JPH10288086A

JPH10288086A - 内燃機関用ピストン

Info

Publication number: JPH10288086A
Application number: JP10817197A
Authority: JP
Inventors: Toshikatsu Koike; 俊勝小池; 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、ヘッド部の外
周部やスカート部の肉厚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、ピストン本体の外周面の
変形に関連する外力の繰り返しに対して、スカート部の
亀裂破損や、リング溝まわりの変形や亀裂破損等を効果
的に防止する。【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、ピストン本体１の
ヘッド部２あるいはスカート部３の少なくとも一方で、
その外周面側と軸心側では材質が異なるように形成する
と共に、外周面側となる強度の高い材質１Ａの肉厚を、
一対のピンボス部４近傍では厚くなり、両ピンボス部４
の間の中間部では薄くなるように形成する。

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
６３−１２６６６１号公報，実開平２−１０７７４９号
公報，特開平３−２６７５５２号公報，特開平５−３２
０７８８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、燃焼室の爆発力がヘッド部に作用
すると共に、ピストンの往復動によるコンロッドからの
反力がピストンピン孔に作用し、また、シリンダ壁から
の反力（コンロッド反力の内のシリンダ軸心に対して直
角方向成分に対向する力）やシリンダ壁からの摩擦力等
が、ピストン本体の頂面周縁部からリング溝部の下方に
至るヘッド部の外周面と、該ヘッド部外周面の下方に連
なるスカート部の外周面とに作用することとなる。

【０００６】そのようなエンジン運転中にピストン本体
の外周面にかかる外力について、摩擦力を他の力よりも
小さいと仮定すると、コンロッドからの反力（コンロッ
ド反力の内のシリンダ軸心に対して直角方向成分）と、
シリンダ壁から作用する反力（コンロッドからの反力に
対向する力）とが、ピストン本体のスカート部やリング
溝まわりの変形に関連する外力として働くこととなる。

【０００７】すなわち、図１０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
として作用することとなる。

【０００８】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′として作用するこ
ととなる。

【０００９】そして、エンジンを高出力にすると、爆発
力が大きくなって、ピストン本体の外周面の変形に関連
する外力も大きくなるのに対して、エンジンの高出力化
に対応してピストン本体を軽量化するためには、スカー
ト部の肉厚を大きくしたり、ヘッド部の外周部の肉厚を
大きくしたりするわけにはいかず、その結果、上記のよ
うなピストン本体の外周面の変形に関連する外力の繰り
返しにより、スカート部のうちのピストンピンとの連結
部近傍に亀裂破損が発生したり、リング溝まわりのラン
ド部が変形してリング溝が変形し、ピストンリングの固
着や、リング溝底角部からの亀裂が発生したりすること
となる。

【００１０】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、ヘッド部の外周部
やスカート部の肉厚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、ピストン本体の外周面の変形
に関連する外力の繰り返しに対して、スカート部の亀裂
破損や、リング溝まわりの変形や亀裂破損等を効果的に
防止することを課題とするものである。

【００１１】

【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、ピストン本体のヘッド部あるいはスカート
部の少なくとも一方で、その外周面側と軸心側では材質
が異なるように形成されていると共に、外周面側となる
強度の高い材質の肉厚が、一対のピンボス部近傍では厚
くなり、両ピンボス部の間の中間部では薄くなるように
形成されていることを特徴とするものである。

【００１２】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、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製
造されたものであることを特徴とするものである。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】

【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。

【００１７】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、図（Ａ）の
Ｄ−Ｄ線に沿った横断面を示している。

【００１８】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。

【００１９】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、ピストン本体
１の軸心方向に沿って、ヘッド部２の上面からリング溝
部５まわりを経てスカート部３の下端まで、強度の高い
材質１Ａが、ピストン本体１の周辺部（外周面側）を占
めるように分布し、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）を占めるように分布
している。

【００２０】すなわち、ヘッド部２では、周辺部が強度
の高い材質１Ａとなり、中央部が強度の低い材質１Ｂと
なると共に、スカート部３では、表面側が強度の高い材
質１Ａとなり、内側が強度の低い材質１Ｂとなるように
構成されていて、ヘッド部２の上面からスカート部３の
下端にまで連続して延びる強度の高い材質１Ａは、その
肉厚（ピストン本体１の径方向での厚さ）が、一対のピ
ンボス部４の近傍では厚くなり、両ピンボス部４の間の
中間部では薄くなっている。

【００２１】そのような材質１Ａの円周方向に沿った肉
厚の相違については、図１（Ｄ）にも示すように、ピス
トン本体１の長手方向（ピストンの摺動方向）のどの位
置における横断面でも同じ傾向にあって、図１（Ｂ）に
示すように、該図上で、ピン孔部６の中心線Ｙの上方を
基点とした極座標を考えて時計方向にθをとるとき、θ
における材質１Ａの肉厚ｔ1A（θ）は、右半分におい
て、θが０°あるいは１８０°に近い程大きく、９０°
に近いほど小さく、また、左半分においても同様に、θ
が１８０°あるいは３６０°に近い程大きく、２７０°
に近いほど小さくなっている。

【００２２】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を接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、鍛造により接合界面
が延びることで、鍛造前よりも強固に一体化された状態
となっている。

【００２３】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およ
び底型２２ｂ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。

【００２４】なお、図２は、上記の鍛造の状態につい
て、図１（Ｃ）のように９０°に開いた２面の縦断面を
展開して示すものであるが、該図の左半分に示すよう
に、一対のピンボス部４の近傍では、素材１０が厚く短
く延ばされるのに対して、該図の右半分に示すように、
両ピンボス部４の間の中間部では、素材１０が薄く長く
延ばされるため、複合ピストン素材１０が、図３に示す
ような、材質１Ｂの外周に材質１Ａを均等な厚さで同心
的に設けたようなものであっても、鍛造により、一対の
ピンボス部４の近傍では材質１Ａの肉厚が厚くなり、両
ピンボス部４の間の中間部では材質１Ａの肉厚が薄くな
るように形成されることとなる。

【００２５】なお、鍛造されるピストン本体１の形状や
金型等の関係により、場合によっては、図４に示すよう
な、ピンボス部４に相当する部分の材質１Ａの肉厚を当
初から厚くした複合ピストン素材１０を使用してもよ
い。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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、まず、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℃／ｓｅ
ｃ以上で急激に冷やして凝固させることで、平均粒径で
約１００μｍ程度の急冷凝固粉末（パウダーメタル）と
してから、該アルミ合金の急冷凝固粉末に対して、更
に、必要な構成成分の粉末を混入する。

【００３４】そして、そのようなアルミ合金の急冷凝固
粉末（各構成成分の粉末を含む）について、例えば、図
５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、上記のアルミ合金急冷凝
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、図３や図４に示すような
鍛造用の複合ピストン素材１０が形成される。

【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８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９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】以上に述べたような本実施形態の内燃機関
用ピストンによれば、ピストン本体１のヘッド部２の上
端からスカート部３の下端まで、ピストン本体１の長手
方向（ピストンの摺動方向）のどの位置でも、ピストン
本体１の外周面側の部分を構成する強度の高い材質１Ａ
が、一対のピンボス部４の近傍で、両ピンボス部４の間
の中間部よりも、その肉厚が厚くなっているため、ピン
ボス部４のピン孔部６に挿通されるピストンピンの軸線
方向と直交する方向から加えられる力に対する剛性が高
いようなものとなっている。

【００４５】すなわち、図１０に示したような、コンロ
ッドからの反力Ｆ_X（コンロッド反力Ｆの内のシリンダ
軸心に対して直角方向成分）や、ピストン本体１の外周
面にシリンダ壁から作用する反力（分布荷重ｆ、コンロ
ッドからの反力に対向する力）のような、ピストン本体
１の外周面の変形に関連する外力に対して剛性の高いも
のになっていると共に、そのような外力がスカート部３
を破損させるように働くスカート部３のピンボス部４近
傍については、強度の高い材質１Ａが肉厚となっている
ため、スカート部３の全体の肉厚を特に大きくしなくて
も、上記のような外力の繰り返しによるスカート部３の
亀裂破損を効果的に防止することができる。

【００４６】なお、ピストン本体の長手方向（ピストン
の摺動方向）における任意の位置での横断面において、
外周面側となる強度の高い材質の肉厚を、一対のピンボ
ス部近傍では厚くなり、両ピンボス部の間の中間部では
薄くなるように形成しつつ、ピストン本体の長手方向
（ピストン摺動方向）ではヘッド部の側に近づく程スカ
ート部の材質１Ａを肉厚にするのが良く、これにより、
スカート部の重量を軽減しつつ、シリンダ側からの反力
がスカート部に作用する時に、スカート部のうちのヘッ
ド部側に近くなる程大きくなる曲げモーメントに抗する
剛性，強度を保つことができる。

【００４７】また、ヘッド部２の上端からリング溝部５
までの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、エンジンの運転中においてトップ
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、そのため、ヘッド部２の外周
部の長手方向（ピストン摺動方向）の肉厚を、あるい
は、ヘッド部２の外周部へのスカート部の結合部の肉厚
を、ピンボス部４の近傍においても小さくしつつ、トッ
プランドの変形やリング溝の変形を防止することができ
ると共に、リング溝底の角部からの亀裂の発生を確実に
防止することができる。

【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
ることができることによって、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】また、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ことで、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
る。

【００５０】また、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。

【００５１】以上、本発明の内燃機関用ピストンの一実
施形態について説明したが、本発明は、上記のような実
施形態にのみ限定されるものではない。

【００５２】すなわち、図６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、
上記の実施形態（第１実施形態）に係るピストン本体１
が、ピンボス部４の外側がスカート部３と一体化され
て、スカート部３全体が比較的長くなるように形成され
ている、２サイクルエンジンに使用するのに適したよう
なものであるのに対して、この第２実施形態に係るピス
トン本体１は、ピンボス部４の外側部分の大部分がスカ
ート部３になっておらず、スカート部３全体が比較的短
く形成されて全体の軽量化が図られている、４サイクル
エンジン用のものとなっている。

【００５３】この第２実施形態では、ピストン本体１に
おいて、強度の高い材質１Ａが、リング溝部５を含むヘ
ッド部２の外周部（外周面側）のみ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（軸心側）からスカート部３全体を占めるように分
布すると共に、ヘッド部２の外周部における強度の高い
材質１Ａの肉厚（ピストン本体１の径方向での厚さ）
が、一対のピンボス部４の近傍では厚くなり、両ピンボ
ス部４の間の中間部では薄くなるように構成されてい
る。

【００５４】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に示すように、リング状の材質１Ａ
（急冷凝固粉末アルミ合金）を材質１Ｂ（溶製材のアル
ミ合金）の上部に嵌合させた複合ピストン素材１０によ
って、上記の実施形態と同様に、２５０〜４５０℃の間
に制御した状態で予熱した側型２２ａおよび底型２２ｂ
からなる下型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
鍛造で一次成形品として成形することにより、ヘッド部
２の外周部において、一対のピンボス部４の近傍では材
質１Ａの肉厚が厚くなり、両ピンボス部４の間の中間部
では材質１Ａの肉厚が薄くなるように形成される。

【００５５】さらに、本発明の内燃機関用ピストンにつ
いては、上記のような各実施形態に限らず、例えば、図
７（Ａ）に示すような、リング状の材質１Ａ（急冷凝固
粉末アルミ合金）を材質１Ｂ（溶製材のアルミ合金）の
上部に嵌合させた複合ピストン素材１０により、図６に
示すようなスカート部の短いピストン本体に限らず、図
１に示すようなスカート部の長いピストン本体を製造し
てもよく、その場合、スカート部の軽量化はできなくて
も、ヘッド部の外周部について、リング溝まわりの剛
性，強度を高めつつ、軽量化することが可能となる。

【００５６】また、ヘッド部の外周部を除くスカート部
のみについて、その表面側（外周面側）を強度の高い材
質１Ａとし、該材質１Ａの肉厚（ピストン本体１の径方
向での厚さ）を、一対のピンボス部４の近傍では厚くな
り、両ピンボス部４の間の中間部では薄くなるように構
成してもよく、その場合、ヘッド部周辺部のリング溝ま
わりについては軽量化はできなくても、スカート部のピ
ンボス部近傍の剛性，強度を高めつつ、軽量化すること
が可能となる。

【００５７】なお、そのようなものについては、図７
（Ａ）に示すような、リング状の材質１Ａ（急冷凝固粉
末アルミ合金）を材質１Ｂ（溶製材のアルミ合金）の上
部に嵌合させた複合ピストン素材１０によって、同様の
装置により材質１Ａが底型２２ｂの側になるようにして
鍛造することで、スカート部のみについて、その表面側
を強度の高い材質１Ａとして成形することができる。

【００５８】また、ピン孔部を通る中心面でピストン本
体を左右に２分して見たときに、ピストン本体が下降行
程にある時、反コンロッド側となる方の材質１Ａの肉厚
を、コンロッド側となる方の材質１Ａの肉厚よりも厚く
しても良く、ピン孔部を通る中心面に対する対称位置に
おける材質１Ａの肉圧を、反コンロッド側ｔ1A( θ)＞
コンロッド側ｔ1A( θ) とすることにより、材質１Ａを
減らして更に軽量化を図ることができる。

【００５９】また、軽量化によりピストンの慣性力Ｍａ
が小さくなる場合には、反コンロッド側のみ、スカート
部あるいはヘッド部のうちの少なくとも一方について、
その外周面側と軸心側で材質が異なるように形成すると
共に、外周面側となる強度の高い材質の肉厚を、一対の
ピンボス部近傍では厚くなり、両ピンボス部の間の中間
部では薄くなるように形成しても良い。

【００６０】さらにまた、本発明の内燃機関用ピストン
については、例えば、強度の異なる２種の材質１Ａ，１
Ｂ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。

【００６１】

【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、ヘッド部の外周部やスカート部の肉
厚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、ピストン本体の外周面の変形に関連する外力の
繰り返しに対して、スカート部の亀裂破損や、リング溝
まわりの変形や亀裂破損等を効果的に防止することがで
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（Ａ）上面
図，および（Ｂ）図ＡのＢ−Ｂ線に沿った縦断面図。

【図４】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他の例を示す（Ａ）上
面図，および（Ｂ）図ＡのＢ−Ｂ線に沿った縦断面図。

【図５】図３あるいは図４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６】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７】図６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８】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、２５℃，１５０℃，２５
０℃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１０】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（Ａ）側面説明図，および（Ｂ）上面説
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

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、ピストン本体のヘッド部あるい
はスカート部の少なくとも一方で、その外周面側と軸心
側では材質が異なるように形成されていると共に、外周
面側となる強度の高い材質の肉厚が、一対のピンボス部
近傍では厚くなり、両ピンボス部の間の中間部では薄く
なるように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】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
とにより製造された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。