Casting of Combustion Engine Pistons Before and Now on the Example of FM Gorzyce

エンジンピストン鋳造技術の進化：50年間の変革から学ぶ、次世代ダイカスト部品の生産性向上戦略

本技術概要は、M. Czerepak氏およびJ. Piątkowski氏によって執筆され、[ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING]（2023年）に掲載された学術論文「Casting of Combustion Engine Pistons Before and Now on the Example of FM Gorzyce」に基づいています。

キーワード

• 主要キーワード: エンジンピストン鋳造技術
• 副次キーワード: 永久鋳型鋳造、アルミニウム合金、シリンダー鋳造、表面処理、熱管理、鋳造自動化

エグゼクティブサマリー

• 課題: エンジン効率の向上と排出ガス削減の要求は、従来の鋳造法では対応が困難な、より複雑で軽量、かつ高耐久なピストンの開発を不可欠なものにしています。
• 手法: 本稿では、FM Gorzyce社における50年間にわたる永久鋳型鋳造機、ピストン設計、および表面処理技術の進化を分析しています。
• 重要なブレークスルー: 多回路冷却システムを備えた最新の自動鋳造ステーションと、ソルトコアやリングインサートなどの先進的なピストン設計を組み合わせることで、サイクルタイムを劇的に短縮（60秒から約13秒へ）し、熱性能を向上させました。
• 結論: ピストン鋳造の進化は、高性能な自動車部品を製造するためには、統合されたプロセス自動化、高度な熱管理、そして先進的な材料・部品の統合が不可欠であることを明確に示しています。

課題：この研究がダイカスト専門家にとって重要な理由

近年の自動車業界では、エンジンの熱機械的負荷の増大、燃費向上、排出ガス規制の強化といった要求が絶えず高まっています。これらの要求を満たすためには、エンジンの心臓部であるピストンの性能向上が不可欠です。特に、シリンダー内の温度と圧力の上昇は、ピストンに極めて高い性能を要求します。

本稿で紹介する研究は、第二次世界大戦後から現在に至るまでの約50年間で、内燃エンジン用ピストンの鋳造技術がどのように進化してきたかを、Federal-Mogul Gorzyce社の事例を通じて明らかにします。かつては手作業による単一の鋳型での重力鋳造が主流でしたが、現代の厳しい要求に応えるためには、生産効率、品質の均一性、そして製品の性能、そのすべてにおいて飛躍的な進歩が必要でした。この進化の軌跡は、高圧ダイカスト（HPDC）を含むすべての鋳造専門家にとって、生産性と品質を両立させるための貴重な知見を提供します。

アプローチ：研究手法の解明

本研究は、FM Gorzyce社における過去50年間の生産記録、技術資料、および実際の鋳造品を比較分析することに基づいています。

• 過去の技術（1970年代～1980年代）:
  • 鋳造機: 手動で溶湯を注湯する単一チャンバーの永久鋳型鋳造機が使用されていました（図1）。冷却システムはメインコアのみを対象とする単純なものでした。
  • 材料: 主にAlSi12（シルミン）合金が使用されました。
  • ピストン設計: 追加コンポーネントを持たない、比較的質量の大きいシンプルな構造でした（図3、4）。
• 現代の技術:
  • 鋳造機: 鋳造ロボットによる自動化された鋳造ステーションが導入されています。これらは両側に鋳型を持つダブル永久鋳型機であり、数値制御された8つの冷却回路を備えています（図5、6）。
  • 材料: Al-Si系合金（表1参照）がベースですが、より複雑な組成となっています。
  • ピストン設計: 冷却チャンネルを形成するためのソルトコアや、耐摩耗性を向上させるためのリングインサート（「アルフィン」インサート）が鋳込まれるなど、高度に複雑化しています（図10）。

この比較分析を通じて、技術的変革がピストンの性能と生産性にどのような影響を与えたかを明らかにしています。

ブレークスルー：主要な研究結果とデータ

発見1：鋳造機の劇的な進化と生産性の向上

鋳造機は、手動の単一鋳型機から、ロボットによる完全自動化されたダブル鋳型ステーションへと進化しました。最も重要な進歩は冷却システムにあります。旧式の機械では冷却が不均一で時間がかかりましたが、現代の機械は8つの独立した冷却回路を持ち、鋳型の開閉と同期して精密に温度を制御します。 この結果、ピストンの結晶化が均一になり、鋳造サイクルタイムは、直径80mmのピストンでかつての約60秒から約13秒以下へと劇的に短縮されました。この自動化と効率化により、2006年から2021年にかけて年間生産量は大幅に増加しました（図13）。

発見2：ピストン設計の高度化による性能向上

エンジンの高出力化と高効率化に対応するため、ピストン自体の設計も大きく変わりました。 - 旧設計: ピストンクラウンは単純なフラット形状で、内部構造もシンプルでした（図3、4）。 - 新設計: - 冷却チャンネル: ソルトコアを用いてピストンヘッド内部に複雑な冷却チャンネルを形成します（図9、10）。これにより、運転中にオイルが循環し、ピストンの最も高温になる部分を効果的に冷却します。 - リングインサート: 最も熱負荷の高いトップリング溝には、オーステナイト系鋳鉄製のリングインサート（アルフィンインサート）が鋳込まれます。これにより、リング溝の耐摩耗性が向上し、ピストンスカートの熱膨張を制御します。 - クラウン形状: 燃焼効率を最適化するため、ピストンクラウンには複雑な形状の燃焼室が設けられています（図7）。

これらの改良により、現代のピストンは1980年代の製品と比較して、ピストンクラウンの温度を約25～30%低減させ、耐久性を大幅に向上させています。

発見3：多様な表面処理技術の適用

鋳造後の機械加工を終えたピストンには、性能を最大限に引き出すための様々な表面処理が施されます。 - リン酸塩処理（Phosphatizing）: 表面に微細な凹凸を持つ層を形成し、後工程で施すグラファイトコーティングの密着性を高めます（図11）。 - グラファイトコーティング: ピストンスカートに特殊なグラファイトペーストをスクリーン印刷し、焼き付けます。これにより、ピストンとシリンダー間の摩擦を低減し、エンジンの慣らし運転中の焼き付きを防止します（図12）。 - 陽極酸化（Anodizing）: ピストンヘッドやトップリング溝に硬いAl2O3層を形成し、耐摩耗性と断熱性を向上させます。 - その他: 錫めっき、クロムめっき、モリブデンコーティングなど、用途に応じて様々なコーティングが施され、耐摩耗性、耐食性、摺動性を向上させています。

研究開発および生産現場への実践的示唆

• プロセスエンジニア向け: この研究は、多回路を用いた精密な局所冷却が、結晶化の均一化とサイクルタイムの短縮に極めて有効であることを示唆しています。HPDCにおいても、金型内の特定のエリアに対する高度な温度制御を導入することが、欠陥削減と生産性向上に貢献する可能性があります。
• 品質管理チーム向け: 本稿で紹介されている多様な表面処理（図11、12）は、コーティングの厚さや密着性といった特性が最終製品の性能を大きく左右することを示しています。これは、新たな品質検査基準を策定する際の重要な情報となり得ます。
• 設計エンジニア向け: ソルトコアやリングインサートの活用事例は、鋳込みインサート部品を前提とした設計が、単一部品では達成不可能な熱的・機械的特性を実現する鍵であることを示しています。凝固中の欠陥形成に与える影響も考慮し、設計の初期段階からこれらの要素を組み込むことが重要です。

論文詳細

Casting of Combustion Engine Pistons Before and Now on the Example of FM Gorzyce

1. 概要:

• Title: Casting of Combustion Engine Pistons Before and Now on the Example of FM Gorzyce
• Author: M. Czerepak, J. Piątkowski
• Year of publication: 2023
• Journal/academic society of publication: ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING
• Keywords: Casting, Silumins, Pistons, Permanent moulding casting machines, Surface treatment

2. Abstract:

The article discusses the most important changes in the construction of permanent mould casting machines, as well as the method of casting engine pistons and their construction on the example of Federal-Mogul (FM) Gorzyce. The system of automatic cooling of the presently used permanent mould casting machines coupled with robots which pour the liquid alloy ensures uniform crystallization of the pistons and optimal efficiency of the casting process. As a result of the necessity to improve the engine efficiency and thus reduce the fuel consumption and harmful substance emission, the construction of the pistons has changed as well. The piston castings, which are produced by gravity casting for metal moulds, have undergone a diametric transformation. Typical piston designs for gasoline and Diesel engines are shown together with the most important parts of the piston, the crown (combustion chamber) and the guide part (skirt). Depending on the type of engine, the present pistons characterize in differently shaped crown, a slimmed internal construction as well as component participation (cooling channels and ring inserts), and the piston skirts undergo surface treatment procedures.

3. Introduction:

The requirements set for combustion engine pistons have been systematically rising in the recent years. This mainly refers to increased thermo-mechanical loads as well as low combustion gas emission and fuel consumption. The need for a reduced car mass and high rotational engine speed have caused an increase of the mean and maximal working chamber pressures and inertial forces. These expectations can be fulfilled through e.g. different solutions realized inside the engine. These include increasing values of temperature and pressure in the cylinders, which set the highest requirements for the heart of the combustion engine, i.e. the piston.

After World War II, in Rzeszów, Wytwórnia Sprzętu Komunikacyjnego (WSK) (Transport Equipment Production Plant) was created, which produced casts from aluminium, magnesium and copper alloys for the automotive and aircraft industry. In the 1970s, WSK produced rims from Al-Si-Mg alloys and starting from 1980s, at the plant in Gorzyce, pins, ring inserts and pistons were produced. In 2001, WSK Gorzyce was acquired by Federal-Mogul Powertrain, and it is presently owned by Tenneco (FMG). Initially, the casting of liquid metal took place in metal moulds by means of the gravitation method in a vertical system. Single permanent moulds were mounted on the casting machines and the mould filling was performed manually with the use of special casting ladles (Fig.1). The metal crystallized in the permanent mould equipped with simple systems of cooling the most important components: the main core and the pin cores, which enforced directional solidification of the cast towards the riser head located in its upper section. The then used alloy for gasoline and Diesel engine pistons was mainly silumin AlSi12 [1-6].

4. 研究概要:

研究トピックの背景:

内燃エンジンピストンに対する要求は、熱機械的負荷の増大、燃費向上、排出ガス削減など、年々厳しくなっています。これらの要求に応えるため、ピストンの構造と製造プロセスは絶えず進化してきました。

従来の研究状況:

過去のピストン鋳造は、AlSi12合金を用いた手動の重力鋳造が主流でした。鋳造機は単一の金型を備え、冷却システムも単純なものであり、生産性と品質の均一性に課題がありました。

研究の目的:

本研究の目的は、Federal-Mogul Gorzyce社における過去50年間の事例に基づき、永久鋳型鋳造機、シルミン合金製ピストンの鋳造法、およびピストン自体の構造における主要な変化を明らかにすることです。

研究の核心:

本研究では、手動の単一鋳型機からロボットによる自動化された二連鋳型機への進化、単純なピストン構造から冷却チャンネルやリングインサートを組み込んだ複雑な構造への変化、そして摩擦低減や耐摩耗性向上のための多様な表面処理技術の導入という、3つの主要な技術的変革を詳細に分析しています。

5. 研究方法

研究デザイン:

本研究は、過去（1970年代～1990年代）と現在（2000年代以降）のピストン鋳造技術を比較分析する事例研究として設計されています。

データ収集と分析方法:

Federal-Mogul Gorzyce社が保有する技術資料、製造記録、および実際の鋳造品の写真や化学組成データ（表1、2）を用いて、鋳造機、ピストン設計、表面処理技術の変遷を時系列で比較・分析しました。

研究の対象と範囲:

研究対象は、ガソリンエンジンおよびディーゼルエンジン用のシルミン合金製ピストンです。範囲は、鋳造機の構造変化、冷却システムの近代化、ピストン構造（クラウン形状、内部構造、インサート部品）の変化に焦点を当てています。

6. 主要な結果:

主要な結果:

• 鋳造機は、手動の単一鋳型機から、ロボットによる完全自動化された二連鋳型機へと進化し、生産効率が大幅に向上しました。
• 最新の鋳造機は8つの独立した冷却回路を備え、均一な結晶化と約13秒という短いサイクルタイムを実現しています。
• ピストン設計は、冷却チャンネル（ソルトコア使用）やリングインサート（アルフィン処理）を組み込むことで、熱的・機械的負荷への耐性が大幅に向上しました。
• リン酸塩処理、グラファイトコーティング、陽極酸化などの多様な表面処理技術が導入され、ピストンの摺動性、耐摩耗性、耐久性が向上しています。
• これらの技術革新により、ピストンクラウンの温度は従来比で25～30%低減され、オイル消費の抑制にも貢献しています。

図の名称リスト:

• Fig. 1. Old method of casting pistons: a) manual casting; b) single permanent mould casting machine [7]
• Fig. 2. Permanent mould casting machine for casting single pistons [8]
• Fig. 3. Casts of an previous gasoline engine piston with diameter Ø 90 mm; a) after lowering the permanent mould casting machine; b) simply flat piston crown [7]
• Fig. 4. Cast of an old Diesel engine piston with a) diameter Ø 110 mm; b) piston casting after cutting off ingate system and riser [7]
• Fig. 5. Automatized station for casting piston MFGD (Multi Functional Gasoline Diesel) [7]
• Fig. 6. Model of a modern double permanent mould for piston casting (Gasoline) [7]
• Fig. 7. Exemplary pistons for engines with direct ejection: a-c) side view; d-f) piston head surface [7]
• Fig. 8. Exemplary pistons for Light Vehicles engines: a-c) side view; d-f) piston crown surface [7]
• Fig. 9. Internal construction of the present pistons: a-c) pistons from Figure 7; d-f) pistons from Figure 8 [7]
• Fig. 10. Modern pistons with a ring insert and a salt core for: a) a Diesel engine, b) a gasoline engine [7]
• Fig. 11. Pistons for a Diesel engine: a) aluminium before phosphatizing; b) aluminium after phosphatizing; c) steel before manganese phosphatizing; d) steel after manganese phosphatizing [7]
• Fig. 12. Piston skirt after graphite covering: a) for a Diesel engine; b) for a gasoline engine [7]
• Fig. 13. Piston production at Federal-Mogul 2006 - 2021 [7]

7. 結論:

自動車メーカーは、燃費向上、有害物質排出削減、そしてピストン-リング-シリンダー（PRC）システムの摩擦損失低減を目指しています。本稿で示したピストン鋳造技術の進化は、これらの目標達成に大きく貢献しています。鋳造プロセスの完全自動化、水冷システムの追加による冷却時間の短縮（約60秒から13秒以下へ）、そしてピストン構造の改良（ソルトコア、リングインサートの採用）は、生産効率を飛躍的に向上させました（図13）。 現代のピストンは、軽量化、低摩擦係数、そして特に高温になるクラウン部での優れた耐熱性を特徴とします。冷却チャンネルやリングインサートの採用により、ピストンクラウンの温度は1980年代のピストンと比較して25～30%低下し、耐久性向上とオイル消費抑制に繋がっています。これらの先進的な製造技術は、過給ディーゼルエンジンのような極めて高い熱機械的負荷に耐えるピストンの生産を可能にしています。

8. 参考文献:

• [1] Pietrowski, S. (2001). Silumines. Łodź: Publishing University of Technology. (in Polish).
• [2] Ranjith Kumar, P., Chandrasekaaran, K. & Kannan, TTM. (2021). Investigation and Analysis of Engine Piston Rod Material. Automotive Material. London: LAP Lambert.
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• [4] Kammer, C. (2011). Aluminium Handbook. Vol. 1: Fundamentals and Materials. Beuth Verlag GmbH.
• [5] Manasijevic, S. (2012). Aluminum Piston Alloys. Radiša, R. (Ed.). Serbia: LOLA Institute Belgrade.
• [6] Oppenheim, A.K. (2004). Combustion in Piston Engines. Technology, Evolution and Control. Springer.
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• [8] Pater, Z. (2014). Basics of metallurgy and foundry. Lublin.
• [9] Pietrowski, S. & Szymczak, T. (2006). The influence of selected factors on the cnstruction of the alfined layer on iron alloys. Archives of Foundry. 6(19), 251-266. (in Polish). ISSN 1642-5308.
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専門家Q&A：技術的な疑問にお答えします

Q1: リングインサートに「アルフィン（alfinating）」処理が必要なのはなぜですか？ A1: アルフィン処理は、オーステナイト鋳鉄製のリングインサートをAl-Si合金の溶湯に短時間浸漬するプロセスです。これにより、インサート表面に拡散層が形成され、ピストン本体のアルミニウム合金との冶金的な結合が強固になります。この処理を行わないと、鋳造時にインサートとピストンが十分に密着せず、熱伝導の阻害やインサートの脱落といった問題が発生する可能性があります。

Q2: ソルトコアの主な機能と、それがピストン性能にどう貢献するのかを教えてください。 A2: ソルトコアの主な機能は、ピストンヘッド内部に複雑な形状の冷却チャンネルを形成することです。塩化ナトリウム（NaCl）を主成分とするソルトコアは、鋳造後に水で洗い流すことで除去され、内部に空洞（チャンネル）を残します。エンジンの運転中、このチャンネル内にエンジンオイルが圧送・循環することで、燃焼によって最も高温になるピストンクラウンやトップリング周辺を効果的に冷却し、ピストンの耐久性を向上させ、異常燃焼を防ぎます。

Q3: 鋳造機の冷却システムは具体的にどのように進化したのですか？ A3: 過去の鋳造機では、冷却はメインコアなど一部の部品に限られた単純なものでした。これに対し、現代の自動鋳造機は、数値制御された電磁弁を持つ最大8つの独立した冷却回路を備えています。これにより、鋳型の各部分の温度を精密に制御し、鋳物全体の均一な凝固と結晶化を促進します。この高度な熱管理システムが、サイクルタイムの大幅な短縮と品質の安定化を実現する鍵となっています。

Q4: ピストンスカートに施されるグラファイトコーティングの目的は何ですか？ A4: グラファイトコーティングの主な目的は3つあります。第一に、グラファイトの自己潤滑性により、ピストンとシリンダー間の摩擦を低減することです。第二に、コーティング表面の微細な凹凸がオイルを保持しやすくする（油膜保持性の向上）ことで、潤滑性を高めます。第三に、特にエンジンの初期慣らし運転（ブレーキングイン）時に、金属同士の直接接触を防ぎ、焼き付き（seizing）を防止する保護層として機能します。

Q5: 論文の図13では生産量が大幅に増加していますが、その最大の要因は何ですか？ A5: 生産量増加の最大の要因は、複数の技術革新の組み合わせによるものです。具体的には、①鋳造ロボットによる注湯、製品取り出しの完全自動化、②1台の機械で2つの製品を同時に生産できるダブル永久鋳型機の採用、③そして前述の高度な水冷システムによる冷却時間の大幅な短縮（サイクルタイムの短縮）です。これらの要素が組み合わさることで、プロセス全体の効率が飛躍的に向上しました。

結論：高品質と高生産性を両立させる未来へ

本稿で紹介したエンジンピストン鋳造技術の進化は、自動車業界の厳しい要求に応えるための、絶え間ない技術革新の歴史そのものです。プロセスの自動化、高度な熱管理、そしてインサート部品を統合した複雑な製品設計という3つの柱は、永久鋳型鋳造だけでなく、高圧ダイカスト（HPDC）においても、高品質と高生産性を両立させるための普遍的な成功法則と言えるでしょう。

「CASTMANでは、業界の最新の研究成果を応用し、お客様の生産性と品質の向上を支援することをお約束します。本稿で議論された課題がお客様の事業目標と一致する場合、これらの原則をお客様の部品にどのように適用できるか、ぜひ当社のエンジニアリングチームにご相談ください。」

著作権情報

• このコンテンツは、M. Czerepak氏およびJ. Piątkowski氏による論文「Casting of Combustion Engine Pistons Before and Now on the Example of FM Gorzyce」を基にした要約および分析です。
• 出典: https://doi.org/10.24425/afe.2023.144296

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