(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属塊の素材を鍛造用金型により鍛造することで、ピンボス部とスカート部がヘッド部の裏面側から垂下されるリブ部分により連結されている鍛造済みの成形素材としてから、仕上げの機械加工を施すことで製品化するような鍛造ピストンの製造方法において、金型による鍛造で金属塊の素材から略ピストン形状の成形素材を成形する際に、ピンボス部とスカート部とリブ部分を成形するための金型部材を、ピンボス部とスカート部とリブ部分の各下端面を通る一連の分割面により、内側の部材と外側の部材とに分割しておくことを特徴とする鍛造ピストンの製造方法。
【請求項２】
金型部材の分割により鍛造の際にピンボス部とスカート部とリブ部分の各下端面に形成された鍛造バリについて、仕上げの機械加工で削り取ることなくそのまま残しておくことを特徴とする請求項１に記載の鍛造ピストンの製造方法。
【請求項３】
金属塊の素材を略ピストン形状の鍛造済み成形素材に鍛造するための鍛造用金型おいて、ピンボス部とスカート部とリブ部分を成形するための金型部材が、ピンボス部とスカート部とリブ部分の各下端面を通る一連の分割面により、内側の部材と外側の部材とに分割されていることを特徴とする鍛造用金型。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属塊の素材を鍛造用金型により鍛造して成形した成形素材に対して仕上げの機械加工を施すことで製品化されるような鍛造ピストンに関し、特に、そのような鍛造ピストンの製造方法と、鍛造ピストンの製造に使用される鍛造用金型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用エンジンのような内燃機関に使用される軽量なアルミ合金製のピストンにおいては、鋳造によりピストンを成形すると材質の凝固組織が粗くなって強度上不利となることから、アルミ合金の金属塊をピストン素材とし、これを一方向に進退する金型部材を備えた鍛造用の金型により鍛造することで、ヘッド部とピンボス部とスカート部を備えた略ピストン形状の成形素材としてから、この鍛造済みの成形素材に対して、ピストンピン挿通用のピン孔を穿設したり、ピストンリング装着用のリング溝を切削したりする等、仕上げの機械加工を施すことで製品化されるような鍛造ピストンが従来から開発されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、内燃機関用のピストンとして、図１（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、ピンボス部３とスカート部４がヘッド部２の裏面側から垂下されるリブ部分５によって一体的に連結された構造のものは従来から一般的に知られており、そのような構造のピストンを鍛造により製造する場合、例えば、図４（Ａ）（Ｂ）に示すように、ヘッド部の上面側を成形するための金型部材（上型）２１と、ヘッド部の裏面側にピンボス部やスカート部やリブ部分等を成形するための金型部材（下型）２２とにより、円筒状の金型部材２３を介して、厚い円板状のアルミ合金のピストン素材（ビュレット）１０を、上下の金型部材２１，２２で挟み込むように鍛造することで、略ピストン形状の成形素材１１としている。
【０００４】
そのようなピストン素材１０から成形素材１１を成形する鍛造において、鍛造用金型のピンボス部とスカート部とリブ部分等を成形するための金型部材（下型）２２には、ピンボス部やリブ部分を成形するための部分が深い溝部として凹設されており、そのために、鍛造時に金型部材（下型）２２の溝部に金属材料が圧入されることで、該溝部（特に溝幅の狭いリブ部分の溝部）の底角部にひび割れを生じることがあり、そのことが金型の寿命を縮める要因となっている。
【０００５】
本発明は、上記のような問題の解消を課題とするものであり、具体的には、鍛造ピストンの製造において、ピンボス部とスカート部がヘッド部の裏面側から垂下されるリブ部分により連結されている構造の成形素材を、金属塊のピストン素材から金型による鍛造で成形する際に、ピンボス部やリブ部分を成形するために金型に形成された溝部において金属材料の圧入によりひび割れが発生するのを回避することで、金型の寿命を延ばすことができるようにすることを課題とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記のような課題を解決するために、金属塊の素材を鍛造用金型により鍛造することで、ピンボス部とスカート部がヘッド部の裏面側から垂下されるリブ部分により連結されている鍛造済みの成形素材としてから、仕上げの機械加工を施すことで製品化するような鍛造ピストンの製造方法において、金型による鍛造で金属塊の素材から略ピストン形状の成形素材を成形する際に、ピンボス部とスカート部とリブ部分を成形するための金型部材を、ピンボス部とスカート部とリブ部分の各下端面を通る一連の分割面により、内側の部材と外側の部材とに分割しておくことを特徴とするものである。
【０００７】
上記のように鍛造用金型を分割しておくことによって、金型による鍛造で金属塊の素材から略ピストン形状の成形素材を成形する際に、ピンボス部やリブ部分を成形するために金型部材に形成された溝部に金属材料が圧入されても、該溝部の底に形成された分割面が僅かに開くことにより、金属材料の圧入による溝部のひび割れを回避することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の鍛造ピストンの製造方法および鍛造用金型の実施形態について図面に基づいて説明する。
【０００９】
図１は、内燃機関用の鍛造ピストンの一例を示すもので、図１（Ａ）は、側方から見た外観を示し、図１（Ｂ）は、下方から見た外観を示し、図１（Ｃ）は、図１（Ｂ）のＣ−Ｃ線に沿った断面を示すものである。
【００１０】
ピストン本体１は、燃焼室に上面が露出するヘッド部２と、ピストンピンを支持するためのピンボス部３と、（少なくともピストンピンに連結されるコンロッドの揺動方向となる両側位置に）シリンダ内面に側面が摺接するスカート部４を有し、ピンボス部３とスカート部４は、ヘッド部２の裏面側から垂下されるリブ部分５により連結されていて、ヘッド部２の外周面には、ピストンリング嵌着用のリング溝６が形成され、対向する一対のピンボス部３のそれぞれには、ピストンピン挿着用のピン孔７が形成されている。
【００１１】
上記のような構造のピストン本体１を金型による鍛造によって製造する場合、金属塊のピストン素材（ビュレット）を鍛造用金型により鍛造することで、ヘッド部とピンボス部（リブ部分を含む）とスカート部を有する略ピストン形状の鍛造済み成形素材とした後、仕上げの機械加工によりピン孔やリング溝等を形成してから、更に必要に応じてメッキ処理等を施すことで製品化している。
【００１２】
図２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、図１に示したようなピストン本体１を金型による鍛造で製造する際に中間製品として製造される鍛造済み成形素材１１を示すもので、略ピストン形状に成形された鍛造済みの成形素材１１において、それぞれ一対のピンボス部３とスカート部４は、ヘッド部２の裏面側からそれぞれ垂下形成されたリブ部分５によって連結されるように、鍛造用金型による鍛造によってヘッド部２の裏面側に一体的に成形されている。
【００１３】
図３（Ａ）（Ｂ）は、本発明の製造方法および鍛造用金型の一実施形態において、上記のような構造の鍛造済み成形素材１１を金属塊のピストン素材から鍛造成形するときに状態を、図２（Ｂ）のＣ−Ｃ線に沿った断面により示すもので、厚い円板状のアルミ合金のピストン素材（ビュレット）１０は、ヘッド部の上面側を成形するための金型部材（上型）２１と、ヘッド部の裏面側にピンボス部やスカート部やリブ部分等を成形するための金型部材（下型）２２とにより、円筒状の金型部材２３を介して、上下の金型部材２１，２２で挟み込むように鍛造されることで、略ピストン形状の成形素材１１に成形される。
【００１４】
その際に、本実施形態では、ヘッド部の裏面側にピンボス部やスカート部やリブ部分等を成形するための金型部材（下型）２２を、ピンボス部とスカート部とリブ部分の各下端面を通るような分割面２４により、内側の部材２２ａと外側の部材２２ｂとに分割しており、その結果、鍛造された成形素材１１には、ピンボス部３とスカート部４とリブ部分５の各下端面に、図２（Ｂ）に示すような分割面２４の位置に対応して、鍛造の際に形成される鍛造バリが痕跡として残されることとなる。
【００１５】
なお、上記のような鍛造用金型による鍛造の場合には、金型内に収容されたピストン素材１０を、金型の少なくとも何れかの型に対して設けられたヒーターにより、４００〜５００℃の間に加熱された状態としてから、熱間鍛造することにより、アルミ合金の延性を充分に利用して、成形素材１１に寸法精度良く鍛造することができる。
【００１６】
熱間鍛造という点に関して、鍛造用金型に収容する前にピストン素材１０を４００〜５００℃の間に加熱した後、金型内に収容して直ちに鍛造するようにしても良く、その場合でも、金型を４００〜５００℃の間に予熱しつつ鍛造する。そのように鍛造工程からピストン素材１０の加熱工程を別の並列工程とすることにより、鍛造工程の時間を短縮することが可能となる。
【００１７】
上記のような本実施形態の鍛造ピストンの製造方法および鍛造用金型によれば、ピンボス部３とスカート部４をヘッド部２の裏面側から垂下されるリブ部分５により連結したような構造の成形素材１１を、金属塊のピストン素材１０から金型による鍛造で成形する際に、鍛造用金型の金型部材２２を、ピンボス部とスカート部とリブ部分の各下端面を通るような分割面により分割していることによって、金型部材２２に形成されたピンボス部やリブ部分のための溝部に金属材料が圧入されたときに、該溝部の底にひび割れが発生するのを分割面２４が僅かに開くことで回避することができ、その結果、鍛造用金型の寿命を延ばすことができる。
【００１８】
上記のように鍛造用金型を分割しておくことで、該金型により成形された鍛造済みの成形素材１１において、そのピンボス部３とスカート部４とリブ部分５の各下端面に、金型の分割面２４に対応した鍛造バリが形成されることとなるが、この鍛造バリを仕上げの機械加工で削り取ることなくそのまま残しておいても、製造されたピストン本体の機能を何ら損なうものではなく、この鍛造バリをそのまま残しておくことで、仕上げの機械加工の煩雑化を回避することができる。
【００１９】
なお、鍛造用金型については、図３に示したような鍛造用金型では、円筒状金型部材２３の剛性が充分取れない場合に、鍛造後におけるスカート部やピンボス部の肉厚が厚くなるため、必要とされるピストン素材１０の重量を大きくしなければならず、また、円筒状金型部材２３と外側の下型２２ｂとを強固に連結することが必要となって、型費が大きくなる場合もあるが、そのような場合には、円筒状金型部材２３と外側の下型２２ｂとを一体的に形成しておいても良い。
【００２０】
また、図５に示すように、鍛造用金型を、ヘッド部に対してスカート部，ピンボス部およびリブ部分が上方となるようなものとしても良く、そのようなものでは、下型２２と円筒状金型部材２３を鍛造機械の固定ベッドに載置する一方、内側の部材２１ａ，外側の部材２１ｂ，押圧プレス部材に取り付ける基部２１ｃ，および連結部材２１ｄからなる上型２１を下方に稼働することで鍛造を実施するが、この場合でも、ピンボス部とリブ部分は内側の部材２１ａと外側の部材２１ｂの２つの金型から成形されることとなる。
【００２１】
ところで、上記のような鍛造ピストンの製造に使用されるピストン素材（ビュレット）１０については、例えば、アルミニウム（Ａｌ）を基材とし、全体中に、シリコン（Ｓｉ）を１０〜２５重量％，鉄（Ｆｅ）を１重量％以下，銅（Ｃｕ）を０．５〜７重量％，マグネシウム（Ｍｇ）を０．１〜２重量％，マンガン（Ｍｎ）を１．５重量％以下，ニッケル（Ｎｉ）を１．５重量％以下，クロム（Ｃｒ）を１．５重量％以下の範囲で含むような、アルミ合金を円柱形状の棒状体に連続鋳造した溶製材を切断したものが使用される。
【００２２】
また、上記のような組成のアルミ合金を溶解炉の底部から円柱形状の連続鋳造体として引き出すと共に、溶解炉から出て凝固が始まる部分の外周に電磁石又は超音波発振器からなる攪拌装置を配置して、円柱形状の連続鋳造体の中心部と外周部を攪拌混合しつつ凝固させることにより、析出結晶粒子の成長を抑制して粒子サイズを小さくし、且つ、外周部から中心部に渡って結晶粒子を均一に分散させるようにした固体で円柱形状のアルミ合金の棒状体を、適当な大きさに切断してピストン素材１０として使用しても良い。
【００２３】
そのように円柱形状の連続鋳造体の中心部と外周部を攪拌混合しつつ凝固させたようなピストン素材１０によれば、結晶粒子のサイズが小さく且つ均一に分散されていることで、鍛造時にクラックが発生し難くなるため、鍛造時の歩留りを向上させることができ、且つ、ピストン本体１をエンジンに組み込んで運転した場合のスカート部４の疲労強度を高くすることができる。
【００２４】
さらに、ピストン素材１０については、初晶シリコンの平均粒径が１０μｍ以下であるシリコン（Ｓｉ）を１０〜２２重量％の範囲で含むような、急冷凝固粉末を固化したアルミ合金を使用しても良い。
【００２５】
そのような急冷凝固粉末アルミ合金としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）を基材とし、全体中に、シリコン（Ｓｉ）を１０〜２２重量％，鉄（Ｆｅ）を１〜１０重量％，銅（Ｃｕ）を０．５〜５重量％，マグネシウム（Ｍｇ）を０．５〜５重量％，マンガン（Ｍｎ）を１重量％以下，ニッケル（Ｎｉ）を１重量％以下，クロム（Ｃｒ）を１重量％以下，ジルコニウム（Ｚｒ）を２重量％以下，モリブデン（Ｍｏ）を１重量％以下の範囲で含むようなものがある。
【００２６】
そのような急冷凝固粉末アルミ合金の含有成分において、シリコン（Ｓｉ）は、金属組織中に硬質の初晶や共晶のシリコン粒を晶出させることで耐摩耗性および耐焼付性を高めるために添加され、鉄（Ｆｅ）は、金属組織を分散強化して２００℃以上で高い強度を得るために添加され、また、銅（Ｃｕ）およびマグネシウム（Ｍｇ）は、２００℃以下での強度を高めるために添加されるものであって、それらの添加量については、上記の範囲外では所望の耐摩耗性や耐焼付性および高温での必要な強度を得ることができない。
【００２７】
上記のような急冷凝固粉末アルミ合金によるピストン素材１０では、溶解したアルミ合金を霧状に散布して急冷凝固させることにより粉末化してから成形固化しているため、アルミ合金粉末は平均粒径で約１００μｍ程度となり、その中に含まれているシリコン（Ｓｉ）は、粉末化しつつ凝固するアルミ合金の金属組織中に晶出させた硬質の初晶シリコンが平均粒径が１０μｍ以下となるように微細化されていて、各アルミ合金粒子毎に分散されている。
【００２８】
そのようにシリコン（Ｓｉ）が微細化されて分散されていることにより、ピストン素材１０を鍛造して略ピストン形状の成形素材１１とする際に、特にスカート部４で材料が薄く引き延ばされるように鍛造されても、その部分で初晶シリコンの粒子が割れてクラックが発生するようなことが無く、その結果、鍛造で成形されたピストン本体１は、スカート部４での疲労強度が高いものとなる。
【００２９】
ピストン素材１０として使用する急冷凝固粉末アルミ合金としては、上記のようなものに限らず、例えば、更にその耐摩耗性を高めるために、シリコン（Ｓｉ）よりも硬い成分である炭化シリコン（ＳｉＣ）を所定量含むようなものも使用される。
【００３０】
炭化シリコン（ＳｉＣ）を含有する急冷凝固粉末アルミ合金の一例としては、アルミニウム（Ａｌ）を基材とし、シリコン（Ｓｉ）を１０〜２２重量％，鉄（Ｆｅ）を１〜１０重量％，銅（Ｃｕ）を０．５〜５重量％，マグネシウム（Ｍｇ）を０．５〜５重量％，マンガン（Ｍｎ）を１重量％以下，ニッケル（Ｎｉ）を１重量％以下，クロム（Ｃｒ）を１重量％以下，ジルコニウム（Ｚｒ）を２重量％以下，モリブデン（Ｍｏ）を１重量％以下の範囲で含むと共に、更に、炭化シリコン（ＳｉＣ）を１〜１０重量％の範囲で含むようなものがある。
【００３１】
そのような炭化シリコン（ＳｉＣ）を含有する急冷凝固粉末アルミ合金からなるピストン素材１０では、初晶シリコンの平均粒径が１０μｍ以下となるようにシリコン（Ｓｉ）が微細化されて含まれていると共に、更に耐摩耗性および耐焼付性を高めるために、シリコン（Ｓｉ）よりも硬く非溶解性の非金属物である炭化シリコン（ＳｉＣ）が、平均粒径が１０μｍ以下となるように微細化された状態で金属組織中に分散して含まれており、このピストン素材１０から鍛造されたピストン本体１は、微細な炭化シリコン（ＳｉＣ）がアルミ合金組織中に均等に分散されたものとなり、それによって高い耐摩耗性を得ることができる。
【００３２】
上記のような急冷凝固粉末アルミ合金によるピストン素材１０の製造については、先ず、アルミニウム（Ａｌ）の基材に対して必要な各成分（シリコンや炭化シリコンその他）を予め含有させたアルミ合金のインゴットを準備して、これを約７００℃以上で溶解してから霧状に散布し、冷却速度１００℃／ｓｅｃ以上で急激に冷やして粉末に凝固させるか、或いは、必要な成分を含まないアルミ合金を溶解して急冷凝固することにより形成したアルミ合金粉末に、平均粒径が１〜１０μｍとなるように微細化した必要成分の粉末を所定量だけ混合する等によって、固化する前のアルミ合金粉末を得る。
【００３３】
そして、そのようなアルミ合金粉末について、型の中にアルミ合金粉末を込め、４００〜５００℃（７００℃未満の温度）に加熱且つ加圧して、直接的に所望の大きさおよび形状のピストン素材を成形するか、或いは、アルミ合金粉末を４００〜５００℃に加熱して押し出すことにより丸棒として固形化した後、この丸棒を一個のピストンに相当する適当量の大きさの厚い円板形状に切断する等によって、厚い円板状のピストン素材１０とする。
【００３４】
アルミ合金粉末からピストン素材１０を成形するには、その他にも、アルミ合金粉末を４００〜５００℃に加熱しつつ一対の圧延ロールの間に導いて圧延した後、プレスにより打ち抜くことで厚い円板形状のピストン素材として成形したり、シャーリングで所望の大きさに切断して矩形のピストン素材として成形したりすることも可能であり、更に、そのように矩形に成形してから予備鍛造して厚い円板形状のピストン素材に成形しても良い。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したような本発明の鍛造ピストンの製造方法および鍛造用金型によれば、ピンボス部とスカート部がヘッド部の裏面側から垂下されるリブ部分により連結されているような構造の成形素材を、金属塊のピストン素材から金型による鍛造で成形する際に、ピンボス部やリブ部分を成形するために金型に形成された溝部において金属材料の圧入によりひび割れが発生するのを回避することができ、それによって鍛造用金型の寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の鍛造ピストンの製造方法および鍛造用金型によって製造される内燃機関用ピストンの一例を示す、（Ａ）側面図，（Ｂ）下面図，および（Ｃ）図ＢのＣ−Ｃ線に沿った断面図。
【図２】図１に示したピストンについての鍛造済み成形素材を示す、（Ａ）側面図，（Ｂ）下面図，および（Ｃ）図ＢのＣ−Ｃ線に沿った断面図。
【図３】本発明の鍛造ピストンの製造方法および鍛造用金型の一実施形態について、金属塊のピストン素材から略ピストン形状の成形素材を金型による鍛造で成形するときの各状態（Ａ）（Ｂ）を示す、図２（Ｃ）の断面に相当する断面説明図。
【図４】鍛造ピストンの製造方法および鍛造用金型の従来例について、金属塊のピストン素材から略ピストン形状の成形素材を金型による鍛造で成形するときの各状態（Ａ）（Ｂ）を示す、図２（Ｃ）の断面に相当する断面説明図。
【図５】本発明の鍛造用金型の他の実施形態を示す、図２（Ｃ）の断面に相当する断面説明図。
【符号の説明】
１        ピストン本体（鍛造ピストン）
２        ヘッド部
３        ピンボス部
４        スカート部
５        リブ部分
１０      ピストン素材（金属塊の素材）
１１      鍛造済み成形素材
２２      （鍛造用金型の）金型部材
２４      （金型部材の）分割面
【図１】
0003942129.tif 000002
【図２】
0003942129.tif 000003
【図３】
0003942129.tif 000004
【図４】
0003942129.tif 000005
【図５】
0003942129.tif 000006