WO2001023629A1

WO2001023629A1 - Article preforme, article forme et pieces d'un moteur a combustion interne

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Publication number: WO2001023629A1
Application number: PCT/JP2000/006604
Authority: WO
Inventors: Eiji Yasu; Noushi Kuroishi; Setsuo Fujino
Original assignee: Kubota Corporation
Priority date: 1999-09-27
Filing date: 2000-09-25
Publication date: 2001-04-05
Also published as: AU7444800A; EP1231286A1; KR20020029402A; CA2382104A1

Description

明細書予備成形体及び成形品及び内燃機関用部品技術分野

本発明は、合金粉末を固化成形した予備成形体と、その予備成形体を塑性加工して形成した成形品に関し、特に、その合金粉末製成形品として成形されたビストン等の内燃機関用部品に関する。背景技術

アルミニウム合金は、比重が鉄の約 3分の 1 と小さく、内燃機関用のエンジン部品の他、航空機材料に広く利用され、さらに、アルミニウム合金は熱伝導率が高いことから放熱材料（ヒートシンク）に利用されることがある。

このような用途によっては、さらにアルミニウム合金製の製品の一部分に特定の機能を持たせたい場合があり、軽量であるアルミニウム合金製の部品において、表面の一部に高温強度に優れたアルミニウム合金製の傾斜機能層を形成し、軽金属材料としての重量上の利点を損なうことなく、傾斜機能層の高温強度を得たい場合や、高温強度を必要とする部分以外を、超軽量の合金で形成し、表面の高温強度を損なうことなく、全体的に軽量化を図りたい場合がある。

特に、このようなアルミニウム合金粉末の成形品であり、内燃機関の燃焼室表面を形成する部品で、特にそれ自身が往復運動するピストンにおいては、軽量なアルミニウム合金若しくはマグネシウム合金で製作することが効率面で有利であるが、燃焼室に面するピストン頂面においては、燃焼室の燃焼に耐えることができる高い高温強度を有する必要があり、例えば、ピストンの頂部において、火花点火式のエンジンにおいては、 1 5 O M P a / 3 0 0 °C以上、ディーゼルェンジンにおいては、 2 5 0 M P a / 3 0 0 °C以上の高温強度を必要とする要求がある。従来、ピストンの頂部の少なくとも一部に、上記のような、高い高温強度を有するアルミニウム合金製の傾斜機能層を設けたビストンとしては、傾斜機能層を F e系材料、八 1ー 6系合金材料、或いはセラミックス粒子を混合させた A 1 合金材料によって製作し、その傾斜機能層をビストン本体に形成する A 1合金で铸包み、後に両方を溶接して製作したものがある。

このような溶接によって製作されるビストンは、その接合部の耐久性が問題となり、さらに、製作するのに工数が多く、コスト高の原因となっていた。

さらに、このような傾斜機能層に、 F eの含有量を多く含有させると、部品重量の増加の原因となる。

特に近年、省エネルギー化等の観点から、内燃機関用部品においては更なる軽量化が求められており、このような軽量化のために、例えば、高温強度が必要なピストン頂面のみに高温強度を持たせた A 1一 F e系の合金材料によって製作し、他の高温強度が必要でない部分は、比較的軽量なアルミニウム合金等で製作しても、軽量化の効果が少ない。発明の開示

本発明は、これらの事情に鑑みて、一部に高温強度を持たせることができると共に、超軽量であるピストン等の成形品及び加工されてその成形品となる予備成形体を、簡単且つ安価に製作して提供することを目的とする。

即ち、このような目的を達成するための、請求項 1に係る本発明の予備成形体は、 Fe, C r , N i， Z r , Mn, Mo, T iの遷移金属元素より選ばれる 1 種ないし 2種以上の元素： l〜15wt%， S i : 1 0〜30wt%, C u： 0. 5~5wt%, Mg : l〜5wt%, 残部実質的に A 1からなり、結晶粒径 0. 05〃m以上 2 zm以下，粉体粒子径 30 m以上 1 000 m以下であり、遷移金属元素の含有量が互いに異なる 2種類以上のアルミニウム合金粉末を、一体構造において固化成形して形成され、外表面の少なくとも一部が、その他の本体部よりも前記遷移金属元素を多く含有する傾斜機能層として構成されたことを特徴とする。

また、このような目的を達成するための、請求項 2に係る本発明の予備成形体は、 F e, Cr, N i, Z r , Mn, Mo, T iの遷移金属元素より選ばれる 1 種ないし 2種以上の元素： l~ 1 5wt %， S i ： 1 0〜30wt%, C u： 0. 5〜5wt%， Mg ： l〜5wt%, 残部実質的に A 1からなり、結晶粒径 0. 0 5〃m以上 2〃m以下，粉体粒子径 3 0 m以上 1 0 0 0 z m以下であるアルミ二ゥム合金粉末からなるアルミ二ゥム合金層と、前記アルミ二ゥム合金粉末よりも M gの含有量が大きいマグネシウム合金粉末からなるマグネシウム合金層とを、一体構造において固化成形して形成されたことを特徴とする。

さらに、請求項 3に係る本発明の成形品は、請求項 1又は 2に記載の予備成形体を、塑性加工して形成されたことを特徴とする。

F e等の遷移金属元素を多量に含むアルミニウム合金は、一般に硬質且つ耐熱性のため、通常結晶材の塑性加工は、 5 0 0 °C以上の高温域で 2 0 0 M P a以上の高加工力を必要とし、また超塑性を利用した加工プロセス（結晶粒径：約 1 0 〜 1 0 0〃m ) を適用した場合でも、その歪み加工速度は約 1 0— ³〜 1 0 - ⁴ / s e cと低く、 1 0— ² / s e c以上の高速加工は不可能であり生産性に劣る。そこで、本発明に利用されるアルミニウム合金粉末及びその予備成形体は、上記合金粉末の化学組成，超微細結晶構造及び粉体粒径の効果によって、高速超塑性特性を有する。後述のように、液相線直下の温度域で、歪み加工速度（e ) 1 0— ² / s e c以上の高速加工を行うことができ、この加工条件下に、伸び率約 2

0 0 %以上の高延性を示し、その変形流動応力は約 2 0 M P a以下と著しく低く、高速度 ·低加圧力下の効率的な塑性加工を実現することができる。

よって、このようなアルミニウム合金粉末は、 F e等の遷移金属元素を例えば 5〜 1 5 w t %と多く含有させることができ、このように、例えば遷移金属元素として F eを多く含有したアルミニウム合金粉末（以下、 A l— F e系合金粉末と呼ぶ）は、高温強度ゃ耐摩耗性に優れている。

しかし、例えば、 F eを含有することによって比重が大きくなるので、この A

1一 F e系合金粉末等のみで予備成形体や成形品を形成すると、アルミニウム合金の利点である軽量効果を得ることができない。

そこで、本発明の予備成形体及びその予備成形体を塑性加工した成形品においては、上記のアルミニウム合金層以外の本体部を、そのアルミニウム合金粉末よりも M gの含有量が大きいマグネシゥム合金粉末からなるマグネシゥム合金層として形成する、若しくは、本体部を A 1— S i系等のアルミニウム合金粉末等で形成し、高温強度が必要な外表面の少なくとも一部を、例えば遷移金属元素として F eを多く含有する A 1— F e系合金粉末によって傾斜機能層として形成することができ、 2種類の合金粉末を傾斜させた一体構造において、放電プラズマ焼結法（ S P S法： S p a r k l a sma S i nt e r i ng) によって固化成形し、例えば、高温強度が必要な表面部位だけを F e等の遷移金属元素を多く含有するアルミニウム合金層からなる傾斜機能層としたり、高温強度が必要でない本体部をマグネシウム合金層とした予備成形体を構成し、さらに、この予備成形体は上記の高速超塑性特性を有するので、高速度 ·低加圧力下の効率的な塑性加工によって成形することができ、さらに、このようにして成形された本発明の成形体は、夫々の層の境界付近の傾斜部において良好な状態で一体焼結されているので、接合不良等の問題がない。

上記のような成形品として、内燃機関用部品を構成する場合は、以下のように構成することができる。即ち、請求項 4に係る本発明の内燃機関用部品は、 Fe, C r , Ni， Z r , Mn， Mo, T iの遷移金属元素より選ばれる 1種ないし 2 種以上の元素： l~ 1 5wt%, S i : 10〜30wt%， C u ： 0. 5〜5w t%， Mg : l〜5wt%，残部実質的に A 1からなり、結晶粒径 0. 05 zm 以上以下，粉体粒子径 30 以上 1000〃m以下であり、前記遷移金属元素の含有量が互いに異なる 2種類以上のアルミニウム合金粉末を、一体構造において固化成形して形成された予備成形体を、塑性加工して形成され、燃焼室に面する部位が、その他の本体部よりも前記遷移金属元素を多く含有する傾斜機能層として構成されたことを特徴とする。

上記のような成形品として、内燃機関用部品を構成する場合は、以下のように構成することができる。即ち、請求項 5に係る本発明の内燃機関用部品は、 F e, Cr, Ni, Z r , Mn， Mo, T iの遷移金属元素より選ばれる 1種ないし 2 種以上の元素： l〜 1 5wt%， S i ： 1 0~30 wt %, C u ： 0. 5〜5w t%, Mg : l〜5wt%，残部実質的に A 1からなり、結晶粒径 0. 05 m 以上 2〃 m以下，粉体粒子径 30〃111以上1000 At m以下であるアルミニウム合金粉末からなるアルミニウム合金層と、前記アルミニウム合金粉末よりも Mg の含有量が大きいマグネシウム合金粉末からなるマグネシウム合金層とを、一体構造において固化成形して形成された予備成形体を、塑性加工して形成され、燃焼室に面する部位を前記アルミニウム合金粉末層により形成し、残部を前記マグネシゥム合金粉末層により形成したことを特徴とする。

このように、燃焼室に面する部位を有するピストン、シリンダライナ、吸気若しくは排気パルプ等を本発明の内燃機関用部品として構成することで、例えばピストン頂部の全体、若しくはピストン頂部に初期燃焼のためのくぼみ部、シリンダライナの内面、バルブのカザ部等を、例えば遷移金属元素として F eを多く含有するアルミニウム合金層からなる傾斜機能層としたり、その他の部位を超軽量のマグネシウム合金層としたりして、夫々の層を一体構造で形成することができる。そのアルミニウム合金層の高温強度を 250MPa/300°C程度とし、軽量且つ燃焼室に面するピストン頂部等の少なくとも一部の高温強度が優れた内燃機関用部品を構成することができる。尚、排気バルブを本発明の内燃機関用部品として構成する場合には、 F eを多く含む A 1合金に加えて、 1ー丁：1合金を用いても構わない。

また、このように構成された本発明の内燃機関用部品は、実質的に請求項 3に記載の成形品であるため、上記に記載した本発明の成形品と同様の作用効果を発揮することができるのである。

これまで説明してきた傾斜機能層としては、 A1— 12 S i— 5〜 15 F eの A 1—F e系合金粉末等を使用することが好ましく、その他の本体部分においては、従来のピストンに利用されている A 1— 12 S i若しくは A1— 17 S iを利用することができる。

また、本体部分にマグネシウム合金層を形成する場合は、マグネシウム合金層として、 A1 : 0. l~ 1 5wt%、 Z n, G a ： 0. 1 ~ 1 0 wt , Z r , Mn, S i, C u, N i , F e , C a , T i : 0. 0 1〜5wt%、希土類元素 (Nd, Pr等）： 0. 1 - 1 Owt %の 1種以上の元素を含有し、残部実質的に Mgからなるマグネシウム合金粉末やマグネシウム合金ビレット（2〃m以下の微細結晶）を利用することができる。

このマグネシウム合金層は、超軽量であるが高温強度が小さい。しかし、本発明においては、マグネシウム合金層と、比較的高温強度に優れたアルミニウム合金層や傾斜機能層とを複合化することで、エンジン部品等に利用することができる。

さらに、全体的に線膨張係数を均一にするために、 F eや S i等の含有量を線膨張係数に関連付けて調整することもできる。

また、本発明の内燃機関部品は、請求項 6に記載されているように、前記燃焼室に面する部位としてのピストン頂部を有するピストンとして構成されることが好ましく、全体的な軽量化及びビストン帳面における高温強度の両方が要求されるピストンを本発明の内燃機関部品として構成することで、例えば、ピストン頂部を傾斜機能層として、ピストン頂部の高温強度を向上させると共に、本体部分はマグネシウム層によって構成して、全体的に軽量化を図ることができる。また、請求項 7に係る本発明の内燃機関用部品は、請求項 4から 6の何れかに記載の内燃機関用部品の構成に加えて、前記塑性加工をされて、表面の少なくとも一部として形成される前記予備成形体の部位が、前記アルミニウム合金粉末に、粒径 5〃m以下のセラミックス粉末を 1〜 3 0 V o 1 %含有させたセラミックス含有粉末を固化成形して形成されたものであり、前記表面の少なくとも一部が、前記セラミックスを含有する耐摩耗部として構成されていることを特徴とする。表面の少なくとも一部のアルミニウム合金粉末には、所望により耐摩耗材としてセラミックス粉末が配合される。セラミックス粒子は、アルミニウム合金マトリックス中に分散して製品部材の耐摩耗性を高めると共に、マトリックスのアルミニゥム合金の結晶成長を抑制する。セラミックスの材種は、酸化物系，窒化物系，炭化物系，硼化物系などであり、その 1種ないし複数種が適宜選択使用される。殊に、炭化けい素（S i C ) , アルミナ（A 1 ₂ 0 ₃ )，窒化けい素（S i ₃ N ₄ ) 等の単独又は複合使用は効果的である。また、セラミックスの代わりに、 F e化合物を用いても効果がある。

セラミックス粉末は、粒径 5〃m以下の微細粒子であることを要する。これより粗大な粒径では、アルミニウム合金粉末の超塑性特性の低下をきたし、高速超塑性加工が困難となり、また仕上げ加工（機械加工）も困難となるからである。その配合量を、 1〜 3 0 V o 1 %とするのは、 1 V o 1 %に満たないと、配合効果に乏しく、他方 3 0 V o 1 %を超えて多量に配合すると、合金の脆化を招き高速超塑性特性が損なわれるからである。このようなセラミックス粉末を、本発明の内燃機関用部品として、例えば圧縮塑性加工されてビストンとなるピストン予備成形体の側面の一部を形成するアルミニゥム合金粉末、若しくはピストンリング用の溝を形成する部分を形成するァルミニゥム合金粉末に含有させることができ、成形された内燃機関用部品としてのピストンは、耐摩耗性が要求される部分において、好ましい状態で耐摩耗性を備えることができる。図面の簡単な説明

図 1は、アルミニウム合金の F e含有量に対する高温強度の関係を示す図、図 2は、本発明に係る内燃機関用部品の第 1の実施の形態としてのピストンの予備成形体を示す断面図、

図 3は、図 2に示す予備成形体を圧縮塑性加工する様子を説明する概略図、図 4は、図 2に示す予備成形体を圧縮塑性加工して成形した内燃機関用のピストンを示す斜視図、

図 5は、本発明に係る予備成形体の別実施の形態を示す断面図、

図 6は、本発明に係る予備成形体の別実施の形態を示す断面図、

図 7は、本発明に係る内燃機関用部品の別実施の形態としてのシリンダライナを示す断面図、

図 8は、本発明に係る内燃機関用部品の別実施の形態としてのバルブを示す断面図、である。発明を実施するための最良の形態

本発明に利用されるアルミ二ゥム合金粉末の化学組成を上記のように規定したのは、構造部材等として要求される機械的性質を保証すると共に、超塑性特性を確保するためである。即ち、 S i , C u， M g , M o , T i等は、強度，耐熱性，耐摩耗性等を高める元素であり、その含有量が上記下限値に満たないと、材質改善効果が不足し、他方上限値を超えると、材質が硬脆化し超塑性特性を確保し得なくなる。

F e , C r， N i , Z r , M n及び T iの遷移金属元素は、機械性質の改善に奏効する元素であるが、本発明の狙いは、その添加効果として超塑性特性を高めることにある。つまり、これらの元素は A 1と化合し、微細な化合物相として析出することによりアルミニウム合金の結晶成長を抑制し、超塑性特性の発現に必要な微細結晶構造を得ることを可能にする。含有量（2種以上を複合含有する場合は合計量）を 1 w t %以上とするのは、その添加効果を十分ならしめるためであり、 1 Owt %を上限とするのは、それを超えると、材料の硬質化をきたし超塑性特性が損なわれるからである。

また、本発明に利用されるアルミニウム合金粉末の結晶粒径は 0. 05 > m以上 2 m以下であることを要する。結晶粒径を 0. 05 /m以上としているのは、結晶粒径 0. 05 以下の粉末を製作するのは現在の技術では難しいためであり、結晶粒径を 2 m以下と超微細構造としているのは、高速超塑性を確保するためである。またその粉体粒子径を 30 zm以上に制限しているのは、粉末の圧縮性，成形性、及び塑性変形能を良好にするためである。超急冷凝固により製造される粉末は、微細なほど、歪み硬化が大きく、また塑性加工における粒子界面の摩擦抵抗が増大し、塑性変形能が低下するからである。粉体粒子径を 1000 zm以下に制限しているのは、粉体粒子径が 1 000 m以上の場合、超塑性を発現することが困難であり、歩留りも悪く、後述する SWAP法（Sp i n i n g Wa t e r At omi z a t i on P r o c e s s ) で製作するには大きくなりすぎるからである。この超微細結晶構造及び粉体粒径を有するアルミ二ゥム合金粉末は、 SWAP法の噴霧処理（冷却速度： 104°C/s e c以上）により収率よく得ることができる。

一般的にアルミニウム合金に遷移金属元素の F eを含有すると、その含有量によって高温強度を増し、その関係を図 1に示す。

しかし、通常、 F eを多く含有させると硬質且つ耐熱性のため、後の塑性加工における生産性が低下するが、上記の本発明に利用するアルミニウム合金粉末は F eを例えば 9〜 1 5wt %と多く含有させても、超高速塑性を有するので、のちの塑性加工において生産性を低下させることがなく、このように F eを多く含有した A 1— F e系合金粉末は、 250MPa/300 °C以上の高温強度を有する。本発明に利用されるマグネシウム合金粉末は、結晶粒径が 0 . 0 5 z m以上 1 0 Ai m以下、粉体粒子径が 3 0 / m以上 5 0 0 Ai m以下であることが好ましい。結晶粒径を 0 . 0 5 m以上としているのは、結晶粒径 0 . 0 5 / m以下の粉末を製作するのは現在の技術では難しいためであり、結晶粒径を 1 0 m以下と超微細構造としているのは、高速超塑性を確保するためである。

また、その粉体粒子径を 3 0 m以上とするのは、粉末の圧縮性、成形性、塑性変形能、及び取り扱いを良好にするためである。

超急冷凝固により製造される粉末は、微細なほど、歪み硬化が大きく、また塑性加工における粒子界面の摩擦抵抗が増大し、塑性変形能が低下し、さらに燃焼爆発の危険性もある。

粉体粒子径を 5 0 0 m以下とするのは、粉体粒子径が 5 0 0 >a m以上の場合、超塑性を発現することが困難であり、歩留りも悪く、後述する製法により製作するには大きくなりすぎるからである。

本発明の成形体は、製品部材の成形（鍛造等の圧縮塑性加工）に先立って、適宜形状の予備成形体（焼結体）とされる。

このときに、 F eの含有量が互いに異なる 2種類以上の上記アルミニウム合金粉末を、一体構造において固化成形（焼結）することで、予備成形体の外表面の少なくとも一部を、 F eを多く含有する A 1— F e系合金粉末によって形成される傾斜機能層と、傾斜機能層よりも F eの含有量が少ない例えば A 1— S i系合金粉末によつて形成される本体部とによって構成される予備成形体を得ることができ、このような予備成形体は、上記のように超高速塑性を有し、さらに全体的に軽量で、且つ傾斜機能層に優れた高温強度を持たせることができる。

また、予備成形体の外表面の少なくとも一部を、例えば F eを多く含有する A 1系合金粉末によって形成される上記の傾斜機能部等で形成し、その他の本体部をこれよりも M gを多く含有して軽量化されたマグネシウム合金層によって形成することで、このような予備成形体は、上記のように超高速塑性を有し、さらに、マグネシウム合金は実用されている構造用金属中もっとも軽い金属であるので、例えば全てアルミニウム合金層で形成したときよりも全体的に軽量で、且つ境界部に優れた高温強度を持たせることができる。この予備成形は、放電プラズマ焼結法により好適に行われる。放電プラズマ焼結は、パルス通電を利用して加圧焼結するものであり、粉体粒子間隙に発生する瞬間 ·断続的な火花放電による高温プラズマの高工ネルギを利用した内部発熱方式の焼結法である。粉体試料内の放電点は、電流 ·電圧印加のオン ·オフの繰り返しに伴って試料全体に移動分散する。この内部発熱による均一な加熱効果により、短時間旦っ低温度（結晶粒成長 '粗大化が抑制防止される）の処理条件下に均質な焼結を達成することができる。

上記焼結処理温度は 500°C以下に規制するのが好ましい。結晶粒の成長粗大化を防止し、微細結晶構造に基づく高速超塑性特性を保持するためである。処理温度は、パルス電流，オン 'オフ周期，処理時間等により容易に制御することができる。また、加圧力は約 50〜 1 8 OMP aの範囲が適当である。加圧力がこれより低いと、高温焼結が必要となり、結晶粒の成長粗大化の不都合をきたす。他方 180 MP aを超える高圧力とする必要はなく、それ以上の加圧力の増加は金型の消耗を助長するので好ましくない。放電プラズマ焼結法（SP S法）では、 A 1合金と Mg合金の良好な焼結接合がなされる。

放電プラズマ焼結処理において、アルミニウム合金粉末の結晶中に、各種の金属間化合物（Cu— Al， Mg— S i, Al-Cu-Fe, Al— Mn等）を析出生成する。本発明に利用されるアルミニウム合金粉末は、合金元素を多量に含有しているが、 SWAP法等の超急冷凝固処理（冷却速度： 1 04°C/s e c以上）で製造されるため、析出物の生成は殆どなく，析出しても生成量は少なく、過飽和の固溶状態にある。放電プラズマ焼結過程で、これらの元素は金属間化合物として析出する。その焼結処理は、低温 '短時間の条件下に達成されるので、析出化合物相は微細（粒径 1 m以下）であり、粉末の超塑性特性を損なうことなく、またアルミニウム合金製品の機械性質の強化に寄与する。

本発明の予備成形体の塑性加工は、該合金の液相線 Ti_iq直下の温度域において、歪み加工速度 1 0— ²/s e c以上の条件下に行われる。塑性加工温度 Tの最適領域は、 T_{l i q}— 35°C≤T≤Ti_{i g}— 1 0°Cである。液相線直下の温度域（約 5 15〜540°C) での高歪み速度加工において、伸び率 200 %以上の高延性を示し、その変形流動応力は 20 MP a以下と著しく低い。よって本発明の予備成形体は、高速度 ·低加圧力下の効率的な塑性加工を可能とし、粉末冶金法による各種部材の生産性を高め、また金型の損耗を軽減緩和してその耐用寿命の改善に奏効すると共に、複雑形状の部材の形状精度を高めることを可能にするものであり、このようにして成形される本発明の成形品は、コスト面及び寸法精度の面で有利である。

(第 1実施形態）

本発明の内燃機関用部品の第 1の実施の形態としてピストンの詳細について図面を用いて説明する。

本発明の内燃機関用ピストンは、上記の本発明の予備成形体と同じく、 Fe等の遷移金属元素の含有量が互いに異なる 2種類以上のアルミニウム合金粉末を一体構造において焼結成形し、形成したピストン予備成形体を、後方押出成形機等によって圧縮塑性加工して成形された成形品であり、ピストン頂部の少なくとも一部を F e等の遷移金属元素が多く含有する傾斜機能層として構成され、この傾斜機能層の高温強度が優れ、且つ全体として F e等の遷移金属元素の含有量を抑えることで軽量に構成されている。

詳しくは、 F e， Cr, N i , Z r, Mn, Mo, T iの遷移金属元素より選ばれる 1種ないし 2種以上の元素： l〜1 5wt%, S i ： 10〜30wt%， C u ： 0. 5~ 5 wt %, Mg： 1 ~5 wt %, 残部実質的に A 1からなり、結晶粒径 2〃 m以下，粉体粒子径 30〃m以上のアルミニウム合金粉末であり、遷移金属元素として例えば F eを多く含有する A 1— 12 S i— 5〜 15 Fe等の Al—Fe系合金粉末と、 F eの含有量が少ない A 1— 12 S i若しくは A1— 1 7 S i等の Al— S i系合金粉末を準備し、このそれぞれの合金粉末によって、図 2に示すように、ピストン頂部 1を A 1— F e系合金粉末によって、その他のピストン本体部 2が A 1 - S i系合金粉末となるように金型等に充填し、前記放電プラズマ焼結処理によって焼結してピストン予備成形体 1 0を作成する。よつて、成形されたピストン予備形成体 10において、本体部 2よりも遷移金属元素の F eを多く含有する傾斜機能層としてビストン頂部 1を形成することができる。次に、このように成形されたピストン予備成形体 1 0を、図 3に示すように、後方押出成形機の金型 2 1に、ピストン頂部 1が下になるようにセットし、パンチ 2 0を加工させて、ピストン予備成形体 1 0を圧縮塑性加工する。

このピストン予備成形体 1 0は、上記のように高速超塑性を有しているので、高速度 ·低加圧力下の効率的な圧縮塑性加工を可能とし、加工時間を短縮することができる。

このようにして成形された本発明の成形品は、図 4に示すように、後に、ピストンピンポス部 3 0ゃピストンリング溝 4 0等を加工されて、本発明の内燃機関用ピストン 1 0 0となり、ピストン頂部 1を他の本体部 2よりも F e等の含有量が多い傾斜機能層として形成することができ、例えばピストン頂部 1の高温強度を 2 5 O M P a / 3 0 0 °Cとし、さらに、 F eを多く含有させるピストン頂部 1 がピストン本体 2に比べて小さく、ほぼ全体的に軽量の A 1— S i合金の形成することができるため、内燃機関用ビストン 1 0 0を軽量に作成することができる。 (第 2実施形態）

本発明の内燃機関用部品の第 2の実施の形態としてピストンの詳細について図面を用いて説明する。

本発明に係るピストンは、アルミニウム合金粉末とマグネシウム合金粉末とを —体構造において焼結成形し形成したピストン予備成形体を、上記の第 1の実施の形態と同じく、後方押出成形機等によって圧縮塑性加工して成形された成形品であり、ピストン頂部の少なくとも一部を、例えば F eの遷移金属元素が多く含有する傾斜機能層として構成すると共に、その他の本体部を超軽量のマグネシゥム合金層として構成して、この燃焼室に面するピストン頂部の高温強度が優れ、且つ全体として軽量に構成されている。

詳しくは、遷移金属元素として例えば F eを多く含有する A 1— 1 2 S i— 5 〜 1 5 F e等のアルミニウム合金粉末と、マグネシウム合金粉末とを準備し、このそれそれの合金粉末によって、図 2に示すピストン予備成形体 1 0を、ピストン頂部 1を例えば A 1— 1 2 S i— 8 F e系合金粉末からなるアルミニゥム合金層とし、その他のピストン本体部 2を M g— A 1 - Z n - M n - S i系合金粉末からなるマグネシウム合金層として構成する。この焼結成形されたビストン予備形成体 1 0は、遷移金属元素の F eを多く含有する傾斜機能層であるビストン頂部 1 と、その他の超軽量であるマグネシウム合金層であるビストン本体部 2とで構成される。

そして、このようにピストン予備成形体 1 0を、上記の第 1の実施の形態と同様に、図 3に示すように圧縮塑性加工する。

このピストン予備成形体 1 0も、高速超塑性を有しているので、高速度 .低加圧力下の効率的な圧縮塑性加工を可能とし、加工時間を短縮することができる。このようにして加工された本発明の成形品は、上記の第 1の実施の形態と同様に、図 4に示すように、後に、ピストンピンポス部 3 0やピストンリング溝 4 0 等を加工されて、本発明の内燃機関用ピストン 1 0 0となり、ピストン頂部 1を F e等の含有量が多い傾斜機能層として形成し、ピストン本体部 2を超軽量のマグネシゥム合金層として形成することができ、例えばビストン頂部 1の高温強度を 2 5 0 M P a / 3 0 0 °Cとし、さらに、ピストン頂部 1がピストン本体 2に比ベて小さく、全体的に軽量のマグネシウム合金によって形成することができるため、内燃機関用ビストン 1 0 0をさらに軽量化することができる。

次に、前述の一体構造において焼結成形し形成したピストン予備成形体 1 0においてアルミニウム合金層とマグネシウム合金層の接合部の引張り強度を測定した結果を表 1に示す。表 1

表 1からも判るように、本発明のピストン予備成形体 1 0は、接合部において高い引張り強度を示しており、マグネシウム合金層とアルミニウム合金層が良好に一体焼結されている。

次に、このビストン予備成形体 1 0を超塑性加工して成形したピストン 1 0 0 のピストン頂部 1 (傾斜機能層）及びピストン本体部 2 (マグネシウム合金層）及び夫々の接合部の引張り強度を測定した結果を表 2に示す。表 2

表 2からも判るように、本発明のピストン 1 0 0は、特に燃焼室に面するビストン頂部の高温強度に優れ、接合部及び本体部においても高い引張り強度を備えている。

(その他の実施形態）

< 1 > 上記の実施の形態において、ピストン予備成形体 1 0のピストン頂部 1 の全体を傾斜機能層として構成したものを説明したが、別に本発明のピストン予備成形体 1 0を、図 5に示すように形成することもできる。

図 5に示すピストン予備成形体 1 0は、ピストン頂部を含むピストンの外周部 3を他の本体部 2よりも F e等の遷移金属元素を多く含有する傾斜機能層として形成している。このようなピストン予備成形体を圧縮塑性加工して成形された内燃機関用ピストンは、外周部における高温強度ゃ耐摩耗性に優れ、内部は、軽量である A 1— S i系合金で構成することができるので軽量である。さらに、内部を、マグネシウム合金層で構成すると一層の軽量化を図ることができる。

さらに、外周部 3を、耐摩耗性を有する遷移金属元素を多く含有する傾斜機能層として構成することもできる。

また、図 6に示すピストン予備成形体 1 0は、ピストン頂部の一部である中心部 4を他の本体部 2よりも F e等の遷移金属元素を多く含有する傾斜機能層として形成している。このようなピストン予備成形体を圧縮塑性加工して成形された内燃機関用ピストンは、例えばピストン頂部の中心部にくぼみを設け、そのくぼみにおいて初期燃焼させるような内燃機関において、そのくぼみ部を上記の傾斜機能層として高温強度を高くし、その他の本体部は軽量である A 1 — S i系合金で構成することができるので軽量である。また、この場合も、本体部を、マグネシゥム合金層で構成すると一層の軽量化を図ることができる。

また、図 6に示すように、ピストン予備成形体 1 0の一部を形成する前記アルミニゥム合金粉末に、粒径 5 m以下のセラミックス粉末を 1〜3 0 v o 1 %含有させて構成し、例えば、ビストンリング溝を形成する溝形成部のように、ビストン側部の少なくとも一部（5 ) を、セラミックス粉末が含有する耐摩耗部として構成することもでき、ピストン予備成形体 1 0の超高速塑性の特徴を低下させることなく、耐摩耗性を持たせることもできる。

〈2〉本発明の内燃機関用部品として、上記の実施の形態で説明したビストン 1 0 0以外の部品の構成を以下に説明する。

まず、図 7に示すシリンダライナ 2 0 0を本発明の内燃機関用部品として構成する場合、燃焼室に面する内面部 1 0 1を上記傾斜機能層として形成して、高温強度を持たせ、その他の外面部 1 0 2を上記マグネシウム合金層として形成して、全体的に軽量化を図ることができる。

また、図 8に示すバルブ 2 0 0を本発明の内燃機関用部品として構成する場合、燃焼室に面するかさ部 2 0 1を上記傾斜機能層として A 1一 F e系または A 1一 T i系合金層を形成して、高温強度を持たせ、その他のステム部 2 0 2を上記マグネシゥム合金層又は A 1合金層として形成して、全体的に軽量化を図ることができる。産業上の利用可能性

本発明に係る予備成形体及びそれを塑性加工した成形品は、燃焼室が特に高温になる高圧縮比の内燃機関用のピストン及びシリンダライナ及びパルプとして有用であり、また、層状給気を行い燃焼室のプラグ近傍において高濃度の燃料を燃焼させる内燃機関用のピストン等として有用であり、さらに、このような部品において高温強度と軽量化の双方が要求されるピストンとして有用である。

Claims

請求の範囲

1. F e， C r , Ni, Z r , Mn， Mo, T iの遷移金属元素より選ばれる 1種ないし 2種以上の元素：：！〜 1 5wt%， S i： 10~30 w t %, C u ： 0. 5〜5wt%， Mg : l〜5wt%，残部実質的に A 1からなり、結晶粒径 0. 05 > m以上 2 m以下，粉体粒子径 30 m以上 1000 zm以下であり、遷移金属元素の含有量が互いに異なる 2種類以上のアルミニウム合金粉末を、一体構造において固化成形して形成され、外表面の少なくとも一部（ 1 ) が、その他の本体部（2) よりも前記遷移金属元素を多く含有する傾斜機能層として構成された予備成形体（ 1 0)。

2. Fe, C r , Ni, Z r , Mn, M o , T iの遷移金属元素より選ばれる 1種ないし 2種以上の元素： 1〜：！ 5wt%, S i : 10〜30wt%, Cu : 0. 5〜5wt%， Mg：：!〜 5wt%, 残部実質的に A 1からなり、結晶粒径 0. 05 Atm以上 2〃m以下，粉体粒子径 30 /m以上 1000〃m以下であるアルミニウム合金粉末からなるアルミニウム合金層と、前記アルミニウム合金粉末よりも Mgの含有量が大きいマグネシウム合金粉末からなるマグネシゥム合金層とを、一体構造において固化成形して形成された予備成形体（ 1 0)。

3. 請求項 1又は 2に記載の予備成形体（ 1 0) を、塑性加工して形成された成形品（ 1 00)。

4. F e , Cr， N i, Z r , Mn, Mo, T iの遷移金属元素より選ばれる 1種ないし 2種以上の元素： 1〜 1 5wt%, S i： 1 0〜30 wt %, C u ： 0. 5~5wt %, Mg : ：！〜 5wt%, 残部実質的に A 1からなり、結晶粒径 0. 05 m以上 2 zm以下，粉体粒子径 30 zm以上 1 000〃m以下であり、前記遷移金属元素の含有量が互いに異なる 2種類以上のアルミニウム合金粉末を、一体構造において固化成形して形成された予備成形体（ 10) を、塑性加工して形成され、燃焼室に面する部位（ 1) が、その他の本体部（2) よりも前記遷移金属元素を多く含有する傾斜機能層として構成された内燃機関用部品（ 1 00)。

5. F e, C r , N i， Z r, Mn, Mo， T iの遷移金属元素より選ばれる 1種ないし 2種以上の元素：；！〜 1 5wt%, S i： 1 0〜30 wt %, C u ： 0. 5〜5wt%, Mg：：!〜 5wt%，残部実質的に A 1からなり、結晶粒径 0. 0 S zn lS^n^^T, 粉体粒子径 30〃1^以上1 000 m以下であるアルミニウム合金粉末からなるアルミニウム合金層と、前記アルミニウム合金粉末よりも Mgの含有量が大きいマグネシウム合金粉末からなるマグネシゥム合金層とを、一体構造において固化成形して形成された予備成形体（ 10) を、塑性加工して形成され、燃焼室に面する部位（1) を前記アルミニウム合金粉末層により形成し、その他の本体部（2) を前記マグネシウム合金粉末層により形成した内燃機関用部品（ 1 00)。

6. 前記燃焼室に面する部位としてのピストン頂部（ 1 )を有するピストン（ 1 00) として構成された請求項 4又は 5に記載の内燃機関用部品（ 1 00)。

7. 前記塑性加工をされて、表面の少なくとも一部として形成される前記予備成形体（ 1 0) の部位（5) が、前記アルミニウム合金粉末に、粒径 5 zm以下のセラミヅクス粉末を 1〜30 V o 1 %含有させたセラミックス含有粉末を固化成形して形成されたものであり、前記表面の少なくとも一部の部位が、前記セラミックスを含有する耐摩耗部として構成されている請求項 4から 6の何れかに記載の内燃機関用部品（ 1 00)。