JP2018178848A - 内燃機関のピストン及び内燃機関のピストンの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐磨環とピストン本体部との接合性を向上することができる内燃機関のピストンを提供する。【解決手段】 内燃機関のピストンは、ピストン本体部、耐磨環、及び中間層を有する。ピストン本体部は、アルミニウム合金又はマグネシウム合金から形成され、ピストンヘッド、及びピストンヘッドと一体のスカート部を有する。耐磨環は、ピストン本体部よりも硬度が高く、ピストンリング溝があり、ピストンヘッドに固定される。中間層は、ピストンヘッドと耐磨環との間にあり、アルミニウム及び添加剤を含む。添加剤は、アルミニウムの濡れ性を向上させる。【選択図】 図３

Description

本発明は、内燃機関のピストンに関する。

従来、内燃機関のピストンであって、ピストンヘッドに耐磨環が固定され、耐磨環にピストンリング溝があるピストンが知られている。例えば特許文献１に開示されるピストンの製造工程では、ニレジスト鋳鉄製の耐磨環部材をアルフィン処理した後、この耐磨環部材を型にセットしてピストン本体部を鋳造することで、ピストンヘッドに耐磨環が鋳込まれたピストンが製造される。

特開平５−２３７６３２号公報

従来のピストンでは、耐磨環とピストン本体部との接合性を向上する余地があった。

本発明の一実施形態に係る内燃機関のピストンは、好ましくは、ピストン本体部と耐磨環との間に、アルミニウムを含む中間層がある。中間層は、アルミニウムの濡れ性を向上させる添加剤をさらに含む。

よって、耐磨環とピストン本体部との接合性を向上することができる。

第1実施形態の1つのシリンダの軸線を通る平面でエンジンの一部を切った断面を模式的に示す。 第1実施形態のピストンの斜視図であり、ピストンの軸線を通る平面で切った断面を示す。 図2のピストンの断面におけるピストンヘッド部分の一部を拡大して示す。 第1実施形態のピストンを鋳造する工程における、型と、型に設置された耐磨環部材とを模式的に示す図であり、耐磨環部材の軸線を通る平面で切った断面を示す。 第1実施形態のピストンを鋳造する工程における、型に設置された耐磨環部材と、型の一部とを斜めから見た図である。 第1実施形態のアルフィン処理された耐磨環部材の一部の断面図であり、耐磨環部材の軸線を通る平面で切った断面を示す。 第1実施形態のピストンを機械加工する工程における、ピストン溝を形成する前の中間材をその軸線を通る平面で切った断面図であり、ピストンヘッド部分の一部を拡大して示す。 耐磨環とピストン本体部との接合不良の出現率を、添加剤の有無に応じて示す棒グラフである。 耐磨環とピストン本体部との接合性を試験する器具の模式図である。 中間層の材料に添加剤を含まない場合の接合性の試験結果を示す写真である。 中間層の材料に添加剤を含む場合の接合性の試験結果を示す写真である。

以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。

［第1実施形態］
まず、構成を説明する。図1に示す内燃機関（エンジン）100は、4ストローク・ガソリンエンジンであり、自動車等の車両に適用される。エンジン100は、ピストン1、シリンダブロック101、シリンダヘッド104、コネクティングロッド（コンロッド）105、燃焼室106、バルブ107、点火装置108、及びオイルジェット109を備える。シリンダブロック101には、エンジンの出力軸であるクランクシャフトが回転可能に設置される。シリンダブロック101は、円筒状のシリンダスリーブ（シリンダライナ）102を備える。シリンダライナ102の内周側はシリンダ（シリンダボア）10の内壁として機能する。ピストン1は、シリンダ10の内部に、往復移動可能に収容される。シリンダヘッド104は、シリンダ10の開口を塞ぐようにシリンダブロック101に設置される。図1に示すようにピストン1が上死点にあるとき、ピストン1とシリンダヘッド104との間に、燃焼室106が区画される。シリンダヘッド104には、バルブ107と、燃料の噴射ノズルと、点火装置108とが設置される。バルブ107は2つの吸気バルブと2つの排気バルブを有する。エンジン100は、ターボ過給等の過給システムを備える。シリンダライナ102の内部の通路103には冷却水が循環する。オイルジェット105は、そのノズルがピストン1の背面（燃焼室106に対し反対側の面）に対向するように、シリンダブロック101に設置される。

図2に示すように、ピストン1は、ピストン本体部2と耐磨環3を有する。ピストン本体部2はアルミニウム合金を含む。このアルミニウム合金は、例えばAC8A（JIS H 5202に規定されるもの。以下同じ）である。ピストン本体部2は、有底筒状であり、ピストンヘッド（冠部）4、ピストンボス（エプロン部）5、及びピストンスカート（スカート部）6を、一体に有する。ピストンヘッド4は、冠面部40とランド部41を、一体に有する。シリンダ10の内部におけるピストン1の移動方向に対し直交する平面で切ったピストンヘッド4（冠面部40）の断面は略円形である。この円の中心を通り、かつ上記移動方向と平行な線をピストン1の軸線という。軸線が延びる方向（上記移動方向）を軸線方向という。冠面部40は、ピストンヘッド4における軸線方向一方側にある。冠面部40の軸線方向一方側には冠面（頂面）400がある。

ランド部41は、冠面部40の外周側から軸線方向他方側に延びる。ランド部41の外周には、3つの環状のピストンリング溝（リング溝）411,412,413がある。各リング溝411,412,413は、ピストン1の軸線の周り方向（周方向）に延びてランド部41の全周を取り囲む。リング溝411,412,413は、軸線方向の一方側から他方側にこの順に並ぶ。各リング溝411,412,413にはピストンリングが設置される。リング溝411はトップリング溝であり、第1圧力リング（コンプレッションリング）としてのトップリング71が設置される。リング溝412はセカンドリング溝であり、第2圧力リングとしてのセカンドリング72が設置される。リング溝413はオイルリング溝であり、オイルコントロールリングとしてのオイルリング73が設置される。なお、リング溝413の底部にはオイル逃がし穴が開口する。オイル逃がし穴はランド部41の内周面に開口する。トップリング71及びセカンドリング72は、例えば高炭素鋼やマルテンサイト系ステンレス鋼等により形成され、周方向の一箇所に合い口が形成された平面視略C形の平板状部材である。オイルリング73は、例えば上記平板状部材を2つ備え、これらの間にセンターリングが挟まる3ピース構造である。

ピストンボス5及びピストンスカート6は、ピストンヘッド4（ランド部41）から軸線方向他方側（ピストンヘッド4に対し燃焼室15の反対側）に延びる。ピストンスカート6及びピストンボス5の内周側は中空である。ピストンボス5は、ピストン1の径方向両側に一対ある。各ピストンボス5はピンボス50を有する。各ピンボス50はピストンピン穴51を有する。ピストンピン穴51は、ピンボス50を貫通してピストン1の径方向に延びる。ピストンスカート6は、ピストン1の径方向両側に一対ある。ピストンスカート6は、ピストン1の周方向で両ピストンボス5,5に挟まれる。両ピストンスカート6,6はピストンボス5によって連結される。ピストンピン穴51にはピストンピン8の端部が嵌まる。ピストン1は、ピストンピン8を介してコンロッド105の一端側（小端部）に連結される。コンロッド105の他端側（大端部）はクランクシャフトに連結される。

図3に示すように、耐磨環3は、ニレジスト鋳鉄を含み、ピストンヘッド4の内部（ピストンヘッド4におけるトップリング71の設置部位）に固定される。耐磨環3は、ピストンヘッド4の外周を取り囲む円環状の部材である。上記円環の円の中心を通り、かつ上記円環を含む平面に直交する線を、耐磨環3の軸線という。耐磨環3の軸線はピストン1の軸線に略一致する。耐磨環3の内周面31は、耐磨環3の軸線に向って（径方向内側に）凸の曲面状であり、上記軸線を通る平面で切った断面が半円状である。耐磨環3の軸線方向両側面32,33は、耐磨環3の軸線に直交する平面状である。耐磨環3の外周面34は円筒状であり、その外径寸法（耐磨環3の軸線からの距離）がピストンヘッド4の外径寸法（ピストン1の軸線からの距離）に略一致する。外周面34はピストンヘッド4の外周面の一部をなす（面一である）。外周面34における高さ方向（耐磨環3の軸線方向）の中央部にリング溝411が開口する。リング溝411の底面は耐磨環3の軸線方向に延び、リング溝411の底面以外の内面は耐磨環3の軸線方向両側面32,33に略平行である。

耐磨環3とピストンヘッド4との間に中間層30がある。中間層30は、耐磨環3の内周面31の全範囲及び軸線方向両側面32,33の全範囲に接してある。中間層30は、耐磨環3の外周面34及びリング溝411を覆わない。中間層30の厚さは平均して1mm以下であり、より好ましくは中間層30の厚さの最大値が1mm以下である。中間層30はアルミニウム合金及び添加剤を含む。上記アルミニウム合金は、例えばAC3A（JIS H 5202に規定されるもの。以下同じ）である。添加剤は、ナトリウムNaを含む。中間層30におけるNaの質量の割合は9ppm以上、1％以下である。なお、添加剤は、Na以外の物質を含んでもよい。

以下、ピストン1の製造方法を説明する。ピストン1の製造工程は、耐磨環部材形成工程、アルフィン処理工程、鋳造工程、熱処理工程、及び機械加工工程を含む。耐磨環部材形成工程で、ニレジスト鋳鉄を材料（素材）として耐磨環3の母材（耐磨環部材3A）を形成する。図6に示すように、耐磨環部材3Aの形状は、外周側（外周面34及びリング溝411）を機械加工により形成する前の耐磨環3の形状である。耐磨環部材3Aの外周面34Aは円筒状であり、その外径寸法（耐磨環部材3Aの軸線からの距離）はピストンヘッド4の外径寸法よりも若干大きい。耐磨環部材3Aの内周面31Aの形状は、耐磨環3の内周面31の形状と同じである。耐磨環部材3Aの軸線方向両側面32A,33Aは、耐磨環3の軸線方向両側面32,33よりも若干径方向外側に広がる。

アルフィン処理工程で、まず混合材料を準備する。混合材料はアルミニウム合金AC3A及び添加剤（Na）を含む。混合材料中におけるNaの質量の割合は9ppm以上、1％以下である。この混合材料により耐磨環部材3Aの表面をアルフィン処理する。すなわち、溶融している状態の混合材料に耐磨環部材3Aを浸漬し、上記混合材料により耐磨環部材3Aの表面を覆う。これにより、図6に示すように、AC3Aとニレジスト鋳鉄との間に分子的結合を生じ、AC3Aとニレジスト鋳鉄との化合物を含む合金膜30Aが上記表面に形成される。この膜30AはNaを含む。以下、膜30Aが形成された耐磨環部材3Aを部材300という。

鋳造工程で、重力鋳造法により、ピストン本体部2の原型（中間材）を鋳造すると共に、耐磨環部材3Aを上記中間材に鋳込む。図4に示すように、鋳型は、下金型91、上金型92、及び中子93を有する。下金型91は円筒部910を有する。円筒部910は上記中間材の外周の型として機能する。円筒部910の上端には段差部911がある。上金型92は、下金型91（円筒部910）の開口を塞ぎ、上記中間材の冠面部40側の型として機能する。図5に示すように、中子93は砂型（砂中子）であり、上記中間材の内周及び軸線方向他方側の型として機能する。まず、下金型91に中子93を設置する。その後、部材300を下金型91の段差部911に設置する。この状態で、耐磨環部材3Aの軸線は円筒部910の軸線と実質的に一致する。耐磨環部材3Aの軸線方向両側面32A,33Aは実質的に水平に広がり、円筒部910の軸線に対し実質的に直交する。さらに、上金型92を下金型91に設置する。部材300は、下金型91（段差部911）と上金型92との間に挟まれる。こうして型91〜93等により形成された空間94に、湯口90を介して、溶湯、例えば溶融しているアルミニウム合金AC8Aが導かれる。この溶湯が凝固することで、ピストンヘッド4（の原型）の外周側に耐磨環部材3Aが鋳込まれた上記中間材が形成される。上記中間材（ピストンヘッド4の原型）と耐磨環部材3Aとの間の合金膜30Aは、将来の中間層30である。

熱処理工程で、熱処理を行う。これにより、鋳造された上記中間材の性質を改善して適当な強度・硬さに調整する。

機械加工工程で、上記中間材を旋盤等により機械加工する。図7に示すように、ピストンヘッド4を切削加工し、冠面400を形成する。また、ピストンヘッド4やピストンスカート6の外周等、ピストン本体部2の外径を仕上げる。ピストンヘッド4の外周とともに耐磨環部材3Aの一部（外周側）を切削加工し、耐磨環3の原型3Bを形成する。言換えると、原型3Bの外周面34をその一部として含むピストンヘッド4の外周面を仕上げる。また、切削加工によりピストンピン穴51やリング溝411〜413を形成する（原型3Bにリング溝411を形成する）。これにより、図2及び図3に示すようなピストン1（耐磨環3及びピストン本体部2）を完成する。なお、鋳造工程前（アルフィン処理工程後）に耐磨環部材3Aにリング溝411を形成しておいてもよい。

次に、作用効果を説明する。エンジン100の作動時、ピストン1の冠面400は燃焼室106の内部の燃焼ガスに暴露される。ピストン1は、膨張行程時に燃焼室106で発生した燃焼圧を冠面400に受けることで、シリンダ10の内部を往復移動する。この往復移動がコンロッド105により回転運動に変換され、クランクシャフトに出力される。ここで、ピストン本体部2は、アルミニウム合金AC8Aを含むため、ピストン1の軽量化や放熱性向上等を図ることができる。ピストンリング71〜73及びピストンスカート6はシリンダ10の内壁に対し摺動する。燃焼室106からピストンヘッド4に伝わった熱は、ピストンリング71等を介してシリンダライナ102およびその内部の冷却水に伝わることで放出される。また、上記熱は、ピストン１の内周側（裏側）にオイルが付着し流出することでも放出される。このオイルの付着は、例えばオイルジェット109からのオイルの噴射により行われる。

エンジン100が過給システムを備えることで、燃焼室106の燃焼圧が高い。また、エンジン100の低燃費化や高出力化を図ろうとすると、燃焼室106の温度は高くなる。こうしてピストン100に作用する荷重（筒内荷重）が高くなると、ピストンリング71等にも高い耐摩耗性が要求され、硬度の高いピストンリング71等が使用される。例えばリング溝411の内壁には高硬度のピストンリング71が衝突することになるため、リング溝411の内壁の磨耗や変形のおそれが高くなる。これに対し、リング溝411が耐磨環3に形成されている。ニレジスト鋳鉄から形成された耐磨環3は、アルミニウム合金AC8Aから形成されたピストン本体部2よりも硬度（ロックウェル硬さ、ビッカース硬さ等）が高く、高温時においても耐摩耗性に優れる。よって、リング溝411の内壁の磨耗や変形を抑制し、ピストン1の外周を介したガス漏れやオイル漏れを抑制できる。なお、耐磨環3の材料は、ニレジスト鋳鉄に限らず、ピストン本体部2よりも硬度が高く、耐磨耗性に優れた材料であればよい。本実施形態では、耐磨環3がニレジスト鋳鉄を材料とするため、耐磨環3の線膨張係数がアルミニウム（合金AC8A）に近く、エンジン作動時の熱応力の増大を抑制可能である。

ピストン1の鋳造工程の前処理として、アルミニウム合金AC3Aを含む混合材料に耐磨環部材3Aを浸漬する（アルフィン処理）。これにより、合金膜30Aが形成される。よって、鋳造工程において、ピストン本体部2の材料であるアルミニウム合金AC8Aとの間の耐磨環部材3A（部材300）の濡れ性が改善される。膜30Aがない場合に比べ、耐磨環部材3A（膜30A）に接触するアルミニウム合金AC8Aの溶湯の表面張力が低下する。上記溶湯と耐磨環部材3A（部材300）との接着性が向上するため、耐磨環部材3Aがピストン本体部2の内部に、より強固に鋳包まれる。

ピストン本体部2はアルミニウム合金AC8Aを含む。すなわち、ピストン本体部2が合金膜30A（中間層30）と同じくアルミニウムを主成分としている。これにより、ピストン本体部2（の溶湯）と膜30Aとの接着性がより向上するため、ピストン本体部2と耐磨環部材3Aとの間でより良好な接合を得ることができる。

なお、合金膜30A（中間層30）は、アルミニウムを含んでいればよく、例えばシリコンSiを含まなくてもよい（純アルミニウムでもよい）。本実施形態では、膜30A（中間層30）はアルミニウム合金AC3Aを材料としており、シリコンSiを含む。このように、アルフィン処理用金属であるアルミニウムがSiを含有していることで、アルフィン処理用金属（混合材料）の融点が低くなる。よって、ピストン本体部2と耐磨環部材3Aとの間でより良好な接合を得ることができる。すなわち、アルフィン処理用金属の融点が高いと、ピストン本体部2の鋳造工程において、膜30Aが部分的に固まった粥状になり、ピストン本体部2（の溶湯）と結合しにくい。これに対し、アルフィン処理用金属の融点を低くすることで、鋳造工程において仮に部材300の温度が低下しても、膜30Aが流動性の高い（溶融した）状態を維持し、上記粥状になりにくい。よって、ピストン本体部2（の溶湯）と膜30Aとの接着性がより向上するため、ピストン本体部2と耐磨環部材3Aとの間で更に良好な接合を得ることができる。

合金膜30A（中間層30）の厚さは1mm以下である。よって、ピストン本体部2と耐磨環部材3Aとの間の接合強度を向上することができる。例えば、部材300を金型91に設置するため、これを道具（ハサミ等）で掴むと、膜30Aにおける上記掴んだ箇所に跡が付いてしまい、この箇所で接合性が低下するおそれがある。膜30A（中間層30）の厚さが1mm以下であれば、このような不都合を顕著に抑制できる。このことを、本発明者は見出した。

合金膜30A（中間層30）は、アルフィン処理用金属への添加剤として、ナトリウムNaを含む。Naは、アルミニウム合金AC3Aの濡れ性すなわち膜30Aの濡れ性を向上させる機能を有する。よって、鋳造工程において、ピストン本体部2の材料であるアルミニウム合金AC8Aとの間の耐磨環部材3A（部材300）の濡れ性がより改善される。膜30AがNaを含まない場合に比べ、アルミニウム合金AC8Aの溶湯に接触する膜30Aの表面張力が低下する。上記溶湯と耐磨環部材3A（部材300）との接着性が向上するため、耐磨環部材3Aがピストン本体部2の内部に、より強固に鋳包まれる。

図8は、アルフィン処理工程において耐磨環部材3Aを覆うアルフィン処理用金属AC3AにNaを添加した例（Naの質量割合は9ppm〜12ppm）と、AC3AにNaを添加しなかった例のそれぞれについて、耐磨環3とピストン本体部2との接合不良の出現率（機械加工後における浸透探傷試験において欠陥が認められた個体数の発生割合）を示す。Naを添加しなかった例では接合不良の出現率が25％であるのに対し、Naを添加した例では上記出現率が2％程度であった。

また、図10及び図11は、耐磨環部材3A（部材300）の試験片14に、ピストン本体部2の材料であるアルミニウム合金AC8Aの溶湯13を注いだ実験結果を示す。図10の試験片14は、Naを添加しないアルフィン処理用金属AC3Aにより覆われたものである。図11の試験片14は、Naを添加したAC3A（Naの質量割合は28ppm）により覆われたものである。図9に示すように、上記試験片14を所定の角度で傾けた状態で台座12に設置し、これに上方からAC8Aの溶湯13を注いだ。溶湯13は矢印11で示される方向に流れながら凝固した。図10の例に比べ、図11の例は、試験片14における溶湯13の接合面積が60％程度大きい。以上のように、耐磨環部材3Aの合金膜30A（中間層30）がNaを含むことで、ピストン本体部2の溶湯と耐磨環部材3A（部材300）との密着性が改善し、耐磨環3の接合不良の発生を抑制することができる。

なお、合金膜30Aの濡れ性を向上させるため、膜30AにNaを添加するのではなく、膜30Aの表面にフラックスを塗布することも考えられる。しかし、重力鋳造法で用いられる金型91等の表面には断熱性のある塗型剤がコーティングされるのが通常である。このため、金型91等に設置された耐磨環部材3Aを覆う膜30A（アルフィン処理用金属であるAC3A）は、溶融した高温状態を維持する。よって、膜30Aの表面にフラックスを塗布しようとしても、フラックスは高温により蒸発してしまい、塗布は困難である。これに対し、本実施形態では、膜30Aの表面にフラックスを塗布するのではなく、膜30Aの材料中に添加剤（Na）を含む。よって、鋳造工程において、金型91等に設置された耐磨環部材3A（部材300）が高温状態であっても、膜30Aの濡れ性を向上させることができる。なお、ピストン1の鋳造方法は、重力鋳造法にかぎらず、低圧鋳造法等でもよい。また、鋳型の具体的な構成は本実施形態のものに限られない。

なお、合金膜30A（中間層30）の添加剤は、膜30Aの材料であるアルミニウム（合金）の界面活性元素、すなわち上記アルミニウム（合金）の溶湯の表面張力を低下させる元素であればよく、Naに限られない。具体的には、Naの他に、ビスマスBi、バリウムBa、リチウムLi、鉛Pb、タリウムTl、ストロンチウムSr、及びアンチモンSbが、上記のような元素として機能しうる。これらのうち少なくとも1つを膜30A（中間層30）の材料に添加することで、膜30Aの濡れ性を向上させることができる。本実施形態では、添加剤はNaを含む。Naは、上記元素のうち、アルミニウム溶湯の表面張力を低下させる効果が高い。よって、より少量の添加剤により、充分な濡れ性を容易に得ることができる。

添加剤であるNaの中間層30（合金膜30A）における質量の割合は9ppm以上である。Naの割合の下限を上記のように設定することで、アルミニウム（合金AC3A）の濡れ性すなわち膜30Aの濡れ性を充分に改善し、ピストン本体部2の材料（AC8A）との間の耐磨環部材3A（部材300）の濡れ性を充分に向上しうる。このことを本発明者は見出した。

添加剤であるNaの中間層（合金膜30A）における質量の割合は1％以下である。Naの割合の上限を上記のように設定することで、中間層30の組織が化学的に変化して脆化する事態を抑制できる。このことを本発明者は見出した。これにより、ピストン本体部2と耐磨環3との接合性の低下を抑制することができる。

［第2実施形態］
まず、構成を説明する。以下、第1実施形態と共通する部材や構造については第1実施形態と同じ符号を付して、説明を省略する。鋳造工程で、マグネシウム合金の溶湯を、（耐磨環部材3Aが配置された）鋳型に流し込む。これによりピストン本体部2の中間材を鋳造する。よって、ピストン本体部2は、マグネシウム合金を含む。アルフィン処理工程における混合材料は、純アルミニウム、及び添加剤としてのナトリウムNaを含む。よって、中間層30は、純アルミニウム及び添加剤（Na）を含む。他の構成及び製造工程は第1実施形態と同じである。

次に、作用効果を説明する。ピストン本体部2はマグネシウム合金を含むため、ピストン1の軽量化等を図ることができる。ニレジスト鋳鉄から形成された耐磨環3は、マグネシウム合金から形成されたピストン本体部2よりも硬度が高い。よって、リング溝711の内壁の磨耗や変形を抑制できる。鋳造工程では、アルフィン処理により形成された合金膜30Aにより、耐磨環部材3Aに接触するマグネシウム合金の溶湯の表面張力が低下し、上記溶湯と耐磨環部材3A（部材300）との接着性が向上する。膜30A（中間層30）は純アルミニウムを材料としており、シリコンSiを含まない。よって、ピストン本体部2のマグネシウムにSiが混ざることで起こりうるピストン本体部2の組織の脆化（材料強度の低下）を抑制できる。鋳造工程では、膜30AへのNaの添加により、マグネシウム合金の溶湯に接触する膜30Aの表面張力が低下し、上記溶湯と耐磨環部材3A（部材300）との接着性が向上する。他の作用効果は第1実施形態と同じである。

［他の実施形態］
以上、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明したが、本発明の具体的な構成は、実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。例えば、エンジンの形式は任意である。エンジンは、4ストロークエンジンに限らず2ストロークエンジンであってもよい。火花点火機関（ガソリン機関）に限らず、圧縮点火機関（ディーゼルエンジン）であってもよい。燃料の供給方式は、シリンダ（燃焼室）内に直接噴射する筒内直噴式でもよいし、吸気ポートに噴射するポート噴射式でもよい。車両に限らず船舶等に搭載されるエンジンであってもよい。燃焼時の筒内荷重が高く、耐磨環を有するピストンであれば、本発明の中間層を適用可能である。ピストン（ピストン本体部）の形状は任意である。例えば、ピストンヘッドの内部であって耐磨環の内周側に、冷却媒体が流通するための環状通路があってもよい。この場合、環状通路の外周壁として耐磨環の一部を用いてもよい。この場合のように、ピストンヘッドと耐磨環との間において、耐磨環の表面の一部にのみ本発明の中間層があってもよい。

［実施形態から把握しうる技術的思想］
以上説明した実施形態から把握しうる技術的思想（または技術的解決策。以下同じ。）について、以下に記載する。
(1) 本技術的思想の内燃機関のピストンは、その1つの態様において、アルミニウム合金又はマグネシウム合金を含み、ピストンヘッド及び前記ピストンヘッドと一体のスカート部を有するピストン本体部と、前記ピストン本体部よりも硬度が高く、ピストンリング溝がある耐磨環であって、前記ピストンヘッドに固定された耐磨環と、前記ピストンヘッドと前記耐磨環との間にあり、アルミニウム及び前記アルミニウムの濡れ性を向上させる添加剤を含む中間層とを有する。
(2) より好ましい態様では、前記態様において、前記添加剤は、ナトリウム、ビスマス、バリウム、リチウム、鉛、タリウム、ストロンチウム、及びアンチモンの少なくとも1つを含む。
(3) 別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、前記添加剤はナトリウムを含む。
(4) さらに別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、前記添加剤であるナトリウムの前記中間層における質量の割合は9ppm以上である。
(5) さらに別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、前記添加剤であるナトリウムの前記中間層における質量の割合は1％以下である。
(6) さらに別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、前記中間層の厚さは1mm以下である。
(7) さらに別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、前記ピストン本体部はアルミニウム合金を含む。
(8) さらに別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、前記中間層はシリコンを含む。
(9) さらに別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、前記ピストン本体部はマグネシウム合金を含む。
(10) さらに別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、前記中間層はシリコンを含まない。
(11) また、本技術的思想の内燃機関のピストンの製造方法は、その1つの態様において、前記ピストンは、ピストンヘッド及び前記ピストンヘッドと一体のスカート部を有するピストン本体部と、前記ピストンヘッドに鋳込まれた耐磨環とを備え、前記ピストン本体部よりも硬度が高い材料により前記耐磨環の母材を形成する工程と、アルミニウム及び前記アルミニウムの濡れ性を向上させる添加剤を含み溶融している状態の混合材料により前記耐磨環の母材の表面を覆う工程と、表面が前記混合材料により覆われた前記耐磨環の母材を前記ピストン本体部の鋳造型に配置する工程と、溶融している状態のアルミニウム合金又はマグネシウム合金を、前記耐磨環の母材が配置された前記鋳造型に流し込む工程と、前記耐磨環の母材にピストンリング溝を形成する工程とを含む。
(12) より好ましい態様では、前記態様において、前記添加剤は、ナトリウム、ビスマス、バリウム、リチウム、鉛、タリウム、ストロンチウム、及びアンチモンの少なくとも1つを含む。
(13) 別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、前記添加剤はナトリウムを含む。
(14) さらに別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、前記添加剤であるナトリウムの前記混合材料中における質量の割合は9ppm以上である。
(15) さらに別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、前記添加剤であるナトリウムの前記混合材料中における質量の割合は1％以下である。
(16) さらに別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、前記ピストンヘッドと前記耐磨環との間に前記混合材料により形成される層の厚さは1mm以下である。
(17) さらに別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、前記ピストン本体部を前記アルミニウム合金により形成する。
(18) さらに別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、前記混合材料はシリコンを含む。
(19) さらに別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、前記ピストン本体部を前記マグネシウム合金により形成する。
(20) さらに別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、前記混合材料はシリコンを含まない。

１ ピストン
２ ピストン本体部
３ 耐磨環
３０ 中間層
４１１ ピストンリング溝
６ ピストンスカート（スカート部）
１００ エンジン（内燃機関）

Claims (20)

1. 内燃機関のピストンであって、
   アルミニウム合金又はマグネシウム合金を含み、ピストンヘッド及び前記ピストンヘッドと一体のスカート部を有するピストン本体部と、
   前記ピストン本体部よりも硬度が高く、ピストンリング溝がある耐磨環であって、前記ピストンヘッドに固定された耐磨環と、
   前記ピストンヘッドと前記耐磨環との間にあり、アルミニウム及び前記アルミニウムの濡れ性を向上させる添加剤を含む中間層とを有する、
   内燃機関のピストン。
2. 請求項１に記載の内燃機関のピストンにおいて、
   前記添加剤は、ナトリウム、ビスマス、バリウム、リチウム、鉛、タリウム、ストロンチウム、及びアンチモンの少なくとも１つを含む、内燃機関のピストン。
3. 請求項２に記載の内燃機関のピストンにおいて、
   前記添加剤はナトリウムを含む、内燃機関のピストン。
4. 請求項３に記載の内燃機関のピストンにおいて、
   前記添加剤であるナトリウムの前記中間層における質量の割合は９ｐｐｍ以上である、内燃機関のピストン。
5. 請求項３に記載の内燃機関のピストンにおいて、
   前記添加剤であるナトリウムの前記中間層における質量の割合は１％以下である、内燃機関のピストン。
6. 請求項１に記載の内燃機関のピストンにおいて、
   前記中間層の厚さは１ｍｍ以下である、内燃機関のピストン。
7. 請求項１に記載の内燃機関のピストンにおいて、
   前記ピストン本体部はアルミニウム合金を含む、内燃機関のピストン。
8. 請求項７に記載の内燃機関のピストンにおいて、
   前記中間層はシリコンを含む、内燃機関のピストン。
9. 請求項１に記載の内燃機関のピストンにおいて、
   前記ピストン本体部はマグネシウム合金を含む、内燃機関のピストン。
10. 請求項９に記載の内燃機関のピストンにおいて、
    前記中間層はシリコンを含まない、内燃機関のピストン。
11. 内燃機関のピストンの製造方法であって、
    前記ピストンは、ピストンヘッド及び前記ピストンヘッドと一体のスカート部を有するピストン本体部と、前記ピストンヘッドに鋳込まれた耐磨環とを備え、
    前記ピストン本体部よりも硬度が高い材料により前記耐磨環の母材を形成する工程と、
    アルミニウム及び前記アルミニウムの濡れ性を向上させる添加剤を含み溶融している状態の混合材料により前記耐磨環の母材の表面を覆う工程と、
    表面が前記混合材料により覆われた前記耐磨環の母材を前記ピストン本体部の鋳造型に配置する工程と、
    溶融している状態のアルミニウム合金又はマグネシウム合金を、前記耐磨環の母材が配置された前記鋳造型に流し込む工程と、
    前記耐磨環の母材にピストンリング溝を形成する工程とを含む、
    内燃機関のピストンの製造方法。
12. 請求項１１に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
    前記添加剤は、ナトリウム、ビスマス、バリウム、リチウム、鉛、タリウム、ストロンチウム、及びアンチモンの少なくとも1つを含む、内燃機関のピストンの製造方法。
13. 請求項１２に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
    前記添加剤はナトリウムを含む、内燃機関のピストンの製造方法。
14. 請求項１３に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
    前記添加剤であるナトリウムの前記混合材料中における質量の割合は９ｐｐｍ以上である、内燃機関のピストンの製造方法。
15. 請求項１３に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
    前記添加剤であるナトリウムの前記混合材料中における質量の割合は１％以下である、内燃機関のピストンの製造方法。
16. 請求項１１に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
    前記ピストンヘッドと前記耐磨環との間に前記混合材料により形成される層の厚さは１ｍｍ以下である、内燃機関のピストンの製造方法。
17. 請求項１１に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
    前記ピストン本体部を前記アルミニウム合金により形成する、内燃機関のピストンの製造方法。
18. 請求項１７に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
    前記混合材料はシリコンを含む、内燃機関のピストンの製造方法。
19. 請求項１１に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
    前記ピストン本体部を前記マグネシウム合金により形成する、内燃機関のピストンの製造方法。
20. 請求項１９に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
    前記混合材料はシリコンを含まない、内燃機関のピストンの製造方法。