JP2003035198A - Piston for internal combustion engine and method of manufacturing the same - Google Patents
Piston for internal combustion engine and method of manufacturing the sameInfo
- Publication number
- JP2003035198A JP2003035198A JP2001221005A JP2001221005A JP2003035198A JP 2003035198 A JP2003035198 A JP 2003035198A JP 2001221005 A JP2001221005 A JP 2001221005A JP 2001221005 A JP2001221005 A JP 2001221005A JP 2003035198 A JP2003035198 A JP 2003035198A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piston
- average particle
- silicon
- ring groove
- oil ring
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 title claims abstract description 49
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 18
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 129
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 128
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 128
- 239000003921 oil Substances 0.000 claims abstract description 96
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 94
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 claims abstract description 78
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 43
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 25
- 238000005242 forging Methods 0.000 claims description 96
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 56
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 38
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 37
- 238000005266 casting Methods 0.000 claims description 30
- 238000003754 machining Methods 0.000 claims description 30
- 238000011282 treatment Methods 0.000 claims description 30
- 238000007711 solidification Methods 0.000 claims description 25
- 230000008023 solidification Effects 0.000 claims description 25
- 239000011856 silicon-based particle Substances 0.000 claims description 24
- 230000032683 aging Effects 0.000 claims description 13
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 10
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 abstract description 4
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 56
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 19
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 16
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 16
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 16
- 239000000047 product Substances 0.000 description 15
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 13
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 11
- 238000004512 die casting Methods 0.000 description 10
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 10
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 10
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 10
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 10
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 9
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 8
- 238000009749 continuous casting Methods 0.000 description 7
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 6
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 5
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 5
- 229920000742 Cotton Polymers 0.000 description 4
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 102220253765 rs141230910 Human genes 0.000 description 4
- 229910000676 Si alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- CSDREXVUYHZDNP-UHFFFAOYSA-N alumanylidynesilicon Chemical compound [Al].[Si] CSDREXVUYHZDNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 3
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 2
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000003483 aging Methods 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 230000015271 coagulation Effects 0.000 description 1
- 238000005345 coagulation Methods 0.000 description 1
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000010191 image analysis Methods 0.000 description 1
- 238000010297 mechanical methods and process Methods 0.000 description 1
- 230000005226 mechanical processes and functions Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000012768 molten material Substances 0.000 description 1
- 239000010705 motor oil Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 238000009700 powder processing Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000005204 segregation Methods 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 238000009987 spinning Methods 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000005496 tempering Methods 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
Landscapes
- Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
- Forging (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム−ケ
イ素系合金を用いた内燃機関用鍛造ピストンとその製造
方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a forged piston for an internal combustion engine using an aluminum-silicon alloy and a method for manufacturing the forged piston.
【0002】[0002]
【従来の技術】内燃機関用ピストンの製造は、従来は金
型鋳造法によって鋳造されてきた。金型鋳造法では、次
のようにピストンを製造する。溶解したアルミニウム合
金溶湯を金型に流し込んでピストンの形状に成形する。
その後人工時効処理等の必要な熱処理を施した後に、必
要な機械加工を施して製品に仕上げる。2. Description of the Related Art The manufacture of pistons for internal combustion engines has heretofore been cast by die casting. In the die casting method, the piston is manufactured as follows. The molten aluminum alloy melt is poured into a mold to form a piston shape.
Then, after performing necessary heat treatment such as artificial aging treatment, necessary machining is performed to finish the product.
【0003】最近一部に鍛造法によっても製造されるよ
うになった。この鍛造法では、次のようにピストンを製
造する。まず溶解したアルミニウム−ケイ素系合金を連
続鋳造して押出し用ビレットとする。その後、溶質元素
の偏析や凝固時の収縮によって発生した内部応力を均質
化するための熱処理(均質化処理)を施した後、押出し
加工にて細径丸棒に加工するか、または、連続鋳造法に
よって細径連続鋳造棒を製造し、その後均質化処理を施
し面削加工して細径丸棒に加工してから、鍛造用素材と
して切断する。その鍛造用素材を予備加熱した後に熱間
鍛造機にて鍛造加工してピストンの形状を成形する。そ
の後人工時効処理等の熱処理を施した後に、機械加工を
施してピストンに仕上げる。用途によっては耐摩耗性
や、耐熱強度を向上するために、ピストンヘッドや、ト
ップリングよりピストンヘッド側の側面に、アルマイト
処理や被膜形成処理を行うことがある。Recently, some parts have been manufactured by the forging method. In this forging method, a piston is manufactured as follows. First, the molten aluminum-silicon alloy is continuously cast into a billet for extrusion. After that, heat treatment (homogenization treatment) to homogenize internal stress generated by segregation of solute elements and shrinkage during solidification, and then extruded into a thin round bar, or continuous casting A small-diameter continuous cast rod is manufactured by the method, and then homogenized and face-cut into a small-diameter round rod, which is then cut as a forging material. The forging material is preheated and then forged by a hot forging machine to form the piston shape. Then, after heat treatment such as artificial aging treatment, mechanical processing is applied to finish the piston. Depending on the application, in order to improve wear resistance and heat resistance, the piston head and the side surface on the piston head side of the top ring may be subjected to alumite treatment or coating formation treatment.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】最近、自動車などの内
燃機関エンジンの燃費効率のより向上が求められてい
る。その為に車体の軽量化が図られており、ひとつとし
て軽量化したエンジンの開発が進められている。たとえ
ば、エンジンに用いるピストンにおいては材質をアルミ
ニウムへ変更したり、そのピストンの構造の薄肉化が検
討されている。Recently, there has been a demand for further improvement in fuel efficiency of an internal combustion engine such as an automobile. Therefore, the weight of the vehicle body is being reduced, and the development of a lightweight engine is being promoted as one of them. For example, in a piston used in an engine, the material is being changed to aluminum, and the structure of the piston is being made thinner.
【0005】また、高性能のエンジンに耐え得る品質を
有したピストンが求められている。There is also a demand for a piston having a quality capable of withstanding a high performance engine.
【0006】ところが、従来の金型鋳造法で製造したピ
ストンでは、鋳造法の技術的な制約上、スカート部の薄
肉化が難しい。その為、鋳造後に機械加工で薄肉に切削
加工するのが一般的である。鋳造法によるピストンは、
鋳造における凝固中の冷却速度が遅いために鋳造組織は
粗くなるので、機械加工工程での加工性は優れている。
しかしながら、鋳造体の肉厚や寸法のばらつきが大きい
ので最終製品の精度管理が困難であった。さらに、鋳造
体には、鋳巣やミクロシュリンケージ等の内部欠陥が発
生することにより鋳造体自身の強度の低下が起こるおそ
れがあるので、その強度を補う為にピストンを全体的に
肉厚に成形したり、リブの肉厚を厚くするなどで対応し
てきている。そのため鋳造法によるピストンはエンジン
性能の向上に対しては不利である。更に、これらの対応
によりピストン性能のばらつきは大きくなり、エンジン
性能の信頼性という点ではより向上が求められてきた。However, in the piston manufactured by the conventional die casting method, it is difficult to reduce the thickness of the skirt portion due to the technical limitation of the casting method. For this reason, it is common to perform a thin machining by machining after casting. The casting piston is
Since the cooling rate during the solidification in casting is slow, the cast structure becomes rough, so the workability in the machining process is excellent.
However, it is difficult to control the accuracy of the final product because the cast body has large variations in wall thickness and dimensions. In addition, the cast body may have internal defects such as cavities and micro-shrinkage, which may reduce the strength of the cast body itself. We are responding by molding and increasing the rib thickness. Therefore, the piston produced by the casting method is disadvantageous for improving engine performance. Further, due to these measures, variation in piston performance becomes large, and further improvement is required in terms of reliability of engine performance.
【0007】一方、鍛造法によるピストンでは、鍛造用
素材には内部欠陥がほとんど無く、機械的特性も一定で
安定しているので、鍛造法で成形したピストンは各部位
の肉厚を一定とすることができる。その面では、安定し
た品質のピストンを供給することが可能である。しか
し、素材の組織は微細であるがために、鍛造性、特にス
カート部のように薄肉で、距離の長い部分の鍛造に対し
ては好適であるのに対して、機械加工性では不充分な面
が有る。例えば切り粉が細かく分断されない連続型にな
るので切り粉処理性が悪く、それに伴って機械加工の生
産性が劣る。また機械加工後の、製品のオイルリング溝
部の面粗度も不充分であった。更に、連続鋳造法は鋳造
中に鋳塊内部に発生する凝固収縮応力による鋳塊割れが
発生するのを抑えるために製造できる合金組成に制限が
ある。そのため、ピストンに要求されるより高強度や、
より耐摩耗性、より高温での強度を狙った成分を自由に
鍛造用素材として製造することはできない。On the other hand, in the piston produced by the forging method, the forging material has almost no internal defects and the mechanical characteristics are constant and stable. Therefore, the piston formed by the forging method has a constant wall thickness at each part. be able to. In that respect, it is possible to supply a piston of stable quality. However, since the material has a fine structure, it is suitable for forgeability, especially for thin parts such as skirts that have a long distance, whereas machinability is insufficient. There is a face. For example, since the cutting powder is a continuous type that is not finely divided, the cutting powder processing property is poor, and the machining productivity is accordingly poor. In addition, the surface roughness of the oil ring groove portion of the product after machining was insufficient. Further, the continuous casting method has a limitation on the alloy composition that can be produced in order to suppress ingot cracking due to solidification shrinkage stress generated inside the ingot during casting. Therefore, higher strength than required for the piston,
A component aiming at higher wear resistance and higher strength at higher temperatures cannot be freely manufactured as a forging material.
【0008】本発明は、上記の状況に鑑み開発されたも
ので、オイルリング溝の機械加工性が良く例えばオイル
リング溝面粗度およびオイルリング溝平坦度などの寸法
が安定しており、ヘッド部付近の機械的特性例えばヘッ
ド面およ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耐摩耗性
が安定している内燃機関用鍛造ピストンを提供するもの
である。The present invention has been developed in view of the above situation, and the machinability of the oil ring groove is good, and the dimensions such as the oil ring groove surface roughness and the oil ring groove flatness are stable, and the head is Provided is a forged piston for an internal combustion engine, which has excellent mechanical properties in the vicinity of the head part, for example, high-temperature strength properties of the head surface and piston pin part, excellent forgeability of the skirt part, and stable wear resistance of the oil ring groove part. is there.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明者は、新規の鍛造
用素材と内燃機関用鍛造ピストンの製品特性について鋭
意研究をおこないその知見に基づいて本発明を完成する
に至った。
1)上記課題を解決するための第1の発明は、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以上であることを特徴とする内燃機関用鍛造ピ
ストンである。
2)上記課題を解決するための第2の発明は、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
り、かつオイルリング溝部の共晶ケイ素平均粒径(A)
が4.0μm以上であることと、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以上であることを特徴とする内燃機関用鍛造
ピストンである。
3)上記課題を解決するための第3の発明は、アルミニ
ウム合金に、Cuを0.3〜7質量%、Mgを0.1〜
2質量%含有することを特徴とする1)または2)に記
載の内燃機関用鍛造ピストンである。
4)上記課題を解決するための第4の発明は、アルミニ
ウム合金に、Niを0.1〜2.5質量%含有すること
を特徴とする1)乃至3)のいずれか1項に記載の内燃
機関用鍛造ピストンである。
5)上記課題を解決するための第5の発明は、ケイ素を
6〜25質量%含有するアルミニウム合金溶湯を一方向
凝固鋳造法により上面と下面でケイ素平均粒径の異なる
組織を有する鍛造用素材を製造する工程と、該鍛造用素
材を予備加熱処理する工程と該鍛造用素材をケイ素平均
粒径が大きい面と金型のピストンヘッドを形成する面と
を向かい合わせて金型内に収納して鍛造法によりピスト
ン素形材に成形する工程と、該ピストン素形材を人工時
効処理する工程と、該ピストン素形材を機械加工して内
燃機関用鍛造ピストンとする工程とを含むことを特徴と
する内燃機関用鍛造ピストンの製造方法である。
6)上記課題を解決するための第6の発明は、一方向凝
固の冷却条件が、鋳塊の上部側での共晶ケイ素平均粒径
(A)と、冷却板側と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、共晶ケイ素平均粒
径(A)が4μm以上となるような条件であることを特
徴とする5)に記載の内燃機関用鍛造ピストンの製造方
法である。
7)上記課題を解決するための第7の発明は、一方向凝
固の冷却条件が、凝固用の鋳型の上面から5mm、外周
から5mm内部に入った位置eでの冷却速度(E)が
0.5℃/秒以上であり、かつ該位置eと凝固用の鋳型
の底面から1mm、外周から5mm内部に入った位置f
での冷却速度(F)との比(E/F)が0.85以下で
あることを特徴とする5)に記載の内燃機関用鍛造ピス
トンの製造方法である。
8)上記課題を解決するための第8の発明は、予備加熱
処理の温度条件が350℃〜(アルミニウム合金の固相
温度−10)℃の範囲であることを特徴とする5)乃至
7)のいずれか1項に記載の内燃機関用鍛造ピストンの
製造方法である。Means for Solving the Problems The present inventor has conducted earnest research on the product characteristics of a new forging material and a forged piston for an internal combustion engine, and has completed the present invention based on the findings. 1) A first invention for solving the above problems is a forged piston for an internal combustion engine, which is made of an aluminum alloy containing 6 to 25 mass% of silicon, and has a eutectic silicon average particle diameter (A) of an oil ring groove portion. And the ratio (A / B) of the eutectic silicon average particle diameter (B) at the tip of the skirt portion is 1.5 or more, and the eutectic silicon average particle diameter (A) at the oil ring groove portion
Is 4 μm or more, which is a forged piston for an internal combustion engine. 2) A second invention for solving the above-mentioned problem is a forged piston for an internal combustion engine, which is made of an aluminum alloy containing 6 to 25% by mass of silicon, and has a eutectic silicon average particle diameter (A) of an oil ring groove portion. And the eutectic silicon average particle size (B) at the tip of the skirt (A / B) is 1.5 or more, and the eutectic silicon average particle size (A) at the oil ring groove is
Is 4.0 μm or more, and the ratio (C / D) of the primary crystal silicon average particle diameter (C) at the oil ring groove portion to the primary crystal silicon average particle diameter (D) at the tip of the skirt portion is 1. 3 or more and primary silicon average particle size (C) in oil ring groove
Of 15 μm or more is a forged piston for an internal combustion engine. 3) A third invention for solving the above-mentioned problems is that an aluminum alloy contains Cu in an amount of 0.3 to 7 mass% and Mg in an amount of 0.1 to 0.1% by mass.
The forged piston for an internal combustion engine according to 1) or 2), which contains 2% by mass. 4) A fourth invention for solving the above-mentioned problems is characterized in that the aluminum alloy contains Ni in an amount of 0.1 to 2.5% by mass. It is a forged piston for an internal combustion engine. 5) A fifth invention for solving the above-mentioned problem is a forging material having a structure in which an average grain size of silicon is different on the upper surface and the lower surface by a unidirectional solidification casting method of an aluminum alloy melt containing 6 to 25 mass% of silicon. And a step of preheating the forging material, and the forging material is housed in a mold with the surface having a large average silicon particle diameter and the surface forming the piston head of the mold facing each other. Forming a piston blank by a forging method, a step of artificially aging the piston blank, and a step of machining the piston blank to obtain a forged piston for an internal combustion engine. A method for manufacturing a forged piston for an internal combustion engine, which is characterized. 6) A sixth aspect of the invention for solving the above-mentioned problems is that the cooling conditions for unidirectional solidification are that the eutectic silicon average particle size (A) on the upper side of the ingot and the eutectic silicon average on the cooling plate side. The condition (5) is characterized in that the ratio (A / B) to the particle size (B) is 1.5 or more and the eutectic silicon average particle size (A) is 4 μm or more. Is a method of manufacturing a forged piston for an internal combustion engine. 7) A seventh aspect of the invention for solving the above-mentioned problems is that the cooling condition for unidirectional solidification is such that the cooling rate (E) is 0 at a position e which is 5 mm from the upper surface of the solidification mold and 5 mm from the outer periphery. A position f of 5 ° C./sec or more and 1 mm from the position e and the bottom surface of the mold for coagulation and 5 mm from the outer periphery.
The ratio (E / F) to the cooling rate (F) at 0.85 is 0.85 or less. 8) The eighth invention for solving the above-mentioned problems is characterized in that the temperature condition of the preheating treatment is in the range of 350 ° C to (solidus temperature of aluminum alloy-10) ° C. The method for manufacturing a forged piston for an internal combustion engine according to any one of 1.
【0010】本発明では、金属組織観察の手法に従って
作成した試料を顕微鏡観察を行い、得られた観察面に対
して画像解析処理装置を用いて、観察面に露出した粒子
一個一個の断面形状を等価円に置き換えその円の直径を
粒子の直径とするHEYWOD径の平均値を平均粒径と
した。In the present invention, a sample prepared according to the method of observing a metallographic structure is microscopically observed, and an image analysis processing device is used for the obtained observation surface to determine the cross-sectional shape of each particle exposed on the observation surface. An average value of HEYWOD diameters, in which the diameter of the circle was used as the diameter of the particle and the diameter of the circle was replaced with the equivalent circle, was used as the average particle diameter.
【0011】[0011]
【発明の実施の形態】本発明の内燃機関用鍛造ピストン
の一実施形態について説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An embodiment of a forged piston for an internal combustion engine of the present invention will be described.
【0012】本発明の内燃機関用鍛造ピストンはバルブ
リセスを有するヘッド面、厚肉部であるスカート部、リ
ブ、オイルリング溝部、ピストンピン孔を含んだ構成で
ある。The forged piston for an internal combustion engine of the present invention comprises a head surface having a valve recess, a thick skirt portion, a rib, an oil ring groove portion, and a piston pin hole.
【0013】図1は、本発明の内燃機関用鍛造ピストン
の一例の断面図である。図1の(a)図はスカート部を
含む縦方向の断面図である。図1の(b)図はピストン
をコンロッドに結合する為のピストンピンを挿入するピ
ン孔(ピストンピン孔(14))を含む縦方向の断面で
ある。ピストンの上面はバルブリセスを有するヘッド面
(11)である。オイルリング溝(12)はピストンリ
ングを組み込むための溝であり、オイルリング溝はピス
トン外周面に対して垂直である、すなわちオイルリング
溝は深さ方向に垂直であることが求められている。スカ
ート部(13)はピストンのエンジンライナー内で姿勢
を保つためのガイドであり、高強度で耐摩耗性を備え、
軽量化のために肉薄であることが求められている。符号
15に示す、2点破線の形状は鍛造製品であるピストン
粗形材の形状であり、符号16に示す実線の形状は機械
加工後のピストン完成品の形状である。符号17はリブ
である。符号18はスカート部先端部である。スカート
部先端部はピストン全体の高さに対して下より40%の
範囲のスカート部のことである。鍛造時に大きく塑性流
動が起こり良好な鍛造加工性がもとめられる箇所であ
る。FIG. 1 is a sectional view of an example of a forged piston for an internal combustion engine of the present invention. FIG. 1A is a longitudinal sectional view including a skirt portion. FIG. 1B is a vertical cross section including a pin hole (piston pin hole (14)) into which a piston pin for connecting the piston to the connecting rod is inserted. The upper surface of the piston is a head surface (11) having a valve recess. The oil ring groove (12) is a groove for incorporating the piston ring, and the oil ring groove is required to be perpendicular to the outer peripheral surface of the piston, that is, the oil ring groove is required to be perpendicular to the depth direction. The skirt (13) is a guide for maintaining the posture in the engine liner of the piston, and has high strength and wear resistance,
It is required to be thin to reduce the weight. The shape of the two-dot broken line shown by reference numeral 15 is the shape of the rough piston material which is a forged product, and the shape of the solid line shown by reference numeral 16 is the shape of the finished piston product after machining. Reference numeral 17 is a rib. Reference numeral 18 is the tip of the skirt. The tip of the skirt portion is a skirt portion in the range of 40% from the bottom with respect to the height of the entire piston. This is a place where a large plastic flow occurs during forging and good forgeability is required.
【0014】本発明の内燃機関用鍛造ピストンは、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(好
ましくは1.6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以上であることを
特徴とする。The forged piston for an internal combustion engine of the present invention is a forged piston for an internal combustion engine which is made of an aluminum alloy containing 6 to 25% by mass of silicon, and has a eutectic silicon average particle diameter (A) in the oil ring groove and a skirt. The ratio (A / B) to the eutectic silicon average particle size (B) at the tip of the part is 1.5 or more (preferably 1.6 or more), and the eutectic silicon average particle size ( A) is 4 μm or more.
【0015】オイルリング溝部の共晶ケイ素平均粒径が
4μm以上(好ましくは4.5μm以上)とするのは、
次の理由からである。オイルリング溝部の共晶ケイ素平
均粒径が4μm未満であると、オイルリング溝部の切削
加工時において、切り粉が長く繋がって切削加工中に工
具や切削機械のチャック部に絡みつく原因となりやす
い。しかも絡みついた切り粉は、ピストンの加工面に傷
を付けるだけではなく、切削機械の底に綿状に溜まった
切り粉が引きずりあげられてチャック部全体が切り粉で
包まれてしまい、それ以上運転を継続することができな
くなり生産性が悪くなる。あるいは、切り粉が絡みつい
て加工された内燃機関用鍛造ピストンは面粗度が大きく
なり品質を満足できなくなる。The average grain size of eutectic silicon in the oil ring groove is 4 μm or more (preferably 4.5 μm or more).
The reason is as follows. If the eutectic silicon average particle size of the oil ring groove is less than 4 μm, during the cutting of the oil ring groove, the cutting powder is likely to be connected for a long time and become entangled with the tool or the chuck of the cutting machine during the cutting. Moreover, the entangled cutting chips not only scratch the piston's machined surface, but also the cutting chips collected in a cotton shape at the bottom of the cutting machine are dragged up and the entire chuck part is wrapped with cutting chips, and more. It becomes impossible to continue operation, resulting in poor productivity. Alternatively, the forged piston for an internal combustion engine processed by being entangled with the cutting chips has a large surface roughness and cannot satisfy the quality.
【0016】オイルリング溝部は全周が繋がっているの
で、切り粉の分断は、切り粉自身で行われなければなら
ず、切り粉処理性の良い特性を有することが望まれる。Since the entire circumference of the oil ring groove is continuous, the cutting chips must be divided by the cutting chips themselves, and it is desired that the cutting chips have a good property of treating the cutting chips.
【0017】この要望に対して、本発明の内燃機関用鍛
造ピストンは共晶ケイ素平均粒径が4μm以上であるの
で、これを製造する際の機械加工工程において、切り粉
はケイ素粒子の晶出物によって切断され易くなり、切り
粉はつながりが無い分断型の切り粉となる。その結果、
切り粉が刃物やチャックに絡みつくのを抑えることがで
き、また機械の中に綿のように残らないので、切り粉処
理の作業性は非常に良くなる。また、切り粉が刃物や加
工中の製品に絡みつくのを抑えることができるので、加
工後の面粗度は安定する。In response to this demand, the forged piston for an internal combustion engine of the present invention has a eutectic silicon average particle size of 4 μm or more. Therefore, in the machining process in manufacturing the forged piston, the cutting powder crystallizes silicon particles. It becomes easy to be cut by the object, and the cutting powder becomes a cutting powder with no connection. as a result,
The swarf can be prevented from being entangled with the cutting tool or the chuck, and it does not remain in the machine like cotton, so the workability of the swarf is greatly improved. In addition, since it is possible to prevent the cutting chips from being entangled with the blade or the product being processed, the surface roughness after processing becomes stable.
【0018】また、オイルリング溝部の共晶ケイ素平均
粒径が4μm以上であるので、耐摩耗性は優れる。エン
ジンが作動すると、オイルリング溝の上下面はピストン
リングに擦られるので、オイルリング溝部は高い耐摩耗
性が求められる。更に、ピストンヘッド側(エンジンの
燃焼室に暴露される面)は、燃料が燃焼する時に発生す
る高温の燃焼ガスによりピストンヘッド近傍が高温にな
る。ピストンヘッド近傍のエンジンシリンダー内面と接
触するオイルリング溝部位は、スカート部に比べると、
より過酷な環境に晒されて摺動するから、その部位の耐
摩耗性は優れたものでなければならない。4μm以下で
は耐摩耗性が不充分である。Further, since the eutectic silicon average particle size of the oil ring groove is 4 μm or more, the wear resistance is excellent. When the engine operates, the upper and lower surfaces of the oil ring groove are rubbed by the piston rings, so the oil ring groove portion is required to have high wear resistance. Further, on the piston head side (the surface exposed to the combustion chamber of the engine), the temperature near the piston head becomes high due to the high-temperature combustion gas generated when the fuel burns. Compared to the skirt, the oil ring groove part that contacts the inner surface of the engine cylinder near the piston head is
Since it slides by being exposed to a more severe environment, the wear resistance of that part must be excellent. If it is less than 4 μm, the wear resistance is insufficient.
【0019】本発明の内燃機関用鍛造ピストンは、オイ
ルリング溝部の共晶ケイ素平均粒径が4μm以上である
ので、高性能エンジンで実施されているようなオイルリ
ング溝付近に耐摩耗性コーティング剤による皮膜処理や
硬質アルマイト処理によって耐摩耗性を改善する処置を
施すことなく、充分な耐摩耗性を有している。よって、
これらの高価な処理を施すことが必要で無いので、ピス
トン単価を低く抑えることができ、安価なエンジンを提
供できる
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(より好ましくは1.6以上)、言い
換えれば、スカート部先端部の共晶ケイ素平均粒径Bが
オイルリング溝部の共晶ケイ素平均粒径(A)よりも小
さく、Aの0.67倍以下である理由は以下による。In the forged piston for an internal combustion engine of the present invention, since the eutectic silicon average particle size of the oil ring groove is 4 μm or more, a wear-resistant coating agent near the oil ring groove as used in a high performance engine. It has sufficient abrasion resistance without any treatment for improving the abrasion resistance by the coating treatment with or the hard alumite treatment. Therefore,
Since it is not necessary to carry out these expensive treatments, the unit price of the piston can be kept low, and an inexpensive engine can be provided. Eutectic silicon average grain size (A) in the oil ring groove and eutectic in the skirt tip. Ratio to average silicon particle size (B) (A /
B) is 1.5 or more (more preferably 1.6 or more), in other words, the eutectic silicon average particle diameter B of the skirt tip is smaller than the eutectic silicon average particle diameter (A) of the oil ring groove, The reason why it is 0.67 times or less of A is as follows.
【0020】スカート部はピストン全周にわたって成形
されるのではなく、ピストンピン部で円周が切れている
のでスカート部は機械加工工程で円周方向に切削加工を
行った場合は自動的に断続切削が行われる。そのため切
り粉が刃物に絡みつく心配は無いので、機械加工時の切
り粉処理の作業性については、スカート部先端部の共晶
ケイ素平均粒径Bは0.67倍以下で充分である。Since the skirt is not formed over the entire circumference of the piston, but the circumference is cut at the piston pin, the skirt is automatically interrupted when cutting in the circumferential direction in the machining process. Cutting is done. Therefore, since there is no concern that the cutting powder will be entangled with the blade, it is sufficient that the eutectic silicon average particle size B at the tip of the skirt portion is 0.67 times or less for the workability of the cutting powder during machining.
【0021】一方、スカート部先端部の共晶ケイ素平均
粒径(B)がオイルリング溝部の共晶ケイ素平均粒径
(A)の0.67倍を超えると、オイルリング溝の耐摩
耗性を確保しつつ、熱間鍛造時における良好な塑性流動
を確保出来なくなる。例えばオイルリング溝部の耐摩耗
性には劣るがスカート部の良好な塑性加工性は確保出来
る場合と、あるいは逆に、耐摩耗性は優れるが塑性加工
性に劣る場合とが起きる。その結果ピストンとして、両
方の良好な特性を兼ね備えた物を供給することが困難に
なる。On the other hand, when the eutectic silicon average particle size (B) at the tip of the skirt exceeds 0.67 times the eutectic silicon average particle size (A) at the oil ring groove, the wear resistance of the oil ring groove is increased. It becomes impossible to secure good plastic flow during hot forging while securing. For example, there are cases where the wear resistance of the oil ring groove portion is inferior but good plastic workability of the skirt portion can be secured, or conversely, wear resistance is excellent but plastic workability is poor. As a result, it becomes difficult to supply an object having both good characteristics as a piston.
【0022】しかし本発明の内燃機関用ピストンは、ス
カート部先端部の共晶ケイ素平均粒径(B)がオイルリ
ング溝部の共晶ケイ素平均粒径(A)の0.67倍以下
であるので、スカート部を薄肉に成形した場合でも、金
型に充填するスカート部先端部に亀裂が生じることは無
く、金型への塑性流動性が劣ることがない。このために
スカート部の肉厚を薄く成形することができるので、ピ
ストンの軽量化が容易に達成できる。鍛造により薄肉に
成形でき、かつ機械加工による薄肉化のための加工代を
低減できるので、生産性と材料歩留まりが向上する。However, in the piston for internal combustion engine of the present invention, the eutectic silicon average particle size (B) at the tip of the skirt is 0.67 times or less than the eutectic silicon average particle size (A) at the oil ring groove. Even when the skirt portion is formed thin, cracks do not occur at the tip of the skirt filled in the mold, and plastic flowability into the mold is not deteriorated. For this reason, the skirt portion can be formed to be thin, so that the weight of the piston can be easily reduced. Since it can be formed into a thin wall by forging, and the machining allowance for reducing the wall thickness by machining can be reduced, the productivity and the material yield are improved.
【0023】本発明のピストンは、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以上であり、かつオイ
ルリング溝部の共晶ケイ素平均粒径(A)が4.0μm
以上であることと、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
上であることとを特徴とする内燃機関用鍛造ピストンで
あるのが好ましい。The piston of the present invention is a forged piston for an internal combustion engine, which is made of an aluminum alloy containing 6 to 25% by mass of silicon, and has a eutectic silicon average particle diameter (A) in the oil ring groove and a skirt tip. Of the eutectic silicon average particle diameter (B) is 1.5 or more, and the eutectic silicon average particle diameter (A) of the oil ring groove is 4.0 μm.
That is, the ratio (C / D) of the primary crystal silicon average particle diameter (C) at the oil ring groove portion to the primary crystal silicon average particle diameter (D) at the tip of the skirt portion is 1.3 or more. It is preferable that the forged piston for an internal combustion engine is characterized in that the primary crystal silicon average particle diameter (C) of the oil ring groove is 15 μm or more.
【0024】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以上であり、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
である理由は、前述したとおりである。The ratio (A / B) of the eutectic silicon average particle diameter (A) at the oil ring groove portion to the eutectic silicon average particle diameter (B) at the tip of the skirt portion is 1.5 or more, and the oil The reason why the eutectic silicon average particle size (A) of the ring groove portion is 4 μm or more is as described above.
【0025】一方、ケイ素を6〜25質量%含有するア
ルミニウム合金の場合には、冷却速度に応じて共晶ケイ
素組織の中に、初晶ケイ素が存在する場合がある。On the other hand, in the case of an aluminum alloy containing 6 to 25% by mass of silicon, primary crystal silicon may exist in the eutectic silicon structure depending on the cooling rate.
【0026】そのような場合は、オイルリング溝部の初
晶ケイ素平均粒径Cが15μm以上(より好ましくは1
7μm以上。)であるのが好ましい。理由は、初晶ケイ
素粒径による機械加工性と耐摩耗性を更に高めることが
でき、15μmを下回るとその効果が充分に得られなく
なるからである。In such a case, the primary crystal silicon average particle diameter C of the oil ring groove is 15 μm or more (more preferably 1
7 μm or more. ) Is preferred. The reason is that the machinability and wear resistance due to the grain size of primary crystal can be further enhanced, and if it is less than 15 μm, the effect cannot be sufficiently obtained.
【0027】本発明の内燃機関用鍛造ピストンは共晶ケ
イ素平均粒径が4.0μm以上であってオイルリング溝
部の初晶ケイ素平均粒径Cが15μm以上であるので、
これを製造する際の機械加工工程において、切り粉はこ
れらのケイ素粒子の晶出物によって切断され易くなり、
切り粉はつながりが無い分断型の切り粉となる。その結
果、切り粉が刃物やチャックに絡みつくのを抑えること
ができ、また機械加工装置の中に綿のように残らないの
で、切り粉処理の作業性は非常に良くなる。また、切り
粉が刃物や加工中の製品に絡みつくのを抑えることがで
きるので、加工後の面粗度は安定する。また、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
ので、オイルリング溝部の耐摩耗性が向上する。Since the forged piston for internal combustion engine of the present invention has the eutectic silicon average particle size of 4.0 μm or more and the primary crystal silicon average particle size C of the oil ring groove portion is 15 μm or more,
In the machining step when manufacturing this, the cutting chips are easily cut by the crystallized substances of these silicon particles,
The cutting chips are divided type cutting chips with no connection. As a result, the swarf can be prevented from being entangled with the cutting tool or the chuck, and the swarf does not remain in the machining device like cotton, so that the workability of the swarf treatment is greatly improved. In addition, since it is possible to prevent the cutting chips from being entangled with the blade or the product being processed, the surface roughness after processing becomes stable. Further, since the primary crystal silicon average particle diameter C of the oil ring groove is 15 μm or more, the wear resistance of the oil ring groove is improved.
【0028】そして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(より好ましくは
1.4以上)であるのが好ましい。理由は、(C/D)
が1.3以上であることにより、オイルリング溝部の耐
摩耗性と機械加工性とを更に高め、かつ、スカート部先
端部の塑性流動性も確保する事が可能となる。しかし、
1.3を下回ると、オイルリング溝部の耐摩耗性と機械
加工性、及び、スカート部先端部の塑性流動性の何れか
が不充分になる。The ratio (C / D) of the primary crystal silicon average particle diameter (C) in the oil ring groove portion to the primary crystal silicon average particle diameter (D) in the tip of the skirt portion is 1.3 or more (more preferably). 1.4 or more) is preferable. The reason is (C / D)
When the ratio is 1.3 or more, it becomes possible to further improve the wear resistance and the machinability of the oil ring groove portion and to secure the plastic fluidity of the tip portion of the skirt portion. But,
When it is less than 1.3, either the wear resistance and the machinability of the oil ring groove portion or the plastic fluidity of the tip portion of the skirt portion becomes insufficient.
【0029】ピストンに使用されるアルミニウム合金に
おいて、更にCuを0.3〜7質量%、Mgを0.1〜
2質量%(より好ましくは、Cuを0.4〜6.5質量
%、Mgを0.15〜1.8質量%)含有することが好
ましい。これらの合金元素の含有によってピストンの硬
度が高まり、機械的強度、例えば引張り強度、0.2%
耐力、疲労強度などが高まり、ピストンの構造全体の薄
肉化による軽量化が図れる。これ未満では、効果は無
く、これより多くても、効果は飽和するので効果は現れ
ず、材料コストが上がるだけでなく、鍛造性をも不充分
になる。In the aluminum alloy used for the piston, Cu is added in an amount of 0.3 to 7% by mass and Mg is added in an amount of 0.1 to
2 mass% (more preferably, 0.4 to 6.5 mass% Cu and 0.15 to 1.8 mass% Mg) are preferably contained. The inclusion of these alloying elements increases the hardness of the piston, resulting in mechanical strength such as tensile strength, 0.2%.
The yield strength and fatigue strength are increased, and the weight of the piston structure can be reduced by thinning the entire structure. If it is less than this, the effect is not obtained, and if it is more than this, the effect is saturated and the effect does not appear, so that not only the material cost increases but also the forgeability becomes insufficient.
【0030】ピストンに使用されるアルミニウム合金に
おいて、更にNiを0.1〜2.5質量%(より好まし
くはNiを0.2〜2.0質量%)含有することが好ま
しい。Niの含有によって、高温強度が高まり、エンジ
ンの高負荷の下でのピストンヘッド近傍のエンジンシリ
ンダー内面と接触するオイルリング溝部の耐久性が向上
するからである。これより少ないとその効果は得られ
ず、それより多いと、効果は飽和する。しかも、Niは
高価な物であり、製造費の必要以上の負担が発生する。The aluminum alloy used for the piston preferably further contains 0.1 to 2.5 mass% of Ni (more preferably 0.2 to 2.0 mass% of Ni). This is because the inclusion of Ni increases the high temperature strength and improves the durability of the oil ring groove portion that comes into contact with the inner surface of the engine cylinder near the piston head under a high load of the engine. If it is less than this, the effect cannot be obtained, and if it is more than that, the effect is saturated. In addition, Ni is an expensive material, and the manufacturing cost is unnecessarily increased.
【0031】本発明によるピストンの製造方法の一例を
説明する。本発明の製造方法は、ケイ素を6〜25質量
%含有するアルミニウム合金溶湯を一方向凝固鋳造法に
より上面と下面でケイ素平均粒径の異なる組織を有する
鍛造用素材を製造する工程と、該鍛造用素材をケイ素平
均粒径が大きい面と金型のピストンヘッドを成形する面
とを向かい合わせて収納して鍛造法によりピストン素形
材に成形する工程と、該ピストン素形材を人工時効処理
する工程と、該ピストン素形材を機械加工して内燃機関
用鍛造ピストンとする工程とを含むことを特徴とする内
燃機関用鍛造ピストンの製造方法である。An example of the piston manufacturing method according to the present invention will be described. The production method of the present invention comprises a step of producing a forging material having a structure in which the average grain size of silicon is different on the upper surface and the lower surface by an unidirectional solidification casting method of an aluminum alloy melt containing 6 to 25% by mass of silicon, and the forging A process for accommodating the raw material for use with the surface with a large average silicon particle diameter and the face for molding the piston head of the mold facing each other and forming into a piston raw material by forging, and an artificial aging treatment for the piston raw material And a step of machining the piston blank to obtain a forged piston for an internal combustion engine.
【0032】本発明の製造方法で製造したピストンは、
前述した特性を備えたピストンとなる。The piston manufactured by the manufacturing method of the present invention is
The piston has the characteristics described above.
【0033】以下にその詳細を説明する。鍛造用素材は
原料であるアルミニウム合金を一方向凝固鋳造法により
鋳造することで得られる。使用する鋳造装置としては例
えば特開平9−174198号公報に開示されている図
2の装置があげられる。The details will be described below. The material for forging is obtained by casting an aluminum alloy as a raw material by a unidirectional solidification casting method. The casting apparatus used is, for example, the apparatus shown in FIG. 2 disclosed in JP-A-9-174198.
【0034】符号201は冷却板で、その上に主鋳型2
02が配置されている。主鋳型202の上部には溶解炉
等(図示せず)からのアルミニウム合金の溶湯207の
受槽203が設けられ、図2ではその底部は鋳型の上部
と一体になっている。そして溶湯受槽203と鋳型とは
注入口204により連通している。注入口204には開
閉栓205が設けられ、鋳型への溶湯の注入は開閉栓を
上下に駆動する装置(図示せず)により開閉栓を引き上
げて行い、注入された溶湯は溶湯上面が上向きに上昇
し、注入終了後、または予め定められた一定時間経過
後、開閉栓を下げて溶湯を遮断する。符号208は蓋、
符号209は溶湯を所定温度に維持するための電気炉で
ある。冷却板201はその下にスプレーノズル210に
より水などを噴射して冷却する。符号211はケース、
符号212は排水口である。Reference numeral 201 is a cooling plate on which the main mold 2 is placed.
02 is arranged. A receiving tank 203 for a molten aluminum alloy 207 from a melting furnace or the like (not shown) is provided on the upper part of the main mold 202, and in FIG. 2, the bottom part thereof is integrated with the upper part of the mold. The molten metal receiving tank 203 and the casting mold are in communication with each other through an injection port 204. The inlet 204 is provided with an opening / closing plug 205, and the molten metal is injected into the mold by pulling up the opening / closing plug by a device (not shown) that drives the opening / closing plug up and down. After the temperature rises and the injection is completed, or after a lapse of a predetermined time, the open / close stopper is lowered to shut off the molten metal. Reference numeral 208 is a lid,
Reference numeral 209 is an electric furnace for maintaining the molten metal at a predetermined temperature. The cooling plate 201 is cooled by spraying water or the like under the cooling plate 201 with a spray nozzle 210. Reference numeral 211 is a case,
Reference numeral 212 is a drainage port.
【0035】鋳型内に注入されたアルミニウム合金の溶
湯は、冷却板を通しての抜熱により上部鋳型壁に向かっ
て一方向凝固する。金属組織は冷却速度の影響を受け、
共晶ケイ素粒子や初晶ケイ素粒子(総称してケイ素粒子
とも呼ぶ。)は、冷却速度が早いほど細かく、遅いほど
粗くなる。本装置を用いた場合、冷却板側の冷却速度が
最も早く、上部鋳型壁面近傍が最も遅いことから、アル
ミニウム−ケイ素系合金の凝固で晶出する、ケイ素粒子
の大きさは、冷却板側で小さく、上部鋳型側で大きくな
り、粒径の分布が傾斜した組織を備えた鋳塊が得られ
る。The molten aluminum alloy poured into the mold is unidirectionally solidified toward the upper mold wall by heat removal through the cooling plate. The metal structure is affected by the cooling rate,
Eutectic silicon particles and primary crystal silicon particles (also collectively referred to as silicon particles) become finer as the cooling rate becomes faster, and coarser as the cooling rate becomes slower. When this device is used, the cooling rate on the cooling plate side is the fastest, and the vicinity of the upper mold wall surface is the slowest, so the size of the silicon particles crystallized by the solidification of the aluminum-silicon alloy is the cooling plate side. An ingot having a structure that is small, increases on the side of the upper mold, and has a graded grain size distribution is obtained.
【0036】原料のアルミニウム合金としては、ケイ素
量を6〜25質量%含有するものである。ケイ素量が6
質量%未満では耐摩耗性に劣り、25質量%を超えると
耐摩耗性のそれ以上の効果は発露されず過剰となり、却
って鍛造時に割れが発生する等、鍛造性が悪くなる。更
に、機械加工工具の刃物の寿命が著しく悪くなる。The raw material aluminum alloy contains 6 to 25 mass% of silicon. Silicon amount is 6
When it is less than 25% by mass, the wear resistance is inferior, and when it exceeds 25% by mass, the further effect of the wear resistance is not exposed and becomes excessive, and rather the forgeability is deteriorated such as cracking during forging. In addition, the life of the cutting tools is significantly reduced.
【0037】ケイ素以外に、アルミニウム合金に時効硬
化性を具備させてピストンの硬度と機械的特性を高める
ことが可能なCuを0.3〜7質量%、Mgを0.1〜
2質量%単独もしくは複合添加することが好ましい。更
にAgや、Scを1.5質量%以下添加するのが好まし
い。In addition to silicon, 0.3 to 7% by mass of Cu and 0.1 to Mg of Mg which can enhance the hardness and mechanical properties of the piston by making the aluminum alloy have age hardenability.
It is preferable to add 2% by mass alone or in combination. Further, it is preferable to add Ag or Sc in an amount of 1.5% by mass or less.
【0038】内燃機関ピストンはエンジン内部で、燃料
の燃焼によって高温に晒されるので、高温強度を確保す
ることも要求されるので、高温強度改善金属として一般
的に知られているNiを0.1〜2.0質量%添加する
ことが好ましい。さらに、Fe、Mn、Zr、Ti、
W、Cr、V、Co、Mo等を、単独にあるいは複合的
に添加する事も効果的である。Since the internal combustion engine piston is exposed to high temperatures inside the engine due to the combustion of fuel, it is necessary to secure high temperature strength. Therefore, Ni, which is generally known as a high temperature strength improving metal, is added to 0.1%. It is preferable to add about 2.0% by mass. Furthermore, Fe, Mn, Zr, Ti,
It is also effective to add W, Cr, V, Co, Mo or the like individually or in combination.
【0039】更に共晶ケイ素粒径の微細化に有効である
Na、Ca、Sr、Sb等の改良剤が添加されるのが好
ましい。添加は、単独あるいは複合添加することができ
る。共晶ケイ素粒径が粗大化して鍛造性や、機械加工時
の工具摩耗に悪影響を与えることを防止することができ
るからである。Further, it is preferable to add an improving agent such as Na, Ca, Sr or Sb, which is effective in reducing the grain size of eutectic silicon. The addition can be performed alone or in combination. This is because it is possible to prevent the grain size of the eutectic silicon from becoming coarse and adversely affecting forgeability and tool wear during machining.
【0040】更に、初晶ケイ素粒子が発生する場合に
は、初晶ケイ素粒径の微細化のためにPを添加すること
が一般的に行われるが、溶湯中にNaやCa等が存在す
るとPの効果を阻害して初晶ケイ素粒径が微細化しなく
なる。従って、Na,Caは50質量ppm以下とす
る。それ以上含まれると、初晶ケイ素粒径が極端に粗大
化するので、鍛造性が悪くなるだけでなく、切削加工時
の切削工具の寿命を短くする。Further, when primary crystal silicon particles are generated, P is generally added to refine the primary crystal silicon particle size. However, when Na, Ca, etc. are present in the molten metal. The effect of P is obstructed and the grain size of primary crystal silicon does not become fine. Therefore, Na and Ca are 50 mass ppm or less. If it is contained more than that, the grain size of primary crystal grains becomes extremely coarse, so that not only the forgeability deteriorates, but also the life of the cutting tool during cutting is shortened.
【0041】本発明で用いる鋳塊は、上記合金を溶湯と
して用いて、冷却板からの抜熱を、共晶ケイ素粒子や初
晶ケイ素粒子の粒径が、冷却板側で小さく、上部鋳型側
で大きい、傾斜した組織を備えた鋳塊が得られるように
制御することにより製造するすることができる。The ingot used in the present invention uses the above alloy as a molten metal to remove heat from the cooling plate so that the eutectic silicon particles and the primary crystal silicon particles have a small particle size on the cooling plate side and the upper mold side. It can be manufactured by controlling so as to obtain an ingot having a large and inclined structure.
【0042】傾斜した組織として、たとえば、一方向凝
固の冷却条件が、鋳塊の上部側での共晶ケイ素平均粒径
(A)と、冷却板側と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、共晶ケイ素平均粒
径(A)が4.0μm以上となるものとすることができ
る。As the inclined structure, for example, the cooling conditions for unidirectional solidification are that the eutectic silicon average grain size (A) on the upper side of the ingot and the eutectic silicon average grain size (B) on the cooling plate side. And the eutectic silicon average particle size (A) is 4.0 μm or more.
【0043】上記のような傾斜組織を得るための冷却速
度の制御方法としては以下のような条件を挙げることが
できる。例えば、図3に示すように、一方向凝固の冷却
条件が、凝固用の鋳型の上面から5mm、外周から5m
m内部に入った位置eでの冷却速度(E)が0.5℃/
秒以上であり、かつ該位置eと凝固用の鋳型の底面から
1mm、外周から5mm内部に入った位置fでの冷却速
度(F)との比(E/F)が0.85以下である。The following conditions can be mentioned as a method of controlling the cooling rate for obtaining the above-mentioned graded structure. For example, as shown in FIG. 3, the cooling conditions for unidirectional solidification are 5 mm from the upper surface of the mold for solidification and 5 m from the outer circumference.
The cooling rate (E) at the position e inside the m is 0.5 ° C /
Second or more, and the ratio (E / F) of the position e to the cooling rate (F) at the position f within 1 mm from the bottom surface of the solidification mold and 5 mm from the outer periphery is 0.85 or less. .
【0044】上記範囲であれば、このような組織を有し
た鍛造用素材を製造することができ、その鍛造用素材を
用いた鍛造方法は、鍛造加工時の加工性に優れ、機械加
工工程における加工性に優れ、かつ耐摩耗性に優れた内
燃機関用鍛造ピストンを得ることができるからである。Within the above range, a forging material having such a structure can be produced, and the forging method using the forging material is excellent in workability during forging and is excellent in the machining process. This is because it is possible to obtain a forged piston for an internal combustion engine that has excellent workability and excellent wear resistance.
【0045】鋳塊形状は、上記傾斜組織の条件を満たす
もので有れば、上下面が平行な円盤の他に、ピストン形
状に合わせて、上下面が平行ではない平面からなる形状
を備えた鋳塊か、上下面の一方あるいは両方が平行では
ない凹凸面を備えた鋳塊でも良い。鍛造金型への負荷を
軽減し、複雑なピストン形状を鍛造で形成するのに有利
であるからである。As long as the ingot shape satisfies the above-mentioned gradient structure, in addition to the disk having the upper and lower surfaces parallel to each other, the shape of the ingot has a plane which is not parallel to the upper and lower surfaces in accordance with the piston shape. It may be an ingot, or an ingot having an uneven surface in which one or both of the upper and lower surfaces are not parallel. This is because it is advantageous for reducing the load on the forging die and forming a complicated piston shape by forging.
【0046】鋳塊は必要に応じて機械加工を施して成形
した後に、鍛造加工を施すことができる。The ingot can be subjected to a forging process after being subjected to a mechanical process to form it, if necessary.
【0047】または、鋳塊は必要に応じて機械加工を施
して傾斜した組織から必要な状態の組織の面を削り出し
た後に、鍛造加工を施すことができる。鋳塊の端面での
平均粒径が所望の平均粒径でない場合は、平均粒径の分
布が傾斜した鋳塊から所望の平均粒径を有したケイ素粒
を有するように削り出したものを鍛造用素材とすること
が好ましい。Alternatively, the ingot can be subjected to forging after being machined as necessary to cut out the surface of the structure in a required state from the inclined structure. If the average grain size at the end face of the ingot is not the desired average grain size, forging the ingot with a sloping average grain size distribution cut to have silicon grains with the desired average grain size It is preferable to use it as a raw material.
【0048】得られた鋳塊を鍛造用素材とする。鍛造用
素材は鍛造する前に予備加熱処理を施す。予備加熱処理
の温度条件は350℃〜(アルミニウム合金の固相温度
−10)℃での範囲とする。処理時間は鍛造用素材全体
の温度が予備加熱温度範囲に到達するまでとし、その後
鍛造工程に入る。350℃未満では鍛造用素材を熱間鍛
造した時に充分な塑性流動が得られず、又(アルミニウ
ム合金の固相温度−10)℃を超えると鍛造用素材にバ
ーニング(局所溶解)が発生するおそれがある。バーニ
ングが発生すると鍛造製品の強度が激しく劣化するか、
製品がフクレ、ミクロシュリンケージなどの局所溶解に
よる欠陥を生じるので好ましくない。The obtained ingot is used as a forging material. The forging material is preheated before being forged. The temperature condition of the preheating treatment is in the range of 350 ° C to (solid phase temperature of aluminum alloy-10) ° C. The processing time is until the temperature of the entire forging material reaches the preheating temperature range, and then the forging process is started. If it is less than 350 ° C, sufficient plastic flow cannot be obtained when hot forging the forging material, and if it exceeds (solidus temperature of aluminum alloy-10) ° C, burning (local melting) may occur in the forging material. There is. If burning occurs, the strength of the forged product will deteriorate sharply,
It is not preferable because the product causes defects such as blisters and micro-shrinkage due to local dissolution.
【0049】鍛造は通常、熱間にて行われるので、素材
に予備加熱を行うだけでなく、金型も加熱する。加熱温
度は100〜400℃とすることができる。加熱温度
は、鍛造する形状、鍛造設備の種類、使用される素材の
合金の種類、その他鍛造上の要因によって選択される。
温度が低すぎると素材からの抜熱が大きくなり、加工性
が劣って素材の塑性流動が不十分となる。温度が高すぎ
ると、金型の強度が低下し、摩耗、欠けなどの破損が起
こりやすく、金型寿命の観点から好ましくない。鍛造に
際しては金型に潤滑剤を塗布してから実施するのが好ま
しい。Since forging is usually performed while hot, not only the material is preheated but also the die is heated. The heating temperature can be 100 to 400 ° C. The heating temperature is selected depending on the shape to be forged, the type of forging equipment, the type of alloy of the material used, and other forging factors.
If the temperature is too low, heat removal from the material will be large, resulting in poor workability and insufficient plastic flow of the material. If the temperature is too high, the strength of the mold is lowered, and damage such as abrasion and chipping easily occurs, which is not preferable from the viewpoint of mold life. It is preferable to apply a lubricant to the die before forging.
【0050】鍛造は型鍛造である。本発明に用いる鍛造
装置の構成の一例を、図5をもとに説明する。鍛造装置
は、鍛造機101と、上ボルスター102に取りつけら
れた上型103と、下ボルスター106に取り付けられ
た下型105とを含むものである。本発明に用いる金型
は、上型と、下型と、ノックアウトピン107とを含む
ものである。使用する金型は、本図では、ピストンのヘ
ッド部を上型で、スカート部を下型で形成する金型の組
み合わせであるが、ヘッド部を下型でスカート部を上型
で形成する金型の組み合わせも用いることができる。必
要に応じて、スプレー前後移送装置108スプレー回転
装置109を備えシャフト110を介して、スプレー前
後装置に取りつけられた潤滑剤スプレーノズル104を
有している潤滑剤塗布装置を配設することができる。Forging is die forging. An example of the structure of the forging device used in the present invention will be described with reference to FIG. The forging device includes a forging machine 101, an upper die 103 attached to an upper bolster 102, and a lower die 105 attached to a lower bolster 106. The mold used in the present invention includes an upper mold, a lower mold, and a knockout pin 107. In this figure, the mold used is a combination of molds in which the head of the piston is the upper mold and the skirt is the lower mold, but the mold used is the lower mold for the head and the upper mold for the skirt. Combinations of molds can also be used. If necessary, a lubricant application device having a spray front-rear transfer device 108, a spray rotation device 109 and a lubricant spray nozzle 104 attached to the spray front-rear device can be arranged via a shaft 110. .
【0051】ここで、素材を金型へ投入する際に、本発
明では、ピストンヘッドを成形する金型の面と、鍛造用
素材におけるケイ素平均粒径が大きい面とが向かい合っ
たように向きを揃えて投入する。たとえば前述した鋳塊
を用いる場合は、ピストンヘッドを成形する金型の面と
鋳塊の上部側とが向かい合うように向きを揃えて投入す
る。向きが反対になると、スカート部先端部付近のケイ
素粒子平均径が大きくなりオイルリング溝付近のケイ素
粒子は微細な平均粒径となって、本発明の効果を得るこ
とができなくなる。オイルリング溝部a部の共晶ケイ素
平均粒径、初晶ケイ素平均粒径がそれぞれ4μm未満、
15μm未満であって、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未満、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
未満となるので、オイルリング溝部の良好な機械加工性
と良好な耐摩耗性の効果、及びスカート部先端部の鍛造
時の良好な塑性流動性が得られないからである。Here, when the material is put into the mold, in the present invention, the surface of the mold for molding the piston head and the surface of the forging material having a large average silicon particle diameter are oriented so that they face each other. Put them all together. For example, in the case of using the ingot described above, the ingot is charged in the same direction so that the surface of the die for molding the piston head and the upper side of the ingot face each other. If the directions are opposite, the average particle size of the silicon particles near the tip of the skirt becomes large and the silicon particles near the oil ring groove have a fine average particle size, making it impossible to obtain the effect of the present invention. The eutectic silicon average particle diameter and the primary crystal silicon average particle diameter of the oil ring groove a portion are each less than 4 μm,
The ratio (A / B) of the eutectic silicon average particle diameter (A) in the oil ring groove portion to the eutectic silicon average particle diameter (B) in the tip portion of the skirt portion is less than 1.5 and is less than 15 μm. The ratio (C / D) of the primary crystal silicon average particle diameter (C) in the groove portion to the primary crystal silicon average particle diameter (D) in the tip of the skirt portion is 1.3.
This is because the effect of good machinability and good wear resistance of the oil ring groove portion, and good plastic fluidity at the time of forging of the tip portion of the skirt portion cannot be obtained because it is less than 1.
【0052】本発明の製造方法はピストンヘッドを成形
する金型の面と、鍛造用素材のケイ素平均粒径が大きい
面とが向かい合うように向きを揃えて投入し、スカート
部先端部の共晶ケイ素平均粒径が3μm以下であるのが
好ましい。熱間鍛造時の加工性がより良好となるからで
ある。スカート部先端部の共晶ケイ素平均粒径が3μm
以下であるので、スカート部を薄肉に成形したときで
も、金型に充填する先端部に亀裂が生じることなく、金
型への充満性が劣ることがないからである。In the manufacturing method of the present invention, the dies of the die for molding the piston head and the surface of the material for forging having a large average silicon grain size are placed in such a manner that they face each other. The average silicon particle size is preferably 3 μm or less. This is because the workability during hot forging becomes better. Average particle size of eutectic silicon at the tip of the skirt is 3 μm
This is because, even when the skirt portion is formed into a thin wall, cracks do not occur at the tip end portion to be filled in the mold, and the filling property of the mold is not deteriorated because of the following.
【0053】鍛造によって得られたピストン素形材は、
そのまま使用することも出来るが、Cu、Mg、Sc、
Agなどが添加された合金では、熱処理によって材料の
機械的特性が向上するので、熱処理として人工時効処理
を施すのが好ましい。人工時効処理は、たとえば、加熱
温度が400〜550℃で保持時間を0.2〜10時間
行った後に直ちにピストン素形材を水中に没して行う溶
体化処理処理と、その後150〜250℃で0.2〜2
0時間の焼き戻しを行うことが好ましい。これにより、
硬度を始めとして、機械的特性(例えば引張強度、0.
2%耐力)や疲労強度を高めることが出来る。The piston blank obtained by forging is
It can be used as it is, but Cu, Mg, Sc,
In an alloy to which Ag or the like is added, the heat treatment improves the mechanical properties of the material, and therefore it is preferable to perform artificial aging treatment as the heat treatment. The artificial aging treatment is, for example, a solution treatment treatment in which the piston material is immediately immersed in water after a heating temperature of 400 to 550 ° C. and a holding time of 0.2 to 10 hours, and then 150 to 250 ° C. 0.2 to 2
It is preferable to perform tempering for 0 hours. This allows
Including hardness, mechanical properties (for example, tensile strength, 0.
2% yield strength) and fatigue strength can be increased.
【0054】その後、鍛造済みピストン素形材は機械加
工が施され、例えば、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
施すことにより内燃機関用鍛造ピストンに仕上げられ
る。After that, the forged piston blank is machined, and for example, a forged piston for an internal combustion engine is formed by performing drilling for piston pins, piston surface machining, oil ring groove machining, and other machining. Is finished.
【0055】本発明の製造方法はピストンヘッドを形成
する金型の面と、鍛造用素材におけるケイ素粒径が大き
い側とが一致するように向きを揃えて投入しているの
で、オイルリング溝部の共晶ケイ素粒径(A)、初晶ケ
イ素粒径(C)がそれぞれ4μm以上、15μm以上で
あって、スカート部先端部の共晶ケイ素粒径(B)、初
晶ケイ素粒径(D)との比(A/B)が1.5以上、比
(C/D)が1.3以上となっている。その結果オイル
リング溝部の機械加工の切削加工時において、切り粉が
長く繋がって切削加工中に工具や切削機械のチャック部
に絡みつくことを抑えることができる。したがって、ピ
ストンの加工面に傷を付けることはなく、切削機械の底
に綿状に溜まった切り粉が引きずりあげられてチャック
部全体が切り粉で包まれることを抑えることができるの
で生産性が改善される。According to the manufacturing method of the present invention, since the surface of the die for forming the piston head and the side of the forging material having a large silicon grain size are aligned in the same direction, the oil is introduced into the oil ring groove portion. Eutectic silicon particle size (A) and primary crystal silicon particle size (C) are 4 μm or more and 15 μm or more, respectively, and the eutectic silicon particle size (B) and primary crystal silicon particle size (D) at the tip of the skirt portion The ratio (A / B) is 1.5 or more, and the ratio (C / D) is 1.3 or more. As a result, during machining of the oil ring groove portion, it is possible to prevent the cutting chips from being entangled for a long time and entangled with the tool or the chuck portion of the cutting machine during the cutting process. Therefore, it is possible to prevent the machining surface of the piston from being scratched, and to prevent the cutting dust accumulated in a cotton shape from being dragged up on the bottom of the cutting machine and wrapping the entire chuck part with the cutting dust, thus improving productivity. Be improved.
【0056】スカート部はピストン全周にわたって有る
のではなくピストンをコンロッドと結合するためのピン
を挿入するためのピストンピン孔部で分断されている為
に、スカート部は自然に断続切削が行われる。そのため
切り粉が刃物に絡みつく心配は無いので、共晶ケイ素粒
径の大きさについてスカート部の共晶ケイ素平均粒径B
はオイルリング溝部の共晶ケイ素平均粒径(A)の0.
67倍以下で充分である。また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以上で充分
である。Since the skirt does not exist all around the piston but is divided by the piston pin hole for inserting the pin for connecting the piston with the connecting rod, the skirt is naturally cut intermittently. . Therefore, there is no concern that the cutting chips will become entangled with the blade. Therefore, regarding the size of the eutectic silicon grain size, the eutectic silicon average grain size B of the skirt part
Of the eutectic silicon average particle size (A) of the oil ring groove is 0.
67 times or less is sufficient. Further, the ratio (C / D) of the primary crystal silicon average particle diameter (C) at the oil ring groove portion to the primary crystal silicon average particle diameter (D) at the tip of the skirt portion is 1.3 or more.
【0057】一方、スカート部を鍛造により薄肉に成形
しているので薄肉化のための機械加工による切削工程は
不要となるか、機械加工での切削代を少なくすることが
できるので、材料歩留まりが向上し、かつ、機械加工時
間が短くなることで生産性が向上する。On the other hand, since the skirt portion is formed into a thin wall by forging, the cutting step by machining for thinning is unnecessary, or the cutting allowance in the machining can be reduced, so that the material yield is high. The productivity is improved by improving the machining time and shortening the machining time.
【0058】熱間鍛造に供する前に、鍛造性と、鍛造後
の人工時効処理性をより改善する場合は、素材を均質化
処理するのが好ましい。均質化処理とは、ピストンの機
械的強度やエンジン内での使用時の高温使用時の強度を
高めるために添加されているCuやMg等の添加金属が
鋳造時に生じたミクロ偏析した状態を高温で加熱処理す
ることで、アルミ基地内に均一に分散させることであ
る。それにより鍛造時の加工性と、後工程の人工時効処
理後の機械的特性の均一性を確保することができる。均
質化処理条件の条件としては、400℃〜(使用する合
金の固相温度−10)℃の温度範囲、保持時間1〜30
時間を挙げることができる。Before subjecting to hot forging, if the forgeability and the artificial aging treatability after forging are further improved, it is preferable to homogenize the material. Homogenization treatment refers to the state where microsegregation of added metal such as Cu or Mg that is added to increase the mechanical strength of the piston or the strength during high temperature use in the engine occurs during casting. That is, the heat treatment is performed to uniformly disperse the aluminum base. As a result, the workability during forging and the uniformity of the mechanical properties after the artificial aging treatment in the subsequent process can be ensured. The conditions of the homogenization treatment conditions are a temperature range of 400 ° C. to (solid phase temperature of alloy used −10) ° C., holding time 1 to 30.
I can give you time.
【0059】一方、使用される合金成分、あるいはピス
トンの形状によっては、鍛造前に施される素材への予備
加熱を利用して均質化処理と同じ効果を得ることが可能
であり、その場合は、鍛造前の予加熱工程の保持時間を
1時間以上と長くすることで素材の均質化処理と同等の
効果を得ることができる。また、使用される合金成分、
あるいはピストンの形状によっては鍛造後に施される熱
処理工程を利用して均質化処理と同じ効果を得ることが
可能であり、この場合は人工時効処理工程の溶体化処理
時の保持時間を長くすることで素材の均質化処理と同等
の効果を得ることができる。On the other hand, depending on the alloy components used or the shape of the piston, it is possible to obtain the same effect as the homogenization treatment by utilizing the preheating of the material to be applied before forging. By increasing the holding time of the preheating step before forging to 1 hour or more, the same effect as the homogenizing treatment of the material can be obtained. Also, the alloy components used,
Alternatively, depending on the shape of the piston, it is possible to obtain the same effect as the homogenization treatment by using the heat treatment process performed after forging.In this case, increase the holding time during the solution treatment of the artificial aging treatment process. With this, it is possible to obtain the same effect as the homogenization treatment of the material.
【0060】[0060]
【実施例】次に、一方向凝固鋳造法による鍛造用素材、
連続鋳造法による鍛造溶素材、金型鋳造による鍛造用素
材を用いた具体例により、本発明の効果を詳述する。
[実施例1、2]表1に示す合金一覧表の中の合金1を、
図2に示す装置を用いた一方向凝固鋳造法を用いて外径
77mm、厚さ30mmの鋳塊を得てそれを鍛造用素材
とした(実施例1)。又、表1の合金2を、同一鋳造方
法を用いて外径110mm、厚さ30mmに鋳造し、鍛
造用用素材を得た(実施例2)。鋳造条件を表2に示し
た。両実施例共に図3に示す鋳型内の位置にK熱伝対を
挿入して、凝固中の冷却速度を測定した。[Example] Next, a forging material by a unidirectional solidification casting method,
The effects of the present invention will be described in detail with reference to specific examples using a forged molten material by a continuous casting method and a forging material by a die casting. [Examples 1 and 2] Alloy 1 in the alloy list shown in Table 1 was replaced with
An ingot having an outer diameter of 77 mm and a thickness of 30 mm was obtained by the unidirectional solidification casting method using the apparatus shown in FIG. 2 and used as a forging material (Example 1). Further, alloy 2 in Table 1 was cast by the same casting method to have an outer diameter of 110 mm and a thickness of 30 mm to obtain a material for forging (Example 2). The casting conditions are shown in Table 2. In both Examples, a K thermocouple was inserted into the position shown in FIG. 3 in the mold to measure the cooling rate during solidification.
【0061】これから得られた鍛造用素材を、それぞれ
490℃で8時間保持の条件で均質化処理を施した後、
図5に示した鍛造装置を用いて熱間鍛造法にてピストン
素形材に成形した。鍛造機の金型に素材を投入するに当
たって、鍛造用素材である鋳塊の上面(上記鋳造装置で
凝固させた時の冷却板側ではない面。)がピストンヘッ
ド側に、鋳塊の底面(上記鋳造装置で凝固させた時の冷
却板側の面。)がスカート側になるように投入方向を揃
えた。鍛造条件は表3の通りであった。The forging materials thus obtained were subjected to a homogenizing treatment under the conditions of holding each at 490 ° C. for 8 hours, and then,
A piston blank was formed by the hot forging method using the forging device shown in FIG. When the material is put into the die of the forging machine, the upper surface of the ingot which is the material for forging (the surface which is not the cooling plate side when solidified by the above casting device) is on the piston head side and the bottom surface of the ingot ( The charging direction was aligned so that the surface on the cooling plate side when solidified by the above casting device was on the skirt side. The forging conditions were as shown in Table 3.
【0062】鍛造されたピストン素形材の外径は実施例
1においては78mm、スカート部の肉厚は3.5mm
であり、鍛造時の鍛造荷重は430tであった。実施例
2は、外径111mm、スカート部の肉厚4mmのピス
トン素形材であり、鍛造時の鍛造荷重は670tであっ
た。The outer diameter of the forged piston blank was 78 mm in Example 1, and the skirt wall thickness was 3.5 mm.
The forging load during forging was 430 t. Example 2 was a piston blank having an outer diameter of 111 mm and a skirt portion having a wall thickness of 4 mm, and the forging load during forging was 670 t.
【0063】得られたピストン素形材のスカート部に塑
性流動と同一方向に発生する割れや、スカート部の先端
部に鍛造時の塑性流動が不十分で生じる金型への充満不
良、あるいはヘアークラック等の発生がないか目視によ
り調査してスカート部の成形性を評価した。Cracking occurs in the skirt portion of the obtained piston blank in the same direction as plastic flow, insufficient plastic flow at the tip of the skirt due to insufficient plastic flow during forging, or hair filling failure. The formability of the skirt portion was evaluated by visually inspecting for generation of cracks.
【0064】得られたピストン素形材について表4に示
した条件にて人工時効処理を施した。The obtained piston blank was subjected to artificial aging treatment under the conditions shown in Table 4.
【0065】得られたピストン素形材の硬度をロックウ
エル硬度計を用いて測定した。スカート部先端部とオイ
ルリング溝部の共晶ケイ素平均粒径と初晶ケイ素平均粒
径とを測定し、その比を計算した。一方、参考のために
最大弦長(MAXLNG)も画像処理装置で測定した。
この値は、ノギスで粒子形状の最大長さ部を挟み込んで
測定することを意味し、HEYWOD径が同じ値でも、
MAXLNGの値が大きければ、大きい値の方が扁平な
形状、あるいは針状晶になっている事を意味する。The hardness of the obtained piston blank was measured using a Rockwell hardness meter. The eutectic silicon average particle diameter and the primary crystal silicon average particle diameter of the skirt tip and the oil ring groove were measured and the ratio was calculated. On the other hand, for reference, the maximum chord length (MAXLNG) was also measured by the image processing device.
This value means that the maximum length part of the particle shape is sandwiched with calipers, and even if the HEYWOD diameter is the same,
If the value of MAXLNG is large, it means that the larger value has a flatter shape or acicular crystals.
【0066】得られたピストン素形材について表5の条
件でオイルリング溝周辺の切削加工試験を行い、切り粉
の形状、切り粉の処理性について調査した。次ぎに、表
6の条件によって、オイルリング溝内面の面粗度の評価
を行った。切削加工試験に使用したバイトは図4に示す
通りのコンパックスバイト(人工ダイヤモンド製切削加
工バイト)を用いた。得られたピストンの面粗度の測定
は、オイルリング溝側面をピストンから切り出し、表面
粗さ計を用いて切削工具の切り込み方向と平行(すなわ
ちピストンのヘッド面と平行な)な方向の粗さを測定し
た。The obtained piston blank was subjected to a cutting test around the oil ring groove under the conditions shown in Table 5 to investigate the shape of the cutting powder and the processing property of the cutting powder. Next, the surface roughness of the inner surface of the oil ring groove was evaluated under the conditions shown in Table 6. As the cutting tool used in the cutting test, a Compax bite (artificial diamond cutting tool) as shown in FIG. 4 was used. The surface roughness of the obtained piston is measured by cutting out the side surface of the oil ring groove from the piston and using a surface roughness meter to measure the roughness in a direction parallel to the cutting tool cutting direction (that is, parallel to the piston head surface). Was measured.
【0067】次ぎに、オイルリング溝付近から試験片を
採取して表7の条件の下で常温でのピン−オン−ディス
ク摩擦摩耗試験を行いピンの摩耗量を測定した。Next, a test piece was sampled from the vicinity of the oil ring groove and subjected to a pin-on-disk friction and wear test at room temperature under the conditions of Table 7 to measure the amount of pin wear.
【0068】以上測定した冷却速度の結果を表8に示
す。又、得られた鋳塊の共晶ケイ素平均粒径と、初晶ケ
イ素平均粒径は表9に示すとおりであった。硬度(HR
B)、スカート部の成形性、オイルリング溝部周辺の切
り粉形状、切り粉処理性、オイルリング溝内面面粗度、
オイルリング溝部周辺の試験片摩耗量の結果を表12に
示した。Table 8 shows the results of the cooling rates measured above. The eutectic silicon average particle diameter and the primary crystal silicon average particle diameter of the obtained ingot were as shown in Table 9. Hardness (HR
B), formability of the skirt portion, swarf shape around the oil ring groove portion, swarf processing ability, roughness of the inner surface of the oil ring groove,
Table 12 shows the results of the amount of wear of the test piece around the oil ring groove.
【0069】[比較例1、2]表1に示す、合金1を原
料として直径82mmの連続鋳造棒(比較例1)、合金
2を原料として直径115mmの連続鋳造棒(比較例
2)を製造した。連続鋳造方法は特公昭54−4284
7号公報に開示されている気体加圧式ホットトップ鋳造
法によった。鋳造条件は表10の通りであり、得られた
鋳塊は495℃で8時間保持する均質化処理を施した後
に、面削して比較例1は直径77mmと、比較例2は1
10mmとした。その後、それぞれを30mmの厚さに
切断し、鍛造用の素材とした。鍛造条件はそれぞれ実施
例1、2と同一とした。但し、鍛造時に素材の向きの使
い分けは行わなかった。鍛造後の人工時効処理条件も、
機械加工条件も、実施例1、2と同一であった。[Comparative Examples 1 and 2] As shown in Table 1, a continuous cast rod having a diameter of 82 mm (Comparative Example 1) using alloy 1 as a raw material and a continuous cast rod having a diameter of 115 mm (Comparative Example 2) using alloy 2 as a raw material were manufactured. did. The continuous casting method is Japanese Patent Publication Sho 54-4284.
According to the gas pressure hot-top casting method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. The casting conditions are as shown in Table 10. The obtained ingot was homogenized by holding it at 495 ° C. for 8 hours and then chamfered to give a diameter of 77 mm in Comparative Example 1 and 1 in Comparative Example 2.
It was set to 10 mm. After that, each was cut into a thickness of 30 mm and used as a material for forging. The forging conditions were the same as in Examples 1 and 2, respectively. However, the orientation of the material was not used properly during forging. The artificial aging condition after forging is also
The machining conditions were also the same as in Examples 1 and 2.
【0070】共晶ケイ素平均粒径及び初晶ケイ素平均粒
径の測定結果を表11に、実施例1、2と同一要領にて
実施した評価結果を表12に示す。Table 11 shows the measurement results of the eutectic silicon average particle diameter and the primary crystal silicon average particle diameter, and Table 12 shows the evaluation results obtained in the same manner as in Examples 1 and 2.
【0071】[0071]
【表1】 [Table 1]
【0072】[0072]
【表2】 [Table 2]
【0073】[0073]
【表3】 [Table 3]
【表4】 [Table 4]
【表5】 [Table 5]
【0074】[0074]
【表6】 [Table 6]
【0075】[0075]
【表7】 [Table 7]
【表8】 [Table 8]
【表9】 [Table 9]
【表10】 [Table 10]
【0076】[0076]
【表11】 [Table 11]
【0077】[0077]
【表12】 [Table 12]
【0078】表8の実施例1から明らかなように、測定
部位eの冷却速度が2.6℃/秒で、E/Fが0.42
のもとで鋳造された鍛造用素材では、初晶ケイ素は存在
しない組織であって、共晶ケイ素の平均粒径(HEYW
OD径)は、オイルリング溝部で4.7μm、スカート
部先端部で2.3μm、比(A/B)は2であった。細
径連鋳棒による比較例1の合金1での結果は、表11に
よると共晶ケイ素平均粒径は、オイルリング溝部で2.
0μm、スカート部先端部でも2.0μmで変わらず、
比(A/B)は1であって板厚方向の組織の傾斜の傾向
は認められなかった。そしてオイルリング溝部の共晶ケ
イ素平均粒径は比較例1の方が小さかった。表12から
この時のスカート部の成形性は実施例1、比較例1とも
に良好であった。しかしオイルリング溝部の切り粉形状
は、実施例1は分断型であったのに対して、比較例1は
連続型で切り粉処理性は悪かった。又、比較例1のオイ
ルリング溝内面面粗度の値は大きく、かつ、オイルリン
グ溝部の耐摩耗性は劣った。オイルリング溝内面の面粗
度が粗いとピストンリングによる摩耗で、オイルリング
溝が広がり、ピストンリングが斜めになって、シリンダ
ー内面にかじり付きを起こす等のトラブルを起こすこと
になる。耐摩耗性の劣化による、ピストンとシリンダー
との間の隙間が大きくなると、エンジンオイルの消耗が
激しくなるだけでなく、機密性が維持できなくなってエ
ンジンの出力の低下にも繋がる。従って、比較例1は、
この粗形材からピストンを成形した場合としては不充分
であると考えられる。As is clear from Example 1 in Table 8, the cooling rate at the measurement site e was 2.6 ° C./sec and the E / F was 0.42.
In the material for forging cast under the conditions, the structure is such that primary silicon does not exist, and the average grain size of eutectic silicon (HEYW
The OD diameter) was 4.7 μm at the oil ring groove portion, 2.3 μm at the tip of the skirt portion, and the ratio (A / B) was 2. According to Table 11, the results of alloy 1 of Comparative Example 1 using a small diameter continuous casting rod show that the average grain size of eutectic silicon is 2.
0μm, 2.0μm at the tip of the skirt
The ratio (A / B) was 1, and there was no tendency to incline the structure in the plate thickness direction. The average grain size of eutectic silicon in the oil ring groove was smaller in Comparative Example 1. From Table 12, the moldability of the skirt portion at this time was good in both Example 1 and Comparative Example 1. However, the swarf shape of the oil ring groove portion was divided type in Example 1 whereas the swarf type in Comparative Example 1 was continuous type and had poor swarf processing property. Further, in Comparative Example 1, the roughness of the inner surface of the oil ring groove was large, and the wear resistance of the oil ring groove portion was poor. If the inner surface of the oil ring groove has a rough surface, the piston ring wears the oil ring groove, causing the piston ring to become slanted and causing galling on the inner surface of the cylinder. If the clearance between the piston and the cylinder becomes large due to deterioration of wear resistance, not only the engine oil will be consumed more severely, but also the airtightness cannot be maintained and the output of the engine will be reduced. Therefore, in Comparative Example 1,
It is considered to be insufficient when the piston is molded from this rough material.
【0079】又、実施例2と、比較例2とを同じように
比較すると、実施例2の測定部位eの冷却速度は4.1
℃/秒、比(E/F)は0.75であった。その時のオ
イルリング溝部の共晶ケイ素平均粒径(A)は6.9μ
m、スカート部先端部の共晶ケイ素平均粒径Bは2.8
であり、比(A/B)は2.5であった。そしてオイル
リング溝部の初晶ケイ素平均粒径Cは23.9μm、ス
カート部先端部の初晶ケイ素平均粒径Dは15.7μ
m、その比(C/D)は1.5であった。表11の比較
例2では、オイルリング溝部での共晶ケイ素平均粒径A
は2.6μm、スカート部先端部での共晶ケイ素平均粒
径Bは2.5μm、比(A/B)は1.0、そして、オ
イルリング溝部の初晶ケイ素平均粒径Cでは17.7μ
m、スカート部先端部の初晶ケイ素平均粒径Dは18.
3μm、比(C/D)は1.0であって板厚方向の組織
の傾斜の傾向は認められなかった。このようにオイルリ
ング溝部の共晶ケイ素平均粒径、初晶ケイ素平均粒径共
に比較例2の方が小さかった。実施例2、比較例2共に
成形性は良好であったが、オイルリング溝部の切り粉形
状は実施例2が分断型であるのに対して、比較例2は連
続型であり、その為に、切り粉処理性、面粗度共に比較
例2は劣った。初晶ケイ素の平均粒径共に微細なため
に、切り粉形状は連続型で、切り粉処理性は悪く、オイ
ルリング溝内内面面粗度、試験片摩耗量共に劣ってい
た。Further, when the example 2 and the comparative example 2 are compared in the same manner, the cooling rate of the measuring portion e of the example 2 is 4.1.
C./second, ratio (E / F) was 0.75. At that time, the eutectic silicon average particle size (A) in the oil ring groove was 6.9 μm.
m, the eutectic silicon average grain size B at the tip of the skirt is 2.8.
And the ratio (A / B) was 2.5. The average primary crystal grain diameter C of the oil ring groove portion is 23.9 μm, and the average primary crystal grain diameter D of the skirt tip portion is 15.7 μm.
m, and its ratio (C / D) was 1.5. In Comparative Example 2 of Table 11, eutectic silicon average particle size A in the oil ring groove portion
Is 2.6 μm, the eutectic silicon average particle size B at the skirt tip is 2.5 μm, the ratio (A / B) is 1.0, and the primary crystal silicon average particle size C in the oil ring groove is 17. 7μ
The average grain size D of primary silicon at the tip of the skirt is 18.
3 μm, the ratio (C / D) was 1.0, and there was no tendency to incline the structure in the plate thickness direction. Thus, both the eutectic silicon average particle diameter and the primary crystal silicon average particle diameter in the oil ring groove were smaller in Comparative Example 2. The moldability was good in both Example 2 and Comparative Example 2, but the cutting powder shape of the oil ring groove portion was divided type in Example 2 whereas Comparative Example 2 was continuous type. Comparative Example 2 was inferior in terms of chipping property and surface roughness. Since the average particle size of the primary crystal silicon was fine, the shape of the cutting chips was continuous, the processing property of the cutting chips was poor, and the roughness of the inner surface of the oil ring groove and the wear of the test piece were inferior.
【0080】[比較例3]表1に示した、合金1、合金
2を原料として、金型鋳造にてピストンに鋳造した。金
型としては、実施例1の鍛造に用いたものと同形状であ
って、スカート部の肉厚が3.5mmであるAタイプ
と、6mmのBタイプの2種類を用いた。Bタイプの内
径の大きさと形状はAタイプと同一であった。[Comparative Example 3] Alloys 1 and 2 shown in Table 1 were used as raw materials and cast into a piston by die casting. As the mold, two types, that is, the A type having the same shape as that used for forging in Example 1 and having a skirt portion with a wall thickness of 3.5 mm and the B type having 6 mm, were used. The size and shape of the inner diameter of the B type were the same as those of the A type.
【0081】これらA,B2種類の金型を使用して、表
13に示した鋳造条件の下でピストンを鋳込み、得られ
たピストンのスカート部の健全性を評価した。その結果
を表14に示す。又、共晶ケイ素、初晶ケイ素の平均粒
径の測定結果を表15に示す。Using these two kinds of A and B dies, the piston was cast under the casting conditions shown in Table 13, and the soundness of the skirt portion of the obtained piston was evaluated. The results are shown in Table 14. Table 15 shows the measurement results of the average particle sizes of eutectic silicon and primary crystal silicon.
【0082】[0082]
【表13】 [Table 13]
【0083】[0083]
【表14】 [Table 14]
【0084】[0084]
【表15】 [Table 15]
【0085】この結果から、金型鋳造では鍛造品の肉厚
と同じ3.5mmではスカート部先端部に湯廻り不良に
よる欠肉が発生し、両方の合金共に鍛造並の肉厚の物が
確保出来なかった。肉厚6mmでは健全な物が得られ
た。この様に、金型鋳造では、鍛造品と同じピストン素
形材が得られない事が明らかである。オイルリング溝部
の共晶ケイ素、初晶ケイ素平均粒径共に、実施例1,2
と同等の大きさであって、オイルリング溝部の切削性が
良好であることが期待できるが、もう一方の目的とす
る、スカートの薄肉化が図れず、切削代が大きいために
生産性の高いピストンを得ることが出来ないことがわか
った。From these results, in the die casting, if the thickness is 3.5 mm, which is the same as the thickness of the forged product, a flesh thickness is generated at the tip of the skirt due to defective spinning, and a thickness equivalent to that of forging is secured for both alloys. I could not do it. A healthy product was obtained with a wall thickness of 6 mm. In this way, it is clear that the same die casting as the forged product cannot be obtained by die casting. Both the eutectic silicon and primary crystal silicon average particle diameters in the oil ring groove portion were measured in Examples 1 and 2.
It has the same size as that of the oil ring, and it can be expected that the oil ring groove part has good machinability, but the other purpose is that the skirt cannot be thinned and the cutting allowance is large, resulting in high productivity. I found that I couldn't get the piston.
【0086】[比較例4]表1に示した合金2を溶解設
備で溶製したものを、外径300mm、全長350mm
で、内径115mm、深さ250mmの円筒状の鉄製鋳
型に流し込んで、外径115mm、鋳巣の無い健全部の
長さ150mmの円柱状鋳塊を得た。鋳造時の溶湯温度
は800℃であり、金型は300℃に予備加熱した。得
られた円柱状鋳塊を490℃で8時間加熱保持して均質
化処理した後に、外周を面削して不健全部を除去し、外
径110mmの丸棒とした。その丸棒から厚さ30mm
の切断片を取り出し、鍛造用素材とした。[Comparative Example 4] The alloy 2 shown in Table 1 was melted in a melting facility to obtain an outer diameter of 300 mm and a total length of 350 mm.
Then, it was poured into a cylindrical iron mold having an inner diameter of 115 mm and a depth of 250 mm to obtain a cylindrical ingot having an outer diameter of 115 mm and a sound part length of 150 mm with no cavities. The molten metal temperature during casting was 800 ° C, and the mold was preheated to 300 ° C. The obtained cylindrical ingot was heated and held at 490 ° C. for 8 hours to be homogenized, and then the outer periphery was chamfered to remove unhealthy portions to obtain a round bar having an outer diameter of 110 mm. 30mm thick from the round bar
The cut piece was taken out and used as a forging material.
【0087】鍛造に当たっては、ピストンの外径は同一
だが、スカート部の肉厚が4.0mmの金型Cと6mm
の金型Dとの2種類を用意した。熱間鍛造を行うに当た
っての素材の予備加熱温度は450℃とした後に鍛造を
行い、スカート部の成型の可否を評価した。鍛造条件は
表3の実施例2と同一であり、結果を表16に示す。ス
カート部先端部から試験片を採取し、金属組織を観察し
て共晶ケイ素平均粒径及び、初晶ケイ素平均粒径を測定
した。その結果が表17であった。In forging, the piston has the same outer diameter, but the skirt has a wall thickness of 4.0 mm and a die C of 6 mm.
Two types, a mold D and a mold D, were prepared. Before performing hot forging, the preheating temperature of the material was set to 450 ° C. and then forging was performed to evaluate whether or not the skirt portion can be formed. The forging conditions are the same as in Example 2 in Table 3, and the results are shown in Table 16. A test piece was taken from the tip of the skirt and the metal structure was observed to measure the eutectic silicon average particle diameter and the primary crystal silicon average particle diameter. The results are shown in Table 17.
【0088】[0088]
【表16】 [Table 16]
【0089】[0089]
【表17】 [Table 17]
【0090】この結果から、共晶ケイ素平均粒径や、初
晶ケイ素平均粒径が大きいと、鍛造性が悪くなり、耐摩
耗性や、切り粉分断性を狙ったとしても製品として完成
させ得ないか、あるいは、金型鋳造のように、肉厚を厚
くして、後で機械加工で薄く削り落とさなくてはならな
いことがわかる。From these results, if the eutectic silicon average particle size and the primary crystal silicon average particle size are large, the forgeability is deteriorated, and the product can be completed as a product even if the wear resistance and the chip breaking property are aimed at. It can be seen that there is no or, as in the case of die casting, the wall thickness must be increased and then machined to be thinly removed.
【0091】[0091]
【発明の効果】以上のように、この発明によれば共晶ケ
イ素及び初晶ケイ素の平均粒径がスカート部先端部で微
細でオイルリング溝部で粗大であることにより、スカー
ト部は細径連続鋳造棒を使用したものと同じ鍛造性を呈
して薄肉化が計れると同時に、オイルリング溝部は鋳物
製ピストンのように切削時の切り粉処理性に優れ、溝の
面粗度も小さく、オイルリング溝の耐摩耗性に優れた内
燃機関用鍛造ピストンが得られた。As described above, according to the present invention, the average grain sizes of eutectic silicon and primary crystal silicon are fine at the tip of the skirt portion and coarse at the oil ring groove portion, so that the skirt portion has a continuous small diameter. It has the same forgeability as the one using a casting rod and can be thinned, and at the same time, the oil ring groove part has excellent chip disposability during cutting like a cast piston, the groove surface roughness is small, and the oil ring A forged piston for an internal combustion engine having excellent groove wear resistance was obtained.
【0092】この様なピストンは従来の連続鋳造細径連
鋳棒を素材とした熱間鍛造や、金型鋳造による鋳物では
得られず、本発明で両製法の良いところを併せ持つ内燃
機関用鍛造ピストンを提供することが可能となった。Such a piston cannot be obtained by hot forging using a conventional continuous casting small diameter continuous casting rod or casting by die casting, and forging for an internal combustion engine having both advantages of the present invention is provided by the present invention. It is now possible to provide pistons.
【0093】このピストンは、一方向凝固鋳造法材を使
用して熱間鍛造と人工時効処理との組み合わせる製造方
法にて得られる。This piston is obtained by a manufacturing method in which hot forging and artificial aging treatment are combined using a unidirectional solidification casting material.
【0094】そして、使用されるアルミニウム合金とし
ては、主要添加元素であるケイ素や、Cu、Mgの他に
人工時効硬化性に更に効果があるAg、Scや、耐熱強
度を上げるFe、Ni、Ti、Cr、V、Zr、Mn、
Co、Nb、Mo等を単独に、あるいは複合的に添加す
ることも、ピストン溝部やスカート部だけでなく、ヘッ
ド面やピストンピン部の特性を他の部位よりも向上させ
ることが出来る。As the aluminum alloy used, in addition to silicon, Cu, and Mg, which are the main additive elements, Ag and Sc, which have a further effect on artificial age hardening, and Fe, Ni, and Ti, which increase the heat resistance. , Cr, V, Zr, Mn,
By adding Co, Nb, Mo, etc. alone or in combination, not only the piston groove portion and the skirt portion but also the characteristics of the head surface and the piston pin portion can be improved as compared with other portions.
【0095】これにより、高性能で安価な鍛造ピストン
を提供することが出来、品質が安定した高性能なエンジ
ンを提供することが可能である。As a result, a high-performance and inexpensive forged piston can be provided, and a high-performance engine with stable quality can be provided.
【図1】本発明の内燃機関用鍛造ピストンの一例の断面
概略図である。(a)はスカート部を含む縦方向の断面
図、(b)はピストンピン孔を含む縦方向の断面であ
る。FIG. 1 is a schematic sectional view of an example of a forged piston for an internal combustion engine of the present invention. (A) is a vertical sectional view including a skirt portion, and (b) is a vertical sectional view including a piston pin hole.
【図2】一方向凝固鋳造法に用いる鋳造装置の一例の概
略図である。FIG. 2 is a schematic view of an example of a casting apparatus used in the unidirectional solidification casting method.
【図3】一方向凝固装置の鋳型内の冷却速度測定点の説
明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of cooling rate measurement points in a mold of a unidirectional solidification apparatus.
【図4】切削加工試験に使用したコンパックスバイトの
図である。(a)は側面図、(b)は平面図、(c)は
正面図である。FIG. 4 is a diagram of a Compax subbite used for a cutting test. (A) is a side view, (b) is a plan view, and (c) is a front view.
【図5】本発明に用いる鍛造装置の概略図である。FIG. 5 is a schematic view of a forging device used in the present invention.
11:ヘッド面、12:オイルリング溝、13:スカー
ト部、14:ピストンピン孔、15:ピストン粗形材の
形状、16:機械加工後のピストン完成品の形状、1
7:リブ、18:スカート部先端部、101:鍛造機、
102:上ボルスター、103:上型、106:下ボル
スター、105:下型、108:スプレー前後移送装
置、109:スプレー回転装置、110:シャフト、1
04:潤滑剤スプレーノズル、201:冷却板、20
2:主鋳型、203:受槽、204:注入口、205:
開閉栓、206:鋳塊、207:アルミニウム合金の溶
湯、208:蓋、209:電気炉、210:スプレーノ
ズル、211:ケース、212:排水口11: head surface, 12: oil ring groove, 13: skirt portion, 14: piston pin hole, 15: shape of rough piston material, 16: shape of finished piston product after machining, 1
7: rib, 18: skirt tip, 101: forging machine,
102: upper bolster, 103: upper mold, 106: lower bolster, 105: lower mold, 108: spray forward / backward transfer device, 109: spray rotating device, 110: shaft, 1
04: Lubricant spray nozzle, 201: Cooling plate, 20
2: main mold, 203: receiving tank, 204: inlet, 205:
Opening / closing plug, 206: ingot, 207: molten aluminum alloy, 208: lid, 209: electric furnace, 210: spray nozzle, 211: case, 212: drainage port
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C22F 1/043 C22F 1/043 F16J 1/01 F16J 1/01 // C22F 1/00 630 C22F 1/00 630D 630J 630K 650 650A 651 651B 681 681 682 682 683 683 694 694B (72)発明者 佐藤 正広 福島県喜多方市長内7840 昭和電工株式会 社内 Fターム(参考) 3J044 AA01 AA02 AA18 BA04 DA09Front page continuation (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) C22F 1/043 C22F 1/043 F16J 1/01 F16J 1/01 // C22F 1/00 630 C22F 1/00 630D 630J 630K 650 650A 651 651B 681 681 682 682 683 683 694 694B (72) Inventor Masahiro Sato 7840 Showa Denko Stock Association In-house F-term (reference) 3J044 AA01 AA02 AA18 BA04 DA09
Claims (8)
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以上であることを特徴とす
る内燃機関用鍛造ピストン。1. A forged piston for an internal combustion engine made of an aluminum alloy containing 6 to 25% by mass of silicon, wherein the eutectic silicon average particle size (A) in the oil ring groove and the eutectic silicon average in the tip of the skirt are average. Ratio with particle size (B) (A / B)
Is 1.5 or more, and the eutectic silicon average particle size (A) of the oil ring groove is 4 μm or more, the forged piston for an internal combustion engine.
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以上であり、かつオイルリング溝部の共晶ケイ
素平均粒径(A)が4μm以上であることと、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以上であることを特徴とする
内燃機関用鍛造ピストン。2. A forged piston for an internal combustion engine made of an aluminum alloy containing 6 to 25% by mass of silicon, wherein the eutectic silicon average particle diameter (A) in the oil ring groove and the eutectic silicon average in the tip of the skirt are average. Ratio with particle size (B) (A / B)
Is 1.5 or more, and the eutectic silicon average particle diameter (A) of the oil ring groove portion is 4 μm or more, and the primary crystal silicon average particle diameter (C) of the oil ring groove portion and the skirt tip portion are Internal combustion characterized in that the ratio (C / D) to the average primary silicon particle diameter (D) is 1.3 or more, and the average primary silicon particle diameter (C) in the oil ring groove is 15 μm or more. Forged piston for engines.
量%、Mgを0.1〜2質量%含有することを特徴とす
る請求項1または2に記載の内燃機関用鍛造ピストン。3. The forged piston for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the aluminum alloy contains 0.3 to 7 mass% Cu and 0.1 to 2 mass% Mg.
5質量%含有することを特徴とする請求項1乃至3のい
ずれか1項に記載の内燃機関用鍛造ピストン。4. Ni to 0.1-2.
The forged piston for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3, wherein the forged piston contains 5% by mass.
ウム合金溶湯を一方向凝固鋳造法により上面と下面でケ
イ素平均粒径の異なる組織を有する鍛造用素材を製造す
る工程と、該鍛造用素材を予備加熱処理する工程と該鍛
造用素材をケイ素平均粒径が大きい面と金型のピストン
ヘッドを形成する面とを向かい合わせて金型内に収納し
て鍛造法によりピストン素形材に成形する工程と、該ピ
ストン素形材を人工時効処理する工程と、該ピストン素
形材を機械加工して内燃機関用鍛造ピストンとする工程
とを含むことを特徴とする内燃機関用鍛造ピストンの製
造方法。5. A step of producing a forging material having a structure in which the average grain size of silicon is different on the upper surface and the lower surface of an aluminum alloy melt containing 6 to 25% by mass of silicon by a unidirectional solidification casting method, and the forging material. And heat-treating the forging material with the surface having a large average silicon particle diameter and the surface forming the piston head of the die facing each other and housed in the die to form a piston raw material by the forging method. And a step of artificially aging the piston blank, and a step of machining the piston blank to form a forged piston for an internal combustion engine. Method.
の共晶ケイ素平均粒径(A)と、冷却板側との共晶ケイ
素平均粒径(B)との比(A/B)が1.5以上であっ
て、共晶ケイ素平均粒径(A)が4μm以上となるよう
な条件であることを特徴とする請求項5に記載の内燃機
関用鍛造ピストンの製造方法。6. The cooling condition for unidirectional solidification is such that the eutectic silicon average particle size (A) on the upper side of the ingot and the eutectic silicon average particle size (B) on the cooling plate side (A). / B) is 1.5 or more and the eutectic silicon average particle size (A) is 4 μm or more, and the conditions are such that the method for producing a forged piston for an internal combustion engine according to claim 5. .
上面から5mm、外周から5mm内部に入った位置eで
の冷却速度(E)が0.5℃/秒以上であり、かつ該位
置eと凝固用の鋳型の底面から1mm、外周から5mm
内部に入った位置fでの冷却速度(F)との比(E/
F)が0.85以下であることを特徴とする請求項5に
記載の内燃機関用鍛造ピストンの製造方法。7. The cooling condition for unidirectional solidification is such that the cooling rate (E) at a position e of 5 mm from the upper surface of the casting mold for solidification and 5 mm from the outer periphery is 0.5 ° C./second or more, and 1 mm from the position e and the bottom surface of the mold for solidification, 5 mm from the outer periphery
Ratio of cooling rate (F) at position f inside (E /
F) is 0.85 or less, The manufacturing method of the forged piston for internal combustion engines of Claim 5 characterized by the above-mentioned.
ルミニウム合金の固相温度−10)℃の範囲であること
を特徴とする請求項5乃至7のいずれか1項に記載の内
燃機関用鍛造ピストンの製造方法。8. The internal combustion engine according to claim 5, wherein the temperature condition of the preheat treatment is in the range of 350 ° C. to (solidus temperature of aluminum alloy −10) ° C. Forged piston manufacturing method.
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001221005A JP2003035198A (en) | 2001-07-23 | 2001-07-23 | Piston for internal combustion engine and method of manufacturing the same |
| CN 02816439 CN1287080C (en) | 2001-07-23 | 2002-07-23 | Piston for internal combustion engine and method of manufacturing the same |
| US10/484,503 US7069897B2 (en) | 2001-07-23 | 2002-07-23 | Forged piston for internal combustion engine and manufacturing method thereof |
| PCT/JP2002/007428 WO2003010429A1 (en) | 2001-07-23 | 2002-07-23 | Forged piston for internal combustion engine and manfacturing method thereof |
| DE10297060T DE10297060T5 (en) | 2001-07-23 | 2002-07-23 | Forged pistons for an internal combustion engine and manufacturing process therefor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001221005A JP2003035198A (en) | 2001-07-23 | 2001-07-23 | Piston for internal combustion engine and method of manufacturing the same |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003035198A true JP2003035198A (en) | 2003-02-07 |
Family
ID=19054739
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001221005A Pending JP2003035198A (en) | 2001-07-23 | 2001-07-23 | Piston for internal combustion engine and method of manufacturing the same |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003035198A (en) |
| CN (1) | CN1287080C (en) |
| DE (1) | DE10297060T5 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004269937A (en) * | 2003-03-06 | 2004-09-30 | Sumitomo Light Metal Ind Ltd | Abrasion-resistant Al-Si alloy excellent in machinability and casting method thereof |
| JP2005273654A (en) * | 2004-02-27 | 2005-10-06 | Yamaha Motor Co Ltd | Engine component part and method for producing same |
| KR100537980B1 (en) * | 2003-12-23 | 2005-12-21 | 자동차부품연구원 | Omega-sahped combustion chamber of an articulated steel forging piston for use in a diesel engine |
| WO2011052708A1 (en) * | 2009-10-30 | 2011-05-05 | 昭和電工株式会社 | Method for producing near-net-shape material for engine piston |
| CN118241086A (en) * | 2024-05-28 | 2024-06-25 | 中铝材料应用研究院有限公司 | Aluminum alloy piston and preparation method thereof |
Families Citing this family (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008180218A (en) * | 2006-12-28 | 2008-08-07 | Yamaha Motor Co Ltd | Internal combustion engine component and its manufacturing method |
| JP5373378B2 (en) * | 2008-12-03 | 2013-12-18 | 昭和電工株式会社 | Forging method |
| US20100224290A1 (en) * | 2009-03-09 | 2010-09-09 | Honda Motor Co., Ltd. | Aluminum alloy casting and method for producing the same, and apparatus for producing slide member |
| WO2011002082A1 (en) * | 2009-07-03 | 2011-01-06 | 昭和電工株式会社 | Process for production of roughly shaped material for engine piston |
| DE102011013067A1 (en) * | 2011-03-04 | 2012-09-06 | Mahle International Gmbh | Method for producing a piston for an internal combustion engine |
| DE102011077088A1 (en) * | 2011-06-07 | 2012-12-13 | Mahle International Gmbh | Method for the simultaneous production of a first and a second piston part |
| US20150107106A1 (en) * | 2012-05-11 | 2015-04-23 | Ks Kolbenschmidt Gmbh | Method for producing a piston with a cooling duct |
| US9291120B2 (en) * | 2012-09-18 | 2016-03-22 | Federal-Mogul Corporation | Steel piston with counter-bore design |
| DE102014211350A1 (en) | 2013-06-14 | 2014-12-18 | Ks Kolbenschmidt Gmbh | Casting method for producing a piston and pistons for internal combustion engines |
| CN103276262A (en) * | 2013-06-18 | 2013-09-04 | 天津松岩铝制品有限公司 | High intensity Al-Si-Cu alloy and smelting method thereof |
| CN105179378B (en) * | 2015-09-21 | 2017-06-23 | 济南大学 | A kind of sealing piston of hydraulic cylinder device under worst hot case |
| US20190169716A1 (en) * | 2017-12-01 | 2019-06-06 | GM Global Technology Operations LLC | High temperature cast aluminum alloy for cylinder heads |
| CN112658625A (en) * | 2020-12-29 | 2021-04-16 | 苏州浩耀辰智能科技有限公司 | Manufacturing process of oil cylinder piston rod |
| CN118441183B (en) * | 2024-07-08 | 2024-10-18 | 泰州市金鹰精密铸造有限公司 | Hypereutectic aluminum-silicon alloy with high wear resistance and preparation method and application thereof |
-
2001
- 2001-07-23 JP JP2001221005A patent/JP2003035198A/en active Pending
-
2002
- 2002-07-23 DE DE10297060T patent/DE10297060T5/en not_active Ceased
- 2002-07-23 CN CN 02816439 patent/CN1287080C/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004269937A (en) * | 2003-03-06 | 2004-09-30 | Sumitomo Light Metal Ind Ltd | Abrasion-resistant Al-Si alloy excellent in machinability and casting method thereof |
| KR100537980B1 (en) * | 2003-12-23 | 2005-12-21 | 자동차부품연구원 | Omega-sahped combustion chamber of an articulated steel forging piston for use in a diesel engine |
| JP2005273654A (en) * | 2004-02-27 | 2005-10-06 | Yamaha Motor Co Ltd | Engine component part and method for producing same |
| WO2011052708A1 (en) * | 2009-10-30 | 2011-05-05 | 昭和電工株式会社 | Method for producing near-net-shape material for engine piston |
| JP5689423B2 (en) * | 2009-10-30 | 2015-03-25 | 昭和電工株式会社 | Manufacturing method of engine piston profile |
| CN118241086A (en) * | 2024-05-28 | 2024-06-25 | 中铝材料应用研究院有限公司 | Aluminum alloy piston and preparation method thereof |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN1287080C (en) | 2006-11-29 |
| DE10297060T5 (en) | 2004-09-23 |
| CN1545597A (en) | 2004-11-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2003035198A (en) | Piston for internal combustion engine and method of manufacturing the same | |
| CN100415916C (en) | Aluminum alloy for engine body | |
| US7069897B2 (en) | Forged piston for internal combustion engine and manufacturing method thereof | |
| JP5027844B2 (en) | Method for producing aluminum alloy molded product | |
| EP1711291B1 (en) | Cylinder liner for insert casting | |
| CN103451583B (en) | Method for producing section bar for airplane wing stringer | |
| CN102482752B (en) | Process for production of roughly shaped material for engine piston | |
| CN108203780B (en) | A kind of liquid forging high-strength abrasion-proof aluminum alloy and preparation method thereof | |
| JP4359231B2 (en) | Method for producing aluminum alloy molded product, and aluminum alloy molded product | |
| JP2022521212A (en) | Magnesium alloys, pistons made from the magnesium alloys, and methods for making the pistons. | |
| JPS59159243A (en) | Metallic mold for casting and its production | |
| JP2007118040A (en) | Forging-formed article, producing method therefor and forging-formed apparatus, and producing system for forging article and preliminary formed article | |
| GB2112813A (en) | Wear-resistant aluminum base composite material suitable for casting and method of preparing same | |
| JP2004027922A (en) | Internal-combustion engine forged piston, material and manufacturing method for the same | |
| JPH1136030A (en) | Aluminum alloy for piston and method of manufacturing piston | |
| CN103556014B (en) | A kind of segmented mold aluminium titanium boron aluminum magnesium alloy pattern block cast material and making method | |
| JP2003505246A (en) | Method for monitoring a process during metal die-casting or thixotropic forming | |
| KR101626114B1 (en) | Manufacturing method of cylinder block | |
| Ayabe et al. | Effect of high thermal conductivity die steel in aluminum casting | |
| Medňanský et al. | Electromotor housing microstructure dependence on HPDC process parameters | |
| JP2008127665A (en) | Method for manufacturing aluminum alloy cylinder block | |
| Mohammed et al. | Performance evaluation of metal mould for casting aluminium alloy (AA6063) of scientific products in National agency for science and engineering infrastructure | |
| JP5373649B2 (en) | Engine cylinder liner and method of manufacturing the same, engine cylinder block | |
| JP2004519332A (en) | Material for plastic working and method for producing the same | |
| JP4744766B2 (en) | Manufacturing method of forged scroll parts |