KR20010109311A - Method for manufacturing internal combustion engine pistons - Google Patents

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카이비쉐브오스카아크라모비치
트리포노브바딤게나디비치
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제이 엘. 차스킨, 버나드 스나이더, 아더엠. 킹
제너럴 일렉트릭 캄파니
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인스티튜트 포어 메탈즈 수퍼플라스티시티 프로블럼스 오브 더 러시안 아카데미 오브 사이언시즈
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Abstract

본 발명에 따른 피스톤 제조 방법에 의해 내연기관 피스톤을 제조한다. 피스톤 제조 방법은 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함하는 알루미늄 합금을 포함하는 개시 빌릿으로부터의 빌릿을 초소성과 고온 변형 조건 중의 적어도 하나의 조건하에서 단조하는 단계와, 단조된 빌릿을 열처리하는 단계를 포함한다. 단조 단계는 약 0.8Tmelt내지 약 0.98Tmelt범위의 온도에서의 단조를 포함한다. 단조 단계는 또한 약 5×10-2s-1내지 약 5×10-5s-1범위의 변형 속도에서의 단조를 포함한다. 피스톤은 다른 부분이 피스톤에 연결될 수 있는 형태로 형성된다. 개시 빌릿은 층상 형상과 포괄 형상 중의 적어도 하나를 갖는 조립의 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자 군과 구형 형상인 세립의 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자 군 중의 적어도 하나를 포함한다. 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자의 체적 함량은 약 25% 내지 약 60% 범위이고, 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자의 평균 결정 입도는 약 15㎛2보다 작다.An internal combustion engine piston is manufactured by the piston manufacturing method according to the present invention. The piston manufacturing method includes the steps of forging a billet from an initial billet comprising an aluminum alloy comprising silicon, intermetallic particles, and injected cured particles under at least one of a superficiality and a high temperature strain condition, and heating the forged billet to a heat treatment . The forging step includes forging at a temperature in the range of about 0.8T melt to about 0.98T melt . The forging step also includes forging at a strain rate ranging from about 5 x 10 -2 s -1 to about 5 x 10 -5 s -1 . The piston is formed in such a manner that another portion can be connected to the piston. The starting billet comprises at least one of an assembly of silicon and intermetallic particles having at least one of a lamellar shape and a generic shape, and a group of fine silicon particles, intermetallic particles, and injected hard particles do. The volume content of silicon, intermetallic particles, and injected cured particles ranges from about 25% to about 60%, and the average crystal grain size of silicon, intermetallic particles, and injected cured particles is less than about 15 占 퐉 2 .

Description

내연기관 피스톤의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING INTERNAL COMBUSTION ENGINE PISTONS}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method of manufacturing an internal combustion engine piston,

피스톤은 전형적으로 높은 응력을 받는 엔진 구성요소이다. 피스톤 동작시, 피스톤의 상부 또는 크라운(crown)은 고온에 노출될 수 있다. 예컨대 압축링(compression ring)용의 홈과 같은 피스톤에 형성된 임의의 홈은 높은 충격 응력에 노출될 수 있다. 또한, 피스톤이 피스톤 핀(wrist pin) 포트를 포함한다면, 포트는 역방향의 주기적 하중을 받을 수도 있다. 이러한 피스톤 외형이 변동하는 작동 응력, 하중, 온도 및 다른 작동 특성(이하, "작동 특성"이라 함)을 경험하게 되며, 이러한 작동 특성을 감당할 수 있도록 상이한 기계적 속성과 기계적 품질(이 또한 "피스톤 특성"으로 공지되어 있음)을 필요로 하는 별개의 피스톤 영역이 요구된다.Pistons are engine components that are typically subjected to high stresses. During piston operation, the top or crown of the piston may be exposed to high temperatures. Any groove formed in the piston, such as a groove for a compression ring, can be exposed to high impact stresses. Also, if the piston includes a piston pin port, the port may receive a reverse cyclic load. This piston contour will experience varying operating stresses, loads, temperatures and other operating characteristics (hereinafter referred to as " operating characteristics "), and different mechanical properties and mechanical qualities &Quot;). ≪ / RTI >

피스톤의 기계적 속성은 그 특성에 의해 결정될 수 있다. 내연기관 피스톤(이에 한정되지는 않음)과 같은 피스톤은 대개 알루미늄 합금을 포함한다. 이러한 알루미늄 합금은 약 11% 내지 약 35%의 범위의 규소 함량(content)을 가질 수 있는 실루민(silumin)을 포함하나, 이에 한정되지는 않는다. 또한, 피스톤이 실루민 합금계 화합물을 포함한다면, 피스톤은 또한 탄화규소(SiC) 및 알루미늄 산화물(Al2O3)과 같은 경화제(hardening agent)를 포함할 수도 있다. 합금내의 규소 및 금속간 입자(intermetallic particle)는, 상기 경화제와 조합되어, 재료의 내열성 및 내마멸성을 향상시킬 수도 있다. 그러나, 금속 피로 및 소성에 대한 내성은 그 내열성 및 내마멸성의 향상에 따라 감소될 수도 있다.The mechanical properties of the piston can be determined by its characteristics. Pistons, such as but not limited to internal combustion engine pistons, typically include aluminum alloys. Such aluminum alloys include, but are not limited to, silumin, which can have a silicon content ranging from about 11% to about 35%. Also, if rumin piston chamber containing an alloy-based compound, the piston may further comprise a hardening agent (hardening agent), such as silicon carbide (SiC) and aluminum oxide (Al 2 O 3). Silicon and intermetallic particles in the alloy may be combined with the curing agent to improve the heat resistance and abrasion resistance of the material. However, the resistance to metal fatigue and firing may be reduced as the heat resistance and the abrasion resistance are improved.

피스톤의 모재(base material)가 소망의 성질을 제공하지 않는다면, 응력을 받는 피스톤 영역은 경화될 수 있는 재료로부터 형성될 수 있다. 경화는 철계 합금과 세라믹 재료중의 적어도 하나를 합체시킴으로써 실행될 수도 있다. 예를 들면, 피스톤 부분은 일반적으로 압축링 홈 마멸을 감소시킬 수 있는 내열재로서 인식되는 철-홀더(iron-holder)를 포함할 수 있다. 이러한 피스톤 부분은 플라즈마-아크 용접과 니켈, 철, 및 다른 보강 요소를 피스톤에 분사하는 것에 의해 보강될 수 있다. 이러한 재료의 내열성이 피스톤을 보호한다.If the base material of the piston does not provide the desired properties, the stressed piston area can be formed from a material that can be cured. The curing may be carried out by incorporating at least one of an iron-based alloy and a ceramic material. For example, the piston portion may include an iron-holder, which is generally recognized as a heat-resistant material capable of reducing compression-groove wear. This piston portion can be reinforced by plasma-arc welding and spraying nickel, iron, and other reinforcing elements into the piston. The heat resistance of these materials protects the piston.

피스톤의 형태 및 제조는 피스톤의 소망의 응용예에 따라 다르다. 예를 들면, 1971년 기계 구성에 대한 발명자 "유(Yu)" 등의 "트랙터 구성에서의 알루미늄 합금(Aluminum alloys in Tractor Building)"이라는 명칭의 출원에 개시된 주조에의해 피스톤이 형성될 수 있다. 이 주조 방법은 비교적 효율적이고 저 비용의 제조 방법을 제공하며, 이로 인해 보강재를 갖는 피스톤의 주조가 가능하다. 이러한 보강재에는, 피스톤 링 홀더 및 브라켓등이 포함되며, 이에 한정되지는 않는다. 그러나, 알루미늄-주조 피스톤이 단지 낮은 기계적 응력 수준에만 노출되기 때문에 이러한 알루미늄-주조 피스톤은 대체로 낮은 동하중(압력)의 응용예에 사용된다.The shape and manufacture of the piston depends on the desired application of the piston. For example, a piston may be formed by casting as disclosed in an application entitled " Aluminum alloys in Tractor Building ", such as inventor Yu et al., In 1971 mechanical construction. This casting process provides a relatively efficient and low-cost manufacturing process, which enables the casting of a piston with a stiffener. Such reinforcements include, but are not limited to, piston ring holders, brackets, and the like. However, since aluminum-casting pistons are only exposed to low mechanical stress levels, such aluminum-casting pistons are generally used in low dynamic load (pressure) applications.

또 하나의 공지된 피스톤 제조 방법에는 1979년 단조 생산에 대한 발명자 "유(Yu)"등의 "합금으로부터의 피스톤 등온 단조(Isothermal Forging of Piston from an Alloy)"라는 명칭의 출원에 개시된, 알루미늄 합금 빌릿(billet)으로부터의 고온 변형 단조가 포함된다. 이 단조 방법은 주조 방법보다 고가이나, 단조 실루민-합금 피스톤은 향상된 기계적 성질을 제공한다. 따라서, 이러한 실루민-합금 피스톤은 강력한 하중을 받는 응용예에 사용될 수 있다. 고온 변형 단조 조건하에서 실루민의 소성(plasticity)이 낮기 때문에 단조 방법은 통상 소형이고 비교적 단순한 피스톤에 대해 실행된다. 그러므로, 보강재가 이러한 소성 결함을 극복하기 위해 첨가되며, 예컨대 브라켓이 피스톤상에 장착됨으로써 첨가될 수 있다. 이러한 보강재는 피스톤의 형태를 복잡하게 하고 그 제조 비용을 상승시킨다. 또한, 단조 방법은 실루민-합금에서 규소 및 다른 경화 입자에 대한 소망의 양과 크기를 제공하지 않는 단조 온도에 의해 제한될 수도 있다. 그러므로, 공지된 단조 방법은 실루민-합금 피스톤이 소망의 소성 및 기계적 성질을 달성하지 않게 할 수도 있다. 그러므로, 소망의 소성 및 기계적 성질을 갖는 피스톤을 제조할 수 있는 피스톤 제조 방법이 요구된다. 또한, 상기 언급된 결함을 극복하는 피스톤 제조 방법이 요구된다. 또한, 실루민-합금 피스톤에 대한 피스톤 제조 방법이 요구된다.Another known piston manufacturing method is disclosed in U.S. Patent Application entitled " Isothermal Forging of Piston from an Alloy from an Alloy " by Yu et al. Includes hot deformed forgings from billets. This forging method is more expensive than the casting method, but the forged silamine-alloy piston provides improved mechanical properties. Thus, such silylmine-alloy pistons can be used in applications that are subjected to strong loads. Because of the low plasticity of the silylmin under high temperature deformation forging conditions, the forging process is usually carried out on a small and relatively simple piston. Therefore, a reinforcing material may be added to overcome such plastic defects, for example, by mounting a bracket on the piston. Such reinforcement complicates the shape of the piston and raises the manufacturing cost thereof. In addition, forging methods may be limited by forging temperatures that do not provide the desired amount and size for silicon and other hardened particles in the silumin-alloy. Therefore, known forging methods may not allow the silylmine-alloy piston to achieve the desired firing and mechanical properties. Therefore, there is a need for a piston manufacturing method capable of producing a piston having desired firing and mechanical properties. In addition, there is a need for a piston manufacturing method that overcomes the above-mentioned defects. Also, there is a need for a piston manufacturing method for a silylmine-alloy piston.

발명의 요약SUMMARY OF THE INVENTION

본 발명에 따른 피스톤 제조 방법에 의해 내연기관 피스톤을 제조한다. 피스톤 제조 방법은 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함하는 알루미늄 합금을 포함하는 개시 빌릿으로부터의 빌릿을 초소성과 고온 변형 조건 중의 적어도 하나의 조건하에서 단조하는 단계와, 단조된 빌릿을 열처리하는 단계를 포함한다. 단조 단계는 약 0.8Tmelt내지 약 0.98Tmelt범위의 온도에서의 단조를 포함한다. 단조 단계는 또한 약 5×10-2s-1내지 약 5×10-5s-1범위의 변형 속도에서의 단조를 포함한다. 피스톤은 다른 부분이 피스톤에 연결될 수 있는 형태로 형성된다. 개시 빌릿은 층상 형상과 포괄 형상 중의 적어도 하나를 갖는 조립(coarse grain)의 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자 군과 구형 형상인 세립(fine grain)의 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자 군 중의 적어도 하나를 포함한다. 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자의 체적 함량은 약 25% 내지 약 60% 범위이고, 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자의 평균 결정 입도는 약 15㎛2보다 작다.An internal combustion engine piston is manufactured by the piston manufacturing method according to the present invention. The piston manufacturing method includes the steps of forging a billet from an initial billet comprising an aluminum alloy comprising silicon, intermetallic particles, and injected cured particles under at least one of a superficiality and a high temperature strain condition, and heating the forged billet to a heat treatment . The forging step includes forging at a temperature in the range of about 0.8T melt to about 0.98T melt . The forging step also includes forging at a strain rate ranging from about 5 x 10 -2 s -1 to about 5 x 10 -5 s -1 . The piston is formed in such a manner that another portion can be connected to the piston. The initiation billet may comprise a coarse grain of silicon having at least one of a lamellar shape and a coarse shape, intermetallic particles, and silicon, intermetallic particles of a fine grain, And at least one of the group of hardened particles. The volume content of silicon, intermetallic particles, and injected cured particles ranges from about 25% to about 60%, and the average crystal grain size of silicon, intermetallic particles, and injected cured particles is less than about 15 占 퐉 2 .

상술한 바뿐만 아니라 그 외의 다른 본 발명의 다른 형태, 장점 및 현저한 특징은, 모든 도면에 있어서 동일한 부분에 동일한 참조부호가 부여된 첨부된 도면과 관련하여 본 발명의 실시예를 개시하는 하기의 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다.Other aspects, advantages and salient features of the invention as well as others described above are set forth in the following detailed description that sets forth embodiments of the invention in connection with the accompanying drawings, Will become apparent from the description.

본 발명은, 예컨대, 자동차 엔진, 트레드형(treaded) 또는 무한궤도형(crawler-type) 기계, 항공기 엔진 및 선박 계통의 기관 등에 사용되는 내연기관 피스톤의 제조에 관한 것이다.The present invention relates to the manufacture of internal combustion engine pistons for use in, for example, automotive engines, treaded or crawler-type machines, aircraft engines and engines of the marine system.

도 1은, 축선의 좌측이 변형이 일어나기 전이고, 축선의 우측이 변형이 일어나기 후인, 피스톤 제조 시스템 및 방법의 개략도,1 is a schematic view of a piston manufacturing system and method, wherein the left side of the axis is before the deformation occurs and the right side of the axis is after deformation;

도 2는 빌릿과 링 홀더가 피스톤 다이내에 있는 링 홀더 제조 시스템내의 피스톤의 개략도,Figure 2 is a schematic view of a piston in a ring holder manufacturing system in which the billet and ring holder are within the piston dies,

도 3은 축선의 좌측에서는 피스톤 크라운의 단조를 도시하고 축선의 우측에서는 피스톤 내측 부분의 단조를 도시하는 링 홀더 제조 시스템내의 피스톤의 개략도,3 is a schematic view of the piston in the ring holder manufacturing system showing the forging of the piston crown on the left side of the axis and the forging of the piston inner side on the right side of the axis,

도 4는 축선의 좌측은 변형 전을 도시하고 축선의 우측은 변형 후를 도시하는 융합된 피스톤 제조 시스템의 개략도,4 is a schematic view of a fused piston manufacturing system showing the left side of the axis is before deformation and the right side of the axis is after deformation,

도 5는 링 홀더 프레스 가공에 대한 개략적인 분해도,5 is a schematic exploded view of a ring holder press working,

도 6은 링 홀더를 갖는 밴드 형상 피스톤의 개략도,Figure 6 is a schematic view of a band-shaped piston with a ring holder,

도 7 본 발명에 의해 실시되는 방법에 의해 단조된 복합 피스톤의 컵 형상의 내측 케이스의 개략도,Figure 7 is a schematic view of a cup-shaped inner case of a composite piston forged by a method embodying the invention,

도 8은 본 발명에 의해 실시되는 방법에 의해 단조된 복합 피스톤의 컵 형상의 외측 피스톤 케이스의 개략도,Figure 8 is a schematic view of a cup-shaped outer piston case of a composite piston forged by a method embodying the invention,

도 9는 내측 케이스를 외측 케이스내로 끼워맞추는 것을 도시하는 개략도,9 is a schematic view showing the fitting of the inner case into the outer case,

도 10은 단조 후의 복합 피스톤의 개략도,10 is a schematic view of a composite piston after forging,

도 11은 와셔 형상의 외측 케이스와 컵 형상의 내측 케이스의 개략도,11 is a schematic view of a washer-shaped outer case and a cup-shaped inner case,

도 12는 와셔 형상의 내측 및 외측 케이스의 개략도,12 is a schematic view of a washer-shaped inner and outer case,

도 13은 본 발명에 의해 실시되는 피스톤 다이내로 끼워맞춤 된 빌릿의 개략도,Figure 13 is a schematic view of a billet sandwiched by piston dies embodied by the present invention,

도 14는 본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법에 의해 제조된 다양한 크기의 빌릿의 사진,Figure 14 is a photograph of billets of various sizes produced by the piston manufacturing method practiced by the present invention,

도 15는 본 발명에 의해 실시되는 브라켓을 갖는 피스톤의 단면의 사진,15 is a photograph of a cross section of a piston having a bracket according to the present invention,

도 16은 약 6㎛2보다 작은 결정 입도를 갖는 규소와 금속간 입자를 갖는 실루민 마이크로조직의 사진,16 is a photograph of a silymin microstructure having silicon and intermetallic particles having a grain size of less than about 6 탆 2 ,

도 17은 약 15㎛2보다 큰 결정 입도를 갖는 규소 및 금속간 입자를 갖는 실루민 마이크로조직의 사진.17 is a photograph of a silymin microstructure having silicon and intermetallic particles having a grain size of greater than about 15 mu m < 2 >.

본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법 및 그와 연관된 시스템으로 인해 실루민 합금을 포함하는 피스톤이 제조될 수 있다. 피스톤 제조 방법은 단조에 의해 피스톤을 성형한다. 본 발명에 의해 실시되는 단조에 의해 제조된 실루민-합금 피스톤은 하나의 피스톤내에 다양한 기계적 성질과 특성을 포함한다. 이러한 기계적 성질과 특성은 실루민-합금 피스톤의 초기 형태와 마이크로조직(microstructure)에 보다 의존한다. 또한, 기계적 성질과 특성은 본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법에서의 변형 처리에 의해 제조된 실루민-합금 피스톤의 형태와 마이크로조직에 의존할 수도 있다.Pistons comprising silylmine alloys can be made with the piston manufacturing method and its associated system embodied by the present invention. A piston manufacturing method forms a piston by forging. Silvin-alloy pistons made by forging embodying the present invention contain various mechanical properties and properties within a single piston. These mechanical properties and properties are more dependent on the initial morphology and microstructure of the silylmine-alloy pistons. The mechanical properties and properties may also depend on the morphology and microstructure of the silylmine-alloy pistons produced by the deformation process in the piston manufacturing process embodying the present invention.

본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법이 도 1의 피스톤 다이 시스템으로 개략적으로 도시되어 있다. 도 1에 있어서, 피스톤 다이 시스템은 피스톤 다이 매트릭스(matrix)(1), 피스톤 다이(2), 푸셔(pusher)(3), 히터 요소(4), 적어도 하나의 라이너 플레이트(liner plate)(5), 빌릿(6) 및 단조된 피스톤(7)을 포함한다. 도 2는 또한 피스톤 다이 시스템의 특징과 본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법에 대한 연관된 구조를 도시한다. 도 2는 링 홀더(8), 스프링(9), 피스톤 다이 매트릭스 가이드(10), 링 홈을 갖는 피스톤 빌릿(11), 피스톤 블랭크, 링 홀더, 크라운(12), 및 링 홀더(13)를 포함하는 피스톤을 도시한다. 도 3은 본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법에 의해 성형된 융합된 재료(14)를 도시한다.The piston manufacturing method practiced by the present invention is schematically illustrated by the piston die system of Fig. 1, the piston die system comprises a piston die matrix 1, a piston die 2, a pusher 3, a heater element 4, at least one liner plate 5 ), A billet (6) and a forged piston (7). Figure 2 also shows the features of the piston die system and the associated structure for the piston manufacturing method embodied by the present invention. 2 shows a ring holder 8, a spring 9, a piston die matrix guide 10, a piston billet 11 having a ring groove, a piston blank, a ring holder, a crown 12 and a ring holder 13 Fig. Figure 3 shows a fused material 14 molded by a piston manufacturing method practiced by the present invention.

피스톤 다이 시스템의 다른 특징 및 관련된 구조가 다른 도면에 도시되어 있다. 이러한 특징에는 정렬용 플랜지(15), 부분적으로 성형된 빌릿 내측 부분(16), 링(17), 밴드 형상의 링 홀더(18), 컵 형상의 빌릿 외측 케이스(19), 컵 형상의 빌릿 내측 케이스(20), 와셔 형상의 외측 빌릿 케이스(21), 및 와셔 형상의 내측 빌릿 케이스(22)가 포함된다.Other features and associated structures of the piston die system are shown in other figures. These features include an alignment flange 15, a partially molded billet inner portion 16, a ring 17, a band-shaped ring holder 18, a cup-shaped billet outer case 19, A case 20, a washer-shaped outer billet case 21, and a washer-shaped inner billet case 22 are included.

본 발명에 의해 실시되는 실루민-합금 피스톤 제조 방법은 구조적 보강재 요소(이하, "보강재"라고 함)를 구비하는 완전히 성형된 피스톤을 단조함으로써 실루민-합금 피스톤을 생산할 수 있다. 보강재는 링 홀더와 피스톤 브라켓을 포함하나, 이에 한정되지는 않는다. 본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법은 자동차, 항공기 및 선박 제품, 및 대형의 노면 기계류에 사용되는 피스톤과 같은 내연기관용의 다양한 크기의 피스톤의 성형에 사용될 수 있다. 상기 피스톤 제조 방법은 의도된 응용예에 대한 소망의 기계적 성질과 특성에 응하는 기계적 성질과 특성을 피스톤에 제공함으로써 피스톤 제조 효율을 향상시킬 수 있다.The process for producing a silylimine-alloy piston according to the present invention can produce a silylmine-alloy piston by forging a fully formed piston having a structural reinforcement element (hereinafter referred to as "reinforcement"). The stiffener includes, but is not limited to, a ring holder and a piston bracket. The piston manufacturing method practiced by the present invention can be used for forming pistons of various sizes for internal combustion engines such as pistons used in automobiles, aircraft and marine products, and large road surface machinery. The piston manufacturing method can improve the piston manufacturing efficiency by providing the piston with mechanical properties and characteristics that meet the desired mechanical properties and characteristics of the intended application.

본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법은 알루미늄 합금 조성을 포함하는 빌릿을 단조하는 단계를 포함한다. 알루미늄 합금 조성은 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자 중의 적어도 하나를 포함한다. 이하, 상기 설명된 알루미늄 합금 조성을 설명하나, 다른 조성이 본 발명의 범위내에 속할 수 있다. 입자는 층상(lamellar) 형태로 제공될 수 있다. 예컨대, 알루미늄 합금 조성인 초기 빌릿에 대한 조성은 또한 미세 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자 중의 적어도 하나를 포함한다. 분사된 경화 입자는 대체로 형태에 있어서 구형이 될 수 있다.A method of manufacturing a piston embodying the present invention comprises forging a billet comprising an aluminum alloy composition. The aluminum alloy composition comprises at least one of silicon, intermetallic particles, and injected cured particles. Hereinafter, the aluminum alloy composition described above will be described, but other compositions may fall within the scope of the present invention. The particles may be provided in a lamellar form. For example, the composition for the initial billet, which is an aluminum alloy composition, also includes at least one of fine silicon, intermetallic particles, and injected cured particles. The injected cured particles can be generally spherical in shape.

피스톤 제조 방법의 단조 단계 후에 열처리 단계가 실행될 수 있다. 본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법에 있어서, 단조 단계는 대형의 피스톤과 보강재를 포함하는 피스톤을 생산할 수 있다. 또한 피스톤 제조 방법에 의해 피스톤 구성요소가 용이하게 피스톤에 연결될 수 있는 형태로 피스톤은 성형될 수 있다. 단조 단계는 통상 피스톤 재료의 약 0.8Tmelt내지 약 0.98Tmelt범위의 온도에서 실행된다. 피스톤 제조 방법의 단조 단계는 일반적으로 약 5×10-2s-1내지 5×10-5s-1범위의 변형 속도(strain rate)로 실행된다.After the forging step of the piston manufacturing method, a heat treatment step can be carried out. In the piston manufacturing method practiced by the present invention, the forging step can produce a piston comprising a large piston and a reinforcement. Also, the piston can be molded in such a way that the piston component can be easily connected to the piston by the piston manufacturing method. Forging step is carried out at about 0.8T to about 0.98T melt temperature of the melt range of the conventional piston material. The forging step of the piston manufacturing method is generally carried out at a strain rate ranging from about 5 x 10 -2 s -1 to 5 x 10 -5 s -1 .

피스톤 제조 방법은 또한 초소성(super plasticity) 또는 통상의 고온 변형 조건하에서 실행되는 단조 단계를 포함한다. 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자의 평균 결정 입도(grain size)가 약 15㎛2보다 작고 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자 중의 적어도 하나가 알루미늄 합금 조성의 약 25% 내지 약 60% 범위의 체적 함량을 갖는다면 이러한 조건이 일반적으로 제공된다. 빌릿 재료 조성이 상기 범위를 넘는 입자 함량 및 입도를 포함하면, 단조는 고온 변형 조건하에서 실행될 수도 있다. 따라서, 규소 또는 입자 입도가 클수록 보다 낮은 변형 속도를 갖는 단조 단계가 제공될 수 있다. 예를 들면, 약 10-3s-1내지 약 5×10-5s-1범위의 변형 속도와, 예컨대, 0.83Tmelt내지 약 0.89Tmelt범위의 낮은 단조 온도 범위로 단조가 실행될 수 있다.The piston manufacturing method also includes forging steps performed under super plasticity or conventional high temperature deformation conditions. Wherein the average grain size of the silicon, intermetallic particles, and injected cured particles is less than about 15 占 퐉 2 and at least one of the silicon, intermetallic particles, and injected cured particles has an average grain size of about 25% Such conditions are generally provided provided that they have a volume content in the range of 60%. If the billet material composition includes particle content and particle size in excess of the above range, the forging may be carried out under high temperature deformation conditions. Thus, the larger the silicon or particle size, the lower the deformation rate can be provided. For example, forging can be performed at a strain rate ranging from about 10 -3 s -1 to about 5 × 10 -5 s -1 and a low forging temperature range, eg, from 0.83 T melt to about 0.89 T melt .

빌릿 재료 조성과 형태 특성이 피스톤 제조 방법 매개변수를 결정할 때 고려될 수 있다. 예를 들면, 빌릿 재료 조성이 약 20%보다 큰 입자 중량 함량과 약 15㎛2보다 큰 평균 결정 입도를 포함한다면, 초기 빌릿 형태와 단조 장치로의 빌릿의 배치가 피스톤 생산에 고려될 수 있다. 이러한 빌릿 재료 조성과 형태 특성은 본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조시 발생하는 변형을 감소시킬 수 있다. 상술한 바와 같은 단조 단계를 포함할 수 있는 피스톤 제조 방법은 단일 단계 처리를 포함할 수 있다. 단일 단계 처리를 포함하는 피스톤 제조 방법은 고온 변형 및 초소성 조건하에서 실행될 수 있다.The billet material composition and shape properties can be considered when determining the piston manufacturing method parameters. For example, if the billet material composition comprises a grain weight content greater than about 20% and an average grain size greater than about 15 [mu] m < 2 & gt ;, then the initial billet form and placement of the billet in the forging device may be considered for piston production. Such a billet material composition and shape characteristics can reduce the deformation that occurs in the manufacture of the piston implemented by the present invention. A piston manufacturing method that may include a forging step as described above may include a single step process. A piston manufacturing method including a single step process can be carried out under high temperature deformation and super plasticity conditions.

변형예로서, 피스톤 제조 방법은 약 0.90Tmelt내지 0.98Tmelt온도 범위에서 또한 5×10-2s-1내지 10-3s-1범위의 변형 속도에서 실행될 수 있다. 이러한 온도 및 변형 속도 범위는 평균 결정 입도가 6㎛2보다 작은 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자 중의 적어도 하나를 포함하는 빌릿 재료 조성을 사용하는 피스톤 제조 방법에 사용된다. 그러한 빌릿 재료 조성을 갖는 빌릿의 피스톤 제조 방법에 있어서, 빌릿은 단조 단계 전에 1차 변형을 받을 수 있다. 1차 변형은 약 0.79Tmelt내지 약 0.86Tmelt온도 범위와 약 5×10-4s-1내지 약 5×10-3s-1범위의 변형 속도에서 발생할 수 있다.As a variant, the piston manufacturing process can be carried out at a strain rate in the range of about 0.90 T melt to 0.98 T melt temperature and also in the range of 5 10 -2 s -1 to 10 -3 s -1 . Such temperature and strain rate ranges are used in a piston manufacturing process using a billet material composition comprising at least one of silicon, intermetallic particles, and injected cured particles having an average crystal grain size of less than 6 占 퐉 2 . In the method of manufacturing a billet of such a billet material composition, the billet may undergo a primary deformation before the forging step. The primary strain may occur at strain rates ranging from about 0.79 T melt to about 0.86 T melt temperature and from about 5 x 10 -4 s -1 to about 5 x 10 -3 s -1 .

변형예로서, 본 발명의 의해 실시되는 피스톤 제조 방법은 입도가 약 6㎛2내지 약 15㎛2사이의 범위에 있는 평균 결정 입도의 규소, 또는 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자 중의 적어도 하나를 갖는 빌릿 재료 조성을 포함하는 빌릿으로부터 피스톤을 성형할 수 있다. 이러한 빌릿 재료 조성에 대한 백만분의 일(ppm)이 약 0.84Tmelt내지 약 0.96Tmelt온도 범위와 약 10-3s-1내지 약 5×10-4s-1범위의 변형 속도에서 실행되는 고온 변형 단조를 포함할 수 있다.As a variant, the piston manufacturing method embodied by the present invention is characterized in that at least one of an average grain size of silicon, or intermetallic particles, having a particle size in the range of about 6 탆 2 to about 15 탆 2 , To form a piston from a billet comprising a billet material composition having a < RTI ID = 0.0 > Million parts per million (ppm) of such billet material composition is carried out at a strain rate ranging from about 0.84 T melt to about 0.96 T melt temperature and from about 10 -3 s -1 to about 5 x 10 -4 s -1 High temperature deformation forging.

본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법의 또 하나의 변형예는 평균 결정 입도가 약 15㎛2보다 작은 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자 중의 적어도 하나를 포함하고, 분사된 경화 입자가 일반적으로 구형 형태를 갖는 빌릿으로부터 피스톤을 성형할 수 있다. 본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법의 이러한 특징에 있어서, 규소 입자, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자의 체적%는 약 25% 내지 약 60% 범위에 있다. 그러한 빌릿 재료 조성으로, 피스톤 제조 방법은 약0.88Tmelt내지 약 0.98Tmelt온도 범위와 약 5×10-5s-1내지 약 1×10-1s-1범위의 변형 속도에서 초소성 조건하에서 실행되는 단조를 포함한다.Another variant of the piston manufacturing method according to the present invention comprises at least one of silicon, intermetallic particles and injected cured particles having an average crystal grain size of less than about 15 占 퐉 2 , The piston can be formed from a billet having a spherical shape. In this aspect of the piston manufacturing method practiced by the present invention, the volume percentage of silicon particles, intermetallic particles, and injected cured particles is in the range of about 25% to about 60%. With such a billet material composition, the piston manufacturing method may be carried out under super plastic conditions at a strain rate in the range of from about 0.88 T melt to about 0.98 T melt temperature and from about 5 x 10 -5 s -1 to about 1 x 10 -1 s -1 Includes forging performed.

또한, 피스톤 제조 방법은 전체 빌릿 부피의 약 15%보다 작은 체적으로 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자 중의 적어도 하나를 포함하는 빌릿 재료 조성을 갖는 빌릿으로부터 피스톤을 성형할 수 있다. 본 발명에 의해 실시되는 이러한 피스톤 제조 방법은 일반적으로 테이퍼진 원뿔 형태가 제공될 수 있는 빌릿 재료를 사용할 수 있다. 주물이 될 수 있는 빌릿은 빌릿과 피스톤 다이 매트릭스의 접촉이 측면에 의해서만, 즉 그 면적의 약 30% 이상에 의해서만 달성되는 형태를 갖는 빌릿 재료 조성을 포함한다.The piston manufacturing method may also form a piston from a billet having a billet material composition comprising at least one of silicon, intermetallic particles, and injected cured particles in a volume less than about 15% of the total billet volume. This piston manufacturing method embodied by the present invention can use a billet material that can generally be provided with a tapered conical shape. The billet which can be a cast includes a billet material composition in which the contact of the billet and the piston die matrix is achieved only by the side, i. E. About 30% or more of its area.

피스톤 제조 방법에 있어서 빌릿의 아래쪽 버트 엔드(butt end)와 피스톤 다이 매트릭스 기부 사이에 갭 거리가 발생할 수 있다. 갭 거리는 빌릿 재료 형태에 의해 결정될 수 있다. 예를 들면, 갭 거리는 규소 입자, 금속간 입자, 및 경화용 입자 중의 적어도 하나의 입도와 함량에 대해 결정될 수 있다. 이러한 갭 거리는 일반적으로 식 h=dK/C/√F을 만족한다. 여기서, d는 피스톤 다이 매트릭스의 바닥의 내경(단위: mm)이고, C는 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자 중의 적어도 하나의 함량(단위: 체적%)이고, F는 규소 입자, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자 중의 적어도 하나의 평균 면적(단위: ㎛2)이며, K는 단조 피스톤 다이-비트(die-bit)의 형상 및 크기를 반형하며 통상 약 0.5 내지 약 10.0 사이의 범위로 제공되는 계수이다. 그러므로, 평균 결정 입도가 약 15㎛2보다 작은 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함하는 빌릿으로, 본질적으로 담금질 온도와 동일한 일정한 온도에서 일반적으로 임의의 변형이 된다. 변형 처리 후 즉각적인 임의의 담금질 냉각이 피스톤 제조 방법을 완료할 수 있다.In the piston manufacturing method, a gap distance may occur between the lower butt end of the billet and the base of the piston die matrix. The gap distance can be determined by the shape of the billet material. For example, the gap distance may be determined for the particle size and content of at least one of the silicon particles, intermetallic particles, and curing particles. This gap distance generally satisfies the equation h = dK / C /? F. (Unit: volume%) of at least one of silicon, intermetallic particles, and injected cured particles, and F is a silicon particle, a metal (Unit: mu m < 2 >) of at least one of the solid particles, the intergranular particles, and the injected cured particles, K is the shape and size of the forged piston die-bit, and is generally in the range of about 0.5 to about 10.0 Lt; / RTI > Therefore, a billet containing an average grain size of less than about 15 占 퐉 2 of silicon, intermetallic particles, and injected cured particles, is essentially any strain at a constant temperature that is essentially the same as quenching temperature. Any instant quench cooling after the deformation process can complete the piston manufacturing process.

빌릿이 평균 결정 입도가 15㎛2보다 작은 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함하고, 15% 보다 작은 규소 입자, 금속간 입자 및 분사된 경화 입자를 포함한다면, 링 홀더는 약 20체적% 내지 45체적%이고 입도가 20㎛2인 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함하는 합금으로부터 제조될 수 있다. 또한, 본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법에서의 링 홀더는 억지 끼워맞춤(interference fit)으로 피스톤 측면상에 피스톤 다이 매트릭스 표면의 버트 엔드에 접하게 장착될 수 있다. 따라서, 임의의 고온 변형 단조가 실행될 수 있으며 피스톤 크라운이 먼저 형성될 수 있고 그 후 내측 부분이 형성될 수 있다.If the billet comprises silicon, intermetallic particles having a mean crystal grain size of less than 15 占 퐉 2 , and intercalated particles and less than 15% silicon particles, intermetallic particles and injected cured particles, From an alloy comprising silicon, intermetallic particles, and injected cured particles having a volume percent to volume percent and a particle size of 20 占 퐉 2 . In addition, the ring holder in the piston manufacturing method practiced by the present invention can be mounted in abutment with the butt end of the surface of the piston die matrix on the piston side with an interference fit. Thus, any hot deforming forging can be performed and the piston crown can be formed first and then the inner portion can be formed.

본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법은 평균 결정 입도가 약 15㎛2보다 작고 약 25% 내지 약 60% 범위의 체적인 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함하는 빌릿 재료 조성으로 사용될 수 있다. 이러한 조합에 있어서, 평균 결정 입도가 20㎛2보다 작고 약 20% 내지 45% 범위의 체적인 규소, 금속간 및 분사된 경화 입자를 포함하는 링 홀더가 사용될 수 있다. 링 홀더가 피스톤 측면상에 억지 끼워맞춤으로 장착되고 피스톤의 버트 엔드에 접하게 배치되면, 단조 단계는초소성 조건하에서 실행될 수 있다. 그러므로, 피스톤 크라운이 형성된 후 피스톤 내측 부분이 형성될 수 있다.The piston manufacturing method practiced by the present invention may be used in a billet material composition comprising silicon, intermetallic particles, and injected cured particles having an average crystal grain size of less than about 15 占 퐉 2 and a volume ranging from about 25% to about 60% . In this combination, ring holders containing silicon, intermetallic, and injected cured particles having an average crystal grain size of less than 20 占 퐉 2 and a volume in the range of about 20% to 45% may be used. If the ring holder is mounted in an interference fit on the piston side and is placed in contact with the butt end of the piston, the forging step can be carried out under superplastic conditions. Therefore, the piston inner portion can be formed after the piston crown is formed.

평균 결정 입도가 15㎛2보다 작은 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함하고 약 15%보다 작은 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 함유하는 빌릿은 무쇠(pig-iron) 또는 강으로부터 제조되는 링 홀더를 사용할 수 있다. 또한, 링 홀더는 억지 끼워맞춤으로 피스톤측상에 또한 피스톤 다이 매트릭스의 버트 엔드에 접하게 그러한 빌릿으로 된 피스톤내에 장착될 수 있다. 본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법에서의 임의의 피스톤의 단조 단계는 초소성 조건하에서 실행될 수 있다. 그러므로, 피스톤 크라운이 먼저 형성될 수있고 그 후 피스톤의 내측 부분이 형성된다.A billet containing silicon, intermetallic particles having an average crystal grain size of less than 15 占 퐉 2 , and silicon, intermetallic particles, and injected hardened particles containing less than about 15% of the injected hardened particles, Or a ring holder made from steel may be used. The ring holder can also be mounted in a piston made of such a billet on the piston side and in contact with the butt end of the piston die matrix in an interference fit. The forging step of any piston in the piston manufacturing method practiced by the present invention can be carried out under super plasticity conditions. Therefore, the piston crown can be formed first, and then the inner portion of the piston is formed.

평균 결정 입도가 15㎛2보다 작은 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함하고 약 25% 내지 약 60% 사이의 범위의 규소, 금속간 입자 및 분사된 경화 입자를 함유하는 빌릿은 무쇠 또는 강으로 제조되는 링 홀더를 사용할 수 있다. 또한, 링 홀더는 억지 끼워맞춤으로 측면상에 또한 피스톤 다이 매트릭스의 측면상에 또한 버트 엔드에 접하게 이러한 유형의 빌릿으로 된 피스톤내에 장착될 수 있다. 본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법에서의 피스톤의 임의의 단조 단계는 초소성 조건하에서 실행될 수 있다. 그러므로, 피스톤 크라운이 먼저 형성되고 그 후 피스톤의 내측 부분이 형성된다.A billet containing silicon, intermetallic particles having an average crystal grain size of less than 15 占 퐉 2 and silicon, intermetallic particles and injected hardened particles comprising between about 25% and about 60% and containing injected cured particles, Or a ring holder made of steel may be used. The ring holder can also be mounted in a piston of this type of billet on the side with interference fit and also on the side of the piston die matrix and also on the butt end. Any forging step of the piston in the piston manufacturing method practiced by the present invention may be carried out under super plasticity conditions. Therefore, the piston crown is first formed and then the inner portion of the piston is formed.

본 발명의 또 하나의 특징에 의하면 링 홀더와 피스톤 본체 빌릿의 원뿔 형상으로 이루어지는 정렬된 표면이 제공될 수 있다. 원뿔형 형상은 약 1° 내지 약 10°범위의 각을 포함할 수 있다. 본체 빌릿은 약 1° 내지 약 3° 범위의 음각(negative angle)을 갖는 링 견부로 제조될 수 있다. 링 홀더는 직경방향으로 약 0.1mm 내지 약 0.2mm 범위의 억지 끼워맞춤 형태로 링 견부내로 위치될 수 있다. 본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법에서의 링 홀더의 위치설정은 일반적으로 실온(room temperature)에서 실행된다.According to another aspect of the present invention, an aligned surface in the shape of a cone of the ring holder and the piston body billet can be provided. The conical shape may include an angle ranging from about 1 [deg.] To about 10 [deg.]. The body billet may be made of a ring shoulder with a negative angle ranging from about 1 [deg.] To about 3 [deg.]. The ring holder may be positioned in the ring shoulder in an interference fit in the range of about 0.1 mm to about 0.2 mm in the radial direction. The positioning of the ring holder in the piston manufacturing method practiced by the present invention is generally performed at room temperature.

단조를 포함하는 피스톤 제조 방법은 2단계로 실행될 수 있다. 먼저, 단조 단계는 링 홀더를 피스톤 다이 매트릭스로 위치시키는 단계를 포함한다. 위치 단계는 링 홀더의 외측 표면과 피스톤 다이 매트릭스의 내측 표면 사이에 억지 끼워맞춤을 제공함으로써 실행될 수 있다. 억지 끼워맞춤은 다음과 같이 계산될 수 있다.The piston manufacturing method including forging can be performed in two steps. First, the forging step includes positioning the ring holder into the piston die matrix. The positioning step can be performed by providing interference fit between the outer surface of the ring holder and the inner surface of the piston die matrix. The interference fit can be calculated as follows.

1.0017 ≤d/D ≤1.00351.0017? D / D? 1.0035

여기서, d는 단조 온도에서의 링 홀더 외경이고, D는 단조 온도에서의 피스톤 다이 매트릭스 내경이다. 단조는 피스톤 다이 매트릭스를 단조 방향으로 물리적으로 이동시킴으로써 실행될 수 있으며 후속되는 피스톤 크라운 단조 동안 링 홀더는 고정되어 있다.Where d is the ring holder outer diameter at the forging temperature and D is the piston die matrix inner diameter at the forging temperature. Forging can be carried out by physically moving the piston die matrix in the forging direction and during subsequent piston crown forging the ring holder is fixed.

본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법에서의 링 홀더는 알루미늄 함유 합금의 층으로 코팅될 수 있다. 코팅과 피스톤 케이스는 본질적으로 동일한 조성으로 제조될 수 있다.The ring holder in the piston manufacturing method practiced by the present invention may be coated with a layer of an aluminum containing alloy. The coating and the piston case may be made in essentially the same composition.

본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법에 의해 2개의 빌릿이 내측 및 외측 케이스를 갖는 피스톤을 단조하기 위해 사용된다. 본 발명을 한정하지 않는 방식으로 예를 들면, 피스톤 제조 방법에서의 빌릿은 약 15%(합계) 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함할 수 있다. 이러한 빌릿이 피스톤 외측 케이스를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 또 하나의 모범적 빌릿 재료 조성은 약 15%(합계)의 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함한다. 이러한 빌릿 재료 조성이 피스톤 내측 케이스를 제조하기 위해 사용될 수 있으며, 외측 케이스가 피스톤의 측표면에 억지 끼워맞춤으로 장착될 수 있다.By the piston manufacturing method practiced by the present invention, two billets are used for forging a piston having an inner and an outer case. In a manner that does not limit the present invention, for example, a billet in a piston manufacturing process may comprise about 15% (total) silicon, intermetallic particles, and injected cured particles. Such a billet may be used to make the piston outer case. Another exemplary billet material composition includes about 15% (total) silicon, intermetallic particles, and injected cured particles. Such a billet material composition may be used to make the piston inner case, and the outer case may be mounted in an interference fit with the side surface of the piston.

2개의 빌릿의 단조를 포함하는 피스톤 제조 방법은 약 45체적% 내지 약 60체적%(합계)로 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 갖는 모범적 빌릿 재료 조성을 갖는 빌릿을 사용할 수 있다. 이러한 빌릿 재료 조성은 피스톤 외측 케이스를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 약 25체적% 내지 40체적%(합계)의 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함하는 모범적 빌릿 재료 조성이 피스톤 내측 본체를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 그러한 피스톤을 단조하는 동안, 피스톤 다이는, 예컨대 초소성 조건하에서 내측 빌릿의 변형을 향상시키는 온도로 가열될 수 있다. 피스톤 다이 매트릭스는 초소성 조건하에서 외측 빌릿의 변형을 향상시키는 온도로 가열될 수 있다. 또한, 이러한 피스톤 제조 방법은 대체로 와셔 형상인 빌릿을 사용할 수 있다. 변형예로서, 2개의 빌릿의 단조를 포함하는 피스톤 제조 방법은 외측 컵 형상 빌릿이 빌릿의 버트 엔트로 테이퍼진 컵 형상의 빌릿을 사용할 수 있다. 2개의 빌릿의 단조를 포함하는 피스톤 제조 방법에 있어서, 내측 컵을 외측 컵내로 프레스 가공함으로써 본 발명에 의해 실시되는 복합 빌릿의 조립체가 완성된다.A piston manufacturing method involving forging of two billets may use a billet having an exemplary billet material composition with silicon, intermetallic particles, and injected cured particles at about 45 vol.% To about 60 vol.% (Total). Such a billet material composition can be used to make the piston outer case. Exemplary billet material compositions comprising from about 25% to 40% by volume (total) of silicon, intermetallic particles, and injected cured particles can be used to make the piston inner body. During forging of such a piston, the piston die may be heated to a temperature which, for example, improves the deformation of the inner billet under super plasticity conditions. The piston die matrix may be heated to a temperature that enhances the deformation of the outer billet under super plasticity conditions. Further, such a piston manufacturing method can use a billet which is generally in a washer shape. As a variant, a piston manufacturing method involving forging of two billets may use a cup-shaped billet whose outer cup-shaped billets are tapered by the butt of the billet. In a piston manufacturing method involving forging of two billets, the inner cup is pressed into the outer cup to complete the assembly of the composite billet embodied by the present invention.

본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법에서의 빌릿은 돌기, 견부, 또는 다른 연장부를 구비할 수 있다. 견부의 표면은 파동 주기(L)를 갖는 파동 형상 표면을 포함할 수 있다(도 6 참조). 규소, 금속간 결정 입도, 및 분사된 경화 입자의 증가를 갖는 빌릿 재료 조성으로 인해 파동 주기(L)가 증가한다. 예를 들면, 본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법은 강 와셔, 스페이서, 또는 다른 분리용 장치를 더 사용할 수 있다. 스페이서는 견부의 표면상에 위치될 수 있다. 와셔의 두께는 일반적으로 다음 조건을 만족한다.The billet in the piston manufacturing method according to the present invention may have protrusions, shoulders, or other extensions. The surface of the shoulder may comprise a wavy surface having a wave period L (see Fig. 6). The wave period L increases due to the billet material composition with silicon, intermetallic crystal grain size, and an increase in the injected cured particles. For example, the piston manufacturing method embodied by the present invention may further employ a steel washer, a spacer, or other separating device. The spacer may be positioned on the surface of the shoulder. The thickness of the washer generally satisfies the following conditions.

L/l = 4 내지 42L / l = 4 to 42

또한, 빌릿의 높이와 견부 사이의 관계는 단조 완료시 파동 형상의 와셔가 피스톤의 압축링 홈에서의 대체로 동일한 레벨상에 있도록 결정될 수 있다.In addition, the relationship between the height of the billet and the shoulder can be determined such that upon completion of the forging, the washer of the wavy shape is on substantially the same level as the compression ring groove of the piston.

약 15㎛2보다 작은 평균 결정 입도를 갖는 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 갖는 빌릿이 피스톤 다이 매트릭스내에 브라켓에 접하게 위치할 수 있으며, 브라켓은 빌릿의 표면을 반영한다. 이러한 배향으로 인해 예컨대 고온 변형을 사용하여 피스톤이 단조된 후 형성되는 구속 이음(lock joint)이 나타난다. 형성된 구속 이음내에 새성된 브라켓 표면적(S)은 다음 식으로 결정될 수 있다.A billet having silicon, intermetallic particles, and hardening the injected particles having a small average crystal grain size of less than about 2 15㎛ be located in contact with the bracket in the piston die matrix, and the bracket is a reflection of the surface of the billet. This orientation results in a lock joint that is formed after the piston is forged, e.g., using high temperature deformation. The bracket surface area S created in the constrained joint can be determined by the following equation.

S=KP/SinαFS = KP / Sin? F

여기서, P는 모터 작동시 생성되는 활동력(dynamic force)을 극복하기 위해 필요한 분리력(separation force)이고, K는 신뢰도 계수(reliability coefficient)이고, F는 작업 온도에서의 알루미늄 합금 유동 저항이며, α는 견부와 피스톤 이동 방향 사이의 각도이다.Where P is the separation force required to overcome the dynamic force generated during motor operation, K is the reliability coefficient, F is the aluminum alloy flow resistance at the working temperature, And the angle between the shoulder and the piston moving direction.

변형예로서, 약 15㎛2보다 작은 평균 결정 입도를 갖는 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 가지며 약 25% 내지 약 60% 범위의 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자의 총 체적 함량을 포함하는 빌릿이 본 발명의 의해 실시되는 피스톤 제조 방법 동안 피스톤 다이 매트릭스내에 위치할 수 있다. 이러한 배치는 빌릿의 표면을 반영하는 브라켓에 대한 배치를 포함한다. 이러한 배치로 인해 초소성 조건하에서 피스톤이 단조된 후 형성되는 구속 이음이 나타난다. 브라켓 표면적(S)은 상기한 바와 같이 다음 식에 의해 결정될 수 있다.As an alternative, a total of silicon, intermetallic particles, and injected cured particles having silicon, intermetallic particles, and injected cured particles having an average crystal grain size of less than about 15 占 퐉 2 and ranging from about 25% to about 60% Billets containing volume content may be located in the piston die matrix during the piston manufacturing method as practiced by the present invention. This arrangement includes an arrangement for the bracket that reflects the surface of the billet. This arrangement results in constrained joints formed after the piston is forged under superplastic conditions. The bracket surface area S can be determined by the following equation as described above.

S=KP/SinαFS = KP / Sin? F

또 다른 변형예로서, 약 15㎛2보다 작은 평균 결정 입도를 갖는 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 가지며, 약 25% 내지 약 60% 범위의 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자의 총 체적 함량을 포함하는 빌릿이 피스톤 다이 매트릭스내에 브라켓에 접하게 위치할 수 있다. 브라켓은 알루미늄 합금내로 침투되는 다공성 세라믹 재료와 같은 다공성 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 다공성 세라믹 재료의 다공성은 약 35% 내지 약 50% 범위이다. 따라서, 본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법에서의 단조 단계는 초소성 조건하에서 실행될 수 있다. 피스톤 케이스의 제조에 사용되는 것과 동일한 알루미늄 합금 조성이 다공성 세라믹 재료의 침투를 위해 사용될 수 있다.As another variant, there is provided a process for preparing silicon, intermetallic particles, and injected cured particles having an average crystal grain size of less than about 15 占 퐉 2 , wherein the silicon, intermetallic particles, A billet containing the total volume content of the particles may be placed in contact with the bracket within the piston die matrix. The bracket may be formed of a porous ceramic material, such as a porous ceramic material, which is permeated into the aluminum alloy. The porosity of the porous ceramic material ranges from about 35% to about 50%. Therefore, the forging step in the piston manufacturing method practiced by the present invention can be carried out under super plasticity conditions. The same aluminum alloy composition as used in the manufacture of the piston case may be used for the infiltration of the porous ceramic material.

단조 단계 후, 본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법에 의해 형성된 피스톤은 변형을 더 받을 수 있다. 예를 들면, 추가 변형에는 약 10-2s-1내지 약 10-4s-1범위의 변형 속도에서 약 0.5분 내지 약 5분 범위의 시간동안 클로우즈-엔드(close-end) 피스톤 다이내에서의 변형이 포함된다. 약 15㎛2보다 작은 평균 결정 입도를 갖는 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함하는 빌릿 재료 조성에 대하여, 경화된 층이 피스톤 표면상에 용착될 수 있다. 이 경우에 있어서, 고온 변형 단조는 약 0.9Tmelt내지 0.96Tmelt범위의 온도에서 또한 약 5×10-2s-1내지 약 10-3s-1범위의 변형 속도에서 실행될 수 있다.After the forging step, the piston formed by the piston manufacturing method practiced by the present invention may be further deformed. For example, the further modification is about 10 -2 s -1 to about 10 -4 s -1 in a strain rate range of from about 0.5 minutes to closed for about 5 minutes, the range of time from within the end (close-end) piston . For a billet material composition comprising silicon, intermetallic particles, and injected cured particles having an average crystal grain size of less than about 15 占 퐉 2 , the cured layer may be deposited on the piston surface. In this case, the high temperature deformation forging can be carried out at a temperature of from about 0.9T to about 0.96T melt melt also range from about 5 × 10 -2 s -1 to about 10 -3 s -1 strain rate range.

본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법은 피스톤 제조에서의 단조 조건을 향상시킬 수 있다. 이러한 향상은 빌릿의 초기 마이크로조직과 화학적 조성을 고려함으로써 실행될 수 있다. 소망의 기계적 성질을 전개시키기 위해 소망의 단조 온도 구간이 제공될 수 있음을 실험을 통해 알 수 있다. 형상이 복잡하고 대형인 빌릿의 단조는 본 발명에 의해 실시되는 피스톤 다이내의 빌릿의 용착 기술을 실행하면서 상술된 온도 및 변형 속도 구간에서 달성될 수 있다.The piston manufacturing method practiced by the present invention can improve forging conditions in the manufacture of a piston. This improvement can be implemented by considering the initial microstructure and chemical composition of the billet. Experiments show that the desired forging temperature interval can be provided to develop the desired mechanical properties. Forging of a billet having a complicated shape and large size can be accomplished at the above-described temperature and strain rate ranges while implementing the deposition technique of a billet in a piston dummy carried out by the present invention.

경화되지 않거나 첨가되는 보강재 요소가 없는 단순한 형상의 피스톤과 같은 피스톤은 저정격(low-rated) 기관에서 사용될 수 있다. 이러한 피스톤은 본 발명에 의해 실시되는 또 하나의 피스톤 제조 방법에서의 금형 주조(mold casting)에 의해 빌릿으로부터 제조될 수 있다. 이러한 피스톤 제조 방법은 비교적 낮은 제조비용으로 피스톤을 제조할 수 있다. 주조는 빌릿 제조에서의 가장 저렴한 방법이다. 금형 주조용의 원 재료는 약 15㎛2보다 작은 평균 결정 입도를 갖는 규소, 금속간 입자를 포함하는 조립 마이크로조직을 포함할 수 있다.Pistons, such as simple shaped pistons, which are not cured or have stiffener elements added, may be used in low-rated organs. Such a piston can be manufactured from a billet by mold casting in another piston manufacturing method practiced by the present invention. Such a piston manufacturing method can produce a piston at a relatively low manufacturing cost. Casting is the cheapest method in billet manufacturing. The source material for mold casting may comprise an assembled microstructure comprising silicon, intermetallic grains having an average grain size of less than about 15 mu m < 2 >.

예를 들면, 이러한 마이크로조직을 포함하는 실루민이 통상 고온 변형 조건하에서의 낮은 수준의 소성을 보인다. 이러한 실루민은 또한 약 0.86Tmelt내지 약 0.91Tmelt범위의 온도에서 또한 약 10-3s-1내지 약 5×10-5s-1범위의 변형 속도에서 높은 소성을 보인다. 약 6㎛2보다 작은 평균 결정 입도를 포함하는 입자를 갖는 세립 조직의 실루민은 높은 소성을 보일 수 있으며 복잡한 형상의 피스톤과 대형의 피스톤의 생산에 사용될 수 있다. 피스톤 제조 방법이 이러한 마이크로조직을 갖는 사전에 단조된 빌릿을 포함한다면, 연속 주조와 고온 변형 단조가 예컨대 프레스 가공 단계에 의해 제공될 수 있다. 합금 입자 입도의 감소로 인해 변형 온도 범위에서의 증가가 가능하다. 피스톤 제조 방법에서의 변형 단조가 실행되는 온도 및 변형 속도가 실루민 재료의 기계적 성질에 영향을 줄 수 있다. 이렇게 영향을 받은 성질은 뒤따르는 피스톤 제조 방법의 단조 단계 후에 인식될 수 있고 그 후 임의의 후속 열처리 단계가 실행된다.For example, silylmines containing such microstructures typically exhibit low levels of firing under high temperature strain conditions. The silumin can also exhibit also high baked at about 10 -3 s -1 to strain rate of about 5 × 10 -5 s -1 at a temperature range of from about 0.86T to about 0.91T melt melt range. Silvin of fine grain with particles having an average grain size of less than about 6 탆 2 can show high plasticity and can be used in the production of complex shaped and large shaped pistons. If the piston manufacturing method comprises pre-forged billets having such a microstructure, continuous casting and hot deforming forging may be provided, for example, by a pressing step. Increase in strain temperature range is possible due to reduction of alloy particle size. The temperature and strain rate at which deformation forging in the piston manufacturing process is carried out can affect the mechanical properties of the silyline material. The properties thus influenced can be recognized after the forging step of the subsequent piston manufacturing method and then any subsequent heat treatment steps are performed.

본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법은 세립 마이크로조직 합금으로부터 피스톤을 생산한다. 세립 마이크로조직 합금은 약 0.9Tmelt내지 약 0.96Tmelt범위의 온도와 약 5×10-2s-1내지 약 1×10-2s-1범위의 변형 속도에서의 변형 후에 소망의 기계적 성질이 전개할 수 있다. 상술된 범위에서 형성된 이러한 성질은 빌릿 재료내의 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자 부근의 마이크로포어(micropore)의 형성에 기인한다. 마이크로포어는 피스톤 제조 방법의 고온 변형 조건하에서 형성될 수 있다. 마이크로포어 크기는 피스톤 제조 방법 도중 인가된 변형 속도에서의 감소로 인해 증가될 수 있다. 이러한 감소는 본 발명에 의해 실시되는 높은 변형 속도에서 얻어진 기계적 성질에 기인할 수 있다.A piston manufacturing method practiced by the present invention produces a piston from a fine microstructure alloy. Fine-grained microstructure alloy melt is about 0.9T to about 0.96T melt temperature range and about 5 × 10 -2 s -1 to about 1 Mechanical properties after the desired strain in the × 10 -2 s -1 strain rate range of Can be developed. This property formed in the above-mentioned range is due to the formation of silicon, intermetallic particles in the billet material, and micropore in the vicinity of the injected hardened particles. The micropores can be formed under high temperature deformation conditions of the piston manufacturing process. The micropore size can be increased due to the reduction in strain rate applied during the piston manufacturing process. This reduction can be attributed to the mechanical properties obtained at the high strain rates imposed by the present invention.

이와는 반대로, 피스톤 제조 방법은 조립 마이크로조직 합금으로부터 피스톤을 생산할 수 있다. 조립 마이크로조직 합금이 약 10-3s-1내지 약 5×10-5s-1범위의 변형 속도에서의 변형 후 소망의 기계적 성질을 전개할 수 있는 것으로 결정되었다. 또한, 평균 결정 입도가 약 6㎛2내지 15㎛2범위인 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화용 입자를 포함하는 빌릿 재료 조성에 대한 변형 조건이 또한 결정되었다. 이러한 변형 조건은 약 0.84Tmelt내지 0.96Tmelt범위의 온도와 약 10-3s-1내지 약 5×10-5s-1범위의 변형 속도에서의 변형을 포함한다.In contrast, the piston manufacturing method can produce a piston from an assembled microstructure alloy. It has been determined that the assembled micro-tissue alloy can develop the desired mechanical properties after deformation at strain rates ranging from about 10 -3 s -1 to about 5 x 10 -5 s -1 . Further, the average crystal grain size of the deformation conditions for the billet material composition comprises from about 2 to about 6㎛ 15㎛ 2 range of silicon, intermetallic particles particles, and hardening the injected was also determined. Such deformation conditions include a temperature in the range of about 0.84 T melt to 0.96 T melt and a strain at a strain rate in the range of about 10 -3 s -1 to about 5 x 10 -5 s -1 .

빌릿내에서 약 6㎛2보다 작은 평균 결정 입도를 갖는 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함하는 피스톤 제조 방법에서의 세립 합금은 주조된 빌릿의 고온 변형에 의해 생산될 수 있으며, 주조된 빌릿은 조립 층상 마이크로조직을 포함한다. 그러한 규소 및 금속간 입자의 변형 단조에 대한 피스톤 제조 방법 조건은 약 0.79Tmelt내지 약 0.96Tmelt범위의 온도와 약 5×10-4s-1내지 약 5×10-3s-1범위의 변형 속도이다.The fine alloy in a piston manufacturing process comprising silicon, intermetallic particles, and injected cured particles having an average crystal grain size of less than about 6 탆 2 in the billet can be produced by high temperature transformation of the cast billet, The billet includes an assembled layered microstructure. The piston manufacturing process conditions for such deformation forging of silicon and intermetallic particles are from about 0.79 T melt to about 0.96 T melt and from about 5 x 10 -4 s -1 to about 5 x 10 -3 s -1 Strain rate.

본 발명에 의해 실시되는 피스톤 생산 방법은 초소성 조건하에서 다양한 조성, 마이크로조직 및 결정 입도를 포함하는 피스톤을 생산하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명을 한정하지 않는 방식으로 예를 들면, 부서지기 쉬운 재료, 예컨대 경화된 입자로 보강된 공융(eutectic) 실루민을 포함하는 피스톤은 본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법에 의해 제조될 수 있다. 변형예로서, 복잡한 형상을 포함하고 링 홀더 변형과 피스톤 자체에 대한 변위를 감소시키는 저 응력-유동 재료로 경화된 피스톤은 본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법에 의해 형성될 수 있다. 다른 변형예로서, 저압 프레스로 스탬핑(stamping)되는 대형의 피스톤이 피스톤 제조 방법에 의해 형성될 수 있다.The piston production method practiced by the present invention can be used to produce pistons containing various compositions, microstructures and crystal grain sizes under super plasticity conditions. In a non-limiting manner, for example, a piston comprising eutectic silumin reinforced with a brittle material, such as cured particles, may be produced by a piston manufacturing method practiced by the present invention . As a variant, a low stress-flow material hardened piston comprising a complex shape and reducing the ring holder deformation and the displacement relative to the piston itself can be formed by the piston manufacturing method embodied by the present invention. As another variant, a large piston which is stamped with a low pressure press can be formed by the piston manufacturing method.

본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법에 대한 초소성 변형 조건은 약 15㎛2보다 작은 평균 결정 입도를 포함하는 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자로 사용될 수도 있다. 또한, 초소성 변형 조건은 약 25체적% 내지 약 60체적% 사이의 범위의 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함한다. 약 5×10-5s-1내지 약 5×10-3s-1범위의 변형 속도와 약 0.88Tmelt내지 약 0.98Tmelt범위의 변형 온도가 상기 언급된 결정 입도에 대한 초소성 변형 조건으로서 사용될 수 있다.The superplastic deformation conditions for the piston manufacturing method practiced by the present invention may also be used as silicon, intermetallic particles, and injected cured particles comprising an average crystal grain size of less than about 15 mu m < 2 >. The superplastic deformation conditions also include silicon, intermetallic particles, and injected cured particles in the range of between about 25% and about 60% by volume. A strain rate in the range of about 5 x 10 -5 s -1 to about 5 x 10 -3 s -1 and a strain temperature in the range of about 0.88 T melt to about 0.98 T melt are the superplastic strain conditions for the above- Can be used.

본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법은 약 15중량%보다 큰 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자(모두 약 15㎛2보다 큰 평균 결정 입도를 가짐)를 포함하는 빌릿을 단조할 수 있다. 그러한 빌릿 재료 조성은 통상 낮은 수준의 소성을 보인다. 피스톤 제조 방법 도중, 피스톤 빌릿과 피스톤 다이 매트릭스의 표면 사이의 접촉은 피스톤 다이-비트가 버트 엔드와 접촉할 때까지 측표면적의 약 30% 내지 약 100%내에서 발생해야 한다. 이러한 접촉으로 인해 크랙의 빌릿내의 성장과 형성중의 적어도 하나가 방지되어야 한다.The piston manufacturing method practiced by the present invention can forge a billet containing greater than about 15 weight percent silicon, intermetallic particles, and injected cured particles (both having an average crystal grain size greater than about 15 microns 2 ) . Such a billet material composition usually exhibits a low level of firing. During the piston manufacturing process, the contact between the piston billet and the surface of the piston die matrix must occur within about 30% to about 100% of the sidewall surface area until the piston die-bit contacts the butt end. Such contact must prevent at least one of growth and formation in the billet of cracks.

또한, 피스톤 제조 방법은 빌릿 기부와 피스톤 다이 매트릭스 기부 사이의 최대 거리를 제공해야 한다. 상기 거리는 일반적으로, 예컨대 빌릿 재료의 소성, 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자의 양 및 입도, 빌릿 직경, 및 피스톤 다이의 크기와 형상중의 적어도 하나에 의존하나, 이에 한정되지는 않는다. 빌릿 재료 조성이 부서지기 쉽다면 피스톤 빌릿의 기부와 피스톤 다이 매트릭스 사이에 보다 짧은 거리가 제공될 수 있다. 피스톤 다이 비트가 피스톤 다이 매트릭스내에 배치될 때 빌릿의 비틀림을 방지하기 위해 이러한 거리가 요구된다.In addition, the piston manufacturing method should provide the maximum distance between the billet base and the piston die matrix base. The distance generally depends, but is not limited to, the amount and size of the billet material, the size and shape of the silicon, the intermetallic particles, and the injected hardened particles, the billet diameter, and the size and shape of the piston die . A shorter distance between the base of the piston billet and the piston die matrix may be provided if the billet material composition is susceptible to brittle. This distance is required to prevent twisting of the billet when the piston die bit is disposed in the piston die matrix.

본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법은, 피스톤이 담금질과 본질적으로 동일한 온도에서 단조된다면 단조가 완료된 후 담금질 냉각을 포함할 수 있다. 담금질 단계를 위한 가열이 중복되게 될 것이므로 이러한 절차는 피스톤 제조 방법 시간을 감소시키며, 따라서 생략될 수 있다. 또한, 담금질을 위한 가열이 없기 때문에 빌릿 재료 조성의 알루미늄을 응고시킬 때 결정 성장이 방지될 수 있다. 이러한 절차는 또한 최종 피스톤에 보다 세립의 마이크로조직을 제공할 수도 있다.The piston manufacturing method practiced by the present invention may include quenching cooling after the forging is completed if the piston is forged at essentially the same temperature as quenching. Since the heating for the quenching step will be redundant, this procedure reduces the time of the piston manufacturing method and can be omitted accordingly. In addition, since there is no heating for quenching, crystal growth can be prevented when solidifying the aluminum of the billet material composition. This procedure may also provide a finer microstructure to the final piston.

기관 작동시 피스톤 링 홈의 분쇄(disintegration)를 제한하기 위해 피스톤내의 링 홈은 피스톤 제조 방법에서 보강될 수 있다. 링 홈은 금속 링 홀더로 보강될 수 있으며, 이는 일반적으로 빌릿 재료의 작동 온도보다 큰 작동 온도에서 강도를 제공한다. 예를 들면, 피스톤이 주물로서 형성된다면, 링 홀더는 대개 용해된 금속으로 형성된 코팅에 의해 보강된 무쇠를 포함할 수 있다. 변형예로서, 피스톤이 단조된다면, 실루민이 통상 피스톤 빌릿 재료보다 놓은 강도 특성을 가지므로, 링 홀더는 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 갖는 조립 실루민을 구비하는 마이크로조직을 포함할 수 있다.The ring groove in the piston can be reinforced in the piston manufacturing method to limit the disintegration of the piston ring groove during engine operation. The ring grooves can be reinforced with metal ring holders, which generally provide strength at operating temperatures greater than the operating temperature of the billet material. For example, if the piston is formed as a casting, the ring holder may comprise cast iron reinforced by a coating, which is usually formed of a molten metal. As a variant, if the piston is forged, the ring holder may comprise microstructures comprising silicon, intermetallic particles, and an assembled silylmin with injected cured particles, since the silylmin typically has the strength properties laid down over the piston billet material can do.

예를 들면, 약 15㎛2보다 작은 평균 결정 입도를 갖고, 약 15체적%보다 작은 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함하는 세립 실루민 또는 중간 재료는 본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법에서 사용될 수 있다. 이러한 재료는 단조 가능한 소성을 나타낼 수 있으며 링 홀더는 실루민으로부터 형성된다. 실루민은 약 20% 내지 약 45%의 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함하며, 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자는 약 20㎛2보다 큰 평균 결정 입도를 갖는다.For example, a fine grain silica or intermediate material having an average crystal grain size of less than about 15 탆 2 and containing less than about 15% by volume of silicon, intermetallic particles, and injected cured particles may be used as the piston Can be used in the production method. These materials can exhibit forging firing and the ring holder is formed from silylmine. Silumin comprises about 20% to about 45% silicon, intermetallic particles, and injected cured particles, wherein the silicon, intermetallic particles, and injected cured particles have an average crystal grain size greater than about 20 占 퐉 2 .

링 홀더는 빌릿상에 위치될 수 있으며 빌릿과 함께 피스톤 다이 매트릭스내로 위치될 수 있다. 블랭크(blank)가 균열되는 것을 방지하기 위해 피스톤 빌릿 표면과 피스톤 다이 매트릭스의 버트 엔트측 사이에 억지 끼워맞춤이 설정될 수 있다. 피스톤 크라운이 먼저 형성될 수 있어서 링 홀더가 빌릿상에 위치될 수 있고 변형을 피할 수 있다. 임의의 고온 변형 처리시 빌릿 재료상의 응력은 통상 보강 링 홀더 재료에 인가된 응력보다 작다. 따라서, 보강 재료가 링 홀더 주위의 공간을 충전할 것이고, 링 홀더는 정상적으로 약 20%보다 작은 최소한의 변형을 받게 된다. 약 25% 내지 약 60% 범위의 입자의 체적 함량을 갖는 빌릿 재료 조성을 포함하는 빌릿을 의미하는 "이상혼합 조직(microduplex structure)"을 갖는 피스톤 빌릿이 초소성 조건하에서 본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법을 경험한다. 이러한 피스톤 제조 방법에 있어서, 단조는 프레스로 실행되고 링 홀더는 보다 적은 변형을 경험한다.The ring holder may be located on the billet and may be positioned with the billet into the piston die matrix. An interference fit can be established between the piston billet surface and the butt end side of the piston die matrix to prevent the blank from cracking. The piston crown can be formed first so that the ring holder can be placed on the billet and avoiding deformation. The stress on the billet material during any high temperature deformation processing is typically less than the stress applied to the reinforcing ring holder material. Thus, the reinforcing material will fill the space around the ring holder, and the ring holder will normally undergo a minimum deformation less than about 20%. A piston billet having an " microduplex structure ", which means a billet comprising a billet material composition having a volume content of particles in the range of about 25% to about 60%, is produced by a piston manufacture Experience the method. In this piston manufacturing method, forging is performed with a press and the ring holder experiences less deformation.

무쇠와 강 중의 적어도 하나를 포함하고 평균 결정 입도가 약 15㎛2보다 작은 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 갖는 링 홀더는 링 홀더의 재위치를 방지하고 링 홀더 변형 또는 파괴를 피하는 피스톤 제조 방법으로 사용될 수 있다. 이러한 방지를 달성하기 위해, 링 홀더는 피스톤 다이 매트릭스내로 억지 끼워맞춤으로 측표면상에 또한 버트 엔드 표면에 접하게 삽입될 수 있다. 피스톤 크라운이 먼저 단조되고 그 후 초소성 조건하에서 피스톤 내측 부분이 형성되며, 이는 단조를 단순하게 한다.A ring holder including silicon, intermetallic particles, and injected hardened particles containing at least one of iron and steel and having an average crystal grain size of less than about 15 占 퐉 2 prevents the repositioning of the ring holder and avoids ring holder deformation or fracture Can be used as a piston manufacturing method. To achieve this prevention, the ring holder may be inserted into the piston die matrix in an interference fit on the side surface and also abutting against the butt end surface. The piston crown is first forged and then the piston inner portion is formed under super plastic condition, which simplifies forging.

신뢰성있는 이음이 링 홀더와 본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법에서의 피스톤 사이에 형성되어야 한다. 그러한 이음은 링 홀더 공동을 충전하는 피스톤 재료에 의해 생성될 수 있으며 그 후 조인트 변형이 발생한다. 예컨대 사전처리에 의해 산화물 막이 링 홀더상에 제공되면, 링 홀더가 피스톤 블랭크상에 위치할 때 막의 제거가 일어난다. 링 홀더와 피스톤 블랭크의 결합면은 약 1° 내지 약 10° 범위의 원뿔 각으로 원뿔 형상이 될 수 있다. 피스톤과 빌릿 링 견부는 약 1° 내지 약 3° 범위의 음각을 포함할 수 있다. 또한, 링 홀더는 약 15℃ 내지 약 540℃ 범위의 온도로 또한 직경방향으로 약 0.1mm 내지 0.2mm 범위의 억지 끼워맞춤으로 프레스 가공될 수 있다. 본 발명의 의해 실시되는 단조 조건은 링 홀더와 피스톤 사이에 신뢰성있는 확산 이음(diffusion joint)를 제공할 수 있다. 음각으로 인해 링 홀더의 버트 엔드와 피스톤 빌릿의 결합면이 가열 및 단조시 산화되는 것이 방지된다. 그 후 링 홀더의 아래쪽 단부와 링 견부 사이의 상이한 형상 때문에 폐쇄된 공동이 형성될 수 있다. 또한, 이러한 면이 노 분위기(furnace atmosphere)와 접촉하는 것이 방지되어, 단조시 피스톤 빌릿과 링 홀더 산화 비율을 낮출 수 있다.A reliable joint must be formed between the ring holder and the piston in the piston manufacturing method practiced by the present invention. Such a joint can be created by a piston material filling the ring holder cavity and then a joint deformation occurs. For example, if the oxide film is provided on the ring holder by pretreatment, removal of the film occurs when the ring holder is placed on the piston blank. The mating surfaces of the ring holder and the piston blank may be conical in shape with cone angles ranging from about 1 [deg.] To about 10 [deg.]. The piston and billet ring shoulder may include an engraved area ranging from about 1 [deg.] To about 3 [deg.]. The ring holder can also be pressed to a temperature in the range of about 15 [deg.] C to about 540 [deg.] C and also in the radial direction with a forced fit in the range of about 0.1 mm to 0.2 mm. The forging conditions embodied by the present invention can provide a reliable diffusion joint between the ring holder and the piston. The engraved surface prevents the mating surfaces of the butt end of the ring holder and the piston billet from being oxidized during heating and forging. A closed cavity can then be formed due to the different shape between the lower end of the ring holder and the ring shoulder. In addition, such a surface is prevented from contacting the furnace atmosphere, which can lower the oxidation rate of the piston billet and the ring holder during forging.

또한, 형상 차이 때문에 링 홀더 기부와 견부에서의 변형이 단조시 발생할 수 있다. 변형이 산화물 막을 감소시킬 수 있으며, 또한, 링 홀더 기부와 견부 표면 사이에 확산 이음의 형성을 촉진한다.Further, due to the shape difference, deformation in the base of the ring holder and the shoulder may occur during forging. The deformation can reduce the oxide film and also promote the formation of a diffusion bond between the ring holder base and the shoulder surface.

링 홀더를 갖는 피스톤의 단조는 2단계의 피스톤 제조 방법으로 실행될 수 있다. 우선, 빌릿이 그 링 홈 영역이 상향으로 배치된 채로 피스톤 다이의 버트 엔드에 접하게 위치될 수 있다. 피스톤 다이가 피스톤 크라운을 스탬핑하고 그 후 링 홀더가 프레스 가공된다. 그 후 피스톤 블랭크가 전도되어 크라운이 하향을 향하게 되고, 피스톤 생산의 제 2 단계로서 피스톤 내측의 형성이 개시된다.Forging of a piston having a ring holder can be carried out by a two-step piston manufacturing method. First, the billet can be placed in contact with the butt end of the piston die with its ring groove region disposed upwards. The piston die stamps the piston crown and then the ring holder is pressed. Thereafter, the piston blank is conducted so that the crown faces downward, and the formation of the inside of the piston as the second stage of piston production is started.

링 홀더가 피스톤 다이 매트릭스내에 위치될수 있으며 링 홀더 외측 표면과 피스톤 다이 내측 표면 사이에 억지 끼워맞춤이 형성된다. 이러한 배치로 인해 피스톤이 고온 변형 처리를 받는 도중에 링 홀더가 금이 가는 것이 방지될 수 있다. 또한 이러한 배치 때문에 피스톤 내측 형성시 금속 유동 비율에서의 변동으로 인해 발생되는 비틀림이 방지된다. 억지 끼워맞춤 특성은 다음의 식으로서 계산될 수 있다.The ring holder can be positioned within the piston die matrix and interference fit is formed between the ring holder outer surface and the inner surface of the piston die. This arrangement can prevent the ring holder from cracking while the piston undergoes the high temperature deformation treatment. This arrangement also prevents distortion caused by variations in the metal flow rate upon formation of the piston inner side. The interference fit characteristic can be calculated as the following equation.

1.0017 ≤d/D ≤1.00351.0017? D / D? 1.0035

여기서, d는 단조 온도에서의 링 홈 외경이고 D는 단조 온도에서의 피스톤 다이 매트릭스 내경이다.Where d is the ring groove outer diameter at the forging temperature and D is the piston die matrix inner diameter at the forging temperature.

억지 끼워맞춤이 소망하는 바에 비해 작다면, 링 홀더의 크랙과 비틀림이 발생할 수도 있다. 링 홀더가 피스톤 다이 매트릭스내에 있어서 꼭끼는 억지 끼워맞춤이 피스톤 빌릿의 삽입을 곤란하게 할 수도 있다. 피스톤 제조 방법이 링 홀더를 원통형 형상의 빌릿상에 그 사이에 갭이 거의 없거나 전혀 없게 위치시키는 단계를 포함한다면, 피스톤 다이 매트릭스는 본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법 도중 향상된 링 홀더 안정성을 제공할 수 있다. 이러한 배향으로 인해 또한 링 홀더의 위쪽 및 아래쪽의 고르지 못한 금속 분포가 방지될 수 있다. 단조시 링 홀더 위치와 조합된 이러한 배향으로 인해 링 홀더에 대한 안정된 플랫폼(platform)이 제공될 수 있다.If the interference fit is smaller than desired, cracking and torsion of the ring holder may occur. Tight fitting of the ring holder in the piston die matrix may make it difficult to insert the piston billet. If the piston manufacturing method includes positioning the ring holder on a billet of a cylindrical shape with little or no gaps therebetween, the piston die matrix will provide improved ring holder stability during the piston manufacturing process practiced by the present invention . This orientation can also prevent uneven metal distribution above and below the ring holder. This orientation combined with the ring holder position during forging can provide a stable platform for the ring holder.

알루미늄이 링 홀더상에 확산 코팅될 수 있다. 고온에서의 확산 코팅이 강재의 링 홀더에 침투하는 예컨대 만(man) 알루미늄 합금과 같은 알루미늄을 제공할수 있다. 이러한 절차로 인해 알루미늄 합금 피스톤과 링 홀더 표면으로부터 산화물 막이 제거될 수도 있다. 피스톤 케이스와 링 홀더 이음 신뢰성을 향상시키기 위해, 본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법에서 사용된, 예컨대 코팅용의 임의의 합금은 선팽창 계수와 동일하지 않을 지라도 유사한 계수를 가져야 한다.Aluminum may be diffusion coated on the ring holder. A diffusion coating at high temperature can provide aluminum, such as a man aluminum alloy, that penetrates the ring holder of the steel. This procedure may remove the oxide film from the surface of the aluminum alloy piston and ring holder. In order to improve the reliability of the piston case and ring holder joints, any alloys used in the piston manufacturing method, for example coating, embodied by the present invention should have similar coefficients, even if they are not identical to the coefficient of linear expansion.

2층 피스톤 형태와 그러한 2층 피스톤 형태를 형성하기 위해 사용된 피스톤 제조 방법은 기관의 처음 시동시 신뢰성있는 피스톤 성능을 제공할 수 있다. 2층 피스톤 형태는 또한 기관이 고온이 되고 응력을 받을 때 향상된 신뢰성을 제공할 수 있다. 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자 함량이 높은 2층 피스톤 형태가 작동 온도에서 소망의 강도 특성을 제공할 수 있다. 그러나, 기관이 처음으로 시동되는 경우와 같이, 저온에서는, 2층 피스톤 형태에 대해 사용된 재료는 낮은 수준의 소성을 제공할 수도 있다. 그러나, 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자 함량이 낮고 높은 소성 수준을 합금을 포함하는 2층 피스톤 형태는 내피로성(fatigue resistance)을 제공할 수 있다.The two-layer piston configuration and the piston manufacturing method used to form such a two-layer piston configuration can provide reliable piston performance during initial startup of the engine. The two-layer piston shape can also provide improved reliability when the engine becomes hot and stressed. Silicon, intermetallic particles, and a two-layer piston shape with a high content of injected hardened particles can provide the desired strength properties at operating temperatures. However, at low temperatures, such as when the engine is first started, the materials used for the two-layer piston form may provide low levels of firing. However, silicon, intermetallic particles, and two-layered piston forms that include alloys in which the injected hardened particle content is low and have high firing levels, can provide fatigue resistance.

기관 시동과 예열(warming)시, 2층 피스톤 형태는 피스톤 핀 힘을 피스톤 내측 부분에 전달할 수 있다. 피스톤 내측 부분은 낮은 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함하는 합금으로부터 형성될 수 있다. 본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법에 의해 형성된 피스톤을 갖는 기관은 작동시 링 홈 영역에서 약 250℃ 내지 약 350℃ 범위의 온도를 달성할 수 있으며, 최대한으로 응력을 받으면 더 높아질 수 있다. 피스톤 외측 케이스 합금은 적어도 하나의 피스톤 링이 피스톤 링 홈을 파괴하는 것을 방지하고 피스톤 베이스가 고온의 작동 온도에서 소실되는 것을 방지할 수 있는 고 함량의 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 갖는 조성을 포함한다.During engine start-up and warming, the two-layer piston configuration can transfer the piston pin force to the piston inner portion. The piston inner portion may be formed from an alloy comprising low silicon, intermetallic particles, and injected cured particles. The engine having a piston formed by the piston manufacturing method practiced by the present invention can achieve a temperature in the ring groove region in operation ranging from about 250 ° C to about 350 ° C and can be higher when subjected to maximum stress. The piston outer case alloy prevents the piston base from destroying the piston ring groove and prevents the piston base from disappearing at high temperature operating temperatures. A high content of silicon, intermetallic particles, and injected hardened particles ≪ / RTI >

피스톤 두께에서의 변동은 피스톤 제조 방법 특성, 피스톤 내마멸성, 및 소성을 향상시키기 위해 결정될 수 있다. 예컨대, 기관이 피스톤 아래쪽 에지 주위에서 작동하는 동안의 작동 온도는 링 홈 영역에서의 온도보다 낮을 수 있다. 엔진의 상온 시동(cold startup)시, 피스톤 스커트 하측 에지는 피스톤이 상사점으로부터 하사점까지 운동함에 따라 충격 응력을 받을 수 있다. 이러한 응력 때문에 피스톤 스커트 하측 에지는 높은 소성과 충분한 내마멸성을 갖는 재료를 포함해야 한다. 이러한 특성은 피스톤 외측 본체 두께를 최소화함으로써 제공될 수 있다. 소성이 단조하기에 충분하다면, 형상이 단조하기에 적당하므로 피스톤 빌릿은 상술한 바와 같이 와셔 형상이 될 수 있다. 이와는 반대로, 합금 소성이 단조 또는 프레스 가공하기에 불충분하다면, 피스톤 빌릿은 컵 형상이 될 수 있다.Variations in piston thickness can be determined to improve piston manufacturing method characteristics, piston wear resistance, and firing. For example, the operating temperature during operation of the engine about the underside of the piston may be lower than the temperature in the ring groove area. During cold start of the engine, the lower edge of the piston skirt may receive impact stress as the piston moves from top dead center to bottom dead center. Because of this stress, the lower edge of the piston skirt should contain a material with high plasticity and sufficient abrasion resistance. This characteristic can be provided by minimizing the piston outer body thickness. If the firing is sufficient for forging, the shape of the piston billet may be a washer-like shape as described above since the shape is suitable for forging. On the contrary, if alloy firing is insufficient for forging or press working, the piston billet can be cup-shaped.

단조 전에 복합 피스톤 빌릿을 조립함으로써 내측 및 외측 케이스 접촉점을 코팅하는 산화물 막의 제거가 용이하게 될 수 있다. 내측 케이스를 외측 케이스내로 프레스 가공함으로써 제거가 실행될 수 있다. 확산 이음을 제공하기 위한 모범적 단조 단계는 파동 형상 피스톤 빌릿의 제공단계를 포함할 수도 있다. 빌릿 형상은 저중량의 피스톤과 보강된 링 홀더에 의해 제공될 수 있다. 링 홀더 보강재 블랭크가 또한 파동 형상 피스톤 빌릿 버트 엔드상에 위치된 얇은 와셔를 포함할 수 있다. 첫 단조 후, 이러한 와셔가 또한 파동 형상을 취한다. 피스톤 크라운의 단조시, 피스톤 빌릿으로부터 용해된 금속이 와셔사이에 공급될 수 있다. 용해된금속이 와셔 사이의 임의의 공간을 충전할 수 있다. 또한, 약 15㎛2의 평균 결정 입도를 갖는 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함하는 블랭크의 단조시, 링 홀더 주위에 l/l=4 내지 14 식에 의한 구간을 갖는 갭이 없는 이음(gap free joint)(l)이 나타날 수도 있다. 약 15㎛2보다 큰 평균 결정 입도를 갖는 평균 결정 입도의 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 갖는 블랭크를 단조함으로써 링 홀더에 갭이 없는 이음이 생성될 수 있다. 갭이 없는 이음(l)은 식 l/l=15 내지 42로 결정되는 간격을 포함한다.By assembling the composite piston billet before forging, removal of the oxide film coating the inner and outer case contact points can be facilitated. Removal can be performed by pressing the inner case into the outer case. An exemplary forging step to provide diffusion bonding may include providing a wave shaped piston billet. The billet shape may be provided by a low weight piston and a reinforced ring holder. The ring holder stiffener blank may also include a thin washer located on the undulating shaped piston billet butt end. After the first forging, these washers also take a wave shape. During forging of the piston crown, molten metal from the piston billet can be supplied between the washers. The molten metal can fill any space between the washers. Further, in the forging of blanks containing silicon, intermetallic particles, and injected hardened particles having an average crystal grain size of about 15 mu m < 2 >, a gap having an interval of l / l = A gap free joint (l) may appear. Gapless joints can be created in the ring holder by forging the blank with silicon, intermetallic particles, and injected cured particles of average grain size having an average grain size of greater than about 15 탆 2 . The gapless lap (1) includes an interval determined by the formula l / l = 15 to 42.

상술한 바와 같이, 와셔를 이용하는 피스톤 제조 방법은 압축 링을 수용하기 위해 와셔내에 홈을 절삭하는 단계를 포함할 수 있다. 압축 링은 링 홈과 물리적 접촉을 하며 링 홈 마멸률을 감소시킬 수 있다. 링 홀더 중량과 홈 마멸률은 보강재 와셔에 의해 향상될 수 있다.As described above, the piston manufacturing method using the washer may include cutting the groove in the washer to receive the compression ring. The compression ring is in physical contact with the ring groove and can reduce the ring groove wear rate. The weight of the ring holder and the home wear rate can be improved by the stiffener washer.

피스톤 제조 방법은 또한 내열 재료로 형성된 브라켓을 피스톤 케이스에 부착하는 단계를 포함할 수 있다. 부착 단계는 볼트에 의한 부착과 같은 임의의 적절한 수단을 포함하며, 이에 한정되지는 않는다. 이러한 볼트 부착 단계는 시간을 요하고 고가일 수 있으므로, 본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법은 브라켓을 피스톤에 부착하는 단계를 포함할 수 있다. 브라켓은 일체형 플래지로서 형성될 수 있어, 볼트 없이 피스톤에 부착될 수 있다. 형성된 기계적 이음이 플랜지 표면적과, 기관 작동시 발생되는 활동력에 대한 그 배향으로 인해 생성될 수 있다. 이음은 기관내의 관성을 극복할 수 있으므로 브라켓과 피스톤 케이스를 함께 유지하기에 충분하여야 한다. 본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법에서의 단조시 용해된 피스톤 재료를 브라켓 공동내로 주입함으로써, 상술한 바를 포함하는 초소성 변형 조건이 제공될 수 있다.The piston manufacturing method may also include attaching a bracket formed of a heat resistant material to the piston case. The attachment step includes, but is not limited to, any suitable means such as attachment by bolts. Since this bolting step can be time-consuming and expensive, the piston manufacturing method embodying the present invention can include attaching the bracket to the piston. The bracket can be formed as an integral plunger and can be attached to the piston without bolts. The formed mechanical joint can be created due to the flange surface area and its orientation to the forces of action generated during engine operation. The joints should be sufficient to hold the bracket and the piston case together as they can overcome inertia in the engine. By injecting the forged piston material into the bracket cavity in the piston manufacturing method practiced by the present invention, superplastic deformation conditions including the above-described bar can be provided.

브라켓은 중량을 감소시키기 위해 알루미늄 합금과 융합될 수 있는 다공성 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 세라믹 재료는 프레임 강도를 제공하기 위해 약 35% 내지 약 50% 범위의 다공성 수치를 갖는 다공성을 포함할 수 있다. 세라믹 재료 프레임을 알루미늄 합금과 융합시킨 후 알루미늄 층을 표면에 접착함으로써, 피스톤 케이스가 형성될 수 있다. 이러한 접착 단계로 인해 변형 후 브라켓과 피스톤 케이스 사이에 확산 이음이 형성될 수 있다. 융합 재료와 피스톤 케이스가 모두 동일한 조성을 갖는다면, 선 팽창 계수에서의 차이가 제거되기 때문에 형성된 이음 신뢰성이 향상될 수 있다. 모든 면으로부터의 압축에 노출되는 클로우즈-엔드 피스톤 다이에서의 추가적 변형이 약 10-5s-1내지 약 10-4s-1범위의 변형 속도하에서 약 0.5분 내지 약 5분 범위의 시간 동안 인가될 수 있다. 이러한 시간으로 인해 마이크로포어가 제거되며, 이는 피스톤에서의 향상된 기계적 성질이 된다.The bracket may include a porous ceramic material that can be fused with an aluminum alloy to reduce weight. The ceramic material may include porosity having a porosity value ranging from about 35% to about 50% to provide frame strength. By fusing the ceramic material frame with the aluminum alloy and then bonding the aluminum layer to the surface, the piston case can be formed. This bonding step may result in a diffusion joint between the post-strain bracket and the piston case. If the fusing material and the piston case both have the same composition, the difference in linear expansion coefficient is eliminated, so that the formed joint reliability can be improved. Closing exposed to compression from all of the surface-applied for a further deformation of about 10 -5 s -1 to about 10 -4 s -1 of about 0.5 minutes to about 5 minutes under a strain rate range of time in the range of from-end piston die . This time removes the micropores, which leads to improved mechanical properties in the piston.

링 홈에서의 마멸은 피스톤 합금 강도에서의 감소에 기인할 수 있다. 이러한 감소는 피스톤 제조 방법 도중 고온에의 노출 때문이다. 링 홈 영역에서의 재료 강도의 증가는 플라즈마 용접에 의해 제공될 수 있다. 플라즈마 용접은 플라즈마 아크에 의한 링 홈 영역내에서의 재료의 용해를 포함한다. 이러한 플라즈마 용접 후 용해액내로 합금 요소가 분사될 수 있다. 그러나, 이러한 재료 용해 단계및 그에 따른 성질은 본질적으로 고온 변형 및 주조 피스톤과 동일하다. 융합 단계가 피스톤 빌릿에 사용되고 피스톤 케이스에 사용되지 않을 때 그들 사이에 차이가 나타날 수 있다.Wear in the ring groove can be attributed to a reduction in the strength of the piston alloy. This reduction is due to exposure to high temperatures during the piston manufacturing process. An increase in the material strength in the ring groove region can be provided by plasma welding. Plasma welding involves dissolving the material in the ring groove region by a plasma arc. After such plasma welding, alloy elements can be injected into the solution. However, this material dissolution step and the properties thereof are essentially the same as for the high temperature deformation and casting piston. When the fusion step is used for the piston billet and not used in the piston case, there may be a difference between them.

융합 재료는 큰 철 또는 니켈계 금속간 플레이트와 수축공(shrinkage hole)을 특징으로 할 수 있다. 융합된 재료의 변형은 피스톤이 단조되는 동안 실행될 수 있다. 변형된 융합 재료는 고 수준의 경도와 최고의 강도를 가질 수 있으며 이는 약 250℃ 온도까지의 가열 후에도 동일하게 유지된다. 금속간 입자 분열(fragmentation)이 고온 변형 처리시 발생할 수 있으므로 재료내의 임의의 향상된 특징은 분산된 마이크로조직에 기인할 수 있다. 또한, 향상된 특징은 수축공과 같은 응력 지점이 부족하기 때문이나, 이에 한정되지는 않는다. 수축공이 없다면 재료의 최고 강도에서의 증가가 있을 수 있으며, 이는 수축공이 없음으로 인해 재료의 소성이 증가할 수 있기 때문이다.The fusing material may feature large iron or nickel-based intermetallic plates and shrinkage holes. Deformation of the fused material can be performed while the piston is forging. The modified fusion material may have a high level of hardness and the highest strength, which remains the same after heating to a temperature of about 250 < 0 > C. Since intermetallic fragmentation can occur during high temperature deformation processing, any of the improved features in the material can be attributed to dispersed microstructure. Also, the improved feature is not limited to, but not limited to, stress points such as shrinkage. If there is no shrinkage ball there may be an increase in the material's maximum strength, because the absence of shrinkage balls may increase the plasticity of the material.

본 발명의 범위내에 속하는 피스톤 제조 방법에 대한 일련의 실시예를 설명한다. 본 발명에 의해 실시되는 피스톤 제조 방법에 대한 하기의 작동 단계는 본 발명을 한정하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 본 발명의 범위내에 속하는 단계에 대한 지침을 단순히 제공한다. 하기에 개시된 수치는 대략적인 것이며, 정확한 것으로 특정되지는 않는다.A series of embodiments of a piston manufacturing method falling within the scope of the present invention will be described. The following operational steps for the piston manufacturing method embodying the present invention should not be construed as limiting the invention and merely provide guidance for steps falling within the scope of the present invention. The values set forth below are approximate and not to be construed as accurate.

피스톤 블랭크와 피스톤 다이는 사전에 가열될 수 있다. 임의의 변형이 등온 조건하에서 실행된다. 단조 온도는 피스톤 블랭크 초기 마이크로조직과 형태에 따라 선택된다. 빌릿 형상은 빌릿 재료 조성과 그 내의 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자의 평균 결정 입도에 따를 수 있다. 피스톤 제조 방법에 대한 후속 열처리 단계로 담금질과 인공 시효(artificial aging)를 포함한다.The piston blank and the piston die may be pre-heated. Any modification is performed under isothermal conditions. The forging temperature is selected according to the initial microstructure and shape of the piston blank. The shape of the billet may depend on the average crystal grain size of the billet material composition and the silicon, intermetallic particles, and injected cured particles therein. Followed by quenching and artificial aging as a subsequent heat treatment step for the piston manufacturing process.

실시예 1.Example 1.

원통형 피스톤 빌릿은 12% Si, 2.2% Cu, 1.1% Mg, 0.1% Ti, 1.1% Ni, 0.4% Mn, 0.8% Fe, 및 나머지는 Al인 대략적인 합금 조성을 포함한다. 빌릿은 스톡 바(bar)로부터 절단되었다. 이 바는 440℃ 또는 0.86Tmelt에서 90%s-1의 변형 속도로 잉곳을 고온 프레스 가공함으로써 제조되었다. 상기 합금에 대한 Tmelt는 552℃에 해당하고 Al계 및 Mg계 시스템에 대한 상태도로부터 선택되었다. 그에 따른 빌릿의 마이크로조직은 약 5㎛2의 평균 결정 입도를 갖는 구형 규소 및 금속간 입자를 포함한다. 빌릿은 도 1에 도시된 바와 같은 피스톤 다이 시스템내에서, 520℃(0.96Tmelt)에서 1×10-2s-1의 변형 속도로 변형되었다. 변형 처리 후 20℃의 물내에서 담금질 냉각이 실행되었다. 시효는 210℃에서 10시간동안 실행되었다. 재료의 마이크로조직 분석은 마이크로크랙과 마이크로포어와 같은 결함이 없는 것으로 나타났다. 상기 재료는 σb=390㎫의 기계적 성질을 가졌다.The cylindrical piston billet comprises a rough alloy composition of 12% Si, 2.2% Cu, 1.1% Mg, 0.1% Ti, 1.1% Ni, 0.4% Mn, 0.8% Fe and the balance Al. The billet was cut from a stock bar. This bar was produced by hot pressing the ingot at a strain rate of 90% s -1 at 440 ° C or 0.86 T melt . The T melt for the alloy corresponds to 552 캜 and was selected from the state diagram for Al and Mg systems. The resulting microstructure of the billet comprises spherical silicon and intermetallic grains having an average grain size of about 5 mu m < 2 >. The billet was deformed at a strain rate of 1 x 10 -2 s -1 at 520 ° C (0.96 T melt ) in a piston die system as shown in FIG. Quench cooling was carried out in water at 20 캜 after the deformation treatment. The aging was carried out at 210 DEG C for 10 hours. Microstructural analysis of the material showed no defects such as microcracks and micropores. The material had mechanical properties of sigma b = 390 MPa.

실시예 2.Example 2.

21% Si, 1.6% Cu, 1.1% Mg, 0.1% Ti, 1.1% Ni, 0.5% Mn, 0.7% Fe, 및 나머지 Al을 포함하는 합금 조성의 피스톤 빌릿은 블록 금형 주조에 의해 제조되었다. 규소와 금속간 입자의 평균 결정 입도는 약 120㎛2이고 층상 형상이다. 빌릿은 4°의 각으로 원뿔 형상이 되게 테이퍼졌다. 빌릿 크기는, 150mm의 내경과 4°의 원뿔각을 갖는 피스톤 다이 매트릭스내로 끼워맞춤될 때, 표면적의 50%가 피스톤 다이 매트릭스와 접촉하도록 되어 있다. 빌릿의 아래쪽 버트 엔드로부터 피스톤 다이 매트릭스 아래쪽 버트 엔드까지의 거리는, 식 H=dK/C√F에 의해 결정될 수 있다. 여기서, d=150, K=5, C=21, F=120이다. 거리는 3.2mm로 계산되었다. 빌릿은 피스톤 다이 시스템(도 1 참조)내에서 480℃(0.91Tmelt)와 1×10-4s-1의 평균 변형 속도에서 변형되었다. 열처리 시퀀스는 510℃에서의 담금질과 210℃에서의 10시간동안의 시효를 포함했다. 그에 다른 피스톤은 본질적으로 결함이 없는 것으로 결정되었다. 또 다른 테스트가 σb=250㎫임을 보였다.Piston billets of an alloy composition comprising 21% Si, 1.6% Cu, 1.1% Mg, 0.1% Ti, 1.1% Ni, 0.5% Mn, 0.7% Fe and the balance Al were prepared by block mold casting. The average crystal grain size of silicon and intermetallic particles is about 120 탆 2 and is in the form of a layer. The billet was tapered into a conical shape at an angle of 4 DEG. The billet size is such that 50% of the surface area is brought into contact with the piston die matrix when fitted into a piston die matrix having an inner diameter of 150 mm and a conical angle of 4 degrees. The distance from the lower butt end of the billet to the butt end below the piston die matrix can be determined by the equation H = dK / C√F. Here, d = 150, K = 5, C = 21, F = 120. The distance was calculated to be 3.2 mm. The billet was deformed at an average strain rate of 4占 폚 (0.91 T melt ) and 1 占 10-4 s -1 in a piston die system (see FIG. 1). The heat treatment sequence included quenching at 510 DEG C and aging at 210 DEG C for 10 hours. To which other pistons were determined to be inherently defect free. Another test showed that σ b = 250 MPa.

실시예 3.Example 3.

빌릿은 520℃(0.96Tmelt)의 온도와 1×10-2s-1의 변형 속도에서 도 1의 피스톤 다이 시스템에서의 원통형 블랭크로부터 단조되었다. 블랭크는 프레스 가공된 잉곳으로부터 절단되었다. 프레스 가공 온도는 90%의 변형(strain)으로 약 440℃ 내지 약 450℃(약 0.86Tmelt내지 0.88Tmelt) 범위이다. 잉곳 조성은 12% Si, 2.2% Cu, 1.1% Mg, 0.1% Ti, 0.4% Mn, 0.8% Fe, 및 나머지 Al을 포함했으며, 약 6㎛2의 규소와 금속간 입자의 평균 결정 입도를 포함했다. 약 6°의 원뿔 각과 약 3°의 음의견부 각을 형성하도록 링 견부와 함께 빌릿의 원뿔형 표면의 헤드에 대한 기계적 처리가 실행되었다. 편평한 아래쪽 버트 엔드를 갖는 링 홀더가 약 18%의 규소 함량을 갖는 알루미늄 합금으로부터 형성되었다. 링 홀더는 20℃에서 견부와 접하는 링을 사용하여 빌릿의 헤드내로 프레스 가공되었다.The billet was forged from a cylindrical blank in the piston die system of Fig. 1 at a temperature of 520 캜 (0.96 T melt ) and a strain rate of 1 x 10 -2 s -1 . The blank was cut from the pressed ingot. Press-forming temperature is about 440 ℃ to about 450 ℃ (about 0.86T to about 0.88T melt melt) range to the deformation (strain) of 90%. The ingot composition contained 12% Si, 2.2% Cu, 1.1% Mg, 0.1% Ti, 0.4% Mn, 0.8% Fe, and the balance Al and contained an average grain size of silicon and intermetallic particles of about 6 μm 2 did. A mechanical treatment on the head of the conical surface of the billet with the ring shoulder was performed to form a cone angle of about 6 degrees and a sound opinion angle of about 3 degrees. A ring holder with a flat lower butt end was formed from an aluminum alloy having a silicon content of about 18%. The ring holder was pressed into the head of the billet using a ring in contact with the shoulder at 20 ° C.

이러한 일련의 상술한 단계에 있어서, 링 홀더의 편평한 버트 엔드와 빌릿의 링 견부 사이에 폐쇄된 공동이 형성되었다. 빌릿은 프레스 가공된 링 홀더를 가지며 노내에서 510℃의 온도로 가열될 수 있다. 링 홀더의 프레스 가공 및 피스톤 연소 챔버(fire chamber)의 형성과 동시에 빌릿이 피스톤 다이 시스템내로 끼워맞춤되었다. 단조는 510℃(0.95Tmelt)에서 유압 프레스를 사용하여 10-3s-1의 변형 속도로 등온 조건에서 실행되었다. 링 홀더의 단조 후, 피스톤은 물에서 담금질되었고 210℃에서 10시간동안 시효되었다. 강도 테스트는 피스톤 본체와 링 홀더 사이의 이음이 140㎫임을 나타내었다.In this series of the above-described steps, a closed cavity is formed between the flat butt end of the ring holder and the ring shoulder of the billet. The billet has a press ring holder and can be heated to a temperature of 510 ° C in the furnace. The billet was fitted into the piston die system simultaneously with the pressing of the ring holder and the formation of the piston combustion chamber. Forging was carried out at isothermal conditions at a strain rate of 10 -3 s -1 using a hydraulic press at 510 ° C (0.95 T melt ). After forging the ring holder, the piston was quenched in water and aged at 210 ° C for 10 hours. The strength test indicated that the joint between the piston body and the ring holder was 140 MPa.

실시예 4.Example 4.

12% Si, 2.2% Cu, 1.1% Mg, 0.1% Ti, 1.1% Ni, 0.4% Mn, 0.8% Fe, 및 나머지 Al을 포함하는 조성을 갖는 알루미늄 합금을 포함하는 피스톤 블랭크가 피스톤 제조 방법에 사용된다. 합금은 5㎛2에서 규소와 금속간 입자의 평균 결정 입도를 포함했으며 결정은 구형 형상이었다. 정렬용 돌기가 피스톤상에 형성되었고, 무쇠 링 홀더가 돌기에 접하게 설치되었다. 무쇠 링 홀더는 링 홀더를 돌기내로 프레스 가공함으로써 설치되었다. 빌릿에 설치하기 전에, 링 홀더는 본질적으로 빌릿과동일한 조성을 포함하는 용해된 알루미늄 합금 층으로 코팅되었다. 링 홀더를 갖는 빌릿이 억지 끼워맞춤으로 피스톤 다이 매트릭스내로 끼워맞춤 되었다. 단조는 490℃(0.93Tmelt)에서의 고온 변형 조건하에서 10-3s-1의 평균 변형 속도로 실행되었다. 피스톤 크라운이 먼저 형성되었고(도 2의 좌측 참조), 그 후 피스톤의 내측 부분(도 2의 우측 참조)이 형성되었다. 계속하여, 단조 단계, 담금질, 인공 시효가 실행되었다.A piston blank comprising an aluminum alloy having a composition comprising 12% Si, 2.2% Cu, 1.1% Mg, 0.1% Ti, 1.1% Ni, 0.4% Mn, 0.8% Fe, and the balance Al is used in the piston manufacturing process . The alloy contained an average crystal grain size of silicon and intermetallic particles at 5 μm 2 and the crystal was spherical. An alignment protrusion was formed on the piston, and a cast iron ring holder was provided so as to be in contact with the projection. The cast iron ring holder was installed by pressing the ring holder into the projection. Prior to installation on the billet, the ring holder was coated with a layer of molten aluminum alloy that essentially contained the same composition as the billet. The billet with the ring holder was fitted into the piston die matrix with forced fit. Forging was carried out at an average strain rate of 10 < -3 > s < -1 > under high temperature strain conditions at 490 DEG C (0.93 T melt ). A piston crown was first formed (see left in FIG. 2), and then an inner portion of the piston (see right in FIG. 2) was formed. Subsequently, the forging step, quenching and artificial aging were carried out.

본 실시예에서는 알루미늄 합금이 홀더상에 코팅될 수 있다. 냉각 후, 알루미늄 합금 코팅은 융합되어 링 홈 표면에 결합되었다. 링 홀더가 피스톤 빌릿내로 프레스 가공됨에 따라, 피스톤 빌릿 과 링 홀더 표면 양자로부터의 산화물 막 코팅이 제거되었다. 단조시 발생하는 고온 및 변형이 영구적인 융합 이음의 생성을 위한 조건을 제공한다. 이러한 이음의 강도는 통상 후속 열처리 및 실제의 사용시 피스톤 본체와 링 홀더 사이에 갭이 전개되는 것을 방지하기에 충분하다.In this embodiment, the aluminum alloy may be coated on the holder. After cooling, the aluminum alloy coating fused to the ring groove surface. As the ring holder is pressed into the piston billet, the oxide film coating from both the piston billet and the ring holder surface has been removed. The high temperatures and deformations that occur during forging provide conditions for the generation of permanent fusion joints. The strength of such a joint is usually sufficient to prevent subsequent heat treatment and deployment of a gap between the piston body and the ring holder during actual use.

실시예 5.Example 5.

12% Si, 2.2% Cu, 1.1% Mg, 0.1% Ti, 0.4% Mn, 8% Fe, 및 나머지 Al을 포함하고 12㎛2에서 규소와 금속간 입자의 평균 결정 입도를 더 포함하는 알루미늄 합금 빌릿이 사용되었다. 이 빌릿은 일체형 견부로 형성되었다. 견부를 둘러싸는 버트 엔드는 상술한 바와 같이 파동 형상이었다. 링 홀더는 3mm의 두께로 파동 형상 박판(sheet) 강으로부터 제조되었다. 빌릿과 링 홀더 파동 주기는 식 L=l(4 내지 14)을 사용하여 계산되었다. 여기서, l은 링 홀더가 제조되는 박판의 두께로서,예컨대 3mm이다. 상기 식을 사용함에 있어서, L은 약 12mm 내지 약 42mm 범위에 있다. 실험에서는, L은 30mm였다. 링 홀더는 블랭크에 고정되었고 피스톤 다이 매트릭스내로 위치되었다. 그 후 피스톤이 단조되었다. 후속 열 처리는 담금질과 인공 시효를 포함했다.12% Si, 2.2% Cu, 1.1% Mg, 0.1% Ti, 0.4% Mn, 8% Fe, and the remainder including Al and the aluminum alloy billet, further comprising an average grain size of between silicon and metal particles in 12㎛ 2 Was used. This billet was formed as an integral sole. The butt end surrounding the shoulder was a wave shape as described above. The ring holder was manufactured from wave shaped sheet steel with a thickness of 3 mm. The billet and ring holder wave periods were calculated using the formula L = l (4-14). Here, 1 is the thickness of the thin plate on which the ring holder is manufactured, for example, 3 mm. In using the above equations, L is in the range of about 12 mm to about 42 mm. In the experiment, L was 30 mm. The ring holder was fixed to the blank and positioned in the piston die matrix. The piston was then forged. Subsequent heat treatment included quenching and artificial aging.

실시예 6.Example 6.

2개의 케이스, 즉 내측 및 외측 케이스를 포함하는 복합 피스톤이 사용되었다. 외측 케이스용 빌릿은 21% Si, 1.6% Cu, 1.1% Mg, 0.1% Ni, 0.5% Mn, 0.7% Fe, 및 나머지 Al을 갖는 알루미늄 합금을 포함했다. 상기 빌릿은 또한 30㎛2의 평균 결정 입도를 갖는 규소와 금속간 입자를 포함했다. 내측 케이스 빌릿은 12% Si, 2.2% Cu, 1.1% Mg, 0.1% Ti, 1.1% Ni, 0.4% Mn, 0.8% Fe, 및 나머지 Al을 포함하고 5㎛2의 평균 결정 입도를 가지며 구형 형상인 규소와 금속간 입자를 갖는 합금으로부터 형성되었다. 외측 및 내측 케이스 빌릿은 와셔 형상이었다. 피스톤은 2개의 빌릿을 490℃(0.93Tmelt)에서 10-3s-1의 변형 속도로 동시에 단조함으로써 단조되었다. 후속 열처리 시퀀스는 담금질과 인공 시효를 포함했다.A composite piston comprising two cases, namely an inner and an outer case, was used. The outer case billet included 21% Si, 1.6% Cu, 1.1% Mg, 0.1% Ni, 0.5% Mn, 0.7% Fe, and an aluminum alloy with the balance Al. The billet also contained silicon and intermetallic grains having an average grain size of 30 mu m < 2 & gt ;. The inner case billet is a spherical shape having an average crystal grain size of 5 탆 2 and containing 12% Si, 2.2% Cu, 1.1% Mg, 0.1% Ti, 1.1% Ni, 0.4% Mn, 0.8% Fe, It was formed from an alloy having silicon and intermetallic particles. The outer and inner case billets were washer shaped. The piston was forged by simultaneous forging of the two billets at a strain rate of 10 -3 s -1 at 490 ° C (0.93 T melt ). Subsequent heat treatment sequences included quenching and artificial aging.

실시예 7.Example 7.

피스톤 빌릿 본체는 12% Si, 2.2% Cu, 1.1% Mg, 0.1%Ti, 1.1% Ni, 0.4% Mn, 0.8% Fe, 및 나머지 Al의 조성을 갖는 알루미늄 합금으로부터 제조되었다. 알루미늄 합금 피스톤 블랭크는 21% Si, 1.6% Cu, 1.1% Mg, 0.1% Ti, 0.5% Mn, 0.7% Fe,및 나머지 Al의 조성을 갖는 합금을 포함했다. 합금은 120㎛2의 규소와 금속간 입자의 평균 결정 입도를 포함했다. 40% 다공성의 실리카 뮬라이트(silica mullite)로부터 제조된 브라켓이 피스톤 빌릿과 동일한 조성을 갖는 알루미늄 합금과 융합되었다. 내측 브라켓 표면은 알루미늄 합금 층으로 코팅되었고 2mm의 두께를 가졌다. 브라케과 빌릿은 피스톤 다이 피스톤 다이 매트릭스내로 끼워맞춤되었고 480℃(0.91Tmelt)로 가열되었다. 변형은 10-4s-1의 변형 속도로 실행되었다. 단조 후, 담금질 냉각이 대기중에서 실행되었다. 시효는 350℃에서 8시간동안 실행되었다. 피스톤과 브라켓 사이의 이음은 신뢰성 있고 영구적인 것으로 결정되었다.The piston billet body was made from an aluminum alloy having a composition of 12% Si, 2.2% Cu, 1.1% Mg, 0.1% Ti, 1.1% Ni, 0.4% Mn, 0.8% Fe, and balance Al. The aluminum alloy piston blanks included an alloy having a composition of 21% Si, 1.6% Cu, 1.1% Mg, 0.1% Ti, 0.5% Mn, 0.7% Fe, and balance Al. The alloy contained an average crystal grain size of silicon and intermetallic particles of 120 μm 2 . A bracket made of 40% porous silica mullite was fused with an aluminum alloy having the same composition as the piston billet. The inner bracket surface was coated with an aluminum alloy layer and had a thickness of 2 mm. The brackets and billets were fitted into a piston die piston dies matrix and heated to 480 ° C (0.91 T melt ). The strain was performed at a strain rate of 10 -4 s -1 . After forging, quenching cooling was carried out in the atmosphere. The aging was carried out at 350 DEG C for 8 hours. The connection between the piston and the bracket was determined to be reliable and permanent.

실시예 8.Example 8.

고온 프레스 가공된 알루미늄 합금 로드로부터 절단된 블랭크는 12% Si, 2.2% Cu, 1.1% Mg, 0.1% Ti, 1.1% Ni, 0.4% Mn, 0.8% Fe, 및 나머지 Al의 조성으로 형성되었다. 합금은 구 형상이고 평균 결정 입도가 6㎛2인 규소와 금속간 입자를 포함했다. 엔드로부터 20mm의 거리에서, 피스톤 링 섹션이 용해되었고, 니켈-크롬 용제, 예컨대 니켈-크롬 와이어로 분사되었다. 용해는 고체 전극을 사용하여 아르곤 분위기에서 3단계 또는 3회 작동으로 실행되었다. 제 1 단계는 65m/hour의 니켈-크롬 용제 주입 속도와 41m/hour의 용접 속도를 포함했다. 제 2 및 제 3단계에 있어서, 용접은 합금 요소의 분사 없이 실행되었고 용접 속도는 25m/hour였다. 상기 단계 도중의 전류는 약 680A 내지 700A 범위였고, 전압은 220V였다. 용해 깊이는 7mm였다.The blank cut from the hot pressed aluminum alloy rod was formed with a composition of 12% Si, 2.2% Cu, 1.1% Mg, 0.1% Ti, 1.1% Ni, 0.4% Mn, 0.8% Fe, and balance Al. The alloy contained spherical silicon and intermetallic particles with an average grain size of 6 탆 2 . At a distance of 20 mm from the end, the piston ring section was melted and sprayed with a nickel-chromium solvent, such as nickel-chromium wire. Dissolution was carried out in a three or three operation in an argon atmosphere using a solid electrode. The first stage included a nickel-chromium solvent feed rate of 65m / hour and a welding speed of 41m / hour. In the second and third steps, the welding was carried out without injection of the alloy element and the welding speed was 25 m / hour. The current during this step was in the range of about 680A to 700A and the voltage was 220V. The melting depth was 7 mm.

7%의 니켈 함량과 2%의 크롬 함량의 용해 층을 갖는 빌릿이 노내에서 470℃(0.9Tmelt)로 가열되었다. 그 후 빌릿은 유압 프레스 아래에 장착된 피스톤 다이 피스톤 다이 매트릭스내에 위치되었다.Billets having a dissolution layer with a nickel content of 7% and a chromium content of 2% were heated to 470 캜 (0.9T melt ) in the furnace. The billet was then placed in a piston die piston die matrix mounted under the hydraulic press.

빌릿, 이음, 및 용해된 층 변형은 10-3s-1의 변형 속도로 실행되었다. 단조는 등온 조건하에서 실행되었고 블랭크와 피스톤 다이 온도는 약 470℃였고 평균 변형 속도는 10-3s-1이었다. 피스톤은 푸셔의 도움으로 피스톤 다이로부터 제거되었다. 담금질은 물내에서 510±10℃의 온도에서 실행되었다. 시효는 210℃의 온도에서 10시간동안 실행되었다. 피스톤의 최종 기계가공 처리중에 링 홈이 형성되었다. 어떠한 마이크로크랙이나 마이크로포어도 발견되지 않았다.Billets, splices, and dissolved layer deformation were performed at a strain rate of 10 < -3 > s < -1 & gt ;. The forging was carried out under isothermal conditions and the blank and piston die temperatures were about 470 ° C and the average strain rate was 10 -3 s -1 . The piston was removed from the piston die with the aid of a pusher. Quenching was carried out in water at a temperature of 510 ± 10 ° C. The aging was carried out at a temperature of 210 캜 for 10 hours. Ring grooves were formed during the final machining process of the piston. No microcracks or micropores were found.

본 명세서에 다양한 실시예가 기술되었지만, 다양한 요소들의 조합, 변형 또는 향상이 당해 분야의 통상의 지식을 가진 사람들에게 행해질 수 있으며, 이들은 본 발명의 범위에 속하는 것임을 명세서로부터 인식할 수 있을 것이다.While various embodiments have been described herein, it will be appreciated by those skilled in the art that combinations, modifications, or improvements of various elements may be made to those skilled in the art, and these are within the scope of the present invention.

Claims (30)

내연기관 피스톤을 제작하기 위한 피스톤 제조 방법에 있어서,A piston manufacturing method for manufacturing an internal combustion engine piston, 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함하는 알루미늄 합금을 포함하는 개시 빌릿으로부터 제조된 빌릿을 단조하는 단계로서, 초소성과 고온 변형 조건 중의 적어도 하나의 조건하에서 실행되는 상기 단조 단계와,A method for forging a billet produced from an initial billet comprising silicon, intermetallic particles, and an aluminum alloy comprising injected cured particles, said forging being carried out under at least one of a superficiality and a high temperature strain condition, 상기 단조된 빌릿을 열처리하는 단계를 포함하며,Heat treating the forged billet, 상기 단조 단계는 약 0.8Tmelt내지 약 0.98Tmelt범위의 온도에서의 단조를 포함하고, 상기 단조 단계는 또한 약 5×10-2s-1내지 약 5×10-5s-1범위의 변형 속도에서의 단조를 포함하며, 상기 피스톤은 다른 부분이 상기 피스톤에 연결될 수 있는 형태로 형성되고,The forging step is from about 0.8T to about 0.98T, and melt comprises a melt forging at a temperature in the range, the forging step is also deformation of about 5 × 10 -2 s -1 to about 5 × 10 -5 s -1 range Wherein the piston is formed in a shape such that the other portion can be connected to the piston, 상기 개시 빌릿은,The initiation billet 층상 형상과 포괄 형상 중의 적어도 하나를 갖는 조립의 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자의 군과,A group of assembled silicon, intermetallic particles, and injected hardened particles having at least one of a lamellar shape and a comprehensive shape, 구형 형상인 세립의 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자의 군과,A group of fine spherical silicon particles, intermetallic particles, and injected hard particles, 규소, 금속간 및 분사된 경화 입자의 체적 함량이 약 25% 내지 약 60% 범위이고, 규소, 금속간 및 분사된 경화 입자의 평균 결정 입도가 약 15㎛2보다 작은 군 중의 적어도 하나를 포함하는Wherein the volume content of silicon, intermetallic, and sprayed hardened particles is in the range of about 25% to about 60%, and the average crystal grain size of the silicon, intermetallic, and sprayed hardened particles is less than about 15 탆 2 피스톤 제조 방법.A method of manufacturing a piston. 제 1 항에 있어서,The method according to claim 1, 낮은 변형 속도가 약 10-3s-1내지 약 5×10-5s-1범위이고, 온도가 약 0.83 내지 0.89Tmelt범위이고, 입자 함량이 20%보다 크며, 평균 결정 입도가 15㎛2보다 큰A low strain rate in the range of about 10 -3 s -1 to about 5 x 10 -5 s -1 , a temperature in the range of about 0.83 to 0.89 T melt , a particle content of more than 20%, an average crystal grain size of 15 μm 2 Bigger 피스톤 제조 방법.A method of manufacturing a piston. 제 1 항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 개시 빌릿이 약 6㎛2보다 작은 평균 결정 입도를 갖는 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함하고, 상기 단조 단계가 약 0.90Tmelt내지 0.98Tmelt범위의 온도와 약 5×10-2s-1내지 약 10-3s-1범위의 변형 속도에서 실행되는 고온 변형 단조를 포함하는Wherein the starting billet comprises silicon, intermetallic particles, and injected cured particles having an average crystal grain size of less than about 6 占 퐉 2 and wherein the forging step has a temperature in the range of about 0.90T melt to 0.98T melt, -2 s -1 to about 10 -3 s -1, which contains the high temperature deformation forging that runs on the strain rate in the range 피스톤 제조 방법.A method of manufacturing a piston. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, 상기 방법이 약 0.79Tmelt내지 0.96Tmelt범위의 온도와 약 5×10-4s-1내지 약5×10-3s-1범위의 변형 속도에서의 변형을 더 포함하는Wherein the method further comprises deformation at a temperature in the range of about 0.79 T melt to 0.96 T melt and at a strain rate in the range of about 5 x 10 -4 s -1 to about 5 x 10 -3 s -1 피스톤 제조 방법.A method of manufacturing a piston. 제 1 항에 있어서,The method according to claim 1, 약 6㎛2내지 약 15㎛2범위의 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자의 평균 결정 입도를 포함하는 빌릿에 대하여 약 0.84Tmelt내지 0.96Tmelt범위의 온도와 약 10-3s-1내지 약 5×10-4s-1범위의 변형 속도에서의 변형 단조를 더 포함하는6㎛ about 2 to a temperature of about 2 15㎛ range from about 0.84T to about 0.96T melt melt range with respect to the silicon, billets comprising an average grain size of the intermetallic particles, and hardening the injected particles and about 10 -3 s - 1 to about 5 x 10 < -4 > s < -1 > 피스톤 제조 방법.A method of manufacturing a piston. 제 1 항에 있어서,The method according to claim 1, 평균 결정 입도가 약 15㎛2보다 작은 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 구 형상으로 포함하고 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자의 체적 함량이 약 25% 내지 약 60% 범위인 빌릿에 대하여 초소성 조건하에서 약 0.88Tmelt내지 0.98Tmelt범위의 온도와 약 5×10-5s-1내지 약 1×10-1s-1범위의 변형 속도에서 단조가 실행되는The average crystal grain size is less than about 15㎛ 2 silicon, intermetallic particles, and includes a jet hardening particles with spherical shape, and the silicon, intermetallic particles, and the injection of a volume content of cured particles of about 25% to about 60% of a melt temperature of from about 0.88T to about 0.98T melt range under superplastic conditions with respect to the billet and about 5 × 10 -5 s -1 to about 1 × 10 -1 s -1 strain rate range to be forged is running on 피스톤 제조 방법.A method of manufacturing a piston. 제 1 항에 있어서,The method according to claim 1, 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자가 약 15%보다 작은 빌릿으로서, 빌릿이 테이퍼진 원뿔 형상을 포함하고 빌릿과 피스톤 다이 매트릭스의 접촉이 측표면에서의 접촉이고 접촉이 그 면적의 적어도 30%를 포함하도록 빌릿이 피스톤 다이 매트릭스내에 세팅되는Wherein the billet comprises a tapered conical shape and the contact of the billet and the piston die matrix is contact at a side surface and the contact is at least 30 percent of its area, Lt; RTI ID = 0.0 >% < / RTI > 피스톤 제조 방법.A method of manufacturing a piston. 제 7 항에 있어서,8. The method of claim 7, d가 피스톤 다이 매트릭스의 바닥의 내경(단위: mm)이고, C가 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자의 함량(단위: 체적%)이고, F가 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자의 평균 면적(단위: ㎛2)이며, K가 약 0.5 내지 약 10 범위의 있는 상측 다이의 형상과 크기에 관계된 계수일 때, 아래쪽 버트 엔드와 피스톤 다이 매트릭스 기부 사이의 거리가 식 h=dK/C√F을 만족하는d is the inner diameter (unit: mm) of the bottom of the piston dies matrix, C is the content of silicon, intermetallic particles and injected cured particles (unit: vol%), F is silicon, intermetallic particles, Wherein the distance between the lower butt end and the piston die matrix base is an average area of the hardened particles (unit: 占 퐉 2 ) and K is a coefficient related to the shape and size of the upper die in the range of about 0.5 to about 10, dK / C√F 피스톤 제조 방법.A method of manufacturing a piston. 제 1 항에 있어서,The method according to claim 1, 변형이 담금질 온도와 동일한 온도에서 실행되고, 약 15㎛2보다 작은 평균 결정 입도를 갖는 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함하는 빌릿에 대한 변형 후에 담금질 냉각이 일어나는Wherein the deformation is carried out at the same temperature as the quench temperature and quench cooling occurs after deformation of the billet comprising silicon, intermetallic particles, and injected hardened particles having an average crystal grain size of less than about 15 mu m < 2 & 피스톤 제조 방법.A method of manufacturing a piston. 제 1 항에 있어서,The method according to claim 1, 빌릿이 15㎛2보다 작은 평균 결정 입도를 갖는 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함하고, 약 15%보다 작은 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함하며, 약 20중량% 내지 약 40중량% 범위로 약 20㎛2보다 큰 입도를 갖는 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함하는 합금을 포함하는 링 홀더가 제공될 수 있으며, 상기 링 홀더가 피스톤 다이 매트릭스 표면상에 억지 끼워맞춤으로 장착되는Wherein the billet comprises silicon, intermetallic particles, and injected cured particles having an average crystal grain size of less than 15 占 퐉 2 and comprising less than about 15% silicon, intermetallic particles, and injected cured particles, A ring holder comprising silicon, intermetallic particles, and an alloy comprising injected cured particles having a particle size of greater than about 20 占 퐉 2 in the range of from about 40% to about 40% by weight, said ring holder comprising a piston die matrix Mounted on the surface in an interference fit 피스톤 제조 방법.A method of manufacturing a piston. 제 1 항에 있어서,The method according to claim 1, 빌릿이 평균 결정 입도가 15㎛2보다 작고 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자의 체적이 약 25% 내지 약 60% 범위인 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함하고, 링 홀더가 평균 결정 입도가 20㎛2보다 작고 약 20% 내지 약 45% 범위에서 규소 입자, 금속간 및 분사된 경화 입자를 포함하는The billet comprises silicon, intermetallic particles, and injected cured particles having an average crystal grain size of less than 15 占 퐉 2 and silicon, intermetallic particles, and silicon, intermetallic particles and injected hardened particles having a volume in the range of about 25% to about 60% Wherein the holder has an average crystal grain size of less than 20 < RTI ID = 0.0 > 2 < / RTI > 2 and comprises silicon particles, intermetallics and injected cured particles in the range of about 20% 피스톤 제조 방법.A method of manufacturing a piston. 제 1 항에 있어서,The method according to claim 1, 빌릿이 15㎛2보다 작은 평균 결정 입도를 갖는 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자 포함하고 15%보다 작은 규소, 금속간 및 분사된 경화 입자를 포함하며, 무쇠 또는 강 중의 적어도 하나로부터 제조되는 링 홀더가 상기 피스톤에 제공되는Wherein the billet comprises silicon, intermetallic particles, and injected hardened particles having an average crystal grain size of less than 15 mu m < 2 > and less than 15% silicon, intermetallic and injected hardened particles, The ring holder being provided in the piston 피스톤 제조 방법.A method of manufacturing a piston. 제 1 항에 있어서,The method according to claim 1, 빌릿이 15㎛2보다 작은 평균 결정 입도를 갖는 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함하고 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자의 체적이 약25% 내지 약 60% 범위이며, 무쇠 또는 강을 포함하는 링 홀더가 상기 피스톤에 제공되는Wherein the billet comprises silicon, intermetallic particles, and injected cured particles having an average crystal grain size of less than 15 占 퐉 2 and wherein the volume of silicon, intermetallic particles, and injected cured particles is in the range of about 25% to about 60% A ring holder including cast iron or steel is provided on the piston 피스톤 제조 방법.A method of manufacturing a piston. 제 12 항에 있어서,13. The method of claim 12, 약 1° 내지 약 10° 사이의 각을 갖는 원뿔 형상으로 상기 링 홀더와 피스톤의 본체 빌릿의 정렬된 표면을 형성하는 단계와 약 1° 내지 약 3° 사이의 음각으로 링 견부를 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 링 홀더가 직경방향으로 약 0.1mm 내지 약 0.2mm 범위의 억지 끼워맞춤으로 상기 링 견부내에 위치하며, 상기 링 홀더의 배치가 상온에서 행해지는Forming an aligned surface of the ring holder and the body billet of the piston in a conical shape with an angle between about 1 [deg.] And about 10 [deg.], And forming a ring shoulder at an engraved angle between about 1 [ Wherein the ring holder is located within the ring shoulder in a radial direction with an interference fit in the range of about 0.1 mm to about 0.2 mm and the ring holder is placed at ambient temperature 피스톤 제조 방법.A method of manufacturing a piston. 제 12 항에 있어서,13. The method of claim 12, 상기 단조 단계가 2단계를 포함하는Wherein said forging step comprises two steps 피스톤 제조 방법.A method of manufacturing a piston. 제 12 항에 있어서,13. The method of claim 12, 상기 피스톤 다이 매트릭스내에서의 상기 링 홀더의 배치는 상기 링 홀더 외측 표면과 상기 피스톤 다이 매트릭스 내측 표면 사이에 억지 끼워맞춤을 제공하는 것을 포함하고, d가 단조 온도에서의 상기 링 홀더 외경이고 D가 단조 온도에서의 상기 피스톤 다이 매트릭스 내경일 때, 상기 억지 끼워맞춤이 식 1.0017 ≤ d/D ≤1.0035에 의해 계산되며, 상기 단조 단계가 피스톤 크라운 형성시 상기 피스톤 다이 매트릭스를 단조 방향으로 고정된 링 홀더와 함께 물리적으로 이동시키는 것을 포함하는Wherein the arrangement of the ring holders in the piston die matrix comprises providing an interference fit between the ring holder outer surface and the inner surface of the piston die matrix wherein d is the ring holder outer diameter at the forging temperature and D is Wherein said interference fit is calculated by the equation 1.0017 < d / D < / = 1.0035, and said forging step comprises, when forming a piston crown, said piston die matrix in the forging direction, And < RTI ID = 0.0 > physically < 피스톤 제조 방법.A method of manufacturing a piston. 제 12 항에 있어서,13. The method of claim 12, 링 홀더를 알루미늄 합금으로 코팅하는 단계를 더 포함하는Further comprising coating the ring holder with an aluminum alloy 피스톤 제조 방법.A method of manufacturing a piston. 제 16 항에 있어서,17. The method of claim 16, 동일한 합금으로 형성된 상기 코팅과 피스톤 케이스를 제공하는 단계를 포함하는Providing the piston casing with the coating formed of the same alloy 피스톤 제조 방법.A method of manufacturing a piston. 제 1 항에 있어서,The method according to claim 1, 빌릿이 15% 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함하는 경우 상기 방법이 피스톤을 단조하기 위해 2개의 빌릿을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 빌릿이 패스톤 내측 케이스를 제조하기 위해 사용되며, 외측 본체가 억지 끼워맞춤으로 측표면상에 장착되는Wherein the billet comprises 15% silicon, intermetallic particles, and injected cured particles, wherein the method comprises providing two billets for forging the piston, wherein the billet is used to make a pass tone inner case And the outer body is mounted on the side surface in an interference fit 피스톤 제조 방법.A method of manufacturing a piston. 제 1 항에 있어서,The method according to claim 1, 피스톤 단조는 2개의 빌릿으로부터의 단조를 포함하며, 그 중 하나의 빌릿은 피스톤 외측 케이스를 제작하기 위해 약 45체적% 내지 약 60체적% 범위의 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함하고, 다른 하나의 빌릿은 피스톤 내측 케이스를 제작하기 위해 약 25체적% 내지 약 40체적% 범위의 40% 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함하며, 단조시 상기 다이가 초소성 조건하에서의 변형을 위한 온도로 가열되는Piston forging includes forging from two billets, one of which includes silicon, intermetallic particles, and injected cured particles in the range of from about 45% by volume to about 60% by volume for making the piston outer case And the other billet comprises 40% silicon, intermetallic particles, and injected cured particles in the range of from about 25% by volume to about 40% by volume for making the piston inner case, Heated to a temperature for deformation under 피스톤 제조 방법.A method of manufacturing a piston. 제 19 항에 있어서,20. The method of claim 19, 상기 빌릿이 와셔 형상인When the billet is in a washer- 피스톤 제조 방법.A method of manufacturing a piston. 제 19 항에 있어서,20. The method of claim 19, 상기 빌릿이 컵 형상이고 외측 컵이 버트 엔드로 테이퍼지는The billet is cup-shaped and the outer cup is tapered to the butt end 피스톤 제조 방법.A method of manufacturing a piston. 제 21 항에 있어서,22. The method of claim 21, 복합 빌릿을 형성하기 위해 내측 컵을 외측 컵내로 프레스 가공하는 단계를 더 포함하는Further comprising the step of pressing the inner cup into the outer cup to form a composite billet 피스톤 제조 방법.A method of manufacturing a piston. 제 1 항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 빌릿이 파동 주기(L)를 갖는 파동 형상 돌기를 포함하고, 강 와셔가 상기 표면상에 배치되며, 와셔가 조건 L/l=4 내지 42를 만족하는 두께를 가지며, 빌릿 높이와 견부 사이의 관계가 단조 완료시 와셔가 링 홈과 동일한 수준상에 있도록 결정되는Characterized in that the billet comprises a wave-like projection with a wave period (L), a steel washer is disposed on the surface, the washer has a thickness satisfying the condition L / l = 4 to 42, The relationship is determined such that the washer is on the same level as the ring groove when the forging is completed 피스톤 제조 방법.A method of manufacturing a piston. 제 1 항에 있어서,The method according to claim 1, 빌릿이 15㎛2보다 작은 평균 결정 입도를 갖는 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함하고 상기 빌릿의 표면을 반영하는 브라켓에 접하게 피스톤 다이 매트릭스내에 위치되며, 그 결과 상기 피스톤이 고온 변형 조건하에서 단조된 후 구속 이음을 형성하게 되고, P가 기관 작동시 발생되는 활동력을 극복하기 위해 필요한 분리력이고, K가 신뢰도 계수이고, F가 작동 온도에서의 알루미늄 합금 유동 저항이며, α가 돌기와 피스톤 운동 방향 사이의 각도일 때, 브라켓 표면적(S)이 식 S=KP/SinαF에 의해 결정될 수 있는Wherein the billet is positioned in the piston die matrix in contact with a bracket containing silicon, intermetallic particles and injected hardened particles having an average crystal grain size of less than 15 [mu] m < 2 > and reflecting the surface of the billet, K is the reliability coefficient, F is the aluminum alloy flow resistance at the operating temperature, and alpha is the flow resistance of the projection and piston < RTI ID = 0.0 > When the angle between the directions of motion is such that the bracket surface area S can be determined by the equation S = KP / Sin? F 피스톤 제조 방법.A method of manufacturing a piston. 제 1 항에 있어서,The method according to claim 1, 빌릿이 평균 결정 입도가 15㎛2보다 작고 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자의 체적이 약 25% 내지 약 60% 범위인 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함하고, 상기 빌릿이 피스톤이 초소성 조건하에서 알루미늄 합금으로부터 단조된 후 구속 이음을 형성하기 위해 상기 빌릿의 표면을 반영하는 브라켓에 접하게 피스톤 다이 매트릭스내에 위치되며, P가 기관 작동시 발생되는 활동력을 극복하기 위해 필요한 분리력이고, K가 신뢰도 계수이고, F는 작동 온도에서의 알루미늄 합금 유동 응력이며, α가 돌기의 면과 피스톤 운동 방향 사이의 각도일 때, 상기 브라켓의 표면적(S)이 식 S=KP/SinαF에 의해 결정될 수 있는Wherein the billet comprises silicon, intermetallic particles, and injected cured particles having an average crystal grain size of less than 15 占 퐉 2 and having a volume of silicon, intermetallic particles, and injected hardened particles in the range of about 25% to about 60% The billet is placed in the piston die matrix in contact with the bracket that reflects the surface of the billet to form a restraint after the piston has been forged from the aluminum alloy under super plastic conditions and P is required to overcome the forces generated during engine operation K is the reliability coefficient, F is the aluminum alloy flow stress at the operating temperature, and? Is the angle between the plane of the projection and the piston motion direction, the surface area S of the bracket satisfies the equation S = KP / Sin? F Which can be determined by 피스톤 제조 방법.A method of manufacturing a piston. 제 1 항에 있어서,The method according to claim 1, 빌릿이 평균 결정 입도가 15㎛2보다 작고 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자의 체적이 약 25% 내지 약 60% 범위인 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함하고, 상기 빌릿이 피스톤 다이 매트릭스내에서 알루미늄 합금으로 침투된 다공성 세라믹 재료로부터 제조되는 브라켓에 접하게 위치되며, 세라믹 프레임의 다공성이 약 35% 내지 약 50% 범위에 있으며, 단조가 초소성 조건하에서 실행되는Wherein the billet comprises silicon, intermetallic particles, and injected cured particles having an average crystal grain size of less than 15 占 퐉 2 and having a volume of silicon, intermetallic particles, and injected hardened particles in the range of about 25% to about 60% Wherein the billet is positioned in contact with a bracket made of a porous ceramic material infiltrated with an aluminum alloy in a piston die matrix and wherein the porosity of the ceramic frame is in the range of about 35% to about 50% and the forging is carried out under super plasticity conditions 피스톤 제조 방법.A method of manufacturing a piston. 제 26 항에 있어서,27. The method of claim 26, 동일한 알루미늄 합금이 상기 세라믹 프레임과 피스톤 케이스에 대하여 사용되는The same aluminum alloy is used for the ceramic frame and the piston case 피스톤 제조 방법.A method of manufacturing a piston. 제 1 항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 피스톤이 클로우즈-엔드 단부 피스톤 다이내에서 약 10-5내지 약 10-4s-1범위의 변형 속도에서 약 0.5분 내지 약 5분의 시간동안 변형을 더 받게 되는The piston is closed-end end of the piston is less than about 10 -5 to about 10 -4 s -1 is received more a variation for a time of about 5 minutes to about 0.5 minutes at a strain rate in the range 피스톤 제조 방법.A method of manufacturing a piston. 제 1 항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 방법이 15㎛2보다 작은 평균 결정 입도를 갖는 규소, 금속간 입자, 및 분사된 경화 입자를 포함하는 빌릿을 제공하는 단계와, 경화된 층을 피스톤 표면에 형성하는 단계와, 약 0.9Tmelt내지 약 0.96Tmelt범위의 온도와 약 5×10-2내지 약 10-3s-1범위의 변형 속도에서 실행되는 고온 변형 단조 실행단계를 포함하는Forming a step, and a cured layer to provide a billet in which the method comprises silicon, intermetallic particles, and hardening the injected particles having a smaller average grain size than 15㎛ 2 to the piston surface, from about 0.9T melt To about 0.96 T melt and a strain rate ranging from about 5 x 10 < -2 > to about 10 < -3 > s < -1 & 피스톤 제조 방법.A method of manufacturing a piston.
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