(57)【要約】【課題】部位を選択して強度を向上させた内燃機関用ピストン及びその製造方法を提供する。【解決手段】１０９ｃｍ／ｃｍ３以上１０１２ｃｍ／ｃｍ３以下の範囲内の転位密度を持つ部位を少なくとも有し、その転位密度を持つ部位は、加熱することにより長径が０．２μｍの析出物が生成する、又は加熱したことによって長径が０．２μｍ未満の微細な析出物が生成している内燃機関用ピストン１によって上記課題を解決する。その転位密度を有する部位は表面から深さ１ｍｍの範囲内に存在する。また、その転位密度を有する部位が、ピストンの外周面、頂面、ピストンの内面、及び、ピストンピンを挿通するためのピン穴の内周面から選ばれるいずれか１又は２以上の部位であるようにしてもよい。また、その転位密度を持つ部位が、加熱によって微細な析出物を生成するＡｌ−Ｓｉ系合金又はＡｌ−Ｃｕ系合金であることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１０９ｃｍ／ｃｍ３以上１０１２ｃｍ／ｃｍ３以下の範囲内の転位密度を持つ部位を少なくとも有し、前記転位密度を持つ部位は、加熱することにより長径が０．２μｍの析出物が生成する、又は加熱したことによって長径が０．２μｍ未満の析出物が生成している、ことを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項２】
前記転位密度を有する部位が、表面から深さ１ｍｍの範囲内に存在する、請求項１に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項３】
前記転位密度を有する部位が、ピストンの外周面、頂面、ピストンの内面、及び、ピストンピンを挿通するためのピン穴の内周面から選ばれるいずれか１又は２以上の部位である、請求項１又は２に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項４】
前記転位密度を持つ部位が、前記加熱によって前記析出物を生成するＡｌ−Ｓｉ系合金又はＡｌ−Ｃｕ系合金である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項５】
前記範囲内の転位密度はレーザピーニング処理によって得られ、前記析出物は加熱によって生成する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項６】
１０９ｃｍ／ｃｍ３以上１０１２ｃｍ／ｃｍ３以下の範囲内の転位密度を形成でき、前記転位密度を形成した部位を加熱して長径が０．２μｍ未満の析出物を生成することができる内燃機関用ピストン材料を準備する工程と、前記内燃機関用ピストン材料をピーニング処理して前記転位密度を形成する工程と、を有す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７】
前記加熱は、前記ピーニング処理した内燃機関用ピストンを内燃機関に装着した後の運転中に加わる、請求項６に記載の内燃機関用ピストンの製造方法。
【請求項８】
前記加熱は、前記ピーニング処理した後の内燃機関用ピストンを、内燃機関に装着する前に加える、請求項６に記載の内燃機関用ピストンの製造方法。
【請求項９】
前記レーザピーニング処理は、０．１ｎｓ以上２０ｎｓ以下の範囲内のパルス幅で、ピーク出力密度が０．１ＧＷ／ｃｍ2以上２０ＧＷ／ｃｍ2以下の範囲内のパルスレーザを導光し、導光したパルスレーザを集光レンズで集光し、集光したパルスレーザを反射ミラーで光路を曲げ、光路を曲げたパルスレーザを被照射部に照射して前記転位密度を形成する処理であって、前記パルスレーザの前記被照射部への照射が、前記パルスレーザの導光、集光、屈折を水中で行う、又は、前記被照射部を水流で覆った後に前記パルスレーザの導光、集光、屈折を行う、請求項６〜８のいずれか１項に記載の内燃機関用ピストンの製造方法。
【請求項１０】
前記パルスレーザの前記被照射部への照射を、前記水中又は前記水流で覆った後でのカバレージが３以上で照射する、請求項６〜９のいずれか１項に記載の内燃機関用ピストンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部位を選択して強度を向上させた内燃機関用ピストン及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題が大きく取り上げられる中、自動車エンジンを中心とした内燃機関は、高効率化や排出ガスの低減化が求められているとともに、エンジンの高出力化も求められている。こうした中、自動車エンジン等の内燃機関で用いられるピストンは、燃焼効率をより向上させた高効率化を実現するために、燃焼圧が増した過酷な動作環境下で使用される。そのため、そうした動作環境下でも使用可能な高強度の内燃機関用ピストンが求められている。【０００３】
内燃機関用ピストンは、その設計により種々の構造形態を示すので、その構造形態に応じて強度が要求される部位も異なる。例えば、図１に例示するように、ピストン本体の頂面１１ｄの強度が要求されることがあったり、スカート部１２の強度が要求されることがあったり、ピストン本体にピストンピンを挿入するピン穴３の強度が要求されることがあったりする。なかでも、ピン穴３は、燃焼圧力をピストンピンを介してコンロッドに伝達するため負荷が大きく、その強度を一層高めることが要求されている。しかしながら、燃焼圧が増した過酷な動作環境であっても耐えることができるピン穴内面の強度向上技術を提案する先行技術は見つかっていない。【０００４】
なお、ピストンの上下動によるピストンピンとピン穴との摺動時においては、ピン穴でのピストンピンの固着や焼き付きが生じるおそれがあった。そうした課題に対し、例えば特許文献１には、ピン穴の内周面にサイドリリーフを凹設して、エンジン作動時にピン穴のピストン内側部位に生じる過大な応力を緩和できる技術が提案されている。この技術は、潤滑油をピン穴に入り易くし、油膜切れを防止して潤滑不良を低減させる効果もある。また、特許文献２には、軸受けのオイル保持能力を高めるために、ボス孔又はスモールエンドのコンロッドアイ又はビックエンドのコンロッドアイを少なくとも局所的にレーザビームで粗面化する技術が提案されている。この技術は、レーザビームで粗面化することによって焼き付きのリスクを減少させてオイル保持能力を向上させるというものである。また、特許文献３には、ピン穴の表面にクレーター状の複数のくぼみを設ける技術が提案されている。この技術は、くぼみ内に潤滑剤特にエンジンオイルを収集し、滑動膜若しくは支持クッションを形成することができるというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開平７−８５４３号公報
【特許文献２】特表２００４−５０８５０１号公報
【特許文献３】特表２００７−５０４４１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１〜３の技術は、いずれもピン穴内での潤滑不足による焼き付きを防止したものであり、凹設、粗面化、くぼみ等によって、潤滑剤の保持性を増して潤滑性能を向上させている。しかしながら、燃焼圧が増した過酷な動作環境であっても耐えることができるピン穴内面の強度向上技術は提案されておらず、ピン穴の強度を一層高めることに対する要請には応えられていない。【０００７】
また、内燃機関用ピストンは、その設計により種々の構造形態が提案されており、その構造形態に応じて強度が要求される部位が異なる。そのため、要求される部位を選択的に高強度にすることができれば、設計の自由度も増し、材料選択の幅も拡大するとともに、製造工程の簡略化も図ることができる。【０００８】
本発明は、上記要請に応えるためになされたものであって、その目的は、部位を選択して強度を向上させた内燃機関用ピストン及びその製造方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）上記課題を解決するための本発明に係る内燃機関用ピストンは、１０９ｃｍ／ｃｍ３以上１０１２ｃｍ／ｃｍ３以下の範囲内の転位密度を持つ部位を少なくとも有し、前記転位密度を持つ部位は、加熱することにより長径が０．２μｍの析出物が生成する、又は加熱したことによって長径が０．２μｍ未満の析出物が生成している、ことを特徴とする。【００１０】
本発明に係る内燃機関用ピストンにおいて、前記転位密度を有する部位が、表面から深さ１ｍｍの範囲内に存在するように構成できる。【００１１】
本発明に係る内燃機関用ピストンにおいて、前記転位密度を有する部位が、ピストンの外周面、頂面、ピストンの内面、及び、ピストンピンを挿通するためのピン穴の内周面から選ばれるいずれか１又は２以上の部位であるように構成できる。【００１２】
本発明に係る内燃機関用ピストンにおいて、前記転位密度を持つ部位が、前記加熱によって前記析出物を生成するＡｌ−Ｓｉ系合金又はＡｌ−Ｃｕ系合金であることが好ましい。【００１３】
本発明に係る内燃機関用ピストンにおいて、前記範囲内の転位密度はレーザピーニング処理によって得られ、前記析出物は加熱によって生成するように構成できる。【００１４】
（２）上記課題を解決するための本発明に係る内燃機関用ピストンの製造方法は、１０９ｃｍ／ｃｍ３以上１０１２ｃｍ／ｃｍ３以下の範囲内の転位密度を形成でき、前記転位密度を形成した部位を加熱して長径が０．２μｍ未満の析出物を生成することができる内燃機関用ピストン材料を準備する工程と、前記内燃機関用ピストン材料をピーニング処理して前記転位密度を形成する工程と、を有することを特徴とする。【００１５】
本発明に係る内燃機関用ピストンの製造方法において、前記加熱は、前記ピーニング処理した内燃機関用ピストンを内燃機関に装着した後の運転中に加わるように構成できる。【００１６】
本発明に係る内燃機関用ピストンの製造方法において、前記加熱は、前記ピーニング処理した後の内燃機関用ピストンを、内燃機関に装着する前に加えるように構成できる。【００１７】
本発明に係る内燃機関用ピストンの製造方法において、前記レーザピーニング処理は、０．１ｎｓ以上２０ｎｓ以下の範囲内のパルス幅で、ピーク出力密度が０．１ＧＷ／ｃｍ2以上２０ＧＷ／ｃｍ2以下の範囲内のパルスレーザを導光し、導光したパルスレーザを集光レンズで集光し、集光したパルスレーザを反射ミラーで光路を曲げ、光路を曲げたパルスレーザを被照射部に照射して前記転位密度を形成する処理であって、前記パルスレーザの前記被照射部への照射が、前記パルスレーザの導光、集光、屈折を水中で行う、又は、前記被照射部を水流で覆った後に前記パルスレーザの導光、集光、屈折を行う、ように構成できる。【００１８】
本発明に係る内燃機関用ピストンの製造方法において、前記パルスレーザの前記被照射部への照射を、前記水中又は前記水流で覆った後でのカバレージが３以上で照射することが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る内燃機関用ピストンによれば、部位を選択して強度を向上させることができる。例えば、ピストンの外周面、頂面、ピストンの内面、及び、ピストンピンを挿通するためのピン穴の内周面等の各部の強度を高めることができる。なかでも、ピストンのピン穴についても、強度を向上させることができるので、燃焼圧が増した過酷な動作環境下でピストンの上下動によってピストンピンのピン穴への負荷が著しく大きくなった場合であっても、ピン穴の強度を一層高めることができ、安定した駆動状態を長期にわたって維持することができる。【００２０】
本発明に係る内燃機関用ピストンの製造方法によれば、部位を選択して強度を向上させることができるピストンを製造できる。その結果、要求される部位を高強度にした内燃機関用ピストンを製造できるので、設計の自由度が増し、材料選択の幅も拡大するとともに、製造工程の簡略化も図ることができる。また、ピストンのピン穴を高強度にした内燃機関用ピストンを製造することもできるので、ピストン材料を変化させたりせず、またピン穴の補強部材を設けることなく、従来のピストンに強化処理を施すだけでよいという製造技術的に極めて有効な格別の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る内燃機関用ピストンの一例を示す構成図であり、（Ａ）は側面図であり、（Ｂ）はＩＢ−ＩＢ線の一部断面図である。
【図２】ピン穴の内周面とその深さ方向に表れる転位の形態を示す顕微鏡写真（Ａ）とその模式図（Ｂ）である。
【図３】転位と微細な析出物を示す顕微鏡写真（Ａ）と、転位と微細な析出物の説明図（Ｂ）である。
【図４】転位も微細な析出物もほとんど生じていない顕微鏡写真である。
【図５】レーザピーニング処理で生じた転位を示す顕微鏡写真（Ａ）と、レーザピーニング処理をしないときの顕微鏡写真（Ｂ）である。
【図６】所定の応力を繰り返し負荷したときの応力振幅と破断までの繰り返し数とを示すグラフであり、（Ａ）はレーザピーニング処理したものであり、（Ｂ）はレーザピーニング処理しないものである。
【図７】内周面からの深さと硬さの関係を示すグラフであり、（Ａ）はレーザピーニング処理したものであり、（Ｂ）はレーザピーニング処理しないものである。
【図８】レーザピーニング処理したものについて、内周面からの深さと残留応力の関係を示すグラフである。
【図９】ピストン疲労評価試験後に、レーザピーニング処理しないピン穴（Ａ）とレーザピーニング処理したピン穴（Ｂ）の形態を観察した写真である。
【図１０】ディーゼルエンジン用ピストンの詳しい構造形態の説明図である。
【図１１】ピン穴へのレーザピーニング処理方法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明に係る内燃機関用ピストン及びその製造方法について詳しく説明する。なお、以下の実施形態は一例であり、本発明の技術的範囲の属する他の形態も本発明に包含される。
【００２３】
［内燃機関用ピストン］
本発明に係る内燃機関用ピストン１は、１０９ｃｍ／ｃｍ３以上、１０１２ｃｍ／ｃｍ３以下の範囲内の転位密度を持つ部位を少なくとも有し、その転位密度を持つ部位は、加熱することにより長径が０．２μｍ未満の大きさの析出物が生成する、又は加熱したことによって長径が０．２μｍ未満の析出物が生成している、ことに特徴がある。こうした部位（前記転位密度を持つ部位）は、図１に例示するピストン１において、強度が要求される部位であればよく、選択的であってもよい。例えば、ピストン１の外周面、頂面、ピストン１の内面、ピストンピンを挿通するためのピン穴３の内周面４、等を挙げることができる。
【００２４】
得られた内燃機関用ピストン１は、部位を選択して強度を向上させることができる。例えば、ピストン１の外周面、頂面、ピストン１の内面、ピストンピンを挿通するためのピン穴３の内周面４等の各部の強度を選択的に高めることができる。なかでも、ピストン１のピン穴３の強度を選択的に向上させることができるので、燃焼圧が増した過酷な動作環境下でピストンの上下動によってピストンピンのピン穴３への負荷が著しく大きくなった場合であっても、ピン穴３の強度を一層高めることができ、安定した駆動状態を長期にわたって維持することができる。しかも、ピストン材料を変化させたりせず、またピン穴３の補強部材を設けることなく、従来のピストンに強化処理を施すだけでよいという製造技術的に極めて有効な格別の効果を奏する。
【００２５】
以下、内燃機関用ピストンの構成要素を詳しく説明する。
【００２６】
（ピストンの構造）
内燃機関用ピストン１は、図１に示すように、上側の頂部１１と、下側のスカート部１２とで構成されている。頂部１１の外周には、スカート部１２の側に向かって、第１圧縮リング溝１１ａ、第２圧縮リング溝１１ｂ、及びオイルリング溝１１ｃがその順で設けられている。この各溝は、それぞれに応じたピストンリングが装着される溝である。頂部１１の構造や寸法等は、図１の例に限定されず、他の構造形態や寸法等であってもよいし、ピストン全体の形態や大きさも図１の例に限定されず、他の形態や大きさであってもよい。
【００２７】
スカート部１２には、直径方向に対向する１対のピンボス部２が設けられている。このピンボス部２には、ピン穴３が設けられている。このピン穴３は、所定の直径のピストンピン（図示しない）が挿入される穴である。ピストンピンは、ピストン１をシリンダライナ（図示しない）内で上下動させるためのコンロッド（図示しない）に連結されている。スカート部１２の構造や寸法等は、図１の例に限定されず、他の構造形態や寸法等であってもよい。
【００２８】
近年、燃焼圧が増した過酷な動作環境下では、部位を選択して強度を向上させるための設計が行われる傾向にあり、種々の構造形態が提案されている。そして、その構造形態に応じて強度が要求される部位が異なる。本発明では、強度の向上が要求される部位を選択的に高強度にしたものであり、その結果、設計の自由度も増し、材料選択の幅も拡大するとともに、製造工程の簡略化も図ることができるという利点がある。そうした部位としては、ピストン１の外周面、頂面、ピストン１の内面、ピストンピンを挿通するためのピン穴３の内周面４、等々を挙げることができる。これらは１部位でも複数部位でもよい。なかでも、ピン穴３は、燃焼圧力をピストンピンを介してコンロッドに伝達するため負荷が大きくなり、ピン穴３のより一層の強度向上が要求されている。
【００２９】
以下では、強度を向上させる部位として、ピン穴３を例にして説明するが、それに限定されず、ピストンの外周面、頂面の一部位又は全面でもよいし、ピストンの内面の一部位又は全面でもよい。
【００３０】
（ピン穴材料）
ピン穴３の少なくとも内周面４は、後述の処理によって高密度（１０９ｃｍ／ｃｍ３以上、１０１２ｃｍ／ｃｍ３以下の範囲内のこと。以下同じ。）の転位５が形成可能な材料で構成されている。そうした材料としては、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｃｕ系合金等を挙げることができる。ここで、「少なくとも」とは、ピン穴３を含むピストン全体がＡｌ−Ｓｉ系合金やＡｌ−Ｃｕ系合金等であってもよいし、内周面４だけがＡｌ−Ｓｉ系合金やＡｌ−Ｃｕ系合金等であってもよい。
【００３１】
そうしたＡｌ−Ｓｉ系合金やＡｌ−Ｃｕ系合金等は、後述の処理によって高密度の転位５が形成される材料であれば特に限定されず、各種のものを用いることができる。Ａｌ−Ｓｉ系合金として、例えば、ＡｌにＳｉが５質量％程度含有するＡｌ−Ｓｉ系合金であってもよいし、ＡｌにＳｉが２５質量％程度含有するＡｌ−Ｓｉ系合金であってもよいし、後述する実施例に示すように、ＡｌにＳｉが１１質量％以上、１３質量％以下程度含有するＡｌ−Ｓｉ系合金であってもよい。Ａｌ−Ｓｉ系合金の主要元素であるＳｉは、鋳造時の湯流れ性を向上させることができ、また、耐摩耗性を向上させるように作用する。Ｓｉの含有量は、湯流れ性や耐摩耗性を含めた全体の特性を考慮して、上記のように任意に設定されている。
【００３２】
Ａｌ−Ｓｉ系合金には、本発明の効果を阻害しない範囲で各種の元素が含まれていてもよい。特にＣｕの含有は、後述の処理によって高密度の転位５が形成するとともに、ＡｌＣｕ系合金の微細な析出物が生じ易いので好ましい。また、高強度で軽量なピストンとする場合は、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ及びＭｎから選ばれる１又は２以上の元素を含有させてもよい。さらにこれら以外の元素が微量含まれていてもよい。
【００３３】
Ａｌ−Ｃｕ系合金としては、例えば、Ａ２６１８合金等を挙げることができる。このＡｌ−Ｃｕ系合金にも、Ａｌ−Ｓｉ系合金と同様、本発明の効果を阻害しない範囲で、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ及びＭｎから選ばれる１又は２以上の元素を含有させてもよい。さらにこれら以外の元素が微量含まれていてもよい。
【００３４】
（転位）
高密度の転位５は、図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、内周面４の表面から深さ１ｍｍの範囲内に存在するように生じている。その範囲内であれば、表面から２００μｍの範囲内でもよいし、表面から５００μｍの範囲内であってもよいし、表面から１ｍｍの範囲内であってもよい。通常は、少なくとも表面から２００μｍの範囲には高密度の転位５が生じている。
【００３５】
転位５は、結晶中に含まれる線状の結晶欠陥のことであり、刃状転位と螺旋転位とそれらが混合した混合転位とがあり、本発明での転位は、これらを含む概念でも用いている。転位密度は、結晶の単位体積中（立方センチメートル：ｃｍ３）に存在する転位線の全長（ｃｍ）であり、単位はｃｍ／ｃｍ３で表される。この転位密度が増加すると転位同士の相互作用が大きくなり、転位は動きにくくなる。すなわち、静的強度が増加する。
【００３６】
転位密度としては、通常、焼鈍した金属材料では１０６ｃｍ／ｃｍ３以上、１０７ｃｍ／ｃｍ３以下の範囲内であるが、本発明では転位密度が１０９ｃｍ／ｃｍ３以上、１０１２ｃｍ／ｃｍ３以下の範囲内の高い転位密度を持つ部位を少なくとも有している。１０９ｃｍ／ｃｍ３以上、１０１２ｃｍ／ｃｍ３以下という値は、転位密度としては高い値である。高い転位密度を持つ部位は、高い強度を示している。
【００３７】
転位密度は、所定の面積に現れる転位の数と長さを測定して導かれる。転位５の長さは特に限定されず、図２（Ａ）の写真からは、およそ０．０５μｍ以上、０．５μｍ以下の程度のものを多く観察できる。例えば図２に示すように、０．０１μｍ２に長さ０．１μｍの転位５が１０本存在する場合であれば、１×１０−４ｃｍ／１×１０−１５ｃｍ３）という計算により、転位密度は、１×１０１１ｃｍ／ｃｍ３ということができる。本発明では、１００万ボルトの透過型電子顕微鏡で観察し、その結果を図２に示した。その写真から、転移密度がほぼ１０９ｃｍ／ｃｍ３以上、１０１２ｃｍ／ｃｍ３以下という値が得られた。
【００３８】
高密度の転位５は、各種の手段で形成できるものと考えられるが、本発明では、レーザピーニング処理によって生じさせている。
【００３９】
レーザピーニング処理とは、短パルスレーザを照射して発生する衝撃波を用いたピーニング処理であり、水中で処理対象金属（例えばピン穴３の内周面４）をアブレーションできる高ピーク出力密度のパルスレーザをその金属表面に照射して行われる。そのレーザ照射によって、金属の表面にプラズマが生成し、水中ではプラズマ膨張が抑制されるので、非常に高いプラズマ圧力（例えば１万気圧以上、５万気圧以下の範囲内）が生じ、その圧力により衝撃波が発生し、金属中を伝播する。その衝撃波による大きな力が処理対象金属の降伏応力を超えるとき、その金属に塑性変形を生じさせるという処理である。本発明では、こうしたレーザピーニング処理が、処理対象金属（例えばピン穴３の内周面４）に塑性変形を生じさせ、その結果、高密度の転位５を生じさせていると考えている。
【００４０】
なお、塑性変形は、ある一定の深さまで引き起こすと考えられ、本発明でも処理対象金属（例えばピン穴３の内周面４）に形成した転位５も１ｍｍ程度の深さまで生じているものと考えられる。その深さは処理条件によっても変化するので一概に言えないが、図７の符号Ａや図８に示すように、内周面４の深さ方向の硬さ測定や残留応力の結果から、およそ１ｍｍ程度までは生じているのではないかと考えられる。
【００４１】
レーザピーニング処理の条件としては、処理対象金属の種類によっても異なるが、Ａｌ−Ｓｉ系合金の場合には、パワー密度（ピーク出力密度）が０．１ＧＷ／ｃｍ２以上、２０ＧＷ／ｃｍ２以下の範囲内で、スポット径が４００ｎｍ以上、７００μｍ以下の範囲内で、カバレージ（重ね率）が３以上であることが好ましい。なお、カバレージの上限は特に限定されず、２０や３０でもよい。こうしたレーザピーニング処理に代表される転位形成手段により、ピン穴３の内周面４の表面から所定の深さまで高密度の転位５を生じさせることができる。
【００４２】
レーザピーニング処理後の処理対象金属（例えばピン穴３の内周面４）は、上記した範囲内の転位密度になっており、高い強度を示している。上記転位密度を持つ部位を加熱することによって、長径が０．２μｍ未満の微細な析出物が生成する。加熱は、転位をやや減少させるように作用する一方で、加熱によって微細な析出物が生じるので、本発明では、加熱によっても上記転位密度を持つ部位の強度が大きく低下しないという利点がある。なお、「長径」とは、析出物の最も長い部分の長さであり、析出物が球状の場合は直径であり、楕円形の場合は長い径の部分であり、棒状の場合は長手方向の長さである。
【００４３】
そうした加熱は、通常、レーザピーニング処理したピストンを内燃機関に装着した後の運転中に加わるものであるが、レーザピーニング処理した後のピストンを内燃機関に装着する前に加えてもよい。なお、内燃機関での運転中のピストン温度は、１５０℃以上、４００℃以下の程度になっているので、内燃機関に装着する前に加熱する場合には、１５０℃以上、４００℃以下の程度に、２時間以上、２００時間以下の範囲内で加熱保持すればよい。
【００４４】
転位が生じている部位に生成した微細な析出物は、極めて小さく、上記のように転位５が０．０１μｍ２に例えば１０本存在する場合、転位密度は約１０１１ｃｍ／ｃｍ３となる。このことから、微細な析出物の大きさは、図３（Ａ）に示すように、長径が０．２μｍ未満の大きさであるということができる。なお、図３（Ａ）（Ｂ）に示す写真は、１００万ボルトの超高圧電子顕微鏡を用いて観察したものであり、図３（Ｂ）は、転位と微細な析出物の説明図である。このように、長径が０．２μｍ未満の微細な析出物は、ピストンの硬化に有用であり、レーザピーニング処理をして、転位密度を１０９ｃｍ／ｃｍ３以上にした後、内燃機関に装着し、その運転中に加わる１５０℃以上、４００℃以下の温度での時効処理により達成したものと考えられる。
【００４５】
析出物の組成は、例えばＣｕを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金の場合は、ＡｌとＣｕの析出物又はＡｌとＣｕと添加元素の析出物である。後述の実施例では、このような微細なＡｌとＣｕの析出物は、転位が生じている部位に析出していることが確認できた。この微細なＡｌとＣｕの析出物の大きさは、長径が０．００５μｍ以上、０．２μｍ未満の析出物であった。
【００４６】
なお、図４は、本発明のようにレーザピーニング処理を行わない場合の電子顕微鏡写真であり、微細な析出物もほとんど生じておらず、粗大析出物が生じている電子顕微鏡写真である。この粗大析出物は、長径が約０．２μｍ程度であった。
【００４７】
以上、本発明に係る内燃機関用ピストン１によれば、部位を選択して強度を向上させることができる。例えば、ピストンの外周面、頂面、ピストンの内面、ピストンピンを挿通するためのピン穴の内周面等の各部の強度を高めることができる。なかでも、ピストンのピン穴についても、選択的に強度を向上させることができるので、燃焼圧が増した過酷な動作環境下でピストンの上下動によってピストンピンのピン穴への負荷が著しく大きくなった場合であっても、ピン穴の強度を一層高めることができ、安定した駆動状態を長期にわたって維持することができる。
【００４８】
［内燃機関用ピストンの製造方法］
本発明に係る内燃機関用ピストン１の製造方法は、１０９ｃｍ／ｃｍ３以上、１０１２ｃｍ／ｃｍ３以下の範囲内の転位密度を形成でき、前記転位密度を形成した部位を加熱して長径が０．２μｍ未満の析出物を生成することができる内燃機関用ピストン材料を準備する工程と、前記内燃機関用ピストン材料をピーニング処理して前記転位密度を形成する工程と、を有することに特徴がある。なお、ピストンの製造工程は、ピストン材料の鋳造又は鍛造工程と、鋳造又は鍛造したピストン材料の時効工程と、時効工程後のピストン材料の加工工程と、加工した後のピストン材料の特定の部位にピーニング処理を行う工程とを少なくとも有する。なお、ピーニング処理するピストン材料は、既に説明したのでここではその説明を省略する。
【００４９】
鋳造工程は、例えばＡｌ−Ｓｉ系合金やＡｌ−Ｃｕ系合金等を鋳造する工程である。鋳造は、従来公知の各種の鋳造手段を適用することができる。例えば、７００℃以上、８００℃以下の範囲内の溶融状態にしたＡｌ−Ｓｉ系合金を所定の鋳型に鋳込んで鋳造する。
【００５０】
鍛造工程は、例えばＡｌ−Ｓｉ系合金やＡｌ−Ｃｕ系合金等を鍛造する工程である。鍛造は、従来公知の各種の鍛造手段を適用することができる。例えば、４００℃以上、５００℃以下の範囲内で予熱したＡｌ−Ｓｉ系合金材を所定の鍛造型に装着し、加圧成形して製品形状を得る工程である。
【００５１】
時効工程は、鋳造又は鍛造したＡｌ−Ｓｉ系合金やＡｌ−Ｃｕ系合金等を時効処理する工程である。時効処理は、ピストン用のアルミニウム合金に対して通常施される条件を適用することができる。
【００５２】
加工工程は、時効工程後のピストンを所定の寸法に加工する工程である。このときの加工は、ピストンを加工する一般的な加工手段を適用できるので、ここでは詳細は省略する。
【００５３】
ピーニング処理としては、レーザピーニング処理が適用される。レーザピーニング処理は、パルスレーザを導光し、導光したパルスレーザを集光レンズで集光し、集光したパルスレーザを反射ミラーで光路を曲げ、光路を曲げたパルスレーザを被照射部に照射して前記した転位密度を形成する処理である。このレーザピーニング処理では、パルスレーザの被照射部への照射が、パルスレーザの導光、集光、屈折を水中で行ってもよいし、又は、被照射部を水流で覆った後にパルスレーザの導光、集光、屈折を行ってもよい。
【００５４】
パルスレーザとしては、０．１ｎｓ以上、２０ｎｓ以下の範囲内のパルス幅をもち、ピーク出力密度が０．１ＧＷ／ｃｍ2以上２０ＧＷ／ｃｍ2以下の範囲内のものを適用できる。
【００５５】
パルスレーザの被照射部への照射は、水中又は水流で覆った後でのカバレージが３以上で照射することが好ましい。カバレージ（重ね率）とは  「被照射部でのレーザスポット単位面積×総照射回数の積」を「被照射部の照射面積」で除した値をいう。なお、レーザピーニング処理の条件の詳細は上記したとおりであり、ここではその説明を省略する。
【００５６】
こうして製造されたピストンは、通常そのまま内燃機関に装着され、その後の運転中に加わる熱によって、転位密度を持つ部位に微細な析出物が生成する。なお、加熱は、ピーニング処理した後の内燃機関用ピストンを、内燃機関に装着する前に加えるように構成してもよい。
【００５７】
以上、本発明に係る内燃機関用ピストン１の製造方法によれば、部位を選択して強度を向上させることができるピストンを製造できる。その結果、強度が要求された部位を高強度にした内燃機関用ピストンを製造できるので、設計の自由度が増し、材料選択の幅も拡大するとともに、製造工程の簡略化も図ることができる。また、ピストンのピン穴を選択的に高強度にした内燃機関用ピストンを製造することもできるので、ピストン材料を変化させたりせず、またピン穴の補強部材を設けることなく、従来のピストンに強化処理を施すだけでよいという製造技術的に極めて有効な格別の効果を奏する。
【００５８】
（高負荷対応ピストン）
本発明に係る内燃機関用ピストン１は、部位を選択して強度を向上させることができるので、燃焼時に特に大きな負荷が加わる高負荷対応ピストンとして用いることが好ましい。こうしたピストンとしては、ディーゼルエンジン用ピストンを挙げることができる。また、ガソリンエンジン用ピストンであっても、ピン穴周辺部の肉厚を薄くして軽量化したガソリンエンジン用軽量ピストンや、ピン穴部分の強度向上が必要とされる高出力ガソリンエンジン用ピストンを挙げることができる。以下では、ディーゼルエンジン用ピストンを一例として説明するが、前記したガソリンエンジン用軽量ピストンや高出力ガソリンエンジン用ピストンも同様に適用できる。
【００５９】
図１０は、ディーゼルエンジン用ピストンの詳しい構造形態の説明図である。符号４はピン穴３の内周面であり、符号８はピストン内方を指しており、符号９はピストン外方を指している。この内周面４において、符号４ａは内周面４の内方側の部位であり、符号４ｂは内周面４の外方側の部位である。また、ピストン１の頂部１１には、ディーゼルエンジン用ピストン特有のキャビティ１５が形成されており、そのキャビティ１５は、キャビティ周面上部１５ａとキャビティ周面下部１５ｂとキャビティ底部１５ｃとで構成されている。
【００６０】
ディーゼルエンジン用ピストンは、図１０に示すように、頂部１１にキャビティ１５を有していることも構造上の特徴である。こうしたピストンでは、燃焼時に大きな負荷が加わるので、レーザピーニング処理によって、ピン穴内周面４での亀裂が発生しない程度に強度を向上させるとともに、ピストン全体の寸法変化が大きくならずにピストン全体の寸法バランスが維持されることも必要である。これらを考慮してレーザピーニング処理を行う場合、燃焼時に大きな負荷が加わって亀裂が発生し易い部位としては、ピン穴内周面４のうち、ピストン内方８側の内方側部位４ａ（なかでも頂部１１側の部位）であることから、少なくともその内方側部位４ａがレーザピーニング処理されていることが望ましい。ただし、内方側部位４ａだけをレーザピーニング処理することの方が処理が煩雑になることもあり、その場合には、外方側部位４ｂも同様の照射条件で又は照射条件を少し低下（例えば、ピーク出力密度を低下する、カバレージを小さくする、等々）させてレーザピーニング処理することが好ましい。
【００６１】
ピン穴内周面４にはピストンピンが挿入され、燃焼時にピストンに加わる衝撃力により、そのピストンピンがピン穴３に大きな負荷を与える。こうした大きな負荷がピン穴３内周面４に加わることから、通常、ピストンピンとピン穴３とは高い寸法精度で加工されている。そうした加工としては、レーザピーニング処理をしない通常のピストンであっても、ピン穴内周面４の深さ方向に片側１００μｍ〜２５０μｍ前後で切削加工又は研削加工される。本発明においても、レーザピーニング処理されたピン穴内周面４は、前記の程度に切削加工又は研削加工された後にピストンピンが挿入される。したがって、上記した転位密度は、レーザピーニング処理されたピン穴内周面４が切削加工又は研削加工された後のピン穴内周面４において、表面から深さ１ｍｍの範囲内に存在しており、その結果として本発明の効果を奏するものとなっている。
【００６２】
ディーゼルエンジン用ピストンでは、キャビティ１５の構造として、リエントラント型、トロイダル型、浅皿型があるが、レーザピーニング処理は、特にリエントラント型やトロイダル型のキャビティに対して必要に応じて適用することができる。したがって、ピン穴内周面４とともにキャビティ１５をレーザピーニング処理してもよいし、ピン穴内周面４だけをレーザピーニング処理してキャビティ１５はレーザピーニング処理しないようにしてもよい。キャビティ１５内をレーザピーニング処理する場合は、大きな負荷が加わるキャビティ周面上部１５ａとキャビティ周面下部１５ｂとを処理対象とすることが好ましい。
【００６３】
図１１は、ピン穴３へのレーザピーニング処理方法を示す説明図である。ピン穴３へのレーザピーニング処理は、上記した「転位」の説明欄と「内燃機関用ピストンの製造方法」の説明欄にも記載のように、０．１ｎｓ以上２０ｎｓ以下の範囲内のパルス幅で、ピーク出力密度が０．１ＧＷ／ｃｍ2以上２０ＧＷ／ｃｍ2以下の範囲内のパルスレーザ（平行光）２１を導光し、導光したパルスレーザ２１を集光レンズ２４で集光し、集光したパルスレーザ（集光光）２２を反射ミラー２５で光路を曲げ、光路を曲げたパルスレーザ（照射光）２３を被照射部であるピン穴内周面４に照射する処理である。こうした照射は、パルスレーザの導光、集光、反射（屈折）を水中で行うか、又は、ピン穴内周面４を水流で覆った後にパルスレーザの導光、集光、反射（屈折）を行う。このレーザピーニング処理により、ピン穴３の内周面４の表面から所定の深さまで高密度の転位５を生じさせることができる。なお、符号２６はレーザ導光パイプ（例えばステンレスパイプ）であり、符号２７はレーザ通過部（例えばレーザ透過ガラス）である。
【００６４】
ピン穴３は、ピストンの大きさによっても異なるが、内径が１５ｍｍ〜４０ｍｍの程度の範囲内である。そのため、被照射部であるピン穴内周面４に遠くからレーザを照射することはできず、図１１に示すような形態でレーザ（集光光）２２を反射ミラー２５で反射させたレーザ（照射光）２３を至近距離から照射する必要がある。こうしたピン穴内周面４へのレーザピーニング処理では、パルスレーザを至近距離から照射することから、０．１ｎｓ以上、２０ｎｓ以下の範囲内のパルス幅をもつレーザを、０．１ＧＷ／ｃｍ2以上１５ＧＷ／ｃｍ2以下の範囲内のピーク出力密度で照射することが望ましい。この範囲のピーク出力密度でパルスレーザを照射することにより、ピン穴内周面４に十分な強度を付与することができる。なお、その強度は、後述の実施例と同様の「２５０℃回転曲げ疲労試験」で評価する。
【００６５】
ピン穴内周面４に至近距離から照射するパルスレーザのピーク出力密度の範囲について、高負荷対応ピストンにおいては、ピン穴３の寸法精度特性をさらに考慮した場合、２ＧＷ／ｃｍ2以下（すなわち０．１ＧＷ／ｃｍ2以上２ＧＷ／ｃｍ2以下）であることが特に好ましい。ピーク出力密度が２ＧＷ／ｃｍ2を超えると、後述の実施例でも説明するように、高精度が要求されるピン穴３に至近距離からレーザ照射した場合の寸法変化が大きくなることがあり、極めて大きな負荷が加わるピストン全体の寸法バランスがくずれてしまうことがある。
【００６６】
なお、ディーゼルエンジン用ピストン特有のキャビティ１５にレーザピーニング処理する場合においても、図１１と同様の方法によって、特にキャビティ周面上部１５ａとキャビティ周面下部１５ｂとにレーザピーニング処理をすることが望ましい。このキャビティ周面（１５ａ，１５ｂ）へのパルスレーザの照射も、上記したピン穴内周面４へのパルスレーザの照射と同様に至近距離から照射することが好ましい。したがって、強度向上の観点からは、０．１ｎｓ以上、２０ｎｓ以下の範囲内のパルス幅をもつレーザを、０．１ＧＷ／ｃｍ2以上１５ＧＷ／ｃｍ2以下の範囲内のピーク出力密度で照射することが望ましいが、至近距離からレーザ照射した場合の寸法変化抑制（寸法バランス維持）の観点を加味した場合には、２ＧＷ／ｃｍ2以下（すなわち０．１ＧＷ／ｃｍ2以上２ＧＷ／ｃｍ2以下）であることが特に好ましい。なお、至近距離とは、ピン穴３の内径が１５ｍｍ〜４０ｍｍの程度の範囲内であることから、最大でもその範囲は超えない距離ということができる。
【実施例】
【００６７】
以下、実施例と比較例により、本発明をさらに詳しく説明する。【００６８】
［実施例１］
先ず、Ｓｉ：１２質量％、Ｃｕ：３．０質量％、Ｍｇ：１質量％、Ｎｉ：２．５質量％、その他の不可避不純物成分、及び残部がＡｌからなるＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金を準備し、そのＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金を溶融し、図１に示す形態のピストンを得るための鋳型に重力鋳造で鋳込んだ。その後、時効処理を施し、切削加工した後、ピン穴３の内周面４に向けてレーザピーニング処理を行った。レーザピーニング処理は、パワー密度（ピーク出力密度）を１０ＧＷ／ｃｍ２とし、スポット径を４００μｍとし、カバレージ（重ね率）を７として行った。こうして実施例１のピストンを得た。【００６９】
［比較例１］
実施例１において、レーザピーニング処理を行わなかった。それ以外は実施例１と同様にして比較例１のピストンを得た。【００７０】
［測定１］
測定サンプルについて、透過型電子顕微鏡写真による組織観察、回転曲げ疲労試験、深さ方向の硬さ試験を行った。なお、透過型電子顕微鏡写真による組織観察は、ＴＥＭ（電界放出形透過電子顕微鏡、日立製作所製、型名：ＨＦ−２０００）を用い、電解薄膜法（ツインジェット法）で測定試料を準備し、得られたＴＥＭ像から測定した。【００７１】
回転曲げ疲労試験は、実施例１と比較例１と同じ条件で処理した全長９０ｍｍ×平行部長さ２５ｍｍ×平行部径φ８ｍｍの測定サンプルを準備し、２５０℃の雰囲気下で回転させながら行う回転曲げ疲労試験機（株式会社島津製作所製、小野式−Ｈ７型）を用い、ＪＩＳ  Ｚ  ２２７４を準拠して測定した。【００７２】
深さ方向の硬さ試験は、微小硬さ試験機（株式会社ミツトヨ製、型式：ＨＭ−２２１）を用いて行った。【００７３】
ピストン疲労評価試験機（株式会社鷺宮製作所製）を用い、ピストンのピン穴３に負荷を掛けて実験を行った。負荷は、図１に示すピストン１において、頂面１１ｄへの圧力を９ＭＰａとし、内周面４のうち下側の面に慣性力相当の力として８．８ｋＮ（６０００回転／分）を印加した。圧力波形としてはサイン波で６×１０６回繰り返した。試験環境温度は２５０℃とした。【００７４】
［結果１］
比較例１で得られた図５（Ｂ）に示すＴＥＭ像に対し、実施例１で得られた図２（Ａ）、図３及び図５（Ａ）のＴＥＭ像から、転位５と析出物が観察された。転位５については、既に記載した範囲内での転位密度が観察された。【００７５】
回転曲げ疲労試験結果は、図６に示すように、繰り返し回数に対する応力振幅（ＭＰａ）として示した。この結果から、図６（Ａ）に示すレーザピーニング処理を行ったものは、図６（Ｂ）に示すレーザピーニング処理を行っていないものに比べ、繰り返し数１０７回において応力振幅が１５％以上向上しており、強度の向上が確認できた。【００７６】
硬さは、表１及び図７に示した。図７（Ａ）（Ｂ）に示すように、内周面４の深さ方向の硬さ測定の結果から、レーザピーニング処理を行ったもの（符号Ａ）は、およそ１０００μｍ程度までは、レーザピーニング処理を行っていないもの（符号Ｂ）に比べて優位性が認められた。この結果は、レーザピーニング処理により、ある一定の深さまで高密度の転位を生じさせていることに依存していると考えられる。【００７７】
【表１】
2016027808.tif 000003
【００７８】
なお、同じ試料について微小部Ｘ線応力測定装置（理学電機株式会社製、型式：ＰＳＰＣ／ＭＳＦシステム）を用いて残留応力を測定した。その結果を表２及び図８に示す。表２及び図８の結果より、上記した硬さ変化は、マイナスの残留応力（圧縮応力）の存在に関連していることが確認できた。すなわち、マイナスの残留応力（圧縮応力）を有する範囲内で、高い硬度を示すことができ、硬度向上に寄与していることが確認できた。なお、レーザピーニング処理前の残留応力は、表面から２００μｍの位置で＋３５ＭＰａであった。【００７９】
【表２】
2016027808.tif 000004
【００８０】
ピストン疲労評価試験機での結果を図９に示した。レーザピーニング処理をしなかった図９（Ａ）のものは、染色探傷法で亀裂を示す発色が見られ、亀裂が発生していた。しかし、レーザピーニング処理した図９（Ｂ）のものは、染色探傷法で亀裂を示す発色が見られず、亀裂が発生していなかった。【００８１】
［実施例２］
実施例１において、レーザピーニング処理の処理条件を、パワー密度（ピーク出力密度）２ＧＷ／ｃｍ２とした他は実施例１と同様にして、実施例２のピストンを得た。なお、ピン穴３は内径２２ｍｍであり、図１１に示す態様でレーザピーニング処理を行った。【００８２】
［参考例１］
実施例１において、レーザピーニング処理の処理条件を、パワー密度（ピーク出力密度）１５ＧＷ／ｃｍ２とした他は実施例１と同様にして、参考例１のピストンを得た。なお、ピン穴３は内径２２ｍｍであり、図１１に示す態様でレーザピーニング処理を行った。【００８３】
［測定２及び結果２］
実施例２、参考例１及び比較例１について、上記測定１と同様の回転曲げ疲労試験を行った。その結果、回転曲げ疲労強度は、実施例２が７５ＭＰａ（１０７回）、参考例１も７５ＭＰａ（１０７回）、比較例１が６５ＭＰａ（１０７回）であった。回転曲げ疲労強度については、比較例１に比べて実施例２及び参考例１は大きかったが、実施例２と参考例１とは差がなかった。一方、参考例１は、実施例２に比べてピン穴の寸法が４０μｍ変化しているのが確認された。これらの結果から、強度向上と寸法変化抑制の両方の観点からは、パワー密度（ピーク出力密度）の上限は実施例２の２ＧＷ／ｃｍ２で十分であり、その範囲は０．１ＧＷ／ｃｍ2以上２ＧＷ／ｃｍ2以下が好ましいことがわかった。【００８４】
［実施例３］
実施例１において、ピン穴内周面４の内方側部位４ａについては、レーザピーニング処理の処理条件をパワー密度（ピーク出力密度）２ＧＷ／ｃｍ２とし、スポット径４００μｍとし、カバレージ（重ね率）を７として行い、ピン穴内周面４の外方側部位４ｂについては、レーザピーニング処理の処理条件をパワー密度（ピーク出力密度）２ＧＷ／ｃｍ２とし、スポット径４００μｍとし、カバレージ（重ね率）を４として行った。それ以外は実施例１と同様にして実施例３のピストンを得た。なお、ピン穴３は内径２２ｍｍであり、図１１に示す態様でレーザピーニング処理を行った。【００８５】
［実施例４］
実施例１において、図１０に示すピン穴内周面４（内方側部位４ａ及び外方側部位４ｂ）及びキャビティ周面上部１５ａとキャビティ周面下部１５ｂについてレーザピーニング処理した。レーザピーニング処理の条件を、パワー密度（ピーク出力密度）２ＧＷ／ｃｍ２とした他は実施例１と同様にして、実施例４のピストンを得た。なお、ピン穴３は内径２２ｍｍであり、図１１に示す態様でレーザピーニング処理を行った。また、キャビティ１５の内面の直径は４０ｍｍであり、このキャビティ内についても図１１と同様の態様でレーザピーニング処理を行った。【００８６】
実施例３，４については、レーザピーニング処理によって強度向上を実現できたとともに、参考例１で見られたような寸法変化もなく、寸法精度も維持しており、ディーゼルエンジン用ピストンの構造形態に応じた望ましいピストンを作製できた。
【符号の説明】
【００８７】
１  ピストン
２  ピンボス部
３  ピン穴
４  ピン穴の内周面
４ａ  内周面の内方側
４ｂ  内周面の外方側
５  転位
８  ピストン内方
９  ピストン外方
１１  頂部
１１ａ  第１圧縮リング溝
１１ｂ  第２圧縮リング溝
１１ｃ  オイルリング溝
１１ｄ  ピストン本体の頂面
１２  スカート部
１５  キャビティ
１５ａ  キャビティ周面上部
１５ｂ  キャビティ周面下部
１５ｃ  キャビティ底部
２１  レーザ（平行光）
２２  レーザ（集光光）
２３  レーザ（照射光）
２４  集光レンズ
２５  反射ミラー
２６  レーザ導光パイプ
２７  レーザ通過部
【図１】
2016027808.tif 000005
【図２】
2016027808.tif 000006
【図３】
2016027808.tif 000007
【図４】
2016027808.tif 000008
【図５】
2016027808.tif 000009
【図６】
2016027808.tif 000010
【図７】
2016027808.tif 000011
【図８】
2016027808.tif 000012
【図９】
2016027808.tif 000013
【図１０】
2016027808.tif 000014
【図１１】
2016027808.tif 000015
【国際調査報告】
2016027808.tif 000016
2016027808.tif 000017
2016027808.tif 000018
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