JP3847028B2 - 内燃機関用ピストン及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のシリンダ内を往復運動する内燃機関用ピストン及びその製造方法に関し、とりわけ、冠面部に窪み状の燃焼室を備えた内燃機関用ピストン及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の内燃機関用ピストンは、アルミニウム合金材料からなり、冠面部に窪み状の燃焼室が形成されると共に、所定位置にピストンピン孔が形成されてなり、このピストンピン孔に挿入されたピストンピンにコネクティングロッドが連結され、シリンダ内を往復摺動する。
【０００３】
ところで、前記ピストンは、とりわけその冠面部において、内燃機関の運転中に高温の熱衝撃を受けることはもとより、燃焼圧力や往復運動時の慣性力を受けて変形することが知られている。
【０００４】
前記ピストンの変形において、燃焼圧力を受ける冠面部の変形は、燃焼圧力を支持してこれをコネクティングロッドに伝達するピストンピンの位置の影響を受けることになる。即ち、燃焼圧力はピストンの軸方向に作用するから、冠面部には、ピストンピンを中心として燃焼圧力による曲げモーメントが作用することになる。これによって、前記冠面部には、ピストンピンの略軸方向に位置する部分には引っ張り応力が作用し、ピストンピンの軸方向と略直角な方向に位置する部分には圧縮応力が作用することになる。
【０００５】
一方、前記ピストンの冠面部における熱衝撃に対しては、ピストンの質量分布等の影響により、ピストンピンの軸方向と略直角な方向に位置する部分において熱応力が大きくなる。
【０００６】
このため、前記冠面部に形成した燃焼室の開口縁のうち、ピストンピン（ピストンピン孔）の略軸方向に位置する開口縁に対しては引張応力が作用することになるから、機械的強度の向上が望まれる一方、ピストンピン（ピストンピン孔）の軸方向と略直角な方向に位置する開口縁に対しては熱応力に対する対策が望まれることになる。
【０００７】
そこで、例えば、特開平２−１１３１６９号公報には、ピストンピン孔の略軸方向に位置する開口縁に強化部を形成し、ピストンピン孔の軸方向に略直角な方向に位置する開口縁に軟化部を形成して、機械的応力と熱応力との両方に対して強度を発揮する内燃機関用ピストンが開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来例にあっては、前記冠面部に形成した燃焼室の開口縁に強化部と軟化部とを形成してあるため、これら強化部と軟化部との間に境界部分が形成されることになり、この境界部分に応力集中を生じて強度が低下する虞がある。
【０００９】
本発明は前記従来の実情に鑑みて案出されたもので、燃焼室の開口縁の強度向上を図ることが可能な内燃機関用ピストン及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そこで、請求項１記載の発明は、冠面部に窪み状の燃焼室が形成されると共に、前記冠面部の下部の所定位置にピストンピン孔が形成されてなる、アルミニウム合金製の内燃機関用ピストンにおいて、前記冠面部の下部の前記ピストンピン孔の略軸方向位置から前記ピストンピン孔の略軸方向位置に対して略直角方向に向けて環状に形成される強化部であって、前記強化部は、前記冠面部の半径方向内側であって、前記開口縁の半径方向外側に強化部材を含有して形成され、さらに、前記強化部は、前記ピストンピン孔の略軸方向位置から前記ピストンピン孔の略軸方向位置に対して略直角方向に向けて前記強化部材の含有量を変化させることにより機械的強度が連続的に低下するように形成されてなる構成にしてある。
【００１１】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の構成において、前記強化部は、冠面部に配置した強化部材及びピストン母材を局部的に再溶融して形成されてなる構成にしてある。
【００１２】
また、請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明の構成において、前記強化部は、再溶融したピストン母材に対する強化部材の含有量を変化させることによって、その機械的強度が変化するように形成されてなる構成にしてある。
【００１３】
また、請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明の構成において、前記強化部材及びピストン母材の局部的な再溶融には、高エネルギ密度の熱源が採用されてなり、
この熱源の照射範囲、照射時間及びエネルギ密度の少なくとも１つを変化させることによって、ピストン母材に対する強化部材の含有量を変化させるようにした構成にしてある。
【００１４】
また、請求項５記載の発明は、請求項２乃至請求項４記載の発明の構成において、前記強化部材は、銅を含む材料からなる構成にしてある。
【００１５】
また、請求項６記載の発明は、請求項２乃至請求項４記載の発明の構成において、前記強化部材が銅を含む材料からなり、強化部の銅含有量が、ピストンピン孔の略軸方向位置において５〜２６重量％であり、ピストンピン孔の軸方向と略直角な位置において１６重量％以下である構成にしてある。
【００１６】
また、請求項７記載の発明は、冠面部に窪み状の燃焼室が形成されると共に、冠面の下部の所定位置にピストンピン孔が形成されてなる、アルミニウム合金製の内燃機関用ピストンの製造方法において、前記燃焼室の開口縁の環状に渡って連続的に強化部材を配置する工程と、前記強化部材及びピストン母材を局部的に再溶融して、前記ピストンピン孔の略軸方向位置から略直角方向に向けて機械的強度が連続的に低下するよう前記ピストン母材に対する前記強化部材の含有量を変化させた合金層を形成する工程と、前記合金層に機械加工を施し、前記燃焼室の開口縁の周方向の所定位置に強化部を形成する工程と、からなる構成にしてある。
【００１７】
また、請求項８記載の発明は、請求項７記載の発明の構成において、前記強化部材及びピストン母材の局部的な再溶融には、高エネルギ密度の熱源が採用されてなり、
この熱源の照射範囲、照射時間及びエネルギ密度の少なくとも１つを変化させることによって、ピストン母材に対する強化部材の含有量を変化させるようにした構成にしてある。
【００１８】
また、請求項９記載の発明は、請求項７記載の発明の構成において、前記強化部材は、銅を含む材料からなる構成にしてある。
【００１９】
また、請求項１０記載の発明は、請求項７記載の発明の構成において、前記強化部材が銅を含む材料からなり、強化部の銅含有量が、ピストンピン孔の略軸方向位置において５〜２６重量％であり、ピストンピン孔の軸方向と略直角な位置において１６重量％以下である構成にしてある。
【００２０】
ここで、前記強化部材は、ピストンの母材であるアルミニウム合金との合金層を形成するに好適な金属材料のほか、炭化けい素ホイスカ、窒化けい素ホイスカ、アルミナ短繊維、アルミナ−シリカ短繊維、チタン酸カリウムホイスカ、ほう酸アルミニウムホイスカ等の強化繊維、及びこれら強化繊維を混合した複合繊維を含むアルミニウム合金等が採用される。
【００２１】
とりわけ、請求項５及び請求項６、請求項９及び請求項１０記載の発明においては、前記強化部材が銅を含む材料からなる。この場合に、前記強化部材は、銅のみの材料のほか、銅にアルミニウム、シリコン、マンガン、チタン、ボロン、ニッケル、ベリリウム等を含む銅合金材料が採用可能である。
【００２２】
斯かる構成になる内燃機関用ピストンは、アルミニウム合金材料、例えばＪＩＳ ＡＣ８Ａ、ＡＣ８Ｂ、ＡＣ８Ｃ材等のピストンに用いて好適な合金材料を鋳造して、次のようにして得られる。
【００２３】
先ず、前記燃焼室の開口縁を形成する冠面部に強化部材を配置する。具体的には、冠面部に直接載置するか、或いは冠面部に周溝を形成して、この周溝内に配置する。
【００２４】
この場合に、前記強化部材は、環状に形成されるか或いは環状の内周及び／または外周が略楕円形状に形成されて、配置される。または、前記強化部材は、環状の部材と湾曲状の部材とを組み合わせて形成されて、配置される。即ち、前記環状の強化部材の内周側または外周側に湾曲状の強化部材が配置される。
【００２５】
前記強化部材の内周及び／または外周が略楕円形状である場合に、この強化部材の半径方向の厚さが厚い部分が、ピストンピン孔の略軸方向位置に配置され、半径方向の厚さが薄い部分がピストンピン孔の軸方向に略直角な位置に配置される。また、前記強化部材が環状の強化部材と湾曲状の強化部材とを組み合わせて形成されて、配置される場合に、湾曲形状の強化部材はピストンピン孔の略軸方向位置に配置され、ピストンピン孔の軸方向に略直角な位置には配置されない。
【００２６】
次に、前記強化部材及びその近傍のピストン母材を局部的に再溶融して、強化部材の材料成分を溶融拡散させ、所定位置に強化部材の合金層、つまり強化部となる部分を形成する。
【００２７】
前記強化部材及びピストン母材の局部的溶融は、高エネルギ密度の熱源が採用され、好ましくは、真空雰囲気中で電子ビームを照射して行うことを可とする。前記電子ビームの照射は、強化部材が全体として略円形状に形成され、配置されているから、ピストンを緩速度で回転しつつ実施される。したがって、電子ビーム照射後、即ち電子ビームが通過した後、強化部材の合金層はピストン母材によって急速に冷却され、ピストンのアルミニウム合金と強化部材の材料成分との化合物が微細に生成される。また、前記電子ビームはエネルギ密度が高いため、溶融部分には強化部材が効果的に拡散される。
【００２８】
尚、前記強化部材及びピストン母材の局部的溶融は、電子ビームに変えてレーザビームを用いることが可能である他に、プラズマ、ＴＩＧアーク等の高密度エネルギ加熱法が用いられる。
【００２９】
前記強化部材の合金層は、ピストン母材に対する強化部材の含有量を変化させることによって、ピストンピン孔の略軸方向位置からピストンピン孔の軸方向と略直角な位置に向けて、その機械的強度が連続的に低下するように形成される。
【００３０】
具体的には、高エネルギ密度の熱源、例えば電子ビームの照射範囲、照射時間、エネルギ密度（電圧、電流値等）を変化させて行われる。
【００３１】
即ち、前記強化部材が環状である場合に、例えば電子ビームの照射範囲を、ピストンピン孔の略軸方向位置において半径方向に小さな幅とし、ピストンピン孔の軸方向に略直角な位置において半径方向に大きな幅として、これらの間を連続的に変化させて行われる。
【００３２】
これによって、前記電子ビームの照射幅が小さい領域ではピストン母材の溶融領域が小さく、強化部材とピストン母材との合金層は強化部材の材料成分濃度が高いものとなる一方、電子ビームの照射幅が大きい領域ではピストン母材の溶融領域が大きく、強化部材とピストン母材との合金層は強化部材の材料成分濃度が薄いものとなり、その間が連続的に変化する。このため、前記強化部材の合金層は、ピストンピン孔の略軸方向位置においては強化部材の含有量が多く、機械的強度が大きくなる一方、ピストンピン孔の軸方向に略直角な位置においては強化部材の含有量が少なく、機械的強度が小さくなり、その間が連続的に変化することになる。
【００３３】
また、前記強化部材の内周及び／または外周が略楕円形状である場合、または強化部材が環状の強化部材と湾曲状の強化部材との組合せによる場合には、例えば電子ビームの照射範囲を、ピストンピン孔の略軸方向位置における半径方向の幅と、ピストンピン孔の軸方向に略直角な位置における半径方向の幅とを略同一幅として行われる。
【００３４】
これによって、前記強化部材の半径方向の幅寸法が実質的に大きい領域ではピストン母材の溶融領域が小さく、強化部材とピストン母材との合金層は強化部材の材料成分濃度が高いものとなる一方、強化部材の半径方向の幅寸法が実質的に小さい領域ではピストン母材の溶融領域が大きく、強化部材とピストン母材との合金層は強化部材の材料成分濃度が薄いものとなり、その間が連続的に変化する。このため、前記強化部材の合金層は、ピストンピン孔の略軸方向位置においては強化部材の含有量が多く、機械的強度が大きくなる一方、ピストンピン孔の軸方向に略直角な位置においては強化部材の含有量が少なく、機械的強度が小さくなり、その間が連続的に変化することになる。
【００３５】
次に、前記強化部材及びその近傍のピストン母材を局部的に再溶融して得られた強化部材の合金層に機械加工を施し、燃焼室の開口縁の所定位置に強化部を形成する。即ち、前記冠面部に機械加工を施して、燃焼室及びこの燃焼室の開口縁の所定位置に強化部を形成する。
【００３６】
これによって、前記冠面部に形成した燃焼室の開口縁に形成した強化部のうち、ピストンピン（ピストンピン孔）の略軸方向に位置する強化部の機械的強度が高く、ピストンピン（ピストンピン孔）の軸方向と略直角な方向に位置する強化部の機械的強度が低く、それらの間で強化部の機械的強度が連続的に変化する内燃機関用ピストンが得られる。
【００３７】
ここで、前記内燃機関用ピストンは、とりわけその冠面部において内燃機関の運転中に高温の熱衝撃を受けると共に、燃焼圧力や往復運動時の慣性力を受けて変形する。これによって、前記ピストンピン（ピストンピン孔）の略軸方向に位置する冠面部には引張応力が作用すると共に、ピストンピン（ピストンピン孔）の軸方向と略直角な方向に位置する冠面部の熱応力が高くなる。
【００３８】
このため、前記冠面部に形成した燃焼室の開口縁のうち、ピストンピン（ピストンピン孔）の略軸方向位置の開口縁には引張応力が作用し、ピストンピン（ピストンピン孔）の軸方向に略直角な位置の開口縁には熱応力が作用することは、前記した通りである。
【００３９】
ここに、本発明の内燃機関用ピストンにあっては、前記燃焼室の開口縁のうち、ピストンピン（ピストンピン孔）の略軸方向位置の開口縁には機械的強度の高い強化部が形成されており、この機械的強度の高い強化部が燃焼室の開口縁に作用する引張応力に対して十分な抗力を発揮する。また、前記燃焼室の開口縁のうち、ピストンピン（ピストンピン孔）の軸方向に略直角な位置の開口縁には機械的強度の低い強化部が形成されており、この機械的強度の低い強化部が燃焼室の開口縁に作用する熱応力に対して十分な抗力を発揮する。更に、前記強化部の機械的強度は連続的に変化するようになっているから、境界部分がなく、応力集中を生じることも有利に回避される。
【００４０】
したがって、前記燃焼室の開口縁の強度向上を図ることが可能な内燃機関用ピストン及びその製造方法が得られる。
【００４１】
また、請求項２記載の発明にあっては、前記強化部は、冠面部に配置した強化部材及びピストン母材を局部的に再溶融して形成されてなるから、強化部材とピストン母材のアルミニウム合金との合金層となる。
【００４２】
また、請求項３記載の発明にあっては、前記強化部は、再溶融したピストン母材に対する強化部材の含有量を変化させることによって、その機械的強度が変化するように形成されてなるから、強化部の機械的強度が連続的に変化される。
【００４３】
また、請求項４及び請求項８記載の発明にあっては、前記強化部材及びピストン母材の局部的な再溶融には、高エネルギ密度の熱源が採用されてなり、この熱源の照射範囲、照射時間及びエネルギ密度の少なくとも１つを変化させることによって、ピストン母材に対する強化部材の含有量を変化させるようにしたから、溶融部分にピストン母材のアルミニウム合金と強化部材との化合物が微細に生成して、強化部材の材料成分が効果的に拡散され、機械的強度が連続的に変化する合金層が得られる。
【００４４】
また、請求項５及び請求項９記載の発明にあっては、前記強化部材が銅を含む材料からなるから、燃焼室の開口縁の所定位置に銅合金層からなる強化部が形成される。
【００４５】
また、請求項６及び請求項１０記載の発明にあっては、前記強化部材が銅を含む材料からなり、強化部の銅含有量が、ピストンピン孔の略軸方向位置において５〜２６重量％で、ピストンピン孔の軸方向と略直角な位置において１６重量％以下である構成にしてあるから、ピストンピン（ピストンピン孔）の略軸方向位置の開口縁には機械的強度の高い強化部が形成され、この機械的強度の高い強化部が燃焼室の開口縁に作用する引張応力に対して十分な抗力を発揮する一方、ピストンピン（ピストンピン孔）の軸方向に略直角な位置の開口縁には比較的機械的強度の低い強化部が形成され、この機械的強度の低い強化部が燃焼室の開口縁に作用する熱応力に対して十分な抗力を発揮する。
【００４６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳述する。
【００４７】
図１は本発明の実施の形態を示す内燃機関用ピストンを、平面図（ａ）、平面図（ａ）のＡ−Ａ線断面図（ｂ）で示す図面、図２は強化部材及びピストン母材を局部的に再溶融する状態を説明する平面図、図３は図２のＡ−Ａ線拡大断面図、図４は強化部材及びピストン母材を局部的に再溶融した状態の平面図、図５は同じく強化部材及びピストン母材を局部的に再溶融した状態の斜視図、図６は強化部の銅含有量を変化させた場合の、高温疲労強度の変化及び熱亀裂回数の変化を示す線図である。
【００４８】
図において１はピストンで、このピストン１はアルミニウム合金材料、例えばＪＩＳ ＡＣ８Ａ材から形成される。前記ピストン１は、図１において最上端の冠面部２と、この冠面部２に続くリングランド部３と、このリングランド部３に続くスカート部４とを備えている。
【００４９】
前記リングランド部３には、この実施の形態において３本のピストンリング溝５，６，７が形成してあり、これらピストンリング溝５，６，７のうち、冠面部２側近くに位置する２本のピストンリング溝５，６がコンプレッションリング溝で、スカート部４側に隣接して形成されたピストンリング溝７がオイルリング溝となっている。
【００５０】
９は前記スカート部４の内周側に突出して形成されたピンボス部で、このピンボス部９はピストン１の軸心線の両側に対峙して形成してある。
【００５１】
前記ピンボス部９には、ピストン１の外周側に開口するピストンピン孔１０が形成してある。前記ピストンピン孔１０は、その軸心線がピストン１の軸心線に対して略直角となるように形成してある。
【００５２】
前記ピストンピン孔１０内には中空状のピストンピン１１が挿入され、このピストンピン１１にコネクティングロッド１２が連結される。
【００５３】
前記ピストン１の冠面部２には窪み状の燃焼室１３が形成してある。前記燃焼室１３の開口縁１４は円環状に形成されており、この開口縁１４には、後述する強化部材の合金層からなる強化部１５が形成してある。前記強化部１５は、ピストンピン孔１０の略軸方向位置からピストンピン孔１０の軸方向と略直角な位置に向けて、その強度が連続的に低下するように形成してある。
【００５４】
前記ピストン１は、アルミニウム合金材料、例えばＪＩＳ ＡＣ８Ａ材を鋳造して、次のようにして得られる。
【００５５】
先ず、前記燃焼室１３を形成しない状態で、燃焼室１３の開口縁１４を形成する冠面部２に、周溝１６を円環状に形成する（図２参照）。尚、前記周溝１６が形成されるときに、ピストンリング溝５，６，７、ピストンピン孔１０等が形成されているか否かは任意である。
【００５６】
次に、前記周溝１６内に環状に形成した強化部材１７を収容配置する（図２及び図３参照）。前記強化部材１７は銅を含む金属材料や、繊維強化アルミニウム合金が採用される。
【００５７】
次に、前記強化部材１７及びその近傍のピストン母材を局部的に再溶融して、強化部材１７の材料成分を溶融拡散させ、所定位置に強化部材１７の合金層１８、つまり強化部１５となる部分を形成する。
【００５８】
前記強化部材１７及びピストン母材の局部的溶融は、真空雰囲気中で電子ビーム１９を照射して行われる（図５参照）。前記電子ビーム１９の照射は、周溝１６及び強化部材１７が全体として環状に形成され、配置されているから、ピストン１を緩速度で回転しつつ実施される。したがって、電子ビーム１９の照射後、即ち電子ビーム１９が通過した後、強化部材１７の合金層１８はピストン母材によって急速に冷却され、ピストン１のアルミニウム合金と強化部材１７の材料成分との化合物が微細に生成される。また、前記電子ビーム１９はエネルギ密度が高いため、溶融部分には強化部材１７が効果的に拡散される。
【００５９】
前記強化部材１７の合金層１８は、ピストン母材に対する強化部材１７の含有量を変化させることによって、ピストンピン孔１０の略軸方向位置からピストンピン孔１０の軸方向と略直角な位置に向けて、その機械的強度が連続的に低下するように形成される。
【００６０】
具体的には、前記電子ビーム１９の照射範囲、照射時間、エネルギ密度（電圧、電流値等）を変化させて行われる。即ち、前記強化部材１７が環状であるから、例えば電子ビーム１９の照射範囲を、図２に示すように、ピストンピン孔１０の略軸方向位置において半径方向に小さな幅とし、ピストンピン孔１０の軸方向に略直角な位置において半径方向に大きな幅として、これらの間を連続的に変化させて行われる。尚、図２において寸法ａ及び寸法ｂは電子ビーム１９の照射幅を示している。
【００６１】
これによって、前記電子ビーム１９の照射幅が小さい領域ではピストン母材の溶融領域が小さく、強化部材１７とピストン母材との合金層１８は強化部材１７の材料成分濃度が高いものとなる一方、電子ビーム１９の照射幅が大きい領域ではピストン母材の溶融領域が大きく、強化部材１７とピストン母材との合金層は強化部材１７の材料成分濃度が薄いものとなり、その間が連続的に変化する。このため、前記強化部材１７の合金層１８は、ピストンピン孔１０の略軸方向位置においては強化部材１７の含有量が多く、機械的強度が大きくなる一方、ピストンピン孔１０の軸方向に略直角な位置においては強化部材１７の含有量が少なく、機械的強度が小さくなり、その間が連続的に変化することになる。
【００６２】
前記強化部材１７が銅を含む金属材料からなる場合に、合金層１８は、ピストンピン孔１０の略軸方向位置においては銅の含有量が５〜２６重量％、好ましくは１６重量％とされる。また、前記ピストンピン孔１０の軸方向に略直角な位置においては銅の含有量が１６重量％以下、好ましくは７重量％とされる。
【００６３】
次に、前記強化部材１７及びその近傍のピストン母材を局部的に再溶融して得られた強化部材１７の合金層１８に機械加工を施し、燃焼室１３の開口縁１４の所定位置に強化部１５を形成する。即ち、前記冠面部２に機械加工を施して、燃焼室１３及びこの燃焼室１３の開口縁１４の所定位置に強化部１５を形成する。
【００６４】
これによって、前記冠面部２に形成した燃焼室１３の開口縁１４に形成した強化部１５のうち、ピストンピン１１（ピストンピン孔１０）の略軸方向に位置する強化部１５の機械的強度が高く、ピストンピン１１（ピストンピン孔１０）の軸方向と略直角な方向に位置する強化部１５の機械的強度が低く、それらの間で強化部１５の機械的強度が連続的に変化するピストン１が得られる。
【００６５】
斯かる構成において、前記ピストン１は、とりわけその冠面部２において内燃機関の運転中に高温の熱衝撃を受けると共に、燃焼圧力や往復運動時の慣性力を受けて変形する。これによって、前記ピストンピン１１（ピストンピン孔１０）の略軸方向に位置する冠面部２には引張応力が作用すると共に、ピストンピン１１（ピストンピン孔１０）の軸方向と略直角な方向に位置する冠面部２の熱応力が高くなる。
【００６６】
このため、前記冠面部２に形成した燃焼室１３の開口縁１４のうち、ピストンピン１１（ピストンピン孔１０）の略軸方向位置の開口縁１４には引張応力が作用し、ピストンピン１１（ピストンピン孔１０）の軸方向に略直角な位置の開口縁１４には熱応力が作用することは、前記した通りである。
【００６７】
ここに、本発明の内燃機関用ピストン１にあっては、前記燃焼室１３の開口縁１４のうち、ピストンピン１１（ピストンピン孔１０）の略軸方向位置の開口縁１４には機械的強度の高い強化部１５が形成されており、この機械的強度の高い強化部１５が燃焼室１３の開口縁１４に作用する引張応力に対して十分な抗力を発揮する。また、前記燃焼室１３の開口縁１４のうち、ピストンピン１１（ピストンピン孔１０）の軸方向に略直角な位置の開口縁１４には機械的強度の低い強化部１５が形成されており、この機械的強度の低い強化部１５が燃焼室１３の開口縁１４に作用する熱応力に対して十分な抗力を発揮する。更に、前記強化部１５の機械的強度は連続的に変化するようになっているから、境界部分がなく、応力集中を生じることも有利に回避される。
【００６８】
具体的には、前記強化部材１７が銅を含む金属材料からなる場合に、合金層１８の銅の含有量を変化させ、３６０〜１５０℃の熱サイクルを負荷した場合の、高温疲労強度の変化及び熱亀裂発生回数の変化は、図６に示すような結果が得られた。
【００６９】
即ち、高温疲労強度は銅の含有量が１６重量％である場合に最大値を示し、５〜２６重量％の範囲が実用に適した範囲と認められる。また、熱亀裂発生回数は銅の含有量が７重量％である場合に最大値を示し、１６重量％以下が実用に適した範囲と認められる。
【００７０】
このため、前記燃焼室１３の開口縁１４のうち、ピストンピン孔１０の略軸方向位置においては銅の含有量が５〜２６重量％、好ましくは１６重量％とされることによって、優れた高温疲労強度が得られ、開口縁１４に作用する引張応力に対して十分な抗力を発揮する。また、前記ピストンピン孔１０の軸方向に略直角な位置においては銅の含有量が１６重量％以下、好ましくは７重量％とされることによって、優れた耐熱亀裂強度が得られ、開口縁１４に作用する熱応力に対して十分な抗力を発揮する。
【００７１】
したがって、前記燃焼室１３の開口縁１４の強度向上を図ることが可能な内燃機関用ピストン１及びその製造方法が得られる。
【００７２】
また、前記強化部１５は、強化部材１７及びピストン母材を局部的に再溶融して形成されてなるから、強化部材１７とピストン母材のアルミニウム合金との合金層となる。
【００７３】
また、前記強化部１５は、再溶融したピストン母材に対する強化部材１７の含有量を変化させることによって、その機械的強度が変化するように形成されてなるから、強化部１５の機械的強度が連続的に変化される。
【００７４】
また、前記強化部材１７及びピストン母材の局部的な再溶融には、高エネルギ密度の熱源としてので電子ビーム１９が採用されてなり、この電子ビーム１９の照射範囲を変化させることによって、ピストン母材に対する強化部材１７の含有量を変化させるようにしたから、溶融部分にピストン母材のアルミニウム合金と強化部材１７との化合物が微細に生成して、強化部材１７の材料成分が効果的に拡散され、機械的強度が連続的に変化する合金層１８が得られる。
【００７５】
また、前記強化部材１７が銅を含む材料からなり、強化部１５の銅含有量が、ピストンピン孔１０の略軸方向位置において５〜２６重量％で、ピストンピン孔１０の軸方向と略直角な位置において１６重量％以下としたことにより、ピストンピン孔１０の略軸方向位置の開口縁１４には機械的強度の高い強化部１５が形成され、この機械的強度の高い強化部１５が燃焼室１３の開口縁１４に作用する引張応力に対して十分な抗力を発揮する一方、ピストンピン孔１０の軸方向に略直角な位置の開口縁１４には比較的機械的強度の低い強化部１５が形成され、この機械的強度の低い強化部１５が燃焼室１３の開口縁１４に作用する熱応力に対して十分な抗力を発揮する。
【００７６】
図７乃至図１１は本発明の別の実施の形態を示す図面である。以下、これらの実施の形態について、順に説明する。尚、説明に際して、前記実施の形態と同一構成部分には同一符号を付し、その重複する説明を省略する。
【００７７】
先ず、図７及び図８に示す実施の形態は、前記強化部材１７を環状に形成して、その内周を略楕円形状にしてある。また、前記強化部材１７はピストン１の冠面部２に形成した周溝１６内に収容配置してある。尚、前記強化部材１７は、外周を略楕円形状とするか、内周及び外周の両方を略楕円形状としてもよく、また、冠面部２に溝１６を形成することなく直接載置するようにしてもよいものである。
【００７８】
また、前記強化部材１７は、その半径方向の厚さが厚い部分が、ピストンピン孔１０の略軸方向位置に配置され、半径方向の厚さが薄い部分がピストンピン孔１０の軸方向に略直角な位置に配置される。
【００７９】
この場合に、前記強化部材１７及びピストン部材の局部的溶融は、高エネルギ密度の熱源、例えば電子ビームの照射範囲を、図７に示すように、ピストンピン孔１０の略軸方向位置における半径方向の幅と、ピストンピン孔１０の軸方向に略直角な位置における半径方向の幅とを略同一幅として行われる。尚、図７において寸法ａは電子ビームの照射幅を示している。
【００８０】
これによって、前記強化部材１７の半径方向の幅寸法が大きい領域ではピストン母材の溶融領域が小さく、強化部材１７とピストン母材との合金層は強化部材１７の材料成分濃度が高いものとなる一方、強化部材１７の半径方向の幅寸法が小さい領域ではピストン母材の溶融領域が大きく、強化部材１７とピストン母材との合金層は強化部材１７の材料成分濃度が薄いものとなり、その間が連続的に変化する。このため、前記強化部材１７の合金層は、ピストンピン孔１０の略軸方向位置においては強化部材１７の含有量が多く、機械的強度が大きくなる一方、ピストンピン孔１０の軸方向に略直角な位置においては強化部材１７の含有量が少なく、機械的強度が小さくなり、その間が連続的に変化することになる。
【００８１】
これによって、前記冠面部２に形成した燃焼室の開口縁に形成した強化部のうち、ピストンピン孔１０の略軸方向に位置する強化部の機械的強度が高く、ピストンピン孔１０の軸方向と略直角な方向に位置する強化部の機械的強度が低く、それらの間で強化部の機械的強度が連続的に変化するピストン１が得られる。
【００８２】
したがって、この実施の形態においても、前記実施の形態と同様の作用及び効果が得られる。
【００８３】
加えて、前記強化部材１７を冠面部２に直接載置する場合には、強化部材１７を収容配置する溝１６の加工を廃止することができる。
【００８４】
次に、図９乃至図１１に示す実施の形態は、前記強化部材１７を、環状の強化部材１７ａと湾曲状の強化部材１７ｂとの組み合わせによって形成してある。また、前記強化部材１７は、環状の強化部材１７ａと湾曲状の強化部材１７ｂとのそれぞれが、冠面部２に形成した周溝１６ａ，１６ｂ内に収容配置されている。前記強化部材１７の湾曲状の強化部材１７ｂを収容する周溝１６ｂは、環状の強化部材１７ａを収容する周溝１６ａにその一部が連続して、この周溝１６ａの内周側に形成されている。尚、前記強化部材１７の湾曲状の強化部材１７ｂは環状の強化部材１７ａの内周側に配置されているけれども、環状の強化部材１７ａの外周側に配置してもよいものである。
【００８５】
また、前記強化部材１７は、湾曲状の強化部材１７ｂがピストンピン孔１０の略軸方向位置に配置され、ピストンピン孔１０の軸方向に略直角な位置には配置されないようになっている。
【００８６】
この場合にも、前記強化部材１７及びピストン部材の局部的溶融は、高エネルギ密度の熱源、例えば電子ビームの照射範囲を、図９に示すように、ピストンピン孔１０の略軸方向位置における半径方向の幅と、ピストンピン孔１０の軸方向に略直角な位置における半径方向の幅とを略同一幅として行われる。尚、図９において寸法ａは電子ビームの照射幅を示している。
【００８７】
これによって、前記強化部材１７の半径方向の幅寸法が実質的に大きい領域（環状の強化部材１７ａと湾曲状の強化部材１７ｂとが配置されている）ではピストン母材の溶融領域が小さく、強化部材１７とピストン母材との合金層は強化部材１７の材料成分濃度が高いものとなる一方、強化部材１７の半径方向の幅寸法が実質的に小さい領域（環状の強化部材１７ａのみが配置されている）ではピストン母材の溶融領域が大きく、強化部材１７とピストン母材との合金層は強化部材１７の材料成分濃度が薄いものとなり、その間が連続的に変化する。このため、前記強化部材１７の合金層は、ピストンピン孔１０の略軸方向位置においては強化部材１７の含有量が多く、機械的強度が大きくなる一方、ピストンピン孔１０の軸方向に略直角な位置においては強化部材１７の含有量が少なく、機械的強度が小さくなり、その間が連続的に変化することになる。
【００８８】
これによって、前記冠面部２に形成した燃焼室の開口縁に形成した強化部のうち、ピストンピン孔１０の略軸方向に位置する強化部の機械的強度が高く、ピストンピン孔１０の軸方向と略直角な方向に位置する強化部の機械的強度が低く、それらの間で強化部の機械的強度が連続的に変化するピストン１が得られる。
【００８９】
したがって、この実施の形態においても、前記実施の形態と同様の作用及び効果が得られる。
【００９０】
以上、実施の形態を図面に基づいて説明したが、具体的構成はこの実施の形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
【００９１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、燃焼室の開口縁の強度向上を図ることが可能な内燃機関用ピストン及びその製造方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す内燃機関用ピストンを、平面図（ａ）、平面図（ａ）のＡ−Ａ線断面図（ｂ）で示す図面である。
【図２】強化部材及びピストン母材を局部的に再溶融する状態を説明する平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線拡大断面図である。
【図４】強化部材及びピストン母材を局部的に再溶融した状態の平面図である。
【図５】強化部材及びピストン母材を局部的に再溶融した状態の斜視図である。
【図６】強化部の銅含有量を変化させた場合の、高温疲労強度の変化及び熱亀裂回数の変化を示す線図である。
【図７】本発明の別の実施の形態を示す、図２と同様な図面である。
【図８】図７のＡ−Ａ線拡大断面図である。
【図９】本発明の別の実施の形態を示す、図２と同様な図面である。
【図１０】図９のＡ−Ａ線拡大断面図である。
【図１１】図９のＢ−Ｂ線拡大断面図である。
【符号の説明】
１ ピストン
２ 冠面部
１０ ピストンピン孔
１３ 燃焼室
１４ 開口縁
１５ 強化部
１７ 強化部材
１８ 合金層
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のシリンダ内を往復運動する内燃機関用ピストン及びその製造方法に関し、とりわけ、冠面部に窪み状の燃焼室を備えた内燃機関用ピストン及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の内燃機関用ピストンは、アルミニウム合金材料からなり、冠面部に窪み状の燃焼室が形成されると共に、所定位置にピストンピン孔が形成されてなり、このピストンピン孔に挿入されたピストンピンにコネクティングロッドが連結され、シリンダ内を往復摺動する。
【０００３】
ところで、前記ピストンは、とりわけその冠面部において、内燃機関の運転中に高温の熱衝撃を受けることはもとより、燃焼圧力や往復運動時の慣性力を受けて変形することが知られている。
【０００４】
前記ピストンの変形において、燃焼圧力を受ける冠面部の変形は、燃焼圧力を支持してこれをコネクティングロッドに伝達するピストンピンの位置の影響を受けることになる。即ち、燃焼圧力はピストンの軸方向に作用するから、冠面部には、ピストンピンを中心として燃焼圧力による曲げモーメントが作用することになる。これによって、前記冠面部には、ピストンピンの略軸方向に位置する部分には引っ張り応力が作用し、ピストンピンの軸方向と略直角な方向に位置する部分には圧縮応力が作用することになる。
【０００５】
一方、前記ピストンの冠面部における熱衝撃に対しては、ピストンの質量分布等の影響により、ピストンピンの軸方向と略直角な方向に位置する部分において熱応力が大きくなる。
【０００６】
このため、前記冠面部に形成した燃焼室の開口縁のうち、ピストンピン（ピストンピン孔）の略軸方向に位置する開口縁に対しては引張応力が作用することになるから、機械的強度の向上が望まれる一方、ピストンピン（ピストンピン孔）の軸方向と略直角な方向に位置する開口縁に対しては熱応力に対する対策が望まれることになる。
【０００７】
そこで、例えば、特開平２−１１３１６９号公報には、ピストンピン孔の略軸方向に位置する開口縁に強化部を形成し、ピストンピン孔の軸方向に略直角な方向に位置する開口縁に軟化部を形成して、機械的応力と熱応力との両方に対して強度を発揮する内燃機関用ピストンが開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来例にあっては、前記冠面部に形成した燃焼室の開口縁に強化部と軟化部とを形成してあるため、これら強化部と軟化部との間に境界部分が形成されることになり、この境界部分に応力集中を生じて強度が低下する虞がある。
【０００９】
本発明は前記従来の実情に鑑みて案出されたもので、燃焼室の開口縁の強度向上を図ることが可能な内燃機関用ピストン及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そこで、請求項１記載の発明は、冠面部に窪み状の燃焼室が形成されると共に、前記冠面部の下部の所定位置にピストンピン孔が形成されてなる、アルミニウム合金製の内燃機関用ピストンにおいて、前記冠面部の下部の前記ピストンピン孔の略軸方向位置から前記ピストンピン孔の略軸方向位置に対して略直角方向に向けて環状に形成される強化部であって、前記強化部は、前記冠面部の半径方向内側であって、前記開口縁の半径方向外側に強化部材を含有して形成され、さらに、前記強化部は、前記ピストンピン孔の略軸方向位置から前記ピストンピン孔の略軸方向位置に対して略直角方向に向けて前記強化部材の含有量を変化させることにより機械的強度が連続的に低下するように形成されてなる構成にしてある。
【００１１】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の構成において、前記強化部は、冠面部に配置した強化部材及びピストン母材を局部的に再溶融して形成されてなる構成にしてある。
【００１２】
また、請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明の構成において、前記強化部は、再溶融したピストン母材に対する強化部材の含有量を変化させることによって、その機械的強度が変化するように形成されてなる構成にしてある。
【００１３】
また、請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明の構成において、前記強化部材及びピストン母材の局部的な再溶融には、高エネルギ密度の熱源が採用されてなり、
この熱源の照射範囲、照射時間及びエネルギ密度の少なくとも１つを変化させることによって、ピストン母材に対する強化部材の含有量を変化させるようにした構成にしてある。
【００１４】
また、請求項５記載の発明は、請求項２乃至請求項４記載の発明の構成において、前記強化部材は、銅を含む材料からなる構成にしてある。
【００１５】
また、請求項６記載の発明は、請求項２乃至請求項４記載の発明の構成において、前記強化部材が銅を含む材料からなり、強化部の銅含有量が、ピストンピン孔の略軸方向位置において５〜２６重量％であり、ピストンピン孔の軸方向と略直角な位置において１６重量％以下である構成にしてある。
【００１６】
また、請求項７記載の発明は、冠面部に窪み状の燃焼室が形成されると共に、冠面の下部の所定位置にピストンピン孔が形成されてなる、アルミニウム合金製の内燃機関用ピストンの製造方法において、前記燃焼室の開口縁の環状に渡って連続的に強化部材を配置する工程と、前記強化部材及びピストン母材を局部的に再溶融して、前記ピストンピン孔の略軸方向位置から略直角方向に向けて機械的強度が連続的に低下するよう前記ピストン母材に対する前記強化部材の含有量を変化させた合金層を形成する工程と、前記合金層に機械加工を施し、前記燃焼室の開口縁の周方向の所定位置に強化部を形成する工程と、からなる構成にしてある。
【００１７】
また、請求項８記載の発明は、請求項７記載の発明の構成において、前記強化部材及びピストン母材の局部的な再溶融には、高エネルギ密度の熱源が採用されてなり、
この熱源の照射範囲、照射時間及びエネルギ密度の少なくとも１つを変化させることによって、ピストン母材に対する強化部材の含有量を変化させるようにした構成にしてある。
【００１８】
また、請求項９記載の発明は、請求項７記載の発明の構成において、前記強化部材は、銅を含む材料からなる構成にしてある。
【００１９】
また、請求項１０記載の発明は、請求項７記載の発明の構成において、前記強化部材が銅を含む材料からなり、強化部の銅含有量が、ピストンピン孔の略軸方向位置において５〜２６重量％であり、ピストンピン孔の軸方向と略直角な位置において１６重量％以下である構成にしてある。
【００２０】
ここで、前記強化部材は、ピストンの母材であるアルミニウム合金との合金層を形成するに好適な金属材料のほか、炭化けい素ホイスカ、窒化けい素ホイスカ、アルミナ短繊維、アルミナ−シリカ短繊維、チタン酸カリウムホイスカ、ほう酸アルミニウムホイスカ等の強化繊維、及びこれら強化繊維を混合した複合繊維を含むアルミニウム合金等が採用される。
【００２１】
とりわけ、請求項５及び請求項６、請求項９及び請求項１０記載の発明においては、前記強化部材が銅を含む材料からなる。この場合に、前記強化部材は、銅のみの材料のほか、銅にアルミニウム、シリコン、マンガン、チタン、ボロン、ニッケル、ベリリウム等を含む銅合金材料が採用可能である。
【００２２】
斯かる構成になる内燃機関用ピストンは、アルミニウム合金材料、例えばＪＩＳ ＡＣ８Ａ、ＡＣ８Ｂ、ＡＣ８Ｃ材等のピストンに用いて好適な合金材料を鋳造して、次のようにして得られる。
【００２３】
先ず、前記燃焼室の開口縁を形成する冠面部に強化部材を配置する。具体的には、冠面部に直接載置するか、或いは冠面部に周溝を形成して、この周溝内に配置する。
【００２４】
この場合に、前記強化部材は、環状に形成されるか或いは環状の内周及び／または外周が略楕円形状に形成されて、配置される。または、前記強化部材は、環状の部材と湾曲状の部材とを組み合わせて形成されて、配置される。即ち、前記環状の強化部材の内周側または外周側に湾曲状の強化部材が配置される。
【００２５】
前記強化部材の内周及び／または外周が略楕円形状である場合に、この強化部材の半径方向の厚さが厚い部分が、ピストンピン孔の略軸方向位置に配置され、半径方向の厚さが薄い部分がピストンピン孔の軸方向に略直角な位置に配置される。また、前記強化部材が環状の強化部材と湾曲状の強化部材とを組み合わせて形成されて、配置される場合に、湾曲形状の強化部材はピストンピン孔の略軸方向位置に配置され、ピストンピン孔の軸方向に略直角な位置には配置されない。
【００２６】
次に、前記強化部材及びその近傍のピストン母材を局部的に再溶融して、強化部材の材料成分を溶融拡散させ、所定位置に強化部材の合金層、つまり強化部となる部分を形成する。
【００２７】
前記強化部材及びピストン母材の局部的溶融は、高エネルギ密度の熱源が採用され、好ましくは、真空雰囲気中で電子ビームを照射して行うことを可とする。前記電子ビームの照射は、強化部材が全体として略円形状に形成され、配置されているから、ピストンを緩速度で回転しつつ実施される。したがって、電子ビーム照射後、即ち電子ビームが通過した後、強化部材の合金層はピストン母材によって急速に冷却され、ピストンのアルミニウム合金と強化部材の材料成分との化合物が微細に生成される。また、前記電子ビームはエネルギ密度が高いため、溶融部分には強化部材が効果的に拡散される。
【００２８】
尚、前記強化部材及びピストン母材の局部的溶融は、電子ビームに変えてレーザビームを用いることが可能である他に、プラズマ、ＴＩＧアーク等の高密度エネルギ加熱法が用いられる。
【００２９】
前記強化部材の合金層は、ピストン母材に対する強化部材の含有量を変化させることによって、ピストンピン孔の略軸方向位置からピストンピン孔の軸方向と略直角な位置に向けて、その機械的強度が連続的に低下するように形成される。
【００３０】
具体的には、高エネルギ密度の熱源、例えば電子ビームの照射範囲、照射時間、エネルギ密度（電圧、電流値等）を変化させて行われる。
【００３１】
即ち、前記強化部材が環状である場合に、例えば電子ビームの照射範囲を、ピストンピン孔の略軸方向位置において半径方向に小さな幅とし、ピストンピン孔の軸方向に略直角な位置において半径方向に大きな幅として、これらの間を連続的に変化させて行われる。
【００３２】
これによって、前記電子ビームの照射幅が小さい領域ではピストン母材の溶融領域が小さく、強化部材とピストン母材との合金層は強化部材の材料成分濃度が高いものとなる一方、電子ビームの照射幅が大きい領域ではピストン母材の溶融領域が大きく、強化部材とピストン母材との合金層は強化部材の材料成分濃度が薄いものとなり、その間が連続的に変化する。このため、前記強化部材の合金層は、ピストンピン孔の略軸方向位置においては強化部材の含有量が多く、機械的強度が大きくなる一方、ピストンピン孔の軸方向に略直角な位置においては強化部材の含有量が少なく、機械的強度が小さくなり、その間が連続的に変化することになる。
【００３３】
また、前記強化部材の内周及び／または外周が略楕円形状である場合、または強化部材が環状の強化部材と湾曲状の強化部材との組合せによる場合には、例えば電子ビームの照射範囲を、ピストンピン孔の略軸方向位置における半径方向の幅と、ピストンピン孔の軸方向に略直角な位置における半径方向の幅とを略同一幅として行われる。
【００３４】
これによって、前記強化部材の半径方向の幅寸法が実質的に大きい領域ではピストン母材の溶融領域が小さく、強化部材とピストン母材との合金層は強化部材の材料成分濃度が高いものとなる一方、強化部材の半径方向の幅寸法が実質的に小さい領域ではピストン母材の溶融領域が大きく、強化部材とピストン母材との合金層は強化部材の材料成分濃度が薄いものとなり、その間が連続的に変化する。このため、前記強化部材の合金層は、ピストンピン孔の略軸方向位置においては強化部材の含有量が多く、機械的強度が大きくなる一方、ピストンピン孔の軸方向に略直角な位置においては強化部材の含有量が少なく、機械的強度が小さくなり、その間が連続的に変化することになる。
【００３５】
次に、前記強化部材及びその近傍のピストン母材を局部的に再溶融して得られた強化部材の合金層に機械加工を施し、燃焼室の開口縁の所定位置に強化部を形成する。即ち、前記冠面部に機械加工を施して、燃焼室及びこの燃焼室の開口縁の所定位置に強化部を形成する。
【００３６】
これによって、前記冠面部に形成した燃焼室の開口縁に形成した強化部のうち、ピストンピン（ピストンピン孔）の略軸方向に位置する強化部の機械的強度が高く、ピストンピン（ピストンピン孔）の軸方向と略直角な方向に位置する強化部の機械的強度が低く、それらの間で強化部の機械的強度が連続的に変化する内燃機関用ピストンが得られる。
【００３７】
ここで、前記内燃機関用ピストンは、とりわけその冠面部において内燃機関の運転中に高温の熱衝撃を受けると共に、燃焼圧力や往復運動時の慣性力を受けて変形する。これによって、前記ピストンピン（ピストンピン孔）の略軸方向に位置する冠面部には引張応力が作用すると共に、ピストンピン（ピストンピン孔）の軸方向と略直角な方向に位置する冠面部の熱応力が高くなる。
【００３８】
このため、前記冠面部に形成した燃焼室の開口縁のうち、ピストンピン（ピストンピン孔）の略軸方向位置の開口縁には引張応力が作用し、ピストンピン（ピストンピン孔）の軸方向に略直角な位置の開口縁には熱応力が作用することは、前記した通りである。
【００３９】
ここに、本発明の内燃機関用ピストンにあっては、前記燃焼室の開口縁のうち、ピストンピン（ピストンピン孔）の略軸方向位置の開口縁には機械的強度の高い強化部が形成されており、この機械的強度の高い強化部が燃焼室の開口縁に作用する引張応力に対して十分な抗力を発揮する。また、前記燃焼室の開口縁のうち、ピストンピン（ピストンピン孔）の軸方向に略直角な位置の開口縁には機械的強度の低い強化部が形成されており、この機械的強度の低い強化部が燃焼室の開口縁に作用する熱応力に対して十分な抗力を発揮する。更に、前記強化部の機械的強度は連続的に変化するようになっているから、境界部分がなく、応力集中を生じることも有利に回避される。
【００４０】
したがって、前記燃焼室の開口縁の強度向上を図ることが可能な内燃機関用ピストン及びその製造方法が得られる。
【００４１】
また、請求項２記載の発明にあっては、前記強化部は、冠面部に配置した強化部材及びピストン母材を局部的に再溶融して形成されてなるから、強化部材とピストン母材のアルミニウム合金との合金層となる。
【００４２】
また、請求項３記載の発明にあっては、前記強化部は、再溶融したピストン母材に対する強化部材の含有量を変化させることによって、その機械的強度が変化するように形成されてなるから、強化部の機械的強度が連続的に変化される。
【００４３】
また、請求項４及び請求項８記載の発明にあっては、前記強化部材及びピストン母材の局部的な再溶融には、高エネルギ密度の熱源が採用されてなり、この熱源の照射範囲、照射時間及びエネルギ密度の少なくとも１つを変化させることによって、ピストン母材に対する強化部材の含有量を変化させるようにしたから、溶融部分にピストン母材のアルミニウム合金と強化部材との化合物が微細に生成して、強化部材の材料成分が効果的に拡散され、機械的強度が連続的に変化する合金層が得られる。
【００４４】
また、請求項５及び請求項９記載の発明にあっては、前記強化部材が銅を含む材料からなるから、燃焼室の開口縁の所定位置に銅合金層からなる強化部が形成される。
【００４５】
また、請求項６及び請求項１０記載の発明にあっては、前記強化部材が銅を含む材料からなり、強化部の銅含有量が、ピストンピン孔の略軸方向位置において５〜２６重量％で、ピストンピン孔の軸方向と略直角な位置において１６重量％以下である構成にしてあるから、ピストンピン（ピストンピン孔）の略軸方向位置の開口縁には機械的強度の高い強化部が形成され、この機械的強度の高い強化部が燃焼室の開口縁に作用する引張応力に対して十分な抗力を発揮する一方、ピストンピン（ピストンピン孔）の軸方向に略直角な位置の開口縁には比較的機械的強度の低い強化部が形成され、この機械的強度の低い強化部が燃焼室の開口縁に作用する熱応力に対して十分な抗力を発揮する。
【００４６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳述する。
【００４７】
図１は本発明の実施の形態を示す内燃機関用ピストンを、平面図（ａ）、平面図（ａ）のＡ−Ａ線断面図（ｂ）で示す図面、図２は強化部材及びピストン母材を局部的に再溶融する状態を説明する平面図、図３は図２のＡ−Ａ線拡大断面図、図４は強化部材及びピストン母材を局部的に再溶融した状態の平面図、図５は同じく強化部材及びピストン母材を局部的に再溶融した状態の斜視図、図６は強化部の銅含有量を変化させた場合の、高温疲労強度の変化及び熱亀裂回数の変化を示す線図である。
【００４８】
図において１はピストンで、このピストン１はアルミニウム合金材料、例えばＪＩＳ ＡＣ８Ａ材から形成される。前記ピストン１は、図１において最上端の冠面部２と、この冠面部２に続くリングランド部３と、このリングランド部３に続くスカート部４とを備えている。
【００４９】
前記リングランド部３には、この実施の形態において３本のピストンリング溝５，６，７が形成してあり、これらピストンリング溝５，６，７のうち、冠面部２側近くに位置する２本のピストンリング溝５，６がコンプレッションリング溝で、スカート部４側に隣接して形成されたピストンリング溝７がオイルリング溝となっている。
【００５０】
９は前記スカート部４の内周側に突出して形成されたピンボス部で、このピンボス部９はピストン１の軸心線の両側に対峙して形成してある。
【００５１】
前記ピンボス部９には、ピストン１の外周側に開口するピストンピン孔１０が形成してある。前記ピストンピン孔１０は、その軸心線がピストン１の軸心線に対して略直角となるように形成してある。
【００５２】
前記ピストンピン孔１０内には中空状のピストンピン１１が挿入され、このピストンピン１１にコネクティングロッド１２が連結される。
【００５３】
前記ピストン１の冠面部２には窪み状の燃焼室１３が形成してある。前記燃焼室１３の開口縁１４は円環状に形成されており、この開口縁１４には、後述する強化部材の合金層からなる強化部１５が形成してある。前記強化部１５は、ピストンピン孔１０の略軸方向位置からピストンピン孔１０の軸方向と略直角な位置に向けて、その強度が連続的に低下するように形成してある。
【００５４】
前記ピストン１は、アルミニウム合金材料、例えばＪＩＳ ＡＣ８Ａ材を鋳造して、次のようにして得られる。
【００５５】
先ず、前記燃焼室１３を形成しない状態で、燃焼室１３の開口縁１４を形成する冠面部２に、周溝１６を円環状に形成する（図２参照）。尚、前記周溝１６が形成されるときに、ピストンリング溝５，６，７、ピストンピン孔１０等が形成されているか否かは任意である。
【００５６】
次に、前記周溝１６内に環状に形成した強化部材１７を収容配置する（図２及び図３参照）。前記強化部材１７は銅を含む金属材料や、繊維強化アルミニウム合金が採用される。
【００５７】
次に、前記強化部材１７及びその近傍のピストン母材を局部的に再溶融して、強化部材１７の材料成分を溶融拡散させ、所定位置に強化部材１７の合金層１８、つまり強化部１５となる部分を形成する。
【００５８】
前記強化部材１７及びピストン母材の局部的溶融は、真空雰囲気中で電子ビーム１９を照射して行われる（図５参照）。前記電子ビーム１９の照射は、周溝１６及び強化部材１７が全体として環状に形成され、配置されているから、ピストン１を緩速度で回転しつつ実施される。したがって、電子ビーム１９の照射後、即ち電子ビーム１９が通過した後、強化部材１７の合金層１８はピストン母材によって急速に冷却され、ピストン１のアルミニウム合金と強化部材１７の材料成分との化合物が微細に生成される。また、前記電子ビーム１９はエネルギ密度が高いため、溶融部分には強化部材１７が効果的に拡散される。
【００５９】
前記強化部材１７の合金層１８は、ピストン母材に対する強化部材１７の含有量を変化させることによって、ピストンピン孔１０の略軸方向位置からピストンピン孔１０の軸方向と略直角な位置に向けて、その機械的強度が連続的に低下するように形成される。
【００６０】
具体的には、前記電子ビーム１９の照射範囲、照射時間、エネルギ密度（電圧、電流値等）を変化させて行われる。即ち、前記強化部材１７が環状であるから、例えば電子ビーム１９の照射範囲を、図２に示すように、ピストンピン孔１０の略軸方向位置において半径方向に小さな幅とし、ピストンピン孔１０の軸方向に略直角な位置において半径方向に大きな幅として、これらの間を連続的に変化させて行われる。尚、図２において寸法ａ及び寸法ｂは電子ビーム１９の照射幅を示している。
【００６１】
これによって、前記電子ビーム１９の照射幅が小さい領域ではピストン母材の溶融領域が小さく、強化部材１７とピストン母材との合金層１８は強化部材１７の材料成分濃度が高いものとなる一方、電子ビーム１９の照射幅が大きい領域ではピストン母材の溶融領域が大きく、強化部材１７とピストン母材との合金層は強化部材１７の材料成分濃度が薄いものとなり、その間が連続的に変化する。このため、前記強化部材１７の合金層１８は、ピストンピン孔１０の略軸方向位置においては強化部材１７の含有量が多く、機械的強度が大きくなる一方、ピストンピン孔１０の軸方向に略直角な位置においては強化部材１７の含有量が少なく、機械的強度が小さくなり、その間が連続的に変化することになる。
【００６２】
前記強化部材１７が銅を含む金属材料からなる場合に、合金層１８は、ピストンピン孔１０の略軸方向位置においては銅の含有量が５〜２６重量％、好ましくは１６重量％とされる。また、前記ピストンピン孔１０の軸方向に略直角な位置においては銅の含有量が１６重量％以下、好ましくは７重量％とされる。
【００６３】
次に、前記強化部材１７及びその近傍のピストン母材を局部的に再溶融して得られた強化部材１７の合金層１８に機械加工を施し、燃焼室１３の開口縁１４の所定位置に強化部１５を形成する。即ち、前記冠面部２に機械加工を施して、燃焼室１３及びこの燃焼室１３の開口縁１４の所定位置に強化部１５を形成する。
【００６４】
これによって、前記冠面部２に形成した燃焼室１３の開口縁１４に形成した強化部１５のうち、ピストンピン１１（ピストンピン孔１０）の略軸方向に位置する強化部１５の機械的強度が高く、ピストンピン１１（ピストンピン孔１０）の軸方向と略直角な方向に位置する強化部１５の機械的強度が低く、それらの間で強化部１５の機械的強度が連続的に変化するピストン１が得られる。
【００６５】
斯かる構成において、前記ピストン１は、とりわけその冠面部２において内燃機関の運転中に高温の熱衝撃を受けると共に、燃焼圧力や往復運動時の慣性力を受けて変形する。これによって、前記ピストンピン１１（ピストンピン孔１０）の略軸方向に位置する冠面部２には引張応力が作用すると共に、ピストンピン１１（ピストンピン孔１０）の軸方向と略直角な方向に位置する冠面部２の熱応力が高くなる。
【００６６】
このため、前記冠面部２に形成した燃焼室１３の開口縁１４のうち、ピストンピン１１（ピストンピン孔１０）の略軸方向位置の開口縁１４には引張応力が作用し、ピストンピン１１（ピストンピン孔１０）の軸方向に略直角な位置の開口縁１４には熱応力が作用することは、前記した通りである。
【００６７】
ここに、本発明の内燃機関用ピストン１にあっては、前記燃焼室１３の開口縁１４のうち、ピストンピン１１（ピストンピン孔１０）の略軸方向位置の開口縁１４には機械的強度の高い強化部１５が形成されており、この機械的強度の高い強化部１５が燃焼室１３の開口縁１４に作用する引張応力に対して十分な抗力を発揮する。また、前記燃焼室１３の開口縁１４のうち、ピストンピン１１（ピストンピン孔１０）の軸方向に略直角な位置の開口縁１４には機械的強度の低い強化部１５が形成されており、この機械的強度の低い強化部１５が燃焼室１３の開口縁１４に作用する熱応力に対して十分な抗力を発揮する。更に、前記強化部１５の機械的強度は連続的に変化するようになっているから、境界部分がなく、応力集中を生じることも有利に回避される。
【００６８】
具体的には、前記強化部材１７が銅を含む金属材料からなる場合に、合金層１８の銅の含有量を変化させ、３６０〜１５０℃の熱サイクルを負荷した場合の、高温疲労強度の変化及び熱亀裂発生回数の変化は、図６に示すような結果が得られた。
【００６９】
即ち、高温疲労強度は銅の含有量が１６重量％である場合に最大値を示し、５〜２６重量％の範囲が実用に適した範囲と認められる。また、熱亀裂発生回数は銅の含有量が７重量％である場合に最大値を示し、１６重量％以下が実用に適した範囲と認められる。
【００７０】
このため、前記燃焼室１３の開口縁１４のうち、ピストンピン孔１０の略軸方向位置においては銅の含有量が５〜２６重量％、好ましくは１６重量％とされることによって、優れた高温疲労強度が得られ、開口縁１４に作用する引張応力に対して十分な抗力を発揮する。また、前記ピストンピン孔１０の軸方向に略直角な位置においては銅の含有量が１６重量％以下、好ましくは７重量％とされることによって、優れた耐熱亀裂強度が得られ、開口縁１４に作用する熱応力に対して十分な抗力を発揮する。
【００７１】
したがって、前記燃焼室１３の開口縁１４の強度向上を図ることが可能な内燃機関用ピストン１及びその製造方法が得られる。
【００７２】
また、前記強化部１５は、強化部材１７及びピストン母材を局部的に再溶融して形成されてなるから、強化部材１７とピストン母材のアルミニウム合金との合金層となる。
【００７３】
また、前記強化部１５は、再溶融したピストン母材に対する強化部材１７の含有量を変化させることによって、その機械的強度が変化するように形成されてなるから、強化部１５の機械的強度が連続的に変化される。
【００７４】
また、前記強化部材１７及びピストン母材の局部的な再溶融には、高エネルギ密度の熱源としてので電子ビーム１９が採用されてなり、この電子ビーム１９の照射範囲を変化させることによって、ピストン母材に対する強化部材１７の含有量を変化させるようにしたから、溶融部分にピストン母材のアルミニウム合金と強化部材１７との化合物が微細に生成して、強化部材１７の材料成分が効果的に拡散され、機械的強度が連続的に変化する合金層１８が得られる。
【００７５】
また、前記強化部材１７が銅を含む材料からなり、強化部１５の銅含有量が、ピストンピン孔１０の略軸方向位置において５〜２６重量％で、ピストンピン孔１０の軸方向と略直角な位置において１６重量％以下としたことにより、ピストンピン孔１０の略軸方向位置の開口縁１４には機械的強度の高い強化部１５が形成され、この機械的強度の高い強化部１５が燃焼室１３の開口縁１４に作用する引張応力に対して十分な抗力を発揮する一方、ピストンピン孔１０の軸方向に略直角な位置の開口縁１４には比較的機械的強度の低い強化部１５が形成され、この機械的強度の低い強化部１５が燃焼室１３の開口縁１４に作用する熱応力に対して十分な抗力を発揮する。
【００７６】
図７乃至図１１は本発明の別の実施の形態を示す図面である。以下、これらの実施の形態について、順に説明する。尚、説明に際して、前記実施の形態と同一構成部分には同一符号を付し、その重複する説明を省略する。
【００７７】
先ず、図７及び図８に示す実施の形態は、前記強化部材１７を環状に形成して、その内周を略楕円形状にしてある。また、前記強化部材１７はピストン１の冠面部２に形成した周溝１６内に収容配置してある。尚、前記強化部材１７は、外周を略楕円形状とするか、内周及び外周の両方を略楕円形状としてもよく、また、冠面部２に溝１６を形成することなく直接載置するようにしてもよいものである。
【００７８】
また、前記強化部材１７は、その半径方向の厚さが厚い部分が、ピストンピン孔１０の略軸方向位置に配置され、半径方向の厚さが薄い部分がピストンピン孔１０の軸方向に略直角な位置に配置される。
【００７９】
この場合に、前記強化部材１７及びピストン部材の局部的溶融は、高エネルギ密度の熱源、例えば電子ビームの照射範囲を、図７に示すように、ピストンピン孔１０の略軸方向位置における半径方向の幅と、ピストンピン孔１０の軸方向に略直角な位置における半径方向の幅とを略同一幅として行われる。尚、図７において寸法ａは電子ビームの照射幅を示している。
【００８０】
これによって、前記強化部材１７の半径方向の幅寸法が大きい領域ではピストン母材の溶融領域が小さく、強化部材１７とピストン母材との合金層は強化部材１７の材料成分濃度が高いものとなる一方、強化部材１７の半径方向の幅寸法が小さい領域ではピストン母材の溶融領域が大きく、強化部材１７とピストン母材との合金層は強化部材１７の材料成分濃度が薄いものとなり、その間が連続的に変化する。このため、前記強化部材１７の合金層は、ピストンピン孔１０の略軸方向位置においては強化部材１７の含有量が多く、機械的強度が大きくなる一方、ピストンピン孔１０の軸方向に略直角な位置においては強化部材１７の含有量が少なく、機械的強度が小さくなり、その間が連続的に変化することになる。
【００８１】
これによって、前記冠面部２に形成した燃焼室の開口縁に形成した強化部のうち、ピストンピン孔１０の略軸方向に位置する強化部の機械的強度が高く、ピストンピン孔１０の軸方向と略直角な方向に位置する強化部の機械的強度が低く、それらの間で強化部の機械的強度が連続的に変化するピストン１が得られる。
【００８２】
したがって、この実施の形態においても、前記実施の形態と同様の作用及び効果が得られる。
【００８３】
加えて、前記強化部材１７を冠面部２に直接載置する場合には、強化部材１７を収容配置する溝１６の加工を廃止することができる。
【００８４】
次に、図９乃至図１１に示す実施の形態は、前記強化部材１７を、環状の強化部材１７ａと湾曲状の強化部材１７ｂとの組み合わせによって形成してある。また、前記強化部材１７は、環状の強化部材１７ａと湾曲状の強化部材１７ｂとのそれぞれが、冠面部２に形成した周溝１６ａ，１６ｂ内に収容配置されている。前記強化部材１７の湾曲状の強化部材１７ｂを収容する周溝１６ｂは、環状の強化部材１７ａを収容する周溝１６ａにその一部が連続して、この周溝１６ａの内周側に形成されている。尚、前記強化部材１７の湾曲状の強化部材１７ｂは環状の強化部材１７ａの内周側に配置されているけれども、環状の強化部材１７ａの外周側に配置してもよいものである。
【００８５】
また、前記強化部材１７は、湾曲状の強化部材１７ｂがピストンピン孔１０の略軸方向位置に配置され、ピストンピン孔１０の軸方向に略直角な位置には配置されないようになっている。
【００８６】
この場合にも、前記強化部材１７及びピストン部材の局部的溶融は、高エネルギ密度の熱源、例えば電子ビームの照射範囲を、図９に示すように、ピストンピン孔１０の略軸方向位置における半径方向の幅と、ピストンピン孔１０の軸方向に略直角な位置における半径方向の幅とを略同一幅として行われる。尚、図９において寸法ａは電子ビームの照射幅を示している。
【００８７】
これによって、前記強化部材１７の半径方向の幅寸法が実質的に大きい領域（環状の強化部材１７ａと湾曲状の強化部材１７ｂとが配置されている）ではピストン母材の溶融領域が小さく、強化部材１７とピストン母材との合金層は強化部材１７の材料成分濃度が高いものとなる一方、強化部材１７の半径方向の幅寸法が実質的に小さい領域（環状の強化部材１７ａのみが配置されている）ではピストン母材の溶融領域が大きく、強化部材１７とピストン母材との合金層は強化部材１７の材料成分濃度が薄いものとなり、その間が連続的に変化する。このため、前記強化部材１７の合金層は、ピストンピン孔１０の略軸方向位置においては強化部材１７の含有量が多く、機械的強度が大きくなる一方、ピストンピン孔１０の軸方向に略直角な位置においては強化部材１７の含有量が少なく、機械的強度が小さくなり、その間が連続的に変化することになる。
【００８８】
これによって、前記冠面部２に形成した燃焼室の開口縁に形成した強化部のうち、ピストンピン孔１０の略軸方向に位置する強化部の機械的強度が高く、ピストンピン孔１０の軸方向と略直角な方向に位置する強化部の機械的強度が低く、それらの間で強化部の機械的強度が連続的に変化するピストン１が得られる。
【００８９】
したがって、この実施の形態においても、前記実施の形態と同様の作用及び効果が得られる。
【００９０】
以上、実施の形態を図面に基づいて説明したが、具体的構成はこの実施の形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
【００９１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、燃焼室の開口縁の強度向上を図ることが可能な内燃機関用ピストン及びその製造方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す内燃機関用ピストンを、平面図（ａ）、平面図（ａ）のＡ−Ａ線断面図（ｂ）で示す図面である。
【図２】強化部材及びピストン母材を局部的に再溶融する状態を説明する平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線拡大断面図である。
【図４】強化部材及びピストン母材を局部的に再溶融した状態の平面図である。
【図５】強化部材及びピストン母材を局部的に再溶融した状態の斜視図である。
【図６】強化部の銅含有量を変化させた場合の、高温疲労強度の変化及び熱亀裂回数の変化を示す線図である。
【図７】本発明の別の実施の形態を示す、図２と同様な図面である。
【図８】図７のＡ−Ａ線拡大断面図である。
【図９】本発明の別の実施の形態を示す、図２と同様な図面である。
【図１０】図９のＡ−Ａ線拡大断面図である。
【図１１】図９のＢ−Ｂ線拡大断面図である。
【符号の説明】
１ ピストン
２ 冠面部
１０ ピストンピン孔
１３ 燃焼室
１４ 開口縁
１５ 強化部
１７ 強化部材
１８ 合金層
Claims (10)
- 冠面部に窪み状の燃焼室が形成されると共に、前記冠面部の下部の所定位置にピストンピン孔が形成されてなる、アルミニウム合金製の内燃機関用ピストンにおいて、
前記冠面部の下部の前記ピストンピン孔の略軸方向位置から前記ピストンピン孔の略軸方向位置に対して略直角方向に向けて環状に形成される強化部であって、前記強化部は、前記冠面部の半径方向内側であって、前記開口縁の半径方向外側に強化部材を含有して形成され、
さらに、前記強化部は、前記ピストンピン孔の略軸方向位置から前記ピストンピン孔の略軸方向位置に対して略直角方向に向けて前記強化部材の含有量を変化させることにより機械的強度が連続的に低下するように形成されてなることを特徴とする、内燃機関用ピストン。 - 前記強化部は、前記冠面部に配置した強化部材及びピストン母材を局部的に再溶融して形成されてなることを特徴とする、請求項１記載の内燃機関用ピストン。
- 前記強化部は、再溶融したピストン母材に対する強化部材の含有量を変化させることによって、その機械的強度が変化するように形成されてなることを特徴とする、請求項２記載の内燃機関用ピストン。
- 前記強化部材及びピストン母材の局部的な再溶融には、高エネルギ密度の熱源が採用されてなり、
この熱源の照射範囲、照射時間及びエネルギ密度の少なくとも１つを変化させることによって、ピストン母材に対する強化部材の含有量を変化させるようにしたことを特徴とする、請求項３記載の内燃機関用ピストン。 - 前記強化部材は、銅を含む材料からなることを特徴とする、請求項２乃至請求項４記載の内燃機関用ピストン。
- 前記強化部材が銅を含む材料からなり、強化部の銅含有量が、ピストンピン孔の略軸方向位置において５〜２６重量％であり、ピストンピン孔の軸方向と略直角な位置において１６重量％以下であることを特徴とする、請求項２乃至請求項４記載の内燃機関用ピストン。
- 冠面部に窪み状の燃焼室が形成されると共に、冠面の下部の所定位置にピストンピン孔が形成されてなる、アルミニウム合金製の内燃機関用ピストンの製造方法において、
前記燃焼室の開口縁の環状に渡って連続的に強化部材を配置する工程と、
前記強化部材及びピストン母材を局部的に再溶融して、前記ピストンピン孔の略軸方向位置から略直角方向に向けて機械的強度が連続的に低下するよう前記ピストン母材に対する前記強化部材の含有量を変化させた合金層を形成する工程と、
前記合金層に機械加工を施し、前記燃焼室の開口縁の周方向の所定位置に強化部を形成する工程と、からなることを特徴とする、内燃機関用ピストンの製造方法。 - 前記強化部材及びピストン母材の局部的な再溶融には、高エネルギ密度の熱源が採用されてなり、
この熱源の照射範囲、照射時間及びエネルギ密度の少なくとも１つを変化させることによって、ピストン母材に対する強化部材の含有量を変化させるようにしたことを特徴とする、請求項７記載の内燃機関用ピストンの製造方法。 - 前記強化部材は、銅を含む材料からなることを特徴とする、請求項７記載の内燃機関用ピストンの製造方法。
- 前記強化部材が銅を含む材料からなり、強化部の銅含有量が、ピストンピン孔の略軸方向位置において５〜２６重量％であり、ピストンピン孔の軸方向と略直角な位置において１６重量％以下であることを特徴とする、請求項７記載の内燃機関用ピストンの製造方法。
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