JP3846811B2 - Piston for internal combustion engine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用ピストンに係わり、特には、ディーゼルエンジンのピストンの表面に、窒化処理又は、軟窒化処理を施したピストンに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、車両用高出力のディーゼルエンジンで耐熱負荷性が要求されるピストンに、最近、ダクタイル鋳鉄から成る仕上げ加工後のピストン本体の外形形成面所要部にガス軟窒化処理を施した事例が実開平3−87848号公報で知られている。図6に基づき説明する。
図6に示すように、内部にアンモニアガス等22を導入したガス軟窒化炉、23は仕上げ加工が終了したダクタイル鋳鉄製のピストン本体、24、25、26はピストン本体23の外形形成面の所要箇所、すなわち、ピストン本体23の外周23aの表面、ピストンリング溝23bの表面、ピストンピン穴23cの内周面、燃焼室23dの内面等の各外形形成面28a、28b、28c、28d、を加熱するための高周波加熱コイル、27はピストン本体を載置するための架台である。
ピストン本体23に軟窒化処理を施す際には、先ずピストン本体23を軟窒化処理炉21の架台に載置し、続いて高周波加熱コイル24をピストン本体23の外周23a及びピストンリング溝23b近傍に設置し、高周波加熱コイル25をピストンピン孔28cの外形成面28c近傍に設置し、高周波加熱コイル26を燃焼室23dの外形成面28d近傍に設置する。
次に外部から炉21内へアンモニアガス等2を導入すと共に高周波加熱コイル24、25、26、に通電を行ってピストン本体23の外周23a、ピストンリング溝23b、ピストンピン孔23c、燃焼室23dの各外形形成面28a、28b、28c、28dを高周波により所定の温度(約550℃)に加熱する。このため、アンモニアガス等は加熱されて窒素ガスと水素ガスに分解され、窒素ガスがピストン本体23の外周23a、ピストンリング溝23b、ピストンピン穴23c、燃焼室23dの各外形形成面28a、28b、28c、28dに含侵されて、図6の斜線で示す部分にガス軟窒化処理が施される。
上述のように、ダクタイル鋳鉄製のピストン本体23の外周23a、ピストンリング溝23b、ピストンピン穴23c、燃焼室23dの各外形形成面28a、28b、28c、28dにガス軟窒化処理を施すと、これらの部分の疲労強度はガス軟窒化処理を施さない場合に比べて約1.5倍高くなり、耐焼つき性、耐摩耗性は、例えば硬質クロームメッキを行った場合よりもさらに向上する。
このため、ピストン本体23の各外形形成面28a、28b、28c、28d、による亀裂が入ることがなくなり、又、慴動部である外周23a、ピストンリング溝23b、ピストンピン孔23c、の耐焼つき性、耐摩耗性が向上する。
又、ピストン本体23全体を軟窒化処理する場合には、ピストン本体23を加熱せねばならず、従ってピストン本体23が変形する虞れがあるが、高周波加熱により、必要な箇所のみを部分的に加熱しているため、ピストン本体23が変形することがない。
さらに、ピストン本体23全体を加熱する必要がないため、ガス軟窒化処理炉21全体を加熱する必要がなく省エネルギー化を図ることができ、処理時間が短縮されて能率の良いガス軟窒化処理を行うことができる。
なお、本考案の実施例においては、ピストン本体のガス軟窒化処理を高周波加熱により行う場合について説明したが、所要部分の加熱をおこなうことができるなら高周波加熱に限らず、種々の加熱手段を採用することが可能なこと、その他、本考案の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ること、等は勿論であることが記載されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術は次のような問題点がある。
(1) 従来の技術の実開平3−87848号公報の事例ではピストンの燃焼室部にはガス軟窒化処理が施されているが、ピストン頂面部に、ガス軟窒化処理が施されていなく、長時間の稼働で微細亀裂を起点とする疲労破壊の虞があるという問題がある。
高出力のディーゼルエンジンのピストンにおいては、エンジン稼働時、燃焼室及びピストン頂面部が高温の燃焼ガスに曝される。このため、ピストンの燃焼室温度が上昇し、特に、燃焼改善したリエントラン形ピストンの燃焼室のリム部で、かつ、ピストン頂面部で排気弁が作動する付近の温度が特に高く、ダクタイル鋳鉄製の軟窒化処理が施されてないピストンで長時間の稼働で微細亀裂を起点とする疲労破壊するという問題がある。
ピストン頂面部で排気弁が作動する付近の温度が高くなる部分は軟窒化処理を施し、高温疲労強度を上げる必要がある。
すなわち、高温条件下で稼働する鋳鉄ピストンにおいて、燃焼室のリム部の材料強度はその高温疲労強度、及び稼働時に発生する鉄系酸化皮膜の強度により、ほぼ決定される。高温条件下で稼働する鋳鉄ピストンピストンのリム部の破損は、リム部表面に発生する鉄系酸化皮膜の微細亀裂を起点とする疲労破壊である。鉄系酸化皮膜は鉄母材に比較して一般に脆く、その強度は鉄母材よりも低い。鉄系酸化皮膜の強度はその厚さの増加と共に低下する。又、その厚さはエンジン稼働時間、あるいは、ピストンの上昇と共に増加する。
【0004】
(2) ディーゼルエンジン高出力化によりピストンスラップも大きくなり、ピストンのスカート部分に窒化処理を施し、耐焼つき性、耐摩耗性を向上することが望まれているが、ピストンのスカート部分を窒化処理することにより形状が変形し易いという問題がある。窒化処理時に形状が変形しにくい形状、ならびに、変形しにくい窒化処理方法が必要である。
【0005】
本発明は上記のような従来の問題点に着目し、内燃機関用ピストンにおいて、ピストンの表面に窒化処理又は、軟窒化処理し、かつ、窒化処理又は、軟窒化処理時に形状が変形しにくい形状、ならびに、変形しにくい窒化処理方法にして、燃焼室リム部の長時間稼働で微細亀裂を起点とする疲労破壊を防止し、高温酸化性、高温強度、耐摩耗性の優れたピストンを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を解決するために、本発明の内燃機関用ピストンの第1発明では、内燃機関用の鋳鉄ピストンまたは鉄系ピストンにおいて、
ピストンのスカート部肉厚を全周に設けると共に、ピストンピン穴中心からピストン下端までの長さLに対するスカート中央部の肉厚t1との比と、前記長さLに対するスカート下端の肉厚t2との比の積が0.0125〜0.2500の範囲にあると共にピストン表面の少なくともスカート部表面に窒化処理又は軟窒化処理を施すことを特徴とする。
このようなピストンのスカート部の剛性と、窒化処理によるスカート部の窒化処理前と窒化処理後との寸法変化が小さい、窒化処理したピストンが得られる。
又、このように窒化処理をおこなうことにより、ピストンの燃焼室リム部の長時間稼働で微細亀裂を起点とする疲労破壊が防止することができ、かつ、高出力化によるピストンのスカート部分の耐焼つき性、耐摩耗性、及び、トップリング溝、及び、ピストンピン穴の耐摩耗性を向上することができる。
【0008】
第1発明において、ピストンの表面の窒化処理又は、軟窒化処理は、イオン窒化である。
このようなイオン窒化は、プラズマ中に発生する陰イオンを鋳鉄ピストン表面又は、鉄系ピストン表面に蒸着させる電気的窒化法である。窒化ポテンシャルが高く、ガス窒化方法に比べて処理時間が短い上、深い窒化層を得られる点が大きな特徴である。加えて、表面脆化層の生成を抑えるため後加工の必要がない。又、部分窒化が容易で、歪みが少なく、加工表面を清浄にすることができる。
【0009】
【発明の実施の形態及び実施例】
以下に、第1実施例を図1及至図4を参照して、詳細に説明する。
第1実施例は鋳鉄ピストンの表面に窒化又は、軟窒化処理を施した例、及び、イオン窒化の例である。
先ず、図1の左側で表面に窒化又は、軟窒化処理を施した鋳鉄ピストン1の構成から説明する。図1の左側は鋳鉄ピストン1の半断面図を示している。材質はフェライト化焼鈍した球状黒鉛鋳鉄で、機械加工完了後、窒化又は、軟窒化処理を施す。図中の1点鎖線に示すように鋳鉄ピストン1の全部の表面に軟窒化処理2を施す。すなわち、ピストン頂部3、燃焼室4、リム部4a、トップリング溝5、セカンドリング溝6、オイルリング溝7、スカート8、およびピストンピン穴9部の表面に処理を施す。
【0010】
次に、作動を説明する。鋳鉄ピストン1の全部の表面に軟窒化処理2を施すことにより、歪みが発生する。この歪みは鋳鉄ピストン1のスカート8部分が大きい。軟窒化処理した場合の歪みの変形を図1の右側により説明をする。
図1の右側は縦軸に鋳鉄ピストン1の高さを示し、図1の左側のピストン1の各部と対応している。横軸は鋳鉄ピストン1のピストンピン穴9と直角方向のスラスト側のピストン外径寸法mmを示している。図中のプロフィールA、すなわち、a、b、c、dは機械加工完了後で、軟窒化処理前の形状を示し、プロフィールB、すなわち、e、f、g、hは軟窒化処理後の形状を示している。軟窒化処理によりプロフィールAからプロフィールBに変形する。スカート8の下端d及びh部では軟窒化処理による歪みの変形はないが、ピストンピン穴9部中心付近c〜g及びb〜fで、歪み量ΔDが最大になる。この歪み量はスカート15下面の剛性で決まる。剛性と歪み量との関係を図2により説明をする。
図2は縦軸にスカート変形比、ピストンの外径Dに対する歪み量ΔDとの比(ΔD/D )を示し、横軸はピストンピン穴16中心からピストン下端までの長さLに対するスカート中央部の肉厚t1の比(t1/L)と、長さLに対するスカート下端の肉厚t2との比(t2/L)の積(t1/L×t2/L)との関係を示している。各種の実験結果より求めた値で、剛性が大きいと歪み量は小さく、剛性が小さいと歪み量は大きくなる。t1/L×t2/Lの値が0.0125以下になるとΔD/D の歪み量が急激に大きくなることを示している。
図3はピストンピン穴中心Qからピストン下端までの長さLに対するスカート中央部の肉厚t1の比と、長さLに対するスカート下端の肉厚t2との比の積が0.0125〜0.2500の範囲(ハッチングの範囲)であることを示している。縦軸にスカート縦横比、長さLに対するスカート下端の肉厚t2(t2/L)とを示し、横軸は、スカート縦横比、長さLに対するスカート下端の肉厚t1(t1/L)を示している。下限値Eはt1/L×t2/L≧0.0125、上限値Fはt1/L×t2/L≦0.2500、を示している。下限値Eの0.0125は軟窒化処理による歪み量から見た許容限界の値で、又、上限値Fの0.2500はピストンの重量増加から見た許容限界の値である。
次に、ピストンの材質をフェライト化焼鈍した球状黒鉛鋳鉄で、軟窒化処理した場合の効果を図4で説明する。図4は縦軸に酸化膜厚さを、横軸はエンジン耐久の運転時間を示している。縦軸の酸化膜厚さはピストンの劣化を表す特性で、厚みが大きい程劣化が大きい、従来の経験から、許容限度は70μmを基準とし、この値以上は危険域、この値以下を安全域としている。測定箇所はピストンに亀裂の入り易い燃焼室のリム部としている。図中の実線Gは軟窒化処理なしの劣化特性で、m点で耐久運転時間950hで許容限度に達する。又、図中の点線Hは軟窒化処理ありの劣化特性で、耐久運転時間1000hで余裕のある安全域にある。軟窒化処理の有り、無しを、耐久運転時間500hで比較すると、酸化膜厚さはj点からk点(太い点線の矢印)に下がり、約1/5に低減される。
【0011】
次に、イオン窒化について説明する。イオン窒化は1〜10mmHgの低圧ガス雰囲気中で炉体を陽極+、被処理物を陰極−とし、通常350〜1000Vの直流電圧を印加し、グロー放電を発生させ窒化を行わせる。グロー放電により窒化用ガスはイオン化し、電場によつて加速され、被処理物に衝突する。このエネルギーは熱エネルギーに変換され被処理物を加熱するとともに、カソード・スパッタリングを起こし、その表面から鉄等(Fe,C,O)の原子及び電子を叩きだす。飛び出した鉄原子はグロープラズマ中の原子状窒素と結合して窒化鉄FeNを形成し、被処理物表面状に蒸着する。そして低位の窒化物に分解過程で放出される窒素Nが鋼内部に拡散する。窒素を放出した鉄原子はグロープラズマ中に戻って再びFeNを形成、先述した反応を繰返し行い窒化を促進する。
このようなイオン窒化は、従来のガス窒化方法に比べて処理時間が短い上、歪みが少なく、加工表面を清浄にすることができる点が大きな特徴である。又、表面脆化層の生成を抑えるため後加工の必要がない。
【0012】
次に、第2実施例を図5を参照して説明する。第2実施例はピストン頂面部に、窒化又は、軟窒化処理を施した例である。なお、図5は鋳鉄ピストン1の半断面図を示しており、第1実施例と同じ部品には同一符号を付けて説明は以下では省略する。
図5に示すように材質はフェライト化焼鈍した球状黒鉛鋳鉄で、機械加工完了後、窒化又は、軟窒化処理を施す。図中の1点鎖線2に示すように、少なくともピストン頂面部3および燃焼室4に、窒化又は、軟窒化の部分処理10を施す。すなわち、ピストン頂面部3および燃焼室4の間のリム部4aにも窒化又は、軟窒化の部分処理10を施す。トップリング溝5、セカンドリング溝6、オイルリング溝6、スカート8、およびピストンピン穴9部は窒化又は、軟窒化をしないための防窒化処理を施す。
このようにピストンのピストン頂面部および燃焼室に窒化処理を行うことにより、燃焼室リム部の長時間稼働で微細亀裂を起点とする疲労破壊が防止することができる。又、ピストンのスカート部の窒化処理による寸法形状の変化がないので、所定寸法に精度良く加工することができる。
【0013】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ピストンピン穴中心Qからピストン端までの長さLに対するスカート中央部の肉厚t1の比と、
長さLに対するスカート下端の肉厚t2との比の積が0.0125〜0.2500の範囲にあり、
かつ、ピストンの表面に、窒化又は、軟窒化処理を施こしたのでピストンのスカート部の剛性と、窒化処理によるスカート部の窒化処理前と窒化処理後との、寸法変化の小さいピストンが得られる。
又、このように窒化処理をおこなうことにより、ピストンの燃焼室リム部の長時間稼働で微細亀裂を起点とする疲労破壊が防止することが可能となり、かつ、高出力化によるピストンのスカート部分の耐焼つき性、耐摩耗性、及び、トップリング溝、及び、ピストンピン穴の耐摩耗性を向上することができる。
又、ピストンのピストン頂面部および燃焼室に、窒化又は、軟窒化処理を施すことにより、燃焼室リム部の長時間稼働で微細亀裂を起点とする疲労破壊が防止することができた。又、ピストンのスカート部の窒化処理による寸法形状の変形がないので、所定寸法に精度良く加工することができる。
又、鋳鉄ピストンにおいて、ピストンの表面に、窒化又は、軟窒化処理として、イオン窒化を施すことにより、従来のガス窒化方法に比べて処理時間が短い上、歪みによる変形が少なく、加工表面を清浄にすることができ、かつ、表面脆化層の生成を抑えるため後加工の必要がなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例の鋳鉄ピストンを表わす半断面図及び軟窒化処理前後のピストン外径の変化を示す図である。
【図2】縦軸のピストンの外径に対する歪み量との比と、横軸のピストンピン穴中心からピストン下端までの長さに対するスカート中央部の肉厚の比、および、長さに対するスカート下端の肉厚との比の積と、の関係を示す図である。
【図3】縦軸の長さに対するスカート下端の肉厚との比と、および横軸のピストンピン穴中心からピストン下端までの長さに対するスカート中央部の肉厚の比と、の関係を示す図である。
【図4】縦軸の酸化膜厚さと、および横軸のエンジン耐久の運転時間と、の関係を示す図である。
【図5】本発明の第2実施例の鋳鉄ピストンを表わす半断面図を示す。
【図6】従来技術の鋳鉄ピストンの窒化処理を説明する図を示す。
【符号の説明】
1…鋳鉄ピストン、3…ピストン頂面部、4…燃焼室、8…スカート、9…ピストンピン穴。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piston for an internal combustion engine, in particular, on the surface of the diesel engine piston, nitriding or relates piston subjected to soft nitriding.
[0002]
[Prior art]
In the past, an example of applying gas soft nitriding treatment to the required part of the outer shape of the piston body after finishing, which was made of ductile cast iron, was recently applied to a piston that required high heat resistance in a high-power diesel engine for vehicles. No. 3-87848 is known. This will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 6, a gas soft nitriding furnace having
When performing the nitrocarburizing process on the
Next, ammonia gas or the like 2 is introduced from the outside into the
As described above, when the
For this reason, cracks due to the outer
In addition, when the nitriding treatment is performed on the
Further, since it is not necessary to heat the entire piston
In the embodiment of the present invention, the case where the gas soft nitriding treatment of the piston body is performed by high-frequency heating has been described. However, various heating means are employed as well as high-frequency heating as long as the required portion can be heated. It goes without saying that various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional technique has the following problems.
(1) In the case of Japanese Utility Model Publication No. 3-87848 of the prior art, the gas chamber is subjected to gas soft nitriding treatment, but the piston top surface portion is not subjected to gas soft nitriding treatment, There is a problem in that there is a risk of fatigue failure starting from a fine crack after a long period of operation.
In the piston of a high-power diesel engine, the combustion chamber and the piston top surface are exposed to high-temperature combustion gas during engine operation. For this reason, the temperature of the combustion chamber of the piston rises, and in particular, the temperature near the rim portion of the combustion chamber of the reentrant piston with improved combustion, and the vicinity of the exhaust valve operating at the piston top surface portion, is made of ductile cast iron. There is a problem that a piston that has not been subjected to soft nitriding treatment undergoes fatigue failure starting from a fine crack after a long period of operation.
The part where the temperature near the exhaust valve is activated on the piston top surface is subjected to soft nitriding to increase the high temperature fatigue strength.
That is, in cast iron pistons operating under high temperature conditions, the material strength of the rim portion of the combustion chamber is substantially determined by the high temperature fatigue strength and the strength of the iron-based oxide film generated during operation. Breakage of the rim portion of the cast iron piston piston running under high temperature conditions is a fatigue fracture originating from the fine cracks of the iron-based oxide film that occurs rim surface. An iron-based oxide film is generally brittle compared to an iron base material, and its strength is lower than that of an iron base material. The strength of the iron-based oxide film decreases with increasing thickness. Further, the thickness increases with the engine operating time or the piston rising.
[0004]
(2) Piston slap also becomes larger due to higher output of diesel engine, and nitriding treatment is applied to the skirt portion of the piston to improve seizure resistance and wear resistance, but nitriding treatment is applied to the piston skirt portion. As a result, there is a problem that the shape is easily deformed. A shape that does not easily deform during nitriding and a nitriding method that does not easily deform are needed.
[0005]
The present invention focuses on conventional problems as described above, the piston for an internal combustion engine, nitriding or surface of the piston, treated soft-nitrided and nitrided or shape is hardly deformed during the nitrocarburizing treatment shape, and, in the deformed hardly nitriding method, to avoid fatigue fracture originating microcracks in long-term operation of the combustion chamber rim, high-temperature oxidation resistance, high temperature strength, wear resistance superior piston The purpose is to provide.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
To solve the above object, the first invention of the internal combustion engine piston of the present invention, the cast iron piston or iron piston for an internal combustion engine,
The thickness of the skirt portion of the piston is provided on the entire circumference, and the ratio of the thickness t1 at the center of the skirt to the length L from the center of the piston pin hole to the lower end of the piston, and the thickness t2 of the lower end of the skirt with respect to the length L The ratio product is in the range of 0.0125 to 0.2500, and at least the skirt portion surface of the piston surface is subjected to nitriding treatment or soft nitriding treatment.
A nitriding-treated piston is obtained in which the rigidity of the skirt portion of the piston and the dimensional change before and after the nitriding treatment of the skirt portion by nitriding treatment are small.
In addition, by performing nitriding in this way, fatigue failure starting from fine cracks can be prevented by operating the combustion chamber rim of the piston for a long time, and the skirt portion of the piston can be prevented from burning due to high output. It is possible to improve the wear resistance of the stickiness, wear resistance, and top ring groove and piston pin hole.
[0008]
Oite to the first aspect of the present invention, nitriding of the surface of the piston or, nitrocarburizing treatment is an ion nitriding.
Such ion nitriding is an electrical nitriding method in which anions generated in plasma are vapor-deposited on a cast iron piston surface or an iron-based piston surface . The nitriding potential is high, the processing time is short compared to the gas nitriding method, and a deep nitride layer can be obtained. In addition, there is no need for post-processing to suppress the formation of a surface embrittlement layer. Further, partial nitriding is easy, distortion is small, and the processed surface can be cleaned.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the first embodiment will be described in detail with reference to FIGS.
The first embodiment or nitride on the surface of the cast iron piston example that a soft nitriding treatment, and examples of ion nitriding.
First, the structure of the
[0010]
Next, the operation will be described. By applying the
The right side of FIG. 1 shows the height of the
FIG. 2 shows the skirt deformation ratio on the vertical axis and the ratio (ΔD / D) with the amount of distortion ΔD with respect to the outer diameter D of the piston. The relationship between the ratio (t1 / L) of the wall thickness t1 and the ratio (t2 / L) of the wall thickness t2 of the lower end of the skirt to the length L (t1 / L × t2 / L) is shown. A value obtained from various experimental results. If the rigidity is large, the strain amount is small, and if the rigidity is small, the strain amount is large. When the value of t1 / L × t2 / L is 0.0125 or less, the distortion amount of ΔD / D increases rapidly.
FIG. 3 shows that the product of the ratio of the wall thickness t1 at the center of the skirt to the length L from the piston pin hole center Q to the piston lower end and the ratio of the wall thickness t2 at the lower end of the skirt to the length L is 0.0125-0. It indicates that the range is 2500 (hatching range). The vertical axis shows the skirt aspect ratio and the thickness t2 (t2 / L) of the skirt bottom with respect to the length L. The horizontal axis shows the skirt aspect ratio and the thickness t1 (t1 / L) of the skirt bottom with respect to the length L. Show. The lower limit value E indicates t1 / L × t2 / L ≧ 0.0125, and the upper limit value F indicates t1 / L × t2 / L ≦ 0.2500. The lower limit E of 0.0125 is the allowable limit value as seen from the amount of strain caused by the soft nitriding treatment, and the upper limit F of 0.2500 is the allowable limit value as seen from the weight increase of the piston.
Next, the effect of soft nitriding with spheroidal graphite cast iron whose material is made of ferritic annealing will be described with reference to FIG. In FIG. 4, the vertical axis represents the oxide film thickness, and the horizontal axis represents the engine durability operating time. The oxide film thickness on the vertical axis is a characteristic that represents the deterioration of the piston. The larger the thickness, the larger the deterioration. From past experience, the allowable limit is based on 70 μm. It is said. The measurement location is the rim of the combustion chamber where the piston is easily cracked. The solid line G in the figure is the deterioration characteristic without the soft nitriding treatment, and reaches the allowable limit at the end of the durable operation time 950h at the point m. Also, the dotted line H in the figure is a deterioration characteristic with soft nitriding treatment, and is in a safe range with a margin with a durable operation time of 1000 h. When the presence / absence of soft nitriding treatment is compared with the endurance operation time of 500 h, the oxide film thickness is reduced from j point to k point (thick dotted arrow) and reduced to about 1/5.
[0011]
Next, ion nitriding will be described. Ion nitriding is performed in a low pressure gas atmosphere of 1 to 10 mmHg using a furnace body as an anode + and an object to be processed as a cathode, and applying a direct current voltage of 350 to 1000 V to generate glow discharge to perform nitriding. The nitriding gas is ionized by the glow discharge, accelerated by the electric field, and collides with the object to be processed. This energy is converted into thermal energy to heat the object to be processed, and causes cathode sputtering to knock out atoms and electrons such as iron (Fe, C, O) from the surface. The ejected iron atoms combine with atomic nitrogen in the glow plasma to form iron nitride FeN, which is deposited on the surface of the workpiece. Nitrogen N released in the decomposition process into the lower nitride diffuses into the steel. The iron atoms that have released nitrogen return to the glow plasma to form FeN again, and repeat the above-described reaction to promote nitriding.
Such ion nitriding is characterized in that the processing time is shorter than that of the conventional gas nitriding method, distortion is small, and the processed surface can be cleaned. Further, there is no need for post-processing to suppress the formation of the surface embrittlement layer.
[0012]
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. The second embodiment is an example in which nitriding or soft nitriding is applied to the piston top surface. FIG. 5 shows a half cross-sectional view of the
As shown in FIG. 5, the material is ferritic annealed spheroidal graphite cast iron, which is subjected to nitriding or soft nitriding after completion of machining. As indicated by a one-
By performing nitriding on the piston top surface portion and the combustion chamber of the piston in this way, fatigue failure starting from a fine crack can be prevented during long-time operation of the combustion chamber rim portion. Further, since there is no change in dimension and shape due to the nitriding treatment of the skirt portion of the piston, it can be accurately processed to a predetermined dimension.
[0013]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the ratio of the wall thickness t1 of the center part of the skirt to the length L from the piston pin hole center Q to the piston end,
The product of the ratio of the length L to the wall thickness t2 of the lower end of the skirt is in the range of 0.0125 to 0.2500,
In addition, since the surface of the piston has been subjected to nitriding or soft nitriding treatment, a piston having a small dimensional change between the rigidity of the piston skirt and the nitriding treatment before and after nitriding of the skirt can be obtained. .
In addition, by performing nitriding in this way, it is possible to prevent fatigue failure starting from microcracks due to long-time operation of the combustion chamber rim portion of the piston, and the piston skirt portion due to high output can be prevented. The seizure resistance, the wear resistance, and the wear resistance of the top ring groove and the piston pin hole can be improved.
Further, by subjecting the piston top surface portion and the combustion chamber of the piston to nitriding or soft nitriding, it was possible to prevent fatigue failure starting from fine cracks during long-time operation of the combustion chamber rim. Further, since there is no deformation of the dimensional shape due to the nitriding treatment of the skirt portion of the piston, it can be accurately processed to a predetermined dimension.
Also, in cast iron pistons, ion nitriding is applied to the piston surface as nitriding or soft nitriding treatment, so that the processing time is shorter than conventional gas nitriding methods, deformation due to distortion is less, and the processed surface is clean. And the need for post-processing is eliminated in order to suppress the formation of a surface embrittlement layer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a half sectional view showing a cast iron piston according to a first embodiment of the present invention and a diagram showing a change in piston outer diameter before and after soft nitriding.
FIG. 2 shows the ratio of the amount of distortion to the outer diameter of the piston on the vertical axis, the ratio of the wall thickness of the center of the skirt to the length from the piston pin hole center to the lower end of the piston on the horizontal axis, and the lower end of the skirt with respect to the length. It is a figure which shows the relationship with the product of ratio with wall thickness.
FIG. 3 shows the relationship between the ratio of the thickness of the skirt lower end to the length of the vertical axis and the ratio of the thickness of the skirt central portion to the length from the piston pin hole center to the piston lower end of the horizontal axis. FIG.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the oxide film thickness on the vertical axis and the engine durability operating time on the horizontal axis.
FIG. 5 is a half sectional view showing a cast iron piston according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram for explaining nitriding treatment of a cast iron piston according to the prior art.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (2)
ピストンのスカート部肉厚を全周に設けると共に、ピストンピン穴中心からピストン下端までの長さLに対するスカート中央部の肉厚t1との比と、前記長さLに対するスカート下端の肉厚t2との比の積が0.0125〜0.2500の範囲にあると共にピストン表面の少なくともスカート部表面に窒化処理又は軟窒化処理を施すことを特徴とする内燃機関用ピストン。In cast iron pistons or iron-based pistons for internal combustion engines,
The thickness of the skirt portion of the piston is provided on the entire circumference, and the ratio of the thickness t1 at the center of the skirt to the length L from the center of the piston pin hole to the lower end of the piston, and the thickness t2 at the lower end of the skirt with respect to the length L A piston for an internal combustion engine, wherein the product of the ratio is in a range of 0.0125 to 0.2500, and at least the skirt portion surface of the piston surface is subjected to nitriding treatment or soft nitriding treatment.
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