JPH1136030A - ピストン用アルミニウム合金及びピストン製造方法 - Google Patents
ピストン用アルミニウム合金及びピストン製造方法Info
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- JPH1136030A JPH1136030A JP9192191A JP19219197A JPH1136030A JP H1136030 A JPH1136030 A JP H1136030A JP 9192191 A JP9192191 A JP 9192191A JP 19219197 A JP19219197 A JP 19219197A JP H1136030 A JPH1136030 A JP H1136030A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 鋳造性を低下させることなく鋳造可能で、高
温下での変形や溶損および高速摺動による疲労や摩耗劣
化を抑制するピストン用アルミニウム合金およびこれを
用いたピストン製造方法を提供する。 【解決手段】 Ｓｉ＋ＳｉＣを８ｍａｓｓ％以上２０ｍ
ａｓｓ％以下の範囲で含み、かつＳｉＣを２ｍａｓｓ％
以上含んだピストン用アルミニウム合金。前記アルミニ
ウム合金を含むインゴットを溶解し、これを霧状に散布
して急速冷却させて急冷凝固粉末を作製し、この急冷凝
固粉末を加熱固化してピストンに相当する大きさのピス
トン用素材を作製し、このピストン用素材を鍛造し、熱
処理および機械加工を施してピストンを形成する。
温下での変形や溶損および高速摺動による疲労や摩耗劣
化を抑制するピストン用アルミニウム合金およびこれを
用いたピストン製造方法を提供する。 【解決手段】 Ｓｉ＋ＳｉＣを８ｍａｓｓ％以上２０ｍ
ａｓｓ％以下の範囲で含み、かつＳｉＣを２ｍａｓｓ％
以上含んだピストン用アルミニウム合金。前記アルミニ
ウム合金を含むインゴットを溶解し、これを霧状に散布
して急速冷却させて急冷凝固粉末を作製し、この急冷凝
固粉末を加熱固化してピストンに相当する大きさのピス
トン用素材を作製し、このピストン用素材を鍛造し、熱
処理および機械加工を施してピストンを形成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関のピストン
用アルミニウム合金およびこれを用いたピストンの製造
方法に関するものである。
用アルミニウム合金およびこれを用いたピストンの製造
方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】高温高圧に晒されシリンダー内を高速で
往復運動する内燃機関のピストンは、高い強度と耐摩耗
性を備え、かつ軽量であることが要求される。このよう
なピストンの材料として、Ｓｉ（シリコン）を添加した
Ａｌ（アルミニウム）合金が広く使われている。ここで
Ｓｉを添加する主な理由は、（１）融点を下げ、湯の流
動性をよくする鋳造性の改善、（２）高温による形状変
化を抑制する熱膨張係数の低減、および（３）高速摺動
による疲労や摩耗劣化等に対する耐摩耗性の向上であ
る。
往復運動する内燃機関のピストンは、高い強度と耐摩耗
性を備え、かつ軽量であることが要求される。このよう
なピストンの材料として、Ｓｉ（シリコン）を添加した
Ａｌ（アルミニウム）合金が広く使われている。ここで
Ｓｉを添加する主な理由は、（１）融点を下げ、湯の流
動性をよくする鋳造性の改善、（２）高温による形状変
化を抑制する熱膨張係数の低減、および（３）高速摺動
による疲労や摩耗劣化等に対する耐摩耗性の向上であ
る。
【０００３】ここで（２）の熱膨張率の低減および
（３）の耐摩耗性の向上については、合金中に含まれる
Ｓｉ量に比例して大きな効果が期待できるため、高出力
で熱負荷の高いエンジンに使われるピストンほどＳｉの
添加量が多くなる。
（３）の耐摩耗性の向上については、合金中に含まれる
Ｓｉ量に比例して大きな効果が期待できるため、高出力
で熱負荷の高いエンジンに使われるピストンほどＳｉの
添加量が多くなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ｓｉは
Ａｌに比べ熱伝導率が大幅に低いため、Ｓｉを多く含む
アルミニウム合金は必然的に熱伝導率が悪くなり、熱が
適正に逃されず放熱作用が低下して、特にピストン天井
部の高温過熱によりその中心部分で溶損が起こりやすく
なる。
Ａｌに比べ熱伝導率が大幅に低いため、Ｓｉを多く含む
アルミニウム合金は必然的に熱伝導率が悪くなり、熱が
適正に逃されず放熱作用が低下して、特にピストン天井
部の高温過熱によりその中心部分で溶損が起こりやすく
なる。
【０００５】本発明は上記の点に対処してなされたもの
であって、鋳造性を低下させることなく鋳造可能で、高
温下での変形や溶損および高速摺動による疲労や摩耗劣
化を抑制するピストン用アルミニウム合金およびこれを
用いたピストン製造方法の提供を目的とする。
であって、鋳造性を低下させることなく鋳造可能で、高
温下での変形や溶損および高速摺動による疲労や摩耗劣
化を抑制するピストン用アルミニウム合金およびこれを
用いたピストン製造方法の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明では、Ｓｉ＋ＳｉＣを８ｍａｓｓ％（重量
％）以上２０ｍａｓｓ％以下の範囲で含み、かつＳｉＣ
を２ｍａｓｓ％以上含んだピストン用アルミニウム合金
を提供する。
め、本発明では、Ｓｉ＋ＳｉＣを８ｍａｓｓ％（重量
％）以上２０ｍａｓｓ％以下の範囲で含み、かつＳｉＣ
を２ｍａｓｓ％以上含んだピストン用アルミニウム合金
を提供する。
【０００７】このような構成のアルミニウム合金は、熱
膨張係数を大きくすることなく、熱伝導率を高め、かつ
耐摩耗性を向上させ、高温高速下で往復運動するピスト
ンの疲労強度を高めることができる。
膨張係数を大きくすることなく、熱伝導率を高め、かつ
耐摩耗性を向上させ、高温高速下で往復運動するピスト
ンの疲労強度を高めることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】好ましい実施の形態においては、
前記アルミニウム合金に含まれるＳｉおよびＳｉＣはと
もに平均粒径が２０μｍ以下である。
前記アルミニウム合金に含まれるＳｉおよびＳｉＣはと
もに平均粒径が２０μｍ以下である。
【０００９】この構成によれば、ピストンを鍛造等によ
り成形する場合に、素材が引延ばされたときにＳｉやＳ
ｉＣ粒子が割れてクラックが発生するようなことがな
く、ＳｉやＳｉＣ粒子がアルミニウム合金粒子間に均一
に分散され、疲労強度が高くなる。
り成形する場合に、素材が引延ばされたときにＳｉやＳ
ｉＣ粒子が割れてクラックが発生するようなことがな
く、ＳｉやＳｉＣ粒子がアルミニウム合金粒子間に均一
に分散され、疲労強度が高くなる。
【００１０】このようなＳｉやＳｉＣを含むアルミニウ
ム合金は、一般の鋳造法によれば鋳造性が低下して所望
のピストンの成形がしにくくなる。しかしながら、本発
明では以下のように急冷凝固粉末を作製することによ
り、鋳造または鍛造によりピストンを形成することがで
きる。
ム合金は、一般の鋳造法によれば鋳造性が低下して所望
のピストンの成形がしにくくなる。しかしながら、本発
明では以下のように急冷凝固粉末を作製することによ
り、鋳造または鍛造によりピストンを形成することがで
きる。
【００１１】すなわち、好ましい実施の形態によれば、
前記アルミニウム合金を含むインゴットを溶解し、これ
を霧状に散布して急速冷却させて急冷凝固粉末を作製
し、この急冷凝固粉末を加熱固化してピストンに相当す
る大きさのピストン用素材を作製し、このピストン用素
材を鍛造し、熱処理および機械加工を施してピストンを
形成する。
前記アルミニウム合金を含むインゴットを溶解し、これ
を霧状に散布して急速冷却させて急冷凝固粉末を作製
し、この急冷凝固粉末を加熱固化してピストンに相当す
る大きさのピストン用素材を作製し、このピストン用素
材を鍛造し、熱処理および機械加工を施してピストンを
形成する。
【００１２】このような実施方法により、高温での変形
が抑制され、熱伝導性がよく、強度が高く耐摩耗性の大
きい本発明のアルミニウム合金を用いてエンジンのピス
トンを形成することができる。
が抑制され、熱伝導性がよく、強度が高く耐摩耗性の大
きい本発明のアルミニウム合金を用いてエンジンのピス
トンを形成することができる。
【００１３】
【実施例】本発明に係るアルミニウム合金の具体的な実
施例を以下に示す。
施例を以下に示す。
【００１４】実施例１：５〜２５％（ｍａｓｓ％以下同
じ）のＳｉ；１〜３％のＦｅ；０．５〜５％のＣｕ；
０．５〜５％のＭｇ；２％以下のＭｎ；２％以下のＮ
ｉ；２％以下のＣｒ；２％以下のＺｒ；２％以下のＭ
ｏ；及び１〜１０％のＳｉＣを含み残りがＡｌのアルミ
ニウム合金。ここでＳｉＣの平均粒径は約１〜２０μｍ
である。
じ）のＳｉ；１〜３％のＦｅ；０．５〜５％のＣｕ；
０．５〜５％のＭｇ；２％以下のＭｎ；２％以下のＮ
ｉ；２％以下のＣｒ；２％以下のＺｒ；２％以下のＭ
ｏ；及び１〜１０％のＳｉＣを含み残りがＡｌのアルミ
ニウム合金。ここでＳｉＣの平均粒径は約１〜２０μｍ
である。
【００１５】実施例２：５〜２５％のＳｉ；１〜３％の
Ｆｅ；０．５〜５％のＣｕ；０．５〜５％のＭｇ；２％
以下のＭｎ；２％以下のＮｉ；２％以下のＣｒ；２％以
下のＺｒ；２％以下のＭｏ；及び１〜１０％のＳｉＣ
（およびＢＮ又はＡｌＮ又はＡｌ2Ｏ3）を含み残りがＡ
ｌのアルミニウム合金。ここでＳｉＣの他のＢＮ、Ａｌ
Ｎ、およびＡｌ2Ｏ3はこのうち１種類のみを用いてもよ
いが合計１〜１０％の範囲内で複数種類を複合して用い
てもよい（ＳｉＣは必須である）。
Ｆｅ；０．５〜５％のＣｕ；０．５〜５％のＭｇ；２％
以下のＭｎ；２％以下のＮｉ；２％以下のＣｒ；２％以
下のＺｒ；２％以下のＭｏ；及び１〜１０％のＳｉＣ
（およびＢＮ又はＡｌＮ又はＡｌ2Ｏ3）を含み残りがＡ
ｌのアルミニウム合金。ここでＳｉＣの他のＢＮ、Ａｌ
Ｎ、およびＡｌ2Ｏ3はこのうち１種類のみを用いてもよ
いが合計１〜１０％の範囲内で複数種類を複合して用い
てもよい（ＳｉＣは必須である）。
【００１６】実施例３：５％以下のＳｉ；５％以上のＦ
ｅ；０．５〜５％のＣｕ；０．５〜５％のＭｇ；２％以
下のＭｎ；２％以下のＮｉ；２％以下のＣｒ；２％以下
のＺｒ；２％以下のＭｏ；及び１〜１０％のＳｉＣを含
み残りがＡｌのアルミニウム合金。ここでＳｉＣの平均
粒径は１〜２０μｍである。
ｅ；０．５〜５％のＣｕ；０．５〜５％のＭｇ；２％以
下のＭｎ；２％以下のＮｉ；２％以下のＣｒ；２％以下
のＺｒ；２％以下のＭｏ；及び１〜１０％のＳｉＣを含
み残りがＡｌのアルミニウム合金。ここでＳｉＣの平均
粒径は１〜２０μｍである。
【００１７】実施例４：５％以下のＳｉ；５％以上のＦ
ｅ；０．５〜５％のＣｕ；０．５〜５％のＭｇ；２％以
下のＭｎ；２％以下のＮｉ；２％以下のＣｒ；２％以下
のＺｒ；２％以下のＭｏ；及び１〜１０％のＳｉＣ（お
よびＢＮ又はＡｌＮ又はＡｌ2Ｏ3）を含み残りがＡｌの
アルミニウム合金。ここでＳｉＣの他のＢＮ、ＡｌＮ、
およびＡｌ2Ｏ3はこのうち１種類のみを用いてもよいが
合計１〜１０％の範囲内で複数種類を複合して用いても
よい（ＳｉＣは必須である）。
ｅ；０．５〜５％のＣｕ；０．５〜５％のＭｇ；２％以
下のＭｎ；２％以下のＮｉ；２％以下のＣｒ；２％以下
のＺｒ；２％以下のＭｏ；及び１〜１０％のＳｉＣ（お
よびＢＮ又はＡｌＮ又はＡｌ2Ｏ3）を含み残りがＡｌの
アルミニウム合金。ここでＳｉＣの他のＢＮ、ＡｌＮ、
およびＡｌ2Ｏ3はこのうち１種類のみを用いてもよいが
合計１〜１０％の範囲内で複数種類を複合して用いても
よい（ＳｉＣは必須である）。
【００１８】実施例５：５％以下のＳｉ；５％以上のＦ
ｅ；０．５〜５％のＣｕ；０．５〜５％のＭｇ；２％以
下のＭｎ；２％以下のＮｉ；２％以下のＣｒ；２％以下
のＺｒ；２％以下のＭｏ；１〜１０％のＣ又はＭｏＳ
2 ；及び１〜１０％のＳｉＣ（Ａｌ2Ｏ3を合計１〜１０
％内で加えてもよい。ただしＳｉＣは必須である。）を
含み残りがＡｌのアルミニウム合金。ここでＣおよびＭ
ｏＳ2 一方のみを用いてもよいが合計１〜１０％の範囲
内で両方共用いてもよい。
ｅ；０．５〜５％のＣｕ；０．５〜５％のＭｇ；２％以
下のＭｎ；２％以下のＮｉ；２％以下のＣｒ；２％以下
のＺｒ；２％以下のＭｏ；１〜１０％のＣ又はＭｏＳ
2 ；及び１〜１０％のＳｉＣ（Ａｌ2Ｏ3を合計１〜１０
％内で加えてもよい。ただしＳｉＣは必須である。）を
含み残りがＡｌのアルミニウム合金。ここでＣおよびＭ
ｏＳ2 一方のみを用いてもよいが合計１〜１０％の範囲
内で両方共用いてもよい。
【００１９】実施例６：５〜２５％のＳｉ；１〜１０％
のＦｅ；０．５〜５％のＣｕ；０．５〜５％のＭｇ；２
％以下のＭｎ；２％以下のＮｉ；２％以下のＣｒ；２％
以下のＺｒ；２％以下のＭｏ；及び１〜１０％のＳｉＣ
を含み残りがＡｌのアルミニウム合金。ここでＳｉＣの
平均粒径は１〜２０μｍである。
のＦｅ；０．５〜５％のＣｕ；０．５〜５％のＭｇ；２
％以下のＭｎ；２％以下のＮｉ；２％以下のＣｒ；２％
以下のＺｒ；２％以下のＭｏ；及び１〜１０％のＳｉＣ
を含み残りがＡｌのアルミニウム合金。ここでＳｉＣの
平均粒径は１〜２０μｍである。
【００２０】実施例７：５〜２５％のＳｉ；１〜１０％
のＦｅ；０．５〜５％のＣｕ；０．５〜５％のＭｇ；２
％以下のＭｎ；２％以下のＮｉ；２％以下のＣｒ；２％
以下のＺｒ；２％以下のＭｏ；及び１〜１０％のＳｉＣ
（およびＢＮ又はＡｌＮ又はＡｌ2Ｏ3）を含み残りがＡ
ｌのアルミニウム合金。ここでＳｉＣの他のＢＮ、Ａｌ
Ｎ、およびＡｌ2Ｏ3はこのうち１種類のみを用いてもよ
いが合計１〜１０％の範囲内で複数種類を複合して用い
てもよい（ＳｉＣは必須である）。
のＦｅ；０．５〜５％のＣｕ；０．５〜５％のＭｇ；２
％以下のＭｎ；２％以下のＮｉ；２％以下のＣｒ；２％
以下のＺｒ；２％以下のＭｏ；及び１〜１０％のＳｉＣ
（およびＢＮ又はＡｌＮ又はＡｌ2Ｏ3）を含み残りがＡ
ｌのアルミニウム合金。ここでＳｉＣの他のＢＮ、Ａｌ
Ｎ、およびＡｌ2Ｏ3はこのうち１種類のみを用いてもよ
いが合計１〜１０％の範囲内で複数種類を複合して用い
てもよい（ＳｉＣは必須である）。
【００２１】実施例８：５〜２５％のＳｉ；１〜１０％
のＦｅ；０．５〜５％のＣｕ；０．５〜５％のＭｇ；２
％以下のＭｎ；２％以下のＮｉ；２％以下のＣｒ；２％
以下のＺｒ；２％以下のＭｏ；１〜１０％のＣ又はＭｏ
Ｓ2；及び１〜１０％のＳｉＣ（これにＡｌ2Ｏ3を合計
１〜１０％内で加えてもよい。ただしＳｉＣは必須であ
る。）を含み残りがＡｌのアルミニウム合金。ここでＣ
およびＭｏＳ2 は一方のみを用いてもよいが合計１〜１
０％の範囲内で両方共用いてもよい。
のＦｅ；０．５〜５％のＣｕ；０．５〜５％のＭｇ；２
％以下のＭｎ；２％以下のＮｉ；２％以下のＣｒ；２％
以下のＺｒ；２％以下のＭｏ；１〜１０％のＣ又はＭｏ
Ｓ2；及び１〜１０％のＳｉＣ（これにＡｌ2Ｏ3を合計
１〜１０％内で加えてもよい。ただしＳｉＣは必須であ
る。）を含み残りがＡｌのアルミニウム合金。ここでＣ
およびＭｏＳ2 は一方のみを用いてもよいが合計１〜１
０％の範囲内で両方共用いてもよい。
【００２２】実施例９：５〜２５％のＳｉ；１％以下の
Ｆｅ；０．５〜５％のＣｕ；０．５〜５％のＭｇ；２％
以下のＭｎ；２％以下のＮｉ；２％以下のＣｒ；２％以
下のＺｒ；２％以下のＭｏ；及び５％以下のＳｉＣ（お
よびＢＮ又はＡｌＮ又はＡｌ2Ｏ3）を含み残りがＡｌの
アルミニウム合金。ここでＳｉＣの他のＢＮ、ＡｌＮ、
およびＡｌ2Ｏ3はこのうち１種類のみを用いてもよいが
合計１〜１０％の範囲内で複数種類を複合して用いても
よい（ＳｉＣは必須である）。
Ｆｅ；０．５〜５％のＣｕ；０．５〜５％のＭｇ；２％
以下のＭｎ；２％以下のＮｉ；２％以下のＣｒ；２％以
下のＺｒ；２％以下のＭｏ；及び５％以下のＳｉＣ（お
よびＢＮ又はＡｌＮ又はＡｌ2Ｏ3）を含み残りがＡｌの
アルミニウム合金。ここでＳｉＣの他のＢＮ、ＡｌＮ、
およびＡｌ2Ｏ3はこのうち１種類のみを用いてもよいが
合計１〜１０％の範囲内で複数種類を複合して用いても
よい（ＳｉＣは必須である）。
【００２３】実施例１０：５〜２５％のＳｉ；１％以下
のＦｅ；０．５〜５％のＣｕ；０．５〜５％のＭｇ；２
％以下のＭｎ；２％以下のＮｉ；２％以下のＣｒ；２％
以下のＺｒ；２％以下のＭｏ；１〜１０％のＣ又はＭｏ
Ｓ2；及び５％以下のＳｉＣ（Ａｌ2Ｏ3を合計１〜１０
％内で加えてもよい。ただしＳｉＣは必須である。）を
含み残りがＡｌのアルミニウム合金。ここでＣおよびＭ
ｏＳ2 は一方のみを用いてもよいが合計１〜１０％の範
囲内で両方共用いてもよい。
のＦｅ；０．５〜５％のＣｕ；０．５〜５％のＭｇ；２
％以下のＭｎ；２％以下のＮｉ；２％以下のＣｒ；２％
以下のＺｒ；２％以下のＭｏ；１〜１０％のＣ又はＭｏ
Ｓ2；及び５％以下のＳｉＣ（Ａｌ2Ｏ3を合計１〜１０
％内で加えてもよい。ただしＳｉＣは必須である。）を
含み残りがＡｌのアルミニウム合金。ここでＣおよびＭ
ｏＳ2 は一方のみを用いてもよいが合計１〜１０％の範
囲内で両方共用いてもよい。
【００２４】なお、上記実施例において、Ｃ或いはＭｏ
Ｓ2 はピストンの摺動性を高めるためのものである。ま
た、Ｓｉは、金属組織中に硬質の初晶や共晶のシリコン
粒を晶出させることにより、耐摩耗性および耐焼付け性
を高めるために添加される。Ｆｅ（鉄）は、金属組織を
分散強化して２００℃以上で高い強度を得るために添加
され、Ｃｕ（銅）およびＭｇ（マグネシウム）は２００
℃以下での強度を高めるために添加されるものである。
添加量については、上記各実施例の範囲外では、所望の
有効な耐摩耗性や耐焼付け性および高温での必要な強度
を得ることができない。
Ｓ2 はピストンの摺動性を高めるためのものである。ま
た、Ｓｉは、金属組織中に硬質の初晶や共晶のシリコン
粒を晶出させることにより、耐摩耗性および耐焼付け性
を高めるために添加される。Ｆｅ（鉄）は、金属組織を
分散強化して２００℃以上で高い強度を得るために添加
され、Ｃｕ（銅）およびＭｇ（マグネシウム）は２００
℃以下での強度を高めるために添加されるものである。
添加量については、上記各実施例の範囲外では、所望の
有効な耐摩耗性や耐焼付け性および高温での必要な強度
を得ることができない。
【００２５】表１は従来のピストン用合金として用いら
れていたＪＩＳ規格のアルミニウム合金ＡＣ８Ａおよび
ＡＣ９Ｂの成分と本発明に係るアルミニウム合金の例と
して合金１および合金２の成分を表示したものである。
れていたＪＩＳ規格のアルミニウム合金ＡＣ８Ａおよび
ＡＣ９Ｂの成分と本発明に係るアルミニウム合金の例と
して合金１および合金２の成分を表示したものである。
【００２６】
【表１】
【００２７】このような従来公知のアルミニウム合金Ａ
Ｃ８ＡとＡＣ９Ｂおよび本発明の合金１と合金２の硬さ
特性を比較したデータを図１に示す。図から分るよう
に、本発明の合金１および合金２ともにＡＣ８Ａおよび
ＡＣ９Ｂより硬さ特性が優れている。
Ｃ８ＡとＡＣ９Ｂおよび本発明の合金１と合金２の硬さ
特性を比較したデータを図１に示す。図から分るよう
に、本発明の合金１および合金２ともにＡＣ８Ａおよび
ＡＣ９Ｂより硬さ特性が優れている。
【００２８】図２は、本発明に係るＳｉ＋ＳｉＣ＝８ｍ
ａｓｓ％および２０ｍａｓｓ％のアルミニウム合金と前
記ＡＣ８ＡおよびＡＣ９Ｂの熱伝導率（Watt per Meter
perKelvin）を比較したグラフである。図から分るよう
に、ＳｉＣを含まないＡＣ８ＡおよびＡＣ９Ｂに比べ本
発明の合金はいずれも熱伝導率が大きい。したがって、
ピストンとして用いた場合、放熱特性が向上し、より高
出力高温下での使用が可能になり耐熱性を高めることが
できる。
ａｓｓ％および２０ｍａｓｓ％のアルミニウム合金と前
記ＡＣ８ＡおよびＡＣ９Ｂの熱伝導率（Watt per Meter
perKelvin）を比較したグラフである。図から分るよう
に、ＳｉＣを含まないＡＣ８ＡおよびＡＣ９Ｂに比べ本
発明の合金はいずれも熱伝導率が大きい。したがって、
ピストンとして用いた場合、放熱特性が向上し、より高
出力高温下での使用が可能になり耐熱性を高めることが
できる。
【００２９】次に、本発明に係るアルミニウム合金を用
いたピストンの製造方法について説明する。
いたピストンの製造方法について説明する。
【００３０】図３は、本発明の内燃機関用鍛造ピストン
の一実施形態に係るピストン本体を示すもので、（Ａ）
は、ピン孔の軸線方向から見た側面を示し、（Ｂ）は、
上方から見たヘッド部の上面を示し、（Ｃ）は、図
（Ｂ）のＣ−Ｃ線に沿った縦断面を示している。
の一実施形態に係るピストン本体を示すもので、（Ａ）
は、ピン孔の軸線方向から見た側面を示し、（Ｂ）は、
上方から見たヘッド部の上面を示し、（Ｃ）は、図
（Ｂ）のＣ−Ｃ線に沿った縦断面を示している。
【００３１】ピストン本体１は、燃焼室に上面が露出す
るヘッド部２と、シリンダ内面に側面が摺接するスカー
ト部３が、ピンボス４のある側では肉厚が厚くなり、ピ
ンボス４のない側ではピンボス４よりも下方に向って肉
厚が徐々に薄くなるように、厚い円柱状の素材から鍛造
によって一体成形した一次成形品に対して、ピストンリ
ング溝５やピン孔６を形成したり、不要な部分を削り落
とす等の機械加工処理を施してから、必要に応じてメッ
キ等の表面処理を施すことで、最終製品に仕上げられて
いるものである。
るヘッド部２と、シリンダ内面に側面が摺接するスカー
ト部３が、ピンボス４のある側では肉厚が厚くなり、ピ
ンボス４のない側ではピンボス４よりも下方に向って肉
厚が徐々に薄くなるように、厚い円柱状の素材から鍛造
によって一体成形した一次成形品に対して、ピストンリ
ング溝５やピン孔６を形成したり、不要な部分を削り落
とす等の機械加工処理を施してから、必要に応じてメッ
キ等の表面処理を施すことで、最終製品に仕上げられて
いるものである。
【００３２】図４は、そのような本実施形態のピストン
本体１の製造方法の一例を示すもので、まず、工程
（１）において、アルミニウム（Ａ１）の基板に対して
シリコン（Ｓｉ）、鉄（Ｆｅ）およびその他の成分を含
有させたアルミ合金のインゴットを準備して、工程
（２）において、一種あるいは複数種のインゴットを約
７００℃以上で溶解してから霧状に散布し、冷却速度１
００℃／ｓｅｃ以上で急激に冷やして凝固させ、アルミ
合金の急冷凝固粉末（パウダーメタル）を製造する。
本体１の製造方法の一例を示すもので、まず、工程
（１）において、アルミニウム（Ａ１）の基板に対して
シリコン（Ｓｉ）、鉄（Ｆｅ）およびその他の成分を含
有させたアルミ合金のインゴットを準備して、工程
（２）において、一種あるいは複数種のインゴットを約
７００℃以上で溶解してから霧状に散布し、冷却速度１
００℃／ｓｅｃ以上で急激に冷やして凝固させ、アルミ
合金の急冷凝固粉末（パウダーメタル）を製造する。
【００３３】そのように製造されたアルミ合金の急冷凝
固粉末を、工程（３）において、４００〜５００℃に加
熱して押し出すことで丸棒として固形化してから、次い
で、工程（４）において、急冷凝固粉末を固化したアル
ミ合金の丸棒を、一個のピストンに相当する適当量の大
きさの厚い円板形状に切断することで、本実施形態の鍛
造ピストン用素材を製造する。
固粉末を、工程（３）において、４００〜５００℃に加
熱して押し出すことで丸棒として固形化してから、次い
で、工程（４）において、急冷凝固粉末を固化したアル
ミ合金の丸棒を、一個のピストンに相当する適当量の大
きさの厚い円板形状に切断することで、本実施形態の鍛
造ピストン用素材を製造する。
【００３４】なお、鍛造ピストン用素材の成形について
は、上記のようにアルミ合金粉末を丸棒に押し出して固
形化してから切断して成形するだけでなく、例えば、型
の中にアルミ合金粉末を込め、４００〜５００℃に加熱
且つ加圧して、直接的に所望の大きさおよび形状の鍛造
ピストン用素材を成形することも可能である。
は、上記のようにアルミ合金粉末を丸棒に押し出して固
形化してから切断して成形するだけでなく、例えば、型
の中にアルミ合金粉末を込め、４００〜５００℃に加熱
且つ加圧して、直接的に所望の大きさおよび形状の鍛造
ピストン用素材を成形することも可能である。
【００３５】また、アルミ合金粉末を４００〜５００℃
に加熱しつつ一対の圧延ロールの間に導いて圧延した
後、プレスにより打ち抜くことで厚い円板形状の鍛造ピ
ストン用素材として成形するか、または、シャーリング
で所望の大きさに切断して矩形の鍛造ピストン用素材と
して成形することも可能であり、さらに、そのように矩
形に成形してから予備鍛造して厚い円盤形状の鍛造ピス
トン用素材に成形してもよい。
に加熱しつつ一対の圧延ロールの間に導いて圧延した
後、プレスにより打ち抜くことで厚い円板形状の鍛造ピ
ストン用素材として成形するか、または、シャーリング
で所望の大きさに切断して矩形の鍛造ピストン用素材と
して成形することも可能であり、さらに、そのように矩
形に成形してから予備鍛造して厚い円盤形状の鍛造ピス
トン用素材に成形してもよい。
【００３６】このように製造された鍛造ピストン用素材
に対して、工程（５）において、離型剤を外周に塗布し
てから、次いで、工程（６）において、成形性をよくす
るために加熱して、次いで、工程（７）において、加熱
された素材を上下一対の型で狭み強圧する鍛造によっ
て、ヘッド部とスカート部を有するピストン本体の一次
成形品を一体成形する。
に対して、工程（５）において、離型剤を外周に塗布し
てから、次いで、工程（６）において、成形性をよくす
るために加熱して、次いで、工程（７）において、加熱
された素材を上下一対の型で狭み強圧する鍛造によっ
て、ヘッド部とスカート部を有するピストン本体の一次
成形品を一体成形する。
【００３７】このように鍛造で一体成形されたピストン
本体の一次成形品に対して、その後、さらに、工程
（８）において、強度を高めるため、熱処理を施してか
ら、最後に工程（９）において、機械加工によりピスト
リング溝やピン孔を形成したり、不要な部分を削り落と
す等の加工処理を行うことによって、ピストン本体の最
終形状に成形する。
本体の一次成形品に対して、その後、さらに、工程
（８）において、強度を高めるため、熱処理を施してか
ら、最後に工程（９）において、機械加工によりピスト
リング溝やピン孔を形成したり、不要な部分を削り落と
す等の加工処理を行うことによって、ピストン本体の最
終形状に成形する。
【００３８】さらに、その後、必要に応じて、このよう
に仕上げられたピストン本体に対して、例えば、摺動特
性や耐摩耗性を良くするためにスカート部の側面にメッ
キ等の表面処理を施すこともある。
に仕上げられたピストン本体に対して、例えば、摺動特
性や耐摩耗性を良くするためにスカート部の側面にメッ
キ等の表面処理を施すこともある。
【００３９】上記の工程（６）におけるピストン用素材
の鍛造については、本実施形態では、先ず、図５（Ａ）
に示すように、厚い円板形状のピストン用素材１０を、
例えば、２００〜５００℃の間に制御した状態で予熱し
た下型１１に対して、該下型１１の凹部内に収容してか
ら、２００〜５００℃の間に制御した状態で予熱した上
型（パンチ）１２により、図５（Ｂ）に示すように、加
圧してピストン形状に鍛造するものであって、このよう
な制御された温度に予熱された上型１１と下型１２を用
いた熱間鍛造によれば、アルミ合金の延性を充分に利用
して、寸法精度よくピストン本体１の一次成形品を成形
することができる。
の鍛造については、本実施形態では、先ず、図５（Ａ）
に示すように、厚い円板形状のピストン用素材１０を、
例えば、２００〜５００℃の間に制御した状態で予熱し
た下型１１に対して、該下型１１の凹部内に収容してか
ら、２００〜５００℃の間に制御した状態で予熱した上
型（パンチ）１２により、図５（Ｂ）に示すように、加
圧してピストン形状に鍛造するものであって、このよう
な制御された温度に予熱された上型１１と下型１２を用
いた熱間鍛造によれば、アルミ合金の延性を充分に利用
して、寸法精度よくピストン本体１の一次成形品を成形
することができる。
【００４０】なお、鍛造型に収容する前にピストン用素
材１０を２００〜５００℃の間に加熱した後、下型１１
の凹部内に収容して、直ちに上型１２で鍛造するように
してもよく、その場合でも、下型１１と上型１２は２０
０〜５００℃の間に制御しつつ鍛造する。そのように鍛
造工程からピストン用素材の加熱工程を別の並列工程と
することにより、鍛造工程の時間を短縮することが可能
となる。
材１０を２００〜５００℃の間に加熱した後、下型１１
の凹部内に収容して、直ちに上型１２で鍛造するように
してもよく、その場合でも、下型１１と上型１２は２０
０〜５００℃の間に制御しつつ鍛造する。そのように鍛
造工程からピストン用素材の加熱工程を別の並列工程と
することにより、鍛造工程の時間を短縮することが可能
となる。
【００４１】上記のような急冷凝固粉末を固化したアル
ミ合金による本実施形態の鍛造ピストン用素材では、溶
解したアルミ合金を霧状に散布して急冷凝固させること
により粉末化してから成形固化しているため、アルミ合
金粉末は平均粒径で約１００μｍ程度となり、その中に
含まれているＳｉおよびＳｉＣについては、鍛造を前提
とした溶製材のアルミ合金中に含まれている初晶シリコ
ン等の粒子と比べて、粉末化しつつ凝固するアルミ合金
の金属組織中に晶出させた硬質の初晶シリコン等は、平
均粒径が２０μｍ以下となるように微細化されて、各ア
ルミ合金粒子毎に分散されている。
ミ合金による本実施形態の鍛造ピストン用素材では、溶
解したアルミ合金を霧状に散布して急冷凝固させること
により粉末化してから成形固化しているため、アルミ合
金粉末は平均粒径で約１００μｍ程度となり、その中に
含まれているＳｉおよびＳｉＣについては、鍛造を前提
とした溶製材のアルミ合金中に含まれている初晶シリコ
ン等の粒子と比べて、粉末化しつつ凝固するアルミ合金
の金属組織中に晶出させた硬質の初晶シリコン等は、平
均粒径が２０μｍ以下となるように微細化されて、各ア
ルミ合金粒子毎に分散されている。
【００４２】このため、そのようにＳｉおよびＳｉＣが
微細化されて分散された状態で含まれている本実施形態
の鍛造ピストン用素材によって鍛造で一次成形されてい
る本実施形態の内燃機関用鍛造ピストンについては、ピ
ストン本体１の一次成形品を鍛造で成形する際に、特に
スカート部３で材料が薄く引き延されるように鍛造され
ても、該スカート部で初晶シリコン等の粒子が割れてク
ラックが発生するようなことが無く、スカート部での疲
労強度が高いものとなっている。
微細化されて分散された状態で含まれている本実施形態
の鍛造ピストン用素材によって鍛造で一次成形されてい
る本実施形態の内燃機関用鍛造ピストンについては、ピ
ストン本体１の一次成形品を鍛造で成形する際に、特に
スカート部３で材料が薄く引き延されるように鍛造され
ても、該スカート部で初晶シリコン等の粒子が割れてク
ラックが発生するようなことが無く、スカート部での疲
労強度が高いものとなっている。
【００４３】なお、アルミ合金中のＳｉおよびＳｉＣを
微細化し分散させるためには、アルミ合金を溶解して急
冷凝固することにより形成たアルミ合金粉末に、平均粒
径が１〜２０μｍのＳｉおよびＳｉＣを、最終的な成分
割合が前述のような本発明のアルミニウム合金の割合と
なるように混合してから、７００℃未満の温度で加熱且
つ加圧して直接所望の大きさに成形するか、あるいは、
７００℃未満の温度で加熱且つ加圧して固化した後で所
望の大きさに成形してもよく、これにより、各アルミ合
金粉末状組織の境界部に、平均粒径が２０μｍ以下のシ
リコン（Ｓｉ）および炭化シリコン（Ｓｉ）が分散する
こととなる。
微細化し分散させるためには、アルミ合金を溶解して急
冷凝固することにより形成たアルミ合金粉末に、平均粒
径が１〜２０μｍのＳｉおよびＳｉＣを、最終的な成分
割合が前述のような本発明のアルミニウム合金の割合と
なるように混合してから、７００℃未満の温度で加熱且
つ加圧して直接所望の大きさに成形するか、あるいは、
７００℃未満の温度で加熱且つ加圧して固化した後で所
望の大きさに成形してもよく、これにより、各アルミ合
金粉末状組織の境界部に、平均粒径が２０μｍ以下のシ
リコン（Ｓｉ）および炭化シリコン（Ｓｉ）が分散する
こととなる。
【００４４】ところで、通常の鋳造工程によりピストン
本体の一次成形を行う場合には、材料となるアルミ合金
中に鉄成分が多く添加されていると、鋳造後の冷却によ
り合金中に鉄の粗大な化合物が形成されて強度の低下を
招くこととなる。
本体の一次成形を行う場合には、材料となるアルミ合金
中に鉄成分が多く添加されていると、鋳造後の冷却によ
り合金中に鉄の粗大な化合物が形成されて強度の低下を
招くこととなる。
【００４５】これに対して本実施形態では、アルミ合金
を急冷凝固により粉末化してから、これを加熱且つ加圧
することで鍛造ピストン用素材としていることにより、
このような工程において、鉄の粗大な化合物の形成が阻
止され、応力集中の原因となる鉄分の粗大化合部のない
均一な金属組織が得られるため、鉄分を多く添加するこ
とが可能となって、高い疲労強度の合金を得ることが可
能となる。
を急冷凝固により粉末化してから、これを加熱且つ加圧
することで鍛造ピストン用素材としていることにより、
このような工程において、鉄の粗大な化合物の形成が阻
止され、応力集中の原因となる鉄分の粗大化合部のない
均一な金属組織が得られるため、鉄分を多く添加するこ
とが可能となって、高い疲労強度の合金を得ることが可
能となる。
【００４６】上記のような実施形態を有する本発明の内
燃機関用鍛造ピストンおよび鍛造ピストン用素材につい
ては、その耐摩耗性を高めるために、Ｓｉよりも硬い成
分であるＳｉＣが所定量含まれている。
燃機関用鍛造ピストンおよび鍛造ピストン用素材につい
ては、その耐摩耗性を高めるために、Ｓｉよりも硬い成
分であるＳｉＣが所定量含まれている。
【００４７】このような、ＳｉＣを含む本発明の内燃機
関用鍛造ピストンおよび鍛造ピストン用素材の他の実施
形態においては、例えば、図４に示した工程（２）にお
いて、ＳｉＣを含まないアルミ合金材のインゴットを溶
解してから霧状に散布することで製造されるアルミ合金
を急冷凝固粉末（パウダーメタル）に対して、平均粒径
が１〜２０μｍのＳｉＣの粉末を所定量混入させたこと
により、急冷凝固粉末を固化させたピストン素材中にＳ
ｉＣを含有させ、これにより、平均粒径で１００μｍ程
度となる各アルミ合金粉末状組織の境界部に、平均粒径
が２０μｍ以下のＳｉおよびＳｉＣを分散させてもよ
い。
関用鍛造ピストンおよび鍛造ピストン用素材の他の実施
形態においては、例えば、図４に示した工程（２）にお
いて、ＳｉＣを含まないアルミ合金材のインゴットを溶
解してから霧状に散布することで製造されるアルミ合金
を急冷凝固粉末（パウダーメタル）に対して、平均粒径
が１〜２０μｍのＳｉＣの粉末を所定量混入させたこと
により、急冷凝固粉末を固化させたピストン素材中にＳ
ｉＣを含有させ、これにより、平均粒径で１００μｍ程
度となる各アルミ合金粉末状組織の境界部に、平均粒径
が２０μｍ以下のＳｉおよびＳｉＣを分散させてもよ
い。
【００４８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るアル
ミニウム合金は、熱膨張係数を大きくすることなく、熱
伝導率を高め、かつ耐摩耗性を向上させ、疲労強度を高
めることができる。このようなアルミニウム合金でエン
ジンのピストンを形成すれば、高出力で高速摺動動作す
るピストンにおいて、充分高温に耐え摩耗劣化や溶損等
を起こすことなく薄肉軽量化が図られ、ピストンをさら
に高速化しエンジン出力の向上を図ることができる。
ミニウム合金は、熱膨張係数を大きくすることなく、熱
伝導率を高め、かつ耐摩耗性を向上させ、疲労強度を高
めることができる。このようなアルミニウム合金でエン
ジンのピストンを形成すれば、高出力で高速摺動動作す
るピストンにおいて、充分高温に耐え摩耗劣化や溶損等
を起こすことなく薄肉軽量化が図られ、ピストンをさら
に高速化しエンジン出力の向上を図ることができる。
【００４９】また、前記アルミニウム合金に含まれるＳ
ｉおよびＳｉＣはともに平均粒径が２０μｍ以下である
構成とすれば、ピストンを鍛造等により成形する場合
に、素材が引延ばされたときにＳｉやＳｉＣ粒子が割れ
てクラックが発生するようなことがなく、ＳｉやＳｉＣ
粒子がアルミニウム合金粒子間に均一に分散され、疲労
強度が高くなる。
ｉおよびＳｉＣはともに平均粒径が２０μｍ以下である
構成とすれば、ピストンを鍛造等により成形する場合
に、素材が引延ばされたときにＳｉやＳｉＣ粒子が割れ
てクラックが発生するようなことがなく、ＳｉやＳｉＣ
粒子がアルミニウム合金粒子間に均一に分散され、疲労
強度が高くなる。
【００５０】このようなＳｉやＳｉＣを含むアルミニウ
ム合金は、一般の鋳造法によれば鋳造性が低下して所望
のピストンの成形がしにくくなる。しかしながら、本発
明ではこの合金から急冷凝固粉末を作製することによ
り、鋳造または鍛造によりピストンを形成することがで
きる。これにより、高温での変形が抑制され、熱伝導性
がよく、強度が大きく耐摩耗性の大きいエンジンのピス
トンを形成することができる。
ム合金は、一般の鋳造法によれば鋳造性が低下して所望
のピストンの成形がしにくくなる。しかしながら、本発
明ではこの合金から急冷凝固粉末を作製することによ
り、鋳造または鍛造によりピストンを形成することがで
きる。これにより、高温での変形が抑制され、熱伝導性
がよく、強度が大きく耐摩耗性の大きいエンジンのピス
トンを形成することができる。
【図１】 本発明のアルミニウム合金と従来のアルミニ
ウム合金の硬さを比較したグラフ。
ウム合金の硬さを比較したグラフ。
【図２】 本発明のアルミニウム合金と従来のアルミニ
ウム合金の熱伝導率を比較したグラフ。
ウム合金の熱伝導率を比較したグラフ。
【図３】 本発明のアルミニウム合金を用いて製造する
ピストン本体の形状説明図。
ピストン本体の形状説明図。
【図４】 図３のピストンの製造方法を示すフローチャ
ート。
ート。
【図５】 図３のピストン製造方法における鍛造工程の
説明図。
説明図。
１：ピストン本体、２：ヘッド部、３：スカート部、
４：ピンボス、５：ピストンリング溝、６：ピン孔、１
０：ピストン用素材、１１：下型、１２：上型（パン
チ）。
４：ピンボス、５：ピストンリング溝、６：ピン孔、１
０：ピストン用素材、１１：下型、１２：上型（パン
チ）。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｆ 3/00 ３０２ Ｆ０２Ｆ 3/00 ３０２Ｚ // Ｆ１６Ｊ 1/01 Ｆ１６Ｊ 1/01
Claims (3)
- 【請求項１】Ｓｉ＋ＳｉＣを８ｍａｓｓ％以上２０ｍａ
ｓｓ％以下の範囲で含み、かつＳｉＣを２ｍａｓｓ％以
上含んだピストン用アルミニウム合金。 - 【請求項２】ＳｉおよびＳｉＣともに平均粒径が２０μ
ｍ以下である請求項１に記載のピストン用アルミニウム
合金。 - 【請求項３】前記アルミニウム合金を含むインゴットを
溶解し、これを霧状に散布して急速冷却させて急冷凝固
粉末を作製し、この急冷凝固粉末を加熱固化してピスト
ンに相当する大きさのピストン用素材を作製し、このピ
ストン用素材を鍛造し、熱処理および機械加工を施して
ピストンを形成する請求項１または２に記載のアルミニ
ウム合金を用いたピストン製造方法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9192191A JPH1136030A (ja) | 1997-07-17 | 1997-07-17 | ピストン用アルミニウム合金及びピストン製造方法 |
| DE69823102T DE69823102T2 (de) | 1997-07-17 | 1998-07-17 | Verfahren zur Herstellung einer Kolbe aus einer Aluminium-Legierung |
| EP98113417A EP0892075B1 (en) | 1997-07-17 | 1998-07-17 | Method of manufacturing a piston from an aluminium alloy. |
| US09/118,713 US5972071A (en) | 1997-07-17 | 1998-07-17 | Aluminum alloy for piston and method for producing piston |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9192191A JPH1136030A (ja) | 1997-07-17 | 1997-07-17 | ピストン用アルミニウム合金及びピストン製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1136030A true JPH1136030A (ja) | 1999-02-09 |
Family
ID=16287203
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9192191A Pending JPH1136030A (ja) | 1997-07-17 | 1997-07-17 | ピストン用アルミニウム合金及びピストン製造方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5972071A (ja) |
| EP (1) | EP0892075B1 (ja) |
| JP (1) | JPH1136030A (ja) |
| DE (1) | DE69823102T2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| WO2002033291A1 (en) * | 2000-10-18 | 2002-04-25 | Federal-Mogul Corporation | Multi-axially forged piston |
| JPWO2002053899A1 (ja) * | 2000-12-07 | 2004-05-13 | ヤマハ発動機株式会社 | 内燃機関 |
| US6973723B2 (en) * | 2003-01-08 | 2005-12-13 | International Engine Intellectual Property Company, Llc | Piston formed by powder metallurgical methods |
| US7509890B2 (en) * | 2004-05-27 | 2009-03-31 | International Engine Intellectual Property Company, Llc | Non-homogeneous engine component formed by powder metallurgy |
| US7299715B2 (en) * | 2004-05-27 | 2007-11-27 | International Engine Intellectual Property Company, Llc | Non-homogeneous engine component formed by powder metallurgy |
| DE602007000292D1 (de) * | 2006-07-13 | 2009-01-08 | Yamaha Motor Co Ltd | Geschmiedeter Kolben, Verbrennungsmotor, Transportvorrichtung und Verfahren zur Herstellung des geschmiedeten Kolbens |
| DE102008018850A1 (de) * | 2007-11-30 | 2009-06-04 | Andreas Borst | Kolben und Verfahren zu dessen Herstellung |
| DE102011012135B4 (de) * | 2011-02-24 | 2016-01-14 | Daimler Ag | Komposit-Bremsscheibe und deren Herstellung |
| CN111500907A (zh) * | 2020-05-29 | 2020-08-07 | 周凡 | 控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法及其制备的铝基缸套 |
Family Cites Families (26)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2707136A (en) * | 1954-02-17 | 1955-04-26 | Permold Co | Insert ring for pistons |
| FR1226350A (fr) * | 1958-06-09 | 1960-07-11 | Ind De L Aluminium Sa | Procédé de fabrication de corps composites formés d'aluminium et d'aluminium fritté |
| US3262762A (en) * | 1963-12-27 | 1966-07-26 | Du Pont | High temperature-resistant materials of aluminum, boron, carbon, nitrogen and silicon, and their preparation |
| NL6505582A (ja) * | 1965-04-30 | 1966-10-31 | ||
| US3853635A (en) * | 1972-10-19 | 1974-12-10 | Pure Carbon Co Inc | Process for making carbon-aluminum composites |
| US4000026A (en) * | 1973-03-12 | 1976-12-28 | Union Carbide Corporation | Method and cement for bonding carbon articles |
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