JPH10288082A

JPH10288082A - 内燃機関用ピストン

Info

Publication number: JPH10288082A
Application number: JP10817297A
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: 1997-04-10
Filing date: 1997-04-10
Publication date: 1998-10-27

Abstract

(57)【要約】【課題】内燃機関用ピストンにおいて、ピストン本体
のトップランドを大きくして残留排気ガス量を増やすよ
うなことなく、また、材料費の節約やピストン重量の軽
量化を図った上で、ピストン本体のシリンダ壁への押し
付けに対する強度を向上させると共に、ピストン本体の
外周面の耐摩耗性を向上させる。【解決手段】接合界面で一体的に接合された強度の異
なる材質１Ａ，１Ｂによりピストン本体１が構成されて
いる内燃機関用のピストンにおいて、強度の高い材質１
Ａが、ピストン本体１の外周面で、ヘッド部２の上端か
ら少なくともリング溝部５よりも下方のスカート部３に
まで延び、且つ、そのヘッド部２上端からの長さが、一
対のピンボス部４近傍よりも、両ピンボス部４の間の中
間部で長くなるように、ピストン本体を鍛造によって形
成する。

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
のレシプロエンジンに使用される内燃機関用ピストンに
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
ンに使用される内燃機関用ピストンでは、エンジンの高
出力化に対応して、高温での強度や耐摩耗性の向上が求
められると共に、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
が求められることから、その材質については、材質自体
が軽量であり、且つ、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、高温
での強度や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の材質としては、従
来、例えば、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（Ｓ
ｉ）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（Ｍｇ）を添加したようなアルミ合
金が使用されており、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、レシプロエンジンに使用される内燃
機関用ピストンでは、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ピス
トン外周面では特に高い耐摩耗性が要求されること、お
よび、材料費の節約やピストン重量の軽量化を行うため
に、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、部分的に材質を変えて複合的にピストン本体
を形成するということが従来から様々に提案されてい
る。（例えば、特開昭６３−１２６６６１号公報，実開
平２−１０７７４９号公報，特開平３−２６７５５２号
公報，特開平５−３２０７８８号公報等参照。）

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な従来の内燃機関用ピストンでは、エンジン運転中のピ
ストン本体に対して、爆発燃焼時にコンロッドによる反
作用力が作用し、あるいは、力としては小さいが、ピス
トン上昇行程中にコンロッドからの作用力に起因して発
生するシリンダ側からの反力が作用することによって、
ピストン本体の外周面がシリンダ壁に強く押し付けられ
る。

【０００６】すなわち、図１１に示すように、ピストン
本体には、爆発燃焼時には、主に、ヘッド部の上面に爆
発圧力Ｐが作用し、ピストン本体の下方に配置されるク
ランク軸が右回転する場合、ピン孔部にはコンロッドか
らの反作用力Ｆが左下方から作用し、ピストン本体の右
半分の外周面に、シリンダからの反作用力が分布荷重ｆ
として作用する。

【０００７】また、ピストン本体が下死点から上死点に
移動する行程においては、主に、ピン孔部にコンロッド
側からの駆動力Ｆ′が右下方から作用し、ピストン本体
の重心に慣性力Ｍａ（ピストン本体１の質量Ｍと加速度
ａの積）が作用し、ピストン本体の左半分の外周面に、
シリンダからの反作用力が分布荷重ｆ′として作用す
る。

【０００８】そのようなピストン本体の外周面をシリン
ダ壁に強く押し付ける力に対する強度を向上させるため
に、ピストン本体のトップランドを大きく（ピストンの
摺動方向に長く）すると、トップランドとシリンダ壁と
の隙間に残留する排気ガスの量が多くなって、エンジン
からの排気ガスにＨＣ等が増大することとなる。

【０００９】一方、ピストン本体の材質を部分的に変え
ることでリング溝部の付近の強度や耐摩耗性を強化する
ということが従来から行われているが、そのようなもの
では、摩擦溶接等により当該部分の材質をピストン本体
に一体化しているため、作業性が悪く、また、溶接時の
熱により溶接部まわりの強度が低下することになると共
に、リング溝部の付近だけしか強化されていないため、
ピストン本体のスカート部で、上記のようなシリンダ壁
への押し付けに対する強度や耐摩耗性等を向上させるこ
とはできない。

【００１０】なお、ピストン本体の材質を部分的に強度
や耐摩耗性の高い材質に変えるのは、該材質が、通常、
ピストン母材と比較して、特殊な構成成分であることな
どから、材料単価が高くなっており、また、比重の大き
い成分元素の割合が多くて合金としての比重が大きくな
るので、材料費の節減や軽量化のためにも、ピストン一
個当たりの使用割合を節減する必要があるからである。

【００１１】本発明は、上記のような問題を解消するた
めに、内燃機関用ピストンにおいて、ピストン本体のト
ップランドを大きくして残留排気ガス量を増やすような
ことなく、また、材料費の節約やピストン重量の軽量化
を図った上で、ピストン本体のシリンダ壁への押し付け
に対する強度を向上させると共に、ピストン本体の外周
面の耐摩耗性を向上させることを課題とするものであ
る。

【００１２】

【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、接合界面で一体的に接合された強度の異なる材質に
よりピストン本体が構成されている内燃機関用のピスト
ンにおいて、強度の高い材質が、ピストン本体の外周面
で、ヘッド部の上端から少なくともリング溝部よりも下
方のスカート部にまで延び、且つ、そのヘッド部上端か
らの長さが、一対のピンボス部近傍よりも、両ピンボス
部の間の中間部で長くなるように、ピストン本体が鍛造
によって形成されていることを特徴とするものである。

【００１３】また、上記の請求項１に記載した内燃機関
用ピストンにおいて、上記の請求項２に記載したよう
に、一対のピンボス部のそれぞれに対応する位置で、ス
カート部に下端側からの切欠部が設けられ、ピストン本
体の外周面の全域が、強度の高い材質により形成されて
いることを特徴とするものである。

【００１４】また、上記の請求項１又は２に記載した内
燃機関用ピストンにおいて、上記の請求項３に記載した
ように、ヘッド部上面の少なくとも外周部が、強度の高
い材質により形成されていることを特徴とするものであ
る。

【００１５】また、上記の請求項１乃至３に記載した内
燃機関用ピストンにおいて、上記の請求項４に記載した
ように、強度の高い材質が、シリコン（Ｓｉ）を１０〜
２２重量％の範囲で含み、初晶シリコンの平均粒径が１
０μｍ以下であるような、急冷凝固粉末を固化したアル
ミ合金からなるもので、ピストン本体が、該材質と他の
材質とからなる複合素材を鍛造で一次成形することによ
り形成されたものであることを特徴とするものである。

【００１６】また、上記の請求項４に記載した内燃機関
用ピストンにおいて、上記の請求項５に記載したよう
に、強度の高い材質が、シリコン（Ｓｉ）よりも硬い非
金属成分粒子を、平均粒径が１０μｍ以下の状態で、１
〜１０重量％の範囲で含むような、急冷凝固粉末を固化
したアルミ合金からなるものであることを特徴とするも
のである。

【００１７】また、上記の請求項５に記載した内燃機関
用ピストンにおいて、上記の請求項６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（Ａｌ₂Ｏ₃）、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。

【００１８】さらに、上記の請求項４乃至６に記載した
内燃機関用ピストンにおいて、上記の請求項７に記載し
たように、強度の高い材質が、鉄（Ｆｅ）を１〜１０重
量％の範囲で含み、その化合物の平均粒径が１０μｍ以
下であるような、急冷凝固粉末を固化したアルミ合金か
らなるものであることを特徴とするものである。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の内燃機関用ピスト
ンの実施形態について、図面に基づいて説明する。

【００２０】図１は、本発明の内燃機関用ピストンの一
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、（Ｄ）は、側壁の展開
図を示している。

【００２１】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、ピンボス部４のある側では肉厚が厚くなり、
ピンボス部４のない側ではピンボス部４よりも下方に向
って肉厚が徐々に薄くなるように、厚い円板状のピスト
ン素材から鍛造により一次成形されてから、不要な部分
を削り落としたりリング溝部５やピン孔部６を形成する
等の機械加工処理を施し、更に必要に応じてメッキ等の
表面処理を施すことで、最終製品として仕上げられてい
るものである。

【００２２】このピストン本体１は、接合界面で一体的
に接合された強度の異なる２種の材質１Ａ，１Ｂにより
全体が構成されていて、本実施形態では、強度の高い材
質１Ａが、ピストン本体１の外周面で、図１（Ｄ）に示
すように、ヘッド部２の上端からの長さが、一対のピン
孔部６（ピンボス部４）の近傍よりも両ピン孔部６（ピ
ンボス部４）の間の中間部で長くなるように、ヘッド部
２からリング溝部５よりも下方のスカート部３にまで延
びている。

【００２３】そして、そのようにピストン本体１の外周
面に露出している強度の高い材質１Ａは、図１（Ｃ）に
示すように、ピストン本体１の周辺部（外周面側）に分
布していて、それよりも強度の低い材質１Ｂが、ピスト
ン本体１の中央部（軸心側）からスカート部３の下端部
付近を占めるように分布している。

【００２４】そのような本実施形態のピストン本体１
は、図３に示すような、強度の異なる２種の材質１Ａ，
１Ｂを嵌合させた複合ピストン素材１０から、図２に示
すように、鍛造により一次成形されるものであり、その
結果、ピストン本体１では、強度の高い材質１Ａと、そ
れよりも強度の低い材質１Ｂとが、鍛造により嵌合の境
界面が法線荷重を受けつつ延びることで互いに接合さ
れ、強固に一体化された状態となっている。

【００２５】なお、上記の材質１Ａと材質１Ｂの嵌合に
ついては、締代を持った締まり嵌めが良いが、中間嵌
め、あるいは隙間嵌めでも、鍛造により嵌合界面に法線
方向の面圧が発生しつつ嵌合界面が延びることによっ
て、材質１Ａ，材質１Ｂともに表面の酸化皮膜が破壊さ
れて、材質１Ａ，材質１Ｂが直接圧着されることにより
接合することとなる。

【００２６】図２に示すような、複合ピストン素材１０
からのピストン一次成形品の鍛造については、２５０〜
４５０℃の間に制御した状態で予熱した、側型２２ａと
底型２２ｂとからなる下型２２と、同じく２５０〜４５
０℃の間に制御した状態で予熱した上型（パンチ）２１
とで鍛造するものであり、このように制御された温度に
予熱された上型２１と下型２２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
ピストン本体の一次成形品を成形することができる。

【００２７】ところで、上記のようなピストン本体１を
構成する強度の高い材質１Ａとして、本実施形態では、
例えば、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（Ｍ
ｎ）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（Ｚ
ｒ）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、急冷凝固粉末を固化したアルミ
合金が使用されている。

【００２８】その具体例としては、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アルミ合金がある。

【００２９】また、本実施形態では、強度の高い材質１
Ａの他の例として、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％以下の範囲で含むと共に、更に耐摩耗性を高める
ために、シリコン（Ｓｉ）よりも硬い成分である炭化シ
リコン（ＳｉＣ）を１〜１０重量％の範囲で含むよう
な、急冷凝固粉末を固化したアルミ合金が使用されてい
る。

【００３０】その具体例としては、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アルミ合金がある。

【００３１】なお、上記のような強度の高い材質１Ａの
各例において、シリコン（Ｓｉ）や炭化シリコン（Ｓｉ
Ｃ）は、金属組織中に硬質の粒子を存在させることで耐
摩耗性および耐焼付性を高めるために添加されているも
のであり、鉄（Ｆｅ）は、金属組織を分散強化して２０
０℃以上で高い強度を得るために添加されているもので
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てい
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。

【００３２】上記のような強度および耐摩耗性の高い材
質１Ａに対して、それよりも強度および耐摩耗性の低い
材質１Ｂとして、本実施形態では、従来から使用されて
いる鋳造を前提とした溶製材（連続鋳造材）のアルミ合
金、すなわち、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（Ｆ
ｅ）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
な溶製材（連続鋳造材）のアルミ合金が使用されてい
る。

【００３３】その具体例としては、シリコン（Ｓｉ）を
１２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％含むような溶製材
のアルミ合金がある。

【００３４】なお、強度の高い材質１Ａの各例として示
した上記の急冷凝固粉末アルミ合金については、例え
ば、アルミ合金のインゴットを、約７００℃以上で溶解
してから霧状に散布し、冷却速度１００℃／ｓｅｃ以上
で急激に冷やして凝固させることで、平均粒径で約１０
０μｍ程度の急冷凝固粉末（パウダーメタル）とし、該
アルミ合金の急冷凝固粉末に必要な構成成分の粉末を混
入してから、本実施形態では、図４に示すように、該粉
末を４００〜５００℃に加熱しつつ中空棒状に押し出す
ことで固形化してから、所定の大きさに切断することで
リング状の材質１Ａを形成し、これを材質１Ｂに嵌合さ
せることで、図３に示すような複合ピストン素材１０と
して形成されるものである。

【００３５】そのような本実施形態で使用されている強
度の高い材質１Ａの各例については、何れも、平均粒径
が約１００μｍ程度に粉末化されたアルミ合金中に、シ
リコン（Ｓｉ）や鉄（Ｆｅ）等の各構成成分が、平均粒
径が１０μｍ以下の微細化された状態で分散されたもの
となっている。

【００３６】そのため、例えば、シリコン（Ｓｉ）につ
いては、初晶シリコンの平均粒径が１０μｍ以下の微細
化された状態でアルミ合金組織中に分散されていること
で、ピストン本体１の一次成形品を鍛造で成形する際
に、材質１Ａが薄く引き延ばされるように鍛造されて
も、シリコン（Ｓｉ）の粒子が割れて当該部分からクラ
ックが発生するようなことが無く、その結果、鍛造され
たピストン本体１の疲労強度が高いものとなっている。

【００３７】また、炭化シリコン（ＳｉＣ）を含有させ
た例については、炭化シリコン（ＳｉＣ）が微細化され
た状態でアルミ合金組織中に均等に分散されていること
により、高い耐摩耗性を得ることができるものとなって
いる。

【００３８】また、鉄（Ｆｅ）については、微細化され
分散された状態の鉄（Ｆｅ）を含む急冷凝固粉末アルミ
合金を鍛造により成形することで、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、通常の鋳造工
程によりピストン本体を一次成形する場合よりも鉄（Ｆ
ｅ）を多く添加することが可能となって、高温での強度
が高い合金を得ることが可能となる。

【００３９】これに対して、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、材質となるアルミ
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。

【００４０】さらに、その他の構成成分についても、ア
ルミ合金粉末中に微細な粉末として含有され、そのよう
なアルミ合金粉末が成形固化や鍛造を経て緻密な結晶組
織となることで、該構成成分により結晶粒境での応力集
中による強度低下をきたすようなことが無くなるため、
それによっても疲労強度が高められることとなる。

【００４１】本実施形態で使用されている、上記の強度
の高い材質１Ａの各例と、それよりも強度の低い材質１
Ｂの一例について、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。

【００４２】すなわち、図９は、耐摩耗性を比較するた
めに、強度の高い材質１Ａの各例（ＳｉＣを含む例−Ａ
１，および，ＳｉＣを含まない例−Ａ２）と、強度の低
い材質１Ｂの一例（例−Ｂ）のそれぞれについて、試験
温度２５０℃で、フレッチング摩耗試験（試験材質をロ
ーターとし、このローターを揺動させながら所定材質の
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
って材質１Ａ（例−Ａ１，および，例−Ａ２）の何れに
ついても、材質１Ｂ（例−Ｂ）と比べて、高温で高い耐
摩耗性を有することが示されている。

【００４３】また、図１０は、疲労強度を比較するため
に、強度の高い材質１Ａの各例（ＳｉＣを含む例−Ａ
１，および，ＳｉＣを含まない例−Ａ２）と、強度の低
い材質１Ｂの一例（例−Ｂ）のそれぞれについて、２５
℃，１５０℃，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、これによって材質１Ａ（例−Ａ１，および，例−Ａ
２）の何れについても、材質１Ｂ（例−Ｂ）と比べて、
全ての温度で高い疲労強度を有することが示されてい
る。

【００４４】上記のような本発明の内燃機関用ピストン
の一実施形態（第１実施形態）に対して、図５は、本発
明の内燃機関用ピストンの他の実施形態（第２実施形
態）を示すもので、この第２実施形態は、上記の第１実
施形態に示したものと同じ材質１Ａ，１Ｂを使用したも
ので、ピストン本体１の具体的な形状が上記の第１実施
形態とは異なるものである。

【００４５】すなわち、上記の第１実施形態に係るピス
トン本体１では、スカート部３がピストン本体１の全周
で連続的に長く形成されており、該スカート部３の下端
側が強度の低い材質１Ｂとなっているのに対して、この
第２実施形態に係るピストン本体１では、一対のピンボ
ス部４のそれぞれに対応する位置で、ピンボス部４の外
側部分の大部分がスカート部３とはならないように、ス
カート部４にそれぞれ下端側からの切欠部が設けられて
いることで、ピストン本体１全体が軽量化されていると
共に、ピストン本体１の側壁全域で、その外周面が強度
の高い材質１Ａとなっている。

【００４６】そのような第２実施形態のピストン本体１
については、図７に示すような、強度の異なる２種の材
質１Ａ，１Ｂからなる複合ピストン素材１０を、図６に
示すように、４００〜５００℃の間に制御した状態で予
熱した下型２２と、同じく４００〜５００℃の間に制御
した状態で予熱した上型（パンチ）２１とによる熱間鍛
造により一次成形品に成形してから、不要な部分を削り
落としたりリング溝部５やピン孔部６を形成する等の機
械加工処理を施し、更に必要に応じてメッキ等の表面処
理を施すことで、最終製品として仕上げられている。

【００４７】なお、図７に示すような複合ピストン素材
１０については、例えば、図８に示すように、別途に用
意した溶製材のアルミ合金を加熱しつつ丸棒状に押し出
すと共に、該溶製材アルミ合金の丸棒の周囲を覆うよう
に、アルミ合金の急冷凝固粉末（各構成成分の粉末を含
む）を加熱しつつ押し出すことで、両者を一体的に固形
化してから、そのような中心部と外周部で材質が異なる
複合体の円柱を所定の大きさに切断することによって、
複合化された状態に形成されるものである。

【００４８】以上に述べたような本発明の内燃機関用ピ
ストンの各実施形態によれば、ピストン本体１におい
て、爆発燃焼時のコンロッドによる反作用により、ある
いは、力としては小さいが、ピストンの上昇行程中のコ
ンロッドからの作用力により、シリンダ壁に押し付けら
れる側、すなわち、ピストン本体１における両ピンボス
部４の間の中間部の側において、ヘッド部２からリング
溝部５を経てスカート部３の下方にまで長く、ピストン
本体１の外周面側が強度の高い材質１Ａにより形成され
ているため、ピストン本体１のシリンダ壁への押し付け
に対する強度を充分に確保することができる。

【００４９】そして、そのようにピストン本体１のシリ
ンダ壁への押し付けに対する強度が充分に確保されてい
ることにより、トップランドの部分を小さくすることが
できて、トップランドとシリンダ壁との隙間に残留する
排気ガス量を減少させることができ、その結果、ＨＣを
減らすことができると共に、ヘッド部２の外周部におけ
るシリンダ摺動方向の肉厚を薄くできるので、その分ピ
ストン本体１の重量を軽くすることができる。

【００５０】また、上記の各実施形態では、強度の高い
材質１Ａとして、上記の各例として示したような構成成
分の急冷凝固粉末アルミ合金が使用されているため、該
材質１Ａの耐摩耗性や耐焼付性により、スカート部１の
耐摩耗性が向上して、ピストン本体１の寿命を延ばすこ
とができ、また、該材質１Ａの熱膨張係数が小さいこと
により、ピストン本体１の熱変形を小さくすることがで
きる。

【００５１】なお、上記の各実施形態で使用されている
材質１Ａについては、材質１Ｂと比較して、炭化シリコ
ン（ＳｉＣ）や鉄（Ｆｅ）を混合していること、シリコ
ン（Ｓｉ）の含有量が多いこと、多種の成分を成分割合
を管理しつつ混合する必要があること、特殊な構成成分
であること、また、急冷凝固粉末の製造行程が必要であ
ること等により、材料単価が高くなっているため、ピス
トン一個当たりの使用割合を節減する必要のあるもので
あると共に、材質１Ｂと比較して、比重の大きい成分元
素の割合が多く、合金としての比重が大きくなるので、
ピストン本体の軽量化のためにも、ピストン一個当たり
の使用割合を節減する必要のあるものである。

【００５２】この点に関して、上記の各実施形態では、
ピストン本体１の両ピンボス部４の間の中間部の側にお
いてのみ、材質１Ａの部分を下方に長くすることによ
り、ピストン本体１の外周面の円周方向全体で材質１Ａ
の部分を下方に長くする場合と比べて、材料費を節減で
き、軽量化を図ることが可能となり、しかも、上記のよ
うにピストン本体１のシリンダ壁への押し付けに対する
強度を充分に確保することができる。

【００５３】また、上記のようなシリンダ壁への押し付
け力に抗して、スカート部の剛性、強度を保つために、
材質Ｂのみでスカート部を形成する場合と比べて、上記
の各実施形態のものでは、該スカート部３の肉厚を薄く
できる分だけ軽量化することができると共に、鍛造で製
造するには最小限の肉厚が必要であることから、材質Ａ
のみでスカート部を形成する場合においても、その肉厚
を薄くできるのに限界があるため、上記の各実施形態の
ように、スカート部３の内側（ピストン本体の軸心側）
を材質Ｂとし、スカート部３の表面（ピストン本体の外
周面側）を材質Ａとすることによって、耐摩耗性と、必
要最小の強度，剛性を確保しつつ、ピストン本体１の軽
量化および材料費の節減を図ることができる。

【００５４】また、上記の第２実施形態では、ピストン
本体１が、強度の異なる２種の材質１Ａ，１Ｂを一体的
に接合した複合ピストン素材１０を鍛造することにより
一次成形されていることから、ピストン本体１における
材質１Ａと材質１Ｂの接合界面が、鍛造によって延ばさ
れることで、鍛造前よりも強固に一体化された状態とさ
れている。

【００５５】以上、本発明の内燃機関用ピストンの各実
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、図１
に示したような外観形状のピストン本体を、図８に示し
た工程を経て製造される図７に示した複合ピストン素材
１０により、図２に示した鍛造型によって鍛造するよう
にしても良く、この場合でも、ピンボス部４が肉厚とな
るので、材質１Ａの部分は、ピン孔部６の下方のスカー
ト部３には充分に到達しない構造となる。

【００５６】また、同様に、図５に示したような外観形
状のピストン本体を、図４に示した工程を経て製造され
る図３に示した複合ピストン素材１０により、図６に示
した鍛造型によって鍛造するようにしても良く、この場
合でも、両ピンボス部４の間のスカート部３において、
材質１Ａの部分は、スカート部３の下端に達しないにし
ても、ピン孔部６の下方までスカート部３の表面を材質
１Ａとすることが可能であって、その際、図３に示した
複合ピストン素材１０におけるリング状の材質１Ａのリ
ングの内径を小さくしたり、高さを大きくしたりするこ
とによって、材質１Ａの部分をスカート部３の下端に近
づけることができる。

【００５７】さらに、本発明の内燃機関用ピストンにつ
いては、強度の異なる２種の材質１Ａ，１Ｂについて
も、上記の各実施形態で例示したような具体的な各材質
に限らず、それ以外の適当な材質を使用することにより
実施することも可能であり、また、ピストン本体１を製
造するための方法についても、上記の各実施形態で例示
したような具体的な鍛造方法に限らず、それ以外の適当
な方法により製造することも可能である。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したような本発明の内燃機関用
ピストンによれば、ピストン本体のトップランドを大き
くして残留排気ガス量を増やすようなことなく、ピスト
ン本体のシリンダ壁への押し付けに対する強度を向上さ
せ、また、スカート部の耐摩耗性を向上させることがで
きると共に、ピストン本体を製造するための材料費の節
約や、ピストン本体の軽量化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の内燃機関用ピストンの一実施形態（第
１実施形態）に係るピストン本体を示す（Ａ）側面図，
（Ｂ）上面図，（Ｃ）図ＢのＣ−Ｃ線に沿った縦断面
図，および，（Ｄ）側壁の展開図。

【図２】図１に示したピストン本体の一次成形品を複合
ピストン素材から鍛造するときの状態の一例を示す断面
説明図。

【図３】図１に示したピストン本体を鍛造により一次成
形するための複合ピストン素材の一例を示す縦断面図。

【図４】図３に示した複合ピストン素材における強度の
高い材質の部分を製造するときの状態の一例を示す断面
説明図。

【図５】本発明の内燃機関用ピストンの他の実施形態
（第２実施形態）に係るピストン本体を示す（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６】図５に示したピストン本体の一次成形品を複合
ピストン素材から鍛造するときの状態の一例を示す断面
説明図。

【図７】図５に示したピストン本体を鍛造により一次成
形するための複合ピストン素材の一例を示す縦断面図。

【図８】図７に示した複合ピストン素材を製造するとき
の状態の一例を示す断面説明図。

【図９】ピストン本体を構成する２種の材質について、
強度の高い材質の各例（ＳｉＣを含む例−Ａ１と、Ｓｉ
Ｃを含まない例−Ａ２）と、それよりも強度の低い材質
の一例（例−Ｂ）とについて、材質による耐摩耗性の差
異を示すグラフ。

【図１０】ピストン本体を構成する２種の材質につい
て、強度の高い材質の各例（ＳｉＣを含む例−Ａ１と、
ＳｉＣを含まない例−Ａ２）と、それよりも強度の低い
材質の一例（例−Ｂ）とについて、２５℃，１５０℃，
２５０℃の各温度において、材質による疲労強度の差異
を示すグラフ。

【図１１】エンジンの運転中にピストン本体に作用する
力について示す側面説明図。

【符号の説明】

１ピストン本体（内燃機関用ピストン）１Ａ強度の高い材質１Ｂ他の材質（強度の低い材質）２ヘッド部３スカート部４ピンボス部５リング溝部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＦ１６Ｊ 1/16 Ｆ１６Ｊ 1/16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】接合界面で一体的に接合された強度の異
なる材質によりピストン本体が構成されている内燃機関
用のピストンにおいて、強度の高い材質が、ピストン本
体の外周面で、ヘッド部の上端から少なくともリング溝
部よりも下方のスカート部にまで延び、且つ、そのヘッ
ド部上端からの長さが、一対のピンボス部近傍よりも、
両ピンボス部の間の中間部で長くなるように、ピストン
本体が鍛造によって形成されていることを特徴とする内
燃機関用ピストン。
【請求項２】一対のピンボス部のそれぞれに対応する
位置で、スカート部に下端側からの切欠部が設けられ、
ピストン本体の外周面の全域が、強度の高い材質により
形成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃
機関用ピストン。
【請求項３】ヘッド部上面の少なくとも外周部が、強
度の高い材質により形成さ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ピストン。
【請求項４】強度の高い材質が、シリコン（Ｓｉ）を
１０〜２２重量％の範囲で含み、初晶シリコンの平均粒
径が１０μｍ以下であるような、急冷凝固粉末を固化し
たアルミ合金からなるもので、ピストン本体が、該材質
と他の材質とからなる複合素材を鍛造で一次成形するこ
とにより形成されたものであることを特徴とする請求項
１乃至３に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項５】強度の高い材質が、シリコン（Ｓｉ）よ
りも硬い非金属成分粒子を、平均粒径が１０μｍ以下の
状態で、１〜１０重量％の範囲で含むような、急冷凝固
粉末を固化したアルミ合金からなるものであることを特
徴とする請求項４に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項６】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５に
記載の内燃機関用ピストン。
【請求項７】強度の高い材質が、鉄（Ｆｅ）を１〜１
０重量％の範囲で含み、その化合物の平均粒径が１０μ
ｍ以下であるような、急冷凝固粉末を固化したアルミ合
金からなるものであることを特徴とする請求項４乃至６
に記載の内燃機関用ピストン。