DE10297060T5

DE10297060T5 - Forged pistons for an internal combustion engine and manufacturing process therefor

Info

Publication number: DE10297060T5
Application number: DE10297060T
Authority: DE
Inventors: Shigeru Kitakata Yanagimoto; Masashi Kitakata Fukuda; Masahiro Kitakata Sato
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2001-07-23
Filing date: 2002-07-23
Publication date: 2004-09-23
Also published as: JP2003035198A; CN1545597A; CN1287080C

Abstract

Geschmiedeter Kolben für einen Verbrennungsmotor, aus einer Aluminiumlegierung, die Silicium mit einer Menge von 6 bis 25 Massen-% enthält, wobei der Kolben über einen Ölringnut-Abschnitt und einen Hemdabschnitt verfügt, wobei das Verhältnis (A/B) der mittleren Größe (A) eutektischer Siliciumkörner im Ölringnut-Abschnitt zur mittleren Größe (B) eutektischer Siliciumkörner im Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts mindestens 1,5 beträgt und die mittlere Größe (A) mindestens 4 μm beträgt.Forged piston for an internal combustion engine, made of an aluminum alloy containing silicon in an amount of 6 to 25 mass%, the piston having an oil ring groove portion and a shirt portion, the ratio (A / B) of the medium size (A ) eutectic silicon grains in the oil ring groove section to the medium size (B) eutectic silicon grains in the front end section of the shirt section is at least 1.5 and the medium size (A) is at least 4 μm.

Description

Querbezug auf einschlägige Anmeldungencross reference to relevant Registrations

Diese Anmeldung ist eine gemäß 35 U.S.C. § 111(a) eingereichte Anmeldung unter Beanspruchung des sich aus 35 U.S.C. § 119(e) (1) ergebenden Nutzens des Anmeldungsdatums der am 30. Juli 2001 eingereichten vorläufigen Anmeldung Nr. 60/308,110 gemäß 35 U.S.C. § 111(b).This application is a 35 U.S.C. Section 111 (a) Filed filing under 35 U.S.C. Section 119 (e) (1) Resulting benefit of the filing date of July 30, 2001 submitted preliminary Application No. 60 / 308,110 to 35 U.S.C. Section 111 (b).

Technisches Gebiettechnical area

Die Erfindung betrifft einen geschmiedeten Kolben für einen Verbrennungsmotor aus einer Aluminium-Silicium-Legierung sowie ein Verfahren zum Herstellen des Kolbens.The invention relates to a forged Piston for an internal combustion engine made of an aluminum-silicon alloy as well a method of making the piston.

Hintergrundbildende TechnikWallpaper end technology

Herkömmlicherweise werden Kolben für Verbrennungsmotoren durch Gießen mittels einer dauerhaften Form hergestellt. Als Erstes wird eine geschmolzene Aluminiumlegierung in eine Gießform gegossen, um dadurch die Legierung zu einer Kolben vorform zu formen. Anschließend wird die sich ergebende Vorform nach Bedarf einer Wärmebehandlung, wie einer absichtlichen Alterung, unterzogen, und dann wird sie, nach Bedarf, einer mechanischen Bearbeitung unterzogen, um dadurch ein Enderzeugnis herzustellen.Traditionally, pistons for internal combustion engines by pouring manufactured using a permanent mold. The first thing is one molten aluminum alloy poured into a mold to thereby shape the alloy into a piston preform. Then will the resulting preform as needed for a heat treatment, such as an intentional one Aging, and then, if necessary, it becomes mechanical Machined to thereby produce a finished product.

In jüngerer Zeit werden, in einigen Fällen, Kolben für Verbrennungsmotoren durch Schmieden hergestellt. Eine geschmolzene Aluminium-Silicium-Legierung wird einem Stranggießvorgang unterzogen, um dadurch einen Barren für einen Extrusionsvorgang herzustellen; der Barren wird einer Wärmebehandlung (Homogenisierungsbehandlung) unterzogen, um eine gleichmäßige Verteilung interner Spannungen zu erzielen, die durch Segregation von Beimengungselementen oder Schrumpfung während der Erstarrung erzeugt wurden; dann wird der sich ergebende Barren durch Extrusion zu einem Rundstab kleinen Durchmessers ausgebildet. Alternativ wird eine geschmolzene Aluminium-Silicium-Legierung einem Stranggießvorgang unterzogen, um dadurch einen Stranggießstab kleinen Durchmessers auszubilden; der sich ergebende gegossene Stab wird einer Homogenisierungsbehandlung unterzogen; dann wird der sich ergebende Stab einer Bearbeitung unterzogen, um dadurch einen Rundstab kleinen Durchmessers herzustellen. Der so hergestellte Rundstab kleinen Durchmessers wird in Stücke zerschnitten, die als Schmiedematerial dienen. Das Schmiedematerial wird vorerwärmt und dann unter Verwendung einer Heißschmiedemaschine zu einer Kolbenvorform geschmiedet. Anschließend wird die Vorform einer Wärmebehandlung, wie einer absichtlichen Alterung, unterzogen, und dann wird sie einer mechanischen Bearbeitung unterzogen, um dadurch ein Enderzeugnis (d. h. einen Kolben) herzustellen. Abhängig von der Verwendung des Kolbens kann, um die Verschleißbeständigkeit und die Wärmebeständigkeit zu verbessern, der Kolbenkopf oder ein Teil der Seitenwand des Kolbens zwischen einem oberen Ring und dem Kopf einer Alumitbehandlung oder einer Be handlung zum Ausbilden einer Beschichtung unterzogen werden.More recently, in some cases Piston for Internal combustion engines manufactured by forging. A melted one Aluminum-silicon alloy undergoes a continuous casting process subjected to thereby produce an ingot for an extrusion process; the ingot is undergoing heat treatment (Homogenization treatment) subjected to an even distribution to achieve internal tensions caused by segregation of admixture elements or shrinking during the solidification was generated; then the resulting ingot formed by extrusion into a round rod of small diameter. Alternatively, a molten aluminum-silicon alloy is one continuous casting subjected to thereby a continuous casting rod of small diameter form; the resulting cast rod is subjected to a homogenization treatment subjected; then the resulting staff becomes an edit subjected to thereby produce a round rod of small diameter. The small diameter round rod thus produced is cut into pieces, which serve as forging material. The forging material is preheated and then using a hot forging machine forged into a piston preform. Then the preform is a Heat treatment like a deliberate aging, and then it will subjected to mechanical processing to produce a finished product (i.e., a piston). Depending on the use of the Piston can to the wear resistance and the heat resistance to improve the piston head or part of the side wall of the piston between an upper ring and the head of an alumite treatment or be subjected to a treatment for forming a coating.

In jüngerer Zeit entstand die Forderung einer weiteren Verbesserung bei der Kraftstoff-Wirtschaftlichkeit von Verbrennungsmotoren, wie sie z. B. in Autos verwendet werden. Um derartigen Forderungen zu genügen, erfolgten Versuche, das Gewicht einer Autokarosserie zu verringern, und es wurden leichte Motoren entwickelt. Zum Beispiel wurden in Motoren verwendete Kolben aus Aluminium hergestellt, und es wurden Kolben mit dünnwandiger Struktur entwickelt.The demand arose recently another improvement in fuel economy of internal combustion engines, such as, for. B. used in cars. To meet such demands, attempts have been made to reduce the weight of a car body, and light engines were developed. For example, in Engines used pistons made of aluminum, and there were Pistons with thin walls Structure developed.

Inzwischen entstand die Forderung nach Verbrennungsmotoren hoher Qualität, die den Erfordernissen von Hochleistungsmotoren genügen.The demand has since arisen for high quality internal combustion engines that meet the requirements of High-performance motors are enough.

Wenn ein Kolben durch ein herkömmliches Gießverfahren mit dauerhafter Form hergestellt wird, ist es wegen dem Gießverfahren auf erliegenden technischen Einschränkungen schwierig, die Dicke eines Hemdabschnitts zu verringern. Daher wird der gegossene Kolben, im Allgemeinen, einer Bearbeitung unterzogen, um dadurch die Dicke des Hemdabschnitts zu verringern. Wenn ein Kolben durch Gießen hergestellt wird, wird die metallografische Struktur desselben als Ergebnis der kleinen Erstarrungsrate während des Gießens grob, so dass der sich ergebende Kolben eine gute mechanische Bearbeitbarkeit zeigt. Da jedoch die Schwankung der Dicke und der Abmessungen zwischen durch Gießen hergestellten Kolben groß ist, ist es schwierig, die Dimensionsgenauigkeit der Enderzeugnisse zu kontrollieren. Ferner können interne Defekte, wie Hohlräume und Mikroschrumpfungen, in einem durch Gießen hergestellten Kolben auftreten, wodurch sich seine Festigkeit verringert. Daher wird, um die Festigkeit des Kolbens zu verbessern, die gesamte Wand desselben dicker ausgebildet, und die Dicke einer Rippe wird erhöht, wodurch ein durch Gießen hergestellter Kolben zur Verwendung in einem Hoch leistungsmotor ungeeignet wird. Außerdem wird die Variation des Funktionsvermögens zwischen Kolben wegen der Verdickung der Wand der Kolben groß. Angesichts des Vorstehenden erfordert das Herstellen von Motoren mit zuverlässigem Funktionsvermögen eine weitere Verbesserung der Kolben.If a piston by a conventional casting process is made with permanent shape, it is because of the casting process difficult due to technical limitations, the thickness to reduce a section of a shirt. So the cast piston, in general, subjected to machining, thereby reducing the thickness to reduce the shirt section. When a piston is made by casting the metallographic structure of the same becomes a result the small solidification rate during of rough casting, so the resulting piston has good machinability shows. However, since the variation in thickness and dimensions between by pouring manufactured piston is large it is difficult to measure the dimensional accuracy of the finished products check. Can also internal defects, such as cavities and micro-shrinkage, occur in a piston made by casting, which reduces its strength. Therefore, to the strength of the piston, the entire wall of the piston is made thicker, and the thickness of a rib is increased, thereby making a cast one Piston is unsuitable for use in a high performance engine. Moreover is due to the variation in performance between pistons the thickening of the wall of the pistons large. Given the above requires the production of motors with reliable functionality further improvement of the pistons.

Indessen werden, wenn ein Kolben aus einem Schmiedematerial durch Schmieden hergestellt wird, die Dicken von den Kolben bildenden Abschnitten gleichmäßig, da das Schmiedematerial im Wesentlichen keine internen Defekte enthält und da es über zuverlässige mechanische Eigenschaften verfügt. Daher kann durch Schmieden ein Kolben mit zuverlässiger Qualität hergestellt werden. Da das Schmiedematerial jedoch über eine metallografische Struktur verfügt, ist die mechanische Bearbeitbarkeit des Materials nicht zufriedenstellend, obwohl es dazu geeignet ist, einen dünnen, langen Abschnitt, wie einen Hemdabschnitt, herzustellen. Zum Beispiel ist, da während der mechanischen Bearbeitung zusammenhängende Späne, im Gegensatz zu einer Bruchstückform, erzeugt werden, die Handhabbarkeit der Späne beeinträchtigt, was zu schlechter Produktivität führt. Außerdem ist die Oberflächenrauigkeit eines Ölringnut-Abschnitts eines abschließenden Kolbenerzeugnisses, das einer mechanischen Bearbeitung unterzogen wurde, nicht zufriedenstellend. Wenn ein Stranggießvorgang verwendet wird, ist der Zusammensetzung der zu erzeugenden Legierung eine Beschränkung auferlegt, um das Auftreten von Rissen zu verhindern, die Schrumpfspannungen bei der Erstarrung zuzuschreiben sind, wie sie während des Gießens in einem Gießblock erzeugt werden. Daher kann eine Legierung mit gewünschter Zusammensetzung, die als Schmiedematerial dient, das einen Kolben liefern kann, der höhere Festigkeit, höhere Verschleißfestigkeit und höhere Festigkeit bei hoher Temperatur als erforderlich zeigt, nicht auf einfache Weise hergestellt werden.Meanwhile, if a piston is made from a forging material by forging the Thicknesses from the piston forming sections evenly there the forging material contains essentially no internal defects and there it over reliable has mechanical properties. Therefore, a piston with reliable quality can be produced by forging become. However, since the forging material has a metallographic structure features, the mechanical machinability of the material is unsatisfactory, although it is suitable for a thin, long section like to make a shirt section. For example, because during the mechanical processing related chips, in contrast to a fragment shape, generated, the manageability of the chips impaired, which leads to poor productivity. Besides, is the surface roughness an oil ring groove section a final one Piston product undergoing mechanical processing has been unsatisfactory. If a continuous casting process is used is the composition of the alloy to be produced a limitation imposed to prevent the occurrence of cracks, the shrinkage stress during solidification are to be attributed to how they poured in during casting a casting block be generated. Therefore, an alloy with a desired Composition that serves as a forging material that a piston can deliver, the higher Strength, higher wear resistance and higher Does not show strength at high temperature than required simple way to be made.

Angesichts des Vorstehenden wurde die Erfindung entwickelt, und es liegt ihr die Aufgabe zugrunde, einen geschmiedeten Kolben für einen Verbrennungsmotor mit Folgendem zu schaffen: einer Ölringnut, die verbesserte mechanische Bearbeitbarkeit zeigt (die Ölringnut zeigt z. B. eine zuverlässige Dimensionsgenauigkeit hinsichtlich der Oberflächenrauigkeit und -ebenheit); einen Kopfabschnitt mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften (eine Kopffläche und ein Kolbenstiftabschnitt, die den Kopfabschnitt bilden, zeigen z. B. hervorragende mechanische Festigkeitseigenschaften bei hoher Temperatur); einen Hemdabschnitt, der hervorragende Schmiedbarkeit zeigt; und einen Ölringnut-Abschnitt, der zuverlässige Verschleißfestigkeit zeigt.In view of the foregoing developed the invention, and it is based on the object one forged pistons for to create an internal combustion engine with the following: an oil ring groove, shows the improved mechanical workability (the oil ring groove shows z. B. a reliable Dimensional accuracy with regard to surface roughness and flatness); a head section with excellent mechanical properties (a head surface and a piston pin portion forming the head portion z. B. excellent mechanical strength properties at high Temperature); a shirt section that is excellent forgeability shows; and an oil ring groove section, the reliable wear resistance shows.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Durch die Erfindung ist Folgendes geschaffen: ein Geschmiedeter Kolben für einen Verbrennungsmotor, aus einer Aluminiumlegierung, die Silicium mit einer Menge von 6 bis 25 Massen-% enthält, wobei der Kolben über einen Ölringnut-Abschnitt und einen Hemdabschnitt verfügt, wobei das Verhältnis (A/B) der mittleren Größe (A) eutektischer Siliciumkörner im Ölringnut-Abschnitt zur mittleren Größe (B) eutektischer Siliciumkörner im Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts mindestens 1,5 beträgt und die mittlere Größe (A) mindestens 4 μm beträgt.The invention is as follows created: a forged piston for an internal combustion engine, Made of an aluminum alloy, the silicon with an amount of 6 contains up to 25% by mass being the piston over an oil ring groove section and has a shirt section, being the ratio (A / B) the medium size (A) more eutectic silicon grains in the oil ring groove section to medium size (B) more eutectic silicon grains in the front end portion of the shirt portion is at least 1.5 and the average size (A) is at least 4 μm.

Der geschmiedeter Kolben ist ein solcher, bei dem das Verhältnis (C/D) der mittleren Größe (C) primärer Siliciumkristallkörner im Ölringnut-Abschnitt zur mittleren Größe (D) primärer Siliciumkristallkörner im Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts mindestens 1,3 beträgt und die mittlere Größe (C) mindestens 15 μm beträgt.The forged piston is a one in which the relationship (C / D) the medium size (C) primary silicon crystal grains in the oil ring groove portion to the average size (D) of primary silicon crystal grains in Front end portion of the shirt portion is at least 1.3 and the medium size (C) at least Is 15 μm.

Bei jedem der geschmiedeten Kolben enthält die Aluminiumle gierung Cu mit einer Menge von 0,3 bis 7 Massen-% und Mg mit einer Menge von 0,1 bis 2 Massen-% Jede der Aluminiumlegierungen kann Ni mit einer Menge von 0,1 bis 2,5 Massen-% enthalten.With each of the forged pistons contains the aluminum alloy Cu with an amount of 0.3 to 7 mass% and Mg in an amount of 0.1 to 2 mass% of each of the aluminum alloys may contain Ni in an amount of 0.1 to 2.5 mass%.

Durch die Erfindung ist auch ein Verfahren zum Herstellen eines geschmiedeten Kolbens für einen Verbrennungsmotor mit den folgenden Schritten geschaffen:

– eine geschmolzene Aluminiumlegierung, die Silicium mit einer Menge von 6 bis 25 Massen-% enthält, wird einem Gießvorgang mit unidirektionaler Erstarrung unterzogen, um dadurch ein Gießstück herzustellen, das als Schmiedematerial mit einer ersten und einer zweiten Fläche, die voneinander abgewandt sind, dient, wobei die mittlere Größe von in der ersten Fläche enthaltenen Siliciumkörnern verschieden von der von in der zweiten Fläche enthaltenen Siliciumkörnern ist;
– das Schmiedematerial wird einer Vorerwärmung unterzogen;
– das Schmiedematerial wird so in einem Schmiedegesenk platziert, dass diejenige Fläche, die Siliciumkörner größerer mittlerer Größe enthält, einer Fläche des Gesenks zugewandt ist, die einem Kolbenkopf entspricht, um dadurch das Schmiedematerial zu einer Kolbenvorform zu schmieden;
– die Kolbenvorform wird einer absichtlichen Alterungsbehandlung unterzogen; und
– die sich ergebende Kolbenvorform wird einer mechanischen Bearbeitung unterzogen, um dadurch einen geschmiedeten Kolben für einen Verbrennungsmotor herzustellen.

The invention also provides a method for producing a forged piston for an internal combustion engine, comprising the following steps:

A molten aluminum alloy containing silicon in an amount of 6 to 25 mass% is subjected to a unidirectional solidification molding process, thereby producing a casting which serves as a forging material with a first and a second surface facing away from each other , wherein the average size of silicon grains contained in the first surface is different from that of silicon grains contained in the second surface;
- the forging material is subjected to preheating;
The forging material is placed in a forging die so that the area containing silicon grains of larger medium size faces an area of the die that corresponds to a piston head, thereby forging the forging material into a piston preform;
- The piston preform is subjected to an intentional aging treatment; and
- The resulting piston preform is subjected to mechanical processing, thereby producing a forged piston for an internal combustion engine.

Bei diesem Herstellverfahren gehört zum Gießen mit unidirektionaler Erstarrung ein Abkühlen, das so ausgeführt wird, dass ein Verhältnis (A/B) der mittleren Größe (A) eutektischer Siliciumkörner in einem oberen Abschnitt des Gießstücks zur mittleren Größe (D) eutektischer Siliciumkörner in einem Abschnitt des Gießstücks, der sich nahe an der Kühlplatte befindet, erhalten wird, das mindestens 1,5 beträgt, wobei die mittlere Größe (A) mindestens 4 μm beträgt.Casting is part of this manufacturing process unidirectional solidification a cooling that is carried out so that a relationship (A / B) the medium size (A) more eutectic silicon grains more eutectic in an upper section of the medium sized casting (D) Silicon grains in a portion of the casting that itself close to the cooling plate is obtained, which is at least 1.5, the mean size (A) at least Is 4 μm.

Bei diesem Herstellverfahren gehört zum Gießen mit unidirektionaler Erstarrung ein Abkühlen, das mit einer Abkühlrate (E) gemessen an einem Punkt e 5 mm unterhalb einer Decke einer Erstarrungsform und 5 mm einwärts von einer Seitenwand der Erstarrungsform, die mindestens 0,5°C/Sekunde beträgt, ausgeführt wird, um ein Verhältnis (E/F) der am Punkt e gemessenen Abkühlrate (E) zu einer Abkühlrate (F) gemessen an einem Punkt f 1 mm oberhalb des Bodens der Erstarrungsform und 5 mm einwärts von der Seitenwand der Erstarrungsform, zu erhalten, das 0,85 oder weniger beträgt.In this manufacturing process, casting with unidirectional solidification involves cooling, which involves a cooling rate (E) measured at a point e 5 mm below a ceiling of a solidification shape and 5 mm inwards from a side wall of the solidification shape, which is at least 0.5 ° C / second, by a ratio (E / F) of cooling rate (E) measured at point e to a cooling rate (F) measured at a point f 1 mm above the bottom of the solidification mold and 5 mm inward from the side wall of the solidification mold, which is 0.85 or less.

Bei jedem der Herstellverfahren wird das Vorerwärmen bei einer Temperatur ausgeführt wird, die in einen Bereich von 350°C bis zur Differenz fällt, die dadurch erhalten wird, dass von der Solidustemperatur der Aluminiumlegierung 10°C abgezogen werden.With each of the manufacturing processes the preheating run at a temperature that falls within a range of 350 ° C to the difference that is obtained from the solidus temperature of the aluminum alloy Deducted 10 ° C become.

Wie oben beschrieben, kann gemäß der Erfindung ein geschmiedeter Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Ölringnut-Abschnitt und einem Hemdabschnitt geschaffen werden, wobei die mittleren Größen eutektischer und primärer Siliciumkörner, wie sie im Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts vorhanden sind, klein sind, während die mittleren Größen der im Ölringnut-Abschnitt enthaltenen eutektischen und primären Siliciumkörner groß sind. Bei dieser Konstellation zeigt der Hemdabschnitt eine hervorragende Schmiedbarkeit, wie im Fall eines Hemdabschnitts eines Kolbens, der aus einem Stranggussstab kleinen Durchmessers hergestellt wird, und so kann die Dicke des Hemdabschnitts verringert werden. Außerdem zeigt der Ölringnut-Abschnitt hervorragende Handhabbarkeit von Spänen während der spanabhebenden Bearbeitung, wie im Fall eines Ölringnut-Abschnitts eines durch Gießen hergestellten Kolbens, und die Ölringnut zeigt eine kleine Oberflächenrauigkeit und hervorragende Verschleißfestigkeit.As described above, according to the invention a forged piston for an internal combustion engine with an oil ring groove portion and Shirt section are created, with the medium sizes more eutectic and primary Silicon grains, as they are in the front end section of the shirt section, are small while the medium sizes of the in the oil ring groove section contained eutectic and primary silicon grains are large. In this constellation, the shirt section shows an excellent Forgeability, as in the case of a shirt portion of a piston, which is made from a continuous casting rod of small diameter, and so the thickness of the shirt portion can be reduced. Also shows the oil ring groove section excellent handling of chips during machining, as in the case of an oil ring groove section one by pouring manufactured piston, and the oil ring groove shows a small surface roughness and excellent wear resistance.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

1(a) ist ein Vertikalschnitt, der schematisch eine Ausführungsform des geschmiedeten Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß der Erfindung zeigt, wobei der Querschnitt eines Hemdabschnitts enthalten ist. 1 (a) Fig. 12 is a vertical section schematically showing an embodiment of the forged piston for an internal combustion engine according to the invention, including the cross section of a shirt portion.

1(b) ist ein Vertikalschnitt, der schematisch den geschmiedeten Kolben der 1(a) zeigt und der den Querschnitt eines Kolbenstiftlochs enthält. 1 (b) is a vertical section that schematically shows the forged piston of the 1 (a) shows and which contains the cross section of a piston pin hole.

2 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Gießvorrichtung, die für einen Gießvorgang mit unidirektionaler Erstarrung verwendet wird. 2 Fig. 4 is a schematic illustration of an example of a casting apparatus used for a unidirectional solidification casting operation.

3 ist eine erläuternde Ansicht, die Punkte zeigt, wie sie in einer Form einer Vorrichtung für unidirektionale Erstarrung vorhanden sind, und an denen die Abkühlrate gemessen wird. 3 Fig. 12 is an explanatory view showing dots as they exist in a unidirectional solidification device form and against which the cooling rate is measured.

4(a) ist eine Seitenansicht eines Compax-Schneidwerkzeugs, wie es für einen Test mit spanabhebender Bearbeitung verwendet wird. 4 (a) Figure 3 is a side view of a Compax cutting tool used for a machining test.

4(b) ist eine Draufsicht des Werkzeugs der 4(a). 4 (b) is a top view of the tool of FIG 4 (a) ,

4(c) ist eine Vorderansicht des Werkzeugs der 4(a). 4 (c) is a front view of the tool of the 4 (a) ,

5 ist eine schematische Darstellung, die eine Schmiedevorrichtung zeigt, wie sie beim Herstellen des erfindungsge mäßen geschmiedeten Kolbens verwendet wird. 5 is a schematic diagram showing a forging device used in the manufacture of the forged piston according to the invention.

Beste Art zum Ausführen der ErfindungBest kind to run the invention

Nun wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen geschmiedeten Kolbens für einen Verbrennungsmotor beschrieben.Now one embodiment of the forged according to the invention Piston for described an internal combustion engine.

Der erfindungsgemäße geschmiedete Kolben für einen Verbrennungsmotor verfügt über eine Kopffläche mit einer Ventilvertiefung, einen Hemdabschnitt großer Dicke, eine Rippe, einen Ölringnut-Abschnitt und ein Kolbenstiftloch.The forged piston according to the invention for one Internal combustion engine has one head face with a valve recess, a section of shirt of great thickness, a rib, an oil ring groove section and a piston pin hole.

Die 1 zeigt Schnittansichten einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen geschmiedeten Kolbens für einen Verbrennungsmotor. Die 1(a) ist ein Vertikalschnitt des geschmiedeten Kolbens, der den Querschnitt eines Hemdabschnitts 13 enthält. Die 1(b) ist ein Vertikalschnitt des geschmiedeten Kolbens, der den Querschnitt eines Kolbenstiftlochs 14 enthält, in das ein Kolbenstift zum Verbinden des Kolbens mit einem Verbindungspleuel eingesetzt wird. Die Oberseite des Kolbens ist eine Kopffläche 11 mit einer Ventilvertiefung. Ölringnuten 12 dienen als Nuten zum Einsetzen von Kolbenringen. Die Ölringnuten müssen in einer Richtung rechtwinklig zur Umfangswand des Kolbens vorhanden sein, d. h. in einer Richtung rechtwinklig zur vertikalen Richtung. Der Hemdabschnitt 13 dient als Führung zum Aufrechterhalten der Position des Kolbens in einer Zylinder-Laufbüchse, und er muss hohe Festigkeit und hohe Verschleißfestigkeit zeigen. Um das Gewicht des Kolbens zu verringern, muss der Hemdabschnitt über verringerte Dicke verfügen. Das Profil einer Kolbenvorform (d. h. eines geschmiedeten Erzeugnisses) ist unter Verwendung einer strichpunktierten Linie mit zwei Punkten skizziert, die durch die Bezugszahl 15 gekennzeichnet ist. Das Profil eines Kolben-Enderzeugnisses, das einer mechanischen Bearbeitung unterzogen wurde, ist unter Verwendung einer durchgezogenen Linie skizziert, die mit der Bezugszahl 16 gekennzeichnet ist. Die Bezugszahl 17 repräsentiert eine Rippe, und die Zahl 18 repräsentiert den Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts 13. Die Höhe des Vorderendabschnitts des Hemdabschnitts, wie vom Hemdabschnittboden aus gemessen, beträgt 40% der Gesamthöhe des Kolbens. Da im Vorderendabschnitt während des Schmiedens ein beträchtliches plastisches Fließen auftritt, muss er hervorragende Schmiedbarkeit zeigen.The 1 shows sectional views of an embodiment of the forged piston according to the invention for an internal combustion engine. The 1 (a) is a vertical section of the forged piston, the cross section of a shirt section 13 contains. The 1 (b) is a vertical section of the forged piston, the cross section of a piston pin hole 14 contains, in which a piston pin is used to connect the piston to a connecting rod. The top of the piston is a top surface 11 with a valve recess. Ölringnuten 12 serve as grooves for inserting piston rings. The oil ring grooves must be in a direction perpendicular to the circumferential wall of the piston, that is, in a direction perpendicular to the vertical direction. The shirt section 13 serves as a guide to maintain the position of the piston in a cylinder liner, and it must show high strength and wear resistance. To reduce the weight of the piston, the shirt section must have a reduced thickness. The profile of a piston preform (ie, a forged product) is sketched using a two-dot chain line indicated by the reference number 15 is marked. The profile of a finished piston product that has undergone mechanical processing is outlined using a solid line, identified by the reference number 16 is marked. The reference number 17 represents a rib, and the number 18 represents the front end portion of the shirt portion 13 , The height of the front end portion of the shirt portion as measured from the shirt portion bottom is 40% of the total height of the piston. Since there is considerable plastic flow in the front end portion during forging, it must show excellent forgeability.

Der erfindungsgemäße geschmiedete Kolben für einen Verbrennungsmotor wird aus einer Aluminiumlegierung hergestellt, die Silicium mit einer Menge von 6 bis 25 Massen-% enthält. Ein charakteristisches Merkmal des geschmiedeten Kolbens liegt darin, dass das Verhältnis (A/B) der mittleren Größe (A) eutektischer Siliciumkörner im Ölringnut-Abschnitt 12 zur mittleren Größe (B) eutektischer Siliciumkörner im Vorderendabschnitt 18 des Hemdabschnitts 13 mindestens 1,5 (vorzugsweise mindestens 1,6) beträgt, und dass die mittlere Größe (A) mindestens 4 μm (vorzugsweise mindestens 4,5 μm) beträgt.The forged piston for an internal combustion engine according to the present invention is made of an aluminum alloy containing silicon in an amount of 6 to 25 mass%. A characteristic feature of the forged piston is that the ratio (A / B) to the average size (A) of eutectic silicon grains in the oil ring groove section 12 to the medium size (B) of eutectic silicon grains in the front end portion 18 of the shirt section 13 is at least 1.5 (preferably at least 1.6), and that the mean size (A) is at least 4 μm (preferably at least 4.5 μm).

Wenn die mittlere Größe (A) weniger als 4 μm beträgt und der Ölringnut-Abschnitt einer spanabhebenden Bearbeitung unterzogen wird, besteht die Tendenz, dass sich Schneidwerkzeuge und das Spannfutter einer Abspanmaschine mit Spänen langgestreckter Form verhaken. Die so verhakten Späne zerkratzen die Oberfläche des abzuspanenden Kolbens. Außerdem sammeln sich Späne an, um am Boden der Abspanmaschine eine Filamentmasse zu bilden, bis die Späne das gesamte Spannfutter bedecken, so dass die Abspanmaschine nicht mehr arbeiten kann, was zu schlechter Produktivität führt. Ein geschmiedeter Kolben, der eine Spanabhebung unter Verwendung einer Abspanmaschine erfahren hat, bei der eine Verhakung mit den Spänen vorlag, zeigt eine große Oberflächenrauigkeit, was bedeutet, dass die Qualität des geschmiedeten Kolbens nicht zufriedenstellend ist.If the medium size (A) less than 4 μm is and the oil ring groove section undergoes machining, there is a tendency that cutting tools and the chuck of a chipping machine with shavings elongated shape hook. Scratch the chips so hooked the surface of the piston to be machined. Moreover chips accumulate to form a filament mass on the bottom of the stocker, until the chips cover the entire chuck so that the chipping machine doesn't can work more, resulting in poor productivity. On forged piston using a chip removal tool Has experienced a chipping machine that was caught in the chips, shows a big one surface roughness, which means quality of the forged piston is unsatisfactory.

Da der Ölringnut-Abschnitt 12 entlang dem gesamten Umfang des Kolbens kontinuierlich verläuft, müssen die sich ergebenden Späne langgestreckter Form selbst zerteilt werden. Daher ist eine gute Handhabbarkeit der Späne erforderlich.Because the oil ring groove section 12 Continuous along the entire circumference of the piston, the resulting elongated chips themselves must be cut up. Good chip handling is therefore required.

Beim erfindungsgemäßen geschmiedeten Kolben für einen Verbrennungsmotor beträgt die mittlere Größe eutektischer Siliciumkörner im Ölringnut-Abschnitt mindestens 4 μm. Daher werden, wenn der Ölringnut-Abschnitt einer mechanischen Bearbeitung unterzogen wird, die sich ergebenden Späne wegen der Siliciumkristalle leicht in kleine Späne unterteilt. Im Ergebnis kann ein Verhaken der Späne in Abspanmaschinen oder einem Spannfutter verhindert werden. Außerdem ist, da die Ansammlung von Spanfilamenten in einer Abspanmaschine verhindert werden kann, die Handhabbarkeit der Späne beträchtlich verbessert. Ferner zeigt, da eine Verhakung von Spänen in Abspanmaschinen oder in einem gerade abgespanten Erzeugnis verhindert werden kann, das so spanabhebend bearbeitete Erzeugnis eine stabilisierte Oberflächenrauigkeit.Forged according to the invention Piston for is an internal combustion engine the middle size more eutectic silicon grains in the oil ring groove section at least 4 μm. Therefore, when the oil ring groove section undergoes mechanical processing, the resulting Chips because of the silicon crystals easily divided into small chips. As a result the chips can get caught can be prevented in stock removal machines or a chuck. Besides, because the accumulation of chip filaments in a chipping machine prevents can be significantly improved, the handling of the chips. Further shows there is an interlocking of chips can be prevented in stock removal machines or in a product that has just been removed can, the so machined product stabilizes Surface roughness.

Da die mittlere Größe (A) eutektischer Siliciumkörner im Ölringnut-Abschnitt mindestens 4 μm beträgt, zeigt dieser hervorragende Verschleißfestigkeit. Die Ober- und die Unterseite der Ölringnut werden während des Betriebs eines Motors durch einen Ölringnutring abgerieben, und so muss der Ölringnut-Abschnitt hohe Verschleißfestigkeit zeigen. Die Kolbenkopffläche (d. h. eine Fläche, die dem Verbrennungsraum des Motors ausgesetzt ist) wird durch Verbrennungsgas hoher Temperatur erwärmt, wie es während der Verbrennung von Kraftstoff erzeugt wird, und die Temperatur in der Nähe des Kolbenkopfs steigt an. Im Vergleich zum Hemdabschnitt wird der Ölringnut-Abschnitt, der in der Nähe des Kolbenkopfs vorhanden ist und mit der Innenwand eines Motorzylinders in Kontakt gebracht wird, unter strengeren Bedingungen betrieben. Daher muss der Ölringnut-Abschnitt hervorragende Verschleißfestigkeit zeigen. Wenn die mittlere Größe (A) weniger als 4 μm beträgt, wird die Verschleißfestigkeit des Abschnitts unzureichend.Because the medium size (A) is more eutectic silicon grains in the oil ring groove section at least 4 μm is shows this excellent wear resistance. The top and bottom of the oil ring groove are during the Operating an engine rubbed off by an oil ring grooved ring, and so the oil ring groove section high wear resistance demonstrate. The piston head surface (i.e. an area which is exposed to the combustion chamber of the engine) is replaced by combustion gas heated at high temperature, like it during the combustion of fuel is generated and the temperature nearby of the piston head rises. Compared to the shirt section, the oil ring groove section, the nearby the piston head is present and with the inner wall of an engine cylinder is brought into contact, operated under stricter conditions. Therefore, the oil ring groove section excellent wear resistance demonstrate. If the medium size (A) less than 4 μm is, becomes the wear resistance of the section insufficient.

Beim erfindungsgemäßen geschmiedeten Kolben für einen Verbrennungsmotor beträgt die mittlere Größe eutektischer Siliciumkörner im Ölringnut-Abschnitt mindestens 4 μm. Daher zeigt der Ölringnut-Abschnitt ausreichende Verschleißfestigkeit, ohne dass die Umgebung desselben irgendeine Behandlung zum Verbessern der Verschleißfestigkeit unterzogen würde, wie einer Hartalumit-Behandlung oder einer Beschichtungsbehandlung unter Verwendung eines verschleißfesten Beschichtungsmittels, wie dies bei einem Hochleistungsmotor ausgeführt wird. Demgemäß können, da bei der Erfindung eine derartige teure Behandlung nicht erforderlich ist, die Kosten pro Kolben gesenkt werden, wodurch ein billiger Motor hergestellt werden kann.Forged according to the invention Piston for is an internal combustion engine the middle size more eutectic silicon grains in the oil ring groove section at least 4 μm. Therefore, the oil ring groove section shows sufficient wear resistance, without the environment surrounding it receiving any treatment for improvement wear resistance would undergo such as a hard alumite treatment or a coating treatment using a wear-resistant coating agent, as is done with a high performance engine. Accordingly, there such an expensive treatment is not required in the invention is, the cost per piston can be reduced, making it a cheaper one Engine can be manufactured.

Das Verhältnis (A/B) der mittleren Größe (A) eutektischer Siliciumkörner im Ölringnut-Abschnitt zur mittleren Größe (B) eutektischer Siliciumkörner im Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts beträgt vorzugsweise mindestens 1,5, bevorzugter mindestens 1,6. Anders gesagt, ist die mittlere Größe (B) kleiner als die mittlere Größe (A), und mittlere Größe (B) beträgt aus den unten beschriebenen Gründen das 0,67-fache oder weniger der mittlere Größe (A).The ratio (A / B) of the mean size (A) is more eutectic silicon grains in the oil ring groove section to medium size (B) more eutectic silicon grains in the front end portion of the shirt portion is preferably at least 1.5, more preferably at least 1.6. In other words, the middle one Size (B) smaller than the middle size (A), and mean size (B) is from the reasons described below 0.67 times or less the medium size (A).

Der Hemdabschnitt 13 ist entlang dem gesamten Umfang des Kolbens nicht zusammenhängend, sondern er ist durch den Kolbenstiftabschnitt unterteilt. Daher wird, wenn der Hemdabschnitt im Verlauf der mechanischen Bearbeitung einer Spanabhebung in einer Umfangsrichtung unterzogen wird, die Span abhebung desselben diskontinuierlich, und so kann ein Verhaken von Spänen in Abspanwerkzeugen verhindert werden. Daher kann eine zufriedenstellende Handhabbarkeit von Spänen während einer mechanischen Bearbeitung erzielt werden, solange die mittlere Größe (B) eutektischer Siliciumkörner im Vorderendabschnitt 18 des Hemdabschnitts das 0,67-fache oder weniger der mittleren Größe (A) beträgt.The shirt section 13 is not contiguous along the entire circumference of the piston, but is divided by the piston pin section. Therefore, when the shirt portion is machined in a circumferential direction in the course of the machining, the machining thereof becomes discontinuous, and thus chips can be prevented from being caught in machining tools. Therefore, satisfactory manageability of chips can be achieved during machining as long as the average size (B) of eutectic silicon grains in the front end portion 18 of the shirt section is 0.67 times or less the average size (A).

Demgegenüber kann unter Umständen, wenn die mittlere Größe (B) das 0,67-fache der mittleren Größe (A) übersteigt, ein hervorragendes plastisches Fließen des Hemdabschnitts während des Heißschmiedens nicht erzielt werden, während die Verschleißfestigkeit der Ölringnut erhalten geblieben ist. Zum Beispiel kann das Problem auftreten, dass die Verschleißfestigkeit des Ölringnut-Abschnitts beeinträchtigt ist, obwohl eine hervorragende plastische Bearbeitbarkeit des Hemdabschnitts aufrecht erhalten werden kann, oder dass die plastische Bearbeitbarkeit des Hemdabschnitts beeinträchtigt ist, obwohl der Ölringnut-Abschnitt hervorragende Verschleißfestigkeit zeigt. Im Ergebnis ist es schwierig, einen Kolben zu schaffen, der einen Ölringnut-Abschnitt mit hervorragender Verschleißfestigkeit und einen Hemdabschnitt mit hervorragender plastischer Bearbeitbarkeit aufweist.On the other hand, under certain circumstances, if the average size (B) exceeds 0.67 times the average size (A), the shirt portion may flow plastically during hot forging cannot be achieved while the wear resistance of the oil ring groove has been preserved. For example, there may be a problem that the wear resistance of the oil ring groove portion is deteriorated although excellent machinability of the shirt portion can be maintained, or that the plastic workability of the shirt portion is deteriorated even though the oil ring groove portion exhibits excellent wear resistance. As a result, it is difficult to create a piston that has an oil ring groove portion with excellent wear resistance and a shirt portion with excellent plastic workability.

Ferner beträgt beim erfindungsgemäßen geschmiedeten Kolben für einen Verbrennungsmotor die mittlere Größe (B) eutektischer Siliciumkörner im Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts das 0,67-fache oder weniger der mittleren Größe (A) eutektischer Siliciumkörner im Ölringnut-Abschnitt. Daher werden selbst dann, wenn die Dicke des Hemdabschnitts verringert wird, im Vorderendabschnitt desselben, der in einem Schmiedegesenk platziert wird, keine Risse erzeugt, und das plastische Fließvermögen des Vorderendabschnitts im Schmiedegesenk ist nicht beeinträchtigt. Demgemäß, da nämlich die Dicke des Hemdabschnitts verringert werden kann, kann das Gewicht des Kolbens leicht gesenkt werden. Da ein Hemdabschnitt verringerter Dicke durch Schmieden hergestellt werden kann und da das zur mechanischen Bearbeitung erforderliche Toleranzmaß gesenkt werden kann, können die Produktivität und die Ausbeute des Kolbens auf Grundlage des Materials verbessert werden.Furthermore, in the forged according to the invention Piston for an internal combustion engine in the middle size (B) of eutectic silicon grains Front end portion of the shirt portion 0.67 times or less the middle size (A) more eutectic silicon grains in the oil ring groove section. Therefore, even if the thickness of the shirt portion is reduced is, in the front end portion thereof, that in a forging die is placed, no cracks are generated, and the plastic fluidity of the The front end section in the forging die is not affected. Accordingly, since namely Thickness of the shirt section can be reduced, the weight of the piston can be lowered slightly. Because a shirt section decreased Thickness can be made by forging and because that is mechanical Machining required tolerance dimension can be reduced, the productivity and improves the yield of the piston based on the material become.

Beim erfindungsgemäßen geschmiedeten Kolben für einen Verbrennungsmotor, der aus einer Aluminiumlegierung hergestellt wird, die Silicium mit einer Menge von 6 bis 25 Massen-% enthält, beträgt, vorzugsweise, das Verhältnis (A/B) der mittleren Größe (A) eutektischer Siliciumkörner im Ölringnut-Abschnitt zur mittleren Größe (B) eutektischer Siliciumkörner im Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts mindestens 1,5, wobei die mittlere Größe mindestens 4,0 μm beträgt, und das Verhältnis (C/D) der mittleren Größe (C) primärer Siliciumkristallkörner im Ölringnut-Abschnitt zur mittleren Größe (D) primärer Siliciumkristallkörner im Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts beträgt mindestens 1,3, wobei die mittlere Größe (C) mindestens 15 μm beträgt.Forged according to the invention Piston for an internal combustion engine made of an aluminum alloy containing silicon in an amount of 6 to 25% by mass is preferably The relationship (A / B) the medium size (A) more eutectic silicon grains in the oil ring groove section to medium size (B) more eutectic silicon grains at least 1.5 in the front end portion of the shirt portion, the medium size at least Is 4.0 μm, and The relationship (C / D) the medium size (C) primary silicon crystal grains in the oil ring groove portion to the average size (D) of primary silicon crystal grains in The front end portion of the shirt portion is at least 1.3, the medium size (C) at least Is 15 μm.

Weswegen das Verhältnis (A/B) auf mindestens 1,5 eingestellt wird, wobei die mittlere Größe (A) mindestens 4 μm entspricht, entspricht dem oben Beschriebenen.Why the ratio (A / B) to at least 1.5 is set, the mean size (A) corresponding to at least 4 μm, corresponds to that described above.

In einigen Fällen zeigt eine Aluminiumlegierung, die Silicium mit einer Menge von 6 bis 25 Massen-% enthält, abhängig von der Abkühlrate der Legierung, eine metallografische Struktur, in der primäre Siliciumkristallkörner in einer Textur eutektischen Siliciums dispergiert sind.In some cases, an aluminum alloy shows which contains silicon in an amount of 6 to 25 mass%, depending on the cooling rate of the alloy, a metallographic structure in which primary silicon crystal grains a texture of eutectic silicon are dispersed.

In einem derartigen Fall beträgt die mittlere Größe (C) primärer Siliciumkristallkörner im Ölringnut-Abschnitt vorzugsweise mindestens 15 μm, bevorzugter mindestens 17 μm. Dadurch können die mechanische Bearbeitbarkeit und die Ver schleißfestigkeit des Ölringnut-Abschnitts weiter verbessert werden. Wenn jedoch die mittlere Größe (C) weniger als 15 μm beträgt, werden unter Umständen die Effekte der primären Siliciumkristallkörner nicht ausreichend erzielt.In such a case the average is Size (C) of primary silicon crystal grains in the oil ring groove section preferably at least 15 μm, more preferably at least 17 μm. This allows the mechanical workability and wear resistance of the oil ring groove section be further improved. However, if the medium size (C) less than 15 μm is, may be the effects of the primary Silicon crystal grains not achieved sufficiently.

Beim erfindungsgemäßen geschmiedeten Kolben für einen Verbrennungsmotor beträgt die mittlere Größe (A) eutektischer Siliciumkörner im Ölringnut-Abschnitt mindestens 4,0 μm, und die mittlere Größe (C) primärer Siliciumkristallkörner im Abschnitt beträgt mindestens 15 μm. Daher werden, wenn der Ölringnut-Abschnitt einer mechanischen Bearbeitung unterzogen wird, die sich ergebenden Späne durch Siliciumkristalle leicht in kleine Späne zerteilt. Im Ergebnis kann ein Verhaken der Späne in Abspanwerkzeugen oder einem Spannfutter verhindert werden. Außerdem ist die Handhabbarkeit der Späne beträchtlich verbessert, da ein Ansammeln von Spanfilamenten in einer Abspanmaschine verhindert werden kann. Ferner zeigt, da ein Verhaken von Spänen in Abspanwerkzeugen oder einem Erzeugnis, das gerade abgespant wird, verhindert werden kann, das so abgespante Erzeugnis eine zuverlässige Oberflächenrauigkeit. Da die mittlere Größe (C) primärer Siliciumkristallkörner im Ölringnut-Abschnitt mindestens 15 μm beträgt, zeigt dieser eine verbesserte Verschleißfestigkeit.Forged according to the invention Piston for is an internal combustion engine the middle size (A) more eutectic silicon grains in the oil ring groove section at least 4.0 μm, and the mean size (C) of primary silicon crystal grains in Section is at least 15 μm. Therefore, when the oil ring groove section undergoes mechanical processing, the resulting Chips through Silicon crystals easily broken into small chips. As a result, can a snagging of the chips can be prevented in stock removal tools or a chuck. Besides, is the manageability of the chips considerably Improved because chip filaments accumulate in a stock removal machine can be prevented. It also shows that chips get caught in chipping tools or a product that is being machined can be prevented can, the so machined product has a reliable surface roughness. Because the mean size (C) of primary silicon crystal grains in the oil ring groove section at least 15 μm is, this shows an improved wear resistance.

Das Verhältnis (C/D) der mittleren Größe (C) primärer Siliciumkristallkörner im Ölringnut-Abschnitt zur mittleren Größe (D) primärer Siliciumkristallkörner im Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts beträgt aus den unten beschriebenen Gründen mindestens 1,3, bevorzugter mindestens 1,4. Wenn das Verhältnis (C/D) mindestens 1,3 beträgt, können die Verschleißfestigkeit und die mechanische Bearbeitbarkeit des Ölringnut-Abschnitts weiter verbessert werden, und es kann das plastische Fließvermögen des Vorderendabschnitts des Hemdabschnitts aufrecht erhalten werden. Wenn dagegen das Verhältnis (C/D) weniger als 1,3 beträgt, ist der Ölringnut-Abschnitt hinsichtlich der Verschleißfestigkeit und der mechanischen Bearbeitbarkeit beeinträchtigt, oder der Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts ist hinsichtlich des plastischen Fließvermögens beeinträchtigt.The ratio (C / D) of the average size (C) of primary silicon crystal grains in the oil ring groove portion to the average size (D) of primary silicon crystal grains in The front end portion of the shirt portion is from those described below establish at least 1.3, more preferably at least 1.4. If the ratio (C / D) is at least 1.3, can the wear resistance and the machinability of the oil ring groove portion further can be improved and the plastic fluidity of the Front end section of the shirt section are maintained. If on the other hand the ratio (C / D) is less than 1.3, is the oil ring groove section with respect wear resistance and the machinability, or the front end portion of the shirt section is impaired in terms of plastic flow.

Vorzugsweise enthält die zum Herstellen des Kolbens verwendete Aluminiumlegierung Cu mit einer Menge von 0,3 bis 7 Massen-% (bevorzugter 0,4 bis 6,5 Massen-%) sowie Mg mit einer Menge von 0,1 bis 2 Massen-% (bevorzugter 0,15 bis 1,8 Massen-%). Der Einbau derartiger Legierungselemente verbessert die Härte des Kolbens sowie Eigenschaften der mechanischen Festigkeit des Kolbens, wozu die Zugfestigkeit, die 0,2-%-Streckfestigkeit und die Ermüdungsfestigkeit gehören. Außerdem kann, da ein Kolben mit dünner Wandstruktur hergestellt werden kann, das Gewicht des Kolbens gesenkt werden. Wenn die Mengen der Legierungselemente unter die unteren Werte fallen, gelingt es nicht, die Effekte der Elemente zu erzielen. Wenn dagegen die Mengen der Legierungselemente die oberen Werte überschreiten, werden keine Effekte mehr erzielt, die den zusätzlichen Mengen der Elemente entsprechen würden, die Materialkosten sind erhöht, und die Schmiedbarkeit des Kolbens ist beeinträchtigt.Preferably, the aluminum alloy used to manufacture the piston contains Cu in an amount of 0.3 to 7% by mass (more preferably 0.4 to 6.5% by mass) and Mg in an amount of 0.1 to 2% by mass ( more preferably 0.15 to 1.8 mass%). The installation of such alloying elements improves the hardness of the piston and the properties of the mechanical strength of the piston, including tensile strength, 0.2% tensile strength and fatigue strength. Also, since a piston with thinner Wall structure can be made, the weight of the piston can be reduced. If the amounts of the alloying elements fall below the lower values, the effects of the elements cannot be achieved. On the other hand, if the amounts of the alloying elements exceed the above values, effects which would correspond to the additional amounts of the elements are no longer achieved, the material costs are increased and the forgeability of the piston is impaired.

Vorzugsweise enthält die zum Herstellen des Kolbens verwendete Aluminiumlegierung aus den unten beschriebenen Gründen Ni mit einer Menge von 0,1 bis 2,5 Massen-% (bevorzugter 0,2 bis 2,0 Massen-%). Der Einbau von Ni verbessert die Festigkeit des Kolbens bei hoher Temperatur, und er verbessert die Beständigkeit des Ölringnut-Abschnitts, der in der Nähe des Kolbenkopfs vorhanden ist, und bei den strengen Betriebsbedingungen eines Motors mit der Innenwand des Motorzylinders in Kontakt gebracht wird. Wenn die Ni-Menge unter den unteren Wert fällt, wird der Effekt von Ni nicht mehr erzielt, wohingegen dann, wenn die Ni-Menge den oberen Wert über schreitet, keine Effekte mehr erzielt werden, die mit der Zusatzmenge von Ni einhergehen würden. Außerdem steigen die Herstellkosten an, wenn die Ni-Menge erhöht wird, da Ni ein teures Element ist.Preferably contains the for manufacturing the piston used aluminum alloy for the reasons described below Ni in an amount of 0.1 to 2.5 mass% (more preferably 0.2 to 2.0 % By mass). The incorporation of Ni improves the strength of the piston at high temperature, and it improves the durability of the oil ring groove portion, the nearby piston head is present and under the severe operating conditions of an engine brought into contact with the inner wall of the engine cylinder becomes. If the amount of Ni falls below the lower value, the effect of Ni no longer achieved, whereas if the amount of Ni exceeds the upper one Value exceeds effects associated with the addition of Ni can no longer be achieved would. Moreover manufacturing costs increase when the amount of Ni is increased, because Ni is an expensive element.

Nun wird eine Ausführungsform des Herstellverfahrens für einen geschmiedeten Kolben gemäß der Erfindung beschrieben.Now one embodiment the manufacturing process for a forged piston according to the invention described.

Das erfindungsgemäße Herstellverfahren verfügt über die folgenden Schritte: eine geschmolzene Aluminiumlegierung, die Silicium mit einer Menge von 6 bis 25 Massen-% enthält, wird einem Gießvorgang mit undirektionaler Erstarrung unterzogen, um dadurch einen Gießblock zu erzeugen, der als Schmiedematerial mit einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche, die voneinander abgewandt sind, dient, wobei die mittlere Größe von in der ersten Fläche enthaltenen Siliciumkörnern verschieden von der von in der zweiten Fläche enthaltenen Siliciumkörnern ist; das Schmiedematerial wird so in einem Schmiedegesenk platziert, dass die Siliciumkörner größerer mittlerer Größe enthaltende Fläche einer Gesenkfläche gegenüber steht, die einem Kolbenkopf entspricht, um dadurch das Schmiedematerial in eine Kolbenvorform zu schmieden; die Kolbenvorform wird einer absichtlichen Alterungsbehandlung unterzogen, und die sich ergebende Kolbenvorform wird einer mechanischen Bearbeitung unterzogen.The manufacturing method according to the invention has the following steps: a molten aluminum alloy, the silicon with an amount of 6 to 25 mass% contains a casting process subjected to unidirectional solidification, thereby forming a casting block generate that as a forging material with a first surface and a second surface, facing away from each other, the mean size of in the first area contained silicon grains is different from that of silicon grains contained in the second surface; the forging material is placed in a forging die, that the silicon grains larger medium Size containing area a die surface across from stands, which corresponds to a piston head, thereby the forging material forge into a piston preform; the piston preform becomes one subjected to deliberate aging treatment, and the resulting Piston preform is subjected to mechanical processing.

Der durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Kolben zeigt die oben genannten Eigenschaften.The by the inventive method Piston produced shows the above properties.

Als Nächstes wird das Herstellverfahren detailliert beschrieben.Next is the manufacturing process described in detail.

Ein Schmiedematerial wird durch einen Gießvorgang mit unidirektionalem Erstarren einer als Rohmaterial dienenden Aluminiumlegierung erhalten. Das Herstellverfahren verwendet z. B. eine Gießvorrichtung, wie sie in JP-A-HEI 9-174198 offenbart und in der 2 dargestellt ist.A forging material is obtained by casting with unidirectional solidification of an aluminum alloy serving as a raw material. The manufacturing process uses e.g. B. a casting device, as disclosed in JP-A-HEI 9-174198 and in the 2 is shown.

In der 2 repräsentiert die Bezugszahl 201 eine Kühlplatte. Auf der Kühlplatte 201 ist eine Hauptform 202 vorhanden. Auf der Hauptform 202 ist ein Behälter 203 zum Aufnehmen einer geschmolzenen Aluminiumlegierung 207 vorhanden, die z. B. von einem Schmelzofen (nicht dargestellt) geliefert wird. Wie es in der 2 dargestellt ist, dient der Boden des Behälters 203 als Decke der Form 202. Der Behälter 203 kommuniziert durch einen Einlass 204 für geschmolzenes Metall mit der Hauptform 202. Am Einlass 204 ist eine Sperre 205 vorhanden. Die geschmolzene Legierung wird dadurch in die Form gegossen, dass die Sperre durch eine Vorrichtung (nicht dargestellt) zum vertikalen Verstellen derselben angehoben wird, und das Niveau der eingegossenen, geschmolzenen Legierung steigt an. Nach Abschluss des Eingießens der geschmolzenen Legierung wird, nachdem eine vorbestimmte Zeitperiode verstrichen ist, die Sperre nach unten verstellt, um dadurch das Eingießen der geschmolzenen Legierung zu stoppen. Die Bezugszahl 208 kennzeichnet einen Deckel, und die Zahl 209 repräsentiert einen Elektroofen, um die geschmolzene Legierung auf einer vorbestimmten Temperatur zu halten. Die Kühlplatte 201 wird dadurch gekühlt, dass von einer unter ihr vorhandenen Sprühdüse 210 Wasser usw. auf sie gesprüht wird. Die Bezugszahlen 211 und 212 repräsentieren ein Gehäuse bzw. einen Auslass.In the 2 represents the reference number 201 a cooling plate. On the cooling plate 201 is a main form 202 available. On the main shape 202 is a container 203 for holding a molten aluminum alloy 207 available, the z. B. is supplied by a melting furnace (not shown). As in the 2 the bottom of the container is shown 203 as a blanket of form 202 , The container 203 communicates through an inlet 204 for molten metal with the main shape 202 , At the entrance 204 is a lock 205 available. The molten alloy is poured into the mold by lifting the lock by a device (not shown) for vertically moving it, and the level of the molten alloy poured increases. Upon completion of the pouring of the molten alloy, after a predetermined period of time has passed, the lock is lowered, thereby stopping the pouring of the molten alloy. The reference number 208 identifies a lid, and the number 209 represents an electric furnace to keep the molten alloy at a predetermined temperature. The cooling plate 201 is cooled by the fact that a spray nozzle below it 210 Water, etc. is sprayed on them. The reference numbers 211 and 212 represent a housing or an outlet.

Die in die Form gegossene geschmolzene Aluminiumlegierung wird durch die Kühlplatte abgekühlt, und sie erstarrt unidirektional zur Decke der Form hin. Im Ergebnis wird ein Gießblock 206 erhalten. Die metallische Struktur des Gießblocks 206 wird durch die Abkühlrate beeinflusst. Je höher die Abkühlrate ist, desto kleiner sind die Größen eutektischer Siliciumkörner und primärer Siliciumkristallkörner (diese Körner können gemeinsam als "Siliciumkörner" bezeichnet werden). Je niedriger die Abkühlrate ist, desto größer sind die Abmessungen dieser Siliciumkörner. Wenn die oben genannte Gießvorrichtung verwendet wird, erzielt ein Abschnitt nahe der Kühlplatte die höchste Abkühlrate, und ein Abschnitt nahe der Decke der Form erzielt die niedrigste Abkühlrate. Daher werden Siliciumkristallkörner, wie sie im Abschnitt nahe der Abkühlplatte durch Erstarrung der Aluminium-Silicium-Legierung erzeugt werden, klein, und Siliciumkristallkörner, die im Abschnitt nahe der Decke der Form durch Erstarrung der Legierung erzeugt werden, werden groß. D. h., dass ein Gießblock mit einer metallografischen Struktur erhalten werden kann, bei der sich die Größe von Siliciumkörnern allmählich ändert.The molten aluminum alloy poured into the mold is cooled by the cooling plate and solidifies unidirectionally towards the top of the mold. The result is a casting block 206 receive. The metallic structure of the casting block 206 is influenced by the cooling rate. The higher the cooling rate, the smaller the sizes of eutectic silicon grains and primary silicon crystal grains (these grains can collectively be referred to as "silicon grains"). The lower the cooling rate, the larger the dimensions of these silicon grains. When the above casting device is used, a portion near the cooling plate achieves the highest cooling rate and a portion near the top of the mold achieves the lowest cooling rate. Therefore, silicon crystal grains generated in the portion near the cooling plate by solidification of the aluminum-silicon alloy become small, and silicon crystal grains formed in the portion near the ceiling of the mold by solidification of the alloy become large. That is, a casting block with a metallographic structure in which the size of silicon grains gradually changes can be obtained.

Die als Rohmaterial dienende Aluminiumlegierung enthält Silicium mit einer Menge von 6 bis 25 Massen-%. Wenn die Siliciummenge weniger als 6 Massen-% beträgt, ist die Verschleißfestigkeit beeinträchtigt, wohingegen dann, wenn die Siliciummenge 25 Massen-% überschreitet, die Verschleißfestigkeit nicht mehr in Übereinstimmung mit der erhöhten Siliciummenge verbessert wird. Außerdem treten während des Schmiedens Risse auf, was bedeutet, dass die Schmiedbarkeit beeinträchtigt ist, wenn die Siliciummenge 25 Massen-% überschreitet. Ferner wird die Lebensdauer von Bearbeitungswerkzeugen beträchtlich verkürzt.The aluminum alloy serving as the raw material contains silicon in an amount of 6 to 25 mass%. If the amount of silicon is less than 6 mass%, the wear resistance is deteriorated, whereas if the amount of silicon exceeds 25% by mass, the wear resistance is no longer improved in accordance with the increased amount of silicon. In addition, cracks occur during the forging, which means that the forgeability is deteriorated when the amount of silicon exceeds 25% by mass. Furthermore, the lifespan of machining tools is shortened considerably.

Vorzugsweise enthält die Aluminiumlegierung, zusätzlich zu Silicium, Cu mit einer Menge von 0,3 bis 7 Massen-% sowie Mg mit einer Menge von 0,1 bis 2 Massen-%, entweder einzeln oder in Kombination. Diese Elemente führen zu einer Alterungshärtung der Aluminiumlegierung, um dadurch die Härte und mechanische Eigenschaften des sich ergebenden Kolbens zu verbessern. Vorzugsweise enthält die Aluminiumlegierung Ag oder Sc mit einer Menge von 1,5 Massen-% oder weniger.The aluminum alloy preferably contains additionally to silicon, Cu with an amount of 0.3 to 7 mass% and Mg with an amount of 0.1 to 2 mass%, either individually or in Combination. These elements lead to age hardening the aluminum alloy, thereby the hardness and mechanical properties of the resulting piston. The aluminum alloy preferably contains Ag or Sc in an amount of 1.5 mass% or less.

Da ein Kolben für einen Verbrennungsmotor im Inneren des Motors aufgrund von Wärme, wie sie durch die Verbrennung eines Kraftstoffs erzeugt wird, einer hohen Temperatur ausgesetzt wird, muss er bei hoher Temperatur Festigkeit zeigen. Daher enthält die Aluminiumlegierung vorzugsweise Ni, für das allgemein bekannt ist, dass es die Festigkeit bei hoher Temperatur verbessert, mit einer Menge von 0,1 bis 2,0 Massen-%. Der Einschluss von Fe, Mn, Zr, Ti, W, Cr, V, Co, Mo usw. einzeln oder in Kombination ist ebenfalls wirkungsvoll.Since a piston for an internal combustion engine in the Interior of the engine due to heat such as that from combustion of a fuel is generated, exposed to a high temperature it must show strength at high temperatures. Therefore, the aluminum alloy contains preferably Ni, for which is generally known to be high temperature strength improved, with an amount of 0.1 to 2.0 mass%. The inclusion of Fe, Mn, Zr, Ti, W, Cr, V, Co, Mo etc. individually or in combination is also effective.

Die Aluminiumlegierung enthält vorzugsweise ein Element, das dahingehend wirkt, die Größe eutektischer Siliciumkörner zu verringern, wie Na, Ca, Sr oder Sb. Diese Elemente können einzeln oder in Kombination eingeschlossen werden. Der Einschluss eines derartigen Elements ist von Vorteil, da nachteilige Effekte großer eutektischer Siliciumkörner auf die Schmiedbarkeit und den Verschleiß von Werkzeugen zur mechanischen Bearbeitung verhindert werden können.The aluminum alloy preferably contains an element that works to increase the size of eutectic silicon grains decrease, such as Na, Ca, Sr or Sb. These elements can be used individually or included in combination. The inclusion of one such element is advantageous because adverse effects are large eutectic silicon grains on the forgeability and wear of tools for mechanical Editing can be prevented.

Wenn primäre Siliciumkristallkörner erzeugt werden, wird im Allgemeinen P in die Aluminiumlegierung eingeschlossen, um die Größe der primären Siliciumkristallkörner zu verringern. Wenn jedoch in der geschmolzenen Aluminiumlegierung Na oder Ca vorhanden ist, behindern diese den Effekt von P, was dazu führt; dass es nicht gelingt, die Größe der primären Siliciumkristallkörner zu verringern. Daher beträgt die Obergrenze der Na- oder Ca-Menge in der Aluminiumlegierung 50 Massen-ppm. Wenn die Na- oder Ca-Menge 50 Massen-ppm überschreitet, werden die primären Siliciumkristallkörner ziemlich groß. Im Ergebnis ist die Schmiedbarkeit beeinträchtigt, und die Lebensdauer von Spanabhebewerkzeugen ist verkürzt.When primary silicon crystal grains are produced P is generally included in the aluminum alloy, to increase the size of the primary silicon crystal grains reduce. However, if in the molten aluminum alloy Na or Ca is present, these hinder the effect of P what leads to; that the size of the primary silicon crystal grains fails reduce. Therefore, is the upper limit of the amount of Na or Ca in the aluminum alloy 50 Ppm by mass. If If the amount of Na or Ca exceeds 50 ppm by mass, the primary silicon crystal grains become quite large. As a result, forgeability and durability are impaired cutting tools is shortened.

Der bei der Erfindung verwendete Gießblock kann dadurch aus der oben genannten geschmolzenen Legierung hergestellt werden, dass ein Abkühlen unter Verwendung der Kühlplatte in solcher Weise ausgeführt wird, dass der Gießblock eine metallografische Struktur aufweist, bei der die Größen eutektischer Siliciumkörner und primärer Siliciumkristallkörner einen allmählichen Übergang in solcher Weise zeigen, dass die Körner in einem Abschnitt nahe der Kühlplatte klein sind, während sie in einem Abschnitt nahe der Decke der Form groß sind.The one used in the invention cast ingot can be made from the above-mentioned molten alloy that cooling off using the cooling plate is carried out in such a way that the casting block has a metallographic structure in which the sizes are more eutectic silicon grains and primary Silicon crystal grains a gradual transition in such a way show that the grains are close in one section the cooling plate are small while they are large in a section near the top of the mold.

Wenn ein Gießblock mit einer derartigen metallografischen Struktur mit einem allmählichen Übergang der Korngröße durch einen Gießvorgang mit unidirektionaler Erstarrung hergestellt wird, erfolgt das Abkühlen z. B. in solcher Weise, dass ein Verhältnis (A/B) der mittleren Größe (A) eutektischer Siliciumkörner in einem oberen Abschnitt des Gießblocks zur mittleren Größe (B) eutektischer Siliciumkörner in einem Abschnitt des Gießblocks nahe an der Kühlplatte erhalten wird, das mindestens 1,5 beträgt, wobei die mittlere Größe (A) mindestens 4,0 μm beträgt.If a casting block with such a metallographic structure with a gradual change in grain size a casting process is produced with unidirectional solidification, the cooling takes place, for. B. in such a way that a ratio (A / B) of the mean size (A) is more eutectic silicon grains more eutectic in an upper section of the medium sized casting block (B) silicon grains in a section of the casting block close to the cooling plate is obtained, which is at least 1.5, the average size (A) at least Is 4.0 μm.

Um einen Gießblock mit der oben genannten metallografischen Struktur mit allmählichem Übergang der Korngröße herzustellen, kann die Abkühlrate wie folgt reguliert werden. Zum Beispiel wird, während eines Gießvorgangs mit unidirektionaler Erstarrung, wie es in der 3 dargestellt ist, das Abkühlen so ausgeführt, dass eine Abkühlrate (E), wie an einem Punkt e 5 mm unterhalb der Decke einer Erstarrungsform und 5 mm einwärts von der Seitenwand der Form gemessen, erhalten wird, die mindestens 0,5°C/Sekunde beträgt, wobei das Verhältnis E/F der am Punkt e gemessenen Abkühlrate (E) zur Abkühlrate (F), wie an einem Punkt f 1 mm oberhalb des Bodens der Form und 5 mm einwärts von der Seitenwand der Form gemessen, 0,85 oder weniger beträgt.In order to produce a casting block with the above-mentioned metallographic structure with a gradual change in the grain size, the cooling rate can be regulated as follows. For example, during a casting process with unidirectional solidification, as in the 3 the cooling is carried out so that a cooling rate (E), as measured at a point e 5 mm below the ceiling of a solidification mold and 5 mm inwards from the side wall of the mold, is obtained, which is at least 0.5 ° C / second where the ratio E / F of the cooling rate (E) measured at point e to the cooling rate (F), as measured at a point f 1 mm above the bottom of the mold and 5 mm inwards from the side wall of the mold, 0.85 or is less.

Wenn die Abkühlraten in die oben genannten Bereiche fallen, kann ein Schmiedematerial mit der oben genannten metallografischen Struktur hergestellt werden. Wenn ein derartiges Schmiedematerial zu einem Kolben für einen Verbrennungsmotor geschmiedet wird, zeigt der sich ergebende geschmiedete Kolben hervorragende Schmiedbarkeit, mechanische Bearbeitbarkeit und Verschleißfestigkeit.If the cooling rates in the above Areas covered can be a forging with the above metallographic structure. If such Forged material forged into a piston for an internal combustion engine the resulting forged piston shows excellent Forgeability, machinability and wear resistance.

Der Gießblock nimmt im Allgemeinen eine Scheibenform ein, bei der die Ober- und die Unterseite parallel zueinander verlaufen. Solange jedoch der Gießblock die oben genannte metallografische Struktur mit allmählichem Übergang der Korngröße aufweist, kann er jede beliebige Form entsprechend der Form eines zu schmiedenden Kolbens einnehmen. Zum Beispiel kann der Gießblock eine Form einnehmen, bei der die Ober- und die Unterseite nicht parallel zueinander verlaufen, oder eine Form, bei der die Ober- und/oder die Unterseite nicht parallele Vorsprünge und Vertiefungen zeigen. Ein Gießblock, der eine derartige nicht parallele Form einnimmt, ist dahingehend von Vorteil, dass die auf ein Schmiedegesenk wirkende Belastung verringert werden kann und ein Kolben mit komplizierter Form durch Schmieden hergestellt werden kann.The casting block generally takes a disc shape with the top and bottom parallel to each other. However, as long as the casting block has the above metallographic Gradual transition structure the grain size, it can be any shape according to the shape of one to be forged Take the piston. For example, the casting block can take a shape where the top and the bottom is not parallel to each other, or a shape, where the top and / or bottom not parallel projections and Show recesses. A casting block, who takes such a non-parallel form is to that effect advantageous that the load acting on a forging die can be reduced and a piston with a complicated shape by Forging can be made.

Falls erwünscht, kann der Gießblock vor dem Schmieden einer mechanischen Bearbeitung unterzogen werden.If desired, the ingot may be mechanically machined prior to forging be.

Falls erwünscht, kann der Gießblock einer spanabhebenden Bearbeitung unterzogen werden, um eine Fläche mit einer erforderlichen metallografischen Struktur zu erzielen, worauf das Schmieden folgt. Wenn die äußerste Fläche des Gießblocks Siliciumkörner mit unerwünschter mittlerer Größe enthält, wird ein Gießblock mit einer metallografischen Struktur, bei der die mittleren Größen von Siliciumkörnern einen allmählichen Übergang zeigen, vorzugsweise einer Spanabhebung unterzogen, bis eine Fläche erhalten ist, die Siliciumkörner mit gewünschter mittlerer Größe enthält, um dadurch den sich ergebenden Gießblock als Schmiedematerial zu verwenden.If desired, the casting block can be one undergo machining to make an area with to achieve a required metallographic structure, on what the forging follows. If the outermost surface of the cast ingot silicon grains with unwanted medium size will a casting block with a metallographic structure in which the mean sizes of silicon grains a gradual transition show, preferably subjected to chip removal until a surface is obtained is the silicon grains with desired contains medium size to thereby the resulting casting block to use as forging material.

Das Schmiedematerial wird vor dem Schmieden einer Vorerwärmung unterzogen. Die Vorerwärmung wird bei einer Temperatur ausgeführt, die in einen Bereich von 350°C bis zur Differenz reicht, die dadurch erhalten wird, dass 10°C von der Solidustemperatur (°C) der Aluminiumlegierung abgezogen werden. Das Schmiedematerial wird vorab erwärmt, bis die Temperatur des gesamten Materials einen Wert erreicht, der in den obigen Bereich fällt, und danach erfolgt das Schmieden. Wenn die Vorerwärmung bei einer Temperatur unter 350°C ausgeführt wird, gelingt es nicht, während des Schmiedens des Schmiedematerials ein ausreichendes plastisches Fließen zu erzielen, wohingegen dann, wenn die Vorerwärmung bei einer Temperatur über der Differenz ausgeführt wird; im Schmiedematerial ein Brennvorgang (örtliches Schmelzen) auftreten kann. Wenn im Schmiedematerial ein Brennvorgang auftritt, wird die Festigkeit des Schmiederzeugnisses beträchtlich beeinträchtigt, oder im Erzeugnis werden Mängel erzeugt, die dem örtlichen Schmelzen zuzuschreiben sind, wie Lunker und Mikroschrumpfung.The forging is made before Forging a preheat subjected. The preheating will run at a temperature which in a range of 350 ° C to the difference that is obtained by 10 ° C from the Solidus temperature (° C) be subtracted from the aluminum alloy. The forging material is warmed in advance, until the temperature of the entire material reaches a value that falls in the above range, and then the forging takes place. If the preheating at a temperature below 350 ° C accomplished will not succeed while the forging of the forging material is sufficient plastic Flow to achieve, whereas if the preheating at a temperature above the Difference executed becomes; A burning process (local melting) can occur in the forging material. When a firing process occurs in the forging material, the strength increases of the forged product considerably impaired or defects in the product generated that the local Melting is attributable to blowholes and micro-shrinkage.

Da das Schmiedematerial im Allgemeinen einem Heißschmieden unterzogen wird, wird es vorab erwärmt, und es wird auch ein Schmiedegesenk erwärmt. Die Heiztemperatur beträgt 100 bis 400°C. Die Heiztemperatur wird entsprechend verschiedenen Schmiedeparametern bestimmt, einschließlich der Form eines Schmiedeerzeugnisses, dem Typ der Schmiedeanlage und dem Typ einer Legierung, die das zu schmiedende Material bildet. Wenn die Heiztemperatur übermäßig niedrig ist, wird das Schmiedematerial durch das Schmiedegesenk gekühlt, und die Bearbeitbarkeit des Materials ist beeinträchtigt, was zu unzureichendem plastischem Fließen des Materials führt. Wenn dagegen die Heiztemperatur übermäßig hoch ist, ist die Fes tigkeit des Schmiedegesenks verringert, und es besteht die Tendenz, dass es verschleißt oder zerstört wird. Daher ist eine übermäßig hohe Heiztemperatur aus dem Gesichtspunkt der Lebensdauer des Schmiedegesenks nicht bevorzugt. Vorzugsweise wird das Schmieden ausgeführt, nachdem ein Schmiermittel auf das Schmiedegesenk aufgebracht wurde.Because the forging material in general a hot forging is subjected to preheating, and it also becomes a forging die heated. The heating temperature is 100 to 400 ° C. The heating temperature is according to different forging parameters determined, including the shape of a forged product, the type of the forging plant and the type of alloy that forms the material to be forged. If the heating temperature is excessively low the forging material is cooled by the forging die, and the machinability of the material is impaired, resulting in insufficient plastic flow of the material leads. If, on the other hand, the heating temperature is excessively high the strength of the forging die is reduced and it exists the tendency for it to wear out or destroyed becomes. Therefore, it is excessively high Heating temperature from the point of view of the life of the forging die is not prefers. Preferably the forging is carried out after a lubricant has been applied to the forging die.

Das Schmiedematerial wird einem Gesenkschmieden unterzogen. Ein Beispiel für die bei der Erfindung verwendete Schmiedevorrichtung wird nun unter Bezugnahme auf die 5 beschrieben. Die Schmiedevorrichtung verfügt über eine Schmiedemaschine 101, ein oberes Gesenk 103, das an einem oberen Kissen 102 montiert ist, und ein unteres Gesenk 105, das an einem unteren Kissen 106 montiert ist. Das bei der Erfindung verwendete Schmiedegesenk verfügt über das obere Gesenk 103, das untere Gesenk 105 und einen Auswerfstift 107. Wie es in der 5 dargestellt ist, verfügt das zu verwendende Schmiedegesenk über das obere Gesenk 103 zum Erzeugen eines Kolbenkopfabschnitts und das untere Gesenk 105 zum Erzeugen eines Hemdabschnitts. Jedoch kann ein Schmiedegesenk mit einem unteren Gesenk zum Erzeugen eines Kolbenkopfabschnitts und einem oberen Gesenk zum Erzeugen eines Hemdabschnitts verwendet werden. Falls erwünscht, kann eine Schmiermittel-Auftragevorrichtung angebracht werden, die über eine Vorrichtung 108 zum horizontalen Fördern eines Sprays, eine Sprührotationsvorrichtung 109 und eine Schmiermittel-Sprühdüse 104 verfügt, die über einen Schaft 110 mit der Sprayfördervorrichtung 108 verbunden ist.The forging material is drop forged. An example of the forging device used in the invention will now be described with reference to FIG 5 described. The forging device has a forging machine 101 , an upper die 103 that on an upper pillow 102 is mounted, and a lower die 105 that on a lower pillow 106 is mounted. The forging die used in the invention has the upper die 103 , the lower die 105 and an ejector pin 107 , As in the 5 is shown, the forging die to be used has the upper die 103 to create a piston head section and the lower die 105 to create a section of shirt. However, a forging die with a lower die to create a piston head section and an upper die to produce a shirt section can be used. If desired, a lubricant applicator can be attached over a device 108 for the horizontal conveyance of a spray, a spray rotation device 109 and a lubricant spray nozzle 104 has a shaft 110 with the spray conveyor 108 connected is.

Bei der Erfindung wird das Schmiedematerial so im Schmiedegesenk platziert, dass die Fläche, die Siliciumkörner mit größerer mittlerer Größe enthält, der Fläche des Gesenks zugewandt ist, die einem Kolbenkopf entspricht. Wenn z. B. der oben genannte Gießblock einem Schmiedevorgang unterzogen wird, wird er so im Schmiedegesenk platziert, dass seine Oberseite der Fläche des Gesenks zugewandt ist, die einem Kolbenkopf entspricht. Wenn der Gießblock auf d e umgekehrte Weise im Schmiedegesenk platziert wird, enthält der Vorderendabschnitt des sich ergebenden Hemdabschnitts Siliciumkörner mit größerer mittlerer Größe, und der sich ergebende Ölringnut-Abschnitt enthält _Siliciumkörner kleinerer mittlerer Größe. Daher können in diesem Fall die Effekte der Erfindung nicht erzielt werden. D. h., dass die mittlere Größe eutektischer Siliciumkörner im Ölringnut-Abschnitt (A) kleiner als 4 μm wird, die mittlere Größe primärer Siliciumkristallkörner im Ölringnut-Abschnitt kleiner als 15 μm wird, das Verhältnis (A/B) der mittleren Größe (A) eutektischer Siliciumkörner im Ölringnut-Abschnitt zur mittleren Größe (B) eutektischer Siliciumkörner im Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts kleiner als 1,5 wird und das Verhältnis (C/D) der mittleren Größe (C) primärer Siliciumkristallkörner im Ölringnut-Abschnitt zur mittleren Größe (D) primärer Siliciumkristallkörner im Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts kleiner als 1,3 wird. Im Ergebnis gelingt es nicht, dass der Ölringnut-Abschnitt hervorragende mechanische Bearbeitbarkeit und Verschleißfestigkeit zeigt, und es gelingt nicht, dass der Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts während des Schmiedens hervorragendes plastisches Fließvermögen zeigt.In the invention, the forging material is placed in the forging die so that the area containing silicon grains of larger average size faces the area of the die that corresponds to a piston head. If e.g. B. the above-mentioned casting block is subjected to a forging process, it is placed in the forging die so that its upper side faces the surface of the die, which corresponds to a piston head. When the cast ingot is placed on de reverse manner in the forging die, the front end portion of the resultant skirt section silicon grains having greater average size, and the resulting oil ring groove section contains contains _S iliciumkörner smaller average size. Therefore, the effects of the invention cannot be obtained in this case. That is, the average size of eutectic silicon grains in the oil ring groove section (A) becomes smaller than 4 μm, the average size of primary silicon crystal grains in the oil ring groove section becomes smaller than 15 μm, the ratio (A / B) of the medium size ( A) eutectic silicon grains in the oil ring groove section to the medium size (B) eutectic silicon grains in the front end section of the shirt section becomes less than 1.5 and the ratio (C / D) of the medium size (C) primary silicon crystal grains in the oil ring groove section to the medium size ( D) primary silicon crystal grains in the front end portion of the shirt portion become less than 1.3. As a result, the oil ring groove portion fails to exhibit excellent machinability and wear resistance, and the front end portion of the shirt portion fails to exhibit excellent plastic fluidity during forging.

Beim erfindungsgemäßen Herstellverfahren wird das Schmiedematerial vorzugsweise so im Schmiedegesenk platziert, dass die Fläche, die Siliciumkörner mit größerer mittlerer Größe enthält, der Fläche des Gesenks zugewandt ist die einem Kolbenkopf entspricht, und dass der Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts vorzugsweise eutektische Siliciumkörner mit einer mittleren Größe von 3 μm oder weniger enthält. Diese mittlere Größe ist dahingehend von Vorteil, dass der Vorderendabschnitt während des Heißschmiedens hervorragende Bearbeitbarkeit zeigt. D. h., dass dann, wenn der Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts eutektische Siliciumkörner mit einer mittleren Größe von 3 μm oder weniger enthält, selbst dann, wenn die Dicke des Hemdabschnitts während des Schmiedevorgangs reduziert wird, im Vorderendabschnitt, der im Schmiedegesenk platziert wird, keine Risse erzeugt werden und die Gesenkausfülleigenschaften des Vorderendabschnitts nicht beeinträchtigt werden.In the production method according to the invention, the forging material is preferably placed in the forging die in such a way that the area which contains silicon grains of larger average size corresponds to the area of the Facing the die corresponds to a piston head, and that the front end section of the shirt section preferably contains eutectic silicon grains with an average size of 3 μm or less. This medium size is advantageous in that the front end portion shows excellent workability during hot forging. That is, if the front end portion of the shirt portion contains eutectic silicon grains having an average size of 3 µm or less, even if the thickness of the shirt portion is reduced during the forging, none in the front end portion placed in the forging die Cracks are generated and the die filling properties of the front end portion are not affected.

Die sich ergebende Kolbenvorform im geschmiedeten Zustand kann einer mechanischen Bearbeitung unterzogen werden. Jedoch wird die Kolbenvorform vorzugsweise einer Wärmebehandlung wie einer absichtlichen Alterungsbehandlung unterzogen, da mechanische Eigenschaften der Vorform, die aus einer Cu, Mg, Sc, Ag usw. enthaltenden Legierung hergestellt wurde, durch die Wärmebehandlung verbessert werden. Bei der absichtlichen Wärmebehandlung wird die Kolbenvorform vorzugsweise einer Festlösungsbehandlung unterzogen, bei der die Kolbenvorform nach einem Erwärmen auf 400 bis 550°C für 0,2 bis 10 Stunden einem Abschrecken in Wasser unterzogen wird und sie dann einer Temperung bei 150 bis 200°C für 0,2 bis 20 Stunden unterzogen wird. Durch die absichtliche Alterungsbehandlung kann die Vorform verbesserte Härte, mechanische Eigenschaften (z. B. Zugfestigkeit und 0,2-%-Streckfestigkeit) und Ermüdungsfestigkeit erlangen.The resulting piston preform in the forged state it can be subjected to mechanical processing become. However, the piston preform is preferably subjected to heat treatment undergo an intentional aging treatment as mechanical Properties of the preform made of Cu, Mg, Sc, Ag, etc. Alloy was made to be improved by the heat treatment. With intentional heat treatment the piston preform is preferably subjected to a solid solution treatment, in which the piston preform after heating to 400 to 550 ° C for 0.2 to Quenched in water for 10 hours and then subjected to it annealing at 150 to 200 ° C for 0.2 is subjected to up to 20 hours. Through the deliberate aging treatment can the preform have improved hardness, mechanical properties (e.g. tensile strength and 0.2% yield strength) and fatigue strength gain.

Danach wird die sich ergebende geschmiedete Kolbenvorform einer mechanischen Behandlung unterzogen, zu der z. B. eine Bearbeitung zum Herstellen eines Kolbenstiftlochs, ein Abspanen einer Kolbenfläche und eine Bearbeitung zum Herstellen von Ölringnuten gehören, um dadurch ein Enderzeugnis herzustellen (einen geschmiedeten Kolben für einen Verbrennungsmotor).After that, the resulting one is forged Piston preform subjected to a mechanical treatment, to which z. B. machining to make a piston pin hole, machining a piston surface and machining for making oil ring grooves thereby producing a finished product (a forged piston for one Internal combustion engine).

Beim erfindungsgemäßen Herstellverfahren wird, da das Schmiedematerial so im Schmiedegesenk platziert wird, dass diejenige Fläche, die Siliciumkörner größerer mittlerer Grö ße enthält, der Fläche des Gesenks zugewandt ist, die einem Kolbenkopf entspricht, die mittlere Größe (A) eutektischer Siliciumkörner im Ölringnut-Abschnitt mindestens 4 μm, die mittlere Größe (C) der primären Siliciumkristallkörner im Ölringnut-Abschnitt wird mindestens 15 μm, das Verhältnis (A/B) der mittleren Größe (A) zur mittleren Größe (B) eutektischer Siliciumkörner im Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts wird mindestens 1,5, und das Verhältnis (C/D) der mittleren Größe (C) der primären Siliciumkristallkörner im Ölringnut-Abschnitt zur mittleren Größe (D) primärer Siliciumkristallkörner im Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts wird mindestens 1,3. Im Ergebnis kann, wenn der Ölringnut-Abschnitt einer spanabhebenden Bearbeitung unterzogen wird, ein Verhaken von Spänen in langer Form in Abspanwerkzeugen mit dem Spannfutter einer Abspanmaschine verhindert werden. Daher kann die Erzeugung von Kratzern auf der Oberfläche des abzuspanenden Kolbens verhindert werden. Außerdem können eine Ansammlung von Spänen in Form einer Filamentmasse am Boden der Abspanmaschine und ein Bedecken der Gesamtheit des Spannfutters mit den Spänen verhindert werden. Daher ist die Produktivität verbessert.In the manufacturing process according to the invention because the forging material is placed in the forging die that surface the silicon grains larger medium Contains size that area facing the die, which corresponds to a piston head, the medium size (A) more eutectic silicon grains in the oil ring groove section at least 4 μm, the mean size (C) of the primary Silicon crystal grains in the oil ring groove section is at least 15 μm, The relationship (A / B) of medium size (A) for medium size (B) more eutectic silicon grains in the front end section of the shirt section becomes at least 1.5, and the ratio (C / D) the mean size (C) of primary Silicon crystal grains in the oil ring groove section to the average size (D) of primary silicon crystal grains in The front end portion of the shirt portion becomes at least 1.3. As a result, if the oil ring groove section is a metal cutting Machining is subject to a long-term interlocking of chips in chipping tools can be prevented with the chuck of a chipping machine. Therefore can create scratches on the surface of the piston to be machined be prevented. Moreover can a collection of chips in the form of a filament mass at the bottom of the chipping machine and a Covering the whole of the chuck with the chips prevented become. Therefore, productivity is improved.

Der Hemdabschnitt ist entlang dem Gesamtumfang des Kolbens nicht zusammenhängend, sondern er ist durch das Kolbenstiftloch unterteilt, in das ein Kolbenstift zum Verbinden des Kolbens mit einem Verbindungspleuel eingesetzt wird. Daher erfolgt ein Abspanen des Hemdabschnitts auf diskontinuierliche Weise, wodurch ein Verhaken von Spänen in Abspanwerkzeugen verhindert wird. Daher kann eine zufriedenstellende Handhabung von Spänen während des Abspanens erzielt werden, solange die mittlere Größe (B) eutektischer Siliciumkörner im Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts das 0,67-fache oder weniger der mittleren Größe (A) eutektischer Siliciumkörner im Ölringnut-Abschnitt beträgt und das Verhältnis (C/D) der mittleren Größe primärer Siliciumkristallkörner im Ölring nut-Abschnitt zur mittleren Größe (D) primärer Siliciumkristallkörner im Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts mindestens 1,3 beträgt.The shirt section is along that The entire circumference of the piston is not contiguous, but is through divides the piston pin hole into which a piston pin for connection the piston is used with a connecting rod. Therefore it is done cutting off the shirt section in a discontinuous manner, whereby a jamming of chips is prevented in stock removal tools. Therefore, satisfactory handling of chips while of machining can be achieved as long as the average size (B) of eutectic silicon grains in Front end portion of the shirt portion 0.67 times or less the middle size (A) more eutectic silicon grains in the oil ring groove section is and the relationship (C / D) the average size of primary silicon crystal grains in the oil ring groove portion to the medium size (D) of primary silicon crystal grains in the front end portion the shirt section is at least 1.3.

Da durch Schmieden ein Hemdabschnitt mit verringerter Dicke hergestellt werden kann, ist keine mechanische Bearbeitung (Spanabhebung) zum Verringern der Dicke des Hemdabschnitts erforderlich, oder es kann das für die mechanische Bearbeitung erforderliche Toleranzmaß verringert werden. Daher kann die Kolbenausbeute auf Grundlage des Materials verbessert werden. Außerdem ist die Produktivität verbessert, da die zur mechanischen Bearbeitung benötigte Zeit verkürzt ist.As a shirt section by forging can be made with reduced thickness is not mechanical Machining (chip removal) to reduce the thickness of the shirt section required, or it can for the mechanical processing reduces the required tolerance become. Therefore, the piston yield can be based on the material be improved. Moreover is productivity improved since the time required for mechanical processing shortened is.

Vorzugsweise wird das Schmiedematerial vor dem Heißschmieden einer Homogenisierungsbehandlung unterzogen, um die Schmiedbarkeit des Materials zu verbessern, und es erfolgt eine absichtliche Alterung einer geschmiedeten Kolbenvorform. Bei der Homogenisierungsbehandlung wird das Schmiedematerial auf eine hohe Temperatur erwärmt, um ein Zusatzmetall, wie Cu oder Mg, gleichmäßig in der Aluminiummatrix zu verteilen. Das Metall wird dem Schmiedematerial zugesetzt, um die mechanische Festigkeit eines herzustellenden Kolbens und die Festigkeit desselben beim Gebrauch in einem Motor auf hoher Temperatur zu verbessern, und es erfolgt eine Mikrosegregation während des Gießens. Durch die Homogenisierungsbehandlung kann für Schmiedbarkeit des Schmiedematerials gesorgt werden, und es können gleichmäßige mechanische Eigenschaften einer geschmiedeten Kolbenvorform, die einer absichtlichen Alterung unterzogen wurde, erzielt werden. Die Homogenisierungsbehandlung kann für 1 bis 30 Stunden bei einer Temperatur ausgeführt werden, die in einen Bereich von 400°C bis zur Differenz fällt, die dadurch erhalten wird, dass 10°C von der Solidustemperatur (°C) einer zu verwendenden Legierung abgezogen werden.Preferably, the forging material is subjected to a homogenization treatment prior to hot forging to improve the forgeability of the material and there is an intentional aging of a forged piston preform. During the homogenization treatment, the forging material is heated to a high temperature in order to evenly distribute an additional metal such as Cu or Mg in the aluminum matrix. The metal is added to the forging material to improve the mechanical strength of a piston to be manufactured and the strength thereof when used in a high temperature engine, and microsegregation occurs during casting. The homogenization treatment can ensure forgeability of the forging material, and uniform mechanical properties of a forged piston preform that has undergone deliberate aging can be achieved. The homogenization treatment can be carried out for 1 to 30 hours at a temperature falling in a range from 400 ° C to the difference obtained by leaving 10 ° C from the solos dust temperature (° C) of an alloy to be used.

Abhängig vom Typ einer zu verwendenden Legierung oder der Form eines herzustellenden Kolbens kann ein Vorerwärmen des Schmiedematerials, das vor dem Schmiedevorgang ausgeführt wird, Effekte ausüben, die denen ähnlich sind, wie sie durch eine Homogenisierungsbehandlung des Schmiedematerials erzielt werden. Wenn z. B. das Schmiedematerial der Vorerwärmung für eine Stunde oder länger unterzogen wird, können Effekte erzielt werden, die denen ähnlich sind, wie sie durch die Homogenisierungsbehandlung erzielt werden. Indessen kann, abhängig vom Typ einer zu verwendenden Legierung oder der Form eines herzustellenden Kolbens, eine Wärmebehandlung für eine geschmiedete Kolbenvorform, wie sie nach dem Schmiedevorgang ausgeführt wird, ähnliche Effekte ausüben, wie sie durch eine Homogenisierungsbehandlung des Schmiedematerials erzielt werden. Wenn z. B. die geschmiedete Kolbenvorform während der absichtlichen Alterung für eine lange Zeitperiode einer Festlösungsbehandlung unterzogen wird, können Effekte erzielt werden, die ähnlich denen sind, die durch die Homogenisierungsbehandlung erzielt werden.Depending on the type of one to be used Alloy or the shape of a piston to be manufactured can preheat the Forging material that is carried out before the forging process Exert effects, which are similar to those are like a homogenization treatment of the forging material be achieved. If e.g. B. the forging material for preheating for one hour or longer can undergo Effects that are similar to those achieved by the homogenization treatment can be achieved. However, depending on the Type of alloy to be used or the shape of one to be manufactured Piston, a heat treatment for one forged piston preform, as it is carried out after the forging process, similar Exert effects, as by a homogenization treatment of the forging material be achieved. If e.g. B. the forged piston preform during the deliberate aging for subjected to a solid solution treatment for a long period of time will, can Effects are achieved that are similar are those achieved by the homogenization treatment.

Als Nächstes werden die Effekte der Erfindung unter Bezugnahme auf Beispiele detailliert beschrieben, bei denen ein durch einen Gießvorgang mit unidirektionaler Erstarrung hergestelltes Schmiedematerial, ein durch Stranggießen hergestelltes Schmiedematerial und ein durch einen Gießvorgang mit dauerhafter Form hergestelltes Schmiedematerial verwendet werden.Next, the effects of the Invention described in detail with reference to examples, where one by a casting process forgings made with unidirectional solidification by continuous casting manufactured forging material and one by a casting process forgings made with permanent shape can be used.

Beispiele 1 und 2Examples 1 and 2

Eine Legierung 1 mit einer Solidustemperatur von 549°C, wie in der Tabelle 1 angegeben, wurde unter Verwendung der in der 2 dargestellten Vorrichtung einem Gießvorgang mit unidirektionaler Erstarrung unterzogen, um dadurch einen Gießblock herzustellen (Außendurchmesser: 77 mm, Dicke: 30 mm), der als Schmiedematerial diente (Beispiel 1). Eine Legierung 2 mit einer Solidustemperatur von 528°C, wie in der Tabelle 1 angegeben, wurde unter Verwendung der in der 2 dargestellten Vorrichtung einem Gießvorgang mit unidirektionaler Erstarrung unterzogen, um dadurch einen Gießblock herzustellen (Außendurchmesser: 110 mm, Dicke: 30 mm), der als Schmiedematerial diente (Beispiel 2). Die Gießbedingungen sind in der Tabelle 2 angegeben. Bei jedem der Beispiele 1 und 2 wurden an den in der 3 dargestellten Punkten der Form Thermoelemente vom K-Typ angebracht, um dadurch die Abkühlrate des Gießblocks während des Erstarrens zu messen.An alloy 1 with a solidus temperature of 549 ° C, as shown in Table 1, was using the in the 2 shown device subjected to a casting process with unidirectional solidification, thereby producing a casting block (outer diameter: 77 mm, thickness: 30 mm), which served as forging material (Example 1). An alloy 2 with a solidus temperature of 528 ° C, as shown in Table 1, was using the in 2 shown device subjected to a casting process with unidirectional solidification, thereby producing a casting block (outer diameter: 110 mm, thickness: 30 mm), which served as forging material (Example 2). The casting conditions are given in Table 2. In each of Examples 1 and 2, the in the 3 points of the K-type thermocouple shown to thereby measure the rate of cooling of the ingot during solidification.

Jedes der auf die obige Weise hergestellten Schmiedematerialien wurde für 8 Stunden einer Homogenisierungsbehandlung bei 490°C unterzogen und dann durch Heißschmieden unter Verwendung der in der 5 dargestellten Schmiedevorrichtung zu einer Kolbenvorform geschmiedet. Das Schmiedematerial wurde so im Schmiedegesenk der Schmiedevorrichtung platziert, dass die Oberseite des Schmiedematerials (Gießblock), die diejenige Fläche des Gießblocks ist, die nicht der Kühlplatte der Gießvorrichtung zugewandt ist, zu einem Kolbenkopf geschmiedet wurde, und die Unterseite des Gießblocks, d. h. die Fläche desselben, die der Kühlplatte der Gießvorrichtung zugewandt ist, zu einem Hemd geschmiedet wurde. Die Schmiedebedingungen sind in der Tabelle 3 angegeben.Each of the forging materials produced in the above manner was subjected to a homogenization treatment at 490 ° C for 8 hours and then by hot forging using the in the 5 Forging device shown forged into a piston preform. The forging material was placed in the forging die of the forging device such that the top of the forging material (casting block), which is the surface of the casting block that does not face the cooling plate of the casting device, was forged into a piston head and the underside of the casting block, ie the surface the same, which faces the cooling plate of the casting device, was forged into a shirt. The forging conditions are given in Table 3.

Beim Beispiel 1 betrug der Außendurchmesser der hergestellten geschmiedeten Kolbenvorform 78 mm, die Dicke des Hemdabschnitts der Vorform betrug 3,5 mm, und die Schmiedelast während des Schmiedens betrug 430 t. Beim Beispiel 2 betrug der Außendurchmesser der hergestellten geschmiedeten Kolbenvorform 111 mm, die Dicke des Hemdabschnitts der Vorform betrug 4 mm, und die Schmiedelast während des Schmiedens betrug 670 t.In example 1, the outside diameter was of the forged piston preform produced 78 mm, the thickness of the Shirt section of the preform was 3.5 mm, and the forging load during the Schmiedens was 430 t. In example 2, the outside diameter was of the forged piston preform produced 111 mm, the thickness the shirt section of the preform was 4 mm, and the forging load while the forging was 670 t.

Die Formbarkeit des Hemdabschnitts jeder der Kolbenvorformen wurde durch visuelle Betrachtung von Rissen, die in der Richtung des plastischen Fließens erzeugt wurden, anhand unzureichender Füllung hervorgerufen durch unzureichendes plastisches Fließen des Vorderendabschnitts des Hemdabschnitts während des Schmiedens sowie durch Erzeugung von Haarrissen bewertet.The malleability of the shirt section each of the piston preforms was visually inspected for cracks, generated in the direction of plastic flow insufficient filling caused by insufficient plastic flow of the Front end section of the shirt section during forging as well evaluated by creating hairline cracks.

Die sich ergebende Kolbenvorform wurde einer absichtlichen Alterungsbehandlung unter den in der Tabelle 4 angegebenen Bedingungen unterzogen.The resulting piston preform was deliberately given an aging treatment among those in the table 4 conditions specified.

Die Härte der sich ergebenden Kolbenvorform wurde durch einen Rockwell-Härtemesser gemessen. Es wurde die mittlere Größe eutektischer Siliciumkörner im Ölringnut-Abschnitt gemessen, es wurde die mittlere Größe eutektischer Siliciumkörner im Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts gemessen, und es wurde das Verhältnis der ersteren mittleren Größe zur letzteren mittleren Größe berechnet. Ferner wurde die mittlere Größe primärer Siliciumkristallkörner im Ölringnut-Abschnitt gemessen, es wurde die mittlere Größe primärer Siliciumkristallkörner im Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts gemessen, und es wurde das Verhältnis der ersteren mittleren Größe zur letzteren mittleren Größe berechnet. Zum Vergleich wurde die maximale Erstreckungslänge (MAXLNG) jedes Siliciumkorns unter Verwendung eines Bildanalysators gemessen.The hardness of the resulting piston preform was through a Rockwell hardness meter measured. It became the average size of eutectic silicon grains in the oil ring groove section measured, the average size of eutectic silicon grains in the Front end section of the shirt section measured, and it became the relationship the former medium size to the latter medium size. Furthermore, the average size of primary silicon crystal grains became in the oil ring groove section measured, the average size of primary silicon crystal grains was measured Front end section of the shirt section measured, and it became the relationship the former medium size to the latter calculated medium size. The maximum extension length (MAXLNG) of each silicon grain was compared measured using an image analyzer.

Bei der Erfindung wird eine hergestellte Probe mittels einer Betrachtungstechnik für die metallografische Struktur unter einem Mikroskop betrachtet, und die betrachtete Fläche wird einer Bildanalyse unter Verwendung eines Bildanalyseprozesses unterzogen. Der Mittelwert der Kreisäquivalenz-Durchmesser (HEYWOOD-Durchmesser, der dadurch erhalten wird, dass der mittlere Querschnitt der Körner, die in der betrachteten Fläche aufgefunden werden, auf die Fläche eines Kreises reduziert wird und der Durchmesser des Kreises als Korndurchmesser repräsentiert wird) wird als mittlere Korngröße angesehen.In the present invention, a manufactured sample is viewed by a viewing technique for the metallographic structure under a microscope, and the viewed area is subjected to image analysis using an image analysis process. The mean of the circle equivalent diameter (HEYWOOD diameter, which is obtained by looking at the mean cross section of the grains in the area is reduced to the area of a circle and the diameter of the circle is represented as the grain diameter) is regarded as the mean grain size.

Die maximale Erstreckungslänge betrifft die Maximallänge eines Siliciumkorns, wie unter Verwendung eines Feinmessschiebers gemessen. Wenn zwei Siliciumkristallkörner denselben HEYWOOD-Durchmesser aufweisen und eines der Körner einen größeren Wert MAXLNG aufweist, nimmt das Siliciumkristallkorn mit größerem Wert MAXLNG eine flache oder Nadelform ein.The maximum extension length concerns the maximum length a silicon grain, such as using a vernier caliper measured. When two silicon crystal grains have the same HEYWOOD diameter and one of the grains a greater value MAXLNG, the silicon crystal grain takes on greater value MAXLNG a flat or needle shape.

Der Ölringnut-Abschnitt der sich ergebenden Kolbenvorform wurde unter den in der Tabelle 5 angegebenen Bedingungen einem Abspantest unterzogen, und Späne wurden hinsichtlich der Form und der Handhabbarkeit bewertet. Anschließend wurde die Oberflächenrauigkeit der Innenwand der Ölringnut unter den in der Tabelle 6 angegebenen Bedingungen bewertet. Zum Abspantest wurde ein Compax-Abspanwerkzeug (Abspanwerkzeug mit einem Synthesediamant), wie es in der 4 dargestellt ist, verwendet. Unter Verwendung eines Oberflächenrauigkeitsmessers wurde die Oberflächenrauigkeit der Ölringnut der Kolbenvorform in einer Richtung parallel zur Abspanrichtung (d. h. in einer Richtung parallel zur Kolbenkopffläche) gemessen.The oil ring groove portion of the resulting piston preform was subjected to a removal test under the conditions shown in Table 5, and chips were evaluated for shape and manageability. The surface roughness of the inner wall of the oil ring groove was then evaluated under the conditions given in Table 6. For the machining test, a Compax machining tool (machining tool with a synthetic diamond) was used, as described in the 4 is shown used. Using a surface roughness meter, the surface roughness of the oil ring groove of the piston preform was measured in a direction parallel to the stock removal direction (ie in a direction parallel to the piston head surface).

Anschließend wurde aus der Nähe der Ölringnut ein Teststück erstellt, das dann bei Umgebungstemperatur unter den in der Tabelle 7 angegebenen Bedingungen einem Stift-auf-Platte-Test zur Verschleißfestigkeit unterzogen wurde.Then was from the vicinity of the oil ring groove a test piece created that then at ambient temperature below that in the table 7 specified conditions was subjected to a pin-on-plate test for wear resistance.

Die Tabelle 8 zeigt die Ergebnisse der obigen gemessenen Abkühlraten. Die Tabelle 9 zeigt die mittleren Größen eutektischer Siliciumkörner und primärer Siliciumkristallkörner, wie sie im Gießblock enthalten sind. Die Tabelle 12 zeigt die Härte (HRB) der Kolbenvorform, die Formbarkeit des Hemdabschnitts, die Form von im Ölringnut-Abschnitt erzeugten Spänen, die Handhabbarkeit der Späne, die Oberflächenrauigkeit der Innenwand der Ölringnut sowie den Abnutzungsgrad eines Teststücks, das aus der Nähe des Ölringnut-Abschnitts erstellt wurde.Table 8 shows the results the cooling rates measured above. Table 9 shows the mean sizes of eutectic silicon grains and primary Silicon crystal grains, such as them in the casting block are included. Table 12 shows the hardness (HRB) of the piston preform, the formability of the shirt section, the shape of in the oil ring groove section generated chips, the handling of the chips, the surface roughness the inner wall of the oil ring groove and the degree of wear of a test piece that comes from near the oil ring groove portion was created.

Vergleichsbeispiel 1 und 2Comparative Example 1 and 2

Aus einer in der Tabelle 1 angegebenen Legierung 1 wurde ein Stranggießstab mit einem Durchmesser von 82 mm hergestellt (Vergleichsbeispiel 1), und aus einer in der Tabelle 1 angegebenen Legierung 2 wurde ein Stranggießstab mit einem Durchmesser von 115 mm hergestellt (Vergleichsbeispiel 2). Das Stranggießen erfolgte unter den in der Tabelle 10 angegebenen Bedingungen mittels eines durch Luftdruck unterstützten Gießprozesses mit heißer Oberseite, wie in JP-B SHO 54-42847 offenbart. Beim Vergleichsbeispiel 1 wurde der sich ergebende Gießblock für 8 Stunden einer Homogenisierungsbehandlung bei 495°C und dann einer Bearbeitung unterzogen, um dadurch den Durchmesser auf 77 mm zu reduzieren. Beim Vergleichsbeispiel 2 wurde der sich ergebende Gießblock identisch behandelt, um den Durchmesser auf 110 mm zu reduzieren. Danach wurde jeder der Gießblöcke in Stücke mit einer Dicke von 30 mm zerschnitten, und das sich ergebende Stück wurde als Schmiedematerial verwendet. Bei den Vergleichsbeispielen 1 und 2 wurden die Schmiedematerialien einem Schmiedevorgang unter denselben Bedingungen wie bei den Beispielen 1 bzw. 2 unterzogen. Jedoch wurden die jeweiligen Schmiedematerialien während des Schmiedens auf andere Weise, als sie beim Beispiel 1 oder 2 beschrieben ist, in einem Schmiedegesenk platziert. Bei den Vergleichsbeispielen 1 und 2 wurden die sich ergebenden geschmiedeten Kolbenvorformen einer absichtlichen Alterungsbehandlung und dann ei ner mechanischen Bearbeitung unter denselben Bedingungen wie bei den Beispielen 1 bzw. 2 unterzogen.From one given in Table 1 Alloy 1 became a continuous casting rod manufactured with a diameter of 82 mm (comparative example 1), and became from an alloy specified in Table 1 2 a continuous casting rod manufactured with a diameter of 115 mm (comparative example 2). Continuous casting was carried out under the conditions given in Table 10 using a casting process supported by air pressure with hotter Top as disclosed in JP-B SHO 54-42847. In the comparative example 1 became the resulting casting block for 8 hours a homogenization treatment at 495 ° C and then processing to reduce the diameter to 77 mm. In Comparative Example 2, the resulting casting block became identical treated to reduce the diameter to 110 mm. After that was using each of the casting blocks in pieces cut to a thickness of 30 mm, and the resulting piece became used as forging material. In Comparative Examples 1 and 2, the forging materials became one forging process among them Conditions as in Examples 1 and 2 subjected. However the respective forging materials while forging onto others Way, as described in Example 1 or 2, in one Forging die placed. In Comparative Examples 1 and 2 the resulting forged piston preforms an intentional one Aging treatment and then a mechanical treatment under subjected to the same conditions as in Examples 1 and 2, respectively.

Die Tabelle 11 zeigt die Messergebnisse der mittleren Größe 5 eutektischer Siliciumkörner und derjenigen primärer Siliciumkristallkörner. Die Tabelle 12 zeigt die Ergebnisse einer Auswertung, die auf ähnliche Weise wie beim Beispiel 1 oder 2 ausgeführt wurde. Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Tabelle 4

Tabelle 5

Tabelle 6

Tabelle 7

Tabelle 8

Tabelle 9

Tabelle 10

Tabelle 11

Tabelle 12

Bewertungskriterien zur Formbarkeit des Hemdabschnitts

Bewertung der Späneform

Table 11 shows the measurement results of the average size of 5 eutectic silicon grains and that of primary silicon crystal grains. Table 12 shows the results of an evaluation which was carried out in a similar manner to that of Example 1 or 2. Table 1

Table 2

Table 3

Table 4

Table 5

Table 6

Table 7

Table 8

Table 9

Table 10

Table 11

Table 12

Evaluation criteria for the formability of the shirt section

Evaluation of the chip shape

Wie es aus der Tabelle 8 ersichtlich ist, sind beim Beispiel 1, das ein Schmiedematerial verwendet, das durch Gießen unter den Bedingungen hergestellt wurde, dass die am Punkt e gemessene Abkühlrate 2,6°C/Sek. beträgt und das Verhältnis (E/F) 0,42 beträgt, im Schmiedematerial keine primären Siliciumkristallkörner vorhanden; die mittleren Größen eutektischer Siliciumkörner (HEYWOOD-Durchmesser) im Ölringnut-Abschnitt und im Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts betragen 4,7 μm bzw. 2,3 μm; das Verhältnis (A/B) beträgt 2. Wie es aus der Tabelle 11 ersichtlich ist, sind beim Vergleichsbeispiel 1, das einen Stranggießstab kleinen Durchmessers verwendet, der aus der Legierung 1 hergestellt wurde, die mittleren Größen eutektischer Siliciumkörner im Ölringnut-Abschnitt und im Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts 2,0 μm bzw. 2,0 μm; und das Verhältnis (A/B) beträgt 1, was bedeutet, dass die Kolbenvorform keine metallografische Struktur zeigt, bei der die Siliciumkorngröße in der Dickenrichtung einen Übergang zeigt. Die mittlere Größe eutektischer Siliciumkörner im Ölringnut-Abschnitt der Kolbenvorform des Vergleichsbeispiels 1 ist kleiner als diejenige eutektischer Siliciumkörner im Ölringnut-Abschnitt der Kolbenvorform des Beispiels 1. Wie es aus der Tabelle 12 ersichtlich ist, ist sowohl beim Beispiel 1 als auch beim Vergleichsbeispiel 1 die Formbarkeit des Hemdabschnitts hervor ragend. Beim Beispiel 1 nehmen aus dem Ölringnut-Abschnitt erzeugte Späne eine Bruchstückform ein. Demgegenüber nehmen beim Vergleichsbeispiel 1 aus dem Ölringnut-Abschnitt erzeugte Späne eine langgestreckte Form ein, woraus es erkennbar ist, dass die Handhabbarkeit der Späne schlecht ist. Beim Vergleichsbeispiel zeigt die Innenwand der Ölringnut eine große Oberflächenrauigkeit, und der Ölringnut-Abschnitt zeigt schlechte Verschleißfestigkeit. Im Allgemeinen wird, wenn die Innenwand einer Ölringnut eine große Oberflächenrauigkeit zeigt, die Ölringnut durch einen Kolbenring abgenutzt, und die Ölringnut wird groß. Im Ergebnis passt der Kolbenring schräg in die Ölringnut, was zu Problemen einschließlich des Auftretens von Fressen an der Innenwand eines Zylinders führt. Wenn das Spiel zwischen einem Kolben und einem Zylinder durch schlechte Verschleißfestigkeit des Ölringnut-Abschnitts groß wird, wird der Verbrauch an Motoröl hoch, und der Kolben und der Zylinder passen nicht auf hermetische Weise zueinander, wodurch die Ausgangsleistung des Motors sinkt. Daher ist davon auszugehen, dass dann, wenn die Kolbenvorform des Vergleichsbeispiels 1 als Kolben ausgebildet wird, der sich ergebende Kolben unzufriedenstellende Eigenschaften zeigt.As can be seen from Table 8 are in Example 1, which uses a forging material by to water was produced under the conditions that the measured at point e Cooling rate 2.6 ° C / sec. is and that relationship (E / F) is 0.42, no primary in the forging material Silicon crystal grains available; the middle sizes more eutectic silicon grains (HEYWOOD diameter) in the oil ring groove section and in the front end portion of the shirt portion are 4.7 µm and 2.3 µm, respectively; the ratio (A / B) is 2. As can be seen from Table 11, are in the comparative example 1, the continuous casting rod small diameter used, which is made of alloy 1 became the middle sizes more eutectic silicon grains in the oil ring groove section and Front end portion of the shirt portion 2.0 μm or 2.0 μm; and the ratio (A / B) is 1, which means that the piston preform has no metallographic structure, where the silicon grain size in the Direction of thickness a transition shows. The middle size more eutectic silicon grains in the oil ring groove section the piston preform of Comparative Example 1 is smaller than that eutectic silicon grains in the oil ring groove section the piston preform of Example 1. As shown in Table 12 is in both example 1 and the comparative example 1 excellent formability of the shirt section. In the example 1 remove from the oil ring groove section generated chips a fragment form on. In contrast, in comparison example 1, chips produced from the oil ring groove section elongated shape, from which it can be seen that the manageability the chips bad is. In the comparative example, the inner wall shows the oil ring groove a big surface roughness, and the oil ring groove section shows poor wear resistance. Generally, when the inner wall of an oil ring groove becomes a large surface roughness shows the oil ring groove worn out by a piston ring, and the oil ring groove becomes large. As a result the piston ring fits diagonally into the oil ring groove, leading to problems including of the occurrence of seizures on the inner wall of a cylinder. If the play between a piston and a cylinder due to bad wear resistance of the oil ring groove section growing up the consumption of engine oil high, and the piston and cylinder do not fit hermetically Way to each other, whereby the output power of the motor drops. It can therefore be assumed that if the piston preform of the comparative example 1 is designed as a piston, the resulting piston is unsatisfactory Shows properties.

Ein Vergleich zwischen dem Beispiel 2 und dem Vergleichsbeispiel 2 ergibt das Folgende. Beim Beispiel 2 beträgt die am Punkt e gemessene Abkühlrate 4,1°C/Sek., und das Verhältnis (E/F) beträgt 0,75. Beim Beispiel 2 beträgt die mittlere Größe (A) eutektischer Siliciumkörner im Ölringnut-Abschnitt 6,9 μm; die mittlere Größe (B) eutektischer Siliciumkörner im Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts beträgt 2,8; das Verhältnis (A/B) beträgt 2,5; die mittlere Größe (C) primärer Siliciumkristallkörner im Ölringnut-Abschnitt beträgt 23,9 μm; die mittlere Größe (D) primärer Siliciumkristallkörner im Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts beträgt 15,7 μm; das Verhältnis (C/D) beträgt 1,5. Wie es aus der Ta belle 11 ersichtlich ist, beträgt beim Vergleichsbeispiel 2 die mittlere Größe (A) eutektischer Siliciumkörner im Ölringnut-Abschnitt 2,6 μm; die mittlere Größe (D) eutektischer Siliciumkörner im Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts beträgt 2,5 μm; das Verhältnis (A/B) beträgt 1,0; die mittlere Größe (C) primärer Siliciumkristallkörner im Ölringnut-Abschnitt beträgt 17,7 μm; die mittlere Größe (D) primärer Siliciumkristallkörner im Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts beträgt 18,3 μm; und das Verhältnis (C/D) beträgt 1,0, was bedeutet, dass die Kolbenvorform keine metallografische Struktur aufweist, bei der die Siliciumkorngröße in der Dickenrichtung einen Übergang aufweisen würde. Wie oben beschrieben, sind die mittleren Größen eutektischer Siliciumkörner und primärer Siliciumkristallkörner im Ölringnut-Abschnitt der Kolbenvorform des Vergleichsbeispiels 2 kleiner als diejenigen eutektischer Siliciumkörner und primärer Siliciumkristallkörner im Ölringnut-Abschnitt der Kolbenvorform des Beispiels 2. Sowohl beim Beispiel 2 als auch beim Vergleichsbeispiel 2 ist die Schmiedbarkeit des Hemdabschnitts hervorragend. Beim Beispiel 2 nehmen im Ölringnut-Abschnitt erzeugte Späne eine Bruchstückform ein. Demgegenüber nehmen beim Vergleichsbeispiel 2 im Ölringnut-Abschnitt erzeugte Späne eine langgestreckte Form ein, weswegen sie eine schlechte Handhabbarkeit zeigen, und die Innenwand der Ölringnut zeigt eine große Oberflächenrauigkeit. Beim Vergleichsbeispiel 2 nehmen, da die mittleren Größen eutektischer Siliciumkörner und primärer Siliciumkristallkörner im Ölringnut-Abschnitt klein sind, in diesem Abschnitt erzeugte Späne eine langgestreckte Form ein, die Handhabbarkeit der Späne ist schlecht, die Oberflächenrauigkeit der Innenwand der Ölringnut ist groß, und der Verschleißgrad eines aus dem Ölringnut-Abschnitt erstellten Teststücks ist groß.A comparison between Example 2 and Comparative Example 2 shows the following. In Example 2, the cooling rate measured at point e is 4.1 ° C / sec and the ratio (E / F) is 0.75. In Example 2, the average size (A) of eutectic silicon grains in the oil ring groove section is 6.9 μm; the mean size (B) of silicon eutectic grains in the front end portion of the shirt portion is 2.8; the ratio (A / B) is 2.5; the average size (C) of primary silicon crystal grains in the oil ring groove section is 23.9 μm; the average size (D) of primary silicon crystal grains in the front end portion of the shirt portion is 15.7 μm; the ratio (C / D) is 1.5. As can be seen from Table 11, in Comparative Example 2, the average size (A) of eutectic silicon grains in the oil ring groove section is 2.6 μm; the average size (D) of eutectic silicon grains in the front end portion of the shirt portion is 2.5 μm; the ratio (A / B) is 1.0; the average size (C) of primary silicon crystal grains in the oil ring groove section is 17.7 μm; the average size (D) of primary silicon crystal grains in the front end portion of the shirt portion is 18.3 µm; and the ratio (C / D) is 1.0, which means that the piston preform has no metallographic structure in which the silicon grain size would have a transition in the thickness direction. As described above, the average sizes of eutectic silicon grains and primary silicon crystal grains in the oil ring groove portion of the piston preform of Comparative Example 2 are smaller than those of eutectic silicon grains and primary silicon crystal grains in the oil ring groove portion of the piston preform of Example 2. Both in Example 2 and in Comparative Example 2 the forgeability of the shirt section excellent. In example 2, chips generated in the oil ring groove section take a fragment form. In contrast, in Comparative Example 2, chips generated in the oil ring groove portion take an elongated shape, which is why they show poor manageability, and the inner wall of the oil ring groove shows a large surface roughness. In Comparative Example 2, since the average sizes of eutectic silicon grains and primary silicon crystal grains are small in the oil ring groove section, chips produced in this section take an elongated shape, the chips are difficult to handle, the surface roughness of the inner wall of the oil ring groove is large, and the degree of wear a test piece made from the oil ring groove portion is large.

Vergleichsbeispiel 3Comparative Example 3

Kolbenvorformen wurden aus den in der Tabelle 1 angegebenen Legierungen 1 und 2 durch einen Gießvorgang mit dauerhafter Form hergestellt. Beim Vergleichsbeispiel 3 wurden zwei Typen von Gießformen verwendet, nämlich ein Typ A (Dicke eines einem Hemdabschnitt entsprechenden Abschnitts: 3,5 mm) und Typ B (Dicke eines einem Hemdabschnitt entsprechenden Abschnitts: 6 mm). Diese zwei Formen hatten dieselbe Gestalt wie das beim Beispiel 1 verwendete Schmiedegesenk. Die Formen des Typs A und des Typs B haben denselben Innendurchmesser und dieselbe Gestalt.Piston preforms were made from the in Alloys 1 and 2 specified in Table 1 by a casting process made with permanent shape. In comparative example 3 were used two types of molds namely a type A (thickness of a section corresponding to a shirt section: 3.5 mm) and type B (thickness of a shirt section Section: 6 mm). These two shapes were the same shape as the forging die used in Example 1. The forms of the type A and Type B have the same inside diameter and shape.

Kolbenvorformen wurden durch Gießen unter Verwendung der Formen des Typs A und des Typs b bei den in der Tabelle 13 angegebenen Gießbedingungen hergestellt. Die sich ergebenden Kolbenvorformen wurden hinsichtlich der Fehlerfreikeit eines Hemdabschnitts bewertet. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 14 angegeben. Die Tabelle 15 zeigt die Messergebnisse zu den mittleren Größen eutektischer Siliciumkörner und primärer Siliciumkristallkörner. Tabelle 13

Tabelle 14

Tabelle 15

Piston preforms were made by casting using Type A and Type B molds under the casting conditions shown in Table 13. The resulting piston preforms were evaluated for the flawlessness of a shirt section. The results are shown in Table 14. Table 15 shows the measurement results for the mean sizes of eutectic silicon grains and primary silicon crystal grains. Table 13

Table 14

Table 15

Die Ergebnisse in der Tabelle 14 zeigen, dass dann, wenn eine Kolbenvorform mit einem Hemdabschnitt mit einer Dicke von 3,5 mm, die dieselbe wie die des Hemdabschnitts der geschmiedeten Kolbenvorform ist, durch einen Gießvorgang mit dauerhafter Form aus einer der Legierungen 1 und 2 hergestellt wird, im Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts wegen eines nicht ausgelaufenen Gussstücks eine unzureichende Füllung auftritt, und die sich ergebende Vorform kann keine Qualität zeigen, die mit der der geschmiedeten Kolbenvorform vergleichbar wäre. Diese Ergebnisse zeigen auch, dass dann, wenn die Dicke des Hemdabschnitts 6 mm beträgt, derselbe intakt ist. Wie oben beschrieben, zeigt die durch einen Gießvorgang mit dauerhafter Form hergestellte Kolbenvorform keine Eigenschaften, die denen der geschmiedeten Kolbenvorform ähnlich wären. Da die mittleren Größen eutektischer Siliciumkörner und primärer Siliciumkristallkörner im Ölringnut-Abschnitt der Kolbenvorform des Vergleichsbeispiels 3 nahezu denen der eutektischen Siliciumkörner und der primären Siliciumkristallkörner im Ölringnut-Abschnitt der Kolbenvorform des Beispiels 1 oder 2 entsprechen, ist davon auszugehen, dass der Ölringnut-Abschnitt der Kolbenvorform des Vergleichsbeispiels 3 gute Abspaneigenschaften zeigt. Im Fall des Vergleichsbeispiels 3 kann jedoch keine hohe Pro duktivität erzielt werden, da die Dicke des Hemdabschnitts nicht reduziert werden kann und eine große Abspantoleranz benötigt wird.The results in Table 14 show that when a piston preform with a shirt section with a thickness of 3.5 mm, the same as that of the shirt section the forged piston preform is through a casting process is manufactured with a permanent shape from one of alloys 1 and 2, in the front end section of the shirt section because of a leak casting an insufficient filling occurs and the resulting preform cannot show quality which would be comparable to that of the forged piston preform. This Results also show that when the thickness of the shirt section Is 6 mm, it is intact. As described above, this is shown by a Casting process with Piston preform manufactured in a permanent shape has no properties, which would be similar to that of the forged piston preform. Because the medium sizes are more eutectic silicon grains and primary Silicon crystal grains in the oil ring groove section the piston preform of comparative example 3 almost those of the eutectic silicon grains and the primary Silicon crystal grains in the oil ring groove section correspond to the piston preform of Example 1 or 2, of which assume that the oil ring groove section the piston preform of Comparative Example 3 has good stock removal properties shows. In the case of Comparative Example 3, however, no high Productivity can be achieved since the thickness of the shirt section is not reduced can be and a big one Machining tolerance required becomes.

Vergleichsbeispiel 4Comparative Example 4

Die in der Tabelle 1 angegebene Legierung 2 wurde in einer Schmelzvorrichtung geschmolzen, und die sich ergebende geschmolzene Legierung wurde in eine zylindrische Eisenform (Außendurchmesser: 300 mm; volle Länge: 350 mm, Innendurchmesser: 115 mm, Tiefe: 250 mm) gegossen, um dadurch ein zylindrisches Gießstück mit einem Außendurchmesser von 115 mm herzustellen (die Länge eines massiven Teils des Gießstücks, der keinen Hohlraum enthält: 150 mm). Während des Gießens wurde die Temperatur der geschmolzenen Legierungen auf 800°C gehalten, und die Form wurde auf 300°C vorerwärmt. Das sich ergebende zylindrische Gießstück wurde für 8 Stunden einer Homogenisierungsbehandlung bei 490°C unterzogen. Anschließend wurde der Umfang des Gießstücks einer Bearbeitung unterzogen, um einen nicht ausgefüllten Abschnitt zu entfernen, um dadurch einen Rundstab mit einem Außendurchmesser von 110 mm herzustellen. Der Rundstab wurde in Stücke mit einer Dicke von 30 mm zerschnitten, und die sich ergebenden Stücke wurden als Schmiedematerialien verwendet.The alloy specified in Table 1 2 was melted in a melter, and the resulting one molten alloy was made into a cylindrical iron shape (outer diameter: 300 mm; full length: 350 mm, inner diameter: 115 mm, depth: 250 mm) cast to thereby a cylindrical casting with a outer diameter of 115 mm (the length a massive part of the casting, the contains no cavity: 150 mm). While of casting the temperature of the molten alloys was kept at 800 ° C, and the mold was at 300 ° C preheated. The resulting cylindrical casting was subjected to a homogenization treatment for 8 hours at 490 ° C subjected. Subsequently the scope of the casting became one Machined to remove a blank section to thereby produce a round bar with an outer diameter of 110 mm. The Round bar was cut into pieces cut to a thickness of 30 mm, and the resulting pieces were used as forging materials.

Kolbenvorformen wurden durch Heißschmieden unter Verwendung von zwei Typen von Schmiedegesenken hergestellt, wobei davon hergestellte Kolben denselben Außendurchmesser aufweisen, nämlich ein Typ C (Dicke eines einem Hemdabschnitt entsprechenden Teils: 4,0 mm) und Typ D (Dicke eines einem Hemdabschnitt entsprechenden Teils: 6 mm). Die Schmiedematerialien wurden vor dem Heißschmieden auf 450°C vorerwärmt. Es wurde die Formbarkeit der Hemdabschnitte der sich ergebenden Kolbenvorformen bewertet. Das Heißschmieden wurde unter denselben Bedingungen wie beim in der Tabelle 3 angegebenen Bei spiel 2 ausgeführt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 16 dargestellt. Vom Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts jeder der Vorformen wurde ein Teststück erstellt, und es wurde die metallografische Struktur desselben betrachtet, um dadurch die mittleren Größen eutektischer Siliciumkörner und primärer Siliciumkristallkörner zu messen. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 17 dargestellt. Tabelle 16

Tabelle 17

Piston preforms were manufactured by hot forging using two types of forging dies, the pistons of which had the same outside diameter, namely type C (thickness of a part corresponding to a shirt section: 4.0 mm) and type D (thickness of a part corresponding to a shirt section: 6) mm). The forging materials were preheated to 450 ° C before hot forging. The formability of the shirt sections of the resulting piston preforms was evaluated. The hot forging was carried out under the same conditions as in Example 2 shown in Table 3. The results are shown in Table 16. A test piece was made from the front end portion of the shirt portion of each of the preforms, and the metallographic structure thereof was observed to thereby measure the average sizes of eutectic silicon grains and primary silicon crystal grains. The results are shown in Table 17. Table 16

Table 17

Die Ergebnisse zeigen, dass dann, wenn die mittlere Größe eutektischer Siliciumkörner oder primärer Siliciumkristallkörner groß ist, die Schmiedbarkeit verringert ist und kein Enderzeugnis hergestellt werden kann, das hervorragende Verschleißfestigkeit und Spanbruchbildung zeigen würde. Die Ergebnisse zeigen auch, dass dann, wenn die mittlere Größe eutektischer Siliciumkörner oder primärer Siliciumkristall körner groß ist, wie im Fall des Gießens mit dauerhafter Form, während des Schmiedens ein Hemdabschnitt großer Dicke hergestellt werden muss und dieser dann einer mechanischen Bearbeitung unterzogen werden muss, um dadurch seine Dicke zu reduzieren.The results show that if the medium size is more eutectic silicon grains or primary silicon crystal grains is large Forgeability is reduced and no finished product is made that can be excellent wear resistance and chip breaking would show. The results also show that if the mean size is more eutectic silicon grains or primary Silicon crystal grains is great like in the case of casting with permanent shape while a thick section of shirt is made by forging must then be subjected to mechanical processing to reduce its thickness.

Industrielle Anwendbarkeitindustrial applicability

Wie oben beschrieben, kann gemäß der Erfindung ein geschmiedeter Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Ölringnut-Abschnitt und einem Hemdabschnitt geschaffen werden, bei dem die mittleren Größen eutektischer Siliciumkörner und primärer Siliciumkristallkörner im Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts klein sind und die mittleren Größen dieser im Ölringnut-Abschnitt enthaltenen Siliciumkörner groß sind. Der Hemdabschnitt zeigt hervorragende Schmiedbarkeit, wie im Fall eines Hemdabschnitts eines Kolbens, der aus einem Stranggießstab kleinen Durchmessers hergestellt wird, und so kann die Dicke des Hemdabschnitts reduziert werden. Außerdem zeigt der Ölringnut-Abschnitt hervorragende Handhabbarkeit von Spänen während eines Abspanvorgangs, wie im Fall eines Ölringnut-Abschnitts eines durch Gießen hergestellten Kolbens, und die Ölringnut zeigt eine kleine Oberflächenrauigkeit und hervorragende Verschleißfestigkeit.As described above, according to the invention a forged piston for an internal combustion engine with an oil ring groove portion and Shirt section can be created where the medium sizes are more eutectic silicon grains and primary Silicon crystal grains in the front end section of the shirt section are small and the middle ones Sizes of this in the oil ring groove section contained silicon grains are large. The shirt section shows excellent forgeability, as in the case of a shirt section of a piston that made small from a continuous casting rod Diameter is made, and so can the thickness of the shirt section be reduced. Moreover shows the oil ring groove section excellent handling of chips during a machining process, as in the case of an oil ring groove section one by pouring manufactured piston, and the oil ring groove shows a small surface roughness and excellent wear resistance.

Der oben beschriebene geschmiedete Kolben kann nicht durch Heißschmieden unter Verwendung eines herkömmlichen Stranggießstabs kleinen Durchmessers oder durch Gießen mit einer dauerhaften Form hergestellt werden. Jedoch kann die Erfindung einen geschmiedeten Kolben für einen Verbrennungsmotor schaffen, der Vorteile zeigt, wie sie sich beim Heißschmieden und einem Gießen mit dauerhafter Form ergeben.The forged one described above Pistons cannot be hot forged using a conventional Stranggießstabs small diameter or made by casting with a permanent shape become. However, the invention can provide a forged piston for a Creating an internal combustion engine that shows advantages as they do in hot forging and a pour with permanent form.

Der erfindungsgemäße geschmiedete Kolben wird aus einem durch Gießen mit unidirektionaler Erstarrung erhaltenen Ma terial durch ein Herstellverfahren unter Verwendung eines Heißschmiedevorgangs und einer absichtlichen Alterungsbehandlung in Kombination hergestellt.The forged piston according to the invention is from one by pouring material obtained with unidirectional solidification by a manufacturing process using a hot forging process and an intentional aging treatment in combination.

Die bei der Erfindung verwendete Aluminiumlegierung kann, zusätzlich zu Hauptzusatzelementen (d. h. Si, Cu und Mg), ein Element zum weiteren Verbessern der Eigenschaften durch Härtung durch absichtliche Alterung, wie Ag oder Sc, und ein Element zum Verbessern der Wärmefestigkeit, wie Fe, Ni, Ti, Cr, V, Zr, Mn, Co, Nb oder Mo, enthalten. Diese Elemente können einzeln oder in Kombination eingeschlossen werden. Durch Einschließen eines derartigen Elements können Eigenschaften des Ölringnut-Abschnitts, des Hemdabschnitts, der Kopffläche und des Kolbenstiftabschnitts stärker als die anderer Abschnitte verbessert werden.The aluminum alloy used in the invention may include, in addition to main additive elements (ie Si, Cu and Mg), an element for further improving the properties by deliberate aging hardening such as Ag or Sc, and an element for improving the heat resistance such as Fe, Ni , Ti, Cr, V, Zr, Mn, Co, Nb or Mo. These elements can be included individually or in combination. By including such an element, properties of the oil ring groove portion, the shirt portion, the head surface and the piston pin portion can be improved more than those of other portions.

So kann ein billiger geschmiedeter Kolben hoher Leistungsfähigkeit geschaffen werden, und es können Hochleistungsmotoren gleichmäßiger Qualität geschaffen werden.So a cheaper forged one High performance pistons can be created and it can High-performance motors of uniform quality created become.

ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY

Ein geschmiedeter Kolben für einen Verbrennungsmotor aus einer Aluminiumlegierung, die Silicium mit einer Menge von 6 bis 25 Massen-% enthält, verfügt über einen Ölringnut-Abschnitt (12) und einen Hemdabschnitt (13). Das Verhältnis (A/B) der mittleren Größe (A) eutektischer Siliciumkörner im Ölringnut-Abschnitt zur mittleren Größe (B) eutektischer Siliciumkörner im Vorderendabschnitt des Hemdabschnitts (18) beträgt mindestens 1,5. Die mittlere Größe (A) beträgt mindestens 4 μm. Durch die Konfiguration, dass die mittlere Größe (B) klein ist und die mittlere Größe (A) groß ist, zeigt der Hemdabschnitt hervorragende Schmiedbarkeit, und der Ölringnut-Abschnitt zeigt zuverlässige mechanische Bearbeitbarkeit und verbesserte Verschleißfestigkeit.A forged piston for an aluminum alloy internal combustion engine containing silicon in an amount of 6 to 25 mass% has an oil ring groove portion ( 12 ) and a shirt section ( 13 ). The ratio (A / B) of the medium size (A) of eutectic silicon grains in the oil ring groove section to the medium size (B) of eutectic silicon grains in the front end section of the shirt section ( 18 ) is at least 1.5. The average size (A) is at least 4 μm. By configuring that the medium size (B) is small and the medium size (A) is large, the shirt section shows excellent forgeability, and the oil ring groove section shows reliable machinability and improved wear resistance.

Claims

Forged pistons for an internal combustion engine, Made of an aluminum alloy, the silicon with an amount of 6 contains up to 25% by mass being the piston over an oil ring groove section and has a shirt section, being the ratio (A / B) the medium size (A) more eutectic silicon grains in the oil ring groove section to medium size (B) more eutectic silicon grains in the front end portion of the shirt portion is at least 1.5 and the medium size (A) at least Is 4 μm.

Forged piston according to claim 1, wherein the relationship (C / D) the medium size (C) primary silicon crystal grains in the oil ring groove portion to the average size (D) of primary silicon crystal grains in Front end portion of the shirt portion is at least 1.3 and the medium size (C) at least Is 15 μm.

Forged piston according to claim 1 or claim 2, in which the aluminum alloy Cu with an amount of 0.3 to Contains 7 mass% and Mg with an amount of 0.1 to 2 mass%.

Forged piston according to one of claims 1 to 3, in which the aluminum alloy Ni with an amount of 0.1 to Contains 2.5% by mass.

Method of making a forged piston for one Internal combustion engine with the following steps: - a melted one Aluminum alloy, the silicon with an amount of 6 to 25 mass% contains becomes a casting process subjected to unidirectional solidification to thereby produce a casting, that as forging material with a first and a second surface, the are facing away from each other, the average size of in the first area contained silicon grains is different from that of silicon grains contained in the second surface; - the forging material becomes a preheating subjected; - the Forging material is placed in a forging die in such a way that the area the silicon grains larger medium Size contains one area of the die facing a piston head to thereby forge the forging material into a piston preform; - the piston preform undergoes deliberate aging treatment; and - which resulting piston preform is subjected to mechanical processing, to thereby produce a forged piston for an internal combustion engine.

The method of claim 5, wherein for casting with unidirectional solidification belongs to a cooling process that so executed that relationship (A / B) the medium size (A) more eutectic silicon grains more eutectic in an upper section of the medium sized casting (D) silicon grains in a section of the casting that itself close to the cooling plate is obtained, which is at least 1.5, the mean size (A) at least Is 4 μm.

A method according to claim 5, wherein the casting with unidirectional solidification includes a cooling, which with a cooling rate (E) measured at a point e 5 mm below a ceiling of a solidification mold and 5 mm inwards from a side wall of the solidification mold, which is at least 0.5 ° C / second is obtained in order to obtain a ratio (E / F) of the cooling rate (E) measured at point e to a cooling rate (F) measured at a point f 1 mm above the bottom of the solidification mold and 5 mm inwards from the side wall of the solidification mold which is 0.85 or less.

Method according to one of claims 5 to 7, wherein the preheating at a temperature that falls within a range of 350 ° C to the difference that is obtained from the solidus temperature of the aluminum alloy Deducted 10 ° C become.