(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンのリング溝部に鋳包まれる鉄系焼結合金製の耐摩環において、前記焼結合金のスケルトンは、低炭素鋼マトリックス中にＨＶ７００以上の硬質合金粒子が重量比率で１２−２８％分散した組織を有しており、かつ、前記焼結合金のスケルトンの空孔が銅合金で溶浸されており、前記硬質合金が、
Ｃ ：０．５−５％
Ｃｒ ：１０−３０％
Ｎｉ ：２−１５％
Ｍｏ ：１０−３０％
Ｃｏ ：２０−４０％
Ｎｂ ：１−５％
Ｆｅ及び不純物 ：残部
からなることを特徴とする耐摩環。
【請求項２】
ピストンのリング溝部に鋳包まれる鉄系焼結合金製の耐摩環において、前記焼結合金のスケルトンは、低炭素鋼マトリックス中にＨＶ７００以上の硬質合金粒子が重量比率で１２−２８％分散した組織を有しており、かつ、前記焼結合金のスケルトンの空孔が銅合金で溶浸されており、前記硬質合金が、
フェロクロム及びフェロモリブデンの少なくとも１つと、下記の組成を有する合金
Ｃ ：０．５−５％
Ｃｒ ：１０−３０％
Ｎｉ ：２−１５％
Ｍｏ ：１０−３０％
Ｃｏ ：２０−４０％
Ｎｂ ：１−５％
Ｆｅ及び不純物 ：残部
とからなることを特徴とする耐摩環。
【請求項３】
請求項１または２記載の耐摩環がリング溝部に鋳包まれていることを特徴とするアルミニウム合金製ピストン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用ピストンのリング溝部に鋳包む焼結合金製耐摩環に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム合金製ピストンのトップリング溝部の耐熱性・耐摩耗性を向上する技術として、
１．耐摩環をピストンのリング溝部に鋳包む技術
２．リング溝部をＦＲＭとする技術
３．電子ビームによってピストンのリング溝部を高合金化する技術
４．ピストンのリング溝部を陽極酸化する技術
等がある。
【０００３】
上記１．の耐摩環材料はニレジスト鋳鉄が一般的である。このニレジスト鋳鉄製耐摩環は、重量が大きく、材料費や機械加工費が高く、また熱伝導性が悪いのでトップリング位置を上げることが困難になる。この場合、未燃焼ガスが多くなるので、排ガス対策上不利である。
【０００４】
上記欠点を解消するために、耐摩環を焼結合金製とする提案がある（特公昭５７−３２７４３号、特開平８−３３２５６２号）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特公昭５７−３２７４３号は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｕ系の焼結合金製耐摩環を記載している。この焼結合金は、オーステナイト組織となるよう成分を定めたものであるが、全く実用されていない。また、特開平８−３３２５６２号は、耐熱被覆した固体潤滑剤粉末を含有させた焼結合金製耐摩環を記載している。特に実施例に記載されている焼結合金の組成は、高炭素鋼、高炭素クロム軸受鋼、合金工具鋼系のものである。この耐摩環は耐熱被覆した固体潤滑剤粉末が高価である。
【０００６】
他方、内燃機関の排気バルブシートに、各種の硬質合金粒子を分散させた鉄系焼結材料が使用されている（例えば、特公昭５７−１９４７４号参照）。しかし、バルブシートの相手材は一般的にＳＵＨ材、インコネル等の耐熱材料で、使用温度は３００−６００℃である。これに対して、耐摩環の相手材はＣｒめっきや窒化処理したピストンリングであり、使用温度は最高出力点で１８０−２６０℃である。以上のように、両者の条件は相当異なっているので、この材料は専らバルブシートに使用されており、耐摩環へ応用した例はなかった。
【０００７】
本発明の目的は、熱伝導性と耐摩耗性に優れた焼結合金製耐摩環を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ピストンのリング溝部に鋳包まれる鉄系焼結合金製の耐摩環において、前記焼結合金のスケルトンは、低炭素鋼マトリックス中にＨＶ７００以上の硬質合金粒子が重量比率で１２−２８％分散した組織を有しており、かつ、前記焼結合金のスケルトンの空孔が銅合金で溶浸されており、前記硬質合金が、
Ｃ ：０．５−５％
Ｃｒ ：１０−３０％
Ｎｉ ：２−１５％
Ｍｏ ：１０−３０％
Ｃｏ ：２０−４０％
Ｎｂ ：１−５％
Ｆｅ及び不純物 ：残部
からなることを特徴とする。
【０００９】
本発明は、前記硬質合金が、上記組成を有する合金と、フェロクロム及びフェロモリブデンの少なくとも１つとからなるものでもよい。
【００１１】
本発明のＨＶ７００以上の硬質合金粒子は、低炭素鋼のマトリックス中に分散して焼結合金に耐熱性と耐摩耗性を与える。硬質合金粒子の分散量が１２％未満であると、耐摩環自身の耐摩耗性が不足し、２８％を越えると圧粉成形性が低下するほか、相手材であるピストンリングを攻撃する性質が増し、靱性も低下する。従って、硬質合金粒子の量は１２−２８％の範囲とする必要がある。より好ましい硬質合金粒子の量は１５−２６％の範囲である。
【００１２】
さらに、焼結合金のスケルトンは、空孔が銅合金で溶浸されているので、耐摩環の熱伝導性および鋳包み性が良好となる。銅合金の溶浸後の焼結合金の比重は５−７の範囲となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１〜図３により、本発明の一実施形態を説明する。
【００１４】
ピストン１はアルミニウム合金製で、外周面２に形成されているトップリング溝３にトップリング４が装着されている。５はトップリング４が摺動するシリンダ６の内壁面である。
【００１５】
トップリング溝３は耐摩環１０が鋳包まれて構成されている。耐摩環１０は外周に切欠部が形成されている断面コ字状の環状部材であり、ピストン１のリング溝部に鋳包まれてトップリング溝３の上面と下面と底面とを形成している。
【００１６】
耐摩環１０は鉄系焼結合金からなり、焼結合金のスケルトンは低炭素鋼マトリックス中にＨＶ７００以上の硬質合金粒子が重量比率で１２−２８％分散した組織を有しており、焼結合金のスケルトンの空孔が銅合金で溶浸されている。
【００１７】
上記硬質合金粒子としては、例えば、Ｃ：０．５−５％、Ｃｒ：１０−３０％、Ｎｉ：２−１５％、Ｍｏ：１０−３０％、Ｃｏ：２０−４０％、Ｎｂ：１−５％、残部Ｆｅ及び不純物の組成範囲を有する合金粉末（硬度範囲：ＨＶ７００−ＨＶ９００）のほか、上記合金にフェロクロム（硬度範囲：ＨＶ１５００−ＨＶ１７００）と低炭素フェロモリブデン（硬度範囲：ＨＶ１３００−ＨＶ１４００）の少なくとも１つを加えたものを使用できる。
【００１８】
以下、耐摩環の詳細な構造を説明する。
【００１９】
耐摩環１０は、リング溝上面とリング溝底面上部とを形成する断面Ｌ字状の上環状片１１と、リング溝下面とリング溝底面下部とを形成する断面Ｌ字状の下環状片１２とが接合されて形成されている。
【００２０】
上環状片１１は、外周下部に切り欠き１３が形成されている断面Ｌ字状の環状部材であり、上面１４と２つの下面１５，１６と内周面１７と２つの外周面１８，１９とを有している。上面１４はピストン１のリング溝部の上壁面と接合する面であり、リング溝底面側の端部は水平面に形成され、残りの面は外周側に向かって切り欠き１３側に傾斜している円錐面に形成されている。上面１４の端部の水平面は耐摩環の製造時に圧粉成形体を積層しやすくする。２つの下面１５，１６のうち、切り欠き１３に臨んでいる下面１５は水平面に形成されてリング溝上面になり、下側の下面１６は水平な接合面を形成している。内周面１７はピストン１のリング溝部の底壁面と接合する面で垂直面に形成されている。２つの外周面１８，１９のうち、外側の外周面１８は垂直面に形成されてピストン１の外周面になり、切り欠き１３に臨んでいる外周面１９は垂直面に形成されてリング溝底面になる。
【００２１】
下環状片１２は上環状片１１と上下対称に形成されている。すなわち、下環状片１２は外周上部に切り欠き２０が形成されている断面Ｌ字状の環状部材であり、下面２１と２つの上面２２，２３と内周面２４と２つの外周面２５，２６とを有している。下面２１はピストン１のリング溝部の下壁面と接合する面であり、リング溝底面側の端部は水平面に形成され、残りの面は外周側に向かって切り欠き２０側に傾斜している円錐面に形成されている。２つの上面２２，２３のうち、切り欠き２０に臨んでいる上面２２は水平面に形成されてリング溝下面になり、上側の上面２３は水平な接合面を形成している。内周面２４はピストン１のリング溝部の底壁面と接合する面で垂直面に形成されている。２つの外周面２５，２６のうち、外側の外周面２５は垂直面に形成されてピストン１の外周面になり、切り欠き２０に臨んでいる外周面２６は垂直面に形成されてリング溝底面になる。
【００２２】
上環状片１１と下環状片１２は上下対称に配置され、上環状片１１の下面（接合面）１６と下環状片１２の上面（接合面）２３とが接合されて耐摩環１０が形成され、上環状片１１と下環状片１２の外周側の切り欠き１３，２０は合体してリング溝を構成する。
【００２３】
以下、上記焼結合金製耐摩環１０の製造方法を説明する。
【００２４】
焼結合金のスケルトンのマトリックスを形成する鉄粉と黒鉛、および硬質合金粒子を指定組成範囲となるよう混合して、上環状片１１（下環状片１２）の形状に圧粉成形する。
【００２５】
次に、粉末成形体としての上環状片１１と下環状片１２を、上環状片１１の下面（接合面）１６と下環状片１２の上面（接合面）２３との間に環状の溶浸用銅合金板２７を介装して積層し、さらにこの積層品を多数組、環状の溶浸用銅合金板２８を介装して上下に積層し、焼結と同時に銅合金溶浸する。この溶浸工程で、上環状片１１の下面（接合面）１６と下環状片１２の上面（接合面）２３が接合されるとともに、上下の環状片１１，１２が銅合金で溶浸される。焼結および銅合金溶浸後、耐摩環１０同士を分離する。
【００２６】
なお、耐摩環１０同士は上環状片１１の上面１４端部と下環状片１２の下面２１端部の水平面部分が銅合金で接合されるが、前記水平面部分の長さは短く、さらに溶浸用銅合金の量を所要量に比べて過大にならないようにすれば、溶浸後、耐摩環１０同士は容易に分離可能である。
【００２７】
上記耐摩環１０をピストン１に鋳包むには、耐摩環１０を予熱し、圧力鋳造機のピストン金型にセットして、アルミニウム合金を注湯、充填後、加圧して、凝固後、取り出せばよい。
【００２８】
なお、上記実施形態では、焼結と銅合金溶浸を同時に行っているが、焼結工程と銅合金溶浸工程を分離して行ってもよい。
【００２９】
以下、本発明の効果を明らかにしたエンジン実験の結果を説明する。
【００３０】
使用したエンジンの主要な諸元は、以下の通りである。
シリンダ    ：内径９４ｍｍ、６気筒
排気量      ：４．２ｌ
エンジン形式：インタークーラー付き直噴ディーゼルエンジン
【００３１】
エンジンの運転条件は、以下の通りである。
回転数      ：３６００ｒｐｍ
負荷        ：４／４
水温        ：１１０℃
油温        ：１３０℃
運転時間    ：５００時間
【００３２】
なお、ピストンの材質はすべてＡＣ８Ａであり、トップリングは１７Ｃｒステンレス鋼製の窒化リングである。ＡＣ８Ａの組成は、Ｃｕ０．８−１．３％、Ｓｉ１１．０−１３．０％、Ｍｇ０．７−１．３％、Ｚｎ０．１％以下、Ｆｅ０．８％以下、Ｍｎ０．１％以下、Ｎｉ１．０−２．５％、Ｔｉ０．２％以下、残Ａｌである。
【００３３】
エンジン実験に使用したピストンと、そのトップリング溝部の材質、硬質合金粒子の組成を表１に、エンジン運転後のリング溝およびピストンリングの摩耗の測定結果を表２に示す。
【００３４】
0003883656.tif 000002
【００３５】
表１において、比較例１はT.C.２．０−３．０％、Ｓｉ１．０−２．８％、Ｍｎ１．０−１．５％、Ｚｎ０．１％以下、Ｎｉ１３．５−１７．０％、Ｃｕ５．０−７．０％、Ｃｒ１．０−１．８％、残部Ｆｅ及び不純物からなるニレジスト鋳鉄製耐摩環をリング溝部に鋳包んだピストンであり、比較例２はＡｌ2 Ｏ3 ５体積％、ＳｉＯ2 ５−７体積％を含むセラミックス製プリフォームをリング溝部に鋳包んだセラミックス繊維で強化したピストンである。比較例３，４および実施例１，２，３，４は鉄系焼結合金製耐摩環をリング溝部に鋳包んだピストンである。
【００３６】
0003883656.tif 000003
【００３７】
上記実験結果から、耐摩環について次のことがわかる。
・実施例１〜４は、硬質合金粒子の含有量が１２−２８％の範囲で良好な耐摩耗性を示している。
・より好ましい硬質合金粒子の量は、実施例２，３に示されるように１５−２６％である。
・比較例３は、硬質合金粒子の量が少なく、耐摩環の耐摩耗性が劣る。
・比較例４は、硬質合金粒子の量が多く、耐摩環自身の耐摩耗性は良好であるが、リング溝の外周稜部に欠けが発生し、摩耗粉の噛込みによってリング外周面に傷をつける等、リングへの攻撃性が大きい。
・実施例１〜４は、比較例１（ニレジスト鋳鉄製耐摩環）や比較例２（ＦＲＭ）よりも優れた耐摩耗性を有している。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、熱伝導性と耐摩耗性に優れた焼結合金製耐摩環を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す縦断面図である。
【図２】（ａ）は図１に示す耐摩環の平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＸ−Ｘ線断面図である。
【図３】上下の環状片と溶浸用銅合金板との積層状態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１…ピストン、２…外周面、３…トップリング溝、４…トップリング、５…シリンダ内壁面、６…シリンダ、１０…耐摩環、１１…上環状片、１２…下環状片、１３…切り欠き、１４…上面、１５，１６…下面、１７…内周面、１８，１９…外周面、２０…切り欠き、２１…下面、２２，２３…上面、２４…内周面、２５，２６…外周面、２７，２８…溶浸用銅合金板。
【図１】
0003883656.tif 000004
【図２】
0003883656.tif 000005
【図３】
0003883656.tif 000006