JPWO2015016122A1 - 内燃機関用ピストンの製造方法 - Google Patents

Abstract

アルミニウム合金製のピストン（１）の頂部の冠面に凹部を（５）を形成する。この凹部（５）に、充填部材であるジルコニア粉末と接合部材である純アルミニウム粉末との混合粉末（Ｐ）を充填する。混合粉末（Ｐ）が充填された凹部（５）に中実円筒状の回転工具（１０）を当てて、回転させながら荷重をかけてピストン（１）側に押し込む。混合粉末（Ｐ）を回転工具（１０）との摩擦熱により軟化させることにより、当該混合粉末（Ｐ）を凹部（５）に対し固相接合して低熱伝導部（４）を形成する。これにより、ピストンの頂部の冠面に対する低熱伝導部（４）の接合強度が向上する。

Description

本発明は、内燃機関用のピストンの製造方法と内燃機関用のピストンに関する。

従来の内燃機関用のピストンとして例えば特許文献１に記載されたものが知られている。この特許文献１に記載されたピストンでは、燃料噴射弁からピストンの冠面に向けて燃料を噴射して点火燃焼させる筒内噴射式火花点火機関であることを前提に、ピストン頂面上の一部であって、燃料が液体で衝突する燃料衝突部を含み且つ主たる燃焼領域を含む領域が、低熱伝導率で且つ低比熱の部材または構造体により構成されているものである。そして、このピストンの構造によれば、燃料衝突部での昇温効果を高めてピストンに衝突する燃料の蒸発を促進し、もってピストン頂面への燃料の付着を減少させてデポジットやスモークの排出を抑制することができるとされている。

しかしながら、上記特許文献１に記載された技術では、熱伝導率の小さな低熱伝導部材がピストンの頂面に取り付けられていることは記載されてはいても、その低熱伝導部材の具体的な取付方法または手段については何ら記載されていない。そのため、ピストン母材に対する低熱伝導部材の接合に関してその接合強度が低く、信頼性に乏しくなるおそれがあった。

特開平１１−１９３７２１号公報

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、ピストンの頂部に低熱伝導部材を設けるにあたってその接合強度の向上を図ることを目的としている。

本発明では、ピストンの冠面に凹部を形成しておき、この凹部にピストンの母材よりも熱伝導率の低い充填部材の粉末と、ピストンの母材と融合して合金化または金属間化合物となり得る接合部材の粉末とを混合した混合粉末またはその混合粉の成形体を充填し、いわゆる摩擦撹拌接合に類似した手法にて、前記混合粉末またはその混合粉末の成形体を前記凹部に対し固相接合して低熱伝導部を形成することとした。

本発明によれば、ピストン母材に対する低熱伝導部の接合強度が高いものとなり、接合品質および信頼性が向上する。

本発明方法によって製造されたピストンの一例を示す図で、一部を破断した構成説明図。 図１に示したピストンの製造工程の概略を示す工程説明図。 図２に示した摩擦接合に供される摩擦接合機の概略説明図。 図３の要部の詳細を示す図で、（Ａ）は正面説明図、（Ｂ）は同図（Ａ）の平面説明図。 本発明方法の第１の実施の形態を示す図で、図２に示した摩擦接合工程の詳細を示す工程説明図。 図５の摩擦接合で形成された低熱伝導部の拡大断面図。 図６のＡ部における組織の顕微鏡写真。 本発明方法の第２の実施の形態を示す図で、摩擦接合工程の詳細を示す工程説明図。 本発明方法によって製造されたピストンの別の例を示す図で、一部を破断した構成説明図。 本発明方法の第３の実施の形態を示す図で、摩擦接合工程の詳細を示す工程説明図。 本発明方法の第４の実施の形態を示す図で、摩擦接合工程の詳細を示す工程説明図。 本発明方法の第５の実施の形態を示す図で、摩擦接合工程の詳細を示す工程説明図。

図１〜７は本発明を実施するためのより具体的な形態を示し、特に図１は筒内噴射式火花点火機関に用いられるピストンそのものの構造を示している。

図１に示すピストン１では、例えばアルミニウム合金を母材とするピストン頂部であるところの冠面２のうち、図示外の燃料噴射弁から噴射される燃料が当たる位置に、比較的浅い円形の窪み３が形成されている。そして、この窪み３のほぼ中央部に、母材よりも熱伝導率が低い特性をもって断熱効果を発揮する円形の低熱伝導部４を形成してある。

この低熱伝導部４は、後述するように、窪み３のほぼ中央部に当該窪み３よりも小径の有底状の円形の凹部５を予め形成しておき、この凹部５に所定の混合粉末を充填した上で、いわゆる摩擦撹拌接合に類似した手法にて凹部５に対し固相接合（拡散接合）して形成したものである。

上記の所定の混合粉末としては、固相接合されて低熱伝導部４となった時点でピストン１そのものの母材であるアルミニウム合金よりも熱伝導率が低いものとなることが条件とされ、ピストン１の母材（アルミニウム合金）よりも熱伝導率の低い充填部材の粉末、例えばジルコニア（ＺｒＯ₂）、コージェライト、ムライト、シリコン、シリカ（二酸化珪素、ＳｉＯ₂）、雲母、タルク、アルミナ系や窒化珪素系等の中実のセラミック系材料、ケイ酸塩ガラス、アクリルガラス、有機ガラス等のガラスの粉末と、ピストン１の母材と融合して合金化または金属間化合物となり得る接合部材の粉末、例えばアルミニウム合金の粉末とを混合した混合粉末を用いるものとする。

上記充填部材の粉末および接合部材の粉末としては、フレーク状あるいはチップ状のものであっても良い。また、充填部材の粉末としては先に例示したものに限定されない。例えば、充填部材の粉末として、シリカを主成分とする微細多孔質構造の充填部材やシリカゲル、シリカエアロゲル等のほか、中空のセラミックビーズ、中空のガラスビーズ、中空の金属球を用いることができる。さらには、炭素、酸素、珪素等を含んだ有機珪素化合物や、高強度且つ高耐熱性のセラミック繊維のほか、低熱伝導率且つ低比熱の耐熱金属材料であるチタンやチタン合金、ＳＵＳ、低合金鋼、鋳鉄（ねずみ鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄）等の粉末も同様に用いることができる。

上記のような混合粉末の凹部５への充填に際しては、粉末状のままでも良いが、所定の成形体、例えば混合粉末に予め圧力を加えて予備成形を行うことでビスケット状に押し固めた圧粉体とし、この圧粉体を凹部５に押し込むか落とし込むようにしても良い。

図２は上記粉末充填や摩擦接合を含む一連のピストン１の製造手順を示している。同図に示すように、ピストン鋳造工程では、公知の方法によりアルミニウム合金製のピストン１の粗材を鋳造する。続く一次機械加工工程では、一次機械加工としてピストン１の粗材のランド部外径切削やピン穴加工を含むかたちで所定の機械加工を施す。なお、一次機械加工としてランド部外径切削やピン穴加工を予め施しておくことは、後述する摩擦接合機へピストン１をセットする際の位置決め精度を高める上で重要である。また、図１に示した冠面２の凹部５は、鋳造の際にいわゆる鋳抜き方式にて形成しても良く、あるいは上記一次機械加工の際に同時に形成しても良い。いずれの場合でも、この工程が凹部形成工程に該当する。

混合粉末作製・充填では、上記充填部材の粉末と接合部材の粉末とを混合して混合粉末を作製した上で、ピストン１の凹部５に充填する。この場合において、先に述べたように混合粉末の圧粉体を作製した上で、これを凹部５に押し込むか落とし込むようにしても良い。この工程が凹部５への材料充填工程に該当する。

続いて、上記のように凹部５に混合粉末が充填されたピストン１を摩擦接合機に位置決めしつつセットし、摩擦接合を施す。この工程が摩擦接合工程に該当し、詳細は後述する。

摩擦接合を終えたならば、摩擦接合機からピストン１を取り出し、後処理として熱処理を施す。この熱処理は摩擦接合の際の塑性変形に伴う歪みを除去し、強度を均一化することを目的とするもので、例えば容体化時効処理または人工時効処理として行うものとする。

こうして、ピストン１の熱処理を終えたならば、二次機械加工として最終的な仕上げ切削加工を施すことで製品たるピストン１が完成することになる。

図３は上記摩擦接合のための摩擦接合機の概略構造を示している。この摩擦接合機は公知の摩擦撹拌接合のための設備を流用したものと理解することができ、ベッド６上にワークとしてのピストン１が位置決めされるようになっているとともに、このベッド６と対向するクロスヘッド７が門型の架台８に昇降可能に支持されている。クロスヘッド７には工具ホルダ９を介して摩擦接合のための中実円筒状の回転工具（ツールまたはプローブ）１０が下向きに装着されていて、この回転工具１０はクロスヘッド７上のモータ１１にてギヤボックス１２を介して回転駆動される。同時に、回転工具１０を含むクロスヘッド７全体が油圧シリンダ１３により昇降駆動されることになる。なお、摩擦接合機には周知のように油圧源１４のほか制御盤１５が付帯している。

ここで、回転工具１０の先端面１０ａは図１の凹部５の直径よりも一回り大きな円形の平坦面となっている。従来公知の摩擦撹拌接合に用いられる回転工具は、上記先端面に撹拌作用のための突起部が付帯していることが条件とされるが、本実施の形態の摩擦接合では撹拌作用が不要であるために上記突起部は付帯しておらず、回転工具１０の先端面１０ａは単なる円形の平坦面となっている。

図４は図３に示した摩擦接合機におけるベッド６上でのピストン１の位置決めを司る機構の詳細を示していて、（Ａ）は正面説明図を、（Ｂ）は同図（Ａ）の平面説明図をそれぞれ示している。図４の（Ａ），（Ｂ）に示すように、図３に示したベッド６上でのピストン１の位置決めクランプに際しては、ベッド６上にあるセンタ治具１６にピストン１をかぶせて凹凸嵌合させて冠面２を裏側から支えるとともに、ピストン１側のピン穴に挿入可能な突起部１７ａを有する半割り状の左右一対のサイド治具１７を図示外の油圧シリンダにて前進動作させて、その左右一対のサイド治具１７にてピストン１を両側から加圧拘束して位置決めクランプするものとする。なお、ピストン１の変形を防止する上では、冠面２を裏側から支えるにあたって、全面接触で支えることが望ましい。

この状態で、回転工具１０を回転させながらその先端面１０ａを混合粉末が充填されているピストン１の凹部５に押し当てて、実質的に凹部５から混合粉末が吹き出すことがないように塞ぐかたちとする。先に述べたように回転工具１０の円形の先端面１０ａが凹部５の形状よりも一回り大きく形成されているのは、このためである。ただし、回転工具１０の先端面１０ａが凹部５から外れることがなければ、回転工具１０はその軸心までもが移動するような回転形態であっても良い。

さらに、回転している回転工具１０に荷重を負荷してさらに押し込み、規定の荷重、押し込み量および摩擦トルクに達した時点で除荷して回転工具１０を引き上げてその回転を止めるものとする。なお、回転工具１０の押し込み量は凹部５の体積が混合粉末の体積とほぼ等しくなるのに必要な量であり、これは混合粉末の空隙率が限りなく零に近付くことにほかならない。

こうすることにより、凹部５内の混合粉末のみかけ密度が真密度に近付くように高くなり、回転工具１０とピストン１側の凹部５および混合粉末との摩擦熱のために、その凹部５および混合粉末が溶融しないまでも軟化して、粉末同士が拡散接合するとともに、ピストン１の母材である凹部５とも拡散接合をもって固相接合して、図１の低熱伝導部４が形成されることになる。

図５は上記摩擦接合の過程の詳細図であり、同図（Ａ）は凹部５に混合粉末Ｐが充填されてはいても回転工具１０が接触していない状態を、同図（Ｂ）は凹部５の周囲に回転工具１０が接触した状態をそれぞれ示している。さらに、同図（Ｃ）は凹部５に対して回転工具１０が規定量まで押し込まれて低熱伝導部４が形成された状態を示している。

同図（Ｃ）に示すように、回転工具１０の押し込みに伴い、その回転工具１０の先端形状が転写されるかたちで、低熱伝導部４の周囲には最初に形成されている凹部５よりも一回り大きな別の凹部１８が形成されることになる。同時に、回転工具１０の押し込みに伴い、ピストン１の母材が押しのけられることで低熱伝導部４の周囲には「かえり」Ｆが発生するが、この「かえり」Ｆは図２の二次機械加工の際に切削除去される。すなわち、図２の二次機械加工の際には、回転工具１０の押し込みよりできた新たな凹部１８を消失させるべく、低熱伝導部４の表面がピストン１の母材と面一状態となるように切削加工を施すことになるので、その際に「かえり」Ｆまでも同時に切削除去されることになる。

凹部５の直径と回転工具１０の直径との関係としては、回転工具１０の直径が凹部５の直径を超えるものであれば良く、好ましくは回転工具１０の直径が凹部５の直径よりも１ｍｍ程度大きいことが望ましい。また、凹部５の形状は必ずしも円形である必要はないが、回転工具１０が円形のものである場合には凹部５も円形であることが望ましい。

ここで、上記第１の実施の形態における摩擦接合のより具体的な実施例を以下に示す。

アルミニウム合金製の母材の試験片（４０３２−Ｔ６）に直径３３ｍｍで深さ５ｍｍの凹部５を形成し、充填部材である粒径３０μｍの安定化ジルコニア粉末７３ｗｔ％と接合部材である粒径３０μｍの純アルミニウム粉末２７ｗｔ％との混合粉末を上記凹部５に一杯に充填した。直径３４ｍｍの工具鋼製の回転工具１０を８００ｒｐｍで回転させながら荷重をかけて試験片に押し込み、回転工具が２．９ｍｍ程度押し込まれたところで回転工具１０の押し込みを終了した。この場合の諸条件を列挙すれば下記のとおりである。

・回転工具１０の材質：ＳＫＤ６１
・回転工具１０の回転数：８００ｒｐｍ
・回転工具１０の直径：φ３４ｍｍ
・回転工具１０の押し込み速度：２０ｍｍ／ｍｉｎ
・凹部５の直径：φ３３ｍｍ
・混合粉末：充填部材であるジルコニアの粉末と接合部材である純アルミニウムの粉末との混合粉末（ジルコニアの粉末７３ｗｔ％、純アルミニウムの粉末２７ｗｔ％）

図６は上記第１の実施の形態における実施例の摩擦接合で使用した試験片の断面図を示し、図７は図６のＡ部、すなわち母材と新たに形成された低熱伝導部４との境界部の組織の拡大図を示している。図６から明らかなように、回転工具１０の押し込みによってできた凹部１８の下側に、最初の凹部５に充満するかたちで低熱伝導部４が形成されていることが確認できる。また、図７から明らかなように、母材と低熱伝導部４のうち混合粉末に接合部材として含まれていた純アルミニウムとが十分に融合接合されていて、低熱伝導部４のなかに充填部材であるジルコニアがほぼ均一に分散していることが観察できる。そのため、ピストン１の母材に対する低熱伝導部４の接合強度が高いものとなり、接合品質および信頼性の向上に寄与することができる。

図８は本発明を実施するための第２の形態を示す。この第２の実施の形態では、凹部５の周囲に当該凹部５を囲繞するように予め円環状のリブ１９を形成しておき、摩擦接合に際してこのリブ１９を押し潰すようにしてピストン１の母材に対し回転工具１０を押し込むようにしたものである。その他の加工条件は基本的に先の第１の実施の形態と同様である。

図５に示した第１の実施の形態では、摩擦接合のための回転工具１０の押し込みに伴い新たな凹部１８の形成が不可避とされるので、この凹部１８が消失して低熱伝導部４の表面がピストン１の母材と面一なるように後工程にて切削加工を施す必要があり、材料の無駄を伴うことになる。

これに対して、図８に示した第２の実施の形態では、凹部５の周囲に予め形成しておいたリブ１９を押し潰すかたちとなるので、低熱伝導部４の表面がピストン１の母材と面一となるように切削加工する際の削り代が少なくて済み、材料歩留まりが良くなる利点がある。

図９は本発明を実施するための第３の形態を示す図で、図１と共通する部分には同一符号を付してある。図９に示すように、この第３の実施の形態のピストン１では、図１の低熱伝導部４に代えて、下層の断熱層として機能する低熱伝導部２０と、当該低熱伝導部２０よりも熱伝導率が高い上層としての高熱伝導部２１との二層構造としたものである。下層の低熱伝導部２０は断熱が目的であるのに対し、上層の高熱伝導部２１は火炎から熱を受け取り急速に昇温且つ燃料を蒸発させるのに足る熱容量を持たせるようにして、実質的に下層と上層とで機能分割を図ったものである。

そして、下層である低熱伝導部２０の断熱効果が有効に発揮されるならば、上層である高熱伝導部２１は適切な比熱×重量となるように面積×厚さを決定すれば良く、その具体例を図１０に示す。なお、図１０では図８と共通する部分に同一符号を付してある。

図１０の（Ａ）に示すように、例えば下層である低熱伝導部２０のための混合粉末として充填部材である粒径４μｍのほう珪酸ガラス粉末８３ｗｔ％と接合部材である粒径３０μｍの純アルミニウム粉末１７ｗｔ％との混合粉末Ｐ１を凹部５に充填して突き固める。なお、この工程が下層充填工程に該当する。こうして下層となる混合粉末Ｐ１を突き固めたならば、その上に上層の高熱伝導部２１のための粉末として接合部材である粒径３０μｍの純アルミニウム粉末Ｐ２を所定量だけ充填する。なお、この工程が上層充填工程に該当する。その後に、同図（Ｂ）に示すように、図８と同様に回転工具１０を用いて摩擦接合を施すものとする。摩擦接合の際の諸条件は基本的には先の第１の実施の形態と同様である。

この場合において、下層と上層の双方に接合部材である純アルミニウム粉末が含まれているため、下層である低熱伝導部２０と上層である高熱伝導部２１との明瞭な境界はできず、高熱伝導部（上層）２１である純アルミニウム層はピストン１の母材と拡散接合していて、アルミニウム展伸材とほぼ同等の密度となっていることが確認できた。また、低熱伝導部（下層）２０は高熱伝導部（上層）２１に比べてアルミニウム量は少ないが、ホウ珪酸ガラス粉末を保持しているとともに、若干の空隙を含みながらもピストン１の母材とも十分に接合していることが確認できた。これにより、先の第１の実施の形態と同様の効果が得られることになる。

図１１は本発明を実施するための第４の形態を示す。先に説明した第３の実施の形態では、下層と上層の二層に分けて充填した粉末を回転工具１０による一回の摩擦接合にて接合しているのに対して、図１１の第４の実施の形態では、下層と上層の各層ごとに個別に回転工具による摩擦接合を施すようにしたものである。

この第４の実施の形態では、図１１の（Ａ）に示すように、例えば図１０の（Ａ）と同様に、下層である低熱伝導部２０のための混合粉末として充填部材である粒径４μｍのほう珪酸ガラス粉末８３ｗｔ％と接合部材である粒径３０μｍの純アルミニウム粉末１７ｗｔ％との混合粉末Ｐ１を凹部５に充填して突き固める。なお、この工程が第１の材料充填工程に該当する。下層となる混合粉末Ｐ１を突き固めたならば、同図（Ｂ）に示すように回転工具１０を用いて摩擦接合を施すものとする。なお、この工程が第１の摩擦接合工程に該当する。

この場合において、凹部５の周囲に予め形成する円環状のリブ２２はその全部を押し潰すことなく、リブ２２のうち外周側の一部を押し潰すことなく残しておくものとする。これにより、図９のほか図１１の（Ｂ），（Ｃ）に示すように、凹部５には下層である低熱伝導部２０が先行して形成される。

続いて、図１１の（Ｄ）に示すように、上記低熱伝導部２０の上に上層である高熱伝導部２１のための粉末として接合部材である粒径３０μｍの純アルミニウム粉末Ｐ２を所定量だけ充填する。なお、この工程が第２の材料充填工程に該当する。その上で、先に使用した回転工具１０よりも大径の回転工具２３を用い、残されたリブ２２を押し潰しながら摩擦接合を施すものとする。なお、この工程が第２の摩擦接合工程に該当する。また、一回目および二回目の摩擦接合の際の諸条件は基本的には先の第１の実施の形態と同様とする。これにより、図９および図１１の（Ｅ）に示すように、先の第３の実施の形態と同様に下層である低熱伝導部２０の上に上層である高熱伝導部２１が形成される。

この第４の実施の形態では、先の第３の実施の形態と比較した場合に、摩擦接合を一回で済ませるか二回に分けて行うかの違いはあるものの、下層である低熱伝導部２０の上に上層である高熱伝導部２１を重ねて形成する点では同じである。

したがって、この第４の実施の形態においても、下層と上層の双方に接合部材である純アルミニウム粉末が含まれているため、下層である低熱伝導部２０と上層である高熱伝導部２１との明瞭な境界はできず、高熱伝導部（上層）２１である純アルミニウム層はピストン１の母材と拡散接合して、アルミニウム展伸材とほぼ同等の密度となる。また、低熱伝導部（下層）２０は高熱伝導部（上層）２１に比べてアルミニウム量は少ないが、ホウ珪酸ガラス粉末を保持しているとともに、ピストン１の母材とも十分に接合していることになる。これにより、先の第１の実施の形態と同様の効果が得られることになる。

なお、下層である低熱伝導部２０と上層である高熱伝導部２１との二層構造を基本とする上記第３，第４の実施の形態においては、凹部５の周囲に予め形成するリブ１９，２２は必ずしも必須ではなく、リブ１９，２２が形成されていなくても二層構造を実現することができる。同様に、上層となる高熱伝導部２１の材質は接合部材としてピストン１の母材であるアルミニウム合金と合金化あるいは金属間化合物を形成する金属であれば良く、したがって、高熱伝導部２１の材質として、先の第３，第４の実施の形態で使用した純アルミニウム粉末に代えて、例えば鉄、銅、ニッケル、マグネシウム、亜鉛、クロム等の粉末を使用することができる。さらに、粉末状のものに代えて、アルミニウムや鉄、銅、ニッケル、マグネシウム、亜鉛、クロム等の展伸材のような板状のものをそのまま使用することもできる。

ここで、上記第１〜第４の実施の形態において摩擦接合により形成されて断熱層として機能することになる低熱伝導部４または２０について考察するに、混合粉末等の粉体を摩擦熱により軟化させつつ圧縮変形させるとともに、粒子同士を圧着させて拡散接合させることを基本としている。この場合において、同時にわずかながら内部に空気を巻き込むことになるので、一部は粉体粒子のなかに拡散し、酸素は酸化損耗するものの、一部は圧縮されたまま層内に封じ込められている。

そして、図２に示したように、低熱伝導部４または２０が形成されたピストン１の後処理として容体化処理等の熱処理を施すことを前提とするならば、内部に封じ込められた空気によって膨れ等の二次的不具合を生じることはない。その理由は、摩擦接合時に容体化処理時と同等の温度と圧力が与えられた条件下で処理を行っているためである。しかしながら、空気は摩擦接合時に粉末の粒子表面を酸化させ、粒子同士の圧着による良好な拡散接合を阻害する要因となるので、可能であるならば空気は排除するのが望ましい。

図１２は本発明を実施するための第５の形態を示す図で、摩擦接合に際して上記のような空気の排除を考慮したものである。なお、図８と共通する部分には同一符号を付してある。

図１２に示すように、段付き円筒状の回転工具２４は、外筒部２４ａと中心部の中実状の内筒部２４ｂとで複合構造のものとして形成されていて、両者は軸心方向で相対移動可能となっている。また、外筒部２４ａには真空引き通路２５が形成されていて、この真空引き通路２５の一端のポート部２５ａは外筒部２４ａの下部内周面に開口しているとともに、他端は図示を省略した真空ポンプそのほかの負圧吸引源に接続されている。

摩擦接合に際しては、図１２の（Ａ）に示すように、円環状のリブ１９で囲まれた凹部５に図８と同様の混合粉末Ｐを充填したならば、回転工具２４を押し付けることで凹部５を密閉し、摩擦接合を開始する直前に、外筒部２４ａに対し内筒部２４ｂを所定量だけ上昇させてポート２５ａが開いている状態で真空引きを開始し、凹部５内や混合粉末Ｐに含まれている空気を吸引する。

そして、例えば１ｍｍＨｇ以下まで吸引した時点で、同図（Ｂ）に示すように内筒部２４ｂをその下面が外筒部２４ａの下面と面一状態なるまで下降させて、真空引き通路２５のポート２５ａを閉じる。この後、外筒部２４ａと内筒部２４ｂとを一体のものとして回転工具２４全体を回転させながら押し込むことで、以降は図８と同様に低熱伝導部４を形成する。

この第５の実施の形態によれば、先の各実施の形態と同様の摩擦接合ではあっても、いわゆる真空中での拡散接合となるので、低熱伝導部４を形成している粒子同士の結合強度が飛躍的に向上することになる。その結果として、ピストン１の母材に対する低熱伝導部４の接合強度が高いものとなり、接合品質および信頼性が一段と向上する。

本発明は、内燃機関用のピストンの製造方法に関する。

Claims (20)

1. 内燃機関に用いられるピストンの製造方法であって、
   前記ピストンの燃焼室を画成する冠面に凹部を形成する凹部形成工程と、
   前記ピストンの母材よりも熱伝導率の低い充填部材の粉末と、前記母材と融合して合金化または金属間化合物となり得る接合部材の粉末とを混合した混合粉末またはその混合粉の成形体を前記凹部に充填する材料充填工程と、
   前記混合粉末またはその混合粉末の成形体を含む前記凹部領域に回転工具を当接させて前記混合粉末またはその混合粉末の成形体を摩擦熱により軟化させることにより、当該混合粉末またはその混合粉末の成形体を前記凹部に対し固相接合して低熱伝導部を形成する摩擦接合工程と、
   を含んでいる内燃機関用ピストンの製造方法。
2. 請求項１に記載の内燃機関用ピストンの製造方法において、
   前記摩擦接合工程では、前記凹部の全領域を回転工具の先端面で覆いながら当該回転工具を前記母材側に押し込むことにより摩擦熱を発生させるものである内燃機関用ピストンの製造方法。
3. 請求項２に記載の内燃機関用ピストンの製造方法において、
   前記凹部は前記冠面のうち燃料噴射弁から噴射される燃料が当たる位置に形成するものである内燃機関用ピストンの製造方法。
4. 請求項２に記載の内燃機関用ピストンの製造方法において、
   前記回転工具の先端面は円形の平坦面となっている内燃機関用ピストンの製造方法。
5. 請求項１に記載の内燃機関用ピストンの製造方法において、
   前記充填部材は、ジルコニア、コージェライト、ムライト、シリコン、シリカ、雲母、タルク、珪酸塩ガラス、アクリルガラス、有機ガラス、シリカエアロゲル、中空のセラミックビーズ、中空のガラスビーズ、中空の金属球、有機珪素化合物、セラミック繊維、チタン合金、低合金鋼、鋳鉄のうち少なくともいずれか一つを含んでいる内燃機関用ピストンの製造方法。
6. 請求項１に記載の内燃機関用ピストンの製造方法において、
   前記混合粉末の成形体は混合粉末を押し固めた圧粉体である内燃機関用ピストンの製造方法。
7. 請求項１に記載の内燃機関用ピストンの製造方法において、
   前記凹部の周囲にリブを予め形成しておき、前記摩擦接合工程では、前記リブを含む前記凹部の全領域を回転工具の先端面で覆いながら前記母材側に押し込むことにより摩擦熱を発生させるものである内燃機関用ピストンの製造方法。
8. 請求項１に記載の内燃機関用ピストンの製造方法において、
   前記摩擦接合工程での処理に先立って、前記凹部内の空気を真空引きする工程を含んでいる内燃機関用ピストンの製造方法。
9. 請求項１に記載の内燃機関用ピストンの製造方法において、
   前記摩擦接合工程での処理に続いて熱処理を施す内燃機関用ピストンの製造方法。
10. 請求項９に記載の内燃機関用ピストンの製造方法において、
    前記熱処理は容体化時効処理または人工時効処理である内燃機関用ピストンの製造方法。
11. 内燃機関に用いられるピストンであって、
    前記ピストンの燃焼室を画成する冠面に低熱伝導部が形成されていて、
    該低熱伝導部は、前記ピストンの母材と融合して合金化または金属間化合物となっている接合部材を有し、該接合部材の中に前記ピストンの母材よりも熱伝導率の低い充填部材が拡散しているものである内燃機関用ピストン。
12. 請求項１１に記載の内燃機関用ピストンにおいて、
    前記低熱伝導部は前記接合部材と前記充填部材とを回転工具との摩擦熱により前記母材に融合させたものである内燃機関用ピストン。
13. 請求項１２に記載の内燃機関用ピストンにおいて、
    燃料噴射弁から筒内に向けて燃料を噴射して点火燃焼させる筒内噴射式内燃機関に用いられるものである内燃機関用ピストン。
14. 請求項１３に記載の内燃機関用ピストンにおいて、
    前記低熱伝導部は前記冠面のうち前記燃料噴射弁から噴射される燃料が当たる位置に形成されている内燃機関用ピストン。
15. 請求項１４に記載の内燃機関用ピストンにおいて、
    前記母材がアルミニウム合金である内燃機関用ピストン。
16. 請求項１５に記載の内燃機関用ピストンにおいて、
    前記接合部材はアルミニウム合金または銅を含むものである内燃機関用ピストン。
17. 内燃機関に用いられるピストンの製造方法であって、
    前記ピストンの燃焼室を画成する冠面に凹部を形成する凹部形成工程と、
    前記ピストンの母材よりも熱伝導率の低い充填部材の粉末と、前記母材と融合して合金化または金属間化合物となり得る接合部材の粉末とを混合した混合粉末またはその混合粉末の成形体を前記凹部に充填する下層充填工程と、
    前記下層となる混合粉末またはその混合粉末の成形体よりも熱伝導率が高く母材と融合して合金化または金属間化合物となり得る高熱伝導部材またはその高熱伝導部材の粉末もしくはその粉末の成形体を前記凹部内の前記下層の上に充填する上層充填工程と、
    前記上層となる高熱伝導部材またはその高熱伝導部材の粉末もしくはその粉末の成形体を含む前記凹部領域に回転工具を当接させて前記高熱伝導部材またはその高熱伝導部材の粉末もしくはその粉末の成形体を摩擦熱により軟化させることにより、当該高熱伝導部材またはその高熱伝導部材の粉末もしくはその粉末の成形体を前記凹部に対し固相接合して高熱伝導部を形成する摩擦接合工程と、
    を含んでいる内燃機関用ピストンの製造方法。
18. 内燃機関に用いられるピストンの製造方法であって、
    前記ピストンの燃焼室を画成する冠面に凹部を形成する凹部形成工程と、
    前記ピストンの母材よりも熱伝導率の低い充填部材の粉末またはその粉末の成形体と、前記母材と融合して合金化または金属間化合物となり得る接合部材の粉末またはその粉末の成形体とを前記凹部に充填する第１の材料充填工程と、
    前記それぞれの粉末または成形体を含む前記凹部領域に回転工具を当接させて前記それぞれの粉末または成形体を摩擦熱により軟化させることにより、当該それぞれの粉末または成形体を前記凹部に対し固相接合して低熱伝導部を形成する第１の摩擦接合工程と、
    前記低熱伝導部よりも熱伝導率が高く母材と融合して合金化または金属間化合物となり得る高熱伝導部材またはその高熱伝導部材の粉末もしくはその粉末の成形体を前記低熱伝導部上に充填する第２の材料充填工程と、
    前記高熱伝導部材またはその高熱伝導部材の粉末もしくはその粉末の成形体に回転工具を当接させて前記高熱伝導部材またはその高熱伝導部材の粉末もしくはその粉末の成形体を摩擦熱により軟化させることにより、当該高熱伝導部材またはその高熱伝導部材の粉末もしくはその粉末の成形体を前記母材および前記低熱伝導部に対し固相接合して高熱伝導部を形成する第２の摩擦接合工程と、
    を含んでいる内燃機関用ピストンの製造方法。
19. 請求項１８に記載の内燃機関用ピストンの製造方法において、
    前記第１の摩擦接合工程では、前記凹部の全領域を回転工具の先端面で覆いながら当該回転工具を前記母材側に押し込むことにより摩擦熱を発生させるものであり、
    前記第２の摩擦接合工程では、前記第１の摩擦接合工程で成形された凹部の全領域を回転工具の先端面で覆いながら当該回転工具を前記母材側に押し込むことにより摩擦熱を発生させるものであり、
    前記第２の摩擦接合工程で使用する回転工具は、前記第１の摩擦接合工程で使用する回転工具よりも先端面の面積が大きいものである内燃機関用ピストンの製造方法。
20. 請求項１９に記載の内燃機関用ピストンの製造方法において、
    前記凹部の周囲に予めリブを形成しておき、
    前記第１の摩擦接合工程では、前記リブの一部を含む前記凹部の全領域を前記回転工具の先端面で覆いながら当該回転工具を前記母材側に押し込むものであり、
    前記第２の摩擦接合工程では、残されたリブを含み且つ前記第１の摩擦接合工程で成形された凹部の全領域を前記回転工具の先端面で覆いながら当該回転工具を前記母材側に押し込むものである内燃機関用ピストンの製造方法。

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