耗性高温強度耐熱性に優れた内燃機関用アルミニウム合金製ピストンを提供する。

解決手段

Si:14.5〜15wt%、Cu:3.0〜3.5wt%、Mg:0.8〜1.3wt%、Ni:2.0〜2.5wt%、Ti:0.05〜0.15wt%、P:0.009〜0.012wt%、残部が実質的にAlの過共晶組成を有するアルミニウム合金を用いて重力金型鋳造内燃機関用ピストンを製造した。

概要

背景

従来、自動車などに搭載される内燃機関ピストンアルミニウム合金としては、主にJIS−AC8A合金が利用されてきた。しかし、内燃機関の燃費改善、低エミッションを目的としたパワートレインの開発を進めるうえで、往復運動部品であるピストンの更なる軽量化、摺動抵抗の低減、耐摩耗性の向上が求められている。

このようなピストンの開発と併せて、摺動抵抗低減を目的としたピストンリング薄肉化、低張力化も進められているが、薄肉・低張力のピストンリングは、リング溝内での暴れや片当たり等を発生し、リング溝が摩耗し易くなる。従来のAC8A合金は耐摩耗性や強度面で限界を呈しており、この点からも、耐摩耗性、高温強度に優れたアルミニウム合金製ピストンが求められている。

Al−Si系合金熱膨張率は、Si量含有量の増加に反比例して減少する。しかし、Si含有量過度に多くなると初晶Si粒の発達によって鋳造性が悪化する問題がある。特許文献1には、アルミニウム合金製ピストンにおいて、Si含有量を15〜18wt%とする一方、0.002〜0.02wt%のP添加によって初晶Si粒の発達を抑える旨記載されている。しかし、同文献の試験結果では、Si含有量が15の場合、耐摩耗性が不足し、熱膨張性にも難があると評価されている。

一方、Al−Si系合金の耐熱性を改善するために、Fe、Mn等の高融点金属の添加が有効であることが知られている。しかし、Fe含有量が多くなると金属化合物間の晶出量が増え脆い材料となり、また、Mn含有量が過度に多くなると鋳造性が悪化する問題がある。特許文献2には、Si含有量を10〜14wt%、Fe含有量を0.8wt%以下、Mn含有量を0.2〜1.0wt%に留め、上記Pの作用を阻害するCaやNaなどの不純物を可及的に少量とすることが記載されているが、各成分の含有量を減じることによっては顕著な耐熱性向上は望むべくもない。

特許第3043375号公報
特許第3875338号公報

概要

実用的な鋳造性、切削性を確保しながら、耐摩耗性、高温強度、耐熱性に優れた内燃機関用アルミニウム合金製ピストンを提供する。 Si:14.5〜15wt%、Cu:3.0〜3.5wt%、Mg:0.8〜1.3wt%、Ni:2.0〜2.5wt%、Ti:0.05〜0.15wt%、P:0.009〜0.012wt%、残部が実質的にAlの過共晶組成を有するアルミニウム合金を用いて重力金型鋳造内燃機関用ピストンを製造した。

目的

本発明はこのような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、実用的な鋳造性、切削性を確保しながら、耐摩耗性、高温強度、耐熱性に優れた内燃機関用アルミニウム合金製ピストンを提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

Si:14.5〜15wt%、Cu:3.0〜3.5wt%、Mg:0.8〜1.3wt%、Ni:2.0〜2.5wt%、Ti:0.05〜0.15wt%、P:0.009〜0.012wt%、残部が実質的にAlの過共晶組成を有し、重力金型鋳造で製造されてなる内燃機関用アルミニウム合金製ピストン

技術分野

0001

本発明は、内燃機関用アルミニウム合金製ピストンに関する。

背景技術

0002

従来、自動車などに搭載される内燃機関ピストンアルミニウム合金としては、主にJIS−AC8A合金が利用されてきた。しかし、内燃機関の燃費改善、低エミッションを目的としたパワートレインの開発を進めるうえで、往復運動部品であるピストンの更なる軽量化、摺動抵抗の低減、耐摩耗性の向上が求められている。

0003

このようなピストンの開発と併せて、摺動抵抗低減を目的としたピストンリング薄肉化、低張力化も進められているが、薄肉・低張力のピストンリングは、リング溝内での暴れや片当たり等を発生し、リング溝が摩耗し易くなる。従来のAC8A合金は耐摩耗性や強度面で限界を呈しており、この点からも、耐摩耗性、高温強度に優れたアルミニウム合金製ピストンが求められている。

0004

Al−Si系合金熱膨張率は、Si量含有量の増加に反比例して減少する。しかし、Si含有量過度に多くなると初晶Si粒の発達によって鋳造性が悪化する問題がある。特許文献1には、アルミニウム合金製ピストンにおいて、Si含有量を15〜18wt%とする一方、0.002〜0.02wt%のP添加によって初晶Si粒の発達を抑える旨記載されている。しかし、同文献の試験結果では、Si含有量が15の場合、耐摩耗性が不足し、熱膨張性にも難があると評価されている。

0005

一方、Al−Si系合金の耐熱性を改善するために、Fe、Mn等の高融点金属の添加が有効であることが知られている。しかし、Fe含有量が多くなると金属化合物間の晶出量が増え脆い材料となり、また、Mn含有量が過度に多くなると鋳造性が悪化する問題がある。特許文献2には、Si含有量を10〜14wt%、Fe含有量を0.8wt%以下、Mn含有量を0.2〜1.0wt%に留め、上記Pの作用を阻害するCaやNaなどの不純物を可及的に少量とすることが記載されているが、各成分の含有量を減じることによっては顕著な耐熱性向上は望むべくもない。

0006

特許第3043375号公報
特許第3875338号公報

発明が解決しようとする課題

0007

本発明はこのような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、実用的な鋳造性、切削性を確保しながら、耐摩耗性、高温強度、耐熱性に優れた内燃機関用アルミニウム合金製ピストンを提供することにある。

課題を解決するための手段

0008

上記課題を解決するために、本発明は、Si:14.5〜15wt%、Cu:3.0〜3.5wt%、Mg:0.8〜1.3wt%、Ni:2.0〜2.5wt%、Ti:0.05〜0.15wt%、P:0.009〜0.012wt%、残部が実質的にAlの過共晶組成を有し、重力金型鋳造で製造されてなる内燃機関用アルミニウム合金製ピストンにある。

発明の効果

0009

本発明に係る内燃機関用アルミニウム合金製ピストンは、上記のように、Si含有量を14.5〜15wt%の範囲に設定したので、過共晶組成により耐摩耗性を向上しながらも、熱膨張率が低く抑えられ、高温強度および耐熱性に優れ、かつ鋳造性および切削性も良好である。

発明を実施するための最良の形態

0010

本発明に係る内燃機関用アルミニウム合金製ピストンは、Al−Si系合金をベースとし、実用的な鋳造性および切削性を確保しながら、良好な耐摩耗性,高温強度,耐熱性,低熱膨張を有する合金組成を決定するにあたり、最も基礎的な成分であるSi含有量の特定に特に留意した。

0011

Siは、耐摩耗性の改善に有効な元素であり、特にSi含有量12.7wt%以上の過共晶領域において初晶Siが晶出するときに耐摩耗性は大幅に向上する。また、Al−Si系合金の熱膨張率は、Si量の含有量の増加に反比例して減少する。しかし、Si含有量が過度に多くなると鋳造性が悪化するため、注湯温度を高くする必要がある。また、切削性も悪くなる。そこで、Si含有量の特定にあたり、先ず、Si以外の成分を特定すべく、下記のような高温強度試験を行ない、それをベースに、耐摩耗性や耐熱性に優れ、鋳造性および切削性も良好な最適なSi含有量を特定することとした。

0012

表1は、本発明実施例のアルミニウム合金と、従来の共晶合金(JIS−AC8A)、過共晶合金(JIS−AC9A,AC9B)、および比較例のアルミニウム合金の、それぞれの合金成分及び組成(wt%)と、高温強度(MPa)の試験結果を示す。試験では、各Al−Si系合金を、溶湯温度750℃で所定の金型鋳造した試験片素材を準備し、各試験片素材に対して490℃で4時間加熱した後、水冷し、190℃で6時間加熱して空冷する熱処理T6を施した。この熱処理後に高温強度試験を実施した。高温強度は、300℃で100時間保持した後、試験温度300℃で強度を測定した。

0013

比較例では、Si含有量を共晶域に留める一方、CuおよびNiを従来の一般的な含有量よりも増量したところ、過共晶合金を上回る高温強度が得られた。

0014

Cuは、常温及び高温域における合金の機械的強度及び耐摩耗性を向上させる有効な元素である。このような効果を得るためには3wt%以上を含有させる必要がある。しかし、4wt%以上を含有させると金属間化合物の晶出が多くなり脆い材料となる。実施例では、上記比較例と同様にCu含有量を3.3wt%とした。アルミ地金の製造時のばらつきも考慮すると、Cu含有量は3.0〜3.5wt%の範囲が好適である。

0015

Niは、高温強度及び耐摩耗性を向上させる有効な成分であり、熱膨張率を低減する効果もある。このような効果を得るためには、2.0wt%以上を含有させる必要がある。しかし、3wt%以上を含有させると金属間化合物の晶出が多くなり脆い材料となる。実施例では、上記比較例と同様にNi含有量を2.3wt%とした。アルミ地金の製造時のばらつきも考慮すると、Ni含有量は2.0〜2.5wt%の範囲が好適である。

0016

他のMg,Ti,Pについては、実施例、比較例ともに従来例とほぼ等しい一般的な設定としている。以下、参考までにその理由を記載する。

0017

Mgは、Cuと同様に、常温及び高温域における合金の機械的強度及び耐摩耗性を向上させる有効な元素である。このような効果を得るためには、1wt%程度の含有量が必要である。しかし、2wt%以上を含有させると金属間化合物の晶出が多くなり脆い材料となる。実施例では、上記比較例および各従来例とほぼ同様の1.00wt%とした。アルミ地金の製造時のばらつきも考慮すれば、Mg含有量は0.8〜1.3wt%の一般的な範囲に設定することが好適である。

0018

Tiは、結晶粒微細化効果のある元素で鋳造性が向上するとともに、機械的特性伸びも向上する。このような効果は0.05〜0.15wt%で発揮され、それ以上添加しても効果は向上しない。実施例では、上記比較例および各従来例とほぼ同様の0.12とした。アルミ地金の製造時のばらつきも考慮すれば、Ti含有量は0.05〜0.15wt%の一般的な範囲に設定することが好適である。

0019

Pは、初晶Si粒の微細化に不可欠な元素であり、0.002wt%以上のPを含有させることにより初晶Si粒の粗大化が抑制される。ただし、0.02wt%を超えて含有させると湯回り不良等の欠陥を発生し、鋳造性が悪化する。実施例では、上記比較例および従来の過共晶合金と同等の0.011wt%とした。アルミ地金の製造時のばらつきも加味すると、P含有量は0.009〜0.012wt%の範囲が好適である。

0020

次に、高温強度に優れた上記比較例におけるCu,Mg,Ni,Ti,Pの含有量を基本として、Si含有量を、過共晶領域で異ならせた各場合(実施例:14.7wt%,比較例2:16.8wt%,比較例3:18.6wt%,比較例4:23.1wt%)の耐摩耗性、鋳造性、切削性を評価すべく、以下に述べる3つの試験を行なった。

0021

(実施例1:耐摩耗性評価試験)
耐摩耗性評価試験では、図1に示す叩き摩擦試験機を用いた。上型11によるB方向の叩き荷重を98N、下型21によるR方向の反転速度を15サイクル/分とし、上下の型11、21にそれぞれ内蔵したヒーター12、22により試験片10を温度230℃に加熱した状態で、試験片10とピストンリング20を反復的に叩打し、試験片10にアルミ凝着痕が発生するまでの時間を測定した。図中23は、スプリングである。潤滑条件としては、10Wオイル30を初期塗布のみ行った。各試験片10としては、上述のようにSi含有量のみ異なる各組成を有するAl−Si系合金を、溶湯温度750℃で所定の金型に鋳造したものを準備し、それぞれに対して490℃で4時間加熱した後、水冷し、190℃で6時間加熱して空冷する熱処理T6を施した。

0022

耐摩耗性の試験結果を表2および図2に示す。図2は、実施例および各比較例の試験結果に基づくSi量とアルミ凝着発生時間の関係を示すグラフである。図2より、Si量が約12%から17%までの範囲では、Si量が増加するにつれてアルミ凝着発生時間は長くなり、Si量の増加とともに耐摩耗性は向上する。Si量17%以上ではアルミ凝着発生時間はほぼ一定となる。アルミ凝着痕発生するまでの時間が長いほど耐摩耗性は良好であり、この試験から、Si含有量が14%以上でも比較例に対して20%以上の向上が見込めることになる。

0023

0024

(実施例2:鋳造性評価試験
表2に示される実施例、比較例、比較例2の各Al−Si系合金の溶湯を、注湯温度720℃で渦巻状のシェル中子へ注湯し、その際の到達距離流動長)を測定した。この流動長が長い程、湯流れ性、すなわち鋳造性が良いと言える。また、同じ渦巻状のシェル中子を用いて、上記各Al−Si系合金について、ピストン一般材料のJIS−AC8A(従来例1)と同等の湯流れ性が得られる場合の注湯温度を測定した。これらの結果は、先述した表2および図2に重ねて示されている。

0025

これらの試験結果から、比較例2についてAC8Aと同等の湯流れ性を確保するには、注湯温度を780℃以上にする必要があり、AC8A材や比較例(Si:11.7wt%)に比べ大幅なコスト高となる。したがって、鋳造性および溶解コストの面からSi含有量は15%以下にすることが好ましい。なお、比較例3、4については、耐摩耗性評価試験において比較例2と耐摩耗性がほぼ同様であったのに対して、比較例2に比べて鋳造性の更なる低下が見込まれたので試験を行なわなかった。

0026

(実施例3:切削性評価試験)
表2に示される実施例、比較例、比較例2の各Al−Si系合金によりピストンを鋳造し、所定の熱処理T6を実施した後、JIS−AC8A(従来例1)によるピストンと同一の切削条件で各ピストンを切削加工し切削性についての評価を行なった。切削性は、バイト寿命が長く切削面も良好なものを◎、バイト寿命及び切削面共にほぼ良好なものを○、バイト寿命及び切削面それぞれに難点があるものを△で判定した。これらの結果は、先述した表2および図2に重ねて示されている。切削性評価の結果から、Si含有量が16.8%の比較例2では、極端な切削性の悪化が認められた。実用上の切削加工において、Si量は15%が限界である。

0027

以上の試験結果から、図2に示されるように、高温強度、耐摩耗性および低熱膨張率でありながら、実用的な鋳造性および切削性を確保する上では、Si含有量14.7wt%の実施例のAl−Si系合金が最適であり、アルミ地金製造時のばらつきを考慮すると、Si含有量:14.5〜15wt%の範囲が、内燃機関のピストン用として最もバランスのとれたAl−Si系合金であると言える。

0028

次に、本発明実施例のAl−Si系合金の耐摩耗性、高温強度、耐熱性および熱膨張の物性について、ピストン一般材料のJIS−AC8A(従来例1)と比較する。
(1)耐摩耗性について
表2に本発明実施例のAl−Si系合金の耐摩耗性(アルミ凝着発生時間:125分)は、一般材料AC8A材(アルミ凝着発生時間:69分)に対して約1.8倍、比較例(アルミ凝着発生時間:97分)に対して約1.3倍の耐摩耗性を有し、本発明実施例のAl−Si系合金をピストンに用いることで、リング溝、ピストンピン穴スカートの耐摩耗性向上によるピストンの耐久性能の向上が可能となる。
(2)高温強度について
図3は、本発明実施例および従来例のAl−Si系合金の強度と温度の関係を示すグラフであり、このグラフに示されるように、本発明実施例のAl−Si系合金は、250℃〜300℃の高温側で、一般材料AC8A材に対して16%から20%程度の強度向上が認められ、ピストンに用いることで、ピストンヘッド部の薄肉化/軽量化が可能となる。
(3)低熱膨張について
図4のグラフに示されるように、本発明実施例のAl−Si系合金は、一般材料AC8A材に対して、全ての温度領域に亘り熱膨張係数が7〜10%低減されており、ピストンに用いることで、ピストンクリアランスを小さくすることができ、ピストンとシリンダー内面で発生する騒音振動を抑制するうえで有利である。
(4)耐熱性(高温化での硬度低下)について
耐熱性について、300℃で100時間保持後の室温硬さ(HRF)を測定したところ、図5に示されるように、本発明実施例のAl−Si系合金の室温硬さは、一般材料AC8Aに対して11ポイント高く、耐熱性に優れ、ピストンに用いることで、ピストンヘッド部の高温強度向上、リング溝の耐摩耗性向上に寄与できる。

図面の簡単な説明

0029

耐摩耗性評価試験の用いた叩き摩擦試験機を示す概略図である。
本発明実施例および比較例のAl−Si系合金の耐摩耗性、鋳造性、切削性の各評価試験結果を示すグラフである。
本発明実施例および従来例のAl−Si系合金の強度と温度との関係を示すグラフである。
本発明実施例および従来例のAl−Si系合金の温度と線膨張係数との関係を示すグラフである。
本発明実施例および従来例のAl−Si系合金の室温硬さ試験結果を示すグラフである。

符号の説明

0030

10試験片
11上型
12、22ヒーター
20 ピストンリング

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

該当するデータがありません

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

  • 日本ピストンリング株式会社の「 ピストンリング」が 公開されました。( 2021/09/30)

    【課題】内燃機関用ピストンリング、特に第2圧力リングについて、耐摩耗性に優れるとともに、低燃費化と効率燃焼とを両立できるピストンリングを提供する。外周面(14)が上から下に向かって漸次外側に張り出すテ... 詳細

  • 本田技研工業株式会社の「 酸化被膜及び酸化被膜付部品」が 公開されました。( 2021/09/30)

    【課題】アルミニウム母材からなる部品の表面に、低コストで容易に形成でき、部品表面における熱の流出を抑制できる酸化被膜を形成する。【解決手段】酸化被膜(18)は、アルミニウム母材からなる部品(12)の表... 詳細

  • 大同メタル工業株式会社の「 車両のショックアブソーバ用のピストンリング」が 公開されました。( 2021/09/30)

    【課題】 外周面とシリンダの内周面との間での油の漏洩が起きにくく、減衰力の低下を抑制することが可能な車両用のショックアブソーバ用のピストンリングを提供する。【解決手段】 ピストンリング1は、各々の... 詳細

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

該当するデータがありません

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ