(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘッド部とスカート部とからなり、該ヘッド部に凹部を有する内燃機関用ピストンにおいて、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、異種材料同士の接合界面近傍に、前記凹部の形状に対応した鍛造によるファイバーフローが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】
前記ヘッド部表面の中央部に鍛造によるファイバーフローが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】
前記凹部をバルブ逃げとし、４サイクル内燃機関用ピストンとしたことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項４】
ヘッド部とスカート部とからなり、該ヘッド部に凹部を有し、前記ヘッド部の少なくとも一部であって前記凹部を含む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の製造方法において、ピストンを構成する少なくとも耐熱性が異なる異種材料同士を同時に鍛造して前記凹部を形成するとともに該異種材料同士を接合一体化し、前記ヘッド部の周縁部は中央部より耐熱性の大きい材料で構成されていることを特徴とする内燃機関用ピストンの製造方法。
【請求項５】
ヘッド部とスカート部とからなり、該ヘッド部に凹部を有し、前記ヘッド部の少なくとも一部であって前記凹部を含む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の製造方法において、ピストンを構成する少なくとも耐熱性が異なる異種材料同士を同時に鍛造して前記凹部を形成するとともに該異種材料同士を接合一体化し、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の製造方法。
【請求項６】
鍛造時に、ヘッド部表面に前記凹部とともに中央部に突起を形成することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関用ピストンの製造方法。
【請求項７】
前記凹部をバルブ逃げとした４サイクル内燃機関用ピストンの製造に適用することを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の内燃機関用ピストンの製造方法。
【請求項８】
請求項４〜６のいずれかに記載した製造方法により製造したピストンを備えた内燃機関。
【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に関し、特に凹部をピストンヘッド表面に形成した２サイクル内燃機関用ピストンや凹部をバルブ逃げとした４サイクル内燃機関用ピストン及びそれらの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
４サイクル内燃機関において、吸排気弁とピストンとの干渉を避け、燃焼室容積を有効に利用して圧縮比を高め出力向上を図るために、ピストン上面にバルブ逃げ用の凹所を形成したピストンが開発されている。
【０００３】
このようなバルブ逃げ用の凹所を有する４サイクル内燃機関用ピストンには、一般の内燃機関用ピストンと同様に、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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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な成型性を備えている材料を使用することが要求される。
【０００７】
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。
【０００８】
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）。
【０００９】
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）。
【００１０】
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）。
【００１１】
【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や接合界面の面積増大が発生せず、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や接合界面の面積増大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。
【００１２】
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や接合界面の面積増大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。
【００１３】
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。
【００１４】
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、４サイクル内燃機関用ピストンのみならず、ピストンヘッド表面に凹部を有する２サイクル内燃機関において、ヘッド部とスカート部の接合強度が高く、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。
【００１５】
【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、ヘッド部とスカート部とからなり、該ヘッド部に凹部を有する内燃機関用ピストンにおいて、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、異種材料同士の接合界面近傍に、前記凹部の形状に対応した鍛造によるファイバーフローが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。
【００１６】
本発明ではさらに、上記ピストンの製造方法として、ヘッド部とスカート部とからなり、該ヘッド部に凹部を有し、前記ヘッド部の少なくとも一部であって前記凹部を含む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の製造方法において、ピストンを構成する少なくとも耐熱性が異なる異種材料同士を同時に鍛造して前記凹部を形成するとともに該異種材料同士を接合一体化し、前記ヘッド部の周縁部は中央部より耐熱性の大きい材料で構成されているか又は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の製造方法を提供する。
【００１７】
上記内燃機関用ピストンおよびその製造方法によれば、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。
【００１８】
【発明の実施の形態】
好ましい実施の形態においては、前記ヘッド部表面の中央部に鍛造によるファイバーフローが形成されたことを特徴としている。
【００１９】
好ましい別の実施の形態においては、前記凹部をバルブ逃げとし、４サイクル内燃機関用ピストンとしたことを特徴としている。
【００２０】
好ましい製造方法の実施の形態においては、鍛造時に、ヘッド部表面に前記凹部とともに中央部に突起を形成することを特徴としている。
【００２１】
好ましい製造方法の別の実施の形態においては、前記凹部をバルブ逃げとした４サイクル内燃機関用ピストンの製造に適用することを特徴としている。
【００２２】
【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】
このようなエンジン２０のピストン２２には、その上面にバルブ逃げ用の凹部７０が各吸気バルブ２３および排気バルブ２６に対応して形成される。このバルブ逃げ用の凹部７０は、各吸排気バルブ２３、２６のリフト時にピストンとの干渉を避けるためのものである。
【００２６】
図２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のある側の肉厚を厚くして、ピストンピンを支持する強度を高めている。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。また、バルブ逃げ用の凹部７０は、２バルブエンジンであればヘッド部の中央左右２箇所に形成され、４バルブあるいは５バルブエンジンであればバルブに対応した４箇所または５箇所に形成される。
【００２７】
図３は、図２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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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必要な最小量のみを添加する。鉄については上述したように、高温強度、高温における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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
図４は、図３の工程（Ｋ）〜（Ｎ）の詳細を説明する図である。図４（Ａ）は、図３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。下型５５の凹部５６内には、バルブ逃げ用の凹部７０を形成するための突起７１が設けられる。また、パンチ５７の下面には、下型の突起７１に対応して凹部７２が形成される。
【００３７】
図４（Ｂ）は、図３の工程（Ｌ）に対応し、鍛造されたピストン５８は、前記下型５５に形成された突起７１によりヘッド部４０の表面にバルブ逃げ用の凹部７０が形成され、またヘッド部４０の内面側にはパンチ側の凹部７２に対応して突起７３が形成される。
【００３８】
図３の工程（Ｌ）においては、パンチ５７の先端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を介して作用するパンチ５７の押し下げ力と、その反作用である下型５５からの反力を受ける。下型５５の突起７１による反力は、ヘッド部用合金５１を介してスカート部用合金５０の一部を、パンチ５７の凹部７２内へ押し込む。鍛造前平坦であったスカート部用合金５０とヘッド部用合金５１との鍛造前の境界面１００は、突起７１がヘッド部用合金５１に押し込まれること、スカート部用合金５０の一部が凹部７２内へ入り込むことにより変形して上方に凸状に突出する。これが鍛造後の境界面の突起２００ｄである。鍛造後の境界面のその他の部分２００ｅはほとんど平坦である。鍛造により、境界面が変形し、突起２００ｄ部分で面積が増大する。この面積の増大に伴い、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が直接接触し接合する。なお、両合金５０、５１に伸び易さについて差があると、境界面の面積増大のみでなく、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し、異種金属同士がより強固に接合する。なお、パンチ５７による押し下げ力と、その反力が作用する状態で伸びが生じるので、両合金の少なくとも境界面２００ｄ近傍には、伸び方向のファイバーフローが形成される。
【００３９】
図４（Ｃ）は、図３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た後の状態を示す。即ち、ピストンリング溝６５を形成したり、必要に応じて表面処理や形状仕上げ等の加工処理が施される。このとき、図４（Ｂ）で形成されたファイバーフローは残存する。なお、パンチ５７側の凹部７２は省略してもよい。この場合には、図４（Ｄ）に示すように、突起７１がヘッド部用合金５０に押し込まれることにより排除される面積の分、パンチ５７側面と凹部５６の側面との間に形成されるスカート部内に入り込むようになり、境界面の周囲の内突起７１の近傍が凸状に盛り上がり、突起２００ｆを形成する。この境界面の突起２００ｆにおいても、境界面面積の増大あるいはすべりが発生し、酸化膜が破壊し両合金５０、５１が互いに強固に結合する。
【００４０】
図５は、本発明の別の実施例の工程説明図であり、図６はその一部の詳細説明図である。この実施例では、前記図３の実施例に対し、工程（Ｌ）が異なり、これに伴い以降の工程（Ｍ）（Ｎ）が異なってくる。
【００４１】
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きめられる。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。
【００４２】
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、突起７１がヘッド部用合金５１に押し込まれることにより排除される面積の分、パンチ５７側面と凹部５６の側面との間に形成されるスカート部内に入り込むようになり、境界面の周囲の内突起７１の近傍が凸状に盛り上がって形成される突起２００ｆとで構成される。鍛造前の平坦な境界面１００が、鍛造後にドーム状形状を有する境界面２００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が直接接触し接合する。また、両合金５０、５１に伸び易さについて差があると、境界面の面積増大のみでなく、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し、異種金属同士がより強固に接合する。すなわち、第１ドーム部２００ｂと第２ドーム部２００ｃ及び突起２００ｆの複数且つ広い範囲において、境界面の面積増大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接合し、十分な接合強度が得られる。
【００４３】
この突起４２は、図６（Ｃ）に示すように、工程（Ｎ）の機械加工により、削除される。
【００４４】
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ようにすれば、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。
【００４５】
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。
【００４６】
（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。
【００４７】
（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。
【００４８】
図８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（Ａ）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８中の各符号の内、図４と共通のものは記述を省略する。下型５５の凹部５６の底面の周囲は、ドーナツ状に上方に突出する突起９５とされている。あるいは、下型５５の凹部５６の底面の中央部は下方に凹む凹部９８とされている。
【００４９】
鍛造によりヘッド部用合金５１の中央部が凹部９６に入り込み（視点を変えると、ヘッド部用合金５１の周囲は突起９５により押し上げられ）、鍛造前の境界面１００は鍛造後の境界面２００のように変化する。この鍛造後の加工前素材を図８（ｂ）に示すようにＸまで下方から加工すると、図７（Ａ）に示すピストン４０が得られる。
【００５０】
本ピストンにおいても、境界面の面積が大きく増加しており、両合金５０、５１の伸び率が違えばさらに相対すべりが発生し、互いに強固に接合する。
【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。また、４サイクルエンジンのピストンのみでなくピストンヘッド頂部に凹みを設ける２サイクルエンジン用のピストンにも使用可能である。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、ピストンのヘッド部とスカート部とを別の材料で構成し、鍛造によりこれらの異種材料を同時に一体成型するとともにバルブ逃げ用の凹部を同時に形成するため、バルブ逃げ用の凹部に対応して異種材料間に相対すべりが発生しファイバーフローが形成され、したがって鍛造による成型と同時に異種材料同士の接合界面の酸化膜が破壊除去され異種材料同士が強固に接合される。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。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、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４サイクルエンジンの概略を示す構成説明図である。
【図２】  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３】  ２３の４サイクル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４】  図３の工程（Ｋ）〜（Ｎ）の詳細を説明する図である。
【図５】  本発明に別の実施例に係るピストンの製造方法の工程を順番に示す説明図である。
【図６】  図５の工程（Ｋ）〜（Ｎ）の詳細を説明する図である。
【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さらに別の製造方法を示す断面図である。
【符号の説明】
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：押し出し突起、５０：ピストン合金、５１：ＰＭ合金、５５：下型、５６：凹部、５７：パンチ、５７ａ：突出部、５８：ピストン、５９：凹み、６５：ピストンリング溝、６６：ピストンピンボス、７０：バルブ逃げ用凹部、７１：突起、７２：凹部、７３：突起、７４：ファイバーフロー、９５：突起、９６：凹部、１００，２００：境界面、２００ａ：外周部、２００ｂ：第１ドーム、２００ｃ：第２ドーム，２００ｄ：突起、２００ｆ：突起。
【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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