JP2000158120A - 複合軽金属部材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】熱疲労に対して伸び特性を高める。 【解決手段】複合化されないアルミニウム合金部或いは
複合化部のうち、少なくともリップ部のピストンピンに
直交する部位に熱応力が作用する部位に５００〜５１０
℃で３〜６時間溶体化処理を施し、溶体化処理を施した
部位にステンレス繊維材を含めて２２０〜３００℃で４
〜１２時間過時効処理を施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば自動車のエ
ンジン用ピストン等の一部に金属繊維材等を複合化する
複合軽金属部材及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウム合金は軽量で熱伝導性が良
好なため、自動車用エンジン部品に多く用いられてい
る。

【０００３】例えば、特開昭６０−１１９３４８号公報
には、ディーゼルエンジン用ピストンのピストン頂面に
形成される燃焼室を断熱化して熱効率を改善するため
に、ピストン頂面に0.5mm以下の直径を有するニッケル
合金等の金属繊維を含有し、１０〜４０％の気孔率の予
備成形体を複合化する手法が開示されている。また、特
開昭５９−１０８８４９号公報には、ディーゼルエンジ
ン用ピストンのピストン頂面に形成されるホットスポッ
ト部の耐熱衝撃性や耐熱疲労性を改善するために、プラ
ズマ等を用いて再溶融処理することにより組織を微細化
させる手法が開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図８に
示すように、ディーゼルエンジンが高出力化される程、
ディーゼルエンジン用ピストンの頂面部に形成される燃
焼室には、高サイクル疲労として爆発力が燃焼室を拡げ
るように作用することにより選択的にピストンピン側に
引張応力Ｆ１が繰り返し作用する。また、燃焼室は３０
０℃程度に加熱されるが、爆発により燃焼室が拡径方向
に膨張しようとしても周囲温度がそれほど高くないため
その膨張が規制されて逆にピストンピンに直交する方向
に圧縮応力Ｆ２が作用し、この圧縮応力Ｆ２により熱疲
労として円周方向の部位Ｋ１に圧縮応力Ｆ３が繰り返し
作用する。そして、高サイクル疲労に対して引張強度、
熱疲労に対して伸びが夫々不足していると、特にピスト
ンピンにより径方向への動きが規制されたピストンピン
に直交する部位Ｋ１に亀裂が生じる虞がある。

【０００５】そして、燃焼室の高サイクル疲労や熱疲労
に対して強度を高めるためには、上記従来技術に実施例
として開示されたような0.2mm程度の太いステンレス鋼
等の金属繊維材を複合化させたり、カーボン繊維等をピ
ストン軸方向と径方向に配向させたり、再溶融処理によ
り組織を微細化させただけでは、特に高温下で高サイク
ル疲労強度や熱疲労強度を高めるのに十分とは言えな
い。

【０００６】本発明は、熱疲労に対して伸び特性の高い
複合軽金属部材及びその製造方法の提供を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決し、目
的を達成するため、本発明の複合軽金属部材の製造方法
は、金属繊維材を含有する複合化用予備成形体を型内に
配置させ、軽金属材料からなる溶湯を型内に充填するこ
とにより複合化用予備成形体に含浸充填させて複合軽金
属部材を複合化させ、前記複合化した部位のうち、少な
くとも熱疲労強度を要する部位に溶体化処理を施し、前
記溶体化処理を施した部位に前記金属繊維材を含めて過
時効処理を施す。

【０００８】また、好ましくは、前記溶体化処理及び過
時効処理が施される部位は、該複合軽金属部材に熱応力
が作用することにより圧縮応力が作用する部位である。

【０００９】また、好ましくは、前記複合化用予備成形
体は略環状である。

【００１０】また、好ましくは、前記軽金属材料はアル
ミニウム合金であり、５００〜５１０℃で３〜６時間溶
体化処理を行う。

【００１１】また、好ましくは、前記軽金属材料はアル
ミニウム合金であり、２２０〜３００℃で４〜１２時間
過時効処理を行う。

【００１２】また、好ましくは、前記過時効処理前後に
再溶融処理を行う。

【００１３】また、好ましくは、前記金属繊維はステン
レス繊維である。

【００１４】また、好ましくは、前記複合化用予備成形
体は自動車のエンジン用ピストン頂部に形成される燃焼
室のリップ部に複合化され、前記熱疲労強度はピストン
ピンに直交する部位に作用する熱応力に対する強度であ
る。

【００１５】また、本発明の複合軽金属部材の製造方法
は、金属繊維材を含有する略環状の自動車のエンジン用
ピストン頂部に形成される燃焼室のリップ部に複合化さ
れる複合化用予備成形体を型内に配置させ、アルミニウ
ム合金材料からなる溶湯を型内に充填することにより複
合化用予備成形体に含浸充填させて複合軽金属部材を複
合化させ、前記複合化した部位のうち、少なくともピス
トンピンに直交する部位に作用する熱応力に対する熱疲
労強度を要する部位に５００〜５１０℃で３〜６時間溶
体化処理を施し、前記溶体化処理を施した部位に前記金
属繊維材を含めて２２０〜３００℃で４〜１２時間過時
効処理を施す。

【００１６】また、本発明の複合軽金属は、金属繊維材
を含有する予備成形体が複合化された複合軽金属部材に
おいて、少なくとも熱疲労強度を要する部位が３％以上
の伸びを有する。

【００１７】また、好ましくは、前記熱疲労強度を要す
る部位は複合化された部位であり、該部位が３％以上の
伸びを有する。

【００１８】また、好ましくは、前記熱疲労強度を要す
る部位は非複合化部位であり、該部位が４％以上の伸び
を有する。

【００１９】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれ
ば、軽金属材料からなる溶湯を型内に充填することによ
り複合化用予備成形体に含浸充填させて複合軽金属部材
を複合化させ、複合化した部位のうち、少なくとも熱疲
労強度を要する部位に溶体化処理を施し、溶体化処理を
施した部位に金属繊維材を含めて過時効処理を施すこと
により、熱疲労に対して伸び特性を高めることができ
る。

【００２０】請求項２の発明によれば、溶体化処理及び
過時効処理が施される部位は、該複合軽金属部材の熱膨
張が規制されることにより熱応力が作用する部位である
ことにより、熱疲労強度が要求される部位を高めること
ができる。

【００２１】請求項３の発明によれば、複合化用予備成
形体は略環状であることにより、引張強度を高めつつ、
熱疲労強度の向上を図ることができる。

【００２２】請求項４の発明によれば、軽金属材料はア
ルミニウム合金であり、５００〜５１０℃で３〜６時間
溶体化処理を行うことにより、軽量で安価な合金に対し
て熱疲労強度を高めることができる。

【００２３】請求項５の発明によれば、軽金属材料はア
ルミニウム合金であり、２２０〜３００℃で４〜１２時
間過時効処理を行うことにより、軽量で安価な合金に対
して伸びを高めることができる。

【００２４】請求項６の発明によれば、過時効処理前後
に再溶融処理を行うことにより、更に伸びを高めること
ができる。

【００２５】請求項７の発明によれば、金属繊維はステ
ンレス繊維であることにより、部材コストを安価にでき
る。

【００２６】請求項８の発明によれば、複合化用予備成
形体は自動車のエンジン用ピストン頂部に形成される燃
焼室のリップ部に複合化され、熱疲労強度はピストンピ
ンに直交する方向に作用する熱応力に対する強度である
ことにより、リップ部の熱疲労に対して伸びを高めて、
エンジンの高出力化を図ることができる。

【００２７】請求項９の発明によれば、アルミニウム合
金材料からなる溶湯を型内に充填することにより複合化
用予備成形体に含浸充填させて複合軽金属部材を複合化
させ、複合化した部位のうち、少なくともピストンピン
に直交する部位に作用する熱応力に対する熱疲労強度を
要する部位に５００〜５１０℃で３〜６時間溶体化処理
を施し、溶体化処理を施した部位に前記金属繊維材を含
めて２２０〜３００℃で４〜１２時間過時効処理を施す
ことにより、引張強度を高めつつ、熱疲労強度の向上を
図ることができ、軽量で安価な合金に対して熱疲労強度
を高めることができ、リップ部の熱疲労に対して伸びを
高めて、エンジンの高出力化を図ることができる。

【００２８】請求項１０の発明によれば、金属繊維材を
含有する予備成形体が複合化された複合軽金属部材にお
いて、少なくとも熱疲労強度を要する部位が３％以上の
伸びを有することにより、熱疲労強度の高い部材を得る
ことができる。

【００２９】請求項１１の発明によれば、熱疲労強度を
要する部位は複合化された部位であり、該部位が３％以
上の伸びを有することにより、引張強度及び熱疲労強度
の高い部材を得ることができる。

【００３０】請求項１２の発明によれば、熱疲労強度を
要する部位は非複合化部位であり、該部位が４％以上の
伸びを有することにより、熱疲労強度に対して伸びが高
い部材を得ることができる。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて添付図面を参照して詳細に説明する。 ［複合軽金属部材］図１は、本実施形態の複合化された
ディーゼルエンジン用ピストンの部分断面図である。

【００３２】図１に示すように、本発明の複合軽金属部
材として例示されたアルミニウム合金製ピストン１（以
下、ピストン１と略称）は後述する気体加圧鋳造装置に
より製造され、ピストン本体２の外周部には、トップリ
ングを嵌装するトップリング溝３と、セカンダリリング
を嵌装するセカンダリリング溝４と、オイルリングを嵌
装するオイルリング溝５とが夫々形成されている。ま
た、ピストン１は直噴式ディーゼルエンジン用であり、
ピストン頂面部には軸心部分が突出され、この軸心を中
心に環状に一様に所定形状の溝が形成された燃焼室３０
が形成されている。また、燃焼室３０には、その開口端
縁が軸心方向にわずかに突設された燃焼室３０への出入
口を規定する環状のリップ部３１が形成されている。ピ
ストン１には、直径方向に沿ってピストン本体２を貫通
するピストンピン挿入孔８が形成されている。

【００３３】ピストン１のトップリング溝３は、後述の
ように複合化部６として環状の複合化用予備成形体と一
体的に複合化され、ピストン１のリップ部３１も後述の
ように複合化部３２として環状の複合化用予備成形体と
一体的に複合化され、トップリング溝３とリップ部３１
以外のピストン本体２はアルミニウム合金によって鋳造
される。

【００３４】トップリング溝３の複合化部６は、ニッケ
ル多孔体（住友電工製セルメット：体積率＝約５％、平
均気孔径０．８mm）から構成された複合化用予備成形体
を型内に配置してアルミニウム合金溶湯を含浸させて凝
固させることにより形成される。

【００３５】リップ部３１の複合化部３２は、ステンレ
ス等からなる金属繊維材を含有する複合化用予備成形体
を型内に配置してアルミニウム合金溶湯を含浸させて凝
固させることにより形成される。金属繊維材は１０〜１
００μｍの繊維径、好ましくは１０〜７０μｍの繊維径
を有し、アスペクト比（繊維長／繊維径）が１０００以
上の長繊維で、３〜３５％の体積率、好ましくは１０〜
２５％の体積率を有する。

【００３６】尚、トップリング溝３の複合化部６を金属
繊維材を含有する複合化用予備成形体により複合化して
もよい。

【００３７】また、金属繊維材としてはステンレス以外
に、タングステン、モリブデン、炭素鋼等もあるが、ス
テンレス繊維材が最も強度が高くしかも安価なので実用
的である。 ［気体加圧鋳造装置］上記ピストン１は、図２及び図３
に示す気体加圧鋳造装置により製造される。図２及び図
３は本実施形態の気体加圧鋳造装置の互いに直交する方
向の概略断面図である。

【００３８】図２及び図３に示すように、本実施形態の
気体加圧鋳造装置１０は、鋳型１１として左右に分割さ
れる割型である外型１２Ｌ、１２Ｒと、下方に配置され
た中型１３と、上方に配置された押湯部１４ａを有する
上型１４とを備え、内部に製品部キャビティ１５が形成
されている。この鋳型１１内のトップリング溝３に対応
する部位に図６に示す複合化用予備成形体７、リップ部
３１に対応する部位に図７に示す複合化用予備成形体３
３が夫々配置され、上型１４に形成された押湯部１４ａ
には、エアによる加圧をこの押湯部１４ａから行なう場
合のパイプ１６が取り付けられている。１７はピストン
ピン挿入孔を形成する鋳抜きピンである。

【００３９】また、外型１２Ｌ、１２Ｒは外型用シリン
ダ１８Ｌ、１８Ｒによって、中型１３は中型用シリンダ
１９によって、上型１４は上型用シリンダ２０によって
それぞれ駆動可能とされる。

【００４０】パイプ１６の途中には、押湯部１４ａを加
圧エア源と大気とに選択的に連通させるバルブ２７が設
けられ、押湯部１４ａをバルブ２７を通じて大気に開放
した状態で、湯口２２からアルミニウム合金の溶湯を注
湯後、水冷銅塊２８のような冷却機構を設けたカバー２
３を下げて湯口２２を密閉すると同時に、バルブ２７を
操作してパイプ１６を加圧エア源に連通させ、パイプ１
６から、工場エアを注入して溶湯を加圧するようにすれ
ばよい。この構成では複合化部付近を効果的に加圧でき
る利点がある。

【００４１】尚、２５は湯口２２から製品部キャビティ
１５に通じる湯道、２６はピストン内に冷却用オイル通
路を形成するために、図示しない支持手段により支持さ
れて配置された塩中子である。

【００４２】以上の構成において、湯口２２からアルミ
ニウム合金（例えば、ＪＩＳ規格のＡＣ８Ａ）の溶湯を
注湯後、カバー２３を下げて湯口２２を密閉すると同時
に、カバー２３に設けられたパイプ１６から１０気圧以
下（例えば、０．５〜１０kg/cm2）の圧力を有する工場
エアを注入して溶湯を約５０秒〜１分間加圧する。この
エアによる加圧時には、エア抜き溝２１内に溶湯の一部
が流れ込み、エア抜き溝２１内で冷却凝固されて、エア
抜き溝２１がシールされる。そして、エア抜き溝２１内
で凝固した溶湯は、鋳型１１の分割に伴ってバリとして
除去される。尚、上記エアによる加圧は、注湯後１０〜
３０秒以内に開始する必要があるが、この時間範囲は、
一般的には、溶湯凝固前の有効に圧力がかけられる時間
範囲に設定すればよい。 ［上型の詳細構成］図４及び図５は、上型１４の詳細構
成を示す断面図である。

【００４３】図５に示すように、上型１４の下端面に突
出部１４ｂを形成し、この突出部１４ｂの高さを複合化
用予備成形体３３の厚さに設定することにより、複合化
用予備成形体３３の位置決めができる。ところが、図５
の構成では、複合化用予備成形体３３が上型１４の突出
部１４ｂに当接しているために含浸されるアルミニウム
合金溶湯が冷却され易く、複合化が悪いという欠点もあ
る。そこで、図４に示すように、複合化用予備成形体７
と複合化用予備成形体３３とをキャビティ内で重ね合わ
せて配置することにより冷却を抑制でき、またエア抜き
溝２１の代わりに、外型１２Ｌ又は１２Ｒと上型１４と
の分割面からエア抜きできる。 ［複合化予備成形体］図６は、トップリング溝３に複合
化される複合化予備成形体の外観図である。図７はリッ
プ部３１に複合化される複合化予備成形体の外観図であ
り、金属繊維材の配向方向を示す図である。

【００４４】図６に示すように、トップリング溝３に複
合化される複合化予備成形体７は、単なる環状のニッケ
ル多孔体（住友電工製セルメット：体積率＝約５％、平
均気孔径０．８mm）である。

【００４５】図７に示すように、リップ部３１に複合化
される複合化用予備成形体３３は、環状の金属繊維材の
集合体を一方向（ピストン軸心方向）に圧縮して少なく
とも２次元の方向性を持たせる。即ち、図７の矢印で示
すように、金属繊維材の繊維配向方向が、リップ部３１
の高サイクル疲労として爆発時に選択的にピストンピン
側に作用する引張応力Ｆ１や熱疲労として爆発によりピ
ストンピンに直交する円周方向に作用する圧縮応力Ｆ３
等の作用方向（図８参照）に並列に配向され、金属繊維
材の繊維配向方向が環状方向に配向されている。

【００４６】トップリング溝３及びリップ部３１は後加
工で切削されるので、複合化用予備成形体７、３３は単
に環状であれば十分である。

【００４７】複合化用予備成形体３３は、ステンレス、
タングステン、モリブデン、炭素鋼等からなる金属繊維
材を含有し、１０〜１００μｍの繊維径、好ましくは１
０〜７０μｍの繊維径を有し、アスペクト比（繊維長／
繊維径）が１０００以上で、３〜３５％の体積率、好ま
しくは１０〜２５％の体積率を有する。

【００４８】尚、複合化用予備成形体３３として、ステ
ンレス、タングステン、モリブデン、炭素鋼等からなる
金属繊維材とアルミナ短繊維材等からなるセラミック繊
維材とを混成した複合体を用いることもできる。 ［複合軽金属部材の引張強度］図９はステンレス繊維の
繊維径と複合化されたリップ部の高温引張強度との関係
を示す図である。図１０はステンレス繊維材の繊維体積
率と複合化されたリップ部の高温引張強度との関係を示
す図である。図１１は、アルミニウム合金のみの鋳造
品、繊維径の異なる２種類のステンレス繊維を複合化し
た部材、アルミナ繊維を複合化した部材の夫々の高温引
張強度について繊維体積率に基づいて比較して示す図で
ある。図１２は、アルミニウム合金のみの鋳造品、繊維
径の異なる２種類のステンレス繊維を複合化した部材、
アルミナ繊維を複合化した部材の夫々の高温疲労強度に
ついて繊維体積率に基づいて比較して示す図である。

【００４９】図９に示すように、繊維体積率が１０％の
金属繊維材で、１０〜１００μｍの繊維径のステンレス
繊維材を含有する複合化予備成形体を複合化させた場
合、３００℃での複合部材の引張強度が約８０〜１３０
ＭＰａとなり、好ましくは１０〜７０μｍの繊維径のス
テンレス繊維材を含有する複合化予備成形体で３００℃
での引張強度が約１１０〜１３０ＭＰａと高い強度を保
持でき、繊維径が小さい程高サイクル疲労強度を向上で
きる。

【００５０】また、図１０に示すように、繊維径が１２
μｍのステンレス繊維材で、３〜３５％の繊維体積率の
ステンレス繊維材を含有する複合化予備成形体を複合化
させた場合、３００℃での複合部材の引張強度が約９０
〜２５０ＭＰａ以上となり、好ましくは１０〜２５％の
繊維体積率のステンレス繊維材を含有する複合化予備成
形体で３００℃での引張強度が約１２０〜２３０ＭＰａ
となるため、繊維体積率が大きくなるほど高サイクル疲
労強度を向上できる。

【００５１】例えば、図１１に示すように、繊維径が１
２μｍで、３〜２０％の繊維体積率のステンレス繊維材
を含有する複合化予備成形体を複合化させた複合部材
は、アルミニウム合金のみの鋳造品にＪＩＳのＴ６熱処
理を施したもの、アルミナ短繊維を複合化させたもの、
繊維径が１５０μｍのステンレス繊維材を複合化させた
ものと比較しても３００℃での引張強度が優れており、
繊維体積率が大きくなる程高サイクル疲労強度が向上で
きることは明らかである。

【００５２】また、図１２に示すように、繊維径が１２
μｍで、３〜２０％の繊維体積率のステンレス繊維材を
含有する複合化予備成形体を複合化させた複合部材は、
アルミニウム合金のみの鋳造品にＪＩＳのＴ６熱処理を
施したもの、アルミナ短繊維を複合化させたもの、繊維
径が１５０μｍのステンレス繊維材を複合化させたもの
と比較しても３００℃での高温疲労強度が優れており、
繊維体積率が大きくなる程高温疲労強度が高くなる。 ［複合軽金属部材の熱処理］上記図２及び図３に示す気
体加圧鋳造装置によりピストン本体２のトップリング溝
３とリップ部３１に複合化用予備成形体７、３３を複合
化させた（鋳ぐるんだ）複合アルミニウム合金部材は、
熱疲労強度を高めるために後述する熱処理が施される。

【００５３】図１３は、複合アルミニウム合金部材の熱
処理手順を示す図である。図１４は、複合アルミニウム
合金部材の熱処理条件を示す図である。図１５は、熱処
理温度により変化するアルミニウム合金と複合アルミニ
ウム合金の伸び特性を比較して示す図である。

【００５４】従来のように、ニッケル多孔体が複合化さ
れたアルミニウム合金部材は、ＪＩＳ規格のＴ６熱処理
として、加熱炉に投入して温度５００°Ｃで４．５時間
加熱することにより、ニッケル多孔体とアルミニウム合
金との境界に金属間化合物層を生成させると共に、アル
ミニウム合金部材に溶体化処理を施した後、水焼入れを
行ない、さらに温度１８０°Ｃで５時間焼戻し処理を施
している。

【００５５】そして、Ｔ６熱処理の施された複合アルミ
ニウム合金部材に対して、機械切削加工を行なって、複
合化部を含むピストン本体２の外周面を切削するととも
に、図１に示すように、複合化部６にトップリング溝３
を形成し、且つセカンダリリング溝４およびオイルリン
グ溝５を形成している。

【００５６】この従来に対して、本実施形態では、図１
５に示すように、Ｔ６熱処理よりも優れた伸び特性を得
て、複合化されたアルミニウム合金の熱疲労強度を高め
るために、例えば図１３の方法及び図１４の熱処理条件
で、複合化されないアルミニウム合金部（或いは複合化
部に比べて合金割合が大きい部分）或いは複合化部のう
ち、少なくともリップ部のピストンピンに直交する方向
に圧縮応力Ｆ３が作用する部位（熱疲労強度を要する部
位）に５００〜５１０℃で３〜６時間溶体化処理（焼入
れ処理）を施し、溶体化処理を施した部位にステンレス
繊維材を含めて２２０〜３００℃で４〜１２時間過時効
処理を施している。過時効処理とは、Ｔ６熱処理温度
（１８０℃）より高温で焼き戻しする処理であり、材料
が軟化して伸び特性を高くできる。

【００５７】過時効処理を施すことにより、複合化され
ない合金部位（或いは複合化部位に比べて合金割合が大
きい部分）と複合化部位の伸び特性（例えば、ＪＩＳ規
格２２４１の伸び試験に準拠）が共に高められ、図１６
に示すようにＴ６熱処理を施したものよりも熱疲労寿命
が高くなると共に、図１７に示すように高温域では高サ
イクル疲労強度がＴ６熱処理を施したものと同等かそれ
以上の強度を保持できる。

【００５８】更に、図１８及び図１９に示すように、複
合化されない合金部位（或いは複合化部位に比べて合金
割合が大きい部分）や複合化部位のうち、熱疲労強度を
要する部位に過時効処理前後に再溶融処理（リメルト処
理）を施すことにより、室温ではＴ６熱処理した部材に
比べて高サイクル疲労強度が格段に向上し、３００℃で
もＴ６熱処理した部材と略同等の高サイクル疲労強度を
得ることができる。

【００５９】図２０〜図２２は本実施形態の複合化及び
熱処理の趣旨を説明する図である。図２３は、図２２の
Ａ−Ａ断面図である。

【００６０】本実施形態の熱処理方法をまとめると下記
〜のようになる。即ち、 図２０に示すように、ピストン１のリップ部３１の少
なくともピストンピン方向を複合化し（環状に複合化し
てもよい）、且つ過時効処理することにより、金属繊維
材がなまされて（軟化されて）ピストンピン方向の変形
を許容し、高サイクル疲労強度が高められる。

【００６１】図２１に示すように、ピストン１のリッ
プ部３１の少なくともピストンピン方向を複合化し（環
状に複合化してもよい）、ピストンピンに直交する方向
を再溶融処理することにより、合金部分の結晶粒が細か
くなって伸び特性が増加することから熱疲労強度が高め
られる。

【００６２】図２２ピストン１のリップ部３１の少な
くともピストンピン方向を複合化し（環状に複合化して
もよい）、ピストンピンに直交する方向を再溶融処理
し、更に過時効処理することにより（過時効処理後に再
溶融処理してもよい）、合金部分の結晶粒が細かくなっ
て伸び特性が増加することから熱疲労強度が高められ、
金属繊維材がなまされてピストンピン方向の変形を許容
し、高サイクル疲労強度が高められる。

【００６３】尚、上記、において部分的に再溶融処
理を行う場合に、図２３に示すように、再溶融処理部が
複合化部３２と重なる部分は複合化部３２が再溶融部分
の下方に入り込むように斜めに配置することで広い範囲
で伸び特性を高くできる。

【００６４】以上が本発明の実施の形態の説明である
が、本発明により製造される複合アルミニウム合金部材
は、上述した実施の形態のようなディーゼルエンジン用
ピストンに限られず、ベアリングキャップ、コンロッ
ド、シリンダヘッドの製造にも勿論適用できる。また、
本発明によれば、アルミニウム合金以外に、例えばマグ
ネシウム合金等の他の軽合金鋳物も製造可能である。

【００６５】

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態の複合化されたディーゼルエンジン
用ピストンの部分断面図である。

【図２】本実施形態の気体加圧鋳造装置の互いに直交す
る方向の概略断面図である。

【図３】本実施形態の気体加圧鋳造装置の互いに直交す
る方向の概略断面図である。

【図４】上型１４の詳細構成を示す断面図である。

【図５】上型１４の詳細構成を示す断面図である。

【図６】トップリング溝３に複合化される複合化予備成
形体の外観図である。

【図７】リップ部３１に複合化される複合化予備成形体
の外観図であり、金属繊維材の配向方向を示す図であ
る。

【図８】ディーゼルエンジン用ピストンの燃焼室に作用
する引張応力Ｆ１や拡大応力及び収縮応力Ｆ２を説明す
る図である。

【図９】ステンレス繊維の繊維径と複合化されたリップ
部の高温引張強度との関係を示す図である。

【図１０】ステンレス繊維材の繊維体積率と複合化され
たリップ部の高温引張強度との関係を示す図である。

【図１１】アルミニウム合金のみの鋳造品、繊維径の異
なる２種類のステンレス繊維を複合化した部材、アルミ
ナ繊維を複合化した部材の夫々の高温引張強度について
繊維体積率に基づいて比較して示す図である。

【図１２】アルミニウム合金のみの鋳造品、繊維径の異
なる２種類のステンレス繊維を複合化した部材、アルミ
ナ繊維を複合化した部材の夫々の高温疲労強度について
繊維体積率に基づいて比較して示す図である。

【図１３】複合アルミニウム合金部材の熱処理手順を示
す図である。

【図１４】複合アルミニウム合金部材の熱処理条件を示
す図である。

【図１５】熱処理温度により変化するアルミニウム合金
と複合アルミニウム合金の伸び特性を比較して示す図で
ある。

【図１６】時効温度と熱疲労寿命との関係を示す図であ
る。

【図１７】高サイクル疲労強度と熱処理温度との関係を
示す図である。

【図１８】室温でのＴ６熱処理部材と再溶融処理部材と
の高サイクル疲労寿命を比較して示す図である。

【図１９】３００℃でのＴ６熱処理部材と再溶融処理部
材との高サイクル疲労寿命を比較して示す図である。

【図２０】本実施形態の複合化及び熱処理の概念を説明
する図である。

【図２１】本実施形態の複合化及び熱処理の概念を説明
する図である。

【図２２】本実施形態の複合化及び熱処理の概念を説明
する図である。

【図２３】図２２のＡ−Ａ断面図である。

【符号の説明】

１…アルミニウム合金製ピストン ２…ピストン本体 ３…トップリング溝 ６、３２…複合化部 ７、３３…複合化用予備成形体 １１…鋳型 １２Ｌ、１２Ｒ…外型 １２ｂ、１４ａ…押湯部 １４…上型 １５…製品部キャビティ １６…パイプ ２１、２４…エア抜き溝 ２２…湯口 ２３…カバー ３０…燃焼室 ３１…リップ部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉本 幸弘 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツダ 株式会社内 Ｆターム(参考） 3J044 AA01 AA08 BA07 BB27 BB28 BB31 BB40 CA03 CA07 CA21 DA09

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属繊維材を含有する複合化用予備成形
   体を型内に配置させ、軽金属材料からなる溶湯を型内に
   充填することにより複合化用予備成形体に含浸充填させ
   て複合軽金属部材を複合化させ、 前記複合化した部位のうち、少なくとも熱疲労強度を要
   する部位に溶体化処理を施し、 前記溶体化処理を施した部位に前記金属繊維材を含めて
   過時効処理を施すことを特徴とする複合軽金属部材の製
   造方法。
2. 【請求項２】 前記溶体化処理及び過時効処理が施され
   る部位は、該複合軽金属部材に熱応力が作用する部位で
   あることを特徴とする請求項１に記載の複合軽金属部材
   の製造方法。
3. 【請求項３】 前記複合化用予備成形体は略環状である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の複合軽金属部
   材の製造方法。
4. 【請求項４】 前記軽金属材料はアルミニウム合金であ
   り、５００〜５１０℃で３〜６時間溶体化処理を行うこ
   とを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の
   複合軽金属部材の製造方法。
5. 【請求項５】 前記軽金属材料はアルミニウム合金であ
   り、２２０〜３００℃で４〜１２時間過時効処理を行う
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載
   の複合軽金属部材の製造方法。
6. 【請求項６】 前記過時効処理前後に再溶融処理を行う
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載
   の複合軽金属部材の製造方法。
7. 【請求項７】 前記金属繊維はステンレス繊維であるこ
   とを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の
   複合軽金属部材の製造方法。
8. 【請求項８】 前記複合化用予備成形体は自動車のエン
   ジン用ピストン頂部に形成される燃焼室のリップ部に複
   合化され、前記熱疲労強度はピストンピンに直交する部
   位に作用する熱応力に対する強度であることを特徴とす
   る請求項１乃至７のいずれか１項に記載の複合軽金属部
   材の製造方法。
9. 【請求項９】 金属繊維材を含有する略環状の自動車の
   エンジン用ピストン頂部に形成される燃焼室のリップ部
   に複合化される複合化用予備成形体を型内に配置させ、
   アルミニウム合金材料からなる溶湯を型内に充填するこ
   とにより複合化用予備成形体に含浸充填させて複合軽金
   属部材を複合化させ、 前記複合化した部位のうち、少なくともピストンピンに
   直交する部位に作用する熱応力に対する熱疲労強度を要
   する部位に５００〜５１０℃で３〜６時間溶体化処理を
   施し、 前記溶体化処理を施した部位に前記金属繊維材を含めて
   ２２０〜３００℃で４〜１２時間過時効処理を施すこと
   を特徴とする複合軽金属部材の製造方法。
10. 【請求項１０】 金属繊維材を含有する予備成形体が複
    合化された複合軽金属部材において、少なくとも熱疲労
    強度を要する部位が３％以上の伸びを有することを特徴
    とする複合軽金属部材。
11. 【請求項１１】 前記熱疲労強度を要する部位は複合化
    された部位であり、該部位が３％以上の伸びを有するこ
    とを特徴とする請求項１０に記載の複合軽金属部材。
12. 【請求項１２】 前記熱疲労強度を要する部位は非複合
    化部位であり、該部位が４％以上の伸びを有することを
    特徴とする請求項１０又は１１に記載の複合軽金属部
    材。