JP3552565B2

JP3552565B2 - Manufacturing method of die-cast piston excellent in high temperature fatigue strength

Info

Publication number: JP3552565B2
Application number: JP00401899A
Authority: JP
Inventors: 宏堀川; 幸雄倉増; 和宏織田
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 1999-01-11
Filing date: 1999-01-11
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2019-01-11
Also published as: JP2000204428A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、車輌用等の内燃機関に使用される高温疲労強度に優れたダイカスト製ピストンの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関に使用されるピストンとして、軽量化を図るためアルミニウム合金ＡＣ８Ａ（Ｓｉ：１１．０〜１３．０重量％，Ｃｕ：０．８〜１．３重量％，Ｍｇ：０．７〜１．３重量％，Ｎｉ：０．８〜１．５重量％）を重力鋳造法したアルミニウム製ピストンが使用されている。要求特性としても、耐熱性があり、高温疲労強度も２５０℃における設定値をクリアーすれば十分であった。
しかし、不完全燃焼なく燃費を向上させ、大出力が得られる直噴型エンジンでは、ピストンヘッドに燃料が直接噴射されるため、従来の内燃機関に比較して約１００℃程度高い高温雰囲気にピストンが曝される。雰囲気の高温化は、ガソリンを使用したエンジンに止まらず、ジーゼルエンジンでも同様の傾向にある。それに伴って、従来の設定値を３５０℃でも満足する特性、具体的には３５０℃における１００ＭＰａ以上の強度及び６０ＭＰａ以上の高温疲労強度（×１０^７サイクル）が要求される。
【０００３】
アルミニウム合金製ピストンとして、３５０℃での高温特性を満足する材料は種々開発されている。たとえば、超急冷凝固したナノクリスタル材料，セラミックファイバ等を複合化したＦＲＭ材料等が挙げられるが、何れも製法上から非常に高価な材料となる。そこで、生産性が良く、安価なダイカスト鋳造が望まれている。
しかし、ダイカスト鋳造によるとき、金型キャビティに残留するＮ_２，水蒸気等のガス成分が注入されたアルミニウム合金溶湯に巻き込まれ、ブローホール，ポロシティ等の鋳造欠陥となって製品に移行する。鋳造欠陥は、フクレや高温疲労クラックの起点となり、ピストンの耐久性を低下させる。また、介在物が高温疲労クラックの原因になることもある。
【０００４】
ガス成分は、キャビティに残留している空気の外に、金型内面に塗布された離型剤，プランジャに塗布された潤滑剤等に由来する水蒸気等もある。ガス成分は、アルミニウム合金の圧入に先立って金型キャビティを真空引きする真空ダイカスト法である程度除去できるものの、ピストン等の機能材料としてダイカスト製品を使用するには混入ガス由来の鋳造欠陥が依然として含まれている。
真空ダイカスト法の欠点を解消するものとして、酸素ダイカスト法が知られている（特開昭５０−２１１４３号公報参照）。酸素ダイカスト法では、キャビティ内のガスを酸素に置換するため、大気圧以上の圧力で酸素をキャビティに充満させている。キャビティに送り込まれた酸素は金型の合せ目や注入口から吹き出すため、金型の合せ目や注入口から外気がキャビティに侵入することが防止される。送り込まれた酸素は、溶湯と反応して微細なＡｌ_２Ｏ_３になって製品内に分散し、ダイカスト製品に悪影響を及ぼすことはない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
大気圧以上で酸素をキャビティに送り込むことによっても、キャビティからガスを完全に除去することは困難である。ガスの残留は、キャビティが複雑形状をもつ場合に発生しがちである。すなわち、ピストン鋳造用の金型では、複雑形状のキャビティに設計されるため、酸素が供給されない隘路が生じ易い。隘路では空気，水蒸気等のガスが酸素と置換されずに残留し、残留ガスがダイカスト製品に取り込まれ、鋳造欠陥を発生させる原因になる。
また、ダイカスト製品にＴ５処理，Ｔ６処理等の熱処理を施して機械的特性を向上させようとすると、製品内部に取り込まれているガスに起因して熱処理後の製品に膨れが発生してしまう。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、アルミニウム合金溶湯の圧入に先立って金型のキャビティをガス成分が完全に除去された雰囲気に調整し、保持処理された所定組成のアルミニウム合金溶湯を圧入することにより、吸蔵ガス量を大幅に低減し、疲労破壊の起点となるガス起因の鋳造欠陥や介在物を抑制し、優れた高温疲労強度をもつダイカスト製ピストンを得ることを目的とする。
【０００７】
本発明のダイカスト製ピストンの製造方法は、その目的を達成するため、Ｓｉ：１１〜１６重量％，Ｍｇ：０．５〜２．０重量％，Ｃｕ：３〜７重量％，Ｎｉ：３〜７重量％，Ｆｅ：０．２〜１．５重量％，Ｍｎ：０．２〜１．０重量％，Ｐ：０．００３〜０．０１５重量％，Ｃａ：０．００２重量％以下を含み、残部が実質的にＡｌで、他の不純物が合計量０．２重量％以下に規制された組成を有し、脱ガス・脱滓処理を経て７４０〜７８０℃で保持処理したアルミニウム合金溶湯を、真空度１００ミリバール以下に減圧した後で大気圧以上の圧力で酸素を吹き込むことにより雰囲気調整した金型のキャビティに６５０〜７４０℃の鋳造温度で圧入することを特徴とする。
【０００８】
使用するアルミニウム合金溶湯は、更にＴｉ：０．０１〜０．３重量％，Ｂ：０．０００１〜０．０３重量％，Ｃｒ：０．０１〜０．３重量％，Ｚｒ：０．０１〜０．３重量％の少なくとも１種を含むことができる。
鋳造後、１７０〜２３０℃に１〜１０時間加熱するＴ５処理又は４７０〜５００℃に１〜１０時間加熱する溶体化，水焼入れ，次いで１７０〜２３０℃に１〜１０時間加熱するＴ６処理で強度を向上させることもできる。
【０００９】
【作用】
金型のキャビティを真空度１００ミリバール以下に減圧した後で、大気圧以上の圧力で酸素を吹き込むと、吹き込まれた酸素は、従来の酸素ダイカスト法に比較して格段に速い流速で流動し、複雑形状のキャビティであってもキャビティの隅々まで十分に行きわたる。そのため、金型内面に付着している離型剤や潤滑剤由来の水蒸気等も酸素流によって十分に洗い出される。このように金型内部が清浄化されたキャビティにアルミニウム合金溶湯が圧入されるため、キャビティを充満する合金溶湯に巻き込まれるガスが大幅に少なくなる。
得られたダイカスト製品は、ガス巻込みに起因するブローホール，ポロシティ等の鋳造欠陥がなく、介在物も抑制されているため、優れた高温疲労強度を示す。高温疲労強度は、Ａｌ−Ｎｉ系やＡｌ−Ｎｉ−Ｃｕ系の晶出物によって更に改善される。更には、熱処理時に膨れ発生がないため、Ｔ６処理でＭｇ_２Ｓｉ，ＣｕＡｌ_２等を析出させることによって必要強度を付与できる。たとえば、従来の重力鋳造法で金型に注湯して製造されるピストンの吸蔵ガス量が０．２〜１．０ｃｃ／１００ｇ−Ａｌであるのに対し、普通ダイカスト法で製造した鋳物では吸蔵ガス量が５〜２０ｃｃ／１００ｇ−Ａｌと多く、ピストン用には適さない。これに対し、本発明法で得られるダイカスト製ピストンは、吸蔵ガス量が１．０ｃｃ／１００ｇ−Ａｌ以下と非常に低くなるため、ピストンとして使用可能である。
【００１０】
以下、本発明で使用するアルミニウム合金の成分，含有量，製造条件等を説明する。
Ｓｉ：１１〜１６重量％
初晶Ｓｉとして晶出し、耐熱性及び耐摩耗性を改善する合金成分である。また、共晶Ｓｉにより熱膨張率を低下させ、鋳造時の湯流れを向上する上でも有効な成分である。更に、時効処理によってＭｇ_２Ｓｉとして析出し、機械強度を向上させる。このような効果は、１１重量％以上のＳｉ含有量で顕著になる。しかし、１６重量％を超える過剰量のＳｉが含まれると、疲労破壊の原因となる粗大な初晶Ｓｉが発生しやすくなる。また、鋳造温度を７３０℃以上の高温にする必要が生じる。
Ｍｇ：０．５〜２．０重量％
時効処理でＭｇ_２Ｓｉとして析出し、機械強度を向上させる合金成分であり、０．５重量％以上でＭｇの添加効果が顕著になる。しかし、Ｍｇ含有量が２．０重量％を超えると、鋳造時に粗大なＭｇ_２Ｓｉが晶出し、疲労強度が劣化する。他方、０．５重量％未満のＭｇ含有量では、時効処理によるＭｇ_２Ｓｉの析出量が少なく、強度が不足する。
【００１１】
Ｃｕ：３〜７重量％
マトリックスに固溶し、またＮｉと共存するときＡｌ_３Ｎｉ（Ｃｕ）_２等の微細な高融点晶出物となって、高温強度及び高温疲労強度を改善する合金成分である。また、時効処理でＡｌ_２Ｃｕとして晶出することにより、材料強度を向上させる作用も呈する。必要な高温強度を確保する上では、３重量％以上のＣｕ含有量が必要である。しかし、同含有量が７重量％を超えると、伸びを低下させる粗大なＡｌ_２Ｃｕが晶出しやすくなる。
Ｎｉ：３〜７重量％
マトリックスに固溶したＮｉは、高温強度，高温疲労強度及び耐熱性の向上に有効である。固溶しないＮｉ分は、ダイカストで得られる鋳造組織においては初晶Ｓｉと同様に、Ａｌ_３Ｎｉ，Ａｌ_３Ｎｉ_２，Ａｌ_３Ｎｉ（Ｃｕ）_２等の金属間化合物として晶出し、塊状の晶出物となる。高温で安定なこれらの金属間化合物によっても高温強度が向上し、耐摩耗性が改善される。必要な高温強度を確保するため、本発明ではＮｉ含有量を３重量％以上に設定した。しかし、Ｎｉ含有量が７重量％を超えると、溶湯中に初晶Ａｌ_３Ｎｉが晶出しやすくなり、粗大に成長したＡｌ_３Ｎｉによって高温疲労強度が低下する。また、鋳造温度を高温にする必要が生じる。
【００１２】
Ｆｅ：０．２〜１．５重量％
ダイカスト時に金型への焼付きを防止すると共に、種々の金属間化合物として晶出することにより高温強度を向上させる合金成分であり、０．２重量％以上でＦｅの添加効果が顕著になる。しかし、１．５重量％を超える過剰量のＦｅが含まれると、Ａｌ−Ｆｅ系の粗大針状晶出物が生成し、高温疲労強度を劣化させる。
Ｍｎ：０．２〜１．０重量％
Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系の金属間化合物として塊状に晶出し、高温強度を向上させる合金成分である。また、Ｍｎ添加によってＡｌ−Ｆｅ系の粗大針状晶の生成も抑えられる。このような作用は、０．２重量％以上のＭｎ含有量で顕著になる。しかし、Ｍｎ含有量が１．０重量％を超えると、Ｍｎ系晶出物が粗大になり、却って高温疲労強度を低下させる。
【００１３】
Ｐ：０．００３〜０．０１５重量％
初晶Ｓｉを微細化し、高温疲労強度を低下させる粗大初晶Ｓｉの生成を抑制する。また、耐摩耗性に有効な平均長さ２〜５μｍに共晶Ｓｉのサイズを調整する作用を呈する。初晶Ｓｉの微細化作用は、０．００３重量％以上のＰ含有量で顕著になる。しかし、０．０１５重量％を超える過剰量のＰが含まれると、湯流れ性が悪化する。
Ｃａ：０．００２重量％以下
湯流れ性を悪化させ、共晶Ｓｉを過度に微細化する作用を呈する。本発明においては、共晶Ｓｉにも耐摩耗性を負担させていることから、共晶Ｓｉが過度に微細化されないように、Ｃａ含有量を可能な限り少なくする。Ｃａ含有量が０．００２重量％を超えると、Ｃａで共晶Ｓｉの微細化され始め、耐摩耗性が低下する傾向がみられる。
【００１４】
Ｔｉ：０．０１〜０．３重量％，Ｂ：０．０００１〜０．０３重量％，Ｃｒ：０．０１〜０．３重量％，Ｚｒ：０．０１〜０．３重量％の少なくとも１種以上
Ｔｉ，Ｂ，Ｃｒ及びＺｒは、必要に応じて添加される成分であり、何れも耐摩耗性及び高温強度の向上に有効である。
Ｔｉ，Ｂは、α−Ａｌ鋳造結晶粒を微細化して高温強度を改善し、０．０１重量％以上のＴｉ添加及び０．０００１重量％以上のＢ添加で微細化効果が顕著になる。しかし、０．３重量％を超えるＴｉ添加量や０．０３重量％を超えるＢ添加量では、ＴｉＡｌ_３，ＴｉＢ_２等の粗大金属間化合物が晶出し、高温疲労強度を低下させる。Ｃｒ：０．０１重量％以上で耐摩耗性の向上効果、Ｚｒ：０．０１重量％以上で鋳造結晶粒の微細化効果が顕著になるが、何れも０．３重量％を超える過剰量では粗大金属間化合物となって高温疲労強度を低下させる。
【００１５】
他の不純物：合計量０．２重量％以下
本発明で使用するアルミニウム合金には、スクラップ地金等からＮａ，Ｓｒ，Ｓｂ，Ｚｎ等の不純物が混入する。高温雰囲気でシリンダと接触して摺動するピストンとして使用されることから、高温疲労強度に有害な粗大な酸化物や金属間化合物が製品中に極力混入しないように管理することが重要である。Ｚｎは、鋳造割れの発生原因になることもある。この点、不純物は少ないほど好ましく、本発明ではＮａ，Ｓｒ，Ｓｂ，Ｚｎ等の不純物を合計量で０．２重量％以下に規制した。
【００１６】
溶湯の調製
所定組成に溶製されたアルミニウム合金溶湯を、Ｎ_２，Ａｒガス等を吹き込んで脱ガス処理し、脱滓フラックスを投入した後、７４０〜７８０℃に好ましくは３０分以上保持する。保持温度が７８０を超えるとエネルギ的に不経済になり、逆に７４０℃に達しない保持温度では酸化物等の介在物の浮上分離が十分でなくなる。保持処理としては、生産性を向上させる上で鋳造炉とは別途の保持炉を使用することが好ましい。保持処理によって、すでに原料地金中に生じている金属間化合物が十分に溶湯に溶し込まれ、疲労クラックの原因が予め除去される。疲労破壊の起点となる炉滓も、保持処理によって溶湯から浮上分離される。
【００１７】
保持処理されたアルミニウム合金溶湯は、降温して６５０〜７４０℃になったときに鋳造に供される。７４０℃を超える温度でダイカストすると、金型の寿命が短くなり、金型に対する溶湯の焼付きが生じ易くなる。逆に６５０℃未満の鋳造温度では、金型に圧入された溶湯の湯流れが悪化し、肉厚不良等の鋳造欠陥が発生しやすくなる。鋳造温度６５０〜７４０℃の比較的低温に溶湯を保持する時間は、短いほど好ましい。このときの保持時間が３０分を超えると、Ａｌ_３Ｎｉ，ＴｉＡｌ_３，ＴｉＢ_２，Ｍｇ−Ｓｂ等の金属間化合物が溶湯中に晶出し始める。金属間化合物が成長し、製品中で粗大金属間化合物となって分散すると、高温疲労破壊の原因となる。
【００１８】
金型キャビティの雰囲気調整
保持処理したアルミニウム合金溶湯を金型に圧入するに先立って、キャビティを真空引きし、次いで大気圧以上の圧力で酸素を吹き込む。真空度１００ミリバール以下にキャビティを減圧すると、キャビティ内にあるＮ_２等のガス成分が減少する。真空度１００ミリバールまで減圧するため、金型の合せ目等をシール材で充填し、外気の侵入を防止することが好ましい。
次いで、大気圧以上の圧力で酸素を吹き込むと、吹き込まれた酸素が高速流となってキャビティの隅々まで行きわたり、金型内面に塗布された離型剤やプランジャに塗布された潤滑剤等に由来する水蒸気が完全に酸素流で洗い出され、複雑形状のキャビティにあっても空気，水蒸気等がない雰囲気となる。このとき、キャビティが大気圧以上の圧力に維持されているため、外気の侵入が抑えられる。雰囲気調整されたキャビティにアルミニウム合金溶湯が圧入されるため、キャビティ内でアルミニウム合金溶湯が冷却凝固する際に空気，水蒸気等の有害ガス成分がアルミニウム合金に巻き込まれることがない。また、キャビティにある酸素は、アルミニウム合金溶湯と反応し、反応生成物Ａｌ_２Ｏ_３が微細粒子としてマトリックスに分散するため、得られるダイカスト製品に悪影響を及ぼさない。
【００１９】
このような雰囲気調整により、ダイカスト製品に含まれる吸蔵ガス量を１ｃｃ／１００ｇ−Ａｌ以下に下げることが可能になる。
得られたダイカスト製品は、吸蔵ガス量が大幅に低減しているので、従来のダイカスト製品を熱処理したとき製品表面に発生していた膨れが検出されず、Ｔ５処理，Ｔ６処理等の熱処理で機械的強度を向上させることができる。また、高温雰囲気でピストンとして使用している際にも、吸蔵ガスの膨張がなく、長期間にわたり円滑な運転が可能となる。更に、吸蔵ガス量が極端に少ないことは、高温疲労破壊の起点となるブローホール，ポロシティ等のないことを意味し、この点でも高温強度，高温疲労強度，耐摩耗性が要求されるピストンに適した材料といえる。
【００２０】
鋳造組織
雰囲気調整されたキャビティに圧入されたアルミニウム合金は、吸蔵ガス量が極めて少ないダイカスト製ピストンが得られる。しかも、成分調整によって初晶Ｓｉ，Ａｌ−Ｎｉ系，Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｕ系の初晶晶出物の平均粒径を５〜１０μｍの範囲にしているので、高温雰囲気でシリンダと接触して運転されるピストンに要求される耐摩耗性及び高温強度が満足される。平均粒径が１０μｍを超える初晶晶出物は高温疲労破壊の亀裂発生原因となり、平均粒径５μｍ未満の初晶晶出物では耐摩耗性が不足する。
【００２１】
介在物の平均個数：Ｋ _１０値で０．０１個／ｃｍ ^２以下
ダイカストで得られた鋳造組織には、Ａｌ，Ｎａ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｍｇ等の酸化物による酸化皮膜，Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系，Ａｌ−Ｔｉ系，Ｔｉ−Ｂ系，Ｍｇ−Ｓｂ系等の晶出金属間化合物，地金溶解時に溶解しきれない粗大金属間化合物，炉材，工具等から混入する異物等に由来する介在物が肉眼や１０倍ルーペ等で観察される。ピストンとして要求される疲労強度をもたせるためには、粗大介在物を観察視野において０．０１個／ｃｍ^２以下に抑えることが重要である。
介在物の平均個数は、鋳造された合金材料の破断面を１０倍ルーペで観察し、カウントされた個数を単位面積当りに換算したＫ_１０値で表示される。平均個数の測定に際しては、左右の２破断面を一片とし、５〜６片を１試料として評価される。本発明では、更にその面積２５ｃｍ^２で１試料のデータとし、７試料のデータの平均値として介在物の平均個数を算出した。このように求められたＫ_１０値が０．０１個／ｃｍ^２以下であると、優れた伸び特性及び疲労強度が合金材料に付与される。他方、Ｋ_１０値が０．０１個／ｃｍ^２を超える場合、必要とする疲労強度が得られない。
【００２２】
０．０１個／ｃｍ^２以下のＫ_１０値は、次の方法で達成できる。合金配合時に混入してくるＮａ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｓｂ，Ｚｎ，Ｐｂ，Ｓｎ，Ｂｉ等を配合原料の選択によって極力抑えると共に、溶製時の酸化後に溶湯を７４０〜７８０℃で好ましくは３０分以上高温保持することにより、混入してきたＮａ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｓｂ，Ｚｎ，Ｐｂ，Ｓｎ，Ｂｉ等を炉滓として溶湯から浮上分離する。浮上したスラグを溶湯から除去すると、Ｎａ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｓｂ，Ｚｎ，Ｐｂ，Ｓｎ，Ｂｉ等の極めて少ないアルミニウム合金溶湯となる。Ｍｇ，Ａｌ等も酸化皮膜となって溶湯表面に浮遊するが、これら酸化皮膜は、除滓時に溶湯から分離される。更に、鋳造時の低温保持時間を短くすることにより、Ｆｅ，Ｔｉ，Ｓｂ等がＦｅＡｌ_３系，ＴｉＡｌ_３系，Ｍｇ−Ｓｂ系化合物として粗大晶出物に成長することを抑制する。炉材や工具に由来する介在物は、７４０〜７８０℃の保持処理で溶湯から分離される。
【００２３】
熱処理
ダイカスト製ピストンは、Ｔ５処理又はＴ６処理でＭｇ_２Ｓｉ，ＣｕＡｌ_２等を析出させることにより、更に強度が向上する。Ｔ５処理では、鋳物を１７０〜２３０℃に１〜１０時間加熱する。Ｔ６処理では、４７０〜５００℃×１〜１０時間の溶体化処理後に水焼入れし、１７０〜２３０℃×１〜１０時間で時効処理する。焼入れに際しては、常温〜８０℃の水が使用される。この熱処理条件を外れると、十分な処理効果が得られず、或いは熱処理コストが高くなる。Ｔ６処理は、溶体化を伴うことから処理コストが高くなるが、より高い機械強度が得られる。
熱処理される鋳物は、金型キャビティの雰囲気調整によって吸蔵ガス量が極めて低く抑えられているため、熱処理時の加熱でガス成分が膨張して膨れを発生させることがない。この点は、従来のダイカスト製品と大きく相違するところである。また、要求される設計値を満足する限り、強度は若干低下するものの、時効処理温度を高くして時効析出による寸法の歪みを抑え、機械加工量も少なくする寸法安定化処理も採用できる。この場合の時効条件は、２３０〜３５０℃×１〜５時間に設定される。この時効条件は、本発明ピストンの最高使用温度が３５０℃であることを考慮すると、Ｔ５処理，Ｔ６処理の時効条件としても使用可能である。
【００２４】
【実施例】
回転ロータからＮ_２ガスを３０分噴出させ、成分調整したアルミニウム合金溶湯を脱ガス処理した。次いで、脱滓フラックスを用いて脱滓処理し、７５０℃に４５分間保持することにより溶湯から介在物を十分に浮上分離させ、溶湯表面に浮遊している滓を除去した。調製されたアルミニウム合金溶湯は、Ｓｉ：１２．６重量％，Ｃｕ：４．２重量％，Ｍｇ：１．２重量％，Ｎｉ：４．５重量％，Ｆｅ：０．５１重量％，Ｍｎ：０．３５重量％，Ｐ：０．００７重量％，Ｃａ：０．００１重量％，Ｔｉ：０．０２重量％，Ｂ：０．０００１重量％，Ｃｒ：０．０８重量％，Ｚｒ：０．０５重量％，Ｎａ＜０．００１重量％，Ｓｒ＜０．００１重量％，Ｓｂ＜０．００１重量％，Ｚｎ：０．０３重量％，残部が不純物を除きＡｌの組成をもっていた。
【００２５】
アルミニウム合金溶湯が６６０℃に降温したとき、ダイカスト金型に鋳込み、図１に示す形状をもち外径８４ｍｍ，高さ７２ｍｍのピストンを製造した。なお、鋳造に先立って２００℃に加熱した金型の内面に離型剤を塗布し、キャビティを吸引量７００ミリバール／秒で真空引きして真空度７５ミリバールに減圧し、次いで１２００ミリバールの圧力で酸素を吹き込んでオーバーフローさせることにより雰囲気調整した。また、アルミニウム合金溶湯をキャビティに圧入するプランジャにも潤滑剤を塗布した。
雰囲気調整されたキャビティに鋳込まれたアルミニウム合金が冷却凝固した後、製品であるピストンを金型から鋳物を取り出した。得られた製品から試験片を切り出し、成分分析すると共に、ミクロ組織を観察し、吸蔵ガス量及び介在物の個数を測定した。また、鋳造後の製品に２２０℃×６時間加熱のＴ５処理を施した後、機械的性質を調査した。吸蔵ガス量は、ランズレー法で測定した。
【００２６】
介在物の個数測定では、鋳造されたピストンから切り出された高さ０．５ｃｍ，長さ５ｃｍの長尺厚板にノッチを入れて破断し、肉眼及び１０倍ルーペで１試料につき０．５ｃｍ×５ｃｍの１０破断面（２面）、すなわち合計で２５ｃｍ^２の面積を観察して１試料のデータとし、７試料のデータの平均値として介在物の個数をカウントし、カウント数を１ｃｍ^２に換算することによりＫ_１０値を算出した。介在物は、大半が酸化物系であり、０．１〜３ｍｍ程度の介在物が黒みがかった色調を呈していた。
調査結果を表１に示す。なお、比較のため、重力鋳造法で鋳造する以外は同じ条件下で製造したピストン（比較例１），７８０℃で溶解したアルミニウム合金溶湯を脱ガス・脱滓処理した後で保持処理することなく、６６０℃に下がったときキャビティが雰囲気調整された金型に鋳込んで製造したピストン（比較例２）についても同様に調査した。
【００２７】
比較例１は、同じ条件下で調製したアルミニウム合金溶湯から作られたものであるため介在物の個数はほぼ同じであったが、冷却速度が遅い重力鋳造法で製造されたことから、初晶Ｓｉが平均粒径で１６μｍ，Ａｌ−Ｎｉ系，Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｕ系晶出物が平均粒径で３５μｍと大きな鋳造組織をもっていた。粗大な晶出物のため、高温の機械的性質が劣っていた。ただし、吸蔵ガス量は、ダイカスト法で製造した本発明例及び比較例２よりも若干少なかった。
比較例２では、介在物の浮上分離させる保持処理を施さなかったため、得られたダイカスト製品に多数の介在物が分散した。また、吸蔵ガス量は低いものの、本発明例との比較で高温の機械的性質が劣っていた。
これに対し、本発明例では、介在物が少なく適正な大きさの晶出物が分散した組織をもっていた。吸蔵ガス量は、ダイカスト法の１種であるにも拘わらず、重力鋳造で製造した比較例１とほぼ同じ低い値を示した。このようなことから、重力鋳造法よりも格段に生産性が高いダイカスト法により、３５０℃での引張強さが１００ＭＰａ以上，高温疲労強度（×１０^７サイクル）が６０ＭＰａ以上となり、高温雰囲気で稼動する直噴型エンジンのピストンとして十分使用できることが判った。
【００２８】

【００２９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のダイカスト製ピストンは、ダイカスト法で製造されたものであるにも拘わらず、吸蔵ガス量が極めて低く抑えられているため、疲労破壊の起点となるブローホール，ポロシティ等の鋳造欠陥がなく、また膨れの発生なく熱処理で強度を向上させることもできる。このようにして、生産性に優れたダイカスト法で製造できることから、高温雰囲気で稼動される直噴型エンジンを始めとする各種内燃機関に使用され、高温強度，高温疲労強度及び耐摩耗性に優れたダイカスト製ピストンが安価に提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で製造したピストン[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a method for producing a die-cast piston having excellent high-temperature fatigue strength used for an internal combustion engine for a vehicle or the like.
[0002]
[Prior art]
As a piston used in an internal combustion engine, aluminum alloy AC8A (Si: 11.0 to 13.0% by weight, Cu: 0.8 to 1.3% by weight, Mg: 0.7 to 1%) is used to reduce the weight. (3% by weight, Ni: 0.8 to 1.5% by weight) is used. The required characteristics were heat resistance, and it was sufficient for the high temperature fatigue strength to clear the set value at 250 ° C.
However, in a direct-injection engine that improves fuel efficiency without incomplete combustion and obtains a large output, fuel is directly injected into the piston head. Is exposed. The high temperature of the atmosphere is not limited to engines using gasoline, and the same tendency is observed in diesel engines. Accordingly, characteristics satisfying the conventional set value even at 350 ° C., specifically, a strength of 100 MPa or more at 350 ° C. and a high temperature fatigue strength of 60 MPa or more (× 10 ⁷ cycles) are required.
[0003]
Various materials satisfying the high temperature characteristics at 350 ° C. have been developed as aluminum alloy pistons. For example, an ultra-rapid solidified nanocrystal material, an FRM material in which a ceramic fiber or the like is compounded, etc., are all very expensive materials in terms of the production method. Therefore, an inexpensive die casting with good productivity is desired.
However, in the case of die casting, gas components such as N ₂ and water vapor remaining in the mold cavity are entangled in the injected aluminum alloy molten metal, resulting in casting defects such as blowholes and porosity and transfer to products. Casting defects serve as starting points for blisters and high-temperature fatigue cracks, and reduce the durability of the piston. Also, inclusions may cause high temperature fatigue cracks.
[0004]
The gas component includes, in addition to the air remaining in the cavity, a release agent applied to the inner surface of the mold, water vapor derived from a lubricant applied to the plunger, and the like. Although gas components can be removed to some extent by vacuum die casting, which evacuates the mold cavity prior to press-fitting the aluminum alloy, the use of die cast products as functional materials such as pistons still involves casting defects due to mixed gases. ing.
As a solution to the disadvantages of the vacuum die casting method, an oxygen die casting method is known (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 50-21143). In the oxygen die casting method, oxygen is filled in the cavity at a pressure higher than the atmospheric pressure in order to replace the gas in the cavity with oxygen. Since the oxygen fed into the cavity is blown out from the joint or the injection port of the mold, outside air is prevented from entering the cavity from the joint or the injection port of the mold. The fed oxygen reacts with the molten metal to form fine Al ₂ O ₃ and is dispersed in the product, and does not adversely affect the die cast product.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
It is also difficult to completely remove gas from the cavity by sending oxygen into the cavity at or above atmospheric pressure. Gas residue tends to occur when the cavity has a complicated shape. That is, since the mold for piston casting is designed in a cavity having a complicated shape, a bottleneck in which oxygen is not supplied is likely to occur. In the bottleneck, gases such as air and water vapor remain without being replaced by oxygen, and the residual gas is taken into the die-cast product, causing a casting defect.
Further, if the mechanical properties are improved by performing a heat treatment such as T5 treatment or T6 treatment on the die-cast product, the product after the heat treatment swells due to gas taken into the product.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been devised in order to solve such a problem. Prior to press-in of the molten aluminum alloy, the cavity of the mold was adjusted to an atmosphere in which gas components were completely removed, and a holding process was performed. By press-fitting a molten aluminum alloy with a predetermined composition, the amount of occluded gas is greatly reduced, casting defects and inclusions caused by gas, which are the starting points of fatigue fracture, are suppressed, and a die-cast piston with excellent high-temperature fatigue strength is manufactured. The purpose is to get.
[0007]
In order to achieve the object, the method for manufacturing a die-cast piston according to the present invention includes: Si: 11 to 16% by weight, Mg: 0.5 to 2.0% by weight, Cu: 3 to 7% by weight, Ni: 3 to 7% by weight, Fe: 0.2 to 1.5% by weight, Mn: 0.2 to 1.0% by weight, P: 0.003 to 0.015% by weight, Ca: 0.002% by weight or less An aluminum alloy melt having a composition in which the balance is substantially Al and other impurities are controlled to a total amount of 0.2% by weight or less, and which is kept at 740 to 780 ° C. through degassing and deslagging. After the pressure is reduced to a degree of vacuum of 100 mbar or less, oxygen is blown into the cavity of a mold whose atmosphere has been adjusted by blowing oxygen at a pressure higher than the atmospheric pressure at a casting temperature of 650 to 740 ° C.
[0008]
The aluminum alloy melt to be used further contains: 0.01 to 0.3% by weight of Ti, 0.0001 to 0.03% by weight of B, 0.01 to 0.3% by weight of Cr, and 0.01 to 0.3% by weight of Zr. It may contain 0.3% by weight of at least one.
After casting, strength is achieved by T5 treatment of heating to 170-230 ° C for 1-10 hours or solution heat treatment of 470-500 ° C for 1-10 hours, water quenching, and then T6 treatment of heating to 170-230 ° C for 1-10 hours. Can also be improved.
[0009]
[Action]
After depressurizing the cavity of the mold to a degree of vacuum of 100 mbar or less, when oxygen is blown at a pressure higher than the atmospheric pressure, the blown oxygen flows at a much higher flow rate than the conventional oxygen die casting method, Even a cavity with a complicated shape can fully reach every corner of the cavity. Therefore, water vapor and the like derived from the release agent and the lubricant adhered to the inner surface of the mold are sufficiently washed out by the oxygen flow. Since the molten aluminum alloy is press-fitted into the cavity whose inside of the mold has been cleaned in this way, the amount of gas involved in the molten alloy filling the cavity is significantly reduced.
The obtained die-cast product does not have casting defects such as blowholes and porosity caused by gas entrapment, and contains no inclusions, and thus exhibits excellent high-temperature fatigue strength. The high temperature fatigue strength is further improved by Al-Ni-based or Al-Ni-Cu-based crystallization. Furthermore, since no swelling occurs during the heat treatment, the required strength can be imparted by precipitating Mg ₂ Si, CuAl ₂ or the like by T6 treatment. For example, the amount of occluded gas of a piston manufactured by pouring into a mold by a conventional gravity casting method is 0.2 to 1.0 cc / 100 g-Al, whereas the amount of occluded gas in a casting manufactured by a normal die casting method. The gas amount is as large as 5 to 20 cc / 100 g-Al, which is not suitable for pistons. On the other hand, the die-cast piston obtained by the method of the present invention can be used as a piston because the amount of occluded gas is extremely low at 1.0 cc / 100 g-Al or less.
[0010]
Hereinafter, the components, contents, production conditions, and the like of the aluminum alloy used in the present invention will be described.
Si: 11 to 16% by weight
It is an alloy component that is crystallized as primary crystal Si and improves heat resistance and wear resistance. It is also an effective component for reducing the coefficient of thermal expansion by eutectic Si and improving the flow of molten metal during casting. Further, it precipitates as Mg ₂ Si by aging treatment, and improves mechanical strength. Such effects become remarkable when the Si content is 11% by weight or more. However, when an excessive amount of Si exceeding 16% by weight is contained, coarse primary crystal Si which causes fatigue fracture is likely to be generated. Further, it is necessary to set the casting temperature to a high temperature of 730 ° C. or higher.
Mg: 0.5 to 2.0% by weight
It is an alloy component that precipitates as Mg ₂ Si by aging treatment and improves mechanical strength. At 0.5% by weight or more, the effect of adding Mg becomes remarkable. However, when the Mg content exceeds 2.0% by weight, coarse Mg ₂ Si is crystallized during casting, and the fatigue strength is deteriorated. On the other hand, when the Mg content is less than 0.5% by weight, the amount of Mg ₂ Si precipitated by the aging treatment is small, and the strength is insufficient.
[0011]
Cu: 3 to 7% by weight
It is an alloy component that forms a high-melting point crystal, such as Al ₃ Ni (Cu) _2, when it forms a solid solution with the matrix and coexists with Ni to improve high-temperature strength and high-temperature fatigue strength. Further, by crystallization as Al ₂ Cu by the aging treatment, an effect of improving the material strength is also exhibited. In order to secure the required high-temperature strength, a Cu content of 3% by weight or more is required. However, when the content exceeds 7% by weight, coarse Al ₂ Cu that reduces elongation tends to crystallize.
Ni: 3 to 7% by weight
Ni dissolved in the matrix is effective for improving high-temperature strength, high-temperature fatigue strength and heat resistance. Ni, which does not form a solid solution, is crystallized as an intermetallic compound such as Al ₃ Ni, Al ₃ Ni ₂ , Al ₃ Ni (Cu) ₂ in the cast structure obtained by die casting, similarly to the primary crystal Si. Be a gift. These intermetallic compounds that are stable at high temperatures also improve high temperature strength and improve wear resistance. In the present invention, the Ni content is set to 3% by weight or more in order to secure necessary high-temperature strength. However, when the Ni content exceeds 7% by weight, primary Al ₃ Ni is easily crystallized in the molten metal, and the high-temperature fatigue strength is reduced by Al ₃ Ni grown coarsely. Further, it is necessary to increase the casting temperature.
[0012]
Fe: 0.2 to 1.5% by weight
An alloy component that prevents seizure on a metal mold during die casting and improves high-temperature strength by crystallizing as various intermetallic compounds. The effect of adding Fe becomes remarkable at 0.2% by weight or more. However, when an excessive amount of Fe exceeding 1.5% by weight is contained, coarse needle-like crystals of an Al—Fe system are generated, and the high-temperature fatigue strength is deteriorated.
Mn: 0.2-1.0% by weight
Al-Fe-Mn-Si is an alloy component that is crystallized in bulk as an intermetallic compound and improves high-temperature strength. The addition of Mn also suppresses the formation of Al-Fe-based coarse acicular crystals. Such an effect becomes remarkable at a Mn content of 0.2% by weight or more. However, when the Mn content exceeds 1.0% by weight, the Mn-based crystallization becomes coarse, and on the contrary, the high-temperature fatigue strength is reduced.
[0013]
P: 0.003 to 0.015% by weight
It suppresses generation of coarse primary crystal Si which makes primary crystal Si finer and lowers high temperature fatigue strength. Further, it has an effect of adjusting the size of eutectic Si to an average length of 2 to 5 μm effective for abrasion resistance. The refining effect of primary crystal Si becomes remarkable at a P content of 0.003% by weight or more. However, when an excessive amount of P exceeding 0.015% by weight is contained, the flowability of the molten metal deteriorates.
Ca: 0.002% by weight or less It has the effect of deteriorating the flow of hot water and excessively miniaturizing eutectic Si. In the present invention, since the eutectic Si also bears the wear resistance, the Ca content is reduced as much as possible so that the eutectic Si is not excessively miniaturized. When the Ca content exceeds 0.002% by weight, the eutectic Si starts to be refined by Ca, and the abrasion resistance tends to decrease.
[0014]
Ti: 0.01 to 0.3% by weight, B: 0.0001 to 0.03% by weight, Cr: 0.01 to 0.3% by weight, Zr: 0.01 to 0.3% by weight. At least one of Ti, B, Cr and Zr is a component added as necessary, and all of them are effective in improving wear resistance and high-temperature strength.
Ti and B improve the high-temperature strength by refining the α-Al cast crystal grains, and the refining effect becomes remarkable when 0.01% by weight or more of Ti and 0.0001% by weight or more of B are added. However, if the added amount of Ti exceeds 0.3% by weight or the added amount of B exceeds 0.03% by weight, coarse intermetallic compounds such as TiAl ₃ and TiB ₂ are crystallized, and the high-temperature fatigue strength is reduced. When Cr: 0.01% by weight or more, the effect of improving wear resistance becomes significant, and when Zr: 0.01% by weight or more, the effect of refining cast crystal grains becomes remarkable. It becomes a coarse intermetallic compound and reduces high temperature fatigue strength.
[0015]
Other impurities: a total amount of 0.2% by weight or less The aluminum alloy used in the present invention contains impurities such as Na, Sr, Sb, and Zn from scrap metal. Since it is used as a piston that slides in contact with a cylinder in a high-temperature atmosphere, it is important to manage so that coarse oxides and intermetallic compounds harmful to high-temperature fatigue strength are not mixed into products as much as possible. Zn may cause casting cracks. In this regard, the impurity is preferably as small as possible. In the present invention, the total amount of impurities such as Na, Sr, Sb, and Zn is regulated to 0.2% by weight or less.
[0016]
Preparation of molten metal A molten aluminum alloy melted to a predetermined composition is degassed by blowing N ₂ , Ar gas or the like, and after introducing a desalting flux, preferably at 740 to 780 ° C., preferably for 30 minutes. Hold above. If the holding temperature exceeds 780, energy becomes uneconomical. Conversely, if the holding temperature does not reach 740 ° C., floating separation of inclusions such as oxides becomes insufficient. As the holding treatment, it is preferable to use a holding furnace separate from the casting furnace in order to improve productivity. By the holding process, the intermetallic compound already generated in the raw metal is sufficiently dissolved in the molten metal, and the cause of the fatigue crack is removed in advance. Furnace slag, which is the starting point of fatigue fracture, is also floated and separated from the molten metal by the holding process.
[0017]
The retained aluminum alloy melt is subjected to casting when the temperature is lowered to 650 to 740 ° C. Die-casting at a temperature exceeding 740 ° C. shortens the life of the mold and tends to cause seizure of the molten metal on the mold. Conversely, at a casting temperature of less than 650 ° C., the flow of the molten metal pressed into the mold is deteriorated, and casting defects such as poor wall thickness are likely to occur. The shorter the time for holding the molten metal at a relatively low casting temperature of 650 to 740 ° C., the better. The holding time at this time is more than 30 _{_{_{minutes, Al 3 Ni, TiAl 3,}}} TiB 2, intermetallic compounds such as Mg-Sb starts to crystallize the molten metal. When the intermetallic compound grows and becomes a coarse intermetallic compound in the product and is dispersed, it causes high temperature fatigue failure.
[0018]
Atmosphere adjustment of mold cavity Prior to press-fitting the retained aluminum alloy melt into the mold, the cavity is evacuated and then oxygen is blown at a pressure equal to or higher than the atmospheric pressure. When the pressure in the cavity is reduced to a degree of vacuum of 100 mbar or less, gas components such as N ₂ in the cavity are reduced. In order to reduce the pressure to a degree of vacuum of 100 mbar, it is preferable to fill the joints of the mold with a sealing material to prevent intrusion of outside air.
Next, when oxygen is blown in at a pressure higher than the atmospheric pressure, the blown oxygen flows at high speed to reach every corner of the cavity, a release agent applied to the inner surface of the mold, a lubricant applied to the plunger, and the like. The water vapor derived from the water is completely washed out by the oxygen flow, and an atmosphere without air, water vapor, etc. is obtained even in a cavity having a complicated shape. At this time, since the cavity is maintained at a pressure higher than the atmospheric pressure, intrusion of outside air is suppressed. Since the molten aluminum alloy is press-fitted into the cavity whose atmosphere has been adjusted, no harmful gas components such as air and water vapor are trapped in the aluminum alloy when the molten aluminum alloy cools and solidifies in the cavity. Further, oxygen in the cavity reacts with the molten aluminum alloy, and the reaction product Al ₂ O ₃ is dispersed as fine particles in the matrix, so that the resulting die-cast product does not have an adverse effect.
[0019]
Such atmosphere adjustment makes it possible to reduce the amount of occluded gas contained in the die-cast product to 1 cc / 100 g-Al or less.
Since the amount of occluded gas in the obtained die-cast product has been greatly reduced, no blistering that has occurred on the product surface when the conventional die-cast product is heat-treated is detected. Target strength can be improved. Further, even when the piston is used as a piston in a high-temperature atmosphere, the stored gas does not expand and smooth operation can be performed for a long period of time. Further, an extremely small amount of occluded gas means that there is no blowhole, porosity, etc., which is a starting point of high-temperature fatigue fracture. In this respect, pistons that require high-temperature strength, high-temperature fatigue strength and wear resistance are also required. It is a suitable material.
[0020]
Casting structure A die-cast piston having an extremely small occluded gas amount can be obtained from the aluminum alloy press-fitted into the cavity whose atmosphere has been adjusted. In addition, since the average grain size of the primary crystals of primary crystal Si, Al—Ni, and Al—Ni—Cu system is adjusted to 5 to 10 μm by adjusting the components, it is operated in contact with the cylinder in a high temperature atmosphere. The wear resistance and high-temperature strength required for the piston to be used are satisfied. A primary crystal having an average particle size of more than 10 μm causes cracking due to high temperature fatigue fracture, and a primary crystal having an average particle size of less than 5 μm has insufficient wear resistance.
[0021]
The average number of _inclusions: 0.01 or at _{K 10} value / cm ² Hereinafter, the cast structure obtained by die-casting includes oxide films of oxides such as Al, Na, Ca, Sr, and Mg, Al-Si-Fe-based, Al-Ti-based, Ti-B-based, and Mg-based. -Crystallized intermetallic compounds such as Sb-based compounds, coarse intermetallic compounds that cannot be completely dissolved when the metal is melted, and inclusions derived from foreign materials mixed in from furnace materials, tools, etc. are observed with the naked eye or a 10-fold loupe. . In order to provide the fatigue strength required for a piston, it is important to suppress coarse inclusions to 0.01 / cm ² or less in an observation visual field.
The average number of inclusions, the fracture surfaces of the cast alloy material was observed with a 10-fold loupe, it displayed the counted number in the K ₁₀ value in terms of per unit area. In measuring the average number, the two fractured surfaces on the left and right are regarded as one piece, and 5 to 6 pieces are evaluated as one sample. In the present invention, the average number of inclusions was calculated as the average value of the data of one sample with the area of 25 cm ² as the data of one sample. With such the K ₁₀ value obtained is 0.01 pieces / cm ² or less, excellent elongation characteristics and fatigue strength are imparted to the alloy material. On the other _hand, if _{the K 10} value of more than 0.01 pieces / cm ^2, not obtained fatigue strength in need.
[0022]
0.01 pieces / cm ² or less of _{K 10} value can be achieved in the following manner. Na, Ca, Sr, Sb, Zn, Pb, Sn, Bi, etc. mixed during alloy compounding are suppressed as much as possible by selecting the compounding raw materials, and the molten metal is heated at 740 to 780 ° C. for preferably 30 minutes after oxidation during melting. By holding at a high temperature as described above, the mixed Na, Ca, Sr, Sb, Zn, Pb, Sn, Bi, etc. are floated and separated from the molten metal as furnace slag. When the floating slag is removed from the molten metal, it becomes an aluminum alloy molten metal having a very small amount of Na, Ca, Sr, Sb, Zn, Pb, Sn, Bi and the like. Mg, Al and the like also float as oxide films on the surface of the molten metal, but these oxide films are separated from the molten metal at the time of removing the slag. Further, by shortening the low-temperature holding time during casting, the growth of Fe, Ti, Sb, and the like as coarse compounds in the form of FeAl ₃ , TiAl ₃ , and Mg—Sb compounds is suppressed. Inclusions derived from furnace materials and tools are separated from the molten metal by a holding process at 740 to 780 ° C.
[0023]
Heat treatment The strength of the die-cast piston is further improved by precipitating Mg ₂ Si, CuAl ₂ or the like by T5 treatment or T6 treatment. In the T5 treatment, the casting is heated to 170 to 230C for 1 to 10 hours. In the T6 treatment, water quenching is performed after a solution treatment at 470 to 500 ° C for 1 to 10 hours, and an aging treatment is performed at 170 to 230 ° C for 1 to 10 hours. At the time of quenching, water at normal temperature to 80 ° C is used. If the heat treatment conditions are not satisfied, a sufficient treatment effect cannot be obtained or the heat treatment cost increases. The T6 treatment involves a solution treatment, which increases the processing cost, but provides higher mechanical strength.
Since the amount of occluded gas in the casting to be heat-treated is kept very low by adjusting the atmosphere of the mold cavity, the gas component does not expand due to the heating during the heat treatment and does not cause swelling. This is a point that is significantly different from conventional die-cast products. As long as the required design value is satisfied, a dimensional stabilization process that raises the aging temperature, suppresses dimensional distortion due to aging precipitation, and reduces the amount of machining, although the strength is slightly reduced, can be adopted. The aging condition in this case is set to 230 to 350 ° C. × 1 to 5 hours. Considering that the maximum working temperature of the piston of the present invention is 350 ° C., this aging condition can be used as the aging condition for the T5 treatment and the T6 treatment.
[0024]
【Example】
The N ₂ gas from the rotating rotor is ejected 30 minutes, and degassing the molten aluminum alloy was component adjustment. Next, the material was subjected to deslagging treatment using a desalting flux, and held at 750 ° C. for 45 minutes to sufficiently float and separate inclusions from the molten metal, thereby removing the slag floating on the surface of the molten metal. The prepared aluminum alloy melt was composed of 12.6% by weight of Si, 4.2% by weight of Cu, 1.2% by weight of Mg, 4.5% by weight of Ni, 0.51% by weight of Fe, and Mn: 0.35% by weight, P: 0.007% by weight, Ca: 0.001% by weight, Ti: 0.02% by weight, B: 0.0001% by weight, Cr: 0.08% by weight, Zr: 0. 05% by weight, Na <0.001% by weight, Sr <0.001% by weight, Sb <0.001% by weight, Zn: 0.03% by weight, and the balance was Al except for impurities.
[0025]
When the temperature of the aluminum alloy melt dropped to 660 ° C., it was cast into a die casting mold to produce a piston having the shape shown in FIG. 1 and having an outer diameter of 84 mm and a height of 72 mm. Prior to casting, a mold release agent was applied to the inner surface of the mold heated to 200 ° C., and the cavity was evacuated at a suction rate of 700 mbar / sec to reduce the degree of vacuum to 75 mbar, and then at a pressure of 1200 mbar. The atmosphere was adjusted by blowing oxygen to overflow. Also, a lubricant was applied to a plunger for pressing the molten aluminum alloy into the cavity.
After cooling and solidification of the aluminum alloy cast in the cavity with the adjusted atmosphere, the product piston was removed from the mold by casting. A test piece was cut out from the obtained product, the components were analyzed, the microstructure was observed, and the amount of occluded gas and the number of inclusions were measured. Further, after the cast product was subjected to a T5 treatment of heating at 220 ° C. for 6 hours, mechanical properties were investigated. The amount of occluded gas was measured by the Lansley method.
[0026]
In the measurement of the number of inclusions, a notch was cut into a long thick plate cut from a cast piston at a height of 0.5 cm and a length of 5 cm, and the plate was broken with the naked eye and a 10-fold loupe. Observing 10 fracture surfaces (2 surfaces) of 5 cm, that is, an area of 25 cm ² in total, as data of one sample, counting the number of inclusions as an average value of data of 7 samples, and converting the count number to 1 cm ² It was calculated _{K 10} value by. Most of the inclusions were oxide-based, and the inclusions of about 0.1 to 3 mm had a blackish color tone.
Table 1 shows the survey results. For comparison, a piston manufactured under the same conditions except for casting by gravity casting (Comparative Example 1), without degassing / deslagging a molten aluminum alloy melted at 780 ° C. without holding treatment Similarly, a piston (Comparative Example 2) manufactured by casting a mold having a cavity whose atmosphere was adjusted when the temperature was lowered to 660 ° C. was also examined.
[0027]
Comparative Example 1 was made from an aluminum alloy melt prepared under the same conditions, and thus the number of inclusions was almost the same. However, since the cooling rate was slow, the primary crystal was produced. Si had an average grain size of 16 μm, and the Al-Ni-based and Al-Ni-Cu-based crystallization had a large cast structure with an average grain size of 35 μm. The mechanical properties at high temperature were inferior due to coarse crystals. However, the amount of occluded gas was slightly smaller than that of the inventive example and the comparative example 2 manufactured by the die casting method.
In Comparative Example 2, a large number of inclusions were dispersed in the obtained die-cast product because the holding treatment for floating and separating the inclusions was not performed. Although the amount of occluded gas was low, the mechanical properties at high temperatures were inferior to those of the examples of the present invention.
In contrast, the examples of the present invention had a structure in which the inclusions were small and crystallized substances of an appropriate size were dispersed. The amount of occluded gas showed almost the same low value as Comparative Example 1 manufactured by gravity casting, despite being one type of die casting method. Therefore, the tensile strength at 350 ° C. becomes 100 MPa or more and the high temperature fatigue strength (× 10 ⁷ cycles) becomes 60 MPa or more by the die casting method, which is much more productive than the gravity casting method, and it is operated in a high temperature atmosphere. It can be used as a piston for a direct injection type engine.
[0028]

[0029]
【The invention's effect】
As described above, the die-casting piston of the present invention has a very low occluded gas amount despite being manufactured by the die-casting method. There is no casting defect such as porosity, and the strength can be improved by heat treatment without swelling. In this way, because it can be manufactured by the die-casting method with excellent productivity, it is used for various internal combustion engines such as a direct injection type engine operated in a high-temperature atmosphere, and has excellent high-temperature strength, high-temperature fatigue strength, and wear resistance. Die cast pistons are provided at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a piston manufactured in Example.

Claims

Si: 11 to 16% by weight, Mg: 0.5 to 2.0% by weight, Cu: 3 to 7% by weight, Ni: 3 to 7% by weight, Fe: 0.2 to 1.5% by weight, Mn: 0.2 to 1.0% by weight, P: 0.003 to 0.015% by weight, Ca: 0.002% by weight or less, the balance is substantially Al, and the total amount of other impurities is 0.2%. % Of the molten aluminum alloy having a composition regulated to not more than 10% by weight and subjected to degassing / deslagging treatment and held at 740 to 780 ° C. A method for producing a die-cast piston excellent in high-temperature fatigue strength, wherein the die is press-fitted at a casting temperature of 650 to 740 ° C. into a mold cavity whose atmosphere has been adjusted by blowing air.

The molten aluminum alloy further contains Ti: 0.01 to 0.3% by weight, B: 0.0001 to 0.03% by weight, Cr: 0.01 to 0.3% by weight, Zr: 0.01 to 0. The method for producing a die-cast piston excellent in high-temperature fatigue strength according to claim 1, which contains at least one of 3% by weight.

The method for producing a die-cast piston excellent in high-temperature fatigue strength according to claim 1 or 2, wherein after casting, aging treatment is performed at 170 to 230 ° C for 1 to 10 hours .

3. An excellent high-temperature fatigue strength according to claim 1 or 2, wherein after casting, a solution heat treatment at 470 to 500 ° C for 1 to 10 hours, a water quenching, and an aging treatment at 170 to 230 ° C for 1 to 10 hours are applied . A method for manufacturing a die-cast piston.