JPH10288085A

JPH10288085A - 内燃機関用ピストン

Info

Publication number: JPH10288085A
Application number: JP9108170A
Authority: JP
Inventors: Toshikatsu Koike; 俊勝小池; Kazuo Miyazawa; 一夫宮澤
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
Also published as: US6240827B1

Abstract

(57)【要約】【課題】内燃機関用ピストンにおいて、ピンボス部に
補強部材を鋳込むことでピストン本体の軽量化を妨げる
ようなことなく、ピストンピンの摺接面となるピン孔部
の強度や耐摩耗性を向上させる。【解決手段】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、ピストン本体１を、ピストン母材１Ｂとそれより
も強度の高い材質１Ａとからなる複合素材を鍛造で一次
成形することにより、ピストンピンの摺接面となるピス
トン本体１のピン孔部６の少なくとも一部分を、該強度
の高い材質１Ａにより構成する。

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】そして、そのようなアルミ合金からなる内
燃機関用ピストンでは、エンジン運転時におけるコンロ
ッドからの反力が、ピストンピンからピストン本体のピ
ン孔部に作用することで、ピストンピンの摺接面となる
ピン孔部の周りがへたって（塑性変形して）しまい、そ
れによりガタつきが発生してピストンの破損を招く虞も
あることから、ピストン本体のピンボス部に高強度部材
を鋳込むことでピン孔部を補強するということが従来か
ら行われている。

【０００５】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スカ
ート部では特に高い耐摩耗性が要求されること、およ
び、材料費の節約や軽量化などから、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
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６
３−１２６６６１号公報，実開平２−１０７７４９号公
報，特開平３−２６７５５２号公報，特開平５−３２０
７８８号公報等参照。）

【０００６】

【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、ピストン本体のピン
孔部を補強する場合には、ピンボス部に高強度部材を鋳
込むため、ピンボス部を大きくすることが必要となり、
ピンボス部を小さくしてピストン本体の軽量化を図ると
いうのに不都合なものとなると共に、鋳込みのためにピ
ストン母材と高強度部材との接合強度も充分にとれない
という問題がある。

【０００７】一方、部分的に材質を変えて複合的にピス
トン本体を形成したようなものでは、従来、摩擦溶接や
溶接肉盛り等の製造上の制約により、ヘッド部とリング
溝部（あるいは、リング溝部のみ）の部分が強度の高い
材質となるように構成され、ピンボス部はピストン母材
のままとしているため、ピストンピンの摺接面となるピ
ン孔部では、ヘッド部からの熱の流入により高温となる
にもかかわらず、高温での強度や耐摩耗性が特に向上さ
れてはいない。

【０００８】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、ピンボス部に補強
部材を鋳込むことでピストン本体の軽量化を妨げるよう
なことなく、ピストンピンの摺接面となるピン孔部の強
度や耐摩耗性を向上させ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、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、ピストン本体が、
ピストン母材とそれよりも強度の高い材質とからなる複
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
であり、それによって、ピストンピンの摺接面となるピ
ストン本体のピン孔部の少なくとも一部分が、該強度の
高い材質により構成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
用ピストンにおいて、上記の請求項２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ものである。

【００１１】また、上記の請求項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、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。

【００１２】また、上記の請求項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、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。

【００１３】さらに、上記の請求項２乃至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、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。

【００１４】

【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。

【００１５】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ている。

【００１６】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。

【００１７】このピストン本体１は、鍛造により境界面
で一体的に接合された強度の異なる２種の材質１Ａ，１
Ｂ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、ヘッド部２の上面側からリング溝部
５を占めるように分布し、それよりも強度の低い材質１
Ｂが、ヘッド部２の裏面側からスカート部３を占めるよ
うに分布すると共に、強度の高い材質１Ａが、リング溝
部５よりも下側のピンボス部４の上部にまで延びて、該
ピンボス部４に穿設されたピン孔部６の上側の一部が強
度の高い材質１Ａとなるように構成されている。

【００１８】そのような本実施形態のピストン本体１
は、図２に示すような、強度の異なる２種の材質１Ａ，
１Ｂを単に重ね置きするか、外径の小さな素材を一次鍛
造して拡げることにより境界の酸化皮膜を破壊して材質
１Ａ，１Ｂを直接圧着させた複合ピストン素材１０か
ら、図４（Ａ），（Ｂ）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、鍛造により接合界面が延びることで、酸化皮
膜ではなくそれぞれの材質が直接圧着する面積を増加さ
せることにより、鍛造前よりも強固に一体化された状態
となっている。

【００１９】図４（Ａ），（Ｂ）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
下型２２と、同じく２５０〜４５０℃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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】上記のような強度の高い材質１Ａに対し
て、それと共にピストン本体１を構成する強度の低い材
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。

【００２６】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。

【００２７】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３に示すように、該粉
末を４００〜５００℃に加熱して押し出すことで丸棒状
に固形化してから所定の大きさに切断することで、図２
に示すような複合ピストン素材１０の円板状の材質１Ａ
とされるものである。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】すなわち、図１３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−
Ａ１，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。

【００３６】また、図１４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。

【００３７】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および図
９は、本発明の内燃機関用ピストンの他の実施形態（第
２実施形態および第３実施形態）を示すもので、それら
の各実施形態（第２実施形態および第３実施形態）は、
何れも、上記の実施形態（第１実施形態）に各例として
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における材質１Ａ，１Ｂの分布状態が上記
の実施形態（第１実施形態）とは異なるものである。

【００３８】すなわち、本発明の第２実施形態では、図
５に示すように、ピストン本体１において、強度の高い
材質１Ａが、ヘッド部２の周辺部からリング溝部５を占
めるように分布し、それよりも強度の低い材質１Ｂが、
ヘッド部２の中央部からスカート部３を占めるように分
布すると共に、強度の高い材質１Ａが、リング溝部５よ
りも下側のピンボス部４の上部にまで延びて、該ピンボ
ス部４に穿設されたピン孔部６の上側の一部が強度の高
い材質１Ａとなるように構成されている。

【００３９】そのような第２実施形態のピストン本体１
は、図６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８に示すよう
に、２５０〜４５０℃の間に制御した状態で予熱した下
型２２と、同じく２５０〜４５０℃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。

【００４０】なお、図６に示すような複合ピストン素材
１０については、図７に示すように、アルミ合金の急冷
凝固粉末（各構成成分の粉末を含む）を加熱して中空棒
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と嵌合させることで形成されるものであり、この嵌
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。

【００４１】また、本発明の第３実施形態では、図９に
示すように、ピストン本体１において、強度の高い材質
１Ａが、ヘッド部２の周辺部からリング溝部５とピンボ
ス部４の外側とスカート部３を占めるようにピストン本
体１の周辺側に分布し、それよりも強度の低い材質１Ｂ
が、ヘッド部２の中央部からピンボス部４の内側を占め
るようにピストン本体１の軸心側に分布していること
で、ピンボス部４に穿設されたピン孔部６の外寄り部分
の全周が強度の高い材質１Ａとなるように構成されてい
る。

【００４２】そのような第３実施形態のピストン本体１
は、図１０に示すような、強度の異なる２種の材質１
Ａ，１Ｂからなる複合ピストン素材１０を、図１２に示
すように、２５０〜４５０℃の間に制御した状態で予熱
した下型２２と、同じく２５０〜４５０℃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。

【００４３】なお、図１０に示すような複合ピストン素
材１０については、図１１に示すように、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り形成されるものである。

【００４４】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、ピストンピンの摺接面と
なるピン孔部６の部分が、強度の高い材質１Ａにより構
成されているため、ピンボス部４に特に補強部材を鋳込
むようなことなく、ピン孔部６の強度や耐摩耗性を向上
させることができる。

【００４５】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があると共
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
合を節減する必要がある。

【００４６】この点に関して、上記の各実施形態では、
ピン孔部６のまわりのみを材質１Ａとすることにより、
材料費を節減できて、しかも、ピストン本体１の軽量化
が可能となり、また、第１実施形態では、爆発燃焼時の
コンロッド反力やピストンの上昇行程時のコンロッド側
からの作用力が作用するピン孔部６のうちのヘッド部２
側と、ヘッド部２の外周部を材質１Ａとしていることに
よって、ピストン本体１の軽量化を図りつつ、リング溝
部５まわり，およびピン孔部６まわりの剛性，強度を高
めることができる。

【００４７】また、上記の各実施形態では、リング溝部
５の付近からヘッド部２にかかるトップランドの部分
が、強度の高い材質１Ａにより形成されているため、爆
発燃焼時のコンロッドの反力やピストンスラップ等によ
りピストン本体１がピストンピン回りに揺動して、トッ
プランドがシリンダ壁に強く押し付けられても、その力
に充分に耐えることができる。

【００４８】そして、そのようにトップランドが高い強
度を有することにより、トップランドの部分を小さくす
ることができ、それによって、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。

【００４９】なお、上記の第２実施形態では、ヘッド部
２の上面に作用する爆発燃焼圧力により、ヘッド部２に
発生する内部応力や内部歪みが、ヘッド部２の中央部よ
りも外周部で大きくなる点に着目して、ヘッド部２の外
周部のみを材質１Ａとしていることで、ピストン本体１
のより一層の軽量化が可能となっている。

【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、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、特に、上記の第３実施形態では、
スカート部３も材質１Ａとなっているため、ピストン本
体１の耐摩耗性をより確実に高めることができる。

【００５１】また、上記の各実施形態では、熱伝導率の
低い急冷凝固粉末アルミ合金が、強度の高い材質１Ａと
して使用されていることにより、燃焼室に上面が露出す
るヘッド部２からピン孔部６への熱の流入が減少し、ピ
ン孔部６の温度が低減されるため、高温となるピストン
本体１におけるピン孔部６の耐摩耗性が向上することと
なる。

【００５２】なお、上記の第２実施形態では、ヘッド部
２の中央部からスカート部３を占めるように分布する強
度の低い材質１Ｂとして、熱伝導率の高い溶製材のアル
ミ合金が使用されているため、該材質１Ｂを通してヘッ
ド部２の熱をスカート部３から効率良くシリンダ壁に伝
達することで、ヘッド部２の温度を下げて当該部分の熱
強度が緩和される結果、ヘッド部２を薄肉化してピスト
ン本体１を軽量化することができる。

【００５３】また、上記の各実施形態では、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、あるいは、単に重ね置き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。

【００５４】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、強度
の異なる２種の材質１Ａ，１Ｂについては、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。

【００５５】

【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、ピンボス部を大きくしてピストン本
体の軽量化を妨げるようなことなく、ピストンピンの摺
接面となるピン孔部の強度や耐摩耗性を向上させること
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，および（Ｃ）図ＢのＣ−Ｃ線に沿った縦
断面図。

【図２】図１に示したピストン本体を製造するための素
材を示す縦断面図。

【図３】図２に示した複合ピストン素材における強度の
高い材質の部分を成形するときの状態の一例を示す断面
説明図。

【図４】図２に示した複合ピストン素材からピストン本
体の一次成形品を鍛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を製造するための素
材を示す縦断面図。

【図７】図６に示した複合ピストン素材における強度の
高い材質の部分を成形するときの状態の一例を示す断面
説明図。

【図８】図６に示した複合ピストン素材からピストン本
体の一次成形品を鍛造するときの状態の一例を示す断面
説明図。

【図９】本発明の内燃機関用ピストンの更に他の実施形
態（第３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１０】図９に示したピストン本体を製造するための
素材を示す縦断面図。

【図１１】図１０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１２】図１０に示した複合ピストン素材からピスト
ン本体の一次成形品を鍛造するときの状態の一例を示す
断面説明図。

【図１３】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、材質による耐摩耗性
の差異を示すグラフ。

【図１４】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。

【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）６ピン孔部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＣ２２Ｃ 21/00 Ｃ２２Ｃ 21/02 21/02 32/00 Ｑ 32/00 Ｆ１６Ｊ 1/01 Ｆ１６Ｊ 1/01 1/02 1/02 1/16 1/16 Ｂ２２Ｆ 5/00 Ｂ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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、ピスト
ン本体が、ピストン母材とそれよりも強度の高い材質と
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
されたものであり、それによって、ピストンピンの摺接
面となるピストン本体のピン孔部の少なくとも一部分
が、該強度の高い材質により構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】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あ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】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２に記載の内燃機関用ピストン。
【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
記載の内燃機関用ピストン。
【請求項５】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２乃至４
に記載の内燃機関用ピストン。