JP6918229B2 - スチールピストン - Google Patents

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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。
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。
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。
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たとえば、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。
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。
特開２００４−１８１５３４号公報 特開２０１５−０７８６９３号公報
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、特に検討されていない。さらに、鋼材そのものの特性を調整することによる、スチールピストンに適した鋼材については、他の文献でも提案されていない。
本開示の目的は、表面温度が４００℃以上となる使用環境でも適用可能なスチールピストンを提供することである。より具体的には、（１）スチールピストン製造時における被削性に優れ、（２）スチールピストン使用時における高温疲労強度及び靱性に優れ、（３）スチールピストンを接合により製造した場合の、溶接熱影響部（ＨＡＺ）の高温疲労強度に優れる、スチールピストンを提供することである。
本開示によるスチールピストンは、
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、前記上部材に固定されており、スカート部と、ピストンピンが挿入されるピストンピン穴とを含む下部材とを備え、
前記上部材は、
質量％で、
Ｃ：０．１５〜０．３０％、
Ｓｉ：０．０２〜１．００％、
Ｍｎ：０．２０〜０．８０％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０２８％以下、
Ｃｒ：０．８０〜１．５０％、
Ｍｏ：０．０８〜０．４０％、
Ｖ：０．１０〜０．４０％、
Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、
Ｎ：０．０１５０％以下、
Ｏ：０．００３０％以下、
Ｃｕ：０〜０．５０％、
Ｎｉ：０〜１．００％、
Ｎｂ：０〜０．１００％、及び、
残部：Ｆｅ及び不純物、
からなり、式（１）及び式（２）を満たす化学組成を有し、
前記上部材における前記スチールピストンの軸方向に平行な断面において、
Ｍｎを１０．０質量％以上含有し、Ｓを１０．０質量％以上含有するＭｎ硫化物が１００．０個／ｍｍ2以下であり、
前記Ｍｎ硫化物のうち、円相当径が３．０μｍ以上の粗大Ｍｎ硫化物が１．０〜１０．０個／ｍｍ2であり、
酸素を１０．０質量％以上含有する酸化物が１５．０個／ｍｍ2以下である。
０．４２≦Ｍｏ＋３Ｖ≦１．５０ （１）
Ｖ／Ｍｏ≧０．５０ （２）
ここで、式（１）及び式（２）中の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
本開示によるスチールピストンは、上部材の表面温度が４００℃以上となる使用環境に適用可能である。より具体的には、本開示によるスチールピストンは、（１）スチールピストン製造時における被削性に優れ、（２）スチールピストン使用時における高温疲労強度及び靱性に優れ、（３）スチールピストンを接合により製造した場合の、溶接熱影響部（ＨＡＺ）の高温疲労強度に優れる。
図１は、本実施形態のスチールピストンの使用時の強度の低下を抑制できることを示す図である。 図２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。 図３は、本実施形態におけるスチールピストン中のＭｎ硫化物及び酸化物を測定するときのサンプルの採取位置を説明するための模式図である。
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について、検討を行った。
従前の研究では、たとえば、特許文献２に記載されているとおり、スチールピストンの寿命が低下する主な原因として、おおむね次のとおり説明されている。
燃焼効率を高めることを目的としてエンジンにスチールピストンを採用した場合、燃焼温度を高めることができる。具体的には、従来のピストンの表面温度は２４０〜３３０℃程度であった。しかしながら、スチールピストンを採用した場合、ピストンの表面温度を従来よりも１００℃程度高めることができる。具体的には、スチールピストンでは、ピストンの表面温度が４００℃以上又は５００℃以上であっても耐久可能である。
スチールピストンを採用した場合、エンジンの動作中において、スチールピストンの上部材のうち、クラウン部の表面の一部が酸化して、酸化スケールが生成する。酸化スケールのスチールピストンに対する密着性は低い。そのため、スチールピストンの上下動に伴い、酸化スケールがスチールピストンの上部材から剥離する。スチールピストンの上部材の表面のうち、酸化スケールが剥離した領域が、スチールピストンの使用時間に応じて拡大されていく。そして、酸化スケールが剥離した領域において、クラックが発生する。以上のメカニズムにより、スチールピストンの寿命が決まる。
以上のとおり、スチールピストンに関する従前の研究では、ピストン寿命が低下する主な原因は、エンジンの作動中に上部材に生成する酸化スケールであると考えられていた。
しかしながら本発明者らは、スチールピストンの寿命が低下する主な要因は、酸化スケールではなく、次のメカニズムに起因すると考えた。
上述のとおり、スチールピストンを用いたエンジンでは、燃焼効率を高めるために、燃焼温度が従来よりも高い温度（５００℃以上）になる。そのため、エンジン動作状態においては、スチールピストンは燃焼温度により熱膨張する。その結果、エンジン動作状態のスチールピストンには、圧縮応力が発生する。一方、エンジン動作状態からエンジン停止状態となったとき、エンジンは常温まで冷却される。このとき、スチールピストンは冷却により収縮する。そのため、エンジン停止状態のスチールピストンには引張応力が発生する。
以上のとおり、スチールピストンでは、エンジン動作状態では圧縮応力が掛かり、エンジン停止状態では引張応力が掛かる。この傾向は、スチールピストンのうち、使用中の表面温度が４００〜６００℃となる上部材で特に顕著になる。エンジンは動作状態と停止状態とを繰り返す。エンジン動作状態及びエンジン停止状態が繰り返されると、スチールピストンは圧縮応力と引張応力とを交互に繰り返し受ける。したがって、使用中の表面温度が４００〜６００℃となるスチールピストンの寿命は、従来考えられていた酸化スケールに起因したクラック発生が主な要因となるのではないと本発明者らは考えた。そして、エンジン動作状態及びエンジン停止状態に伴い、スチールピストンの上部材にて、圧縮応力と引張応力とを交互に繰り返し受けることにより、スチールピストンの上部材に熱疲労によるクラックが発生することが主な要因であると本発明者らは考えた。
そこで、本発明者らは、スチールピストンの熱疲労による寿命低下を抑制する方法を検討した。熱疲労による寿命低下を抑制するには、スチールピストンの上部材の表面温度が４００〜６００℃となる使用環境（高温使用環境）において、疲労強度を高めることが有効であると考えた。疲労強度を高めるには、高温での上部材の強度を高めることが有効である。高温での強度を高くできれば、熱疲労によるき裂等の発生は抑制される。その結果、高温使用環境用途のスチールピストンの寿命が向上する。
一般的に鋼材の強度は温度の上昇とともに低下する。したがって、上部材を構成する鋼材の常温での強度を高めておけば、温度上昇に伴い強度は下がるものの、表面温度が４００〜６００℃程度となる高温域においても強度をある程度維持することができる。
しかしながら、スチールピストンは、素材である鋼材を熱間鍛造して粗形状の中間品を製造した後、切削加工を実施することにより製造される。したがって、高温使用環境用途のスチールピストンに用いる鋼材の常温での強度が高ければ、中間品を製造した後の切削加工が困難となる。したがって、高温使用環境用途のスチールピストンの上部材に用いる鋼材には、スチールピストンとして使用される前には被削性が求められ、スチールピストンとして使用中には高温での高い疲労強度が必要となる。このような特性は特に、スチールピストンのうち、少なくともクラウン部のトップランドを含む上部材において要求される。スチールピストンとして使用中にはさらに、高い靱性も求められる。温度と靱性との関係を考慮した場合、温度が低い方が靱性が低くなる。したがって、スチールピストンの常温における靱性が十分に高ければ、４００〜６００℃での靱性も当然に高くなる。
そこで、本発明者らは、スチールピストン製造時においては被削性に優れ、かつ、スチールピストン使用時においては高温疲労強度に優れ、かつ、靱性にも優れる上部材について検討を行った。
エンジン動作状態において、スチールピストンの上部材は、表面温度が４００℃以上の高温域に長時間曝される。そこで、スチールピストンの上部材として使用する前においては、鋼材の強度を低くしておき被削性を維持する。そして、エンジン動作状態での表面温度が４００〜６００℃となるような高温使用環境でのスチールピストンの長時間使用中において、時効析出によりスチールピストンの上部材の高温強度を高める。この場合、鋼材の被削性を維持しつつ、エンジン動作状態でのスチールピストンの上部材の高温域での高温疲労強度を高めることができる。
さらに、スチールピストンは、その製造工程において、スチールピストンの上部材（少なくともクラウン部の上部に相当し、トップランドを含む部材）と、スチールピストンの下部材（スカート部及びピストンピン穴を含む部材）とを摩擦接合又はレーザー接合して成形される場合がある。これらの接合方法により接合された場合、接合界面近傍の領域は接合時の熱影響を受けたＨＡＺ（熱影響部）が形成されている。そのため、スチールピストン使用中において、ＨＡＺの高温疲労強度を確保する必要がある。
以上のとおり、スチールピストンでは、（１）スチールピストン製造時における優れた被削性、（２）スチールピストン使用時における上部材の優れた高温疲労強度及び優れた靱性、（３）スチールピストンを接合により製造した場合の、ＨＡＺの高温疲労強度の確保、が必要となると本発明者らは考えた。そこで、本発明者らは、（１）〜（３）の特性を満たす、高温使用環境用途のスチールピストンの上部材に用いられる鋼材の化学組成及び組織について検討を行った。その結果、次の知見を得た。
［製造時の被削性とピストン使用中の高温疲労強度及び靱性との両立］
本発明者らはまず、スチールピストン製造時において被削性に優れ、スチールピストンの使用時において高温域での疲労強度（高温疲労強度）及び靱性に優れる上部材の化学組成について検討を行った。その結果、上部材の（鋼材の）化学組成が、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３０％、Ｓｉ：０．０２〜１．００％、Ｍｎ：０．２０〜０．８０％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０２８％以下、Ｃｒ：０．８０〜１．５０％、Ｍｏ：０．０８〜０．４０％、Ｖ：０．１０〜０．４０％、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．０１５０％以下、Ｏ：０．００３０％以下、Ｃｕ：０〜０．５０％、Ｎｉ：０〜１．００％、Ｎｂ：０〜０．１００％、及び、残部：Ｆｅ及び不純物、からなり、式（１）及び式（２）を満たせば、スチールピストン製造時の被削性に優れ、かつ、スチールピストンの上部材として使用する場合において、高温域での強度低下を抑制できることを見出した。
０．４２≦Ｍｏ＋３Ｖ≦１．５０ （１）
Ｖ／Ｍｏ≧０．５０ （２）
ここで、式（１）及び式（２）中の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。以下、この点について詳述する。
スチールピストンはたとえば、次の工程で製造される。初めに、スチールピストン用鋼材に対して熱間鍛造を実施して、中間品（上部材の中間品、下部材の中間品）を製造する。中間品に対して調質処理（焼入れ及び焼戻し）を実施する。調質処理後の上部材及び下部材を摩擦接合又はレーザー接合により接合して、接合品を製造する。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。又は、熱間鍛造により製造された上部材及び下部材を摩擦接合又はレーザー接合して接合品を製造する。接合品に対して調質処理（焼入れ及び焼戻し）を実施する。調質処理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。要するに、高温使用環境用途のピストンの製造パターンはたとえば、次の２通りがある。
パターン１：熱間鍛造→調質処理→接合→機械加工
パターン２：熱間鍛造→接合→調質処理→機械加工
本実施形態のスチールピストンの上部材に用いる鋼材では、被削性を高めるために、Ｃ含有量の上限を０．３０％に抑える。上述の製造工程の調質処理工程中の焼戻しにおいて、エンジン動作中のスチールピストンの表面温度と同程度の温度（４００〜６００℃）で焼戻しを実施する。これにより、焼戻し後の中間品の表面の硬さを下げることができる。そのため、後述の粗大Ｍｎ硫化物の個数条件を満たすことを前提として、高い被削性が得られる。
さらに、本実施形態のスチールピストンの上部材に用いる鋼材では、表面温度が４００〜６００℃となる高温使用環境でのスチールピストンの使用時の時効析出元素として、０．０８〜０．４０％のＭｏと、０．１０〜０．４０％のＶとを含有する。これらの時効析出元素を複合して含有することにより、調質処理時及び使用中のスチールピストンの表面の温度域（５００〜６００℃）において、スチールピストンの上部材内に微細なＭｏ及び／又はＶを含有する炭化物を時効析出する。ＭｏとＶとの複合含有による時効析出により、エンジン動作中におけるスチールピストンの高温強度を確保する。この場合、熱疲労によりスチールピストンの寿命が低下するのを抑制できる。
この効果を得るために、高温使用環境用途のスチールピストンの上部材のＭｏ含有量及びＶ含有量は、次の式（１）及び式（２）を満たす。
０．４２≦Ｍｏ＋３Ｖ≦１．５０ （１）
Ｖ／Ｍｏ≧０．５０ （２）
ここで、式（１）及び式（２）中の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。以下、この点について詳述する。
Ｆ１＝Ｍｏ＋３Ｖと定義する。Ｆ１はＭｏ及びＶの時効析出による高温強度の強化能を示す指標である。Ｆ１が０．４２未満であれば、Ｍｏ及び／又はＶを含有する炭化物（Ｍｏ炭化物、Ｖ炭化物、及び、Ｍｏ及びＶを含有する複合炭化物）が十分に時効析出できず、鋼材の所望の高温強度が得られない。一方、Ｆ１が１．５０を超えれば、その効果が飽和するとともに、鋼材の靱性が低下する。Ｆ１が式（１）を満たせば、式（２）を満たすことを前提として、Ｍｏ及び／又はＶを含有する炭化物が十分に析出して、鋼材の高温強度が高まる。その結果、高温での疲労強度も高まる。さらに、鋼材の靱性も高まる。
Ｆ２＝Ｖ／Ｍｏと定義する。Ｍｏ及びＶを、式（１）を満たすように複合で含有し、かつ、Ｆ２が式（２）を満たす場合、Ｍｏを単独で含有したり、Ｖを単独で含有したりする場合よりも、４００〜６００℃の温度域で、より多くの微細なＭｏ及び／又はＶ含有炭化物が十分に析出して、鋼材の高温強度を高める。その理由は定かではないが、次の理由が考えられる。
Ｍｏが単独で含有される場合、Ｍｏは５００℃程度の温度域で炭化物を形成して時効析出する。Ｖが単独で含有される場合、ＶはＭｏよりも高い６００℃程度の温度域で炭化物を形成して時効析出する。
一方、Ｍｏ及びＶを複合含有する場合、５００℃程度の温度域でＭｏ炭化物が析出する。さらに、Ｍｏ炭化物が析出するときに、本来６００℃程度で析出するＶ炭化物がＭｏ炭化物の析出に誘起され、６００℃よりも低い温度域で、Ｍｏ及びＶを含有する微細な複合炭化物として析出する。Ｍｏ及びＶを含有する複合炭化物は、析出後に温度が上昇しても成長しにくく、微細なまま維持される。さらに、６００℃程度の温度域では、複合炭化物として析出せずに固溶状態であったＶが、炭化物として微細に析出する。
Ｆ２は、Ｍｏ及びＶの複合炭化物の析出のしやすさを示す指標である。Ｆ２が０．５０未満の場合、Ｍｏ及びＶを含有する複合炭化物が十分に析出しない。そのため、Ｆ１が式（１）を満たしていても、十分な高温強度が得られない。Ｆ１が式（１）を満たし、かつ、Ｆ２が式（２）を満たせば、４００〜６００℃の高温域における強度の低下を抑制でき、優れた高温強度及び高温疲労強度が得られる。
図１は、スチールピストンの使用時の強度の低下を抑制できることを示す図である。図１中の「◆」印は、式（１）及び式（２）を満たす上記化学組成の本実施形態の高温使用環境用途のスチールピストンの上部材に用いられる鋼材の試験結果である。「□」印は、従来のスチールピストン用鋼材の代表例（ＩＳＯ規格の４２ＣｒＭｏ４に相当、以下、比較例鋼材という）の試験結果である。図１の縦軸は、比較例鋼材の２０℃大気中での降伏強度ＹＳを基準値とした場合の、各加工温度での降伏強度の差分値を示す。なお、本実施形態の高温使用環境用途のスチールピストンの上部材に用いる鋼材は、後述の介在物規定も満たしていた。図１は次の試験により得られた。
スチールピストンとしての使用状態を想定して、上述の化学組成を有する本実施形態のスチールピストンの上部材に用いる鋼材、及び、比較例鋼材に対して、９２０℃で焼入れを実施した後、６００℃（スチールピストンの想定使用温度）で焼戻しを実施した。焼戻し後の各鋼材に対して、ＪＩＳ Ｚ２２４１（２０１１）に準拠した引張試験を、大気中において、２０℃〜６００℃の温度域で実施して、各温度での降伏強度を得た。得られた降伏強度に基づいて、図１を作成した。
図１を参照して、本実施形態のスチールピストンの上部材に用いる鋼材（「◆」印）の温度上昇に伴う降伏強度の低下量は、比較例鋼材（「□」印）の温度上昇に伴う降伏強度の低下量よりも小さい。より具体的には、２０℃における本実施形態のスチールピストンの上部材に用いる鋼材の降伏強度から２０℃における比較例鋼材の降伏強度を差し引いた差分値ＹＳ２０に対して、５００℃における差分値ＹＳ５００は大きくなり、６００℃における差分値ＹＳ６００はさらに大きくなる。このことは、本実施形態のスチールピストンの上部材に用いる鋼材の温度上昇に伴う降伏強度の低下量が、比較例鋼材の温度上昇に伴う降伏強度の低下量よりも小さいことを示している。これは、本実施形態のスチールピストンの上部材に用いる鋼材では、スチールピストンの上部材としての使用時において、微細な時効析出物が析出していることにより、温度上昇に伴う降伏強度の低下を抑えることができることを示している。
［介在物の制御による被削性及びＨＡＺを含む鋼材の高温疲労強度］
本発明者らはさらに、本実施形態のスチールピストンの上部材中の介在物について、次の規定（Ａ）〜（Ｃ）を全て満たせば、（１）スチールピストン製造時における被削性、（２）スチールピストン使用時における高温疲労強度、（３）スチールピストン使用時におけるＨＡＺ領域の高温強度確保、が可能であることを見出した。
（Ａ）Ｍｎを１０．０質量％以上含有し、Ｓを１０．０質量％以上含有するＭｎ硫化物が１００．０個／ｍｍ2以下である。
（Ｂ）Ｍｎ硫化物のうち、円相当径が３．０μｍ以上の粗大Ｍｎ硫化物が１．０〜１０．０個／ｍｍ2である。
（Ｃ）酸素を１０．０質量％以上含有する酸化物が１５．０個／ｍｍ2以下である。
以下、この点について詳述する。
本実施形態のスチールピストンの上部材に用いる鋼材では、鋼中にＭｎ硫化物及び酸化物が存在する。ここで、本明細書において、Ｍｎ硫化物及び酸化物は次のとおり定義される。
Ｍｎ硫化物：１０．０質量％以上のＭｎと、１０．０質量％以上のＳとを含有する介在物
酸化物：質量％で、１０．０質量％以上のＯを含有する介在物
なお、１０．０質量％以上のＭｎと、１０．０質量％以上のＳと、１０．０質量％以上のＯ（酸素）を含有する介在物は、本明細書では、「酸化物」とする。つまり、本明細書において、Ｍｎ硫化物は、１０．０質量％以上のＭｎと、１０．０質量％以上のＳとを含有し、Ｏ含有量が１０．０％未満である介在物を意味する。
本実施形態では、上記（Ａ）及び（Ｃ）に示すとおり、鋼材中の介在物の大部分を占めるＭｎ硫化物及び酸化物の個数をなるべく少なくする。上述のとおり、スチールピストンは摩擦接合又はレーザー接合により成形される場合がある。この場合、スチールピストン内部にはＨＡＺが存在する。ＨＡＺは他の領域と比較して疲労強度が低くなる場合がある。ＨＡＺの疲労強度を確保するために、介在物であるＭｎ硫化物及び酸化物の個数をなるべく低減する。
一方で、スチールピストンの上部材に用いる鋼材では、被削性も必要である。Ｍｎ硫化物は、鋼材の被削性を高める。しかしながら、ある程度のサイズのＭｎ硫化物でなければ、被削性に寄与しない。そこで、本実施形態では、（Ａ）及び（Ｃ）を満たすことを前提として、上記（Ｂ）に示すとおり、円相当径が３．０μｍ以上の粗大Ｍｎ硫化物の個数を１．０〜１０．０個／ｍｍ2とする。この場合、（Ｂ）により、スチールピストンの上部材に用いる鋼材の被削性に必要な粗大Ｍｎ硫化物の個数を確保しつつ、（Ａ）及び（Ｃ）により鋼材中の介在物の総数をなるべく低く抑えて、スチールピストンのＨＡＺの疲労強度を確保する。
なお、上述の鋼材は、高温使用環境用途のスチールピストンの少なくとも上部材に適用される。しかしながら、上部材だけでなく、高温使用環境用途のスチールピストンの下部材も、上記鋼材から構成されてもよい。つまり、スチールピストンの下部材は、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３０％、Ｓｉ：０．０２〜１．００％、Ｍｎ：０．２０〜０．８０％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０２８％以下、Ｃｒ：０．８０〜１．５０％、Ｍｏ：０．０８〜０．４０％、Ｖ：０．１０〜０．４０％、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．０１５０％以下、Ｏ：０．００３０％以下、Ｃｕ：０〜０．５０％、Ｎｉ：０〜１．００％、Ｎｂ：０〜０．１００％、及び、残部：Ｆｅ及び不純物、からなり、式（１）及び式（２）を満たす化学組成を有し、下部材におけるスチールピストンの軸方向に平行な断面において、Ｍｎを１０．０質量％以上含有し、Ｓを１０．０質量％以上含有するＭｎ硫化物が１００．０個／ｍｍ2以下であり、Ｍｎ硫化物のうち、円相当径が３．０μｍ以上の粗大Ｍｎ硫化物が１．０〜１０．０個／ｍｍ2であり、酸素を１０．０質量％以上含有する酸化物が１５．０個／ｍｍ2以下であってもよい。また、下部材の化学組成は、上部材の化学組成と異なっていてもよい。好ましくは、下部材は鋼材から構成される。しかしながら、下部材は鋼材以外の他の合金又は金属から構成されてもよい。下部材はたとえば、上述の上部材を構成する鋼材とは異なる化学組成を有する鋼材であってもよい。
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。
［１］のスチールピストンは、
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、前記上部材に固定されており、スカート部と、ピストンピンが挿入されるピストンピン穴とを含む下部材とを備え、
前記上部材は、
質量％で、
Ｃ：０．１５〜０．３０％、
Ｓｉ：０．０２〜１．００％、
Ｍｎ：０．２０〜０．８０％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０２８％以下、
Ｃｒ：０．８０〜１．５０％、
Ｍｏ：０．０８〜０．４０％、
Ｖ：０．１０〜０．４０％、
Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、
Ｎ：０．０１５０％以下、
Ｏ：０．００３０％以下、
Ｃｕ：０〜０．５０％、
Ｎｉ：０〜１．００％、
Ｎｂ：０〜０．１００％、及び、
残部：Ｆｅ及び不純物、
からなり、式（１）及び式（２）を満たす化学組成を有し、
前記上部材における前記スチールピストンの軸方向に平行な断面において、
Ｍｎを１０．０質量％以上含有し、Ｓを１０．０質量％以上含有するＭｎ硫化物が１００．０個／ｍｍ2以下であり、
前記Ｍｎ硫化物のうち、円相当径が３．０μｍ以上の粗大Ｍｎ硫化物が１．０〜１０．０個／ｍｍ2であり、
酸素を１０．０質量％以上含有する酸化物が１５．０個／ｍｍ2以下である。
０．４２≦Ｍｏ＋３Ｖ≦１．５０ （１）
Ｖ／Ｍｏ≧０．５０ （２）
ここで、式（１）及び式（２）中の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
［２］のスチールピストンは、［１］に記載のスチールピストンであって、
前記上部材の前記化学組成は、
Ｃｕ：０．０１〜０．５０％、
Ｎｉ：０．０１〜１．００％、及び、
Ｎｂ：０．０１０〜０．１００％、
からなる群から選択される１元素又は２元素以上を含有する。
［３］のスチールピストンは、［１］又は［２］に記載のスチールピストンであって、
前記下部材の前記化学組成は、前記上部材の前記化学組成と異なる。
［４］のスチールピストンは、［１］又は［２］に記載のスチールピストンであって、
前記下部材は、
質量％で、
Ｃ：０．１５〜０．３０％、
Ｓｉ：０．０２〜１．００％、
Ｍｎ：０．２０〜０．８０％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０２８％以下、
Ｃｒ：０．８０〜１．５０％、
Ｍｏ：０．０８〜０．４０％、
Ｖ：０．１０〜０．４０％、
Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、
Ｎ：０．０１５０％以下、
Ｏ：０．００３０％以下、
Ｃｕ：０〜０．５０％、
Ｎｉ：０〜１．００％、
Ｎｂ：０〜０．１００％、及び、
残部：Ｆｅ及び不純物、
からなり、式（１）及び式（２）を満たす化学組成を有し、
前記下部材における前記スチールピストンの軸方向に平行な断面において、
Ｍｎを１０．０質量％以上含有し、Ｓを１０．０質量％以上含有するＭｎ硫化物が１００．０個／ｍｍ2以下であり、
前記Ｍｎ硫化物のうち、円相当径が３．０μｍ以上の粗大Ｍｎ硫化物が１．０〜１０．０個／ｍｍ2であり、
酸素を１０．０質量％以上含有する酸化物が１５．０個／ｍｍ2以下である。
０．４２≦Ｍｏ＋３Ｖ≦１．５０ （１）
Ｖ／Ｍｏ≧０．５０ （２）
ここで、式（１）及び式（２）中の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
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。
［スチールピストンの構成］
図２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。
図２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、少なくともクラウン部１３のトップランド１６を含む。
下部材１１は、上部材１０の下方に配置されており、上部材１０に固定されている。図２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と摩擦接合又はレーザー接合されている。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。
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。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、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。
図２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にはたと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２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２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。
図２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、ピストンリングを配置することができる。
図２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、上部材１０のトップランド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、ピストンのうち、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。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２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。
［上部材１０の化学組成］
高温使用環境用途のスチールピストン１の上部材１０の化学組成は、次の元素を含有する。
Ｃ：０．１５〜０．３０％
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０．３０％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、スチールピストンの製造時において、鋼材の被削性が低下し、さらに、鋼材の靱性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．１５〜０．３０％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０．２９％であり、さらに好ましくは０．２８％であり、さらに好ましくは０．２７％であり、さらに好ましくは０．２６％であり、さらに好ましくは０．２５％である。
Ｓｉ：０．０２〜１．００％
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０．０２％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、スチールピストンの製造時において、鋼材の被削性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．０２〜１．００％である。Ｓｉ含有量の好ましい下限は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０．２０％であり、さらに好ましくは０．２５％である。Ｓｉ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０．７８％である。
Ｍｎ：０．２０〜０．８０％
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０．２０％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０．８０％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０．２０〜０．８０％である。Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．２１％であり、さらに好ましくは０．２２％であり、さらに好ましくは０．２５％であり、さらに好ましくは０．３０％であり、さらに好ましくは０．３５％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は０．７９％であり、さらに好ましくは０．７８％であり、さらに好ましくは０．７７％であり、さらに好ましくは０．７６％であり、さらに好ましくは０．７５％である。
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を低下する。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。
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、高温強度及び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。上記効果をより有効に得るための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。
Ｃｒ：０．８０〜１．５０％
クロム（Ｃｒ）は、鋼材の強度を高める。Ｃｒ含有量が０．８０％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１．５０％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、Ｃｒ炭化物が生成して、高温での疲労強度が低下する。Ｃｒ含有量が１．５０％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０．８０〜１．５０％である。Ｃｒ含有量の好ましい下限は０．８２％であり、さらに好ましくは０．８４％であり、さらに好ましくは０．９０％であり、さらに好ましくは０．９５％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は１．４５％であり、さらに好ましくは１．４２％であり、さらに好ましくは１．４０％であり、さらに好ましくは１．３８％であり、さらに好ましくは１．３６％である。
Ｍｏ：０．０８〜０．４０％
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強度及び高温疲労強度を高く維持することができる。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０．４０％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０．０８〜０．４０％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０．３９％であり、さらに好ましくは０．３８％であり、さらに好ましくは０．３６％であり、さらに好ましくは０．３４％であり、さらに好ましくは０．３２％である。
Ｖ：０．１０〜０．４０％
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強度及び疲労強度を高く維持することができる。Ｖ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、この効果が十分に得られない。一方、Ｖ含有量が０．４０％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０．１０〜０．４０％である。Ｖ含有量の好ましい下限は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％であり、さらに好ましくは０．１４％である。Ｖ含有量の好ましい上限は０．３９％であり、さらに好ましくは０．３８％であり、さらに好ましくは０．３７％であり、さらに好ましくは０．３６％であり、さらに好ましくは０．３５％である。
Ａｌ：０．００５〜０．０６０％
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０．０６０％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領域を含むスチールピストンの高温強度及び疲労強度が低下する。したがって、Ａｌ含有量は０．００５〜０．０６０％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０．０５８％であり、さらに好ましくは０．０５６％であり、さらに好ましくは０．０５２％であり、さらに好ましくは０．０５０％であり、さらに好ましくは０．０４８％であり、さらに好ましくは０．０４５％である。
Ｎ：０．０１５０％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０．０１５０％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０．０１５０％以下である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．０１４０％であり、さらに好ましくは０．０１３０％であり、さらに好ましくは０．０１２５％であり、さらに好ましくは０．０１２０％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０．００１０％であり、さらに好ましくは０．００１５％である。
Ｏ：０．００３０％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０．００３０％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領域を含むスチールピストンの高温強度及び疲労強度が低下する。そのため、Ｏ含有量は０．００３０％以下である。Ｏ含有量の好ましい上限は０．００２８％であり、さらに好ましくは０．００２６％であり、さらに好ましくは０．００２２％であり、さらに好ましくは０．００２０％であり、さらに好ましくは０．００１８％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０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％である。
残部：Ｆｅ及び不純物
本実施形態による高温使用環境用途のスチールピストンの上部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、上記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、意図的に鋼に含有させたものではない成分を意味する。
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種だけであってもよいし、２種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、たとえば、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、たとえば、次の含有量となる場合があり得る。
Ｃａ：０〜０．０００５％、Ｂ：０〜０．０００５％、Ｓｂ：０〜０．０００５％、Ｓｎ：０〜０．０００５％、Ｗ：０〜０．０００５％、Ｃｏ：０〜０．０００５％、Ａｓ：０〜０．０００５％、Ｐｂ：０〜０．０００５％、Ｂｉ：０〜０．０００５％、Ｈ：０〜０．０００５％。
［任意元素について］
本実施形態のスチールピストンの上部材の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｃｕ：０〜０．５０％、Ｎｉ：０〜１．００％、及び、Ｎｂ：０〜０．１００％からなる群から選択される１元素又は２元素以上を含有してもよい。
Ｃｕ：０〜０．５０％
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％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％超であれば、これらの効果がある程度得られる。一方、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、０〜０．５０％である。上記効果をより有効に高めるための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。
Ｎｉ：０〜１．００％
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％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％超であれば、これらの効果がある程度得られる。一方、Ｎｉ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、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０〜１．００％である。上記効果をより有効に得るための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。
Ｎｂ：０〜０．１００％
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％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％超であれば、これらの効果がある程度得られる。一方、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、スチールピストン製造時の鋼材の被削性が低下する。したがって、Ｎｂ含有量は０〜０．１００％である。上記効果をより有効に得るためのＮｂ含有量の好ましい下限は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。
［式（１）及び式（２）について］
本実施形態の高温使用環境用途のスチールピストンの上部材の化学組成はさらに、式（１）及び式（２）を満たす。
０．４２≦Ｍｏ＋３Ｖ≦１．５０ （１）
Ｖ／Ｍｏ≧０．５０ （２）
ここで、式（１）及び式（２）中の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
［式（１）について］
Ｆ１＝Ｍｏ＋３Ｖと定義する。Ｆ１はＭｏ及びＶの時効析出による高温強度の強化能を示す指標である。
Ｆ１が０．４２未満であれば、Ｍｏ及び／又はＶを含有する炭化物（Ｍｏ炭化物、Ｖ炭化物、及び、Ｍｏ及びＶを含有する複合炭化物）が十分に時効析出しない。そのため、所望の鋼材の高温強度及び高温疲労強度が得られない。一方、Ｆ１が１．５０を超えれば、その効果が飽和するとともに、鋼材の靱性が低下する。Ｆ１が０．４２〜１．５０であれば、つまり、Ｆ１が式（１）を満たせば、式（２）を満たすことを前提として、Ｍｏ及び／又はＶを含有する炭化物が十分に析出して、鋼材の高温強度及び高温疲労強度が高まる。さらに、鋼材の靱性が高まる。Ｆ１の好ましい下限は０．４５であり、さらに好ましくは０．４７であり、さらに好ましくは０．５０であり、さらに好ましくは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０．６２である。Ｆ１の好ましい上限は１．４８であり、さらに好ましくは１．４６であり、さらに好ましくは１．４２でり、１．４０であり、さらに好ましくは１．３６であり、さらに好ましくは１．３４であり、さらに好ましくは１．３０である。
［式（２）について］
上述のとおり、本実施形態の高温使用環境用途のスチールピストンの上部材では、５００〜６００℃での温度域において、Ｍｏ及びＶを含有する微細な複合炭化物を多数時効析出させる。これにより、鋼材がＭｏを含有してＶを含有しない場合、又は、鋼材がＶを含有してＭｏを含有しない場合と比較して、スチールピストンの上部材は、微細な時効析出物をより多く析出させることができる。その結果、スチールピストンの上部材の高温強度及び高温疲労強度が高まる。
Ｆ２＝Ｖ／Ｍｏと定義する。Ｆ２は、Ｍｏ及びＶの複合炭化物の析出のしやすさを示す指標である。Ｆ２が０．５０未満の場合、Ｍｏ及びＶを含有する複合炭化物が十分に析出しない。そのため、Ｆ１が式（１）を満たしていても、十分な高温強度が得られない。Ｆ１が式（１）を満たし、かつ、Ｆ２が式（２）を満たせば、５００〜６００℃の高温域における強度の低下を抑制でき、優れた高温強度及び高温疲労強度が得られる。Ｆ２の好ましい下限は０．５２であり、さらに好ましくは０．５５であり、さらに好ましくは０．５７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。
［スチールピストンの上部材中の介在物（Ｍｎ硫化物及び酸化物）について］
本実施形態のスチールピストンの上部材ではさらに、上部材の中心軸（つまり、スチールピストンの中心軸）と平行な断面において、鋼中のＭｎ硫化物及び酸化物が次の条件を満たす。
（Ａ）Ｍｎを１０．０質量％以上含有し、Ｓを１０．０質量％以上含有するＭｎ硫化物が１００．０個／ｍｍ2以下である。
（Ｂ）Ｍｎ硫化物のうち、円相当径が３．０μｍ以上の粗大Ｍｎ硫化物が１．０〜１０．０個／ｍｍ2である。
（Ｃ）酸素を１０．０質量％以上含有する酸化物が１５．０個／ｍｍ2以下である。
ここで、本明細書において、Ｍｎ硫化物及び酸化物は次のとおり定義される。
Ｍｎ硫化物：１０．０質量％以上のＳと、１０．０質量％以上のＭｎとを含有する介在物
酸化物：１０．０質量％以上のＯを含有する介在物
なお、１０．０質量％以上のＭｎと、１０．０質量％以上のＳと、１０．０質量％以上のＯ（酸素）を含有する介在物は、本明細書では、「酸化物」とする。つまり、本明細書において、Ｍｎ硫化物は、１０．０質量％以上のＭｎと、１０．０質量％以上のＳとを含有し、Ｏ含有量が１０．０％未満である介在物を意味する。
［Ｍｎ硫化物及び酸化物の個数について（上記（Ａ）及び（Ｃ））］
本実施形態のスチールピストンの上部材では、上記（Ａ）のとおり、Ｍｎ硫化物が１００．０個／ｍｍ2以下である。さらに、上記（Ｃ）のとおり、酸化物が１５．０個／ｍｍ2以下である。
本実施形態のスチールピストンの上部材では、上記（Ａ）及び（Ｃ）に示すとおり、上部材中の介在物の大部分を占めるＭｎ硫化物及び酸化物の個数をなるべく少なくする。上述のとおり、スチールピストンは摩擦接合又はレーザー接合により成形される場合がある。この場合、スチールピストンの上部材にはＨＡＺが存在する。ＨＡＺは他の領域と比較して疲労強度が低くなる場合がある。ＨＡＺの疲労強度を確保するために、介在物であるＭｎ硫化物及び酸化物の個数を低減する。
［粗大Ｍｎ硫化物個数について（上記（Ｂ））］
本実施形態ではさらに、上記（Ｂ）のとおり、Ｍｎ硫化物のうち、円相当径が３．０μｍ以上の粗大Ｍｎ硫化物が１．０〜１０．０個／ｍｍ2である。
上述のとおり、ＨＡＺの疲労強度を確保するために、介在物を低減する。しかしながら、スチールピストンの上部材に用いる鋼材では、製造工程中において、被削性も必要である。Ｍｎ硫化物は、鋼材の被削性を高める。しかしながら、ある程度のサイズのＭｎ硫化物でなければ、被削性に寄与しない。そこで、本実施形態では、（Ａ）及び（Ｃ）を満たすことを前提として、上記（Ｂ）に示すとおり、円相当径が３．０μｍ以上の粗大Ｍｎ硫化物の個数を１．０〜１０．０個／ｍｍ2とする。円相当径とは、スチールピストン用鋼材の軸方向（長手方向）に平行な断面における硫化物の面積を、同じ面積を有する円に換算した場合の直径を意味する。この場合、（Ｂ）により、スチールピストン用鋼材の被削性に必要な粗大Ｍｎ硫化物の個数を確保しつつ、（Ａ）及び（Ｃ）により鋼中の介在物の総数をなるべく低く抑えて、スチールピストンのＨＡＺの疲労強度を確保する。
Ｍｎ硫化物の個数の好ましい上限は９０．０個／ｍｍ2であり、さらに好ましくは８５．０個／ｍｍ2であり、さらに好ましくは８２．０個／ｍｍ2であり、さらに好ましくは８０．０個／ｍｍ2であり、さらに好ましくは７８．０個／ｍｍ2である。
粗大Ｍｎ硫化物の個数の好ましい下限は１．５個／ｍｍ2であり、さらに好ましくは２．０個／ｍｍ2であり、さらに好ましくは２．５個／ｍｍ2であり、さらに好ましくは３．０個／ｍｍ2である。粗大Ｍｎ硫化物の個数の好ましい上限は９．０個／ｍｍ2であり、さらに好ましくは８．５個／ｍｍ2であり、さらに好ましくは８．０個／ｍｍ2であり、さらに好ましくは７．５個／ｍｍ2である。
酸化物の個数の好ましい上限は１３．０個／ｍｍ2であり、さらに好ましくは１０．０個／ｍｍ2であり、さらに好ましくは９．０個／ｍｍ2であり、さらに好ましくは８．０個／ｍｍ2である。
［Ｍｎ硫化物及び酸化物の測定方法］
鋼中のＭｎ硫化物の平均アスペクト比、アスペクト比が３．０以上のＭｎ硫化物の個数、及び、酸化物の個数については、次の方法で測定できる。
スチールピストンの上部材から、サンプルを採取する。図３に示すとおり、上部材１０の中心軸線Ｃ１（つまり、スチールピストンの中心軸）から径方向にＲ／２位置（Ｒは上部材の半径）から、サンプルを採取する。サンプルの観察面のサイズはＬ１×Ｌ２であってＬ１を１０ｍｍとし、Ｌ２を５ｍｍとする。さらに、観察面と垂直の方向であるサンプル厚さＬ３を５ｍｍとする。観察面の法線Ｎは、中心軸線Ｃ１に垂直とし、Ｒ／２位置は、観察面の中央位置に相当する。つまり、観察面は、スチールピストンの軸方向に平行である。
採取されたサンプルの観察面に対して、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて１０００倍の倍率でランダムに２０視野（１視野あたりの評価面積１００μｍ×１００μｍ）を観察する。
各視野のうち、介在物を特定する。特定した各介在物に対して、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）を用いた点分析を実施して、Ｍｎ硫化物及び酸化物を特定する。具体的には、特定された介在物の元素分析結果において、Ｍｎ含有量が１０．０質量％以上であり、Ｓ含有量が１０．０％質量以上である場合、その介在物をＭｎ硫化物と定義する。また、特定された介在物の元素分析結果において、Ｏ含有量が１０．０％質量以上である場合、その介在物を酸化物と定義する。なお、１０．０質量％以上のＭｎと、１０．０質量％以上のＳと、１０．０質量％以上のＯとを含有する介在物は、酸化物と定義する。
上記特定の対象とする介在物は、円相当径が０．５μｍ以上の介在物とする。ここで、円相当径とは、各介在物の面積を、同じ面積を有する円に換算した場合の円の直径を意味する。
円相当径がＥＤＸのビーム径の２倍以上の介在物であれば、元素分析の精度が高まる。本実施形態において、介在物の特定に使用するＥＤＸのビーム径は０．２μｍとする。この場合、円相当径が０．５μｍ未満の介在物は、ＥＤＸでの元素分析の精度を高めることができない。円相当径が０．５μｍ未満の介在物はさらに、強度への影響が極めて小さい。したがって、本実施形態において、円相当径が０．５μｍ以上のＭｎ硫化物及び酸化物を、測定対象とする。なお、介在物の円相当径の上限は特に限定されないが、たとえば、１００μｍである。
各視野で特定されたＭｎ硫化物の総個数と、２０視野の総面積とに基づいて、Ｍｎ硫化物の単位面積当たりの個数（個／ｍｍ2）を求める。また、各視野で特定されたＭｎ硫化物のうち、円相当径が３．０μｍ以上の粗大Ｍｎ硫化物の総個数を求め、２０視野の総面積に基づいて、粗大Ｍｎ硫化物の単位面積当たりの個数（個／ｍｍ2）を求める。また、各視野で特定された酸化物の総個数と、２０視野の総面積とに基づいて、酸化物の単位面積当たりの個数（個／ｍｍ2）を求める。
［下部材１１について］
下部材１１を構成する鋼材は、上述の上部材１０の鋼材と同じであってもよい。つまり、下部材１１の化学組成は、上部材１０の化学組成と同じであってもよい。また、下部材１１を構成する鋼材は、上部材１０の鋼材と異なっていてもよい。この場合、下部材１１の化学組成は、上部材１０の化学組成と異なっていてもよい。下部材１１は、鋼材とは異なる合金材であってもよい。好ましくは、下部材１１は鋼材からなる。下部材１１を構成する鋼材は周知の鋼材で足りる。上述のとおり、エンジン動作中において、最も高い温度に曝されるには上部材のトップランド１６である。エンジン動作中における下部材１１の温度は３００℃以下である。そのため、下部材１１を構成する鋼材は、アルミニウムよりも融点の高い周知の鋼材で足りる。
なお、下部材１１は、上部材１０と同様の構成を有してもよい。つまり、下部材１１は、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３０％、Ｓｉ：０．０２〜１．００％、Ｍｎ：０．２０〜０．８０％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０２８％以下、Ｃｒ：０．８０〜１．５０％、Ｍｏ：０．０８〜０．４０％、Ｖ：０．１０〜０．４０％、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．０１５０％以下、Ｏ：０．００３０％以下、Ｃｕ：０〜０．５０％、Ｎｉ：０〜１．００％、Ｎｂ：０〜０．１００％、及び、残部：Ｆｅ及び不純物、からなり、式（１）及び式（２）を満たす化学組成を有し、下部材におけるスチールピストンの軸方向に平行な断面において、Ｍｎを１０．０質量％以上含有し、Ｓを１０．０質量％以上含有するＭｎ硫化物が１００．０個／ｍｍ2以下であり、Ｍｎ硫化物のうち、円相当径が３．０μｍ以上の粗大Ｍｎ硫化物が１．０〜１０．０個／ｍｍ2であり、酸素を１０．０質量％以上含有する酸化物が１５．０個／ｍｍ2以下であってもよい。
［製造方法］
本実施形態によるスチールピストンの上部材を構成する鋼材の製造方法の一例を説明する。本実施形態では、スチールピストンの上部材に用いられる鋼材（スチールピストン用鋼材）の一例として、棒鋼の製造方法を説明する。しかしながら、本実施形態のスチールピストン用鋼材は、棒鋼に限定されない。本実施形態のスチールピストン用鋼材はたとえば、鋼管であってもよい。
スチールピストン用鋼材の製造方法の一例は、溶鋼を精錬し、鋳造して素材（鋳片又はインゴット）を製造する製鋼工程と、素材を熱間加工して上記鋼材（スチールピストン用鋼材）を製造する熱間加工工程とを備える。以下、それぞれの工程について説明する。
［製鋼工程］
製鋼工程は、精錬工程と鋳造工程とを含む。
［精錬工程］
精錬工程では初めに、周知の方法で製造された溶銑に対して転炉での精錬（一次精錬）を実施する。転炉から出鋼した溶鋼に対して、二次精錬を実施する。二次精錬において、成分調整の合金元素の添加を実施して、上記化学組成を満たす溶鋼を製造する。
具体的には、転炉から出鋼した溶鋼に対してＡｌを添加して脱酸処理を実施する。脱酸処理後、除滓処理を実施する。除滓処理後、二次精錬を実施する。二次精錬では、複合精錬を実施する。初めに、ＬＦ（Ｌａｄｌｅ Ｆｕｒｎａｃｅ）を用いた二次精錬を実施する。さらに、ＲＨ（Ｒｕｈｒｓｔａｈｌ−Ｈａｕｓｅｎ）真空脱ガス処理を実施する。その後、他の合金成分の最終調整を行う。
ここで、ＬＦにおけるスラグの塩基度（＝スラグ中のＣａＯ／スラグ中のＳｉＯ2（質量比））を次の範囲で調整する。
スラグ塩基度：２．５〜４．５
本実施形態では、上記（Ａ）〜（Ｃ）の介在物規定を満たすために、ＬＦにおけるスラグの塩基度を２．５〜４．５に調整する。スラグ塩基度が２．５〜４．５の場合、スラグ中のＣａが溶鋼に固溶してＭｎ硫化物及び酸化物を形成する。溶鋼に固溶したこのわずかなＣａにより、Ｍｎ硫化物及び酸化物の粗大化が抑制され、かつ、これらの介在物（Ｍｎ硫化物及び酸化物）の個数も抑制される。さらに、粗大Ｍｎ硫化物個数も上記（Ｂ）を満たす。
ＬＦ中のスラグ塩基度が２．５未満である場合、Ｍｎ硫化物が１００．０個／ｍｍ2を超える、及び／又は、酸化物が１５．０個／ｍｍ2を超える。又は、粗大Ｍｎ硫化物の個数が１０．０個／ｍｍ2を超える。
一方、ＬＦ中のスラグ塩基度が４．５を超える場合、粗大なＭｎ硫化物の生成が抑制されるため、粗大Ｍｎ硫化物の個数が１．０個／ｍｍ2未満となる。
ＬＦ中のスラグ塩基度の好ましい下限は２．６であり、さらに好ましくは２．７である。ＬＦ中のスラグ塩基度の好ましい上限は４．４であり、さらに好ましくは４．３である。
なお、ＬＦ中の溶鋼温度はたとえば、１５００〜１６００℃である。上記二次精錬を実施した後、周知の方法により、溶鋼の成分調整を行う。
［鋳造工程］
鋳造工程では、上記精錬工程により製造された溶鋼を用いて、素材（鋳片又はインゴット）を製造する。具体的には、溶鋼を用いて連続鋳造法により鋳片を製造する。又は、溶鋼を用いて造塊法によりインゴットを製造してもよい。
［熱間加工工程］
熱間加工工程では、製造された素材を熱間加工して、スチールピストン用鋼材を製造する。熱間加工工程では通常、１又は複数回の熱間加工を実施する。複数回熱間加工を実施する場合、最初の熱間加工（粗加工工程）はたとえば、分塊圧延又は熱間鍛造であり、次の熱間加工（仕上げ加工工程）はたとえば、連続圧延機を用いた仕上げ圧延である。連続圧延機では、一対の水平ロールを有する水平スタンドと、一対の垂直ロールを有する垂直スタンドとが交互に一列に配列される。
熱間加工工程が、粗加工工程及び仕上げ加工工程を含む場合、粗加工工程時における素材の加熱温度は１０００〜１３００℃とする。また、仕上げ加工工程において連続圧延機を使用する場合、素材を圧下する最終のスタンドの出側での素材の温度を仕上げ圧延温度と定義する。この場合、仕上げ圧延温度を８５０〜１１００℃とする。仕上げ加工工程後の鋼材を、室温になるまで冷却する。冷却方法は特に限定されない。冷却方法はたとえば、放冷である。
なお、本実施形態のスチールピストン用鋼材のミクロ組織は特に限定されない。本実施形態のスチールピストン用鋼材は、後述のスチールピストンの製造方法において、熱間鍛造前にＡc3変態点以上に加熱される。そのため、本実施形態のスチールピストン用鋼材のミクロ組織は特に限定されない。たとえば、スチールピストン用鋼材の軸方向（長手方向）に垂直な断面のＲ／２位置において、フェライト及びパーライトの総面積率が８０％以上であり、残部はベイナイト又はマルテンサイトである。しかしながら、本実施形態のスチールピストン用鋼材のミクロ組織は上述のミクロ組織に特に限定されない。
以上の工程により、本実施形態の高温使用環境用途のピストンの上部材に用いられるスチールピストン用鋼材を製造できる。なお、上述のとおり、上述のスチールピストン用鋼材を用いて、下部材を製造してもよい。
［高温使用環境用途のスチールピストンの製造方法］
上述の本実施形態の鋼材を用いたスチールピストンの製造方法の一例について説明する。
本実施形態のスチールピストンの製造方法はたとえば、次の２通りのパターンがある。
パターン１：熱間鍛造工程→調質処理工程→接合工程→機械加工工程
パターン２：熱間鍛造工程→接合工程→調質処理工程→機械加工工程
パターン１では、スチールピストンを次のとおり製造する。初めに、上記スチールピストン用鋼材に対して熱間鍛造を実施して、中間品である上部材（中間上部材）を製造する。また、上記スチールピストン用鋼材、又は、上記スチールピストン用鋼材と異なる化学組成を有する他の鋼材、又は、鋼材以外の合金に対して熱間鍛造を実施して、中間品である下部材（中間下部材）を製造する（熱間鍛造工程）。以降の説明では、鋼材を用いて下部材を製造した例を説明するが、下部材を鋼材以外の合金を用いて製造した場合も、同じ製造方法で製造可能である。
なお、最も好ましくは、下部材と上部材とが、スチールピストン用鋼材で製造される。この場合、下部材用のスチールピストン用鋼材は、上部材用スチールピストン用鋼材と完全に同一でなくてもよい。下部材用のスチールピストン用鋼材が、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３０％、Ｓｉ：０．０２〜１．００％、Ｍｎ：０．２０〜０．８０％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０２８％以下、Ｃｒ：０．８０〜１．５０％、Ｍｏ：０．０８〜０．４０％、Ｖ：０．１０〜０．４０％、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．０１５０％以下、Ｏ：０．００３０％以下、Ｃｕ：０〜０．５０％、Ｎｉ：０〜１．００％、Ｎｂ：０〜０．１００％、及び、残部：Ｆｅ及び不純物、からなり、式（１）及び式（２）を満たす化学組成を有し、下部材におけるスチールピストンの軸方向に平行な断面において、Ｍｎを１０．０質量％以上含有し、Ｓを１０．０質量％以上含有するＭｎ硫化物が１００．０個／ｍｍ2以下であり、Ｍｎ硫化物のうち、円相当径が３．０μｍ以上の粗大Ｍｎ硫化物が１．０〜１０．０個／ｍｍ2であり、酸素を１０．０質量％以上含有する酸化物が１５．０個／ｍｍ2以下であれば、各元素含有量や介在物の個数が上部材と完全に一致していなくてもよい。
中間上部材及び中間下部材の熱間鍛造時の鋼材の加熱温度はたとえば、１１００〜１２５０℃である。ここで、加熱温度は加熱炉の炉温を意味する。
製造された中間上部材及び中間下部材に対して、調質処理（焼入れ及び焼戻し）を実施する（調質処理工程）。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。急冷はたとえば、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。
調質処理工程後の中間上部材及び中間下部材を摩擦接合又はレーザー接合により接合して、接合品を製造する（接合工程）。具体的には、中間上部材の中心軸と、中間下部材の中心軸とは一致する。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、摩擦接合又はレーザー接合を実施する。
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、周知の摩擦接合を実施する場合、たとえば、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１００〜３００ＭＰａとする。アップセット時間を２〜２０秒とする。ただし、摩擦接合条件はこれに限定されない。
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（機械加工工程）。
パターン２では、スチールピストンを次のとおり製造する。鋼材に対して熱間鍛造を実施して、中間品である中間上部材及び中間下部材を製造する（熱間鍛造工程）。熱間鍛造工程の条件はパターン１と同じである。中間上部材及び中間下部材を摩擦接合又はレーザー接合して接合品を製造する（接合工程）。接合工程の条件はパターン１と同じである。接合品に対して調質処理（焼入れ及び焼戻し）を実施する（調質処理工程）。焼入れ処理及び焼戻し処理の条件は、パターン１と同じである。調質処理後の接合品に対して、切削等の機械加工を実施して、最終製品であるピストンを製造する。
［スチールピストンの上部材１０のミクロ組織］
スチールピストンの上部材１０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、浸炭窒化軸受部品用鋼材の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たとえば、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。
［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。
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（μｍ2）、及び、パーライトの総面積（μｍ2）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２位を四捨五入して得られた値である。
なお、下部材１１を上部材１０と同様の上述のスチールピストン用鋼材を用いて製造する場合、下部材１１のミクロ組織も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、浸炭窒化軸受部品用鋼材の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たとえば、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。
表１の化学組成を有する溶鋼を製造した。
Figure 0006918229
表１中の「−」は、対応する元素含有量が検出限界未満であったことを意味する。また、「Ｆ１」欄にはＦ１値が記載されており、「Ｆ２」欄にはＦ２値が記載されている。各試験番号の化学組成の溶鋼に対して、周知の方法で転炉での一次精錬を実施した。さらに、転炉から出鋼した溶鋼に対してＡｌを添加して周知の脱酸処理を実施した。さらに、脱酸処理後、周知の除滓処理を実施した。除滓処理後、二次精錬を実施した。初めに、ＬＦを用いた二次精錬を実施した。その後、周知のＲＨ真空脱ガス処理を実施した。ＲＨ処理後、他の合金成分の最終調整を行った。なお、各試験番号の溶鋼では、ＬＦ中のスラグの塩基度を、表２に示すとおりとした。なお、ＬＦ中の溶鋼温度は１５００〜１６００℃であった。
Figure 0006918229
二次精錬後の溶鋼を用いて、連続鋳造法により鋳片を製造した。製造された鋳片に対して、分塊圧延を実施して、ビレットを製造した。各試験番号の鋳片の、分塊圧延前の加熱温度は、１０００〜１２００℃であった。さらに、分塊圧延後のビレットに対して、連続圧延機を用いた仕上げ圧延を実施した。各試験番号の仕上げ圧延温度は８５０〜１１００℃であった。以上の工程により、直径４０ｍｍの棒鋼である、高温使用環境用途のスチールピストンの上部材、又は上部材及び下部材に用いられる鋼材を製造した。
［評価試験］
製造された各試験番号の鋼材（棒鋼）を用いて、次の評価試験を実施した。
［介在物及びミクロ組織観察用試験片の作製］
各試験番号の鋼材に対して、スチールピストンの部材（上部材又は下部材）を想定した疑似スチールピストン部材の製造を実施して、試験片を作製した。具体的には、各試験番号の直径４０ｍｍの棒鋼を１２００℃の加熱温度で３０分加熱した。加熱後の棒鋼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。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。上述の調質処理（焼入れ処理及び焼戻し処理）後の丸棒（中間上部材の模擬材）に対して機械加工を実施して、直径２０ｍｍ、長さ４０ｍｍの試験片を作製した。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。
［Ｍｎ硫化物及び酸化物の測定試験］
各試験番号の上述の試験片のＭｎ硫化物の個数（個／ｍｍ2）、円相当径が３．０μｍ以上の粗大Ｍｎ硫化物の個数（個／ｍｍ2）、及び、酸化物の個数（個／ｍｍ2）を、次の方法により測定した。
各試験番号の試験片から、サンプルを採取した。図３に示すとおり、棒鋼の中心軸線Ｃ１から径方向にＲ／２位置（Ｒは試験片の半径）から、サンプルを採取した。サンプルの観察面のサイズはＬ１×Ｌ２であってＬ１を１０ｍｍとし、Ｌ２を５ｍｍとした。さらに、観察面と垂直の方向であるサンプル厚さＬ３を５ｍｍとした。観察面の法線Ｎは、中心軸線Ｃ１に垂直とし、Ｒ／２位置は、観察面の中央位置に相当した。
採取されたサンプルの観察面において、ＳＥＭを用いて１０００倍の倍率でランダムに２０視野（１視野あたりの評価面積１００μｍ×１００μｍ）を観察した。各視野において、介在物を特定した。特定した各介在物に対して、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）を用いた点分析を実施して、Ｍｎ硫化物及び酸化物を特定した。具体的には、特定された介在物の元素分析結果において、Ｍｎ含有量が１０．０質量％以上であり、Ｓ含有量が１０．０％質量以上である場合、その介在物をＭｎ硫化物と定義した。また、特定された介在物の元素分析結果において、Ｏ含有量が１０．０％質量以上である場合、その介在物を酸化物と定義した。なお、１０．０質量％以上のＭｎと、１０．０質量％以上のＳと、１０．０質量％以上のＯとを含有する介在物は、酸化物と定義した。
特定の対象とする介在物は、円相当径が０．５μｍ以上の介在物とした。また、介在物の特定に使用するＥＤＸのビーム径は０．２μｍとした。２０視野で特定されたＭｎ硫化物の総個数と、２０視野の総面積とに基づいて、Ｍｎ硫化物の単位面積当たりの個数（個／ｍｍ2）を求めた。２０視野で特定されたＭｎ硫化物のうち、円相当径が３．０μｍ以上の粗大Ｍｎ硫化物の総個数を求めた。そして、粗大Ｍｎ硫化物の総個数と、２０視野の総面積とに基づいて、粗大Ｍｎ硫化物の単位面積当たりの個数（個／ｍｍ2）を求めた。また、２０視野で特定された酸化物の総個数と、２０視野の総面積とに基づいて、酸化物の単位面積当たりの個数（個／ｍｍ2）を求めた。得られたＭｎ硫化物の単位面積当たりの個数（個／ｍｍ2）、粗大Ｍｎ硫化物の単位面積当たりの個数（個／ｍｍ2）、及び、酸化物の単位面積当たりの個数（個／ｍｍ2）を表２に示す。
［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（スチールピストンの上部材又は下部材を模擬）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（％）は、次の方法で測定した。試験片のＲ／２位置からサンプルを採取した。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した。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した。各視野のサイズは、１００μｍ×１００μｍとした。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、各相を特定した。特定された相のうち、各視野でのフェライトの総面積（μｍ2）、及び、パーライトの総面積（μｍ2）を求めた。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（％）と定義した。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（％）を次の方法で求めた。
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
なお、フェライト及びパーライトの総面積率（％）は、小数第２位を四捨五入して得られた値とした。得られたベイナイト面積率が７０．０％以上である場合、試験片のミクロ組織が主としてベイナイトからなる組織であると認定した。表２中の「ミクロ組織」欄の「Ｂ」は、ベイナイト面積率が７０．０％以上であったことを示す。
［被削性試験］
各試験番号の鋼材に対して、次の方法により切削試験を実施して、被削性を評価した。
初めに、各試験番号の鋼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、切削試験片（上部材又は下部材に相当）を作製した。具体的には、各試験番号の直径４０ｍｍの棒鋼を１２００℃の加熱温度で３０分加熱した。加熱後の棒鋼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。
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。
上述の調質処理（焼入れ処理及び焼戻し処理）後の丸棒（中間上部材の模擬材）に対して機械加工を実施して、直径２０ｍｍ、長さ４０ｍｍの切削試験片を作製した。切削試験片の中心軸は、調質処理後の丸棒の中心軸と略一致した。
作製された切削試験片を用いて、次の条件で、切削試験を実施した。チップについては、母材材質が超硬Ｐ２０種グレードであり、コーティングしていないものを使用した。切削条件は次のとおりであった。
周速：２００ｍ／分
送り：０．３０ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５ｍｍ、水溶性切削油を使用
切削時間１０分経過後のチップの逃げ面の主切刃の摩耗量として、平均逃げ面摩耗幅ＶＢ（μｍ）を測定した。試験番号２４でのチップの平均逃げ面摩耗幅ＶＢを基準値とした。各試験番号のチップの平均逃げ面摩耗幅ＶＢが、基準値に対して１００％以下であれば、優れた被削性が得られたと判断した。なお、試験番号２４の鋼材の材質は、ＩＳＯ規格の４２ＣｒＭｏ４に相当し、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（２００９）に準拠したビッカース硬さＨｖ（試験力：９．８Ｎ）は３００であった。
［高温疲労強度試験］
各試験番号の鋼材に対して、高温小野式回転曲げ疲労試験を実施して、疲労強度を評価した。具体的には、初めに、各試験番号の鋼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、高温小野式回転曲げ疲労試験片（上部材又は下部材に相当）を作製した。
具体的には、各試験番号の直径４０ｍｍの棒鋼を１２００℃の加熱温度で３０分加熱した。加熱後の棒鋼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。
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。
調質処理後の丸棒の軸方向（長手方向）に対して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、調質処理後の丸棒の中心軸と略一致した。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。以上の工程により、スチールピストンの上部材を模擬した試験片（高温小野式回転曲げ疲労試験片）を作製した。
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５００℃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５００℃に到達した後、試験片を５００℃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１×１０7回とした。最大繰り返し数（１×１０7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２に示す。疲労強度が４２０ＭＰａ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。
［接合部高温疲労強度試験］
各試験番号において、摩擦接合した丸棒接合部の高温疲労強度を、次の方法により評価した。
初めに、各試験番号の鋼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（上部材及び下部材に相当）を作製した。具体的には、各試験番号の直径４０ｍｍの棒鋼を１２００℃の加熱温度で３０分加熱した。加熱後の棒鋼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。
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。
調質処理後の丸棒の軸方向（長手方向）に対して、機械加工を実施して、直径２０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの丸棒粗試験片を各試験番号ごとに２つ（中間上部材の模擬材、中間下部材の模擬材に相当）作製した。作製された２つの粗試験片の中心軸は、調質処理後の丸棒の中心軸と略一致した。２つの粗試験片の端部同士を突き合わせて、摩擦接合を実施して、接合丸棒試験片を作製した。摩擦接合において、摩擦圧力を１００ＭＰａとし、摩擦時間を５秒とした。アップセット圧力（接合部への粗試験片両端からの加圧力）を２００ＭＰａとし、アップセット時間を５秒とした。摩擦接合時の回転数を２０００ｒｐｍとし、寄り代を５〜１２ｍｍとした。
接合丸棒試験片の長手方向に垂直な断面の中央部から、機械加工（旋削加工）を実施して、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。軸方向における平行部の中央位置は接合位置に相当した。
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５００℃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５００℃に到達した後、試験片を５００℃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１×１０7回とした。最大繰り返し数（１×１０7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２に示す。疲労強度が３６０ＭＰａ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。
［靱性評価試験］
各試験番号において、調質処理後の鋼材の靱性を、次の方法により評価した。初めに、各試験番号の鋼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、シャルピー試験片を作製した。具体的には、各試験番号の直径４０ｍｍの棒鋼を１２００℃の加熱温度で３０分加熱した。加熱後の棒鋼に対して熱間鍛造を実施して、直径２０ｍｍ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。
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。
調質処理後の丸棒の長手方向に垂直な断面の中央位置から、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（２００９）に準拠した、シャルピー試験片を作製した。シャルピー試験片の長手方向に垂直な断面は、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形であり、長さは５５ｍｍであった。ノッチはＵノッチ形状でノッチ半径は１ｍｍとし、ノッチ深さは２ｍｍとした。シャルピー試験片の中心軸は、調質処理後の丸棒の中心軸に一致した。以上の工程によりスチールピストンの上部材を模擬した、シャルピー試験片を作製した。上記ＪＩＳ規格に準拠して、常温（２０±１５℃）にてシャルピー衝撃試験を実施して、衝撃値（Ｊ／ｃｍ2）を測定した。測定結果を表２に示す。衝撃値が７０Ｊ／ｃｍ2以上であれば、優れた靱性が得られたと判断した。
［試験結果］
表２に試験結果を示す。
表２を参照して、試験番号１〜９及び試験番号２５の化学組成は適切であり、Ｆ１は式（１）を満たし、Ｆ２は式（２）を満たした。さらに、二次精錬のＬＦでの塩基度が２．５〜４．５の範囲内であった。そのため、Ｍｎ硫化物が１００．０個／ｍｍ2以下であり、円相当径が３．０μｍ以上の粗大Ｍｎ硫化物が１．０〜１０．０個／ｍｍ2であり、酸化物が１５．０個／ｍｍ2以下であった。そのため、これらの試験番号の平均逃げ面摩耗幅ＶＢは、基準値（試験番号２４の平均逃げ面摩耗幅ＶＢ）に対して１００％以下であり、優れた被削性が得られた。また、高温疲労強度試験において、疲労強度が４２０ＭＰａ以上であった。つまり、スチールピストン部材（上部材又は下部材）において、優れた高温疲労強度が得られた。さらに、接合部高温疲労強度試験において、疲労強度が３６０ＭＰａ以上であった。つまり、ＨＡＺにおいても優れた高温疲労強度が得られた。さらに、靱性評価試験において、衝撃値が７０Ｊ／ｃｍ2以上であった。つまり、スチールピストン部材（上部材又は下部材）において優れた靱性が得られた。
一方、試験番号１０では、Ｃ含有量が低すぎた。そのため、高温疲労強度試験において、疲労強度が４２０ＭＰａ未満であり、接合部高温疲労強度試験において、疲労強度が３６０ＭＰａ未満であった。つまり、鋼材の高温疲労強度が低く、ＨＡＺの高温疲労強度も低かった。
試験番号１１では、Ｃ含有量が高すぎた。そのため、平均逃げ面摩耗幅ＶＢが、基準値に対して１００％を超え、被削性が低かった。さらに、靱性評価試験において、衝撃値が７０Ｊ／ｃｍ2未満であり、鋼材の靱性が低かった。
試験番号１２では、Ｍｏ含有量が低すぎた。そのため、高温疲労強度試験において、疲労強度が４２０ＭＰａ未満であった。
試験番号１３では、Ｍｏ含有量が高すぎた。そのため、靱性評価試験において、衝撃値が７０Ｊ／ｃｍ2未満であり、スチールピストン部材（上部材又は下部材）の靱性が低かった。
試験番号１４では、Ｖ含有量が低すぎた。そのため、高温疲労強度試験において、疲労強度が４２０ＭＰａ未満であった。
試験番号１５では、Ｖ含有量が高すぎた。そのため、靱性評価試験において、衝撃値が７０Ｊ／ｃｍ2未満であり、スチールピストン部材（上部材又は下部材）の靱性が低かった。
試験番号１６では、Ｆ１値が式（１）の下限未満であった。そのため、高温疲労強度試験において、疲労強度が４２０ＭＰａ未満であり、スチールピストン部材（上部材又は下部材）の高温疲労強度が低かった。Ｆ１値が式（１）の下限未満であったため、炭化物が十分に時効析出しなかったと考えられる。
試験番号１７では、Ｆ１値が式（１）の上限を超えた。そのため、靱性評価試験において、衝撃値が７０Ｊ／ｃｍ2未満であった。
試験番号１８及び１９では、Ｆ２が式（２）を満たさなかった。そのため、高温疲労強度試験において、疲労強度が４２０ＭＰａ未満であり、スチールピストン部材（上部材又は下部材）の高温疲労強度が低かった。Ｆ２値が式（２）を満たさなかったため、炭化物が十分に時効析出しなかったと考えられる。
試験番号２０では、二次精錬でのＬＦでの塩基度が低すぎた。そのため、Ｍｎ硫化物が１００．０個／ｍｍ2を超え、粗大Ｍｎ硫化物が１０．０個／ｍｍ2を超えた。そのため、高温疲労強度試験において、疲労強度が４２０ＭＰａ未満であり、接合部高温疲労強度試験において、疲労強度が３６０ＭＰａ未満であった。つまり、スチールピストン部材（上部材又は下部材）の高温疲労強度が低く、ＨＡＺの高温疲労強度も低かった。
試験番号２１では、二次精錬でのＬＦでの塩基度が低すぎた。そのため、Ｍｎ硫化物が１００．０個／ｍｍ2を超え、酸化物が１５．０個／ｍｍ2を超えた。そのため、高温疲労強度試験において、疲労強度が４２０ＭＰａ未満であり、接合部高温疲労強度試験において、疲労強度が３６０ＭＰａ未満であった。つまり、スチールピストン部材（上部材又は下部材）の高温疲労強度が低く、ＨＡＺの高温疲労強度も低かった。
試験番号２２及び２３では、二次精錬でのＬＦでの塩基度が高すぎた。そのため、粗大Ｍｎ硫化物が１．０個／ｍｍ2未満であった。そのため、そのため、平均逃げ面摩耗幅ＶＢが、基準値に対して１００％を超え、被削性が低かった。
表１の試験番号２をスチールピストンの上部材、試験番号２４、及び、表３に示す化学組成を有する試験番号２６及び２７をスチールピストンの下部材と仮定して、異なる鋼材での接合可否を調査した。
Figure 0006918229
試験番号２６の鋼材の化学組成は、ＪＩＳ規格におけるＳＣＭ４３５に相当する化学組成であった。試験番号２７の化学組成は、周知のＶ含有非調質鋼の化学組成であった。
試験番号２６及び２７を、次の方法で製造した。表３の化学組成の溶鋼に対して、周知の方法で転炉での一次精錬を実施した。さらに、転炉から出鋼した溶鋼に対して周知の脱酸処理を実施した。さらに、脱酸処理後、周知の除滓処理を実施した。除滓処理後、二次精錬を実施した。二次精錬後の溶鋼を用いて、連続鋳造法により鋳片を製造した。製造された鋳片に対して、分塊圧延を実施して、ビレットを製造した。各試験番号の鋳片の、分塊圧延開始前の表面温度は、１０００〜１２００℃であった。さらに、分塊圧延後のビレットに対して、連続圧延機を用いた仕上げ圧延を実施した。各試験番号の仕上げ圧延温度は８５０〜１１００℃であった。以上の工程により、直径４０ｍｍの棒鋼である、スチールピストンの部材に用いられる鋼材を製造した。
［接合部高温疲労強度試験］
表４に示す試験番号Ａ１〜Ａ３の鋼材の組合せで、鋼材を摩擦接合して、異なる鋼種の鋼材同士が接合可能か否かを調査した。具体的には、試験番号Ａ１では、スチールピストンの上部材を試験番号２の鋼材と仮定し、下部材を試験番号２４の鋼材と仮定した。試験番号Ａ２では、上部材を試験番号２の鋼材と仮定し、下部材を試験番号２５の鋼材と仮定した。試験番号Ａ３では、上部材を試験番号２の鋼材と仮定し、下部材を試験番号２６の鋼材と仮定した。試験番号２、２４〜２６の化学組成はいずれも異なっていた。
初めに、各試験番号Ａ１〜Ａ３の上部材、下部材を準備した。上部材として直径４０ｍｍの棒鋼を準備し、下部材として直径４０ｍｍの棒鋼を準備した。各試験番号の上部材、下部材を１２００℃の加熱温度で３０分加熱した。加熱後の棒鋼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。
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（上部材、下部材）の軸方向（長手方向）に対して、機械加工を実施して、直径２０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの丸棒粗試験片を作製した。以下、各試験番号の上部材の丸棒粗試験片を、「上部材試験片」と呼び、各試験番号の下部材の丸棒粗試験片を、「下部材試験片」と呼ぶ。各試験番号の上部材試験片、下部材試験片の中心軸は、調質処理後の丸棒の中心軸と一致した。各試験番号の上部材試験片及び下部材試験片の端部同士を突き合わせて摩擦接合を実施して、スチールピストンを想定した接合丸棒試験片を作製した。摩擦接合において、摩擦圧力を１００ＭＰａとし、摩擦時間を５秒とした。アップセット圧力（接合部への粗試験片両端からの加圧力）を２００ＭＰａとし、アップセット時間を５秒とした。摩擦接合時の回転数を２０００ｒｐｍとし、寄り代を５〜１２ｍｍとした。
接合後の試験片の接合部分に対して、超音波探傷試験及び放射線透過試験を実施して、接合部分の欠陥の有無を調査した。表４に試験結果を示す。
Figure 0006918229
表４中の接合欄で「○」は摩擦接合が可能であり、上部材試験片と下部材試験片とが強固に接合されており、超音波探傷試験及び放射線透過試験においても、接合部分での欠陥が確認されなかったことを示す。表４に示すとおり、試験番号Ａ１〜Ａ３いずれにおいても、上部材と、上部材と異なる鋼種である下部材とで、摩擦接合が可能であった。
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。

Claims (4)

  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、前記上部材に固定されており、スカート部と、ピストンピンが挿入されるピストンピン穴とを含む下部材とを備え、
    前記上部材は、
    質量％で、
    Ｃ：０．１５〜０．３０％、
    Ｓｉ：０．０２〜１．００％、
    Ｍｎ：０．２０〜０．８０％、
    Ｐ：０．０２０％以下、
    Ｓ：０．０２８％以下、
    Ｃｒ：０．８０〜１．５０％、
    Ｍｏ：０．０８〜０．４０％、
    Ｖ：０．１０〜０．４０％、
    Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、
    Ｎ：０．０１５０％以下、
    Ｏ：０．００３０％以下、
    Ｃｕ：０〜０．５０％、
    Ｎｉ：０〜１．００％、
    Ｎｂ：０〜０．１００％、及び、
    残部：Ｆｅ及び不純物、
    からなり、式（１）及び式（２）を満たす化学組成を有し、
    前記上部材における前記スチールピストンの軸方向に平行な断面において、
    Ｍｎを１０．０質量％以上含有し、Ｓを１０．０質量％以上含有するＭｎ硫化物が１００．０個／ｍｍ2以下であり、
    前記Ｍｎ硫化物のうち、円相当径が３．０μｍ以上の粗大Ｍｎ硫化物が１．０〜１０．０個／ｍｍ2であり、
    酸素を１０．０質量％以上含有する酸化物が１５．０個／ｍｍ2以下である、
    スチールピストン。
    ０．４２≦Ｍｏ＋３Ｖ≦１．５０ （１）
    Ｖ／Ｍｏ≧０．５０ （２）
    ここで、式（１）及び式（２）中の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
  2. 請求項１に記載のスチールピストンであって、
    前記上部材の前記化学組成は、
    Ｃｕ：０．０１〜０．５０％、
    Ｎｉ：０．０１〜１．００％、及び、
    Ｎｂ：０．０１０〜０．１００％、
    からなる群から選択される１元素又は２元素以上を含有する、
    スチールピストン。
  3. 請求項１又は請求項２に記載のスチールピストンであって、
    前記下部材の前記化学組成は、前記上部材の前記化学組成と異なる、
    スチールピストン。
  4. 請求項１又は請求項２に記載のスチールピストンであって、
    前記下部材は、
    質量％で、
    Ｃ：０．１５〜０．３０％、
    Ｓｉ：０．０２〜１．００％、
    Ｍｎ：０．２０〜０．８０％、
    Ｐ：０．０２０％以下、
    Ｓ：０．０２８％以下、
    Ｃｒ：０．８０〜１．５０％、
    Ｍｏ：０．０８〜０．４０％、
    Ｖ：０．１０〜０．４０％、
    Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、
    Ｎ：０．０１５０％以下、
    Ｏ：０．００３０％以下、
    Ｃｕ：０〜０．５０％、
    Ｎｉ：０〜１．００％、
    Ｎｂ：０〜０．１００％、及び、
    残部：Ｆｅ及び不純物、
    からなり、式（１）及び式（２）を満たす化学組成を有し、
    前記下部材における前記スチールピストンの軸方向に平行な断面において、
    Ｍｎを１０．０質量％以上含有し、Ｓを１０．０質量％以上含有するＭｎ硫化物が１００．０個／ｍｍ2以下であり、
    前記Ｍｎ硫化物のうち、円相当径が３．０μｍ以上の粗大Ｍｎ硫化物が１．０〜１０．０個／ｍｍ2であり、
    酸素を１０．０質量％以上含有する酸化物が１５．０個／ｍｍ2以下である、
    スチールピストン。
    ０．４２≦Ｍｏ＋３Ｖ≦１．５０ （１）
    Ｖ／Ｍｏ≧０．５０ （２）
    ここで、式（１）及び式（２）中の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
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