JP3846811B2 - 内燃機関用ピストン - Google Patents

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。

Claims (2)

1. 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内燃機関用ピストン。
2. ピストンの表面の窒化処理又は、軟窒化処理は、イオン窒化である請求項１に記載の内燃機関用ピストン。

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