JP2009113074A - 鍛造ピストン用ビレット、鍛造ピストン用ビレットの製造方法、鍛造ピストンの製造方法および内燃機関の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成形性（鍛造性）に優れたビレットを製造し得る鍛造ピストン用ビレットの製造方法を提供する。
【解決手段】本発明による鍛造ピストン用ビレットの製造方法は、アルミニウム合金の溶湯を濾過する工程と、濾過された溶湯を金型のキャビティに注ぐ工程と、キャビティに注がれた溶湯をキャビティの底面および側面から冷却することによって成形体を形成する工程とを包含する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鍛造ピストンの製造に用いられる鍛造ピストン用ビレットおよびその製造方法に関する。また、本発明は、鍛造ピストンの製造方法や内燃機関の製造方法にも関する。

近年、内燃機関用のピストンとして、アルミニウム合金から鍛造により形成された鍛造ピストン（例えば特許文献１参照）が採用されつつある。鍛造ピストンは、高温における強度、耐摩耗性に優れているので、鍛造ピストンを採用すると、爆発圧力を高くして高出力化を図ったり、ピストンスカート（スカート部）を薄くして軽量化を図ったりすることができる。

鍛造ピストンの一般的な製造方法を図１５（ａ）〜（ｅ）を参照しながら説明する。

まず、図１５（ａ）に示すように、アルミニウム合金製の丸棒材４０１を用意する。丸棒材４０１は、例えば連続鋳造により形成される。次に、図１５（ｂ）に示すように、丸棒材４０１を切断することによって、扁平な円柱状のビレット４０３を形成する。

続いて、図１５（ｃ）に示すように、金型４０６を用いてビレット４０３を鍛造することによって、図１５（ｄ）に示すような鍛造ピストン４１０が得られる。その後、図１５（ｅ）に示すように、機械加工を行うことによって、各種リングを保持するための溝や、ピストンピンを通すための孔などを形成する。また、鍛造ピストン４１０に寸法を安定させ強度を向上させるための熱処理を施してもよい。

上述した方法では、丸棒材４０１から切り出されたビレット４０３を鍛造に用いる。しかしながら、丸棒材は、保管に大きなスペースを要するし、高価であるので、ビレット（鍛造用素材）を溶湯から直接製造する手法の開発が望まれている。

特許文献２には、鍛造ピストン用のビレットを鋳造により直接製造する技術が提案されている。図１６に、特許文献２に開示されている鋳造装置５００を示す。

鋳造装置５００は、冷却板５０１と、その上に設けられた鋳型５０２とを備える。冷却板５０１と鋳型５０２とによって囲まれる空間５１０が、アルミニウム合金の溶湯を注入されるキャビティである。

鋳型５０２の上には、溶解炉からの溶湯を受ける受槽５０４が設けられている。受槽５０４は、鋳型５０２と一体に形成されており、受槽５０４と鋳型５０２とは注湯口５０５を介して連通している。溶湯は、電気炉５０９によって所定温度に維持される。

注湯口５０５の開放および閉塞は、開閉栓５０６を上下に移動させることによって切り替えられる。注湯口５０５の開放時には、受槽５０４からキャビティ５１０内へ溶湯が注入され、注湯口５０５の閉塞時には、溶湯の注入が遮断される。

キャビティ５１０内に注入された溶湯は、キャビティ５１０の底面５１０ａを構成する冷却板５０１によって冷却されて凝固する。冷却は、具体的には、冷却板５０１にスプレーノズル５０７から水を噴射することによって行われる。このように、鋳造装置５００を用いて鍛造ピストン用のビレットを製造することができる。

特許文献２に開示されている技術では、図１６に示したような閉塞性の鋳型を用いるので、溶湯の計量を行うことなく注湯量を一定にすることができる。そのため、ビレットの寸法や重量に大きなばらつきが発生することを防止できる。

また、特許文献２の鋳造装置５００では、キャビティ５１０内に注入された溶湯は、キャビティ５１０の底面５１０ａのみから冷却されるので、キャビティ５１０内の溶湯は、底面５１０ａ側から上面５１０ｂ側に向かって一方向凝固する。つまり、溶湯の冷却速度は、キャビティ５１０の底面５１０ａ近傍でもっとも大きく、底面５１０ａ側から上面５１０ｂ側に向かうにつれて小さくなり、上面５１０ｂ近傍でもっとも小さい。溶湯の凝固に伴ってアルミニウム合金中に晶出するシリコン結晶粒の粒径は、冷却速度に依存するので、得られるビレットの金属組織に含まれるシリコン結晶粒の粒径は、底面近傍で最も小さく、頂面近傍で最も大きい。つまり、シリコン結晶粒は、ビレットの底面側から頂面側に向かうにつれて粒径が大きくなるような粒径分布を有している。特許文献２には、このようなビレットの頂面側がピストンヘッドを構成するように鍛造を行うことが好ましいことが記載されている。
特開２０００−１７９４００号公報 特開２００４−２７９２２号公報

しかしながら、特許文献２に開示されている技術により製造されたビレットでは、成形性（鍛造性）が不足することがあり、このビレットを用いて鍛造ピストンを製造すると、強度（具体的には疲労強度）が不足することがある。以下、この理由を説明する。

まず、特許文献２に開示されているように鋳造によりビレットを個別に製造すると、連続鋳造などによって製造された丸棒材からビレットを切り出す場合と比べて、ビレットの金属組織内に酸化物などの介在物が増加しやすい。そのため、鍛造時に介在物によって合金の流動性が低下し、特に、スカート部での良好な流動性を確保できないことがある。ビレットはその底面が平面であるため、スカート部は鍛造時に大きく変形させる必要があり、他の部分よりも高い流動性が要求される。

また、特許文献２に開示されている技術では、キャビティ５１０内の溶湯が底面５１０ａのみから冷却されるので、シリコン結晶粒の粒径を、ビレットの底面近傍では十分に小さくできるが、側面近傍では十分に小さくすることができない。つまり、ビレットの側面近傍については、金属組織を十分に微細化することができない。このことも、鍛造時にスカート部での流動性を高くできない原因となる。

このように、特許文献２に開示されている技術により製造されたビレットは、十分に高い成形性（鍛造性）を有していない。そのため、このビレットを鍛造することによって製造された鍛造ピストンは、スカート部の塑性変形が十分ではなく、また、組織中に存在する介在物が破断起点となることがあり、十分に高い疲労強度を有していないことがある。特に、排気量の小さいエンジン用のピストンでは、スカート部の肉厚が小さいので、鍛造時にいっそう高い塑性流動性を要求される。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、成形性（鍛造性）に優れたビレットを製造することができる鍛造ピストン用ビレットの製造方法を提供することにある。

本発明による鍛造ピストン用ビレットの製造方法は、アルミニウム合金の溶湯を濾過する工程と、濾過された前記溶湯を金型のキャビティに注ぐ工程と、前記キャビティに注がれた前記溶湯を前記キャビティの底面および側面から冷却することによって成形体を形成する工程と、を包含する。

ある好適な実施形態において、本発明による鍛造ピストン用ビレットの製造方法は、前記成形体を研削することによって所定の形状のビレットを得る工程をさらに包含する。

ある好適な実施形態において、前記所定の形状のビレットを得る工程において、前記成形体の少なくとも頂面近傍が研削により除去される。

ある好適な実施形態において、本発明による鍛造ピストン用ビレットの製造方法は、前記溶湯を濾過する工程の前に、前記溶湯にフラックス処理を施す工程をさらに包含する。

ある好適な実施形態において、前記成形体を形成する工程は、前記キャビティの上方が開放された状態で行われる。

本発明による鍛造ピストンの製造方法は、上記の製造方法によってビレットを製造する工程と、製造された前記ビレットを鍛造する工程と、を包含する。

本発明による内燃機関の製造方法は、上記の製造方法によって鍛造ピストンを製造する工程と、前記鍛造ピストンを含む内燃機関を組み立てる工程と、を包含する。

本発明による鍛造ピストン用ビレットは、シリコンを含むアルミニウム合金製の鍛造ピストン用ビレットであって、底面および頂面に略直交する断面において、シリコン結晶粒の粒径が等しい点を結ぶ曲線は、中心部で底面側に凹む形状を有する。

以下、本発明の作用を説明する。

本発明による鍛造ピストン用ビレットの製造方法では、アルミニウム合金の溶湯を、金型のキャビティに注がれる前に濾過する。そのため、ビレット中に存在する介在物（酸化物等）の量を少なくすることができる。また、本発明による鍛造ピストン用ビレットの製造方法では、キャビティに注がれた溶湯を、キャビティの底面および側面から冷却する（つまり溶湯を下方および両側方の三方向から凝固させる）。そのため、ビレットの底面近傍および側面近傍の金属組織を十分に微細化することができる。このように、本発明の製造方法により製造されたビレットは、介在物の含有量が少なく、底面近傍および側面近傍の金属組織が十分に微細化されているので、成形性（鍛造性）に優れている。

本発明による鍛造用ピストン用ビレットの製造方法は、典型的には、キャビティ内の溶湯を冷却することによって得られた成形体を研削する工程をさらに包含する。

研削によって所定の形状のビレットを得る上記工程においては、成形体の少なくとも頂面近傍が研削により除去されることが好ましい。本発明による鍛造ピストン用ビレットの製造方法では、溶湯を下方および両側方の三方向から凝固させることによって、鋳巣や介在物を成形体の頂面の中心近傍に集めることができるので、研削によって頂面近傍を除去することにより、ビレット内に存在する鋳巣や介在物を少なくでき、成形性（鍛造性）がさらに向上する。

また、本発明による鍛造用ピストン用ビレットの製造方法は、溶湯を濾過する工程の前に、溶湯にフラックス処理を施す工程をさらに包含することが好ましい。溶湯にフラックス処理を施すことにより、溶湯中の介在物を滓化させることができるので、溶湯の濾過を容易に行うことができる。

成形体を形成する工程を、キャビティの上方が開放された状態で行うと、キャビティの上方が閉塞された状態で行う場合と比べ、キャビティの底面近傍および側面近傍における冷却速度と上方近傍における冷却速度との差を十分に大きく保ちやすいので、鋳巣や介在物を成形体の頂面の中心近傍に集めることがより容易となる。

本発明によると、成形性（鍛造性）に優れたビレットを製造し得る鍛造ピストン用ビレットの製造方法が提供される。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

まず、図１から図３を参照しながら、本実施形態における鍛造ピストン用ビレットの製造方法の概要を説明する。図１は、ビレット（鍛造に用いられる半製品）の製造工程を示すフローチャートである。また、図２は、アルミニウム合金の溶湯から鋳造により成形体を形成するための鋳造装置１００を模式的に示す図であり、図３は、鋳造装置１００によって得られた成形体をビレットに加工する工程を模式的に示す図である。

まず、アルミニウム合金のインゴット１を用意する（ステップＳ１）。本実施形態では、アルミニウム合金として、シリコンを含有するものを用いる。シリコンを含有するアルミニウム合金は、高い強度および高い耐摩耗性を有しているので、鍛造ピストン用ビレットの材料として好適に用いられる。例えば、表１に示す組成のアルミニウム合金Ａ〜Ｃが好適に用いられる。なお、表１中の数値の単位はいずれも質量％である。

次に、インゴット１を連続溶解炉１０１の溶解室１０２にバケット１０３を用いて投入し、溶解室１０２で加熱して溶解させる（ステップＳ２）。これにより、アルミニウム合金の溶湯が得られる。なお、ここではインゴット１を投入する例を示しているが、インゴット１に加えて（あるいは代えて）、後述する研削工程で発生する切粉や、加工不良のビレットを投入してもよい。

続いて、得られた溶湯を、溶解室１０２に連通した保持室１０４で所定の温度に保持し、保持室１０４内でフラックス処理および脱ガス処理を施す（ステップＳ３およびＳ４）。

フラックス処理は、溶湯中にフラックス投入ノズル１０５から所定量のフラックスを投入することによって行われる。フラックスとしては、アルミニウム合金用の公知の種々のもの（例えば特開２０００−２３９７５７号公報に開示されている。）を用いることができる。フラックス処理により、溶湯中の介在物（酸化物等）を滓化させることができる。

また、脱ガス処理は、溶湯中にバブリングノズル１０６から不活性ガス（例えば窒素）を吹き込むことによって行われる。脱ガス処理により、溶湯中の水素ガスを除去することができる。

次に、アルミニウム合金の溶湯を濾過する（ステップＳ５）。具体的には、保持室１０４と汲出室１０７との間に設けられたフィルタ１０８に溶湯を通過させることにより、滓化した介在物等の異物が除去されて溶湯が清浄化される。フィルタ１０８としては、例えば炭化珪素製またはアルミナ製の粒子結合式フィルタが用いられる。

続いて、濾過された溶湯を金型（鋳型）１０９のキャビティ１１０に注ぐ（ステップＳ６）。具体的には、溶湯は、ラドル１１１によって汲出室１０７から汲み出されてキャビティ１１０に注入される。金型１０９は、例えば、銅製である。キャビティ１１０は、扁平な略円柱状に形成されており、その上方が開放されている。なお、ここでは、ラドル１１１を用いて注湯を行う場合を示したが、注湯方法はこれに限定されるものではない。後述するように、清浄化された溶湯を、ディッパーを用いて注入してもよい。

その後、キャビティ１１０に注がれた溶湯をキャビティ１１０の底面１１０ａおよび側面１１０ｂから冷却する（ステップＳ７）。これにより、図３（ａ）に示すような成形体２が形成される。本実施形態では、図２に示すように、キャビティ１１０の底面１１０ａ近傍および側面１１０ｂ近傍に冷却水の流路１１２が設けられており、これらの流路１１２に冷却水を流すことによって、キャビティ１１０の底面１１０ａおよび側面１１０ｂから冷却が行われる。冷却速度は、冷却水の流量を調整することによって制御される。

次に、図３（ｂ）に示すように、成形体２に均質化処理を施す（ステップＳ８）。均質化処理により、合金元素の偏析が減少し、鍛造性が向上する。均質化処理は、例えば、大気雰囲気下、４８０℃〜５１０℃で４時間行われる。

その後、図３（ｃ）に示すように、研削具４を用いて成形体２を研削することによって、図３（ｄ）に示すような所定の形状のビレット３を得る（ステップＳ９）。このとき、成形体２の頂面２ｃ近傍、側面２ｂ近傍および底面２ａ近傍がそれぞれ研削により除去される。図３（ｃ）には、得られるビレット３の形状が点線で示されている。また、図３（ｄ）に示しているように、本実施形態では、ビレット３の底面３ａと頂面３ｃとを区別できるように、底面３ａの周縁が面取りされる。

このようにして、鍛造ピストンの製造に用いられる鍛造ピストン用ビレット３が製造される。本実施形態における製造方法では、アルミニウム合金の溶湯が、金型１０９のキャビティ１１０に注がれる前に濾過されるので、ビレット３中に存在する介在物（酸化物等）の量を少なくすることができる。なお、溶湯中の介在物の除去を容易にするためには、溶湯を濾過する工程（図１におけるステップＳ５）の前に、本実施形態のように、溶湯にフラックス処理を施す（図１におけるステップＳ３）ことが好ましい。

また、本実施形態における製造方法では、キャビティ１１０に注がれた溶湯がキャビティ１１０の底面１１０ａおよび側面１１０ｂから冷却される。従って、キャビティ１１０内の溶湯の冷却速度は、その分布を図４に模式的に示しているように、キャビティ１１０の底面１１０ａ近傍および側面１１０ｂ近傍でもっとも大きく、底面１１０ａおよび側面１１０ｂから離れるにつれて小さくなる。つまり、溶湯は、図４に矢印で模式的に示しているように、下方と両側方の三方向から凝固する。

そのため、成形体２の金属組織に含まれるシリコン結晶粒の粒径は、成形体２の底面２ａ近傍および側面２ｂ近傍で最も小さく、頂面２ｃの中心近傍で最も大きい。従って、成形体２を研削して得られたビレット３においても、シリコン結晶粒は、ビレット３の底面３ａおよび側面３ｂから頂面３ｃの中心に向かうにつれて粒径が大きくなるような粒径分布を有している。それ故、ビレット３は、底面３ａ近傍および側面３ｂ近傍に十分に微細で（つまりシリコン結晶粒径が十分に小さく）、且つ、より介在物の少ない金属組織を有している。

本実施形態の製造方法により製造されたビレット３は、上述したように、溶湯の濾過によって介在物の含有量が少なくなっており、さらに、三方向凝固によって底面３ａ近傍および側面３ｂ近傍の金属組織が十分に微細化されているので、鍛造の際のスカート部での合金の流動性が向上する。

これに対し、特許文献２に開示されているように、キャビティの底面のみから冷却を行う（つまり溶湯を一方向から凝固させる）と、図５に模式的に示すように、溶湯の冷却速度は、キャビティ５１０の底面５１０ａ近傍でもっとも大きく、底面５１０ａ側から上面５１０ｂ側に向かうにつれて小さくなり、上面５１０ｂ近傍でもっとも小さい。従って、得られたビレットの金属組織に含まれるシリコン結晶粒は、ビレットの底面から頂面に向かうにつれて粒径が大きくなるような粒径分布を有している。そのため、特許文献２の手法によりビレットを製造すると、ビレットの底面近傍については金属組織の微細化を行うことができるものの、ビレットの側面近傍については金属組織の十分な微細化を行うことができない。また、介在物が十分に少ない金属組織をビレットの側面近傍に形成することもできない。

また、丸棒材から切り出すことによってビレットを製造しても、本実施形態のビレット３のような良好な成形性（鍛造性）は得られない。図６に、連続鋳造により丸棒材を製造する様子を模式的に示す。

連続鋳造により丸棒材を形成する場合、まず、アルミニウム合金の溶湯がタンディッシュ４１１から鋳型４０２のキャビティ４１３内に注がれる。鋳型４０２の内部には、冷却水の流路４１２が設けられており、溶湯は、キャビティ４１３の側面４１３ａから冷却されて凝固し始める。冷却によって形成された鋳塊は、鋳型４０２の下方に引き出され、引き出された鋳塊の側面に冷却水が吹き付けられてさらに冷却が行われる。

このように、連続鋳造の場合には、キャビティ４１３の側面４１３ａ（あるいは鋳塊の側面）から冷却を行う（つまり溶湯を二方向から凝固させる）ので、図６に模式的に示しているように、溶湯の冷却速度は、キャビティ４１３（あるいは鋳塊）の側面４１３ａ近傍でもっとも大きく、キャビティ４１３の中心に向かうにつれて小さくなり、キャビティ４１３の中心近傍でもっとも小さい。そのため、得られた丸棒材の金属組織に含まれるシリコン結晶粒は、丸棒材の側面から中心に向かうにつれて粒径が大きくなるような粒径分布を有している。従って、丸棒材から切り出されたビレットのシリコン結晶粒も、同じような粒径分布を有している。そのため、丸棒材からビレットを製造すると、ビレットの側面近傍については金属組織の微細化を行うことができるものの、ビレットの底面近傍については金属組織の十分な微細化を行うことができない。

上述したように、特許文献２のような溶湯を一方向から凝固させる手法や、連続鋳造のような溶湯を二方向から凝固させる手法では、ビレットの底面近傍と側面近傍の両方について金属組織の十分な微細化を実現することができない。これに対し、本実施形態の製造方法では、溶湯を三方向から凝固させるので、ビレット３の底面３ａ近傍と側面３ｂ近傍の両方について、金属組織を十分に微細化することができる。

ビレット３の底面３ａ近傍および側面３ｂ近傍の金属組織を十分に微細化するためには、溶湯を冷却する工程（図１のステップＳ７）において、キャビティ１１０内の溶湯の冷却速度が、キャビティ１１０の底面１１０ａ近傍および側面１１０ｂ近傍で、３℃／秒以上であることが好ましく、１０℃／秒以上であることがさらに好ましい。なお、ここでいう冷却速度は、注湯から成形体の取出しまでの冷却速度を平均化したものである。また、ここで、キャビティ１１０の底面１１０ａ近傍および側面１１０ｂ近傍とは、具体的には、底面１１０ａからキャビティ１１０の内側に１０ｍｍまでの領域および側面１１０ｂからキャビティ１１０の内側に１０ｍｍまでの領域を指す。

また、本実施形態のように、キャビティ１１０の底面１１０ａおよび側面１１０ｂから冷却を行うと、酸化物等の介在物や鋳巣（ポロシティ）を、成形体２の頂面２ｃの中心近傍に集めることができる。図３（ａ）〜（ｃ）には、頂面２ｃの中心近傍に集められた鋳巣５を模式的に示している。また、図７に、本実施形態の製造方法により実際に製造した成形体２の断面写真を示す。図７から、成形体２の頂面２ｃ近傍に鋳巣５が集まっていることがわかる。このように、溶湯を三方向から凝固させることにより、成形体２の頂面２ｃ近傍に鋳巣や介在物を集めることができる。そのため、ビレット３の底面３ａ近傍や側面３ｂ近傍に存在する介在物や鋳巣を少なくすることができるので、そのことによってもスカート部での流動性が向上する。これに対し、特許文献２に開示されているように溶湯を二方向から凝固させることによって形成されたビレット５０３では、図８に模式的に示すように、頂面５０３ｃ近傍の全体にわたって鋳巣５が存在してしまう。

なお、ビレット３全体の鍛造性をより高くするためには、成形体２を研削する工程（図１におけるステップＳ９）において、成形体２の少なくとも頂面２ｃ近傍を研削により除去することが好ましい。成形体２の頂面２ｃ近傍を除去することにより、頂面２ｃ近傍に集められた鋳巣５や介在物も除去されるので、ビレット３全体の鍛造性（成形性）を高くすることができ、歩留まりも向上する。また、金型１０９からの異物の混入を防止するためには、研削工程において、金型１０９と直接接触する成形体２の底面２ａおよび側面２ｂの近傍も薄く除去することがさらに好ましい。

また、本実施形態では、成形体２を形成する工程は、キャビティ１１０の上方が開放された状態で行われるが、本発明はこれに限定されるものではない。図９に示すように、キャビティ１１０の上方が閉塞された状態で、成形体２の形成を行ってもよい。図９に示す例では、注湯を行うためのディッパー１１３の底部によって、キャビティ１１０の上方が塞がれている。なお、キャビティ１１０の上方が開放された状態で成形体２の形成を行うと、キャビティ１１０の上方が塞がれた状態で行う場合と比べ、キャビティ１１０の底面１１０ａ近傍および側面１１０ｂ近傍における冷却速度と上方近傍における冷却速度との差を十分に大きく保ちやすいので、鋳巣や介在物を成形体２の頂面２ｃの中心近傍に集めることがより容易となる。

本実施形態の製造方法によって製造されたビレットは、優れた成形性（鍛造性）を有しているので、鍛造ピストンの製造に好適に用いられる。図１０に、鍛造ピストンの製造工程を模式的に示す。

まず、既に述べた製造方法によって、図１０（ａ）に示すようなビレット３を製造する。このビレット３は、既に述べたように、溶湯を三方向凝固する工程を経て製造されるので、底面３ａおよび側面３ｂから頂面３ｃの中心に向かうにつれてシリコン結晶粒の粒径が大きくなるような金属組織を有している。図１１に、ビレット３の底面３ａおよび頂面３ｃに略直交する断面において、シリコン結晶粒の粒径（例えば初晶シリコン粒または共晶シリコン粒のいずれかの円相当径）が等しい点を結ぶ曲線（以下では「等粒径曲線」と呼ぶ。）Ｃを示す。等粒径曲線Ｃは、図１１に示しているように、中心部で底面３ａ側に凹む形状を有する。

次に、図１０（ｂ）に示すように、熱間（例えば２００℃〜５００℃）で鍛造用金型６を用いてビレット３を鍛造することにより、図１０（ｃ）に示すような鍛造ピストン１０が得られる。なお、この鍛造工程においては、ビレット３の頂面３ｃがピストンヘッドとなるように鍛造が行われる。

続いて、図１０（ｄ）に示すように、鍛造ピストン１０に熱処理を施す。具体的には、寸法を安定させ強度を向上させるためのＴ６あるいはＴ７熱処理を行う。これらの熱処理は、溶体化処理や時効処理を含み、大気中で行われる。好ましい処理条件は、例えば以下の通りである。

溶体化処理：４９０℃で４時間保持後水冷
時効処理：２００℃で４時間保持後空冷

最後に、図１０（ｅ）に示すように、機械加工を行うことによって、コンプレッションリング、オイルリングを保持するための溝や、ピストンピンを通すための孔（ピストンピン孔）などを形成する。必要に応じて、さらに表面処理を行ってもよい。

このようにして、鍛造ピストン１０が製造される。図１２に、鍛造工程において塑性変形している最中のビレット３’を示す。図１２に模式的に示すように、鍛造工程においては、スカート部となる部分が大きく引き延ばされる。本実施形態の製造方法により製造されたビレット３は、図１１に示したような金属組織を有しているので、スカート部での合金の流動性が十分に高い。そのため、ビレット３を用いて製造された鍛造ピストン１０は、高い強度（疲労強度）を有している。

なお、従来の製造方法では、図１１に示した等粒径曲線Ｃで表されるような金属組織を有するビレットを製造することはできない。例えば、特許文献２に開示されているように溶湯を一方向凝固させる手法では、シリコン結晶粒の等粒径曲線は、図５に示した冷却速度の分布からも予想されるように、ビレットの底面（あるいは頂面）に対して略平行となる。また、連続鋳造で丸棒材を製造する場合のように溶湯を二方向凝固させる手法では、シリコン結晶粒の等粒径曲線は、図６に示した冷却速度の分布からも予想されるように、ビレットの底面（あるいは頂面）に対して略直交する。このように、従来の製造方法では、等粒径曲線が底面（あるいは頂面）に対して略平行または略直交するので、ビレットの底面近傍および側面近傍の両方についてシリコン結晶粒の粒径を十分に小さくすることは難しい。

これに対し、本実施形態における製造方法によれば、図１１に示したような底面３ａ側に凸な形状を有する等粒径曲線Ｃを実現できるので、ビレット３の底面３ａ近傍および側面３ｂ近傍の両方についてシリコン結晶粒の粒径を十分に小さくすることができる。なお、十分な成形性（鍛造性）を確保するためには、ビレット３の底面３ａ近傍および側面３ｂ近傍における初晶シリコン粒の粒径（具体的には円相当径）は５μｍ以下であることが好ましく、３μｍ以下であることがさらに好ましい。ここで、ビレット３の底面３ａ近傍および側面３ｂ近傍とは、具体的には、底面３ａから深さ１０ｍｍまでの領域および側面３ｂから深さ１０ｍｍまでの領域を指す。

上述したようにして製造され、疲労強度に優れる鍛造ピストン１０は、自動車両をはじめとする各種輸送機器の内燃機関（エンジン）に広く用いられる。図１３に、本実施形態における鍛造ピストン１０を備えたエンジン２００を示す。鍛造ピストン１０を含むエンジン２００を組み立てる工程は、公知の種々の手法により実行される。

エンジン２００は、図１３に示すように、クランクケース２１０、シリンダブロック２２０およびシリンダヘッド２３０を有している。

クランクケース２１０内にはクランクシャフト２１１が収容されている。クランクシャフト２１１は、クランクピン２１２およびクランクウェブ２１３を有している。

クランクケース２１０の上に、シリンダブロック２２０が設けられている。シリンダブロック２２０には、円筒状のシリンダスリーブ２２１がはめ込まれており、鍛造ピストン１０は、シリンダスリーブ２２１内を往復し得るように設けられている。

シリンダブロック２２０の上に、シリンダヘッド２３０が設けられている。シリンダヘッド２３０は、シリンダブロック２２０の鍛造ピストン１０やシリンダスリーブ２２１とともに燃焼室２３１を形成する。シリンダヘッド２３０は、吸気ポート２３２および排気ポート２３３を有している。吸気ポート２３２内には燃焼室２３１内に混合気を供給するための吸気弁２３４が設けられており、排気ポート２３３内には燃焼室２３１内の排気を行うための排気弁２３５が設けられている。

鍛造ピストン１０とクランクシャフト２１１とは、コンロッド２４０によって連結されている。具体的には、コンロッド２４０の小端部の貫通孔にピストンピン２２３が挿入されているとともに、大端部の貫通孔にクランクピン２１２が挿入されており、そのことによって鍛造ピストン１０とクランクシャフト２１１とが連結されている。大端部の貫通孔の内周面とクランクピン２１２との間には、軸受けメタル２１４が設けられている。

図１３に示すエンジン２００は、本実施形態における鍛造ピストン１０を有しているので、軽量化および高出力化を実現でき、さらに、耐久性も高い。

図１４に、図１３に示したエンジン２００を備えた自動二輪車３００を示す。

図１４に示す自動二輪車では、本体フレーム３０１の前端にヘッドパイプ３０２が設けられている。ヘッドパイプ３０２には、フロントフォーク３０３が車両の左右方向に揺動し得るように取り付けられている。フロントフォーク３０３の下端には、前輪３０４が回転可能なように支持されている。

本体フレーム３０１の後端上部から後方に延びるようにシートレール３０６が取り付けられている。本体フレーム３０１上に燃料タンク３０７が設けられており、シートレール３０６上にメインシート３０８ａおよびタンデムシート３０８ｂが設けられている。

また、本体フレーム３０１の後端に、後方へ延びるリアアーム３０９が取り付けられている。リアアーム３０９の後端に後輪３１０が回転可能なように支持されている。

本体フレーム３０１の中央部には、図１３に示したエンジン２００が保持されている。エンジン２００の前方には、ラジエータ３１１が設けられている。エンジン２００の排気ポートには排気管３１２が接続されており、排気管３１２の後端にマフラー３１３が取り付けられている。

エンジン２００には変速機３１５が連結されている。変速機３１５の出力軸３１６に駆動スプロケット３１７が取り付けられている。駆動スプロケット３１７は、チェーン３１８を介して後輪３１０の後輪スプロケット３１９に連結されている。変速機３１５およびチェーン３１８は、エンジン２００により発生した動力を駆動輪に伝える伝達機構として機能する。

図１４に示した自動二輪車３００は、図１３に示した軽量・高出力で耐久性に優れたエンジン２００を備えているので、優れた性能が得られる。

本発明によると、成形性（鍛造性）に優れたビレットを製造し得る鍛造ピストン用ビレットの製造方法が提供される。本発明の製造方法により製造されたビレットは、鍛造ピストンの製造に好適に用いられる。

本発明の好適な実施形態における鍛造ピストン用ビレットの製造方法のフローチャートである。 本発明の好適な実施形態における製造方法に用いられる鋳造装置を模式的に示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は、図２に示す鋳造装置によって得られた成形体をビレットに加工する工程を模式的に示す図である。 キャビティ内の溶湯の冷却速度の分布を模式的に示す図である。 特許文献２に開示されている製造方法における溶湯の冷却速度の分布を模式的に示す図である。 連続鋳造による丸棒材の製造方法における溶湯の冷却速度の分布を模式的に示す図である。 図２に示す鋳造装置によって実際に製造した成形体の断面写真である。 特許文献２に開示されている製造方法により製造されたビレットを模式的に示す断面図である。 本発明の好適な実施形態における製造方法に用いられる注湯方法の他の例を模式的に示す図である。 （ａ）〜（ｅ）は、本発明の好適な実施形態における製造方法によって製造されたビレットを用いた鍛造ピストンの製造工程を模式的に示す図である。 本発明の好適な実施形態における製造方法によって製造されたビレットの断面（底面および頂面に略直交する断面）において、シリコン結晶粒の粒径が等しい点を結ぶ曲線Ｃを示す図である。 鍛造工程において塑性変形している最中のビレットを模式的に示す図である。 図１０に示す工程によって製造された鍛造ピストンを備えたエンジンを模式的に示す断面図である。 図１３に示すエンジンを備えた自動二輪車を模式的に示す断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、鍛造ピストンの一般的な製造工程を模式的に示す図である。 特許文献２に開示されている鋳造装置５００を模式的に示す図である。

符号の説明

１ インゴット
２ 成形体
２ａ 成形体の底面
２ｂ 成形体の側面
２ｃ 成形体の頂面
３ ビレット
３ａ ビレットの底面
３ｂ ビレットの側面
３ｃ ビレットの頂面
４ 研削具
５ 鋳巣
１００ 鋳造装置
１０１ 連続溶解炉
１０２ 溶解室
１０３ バケット
１０４ 保持室
１０５ フラックス投入ノズル
１０６ バブリングノズル
１０７ 汲出室
１０８ フィルタ
１０９ 金型
１１０ キャビティ
１１０ａ キャビティの底面
１１０ｂ キャビティの側面
１１１ ラドル
１１２ 冷却水の流路
１１３ ディッパー
２００ エンジン（内燃機関）
３００ 自動二輪車

Claims (8)

1. 鍛造ピストンの製造に用いられる鍛造ピストン用ビレットの製造方法であって、
   アルミニウム合金の溶湯を濾過する工程と、
   濾過された前記溶湯を金型のキャビティに注ぐ工程と、
   前記キャビティに注がれた前記溶湯を前記キャビティの底面および側面から冷却することによって成形体を形成する工程と、
   を包含する、鍛造ピストン用ビレットの製造方法。
2. 前記成形体を研削することによって所定の形状のビレットを得る工程をさらに包含する、請求項１に記載の鍛造ピストン用ビレットの製造方法。
3. 前記所定の形状のビレットを得る工程において、前記成形体の少なくとも頂面近傍が研削により除去される、請求項２に記載の鍛造ピストン用ビレットの製造方法。
4. 前記溶湯を濾過する工程の前に、前記溶湯にフラックス処理を施す工程をさらに包含する、請求項１から３のいずれかに記載の鍛造ピストン用ビレットの製造方法。
5. 前記成形体を形成する工程は、前記キャビティの上方が開放された状態で行われる、請求項１から４のいずれかに記載の鍛造ピストン用ビレットの製造方法。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の製造方法によってビレットを製造する工程と、
   製造された前記ビレットを鍛造する工程と、
   を包含する鍛造ピストンの製造方法。
7. 請求項６に記載の製造方法によって鍛造ピストンを製造する工程と、
   前記鍛造ピストンを含む内燃機関を組み立てる工程と、
   を包含する、内燃機関の製造方法。
8. シリコンを含むアルミニウム合金製の鍛造ピストン用ビレットであって、
   底面および頂面に略直交する断面において、シリコン結晶粒の粒径が等しい点を結ぶ曲線は、中心部で底面側に凹む形状を有する、鍛造ピストン用ビレット。

Images