JP2023060831A - steel piston - Google Patents

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JP2023060831A JP2022165064A JP2022165064A JP2023060831A JP 2023060831 A JP2023060831 A JP 2023060831A JP 2022165064 A JP2022165064 A JP 2022165064A JP 2022165064 A JP2022165064 A JP 2022165064A JP 2023060831 A JP2023060831 A JP 2023060831A
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敦 鈴木
Atsushi Suzuki
豊 根石
Yutaka Neishi
直樹 松井
Naoki Matsui
修 加田
Osamu Kada
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Abstract

To provide a steel piston having excellent high temperature fatigue strength at a joint part even if an upper member and a lower member are made of different materials.SOLUTION: The upper member includes a steel material containing, by mass%, 0.15-0.50% C, 0.01-0.50% Si, 0.10-1.00% Mn, 0.020% or less P, 0.028% or less S, 0.50-2.00% Cr, 0.08-0.50% Mo, 0.05-0.50% V, 0.05-0.20% Ti, 0.005-0.100% Al, 0.0200% or less N, 0.0050% or less O, 0.00-0.50% Cu, 0.00-1.00% Ni, 0.000-0.100% Nb, and a balance Fe with inevitable impurities. Fn1 expressed by an expression (1) is 0.410 or more: Fn1=(95Si+25Mn+25Cr+12.5Mo+5V+15Al)-0.2+10-5/Ti (1).SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本開示は、ピストンに関し、さらに詳しくは、エンジン等に利用されるスチールピストンに関する。 TECHNICAL FIELD The present disclosure relates to pistons and, more particularly, to steel pistons utilized in engines and the like.

ディーゼルエンジン等に代表されるエンジンは、ピストンを含む。ピストンは、エンジンのシリンダ内に収納され、シリンダ内を往復移動する。ピストンは、エンジン動作中の燃焼過程において、高温の熱に曝される。 Engines, typified by diesel engines, include pistons. The piston is housed within a cylinder of the engine and reciprocates within the cylinder. Pistons are exposed to high temperatures during the combustion process during engine operation.

従前のピストンの多くは、アルミニウムを鋳造して製造されている。しかしながら近年、エンジンの燃焼効率のさらなる向上が求められている。アルミ鋳造品のピストンでは、使用中の表面温度が240~330℃程度である。 Most conventional pistons are made from cast aluminum. However, in recent years, further improvements in engine combustion efficiency have been demanded. The surface temperature of an aluminum casting piston is about 240 to 330°C during use.

最近では、さらに高い燃焼温度域においてピストンを使用して、燃焼効率を高める検討がされている。そのため、使用中のピストンの上部の表面温度が400℃以上、さらには500℃以上となっても、耐久可能なピストンが求められている。このような要望に応えるために、鋼材を用いて製造されるスチールピストンが提案され始めている。スチールピストンは例えば、特許文献1に提案されている。スチールピストンはアルミ鋳造品のピストンと比較して、素材の融点が高い。そのため、スチールピストンはアルミ鋳造品のピストンと比較して、より高い燃焼温度域でも使用することができる。 Recently, studies have been made to improve combustion efficiency by using a piston in a higher combustion temperature range. Therefore, there is a demand for a piston that can endure even when the surface temperature of the upper portion of the piston during use reaches 400° C. or higher, or even 500° C. or higher. In order to meet such demands, steel pistons manufactured using steel have begun to be proposed. A steel piston is proposed, for example, in US Pat. Steel pistons have a higher melting point than aluminum casting pistons. Therefore, steel pistons can be used in a higher combustion temperature range than aluminum casting pistons.

特許文献2では、スチールピストンの寿命を高める技術が提案されている。具体的には、特許文献2では、スチールピストンの寿命について、次の点を指摘している。高温域でのスチールピストンの使用中において、スチールピストンのピストンクラウン表面に酸化スケールが生成する。酸化スケールが剥離することにより、ピストンクラウンにはスケールきずが形成される。このスケールきず(酸化スケールが剥離した領域)が広がることにより、スチールピストンのピストンクラウンにクラックが発生する。特許文献2では、この問題を解決するために、スチールピストンのピストンクラウン上に、酸化スケールの生成を抑制するための保護層を形成する。 Patent Literature 2 proposes a technique for increasing the service life of steel pistons. Specifically, Patent Document 2 points out the following points regarding the service life of the steel piston. Oxidation scale is formed on the surface of the piston crown of the steel piston during use of the steel piston in a high temperature range. Scale flaws are formed on the piston crown by exfoliation of the oxide scale. Cracks are generated in the piston crown of the steel piston due to the spread of these scale flaws (regions where the oxide scale is peeled off). In Patent Document 2, in order to solve this problem, a protective layer is formed on the piston crown of the steel piston to suppress the formation of oxide scale.

上述の特許文献2では、スチールピストンに保護層を形成することにより、スチールピストンの寿命を高める。しかしながら、スチールピストンに用いられる鋼材については、検討されていない。 In Patent Document 2 mentioned above, the service life of the steel piston is increased by forming a protective layer on the steel piston. However, the steel material used for the steel piston has not been studied.

特許文献3に提案されたスチールピストンでは、スチールピストンに求められる特性に適した鋼材が提案されている。特許文献3に開示されたスチールピストンは、鋼材からなる上部材と、下部材とからなる。上部材と下部材とは、摩擦接合やレーザー溶接により接合されている。上部材を構成する鋼材では、Mo含有量及びV含有量が、規定されたパラメータ式を満たすように調整されている。この鋼材ではさらに、Mn硫化物及び酸化物の個数密度を調整している。 In the steel piston proposed in Patent Document 3, a steel material suitable for the properties required for the steel piston is proposed. The steel piston disclosed in Patent Document 3 consists of an upper member made of steel and a lower member. The upper member and the lower member are joined by friction welding or laser welding. In the steel material forming the upper member, the Mo content and V content are adjusted so as to satisfy specified parameter formulas. In this steel material, the number density of Mn sulfides and oxides is further adjusted.

特許文献3に開示されたスチールピストンでは、上部材を構成する鋼材のMo含有量及びV含有量を調整することにより、スチールピストンの高温疲労強度を高める。さらに、上部材を構成する鋼材中のMn硫化物及び酸化物の個数密度を調整することにより、接合界面近傍の熱影響部(HAZ)の高温での疲労強度を高める。 In the steel piston disclosed in Patent Document 3, the high-temperature fatigue strength of the steel piston is increased by adjusting the Mo content and V content of the steel material forming the upper member. Furthermore, by adjusting the number density of Mn sulfides and oxides in the steel material constituting the upper member, the fatigue strength at high temperatures of the heat affected zone (HAZ) near the joint interface is increased.

特開2004-181534号公報JP 2004-181534 A 特開2015-078693号公報JP 2015-078693 A 国際公開第2019/230938号WO2019/230938

特許文献3に開示されているとおり、スチールピストンを上部材と下部材とに分けて、上部材と下部材とを摩擦接合やレーザー接合等により接合する場合がある。上部材は、下部材と異なる材質であってもよい。しかしながら、上部材が下部材と異なる材質である場合、上部材と下部材とを摩擦接合やレーザー接合等で接合すれば、接合部において、高温での疲労強度が低くなる場合がある。 As disclosed in Patent Document 3, there is a case in which a steel piston is divided into an upper member and a lower member, and the upper member and the lower member are joined by friction welding, laser welding, or the like. The upper member may be made of a material different from that of the lower member. However, if the upper member and the lower member are made of a material different from that of the lower member, and the upper member and the lower member are joined by friction welding, laser welding, or the like, the fatigue strength at the joint may be lowered at high temperatures.

本開示の目的は、上部材と下部材とが接合されているスチールピストンであって、上部材と下部材とが異なる材質である場合であっても、接合部において優れた高温疲労強度を有する、スチールピストンを提供することである。 An object of the present disclosure is a steel piston in which an upper member and a lower member are joined, and which has excellent high temperature fatigue strength at the joint even if the upper member and the lower member are made of different materials. , is to provide a steel piston.

本開示のスチールピストンは、次の構成を有する。 The steel piston of the present disclosure has the following configuration.

スチールピストンであって、
少なくともクラウン部のトップランドを含む上部材と、
前記上部材の下方に配置され、前記上部材と接合されている下部材と、
を備え、
前記上部材は、
化学組成が、質量%で、
C:0.15~0.50%、
Si:0.01~0.50%、
Mn:0.10~1.00%、
P:0.020%以下、
S:0.028%以下、
Cr:0.50~2.00%、
Mo:0.08~0.50%、
V:0.05~0.50%、
Ti:0.05~0.20%、
Al:0.005~0.100%、
N:0.0200%以下、及び、
O:0.0050%以下、を含有し、
残部はFe及び不純物からなり、
式(1)で定義されるFn1が0.410以上である鋼材からなり、
前記下部材は、
アルミ合金材からなる、
スチールピストン。
Fn1=(95Si+25Mn+25Cr+12.5Mo+5V+15Al)-0.2+10-5/Ti (1)
ここで、式(1)中の各元素記号には、対応する元素の質量%での含有量が代入される。
a steel piston,
an upper member including at least a crown topland;
a lower member disposed below the upper member and joined to the upper member;
with
The upper member is
The chemical composition, in mass %,
C: 0.15 to 0.50%,
Si: 0.01 to 0.50%,
Mn: 0.10-1.00%,
P: 0.020% or less,
S: 0.028% or less,
Cr: 0.50 to 2.00%,
Mo: 0.08-0.50%,
V: 0.05 to 0.50%,
Ti: 0.05 to 0.20%,
Al: 0.005 to 0.100%,
N: 0.0200% or less, and
O: 0.0050% or less,
the balance consists of Fe and impurities,
Made of steel material whose Fn1 defined by formula (1) is 0.410 or more,
The lower member is
Made of aluminum alloy material,
steel piston.
Fn1=(95Si+25Mn+25Cr+12.5Mo+5V+15Al) −0.2 +10 −5 /Ti (1)
Here, the content of the corresponding element in mass % is substituted for each element symbol in the formula (1).

本開示によるスチールピストンは、上部材と下部材とが異なる材質であるものの、接合部において優れた高温疲労強度を有する。 The steel piston according to the present disclosure has excellent high temperature fatigue strength at the joint even though the upper and lower members are made of different materials.

図1は、本実施形態によるスチールピストンの断面図であって、スチールピストンの中心軸を含む面で切断した場合の断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of the steel piston according to the present embodiment, taken along a plane including the central axis of the steel piston. 図2は、化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内である鋼材と、JIS H5202:2010に規定されたAC8Aに相当する化学組成を有するアルミ合金材とを摩擦接合した場合の、接合界面からの距離と、鋼材及びアルミ合金材の硬さ(HV)との関係を示す模式図である。FIG. 2 shows the friction welding of a steel material having a chemical composition in which the content of each element is within the range of the present embodiment and an aluminum alloy material having a chemical composition corresponding to AC8A specified in JIS H5202:2010. , and a schematic diagram showing the relationship between the distance from the joint interface and the hardness (HV) of the steel material and the aluminum alloy material. 図3は、化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内である鋼材と、アルミ合金材とを摩擦接合した場合の、接合界面近傍領域での硬さ低下量ΔHVと、Fn1との関係を示す図である。FIG. 3 shows the hardness reduction amount ΔHV in the region near the joint interface and Fn1 when a steel material having a chemical composition in which the content of each element is within the range of the present embodiment and an aluminum alloy material are friction-welded. is a diagram showing the relationship of 図4は、化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内である鋼材と、アルミ合金材とを摩擦接合した場合の、接合界面近傍領域での硬さ低下量ΔHVと、接合部の高温疲労強度との関係を示す図である。FIG. 4 shows the amount of hardness reduction ΔHV in the region near the joint interface when friction welding is performed between a steel material having a chemical composition in which the content of each element is within the range of the present embodiment and an aluminum alloy material, and the and high temperature fatigue strength.

本発明者らは初めに、使用中の表面温度が400℃以上となるようなスチールピストンの上部材に求められる機械特性、及び、下部材に求められる機械特性について、検討を行った。 The present inventors first examined the mechanical properties required for the upper member and the lower member of the steel piston whose surface temperature during use is 400° C. or higher.

上述のとおり、上部材では、表面温度が400℃以上となることが想定されるため、優れた高温疲労強度が求められる。上部材が鋼材からなる場合、従前のアルミ合金材よりも高温疲労強度に優れる。したがって、スチールピストンの上部材は鋼材で構成されるのが適する。 As described above, the upper member is expected to have a surface temperature of 400° C. or higher, and thus excellent high-temperature fatigue strength is required. When the upper member is made of steel, it is superior in high-temperature fatigue strength to conventional aluminum alloy materials. Therefore, it is suitable that the upper member of the steel piston is made of steel.

一方、スチールピストンの下部材では、上部材ほどの高温環境に曝されない。さらに、下部材の形状は複雑である。そのため、下部材は、複雑な形状に対応しやすい素材が求められる。したがって、下部材は従前のアルミ合金材で構成されるのが適する。 On the other hand, the lower member of the steel piston is not exposed to the high temperature environment as the upper member. Furthermore, the shape of the lower member is complicated. Therefore, the lower member is required to be made of a material that can be easily formed into a complicated shape. Therefore, it is suitable for the lower member to be made of a conventional aluminum alloy material.

以上の検討の結果、本発明者らは、スチールピストンでは、鋼材で構成される上部材と、アルミ合金材で構成される下部材とを接合させるのが適すると考えた。 As a result of the above studies, the inventors of the present invention thought that it would be suitable for a steel piston to join an upper member made of steel and a lower member made of aluminum alloy.

そこで、本発明者らは、上部材を構成する鋼材について検討を行った。上述のとおり、上部材は、使用中において、400℃以上の高温に曝される。そのため、上部材を構成する鋼材には、高温疲労強度に優れることが求められる。そこで、本発明者らは、化学組成の観点から、高温疲労強度に優れる鋼材を検討した。その結果、上部材を構成する鋼材が、質量%で、C:0.15~0.50%、Si:0.01~0.50%、Mn:0.10~1.00%、P:0.020%以下、S:0.028%以下、Cr:0.50~2.00%、Mo:0.08~0.50%、V:0.05~0.50%、Ti:0.05~0.20%、Al:0.005~0.100%、N:0.0200%以下、O:0.0050%以下、Cu:0.00~0.50%、Ni:0.00~1.00%、Nb:0.000~0.100%、及び、残部:Fe及び不純物、からなる化学組成であれば、高温疲労強度に優れると考えた。 Therefore, the present inventors have investigated the steel material that constitutes the upper member. As described above, the upper member is exposed to high temperatures of 400° C. or higher during use. Therefore, the steel material forming the upper member is required to have excellent high-temperature fatigue strength. Therefore, the present inventors have investigated steel materials that are excellent in high-temperature fatigue strength from the viewpoint of chemical composition. As a result, the steel material constituting the upper member, in mass%, C: 0.15 to 0.50%, Si: 0.01 to 0.50%, Mn: 0.10 to 1.00%, P: 0.020% or less, S: 0.028% or less, Cr: 0.50-2.00%, Mo: 0.08-0.50%, V: 0.05-0.50%, Ti: 0 .05-0.20%, Al: 0.005-0.100%, N: 0.0200% or less, O: 0.0050% or less, Cu: 0.00-0.50%, Ni: 0.005% 00 to 1.00%, Nb: 0.000 to 0.100%, and the balance: Fe and impurities.

しかしながら、上述の化学組成を有する鋼材で構成される上部材と、アルミ合金材で構成される下部材とを接合してスチールピストンを製造した場合、スチールピストンの接合部での高温疲労強度が十分に得られない場合があることが判明した。そこで本発明者らは、この原因について調査及び検討を行った。その結果、本発明者らは、次の知見を得た。 However, when a steel piston is manufactured by joining an upper member made of steel having the chemical composition described above and a lower member made of an aluminum alloy, the high-temperature fatigue strength at the joint of the steel piston is sufficient. It turned out that there are cases where it is not possible to obtain Therefore, the present inventors investigated and examined the cause of this. As a result, the inventors obtained the following knowledge.

鋼材で構成される上部材と、アルミ合金材で構成される下部材とを摩擦接合又はレーザー接合又は拡散接合により接合した場合、アルミ合金材のうち、接合界面近傍領域の硬さが低下する。アルミ合金材は鋼材よりも硬さが低く、融点も低い。そのため、接合時に発生する加工発熱の影響を受けやすく、その結果、接合界面近傍領域の硬さが低下すると考えられる。 When an upper member made of steel and a lower member made of aluminum alloy are joined by friction welding, laser welding, or diffusion welding, the hardness of the aluminum alloy material decreases in the vicinity of the joint interface. Aluminum alloys are less hard than steel and have a lower melting point. Therefore, it is considered that the hardness of the region near the joint interface is likely to be reduced as a result of being easily affected by heat generated during welding.

本発明者らは、アルミ合金材の接合界面近傍領域での硬さが低下することに起因して、スチールピストンの接合部の高温疲労強度が低下すると考えた。そこで、本発明者らは、アルミ合金材で構成される下部材の接合界面近傍領域での硬さ低下を抑制する手段を検討した。 The present inventors considered that the high-temperature fatigue strength of the joint portion of the steel piston is reduced due to the decrease in hardness in the region near the joint interface of the aluminum alloy material. Therefore, the present inventors have investigated a means for suppressing a decrease in hardness in the region near the joint interface of the lower member made of an aluminum alloy material.

検討の結果、本発明者らは、上部材の鋼材の化学組成のうち、Si、Mn、Cr、Mo、V、Al及びTiが、アルミ合金材で構成される下部材の接合界面近傍領域での硬さに影響することを突き止めた。そこで、上部材の鋼材のこれらの元素含有量と、下部材のアルミ合金材の接合界面近傍領域での硬さ低下量とをさらに調査及び検討した。その結果、式(1)で定義されるFn1が0.410以上であれば、アルミ合金材で構成される下部材の接合界面近傍領域での硬さ低下が顕著に抑制され、その結果、接合部において優れた高温疲労強度が得られることが分かった。
Fn1=(95Si+25Mn+25Cr+12.5Mo+5V+15Al)-0.2+10-5/Ti (1)
ここで、式(1)中の各元素記号には、対応する元素の質量%での含有量が代入される。
As a result of investigation, the present inventors found that Si, Mn, Cr, Mo, V, Al and Ti, among the chemical compositions of the steel material of the upper member, are present in the region near the joint interface of the lower member made of an aluminum alloy material. It was found that it affects the hardness of Therefore, the content of these elements in the steel material of the upper member and the decrease in hardness of the aluminum alloy material of the lower member in the vicinity of the joint interface were further investigated and examined. As a result, if Fn1 defined by formula (1) is 0.410 or more, the decrease in hardness in the vicinity of the joint interface of the lower member made of aluminum alloy material is remarkably suppressed. It was found that excellent high-temperature fatigue strength was obtained in the part.
Fn1=(95Si+25Mn+25Cr+12.5Mo+5V+15Al) −0.2 +10 −5 /Ti (1)
Here, the content of the corresponding element in mass % is substituted for each element symbol in the formula (1).

以上の知見に基づいて完成した本実施形態によるスチールピストンは、次の構成を有する。 The steel piston according to this embodiment completed based on the above findings has the following configuration.

[1]
スチールピストンであって、
少なくともクラウン部のトップランドを含む上部材と、
前記上部材の下方に配置され、前記上部材と接合されている下部材と、
を備え、
前記上部材は、
化学組成が、質量%で、
C:0.15~0.50%、
Si:0.01~0.50%、
Mn:0.10~1.00%、
P:0.020%以下、
S:0.028%以下、
Cr:0.50~2.00%、
Mo:0.08~0.50%、
V:0.05~0.50%、
Ti:0.05~0.20%、
Al:0.005~0.100%、
N:0.0200%以下、及び、
O:0.0050%以下、を含有し、
残部はFe及び不純物からなり、
式(1)で定義されるFn1が0.410以上である鋼材からなり、
前記下部材は、
アルミ合金材からなる、
スチールピストン。
Fn1=(95Si+25Mn+25Cr+12.5Mo+5V+15Al)-0.2+10-5/Ti (1)
ここで、式(1)中の各元素記号には、対応する元素の質量%での含有量が代入される。
[1]
a steel piston,
an upper member including at least a crown topland;
a lower member disposed below the upper member and joined to the upper member;
with
The upper member is
The chemical composition, in mass %,
C: 0.15 to 0.50%,
Si: 0.01 to 0.50%,
Mn: 0.10-1.00%,
P: 0.020% or less,
S: 0.028% or less,
Cr: 0.50 to 2.00%,
Mo: 0.08-0.50%,
V: 0.05 to 0.50%,
Ti: 0.05 to 0.20%,
Al: 0.005 to 0.100%,
N: 0.0200% or less, and
O: 0.0050% or less,
the balance consists of Fe and impurities,
Made of steel material whose Fn1 defined by formula (1) is 0.410 or more,
The lower member is
Made of aluminum alloy material,
steel piston.
Fn1=(95Si+25Mn+25Cr+12.5Mo+5V+15Al) −0.2 +10 −5 /Ti (1)
Here, the content of the corresponding element in mass % is substituted for each element symbol in the formula (1).

[2]
スチールピストンであって、
少なくともクラウン部のトップランドを含む上部材と、
前記上部材の下方に配置され、前記上部材と接合されている下部材と、
を備え、
前記上部材は、
化学組成が、質量%で、
C:0.15~0.50%、
Si:0.01~0.50%、
Mn:0.10~1.00%、
P:0.020%以下、
S:0.028%以下、
Cr:0.50~2.00%、
Mo:0.08~0.50%、
V:0.05~0.50%、
Ti:0.05~0.20%、
Al:0.005~0.100%、
N:0.0200%以下、及び、
O:0.0050%以下、を含有し、
さらに、
Cu:0.50%以下、
Ni:1.00%以下、及び、
Nb:0.100%以下、からなる群から選択される1種以上を含有し、
残部はFe及び不純物からなり、
式(1)で定義されるFn1が0.410以上である鋼材からなり、
前記下部材は、
アルミ合金材からなる、
スチールピストン。
Fn1=(95Si+25Mn+25Cr+12.5Mo+5V+15Al)-0.2+10-5/Ti (1)
ここで、式(1)中の各元素記号には、対応する元素の質量%での含有量が代入される。
[2]
a steel piston,
an upper member including at least a crown topland;
a lower member disposed below the upper member and joined to the upper member;
with
The upper member is
The chemical composition, in mass %,
C: 0.15 to 0.50%,
Si: 0.01 to 0.50%,
Mn: 0.10-1.00%,
P: 0.020% or less,
S: 0.028% or less,
Cr: 0.50 to 2.00%,
Mo: 0.08-0.50%,
V: 0.05 to 0.50%,
Ti: 0.05 to 0.20%,
Al: 0.005 to 0.100%,
N: 0.0200% or less, and
O: 0.0050% or less,
moreover,
Cu: 0.50% or less,
Ni: 1.00% or less, and
Nb: 0.100% or less, containing one or more selected from the group consisting of
the balance consists of Fe and impurities,
Made of steel material whose Fn1 defined by formula (1) is 0.410 or more,
The lower member is
Made of aluminum alloy material,
steel piston.
Fn1=(95Si+25Mn+25Cr+12.5Mo+5V+15Al) −0.2 +10 −5 /Ti (1)
Here, the content of the corresponding element in mass % is substituted for each element symbol in the formula (1).

[3]
[1]に記載のスチールピストンであって、
前記鋼材の化学組成ではさらに、
式(2)で定義されるFn2が3.56~4.20である、
スチールピストン。
Fn2=100×(92C+357Si+200Mn+67Ni+100Cr+44Mo+4)-0.54 (2)
ここで、式(2)の各元素記号には、対応する元素の質量%での含有量が代入される。元素が含有されていない場合、対応する元素記号には「0」が代入される。
[3]
The steel piston according to [1],
Further, in the chemical composition of the steel material,
Fn2 defined by formula (2) is 3.56 to 4.20,
steel piston.
Fn2=100×(92C+357Si+200Mn+67Ni+100Cr+44Mo+4) −0.54 (2)
Here, the content in mass % of the corresponding element is substituted for each element symbol in the formula (2). When an element is not contained, "0" is substituted for the corresponding element symbol.

[4]
[2]に記載のスチールピストンであって、
前記鋼材の化学組成ではさらに、
式(2)で定義されるFn2が3.56~4.20である、
スチールピストン。
Fn2=100×(92C+357Si+200Mn+67Ni+100Cr+44Mo+4)-0.54 (2)
ここで、式(2)の各元素記号には、対応する元素の質量%での含有量が代入される。元素が含有されていない場合、対応する元素記号には「0」が代入される。
[4]
The steel piston according to [2],
Further, in the chemical composition of the steel material,
Fn2 defined by formula (2) is 3.56 to 4.20,
steel piston.
Fn2=100×(92C+357Si+200Mn+67Ni+100Cr+44Mo+4) −0.54 (2)
Here, the content in mass % of the corresponding element is substituted for each element symbol in the formula (2). When an element is not contained, "0" is substituted for the corresponding element symbol.

[5]
[1]~[4]のいずれか1項に記載のスチールピストンであって、
前記鋼材の化学組成ではさらに、
式(3)で定義されるFn3が1.07以上である、
スチールピストン。
Fn3=100×(35C+161Si+200Mn+84Cr+5Mo)-0.8 (3)
ここで、式(3)の各元素記号には、対応する元素の質量%での含有量が代入される。
[5]
The steel piston according to any one of [1] to [4],
Further, in the chemical composition of the steel material,
Fn3 defined by formula (3) is 1.07 or more,
steel piston.
Fn3=100×(35C+161Si+200Mn+84Cr+5Mo) −0.8 (3)
Here, the content in mass % of the corresponding element is substituted for each element symbol in the formula (3).

以下、本実施形態によるスチールピストンについて詳述する。元素に関する「%」は、特に断りがない限り、質量%を意味する。 The steel piston according to this embodiment will be described in detail below. "%" for elements means % by weight unless otherwise specified.

[スチールピストンの構成]
図1は、本実施形態によるスチールピストン1の断面図であって、スチールピストン1の中心軸を含む面で切断した場合の断面図である。
[Structure of Steel Piston]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a steel piston 1 according to this embodiment, taken along a plane including the central axis of the steel piston 1. FIG.

図1を参照して、本実施形態のスチールピストン1は、円柱形状を有する。スチールピストン1は、上部材10と、下部材11とを備える。
上部材10は、スチールピストン1の上部であって、鋼材で構成される。上部材10は、少なくともクラウン部13のトップランド16を含む。
Referring to FIG. 1, a steel piston 1 of this embodiment has a cylindrical shape. A steel piston 1 comprises an upper member 10 and a lower member 11 .
The upper member 10 is an upper portion of the steel piston 1 and is made of steel. Top member 10 includes at least a top land 16 of crown portion 13 .

下部材11は、上部材10の下方に配置されている。下部材11は、上部材10と接合されている。図1では、下部材11は、接合面30において、上部材10と接合されている。より具体的には、下部材11は、上部材10と摩擦接合、レーザー接合、又は、拡散接合されている。好ましくは、下部材11の上端面の直径は、上部材10の下端面の直径と同じである。 The lower member 11 is arranged below the upper member 10 . The lower member 11 is joined with the upper member 10 . In FIG. 1, the lower member 11 is joined to the upper member 10 at the joint surface 30 . More specifically, the lower member 11 is friction-bonded, laser-bonded, or diffusion-bonded to the upper member 10 . Preferably, the diameter of the upper end surface of the lower member 11 is the same as the diameter of the lower end surface of the upper member 10 .

下部材11は、少なくともスカート部14と、ピストンピン穴15とを含む。スカート部14は、クラウン部13の下方に配置されており、スカート部14の上端は、クラウン部13の下端とつながっている。 Lower member 11 includes at least a skirt portion 14 and a piston pin hole 15 . The skirt portion 14 is arranged below the crown portion 13 , and the upper end of the skirt portion 14 is connected to the lower end of the crown portion 13 .

一対のピストンピン穴15は、スカート部14に形成されており、図示しないピストンピンが挿入可能である。一対のピストンピン穴15の間には、隙間40が形成されている。隙間40には、図示しないコネクティングロッドの小端部が配置される。コネクティングロッドの小端部の穴と、一対のピストンピン穴とは、同軸に配置される。コネクティングロッドの小端部に形成された穴と、一対のピストンピン穴15とにピストンピンが挿入され、スチールピストンとコネクティングロッドとが連結される。 A pair of piston pin holes 15 are formed in the skirt portion 14 into which piston pins (not shown) can be inserted. A gap 40 is formed between the pair of piston pin holes 15 . A small end of a connecting rod (not shown) is arranged in the gap 40 . The small end hole of the connecting rod and the pair of piston pin holes are coaxially arranged. A piston pin is inserted into a hole formed in the small end of the connecting rod and a pair of piston pin holes 15 to connect the steel piston and the connecting rod.

図1では、上部材10の下面と、下部材11の上面とにより、空洞50が区画されている。空洞50には例えば冷却媒体が循環して、使用中のスチールピストン1を冷却する。なお、図1では、スチールピストン1は空洞50を含むが、空洞50の形状は図1に示す形状に限定されない。また、スチールピストン1は空洞50を含まなくてもよい。つまり、上部材10の下面と下部材11の上面との間に空洞50が形成されなくてもよい。 In FIG. 1 , the cavity 50 is defined by the lower surface of the upper member 10 and the upper surface of the lower member 11 . A cooling medium, for example, circulates in the cavity 50 to cool the steel piston 1 during use. Although the steel piston 1 includes a cavity 50 in FIG. 1, the shape of the cavity 50 is not limited to the shape shown in FIG. Also, the steel piston 1 may not include the cavity 50 . That is, the cavity 50 does not have to be formed between the lower surface of the upper member 10 and the upper surface of the lower member 11 .

図1では、スチールピストン1のクラウン部13は、トップランド16と、複数のランド17及び18と、複数のリング溝19~21とを含む。トップランド16は、スチールピストン1の最上端の頂上面161を含む。ランド17はクラウン部13の周面であって、トップランド16の下方に配置され、トップランド16とランド17との間にはリング溝19が形成されている。ランド18はクラウン部13の周面であって、ランド17の下方に配置され、ランド17とランド18との間にはリング溝20が形成されている。ランド18の下方にはスカート部14が形成され、ランド18とスカート部14との間には、リング溝21が形成されている。各リング溝19~21には、図示しないピストンリングを配置することができる。 In FIG. 1, the crown portion 13 of the steel piston 1 includes a top land 16, a plurality of lands 17 and 18, and a plurality of ring grooves 19-21. The top land 16 includes the top surface 161 of the uppermost end of the steel piston 1 . The land 17 is the peripheral surface of the crown portion 13 and is arranged below the top land 16 , and a ring groove 19 is formed between the top land 16 and the land 17 . A land 18 is a peripheral surface of the crown portion 13 and is arranged below the land 17 , and a ring groove 20 is formed between the lands 17 and 18 . A skirt portion 14 is formed below the land 18 , and a ring groove 21 is formed between the land 18 and the skirt portion 14 . A piston ring (not shown) can be arranged in each of the ring grooves 19-21.

図1では、上部材10は、クラウン部13全部を含んでおらず、クラウン部13のうち、トップランド16、ランド17、及びランド18の上部を含んでいる。しかしながら、上部材10の構成はこれに限定されない。高温使用環境用途のピストンでは、トップランド16の表面温度が最も高くなる。したがって、上部材10は、少なくともクラウン部13のトップランド16を含んでいれば足りる。つまり、上部材10は、クラウン部13のトップランド16を含み、ランド17より下方の部分を含んでいなくてもよい。この場合、スチールピストン1のうち、ランド17及びランド17よりも下方の部分が下部材11となる。 In FIG. 1 , the upper member 10 does not include the entire crown portion 13 , but includes the upper portions of the top land 16 , the land 17 , and the land 18 of the crown portion 13 . However, the configuration of the upper member 10 is not limited to this. The surface temperature of the top land 16 is the highest in pistons for high temperature use environments. Therefore, it is sufficient for the upper member 10 to include at least the top land 16 of the crown portion 13 . That is, the upper member 10 may include the top land 16 of the crown portion 13 and not include the portion below the land 17 . In this case, the land 17 and the portion below the land 17 of the steel piston 1 serve as the lower member 11 .

上部材10はクラウン部13全部を含んでもよい。この場合、スカート部14が下部材11となる。図1では、クラウン部13は、トップランド16と、複数のランド17及び18と、複数のリング溝19~21とを含む。しかしながら、クラウン部13は、トップランド16と、1つのランド17と、1つのリング溝19とで構成されていてもよい。 The upper member 10 may include the entire crown portion 13 . In this case, the skirt portion 14 becomes the lower member 11 . In FIG. 1, the crown portion 13 includes a top land 16, a plurality of lands 17 and 18, and a plurality of ring grooves 19-21. However, the crown portion 13 may be composed of the top land 16 , one land 17 and one ring groove 19 .

[上部材10を構成する鋼材の化学組成について]
スチールピストン1の上部材10は、鋼材からなる。具体的には、上部材10を構成する鋼材の化学組成は、次の元素を含有する。
[Chemical Composition of Steel Constituting Upper Member 10]
The upper member 10 of the steel piston 1 is made of steel. Specifically, the chemical composition of the steel material forming the upper member 10 contains the following elements.

C:0.15~0.50%
炭素(C)は、鋼材の強度を高める。C含有量が0.15%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、この効果が十分に得られない。
一方、C含有量が0.50%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の被削性が低下する。
したがって、C含有量は0.15~0.50%である。
C含有量の好ましい下限は0.16%であり、さらに好ましくは0.17%であり、さらに好ましくは0.18%であり、さらに好ましくは0.19%である。
C含有量の好ましい上限は0.48%であり、さらに好ましくは0.46%であり、さらに好ましくは0.44%であり、さらに好ましくは0.42%であり、さらに好ましくは0.40%である。
C: 0.15-0.50%
Carbon (C) increases the strength of steel. If the C content is less than 0.15%, this effect cannot be sufficiently obtained even if the content of other elements is within the range of the present embodiment.
On the other hand, if the C content exceeds 0.50%, the machinability of the steel deteriorates even if the content of other elements is within the range of the present embodiment.
Therefore, the C content is 0.15-0.50%.
The lower limit of the C content is preferably 0.16%, more preferably 0.17%, still more preferably 0.18%, still more preferably 0.19%.
The upper limit of the C content is preferably 0.48%, more preferably 0.46%, still more preferably 0.44%, still more preferably 0.42%, still more preferably 0.40 %.

Si:0.01~0.50%
シリコン(Si)は、鋼を脱酸する。Siはさらに、フェライトの強度を高める。Si含有量が0.01%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、これらの効果が十分に得られない。
一方、Si含有量が0.50%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の被削性が低下する。
したがって、Si含有量は0.01~0.50%である。
Si含有量の好ましい下限は0.02%であり、さらに好ましくは0.03%であり、さらに好ましくは0.04%であり、さらに好ましくは0.10%であり、さらに好ましくは0.15%であり、さらに好ましくは0.20%である。
Si含有量の好ましい上限は0.45%であり、さらに好ましくは0.40%であり、さらに好ましくは0.35%であり、さらに好ましくは0.30%である。
Si: 0.01-0.50%
Silicon (Si) deoxidizes steel. Si also increases the strength of ferrite. If the Si content is less than 0.01%, these effects cannot be sufficiently obtained even if the content of other elements is within the range of the present embodiment.
On the other hand, if the Si content exceeds 0.50%, the machinability of the steel deteriorates even if the content of other elements is within the range of the present embodiment.
Therefore, the Si content is 0.01-0.50%.
The lower limit of the Si content is preferably 0.02%, more preferably 0.03%, still more preferably 0.04%, still more preferably 0.10%, still more preferably 0.15 %, more preferably 0.20%.
A preferable upper limit of the Si content is 0.45%, more preferably 0.40%, still more preferably 0.35%, still more preferably 0.30%.

Mn:0.10~1.00%
マンガン(Mn)は、鋼材の焼入れ性を高め、かつ、固溶強化により鋼材の強度を高める。Mn含有量が0.10%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、これらの効果が十分に得られない。
一方、Mn含有量が1.00%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の被削性が低下する。
したがって、Mn含有量は0.10~1.00%である。
Mn含有量の好ましい下限は0.12%であり、さらに好ましくは0.14%であり、さらに好ましくは0.16%であり、さらに好ましくは0.18%である。
Mn含有量の好ましい上限は0.90%であり、さらに好ましくは0.85%であり、さらに好ましくは0.80%であり、さらに好ましくは0.75%である。
Mn: 0.10-1.00%
Manganese (Mn) enhances the hardenability of the steel material, and enhances the strength of the steel material by solid-solution strengthening. If the Mn content is less than 0.10%, these effects cannot be sufficiently obtained even if the content of other elements is within the range of the present embodiment.
On the other hand, if the Mn content exceeds 1.00%, the machinability of the steel material deteriorates even if the content of other elements is within the range of the present embodiment.
Therefore, the Mn content is 0.10-1.00%.
A preferred lower limit for the Mn content is 0.12%, more preferably 0.14%, still more preferably 0.16%, and still more preferably 0.18%.
A preferred upper limit of the Mn content is 0.90%, more preferably 0.85%, still more preferably 0.80%, still more preferably 0.75%.

P:0.020%以下
燐(P)は不可避に含有される不純物である。つまり、P含有量は0%超である。
P含有量が0.020%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Pが粒界に偏析して鋼材の強度が低下する。
したがって、P含有量は0.020%以下である。
P含有量はなるべく低い方が好ましい。ただし、P含有量を過剰に低減するためには製造コストがかかる。したがって、工業生産を考慮した場合、P含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.002%である。
P含有量の好ましい上限は0.019%であり、さらに好ましくは0.018%であり、さらに好ましくは0.017%であり、さらに好ましくは0.015%である。
P: 0.020% or less Phosphorus (P) is an unavoidable impurity. That is, the P content is over 0%.
If the P content exceeds 0.020%, even if the content of other elements is within the range of the present embodiment, P segregates at grain boundaries and the strength of the steel decreases.
Therefore, the P content is 0.020% or less.
The lower the P content is, the better. However, reducing the P content excessively increases manufacturing costs. Therefore, considering industrial production, the lower limit of the P content is preferably 0.001%, more preferably 0.002%.
A preferable upper limit of the P content is 0.019%, more preferably 0.018%, still more preferably 0.017%, and still more preferably 0.015%.

S:0.028%以下
硫黄(S)は不可避に含有される。つまり、S含有量は0%超である。
Sは、Mnと結合してMn硫化物を形成して、鋼材の被削性を高める。Sが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。
一方、S含有量が0.028%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大なMn硫化物が生成したり、過剰にMn硫化物が生成したりする。この場合、高温疲労強度が低下する。
したがって、S含有量は0.028%以下である。
S含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.003%であり、さらに好ましくは0.005%であり、さらに好ましくは0.009%である。
S含有量の好ましい上限は0.025%であり、さらに好ましくは0.023%であり、さらに好ましくは0.020%であり、さらに好ましくは0.019%であり、さらに好ましくは0.018%であり、さらに好ましくは0.015%である。
S: 0.028% or less Sulfur (S) is inevitably contained. That is, the S content is over 0%.
S combines with Mn to form Mn sulfide and enhances the machinability of the steel material. This effect can be obtained to some extent if even a small amount of S is contained.
On the other hand, if the S content exceeds 0.028%, coarse Mn sulfides are generated or excessive Mn sulfides are generated even if the content of other elements is within the range of the present embodiment. do. In this case, the high temperature fatigue strength is lowered.
Therefore, the S content is 0.028% or less.
The lower limit of the S content is preferably 0.001%, more preferably 0.003%, still more preferably 0.005%, still more preferably 0.009%.
The preferred upper limit of the S content is 0.025%, more preferably 0.023%, still more preferably 0.020%, still more preferably 0.019%, still more preferably 0.018 %, more preferably 0.015%.

Cr:0.50~2.00%
クロム(Cr)は、鋼材の強度を高める。Cr含有量が0.50%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、この効果が十分に得られない。
一方、Cr含有量が2.00%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Cr炭化物が生成して、高温疲労強度が低下する。Cr含有量が2.00%を超えればさらに、鋼材の被削性が低下する。
したがって、Cr含有量は0.50~2.00%である。
Cr含有量の好ましい下限は0.55%であり、さらに好ましくは0.60%であり、さらに好ましくは0.65%であり、さらに好ましくは0.70%である。
Cr含有量の好ましい上限は1.90%であり、さらに好ましくは1.80%であり、さらに好ましくは1.70%であり、さらに好ましくは1.60%であり、さらに好ましくは1.50%である。
Cr: 0.50-2.00%
Chromium (Cr) increases the strength of steel. If the Cr content is less than 0.50%, this effect cannot be sufficiently obtained even if the content of other elements is within the range of the present embodiment.
On the other hand, if the Cr content exceeds 2.00%, Cr carbides are formed and the high-temperature fatigue strength is lowered even if the content of other elements is within the range of the present embodiment. If the Cr content exceeds 2.00%, the machinability of the steel further deteriorates.
Therefore, the Cr content is 0.50-2.00%.
A preferable lower limit of the Cr content is 0.55%, more preferably 0.60%, still more preferably 0.65%, still more preferably 0.70%.
The preferred upper limit of the Cr content is 1.90%, more preferably 1.80%, still more preferably 1.70%, still more preferably 1.60%, still more preferably 1.50 %.

Mo:0.08~0.50%
モリブデン(Mo)は、スチールピストンの使用温度域(500~600℃)において、後述のVとともに時効析出して、析出物を生成する。これにより、エンジン動作状態におけるスチールピストンの高温疲労強度を高める。Mo含有量が0.08%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、この効果が十分に得られない。
一方、Mo含有量が0.50%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の強度が過剰に高くなり、靱性が低下する。
したがって、Mo含有量は0.08~0.50%である。
Mo含有量の好ましい下限は0.09%であり、さらに好ましくは0.10%であり、さらに好ましくは0.11%であり、さらに好ましくは0.12%であり、さらに好ましくは0.13%である。
Mo含有量の好ましい上限は0.46%であり、さらに好ましくは0.42%であり、さらに好ましくは0.38%であり、さらに好ましくは0.34%であり、さらに好ましくは0.30%である。
Mo: 0.08-0.50%
Molybdenum (Mo) precipitates during aging together with V, which will be described later, in the operating temperature range (500 to 600° C.) of the steel piston to form precipitates. This increases the high temperature fatigue strength of the steel piston under engine operating conditions. If the Mo content is less than 0.08%, this effect cannot be sufficiently obtained even if the content of other elements is within the range of the present embodiment.
On the other hand, if the Mo content exceeds 0.50%, the strength of the steel material becomes excessively high and the toughness decreases even if the content of other elements is within the range of the present embodiment.
Therefore, the Mo content is 0.08-0.50%.
The preferred lower limit of the Mo content is 0.09%, more preferably 0.10%, more preferably 0.11%, more preferably 0.12%, still more preferably 0.13 %.
A preferable upper limit of Mo content is 0.46%, more preferably 0.42%, more preferably 0.38%, more preferably 0.34%, more preferably 0.30 %.

V:0.05~0.50%
バナジウム(V)はスチールピストンの使用温度域(500~600℃)において、上述のMoとともに時効析出して、析出物を生成する。これにより、エンジン動作状態におけるスチールピストンの高温疲労強度を高める。V含有量が0.05%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、この効果が十分に得られない。
一方、V含有量が0.50%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の強度が過剰に高くなりすぎ、靱性が低下する。
したがって、V含有量は0.05~0.50%である。
V含有量の好ましい下限は0.07%であり、さらに好ましくは0.09%であり、さらに好ましくは0.11%であり、さらに好ましくは0.13%である。
V含有量の好ましい上限は0.48%であり、さらに好ましくは0.46%であり、さらに好ましくは0.44%であり、さらに好ましくは0.42%であり、さらに好ましくは0.40%である。
V: 0.05-0.50%
Vanadium (V) precipitates during aging together with Mo in the temperature range (500 to 600° C.) in which steel pistons are used, forming precipitates. This increases the high temperature fatigue strength of the steel piston under engine operating conditions. If the V content is less than 0.05%, this effect cannot be sufficiently obtained even if the content of other elements is within the range of the present embodiment.
On the other hand, if the V content exceeds 0.50%, the strength of the steel material becomes excessively high and the toughness decreases even if the content of other elements is within the range of the present embodiment.
Therefore, the V content is 0.05-0.50%.
A preferable lower limit of the V content is 0.07%, more preferably 0.09%, still more preferably 0.11%, and still more preferably 0.13%.
The upper limit of the V content is preferably 0.48%, more preferably 0.46%, still more preferably 0.44%, still more preferably 0.42%, still more preferably 0.40 %.

Ti:0.05~0.20%
チタン(Ti)は鋼材を素材として、スチールピストンを製造する場合に、スチールピストン中でのV析出物の生成を促進する。その結果、エンジン動作状態におけるスチールピストンの高温疲労強度が高まる。Ti含有量が0.05%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、Ti含有量が0.20%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、スチールピストン中に粗大なTi析出物が残存する。この場合、スチールピストンの高温疲労強度がかえって低下する。
したがって、Ti含有量は0.05~0.20%である。
Ti含有量の好ましい下限は0.06%であり、さらに好ましくは0.07%であり、さらに好ましくは0.08%である。
Ti含有量の好ましい上限は0.18%であり、さらに好ましくは0.16%であり、さらに好ましくは0.14%である。
Ti: 0.05-0.20%
Titanium (Ti) promotes the formation of V precipitates in the steel piston when steel is used as the raw material to manufacture the steel piston. As a result, the high temperature fatigue strength of the steel piston is enhanced under engine operating conditions. If the Ti content is less than 0.05%, the above effect cannot be sufficiently obtained even if the content of other elements is within the range of the present embodiment.
On the other hand, if the Ti content exceeds 0.20%, coarse Ti precipitates remain in the steel piston even if the content of other elements is within the range of the present embodiment. In this case, the high-temperature fatigue strength of the steel piston rather decreases.
Therefore, the Ti content is 0.05-0.20%.
A preferable lower limit of the Ti content is 0.06%, more preferably 0.07%, and still more preferably 0.08%.
A preferable upper limit of the Ti content is 0.18%, more preferably 0.16%, and still more preferably 0.14%.

Al:0.005~0.100%
アルミニウム(Al)は鋼を脱酸する。Al含有量が0.005%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、この効果が得られない。
一方、Al含有量が0.100%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、酸化物(介在物)が過剰に生成して、HAZを含むスチールピストンの高温疲労強度が低下する。
したがって、Al含有量は0.005~0.100%である。
Al含有量の好ましい下限は0.007%であり、さらに好ましくは0.008%であり、さらに好ましくは0.010%であり、さらに好ましくは0.012%であり、さらに好ましくは0.014%である。
Al含有量の好ましい上限は0.090%であり、さらに好ましくは0.080%であり、さらに好ましくは0.070%であり、さらに好ましくは0.060%であり、さらに好ましくは0.050%である。
Al: 0.005-0.100%
Aluminum (Al) deoxidizes steel. If the Al content is less than 0.005%, this effect cannot be obtained even if the content of other elements is within the range of the present embodiment.
On the other hand, if the Al content exceeds 0.100%, even if the content of other elements is within the range of the present embodiment, oxides (inclusions) are excessively generated, resulting in a steel piston containing HAZ. High temperature fatigue strength is reduced.
Therefore, the Al content is 0.005-0.100%.
The preferred lower limit of the Al content is 0.007%, more preferably 0.008%, still more preferably 0.010%, still more preferably 0.012%, still more preferably 0.014 %.
The preferred upper limit of the Al content is 0.090%, more preferably 0.080%, still more preferably 0.070%, still more preferably 0.060%, still more preferably 0.050 %.

N:0.0200%以下
窒素(N)は不可避に含有される不純物である。つまり、N含有量は0%超である。
N含有量が0.0200%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性が低下する。
したがって、N含有量は0.0200%以下である。
N含有量の好ましい上限は0.0190%であり、さらに好ましくは0.0180%であり、さらに好ましくは0.0170%であり、さらに好ましくは0.0160%である。
N含有量はなるべく低い方が好ましい。ただし、N含有量を過剰に低減するためには製造コストがかかる。したがって、工業生産を考慮した場合、N含有量の好ましい下限は0.0001%であり、さらに好ましくは0.0005%であり、さらに好ましくは0.0010%であり、さらに好ましくは0.0015%である。
N: 0.0200% or less Nitrogen (N) is an unavoidable impurity. That is, the N content is over 0%.
If the N content exceeds 0.0200%, the hot workability of the steel deteriorates even if the content of other elements is within the range of the present embodiment.
Therefore, the N content is 0.0200% or less.
A preferable upper limit of the N content is 0.0190%, more preferably 0.0180%, still more preferably 0.0170%, still more preferably 0.0160%.
N content is preferably as low as possible. However, reducing the N content excessively increases manufacturing costs. Therefore, when considering industrial production, the preferable lower limit of the N content is 0.0001%, more preferably 0.0005%, still more preferably 0.0010%, still more preferably 0.0015% is.

O:0.0050%以下
酸素(O)は不可避に含有される不純物である。つまり、O含有量は0%超である。
O含有量が0.0050%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、酸化物が過剰に生成して、HAZを含むスチールピストンの高温疲労強度が低下する。
したがって、O含有量は0.0050%以下である。
O含有量の好ましい上限は0.0045%であり、さらに好ましくは0.0040%であり、さらに好ましくは0.0035%であり、さらに好ましくは0.0030%であり、さらに好ましくは0.0020%である。
O含有量はなるべく低い方が好ましい。ただし、O含有量を過剰に低減するためには製造コストがかかる。したがって、工業生産を考慮した場合、O含有量の好ましい下限は0.0001%であり、さらに好ましくは0.0005%であり、さらに好ましくは0.0010%である。
O: 0.0050% or less Oxygen (O) is an unavoidable impurity. That is, the O content is over 0%.
If the O content exceeds 0.0050%, oxides are excessively generated even if the content of other elements is within the range of the present embodiment, and the high-temperature fatigue strength of the steel piston containing the HAZ is reduced. .
Therefore, the O content is 0.0050% or less.
The upper limit of the O content is preferably 0.0045%, more preferably 0.0040%, still more preferably 0.0035%, still more preferably 0.0030%, still more preferably 0.0020 %.
It is preferable that the O content is as low as possible. However, excessively reducing the O content increases production costs. Therefore, considering industrial production, the lower limit of the O content is preferably 0.0001%, more preferably 0.0005%, and still more preferably 0.0010%.

本実施形態の上部材10を構成する鋼材の化学組成の残部は、Fe及び不純物からなる。ここで、不純物とは、上部材10を構成する鋼材を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、又は、製造環境などから混入されるものであって、意図的に鋼材に含有させたものではない成分を意味する。 The rest of the chemical composition of the steel material that constitutes the upper member 10 of this embodiment consists of Fe and impurities. Here, the impurities are those that are mixed from ore, scrap, or the manufacturing environment as raw materials when the steel material constituting the upper member 10 is industrially manufactured, and are intentionally contained in the steel material. means an ingredient that is not made from

不純物としては、上述の不純物以外のあらゆる元素が挙げられる。不純物は1元素だけであってもよいし、2元素以上であってもよい。
上述した不純物以外の他の不純物は、例えば、Ca、B、Sb、Sn、W、Co、As、Pb、Bi、H等である。これらの元素は、不純物として、例えば、次の含有量となる場合があり得る。
Ca:0.0000~0.0005%、B:0.0000~0.0005%、Sb:0.0000~0.0005%、Sn:0.0000~0.0005%、W:0.0000~0.0005%、Co:0.0000~0.0005%、As:0.0000~0.0005%、Pb:0.0000~0.0005%、Bi:0.0000~0.0005%、H:0.0000~0.0005%。
Impurities include all elements other than the impurities mentioned above. Impurities may consist of only one element, or may consist of two or more elements.
Impurities other than those mentioned above are, for example, Ca, B, Sb, Sn, W, Co, As, Pb, Bi, H, and the like. These elements may have the following contents as impurities, for example.
Ca: 0.0000-0.0005%, B: 0.0000-0.0005%, Sb: 0.0000-0.0005%, Sn: 0.0000-0.0005%, W: 0.0000- 0.0005%, Co: 0.0000-0.0005%, As: 0.0000-0.0005%, Pb: 0.0000-0.0005%, Bi: 0.0000-0.0005%, H : 0.0000 to 0.0005%.

[任意元素(Optional Elements)について]
本実施形態の上部材10を構成する鋼材の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Cu:0.50%以下、Ni:1.00%以下、及び、Nb:0.100%以下、からなる群から選択される1種以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも、上部材10を構成する鋼材の強度を高める。以下、これらの任意元素について説明する。
[About Optional Elements]
The chemical composition of the steel material constituting the upper member 10 of the present embodiment further includes Cu: 0.50% or less, Ni: 1.00% or less, and Nb: 0.100% or less instead of part of Fe. may contain one or more selected from the group consisting of All of these elements enhance the strength of the steel material forming the upper member 10 . These arbitrary elements are described below.

Cu:0.50%以下
銅(Cu)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Cu含有量は0.00%であってもよい。
含有される場合、Cuは鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の強度を高める。Cu含有量が0.00%超であれば、これらの効果がある程度得られる。
しかしながら、Cu含有量が0.50%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性が低下する。
したがって、Cu含有量は、0.00~0.50%であり、含有される場合、0.50%以下である。
Cu含有量の好ましい下限は0.01%であり、さらに好ましくは0.02%であり、さらに好ましくは0.04%であり、さらに好ましくは0.05%である。
Cu含有量の好ましい上限は0.48%であり、さらに好ましくは0.46%であり、さらに好ましくは0.44%であり、さらに好ましくは0.40%である。
Cu: 0.50% or less Copper (Cu) is an optional element and may not be contained. That is, the Cu content may be 0.00%.
When contained, Cu enhances the hardenability of the steel material and enhances the strength of the steel material. If the Cu content exceeds 0.00%, these effects can be obtained to some extent.
However, if the Cu content exceeds 0.50%, the hot workability of the steel deteriorates even if the content of other elements is within the range of the present embodiment.
Therefore, the Cu content is between 0.00 and 0.50% and, if included, is less than or equal to 0.50%.
A preferable lower limit of the Cu content is 0.01%, more preferably 0.02%, still more preferably 0.04%, still more preferably 0.05%.
A preferable upper limit of the Cu content is 0.48%, more preferably 0.46%, more preferably 0.44%, still more preferably 0.40%.

Ni:1.00%以下
ニッケル(Ni)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ni含有量は0.00%であってもよい。
含有される場合、Niは鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の強度を高める。Ni含有量が0.00%超であれば、これらの効果がある程度得られる。
しかしながら、Ni含有量が1.00%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、その効果が飽和し、さらに、原料コストが高くなる。
したがって、Ni含有量は0.00~1.00%であり、含有される場合、1.00%以下である。
Ni含有量の好ましい下限は0.01%であり、さらに好ましくは0.02%であり、さらに好ましくは0.04%であり、さらに好ましくは0.05%である。
Ni含有量の好ましい上限は0.98%であり、さらに好ましくは0.90%であり、さらに好ましくは0.85%であり、さらに好ましくは0.80%であり、さらに好ましくは0.70%であり、さらに好ましくは0.60%である。
Ni: 1.00% or less Nickel (Ni) is an optional element and may not be contained. That is, the Ni content may be 0.00%.
When contained, Ni enhances the hardenability of the steel material and enhances the strength of the steel material. If the Ni content exceeds 0.00%, these effects can be obtained to some extent.
However, if the Ni content exceeds 1.00%, even if the content of the other elements is within the range of the present embodiment, the effect is saturated, and the raw material cost increases.
Therefore, the Ni content is 0.00-1.00%, and if included, it is 1.00% or less.
The lower limit of the Ni content is preferably 0.01%, more preferably 0.02%, still more preferably 0.04%, still more preferably 0.05%.
The upper limit of the Ni content is preferably 0.98%, more preferably 0.90%, still more preferably 0.85%, still more preferably 0.80%, still more preferably 0.70 %, more preferably 0.60%.

Nb:0.100%以下
ニオブ(Nb)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Nb含有量は0.000%であってもよい。
含有される場合、Nbは鋼材中に炭化物、窒化物又は炭窒化物(以下、炭窒化物等という)を生成して、鋼材の強度を高める。Nb含有量が0.000%超であれば、これらの効果がある程度得られる。
しかしながら、Nb含有量が0.100%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の強度が高くなりすぎて、鋼材の被削性が低下する。
したがって、Nb含有量は0.000~0.100%であり、含有される場合、0.100%以下である。
Nb含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.005%であり、さらに好ましくは0.010%であり、さらに好ましくは0.015%であり、さらに好ましくは0.020%である。
Nb含有量の好ましい上限は0.095%であり、さらに好ましくは0.090%であり、さらに好ましくは0.085%であり、さらに好ましくは0.080%であり、さらに好ましくは0.070%である。
Nb: 0.100% or less Niobium (Nb) is an optional element and may not be contained. That is, the Nb content may be 0.000%.
When Nb is contained, it forms carbides, nitrides or carbonitrides (hereinafter referred to as carbonitrides, etc.) in the steel to increase the strength of the steel. If the Nb content exceeds 0.000%, these effects can be obtained to some extent.
However, if the Nb content exceeds 0.100%, the strength of the steel material becomes too high and the machinability of the steel material deteriorates even if the contents of other elements are within the ranges of the present embodiment.
Therefore, the Nb content is between 0.000 and 0.100% and, if included, is 0.100% or less.
The preferred lower limit of the Nb content is 0.001%, more preferably 0.005%, still more preferably 0.010%, still more preferably 0.015%, still more preferably 0.020 %.
The preferred upper limit of the Nb content is 0.095%, more preferably 0.090%, still more preferably 0.085%, still more preferably 0.080%, still more preferably 0.070 %.

[鋼材の化学組成の測定方法]
本実施形態の上部材を構成する鋼材の化学組成は、周知の成分分析法で測定できる。具体的には、ドリルを用いて、鋼材の表面から1mm深さ以上の内部から、切粉を採取する。採取された切粉を酸に溶解させて溶液を得る。溶液に対して、ICP-AES(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry)を実施して、化学組成の元素分析を実施する。C含有量及びS含有量については、周知の高周波燃焼法(燃焼-赤外線吸収法)により求める。N含有量については、周知の不活性ガス溶融-熱伝導度法を用いて求める。O含有量については、周知の不活性ガス溶解-赤外線吸収法を用いて求める。
[Method for measuring chemical composition of steel]
The chemical composition of the steel material forming the upper member of this embodiment can be measured by a well-known component analysis method. Specifically, using a drill, chips are collected from the inside at a depth of 1 mm or more from the surface of the steel material. The collected chips are dissolved in acid to obtain a solution. ICP-AES (Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry) is performed on the solution to perform elemental analysis of the chemical composition. The C content and S content are obtained by a well-known high-frequency combustion method (combustion-infrared absorption method). The N content is determined using the well-known inert gas fusion-thermal conductivity method. The O content is determined using a well-known inert gas dissolution-infrared absorption method.

なお、各元素含有量は、本実施形態で規定された有効数字に基づいて、測定された数値の端数を四捨五入して、本実施形態で規定された各元素含有量の最小桁までの数値とする。例えば、本実施形態の鋼材のC含有量は小数第二位までの数値で規定される。したがって、C含有量は、測定された数値の小数第三位を四捨五入して得られた小数第二位までの数値とする。 It should be noted that each element content, based on the significant digits defined in this embodiment, rounded off the measured numerical value, the numerical value up to the minimum digit of each element content defined in this embodiment do. For example, the C content of the steel material of this embodiment is defined by a numerical value up to the second decimal place. Therefore, the C content is a numerical value to the second decimal place obtained by rounding the measured numerical value to the second decimal place.

本実施形態の鋼材のC含有量以外の他の元素含有量も同様に、測定された値に対して、本実施形態で規定された最小桁までの数値の端数を四捨五入して得られた値を、当該元素含有量とする。 Similarly, the content of elements other than the C content of the steel material of the present embodiment is a value obtained by rounding off the numerical value to the minimum digit specified in the present embodiment with respect to the measured value. is the content of the element.

なお、四捨五入とは、端数が5未満であれば切り捨て、端数が5以上であれば切り上げることを意味する。 Rounding off means rounding down if the fraction is less than 5, and rounding up if the fraction is 5 or more.

[Fn1について]
本実施形態のスチールピストン1の上部材10を構成する鋼材の化学組成では、各元素含有量が本実施形態の範囲内であることを前提として、さらに、式(1)で定義されるFn1が0.410以上である。
Fn1=(95Si+25Mn+25Cr+12.5Mo+5V+15Al)-0.2+10-5/Ti (1)
ここで、式(1)中の各元素記号には、対応する元素の質量%での含有量が代入される。
[About Fn1]
In the chemical composition of the steel material constituting the upper member 10 of the steel piston 1 of the present embodiment, on the premise that the content of each element is within the range of the present embodiment, Fn1 defined by the formula (1) is 0.410 or more.
Fn1=(95Si+25Mn+25Cr+12.5Mo+5V+15Al) −0.2 +10 −5 /Ti (1)
Here, the content of the corresponding element in mass % is substituted for each element symbol in the formula (1).

スチールピストン1は、上部材10と下部材11とで構成される合金の種類が異なる。具体的には、上部材10は化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内である鋼材からなる。下部材11は、アルミ合金材からなる。 The steel piston 1 is made up of different alloys for the upper member 10 and the lower member 11 . Specifically, the upper member 10 is made of steel having a chemical composition in which the content of each element is within the range of the present embodiment. The lower member 11 is made of an aluminum alloy material.

アルミ合金材は、鋼材よりも融点が低く、強度が低い。そのため、鋼材からなる上部材10と、アルミ合金材からなる下部材11とを接合する場合、接合時の加工発熱により、下部材11のうち、接合界面近傍領域で、硬さが低下してしまう可能性がある。 Aluminum alloy materials have a lower melting point and lower strength than steel materials. Therefore, when joining the upper member 10 made of steel and the lower member 11 made of aluminum alloy, the hardness of the lower member 11 near the joint interface decreases due to heat generated during the joining process. there is a possibility.

本実施形態のスチールピストン1では、上部材10が鋼材で構成され、下部材11がアルミ合金材で構成される場合に、接合に伴う下部材11の接合界面近傍領域での硬さの低下を抑制する。具体的には、上部材10を構成する鋼材において、式(1)で定義されるFn1を0.410以上とする。これにより、下部材11の接合界面近傍領域での硬さ低下が十分に抑制される。その結果、スチールピストンの接合部の高温疲労強度が顕著に高まる。以下、この点について説明する。 In the steel piston 1 of the present embodiment, when the upper member 10 is made of steel and the lower member 11 is made of aluminum alloy, the decrease in hardness in the region near the joint interface of the lower member 11 due to joining is prevented. Suppress. Specifically, in the steel material forming the upper member 10, Fn1 defined by the formula (1) is set to 0.410 or more. This sufficiently suppresses a decrease in hardness in the vicinity of the joint interface of the lower member 11 . As a result, the high temperature fatigue strength of the steel piston joint is significantly increased. This point will be described below.

図2は、化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内である鋼材と、JIS H5202:2010に規定されたAC8Aに相当する化学組成を有するアルミ合金材とを摩擦接合した場合の、接合界面からの距離(mm)と、鋼材及びアルミ合金材の硬さ(HV)との関係を示す模式図である。図2の横軸は、接合界面からの距離を示す。この横軸は、スチールピストン1の軸方向に相当する。図2の縦軸は、硬さ(HV)を示す。 FIG. 2 shows the friction welding of a steel material having a chemical composition in which the content of each element is within the range of the present embodiment and an aluminum alloy material having a chemical composition corresponding to AC8A specified in JIS H5202:2010. , and a schematic diagram showing the relationship between the distance (mm) from the joint interface and the hardness (HV) of the steel material and the aluminum alloy material. The horizontal axis in FIG. 2 indicates the distance from the bonding interface. This horizontal axis corresponds to the axial direction of the steel piston 1 . The vertical axis in FIG. 2 indicates hardness (HV).

図2中の一点鎖線は、化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内である鋼材であるものの、Fn1が0.410未満である場合(比較例)の硬さ分布例である。図2中の実線は、化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内である鋼材であり、Fn1が0.410以上である場合(本発明例)の硬さ分布例である。 The dashed-dotted line in FIG. 2 is an example of hardness distribution when the content of each element in the chemical composition is within the range of the present embodiment, but Fn1 is less than 0.410 (comparative example). . The solid line in FIG. 2 is an example of hardness distribution when the content of each element in the chemical composition is within the range of the present embodiment and Fn1 is 0.410 or more (example of the present invention).

図2を参照して、下部材11を構成するアルミ合金材の内部硬さHVLは、上部材10を構成する鋼材の内部硬さHVUよりも低い。この場合において、化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内である鋼材であるものの、Fn1が0.410未満であれば(一点破線)、下部材11の接合界面近傍領域の硬さが硬さHVLよりも低くなる。そして、硬さがHVLよりも低くなる領域が広い。 Referring to FIG. 2, the internal hardness HVL of the aluminum alloy material forming the lower member 11 is lower than the internal hardness HVU of the steel material forming the upper member 10 . In this case, if the content of each element in the chemical composition is within the range of the present embodiment, but Fn1 is less than 0.410 (one-dotted dashed line), the hardness of the region near the joint interface of the lower member 11 will increase. is lower than the hardness HVL. The area where the hardness is lower than the HVL is wide.

これに対して、化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内である鋼材であり、Fn1が0.410以上であれば(実線)、下部材11の接合界面近傍領域での硬さは内部硬さHVLよりも若干低下するものの、接合界面からの距離が離れるに従い、硬さは急速に回復する。そのため、Fn1が0.410未満の場合と比較して、硬さがHVLよりも低い領域が狭くなる。 On the other hand, if the content of each element in the chemical composition is within the range of the present embodiment and the Fn1 is 0.410 or more (solid line), the hardness in the region near the joint interface of the lower member 11 will increase. Although the hardness is slightly lower than the internal hardness HVL, the hardness rapidly recovers as the distance from the bonding interface increases. Therefore, compared to the case where Fn1 is less than 0.410, the region where the hardness is lower than HVL becomes narrower.

ここで、図2を参照して、下部材11の接合界面から軸方向に0.5mmピッチで5.0mm深さまで、JIS Z2244:2009に準拠したビッカース硬さ試験を実施して、ビッカース硬さを求める。このときの試験力を9.8Nとする。得られたビッカース硬さの算術平均値を、接合界面近傍領域硬さHVI(HV)と定義する。さらに、下部材11のうち、接合界面から10.0mm深さ位置で、上記ビッカース硬さ試験を実施して得られた硬さを、内部硬さHVB(HV)と定義する。このとき、下部材11のうち、接合界面近傍領域での硬さ低下量ΔHV(%)を以下の式(A)で定義する。
ΔHV=(HVB-HVI)/HVB×100 (A)
Here, with reference to FIG. 2, a Vickers hardness test was performed in accordance with JIS Z2244:2009 from the joint interface of the lower member 11 to a depth of 5.0 mm at a pitch of 0.5 mm in the axial direction. Ask for The test force at this time is set to 9.8N. The arithmetic mean value of the obtained Vickers hardnesses is defined as the bonding interface vicinity region hardness HVI (HV). Further, the hardness obtained by executing the Vickers hardness test at a position 10.0 mm deep from the joint interface of the lower member 11 is defined as internal hardness HVB (HV). At this time, the amount of decrease in hardness ΔHV (%) in the vicinity of the joint interface of the lower member 11 is defined by the following formula (A).
ΔHV=(HVB−HVI)/HVB×100 (A)

図3は、化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内である鋼材と、アルミ合金材とを摩擦接合した場合の、接合界面近傍領域での硬さ低下量ΔHVと、Fn1との関係を示す図である。図3は後述の実施例の結果に基づいて作成した。 FIG. 3 shows the hardness reduction amount ΔHV in the region near the joint interface and Fn1 when a steel material having a chemical composition in which the content of each element is within the range of the present embodiment and an aluminum alloy material are friction-welded. is a diagram showing the relationship of FIG. 3 was created based on the results of Examples described later.

図3を参照して、Fn1が0.410よりも小さい場合、Fn1の増加に伴い、接合界面近傍領域での硬さ低下量ΔHVは顕著に小さくなる。一方、Fn1が0.410以上である場合、Fn1が増加しても、硬さ低下量ΔHVはほぼ一定である。つまり、図3では、Fn1=0.410に変曲点が存在する。 Referring to FIG. 3, when Fn1 is less than 0.410, the decrease in hardness .DELTA.HV in the region near the junction interface remarkably decreases as Fn1 increases. On the other hand, when Fn1 is 0.410 or more, the amount of decrease in hardness ΔHV is substantially constant even if Fn1 increases. That is, in FIG. 3, there is an inflection point at Fn1=0.410.

図4は、化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内である鋼材と、アルミ合金材とを摩擦接合した場合の、接合界面近傍領域での硬さ低下量ΔHVと、接合部の高温疲労強度との関係を示す図である。図4は後述の実施例の結果に基づいて作成した。 FIG. 4 shows the amount of hardness reduction ΔHV in the region near the joint interface when friction welding is performed between a steel material having a chemical composition in which the content of each element is within the range of the present embodiment and an aluminum alloy material, and the and high temperature fatigue strength. FIG. 4 was created based on the results of Examples described later.

図4を参照して、接合界面近傍領域での硬さ低下量ΔHVは、接合部の高温疲労強度と負の相関関係を有する。接合界面近傍領域での硬さ低下量ΔHVが7.5%以下の場合、接合部高温疲労強度は85MPa以上となり、接合部において、優れた高温疲労強度が得られる。 Referring to FIG. 4, the amount of decrease in hardness ΔHV in the region near the joint interface has a negative correlation with the high-temperature fatigue strength of the joint. When the hardness reduction amount ΔHV in the region near the joint interface is 7.5% or less, the joint high-temperature fatigue strength is 85 MPa or more, and excellent high-temperature fatigue strength is obtained in the joint.

以上より、化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内である鋼材と、アルミ合金材とを摩擦接合した場合、Fn1が0.410以上であれば、接合界面近傍領域での硬さ低下量ΔHVを7.5%以下に抑えることができる。そのため、接合部の高温疲労強度が顕著に高まる。したがって、Fn1は0.410以上である。 From the above, when a steel material having a chemical composition in which the content of each element is within the range of the present embodiment and an aluminum alloy material are friction-welded, if Fn1 is 0.410 or more, the hardness in the region near the joint interface is increased. The reduction amount ΔHV can be suppressed to 7.5% or less. Therefore, the high-temperature fatigue strength of the joint is remarkably increased. Therefore, Fn1 is 0.410 or more.

Fn1の好ましい下限は0.412であり、さらに好ましくは0.414であり、さらに好ましくは0.416であり、さらに好ましくは0.418である。Fn1の上限は特に限定されない。 A preferable lower limit of Fn1 is 0.412, more preferably 0.414, still more preferably 0.416, still more preferably 0.418. The upper limit of Fn1 is not particularly limited.

[下部材11を構成するアルミ合金材の化学組成について]
下部材11はアルミ合金材で構成される。
アルミ合金材は、Al-Cu系合金、Al-Si系合金、Al-Cu-Mg-Ni系合金、及び、Al-Si-Cu-Mg-Ni系合金、からなる群から選択される1種以上である。アルミ合金材は、展伸材であっても、鋳物材であってもよい。
[Chemical Composition of Aluminum Alloy Constituting Lower Member 11]
The lower member 11 is made of an aluminum alloy material.
The aluminum alloy material is one selected from the group consisting of Al--Cu alloys, Al--Si alloys, Al--Cu--Mg--Ni alloys, and Al--Si--Cu--Mg--Ni alloys. That's it. The aluminum alloy material may be a wrought material or a cast material.

好ましくは、アルミ合金材は鋳物材である。アルミ合金材は例えば、JIS H4140:1998に規定のA2218、A2618、A4032や、JIS H5202:2010に規定のAC5A、AC8A、AC8B、AC8C、AC9A、AC9B、2000系(Al-Cu)、4000系(Al-Si)等である。 Preferably, the aluminum alloy material is a cast material. Aluminum alloy materials are, for example, A2218, A2618, A4032 specified in JIS H4140: 1998, and AC5A, AC8A, AC8B, AC8C, AC9A, AC9B, 2000 series (Al-Cu), 4000 series (Al-Cu) specified in JIS H5202: 2010. Al—Si) and the like.

好ましくは、下部材11を構成するアルミ合金材の化学組成は、Si:0~25.0%、Fe:0~1.5%、Cu:0.2~5.5%、Mn:0~0.70%、Mg:0.2~2.0%、Cr:0~0.30%、Zn:0~0.60%、Pb:0~0.20%、Sn:0~0.20%、Ni:0.1~3.0%、及び、Ti:0~0.30%を含有し、残部はAl及び不純物からなる。 Preferably, the chemical composition of the aluminum alloy material constituting the lower member 11 is Si: 0 to 25.0%, Fe: 0 to 1.5%, Cu: 0.2 to 5.5%, Mn: 0 to 0.70%, Mg: 0.2-2.0%, Cr: 0-0.30%, Zn: 0-0.60%, Pb: 0-0.20%, Sn: 0-0.20 %, Ni: 0.1 to 3.0%, Ti: 0 to 0.30%, and the balance consists of Al and impurities.

以上の説明のとおり、本実施形態のスチールピストン1は、次の特徴を有する。
(特徴1)
化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内である鋼材で構成される上部材10と、アルミ合金材で構成される下部材11とが接合されている。
(特徴2)
上部材を構成する鋼材において、式(1)で定義されるFn1が0.410以上である。
以上の特徴1及び特徴2を有するスチールピストン1では、接合界面近傍領域でのアルミ合金材の硬さ低下量ΔHVを十分に抑制できる。そのため、接合部の高温疲労強度が顕著に高まる。
As described above, the steel piston 1 of this embodiment has the following features.
(Feature 1)
An upper member 10 made of a steel material having a chemical composition within the range of the present embodiment is joined to a lower member 11 made of an aluminum alloy material.
(Feature 2)
In the steel material forming the upper member, Fn1 defined by the formula (1) is 0.410 or more.
In the steel piston 1 having the features 1 and 2 described above, the amount of decrease in hardness ΔHV of the aluminum alloy material in the vicinity of the joint interface can be sufficiently suppressed. Therefore, the high-temperature fatigue strength of the joint is remarkably increased.

[本実施形態のスチールピストン1の好ましい形態1]
好ましくは、本実施形態のスチールピストン1ではさらに、上述の特徴1及び特徴2に加え、次の特徴3を満たす。
(特徴3)
上部材を構成する鋼材の化学組成において、式(2)で定義されるFn2が3.56~4.20である。
Fn2=100×(92C+357Si+200Mn+67Ni+100Cr+44Mo+4)-0.54 (2)
ここで、式(2)の各元素記号には、対応する元素の質量%での含有量が代入される。元素が含有されていない場合、対応する元素記号には「0」が代入される。
[Preferred form 1 of the steel piston 1 of the present embodiment]
Preferably, the steel piston 1 of this embodiment further satisfies the following feature 3 in addition to features 1 and 2 described above.
(Feature 3)
In the chemical composition of the steel material forming the upper member, Fn2 defined by formula (2) is 3.56 to 4.20.
Fn2=100×(92C+357Si+200Mn+67Ni+100Cr+44Mo+4) −0.54 (2)
Here, the content in mass % of the corresponding element is substituted for each element symbol in the formula (2). When an element is not contained, "0" is substituted for the corresponding element symbol.

上述のとおり、高い燃焼温度域でピストンを使用することで、エンジンの燃焼効率を高めることができる。稼働中のエンジンでは、スチールピストン1の上部材10が、燃焼室中の高温のガスに接する。そのため、上部材10を構成する鋼材の熱伝導率は、駆動中のエンジンの燃焼効率に影響を与える。 As mentioned above, using a piston in a high combustion temperature range can increase the combustion efficiency of the engine. In a running engine, the upper member 10 of the steel piston 1 contacts hot gases in the combustion chamber. Therefore, the thermal conductivity of the steel material forming the upper member 10 affects the combustion efficiency of the engine during operation.

エンジン稼働初期の温度(例えば、100℃)において、鋼材の熱伝導率が高すぎれば、上部材10が燃焼室の熱を過剰に抜熱する。そのため、燃焼温度が上がりにくく、燃焼効率は低下する。一方、上部材10を構成する鋼材の熱伝導率が低すぎれば、燃焼室に熱が過剰に籠もりやすくなる。そのため、燃焼室中の温度の制御が困難となり、燃焼効率が低下する。 If the thermal conductivity of the steel material is too high at the temperature (for example, 100° C.) at the beginning of engine operation, the upper member 10 excessively removes heat from the combustion chamber. Therefore, the combustion temperature is difficult to rise, and the combustion efficiency is lowered. On the other hand, if the thermal conductivity of the steel material forming the upper member 10 is too low, excessive heat tends to remain in the combustion chamber. Therefore, it becomes difficult to control the temperature in the combustion chamber, and the combustion efficiency decreases.

したがって、エンジンの燃焼効率を高めるためには、上部材10を構成する鋼材のエンジン稼働初期での熱伝導率を適切な範囲内とすることが好ましい。具体的には、100℃における鋼材の熱伝導率が40.0~48.0W/m・K程度とすることが好ましい。 Therefore, in order to increase the combustion efficiency of the engine, it is preferable to set the thermal conductivity of the steel material constituting the upper member 10 within an appropriate range at the initial stage of engine operation. Specifically, the thermal conductivity of the steel material at 100° C. is preferably about 40.0 to 48.0 W/m·K.

Fn2は、鋼材の温度が100℃程度の場合の鋼材の熱伝導率に関する指標である。Fn2が3.56以上であれば、100℃における鋼材の熱伝導率が40.0W/m・K以上となる。そのため、スチールピストン1が用いられる場合、エンジンの燃焼室の温度を制御しやすく、エンジンの燃焼効率を高めることができる。さらに、Fn2が4.20以下であれば、100℃における鋼材の熱伝導率が48.0W/m・K以下となる。そのため、燃焼室からの過剰な抜熱が抑制される。そのため、エンジンの燃焼効率を高めることができる。 Fn2 is an index relating to the thermal conductivity of the steel material when the temperature of the steel material is about 100°C. When Fn2 is 3.56 or more, the thermal conductivity of the steel material at 100°C is 40.0 W/m·K or more. Therefore, when the steel piston 1 is used, the temperature of the combustion chamber of the engine can be easily controlled, and the combustion efficiency of the engine can be enhanced. Furthermore, if Fn2 is 4.20 or less, the thermal conductivity of the steel material at 100° C. is 48.0 W/m·K or less. Therefore, excessive heat removal from the combustion chamber is suppressed. Therefore, the combustion efficiency of the engine can be enhanced.

したがって、好ましくは、上部材10の鋼材の化学組成において、Fn2が3.56~4.20である。 Therefore, preferably, in the chemical composition of the steel material of the upper member 10, Fn2 is 3.56 to 4.20.

Fn2の好ましい下限は3.60であり、さらに好ましくは3.70であり、さらに好ましくは3.80である。
Fn2の好ましい上限は4.10であり、さらに好ましくは4.00であり、さらに好ましくは3.90である。
A preferable lower limit of Fn2 is 3.60, more preferably 3.70, and still more preferably 3.80.
A preferable upper limit of Fn2 is 4.10, more preferably 4.00, and still more preferably 3.90.

[本実施形態のスチールピストン1の好ましい形態2]
好ましくは、本実施形態のスチールピストン1ではさらに、上述の特徴1及び特徴2に加え、次の特徴4を満たす。
(特徴4)
上部材を構成する鋼材の化学組成において、式(3)で定義されるFn3が1.07以上である。
Fn3=100×(35C+161Si+200Mn+84Cr+5Mo)-0.8 (3)
ここで、式(3)の各元素記号には、対応する元素の質量%での含有量が代入される。
[Preferred form 2 of the steel piston 1 of the present embodiment]
Preferably, the steel piston 1 of this embodiment further satisfies the following feature 4 in addition to features 1 and 2 described above.
(Feature 4)
In the chemical composition of the steel material forming the upper member, Fn3 defined by the formula (3) is 1.07 or more.
Fn3=100×(35C+161Si+200Mn+84Cr+5Mo) −0.8 (3)
Here, the content in mass % of the corresponding element is substituted for each element symbol in the formula (3).

上述のとおり、高い燃焼温度域でピストンを使用することで、エンジンの燃焼効率を高めることができる。しかしながら、上部材10の温度が600℃近傍になるような過剰温度域となる場合、上部材10を構成する鋼材の酸化被膜の形成が促進される。その結果、エンジンの寿命が低下する。 As mentioned above, using a piston in a high combustion temperature range can increase the combustion efficiency of the engine. However, when the temperature of the upper member 10 is in an excessive temperature range near 600° C., the formation of an oxide film on the steel material forming the upper member 10 is promoted. As a result, engine life is reduced.

したがって、上述の過剰温度域での鋼材の熱伝導率は高いことが好ましい。具体的には、600℃における鋼材の熱伝導率が34.0W/m・K以上であることが好ましい。この場合、エンジンの寿命の低下を抑制できる。 Therefore, it is preferable that the steel material has a high thermal conductivity in the above-described excessive temperature range. Specifically, the thermal conductivity of the steel material at 600° C. is preferably 34.0 W/m·K or more. In this case, it is possible to suppress the deterioration of the service life of the engine.

Fn3は、鋼材の温度が600℃程度の場合の鋼材の熱伝導率に関する指標である。Fn3が1.07以上であれば、600℃における鋼材の熱伝導率が34.0W/m・K以上となる。 Fn3 is an index relating to the thermal conductivity of the steel material when the temperature of the steel material is about 600°C. When Fn3 is 1.07 or more, the thermal conductivity of the steel material at 600°C is 34.0 W/m·K or more.

したがって、好ましくは、上部材10の鋼材の化学組成において、Fn3が1.07以上である。 Therefore, preferably, in the chemical composition of the steel material of the upper member 10, Fn3 is 1.07 or more.

Fn3の好ましい下限は1.10であり、さらに好ましくは1.15であり、さらに好ましくは1.25である。
Fn3の上限については、特に限定はされないが、例えば、3.37である。Fn3が3.37以下であれば、600℃における鋼材の熱伝導率は57.0W/m・K以下となる。
A preferable lower limit of Fn3 is 1.10, more preferably 1.15, and still more preferably 1.25.
Although the upper limit of Fn3 is not particularly limited, it is, for example, 3.37. If Fn3 is 3.37 or less, the thermal conductivity of the steel material at 600° C. is 57.0 W/m·K or less.

[本実施形態のスチールピストン1の好ましい形態3]
好ましくは、本実施形態のスチールピストン1ではさらに、上述の特徴1~特徴4を満たす。つまり、上部材10の鋼材の化学組成において、Fn1が0.410以上であり、Fn2が3.56~4.20であり、Fn3が1.07以上である。この場合、本実施形態のスチールピストン1は、駆動中のエンジンでの上部材10の温度が100℃程度の低温域であっても、600℃程度の高温域であっても、上部材10の鋼材が適切な熱伝導率を有する。そのため、エンジンの燃焼効率を高めつつ、エンジンの寿命の低下を抑制できる。
[Preferred form 3 of the steel piston 1 of the present embodiment]
Preferably, the steel piston 1 of this embodiment further satisfies the features 1 to 4 described above. That is, in the chemical composition of the steel material of the upper member 10, Fn1 is 0.410 or more, Fn2 is 3.56 to 4.20, and Fn3 is 1.07 or more. In this case, the steel piston 1 of this embodiment can be used even when the temperature of the upper member 10 is in a low temperature range of about 100° C. or a high temperature range of about 600° C. Steel has good thermal conductivity. Therefore, it is possible to suppress the deterioration of the life of the engine while increasing the combustion efficiency of the engine.

[製造方法]
本実施形態によるスチールピストンの製造方法の一例を説明する。以降に説明するスチールピストンの製造方法は、本実施形態による鋼材を製造するための一例である。したがって、上述の特徴1及び2を有するスチールピストンは、以降に説明する製造方法以外の他の製造方法により製造されてもよい。しかしながら、以降に説明する製造方法は、本実施形態によるスチールピストンの製造方法の好ましい一例である。
[Production method]
An example of a method for manufacturing a steel piston according to this embodiment will be described. The steel piston manufacturing method described below is an example for manufacturing the steel material according to the present embodiment. Therefore, the steel piston having features 1 and 2 described above may be manufactured by a manufacturing method other than the manufacturing method described below. However, the manufacturing method described below is a preferred example of the manufacturing method of the steel piston according to this embodiment.

本実施形態のスチールピストンの製造方法は例えば、次のとおりである。
(工程1)素材準備工程
(工程2)中間上部材及び中間下部材形成工程
(工程3)熱処理工程
(工程4)接合工程
(工程5)機械加工工程
以下、各工程について説明する。
For example, the method for manufacturing the steel piston of this embodiment is as follows.
(Step 1) Material preparation step (Step 2) Intermediate upper member and intermediate lower member forming step (Step 3) Heat treatment step (Step 4) Joining step (Step 5) Machining step Each step will be described below.

[(工程1)素材準備工程]
素材準備工程では、上部材10の素材となる鋼材、及び、下部材11の素材となるアルミ合金材を準備する。上部材10の素材となる鋼材、及び、下部材11の素材となるアルミ合金材は、第三者から供給されるものを用いてもよい。
[(Step 1) Material preparation step]
In the material preparation step, a steel material that will be the material of the upper member 10 and an aluminum alloy material that will be the material of the lower member 11 are prepared. The steel material that is the material of the upper member 10 and the aluminum alloy material that is the material of the lower member 11 may be supplied by a third party.

上部材10を構成する鋼材を製造する場合、例えば、次の方法で製造する。
初めに、化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内であり、特徴2を満たす溶鋼を周知の製鋼方法により製造する。化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内であり、特徴2及び特徴3を満たす溶鋼を製造してもよい。化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内であり、特徴2及び特徴4を満たす溶鋼を製造してもよい。化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内であり、特徴2~特徴4を満たす溶鋼を製造してもよい。製造された溶鋼を用いて、連続鋳造法又は造塊法により、鋳造材(ブルーム、インゴット、又は、ビレット)を製造する。
When manufacturing the steel material which comprises the upper member 10, it manufactures by the following method, for example.
First, the content of each element in the chemical composition is within the range of the present embodiment, and molten steel that satisfies feature 2 is produced by a well-known steelmaking method. The content of each element in the chemical composition is within the range of the present embodiment, and molten steel that satisfies feature 2 and feature 3 may be produced. The content of each element in the chemical composition is within the range of the present embodiment, and molten steel that satisfies feature 2 and feature 4 may be produced. The content of each element in the chemical composition is within the range of the present embodiment, and molten steel satisfying features 2 to 4 may be produced. Using the produced molten steel, a cast material (bloom, ingot, or billet) is produced by continuous casting or ingot casting.

鋳造材に対して周知の熱間加工を実施して、鋼材を製造する。熱間加工は例えば、熱間圧延、熱間鍛造等である。以上の製造工程により、上部材10の素材となる鋼材を製造する。 A known hot working is performed on the cast material to produce a steel material. Hot working includes, for example, hot rolling and hot forging. Through the manufacturing process described above, the steel material that is the material of the upper member 10 is manufactured.

なお、下部材11の素材となるアルミ合金材は、周知の製造方法により製造される。 The aluminum alloy material used as the material for the lower member 11 is manufactured by a well-known manufacturing method.

[(工程2)中間上部材及び中間下部材形成工程]
中間上部材及び中間下部材形成工程では、素材準備工程で準備した鋼材を素材として、上部材10の中間品である中間上部材を製造する。また、素材準備工程で準備したアルミ合金材を用いて、下部材11の中間品である中間下部材を製造する。以下、中間上部材の製造、及び、中間下部材の製造について説明する。
[(Step 2) Intermediate Upper Member and Intermediate Lower Member Forming Step]
In the intermediate upper member and intermediate lower member forming step, the intermediate upper member, which is an intermediate product of the upper member 10, is manufactured using the steel material prepared in the material preparing step as a raw material. Further, an intermediate lower member, which is an intermediate product of the lower member 11, is manufactured using the aluminum alloy material prepared in the material preparation step. The manufacture of the intermediate upper member and the manufacture of the intermediate lower member will be described below.

[中間上部材の製造]
上部材10の素材となる鋼材に対して周知の条件で熱間鍛造を実施して、中間品である中間上部材を製造する。中間上部材の熱間鍛造時の鋼材の加熱温度は特に限定されないが、例えば、1000~1250℃である。ここで、加熱温度は加熱炉の炉温を意味する。
[Manufacture of intermediate upper member]
An intermediate upper member, which is an intermediate product, is manufactured by performing hot forging on a steel material, which is the material of the upper member 10, under well-known conditions. The heating temperature of the steel material during hot forging of the intermediate upper member is not particularly limited, but is, for example, 1000 to 1250°C. Here, the heating temperature means the furnace temperature of the heating furnace.

[中間下部材の製造]
下部材11の素材となるアルミ合金材を用いて、周知の鋳造法、又は、周知の機械加工により、下部材11の形状を有する中間下部材を製造する。
[Manufacture of intermediate lower member]
An intermediate lower member having the shape of the lower member 11 is manufactured by a well-known casting method or a well-known machining process using an aluminum alloy material that is the material of the lower member 11 .

[(工程3)熱処理工程]
熱処理工程では、製造された中間上部材及び中間下部材に対して、次の熱処理を実施する。
[(Step 3) heat treatment step]
In the heat treatment step, the intermediate upper member and the intermediate lower member thus manufactured are subjected to the following heat treatment.

[中間上部材に対する熱処理]
中間上部材に対して、周知の条件の調質処理(焼入れ及び焼戻し)を実施する。焼入れ処理は周知の焼入れ温度(Ac3変態点以上)で実施して、急冷する。急冷は例えば、水冷又は油冷である。焼戻し処理も周知の焼戻し温度(AC1変態点以下)で実施する。
[Heat Treatment for Middle Upper Member]
The intermediate upper member is subjected to thermal refining treatment (quenching and tempering) under well-known conditions. The quenching treatment is performed at a well-known quenching temperature (above the Ac3 transformation point) and then quenched. Quenching is, for example, water cooling or oil cooling. The tempering treatment is also carried out at a well-known tempering temperature (below the AC1 transformation point).

[中間下部材に対する熱処理]
中間下部材に対して、周知の条件で溶体化処理及び人工時効処理を実施する。具体的には、アルミ合金に対して、JIS H 0001:1998、又は、JIS H 4202:2011に規定のT6処理(溶体化処理後人工時効処理)を実施する。
[(工程4)接合工程]
接合工程では、熱処理工程後の中間上部材及び中間下部材を、摩擦接合、レーザー接合、又は拡散接合により接合して、接合品を製造する。具体的には、中間上部材の中心軸を、中間下部材の中心軸と同軸に配置する。中間上部材の下端面と中間下部材の上端面とを突き合わせて、摩擦接合、レーザー接合、又は拡散接合を実施する。
[Heat Treatment for Intermediate Lower Member]
The intermediate lower member is subjected to solution treatment and artificial aging treatment under well-known conditions. Specifically, the aluminum alloy is subjected to T6 treatment (artificial aging treatment after solution treatment) specified in JIS H 0001:1998 or JIS H 4202:2011.
[(Step 4) Joining step]
In the bonding step, the intermediate upper member and the intermediate lower member after the heat treatment step are joined by friction bonding, laser bonding, or diffusion bonding to manufacture a bonded product. Specifically, the central axis of the intermediate upper member is arranged coaxially with the central axis of the intermediate lower member. The lower end surface of the intermediate upper member and the upper end surface of the intermediate lower member are brought into contact with each other to perform friction bonding, laser bonding, or diffusion bonding.

中間上部材の下端面と中間下部材の上端面とを突き合わせて、周知の摩擦接合を実施する場合、例えば、摩擦圧力を50~200MPaとし、摩擦時間を2~20秒とする。アップセット圧力(接合部への中間上部材及び中間下部材の両端からの圧力)を100~400MPaとする。アップセット時間を2~20秒とする。摩擦接合時の回転数を1500~2500rpmとする。ただし、摩擦接合条件はこれに限定されない。 When the lower end surface of the intermediate upper member and the upper end surface of the intermediate lower member are brought into contact with each other to perform well-known friction welding, for example, the friction pressure is set to 50 to 200 MPa and the friction time is set to 2 to 20 seconds. An upset pressure (pressure from both ends of the intermediate upper member and the intermediate lower member to the joint) is set to 100 to 400 MPa. Set the upset time to 2 to 20 seconds. The number of revolutions during friction welding is set to 1500 to 2500 rpm. However, the friction welding conditions are not limited to this.

[(工程5)機械加工工程]
接合工程後の接合品に対して切削等の機械加工を実施して、最終製品であるスチールピストンを製造する。以上の製造工程により、本実施形態のスチールピストンを製造できる。
[(Step 5) Machining step]
Machining such as cutting is performed on the joined product after the joining step to manufacture a steel piston as a final product. The steel piston of this embodiment can be manufactured by the manufacturing process described above.

[スチールピストンの上部材10を構成する鋼材のミクロ組織]
スチールピストンの上部材10を構成する鋼材のミクロ組織は、主としてベイナイトからなる組織である。ここで、主としてベイナイトからなる組織とは、フェライト及びパーライトの総面積率が10.0%以上であり、残部がベイナイトからなる組織を意味する。
ベイナイトの面積率の下限は70.0%であり、好ましくは80.0%であり、さらに好ましくは85.0%である。
フェライト及びパーライトの総面積率の上限は30.0%であり、さらに好ましくは25.0%であり、さらに好ましくは20.0%であり、さらに好ましくは15.0%である。
なお、ミクロ組織において、ベイナイト、フェライト及びパーライト以外の領域は例えば、残留オーステナイト、析出物(セメンタイトを含む)及び、介在物である。残留オーステナイトの面積率は無視できるほど小さい。
[Microstructure of Steel Constituting Upper Member 10 of Steel Piston]
The microstructure of the steel material forming the upper member 10 of the steel piston is a structure mainly composed of bainite. Here, the structure mainly composed of bainite means a structure in which the total area ratio of ferrite and pearlite is 10.0% or more and the balance is bainite.
The lower limit of the area ratio of bainite is 70.0%, preferably 80.0%, more preferably 85.0%.
The upper limit of the total area ratio of ferrite and pearlite is 30.0%, preferably 25.0%, still more preferably 20.0%, still more preferably 15.0%.
In the microstructure, regions other than bainite, ferrite, and pearlite are, for example, retained austenite, precipitates (including cementite), and inclusions. The area fraction of retained austenite is so small that it can be ignored.

[ベイナイト面積率の測定方法]
本実施形態のスチールピストンの上部材10を構成する鋼材のミクロ組織中のフェライト及びパーライトの総面積率(%)、及び、ベイナイトの面積率(%)は、次の方法で測定される。上部材10のR/2位置からサンプルを採取する。採取したサンプルの表面(観察面)を鏡面研磨した後、2%硝酸アルコール(ナイタール腐食液)を用いて観察面をエッチングする。エッチングされた観察面を、500倍の光学顕微鏡を用いて観察し、任意の20視野の写真画像を生成する。各視野のサイズは、100μm×100μmとする。
[Method for measuring bainite area ratio]
The total area ratio (%) of ferrite and pearlite and the area ratio (%) of bainite in the microstructure of the steel material constituting the upper member 10 of the steel piston of this embodiment are measured by the following method. A sample is taken from the R/2 position of the top member 10 . After the surface (observation surface) of the collected sample is mirror-polished, the observation surface is etched using 2% nitric acid alcohol (nital etchant). The etched viewing surface is viewed using a 500x optical microscope to generate photographic images of any 20 fields. The size of each field of view is 100 μm×100 μm.

各視野において、ベイナイト、フェライト、パーライト等の各相は、相ごとにコントラストが異なる。したがって、コントラストに基づいて、各相を特定する。特定された相のうち、各視野でのフェライトの総面積(μm)、及び、パーライトの総面積(μm)を求める。全ての視野の総面積に対する、全ての視野におけるフェライトの総面積とパーライトの総面積との合計面積の割合を、フェライト及びパーライトの総面積率(%)と定義する。フェライト及びパーライトの総面積率を用いて、ベイナイトの面積率(%)を次の方法で求める。
ベイナイト面積率=100.0-フェライト及びパーライトの総面積率
フェライト及びパーライトの総面積率(%)は、小数第二位を四捨五入して得られた値である。
In each field of view, each phase such as bainite, ferrite, pearlite, etc. has a different contrast for each phase. Therefore, each phase is identified based on the contrast. Among the specified phases, the total area (μm 2 ) of ferrite and the total area (μm 2 ) of pearlite in each field of view are obtained. The ratio of the total area of the total area of ferrite and the total area of pearlite in all fields of view to the total area of all fields of view is defined as the total area ratio (%) of ferrite and pearlite. Using the total area ratio of ferrite and pearlite, the area ratio (%) of bainite is obtained by the following method.
Bainite area ratio=100.0-Total area ratio of ferrite and pearlite The total area ratio (%) of ferrite and pearlite is a value obtained by rounding off to the second decimal place.

表1-1及び表1-2の化学組成を有する鋼材、及び、表2の化学組成を有するアルミ合金材を準備した。 Steel materials having chemical compositions shown in Tables 1-1 and 1-2 and aluminum alloy materials having chemical compositions shown in Table 2 were prepared.

Figure 2023060831000002
Figure 2023060831000002

Figure 2023060831000003
Figure 2023060831000003

Figure 2023060831000004
Figure 2023060831000004

各試験番号の鋼材を、次の方法により製造した。各試験番号の溶鋼を用いて、連続鋳造法によりブルームを製造した。製造されたブルームに対して、熱間加工を実施した。具体的には、ブルームに対して分塊圧延を実施して、ビレットを製造した。分塊圧延前のブルームの加熱温度は、1000~1200℃であった。分塊圧延後、仕上げ圧延を実施して、鋼材(丸棒)を製造した。仕上げ圧延時のビレットの加熱温度は1000~1200℃であった。以上の製造工程により、直径40mmの鋼材(丸棒)を製造した。 Steel materials of each test number were manufactured by the following method. A bloom was produced by a continuous casting method using molten steel of each test number. Hot working was performed on the blooms produced. Specifically, the bloom was subjected to blooming to produce a billet. The bloom heating temperature before blooming was 1000 to 1200°C. After blooming, finish rolling was performed to produce a steel material (round bar). The heating temperature of the billet during finish rolling was 1000 to 1200°C. A steel material (round bar) having a diameter of 40 mm was manufactured by the manufacturing process described above.

また、各試験番号(アルミ合金材番号)のアルミ合金材は、直径40mmの丸棒であった。 The aluminum alloy material of each test number (aluminum alloy material number) was a round bar with a diameter of 40 mm.

[評価試験]
各試験番号の鋼材及びアルミ合金材を用いて、スチールピストンを模擬した試験片を作製し、以下の評価試験を実施した。
(試験1)ベイナイト面積率測定試験
(試験2)接合界面近傍領域での硬さ低下量ΔHV測定試験
(試験3)接合部高温疲労強度試験
以下、各試験について説明する。
[Evaluation test]
A test piece simulating a steel piston was produced using the steel material and aluminum alloy material of each test number, and the following evaluation tests were carried out.
(Test 1) Bainite area ratio measurement test (Test 2) Hardness reduction amount ΔHV measurement test in the vicinity of the joint interface (Test 3) Joint high-temperature fatigue strength test Each test will be described below.

[(試験1)ベイナイト面積率測定試験]
各試験番号の鋼材に対して、スチールピストンの上部材を模擬した試験片を作製した。
具体的には、各試験番号の直径40mmの鋼材(丸棒)を1200℃の加熱温度で30分加熱した。加熱後の鋼材に対して熱間鍛造を実施して、直径30mmの丸棒を製造した。熱間鍛造での仕上げ温度は、いずれの試験番号においても、950℃以上であった。
[(Test 1) Bainite area ratio measurement test]
A test piece simulating the upper member of a steel piston was produced for each test number steel material.
Specifically, a steel material (round bar) with a diameter of 40 mm of each test number was heated at a heating temperature of 1200° C. for 30 minutes. Hot forging was performed on the heated steel material to produce a round bar with a diameter of 30 mm. The finishing temperature in hot forging was 950° C. or higher in any test number.

製造された丸棒に対して、調質処理を実施した。具体的には、丸棒を950℃の加熱温度で1時間加熱した後、油温80℃の油槽に浸漬して焼入れ処理を実施した。焼入れ処理後の丸棒に対して、焼戻し処理を実施した。焼戻し処理では、焼入れ処理後の丸棒を600℃の加熱温度で1時間保持した後、大気中で放冷した。 A refining treatment was performed on the manufactured round bar. Specifically, the round bar was heated at a heating temperature of 950° C. for 1 hour, and then quenched by being immersed in an oil bath having an oil temperature of 80° C. A tempering treatment was performed on the round bar after the quenching treatment. In the tempering treatment, the round bar after the quenching treatment was held at a heating temperature of 600° C. for 1 hour and then allowed to cool in the atmosphere.

上述の調質処理後の丸棒(模擬中間上部材)に対して機械加工を実施して、直径20mm、長さ40mmの試験片(模擬上部材)を作製した。試験片の中心軸は、調質処理後の丸棒の中心軸と略一致した。 A test piece (simulated upper member) having a diameter of 20 mm and a length of 40 mm was produced by machining the round bar (simulated intermediate upper member) after the tempering treatment described above. The center axis of the test piece substantially coincided with the center axis of the round bar after heat treatment.

[ベイナイト面積率の測定試験]
各試験番号の上述の試験片(模擬上部材)を用いて、ミクロ組織中のフェライト及びパーライトの総面積率(%)、及び、ベイナイトの面積率(%)を、上述の[ベイナイト面積率の測定方法]に記載の方法に基づいて求めた。その結果、いずれの試験番号においても、ベイナイト面積率が70.0%以上であり、残部はフェライト及び/又はパーライトであった。
[Measurement test of bainite area ratio]
Using the above test piece (simulated upper member) of each test number, the total area ratio (%) of ferrite and pearlite in the microstructure and the area ratio (%) of bainite Measurement method]. As a result, in any test number, the bainite area ratio was 70.0% or more, and the balance was ferrite and/or pearlite.

[(試験2)接合界面近傍領域での硬さ低下量ΔHV測定試験]
以下の方法により、各試験番号での接合界面近傍領域での硬さ低下量ΔHVを求めた。
鋼材及びアルミ合金材に対して模擬スチールピストンの製造工程を実施して、接合丸棒試験片(模擬上部材及び模擬下部材)を作製した。
[(Test 2) Hardness decrease amount ΔHV measurement test in the vicinity of the bonding interface]
The amount of decrease in hardness ΔHV in the region near the joint interface for each test number was obtained by the following method.
A simulated steel piston manufacturing process was carried out on steel materials and aluminum alloy materials to prepare bonded round bar test pieces (simulated upper member and simulated lower member).

[模擬上部材の製造]
具体的には、各試験番号の直径40mmの鋼材(丸棒)を1200℃の加熱温度で30分加熱した。加熱後の鋼材に対して熱間鍛造を実施して、直径30mmの丸棒を製造した。熱間鍛造での仕上げ温度は、いずれの試験番号においても、950℃以上であった。
[Manufacture of simulated upper member]
Specifically, a steel material (round bar) with a diameter of 40 mm of each test number was heated at a heating temperature of 1200° C. for 30 minutes. Hot forging was performed on the heated steel material to produce a round bar with a diameter of 30 mm. The finishing temperature in hot forging was 950° C. or higher in any test number.

熱間鍛造後の丸棒に対して、調質処理を実施した。具体的には、丸棒を950℃の加熱温度で1時間加熱した後、油温80℃の油槽に浸漬して焼入れ処理を実施した。焼入れ処理後の丸棒に対して、焼戻し処理を実施した。焼戻し処理では、焼入れ処理後の丸棒を600℃の加熱温度で1時間保持した後、大気中で放冷した。調質処理後の丸棒に対して機械加工を実施して、直径20mm、長さ150mmの模擬上部材(丸棒)を複数作製した。作製された模擬上部材の中心軸は、調質処理後の丸棒の中心軸と略一致した。 A thermal refining treatment was performed on the round bar after hot forging. Specifically, the round bar was heated at a heating temperature of 950° C. for 1 hour, and then quenched by being immersed in an oil bath having an oil temperature of 80° C. A tempering treatment was performed on the round bar after the quenching treatment. In the tempering treatment, the round bar after the quenching treatment was held at a heating temperature of 600° C. for 1 hour and then allowed to cool in the atmosphere. A plurality of simulated upper members (round bars) having a diameter of 20 mm and a length of 150 mm were produced by machining the round bar after the refining treatment. The center axis of the manufactured simulated upper member substantially coincided with the center axis of the round bar after thermal refining.

[模擬下部材の製造]
表3に示す、各試験番号に対応するアルミ合金材番号の直径40mmのアルミ合金材を準備した。アルミ合金材に対して、JIS H 0001:1998に準拠した、溶体化処理及び人工時効処理を実施した。溶体化処理では、アルミ合金材を510℃(783K)で4時間保持した後、水冷した。溶体化処理後のアルミ合金材に対して、人工時効処理を実施した。人工時効処理では、アルミ合金材を170℃(443K)で20時間保持した。
[Manufacture of Simulated Lower Member]
An aluminum alloy material having a diameter of 40 mm and having an aluminum alloy material number corresponding to each test number shown in Table 3 was prepared. The aluminum alloy material was subjected to solution treatment and artificial aging treatment in accordance with JIS H 0001:1998. In the solution treatment, the aluminum alloy material was held at 510° C. (783 K) for 4 hours and then cooled with water. Artificial aging treatment was performed on the aluminum alloy material after the solution treatment. In the artificial aging treatment, the aluminum alloy material was held at 170°C (443K) for 20 hours.

Figure 2023060831000005
Figure 2023060831000005

熱処理後のアルミ合金材を機械加工して、直径20mm、長さ150mmの模擬下部材(丸棒)を複数作製した。作製された模擬下部材の中心軸は、素材であるアルミ合金材(直径40mmの丸棒)の中心軸と略一致した。 A plurality of simulated lower members (round bars) having a diameter of 20 mm and a length of 150 mm were produced by machining the heat-treated aluminum alloy material. The central axis of the fabricated simulated lower member substantially coincided with the central axis of the aluminum alloy material (a round bar with a diameter of 40 mm) as the raw material.

模擬上部材及び模擬下部材の端部同士を突き合わせて摩擦接合を実施し、接合試験片(模擬スチールピストンに相当)を作製した。摩擦接合において、摩擦圧力を150MPaとし、摩擦時間を3秒とした。アップセット圧力(接合部への中間上部材及び中間下部材の両端からの加圧力)を300MPaとし、アップセット時間を20秒とした。摩擦接合時の回転数を2000rpmとした。 The end portions of the simulated upper member and the simulated lower member were butted against each other and friction-bonded to prepare a bonded test piece (corresponding to a simulated steel piston). In the friction bonding, the friction pressure was set to 150 MPa, and the friction time was set to 3 seconds. An upset pressure (applied pressure from both ends of the intermediate upper member and the intermediate lower member to the joint) was set to 300 MPa, and the upset time was set to 20 seconds. The number of revolutions during friction welding was set to 2000 rpm.

[ビッカース硬さ測定試験]
接合試験片を、中心軸を含む断面(縦断面)で切断した。切断面を観察面とした。観察面に対して、鏡面研磨を実施した。観察面では、模擬上部材(鋼材)と模擬下部材(アルミ合金材)との接合界面をコントラストにより容易に特定できた。
[Vickers hardness measurement test]
The bonded test piece was cut along a cross section (longitudinal cross section) containing the central axis. The cut surface was used as the observation surface. The observation surface was mirror-polished. In terms of observation, the joint interface between the simulated upper member (steel material) and the simulated lower member (aluminum alloy material) could be easily identified by the contrast.

観察面のうち、模擬下部材(アルミ合金材)の中心軸において、接合界面から0.5mmピッチで5.0mm深さ(接合界面から中心軸に沿って5.0mmの距離)まで、JIS Z2244:2009に準拠して、ビッカース硬さを測定した。試験力は9.8Nとした。得られたビッカース硬さの算術平均値を、接合界面近傍領域硬さHVI(HV)と定義した。さらに、下部材の中心軸において、接合界面から10.0mm深さ位置で、上述の試験方法により、ビッカース硬さ(HV)を求めた。得られたビッカース硬さを、内部硬さHVB(HV)と定義した。
接合界面近傍領域硬さHVIと、内部硬さHVBとを用いて、接合界面近傍領域での硬さ低下量ΔHV(%)を以下の式(A)で求めた。
ΔHV=(HVB-HVI)/HVB×100 (A)
求めた接合界面近傍領域での硬さ低下量ΔHV(%)を表3に示す。
Among the observation surfaces, at the central axis of the simulated lower member (aluminum alloy material), from the joint interface to a depth of 5.0 mm at a pitch of 0.5 mm (a distance of 5.0 mm along the central axis from the joint interface), JIS Z2244 : 2009, the Vickers hardness was measured. The test force was 9.8N. The arithmetic mean value of the obtained Vickers hardness was defined as the bonding interface vicinity region hardness HVI (HV). Furthermore, the Vickers hardness (HV) was obtained by the above-described test method at a position 10.0 mm deep from the joint interface on the center axis of the lower member. The obtained Vickers hardness was defined as internal hardness HVB (HV).
Using the hardness HVI of the region near the joint interface and the internal hardness HVB, the amount of decrease in hardness ΔHV (%) in the region near the joint interface was obtained by the following formula (A).
ΔHV=(HVB−HVI)/HVB×100 (A)
Table 3 shows the amount of decrease in hardness ΔHV (%) in the vicinity of the bonding interface thus obtained.

[(試験3)接合部高温疲労強度試験]
(試験2)で作製した各試験番号の接合試験片(模擬スチールピストンに相当)に対して機械加工(旋削加工)を実施して、接合試験片の長手方向に垂直な断面の中央部から、高温小野式回転曲げ疲労試験片を作製した。高温小野式回転曲げ疲労試験片の中心軸は、接合丸棒試験片の中心軸と一致した。また、高温小野式回転曲げ疲労試験片の平行部の直径が8mmであり、平行部の長さが15.0mmであった。軸方向(長手方向)における平行部の中央位置は接合位置に相当した。
[(Test 3) Joint high temperature fatigue strength test]
Machining (turning) was performed on the joint test piece (corresponding to the simulated steel piston) of each test number prepared in (Test 2), and from the center of the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the joint test piece, A high-temperature Ono-type rotating bending fatigue test piece was prepared. The center axis of the high-temperature Ono type rotating bending fatigue test piece coincided with the center axis of the bonded round bar test piece. The diameter of the parallel portion of the high-temperature Ono-type rotating bending fatigue test piece was 8 mm, and the length of the parallel portion was 15.0 mm. The central position of the parallel portion in the axial direction (longitudinal direction) corresponded to the joining position.

作製された高温小野式回転曲げ疲労試験片を用いて、次の条件により、高温小野式回転曲げ疲労試験を実施した。評価温度は250℃とした。試験片を加熱炉内の試験機に装着した後、2500rpmで回転させながら、加熱炉の昇温を開始した。加熱炉の炉温計指示値が250℃に到達した後、試験片を250℃で30分均熱した。均熱後、載荷して疲労試験を開始した。応力比を-1とし、最大繰り返し数を1×10回とした。最大繰り返し数(1×10回)の耐久応力を疲労強度(MPa)と定義した。得られた各試験番号の疲労強度(MPa)を表3に示す。疲労強度が85MPa以上であれば、優れた高温疲労強度が得られたと判断した。 Using the prepared high-temperature Ono-type rotary bending fatigue test pieces, a high-temperature Ono-type rotary bending fatigue test was performed under the following conditions. The evaluation temperature was 250°C. After mounting the test piece on the testing machine in the heating furnace, the temperature of the heating furnace was started to rise while rotating at 2500 rpm. After the indicated value of the furnace thermometer of the heating furnace reached 250°C, the test piece was soaked at 250°C for 30 minutes. After soaking, a load was applied to start the fatigue test. The stress ratio was set to -1, and the maximum number of repetitions was set to 1×10 7 times. The endurance stress at the maximum number of repetitions (1×10 7 times) was defined as fatigue strength (MPa). Table 3 shows the obtained fatigue strength (MPa) of each test number. If the fatigue strength was 85 MPa or more, it was determined that excellent high-temperature fatigue strength was obtained.

[試験結果]
表1-1、表1-2、表2及び表3に試験結果を示す。
[Test results]
Test results are shown in Tables 1-1, 1-2, 2 and 3.

表1-1、表1-2、表2及び表3を参照して、試験番号1~24の上部材の化学組成は適切であり、Fn1が0.410以上であった。さらに、下部材はアルミ合金材で構成された。そのため、これらの試験番号では、接合界面近傍領域での硬さ低下量ΔHVが7.5%以下であった。その結果、接合部高温疲労強度は85MPa以上であり、接合部の高温疲労強度が高かった。 With reference to Tables 1-1, 1-2, 2 and 3, the chemical compositions of the upper members of Test Nos. 1-24 were appropriate and Fn1 was 0.410 or more. Furthermore, the lower member is made of an aluminum alloy material. Therefore, in these test numbers, the amount of decrease in hardness ΔHV in the region near the joint interface was 7.5% or less. As a result, the high-temperature fatigue strength of the joint was 85 MPa or more, indicating that the high-temperature fatigue strength of the joint was high.

一方、試験番号25では、V含有量が低かった。そのため、接合部高温疲労強度は85MPa未満であり、接合部の高温疲労強度が低かった。 On the other hand, in Test No. 25, the V content was low. Therefore, the high-temperature fatigue strength of the joint was less than 85 MPa, and the high-temperature fatigue strength of the joint was low.

試験番号26では、Ti含有量が低かった。そのため、接合部高温疲労強度は85MPa未満であり、接合部の高温疲労強度が低かった。 In test number 26, the Ti content was low. Therefore, the high-temperature fatigue strength of the joint was less than 85 MPa, and the high-temperature fatigue strength of the joint was low.

試験番号27では、Ti含有量が高かった。そのため、接合部高温疲労強度は85MPa未満であり、接合部の高温疲労強度が低かった。 In test number 27, the Ti content was high. Therefore, the high-temperature fatigue strength of the joint was less than 85 MPa, and the high-temperature fatigue strength of the joint was low.

試験番号28~38では、上部材の化学組成は適切であったものの、Fn1が0.410未満であった。そのため、これらの試験番号では、接合界面近傍領域での硬さ低下量ΔHVが7.5%を超えた。その結果、接合部高温疲労強度は85MPa未満であり、接合部の高温疲労強度が低かった。 In Test Nos. 28-38, Fn1 was less than 0.410, although the chemical composition of the top member was appropriate. Therefore, in these test numbers, the amount of decrease in hardness ΔHV in the region near the joint interface exceeded 7.5%. As a result, the high-temperature fatigue strength of the joint was less than 85 MPa, indicating that the high-temperature fatigue strength of the joint was low.

表1-1及び表1-2中の試験番号1~24の模擬上部材(直径20mm、長さ40mm)を用いて、次の評価試験を実施した。
(試験4)熱伝導率測定試験
以下、試験4について説明する。
The following evaluation test was performed using simulated upper members (20 mm in diameter and 40 mm in length) of test numbers 1 to 24 in Tables 1-1 and 1-2.
(Test 4) Thermal conductivity measurement test Test 4 will be described below.

[(試験4)熱伝導率測定試験]
各試験番号の模擬上部材の熱伝導率を、レーザーフラッシュ法に基づいて求めた。具体的には、各試験番号の模擬上部材から、直径10mm、厚さ2mmの円板状の試験片を採取した。試験片は、模擬上部材の表面から1mm深さ以上の内部位置から採取した。採取した試験片を、グラファイトスプレーにてコーティングした。コーティングの試験片を、熱拡散率測定装置の加熱炉に装入した。加熱炉の雰囲気はNガスとした。試験片を加熱炉にて試験片を加熱した。このとき、昇温速度を10℃/分とした。熱拡散率測定装置を用いて試験片の温度上昇曲線を得た。得られた温度上昇曲線を用いて、100℃における熱拡散率α100(m/秒)と、600℃における熱拡散率α600(m/秒)とを求めた。模擬上部材の鋼材の比熱容量C(J・kg-1・K-1)、及び、密度ρ(kg/m)を用いて、次の式により、100℃における熱伝導率λ100、及び、600℃における熱伝導率λ600(W/m・K)を求めた。
λ100=α100・ρ・C
λ600=α600・ρ・C
[(Test 4) Thermal conductivity measurement test]
The thermal conductivity of the simulated upper member for each test number was obtained based on the laser flash method. Specifically, a disc-shaped test piece having a diameter of 10 mm and a thickness of 2 mm was taken from the simulated upper member of each test number. A test piece was taken from an internal position at a depth of 1 mm or more from the surface of the simulated upper member. The sampled specimen was coated with graphite spray. A specimen of the coating was loaded into the furnace of the thermal diffusivity measurement device. The atmosphere of the heating furnace was N2 gas. The test piece was heated in a heating furnace. At this time, the temperature increase rate was 10° C./min. A temperature rise curve of the test piece was obtained using a thermal diffusivity measuring device. Thermal diffusivity α 100 (m 2 /sec) at 100° C. and thermal diffusivity α 600 (m 2 /sec) at 600° C. were determined using the obtained temperature rise curves. Using the specific heat capacity C (J · kg -1 · K -1 ) and the density ρ (kg/m 3 ) of the steel material of the simulated upper member, the thermal conductivity λ 100 at 100 ° C. and , and the thermal conductivity λ 600 (W/m·K) at 600°C.
λ 100 = α 100 ρ C
λ 600 = α 600 ρ C

なお、グラファイトスプレーには、ネッチ(NETSCH)株式会社製の商品名GB396352を用いた。熱拡散率測定装置には、ネッチ(NETSCH)株式会社製の商品名LFA457MicroFlashを用いた。得られた100℃における熱伝導率λ100、及び、600℃における熱伝導率λ600を表4に示す。 As the graphite spray, GB396352 (trade name) manufactured by NETSCH Corporation was used. LFA457MicroFlash (trade name) manufactured by NETSCH Corporation was used as a thermal diffusivity measurement device. Table 4 shows the obtained thermal conductivity λ 100 at 100°C and the thermal conductivity λ 600 at 600°C.

Figure 2023060831000006
Figure 2023060831000006

[試験結果]
表1-1、表1-2、及び表4を参照して、本発明例である試験番号1~24のうち、試験番号2、4、6、8~15、17、18及び20では、Fn2が3.56~4.20の範囲内であった。そのため、100℃における熱伝導率λ100が40.0~48.0の範囲内であり、エンジンの燃焼効率が高まることが予想された。
[Test results]
With reference to Tables 1-1, 1-2, and 4, in test numbers 2, 4, 6, 8 to 15, 17, 18 and 20 of test numbers 1 to 24, which are examples of the present invention, Fn2 was in the range of 3.56-4.20. Therefore, the thermal conductivity λ 100 at 100° C. is within the range of 40.0 to 48.0, and it was expected that the combustion efficiency of the engine would be improved.

また、試験番号1~5、7、8、10、12、15~20では、Fn3が1.07以上であった。そのため、600℃における熱伝導率λ600が34.0以上であり、エンジンの寿命の低下を抑制できることが予想された。 Also, in test numbers 1 to 5, 7, 8, 10, 12, and 15 to 20, Fn3 was 1.07 or more. Therefore, the thermal conductivity λ 600 at 600° C. is 34.0 or more, and it was expected that the reduction in the service life of the engine could be suppressed.

さらに、試験番号2、4、8、10、12、15、17、18及び20では、Fn2が3.56~4.20の範囲内であり、かつ、Fn3が1.07以上であった。そのため、100℃における熱伝導率λ100が40.0~48.0の範囲内であり、かつ、600℃における熱伝導率λ600が34.0以上であった。そのため、エンジンの熱効率を高めつつ、エンジンの寿命の低下を抑制できることが予想された。 Furthermore, in test numbers 2, 4, 8, 10, 12, 15, 17, 18 and 20, Fn2 was within the range of 3.56 to 4.20 and Fn3 was 1.07 or more. Therefore, the thermal conductivity λ 100 at 100°C was within the range of 40.0 to 48.0, and the thermal conductivity λ 600 at 600°C was 34.0 or higher. Therefore, it was expected that the deterioration of the life of the engine could be suppressed while improving the thermal efficiency of the engine.

以上、本発明の実施形態を説明した。しかしながら、上述した実施形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施形態を適宜変更して実施することができる。 The embodiments of the present invention have been described above. However, the above-described embodiments are merely examples for implementing the invention. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the above-described embodiments can be modified as appropriate without departing from the scope of the invention.

Claims (5)

スチールピストンであって、
少なくともクラウン部のトップランドを含む上部材と、
前記上部材の下方に配置され、前記上部材と接合されている下部材と、
を備え、
前記上部材は、
化学組成が、質量%で、
C:0.15~0.50%、
Si:0.01~0.50%、
Mn:0.10~1.00%、
P:0.020%以下、
S:0.028%以下、
Cr:0.50~2.00%、
Mo:0.08~0.50%、
V:0.05~0.50%、
Ti:0.05~0.20%、
Al:0.005~0.100%、
N:0.0200%以下、及び、
O:0.0050%以下、を含有し、
残部はFe及び不純物からなり、
式(1)で定義されるFn1が0.410以上である鋼材からなり、
前記下部材は、
アルミ合金材からなる、
スチールピストン。
Fn1=(95Si+25Mn+25Cr+12.5Mo+5V+15Al)-0.2+10-5/Ti (1)
ここで、式(1)中の各元素記号には、対応する元素の質量%での含有量が代入される。
a steel piston,
an upper member including at least a crown topland;
a lower member disposed below the upper member and joined to the upper member;
with
The upper member is
The chemical composition, in mass %,
C: 0.15 to 0.50%,
Si: 0.01 to 0.50%,
Mn: 0.10-1.00%,
P: 0.020% or less,
S: 0.028% or less,
Cr: 0.50 to 2.00%,
Mo: 0.08-0.50%,
V: 0.05 to 0.50%,
Ti: 0.05 to 0.20%,
Al: 0.005 to 0.100%,
N: 0.0200% or less, and
O: 0.0050% or less,
the balance consists of Fe and impurities,
Made of steel material whose Fn1 defined by formula (1) is 0.410 or more,
The lower member is
Made of aluminum alloy material,
steel piston.
Fn1=(95Si+25Mn+25Cr+12.5Mo+5V+15Al) −0.2 +10 −5 /Ti (1)
Here, the content of the corresponding element in mass % is substituted for each element symbol in the formula (1).
スチールピストンであって、
少なくともクラウン部のトップランドを含む上部材と、
前記上部材の下方に配置され、前記上部材と接合されている下部材と、
を備え、
前記上部材は、
化学組成が、質量%で、
C:0.15~0.50%、
Si:0.01~0.50%、
Mn:0.10~1.00%、
P:0.020%以下、
S:0.028%以下、
Cr:0.50~2.00%、
Mo:0.08~0.50%、
V:0.05~0.50%、
Ti:0.05~0.20%、
Al:0.005~0.100%、
N:0.0200%以下、及び、
O:0.0050%以下、を含有し、
さらに、
Cu:0.50%以下、
Ni:1.00%以下、及び、
Nb:0.100%以下、からなる群から選択される1種以上を含有し、
残部はFe及び不純物からなり、
式(1)で定義されるFn1が0.410以上である鋼材からなり、
前記下部材は、
アルミ合金材からなる、
スチールピストン。
Fn1=(95Si+25Mn+25Cr+12.5Mo+5V+15Al)-0.2+10-5/Ti (1)
ここで、式(1)中の各元素記号には、対応する元素の質量%での含有量が代入される。
a steel piston,
an upper member including at least a crown topland;
a lower member disposed below the upper member and joined to the upper member;
with
The upper member is
The chemical composition, in mass %,
C: 0.15 to 0.50%,
Si: 0.01 to 0.50%,
Mn: 0.10-1.00%,
P: 0.020% or less,
S: 0.028% or less,
Cr: 0.50 to 2.00%,
Mo: 0.08-0.50%,
V: 0.05 to 0.50%,
Ti: 0.05 to 0.20%,
Al: 0.005 to 0.100%,
N: 0.0200% or less, and
O: 0.0050% or less,
moreover,
Cu: 0.50% or less,
Ni: 1.00% or less, and
Nb: 0.100% or less, containing one or more selected from the group consisting of
the balance consists of Fe and impurities,
Made of steel material whose Fn1 defined by formula (1) is 0.410 or more,
The lower member is
Made of aluminum alloy material,
steel piston.
Fn1=(95Si+25Mn+25Cr+12.5Mo+5V+15Al) −0.2 +10 −5 /Ti (1)
Here, the content of the corresponding element in mass % is substituted for each element symbol in the formula (1).
請求項1に記載のスチールピストンであって、
前記鋼材の化学組成ではさらに、
式(2)で定義されるFn2が3.56~4.20である、
スチールピストン。
Fn2=100×(92C+357Si+200Mn+67Ni+100Cr+44Mo+4)-0.54 (2)
ここで、式(2)の各元素記号には、対応する元素の質量%での含有量が代入される。元素が含有されていない場合、対応する元素記号には「0」が代入される。
A steel piston according to claim 1,
Further, in the chemical composition of the steel material,
Fn2 defined by formula (2) is 3.56 to 4.20,
steel piston.
Fn2=100×(92C+357Si+200Mn+67Ni+100Cr+44Mo+4) −0.54 (2)
Here, the content in mass % of the corresponding element is substituted for each element symbol in the formula (2). When an element is not contained, "0" is substituted for the corresponding element symbol.
請求項2に記載のスチールピストンであって、
前記鋼材の化学組成ではさらに、
式(2)で定義されるFn2が3.56~4.20である、
スチールピストン。
Fn2=100×(92C+357Si+200Mn+67Ni+100Cr+44Mo+4)-0.54 (2)
ここで、式(2)の各元素記号には、対応する元素の質量%での含有量が代入される。元素が含有されていない場合、対応する元素記号には「0」が代入される。
A steel piston according to claim 2,
Further, in the chemical composition of the steel material,
Fn2 defined by formula (2) is 3.56 to 4.20,
steel piston.
Fn2=100×(92C+357Si+200Mn+67Ni+100Cr+44Mo+4) −0.54 (2)
Here, the content in mass % of the corresponding element is substituted for each element symbol in the formula (2). When an element is not contained, "0" is substituted for the corresponding element symbol.
請求項1~請求項4のいずれか1項に記載のスチールピストンであって、
前記鋼材の化学組成ではさらに、
式(3)で定義されるFn3が1.07以上である、
スチールピストン。
Fn3=100×(35C+161Si+200Mn+84Cr+5Mo)-0.8 (3)
ここで、式(3)の各元素記号には、対応する元素の質量%での含有量が代入される。
The steel piston according to any one of claims 1 to 4,
Further, in the chemical composition of the steel material,
Fn3 defined by formula (3) is 1.07 or more,
steel piston.
Fn3=100×(35C+161Si+200Mn+84Cr+5Mo) −0.8 (3)
Here, the content in mass % of the corresponding element is substituted for each element symbol in the formula (3).
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