(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金粉末を型内に収容してこれを常温状態で押圧することによって該粉末を密着固化した密度の低い金属塊とする第１Ａ押圧工程と、前記密度の低い金属塊を融点よりも低い温度まで加熱した状態で押圧してこれを密度の高い金属塊とする第１Ｂ押圧工程と、前記密度の高い金属塊を融点よりも低い温度まで加熱した状態で押圧してこれを塑性変形させる第２押圧工程とを経て鍛造前素材である鍛造用アルミニウム合金製ビレットを得て、
前記第１Ｂ押圧工程を経て得られる中間半製品の高さＬ１と前記第２押圧工程で得られる鍛造用アルミニウム合金製ビレットの高さＬ２との比Ｌ１／Ｌ２を１．５以上に設定したことを特徴とする鍛造用アルミニウム合金製ビレットの製造方法。
【請求項２】
前記第１Ａ押圧工程と前記第１Ｂ押圧工程とを同一の型を使用して実施する一方、前記第２押圧工程を別型を使用して実施するようにしたことを特徴とする請求項１記載の鍛造用アルミニウム合金製ビレットの製造方法。
【請求項３】
後工程における金属塊の温度を前工程におけるアルミニウム合金の粉末或は金属塊の温度と同等或はそれ以上とした状態で押圧するようにしたことを特徴とする請求項１記載の鍛造用アルミニウム合金製ビレットの製造方法。
【請求項４】
前記第１Ｂ押圧工程を経て得られる中間半製品の比重量が前記第２押圧工程を経て得られる鍛造用アルミニウム合金製ビレットの比重量の９５％以上となるように、第１Ａ押圧工程と前記第１Ｂ押圧工程においてアルミニウム合金粉末を密着させるようにしたことを特徴とする請求項１記載の鍛造用アルミニウム合金製ビレットの製造方法。
【請求項５】
前記中間半製品の少なくとも前記第２押圧工程において押圧される面への鉱物油を塗布と第２押圧工程における押圧型の表面への鉱物油の塗布の少なくとも一方を実施した後、第２押圧工程を実施するようにしたことを特徴とする請求項４記載の鍛造用アルミニウム合金製ビレットの製造方法。
【請求項６】
前記第２押圧工程を、前記第１Ｂ押圧工程を経て得られる中間半製品を床型上に載置してこれを押圧する側面拘束のない自由押圧工程としたことを特徴とする請求項１記載の鍛造用アルミニウム合金製ビレットの製造方法。
【請求項７】
前記第２押圧工程を、前記第１Ｂ押圧工程を経て得られる中間半製品を内周が該中間半製品の外周よりも大きな型内に収容載置し、該中間半製品を前記型内に嵌合する押圧型で押圧する側面拘束のある押圧工程としたことを特徴とする請求項１記載の鍛造用アルミニウム合金製ビレットの製造方法。
【請求項８】
アルミニウム合金粉末を型内に収容してこれを押圧型にて常温で押圧して第１半製品を得る冷間押圧工程と、該冷間押圧工程で得られた前記第１半製品を型内に収容してこれを押圧型にて２００℃〜６００℃の熱間でプレスして第２半製品を得る第１熱間プレス工程と、該第１熱間プレス工程で得られた前記第２半製品を床型上に載置してこれを押圧型にて２００℃〜６００℃の熱間でプレスする第２熱間プレス工程を経て鍛造用アルミニウム合金製ビレットを得て、
前記第１熱間プレス工程で得られる第２半製品の高さＬ１と前記第２熱間プレス工程で得られる鍛造用アルミニウム合金製ビレットの高さＬ２との比Ｌ１／Ｌ２を１．５以上に設定したことを特徴とする鍛造用アルミニウム合金製ビレットの製造方法。
【請求項９】
前記アルミニウム合金粉末の平均粒径を３００μｍ以下としたことを特徴とする請求項８記載の鍛造用アルミニウム合金製ビレットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム合金粉末を用いた鍛造前素材である鍛造用アルミニウム合金製ビレットの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム合金粉末を固化して鍛造用アルミニウム合金製ビレットを製造する方法が提案されているが、この方法を図１３に示す。
【０００３】
即ち、図１３に示すように、アルミニウム合金粉末１００をアルミニウム容器１０１内に収容してこれを真空脱気し、真空脱気されたアルミニウム合金粉末１００をアルミニウム容器１０１と共に炉１０２に入れて加熱押し出しすることによって棒状の半製品１０４を得た後、この半製品１０４を切断して所望の鍛造用アルミニウム合金製ビレット１０５を得る。尚、この鍛造用アルミニウム合金製ビレット１０５を熱間鍛造等することによって例えば内燃エンジン用ピストン、シリンダスリーブ、コンロッド、４サイクルエンジンのバルブリフタ、ロッカーアーム或はコンプレッサのスクロールプレート等の鍛造品を得る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の方法によって製造された鍛造用アルミニウム合金製ビレットにおいては、切断による損耗が発生してしまい、材料を無駄に消費することによってコストアップを招くことになってしまう。又、鍛造用アルミニウム合金製ビレットの側部表面にアルミニウム容器が伸展してできるアルミニウム層が形成されるため、そのまま製造して得られる鍛造品は内部にこのアルミニウム層を巻き込んだものとなったり、鍛造品が十分高い強度を確保することができない場合がある。
【０００５】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、鍛造用アルミニウム合金製ビレットの製造に当たりアルミニウム合金の損耗を少なくでき、又、各部を出来る限り均一な性状のアルミニウム合金とすることによって鍛造品に十分高い強度を確保することができる鍛造用アルミニウム合金製ビレットを製造する方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、アルミニウム合金粉末を型内に収容してこれを押圧することによって該粉末を密着固化した金属塊とする第１押圧工程と、前記金属塊を押圧してこれを塑性変形させる第２押圧工程とを経て鍛造前素材である鍛造用アルミニウム合金製ビレットを得ることを特徴とする。
【０００７】
又、本発明は、アルミニウム合金粉末を型内に収容してこれを押圧型にて常温で押圧して第１半製品を得る冷間押圧工程と、該冷間押圧工程で得られた前記第１半製品を型内に収容してこれを押圧型にて２００℃〜６００℃の熱間でプレスして第２半製品を得る第１熱間プレス工程と、該第１熱間プレス工程で得られた前記第２半製品を床型上に載置してこれを押圧型にて２００℃〜６００℃の熱間でプレスする第２熱間プレス工程を経て鍛造用アルミニウム合金製ビレットを得ることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【０００９】
図１は本発明方法の工程を示す説明図、図２はビレットの強度とＬ１／Ｌ２（第２半製品の高さＬ１と鍛造用アルミニウム合金製ビレットの高さＬ２との比）との関係を示す図である。
【００１０】
本発明方法は、図１に示すように、アルミニウム合金粉末５を型内に収容してこれを押圧型にて常温で押圧して第１半製品６を得る冷間押圧工程と、該冷間押圧工程で得られた前記第１半製品６を型内に収容してこれを押圧型にて２００℃〜６００℃の熱間でプレスして第２半製品７を得る第１熱間プレス工程と、該第１熱間プレス工程で得られた前記第２半製品７を床型上に載置してこれを押圧型にて２００℃〜６００℃の熱間でプレスする第２熱間プレス工程を経て所望の鍛造用アルミニウム合金ビレット８を得る方法である。
【００１１】
ところで、以上の冷間押圧工程と第１熱間プレス工程及び第２熱間プレス工程を経て得られる鍛造用アルミニウム合金製ビレット８の強度は、第１熱間プレス工程で得られる第２半製品７の高さＬ１と当該ビレット８の高さＬ２との比Ｌ１／Ｌ２に依存する。尚、図２においては図１３に示した従来の押し出し法によって製造されたビレット１０５の本体（アルミニウム容器部が伸展してできる表層を除く内部の部分）の強度を１としている。
【００１２】
而して、図２に示すように、第１熱間プレス工程で得られる第２半製品７の高さＬ１と第２熱間プレス工程で得られるビレット８の高さＬ２との比Ｌ１／Ｌ２を１．５以上（Ｌ１／Ｌ２≧１．５）に設定すると、本発明方法によって得られる鍛造用アルミニウム合金製ビレット８の強度を図１３に示した従来の押し出し法によって製造されたビレット１０５のアルミニウム表層を除く本体の強度と同等に保持することができる。
【００１３】
＜実施の形態１＞
ここでは、鍛造ピストン用のアルミニウム合金製ビレットの製造方法とこのアルミニウム合金製ビレットを用いて鍛造ピストンを製造する方法を図３〜図６に基づいて説明する。
【００１４】
先ず、アルミニウム合金粉末５の製造方法を図３に基づいて説明する。
【００１５】
図３に示すように、アルミニウム（Ａｌ）の基材に対してシリコン（Ｓｉ）、鉄（Ｆｅ）及びその他の成分を含有するアルミニウム合金のインゴット１を準備し、このインゴット１を温度約７００℃以上に加熱して溶解させた後、これを霧状に散布して冷却速度７００℃／ｓｅｃ以上で急冷して凝固させることによってアルミニウム合金の急冷凝固粉末（パウダーメタル）３とし、必要に応じて更に炭化シリコン（ＳｉＣ）等の粉末４を混合することによって鍛造ピストン用のアルミニウム合金製ビレット８を製造するためのアルミニウム合金粉末５を得る。
【００１６】
ところで、アルミニウム合金粉末５としては例えば初晶シリコンの平均粒径が１０μｍ以下であるシリコンの（Ｓｉ）を５〜２２重量％の範囲で含むアルミニウム合金の急冷凝固粉末が使用されるが、その平均粒径は３００μｍ以下が望ましい。
【００１７】
上記アルミニウム合金の急冷凝固粉末としては、アルミニウム（Ａｌ）を基材とし、全体中にシリコン（Ｓｉ）を５〜２５重量％、鉄（Ｆｅ）を１〜３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１重量％以下、モリブデン（Ｍｏ）を１重量％以下含むものが使用される。
【００１８】
上記のようなアルミニウム合金の急冷凝固粉末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によって耐摩耗性と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、銅（Ｃｕ）とマグネシウム（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る。
【００１９】
尚、耐摩耗性や耐焼付性を高めるために、シリコン（Ｓｉ）よりも硬い成分である炭化シリコン（ＳｉＣ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を１〜１０重量％の範囲で単独或は複数組み合わせて添加しても良い。この場合、急冷凝固の前の溶解したアルミニウム合金にこれら硬い成分の微細粉末（望ましくは平均粒径５０μｍ以下のもの）を混入してから急冷凝固させるか、或はアルミニウム合金の急冷凝固粉末に硬い成分の微細粉末を混入させるようにする。
【００２０】
次に、以上のようにして得られたアルミニウム合金粉末５を用いた本発明に係るアルミニウム合金製ビレット８の製造方法を図４に基づいて説明する。
【００２１】
図４は本発明方法をその工程順に示す説明図であり、本発明方法においては、図４（ａ）に示すようにアルミニウム合金粉末５を所定量（ビレット１個の重量に相当する量）だけ下型１１の直径φＤ0 の円柱状凹部内に収容し、これを上型１２にて常温で押圧して高さＬ０の円柱状の第１半製品６を得る（冷間押圧工程）。
【００２２】
次に、上記冷間押圧工程で得られた第１半製品６を図４（ｂ）に示すように下型１３の直径φＤ1 の円柱状凹部内に収容し、これをヒータ１４，１５にて２００℃〜６００℃に加熱しながら上型１６にて熱間でプレスして直径φＤ1 、高さＬ１の第２半製品７を得る（第１熱間プレス工程）。尚、このときの第１半製品６の圧縮量（上型のストローク）は（Ｌ０−Ｌ１）となる。
【００２３】
そして、最後に図４（ｃ）に示すように上記第１熱間プレス工程で得られた第２半製品７を床型（下型）１７上に載置し、これをヒータ１８，１９にて２００℃〜６００℃に加熱しながら上型２０にて熱間でプレスして図４（ｄ）に示すような直径φＤ2 、高さＬ２の円板状の鍛造用アルミニウム合金製ビレット８を得る（第２熱間プレス工程）。尚、このときの第２半製品７の圧縮量（上型のストローク）は（Ｌ１−Ｌ２）となる。
【００２４】
以上のように、アルミニウム合金粉末の材料からビレットを形成するに際し、粉末材料を型内で押圧し、その後、押圧による塑性変形工程を経てビレットを製造しており、ビレットを製造する過程において第１半製品及び第２半製品を切断カッターで分割するような切断工程を経ないため、冷間押圧工程においてビレット重量より大きな重量のアルミニウム合金粉末を使用する必要がない。
【００２５】
又、切断工程を経ないで押圧工程のみによりビレットを製造するため、ビレット表面にカッター傷に起因するクラックが発生することはなく、又、アルミニウム容器を使用しないため、アルミニウム合金粉末に由来する均一な内部組織とすることができ、ビレットを使った鍛造品に高い強度を確保することができる。
【００２６】
更に、直径φＤ１とφＤ２を同一にすることによって共通の型を使用することができる。尚、別型を使用する場合はφＤ０＜φＤ１とする。φＤ１とφＤ２の関係はφＤ１＜φＤ２とすると良い。Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２の相互の関係はＬ０＞Ｌ１＞Ｌ２となるとともに、前述のようにＬ１／Ｌ２を１．５以上に設定すると十分な強度を得ることができる。
【００２７】
又、第２半製品の比重量を鍛造用アルミニウム合金製ビレットの比重量の９５％以上（望ましくは９９％以上）にすると、第２熱間プレス工程の塑性変形においてクラックが発生することがない。これはクラックの起点となり易い空隙部が形成されにくくなるためである。表面にクラックのあるビレットを使って鍛造により製品を成形すると、クラックが拡大して不良品となってしまうが、本実施の形態のものではそのようなことはない。
【００２８】
更に、第２熱間プレス工程において、第２半製品の外周又は床型１７或は上型２０に押圧させる面のみ鉱物油そのもの或は平均粒径１０μｍ以下の黒鉛を含有する鉱物油（以下、単に鉱物油と称する）を塗布すると、塑性変形をより効果的に実施することができる。
【００２９】
尚、冷間押圧工程、第１熱間プレス工程、第２熱間プレス工程の全て或は両熱間プレス工程において、金型側に鉱物油を塗布しておいても良い。又、全ての工程或は第１熱間プレス工程、第２熱間プレス工程における金型の上下の押圧面の表面粗さはＲａ１０以下（望ましくはＲａ２．２程度）、下型の周方向側面の表面粗さはＲａ７以下（望ましくはＲａ１．６程度）とすると、鍛造用アルミニウム合金製ビレットの表面がＲａ１０以下の滑らかさとなり、後工程である鍛造においてクラックが発生する等の可能性を減らすことができる。
【００３０】
更に、第１熱間プレス工程において、事前に加熱炉で２００℃〜６００℃に加熱した第１半製品６を、加熱した下型１３の円柱状凹部に収容した後、直ちに２００℃〜６００℃に加熱保持した上型１６でプレスするようにしても良い。同様に、第２熱間プレス工程において、事前に加熱炉で２００℃〜６００℃に加熱した第２半製品７を、加熱した下型１７の上に載置した後、直ちに２００℃〜６００℃に加熱保持した上型２０でプレスするようにしても良い。
【００３１】
又、融点以下に加熱して熱間プレスするため、アルミニウム合金粉末が溶融して再び凝固するとき形成される結晶粒が粗大化し、結晶粒内の析出物も粗大化してしまうことはない。結晶粒内の析出物が粗大化すると、大きな応力が作用するときにクラックが発生し易いのため、ビレットは表面或は内部に亀裂の発生したものとなってしまう。この結果、ビレットを使用した鍛造による製品の強度が低下してしまう。
【００３２】
然るに、本実施の形態においては、アルミニウム合金の融点以下にしか加熱しないため、アルミニウム合金粉末内に形成される結晶粒は、当初の平均粒径（例えば、０．０１〜１０μｍ）が第１熱間プレス工程及び第２熱間プレス工程においても維持されるため、結晶粒内に大きな析出物が形成されることはなく、各工程において発生する応力によってクラックが発生することはない。
【００３３】
又、内部に形成される結晶粒が０．０１〜１０μｍのアルミニウム合金粉末（平均粒径が１０〜３００μｍ）を原料として冷間押圧工程及び第１熱間プレス工を経て第２熱間プレス工を実施しているため、鍛造前アルミニウム合金ビレットは強度が高いものとなる。即ち、図１１（ａ）は第１熱間プレス工を終了して得られる密度の高い金属塊となったものの任意の部位について微視的に見たアルミニウム合金粉末を示す図であり、図１１（ｂ）は第２熱間プレス工程を終了して得られるビレットの任意の部位について微視的に見たアルミニウム合金粉末を示す図である。
【００３４】
アルミニウム合金粉末内に形成される結晶粒が０．０１〜１０μｍの場合には、結晶粒の結晶構造が破壊されることなく結晶粒はその形状を維持しつつ結晶粒界で滑りが発生し、アルミニウム合金粉末の形が比較的丸いものから偏平或は或は細長い形状になる塑性変形が起こる。一般的に球形の表面積が最も小さく、形が扁平又は長方形状或は更に凹凸のある複雑なものになる程表面積が増加する。即ち、アルミニウム合金粉末表面の酸化皮膜の面積が増大し、酸化皮膜が破れてアルミニウム合金粉末同士が金属結合するため、ビレットの強度が十分なものとなる。この場合、アルミニウム合金粉末同士の境界は無くなるか不明確なものとなるが、当初のアルミニウム合金粉末とアルミニウム合金粉末との境界部にあって、分散している微細（平均粒径１〜５０μｍ）な炭化シリコン（ＳｉＣ）等は破壊されないで当初の形を保ちつつ前記境界部の伸長によって僅かに移動するのみで分散状態は維持されるため、微細（平均粒径０．０１〜１０μｍ）なアルミニウム合金結晶粒の集合から成るアルミニウム合金中に均一に分散することになり、ビレットの強度を高めるように作用する。
【００３５】
しかしながら、結晶粒が１０μｍより大きくなると、押圧により結晶構造そのものが破壊され易くなり、たとえ塑性変形で酸化皮膜の破壊ができたとしてもビレットの強度を十分なものにすることができなくなる。このビレットを使った鍛造品も十分な強度を保つことができなくなる可能性が高い。
【００３６】
ところで、アルミニウム合金のインゴット１を加熱溶解した後、冷却気体（例えば、空気、窒素、アルゴン等の不活性ガス）中に霧状に散布するとき、冷却気体がアルミニウム合金粒子中に溶解し、アルミニウム合金粒子中に析出する結晶組織内に冷却気体元素が浸透保持される。温度が増加する程、この冷却気体の溶解量（冷却気体元素の組織内に浸透保持される量）が減少するため、溶解する気体元素が結晶組織内から遊離して結晶粒界に現れて気泡が発生してしまう。
【００３７】
然るに、本実施の形態に係る鍛造用アルミニウム合金製ビレットの製造方法、更には以下の実施の形態において示す鍛造方法と製品の使用方法において、融点（例えば、５７０℃〜６００℃）＞第１熱間プレス工程における加熱温度（例えば、５４０℃〜５７０℃）＞第２熱間プレス工程における加熱温度（例えば、５００℃〜５２０℃）＞ビレットを使った鍛造における加熱温度（例えば、４４０℃〜４８０℃）＞製品使用環境温度となるように各温度を設定している。このため、工程中押圧により高い応力下にあり、結晶粒界に気泡が発生すると、これらの工程中に気泡部を起点としてアルミニウム合金の各半製品や鍛造中のビレットにクラックが発生することになってしまう第１熱間プレス工程中、第２熱間プレス工程中、更にはビレットを使った鍛造工程中、溶解する気体元素が結晶組織内から遊離して結晶粒界に現れて気泡が発生することがないため、鍛造用アルミニウム合金製ビレットにも、鍛造後のアルミニウム合金部品にも高い強度を維持させることができる。又、第１半製品６及び第２半製品７を加熱することにより、これらの半製品６，７を工程中大きく変形させることができ、アルミニウム合金粒子表面の酸化皮膜をより破り易くしている。
【００３８】
次に、以上の方法によって得られたアルミニウム合金製ビレット８を用いて鍛造ピストンを製造する方法を図５に基づいて説明する。
【００３９】
図５はアルミニウム合金製ビレット８から金型による鍛造を経て鍛造ピストン１０を製造する工程を示す断面図であり、本実施の形態では、鍛造後のヘッド部１０ａ（図５（ｄ）参照）の肉厚よりも厚い円板状のビレット８を、その外表面に離型剤を塗布してから、図５（ａ）に示すように下型２１と上型２２とで構成された鍛造用金型内に収容し、図５（ｂ）に示すようにビレット８を鍛造用金型の下型２１と上型２２とで挟圧して鍛造することによって、図５（ｃ）に示すようにヘッド部９ａとピンボス部９ｂ及びスカート部９ｃを備えた略ピストン形状の鍛造済み成形素材９を得る。
【００４０】
そして、以上の工程を経て得られた鍛造済み成形素材９に対して強度を高めるための熱処理を施した後、図５（ｄ）に示すように、鍛造済み成形素材９にリング溝１０ｄやピン孔１０ｅを形成したり、不要な部分を切除する等の機械加工を行い、更に、必要に応じてスカート部１０ｃの側面にメッキ等の表面処理を施すことによって所望の鍛造ピストン１０を得る。
【００４１】
尚、以上の鍛造ピストン１０の製造において、円板状のビレット８を略ピストン形状の鍛造済み成形素材９に鍛造成形する工程では、ヒータを備えた下型の凹部内にビレットを収容して４００℃〜５００℃（溶解温度以下）に加熱した状態で、上型（パンチ）によってビレットをプレスして略ピストン形状の鍛造済み成形素材９を得る熱間鍛造を採用することによって、アルミニウム合金の延性を十分利用して寸法精度良く鍛造済み成形素材９を鍛造成形することができる。
【００４２】
以上のように、鍛造ピストン１０は、本発明方法によってアルミニウム合金粉末５に冷間押圧工程と第１熱間プレス工程及び第２熱間プレス工程を施して得られるビレット８を鍛造して得られる略ピストン状の鍛造済み成形素材９を機械加工することによって得られるが、鍛造前のビレット８は必要成分を粉末の状態で含有するアルミニウム合金粉末５を固化するよって得られるため、鋳造によってピストンを製造する場合のようにアルミニウム合金中の含有成分の結晶粒が凝固の際に成長するようなことがなく、ビレット８中の含有成分をその粒径を小さく保ったまま金属組織中に分散させることができる。このため、このようなビレット８から製造される鍛造ピストン１０においては、鍛造金型（下型２１と上型２２）による鍛造で略ピストン形状の鍛造済み成形素材９を得る際にスカート部９ｃで材料が薄く引き延ばされても、含有されたシリコン（Ｓｉ）の粒子が割れてクラックが発生することがなく、スカート部９ｃの疲労強度が高められる。
【００４３】
又、炭化シリコン（ＳｉＣ）のような硬質成分を微細化した状態でアルミニウム合金組織中に均等に分散させることができるため、鍛造ピストン１０に高い耐摩耗性を確保することができるとともに、他の含有成分についてもアルミニウム合金粉末５中に微細な粉末として含有され、これらが成形固化や鍛造を経て緻密な結晶組織となるため、結晶粒境での応力集中による強度低下を招くことがなく、これによっても鍛造ピストン１０の疲労強度が高められる。
【００４４】
更に、鍛造前のビレット８は、図４に示すように、アルミニウム合金粉末５に冷間押圧工程と第１熱間プレス工程及び第２熱間プレス工程を施して得られるため、図６（ａ），（ｂ）に示すように、該ビレット８の内部に上型２２によって押圧された上面と下型２２によって押圧された底面及び側面の３つの外面に沿って外面に平行な方向のファイバーフローが中心軸の周りに放射状に形成される。そして、このようなビレット８を図６（ｃ）に示すような略ピストン形状の鍛造済み成形素材９に鍛造成形することによって該鍛造済み成形素材９のヘッド部９ａの中心部から周辺部に向かう方向のファイバーフローを形成することができる。この結果、鍛造ピストン１０のヘッド部１０ａからスカート部１０ｃへの熱伝導が良好となるとともに、内燃エンジンの爆発工程において大きな応力が発生する鍛造ピストン１０のヘッド部１０ａとスカート部１０ｃの間の部位の強度を高めることができ、爆発力に対するヘッド部１０ａの強度を十分高く保つことができる。尚、図６（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【００４５】
＜実施の形態２＞
次に、鍛造スリーブ用のアルミニウム合金製ビレットの製造方法とこのアルミニウム合金製ビレットを用いて鍛造スリーブを製造する方法を図７〜図１０に基づいて説明する。
【００４６】
図７は内燃エンジンのシリンダブロック２３の断面図であり、該シリンダブロック２３のシリンダ孔には鍛造スリーブ（ライナー）３０が鋳込み或は圧入され、この鋳造スリーブ３０の内面は不図示のピストンが摺動する摺接面を構成している。
【００４７】
ところで、上記鍛造スリーブ３０も本発明方法によって製造される鍛造用アルミニウム合金製ビレットを鍛造することによって得られるが、鍛造用アルミニウム合金製ビレットの製造方法を図８に基づいて説明する。
【００４８】
鍛造用アルミニウム合金製ビレット２８は、図４（ａ）に示す冷間押圧工程と図４（ｂ）に示す第１熱間プレス工程を経て得られた図８（ａ）に示す高さＬ１の円柱状の第２半製品２７を床型（下型）３７上に載置し、これをヒータ３８，３９にて２００℃〜６００℃に加熱しながら図８（ｂ）に示すように上型４０によって熱間でプレスして図８（ｃ）に示すような外径φＤ2 、内径φＤ3 、高さＬ２のリング状の鍛造用アルミニウム合金製ビレット２８を得る（第２熱間プレス工程）。
【００４９】
次に、以上の方法によって得られたアルミニウム合金製ビレット２８を用いて鍛造スリーブ３０を製造する方法を図９に基づいて説明する。
【００５０】
図９はアルミニウム合金製ビレット２８から金型による鍛造を経て鍛造スリーブ３０を製造する工程を示す断面図であり、本実施の形態では、図９（ａ）に示すように厚いリング状のビレット２８を、その外表面に離型剤を塗布してから、下型４１と上型４２とで構成される鍛造用金型に収容し、図９（ｂ）に示すようにビレット２８を鍛造用金型の下型４１と上型４２とで挟圧して鍛造することによって、図９（ｃ）に示すように底部２９ａに孔２９ｂを有する鍛造済み成形素材２９を得る。
【００５１】
そして、以上の工程を経て得られた鍛造済み成形素材２９の底部２９ａを機械加工によって切除した後、その内外周面を機械加工することによって図９（ｄ）に示すように薄肉円筒状の鍛造スリーブ３０を得る。
【００５２】
以上のように、鍛造スリーブ３０は、本発明方法によってアルミニウム合金粉末５に冷間押圧工程と第１熱間プレス工程及び第２熱間プレス工程を施して得られるビレット２８を鍛造して得られる略円筒状の鍛造済み成形素材２９を機械加工することによって得られるが、鍛造前のビレット２８は必要成分を粉末の状態で含有するアルミニウム合金粉末５を固化するよって得られるため、アルミニウム合金中の含有成分の結晶粒が凝固の際に成長するようなことがなく、ビレット２８中の含有成分をその粒径を小さく保ったまま金属組織中に分散させることができ、鍛造により緻密な金属組織の鍛造スリーブ３０を得ることができる。このため、このような鍛造スリーブ３０を図７に示すシリンダブロック２３のシリンダ孔に鋳込み又は圧入したとき、ピストンの摺動面を成す鍛造スリーブ３０の内周面に大きな結晶粒が露出することがなく、該鍛造スリーブ３０の内周面やピストンの外周面が荒れることがなく、そのような荒れに起因するピストンの焼き付きが防がれる。
【００５３】
又、図１０（ａ）に示すビレット２８はアルミニウム合金粉末５を冷間押圧工程で押圧した後に第１及び第２熱間プレス工程によって熱間プレスされるため、その中心部での材料の充填率が低く、外面に沿った方向に弱いファイバーフローが形成されたものとなっており、このようなビレット２８から鍛造によって成形される図１０（ｂ）に示す鍛造済み成形素材２９には底部２９ａに円筒部の軸線に沿った方向のファイバーフローが多数の層を成して強力に形成される。このため、鍛造済み成形素材２９の底部２９ａを機械加工によって切除して得られる図１０（ｃ）に示す鍛造スリーブ３０には円筒部の軸線方向に沿ったファイバーフローが多数の層を成して形成される。このため、鍛造スリーブ３０自体の剛性と強度が高められ、エンジン運転中のピストンから側圧荷重により鍛造スリーブ３０の内周面が軸方向において湾曲変形することがなく、エンジンの円滑で安定した運転が可能となる。
【００５４】
尚、図１２はアルミニウム合金粉末を型内で押圧して固化した金属塊とする第１工程と、この金属塊を押圧して塑性変形させる工程を経て鍛造前素材である鍛造用アルミニウム合金ビレットを得る別の実施の形態を示す図である。
【００５５】
本実施の形態においては、図１２（ａ）に示すように、事前に加熱炉でアルミニウム合金粉末の融点以下（例えば、２００〜６００℃、望ましくは５５０〜５８０℃）に加熱した所定重量のアルミニウム合金粉末を下型５１の中に収容して加圧する第１押圧工程と、該第１押圧工程によりアルミニウム合金粉末が密着固化した金属塊５２をその融点以下の温度（例えば、２００〜６００℃、望ましくは５００〜５３０℃）に加熱してこれを下型５６の上に載置し、これを上型５５で押圧する第２押圧工程を経てビレット５７を製造するようにしている。この場合、上型５０、下型５１をそれぞれアルミニウム合金粉末と同程度の温度に加熱しておくと良い。又、プレス速度は冷間押圧工程を省略しない場合の第１熱間プレス工程におけるプレス速度よりも遅くすると良い。
【００５６】
図１２（ｂ）に図１２（ａ）に示すものとは別の第２押圧工程を示す。
【００５７】
第１押圧工程を経て得られる金属塊５２の外形より押圧方向と直角となる方向において余裕のある下型６１内に例えば２００〜６００℃（望ましくは５００〜５３０℃）に加熱した金属塊５２を収納した後に押圧し、金型の内矩形状の鍛造前素材を得るものである。
【００５８】
この第２押圧工程を図４に示す第２熱間プレス工程に代えて実施しても良い。このようにすることにより、外形が円形であるピストンのみでなく、多種の外形形状の例えばコンロッド、４サイクルエンジンのバルブリフタ、ロッカーアーム、コンプレッサのスクロールプレートのための鍛造前素材を製造することが可能となる。
【００５９】
図１２（ｃ）には、１つの押圧金型を利用して第１押圧工程、第２押圧工程を実施するものを示す。
【００６０】
下型７１内に所定量のアルミニウム合金粉末を収容した後、上型７０で押圧固化して金属塊として第１押圧工程としている。このとき、移動型７２は所定の上位置にある。この後、移動型７２は所定の下位置に移動した後、更に上型７０の金属塊を押圧するか、上型７０の押圧移動に合わせて移動型７２を所定の下位置まで移動させる第２押圧工程を実施して鍛造前素材（ビレット）５７を製造するようにしている。この場合、アルミニウム合金粉末を加熱しておくのが望ましい。
【００６１】
図１２（ｄ）には、複数の押圧部を有する金型を使って複数個分を同時に押圧する第１と押圧工程で複数個分の金属塊８０を製造する方法を示す。金属塊８０を切断して各々のビレットに対応した金属塊８１を製造し、それぞれの金属塊８１を独立の第２押圧工程を経てビレット５７を製造するか、複数個分の金属塊８０を複数の押圧部を有する金型を使って押圧する第２押圧工程で複数個分のビレット素材８２を製造し、切断して個々のビレットを製造するようにする。この場合には、切断部８０ａ及び８２ａの断面積を他の部位の断面積よりも小さくすることが金型形状により容易に可能であり、図１３に示す押し出したものを切断するものに比べてアルミニウム合金の損耗量を小さく抑えることができる。
【００６２】
又、切断部８０ａ及び８２ａの断面積を他の部位の断面積よりも小さくすることができるため、切断による切断傷の発生の頻度を低く抑えることができ、その後の押圧或は鍛造におけるクラックの発生頻度を低く抑えて歩留りを向上させることができる。
【００６３】
尚、アルミニウム合金粉末を製造する工程の急冷凝固において空気中に溶融合金を噴霧して急冷凝固する場合、できる粉末は複雑な形状となり易く、これを使う場合には粉末を固化して密度の高い金属塊を得るために複数の押圧工程を経るようにし、その後、塑性変形のための押圧工程を実施すると、不良品の発生を抑えることができる。
【００６４】
一方、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガス中に噴霧して急冷凝固させたときは、楕円形の表面が比較的滑らかな粉末を形成することができるため、この粉末を使用する場合には、１回だけの押圧工程を実施するだけで粉末を固着して密度の高い金属塊を得ることが可能となる。
【００６５】
又、鍛造用アルミニウム合金ビレットを使って鍛造品を製造する場合であって、鍛造後Ｔ６処理を行う場合には、Ｔ６処理の温度を第２熱間プレス工程におけるアルミニウム合金の融点で且つＴ６処理の温度以上に設定し、鍛造品を製造する鍛造工程における加熱温度をＴ６処理の温度以下に設定すると良い。尚、Ｔ６処理の温度は実績に基づいた推奨値がＪＩＳにおいて規定されているアルミニウム合金製品のＴ６処理温度とすると良い。
【００６６】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、アルミニウム合金粉末を型内に収容して押圧することによって粉末を密着固化した金属塊とする第１押圧工程と、この金属塊を押圧して塑性変形させる第２押圧工程を経て鍛造前素材である鍛造用アルミニウム合金製ビレットを得るようにしているため、切断による損耗無くすか或は少なくすることができ、材料を無駄に消費することによるコストアップを招くことはない。又、アルミニウム容器を使用しないため、アルミニウム合金粉末に由来する均一な内部組織とすることができ、ビレットを使った鍛造品に高い強度を確保することができる。
【００６７】
又、本発明によれば、第１押圧工程と第２押圧工程とをそれぞれ別型を使用して実施するようにしたため、第２押圧工程における塑性変形を確実に実施することができ、アルミニウム合金粉末外周の酸化皮膜を確実に破り、十分な強度を得ることができる。
【００６８】
更に、本発明によれば、第１押圧工程を、型内で押圧して固化した密度の低い金属塊とする第１Ａ押圧工程と、型内で固化した密度の低い金属塊を押圧して密度の高い金属塊とする第１Ｂ工程とで構成し、前記第２押圧工程は前記密度の高い金属塊を押圧するようにしたため、第２押圧工程における塑性変形においてクラックの発生を抑えて歩留りを向上させることができる。
【００６９】
更に、本発明によれば、第１Ａ押圧工程と第１Ｂ押圧工程とを同一の型を使用して実施する一方、前記第２押圧工程を別型を使用して実施するようにしたため、型製造費を節約することができる。
【００７０】
更に、本発明によれば、第１押圧工程と第２押圧工程の一方或は双方において、アルミニウム合金粉末或は金属塊の一方或は双方を融点よりも低い所定温度まで加熱した状態で押圧するようにしたため、押圧荷重が小さくてもアルミニウム合金粉末を固化した金属塊ができ、或は固化した金属塊を押圧荷重が小さくても塑性変形可能となる。
【００７１】
更に、本発明によれば、第１Ａ押圧工程と第１Ｂ押圧工程及び第２押圧工程の少なくとも１つ又は２つ或は全てにおいて、アルミニウム合金の粉末又は金属塊を融点よりも低い温度まで加熱した状態で押圧するようにしたため、押圧荷重を低く抑えることができる。
【００７２】
更に、本発明によれば、後工程における金属塊の温度を前工程におけるアルミニウム合金の粉末或は金属塊の温度と同等或はそれ以上とした状態で押圧するようにしたため、アルルミニウム合金を形成する結晶中に溶解するガス成分が温度の低い後工程の方が溶解度が高いことになるため、高い応力下となる後工程の押圧中に結晶粒界に気泡化しにくくなり、後工程の押圧中にクラックの発生が起きにくくすることができる。
【００７３】
更に、本発明によれば、第１押圧工程を経て得られる中間半製品の比重量を第２押圧工程を経て得られる鍛造用アルミニウム合金製ビレットの比重量の９５％以上となるように第１押圧工程においてアルミニウム合金粉末を密着させるようにしたため、塑性変形させる第２押圧工程でクラックの発生を抑えることができる。
【００７４】
更に、本発明によれば、中間半製品の少なくとも第２押圧工程において押圧される面に鉱物油を塗布するか、第２押圧工程における押圧型の表面に鉱物油を塗布するかの少なくとも一方を実施した後、第２押圧工程を実施するようにしたため、前記中間半製品の全領域で塑性変形させることができ、ビレットの強度を高め、結果的にその後の工程で得られる鍛造品の強度を高めることができる。
【００７５】
更に、本発明によれば、第２押圧工程を、第１押圧工程を経て得られる中間半製品を床型上に載置してこれを押圧する側面拘束のない自由押圧工程で構成したため、型製作費を節約することができる。
【００７６】
更に、本発明によれば、第２押圧工程を、第１押圧工程を経て得られる中間半製品を内周が該中間半製品の外周より大きな型内に収容載置し、これを前記外周より大きな型内に嵌合する押圧型で押圧する側面拘束のある押圧工程で構成したため、外形が円形となる単純なもののみでなく、コンロッドやロッカーアーム等の外形が複雑な形状の鍛造品の鍛造前素材として使用可能となる。そして、この鍛造前素材をそのまま或は必要最小限の切断等を実施した上で鍛造型に収納して鍛造品を得ることができるため、材料の無駄を省くことができる。
【００７７】
更に、本発明によれば、アルミニウム合金粉末を型内に収容してこれを押圧型にて常温で押圧して第１半製品を得る冷間押圧工程と、該冷間押圧工程で得られた前記第１半製品を型内に収容してこれを押圧型にて２００℃〜６００℃の熱間でプレスして第２半製品を得る第１熱間プレス工程と、該第１熱間プレス工程で得られた前記第２半製品を床型上に載置してこれを押圧型にて２００℃〜６００℃の熱間でプレスする第２熱間プレス工程を経て鍛造用アルミニウム合金製ビレットを製造するようにしたため、該アルミニウム合金製ビレットを鍛造することによって得られる鍛造品に高さ方向のファイバーフローを形成することができ、該鍛造品に十分高い強度を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法の工程を示す説明図である。
【図２】ビレットの強度とＬ１／Ｌ２（第２半製品の高さＬ１と鍛造用アルミニウム合金製ビレットの高さＬ２との比）との関係を示す図である。
【図３】アルミニウム合金粉末の製造方法をその工程順に示す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る鍛造ピストン用アルミニウム合金製ビレットの製造方法をその工程順に示す説明図である。
【図５】アルミニウム合金製ビレットから金型による鍛造を経て鍛造ピストを製造する工程を示す断面図である。
【図６】アルミニウム合金製ビレットと鍛造済み成形素材に形成されたファイバーフローを示す図である。
【図７】シリンダブロックの断面図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係る鍛造スリーブ用アルミニウム合金製ビレットの製造方法をその工程順に示す説明図である。
【図９】アルミニウム合金製ビレットから金型による鍛造を経て鍛造スリーブを製造する工程を示す断面図である。
【図１０】鍛造済み成形素材と鍛造スリーブに形成されたファイバーフローを示す図である。
【図１１】アルミニウム合金粉末を微視的に示す図である。
【図１２】本発明の別実施の形態に係る鍛造用アルミニウム合金ビレットの製造方法をその工程順に示す図である。
【図１３】従来の鍛造用アルミニウム合金製ビレットの製造方法をその工程順に示す説明図である。
【符号の説明】
５                アルミニウム合金粉末
６，２６          第１半製品
７，２７          第２半製品
８，２８          鍛造用アルミニウム合金製ビレット
９，２９          鍛造済み成形素材
１０              鍛造ピストン
１１，１３        下型（型）
１２，１６，２０  上型（押圧型）
１７              下型（床型）
３０              鍛造スリーブ
３７              下型（型）
４０              上型（押圧型）
５０，６０，７０  上型
５１，６１，７１  下型
５７              鍛造用アルミニウム合金製ビレット
７２              移動型
８０，８１        金属塊
【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】
0004080111.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0004080111.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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