KR101362645B1

KR101362645B1 - 엔진 피스톤용 소형재의 제조 방법

Info

Publication number: KR101362645B1
Application number: KR1020117028926A
Authority: KR
Inventors: 히데끼 다께무라; 히로아끼 무라까미
Original assignee: 쇼와 덴코 가부시키가이샤
Priority date: 2009-07-03
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2014-02-12
Also published as: KR20120023742A; JPWO2011002082A1; CN102482752A; JP5526130B2; CN102482752B; WO2011002082A1; EP2453034A1; US20120100385A1; EP2453034A4

Abstract

엔진 피스톤용 소형재의 제법 방법은, 알루미늄 합금의 용탕(30)을 용탕 온도 720℃ 이상에서 연속 주조함으로써, 직경 85mm 이하의 주조 막대(31)를 얻는 연속 주조 공정과, 주조 막대(31)를 370 내지 500℃의 온도에서 균질화 처리하여 얻어진 단조용 소재(32)를 단조함으로써, 엔진 피스톤용 소형재(11)를 얻는 단조 공정을 포함한다. 용탕(30)의 조성은, Si: 11.0 내지 13.0질량％, Fe: 0.6 내지 1.0질량％, Cu: 3.5 내지 4.5질량％, Mn: 0.25질량％ 이하, Mg: 0.4 내지 0.6질량％, Cr: 0.15질량％ 이하, Zr: 0.07 내지 0.15질량％, P: 0.005 내지 0.010질량％, Ca: 0.002질량％ 이하를 포함하고, 잔량부가 Al 및 불가피 불순물이다.

Description

엔진 피스톤용 소형재의 제조 방법{PROCESS FOR PRODUCTION OF ROUGHLY SHAPED MATERIAL FOR ENGINE PISTON}

본 발명은, 내마모성과 고온 특성이 우수한 알루미늄 합금제 엔진 피스톤용 소형재(素形材)의 제조 방법 및 엔진 피스톤용 소형재에 관한 것이다.

자동차 등의 차량에 탑재되는 엔진에 사용되는 엔진 피스톤에는, 관성력을 가급적 작게 하기 위해 경량성, 상승한 최고 온도에서의 고온 강도, 상승한 최고 온도에서의 내구성, 열팽창에 의한 클리어런스 변동을 적게 하기 위해 저열팽창성, 피스톤 링의 미끄럼 이동에 의한 링 홈의 마모나 스커트부가 실린더면과 접촉함으로써 발생하는 마모를 저감시키기 위하여 내마모성이 요구된다.

이로 인해, 단조(鍛造)로 제조된 엔진 피스톤에 있어서는, 상기 피스톤을 구성하는 알루미늄 합금으로서, 내마모성을 중시하는 경우는 Si 첨가량이 공정점 이상인 합금이 사용되고(예를 들어, 특허문헌 1 참조), 한편 고온 강도나 고온 피로 강도를 중시하는 경우는 Si 첨가량이 공정점 이하인 합금이 사용되어 왔다(예를 들어, 특허문헌 2 참조).

일본 특허 공개 평6-279904호 공보 일본 특허 공개 제2001-181769호 공보

그런데, 알루미늄 합금제 엔진 피스톤에 있어서, 엔진의 효율을 높이기 위해서는, 내마모성을 유지하면서, 고온 강도 및 고온 피로 강도를 높이는 것이 바람직하다.

본 발명은, 상술한 기술 배경을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 내마모성과 고온 특성이 우수한 알루미늄 합금제 엔진 피스톤용 소형재의 제조 방법 및 엔진 피스톤용 소형재를 제공하는 데 있다.

본 발명의 그 밖의 목적 및 이점은, 이하의 바람직한 실시 형태로부터 명백해질 것이다.

본 발명은 이하의 수단을 제공한다.

[1] Si: 11.0 내지 13.0질량％, Fe: 0.6 내지 1.0질량％, Cu: 3.5 내지 4.5질량％, Mn: 0.25질량％ 이하, Mg: 0.4 내지 0.6질량％, Cr: 0.15질량％ 이하, Zr: 0.07 내지 0.15질량％, P: 0.005 내지 0.010질량％, Ca: 0.002질량％ 이하를 포함하고, 잔량부가 Al 및 불가피 불순물로 이루어지는 조성의 용탕을, 연속 주조 몰드 주입 전의 용탕 온도를 720℃ 이상으로 설정하여 연속 주조함으로써, 직경 85mm 이하의 주조 막대를 얻는 연속 주조 공정과,

상기 주조 막대를 370 내지 500℃의 온도에서 균질화 처리하여 얻어진 단조용 소재를 단조함으로써, 엔진 피스톤용 소형재를 얻는 단조 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤용 소형재의 제조 방법.

[2] 상기 용탕의 조성에 있어서, P 첨가량은 다음 식 1을 만족하고 있는 전항 1에 기재된 엔진 피스톤용 소형재의 제조 방법.

<식 1>

0.0025×Si 첨가량-0.025≤P 첨가량≤0.0025×Si 첨가량-0.02

단, P 첨가량 및 Si 첨가량의 단위: 각각 질량％.

[3] 전항 1 또는 2에 기재된 엔진 피스톤용 소형재의 제조 방법에 의해 제조된 엔진 피스톤용 소형재이며,

소형재에 있어서의 적어도 스커트부 대응부 및 피스톤 링 홈부 대응부에, 초정 Si가 존재하고 있고,

소형재 전체에 있어서, 최대 직경 50㎛ 이상의 초정 Si가 존재하지 않고, 또한 최대 직경 50㎛ 이상의 Al-Fe-Cr-Mn계 거대 정출물이 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤용 소형재.

[4] 단조로 제조된 엔진 피스톤용 소형재이며,

소형재의 조성은, Si: 11.0 내지 13.0질량％, Fe: 0.6 내지 1.0질량％, Cu: 3.5 내지 4.5질량％, Mn: 0.25질량％ 이하, Mg: 0.4 내지 0.6질량％, Cr: 0.15질량％ 이하, Zr: 0.07 내지 0.15질량％, P: 0.005 내지 0.010질량％, Ca: 0.002질량％ 이하를 포함하고, 잔량부가 Al 및 불가피 불순물인 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤용 소형재.

[5] 상기 소형재의 조성에 있어서, P 첨가량은 다음 식 1을 만족하고 있는 전항 4에 기재된 엔진 피스톤용 소형재.

<식 1>

0.0025×Si 첨가량-0.025≤P 첨가량≤0.0025×Si 첨가량-0.02

단, P 첨가량 및 Si 첨가량의 단위: 각각 질량％.

[6] 소형재에 있어서의 적어도 스커트부 대응부 및 피스톤 링 홈부 대응부에, 초정 Si가 존재하고 있고,

소형재 전체에 있어서, 최대 직경 50㎛ 이상의 초정 Si가 존재하지 않고, 또한 최대 직경 50㎛ 이상의 Al-Fe-Cr-Mn계 거대 정출물이 존재하지 않는, 전항 4 또는 5에 기재된 엔진 피스톤용 소형재.

본 발명에 따르면, 용탕의 조성 원소를 소정 범위로 조정하고, 본 발명에 있어서의 제조 방법에 따라 엔진 피스톤용 소형재를 제조함으로써, 내마모성과 고온 특성이 우수한 알루미늄 합금제 엔진 피스톤용 소형재를 얻을 수 있다. 따라서, 상기 소형재로 제조된 엔진 피스톤에서는, 엔진의 성능 효율을 향상시키는 것이 가능하게 되어, 자동차나 오토바이 등의 연료 사용량을 저감시키는 것이 가능하게 된다.

또한, 소형재는, 적어도 스커트부 대응부 및 피스톤 링 홈부 대응부에, 초정 Si가 존재하고 있기 때문에, 적어도 이들 부분은 내마모성이 우수하다. 따라서, 상기 소재로 제조된 엔진 피스톤에서는, 적어도 스커트부 및 피스톤 링 홈부에 대하여 마모를 억제할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 엔진 피스톤용 소형재의 저면도이다.
도 2는, 동일 소형재의 정면도이다.
도 3은, 도 2 중의 X-X선 단면도이다.
도 4는, 동일 소형재로 제조된 엔진 피스톤의 정면도이다.
도 5는, 수평 연속 주조 장치의 개략 단면도이다.
도 6은, 핫 톱 연속 주조 장치의 개략 단면도이다.
도 7은, 단조 장치를 사용하여 단조용 소재를 단조하는 공정의 일례를 나타내는 단조 장치의 금형의 단면도이다.
도 8은, 단조 장치를 사용하여 단조용 소재를 단조하는 공정의 또 하나의 예를 나타내는 단조 장치의 금형의 단면도이다.
도 9는, 알루미늄 합금의 용탕의 분석 시료의 사시도이다.
도 10은, 마이크로 조직 관찰로 촬상한 실시예 1의 조직 사진이다.
도 11은, 마이크로 조직 관찰로 촬상한 비교예 3의 조직 사진이다.
도 12는, 실시예 8 내지 11 및 비교예 15 내지 22에 있어서의 P 첨가량과 Si 첨가량의 관계를 도시하는 도면이다.

이어서, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 이하에 설명한다.

또한 본 실시 형태에 있어서, 「고온 특성이 우수하다」란, 250℃에서의 강도가 우수한 것, 즉 250℃에서, 인장 강도(즉 고온 인장 강도)가 110MPa 이상이고 피로 강도(즉 고온 피로 강도)가 60MPa 이상인 것을 의미한다.

도 1 내지 도 3에 있어서, 참조 부호 11은, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 알루미늄 합금제 엔진 피스톤용 소형재이다.

도 4에 있어서, 참조 부호 1은, 이 소형재(11)로 제조된 알루미늄 합금제 엔진 피스톤이다.

또한, 이하의 설명에서는, 도 1의 지면을 향하여 상하 방향을 「전후 방향」, 좌우 방향을 「좌우 방향」으로 하고, 도 2 및 3의 지면을 향하여 상하 방향을 「상하 방향」으로 하여 설명을 한다.

도 4에 도시한 바와 같이, 엔진 피스톤(1)은, 평면에서 보아 원 형상의 관면부(2)와, 그 하측에 형성된 랜드부(3)와, 그 하측에 서로 대향하여 배치된 한 쌍의 스커트부(4), 한 쌍의 핀 보스부(5) 및 사이드 월부(6)를 일체로 구비하고 있다. 랜드부(3)의 외주면에는, 복수의 피스톤 링(예: 압력 링, 오일 링)이 장착되는 복수의 피스톤 링 홈부(7)가 형성되어 있다.

도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 엔진 피스톤용 소형재(11)는, 단조로 제조된 것이며, 엔진 피스톤(1)과 마찬가지로, 관면부(2)에 대응하는 부분(즉 관면부 대응부(12))과, 그 하측에 형성된 랜드부 대응부(13)와, 그 하측에 서로 대향하여 배치된 한 쌍의 스커트부 대응부(14, 14), 한 쌍의 핀 보스부 대응부(15, 15) 및 사이드 월부 대응부(16, 16)를 일체로 구비하고 있다. 랜드부 대응부(13)의 외주면 및 그 내부 근방은, 최종 마무리 가공 시에 복수의 피스톤 링 홈부(7)가 형성되는 부위이며, 즉 피스톤 링 홈부 대응부(17)를 구성하고 있다.

이 소형재(11)는, 적어도 스커트부 대응부(14) 및 피스톤 링 홈부 대응부(17)에 초정 Si가 존재하고 있다. 또한, 소형재 전체에 있어서, 최대 직경 50㎛ 이상의 초정 Si가 존재하지 않고, 또한 최대 직경 50㎛ 이상의 Al-Fe-Cr-Mn계 거대 정출물이 존재하지 않는다. 또한, 소형재 전체에 있어서, 초정 Si의 편석이 없다.

또한 본 실시 형태에 있어서, 「초정 Si가 존재하고 있다」란, 구체적으로는, 예를 들어 시료를 경면 연마한 후, 이 경면 연마면을 금속 현미경을 사용하여 마이크로 조직을 관찰했을 때, 회갈색이고 블록 형상인 정출물이 존재하고 있는 것을 가리킨다.

여기서, 초정 Si의 최대 직경이란, 초정 Si의 최대가 되는 부분에서 측정한 직경이다. Al-Fe-Cr-Mn계 거대 정출물의 최대 직경이란, 당해 거대 정출물의 최대가 되는 부분에서 측정한 직경이다.

초정 Si의 최대 직경의 구체적인 측정 방법으로서는, 예를 들어 시료를 경면 연마한 후, 이 경면 연마면을 금속 현미경을 사용하여 마이크로 조직을 관찰했을 때, 회갈색이고 블록 형상인 정출물을 초정 Si로 하고, 당해 정출물의 최대 길이를 화상 해석 장치를 사용하여 측정함으로써, 초정 Si의 최대 직경을 얻을 수 있다. 화상 해석 장치로서는, 예를 들어 가부시끼가이샤 니레코사제 루젝스(LUZEX)가 사용된다.

Al-Fe-Cr-Mn계 거대 정출물의 최대 직경의 구체적인 측정 방법으로서는, 예를 들어 시료를 경면 연마한 후, 이 경면 연마면을 금속 현미경을 사용하여 마이크로 조직을 관찰했을 때, 옅은 회색의 정출물을 Al-Fe-Cr-Mn계 거대 정출물로 하고, 당해 거대 정출물의 최대 길이를 화상 해석 장치를 사용하여 측정함으로써, Al-Fe-Cr-Mn계 거대 정출물의 최대 직경을 얻을 수 있다. 화상 해석 장치로서는, 예를 들어 가부시끼가이샤 니레코사제 루젝스가 사용된다.

여기에서 본 실시 형태에서는, 여러 크기의 Al-Fe-Cr-Mn계 정출물 중, 최대 직경이 50㎛ 이상인 Al-Fe-Cr-Mn계 정출물을 특히 Al-Fe-Cr-Mn계 거대 정출물이라고 칭한다. 또한, Al-Fe-Cr-Mn계 거대 정출물은, Al-Fe-Cr-Mn계 거대 금속간 화합물(자이언트 컴파운드)이라고도 칭해지고 있다.

또한 본 발명에 있어서, 초정 Si의 편석이 있는지의 여부의 판정 기준은, 특별히 한정되는 것은 아니다. 그런데 본 실시 형태에서는, 이 판정 기준에 대해서는, 초정 Si가 5개 이상(바람직하게는 3개 이상) 모여 형성됨과 함께 각 초정 Si의 간격 중 적어도 1개가 초정 Si의 입경보다 짧은 초정 Si 집합체가 존재하는 경우, 초정 Si의 편석이 있는 것으로 하고, 그러한 초정 Si 집합체가 존재하지 않는 경우, 초정 Si의 편석이 없는 것으로 했다.

이어서, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 엔진 피스톤용 소형재의 제조 방법으로서, 상기 소형재(11)의 제조 방법을 이하에 설명한다.

소형재(11)의 제조 방법은, 소정 조성의 용탕을 연속 주조함으로써, 주조 막대를 얻는 연속 주조 공정과, 주조 막대를 균질화 처리하여 얻어진 단조용 소재를 단조함으로써, 소형재를 얻는 단조 공정을 포함한다.

연속 주조 공정에서는, 연속 주조 몰드 주입 전의 용탕 온도를 720℃ 이상으로 설정하여 용탕을 연속 주조할 필요가 있다. 또한, 이 연속 주조 공정에서 얻어지는 주조 막대의 직경은 85mm 이하이어야 한다.

용탕의 조성은 Si: 11.0 내지 13.0질량％, Fe: 0.6 내지 1.0질량％, Cu: 3.5 내지 4.5질량％, Mn: 0.25질량％ 이하, Mg: 0.4 내지 0.6질량％, Cr: 0.15질량％ 이하, Zr: 0.07 내지 0.15질량％, P: 0.005 내지 0.010질량％, Ca: 0.002질량％ 이하를 포함하고, 잔량부가 Al 및 불가피 불순물이다.

단조 공정에서는, 단조용 소재는 주조 막대를 370 내지 500℃의 온도에서 균질화 처리한 것이어야 한다.

이하에, 알루미늄 합금의 용탕의 조성 원소의 첨가 의의 및 첨가량(첨가 농도)의 한정 이유, 및 소형재(11)의 제조 조건의 한정 이유에 대하여 설명한다.

<Si: 11.0 내지 13.0질량％에 대해서>

Si는, 알루미늄 합금의 열팽창을 작게 억제함과 함께, 내마모성을 향상시키는 원소이다. 즉, 내마모성은, 초정 Si의 정출을 적절한 상태로 제어함으로써 향상시킬 수 있다.

여기서, 적절한 열팽창 계수는, 엔진 피스톤(1)에 대한 상대 부재의 재질, 즉 실린더 블록의 재질(철, 알루미늄)로 결정되는 것이지만, 실린더 블록은, 일부는 고온까지 상승하나, 전체적으로는 고온이 되지 않기 때문에(또한, 고온이 되는 데에도 시간이 걸리기 때문에), 결국은 가능한 한 열팽창 계수는 작은 쪽이 유리해진다. 일반적으로, 엔진 피스톤(1)의 설계 및 피스톤 링의 선정에 있어서는, 고온에 달했을 때의 치수로 설계된다. 그로 인해, 열팽창이 너무 크면, 저온 시에 스커트부(4)의 직경이 작아지기 때문에, 시동 시에 엔진 피스톤(1)의 머리 흔들림이 일어나기 쉬워진다. 따라서, Si의 첨가량은 가능한 한 많은 쪽이, 열팽창을 작게 할 수 있는 점에서 바람직하다. 바람직한 열팽창 계수는, 25 내지 250℃의 범위에서 19 내지 21×10^-6/K이며, 그러한 열팽창 계수가 얻어지는 Si의 첨가량은 11.0 내지 13.0질량％이다.

한편, 그러한 Si의 첨가량은, 종래에는 이하와 같이 연속 주조에 의한 초정 Si의 정출이 불안정해지고 있었다. 즉, 통상은 Al-Si 합금의 공정점은 11.7질량％이기 때문에, 그 이하의 11.0질량％에서는 초정 Si가 정출되지 않는다. 그로 인해, 공정점을 사이에 둔 전후의 양의 Si를 첨가한 경우에는 초정 Si의 정출 상태가 안정되도록 연속 주조를 할 수는 없었다. 즉, Si의 첨가량이 예를 들어 11.7±0.5질량％의 범위 내인 경우, 종래에는 연속 주조에 의한 초정 Si의 정출이 불안정하였다.

그러나, 본 발명자들은, 공정점을 사이에 둔 전후의 양의 Si를 첨가한 경우에도 내마모성을 유지하면서, 고온 강도 및 고온 피로 강도가 얻어지는 특정한 합금 조성 조건, 제조 조건을 발견하여, 본 발명을 완성시켰다.

즉, 본 발명에 있어서의 용탕의 조성에서는, 후술하는 Ca나 P를 첨가함으로써 그들과의 상호 작용에 의해, 공정점을 사이에 둔 전후의 양의 Si를 첨가한 경우에도 안정되게 초정 Si가 정출되므로, 내마모성을 향상시킬 수 있다. 보다 바람직하게는 Si의 첨가량은 12.0질량％를 초과하는 것이 좋다.

Si의 첨가량이 11.0질량％ 미만에서는, 열팽창이 커지고, 또한 초정 Si의 정출이 억제되기 때문에 내마모성이 떨어져, 바람직하지 않다.

또한, Si의 첨가량이 13질량％를 초과하면, 정출한 초정 Si가 편석되므로, 그곳이 피로 파괴의 기점이 되어, 고온 피로 강도를 저하시키기 때문에, 바람직하지 않다.

특히, 단조 막대를 소정 온도에서 균질화 처리하여 얻어진 단조용 소재를, 엔진 피스톤용 소형재로 단조할 때에는 엔진 피스톤(1)의 스커트부(4) 및 피스톤 링 홈부(7)에 대응하는 주조 막대의 외주부에 있어서, 초정 Si의 분포 상태가 균일하며 초정 Si의 크기가 미세하게 되어 있는 것이 바람직하다.

<Fe: 0.6 내지 1.0질량％에 대해서>

Fe는, Cr 및 Mn 등과 함께, Al-Fe-Cr-Mn계의 금속간 화합물로서 정출하고, 이 정출물은 고온에서도 안정된 분산 강화상이 되어, 고온 강도의 향상에 기여한다.

Fe의 첨가량이 0.6질량％ 미만이면 분산 강화상의 양이 적고, 고온 강도의 향상이 적기 때문에, 바람직하지 않다.

한편, Fe의 첨가량이 1.0질량％를 초과하면, 바늘 형상의 Al-Fe-Cr-Mn계 거대 정출물이 정출되고, 그곳이 피로 파괴의 기점이 되어, 고온 피로 강도를 저하시키기 때문에, 바람직하지 않다.

또한, 일반적으로 Fe, Cr 및 Mn을 대량으로 첨가하면, Al-Fe-Cr-Mn계 거대 정출물이 정출되어, 고온 피로 강도를 저하시킨다. 그러나, 본 발명에서는, Fe와 Cr과 Mn의 총 첨가량이 많은 경우에도 Cr과 Mn을 Fe의 첨가량에 대하여 40질량％ 이하로 억제하여 첨가하면, Fe의 첨가량이 많아도 거대 정출물의 정출을 억제할 수 있다.

<Cu: 3.5 내지 4.5질량％에 대해서>

Cu는, Al-Cu(-Mg)계의 금속간 화합물로서 석출되고, 그것의 존재에 의해 150℃ 이하에서의 강도나 피로 강도(이하, 각각 상온 강도 및 상온 피로 강도로 생략한다)를 향상시킨다.

Cu의 첨가량이 3.5질량％ 미만이면, Al-Cu(-Mg)계 금속간 화합물의 석출물의 양이 적고, 상온 강도 및 상온 피로 강도의 향상이 적기 때문에, 바람직하지 않다.

Cu는 무거운 원소이기 때문에, Cu의 첨가량이 많으면 알루미늄 합금이 원래 갖는 경량성이라는 특성을 저해한다. 그런데, Cu의 고용 한도는 5.65질량％이지만, Cu를 4.5질량％ 넘게 첨가해도, 상온 강도 및 상온 피로 강도의 향상 효과는 적기 때문에, Cu의 첨가량은 4.5질량％를 상한으로서 설정했다.

<Mn: 0.25질량％ 이하에 대해서>

Mn은, Fe나 Cr와 함께 금속간 화합물로서 정출되어, 분산 강화상이 되어, 고온 강도의 향상에 기여하는 원소이지만, Fe에 비하여 Al-Fe-Cr-Mn계 거대 정출물을 만들기 쉽다. 그로 인해, Mn의 첨가량을 0.25질량％ 이하로 했다. Mn의 첨가량은 가능한 한 적은 쪽이 바람직하고, 특히 검출 한계 이하인 것이 바람직하다. 가장 바람직한 Mn의 첨가량은 0질량％이다.

<Mg: 0.4 내지 0.6질량％에 대해서>

Mg는, Si나 Cu와 공존함으로써, 상온 강도 및 상온 피로 강도를 향상시키는 원소이다. Mg의 첨가량이 0.4질량％ 미만에서는 상기 효과가 부족하기 때문에 바람직하지 않고, Mg를 0.6질량％ 넘게 첨가해도 상기 효과가 포화된다. 그로 인해, Mg의 첨가량은 0.4 내지 0.6질량％로 했다.

<Cr: 0.15질량％ 이하에 대해서>

Cr은, Fe나 Mn과 함께 금속간 화합물로서 정출되어, 분산 강화상이 되어, 고온 강도의 향상에 기여하는 원소이지만, Fe에 비하여 Al-Fe-Cr-Mn계 거대 정출물을 만들기 쉽다. 그로 인해, Cr의 첨가량은 0.15질량％ 이하로 했다. Cr의 첨가량은 가능한 한 적은 쪽이 바람직하고, 특히 검출 한계 이하인 것이 바람직하다. 가장 바람직한 Cr의 첨가량은 0질량％이다.

<Zr: 0.07 내지 0.15질량％에 대해서>

Zr은, 350℃ 이상의 온도에서 Al-Zr계 금속간 화합물을 석출하여, 합금 소재의 고온 강도를 향상시키는 원소이다. Zr의 첨가량이 0.07질량％ 미만에서는 상기 효과가 부족하기 때문에 바람직하지 않고, Zr를 0.15질량％ 넘게 첨가해도 상기 효과가 포화된다. 그로 인해, Zr의 첨가량은 0.07 내지 0.15질량％로 했다.

<P: 0.005 내지 0.010질량％에 대해서>

P는, 초정 Si가 정출되는 Si 첨가량의 하한값을 저Si량측으로 옮기고, 또한 초정 Si의 정출물의 입경을 미세화하는 원소이다. Si 첨가량이 높은 쪽의 경우에는 P를 첨가하지 않으면, 초정 Si가 조대화되어 버린다. P의 첨가량이 0.005질량％ 미만에서는, 상기 효과가 부족하기 때문에 바람직하지 않다. 한편, P의 첨가량이 0.010질량％를 초과하면, 상기 효과가 포화되고, 또한 공정 Si의 바늘 형상화를 촉진하여 인성이 저하되므로 바람직하지 않다. 그로 인해, P의 첨가량은 0.005 내지 0.010질량％로 했다. 이렇게 함으로써, 초정 Si의 최대 직경을 50㎛ 이하로 할 수 있다.

특히, P의 첨가량은 다음 식 1을 만족하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 연속 주조에 의한 초정 Si의 정출을 확실하게 안정시킬 수 있다. 이에 의해, 초정 Si를 소형재 전체에 걸쳐 확실하게 존재시킬 수 있고, 초정 Si의 편석을 확실하게 방지할 수 있고, 또한, 공정 Si를 확실하게 구 형상화시킬 수 있다. 그 결과, 내마모성과 고온 특성이 매우 우수한 엔진 피스톤용 소형재를 확실하게 얻을 수 있다.

<식 1>

0.0025×Si 첨가량-0.025≤P 첨가량≤0.0025×Si 첨가량-0.02

단, P 첨가량 및 Si 첨가량의 단위: 각각 질량％.

또한, P는, P 단체로는 P의 용탕에의 용해량(즉 P의 첨가량)이 적고, 또한 취급이 번거롭다. 따라서, P의 첨가량을 증가시키고 또한 취급을 용이하게 하기 위해, P-Cu(8질량％ P, 92질량％ Cu의 모합금)의 형태로 P를 용탕에 첨가하는 것이 바람직하다.

<Ca: 0.002질량％ 이하에 대해서>

Ca는, P에 의한 초정 Si의 미세화 및 경화를 저해하는 원소이다. 따라서, 염화마그네슘(MgCl₂)을 포함하는 플럭스를 용탕 중에 투입하여 교반함으로써, 용탕 중의 Ca량을 감소시켜, Ca의 첨가량이 0.002질량％ 이하로 되도록 제어한다. 더욱 바람직하게는, Ca와 P의 첨가량(단위: 질량％)을 P>6×Ca로 규정함으로써, 공정점을 사이에 둔 전후의 양의 Si를 첨가한 경우에도 P가 Ca에 소모되지 않는다. 그 결과, AlP가 생성되고, 이 AlP가 초정 Si의 불균질 핵 생성의 핵으로서 유효하게 작용함으로써, 초정 Si를 미세 균일하게 정출시킬 수 있다. 이에 의해, 내마모성을 향상시킬 수 있다. Ca의 첨가량은 가능한 한 적은 쪽이 바람직하고, 특히 검출 한계 이하인 것이 바람직하다. 가장 바람직한 Ca의 첨가량은 0질량％이다.

연속 주조 공정에 있어서, 용탕 온도를 720℃ 이상으로 설정한 이유는 다음과 같다.

응고 개시 전의 용탕을 고온 상태로 유지하여 주조하는 것은, 응고 과정에 있어서의 Al-Fe-Cr-Mn계 거대 정출물의 생성을 억제하고, 또한 주조 막대 중에 정출하는 초정 Si의 미세화 및 균일한 분포에도 기여한다. 따라서, 주조 온도는 720℃ 이상으로 한다. 이것은, 연속 주조 몰드 주입 전의 용탕 온도를 720℃ 이상으로 함으로써 실현할 수 있다. 특히 바람직한 용탕 온도는 740℃ 이상이다. 용탕 온도를 720℃ 이상으로 설정함으로써, 주조 막대를 균질화 처리하여 얻어진 단조용 소재를 엔진 피스톤용 소형재로 단조할 때에 엔진 피스톤(1)의 스커트부(4) 및 피스톤 링 홈부(7)에 대응하는 주조 막대의 외주부에 있어서, 초정 Si의 정출 상태를 미세하고 균일하게 할 수 있다. 또한, 용탕 온도의 상한값은 특별히 한정되는 것이 아니라, 예를 들어 850℃(바람직하게는 750℃)이다.

연속 주조 공정에 있어서, 주조 막대의 직경을 85mm 이하로 설정한 이유는 다음과 같다.

주조 막대의 직경(즉 주조 직경)이 커지면, 주괴 중심부의 냉각 속도가 느려지므로 Al-Fe-Cr-Mn계 거대 정출물이 발생하기 쉬워지고, 또한 주조 막대의 중심부에 있어서의 초정 Si의 미세화 및 균일한 분포가 저해된다. 주조 막대의 직경이 85mm 이하인 경우에는, 주조 막대의 중심부와 외주부의 냉각 속도의 차를 작게 억제할 수 있고, 바람직하게는 이 냉각 속도차를 200℃/s 이하로 할 수 있고, 이에 의해, Al-Fe-Cr-Mn계 거대 정출물의 생성을 억제할 수 있다. 그로 인해, 주조 막대의 직경을 85mm 이하로 규정했다. 이와 같이 함으로써, 주조 막대를 균질화 처리하여 얻어진 단조용 소재를 엔진 피스톤용 소형재로 단조할 때에 엔진 피스톤(1)의 관면부(2)에 대응하는 주조 막대의 중심부에 있어서, Al-Fe-Cr-Mn계 거대 정출물이 존재하지 않게 되어, 초정 Si의 정출 상태를 최대 직경이 50㎛ 미만이라는 미세하고 균일하게 할 수 있다. 또한, 주조 막대의 직경의 하한값은 특별히 한정되는 것이 아니라, 예를 들어 20mm이다.

주조 막대를 370 내지 500℃에서 균질화 처리하는 이유는 다음과 같다.

Al-Si계 정출물이나 Al-Fe-Cr-Mn계 정출물과 알루미늄 기지의 경계면의 면적이 클수록 Al-Fe-Cr-Mn계 정출물이 고온에서의 소성 변형 시의 저항이 되므로, 고온에서의 소성 변형이 되기 어려워진다. 그 결과, 고온 강도 및 고온 피로 강도가 향상된다.

그러나, 일반적으로 단조성 개선을 위하여 행하고 있는 고상선 온도 직하에서의 균질화 처리는, 처리 온도가 높고, Al-Si계 정출물이나 Al-Fe-Cr-Mn계 정출물을 분단하고, 구 형상화시키기 때문에 계면의 면적을 감소시켜 버린다. 따라서 본 발명에서는, 처리 온도의 상한을, Al-Si계 정출물이나 Al-Fe-Cr-Mn계 정출물이 분단되지 않는, 구 형상화되지 않는 온도로 하고 있다. 그러나, 균질화 처리 온도를 지나치게 낮게 하면, 단조 시에 변형능이 부족하여 깨짐 등의 문제를 발생한다. 따라서, 균질화 처리 온도는 370 내지 500℃로 하고, 보다 바람직하게는 엔진 피스톤의 형상에 맞추어 단조 시에 소재가 깨지지 않는 범위에서 가능한 한 낮은 온도로 설정한다. 균질화 처리 시간은 유지 시간을 4시간 이상으로 하는 것이 바람직하다. 이러한 처리 조건에서 주조 막대를 균질화 처리함으로써, Al-Si계 정출물이나 Al-Fe-Cr-Mn계 정출물이 분단되지 않는, 구 형상화되지 않는 상태를 유지할 수 있다. 또한, 균질화 처리 시간의 유지 시간의 상한값은 특별히 한정되는 것이 아니라, 예를 들어 24시간 이내이다.

이어서, 용탕을 연속 주조할 때에 사용되는 연속 주조 장치에 대하여 이하에 설명한다.

연속 주조 장치로서는, 용탕 온도를 720℃ 이상으로 유지한 상태에서, 직경 85mm 이하의 주조 막대를 얻을 수 있는 것이면, 그 방식에는 한정되지 않고, 예를 들어 종형 반연속 주조 장치, 핫 톱 연속 주조 장치, 수평 연속 주조 장치, 기체 가압식 연속 주조 장치를 사용할 수 있다.

도 5는, 수평 연속 주조를 행하는 수평 연속 주조 장치의 일례를 나타내는 단면도이다. 이 연속 주조 장치(20A)는, 알루미늄 합금의 용탕(30)을 저류하는 용탕 수용부(21)와, 용탕 통로(22a)를 갖는 응고용 연속 주조 수냉 몰드(수냉 주형)(22)를 구비한다. 그리고, 용탕 수용부(21)에 용탕 주입구(23)를 통하여 몰드(22)가 연통 상태이면서 또한 수평하게 배치되어 있다. 참조 부호 24는, 몰드(22)에 형성된 냉각수 통로이다. 몰드(22) 및 상기 몰드(22)로부터 인출된 주조 막대(31)는, 이 냉각수 통로(24)로부터 토출된 냉각수(25)에 의해 냉각된다.

도 6은, 핫 톱 연속 주조 장치의 일례를 나타내는 단면도이다. 이 연속 주조 장치(20B)는, 용탕 수용부(21)와, 그 하측에 배치됨과 함께 용탕 통로(22a)를 갖는 응고용 연속 주조 수냉 몰드(22)를 구비한다. 그리고, 용탕 수용부(21)에 용탕 주입구(23)를 통하여 몰드(22)가 연통 상태이면서 또한 그 용탕 통로(22a)의 출구를 하방을 향하여 배치되어 있다. 이 연속 주조 장치(20B)에서는, 용탕 수용부(21) 내의 알루미늄 합금의 용탕(30)은, 상방으로부터 용탕 주입구(23)를 통하여, 냉각된 몰드(22) 내에 도입된다. 그리고, 이 몰드(22) 내에 도입된 용탕(30)은, 몰드(22)에 접하는 부분에 있어서 견고 쉘(응고 껍질)을 형성하면서 몰드(22)로부터 하방으로 인출된다. 몰드(22)로부터 인출된 주조 막대(31)는, 냉각수 통로(24)로부터 토출된 냉각수(25)에 의해 냉각된다.

본 발명에서는, 이상과 같은 각 연속 주조 장치(20A, 20B)에 있어서, 바람직하게는 용탕(30)이 몰드(22) 내에 주입되기 직전의 위치 C의 온도를 용탕 온도로 하고 이 온도가 720℃ 이상인 것이 좋다. 후술하는 [실시예]란에서는, 용탕(30)에 있어서의 이 위치 C의 온도를 용탕 온도로 하고 있다.

이어서, 단조 막대를 균질화 처리할 때에 사용되는 균질화 처리 로에 대하여 이하에 설명한다.

균질화 열처리 로로서는, 주조 막대를 수용하고 370 내지 500℃의 처리 온도에서 균질화 처리를 행할 수 있는 것이면 되는데, 종래 널리 사용되고 있는 것, 예를 들어 열풍 순환식의 로인 경우에는 직화로나 라디안트 튜브 로 중 무엇이든 좋고, 또한 반송 방식의 로인 경우에는 연속로나 배치로 중 무엇이든 좋다.

이어서, 단조용 소재를 단조할 때에 사용되는 단조 장치에 대하여 이하에 설명한다.

단조 장치로서는, 단조용 소재를 엔진 피스톤 형상의 소형재로 단조 성형하는 단조용 금형을 구비한 것이면 되는데, 특히 예비 가열 처리 장치 및 윤활재 도포 장치도 더 구비한 것이 바람직하다. 또한, 단조용 금형은 밀폐 단조용 금형인 것이 바람직하다. 구체적으로 예시하면, 단조 장치로서, 너클 프레스, 크랭크 프레스, 프릭션 프레스, 유압 프레스, 서보 프레스를 사용할 수 있다.

그리고, 본 실시 형태에 있어서의 소형재의 제조 방법은, 이하와 같이 행해진다.

연속 주조 장치를 사용하여, 소정 조성의 용탕을 용탕 온도 720℃ 이상에서 직경 85mm 이하의 주조 막대로 연속 주조한다[연속 주조 공정]. 이 주조 막대의 단면 형상은 원 형상인 것이 바람직하고, 즉 주조 막대는 둥근 막대 형상인 것이 바람직하다.

이어서, 주조 막대를 370 내지 500℃의 온도에서 균질화 처리함으로써, 단조용 소재를 얻는다. 그리고, 이 소재는, 균질화 처리 후에 있어서, 필요에 따라 소재의 외주면이 필링 처리(외주면 절삭 처리)된다. 그 후, 이 소재는, 소재의 길이 방향으로 소정 길이(두께)로 절단됨으로써 원판 형상 내지 원기둥 형상으로 된다. 여기서, 주조 막대의 절단면이 소재의 상면 및 하면으로 되고, 주조 막대의 외주면 또는 그 내부 근방이 소재의 외주면으로 결정된다. 또한, 이 소재는, 필요에 따라 업세팅 처리, 윤활 처리 및 예비 가열 처리가 실시된다.

이어서, 소재는, 단조 장치에 의해 엔진 피스톤 형상의 소형재로 단조 성형된다[단조 공정].

도 7 및 8은, 각각 단조 장치를 사용하여 소재를 단조하는 단조 공정을 도시하는 도면이다.

도 7 및 도 8에 도시한 단조 장치(40)의 금형(41)은, 모두 상형(42) 및 하형(43)으로 구성되고, 상하 양쪽 형(42, 43)이 끼워 맞추어짐으로써 밀폐된 성형 공간(44) 내에서 원판 형상 내지 원기둥 형상 소재(32)가 단조되어, 엔진 피스톤용의 소형재(11)가 얻어진다.

도 7에 있어서, 참조 부호 32A는, 주조 막대(31)를 균질화 처리하여 얻어진 긴 단조용 막대 형상 소재(32A)이다. 이 막대 형상 소재(32A)를 소정 길이(두께)로 절단하여 얻어진 원판 형상 내지 원기둥 형상 소재(32)는, 단조 장치(40)의 하형(43) 내에 배치되고, 그 후 하형(43) 내에 끼워 맞추어진 상형(42)에 의해 소재(32)의 축 방향으로 가압됨으로써, 소재(32)가 밀폐 성형 공간(44) 내에서 소정 형상으로 단조 성형되어, 엔진 피스톤용의 소형재(11)가 얻어진다. 도 7에 도시한 단조 장치(40)의 금형(41)은, 스커트부 대응부(도시하지 않음)와 핀 보스부 대응부(15, 15)가 전방 압출 성형되도록 구성되어 있다.

도 8에서는, 상기 도 7에 도시한 단조 방법과 마찬가지로 소재(32)가 단조되어, 엔진 피스톤용의 소형재(11)가 얻어진다. 도 8에 도시한 단조 장치(40)의 금형(41)은, 스커트부 대응부(도시하지 않음)와 핀 보스부 대응부(15, 15)가 후방 압출 성형되도록 구성되어 있다.

도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 소재(32)는, 상기 소재(32)의 상면 또는 하면이 소형재(11)의 관면부 대응부(12)로 되도록 또한 상기 소재(32)의 외주부가 피스톤 링 홈부 대응부(17) 및 스커트부 대응부(도시하지 않음)로 되도록, 하형(43) 내에 배치된다.

단조 직전에 행해지는 예비 가열 처리의 처리 온도 및 단조 시의 소재 온도는, 470℃ 이하에서 가능한 한 단시간인 것이 바람직하고, 특히 균질화 처리 온도보다 낮은 온도인 것이 좋다. 또한, 가열 시간으로서는, 소재 온도가 처리 온도(즉 470℃ 이하)로 승온할 수 있는 가장 짧은 시간이어도 상관없다. 이렇게 저온 단시간에 처리함으로써, 단조 후에 있어서도 균질화 처리 후의 Al-Si계 정출물이나 Al-Fe-Cr-Mn계 정출물의 상태를 유지할 수 있다.

이렇게 하여 얻어진 소형재(11)는, 필요에 따라 용체화 처리 및 시효 처리가 실시된다.

용체화 처리 온도는 고상선 온도 이하인 것이 바람직하다. 그 이유는, 균질화 처리 후의 Al-Si계 정출물이나 Al-Fe-Cr-Mn계 정출물의 상태를 유지할 수 있기 때문이다.

시효 온도 및 시효 시간에 대해서는, 온도 및 시간을 조정함으로써 약간 과시효측으로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 제품 사용 시에 있어서의 시효에 의한 치수 성장을 억제할 수 있다.

그리고, 이 소형재(11)는, 기계 가공 등에 의해 최종 마무리 가공이 실시되고, 그 후, 피스톤 링 등 다른 부품이 설치되어 엔진 피스톤으로 된다.

이상과 같이 본 실시 형태의 소형재의 제조 방법에 따라 제조된 소형재(11)는, 단조 시에는 관면부 대응부(12)에 깨짐은 발생하지 않고, 적어도 스커트부 대응부(14) 및 피스톤 링 홈부 대응부(17)에 초정 Si가 적절하게 존재하고, 최대 직경 50㎛ 이상의 초정 Si는 존재하지 않고, 초정 Si의 편석은 존재하지 않고, 최대 직경 50㎛ 이상의 Al-Fe-Cr-Mn계 거대 정출물은 존재하지 않는 것이 된다. 따라서, 이 소형재(11)를 사용하여 제조된 엔진 피스톤(1)은, 내마모성이 우수하고, 또한, 상온 인장 특성, 고온 특성(즉 고온 인장 특성 및 고온 피로 특성)이 우수한 것이 된다.

이상 본 발명의 실시 형태를 설명했지만, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서 다양하게 변경 가능한 것은 물론이다.

실시예

이어서, 본 발명의 구체적인 실시예 및 비교예를 나타낸다. 단 본 발명은, 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1 내지 7, 비교예 1 내지 14>

또한, 표 1에 있어서의 Al 합금의 성분의 단위는 질량％이다.

표 1에 나타내는 조성의 Al 합금의 용탕을, 핫 톱 연속 주조 장치(도 6 참조)를 사용하여 연속 주조함으로써, 둥근 막대 형상의 주조 막대를 얻었다. 이 연속 주조에 있어서, 연속 주조 몰드 주입 전의 용탕 온도는, 표 2 중의 「용탕 온도」란에 기재된 바와 같다. 얻어진 주조 막대의 직경은, 표 2 중의 「주조 막대의 직경」란에 기재된 바와 같다.

또한, 주조 시에는, JIS Z 2611에 따라 용탕을 금형에 주입함으로써 도 9에 도시한 바와 같은 대략 디스크 형상의 분석 시료(50)를 채취하고, 이 분석 시료(50)를 사용하여 JIS H 1305에 준거하여 발광 분광 분석에 의해 용탕의 조성 원소를 정량 분석했다. 도 9에 있어서, 참조 부호 51은 분석 시료(50)의 분석부이다. 또한, 이 분석부(51)는, 프라이즈반으로 약 0.5mm(0.3 내지 0.6mm) 절삭되고 나서, 분석에 사용되었다. 분석 시료(50)의 각 부위의 치수에 대해서는, A=50mm, B=30mm, C=18mm, D=5mm, E=5mm, F=35mm이다.

이어서, 주조 막대를 6000mm의 길이로 절단했다. 계속해서, 절단된 주조 막대를 균질화 처리했다. 이 균질화 처리에 있어서, 처리 온도는, 표 2 중의 「균질화 처리 온도」란에 기재된 바와 같다. 처리 시간은 모두 7시간이다.

그 후, 주조 막대를 직경 50mm로 되도록 외주 절삭하고, 또한 주조 막대를 60mm의 길이로 절단하고, 이에 의해 원기둥 형상의 단조용 소재를 얻었다.

이어서, 이 소재를 420℃에서 예비 가열한 후, 소재를 그 단부면으로부터 축방향으로 가압함으로써 소재를 두께 10mm로 업셋 단조했다. 이 업셋 단조는, 본 발명의 단조 공정에서의 단조에 대응하는 것이며, 실제로 소재를 엔진 피스톤용 소형재로 단조 성형할 때의 단조 가공률에 상당하는 단조 가공률로 행했다.

그 후, 업셋 단조품을 T6 열처리했다. 즉, 업셋 단조품을 495℃에서 용체화 처리하고, 그 후, 시효 온도 200℃ 및 시효 시간 6시간의 조건에서 인공 시효 처리 했다.

이렇게 하여 T6 열처리가 실시된 업셋 단조품에 대해서, 용제 제거성 침투 탐상 시험(컬러 체크)에 의해 업셋 단조품의 표면의 깨짐 및 구멍 결함의 유무를 육안 관찰로 조사했다. 그 후, 업셋 단조품을 절단하고, 그 단면을 경면 연마하고, 이 경면 연마면에 대하여 금속 현미경을 사용하여 업셋 단조품의 중심부로부터 외주부까지 마이크로 조직을 관찰함으로써, 초정 Si의 유무, 최대 직경 50㎛ 이상의 초정 Si의 유무, Al-Fe-Cr-Mn계 거대 정출물의 유무 및 초정 Si의 편석의 유무를 조사했다. 그들 결과를, 표 2 중의 「초정 Si의 유무」란, 「50㎛ 이상의 초정 Si의 유무」란, 「거대 정출물의 유무」란 및 「초정 Si의 편석의 유무」란에 각각 기재했다. 초정 Si는, 실시예 1 내지 7 모두 업셋 단조품의 전체에 걸쳐 존재하고 있었다. 또한, 이렇게 하여 T6 열처리가 실시된 업셋 단조품에 대해, 상온 인장 특성, 고온 인장 특성 및 고온 피로 특성을 평가했다.

마이크로 조직 관찰로 촬상한 실시예 1 내지 7의 조직 사진 중 대표예로서 실시예 1의 조직 사진을 도 10에 나타낸다. 또한, 마이크로 조직 관찰로 촬상한 비교예 1 내지 14의 조직 사진 중 대표예로서 비교예 3의 조직 사진을 도 11에 나타낸다. 또한, 조직 사진의 화상을 해석한 화상 해석 장치로서, 가부시끼가이샤 니레코사제 루젝스를 사용했다.

조직 사진에 있어서, Al-Fe-Cr-Mn계 정출물은 옅은 회색의 정출물이며, 초정 Si는 회갈색이고 블록 형상인 정출물이며, 공정 Si는 초정 Si보다 작고 또한 평균 입경이 5㎛ 정도인 회갈색의 정출물이다.

도 10(실시예 1)에서는, 공정 Si는 다수 분산하여 존재하고 있고, 그 평균 입경은 5㎛ 정도이다. 초정 Si는 복수 분산하여 존재하고 있고, 그 최대 직경은 25㎛ 정도이고, 그 평균 입경은 20㎛ 정도이지만, 그러나 최대 직경이 50㎛ 이상인 초정 Si는 존재하지 않는다. Al-Fe-Cr-Mn계 정출물은 다수 분산하여 존재하고 있고, 그 평균 입경은 5㎛ 정도이지만, 그러나 최대 직경이 50㎛ 이상인 Al-Fe-Cr-Mn계 거대 정출물은 존재하지 않는다.

도 11(비교예 3)에서는, 공정 Si는 다수 분산하여 존재하고 있고, 그 평균 입경은 5㎛ 정도이다. 초정 Si는 편재하고 있으며, 그 최대 직경은 35㎛ 정도이고, 그 평균 입경은 20㎛ 정도이다. Al-Fe-Cr-Mn계 정출물은 2종류 존재하고 있다. 그 중, 1종류는 평균 입경이 5㎛ 정도인 정출물이며, 다수 분산하여 존재하고 있다. 다른 1종류는 평균 입경이 60㎛ 정도인 블록 형상의 정출물이며, 최대 직경이 50㎛ 이상인 Al-Fe-Cr-Mn계 거대 정출물이 존재하고 있다.

상온 인장 특성의 평가 방법은 다음과 같다.

T6 열처리가 실시된 업셋 단조품으로부터 JIS14A 비례 시험편을 채취하고, 이 시험편으로 25℃에서의 인장 강도를 측정했다. 그리고, 인장 강도가 350MPa 이상을 양호로 하고, 350MPa 미만을 불량으로 했다. 그 결과를 표 2 중의 「상온 인장 특성」란에 기재했다.

고온 인장 특성의 평가 방법은 다음과 같다.

T6 열처리가 실시된 업셋 단조품을 250℃에서 100시간 유지한 후, 이 업셋 단조품으로부터 플랜지를 구비한 JIS14A 비례 시험편을 채취했다. 그리고, 강도 시험 시에는 시험편을 다시 250℃에서 15분간 유지한 후, 상기 시험편으로 250℃에서 인장 강도를 측정했다. 그리고, 인장 강도가 110MPa 이상을 양호로 하고, 110MPa 미만을 불량으로 했다. 그 결과를 표 2 중의 「고온 인장 특성」란에 기재했다.

고온 피로 특성의 평가 방법은 다음과 같다.

T6 열처리가 실시된 업셋 단조품을 250℃에서 100시간 유지한 후, 이 업셋 단조품으로부터 피로 시험편을 채취했다. 그리고, 오노식 회전 굽힘 피로 시험기에 의해 상기 시험편으로 온도 250℃에서 피로 시험을 행하여, 10000000사이클에서도 파단하지 않는 응력값을 피로 강도로 했다. 그리고, 응력값이 60MPa 이상을 양호로 하고, 60MPa 미만을 불량으로 했다. 그 결과를 표 2 중의 「고온 피로 특성」란에 기재했다.

실시예 1 내지 7은, 본 발명의 요건을 모두 만족하고 있기 때문에, 깨짐은 발생하지 않고, 업셋 단조품 전체에 걸쳐 초정 Si는 존재하고, 최대 직경 50㎛ 이상의 초정 Si는 존재하지 않고, 최대 직경 50㎛ 이상의 Al-Fe-Cr-Mn계 거대 정출물은 존재하지 않고, 초정 Si의 편석은 존재하지 않았다. 또한, 상온 인장 특성, 고온 인장 특성, 고온 피로 특성이 우수하였다.

비교예 1은, Si 첨가량이 적었기 때문에, 초정 Si가 존재하지 않았다.

비교예 2는, Si 첨가량이 지나치게 많았기 때문에, 초정 Si가 편석하고, 또한 초정 Si의 입경도 크기 때문에, 이 초정 Si를 기점으로 업셋 단조 시에 깨짐이 발생했다.

비교예 3은, Fe 첨가량이 지나치게 많았기 때문에, Al-Fe-Cr-Mn계 거대 정출물이 발생하고, 이 거대 정출물을 기점으로 업셋 단조 시에 깨짐이 발생했다.

비교예 4는, Mn 및 Cr 첨가량이 지나치게 많았기 때문에, Al-Fe-Cr-Mn계 거대 정출물이 발생하고, 이 거대 정출물을 기점으로 업셋 단조 시에 깨짐이 발생했다.

비교예 5는, Cu 및 Mg 첨가량이 지나치게 적었기 때문에, 상온 인장 특성이 저하되었다.

비교예 6은, Zr 첨가량이 지나치게 적었기 때문에, 고온 인장 특성 및 고온 피로 특성이 저하되었다.

비교예 7은, Fe 첨가량이 지나치게 적었기 때문에, 고온 인장 특성 및 고온 피로 특성이 저하되었다.

비교예 8은, Si 첨가량이 적고, P를 첨가하지 않았기 때문에, 초정 Si가 존재하지 않았다.

비교예 9는, Si 첨가량이 많고, P를 첨가하지 않았기 때문에, 초정 Si가 조대화되었다.

비교예 10은, Ca 첨가량을 플럭스에 의해 저감하지 않았기 때문에, 초정 Si가 조대화되었다.

비교예 11은, 용탕 온도가 지나치게 낮았기 때문에, 초정 Si의 편석이 발생했다.

비교예 12는, 주조 막대의 직경이 지나치게 컸기 때문에, 업셋 단조품의 중심부의 초정 Si가 조대화되었다.

비교예 13은, 균질화 처리 온도가 지나치게 낮았기 때문에, 공정 Si 등의 구형상화가 불충분하여, 업셋 단조 시에 깨짐이 발생했다.

비교예 14는, 균질화 처리 온도가 지나치게 높았기 때문에, 업셋 단조 전의 예비 가열에서 공정 융해를 발생시켜, 업셋 단조 시에 융해부를 기점으로 깨짐이 발생했다.

<실시예 8 내지 11, 비교예 15 내지 22>

또한, 표 3에 있어서의 Al 합금의 성분의 단위는 질량％이다.

도 12는, 실시예 8 내지 11 및 비교예 15 내지 22에 있어서의 P 첨가량과 Si 첨가량의 관계를 도시하는 도면이다. 또한 상기 도면 중의 식에 있어서, [P]는 P 첨가량(단위: 질량％)을 의미하고, [Si]는 Si 첨가량(단위: 질량％)을 의미하고 있다.

표 3에 나타내는 조성의 Al 합금의 용탕을, 핫 톱 연속 주조 장치(도 6 참조)를 사용하여 연속 주조함으로써, 둥근 막대 형상의 주조 막대를 얻었다. 이 연속 주조에 있어서, 연속 주조 몰드 주입 전의 용탕 온도는 750℃로 하고, 주조 막대의 직경은 55mm로 했다.

또한, 주조 시에는, JIS Z 2611에 따라 용탕을 금형에 주입함으로써 도 9에 도시한 바와 같은 대략 디스크 형상의 분석 시료(50)를 채취하고, 이 분석 시료(50)를 사용하여 JIS H 1305에 준거하여 발광 분광 분석에 의해 용탕의 조성 원소를 정량 분석했다.

이어서, 주조 막대를 6000mm의 길이로 절단했다. 계속해서, 절단된 주조 막대를 처리 온도 470℃ 및 유지 시간 7시간의 조건에서 균질화 처리했다.

그 후, 주조 막대를 직경 50mm로 되도록 외주 절삭하고, 또한 주조 막대를 60mm의 길이로 절단함으로써, 원기둥 형상의 단조용 소재를 얻었다.

이렇게 하여 T6 열처리가 실시된 업셋 단조품을 절단하고, 그 단면을 경면 연마하고, 이 표면 연마면에 대하여 금속 현미경을 사용하여 업셋 단조품의 중심부로부터 외주부까지 마이크로 조직을 관찰함으로써, 업셋 단조품의 중심부 및 외주부에 있어서의 초정 Si의 유무, 초정 Si의 편석의 유무, 공정 Si의 형상을 조사했다.

초정 Si의 유무에 대해서는, 마이크로 조직을 관찰했을 때, 회갈색이고 블록 형상인 정출물이 존재하는지의 여부로 판단했다.

초정 Si의 편석 유무에 대해서는, 초정 Si가 3개 이상 모여 형성됨과 함께 각 초정 Si의 간격 중 적어도 1개가 초정 Si의 입경보다 짧은 초정 Si 집합체가 존재하는 경우, 초정 Si의 편석이 있다고 하고 그러한 초정 Si 집합체가 존재하지 않는 경우, 초정 Si의 편석이 없다고 했다.

공정 Si는, 초정 Si보다 작은 회갈색의 정출물이다. 이 정출물의 크기를 측정했을 때, 「최대 길이」/「최소 길이」가 3 이상인 경우, 공정 Si가 바늘 형상화되어 있다고 판단하고, 3 미만인 경우, 공정 Si가 구 형상화되어 있다고 판단했다.

도 12 중의 [판정]란에 있어서, 「○」는 엔진 피스톤용 소형재로서 적합한 것 및 「×」는 적합하지 않은 것을 의미하고 있다.

표 4 및 도 12에 도시한 바와 같이, 실시예 8 내지 11은, Si 첨가량은 11.0 내지 13.0질량％의 범위 내이며, P 첨가량은 0.005 내지 0.010질량％의 범위 내이며, 또한 P 첨가량은 상기 식 1을 만족하고 있다. 그로 인해, 연속 주조에 의한 초정 Si의 정출이 안정적으로 되었다. 그 결과, 초정 Si는 업셋 단조품의 중심부로부터 외주부의 전역에 걸쳐 존재하고, 초정 Si의 편석이 존재하지 않았다. 또한 공정 Si가 구 형상화되어 있었다. 따라서, 양호한 마이크로 조직으로 되어 있었다.

비교예 15, 21, 22는, Si 함유량이 지나치게 적었기 때문에, 초정 Si가 업셋 가공품에 부분적으로 존재하고, 즉 업셋 단조품의 전체에 걸쳐서는 존재하지 않았다.

비교예 16은, Si 함유량은 본 발명의 범위 내이었지만, P 첨가량이 적었기 때문에, 업셋 단조품의 중심부에만 초정 Si가 존재하고, 그 외주부에는 초정 Si가 존재하지 않았다.

비교예 17, 18, 19는, Si 첨가량이 지나치게 많았기 때문에, 초정 Si의 편석이 발생했다.

비교예 20은, Si 함유량은 본 발명의 범위 내이었지만, P 첨가량이 지나치게 많았기 때문에, 공정 Si가 바늘 형상화되었다. 그로 인해, 업셋 단조품의 인성이 낮았다.

본원은, 2009년 7월 3일자로 출원된 일본 특허 출원의 특허 출원 제2009-158954호의 우선권 주장을 수반하는 것이며, 그 개시 내용은 그대로 본원의 일부를 구성하는 것이다.

여기에 사용된 용어 및 표현은, 설명을 위하여 사용된 것이며 한정적으로 해석하기 위하여 사용된 것이 아니며, 여기에 나타내고 또한 설명된 특징 사항의 어떤 균등물도 배제하는 것이 아니고, 본 발명의 클레임된 범위 내에서의 각종 변형도 허용하는 것으로 인식되어야 한다.

본 발명은, 많은 상이한 형태로 구현화될 수 있는 것이지만, 이 개시는 본 발명의 원리의 실시예를 제공하는 것으로 간주되어야 하며, 이들 실시예는, 본 발명을 여기에 기재하고 또한/또는 기재한 바람직한 실시 형태에 한정하는 것을 의도하는 것이 아니라는 이해를 기초로, 많은 도시 실시 형태가 여기에 기재되어 있다.

본 발명의 도시 실시 형태를 몇개 여기에 기재했지만, 본 발명은, 여기에 기재한 각종 바람직한 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 이 개시에 기초하여 소위 당업자에 의해 인식될 수 있는, 균등한 요소, 수정, 삭제, 조합(예를 들어, 각종 실시 형태에 관한 특징의 조합), 개량 및／또는 변경을 갖는 모든 실시 형태도 포함하는 것이다. 클레임의 한정 사항은 그 클레임에서 사용된 용어에 기초하여 넓게 해석되어야 하며, 본 명세서 혹은 본원의 프로시큐션 중에 기재된 실시예에 한정되어서는 안되고, 그러한 실시예는 비배타적이라고 해석되어야 한다. 예를 들어, 이 개시에 있어서, 「바람직하게는(preferably)」라는 용어는 비배타적인 것이며, 「바람직하지만 이것에 한정되는 것은 아니다」라는 것을 의미하는 것이다. 이 개시 및 본원의 프로시큐션 중에 있어서, 민즈·플러스·펑션 혹은 스텝·플러스·펑션의 한정 사항은, 특정 클레임의 한정 사항에 관한 것이며, a) 「means for」 혹은 「step for」라고 명확하게 기재되어 있으며, 또한 b) 거기에 대응하는 기능이 명확하게 기재되어 있으며, 또한 c) 그 구성을 뒷받침하는 구성, 재료 혹은 행위가 언급되지 않는다는 조건 모두가 그 한정 사항에 존재하는 경우에만 적용된다. 이 개시 및 본원의 프로시큐션 중에 있어서, 「본 발명(present invention)」 또는 「발명(invention)」이라는 용어는, 이 개시 범위 내에 있어서의 1개 또는 복수의 측면에서 언급하는 것으로서 사용되고 있는 경우가 있다. 이 present invention 또는 invention이라는 용어는, 임계를 식별하는 것으로서 부적절하게 해석되어서는 안되고, 모든 측면 즉 모든 실시 형태에 걸쳐 적용하는 것으로서 부적절하게 해석되어서는 안되고(즉, 본 발명은 다수의 측면 및 실시 형태를 갖고 있다고 이해되어야 한다), 본원 또는 클레임의 범위를 한정하도록 부적절하게 해석되어서는 안된다. 이 개시 및 본원의 프로시큐션 중에 있어서, 「실시형태(embodiment)」라는 용어는, 임의의 측면, 특징, 프로세스 혹은 스텝, 그들의 임의의 조합, 및／또는 그러한 임의의 부분 등을 기재하는 경우에도 사용된다. 몇개의 실시예에 있어서는, 각종 실시 형태는 중복하는 특징을 포함하는 경우가 있다. 이 개시 및 본원의 프로시큐션 중에 있어서, 「e.g.,」, 「NB」라는 약자를 사용하는 경우가 있고, 각각 「예를 들어」, 「주의 요망」을 의미하는 것이다.

<산업상 이용가능성>

본 발명은, 자동차나 오토바이 등의 차량에 탑재되는 엔진에 사용되는 엔진 피스톤을 제조하기 위한 소형재의 제조 방법 및 엔진 피스톤용 소형재에 이용 가능하다.

1: 엔진 피스톤
2: 관면부
4: 스커트부
7: 피스톤 링 홈부
11: 엔진 피스톤용 소형재
12: 관면부 대응부
14: 스커트부 대응부
17: 피스톤 링부 대응부
20A: 수평 연속 주조 장치
20B: 핫 톱 연속 주조 장치
22: 연속 주조 몰드
30: 용탕
31: 주조 막대
32: 단조용 소재
40: 단조 장치

Claims

Si: 11.0 내지 13.0질량％, Fe: 0.6 내지 1.0질량％, Cu: 3.5 내지 4.5질량％, Mn: 0.25질량％ 이하, Mg: 0.4 내지 0.6질량％, Cr: 0.15질량％ 이하, Zr: 0.07 내지 0.15질량％, P: 0.005 내지 0.010질량％, Ca: 0.002질량％ 이하를 포함하고, 잔량부가 Al 및 불가피 불순물로 이루어지는 조성의 용탕을, 연속 주조 몰드 주입 전의 용탕 온도를 720℃ 이상으로 설정하여 연속 주조함으로써, 직경 85mm 이하의 주조 막대를 얻는 연속 주조 공정과,
상기 주조 막대를 370 내지 500℃의 온도에서 균질화 처리하여 얻어진 단조용 소재를 단조함으로써, 엔진 피스톤용 소형재를 얻는 단조 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤용 소형재의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 용탕의 조성에 있어서, P 첨가량은 다음 식 1을 만족하고 있는 엔진 피스톤용 소형재의 제조 방법.
<식 1>
0.0025×Si 첨가량-0.025≤P 첨가량≤0.0025×Si 첨가량-0.02
단, P 첨가량 및 Si 첨가량의 단위: 각각 질량％.
제1항 또는 제2항에 기재된 엔진 피스톤용 소형재의 제조 방법에 의해 제조된 엔진 피스톤용 소형재이며,
소형재에 있어서의 적어도 스커트부 대응부 및 피스톤 링 홈부 대응부에, 초정 Si가 존재하고 있고,
소형재 전체에 있어서, 최대 직경 50㎛ 이상의 초정 Si가 존재하지 않고, 또한 최대 직경 50㎛ 이상의 Al-Fe-Cr-Mn계 거대 정출물이 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤용 소형재.
단조로 제조된 엔진 피스톤용 소형재이며,
소형재의 조성은, Si: 11.0 내지 13.0질량％, Fe: 0.6 내지 1.0질량％, Cu: 3.5 내지 4.5질량％, Mn: 0.25질량％ 이하, Mg: 0.4 내지 0.6질량％, Cr: 0.15질량％ 이하, Zr: 0.07 내지 0.15질량％, P: 0.005 내지 0.010질량％, Ca: 0.002질량％ 이하를 포함하고, 잔량부가 Al 및 불가피 불순물이며,
소형재에 있어서의 적어도 스커트부 대응부 및 피스톤 링 홈부 대응부에, 초정 Si가 존재하고 있고,
소형재 전체에 있어서, 최대 직경 50㎛ 이상의 초정 Si가 존재하지 않고, 또한 최대 직경 50㎛ 이상의 Al-Fe-Cr-Mn계 거대 정출물이 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤용 소형재.
제4항에 있어서, 상기 소형재의 조성에 있어서, P 첨가량은 다음 식 1을 만족하고 있는 엔진 피스톤용 소형재.
<식 1>
0.0025×Si 첨가량-0.025≤P 첨가량≤0.0025×Si 첨가량-0.02
단, P 첨가량 및 Si 첨가량의 단위: 각각 질량％.
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