特開 2024-59047 スチールピストン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024059047

(43)【公開日】2024-04-30

(54)【発明の名称】スチールピストン

(51)【国際特許分類】

   C22C 38/00 20060101AFI20240422BHJP

   C22C 38/14 20060101ALI20240422BHJP

   C22C 38/60 20060101ALI20240422BHJP

   F02F 3/00 20060101ALI20240422BHJP

   C21D 8/00 20060101ALN20240422BHJP

   C21D 9/00 20060101ALN20240422BHJP

【ＦＩ】

C22C38/00 301Z

C22C38/14

C22C38/60

F02F3/00 G

F02F3/00 R

F02F3/00 302Z

C21D8/00 A

C21D9/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022166558

(22)【出願日】2022-10-17

(71)【出願人】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001553

【氏名又は名称】アセンド弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 敦

(72)【発明者】

【氏名】松井 直樹

(72)【発明者】

【氏名】加田 修

(72)【発明者】

【氏名】梅原 美百合

(72)【発明者】

【氏名】小林 由起子

(72)【発明者】

【氏名】宮▲崎▼ 照久

【テーマコード（参考）】

4K032

4K042

【Ｆターム（参考）】

4K032AA01

4K032AA02

4K032AA03

4K032AA05

4K032AA08

4K032AA11

4K032AA14

4K032AA16

4K032AA19

4K032AA20

4K032AA21

4K032AA22

4K032AA23

4K032AA26

4K032AA27

4K032AA29

4K032AA31

4K032AA34

4K032AA35

4K032AA36

4K032AA39

4K032BA00

4K032CA02

4K032CA03

4K032CB01

4K032CB02

4K032CD01

4K032CD03

4K032CF02

4K032CF03

4K042AA25

4K042BA01

4K042BA14

4K042CA02

4K042CA03

4K042CA05

4K042CA06

4K042CA08

4K042CA09

4K042CA10

4K042CA12

4K042CA13

4K042DA01

4K042DA02

4K042DC02

4K042DC03

4K042DD02

4K042DE02

(57)【要約】

【課題】高温環境で長時間使用した場合であっても、優れた高温強度が得られる、スチールピストンを提供する。
【解決手段】本開示のスチールピストンの上部は、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．３０～０．５０％、Ｓｉ：０．０１～０．３０％、Ｍｎ：０．１０～１．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．１０～０．８０％、Ｍｏ：０．８０～２．５０％、Ｖ：０．０１～０．３０％、Ｔｉ：０．０１０～０．０４９％、Ａｌ：０．００５～０．１００％、Ｎ：０．０２０％以下、及び、Ｏ：０．００５０％以下を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、式（１）を満たし、ピストン上部におけるＭＣ型炭化物の個数密度ＮＤが２．０×１０^２２個／ｍ^３以上であり、ＭＣ型炭化物を構成するＦｅを除く金属元素のうちのＭｏ含有量の比率Ｒ_Ｍｏが６０原子％以上である。
Ｍｏ／（Ｍｏ＋Ｖ＋Ｔｉ）≧０．８９ （１）
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

スチールピストンであって、
少なくともトップランドを含むピストン上部と、
前記ピストン上部の下方に配置されているピストン下部と、を備え、
前記ピストン上部は、
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．３０～０．５０％、
Ｓｉ：０．０１～０．３０％、
Ｍｎ：０．１０～１．５０％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｒ：０．１０～０．８０％、
Ｍｏ：０．８０～２．５０％、
Ｖ：０．０１～０．３０％、
Ｔｉ：０．０１０～０．０４９％、
Ａｌ：０．００５～０．１００％、
Ｎ：０．０２０％以下、及び、
Ｏ：０．００５０％以下、を含有し、
残部はＦｅ及び不純物からなり、
式（１）を満たし、
前記ピストン上部におけるＭＣ型炭化物の個数密度ＮＤが２．０×１０^２２個／ｍ^３以上であり、
前記ＭＣ型炭化物において、前記ＭＣ型炭化物を構成するＦｅを除く金属元素のうちのＭｏ含有量の比率Ｒ_Ｍｏが６０原子％以上である、
スチールピストン。
Ｍｏ／（Ｍｏ＋Ｖ＋Ｔｉ）≧０．８９ （１）
ここで、式（１）中の各元素記号には、対応する元素の質量％での含有量が代入される。

【請求項2】

スチールピストンであって、
少なくともトップランドを含むピストン上部と、
前記ピストン上部の下方に配置されているピストン下部と、を備え、
前記ピストン上部は、
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．３０～０．５０％、
Ｓｉ：０．０１～０．３０％、
Ｍｎ：０．１０～１．５０％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｒ：０．１０～０．８０％、
Ｍｏ：０．８０～２．５０％、
Ｖ：０．０１～０．３０％、
Ｔｉ：０．０１０～０．０４９％、
Ａｌ：０．００５～０．１００％、
Ｎ：０．０２０％以下、及び、
Ｏ：０．００５０％以下、を含有し、
さらに、第１群～第３群からなる群から選択される１種以上を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、
式（１）を満たし、
前記ピストン上部におけるＭＣ型炭化物の個数密度ＮＤが２．０×１０^２２個／ｍ^３以上であり、
前記ＭＣ型炭化物において、前記ＭＣ型炭化物を構成するＦｅを除く金属元素のうちのＭｏ含有量の比率Ｒ_Ｍｏが６０原子％以上である、
スチールピストン。
［第１群］
Ｃｕ：０．４０％以下、
Ｎｉ：０．４０％以下、及び、
Ｂ：０．０１００％以下、からなる群から選択される１種以上
［第２群］
Ｎｂ：０．１００％以下、及び、
Ｚｒ：０．３００％以下、からなる群から選択される１種以上
［第３群］
Ｓｎ：０．１００％以下、
Ｃａ：０．０１００％以下、
Ｍｇ：０．０１００％以下、
Ｂｉ：０．３００％以下、及び、
Ｔｅ：０．３００％以下、からなる群から選択される１種以上
Ｍｏ／（Ｍｏ＋Ｖ＋Ｔｉ）≧０．８９ （１）
ここで、式（１）中の各元素記号には、対応する元素の質量％での含有量が代入される。

【請求項3】

請求項２に記載のスチールピストンであって、
前記第１群を含有する、
スチールピストン。

【請求項4】

請求項２に記載のスチールピストンであって、
前記第２群を含有する、
スチールピストン。

【請求項5】

請求項２に記載のスチールピストンであって、
前記第３群を含有する、
スチールピストン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ピストンに関し、さらに詳しくは、エンジン等に利用されるスチールピストンに関する。

【背景技術】

【0002】

ディーゼルエンジン等に代表されるエンジンは、ピストンを含む。ピストンは、エンジンのシリンダ内に収納され、シリンダ内を往復移動する。ピストンは、エンジン動作中の燃焼過程において、高温の熱に曝される。

【0003】

従前のピストンの多くは、アルミニウムを鋳造して製造されている。しかしながら近年、エンジンの燃焼効率のさらなる向上が求められている。アルミ鋳造品のピストンでは、使用中の表面温度が２４０～３３０℃程度である。

【0004】

最近では、さらに高い燃焼温度域においてピストンを使用して、燃焼効率を高める検討がされている。そのため、使用中のピストンの上部の表面温度が４００℃以上、さらには５００℃以上となっても、高い強度を有するピストンが求められている。このような要望に応えるために、鋼材を用いて製造されるスチールピストンが提案され始めている。スチールピストンは例えば、特許文献１に提案されている。スチールピストンはアルミ鋳造品のピストンと比較して、素材の融点が高い。そのため、スチールピストンはアルミ鋳造品のピストンと比較して、より高い燃焼温度域でも使用することができる。

【0005】

【特許文献1】特開２００４－１８１５３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

最近では、燃焼効率のさらなる向上が求められており、使用中のピストンの上部の表面温度が５００℃よりもさらに高まることが予想される。ところで、ピストンは上述の高温環境で長時間使用される。したがって、高温環境で長時間使用した場合であっても、優れた高温強度が得られることが求められる。

【0007】

本開示の目的は、高温環境で長時間使用した場合であっても、優れた高温強度が得られる、スチールピストンを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本実施形態のスチールピストンは、
少なくともトップランドを含むピストン上部と、
前記ピストン上部の下方に配置されているピストン下部と、を備え、
前記ピストン上部は、
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．３０～０．５０％、
Ｓｉ：０．０１～０．３０％、
Ｍｎ：０．１０～１．５０％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｒ：０．１０～０．８０％、
Ｍｏ：０．８０～２．５０％、
Ｖ：０．０１～０．３０％、
Ｔｉ：０．０１０～０．０４９％、
Ａｌ：０．００５～０．１００％、
Ｎ：０．０２０％以下、及び、
Ｏ：０．００５０％以下、を含有し、
残部はＦｅ及び不純物からなり、
式（１）を満たし、
前記ピストン上部におけるＭＣ型炭化物の個数密度ＮＤが２．０×１０^２２個／ｍ^３以上であり、
前記ＭＣ型炭化物において、前記ＭＣ型炭化物を構成するＦｅを除く金属元素のうちのＭｏ含有量の比率Ｒ_Ｍｏが６０原子％以上である。
Ｍｏ／（Ｍｏ＋Ｖ＋Ｔｉ）≧０．８９ （１）
ここで、式（１）中の各元素記号には、対応する元素の質量％での含有量が代入される。

【0009】

本実施形態のスチールピストンは、
少なくともトップランドを含むピストン上部と、
前記ピストン上部の下方に配置されているピストン下部と、を備え、
前記ピストン上部は、
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．３０～０．５０％、
Ｓｉ：０．０１～０．３０％、
Ｍｎ：０．１０～１．５０％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｒ：０．１０～０．８０％、
Ｍｏ：０．８０～２．５０％、
Ｖ：０．０１～０．３０％、
Ｔｉ：０．０１０～０．０４９％、
Ａｌ：０．００５～０．１００％、
Ｎ：０．０２０％以下、及び、
Ｏ：０．００５０％以下、を含有し、
さらに、第１群～第３群からなる群から選択される１種以上を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、
式（１）を満たし、
前記ピストン上部におけるＭＣ型炭化物の個数密度ＮＤが２．０×１０^２２個／ｍ^３以上であり、
前記ＭＣ型炭化物において、前記ＭＣ型炭化物を構成するＦｅを除く金属元素のうちのＭｏ含有量の比率Ｒ_Ｍｏが６０原子％以上である。
［第１群］
Ｃｕ：０．４０％以下、
Ｎｉ：０．４０％以下、及び、
Ｂ：０．０１００％以下、からなる群から選択される１種以上
［第２群］
Ｎｂ：０．１００％以下、及び、
Ｚｒ：０．３００％以下、からなる群から選択される１種以上
［第３群］
Ｓｎ：０．１００％以下、
Ｃａ：０．０１００％以下、
Ｍｇ：０．０１００％以下、
Ｂｉ：０．３００％以下、及び、
Ｔｅ：０．３００％以下、からなる群から選択される１種以上
Ｍｏ／（Ｍｏ＋Ｖ＋Ｔｉ）≧０．８９ （１）
ここで、式（１）中の各元素記号には、対応する元素の質量％での含有量が代入される。

【発明の効果】

【0010】

本実施形態のスチールピストンでは、高温環境で長時間使用した場合であっても、優れた高温強度が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、本実施形態によるスチールピストンの断面図であって、スチールピストンの中心軸を含む面で切断した場合の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明者らは初めに、使用中の表面温度が５００℃よりも高くなるような場合であっても、十分な高温強度が得られるスチールピストンのピストン上部を構成する化学組成を検討した。その結果、本発明者らは、Ｖ、Ｔｉ及びＭｏを含有して鋼材中にこれらの元素のＭＣ型炭化物を生成することを考えた。これらの元素のＭＣ型炭化物は、セメンタイト等の他の炭化物よりも微細に析出する。そのため、これらの元素のＭＣ型炭化物は、析出強化を発現し、高温環境において優れた高温強度を維持すると考えられる。
以上の知見に基づいてさらに検討した結果、ピストン上部を構成する鋼材の化学組成が、質量％で、Ｃ：０．３０～０．５０％、Ｓｉ：０．０１～０．３０％、Ｍｎ：０．１０～１．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．１０～０．８０％、Ｍｏ：０．８０～２．５０％、Ｖ：０．０１～０．３０％、Ｔｉ：０．０１０～０．０４９％、Ａｌ：０．００５～０．１００％、Ｎ：０．０２０％以下、Ｏ：０．００５０％以下、Ｃｕ：０～０．４０％、Ｎｉ：０～０．４０％、Ｂ：０～０．０１００％、Ｎｂ：０～０．１００％、Ｚｒ：０～０．３００％、Ｓｎ：０～０．１００％、Ｃａ：０～０．０１００％、Ｍｇ：０～０．０１００％、Ｂｉ：０～０．３００％、及び、Ｔｅ：０～０．３００％、を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成であれば、５００℃を超える高温環境で長時間使用しても、優れた高温強度が得られる可能性があると考えた。

【0013】

しかしながら、上述の化学組成を有する鋼材で構成されるピストン上部であっても、５００℃を超える高温環境において長時間使用した場合に十分な高温強度が得られない場合があった。そこで、本発明者らはさらに検討を行った。
ここで、本発明者らは、ＭＣ型炭化物の個数密度ＮＤと、ＭＣ型炭化物中のＭｏ含有量比率Ｒ_Ｍｏに注目した。ＭＣ型炭化物の個数密度ＮＤが十分に多ければ、析出強化により、高温環境で長時間使用しても、優れた高温強度が維持される。さらに、ＭＣ型炭化物中のＭｏ含有量は、高温環境で長時間使用したときのＭＣ型炭化物の粗大化を抑制する。ＭＣ型炭化物は粗大化すると高温環境での強化に寄与できなくなる。したがって、ＭＣ型炭化物中のＭｏ含有量比率Ｒ_Ｍｏを高めることにより、高温環境で長時間使用した場合のＭＣ型炭化物の粗粒化を抑制できると考えられる。
以上の知見に基づいて、本発明者らはさらに検討を行った。その結果、上述の化学組成において、式（１）を満たし、ＭＣ型炭化物の個数密度ＮＤが２．０×１０^２２個／ｍ^３以上であり、ＭＣ型炭化物を構成するＦｅを除く金属元素のうちのＭｏ含有量の比率Ｒ_Ｍｏが６０原子％以上であれば、５００℃を超える高温環境で長時間使用した場合であっても、優れた高温強度を維持できることを見出した。
Ｍｏ／（Ｍｏ＋Ｖ＋Ｔｉ）≧０．８９ （１）
ここで、式（１）中の各元素記号には、対応する元素の質量％での含有量が代入される。

【0014】

以上の知見に基づいて完成した本実施形態によるスチールピストンは、次の構成を有する。

【0015】

［１］
スチールピストンであって、
少なくともトップランドを含むピストン上部と、
前記ピストン上部の下方に配置されているピストン下部と、を備え、
前記ピストン上部は、
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．３０～０．５０％、
Ｓｉ：０．０１～０．３０％、
Ｍｎ：０．１０～１．５０％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｒ：０．１０～０．８０％、
Ｍｏ：０．８０～２．５０％、
Ｖ：０．０１～０．３０％、
Ｔｉ：０．０１０～０．０４９％、
Ａｌ：０．００５～０．１００％、
Ｎ：０．０２０％以下、及び、
Ｏ：０．００５０％以下、を含有し、
残部はＦｅ及び不純物からなり、
式（１）を満たし、
前記ピストン上部におけるＭＣ型炭化物の個数密度ＮＤが２．０×１０^２２個／ｍ^３以上であり、
前記ＭＣ型炭化物において、前記ＭＣ型炭化物を構成するＦｅを除く金属元素のうちのＭｏ含有量の比率Ｒ_Ｍｏが６０原子％以上である、
スチールピストン。
Ｍｏ／（Ｍｏ＋Ｖ＋Ｔｉ）≧０．８９ （１）
ここで、式（１）中の各元素記号には、対応する元素の質量％での含有量が代入される。

【0016】

［２］
スチールピストンであって、
少なくともトップランドを含むピストン上部と、
前記ピストン上部の下方に配置されているピストン下部と、を備え、
前記ピストン上部は、
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．３０～０．５０％、
Ｓｉ：０．０１～０．３０％、
Ｍｎ：０．１０～１．５０％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｒ：０．１０～０．８０％、
Ｍｏ：０．８０～２．５０％、
Ｖ：０．０１～０．３０％、
Ｔｉ：０．０１０～０．０４９％、
Ａｌ：０．００５～０．１００％、
Ｎ：０．０２０％以下、及び、
Ｏ：０．００５０％以下、を含有し、
さらに、第１群～第３群からなる群から選択される１種以上を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、
式（１）を満たし、
前記ピストン上部におけるＭＣ型炭化物の個数密度ＮＤが２．０×１０^２２個／ｍ^３以上であり、
前記ＭＣ型炭化物において、前記ＭＣ型炭化物を構成するＦｅを除く金属元素のうちのＭｏ含有量の比率Ｒ_Ｍｏが６０原子％以上である、
スチールピストン。
［第１群］
Ｃｕ：０．４０％以下、
Ｎｉ：０．４０％以下、及び、
Ｂ：０．０１００％以下、からなる群から選択される１種以上
［第２群］
Ｎｂ：０．１００％以下、及び、
Ｚｒ：０．３００％以下、からなる群から選択される１種以上
［第３群］
Ｓｎ：０．１００％以下、
Ｃａ：０．０１００％以下、
Ｍｇ：０．０１００％以下、
Ｂｉ：０．３００％以下、及び、
Ｔｅ：０．３００％以下、からなる群から選択される１種以上
Ｍｏ／（Ｍｏ＋Ｖ＋Ｔｉ）≧０．８９ （１）
ここで、式（１）中の各元素記号には、対応する元素の質量％での含有量が代入される。

【0017】

［３］
［２］に記載のスチールピストンであって、
前記第１群を含有する、
スチールピストン。

【0018】

［４］
［２］又は［３］に記載のスチールピストンであって、
前記第２群を含有する、
スチールピストン。

【0019】

［５］
［２］～［４］のいずれか１項に記載のスチールピストンであって、
前記第３群を含有する、
スチールピストン。

【0020】

以下、本実施形態によるスチールピストンについて詳述する。元素に関する「％」は、特に断りがない限り、質量％を意味する。

【0021】

［スチールピストンの構成］
図１は、本実施形態によるスチールピストン１の断面図であって、スチールピストン１の中心軸を含む面で切断した場合の断面図である。

【0022】

図１を参照して、本実施形態のスチールピストン１は、円柱形状を有する。スチールピストン１は、ピストン上部１０と、ピストン下部１１とを備える。
ピストン上部１０は、スチールピストン１の上部であって、鋼材で構成される。ピストン上部１０は、少なくともクラウン部１３のトップランド１６を含む。

【0023】

ピストン下部１１は、ピストン上部１０の下方に配置されている。ピストン下部１１は、ピストン上部１０と一体的に形成されていてもよいし、ピストン上部１０とは別体であってもよい。ピストン下部１１がピストン上部１０と別体である場合、ピストン下部１１はピストン上部１０と接合される。
図１中の符号３０は、ピストン下部１１がピストン上部１０と別体であって、ピストン上部１０と接合された場合の接合面である。この場合、ピストン下部１１は、ピストン上部１０と摩擦接合、レーザー接合、又は、拡散接合されている。

【0024】

ピストン下部１１は、少なくともスカート部１４と、ピストンピン穴１５とを含む。スカート部１４は、クラウン部１３の下方に配置されており、スカート部１４の上端は、クラウン部１３の下端とつながっている。

【0025】

一対のピストンピン穴１５は、スカート部１４に形成されており、図示しないピストンピンが挿入可能である。一対のピストンピン穴１５の間には、隙間４０が形成されている。隙間４０には、図示しないコネクティングロッドの小端部が配置される。コネクティングロッドの小端部の穴と、一対のピストンピン穴とは、同軸に配置される。コネクティングロッドの小端部に形成された穴と、一対のピストンピン穴１５とにピストンピンが挿入され、スチールピストンとコネクティングロッドとが連結される。

【0026】

図１では、ピストン上部１０の下面と、ピストン下部１１の上面とにより、空洞５０が形成されている。空洞５０には例えば冷却媒体が循環して、使用中のスチールピストン１を冷却する。なお、図１では、スチールピストン１は空洞５０を含むが、空洞５０の形状は図１に示す形状に限定されない。また、スチールピストン１は空洞５０を含まなくてもよい。つまり、ピストン上部１０の下面とピストン下部１１の上面との間に空洞５０が形成されなくてもよい。

【0027】

図１では、スチールピストン１のクラウン部１３は、トップランド１６と、複数のランド１７及び１８と、複数のリング溝１９～２１とを含む。トップランド１６は、スチールピストン１の最上端の頂上面１６１を含む。ランド１７はクラウン部１３の周面であって、トップランド１６の下方に配置され、トップランド１６とランド１７との間にはリング溝１９が形成されている。ランド１８はクラウン部１３の周面であって、ランド１７の下方に配置され、ランド１７とランド１８との間にはリング溝２０が形成されている。ランド１８の下方にはスカート部１４が形成され、ランド１８とスカート部１４との間には、リング溝２１が形成されている。各リング溝１９～２１には、図示しないピストンリングを配置することができる。

【0028】

図１では、ピストン上部１０は、クラウン部１３全部を含んでおらず、クラウン部１３のうち、トップランド１６、ランド１７、及びランド１８の上部を含んでいる。しかしながら、ピストン上部１０の構成はこれに限定されない。高温環境使用用途のピストンでは、トップランド１６の表面温度が最も高くなる。したがって、ピストン上部１０は、少なくともクラウン部１３のトップランド１６を含んでいれば足りる。つまり、ピストン上部１０は、クラウン部１３のトップランド１６を含み、ランド１７より下方の部分を含んでいなくてもよい。この場合、スチールピストン１のうち、ランド１７及びランド１７よりも下方の部分がピストン下部１１となる。

【0029】

ピストン上部１０はクラウン部１３全部を含んでもよい。この場合、スカート部１４がピストン下部１１となる。図１では、クラウン部１３は、トップランド１６と、複数のランド１７及び１８と、複数のリング溝１９～２１とを含む。しかしながら、クラウン部１３は、トップランド１６と、１つのランド１７と、１つのリング溝１９とで構成されていてもよい。

【0030】

［スチールピストン１の特徴］
本実施形態のスチールピストン１は、次の特徴を満たす。
（特徴１）
ピストン上部１０の化学組成は、質量％で、Ｃ：０．３０～０．５０％、Ｓｉ：０．０１～０．３０％、Ｍｎ：０．１０～１．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．１０～０．８０％、Ｍｏ：０．８０～２．５０％、Ｖ：０．０１～０．３０％、Ｔｉ：０．０１０～０．０４９％、Ａｌ：０．００５～０．１００％、Ｎ：０．０２０％以下、Ｏ：０．００５０％以下、Ｃｕ：０～０．４０％、Ｎｉ：０～０．４０％、Ｂ：０～０．０１００％、Ｎｂ：０～０．１００％、Ｚｒ：０～０．３００％、Ｓｎ：０～０．１００％、Ｃａ：０～０．０１００％、Ｍｇ：０～０．０１００％、Ｂｉ：０～０．３００％、及び、Ｔｅ：０～０．３００％、を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなる。
（特徴２）
ピストン上部１０の化学組成はさらに、式（１）を満たす。
Ｍｏ／（Ｍｏ＋Ｖ＋Ｔｉ）≧０．８９ （１）
ここで、式（１）中の各元素記号には、対応する元素の質量％での含有量が代入される。
（特徴３）
ピストン上部１０におけるＭＣ型炭化物の個数密度ＮＤは２．０×１０^２２個／ｍ^３以上である。
（特徴４）
ＭＣ型炭化物を構成するＦｅを除く金属元素のうちのＭｏ含有量の比率Ｒ_Ｍｏが６０原子％以上である。
以下、特徴１～特徴４について説明する。

【0031】

［（特徴１）ピストン上部１０の化学組成について］
ピストン上部１０は、鋼材からなる。具体的には、ピストン上部１０の化学組成は、次の元素を含有する。

【0032】

Ｃ：０．３０～０．５０％
炭素（Ｃ）は、鋼材の強度を高める。Ｃ含有量が０．３０％未満であれば、この効果が十分に得られない。一方、Ｃ含有量が０．５０％を超えれば、鋼材の被削性が低下する。
したがって、Ｃ含有量は０．３０～０．５０％である。
Ｃ含有量の好ましい下限は０．３１％であり、さらに好ましくは０．３２％であり、さらに好ましくは０．３３％であり、さらに好ましくは０．３４％である。
Ｃ含有量の好ましい上限は０．４８％であり、さらに好ましくは０．４６％であり、さらに好ましくは０．４４％であり、さらに好ましくは０．４２％であり、さらに好ましくは０．４０％である。

【0033】

Ｓｉ：０．０１～０．３０％
シリコン（Ｓｉ）は、鋼を脱酸する。Ｓｉはさらに、フェライトの強度を高める。Ｓｉ含有量が０．０１％未満であれば、これらの効果が十分に得られない。一方、Ｓｉ含有量が０．３０％を超えれば、鋼材の被削性が低下する。
したがって、Ｓｉ含有量は０．０１～０．３０％である。
Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．０２％であり、さらに好ましくは０．０３％であり、さらに好ましくは０．０４％であり、さらに好ましくは０．１０％である。
Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．２５％であり、さらに好ましくは０．２０％であり、さらに好ましくは０．１８％であり、さらに好ましくは０．１５％である。

【0034】

Ｍｎ：０．１０～１．５０％
マンガン（Ｍｎ）は、鋼材の焼入れ性を高め、かつ、固溶強化により鋼材の強度を高める。Ｍｎ含有量が０．１０％未満であれば、これらの効果が十分に得られない。一方、Ｍｎ含有量が１．５０％を超えれば、鋼材の被削性が低下する。
したがって、Ｍｎ含有量は０．１０～１．５０％である。
Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．１２％であり、さらに好ましくは０．１４％であり、さらに好ましくは０．１６％であり、さらに好ましくは０．１８％である。
Ｍｎ含有量の好ましい上限は１．４０％であり、さらに好ましくは１．３５％であり、さらに好ましくは１．３０％であり、さらに好ましくは１．２５％である。

【0035】

Ｐ：０．０３０％以下
燐（Ｐ）は不可避に含有される不純物である。つまり、Ｐ含有量は０％超である。Ｐ含有量が０．０３０％を超えれば、Ｐが粒界に偏析して鋼材の強度が低下する。
したがって、Ｐ含有量は０．０３０％以下である。
Ｐ含有量はなるべく低い方が好ましい。ただし、Ｐ含有量を過剰に低減するためには製造コストがかかる。したがって、工業生産を考慮した場合、Ｐ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％である。
Ｐ含有量の好ましい上限は０．０２９％であり、さらに好ましくは０．０２８％であり、さらに好ましくは０．０２７％であり、さらに好ましくは０．０２５％である。

【0036】

Ｓ：０．０３０％以下
硫黄（Ｓ）は不可避に含有される。つまり、Ｓ含有量は０％超である。
Ｓは、Ｍｎと結合してＭｎ硫化物を形成して、鋼材の被削性を高める。Ｓが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。一方、Ｓ含有量が０．０３０％を超えれば、粗大なＭｎ硫化物が生成したり、過剰にＭｎ硫化物が生成したりする。この場合、高温強度が低下する。
したがって、Ｓ含有量は０．０３０％以下である。
Ｓ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００３％であり、さらに好ましくは０．００５％であり、さらに好ましくは０．００９％である。
Ｓ含有量の好ましい上限は０．０２８％であり、さらに好ましくは０．０２５％であり、さらに好ましくは０．０２３％であり、さらに好ましくは０．０２０％であり、さらに好ましくは０．０１８％であり、さらに好ましくは０．０１５％である。

【0037】

Ｃｒ：０．１０～０．８０％
クロム（Ｃｒ）は、鋼材の強度を高める。Ｃｒ含有量が０．１０％未満であれば、この効果が十分に得られない。一方、Ｃｒ含有量が０．８０％を超えれば、Ｃｒ炭化物が生成して、高温強度が低下する。Ｃｒ含有量が０．８０％を超えればさらに、鋼材の被削性が低下する。
したがって、Ｃｒ含有量は０．１０～０．８０％である。
Ｃｒ含有量の好ましい下限は０．１５％であり、さらに好ましくは０．２０％であり、さらに好ましくは０．２５％であり、さらに好ましくは０．３０％である。
Ｃｒ含有量の好ましい上限は０．７５％であり、さらに好ましくは０．７０％であり、さらに好ましくは０．６５％であり、さらに好ましくは０．６０％であり、さらに好ましくは０．５０％である。

【0038】

Ｍｏ：０．８０～２．５０％
モリブデン（Ｍｏ）は、Ｖ及びＴｉとともにＭＣ型炭化物を形成する。Ｍｏを含有するＭＣ型炭化物は、５００℃を超える高温環境で長時間使用する場合であっても、粗大になりにくい。そのため、エンジン動作状態で長時間使用するスチールピストン１のように、高温環境で長時間使用しても、高い高温強度を維持することができる。Ｍｏ含有量が０．８０％未満であれば、この効果が十分に得られない。一方、Ｍｏ含有量が２．５０％を超えれば、鋼材の強度が過剰に高くなり、靱性が低下する。
したがって、Ｍｏ含有量は０．８０～２．５０％である。
Ｍｏ含有量の好ましい下限は０．８５％であり、さらに好ましくは０．９０％であり、さらに好ましくは０．９５％であり、さらに好ましくは１．００％であり、さらに好ましくは１．０１％であり、さらに好ましくは１．０５％である。
Ｍｏ含有量の好ましい上限は２．４８％であり、さらに好ましくは２．４２％であり、さらに好ましくは２．３８％であり、さらに好ましくは２．３４％であり、さらに好ましくは１．３０％である。

【0039】

Ｖ：０．０１～０．３０％
バナジウム（Ｖ）は、Ｍｏ及びＴｉとともにＭＣ型炭化物を形成し、スチールピストン１を高温環境で長時間使用しても、高い高温強度を維持する。Ｖ含有量が０．０１％未満であれば、この効果が十分に得られない。一方、Ｖ含有量が０．３０％を超えれば、鋼材の強度が過剰に高くなりすぎ、靱性が低下する。
したがって、Ｖ含有量は０．０１～０．３０％である。
Ｖ含有量の好ましい下限は０．０７％であり、さらに好ましくは０．０９％であり、さらに好ましくは０．１１％であり、さらに好ましくは０．１３％である。
Ｖ含有量の好ましい上限は０．２８％であり、さらに好ましくは０．２６％であり、さらに好ましくは０．２４％であり、さらに好ましくは０．２２％であり、さらに好ましくは０．２０％である。

【0040】

Ｔｉ：０．０１０～０．０４９％
チタン（Ｔｉ）は、Ｍｏ及びＶとともにＭＣ型炭化物を形成し、スチールピストン１を高温環境で長時間使用しても、高い高温強度を維持する。Ｔｉ含有量が０．０１０％未満であれば、上記効果が十分に得られない。一方、Ｔｉ含有量が０．０４９％を超えれば、スチールピストン中に粗大なＴｉ析出物が残存する。この場合、スチールピストンの高温強度がかえって低下する。
したがって、Ｔｉ含有量は０．０１０～０．０４９％である。
Ｔｉ含有量の好ましい下限は０．０１５％であり、さらに好ましくは０．０２０％であり、さらに好ましくは０．０２５％である。
Ｔｉ含有量の好ましい上限は０．０４８％であり、さらに好ましくは０．０４６％であり、さらに好ましくは０．０４４％である。

【0041】

Ａｌ：０．００５～０．１００％
アルミニウム（Ａｌ）は鋼を脱酸する。Ａｌ含有量が０．００５％未満であれば、この効果が得られない。一方、Ａｌ含有量が０．１００％を超えれば、酸化物（介在物）が過剰に生成して、ＨＡＺを含むスチールピストンの高温強度が低下する。
したがって、Ａｌ含有量は０．００５～０．１００％である。
Ａｌ含有量の好ましい下限は０．００７％であり、さらに好ましくは０．００８％であり、さらに好ましくは０．０１０％であり、さらに好ましくは０．０１２％であり、さらに好ましくは０．０１４％である。
Ａｌ含有量の好ましい上限は０．０９０％であり、さらに好ましくは０．０８０％であり、さらに好ましくは０．０７０％であり、さらに好ましくは０．０６０％であり、さらに好ましくは０．０５０％である。

【0042】

Ｎ：０．０２０％以下
窒素（Ｎ）は不可避に含有される不純物である。つまり、Ｎ含有量は０％超である。Ｎ含有量が０．０２０％を超えれば、鋼材の熱間加工性が低下する。
したがって、Ｎ含有量は０．０２０％以下である。
Ｎ含有量の好ましい上限は０．０１９％であり、さらに好ましくは０．０１８％であり、さらに好ましくは０．０１７％であり、さらに好ましくは０．０１６％である。
Ｎ含有量はなるべく低い方が好ましい。ただし、Ｎ含有量を過剰に低減するためには製造コストがかかる。したがって、工業生産を考慮した場合、Ｎ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１０％であり、さらに好ましくは０．０１５％である。

【0043】

Ｏ：０．００５０％以下
酸素（Ｏ）は不可避に含有される不純物である。つまり、Ｏ含有量は０％超である。Ｏ含有量が０．００５０％を超えれば、酸化物が過剰に生成して、スチールピストンの高温強度が低下する。
したがって、Ｏ含有量は０．００５０％以下である。
Ｏ含有量の好ましい上限は０．００４５％であり、さらに好ましくは０．００４０％であり、さらに好ましくは０．００３５％であり、さらに好ましくは０．００３０％であり、さらに好ましくは０．００２０％である。
Ｏ含有量はなるべく低い方が好ましい。ただし、Ｏ含有量を過剰に低減するためには製造コストがかかる。したがって、工業生産を考慮した場合、Ｏ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１０％である。

【0044】

本実施形態のピストン上部１０の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物からなる。ここで、不純物とは、ピストン上部１０を構成する鋼材を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、又は、製造環境などから混入されるものであって、意図的に鋼材に含有されたものではない元素を意味する。

【0045】

［任意元素（Ｏｐｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ）について］
本実施形態のピストン上部１０の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、次の第１群～第３群からなる群から選択される１種以上を含有してもよい。
［第１群］
Ｃｕ：０．４０％以下、
Ｎｉ：０．４０％以下、及び、
Ｂ：０．０１００％以下、からなる群から選択される１種以上
［第２群］
Ｎｂ：０．１００％以下、及び、
Ｚｒ：０．３００％以下、からなる群から選択される１種以上
［第３群］
Ｓｎ：０．１００％以下、
Ｃａ：０．０１００％以下、
Ｍｇ：０．０１００％以下、
Ｂｉ：０．３００％以下、及び、
Ｔｅ：０．３００％以下、からなる群から選択される１種以上
これらの元素はいずれも任意元素である。以下、第１群～第３群の任意元素について説明する。

【0046】

［（第１群：Ｃｕ、Ｎｉ及びＢ）］
ピストン上部１０の化学組成は、Ｆｅの一部に代えて、Ｃｕ、Ｎｉ及びＢからなる群から選択される１種以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも、鋼材の強度を高める。

【0047】

Ｃｕ：０．４０％以下
銅（Ｃｕ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｃｕ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｃｕは鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の強度を高める。Ｃｕが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｃｕ含有量が０．４０％を超えれば、鋼材の熱間加工性が低下する。
したがって、Ｃｕ含有量は、０～０．４０％であり、含有される場合、０．４０％以下である。
Ｃｕ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％であり、さらに好ましくは０．０４％であり、さらに好ましくは０．０５％である。
Ｃｕ含有量の好ましい上限は０．３８％であり、さらに好ましくは０．３６％であり、さらに好ましくは０．３４％であり、さらに好ましくは０．３０％である。

【0048】

Ｎｉ：０．４０％以下
ニッケル（Ｎｉ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｎｉ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｎｉは鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の強度を高める。Ｎｉが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｎｉ含有量が０．４０％を超えれば、その効果が飽和し、さらに、原料コストが高くなる。
したがって、Ｎｉ含有量は０～０．４０％であり、含有される場合、０．４０％以下である。
Ｎｉ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％であり、さらに好ましくは０．０４％であり、さらに好ましくは０．０５％である。
Ｎｉ含有量の好ましい上限は０．３８％であり、さらに好ましくは０．３６％であり、さらに好ましくは０．３４％であり、さらに好ましくは０．３２％であり、さらに好ましくは０．３０％である。

【0049】

Ｂ：０．０１００％以下
ボロン（Ｂ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｂ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｂは鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の強度を高める。Ｂが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｂ含有量が０．０１００％を超えれば、多量の窒化物の偏析が促進され、鋼材の割れにつながる可能性がある。
したがって、Ｂ含有量は０～０．０１００％であり、含有される場合、０．０１００％以下である。
Ｂ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１０％である。
Ｂ含有量の好ましい上限は０．００９０％であり、さらに好ましくは０．００７０％であり、さらに好ましくは０．００５０％である。

【0050】

［（第２群：Ｎｂ及びＺｒ）］
ピストン上部１０の化学組成は、Ｆｅの一部に代えて、Ｎｂ及びＺｒからなる群から選択される１種以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも、鋼材中に微細な析出物を生成し、鋼材の強度を高める。

【0051】

Ｎｂ：０．１００％以下
ニオブ（Ｎｂ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｎｂ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｎｂは鋼材中に炭化物、窒化物又は炭窒化物（以下、炭窒化物等という）を生成して、鋼材の強度を高める。Ｎｂが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｎｂ含有量が０．１００％を超えれば、鋼材の強度が高くなりすぎて、鋼材の被削性が低下する。
したがって、Ｎｂ含有量は０～０．１００％であり、含有される場合、０．１００％以下である。
Ｎｂ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１０％であり、さらに好ましくは０．０１５％であり、さらに好ましくは０．０２０％である。
Ｎｂ含有量の好ましい上限は０．０９５％であり、さらに好ましくは０．０９０％であり、さらに好ましくは０．０８５％であり、さらに好ましくは０．０８０％であり、さらに好ましくは０．０７０％である。

【0052】

Ｚｒ：０．３００％以下
ジルコニウム（Ｚｒ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｚｒ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｚｒは鋼材中に窒化物を生成して、鋼材の強度を高める。Ｚｒが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｚｒ含有量が０．３００％を超えれば、Ｚｒは粗大な窒化物を形成する。粗大な窒化物は鋼材の熱間加工性を低下する。
したがって、Ｚｒ含有量は０～０．３００％であり、含有される場合、０．３００％以下である。
Ｚｒ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。
Ｚｒ含有量の好ましい上限は０．２５０％であり、さらに好ましくは０．２００％であり、さらに好ましくは０．１５０％である。

【0053】

［（第３群：Ｓｎ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂｉ及びＴｅ）］
ピストン上部１０の化学組成は、Ｆｅの一部に代えて、Ｓｎ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂｉ及びＴｅからなる群から選択される１種以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも、鋼材の被削性を高める。

【0054】

Ｓｎ：０．１００％以下
スズ（Ｓｎ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｓｎ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｓｎは鋼材の被削性を高める。Ｓｎが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｓｎ含有量が０．１００％を超えれば、その効果が飽和し、さらに、原料コストが高くなる。
したがって、Ｓｎ含有量は０～０．１００％であり、含有される場合、０．１００％以下である。
Ｓｎ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％であり、さらに好ましくは０．００３％である。
Ｓｎ含有量の好ましい上限は０．０９０％であり、さらに好ましくは０．０８０％であり、さらに好ましくは０．０７０％である。

【0055】

Ｃａ：０．０１００％以下
カルシウム（Ｃａ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｃａ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｃａは鋼材の被削性を高める。Ｃａが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｃａ含有量が０．０１００％を超えれば、粗大酸化物が生成する。粗大酸化物は、鋼材の高温強度を低下する。
したがって、Ｃａ含有量は０～０．０１００％であり、含有される場合、０．０１００％以下である。
Ｃａ含有量の好ましい下限は０．００１０％であり、さらに好ましくは０．００２０％であり、さらに好ましくは０．００３０％である。
Ｃａ含有量の好ましい上限は０．００９０％であり、さらに好ましくは０．００８０％であり、さらに好ましくは０．００７０％である。

【0056】

Ｍｇ：０．０１００％以下
マグネシウム（Ｍｇ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｍｇ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｍｇは鋼材の被削性を高める。Ｍｇが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｍｇ含有量が０．０１００％を超えれば、粗大酸化物が生成する。粗大酸化物は、鋼材の高温強度を低下する。
したがって、Ｍｇ含有量は０～０．０１００％であり、含有される場合、０．０１００％以下である。
Ｍｇ含有量の好ましい下限は０．００１０％であり、さらに好ましくは０．００２０％であり、さらに好ましくは０．００３０％である。
Ｍｇ含有量の好ましい上限は０．００９０％であり、さらに好ましくは０．００８０％であり、さらに好ましくは０．００７０％である。

【0057】

Ｂｉ：０．３００％以下
ビスマス（Ｂｉ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｂｉ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｂｉは鋼材の被削性を高める。Ｂｉが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｂｉ含有量が０．３００％を超えれば、鋼材の熱間加工性が低下する。
したがって、Ｂｉ含有量は０～０．３００％であり、含有される場合、０．３００％以下である。
Ｂｉ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。
Ｂｉ含有量の好ましい上限は０．２５０％であり、さらに好ましくは０．２００％であり、さらに好ましくは０．１５０％である。

【0058】

Ｔｅ：０．３００％以下
テルル（Ｔｅ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｔｅ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｔｅは鋼材の被削性を高める。Ｔｅが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｔｅ含有量が０．３００％を超えれば、鋼材の熱間加工性が低下する。
したがって、Ｔｅ含有量は０～０．３００％であり、含有される場合、０．３００％以下である。
Ｔｅ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。
Ｔｅ含有量の好ましい上限は０．２５０％であり、さらに好ましくは０．２００％であり、さらに好ましくは０．１５０％である。

【0059】

［ピストン上部１０の化学組成の測定方法］
本実施形態のピストン上部１０を構成する鋼材の化学組成は、ＪＩＳ Ｇ０３２１：２０１７に準拠した周知の成分分析法で測定できる。具体的には、ドリルを用いて、鋼材の表面から１ｍｍ深さ以上の内部から、切粉を採取する。採取された切粉を酸に溶解させて溶液を得る。溶液に対して、ＩＣＰ－ＡＥＳ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ａｔｏｍｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を実施して、化学組成の元素分析を実施する。Ｃ含有量及びＳ含有量については、周知の高周波燃焼法（燃焼－赤外線吸収法）により求める。Ｎ含有量については、周知の不活性ガス溶融－熱伝導度法を用いて求める。Ｏ含有量については、周知の不活性ガス溶融－赤外線吸収法を用いて求める。

【0060】

なお、各元素含有量は、本実施形態で規定された有効数字に基づいて、測定された数値の端数を四捨五入して、本実施形態で規定された各元素含有量の最小桁までの数値とする。例えば、本実施形態の鋼材のＣ含有量は小数第二位までの数値で規定される。したがって、Ｃ含有量は、測定された数値の小数第三位を四捨五入して得られた小数第二位までの数値とする。本実施形態の鋼材のＣ含有量以外の他の元素含有量も同様に、測定された値に対して、本実施形態で規定された最小桁までの数値の端数を四捨五入して得られた値を、当該元素含有量とする。なお、四捨五入とは、端数が５未満であれば切り捨て、端数が５以上であれば切り上げることを意味する。

【0061】

［（特徴２）式（１）について］
本実施形態のスチールピストン１のピストン上部１０を構成する鋼材の化学組成ではさらに、式（１）を満たす。
Ｍｏ／（Ｍｏ＋Ｖ＋Ｔｉ）≧０．８９ （１）
ここで、式（１）中の各元素記号には、対応する元素の質量％での含有量が代入される。

【0062】

ここで、Ｆ１を次のとおり定義する。Ｆ１は式（１）の左辺である。
Ｆ１＝Ｍｏ／（Ｍｏ＋Ｖ＋Ｔｉ）
Ｆ１は、長時間使用後の高温強度を維持するためのＭＣ型炭化物が特徴４を満たすための要件の一つである。Ｆ１が０．８９以上であれば、ＭＣ型炭化物を構成するＦｅを除く金属元素のうち、Ｍｏ含有量の比率Ｒ_Ｍｏが６０原子％以上となる。

【0063】

Ｆ１の好ましい下限は０．９０であり、さらに好ましくは０．９１であり、さらに好ましくは０．９２であり、さらに好ましくは０．９３である。
Ｆ１の上限は特に限定されない。しかしながら、ピストン上部１０の化学組成が特徴１を満たす場合、Ｆ１の上限は０．９９である。

【0064】

［（特徴３）ＭＣ型炭化物の個数密度ＮＤについて］
本実施形態のスチールピストン１ではさらに、ピストン上部１０でのＭＣ型炭化物の個数密度ＮＤが２．０×１０^２２個／ｍ^３以上である。ピストン上部１０でのＭＣ型炭化物の個数密度ＮＤが２．０×１０^２２個／ｍ^３以上であれば、ＭＣ型炭化物が十分に多く生成している。そのため、高温環境で長時間使用しても、高い高温強度が維持される。

【0065】

ＭＣ型炭化物の個数密度ＮＤの好ましい下限は、２．２×１０^２２個／ｍ^３であり、さらに好ましくは２．４×１０^２２個／ｍ^３であり、さらに好ましくは２．６×１０^２２個／ｍ^３である。
ＭＣ型炭化物の個数密度ＮＤの上限は特に限定されない。しかしながら、ピストン上部１０の化学組成が特徴１及び特徴２を満たす場合、ＭＣ型炭化物の個数密度ＮＤの上限は例えば、２００．０×１０^２２個／ｍ^３であり、好ましくは１００．０×１０^２２個／ｍ^３である。

【0066】

［ＭＣ型炭化物の個数密度ＮＤの測定方法］
ピストン上部１０でのＭＣ型炭化物の個数密度は走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）を用いて、次の方法で測定できる。
初めに、ＳＴＥＭ用薄膜試料を次の方法で作製する。ピストン上部１０の直径をＤ（ｍｍ）とする。ピストン上部１０のうち、外周面から径方向にＤ／４深さ位置を含み、ピストン上部１０の上面から軸方向に２ｍｍ深さ以上の位置から、円板を採取する。円板の厚さは約２ｍｍとする。円板の厚さ方向は、ピストン上部１０の軸方向に平行とする。円板の表面（円形状の表面）は、ピストン上部１０の軸方向に垂直な面と平行とする。エメリー紙を用いて、円板の両側（表面、裏面）を研磨する。このとき、円板の表面が裏面と平行になるように、研磨する。円板の表面及び裏面の一方を観察面と定義する。観察面をさらに鏡面研磨する。鏡面研磨した観察面をさらに、コロイダルシリカを砥粒に用いて研磨する。

【0067】

ＭＣ型炭化物は母相（Ｆｅ）に対して特定の結晶方位関係を有する。具体的には、ＭＣ型炭化物は、母相の｛１００｝面に沿って延びた、板状の粒子である。そこで、研磨後の観察面に対して電子ビーム後方散乱回折（ＥＢＳＤ）を実施して、母相の結晶方位を特定する。そして、特定された母相の結晶方位に基づいて、薄膜の観察面の垂直方向（観察方向）が母相の＜００１＞結晶方位となるように、円板に対して集束イオンビーム加工（ＦＩＢ加工）を実施して、ＳＴＥＭ用薄膜試料を作製する。

【0068】

ＦＩＢ加工によるＳＴＥＭ用薄膜試料の作製は、周知の方法で実施すればよい。例えば、加速電圧３０ｋＶのガリウム（Ｇａ）イオンビームを用いたリフトアウト法により、ＳＴＥＭ用薄膜試料を作製する。

【0069】

加速電圧３０ｋＶのイオンビームにより作製されたＳＴＥＭ用薄膜試料の表層には、転位ループやアモルファスが存在し、数ｎｍのＭＣ型炭化物の観察には適さない。そこで、１ｋＶ以下の低加速電圧のイオンビームを用いて、ＳＴＥＭ用薄膜試料の表面を研磨する。以上の製造工程により、厚さが１００ｎｍ以下のＳＴＥＭ用薄膜試料を作製する。

【0070】

作製された薄膜試料をＳＴＥＭの光学系で観察する。具体的には、ＳＴＥＭ用薄膜試料中の母相のマルテンサイトの＜００１＞結晶方位の晶帯軸入射となるように、ＳＴＥＭ用薄膜試料を傾斜する。観察倍率を３２万倍とし、加速電圧を３００ｋＶとする。検出器を公知の高角環状暗視野（ＨＡＡＤＦ）の条件、公知の低角環状暗視野（ＬＡＡＤＦ）、及び公知の明視野（ＢＦ）の条件で設定して、任意の１０箇所の観察視野を観察する。各観察視野において、これらの観察条件で画像を作製する。各観察視野で生成した画像のうち、ＭＣ型炭化物を最も明瞭に認識できる画像を採用する。

【0071】

各観察視野の面積は２８０ｎｍ×２８０ｎｍとする。全ての観察視野において、電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）のＬｏｇ－ｒａｔｉｏ法によりＳＴＥＭ薄膜の厚さを測定する。

【0072】

各観察視野で採用した画像において、析出物はコントラストにより特定できる。そこで、特定された析出物のうち、最大長さが２ｎｍ以上の析出物を特定する。ここで、ＳＴＥＭでの観察における「最大長さ」とは、析出物と母相との界面の任意の２点を選択し、その２点を結ぶ線分全体が当該析出物内に含まれる場合の、最大の線分長さを意味する。最大長さが２ｎｍ未満の析出物は、認定が極めて困難である。そこで、本実施形態では、最大長さが２ｎｍ以上の析出物を特定する。

【0073】

最大長さが２ｎｍ以上の析出物のうち、ＭＣ型炭化物を、次の方法で特定する。最大長さが２ｎｍ以上の析出物に対して、電子ビームを照射して、電子回折図形を得る。ＭＣ型炭化物と、他の析出物とは、電子回折図形が異なる。そこで、得られた電子回折図形に基づいて、特定された析出物の中から、ＭＣ型炭化物を特定する。

【0074】

上述の方法により全ての観察視野で特定されたＭＣ型炭化物の総個数と、全ての観察視野と厚さから算出する総体積とに基づいて、ＭＣ型炭化物の個数密度（個／ｍ^３）を求める。

【0075】

なお、化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内である場合、ＳＴＥＭでの観察において析出物の電子回折図形を得た結果、最大長さが１０ｎｍ以下の析出物はほぼＭＣ型炭化物であり、ＭＣ型炭化物以外の他の析出物はほとんど存在しなかった。そして、Ｍ_２Ｃ型炭化物やセメンタイト等のＭＣ型炭化物以外の他の析出物の最大長さは、いずれも１０ｎｍを大きく超えた。したがって、上述のＭＣ型炭化物の特定方法として、電子回折図形に代えて、最大長さが１０ｎｍ以下（つまり、最大長さが２～１０ｎｍ）の析出物をＭＣ型炭化物と特定してもよい。

【0076】

［（特徴４）ＭＣ型炭化物中のＭｏ含有量比率Ｒ_Ｍｏについて］
本実施形態のスチールピストン１ではさらに、ピストン上部１０のＭＣ型炭化物において、ＭＣ型炭化物を構成するＦｅを除く金属元素のうちのＭｏ含有量の比率Ｒ_Ｍｏが６０原子％以上である。

【0077】

ここで、「ＭＣ型炭化物を構成するＦｅを除く金属元素のうちのＭｏ含有量の比率Ｒ_Ｍｏが６０原子％以上」とは、ＭＣ型炭化物に含有されるＦｅを除く金属元素の総含有量を１００原子％とした場合の、Ｆｅを除く金属元素の総含有量に対する、ＭＣ型炭化物に含有されるＭｏ含有量の比率（原子％）を意味する。

【0078】

ＭＣ型炭化物中のＭｏ含有量比率Ｒ_Ｍｏが高い場合、スチールピストン１を、５００℃を超える高温環境で長時間使用しても、ＭＣ型炭化物がオストワルド成長しにくく、微細なまま維持される。そのため、高温環境で長時間使用しても、優れた高温強度を維持することができる。

【0079】

ＭＣ型炭化物中のＭｏ含有量比率Ｒ_Ｍｏの好ましい下限は原子％で６２％であり、さらに好ましくは６４％であり、さらに好ましくは６６％である。

【0080】

［Ｍｏ含有量比率Ｒ_Ｍｏの測定方法］
ＭＣ型炭化物中のＭｏ比率は、次の方法で求めることができる。ピストン上部１０の直径をＤ（ｍｍ）とする。ピストン上部１０のうち、外周面から径方向にＤ／４深さ位置を含み、ピストン上部１０の上面から軸方向に表面から１ｍｍ深さ以上の内部から、サンプルを切り出す。切り出されたサンプルに対して、周知の集束イオンビーム加工を実施して、先端の曲率半径が５０ｎｍ程度の針状試験片を作製する。

【0081】

針状試験片に対して、三次元アトムプローブ分析を実施する。三次元アトムプローブ分析により、以下の方法により、針状試験片中のＭＣ型炭化物を特定する。三次元アトムプローブ分析では、針状試験片中に存在する析出物を三次元的に検出できる。

【0082】

三次元アトムプローブ測定では、レーザー波長（λ）を３５５ｎｍとし、レーザーパワーを３０ｐＪとし、針状試験片の温度を５０Ｋとする。三次元アトムプローブ測定に用いる装置は特に限定されない。三次元アトムプローブ測定装置は例えば、アメテック株式会社製の商品名ＬＥＡＰ４０００ＸＨＲである。

【0083】

取得した測定データの再構築により三次元原子マップを得る。具体的には、装置の検出効率を用い、鉄（Ｆｅ）の測定において｛１１０｝原子面の間隔が０．２ｎｍとなるように調節することにより、測定データを再構築して三次元原子マップを得る。

【0084】

三次元原子マップにおいて、針状試験片のうち、三次元アトムプローブ分析された領域は、ボクセルと呼ばれる微小立方体に区画されている。ボクセルの一辺は１．０ｎｍとする。ボクセル内の元素濃度（原子％）は、ボクセル内に含まれる当該元素の原子個数を、ボクセル内の全元素の原子個数で除した値で定義される。

【0085】

各ボクセルでのＣ濃度、Ｍｏ濃度、Ｖ濃度及びＴｉ濃度の合計を、特定元素濃度（原子％）と定義する。特定元素濃度が２０％となるボクセルをつなぐ等濃度面を作製する。等濃度面で囲まれる領域内は、特定元素濃度が高い。等濃度面で囲まれた領域を、析出物と認定する。

【0086】

認定された析出物のうち、最大長さが１０ｎｍ以下の析出物を特定する。ここで、三次元的に検出された析出物の表面（つまり、析出物と鋼材母相との界面）の任意の２点を結ぶ線分のうち、線分全体が当該析出物に含まれる線分を、「特定線分」と定義する。そして、当該析出物の特定線分の最大長さを、当該析出物の最大長さと定義する。最大長さが１０ｎｍ以下の析出物を、ＭＣ型炭化物と特定する。

【0087】

化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内である場合、ピストン上部１０中の析出物のうち、最大長さが１０ｎｍ以下の析出物はほぼＭＣ型炭化物であり、ＭＣ型炭化物以外の他の析出物はほとんど存在しない。Ｍ_２Ｃ型炭化物やセメンタイト等のＭＣ型炭化物以外の他の析出物の最大長さは、いずれも１０ｎｍを大きく超える。以下、この点について説明する。

【0088】

本実施形態のスチールピストン１のピストン上部１０の表面から１ｍｍ深さ以上の内部からサンプルを採取して、厚さ５０ｎｍの薄膜試料を作製した。作製した薄膜試料を透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｉｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）で観察して、コントラストにより析出物を特定した。特定された析出物の最大長さを求めた。さらに、特定された析出物に対して結晶構造解析を実施して、析出物の結晶構造を判定し、析出物の種類を特定した。その結果、本実施形態の化学組成を有するピストン上部１０では、最大長さが１０ｎｍ以下の析出物はほぼＭＣ型炭化物であり、他の析出物はほとんど存在しなかった。ＭＣ型炭化物以外の他の析出物（Ｍ_２Ｃ型炭化物やセメンタイト等）の最大長さは１０ｎｍを大きく超えた。

【0089】

以上の結果から、三次元アトムプローブ分析で得られた三次元原子マップにおける析出物のうち、最大長さが１０ｎｍ以下の析出物は、ＭＣ型炭化物であると特定する。

【0090】

特定された複数のＭＣ型炭化物のうち、任意の２０個のＭＣ型炭化物を選択する。そして、選択された各ＭＣ型炭化物中のＦｅを除く金属元素の総原子数と、Ｍｏの原子数とを求める。そして、Ｆｅを除く金属元素の総原子数に対するＭｏの原子数の比率を、Ｍｏ含有量比率（原子％）とする。金属元素とは、単体が金属を形成する元素である。したがって、Ｓｉ、Ｂ、Ｐ、Ｓ、Ｃ、Ｎ、Ｏは金属元素には含まれない。

【0091】

選択された２０個の各ＭＣ型炭化物で求めたＭｏ含有量比率の算術平均値を、ピストン上部１０のＭＣ型炭化物中のＦｅを除く金属元素のうちのＭｏ含有量比率Ｒ_Ｍｏ（原子％）と定義する。

【0092】

［ピストン上部１０のミクロ組織］
本実施形態のピストン上部１０のミクロ組織は、面積率で９０％以上の硬質相を含む。ここでいうピストン上部１０のミクロ組織とは、後述する製造工程において、焼入れ及び焼戻しが施されて製造されたピストン上部１０のミクロ組織を意味する。また、硬質相は、マルテンサイト及び／又はベイナイトからなる。ピストン上部１０のミクロ組織に硬質相以外の他の相が含まれる場合、ピストン上部１０のミクロ組織において、硬質相以外の残部は、残留オーステナイト、フェライト、パーライトからなる群から選択される１種以上からなる。好ましくは、ミクロ組織は、面積率で９０％以上の硬質相を含有し、残部は残留オーステナイトからなる。なお、ピストン上部１０の降伏強度は、ミクロ組織と相関する。

【0093】

［ピストン上部１０の硬質相の面積率の測定方法］
ピストン上部１０の硬質相の面積率は、次の方法で求めることができる。ピストン上部１０の最上端の頂上面１６１から深さ５ｍｍ位置を含むサンプルを採取する。サンプルの表面のうち、ピストン上部１０の軸方向に平行であり、頂上面１６１から深さ５ｍｍ位置を含む面を観察面と定義する。サンプルの観察面を鏡面研磨する。鏡面研磨された観察面に対して、２％硝酸アルコール（ナイタール腐食液）を用いてエッチングを行う。エッチングされた観察面のうち、超上面１６１から深さ５ｍｍ位置近傍の任意の５箇所の観察視野（１００μｍ×１００μｍ）を、５００倍の光学顕微鏡で観察する。
観察視野において、硬質相（ベイナイト及び／又はマルテンサイト）と他の相（初析フェライト、パーライト等）とは、コントラストにより容易に区別できる。フェライトは白色の領域として観察される。パーライトはラメラ組織を有する相として観察される。硬質相はフェライトよりも明度の低い領域として観察される。５つの観察視野での硬質相の総面積と、５つの観察視野の総面積とに基づいて、硬質相の面積率（％）を求める。

【0094】

［ピストン下部１１について］
ピストン下部１１は、鋼材で構成されてもよいし、鋼材以外の他の金属材で構成されていてもよい。エンジン動作中において、燃焼室に対向しているのはピストン上部１０である。そのため、ピストン上部１０には、上述のとおり高い高温強度が求められる。一方、ピストン下部１１は燃焼室と対向しない。そのため、ピストン下部１１には、ピストン上部１０ほどの高い高温強度は要求されない。そのため、ピストン下部１１は、鋼材又は鋼材以外の他の金属材で構成されてもよい。

【0095】

好ましくは、ピストン下部１１は、アルミニウム合金材及び鋼材のいずれかで構成される。アルミニウム合金材は例えば、Ａｌ－Ｃｕ系合金、Ａｌ－Ｓｉ系合金、Ａｌ－Ｃｕ－Ｍｇ－Ｎｉ系合金、及び、Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ－Ｍｇ－Ｎｉ系合金、からなる群から選択される１種以上である。アルミ合金材は、展伸材であっても、鋳物材であってもよい。

【0096】

ピストン下部１１が鋼材で構成される場合、その鋼材は、ピストン上部１０を構成する鋼材と同じであってもよいし、異なる鋼材であってもよい。なお、ピストン下部１１はピストン上部１０と一体的に形成されていてもよい。この場合、ピストン下部１１は、ピストン上部１０と同じ鋼材で構成される。

【0097】

［スチールピストン１の効果について］
以上のとおり、本実施形態のスチールピストン１は、特徴１～特徴４を満たす。そのため、本実施形態のスチールピストン１では、高温環境で長時間使用しても、優れた高温強度を維持することができる。具体的には、本実施形態のスチールピストン１では、６００℃で１０００時間保持した後、６００℃での降伏強度が３８０ＭＰａ以上となる。

【0098】

［製造方法］
本実施形態によるスチールピストン１の製造方法の一例を説明する。本実施形態の特徴１～特徴４を満たすスチールピストン１は、以降に説明する製造方法以外の他の製造方法により製造されてもよい。しかしながら、以降に説明する製造方法は、本実施形態によるスチールピストン１の製造方法の好ましい一例である。

【0099】

本実施形態のスチールピストン１の製造方法は、次の工程を含む。
（工程１）素材準備工程
（工程２）据え込み鍛造工程
（工程３）焼入れ及び焼戻し工程
（工程４）接合工程
（工程５）機械加工工程
以下、各工程について説明する。

【0100】

［（工程１）素材準備工程］
素材準備工程では、スチールピストン１の素材を準備する。ピストン上部１０及びピストン下部１１が一体である場合、素材は鋼材とする。ピストン上部１０とピストン下部１１とが別体である場合、ピストン上部１０の素材を鋼材とし、ピストン下部１１の素材は鋼材以外の金属材としてもよいし、ピストン上部１０と同じ素材としてもよい。

【0101】

スチールピストン１の素材又はピストン上部１０の素材とする鋼材を製造する場合、例えば、次の方法で製造する。初めに、化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内であり、特徴１及び特徴２を満たす溶鋼を周知の製鋼方法により製造する。製造された溶鋼を用いて、連続鋳造法又は造塊法により、鋳造材（ブルーム、インゴット、又は、ビレット）を製造する。鋳造材に対して周知の熱間加工を実施して、鋼材を製造する。熱間加工は例えば、熱間圧延、熱間鍛造等である。以上の製造工程により、ピストン上部１０の素材となる鋼材を製造する。

【0102】

［（工程２）据え込み鍛造工程］
素材準備工程で準備された鋼材に対して、熱間での据え込み鍛造を実施して、スチールピストン１又はピストン上部１０の中間品を製造する。スチールピストン１又はピストン上部１０の素材の直径は、ピストン上部１０の直径よりも小さい。そこで、素材である鋼材に対して熱間での据え込み鍛造を実施して、少なくともピストン上部１０を含む中間品を製造する。熱間での据え込み鍛造では、次の条件１～条件４を満たす。
（条件１）熱間での据え込み鍛造開始直前の鋼材温度Ｔ１を１０００℃以上とする。
（条件２）据え込み率ｅを３０～５５％とする。
（条件３）据え込み鍛造後４５０℃に至るまでの平均冷却速度ＣＲ１をＦＡ１（℃／秒）以上とする。
ＦＡ１＝－５．６８×１０^－２×Ｔ１＋０．２０×ｅ＋７．３２×１０
ここで、式中のＴ１には鋼材温度Ｔ１（℃）が代入され、ｅには据え込み率（％）が代入される。
（条件４）４５０～４００℃での平均冷却速度ＣＲ２をＦＡ２（℃／秒）以下とする。
ＦＡ２＝－１．２０×１０^－３×Ｔ１＋４．２０×１０^－３×ｅ＋１．８５
ここで、式中のＴ１には鋼材温度Ｔ１（℃）が代入され、ｅには据え込み率（％）が代入される。
以下、条件１～条件４について説明する。

【0103】

［（条件１）鋼材温度Ｔ１について］
熱間での据え込み鍛造開始直前の鋼材温度Ｔ１が１０００℃未満であれば、据え込み鍛造工程後の中間品において、Ｍｏが十分に固溶しない。この場合、ピストン上部１０でのＭＣ型炭化物の個数密度ＮＤが十分に得られない。したがって、鋼材温度Ｔ１は１０００℃以上とする。鋼材温度Ｔ１の上限は特に限定されないが、通常の設備能力等を考慮すると、例えば１３００℃である。

【0104】

［（条件２）据え込み率ｅについて］
据え込み率ｅは次の式で求めることができる。
据え込み率ｅ＝（１－Ｄｓ^２／Ｄｆ^２）×１００
ここで、式中のＤｓには、据え込み鍛造前の素材のうち、ピストン上部１０に相当する部分での直径（ｍｍ）が代入される。Ｄｆには、据え込み鍛造後の中間品のピストン上部１０に相当する部分の直径（ｍｍ）が代入される。
据え込み率ｅが３０％未満であれば、鋼材中のＭｏ偏析が十分に解消されない。この場合、ピストン上部１０でのＭＣ型炭化物のＭｏ含有量比率Ｒ_Ｍｏが十分に得られない。一方、据え込み率ｅが５５％を超えれば、鋼材に付与される歪量が過剰に多くなる。この場合、ピストン上部１０でのＭＣ型炭化物の個数密度ＮＤが十分に得られない。据え込み率ｅが３０～５５％であれば、据え込み鍛造により適切な歪が鋼材に付与される。そのため、ピストン上部１０でのＭＣ型炭化物の個数密度ＮＤ及びＭｏ含有量比率Ｒ_Ｍｏが適切な範囲となる。

【0105】

［（条件３）平均冷却速度ＣＲ１について］
熱間での据え込み鍛造後、２段階の冷却を実施する。具体的には、据え込み鍛造後鋼材温度が４５０℃に至るまでの期間での平均冷却速度ＣＲ１をＦＡ１（℃／秒）以上とする。
ＦＡ１＝－５．６８×１０^－２×Ｔ１＋０．２０×ｅ＋７．３２×１０
ここで、式中のＴ１には鋼材温度Ｔ１（℃）が代入され、ｅには据え込み率（％）が代入される。
平均冷却速度ＣＲ１がＦＡ１未満であれば、据え込み鍛造工程後の中間品において、Ｍｏが十分に固溶しない。この場合、ピストン上部１０でのＭＣ型炭化物の個数密度ＮＤが十分に得られない。したがって、平均冷却速度ＣＲ１をＦＡ１（℃／秒）以上とする。

【0106】

［（条件４）平均冷却速度ＣＲ２について］
さらに、鋼材温度が４５０～４００℃の期間での平均冷却速度ＣＲ２をＦＡ２以下とする。
ＦＡ２＝－１．２０×１０^－３×Ｔ１＋４．２０×１０^－３×ｅ＋１．８５
ここで、式中のＴ１には鋼材温度Ｔ１（℃）が代入され、ｅには据え込み率（％）が代入される。
平均冷却速度ＣＲ２がＦＡ２よりも速ければ、据え込み鍛造工程後の中間品において、Ｍｏが過剰に固溶する。この場合、ピストン上部１０でのＭＣ型炭化物を構成するＦｅを除く金属元素のうちのＭｏ含有量の比率Ｒ_Ｍｏが十分に得られない。したがって、平均冷却速度ＣＲ２をＦＡ２（℃／秒）以下とする。

【0107】

［（工程３）焼入れ及び焼戻し工程］
据え込み鍛造後の中間材のうち、ピストン上部１０を構成する鋼材からなる中間材に対して、焼入れ及び焼戻しを実施する。

【0108】

［焼入れ］
焼入れは周知の方法で実施される。焼入れ温度及び焼入れ温度での保持時間は特に限定されない。焼入れ温度は例えば、８４０～９７０℃である。焼入れ温度での保持時間は例えば、１５分～３６０分（６時間）である。保持時間経過後の中間品を急冷する。具体的には、中間品に対して水冷又は油冷を実施する。

【0109】

［焼戻し］
焼入れ後の中間品に対して、焼戻しを実施する。焼戻しでは、焼戻し温度Ｔ２を６００～６８０℃とする。また、焼戻し温度Ｔ２での保持時間ｔ２を０．５～６．０時間とする。焼戻しではさらに、次の条件５を満たす。
（条件５）下記の式で定義されるＦＢを３５００以上とする。
ＦＢ＝Ｔ２×ｔ２×［Ｍｏ］／［Ｖ］
ここで、ＦＢ中のＴ２には、焼戻し温度Ｔ２（℃）が代入される。ｔ２には、焼戻し温度Ｔ２での保持時間ｔ２（時間）が代入される。［Ｍｏ］には、鋼材中のＭｏ含有量（質量％）が代入される。［Ｖ］には、鋼材中のＶ含有量（質量％）が代入される。
以下、条件５について説明する。

【0110】

［（条件５）ＦＢについて］
ＦＢは、ＭＣ型炭化物中のＭｏ含有量比率Ｒ_Ｍｏに関するパラメータである。ＦＢが３５００未満であれば、ＭＣ型炭化物にＭｏが十分に含まれない。そのため、ピストン上部１０中のＭＣ型炭化物のＭｏ含有量比率Ｒ_Ｍｏが６０原子％未満となる。したがって、ＦＢは３５００以上である。なお、ＦＢの上限は特に限定されない。しかしながら、ＦＢが高すぎればスチールピストン１の高温強度が低下する。したがって、ＦＢの上限は例えば、１５５０００である。

【0111】

ＦＢの好ましい下限は４０００であり、さらに好ましくは５０００であり、さらに好ましくは６０００であり、さらに好ましくは７０００であり、さらに好ましくは８０００であり、さらに好ましくは１００００である。ＦＢの好ましい上限は１０００００であり、さらに好ましくは８００００であり、さらに好ましくは６００００であり、さらに好ましくは５００００である。

【0112】

［（工程４）接合工程］
接合工程は任意の工程であり、実施しなくてもよい。ピストン上部１０とピストン下部１１とが別体で製造されている場合、接合工程を実施する。したがって、ピストン上部１０とピストン下部１１とが一体で形成されている場合、接合工程は実施しなくてもよい。
接合工程を実施する場合、摩擦接合、レーザー接合、又は拡散接合等により、ピストン上部１０とピストン下部１１とを接合する。

【0113】

［（工程５）機械加工工程］
焼入れ及び焼戻し工程後の中間品、又は、接合工程後の中間品に対して、切削等の機械加工を実施して、最終製品であるスチールピストン１を製造する。以上の製造工程により、本実施形態のスチールピストン１を製造できる。

【実施例0114】

スチールピストンのピストン上部を模擬したピストン上部模擬品を製造して、高温強度を調査した。具体的には、表１－１及び表１－２の化学組成を有する鋼材を準備した。

【0115】

【表1-1】

【0116】

【表1-2】

【0117】

各試験番号の鋼材を、次の方法により製造した。各試験番号の溶鋼を用いて、連続鋳造法によりブルームを製造した。製造されたブルームに対して、熱間加工を実施した。具体的には、ブルームに対して分塊圧延を実施して、ビレットを製造した。分塊圧延前のブルームの加熱温度は、１０００～１２００℃であった。分塊圧延後、仕上げ圧延を実施して、鋼材（丸棒）を製造した。仕上げ圧延時のビレットの加熱温度は１０００～１２００℃であった。以上の製造工程により、ピストン上部模擬品の素材となる、直径１００ｍｍの鋼材（丸棒）を製造した。

【0118】

鋼材に対して据え込み鍛造を実施して、中間品を製造した。据え込み鍛造工程での据え込み鍛造開始直前の鋼材温度Ｔ１（℃）、据え込み率ｅ（％）、平均冷却速度ＣＲ１（℃／秒）、平均冷却速度ＣＲ２（℃／秒）は、表２に示すとおりであった。

【0119】

【表2】

【0120】

据え込み鍛造工程後の中間品に対して、焼入れ及び焼戻し工程を実施した。焼入れ工程では、各試験番号ともに、焼入れ温度を９２０℃とし、焼入れ温度での保持時間を６０分（１時間）とした。保持時間経過後の中間品を水冷した。焼戻し工程での焼戻し温度Ｔ２（℃）、焼戻し温度Ｔ２での保持時間ｔ２（時間）及びＦＢは表２に示すとおりであった。以上の工程により、ピストン上部模擬品を製造した。なお、ピストン上部模擬品の硬質相の面積率を［ピストン上部１０の硬質相の面積率の測定方法］に記載の方法に基づいて求めた。このとき、ピストン上部模擬品の端面（据え込み鍛造時に金型が接触した面）を頂上面１６１とみなしてサンプルを採取した。その結果、全ての試験番号において、ピストン上部模擬品の硬質相の面積率が９０％以上であった。

【0121】

［評価試験］
各試験番号のピストン上部模擬品に対して、次の評価試験を実施した。
（試験１）ＭＣ型炭化物個数密度ＮＤ測定試験
（試験２）ＭＣ型炭化物中のＭｏ含有量比率Ｒ_Ｍｏ測定試験
（試験３）高温強度評価試験
以下、各試験について説明する。

【0122】

［（試験１）ＭＣ型炭化物個数密度ＮＤ測定試験］
上述の［ＭＣ型炭化物の個数密度ＮＤの測定方法］に記載の方法に準拠して、各試験番号のピストン上部模擬品のＭＣ型炭化物の個数密度ＮＤ（個／ｍ^３）を求めた。得られたＭＣ型炭化物の個数密度ＮＤを表３に示す。

【0123】

【表3】

【0124】

［（試験２）ＭＣ型炭化物中のＭｏ含有量比率Ｒ_Ｍｏ測定試験］
上述の［Ｍｏ含有量比率Ｒ_Ｍｏの測定方法］に記載の方法に準拠して、各試験番号のピストン上部模擬品のＭＣ型炭化物中のＭｏ含有量比率Ｒ_Ｍｏ（原子％）を求めた。得られたＭｏ含有量比率Ｒ_Ｍｏを表３に示す。

【0125】

［（試験３）高温強度評価試験］
スチールピストン１の長時間使用を想定して、各試験番号のピストン上部模擬品に対して、６００℃で１０００時間保持する熱処理を実施した。
熱処理を実施した後のピストン上部模擬品の外周面からＤ／４深さ位置から、ピストン上部模擬品の軸方向に延びる丸棒引張試験片を採取した。ＪＩＳ Ｇ０５６７：２０２０に準拠したつば付き棒状試験片に相当する丸棒引張試験片の長さは７８ｍｍとした。採取した丸棒引張試験片を用いて、ＪＩＳ Ｇ０５６７：２０２０に準拠して、６００℃の大気中で引張試験を実施して、降伏強度（ＭＰａ）を得た。得られた６００℃での降伏強度を表３に示す。

【0126】

［試験結果］
表１－１、表１－２、表２及び表３に試験結果を示す。

【0127】

試験番号１～２９では、特徴１～特徴４を満たした。そのため、６００℃で１０００時間保持した後の６００℃での降伏強度が３８０ＭＰａ以上であり、高温環境で長時間使用した場合であっても、優れた高温強度が得られた。

【0128】

試験番号３０及び３１では、Ｆ１が式（１）を満たさなかった。そのため、Ｍｏ含有量比率Ｒ_Ｍｏが低かった。その結果、６００℃で１０００時間保持した後の６００℃での降伏強度が３８０ＭＰａ未満となった。

【0129】

試験番号３２及び３３では、条件１を満たさなかった。そのため、ＭＣ型炭化物個数密度ＮＤが低かった。その結果、６００℃で１０００時間保持した後の６００℃での降伏強度が３８０ＭＰａ未満となった。

【0130】

試験番号３４及び３５では、条件２の据え込み率ｅが低すぎた。そのため、Ｍｏ含有量比率Ｒ_Ｍｏが低かった。その結果、６００℃で１０００時間保持した後の６００℃での降伏強度が３８０ＭＰａ未満となった。

【0131】

試験番号３６及び３７では、条件２の据え込み率ｅが高すぎた。そのため、ＭＣ型炭化物個数密度ＮＤが低かった。その結果、６００℃で１０００時間保持した後の６００℃での降伏強度が３８０ＭＰａ未満となった。

【0132】

試験番号３８及び３９では、条件３を満たさなかった。そのため、ＭＣ型炭化物個数密度ＮＤが低かった。その結果、６００℃で１０００時間保持した後の６００℃での降伏強度が３８０ＭＰａ未満となった。

【0133】

試験番号４０及び４１では、条件４を満たさなかった。そのため、Ｍｏ含有量比率Ｒ_Ｍｏが低かった。その結果、６００℃で１０００時間保持した後の６００℃での降伏強度が３８０ＭＰａ未満となった。

【0134】

試験番号４２及び４３では、条件５を満たさなかった。そのため、そのため、Ｍｏ含有量比率Ｒ_Ｍｏが低かった。その結果、６００℃で１０００時間保持した後の６００℃での降伏強度が３８０ＭＰａ未満となった。

【0135】

以上、本発明の実施形態を説明した。しかしながら、上述した実施形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施形態を適宜変更して実施することができる。

【図1】