JP7202477B2 - 内燃機関用ピストンの製造方法および製造装置 - Google Patents
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Description
前記キャビティへ溶湯を供給する溶湯供給通路から前記キャビティへの流出口であるゲート(7)の、ゲート面積A(cm2)、ゲート高さh(cm)およびゲート幅w(cm)により、G=A/(h+w)で表されるゲートパラメータGと、
前記ゲート(7)における前記溶湯のゲート速度V(cm/s)と、
前記溶湯の溶湯密度ρ(kg/cm3)と、により、
J=ρ×G×V1.71 で求められるJ値と、
前記キャビティへの鋳造圧力と、を制御することにより、
前記内燃機関用ピストンの厚肉部位における欠陥体積率を所定の値とし、
前記アルミニウム材料をダイカストして製造することを特徴とする内燃機関用ピストンの製造方法である。
前記J値と前記鋳造圧力の組み合わせごとに前記欠陥体積率を測定し、
所定の前記欠陥体積率における前記J値と前記鋳造圧力の関係式を求め、
前記関係式に基づいて、前記J値と前記鋳造圧力を定め、
定められた前記J値と前記鋳造圧力により、前記アルミニウム材料をダイカストすることもできる。
Siは耐摩耗性を向上させるために必要な元素であり、特に、粒状の初晶Siが耐摩耗性に有効であることが広く知られている。Siは11重量%付近でAl-Si共晶点が存在するから、過共晶とするために11重量%以上含有する必要がある。ただし、Siの含有量が18重量%を超えると合金の融点が過度に高くなり、溶湯中のガス量が増加したり金型の寿命が低下するという不都合が生じる。よって、Siの含有量は11~18重量%とした。
CuはAl母相中にAl2Cuを析出させ、150~250℃付近の疲労強度の向上に寄与する。Cuの含有量が1.0重量%未満であるとその効果が充分でなく、6.0重量%を超えるとAl中のCuの固溶限を超えてダイカストによる鋳造でもAl2Cuが粗大化し易くなり、粗大化したAl2Cuが鋳肌面で疲労破壊の起点となって疲労強度が低下する。よって、Cuの含有量は1.0~6.0重量%が望ましい。
MgはSiと共存することによりMg2Siを析出させて強度を向上する。Mgの含有量が0.5重量%未満であると強度向上が不十分となり、2.0重量%を超えて含有するとダイカスト鋳造時の割れが発生しやすくなる。よって、Mgの含有量は0.5~2.0重量%が望ましい。
Feは種々の金属間化合物を生成し、Niと同様に200~350℃での疲労強度を向上させる。Feの含有量が0.1重量%未満であると強度向上が不十分となり、2.0重量%を超えて含有するとAl中のFe共晶点を超えてダイカストによる鋳造でもAl-Fe系晶出物が粗大化しやすくなり、粗大化したAl-Fe系晶出物が鋳肌面で疲労破壊の起点となって疲労強度が低下する。よって、Feの含有量は0.1~2.0重量%が望ましい。
前記キャビティへ溶湯を供給する溶湯供給通路(6)から前記キャビティへの流出口であるゲートの、ゲート面積A(cm2)、ゲート高さh(cm)およびゲート幅w(cm)により、G=A/(h+w)で表されるゲートパラメータGと、
前記ゲート(7)における前記溶湯のゲート速度V(cm/s)と、
前記溶湯の溶湯密度ρ(kg/cm3)と、により、
J=ρ×G×V1.71 で求められるJ値と、
前記キャビティの鋳造圧力と、を制御することにより、
前記内燃機関用ピストンの厚肉部位における欠陥体積率を所定の値とし、
前記アルミニウム材料をダイカストして製造することを特徴とする内燃機関用ピストンの製造装置である。
G=A/(h+w)
と表されるものをゲートパラメータGと定義している。
J=ρ×G×V1.71 の関係で表されるものである(引用文献:書籍名:PQ 2 & Gating Manual、発行国:米国、発行所:NORTH AMERICAN DIE CASTING ASSOCIATION、発行年月日:2016年6月1日)。
様々なJ値と鋳造圧力における組み合わせの条件下において、ダイカスト法によりピストンを鋳造し、それぞれのピストンのボス部内部の欠陥体積率を測定した結果を、図13のグラフに示した。欠陥体積率が1.5%となったJ値と鋳造圧力の組み合わせを丸印で、欠陥体積率が1%、0.5%、0.1%となった組み合わせを、それぞれ三角印、菱形、四角形でプロットしたグラフである。同じ欠陥体積率のプロットから、欠陥体積率、J値および鋳造圧力には相関関係があることがわかり、所定の欠陥体積率を、J値と鋳造圧力との関係式により表すことができると検証できた。
ピストン100の必要とされる疲労強度に基づき、疲労強度と欠陥体積率の関係から、目標とする欠陥体積率を決定する。前述した試験により、予めキャビティ200における目標とする欠陥体積率におけるJ値および鋳造圧力の関係式を求めておく。決定した欠陥体積率およびピストン製造装置1のマシン能力と、決定した欠陥体積率におけるJ値および鋳造圧力関係から、適切なJ値および鋳造圧力を定める。
さらに、欠陥体積率を0%より大きく1%以下とすることにより、必要な安全率を1.5以上と、より小さくすることが可能となるので、欠陥体積率を0%より大きく1%以下とすると最適である。
10…射出機、15…給湯機、
100…ピストン、101…トップランド部、101c…周面、106…吸気弁側バルブリセス、107…排気弁側バルブリセス、
200…キャビティ、201…トップランド部、201c…周面、203…ピンボス部、207…排気弁側バルブリセス部、11…射出スリーブ、12…プランジャ、
C1…中心、C2…中心、G…ゲートパラメータ、w…ゲート幅、h…ゲート高さ、A…ゲート面積、V…ゲート速度、ρ…溶湯密度、J…J値、
L1…直線、L2…直線。
Claims (26)
- アルミニウム材料を用いて、鋳型(2)のキャビティ(200)内に溶湯を射出するダイカスト法により内燃機関用ピストン(100)を製造する内燃機関用ピストンの製造方法において、
前記キャビティ(200)へ溶湯を供給する溶湯供給通路(6)から前記キャビティ(200)への流出口であるゲート(7)の、ゲート面積A(cm2)、ゲート高さh(cm)およびゲート幅w(cm)により、G=A/(h+w)で表されるゲートパラメータGと、
前記ゲート(7)における前記溶湯のゲート速度V(cm/s)と、
前記溶湯の溶湯密度ρ(kg/cm3)と、により、
J=ρ×G×V1.71 で求められるJ値と、
前記キャビティへ(200)の鋳造圧力と、を、
前記キャビティ(200)において、複数の前記J値と複数の前記鋳造圧力を選択して組み合わせ、
前記J値と前記鋳造圧力の組み合わせごとによる条件下で鋳造した前記内燃機関用ピストンについて、欠陥体積率を測定し、
前記内燃機関用ピストンの厚肉部位の前記欠陥体積率が0%より大きく4.5%以下の範囲における前記J値と前記鋳造圧力の関係を求め、
前記関係に基づいて、前記J値と前記鋳造圧力を定め、
定められた前記J値と前記鋳造圧力により、前記アルミニウム材料をダイカストして製造することを特徴とする内燃機関用ピストンの製造方法。 - 前記アルミニウム材料は、12.5~14.0重量%のSiと、3.0~4.5重量%のCuと、1.4~2.0重量%のMgと、(0.8~1.2)×MgのZnと、残部のAlおよび不可避不純物とからなる組成であることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関用ピストンの製造方法。
- 前記欠陥体積率を、0%より大きく1%以下とすることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の内燃機関用ピストンの製造方法。
- 前記ゲート(7)は、前記キャビティ(200)において1箇所のみ設けられたことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の内燃機関用ピストンの製造方法。
- 前記溶湯供給通路(6)は前記キャビティ(200)に向かって直状であり、
前記溶湯供給通路(6)の前記ゲート(7)側の終端部(6a)は、括れた形状の括れ部(6b)とされていることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の内燃機関用ピストンの製造方法。 - 前記括れ部(6b)は、溶湯の流れ方向に対して左右が括れている左右括れ部(6b1)を備えていることを特徴とする請求項5に記載の内燃機関用ピストンの製造方法。
- 前記括れ部(6b)は、溶湯の流れ方向に対して上下に括れている上下括れ部(6b2)を備え、
前記上下括れ部(6b2)の傾斜角は、前記左右括れ部(6b1)の傾斜角に対して傾斜角が小さいことを特徴とする請求項6に記載の内燃機関用ピストンの製造方法。 - 前記ゲート(7)の長手方向の前記キャビティ(200)における位置は、前記キャビティのトップランド部(201)に沿って、前記トップランド部(201)を横断する方向に向けられ、
前記ゲート(7)の前記トップランド部(201)の周方向における位置は、前記ゲート(7)の中心(C1)と前記トップランド部(201)の中心(C2)を結んだ直線(L1)が前記キャビティ(200)の一対のピンボス部(203)の中心を結んだ直線(L2)方向に対して交差する方向に向けられ、前記直線(L1)は、前記ゲート(7)に隣接する前記キャビティ(200)のバルブリセス部(207)と交わらない方向に向けられたことを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれかに記載の内燃機関用ピストンの製造方法。 - 前記キャビティ(200)内を減圧して前記キャビティ(200)内に前記溶湯を充填する工程、および前記キャビティ(200)内に前記溶湯を充填加圧した後に前記キャビティ(200)内を二次加圧する工程を含まないことを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれかに記載の内燃機関用ピストンの製造方法。
- 前記内燃機関用ピストンは、鞍乗り型車両の内燃機関に用いられるものであって、
前記J値が1500以上4000以下の範囲とすることを特徴とする請求項1ないし請求項9のいずれかに記載の内燃機関用ピストンの製造方法。 - 前記J値を2000以上3500以下の範囲とすることを特徴とする請求項10に記載の内燃機関用ピストンの製造方法。
- 前記内燃機関用ピストンは、鞍乗り型車両の内燃機関に用いられるものであって、
前記キャビティ(200)内に溶湯を充填後加圧する鋳造圧力を、45MPa以上80MPa以下とすることを特徴とする請求項1ないし請求項11のいずれかに記載の内燃機関用ピストンの製造方法。 - 前記キャビティ(200)内に溶湯を充填後加圧する鋳造圧力を、50MPa以上70MPa以下とすることを特徴とする請求項12に記載の内燃機関用ピストンの製造方法。
- アルミニウム材料を用いて、鋳型(2)のキャビティ(200)内に溶湯を射出するダイカスト法により内燃機関用ピストン(100)を製造する内燃機関用ピストンの製造装置において、
前記キャビティ(200)へ溶湯を供給する溶湯供給通路(6)から前記キャビティ(200)への流出口であるゲート(7)の、ゲート面積A(cm2)、ゲート高さh(cm)およびゲート幅w(cm)により、G=A/(h+w)で表されるゲートパラメータGと、
前記ゲート(7)における前記溶湯のゲート速度V(cm/s)と、
前記溶湯の溶湯密度ρ(kg/cm3)と、により、
J=ρ×G×V1.71 で求められるJ値と、
前記キャビティ(200)の鋳造圧力と、を、
前記キャビティ(200)において、複数の前記J値と複数の前記鋳造圧力を選択して組み合わせ、
前記J値と前記鋳造圧力の組み合わせごとによる条件下で鋳造した前記内燃機関用ピストンについて、欠陥体積率を測定し、
前記内燃機関用ピストンの厚肉部位の前記欠陥体積率が0%より大きく4.5%以下の範囲における前記J値と前記鋳造圧力の関係を求め、
前記関係に基づいて、前記J値と前記鋳造圧力を定め、
定められた前記J値と前記鋳造圧力により、
前記アルミニウム材料をダイカストして製造することを特徴とする内燃機関用ピストンの製造装置。 - 前記アルミニウム材料は、12.5~14.0重量%のSiと、3.0~4.5重量%のCuと、1.4~2.0重量%のMgと、(0.8~1.2)×MgのZnと、残部のAlおよび不可避不純物とからなる組成であることを特徴とする請求項14に記載の内燃機関用ピストンの製造装置。
- 前記欠陥体積率を、0%より大きく1%以下とすることを特徴とする請求項14または請求項15に記載の内燃機関用ピストンの製造装置。
- 前記ゲート(7)は、前記キャビティ(200)において1箇所のみ設けられたことを特徴とする請求項14ないし請求項16のいずれかに記載の内燃機関用ピストンの製造装置。
- 前記溶湯供給通路(6)は前記キャビティ(200)に向かって直状であり、
前記溶湯供給通路(6)の前記ゲート(7)側の終端部(6a)は、括れた形状の括れ部(6b)とされていることを特徴とする請求項14ないし請求項17のいずれかに記載の内燃機関用ピストンの製造装置。 - 前記括れ部(6b)は、溶湯の流れ方向に対して左右が括れている左右括れ部(6b1)を備えていることを特徴とする請求項18に記載の内燃機関用ピストンの製造装置。
- 前記括れ部(6b)は、溶湯の流れ方向に対して上下に括れている上下括れ部(6b2)を備え、
前記上下括れ部(6b2)の傾斜角は、前記左右括れ部(6b1)の傾斜角に対して傾斜角が小さいことを特徴とする請求項19に記載の内燃機関用ピストンの製造装置。 - 前記ゲート(7)の長手方向の前記キャビティ(200)における位置は、前記キャビティのトップランド部(201)に沿って、前記トップランド部(201)を横断する方向に向けられ、
前記ゲート(7)の前記トップランド部(201)の周方向における位置は、前記ゲート(7)の中心(C1)と前記トップランド部(201)の中心(C2)を結んだ直線(L1)が前記キャビティ(200)の一対のピンボス部(203)の中心を結んだ直線(L2)方向に対して交差する方向に向けられ、前記直線(L1)は、前記ゲート(7)に隣接する前記キャビティ(200)のバルブリセス部(207)と交わらない方向に向けられたことを特徴とする請求項14ないし請求項20のいずれかに記載の内燃機関用ピストンの製造装置。 - 前記キャビティ(200)内を減圧して前記キャビティ(200)内に前記溶湯を充填する工程、および前記キャビティ(200)内に前記溶湯を充填加圧した後に前記キャビティ(200)内を二次加圧する工程を含まないことを特徴とする請求項14ないし請求項21のいずれかに記載の内燃機関用ピストンの製造装置。
- 前記内燃機関用ピストンは、鞍乗り型車両の内燃機関に用いられるものであって、
前記J値が1500以上4000以下の範囲とすることを特徴とする請求項14ないし請求項22のいずれかに記載の内燃機関用ピストンの製造装置。 - 前記J値を2000以上3500以下の範囲とすることを特徴とする請求項23に記載の内燃機関用ピストンの製造装置。
- 前記内燃機関用ピストンは、鞍乗り型車両の内燃機関に用いられるものであって、
前記キャビティ(200)内に溶湯を充填後加圧する鋳造圧力を、45MPa以上80MPa以下とすることを特徴とする請求項14ないし請求項24のいずれかに記載の内燃機関用ピストンの製造装置。 - 前記キャビティ(200)内に溶湯を充填後加圧する鋳造圧力を、50MPa以上70MPa以下とすることを特徴とする請求項25に記載の内燃機関用ピストンの製造装置。
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