JP2006316725A

JP2006316725A - ピストン及びピストンの製造方法

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Publication number: JP2006316725A
Application number: JP2005141404A
Authority: JP
Inventors: Osamu Nakano; 修中野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-05-13
Filing date: 2005-05-13
Publication date: 2006-11-24
Anticipated expiration: 2025-05-13
Also published as: JP4396576B2

Abstract

【課題】ピストンの製造において、アルミニウム合金を重力鋳造することにより製造され、耐熱性を向上させるための合金成分をピストン頂面に偏析させることである。
【解決手段】ピストンの製造は、ピストン頂面が下型に設けられるように型組みする型組み工程（Ｓ１０）と、合金成分をピストン頂面に偏析させるために下型を加熱して鋳込む鋳込み工程（Ｓ１４）とを有する。また、アルミニウム合金は、８質量％以上１８質量％以下のＳｉと、０．２質量％以上２．０質量％以下のＭｇと、さらに、０．５質量％以上７質量％以下のＣｕ又は、０．２質量％以上１．５質量％以下のＦｅ又は、０．２質量％以上１質量％以下のＭｎ又は、１質量％以上７質量％以下のＮｉのうちの少なくとも１つを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ピストン及びピストンの製造方法に係り、特に、アルミニウム合金を重力鋳造することにより製造されるピストン及びピストンの製造方法に関する。

自動車のエンジンに用いられるピストンは、一般的に、アルミニウム合金を重力鋳造することにより製造される。ここで重力鋳造とは、アルミニウム合金の溶湯を鋳型に流し込むときに負荷される圧力が主に重力である鋳造法のことをいう。

図１０は、従来のピストン製造における重力鋳造法を示す図である。従来の重力鋳造法は、一般的に、ピストン頂面が上型３２に設けられるように型組された鋳型３０の中に、湯口３４からアルミニウム合金の溶湯３６を注湯して重力鋳造する。上型３２、外型３８及び中型４０は、いずれも温度調節されないため、鋳型３０に注湯されたアルミニウム合金の溶湯３６は、溶湯３６全体が同時に凝固を開始する。そして、溶湯３６全体の凝固が完了した後、鋳型３０からピストンの鋳物を取り出して所定のピストン形状に機械加工する。

ピストン頂面は、エンジンの燃焼室側に配置されるため、燃焼ガスの燃焼により室温から３００℃までの熱サイクルによる熱負荷と燃焼による爆発圧による機械的負荷に曝される。そこで、ピストン頂面には、アルミニウム合金の耐熱性を向上させるための処理が施されている。例えば、鋳造の際に、鋳型の所定部位に磁場を発生させて、アルミニウム合金の耐熱性を向上させるためのＦｅやＮｉ等の合金成分をピストン頂面に偏析させることが行われている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１−１３０８６８号公報

上記のように、磁場を発生させることによりアルミニウム合金の耐熱性を向上させるための合金成分をピストン頂面に偏析させる場合は、合金成分がＦｅやＮｉ等の磁性体に限定されてしまう。また、鋳型のほかに磁場を発生させる設備等が必要になり、従来の重力鋳造で製造されるピストンに比べて大幅なコストアップとなる。

そこで、本発明の目的は、かかる課題を解決し、磁場を発生させる設備等の特別な設備を要しないで、アルミニウム合金を重力鋳造することにより製造され、アルミニウム合金の耐熱性を向上させるための合金成分をピストン頂面に偏析させたピストン及びピストンの製造方法を提供することである。

本発明に係るピストンは、アルミニウム合金を重力鋳造することにより製造されるピストンであって、合金成分を偏析させたピストン頂面を有することを特徴とする。

また、本発明に係るピストンは、アルミニウム合金が、８質量％以上１８質量％以下のＳｉと、０．２質量％以上２．０質量％以下のＭｇと、さらに、０．５質量％以上７質量％以下のＣｕ又は、０．２質量％以上１．５質量％以下のＦｅ又は、０．２質量％以上１質量％以下のＭｎ又は、１質量％以上７質量％以下のＮｉのうちの少なくとも１つを有することが好ましい。

本発明に係るピストンの製造方法は、アルミニウム合金を重力鋳造することにより製造されるピストンの製造方法であって、ピストン頂面が下型に設けられるように型組みする型組み工程と、合金成分をピストン頂面に偏析させるために下型を加熱して鋳込む鋳込み工程とを有することを特徴とする。

また、本発明に係るピストンの製造方法は、アルミニウム合金が、８質量％以上１８質量％以下のＳｉと、０．２質量％以上２．０質量％以下のＭｇと、さらに、０．５質量％以上７質量％以下のＣｕ又は、０．２質量％以上１．５質量％以下のＦｅ又は、０．２質量％以上１質量％以下のＭｎ又は、１質量％以上７質量％以下のＮｉのうちの少なくとも１つを有することが好ましい。

上記のピストン及びピストンの製造方法によれば、磁場を発生させる設備等の特別な設備を要しないで、アルミニウム合金を重力鋳造することにより、アルミニウム合金の耐熱性を向上させるための合金成分をピストン頂面に偏析させることができる。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図１は、アルミニウム合金を重力鋳造することにより製造されるピストンの製造方法の工程を示す図である。

型組み工程（Ｓ１０）は、アルミニウム合金を所定のピストン形状に重力鋳造するために、鋳型を型組みする工程である。図２は、鋳型１０の型組みの構成を示す図である。鋳型１０は、下型１２、外型１４と中型１６とから構成され、ピストン頂面が下型１２の面に設けられるように型組みされる。下型１２には、ピストン頂面を形成するアルミニウム合金の溶湯を最後に凝固させるために、下型１２を加熱する図示しない加熱装置、例えば、ヒーター等が配置される。また、鋳型１０には、アルミニウム合金の溶湯を注湯する湯口１８とアルミニウム合金の溶湯が凝固するときの体積収縮分の溶湯を補給するためのいわゆる押湯２０とが設けられる。

溶湯準備工程（Ｓ１２）は、アルミニウム合金の溶湯を準備する工程である。ピストン用のアルミニウム合金としては、例えば、耐摩耗性に優れるＡｌ−Ｓｉ―Ｍｇ系アルミニウム合金が用いられ、特に、８質量％以上１８質量％以下のＳｉと、０．２質量％以上２．０質量％以下のＭｇとを含んだＡｌ−Ｓｉ―Ｍｇ系アルミニウム合金が用いられる。

また、アルミニウム合金の耐熱性を向上させるためにＣｕ，Ｆｅ，Ｍｎ又はＮｉのうち少なくとも１つの合金成分がアルミニウム合金に添加される。Ｃｕ，Ｆｅ，Ｍｎ又はＮｉのうち少なくとも１つを添加することにより、アルミニウム合金中にこれらの合金成分の金属間化合物が析出し、アルミニウム合金の耐熱性が向上するからである。勿論、合金成分は、これらの元素に限定されることはない。

ここで、Ｃｕ，Ｆｅ，Ｍｎ又はＮｉの合金成分の添加量は、Ｃｕが０．５質量％以上７質量％以下、Ｆｅが０．２質量％以上１．５質量％以下、Ｍｎが０．２質量％以上１質量％以下、Ｎｉが１質量％以上７質量％以下である。ここで、Ｃｕ，Ｆｅ，Ｍｎ又はＮｉの合金成分の添加量の範囲を限定しているのは、上記範囲の下限より添加量が少ないと、これらの合金成分の金属間化合物の析出が十分でなく、アルミニウム合金の耐熱性の向上が図れないからである。また、上記範囲の上限よりも添加量が多いと、アルミニウム合金の鋳造割れ等が生じやすくなるからである。

アルミニウム合金の溶湯は、あらかじめ合金成分を調製したアルミニウム合金の鋳塊をるつぼ等に入れ電気炉等で溶解し、溶湯温度が７００℃以上８００℃以下になるようにして準備される。

鋳込み工程（Ｓ１４）は、アルミニウム合金の溶湯を鋳型１０に湯口１８から注湯して鋳込む工程である。図３は、アルミニウム合金の溶湯を鋳込む様子を示す図である。アルミニウム合金の溶湯２２を注湯した後、下型温度が６００℃以上７００℃以下になるように下型１２を図示しない加熱装置により加熱して、アルミニウム合金の溶湯２２を静置保持する。ここで、下型温度の範囲を限定しているのは、静置保持中の下型温度が６００℃より低いと、アルミニウムより比重の大きいＣｕ，Ｆｅ，Ｍｎ又はＮｉのうち少なくとも１つが重力の作用でピストン頂面に偏析する前に、アルミニウム合金の溶湯２２が凝固するからである。また、静置保持中の下型温度が７００℃より高いと、下型１２の冷却に時間を要し生産性が低下するからである。

また、アルミニウム合金の溶湯２２の静置保持時間は、重力鋳造されるピストンの大きさにより異なる。例えば、ピストンの高さが５０ｍｍ以上１００ｍｍ以下である場合の静置保持時間は、５分間以上１０分間以下である。ここで、静置保持時間の範囲を限定しているのは、静置保持時間が５分間より短い場合は、アルミニウムより比重の大きいＣｕ，Ｆｅ，Ｍｎ又はＮｉのうち少なくとも１つが重力の作用でピストン頂面に偏析する前に、アルミニウム合金の溶湯２２が凝固するからである。また、静置保持時間を１０分間以下としたのは、静置保持時間を不要に長くすることを避け、ピストン製造のサイクルタイムを極力短縮し生産性を低下させないためである。

静置保持後、アルミニウム合金の溶湯２２を凝固させるために下型１２の温度を下げることにより冷却する。図４は、下型１２を冷却している様子を示す図である。下型温度は、３００℃以上４００℃以下になるように、図示しない加熱装置により温度調節される。ここで、下型温度の範囲を限定しているのは、下型温度が３００℃より低い場合は、Ｃｕ，Ｆｅ，Ｍｎ又はＮｉのうち少なくとも１つが偏析したピストン頂面で鋳造割れが生じやすくなるからである。また、下型温度を４００℃以下としたのは、冷却温度を不要に高くすることを避け、ピストン製造のサイクルタイムを極力短縮し生産性を低下させないためである。

アルミニウム合金の溶湯２２が凝固してできたピストンの鋳物は、取り出し工程（Ｓ１６）により鋳型１０から取り出された後、必要に応じて所定の機械的特性等を付与するために、熱処理炉で熱処理される。熱処理は、例えば、Ａｌ−Ｓｉ―Ｍｇ系アルミニウム合金の場合には、溶体化処理を５１０℃で４時間行なった後、時効処理を１７０℃で１０時間行なう。

上記ピストン及びピストンの製造方法によれば、静置保持中にアルミニウムより比重の大きいＣｕ，Ｆｅ，Ｍｎ又はＮｉのうち少なくとも１つが重力の作用でピストン頂面に拡散した後で凝固するため、ピストン頂面にＣｕ，Ｆｅ，Ｍｎ又はＮｉのうち少なくとも１つを偏析させることができる。図５は、ピストン頂面２４にＣｕ，Ｆｅ，Ｍｎ又はＮｉのうち少なくとも１つが偏析した様子を示す図である。

したがって、上記ピストンは、従来の重力鋳造法で製造されたピストンよりもピストン頂面から発生する熱亀裂が抑制され、ピストン頂面のアルミニウム合金の耐熱性が向上する。

４種類のＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金を用いて、ピストンの試作を行った。図６は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金であるＡ材からＤ材の化学成分を示す図である。各材のＳｉは、８質量％以上１８質量％以下の範囲で添加され、Ｍｇは、０．５０質量％以上１．２質量％以下の範囲で添加された。

また、アルミニウム合金の耐熱性を向上させるためのＣｕ，Ｆｅ，Ｍｎ又はＮｉについては、Ｃｕは、１．３質量％以上５．０質量％以下の範囲で添加され、Ｆｅは、０．５質量％以上０．８質量％以下の範囲で添加され、Ｍｎは、０．１質量％以上０．７質量％以下の範囲で添加され、Ｎｉは、０．３質量％以上３．０質量％以下の範囲で添加された。

型組みは、上述した型組み工程（Ｓ１０）により、ピストンの大きさが外径６０ｍｍ以上１２０ｍｍ以下、高さが５０ｍｍ以上１００ｍｍ以下のピストンを重力鋳造できるように型組みした。また、上述した溶湯準備工程（Ｓ１２）により、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金の溶湯を、溶湯温度が７９０℃になるようにして準備した。

上述した鋳込み工程（Ｓ１４）により、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金について鋳込み条件を変えて鋳込みを行った。図７は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金についての鋳込み条件を示す図である。Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金の溶湯の静置保持中の下型温度は、実施例Ａが６８５℃、実施例Ｂが６０５℃、実施例Ｃが６２０℃、実施例Ｄが６５２℃とし、下型温度がいずれも６００℃以上７００℃以下になるように下型を加熱装置により加熱した。静置保持時間は、実施例Ａと実施例Ｂが５分間、実施例Ｃと実施例Ｄが１０分間とし、いずれも５分間以上１０分間以下とした。静置保持後の下型温度は、実施例Ａが３２４℃、実施例Ｂが３３５℃、実施例Ｃが３８８℃、実施例Ｄが３８５℃とし、３００℃以上４００℃以下になるように加熱装置により下型温度を調節した。

比較例Ａから比較例Ｄは、実施例Ａから実施例Ｄとそれぞれ同じ化学成分のＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金を用いて、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金の溶湯の静置保持を行わないで重力鋳造したピストンである。

実施例ＡからＤと比較例ＡからＤとは、いずれも溶体化処理を５１０℃、４時間で行なった後、時効処理を１７０℃、１０時間で行なった。

実施例ＡからＤと比較例ＡからＤとのピストン頂面から回転曲げ疲労試験片を切出し、ＪＩＳＺ２２７３に準拠した回転曲げ疲労試験法により試験を行った。回転曲げ疲労試験は、３５０℃で行われ、１０００万回の回転曲げ疲労強度を求めた。図８は、実施例ＡからＤと比較例ＡからＤの回転曲げ疲労試験結果を示す図である。

実施例ＡからＤの回転曲げ疲労強度は、実施例Ａが６０Ｍｐａ、実施例Ｂが５５ＭＰａ、実施例Ｃが３０ＭＰａ、実施例Ｄが３５ＭＰａであった。比較例ＡからＤの回転曲げ疲労強度は、比較例Ａが４５ＭＰａ、比較例Ｂが４０ＭＰａ、比較例Ｃが２５ＭＰａ、比較例Ｄが２８ＭＰａであった。同じ化学成分のＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金で比較すると、いずれも実施例ＡからＤのほうが、比較例ＡからＤよりも高い回転曲げ疲労強度が得られた。

実施例ＡからＤと比較例ＡからＤとのピストン頂面から切出した回転曲げ疲労試験片について、ＪＩＳＨ０３０１により化学分析試験を行った。図９は、実施例ＡからＤと比較例ＡからＤとのピストン頂面から切出した回転曲げ疲労試験片の化学分析試験結果を示す図である。

同じ化学成分のＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金で比較すると、実施例ＡからＤは、比較例ＡからＤよりもＣｕ，Ｆｅ，Ｍｎ又はＮｉの含有量が高く、アルミニウムより比重の大きいＣｕ，Ｆｅ，Ｍｎ又はＮｉが重力の作用でピストン頂面に偏析したことを示している。

本発明の実施の形態であるアルミニウム合金を重力鋳造することにより製造されるピストンの製造方法の工程を示す図である。本発明の実施の形態である鋳型の型組みの構成を示す図である。本発明の実施の形態であるアルミニウム合金の溶湯を鋳込む様子を示す図である。本発明の実施の形態である下型を冷却している様子を示す図である。本発明の実施の形態であるピストン頂面にＣｕ，Ｆｅ，Ｍｎ又はＮｉのうち少なくとも１つが偏析した様子を示す図である。本発明の実施の形態であるＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金であるＡ材からＤ材の化学成分を示す図である。本発明の実施の形態であるＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金についての鋳込み条件を示す図である。本発明の実施の形態である実施例ＡからＤと比較例ＡからＤの回転曲げ疲労試験結果を示す図である。本発明の実施の形態である実施例ＡからＤと比較例ＡからＤのピストン頂面から切出した回転曲げ疲労試験片の化学分析試験結果を示す図である。従来のピストン製造における重力鋳造法を示す図である。

符号の説明

１０鋳型、１２下型、１４外型、１６中型、１８湯口、２０押湯、２２アルミニウム合金の溶湯、２４ピストン頂面。

Claims

アルミニウム合金を重力鋳造することにより製造されるピストンであって、
合金成分を偏析させたピストン頂面を有することを特徴とするピストン。
請求項１に記載のピストンであって、
アルミニウム合金は、
８質量％以上１８質量％以下のＳｉと、
０．２質量％以上２．０質量％以下のＭｇと、
さらに、
０．５質量％以上７質量％以下のＣｕ又は、
０．２質量％以上１．５質量％以下のＦｅ又は、
０．２質量％以上１質量％以下のＭｎ又は、
１質量％以上７質量％以下のＮｉのうちの少なくとも１つを有することを特徴とするピストン。
アルミニウム合金を重力鋳造することにより製造されるピストンの製造方法であって、
ピストン頂面が下型に設けられるように型組みする型組み工程と、
合金成分をピストン頂面に偏析させるために下型を加熱して鋳込む鋳込み工程と、
を有することを特徴とするピストンの製造方法。
請求項３に記載のピストンの製造方法であって、
アルミニウム合金は、
８質量％以上１８質量％以下のＳｉと、
０．２質量％以上２．０質量％以下のＭｇと、
さらに、
０．５質量％以上７質量％以下のＣｕ又は、
０．２質量％以上１．５質量％以下のＦｅ又は、
０．２質量％以上１質量％以下のＭｎ又は、
１質量％以上７質量％以下のＮｉのうちの少なくとも１つを有することを特徴とするピストンの製造方法。