(57)【要約】【課題】耐摩耗性及び耐熱強度に優れ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】Ｓｉ：０．４〜０．７質量％、Ｆｅ：１．４〜２．０質量％、Ｃｕ：３．５〜５．５質量％、Ｎｉ：０．３〜０．８質量％、Ｍｇ：１．５〜２．０質量％を少なくとも含有するアルミニウム合金からなり、断面の粒界部及び粒内部には粒子状析出物が存在し、前記粒界部に存在する粒子状析出物は、ＦｅとＣｕとＮｉとを有していること内燃機関用ピストンにより上記課題を解決する。この内燃機関用ピストンは、上記成分組成を少なくとも含有するアルミニウム合金連続鋳造材を準備する工程と、前記アルミニウム合金連続鋳造材を熱間鍛造する工程と、熱間鍛造後に熱処理する工程と、熱処理後に機械加工する工程とを少なくとも有する方法で製造する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ：０．４〜０．７質量％、Ｆｅ：１．４〜２．０質量％、Ｃｕ：３．５〜５．５質量％、Ｎｉ：０．３〜０．８質量％、Ｍｇ：１．５〜２．０質量％を少なくとも含有するアルミニウム合金からなり、断面の粒界部及び粒内部には粒子状析出物が存在し、前記粒界部に存在する粒子状析出物は、ＦｅとＣｕとＮｉとを有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】
前記粒界部の粒子状析出物は、粒径が３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内であり、断面各部で単位面積あたり１２％以上２２％以下の面積割合の範囲内で存在している、請求項１に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項３】
前記粒界部の粒子状析出物の粒径（Ｄ１）は前記粒内部の粒子状析出物の粒径（Ｄ２）よりも大きく、そとの比（Ｄ１／Ｄ２）が５以上である、請求項１又は２に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項４】
前記断面に存在する粒子状析出物のうち、前記粒界部の粒子状析出物の割合（Ｐ１）と前記粒内部の粒子状析出物の割合（Ｐ２）との比（Ｐ１／Ｐ２）が、６以上１１以下の範囲内である、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】
Ｓｉ：０．４〜０．７質量％、Ｆｅ：１．４〜２．０質量％、Ｃｕ：３．５〜５．５質量％、Ｎｉ：０．３〜０．８質量％、Ｍｇ：１．５〜２．０質量％を少なくとも含有するアルミニウム合金連続鋳造材を準備する工程と、前記アルミニウム合金連続鋳造材を熱間鍛造する工程と、熱間鍛造後に熱処理する工程と、熱処理後に機械加工する工程とを少なくとも有し、
製造された内燃機関用ピストンの断面の粒界部及び粒内部には粒子状析出物が存在し、前記粒界部に存在する粒子状析出物は、ＦｅとＣｕとＮｉとを有し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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐摩耗性及び耐熱強度に優れ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】
内燃機関用ピストンは、鋳造法や鍛造法で製造されている。鋳造法では、アルミニウム合金の溶湯を金型に流し込んでピストン形状とし、時効処理等の熱処理を経た後に機械加工を行って内燃機関用ピストンを製造する。一方、鍛造法では、まず、溶解したアルミニウム合金を連続鋳造して押出用ビレットとし、均質化処理等の熱処理を経た後に細径丸棒に押出加工するか、又は、連続鋳造法で丸棒とし、均質化処理等の熱処理を経た後に細径丸棒に切削加工する。その後、細径丸棒を切断して鍛造用素材とし、その鍛造用素材を熱間鍛造してピストン形状とし、時効処理等の熱処理を経て機械加工して内燃機関用ピストンを製造する。
【０００３】
鍛造法による内燃機関用ピストンに関しては、特許文献１では、２００〜２５０℃の高温域においても優れた疲労強度を示すアルミニウム合金製ピストンの提供を目的とした技術が提案されている。この技術は、鍛造後にＳｉ：１１〜１３％，Ｆｅ：０．２〜１．２％，Ｃｕ：３．５〜４．５％，Ｍｎ：０．２〜０．５％，Ｍｇ：０．３〜１．０％，Ｔｉ：０．０１〜０．２％，Ｂ：０．０００２〜０．０２％，Ｐ：０．００５〜０．０２％を含み、Ｃａを０．００５％以下に規制し、鋳造時に晶出したＳｉ及び金属間化合物が鍛造後に平均粒径５〜３５μｍでマトリックスに均一分散し、ガス含有量が０．２５ｃｃ／１００ｇ−Ａｌ以下に規制された鍛造組織を持ち、鋳塊段階で介在物平均個数がＫ１０値で０．０１個／ｃｍ2以下に規制され、鍛造加工で成形されたアルミニウム合金製ピストンについてのものである。
【０００４】
特許文献２では、ヘッド面及びピストンピン部高温強度特性が優れ、スカート部の鍛造成形性が優れ、オイルリング溝部の機械加工性、耐摩耗性が安定している内燃機関用鍛造ピストンの提供を目的とした技術が提案されている。この技術は、ケイ素を６〜２５質量％含有するアルミニウム合金からなる内燃機関用鍛造ピストンであって、オイルリング溝部の共晶ケイ素平均粒径（Ａ）とスカート部先端部の共晶ケイ素平均粒径（Ｂ）との比（Ａ／Ｂ）が１．５以上であって、かつオイルリング溝部の共晶ケイ素平均粒径（Ａ）が４μｍ以上であること、またはさらにオイルリング溝部の初晶ケイ素平均粒径（Ｃ）と、スカート部先端部の初晶ケイ素平均粒径（Ｄ）との比（Ｃ／Ｄ）が１．３以上であり、かつオイルリング溝部の初晶ケイ素平均粒径（Ｃ）が１５μｍ以上である内燃機関用鍛造ピストンについてのものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２６５２３２号公報
【特許文献２】特開２００３−０３５１９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
自動車等の内燃機関エンジンにおいては、内燃機関用ピストンのより一層の軽量化と、耐摩耗性及び耐熱強度の向上が求められている。
【０００７】
本発明の目的は、耐摩耗性及び耐熱強度に優れた内燃機関用ピストン及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明に係る内燃機関用ピストンは、Ｓｉ：０．４〜０．７質量％、Ｆｅ：１．４〜２．０質量％、Ｃｕ：３．５〜５．５質量％、Ｎｉ：０．３〜０．８質量％、Ｍｇ：１．５〜２．０質量％を少なくとも含有するアルミニウム合金からなり、断面の粒界部及び粒内部には粒子状析出物が存在し、前記粒界部に存在する粒子状析出物は、ＦｅとＣｕとＮｉとを有していることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、断面の粒界部及び粒内部には粒子状析出物が存在し、その粒界部に存在する粒子状析出物はＦｅとＣｕとＮｉとを有しているので、その粒子状析出物が、耐摩耗性及び耐熱強度を向上させるように作用しているものと考えられる。また、粒内部に存在する粒子状析出物も、耐摩耗性及び耐熱強度の向上に寄与しているものと考えられる。
【００１０】
本発明に係る内燃機関用ピストンにいて、前記粒界部の粒子状析出物は、粒径が３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内であり、断面各部で単位面積あたり１２％以上２２％以下の面積割合の範囲内で存在している。この発明によれば、上記粒径の粒子状析出物が断面各部で上記割合で粒界部に存在するので、耐摩耗性及び耐熱強度の向上に寄与していると考えられる。
【００１１】
本発明に係る内燃機関用ピストンにおいて、前記粒界部の粒子状析出物の粒径（Ｄ１）は前記粒内部の粒子状析出物の粒径（Ｄ２）よりも大きく、その比（Ｄ１／Ｄ２）が５以上である。この発明によれば、粒界部に存在する大きな粒子状析出物が耐摩耗性及び耐熱強度に寄与していると考えられる。
【００１２】
本発明に係る内燃機関用ピストンにおいて、前記断面に存在する粒子状析出物のうち、前記粒界部の粒子状析出物の割合（Ｐ１）は前記粒内部の粒子状析出物の割合（Ｐ２）よりも大きく、その比（Ｐ１／Ｐ２）が、６以上１１以下の範囲内である。この発明によれば、粒界部に存在する粒子状析出物が断面各部で上記範囲で存在するので、その粒子状析出物が耐摩耗性及び耐熱強度に寄与していると考えられる。
【００１３】
（２）本発明に係る内燃機関用ピストンの製造方法は、Ｓｉ：０．４〜０．７質量％、Ｆｅ：１．４〜２．０質量％、Ｃｕ：３．５〜５．５質量％、Ｎｉ：０．３〜０．８質量％、Ｍｇ：１．５〜２．０質量％を少なくとも含有するアルミニウム合金連続鋳造材を準備する工程と、前記アルミニウム合金連続鋳造材を熱間鍛造する工程と、熱間鍛造後に熱処理する工程と、熱処理後に機械加工する工程とを少なくとも有し、製造された内燃機関用ピストンの断面の粒界部及び粒内部には粒子状析出物が存在し、前記粒界部に存在する粒子状析出物は、ＦｅとＣｕとＮｉとを有していることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、準備された上記組成のアルミニウム合金連続鋳造材を熱間鍛造、熱処理、機械加工の各工程を順次経て製造された内燃機関用ピストンは、断面の粒界部及び粒内部に粒子状析出物が存在し、その粒界部に存在する粒子状析出物はＦｅとＣｕとＮｉとを有しているので、その粒子状析出物が耐摩耗性及び耐熱強度を向上させるように作用しているものと考えられる。また、粒内部に存在する粒子状析出物も、耐摩耗性及び耐熱強度の向上に寄与しているものと考えられる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、耐摩耗性及び耐熱強度が向上した内燃機関用ピストン及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る内燃機関用ピストンの一例を示す模式的な形態図である。
【図２】実施例１の内燃機関用ピストンの頂部の断面写真である。
【図３】図２に示すピストン頂部の断面各部での組織写真である。
【図４】実施例１の内燃機関用ピストンの断面の元素マッピングである。
【図５】実施例１の内燃機関用ピストンの断面に現れる粒子状析出物の粒径と面積割合の分析結果である。
【図６】比較例１，２の内燃機関用ピストンの頂部の断面写真である。
【図７】比較例１のピストン頂部の断面各部での組織写真である。
【図８】比較例２のピストン頂部の断面各部での組織写真である。
【図９】比較例１の内燃機関用ピストンの断面の元素マッピングである。
【図１０】比較例２の内燃機関用ピストンの断面の元素マッピングである。
【図１１】比較例１，２の内燃機関用ピストンの断面に現れる粒子状析出物の粒径と面積割合の分析結果である。
【図１２】実施例１、比較例１及び比較例２で得た内燃機関用ピストンの耐摩耗性の評価結果を示すグラフである。
【図１３】実施例１、比較例１及び比較例２で得た内燃機関用ピストンの引張強度の評価結果を示すグラフである。
【図１４】実施例１、比較例１及び比較例２で得た内燃機関用ピストンの０．２％耐力の評価結果を示すグラフである。
【図１５】実施例１、比較例１及び比較例２で得た内燃機関用ピストンの疲労強度の評価結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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図面を参照しつつ説明する。なお、本発明は、その要旨の範囲内であれば、以下の実施形態に限定されない。
【００１８】
［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、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、複数のピストンリング溝が設けられている。ピストンリング溝としては、頂部１１の側からスカート部１２の側に向かって、例えば第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等を挙げることができる。この各溝には、それぞれに応じたピストンリングが装着される。符号１１ｄは頂部１１の表面であり、符号２はピン穴である。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。
【００１９】
この内燃機関用ピストン１は、Ｓｉ：０．４〜０．７質量％、Ｆｅ：１．４〜２．０質量％、Ｃｕ：３．５〜５．５質量％、Ｎｉ：０．３〜０．８質量％、Ｍｇ：１．５〜２．０質量％を少なくとも含有するアルミニウム合金で構成されている。そして、断面の粒界部及び粒内部には粒子状析出物が存在し、その粒界部に存在する粒子状析出物は、ＦｅとＣｕとＮｉとを有している。こうした構成により、耐摩耗性及び耐熱強度が向上した内燃機関用ピストンを提供することができる。
【００２０】
以下、内燃機関用ピストンの構成要素を詳しく説明する。なお、内燃機関用ピストンを単に「ピストン」という。
【００２１】
（成分組成）
ピストンの成分組成は、Ｓｉ：０．４〜０．７質量％、Ｆｅ：１．４〜２．０質量％、Ｃｕ：３．５〜５．５質量％、Ｎｉ：０．３〜０．８質量％、Ｍｇ：１．５〜２．０質量％を少なくとも含有し、残りがアルミニウム合金で構成されている。上記以外の成分は、ピストン用のアルミニウム合金材料に通常含まれる微量成分（不可避不純物を含む。）である。微量成分としては、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｎ等を挙げることができる。
【００２２】
Ｓｉは、０．４質量％以上、０．７質量％以下の範囲内で含まれており、機械的強度（耐熱強度と耐摩耗性）を向上させるように作用する。なお、Ｓｉ含有量が０．４質量％未満では、耐熱強度と耐摩耗性が十分に向上しないことがあり、Ｓｉ含有量が０．７質量％を超える場合も、耐熱強度と耐摩耗性が十分に向上しないことがある。
【００２３】
Ｆｅは、１．４質量％以上、２．０質量％以下の範囲内で含まれており、ＣｕとＮｉとともに粒子状析出物を構成し、その粒子状析出物がピストンの耐摩耗性及び耐熱強度の向上に寄与する。なお、Ｆｅ含有量が１．４質量％未満では、耐熱強度と耐摩耗性が十分に向上しないことがあり、Ｆｅ含有量が２．０質量％を超える場合も、耐熱強度が十分に向上しないことがある。
【００２４】
Ｃｕは、３．５質量％以上、５．５質量％以下の範囲内で含まれており、ＦｅとＮｉとともに粒子状析出物を構成し、その粒子状析出物がピストンの耐摩耗性及び耐熱強度の向上に寄与する。なお、Ｃｕ含有量が３．５質量％未満では、耐熱強度と耐摩耗性が十分に向上しないことがあり、Ｃｕ含有量が５．５質量％を超えると、耐熱強度が十分に向上しないことがある。
【００２５】
Ｎｉは、０．３質量％以上、０．８質量％以下の範囲内で含まれている。この範囲で含まれるＮｉは、その耐熱性から高温強度を高めるように作用するとともに、ＦｅとＣｕとともに粒子状析出物を構成し、その粒子状析出物がピストンの耐摩耗性及び耐熱強度の向上に寄与する。なお、Ｎｉ含有量が０．３質量％未満では、耐熱強度と耐摩耗性が十分に向上しないことがあり、Ｎｉ含有量が０．８質量％を超えると、耐熱強度が十分に向上しないことがある。
【００２６】
Ｍｇは、１．５質量％以上、２．０質量％以下の範囲内で含まれており、機械的強度（耐熱強度と耐摩耗性）を上昇させるように作用する。なお、Ｍｇ含有量が１．５質量％未満では、耐熱強度と耐摩耗性が十分に向上しないことがあり、Ｍｇ含有量が２．０質量％を超えると、耐熱強度と耐摩耗性が十分に向上しないことがある。
【００２７】
その他の成分としては、例えば、Ｔｉは、０．０５質量％以上、０．１０質量％以下の範囲内で含まれている。この範囲で含まれるＴｉは、鋳造結晶粒を微細化するように作用する。また、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｎ等を不可避不純物として０．０５質量％以下程度含んでいてもよい。また、Ｐ、Ｓ等も不可避不純物として含まれてもよい。
【００２８】
（断面形態）
図２及び図３は、本発明に係るピストン（後述の実施例１）の頂部をエッチングした後の断面写真である。図２はピン穴２を機械加工する前のピストン頂部の断面であり、図３はその拡大写真である。図３（Ａ）は上部の組織であり、図３（Ｂ）は中央部の組織であり、図３（Ｃ）は下部の組織である。これらの写真は、図６（Ａ）及び図７に示すピストン（後述の比較例１）の断面写真や、図６（Ｂ）及び図８に示すピストン（後述の比較例２）の断面写真とは明らかに異なる組織形態を示している。
【００２９】
本発明に係るピストンの断面組織は、図２及び図３に示すように、粒界が存在し、粒界部と粒内部とが現れている。粒界部と粒内部は、そのいずれにも粒子状析出物が存在している。粒子状析出物は、粒界部では粒径が大きいが、粒内部では粒界部のものよりも粒径が小さい。
【００３０】
粒界部に存在する大きな多数の粒子状析出物は、図４に示す元素マッピングより、ＦｅとＣｕとＮｉとを有している。ＦｅとＣｕとＮｉとが金属間化合物であるか複合物であるか混合物であるかは現時点では明らかではないが、後述の実施例と比較例の結果より、ＦｅとＣｕとＮｉとを有した粒子状析出物が耐摩耗性及び耐熱強度を向上させるように作用しているものと考えられる。
【００３１】
粒界部の粒子状析出物は、粒径が３μｍ以上、３０μｍ以下の範囲内で存在している。そして、その存在割合は、断面の各部において単位面積あたりの面積割合で１２％以上、２２％以下の範囲内である。本発明では、上記粒径の粒子状析出物が上記割合で粒界部に存在するので、耐摩耗性及び耐熱強度の向上に寄与していると考えられる。
【００３２】
粒内部の粒子状析出物は、粒径が粒界部の粒子状析出物の粒径よりも小さく且つ３μｍ以下の大きさで存在している。粒内部の微細な粒子状析出物は、ＦｅとＣｕとＮｉとを有する粒界部の粒子状析出物とは異なり、ＭｇとＮｉとを有し、粒界部の粒子状析出物とともに耐摩耗性や耐熱強度の向上に寄与していると考えられる。なお、粒内部の粒子状析出物はかなり小さいものも存在するので、粒径の下限は特に限定されないが、０．１μｍ程度である。
【００３３】
粒界部の粒子状析出物の粒径（Ｄ１）は粒内部の粒子状析出物の粒径（Ｄ２）よりもかなり大きく、その比（Ｄ１／Ｄ２）は５以上であった。Ｄ１／Ｄ２が５以上である意義は現時点では明らかではないが、その大きさの差は耐摩耗性及び耐熱強度の向上に寄与していると考えられる。なお、Ｄ１／Ｄ２の上限は、粒内部の粒子状析出物がかなり小さいものも少し存在するために明確ではないが、５０程度であった。
【００３４】
断面に存在する粒子状析出物のうち、粒界部の粒子状析出物の割合（Ｐ１：１２％以上２２％以下）は粒内部の粒子状析出物の割合（Ｐ２）よりも大きく、その比（Ｐ１／Ｐ２）は６以上１１以下の範囲内であった。Ｐ１／Ｐ２が上記範囲内である意義は現時点では明らかではないが、その割合の差は耐摩耗性及び耐熱強度の向上に寄与していると考えられる。なお、Ｐ１／Ｐ２比（６以上１１以下）より、粒界部の粒子状析出物の割合（Ｐ１）が下限の１２％である場合は、粒内部の粒子状析出物の割合（Ｐ２）は２％〜約１．１％の範囲であり、粒界部の粒子状析出物の割合（Ｐ１）が上限の２２％である場合は、粒内部の粒子状析出物の割合（Ｐ２）は約３．７％〜２％の範囲である。
【００３５】
以上、本発明に係る内燃機関用ピストンによれば、耐摩耗性及び耐熱強度に優れている。耐摩耗性と耐熱強度に優れる原因は現時点では明らかではないが、粒界部に存在するＦｅとＣｕとＮｉを有する粒子状析出物が大きく寄与しているとともに、粒内部の粒子状析出物も寄与しているものと考えられる。
【００３６】
［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の製造方法は、Ｓｉ：０．４〜０．７質量％、Ｆｅ：１．４〜２．０質量％、Ｃｕ：３．５〜５．５質量％、Ｎｉ：０．３〜０．８質量％、Ｍｇ：１．５〜２．０質量％を少なくとも含有するアルミニウム合金連続鋳造材を準備する工程（準備工程）と、前記アルミニウム合金連続鋳造材を熱間鍛造する工程（熱間鍛造工程）と、熱間鍛造後に熱処理する工程（熱処理工程）と、熱処理後に機械加工する工程（加工工程）とを少なくとも有している。製造された内燃機関用ピストンの断面の粒界部及び粒内部には、粒子状析出物が存在し、粒界部に存在する粒子状析出物は、ＦｅとＣｕとＮｉとを有している。
【００３７】
（準備工程）
準備工程は、上記成分組成を少なくとも含有するアルミニウム合金連続鋳造材（以下、連続鋳造材という。）を準備する工程である。連続鋳造材は、上記した成分組成のアルミニウム合金を用いること以外は、従来公知の一般的な方法で準備することができる。例えば、溶解した上記成分組成のアルミニウム合金を連続鋳造して押出用ビレットとし、均質化処理を経て、所定寸法の細径丸棒に押出加工し、その後に所定寸法に切断して準備することができる。又は、溶解した上記成分組成のアルミニウム合金を連続鋳造して丸棒とし、均質化処理を経て、所定寸法の細径丸棒に切削加工し、その後に切断して準備することもできる。なお、連続鋳造に先立って、必要に応じて脱ガス処理や介在物の浮上分離処理を行ってもよい。また、連続鋳造後においては、均質化処理を行ってもよい。
【００３８】
（熱間鍛造工程）
熱間鍛造工程は、準備された連続鋳造材を熱間鍛造する工程である。熱間鍛造も上記した成分組成の連続鋳造材を用いること以外は、従来公知の一般的な方法で熱間鍛造することができる。例えば、所定寸法に切断された鍛造用素材を金型に押し付け、鍛造用素材を金型内に流動させる後方押出法でもよいし、固定した金型に鍛造用素材を押し付け、鍛造用素材を金型内に流動させる前方押出法であってもよい。なお、熱間鍛造前には、必要に応じて連続鋳造材や金型を予備加熱してもよい。
【００３９】
（熱処理工程）
熱処理工程は、熱間鍛造後に熱処理する工程である。熱処理工程も上記した成分組成の連続鋳造材を用いること以外は、従来公知の一般的な熱処理を施すことができる。例えば、鍛造品を加熱した後に水冷する溶体化処理を行い、その後に時効処理する方法を挙げることができる。
【００４０】
（加工工程）
加工工程は、熱処理後に機械加工する工程である。機械加工も従来公知の一般的な方法で加工することができる。例えば、鍛造済みピストンに対し、ピストンピン用の穴明け加工、ピストン面削加工、オイルリング溝加工、その他の加工を施し、ピストン形状に仕上げる。
【００４１】
こうした工程を有する内燃機関用ピストンの製造方法によれば、準備された上記組成のアルミニウム合金連続鋳造材を熱間鍛造、熱処理、機械加工の各工程を順次経て製造するので、その成分組成特有の形態が現れる。すなわち、断面の粒界部及び粒内部に粒子状析出物が存在し、その粒界部に存在する粒子状析出物はＦｅとＣｕとＮｉとを有しているので、その粒子状析出物が耐摩耗性及び耐熱強度を向上させるように作用しているものと考えられる。また、粒内部に存在する粒子状析出物も、耐摩耗性及び耐熱強度の向上に寄与しているものと考えられる。
【実施例】
【００４２】
実施例と比較例により本発明を具体的に説明する。
【００４３】
［実施例１］
Ｓｉ：０．５０質量％、Ｆｅ：１．７０質量％、Ｃｕ：４．１質量％、Ｎｉ：０．６０質量％、Ｍｇ：１．８０質量％、Ｔｉ：０．０７質量％及び微量不可避不純物、残部：アルミニウムからなるアルミニウム合金の連続鋳造材を準備した。このアルミニウム合金の組成はスパーク放電発光分光分析装置（型名：ＳＰＥＣＴＲＯ  ＬＡＢ、ＳＰＥＣＴＲＯ社製）によって測定した結果である（下記の実施例２，３も同じ。）。この連続鋳造材は、およそ７００℃〜８００℃に溶解したアルミニウム合金を連続鋳造して直径１００ｍｍの押出し用ビレットとし、その押出し用ビレットを切断して、長さ３０ｍｍで直径９５ｍｍの連続鋳造材とした。なお、この連続鋳造材には、押出し用ビレットを切断する前に約５００℃で８時間の均質化処理を行った。
【００４４】
準備された連続鋳造材と金型を約４００℃に予備加熱した後に熱間鍛造した。熱間鍛造としては、前方押出法で行った。熱間鍛造後には、約５３０℃で２時間に保持した後、約１００℃の水中に入れて溶体化処理した。その後、約２００℃で２０時間の時効処理を行った。その後、機械加工により、ピン穴、ピストンリング溝等を加工して仕上げ、実施例１の内燃機関用ピストンを作製した。
【００４５】
［比較例１］
Ａ２６１８合金の連続鋳造材を準備した。Ａ２６１８合金は、ＪＩＳ（日本工業規格）、ＡＡ（ＵＳ規格）に基づき、Ｓｉ：０．１０〜０．２５質量％、Ｆｅ：０．９〜１．３質量％、Ｃｕ：１．９〜２．７質量％、Ｎｉ：０．９〜１．２質量％、Ｍｇ：１．３〜１．８質量％、Ｔｉ：０．０４〜０．１０質量％、Ｚｎ：０．１０質量％以下、及び微量不可避不純物、残部：アルミニウムとして規格化されているアルミニウム合金である。それ以外は、実施例１と同様にして、比較例１の内燃機関用ピストンを作製した。
【００４６】
［比較例２］
Ａ４０３２合金の連続鋳造材を準備した。Ａ４０３２合金は、ＪＩＳ（日本工業規格）、ＡＡ（ＵＳ規格）、ＮＦ（フランス規格）、ＣＳＡ（カナダ規格）に基づき、Ｓｉ：１１．０〜１３．５質量％、Ｆｅ：１．０質量％以下、Ｃｕ：０．５〜１．３質量％、Ｎｉ：０．５〜１．３質量％、Ｍｇ：０．８〜１．３質量％、Ｃｒ：１．０質量％以下、Ｚｎ：０．２５質量％以下、及び微量不可避不純物、残部：アルミニウムとして規格化されているアルミニウム合金である。それ以外は、実施例１と同様にして、比較例２の内燃機関用ピストンを作製した。
【００４７】
［実施例２］
実施例１において、Ｓｉ：０．４０質量％、Ｆｅ：２．０質量％、Ｃｕ：３．５質量％、Ｎｉ：０．３０質量％、Ｍｇ：２．００質量％、Ｔｉ：０．０７質量％及び微量不可避不純物、残部：アルミニウムからなるアルミニウム合金の連続鋳造材を準備した。それ以外は、実施例１と同様にして、実施例２の内燃機関用ピストンを作製した。
【００４８】
［実施例３］
実施例１において、Ｓｉ：０．７０質量％、Ｆｅ：１．４０質量％、Ｃｕ：５．５質量％、Ｎｉ：０．８０質量％、Ｍｇ：１．５０質量％、Ｔｉ：０．０９質量％及び微量不可避不純物、残部：アルミニウムからなるアルミニウム合金の連続鋳造材を準備した。それ以下は、実施例１と同様にして、実施例３の内燃機関用ピストンを作製した。
【００４９】
［断面組織と粒子状析出物］
（実施例１のピストン）
図２及び図３に示す実施例１のピストンは、粒界の存在により粒界部と粒内部とが現れており、その粒界部と粒内部は、そのいずれにも粒子状析出物が存在していた。粒子状析出物は、粒界部では粒径が大きいが、粒内部では粒径が粒界部のものよりも小さい。粒界部の粒子状析出物は、図４に示す元素マッピングより、ＦｅとＣｕとＮｉとを有するものであった。一方、粒内部の粒子状析出物は、図示しないが、元素マッピングの結果では、ＭｇとＮｉとを有するものであった。
【００５０】
粒子状析出物の大きさと存在割合について、図５に示すように倒立型金属顕微鏡（型名：ＤＭＩ５０００Ｍ、ライカ社製。以下同じ。）で撮影した写真を画像解析ソフト（製品名：ＷｉｎＲｏｏＦ  Ｎｅｒ．７．４、三谷商事株式会社製。以下同じ。）で画像処理して詳しく測定したところ、断面の各部でその範囲はやや異なっていたが、粒界部の粒子状析出物は粒径が３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内で、その平均粒径が８．１μｍであり、各部での単位面積あたりの面積割合は１２％以上２２％以下の範囲内で存在していることが確認できた。また、粒内部の粒子状析出物は粒径が約０．６μｍ程度であり、各部での単位面積あたりの面積割合は約２％程度であることが確認できた。このことから、粒界部の粒子状析出物の粒径（Ｄ１：３μｍ〜３０μｍ）と粒内部の粒子状析出物の粒径（Ｄ２：約０．６μｍ）との比（Ｄ１／Ｄ２）は、５〜５０の範囲であった。また、粒界部の粒子状析出物の割合（Ｐ１：１２％〜２２％）と粒内部の粒子状析出物の割合（Ｐ２：約２％）との比（Ｐ１／Ｐ２）は、６〜１１の範囲であった。
【００５１】
（比較例１のピストン）
図６（Ａ）及び図７に示す比較例１のピストンも粒界の存在により粒界部と粒内部とが現れており、その粒界部と粒内部は、そのいずれにも粒子状析出物が存在していた。しかし、粒界部の粒子状析出物は、実施例１の場合に比べて、粒径が小さかった。粒界部の粒子状析出物は、図９に示す元素マッピングより、実施例１と同様、ＦｅとＣｕとＮｉとを有するものであった。一方、粒内部の粒子状析出物は、図示しないが、元素マッピングの結果では、実施例１とは異なり、ＭｇとＳｉとを有するものであった。
【００５２】
粒子状析出物の大きさと存在割合について、図１１（Ａ）に示すように倒立型金属顕微鏡写真を画像解析ソフトで画像処理して詳しく測定したところ、断面の各部でその範囲はやや異なっていたが、粒界部の粒子状析出物は、粒径は３μｍ以上２５μｍ以下の範囲内で、その平均粒径が６．３μｍであったが、単位面積あたりの面積割合は約１０％程度であり、実施例１の場合よりも小さいことが確認できた。また、粒内部の粒子状析出物は粒径が約０．４μｍ程度であり、単位面積あたりの面積割合が約７％程度であることが確認できた。このことから、粒界部の粒子状析出物の粒径（Ｄ１：３μｍ〜２５μｍ）と粒内部の粒子状析出物の粒径（Ｄ２：約０．４μｍ）との比（Ｄ１／Ｄ２）は、実施例１の場合とは異なり、７．５〜６２．５の範囲であった。また、粒界部の粒子状析出物の面積割合（Ｐ１：約１０％）と粒内部の粒子状析出物の割合（Ｐ２：約７％）との比（Ｐ１／Ｐ２）も、実施例１の場合とは異なり、約１．４であった。
【００５３】
（比較例２のピストン）
図６（Ｂ）及び図８に示す比較例２のピストンも粒界の存在により粒界部と粒内部とが現れており、その粒界部には粒子状析出物が存在していたが、粒内部には粒子状析出物があまり存在していなかった。粒界部の粒子状析出物は、実施例１の場合よりも粒径が大きかった。粒界部の粒子状析出物は、図１０に示す元素マッピングより、実施例１や比較例１とは異なり、Ｓｉを有するものであった。
【００５４】
粒子状析出物の大きさと存在割合について、図１１（Ｂ）に示すように倒立型金属顕微鏡写真を画像解析ソフトで画像処理して詳しく測定したところ、断面の各部でその範囲はやや異なっていたが、粒界部の粒子状析出物は、粒径が３μｍ以上４５μｍ以下の範囲内で、その平均粒径が８．４μｍであったが、単位面積あたりの面積割合が約３５％程度であり、実施例１や比較例１の場合よりもかなり大きいことが確認できた。粒内部の粒子状析出物はほとんど存在しなかったので、粒界部の粒子状析出物の平均粒径（Ｄ１）と粒内部の粒子状析出物の平均粒径（Ｄ２）との比（Ｄ１／Ｄ２）は算出しなかった。また、粒界部の粒子状析出物の割合（Ｐ１：約３５％）と粒内部の粒子状析出物の割合（Ｐ２）との比（Ｐ１／Ｐ２）も算出しなかった。なお、Ａ４０３２合金は、一般的なＳｉ系アルミニウム合金であり、Ｓｉを含有することにより、熱膨張を抑え、耐摩耗性の向上を狙ったものである。
【００５５】
［耐摩耗性と耐熱強度］
実施例１及び比較例１，２のピストンについて、耐摩耗性と耐熱強度を測定した。耐摩耗性については、ピストン実体から試験片を採取し、ピンオンディスクによる往復動の摺動試験により測定し、摺動部の摩耗量の測定値を相対比較して評価した。相対比較は、実施例１のピストンの結果を１００とし、比較例１，２の各ピストンの結果を相対値として表１及び図１２に示した。一方、耐熱強度については、ピストン実体から試験片を採取し、高温引張試験と高温回転曲げ疲労試験を行って、引張強度（表１及び図１３）、０．２％耐力（表１及び図１４）、１×１０７サイクルの破断応力（疲労強度：表１及び図１５）の測定値を相対比較した。相対比較は、実施例１のピストンの結果を１００とし、比較例１，２の各ピストンの結果を相対値として示した。なお、耐摩耗性は値が小さいほどよく、引張強度、０．２％耐力及び疲労強度は値が大きいほど耐熱強度がよい。
【００５６】
【表１】
2017214870.tif 000003
【００５７】
表１及び図１２〜図１５の結果より、実施例１のピストンは、比較例１，２のピストンと比較して、耐摩耗性と耐熱強度とが向上しているのが確認できた。本発明のピストンが耐摩耗性と耐熱強度に優れている理由としては、断面の粒界部及び粒内部に粒子状析出物が存在し、その粒界部に存在する粒子状析出物がＦｅとＣｕとＮｉとを有しているためであり、その粒子状析出物が、耐摩耗性及び耐熱強度を向上させるように作用しているものと考えられた。また、粒内部に存在する粒子状析出物も、耐摩耗性及び耐熱強度の向上に寄与しているものと考えられた。
【００５８】
［実施例２及び実施例３で作製した内燃機関用ピストンの断面］
実施例２及び実施例３のアルミニウム合金で作製した内燃機関用ピストンも、実施例１のアルミニウム合金で作製した内燃機関用ピストンと同様の断面形態を観察することができた。すなわち、断面の粒界部及び粒内部には粒子状析出物が存在し、その粒界部に存在する粒子状析出物は、ＦｅとＣｕとＮｉとを有していた。それ以外の特徴要素についても、実施例１の内燃機関用ピストンと同様であったることを確認できた。
【符号の説明】
【００５９】
１  ピストン
２  ピン穴
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
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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