JP2006328482A - Forged piston - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アルミニウム合金製の鍛造ピストンに関する。 The present invention relates to a forged piston made of an aluminum alloy.
内燃機関に用いられるピストンは、燃焼によるエネルギーを動力に変換するための部品であり、より軽量且つ耐熱性及び耐摩耗性に優れたものが求められる。このような要求を満足するものとして、アルミニウム合金製の鍛造ピストンが注目されている。また、これらの目的を達成するために、種々のピストン用のアルミニウム合金が提案されている(特許文献1〜3を参照。)。 Pistons used in internal combustion engines are parts for converting energy from combustion into motive power, and are required to be lighter and have better heat resistance and wear resistance. Forging pistons made of aluminum alloy have attracted attention as satisfying such requirements. In order to achieve these objects, various aluminum alloys for pistons have been proposed (see Patent Documents 1 to 3).
例えば、特許文献1では、Siにより耐摩耗性を付与すると共に、Cu、Mgの析出強化元素を含有し、さらにFe、Niの高強度向上に寄与する元素、並びに高温での回復・再結晶抑制効果を有するMn、Ti、Zr、Vを共存させたアルミニウム合金が提案されている。しかしながら、この場合の強度向上の効果は、最高でも250℃程度であるため、このようなアルミニウム合金からなるピストンの場合、高温でのピストン天井部における充分な強度を得ることはできない。 For example, Patent Document 1 provides wear resistance by Si, contains precipitation strengthening elements of Cu and Mg, further contributes to high strength improvement of Fe and Ni, and suppresses recovery and recrystallization at high temperatures. There has been proposed an aluminum alloy in which Mn, Ti, Zr, and V have an effect. However, since the effect of improving the strength in this case is about 250 ° C. at the maximum, in the case of a piston made of such an aluminum alloy, it is not possible to obtain a sufficient strength in the piston ceiling at a high temperature.
一方、特許文献2では、鋳造による晶出物の最大長を200μmに制御して、晶出物分散強化により更に高温での強度向上を図ったアルミニウム合金が提案されている。しかしながら、この場合、金属間化合物を晶出させる遷移元素を多量に添加するため、比重が大きくなり、軽量化によるエンジン性能の向上を妨げてしまう。また、粗大な晶出物は、内部欠陥や鍛造時の割れを引き起こすため、鍛造による材料の品質向上を図ることが困難となる。
On the other hand,
一方、特許文献3では、ピストンに用いられるAl−Si系アルミニウム合金の各元素のうち、Niの含有量を2〜6wt%とすることで、250℃以上の高温強度を向上させることが提案されている。しかしながら、この場合、Cu、Niを多量に含有するため、比重が大きくなり、重量が増加することによって、逆に強度を高めたメリットが失われてしまう。また、粗大な晶出物は、鍛造時に欠陥を発生させ、強度を著しく低下させる原因となる。
On the other hand,
さらに、鍛造ピストン用のアルミニウム合金としては、JIS規格のA4032やA2618等を挙げることができる。しかしながら、A4032は、析出強化による材料であるため、高温に晒されるとピストンの強度が低下してしまう。一方、A2618は、Siの含有量が少ないため、熱膨張率が高くなり、ピストンの摺動性が悪くなってしまう。
本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、耐熱性及び耐摩耗性に優れ且つ軽量なアルミニウム合金製の鍛造ピストンを提供することを目的とする。 This invention is proposed in view of such a conventional situation, and it aims at providing the forge piston made from an aluminum alloy which is excellent in heat resistance and abrasion resistance, and is lightweight.
上記課題の解決手段として、請求項1に記載の発明は、重量%で、Si:8〜18%、Cu:0.5〜3%、Ni:1〜5%を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなり、NiがCuよりも多く含有されると共に、Al及びNiにより形成される金属間化合物の最大長さが3〜100μmであるアルミニウム合金製の鍛造ピストンである。
請求項2に記載の発明は、重量%で、Si:8〜18%、Cu:0.5〜3%、Ni:1〜5%、Fe:2.0%以下を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなり、Ni及びFeの合計がCuよりも多く、且つ、重量%で5%以下であると共に、Al及びNi、Feにより形成される金属間化合物の最大長さが3〜100μmであるアルミニウム合金製の鍛造ピストンである。
請求項3に記載の発明は、前記アルミニウム合金が、重量%で更に、Mg:2.0%以下を含有すること特徴とする請求項1又は2に記載の鍛造ピストンである。
請求項4に記載の発明は、前記アルミニウム合金が、重量%で更に、Zr:0.25%以下、Ti:0.25%以下のうち少なくとも1種以上を含有し、且つ、Zr及びTiを含有する場合の合計が重量%で0.3%以下であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の鍛造ピストンである。
請求項5に記載の発明は、前記アルミニウム合金が、重量%で更に、Mn:Fe及びMnの合計が2.0%以下、Cr:Fe及びCr×5の合計が2.0%以下のうち少なくとも1種以上を含有することを特徴とする請求項1乃至4の何れか一項に記載の鍛造ピストンである。
請求項6に記載の発明は、前記アルミニウム合金の金属組織における共晶Si及び初晶Siの平均粒径が10〜100μmであることを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項に記載の鍛造ピストンである。
As a means for solving the above-mentioned problems, the invention according to claim 1 contains, by weight, Si: 8 to 18%, Cu: 0.5 to 3%, Ni: 1 to 5%, with the balance being Al and It is a forged piston made of an aluminum alloy that consists of inevitable impurities, contains more Ni than Cu, and has a maximum length of 3 to 100 μm of an intermetallic compound formed of Al and Ni.
The invention according to
The invention according to
According to a fourth aspect of the present invention, the aluminum alloy further contains at least one of Zr: 0.25% or less and Ti: 0.25% or less by weight%, and Zr and Ti are contained. The forged piston according to any one of claims 1 to 3, wherein the total amount when contained is 0.3% or less by weight.
According to a fifth aspect of the present invention, in the aluminum alloy, the total amount of Mn: Fe and Mn is 2.0% or less and the total of Cr: Fe and Cr × 5 is 2.0% or less by weight%. The forged piston according to any one of claims 1 to 4, comprising at least one kind.
The invention according to claim 6 is characterized in that the average grain size of eutectic Si and primary Si in the metal structure of the aluminum alloy is 10 to 100 μm. This is a forged piston.
以上のように、本発明によれば、靭性及び生産性を確保しながら、高温強度を向上させたアルミニウム合金により耐熱性及び耐摩耗性に優れ且つ軽量のアルミニウム合金製鍛造ピストンとすることができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a lightweight aluminum alloy forged piston that is excellent in heat resistance and wear resistance by an aluminum alloy with improved high-temperature strength while ensuring toughness and productivity. .
以下、本発明を適用した鍛造ピストンについて、図面を参照して詳細に説明する。
鍛造ピストンは、例えば図1に示すように、内燃機関のシリンダ内で爆発荷重を受け止めるピストンヘッド1と、ピストンをシリンダ内で滑らかに往復運動させるためのスカート2と、ピストンにシリンダの内壁と摺接されるピストンリングを組み込むための複数のリング溝3と、ピストンをコンロッドに結合するピストンピンを挿入するためのピン孔4とを備えた構造を有している。
Hereinafter, a forged piston to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the forged piston includes, for example, a piston head 1 that receives an explosion load in a cylinder of an internal combustion engine, a
本発明を適用した鍛造ピストンは、重量%で、Si:8〜18%、Cu:0.5〜3%、Ni:1〜5%を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなり、NiがCuよりも多く含有されると共に、Al及びNiにより形成される金属間化合物の最大長さが3〜100μmであるアルミニウム合金からなることを特徴とするものである。 The forged piston to which the present invention is applied contains, by weight%, Si: 8 to 18%, Cu: 0.5 to 3%, Ni: 1 to 5%, the balance is made of Al and inevitable impurities, Ni is It is characterized by being made of an aluminum alloy containing more than Cu and having an intermetallic compound formed of Al and Ni having a maximum length of 3 to 100 μm.
また、本発明を適用した鍛造ピストンは、重量%で、Si:8〜18%、Cu:0.5〜3%、Ni:1〜5%、Fe:2.0%以下を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなり、Ni及びFeの合計がCuよりも多く、且つ、重量%で5%以下であると共に、Al及びNi、Feにより形成される金属間化合物の最大長さが3〜100μmであるアルミニウム合金からなることを特徴とするものである。 The forged piston to which the present invention is applied contains, by weight, Si: 8 to 18%, Cu: 0.5 to 3%, Ni: 1 to 5%, Fe: 2.0% or less, and the balance Is made of Al and inevitable impurities, the sum of Ni and Fe is more than Cu and 5% by weight or less, and the maximum length of the intermetallic compound formed by Al, Ni, and Fe is 3 to 3. It consists of an aluminum alloy which is 100 micrometers.
本発明を適用した鍛造ピストンでは、Siにより、高温のシリンダ内で往復運動するピストンの線膨張係数を抑制し、その寸法変化を最小限に抑えることができる。また、高速での摺動耐久性を向上させることができる。
また、本発明を適用した鍛造ピストンでは、Cuにより、室温から200℃までの材料強度を向上させることができる。
また、本発明を適用した鍛造ピストンでは、アルミニウム合金がAl−Cu−Niの3元化合物を晶出し、250℃までの材料強度を向上させる。
また、本発明を適用した鍛造ピストンでは、アルミニウム合金内のAl−Ni系化合物が、250℃以上での高温強度を向上させ、また、粗大な晶出物の生成を抑制し、内部欠陥や鍛造時の割れ等を防ぐ。
また、本発明を適用した鍛造ピストンでは、アルミニウム合金内のAl−Ni系化合物が、250℃以上での高温強度を向上させ、また、粗大な晶出物の生成を抑制し、内部欠陥や鍛造時の割れ等の発生を防ぐ。
In the forged piston to which the present invention is applied, the linear expansion coefficient of the piston reciprocating in a high-temperature cylinder can be suppressed by Si, and the dimensional change can be minimized. Moreover, sliding durability at high speed can be improved.
In the forged piston to which the present invention is applied, the material strength from room temperature to 200 ° C. can be improved by Cu.
Moreover, in the forged piston to which the present invention is applied, the aluminum alloy crystallizes the ternary compound of Al—Cu—Ni and improves the material strength up to 250 ° C.
Further, in the forged piston to which the present invention is applied, the Al—Ni compound in the aluminum alloy improves the high temperature strength at 250 ° C. or higher, suppresses the formation of coarse crystallized products, prevents internal defects and forging. Prevent cracking at times.
Further, in the forged piston to which the present invention is applied, the Al—Ni compound in the aluminum alloy improves the high temperature strength at 250 ° C. or higher, suppresses the formation of coarse crystallized products, prevents internal defects and forging. Prevents the occurrence of cracks, etc.
したがって、本発明を適用した鍛造ピストンでは、靭性及び生産性を確保しながら、高温強度を向上させたアルミニウム合金により耐熱性及び耐摩耗性に優れ且つ軽量のアルミニウム合金製鍛造ピストンとすることができる。 Therefore, in the forged piston to which the present invention is applied, a forged piston made of an aluminum alloy having excellent heat resistance and wear resistance and a light weight can be obtained by an aluminum alloy having improved high temperature strength while ensuring toughness and productivity. .
また、本発明を適用した鍛造ピストンでは、上記アルミニウム合金に、更にMgを含有させることができる。この場合、Mgの含有量は、2.0重量%以下とする。これにより、固溶強化により生地の強度を向上させることができる。 In the forged piston to which the present invention is applied, the aluminum alloy can further contain Mg. In this case, the Mg content is 2.0% by weight or less. Thereby, the intensity | strength of cloth | dough can be improved by solid solution reinforcement | strengthening.
また、本発明を適用した鍛造ピストンでは、上記アルミニウム合金に、Zr、Tiのうち少なくとも1種以上含有させることができる。この場合、Zrの含有量は、0.25重量%以下、Tiの含有量は、0.25重量%以下とする。さらに、Zr及びTiを含有させた場合には、これらZr及びTiの合計を0.3重量%以下とする。これにより、粗大な晶出物の生成を抑制しつつ、結晶粒の微細化及び耐久性の向上を図ることができる。 In the forged piston to which the present invention is applied, the aluminum alloy can contain at least one of Zr and Ti. In this case, the Zr content is 0.25% by weight or less, and the Ti content is 0.25% by weight or less. Further, when Zr and Ti are contained, the total of these Zr and Ti is made 0.3 wt% or less. Thereby, refinement | miniaturization of a crystal grain and improvement of durability can be aimed at, suppressing the production | generation of a coarse crystallization thing.
また、本発明を適用した鍛造ピストンでは、上記アルミニウム合金に、Mn、Crのうち少なくとも1種以上を含有させることができる。この場合、Mnの含有量は、Fe及びMnの合計を2.0重量%以下、Crの含有量は、Fe及びCr×5の合計を2.0重量%以下とする。これにより、粗大な化合物が生じない範囲で、組織を微細化させて鍛造性を向上させることができる。 In the forged piston to which the present invention is applied, the aluminum alloy can contain at least one of Mn and Cr. In this case, the content of Mn is 2.0% by weight or less for the total of Fe and Mn, and the content of Cr is 2.0% by weight or less for the total of Fe and Cr × 5. Thereby, in the range which does not produce a coarse compound, a structure can be refined | miniaturized and forgeability can be improved.
また、本発明を適用した鍛造ピストンでは、上記アルミニウム合金の金属組織における共晶Si及び初晶Siの粒径を10〜100μmとする。これにより、充分な靭性と生産性を確保すると共に、ピストンの摺動性を向上させることができる。 In the forged piston to which the present invention is applied, the particle sizes of the eutectic Si and the primary crystal Si in the metal structure of the aluminum alloy are 10 to 100 μm. Thereby, while ensuring sufficient toughness and productivity, the sliding property of a piston can be improved.
以下、本発明を適用した鍛造ピストンのアルミニウム合金に添加された各元素及びその添加量等を規定した理由、並びにアルミニウム合金の金属組織について説明する。
(Si:8〜18%)
Siは、高温で使われるピストンの線膨張係数を抑え、その寸法変化を最小限にすると共に、高速での摺動に耐えるために必要な元素である。しかしながら、多量に添加すると粗大な初晶Siが晶出し、材料の靭性や加工性を低下させることになる。したがって、本発明では、充分な効果を得るため、その下限を8%とし、ピストンとして充分な靭性及び加工性を確保するため、その上限を18%とする。
Hereinafter, the reasons for defining each element added to the aluminum alloy of the forged piston to which the present invention is applied, the amount of addition thereof, and the metal structure of the aluminum alloy will be described.
(Si: 8-18%)
Si is an element necessary for suppressing the linear expansion coefficient of a piston used at a high temperature, minimizing its dimensional change, and withstanding sliding at a high speed. However, when a large amount is added, coarse primary crystal Si is crystallized, and the toughness and workability of the material are lowered. Therefore, in the present invention, in order to obtain a sufficient effect, the lower limit is 8%, and in order to ensure sufficient toughness and workability as a piston, the upper limit is 18%.
(Cu:0.5〜3%)
Cuは、固溶強化により室温から200℃程度まで材料強度を向上させる元素である。しかしながら、多量に添加すると、Al−Ni系化合物の晶出を妨げ、250℃以上での材料強度の向上を妨げると共に、材料の比重増加により軽量なピストンが得られなくなる。
したがって、Cuは、200℃において最低限必要な強度を得るため、その下限を0.5%とし、Al−Ni系化合物の晶出を妨げずに、比重の増加を抑えるため、その上限を3%とする。
(Cu: 0.5-3%)
Cu is an element that improves the material strength from room temperature to about 200 ° C. by solid solution strengthening. However, when added in a large amount, the crystallization of the Al—Ni compound is prevented, the improvement of the material strength at 250 ° C. or higher is prevented, and a lightweight piston cannot be obtained due to an increase in the specific gravity of the material.
Therefore, to obtain the minimum necessary strength at 200 ° C., the lower limit is set to 0.5%, and the upper limit is set to 3% in order to suppress the increase in specific gravity without preventing the crystallization of the Al—Ni compound. %.
(Ni:1〜5%)
Niは、Cuと共存させることによって、Al−Cu−Niの3元系化合物を晶出し、高温強度を向上させる元素である。しかしながら、その効果は250℃までであり、250℃以上での強度向上を図るためには、Al−Ni系化合物を晶出させる必要がある。また、Al−Ni系化合物を晶出させるためには、Cuよりも多く添加する必要がある。しかしながら、多量に添加すると、晶出物が粗大化し、材料の靭性が低下すると共に、鍛造時の割れや欠陥等が発生してしまう。したがって、Niは、高温強度に必要なAl−Ni系化合物を晶出させるため、その下限を1%とし、粗大な化合物の晶出を抑えるため、その上限を5%とする。さらに、NiをCuよりも多く添加する。
(Ni: 1-5%)
Ni is an element that causes Al—Cu—Ni ternary compounds to crystallize and improve high-temperature strength by coexisting with Cu. However, the effect is up to 250 ° C., and in order to improve the strength at 250 ° C. or higher, it is necessary to crystallize the Al—Ni compound. Moreover, in order to crystallize an Al-Ni type compound, it is necessary to add more than Cu. However, if added in a large amount, the crystallized material becomes coarse, the toughness of the material is lowered, and cracks and defects during forging are generated. Therefore, Ni crystallizes the Al-Ni compound necessary for high-temperature strength, so the lower limit is 1%, and the upper limit is 5% to suppress crystallization of coarse compounds. Furthermore, Ni is added more than Cu.
(Fe:2.0%以下)
Feは、Niと同様にAlとの化合物を晶出し、高温強度を向上させる元素であり、任意に添加することができるが、晶出物の粗大化を押さえるため、最大2%を含むものとする。また、Fe及びNiを同時に添加した場合には、Al−Ni−Fe系化合物を晶出するため、これらNi及びFeの合計を5%以下とする。さらに、Ni及びFeの合計をCuよりも多くする。
(Fe: 2.0% or less)
Fe, like Ni, is an element that crystallizes a compound with Al and improves the high-temperature strength, and can be optionally added. However, in order to suppress the coarsening of the crystallized product, it should contain 2% at the maximum. Further, when Fe and Ni are added simultaneously, an Al—Ni—Fe-based compound is crystallized, so the total of these Ni and Fe is made 5% or less. Furthermore, the total of Ni and Fe is made larger than Cu.
(Mg:2.0%以下)
Mgは、固溶強化により生地の強度を向上させる元素であり、任意に添加することができるが、多量に添加すると、Mg2Siの晶出により材料の靭性を低下させるため、最大2.0%を含むものとする。
(Mg: 2.0% or less)
Mg is an element that improves the strength of the dough by solid solution strengthening and can be arbitrarily added. However, when added in a large amount, Mg 2 Si crystallizes to lower the toughness of the material, so that the maximum is 2.0. % Is included.
(Zr:0.25%以下)
(Ti:0.25%以下)
Zr,Tiは、ともに結晶粒の微細化と耐熱性の向上に寄与する元素である。しかしながら、多量に添加すると、何れか一方又は両方がAlとの粗大な化合物を晶出させてしまう。したがって、Zr及びTiは、粗大な晶出物の生成を抑制するため、最大0.25%を含むものとする。また、Zr及びTiの合計を0.3%以下とする。
(Zr: 0.25% or less)
(Ti: 0.25% or less)
Zr and Ti are elements that contribute to refinement of crystal grains and improvement of heat resistance. However, if a large amount is added, either one or both will crystallize a coarse compound with Al. Accordingly, Zr and Ti contain a maximum of 0.25% in order to suppress the formation of coarse crystallized products. Further, the total of Zr and Ti is set to 0.3% or less.
(Mn:Fe及びMnの合計が2.0%以下)
(Cr:Fe及びCr×5の合計が2.0%以下)
Mn、Crは、高温強度を向上させ、組織を微細化させる元素であるが、Feと同時に添加すると、Al,Feと粗大な化合物を生じ、鍛造性が低下してしまう。したがって、これらMn、Crは、Feとの合計で上限を規定する。すなわち、Fe及びMnの合計を2.0%以下とし、Fe及びCr×5の合計を2.0%以下とする。
(Mn: Fe and Mn total is 2.0% or less)
(Cr: Fe and Cr × 5 total is 2.0% or less)
Mn and Cr are elements that improve the high-temperature strength and refine the structure, but if added simultaneously with Fe, Al and Fe and coarse compounds are produced, and forgeability is reduced. Therefore, these Mn and Cr define the upper limit in total with Fe. That is, the total of Fe and Mn is 2.0% or less, and the total of Fe and Cr × 5 is 2.0% or less.
次に、上記アルミニウム合金の金属組織について説明する。
(金属間化合物)
AlとNi、Fe等の遷移元素との金属間化合物は、材料の変形を抑えることにより高温まで材料強度を向上させる。しかしながら、金属間化合物は、微細になり過ぎると効果が減少してしまうため、その最大長さの下限を3μmとする。一方、金属間化合物は、過大になり過ぎると、鍛造時の割れや欠陥等の原因となるため、鍛造に耐え得るように、その最大長さの上限を100μmとする。
Next, the metal structure of the aluminum alloy will be described.
(Intermetallic compound)
An intermetallic compound of Al and a transition element such as Ni or Fe improves the material strength to a high temperature by suppressing the deformation of the material. However, since the effect of the intermetallic compound is reduced when it is too fine, the lower limit of the maximum length is set to 3 μm. On the other hand, if the intermetallic compound is excessively large, it causes cracks and defects during forging, so the upper limit of the maximum length is set to 100 μm so that it can withstand forging.
(共晶Si,初晶Si)
共晶Si及び初晶Siは、摺動性を向上させるために有効となるが、その粒径が過大になり過ぎると、鍛造時の割れや欠陥等の原因となる。したがって、これら共晶Si及び初晶Siの粒径は、充分な効果を得るため、その下限を3μmとし、鍛造に耐え得るように、その上限を100μmとする。
(Eutectic Si, Primary Si)
Eutectic Si and primary crystal Si are effective for improving the slidability, but if the particle size becomes excessively large, it causes cracks and defects during forging. Therefore, the grain size of these eutectic Si and primary crystal Si is 3 μm at the lower limit in order to obtain a sufficient effect, and 100 μm at the upper limit so that it can withstand forging.
以下、実施例により本発明の効果を明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。
先ず、表1に示す各添加元素を含有したアルミニウム合金をピストン形状に鍛造し、試料1〜12の鍛造ピストンを作製した。そして、これら各試料1〜12の鍛造ピストンについて、機械的特性及び鍛造性の評価を行った。このうち、試料1〜5は、本発明の条件を満足する実施例であり、試料6〜10は、本発明の条件を満足しない比較例である。また、試料11は、JIS規格のA4032であり、試料12は、JIS規格のAC8Aである。
Hereinafter, the effects of the present invention will be clarified by examples. In addition, this invention is not limited to a following example, In the range which does not change the summary, it can change suitably and can implement.
First, an aluminum alloy containing each additive element shown in Table 1 was forged into a piston shape, and forged pistons of Samples 1 to 12 were produced. And about the forge piston of each of these samples 1-12, mechanical characteristics and forgeability were evaluated. Among these, samples 1 to 5 are examples that satisfy the conditions of the present invention, and samples 6 to 10 are comparative examples that do not satisfy the conditions of the present invention. Sample 11 is JIS standard A4032, and sample 12 is JIS standard AC8A.
なお、表1中に示す評価結果のうち、機械的特性については、各試料1〜12の鍛造ピストンから試験片を切り出し、これを300℃で100時間保持した後に、300℃の雰囲気にて引張試験を行い、各試験片の抗張力及び伸びを測定した。また、鍛造性については、各試料1〜12を350℃以上に加熱し、ピストン形状に鍛造したときの割れの有無を調べた。なお、表1中において、○は、割れが発生しなかった場合を示し、×は、割れが発生した場合を示す。 Of the evaluation results shown in Table 1, for mechanical properties, test pieces were cut out from the forged pistons of Samples 1 to 12, held at 300 ° C. for 100 hours, and then pulled in an atmosphere at 300 ° C. A test was conducted and the tensile strength and elongation of each test piece were measured. Moreover, about the forgeability, each sample 1-12 was heated to 350 degreeC or more, and the presence or absence of the crack when forging to a piston shape was investigated. In Table 1, ◯ indicates a case where no crack occurred, and × indicates a case where a crack occurred.
表1に示す評価結果から、試料1〜6(実施例)は、何れもA4032より高い抗張力を示し、AC8Aよりも高い伸びを示していることがわかる。また、試料1〜6は、鍛造性について問題はなく、比重についても実際のピストンに影響を及ぼす程の増加は見られない。さらに、実施例2,3は、AC8Aよりも高い抗張力及び伸びを示している。一方、実施例1,4,5は、抗張力がAC8Aより劣るものの、実際のピストンで重要な疲労強度に関して、微細な組織と鍛造による内部品質の向上によって、AC8Aよりも高い強度を示している。 From the evaluation results shown in Table 1, it can be seen that Samples 1 to 6 (Examples) all show higher tensile strength than A4032, and higher elongation than AC8A. Samples 1 to 6 have no problem with forgeability, and the specific gravity does not increase so much as to affect the actual piston. In addition, Examples 2 and 3 show higher tensile strength and elongation than AC8A. On the other hand, although Examples 1, 4, and 5 have inferior tensile strength to AC8A, the fatigue strength important for actual pistons is higher than that of AC8A due to the fine structure and improvement of internal quality by forging.
これに対して、試料6,8,9,10(比較例)は、機械的強度に関して高い値を示しているものの、何れも鍛造時に割れが発生した。また、これら試料6,8,9,10の金属組織を調べたところ、比較例6では、Al−Ni系の粗大化合物が晶出し、比較例8では、Al−Ni−Fe系の粗大化合物が晶出し、比較例9では、Al−Ni−Fe−Mn系の粗大化合物が晶出し、比較例10では、Al−Ni−Fe−Cr系の粗大化合物が晶出していることがわかった。また、これら粗大化合物は、何れも100μmを超えるものである。 In contrast, Samples 6, 8, 9, and 10 (Comparative Examples) showed high values for mechanical strength, but cracks occurred during forging. Further, when the metal structures of these samples 6, 8, 9, and 10 were examined, in Comparative Example 6, an Al—Ni based coarse compound crystallized, and in Comparative Example 8, an Al—Ni—Fe based coarse compound was crystallized. Crystallization, it was found that in Comparative Example 9, an Al—Ni—Fe—Mn coarse compound was crystallized, and in Comparative Example 10, an Al—Ni—Fe—Cr coarse compound was crystallized. These coarse compounds are all over 100 μm.
なお、上記特許文献2には、Mnによる晶出物の微細化効果が示されており、晶出物の形態を針状から塊状に変えることにより最大長さが短くなることが示されている。しかしながら、これは、個々の晶出物の体積自体を減少させたものではなく、その最大長さも100μmレベルである。したがって、本発明のような鍛造性を向上させるほどの微細化効果は認められない。
In addition, the above-mentioned
試料7(比較例)は、強度も高く、粗大な晶出物もなく、鍛造性も良好である。しかしながら、従来のA4032やAC8Aに比べて比重が5%程度大きくなる。これは、本来の目的である軽量なピストンを作るという目的に反するものである。これに対して、試料1〜6(実施例)は、何れも比重が2.75以下であり、高い高温強度及び優れた鍛造性を維持しながら、比重の増加を抑えることによって、更なる軽量化が可能である。 Sample 7 (Comparative Example) has high strength, no coarse crystallized material, and good forgeability. However, the specific gravity is about 5% larger than the conventional A4032 or AC8A. This is contrary to the original purpose of making a lightweight piston. On the other hand, samples 1 to 6 (examples) all have a specific gravity of 2.75 or less, and by keeping the high temperature strength and excellent forgeability from being suppressed, the increase in specific gravity is further reduced. Is possible.
次に、試料4(本発明)、試料11(A4032)及び試料12(AC8A)の鍛造ピストンについて疲労強度試験を行った。なお、本疲労強度試験では、300℃の雰囲気で実際のピストンに発生する応力に近い引張り片振りでの疲労曲線の測定を行った。その測定結果を図2に示す。 Next, a fatigue strength test was performed on the forged pistons of Sample 4 (present invention), Sample 11 (A4032), and Sample 12 (AC8A). In this fatigue strength test, the fatigue curve was measured with a tension swing close to the stress generated in an actual piston in an atmosphere of 300 ° C. The measurement results are shown in FIG.
図2に示す測定結果から、試料4は、上述した抗張力がAC8Aより低いにも関わらず、疲労強度についてはAC8Aよりも10%以上高い強度を示した。また、A4042に対しても40%以上高い強度を示しており、強度が大幅に向上したことがわかる。
From the measurement results shown in FIG. 2,
次に、試料4(本発明)の鍛造ピストンのミクロ組織写真を図3に示し、試料9(比較例)のミクロ組織写を真図4に示す。これら図3及び図4に示すミクロ組織写真から、比較例の鍛造ピストンでは、金属組織内における金属間加工物の最大長さが100μm以上あるのに対して、本発明の鍛造ピストンでは、金属組織内における金属間加工物が微細且つ均質に分散しており、鍛造性を阻害しないレベルに制御されていることがわかる。 Next, a microstructure photograph of the forged piston of sample 4 (present invention) is shown in FIG. 3, and a microstructure photograph of sample 9 (comparative example) is shown in FIG. From the microstructure photographs shown in FIGS. 3 and 4, the forged piston of the comparative example has a maximum length of the intermetallic workpiece in the metal structure of 100 μm or more, whereas the forged piston of the present invention has a metal structure of It can be seen that the intermetallic workpiece in the inside is finely and uniformly dispersed and is controlled to a level that does not impair forgeability.
1…ピストンヘッド
2…スカート
3…リング溝
4…ピン孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (6)
Si:8〜18%、
Cu:0.5〜3%、
Ni:1〜5%
を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなり、
NiがCuよりも多く含有されると共に、
Al及びNiにより形成される金属間化合物の最大長さが3〜100μmである
アルミニウム合金製の鍛造ピストン。 % By weight
Si: 8-18%,
Cu: 0.5-3%,
Ni: 1 to 5%
And the balance consists of Al and inevitable impurities,
Ni is contained more than Cu,
A forged piston made of an aluminum alloy having a maximum length of 3 to 100 μm of an intermetallic compound formed of Al and Ni.
Si:8〜18%、
Cu:0.5〜3%、
Ni:1〜5%、
Fe:2.0%以下
を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなり、
Ni及びFeの合計がCuよりも多く、且つ、重量%で5%以下であると共に、
Al及びNi、Feにより形成される金属間化合物の最大長さが3〜100μmである
アルミニウム合金製の鍛造ピストン。 % By weight
Si: 8-18%,
Cu: 0.5-3%,
Ni: 1-5%
Fe: 2.0% or less, the balance consists of Al and inevitable impurities,
The total of Ni and Fe is greater than Cu and less than 5% by weight,
A forged piston made of an aluminum alloy in which the maximum length of an intermetallic compound formed of Al, Ni, and Fe is 3 to 100 μm.
Mg:2.0%以下
を含有すること特徴とする請求項1又は2に記載の鍛造ピストン。 The aluminum alloy is further in wt%,
The forged piston according to claim 1 or 2, characterized by containing Mg: 2.0% or less.
Zr:0.25%以下、
Ti:0.25%以下
のうち少なくとも1種以上を含有し、
且つ、Zr及びTiを含有する場合の合計が重量%で0.3%以下であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の鍛造ピストン。 The aluminum alloy is further in wt%,
Zr: 0.25% or less,
Ti: contains at least one or more of 0.25% or less,
The forged piston according to any one of claims 1 to 3, wherein the total amount containing Zr and Ti is 0.3% or less by weight.
Mn:Fe及びMnの合計が2.0%以下、
Cr:Fe及びCr×5の合計が2.0%以下
のうち少なくとも1種以上を含有することを特徴とする請求項1乃至4の何れか一項に記載の鍛造ピストン。 The aluminum alloy is further in wt%,
Mn: Total of Fe and Mn is 2.0% or less,
The forged piston according to any one of claims 1 to 4, wherein the sum of Cr: Fe and Cr × 5 contains at least one of 2.0% or less.
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