(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン上面を構成するヘッド部とピストン側面の摺動面を構成するスカート部とからなり、前記ヘッド部の少なくとも一部を他の部分と異なる材料で構成した内燃機関用ピストンにおいて、前記ヘッド部上面にこれと直角方向の鍛造によるファイバーフローおよびその周囲に形成された放射状のファイバーフローを有し、前記放射状のファイバーフローは、ヘッド部上面中央部の円形部分に沿って形成されたことを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項２】
前記ファイバーフローは、前記ヘッド部上面のファイバーフロー形成位置に対応して、前記異なる材料同士の接合界面近傍にも形成された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】
ピストン上面を構成するヘッド部とピストン側面の摺動面を構成するスカート部とからなり、前記ヘッド部の少なくとも一部を他の部分と少なくとも耐熱性が異なる材料で構成した内燃機関用ピストンにおいて、前記ヘッド部上面に局部的にこれと直角方向の鍛造によるファイバーフローおよびその周囲に形成された放射状のファイバーフローを有し、前記ヘッド部の周縁部を中央部より耐熱性の大きい材料で構成したことを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項４】
ピストン上面を構成するヘッド部とピストン側面の摺動面を構成するスカート部とからなり、前記ヘッド部の少なくとも一部を他の部分と少なくとも耐熱性が異なる材料で構成した内燃機関用ピストンにおいて、前記ヘッド部上面に局部的にこれと直角方向の鍛造によるファイバーフローおよびその周囲に形成された放射状のファイバーフローを有し、耐熱性の大きい材料が吸排気側でピストンピンボス側より厚く、ピストンピンボス側で吸排気側より薄くしたことを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項５】
前記異なる材料同士を、前記ヘッド部上面に押し出し突起が形成されるように同時に鍛造して接合一体成型することを特徴とする請求項３又は４に記載の内燃機関用ピストンの製造方法。
【請求項６】
一対の型の一方の型に前記押出し突起用の凹みを形成し、他方の型に該凹みに対応した突起部を形成し、これらの型を用いて前記異なる材料同士を同時に鍛造して接合一体化することを特徴とする請求項３又は４に記載の内燃機関用ピストンの製造方法。
【請求項７】
ピストン上面を構成するヘッド部とピストン側面の摺動面を構成するスカート部からなり、前記ヘッド部の少なくとも一部を他の部分と異なる材料で構成した内燃機関用ピストンにおいて、前記異なる材料の境界層において、ピストン外周ほどファイバーフローの伸びを大きくするとともに、ピストン外周部におけるファイバーフローの伸びより小さい伸びを示すピストン外周部より中心寄りの領域において、ファイバーフローの伸びの大きい部分を形成したことを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項８】
請求項１から４のいずれかに記載のピストンを有する内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用ピストンおよびその製造方法に関し、特に、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の２サイクルエンジンおよび４サイクルエンジンのピストンとして採用するに適したピストンおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般の内燃機関用ピストンとして次のことが要求される。
第１に、軽量であること、換言すれば（ｉ）薄肉形状であること（薄肉でも高温の疲労強度が高い材料を使うこと、薄肉でも鍛造成型性が良い材料を使うこと）および（ｉｉ）比重が小さいこと（軽い材料を使うこと）である。
【０００３】
第２に、ヘッド部のピストンリングより上側のトップランドが薄いことである。これは、圧縮比が高まり性能が向上するため、およびクレビス減少により未燃ガスが減少し、排ガス対策として有効であるためである。この場合、（ｉ）トップランドが薄くてもピストンリングの下側においてピストンがピストンリングに熱融着しないこと（ピストン上面が３５０℃程度になっても硬さを保つことができる材料を使うこと）、および（ｉｉ）トップランドの角部がだれたり、変形したりしないこと（ピストン上面が３５０℃程度になっても耐えることができる材料を使うこと）が必要である。
【０００４】
第３に、永久変形が少ないこと（剛性が高いこと）である。換言すれば（ｉ）ヘッド部を曲がりにくくすること（ヘッド部を厚肉にすること、ピストン上面が３５０℃程度になってもヤング率が高い材料を使うこと）が要求される。
【０００５】
以上のように、内燃機関用ピストンとしては、高温での疲労強度、耐力、硬さが高く、かつ薄肉形状が可能で良好な成形性を備えている材料を使用することが要求される。
【０００６】
しかしながら、これらの要求を満たす１つの材料を見出すことは難しい。そこで、これら要求を満たすため、内燃機関用ピストンとして、ヘッド部に耐熱強度の高い材料を用い、スカート部にヘッド部と異なる性質の材料を用いることが考えられる。この考えに基づく従来の内燃機関用ピストンとして、次の３つのものが提案されている。
【０００７】
その第１番目は、ヘッド部とスカート部を物理的性質の異なるクラッド材（アルミ合金とアルミ合金にウイスカー，短繊維等を混合した複合層（ＦＲＭ）とからなる）で構成し、両者を鍛造で一体成型した内燃機関用ピストンである（特開昭６３ー１３２７４３号公報参照）。
【０００８】
その第２番目は、セラミックス粉末の配合率の異なる共通の組成のマトリックスの急冷粉末アルミ合金（パウダーメタル）を粉末成形して２層体を作り、この２層体を加圧加熱してプリフォームを作り、これを熱間鍛造して、セラミックス粉末の配合率の高い方の層をヘッド部とし、低い方の層をスカート部とした内燃機関用ピストンである（特開平１ー１８０９２７号公報参照）。
【０００９】
その第３番目は、ヘッド部をパウダーメタルまたはＦＲＭの鍛造品で構成し、スカート部をアルミ合金鋳物で構成し、両者を溶接により接合した内燃機関用ピストンである（特開平２ー１０７７４９号公報参照）。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記第１従来例のピストンによれば、ヘッド部とスカート部の接合界面の特に中央部の接合強度が十分に得られない。その理由は、鍛造時、ヘッド部とスカート部との間の接合界面に充分な相対すべりが発生せず、その接合界面の酸化膜を破壊、除去できないため、十分な接合強度は得られないからである。即ち、この第１従来例のピストンによれば、鍛造時、接合界面特にその中央部に、接合作用に必要な相対すべりが生じ難いからである。もし、接合強度を高めようとすれば、そのための工数を増やさなければならない。また、ＦＲＭは、強化材であるウイスカー，短繊維とマトリックスの界面で応力集中が生じ、熱間での十分な疲労強度が得られない。また、鍛造素材としてのクラッド材は、工程が複雑になり、コストが高い。さらに、クラッド材では、ヘッド部の一部、例えばピストンリングを装着するリング溝の部分だけあるいは上面角部の部分だけに適用することができない。
【００１１】
また、前記第２従来例のピストンによれば、ヘッド部とスカート部の接合界面の特に中央部の接合強度が十分に得られない。その理由は、前記第１従来例のピストンと同様、鍛造時、接合界面の中央部に相対すべりが生じ難いからである。もし、接合強度を高めようとすれば、そのための工数を増やさなければならない。また、ヘッド部とスカート部が共通のマトリックスであるため、スカート部に要求される薄肉部の成形性と、ヘッド部に要求される耐熱性を両立させることができない。すなわち成形性を確保するため熱間変形抵抗を下げると耐熱性が低下し、ヘッド部上面の角部のだれ、変形が生じる。さらに、鍛造素材としてのプリフォームは、充填率が低く、熱間鍛造時に使用する離型剤，潤滑剤が侵入し、良好な成型体を得ることができない。
【００１２】
また、前記第３従来例のピストンによれば、ヘッド部にパウダーメタルを使い、ヘッド部とスカート部を溶接により接合すると、パウダーメタルの溶接部に脆い合金層ができて接合強度が低下する。また、パウダーメタルの溶接部では、本来の特性（疲労強度，耐力，硬さ等）が失われる。さらに、摩擦溶接の場合には、接合部にバリが生じる。このバリは、応力集中の原因となるため、除去する必要があるが、ピストン内側にはピンボス部等の凹凸があるため、除去が困難である。また、ヘッド部にＦＲＭを使うと、強化材であるウイスカー、短繊維とマトリックスの界面で応力集中が生じ、熱間での十分な疲労強度が得られない。
【００１３】
本発明は、上記従来技術の欠点に鑑みなされたものであって、内燃機関用ピストンにおいて、ヘッド部は耐熱強度が高く、スカート部は成形性が良好な異種部材で構成し、これらのヘッド部とスカート部同士の接合強度が高く、且つプロセスを増加させることなく生産性が良好な内燃機関用ピストンおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明では、ピストン上面を構成するヘッド部とピストン側面の摺動面を構成するスカート部とからなり、前記ヘッド部の少なくとも一部を他の部分と異なる材料で構成した内燃機関用ピストンにおいて、前記ヘッド部上面にこれと直角方向の鍛造によるファイバーフローおよびその周囲に形成された放射状のファイバーフローを有し、前記放射状のファイバーフローは、ヘッド部上面中央部の円形部分に沿って形成されたことを特徴とする内燃機関用ピストンを提供する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
好ましい実施の形態においては、前記放射状のファイバーフローは、ヘッド部上面中央部の円形部分に沿って形成されたことを特徴としている。
【００１６】
さらに好ましい実施の形態においては、前記ファイバーフローは、前記ヘッド部上面のファイバーフロー形成位置に対応して、前記異なる材料同士の接合界面近傍にも形成されたことを特徴としている。
【００１７】
さらに本発明では、前記異なる材料同士を、前記ヘッド部上面に押し出し突起が形成されるように同時に鍛造して接合一体成型することを特徴とする燃機関用ピストンの製造方法を提供する。
【００１８】
この方法の好ましい実施の形態においては、一対の型の一方の型に前記押出し突起用の凹みを形成し、他方の型に該凹みに対応した突起部を形成し、これらの型を用いて前記異なる材料同士を同時に鍛造して接合一体化することを特徴としている。
【００１９】
上記方法によれば、鍛造時、押し出し突起が形成されこの部分に対応してファイバーフローが形成されるので、ヘッド部とスカート部の接合界面全体、特にすべりを生じ難い接合界面の中央部にもすべりを生じ、接合界面の強度を十分に得ることができる。すなわち、圧接応力下における接合面での両材料層の延びさらには相対的すべりにより強固な接合作用が得られる。したがって、ピストン形状に成型すると同時に接合強度を十分に得ることができ、接合強度を増すために工数を増やす必要がない。
【００２０】
また、本発明では、ピストン上面を構成するヘッド部とピストン側面の摺動面を構成するスカート部からなり、前記ヘッド部の少なくとも一部を他の部分と異なる材料で構成した内燃機関用ピストンにおいて、前記異なる材料の境界層において、ピストン外周ほどファイバーフローの伸びを大きくするとともに、ピストン外周部におけるファイバーフローの伸びより小さい伸びを示すピストン外周部より中心寄りの領域において、ファイバーフローの伸びの大きい部分を形成したことを特徴とする内燃機関用ピストンを提供する。
【００２１】
【実施例】
図１は、本発明の内燃機関用ピストンが適用される２サイクルエンジンの概略を示す説明図である。この２サイクルエンジン１の構成および作用は次の通りである。すなわち、シリンダ２内をピストン３が下死点から上昇していくと、クランクケース４内が負圧になり、そこにインジェクタ５からの燃料と吸気通路６からの空気との混合気がリードバルブ７を介して吸い込まれるとともに、主掃気ポート８および副掃気ポート８’が閉じられる。次いで排気ポート９が閉じられて、シリンダ２内の混合気が圧縮される。十分に圧縮されたところで、点火プラグ１０から火花が飛び、混合気が燃焼し、その圧力でピストン３がシリンダ２内を押し下げられる。ある程度下がったところで、排気ポート９が開き、燃焼済みのガスが排出され始める。次いで掃気ポート８，８’が開き、クランクケース４から新しい混合気がシリンダ２内に流れ込み、それがさらに燃焼済みのガスを追い出す。このような原理の２サイクルエンジン１は、ピストン３が１往復すると、ピストンピン１１、コンロッド１２、クランクアーム１３を介してクランクシャフト１４が１回転し、１燃焼サイクルが終了する。このクランクシャフト１４の回転が例えば自動二輪車であれば、チェーンを介して後輪に伝えられる。なお、混合気の量の増減は、吸気通路６に介在させたスロットルバルブ１５の開度を調節することにより行われる。
【００２２】
図２は、本発明の内燃機関用ピストンが適用される４サイクルエンジンの概略を示す説明図である。この４サイクルエンジン２０の構成および作用は、次の通りである。すなわち、シリンダ２１内をピストン２２が上死点から下降すると、シリンダ２１内が負圧となる。このとき吸気バルブ２３が開き、インジェクタ２４からの燃料と吸気通路２５からの空気との混合気がシリンダ２１内に吸い込まれる。次に、下死点から上昇するときには、吸排気バルブ２３，２６がともに閉じており、シリンダ２１内に吸い込まれた混合気がピストン２２により圧縮される。
【００２３】
次に、混合気が圧縮されたところで、点火プラグ２７に電気火花が飛び、混合気が燃焼する。この燃焼によりシリンダ２１内のガスが膨張し、その膨張圧力でピストン２２が押し下げられる。ピストン２２が十分に押し下げられたところで、排気バルブ２６が開き、ピストン２２が上昇しながら、燃焼済みのガスが排気通路２８から排出される。
【００２４】
このような原理の４サイクルエンジン２０は、ピストン２２が２往復すると、ピストンピン２９、コンロッド３０、クランクアーム３１を介してクランクシャフト３２が２回転し、１燃焼サイクルが終了する。このクランクシャフト３２の回転が例えば自動二輪車であれば、チェーンを介して後輪に伝えられる。なお、混合気の量の増減は、吸気通路２５に介在させたスロットルバルブ３３の開度を調節することにより行われる。
【００２５】
図３は、本発明に係る内燃機関用ピストン５８の一例の断面図で、左半部はピストンリング溝６５の下側のピストンピンボス３６を正面から見た状態を示し、右半部はピストンピンボス３６を側面から見た状態を示す。この例では、図示するように、ピストンピンボス３６のある側の肉厚が厚くなるようにして、ピストンピンを支持する強度を高めた。左半部の図から分るように、ピストン上面を構成するヘッド部に連続するスカート部（ピストン側面）は、下方に向って肉厚が徐々に薄くなっている。
【００２６】
図４は、図３の内燃機関用ピストンの製造工程を順に示した説明図である。以下本図に基づいて、本発明に係る内燃機関用ピストンの製造方法の一例について説明する。
【００２７】
まず、工程（Ａ）において、スカート部用の、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）からなる合金のインゴットを準備する。ここで、シリコンは、金属組織中に硬質の初晶または共晶シリコン粒を晶出させることにより、ピストンスカート部の摺動面に要求される耐摩耗性および耐焼付性を高めるために添加されるものである。また、銅およびマグネシウムは共に高温での合金強度を高めるために添加されるものである。この場合、シリコンの配合率を５〜２５％とし、銅の配合率を０．５〜５％とし、マグネシウムの配合率を０．５〜１．５％とすることが好ましい。このような範囲外では、所望の耐摩耗性、耐焼付性および高温での必要な強度が得られないからである。なお、アルミニウム、シリコン、銅、マグネシウムからなる合金のインゴットの代わりに、アルミニウムのインゴットまたは粉末、シリコンのインゴットまたは粉末、銅のインゴットまたは粉末、及びマグネシウムのインゴットまたは粉末をそれぞれ別に準備しこれらを混合して溶融してもよい。
【００２８】
次に、工程（Ｂ）において、インゴットを溶解し、連続鋳造または押し出し成形によりスカート部用ブロックを製造する。このようにして得たＡｌ−Ｓｉ系合金のブロックは、後述のＡｌ−Ｆｅ系合金のブロックに比べて、熱間での変形抵抗が低く（４００℃における耐力でＡｌ−Ｆｅ系パウダーメタルの約５０％）、薄肉部における良好な成形性が得られる。
【００２９】
次に、工程（Ｃ）において、ブロックをスカート部に必要な大きさに切断し、ピストン合金５０を形成する。
【００３０】
一方、工程（Ｄ）において、ヘッド部用のアルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、シリコン（Ｓｉ）からなる合金のインゴットを準備する。ここで、鉄は金属組織を分散強化して、２００℃以上で高い疲労強度を得るために添加されるものである。また、シリコンは前述のように耐摩耗性および耐焼付性を高めるとともに、延性を大きくし、また融点を低下させる作用がある。従ってシリコンの添加量が多いと延びが大きくなりすぎて強度の低下となり、また融点が下がることにより耐熱性の低下となるため、ヘッド部の成型性や耐摩耗性に応じて必要な最小量のみを添加する。鉄については、上述した様に、高温強度、高温における高疲労強度を向上するのに有効であり、このヘッド用合金中の鉄の配合率は５％以上とする。
【００３１】
次に、工程（Ｅ）において、インゴットを溶解し、冷却速度１００℃／ｓｅｃ以上で急冷凝固させてＡｌ−Ｆｅ系合金粉末を製造する。次に、工程（Ｆ）において、成形固化し、さらに熱間押し出しする。このようにして得た急冷粉末アルミ合金のブロックは、応力集中の原因となる部分のない一様な金属組織が得られ高い疲労強度が得られる。これは、通常の鋳造工程による冷却では、合金中に鉄の粗大な組成物が形成されて強度の低下を来すが、急冷凝固によりＡｌ−Ｆｅ系合金粉末を成型固化し、さらに熱間押出しにより合金を形成することにより、鉄の粗大な組成物の形成を阻止し、応力集中の原因となる鉄成分の粗大組成部のない均一な金属組織が得られるため、鉄成分を多く添加することが可能になり、高い疲労強度の合金を得ることができるからである。なお、アルミニウム、鉄、シリコンからなる合金のインゴットの代わりに、アルミニウムのインゴットまたは粉末、鉄のインゴットまたは粉末、及びシリコンのインゴットまたは粉末をそれぞれ別に準備してこれらを混合して溶融してもよい。
【００３２】
次に、工程（Ｇ）において、ブロックをヘッド部の大きさに切断し、パウダーメタル合金（ＰＭ合金）５１を形成する。
【００３３】
以上の工程を経て得られたスカート部用合金（ピストン合金）５０とヘッド部用合金（ＰＭ合金）５１は、工程（Ｈ）において、重ねられ、離型剤が塗布される。次に、工程（Ｋ）において、成型性をよくするために加熱される。次に、工程（Ｌ）において、加熱された２層の合金を上下一対の型で挟み、強圧する鍛造によりピストンの形状に一体成型する。このとき後述のように、両合金同士が接合される。
【００３４】
次に、工程（Ｍ）において、強度を高めるため、熱処理する。最後に、（Ｎ）工程において、機械加工によりピストンリング溝６５を形成し、不要な部分を削り落とす等の加工処理を行って終了する。この後、必要に応じて、例えば摺動特性、耐摩耗性を良くするためスカート部の側面にメッキをする等の表面処理を行う。完成されたピストン５８は、ヘッド部４０が急冷粉末アルミ合金（ＰＭ合金）からなり、スカート部４１がアルミニウム、シリコン、銅、マグネシウムからなる合金（ピストン合金）からなる異種材料の鍛造接合体により構成される。
【００３５】
図５は、図４の工程（Ｋ）〜（Ｎ）の詳細を説明する図である。図５（Ａ）は、図４の工程（Ｋ）に対応し、急冷粉末アルミ合金で構成されるヘッド部用ＰＭ合金５１を下に、アルミニウム、シリコン、銅、マグネシウムからなる合金で構成されるスカート部用ピストン合金５０を上にして重ね、加熱された２層の合金を、予熱した下型５５の凹部５６内に収容し、予熱した上型であるパンチ５７により加圧してピストン形状に鍛造する。図中１００は、鍛造前における２層の合金の境界面であり、本実施例では平面とされる。この境界面１００を境にして２層の合金は互いに接触している。鍛造前に２層の合金の円筒状の外周面に離型剤が塗布されている。パンチ５７はピストン５８各部のそれぞれに必要な肉厚を与えるように形状が決められる。一方、前記下型５５の凹部５６の底面中央部に、パンチ５７の突出部５７ａに対向して凹み５９が形成される。
【００３６】
このような下型５５およびパンチ５７を用いた熱間鍛造によれば、成型と接合が同時に行われ、接合界面が溶融することがないため、Ａｌ−Ｆｅ系合金およびＡｌ−Ｓｉ系合金の特性を損うことなく、かつ寸法精度良くピストンを成型できる。
【００３７】
図５（Ｂ）は、図４の工程（Ｌ）に対応し、鍛造されたピストン５８は、前記下型５５の中央に形成された凹み５９によりヘッド部４０の中央に押し出し突起４２を有する。
【００３８】
パンチ５７の突出部５７ａが上層のスカート部用合金５０に食い込むに従い、スカート部用合金５０の外周が盛り上がり、スカート部を形成する。一方、ヘッド部用合金５１はスカート部用合金５０を介してパンチ５７の突出部５７ａにより押され、下型５５に形成された凹み５９内に入り込み突起４２を形成する。この凹み５９内への入り込みにより、境界面１００が変形し、凹み５９と対応する部分がヘッド部用合金５１側に凸状に変形する。また、パンチ５７の突出部５７ａが、鍛造前の境界面１００の位置よりさらに下降することにより、ヘッド部用合金５１の外周が盛り上がるとともに、突出部５７ａの下側のスカート部用合金５０は厚みが薄くなりつつ、スカート部用合金５０の外周がさらに盛り上がる。
鍛造後の境界面２００は、鍛造前の境界面１００より高い位置となる外周部２００ａと、突出部５７ａに沿って鍛造前の境界面１００より低い位置まで下方に突出する第１ドーム部２００ｂと、中央部においてさらに下方に突出する第２ドーム２００ｃとで構成されることになる。鍛造前の平坦な境界面１００が、鍛造後にドーム状の境界面２００（２００ａ、２００ｂ、２００ｃ）に変化する。すなわち、鍛造により境界面１００の面積は増大するので、スカート部用合金５０のみでなくヘッド部用合金５１も境界面で大きく伸びることになる。この伸びの大きい部分においては大きな鍛造による圧力も作用して酸化膜が破壊される。また、両合金５０、５１の間に伸び易さに差があると、境界面の面積増大に加え、両合金５０、５１の間に相対すべりが発生し、これも酸化膜の破壊に寄与する。酸化膜が破壊されるとスカート部用合金５０とヘッド部用合金５１が直接接触し接合する。すなわち、第１ドーム２００ｂと第２ドーム部２００ｃにおいて境界面の面積増大（伸び）あるいはさらに相対すべりの発生により酸化膜が破壊し両合金が接合し、十分な接合強度が得られる。接合により、鍛造後の境界面２００は接合界面となる。
【００３９】
このとき、ヘッド部４０の突起４２およびこの突起に対応する位置のヘッド部とスカート部の接合界面近傍には、鍛造時の材料組織の移動に沿ってファイバーフローが形成される。このファイバーフローは、鍛造時に、ヘッド部側とスカート部側の２つの合金の間に起こる相対すべりに起因して形成されるものであり、この相対すべりにより接合界面の酸化膜を破壊、除去して十分な接合強度が得られる。この場合、突起４２内においては、この突起４２を削り落とした場合に、ヘッド部４０の上面に対して直角方向のファイバーフローが形成され、突起４２の周囲には、放射状のファイバーフローが形成される。
【００４０】
図５（Ｃ）は、図４の工程（Ｎ）に対応し、ピストンを形成するための各種機械加工が施される。即ち、前記押し出し突起４２は、熱間鍛造後は不要となるので削り落とされ、また、ピストンリング溝６５を形成する等の加工処理がされる。このとき、図５（Ｂ）で形成されたファイバーフローは残存する。なお、押し出し突起４２を設ける位置は、ヘッド部４０の中央に限るものではなく、また、押し出し突起４２の形状は、略円錐台形状に限るものではない。さらに、押し出し突起４２の数は、３個以上であっても良い。すなわち、境界面を第１ドーム２００ｂを形成することにより、この下方へのドームの円周状の側壁部のみでなく、突起４２を形成するのに対応して形成される水平方向の断面が円形以外の形状の第２ドーム２００ｃとすることで、第２ドーム２００ｃの側壁部の面積すなわち接合面積を増大させることができる。同様に複数の突起４２を形成するのに対応して形成される複数の第２ドーム２００ｃによっても接合面積を増大させることができ、ヘッド部用合金５１はスカート部用合金５０に強固に結合することになる。
【００４１】
図６は、前記押し出し突起の位置及び形状の例を示す説明図である。（Ａ）は、円形の押し出し突起４２をピストン５８の中央に形成した例を示す。図中の点線は、２サイクルエンジンの場合の２つの主掃気ポート６０，６１と副掃気ポート６２と排気ポート６３との位置を示している。（Ｂ）は、押し出し突起４２をピストン５８の中央から排気ポート６３側にずらして高温となる排気側の接合強度を高めた例を示す。なお、このような円形の押し出し突起を複数箇所に設けても良い。（Ｃ）は、円形の押し出し突起４２をヘッド部の中心に設け、さらにその周囲に環状の突起４２’を設けた例を示す。（Ｄ）は、湾曲変形した押し出し突起４２”をヘッド部の中心からずらして湾曲形状に設けた例を示す。（Ｅ）は、環状の押し出し突起４２’のみを設けた例を示す。ここで、各押し出し突起４２、４２’、４２”の周囲には多数のすじが形成される。
【００４２】
このすじは、ファイバーフロー６４を示し、押し出し突起から放射状に形成される。このファイバーフローは、前述のように、鍛造時に合金のすべりに対応して組織が変化する方向に沿って形成されるものであり、押し出し突起の輪郭に対しほぼ直角方向に形成される。前述のように、このファイバーフローは異種材料同士の接合界面にも形成される。すなわち、境界面近傍でスカート部用合金５０あるいはヘッド部用合金５１の少なくとも一方にファイバーフローが形成されるということは、大きな外力が作用しつつ境界面での伸びが大きいことと同意であり、境界面における酸化膜が破壊され、スカート部用合金５０とヘッド部用合金５１は直接接触し強固に接合する。
【００４３】
尚、上記実施例においては、完成されたピストン５８は、ピストンリング溝を含むヘッド部全体が急冷粉末アルミ合金からなり、スカート部全体がアルミニウム、シリコン、銅、マグネシウムからなる合金からなるが、これに限らず、ヘッド部の一部のみを急冷粉末アルミ合金で構成しても良い。
【００４４】
図７は、ピストンのヘッド部を構成する急冷粉末アルミ合金の構成分布の別の例を示す説明図である。
【００４５】
（Ａ）は、ヘッド部４０のピストンリング溝６５を含む周縁部のみを急冷粉末アルミ合金（ＰＭ合金）で構成した例を示す。この例によれば、特に耐熱性が要求されるヘッド部４０の周縁部を耐熱性の優れたＰＭ合金で形成し、他の部分を成形性のよいピストン合金で形成しているため、鍛造時の加工性が向上するとともに、接合面が曲面となって相対すべりが発生しやすくなり、接合強度の向上が図られる。これにより、前記実施例と同様に、ピストンリング溝６５より上側のトップランドを薄くすることができ、クレビス減少により未燃ガスが減少し、排ガス対策として有効になるとともに、特に、トップランドの角部が３５０℃程度になっても耐えることができ、角部がだれたり、変形したりしなくなる。（Ｃ）は、（Ａ）のピストンの展開図である。この場合には、急冷粉末アルミ合金５１がピストン外周面の全周にわたって同じ厚さに形成される。
【００４６】
（Ｂ）は、急冷粉末アルミ合金５１の厚さを吸排気側で厚くし、ピストンピンボス側で薄くした例を示す。この例によれば、熱負荷の厳しい吸排気側の部分が選択的に耐熱性が強化される。（Ｄ）は、（Ｂ）のピストン外周面の展開図である。この場合には、急冷粉末アルミ合金５１の厚さが、ピストンピンボス６６の上側では、ピストンリング溝６５より上側までと薄く、ピストンピンボス６６間の上側では、ピストンリング溝６５より下側までと厚く、全体として波形に形成される。
【００４７】
上述したように、鍛造前のスカート部用合金５０とヘッド部用合金５１との接触境界面が鍛造後に増大するようにすれば、酸化膜が破壊され鍛造前のスカート部用合金５０とヘッド部用合金５１が直接接触し強固に接合する。そして、鍛造後の接触境界面近傍には伸びに伴うファイバーフローが形成され、ファイバーフローを曲げるような外力に対して強度を増加させる。すなわち、ピストンを実機エンジンに使用中、ヘッド部に作用するガス圧力が作用しても、ヘッドの外周に向って放射状に形成されるファイバーフローは、この力を支え、ピストンピンボスに伝える作用をし、ヘッド部の強度を増大させる。なお、鍛造前のスカート部用合金５０とヘッド部用合金５１との接触境界面が鍛造後に増大する方法としてさらに以下の方法がある。
【００４８】
図８は、本発明に係わるピストンの別の製造方法を示す断面図である。図８中の各符号の内、図５と共通のものは記述を省略する。ヘッド部用合金５１には鍛造前に中央部に凹部５１ａが下側に設けられている。この凹部５１ａがスカート部用合金５０を介して突出部５７ａにより下型５５に接触するまで押し下げられる。これにより図８（ｂ）に示す様に、鍛造前の境界面１００の中央部が鍛造により変形し、鍛造後に境界面２００ｃを形成する。鍛造後の境界面の他の部分２００ａ、２００ｂの形成については図５についての記載の通り、境界面２００の近傍の両合金５０、５１にファイバーフローが形成されるとともに、両合金５０、５１は強固に結合する。本製造方法によるピストン加工前素材には図５に示す押し出し突起４２がないので、加工が簡単になる。一方、鍛造前のヘッド用合金５１を焼結等により成形するならば、凹部５１ａは容易に形成することができる。また、ヘッド部用合金５１の鍛造前高さＨより、パンチ５７の最下降時の突出部５７の高さＪの方を小さくしているので、境界面２００をなす下向きドームの高さを大きくでき、境界面２００での伸びをより大きくできる。これにより境界面２００での両合金５０、５１の接合強度を大きくできる。
図９は、本発明に係わるピストンのさらに別の製造方法を示す断面図である。
本製造方法によれば、ピストン外周部にスカート部用合金５０とヘッド部用合金５１との結合を強固にできる。図９中の各符号の内、図５と共通のものは記述を省略する。下型５５の凹部５６の底面の外周に円環状の凹部５５ａを設けている。パンチ５７の下降に伴い外周部でスカート部用合金５０が盛り上がる。これにつれて境界面１００も外周部で盛り上がる。パンチ５７のさらなる下降に伴い、スカート部用合金５０の外周部の盛り上がりが、パンチ５７の外周部５７ｂにより規制され、さらに押し戻されるようになる。ヘッド部用合金５１の外周部はスカート部用合金５０を介して外周部５７ｂにより押し下げられ、凹部５６に入り込む。この時一旦盛り上がった境界面は図９（ｂ）に示すように外周部が下がり、略円錐状部２００ｄを形成する。鍛造により境界面の外周部の面積が増大するので、略円錐状部２００ｄにおいても両合金５０、５１は強固に結合する。また、境界面２００の近傍の両合金５０、５１内にファイバーフローを形成できる。なお、押し出し突起５１ａは鍛造後の加工工程において、加工除去される。
【００４９】
図１０は、本発明に係わるピストンのさらに別の製造方法を示す断面図である。本製造方法によれば、図７に示すピストン４０の鍛造に使用可能であり、ピストン外周部にスカート部用合金５０とヘッド部用合金５１との結合を強固にできる。図１０中の各符号の内、図７（ａ）と共通のものは記述を省略する。下型５５は左右に分離可能な左型５５ｂ、右型５５ｃにより形成される。鍛造前のヘッド部側合金５１は中空の円柱状をなし、この中空部にスカート部用合金５１の突起部５０ａが嵌合する。両合金は互いに接触し、平面状の境界面１００ａと、円筒状の境界面１００ｂが形成される。下型５５には境界面１００ａの外周部にドーナツ状の凹部５５ｄが設けられている。図１０（ｂ）に示すように鍛造により、凹部５５ｄ内に両合金５０、５１が押し出されて入り込み、鍔状の突起９０が形成される。鍛造後の境界面２００はこの突起９０内に入り込む。すなわち、鍛造前の境界面１００ａと１００ｂの面積の和より境界面２００の面積の方を大きくすることが可能である。また、境界面２００の近傍の両合金５０、５１内にファイバーフローを形成できる。この突起９０は鍛造後の加工工程において除去される。
【００５０】
図１１は、本発明に係わるピストンのさらに別の製造方法を示す断面図である。本製造方法によれば、図７に示すピストン４０の鍛造に使用可能であり、ピストン外周部にスカート部用合金５０とヘッド部用合金５１との結合を強固にできる。図１１中の各符号の内、図５、図１０（ａ）と共通のものは記述を省略する。  下型５５の凹部５８の底面には、境界面１００ｂの外周部にドーナツ状の凹部５５ａが設けられている。図１１（ｂ）に示すように鍛造により、凹部５５ａ内に両合金５０、５１が押し出されて入り込み、突起９１が形成される。鍛造後の境界面２００はこの突起９０内に入り込む。すなわち、鍛造前の境界面１００ａと１００ｂの面積の和より境界面２００の面積の方を大きくすることが可能である。また、境界面２００の近傍の両合金５０、５１内にファイバーフローを形成できる。この突起９０は鍛造後の加工工程において除去される。
【００５１】
上記実施例のピストン５８は自動車、自動二輪車、雪上車、船外機等、高回転高出力で使用されるエンジンに使用されると効果的である。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、異種材料からなるヘッド部とスカート部とを、前記ヘッド部上面に押し出し突起を形成してこの突起部および接合界面にファイバーフローが形成されるように鍛造して接合一体成型し、その鍛造後に前記押し出し突起を除去することにより、内燃機関用ピストンを製造したので、鍛造時の押し出し突起の形成で、ヘッド部とスカート部の接合界面全体、特にすべりを生じ難い接合界面の中央部にもすべりを生じ、接合界面の強度を十分に得ることができる。したがって、鍛造工程でピストン形状に成型すると同時に接合強度を十分に得ることができ、接合強度を増すために工数を増やす必要がない。これにより、耐熱性および剛性が要求されるヘッド部の合金と成形性および摺動性が要求されるスカート部の合金を各々別の部材で構成し、工程数を増やすことなく、これら異種合金同士を強固に結合して、生産性の向上が図られるとともに、トップランド部の薄肉軽量化が図られ、燃焼室内での圧縮比の増加による出力向上およびクレビス容積減少による未燃焼ＨＣガスのエミッション対策が図られ、さらにピストン慣性力の低下による軸受け部の軽量化および耐久性の向上、および軽量化によるエンジン振動の低減が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の内燃機関用ピストンが適用される２サイクルエンジンの概略を示す説明図である。
【図２】  本発明の内燃機関用ピストンが適用される４サイクルエンジンの概略を示す説明図である。
【図３】  本発明に係る内燃機関用ピストンの一例の断面図で、左半部はピストンリング溝の下側のピストンピンボスを正面から見た状態を示し、右半部はピストンピンボスを側面から見た状態を示す。
【図４】  図３の内燃機関用ピストンの製造工程を順に示した説明図である。
【図５】  図４の工程（Ｋ）〜（Ｎ）の詳細を説明する図である。
【図６】   本発明に係るピストンの製造方法により製造されたヘッド部の押し出し突起の位置及び形状の例を示す説明図である。
【図７】  本発明のピストンの耐熱性合金の分布状態の説明図である。
【図８】  本発明に係わるピストンの別の製造方法を示す断面図である。
【図９】  本発明に係わるピストンのさらに別の製造方法を示す断面図である。
【図１０】  本発明に係わるピストンのさらに別の製造方法を示す断面図である。
【図１１】  本発明に係わるピストンのさらに別の製造方法を示す断面図である。
【符号の説明】
１：２サイクルエンジン、２：シリンダ、３：ピストン、４：クランクケース、５：ジェットノズル、６：吸気通路、７：リードバルブ、８，８’：掃気ポート、９：排気ポート、１０：点火プラグ、１１：ピストンピン、１２：コンロッド、１３：クランクアーム、１４：クランクシャフト、１５：スロットルバルブ、２０：４サイクルエンジン、２１：シリンダ、２２：ピストン、２３：吸気バルブ、２４：ジェットノズル、２５：吸気通路、２６：排気バルブ、２７：点火プラグ、２８：排気通路、２９：ピストンピン、３０：コンロッド、３１：クランクアーム、３２：クランクシャフト、３３：スロットルバルブ、３６：ピストンピンボス、４０：ヘッド部、４１：スカート部、４２，４２’，４２”：押し出し突起、５０：ピストン合金、５１：ＰＭ合金、５１ａ：凹部、５５：下型、５５ａ：凹部、５５ｂ：左型、５５ｃ：右型、５６：凹部、５７：パンチ、５７ａ：突出部、５８：ピストン、５９：凹み、６０，６１：主掃気ポート、６２：副掃気ポート、６３：排気ポート、６４：ファイバーフロー、６５：ピストンリング溝、６６：ピストンピンボス、９０：突起、１００，１００ａ，１００ｂ，２００：境界面、２００ａ：外周部、２００ｂ：第１ドーム部、２００ｃ：第２ドーム部、２００ｄ：略円錐状部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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