JP2621132B2 - アルミニウムピストン - Google Patents
アルミニウムピストンInfo
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- JP2621132B2 JP2621132B2 JP5542485A JP5542485A JP2621132B2 JP 2621132 B2 JP2621132 B2 JP 2621132B2 JP 5542485 A JP5542485 A JP 5542485A JP 5542485 A JP5542485 A JP 5542485A JP 2621132 B2 JP2621132 B2 JP 2621132B2
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- piston
- casting
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- combustion chamber
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Classifications
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
- F02F7/00—Casings, e.g. crankcases or frames
- F02F7/0085—Materials for constructing engines or their parts
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
- F02F3/00—Pistons
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
- F02F2200/00—Manufacturing
- F02F2200/04—Forging of engine parts
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
- F05C2201/00—Metals
- F05C2201/02—Light metals
- F05C2201/021—Aluminium
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は内燃機関におけるアルミニウム合金製ピスト
ンに関するものである。
ンに関するものである。
従来、小型内燃機関用のピストンにはアルミニウム合
金製のものが多く、その製造法としては重力鋳造法が一
般的であつた。しかるに従来の重力鋳造法では鋳造製品
の肉厚部に凝固収縮による引け巣を生じたり、ピンホー
ル等の欠陥があつた。しかるに近年、エンジン出力の向
上、ターボ、スーパーチヤージヤーの取りつけによるピ
ストン温度の上昇により、従来のピストンでは亀裂等の
発生する問題が生じている。
金製のものが多く、その製造法としては重力鋳造法が一
般的であつた。しかるに従来の重力鋳造法では鋳造製品
の肉厚部に凝固収縮による引け巣を生じたり、ピンホー
ル等の欠陥があつた。しかるに近年、エンジン出力の向
上、ターボ、スーパーチヤージヤーの取りつけによるピ
ストン温度の上昇により、従来のピストンでは亀裂等の
発生する問題が生じている。
この問題を解決する一つの手段として、鍛造ピストン
の開発が進められているが、鍛造ピストンでは製造コス
トが大巾に上昇し、かつ製造工程の関係からピストンの
熱膨脹を抑えるストラツト（支材）を設けることができ
ない。また溶湯鍛造法でも微細な組織が得られるが粗材
重量を一定にすることが困難であり、燃焼室の後加工を
必要とする等の理由で大量に使用される状態には至つて
ない。その他、ダイカスト法によつても微細な組織には
なるがエアを巻き込むためピストンのような熱処理を要
するものの鋳造には不適当である。
の開発が進められているが、鍛造ピストンでは製造コス
トが大巾に上昇し、かつ製造工程の関係からピストンの
熱膨脹を抑えるストラツト（支材）を設けることができ
ない。また溶湯鍛造法でも微細な組織が得られるが粗材
重量を一定にすることが困難であり、燃焼室の後加工を
必要とする等の理由で大量に使用される状態には至つて
ない。その他、ダイカスト法によつても微細な組織には
なるがエアを巻き込むためピストンのような熱処理を要
するものの鋳造には不適当である。
本発明は上記の問題点を解決し、鍛造法によらないで
製造可能な微細なアルミ組織を有する高強度アルミニウ
ムピストンを提供しようとするものである。
製造可能な微細なアルミ組織を有する高強度アルミニウ
ムピストンを提供しようとするものである。
本発明のアルミニウムピストンは、JIS AC8A合金か
らなり、初晶のα−Alが20μｍ以下に微細化されポロシ
ティ0.2％以下であり、かつピストンヘッドの表面に粒
径５μｍ以下のチル組織が形成されて燃焼室全体が鋳肌
のままである、竪型加圧鋳造装置を用いて製造されたこ
とを特徴とするものである。
らなり、初晶のα−Alが20μｍ以下に微細化されポロシ
ティ0.2％以下であり、かつピストンヘッドの表面に粒
径５μｍ以下のチル組織が形成されて燃焼室全体が鋳肌
のままである、竪型加圧鋳造装置を用いて製造されたこ
とを特徴とするものである。
本発明ピストンに用いられるJIS AC8A合金はアルミ
ニウム−珪素系合金に属し、珪素を10ないし13％含有す
る上記合金は凝固収縮の少ないこと、溶湯の流動性の優
れていること、熱間亀裂抵抗が大きいことから、鋳造用
に適していることが特徴となつており、特にMg、Niを含
むため、引張強度やブリネル硬度等の機械的強度が高
い。Mgは熱処理によつて機械的強度を向上するために添
加される。これは熱処理によつてMg2Siが微粒として析
出するためといわれている。またFeが１％前後存在する
と型離れがよい。
ニウム−珪素系合金に属し、珪素を10ないし13％含有す
る上記合金は凝固収縮の少ないこと、溶湯の流動性の優
れていること、熱間亀裂抵抗が大きいことから、鋳造用
に適していることが特徴となつており、特にMg、Niを含
むため、引張強度やブリネル硬度等の機械的強度が高
い。Mgは熱処理によつて機械的強度を向上するために添
加される。これは熱処理によつてMg2Siが微粒として析
出するためといわれている。またFeが１％前後存在する
と型離れがよい。
上記のような珪素を13％程度含有するアルミニウム−
珪素系合金では鋳湯後の冷却により、通常は初晶として
珪素を晶出するはずであるが、本発明においては冷却速
度を高めることにより20μ以下のα−Alを初晶として晶
出せしめることにより組織の強度を高めている。このよ
うな組織の緻密化は、溶湯の凝固時に高圧を印加するこ
とによつてさらに高められる。
珪素系合金では鋳湯後の冷却により、通常は初晶として
珪素を晶出するはずであるが、本発明においては冷却速
度を高めることにより20μ以下のα−Alを初晶として晶
出せしめることにより組織の強度を高めている。このよ
うな組織の緻密化は、溶湯の凝固時に高圧を印加するこ
とによつてさらに高められる。
また、本発明においては、ピストン頂部の燃焼室に相
当する部分に熱伝導性のよい材質、例えばタングステン
合金の金型を配置して水冷却することにより、金型に接
した表面を緻密で硬いチル組織としている。そして従来
の重力鋳造法による鋳肌では表面の粒子は10μｍ以上、
内部の粒子は50μｍ程度であつたものが、本発明ピスト
ンの燃焼室を形成するピストンヘツドの表面には、深さ
0.5ないし1.0mmに亘つて粒径５μｍ以下のチル組織が形
成され、従来のように表面加工を施さなくても寸法精度
の高い燃焼室が得られることになつた。なおチル組織の
粒径や深さは溶解温度、時間、鋳込温度などによつても
影響をうけ、例えば溶解温度が780℃までは高いほどチ
ル組織は深くなるが、上記温度を越えるとかえつて浅く
なる。
当する部分に熱伝導性のよい材質、例えばタングステン
合金の金型を配置して水冷却することにより、金型に接
した表面を緻密で硬いチル組織としている。そして従来
の重力鋳造法による鋳肌では表面の粒子は10μｍ以上、
内部の粒子は50μｍ程度であつたものが、本発明ピスト
ンの燃焼室を形成するピストンヘツドの表面には、深さ
0.5ないし1.0mmに亘つて粒径５μｍ以下のチル組織が形
成され、従来のように表面加工を施さなくても寸法精度
の高い燃焼室が得られることになつた。なおチル組織の
粒径や深さは溶解温度、時間、鋳込温度などによつても
影響をうけ、例えば溶解温度が780℃までは高いほどチ
ル組織は深くなるが、上記温度を越えるとかえつて浅く
なる。
このように組織が緻密で比重が高く、かつ燃焼室全体
が鋳肌のままである本発明のアルミニウムピストンは、
溶湯を静かにかつ連続的に供給し得てガスを巻き込まな
い竪型加圧鋳造装置を使用して製造される。
が鋳肌のままである本発明のアルミニウムピストンは、
溶湯を静かにかつ連続的に供給し得てガスを巻き込まな
い竪型加圧鋳造装置を使用して製造される。
以下、本発明の実施例を図面に従つて説明する。
JIS AC8A合金を760℃にて融解し、竪型加圧鋳造装置
を用いて、150℃に予熱したピストン鋳造用金型内に500
Kg/cm2の圧力下に１ないし２秒で充填した。
を用いて、150℃に予熱したピストン鋳造用金型内に500
Kg/cm2の圧力下に１ないし２秒で充填した。
上記金型を水冷等により60℃に冷却すると20μｍ以下
のα−Alが初晶として晶出し始めるので、このとき、即
ち充填後２ないし８秒後に肉厚部に対して1500Kg/cm2の
局部加圧を印加する。
のα−Alが初晶として晶出し始めるので、このとき、即
ち充填後２ないし８秒後に肉厚部に対して1500Kg/cm2の
局部加圧を印加する。
第１図はピストンの断面図を表わし、１はピストンヘ
ツド、２は燃焼室、３は肉厚部、４はスカート、５はピ
ン孔回りを示す。凝固期間中の肉厚部３に対して矢印方
向に加圧すると、一般の重力鋳造法で生ずるエアギヤツ
プがなくなるので絶えず金型と接触し、冷却速度が早く
なり、15μｍ以下の微粒子からなる組織が形成される。
そこで既に凝固して樹枝状晶となつている部分に溶湯が
圧入されるので引け巣がなくなりポロシテイが減少す
る。以上が加圧下における凝固現象の特徴であり、本実
施例のように直径80mmのピストンで肉厚部の厚さが30mm
の場合には加圧保持時間は５秒である。
ツド、２は燃焼室、３は肉厚部、４はスカート、５はピ
ン孔回りを示す。凝固期間中の肉厚部３に対して矢印方
向に加圧すると、一般の重力鋳造法で生ずるエアギヤツ
プがなくなるので絶えず金型と接触し、冷却速度が早く
なり、15μｍ以下の微粒子からなる組織が形成される。
そこで既に凝固して樹枝状晶となつている部分に溶湯が
圧入されるので引け巣がなくなりポロシテイが減少す
る。以上が加圧下における凝固現象の特徴であり、本実
施例のように直径80mmのピストンで肉厚部の厚さが30mm
の場合には加圧保持時間は５秒である。
本発明ピストンの第二の特徴として鋳肌のままの燃焼
室２を有していることが挙げられるが、かかる燃焼室２
を形成するには、熱伝導率の高いタングステン合金を材
質とする金型を使用し、さらに水冷却等により金型温度
を70℃以下に冷却してピストンヘツド１の表面に粒径５
μｍ以下、ポロシテイ0.01％以下のチル組織６を形成せ
しめた。また本実施例ではピン孔回り５を鋳抜いてある
ので軽量化され、さらにスカート４の肉厚が従来の金型
鋳造法によるものよりも0.5mm薄くしてあるので、約15
％の軽量化となつた。このような鋳肌のままの燃焼室を
有し、かつ軽量化されたピストンを得るためには竪型加
圧鋳造装置が使用される。すなわち第２図に示す溶湯鍛
造法では注湯量の変動によつてピストンヘツド１の厚み
（ｈ）にバラツキが生じ後加工を必要とするに対し、第
３図の竪型加圧鋳造装置によればビスケツト７の高さ
（Ｌ）の調整により、厚み（ｈ）が一定となり鋳肌のま
まの燃焼室を得ることができる。
室２を有していることが挙げられるが、かかる燃焼室２
を形成するには、熱伝導率の高いタングステン合金を材
質とする金型を使用し、さらに水冷却等により金型温度
を70℃以下に冷却してピストンヘツド１の表面に粒径５
μｍ以下、ポロシテイ0.01％以下のチル組織６を形成せ
しめた。また本実施例ではピン孔回り５を鋳抜いてある
ので軽量化され、さらにスカート４の肉厚が従来の金型
鋳造法によるものよりも0.5mm薄くしてあるので、約15
％の軽量化となつた。このような鋳肌のままの燃焼室を
有し、かつ軽量化されたピストンを得るためには竪型加
圧鋳造装置が使用される。すなわち第２図に示す溶湯鍛
造法では注湯量の変動によつてピストンヘツド１の厚み
（ｈ）にバラツキが生じ後加工を必要とするに対し、第
３図の竪型加圧鋳造装置によればビスケツト７の高さ
（Ｌ）の調整により、厚み（ｈ）が一定となり鋳肌のま
まの燃焼室を得ることができる。
かくして１サイクル約１分で得られるピストンの鋳肌
は従来の重力鋳造法によつて得られる鋳肌よりも組織が
緻密であり、内部の組織も表面程ではないが従来よりも
微細となつている。そこで熱処理（T7）後切り出したテ
ストピースの引張強度は32Kg/cm2であつた。そして従来
の方法によつて得たピストンの同一部位から切り出した
テストピースについても測定し、疲労強度とともに第４
図のグラフに図示すると、いずれも約50％の増加となつ
ていることが判る。
は従来の重力鋳造法によつて得られる鋳肌よりも組織が
緻密であり、内部の組織も表面程ではないが従来よりも
微細となつている。そこで熱処理（T7）後切り出したテ
ストピースの引張強度は32Kg/cm2であつた。そして従来
の方法によつて得たピストンの同一部位から切り出した
テストピースについても測定し、疲労強度とともに第４
図のグラフに図示すると、いずれも約50％の増加となつ
ていることが判る。
次に本発明ピストンと重力鋳造法によるピストンとを
６気筒3000ccの実験用エンジンに装着し、6000r.p.mで
運転したところ従来のピストンでは60時間で亀裂を発生
したのに対し、本発明ピストンでは200時間後でも異常
がなかつた。
６気筒3000ccの実験用エンジンに装着し、6000r.p.mで
運転したところ従来のピストンでは60時間で亀裂を発生
したのに対し、本発明ピストンでは200時間後でも異常
がなかつた。
上記の如く本発明ピストンは冷却速度の調節、局部加
圧の適用によつて全体の組織が緻密となり、金型材料の
選択によつてピストンヘツドにチル組織が形成されてい
る。さらに竪型加圧鋳造装置の使用によつて溶湯の充填
が静かに連続的に行なわれるのでガスの巻き込みを防止
することができるほか、溶湯量を調節できるので、上記
チル組織の効果と相俟つて鋳肌のままで寸法精度の高い
燃焼室を得ることができ、製造コスト低減の効果が大き
い。
圧の適用によつて全体の組織が緻密となり、金型材料の
選択によつてピストンヘツドにチル組織が形成されてい
る。さらに竪型加圧鋳造装置の使用によつて溶湯の充填
が静かに連続的に行なわれるのでガスの巻き込みを防止
することができるほか、溶湯量を調節できるので、上記
チル組織の効果と相俟つて鋳肌のままで寸法精度の高い
燃焼室を得ることができ、製造コスト低減の効果が大き
い。
第１図は本発明ピストンの断面図を表わし、 第２図は溶湯鍛造法によるピストンヘツドの模式断面図
を表わし、 第３図は竪型加圧鋳造によるピストンヘツドの模式断面
図を表わし、 第４図はピストンの引張強度、疲労強度のグラフを表わ
す。 図中、 １……ピストンヘツド、２……燃焼室 ３……肉厚部、４……スカート ５……ピン孔回り、６……チル組織 ７……ビスケツト
を表わし、 第３図は竪型加圧鋳造によるピストンヘツドの模式断面
図を表わし、 第４図はピストンの引張強度、疲労強度のグラフを表わ
す。 図中、 １……ピストンヘツド、２……燃焼室 ３……肉厚部、４……スカート ５……ピン孔回り、６……チル組織 ７……ビスケツト
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 四日 淳一 豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動車株 式会社内 (56)参考文献 特開 昭59−108849（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−500187（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−215860（ＪＰ，Ａ) 軽金属，Ｖｏｌ．33〔Ｎｏ．７〕 （1983）軽金属学会Ｐ．392−398
Claims (1)
- 【請求項１】JIS AC8A合金からなり、初晶のα−Alが2
0μｍ以下に微細化されポロシティ0.2％以下であり、か
つピストンヘッドの表面に粒径５μｍ以下のチル組織が
形成されて燃焼室全体が鋳肌のままである、竪型加圧鋳
造装置を用いて製造されたことを特徴とするアルミニウ
ムピストン。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5542485A JP2621132B2 (ja) | 1985-03-19 | 1985-03-19 | アルミニウムピストン |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5542485A JP2621132B2 (ja) | 1985-03-19 | 1985-03-19 | アルミニウムピストン |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61212655A JPS61212655A (ja) | 1986-09-20 |
| JP2621132B2 true JP2621132B2 (ja) | 1997-06-18 |
Family
ID=12998194
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5542485A Expired - Lifetime JP2621132B2 (ja) | 1985-03-19 | 1985-03-19 | アルミニウムピストン |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2621132B2 (ja) |
-
1985
- 1985-03-19 JP JP5542485A patent/JP2621132B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 軽金属，Ｖｏｌ．３３〔Ｎｏ．７〕（１９８３）軽金属学会Ｐ．３９２−３９８ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61212655A (ja) | 1986-09-20 |
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