WO2019059109A1

WO2019059109A1 - 内燃機関のピストン及びピストンの製造方法

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Publication number: WO2019059109A1
Application number: PCT/JP2018/034094
Authority: WO
Inventors: 圭太郎宍戸
Original assignee: 日立オートモティブシステムズ株式会社
Priority date: 2017-09-22
Filing date: 2018-09-14
Publication date: 2019-03-28
Also published as: JP2019056340A

Abstract

ピストンの各部位に要求される性能に応じた特性を実現することができるピストンを提供する。　ピストンは、アルミニウム合金を含む。ピストンは、ピストンヘッド部と、第1ピストンピンボス部と、第2ピストンピンボス部とを有する。ピストンヘッド部は、T6処理された硬度を有する。第1ピストンピンボス部は、ピストンピンが挿入される第1ピストンピン孔を有し、T6処理された硬度であってピストンヘッド部よりも高い硬度を有する。第2ピストンピンボス部は、ピストンピンが挿入される第2ピストンピン孔を有し、T6処理された硬度であってピストンヘッド部よりも高い硬度を有する。

Description

内燃機関のピストン及びピストンの製造方法

　本発明は、ピストンに関する。

　従来、アルミニウム合金を材料として製造されるピストンが知られている。例えば特許文献１に開示されるピストンは、鋳造後、480～520℃で1～8時間加熱した後、大気放冷または油冷するといった熱処理を施される。

特開昭５５－２４７８４号公報

　従来のピストンでは、ピストンの各部位に要求される性能に応じた特性を実現できなかった。

　本発明の一実施形態に係るピストンは、T6処理された硬度を有するピストンヘッド部と、T6処理された硬度であってピストンヘッド部よりも高い硬度を有するピストンピンボス部とを有する。

　よって、ピストンヘッド部とピストンピンボス部にそれぞれ要求される性能に応じた特性を実現することができる。

第1実施形態のピストンの、ピストンピン孔の軸に直交しピストンの軸線を通る平面で切った断面を示す。第1実施形態のピストンの、ピストンピン孔の軸に沿いピストンの軸線を通る平面で切った断面を示す。第1実施形態の冷却工程において冷却液に浸された状態のピストンの（図1と同様の）断面を示す。第2実施形態の冷却工程において、マスキング部材により部分的に覆われ冷却液に浸された状態のピストンの（図1と同様の）断面を示す。第3実施形態の冷却工程において、内周面に冷却液を噴射された状態のピストンの（図2と同様の）断面を示す。第3実施形態の、（破線で区切られる）領域毎に硬度が異なるピストンの（図2と同様の）断面を示す。第7実施形態のピストンの（図1と同様の）断面を示す。

　以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。

　［第1実施形態］
まず、構成を説明する。ピストン1は、自動車等の車両の内燃機関（エンジン）に用いられる。エンジンは、例えば4ストローク・ガソリンエンジンである。ピストン1は、シリンダの内部に、往復移動可能に収容される。図1及び図2に示すように、ピストン1は、有底筒状であり、ピストンヘッド部2、エプロン部31,32、ピストンピンボス部41,42、及びピストンスカート（スカート部）51,52を一体に有する。

　ピストンヘッド部2は、冠部20とランド部21を有する。シリンダの内部におけるピストン1の移動方向に対し直交する平面で切ったピストンヘッド部2（冠部20）の断面は略円形である。この円の中心を通り、かつ上記移動方向と平行な線をピストン1の軸線という。軸線が延びる方向を軸線方向という。冠部20は、ピストンヘッド部2における軸線方向一方側にある。冠部20の軸線方向一方側にはピストン冠面（頂面）22がある。ピストン冠面22は、エンジンのシリンダヘッドと共に燃焼室を画し、燃焼室に対向する。冠部20の軸線方向他方側にはピストン冠面22の裏側の面（ピストン裏面）23がある。

　ランド部21は、冠部20の外周側から軸線方向他方側に延びる。ランド部21の外周には、3つの環状のピストンリング溝211,212,213がある。各溝211,212,213は、ピストン1の軸線の周り方向（周方向）に延びてランド部21の全周を取り囲む。溝211,212,213は、軸線方向の一方側から他方側にこの順に並ぶ。各溝211,212,213にはピストンリングが設置される。溝211はトップリング溝であり、第1圧力リング（コンプレッションリング）としてのトップリングが設置される。リング溝212はセカンドリング溝であり、第2圧力リングとしてのセカンドリングが設置される。リング溝213はオイルリング溝であり、オイルコントロールリングとしてのオイルリングが設置される。

　エプロン部31,32、ピストンピンボス部41,42及びスカート部51,52は、ピストンヘッド部2から軸線方向他方側に延びる。これら部31～52の内周側は中空である。ピストンピンボス部41,42は、軸線に対する径方向の両側にある。ピストンピンボス部41は、筒状のボス部内にピストンピン孔410を有する。ピストンピン孔410は、ピストンピンボス部41を貫通して上記径方向に延びる。同様に、ピストンピンボス部42は、筒状のボス部内にピストンピン孔420を有する。ピストンピン孔410,420は上記径方向で対向する。ピストンピン孔410,420にはそれぞれピストンピンの端部が挿入され嵌まる。ピストン1は、ピストンピンを介してコンロッドの小端部に連結される。コンロッドの大端部はクランクシャフトに連結される。スカート部51,52は、上記径方向の両側にある。スカート部51,52の外周は、シリンダの内壁に摺接する。エプロン部31は、ピストンピンボス部41を包含しており、周方向両端でスカート部51,52に接続する。エプロン部32は、ピストンピンボス部42を包含しており、周方向両端でスカート部51,52に接続する。ピストンピンボス部41,42は、エプロン部31,32を介してスカート部51,52に接続する。

　トップリング溝211は、ピストン1に埋め込まれた対摩環6により形成される。対摩環6は、ニレジスト鋳鉄を含む円環状の部材であり、ピストンヘッド部2の内部に固定され、ピストンヘッド部2の外周を取り囲む。対摩環6の少なくとも一部は、ピストンヘッド部2に包まれ、ピストンヘッド部2と一体的に接合する。対摩環6は接合面60を有する。対摩環6は、接合面60においてピストンヘッド部2に接合する接合部材である。ニレジスト鋳鉄を含む対摩環6の熱膨張率（線膨張係数）は、アルミニウム合金を含むピストンヘッド部2の熱膨張率と異なる。

　以下、ピストン1の製造方法を説明する。ピストン1は、アルミニウム合金を用いて鋳造により形成される。アルミニウム合金は、アルミニウムAl-シリコンSi系、具体的には日本工業規格（JIS）で規定されるAC8Aであり、少なくともシリコン及び銅を含む。ピストンの製造工程は、鋳造工程、機械加工工程、および熱処理工程を含む。

　鋳造工程で、重力鋳造法により、ピストン1の原型（中間加工材）を鋳造すると共に、耐磨環部材を上記中間加工材に鋳込む。上記耐磨環部材は、対摩環6の原型であり、ピストンヘッド部2の原型（の外周）に鋳包まれる。

　機械加工工程で、上記中間加工材を旋盤等により機械加工し、ピストン1を成形する。切削加工によりピストン冠面400を形成する。また、ピストンヘッド部2やスカート部51,52の外周等、ピストン1の外径を仕上げる。ピストンヘッド部2の外周とともに上記耐磨環部材の一部（外周側）を切削加工し、耐磨環6を成形する。言換えると、耐磨環6の外周面をその一部として含むピストンヘッド部2の外周面を仕上げる。また、切削加工によりピストンピン孔410,420やピストンリング溝211～213を形成する（耐磨環6にトップリング溝211を形成する）。これにより、図1および図2に示すような（耐磨環6を含む）ピストン1を成形する。なお、鋳造工程前に、上記耐磨環部材に溝211を形成しておいてもよい。このように成形されたピストン1の表面のうち、例えば内周面10は、鋳造時に形成された鋳肌面のままである。

　熱処理工程で、上記成形されたピストン1の熱処理を行う。これにより、ピストン1の部位毎に性質を改善して適当な強度・硬さに調整する。熱処理工程は、溶体化処理工程、冷却工程、および人工時効処理工程を有しており、JISに規定されるT6処理に相当する。

　溶体化処理工程は、上記成形された（熱処理を行う前の状態、すなわち第1の状態の）ピストン1の溶体化処理を行う。これにより、ピストン1を構成するアルミニウム合金中の添加元素の原子をアルミニウムの結晶中に溶け込ませて固溶体とする（第2の状態のピストンに変化させる）。

　冷却工程は、焼き入れ処理に相当しており、上記溶体化処理によって得られた固溶状態のピストン1を急速に冷却することで、過飽和固溶体とする。本実施形態では、ピストン1の部位によって冷却の方法、速度ないし程度を変える。溶体化されたピストン1のうち、ピストンヘッド部2の少なくとも一部を冷却処理せず、ピストンピンボス部41,42の少なくとも一部を冷却処理する（局所冷却）。図3に示すように、冷却槽7に入った冷却液70に、溶体化されたピストン1の一部の領域を浸す。浸される領域は、ピストンピンボス部41,42のうちピストンピン孔410,420が形成されている領域を含み、軸線方向でピストンピン孔410,420に対するピストンヘッド部2の反対側の領域である。これらの領域が冷却液70に接することにより、急速に冷却される。浸されない領域は、耐磨環6およびその近傍の領域を含み、軸線方向でピストンピン孔410,420に対するピストンヘッド部2の側の領域である。これらの領域は冷却液70に接しないため、上記浸される領域よりは急速に冷却されない。しかし、上記浸される領域の温度が低くなると、ピストン1の内部の熱伝導により、上記浸されない領域も間接的に冷却されることとなるため、大気放冷よりは急速に冷却される。

　人工時効処理工程は、焼き戻し処理に相当しており、上記冷却処理によって得られた過飽和固溶状態のピストン1に人為的に常温以上の温度を与えることで、アルミニウム合金中に溶けている添加元素を析出させる。これにより、硬度が高くなる。なお、上記機械加工工程を、上記熱処理工程の後に行ってもよい。

　以上の工程により製造されたピストン1の特徴を、以下、列挙する。アルミニウム合金からの析出物である結晶（晶出物）は、添加元素が均一に混ざる限界量を超えてアルミニウム合金の中に現れたものである。溶体化処理によって溶け込まなかった結晶も含め、その平均粒径は溶体化処理によって決定される。よって、ピストン1における結晶の平均粒径は、例えばT5処理された同じアルミニウム合金から析出した結晶の平均粒径より小さい。例えば、ピストン1において、シリコンの結晶の長手方向における平均長さは例えば数十μmであり、T5処理された同じアルミニウム合金から析出したシリコンの結晶の長手方向における平均長さよりも短い。同様に、ピストン1において、アルミニウム合金から析出した、アルミニウムと銅との（金属間）化合物の平均粒径は、T5処理された同じアルミニウム合金から析出した上記化合物の平均粒径より小さい。

　鋳造後のピストン1を溶体化処理することによって、ピストン1の表面に酸化膜が形成される。この酸化膜は、少なくとも鋳肌面（例えば内周面10）を覆っている。熱処理工程の前に機械加工工程を行う場合には、酸化膜はピストン1の表面全体を覆う。溶体化処理によるこの酸化膜の厚さは、T5処理された同じアルミニウム合金の表面を覆う酸化膜よりも厚い。また、T6処理されたピストン1の表面の色の濃度は、T5処理された同じアルミニウム合金の表面の色の濃度より高い。

　ピストンヘッド部2およびピストンピンボス部41,42は、T6処理された強度（例えばJISに規定されるAC8Aの引張強さ:270以上やブリネル硬さ:約110）を有する。T6処理された硬度は一定の範囲を有する。各部2,41,42はこの範囲内の硬度を有する。

　ピストンピンボス部41,42は、ピストンヘッド部2よりも、冷却工程における冷却の速度ないし程度が高い。その分、ピストンピンボス部41,42は、ピストンヘッド部2よりも高い硬度を有する。ピストンヘッド部2において、冠部20（特にピストンリング溝211があるランド部21より径方向内側の部分）、および（対摩環6に接合する部分を含む）ランド部21の硬度が、（ピストンピン孔410,420が形成されている領域を含む）ピストンピンボス部41,42の硬度より低い。

　ピストンピンボス部41,42は、T5処理された強度（例えばJISに規定されるAC8Aの引張強さ:190以上やブリネル硬さ:約90）よりも高い強度を有する。T5処理された硬度は一定の範囲を有する。ピストンピンボス部41,42の硬度の範囲は、T5処理された硬度の最大値よりも高い。ピストンヘッド部22の硬度の範囲は、T6処理された硬度の範囲内であるが、T5処理された硬度の最大値よりも低い値を含んでもよい。

　次に、作用効果を説明する。エンジンの作動時、ピストン1は、膨張行程時に燃焼室で発生した燃焼圧をピストン冠面22に受けることで、シリンダの内部を往復移動する。この往復移動がコンロッドにより回転運動に変換され、クランクシャフトに出力される。燃焼圧をピストン冠面22に受けるピストンヘッド部2（冠部20）の硬度が高すぎると、ピストンヘッド部2に亀裂が生じるおそれがある。すなわち、ピストンヘッド部2（冠部20）には、適度な柔軟性が必要である。一方、コンロッドに連結されるピストンピンは、ピストンピンボス部41,42のピストンピン孔410,420に嵌る。ピストンピンからの荷重をピストンピン孔410,420の内周面に受けるピストンピンボス部41,42には、圧縮応力に対する高い強度が必要となる。

　ピストン1は、上記のように高強度が必要となるピストンピンボス部41,42、および適度な柔軟性が必要となるピストンヘッド部2において、上記特徴に示されるように、それぞれの部位の要求性能に応じた特性を有する。すなわち、ピストンピンボス部41,42は、T6処理された硬度を有する。具体的には、T5処理された硬度よりも高い硬度を有する。よって、高い強度を確保できる。ピストンヘッド部2は、T6処理された硬度を有する一方、冠部20の硬度がピストンピンボス部41,42の硬度より低い。これは、冷却工程において、ピストン1が局所的に冷却処理されることによる。すなわち、冠部20を含むピストンヘッド部2が、冷却処理されず（冷却液70に接せず）、間接的に（ピストン1の内部の熱伝導を介して）冷却されることによる。よって、必要な強度を確保しつつ、適度な柔軟性を得ることができる。

　ピストンヘッド部2を含むピストン1において、アルミニウム合金から析出した結晶の平均粒径は、T5処理されたアルミニウム合金から析出した結晶の平均粒径より小さい。よって、組織が改善され、材料の展延性が良くなっているため、冠部20を含むピストンヘッド部2において適度な柔軟性を得ることができる。例えば、ピストンヘッド部2を含むピストン1において、シリコンの結晶の長手方向における平均長さは、T5処理されたアルミニウム合金から析出したシリコンの結晶の長手方向における平均長さよりも短い。よって、材料の展延性が良い。同様に、ピストンヘッド部2を含むピストン1において、析出したアルミニウムと銅との化合物の平均粒径は、T5処理されたアルミニウム合金から析出した上記化合物の平均粒径より小さい。よって、材料の展延性が良い。

　耐磨環6は、アルミニウム合金と異なる材料から形成されており、ピストンヘッド部2とは熱的性質（熱膨張率）が異なる。このため、熱処理工程（冷却工程や、時効処理工程における冷却時）において、冷却時の熱衝撃により、耐磨環6とピストンヘッド部2とが接合する界面（接合面60）に剥離が発生するおそれがある。これに対し、（対摩環6に接合する部分を含む）ランド部21の硬度が、ピストンピンボス部41,42の硬度より低い。これは、冷却工程において、ピストン1が局所的に冷却処理されることによる。すなわち、ランド部21を含むピストンヘッド部2が、冷却処理されず（冷却液70に接せず）、間接的に（ピストン1の内部の熱伝導を介して）冷却されることによる。このように、冷却処理が、対摩環6が設けられた部分を除く領域において行われるため、耐磨環6が設けられた部分における冷却時の熱衝撃が緩和され、界面剥離が発生して製品が破損することを抑制できる。

　本実施形態の冷却工程は、ピストン1におけるピストンヘッド部2とは反対側の領域を、ピストンピン孔410,420を含めて冷却液70に浸すだけのものである。よって、多量のピストン1を効率的に、局所的に冷却処理することができる。

　ピストンヘッド部2の外周面を含めてピストン1の表面を覆う酸化膜は、溶体化処理によるものであり、熱膨張率（線膨張係数）が比較的小さい。また、この酸化膜の厚さは、T5処理されたアルミニウム合金の表面を覆う酸化膜よりも厚い。よって、耐磨環6の熱膨張率がピストン1の母材であるアルミニウム合金よりも小さい場合には、酸化膜により、ピストン1と耐磨環6との間の熱膨張率の差が抑制される。よって、冷却時における界面剥離の発生をより抑制することができる。これは、機械加工工程を熱処理工程後に行った場合も同様である。

　なお、ピストン1の表面の色の濃度は、T5処理されたアルミニウム合金の表面の色の濃度より高い。よって、ピストン1の表面からの熱の放射率が高くなるため、エンジン作動時に、ピストン1の温度の過度な上昇を抑制することができる。

　以下、比較例との対比において本実施形態の効果を説明する。比較例1は、対摩環が鋳込まれたピストンであり、鋳造後の熱処理として、ピストンの全体に溶体化処理を行った後に、大気放冷または油冷したものである。比較例1は、対摩環の剥離は抑制されるものの、冷却速度が不十分となり、焼きが入らないため、強度不足や摩耗が生じるおそれがある。これに対し、本実施形態のピストン1は、ランド部21の硬度がピストンピンボス部41,42の硬度より低い一方で、ピストン1の全体がT6処理された硬度を有する。このため、対摩環6の剥離を抑制しつつ、必要な強度を確保することができる。比較例2は、対摩環が鋳込まれたピストンであり、鋳造後の熱処理として、ピストンの全体にT5処理を施した後、ピストンピンボス部の周辺のみにT6処理を施したものである。比較例2は、対摩環の剥離が抑制され、ピストンピンボス部の強度が向上するものの、ピストンヘッド部については冠部の柔軟性が不足して亀裂が生じるおそれがある。また、ピストンピンボス部についてはT5処理およびT6処理を重ねて行うため、二度手間となる。これに対し、本実施形態のピストン1は、冠部20の硬度がピストンピンボス部41,42の硬度より低い一方で、ピストン1の全体がT6処理された硬度を有する。このため、ピストンピンボス部41,42の強度を確保しつつ、冠部20の適度な柔軟性を実現することができる。また、T6処理を一回行うだけであるため、製造工程が簡素である。

　［第2実施形態］
第1実施形態と異なる点のみ説明する。本実施形態の熱処理工程は、マスキング工程を有する。マスキング工程は、溶体化処理工程の後、冷却工程の前に、ピストン1の表面のうち、耐磨環6を含む所定の領域をピストン1以外の部材で覆う。具体的には、ピストン1の（内周面10を除く）表面のうち、第1実施形態において冷却液70に浸されない領域を、マスキング部材8により覆う。マスキング部材8は、断熱材により形成されており、断熱性を有する。マスキング部材8は、少なくとも、ピストン冠面22、およびピストンリング溝211～213を含むランド部21の外周面を覆う。なお、マスキング工程は、溶体化処理工程より前に行ってもよい。その後、図4に示すように、冷却工程で、冷却槽7に入った冷却液70に、マスキング部材8により部分的に覆われたピストン1の全部を浸す。マスキング部材8により覆われた部分は冷却液70に接し、マスキング部材8により覆われない部分は冷却液70に接しない。

　このように、マスキング部材8によりピストン冠面22が冷却処理されない（冷却液70に晒されないで間接的に冷却される）ことにより、ピストン冠面22に隣接する領域で適度な柔軟性を得ることができる。また、マスキング部材8によりランド部21の外周面が冷却処理されない（冷却液70に晒されないでピストン1の内部の熱伝導により間接的に冷却される）ことにより、対摩環6との接合面を含む所定の領域が急速に冷却されることを抑制し、冷却時における界面剥離の発生を抑制することができる。マスキング部材8がピストン1の表面を覆う範囲は、上記作用効果が得られる範囲に設定することが好ましい。その他、第1実施形態と同じ構成により、第1実施形態と同じ作用効果が得られる。

　［第3実施形態］
第1実施形態と異なる点のみ説明する。図5に示すように、本実施形態の冷却工程は、ピストン1の内周面10に冷却液70を噴射する。具体的には、冷却液70は水であり、スプレーのノズル9から霧状の冷却液70を内周面10に噴射する。このとき、ピストン1の軸線を鉛直方向に沿わせ、ピストン冠面22の側が鉛直方向上側となるように配置する。冷却液70は、鉛直方向下側から上側に向かって噴射される。噴射された冷却液70は、ピストン裏面23のうち、ピストン冠面22の裏側や、ピストン1の軸線に対する径方向でピストンピンボス部41,42の内側の表面に付着するほか、ピストンピン孔410,420の内周面等に付着した後、重力により流出する。これらの面を除く表面（ピストン1の冠面22や外周面）に対し冷却液70は噴射されない。冷却速度は、例えば、冷却液70の噴射部位が500℃から約180秒で300℃まで低下する速度に設定する。なお、冷却液70は水に限らず油等でもよい。水は比熱が高いため冷却に有利である。

　図6に示すように、冷却液70が付着する上記面およびピストン1の内部で上記面に隣接する領域αから、ピストン1の内部で領域β、γへと遠ざかるにつれて、ピストン1の冷却の速度ないし程度が低くなる。よって、ピストン1の硬度は、部位に応じた勾配を有しており、α、β、γの順に低くなる。領域α、βを含むピストンピンボス部41,42は、領域γを含む（ピストン冠面22の側の）冠部20ならびに（対摩環6の近傍を含む）ランド部21よりも、硬度が高い。

　本実施形態の冷却工程は、ピストン1を局所的に冷却処理するために、急速な冷却が必要な部位（ピストンピンボス部41,42）に対し冷却液70を噴射する。これにより、局所的な冷却処理を容易に行うことができる。ピストン1を冷却液70に浸漬するのではなく、ピストン1に冷却液70を噴射する構成であるため、第2実施形態のように、マスキング部材によってピストン1の表面の一部を覆わなくても、容易に、局所的な冷却処理を行うことができる。なお、マスキング部材によってピストン1の表面の一部を覆った上で、冷却液70の噴射を行ってもよい。

　冷却工程は、鉛直方向下側から上側に向かって冷却液70を噴射する。よって、効果的な冷却が可能である。すなわち、冷却液70を鉛直方向上側から下側へ噴射する場合、冷却液70がピストン1の表面に留まり、流出しない可能性がある。例えば、ピストン1の内周側に冷却液70が溜まってこれが沸騰する等、冷却（焼き入れ）を充分に行うことができないおそれがある。これに対し、冷却液70を下側から噴射することで、ピストン1の表面に一旦付着した冷却液70は、重力によりピストン1から流出する。よって、ピストン1の表面に冷却液70が留まりにくいため、より効果的に冷却を行うことができる。

　具体的には、冷却工程は、スプレーにより霧状の冷却液70を噴射する。よって、ピストン1の（局所的な）表面を万遍なくかつ徐々に冷却することが容易である。また、ライデンフロスト現象の発生を抑制することができ、より効果的に冷却を行うことができる。その他、第1実施形態と同じ構成により、第1実施形態と同じ作用効果が得られる。

　［第4実施形態］
第1実施形態と異なる点のみ説明する。本実施形態の冷却工程は、ピストンピンボス部41,42に対し冷却気体を噴射する。例えば、ピストン1におけるピストンヘッド部2とは軸線方向で反対側の（ピストンピン孔410,420を含む）領域に、冷却気体としての空気を噴射する。この場合、上記領域を除く領域に対し冷却気体は噴射されない。または、第3実施形態と同様に、ピストン1の内周面10に冷却気体を噴射する。この場合、内周面10やピストンピン孔410,420の内周面（の一部）を除く表面に対し冷却気体は噴射されない。なお、冷却気体は空気に限らず二酸化炭素等でもよい。ピストンピン孔410,420の内周面を含むピストンピンボス部41,42の表面に対して集中的に冷却気体を噴射してもよい。また、第2実施形態のようにマスキング部材を用いてもよい。

　このように、冷却気体を噴射することで、第3実施形態と同様、局所的な冷却処理を容易に行うことができる。また、冷却液を使用する場合に比べ、設備の簡素化を図ることができる。また、ピストン1の表面に冷却液が留まったりライデンフロスト現象が発生したりといった問題も回避できる。その他、第1実施形態と同じ構成により、第1実施形態と同じ作用効果が得られる。

　［第5実施形態］
第1実施形態と異なる点のみ説明する。本実施形態の冷却工程は、溶体化されたピストン1の全部に冷却処理を施すが、ピストン1の部分毎に冷却温度（冷却流体の温度）を変化させる。ピストンピンボス部41,42の冷却温度を、ピストンヘッド部2の冷却温度よりも、冷却効果が高い温度に設定する。特に、ピストンピンボス部41,42のうち、ピストンピン孔410,420が形成されている領域（ピストンピン孔410,420の内周面）の冷却温度を、冷却効果が高い温度T1に設定する。ピストンヘッド部2のうち、冠部20（対摩環6の近傍より径方向内側であってピストン冠面22に隣接する領域）の冷却温度を、T1より冷却効果が低い温度に設定する。また、ピストンヘッド部2のうち、ランド部21（対摩環6の近傍）の冷却温度を、T1より冷却効果が低い温度に設定する。

　このように、ピストン1の部分毎に冷却温度を変化させることで、ピストン1の部位毎に求められる特性に応じた冷却（焼き入れ）を個別に行うことができる。ピストンピンボス部41,42（ピストンピン孔410,420が形成されている領域）では、高い強度を確保できる。ピストンヘッド部2の冠部20（ピストン冠面22に隣接する領域）では、適度な柔軟性を得ることができる。ランド部21では、冷却時における対摩環6の剥離を抑制できる。なお、具体的な冷却方法として、第1～第4実施形態のいずれを用いてもよい。このようにピストン1の部分毎に冷却温度を変化させる場合においてピストン1の一部に冷却処理を施さないようにしてもよい。その他、第1実施形態と同じ構成により、第1実施形態と同じ作用効果が得られる。

　［第6実施形態］
第1実施形態と異なる点のみ説明する。本実施形態の冷却工程は、溶体化されたピストン1の全部に冷却処理を施すが、ピストン1の部分毎に冷却処理の開始タイミングを変化させる。冷却処理の開始を早めることでその部分の冷却効果を高め、冷却処理の開始を遅くすることでその部分の冷却効果を低くすることができる。具体的には、ピストンピンボス部41,42の冷却処理の開始を、ピストンヘッド部2の冷却処理の開始よりも早くする。特に、ピストンピンボス部41,42のうち、ピストンピン孔410,420が形成されている領域（ピストンピン孔410,420の内周面）の冷却処理の開始を早くする。ピストンヘッド部2のうち、冠部20（対摩環6の近傍より径方向内側であってピストン冠面22に隣接する領域）の冷却処理の開始を、ピストンピンボス部41,42よりも遅くする。また、ピストンヘッド部2のうち、ランド部21（対摩環6の近傍）の冷却処理の開始を、ピストンピンボス部41,42よりも遅くする。なお、ピストンピンボス部41,42の冷却処理の終了前に、ピストンヘッド部2の冷却処理を開始してもよいし、ピストンピンボス部41,42の冷却処理の終了後に、ピストンヘッド部2の冷却処理を開始してもよい。

　このように、ピストン1の部分毎に冷却処理の開始タイミングを変化させることで、ピストン1の部位毎に求められる特性に応じた冷却（焼き入れ）を個別に行うことができる。ピストンピンボス部41,42（ピストンピン孔410,420が形成されている領域）では、高い強度を確保できる。ピストンヘッド部2の冠部20（ピストン冠面22に隣接する領域）では、適度な柔軟性を得ることができる。ランド部21では、冷却時における対摩環6の剥離を抑制できる。なお、具体的な冷却方法として、第1～第4実施形態のいずれを用いてもよい。このようにピストン1の部分毎に冷却処理の開始タイミングを変化させる場合においてピストン1の一部に冷却処理を施さないようにしてもよい。また、冷却処理の開始タイミングでなく、または開始タイミングと共に、冷却時間の長短を調整してもよい。その他、第1実施形態と同じ構成により、第1実施形態と同じ作用効果が得られる。

　［第7実施形態］
第1実施形態と異なる点のみ説明する。図7に示すように、本実施形態のピストン1は、ピストンヘッド部2に接合する接合部材として、対摩環6の代わりに低熱伝導皮膜11を有する。ピストン冠面22の一部の領域には凹部220がある。凹部220には低熱伝導皮膜11が収容され、保持される。皮膜11の少なくとも一部は、ピストンヘッド部2に包まれ、ピストンヘッド部2と一体的に接合する。皮膜11の軸線方向一方側の面は燃焼室に対向し、皮膜11の軸線方向他方側の面は、凹部220の底面に接する。軸線に対する径方向で皮膜11の外側の面（外周面）は、凹部220の内周面（内壁）に接する。皮膜11は、ジルコニア（二酸化ジルコニウム）その他の低熱伝導性材料、およびバインダーを含む。バインダーは金属であり、例えばアルミニウム（純アルミニウムやピストン1と同じアルミニウム合金）を含む。皮膜11の熱伝導率は、ピストンヘッド部2の熱伝導率より小さい。なお、皮膜11は、ピストンヘッド部2より熱伝導率が小さければよく、例えばアルミニウム粉の焼結体であってもよい。熱処理工程は、第1～第6実施形態のいずれを用いてもよく、要は、低熱伝導皮膜11（凹部220）の近傍が間接的に（ピストン1の内部の熱伝導により）冷却されるか、または、低熱伝導皮膜11（凹部220）の近傍の冷却処理を行う場合に、ピストンピンボス部41,42の冷却処理よりも冷却効果が低ければよい。

　低熱伝導皮膜11は、低熱伝導性材料から形成されており、ピストンヘッド部2とは熱的性質（熱伝導率）が異なる。このため、熱処理工程において、冷却時の熱衝撃により、低熱伝導皮膜11とピストンヘッド部2とが接合する界面に剥離が発生するおそれがある。これに対し、（低熱伝導皮膜11に接合する部分を含む）冠部20の硬度が、ピストンピンボス部41,42の硬度より低い。これは、冷却処理が、低熱伝導皮膜11が設けられた部分を除く領域において行われる等による。このような冷却処理を行うことで、冷却時の熱衝撃が緩和されるため、界面剥離が発生して製品が破損することを抑制できる。その他、第1実施形態と同じ構成により、第1実施形態と同じ作用効果が得られる。

　［他の実施形態］
以上、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明したが、本発明の具体的な構成は、実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。例えば、エンジンの形式は任意である。エンジンは、4ストロークエンジンに限らず2ストロークエンジンであってもよい。ガソリンエンジンに限らずディーゼルエンジンであってもよい。車両に限らず船舶等に搭載されるエンジンであってもよい。また、内燃機関以外の装置に本発明のピストンおよびその製造方法を適用してもよい。また、上述した課題の少なくとも一部を解決できる範囲、または、効果の少なくとも一部を奏する範囲において、特許請求の範囲および明細書に記載された各構成要素の任意の組み合わせ、または、省略が可能である。

　［実施形態から把握しうる他の態様］
  以上説明した実施形態から把握しうる他の態様について、以下に記載する。
(1) 内燃機関のピストンは、その1つの態様において、
  アルミニウム合金を含む、内燃機関のためのピストンであって、
  T6処理された硬度を有するピストンヘッド部と、
  ピストンピンが挿入される第1ピストンピン孔を有し、T6処理された硬度であって前記ピストンヘッド部よりも高い硬度を有する第1ピストンピンボス部と、
  前記ピストンピンが挿入される第2ピストンピン孔を有し、T6処理された硬度であって前記ピストンヘッド部よりも高い硬度を有する第2ピストンピンボス部とを備える。
(2) 別の態様では、前記態様において、
  前記第1ピストンピンボス部および前記第２ピストンピンボス部は、T5処理された硬度よりも高い硬度を有する。
(3) 別の態様では、前記態様のいずれかにおいて、
  前記ピストンヘッド部に接合する部材であって、前記ピストンヘッド部と異なる熱的性質を有する部材を備え、
  前記ピストンヘッド部における前記部材に接合する部分の硬度が、前記第1ピストンピンボス部および第2ピストンピンボス部の硬度より低い。
(4) さらに別の態様では、前記態様のいずれかにおいて、
  前記アルミニウム合金から析出した結晶の平均粒径は、T5処理されたアルミニウム合金から析出した結晶の平均粒径より小さい。
(5) さらに別の態様では、前記態様のいずれかにおいて、
  前記アルミニウム合金はシリコンを含み、
  前記アルミニウム合金から析出した前記シリコンの結晶の長手方向における平均長さは、前記T5処理されたアルミニウム合金から析出したシリコンの結晶の長手方向における平均長さよりも短い。
(6) さらに別の態様では、前記態様のいずれかにおいて、
  前記アルミニウム合金は銅を含み、
  前記アルミニウム合金から析出した、アルミニウムと銅との化合物の平均粒径は、前記T5処理されたアルミニウム合金から析出した、アルミニウムと銅との化合物の平均粒径より小さい。
(7) さらに別の態様では、前記態様のいずれかにおいて、
  鋳造時に形成された鋳肌面を有し、
  前記鋳肌面を覆う酸化膜は、前記T5処理されたアルミニウム合金の表面を覆う酸化膜よりも厚い。
(8) さらに別の態様では、前記態様のいずれかにおいて、
  前記アルミニウム合金の表面の色の濃度が、前記T5処理されたアルミニウム合金の表面の色の濃度より高い。
(9) また、ピストンの製造方法は、その1つの態様において、
  第1の状態のピストンを成形する第1工程を備え、
  前記第1の状態のピストンは、ピストンヘッド部と、第1スカート部および第2スカート部と、ピストンピンが挿入される第1ピストンピン孔を有する第1ピストンピンボス部および前記ピストンピンが挿入される第2ピストンピン孔を有する第2ピストンピンボス部と、を備え、
  前記方法は、さらに、
  前記第1の状態のピストンを溶体化することにより前記第１の状態のピストンを第2の状態のピストンに変化させる第2工程と、
  前記第2の状態のピストンのうち、前記ピストンヘッド部の少なくとも一部を冷却処理せず、前記第1ピストンピンボス部および前記第２ピストンピンボス部を冷却処理する第3工程と、を備える。
(10) 別の態様では、前記態様において、
  前記第2の状態のピストンは、前記ピストンに接合する接合部材であって、熱的性質が前記ピストンと異なる接合部材を有し、
  前記第3工程において、前記第2の状態のピストンのうち、前記接合部材およびその近傍を冷却処理しない。
(11) 別の態様では、前記態様のいずれかにおいて、
  前記第3工程より前に、前記ピストンの表面のうち前記接合部材を含む所定の領域を前記ピストン以外の部材で覆う工程を備える。
(12) さらに別の態様では、前記態様のいずれかにおいて、
  前記第3工程は、前記第1ピストンピンボス部のうち前記第1ピストンピン孔が形成されている領域および前記第2ピストンピンボス部のうち前記第2ピストンピン孔が形成されている領域を含む、前記第1ピストンピン孔および前記第2ピストンピン孔に対する前記ピストンヘッド部と反対側の領域を、冷却液に浸す工程を備える。
(13) さらに別の態様では、前記態様のいずれかにおいて、
  前記第3工程は、前記第１ピストンピンボス部および前記第2ピストンピンボス部に対し冷却液を噴射する工程を備える。
(14) さらに別の態様では、前記態様のいずれかにおいて、
  前記第3工程は、鉛直方向の下側から上側に向かって前記冷却液を噴射する工程を備える。
(15) さらに別の態様では、前記態様のいずれかにおいて、
  前記第3工程は、スプレーにより霧状の前記冷却液を噴射する工程を備える。
(16) さらに別の態様では、前記態様のいずれかにおいて、
  前記第3工程は、前記第1ピストンピンボス部のうち前記第1ピストンピン孔が形成されている領域および前記第2ピストンピンボス部のうち前記第2ピストンピン孔が形成されている領域を含む、前記第1ピストンピン孔および前記第2ピストンピン孔に対する前記ピストンヘッド部の反対側の領域を、冷却液に浸す工程を備える。
(17) さらに別の態様では、前記態様のいずれかにおいて、
  前記第3工程は、前記第1ピストンピンボス部および前記第2ピストンピンボス部に対し冷却気体を噴射する工程を備える。
(18) さらに別の態様では、前記態様のいずれかにおいて、
  前記第3工程は、前記第1ピストンピンボス部における前記第1ピストンピン孔の内周面および前記第2ピストンピンボス部における前記第2ピストンピン孔の内周面を冷却処理し、その後、他の領域を冷却処理する工程を備える。
(19) さらに別の態様では、前記態様のいずれかにおいて、
  前記第3工程は、前記第2の状態のピストンの部分毎に冷却温度を変化させる工程を備える。

　本願は、２０１７年９月２２日出願の日本特許出願番号２０１７－１８１８９１号に基づく優先権を主張する。２０１７年９月２２日出願の日本特許出願番号２０１７－１８１８９１号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書を含む全ての開示内容は、参照により全体として本願に組み込まれる。

１　　　ピストン、２　　　ピストンヘッド部、４１　　第１ピストンピンボス部、４１０　第１ピストンピン孔、４２　　第２ピストンピンボス部、４２０　第２ピストンピン孔、５１　　第１スカート部、５２　　第２スカート部、６　　　耐摩環（接合部材）、１１　　低熱伝導皮膜（接合部材）

Claims

　アルミニウム合金を含む、内燃機関のためのピストンであって、
　Ｔ６処理された硬度を有するピストンヘッド部と、
　ピストンピンが挿入される第１ピストンピン孔を有し、Ｔ６処理された硬度であって前記ピストンヘッド部よりも高い硬度を有する第１ピストンピンボス部と、
　前記ピストンピンが挿入される第２ピストンピン孔を有し、Ｔ６処理された硬度であって前記ピストンヘッド部よりも高い硬度を有する第２ピストンピンボス部と
　を備える内燃機関のためのピストン。
　請求項１に記載の内燃機関のためのピストンにおいて、
　前記第１ピストンピンボス部および前記第２ピストンピンボス部は、Ｔ５処理された硬度よりも高い硬度を有する、内燃機関のためのピストン。
　請求項１に記載の内燃機関のためのピストンにおいて、
　前記ピストンヘッド部に接合する部材であって、前記ピストンヘッド部と異なる熱的性質を有する部材を備え、
　前記ピストンヘッド部における前記部材に接合する部分の硬度が、前記第１ピストンピンボス部および第２ピストンピンボス部の硬度より低い、
　内燃機関のためのピストン。
　請求項１に記載の内燃機関のためのピストンにおいて、
　前記アルミニウム合金から析出した結晶の平均粒径は、Ｔ５処理されたアルミニウム合金から析出した結晶の平均粒径より小さい、内燃機関のためのピストン。
　請求項４に記載の内燃機関のためのピストンにおいて、
　前記アルミニウム合金はシリコンを含み、
　前記アルミニウム合金から析出した前記シリコンの結晶の長手方向における平均長さは、前記Ｔ５処理されたアルミニウム合金から析出したシリコンの結晶の長手方向における平均長さよりも短い、
　内燃機関のためのピストン。
　請求項４に記載の内燃機関のためのピストンにおいて、
　前記アルミニウム合金は銅を含み、
　前記アルミニウム合金から析出した、アルミニウムと銅との化合物の平均粒径は、前記Ｔ５処理されたアルミニウム合金から析出した、アルミニウムと銅との化合物の平均粒径より小さい、
　内燃機関のためのピストン。
　請求項１に記載の内燃機関のためのピストンにおいて、
　鋳造時に形成された鋳肌面を有し、
　前記鋳肌面を覆う酸化膜は、前記Ｔ５処理されたアルミニウム合金の表面を覆う酸化膜よりも厚い、
　内燃機関のためのピストン。
　請求項１に記載の内燃機関のためのピストンにおいて、
　前記アルミニウム合金の表面の色の濃度が、前記Ｔ５処理されたアルミニウム合金の表面の色の濃度より高い、内燃機関のためのピストン。
　ピストンの製造方法であって、
　第１の状態のピストンを成形する第１工程を備え、
　前記第１の状態のピストンは、ピストンヘッド部と、第１スカート部および第２スカート部と、ピストンピンが挿入される第１ピストンピン孔を有する第１ピストンピンボス部および前記ピストンピンが挿入される第２ピストンピン孔を有する第２ピストンピンボス部と、を備え、
　前記方法は、さらに、
　前記第１の状態のピストンを溶体化することにより前記第１の状態のピストンを第２の状態のピストンに変化させる第２工程と、
　前記第２の状態のピストンのうち、前記ピストンヘッド部の少なくとも一部を冷却処理せず、前記第１ピストンピンボス部および前記第２ピストンピンボス部を冷却処理する第３工程と
　を備えるピストンの製造方法。
　請求項９に記載のピストンの製造方法において、
　前記第２の状態のピストンは、前記ピストンに接合する接合部材であって、熱的性質が前記ピストンと異なる接合部材を有し、
　前記第３工程において、前記第２の状態のピストンのうち、前記接合部材およびその近傍を冷却処理しない、
　ピストンの製造方法。
　請求項１０に記載のピストンの製造方法において、
　前記第３工程より前に、前記ピストンの表面のうち前記接合部材を含む所定の領域を前記ピストン以外の部材で覆う工程を備える、ピストンの製造方法。
　請求項１１に記載のピストンの製造方法において、
　前記第３工程は、前記第１ピストンピンボス部のうち前記第１ピストンピン孔が形成されている領域および前記第２ピストンピンボス部のうち前記第２ピストンピン孔が形成されている領域を含む、前記第１ピストンピン孔および前記第２ピストンピン孔に対する前記ピストンヘッド部と反対側の領域を、冷却液に浸す工程を備える、ピストンの製造方法。
　請求項９に記載のピストンの製造方法において、
　前記第３工程は、前記第１ピストンピンボス部および前記第２ピストンピンボス部に対し冷却液を噴射する工程を備える、ピストンの製造方法。
　請求項１３に記載のピストンの製造方法において、
　前記第３工程は、鉛直方向の下側から上側に向かって前記冷却液を噴射する工程を備える、ピストンの製造方法。
　請求項１３に記載のピストンの製造方法において、
　前記第３工程は、スプレーにより霧状の前記冷却液を噴射する工程を備える、ピストンの製造方法。
　請求項９に記載のピストンの製造方法において、
　前記第３工程は、前記第１ピストンピンボス部のうち前記第１ピストンピン孔が形成されている領域および前記第２ピストンピンボス部のうち前記第２ピストンピン孔が形成されている領域を含む、前記第１ピストンピン孔および前記第２ピストンピン孔に対する前記ピストンヘッド部の反対側の領域を、冷却液に浸す工程を備える、ピストンの製造方法。
　請求項９に記載のピストンの製造方法において、
　前記第３工程は、前記第１ピストンピンボス部および前記第２ピストンピンボス部に対し冷却気体を噴射する工程を備える、ピストンの製造方法。
　請求項９に記載のピストンの製造方法において、
　前記第３工程は、前記第１ピストンピンボス部における前記第１ピストンピン孔の内周面および前記第２ピストンピンボス部における前記第２ピストンピン孔の内周面の冷却処理を開始した後、他の領域の冷却処理を開始する工程を備える、製造方法。
　請求項９に記載のピストンの製造方法において、
　前記第３工程は、前記第２の状態のピストンの部分毎に冷却温度を変化させる工程を備える、ピストンの製造方法。