(57)【要約】【課題】  ピストンヘッドでの熱膨脹・熱収縮の抑制及び圧力変動による変形の抑制のさらなる改善を実現可能なピストンを提供する。【解決手段】  ピストンヘッドの中央域は、Ａ−３９０からなるマトリックスと、このマトリックス中に分散されたアルミナ短繊維とからなるＦＲＭ（繊維強化金属）を有しており、ピストンヘッドの中央域のＦＲＭ側には濾過された高濃度の初晶珪素６が凝集されてリッチ層８が形成され、繊維集積体から遠ざかるに従って初晶珪素６の濃度が低いプアー層９が形成されている。【選択図】図２
2005213650.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
過共晶アルミニウム−珪素合金からなるピストンであって、
ピストンヘッドの端面中央に前記過共晶アルミニウム−珪素合金のマトリックスと補強繊維が集積された繊維集積体とからなる繊維強化金属を有し、該繊維強化金属に隣接する外域では高濃度で前記繊維強化金属から遠ざかるに従って低濃度となる初晶珪素の濃度勾配を有することを特徴とするピストン。
【請求項２】
前記繊維集積体は補強繊維が一方向に略配向されたものである請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
前記一方向はピストンの軸方向である請求項２に記載のピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関、往復動型圧縮機、往復動型ポンプ等に用いられるピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、耐摩耗性アルミニウム合金材の鋳造方法については特許文献１など多くの方法が提案されている。これらの鋳造方法では、過共晶アルミニウム−珪素合金の溶湯を遠心鋳造することにより、耐摩耗性アルミニウム合金材を得ている。
【０００３】
こうして得られた耐摩耗性アルミニウム合金材では、比重差及び遠心力で初晶珪素が円筒状に凝集するため、円筒状の耐摩耗面をもつ耐摩耗摺動部材として利用可能である。
【０００４】
また、本出願人は、特許文献２において過共晶アルミニウム−珪素合金製の耐摩耗摺動部材を提案した。この耐摩耗摺動部材を鋳造する場合、まず圧力鋳造可能な鋳造金型と、アルミナ短繊維等の補強繊維が集積された繊維集積体と、過共晶アルミニウム−珪素合金の溶湯を用意する。鋳造金型には、軸方向に延在するキャビティが形成されている。そして、キャビティを構成する一端面に繊維集積体を配置し、キャビティ内に溶湯を注湯して圧力鋳造し、繊維集積体内に溶湯を浸漬させる。このとき、繊維集積体が溶湯内の初晶珪素を濾過するため、繊維集積体側には高濃度の初晶珪素が凝集される。溶湯の凝固後、過共晶アルミニウム−珪素合金からなるマトリックスと、このマトリックス中に分散された補強繊維とからなる元の繊維集積体の部分が除去され、耐摩耗摺動部材が得られる。
【０００５】
こうして得られた耐摩耗摺動部材では、元の繊維集積体の部分を除去して得られる耐摩耗面に高濃度の初晶珪素が凝集され、残部の母材には耐摩耗面から遠ざかるに従って低濃度になる初晶珪素が存在することとなる。このため、平面状の耐摩耗面において高い耐摩耗性を発揮できるとともに、耐摩耗面から遠ざかるに従って初晶珪素を低濃度で含有する母材において強靱性及び高被削性を発揮することができる。
【特許文献１】特公昭５２−２７６０８号公報
【特許文献２】特開昭６０−６３３４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１等の遠心鋳造により得られる耐摩耗摺動部材は、そのままでは円筒状であるため、これを内燃機関等のピストンにそのまま採用することはできない。
【０００７】
一方、特許文献２の耐摩耗摺動部材は、そのまま柱状のものが得られるため、これを内燃機関等のピストンに採用することも考えられる。そして、この耐摩耗摺動部材は、耐摩耗面に近づくに従って熱膨脹係数が小さくなるため、耐摩耗面をピストンヘッドとした場合、最も加熱・冷却が繰り返されやすいピストンヘッドでの熱膨脹・熱収縮を抑制でき、ボア内で優れた摺動性を発揮し得るとも考えられる。さらに、この耐摩耗摺動部材は、耐摩耗面が高濃度の初晶珪素を凝集して高強度にされているため、耐摩耗面をピストンヘッドとした場合、最も圧力変動を受けるピストンヘッドでの変形を抑制でき、ボア内で優れた耐久性を発揮し得るとも考えられる。
【０００８】
しかしながら、この耐摩耗摺動部材では、溶湯の凝固後、元の繊維集積体の部分を除去している。このため、ピストンヘッドでの熱膨脹・熱収縮の抑制及び圧力変動による変形の抑制のさらなる改善を望んだ場合、耐摩耗面の熱膨脹係数が母材側のそれと比較して未だ十分に小さくなっていないとともに、耐摩耗面の強度、特に剪断強度が未だ十分でない。
【０００９】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、ピストンヘッドでの熱膨脹・熱収縮の抑制及び圧力変動による変形の抑制のさらなる改善を実現可能なピストンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）請求項１のピストンは、過共晶アルミニウム−珪素合金からなるピストンであって、ピストンヘッドの端面中央に過共晶アルミニウム−珪素合金のマトリックスと補強繊維が集積された繊維集積体とからなる繊維強化金属を有し、この繊維強化金属に隣接する外域では高濃度で、繊維強化金属から遠ざかるに従って低濃度となる初晶珪素の濃度勾配を有することを特徴とする。
【００１１】
補強繊維としては、アルミナ短繊維、カーボン繊維、炭化珪素繊維、アルミナ−シリカ繊維、ガラス繊維、炭化珪素ウィスカ、透過性セラミックス繊維等を採用することができる。
【００１２】
（２）請求項２のピストンは、請求項１記載のピストンにおいて、繊維集積体は、体積含有率（Ｖｆ）が１０〜３０％かつ厚さが１０〜２０ｍｍのものであることが好ましい。Ｖｆが３０％を超えるか又は厚さが２０ｍｍを超えれば、溶湯が浸透しにくい。逆に、Ｖｆが１０％を下回るか又は厚さが１０ｍｍを下回れば、繊維集積体が圧力鋳造時の圧力に耐えられず、変形しやすい。
【００１３】
（３）請求項３のピストンは、請求項１または２に記載のピストンにおいて、繊維集積体は補強繊維が一方向に略配向されたものであることを特徴とする。
【００１４】
（４）請求項４のピストンの鋳造方法は、請求項３記載のピストンにおいて、一方向はピストンの軸方向であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
（１）各請求項１に記載のピストンは、以下のようにして得ることができる。  まず第１工程として、圧力鋳造可能な鋳造金型と、補強繊維が集積された繊維集積体と、過共晶アルミニウム−珪素合金の溶湯を用意する。但し、鋳造金型のキャビティはピストン形状であり、繊維集積体はキャビティより小径のものである。そして、第２工程として、キャビティを構成するピストンヘッド側の一端面の中央に繊維集積体を配置する。この後、第３工程として、キャビティ内に溶湯を注湯して圧力鋳造し、繊維集積体内に溶湯を浸漬させる。このとき、繊維集積体が溶湯内の初晶珪素を濾過するため、繊維集積体側には高濃度の初晶珪素が凝集される。溶湯の凝固後、元の繊維集積体の部分は、過共晶アルミニウム−珪素合金からなるマトリックスと、このマトリックス中に分散された補強繊維とからなる繊維強化金属（ＦＲＭ）を構成する。この元の繊維集積体の部分、つまりＦＲＭは除去しない。
【００１６】
このようにして得られた本発明のピストンは、繊維集積体がキャビティより小径のものであることから、ピストンヘッドのＦＲＭに隣接する外域に高濃度の初晶珪素が凝集され、残部の母材にはＦＲＭから遠ざかるに従って低濃度になる初晶珪素が存在する。
【００１７】
すなわち、本発明のピストンは、ピストンヘッドの中央域がＦＲＭで形成され、ピストンヘッドの外域及びその近傍が初晶珪素を高濃度に凝集させたリッチ層で形成され、ピストンスカートが初晶珪素を低濃度に凝集させたプアー層で形成されている。このため、ＦＲＭに近づくに従って熱膨脹係数が小さくなり、かつＦＲＭで最も熱膨脹係数が小さくなる。また、このピストンは、ピストンヘッドの中央域が高強度のＦＲＭであるとともに、ＦＲＭとの境界がボアとの摺動面に存在せず、かつＦＲＭの近傍が初晶珪素により高強度にされてＦＲＭを強固に支持している。
【００１８】
なお、本発明のピストンは、ピストンスカートのピストンヘッド側において高い耐摩耗性を発揮できるとともに、ピストンヘッドの反対側において強靱性及び高被削性を発揮する。
【００１９】
（２）請求項２のピストンでは、補強繊維が一方向に略配向された繊維集積体を採用している。このため、得られたピストンは、ピストンヘッドの中央域を形成するＦＲＭが一方向の引張に対して高強度にされる。
【００２０】
（３）請求項３のピストンでは、補強繊維の方向が軸方向となるように構成されている。このため、ＦＲＭにおいて補強繊維が軸方向に略配向されるため、ＦＲＭが軸方向の引張に対して高強度にされる。
【００２１】
以上のように、各請求項１〜３のピストンは、各請求項記載の構成を採用しているため、ピストンヘッドでの熱膨脹・熱収縮の抑制及び圧力変動による変形の抑制のさらなる改善を実現可能なピストンである。
【００２２】
特に、請求項２のピストンでは、補強繊維として一方向に略配向された繊維集積体を採用しているため、ピストンヘッドでの変形を抑制しやすい。
【００２３】
また、請求項３のピストンでは、補強繊維が軸方向に略配向された繊維集積体を採用しているため、ピストンヘッドでの剪断による変形を抑制しやすい。
【００２４】
したがって、本発明のピストンを往復動型圧縮機等に採用すれば、より優れた摺動性及び耐久性を発揮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、実施の形態を実施例によって詳細に説明する。
【実施例】
【００２６】
以下、各請求項の発明を内燃機関のピストンに具体化した実施例１〜５を図面を参照しつつ説明する。
【００２７】
（実施例１）
実施例１のピストンは以下の工程を経て得られた。
【００２８】
「第１工程」
まず、図１に示すように、上型１と下型２とを有し、上型１内に摺動可能にプランジャ３が設けられた鋳造金型を用意する。上型１と下型２とには軸方向に延在するピストン形状のキャビティＣが形成されている。
【００２９】
また、アルミナ短繊維（ＩＣＩ（株）社製「サフィール」）が集積された厚さ１５ｍｍの繊維集積体５を用意する。この繊維集積体５はアルミナ短繊維をキャビティＣよりやや小径にＶｆ２０％でランダムに配向させたものである。
【００３０】
さらに、過共晶アルミニウム−珪素合金として、ＪＩＳ−Ａ３９０の溶湯（８５０℃）を用意する。
【００３１】
「第２工程」
下型２のキャビティＣを構成する下端面２ａの中央に繊維集積体５を配置する。
【００３２】
「第３工程」
キャビティＣ内に溶湯を注湯し、プランジャ３をキャビティＣ側に移動させることにより圧力鋳造し、繊維集積体５内に溶湯を浸漬させる。このとき、図２に示すように、繊維集積体５が溶湯内の初晶珪素６を濾過するため、繊維集積体５側には高濃度の初晶珪素６が凝集される。溶湯の凝固後、元の繊維集積体５の部分は、ＪＩＳ−Ａ３９０からなるマトリックスと、このマトリックス中に分散されたアルミナ短繊維とからなるＦＲＭ７を構成する。この元の繊維集積体５、つまりＦＲＭ７の部分は除去しない。こうして円柱状のピストンが得られる。
【００３３】
このピストンの断面の１００倍の顕微鏡写真を図３に示す。このピストンは、繊維集積体５がキャビティＣより小径のものであり、ピストンヘッドの中央域がＦＲＭ７で形成され、ピストンヘッドの外域及びその近傍が初晶珪素６を高濃度に凝集させた厚さ１０ｍｍ程度のリッチ層８で形成され、ピストンスカートが初晶珪素６を低濃度に存在させたプアー層９で形成される。
【００３４】
ＦＲＭ７の熱膨脹係数αは１６×１０-6／℃、リッチ層８の熱膨脹係数αが１７×１０-6／℃、プアー層９の熱膨脹係数αが１８×１０-6／℃であった。
【００３５】
このため、このピストンは、ＦＲＭ７に近づくに従って熱膨脹係数αが小さくなり、かつＦＲＭ７で最も熱膨脹係数αが小さくなるため、最も加熱・冷却が繰り返されやすいピストンヘッドでの熱膨脹・熱収縮をさらに抑制でき、図示しないボア内で優れた摺動性を発揮し得ることがわかる。
【００３６】
また、このピストンは、ピストンヘッドの中央域がＦＲＭ７であることから、最も圧力変動を受けるピストンヘッドでの変形を抑制できる。同時に、このピストンは、ＦＲＭ７とリッチ層８との境界がボアとの摺動面に存在せず、かつＦＲＭ７の近傍が高強度にされてＦＲＭ７を強固に支持している。このため、このピストンは、ボア内で優れた耐久性を発揮し得ることがわかる。
【００３７】
なお、このピストンは、上記特許文献２に記載の摺動部材と同様、ピストンスカートのピストンヘッド側において高い耐摩耗性を発揮し、ボア内でピッチ、ロール等の繰り返しに十分耐え得るものである。また、ピストンヘッドの反対側において強靱性及び高被削性を発揮し、図示しない斜板等との組付け用の加工を容易に行うことができる。
【００３８】
（実施例２）
実施例２でも請求項１を具体化している。
【００３９】
すなわち、過共晶アルミニウム−珪素合金として、ＪＩＳ−ＡＣ８Ａ９８ｗｔ％＋Ｓｉｗｔ２％の溶湯（８５０℃）を用意する。他の構成は実施例１と同一であり、同種の構成については同一符合を付して説明を省略する（以下同様。）。  こうして得られたピストンでは、ＦＲＭ７の熱膨脹係数αは１７×１０-6／℃、リッチ層８の熱膨脹係数αが１８×１０-6／℃、プアー層９の熱膨脹係数αが１９×１０-6／℃であった。
【００４０】
したがって、このピストンにおいても実施例１と同様の作用及び効果を奏することができる。
【００４１】
（実施例３）
実施例３でも請求項１を具体化している。
【００４２】
すなわち、繊維集積体５として、カーボン繊維（東レ（株）社製「トレカＭ０４０」）が集積された厚さ１５ｍｍのものを用意する。この繊維集積体５はカーボン繊維をＶｆ２０％でランダムに配向させたものである。他の構成は実施例１と同一である。
【００４３】
こうして得られたピストンでは、ＦＲＭ７の熱膨脹係数αは１０×１０-6／℃、リッチ層８の熱膨脹係数αが１７×１０-6／℃、プアー層９の熱膨脹係数αが１８×１０-6／℃であった。
【００４４】
したがって、このピストンにおいても実施例１と同様の作用及び効果を奏することができる。
【００４５】
（実施例４）
実施例４では請求項１、２を具体化している。
【００４６】
すなわち、繊維集積体５として、アルミナ短繊維が一方向に略配向されたものを用意する。そして、第２工程で繊維集積体５を配置する際、アルミナ短繊維を軸方向と直交させる。他の構成は実施例１と同一である。
【００４７】
こうして図４に示すピストンを得る。このピストンでは、ＦＲＭ７の軸直角方向の熱膨脹係数αは１６×１０-6／℃、リッチ層８の熱膨脹係数αが１７×１０-6／℃、プアー層９の熱膨脹係数αが１８×１０-6／℃であった。
【００４８】
したがって、このピストンにおいても実施例１と同様の作用及び効果を奏することができる。
【００４９】
また、このピストンは、アルミナ短繊維が一方向に略配向された繊維集積体５を採用しているため、ピストンヘッドの中央域を形成するＦＲＭ７が軸直角の引張に対して高強度にされ、ピストンヘッドでの変形を抑制しやすい。
【００５０】
（実施例５）
実施例５では請求項１〜３を具体化している。
【００５１】
すなわち、繊維集積体５として、アルミナ短繊維が一方向に略配向されたものを用意する。そして、第２工程で繊維集積体５を配置する際、アルミナ短繊維を軸方向と略平行にする。他の構成は実施例１と同一である。
【００５２】
こうして図５に示すピストンを得る。このピストンでは、ＦＲＭ７の軸方向の熱膨脹係数αは１３×１０-6／℃、リッチ層８の熱膨脹係数αが１７×１０-6／℃、プアー層９の熱膨脹係数αが１８×１０-6／℃であった。
【００５３】
したがって、このピストンにおいても実施例１と同様の作用及び効果を奏することができる。
【００５４】
また、このピストンは、ＦＲＭ７においてアルミナ繊維が軸方向に略配向されるため、ＦＲＭ７が軸方向の引張に対して高強度にされ、ピストンヘッドでの剪断による変形を抑制しやすい。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明のピストンは、内燃機関、往復動型圧縮機、往復動型ポンプ等のピストンとして好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】実施例１〜５に係り、鋳造金型等の断面図である。
【図２】実施例１に係り、ピストンの模式断面図である。
【図３】実施例１に係り、ピストンの断面の金属組織を示す１００倍の顕微鏡写真である。
【図４】実施例４に係り、ピストンの模式断面図である。
【図５】実施例５に係り、ピストンの模式断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
Ｃ…キャビティ        ２ａ…下端面（一端面）  １…上型
２…下型              ５…繊維集積体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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