JP2004099996A

JP2004099996A - 内燃機関用の構成部品の製造方法

Info

Publication number: JP2004099996A
Application number: JP2002265059A
Authority: JP
Inventors: Makoto Suzuki; 鈴木　　誠; Masahiro Takahashi; 高橋　昌博
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】アルミニウム合金に含まれる成分の結晶粒の粗大化を抑制し、機械的性質の優れる内燃機関用の構成部品を得る。
【解決手段】２〜６％のＦｅと、１４〜２０％のＳｉと、０．２〜２％のＭｇと、０．５〜３％のＣｕと、０．０１〜０．０５％のＴｉと、残余にアルミニウムとを含むアルミニウム合金の急冷凝固粉末と、硬質材料粉末とを加熱・押し出しすることにより鍛造素材を得るステップと、得られた鍛造素材を４２５〜４５０℃で、０．５〜１時間予熱するステップと、予熱された該鍛造素材を鍛造して内燃機関用の構成部品を得るステップとを含む内燃機関用の構成部品の製造方法。
【選択図】　　　なし

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、内燃機関用の構成部品の製造方法に関する。本発明は、特には、強度及び対磨耗性等の機械的性質が向上した、内燃機関用の構成部品の製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
エンジンのピストンをはじめとする内燃機関用の構成部品用材として鋳物は経済的であり、鋳造ピストンが広く利用されている。このような用途における代表的な鋳物合金にはＪＩＳ規格ＡＣ８Ａがある。ＡＣ８Ａは、Ｓｉが１１〜１３重量％、Ｃｕが０．８〜１．３重量％、Ｍｇが０．７〜１．３重量％、Ｎｉが０．８〜１．５重量％で含まれ、残部がアルミニウムからなるアルミニウム合金鋳物である。しかし、かかるＡＣ８Ａは、耐磨耗性に劣るという問題がある。
【０００３】
近年、エンジン等の内燃機関用の構成部品開発において、強度及び耐摩耗性等の機械的性質の向上が求められている。しかし、鋳造法を利用する製造方法では、使用できる化学成分の範囲が制限されるために、所望の特性を有する材料により内燃機関用の構成部品、例えばピストン等を製造することが困難である。
【０００４】
内燃機関用の構成部品の耐摩耗性を高めようとして硬質成分であるＳｉの量を増加させると、鋳造時にＳｉ粒子が粗大に晶出するため、強度及び加工性が低下するという問題がある。一方、内燃機関用の構成部品の強度を高めようとして、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｎ等の遷移元素量を増加させると、鋳造時にこれらの元素を含んだ化合物が粗大に晶出するため、強度及び靭性が低下し、鍛造性も低下する。そのため、これらの問題を解決すべく、化学成分の制約の小さい急冷凝固粉末を利用した粉末冶金法を応用することが試みられている。
【０００５】
従来技術として、Ｓｉ及びＳｉＣを８重量％以上含み、鋳造性を低下させることなく、耐磨耗性等を向上させたピストン用アルミニウム合金が開示されている（特許文献１参照）。しかし、このようなピストン用アルミニウム合金には、ＳｉＣ粉末により加工性が低下し、また摺動時の相手材への攻撃性が大きいといった問題がある。
【０００６】
アルミニウム合金の急冷凝固粉末を固化して形成した鍛造前の鍛造素材を、金型による鍛造でピストン形状に成形する鍛造ピストンとその製造方法が開示されている（特許文献２参照）。しかし、このようなピストン及びその製造方法では、熱伝導が悪く、ピストン動作時にピストンヘッド部の温度が高くなる。その結果、燃焼室の温度が上昇し、内燃機関の出力が低下するという問題がある。さらには、鍛造前の鍛造素材の予熱条件によっては、成形不良が生じ、組織が粗大化し、所望の機械的物性が得られないといった問題がある。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−３６０３０号公報
【特許文献２】
特開２０００−３９０６７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記課題を解決すべくなされたものであって、合金に含まれる成分の結晶粒の粗大化を抑制し、機械的性質の優れる内燃機関用の構成部品を得ることができる内燃機関用の構成部品の製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、内燃機関用の構成部品の製造方法であって、２〜６重量％のＦｅと、１４〜２０重量％のＳｉと、０．２〜２重量％のＭｇと、０．５〜３重量％のＣｕと、０．０１〜０．０５重量％のＴｉと、残余にアルミニウムとを含むアルミニウム合金の急冷凝固粉末と、硬質材料粉末とを加熱・押し出しすることにより鍛造素材を得るステップと、得られた鍛造素材を４２５〜４５０℃で予熱するステップと、予熱された該鍛造素材を鍛造して内燃機関用の構成部品を得るステップとを含む。
硬質材料粉末とは、ＳｉＯ_２、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、その他のセラミックス等をいう。特には、硬質材料粉末は、立方晶β型のＳｉＣ粉末であり、鍛造素材全体の１〜５重量％となるように混合されることが好ましい。
鍛造素材とは、鍛造する前段階のアルミニウム合金と硬質材料粉末とが加熱により固化された状態をいい、鍛造素材は一塊の形態になっている。
【００１０】
本発明によれば、前記予熱時間が０．５〜１時間であることが好ましい。また、内燃機関用の構成部品が、ピストンシリンダーヘッド、シリンダースリーブ、コンロッド、またはコンプレッサー部品のスクロールであることが好ましい。
【００１１】
本発明によれば、熱伝導性、高温強度、耐摩耗性に優れ、鍛造性が良好な内燃機関用の構成部品の効率的な製造が可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を実施の形態によりさらに詳しく説明する。本発明にかかる内燃機関用の構成部品の製造方法について、図１に製造工程のフローチャートを示して説明する。ここでは、内燃機関用の構成部品の一例としてピストンを挙げて説明するが、本発明に係る内燃機関用の構成部品の製造方法により製造される部品はピストンには限定されない。
【００１３】
第１の工程では、アルミニウムの基板に対してＳｉ、Ｆｅ及びその他の成分を含有させたアルミニウム合金のインゴットを準備する（１）。第２の工程では、一種類あるいは複数の種類のインゴットを所定の温度で溶解してから霧状に散布し、急激に冷却して凝固させ、アルミニウム合金の急冷凝固粉末を製造する（２）。続く第３の工程では、第２の工程で得られたアルミニウム合金の急冷凝固粉末を硬質材料とともに加熱して押し出し、丸棒として固形化する（３）。第４の工程では、第３の工程で得られた押出し丸棒を、鍛造素材に必要な長さに切断する（４）。第５の工程では、第４の工程で得られた鍛造素材の成形性を良くするために、鍛造素材および金型の内面に離型剤を塗布する（５）。第６の工程では、離型剤を塗布した鍛造素材を所定の温度まで予熱する（６）。第７の工程では、予熱した鍛造素材を型で挟み、鍛造してピストン粗材を得る（７）。第８の工程では、得られたピストン粗材の強度を高めるために熱処理を施す（８）。第９の工程では、熱処理を施したピストン粗材に機械加工をしてピストン本体の最終形状とする（９）。さらに、第１０の工程においては、最終形状のピストン本体に表面処理を施して、製品としてのピストンを得る（１０）。
【００１４】
次に各々の工程における操作等についてさらに詳細に説明する。
第１の工程で用いるアルミニウム合金のインゴットは、２〜６重量％のＦｅと、１４〜２０重量％のＳｉと、０．２〜２重量％のＭｇと、０．５〜３重量％のＣｕと、０．０１〜０．０５重量％のＴｉとを含む。
【００１５】
Ｆｅは鍛造ピストンの耐熱性、高温強度を向上させると共に弾性係数を向上させ、熱膨張係数を低下させるために加える元素である。Ｆｅの有効添加量は、インゴット全体の重量に対し、２〜６重量％であり、より好ましくは４〜５重量％である。Ｆｅの添加量が２重量％以下では十分な高温強度が得られず、添加量が６重量％を超えると、合金の延性及び靭性が低下する。
【００１６】
Ｓｉは、鍛造ピストンの耐摩耗性、弾性係数を向上し、熱膨張係数を低下させ、密度を低下させるために加える元素である。Ｓｉの有効添加量は、インゴット全体の重量に対し、好ましくは１４〜２０重量％であり、より好ましくは１６〜１８重量％である。１４重量％以下ではＳｉを添加することによる効果が小さく、２０重量％を超えると合金が脆くなる。
【００１７】
Ｍｇは、アルミニウム合金のマトリックスに固溶されて、鍛造ピストンの常温及び高温における強度を向上させる。Ｍｇの有効添加量は、インゴット全体の重量に対し、好ましくは０．２〜２重量％であり、より好ましくは０．８〜２重量％、さらに好ましくは０．８〜１．５重量％である。Ｍｇの添加量が０．２重量％未満では効果が不足し、２重量％を超えると室温における合金の靭性が低下する。
【００１８】
Ｃｕは、鍛造ピストンの中高温における強度を向上させるために加える元素である。特には、１５０℃前後の高温における強度向上に有効である。Ｃｕの有効添加量は、インゴット全体の重量に対し、好ましくは０．５〜３重量％であり、より好ましくは１〜２重量％である。Ｃｕの添加量が０．５重量％以下ではその効果が小さく、３重量％を超えると合金の延性及び靭性が低下する。
【００１９】
Ｔｉは、鍛造ピストンの高温における強度を向上させるために加える元素であって、微量の添加でその効果が期待できる。Ｔｉの有効添加量は、インゴット全体の重量に対し、０．０１〜０．０５重量％である。Ｔｉの添加量が０．０１％以下ではその効果が小さく、０．０５重量％を超えると合金の熱伝導率を著しく低下させる。Ｔｉを添加した場合には粉末作製時の溶融温度を高くする必要があるが、Ｔｉの含有量が０．０５重量％以下であれば、８３０℃〜８９０℃の温度でアトマイズすることができ、耐火物の低コスト化、寿命延長が可能となるという利点もある。
【００２０】
第２の工程では、急冷凝固粉末法により、アルミニウム合金を粉末にする。このとき、インゴッドを８３０〜８９０℃で溶解し、空気中に噴霧することにより、冷却速度を１００℃／ｓ以上で急冷して、急冷凝固粉末を得る。
【００２１】
第２の工程で得られたアルミニウム合金の急冷凝固粉末を、加熱・押し出しすることにより丸棒として固形化する第３の工程では、アルミニウム合金の急冷凝固粉末とともに硬質材料を添加する。アルミニウム合金の強度を増すためである。硬質材料としては、ＳｉＯ_２、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、その他のセラミックス等を用いることができるが、中でも強度の点からＳｉＣを用いることが好ましい。また、ＳｉＣの中でも相手材を磨耗させにくい立方晶系のβ型ＳｉＣを用いることが好ましい。特には、粒径が２〜１０μｍのものを用いることが好ましい。このような硬質材料は、鍛造素材全体の重量に対し、１〜５重量％で添加することが好ましい。
【００２２】
アルミニウム合金の急冷凝固粉末は２９７μｍ以下に分級し、アルミニウム缶等に充填する。硬質材料も同様にアルミニウム缶等に充填し、これらに対し、３８０〜４９５℃で真空脱ガスを行う。これは、粉末状のアルミニウム合金及び硬質材料を溶融するに先立って、これらの間隙に存在する空気等のガスを除き、合金にガスが混入するのを防止するためである。
【００２３】
次いでアルミニウム缶を密封して押出用ビレットとし、好ましくは３５０〜４５０℃、さらに好ましくは３８０℃〜４００℃で、押出比を好ましくは１５〜３０、さらに好ましくは２０として熱間押出を行う。３００℃以下では、温度が低すぎて、押出しが困難であり、５００℃では、温度が高すぎて、組織が粗大化し、製品の機械的物性に問題が生じる。このようにして得られた塊状の合金を鍛造素材という。粉末状のアルミニウム合金及び硬質材料を、加熱・押し出しして鍛造素材を得る方法により、優れた機械的特性を有する合金を製造することができる。
【００２４】
第４の工程では、第３の工程で固形化された丸棒をピストンの鍛造に必要な長さに切断する。
【００２５】
第５の工程では、丸棒が切断されて得られた鍛造素材および金型の内面に離型剤を塗布する。これは、型で挟んで鍛造する第７の工程において、成形性をよくするためである。離型剤としては、グラファイト系潤滑剤等を使用することができる。
【００２６】
鍛造前の鍛造素材を予熱する第６の工程では、鍛造素材を４２５〜４５０℃で、０．５〜１時間にわたって予熱する。予熱温度が４５０℃より高いと高温での硬さ低下が生じ機械的物性に悪影響を及ぼす一方、予熱時間が０．５ｈ以下では鍛造素材の予熱が不十分となって鍛造時の成形不良が多発し、１．０ｈ以上では成形サイクルが長くなり生産性が悪くなるからである。本発明は、粉末冶金法を用いて鍛造ピストンを製造する場合、鍛造前の鍛造素材の予熱条件により鍛造ピストンの物性値が大きく影響されることを考慮し、温度が高すぎたり時間が長すぎたりすると、急冷凝固粉末を用いる利点である硬さ、強度等の機械的物性値が低下することを発見し、なされたものである。
【００２７】
第７の工程では、上下一対の型で、予熱した鍛造素材をはさみ、鍛造してピストン粗材を得る。本実施の形態では、ピストンを得るための型を用い、図１の（７）に概形を示すような形状に鍛造するが、所望の形状の型を用いることにより、所望の内燃機関用の構成部品を得ることができる。
【００２８】
第８の工程では、ピストン粗材を熱処理する。これは、ピストン粗材の強度を高めるためであり、溶体化処理後、時効硬化処理といった熱処理を実施する。第９の工程では、熱処理したピストン粗材に機械加工を施し、最終形状のピストンを形成する。第１０の工程では、機械加工を施したピストン粗材に、さらに表面処理を行うことで、完成品である鍛造ピストンを得る。
【００２９】
本実施の形態においては、鍛造ピストンの製造方法について記載したが、本発明の方法は、ピストンのみならず、内燃機関用の構成部品であるシリンダーヘッド、シリンダースリーブ、コンロッド、またはコンプレッサー部品のスクロール等の製造においても使用することができる。その場合、それぞれの部品に適した型を用いて第７の工程を行うことで、実施することができる。
【００３０】
【実施例】
以下に実施例を参考例とともに挙げて、本発明をさらに詳細に説明する。以下の実施例は、本発明を限定するものではない。
【００３１】
［実施例・参考例１］
鍛造前のピストンを予熱する工程において、予熱時間、予熱温度を変化させた本発明の実施例と参考例を示す。
図１に示すピストン製造方法の第１の工程から第９の工程に従って、鍛造ピストンを製造した。第１の工程において、アルミニウム合金のインゴットとしては、アルミニウムの他、２〜６％のＦｅと、１４〜２０％のＳｉと、０．２〜２％のＭｇと、０．５〜３％のＣｕと、０．０１〜０．０５％のＴｉとを含むものを用いた。第２の工程において、このアルミニウム合金のインゴットを８３０〜８９０℃で溶解して霧状に散布し１００℃／ｓ以上で急激に冷して凝固させ、急冷凝固粉末を調製した。
【００３２】
上記の条件で得られた急冷凝固粉末を用いて、第２の工程から第５の工程に従って、実施の形態で説明した方法により、鍛造素材を製造した。その後、予熱温度が４３０℃、４５０℃、４７０℃、予熱時間が、０．５ｈ、１．０ｈ、２．０ｈ、３．０ｈ、４．０ｈとなるような条件で鍛造素材を予熱した。さらに、図１に示す第７の工程から第９の工程に従って、予熱した鍛造素材を鍛造し、ピストン粗材を成形した。
【００３３】
第８の工程である熱処理工程では、４９０℃で４ｈにわたって溶体化した後、温水焼入れを行い、２１０℃で４ｈにわたって時効硬化を行う条件で熱処理を実施した。それぞれの条件で予熱後、熱処理を行い、得られたピストン粗材を３００℃×１００ｈ保持し、その後の硬さ（ＨＲＢ）を測定した。
【００３４】
以下の表１に、実施例と参考例の各々につき、押出しのままの切断ビレットの硬さ、それぞれの予熱条件での予熱後の硬さ、それぞれの予熱条件での熱処理後の硬さ、そして熱処理後、更に３００℃×１００ｈ保持後の硬さを測定し比較した結果を示す。
【００３５】
【表１】

【００３６】
ここで、「基準との比較」とは、切断ビレットを予熱せずに熱処理を実施し、３００℃×１００ｈ保持した後の硬さを基準に、予熱条件による硬さへの影響を調べた結果である。基準値以上の硬さを「硬」、基準値を下回る硬さを「軟」とした。
【００３７】
表１の硬さの評価結果から、鍛造前の予熱条件によって、高温での機械的特性に影響があることがわかった。鍛造前の鍛造素材の予熱温度が４３０℃の場合、３００℃×１００ｈ保持後の硬さは、保持時間０．５〜４．０ｈで、基準硬さ値に対し、硬さ低下は認められなかった。鍛造前の鍛造素材の予熱温度が４５０℃の場合、３００℃×１００ｈ保持後の硬さは、保持時間が２．０〜４．０ｈで、基準硬さ値に対し硬さ低下が認められる。鍛造前の鍛造素材の予熱温度が４７０℃の場合、３００℃×１００ｈ保持後の硬さは、保持時間０．５〜４．０ｈで基準硬さ値に対し硬さ低下が認められた。
【００３８】
従って、鍛造成形性を良くするために鍛造前に鍛造素材を予熱するが、高温での機械的特性を低下させず、作業性を考慮した場合、鍛造素材の最適な予熱条件は予熱温度が４３０〜４５０℃で、予熱時間が０．５〜１．０ｈであった。
【００３９】
［実施例・参考例２］
実施例・参考例２では、Ｔｉの添加量と耐熱性、熱伝導性について検討した。表２の成分組成を有するアルミニウム合金を配合、溶解し、８３０〜８９０℃のアトマイズ温度で、エアアトマイズ法により急冷凝固粉末を作製し、２９７μｍ以下に分級した。この粉末をアルミニウム缶に充填し、３８０〜４９５℃で真空脱ガスを行った。次いでアルミニウム缶を密封して押出用ビレットとし、３８０℃〜４００℃で押出比２０として熱間押出を行い、直径２０ｍｍの丸棒を押出した。得られた丸棒材を、４９０℃で４時間加熱し、水冷し、２１０℃で４時間加熱し、空冷する条件で熱処理した後、以下の方法に従って、耐熱性、熱伝導率を測定し評価した。
【００４０】
Ｔｉと耐熱性の関係熱処理後の丸棒材から引張試験片を採取し、２００℃で引張試験における耐力を測定し評価した。また、Ｔｉと熱伝導率の関係熱処理後の丸棒材から熱伝導率を測定し評価した。
【００４１】
【表２】

【００４２】
表２の評価結果から次のことが認められる。実施例２−１〜２−５、参考例２−２〜２−５ではＴｉの添加効果が認められ、２００℃の耐力が、参考例２−１（Ｔｉ無添加）の場合に比べ約２０％向上した。参考例２−１、実施例２−１〜２−５（Ｔｉ添加量：０．００ｗｔ％〜０．０５ｗｔ％）は同程度の熱伝導率を示したが、Ｔｉ添加量が０．０５ｗｔ％を越すと熱伝導率が急激に低下した。耐熱性、熱伝導率の評価試験結果及び粉末作製時のアトマイズ温度を考慮すると、Ｔｉの最適添加量は０．０１ｗｔ％〜０．０５ｗｔ％であった。
【００４３】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関用の構成部品の製造方法により、アルミニウム合金に耐熱性、耐磨耗性当を付与するＳｉ、Ｆｅ等の含有量を増やすことが可能となる。特には、本発明の方法によれば、鍛造後のピストン粗材における初晶Ｓｉの粒径を１０μｍ以下とすることが可能となり、機械的性質の優れた内燃機関用の構成部品を得ることができる。また、鍛造前の鍛造素材の予熱条件の最適化を図ることにより、高温での熱変形が少なく、熱伝導が良く、高温強度の高く、耐摩耗性の良い内燃機関用の構成部品が得られる。
従って、本発明に係る内燃機関用の構成部品の製造方法を実施することで、十分に高温に耐え、摩耗劣化や溶損等を起こすことなく、薄肉軽量が図られたピストン等の内燃機関用の構成部品を製造することができ、これによりエンジン出力向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる内燃機関用の構成部品の製造工程を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１　インゴット準備工程
２　溶解・急冷凝固工程
３　加熱・押し出し工程
４　切断工程
５　離型剤塗布工程
６　予熱工程
７　鍛造工程
８　熱処理工程
９　機械加工工程
１０　表面処理工程

Claims

２〜６重量％のＦｅと、１４〜２０重量％のＳｉと、０．２〜２重量％のＭｇと、０．５〜３重量％のＣｕと、０．０１〜０．０５重量％のＴｉと、残余にアルミニウムとを含むアルミニウム合金の急冷凝固粉末と、硬質材料粉末とを加熱・押し出しすることにより鍛造素材を得るステップと、
得られた鍛造素材を４２５〜４５０℃で予熱するステップと、
予熱された該鍛造素材を鍛造して内燃機関用の構成部品を得るステップと
を含む内燃機関用の構成部品の製造方法。
前記予熱時間が０．５〜１時間である請求項１に記載の内燃機関用の構成部品の製造方法。
前記硬質材料粉末が、立方晶β型のＳｉＣ粉末であり、鍛造素材全体の１〜５重量％となるように混合される請求項１又は２に記載の内燃機関用の構成部品の製造方法。
前記内燃機関用の構成部品が、ピストンシリンダーヘッド、シリンダースリーブ、コンロッド、またはコンプレッサー部品のスクロールである請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関用の構成部品の製造方法。