JPH09256903A

JPH09256903A - 内燃機関のピストン及びその製造方法

Info

Publication number: JPH09256903A
Application number: JP8069552A
Authority: JP
Inventors: Masato Sasaki; 正登佐々木
Original assignee: Unisia Jecs Corp
Current assignee: Hitachi Unisia Automotive Ltd
Priority date: 1996-03-26
Filing date: 1996-03-26
Publication date: 1997-09-30

Abstract

(57)【要約】【目的】ピストンの製造作業能率の向上とコストの低
廉化を確保しつつ耐摩耗性と耐凝着性を満足すると共
に、ピストン本体とアルミニウム合金部材との接合境界
面の接合強度を向上させる。【構成】アルミニウム合金製からなるピストン本体１
のリングランド部３に３つのピストンリング溝が形成さ
れた内燃機関のピストンである。前記ピストンリング溝
のトップリング溝に対応する位置に環状凹部２２を形成
すると共に、該凹部２２内に、炭化珪素ＳｉＣの粒子を
含有したアルミニウム合金部材１１を鋳造により形成す
る。また、少なくともアルミニウム合金部材１１の上下
面とトップリング溝４の内面との接合境界面２０を、電
子ビームの高エネルギー密度のビームを照射して再溶融
接合した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術】本発明は、自動車等の内燃機関の
ピストン及び該ピストンの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、近時、自動車用内燃機関
のピストンにあっては、高出力化高性能化の要請に伴い
軽量化を図るべくその材質を鋳鉄に代えてアルミニウム
合金で形成しており、また、シリンダボアの内壁面と対
向する外周面に、ピストンリングが装着される複数のピ
ストンリング溝が形成されている。さらに、このピスト
ンリング溝のうち燃焼室に最も近いトップリング溝は、
特に高温に晒され、かつ燃焼圧力を直接受けるため、ピ
ストンリング（トップリング）との摩耗が激しい。この
ため、トップリング溝とトップリングとの間には、アル
ミ凝着が発生し易くなる。

【０００３】そこで、斯かるアルミ凝着を防止する種々
の技術が開発されており、例えば（１）トップリング溝
の表面部に無機繊維集合体を複合させて強化するもの
（特開昭５９−２０１９５３号公報）や、（２）Ｉｎ−
ＳｉｔｕプロセスによるハイブリッドＭＭＣ（金属基複
合材料）をピストンへ応用するもの（自動車技術１９８
９−５．ＮＯ８９１０５６）、（３）トップリング溝の
表面部にニッケル多孔体を複合させて強化するもの（特
公平３−３０７０８号公報）などがある。また、（４）
トップリング溝の表面部をアルマイト処理層により強化
したり（特開平１−１９０９５１号公報）、（５）トッ
プリング溝の表面部に銅などを電子ビームで溶融拡散さ
せることにより合金層を形成するもの（三菱自動車１９
８８，ＮＯ１「テクニカルレビュー」，特開平２−１２
５９５２号）があり、更には、（６）トップリング溝部
分にニレジスト鋳鉄をアルフィン処理してアルミニウム
合金に鋳ぐるんでリング支持部材とするものなど、多く
の改良技術が提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】然し乍ら、前記各従来
例には、以下のような欠点がある。即ち、（１），
（２），（３）の従来例にあっては、無機繊維材等の材
料上の点からその成形法として高圧凝固法を用いなけれ
ばならない。したがって、製造コストの上昇が余儀なく
されるばかりか、ピストンの形状が制約されてしまう。

【０００５】また、（４）の従来例にあっては、アルマ
イト処理層によりピストンリングとの耐凝着性は向上す
るものの、耐摩耗性が不十分になる。更に、（５）の従
来例は、逆に耐凝着性が不足する惧れがある。

【０００６】また、（６）の従来例は、最も古くから行
われている技術であり、耐摩耗性や耐凝着性は確保でき
るものの、鋳鉄製であるため、重量の増加が余儀なくさ
れる。さらに、他の従来例として特開平２ー１０１１
４１号に記載された発明のように、アルニミウム合金
を、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｍｇ，Ｆｅ，Ｍｎを夫々所定の重量％
を割合で配合し、このアルミ合金の粉末のマトリックス
にＡｌ₂Ｏ₃等の一種の粒子を分散させて高強度のアルニ
ミウム合金を成形するものも提供されているが、この材
料を高いエネルギー密度の熱源により再溶融させると、
該再溶融部の接合の際に、再溶融部にブローホールが発
生するおそれがある。なぜならば、粉末粒子間に不可避
の空気が存在して最終加工まで残留してしまう可能性が
あるからである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述の各従来
例における実情に鑑みて案出されたもので、請求項１の
発明は、アルミニウム合金製からなるピストン本体の外
周に複数のピストンリング溝が形成されてなる内燃機関
のピストンにおいて、前記ピストンリング溝の少なくと
もトップリング溝に対応する位置に環状凹部を形成する
と共に、該環状凹部内に、炭化珪素の粒子を含有したリ
ング溝形成用のアルミニウム合金部材を鋳造により形成
し、かつ前記アルミニウム合金部材と前記凹部との接合
境界面を、高エネルギー密度の熱源により再溶融接合す
ると共に、前記アルミニウム合金部材の外周にリング溝
を形成したことを特徴としている。

【０００８】請求項２の発明は、アルミニウム合金製か
らなるピストン本体の外周にピストンリング溝形成用の
アルミニウム合金部材を鋳造する内燃機関のピストンの
製造方法であって、前記ピストン本体の成形時に、前記
ピストンリング溝の少なくともトップリング溝に対応す
る位置に環状の凹部を形成し、続いて、該凹部内に、炭
化珪素の粒子を含有したアルミニウム合金部材を鋳造し
て凝固させた後、該アルミニウム合金部材と前記凹部と
の接合境界面を、高エネルギー密度の熱源により再溶融
して冷却接合したことを特徴としている。

【０００９】請求項３の発明は、アルミニウム合金製か
らなるピストン本体の外周に複数のピストンリング溝が
形成されてなる内燃機関のピストンにおいて、前記ピス
トンリング溝の少なくともトップリング溝に対応する位
置に環状凹部を形成すると共に、該凹部内に、炭化珪素
の粒子を含有しかつピストン本体の母材よりも高濃度の
合金元素を含むリング溝形成用のアルミニウム合金部材
を鋳造により形成し、かつ該アルミニウム合金部材と前
記凹部との接合境界面を、高エネルギー密度の熱源によ
り再溶融し、さらに、この再溶融部のアルミニウム合金
を、１０.０重量％≦Ｃｕ≦２３.０重量％、及び不可避
不純物を含むアルミニウム合金マトリックスに、Ａｌ₂
Ｏ₃粒子，ＳｉＣ粒子，Ｓｉ₃Ｎ₄粒子，ＺｒＯ₂粒子，Ｓ
ｉＯ₂粒子，ＴｉＯ₂粒子，ＷＣ粒子及び金属Ｓｉ粒子か
ら選択される少なくとも一種の硬質粒子を、前記アルミ
ニウム合金マトリックスに対して５体積％以上、２５体
積％以下分散させたことを特徴としている。

【００１０】

【作用】前記構成の本発明によれば、ピストンリング溝
を形成するためのアルミニウム合金部材は、材料上の点
から鋳造等によって成形できると共に、該アルミニウム
合金部材を単にピストン本体の成形時に鋳造することに
よって形成したため、その製造コストの低廉化が図れ
る。また、前記アルミニウム合金部材内のＳｉＣ粒子に
よってピストンリングに対する耐摩耗性が向上すると共
に、耐凝着性も向上する。

【００１１】しかも、凹部とアルミニウム合金部材との
接合境界面を、例えば電子ビームを照射して再溶融し、
その後冷却接合するようにしたため、再溶融による均質
な合金層が形成されて該両者の境界面の接合強度を著し
く高くすることができる。

【００１２】請求項３の発明によれば、溶融後の再溶融
部の合金成分を最適に調整することにより合金濃度の低
下を防止して、耐摩耗性，耐凝着性等の向上を図ること
ができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づいて詳述する。

【００１４】図１〜図２は本発明に係る内燃機関用ピス
トンの断面図を示し、このピストンは、ピストン本体１
がアルミ合金製（ＪＩＳＡＣ８Ａ−Ｔ６）で略円筒状に
形成され、燃焼室に臨む冠部２と、該冠部２の下部に有
するリングランド部３の外周面に形成された３つのピス
トンリング溝４，５，６と、該各トップ，セカンド，オ
イルリング溝４〜６に嵌着されるピストンリング７，
８，９と、各リング溝４〜６下部のスカート部１０とを
備えている。

【００１５】前記トップリング溝４は、冠部２の頂面２
ａから９mm離れた位置を中心に、幅４mm，深さ８mmに形
成されていると共に、この表面部が後述の成形方法で成
形されたアルミニウム合金部材１１によって形成されて
いる。

【００１６】このアルミニウム合金部材１１は、炭化珪
素（ＳｉＣ）の粒子を含有したアルミニウム合金で構成
され、前記ピストン本体１の環状凹部２２内に鋳造によ
って一体に形成されている。

【００１７】以下、前記ピストンの具体的な製造方法に
ついて説明する。すなわち、まず、ピストン本体１のア
ルミニウム合金材（ＪＩＳＡＣ８Ａ−Ｔ６）を溶解し
て、９９３Ｋに保持する。一方、アルミニウム合金部材
１１については、最大径で数μｍから数十μｍのＳｉＣ
粒子を１０〜２０％含有したアルミニウム合金鋳造イン
ゴットを、アルゴンガス等の不活性雰囲気中で溶解し、
９９３Ｋに保持した後、機械撹拌を行いＳｉＣ粒子をア
ルミニウム合金材内に均一に分散させる。

【００１８】その後、図３Ａ〜Ｄに示す鋳型によってピ
ストン本体１とアルミニウム合金部材１１の鋳造を行
う。図中の３１は上型、３２は主型、３３は下型、３４
は中子、３５は内周部に凸部３５ａを有する凹部形成用
型、３６は成形工程時に凹部形成用型３５と交換される
ほぼ円環状の合金部材形成用型、３７，３８は湯道、３
９は押湯口である。

【００１９】そして、図３Ａ，Ｂに示すように、まずア
ルミニウム合金材（ＡＣ８Ａ）の溶湯を湯道３７の湯口
３７ａからキャビティ４０内に注湯する。この溶湯をキ
ャビティ４０内に充填した後に凝固させてピストン本体
１を鋳造する。その際、図３Ｂに示すように、凹部形成
用型３５によってピストン本体１のトップリング溝に対
応する位置に円環状の凹部２２を形成する。

【００２０】次に、図３Ｃに示すように、凹部形成用型
３５を主型３２から取り外し、合金部材形成用型３６と
交換する。つまり、合金部材形成用型３６を取り付け
る。したがって、この合金部材形成用型３６の内周面と
凹部２２の内面との間に円環状の空洞部２３が形成され
る。また、凹部形成用型３５は湯道３８とキャビティ４
０との間を遮断していたが、合金部材形成用型３６の所
定部位に形成された連通孔３６ａによって湯道３８とキ
ャビティ４０は連通される。

【００２１】続いて、図３Ｄに示すように、湯道３８の
湯口３８ａから炭化珪素の粒子を含有したアルミニウム
合金材の溶湯を空洞部２３内に注湯して凝固させる。

【００２２】その後、離型を行って鋳造物を取り出し、
押湯口３９の残部と湯道３７，３８の残部を切断する
と、ピストン本体１の凹部２２内に炭化珪素の粒子を含
有したアルミニウム合金部材１１が形成されたピストン
の粗材が完成する。

【００２３】また、炭化珪素を含有したアルミニウム合
金部材１１を注湯する際に溶湯の加熱温度を上げたり、
またピストン本体１を十分に予熱した場合などには、該
両者の接合境界面２０が十分に溶着する現象が認められ
るが、その温度条件範囲は極めて狭く、均一に接合する
ことがむずかしい。そこで、本実施例ではアルミニウム
合金部材１１とピストン本体１の接合境界面２０を、電
子ビームやＴｉＧレーザ等の高エネルギー密度の熱源
で、再溶融して接合するようになっている。

【００２４】以下、斯かるアルミニウム合金部材１１を
ピストン本体１と再溶融して接合する工程を図４〜図５
に基づいて説明する。まず、図４に示すように前記アル
ミニウム合金部材１１の外周面１１ａが露出しているピ
ストン本体１のリングランド部３の外周を切削加工して
表面を平滑にする。その後、図５Ａ，Ｂに示すようにア
ルミニウム合金部材１１の上下面とリングランド部３と
の間の境界面２０を、例えば電子ビームの高いエネルギ
ービームを照射して高熱源により再溶融する。つまり、
ピストン本体１とアルミニウム合金部材１１の各アルミ
ニウム合金を再溶融し、その後、急冷却して固化させ
る。したがって、斯かる再溶融部２１によって、境界面
２０に均質な合金層が形成されて高い接合強度が得られ
る。尚、再溶融して強固に接合した後は、図５Ｃに示す
ようにアルミニウム合金部材１１の外周部にリング溝４
を環状に切削加工する。

【００２５】また、図６Ａ，Ｂは第２実施例を示し、前
記アルミニウム合金部材１１とリングランド部３との接
合境界面２０全体を再溶融して接合したものである。ア
ルミニウム合金部材１１の外周部に図に示すようにトッ
プリング溝４を形成することは先の実施例と同様であ
り、再溶融によって前記実施例と同様にアルミニウム合
金部材１１とピストン本体１との強固な接合が得られ
る。特に、この実施例では、再溶融部２１のＳｉＣ粒子
の分散が非常に均一になる。これは、電子ビームの高エ
ネルギービームによる撹拌効果と急冷効果によるもので
ある。

【００２６】図７Ａは前記高ネルギービームで再溶融さ
せる前の断面組織写真を図面化したもので、図７Ｂは再
溶融させた後の断面組織写真を図面化したものであっ
て、図７Ａで明らかなように再溶融前のアルミニウム合
金部材１１の上下面付近ではアルミニウム合金内のＳｉ
Ｃ粒子（黒点）が局部的に集合した形になっているが、
再溶融後は、図７Ｂで明らかなようにＳｉＣ粒子が全体
に均一に分散した形になり、アルミニウム合金部材１１
とピストン本体１の各アルミニウム合金が均質な合金相
となり、金属学的に強固に結合されている。

【００２７】そして、アルミニウム合金部材１１とピス
トン本体１とは、互いのアルミニウム合金自体が再溶融
して金属接合するものであり、したがって、再溶融部２
１のＳｉＣ粒子の体積％はやや低下してしまう。このた
め、第１実施例のようにトップリング溝４が再溶融部２
１に掛からない場合は問題が生じないが、再溶融部に掛
かる場合や第２実施例の場合には、ＳｉＣ粒子の体積％
を大きく低下させないために、ピストン本体１側のアル
ミニウム合金の溶解量を少なくする必要がある。したが
って、少なくともアルミニウム合金部材１１の外周面か
ら約１mm以内のピストン本体１側のアルミニウム合金の
溶融量とすることが望ましい。

【００２８】図８〜図９は本発明の第３実施例を示し、
アルミニウム合金部材１１をピストン本体１の冠部２に
露出させて、トップランドハイトＨを最小にする場合の
製造方法を示している。

【００２９】即ち、予めアルミニウム合金部材１１を、
図８に示したようにピストン本体１の冠部２に形成され
た凹部２２内に設けた後、図９Ｂに示すように冠部２の
上方とリンングランド部３の側方から電子ビームの高エ
ネルギービームをアルミニウム合金部材１１と凹部２２
との接合境界面２０に照射して再溶融し、その後該再溶
融部２１を冷却固化することによって接合する。続い
て、図９Ｃに示すように、アルミニウム合金部材１１の
外周面にトップリング溝４を形成する。

【００３０】したがって、この実施例によれば、トップ
ランドハイトＨを可及的に小さくすることができること
は勿論のこと、冠部２のコーナ部Ｃがアルミニウム合金
部材１１になっているため、強度が著しく向上し、エン
ジンの高出力化に十分に対応することが可能になる。

【００３１】また、この場合、高熱に晒される冠部２の
上面にアルミニウム合金部材１１とピストン本体１との
境界面２０が露出することになるが、この部位は接合強
度の大きな再溶融部となっているため、両者間での剥離
現象が確実に防止される。即ち、従来例の前記（６）の
ようにニレジスト鋳鉄をアルフィン処理によってアルミ
ニウム合金部材とピストン本体とを接合する場合には、
冠部に発生する熱応力に耐えられず接合境界面２０に剥
離が生じる惧れがあるが、前記本実施例の場合には斯か
る剥離現象を確実に回避できる。

【００３２】以下、前述のような工程で成形されたアル
ミニウム合金部材１１の接合境界面２０の強度と耐摩耗
性と耐凝着性及び機械加工性についての特性変化を実験
した結果を述べる。

【００３３】まず、マトリックスのアルミニウム合金の
成分を表１に示す。この実験においては、鋳造法で製作
した試料を用いた。またＳｉＣ粒子の添加量は、０，
５，１０，１５，２０，２５，３０体積％として７種の
材料について評価した。

【００３４】

【表１】

【００３５】そして、耐摩耗性の評価方法は、図１０に
示す装置を用いて行った。即ち、図外のモータで回転す
る回転台１５上にピストンリング７を固定して、この上
部にヒータ１６の下端に固定されたテストピース１７を
押し付けて摩耗させる。このテストピース１７は、ピス
トン本体１のリング溝から切り出したアルミニウム合金
部材である。この方法における温度，潤滑状態等の試験
条件は実際のエンジンのピストンと相関性のあるものと
した。評価は、試験後の摩耗深さで行った。

【００３６】また、耐凝着性の評価方法は、図１１に示
す装置を用いて行い、ピストン本体１のトップリング溝
４下面にピストンリング７を押し当てて、アクチュエー
タ１８，１９を介して矢印一方向にのみ摺動させる加速
試験法によった。評価は、リング溝４のピストンリング
７摺動面積に対する凝着摩耗した面積の割合で行った。

【００３７】機械加工性の評価は、直径７０mmの円柱粗
材を以下の加工条件で加工し、工具の摩耗量が０.３mm
になるまでの加工数で評価した。切削速度：２００m/mi
n，切り込み量：０.３mm，送り量：０.０３mm（１回転
毎），工具：気相合成ダイヤモンド工具（旭ダイヤ
（株）製）前記各評価結果を表２に示す。

【００３８】ここで、耐摩耗性は、ＳｉＣ粒子が無添加
（Ｏ）の摩耗量を１００とした割合を示す。数値が小さ
い程摩耗しないことを示す。

【００３９】また、耐凝着性は、ＳｉＣ粒子が無添加の
凝着した面積を１００とした割合を示す。数値が小さい
程凝着しないことを示す。

【００４０】機械加工性は、ＳｉＣ粒子の無添加の粗材
を、工具としてＣＰＸを使って加工した場合の工具寿命
を１００とした。但し、ＳｉＣ粒子が添加された粗材は
気相合成ダイヤモンド工具で加工している。

【００４１】

【表２】

【００４２】上記表２から明らかなように、ＳｉＣ粒子
の添加量が５重量％でも無添加の場合に比べて耐摩耗性
は著しく向上し、１０体積％でほぼその効果は一定とな
る。

【００４３】一方、耐凝着性も同様な傾向にあり、Ｓｉ
Ｃ粒子の添加量が５体積％でも無添加に比べて著しく向
上していることがわかる。しかし、１０体積％以上では
凝着の発生はない。

【００４４】また、機械加工性は、ＳｉＣ粒子の添加量
が５体積％でも無添加に比べて加工性が悪くなる。更
に、添加量の増加に伴って加工性は悪化してゆき、３０
体積％では工具の刃先に欠けが生じて加工不能である。

【００４５】以上の実験から、最適なＳｉＣ粒子の添加
量は５体積％から２５体積％までで、望ましくは１０体
積％から２０体積％であることがわかる。

【００４６】さらに、以上説明してきたアルミニウム合
金のピストン本体１内にアルミニウム合金部材１１を鋳
造により形成したピストンを、内燃機関に組み込んで試
験を行った。ここで、アルミニウム合金部材１１のＳｉ
Ｃ粒子の添加量は１０体積％に設定した。尚、比較のた
めに前述のようなアルミニウム合金部材１１をピストン
本体１に形成しないピストンの試験も行った。

【００４７】運転条件は、４気筒で排気量が１,６００
ｃｃのガソリン機関を用い油温１５０度，冷却水温度１
２０度にて１００時間の連続運転を行った。

【００４８】この結果、アルミニウム合金部材１１を設
けないピストンは５０μｍの摩耗が発生し、トップリン
グ溝下面の８５％に凝着の発生が認められたのに対し、
前記アルミニウム合金部材１１を鋳ぐるんだピストンに
は、摩耗も凝着も認められなかった。

【００４９】更に、本発明の実施例におけるＳｉＣ粒子
１０体積％のアルミニウム合金部材１１とピストン本体
１の接合部のせん断強度を、従来におけるニレジスト鋳
鉄をアルフィン処理したアルミニウム合金部材とピスト
ン本体の接合部のせん断強度と比較した実験を行った。
この結果、本発明によるせん断強度は、図１２に示すよ
うに従来例よりも４倍以上の強度を有していることが明
らかになった。

【００５０】請求項３に記載した発明の実施例は、前記
各実施例におけるピストン本体１内に鋳込まれるアルミ
ニウム合金部材１１のアルミニウム合金母材に含有され
る成分を変更して、後述する再溶融部の合金成分を最適
に調整したものである。

【００５１】即ち、アルミニウム合金部材１１は、Ｓｉ
Ｃ粒子を２０体積％を含んだアルミニウム合金インゴッ
トを溶解し、溶湯温度を約７４０℃に保持する。前記ア
ルミニウム合金インゴットは、商品名ＤＵＲＡＬＣＡＮ
（Ｆ３Ｋ・２０Ｓカタログ参照）の主成分をベースとし
て、目標成分となるようにＣｕ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｓｉを夫
々母合金または純金属の形で以下の表に示すように添加
する。ここで、Ｃｕは銅線、Ｎｉは粉末またはワイヤ
ー、ＭｎはＡｌ−６０Ｍｎ、ＳｉはＡｌ−４０Ｓｉの母
合金の形で添加した。

【００５２】

【表３】

【００５３】硬質粒子の添加量を前記のように特定する
と、アルミニウム合金マトリックスにおける硬質粒子の
分散状態が、そのアルミニウム合金の耐摩耗性を向上さ
せる上で最適になる。また、硬質粒子は、アルミニウム
合金マトリックスの結晶転位を固着してクリープ特性及
び耐応力腐食割れ特性の改善，熱膨張係数の低下，ヤン
グ率及び疲労強度，耐摩耗性，耐凝着性の向上等の諸効
果を有する。

【００５４】ただし、アルミニウム合金マトリックスに
対する硬質粒子の含有量が０.５重量％を下回ると、耐
摩耗性が改善されず、またヤング率の向上及び熱膨張係
数の減少の程度も低くなり、一方、１５.０体積％を上
回ると、相手材の摩耗が増大する。

【００５５】他の成分の含有理由及び含有量の限定理由
は以下の通りである。

【００５６】(ａ) ＣｕについてＣｕは、金属間化合物を形成し、アルミニウム合金マト
リックスを強化し耐摩耗性、耐凝着性を向上させる効果
を有する。ただし、１０重量％を下回ると前記効果を得
ることができず、一方、２３重量％を上回ると、非常に
硬くなる一方、脆くなり、耐摩耗性が悪化する。そし
て、溶融部のＣｕ量を変化させ、摩耗試験を行い、図１
３のような結果を得た。また、耐摩耗性の評価方法は、
図１０に示す装置を用いて行った。即ち、図外のモータ
で回転する回転台上にピストンリングを固定して、この
上部にヒータの下端に固定されたテストピースを押し付
けて摩耗させる。このテストピースは、ピストン本体の
リング溝から切り出したアルミニウム合金部材である。
この方法における温度、潤滑状態等の試験条件は、実際
のエンジンのピストンと相関性のあるものとした。評価
は試験後の摩耗深さで行った。

【００５７】このような成分構成になる様にアルミニウ
ム合金部材の成分をあらかじめ調整しておく。

【００５８】そして、目標成分に調整後、溶湯中のＳｉ
Ｃ粒子を均一に分散するため溶湯の撹拌を行う。その
後、アルミニウム合金部材１１を前述の方法で鋳造す
る。

【００５９】尚、鋳造後のアルミニウム合金部材１１
は、合金母材が高硬度になるため、切削加工が困難にな
り、したがって、ニアネット（正味に近い）の形状に鋳
造することが望ましい。

【００６０】また、アルミニウム合金部材１１の鋳造後
に、リングランド部３の外周切削加工を行い、アルミニ
ウム合金部材１１の外周面を平滑にしてもよい。その
後、アルミニウム合金部材１１とピストン本体１１の境
界面２０を電子ビームの高いエネルギー密度の熱源で再
溶融して接合する。

【００６１】ここで、ピストン本体１のアルミ合金母材
が例えばＡＣ８Ａである場合は、再溶融部２１の合金濃
度は前述の目標成分より低くなり、Ｃｕが約２０．０重
量％，ＳｉＣが約１０体積％になる。これらが、最終的
に得たい合金成分の代表値である。

【００６２】即ち、再溶融部２１のアルミニウム合金
は、１０.０重量％≦Ｃｕ≦２３.０重量％、Ｓｉｃ粒子
は５体積％以上、２５体積％以下になる。

【００６３】このように、再溶融部２１の合金濃度とす
ることにより、該再溶融部２１内にブローホールの発生
を防止できると共に、合金濃度の低下が防止される。

【００６４】つまり、本実施例のように再溶融部２１の
合金濃度を設定しておけば、粉末粒子間に空気の残留を
防止できると共に、合金濃度の低下が防止されて、アル
ミ合金粉末を使った材料の様に耐摩耗性，耐凝着性等の
向上を図ることができる。

【００６５】なお、本発明は前記実施例の構成に限定さ
れるものではなく、例えばアルミニウム合金部材１１の
巾を大きく設定して、外周部にトップリング溝と他の二
つのピストンリング溝を形成することも可能である。

【００６６】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、請求項１
および２記載の発明によれば、ＳｉＣ粒子を含有したリ
ング溝形成用のアルミニウム合金部材をアルミニウム合
金製のピストン本体の凹部内に鋳造により形成する構成
としたため、従来のような高圧凝固法を用いることなく
単に重力鋳造によって成形できる。

【００６７】しかも、前記従来例のニレジスト鋳鉄の鋳
ぐるみ方法のように、別個に製造された鋳ぐるみ材をピ
ストン本体に鋳ぐるんで設けるのではなく、アルミニウ
ム合金部材をピストン本体の鋳造時に該ピストン本体に
直接形成したため、製造作業能率の向上とコストの低廉
化が図れる。

【００６８】また、ピストン本体とアルミニウム合金部
材との境界面を、高エネルギー熱源によって再溶融して
冷却接合したため、該境界面部位の接合強度が極めて高
くなる。また、アルミニウム合金部材の特異な内部構造
によって軽量化が図れることは勿論のこと、ＳｉＣ粒子
が均一に分散するため、耐摩性及び耐凝着性の向上が図
れる。

【００６９】さらに、請求項３記載の発明によれば、合
金濃度の低下が防止されて、耐摩耗性，耐凝着性等が一
層向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施例を示すピストンの要部断面図。

【図２】本実施例のピストンの縦断面図。

【図３】Ａ〜Ｄは本実施例のピストンの成形行程を示す
説明図。

【図４】ピストン冠部の凹部にアルミニウム合金部材を
形成した状態を示す縦断面図。

【図５】Ａは図４の要部拡大図、Ｂはピストン本体とア
ルミニウム合金部材との境界面の再溶融部を示す要部拡
大図、Ｃはアルミニウム合金部材にリング溝を切削加工
した状態を示す要部拡大図。

【図６】Ａは本発明の第２実施例を示し、リング溝形成
用のアルミニウム合金部材とピストン本体の再溶融部を
示す拡大断面図、Ｂはアルミニウム合金部材にリング溝
を切削加工した状態を示す拡大断面図。

【図７】Ａは再溶融前におけるアルミニウム合金部材の
顕微鏡写真を図面化した組織図、Ｂは再溶融後における
境界面部の顕微鏡写真を図面化した組織図。

【図８】本発明の第３実施例を示し、冠部のトップラン
ド上部にアルミニウム合金部材を形成した状態を示す縦
断面図。

【図９】Ａは本実施例の再溶融前における要部拡大図、
Ｂはアルミニウム合金部材全体とピストン本体の境界面
とを再溶融した状態を示す要部拡大図、Ｃは再溶融接合
後においてアルミニウム合金部材の外周にリング溝を切
削加工した状態を示す要部拡大図。

【図１０】耐摩耗性のテスト装置を示す説明図。

【図１１】耐凝着性のテスト装置を示す説明図。

【図１２】本発明と従来例のせん断強度を比較して示す
棒グラフ。

【図１３】摩耗試験の結果を示すグラフ。

【符号の説明】

１…ピストン本体２…冠部３…リングランド部４…トップリング溝７…トップリング１１…アルミニウム合金部材２０…境界面２１…再溶融部。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｂ２３Ｋ 15/00 ５０５Ｂ２３Ｋ 15/00 ５０５ 26/00 ３１０ 26/00 ３１０ＮＦ１６Ｊ 1/01 Ｆ１６Ｊ 1/01 9/00 9/00 Ａ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウム合金製からなるピストン本
体の外周に複数のピストンリング溝が形成されてなる内
燃機関のピストンにおいて、前記ピストン本体のピストンリング溝の少なくともトッ
プリング溝に対応する位置に環状凹部を形成すると共
に、環状凹部内に、炭化珪素の粒子を含有したリング溝
形成用のアルミニウム合金部材を鋳造により形成し、か
つ前記アルミニウム合金部材と前記凹部との接合境界面
を、高エネルギー密度の熱源により再溶融接合すると共
に、前記アルミニウム合金部材の外周にリング溝を形成
したことを特徴とする内燃機関のピストン。
【請求項２】アルミニウム合金製からなるピストン本
体の外周にピストンリング溝形成用のアルミニウム合金
部材を鋳造する内燃機関のピストンの製造方法であっ
て、前記ピストン本体の成形時に、前記ピストンリング溝の
少なくともトップリング溝に対応する位置に環状の凹部
を形成し、続いて、前記凹部内に、炭化珪素の粒子を含
有したアルミニウム合金部材を鋳造して凝固させた後、
該アルミニウム合金部材と前記凹部との接合境界面を、
高エネルギー密度の熱源により再溶融して冷却接合した
ことを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。
【請求項３】アルミニウム合金製からなるピストン本
体の外周に複数のピストンリング溝が形成されてなる内
燃機関のピストンにおいて、前記ピストンリング溝の少なくともトップリング溝に対
応する位置に環状凹部を形成すると共に、該凹部内に、
炭化珪素の粒子を含有しかつピストン本体の母材よりも
高濃度の合金元素を含むリング溝形成用のアルミニウム
合金部材を鋳造により形成し、かつ該アルミニウム合金
部材と前記凹部との接合境界面を、高エネルギー密度の
熱源により再溶融し、さらに、この再溶融部のアルミニ
ウム合金を、１０.０重量％≦Ｃｕ≦２３.０重量％、及び不可避不純物を含むアルミニウム合金マトリックス
に、Ａｌ₂Ｏ₃粒子，ＳｉＣ粒子，Ｓｉ₃Ｎ₄粒子，ＺｒＯ
₂粒子，ＳｉＯ₂粒子，ＴｉＯ₂粒子，ＷＣ粒子及び金属
Ｓｉ粒子から選択される少なくとも一種の硬質粒子を、
前記アルミニウム合金マトリックスに対して５体積％以
上、２５体積％以下分散させたことを特徴とする内燃機
関のピストン。