JP2000039067A - 鍛造ピストンおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 内燃機関用の鍛造ピストンにおいて、鍛造時
に割れが発生するのを回避し、また、ヘッド部の中心部
から周辺部に向かう方向のファイバーフローを強力に形
成して、ヘッド部やヘッド部からスカート部に続く部分
の強化し、コストダウンを図る。 【解決手段】 金属塊の素材を鍛造用金型により鍛造す
ることで、ヘッド部とピンボス部とスカート部を備えた
鍛造済みの成形素材としてから、仕上げの機械加工を施
すことで製品化されるような鍛造ピストンにおいて、必
要成分を粉末の状態で含有するアルミ合金粉末を、型内
で押圧して固化することにより金属塊のピストン素材１
０としてから、このピストン素材１０を、鍛造用金型に
よって、該素材を固化したときの押圧方向に沿った方向
の力で鍛造することにより、略ピストン形状の鍛造済み
成形素材１１とすることで、ヘッド部の中心から周辺部
に向かう方向のファイバーフローを強力に形成してお
く。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属塊の素材を鍛
造用金型により鍛造して略ピストン形状の成形素材とし
てから仕上げの機械加工を施すことで製品化されるよう
な鍛造ピストンに関し、特に、アルミ合金の急冷凝固粉
末を固化して形成した鍛造前のピストン素材を金型によ
る鍛造で略ピストン形状に成形することによって製造さ
れるような鍛造ピストンと、そのような鍛造ピストンの
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】車両用エンジンのような内燃機関に使用
される軽量なアルミ合金製のピストンにおいては、鋳造
によりピストンを成形すると材質の凝固組織が粗くなっ
て強度上不利となることから、アルミ合金の金属塊を素
材とし、これを一方向に進退する金型部材を備えた鍛造
用の金型により鍛造することで、ヘッド部とピンボス部
とスカート部を備えた略ピストン形状の成形素材として
から、この鍛造済みの成形素材に対して、ピストンピン
挿通用のピン孔を穿設したり、ピストンリング装着用の
リング溝を切削したりする等、仕上げの機械加工を施す
ことで製品化されるような鍛造ピストンが従来から開発
されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、アルミ合金
製の内燃機関用ピストンでは、耐摩耗性や耐焼付性を高
めるために、アルミ合金の成分中にシリコン（Ｓｉ）の
ような硬質成分を含有させているが、鋳造を前提とした
従来のアルミ合金の溶製材では、溶解したアルミ合金が
凝固するときに含有成分の結晶粒が大きく成長すること
から、その中に含まれる硬質成分の平均粒径は比較的大
きい（例えば、初晶シリコンの粒子の径が１０μｍ以
上）ものとなる。

【０００４】そのため、そのようなアルミ合金の溶製材
により鍛造ピストンを製造する場合には、溶製材を金型
による鍛造で略ピストン形状の成形素材に成形する際
に、特に素材が薄く引き延ばされるスカート部におい
て、硬質成分の粒子が割れることで該粒子とマトリック
スの界面からクラックが発生して、スカート部の疲労強
度が著しく低下を招くというような問題を生じることが
ある。

【０００５】そこで、そのような問題を解消するため
に、略ピストン形状の成形素材に鍛造するための金属塊
の素材について、鋳造を前提とした従来からのアルミ合
金の溶製材を使用することなく、必要な硬質成分を粉末
の状態で含有するようなアルミ合金の急冷凝固粉末を固
化してピストン素材とすることで、ピストン素材中に含
有される硬質成分を平均粒径の比較的小さな（粒子の径
が１０μｍ以下）ものとして金属組織中に分散させると
いうことが本出願に先立って本出願人により既に検討さ
れている。

【０００６】その場合、先ず、例えば、図３に示すよう
に、アルミニウム（Ａｌ）の基材に対してシリコン（Ｓ
ｉ）、鉄（Ｆｅ）およびその他の成分を含有させたアル
ミ合金のインゴットを準備して、これを約７００℃以上
で溶解してから、霧状に散布して冷却速度１００℃／ｓ
ｅｃ以上で急激に冷やして凝固させることで、アルミ合
金の急冷凝固粉末（パウダーメタル）としてから、必要
に応じて更に炭化シリコン（ＳｉＣ）等の粉末を混合す
ることにより、ピストン素材を製造するための粉末材料
を準備しておく。

【０００７】次いで、そのように必要な成分を粉末の状
態で含有するアルミ合金の粉末材料について、図５に示
すように、該粉末材料をアルミ容器中に入れて真空脱気
してから、この真空脱気を経たアルミ合金粉末内蔵容器
を炉に入れて、加熱押し出しすることで円柱の棒状に固
化した後、この円柱棒状体を一個のピストンに相当する
所定量の大きさの厚い円板形状に切断することで、円板
状のピストン素材（ビュレット）１０を製造している。

【０００８】そして、そのように形成された円板状のピ
ストン素材１０について、離型剤をその外表面に塗布し
た後、成形性を良くするために加熱してから、図２に示
すように、加熱された素材１０を鍛造用金型の上下の型
２１，２２で挟んで強圧するような鍛造により、ヘッド
部２とピンボス部３とスカート部４を備えた略ピストン
形状の成形素材１１とした後、強度を高めるための熱処
理を施してから、リング溝５やピン孔６を形成したり不
要な部分（例えば、ピストン素材を形成する際のアルミ
容器の部分など）を削り落とす等の機械加工を行い、更
に、必要に応じて摺動特性や耐摩耗性を良くするために
スカート部４の側面にメッキ等の表面処理を施すこと
で、ピストン本体１の完成品としている。

【０００９】しかしながら、上記のような方法により製
造される鍛造ピストンでは、円板状のピストン素材１０
を炉内からの押し出しによる円柱棒状体から形成してい
ることで、図７に示すように、そのピストン素材１０
は、その中心部で充填率が略１００％のアルミ合金組織
となり、且つ、アルミ合金組織の方向（一種のファイバ
ーフロー）が押し出し方向を指向するようなものとなっ
ていて、そのようなピストン素材１０を金型により鍛造
すると、押し出し時に形成されたファイバーフローと同
じ方向に鍛造の押圧方向が働くことで、鍛造済みの成形
素材１１には、ヘッド部の中心部から周辺部に向かうよ
うにファイバーフローが形成されず、ヘッド部からスカ
ート部に向かうファイバーフローが弱いものとなる。

【００１０】その結果、そのようなピストン素材から鍛
造および機械加工を経て製造される鍛造ピストンでは、
ヘッド部からスカート部への熱伝達が劣ると共に、内燃
機関の爆発行程において、ヘッド部とスカート部の間に
相対的荷重負荷が働くことでヘッド部からスカート部に
続く部分に大きな応力が発生するのに対して、当該部分
の強度が弱いものとなり、また、爆発力に対するヘッド
部の強度も充分に取りにくいものとなる。

【００１１】また、上記のような鍛造ピストンの製造方
法によれば、アルミ合金の粉末材料からピストン素材を
形成するに際して、真空脱気工程，熱間押し出し工程，
切断工程の３つの工程が必要となることでコストアップ
を招くと共に、ピストン素材を形成する際に使用される
アルミ容器の部分が最終的には不要な部分として削り落
とされることから、材料を無駄に消費することでコスト
アップを招くことになる。

【００１２】本発明は、上記のような問題の解消を課題
とするものであり、具体的には、内燃機関用の鍛造ピス
トンにおいて、必要成分を粉末の状態で含有するアルミ
合金粉末を固化して鍛造前のピストン素材とすること
で、鍛造時に割れが発生するのを回避し、また、そのよ
うなピストン素材から略ピストン形状の成形素材を鍛造
する際に、ヘッド部の中心部から周辺部に向かう方向の
ファイバーフローを強力に形成して、ヘッド部やヘッド
部からスカート部に続く部分の強化を図ると共に、鍛造
ピストンを製造する際のコストダウンを図ることができ
るようにすることを課題とするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記のような
課題を解決するために、金属塊の素材を鍛造用金型によ
り鍛造することで、ヘッド部とピンボス部とスカート部
を金属塊の備えた鍛造済みの成形素材としてから、仕上
げの機械加工を施すことで製品化されるような鍛造ピス
トンにおいて、必要成分を粉末の状態で含有するアルミ
合金粉末を、型内で押圧して固化することにより金属塊
のピストン素材としてから、このピストン素材を、鍛造
用金型によって、該素材を固化したときの押圧方向に沿
った方向の力で鍛造することにより、略ピストン形状の
鍛造済み成形素材とすることで、ヘッド部の中心部から
周辺部に向かう方向のファイバーフローを強力に形成し
ておくことを特徴とするものである。

【００１４】上記のように鍛造ピストンを製造した場
合、必要成分を粉末の状態で含有するアルミ合金粉末を
固化して鍛造前のピストン素材とすることで、溶製材の
ようにアルミ合金中の含有成分の結晶粒を凝固の際に成
長させるようなことなく、ピストン素材中に含有させる
硬質成分の粒径を小さく保ったままで金属組織中に分散
させることができ、それによって鍛造時に硬質成分の割
れが発生するのを回避することができる。

【００１５】また、鍛造前のピストン素材について、粉
末材料を型内で押圧することにより金属塊に固化してい
ることで、炉内からの押し出しによりピストン素材を形
成するような場合と比べて、図６に示すように、ピスト
ン素材１０の内部に該素材の外面と平行した方向のファ
イバーフローを形成することができ、そのようなピスト
ン素材１０を略ピストン形状の成形素材１１に鍛造する
ことで、ヘッド部の中心から周辺部に向かう方向のファ
イバーフローを強力に形成することができて、その結
果、鍛造ピストンのヘッド部やヘッド部からスカート部
に続く部分の強度を高めることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の鍛造ピストンおよ
びその製造方法の実施形態について図面に基づいて説明
する。

【００１７】図１は、内燃機関用ピストンの一例につい
て、（Ａ）はピン孔の軸線方向に沿って側方から見た状
態、（Ｂ）は上面から見た状態、（Ｃ）は図（Ｂ）のＣ
−Ｃ線に沿った断面をそれぞれ示すものであって、ピス
トン本体１は、燃焼室に上面が露出するヘッド部２と、
ピストンピンを支持するためのピンボス部３と、シリン
ダ内面に側面が摺接するスカート部４を備え、ヘッド部
２の外周面にピストンリング嵌着用のリング溝５が形成
され、対向する一対のピンボス部３のそれぞれにピスト
ンピン挿着用のピン孔６が形成されているものである。

【００１８】上記のような内燃機関用のピストンについ
て、図２は、金属塊のピストン素材（ビュレット）から
金型による鍛造を経てピストン本体を製造するときの状
態を示すもので、本実施形態では、鍛造後のヘッド部の
肉厚よりも厚い円板状のピストン素材１０を、その外表
面に離型剤を塗布してから、上型２１と下型２２からな
る鍛造用金型内に収容して、上型２１と下型２２により
挟んで強圧するように鍛造することで、ヘッド部２とピ
ンボス部３とスカート部４を備えた略ピストン形状の鍛
造済み成形素材１１に成形している。

【００１９】そして、そのように成形された鍛造済み成
形素材１１に対して、強度を高めるための熱処理を施し
てから、リング溝５やピン孔６を形成したり不要な部分
を削り落とす等の機械加工を行い、更に、必要に応じて
スカート部４の側面にメッキ等の表面処理を施すこと
で、ピストン本体１の完成品としている。

【００２０】上記のような鍛造ピストンの製造におい
て、円板状のピストン素材１０を略ピストン形状の成形
素材１１に鍛造成形する工程では、例えば、ピストン素
材１０を、ヒーターを備えた下型２２の凹部内に収容し
て、４００〜５００℃の間（溶解温度以下）に加熱され
た状態としてから、上型（パンチ）２１により加圧して
略ピストン形状の成形素材に鍛造するというように、熱
間鍛造によりピストン素材１０を鍛造することで、アル
ミ合金の延性を充分に利用して寸法精度良く鍛造成形す
ることができる。

【００２１】なお、熱間鍛造という点に関しては、鍛造
用金型に収容する前にピストン素材１０を４００〜５０
０℃の間に加熱した後、下型２２の凹部内に収容して、
直ちに上型２１で鍛造するようにしても良く、その場合
でも、下型２２と上型２１は４００〜５００℃の間に予
熱しつつ鍛造する。そのように鍛造工程からピストン素
材１０の加熱工程を別の並列工程とすることにより、鍛
造工程の時間を短縮することが可能となる。

【００２２】上記のような鍛造ピストンの製造において
使用される鍛造前のピストン素材１０について、本実施
形態では、例えば、アルミ合金の急冷凝固粉末（パウダ
ーメタル）に対して必要に応じて炭化シリコンのような
硬質成分の粉末を更に添加したような、アルミ又はアル
ミ合金の粉末を主成分とする粉末材料を、一個のピスト
ンの量に相当する分毎に所定の型内で、冷間押圧する
か、又は熱間押圧（加熱押圧）するか、或いは冷間押圧
した後に熱間押圧するかの何れかにより、押圧して固化
することで、押圧方向と直交する方向を平板面とするよ
うな円板状のピストン素材１０に成形している。

【００２３】ピストン素材１０を製造するための粉末材
料については、図３に示したように、アルミニウム（Ａ
ｌ）の基材に対してシリコン（Ｓｉ）、鉄（Ｆｅ）およ
びその他の成分を含有させたアルミ合金のインゴットを
準備して、これを約７００℃以上で溶解してから、霧状
に散布して冷却速度１００℃／ｓｅｃ以上で急激に冷や
して凝固させることで、アルミ合金の急冷凝固粉末（パ
ウダーメタル）としてから、更に必要に応じて、炭化シ
リコン（ＳｉＣ）や酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3 ）や
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のような硬質成分の粉末を
単独或いは複数組み合わせて混合することにより、ピス
トン素材を製造するための粉末材料として準備してお
く。

【００２４】そのように準備された粉末材料について、
図５に示したように、加熱押し出しにより形成した円柱
棒状体を所定の大きさに切断して厚肉円板状のピストン
素材とするようなことなく、本実施形態では、図４に示
すように、型の中に粉末材料を込めてから、常温で押圧
（冷間押圧）して固化した後、更に、４００〜５００℃
に加熱して押圧（熱間押圧）することにより、直接的に
所望の大きさおよび形状のピストン素材（鍛造用ビュレ
ット）１０を成形している。

【００２５】なお、そのような型内での押圧によるピス
トン素材１０の成形については、上記のように冷間押圧
してから更に熱間押圧することで、後で述べるようなフ
ァイバーフローの形成をより効果的に行うことができる
が、冷間押圧又は熱間押圧の何れかのみによって実施す
ることも可能である。

【００２６】上記のように粉末材料を型内で押圧して成
形したピストン素材から鍛造用金型により略ピストン形
状の成形素材を鍛造するような本実施形態の鍛造ピスト
ンおよびその製造方法によれば、必要成分を粉末の状態
で含有するアルミ合金粉末を固化して鍛造前のピストン
素材とすることで、溶製材によるピストン素材の場合の
ようにアルミ合金中の含有成分の結晶粒を凝固の際に成
長させるようなことなく、ピストン素材中の含有成分の
粒径を小さく保ったままで金属組織中に分散させること
ができる。

【００２７】そのため、そのようなアルミ合金粉末を固
化したピストン素材から製造される鍛造ピストンでは、
金型による鍛造で略ピストン形状の成形素材に成形する
際に、スカート部で材質が薄く引き延ばされても、含有
されているシリコン（Ｓｉ）の粒子が割れてクラックが
発生するというようなことが無く、その結果、スカート
部での疲労強度を高いものとすることができる。

【００２８】また、炭化シリコン（ＳｉＣ）のような硬
質成分を微細化した状態でアルミ合金組織中に均等に分
散させることができるため、高い耐摩耗性を得ることが
できると共に、他の含有成分についても、アルミ合金粉
末中に微細な粉末として含有され、そのような粉末材料
が成形固化や鍛造を経て緻密な結晶組織となることで、
含有成分により結晶粒境での応力集中による強度低下を
きたすようなことが無くなるため、それによっても疲労
強度を高めることができる。

【００２９】さらに、鍛造前のピストン素材について、
図４に示すように粉末材料を型内で押圧して円板状に固
化していることにより、ピストン素材１０の内部に、型
の可動部により押圧された上面と型の固定部により押圧
された底面および側面の３つの外面に沿って、図６
（Ａ），（Ｂ）に示すように、該素材１０の外面と平行
した方向のファイバーフローを中心軸の周りに放射状に
形成することができ、そのようなピストン素材１０を略
ピストン形状の成形素材１１に鍛造することで、図６
（Ｃ）に示すように、ヘッド部の中心部から周辺部に向
かう方向のファイバーフローを強力に形成することがで
きる。

【００３０】その結果、ピストン本体のヘッド部からス
カート部への熱伝達が良好なものとなり、また、内燃機
関の爆発行程において、ヘッド部とスカート部の間に相
対的荷重負荷が働くことでヘッド部からスカート部に続
く部分に大きな応力が発生するのに対して、当該部分の
強度を高めることができ、また、爆発力に対するヘッド
部の強度も充分に確保することができる。

【００３１】なお、図４に示すような型内での固化の工
程において、型の温度が低かったり、或いは、粉末材料
中に型面に凝着し易い粉末成分が存在するような場合
に、型の可動部により押圧された面の側においてのみフ
ァイバーフローが強く形成されることもあるが、そのよ
うな場合でも、ファイバーフローが強く形成された面が
クランク室側となるように鍛造することで、鍛造後のピ
ストンのヘッド部内でクランク室側により強いファイバ
ーフローを形成することができ、エンジンの運転中に燃
焼ガス圧力がヘッド部に作用しても、ピストンヘッドの
強度を充分に保つことができる。

【００３２】さらにまた、アルミ合金の粉末材料からピ
ストン素材を形成するに際して、粉末材料を型内で押圧
することにより厚肉平板状に固化していることで、図７
に示すような真空脱気工程，熱間押し出し工程，切断工
程の３つの工程を必要とするような製法と比べて、製造
工程を少なくしてコストダウンを図ることができる共
に、ピストン素材を形成する際に粉末材料を収納するア
ルミ容器のようなものが不必要となることから、材料を
無駄に消費することによるコストアップを抑えることが
できる。

【００３３】ところで、上記のような鍛造ピストンの製
造において、ピストン素材（ビュレット）を形成するた
めのアルミ合金粉末材料としては、例えば、初晶シリコ
ンの平均粒径が１０μｍ以下であるシリコン（Ｓｉ）を
１０〜２２重量％の範囲で含むようなアルミ合金の急冷
凝固粉末が使用される。

【００３４】そのようなアルミ合金の急冷凝固粉末とし
て、アルミニウム（Ａｌ）を基材とし、全体中に、シリ
コン（Ｓｉ）を１０〜２２重量％，鉄（Ｆｅ）を１〜１
０重量％，銅（Ｃｕ）を０．５〜５重量％，マグネシウ
ム（Ｍｇ）を０．５〜５重量％，マンガン（Ｍｎ）を１
重量％以下，ニッケル（Ｎｉ）を１重量％以下，クロム
（Ｃｒ）を１重量％以下，ジルコニウム（Ｚｒ）を２重
量％以下，モリブデン（Ｍｏ）を１重量％以下の範囲で
含むようなものがある。

【００３５】その具体的な一実施例としては、シリコン
（Ｓｉ）を１７重量％，鉄（Ｆｅ）を５重量％，銅（Ｃ
ｕ）を１重量％，マグネシウム（Ｍｇ）を０．５重量
％，マンガン（Ｍｎ）を０．０１重量％，ニッケル（Ｎ
ｉ）を０．０１重量％，クロム（Ｃｒ）を０．０１重量
％，ジルコニウム（Ｚｒ）を１重量％，モリブデン（Ｍ
ｏ）を０．０１重量％含むようなアルミ合金の急冷凝固
粉末がある。

【００３６】そのようなアルミ合金の急冷凝固粉末の含
有成分において、シリコン（Ｓｉ）は、金属組織中に硬
質の初晶や共晶のシリコン粒を晶出させることで耐摩耗
性および耐焼付性を高めるために添加され、鉄（Ｆｅ）
は、金属組織を分散強化して２００℃以上で高い強度を
得るために添加され、また、銅（Ｃｕ）およびマグネシ
ウム（Ｍｇ）は、２００℃以下での強度を高めるために
添加されるものであって、それらの添加量については、
上記の範囲で所望の耐摩耗性や耐焼付性および高温での
必要な強度を得ることができる。

【００３７】上記のようなアルミ合金の急冷凝固粉末を
固化したピストン素材では、溶解したアルミ合金を霧状
に散布して急冷凝固させることにより粉末化しているた
め、アルミ合金粉末は平均粒径で約１００μｍ程度とな
り、その中に含まれているシリコンは、粉末化しつつ凝
固するアルミ合金の金属組織中に晶出させた硬質の初晶
シリコンが平均粒径が１０μｍ以下となるように微細化
されていて、各アルミ合金粒子毎に分散されている。

【００３８】そのようにピストン素材の内部でシリコン
が微細化されて分散されていることにより、既に述べた
ように、ピストン素材を鍛造して略ピストン形状の成形
素材とする際に、特にスカート部で材料が薄く引き延ば
されるように鍛造されても、その部分で初晶シリコンの
粒子が割れてクラックが発生するようなことが無く、そ
の結果、鍛造で成形されたピストン本体はスカート部で
の疲労強度が高いものとなる。

【００３９】ピストン素材を形成するためのアルミ合金
の急冷凝固粉末としては、上記のようなものに限らず、
更に耐摩耗性や耐焼付性を高めるために、シリコン（Ｓ
ｉ）よりも硬い成分である炭化シリコン（ＳｉＣ）や酸
化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3）や窒化アルミニウム（Ａ
ｌＮ）などを、単独或いは複数種組み合わせて所定量含
むようなものも使用される。

【００４０】そのようなアルミ合金の急冷凝固粉末とし
て、例えば、アルミニウム（Ａｌ）を基材とし、全体中
に、シリコン（Ｓｉ）を１０〜２２重量％，鉄（Ｆｅ）
を１〜１０重量％，銅（Ｃｕ）を０．５〜５重量％，マ
グネシウム（Ｍｇ）を０．５〜５重量％，マンガン（Ｍ
ｎ）を１重量％以下，ニッケル（Ｎｉ）を１重量％以
下，クロム（Ｃｒ）を１重量％以下，ジルコニウム（Ｚ
ｒ）を２重量％以下，モリブデン（Ｍｏ）を１重量％以
下の範囲で含むと共に、更に、炭化シリコン（ＳｉＣ）
を１〜１０重量％の範囲で含むようなものがある。

【００４１】その具体的な一実施例としては、シリコン
（Ｓｉ）を１７重量％，鉄（Ｆｅ）を５重量％，銅（Ｃ
ｕ）を１重量％，マグネシウム（Ｍｇ）を０．５重量
％，マンガン（Ｍｎ）を０．０１重量％，ニッケル（Ｎ
ｉ）を０．０１重量％，クロム（Ｃｒ）を０．０１重量
％，ジルコニウム（Ｚｒ）を１重量％，モリブデン（Ｍ
ｏ）を０．０１重量％含むと共に、更に、炭化シリコン
（ＳｉＣ）を５重量％含むようなアルミ合金の急冷凝固
粉末がある。

【００４２】上記のように炭化シリコン（或いは酸化ア
ルミニウムや窒化アルミニウム等）のような硬質成分を
含むアルミ合金の急冷凝固粉末については、図３に示す
ように、アルミ合金材のインゴットを溶解してから霧状
に散布することで製造されるアルミ合金の急冷凝固粉末
（パウダーメタル）に対して、平均粒径が１〜１０μｍ
の硬質成分（炭化シリコン等）の粉末を所定量混入させ
ることによって得られる。

【００４３】また、そのような方法に限らず、例えば、
アルミ合金材のインゴット中に、平均粒径が１〜１０μ
ｍの硬質成分（炭化シリコン等）の粉末を予め所定量だ
け含有させておき、アルミ合金材のインゴットを溶解し
てから霧状に散布して急冷凝固粉末とすることで、アル
ミ合金の急冷凝固粉末中に平均粒径が１０μｍ以下の硬
質成分（炭化シリコン等）を分散させることも可能であ
る。

【００４４】何れにしても、上記のように炭化シリコン
のような硬質成分を含むアルミ合金の急冷凝固粉末を固
化したピストン素材１０では、平均粒径で約１００μｍ
程度となる各アルミ合金粉末状組織の境界部に、初晶シ
リコンの平均粒径が１０μｍ以下となるようにシリコン
が微細化された状態で金属組織中に分散して含まれると
共に、更に、炭化シリコンのような硬質成分が、平均粒
径が１０μｍ以下となるように微細化された状態で金属
組織中に分散して含まれることとなる。

【００４５】そして、そのようなピストン素材から製造
される鍛造ピストンでは、シリコンよりも硬く非溶解性
の非金属物である炭化シリコンのような硬質成分が１０
μｍ以下の微細粒状でアルミ合金組織の間に略均等に分
散されたものとなり、それによって高い耐摩耗性を得る
ことができる。

【００４６】以上、本発明の鍛造ピストンおよびその製
造方法について一実施形態により説明したが、本発明
は、上記のような実施形態にのみ限定されるものではな
く、例えば、アルミ合金粉末を主成分とする粉末材料か
ら型内での押圧により固化される金属塊のピストン素材
１０の形状については、薄肉カップ状のピストンを鍛造
成形するのが容易なように、押圧方向に沿った高さの平
均値よりも押圧方向から見た正面形状の平均外形値を大
きくしたような板状とするのが良いものの、必ずしも上
記の実施形態に示したような円板状に限られるものでな
い。

【００４７】すなわち、ピストン素材１０の形状につい
ては、図８に示すように、上方から見て一対のピンボス
部に対応する両側の外周部分だけを残してその間の部分
を切り欠いたような略小判形の板状としても良く、その
ような形状とすることにより、鍛造後にスカート部より
も大きな容量となるピンボス部の欠肉を防止することが
できる。

【００４８】また、図９（Ａ），（Ｂ）に示すように、
型内で押圧方向の力を受けた上下の面が平行な平面でな
くても良いものであって、図示したものでは、鍛造用金
型内でヘッド部が成形されてピストンの燃焼室側となる
一方の面に対して、その中央部に凸部１０ａを設けると
共に、鍛造用金型内でピンボス部が成形される他方の面
に対して、一対のピンボス部に相当する位置にそれぞれ
と凸部１０ｂを設けたものとなっている。

【００４９】そのような形状のものによれば、凸部１０
ｂによって、鍛造後におけるピンボス部の欠肉を防止す
ることができると共に、凸部１０ａによって、鍛造前の
ピストン素材（ビュレット）の段階で、その中央部近傍
に強いファイバーフローを予め形成しておくことによ
り、鍛造時にヘッド部の燃焼室側の中央近傍から放射状
に強いファイバーフローを確実に形成することができ
る。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したような本発明の鍛造ピスト
ンおよびその製造方法によれば、必要成分を粉末の状態
で含有するアルミ合金粉末を固化して鍛造前のピストン
素材とすることで、該素材中に含有成分を微細化された
状態で均一に分散させることができて、その結果、耐摩
耗性や疲労強度を高めることができ、また、ピストン素
材を型内での固化により成形することで、略ピストン形
状の成形素材に鍛造成形するときに、ヘッド部の中心か
ら周辺部に向かう方向のファイバーフローを強力に形成
することができて、ヘッド部やヘッド部からスカート部
に続く部分の強化を図ることができると共に、製造工程
を簡略化することができ、且つ、材料の倹約することが
できて、製造コストを抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】内燃機関用のピストンの一例を示す（Ａ）側面
図，（Ｂ）上面図，および（Ｃ）図ＢのＣ−Ｃ線に沿っ
た断面図。

【図２】図１に示したようなピストンを円板状のピスト
ン素材（ビュレット）から金型による鍛造を経て製造す
るときの各段階（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）をそれ
ぞれ示す断面説明図。

【図３】図２に示した円板状のピストン素材（ビュレッ
ト）の原料となるアルミ合金の粉末材料を製造するとき
の状態を示す説明図。

【図４】本発明の鍛造ピストンおよびその製造方法の一
実施形態について、アルミ合金の粉末材料を型内で押圧
して円板状のピストン素材に成形するときの状態を示す
説明図。

【図５】比較例について、アルミ合金の粉末材料から円
板状のピストン素材に成形するときの状態を示す説明
図。

【図６】本発明の鍛造ピストンおよびその製造方法の一
実施形態について、型内での押圧により成形されたピス
トン素材におけるファイバーフローの状態を模式的に示
す（Ａ）上面説明図，（Ｂ）図ＡのＢ−Ｂ線に沿った断
面説明図，および（Ｃ）そのようなピストン素材から鍛
造されたピストン（鍛造済み成形素材）におけるファイ
バーフローの状態を模式的に示す断面説明図。

【図７】比較例について、（Ａ）炉内から押し出されて
切断されたピストン素材におけるファイバーフローの状
態，および（Ｂ）そのようなピストン素材から鍛造され
たピストン（鍛造済み成形素材）におけるファイバーフ
ローの状態をそれぞれ模式的に示す断面説明図。

【図８】本発明の鍛造ピストンおよびその製造方法につ
いて、型内での押圧により成形されるピストン素材の他
の実施形態を示す上面説明図。

【図９】本発明の鍛造ピストンおよびその製造方法につ
いて、型内での押圧により成形されたピストン素材の更
に他の実施形態を示す（Ａ）上面説明図，および（Ｂ）
図ＡのＢ−Ｂ線に沿った断面説明図。

【符号の説明】

１ ピストン本体（鍛造ピストン） ２ ヘッド部 ３ ピンボス部 ４ スカート部 １０ ピストン素材（金属塊の素材） １１ 鍛造済み成形素材 ２１ 上型（鍛造用金型） ２２ 下型（鍛造用金型）

フロントページの続き Ｆターム(参考） 3J044 AA18 CA40 DA09 EA10 4E087 AA02 AA10 BA04 BA14 BA23 CA08 CA15 CA21 CA33 CB01 CB03 EC12 EC17 EC22 EC46 HA62 HB17

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属塊の素材を鍛造用金型により鍛造す
   ることで、ヘッド部とピンボス部とスカート部を金属塊
   の備えた鍛造済みの成形素材としてから、仕上げの機械
   加工を施すことで製品化されるような鍛造ピストンにお
   いて、必要成分を粉末の状態で含有するアルミ合金粉末
   を、型内で押圧して固化することにより金属塊のピスト
   ン素材としてから、このピストン素材を、鍛造用金型に
   よって、該素材を固化したときの押圧方向に沿った方向
   の力で鍛造することにより、略ピストン形状の鍛造済み
   成形素材とすることで、ヘッド部の中心部から周辺部に
   向かう方向のファイバーフローが強力に形成されている
   ことを特徴とする鍛造ピストン。
2. 【請求項２】 金属塊の素材を鍛造用金型により鍛造す
   ることで、ヘッド部とピンボス部とスカート部を備えた
   鍛造済みの成形素材としてから、仕上げの機械加工を施
   すことで製品化するような鍛造ピストンの製造方法にお
   いて、必要成分を粉末の状態で含有するアルミ合金粉末
   を、型内で押圧して固化することにより金属塊のピスト
   ン素材としてから、このピストン素材を、鍛造用金型に
   よって、該素材を固化したときの押圧方向に沿った方向
   の力で鍛造することにより、略ピストン形状の鍛造済み
   成形素材とすることを特徴とする鍛造ピストンの製造方
   法。
3. 【請求項３】 必要成分を粉末の状態で含有するアルミ
   合金粉末を、型内で、先ず、冷間押圧により固化してか
   ら、次いで、熱間押圧することにより、金属塊のピスト
   ン素材に成形していることを特徴とする請求項２に記載
   の鍛造ピストンの製造方法。