(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む焼結合金製の耐摩環において、前記耐摩環は、外周下部に切り欠きが形成されている断面Ｌ字状の上環状片と、外周上部に切り欠きが形成されている断面Ｌ字状の下環状片とが接合された構造を有し、前記上環状片と下環状片の接合面が水平面で、上環状片の上面及び下環状片の下面は、水平面と外周側に向かって切り欠き側に傾斜している円錐面を有し、かつ、前記上環状片及び下環状片が銅合金で溶浸されていることを特徴とする耐摩環。
【請求項２】
前記上環状片および下環状片の各接合面に環状凹部が形成され、これらの環状凹部が組み合わされて冷却空洞を形成しており、かつ、この冷却空洞に連通する入口孔が前記上下の環状片のいずれかに形成されているとともに、前記冷却空洞に連通する出口孔が前記上下の環状片のいずれかに形成されていることを特徴とする請求項１記載の耐摩環。
【請求項３】
前記上環状片および下環状片の内周面と接合面とが交わる各稜部に切り欠きが形成され、これらの切り欠きが組み合わされて形成された環状凹部に環状の冷却用パイプが配置されており、この冷却用パイプに入口孔と出口孔とが形成されていることを特徴とする請求項１記載の耐摩環。
【請求項４】
請求項１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。
【請求項５】
請求項２記載の耐摩環がリング溝部に鋳包まれているとともに、この耐摩環の冷却空洞に連通している入口孔に一端部が接続し他端部がピストンの中空部内に臨んでいる冷却用パイプと、前記耐摩環の冷却空洞に連通している出口孔に一端部が接続し他端部がピストンの中空部内に臨んでいる冷却用パイプとがピストン内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。
【請求項６】
請求項３記載の耐摩環がリング溝部に鋳包まれているとともに、この耐摩環の内周に配置されている環状の冷却用パイプの入口孔に一端部が接続し他端部がピストンの中空部内に臨んでいる冷却用パイプと、前記環状の冷却用パイプの出口孔に一端部が接続し他端部がピストンの中空部内に臨んでいる冷却用パイプとがピストン内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。
【請求項７】
外周下部に切り欠きが形成されている断面Ｌ字状の上環状片と、外周上部に切り欠きが形成されている断面Ｌ字状の下環状片とが接合された構造を有し、前記上環状片と下環状片の接合面が水平面で、上環状片の上面及び下環状片の下面は、水平面と外周側に向かって切り欠き側に傾斜している円錐面を有し、かつ、前記上環状片及び下環状片が銅合金で溶浸されている焼結合金製耐摩環の製造方法であって、粉末成形体としての上環状片と下環状片を溶浸用銅合金板を介装して積層し、さらにこの積層品を複数組、溶浸用銅合金板を介装して上下に積層し、焼結と同時に銅合金溶浸して上環状片と下環状片を接合し、その後、各耐摩環同士を分離することを特徴とする耐摩環の製造方法。
【請求項８】
外周下部に切り欠きが形成されている断面Ｌ字状の上環状片と、外周上部に切り欠きが形成されている断面Ｌ字状の下環状片とが接合された構造を有し、前記上環状片と下環状片の接合面が水平面で、上環状片の上面及び下環状片の下面は、水平面と外周側に向かって切り欠き側に傾斜している円錐面を有し、かつ、前記上環状片及び下環状片が銅合金で溶浸されている焼結合金製耐摩環の製造方法であって、粉末成形体としての上環状片と下環状片を焼結し、この上環状片と下環状片を溶浸用銅合金板を介装して積層し、さらにこの積層品を複数組、溶浸用銅合金板を介装して上下に積層し、銅合金溶浸して上環状片と下環状片を接合し、その後、各耐摩環同士を分離することを特徴とする耐摩環の製造方法。
【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】
しかしながら、耐摩環を焼結合金製とする上記技術は、耐摩環を一体焼結するので、粉末の圧粉成形や機械加工でリング溝部形状の耐摩環を形成することが困難であった。このため、ピストンのリング溝部に焼結合金製耐摩環は使用されていない。
【０００６】
本発明の目的は、製造性がよく、熱伝導性が良好な焼結合金製耐摩環を提供することである。本発明のさらに別の目的は、冷却路を有する耐摩環を提供することである。
【０００７】
【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む焼結合金製の耐摩環において、前記耐摩環は、外周下部に切り欠きが形成されている断面Ｌ字状の上環状片と、外周上部に切り欠きが形成されている断面Ｌ字状の下環状片とが接合された構造を有し、前記上環状片と下環状片の接合面が水平面で、上環状片の上面及び下環状片の下面は、水平面と外周側に向かって切り欠き側に傾斜している円錐面を有し、かつ、前記上環状片及び下環状片が銅合金で溶浸されていることを特徴とする。
【０００８】
ピストンのリング溝部を冷却するために、耐摩環には冷却路が設けられるのが望ましく、下記の構成を備えているのがよい。
【０００９】
すなわち、前記上環状片および下環状片の各接合面に環状凹部が形成され、これらの環状凹部が組み合わされて冷却空洞を形成し、かつ、この冷却空洞に連通する入口孔が前記上下の環状片のいずれかに形成されているとともに、前記冷却空洞に連通する出口孔が前記上下の環状片のいずれかに形成される。
【００１０】
あるいは、次のように構成してもよい。
すなわち、前記上環状片および下環状片の内周面と接合面とが交わる各稜部に切り欠きが形成され、これらの切り欠きが組み合わされて形成された環状凹部に環状の冷却用パイプが配置され、この冷却用パイプに入口孔と出口孔とが形成される。
【００１１】
本発明の耐摩環は、上環状片と下環状片とが接合されている構造を有しているため、上下の環状片をそれぞれ圧粉成形し、焼結で製造できる。したがって、製造性がよい。上下の環状片は圧粉成形金型から容易に抜くことができ、完成寸法に近い素材を製造できる。そのため、重量が少なく、機械加工費も少なくできる。
【００１２】
そして、本発明の耐摩環は銅合金の溶浸工程で溶浸と上下の環状片の接合を同時に行うことができる。溶浸工程でスケルトンの空孔が銅合金で溶浸されて、熱伝導性が向上し、鋳包み性のよい耐摩環が得られる。本発明の上記焼結合金製耐摩環の製造方法は、粉末成形体としての上環状片と下環状片を溶浸用銅合金板を介装して積層し、さらにこの積層品を複数組、溶浸用銅合金板を介装して上下に積層し、焼結と同時に銅合金溶浸して上環状片と下環状片を接合し、その後、各耐摩環同士を分離することを特徴とする。また、焼結工程と銅合金溶浸工程は分離して行ってもよい。すなわち、粉末成形体としての上環状片と下環状片を焼結し、この上環状片と下環状片を溶浸用銅合金板を介装して積層し、さらにこの積層品を複数組、溶浸用銅合金板を介装して上下に積層し、銅合金溶浸して上環状片と下環状片を接合し、その後、各耐摩環同士を分離するようにしてもよい。
【００１３】
また、本発明の耐摩環に上述したようにして冷却路を形成するようにすれば、可溶性中子を用いて冷却空洞を形成する鋳造法によらず、容易に冷却路を形成することができる。本発明は、耐摩環に冷却路が設けられているので、鋳包みの際の取扱いが容易であり、ピストンのリング溝部を直接冷却できる利点の他、コンパクトにできてピストン設計上の自由度が大きくなる。
【００１４】
【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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
耐摩環１０は焼結合金製で、銅合金で溶浸されている。焼結合金の組成は例えばＣ０．５％以下、Ｃｒ５〜７％、Ｍｏ１〜５％、Ｃｏ２〜１０％、Ｎｉ１〜２０％、Ｖ０．２〜０．８％、残りＦｅおよび不純物からなっている。
【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】
Ｆｅ粉、フェロクロム粉末、フェロモリブデン粉末、フェロバナジウム粉末およびＣｏ粉末、Ｎｉ粉末を上述した組成範囲となるように混合して、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】
図４および図５は本発明の別の実施形態２を示している。本実施形態２の耐摩環１０Ａは、前記実施形態１で説明した耐摩環１０の内周側に全周にわたって冷却空洞形成部分が突出形成されているものである。
【００２９】
すなわち、本実施形態２の耐摩環１０Ａの上環状片１１Ａは、前記実施形態１で説明した上環状片１１の内周面の全周にわたって下面（接合面）１６が内周側に延長するようにして冷却空洞形成部分３０が突出形成されており、この環状の冷却空洞形成部分３０の下面（接合面）１６に環状凹部３１が形成されている。なお、冷却空洞形成部分３０の上面１４ａは前記実施形態１で説明した上環状片１１の上面１４の水平面よりも少し下側に位置されている。
【００３０】
下環状片１２Ａは、上環状片１１Ａと上下対称に形成されている。すなわち、下環状片１２Ａは、前記実施形態１で説明した下環状片１２の内周面の全周にわたって上面（接合面）２３が内周側に延長するようにして冷却空洞形成部分３２が突出形成されており、この環状の冷却空洞形成部分３２の上面（接合面）２３に環状凹部３３が形成されている。冷却空洞形成部分３２の下面２１ａは前記実施形態１で説明した下環状片１２の下面２１の水平面よりも少し上側に位置されている。なお、下環状片１２Ａには冷却空洞形成部分３２の環状凹部３３にそれぞれ連通する冷却液の入口孔３４と出口孔３５とが、円周上の所定位置に冷却空洞形成部分３２を軸方向に貫通するように形成されており、この部分が上環状片１１Ａと相違している。
【００３１】
上環状片１１Ａと下環状片１２Ａは上下対称に配置され、上環状片１１Ａの下面（接合面）１６と下環状片１２Ａの上面（接合面）２３とが接合されて耐摩環１０Ａが形成され、上環状片１１Ａと下環状片１２Ａの外周側の切り欠き１３，２０は合体してリング溝を構成し、さらに、上環状片１１Ａと下環状片１２Ａの内周側の環状凹部３１，３３は合体して冷却空洞３６を構成する。
【００３２】
耐摩環１０Ａは、前記実施形態１で説明したのと同じようにして製造する。すなわち、粉末成形体としての上環状片１１Ａと下環状片１２Ａを、上環状片１１Ａの下面（接合面）１６と下環状片１２Ａの上面（接合面）２３との間に環状の溶浸用銅合金板を介装して積層し、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１１Ａの下面（接合面）１６と下環状片１２Ａの上面（接合面）２３が接合されるとともに、上下の環状片１１Ａ，１２Ａが銅合金で溶浸される。焼結および銅合金溶浸後、耐摩環１０Ａ同士を分離する。
【００３３】
上記耐摩環１０Ａをピストン１に鋳包む際は、耐摩環１０Ａの冷却空洞３６に連通している入口孔３４と出口孔３５にそれぞれスチール製の冷却用パイプの一端を差し込み、それを予熱し、圧力鋳造機のピストン金型にセットする。次に、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。
【００３４】
図４に上記冷却用パイプが示されている。ただし、図４は入口側の冷却用パイプ３７を示しており、一端は入口孔３４に接続し、他端はピストン１の中空部内に突出配置されている。出口側の冷却用パイプも入口側の冷却用パイプ３７と同じように構成され、一端は出口孔３５に接続し、他端はピストン１の中空部内に突出配置されている。４０はセカンドリング溝４１に装着されているセカンドリングであり、４２はオイルリング溝４３に装着されている組合せオイルリングである。
【００３５】
したがって、冷却油が図示外の冷却油供給手段により、入口側の冷却用パイプ３７を通じて冷却空洞３６内に送り込まれると、冷却油は冷却空洞３６内を流れてピストン１のトップリング溝３を冷却した後、出口側の冷却用パイプからピストン１の中空部内に排出する。スケルトンの空孔は銅合金の溶浸工程で溶浸され封孔されるので、冷却空洞３６からトップリング溝３へ冷却油が漏れることはない。
【００３６】
図６および図７は本発明のさらに別の実施形態３を示している。本実施形態３の耐摩環１０Ｂは、前記実施形態１で説明した耐摩環１０の内周側に全周にわたって環状の冷却用パイプ５０が配置されているものである。
【００３７】
すなわち、本実施形態３の耐摩環１０Ｂの上環状片１１Ｂは、前記実施形態１で説明した上環状片１１の内周面１７と下面（接合面）１６とが交わる稜部に全周にわたって断面円弧状の切り欠き５１が形成されている。
【００３８】
下環状片１２Ｂは、上環状片１１Ｂと上下対称に形成されている。すなわち、下環状片１２Ｂは、前記実施形態１で説明した下環状片１２の内周面２４と上面（接合面）２３とが交わる稜部に全周にわたって断面円弧状の切り欠き５２が形成されている。なお、下環状片１２Ｂの内周面には、後述する入口用冷却パイプと出口用冷却パイプが配置するための断面半円状の軸方向溝が円周上の所定位置に２箇所形成されている。図７に入口用冷却パイプが配置するための軸方向溝５３が示されており、出口用冷却パイプが配置するための軸方向溝も同じように構成されている。
【００３９】
上環状片１１Ｂと下環状片１２Ｂは上下対称に配置され、上環状片１１Ｂの下面（接合面）１６と下環状片１２Ｂの上面（接合面）２３とが接合されて耐摩環１０Ｂが形成され、上環状片１１Ｂと下環状片１２Ｂの外周側の切り欠き１３，２０は合体してリング溝を構成し、さらに、上環状片１１Ｂと下環状片１２Ｂの内周側の切り欠き５１，５２が合体して断面半円状の環状凹部が構成され、その環状凹部に環状のスチール製冷却用パイプ５０が配置される。冷却用パイプ５０には円周上の所定位置の下面に入口孔５４と出口孔５５とが形成されている。
【００４０】
耐摩環１０Ｂは、前記実施形態１で説明したのと同じようにして製造する。すなわち、粉末成形体としての上環状片１１Ｂと下環状片１２Ｂを、上環状片１０Ｂの下面（接合面）１６と下環状片１２Ｂの上面（接合面）２３との間に環状の溶浸用銅合金板を介装して積層する。この際、内周側に形成される環状凹部に環状の冷却用パイプ５０を配置する。冷却用パイプ５０はスチール製のパイプを環状に成形し、合口を溶接した後、入口孔５４と出口孔５５を孔あけ加工して形成される。そして、上記積層品を多数組、環状の溶浸用銅合金板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１０Ｂの下面（接合面）１６と下環状片１２Ｂの上面（接合面）２３が接合されるとともに、上下の環状片１１Ｂ，１２Ｂが銅合金で溶浸される。焼結および銅合金溶浸後、耐摩環１０Ｂ同士を分離する。以上により、内周に環状の冷却用パイプ５０が配置固定されている耐摩環１０Ｂが製造される。
【００４１】
上記耐摩環１０Ｂをピストン１に鋳包む際は、耐摩環１０Ｂの内周に配置されている環状パイプ５０の入口孔５４と出口孔５５にそれぞれスチール製の冷却用パイプの一端を差し込み、それを予熱し、圧力鋳造機のピストン金型にセットする。次に、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。
【００４２】
各冷却用パイプは上記実施形態２で説明したと同じように、入口側の冷却用パイプは一端が入口孔５４に接続し、他端はピストン１の中空部内に突出配置され、出口側の冷却用パイプは一端が出口孔５５に接続し、他端はピストン１の中空部内に突出配置される。図６において、４０はセカンドリング溝４１に装着されているセカンドリングであり、４２はオイルリング溝４３に装着されている組合せオイルリングである。
【００４３】
したがって、冷却油が図示外の冷却油供給手段により、入口側の冷却用パイプを通じて環状の冷却用パイプ５０内に送り込まれると、冷却油は環状の冷却用パイプ５０内を流れてピストン１のトップリング溝３を冷却した後、出口側の冷却用パイプからピストン１の中空部内に排出する。
【００４４】
なお、以上の実施形態で示したように、上環状片と下環状片を上下対称に構成すると、１種類の焼結素材を上環状片と下環状片の両方に使用可能である。
【００４５】
また、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。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、製造性がよく、熱伝導性が良好な焼結合金製耐摩環を提供することができる。また、冷却路を有する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。
【図４】本発明の別の実施形態を示す縦断面図である。
【図５】（ａ）は図４に示す耐摩環の底面図、（ｂ）は（ａ）におけるＹ−Ｙ線断面図である。
【図６】本発明のさらに別の実施形態を示す縦断面図である。
【図７】（ａ）は図６に示す耐摩環の底面図、（ｂ）は（ａ）におけるＺ−Ｚ線断面図である。
【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、１０，１０Ａ，１０Ｂ…耐摩環、１１，１１Ａ，１１Ｂ…上環状片、１２，１２Ａ，１２Ｂ…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、３０，３２…冷却空洞形成部分、３１，３３…環状凹部、３４…入口孔、３５…出口孔、３６…冷却空洞、３７…冷却用パイプ、４０…セカンドリング、４１…セカンドリング溝、４２…組合せオイルリング、４３…オイルリング溝、５０…冷却用パイプ、５１，５２…切り欠き、５３…軸方向溝、５４…入口孔、５５…出口孔。
【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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【図６】
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【図７】
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