JPH0559994B2 - - Google Patents

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JPH0559994B2
JPH0559994B2 JP1087186A JP1087186A JPH0559994B2 JP H0559994 B2 JPH0559994 B2 JP H0559994B2 JP 1087186 A JP1087186 A JP 1087186A JP 1087186 A JP1087186 A JP 1087186A JP H0559994 B2 JPH0559994 B2 JP H0559994B2
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JP
Japan
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cast iron
piston
pearlite
alloyed
alloy
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JP1087186A
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JPS62170488A (en
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Takaaki Kanazawa
Joji Myake
Haratsugu Koyama
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Toyota Motor Corp
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Toyota Motor Corp
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Publication of JPH0559994B2 publication Critical patent/JPH0559994B2/ja
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00Pistons 
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00Metals
    • F05C2201/04Heavy metals
    • F05C2201/0403Refractory metals, e.g. V, W
    • F05C2201/0406Chromium
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00Metals
    • F05C2201/04Heavy metals
    • F05C2201/0403Refractory metals, e.g. V, W
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00Metals
    • F05C2201/04Heavy metals
    • F05C2201/0433Iron group; Ferrous alloys, e.g. steel
    • F05C2201/0436Iron

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は大型デイーゼルエンジン等の内燃機
関に使用される鋳鉄製ピストンおよびその製造方
法に関するものであり、特に高温に曝されるピス
トンヘツド部の少なくとも一部の表面層を局部的
に強化した鋳鉄製ピストンおよびその製造方法に
関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of Industrial Application This invention relates to a cast iron piston used in internal combustion engines such as large diesel engines and a method for manufacturing the same, and particularly relates to a cast iron piston used in internal combustion engines such as large diesel engines and a method for manufacturing the same. This invention relates to a cast iron piston whose surface layer is locally reinforced, and a method for manufacturing the same.

従来の技術 鋳鉄製の内燃機関用ピストンは、アルミニウム
合金製ピストンと比較して重量は大きいものの、
一般に高温強度に優れているため、大型デイーゼ
ルエンジン等に使用されている。
Conventional technology Although cast iron pistons for internal combustion engines are heavier than aluminum alloy pistons,
Generally, it has excellent high-temperature strength, so it is used in large diesel engines, etc.

ところでデイーゼルエンジン、特に直噴型デイ
ーゼルエンジンにおいては、ピストンのヘツド部
は燃料噴射を受けて高温に曝される。特にピスト
ンヘツド部のうち、噴射燃料が直接吹き付けられ
る噴口部のホツトスポツト部は著しく高温となる
から、耐熱衝撃性、耐熱疲労性が優れていること
が要求される。最近のデイーゼルエンジンの高出
力化に伴なつて、燃料室のより一層の高温化が望
まれるようになり、そのため前述のようなピスト
ンヘツド部、特にホツトスポツト部の耐熱衝撃
性、耐熱疲労性の向上に対する要請はますます強
まつている。
By the way, in a diesel engine, particularly a direct injection type diesel engine, the head portion of the piston receives fuel injection and is exposed to high temperature. In particular, the hot spot portion of the nozzle portion of the piston head portion where the injected fuel is directly sprayed becomes extremely hot, so it is required to have excellent thermal shock resistance and thermal fatigue resistance. With the recent increase in the output of diesel engines, there is a demand for higher temperatures in the fuel chamber, which has led to improvements in the thermal shock resistance and thermal fatigue resistance of the piston head, especially the hot spot, as described above. The demand for this is becoming stronger and stronger.

しかるに従来の通常の鋳鉄製ピストンは普通鋳
鉄で作られているものが多く、このような普通鋳
鉄製ピストンでは上述のような要請に充分に応え
ることは困難であり、熱応力等によつてホツトス
ポツト部に亀裂が生じてしまうことを避け得ず、
したがつてピストンの耐用寿命も短くならざるを
得なかつた。そこで最近では耐熱衝撃性、耐熱疲
労性に優れた合金鋳鉄等の高級鋳鉄でピストンを
作成することも行なわれている。
However, conventional cast iron pistons are often made of ordinary cast iron, and it is difficult for such ordinary cast iron pistons to fully meet the above requirements, and hot spots may occur due to thermal stress etc. It is unavoidable that cracks will occur in the
Therefore, the useful life of the piston has to be shortened. Therefore, recently, pistons have been made of high-grade cast iron, such as alloyed cast iron, which has excellent thermal shock resistance and thermal fatigue resistance.

発明が解決すべき問題点 前述のように合金鋳鉄等の高級鋳鉄を用いてピ
ストンを作成した場合には、いたずらにピストン
原材料コストの上昇を招く問題がある。すなわち
優れた耐熱性が要求されるのは、ピストン全体の
うちでも特にピストンヘツド部、とりわけホツト
スポツト部であつて、その他の部分には合金鋳鉄
等の高級鋳鉄が必要とされるほどの耐熱性は要求
されず、したがつてピストン全体を高価な合金鋳
鉄等で構成することは無駄なコスト増大を招くこ
とになる。また合金鋳鉄等の高級鋳鉄では、鋳造
性が普通鋳鉄より劣ることが多く、そのため歩留
りの低下を招く問題もある。さらに合金鋳鉄の場
合機械加工性が劣つて鋳造後の機械加工に困難を
伴なうこともある。このような問題を解決するた
めには、普通鋳鉄等の安価でしかも鋳造性、加工
性も良好な鋳鉄でピストンを造り、その一部すな
わちピストンヘツド部のホツトスポツト部などを
部分的に強化する方法を適用することが望まし
い。しかしながら従来はこのような手法は確立さ
れていなかつたのが実情である。
Problems to be Solved by the Invention As described above, when a piston is made using high-grade cast iron such as alloyed cast iron, there is a problem in that the cost of raw materials for the piston unnecessarily increases. In other words, excellent heat resistance is required of the entire piston, especially the piston head, especially the hot spot, and other parts do not have such heat resistance that high-grade cast iron such as alloyed cast iron is required. Therefore, constructing the entire piston from expensive alloy cast iron or the like will lead to unnecessary cost increases. Furthermore, castability of high-grade cast iron such as alloyed cast iron is often inferior to that of ordinary cast iron, resulting in a problem of lower yield. Furthermore, alloy cast iron has poor machinability and may be difficult to machine after casting. In order to solve these problems, a method is to make the piston using cast iron, which is inexpensive and has good castability and workability, such as ordinary cast iron, and to partially strengthen parts of the piston, such as the hot spot part of the piston head. It is desirable to apply However, the reality is that such a method has not been established in the past.

この発明は以上の事情を背景としてなされたも
ので、鋳鉄を基材としてそのピストンヘツド部の
うち耐熱衝撃性、耐熱疲労性が特に要求される部
位、例えばホツトスポツト部を部分的に強化し
て、その部位の耐熱衝撃性、耐熱疲労性を向上さ
せた鋳鉄製内燃機関用ピストンおよびその製造方
法を提供することを目的とするものである。
This invention was made against the background of the above circumstances, and uses cast iron as a base material and partially strengthens the parts of the piston head part where thermal shock resistance and heat fatigue resistance are particularly required, such as the hot spot part. The object of the present invention is to provide a cast iron piston for an internal combustion engine that has improved thermal shock resistance and thermal fatigue resistance at that part, and a method for manufacturing the same.

問題点を解決するための手段 第1発明の鋳鉄製内燃機関用ピストンは、鋳鉄
製ピストンのピストンヘツド部における耐熱衝
撃・耐熱疲労性が要求される部位に、Crおよび
Moのうち少なくとも一方が合計で0.3〜2.0重量
%含有されかつパーライト基地もしくはパーライ
ト主体の基地中に塊状黒鉛が分散晶出している合
金化鋳鉄層が、表面から少なくとも0.2mm以上の
深さにわたつて形成されていることを特徴とする
ものである。
Means for Solving the Problems The cast iron piston for an internal combustion engine of the first invention has Cr and
An alloyed cast iron layer containing a total of 0.3 to 2.0% by weight of at least one of Mo and in which massive graphite is dispersed and crystallized in a pearlite base or a pearlite-based base extends to a depth of at least 0.2 mm from the surface. It is characterized by being formed as follows.

第2発明の製造方法は、鋳鉄を原料としてピス
トン粗形材を鋳造した後、そのピストン粗形材の
ピストンヘツド部における耐熱衝撃・耐熱疲労性
が要求される部位の表面にCrおよびMoのうち少
なくとも一方またはそれらの合金もしくはCr、
Moの少なくとも一方とFeとの合金を配置し、そ
の上から高密度エネルギを照射して急速溶融−急
速再凝固させることにより鋳鉄とCrおよび/ま
たはMoとの合金層を形成し、次いでこの合金層
に800〜1050℃で1分間〜10分間加熱する再加熱
処理を施して、Cr、Moの少なくとも一方を合計
で0.3〜2.0重量%含有しかつ塊状黒鉛が分散晶出
している合金化鋳鉄層を前記部位に表面から0.2
mm以上の深さにわたつて形成することを特徴とす
るものである。
In the manufacturing method of the second invention, after casting a piston rough shape using cast iron as a raw material, Cr and Mo are added to the surface of the piston head portion of the piston rough shape where thermal shock resistance and thermal fatigue resistance are required. at least one or an alloy thereof or Cr;
An alloy of at least one of Mo and Fe is placed, and high-density energy is irradiated from above to cause rapid melting and rapid resolidification to form an alloy layer of cast iron and Cr and/or Mo, and then this alloy The layer is reheated at 800 to 1050°C for 1 to 10 minutes to produce an alloyed cast iron layer containing a total of 0.3 to 2.0% by weight of at least one of Cr and Mo and in which massive graphite is dispersed and crystallized. 0.2 from the surface to the above part
It is characterized by being formed over a depth of mm or more.

作 用 ピストンの母材となる鋳鉄材料としては、コス
トおよび鋳造製などの点からJIS FC20、FC25、
FC30などの普通鋳鉄が最も好ましいが、低合金
鋳鉄なども用いることができる。
Function As the cast iron material that becomes the base material of the piston, JIS FC20, FC25,
Normal cast iron such as FC30 is most preferred, but low alloy cast iron and the like can also be used.

この発明では、上述のような普通鋳鉄等からな
るピストンのヘツド部のうち、特に耐熱衝撃性、
耐熱疲労性が要求される部位、例えばホツトスポ
ツト部のみ、後述するような合金化鋳鉄層が形成
される。
In this invention, the head portion of the piston made of ordinary cast iron as described above has particularly high thermal shock resistance.
An alloyed cast iron layer as described later is formed only in areas where thermal fatigue resistance is required, for example, hot spots.

このホツトスポツト部について説明すると、第
1図は直接噴射型デイーゼル機関用ピストンの一
例を示すものであり、ピストン本体1は砂型鋳造
等により鋳造された鋳鉄製のものであつて、その
ピストンヘツド部2の頂面に形成された凹状の噴
口部3の内壁面上部からエツジ部へかけてのクロ
ス斜線を施した部分が燃料噴射を直接受けて最も
高温となるホツトスポツト部4に相当する。また
第2図には、直接噴射型デイーゼル機関用ピスト
ンの他の例のピストンヘツド部2のホツトスポツ
ト部4を示す。さらに第3図には通常のデイーゼ
ル機関用ピストンのピストンヘツド部2のホツト
スポツト部4を示す。
To explain this hot spot part, FIG. 1 shows an example of a piston for a direct injection type diesel engine.The piston body 1 is made of cast iron cast by sand casting or the like, and the piston head part 2 The cross-hatched area from the upper part of the inner wall surface to the edge of the concave nozzle 3 formed on the top surface corresponds to the hot spot 4 which directly receives the fuel injection and reaches the highest temperature. FIG. 2 also shows a hot spot portion 4 of a piston head portion 2 of another example of a direct injection type diesel engine piston. Furthermore, FIG. 3 shows a hot spot portion 4 of a piston head portion 2 of a conventional piston for a diesel engine.

上述のホツトスポツト部4の如く特に耐熱衝撃
性、耐熱疲労性が要求される部位に、Cr、Moの
少なくとも一方を合計で0.3〜2.0重量%含有す
る、基地組織がパーライトもしくはパーライト主
体でかつ塊状黒鉛が均一に分散晶出した合金化鋳
鉄層が形成される。ここでCr、Moは強力な炭化
物生成元素であり、したがつてその合金化鋳鉄層
のマトリツクスはセメンタイトが強化されたパー
ライトまたはパーライト主体の組織となる。
In areas where thermal shock resistance and thermal fatigue resistance are especially required, such as the above-mentioned hot spot portion 4, the matrix structure is pearlite or pearlite-based and massive graphite containing at least one of Cr and Mo in a total of 0.3 to 2.0% by weight. An alloyed cast iron layer is formed in which the particles are uniformly dispersed and crystallized. Here, Cr and Mo are strong carbide-forming elements, and therefore the matrix of the alloyed cast iron layer becomes pearlite reinforced with cementite or a pearlite-based structure.

従来からピストンに使用されている普通鋳鉄の
場合、基地がパーライト組織であるのが通常であ
り、その場合ピストンのホツトスポツト部等が使
用時に高温となることにより徐々にセメンタイト
が黒鉛とフエライトに分解し、この際体積膨張が
生じてこの膨張がホツトスポツト部等の熱応力を
大きくして亀裂発生を招いていたと考えられる。
また従来の普通鋳鉄製ピストンでは晶出黒鉛形状
が片状であるため、片状黒鉛が熱応力等による亀
裂の起点や伝播部となり易く、このことも亀裂発
生の原因となつていた。しかるにこの発明のピス
トンにおける合金化鋳鉄層は、特にCrおよび/
またはMoの合金化によつて基地のパーライト組
織中のセメンタイトが強化されて安定化されてい
るため、セメンタイトの分解−体積膨張による亀
裂発生を招くおそれが少なく、かつ亀裂の成長も
緩やかとなるのである。また晶出黒鉛形状も塊状
であることから、黒鉛が亀裂の起点や伝播部とな
りにくい。したがつてその合金化鋳鉄層を形成し
たホツトスポツト部等の部位は、部分的に耐熱衝
撃性、耐熱疲労性が著しく改善されるのである。
In the case of ordinary cast iron, which has traditionally been used for pistons, the matrix is usually pearlite, and in this case, as hot spots of the piston become hot during use, the cementite gradually decomposes into graphite and ferrite. At this time, it is thought that volumetric expansion occurred and this expansion increased thermal stress in hot spots and the like, leading to cracking.
Furthermore, since the crystallized graphite in conventional ordinary cast iron pistons is flaky, the flaky graphite tends to become the starting point or propagation part of cracks due to thermal stress, etc., and this has also been a cause of crack occurrence. However, the alloyed cast iron layer in the piston of the present invention is particularly composed of Cr and/or
Alternatively, the cementite in the pearlite structure of the base is strengthened and stabilized by alloying with Mo, so there is less risk of cracks occurring due to cementite decomposition and volume expansion, and the growth of cracks is also slow. be. Furthermore, since the crystallized graphite is in the form of a lump, the graphite is less likely to become a starting point or a propagation part of a crack. Therefore, the thermal shock resistance and thermal fatigue resistance of the areas such as hot spots where the alloyed cast iron layer is formed are significantly improved.

ここで、Crおよび/またはMoを合金化する理
由は、既に述べたようにその炭化物生成傾向が大
きいことを利用して基地のパーライト組織中のセ
メンタイトを強化・安定化させ、亀裂発生を防止
する点にあるが、それらの含有量が合計で0.3重
量%未満ではセメンタイトを安定化させて亀裂発
生を防止する効果が充分に得られず、一方2.0重
量%を越えれば遊離セメンタイトがそのまま残留
してパーライト組織が得られなくなる傾向が強く
なり、靱性の低下を招いてしまうから、その合計
含有量は0.3〜2.0重量%の範囲内とする必要があ
る。
Here, the reason for alloying Cr and/or Mo is to use their strong tendency to form carbides to strengthen and stabilize the cementite in the pearlite structure of the base, thereby preventing cracking. However, if the total content is less than 0.3% by weight, the effect of stabilizing cementite and preventing cracking will not be sufficiently achieved, while if it exceeds 2.0% by weight, free cementite will remain. The total content should be within the range of 0.3 to 2.0% by weight, since there is a strong tendency that a pearlite structure cannot be obtained, leading to a decrease in toughness.

また上述のような合金化鋳鉄層は、ホツトスポ
ツト部等における表面から少なくとも0.2mm以上
の深さにわたつて形成されている必要がある。
Further, the alloyed cast iron layer as described above needs to be formed at a depth of at least 0.2 mm from the surface at hot spots and the like.

0.2mm未満の深さでは、上述の効果が充分に得
られない。
If the depth is less than 0.2 mm, the above-mentioned effects cannot be sufficiently obtained.

次に前述のような合金化鋳鉄層を有するピスト
ンの製造方法、すなわち第2発明について説明す
る。
Next, a method for manufacturing a piston having an alloyed cast iron layer as described above, that is, a second invention will be described.

先ずピストン粗形材の製造法としては、前述の
ような普通鋳鉄等の鋳鉄材料を原材料として、砂
型鋳造等の通常の鋳造法により鋳造すれば良い。
First, the piston rough shape may be manufactured by using a cast iron material such as the above-mentioned ordinary cast iron as a raw material and casting by a normal casting method such as sand mold casting.

得られたピストン粗形材に対しては、先ず高密
度エネルギ源を用いて、Crおよび/またはMoの
合金化処理を行なう。すなわち、ピストン粗形材
のピストンヘツド部のうち、特に耐熱衝撃性、耐
熱疲労性が要求されるホツトスポツト部等の部位
の表面に、CrまたはMoもしくはそれらの合金、
あるいはFe−Cr合金やFe−Mo合金もしくはFe
−Cr−Mo合金を配置し、その上からレーザ、電
子ビーム、プラズマアーク、TIGアーク等の高密
度エネルギを照射することにより、表面に配置さ
れたCrおよび/またはMoやそれらの合金とその
下側の鋳鉄母材表面層とを瞬時に急速溶融させて
鋳鉄とCrおよび/またはMoとを合金化し、続い
てそのエネルギ照射位置の移動もしくは照射停止
によりその溶融した合金層を瞬時に急速凝固させ
る。ここで、高密度エネルギの照射により溶融し
た部分はピストン全体の質量に比べれば格段に小
さい質量であるから、高密度エネルギ照射位置の
移動もしくは照射停止によつてピストン母材側へ
の熱移動により溶融した合金層は瞬時に凝固し、
遊離セメンタイトを含むチル化された合金層とな
る。
The obtained piston rough shape is first subjected to alloying treatment with Cr and/or Mo using a high-density energy source. That is, in the piston head portion of the piston rough shape material, Cr, Mo, or an alloy thereof,
Or Fe-Cr alloy, Fe-Mo alloy or Fe
- By placing a Cr-Mo alloy and irradiating it with high-density energy such as a laser, electron beam, plasma arc, or TIG arc, the Cr and/or Mo alloys placed on the surface and their underlying The cast iron is alloyed with Cr and/or Mo by instantaneously and rapidly melting the surface layer of the cast iron base material on the side, and then the molten alloy layer is instantaneously and rapidly solidified by moving the energy irradiation position or stopping the irradiation. . Here, the mass of the part melted by high-density energy irradiation is much smaller than the mass of the entire piston, so by moving the high-density energy irradiation position or stopping irradiation, heat transfer to the piston base material side The molten alloy layer solidifies instantly,
This results in a chilled alloy layer containing free cementite.

なお、Cr、Mo、またはそれらの合金等をピス
トンのホツトスポツト部等に配置するための具体
的手法としては、例えばそれらの粉末、圧粉体、
薄板等を載置または溶射したりあるいはスラリー
として塗布したり、さらには必要部位に溝を加工
してその中に充填したりすれば良い。
In addition, as a specific method for disposing Cr, Mo, or their alloys, etc. in the hot spot portion of the piston, for example, their powder, green compact,
It may be done by placing a thin plate or the like, by thermal spraying, or by applying it as a slurry, or by cutting a groove in a necessary area and filling it therein.

次いでそのチル化された合金層を、800〜1050
℃の範囲内の温度に1分間〜10分間再加熱した
後、空冷、放冷あるいは徐冷する。このような再
加熱処理を加えることによつて、チル化合金層か
ら塊状黒鉛が晶出するとともに基地組織がパーラ
イト相またはパーライト主体の組織となる。すな
わち前述のようにパーライト相またはパーライト
主体の組織をマトリツクスとしかつ塊状黒鉛が分
散した合金化鋳鉄層が得られる。
The chilled alloy layer is then heated to 800~1050
After reheating to a temperature within the range of 1 to 10 minutes, the sample is air cooled, left to cool, or slowly cooled. By applying such reheating treatment, massive graphite crystallizes from the chilled alloy layer, and the base structure becomes a pearlite phase or a pearlite-based structure. That is, as described above, an alloyed cast iron layer having a pearlite phase or a pearlite-based structure as a matrix and in which massive graphite is dispersed is obtained.

ここで、チル化合金層に対する再加熱処理の加
熱温度が800℃未満では均一かつ充分な黒鉛の晶
出が得られず、一方1050℃を越えれば黒鉛化が過
度に進行して基地にパーライトが得られなくなる
おそれがある。したがつて加熱温度は800〜1050
℃の範囲内とした。また加熱時間が1分間未満で
は1050℃に近い高温でも充分に黒鉛が晶出せず、
一方10分間を越える長時間の加熱を施せば黒鉛化
が過度に進行してパーライトが得られなくなる。
したがつて加熱時間は1分間〜10分間とした。な
お加熱時間が800℃近辺と低い場合には加熱時間
は10分間近い長時間とし、1050℃近辺と高い場合
には加熱時間は1分間程度の短時間とすることが
好ましい。また上記の加熱温度範囲内でも、特に
950〜1050℃で加熱することがより望ましい。
Here, if the heating temperature of the reheating treatment for the chilled alloy layer is less than 800℃, uniform and sufficient crystallization of graphite will not be obtained, while if it exceeds 1050℃, graphitization will proceed excessively and pearlite will be formed in the matrix. There is a risk that you will not be able to obtain it. Therefore, the heating temperature is 800 to 1050
The temperature was within the range of ℃. Furthermore, if the heating time is less than 1 minute, graphite will not crystallize sufficiently even at high temperatures close to 1050℃.
On the other hand, if heating is carried out for a long time exceeding 10 minutes, graphitization will proceed excessively and pearlite will not be obtained.
Therefore, the heating time was set to 1 minute to 10 minutes. Note that when the heating time is low, around 800°C, the heating time is preferably a long time of about 10 minutes, and when it is high, around 1050°C, the heating time is preferably short, about 1 minute. Also, even within the above heating temperature range, especially
Heating at 950-1050°C is more desirable.

なお以上の加熱処理においては、チル化合金層
の部分のみを加熱する局部加熱を適用することが
好ましいが、場合によつてはピストン全体を加熱
しても良い。局部加熱の具体的加熱手段として
は、高周波誘導加熱や火災加熱(バーナ加熱)等
を用いることができ、またピストン全体を加熱す
る場合は炉中加熱を用いることができる。
In the above heat treatment, it is preferable to apply local heating in which only a portion of the chilled alloy layer is heated, but in some cases, the entire piston may be heated. As a specific heating means for local heating, high frequency induction heating, fire heating (burner heating), etc. can be used, and in the case of heating the entire piston, furnace heating can be used.

以上のように、高密度エネルギを用いた合金
化・チル化処理により表面層にCrおよび/また
はMoと鋳鉄とのチル化合金層を形成した後、再
加熱処理を施すことによつて、セメンタイトが強
化・安定化されたパーライト相もしくはパーライ
ト主体の組織からなるマトリツクス中に塊状黒鉛
が分散晶出した合金化鋳鉄層をホツトスポツト部
等の所要の箇所に形成することができる。
As described above, after forming a chilled alloy layer of Cr and/or Mo and cast iron on the surface layer through alloying and chilling treatment using high-density energy, reheating treatment is performed to form cementite. It is possible to form an alloyed cast iron layer in which massive graphite is dispersed and crystallized in a matrix consisting of a pearlite phase or a pearlite-based structure, which is strengthened and stabilized, at desired locations such as hot spots.

なお前述の再加熱処理後は、適宜研削加工、研
磨加工等の機械加工を行なつて最終的に製品ピス
トン形状に仕上げれば良い。
After the above-mentioned reheating treatment, mechanical processing such as grinding or polishing may be performed as appropriate to finally form the product piston shape.

実施例 実施例 1 JIS FC25鋳鉄を溶解し、砂型鋳造によつて外
径120mm、厚さ50mmの実験用鋳鉄円板を作成した。
これを外径100mm、厚さ5mmの円板状に機械加工
し、その板面の中心部の直径20mmの範囲内に、プ
ラズマ溶射法によつてCrを0.1mm厚に溶射し、続
いてその上から交流TIG電源を用いたTIGアーク
法により合金化・チル化処理を行なつた。なお
TIGアーク電流は180Aとした。次いでそのチル
化合金層表面近傍に高周波誘導加熱コイルを配置
して、チル化合金層が1000℃となるように2分間
加熱し、その後放冷する再加熱処理を施した。そ
の後機械加工により第4図A,Bに示すように中
心部に小孔(内径5mm)5を有する熱衝撃試験片
に加工した。
Examples Example 1 JIS FC25 cast iron was melted and an experimental cast iron disk having an outer diameter of 120 mm and a thickness of 50 mm was created by sand casting.
This was machined into a disk shape with an outer diameter of 100 mm and a thickness of 5 mm, and Cr was sprayed to a thickness of 0.1 mm using plasma spraying within a 20 mm diameter area at the center of the plate surface. Alloying and chilling treatments were performed from above using the TIG arc method using an AC TIG power source. In addition
The TIG arc current was 180A. Next, a high-frequency induction heating coil was placed near the surface of the chilled alloy layer, and a reheating treatment was performed in which the chilled alloy layer was heated to 1000° C. for 2 minutes and then allowed to cool. Thereafter, it was machined into a thermal shock test piece having a small hole (inner diameter 5 mm) 5 in the center as shown in FIGS. 4A and 4B.

前述の再加熱処理後の中心部直径20mmの範囲内
の金属組織を観察したところ、第5図(倍率400
倍)に示すように、セメンタイトが強化されたパ
ーライトをマトリツクスとしかつ塊状黒鉛が晶出
した合金化鋳鉄層が得られていることが判明し
た。なおこの場合の合金化鋳鉄層におけるCr濃
度は、分析の結果0.8重量%であることが判明し
た。比較のため、上述のようなTIGアークによる
合金化・チル化および再加熱処理を行なわない
FC25鋳鉄の組織を第6図(倍率400倍)に示す。
After the above-mentioned reheating treatment, we observed the metallographic structure within a 20 mm diameter area as shown in Figure 5 (400 magnification).
As shown in Fig. 2), it was found that an alloyed cast iron layer was obtained in which the matrix was made of pearlite reinforced with cementite and in which massive graphite crystallized. The analysis revealed that the Cr concentration in the alloyed cast iron layer in this case was 0.8% by weight. For comparison, alloying, chilling and reheating using TIG arc as described above were not performed.
The structure of FC25 cast iron is shown in Figure 6 (400x magnification).

前述のようにして得られた熱衝撃試験片(本発
明材1)と、比較のためのTIGアークによる合金
化・チル化および再加熱処理を行なわないFC25
鋳鉄の同形状の熱衝撃試験片(比較材)とについ
て、加熱−冷却サイクルの繰返しによる熱衝撃性
試験を行なつた。なおこの試験における加熱はプ
ロパン−酸素バーナにより昇温速度11.5℃/sec、
加熱温度450℃とし、また冷却は水温18℃の冷却
水による水冷とした。
Thermal shock test specimen (invention material 1) obtained as described above and FC25 without alloying/chilling by TIG arc and reheating treatment for comparison.
A thermal shock test piece of cast iron of the same shape (comparison material) was subjected to a thermal shock test by repeating heating-cooling cycles. The heating in this test was performed using a propane-oxygen burner at a heating rate of 11.5°C/sec.
The heating temperature was 450°C, and cooling was performed using cooling water with a water temperature of 18°C.

この熱衝撃試験においては、耐熱衝撃性が低い
場合、加熱−冷却による円周方向の膨張−収縮の
繰返し熱応力によつて中心部の小孔5から亀裂が
発生して、さらにその亀裂が拡大する。この試験
結果を第7図に示す。第7図から明らかなように
この発明による処理を行なわなかつたFC25鋳鉄
の比較材の場合と比較し、本発明材1では亀裂発
生に至るまでの熱衝撃繰返し数が格段に多く、し
たがつて耐熱衝撃性が著しく優れていることが判
る。
In this thermal shock test, if the thermal shock resistance is low, a crack will occur from the small hole 5 in the center due to the repeated thermal stress of expansion and contraction in the circumferential direction due to heating and cooling, and the crack will further expand. do. The test results are shown in FIG. As is clear from FIG. 7, compared to the comparison material of FC25 cast iron that was not treated according to the present invention, the number of thermal shocks that were repeated before cracking occurred in the material 1 of the present invention was significantly higher. It can be seen that the thermal shock resistance is extremely excellent.

実施例 2 実施例1におけるCrの代りにMoを用い、その
他の条件は実施例1と同様として合金化・チル化
処理−再加熱処理を行なつた。その場合の合金化
鋳鉄層のMo濃度は1.1重量%であつた。また実施
例1と同様の熱衝撃試験を行なつた結果(本発明
材2)を第7図に併せて示す。この場合も、実施
例1のCr合金化の場合と同程度以上の優れた耐
熱衝撃性を示すことが判る。
Example 2 Alloying/chilling treatment and reheating treatment were performed under the same conditions as in Example 1 except that Mo was used instead of Cr in Example 1. The Mo concentration in the alloyed cast iron layer in that case was 1.1% by weight. The results of a thermal shock test similar to that of Example 1 (inventive material 2) are also shown in FIG. It can be seen that this case also exhibits excellent thermal shock resistance comparable to or better than the case of Cr alloying in Example 1.

実施例 3 ピストン材料として、JIS FC25の普通鋳鉄に
脱酸剤としてセリウム(Ce)を0.02%添加したも
のを溶解し、砂型鋳造法により第1図に示すよう
な形状の直接噴射型デイーゼル機関用ピストンの
粗形材を鋳造した。このピストン粗形材の直径は
120mm、噴口部内径は45mmである。
Example 3 As a piston material, ordinary cast iron of JIS FC25 with 0.02% cerium (Ce) added as a deoxidizing agent was melted and made by sand casting method to create a piston with the shape shown in Figure 1 for a direct injection diesel engine. The rough shape of the piston was cast. The diameter of this piston rough shape is
120mm, and the inner diameter of the nozzle part is 45mm.

次いでピストン粗形材の噴口部内面上部からエ
ツジ部にかけてのホツトスポツト部に対してプラ
ズマ溶射法によりCrを0.1mm厚に溶射し、次いで
その上から平均電流210AとしたTIGアーク法に
より合金化・チル化処理を施した。その後、高周
波誘導加熱装置を用い、合金化・チル化処理が施
された部分に対して1000℃×2分間の加熱後放冷
する再加熱処理を行ない、さらに機械加工によつ
て外径115mm、噴口部径48mmのピストンに仕上げ
た。このピストンは、噴口部の縁部は径で58mmま
で、噴口部内は奥行きで頂面から8mmの位置ま
で、実施例1の第5図に示すようなパーライトを
基地とする合金化鋳鉄層が形成されていることが
確認された。なおこの合金化鋳鉄層のCr濃度を
分析したところ、Cr0.7重量%であることが判明
した。
Next, Cr was sprayed to a thickness of 0.1 mm by plasma spraying on the hot spots from the upper part of the inner surface of the nozzle part to the edges of the rough piston material, and then alloyed and chilled using the TIG arc method with an average current of 210A. A chemical treatment was applied. After that, using a high-frequency induction heating device, the alloyed/chilled part was heated to 1000℃ for 2 minutes and then allowed to cool. The piston has a nozzle diameter of 48mm. This piston has an alloyed cast iron layer based on pearlite, as shown in FIG. 5 of Example 1, formed on the edge of the nozzle up to 58 mm in diameter and within the nozzle up to a depth of 8 mm from the top surface. It was confirmed that An analysis of the Cr concentration in this alloyed cast iron layer revealed that it was 0.7% by weight.

以上のようにして得られたピストンを3.5の
直接噴射式デイーゼル機関に装着し、[3500rpm
×全負荷×20分]と[アイドリング×10分]のサ
イクルの繰返しによる耐久試験に供した。その結
果、500時間までピストンに何らトラブルが発生
しないことが確認された。一方、比較のため前述
のような処理を施さない同寸法のFC25鋳鉄製ピ
ストンについて、同一の耐久試験を行なつたとこ
ろ、300〜400時間で噴口部のホツトスポツト部に
熱亀裂が多数観察された。このような結果から、
こ発明によるピストンでは耐熱衝撃・耐熱疲労性
が優れていることが判る。
The piston obtained as above was installed in a 3.5 direct injection diesel engine, and
It was subjected to a durability test by repeating the cycles of [× full load × 20 minutes] and [idling × 10 minutes]. As a result, it was confirmed that no trouble occurred with the piston for up to 500 hours. On the other hand, for comparison, when we conducted the same durability test on an FC25 cast iron piston of the same size without the above-mentioned treatment, many thermal cracks were observed in the hot spot area of the nozzle after 300 to 400 hours. . From these results,
It can be seen that the piston according to the present invention has excellent thermal shock resistance and thermal fatigue resistance.

実施例 4 実施例3におけるCrの代りにMoを用い、その
他の条件は実施例3と同一として直接噴射型デイ
ーゼル機関用ピストンを作成した。この場合のホ
ツトスポツト部の合金化鋳鉄層のMo濃度は分析
の結果0.8重量%であつた。また実施例3と同様
な耐久試験に供したところ、Cr合金化の場合と
ほぼ同様な優れた耐久性を示すことが確認され
た。
Example 4 A piston for a direct injection type diesel engine was prepared using Mo instead of Cr in Example 3, and under the same conditions as in Example 3 except for the following conditions. Analysis showed that the Mo concentration in the alloyed cast iron layer at the hot spot in this case was 0.8% by weight. Furthermore, when subjected to the same durability test as in Example 3, it was confirmed that it exhibited excellent durability almost the same as in the case of Cr alloying.

発明の効果 この発明の鋳鉄製ピストンは、ピストンヘツド
部のうち特にホツトスポツト部の如く耐熱衝撃
性、耐熱疲労性が要求される部位に、Crおよ
び/またはMoを合金化することにより、セメン
タイトを強化・安定化したパーライトもしくはパ
ーライト主体の基地組織を有しかつ塊状黒鉛が晶
出した合金化鋳鉄層が形成されているため、その
部位の耐熱衝撃性、耐熱疲労性が著しく改善され
ており、したがつてピストン使用時の熱応力によ
つてホツトスポツト部に亀裂が生じるおそれが極
めて少なく、ピストンの長寿命化を図ることがで
きるとともに、燃焼室の高温化ひいては高出力化
を図ることができる。またこの発明のピストンは
特に耐熱衝撃性や耐熱疲労性が要求される部分の
みを強化したものであつて、ピストンの母材とし
ては安価な普通鋳鉄等を用いることができ、した
がつてピストンの原材料コストを安価にすること
ができるとともに、加工性や鋳造性を損なつたり
するおそれも少ない等の効果が得られる。またこ
の発明の製造方法によれば、上述のように優れた
長所を有する鋳鉄製ピストンを簡単かつ容易に得
ることができる。
Effects of the Invention The cast iron piston of the present invention strengthens the cementite by alloying Cr and/or Mo in the piston head, especially in the hot spot area where thermal shock resistance and thermal fatigue resistance are required.・Since an alloyed cast iron layer with stabilized pearlite or pearlite-based matrix structure and crystallized massive graphite is formed, the thermal shock resistance and thermal fatigue resistance of that part are significantly improved. Therefore, there is extremely little risk of cracks occurring in the hot spot portion due to thermal stress during use of the piston, making it possible to prolong the life of the piston, and also to increase the temperature of the combustion chamber and thus increase the output. In addition, the piston of the present invention is reinforced only in the parts where thermal shock resistance and thermal fatigue resistance are particularly required, and inexpensive ordinary cast iron or the like can be used as the base material of the piston. The cost of raw materials can be reduced, and there is also less risk of impairing workability or castability. Further, according to the manufacturing method of the present invention, a cast iron piston having the excellent advantages as described above can be obtained simply and easily.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図から第3図まではそれぞれこの発明が適
用されるデイーゼル機関用ピストンの一例を示す
縦断面図、第4図A,Bは実施例における熱衝撃
試験片を示す図で、そのAは縦断面図、Bは平面
図、第5図は実施例における本発明材の合金化鋳
鉄層の金属断面組織写真、第6図は比較材の金属
断面組織写真、第7図は熱衝撃試験結果を示す図
である。 1……ピストン、2……ピストンヘツド部、4
……ホツトスポツト部(合金化鋳鉄層を形成する
部分)。
1 to 3 are longitudinal cross-sectional views showing an example of a diesel engine piston to which the present invention is applied, and FIGS. 4A and 4B are views showing thermal shock test pieces in the example. Longitudinal cross-sectional view, B is a plan view, Figure 5 is a photograph of the metal cross-sectional structure of the alloyed cast iron layer of the present invention material in the example, Figure 6 is a photograph of the metal cross-sectional structure of the comparative material, and Figure 7 is the thermal shock test result. FIG. 1... Piston, 2... Piston head section, 4
...Hot spot part (part where alloyed cast iron layer is formed).

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 鋳鉄製ピストンのピストンヘツド部における
耐熱衝撃・耐熱疲労性が要求される部位に、Cr
およびMoのうち少なくとも一方が合計で0.3〜
2.0重量%含有されかつパーライト基地もしくは
パーライト主体の基地中に塊状黒鉛が分散晶出し
ている合金化鋳鉄層が、表面から少なくとも0.2
mm以上の深さにわたつて形成されていることを特
徴とする鋳鉄製内燃機関用ピストン。 2 鋳鉄を原料としてピストン粗形材を鋳造した
後、そのピストン粗形材のピストンヘツド部にお
ける耐熱衝撃・耐熱疲労性が要求される部位の表
面にCrおよびMoのうち少なくとも一方またはそ
れらの合金もしくはCr、Moの少なくとも一方と
Feとの合金を配置し、その上から高密度エネル
ギを照射して急速溶融−急速再凝固させることに
より鋳鉄とCrおよび/またはMoとの合金層を形
成し、次いでこの合金層に800〜1050℃で1分間
〜10分間加熱する再加熱処理を施して、Cr、Mo
の少なくとも一方を合計で0.3〜2.0重量%含有し
かつ塊状黒鉛が分散晶出している合金化鋳鉄層を
前記部位に表面から0.2mm以上の深さにわたつて
形成することを特徴とする鋳鉄製内燃機関用ピス
トンの製造方法。
[Scope of Claims] 1. Cr is added to the piston head of a cast iron piston in a region where thermal shock resistance and thermal fatigue resistance are required.
and Mo in total from 0.3 to
The alloyed cast iron layer containing 2.0% by weight and in which massive graphite is dispersed and crystallized in a pearlite base or pearlite-based base is at least 0.2% by weight from the surface.
A cast iron piston for internal combustion engines, characterized by being formed over a depth of mm or more. 2. After casting a piston rough shape using cast iron as a raw material, at least one of Cr and Mo, or an alloy thereof or At least one of Cr and Mo
An alloy layer of cast iron and Cr and/or Mo is formed by placing an alloy with Fe and irradiating it with high-density energy to cause rapid melting and rapid resolidification. Cr, Mo
A cast iron product, characterized in that an alloyed cast iron layer containing a total of 0.3 to 2.0% by weight of at least one of the above and in which massive graphite is dispersed and crystallized is formed in the above region to a depth of 0.2 mm or more from the surface. A method for manufacturing pistons for internal combustion engines.
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