JP3635473B2

JP3635473B2 - Piston for internal combustion engine and manufacturing method thereof

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Publication number: JP3635473B2
Application number: JP14246196A
Authority: JP
Inventors: 洋敬栗田; 俊勝小池; 裕山縣
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 1996-06-05
Filing date: 1996-06-05
Publication date: 2005-04-06
Anticipated expiration: 2016-06-05
Also published as: JPH09324696A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用ピストンおよびその製造方法に関し、特に、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の２サイクルエンジンおよび４サイクルエンジンのピストンとして採用するに適したピストンおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般の内燃機関用ピストンとして次のことが要求される。
第１に、軽量であること、換言すれば（ｉ）薄肉形状であること（薄肉でも高温の疲労強度が高い材料を使うこと、薄肉でも鍛造成型性が良い材料を使うこと）および（ｉｉ）比重が小さいこと（軽い材料を使うこと）である。
【０００３】
第２に、ヘッド部のピストンリングより上側のトップランドが薄いことである。これは、圧縮比が高まり性能が向上するため、およびクレビス減少により未燃ガスが減少し、排ガス対策として有効であるためである。この場合、（ｉ）トップランドが薄くてもピストンリングの下側においてピストンがピストンリングに熱融着しないこと（ピストン上面が３５０℃程度になっても硬さを保つことができる材料を使うこと）、および（ｉｉ）トップランドの角部がだれたり、変形したりしないこと（ピストン上面が３５０℃程度になっても耐えることができる材料を使うこと）が必要である。
【０００４】
第３に、永久変形が少ないこと（剛性が高いこと）である。換言すれば（ｉ）ヘッド部を曲がりにくくすること（ヘッド部を厚肉にすること、ピストン上面が３５０℃程度になってもヤング率が高い材料を使うこと）が要求される。
【０００５】
以上のように、内燃機関用ピストンとしては、高温での疲労強度、耐力、硬さが高く、かつ薄肉形状が可能で良好な成形性を備えている材料を使用することが要求される。
【０００６】
しかしながら、これらの要求を満たす１つの材料を見出すことは難しい。そこで、これら要求を満たすため、内燃機関用ピストンとして、ヘッド部に耐熱強度の高い材料を用い、スカート部にヘッド部と異なる性質の材料を用いることが考えられる。この考えに基づく従来の内燃機関用ピストンとして、次の３つのものが提案されている。
【０００７】
その第１番目は、ヘッド部とスカート部を物理的性質の異なるクラッド材（アルミ合金とアルミ合金にウイスカー，短繊維等を混合した複合層（ＦＲＭ）とからなる）で構成し、両者を鍛造で一体成型した内燃機関用ピストンである（特開昭６３ー１３２７４３号公報参照）。
【０００８】
その第２番目は、セラミックス粉末の配合率の異なる共通の組成のマトリックスの急冷粉末アルミ合金（パウダーメタル）を粉末成形して２層体を作り、この２層体を加圧加熱してプリフォームを作り、これを熱間鍛造して、セラミックス粉末の配合率の高い方の層をヘッド部とし、低い方の層をスカート部とした内燃機関用ピストンである（特開平１ー１８０９２７号公報参照）。
【０００９】
その第３番目は、ヘッド部をパウダーメタルまたはＦＲＭの鍛造品で構成し、スカート部をアルミ合金鋳物で構成し、両者を溶接により接合した内燃機関用ピストンである（特開平２ー１０７７４９号公報参照）。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記第１従来例のピストンによれば、ヘッド部とスカート部の接合界面の特に中央部の接合強度が十分に得られない。その理由は、鍛造時、ヘッド部とスカート部との間の接合界面に充分な相対すべりが発生せず、その接合界面の酸化膜を破壊、除去できないため、十分な接合強度は得られないからである。即ち、この第１従来例のピストンによれば、鍛造時、接合界面特にその中央部に、接合作用に必要な相対すべりが生じ難いからである。もし、接合強度を高めようとすれば、そのための工数を増やさなければならない。また、ＦＲＭは、強化材であるウイスカー，短繊維とマトリックスの界面で応力集中が生じ、熱間での十分な疲労強度が得られない。また、鍛造素材としてのクラッド材は、工程が複雑になり、コストが高い。さらに、クラッド材では、ヘッド部の一部、例えばピストンリングを装着するリング溝の部分だけあるいは上面角部の部分だけに適用することができない。
【００１１】
また、前記第２従来例のピストンによれば、ヘッド部とスカート部の接合界面の特に中央部の接合強度が十分に得られない。その理由は、前記第１従来例のピストンと同様、鍛造時、接合界面の中央部に相対すべりが生じ難いからである。もし、接合強度を高めようとすれば、そのための工数を増やさなければならない。また、ヘッド部とスカート部が共通のマトリックスであるため、スカート部に要求される薄肉部の成形性と、ヘッド部に要求される耐熱性を両立させることができない。すなわち成形性を確保するため熱間変形抵抗を下げると耐熱性が低下し、ヘッド部上面の角部のだれ、変形が生じる。さらに、鍛造素材としてのプリフォームは、充填率が低く、熱間鍛造時に使用する離型剤，潤滑剤が侵入し、良好な成型体を得ることができない。
【００１２】
また、前記第３従来例のピストンによれば、ヘッド部にパウダーメタルを使い、ヘッド部とスカート部を溶接により接合すると、パウダーメタルの溶接部に脆い合金層ができて接合強度が低下する。また、パウダーメタルの溶接部では、本来の特性（疲労強度，耐力，硬さ等）が失われる。さらに、摩擦溶接の場合には、接合部にバリが生じる。このバリは、応力集中の原因となるため、除去する必要があるが、ピストン内側にはピンボス部等の凹凸があるため、除去が困難である。また、ヘッド部にＦＲＭを使うと、強化材であるウイスカー、短繊維とマトリックスの界面で応力集中が生じ、熱間での十分な疲労強度が得られない。
【００１３】
本発明は、上記従来技術の欠点に鑑みなされたものであって、内燃機関用ピストンにおいて、ヘッド部は耐熱強度が高く、スカート部は成形性が良好な異種部材で構成し、これらのヘッド部とスカート部同士の接合強度が高く、且つプロセスを増加させることなく生産性が良好な内燃機関用ピストンおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明では、ピストン上面を構成するヘッド部とピストン側面の摺動面を構成するスカート部とからなり、前記ヘッド部の少なくとも一部を他の部分と異なる材料で構成した内燃機関用ピストンにおいて、前記ヘッド部上面にこれと直角方向の鍛造によるファイバーフローおよびその周囲に形成された放射状のファイバーフローを有し、前記放射状のファイバーフローは、ヘッド部上面中央部の円形部分に沿って形成されたことを特徴とする内燃機関用ピストンを提供する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
好ましい実施の形態においては、前記放射状のファイバーフローは、ヘッド部上面中央部の円形部分に沿って形成されたことを特徴としている。
【００１６】
さらに好ましい実施の形態においては、前記ファイバーフローは、前記ヘッド部上面のファイバーフロー形成位置に対応して、前記異なる材料同士の接合界面近傍にも形成されたことを特徴としている。
【００１７】
さらに本発明では、前記異なる材料同士を、前記ヘッド部上面に押し出し突起が形成されるように同時に鍛造して接合一体成型することを特徴とする燃機関用ピストンの製造方法を提供する。
【００１８】
この方法の好ましい実施の形態においては、一対の型の一方の型に前記押出し突起用の凹みを形成し、他方の型に該凹みに対応した突起部を形成し、これらの型を用いて前記異なる材料同士を同時に鍛造して接合一体化することを特徴としている。
【００１９】
上記方法によれば、鍛造時、押し出し突起が形成されこの部分に対応してファイバーフローが形成されるので、ヘッド部とスカート部の接合界面全体、特にすべりを生じ難い接合界面の中央部にもすべりを生じ、接合界面の強度を十分に得ることができる。すなわち、圧接応力下における接合面での両材料層の延びさらには相対的すべりにより強固な接合作用が得られる。したがって、ピストン形状に成型すると同時に接合強度を十分に得ることができ、接合強度を増すために工数を増やす必要がない。
【００２０】
また、本発明では、ピストン上面を構成するヘッド部とピストン側面の摺動面を構成するスカート部からなり、前記ヘッド部の少なくとも一部を他の部分と異なる材料で構成した内燃機関用ピストンにおいて、前記異なる材料の境界層において、ピストン外周ほどファイバーフローの伸びを大きくするとともに、ピストン外周部におけるファイバーフローの伸びより小さい伸びを示すピストン外周部より中心寄りの領域において、ファイバーフローの伸びの大きい部分を形成したことを特徴とする内燃機関用ピストンを提供する。
【００２１】
【実施例】
図１は、本発明の内燃機関用ピストンが適用される２サイクルエンジンの概略を示す説明図である。この２サイクルエンジン１の構成および作用は次の通りである。すなわち、シリンダ２内をピストン３が下死点から上昇していくと、クランクケース４内が負圧になり、そこにインジェクタ５からの燃料と吸気通路６からの空気との混合気がリードバルブ７を介して吸い込まれるとともに、主掃気ポート８および副掃気ポート８’が閉じられる。次いで排気ポート９が閉じられて、シリンダ２内の混合気が圧縮される。十分に圧縮されたところで、点火プラグ１０から火花が飛び、混合気が燃焼し、その圧力でピストン３がシリンダ２内を押し下げられる。ある程度下がったところで、排気ポート９が開き、燃焼済みのガスが排出され始める。次いで掃気ポート８，８’が開き、クランクケース４から新しい混合気がシリンダ２内に流れ込み、それがさらに燃焼済みのガスを追い出す。このような原理の２サイクルエンジン１は、ピストン３が１往復すると、ピストンピン１１、コンロッド１２、クランクアーム１３を介してクランクシャフト１４が１回転し、１燃焼サイクルが終了する。このクランクシャフト１４の回転が例えば自動二輪車であれば、チェーンを介して後輪に伝えられる。なお、混合気の量の増減は、吸気通路６に介在させたスロットルバルブ１５の開度を調節することにより行われる。
【００２２】
図２は、本発明の内燃機関用ピストンが適用される４サイクルエンジンの概略を示す説明図である。この４サイクルエンジン２０の構成および作用は、次の通りである。すなわち、シリンダ２１内をピストン２２が上死点から下降すると、シリンダ２１内が負圧となる。このとき吸気バルブ２３が開き、インジェクタ２４からの燃料と吸気通路２５からの空気との混合気がシリンダ２１内に吸い込まれる。次に、下死点から上昇するときには、吸排気バルブ２３，２６がともに閉じており、シリンダ２１内に吸い込まれた混合気がピストン２２により圧縮される。
【００２３】
次に、混合気が圧縮されたところで、点火プラグ２７に電気火花が飛び、混合気が燃焼する。この燃焼によりシリンダ２１内のガスが膨張し、その膨張圧力でピストン２２が押し下げられる。ピストン２２が十分に押し下げられたところで、排気バルブ２６が開き、ピストン２２が上昇しながら、燃焼済みのガスが排気通路２８から排出される。
【００２４】
このような原理の４サイクルエンジン２０は、ピストン２２が２往復すると、ピストンピン２９、コンロッド３０、クランクアーム３１を介してクランクシャフト３２が２回転し、１燃焼サイクルが終了する。このクランクシャフト３２の回転が例えば自動二輪車であれば、チェーンを介して後輪に伝えられる。なお、混合気の量の増減は、吸気通路２５に介在させたスロットルバルブ３３の開度を調節することにより行われる。
【００２５】
図３は、本発明に係る内燃機関用ピストン５８の一例の断面図で、左半部はピストンリング溝６５の下側のピストンピンボス３６を正面から見た状態を示し、右半部はピストンピンボス３６を側面から見た状態を示す。この例では、図示するように、ピストンピンボス３６のある側の肉厚が厚くなるようにして、ピストンピンを支持する強度を高めた。左半部の図から分るように、ピストン上面を構成するヘッド部に連続するスカート部（ピストン側面）は、下方に向って肉厚が徐々に薄くなっている。
【００２６】
図４は、図３の内燃機関用ピストンの製造工程を順に示した説明図である。以下本図に基づいて、本発明に係る内燃機関用ピストンの製造方法の一例について説明する。
【００２７】
まず、工程（Ａ）において、スカート部用の、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）からなる合金のインゴットを準備する。ここで、シリコンは、金属組織中に硬質の初晶または共晶シリコン粒を晶出させることにより、ピストンスカート部の摺動面に要求される耐摩耗性および耐焼付性を高めるために添加されるものである。また、銅およびマグネシウムは共に高温での合金強度を高めるために添加されるものである。この場合、シリコンの配合率を５〜２５％とし、銅の配合率を０．５〜５％とし、マグネシウムの配合率を０．５〜１．５％とすることが好ましい。このような範囲外では、所望の耐摩耗性、耐焼付性および高温での必要な強度が得られないからである。なお、アルミニウム、シリコン、銅、マグネシウムからなる合金のインゴットの代わりに、アルミニウムのインゴットまたは粉末、シリコンのインゴットまたは粉末、銅のインゴットまたは粉末、及びマグネシウムのインゴットまたは粉末をそれぞれ別に準備しこれらを混合して溶融してもよい。
【００２８】
次に、工程（Ｂ）において、インゴットを溶解し、連続鋳造または押し出し成形によりスカート部用ブロックを製造する。このようにして得たＡｌ−Ｓｉ系合金のブロックは、後述のＡｌ−Ｆｅ系合金のブロックに比べて、熱間での変形抵抗が低く（４００℃における耐力でＡｌ−Ｆｅ系パウダーメタルの約５０％）、薄肉部における良好な成形性が得られる。
【００２９】
次に、工程（Ｃ）において、ブロックをスカート部に必要な大きさに切断し、ピストン合金５０を形成する。
【００３０】
一方、工程（Ｄ）において、ヘッド部用のアルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、シリコン（Ｓｉ）からなる合金のインゴットを準備する。ここで、鉄は金属組織を分散強化して、２００℃以上で高い疲労強度を得るために添加されるものである。また、シリコンは前述のように耐摩耗性および耐焼付性を高めるとともに、延性を大きくし、また融点を低下させる作用がある。従ってシリコンの添加量が多いと延びが大きくなりすぎて強度の低下となり、また融点が下がることにより耐熱性の低下となるため、ヘッド部の成型性や耐摩耗性に応じて必要な最小量のみを添加する。鉄については、上述した様に、高温強度、高温における高疲労強度を向上するのに有効であり、このヘッド用合金中の鉄の配合率は５％以上とする。
【００３１】
次に、工程（Ｅ）において、インゴットを溶解し、冷却速度１００℃／ｓｅｃ以上で急冷凝固させてＡｌ−Ｆｅ系合金粉末を製造する。次に、工程（Ｆ）において、成形固化し、さらに熱間押し出しする。このようにして得た急冷粉末アルミ合金のブロックは、応力集中の原因となる部分のない一様な金属組織が得られ高い疲労強度が得られる。これは、通常の鋳造工程による冷却では、合金中に鉄の粗大な組成物が形成されて強度の低下を来すが、急冷凝固によりＡｌ−Ｆｅ系合金粉末を成型固化し、さらに熱間押出しにより合金を形成することにより、鉄の粗大な組成物の形成を阻止し、応力集中の原因となる鉄成分の粗大組成部のない均一な金属組織が得られるため、鉄成分を多く添加することが可能になり、高い疲労強度の合金を得ることができるからである。なお、アルミニウム、鉄、シリコンからなる合金のインゴットの代わりに、アルミニウムのインゴットまたは粉末、鉄のインゴットまたは粉末、及びシリコンのインゴットまたは粉末をそれぞれ別に準備してこれらを混合して溶融してもよい。
【００３２】
次に、工程（Ｇ）において、ブロックをヘッド部の大きさに切断し、パウダーメタル合金（ＰＭ合金）５１を形成する。
【００３３】
以上の工程を経て得られたスカート部用合金（ピストン合金）５０とヘッド部用合金（ＰＭ合金）５１は、工程（Ｈ）において、重ねられ、離型剤が塗布される。次に、工程（Ｋ）において、成型性をよくするために加熱される。次に、工程（Ｌ）において、加熱された２層の合金を上下一対の型で挟み、強圧する鍛造によりピストンの形状に一体成型する。このとき後述のように、両合金同士が接合される。
【００３４】
次に、工程（Ｍ）において、強度を高めるため、熱処理する。最後に、（Ｎ）工程において、機械加工によりピストンリング溝６５を形成し、不要な部分を削り落とす等の加工処理を行って終了する。この後、必要に応じて、例えば摺動特性、耐摩耗性を良くするためスカート部の側面にメッキをする等の表面処理を行う。完成されたピストン５８は、ヘッド部４０が急冷粉末アルミ合金（ＰＭ合金）からなり、スカート部４１がアルミニウム、シリコン、銅、マグネシウムからなる合金（ピストン合金）からなる異種材料の鍛造接合体により構成される。
【００３５】
図５は、図４の工程（Ｋ）〜（Ｎ）の詳細を説明する図である。図５（Ａ）は、図４の工程（Ｋ）に対応し、急冷粉末アルミ合金で構成されるヘッド部用ＰＭ合金５１を下に、アルミニウム、シリコン、銅、マグネシウムからなる合金で構成されるスカート部用ピストン合金５０を上にして重ね、加熱された２層の合金を、予熱した下型５５の凹部５６内に収容し、予熱した上型であるパンチ５７により加圧してピストン形状に鍛造する。図中１００は、鍛造前における２層の合金の境界面であり、本実施例では平面とされる。この境界面１００を境にして２層の合金は互いに接触している。鍛造前に２層の合金の円筒状の外周面に離型剤が塗布されている。パンチ５７はピストン５８各部のそれぞれに必要な肉厚を与えるように形状が決められる。一方、前記下型５５の凹部５６の底面中央部に、パンチ５７の突出部５７ａに対向して凹み５９が形成される。
【００３６】
このような下型５５およびパンチ５７を用いた熱間鍛造によれば、成型と接合が同時に行われ、接合界面が溶融することがないため、Ａｌ−Ｆｅ系合金およびＡｌ−Ｓｉ系合金の特性を損うことなく、かつ寸法精度良くピストンを成型できる。
【００３７】
図５（Ｂ）は、図４の工程（Ｌ）に対応し、鍛造されたピストン５８は、前記下型５５の中央に形成された凹み５９によりヘッド部４０の中央に押し出し突起４２を有する。
【００３８】
パンチ５７の突出部５７ａが上層のスカート部用合金５０に食い込むに従い、スカート部用合金５０の外周が盛り上がり、スカート部を形成する。一方、ヘッド部用合金５１はスカート部用合金５０を介してパンチ５７の突出部５７ａにより押され、下型５５に形成された凹み５９内に入り込み突起４２を形成する。この凹み５９内への入り込みにより、境界面１００が変形し、凹み５９と対応する部分がヘッド部用合金５１側に凸状に変形する。また、パンチ５７の突出部５７ａが、鍛造前の境界面１００の位置よりさらに下降することにより、ヘッド部用合金５１の外周が盛り上がるとともに、突出部５７ａの下側のスカート部用合金５０は厚みが薄くなりつつ、スカート部用合金５０の外周がさらに盛り上がる。
鍛造後の境界面２００は、鍛造前の境界面１００より高い位置となる外周部２００ａと、突出部５７ａに沿って鍛造前の境界面１００より低い位置まで下方に突出する第１ドーム部２００ｂと、中央部においてさらに下方に突出する第２ドーム２００ｃとで構成されることになる。鍛造前の平坦な境界面１００が、鍛造後にドーム状の境界面２００（２００ａ、２００ｂ、２００ｃ）に変化する。すなわち、鍛造により境界面１００の面積は増大するので、スカート部用合金５０のみでなくヘッド部用合金５１も境界面で大きく伸びることになる。この伸びの大きい部分においては大きな鍛造による圧力も作用して酸化膜が破壊される。また、両合金５０、５１の間に伸び易さに差があると、境界面の面積増大に加え、両合金５０、５１の間に相対すべりが発生し、これも酸化膜の破壊に寄与する。酸化膜が破壊されるとスカート部用合金５０とヘッド部用合金５１が直接接触し接合する。すなわち、第１ドーム２００ｂと第２ドーム部２００ｃにおいて境界面の面積増大（伸び）あるいはさらに相対すべりの発生により酸化膜が破壊し両合金が接合し、十分な接合強度が得られる。接合により、鍛造後の境界面２００は接合界面となる。
【００３９】
このとき、ヘッド部４０の突起４２およびこの突起に対応する位置のヘッド部とスカート部の接合界面近傍には、鍛造時の材料組織の移動に沿ってファイバーフローが形成される。このファイバーフローは、鍛造時に、ヘッド部側とスカート部側の２つの合金の間に起こる相対すべりに起因して形成されるものであり、この相対すべりにより接合界面の酸化膜を破壊、除去して十分な接合強度が得られる。この場合、突起４２内においては、この突起４２を削り落とした場合に、ヘッド部４０の上面に対して直角方向のファイバーフローが形成され、突起４２の周囲には、放射状のファイバーフローが形成される。
【００４０】
図５（Ｃ）は、図４の工程（Ｎ）に対応し、ピストンを形成するための各種機械加工が施される。即ち、前記押し出し突起４２は、熱間鍛造後は不要となるので削り落とされ、また、ピストンリング溝６５を形成する等の加工処理がされる。このとき、図５（Ｂ）で形成されたファイバーフローは残存する。なお、押し出し突起４２を設ける位置は、ヘッド部４０の中央に限るものではなく、また、押し出し突起４２の形状は、略円錐台形状に限るものではない。さらに、押し出し突起４２の数は、３個以上であっても良い。すなわち、境界面を第１ドーム２００ｂを形成することにより、この下方へのドームの円周状の側壁部のみでなく、突起４２を形成するのに対応して形成される水平方向の断面が円形以外の形状の第２ドーム２００ｃとすることで、第２ドーム２００ｃの側壁部の面積すなわち接合面積を増大させることができる。同様に複数の突起４２を形成するのに対応して形成される複数の第２ドーム２００ｃによっても接合面積を増大させることができ、ヘッド部用合金５１はスカート部用合金５０に強固に結合することになる。
【００４１】
図６は、前記押し出し突起の位置及び形状の例を示す説明図である。（Ａ）は、円形の押し出し突起４２をピストン５８の中央に形成した例を示す。図中の点線は、２サイクルエンジンの場合の２つの主掃気ポート６０，６１と副掃気ポート６２と排気ポート６３との位置を示している。（Ｂ）は、押し出し突起４２をピストン５８の中央から排気ポート６３側にずらして高温となる排気側の接合強度を高めた例を示す。なお、このような円形の押し出し突起を複数箇所に設けても良い。（Ｃ）は、円形の押し出し突起４２をヘッド部の中心に設け、さらにその周囲に環状の突起４２’を設けた例を示す。（Ｄ）は、湾曲変形した押し出し突起４２”をヘッド部の中心からずらして湾曲形状に設けた例を示す。（Ｅ）は、環状の押し出し突起４２’のみを設けた例を示す。ここで、各押し出し突起４２、４２’、４２”の周囲には多数のすじが形成される。
【００４２】
このすじは、ファイバーフロー６４を示し、押し出し突起から放射状に形成される。このファイバーフローは、前述のように、鍛造時に合金のすべりに対応して組織が変化する方向に沿って形成されるものであり、押し出し突起の輪郭に対しほぼ直角方向に形成される。前述のように、このファイバーフローは異種材料同士の接合界面にも形成される。すなわち、境界面近傍でスカート部用合金５０あるいはヘッド部用合金５１の少なくとも一方にファイバーフローが形成されるということは、大きな外力が作用しつつ境界面での伸びが大きいことと同意であり、境界面における酸化膜が破壊され、スカート部用合金５０とヘッド部用合金５１は直接接触し強固に接合する。
【００４３】
尚、上記実施例においては、完成されたピストン５８は、ピストンリング溝を含むヘッド部全体が急冷粉末アルミ合金からなり、スカート部全体がアルミニウム、シリコン、銅、マグネシウムからなる合金からなるが、これに限らず、ヘッド部の一部のみを急冷粉末アルミ合金で構成しても良い。
【００４４】
図７は、ピストンのヘッド部を構成する急冷粉末アルミ合金の構成分布の別の例を示す説明図である。
【００４５】
（Ａ）は、ヘッド部４０のピストンリング溝６５を含む周縁部のみを急冷粉末アルミ合金（ＰＭ合金）で構成した例を示す。この例によれば、特に耐熱性が要求されるヘッド部４０の周縁部を耐熱性の優れたＰＭ合金で形成し、他の部分を成形性のよいピストン合金で形成しているため、鍛造時の加工性が向上するとともに、接合面が曲面となって相対すべりが発生しやすくなり、接合強度の向上が図られる。これにより、前記実施例と同様に、ピストンリング溝６５より上側のトップランドを薄くすることができ、クレビス減少により未燃ガスが減少し、排ガス対策として有効になるとともに、特に、トップランドの角部が３５０℃程度になっても耐えることができ、角部がだれたり、変形したりしなくなる。（Ｃ）は、（Ａ）のピストンの展開図である。この場合には、急冷粉末アルミ合金５１がピストン外周面の全周にわたって同じ厚さに形成される。
【００４６】
（Ｂ）は、急冷粉末アルミ合金５１の厚さを吸排気側で厚くし、ピストンピンボス側で薄くした例を示す。この例によれば、熱負荷の厳しい吸排気側の部分が選択的に耐熱性が強化される。（Ｄ）は、（Ｂ）のピストン外周面の展開図である。この場合には、急冷粉末アルミ合金５１の厚さが、ピストンピンボス６６の上側では、ピストンリング溝６５より上側までと薄く、ピストンピンボス６６間の上側では、ピストンリング溝６５より下側までと厚く、全体として波形に形成される。
【００４７】
上述したように、鍛造前のスカート部用合金５０とヘッド部用合金５１との接触境界面が鍛造後に増大するようにすれば、酸化膜が破壊され鍛造前のスカート部用合金５０とヘッド部用合金５１が直接接触し強固に接合する。そして、鍛造後の接触境界面近傍には伸びに伴うファイバーフローが形成され、ファイバーフローを曲げるような外力に対して強度を増加させる。すなわち、ピストンを実機エンジンに使用中、ヘッド部に作用するガス圧力が作用しても、ヘッドの外周に向って放射状に形成されるファイバーフローは、この力を支え、ピストンピンボスに伝える作用をし、ヘッド部の強度を増大させる。なお、鍛造前のスカート部用合金５０とヘッド部用合金５１との接触境界面が鍛造後に増大する方法としてさらに以下の方法がある。
【００４８】
図８は、本発明に係わるピストンの別の製造方法を示す断面図である。図８中の各符号の内、図５と共通のものは記述を省略する。ヘッド部用合金５１には鍛造前に中央部に凹部５１ａが下側に設けられている。この凹部５１ａがスカート部用合金５０を介して突出部５７ａにより下型５５に接触するまで押し下げられる。これにより図８（ｂ）に示す様に、鍛造前の境界面１００の中央部が鍛造により変形し、鍛造後に境界面２００ｃを形成する。鍛造後の境界面の他の部分２００ａ、２００ｂの形成については図５についての記載の通り、境界面２００の近傍の両合金５０、５１にファイバーフローが形成されるとともに、両合金５０、５１は強固に結合する。本製造方法によるピストン加工前素材には図５に示す押し出し突起４２がないので、加工が簡単になる。一方、鍛造前のヘッド用合金５１を焼結等により成形するならば、凹部５１ａは容易に形成することができる。また、ヘッド部用合金５１の鍛造前高さＨより、パンチ５７の最下降時の突出部５７の高さＪの方を小さくしているので、境界面２００をなす下向きドームの高さを大きくでき、境界面２００での伸びをより大きくできる。これにより境界面２００での両合金５０、５１の接合強度を大きくできる。
図９は、本発明に係わるピストンのさらに別の製造方法を示す断面図である。
本製造方法によれば、ピストン外周部にスカート部用合金５０とヘッド部用合金５１との結合を強固にできる。図９中の各符号の内、図５と共通のものは記述を省略する。下型５５の凹部５６の底面の外周に円環状の凹部５５ａを設けている。パンチ５７の下降に伴い外周部でスカート部用合金５０が盛り上がる。これにつれて境界面１００も外周部で盛り上がる。パンチ５７のさらなる下降に伴い、スカート部用合金５０の外周部の盛り上がりが、パンチ５７の外周部５７ｂにより規制され、さらに押し戻されるようになる。ヘッド部用合金５１の外周部はスカート部用合金５０を介して外周部５７ｂにより押し下げられ、凹部５６に入り込む。この時一旦盛り上がった境界面は図９（ｂ）に示すように外周部が下がり、略円錐状部２００ｄを形成する。鍛造により境界面の外周部の面積が増大するので、略円錐状部２００ｄにおいても両合金５０、５１は強固に結合する。また、境界面２００の近傍の両合金５０、５１内にファイバーフローを形成できる。なお、押し出し突起５１ａは鍛造後の加工工程において、加工除去される。
【００４９】
図１０は、本発明に係わるピストンのさらに別の製造方法を示す断面図である。本製造方法によれば、図７に示すピストン４０の鍛造に使用可能であり、ピストン外周部にスカート部用合金５０とヘッド部用合金５１との結合を強固にできる。図１０中の各符号の内、図７（ａ）と共通のものは記述を省略する。下型５５は左右に分離可能な左型５５ｂ、右型５５ｃにより形成される。鍛造前のヘッド部側合金５１は中空の円柱状をなし、この中空部にスカート部用合金５１の突起部５０ａが嵌合する。両合金は互いに接触し、平面状の境界面１００ａと、円筒状の境界面１００ｂが形成される。下型５５には境界面１００ａの外周部にドーナツ状の凹部５５ｄが設けられている。図１０（ｂ）に示すように鍛造により、凹部５５ｄ内に両合金５０、５１が押し出されて入り込み、鍔状の突起９０が形成される。鍛造後の境界面２００はこの突起９０内に入り込む。すなわち、鍛造前の境界面１００ａと１００ｂの面積の和より境界面２００の面積の方を大きくすることが可能である。また、境界面２００の近傍の両合金５０、５１内にファイバーフローを形成できる。この突起９０は鍛造後の加工工程において除去される。
【００５０】
図１１は、本発明に係わるピストンのさらに別の製造方法を示す断面図である。本製造方法によれば、図７に示すピストン４０の鍛造に使用可能であり、ピストン外周部にスカート部用合金５０とヘッド部用合金５１との結合を強固にできる。図１１中の各符号の内、図５、図１０（ａ）と共通のものは記述を省略する。下型５５の凹部５８の底面には、境界面１００ｂの外周部にドーナツ状の凹部５５ａが設けられている。図１１（ｂ）に示すように鍛造により、凹部５５ａ内に両合金５０、５１が押し出されて入り込み、突起９１が形成される。鍛造後の境界面２００はこの突起９０内に入り込む。すなわち、鍛造前の境界面１００ａと１００ｂの面積の和より境界面２００の面積の方を大きくすることが可能である。また、境界面２００の近傍の両合金５０、５１内にファイバーフローを形成できる。この突起９０は鍛造後の加工工程において除去される。
【００５１】
上記実施例のピストン５８は自動車、自動二輪車、雪上車、船外機等、高回転高出力で使用されるエンジンに使用されると効果的である。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、異種材料からなるヘッド部とスカート部とを、前記ヘッド部上面に押し出し突起を形成してこの突起部および接合界面にファイバーフローが形成されるように鍛造して接合一体成型し、その鍛造後に前記押し出し突起を除去することにより、内燃機関用ピストンを製造したので、鍛造時の押し出し突起の形成で、ヘッド部とスカート部の接合界面全体、特にすべりを生じ難い接合界面の中央部にもすべりを生じ、接合界面の強度を十分に得ることができる。したがって、鍛造工程でピストン形状に成型すると同時に接合強度を十分に得ることができ、接合強度を増すために工数を増やす必要がない。これにより、耐熱性および剛性が要求されるヘッド部の合金と成形性および摺動性が要求されるスカート部の合金を各々別の部材で構成し、工程数を増やすことなく、これら異種合金同士を強固に結合して、生産性の向上が図られるとともに、トップランド部の薄肉軽量化が図られ、燃焼室内での圧縮比の増加による出力向上およびクレビス容積減少による未燃焼ＨＣガスのエミッション対策が図られ、さらにピストン慣性力の低下による軸受け部の軽量化および耐久性の向上、および軽量化によるエンジン振動の低減が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内燃機関用ピストンが適用される２サイクルエンジンの概略を示す説明図である。
【図２】本発明の内燃機関用ピストンが適用される４サイクルエンジンの概略を示す説明図である。
【図３】本発明に係る内燃機関用ピストンの一例の断面図で、左半部はピストンリング溝の下側のピストンピンボスを正面から見た状態を示し、右半部はピストンピンボスを側面から見た状態を示す。
【図４】図３の内燃機関用ピストンの製造工程を順に示した説明図である。
【図５】図４の工程（Ｋ）〜（Ｎ）の詳細を説明する図である。
【図６】本発明に係るピストンの製造方法により製造されたヘッド部の押し出し突起の位置及び形状の例を示す説明図である。
【図７】本発明のピストンの耐熱性合金の分布状態の説明図である。
【図８】本発明に係わるピストンの別の製造方法を示す断面図である。
【図９】本発明に係わるピストンのさらに別の製造方法を示す断面図である。
【図１０】本発明に係わるピストンのさらに別の製造方法を示す断面図である。
【図１１】本発明に係わるピストンのさらに別の製造方法を示す断面図である。
【符号の説明】
１：２サイクルエンジン、２：シリンダ、３：ピストン、４：クランクケース、５：ジェットノズル、６：吸気通路、７：リードバルブ、８，８’：掃気ポート、９：排気ポート、１０：点火プラグ、１１：ピストンピン、１２：コンロッド、１３：クランクアーム、１４：クランクシャフト、１５：スロットルバルブ、２０：４サイクルエンジン、２１：シリンダ、２２：ピストン、２３：吸気バルブ、２４：ジェットノズル、２５：吸気通路、２６：排気バルブ、２７：点火プラグ、２８：排気通路、２９：ピストンピン、３０：コンロッド、３１：クランクアーム、３２：クランクシャフト、３３：スロットルバルブ、３６：ピストンピンボス、４０：ヘッド部、４１：スカート部、４２，４２’，４２”：押し出し突起、５０：ピストン合金、５１：ＰＭ合金、５１ａ：凹部、５５：下型、５５ａ：凹部、５５ｂ：左型、５５ｃ：右型、５６：凹部、５７：パンチ、５７ａ：突出部、５８：ピストン、５９：凹み、６０，６１：主掃気ポート、６２：副掃気ポート、６３：排気ポート、６４：ファイバーフロー、６５：ピストンリング溝、６６：ピストンピンボス、９０：突起、１００，１００ａ，１００ｂ，２００：境界面、２００ａ：外周部、２００ｂ：第１ドーム部、２００ｃ：第２ドーム部、２００ｄ：略円錐状部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piston for an internal combustion engine and a method for manufacturing the same, and more particularly to a piston suitable for use as a piston for a two-cycle engine and a four-cycle engine such as a gasoline engine and a diesel engine, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
The following is required as a general internal combustion engine piston.
First, it is lightweight, in other words, (i) it has a thin shape (uses a material that is thin and has high fatigue strength at high temperatures, uses a material that is thin and has good forgeability) and (ii) The specific gravity is small (uses a light material).
[0003]
Secondly, the top land above the piston ring of the head portion is thin. This is because the compression ratio is increased and the performance is improved, and the unburned gas is reduced due to the reduction of the clevis, which is effective as an exhaust gas countermeasure. In this case, (i) Even if the top land is thin, the piston does not thermally bond to the piston ring on the lower side of the piston ring (use a material that can maintain hardness even when the upper surface of the piston reaches about 350 ° C. ), And (ii) that the corners of the top land do not sag or deform (use a material that can withstand even if the upper surface of the piston reaches about 350 ° C.).
[0004]
Third, there is little permanent deformation (high rigidity). In other words, (i) it is required to make the head part difficult to bend (to make the head part thick, and to use a material having a high Young's modulus even when the upper surface of the piston reaches about 350 ° C.).
[0005]
As described above, as a piston for an internal combustion engine, it is required to use a material that has high fatigue strength, proof stress, and hardness at high temperatures, and that can be thin-walled and has good moldability.
[0006]
However, it is difficult to find one material that meets these requirements. In order to satisfy these requirements, it is conceivable to use a material having high heat resistance for the head part and a material having a different property from the head part for the skirt part as a piston for an internal combustion engine. Three conventional pistons for internal combustion engines based on this idea have been proposed.
[0007]
The first is that the head and skirt are composed of clad materials with different physical properties (comprised of an aluminum alloy and a composite layer (FRM) in which whiskers, short fibers, etc. are mixed in an aluminum alloy), and both are forged. This is a piston for an internal combustion engine that is integrally molded with (see Japanese Patent Laid-Open No. 63-132743).
[0008]
The second is to form a two-layered body by powder-molding a rapidly-quenched powder aluminum alloy (powder metal) with a common composition with different ceramic powder mixing ratios, and pressurizing and heating the two-layered body This is a piston for an internal combustion engine in which this is hot-forged and the layer having the higher ceramic powder content is the head part and the lower layer is the skirt part (see JP-A-1-180927) ).
[0009]
The third is a piston for an internal combustion engine in which the head portion is made of a forged product of powder metal or FRM, the skirt portion is made of an aluminum alloy casting, and both are joined by welding (Japanese Patent Laid-Open No. 2-107749). reference).
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to the piston of the first conventional example, it is not possible to obtain a sufficient bonding strength particularly at the central portion of the bonding interface between the head portion and the skirt portion. The reason is that, during forging, a sufficient relative slip does not occur at the bonding interface between the head portion and the skirt portion, and the oxide film at the bonding interface cannot be destroyed or removed, so that sufficient bonding strength cannot be obtained. It is. That is, according to the piston of the first conventional example, at the time of forging, it is difficult for relative slip necessary for the joining action to occur at the joining interface, particularly at the center thereof. If it is going to increase joint strength, the man-hour for it must be increased. Further, in FRM, stress concentration occurs at the interface between the reinforcing material whisker, the short fiber, and the matrix, and sufficient hot fatigue strength cannot be obtained. In addition, the clad material as a forging material has a complicated process and is expensive. Furthermore, the clad material cannot be applied only to a part of the head part, for example, only a ring groove part to which a piston ring is attached or only an upper surface corner part.
[0011]
In addition, according to the piston of the second conventional example, it is not possible to sufficiently obtain the bonding strength particularly in the central portion of the bonding interface between the head portion and the skirt portion. The reason is that, as with the piston of the first conventional example, relative slip is unlikely to occur at the center of the joint interface during forging. If it is going to increase joint strength, the man-hour for it must be increased. Further, since the head portion and the skirt portion are a common matrix, it is impossible to achieve both the formability of the thin portion required for the skirt portion and the heat resistance required for the head portion. That is, when the hot deformation resistance is lowered in order to ensure moldability, the heat resistance is lowered, and the corners on the upper surface of the head portion are bent and deformed. Furthermore, a preform as a forging material has a low filling rate, and a mold release agent and a lubricant used during hot forging enter and a good molded body cannot be obtained.
[0012]
Further, according to the piston of the third conventional example, when powder metal is used for the head portion and the head portion and the skirt portion are joined by welding, a brittle alloy layer is formed at the weld portion of the powder metal, and the joining strength is lowered. In addition, the original characteristics (fatigue strength, proof stress, hardness, etc.) are lost in the powder metal weld. Furthermore, in the case of friction welding, a burr | flash arises in a junction part. Since this burr causes stress concentration, it is necessary to remove it, but it is difficult to remove because there are irregularities such as pin bosses inside the piston. In addition, when FRM is used for the head portion, stress concentration occurs at the interface between the whisker as a reinforcing material and the short fibers and the matrix, and sufficient hot fatigue strength cannot be obtained.
[0013]
The present invention has been made in view of the above-mentioned drawbacks of the prior art, and in the piston for an internal combustion engine, the head portion is made of a dissimilar member having high heat resistance and the skirt portion having good moldability. An object of the present invention is to provide a piston for an internal combustion engine that has high bonding strength between the skirt portion and the skirt portion, and that has good productivity without increasing the number of processes, and a method for manufacturing the same.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention comprises a head part constituting the upper surface of the piston and a skirt part constituting the sliding surface of the piston side surface, and at least a part of the head part is made of a material different from other parts. In the piston for an internal combustion engine, the upper surface of the head portion has a fiber flow formed by forging in a direction perpendicular to the head portion and a radial fiber flow formed around the fiber flow. The radial fiber flow is formed along a circular portion of the central portion of the upper surface of the head portion. A piston for an internal combustion engine is provided.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In a preferred embodiment, the radial fiber flow is formed along a circular portion of the central portion of the upper surface of the head portion.
[0016]
In a further preferred embodiment, the fiber flow is also formed in the vicinity of the bonding interface between the different materials corresponding to the fiber flow forming position on the upper surface of the head portion.
[0017]
Furthermore, the present invention provides a method for manufacturing a piston for a fuel engine, characterized in that the different materials are simultaneously forged and integrally formed so that an extrusion protrusion is formed on the upper surface of the head portion.
[0018]
In a preferred embodiment of this method, a depression for the extrusion protrusion is formed in one mold of a pair of molds, and a protrusion corresponding to the depression is formed in the other mold, and the mold is used by using the mold. It is characterized in that different materials are simultaneously forged and joined together.
[0019]
According to the above method, during forging, an extrusion protrusion is formed and a fiber flow is formed corresponding to this portion. Therefore, the entire bonding interface between the head portion and the skirt portion, particularly the central portion of the bonding interface where slippage is difficult to occur. Slip occurs, and the strength of the bonding interface can be sufficiently obtained. That is, a strong bonding action can be obtained by the extension of the two material layers at the bonding surface under the pressure stress and the relative sliding. Therefore, it is possible to obtain a sufficient bonding strength at the same time as molding into a piston shape, and it is not necessary to increase the number of steps for increasing the bonding strength.
[0020]
In the present invention, the piston Up A piston for an internal combustion engine comprising a head portion constituting a surface and a skirt portion constituting a sliding surface of a side surface of the piston, wherein at least a part of the head portion is made of a material different from that of the other portions. In addition, the fiber flow elongation is increased toward the outer periphery of the piston, and a portion having a larger fiber flow elongation is formed in a region closer to the center than the piston outer periphery showing an elongation smaller than the fiber flow elongation at the piston outer periphery. A piston for an internal combustion engine is provided.
[0021]
【Example】
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an outline of a two-cycle engine to which a piston for an internal combustion engine of the present invention is applied. The configuration and operation of the two-cycle engine 1 are as follows. That is, when the piston 3 rises from the bottom dead center in the cylinder 2, the inside of the crankcase 4 becomes negative pressure, and the air-fuel mixture of the fuel from the injector 5 and the air from the intake passage 6 enters the reed valve. 7 and the main scavenging port 8 and the sub-scavenging port 8 ′ are closed. Next, the exhaust port 9 is closed, and the air-fuel mixture in the cylinder 2 is compressed. When fully compressed, a spark is emitted from the spark plug 10 and the air-fuel mixture burns, and the piston 3 is pushed down in the cylinder 2 by the pressure. When the air is lowered to some extent, the exhaust port 9 is opened and the burned gas begins to be discharged. The scavenging ports 8, 8 'are then opened and a new mixture flows from the crankcase 4 into the cylinder 2, which further expels the burned gas. In the two-cycle engine 1 of such a principle, when the piston 3 makes one reciprocation, the crankshaft 14 makes one rotation through the piston pin 11, the connecting rod 12, and the crank arm 13, and one combustion cycle is completed. If the rotation of the crankshaft 14 is, for example, a motorcycle, it is transmitted to the rear wheels via a chain. Note that the amount of air-fuel mixture is increased or decreased by adjusting the opening of the throttle valve 15 interposed in the intake passage 6.
[0022]
FIG. 2 is an explanatory diagram showing an outline of a four-cycle engine to which the piston for an internal combustion engine of the present invention is applied. The configuration and operation of the four-cycle engine 20 are as follows. That is, when the piston 22 descends from the top dead center in the cylinder 21, the inside of the cylinder 21 becomes negative pressure. At this time, the intake valve 23 is opened, and the air-fuel mixture of the fuel from the injector 24 and the air from the intake passage 25 is sucked into the cylinder 21. Next, when rising from the bottom dead center, the intake and exhaust valves 23 and 26 are both closed, and the air-fuel mixture sucked into the cylinder 21 is compressed by the piston 22.
[0023]
Next, when the air-fuel mixture is compressed, electric sparks fly to the spark plug 27 and the air-fuel mixture burns. The gas in the cylinder 21 is expanded by this combustion, and the piston 22 is pushed down by the expansion pressure. When the piston 22 is sufficiently pushed down, the exhaust valve 26 is opened, and the burned gas is discharged from the exhaust passage 28 while the piston 22 moves up.
[0024]
In the four-cycle engine 20 based on this principle, when the piston 22 reciprocates twice, the crankshaft 32 rotates twice via the piston pin 29, the connecting rod 30, and the crank arm 31, and one combustion cycle is completed. If the rotation of the crankshaft 32 is, for example, a motorcycle, it is transmitted to the rear wheels via a chain. The amount of air-fuel mixture is increased or decreased by adjusting the opening of the throttle valve 33 interposed in the intake passage 25.
[0025]
FIG. 3 is a cross-sectional view of an example of the piston 58 for an internal combustion engine according to the present invention. The left half shows the piston pin boss 36 below the piston ring groove 65 as viewed from the front, and the right half shows the piston pin boss. The state which looked at 36 from the side is shown. In this example, as shown in the drawing, the thickness on the side where the piston pin boss 36 is located is increased to increase the strength for supporting the piston pin. As can be seen from the left half of the figure, the skirt portion (piston side surface) continuous to the head portion constituting the upper surface of the piston gradually decreases in thickness toward the lower side.
[0026]
FIG. 4 is an explanatory view showing the manufacturing process of the piston for the internal combustion engine of FIG. 3 in order. Hereinafter, an example of a method for manufacturing a piston for an internal combustion engine according to the present invention will be described with reference to the drawing.
[0027]
First, in step (A), an alloy ingot made of aluminum (Al), silicon (Si), copper (Cu), and magnesium (Mg) is prepared for the skirt portion. Here, silicon is added to increase the wear resistance and seizure resistance required for the sliding surface of the piston skirt by crystallizing hard primary or eutectic silicon grains in the metal structure. Is. Copper and magnesium are both added to increase the alloy strength at high temperatures. In this case, it is preferable that the silicon content is 5 to 25%, the copper content is 0.5 to 5%, and the magnesium content is 0.5 to 1.5%. This is because the desired wear resistance, seizure resistance, and the required strength at high temperatures cannot be obtained outside this range. Instead of aluminum, silicon, copper, magnesium alloy ingots, aluminum ingots or powders, silicon ingots or powders, copper ingots or powders, and magnesium ingots or powders are prepared separately and mixed. And may be melted.
[0028]
Next, in the step (B), the ingot is melted, and the skirt block is manufactured by continuous casting or extrusion. The Al—Si based alloy block obtained in this way has a lower deformation resistance in the hot state than the Al—Fe based alloy block described later (the yield strength at 400 ° C. is approximately the same as that of the Al—Fe based powder metal). 50%), and good moldability in the thin portion can be obtained.
[0029]
Next, in the step (C), the block is cut into a size required for the skirt portion, and the piston alloy 50 is formed.
[0030]
On the other hand, in step (D), an alloy ingot made of aluminum (Al), iron (Fe), and silicon (Si) for the head portion is prepared. Here, iron is added to disperse and strengthen the metal structure to obtain high fatigue strength at 200 ° C. or higher. In addition, as described above, silicon has the effects of increasing wear resistance and seizure resistance, increasing ductility, and lowering the melting point. Therefore, if the amount of silicon added is large, the elongation becomes too large and the strength is lowered, and the heat resistance is lowered by lowering the melting point. Therefore, only the minimum amount required according to the moldability and wear resistance of the head part. Add. As described above, iron is effective in improving high temperature strength and high fatigue strength at high temperature, and the iron content in the head alloy is 5% or more.
[0031]
Next, in step (E), the ingot is melted and rapidly solidified at a cooling rate of 100 ° C./sec or more to produce an Al—Fe-based alloy powder. Next, in the step (F), it is molded and solidified and further hot extruded. The thus obtained quenched powder aluminum alloy block has a uniform metal structure free from a portion that causes stress concentration, and a high fatigue strength. This is because in the cooling by the normal casting process, a coarse composition of iron is formed in the alloy and the strength is lowered. However, the Al-Fe alloy powder is formed and solidified by rapid solidification and further hot extruded. By forming an alloy with the above, the formation of a coarse composition of iron is prevented, and a uniform metal structure without a coarse composition part of the iron component that causes stress concentration can be obtained, so a large amount of iron component should be added This is because an alloy with high fatigue strength can be obtained. Instead of an alloy ingot made of aluminum, iron, or silicon, an aluminum ingot or powder, an iron ingot or powder, and a silicon ingot or powder may be separately prepared and mixed to melt. .
[0032]
Next, in the step (G), the block is cut into the size of the head portion to form a powder metal alloy (PM alloy) 51.
[0033]
The skirt part alloy (piston alloy) 50 and the head part alloy (PM alloy) 51 obtained through the above steps are overlapped and coated with a release agent in the step (H). Next, in step (K), heating is performed to improve moldability. Next, in the step (L), the heated two-layer alloy is sandwiched between a pair of upper and lower molds, and integrally formed into a piston shape by forging that strongly presses. At this time, as will be described later, both the alloys are joined together.
[0034]
Next, in the step (M), heat treatment is performed to increase the strength. Finally, in the step (N), the piston ring groove 65 is formed by machining, and a processing process such as scraping off unnecessary portions is performed and the process ends. Thereafter, as necessary, for example, surface treatment such as plating on the side surface of the skirt portion is performed in order to improve sliding characteristics and wear resistance. The completed piston 58 is composed of a forged joined body of different materials in which the head portion 40 is made of a quenched powder aluminum alloy (PM alloy) and the skirt portion 41 is made of an alloy (piston alloy) made of aluminum, silicon, copper, and magnesium. Is done.
[0035]
FIG. 5 is a diagram for explaining the details of steps (K) to (N) in FIG. FIG. 5A corresponds to the step (K) of FIG. 4 and is composed of an alloy composed of aluminum, silicon, copper, and magnesium with the head portion PM alloy 51 composed of a rapidly cooled powder aluminum alloy on the bottom. Piston alloy for skirt 50 The two layers of the heated alloy are placed in the recessed portion 56 of the preheated lower die 55 and pressed with a punch 57, which is a preheated upper die, and forged into a piston shape. In the figure, reference numeral 100 denotes a boundary surface of the two-layer alloy before forging, and is a flat surface in this embodiment. The two layers of alloy are in contact with each other across the boundary surface 100. A mold release agent is applied to the cylindrical outer peripheral surface of the two-layer alloy before forging. The shape of the punch 57 is determined so as to give a necessary thickness to each part of the piston 58. On the other hand, a recess 59 is formed at the center of the bottom surface of the recess 56 of the lower die 55 so as to face the protrusion 57 a of the punch 57.
[0036]
According to such hot forging using the lower die 55 and the punch 57, molding and joining are performed at the same time, and the joining interface does not melt, so the characteristics of the Al—Fe alloy and Al—Si alloy The piston can be molded with good dimensional accuracy without impairing the process.
[0037]
FIG. 5B corresponds to step (L) of FIG. 4, and the forged piston 58 has an extrusion protrusion 42 at the center of the head portion 40 by a recess 59 formed at the center of the lower die 55.
[0038]
As the protrusion 57a of the punch 57 bites into the upper skirt alloy 50, the outer periphery of the skirt alloy 50 rises to form a skirt. On the other hand, the head portion alloy 51 is pushed by the protrusion 57 a of the punch 57 through the skirt portion alloy 50 and enters the recess 59 formed in the lower die 55 to form the protrusion 42. By entering into the recess 59, the boundary surface 100 is deformed, and a portion corresponding to the recess 59 is deformed in a convex shape toward the head portion alloy 51 side. Further, the protrusion 57a of the punch 57 further descends from the position of the boundary surface 100 before forging, so that the outer periphery of the head part alloy 51 rises and the skirt part alloy 50 below the protrusion 57a has a thickness. As the thickness decreases, the outer periphery of the skirt alloy 50 is further raised.
The boundary surface 200 after forging includes an outer peripheral portion 200a that is higher than the boundary surface 100 before forging, and a first dome portion 200b that protrudes downward along the protruding portion 57a to a position lower than the boundary surface 100 before forging. The second dome 200c protrudes further downward in the central portion. The flat boundary surface 100 before forging changes to a dome-shaped boundary surface 200 (200a, 200b, 200c) after forging. That is, since the area of the boundary surface 100 is increased by forging, not only the skirt portion alloy 50 but also the head portion alloy 51 is greatly extended at the boundary surface. In the portion where the elongation is large, the pressure due to large forging also acts to break the oxide film. Further, if there is a difference in easiness of elongation between the alloys 50 and 51, in addition to an increase in the area of the boundary surface, a relative slip occurs between the alloys 50 and 51, which also contributes to the destruction of the oxide film. . When the oxide film is destroyed, the skirt alloy 50 and the head alloy 51 are brought into direct contact and joined. That is, in the first dome 200b and the second dome portion 200c, the oxide film is destroyed due to the increase (elongation) of the boundary surface area or the occurrence of relative slip, and the two alloys are joined together, so that sufficient joint strength is obtained. By the joining, the boundary surface 200 after forging becomes a joining interface.
[0039]
At this time, a fiber flow is formed along the movement of the material structure during forging in the vicinity of the protrusion 42 of the head portion 40 and the joint interface between the head portion and the skirt portion at a position corresponding to the protrusion. This fiber flow is at the head side during forging. When It is formed due to the relative slip that occurs between the two alloys on the skirt portion side. By this relative slip, the oxide film at the joint interface is destroyed and removed, and sufficient joint strength can be obtained. In this case, in the protrusion 42, when this protrusion 42 is scraped off, a fiber flow in a direction perpendicular to the upper surface of the head portion 40 is formed, and a radial fiber flow is formed around the protrusion 42. The
[0040]
FIG. 5C corresponds to the step (N) of FIG. 4, and various machining processes for forming the piston are performed. That is, the extruding protrusion 42 is scraped off because it becomes unnecessary after hot forging, and processing such as forming a piston ring groove 65 is performed. At this time, the fiber flow formed in FIG. 5B remains. The position where the extrusion protrusion 42 is provided is not limited to the center of the head portion 40, and the shape of the extrusion protrusion 42 is not limited to a substantially truncated cone shape. Furthermore, the number of extrusion protrusions 42 may be three or more. That is, by forming the first dome 200b on the boundary surface, not only the circumferential side wall portion of the dome downward, but also the horizontal section formed corresponding to the formation of the protrusion 42 is circular. By using the second dome 200c having a shape other than that, the area of the side wall portion of the second dome 200c, that is, the bonding area can be increased. Similarly, the plurality of second domes 200c formed corresponding to the formation of the plurality of protrusions 42 can also increase the bonding area, and the head portion alloy 51 is firmly bonded to the skirt portion alloy 50. It will be.
[0041]
FIG. 6 is an explanatory diagram showing an example of the position and shape of the extrusion protrusion. (A) shows the example which formed the circular extrusion protrusion 42 in the center of piston 58. FIG. The dotted lines in the figure indicate the positions of the two main scavenging ports 60, 61, the auxiliary scavenging port 62, and the exhaust port 63 in the case of a two-cycle engine. (B) shows an example in which the pushing protrusion 42 is shifted from the center of the piston 58 toward the exhaust port 63 to increase the joining strength on the exhaust side where the temperature becomes high. Such circular extrusion protrusions may be provided at a plurality of locations. (C) shows an example in which a circular extrusion protrusion 42 is provided at the center of the head portion, and an annular protrusion 42 ′ is provided around it. (D) shows an example in which an extruded protrusion 42 ″ deformed in a curved manner is displaced from the center of the head portion and provided in a curved shape. (E) shows an example in which only an annular extruded protrusion 42 ′ is provided. A number of streaks are formed around each of the extrusion protrusions 42, 42 ', 42 ".
[0042]
This streak shows the fiber flow 64 and is formed radially from the extrusion protrusion. As described above, this fiber flow is formed along the direction in which the structure changes corresponding to the slip of the alloy during forging, and is formed in a direction substantially perpendicular to the contour of the extrusion protrusion. As described above, this fiber flow is also formed at the joint interface between different materials. That is, the boundary surface Neighborhood The fact that the fiber flow is formed on at least one of the skirt alloy 50 or the head alloy 51 is equivalent to the fact that a large external force acts and the elongation at the interface is large, and the oxide film at the interface Is destroyed, and the skirt alloy 50 and the head alloy 51 come into direct contact and are firmly bonded.
[0043]
In the above-described embodiment, the completed piston 58 has the entire head portion including the piston ring groove made of a quenched powder aluminum alloy and the entire skirt portion made of an alloy made of aluminum, silicon, copper, and magnesium. Not limited to this, only a part of the head portion may be made of a quenched powder aluminum alloy.
[0044]
FIG. 7 is an explanatory view showing another example of the composition distribution of the quenched powder aluminum alloy constituting the head portion of the piston.
[0045]
(A) shows the example which comprised only the peripheral part containing the piston ring groove | channel 65 of the head part 40 with the quenching powder aluminum alloy (PM alloy). According to this example, the peripheral portion of the head portion 40 that is particularly required to have heat resistance is formed of a PM alloy having excellent heat resistance, and other portions are formed of a piston alloy having good moldability. This improves the workability, and makes the joint surface curved so that relative slip is likely to occur, thereby improving the joint strength. As a result, the top land above the piston ring groove 65 can be made thinner as in the above embodiment, and the unburned gas is reduced by reducing the clevis, which is effective as an exhaust gas countermeasure. It can withstand even when the temperature of the portion reaches about 350 ° C., and the corner portion will not be bent or deformed. (C) is a development view of the piston of (A). In this case, the quenched powder aluminum alloy 51 is formed to the same thickness over the entire circumference of the piston outer peripheral surface.
[0046]
(B) shows an example in which the quenched powder aluminum alloy 51 is made thicker on the intake / exhaust side and thinner on the piston pin boss side. According to this example, the heat resistance is selectively enhanced in the portion on the intake and exhaust side where the heat load is severe. (D) is a development view of the piston outer peripheral surface of (B). In this case, the thickness of the quenched powder aluminum alloy 51 is thin above the piston ring groove 65 above the piston pin boss 66 and thick below the piston ring groove 65 above the piston pin boss 66. As a whole, a waveform is formed.
[0047]
As described above, if the contact interface between the skirt alloy 50 before forging and the head alloy 51 increases after forging, the oxide film is destroyed and the skirt alloy 50 before forging and the head portion are forged. The alloy 51 is in direct contact and firmly joined. And the fiber flow accompanying extension is formed in the contact boundary surface vicinity after forging, and an intensity | strength is increased with respect to the external force which bends a fiber flow. In other words, while the piston is used in an actual engine, even if the gas pressure acting on the head acts, the fiber flow formed radially toward the outer periphery of the head supports this force and transmits it to the piston pin boss. Increase the strength of the head. As a method for increasing the contact interface between the skirt alloy 50 and the head alloy 51 before forging after forging, there are the following methods.
[0048]
FIG. 8 is a cross-sectional view showing another method for manufacturing a piston according to the present invention. Of the reference numerals in FIG. 8, those common to FIG. 5 are not described. The head part alloy 51 is provided with a recess 51a in the lower part at the center before forging. The recess 51a is pushed down by the protrusion 57a through the skirt alloy 50 until it comes into contact with the lower die 55. As a result, as shown in FIG. 8B, the central portion of the boundary surface 100 before forging is deformed by forging, and a boundary surface 200c is formed after forging. Regarding the formation of the other portions 200a and 200b of the boundary surface after forging, as described in FIG. 5, a fiber flow is formed in both the alloys 50 and 51 near the boundary surface 200, and both the alloys 50 and 51 are Bond firmly. Since the material before piston processing by this manufacturing method does not have the extrusion protrusion 42 shown in FIG. 5, the processing is simplified. On the other hand, if the head alloy 51 before forging is formed by sintering or the like, the recess 51a can be easily formed. Further, since the height J of the projecting portion 57 when the punch 57 is lowered is smaller than the height H before forging of the head portion alloy 51, the height of the downward dome forming the boundary surface 200 is increased. And the elongation at the boundary surface 200 can be further increased. Thereby, the joint strength of both the alloys 50 and 51 at the interface 200 can be increased.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing still another method for manufacturing a piston according to the present invention.
According to this manufacturing method, the coupling | bonding of the alloy 50 for skirt parts and the alloy 51 for head parts can be strengthened to a piston outer peripheral part. Among the reference numerals in FIG. 9, those common to FIG. 5 are not described. An annular recess 55 a is provided on the outer periphery of the bottom surface of the recess 56 of the lower mold 55. As the punch 57 is lowered, the skirt alloy 50 rises at the outer periphery. As a result, the boundary surface 100 also rises at the outer periphery. As the punch 57 further descends, the rise of the outer peripheral portion of the skirt alloy 50 is regulated by the outer peripheral portion 57b of the punch 57 and further pushed back. The outer peripheral portion of the head portion alloy 51 is pushed down by the outer peripheral portion 57 b through the skirt portion alloy 50 and enters the recess 56. As shown in FIG. 9B, the boundary surface once raised at this time is lowered at the outer peripheral portion to form a substantially conical portion 200d. Since the area of the outer peripheral portion of the boundary surface is increased by forging, both the alloys 50 and 51 are firmly bonded even in the substantially conical portion 200d. Further, a fiber flow can be formed in both the alloys 50 and 51 in the vicinity of the boundary surface 200. In addition, the extrusion protrusion 51a is processed and removed in a processing step after forging.
[0049]
FIG. 10 is a cross-sectional view showing still another method for manufacturing a piston according to the present invention. According to this manufacturing method, it can be used for the forging of the piston 40 shown in FIG. 7, and the skirt portion alloy 50 and the head portion alloy 51 can be firmly bonded to the outer peripheral portion of the piston. Of the reference numerals in FIG. 10, those common to FIG. 7A are not described. The lower die 55 is formed by a left die 55b and a right die 55c that can be separated into left and right. The head portion side alloy 51 before forging has a hollow cylindrical shape, and the protrusion 50a of the skirt portion alloy 51 is fitted into the hollow portion. Both alloys contact each other to form a planar boundary surface 100a and a cylindrical boundary surface 100b. The lower die 55 is provided with a donut-shaped recess 55d on the outer peripheral portion of the boundary surface 100a. As shown in FIG. 10 (b), both alloys 50 and 51 are pushed out into the recess 55d by forging, and a bowl-shaped projection 90 is formed. The boundary surface 200 after forging enters the protrusion 90. That is, the area of the boundary surface 200 can be made larger than the sum of the areas of the boundary surfaces 100a and 100b before forging. Further, a fiber flow can be formed in both the alloys 50 and 51 in the vicinity of the boundary surface 200. The protrusion 90 is removed in a processing step after forging.
[0050]
FIG. 11 is a cross-sectional view showing still another method for manufacturing a piston according to the present invention. According to this manufacturing method, it can be used for the forging of the piston 40 shown in FIG. 7, and the skirt portion alloy 50 and the head portion alloy 51 can be firmly bonded to the outer peripheral portion of the piston. Among the reference numerals in FIG. 11, the description common to those in FIGS. 5 and 10A is omitted. On the bottom surface of the recess 58 of the lower mold 55, a donut-shaped recess 55a is provided on the outer periphery of the boundary surface 100b. As shown in FIG. 11B, both alloys 50 and 51 are pushed out into the recess 55a by forging, and a projection 91 is formed. The boundary surface 200 after forging enters the protrusion 90. That is, the area of the boundary surface 200 can be made larger than the sum of the areas of the boundary surfaces 100a and 100b before forging. Further, a fiber flow can be formed in both the alloys 50 and 51 in the vicinity of the boundary surface 200. The protrusion 90 is removed in a processing step after forging.
[0051]
The piston 58 of the above-described embodiment is effective when used in an engine that is used at high rotation and high output, such as an automobile, a motorcycle, a snow vehicle, and an outboard motor.
[0052]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, the head portion and the skirt portion made of different materials are forged so that a protrusion is formed on the upper surface of the head portion and a fiber flow is formed at the protrusion and the bonding interface. Since the piston for an internal combustion engine was manufactured by removing the extrusion protrusion after the forging, and forming the extrusion protrusion at the time of forging, the entire joining interface between the head portion and the skirt portion, particularly the slip, was produced. Slip also occurs in the central portion of the bonding interface that is difficult to occur, and the strength of the bonding interface can be sufficiently obtained. Therefore, it is possible to obtain a sufficient bonding strength at the same time as forming into a piston shape in the forging process, and it is not necessary to increase the number of steps for increasing the bonding strength. As a result, the alloy of the head part, which requires heat resistance and rigidity, and the alloy of the skirt part, which requires formability and slidability, are formed of different members, and these different alloys can be used without increasing the number of processes. The top land is made thinner and lighter, the output is improved by increasing the compression ratio in the combustion chamber, and the emission of unburned HC gas is reduced by reducing the clevis volume. Furthermore, weight reduction and durability improvement of a bearing part by reduction of piston inertia force, and reduction of engine vibration by weight reduction are achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an outline of a two-cycle engine to which a piston for an internal combustion engine of the present invention is applied.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing an outline of a four-cycle engine to which a piston for an internal combustion engine of the present invention is applied.
FIG. 3 is a cross-sectional view of an example of a piston for an internal combustion engine according to the present invention, in which the left half shows the piston pin boss below the piston ring groove as viewed from the front, and the right half shows the piston pin boss from the side. Shows the state of viewing.
4 is an explanatory view sequentially showing manufacturing steps of the piston for the internal combustion engine of FIG. 3;
FIG. 5 is a diagram illustrating details of steps (K) to (N) in FIG. 4;
FIG. 6 is an explanatory view showing an example of the position and shape of the extrusion protrusion of the head portion manufactured by the method for manufacturing a piston according to the present invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a distribution state of the heat-resistant alloy of the piston of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing another method for manufacturing a piston according to the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing still another method for manufacturing a piston according to the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing still another method for manufacturing a piston according to the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing still another method for manufacturing a piston according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1: 2-cycle engine, 2: cylinder, 3: piston, 4: crankcase, 5: jet nozzle, 6: intake passage, 7: reed valve, 8, 8 ': scavenging port, 9: exhaust port, 10: ignition Plug, 11: piston pin, 12: connecting rod, 13: crank arm, 14: crankshaft, 15: throttle valve, 20: 4-cycle engine, 21: cylinder, 22: piston, 23: intake valve, 24: jet nozzle, 25: intake passage, 26: exhaust valve, 27: spark plug, 28: exhaust passage, 29: piston pin, 30: connecting rod, 31: crank arm, 32: crankshaft, 33: throttle valve, 36: piston pin boss, 40 : Head part, 41: skirt part, 42, 42 ', 42 ": extrusion protrusion, 50: fixie Alloy, 51: PM alloy, 51a: recess, 55: lower mold, 55a: recess, 55b: left mold, 55c: right mold, 56: recess, 57: punch, 57a: protrusion, 58: piston, 59: recess , 60, 61: main scavenging port, 62: auxiliary scavenging port, 63: exhaust port, 64: fiber flow, 65: piston ring groove, 66: piston pin boss, 90: protrusion, 100, 100a, 100b, 200: boundary surface , 200a: outer peripheral part, 200b: first dome part, 200c: second dome part, 200d: substantially conical part

Claims

An internal combustion engine piston comprising a head portion constituting a piston upper surface and a skirt portion constituting a sliding surface of a side surface of the piston, wherein at least a part of the head portion is made of a material different from that of other portions. And a radial fiber flow formed around the fiber flow by forging in a direction perpendicular thereto, and the radial fiber flow is formed along a circular portion at the center of the upper surface of the head portion. A piston for an internal combustion engine.

2. The piston for an internal combustion engine according to claim 1 , wherein the fiber flow is also formed in the vicinity of a bonding interface between the different materials corresponding to a fiber flow forming position on the upper surface of the head portion.

In a piston for an internal combustion engine comprising a head part constituting the upper surface of the piston and a skirt part constituting a sliding surface of the piston side surface, wherein at least a part of the head part is made of a material having at least a heat resistance different from that of the other part. It has a fiber flow by forging in the direction perpendicular to this locally on the upper surface of the head part and a radial fiber flow formed around it, and the peripheral part of the head part is made of a material having higher heat resistance than the central part. A piston for an internal combustion engine.

In a piston for an internal combustion engine comprising a head part constituting the upper surface of the piston and a skirt part constituting a sliding surface of the piston side surface, wherein at least a part of the head part is made of a material having at least a heat resistance different from that of the other part. Piston pin boss has a fiber flow by forging in the direction perpendicular to this locally on the upper surface of the head portion and a radial fiber flow formed around it, and a material with high heat resistance is thicker on the intake / exhaust side than on the piston pin boss side. A piston for an internal combustion engine characterized in that it is thinner on the side than on the intake and exhaust sides .

5. The method for manufacturing a piston for an internal combustion engine according to claim 3 , wherein the different materials are simultaneously forged and integrally formed so that an extrusion protrusion is formed on the upper surface of the head portion.

One of the pair of molds is formed with a recess for the extrusion protrusion, and the other mold is formed with a protrusion corresponding to the recess, and the different materials are simultaneously forged using these molds to be integrally joined. The method for manufacturing a piston for an internal combustion engine according to claim 3 or 4 , characterized in that:

Consists skirt portion constituting the sliding surface of the head portion and the piston side constituting the upper piston surface, the piston for an internal combustion engine which constitutes at least a portion of a material different from other parts of the head portion, of the different materials In the boundary layer, the fiber flow elongation is increased toward the outer periphery of the piston, and a portion where the fiber flow elongation is larger is formed in a region closer to the center than the piston outer periphery showing an elongation smaller than the fiber flow elongation at the piston outer periphery. A piston for an internal combustion engine.

An internal combustion engine having the piston according to any one of claims 1 to 4.