JP2701376B2 - Aluminum piston and manufacturing method thereof - Google Patents
Aluminum piston and manufacturing method thereofInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、アルミ・ピストン及びその製造方法に係わ
り、特にその熱疲労強度を改善したアルミ・ピストン及
びその製造方法に関するものである。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an aluminum piston and a method for manufacturing the same, and more particularly to an aluminum piston having improved thermal fatigue strength and a method for manufacturing the same.
［従来の技術］ 一般に、アルミ・ピストンは軽量で熱伝導性が良いこ
とから、乗用車のエンジンに多用されている。上記アル
ミ・ピストンを製造する場合、高い強度や良好な鋳造性
が要求されるため、アルミ材の中でも主にJIS AC2A,AC2
B,AC4B,AC4C材等を採用して鋳造成形していた。[Prior Art] Generally, aluminum pistons are often used in passenger car engines because of their light weight and good thermal conductivity. When manufacturing the above aluminum pistons, high strength and good castability are required, so JIS AC2A, AC2
Casting was performed using B, AC4B, AC4C materials, etc.
［発明が解決しようとする課題］ ところが、近年エンジンの出力向上に伴い、ピストン
の機械的負荷及び熱的負荷が増大しているため、この種
のアルミ・ピストン１にあっては、第５図に示す如くピ
ストン頭部２のキャビティ３におけるピン方向Ｐ両縁部
に上記機械的負荷による疲労強度亀裂４が発生し、ピン
とスラスト方向Ｓ両縁部に上記熱的負荷により熱亀裂５
が発生していた。[Problems to be Solved by the Invention] However, in recent years, the mechanical load and the thermal load of the piston have been increased with the improvement of the output of the engine. As shown in the figure, a fatigue strength crack 4 is generated at both edges of the cavity 3 of the piston head 2 in the pin direction P due to the mechanical load, and a thermal crack 5 is caused at both edges of the pin and the thrust direction S by the thermal load.
Had occurred.
一般に、エンジン稼働中における機械的負荷に対する
強度である『ハイサイクル疲労強度』には引張強度及び
硬度の向上が有効であるが、エンジン稼働・停止に伴う
熱的負荷に対する強度である『ローサイクルの熱疲労強
度』には反対に低剛性で伸び特性に優れた材料の方が優
位である。従って、同一のアルミ材で鋳造していたアル
ミ・ピストンでは、ハイサイクル疲労強度とローサイク
ルの熱疲労強度とのどちらかの強度を優先させると一方
の強度が低下するという問題があった。In general, the improvement of tensile strength and hardness is effective for “high cycle fatigue strength”, which is the strength against mechanical load during operation of the engine. On the contrary, a material having low rigidity and excellent elongation characteristics is superior to "thermal fatigue strength". Therefore, in the aluminum piston cast from the same aluminum material, there is a problem that if one of the high cycle fatigue strength and the low cycle thermal fatigue strength is prioritized, one of the strengths is reduced.
上述の如き課題に鑑みて本発明は、ハイサイクル疲労
強度とローサイクルの熱疲労強度との双方の強度に優れ
たアルミ・ピストンを提供することを目的とするもので
ある。In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an aluminum piston having both high cycle fatigue strength and low cycle thermal fatigue strength.
［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成すべく本発明は、全体がT5あるいはT6
熱処理されたアルミ・ピストンにおいて、ピストン頭部
のキャビティにおけるピン方向両縁部を、強化用繊維あ
るいは強化用金属で複合化あるいは合金化してなる強化
部とし、ピンとスラスト方向両縁部を、ピストンの最高
運転温度以上の焼戻しによる軟化部としたものである。[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the present invention relates to T5 or T6
In the heat-treated aluminum piston, both edges in the pin direction in the cavity of the piston head are strengthened by compounding or alloying with reinforcing fibers or reinforcing metal, and both edges of the pin and the thrust direction are the pistons. This is a softened part due to tempering at or above the maximum operating temperature.
また、アルミ・ピストンの全体をT5あるいはT6熱処理
した後、ピストン頭部のキャビティにおけるピン方向両
縁部を複合化あるいは合金化して強化すると共に、ピン
とスラスト方向両縁部をピストンの最高運転温度以上の
温度で焼戻して軟化するようにしたものである。In addition, after the entire aluminum piston is heat-treated in T5 or T6, both edges in the pin direction in the cavity of the piston head are compounded or alloyed and strengthened, and both edges in the pin and thrust directions are higher than the maximum operating temperature of the piston. Tempered at the above temperature to soften.
［作用］ アルミ・ピストンのピストン頭部のピン方向にはハイ
サイクル振動が掛かり易く、ピンとスラスト方向にはロ
ーサイクルの振動が掛かり易い。そのため、ピストン頭
部のキャビティにおけるピン方向両縁部には、ハイサイ
クル振動による疲労強度亀裂が発生し、ピンとスラスト
方向両縁部には、ローサイクル振動による熱亀裂が発生
する。[Operation] High-cycle vibration is easily applied in the pin direction of the piston head of the aluminum piston, and low-cycle vibration is easily applied in the pin and thrust directions. Therefore, the fatigue strength crack due to the high cycle vibration is generated at both edges in the pin direction in the cavity of the piston head, and the thermal crack is generated at both edges in the pin and thrust direction due to the low cycle vibration.
そこで、アルミ・ピストンの全体をT5あるいはT6熱処
理し、ピストン頭部のキャビティにおけるピン方向両縁
部を複合化あるいは合金化して強化部を形成すると共
に、ピンとスラスト方向両縁部をピストンの最高運転温
度以上（かつ、溶体化処理温度以下）で焼戻して軟化部
を形成する。Therefore, the entire aluminum piston is heat-treated with T5 or T6 to form a reinforced part by compounding or alloying both edges in the pin direction in the cavity of the piston head, and the piston and the thrust both edges in the thrust direction are operated at maximum speed. Tempering at a temperature not lower than the temperature (and not higher than the solution treatment temperature) forms a softened portion.
これにより、上記複合化あるいは合金化した強化部が
ハイサイクル疲労強度に対して優れ、ピストンの最高運
転温度以上（かつ、溶体化処理温度以下）で焼戻してT5
あるいはT6熱処理を消失状態にした軟化部がローサイク
ルの熱疲労強度に優れることになる。As a result, the composite or alloyed reinforced portion is excellent in high cycle fatigue strength, and is tempered at a temperature equal to or higher than the maximum operating temperature of the piston (and equal to or lower than the solution treatment temperature) to T5.
Alternatively, the softened portion in which the T6 heat treatment has disappeared has excellent low-cycle thermal fatigue strength.
上記焼戻し温度を、ピストンの最高運転温度以上とし
たのは、焼戻しによる熱的変化を防止するためであり、
また、溶体化処理温度以下としたのは、溶体化処理温度
を超えると、冷却後にT5あるいはT6熱処理の効果が発生
するのを防止するためである。The reason that the tempering temperature is equal to or higher than the maximum operating temperature of the piston is to prevent a thermal change due to tempering.
Further, the reason why the temperature is not more than the solution heat treatment temperature is to prevent the effect of the T5 or T6 heat treatment from being generated after cooling if the temperature exceeds the solution heat treatment temperature.
［実施例］ 以下に本発明のアルミ・ピストンの一実施例を添付図
面に基づいて詳述する。Embodiment An embodiment of the aluminum piston of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
本発明のアルミニウムピストンは、特に材質的改良を
加えたものである。このアルミ・ピストンは第５図に示
した従来のピストン形状と同一形状に鋳造成形されてい
る。当該アルミ・ピストンは、JIS AC2A,AC2B,AC4B,AC4
C材等のアルミニウム合金をピストンの鋳型内に鋳込ん
で形成されたものである。そして、アルミ・ピストン10
は全体にT5あるいはT6熱処理が施されて、第１図に示す
如く、硬化部11として形成されている。また、このアル
ミ・ピストン10のピストン頭部２のキャビティ３のピン
方向Ｐ両縁部が半円状の強化部12として形成されてい
る。この強化部12は例えばニッケル（Ni）や銅（Cu）等
を添加した合金、あるいは炭化珪素ウイスカー（SiO2）
や短繊維あるいは長繊維等の繊維強化金属（FRM）にて
形成されている。また、上記ピストン頭部２のキャビテ
ィ３のピンとスラスト方向Ｓ両縁部が焼戻されて半円状
の軟化部13として形成されている。The aluminum piston of the present invention is particularly one in which the material is improved. This aluminum piston is cast in the same shape as the conventional piston shown in FIG. The aluminum piston is JIS AC2A, AC2B, AC4B, AC4
It is formed by casting an aluminum alloy such as C material into a piston mold. And aluminum piston 10
Is subjected to a T5 or T6 heat treatment to form a hardened portion 11, as shown in FIG. Further, both edges of the cavity 3 of the piston head 2 of the aluminum piston 10 in the pin direction P are formed as semicircular reinforcing portions 12. The reinforced portion 12 is made of, for example, an alloy to which nickel (Ni) or copper (Cu) is added, or silicon carbide whisker (SiO 2 )
It is made of fiber reinforced metal (FRM) such as short fibers or long fibers. Further, both pins of the cavity 3 of the piston head 2 and both edges in the thrust direction S are tempered to form a semicircular softened portion 13.
尚、図中14はピストンピンであり、これによる上記ピ
ン方向P,ピンとスラスト方向Ｓを特定する。In the drawing, reference numeral 14 denotes a piston pin, which specifies the pin direction P, the pin and the thrust direction S thereby.
次に本発明のアルミ・ピストンの製造方法の一実施例
及びこれら実施例における作用を述べる。Next, one embodiment of the method for manufacturing an aluminum piston of the present invention and the operation in these embodiments will be described.
まず、JIS AC2A,AC2B,AC4B,AC4C材等のアルミニウム
合金をピストンの鋳型内に鋳込む。その後、型抜きした
成形品の全体にT5あるいはT6熱処理を施して、引張強度
及び硬度を向上させる。これによりアルミ・ピストン10
の全体は、上記硬化部11として形成される。そして、T5
あるいはT6熱処理を施したアルミ・ピストン10のピスト
ン頭部２のキャビティ３におけるピン方向Ｐ両縁部を複
合化あるいは合金化して強化部12を形成する。上記合金
化は、高密度エネルギー源で上記ピストン頭部２のキャ
ビティ３のピン方向Ｐ両縁部を局部的に半円状に再溶融
し、ニッケル（Ni）や銅（Cu）等の合金元素を添加して
凝固させるものである。また上記複合化は、上記ピスト
ン頭部２のキャビティ３におけるピン方向Ｐ両縁部を高
密度エネルギー源で局部的に半円状に再溶融し、炭化珪
素ウイスカー（SiO2）や短繊維あるいは長繊維等を鋳込
み局部的に繊維強化金属（FRM）として強化するもので
ある。上記高密度エネルギー源には、例えばティグアー
ク（TIG）、電子ビーム（EB）あるいはレーザービーム
（LB）等を使用する。このキャビティ３のピン方向Ｐ両
縁部の複合化は、T5あるいはT6熱処理を施す前のアルミ
・ピストン10の鋳造成形時に、上記炭化珪素ウイスカー
（SiO2）や短繊維あるいは長繊維等を鋳込んで形成して
も良い。そして、上記ピストン頭部２のキャビティ３の
ピンとスラスト方向Ｓ両縁部を高密度エネルギー源で半
円状に焼戻して軟化部13を形成する。この高密度エネル
ギー源には、同様に例えばテイグアーク（TIG）、電子
ビーム（EB）あるいはレーザービーム（LB）等を使用す
る。その焼戻し温度条件は、ピストンが運転中に負荷さ
れる最高温度以上（かつ、ピストンの溶体化処理温度以
下）とし、例えば、約400〜450℃で3hr焼き戻す。First, an aluminum alloy such as a JIS AC2A, AC2B, AC4B, AC4C material is cast into a piston mold. Then, T5 or T6 heat treatment is applied to the entire molded product from which the die has been cut to improve the tensile strength and hardness. This makes the aluminum piston 10
Is formed as the hardened portion 11 described above. And T5
Alternatively, the reinforced portion 12 is formed by compounding or alloying both edges of the piston 3 in the pin direction P in the cavity 3 of the piston head 2 of the aluminum piston 10 subjected to the T6 heat treatment. The alloying is performed by locally remelting both edge portions in the pin direction P of the cavity 3 of the piston head 2 in a semicircular shape with a high-density energy source, and alloying elements such as nickel (Ni) and copper (Cu). Is added to cause coagulation. In addition, the compounding is performed by locally remelting both edges of the pin direction P in the cavity 3 of the piston head 2 in a semicircular shape with a high-density energy source, and forming silicon carbide whiskers (SiO 2 ), short fibers or long fibers. Fibers and the like are cast and locally reinforced as fiber reinforced metal (FRM). As the high-density energy source, for example, a TIG arc (TIG), an electron beam (EB), a laser beam (LB), or the like is used. The compounding of the two edges of the cavity 3 in the pin direction P is performed by casting the above-mentioned silicon carbide whisker (SiO 2 ), short fibers or long fibers during the casting of the aluminum piston 10 before performing the T5 or T6 heat treatment. May be formed. Then, the pins of the cavity 3 of the piston head 2 and both edges in the thrust direction S are tempered in a semicircular shape with a high-density energy source to form a softened portion 13. Similarly, for this high-density energy source, for example, a TIG arc (TIG), an electron beam (EB), a laser beam (LB), or the like is used. The tempering temperature condition is equal to or higher than the maximum temperature applied during operation of the piston (and equal to or lower than the solution heat treatment temperature of the piston).
焼戻し温度を、ピストンが運転中に負荷される最高温
度以上としたのは、焼戻しによる熱的変化を防止するた
めであり、また、ピストンの溶体化処理温度以下とした
のは、溶体化処理温度を超えると、冷却後にT5あるいは
T6熱処理の効果が発生するのを防止するためである。The reason why the tempering temperature was set to be equal to or higher than the maximum temperature applied during the operation of the piston was to prevent thermal change due to tempering, and the temperature was set to be equal to or lower than the solution heat treatment temperature of the piston. Over, T5 or after cooling
This is for preventing the effect of the T6 heat treatment from occurring.
一般に焼戻しによりアルミ材のT5あるいはT6熱処理効
果は、温度と時間とのパラメータで示され、温度の上
昇、時間の増加とともに軟化していく。例えばAC2B材に
T6熱処理を施し、260℃で焼戻した時の硬度を第２図に
示す。この260℃では、約3hrで処理するとＦ材と同等の
硬さまで軟化し、さらに100hrではより大巾に軟化す
る。また、このT6熱処理を施し、260℃で、3hrと100hr
とで焼戻したAC2B材のローサイクルの熱疲労強度を第３
図に示す。図示するように、AC2B材をT6熱処理したまま
のものに比べて、3hr焼戻したものでは５倍、100hr焼戻
したものでは８倍もの驚異的な熱疲労強度を示す。図中
一点鎖線で示すＡは、金型内で冷却した参考材である。
すなわち、本実施例にあっては上記約400〜450℃で3hr
焼き戻すので、軟化効果に優れている。In general, the effect of the T5 or T6 heat treatment of the aluminum material by tempering is indicated by parameters of temperature and time, and softens as the temperature rises and the time increases. For example, for AC2B material
FIG. 2 shows the hardness when subjected to T6 heat treatment and tempered at 260 ° C. At 260 ° C., the material softens to the same hardness as the material F when treated for about 3 hours, and further softens in 100 hours. In addition, this T6 heat treatment is performed, and at 260 ° C, for 3 hours and 100 hours.
The low cycle thermal fatigue strength of AC2B material tempered with
Shown in the figure. As shown in the figure, the AC2B material shows an astonishing thermal fatigue strength of 5 times when tempered for 3 hours and 8 times when tempered for 100 hours, as compared to that after the T6 heat treatment. A shown by a dashed line in the figure is a reference material cooled in a mold.
That is, in the present embodiment, the above-mentioned about 400 to 450 ° C. for 3 hours
Since it is tempered, it has an excellent softening effect.
ここで、このアルミ・ピストン10のピストン頭部２の
ピン方向Ｐにはハイサイクル振動が掛かり易く、ピンと
スラスト方向Ｓにはローサイクルの振動が掛かり易く、
上記ピストン頭部２のキャビティ３におけるピン方向Ｐ
両縁部には、ハイサイクル振動による疲労強度亀裂が発
生し、ピンとスラスト方向Ｓ両縁部には、ローサイクル
振動による熱亀裂が発生する。上記ハイサイクル振動に
は、引張強度及び硬度が高いほうが寿命が長く、ローサ
イクル振動には、軟らかく伸びの大きい材料のほうが寿
命が長い。Here, high cycle vibration is easily applied in the pin direction P of the piston head 2 of the aluminum piston 10, and low cycle vibration is easily applied in the pin and thrust direction S.
Pin direction P in the cavity 3 of the piston head 2
Fatigue strength cracks occur at both edges due to high cycle vibrations, and thermal cracks occur at both edges in the pin and thrust direction S due to low cycle vibrations. For the above-mentioned high-cycle vibration, the higher the tensile strength and hardness, the longer the life, and for the low-cycle vibration, a softer material having a larger elongation has a longer life.
従って、上記複合化あるいは合金化した強化部12がハ
イサイクル疲労強度対して優れ、ピストンの最高運転温
度以上（かつ、溶体化処理温度以下）で焼戻してT5ある
いはT6熱処理を消失状態にした軟化部13がローサイクル
の熱疲労強度に優れることになる。Therefore, the composited or alloyed reinforced portion 12 is excellent in high cycle fatigue strength, and is a softened portion in which the T5 or T6 heat treatment disappears by tempering at a temperature higher than the maximum operating temperature of the piston (and lower than the solution heat treatment temperature). 13 is excellent in low cycle thermal fatigue strength.
尚、第４図はエンジンの運転状態に伴ってピストンの
温度・応力の変化を示すものである。図中Ｌはローサイ
クル域を示し、Ｈはハイサイクル（エンジン振動による
機械的応力）を示すものである。FIG. 4 shows changes in the temperature and stress of the piston with the operating state of the engine. In the figure, L indicates a low cycle region, and H indicates a high cycle (mechanical stress due to engine vibration).
［発明の効果］ 以上要するに本発明の請求項１及び請求項２によれ
ば、ハイサイクル疲労強度とローサイクルの熱疲労強度
との双方の強度に優れたアルミ・ピストンを提供するこ
とができる。[Effects of the Invention] In summary, according to claims 1 and 2 of the present invention, it is possible to provide an aluminum piston excellent in both high cycle fatigue strength and low cycle thermal fatigue strength.
第１図は本発明のアルミ・ピストンを示す斜視図、第２
図は本発明の焼戻しの保持時間と硬さの関係を示すグラ
フ、第３図は歪振幅と熱寿命の関係を示すグラフ、第４
図はエンジンの運転状態に伴うピストンの温度及び応力
変化を示すグラフ、第５図は従来のピストンに生じた疲
労強度亀裂及び熱亀裂を示す斜視図である。 図中、２はピストン頭部、３はキャビティ、10はアルミ
・ピストン、12は強化部、13は軟化部Ｐはピン方向、Ｓ
はピンとスラスト方向である。FIG. 1 is a perspective view showing an aluminum piston of the present invention, and FIG.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the holding time and the hardness of the tempering of the present invention, FIG. 3 is a graph showing the relationship between the strain amplitude and the thermal life, and FIG.
FIG. 5 is a graph showing changes in the temperature and stress of the piston according to the operating state of the engine. FIG. 5 is a perspective view showing a fatigue strength crack and a thermal crack generated in the conventional piston. In the figure, 2 is the piston head, 3 is the cavity, 10 is the aluminum piston, 12 is the reinforced part, 13 is the softened part P is the pin direction, S
Is the pin and thrust direction.
Claims (2)
ピストンにおいて、ピストン頭部のキャビティにおける
ピン方向両縁部を、強化用繊維あるいは強化用金属で複
合化あるいは合金化してなる強化部とし、ピンとスラス
ト方向両縁部を、ピストンの最高運転温度以上の焼戻し
による軟化部としたことを特徴とするアルミ・ピスト
ン。1. An aluminum alloy which has been entirely heat-treated with T5 or T6.
In the piston, both edges in the pin direction in the cavity of the piston head are reinforced parts formed by compounding or alloying with reinforcing fibers or metal, and both edges in the pin and thrust directions are higher than the maximum operating temperature of the piston. Aluminum piston characterized by a softened part by tempering.
処理した後、ピストン頭部のキャビティにおけるピン方
向両縁部を複合化あるいは合金化して強化すると共に、
ピンとスラスト方向両縁部をピストンの最高運転温度以
上の温度で焼戻して軟化するようにしたことを特徴とす
るアルミ・ピストンの製造方法。2. The aluminum piston as a whole is subjected to T5 or T6 heat treatment, and then both edges in the pin direction of the cavity of the piston head are compounded or alloyed and strengthened.
A method for manufacturing an aluminum piston, characterized in that the pin and both edges in the thrust direction are tempered and softened at a temperature higher than the maximum operating temperature of the piston.
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|---|---|---|---|
| JP63265977A JP2701376B2 (en) | 1988-10-24 | 1988-10-24 | Aluminum piston and manufacturing method thereof |
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|---|---|---|---|
| JP63265977A JP2701376B2 (en) | 1988-10-24 | 1988-10-24 | Aluminum piston and manufacturing method thereof |
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|---|---|
| JPH02113169A JPH02113169A (en) | 1990-04-25 |
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Family Cites Families (2)
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- 1988-10-24 JP JP63265977A patent/JP2701376B2/en not_active Expired - Fee Related
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