CN110621868B - 内燃机用活塞及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供内燃机用活塞及其制造方法。该内燃机用活塞具备钢制的第1部件、以及经由环状的接合层与上述第1部件接合的铝合金制的第2部件，上述接合层的厚度在上述接合层的内周侧以及外周侧的双方均为1.0μm以上20.0μm以下。

Description

内燃机用活塞及其制造方法

技术领域

本发明涉及内燃机用活塞及其制造方法。

本申请基于2017年7月14日在日本提交的特愿2017-138445号而主张优先权，并将其内容援引于此。

背景技术

随着汽车用发动机的高输出化以及低燃料消化率化，气缸内的燃烧温度以及燃烧压力逐渐变高。其中，柴油发动机用的活塞特别要求高温耐久性。此外，为了减少活塞上下运动时的由惯性力引起的动力损失，还要求活塞的轻量化。进而，活塞裙部以及气缸由于与燃烧相伴随的温度上升而热膨胀，但为了将它们之间的间隙保持为一定，还需要使活塞裙部的热膨胀率与气缸的热膨胀率为相同程度。

作为以往的柴油发动机用活塞，为了轻量化而一直使用对JISAC8A等铝合金进行铸造来制造的活塞。但是，由铝合金制造的活塞存在高温耐久温度低至大约300℃这样的问题。

对于上述那样的内燃机用活塞提出有各种方案。

例如，在专利文献1中提出有使用了铸钢的活塞，该铸钢的基体组织为δ铁素体-马氏体、且组织中的共晶碳化物以3μm以下形成共晶团。在通过铸造而制造为一体物的情况下，由于能够通过同时复合成形来进行制造，所以具有能够降低机械加工等的成本的优点。

但是，对于由铸钢制造的活塞，由于其制造上的限制，而在使活塞的壁厚变薄的方面存在极限。而且，由于活塞整体的材质为钢，所以存在活塞的重量较大这样的问题。

此外，在专利文献2中提出有如下方案：为了在活塞的环部设置冷却通道，而将活塞分割成上下部件并分别进行锻造，之后，通过激光将这些上下部件进行接合而一体化。此处，将活塞的头顶部侧作为活塞上部，将活塞裙侧作为活塞下部。

但是，在激光接合时，由于存在与其接合方向相关的限制，因此对于上下部件的形状也产生限制。此外，由于激光接合为熔融接合，所以通过铝合金与钢的接合而形成的合金层变厚。由于该合金层包含脆化组织，所以较厚的合金层导致接合强度降低。

此外，在专利文献3中公开有以活塞的耐热性以及轻量化为目的的构造。即，在活塞上部使用耐热性较高的钢，另一方面，在活塞下部以轻量化为目的而使用铝合金。并且，通过摩擦接合将这些活塞上部与活塞下部之间一体化。

但是，在将钢与铝合金进行接合的活塞中，由于往复运动而对接合部施加的载荷变大，因此需要增大接合面积。因此，即便在摩擦压接时在接合面的远离旋转轴的外侧的接合强度变高的条件下进行接合，也存在接合面的接近旋转轴的内侧成为未接合的问题。反之，当在接合面的接近旋转轴的内侧的接合强度变高的条件下进行接合时，存在外侧的合金层变厚、接合强度变低这样的问题。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2004/094808号

专利文献2：日本特表2014-531558号公报

专利文献3：日本特开2000-303904号公报

发明内容

发明要解决的课题

当在活塞裙部使用4000系列的铝合金的情况下，能够将膨胀率抑制得较低。但是，由于在铝合金中含有大量的Si，所以在表面上附着较厚的氧化膜。此外，与其他铝合金相比较，4000系列的铝合金为低熔点。因此，在如上述专利文献3那样对活塞裙部进行摩擦接合的情况下，当为了除去氧化膜而增大摩擦力时，存在铝合金的一部分熔融而在其与钢之间的界面生成金属间化合物这样的问题。

如上所述，对于柴油发动机用活塞，要求用于改善燃烧效率的活塞轻量化以及活塞上部的高温耐久性的双方。此外，为了在从使柴油发动机在低温下起动起到在高温下进行高负载运转为止的期间，使活塞裙部与气缸之间的间隙成为一定，还要求活塞裙部为低膨胀率。

在使上述轻量化优先而通过铝合金制造了活塞整体的情况下，活塞上部的高温疲劳特性变低，耐久性成为问题。反之，在使耐久性优先而通过钢制造了活塞整体的情况下，重量变大，燃料消化率降低。

为了解决这些问题的双方，优选使活塞上部为耐热性优异的钢制并且使活塞下部为轻量的铝合金制，并通过摩擦接合将这些活塞上部以及活塞下部之间进行固相接合。但是，当摩擦接合的温度变高时，在这些活塞上部以及活塞下部之间的接合界面生成较厚的由钢-铝合金形成的过渡层。由于该过渡层含有脆化组织，因此，当生成较厚的过渡层时，活塞上部以及活塞下部之间的接合强度降低。

上述专利文献3所公开的技术也具有同样的问题。即，在活塞上部以及活塞下部之间的摩擦接合时，在将它们的接合面中的接近旋转轴的一侧设为内周侧、而将远离旋转轴的一侧设为外周侧的情况下，即便使外周侧的过渡层成为适当厚度，由于内周侧的厚度不足，所以有时也无法完全除去氧化层，而接合强度较低。反之，使内周侧的过渡层成为适当厚度的结果，有时外周侧的厚度过厚而变脆，接合强度也变低。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供耐久性较高且轻量的内燃机用活塞及其制造方法。

用于解决课题的手段

为了解决上述课题而实现上述目的，本发明采用了以下的方式。

(1)本发明的一个方式的内燃机用活塞具备钢制的第1部件、以及经由环状的接合层与上述第1部件接合的铝合金制的第2部件，上述接合层的厚度在上述接合层的内周侧以及外周侧的双方均为1.0μm以上20.0μm以下。

根据上述(1)所记载的方式，通过耐热性较高的钢制的第1部件与轻量的铝合金制的第2部件的组合，能够兼顾较高的耐久性与轻量化。进而，由于接合层的内周侧以及外周侧的双方处于1.0μm～20.0μm的范围内，所以还能够避免接合层过度地具有厚度而脆化、或者接合层过度地变薄而无法确保足够的接合强度的不良情况。

(2)在上述(1)所记载的内燃机用活塞中也可以为，上述接合层的从上述外周侧的上述厚度减去上述内周侧的上述厚度而得到的差分为10.0μm以下。

在上述(2)所记载的情况下，能够沿着径向得到均匀的接合强度。

(3)本发明的其他方式为上述(1)或者上述(2)所记载的内燃机用活塞的制造方法，具有：将上述第1部件固定于固定位置的工序；使上述第2部件一边旋转一边相对于上述第1部件按压而进行摩擦加热的工序；以及在使上述第2部件的旋转停止之后，将上述第2部件相对于上述第1部件按压而形成上述接合层的工序，在上述摩擦加热的工序中，对于比上述第1部件与上述第2部件之间的接合位置靠上述第2部件侧的位置处的上述第2部件的外周面供给冷却流体。

根据上述(3)所记载的方式，能够将第1部件与第2部件之间的接合层在其内周侧以及外周侧的双方形成为1.0μm～20.0μm的范围内的厚度。因此，能够使第2部件相对于第1部件具有较高的接合强度地接合。

(4)在上述(3)所记载的内燃机用活塞的制造方法中，也可以成为以下那样：在上述摩擦加热的工序中，使上述第2部件一边以1000rpm～2500rpm的转速旋转一边相对于上述第1部件以2.0MPa以上20.0MPa以下的按压力按压10.0秒以上60.0秒以下，在形成上述接合层的工序中，将上述第2部件相对于上述第1部件以10.0MPa以上50.0MPa以下且比上述摩擦加热的工序中大的按压力按压1.0秒以上10.0秒以下。

在上述(4)所记载的情况下，能够更可靠地将接合层形成为适当的厚度。

(5)在上述(3)或者(4)所记载的内燃机用活塞的制造方法中也可以为，在上述摩擦加热的工序中，使上述第2部件的外周面的温度成为200℃以上550℃以下。

在上述(5)所记载的情况下，能够将接合层的外周侧的厚度管理为更适当的厚度。

发明的效果

根据本发明的上述各方式，能够提供耐久性较高且轻量的内燃机用活塞及其制造方法。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式的内燃机用活塞的立体图。

图2A是以图1的A-A截面观察该内燃机用活塞的截面图。

图2B是以图1的B-B截面观察该内燃机用活塞的截面图。

图3A是以图1的A-A截面观察该内燃机用活塞的活塞上部的截面图。

图3B是以图1的B-B截面观察该内燃机用活塞的活塞上部的截面图。

图4A是以图1的A-A截面观察该内燃机用活塞的活塞下部的截面图。

图4B是以图1的B-B截面观察该内燃机用活塞的活塞下部的截面图。

图5是将该内燃机用活塞的活塞上部的接合面与活塞下部的接合面同轴地重合了的说明图。

图6是表示该内燃机用活塞制造装置的一例的示意图。

图7是图6的C部分放大图。

图8A是表示该实施方式的内燃机用活塞的制造方法的流程图。

图8B是表示图8A的后续的流程图。是与A相当的截面图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的一个实施方式的内燃机用活塞及其制造方法进行说明。

图1是本实施方式的内燃机用活塞1的立体图。图2A是以图1的A-A截面观察该内燃机用活塞的截面图。图2B是以图1的B-B截面观察该内燃机用活塞的截面图。图3A是以图1的A-A截面观察该内燃机用活塞的活塞上部的截面图。图3B是以图1的B-B截面观察该内燃机用活塞的活塞上部的截面图。图4A是以图1的A-A截面观察该内燃机用活塞的活塞下部的截面图。图4B是以图1的B-B截面观察该内燃机用活塞的活塞下部的截面图。

另外，各图中的符号CL表示内燃机用活塞1的中心轴线。

内燃机用活塞1是适合于汽车用发动机、特别是柴油发动机的用途的活塞。

如图1～图2B所示，内燃机用活塞1具备圆盘状的活塞上部2(第1部件)、以及一体地接合于该活塞上部2的下表面的筒状的活塞下部3(第2部件)。

如图3A以及图3B所示，在活塞上部2的形成上表面的顶部2b形成有空腔2a，该空腔2a形成燃烧室的一部分。空腔2a是与中心轴线CL同轴地形成的大致圆环状的凹部空间，其中央部分2a1朝向上方隆起。

此外，在活塞上部2的形成接合面的下表面2c形成有冷却通道2d以及凹处2e。冷却通道2d是与中心轴线CL同轴地形成的圆环状的流路。此外，凹处2e也以与中心轴线CL成为同轴的方式形成在上述中央部分2a1的背面侧。在图3A所示的截面中观察的情况与在图3B所示的截面中观察的情况下，凹处2e的截面形状不同，与轴线CL正交的左右方向的宽度尺寸互不相同。

进而，在活塞上部2的外周面2f上，以与中心轴线CL成为同轴的方式，从上朝下依次排列形成有顶环槽2f1、第2环槽2f2、以及第3环槽2f3。

如图4A以及图4B所示，活塞下部3具有裙部3a。

如图1所示，裙部3a成为一部分被切除的大致筒状，具有一对圆弧外周面3b、以及形成在这些圆弧外周面3b的两侧缘之间的一对切除面3c。如图2A所示，各圆弧外周面3b具有与活塞上部2的外周面2f相同的外径尺寸，并成为齐平面。

另一方面，如图1所示，各切除面3c由比圆弧外周面3b凹陷而成为V字状的2个平面3c1、3c2形成。并且，形成有比这2个平面3c1、3c2朝向内燃机用活塞1的径向外侧鼓出的凸台部3d。如图2A以及图2B所示，该凸台部3d在裙部3a的内部也朝向内燃机用活塞1的径向内侧鼓出。在如此形成的一对凸台部3d上，分别形成有供未图示的活塞销插通的活塞销孔3d1。这一对活塞销孔3d1具有共同的轴线PCL。该轴线PCL与所插通的上述活塞销的轴线一致。

此外，图4A以及图4B所示的活塞下部3的上表面3e成为与活塞上部2的下表面2c接合的接合面。在上表面3e上形成有与上述冷却通道2d一起形成流路的环状的冷却通道3f。进而，在上表面3e上形成有与活塞上部2的凹处2e相连的开口3g。该开口3g具有与凹处2e的开口相同的形状，并且，与裙部3a的内部空间连通。开口3g为，在以图4A所示的截面观察的情况与以图4B所示的截面观察的情况下截面形状不同，与轴线CL正交的左右方向的宽度尺寸互不相同。

如以上说明的那样，上表面3e与下表面2c具有彼此相同的形状。并且，通过将上表面3e相对于下表面2c进行摩擦接合，由此在图2A以及图2B所示的粗线位置形成过渡层a(以下，称作Fe-Al过渡层)。

在具有以上说明的构成的内燃机用活塞1中，尤其是活塞上部2由于气缸内部的燃烧而暴露于高温。内燃机用活塞1的燃烧效率通过在其燃烧室内进行高温且高压缩的燃烧来提高。因此，为了提高燃烧效率，而要求活塞上部2的足够的高温疲劳强度。

但是，由于铝合金的高温疲劳强度较低，所以在燃烧室内无法以高温以及高压缩进行燃烧。因此，在活塞上部2使用高温疲劳强度较高的钢。具体而言，通过对钢进行铸造、热锻或者冷锻来成型为图2A、图3A以及图3B所示的形状，由此得到活塞上部2。作为所使用的钢，能够适当地采用作为低合金钢的SCM435或者SCM440。

但是，当除了活塞上部2以外、使活塞下部3也为钢制时，内燃机用活塞1整体的重量过度增加。在该情况下，内燃机用活塞1上下运动时的惯性重量变大，能量损失增大。因而，使活塞下部3为铝合金制。即，通过对铝合金进行冷锻，而得到图4A以及图4B所示那样的形状的活塞下部3。作为铝合金，每个适当地使用一般的4000系列。

在由钢制造了活塞上部2并且由铝合金制造了活塞下部3之后，将活塞下部3相对于活塞上部2进行接合，由此能够得到兼顾了轻量化以及较高的高温疲劳强度的内燃机用活塞1。

但是，在使钢制的活塞上部2与铝合金制的活塞下部3的界面暂时熔融而进行接合的方法中，在接合界面形成有较厚的由钢与铝合金形成的较脆的合金层，无法确保活塞上部2与活塞下部3之间的接合强度。

因此，可以考虑采用在接合界面几乎不形成合金层的固相接合即摩擦搅拌接合(Friction Stir Welding。以下，简称为摩擦接合)。在进行了摩擦接合的情况下，在活塞上部2与活塞下部3之间的接合面上，钢与铝合金的母材不是相互熔合，而是通过双方的母材彼此相互扩散而形成较薄的层来进行接合。根据该方法，在接合面不生成较厚的合金层，就能够实现较高的接合强度。

为了通过摩擦接合将活塞上部2与活塞下部3之间进行固相接合，首先将活塞上部2进行固定，接着使活塞下部3一边旋转一边向活塞上部2按压。

但是，被用作为活塞下部3的4000系列的铝合金与其他铝合金相比较，存在熔点较低且表面的氧化膜较厚这样的问题。为了除去氧化膜，虽然也可以考虑提高摩擦接合时的按压力以及转速，但在该情况下，铝合金高温化而一部分熔化，并形成较厚的Fe-Al过渡层。这样的较厚的Fe-Al过渡层有可能显著损害活塞上部2与活塞下部3之间的接合强度。反之，当为了避免形成较厚的Fe-Al过渡层而抑制摩擦接合时的按压力以及转速时，此次成为如下结果：氧化膜未被完全除去而残留，其结果，还是无法得到足够的接合强度。

如此，仅单纯地应用以往的摩擦接合，无法得到能够经得起实用的接合强度，因此实际情况是难以实用化。本发明人在上述状况下进行了锐意研讨的结果，得到了用于通过摩擦接合来得到最佳的接合强度的与Fe-Al过渡层的厚度相关的条件、以及用于满足该条件的最佳的制造方法。

即，反复研讨的结果，判明了如下情况：当活塞上部2与活塞下部3之间的接合界面处的Fe-Al过渡层的厚度小于1.0μm或者超过20.0μm时，接合强度降低。另外，所谓“Fe-Al过渡层的厚度”是指，在钢制的活塞上部2与铝合金制的活塞下部3的接合部中，钢或者铝合金的浓度以质量％从母材的95％降低至5％为止的、沿着轴线CL的长度。

具体而言，当Fe-Al过渡层的厚度小于1.0μm时，接合面的氧化膜无法完全除去，因此接合强度变低。反之，当Fe-Al过渡层的厚度成为20.0μm以上时，Fe-Al过渡层较脆而容易产生脆性破坏，接合强度变低。

另一方面，当Fe-Al过渡层的厚度在1.0～20.0μm的范围内时，活塞上部2与活塞下部3之间的接合强度显著提高。具体而言，活塞上部2与活塞下部3之间的接合部的抗拉强度成为4000系列的铝合金的母材的抗拉强度以上(300MPa以上)。如此，在接合部的接合强度足够高时，在对内燃机用活塞1施加了拉伸载荷的情况下，在与钢以及接合部相比抗拉强度低的铝合金制的活塞下部3产生断裂。因此，内燃机用活塞1的断裂应力主要由活塞下部3的抗拉强度来决定。另一方面，在接合部的接合强度不充分时，由于拉伸载荷而在接合部产生断裂。在该情况下，内燃机用活塞1的断裂应力由接合部的接合强度来决定。

另外，内燃机用活塞1的断裂应力通过以下的步骤来测定。将活塞上部2侧固定于拉伸试验用夹具(未图示)的固定位置，在活塞下部3的活塞销孔3d1中插入轴体(未图示)，然后使保持上述轴体的夹具沿着上述轴线CL朝从活塞上部2离开的方向移动。如此，逐渐增加活塞上部2与活塞下部3之间的拉伸载荷，将产生断裂时的拉伸载荷除以活塞上部2与活塞下部3之间的接合面积而得到的值作为断裂应力。

上述Fe-Al过渡层的厚度的下限优选为1.7μm，更有选为5.8μm。另一方面，上述Fe-Al过渡层的厚度的上限优选为19.8μm，更优选为16.8μm。

参照图5对Fe-Al过渡层的厚度的测定方法进行说明。图5是将内燃机用活塞1的活塞上部2的接合面(下表面2c)与活塞下部3的接合面(上表面3e)同轴地重合了的说明图。

首先，以包含轴线CL的4个截面C1～C4将内燃机用活塞1切断而分成4个部分。作为4个截面C1～C4，以在沿着轴线CL的视线观察时成为等角度间隔(即90°间隔)的方式决定截面。

在4个截面C1～C4中分别进行基于EPMA的线分析，求出从铝成分为95％的点到为5％的点的厚度。此时，EPMA的光束直径为2nm。

另外，在一处的截面中相互接合的两个切断面中，Fe-Al过渡层的厚度相互相同，因此选择它们中的任一方来求出厚度。此外，每一个截面的测定部位是内燃机用活塞1的外周侧1点与内周侧1点的合计2点。根据图5对这2点的具体位置进行说明。

例如，在截面C3的外周侧，在从内燃机用活塞1的外周面朝向其径向内侧为20μm深度的位置P1处进行厚度测定。此外，在截面C3的内周侧，首先，确定凹处2e的开口上的各点以及开口3g上的各点中的离中心轴线CL最远的点。然后，规定使所确定出的点成为圆周上的点且以中心轴线CL为中心的圆。当使用图5更具体地进行说明时，凹处2e的开口与开口3g具有相同的形状，因此首先关注开口3g的形状。在开口3g上的各点中，离中心轴线CL最远的点是P0。因此，规定在圆周上包含点P0且以中心轴线CL为中心的圆IC。然后，将从该圆IC与截面C3的交点朝向径向外侧离开了20μm的位置设为点P2。

在如此求出的点P1、P2上分别求出Fe-Al过渡层的厚度。在其他截面C1、C2、C4中也进行同样的测定。在全部截面C1～C4的各自中对各2个点进行了厚度测定的结果，能够得到外周侧4个点与内周侧4个点的合计8个点的测定结果。

接着，求出外周侧的4个点P1的厚度测定值的平均值。同样地，求出内周侧的4个点P2的厚度测定值的平均值。如果如此求出的外周侧的厚度平均值和内周侧的厚度平均值均在上述的1.0～20.0μm的范围内，则能够确保充分的接合强度。

对在规定上述内周侧的点P2时以圆IC为基准的理由进行说明。

在摩擦接合中，在将活塞下部3的接合面(上表面3e)相对于活塞上部2的接合面(下表面2c)按压的同时使其旋转。此时，由于凹处2e以及开口3g都不是圆形，所以在下表面2c以及上表面3e双方的内周侧，产生随着活塞下部3的旋转而反复受到摩擦或不受摩擦的部分。这样的部分比图5的圆IC靠内周侧，为了得到牢固的摩擦接合，要求管理比圆IC靠外侧的环状部分的Fe-Al过渡层的厚度。基于这样的理由，要求在能够得到稳定的摩擦接合的、比圆IC处于外侧的上述环状部分内管理Fe-Al过渡层的厚度。

另外，也可以考虑取消凹处2e以及开口3g的双方，使下表面2c以及上表面3e分别成为单纯的圆形平面。但是，在该情况下，圆形平面的中央部分的圆周速度比外周部分的圆周速度慢，因此有可能无法得到适当的接合强度。因此，作为下表面2c以及上表面3e，优选为中央部分开口的大致环状面。

另一方面，在上述环状部分内，内周侧与外周侧的圆周速度也不同，因此存在与圆周速度较慢的内周侧相比、圆周速度较快的外周侧的Fe-Al过渡层的厚度变厚的趋势。

在由铝合金形成的活塞下部3的摩擦接合时，需要除去形成于上表面3e的氧化膜并且使Fe-Al过渡层成为适当的厚度。尤其是，需要使其不会产生上述环状部分的内周侧的氧化膜除去不足以及Fe-Al过渡层的厚度不足。为此，也可以考虑单纯地增加活塞下部3的转速以及按压力(以下，称为摩擦压力)中的至少一方。但是，在该情况下，在上述环状部分的外周侧圆周速度有可能过度上升而所需以上地高温化，且Fe-Al过渡层变得过厚。

在本实施方式中，针对该问题采用后述的制造方法，由此能够使Fe-Al过渡层的厚度在上述环状部分的内周侧与外周侧不产生较大的差而确保均匀的厚度分布。具体而言，Fe-Al过渡层的从外周侧的厚度减去内周侧的厚度而得到的差分为10.0μm以下。因此，在上述环状部分的整体中形成接合强度较高的过渡层，能够在接合面整体中确保充分的接合强度。

图6表示本实施方式的内燃机用活塞1的制造装置10。此外，图7表示图6的A部分的放大截面图。

如图6所示，制造装置10具备基台11、固定在基台11上的固定卡盘12、安装在基台11上的旋转驱动部13、保持于旋转驱动部13的旋转卡盘14、空气供给源15、经由柔性配管15a与空气供给源15连接的喷嘴16、以及未图示的控制装置。

固定卡盘12将活塞上部2以其中心轴线CL成为水平的方式进行保持而固定在固定位置。

旋转卡盘14与活塞上部2同轴地保持活塞下部3。

旋转驱动部13使旋转卡盘14围绕中心轴线CL旋转，并且使旋转卡盘14相对于固定卡盘12接近或分离。旋转驱动部13具有测定旋转卡盘14的转速的第1测定部(未图示)、以及测定旋转卡盘14的按压力(摩擦压力以及顶锻压力)的第2测定部(未图示)。

如图6以及图7所示，喷嘴16在比活塞上部2与活塞下部3之间的接合面(下表面2c与上表面3e的接合面)朝活塞下部3侧偏移了规定距离的位置处，对于该活塞下部3的外周面3A喷吹从空气供给源15经由柔性配管15a供给的冷却流体即压缩空气。作为该规定距离，例如优选从上述接合面朝向活塞下部3使L1＝2mm的位置P。虽然喷嘴16被固定，但在摩擦加热时活塞下部3旋转，因此能够在包含位置P的带状冷却范围内，在周向上均匀地冷却活塞下部3的外周面。另外，作为冷却流体，也可以代替压缩空气而使用水等液体。

上述控制装置进行旋转驱动部13的驱动控制、以及压缩空气从喷嘴16喷吹的开启/关闭控制。

接着，使用图8A以及图8B的流程图对使用了制造装置10的内燃机用活塞1的制造方法进行说明。

首先，在步骤S1中，将活塞上部2固定于固定卡盘12，并将活塞下部3固定于旋转卡盘14。然后，以凹处2e与开口3g准确地重叠的方式进行旋转方向的定位。

在接下来的步骤S2中，上述控制部使空气供给源15起动，开始从喷嘴16仅对活塞下部3的外周侧喷吹压缩空气的强制冷却。另外，对于活塞下部3的内周侧不喷吹压缩空气，而成为自然散热。

在接下来的步骤S3中，接收到来自上述控制部的指示的旋转驱动部13使保持有活塞下部3的旋转卡盘14旋转。此时，上述第1测定部测定旋转卡盘14的转速，并以成为规定转速的方式进行反馈控制。在旋转卡盘14的转速稳定之后，旋转驱动部13将旋转卡盘14朝向固定卡盘12送出。

在接下来的步骤S4中，活塞下部3的上表面3e相对于活塞上部2的下表面2c轻微地抵接，上述第2测定部检测到此时的反作用力。由此，判断为活塞上部2与活塞下部3同轴地接触。

在接下来的步骤S5中，旋转驱动部13将旋转卡盘14朝向固定卡盘12进一步按压，以便在将旋转卡盘14的转速保持为上述规定转速的状态下得到规定的摩擦压力。

在接下来的步骤S6中，通过上述第2测定部测定活塞下部3相对于活塞上部2的按压力的强度即摩擦压力是否处于规定范围内。测定的结果，如果摩擦压力不足(步骤S6：否)，则返回到步骤S5而进一步送出活塞下部3。另一方面，如果摩擦力适当(步骤S6：是)，则不进行进一步的送出而进入步骤S7。

如此，活塞下部3的上表面3e相对于活塞上部2的下表面2c一边旋转一边具有规定的摩擦压力地滑动接触，作为其结果，上表面3e以及下表面2c的双方通过摩擦热来加热。通过该摩擦热和摩擦压力，覆盖活塞下部3的上表面3e的氧化膜被除去。此外，由于从步骤S2起持续地进行压缩空气的喷吹，所以活塞下部3的外周侧被持续冷却，防止过度的加热。其结果，在图5所示的上述环状部分的整面中，能够在其内周侧与外周侧使加热量不产生较大的差而均匀地加热。

在接下来的步骤S7中，判断从摩擦压力的施加开始起是否经过了规定时间。即，确认从步骤S4中的抵接开始起到当前时刻为止的经过时间。作为确认的结果，在尚未达到规定的施加时间的情况下(步骤S7：否)，返回到步骤S6，再次对摩擦压力进行控制。另一方面，作为确认的结果，在达到了规定的施加时间的情况下(步骤S7：是)，进入步骤S8。

另外，在上述步骤S5～S7中，通过测定摩擦压力来进行反馈控制，但并不限定于该方式。例如，多次试制内燃机用活塞1，并求出作为其结果而得到了最佳结果时的旋转卡盘14的转速、旋转卡盘14的送出量、以及摩擦压力的施加时间等的各条件。并且，在以后的实际产品的生产中，只要以满足这些条件的方式由上述控制部进行控制即可。

在接下来的步骤S8中，使旋转卡盘14的旋转停止。此时，使活塞下部3相对于活塞上部2的围绕中心轴线CL的相对旋转位置与在步骤S1中所定位的旋转位置一致。其结果，活塞下部3相对于活塞上部2被定位为，活塞上部2的凹处2e与开口3g准确地重叠。

在接下来的步骤S9中，将保持于旋转卡盘14的活塞下部3相对于活塞上部2具有规定的顶锻压力地进行按压。作为此时的顶锻压力，优选在摩擦压力的2倍以上10倍以下的范围内。在顶锻压力小于2倍时，Fe-Al过渡层过度地形成而变得过厚。进而，氧化膜无法被充分除去，而接合强度降低。反之，当顶锻压力超过10倍时，Fe-Al过渡层变得过薄。

在接下来的步骤S10中，由上述第2测定部测定活塞下部3相对于活塞上部2的按压力的强度即顶锻压力是否处于规定范围内。作为测定的结果，如果顶锻压力不足(步骤S10：否)，则返回到步骤S9而进一步送出活塞下部3。另一方面，如果顶锻压力适当(步骤S10：是)，则不进行进一步的送出而进入步骤S11。

如此，活塞下部3的上表面3e相对于活塞上部2的下表面2c被完全地固相接合，并形成有成为规定厚度的接合层的Fe-Al过渡层。与使铝合金熔融而进行接合的情况相比，该Fe-Al过渡层极薄、且接合强度较高。并且，如上所述，对于上述环状部分的外周侧通过冷却来抑制过度加热，因此防止Fe-Al过渡层的外周侧部分脆化而从此处断裂。

另一方面，在上述环状部分的内周侧，能够增加活塞下部3的转速来进行补充，以便能够避免由于圆周速度比外周侧慢而覆盖活塞下部3的上表面3e的氧化层无法完全除去的事态、由于摩擦加热不充分而无法得到接合强度的事态等。此时，如上所述，在上述环状部分的外周侧，被适当地持续冷却，因此即便增加活塞下部3的转速也不会产生问题。

另外，在本实施方式中，在步骤S10中采用适当地管理顶锻压力的压力控制，但并不限定于该方式，也可以采用位移控制。在该情况下，在步骤S10中，判断旋转卡盘14的送出量是否达到规定。然后，在判断为送出量不足的情况下返回到步骤S9，在判断为送出量足够的情况下进入步骤S11。

在接下来的步骤S11中，判断从顶锻压力的施加开始起是否经过了规定时间。即，确认从步骤S9中的顶锻开始起到当前时刻为止的经过时间。作为确认的结果，在尚未达到规定的施加时间的情况下(步骤S11：否)，返回到步骤S10，再次对顶锻压力进行控制。另一方面，作为确认的结果，在达到了规定的施加时间的情况下(步骤S11：是)，进入步骤S12而解除顶锻压力的施加。

在接下来的步骤S13中，上述控制部使空气供给源15停止，停止从喷嘴16喷吹压缩空气。

在接下来的步骤S14中，解除由固定卡盘12以及旋转卡盘14进行的固定，由此将内燃机用活塞1从制造装置10取下。之后，由于在活塞上部2与活塞下部3的接合部位出现毛刺，因此通过车削来除去毛刺，并结束制造工序。

在本制造工序中，在步骤S4～S7中对活塞下部3的上表面3e进行摩擦加热。活塞下部3的原材料即4000系列的铝合金的熔点较低，当在摩擦加热时使其过度发热时，接合界面的表层会熔化。因此，需要在抑制发热量的同时除去表面的氧化膜。

当摩擦加热时的活塞下部3的转速小于1000rpm时，无法充分地除去氧化膜，因此顶锻后的接合强度降低。因而，摩擦加热时的转速为1000rpm以上，优选为1032rpm以上，更有选为1054rpm以上。

另一方面，当摩擦加热时的转速超过2500rpm时，发热量变大，接合界面的温度变高，因此顶锻后的过渡层变厚而接合强度降低。因而，摩擦加热时的转速为2500rpm以下，优选为2493rpm以下，更有选为2492rpm以下。

当步骤S4～S7所示的摩擦加热时的按压力超过20.0Mpa时，接合界面的温度变高，因此顶锻后的Fe-Al过渡层变厚而接合强度变低。因而，摩擦加热时的按压力(摩擦压力)为20.0MPa以下，优选为19.4MPa以下，更有选为19.2MPa以下。另一方面，作为摩擦加热时的按压力的上限值，设为50.0MPa，更优选为40.0MPa，进一步优选为35.0MPa。

当摩擦加热时的按压时间小于10.0秒钟时，无法充分地除去氧化膜，因此接合强度降低。因而，摩擦加热时的按压时间为10.0秒钟以上，优选为10.3秒钟以上，更优选为15.9秒钟以上。另一方面，作为摩擦加热时的按压时间的上限值，设为60.0秒钟，更优选为50.0秒钟，进一步优选为40.0秒钟。

进而，当摩擦加热时的接合面位置处的活塞下部3的外周面温度小于200℃时，Fe-Al过渡层的厚度小于1.0μm，顶锻后的接合强度有可能降低。此外，当上述外周面温度超过550℃时，Fe-Al过渡层的厚度超过20.0μm，有可能因脆化而接合强度降低。

因而，活塞下部3的外周面温度优选为200℃～550℃。上述外周面温度的下限更优选为231℃，进一步优选为307℃。此外，上述外周面温度的上限更优选为510℃，进一步优选为500℃。另外，能够使用辐射温度计来测定上述外周面温度，并将最大温度采用为测定值。

在本实施方式中，增加活塞下部3的转速、摩擦压力，以使圆周速度较慢的上述环状部分的内周侧的温度也成为200℃～550℃。因此，圆周速度较快的上述环状部分的外周侧的温度容易比内周侧的温度高。为了防止该情况，在本实施方式中，通过喷吹压缩空气，将活塞下部3的外周面温度抑制为200℃～550℃。其结果，将上述环状部分的内周侧以及外周侧双方的温度控制在200℃～550℃的温度范围内。

此外，也不会产生上述环状部分的内周侧以及外周侧的温度差，因此能够以作为接合层的Fe-Al过渡层的从外周侧的厚度减去内周侧的厚度而得到的差分成为10.0μm以下的方式，使Fe-Al过渡层成为均匀的厚度分布。因此，能够充分提高活塞上部2与活塞下部3之间的接合强度。

根据以上说明的本实施方式的内燃机用活塞1及其制造方法，能够得到具有耐热性较高的活塞上部2以及轻量的活塞下部3，并且这些活塞上部2与活塞下部3之间的接合强度较高的内燃机用活塞1。作为该内燃机用活塞1，能够良好地用于汽车用发动机、尤其是柴油发动机等。

实施例

参照实施例对本发明进行更具体说明。

通过SCM435来制造上述图3A、图3B所示的活塞上部2，并且通过A4032的铝合金来制造图4A、图4B所示的活塞下部3。然后，将活塞下部3相对于活塞上部2进行摩擦接合而制造了内燃机用活塞1。在该摩擦接合时，改变摩擦加热时转速、摩擦加热时按压力、摩擦加热时按压时间、有无强制空冷的各个条件，并测定了顶锻紧前的活塞下部3的外周面温度。对于外周面温度，使用辐射温度计，如图7所示那样，测定了从接合面朝向活塞下部3侧L2＝2mm的位置P’。

进而，改变顶锻时的按压力、按压时间的各个条件，并求出在顶锻后得到的Fe-Al过渡层的外周侧厚度t1、内周侧厚度t2、厚度的差分(t1-t2)、以及断裂应力。

将以上的结果汇总于表1。

另外，接合界面的活塞下部3的外周面温度、Fe-Al过渡层的各部分的厚度均通过上述方法测定。此外，在拉伸试验中的断裂部位不是接合面而是活塞下部3的情况下，判断为接合面的接合强度充分，在断裂部位为接合面的情况下，判断为接合面的接合强度不充分。

[表1]

在表1中，No.1～13是满足全部上述条件的本发明例，No.14～27是不满足上述条件的比较例。

在本发明例的No.1～13中，过渡层的厚度在内周侧以及外周侧的双方都在1.0～20.0μm的范围内，拉伸试验中的断裂应力高到300MPa以上，断裂部位为接合面以外的活塞下部。

与此相对，在No.14中，摩擦加热时的转速低于上述下限值，因此活塞下部3的外周面温度低到198℃。其结果，Fe-Al过渡层的厚度薄到0.2μm，断裂应力低到190MPa。在拉伸试验中在接合部位断裂。

在No.15中，摩擦加热时的转速超过上述范围的上限，因此Fe-Al过渡层的厚度为21.3μm而变得过厚，断裂应力低到298MPa。在拉伸试验中在接合部位断裂。

在No.16中，摩擦加热时的按压力超过上述范围的上限，而且摩擦加热时的按压力高于顶锻时的按压力，因此Fe-Al过渡层的厚度为25.3μm而变得过厚，断裂应力低到265MPa。在拉伸试验中在接合部位断裂。

在No.17中，摩擦加热时的按压时间低于上述范围的下限，因此活塞下部3的外周面温度低到196℃。其结果，Fe-Al过渡层的厚度薄到0.3μm，断裂应力低到156MPa。在拉伸试验中在接合部位断裂。

在No.18中，摩擦加热时的转速较高，而未进行来自摩擦接合面的外侧的强制空冷。因此，活塞下部3的外周面温度成为563℃，Fe-Al过渡层的厚度为27.6μm而变得过厚，断裂应力低到123MPa。在拉伸试验中在接合部位断裂。

在No.19中，虽然满足不进行强制空冷以外的条件，但活塞下部3的外周面温度还是变高到557℃。其结果，Fe-Al过渡层的厚度为21.6μm而变得过厚，断裂应力也低到257MPa。在拉伸试验中在接合部位断裂。

在No.20中，虽然Fe-Al过渡层的外周侧厚度t1适当，但内周侧厚度t2过薄，因此无法得到充分的接合强度。在本比较例中，为了在无强制空冷的条件下使Fe-Al过渡层的外周侧厚度t1适当，而将摩擦加热时的转速降低至适合范围外。但是，可以推测出Fe-Al过渡层的内周侧的温度不上升，而内周侧厚度t2变薄。在拉伸试验中在接合部位断裂。

在No.21中，虽然顶锻时的按压时间适当，但按压力过低，因此Fe-Al过渡层的外周侧厚度t1变得过厚，其结果，无法得到充分的接合强度。即，在本比较例中，顶锻按压力过弱，因此无法将Fe-Al过渡层的处于外周侧的多余部分朝外部挤出，而Fe-Al过渡层的外周侧厚度t1变厚。其结果，在拉伸试验中在接合部位断裂。

在No.22中，虽然顶锻时的按压时间适当，但按压力过高，因此Fe-Al过渡层的内周侧厚度t2变得过薄，其结果，无法得到充分的接合强度。即，在本比较例中，顶锻时的按压力过强，因此将Fe-Al过渡层的内周侧的部分过多地挤出，内周侧厚度t2变得过薄。其结果，在拉伸试验中在接合部位断裂。

在No.23中，虽然顶锻时的按压力适当，但按压时间过短，因此Fe-Al过渡层的外周侧厚度t1变得过厚，其结果，无法得到充分的接合强度。即，在本比较例中，顶锻时的按压时间过短，因此无法将Fe-Al过渡层的处于外周侧的多余部分朝外部挤出。因此，Fe-Al过渡层的外周侧厚度t1变厚。其结果，在拉伸试验中在接合部位断裂。

在No.24中，虽然顶锻时的按压力适当，但按压时间过长，因此Fe-Al过渡层的内周侧厚度t2变得过薄，其结果，无法得到充分的接合强度。即，在本比较例中，顶锻时的按压时间过长，因此将Fe-Al过渡层的内周侧的部分朝外部过多地挤出。因此，Fe-Al过渡层的内周侧厚度t2变薄。其结果，在拉伸试验中在接合部位断裂。

在No.25中，摩擦加热时的按压力过低，因此Fe-Al过渡层的外周侧厚度t1以及内周侧厚度t2的双方都变得过薄，其结果，无法得到充分的接合强度。即，在本比较例中，摩擦加热时的按压力过弱，因此Fe-Al过渡层的温度不会充分地上升，而Fe-Al过渡层的外周侧厚度t1以及内周侧厚度t2的双方都变薄。其结果，在拉伸试验中在接合部位断裂。

在No.26中，摩擦加热时的按压时间过长，因此Fe-Al过渡层的外周侧厚度t1变得过厚，其结果，无法得到充分的接合强度。即，在本比较例中，摩擦加热时的按压时间过长，因此Fe-Al过渡层的外周面温度变得过高，而Fe-Al过渡层的外周侧厚度t1变厚。其结果，在拉伸试验中在接合部位断裂。

在No.27中，摩擦加热时的转速过高，因此Fe-Al过渡层的外周侧厚度t1以及内周侧厚度t2的双方都变得过厚，其结果，无法得到充分的接合强度。即，在本比较例中，摩擦加热时的转速非常快，因此Fe-Al过渡层的温度变得过高，而Fe-Al过渡层的外周侧厚度t1以及内周侧厚度t2的双方都变厚。其结果，在拉伸试验中在接合部位断裂。

根据以上内容能够确认如下情况：通过进行强制空冷并且满足上述各种条件，由此能够得到具备高温耐久性优异的钢制的活塞上部2以及轻量的铝合金制的活塞下部3、并且这些活塞上部2与活塞下部3之间的接合强度较高的内燃机用活塞1。

以下，总结在以上说明了的本实施方式的内燃机用活塞1的要点。

(1)本实施方式的内燃机用活塞1具备钢制的活塞上部2、以及经由环状的Fe-Al接合层与活塞上部2接合的铝合金制的活塞下部3，Fe-Al接合层的厚度在Fe-Al接合层的内周侧以及外周侧的双方均为1.0μm以上20.0μm以下。

(2)上述接合层的从上述外周侧的上述厚度减去上述内周侧的上述厚度而得到的差分为10.0μm以下。

(3)本实施方式的内燃机用活塞1的制造方法具有：将活塞上部2固定于固定位置的工序；使活塞下部3一边旋转一边相对于活塞上部2按压而进行摩擦加热的工序；以及在使活塞下部3的旋转停止之后，将活塞下部3相对于活塞上部2按压而形成Fe-Al接合层的工序。并且，在上述摩擦加热的工序中，对于比活塞上部2与活塞下部3之间的接合位置靠活塞下部3侧的位置处的活塞下部3的外周面喷吹压缩空气。

(4)在上述摩擦加热的工序中，使活塞下部3一边以1000rpm～2500rpm的转速旋转一边相对于活塞上部2以2.0MPa以上20.0MPa以下的按压力按压10.0秒以上60.0秒以下。进而，在形成Fe-Al接合层的工序中，将活塞下部3相对于活塞上部2以10.0MPa以上50.0MPa以下且比上述摩擦加热的工序中大的按压力按压1.0秒以上10.0秒以下。

(5)在上述摩擦加热的工序中，使活塞下部3的外周面的温度为200℃以上550℃以下。

工业上的可利用性

根据本发明，能够提供耐久性较高且轻量的内燃机用活塞及其制造方法。

符号的说明

1：内燃机用活塞；2：活塞上部(第1部件)；2c：下表面(接合面)；3：活塞下部(第2部件)；3A：外周面；3e：上表面(接合面)；a：接合层、Fe-Al过渡层。

Claims (4)

1.一种内燃机用活塞，其特征在于，

具备钢制的第1部件、以及经由环状的接合层与上述第1部件接合的铝合金制的第2部件，

上述接合层的厚度在上述接合层的内周侧以及外周侧的双方均为1.0μm以上20.0μm以下，

上述第1部件与上述第2部件之间的接合部的抗拉强度高于上述第2部件的抗拉强度，

上述接合层的从上述外周侧的上述厚度减去上述内周侧的上述厚度而得到的差分为10.0μm以下。

2.一种内燃机用活塞的制造方法，是权利要求1所述的内燃机用活塞的制造方法，其特征在于，具有：

将上述第1部件固定于固定位置的工序；

使上述第2部件一边旋转一边相对于上述第1部件按压而进行摩擦加热的工序；以及

在使上述第2部件的旋转停止之后，将上述第2部件相对于上述第1部件按压而形成上述接合层的工序，

在上述摩擦加热的工序中，一边使上述第2部件旋转，一边对于比上述第1部件与上述第2部件之间的接合位置靠上述第2部件侧的位置处的上述第2部件的外周面，供给冷却流体。

3.如权利要求2所述的内燃机用活塞的制造方法，其特征在于，

在上述摩擦加热的工序中，

使上述第2部件一边以1000rpm～2500rpm的转速旋转一边相对于上述第1部件以2.0MPa以上20.0MPa以下的按压力按压10.0秒以上60.0秒以下，

在形成上述接合层的工序中，

将上述第2部件相对于上述第1部件以10.0MPa以上50.0MPa以下且比上述摩擦加热的工序中大的按压力按压1.0秒以上10.0秒以下。

4.如权利要求2或3所述的内燃机用活塞的制造方法，其特征在于，

在上述摩擦加热的工序中，使上述第2部件的外周面的温度为200℃以上550℃以下。

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