JP4026563B2 - Aluminum cast alloy piston and method of manufacturing the same - Google Patents

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Description

本発明は、アルミニウム鋳造合金製ピストン及びその製造方法に関する。   The present invention relates to an aluminum cast alloy piston and a method for manufacturing the same.

自動車のエンジン等の内燃機関においては、それを構成する部品としてピストンが不可欠であり、従来よりアルミニウム鋳造合金を用いて作製されている。このアルミニウム鋳造合金としては、種々のものが提案され改善がなされてきている。
例えば、特許文献1の「高温強度に優れた内燃機関ピストン用アルミニウム合金及び製造方法」においては、Cu:3〜7重量%、Si:8〜13重量%、Mg:0.3〜1重量%、Fe:0.1〜1.0重量%、Ti:0.01〜0.3重量%、P:0.001〜0.01重量%、Ca:0.0001〜0.01重量%及び必要に応じてNi:0.2〜2.5重量%を含み、P/Caが重量比で0.5〜50の範囲に調整されている合金が公開されている。
In an internal combustion engine such as an automobile engine, a piston is indispensable as a component constituting the engine, and is conventionally produced using an aluminum cast alloy. Various aluminum casting alloys have been proposed and improved.
For example, in the “aluminum alloy and manufacturing method for an internal combustion engine piston excellent in high-temperature strength” of Patent Document 1, Cu: 3 to 7 wt%, Si: 8 to 13 wt%, Mg: 0.3 to 1 wt% Fe: 0.1 to 1.0 wt%, Ti: 0.01 to 0.3 wt%, P: 0.001 to 0.01 wt%, Ca: 0.0001 to 0.01 wt% and necessary Accordingly, an alloy containing Ni: 0.2 to 2.5% by weight and having P / Ca adjusted to a range of 0.5 to 50 by weight is disclosed.

上記特許文献1に示された合金は、従来よりある合金に比べ優れた耐磨耗性を維持し、且つ高温強度が改善されるという特徴を有する。しかし、熱疲労特性については全く考慮されておらず、耐熱疲労性が低いという問題がある。さらに、気孔が発生し易く疲労特性のばらつきが大きいという問題もある。   The alloy disclosed in Patent Document 1 has the characteristics of maintaining excellent wear resistance and improving high-temperature strength compared to conventional alloys. However, thermal fatigue characteristics are not considered at all, and there is a problem that heat fatigue resistance is low. Further, there is a problem that pores are easily generated and the variation in fatigue characteristics is large.

また上記合金ではCuやNiなど耐熱性を高める成分の増量により高温強度をある程度高めているが、さらに添加量を高めると延性が低下し、それにより疲労強度および熱疲労特性が低下してしまうという問題が生じる。またCu量が高いとCu化合物が晶出する最終凝固部が材料内に点在し、その部分に凝固収縮により気孔が生じてしまう。
このように、耐熱成分を増量する従来の方法だけでは、熱疲労特性をはじめとするピストン頂面部に要求される実用疲労特性を向上することは到底できない。
特開平8−104937号公報
Further, in the above alloy, the high temperature strength is increased to some extent by increasing the amount of components that enhance heat resistance such as Cu and Ni. However, if the addition amount is further increased, the ductility is lowered, thereby reducing the fatigue strength and thermal fatigue characteristics. Problems arise. Further, when the amount of Cu is high, final solidified portions where the Cu compound crystallizes are scattered in the material, and pores are generated in the portions due to solidification shrinkage.
As described above, the conventional method of increasing the heat-resistant component alone cannot improve the practical fatigue characteristics required for the piston top surface portion including the thermal fatigue characteristics.
JP-A-8-104937

本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、従来よりも耐熱疲労性に優れたアルミニウム鋳造合金製ピストンおよびその製造方法を提供しようとするものである。   The present invention has been made in view of such conventional problems, and an object of the present invention is to provide a piston made of an aluminum cast alloy that is more excellent in heat fatigue resistance than the conventional one and a method for manufacturing the same.

第1の発明は、Mg:0.2mass%以下、Ti:0.05〜0.3mass%、Si:10〜21mass%、Cu:2〜3.5mass%、Fe:0.1〜0.7mass%、Ni:1〜3mass%、P:0.001〜0.02mass%を含有し、残部Alおよび不純物からなるアルミニウム鋳造合金よりなることを特徴とするアルミニウム鋳造合金製ピストンにある(請求項1)。   In the first invention, Mg: 0.2 mass% or less, Ti: 0.05 to 0.3 mass%, Si: 10 to 21 mass%, Cu: 2 to 3.5 mass%, Fe: 0.1 to 0.7 mass %, Ni: 1 to 3 mass%, P: 0.001 to 0.02 mass%, and made of an aluminum cast alloy composed of the balance Al and impurities. ).

本第1発明では,以下に述べるMg量を低減する手段により,基地アルミ組織の安定化と高延性化を図り,これらにより初めてピストンに必要な耐熱疲労特性が向上することを見出したものである。
Mg量の低減により,基地アルミ相に分散する熱的に不安定なMg2Si系析出物を低減することができる。この析出物は,ピストンの実使用時における加熱によって粗大化し,組織変化をもたらす。したがって上記Mg2Si系析出物の低減により加熱時の組織安定性を向上させることができる
In the first invention, the means for reducing the amount of Mg described below is used to stabilize the base aluminum structure and increase the ductility, and for the first time, it has been found that the heat fatigue resistance necessary for the piston is improved. .
By reducing the amount of Mg, thermally unstable Mg 2 Si-based precipitates dispersed in the base aluminum phase can be reduced. This precipitate is coarsened by heating during actual use of the piston, resulting in a structural change. Therefore, the structure stability during heating can be improved by reducing the Mg 2 Si-based precipitates.

また熱疲労環境下では粗大化した析出物の周囲にひずみ集中が生じ,これにより基地アルミ相の延性が低下し耐熱疲労性が低下する。したがって析出物を生成するMg量の低減は熱疲労環境下における基地アルミ相の延性低下を抑制し,耐熱疲労性の向上をもたらすと考えられる。このようなMg量低減(いわばMgレス化)による耐熱疲労特性の向上は,従来ピストン合金にはない全く新しいコンセプトである。
そして,上記ピストンは,上記のごとく耐熱疲労性を向上させることができ,ピストン全体の耐久性を従来よりも向上させることができる。
なお,上記ピストンは,後述するごとく鋳造後熱処理することなく鋳放し状態のものであっても上記の優れた耐熱疲労性が得られる。一方,後述するごとく,鋳造後に各種の熱処理を加えることによって多様な性能を付与させることが可能である。
In a thermal fatigue environment, strain concentration occurs around the coarse precipitates, which reduces the ductility of the base aluminum phase and decreases the thermal fatigue resistance. Therefore, it is considered that the reduction of the amount of Mg that forms precipitates suppresses the decrease in ductility of the base aluminum phase in a thermal fatigue environment and improves the thermal fatigue resistance. This improvement in heat-resistant fatigue properties by reducing the amount of Mg (so-called Mg-less) is a completely new concept not found in conventional piston alloys.
The piston can improve the heat fatigue resistance as described above, and the durability of the whole piston can be improved as compared with the conventional case.
The above-described excellent heat fatigue resistance can be obtained even when the piston is in an as-cast state without being heat-treated after casting as will be described later. On the other hand, as described later, various performances can be imparted by applying various heat treatments after casting.

以下に,各合金元素量の限定理由を記する。
Mg:0.2mass%以下,
Mgは組織安定化と延性向上のために低減した。Mg含有量が0.2%を超えると,熱疲労環境下での基地アルミ部の延性が低下して,熱疲労亀裂が生じやすくなるデメリットが生じる。好ましい範囲は0.1%以下であり,この場合には上記効果がより明確に発現され,より好ましい範囲は0.05%以下である。最適量はゼロである。含有量が少ないほど上記メリットは大きいが,コスト高となるため,上記の限定を行っている。したがって,Mgの含有量としては,0〜0.2mass%(0を含まず)の範囲が好ましい。
The reasons for limiting the amount of each alloy element are described below.
Mg: 0.2 mass% or less,
Mg was reduced to stabilize the structure and improve ductility. If the Mg content exceeds 0.2%, the ductility of the base aluminum part in a thermal fatigue environment is lowered, and there is a demerit that thermal fatigue cracks are likely to occur. A preferable range is 0.1% or less, and in this case, the above effect is more clearly expressed, and a more preferable range is 0.05% or less. The optimal amount is zero. The smaller the content, the greater the merit, but the higher the cost, so the above limitation is made. Therefore, the Mg content is preferably in the range of 0 to 0.2 mass% (not including 0).

Ti:0.05〜0.3mass%,
Ti含有量が0.05%未満の場合,基地アルミ中のTi固溶量が低く,十分な固溶強化が得られない。0.3%以上の場合,基地アルミ相がTi固溶により硬くなりすぎてせん断破壊を生じるおそれがあると共に,粗大なTi化合物が生成し靭性が低下するおそれがある。
なお,Tiの添加をAl−Ti−B合金,Al−Ti−C合金などによって行う場合には,不純物としてBおよびCの含有を許容する。好ましいTi含有量の範囲は,0.15〜0.3%である。0.15%以上では十分な結晶粒の微細化によって組織が均質化するため,疲労強度が向上する。
Ti: 0.05 to 0.3 mass%,
When the Ti content is less than 0.05%, the Ti solid solution amount in the base aluminum is low and sufficient solid solution strengthening cannot be obtained. If it is 0.3% or more, the base aluminum phase may become too hard due to Ti solid solution to cause shear fracture, and a coarse Ti compound may be generated to reduce toughness.
Note that when Ti is added by an Al—Ti—B alloy, an Al—Ti—C alloy, or the like, the inclusion of B and C as impurities is allowed. A preferable range of Ti content is 0.15 to 0.3%. If it is 0.15% or more, the structure is homogenized by sufficient crystal grain refinement, so that the fatigue strength is improved.

Cu:2〜3.5mass%,
Cu含有量が2%未満では,350℃付近の高温耐力が十分でなく,疲労強度も不足する。3.5%を超えると,Cu化合物が晶出する最終凝固部が点在して,凝固収縮によりこの部位に気孔が生成し,疲労強度が低下する。好ましい範囲は2.5〜3.25%である。この範囲で,安定してより高い疲労特性が得られる。
Cu: 2 to 3.5 mass%,
If the Cu content is less than 2%, the high-temperature proof stress near 350 ° C. is not sufficient, and the fatigue strength is insufficient. If it exceeds 3.5%, the final solidified parts where the Cu compound crystallizes are scattered, and pores are generated in this part due to solidification shrinkage, resulting in a decrease in fatigue strength. A preferable range is 2.5 to 3.25%. Within this range, higher fatigue characteristics can be obtained stably.

Si:10〜21mass%,
Si含有量が10%未満の場合,Pを添加しても過共晶凝固させることができず,亜共晶凝固してしまうおそれがある。亜共晶凝固になると,凝固時に気孔の原因となるガスを放出する基地α−Al相が分散して凝固し,最終凝固部が点在するため気孔が生じやすい。一方,21%を超えると粗大な初晶Siが多量に生成して,低温での延性や靭性が著しく低下するおそれがある。また,被削性が著しく低下するおそれがある。
Si量が高いほど350℃付近の高温疲労強度は向上する。好ましい範囲は11〜17%である。この範囲において安定して過共晶凝固が得られるとともに,初晶Siの大きさ,量が適度であるため,より高い疲労特性と適度な被削性が得られる。
Si: 10 to 21 mass%,
If the Si content is less than 10%, hypereutectic solidification cannot be achieved even if P is added, and there is a risk of hypoeutectic solidification. In the case of hypoeutectic solidification, the matrix α-Al phase that releases the gas that causes pores during solidification is dispersed and solidified, and pores are likely to be formed because the final solidified portions are scattered. On the other hand, if it exceeds 21%, a large amount of coarse primary crystal Si is generated, and the ductility and toughness at a low temperature may be remarkably lowered. In addition, machinability may be significantly reduced.
The higher the Si content, the higher the high temperature fatigue strength around 350 ° C. A preferred range is 11-17%. In this range, hypereutectic solidification can be obtained stably, and since the size and amount of primary crystal Si are appropriate, higher fatigue properties and appropriate machinability can be obtained.

Fe:0.1〜0.7mass%,
Fe含有により,Fe化合物が晶出物として生成する。この晶出物の分散強化により高温耐力が向上する。0.1%未満では晶出物が少なく,高温耐力の向上が十分でない。0.7%を超えると,粗大なFe化合物を生成しやすく,応力集中により疲労特性が低下するおそれがある。なお,Fe化合物とはFeを含む化合物の総称である。
Fe: 0.1-0.7 mass%,
The Fe compound is formed as a crystallized product by containing Fe. The high-temperature proof stress is improved by the dispersion strengthening of the crystallized product. If it is less than 0.1%, there are few crystallized substances, and the high-temperature yield strength is not sufficiently improved. If it exceeds 0.7%, a coarse Fe compound is likely to be formed, and the fatigue characteristics may be reduced due to stress concentration. The Fe compound is a generic name for compounds containing Fe.

Ni:1〜3mass%,
NiもFe,Mnの場合と同様に,化合物を晶出させ,分散強化による高温耐力の向上に寄与する。Ni含有量が1%未満では,Ni化合物の晶出が少なく,高温耐力の向上が不十分である。3%を超えると粗大なNi化合物が晶出し,応力集中により疲労特性が低下するおそれがある。
Ni: 1 to 3 mass%,
Similar to the case of Fe and Mn, Ni crystallizes the compound and contributes to the improvement of the high temperature proof stress by dispersion strengthening. If the Ni content is less than 1%, the crystallization of the Ni compound is small and the improvement in high-temperature proof stress is insufficient. If it exceeds 3%, a coarse Ni compound crystallizes out, and there is a risk that fatigue characteristics will deteriorate due to stress concentration.

P:0.001〜0.02mass%,
P添加により,安定した過共晶凝固を達成し,気孔発生を防止する。また初晶Siを微細化し,延性や靭性を確保する。0.02mass%を超えると,湯流れ性が悪化し,湯廻り不良などの鋳造欠陥が生じ易い。
P: 0.001 to 0.02 mass%,
By adding P, stable hypereutectic solidification is achieved, and pore generation is prevented. The primary Si is refined to ensure ductility and toughness. If it exceeds 0.02 mass%, the flowability of the hot water deteriorates and casting defects such as poor hot water are likely to occur.

第2の発明は,Mg:0.2mass%以下,Ti:0.05〜0.3mass%,Si:10〜21mass%,Cu:2〜3.5mass%,Fe:0.1〜0.7mass%,Ni:1〜3mass%,P:0.001〜0.02mass%を含有し,残部Alおよび不純物からなるアルミニウム鋳造合金を用い,
該アルミニウム鋳造合金を鋳造してピストンを形成する鋳造工程と,
上記ピストンに切削加工を施す切削工程とを含むことを特徴とするアルミニウム鋳造合金製ピストンの製造方法にある(請求項7)。
2nd invention is Mg: 0.2 mass% or less, Ti: 0.05-0.3 mass%, Si: 10-21 mass%, Cu: 2-3.5 mass%, Fe: 0.1-0.7 mass %, Ni: 1 to 3 mass%, P: 0.001 to 0.02 mass%, and using an aluminum cast alloy composed of the balance Al and impurities,
A casting process in which the cast aluminum alloy is cast to form a piston;
The manufacturing method of the piston made from an aluminum casting alloy characterized by including the cutting process which cuts the said piston.

この製造方法によれば,上述した優れた耐熱疲労性を有する上記ピストンを容易に製造することができる。ここで,上記鋳造工程後には,特に熱処理を行わず,鋳放し状態とすることができる。また,後述するごとく,鋳造工程後に各種の熱処理を加えることもできる。
なお,上記アルミニウム鋳造合金の各合金元素の限定理由は上記と同様である。
According to this manufacturing method, it is possible to easily manufacture the piston having the excellent heat fatigue resistance described above. Here, after the casting process, it can be in an as-cast state without any heat treatment. As will be described later, various heat treatments can be applied after the casting process.
The reasons for limiting the alloy elements of the aluminum cast alloy are the same as described above.

第3の発明は,Mg:0.2〜2mass%,Ti:0.05〜0.3mass%,Si:10〜21mass%,Cu:2〜3.5mass%,Fe:0.1〜0.7mass%,Ni:1〜3mass%,P:0.001〜0.02mass%を含有し,残部Alおよび不純物からなるアルミニウム鋳造合金よりなり,
使用開始前のビッカース硬さがHV70〜100であることを特徴とするアルミニウム鋳造合金製ピストンにある(請求項15)。
The third invention is Mg: 0.2-2 mass%, Ti: 0.05-0.3 mass%, Si: 10-21 mass%, Cu: 2-3.5 mass%, Fe: 0.1-0. 7 mass%, Ni: 1 to 3 mass%, P: 0.001 to 0.02 mass%, made of an aluminum casting alloy composed of the balance Al and impurities,
A piston made of an aluminum casting alloy having a Vickers hardness before starting use of HV 70 to 100 (claim 15).

このピストンを構成するアルミニウム鋳造合金は,上記第1の側面の合金に比較して,Mg量を高く設定し,0.2〜2mass%としてある。それと共に,その製造工程において例えば焼鈍を施して,ピストンとして内燃機関に組み込んで使用を開始する前のビッカース硬さがHV70〜100の範囲に調整してある。
これにより,上記ピストンは,耐熱疲労性を向上させることができ,ピストン全体の耐久性を従来よりも向上させることができる。
The aluminum casting alloy constituting this piston has a Mg amount set higher than that of the alloy on the first side surface, and is 0.2 to 2 mass%. At the same time, in the manufacturing process, for example, annealing is performed, and the Vickers hardness before being used as a piston in an internal combustion engine is adjusted to the range of HV70-100.
Thereby, the said piston can improve heat fatigue resistance, and can improve durability of the whole piston than before.

上記のごとくMgの含有量は0.2〜2mass%に高める。MgはMg2Si系の析出物を生成させ,その析出強化によって200℃以下の低温での耐力を改善することができる。Mg含有量が増すとMg2Siが凝固過程で晶出物として生成する。Mg含有量が2mass%を超えると,その晶出量が多くなりすぎ,また,粗大化するので,これにより靭性が低下する。一方,0.2mass%未満では析出量が少なく,200℃での材料としての疲労強度が十分でない。 As described above, the Mg content is increased to 0.2 to 2 mass%. Mg forms Mg 2 Si-based precipitates, and the yield strength at a low temperature of 200 ° C. or lower can be improved by precipitation strengthening. When the Mg content increases, Mg 2 Si is generated as a crystallized product during the solidification process. If the Mg content exceeds 2 mass%, the amount of crystallization becomes too large, and it becomes coarser, thereby reducing the toughness. On the other hand, if it is less than 0.2 mass%, the amount of precipitation is small, and the fatigue strength as a material at 200 ° C. is not sufficient.

また,上記のごとく,ピストンの硬度は,ビッカース硬さがHV70〜100の範囲となるようにしてある。これにより,Mg含有量が多くても,優れた耐熱疲労性を実現することができる。さらに寸法安定性が高まるという付加的効果も得られる。
上記ビッカース硬さがHV100を超える場合には,耐熱疲労性向上効果があまり得られない。また,上記アルミニウム鋳造合金の硬さは,上記組成の範囲では,下限値のHV70より低い硬さとすることは困難である。なお,HV80未満の場合には,温度200℃以下の環境下における疲労強度が十分でないおそれがある。また,HV95以下の場合には,上述した耐熱疲労性向上の効果がより明確となる。それ故,上記ピストンの硬度は,ビッカース硬さHV80〜95がより好ましい。
なお,本明細書で述べるビッカース硬さとは,荷重10kg,圧入時間30秒の条件で求めた値を基準とし,組織によるバラツキが出ないように比較的大きな圧痕から求めた組織全体の平均的な値を意味する。
Further, as described above, the hardness of the piston is such that the Vickers hardness is in the range of HV 70-100. Thereby, even if there is much Mg content, the outstanding heat fatigue resistance is realizable. Furthermore, an additional effect that the dimensional stability is increased can be obtained.
When the Vickers hardness exceeds HV100, the effect of improving the heat fatigue resistance is not obtained so much. Moreover, it is difficult for the hardness of the aluminum cast alloy to be lower than the lower limit value of HV70 within the range of the composition. If the temperature is less than HV80, the fatigue strength in an environment at a temperature of 200 ° C. or less may not be sufficient. Moreover, in the case of HV95 or less, the effect of improving the heat fatigue resistance described above becomes clearer. Therefore, the hardness of the piston is more preferably Vickers hardness HV 80 to 95.
The Vickers hardness described in this specification is based on the value obtained under the conditions of a load of 10 kg and a press-fitting time of 30 seconds. Mean value.

第4の発明は,Mg:0.2〜2mass%,Ti:0.05〜0.3mass%,Si:10〜21mass%,Cu:2〜3.5mass%,Fe:0.1〜0.7mass%,Ni:1〜3mass%,P:0.001〜0.02mass%を含有し,残部Alおよび不純物からなるアルミニウム鋳造合金を用い,
該アルミニウム鋳造合金を鋳造してピストンを形成する鋳造工程と,
使用開始前の上記ピストンのビッカース硬さがHV70〜100の範囲となるように,温度250〜400℃に0.5〜24時間保持する焼鈍工程と,
該焼鈍工程よりも前又は後に上記ピストンに切削加工を施す切削工程とを含むことを特徴とするアルミニウム鋳造合金製ピストンの製造方法にある(請求項20)。
The fourth invention is Mg: 0.2-2 mass%, Ti: 0.05-0.3 mass%, Si: 10-21 mass%, Cu: 2-3.5 mass%, Fe: 0.1-0. 7 mass%, Ni: 1 to 3 mass%, P: 0.001 to 0.02 mass%, and using an aluminum cast alloy composed of the balance Al and impurities,
A casting process in which the cast aluminum alloy is cast to form a piston;
An annealing step of holding the piston at a temperature of 250 to 400 ° C. for 0.5 to 24 hours so that the Vickers hardness of the piston before use is in the range of HV 70 to 100,
And a cutting step of cutting the piston before or after the annealing step (claim 20).

この製造方法によれば,上述した優れた耐熱疲労性を有する上記ピストンを容易に製造することができる。
なお,上記アルミニウム鋳造合金の各合金元素の限定理由は上記と同様である。
According to this manufacturing method, it is possible to easily manufacture the piston having the excellent heat fatigue resistance described above.
The reasons for limiting the alloy elements of the aluminum cast alloy are the same as described above.

上記第1又は第2の発明においては,上記アルミニウム鋳造合金は,さらに,V:0.02〜0.3mass%,又はZr:0.02〜0.3mass%の少なくとも一種以上を含有していることが好ましい(請求項2、8)。
V添加により,高温耐力が増加し高温疲労強度がさらに高まる。また,V添加は耐熱疲労性を損なうことなく,高温疲労強度を向上させるという付加的効果を発現できる。V含有量が0.02%未満では高温耐力の向上が不十分である。0.3%を超えると均一な溶解が難しく,未溶解のV化合物が介在物となって疲労強度が低くなるおそれがある。
In the first or second invention, the aluminum cast alloy further contains at least one of V: 0.02 to 0.3 mass% or Zr: 0.02 to 0.3 mass%. (Claims 2 and 8).
The addition of V increases the high temperature proof stress and further increases the high temperature fatigue strength. Further, the addition of V can exhibit the additional effect of improving the high temperature fatigue strength without impairing the heat fatigue resistance. If the V content is less than 0.02%, the improvement in high-temperature yield strength is insufficient. If it exceeds 0.3%, uniform dissolution is difficult, and the undissolved V compound may become inclusions and the fatigue strength may be lowered.

Zr添加により,高温耐力が増加し高温疲労強度がさらに高まる。また,Zr添加は上記の耐熱疲労性を損なうことなく,高温疲労強度を向上させるという付加的効果を発現できる。さらに,Zr添加により結晶粒が微細化し,安定した疲労特性が得られる。Zr含有量が0.02%未満では高温耐力の向上が不十分である。0.3%を超えると均一な溶解が難しく,未溶解のZr化合物が介在物となって疲労強度が低くなるおそれがある。   Addition of Zr increases the high temperature proof stress and further increases the high temperature fatigue strength. Further, the addition of Zr can exhibit an additional effect of improving the high temperature fatigue strength without impairing the heat fatigue resistance. Furthermore, the addition of Zr makes the crystal grains finer and stable fatigue characteristics can be obtained. If the Zr content is less than 0.02%, the improvement in high-temperature proof stress is insufficient. If it exceeds 0.3%, uniform dissolution is difficult, and undissolved Zr compounds become inclusions, which may reduce fatigue strength.

また,上記第1又は第2の発明のピストンにおいて,上記アルミニウム鋳造合金は,さらに,Mn:0.2〜0.7mass%を含有していることが好ましい(請求項3、9)。
MnもFeと同様,化合物を晶出させ,分散強化による高温耐力の向上に寄与する。また,基地アルミ中に固溶して,固溶強化により高温耐力を向上させる効果もあり,0.2mass%以上含有することが好ましい。0.7%を超えると,粗大なMn化合物を生成しやすく,応力集中が生じて疲労特性が低下するおそれがある。なお,Mn化合物とはMnを含む化合物の総称である。Mnはまた,Fe化合物中にも含有される。例えばAl−Si−Fe−Mn化合物は,FeおよびMnを含むので,Fe化合物とMn化合物の両方に属する。
同様に,高温耐力向上のため,Fe含有量も0.2mass%以上とすることが好ましい。
In the piston of the first or second invention, it is preferable that the aluminum casting alloy further contains Mn: 0.2 to 0.7 mass% (claims 3 and 9).
Mn, like Fe, crystallizes a compound and contributes to the improvement of high-temperature proof stress by dispersion strengthening. Moreover, it has the effect of improving the high temperature proof stress by solid solution in the base aluminum and solid solution strengthening. If it exceeds 0.7%, a coarse Mn compound is likely to be generated, stress concentration occurs, and the fatigue characteristics may be deteriorated. The Mn compound is a general term for compounds containing Mn. Mn is also contained in the Fe compound. For example, since an Al—Si—Fe—Mn compound contains Fe and Mn, it belongs to both the Fe compound and the Mn compound.
Similarly, the Fe content is preferably set to 0.2 mass% or more in order to improve the high-temperature yield strength.

また,上記第1の発明のピストンは,ピストンの使用開始前のビッカース硬さがHV70〜100であることが好ましい(請求項5)。これにより,さらに耐熱疲労性を向上させることができる。上記ビッカース硬さがHV100を超える場合には,耐熱疲労性向上効果があまり得られない。また,上記アルミニウム鋳造合金の硬さは,上記組成の範囲では,下限値のHV70より低い硬さとすることは困難である。なお,HV80未満の場合には,温度200℃以下の環境下における疲労強度が十分でないおそれがある。また,HV95以下の場合には,上述した耐熱疲労性向上の効果がより明確となる。それ故,上記ピストンの硬度は,ビッカース硬さHV80〜95がより好ましい。上記のように硬さが低い方が耐熱疲労性が向上するのは,前述した様に組織の安定性が高まることによる効果である。さらに硬さを低めることによって寸法安定性が高まるという付加的効果も得られる。   The piston according to the first aspect of the present invention preferably has a Vickers hardness of HV70 to 100 before the start of use of the piston. Thereby, the heat fatigue resistance can be further improved. When the Vickers hardness exceeds HV100, the effect of improving the heat fatigue resistance is not obtained so much. Moreover, it is difficult for the hardness of the aluminum cast alloy to be lower than the lower limit value of HV70 within the above composition range. When the temperature is less than HV80, the fatigue strength in an environment of a temperature of 200 ° C. or less may not be sufficient. Moreover, in the case of HV95 or less, the effect of improving the heat fatigue resistance described above becomes clearer. Therefore, the hardness of the piston is more preferably Vickers hardness HV 80 to 95. As described above, the heat fatigue resistance is improved when the hardness is lower, as described above, due to an increase in the stability of the structure. Furthermore, the additional effect that dimensional stability increases by reducing hardness is also acquired.

また,上記第1の発明においては,上記ピストンに内在する非金属介在物のサイズが100μm未満であることが好ましい(請求項6)。上記介在物のサイズが100μm以上の場合には,疲労強度及び熱疲労寿命が著しく低下するという問題がある。また,上記介在物のサイズとしては,50μm以下が好ましい。ここで,上記介在物のサイズとは,ピストンの金属組織または破面を観察した際に見られる上記介在物の内,面積が最大のものの代表的なサイズを言う。代表的なサイズの求め方としては,例えば面積の平方根などを取る方法がある。   In the first aspect of the invention, it is preferable that the size of the non-metallic inclusions present in the piston is less than 100 μm. When the size of the inclusion is 100 μm or more, there is a problem that fatigue strength and thermal fatigue life are remarkably lowered. Further, the size of the inclusion is preferably 50 μm or less. Here, the size of the inclusion refers to a representative size of the inclusion having the largest area among the inclusions observed when the metal structure or fracture surface of the piston is observed. As a typical method of obtaining the size, there is a method of taking the square root of the area, for example.

なお,上記介在物としては,例えば,Alを主成分とする酸化物や,硫化物,窒化物,炭化物,ケイ酸塩などがある。   Examples of the inclusion include oxides mainly composed of Al, sulfides, nitrides, carbides, and silicates.

次に,上記第2の発明においては,上記鋳造工程により上記ピストンを形成した後,室温まで放冷することが好ましい。すなわち,上記ピストンの鋳造後,熱処理を行うことなく放冷した鋳放し状態で上記ピストンを使用することが好ましい(請求項11)。この場合には,製造工程を合理化することができるだけでなく,鋳造後の放冷時に高温で安定な析出物が生成するため組織の安定性が高まり,熱疲労特性が優れるという新たなメリットが生まれる。さらに耐熱性に優れ,高温疲労強度が高いという効果もある。   Next, in the second aspect of the invention, it is preferable that the piston is formed by the casting process and then allowed to cool to room temperature. That is, it is preferable to use the piston in an as-cast state after cooling the piston without performing a heat treatment. In this case, not only can the manufacturing process be streamlined, but also a new merit that the stability of the structure is enhanced and the thermal fatigue properties are excellent because stable precipitates are formed at high temperatures when allowed to cool after casting. . In addition, it has excellent heat resistance and high temperature fatigue strength.

また,上記第2の発明においては,上記鋳造工程により上記ピストンを形成した後,上記切削工程の前又は後に,該ピストンの使用開始前のビッカース硬さがHV70〜100の範囲となるように,温度250〜400℃に0.5〜24時間保持する焼鈍工程を行うことも好ましい(請求項12)。   In the second invention, after the piston is formed by the casting process, before or after the cutting process, the Vickers hardness before the start of use of the piston is in the range of HV70-100. It is also preferable to perform an annealing step of holding at a temperature of 250 to 400 ° C. for 0.5 to 24 hours (claim 12).

上記焼鈍工程は,上記ピストンをエンジンに組み込んで使用するまでのどこかの工程で行えばよく,上記のごとく,切削工程の前でも後でも良い。ただし,上記焼鈍工程は,上記切削工程より前に行うことが好ましい。これにより,焼鈍時に熱影響による変形が生じた場合でも,その後の切削工程において寸法精度を向上させることができる。   The annealing process may be performed in any process until the piston is incorporated into the engine and used, and may be performed before or after the cutting process as described above. However, the annealing step is preferably performed before the cutting step. As a result, even when deformation due to thermal effects occurs during annealing, the dimensional accuracy can be improved in the subsequent cutting process.

上記焼鈍の温度が250℃未満の場合及び保持時間が0.5時間未満の場合には,ピストンの硬度を十分に軟化させることができず,ビッカース硬さをHV100以下にすることが困難となる。一方,焼鈍温度が400℃を超える場合には,CuやMgが再固溶して焼鈍後の冷却時及びその後の常温保持において析出硬化が生じ,硬さが高くなってしまうという問題がある。また,保持時間が24時間を超える場合には熱処理コストが高くなってしまうという問題がある。さらに、焼鈍温度を250℃以上とすることにより、使用時の寸法変化が小さいというメリットが付加される。
なお,上記焼鈍後の冷却は,放冷あるいは水冷のいずれでも良い。
When the annealing temperature is less than 250 ° C. and when the holding time is less than 0.5 hour, the hardness of the piston cannot be sufficiently softened and it becomes difficult to make the Vickers hardness HV100 or less. . On the other hand, when the annealing temperature exceeds 400 ° C., there is a problem that Cu and Mg are re-dissolved and precipitation hardening occurs during cooling after annealing and holding at room temperature thereafter, resulting in increased hardness. Further, when the holding time exceeds 24 hours, there is a problem that the heat treatment cost is increased. Further, by setting the annealing temperature to 250 ° C. or more, a merit that a dimensional change during use is small is added.
The cooling after the annealing may be either cooling or water cooling.

また,上記第2の発明においては,上記鋳造工程の後,上記ピストンを温度450〜510℃に1〜12時間保持する溶体化加熱工程を行い,次いで,上記ピストンを焼き入れする焼き入れ工程を施し,その後,上記焼鈍工程を行うことが好ましい(請求項13)。   In the second aspect of the invention, after the casting step, a solution heating step for holding the piston at a temperature of 450 to 510 ° C. for 1 to 12 hours is performed, and then a quenching step for quenching the piston is performed. After that, it is preferable to perform the annealing step (claim 13).

この場合には,晶出物の角部が丸くなり応力集中が低減すると共に,高温で安定な析出物が生成するため,使用時の析出物の粗大化及びそれに伴う靱性の低下が抑制できるという効果が得られる。
なお,上記焼き入れ工程は,過飽和固溶体を得るために高温から急冷する熱処理工程であり,例えば温水又は冷水中に焼き入れることにより行うことができる。
In this case, the corners of the crystallized material are rounded, stress concentration is reduced, and stable precipitates are generated at high temperatures, so that the coarsening of the precipitates during use and the accompanying decrease in toughness can be suppressed. An effect is obtained.
The quenching step is a heat treatment step of quenching from a high temperature to obtain a supersaturated solid solution, and can be performed by quenching in hot water or cold water, for example.

また,上記溶体化加熱温度が450℃未満の場合には晶出物の角部が十分に丸くならず,また,析出物形成元素の固溶が不十分であるという問題がある。一方,溶体化加熱温度が510℃を超える場合にはCuを含有する化合物が一部溶融し再凝固するときに気孔等の欠陥を生じるおそれがある。
また,上記溶体化加熱温度での保持時間が1時間未満の場合には,上記溶体化加熱温度が450℃未満の場合と同様の問題があり,一方,12時間を超える場合には,熱処理コストが高くなると共に生産効率が悪くなるという問題がある。
In addition, when the solution heating temperature is less than 450 ° C., the corners of the crystallized product are not sufficiently rounded, and the solid solution of the precipitate forming elements is insufficient. On the other hand, when the solution heating temperature exceeds 510 ° C., there is a possibility that defects such as pores may occur when a compound containing Cu partially melts and resolidifies.
Further, when the holding time at the solution heating temperature is less than 1 hour, there is a problem similar to that when the solution heating temperature is less than 450 ° C., whereas when it exceeds 12 hours, the heat treatment cost is increased. However, there is a problem that the production efficiency is deteriorated along with the increase in the manufacturing cost.

また,上記第2の発明においては,上記焼き入れ工程の後,上記ピストンを温度180〜280℃に1〜12時間保持する時効工程を施し,その後,上記焼鈍工程を行うことが好ましい(請求項14)。この場合には,析出物がより均一に分散し,安定して優れた耐熱疲労性が得られる。
一方,上記時効温度が180℃未満の場合には時効時の析出量が十分でないという問題があり,一方,280℃を超える場合には時効時の析出が均一に生じないために,焼鈍により粗大化した析出物の分布も不均質になるという問題がある。
また,上記時効温度での保持時間が2時間未満の場合には,時効析出量が十分でないという問題があり,一方,12時間を超える場合には,それ以上加熱しても効果に大きな変化はなく,コスト高になるという問題がある。
なお,本明細書中に記載する時効工程とは硬さを上げる熱処理工程であり,一方,焼鈍工程とは硬さを下げる熱処理工程を意味する。
In the second aspect of the invention, after the quenching step, it is preferable to perform an aging step of holding the piston at a temperature of 180 to 280 ° C. for 1 to 12 hours, and then perform the annealing step. 14). In this case, precipitates are more uniformly dispersed, and stable and excellent heat fatigue resistance can be obtained.
On the other hand, when the aging temperature is less than 180 ° C, there is a problem that the amount of precipitation during aging is not sufficient. On the other hand, when the aging temperature exceeds 280 ° C, precipitation during aging does not occur uniformly. There is a problem that the distribution of the formed precipitates is also inhomogeneous.
In addition, when the holding time at the aging temperature is less than 2 hours, there is a problem that the amount of aging precipitation is not sufficient. However, there is a problem of high cost.
In addition, the aging process described in this specification is a heat treatment process for increasing the hardness, while the annealing process means a heat treatment process for decreasing the hardness.

なお,上記ピストンの鋳造方法としては,低コストな重力鋳造が利用できる。但し,高圧鋳造,ダイキャストなどでも製造可能である。   As a method for casting the piston, low-cost gravity casting can be used. However, it can also be manufactured by high pressure casting or die casting.

次に,上記第3及び第4の発明においても,上記と同様の理由から,上記アルミニウム鋳造合金は,さらに,V:0.02〜0.3mass%,又はZr:0.02〜0.3mass%の少なくとも一種以上を含有していることが好ましい(請求項16、21)。
また,上記第3及び第4の側面においても,上記と同様の理由から,Mn:0.2〜0.7mass%含有することが好ましい。また,Feの含有量は0.2mass%以上とすることが好ましい(請求項17、22)。
Next, also in the third and fourth inventions, for the same reason as described above, the aluminum cast alloy further contains V: 0.02 to 0.3 mass%, or Zr: 0.02 to 0.3 mass. % Is preferably contained (claims 16 and 21).
Moreover, also in the said 3rd and 4th side surface, it is preferable to contain Mn: 0.2-0.7mass% from the reason similar to the above. The Fe content is preferably 0.2 mass% or more (claims 17 and 22).

また,上記第3の発明においても,上記と同様の理由から,上記ピストンに内在する非金属介在物のサイズが100μm未満であることが好ましい(請求項19)。   Also in the third aspect of the invention, for the same reason as described above, it is preferable that the size of the non-metallic inclusions present in the piston is less than 100 μm.

また,上記第4の発明においては,上述したごとく,上記鋳造工程により上記ピストンを形成した後,上記切削工程の前又は後に,該ピストンの使用開始前のビッカース硬さがHV70〜100の範囲となるように,温度250〜400℃に0.5〜24時間保持する焼鈍工程を行う。   In the fourth invention, as described above, after the piston is formed by the casting process, before or after the cutting process, the Vickers hardness before the start of use of the piston is in the range of HV70-100. Thus, an annealing process is performed in which the temperature is maintained at 250 to 400 ° C. for 0.5 to 24 hours.

この場合の上記焼鈍工程も,上記ピストンをエンジンに組み込んで使用するまでのどこかの工程で行えばよく,上記のごとく,切削工程の前でも後でも良い。ただし,上記焼鈍工程は,寸法精度向上のために,上記切削工程より前に行うことが好ましい。   The annealing process in this case may be performed in any process until the piston is incorporated into the engine and used, and may be performed before or after the cutting process as described above. However, the annealing step is preferably performed before the cutting step in order to improve dimensional accuracy.

上記焼鈍の温度が250℃未満の場合及び保持時間が0.5時間未満の場合には,ピストンの硬度を十分に軟化させることができず,ビッカース硬さをHV100以下にすることが困難となる。一方,焼鈍温度が400℃を超える場合には,CuやMgが再固溶して焼鈍後の冷却時及びその後の常温保持において析出が生じ,硬さが高くなってしまうという問題がある。また,保持時間が24時間を超える場合には熱処理コストが高くなってしまうという問題がある。さらに、250℃以上の焼鈍によって寸法安定性の向上も得られる。
なお,上記焼鈍後の冷却は,放冷あるいは水冷のいずれでも良い。
When the annealing temperature is less than 250 ° C. and when the holding time is less than 0.5 hour, the hardness of the piston cannot be sufficiently softened and it becomes difficult to make the Vickers hardness HV100 or less. . On the other hand, when the annealing temperature exceeds 400 ° C., there is a problem that Cu and Mg are re-dissolved and precipitation occurs at the time of cooling after annealing and at the normal temperature holding thereafter, and the hardness becomes high. Further, when the holding time exceeds 24 hours, there is a problem that the heat treatment cost is increased. Furthermore, the dimensional stability can be improved by annealing at 250 ° C. or higher.
The cooling after the annealing may be either cooling or water cooling.

また,上記第4の発明においても,上記鋳造工程の後,上記ピストンを温度450〜510℃に1〜12時間保持する溶体化加熱工程を行い,次いで,上記ピストンを焼き入れする焼き入れ工程を施し,その後,上記焼鈍工程を行うことが好ましい(請求項24)。   Also in the fourth aspect of the invention, after the casting step, a solution heating step of holding the piston at a temperature of 450 to 510 ° C. for 1 to 12 hours is performed, and then a quenching step of quenching the piston is performed. After that, it is preferable to perform the annealing step (claim 24).

この場合には,晶出物の角部が丸くなり応力集中が低減すると共に,高温で安定な析出物が生成するため,使用時の析出物の粗大化及びそれに伴う靱性の低下が抑制できるという効果が得られる。
なお,上記焼き入れ工程は,例えば温水又は冷水中に焼き入れることにより行うことができる。
In this case, the corners of the crystallized material are rounded, stress concentration is reduced, and stable precipitates are generated at high temperatures, so that the coarsening of the precipitates during use and the accompanying decrease in toughness can be suppressed. An effect is obtained.
In addition, the said quenching process can be performed by quenching in warm water or cold water, for example.

また,上記溶体化加熱温度が450℃未満の場合には晶出物の角部が十分に丸くならず,また,析出物形成元素の固溶が不十分であるという問題がある。一方,溶体化加熱温度が510℃を超える場合にはCuを含有する化合物が一部溶融し再凝固するときに気孔等の欠陥を生じるおそれがある。
また,上記溶体化加熱温度での保持時間が1時間未満の場合には,上記溶体化加熱温度が450℃未満の場合と同様の問題があり,一方,12時間を超える場合には,熱処理コストが高くなると共に生産効率が悪くなるという問題がある。
In addition, when the solution heating temperature is less than 450 ° C., the corners of the crystallized product are not sufficiently rounded, and the solid solution of the precipitate forming elements is insufficient. On the other hand, when the solution heating temperature exceeds 510 ° C., there is a possibility that defects such as pores may occur when a compound containing Cu partially melts and resolidifies.
Further, when the holding time at the solution heating temperature is less than 1 hour, there is a problem similar to that when the solution heating temperature is less than 450 ° C., whereas when it exceeds 12 hours, the heat treatment cost is increased. However, there is a problem that the production efficiency is deteriorated along with the increase in the manufacturing cost.

また,上記第4の側面においても,上記焼き入れ工程の後,上記ピストンを温度180〜280℃に1〜12時間保持する時効工程を施し,その後,上記焼鈍工程を行うことが好ましい(請求項25)。この場合には,析出物がより均一に分散し,安定した優れた耐熱疲労性が得られる。
一方,上記時効温度が180℃未満の場合には時効析出量が十分でないという問題があり,一方,280℃を超える場合には時効析出物が不均一に生成するため,焼鈍により粗大化した析出物の分布も不均質になるという問題がある。
また,上記時効温度での保持時間が2時間未満の場合には,時効析出量が十分でないという問題があり,一方,12時間を超える場合には,それ以上加熱しても効果に大きな変化はなく,コスト高になるという問題がある。
Also in the fourth aspect, after the quenching step, it is preferable to perform an aging step for holding the piston at a temperature of 180 to 280 ° C. for 1 to 12 hours, and then perform the annealing step. 25). In this case, precipitates are more uniformly dispersed, and stable and excellent heat fatigue resistance can be obtained.
On the other hand, when the aging temperature is less than 180 ° C., there is a problem that the amount of aging precipitation is not sufficient. On the other hand, when the aging temperature exceeds 280 ° C., aging precipitates are generated non-uniformly. There is a problem that the distribution of objects becomes inhomogeneous.
In addition, when the holding time at the aging temperature is less than 2 hours, there is a problem that the amount of aging precipitation is not sufficient. However, there is a problem of high cost.

なお,上記第4の側面におけるピストンの鋳造方法としても,低コストな重力鋳造が利用できる。但し,高圧鋳造,ダイキャストなどでも製造可能である。   Note that low-cost gravity casting can also be used as a piston casting method in the fourth aspect. However, it can also be manufactured by high pressure casting or die casting.

上記本発明の第1〜第4の発明においては,上記鋳造合金の成分組成に対して,さらに次のようにすることが好ましい。
<Ca:0.0005〜0.003mass%の添加(請求項4,10,18,23)>
例えば,Ti,Zr,V等の結晶粒微細化元素を含む場合に,微量Caをさらに添加すると,より結晶粒が微細になり,組織が均質化する効果が得られる。Ti等の結晶粒微細化元素を含まない場合,および含んでいても含有量が上記の本発明の範囲に満たない場合には,Caを添加しても結晶粒の微細化効果は得られない。また,本発明の成分範囲であっても,Ca含有量が0.0005mass%未満では,結晶粒の微細化効果が得られず,0.003mass%を超えるとデンドライト組織が顕著になり,組織が不均質化するため好ましくない。また,Ca含有量が多すぎると気孔が発生しやすくなる場合があるので,Ca含有量の上限は0.002%以下とするのがより好ましい。
In the first to fourth aspects of the present invention, it is preferable to further perform the following with respect to the component composition of the cast alloy.
<Ca: Addition of 0.0005 to 0.003 mass% (Claims 4, 10, 18, 23)>
For example, when a crystal grain refining element such as Ti, Zr, V or the like is included, the effect of homogenizing the structure can be obtained by further adding a trace amount of Ca to make the crystal grains finer. When the grain refinement element such as Ti is not included, and even if it is contained, the content is not within the scope of the present invention, the effect of grain refinement cannot be obtained even if Ca is added. . Even in the component range of the present invention, if the Ca content is less than 0.0005 mass%, the effect of crystal grain refinement cannot be obtained, and if it exceeds 0.003 mass%, the dendrite structure becomes prominent, This is not preferable because of inhomogeneity. Moreover, since there is a case where pores are likely to be generated when the Ca content is too large, the upper limit of the Ca content is more preferably 0.002% or less.

<Cr:0.01〜0.5mass%の添加>
微量Cr添加により,結晶粒がより微細になる効果が得られる。この効果は,上記Ca添加の場合と同様に,Ti等の結晶粒微細化元素を十分に含有する本発明の合金でのみ発現する。Cr量が0.01%未満では,結晶粒微細化の効果が小さく,0.5%を超えるとCrを含有する粗大な化合物が生成し,合金の延性が低下する。
<Cr: Addition of 0.01 to 0.5 mass%>
The effect of making the crystal grains finer is obtained by adding a small amount of Cr. This effect appears only in the alloy of the present invention that sufficiently contains grain refinement elements such as Ti, as in the case of Ca addition. If the Cr content is less than 0.01%, the effect of crystal grain refinement is small, and if it exceeds 0.5%, a coarse compound containing Cr is generated, and the ductility of the alloy is lowered.

<B:0.01mass%未満に規制>
B含有量が増えると,耐熱性が低下する。そのため,B含有量は0.01mass%未満に規制することが好ましい。
<B: Restricted to less than 0.01 mass%>
As the B content increases, the heat resistance decreases. For this reason, the B content is preferably regulated to less than 0.01 mass%.

<Be:0.01〜0.5mass%の添加>
BeはFe化合物の形態を改良し鋳造性を改善する効果がある。0.01mass%未満では鋳造性改善効果が十分に認められず,0.5mass%を超えると,Be添加による効果の向上が認められず,コスト的に無駄となるおそれがある。
<Be: Addition of 0.01 to 0.5 mass%>
Be has the effect of improving the form of the Fe compound and improving the castability. If it is less than 0.01 mass%, the effect of improving the castability is not sufficiently observed, and if it exceeds 0.5 mass%, the improvement of the effect due to the addition of Be is not recognized, which may be costly.

<Ti,Zr,Vの最適含有量>
Ti,Zr,Vを共に含有する場合には,Ti:0.15〜0.3mass%,Zr:0.05〜0.12mass%,V:0.03〜0.12mass%とすることが好ましい。これにより,結晶粒が十分に微細化し,最適な均質組織が得られる。Zr含有量及びV含有量が共に0.12mass%を超える場合には,Tiとの化合物が溶解時に生成しやすく,結晶粒の微細化が不十分になると共にデンドライトが整列してミクロ組織が不均質になるおそれがある。
<Optimal content of Ti, Zr, V>
When both Ti, Zr and V are contained, Ti: 0.15 to 0.3 mass%, Zr: 0.05 to 0.12 mass%, V: 0.03 to 0.12 mass% are preferable. . As a result, the crystal grains are sufficiently refined and an optimal homogeneous structure is obtained. When both the Zr content and the V content exceed 0.12 mass%, a compound with Ti is likely to be formed at the time of dissolution, the crystal grains are insufficiently refined, and the dendrite is aligned and the microstructure is not good. May become homogeneous.

<Pの好適含有量>
P含有量が少ない場合には,デンドライトが残存する亜共晶組織になり,ミクロ組織が不均質にあるおそれがある。そのため,P含有量は0.005mass%以上とすることが好ましい。
<Preferable content of P>
When the P content is small, a dendrite remains in a hypoeutectic structure, and the microstructure may be inhomogeneous. Therefore, the P content is preferably 0.005 mass% or more.

(第1実施例)
本例では,ピストン用のアルミニウム鋳造合金として,表1〜表4に示すごとく,本発明の実施例として,Mgレス材(Mg含有量0.2mass%以下)よりなる19種類のアルミニウム鋳造合金(表1)と,Mg含有材(Mg含有量0.2mass%以上)よりなる3種類のアルミニウム鋳造合金(表2)を準備した。さらに,比較例として,Mg含有材6種類(表3)と,Mgレス材3種類のアルミニウム鋳造合金(表4)を準備した。そして,それぞれに種々の製造方法を適用して試験片を作製し,その熱疲労試験を行った。
(First embodiment)
In this example, as shown in Tables 1 to 4 as aluminum casting alloys for pistons, as examples of the present invention, 19 kinds of aluminum casting alloys (less than 0.2 mass% Mg content) made of Mg-less material ( Table 1) and three types of cast aluminum alloys (Table 2) made of Mg-containing material (Mg content of 0.2 mass% or more) were prepared. Furthermore, as a comparative example, six types of Mg-containing materials (Table 3) and three types of Mg-less material cast aluminum (Table 4) were prepared. Then, various manufacturing methods were applied to each to prepare test pieces, and the thermal fatigue test was performed.

まず,表1〜表4に示す化学組成を有する各種アルミニウム合金を溶製した。溶湯温度は740〜760℃とし,フラックス添加による脱酸処理を施した後,真空中で20min間保持する真空脱ガス処理を施した。その後,表面にBNを塗布した室温のJIS4号試験片採取用舟型に,上記溶湯を鋳込んだ。注湯温度は700℃±20℃である。なお舟型は予めバーナー加熱し十分に水分を除去した後室温に冷却したものを用いた。   First, various aluminum alloys having chemical compositions shown in Tables 1 to 4 were melted. The molten metal temperature was 740 to 760 ° C., and after deoxidation treatment by adding flux, vacuum degassing treatment was performed for 20 minutes in vacuum. Thereafter, the molten metal was cast into a JIS No. 4 test piece collecting boat having a surface coated with BN. The pouring temperature is 700 ° C. ± 20 ° C. The boat type used was heated in advance with a burner to remove water sufficiently and then cooled to room temperature.

次に,表5〜表8に示すごとく,得られた鋳造素材に,必要に応じて以下の熱処理を実施した。
<T6処理>:
495℃×3時間の加熱後,50℃の温水中に焼き入れる溶体化処理を施し,次いで210℃×3時間の時効処理を実施。
<T5処理>:
金型に鋳造後,室温まで放冷した後,220℃×6時間の時効処理を実施。
<F処理>:
金型に鋳造後,室温まで放冷のみ。
<水冷T5処理>:
金型に鋳造後,直ぐに,400℃以上の高温状態から50℃の温水中に焼き入れた後,220℃×6時間の時効処理を実施。
<T6+S処理>:
上記T6処理後,350℃×2時間の焼鈍処理を実施。
<T5+S処理>:
上記T5処理後,350℃×2時間の焼鈍処理を実施。
<T6+S4処理>:
上記T6処理後,400℃×2時間の焼鈍処理を実施。
<TS処理>:
495℃×3時間の加熱後,50℃の温水中に焼き入れる溶体化処理を施し,次いで350℃×2時間の焼鈍処理を実施。
Next, as shown in Tables 5 to 8, the following heat treatment was performed on the obtained casting material as necessary.
<T6 treatment>:
After heating at 495 ° C for 3 hours, solution treatment was performed by quenching in warm water at 50 ° C, followed by aging treatment at 210 ° C for 3 hours.
<T5 treatment>:
After casting into a mold, it is allowed to cool to room temperature, and then an aging treatment is performed at 220 ° C for 6 hours.
<F treatment>:
After casting into a mold, it is only allowed to cool to room temperature.
<Water-cooled T5 treatment>:
Immediately after casting into a mold, it was quenched from a high temperature state of 400 ° C or higher into hot water of 50 ° C and then subjected to aging treatment at 220 ° C for 6 hours.
<T6 + S treatment>:
After the T6 treatment, an annealing treatment of 350 ° C x 2 hours was performed.
<T5 + S treatment>:
After the T5 treatment, an annealing treatment of 350 ° C x 2 hours was performed.
<T6 + S4 process>:
After the T6 treatment, an annealing treatment of 400 ° C x 2 hours was performed.
<TS processing>:
After heating at 495 ° C for 3 hours, solution treatment is performed by quenching in warm water at 50 ° C, followed by annealing at 350 ° C for 2 hours.

次に,上記の熱処理を施した鋳造素材から機械加工により熱疲労試験片および硬さ測定試料を採取した。
熱疲労試験片の平行部はφ4mm×長さ6mmとし,舟型底から14mm高さの位置を試験片の軸中心として加工した。
Next, thermal fatigue test pieces and hardness measurement samples were collected from the cast material subjected to the heat treatment by machining.
The parallel part of the thermal fatigue test piece was φ4 mm × length 6 mm, and was processed with the position 14 mm high from the boat bottom as the center of the axis of the test piece.

熱疲労試験は,低熱膨張合金製の拘束ホルダに供試アルミ合金を取り付け加熱・冷却を繰り返す方式で実施した(例えば,(1)特開平7−20031号公報,(2)特願2001−222081,(3)Proceedings of CAMP2002 on High-tempareature Fatigue Eds.:G.Biallas et al., pp.171-178に示される熱疲労試験方法)。   The thermal fatigue test was carried out by attaching a test aluminum alloy to a restraining holder made of a low thermal expansion alloy and repeating heating and cooling (for example, (1) Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-20031, (2) Japanese Patent Application No. 2001-222081. (3) Proceedings of CAMP2002 on High-tempareature Fatigue Eds .: Thermal fatigue test method shown in G. Biallas et al., Pp.171-178).

具体的には,図1〜図3に示すごとく,中央部に両端部よりも断面積が小さな評価部分(平行部)10を有する棒状の熱疲労試験片1を用意する。また,試験温度範囲において上記熱疲労試験片1より熱膨張係数が小さく,かつ熱膨張係数が急激に変化する温度特異点が存在しない低膨張材料からなり,上記熱疲労試験片1の両端部11と接触する両側の固定端部21に複数のV字形の刃22を設けた2枚のホルダ2を用意する。   Specifically, as shown in FIGS. 1 to 3, a rod-shaped thermal fatigue test piece 1 having an evaluation portion (parallel portion) 10 having a smaller cross-sectional area than both ends at the center is prepared. The thermal fatigue test piece 1 is made of a low expansion material having a smaller thermal expansion coefficient than the thermal fatigue test piece 1 and having no temperature singularity where the thermal expansion coefficient changes rapidly. Two holders 2 having a plurality of V-shaped blades 22 provided on the fixed end portions 21 on both sides in contact with each other are prepared.

そして,図3に示すごとく,上記熱疲労試験片1をその両側から上記ホルダ2によって挟持するように拘束するに際し,上記ホルダ2の上記刃22を上記熱疲労試験片1の両端部11に圧入する。それとともに,上記熱疲労試験片1の両端部11と上記ホルダ2の上記固定端部21との間の結合の緩みを防止するために弾性部材31を介して結合手段3によって上記熱疲労試験片1の両端部11と上記ホルダ2の上記固定端部21とを拘束する。   Then, as shown in FIG. 3, when the thermal fatigue test piece 1 is constrained to be sandwiched by the holder 2 from both sides, the blade 22 of the holder 2 is press-fitted into both end portions 11 of the thermal fatigue test piece 1. To do. At the same time, in order to prevent loosening of the connection between the both end portions 11 of the thermal fatigue test piece 1 and the fixed end portion 21 of the holder 2, the thermal fatigue test piece is provided by the coupling means 3 via the elastic member 31. 1 both ends 11 and the fixed end 21 of the holder 2 are restrained.

また,上記熱疲労試験片1の上記評価部分10には必要に応じて(歪み測定の時のみ)熱ひずみを測定するための歪みゲージ59を配置する。
そして,この拘束状態のまま上記熱疲労試験片1および上記ホルダ2の全体に対して加熱・冷却サイクルを繰り返し与えると共に,上記熱疲労試験片1の両端部11と上記ホルダ2の固定端部21との間の結合力が低下することを抑制するための上記結合手段の増し締めを必要に応じて行う。
Further, a strain gauge 59 for measuring thermal strain is disposed in the evaluation portion 10 of the thermal fatigue test piece 1 as required (only when strain is measured).
And while heating and cooling cycles are repeatedly given to the thermal fatigue test piece 1 and the holder 2 as a whole in this restrained state, both end portions 11 of the thermal fatigue test piece 1 and the fixed end portion 21 of the holder 2 are applied. Further tightening of the coupling means for suppressing a decrease in the coupling force is performed as necessary.

そして,上記熱疲労試験片1と上記ホルダ2との熱膨張差により生じる熱ひずみを上記熱疲労試験片1の上記評価部分10に局所的に集中させ,上記熱疲労試験片1が破断した際の上記加熱・冷却サイクルのサイクル数により熱疲労寿命を求める。また上記歪みゲージにより全ひずみ範囲を求める。   And when the thermal fatigue test piece 1 breaks when the thermal strain caused by the thermal expansion difference between the thermal fatigue test piece 1 and the holder 2 is locally concentrated on the evaluation portion 10 of the thermal fatigue test piece 1 The thermal fatigue life is obtained from the number of heating / cooling cycles. Further, the total strain range is obtained by the strain gauge.

本例では,試験温度範囲は50〜350℃,繰り返し速度は4min/サイクルとした。
ホルダの材質はIncoloy903とし,試験片およびホルダの形状は図1,図2に示された寸法が,L0=48mm,L1=46mm,L2=32mm,L3=22mm,t=6mmのものを用いた。
In this example, the test temperature range was 50 to 350 ° C., and the repetition rate was 4 min / cycle.
The material of the holder is Incoloy903, and the shape of the test piece and the holder is as shown in FIGS. 1 and 2 with the dimensions L0 = 48 mm, L1 = 46 mm, L2 = 32 mm, L3 = 22 mm, t = 6 mm. .

まず,熱疲労試験の妥当性を検証すると共に,試験条件を明らかにするために,JIS−AC8A合金製の試験片を用いて熱疲労試験を行い,高温ひずみゲージで試験初期の全ひずみ範囲を実測した。その結果,試験初期の全ひずみ範囲は約0.65%であった。また,試験片の中央平行部での破断が生じ,熱疲労特性の評価ができることを確認した。
なお,上記各合金の試験片を用いた熱疲労試験においては,ホルダと試験片を締結しているボルト・ナットの緩みを防止するため,100,500,1000サイクルと以後1000サイクル毎にボルト・ナットの増し締めを実施した。
First, in order to verify the validity of the thermal fatigue test and clarify the test conditions, a thermal fatigue test is performed using a test piece made of JIS-AC8A alloy, and the total strain range at the initial stage of the test is measured with a high-temperature strain gauge. Measured. As a result, the total strain range at the beginning of the test was about 0.65%. In addition, it was confirmed that the fracture occurred at the central parallel part of the test piece and the thermal fatigue characteristics could be evaluated.
In the thermal fatigue test using the specimens of the above-mentioned alloys, in order to prevent loosening of the bolts and nuts that fasten the holder and the specimen, the bolts and The nuts were tightened.

熱疲労寿命(Nf)は,目視による亀裂観察および試験片上下間の温度差変化(破断すると温度分布が変化するため)から判断した。なお,本試験では目視で確認できるマクロ亀裂が発生すると急激に進展して破断に至るため,マクロ亀裂の発生寿命と破断寿命はほぼ同じと見なされ熱疲労寿命と一元化して表示している。   The thermal fatigue life (Nf) was judged from visual observation of cracks and a change in temperature difference between the upper and lower sides of the specimen (because the temperature distribution changes when it breaks). In this test, when a macro crack that can be visually confirmed is generated, it rapidly progresses and breaks. Therefore, the generation life and the fracture life of the macro crack are considered to be almost the same, and are unified with the thermal fatigue life.

比較例および実施例の合金の性能評価結果を表5〜表8に示す。これらの表において,Mgの有無とは,Mg含有量が0.2mass%以下の場合(実際には0.01mass%未満の場合)をMg無し(Mgレス)として示した。また,HVはビッカース硬さを示す。また,Nfは,熱疲労試験において,試験片が破断した際の上記加熱・冷却サイクルのサイクル数を示している。   Tables 5 to 8 show the performance evaluation results of the alloys of the comparative examples and the examples. In these tables, the presence or absence of Mg indicates that the Mg content is 0.2 mass% or less (actually less than 0.01 mass%) as no Mg (Mg-less). HV represents Vickers hardness. Nf indicates the cycle number of the heating / cooling cycle when the test piece is broken in the thermal fatigue test.

供試合金の特徴をあらためて示すと,次の通りである。
比較例1〜6はMg含有合金で,熱処理は比較例1,2がT6処理,比較例3〜5がT5処理,比較例6が水冷T5処理である。
比較例7〜9はMgレス材であり,熱処理は比較例7,8がF処理,比較例9がT5+S処理である。
The characteristics of the match money are shown again as follows.
Comparative Examples 1 to 6 are Mg-containing alloys, and heat treatments are T6 treatment in Comparative Examples 1 and 2, T5 treatment in Comparative Examples 3 to 5, and water-cooled T5 treatment in Comparative Example 6.
Comparative Examples 7 to 9 are Mg-less materials, and heat treatments are Comparative Examples 7 and 8 for F treatment and Comparative Example 9 for T5 + S treatment.

実施例1〜19及び実施例23,24はMgレス合金であり,熱処理は,実施例1〜3がT6処理,実施例4〜11がT6+S処理,実施例12がTS処理,実施例13がT6+S4処理,実施例14,15がT5処理,実施例16が水冷T5処理,実施例17,18がF処理,実施例19が水冷T5+S処理,実施例23,24がT6処理である。なお,実施例23,24は,Mn含有量を実質的に0(0.01mass%未満)としたものである。
また,実施例20〜22及び実施例25,26はMg含有合金であり,熱処理は実施例20,21がT6+S処理,実施例22が水冷T5+S処理,実施例25,26がT6+S処理である。なお,実施例25,26は,Mn含有量を実質的に0(0.01mass%未満)としたものである。
Examples 1 to 19 and Examples 23 and 24 are Mg-less alloys, and heat treatments are T6 treatment in Examples 1 to 3, T6 + S treatment in Examples 4 to 11, TS treatment in Example 12, and Example 13 T6 + S4 treatment, Examples 14 and 15 are T5 treatment, Example 16 is water-cooled T5 treatment, Examples 17 and 18 are F treatment, Example 19 is water-cooled T5 + S treatment, and Examples 23 and 24 are T6 treatment. In Examples 23 and 24, the Mn content was substantially 0 (less than 0.01 mass%).
Examples 20 to 22 and Examples 25 and 26 are Mg-containing alloys, and heat treatments are T6 + S treatment in Examples 20 and 21, Water-cooled T5 + S treatment in Example 22, and T6 + S treatment in Examples 25 and 26. In Examples 25 and 26, the Mn content was substantially 0 (less than 0.01 mass%).

表5から知られるように,Mg含有量が0.01mass%未満であるMgレス合金は,比較例の合金に比べて熱疲労寿命が長いことが分かる。
表7から知られるように,比較例1〜6の合金のMg量は0.25mass%以上であることから,優れた熱疲労寿命を得るためには少なくともMg量を0.2mass%以下にすることが有効であることが分かる。
As can be seen from Table 5, the Mg-less alloy having an Mg content of less than 0.01 mass% has a longer thermal fatigue life than the alloy of the comparative example.
As can be seen from Table 7, since the Mg amount of the alloys of Comparative Examples 1 to 6 is 0.25 mass% or more, at least the Mg amount is 0.2 mass% or less in order to obtain an excellent thermal fatigue life. It turns out that is effective.

表5に示すごとく,Mgレスの合金の中でも焼鈍を施した実施例4〜13の合金は特に熱疲労寿命が長い。
実施例12はT6の時効処理を省略して焼鈍を加えた合金であるが,同様に優れた熱疲労寿命を示している。
実施例14〜19は熱処理がT5処理,水冷T5処理,F処理あるいは水冷T5+Sであるが,いずれの熱処理でも比較例に比べて熱疲労寿命が長い。取り分けF処理を施した実施例17,18は優れた熱疲労寿命を示している。
また,Mgレスの合金であって,かつ,Mnレス(Mn含有量が実質的に0の実施例23,24も,これらと同様の熱処理を行ったものと同等の優れた特性を示した。
As shown in Table 5, the alloys of Examples 4 to 13 subjected to annealing among the Mg-less alloys have a particularly long thermal fatigue life.
Example 12 is an alloy in which the aging treatment of T6 is omitted and annealing is performed, and similarly shows an excellent thermal fatigue life.
In Examples 14 to 19, the heat treatment is T5 treatment, water-cooled T5 treatment, F-treatment or water-cooled T5 + S, but the heat fatigue life is longer than that of the comparative example in any heat treatment. In particular, Examples 17 and 18 subjected to the F treatment show excellent thermal fatigue life.
Also, Examples 23 and 24, which are Mg-less alloys and are Mn-less (Mn content is substantially 0), showed excellent characteristics equivalent to those obtained by the same heat treatment.

表6に示すごとく,実施例20〜22はMg含有合金の焼鈍材であり,やはり比較例1〜6に比べて優れた熱疲労寿命を示している。これより,焼鈍によりある程度基地アルミ相が軟化しておれば,Mg含有材でも優れた熱疲労寿命が得られることが分かる。焼鈍による基地アルミ相の軟化の程度は硬さによりほぼ評価できる。
また,Mg含有の合金であって,かつ,Mnレス(Mn含有量が実質的に0の実施例25,26も,これらと同様の熱処理を行ったものと同等の優れた特性を示した。
As shown in Table 6, Examples 20 to 22 are annealed materials of Mg-containing alloys, and also show excellent thermal fatigue life as compared with Comparative Examples 1 to 6. This shows that excellent thermal fatigue life can be obtained even with Mg-containing materials if the base aluminum phase is softened to some extent by annealing. The degree of softening of the base aluminum phase by annealing can be almost evaluated by the hardness.
Further, Examples 25 and 26, which are Mg-containing alloys and are Mn-less (Mn content is substantially 0), exhibited excellent characteristics equivalent to those obtained by the same heat treatment.

また,表4〜表8の結果から,焼鈍によってビッカース硬さがHV100以下に調整された供試材では明確に熱疲労寿命の向上が認められている。特にHV95以下ではその効果が顕著である。
また,焼鈍なしのT5処理およびT6処理を行ったもの(比較例1〜6)の硬さはHV101以上であることから,硬さがHV70〜100になるような焼鈍条件であれば熱疲労寿命の向上効果が得られると判断される。
以上の結果から,Mg量の低減と焼鈍または鋳造後放冷する熱処理を施した本発明の第1の側面に属する実施例1〜19の合金と,第3の側面に属するMg含有材であるがビッカース硬さをHV70〜100の範囲に調整したアルミニウム鋳造合金を用いたものが,ピストンに要求される耐熱疲労特性に優れることが分かった。
Further, from the results of Tables 4 to 8, it is clearly recognized that the thermal fatigue life is improved in the specimens whose Vickers hardness is adjusted to HV100 or less by annealing. In particular, the effect is remarkable at HV95 or lower.
In addition, since the hardness of those subjected to T5 treatment and T6 treatment (Comparative Examples 1 to 6) without annealing is HV101 or higher, the thermal fatigue life is as long as the annealing conditions are such that the hardness is HV70-100. It is judged that the improvement effect is obtained.
From the above results, it is the alloy of Examples 1 to 19 belonging to the first aspect of the present invention that has been subjected to heat treatment to reduce the amount of Mg and anneal or cool after casting, and the Mg-containing material belonging to the third aspect. However, it was found that the one using an aluminum cast alloy whose Vickers hardness was adjusted in the range of HV 70 to 100 was excellent in the heat fatigue characteristics required for the piston.

また,表4〜表8には,各試験片の破面の破壊起点に認められる非金属介在物のサイズを示した。この介在物は,例えばアルミナなどのAlを主体とする酸化物である。上記介在物のサイズは,面積の平方根から求めた。   Tables 4 to 8 show the sizes of non-metallic inclusions recognized at the fracture starting point of the fracture surface of each test piece. This inclusion is, for example, an oxide mainly composed of Al, such as alumina. The size of the inclusion was obtained from the square root of the area.

表4〜表8から知られるように,非金属介在物のサイズが100μm以上の場合,熱疲労寿命が短く,合金本来の優れた耐熱疲労性を十分に発揮できないことがわかる。なお,破壊起点となる介在物は,試験片に内在する介在物の内最大級のものと見なすのが妥当である。   As can be seen from Tables 4 to 8, when the size of the nonmetallic inclusion is 100 μm or more, the thermal fatigue life is short, and the excellent heat fatigue resistance inherent in the alloy cannot be fully exhibited. In addition, it is appropriate to consider inclusions that are the starting point of fracture as the largest inclusions in the specimen.

Figure 0004026563
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次に,上記実施例1等のアルミニウム鋳造合金を用いて製造したピストンの一例を示す。
本例のピストン5は,図4に示すごとく,略円筒形状の本体部50と,該本体部50の一端を閉塞するように配設された頂面部530と,本体部50を径方向に貫通するように設けられたピン穴520を設けたピンボス部52を有している。各ピン穴520は,図示しないコンロッドを固定するためのピストンピンを挿入するように構成されている。
Next, an example of a piston manufactured using the aluminum casting alloy of Example 1 will be described.
As shown in FIG. 4, the piston 5 of this example has a substantially cylindrical main body portion 50, a top surface portion 530 disposed so as to close one end of the main body portion 50, and the main body portion 50 penetrating in the radial direction. It has the pin boss | hub part 52 which provided the pin hole 520 provided so that it might do. Each pin hole 520 is configured to insert a piston pin for fixing a connecting rod (not shown).

このピストン5を製造するに当たっては,上記実施例1〜20の試験片を製造する場合と同様に行うことができる。
得られたピストン5は,特に上記頂面部530の耐熱疲労性を向上させることができ,特にリップ部53の耐熱疲労性の向上効果が大きい。また,頂面部530全体の高温疲労強度が高い。これらの効果により,ピストン全体の耐久性を従来よりも向上させることができる。また,本合金は耐熱性に優れるため,リング溝部54の耐熱性向上のために用いても効果が期待できる。
In manufacturing this piston 5, it can carry out similarly to the case where the test piece of the said Examples 1-20 is manufactured.
The obtained piston 5 can particularly improve the heat fatigue resistance of the top surface portion 530, and the effect of improving the heat fatigue resistance of the lip portion 53 is particularly great. Further, the high temperature fatigue strength of the entire top surface portion 530 is high. Due to these effects, the durability of the entire piston can be improved as compared with the prior art. Moreover, since this alloy is excellent in heat resistance, an effect can be expected even if it is used for improving the heat resistance of the ring groove portion 54.

(第2実施例)
本例では,表9に示すごとく,鋳造合金の成分としてCaを添加し,その添加量の下限値を検証した。
表9に示すごとく,本例では,本発明の実施例として2種類の供試材(実施例A1,A2)を準備すると共に,比較例としての2種類の供試材(比較例A3,A4)を準備した。いずれの供試材も,第1実施例の場合と同様の鋳造方法により鋳造し,その後,室温まで放冷したものである。
得られた供試材のマクロ組織写真を図5〜図8に示す。図5は実施例A1に対するもの,図6は実施例A2に対するもの,図7は比較例A3に対するもの,図8は比較例A4に対するものである。
(Second embodiment)
In this example, as shown in Table 9, Ca was added as a component of the cast alloy, and the lower limit of the addition amount was verified.
As shown in Table 9, in this example, two types of test materials (Examples A1 and A2) were prepared as examples of the present invention, and two types of test materials (Comparative Examples A3 and A4) as comparative examples were prepared. ) Was prepared. All the specimens were cast by the same casting method as in the first embodiment, and then allowed to cool to room temperature.
Macrostructure photographs of the obtained specimens are shown in FIGS. FIG. 5 is for Example A1, FIG. 6 is for Example A2, FIG. 7 is for Comparative Example A3, and FIG. 8 is for Comparative Example A4.

図5〜図8より知られるように,Ca含有量が0.0005mass%以上の実施例A1,A2の合金は,Ca含有量が0.0005mass%未満の比較例A3,A4の合金に比べて結晶粒が微細であり,組織がより均質である。
なお,表9中における,○は組織が微細かつ均質であることを意味し,△は組織がやや粗大でやや不均質であることを意味する。
As can be seen from FIGS. 5 to 8, the alloys of Examples A1 and A2 having a Ca content of 0.0005 mass% or more are compared with the alloys of Comparative Examples A3 and A4 having a Ca content of less than 0.0005 mass%. The crystal grains are fine and the structure is more homogeneous.
In Table 9, ◯ means that the structure is fine and homogeneous, and Δ means that the structure is slightly coarse and slightly heterogeneous.

Figure 0004026563
Figure 0004026563

(第3実施例)
本例では,表10に示すごとく,鋳造合金の成分としてCaを添加し,その添加量の上限値を検証した。
表10に示すごとく,本例では,本発明の実施例として1種類の供試材(実施例B1)を準備すると共に,比較例としての2種類の供試材(比較例B2,B3)を準備した。いずれの供試材も,第1実施例の場合と同様の鋳造方法により鋳造し,その後,室温まで放冷したものである。
(Third embodiment)
In this example, as shown in Table 10, Ca was added as a component of the cast alloy, and the upper limit of the amount added was verified.
As shown in Table 10, in this example, one type of test material (Example B1) was prepared as an example of the present invention, and two types of test materials (Comparative Examples B2 and B3) as comparative examples were prepared. Got ready. All the specimens were cast by the same casting method as in the first embodiment, and then allowed to cool to room temperature.

得られた供試材のミクロ組織写真を図9〜図11に示す。図9は実施例B1に対するもの,図10は比較例B2に対するもの,図11は比較例B3に対するものである。
図9〜図11より知られるように,Ca含有量が0.003mass%以下の実施例B1は,デンドライトの整列が殆どなく,ミクロ組織が均質であるが,Ca含有量が0.003mass%を超える図比較例B2,B3の合金は,デンドライトの整列が明瞭で,ミクロ組織が不均質である。
なお,表10中における,○は組織が均質であることをを意味し,×は組織が不均質であることを意味する。
Microstructure photographs of the obtained test materials are shown in FIGS. 9 is for Example B1, FIG. 10 is for Comparative Example B2, and FIG. 11 is for Comparative Example B3.
As is known from FIGS. 9 to 11, Example B1 having a Ca content of 0.003 mass% or less has almost no dendrite alignment and a homogeneous microstructure, but the Ca content is 0.003 mass%. In the alloys of comparative examples B2 and B3, the dendrite alignment is clear and the microstructure is inhomogeneous.
In Table 10, “O” means that the structure is homogeneous, and “X” means that the structure is heterogeneous.

Figure 0004026563
Figure 0004026563

(第4実施例)
本例では,表11に示すごとく,鋳造合金の成分としてCrを添加した効果を検証した。
表11に示すごとく,本例では,本発明の実施例として2種類の供試材(実施例C1,C2)を準備すると共に,比較例としての2種類の供試材(比較例C3,C4)を準備した。いずれの供試材も,第1実施例の場合と同様の鋳造方法により鋳造し,その後,室温まで放冷したものである。
得られた供試材のマクロ組織写真を図12〜図15に示す。図12は実施例C1に対するもの,図13は実施例C2に対するもの,図14は比較例C3に対するもの,図15は比較例C4に対するものである。
図12〜図15より知られるように,Crを含有する実施例C1,C2は,Cr量が0.01mass%未満でCrを実質的に含有しない比較例C3,C4に比べて,結晶粒が細かく,マクロ組織がより均質である。
なお,表11中における,○は組織が十分に微細かつ均質であることを意味し,△は組織がやや粗大でやや不均質であることを意味する。
(Fourth embodiment)
In this example, as shown in Table 11, the effect of adding Cr as a component of the cast alloy was verified.
As shown in Table 11, in this example, two types of test materials (Examples C1 and C2) were prepared as examples of the present invention, and two types of test materials (Comparative Examples C3 and C4) as comparative examples were prepared. ) Was prepared. All the specimens were cast by the same casting method as in the first embodiment, and then allowed to cool to room temperature.
Macrostructure photographs of the obtained specimens are shown in FIGS. 12 is for Example C1, FIG. 13 is for Example C2, FIG. 14 is for Comparative Example C3, and FIG. 15 is for Comparative Example C4.
As is known from FIG. 12 to FIG. 15, Examples C1 and C2 containing Cr have crystal grains smaller than those of Comparative Examples C3 and C4 having a Cr amount of less than 0.01 mass% and substantially not containing Cr. Fine and macro structure is more homogeneous.
In Table 11, ◯ means that the structure is sufficiently fine and homogeneous, and Δ means that the structure is slightly coarse and slightly heterogeneous.

Figure 0004026563
Figure 0004026563

(第5実施例)
本例では,表12に示すごとく,鋳造合金の成分としてBが含有された場合の影響を検証した。
表12に示すごとく,本例では,本発明の実施例として1種類の供試材(実施例D1)を準備すると共に,比較例としての2種類の供試材(比較例D2,D3)を準備した。いずれの供試材も,第1実施例の場合と同様の鋳造方法により鋳造し,その後,室温まで放冷した後,220℃×6時間の時効処理を実施し(T5処理),さらに,温度350℃に100時間保持した後,室温まで冷却したものである。
本例では,得られた供試材のビッカース硬さを測定した。その結果を表12に示す。
同表より知られるごとく,B含有量が0.01mass%未満で実質的にBを含有しない実施例D1の硬さは,B含有量が0.01mass%以上の比較例D2,D3に比べて,高温保持後の硬さが高く,耐熱性に優れる。
(5th Example)
In this example, as shown in Table 12, the effect when B was contained as a component of the cast alloy was verified.
As shown in Table 12, in this example, one type of test material (Example D1) was prepared as an example of the present invention, and two types of test materials (Comparative Examples D2 and D3) as comparative examples were prepared. Got ready. All the test materials were cast by the same casting method as in the first example, and then allowed to cool to room temperature, and then subjected to aging treatment at 220 ° C. for 6 hours (T5 treatment). The sample was held at 350 ° C. for 100 hours and then cooled to room temperature.
In this example, the Vickers hardness of the obtained specimen was measured. The results are shown in Table 12.
As is known from the table, the hardness of Example D1 having a B content of less than 0.01 mass% and containing substantially no B is higher than that of Comparative Examples D2 and D3 having a B content of 0.01 mass% or more. , High hardness after holding at high temperature and excellent heat resistance.

Figure 0004026563
Figure 0004026563

第1実施例における,熱疲労試験片の形状及び寸法を示す,(a)平面図,(b)正面図。The (a) top view and (b) front view which show the shape and dimension of a thermal fatigue test piece in 1st Example. 第1実施例における,ホルダの形状及び寸法を示す,(a)正面図,(b)側面図,(c)刃部分の拡大説明図。The shape and dimension of a holder in 1st Example are shown, (a) Front view, (b) Side view, (c) Expansion explanatory drawing of a blade part. 第1実施例における,熱疲労試験片とホルダとの拘束状態を示す,(a)平面図,(b)正面図。The (a) top view and (b) front view which show the restraint state of the thermal fatigue test piece and holder in 1st Example. 第1実施例における,ピストンの一部切欠き斜視図。The partial notch perspective view of a piston in 1st Example. 第2実施例における,実施例A1のマクロ組織を示す図面代用写真。The drawing substitute photograph which shows the macro structure of Example A1 in 2nd Example. 第2実施例における,実施例A2のマクロ組織を示す図面代用写真。The drawing substitute photograph which shows the macro structure of Example A2 in 2nd Example. 第2実施例における,比較例A3のマクロ組織を示す図面代用写真。The drawing substitute photograph which shows the macro structure of comparative example A3 in 2nd Example. 第2実施例における,比較例A4のマクロ組織を示す図面代用写真。The drawing substitute photograph which shows the macro structure of comparative example A4 in 2nd Example. 第3実施例における,実施例B1のミクロ組織を示す図面代用写真。The drawing substitute photograph which shows the microstructure of Example B1 in 3rd Example. 第3実施例における,比較例B2のミクロ組織を示す図面代用写真。The drawing substitute photograph which shows the microstructure of comparative example B2 in 3rd Example. 第3実施例における,比較例B3のミクロ組織を示す図面代用写真。The drawing substitute photograph which shows the microstructure of comparative example B3 in 3rd Example. 第4実施例における,実施例C1のマクロ組織を示す図面代用写真。The drawing substitute photograph which shows the macro structure of Example C1 in 4th Example. 第4実施例における,実施例C2のマクロ組織を示す図面代用写真。Drawing substitute photograph which shows macro structure of Example C2 in 4th Example. 第4実施例における,比較例C3のマクロ組織を示す図面代用写真。The drawing substitute photograph which shows the macro structure of the comparative example C3 in 4th Example. 第4実施例における,比較例C4のマクロ組織を示す図面代用写真。The drawing substitute photograph which shows the macro structure of the comparative example C4 in 4th Example.

符号の説明Explanation of symbols

1 熱疲労試験片
10 評価部分
11 両端部
115 挿入穴
2 ホルダ
21 固定端部
215 挿入穴
22 刃
3 結合手段
301 ボルト
302 ナット
31 弾性部材(皿バネ)
5 ピストン
52 ピンボス部
520 ピン穴
53 リップ部
530 頂面部
54 リング溝部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thermal fatigue test piece 10 Evaluation part 11 Both ends 115 Insertion hole 2 Holder 21 Fixed end 215 Insertion hole 22 Blade 3 Coupling means 301 Bolt 302 Nut 31 Elastic member (disc spring)
5 Piston 52 Pin boss part 520 Pin hole 53 Lip part 530 Top face part 54 Ring groove part

Claims (25)

Mg:0.2mass%以下、Ti:0.05〜0.3mass%、Si:10〜21mass%、Cu:2〜3.5mass%、Fe:0.1〜0.7mass%、Ni:1〜3mass%、P:0.001〜0.02mass%を含有し、残部Alおよび不純物からなるアルミニウム鋳造合金よりなることを特徴とするアルミニウム鋳造合金製ピストン。   Mg: 0.2 mass% or less, Ti: 0.05 to 0.3 mass%, Si: 10 to 21 mass%, Cu: 2 to 3.5 mass%, Fe: 0.1 to 0.7 mass%, Ni: 1 to 1 A piston made of an aluminum cast alloy, comprising 3 mass%, P: 0.001 to 0.02 mass%, and made of an aluminum cast alloy comprising the balance Al and impurities. 請求項1において、上記アルミニウム鋳造合金は、さらに、V:0.02〜0.3mass%、又はZr:0.02〜0.3mass%の少なくとも一種以上を含有していることを特徴とするアルミニウム鋳造合金製ピストン。   2. The aluminum according to claim 1, wherein the aluminum cast alloy further contains at least one of V: 0.02 to 0.3 mass% or Zr: 0.02 to 0.3 mass%. Cast alloy piston. 請求項1において、上記アルミニウム鋳造合金は、さらに、Mn:0.2〜0.7mass%を含有していることを特徴とするアルミニウム鋳造合金製ピストン。   The aluminum cast alloy piston according to claim 1, wherein the aluminum cast alloy further contains Mn: 0.2 to 0.7 mass%. 請求項1において、上記アルミニウム鋳造合金は、さらに、Ca:0.0005〜0.003mass%を含有していることを特徴とするアルミニウム鋳造合金製ピストン。   The aluminum cast alloy piston according to claim 1, wherein the aluminum cast alloy further contains Ca: 0.0005 to 0.003 mass%. 請求項1において、上記ピストンの使用開始前のビッカース硬さがHV70〜100であることを特徴とするアルミニウム鋳造合金製ピストン。   2. The aluminum cast alloy piston according to claim 1, wherein the piston has a Vickers hardness of HV 70 to 100 before the start of use of the piston. 請求項1において、上記ピストンに内在する非金属介在物のサイズが100μm未満であることを特徴とするアルミニウム鋳造合金製ピストン。   2. The aluminum casting alloy piston according to claim 1, wherein the size of the nonmetallic inclusions existing in the piston is less than 100 [mu] m. Mg:0.2mass%以下、Ti:0.05〜0.3mass%、Si:10〜21mass%、Cu:2〜3.5mass%、Fe:0.1〜0.7mass%、Ni:1〜3mass%、P:0.001〜0.02mass%を含有し、残部Alおよび不純物からなるアルミニウム鋳造合金を用い、
該アルミニウム鋳造合金を鋳造してピストンを形成する鋳造工程と、
上記ピストンに切削加工を施す切削工程とを含むことを特徴とするアルミニウム鋳造合金製ピストンの製造方法。
Mg: 0.2 mass% or less, Ti: 0.05 to 0.3 mass%, Si: 10 to 21 mass%, Cu: 2 to 3.5 mass%, Fe: 0.1 to 0.7 mass%, Ni: 1 to 1 3 mass%, P: 0.001 to 0.02 mass% is contained, and an aluminum casting alloy composed of the balance Al and impurities is used.
A casting step of casting the aluminum cast alloy to form a piston;
A method for producing an aluminum cast alloy piston, comprising: a cutting step of cutting the piston.
請求項7において、上記アルミニウム鋳造合金は、さらに、V:0.02〜0.3mass%、又はZr:0.02〜0.3mass%の少なくとも一種以上を含有していることを特徴とするアルミニウム鋳造合金製ピストンの製造方法。   8. The aluminum according to claim 7, wherein the aluminum cast alloy further contains at least one of V: 0.02 to 0.3 mass% or Zr: 0.02 to 0.3 mass%. A method for producing a cast alloy piston. 請求項7において、上記アルミニウム鋳造合金は、さらに、Mn:0.2〜0.7mass%を含有していることを特徴とするアルミニウム鋳造合金製ピストンの製造方法。   8. The method for producing an aluminum cast alloy piston according to claim 7, wherein the aluminum cast alloy further contains Mn: 0.2 to 0.7 mass%. 請求項7において、上記アルミニウム鋳造合金は、さらに、Ca:0.0005〜0.003mass%を含有していることを特徴とするアルミニウム鋳造合金製ピストンの製造方法。   8. The method for producing an aluminum cast alloy piston according to claim 7, wherein the aluminum cast alloy further contains Ca: 0.0005 to 0.003 mass%. 請求項7において、上記鋳造工程により上記ピストンを形成した後、室温まで放冷することを特徴とするアルミニウム鋳造合金製ピストンの製造方法。   8. The method for producing an aluminum cast alloy piston according to claim 7, wherein the piston is formed by the casting step and then allowed to cool to room temperature. 請求項7において、上記鋳造工程により上記ピストンを形成した後、上記切削工程の前又は後に、該ピストンの使用開始前のビッカース硬さがHV70〜100の範囲となるように、温度250〜400℃に0.5〜24時間保持する焼鈍工程を行うことを特徴とするアルミニウム鋳造合金製ピストンの製造方法。   In Claim 7, After forming the said piston by the said casting process, before or after the said cutting process, temperature 250-400 degreeC so that the Vickers hardness before the start of use of this piston may become the range of HV70-100. A method for producing a piston made of an aluminum cast alloy, characterized in that an annealing step is performed for 0.5 to 24 hours. 請求項12において、上記鋳造工程の後、上記ピストンを温度450〜510℃に1〜12時間保持する溶体化加熱工程を行い、次いで、上記ピストンを焼き入れする焼き入れ工程を施し、その後、上記焼鈍工程を行うことを特徴とするアルミニウム鋳造合金製ピストンの製造方法。   In Claim 12, after the said casting process, the solution heating process which hold | maintains the said piston at the temperature of 450-510 degreeC for 1 to 12 hours is performed, Then, the quenching process which quenches the said piston is given, Then, the above-mentioned A method for producing an aluminum cast alloy piston, characterized by performing an annealing step. 請求項13において、上記焼き入れ工程の後、上記ピストンを温度180〜280℃に1〜12時間保持する時効工程を施し、その後、上記焼鈍工程を行うことを特徴とするアルミニウム鋳造合金製ピストンの製造方法。   The aluminum casting alloy piston according to claim 13, wherein after the quenching step, the piston is subjected to an aging step of holding the piston at a temperature of 180 to 280 ° C for 1 to 12 hours, and then the annealing step is performed. Production method. Mg:0.2〜2mass%、Ti:0.05〜0.3mass%、Si:10〜21mass%、Cu:2〜3.5mass%、Fe:0.1〜0.7mass%、Ni:1〜3mass%、P:0.001〜0.02mass%を含有し、残部Alおよび不純物からなるアルミニウム鋳造合金よりなり、
使用開始前のビッカース硬さがHV70〜100であることを特徴とするアルミニウム鋳造合金製ピストン。
Mg: 0.2-2 mass%, Ti: 0.05-0.3 mass%, Si: 10-21 mass%, Cu: 2-3.5 mass%, Fe: 0.1-0.7 mass%, Ni: 1 ~ 3mass%, P: 0.001 ~ 0.02mass% containing, consisting of an aluminum cast alloy consisting of the balance Al and impurities,
A piston made of an aluminum casting alloy, having a Vickers hardness before starting use of HV 70-100.
請求項15において、上記アルミニウム鋳造合金は、さらに、V:0.02〜0.3mass%、又はZr:0.02〜0.3mass%の少なくとも一種以上を含有していることを特徴とするアルミニウム鋳造合金製ピストン。   16. The aluminum according to claim 15, wherein the aluminum cast alloy further contains at least one of V: 0.02 to 0.3 mass% or Zr: 0.02 to 0.3 mass%. Cast alloy piston. 請求項15において、上記アルミニウム鋳造合金は、さらに、Mn:0.2〜0.7mass%を含有していることを特徴とするアルミニウム鋳造合金製ピストン。   The aluminum cast alloy piston according to claim 15, wherein the aluminum cast alloy further contains Mn: 0.2 to 0.7 mass%. 請求項15において、上記アルミニウム鋳造合金は、さらに、Ca:0.0005〜0.003mass%を含有していることを特徴とするアルミニウム鋳造合金製ピストン。   16. The aluminum cast alloy piston according to claim 15, wherein the aluminum cast alloy further contains Ca: 0.0005 to 0.003 mass%. 請求項15において、上記ピストンに内在する非金属介在物のサイズが100μm未満であることを特徴とするアルミニウム鋳造合金製ピストン。   The aluminum casting alloy piston according to claim 15, wherein the size of the nonmetallic inclusions existing in the piston is less than 100 µm. Mg:0.2〜2mass%、Ti:0.05〜0.3mass%、Si:10〜21mass%、Cu:2〜3.5mass%、Fe:0.1〜0.7mass%、Ni:1〜3mass%、P:0.001〜0.02mass%を含有し、残部Alおよび不純物からなるアルミニウム鋳造合金を用い、
該アルミニウム鋳造合金を鋳造してピストンを形成する鋳造工程と、
上記ピストンの使用開始前のビッカース硬さがHV70〜100の範囲となるように、温度250〜400℃に0.5〜24時間保持する焼鈍工程と、
該焼鈍工程よりも前又は後に上記ピストンに切削加工を施す切削工程とを含むことを特徴とするアルミニウム鋳造合金製ピストンの製造方法。
Mg: 0.2-2 mass%, Ti: 0.05-0.3 mass%, Si: 10-21 mass%, Cu: 2-3.5 mass%, Fe: 0.1-0.7 mass%, Ni: 1 ~ 3mass%, P: 0.001 ~ 0.02mass% containing, using an aluminum cast alloy consisting of the balance Al and impurities,
A casting step of casting the aluminum cast alloy to form a piston;
An annealing step of holding the temperature at 250 to 400 ° C. for 0.5 to 24 hours so that the Vickers hardness before the start of use of the piston is in the range of HV 70 to 100,
And a cutting step of cutting the piston before or after the annealing step.
請求項20において、上記アルミニウム鋳造合金は、さらに、V:0.02〜0.3mass%、又はZr:0.02〜0.3mass%の少なくとも一種以上を含有していることを特徴とするアルミニウム鋳造合金製ピストンの製造方法。   The aluminum cast alloy according to claim 20, wherein the aluminum cast alloy further contains at least one of V: 0.02 to 0.3 mass% or Zr: 0.02 to 0.3 mass%. A method for producing a cast alloy piston. 請求項20において、上記アルミニウム鋳造合金は、さらに、Mn:0.2〜0.7mass%を含有していることを特徴とするアルミニウム鋳造合金製ピストンの製造方法。   21. The method for producing an aluminum cast alloy piston according to claim 20, wherein the aluminum cast alloy further contains Mn: 0.2 to 0.7 mass%. 請求項20において、上記アルミニウム鋳造合金は、さらに、Ca:0.0005〜0.003mass%を含有していることを特徴とするアルミニウム鋳造合金製ピストンの製造方法。   21. The method for producing an aluminum cast alloy piston according to claim 20, wherein the aluminum cast alloy further contains Ca: 0.0005 to 0.003 mass%. 請求項20において、上記鋳造工程の後、上記ピストンを温度450〜510℃に1〜12時間保持する溶体化加熱工程を行い、次いで、上記ピストンを焼き入れする焼き入れ工程を施し、その後、上記焼鈍工程を行うことを特徴とするアルミニウム鋳造合金製ピストンの製造方法。   In Claim 20, after the said casting process, the solution heating process which hold | maintains the said piston at the temperature of 450-510 degreeC for 1 to 12 hours is performed, Then, the quenching process which quenches the said piston is given, Then, the above-mentioned A method for producing an aluminum cast alloy piston, characterized by performing an annealing step. 請求項24において、上記焼き入れ工程の後、上記ピストンを温度180〜280℃に1〜12時間保持する時効工程を施し、その後、上記焼鈍工程を行うことを特徴とするアルミニウム鋳造合金製ピストンの製造方法。   25. The aluminum cast alloy piston according to claim 24, wherein after the quenching step, the piston is subjected to an aging step of holding the piston at a temperature of 180 to 280 ° C. for 1 to 12 hours, and then the annealing step is performed. Production method.
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