JPS62170486A - Cast iron piston for internanl combustion engine and its production - Google Patents

Cast iron piston for internanl combustion engine and its production

Info

Publication number
JPS62170486A
JPS62170486A JP1086986A JP1086986A JPS62170486A JP S62170486 A JPS62170486 A JP S62170486A JP 1086986 A JP1086986 A JP 1086986A JP 1086986 A JP1086986 A JP 1086986A JP S62170486 A JPS62170486 A JP S62170486A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
cast iron
piston
alloy
thermal
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP1086986A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takaaki Kanazawa
孝明 金沢
Joji Miyake
譲治 三宅
Haratsugu Koyama
原嗣 小山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP1086986A priority Critical patent/JPS62170486A/en
Publication of JPS62170486A publication Critical patent/JPS62170486A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • 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
    • F05C2201/02Light metals
    • F05C2201/021Aluminium
    • 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

Abstract

PURPOSE:To simply and easily produce an inexpensive piston having excellent resistance to thermal impact and thermal fatigue by disposing Al or Si to the prescribed section of the cast iron piston and irradiating high-density energy thereto, then subjecting said section to an adequate reheating treatment. CONSTITUTION:The Al and/or Si or the alloy thereof or the alloy with Fe is disposed on the surface of the section in the piston heat part of a rough shape material for the cast iron piston where the resistance to thermal impact and thermal fatigue is required. The high-density energy such as TIG arc is then irradiated thereon from above to form the alloy layer of the cast iron and the Al and/or Si by quick melting-quick resolidifying. The alloy layer is thereafter subjected to the reheating treatment for 1min-3hr at 800-1,100 deg.C. The alloyed cast iron layer in which the Al and/or Si is incorporated at 0.1-10wt% and fine block graphite is dispersed and crystallized is thereby forming to the above-mentioned section down to >=0.2mm depth from the surface and the cast iron piston having the partially improved resistance to thermal impact and thermal fatigue for an internal combustion engine is obtd.

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は大型ディ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、待に高温に曝されるピストンヘッド部の少なく
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める。
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. This article relates to a cast iron piston whose surface layer is locally reinforced and a method for manufacturing the same.

従来の反術 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
に擾れているため、大型ディーゼルエンジン等に使用さ
れている。
Although conventional pistons for internal combustion engines made of cast iron are heavier than pistons made of aluminum alloy, they generally lack strength at high temperatures and are therefore used in large diesel engines and the like.

ところでディーゼルエンジン、持に直噴型ディ−ゼルエ
ンジンにおいては、ピストンのヘッド部は燃料噴射を受
けて高温に曝される。特にピストンヘッド部のうち、噴
射燃料が直接吹き付けられる噴口部のホットスポット部
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。最近のディーゼルエンジン
の高出力化に伴なって、燃料室のより−1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ッ
ド部、特にホットスポット部の耐熱衝撃性、耐熱疲労性
の向上に対する要請はますます強まっている。
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 temperatures. 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, it has become desirable for the fuel chamber to be at a higher temperature of -1. There are increasing demands for improvement.

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、
熱応力等によってホットスポット部に亀裂が生じてしま
うことを避は冑ず、したがってピストンの耐用前曲も短
くならざるを得なかった。そこで最近では耐熱衝撃性、
耐熱疲労性に浸れた合金鋳鉄等の高級鋳鉄でビス1〜ン
を作成することも行なわれている。
However, many conventional conventional cast iron pistons are made of ordinary cast iron, and it is difficult to fully meet the above requirements with such ordinary cast iron pistons.
The occurrence of cracks in the hot spot due to thermal stress, etc. cannot be avoided, and therefore the service life of the piston has to be shortened. Therefore, recently, thermal shock resistance,
It is also practiced to make screws from high-grade cast iron, such as alloyed cast iron, which is highly resistant to heat fatigue.

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
上昇を招く問題かある。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ッド
部、とりわけホットスポット部であって、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、したがっ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ロス1〜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。ざらに合金鋳鉄の場合機械加工性が劣って鋳
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作り、その一部
すなわちピストンヘッド部のホットスポット部などを部
分的に強化する方法を適用することが望ましい。
Problems to be Solved by the Invention As mentioned 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 area, and other parts require high-grade cast iron such as alloyed cast iron. is not required, and therefore, constructing the entire piston from expensive alloyed cast iron or the like will result in unnecessary loss. 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. In the case of rough alloy cast iron, machinability is poor and machining after casting may be difficult. In order to solve this problem, the piston is made of cast iron, which is inexpensive and has good castability and workability, such as ordinary cast iron, and parts of the piston, such as the hot spot part of the piston head, are strengthened. It is desirable to apply the method.

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
ったのが実情でおる。
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ッド部のうち耐熱衝撃性
、耐熱疲労性か特に要求される部位、例えばホットスポ
ッ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おる。
This invention was made against the background of the above-mentioned circumstances, and uses cast iron as a base material and partially strengthens the parts of the piston head part where thermal shock resistance and thermal 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
ンのピストンヘッド部における耐熱衝撃・耐熱疲労性が
要求される部位に、A1およびSlのう、ち少なくとも
一方が合計で0.1〜10重量%含有されかつ微細塊状
黒鉛か分散晶出している合金化鋳鉄層が、表面から少な
くとも0.2m以上の深さにわたっ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 at least one of A1 and Sl in the piston head portion of the cast iron piston at a portion where thermal shock resistance and thermal fatigue resistance are required. An alloyed cast iron layer containing a total of 0.1 to 10% by weight of fine massive graphite or dispersed crystallization is formed over a depth of at least 0.2 m from the surface. be.

第2発明のI&!造方決方法鋳鉄を原料としてビス1〜
ン粗形材を鋳造した後、そのピストン粗形材のピストン
ヘッ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AlおよびSiのうち一方またはそれらの合
金もしくはAl、S i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A1および/
またはSlとの合金層を形成し、次いでこの合金層に8
00〜1100°Cで1分間〜3時間加熱する再加熱処
理を施して、Al2.s rの少なくとも一方を合計で
0.1〜10重量%含有しかつ微細塊状黒鉛か分散晶出
している合金化鋳鉄層を前記部位に表面から0.2m以
上の深さにわたって形成することを特徴とするものであ
る。
Second invention I&! How to make screws using cast iron as raw material
After casting the piston rough shape, one of Al and Si, an alloy thereof, or at least Al and Si is applied to the surface of the piston head of the piston rough shape where thermal shock resistance and thermal fatigue resistance are required. Cast iron and A1 and /
Alternatively, form an alloy layer with Sl, and then add 8 to this alloy layer.
Al2. An alloyed cast iron layer containing a total of 0.1 to 10% by weight of at least one of s and r and in which fine massive graphite is dispersed and crystallized is formed in the region to a depth of 0.2 m or more from the surface. That is.

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
鋳造性などの点からJIS Fe12. Fe12、F
e12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。
The cast iron material used as the base material of the working piston is JIS Fe12. Fe12,F
Normal cast iron such as e12 is most preferred, but low alloy cast iron etc. can also be used.

この発明では、上)小のような普通鋳鉄等からなるピス
トンのヘッド部のうち、特に耐熱衝撃性、耐熱疲労性が
要求される部位、例えばホットスポット部のみ、後)ボ
するような合金化鋳鉄層か形成される。
In this invention, (a) only the parts of the head part of the piston made of ordinary cast iron such as small ones that require particular thermal shock resistance and thermal fatigue resistance, such as hot spot parts; A cast iron layer is formed.

このホットスポット部について説明すると、第1図は直
接噴射型ディ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
鉄製のものであって、そのピストンヘッド部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ットスポット部4に相当する。また
第2図には、直接噴射型ディーゼル機関用ピストンの他
の例のピストンヘッド部2のホットスポット部4を示す
。ざらに第3図には通常のディーゼル機関用ピストンの
ピストンヘッド部2のホットスポット部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, and the piston body 1 is made of cast iron cast by sand casting or the like, and the piston head part is made of cast iron. A 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 of the nozzle 2 corresponds to a hot spot 4 that directly receives fuel injection and reaches the highest temperature. Further, FIG. 2 shows a hot spot portion 4 of a piston head portion 2 of another example of a piston for a direct injection type diesel engine. FIG. 3 roughly shows a hot spot portion 4 of a piston head portion 2 of a conventional piston for a diesel engine.

上述のホットスポット部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、Al、 S iの少なくと
も一方を合計で0.1〜10重量%含有しかつ微細な塊
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Ai’、 s rはフェライト生成傾向か著し
く強く、したかってその合金化鋳鉄層の71〜リツクス
はフエライ1〜またはフェライト主体の組織となる。
In areas where thermal shock resistance and thermal fatigue resistance are particularly required, such as the above-mentioned hot spot area 4, at least one of Al and Si is contained in a total of 0.1 to 10% by weight, and fine lumpy graphite is uniformly distributed. A layer of dispersed crystallized alloyed cast iron is formed. Here, Ai', sr has a significantly strong tendency to form ferrite, and therefore the 71~ ricks of the alloyed cast iron layer becomes a ferrite 1~ or ferrite-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
ストンのホラトスボッ1〜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ェライトに分解
し、この際体積膨張が生じてこの膨張がホットスポット
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。
In the case of ordinary cast iron, which has traditionally been used for pistons, the base is usually pearlite structure, and in this case, as the piston's horatosbo part 1 to 1 becomes hot during use, cementite gradually turns into graphite and ferrite. It is believed that this decomposition caused volumetric expansion, which increased thermal stress in hot spots and the like, leading to cracking.

また従来の普通鋳鉄製ピストンでは晶出黒鉛が片状でし
かもその寸法が大きく、その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
生の原因となっていた。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Alおよび/またはSiの
合金化によって基地が安定なフェライトまたはフェライ
ト主体の組織となっておりしかもこのフェライト相は靭
性が高いため、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
塊状でかつ微細であることから、黒鉛が亀裂の起点や伝
播部となりにくい。したがってその合金化鋳鉄層を形成
したホットスポット部等の部位は、81S分的に耐熱衝
撃性、耐熱疲労性か著しく改善されるのてめる。
In addition, in conventional ordinary cast iron pistons, the crystallized graphite is flaky and large in size, making the flaky graphite easy to become the starting point and propagation point for cracks due to thermal stress, etc., which also causes cracks to occur. . However, the alloyed cast iron layer in the piston of the present invention has a stable ferrite or ferrite-based structure due to the alloying of Al and/or Si, and this ferrite phase has high toughness, so it may cause cracking. There is less risk, and the growth of cracks is also slow. Furthermore, since the shape of crystallized graphite is lumpy and fine, graphite is unlikely to become a starting point or a propagation part for cracks. Therefore, the hot spot areas and other areas where the alloyed cast iron layer is formed can be expected to have significantly improved thermal shock resistance and thermal fatigue resistance in terms of 81S.

ここで、Alおよび/またはSlを合金化する理由は、
既に述べたようにそのフェライト生成傾向か大きいこと
を利用して基地をフェライトまたはフェライト主体とし
、基地組織を安定化させるとともに基地の靭性を向上さ
せ、亀裂発生を防止する点にあるが、それらの含有量か
合計で0.1重量%未満ではこれらの効果が充分に寿ら
れず、一方10重Φ%を越えれば逆に脆くなってしまう
から、その合計含有量は011〜10重量%の範囲内と
でる必要かある。
Here, the reason for alloying Al and/or Sl is
As already mentioned, the base is made of ferrite or ferrite mainly by taking advantage of its large tendency to generate ferrite, thereby stabilizing the base structure, improving the toughness of the base, and preventing cracking. If the content is less than 0.1% by weight in total, these effects will not be fully maintained, while if it exceeds 10% by weight, it will become brittle, so the total content should be in the range of 0.11 to 10% by weight. Is it necessary to go inside?

また上)小のような合金化鋳鉄層は、ホットスポット部
等にあける表面から少なくとも02!Mi以上の深さに
わたって形成されている必要かめる。
Also, the alloyed cast iron layer (above) should be at least 0.2 mm from the surface to be drilled in hot spots, etc. A necessary hole is formed over a depth of Mi or more.

0.2mpt未満の)朶さては、上)ホの効果か充分に
得られない。
If the engine speed is less than 0.2mpt, the effects of (a) and (e) cannot be obtained sufficiently.

なお合金化鋳鉄層における微細塊状黒鉛は、その平均粒
径を待に20JJm以下とすることが好ましい。
In addition, it is preferable that the average particle size of the fine lumpy graphite in the alloyed cast iron layer is 20 JJm or less.

このように20pm以下とすることにより亀裂発生防止
効果をより確実に得ることができる。
By setting the thickness to 20 pm or less in this way, the effect of preventing crack generation can be more reliably 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ずれば良い。
First, the piston rough shape can be manufactured by casting using a cast iron material such as the above-mentioned ordinary cast iron as a raw material by a normal casting method such as sand 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、Alおよび/またはSl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ッド部
のうち、特に耐熱衝撃性、耐熱疲労性が要求されるホッ
トスポット部等の部位の表面に、A1またはSiもしく
はそれらの合金、あるいはFe−A1合金やFe−Si
合金もしくはFe−A1−Si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Alおよび/またはSi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Alおよび/また
はSl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
さい質量でおるから、高密度エネルギ照射位置の移動も
しくは照射停止によっ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、微細な組織を有する
合金層となる。
The obtained piston rough shape is first subjected to alloying treatment with Al and/or Sl using a high-density energy source. In other words, A1 or Si or their alloys, or Fe-A1 alloys or Fe are applied to the surface of the piston head portion of the piston rough profile, in areas such as hot spots where thermal shock resistance and thermal fatigue resistance are particularly required. -Si
By placing an alloy or a Fe-A1-Si alloy and irradiating it with high-density energy such as a laser, electron beam, plasma arc, or TIG arc, Al and/or Si placed on the surface and its lower side can be removed. The cast iron is alloyed with Al and/or Sl by instantaneously and rapidly melting the surface layer of the cast iron base material, and then by moving the energy irradiation position or stopping the irradiation, the molten alloy layer is instantaneously and rapidly solidified. 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 the irradiation, the part melted due to heat transfer to the piston base material side. The alloy layer solidifies instantly and becomes an alloy layer having a fine structure.

ここで、Al、Si、またはそれらの合金等をピストン
のホットスポッ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、ざら
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。
Here, specific methods for disposing Al, Si, or their alloys, etc. in hot spots of the piston include, for example, placing or thermal spraying their powder, green compact, thin plate, etc., or spraying a slurry. It can be applied as a liquid, or it can be roughly processed into grooves in the necessary areas and filled in.

次いでその合金層を、800〜1100℃の範囲内の温
度に1分間〜3時間再加熱した後、望ましくは50℃/
分以下の冷却速度で9冷、放冷めるいは徐冷する。この
ような再加熱処理を加えることによって、合金層から微
細な塊状黒鉛が晶出するとともに基地組織がフェライト
相またはフェライト主体の組織となる。すなわち前述の
ようにフェライト相またはフェライト主体の組織をマト
リックスとしかつ微細塊状黒鉛が均一に分散した合金化
鋳鉄層が得られる。
The alloy layer is then reheated to a temperature in the range of 800-1100°C for 1 minute to 3 hours, and then preferably heated to 50°C/
Cool at a cooling rate of 9 minutes or less, then cool naturally or slowly. By applying such reheating treatment, fine lumpy graphite crystallizes from the alloy layer, and the base structure becomes a ferrite phase or a ferrite-based structure. That is, as described above, an alloyed cast iron layer having a ferrite phase or a ferrite-based structure as a matrix and in which fine massive graphite is uniformly dispersed can be obtained.

ここで、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1100°Cを越えれば部分的に共晶溶融が生じるお
それがおるとともに、黒鉛が粗大に晶出するおそれがあ
る。したがって加熱温度は800〜1ioo℃の範囲内
とした。また加熱時間が1分間未満では1100℃に近
い高温でも充分に黒鉛が晶出せず、一方3時間を越える
長時間の加熱を施しても黒鉛の晶出は飽和し、経済的に
コスト上昇を招くだけでおり、したがって加熱時間は1
分間〜3時間とした。なお加熱温度がao o ’c近
辺と低い場合には加熱時間は3時間近い長時間とし、1
100℃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、時間
の範囲内でも、特に950〜1050℃で1〜10分間
加熱することがより望ましい。一方、加熱後の冷却は、
基地組織を均一なフェライトとするためには50″C/
分以下の冷却速度とすることが望ましいが、この発明で
は強いフェライト生成傾向を有するAlおよび/または
Slを添加しているため50°C/分を越える冷却速度
でも基地組織をフェライト主体とすることが可能でおる
。なお以上の加熱処理においては、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
よってはビスl−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炎加熱(
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。
Here, the heating temperature of the reheating treatment for the alloy layer is 800°C.
If it is below 1100°C, uniform and sufficient crystallization of graphite cannot be obtained, while if it exceeds 1100°C, there is a risk that partial eutectic melting may occur and graphite may be coarsely crystallized. Therefore, the heating temperature was within the range of 800 to 1iooC. Furthermore, if the heating time is less than 1 minute, graphite will not crystallize sufficiently even at high temperatures close to 1100°C, while even if heating is performed for a long time exceeding 3 hours, graphite crystallization will reach saturation, resulting in an increase in economic costs. Therefore, the heating time is 1
The duration was from 1 minute to 3 hours. Note that if the heating temperature is low, around ao o 'c, the heating time will be long, close to 3 hours, and
When the temperature is high, around 100° C., the heating time is preferably as short as about 1 minute. Also, within the above heating temperature and time ranges, it is particularly desirable to heat at 950 to 1050°C for 1 to 10 minutes. On the other hand, cooling after heating is
In order to make the base structure uniform ferrite, 50″C/
Although it is desirable that the cooling rate be less than 50°C/min, in this invention, Al and/or Sl, which have a strong tendency to form ferrite, are added, so even if the cooling rate exceeds 50°C/min, the base structure will be made mainly of ferrite. It is possible. In the above heat treatment, it is preferable to apply local heating in which only a portion of the alloy layer is heated, but depending on the case, the entire bislin may be heated. Specific heating means for local heating include high frequency induction heating and flame 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処理によ
り表面層にAlおよび/または11’と鋳鉄との合金層
を形成した後、再加熱処理を施すことによって微細な塊
状黒鉛がフェライト相もしくはフェライト主体の組織か
らなるマトリックス中に均一に分散晶出した合金化鋳鉄
層をホットスポット部等の所要の箇所に形成することが
できる。
As described above, after an alloy layer of Al and/or 11' and cast iron is formed on the surface layer by alloying treatment using high-density energy, fine lumpy graphite is transformed into a ferrite phase or An alloyed cast iron layer uniformly dispersed and crystallized in a matrix consisting of a ferrite-based structure can be formed 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
の機械加工を行なって最終的に製品ピストン形状に仕上
げれば良い。
Note that 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、砂型鋳造によって外径
120m、厚さ50mの実験用鋳鉄円板を作成した。
Examples Example 1 JIS FC25 cast iron was melted and an experimental cast iron disk having an outer diameter of 120 m and a thickness of 50 m was created by sand casting.

これを外径100mm、厚さ5mの円板状に機械加工し
、その板面の中心部の直径20.の範囲内に、プラズマ
溶射法によってAlを0.2m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
金化処理を行なった。なおTIGアーク電流は180A
とした。次いで電気炉を用いて1050′CX 10分
間加熱後、10℃/分の冷却速度で徐冷する再加熱処理
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。
This was machined into a disk shape with an outer diameter of 100 mm and a thickness of 5 m, and the center of the plate surface had a diameter of 20 mm. Within this range, Al was sprayed to a thickness of 0.2 m by plasma spraying, and then alloying treatment was performed thereon by TIG arc method using an AC TIG power source. The TIG arc current is 180A.
And so. Next, a reheating treatment was performed in which the material was heated at 1050'CX for 10 minutes using an electric furnace and then slowly cooled at a cooling rate of 10.degree. C./minute. Then, by machining, Fig. 4 (A>, (B))
A thermal shock test piece having a small hole (inner diameter 5 mm>5) in the center was fabricated as shown in FIG.

前述の再加熱処理後の中心部直径20InIn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、フェライトをマトリックスとしかつ平均
粒径3pmの微細な塊状黒鉛が均一に分子[yだ合金化
鋳鉄層か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A18度は、分析の結果2.6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および再加熱処理を行なわな
い[C25鋳鉄の組織を第6図(倍率400倍)に示す
。この場合には基地のかなりの部分をパーライト組織が
占め、かつ大きな片状黒鉛が晶出していることが判る。
When we observed the metal structure within the center diameter of 20InIn after the above-mentioned reheating treatment, we found that Fig. 5 (400x magnification)
As shown in Figure 2, it was found that a layer of fine lumpy graphite with a ferrite matrix and an average grain size of 3 pm was uniformly formed into a layer of alloyed cast iron. In this case, the A18 degree of the alloyed cast iron layer was found to be 2.6% by weight as a result of analysis. For comparison, the structure of C25 cast iron is shown in FIG. 6 (400x magnification) without the above-mentioned TIG arc alloying and reheating treatment. In this case, it can be seen that the pearlite structure occupies a considerable portion of the base, and large flaky graphite crystals are precipitated.

前述のようにして得られた熱衝撃試験片(本発明材)と
、比較のためのTIGアークによる合金化および再加熱
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った。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°C
/ Sec 、加熱温度450℃とし、また冷却は水温
18°Cの冷却水による水冷とした。
A thermal shock test piece obtained as described above (present invention material) and a thermal shock test piece of the same shape made of FC25 cast iron (comparison material) that was not subjected to alloying and reheating treatment by TIG arc for comparison. A thermal shock test was conducted using repeated 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
よって中心部の小孔5から亀裂が発生して、ざらにその
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っ
たFC25鋳鉄の比較材の場合と比較し、本発明材では
亀裂発生に至るまでの熱衝撃繰返し数が格段に多く、し
たがっ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 expand roughly. . The test results are shown in FIG. As is clear from FIG. 7, compared to the comparative material of FC25 cast iron which was not treated according to the present invention, the material of the present invention has a much higher number of thermal shock cycles before cracking occurs, and therefore has a higher thermal shock resistance. It turns out that it is significantly superior.

実施例 2 実施例1におけるへ10代りに81を用い、その他の条
件は実施例1と同様として合金化処理−再加熱処理を行
なった。その場合の合金化鋳鉄層のSi濃度は2.1重
量%であった。また実施例1と同様の熱衝撃試験を行な
った結果を第7図に併せて示す。この場合も、実施例1
のA1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 treatment and reheating treatment were performed under the same conditions as in Example 1 except that 81 was used instead of F10 in Example 1. The Si concentration of the alloyed cast iron layer in that case was 2.1% by weight. Further, the results of a thermal shock test similar to that in Example 1 are also shown in FIG. Also in this case, Example 1
It can be seen that it exhibits excellent thermal shock resistance comparable to or better than that of the A1 alloy.

実施例 3 ビス1〜ン材料として、JIS Fe12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
の直接噴射型ディーゼル機関用ビスl〜ンの粗形材を鋳
造した。このピストン粗形材の直径は120#、噴口部
内径は45#である。
Example 3 As a screw material, ordinary cast iron of JIS Fe12 to which 0.02% of cerium (Ce) was added as a deoxidizing agent was melted and directly molded into a shape as shown in Fig. 1 by sand casting. A rough profile of a screw for an injection type diesel engine was cast. The diameter of this piston rough shape is 120#, and the inner diameter of the nozzle part is 45#.

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
かけてのホラトスボッ1一部に対してプラズマ溶射法に
よりAlを0.2.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処理を
施した。その後、高周波誘導加熱装置を用い、合金化処
理が施された部分にに対して1050℃X 10分間の
加熱後、10℃/分の冷却速度の冷却を行ない、ざらに
機械加工によって外径115Irun1噴口部径48.
のビス1〜ンに仕上げた。
Next, 0.2% of Al was applied to a portion of the Holatos box 1 from the upper part of the inner surface of the nozzle part to the edge part of the rough piston material by plasma spraying. It was sprayed thickly and then alloyed by the TIG arc method with an average current of 210A. Then, using a high-frequency induction heating device, the alloyed part was heated at 1050°C for 10 minutes, cooled at a cooling rate of 10°C/min, and roughly machined to an outer diameter of 115 Irun1. Nozzle diameter 48.
Finished with 1 screw.

口のビス1ヘンは、噴口部の縁部は径で58.まで、噴
口部内は奥行きで頂面から8履の位置まで、実施例1の
第5図に示すようなフェライトを基地とする合金化鋳′
J)、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A18度を分析したところ、A11.8
重量%であることが判明した。
The diameter of the edge of the spout is 58. The inside of the nozzle part is filled with alloyed cast iron having a ferrite base as shown in FIG.
J), it was confirmed that a layer was formed. When the A18 degree of this alloyed cast iron layer was analyzed, it was found to be A11.8.
% by weight.

以上のようにして得られたピストンを3.51の直接噴
射式ディーゼル機関に装着し、[350Orpm×全負
荷X20分コと[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
験を行なったところ、300〜400時間で川口部のホ
ットスポッ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 described above was installed in a 3.51 direct injection diesel engine and subjected to a durability test by repeating the cycles of [350 rpm x full load x 20 minutes] and [idling x 10 minutes]. As a result, it was confirmed that no trouble occurred in the piston for up to 500 hours. On the other hand, for comparison, when the same durability test was conducted 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 at the mouth of the piston after 300 to 400 hours. . These results show 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A1の代りにSi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ィーゼル機関用
ピストンを作成した。この場合のホットスポット部の8
i濃度は分析の結果1.9重量%でめった。また実施例
3と同様な耐久試験に供したところ、Alの場合とほぼ
同様な優れた耐久性を示すことか確認された。
Example 4 A piston for a direct injection type diesel engine was produced using Si in place of A1 in Example 3 and keeping the other conditions the same as in Example 3. In this case, the hot spot part 8
As a result of analysis, the i concentration was found to be 1.9% by weight. Further, when subjected to the same durability test as in Example 3, it was confirmed that it exhibited excellent durability almost the same as that of Al.

発明の効果 この発明の鋳鉄製ピストンは、ピストンヘッド部のうち
将にホットスポット部の如く耐熱衝撃性、耐熱疲労性が
要求される部位に、Alおよび/またはSiを合金化す
ることによりマトリックスをフェライトもしくはフェラ
イト主体としかつ微細塊状黒鉛が均一に分散した合金化
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、したがってピスト
ン使用時の熱応力によつ−Cホットスポット部に亀裂が
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、燃焼子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
したものであって、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、したがってピストンの原材
料コストを安価にすることができるとともに、加工性や
鋳造性を損なっ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
浸れた長所を有する鋳鉄製ピストンを簡単かつ容易に得
ることかできる。
Effects of the Invention The cast iron piston of the present invention has a matrix formed by alloying Al and/or Si in areas of the piston head where thermal shock resistance and thermal fatigue resistance are required, such as hot spot areas. Since an alloyed cast iron layer consisting mainly of ferrite or ferrite with fine lumpy graphite uniformly dispersed is formed, the thermal shock resistance of that part is improved.
Thermal fatigue resistance has been significantly improved, so there is extremely little risk of cracks occurring in the -C hot spot due to thermal stress during piston use, making it possible to extend the life of the piston and prevent the high temperature of the combustor from forming. Therefore, it is possible to achieve higher output. In addition, the piston of this invention is reinforced only in the parts where thermal shock resistance and thermal fatigue resistance are particularly required, and inexpensive ordinary cast iron etc. can be used as the base material of the piston, so the raw material cost of the piston is reduced. In addition to being able to reduce the cost, it is also possible to obtain effects such as there is little risk of impairing workability or castability. Further, according to the manufacturing method of the present invention, a cast iron piston having the above-mentioned advantages can be simply and easily obtained.

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

第1図から第3図まではそれぞれこの発明か適用される
ディ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
は実施例における不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ず図である。 1・・・ピストン、   2・・・ピストンヘッド部、
4・・・ホットスポット部(合金化鋳鉄層を形成する部
分)。
1 to 3 are longitudinal sectional views showing an example of a diesel engine piston to which the present invention is applied, and FIG.
Figures (A) and (B) are diagrams showing thermal shock test pieces in Examples, where (A) is a longitudinal cross-sectional view, (B) is a plan view, and Figure 5 is an alloying of uninvented materials in Examples. FIG. 6 is a photograph of the metal cross-sectional structure of the cast iron layer, FIG. 6 is a photograph of the metal cross-sectional structure of the comparative material, and FIG. 7 is a diagram without showing the thermal shock test results. 1... Piston, 2... Piston head part,
4...Hot spot portion (portion where alloyed cast iron layer is formed).

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)鋳鉄製ピストンのピストンヘッド部における耐熱
衝撃・耐熱疲労性が要求される部位に、AlおよびSi
のうち少なくとも一方が合計で0.1〜10重量%含有
されかつ微細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以上の深さにわたっ
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。
(1) Al and Si are added to the parts of the piston head of a cast iron piston that require thermal shock resistance and thermal fatigue resistance.
An alloyed cast iron layer containing a total of 0.1 to 10% by weight of at least one of these and in which fine massive graphite is dispersed and crystallized is formed over a depth of at least 0.2 mm from the surface. A cast iron piston for internal combustion engines.
(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ッ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AlおよびS
iのうち一方またはそれらの合金もしくはAl、Si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Alおよび/またはSiとの合金層を形
成し、次いでこの合金層に800〜1100℃で1分間
〜3時間加熱する再加熱処理を施して、Al、Siの少
なくとも一方を合計で0.1〜10重量%含有しかつ微
細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以上の深さにわたって形成するこ
とを特徴とする鋳鉄製内燃機関用ピストンの製造方法。
(2) After casting the piston rough shape using cast iron as raw material,
Al and S are applied to the surface of the piston head portion of the piston rough profile where thermal shock resistance and thermal fatigue resistance are required.
cast iron and Al and/or Si by placing one of i or an alloy thereof or an alloy of at least one of Al and Si with Fe and irradiating high-density energy from above to rapidly melt and resolidify the cast iron and Al and/or Si. This alloy layer is then subjected to reheating treatment at 800 to 1100°C for 1 minute to 3 hours to contain at least one of Al and Si in a total of 0.1 to 10% by weight. A method for manufacturing a cast iron piston for an internal combustion engine, characterized in that an alloyed cast iron layer in which fine lumpy graphite is dispersed and crystallized is formed in the region to a depth of 0.2 mm or more from the surface.
JP1086986A 1986-01-21 1986-01-21 Cast iron piston for internanl combustion engine and its production Pending JPS62170486A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP1086986A JPS62170486A (en) 1986-01-21 1986-01-21 Cast iron piston for internanl combustion engine and its production

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP1086986A JPS62170486A (en) 1986-01-21 1986-01-21 Cast iron piston for internanl combustion engine and its production

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPS62170486A true JPS62170486A (en) 1987-07-27

Family

ID=11762346

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP1086986A Pending JPS62170486A (en) 1986-01-21 1986-01-21 Cast iron piston for internanl combustion engine and its production

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPS62170486A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009503320A (en) * 2005-07-26 2009-01-29 フェデラル−モーグル ニュルンベルグ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング Method for manufacturing piston for internal combustion engine and piston for internal combustion engine

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009503320A (en) * 2005-07-26 2009-01-29 フェデラル−モーグル ニュルンベルグ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング Method for manufacturing piston for internal combustion engine and piston for internal combustion engine

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR920003213B1 (en) Meterial for polishing surface plate
Lan et al. Anisotropy study of the microstructure and properties of AlCoCrFeNi2. 1 eutectic high entropy alloy additively manufactured by selective laser melting
JPH0561321B2 (en)
JPS5951668B2 (en) cylinder liner
RU2414526C2 (en) Procedure for cylinder sleeve coating
JPS59108849A (en) Piston for internal-combustion engine
US20100154940A1 (en) Melt-treated rim of a piston combustion bowl
CN109266921A (en) A kind of high thermal conductivity, wear-resisting, anticorrosion aluminium engine support manufacturing method
JPS62170486A (en) Cast iron piston for internanl combustion engine and its production
JPS62170488A (en) Cast iron piston internal combustion engine and its production
JPS62167846A (en) Piston for internal combustion engine made of cast iron and its production
US20150082632A1 (en) Method for producing an aluminum piston
CN1517449A (en) Surface treatment method under control of laser energy and parts treated by said method
JPS5980712A (en) Treatment of metallic surface
CN112481613A (en) Preparation method of superfine crystal high-temperature oxidation-resistant coating on surface of stainless steel
JPS62170487A (en) Cast iron piston for internal combustion engine
JPH044374B2 (en)
JPH051622A (en) Al alloy piston for internal combustion engine and its manufacture
JPH0762519A (en) Production of cylinder block
JPS62177184A (en) Cast iron cylinder head for internal combustion engine and its production
JPS6325183B2 (en)
JPH0480993B2 (en)
JPH0215867A (en) Manufacture of aluminum alloy-made cylinder head
US7770291B2 (en) Internal combustion engine component and method for the production thereof
CN117620202A (en) Laser selective melting forming method for inhibiting magnesium alloy cracks