JPH10219383A

JPH10219383A - 内燃機関用鍛造ピストンおよび鍛造ピストン用素材

Info

Publication number: JPH10219383A
Application number: JP9042951A
Authority: JP
Inventors: Toshikatsu Koike; 俊勝小池; Hirotaka Kurita; 洋敬栗田; Yutaka Yamagata; 裕山縣
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 1997-02-12
Filing date: 1997-02-12
Publication date: 1998-08-18

Abstract

(57)【要約】【課題】鍛造による一次成形を経てピストン本体が製
造されている内燃機関用ピストンにおいて、該ピストン
を、耐摩耗性および耐焼付性が高く、且つ、疲労強度の
高いものにする。【解決手段】燃焼室に露出するヘッド部とシリンダ内
面に摺接するスカート部を有する内燃機関用のピストン
において、少なくともスカート部を、初晶シリコンの平
均粒径が１０μｍ以下であるシリコン（Ｓｉ）を１０〜
２２重量％の範囲で含むように、急冷凝固粉末を固化し
たアルミ合金を素材１０として鍛造で成形する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、２サイクルや４サ
イクルのガソリンエンジンおよびディーゼルエンジン等
の内燃機関に使用されるピストンに関し、特に、鍛造に
よる一次成形を経て製造される内燃機関用の鍛造ピスト
ン、および、そのような鍛造ピストンの一次成形品を製
造するための鍛造ピストン用素材に関する。

【０００２】

【従来の技術】２サイクルや４サイクルのガソリンエン
ジンおよびディーゼルエンジンのようなレシプロエンジ
ンに使用されるピストンについては、エンジンの高出力
化に対応して高温での疲労強度や耐摩耗性の向上が求め
られていると共に、ピストンの往復慣性力を小さくして
出力増大やエンジン振動の低減を図るために一層の軽量
化が求められていることから、ピストンの素材に対して
は、それ自体が軽量（比重が小さい）であると共に、よ
り薄肉に成形することが可能で、しかも、薄肉に成形し
ても高温で永久変形が少なく（剛性が高く）、且つ、高
温での疲労強度が高く、また、耐摩耗性の高いことが要
求されている。

【０００３】そのようなピストン用素材として、軽量な
アルミニウム（Ａｌ）を基材として、耐摩耗性や耐焼付
性を高めるためにシリコン（Ｓｉ）を添加すると共に、
強度を高めるために銅（Ｃｕ）およびマグネシウム（Ｍ
ｇ）を添加したようなアルミ合金が従来から使用されて
おり、そのようなアルミ合金を一般的には鋳造加工する
ことによって、ピストン本体の一次成形品が製造されて
いる。

【０００４】一方、レシプロエンジンのピストンにおい
て、燃焼室に露出するヘッド部では特に高い耐熱性が要
求され、シリンダ内面に摺接するスカート部では、特に
高い耐摩耗性が要求されることから、ピストン本体の全
体を同じ材質で一様に強化するのではなく、部分的に材
料を変えて複合的にピストン本体を形成するということ
も従来から様々に提案されている。

【０００５】そして、そのような場合のピストン用素材
として、耐摩耗性を更に高めるために、シリコンよりも
硬い成分である酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）や炭化
シリコン（ＳｉＣ）などのセラミックス繊維をアルミ合
金に添加したものも従来から知られている。（例えば、
特開昭６３−１２６６６１号公報，特開平１−１８０９
２７号公報，特開平５−３２０７８８号公報など参照）

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、内燃機関用
のピストンでは、上記のようにシリンダ内面に摺接する
スカート部で特に高い耐摩耗性が要求されることから、
ピストン本体の少なくともスカート部を形成するアルミ
合金中に、その耐摩耗性および耐焼付性を高めるため
に、所定量のシリコン（Ｓｉ）を含有させることが必要
とされる一方、鋳造によりピストンを成形することで素
材の凝固組織が粗くなって強度上不利となるため、ピス
トン用素材を鍛造することでピストン本体の一次成形を
行うことが望ましい。

【０００７】しかしながら、一般的にピストン本体の一
次成形の多くは鋳造により行われており、鋳造を前提と
した溶製材のアルミ合金によるピストン用素材では、そ
の中に含まれるシリコン（Ｓｉ）が、初晶シリコンの平
均粒径が１０μｍ以上の状態となっているため、そのよ
うな溶製材のアルミ合金を素材として鍛造によりピスト
ン本体を一次成形する場合に、特にスカート部で素材が
薄く引き延ばされるように鍛造されることから、スカー
ト部において初晶シリコンの粒子が割れることがあり、
それによって、シリコン粒子とマトリックスの界面から
クラックが発生し、その結果、スカート部の疲労強度が
著しく低下するというような問題を生じることがある。

【０００８】本発明は、鍛造による一次成形を経てピス
トン本体が製造されている内燃機関用鍛造ピストンにお
いて、上記のような問題を解消することにより、該ピス
トンを、耐摩耗性および耐焼付性が高く、且つ、疲労強
度の高いものにすることを課題とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記のような
課題を解決するために、上記の請求項１に記載したよう
に、燃焼室に露出するヘッド部とシリンダ内面に摺接す
るスカート部を有する内燃機関用のピストンにおいて、
少なくともスカート部が、初晶シリコンの平均粒径が１
０μｍ以下であるシリコン（Ｓｉ）を１０〜２２重量％
の範囲で含むように、急冷凝固粉末を固化したアルミ合
金を素材として鍛造で成形されていることを特徴とする
ものである。

【００１０】また、上記の請求項１に記載した内燃機関
用鍛造ピストンにおいて、上記の請求項２に記載したよ
うに、急冷凝固粉末を固化したアルミ合金に、鉄（Ｆ
ｅ）が、平均粒径が１０μｍ以下の状態で、１〜１０重
量％の範囲で含まれていることを特徴とするものであ
る。

【００１１】また、上記の請求項１又は２に記載した内
燃機関用鍛造ピストンにおいて、上記の請求項３に記載
したように、急冷凝固粉末を固化したアルミ合金に、シ
リコン（Ｓｉ）よりも硬い非金属成分粒子が、平均粒径
が１０μｍ以下の状態で、１〜１０重量％の範囲で含ま
れていることを特徴とするものである。

【００１２】さらに、上記の請求項３に記載した内燃機
関用鍛造ピストンにおいて、上記の請求項４に記載した
ように、シリコン（Ｓｉ）よりも硬い成分粒子が、炭化
シリコン（ＳｉＣ）、酸化アルミニウム（Ａｌ
₂Ｏ₃）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のうちの何れか
一つあるいは複数からなることを特徴とするものであ
る。

【００１３】また、本発明は、上記の請求項５に記載し
たように、鍛造ピストン用素材について、アルミ合金を
溶解して急冷凝固することにより形成したアルミ合金粉
末に、平均粒径が１０μｍ以下のシリコン（Ｓｉ）の粉
末を、最終的な成分割合が１０〜２０重量％となるよう
に混合してから、７００℃未満の温度で加熱且つ加圧し
て直接所望の大きさに成形するか、あるいは、７００℃
未満の温度で加熱且つ加圧した後で所望の大きさに成形
したことを特徴とするものである。

【００１４】また、上記の請求項６に記載したように、
鍛造ピストン用素材について、最終的な成分割合が１０
〜２０重量％となるようにシリコン（Ｓｉ）が含まれた
アルミ合金を溶解して急冷凝固することにより、形成さ
れたアルミ合金粉末中に析出されるシリコン結晶の大き
さを平均粒径が１０μｍ以下として、該アルミ合金粉末
を、７００℃未満の温度で加熱且つ加圧して直接所望の
大きさに成形するか、あるいは、７００℃未満の温度で
加熱且つ加圧した後で所望の大きさに成形したことを特
徴とするものである。

【００１５】さらに、上記の請求項５又は６に記載した
鍛造ピストン用素材において、上記の請求項７に記載し
たように、急冷凝固により形成されたアルミ合金粉末
に、シリコン（Ｓｉ）よりも硬い非金属成分である炭化
シリコン（ＳｉＣ）、酸化アルミニウム（Ａｌ
₂Ｏ₃）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のうちの何れか
一つあるいは複数からなる平均粒径が１０μｍ以下の粉
末を、最終的な成分割合が１〜１０重量％となるように
混合してから、７００℃未満の温度で加熱且つ加圧して
直接所望の大きさに成形するか、あるいは、７００℃未
満の温度で加熱且つ加圧して圧延した後で所望の大きさ
に成形したことを特徴とするものである。

【００１６】さらにまた、上記の請求項５乃至７に記載
した鍛造ピストン用素材において、上記の請求項８に記
載したように、急冷凝固により形成されたアルミ合金粉
末に、平均粒径が１０μｍ以下の鉄（Ｆｅ）の粉末を、
最終的な成分割合が１〜１０重量％となるように混合し
たことを特徴とするものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の内燃機関用鍛造ピ
ストンおよび鍛造ピストン用素材の実施形態について、
図面に基づいて説明する。

【００１８】図１は、本発明の内燃機関用鍛造ピストン
の一実施形態に係るピストン本体を示すもので、（Ａ）
は、ピン孔の軸線方向から見た側面を示し、（Ｂ）は、
上方から見たヘッド部の上面を示し、（Ｃ）は、図
（Ｂ）のＣ−Ｃ線に沿った縦断面を示している。

【００１９】ピストン本体１は、燃焼室に上面が露出す
るヘッド部２と、シリンダ内面に側面が摺接するスカー
ト部３が、ピンボス４のある側では肉厚が厚くなり、ピ
ンボス４のない側ではピンボス４よりも下方に向って肉
厚が徐々に薄くなるように、厚い円柱状の素材から鍛造
によって一体成形した一次成形品に対して、ピストンリ
ング溝５やピン孔６を形成したり、不要な部分を削り落
とす等の機械加工処理を施してから、必要に応じてメッ
キ等の表面処理を施すことで、最終製品に仕上げられて
いるものである。

【００２０】図２は、そのような本実施形態のピストン
本体１の製造方法の一例を示すもので、まず、工程
（１）において、アルミニウム（Ａｌ）の基材に対して
シリコン（Ｓｉ）、鉄（Ｆｅ）およびその他の成分を含
有させたアルミ合金のインゴットを準備して、工程
（２）において、一種あるいは複数種のインゴットを約
７００℃以上で溶解してから霧状に散布し、冷却速度１
００℃／ｓｅｃ以上で急激に冷やして凝固させ、アルミ
合金の急冷凝固粉末（パウダーメタル）を製造する。

【００２１】そのように製造されたアルミ合金の急冷凝
固粉末を、工程（３）において、４００〜５００℃に加
熱して押し出すことで丸棒として固形化してから、次い
で、工程（４）において、急冷凝固粉末を固化したアル
ミ合金の丸棒を、一個のピストンに相当する適当量の大
きさの厚い円板形状に切断することで、本実施形態の鍛
造ピストン用素材を製造する。

【００２２】なお、鍛造ピストン用素材の成形について
は、上記のようにアルミ合金粉末を丸棒に押し出して固
形化してから切断して成形するだけでなく、例えば、型
の中にアルミ合金粉末を込め、４００〜５００℃に加熱
且つ加圧して、直接的に所望の大きさおよび形状の鍛造
ピストン用素材を成形することも可能である。

【００２３】また、アルミ合金粉末を４００〜５００℃
に加熱しつつ一対の圧延ロールの間に導いて圧延した
後、プレスにより打ち抜くことで厚い円板形状の鍛造ピ
ストン用素材として成形するか、または、シャーリング
で所望の大きさに切断して矩形の鍛造ピストン用素材と
して成形することも可能であり、さらに、そのように矩
形に成形してから予備鍛造して厚い円板形状の鍛造ピス
トン用素材に成形しても良い。

【００２４】そのように製造された鍛造ピストン用素材
に対して、工程（５）において、離型剤を外周に塗布し
てから、次いで、工程（６）において、成形性をよくす
るために加熱して、次いで、工程（７）において、加熱
された素材を上下一対の型で挟み強圧する鍛造によっ
て、ヘッド部とスカート部を有するピストン本体の一次
成形品を一体成形する。

【００２５】そのように鍛造で一体成形されたピストン
本体の一次成形品に対して、その後、更に、工程（８）
において、強度を高めるため、熱処理を施してから、最
後に、工程（９）において、機械加工によりピストンリ
ング溝やピン孔を形成したり、不要な部分を削り落とす
等の加工処理を行うことによって、ピストン本体の最終
形状に成形する。

【００２６】さらに、その後、必要に応じて、そのよう
に仕上げられたピストン本体に対して、例えば、摺動特
性や耐摩耗性を良くするためにスカート部の側面にメッ
キ等の表面処理を施すこともある。

【００２７】上記の工程（６）におけるピストン用素材
の鍛造については、本実施形態では、先ず、図３（Ａ）
に示すように、厚い円板形状のピストン用素材１０を、
例えば、４００〜５００℃の間に制御した状態で予熱し
た下型１１に対して、該下型１１の凹部内に収容してか
ら、４００〜５００℃の間に制御した状態で予熱した上
型（パンチ）１２により、図３（Ｂ）に示すように、加
圧してピストン形状に鍛造するものであって、このよう
な制御された温度に予熱された上型１１と下型１２を用
いた熱間鍛造によれば、アルミ合金の延性を充分に利用
して、寸法精度良くピストン本体１の一次成形品を成形
することができる。

【００２８】なお、鍛造型に収容する前にピストン用素
材１０を４００〜５００℃の間に加熱した後、下型１１
の凹部内に収容して、直ちに上型１２で鍛造するように
しても良く、その場合でも、下型１１と上型１２は４０
０〜５００℃の間に予熱しつつ鍛造する。そのように鍛
造工程からピストン用素材の加熱工程を別の並列工程と
することにより、鍛造工程の時間を短縮することが可能
となる。

【００２９】ところで、上記のような工程により製造さ
れる本実施形態のピストン本体１については、既に述べ
たように、急冷凝固粉末を固化したアルミ合金のピスト
ン用素材を鍛造で一次成形したものであるが、そのよう
なピストン用素材として、本実施形態では、アルミニウ
ム（Ａｌ）を基材として、全体中に、シリコン（Ｓｉ）
を１０〜２２重量％，鉄（Ｆｅ）を１〜１０重量％，銅
（Ｃｕ）を０．５〜５重量％，マグネシウム（Ｍｇ）を
０．５〜５重量％，マンガン（Ｍｎ）を１重量％以下，
ニッケル（Ｎｉ）を１重量％以下，クロム（Ｃｒ）を１
重量％以下，ジルコニウム（Ｚｒ）を２重量％以下，モ
リブデン（Ｍｏ）を１重量％以下の範囲で含むようなも
のが使用されている。

【００３０】なお、上記のようなアルミ合金の鍛造ピス
トン用素材において、シリコン（Ｓｉ）は、金属組織中
に硬質の初晶や共晶のシリコン粒を晶出させることで耐
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
あり、鉄（Ｆｅ）は、金属組織を分散強化して２００℃
以上で高い強度を得るために添加されるものであり、ま
た、銅（Ｃｕ）およびマグネシウム（Ｍｇ）は、２００
℃以下での強度を高めるために添加されるものであっ
て、その添加量については、上記の範囲外では所望の耐
摩耗性や耐焼付性および高温での必要な強度を得ること
ができない。

【００３１】上記のような本実施形態の鍛造ピストン用
素材の具体的な一実施例としては、シリコン（Ｓｉ）を
１７重量％，鉄（Ｆｅ）を５重量％，銅（Ｃｕ）を１重
量％，マグネシウム（Ｍｇ）を０．５重量％，マンガン
（Ｍｎ）を０．０１重量％，ニッケル（Ｎｉ）を０．０
１重量％，クロム（Ｃｒ）を０．０１重量％，ジルコニ
ウム（Ｚｒ）を１重量％，モリブデン（Ｍｏ）を０．０
１重量％含むような、急冷凝固粉末を固化したアルミ合
金がある。

【００３２】上記のような急冷凝固粉末を固化したアル
ミ合金による本実施形態の鍛造ピストン用素材では、溶
解したアルミ合金を霧状に散布して急冷凝固させること
により粉末化してから成形固化しているため、アルミ合
金粉末は平均粒径で約１００μｍ程度となり、その中に
含まれているシリコン（Ｓｉ）は、図４（Ｃ）に示すよ
うな、鋳造を前提とした溶製材のアルミ合金中に含まれ
ている初晶シリコンの粒子と比べて、図４（Ｂ）に示す
ように、粉末化しつつ凝固するアルミ合金の金属組織中
に晶出させた硬質の初晶シリコンは、平均粒径が１０μ
ｍ以下となるように微細化されて、各アルミ合金粒子毎
に分散されている。

【００３３】そのため、そのようにシリコン（Ｓｉ）が
微細化されて分散された状態で含まれている本実施形態
の鍛造ピストン用素材によって鍛造で一次成形されてい
る本実施形態の内燃機関用鍛造ピストンについては、ピ
ストン本体１の一次成形品を鍛造で成形する際に、特に
スカート部３で材料が薄く引き延ばされるように鍛造さ
れても、該スカート部で初晶シリコンの粒子が割れてク
ラックが発生するようなことが無く、スカート部での疲
労強度が高いものとなっている。

【００３４】なお、アルミ合金中のシリコン（Ｓｉ）を
微細化し分散させるためには、アルミ合金を溶解して急
冷凝固することにより形成したアルミ合金粉末に、平均
粒径が１〜１０μｍのシリコン（Ｓｉ）を、最終的な成
分割合が１０〜２０重量％となるように混合してから、
７００℃未満の温度で加熱且つ加圧して直接所望の大き
さに成形するか、あるいは、７００℃未満の温度で加熱
且つ加圧して固化した後で所望の大きさに成形しても良
く、それにより、各アルミ合金粉末状組織の境界部に、
平均粒径が１０μｍ以下のシリコン（Ｓｉ）が分散する
こととなる。

【００３５】ところで、通常の鋳造工程によりピストン
本体の一次成形を行う場合には、材料となるアルミ合金
中に鉄成分が多く添加されていると、鋳造後の冷却によ
り合金中に鉄の粗大な化合物が形成されて強度の低下を
招くこととなる。

【００３６】これに対して、本実施形態では、アルミ合
金を急冷凝固により粉末化してから、それを加熱且つ加
圧することで鍛造ピストン用素材としていることによ
り、そのような工程において、鉄の粗大な化合物の形成
が阻止され、応力集中の原因となる鉄分の粗大化合部の
ない均一な金属組織が得られるため、鉄分を多く添加す
ることが可能となって、高い疲労強度の合金を得ること
が可能となる。

【００３７】上記のような実施形態を有する本発明の内
燃機関用鍛造ピストンおよび鍛造ピストン用素材につい
ては、更にその耐摩耗性を高めるために、シリコン（Ｓ
ｉ）よりも硬い成分である炭化シリコン（ＳｉＣ）を所
定量含むような、急冷凝固粉末を固化したアルミ合金の
鍛造ピストン用素材、および、該鍛造ピストン用素材に
よって製造される内燃機関用鍛造ピストンをも別の実施
形態として含むものである。

【００３８】そのような炭化シリコン（ＳｉＣ）を含む
本発明の内燃機関用鍛造ピストンおよび鍛造ピストン用
素材の他の実施形態においては、例えば、図２に示した
工程（２）において、アルミ合金材のインゴットを溶解
してから霧状に散布することで製造されるアルミ合金の
急冷凝固粉末（パウダーメタル）に対して、平均粒径が
１〜１０μｍの炭化シリコン（ＳｉＣ）の粉末を所定量
混入させことにより、急冷凝固粉末を固化させたピスト
ン素材中に炭化シリコン（ＳｉＣ）を含有させていて、
それにより、平均粒径で約１００μｍ程度となる各アル
ミ合金粉末状組織の境界部に、平均粒径が１０μｍ以下
の非金属物（炭化シリコン）が分散するようになる。

【００３９】なお、急冷凝固粉末を固化させたピストン
用素材中に、平均粒径が１０μｍ以下の炭化シリコン
（ＳｉＣ）を分散させて含有させるには、上記のような
方法に限らず、例えば、図２に示した工程（１）におい
て準備されるアルミ合金材のインゴット中に、平均粒径
が１〜１０μｍの炭化シリコン（ＳｉＣ）の粉末を予め
所定量だけ含有させておき、図２に示した工程（２）に
おいて、アルミ合金材のインゴットを溶解してから霧状
に散布して急冷凝固粉末（パウダーメタル）とすること
で、アルミ合金の急冷凝固粉末中に平均粒径が１０μｍ
以下の炭化シリコン（ＳｉＣ）を分散させることも可能
である。

【００４０】何れにしても、炭化シリコン（ＳｉＣ）を
含有させた実施形態では、先に説明した炭化シリコン
（ＳｉＣ）を含まない実施形態と同様に、ピストン素材
であるアルミ合金中に、シリコン（Ｓｉ）が１０〜２２
重量％，鉄（Ｆｅ）が１〜１０重量％，銅（Ｃｕ）が
０．５〜５重量％，マグネシウム（Ｍｇ）が０．５〜５
重量％，マンガン（Ｍｎ）が１重量％以下，ニッケル
（Ｎｉ）が１重量％以下，クロム（Ｃｒ）が１重量％以
下，ジルコニウム（Ｚｒ）が２重量％以下，モリブデン
（Ｍｏ）が１重量％以下の範囲で含まれていると共に、
更に、炭化シリコン（ＳｉＣ）が１〜１０重量％の範囲
で含まれている。

【００４１】上記のような炭化シリコン（ＳｉＣ）を含
有させた実施形態の鍛造ピストン用素材の具体的な一実
施例としては、シリコン（Ｓｉ）を１７重量％，鉄（Ｆ
ｅ）を５重量％，銅（Ｃｕ）を１重量％，マグネシウム
（Ｍｇ）を０．５重量％，マンガン（Ｍｎ）を０．０１
重量％，ニッケル（Ｎｉ）を０．０１重量％，クロム
（Ｃｒ）を０．０１重量％，ジルコニウム（Ｚｒ）を１
重量％，モリブデン（Ｍｏ）を０．０１重量％含むと共
に、更に、炭化シリコン（ＳｉＣ）を５重量％含むよう
な、急冷凝固粉末を固化したアルミ合金がある。

【００４２】そのような炭化シリコン（ＳｉＣ）を含む
鍛造ピストン用素材では、図４（Ａ）に示すように、初
晶シリコンの平均粒径が１０μｍ以下となるようにシリ
コン（Ｓｉ）が微細化されて含まれていると共に、更に
耐摩耗性および耐焼付性を高めるために、炭化シリコン
（ＳｉＣ）が、平均粒径が１０μｍ以下となるように微
細化された状態で金属組織中に分散して含まれている。

【００４３】そのような鍛造ピストン用素材による内燃
機関用鍛造ピストンでは、シリコン（Ｓｉ）よりも硬く
非溶解性の非金属物である炭化シリコン（ＳｉＣ）を１
０μｍ以下の微細粒状でアルミ合金組織の間に分散させ
たアルミ合金粉末を固化し鍛造することで製造されるた
め、製造された鍛造ピストンは、微細な炭化シリコン
（ＳｉＣ）がアルミ合金組織中に均等に分散されたもの
となり、それによって高い耐摩耗性を得ることができ
る。

【００４４】上記のような本発明の各実施形態において
それぞれ実施例として示した各鍛造ピストン用素材（Ｓ
ｉＣを含むものを実施例Ａとし、ＳｉＣを含まないもの
を実施例Ｂとする）について、溶製材のアルミ合金から
なるピストン素材を比較例Ｃとして、耐摩耗性および疲
労強度についてそれぞれ比較試験を行った結果について
は以下の通りである。

【００４５】なお、比較例Ｃとして示す溶製材のピスト
ン用素材については、アルミニウム（Ａｌ）を基材とし
て、全体中に、シリコン（Ｓｉ）を１０〜２２重量％，
鉄（Ｆｅ）を１重量％以下，銅（Ｃｕ）を０．５〜５重
量％，マグネシウム（Ｍｇ）を０．５〜２重量％，マン
ガン（Ｍｎ）を１重量％以下，ニッケル（Ｎｉ）を１重
量％以下，クロム（Ｃｒ）を１重量％以下の範囲で含む
ようなものである。

【００４６】すなわち、比較例Ｃは、具体例には、シリ
コン（Ｓｉ）を１９重量％，鉄（Ｆｅ）を０．２重量
％，銅（Ｃｕ）を４重量％，マグネシウム（Ｍｇ）を１
重量％，マンガン（Ｍｎ）を０．１重量％，ニッケル
（Ｎｉ）を０．１重量％，クロム（Ｃｒ）を０．１重量
％含む、鋳造を前提とした溶製材のアルミ合金によるピ
ストン用素材である。

【００４７】図５は、耐摩耗性を比較するために、各実
施例Ａ，Ｂと比較例Ｃのそれぞれについて、試験温度２
５０℃で、フレッチング摩耗試験（試験材料をローター
とし、このローターを揺動させながら所定材料のライダ
ーを繰り返し押し付けて、接触面の摩耗痕の面積を摩耗
量とする）を行った結果を示すもので、これによってＳ
ｉＣを含む実施例ＡとＳｉＣを含まない実施例Ｂの何れ
についても、比較例Ｃと比べて高い耐摩耗性を有するこ
とが示されている。

【００４８】図６は、疲労強度を比較するために、各実
施例Ａ，Ｂと比較例Ｃのそれぞれについて、２５℃，１
５０℃，２５０℃の各試験温度で、繰返し荷重による疲
労試験（試験片に対して正弦波荷重を作用させ、正弦波
の一周期を単位に数えて破壊までの繰返し数を求めるこ
とで、疲労限度を示す）を行った結果を示すもので、こ
れによってＳｉＣを含む実施例ＡとＳｉＣを含まない実
施例Ｂの何れについても、全ての温度において、比較例
Ｃと比べて高い疲労強度を有することが示されている。

【００４９】なお、上記のような各実施形態の鍛造ピス
トン用素材では、急冷凝固により粉末化することによっ
て、平均粒径で約１００μｍ程度のアルミ合金粉末中に
おいて、既に述べたようなシリコン（Ｓｉ）や鉄（Ｆ
ｅ）だけでなく、その他の構成成分も結晶の大きさが平
均粒径で１０μｍ以下の微細なものとなるため、そのよ
うな鍛造ピストン用素材により製造される内燃機関用鍛
造ピストンでは、該素材が成形固化や鍛造を経て緻密な
結晶組織となることで、結晶粒境での応力集中による強
度低下をきたすことが無くなり、それによっても疲労強
度が高められることとなる。

【００５０】以上、本発明の内燃機関用鍛造ピストンお
よび鍛造ピストン用素材の各実施形態について説明した
が、本発明は、上記のような各実施形態にのみ限定され
るものではなく、例えば、本発明の内燃機関用鍛造ピス
トンについては、上記の各実施形態では、何れも、ピス
トン本体１の全体が単一の材料により形成されている
が、そのようなものに限らず、少なくともスカート部が
上記のような急冷凝固粉末を固化したアルミ合金のピス
トン用素材により鍛造で形成されている限り、ピストン
本体を部分的に異なる材料で形成する複合材製の内燃機
関用鍛造ピストンに対しても適用可能なものである。

【００５１】また、急冷凝固粉末を固化した鍛造ピスト
ン用素材については、例えば、アルミ合金の急冷凝固粉
末を固化したピストン用素材の中に鉄（Ｆｅ）を平均粒
径が１０μｍ以下の状態で１〜１０重量％含有させるよ
うな場合、上記の実施形態で示したような、予め鉄（Ｆ
ｅ）を含有させたアルミ合金のインゴットを溶解して急
冷凝固粉末化するだけではなく、上記の工程（３）の前
工程において、アルミ合金粉末に、平均粒径が１〜１０
μｍの鉄（Ｆｅ）の粉末を、最終的に鍛造ピストン用素
材中における成分割合が１〜１０重量％となるように、
混合して攪拌するようにしても良い。

【００５２】また、更に耐摩耗性を高めるために添加す
るシリコン（Ｓｉ）よりも硬い成分粒子として、上記の
実施形態で示した炭化シリコン（ＳｉＣ）だけでなく、
炭化シリコン（ＳｉＣ）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ
₃）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のようなシリコン
（Ｓｉ）よりも硬い成分粒子のうちの何れか一つあるい
は複数を添加することで耐摩耗性を高めることも可能で
ある。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したような本発明の内燃機関用
鍛造ピストンおよび鍛造ピストン用素材によれば、鍛造
による一次成形を経て製造されるピストン本体につい
て、その耐摩耗性および耐焼付性を向上させることがで
き、且つ、高温での疲労強度を向上させることができ
て、ピストンをエンジンの高出力化や高速化に対応させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の内燃機関用鍛造ピストンに係るピスト
ン本体の一例を示す（Ａ）側面図，（Ｂ）上面図，およ
び（Ｃ）図ＢのＣ−Ｃ線に沿った縦断面図。

【図２】本発明の内燃機関用鍛造ピストンに係るピスト
ン本体を製造するための工程を示す説明図。

【図３】図２に示したピストン本体の製造工程における
鍛造工程を示す説明図。

【図４】ピストン本体を形成するためのピストン用素材
の、（Ａ）ＳｉＣを含む実施形態に係る実施例、（Ｂ）
ＳｉＣを含まない実施形態に係る実施例、および（Ｃ）
比較例の各金属組成を示す写真。

【図５】ピストン本体を形成するためのピストン用素材
の、ＳｉＣを含む実施形態に係る実施例Ａと、ＳｉＣを
含まない実施形態に係る実施例と、比較例Ｃとについ
て、材料による耐摩耗性の差異を示すグラフ。

【図６】ピストン本体を形成するためのピストン用素材
の、ＳｉＣを含む実施形態に係る実施例Ａと、ＳｉＣを
含まない実施形態に係る実施例と、比較例Ｃとについ
て、２５℃，１５０℃，２５０℃の各温度において、材
料による疲労強度の差異を示すグラフ。

【符号の説明】

１ピストン本体（内燃機関用鍛造ピストン）２ヘッド部３スカート部１０鍛造ピストン用素材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＦ０２Ｆ 3/00 Ｆ０２Ｆ 3/00 ＧＬ３０２３０２ＺＦ１６Ｊ 1/01 Ｆ１６Ｊ 1/01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼室に露出するヘッド部とシリンダ内
面に摺接するスカート部を有する内燃機関用のピストン
において、少なくともスカート部が、初晶シリコンの平
均粒径が１０μｍ以下であるシリコン（Ｓｉ）を１０〜
２２重量％の範囲で含むように、急冷凝固粉末を固化し
たアルミ合金を素材として鍛造で成形されていることを
特徴とする内燃機関用鍛造ピストン。
【請求項２】急冷凝固粉末を固化したアルミ合金に、
鉄（Ｆｅ）が、平均粒径が１０μｍ以下の状態で、１〜
１０重量％の範囲で含まれていることを特徴とする請求
項１に記載の内燃機関用鍛造ピストン。
【請求項３】急冷凝固粉末を固化したアルミ合金に、
シリコン（Ｓｉ）よりも硬い非金属成分粒子が、平均粒
径が１０μｍ以下の状態で、１〜１０重量％の範囲で含
まれていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内
燃機関用鍛造ピストン。
【請求項４】シリコン（Ｓｉ）よりも硬い成分粒子
が、炭化シリコン（ＳｉＣ）、酸化アルミニウム（Ａｌ
₂Ｏ₃）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のうちの何れか
一つあるいは複数からなることを特徴とする請求項３に
記載の内燃機関用鍛造ピストン。
【請求項５】アルミ合金を溶解して急冷凝固すること
により形成したアルミ合金粉末に、平均粒径が１０μｍ
以下のシリコン（Ｓｉ）の粉末を、最終的な成分割合が
１０〜２０重量％となるように混合してから、７００℃
未満の温度で加熱且つ加圧して直接所望の大きさに成形
するか、あるいは、７００℃未満の温度で加熱且つ加圧
した後で所望の大きさに成形したことを特徴とする鍛造
ピストン用素材。
【請求項６】最終的な成分割合が１０〜２０重量％と
なるようにシリコン（Ｓｉ）が含まれたアルミ合金を溶
解して急冷凝固することにより、形成されたアルミ合金
粉末中に析出されるシリコン結晶の大きさを平均粒径が
１０μｍ以下として、該アルミ合金粉末を、７００℃未
満の温度で加熱且つ加圧して直接所望の大きさに成形す
るか、あるいは、７００℃未満の温度で加熱且つ加圧し
た後で所望の大きさに成形したことを特徴とする鍛造ピ
ストン用素材。
【請求項７】急冷凝固により形成されたアルミ合金粉
末に、シリコン（Ｓｉ）よりも硬い非金属成分である炭
化シリコン（ＳｉＣ）、酸化アルミニウム（Ａｌ
₂Ｏ₃）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のうちの何れか
一つあるいは複数からなる平均粒径が１０μｍ以下の粉
末を、最終的な成分割合が１〜１０重量％となるように
混合してから、７００℃未満の温度で加熱且つ加圧して
直接所望の大きさに成形するか、あるいは、７００℃未
満の温度で加熱且つ加圧して圧延した後で所望の大きさ
に成形したことを特徴とする請求項５又は６に記載の鍛
造ピストン用素材。
【請求項８】急冷凝固により形成されたアルミ合金粉
末に、平均粒径が１０μｍ以下の鉄（Ｆｅ）の粉末を、
最終的な成分割合が１〜１０重量％となるように混合し
たことを特徴とする請求項５乃至７に記載の鍛造ピスト
ン用素材。