CN1287080C - 用于内燃发动机的锻造活塞及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种由包含质量比为6-25%的硅的铝合金制成的用于内燃发动机的锻造活塞包括一油环槽部分(12)和一裙部(13)。包含在该油环槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)与包含在该裙部的前端部分(18)中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)之比(A/B)至少为1.5。该平均尺寸(A)至少为4μm。由于使平均尺寸(B)较小以及平均尺寸(A)较大的构形，该裙部具有优良的可锻性，而该油环槽部分具有可靠的可机械加工性和改善的耐磨损性。

Description

用于内燃发动机的锻造活塞及其制造方法

相关申请的交叉参考

本发明根据35U.S.C.§119(e)(1)要求于2001年7月30日提交的临时申请No.60/308110的申请日权益。

技术领域

本发明涉及一种由铝硅合金制成的用于内燃发动机的锻造活塞，并涉及一种用于制造该活塞的方法。

背景技术

通常，通过金属(永久)型铸造(permanent mold casting)生产用于内燃发动机的活塞。首先，将熔融铝合金浇注进一铸模中以从而将该铝模制成一活塞预制件。然后，对该形成的预制件进行所需的热处理，例如，人工时效(intentional aging)处理，并然后进行所需的机加工以从而生产出一成品。

近来，在一些情况下，通过锻造生产内燃发动机用活塞。对熔融铝-硅合金进行连续铸造，以从而形成一挤出用坯件；对该坯件进行热处理(均匀化处理)以获得由于在固化期间溶质元素的偏析或收缩而产生的内应力的均匀分布；并通过挤出使该形成的坯件形成为一小直径圆棒。可选地，对熔融铝-硅合金进行连续铸造，以从而形成一小直径连铸棒；对该形成的铸棒进行均匀化处理；并对该棒进行切削加工以形成小直径圆棒。将如此形成的小直径圆棒切制成用作锻造材料的待加工件。将该锻造材料进行预加热，然后使用一热锻机锻造成一活塞预制件。然后，对该预制件进行热处理，例如，人工时效处理，并然后进行机加工以从而生产出一成品(即，一活塞)。根据活塞的使用，为了提高耐磨损性和耐热性，该活塞的头部或者在上气环和头部之间的活塞侧壁部分可以经受防蚀钝化铝/氧化铝层处理或者涂层形成处理。

近来，日益要求提高用于例如汽车中的内燃发动机的燃料经济性。为了满足该要求，已尝试减小汽车车体的重量，并开发了轻质发动机。例如，用铝生产用于发动机的活塞，并开发了薄壁活塞。

同时，日益要求满足高性能发动机的要求的高质量的活塞。

当通过一传统的金属(永久)型铸造法生产一活塞时，由于该铸造方法上的技术局限性，难以减少裙部厚度。因此，一般地，对该铸造活塞进行切削加工以从而减小该裙部的厚度。当通过铸造生产一活塞时，该活塞的金相结构由于在铸造期间的低固化速率而变得较粗，因此所获得的活塞具有良好的可机械加工性。然而，由于通过铸造形成的活塞间的厚度和尺寸变化较大，所以难以控制最终产品的尺寸精度。此外，在通过铸造形成的活塞中可能会出现如孔洞、微缩孔的内部缺陷，从而降低其强度。因此为了提高活塞强度，该活塞的整个壁被加厚，并且其加强肋的厚度增加，从而使得通过铸造形成的活塞不适于在高性能发动机中使用。而且，由于活塞壁的加厚造成活塞间的性能变化变大。由上可知，生产具有可靠性能的发动机需要进一步改进活塞。

同时，当通过锻造由一锻造材料生产一活塞时，由于该锻造材料基本上不包含内部缺陷，并且该锻造材料具有可靠的机械特性，所以构成该活塞的段/部分的厚度变得均匀。因此可以通过锻造生产具有可靠质量的活塞。但是，尽管该锻造材料适于锻造一薄的、长的部分，例如一裙部，由于该锻造材料具有较细的金相结构，该材料的可机械加工性不够令人满意。例如因为在机加工期间产生连续形式的碎屑而不是断片，碎屑的可管理性(manageability)受到损害，导致较低的生产率。此外，经机加工后的一最终活塞产品的油环槽部分的表面粗糙度也不令人满意。当应用连续铸造时，为了防止由于在铸造时铸锭中所产生的固化收缩应力而出现裂缝，对待生产的合金的组份施加限制。因此不可能容易地生产用作一可以提供一种用作具有较高强度、较高耐磨损性和在高温下比所需的强度高的强度的活塞的锻造材料的、具有希望的组份的合金。

由上可知，本发明已开发、并且其目的在于，提供一种用于内燃发动机的锻造活塞，该活塞包括：一具有改善的可机械加工性(例如在表面粗糙度和平面度方面具有可靠的尺寸精度的油环槽)，一具有优良的机械特性(例如，构成该头部的头部表面和一活塞销部分在高温下具有优良的机械强度特性)的头部，一具有优良的可锻性的裙部，和一具有可靠的耐磨损性的油环槽部分。

发明内容

本发明提供了一种由包含质量比为6-25％的硅的铝合金制成的用于内燃发动机的锻造活塞，该活塞包括一油环槽部分和一裙部，其中包含在该油环槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)与包含在该裙部的前端部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)之比(A/B)至少为1.5，并且该平均尺寸(A)至少为4μm。

该锻造活塞包括一种其中包含在油环槽部分中的原生硅晶体晶粒的平均尺寸(C)与包含在裙部的前端部分中的原生硅晶体晶粒的平均尺寸(D)之比(C/D)至少为1.3、并且该平均尺寸(C)至少为15μm的锻造活塞。

在每种锻造活塞中，铝合金包含质量比为0.3-7％的Cu和质量比为0.1-2％的Mg。

任何一种铝合金可包含质量比为0.1-2.5％的Ni。

本发明还提供了一种制造用于内燃发动机的锻造活塞的方法，包括下述步骤：

对包含质量比为6-25％的硅的熔融铝合金进行单向固化铸造以由此生产一用作具有彼此相对的第一表面和第二表面的锻造材料的铸锭，其中包含在第一表面中的硅晶粒的平均尺寸不同于包括在第二表面中的硅晶粒的平均尺寸；

对该锻造材料进行预加热；

将该锻造材料置于一锻模中，使得包含较大平均尺寸的硅晶粒的表面面对该模的对应于活塞头部的表面，以由此将该锻造材料锻造成一活塞预制件；

对该活塞预制件进行人工时效处理；和

对该形成的活塞预制件进行机加工，以由此制造一用于内燃发动机的锻造活塞。

在该制造方法中，单向固化铸造包括为获得至少为1.5的包含在铸锭的上部中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)与包含在该铸锭的靠近一冷却板的部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)之比(A/B)及至少为4.0μm的平均尺寸(A)而进行的冷却。

在该制造方法中，单向固化铸造包括：为获得为0.85或更小的、在从固化模的顶部向下5mm并且从固化模具的侧壁向里5mm的点e所测量的冷却速率(E)与在从固化模具的底部向上1mm并且从固化模具的侧壁向里5mm的点f测量的冷却速率(F)之比(E/F)而进行的冷却，其中冷却速率(E)至少为0.5℃/秒。

在任一种制造方法中，以一处在350℃至从铝合金的固相线温度(℃)减去10℃所得的差值之间的范围内的温度进行预加热。

如上所述，根据本发明，可以生产一种包括一油环槽部分和一裙部的用于内燃发动机的锻造活塞，其中包含在裙部的前端部分中的共晶和原生硅晶粒的平均尺寸较小，并且包含在油环槽部分中的共晶和原生硅晶粒的平均尺寸较大。由于该构形，该裙部具有和由一小直径的连铸棒形成的活塞的裙部相同的优良的可锻性，并因此可以减小该裙部的厚度。此外，油环槽部分在铣削期间具有和通过铸造形成的活塞的油环槽部分相同的优良的碎屑可管理性，并且该油环槽具有较小的表面粗糙度并具有优良的耐磨损性。

附图说明

图1(a)是一示意性地示出根据本发明的用于内燃发动机的锻造活塞的一实施例的垂直剖视图，它包括一裙部的剖面图；

图1(b)是一示意性地示出图1(a)的锻造活塞的垂直剖视图，它包括一活塞销孔的剖面图；

图2是一用于单向固化铸造的铸造设备的一示例的示意图；

图3是一示出设置在一单向固化设备的模具中的点的说明性视图，其中在这些点测量冷却速率；

图4(a)是一用于铣削测试的Compax铣刀的侧视图；

图4(b)是图4(a)中刀具的俯视图；

图4(c)是图4(a)中刀具的前视图；

图5是一示出在制造本发明的锻造活塞时所应用的一锻造设备的示意性视图。

具体实施方式

下面说明根据本发明的内燃发动机用锻造活塞的一实施例。

本发明的内燃发动机用锻造活塞包括一具有气门凹坑的头部表面、一大厚度的裙部，一加强肋，一油环槽部分和一活塞销孔。

图1示出本发明的用于内燃发动机的锻造活塞的一实施例的剖视图。图1(a)是该锻造活塞的垂直剖视图，它包括一裙部13的剖面图。图1(b)是该锻造活塞的垂直剖视图，它包括一其中插入了用于将该活塞连接至一连杆的活塞销的活塞销孔14的剖面图。该活塞的上表面是一具有气门凹坑的头部表面11。油环槽12作为与活塞环配合的槽。该油环槽必须沿与该活塞的周壁垂直的方向，即，沿与竖直方向垂直的方向设置。该裙部13用作一用于使活塞保持在缸体衬套中的位置的导向件，并需要具有高强度和高耐磨损性。为了减少活塞的重量，要求该裙部具有一减小的厚度。一活塞预制件(即一锻造产品)的轮廓用一标记为15的双点划线绘出。一经过机加工的活塞最终产品的轮廓用一标记为16的实线绘出。标记17表示一加强肋，标记18表示该裙部13的前端部。从该活塞的底部开始测量的该裙部的前端部的高度为该活塞的总体高度的40％。因为在锻造时在该前端部出现相当大的塑性流动，要求该前端部具有优良的可锻性。

本发明的内燃发动机用锻造活塞由一种包含质量比为6-25％的硅的铝合金制成。该锻造活塞的特点在于包含在油环槽部分12中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)与包含在该裙部13的前端部分18中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)之比(A/B)至少为1.5(优选地为至少1.6)，并且该平均尺寸(A)至少为4μm，优选地为至少4.5μm。

在平均尺寸(A)小于4μm的情况下，当油环槽部分经受铣削时，铣刀和一铣床的夹盘往往会与细长形的碎屑缠在一起。而缠在一起的碎屑会刮划待铣削的活塞的表面。此外，碎屑堆积而在该铣床的底部形成一细丝状物堆直到该碎屑覆盖了整个夹盘，以使得该铣床不能再工作，从而导致较低的生产率。使用缠有碎屑的铣床铣削的锻造活塞具有较大的表面粗糙度，这意味着该锻造活塞的质量不能令人满意。

由于油环槽部分12沿该活塞的整个周向是连续的，所产生的细长形碎屑需要自身断裂。从而，需要良好的碎屑可管理性。

在本发明的内燃发动机用锻造活塞中，包含在油环槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸至少为4μm。因此，当对该油环槽部分进行机加工时，所产生的碎屑会由于硅晶体而容易地断裂成小的碎屑。因此，可以防止碎屑缠在铣刀或夹盘里。此外，由于可以防止在铣床中的细丝状碎屑的堆积，所以大大地提高了该碎屑的可管理性。而且，由于可以防止碎屑缠绕在铣刀中或正在铣削的产品中，因此铣削成的产品具有一稳定的表面粗糙度。

因为包含在油环槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)至少为4μm，该油环槽部分具有优良的耐磨损性。由于在发动机运行时该油环槽的上和下表面与一活塞环摩擦，因此该油环槽部分必须具有高耐磨损性。活塞头部表面(即，一暴露于该发动机的燃烧室的表面)由在燃料燃烧期间所产生的高温燃烧气体加热，并且在该活塞头部附近的温度升高。与裙部相比，设置在该活塞头部附近并与一发动机气缸体内壁接触的油环槽部分在更为苛刻的条件下工作。因此，该油环槽部分必须具有优良的耐磨损性。当该平均尺寸(A)小于4μm时，该部分的耐磨损性变得不足。

在本发明的用于内燃发动机的锻造活塞中，包含在油环槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸至少为4μm。因此，该油环槽部分具有足够的耐磨损性，而不用对该油环槽的附近进行在一高性能发动机中所进行的用于提高耐磨损性的任何处理，例如硬氧化铝层(hard-alumite)处理或者使用一耐磨损涂层剂的涂层处理。因此，在本发明中，由于不需要这种高成本的处理，可降低每个活塞的成本，从而可以提供一便宜的发动机。

包含在油环槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)与包含在该裙部的前端部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)之比(A/B)优选地为至少1.5，更优选地为至少1.6。换句话说，平均尺寸(B)小于平均尺寸(A)，并且平均尺寸(B)是平均尺寸(A)的0.67倍或更小，原因如下所述。

裙部13沿该活塞的整个周边不是连续的，并且由活塞销部分分成段。因此，当在机加工过程中沿圆周方向对该裙部进行铣削时，对裙部的铣削变得不连续，并因此可以防止碎屑缠绕在铣刀中。因此，只要包含在该裙部的前端部分18中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)是平均尺寸(A)的0.67倍或更小，就可以获得在机加工时的满意的碎屑可管理性。

相反，当平均尺寸(B)超过平均尺寸(A)的0.67倍，虽然保持油环槽的耐磨损性，在热锻造期间可能就不能够获得的优良的裙部的塑性流动。例如，可能会出现以下问题：尽管保持了该裙部的优良的塑性可加工性，但是该油环槽部分的耐磨损性受到损害；或者，尽管该油环槽部分具有优良的耐磨损性，但是该裙部的塑性可加工性受到损害。结果，变得难以提供包括具有优良的耐磨损性的油环槽部分和具有优良的可塑性加工性的裙部的活塞。

然而，在本发明的用于内燃发动机的锻造活塞中，包含在该裙部的前端部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)是包含在油环槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)的0.67倍或更小。因此，即使是当该裙部的厚度减小时，在放置于一锻造模具中的该裙部的前端部中也不会产生裂缝，并且在该锻造模具中的该前端部的塑性流动性也不会受到损害。因此，由于可以减小该裙部的厚度，所以可以容易地减小该活塞的重量。因为厚度减小的裙部可以通过锻造形成并且因为机加工所需加工余量可以减小，所以可以提高基于(一定)材料的活塞的生产率和产量。

在由一种优选地包含质量比为6-25％的硅的铝合金制成的本发明的用于内燃发动机的锻造活塞中，包含在油环槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)与包含在该裙部的前端部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)之比(A/B)至少为1.5，并且该平均尺寸(A)至少为4μm，包含在油环槽部分中的原生硅晶体晶粒的平均尺寸(C)与包含在该裙部的前端部分中的原生硅晶体晶粒的平均尺寸(D)之比(C/D)至少为1.3，并且平均尺寸(C)至少为15μm。

将比率(A/B)设置为至少为1.5并且平均尺寸(A)设置为至少为4μm的原因如上所述。

在一些情况下，包含质量比为6-25％的硅的铝合金根据该合金的冷却速率具有一其中原生硅晶体晶粒分散于共晶硅结构中的金相结构。

在该情况下，包含在油环槽部分中的原生硅晶体晶粒的平均尺寸(C)优选地至少为15μm，更优选地至少为17μm。这可以进一步提高油环槽部分的可机械加工性和耐磨损性。然而，当该平均尺寸(C)小于15μm时，就不能充分地获得该原生硅晶体晶粒的效果。

在本发明的内燃发动机用锻造活塞中，包含在油环槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)至少为4μm，并且包含在该部分中的原生硅晶体晶粒的平均尺寸(C)至少为15μm。因此，当该油环槽部分经受机加工时，所产生的碎屑会由于硅晶体而容易地断裂成小的碎屑。因此，可以防止碎屑缠绕在铣刀或夹盘中。此外，由于可以防止在铣床中的细丝状碎屑的堆积，所以大大地提高了该碎屑的可管理性。而且，由于可以防止碎屑缠绕在铣刀中或正在铣削的产品中，因此铣削成的产品具有一可靠的表面粗糙度。因为包含在油环槽部分中的原生硅晶体晶粒的平均尺寸(C)至少为15μm，该油环槽部分具有改善的耐磨损性。

包含在油环槽部分中的原生硅晶体晶粒的平均尺寸(C)与包含在该裙部的前端部分中的原生硅晶体晶粒的平均尺寸(D)之比(C/D)优选地至少为1.3，更优选地至少为1.4，原因如下所述。当比率(C/D)至少为1.3时，可以进一步地提高该油环槽部分的耐磨损性和可机械加工性，并且可以保持该裙部的前端部分的塑性流动性。相反，当该比率(C/D)小于1.3时，该油环槽部分的耐磨损性和可机械加工性受到损害，或者该裙部的前端部分的塑性流动性受到损害。

优选地，用于形成该活塞的铝合金还包含质量比为0.3-7％(更优选地质量比为0.4-6.5％)的Cu和含质量比为0.1-2％(更优选地质量比为0.15-1.8％)的Mg。加入这些合金元素增强了活塞的硬度，以及活塞的包括拉伸强度、0.2％屈服强度和抗疲劳强度的机械强度特性。此外，因为可以生产这种薄壁结构的活塞，可以减小该活塞的重量。当合金元素的量降到下限值以下时，则不能获得这些元素的效果。相反，当合金元素的量超过上限值时，不能够再获得与附加的元素量相当的效果，而材料成本增加，并且活塞的可锻性受到损害。

优选地，用于形成该活塞的铝合金还包含质量比为0.1-2.5％(更优选地质量比为0.2-2.0％)的Ni，原因如下所述。加入Ni可增强活塞在高温下的强度并提高设置在该活塞头部附近、并在苛刻的发动机操作条件下与一发动机缸体内壁接触的油环槽部分的耐用性。当Ni的量降到下限值以下时，则不能获得Ni的效果，而当Ni的量超过上限值时，不能够再获得与附加的Ni的量相当的效果。此外，当Ni的量增加时，因为Ni是一种昂贵的元素，生产成本增加。

下面说明一种本发明的用于锻造活塞的制造方法的一实施例。

本发明的制造方法包括以下步骤：对包含质量比为6-25％的硅的熔融铝合金进行单向固化铸造以从而生产一用作具有彼此相对的第一表面和第二表面的锻造材料的铸锭，其中包含在第一表面中的硅晶粒的平均尺寸不同于包括在第二表面中的硅晶粒的平均尺寸；将该锻造材料置于一锻模中，使得包含较大平均尺寸的硅晶粒的表面面对该模的对应于活塞头部的表面，以由此将该锻造材料锻造成一活塞预制件；对该活塞预制件进行人工时效处理；并对该形成的活塞预制件进行机加工。

通过本发明的该方法制造的活塞具有上述特征。

下面将详细说明该制造方法。

锻造材料是通过单向固化铸造一种用作原材料的铝合金而获得。该制造方法应用了例如在JP-A HEI 9-174198中所公开的并在图2中示出的铸造设备。

在图2中，标号201表示一冷却板。在该冷却板201上设置了一个主模具202。在该主模具202上设置了一个用于接纳由例如一熔炉(未示出)供给的熔融铝合金207的容器203。如图2所示，容器203的底部用作模具202的顶部。该容器203通过一个熔融金属入口204与主模具202连通。一阻塞件205设置在该入口204上。通过借助一用于垂直移动该阻塞件的设备(未示出)提升该阻塞件而将熔融合金注入该模具，注入的熔融合金的高度/液面向上移动。在完成熔融合金的注入后，或者在经过一预定的时间段后，将该阻塞件向下移动以从而停止熔融合金的注入。参考标号208表示一盖子，而标记209表示一用于使熔融合金保持在一预定温度下的电炉。通过由一设置在冷却板下面的喷嘴210向其上喷水等而冷却该冷却板201。标号211和212分别表示一壳室和一排水出口。

注入到模具中的熔融铝合金通过冷却板冷却并朝向该模具的顶部单向固化。结果，获得一铸锭206。该铸锭206的金相结构受冷却速率的影响。冷却速率越高，则共晶硅晶粒和原生硅晶体晶粒的尺寸越小(这些晶粒可总称为“硅晶粒”)。冷却速率越低，则这些硅晶粒的尺寸越大。当应用上述铸造设备时，靠近该冷却板的一部分获得最高的冷却速率，而靠近该模具的顶部的一部分获得最低的冷却速率。因此，通过铝硅合金的固化而在靠近冷却板的部分处生成的硅晶体晶粒变得较小，而通过合金的固化在靠近该模具的顶部的部分处生成的硅晶体晶粒变得较大。即，可以获得一具有其中硅晶粒的尺寸分等级的金相结构的铸锭。

用作原材料的铝合金包含质量比为6-25％的硅。当硅的质量比含量小于6％，耐磨损性受到损害，而当硅的质量比含量超过25％时，耐磨损性不再得到与硅的增加量相当的改善。此外，当硅的质量比含量超过25％时，在锻造期间产生裂缝，这意味着可锻性受到损害。此外，切削刀具的使用寿命大大缩短。

优选地，该铝合金除了包含硅以外，还单独或组合地包含质量比为0.3-7％的Cu和质量比为0.1-2％的Mg。这些元素时效硬化铝合金，从而增强了所生成的活塞的硬度和机械特性。更优选地，该铝合金包含质量比为1.5％或更少的Ag或Sc。

因为用于内燃发动机的锻造活塞受到由于燃料的燃烧生成的热而造成的发动机内部的高温，要求该活塞在高温下具有一定的强度。因此，该铝合金优选地包含质量比为0.1-2.0％的Ni，已公知该元素可以提高在高温下的强度。单独或组合地加入Fe、Mn、Zr、Ti、W、Cr、V、Co、Mo等也是有效的。

该铝合金优选地包含一种对减小共晶硅晶粒的尺寸有效的元素，例如Na、Ca、Sr或Sb。可单独或组合地加入这些元素。加入这样一种元素是有利的，因为可以防止大尺寸的共晶硅晶粒对可锻性和机加工工具的磨损的负作用。

当生成原生硅晶体晶粒时，通常将P结合到铝合金中以减小该原生硅晶体晶粒的尺寸。然而，当在熔融铝合金中存在Na或Ca时，Na或Ca妨碍P的作用，导致不能减小该原生硅晶体晶粒的尺寸。因此，Na或Ca在铝合金中的质量比的上限为50ppm。当Na或Ca的质量比超过50ppm的质量时，原生硅晶体晶粒的尺寸变得相当大。结果，可锻性受到损害，并缩短了铣刀的使用寿命。

可以通过使用所述冷却板进行冷却而由上述熔融合金生产本发明中应用的铸锭，以使得铸锭具有一金相结构，其中共晶硅晶粒和原生硅晶体晶粒的尺寸是分等级的而使得晶粒在靠近冷却板的部分变小而在靠近模具的顶部的部分变大。

当通过例如单向固化铸造生产一具有如这种晶粒尺寸分等级的金相结构的铸锭时，进行冷却以获得至少为1.5的包含在铸锭的上部中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)与包含在该铸锭的靠近一冷却板的部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)之比(A/B)，并且平均尺寸(A)至少为4.0μm。

为了生产具有上述晶粒尺寸分等级的金相结构的铸锭，可以如下控制冷却速率。例如，如图3所示，在单向固化铸造期间，进行冷却以在从固化模具的顶部向下5mm并且从该模具的侧壁向里5mm的点e测量时获得至少为0.5℃/秒的冷却速率(E)，以及获得0.85或更小的从该点e所测量的冷却速率(E)与从固化模具的底部向上1mm并且从该模具的侧壁向里5mm的点f测量的冷却速率(F)之比E/F。

当冷却速率落于上述范围内时，可以生产出具有上述金相结构的锻造材料。当这种锻造材料被锻造成一用于内燃发动机用活塞时，所生产的锻造活塞具有优良的可锻性、可机械加工性和耐磨损性。

该铸锭通常呈一具有彼此平行的上和下表面的盘状。然而，只要该铸锭具有上述晶粒分等级的金相结构，该铸锭可以根据所要锻造的活塞的形状具有任何形状。例如，该铸锭可以具有一其上和下表面彼此不平行的形状，或者，一种其上和下表面中的一个或两个都具有不平行的突出部和凹陷部的形状。该铸锭具有这种不平行的形状的有利之处在于，可以减小施加至一锻模上的负载，并且可以通过锻造形成具有复杂形状的活塞。

如果希望的话，可以在锻造前对该铸锭进行机加工。

如果希望的话，可以在锻造后对该铸锭进行铣削以获得一具有要求的金相结构的表面。当该铸锭的最外层表面包含所不希望的平均尺寸的硅晶粒时，优选地对具有一其中硅晶粒的平均尺寸是分等级的金相结构的铸锭进行铣削直到获得一包含具有所希望的平均尺寸的硅晶粒的表面，从而应用该形成的铸锭作为一锻造材料。

在锻造前对该锻造材料进行一预加热。该预加热在一落于从350℃至从铝合金的固相线温度(℃)减去10℃所得的差值之间的范围内的温度进行。将该锻造材料预加热直到该材料的整体温度达到一上述范围内的温度并在此后进行锻造。当在一低于350℃的温度下进行预加热时，在锻造材料的热锻造期间不能出现足够的塑性流动，而当在一高于上述差值的温度下进行预加热时，可能会使锻造材料发生过烧(burnt)(局部熔化)。当在锻造材料发生过烧时，所锻造的产品的强度被大大削弱，或者在该产品中产生由于局部熔化而造成的缺陷，例如孔洞和微缩孔。

因为通常对锻造材料进行热锻造，该材料被预加热，并且一锻模也被加热。该加热温度为100至400℃。该加热温度根据包括锻造产品的形状、锻造设备的类型和构成待锻造材料的合金的类型的各种锻造参数而确定。当该加热温度过低时，该锻造材料与锻模一起冷却，该材料的可加工性被损害，导致该材料的塑性流动不足。相反，该加热温度过高时，该锻模的强度降低，并且该模具往往会被磨坏或破裂。因此，从该锻模的使用寿命角度而言，过高的加热温度不是所优选的。优选地，在将一润滑剂施加到该锻模上之后进行锻造。

对锻造材料进行模锻。下面将参照图5说明在本发明中所应用的锻造设备的一个示例。该锻造设备包括一锻床101，一安装在一上部模座102上的上部模103，一安装在一下部模座106上的下部模105。本发明中所应用的锻模包括上部模103、下部模105和一脱模销/顶出销107。如图5所示，所要应用的该锻模包括用于形成一活塞头部的上部模103和用于形成一裙部的下部模105。然而，可以应用一包括用于形成一活塞头部的下部模和用于形成一裙部的上部模的锻模。如果希望的话，可以设置一润滑剂施加装置，该装置包括一用于水平地运送一喷雾器的装置108，一喷雾器旋转装置109和一通过一轴110与喷雾器运送装置108连接的润滑剂喷嘴104。

在本发明中，将锻造材料置于锻模中，使得包含较大平均尺寸的硅晶粒的表面面对与活塞头部相对应的模具的表面。例如，当对上述铸锭进行锻造时，将该铸锭置于锻模中，使得该铸锭的上表面面对着与活塞头部相对应的模具的表面。当以一种相反的方式将该铸锭置于该锻模中时，所形成的裙部的前端部包含较大平均尺寸的硅晶粒，并且所形成的油环槽部分包含较小平均尺寸的硅晶粒。因此在该情况下，不能获得本发明的效果。即，包含在油环槽部分(a)中的共晶硅晶粒的平均尺寸变得小于4μm，包含在油环槽部分中的原生硅晶体晶粒的平均尺寸变得小于15μm，包含在油环槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)与包含在裙部的前端部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)之比(A/B)变得小于1.5，并且包含在油环槽部分中的原生硅晶体晶粒的平均尺寸(C)与包含在裙部的前端部分中的原生硅晶体晶粒的平均尺寸(D)之比(C/D)变得小于1.3。结果，油环槽部分不具有优良的可机械加工性和耐磨损性，而裙部的前端部分在锻造期间不具有优良的塑性流动性。

在本发明的制造方法中，将锻造材料置于锻模中，优选地，使得包含较大平均尺寸的硅晶粒的表面面对着与活塞头部相对应的模具的表面，而裙部的前端部分优选地包含具有3μm或更小的平均尺寸的共晶硅晶粒。该平均尺寸的有利之处在于，该前端部分在热锻造期间具有良好的可加工性。即，在裙部的前端部分包含具有3μm或更小的平均尺寸的共晶硅晶粒的情况下，即使是当该裙部的厚度在锻造期间减小时，在置于锻模中的前端部分中也不会产生裂缝，并且该前端部分的压模装料特性也不会被削弱。

可对所形成的锻造的活塞预制件进行机加工。然而，优选对该活塞预制件进行热处理，例如人工时效处理，因为可以通过热处理改善由一种包含Cu、Mg、Sc、Ag等的合金制成的预制件的机械特性。在人工时效处理中，优选地，该活塞预制件经受固溶(solid solution)处理，其中活塞预制件紧跟在400-500℃下加热0.2-10小时之后，经受水淬火，并然后在150-250℃下回火0.2-20小时。通过该人工时效处理，该预制件可以获得增强的硬度、机械特性(例如，拉伸强度和0.2％屈服强度)和疲劳强度。

此后，该形成的活塞预制件经受包括例如用于形成一活塞销孔的加工、对一活塞表面的铣削、和用于形成油环槽的加工的加工，以由此制造出一最终产品(内燃发动机用锻造活塞)。

在本发明的制造方法中，由于锻造材料置于锻模中，使得包含较大平均尺寸的硅晶粒的表面面对着与活塞头部相对应的模具的表面，包含在油环槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)变得至少为4μm，包含在油环槽部分中的原生硅晶体晶粒的平均尺寸(C)变得至少为15μm，平均尺寸(A)与包含在裙部的前端部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)之比(A/B)变得至少为1.5，并且包含在油环槽部分中的原生硅晶体晶粒的平均尺寸(C)与包含在裙部的前端部分中的原生硅晶体晶粒的平均尺寸(D)之比(C/D)变得至少为1.3。结果，当对油环槽部分进行铣削时，可以防止细长形碎屑缠绕在铣刀中和在铣床的夹盘中。因此可以防止在待铣削的活塞表面上产生划痕。此外，可以防止在铣床的底部堆积细丝状的碎屑并防止整个夹盘被碎屑覆盖。因此，可以提高生产率。

裙部沿该活塞的整个周边不是连续的，而是由其中插入有用于将该活塞连接到一连杆上的活塞销的一活塞销孔分成段。因此，该裙部的铣削是以一种不连续的方式进行的，从而防止了碎屑在铣刀中的缠绕。因此，只要包含在裙部的前端部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)是包含在油环槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)的0.67倍或更小，并且包含在油环槽部分中的原生硅晶体晶粒的平均尺寸(C)与包含在裙部的前端部分中的原生硅晶体晶粒的平均尺寸(D)之比(C/D)至少为1.3，就可以在铣削期间获得令人满意的碎屑可管理性。

因为可以通过锻造形成厚度减小的裙部，不需要进行用于减小裙部厚度的机加工(铣削)，或者可以减小机加工所需的加工余量。因此，可以提高基于(一定)材料的活塞的产量。此外，因为机加工所需时间缩短，生产率提高。

优选地，锻造材料在热锻造以提高该材料的可锻性和一锻造活塞预制件的人工时效处理之前经受一均匀化处理。在该均匀化处理中，在高温下加热该锻造材料以在铝基体中均匀地分布一附加金属，例如Cu或Mg。该金属被加到锻造材料中以增强待形成的活塞的机械强度和增加用在一高温下的发动机中的该活塞的强度，并在铸造期间进行微偏析(microsegregate)。通过该均匀化处理，可以确保锻造材料的可锻性，并可以获得已经受人工时效处理的锻造活塞预制件的机械特性的均匀化。该均匀化处理可以在一落于从400℃至从待应用的一合金的固相线温度(℃)减去10℃所得的差值之间的范围内的温度进行1至30个小时。

根据待要应用的一合金的类型或者待形成的活塞的形状，在锻造前进行的锻造材料的预加热可以起到与通过对锻造材料的均匀化处理所获得的效果类似的效果。例如，当对锻造材料进行一小时或更长时间的预加热时，可以获得与通过均匀化处理所获得的效果类似的效果。同时，根据待要应用的一合金的类型或者待形成的活塞的形状，在锻造后进行的对锻造活塞预制件热处理可以起到与通过对锻造材料的均匀化处理所获得的效果类似的效果。例如，当该锻造活塞预制件在人工时效处理期间经受长时间的固溶处理时，可以获得与通过均匀化处理所获得的效果类似的效果。

下面将参考应用一通过单向固化铸造形成的锻造材料、一通过连铸形成的锻造材料和一通过金属(永久)型铸造形成的锻造材料的示例详细说明本发明的效果。

示例1和2：

表1中所示的具有一549℃的固相线温度的合金1通过图2所示的设备经受单向固化铸造，以从而形成用作一锻造材料的铸锭(外径：77mm，厚度：30mm)(示例1)。对表1中所示的具有一528℃的固相线温度的合金1通过图2所示的设备进行单向固化铸造，以从而形成用作一锻造材料的铸锭(外径：110mm，厚度：30mm)(示例2)。铸造条件在表2中示出。在示例1和2中的每个示例中，在图3所示的模具的位置处设置K-型热电偶以测量在固化期间该铸锭的冷却速率。

各上述锻造材料在490℃下经受8个小时均匀化处理，然后使用图5示出的锻造设备通过热锻造而锻造成一活塞预制件。将该锻造材料置于该锻造设备的锻模中以使得锻造材料(铸锭)的上表面即铸锭的不面对锻造设备的冷却板的表面被锻造成活塞头部，并使得铸锭的底表面即铸锭的面对锻造设备的冷却板的表面被锻造成裙部。锻造条件在表3中示出。

在示例1中，生产的锻造活塞预制件的外径为78mm，该预制件的裙部的厚度为3.5mm，并且在锻造期间的锻造负载为430t。在示例2中，生产的锻造活塞预制件的外径为111mm，该预制件的裙部的厚度为4mm，并且在锻造期间的锻造负载为670t。

通过视觉观察沿与塑性流动相同方向生成的裂缝、由于在锻造期间裙部的前端部的不充分塑性流动而造成的未充满和发状裂纹的生成而评价各活塞预制件的裙部的可成形性。

所形成的活塞预制件在表4示出的条件下进行人工时效处理。

利用洛氏硬度计测量该所形成的活塞预制件的硬度。测量包含在油环槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸，测量包含在裙部的前端部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸，并计算前一平均尺寸与后一平均尺寸的比率。而且，测量包含在油环槽部分中的原生硅晶体晶粒的平均尺寸，测量包含在裙部的前端部分中的原生硅晶体晶粒的平均尺寸，并计算前一平均尺寸与后一平均尺寸的比率。为了便于比较，利用一图象分析仪测量各硅晶粒的最大弦长(MAXLNG)。

在本发明中，用一金相结构观察技术在一显微镜下观察一制备的样品，并利用一图象分析处理器对观察的表面进行图象分析。将等效圆直径(circle-equivalent diameter)(通过将在观察的表面中发现的晶粒的平均截面积减小至一个圆的面积并用该圆的直径作为晶粒直径而获得的HEYWOOD直径)的平均值视为平均晶粒尺寸。

最大弦长是指使用一游标卡尺测量的硅晶粒的最大长度。当两个硅晶体晶粒具有相同的HEYWOOD直径，并且其中一个晶粒具有一较大的MAXLNG时，该具有较大MAXLNG的硅晶体晶粒呈片状或针状。

所形成的活塞预制件的油环槽部分在表5所示条件下进行铣削测试，并且在形状和可管理性方面对碎屑进行评价。然后在表6所示的条件下对该油环槽的内壁的表面粗糙度进行评价。应用图4所示的一Compax铣刀(人造金刚石制铣刀)进行铣削测试。利用表面粗糙度计，沿与铣削方向平行的方向(即，沿与活塞头表面平行的方向)测量该活塞预制件的油环槽的表面粗糙度。

然后，从该油环槽的附近获得一试样，并然后在表7所示条件下在环境温度下对该试样进行一销-盘磨损测试，以测量一销的磨损量。

表8示出上述测量的冷却速率的结果。表9示出包含在铸锭中的共晶硅晶粒和原生硅晶体晶粒的平均尺寸。表12示出该活塞预制件的硬度(HRB)，裙部的可成形性，油环槽部分产生的碎屑形状，碎屑的可管理性，油环槽的内壁的表面粗糙度，和从油环槽部分的附近获得的试样的磨损量。

对比示例1和2：

从表1所示的由一合金1制成的一直径为82mm的连铸棒(对比示例1)，和从表1所示的由一合金2制成的一直径为115mm的连铸棒(对比示例2)。连铸是在表10所示的条件下利用在JP-B SHO 54-42847中所公开的气压热顶铸造工艺而进行的。在对比示例1中，对所形成的铸锭在495℃进行8个小时均匀化处理，然后进行切削加工以将直径减小至77mm。在对比示例2中，所形成的铸锭同样地处理以将直径减小至110mm。此后，将各铸锭切制成具有30mm厚度的工件，并将所形成的工件用作锻造材料。在该对比示例1和2中，以与示例1和2中条件相同的条件对该锻造材料分别进行锻造。然而，在锻造期间，各锻造材料以与示例1或2中所述的方式不同的方式放置到锻模中。在对比示例1和2中，以与示例1和2中条件相同的条件对所形成的锻造活塞预制件分别进行人工时效处理并然后进行机加工。

表11示出共晶硅晶粒的平均尺寸和原生硅晶体晶粒的平均尺寸的测量结果。表12示出以与示例1或2的方式相似的方式进行的评价的结果。

                                                 表1                              (质量百分比％)

	Si	Cu	Mg	Ni	Fe	Mn	Ti	Sr	Ca	P
											合金1	9.6	3.0	0.46	-	0.18	-	-	0.005	-	-
合金2	19.2	1.1	1.10	0.9	0.44	0.40	0.13	-	0.002	0.010

                                表2

项目	示例1	示例2
			1.在熔融合金容器中测得的熔融合金温度	740℃	800℃
2.模具和熔融合金容器的材料	Lumiboard	Lumiboard
			3.模具顶部和在熔融合金容器中的熔融合金的液面之间的高度差	150mm	150mm
4.在浇注前冷却板的温度	100℃	200℃
			5.冷却水量	6L/min	7L/min
6.熔融合金入口直径	12mm	10mm
			7.电炉中的空气温度	770℃	820℃
8.模具的顶部上部和侧壁的空气温度	680℃	700℃
			9.铸造过程：1)浇注2)冷却开始条件3)冷却结束条件4)冷却板操作5)材料取出	在15秒后关闭阻塞件；在500℃时开始水冷；在100℃时结束水冷；在150℃时降低冷却板；自然下落。	在17秒后关闭阻塞件；在500℃时开始水冷；在100℃时结束水冷；在250℃时降低冷却板；自然下落。

                            表3

项目	示例1	示例2
			1.锻床	630t-机械压力机	800t-机械压力机
2.锻模温度
			1)冲头温度	150℃	170℃
2)模具温度	250℃	300℃
			3.润滑油类型	石墨润滑油	同左
4.锻造材料的预加热温度	400℃	450℃

                 表4

项目	示例1	示例2
			1.固溶处理条件  1)加热温度	495℃	505℃
2)保持温度	2小时	2小时
			2.回火条件1)加热温度	200℃	180℃
2)保持温度	6小时	10小时

                     表5

	示例1	示例2
			1.铣刀类型2.转速3.进给量4.切削深度5.铣削油类型6.碎屑评价位置	Compax刀具刀头部(Nose)半径R2mm600rpm0.5mm/rev0.2mm水溶性铣削油绕油环槽处	同左400rpm同左同左同左同左

                 表6

	示例1	示例2
			1.铣刀类型2.转速3.切削深度4.铣削油类型	如图4所示600rpm0.06mm/rev水溶性铣削油	同左400rpm同左同左

                      表7

项目	内容
		1)测试设备	磨损测试仪TRI-S500型(Takachiho Seiki)
2)测试方法	销-盘法
		3)盘材料	ADC12模铸材料
4)润滑油	Mission油
		5)施加的负载	5kgf
6)滑动速率	0.25m/sec
		7)滑动时间	60分钟
8)销的形状	φ7.9mm-h20mm

                           表8

	测量位置	测量值	示例1	示例2
					冷却速率℃/秒	e	E	2.6	4.1
f	F	6.2	5.5
				比率		E/F	0.42	0.75

                              表9

                           表10

	对比示例1	对比示例2
			1.铸锭直径	82mm	115mm
2.头部悬置长度header overhang length	10mm	同左
			3.熔融合金温度	720℃	820℃
4.铸造速度	200mm/min	180mm/min
			5.冷却水量	15L/min	25L/min
6.润滑油类型	Castor油	同左
			7.润滑油流速	0.4cc/min	0.1cc/min
8.气体类型	空气	空气
			9.气体流速	0.5L/min	0.1L/min

                           表11

                            表12

	示例1	示例2	对比示例1	对比示例2
					1.活塞截面硬度(HRB)	75	69	74	68
2.裙部可成形性	○	○	○	○
					3.环槽部分的碎屑形状	断片形状	断片形状	细长形状	细长形状
4.环槽部分的碎屑可管理性	○	○	×	×
					5.环槽的内壁的表面粗糙度(Ra：μm)	0.9	1.1	3.5	5.4
6.环槽部分试样的磨损量(μm)	19	3	34	7
					总体评价	○	○	×	×

裙部的可成形性的评价标准

项目	否	是
			1.裙部裂缝	○	×
2.裙部前端部分的未充满	○	×
			3.裙部前端部分的发状裂缝	○	×

碎屑形状的评价

如表8所清楚地示出，在应用了通过在点e所测得的冷却速率为2.6℃/秒、并且比率(E/F)为0.42的条件下铸造形成的锻造材料的示例1中，在锻造材料中不存在原生硅晶体晶粒；包含在油环槽部分和包含在裙部的前端部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(HEYWOOD直径)分别为4.7μm和2.3μm；比率(A/B)约为2。如表11所清楚地示出，在应用了由合金1所形成的小直径连铸棒的对比示例1中，包含在油环槽部分和包含在裙部的前端部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸分别为2.0μm和2.0μm；比率(A/B)为1，表明该活塞预制件没有其中硅晶粒尺寸沿厚度方向分等级的金相结构。包含在对比示例1的活塞预制件的油环槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸小于包含在示例1的活塞预制件的油环槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸。如表12所清楚地示出，在示例1和对比示例1中，裙部的可成形性都很好。在示例1中，从油环槽部分产生的碎屑具有一断片形状。相反，在对比示例1中，从油环槽部分产生的碎屑具有一细长形状，由此可知碎屑的可管理性很差。在对比示例1中，油环槽的内壁具有较大的表面粗糙度，并且油环槽部分具有较差的耐磨损性。通常，当油环槽的内壁具有较大的表面粗糙度时，该油环槽被活塞环磨损，并且该油环槽变大。结果，该活塞与油环槽倾斜地配合，这造成在气缸内壁上的磨损等问题。当活塞与气缸之间的间隙由于油环槽部分的较差的耐磨损性而变大时，机油消耗变大，并且活塞与气缸彼此不能以密封地方式配合，从而降低了发动机输出。因此，当将对比示例1的活塞预制件制成一活塞时，所形成的活塞被认为不具有令人满意的特性。

示例2和对比示例2之间的对比表明了下述内容。在示例2中，在点e测得的冷却速率为4.1℃/秒，并且比率(E/F)为0.75。在示例2中，包含在油环槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)为6.9μm；包含在裙部的前端部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)为2.8μm；比率(A/B)为2.5；包含在油环槽部分中的原生硅晶体晶粒的平均尺寸(C)为23.9μm；包含在裙部的前端部分中的原生硅晶体晶粒的平均尺寸(D)为15.7μm；比率(C/D)(约)为1.5。如表11所清楚地示出，在对比示例2中，包含在油环槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)为2.6μm；包含在裙部的前端部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)为2.5μm；比率(A/B)(约)为1.0；包含在油环槽部分中的原生硅晶体晶粒的平均尺寸(C)为17.7μm；包含在裙部的前端部分中的原生硅晶体晶粒的平均尺寸(D)为18.3μm；比率(C/D)(约)为1.0，表明该活塞预制件没有其中硅晶粒尺寸沿厚度方向分等级的金相结构。如上所述，包含在对比示例2的活塞预制件的油环槽部分中的共晶硅晶粒和原生硅晶体晶粒的平均尺寸小于包含在示例2的活塞预制件的油环槽部分中的共晶硅晶粒和原生硅晶体晶粒的平均尺寸。在示例2和对比示例2中，裙部的可成形性都很好。在示例2中，从油环槽部分产生的碎屑具有一断片形状。相反，在对比示例2中，从油环槽部分产生的碎屑具有一细长形状，由此碎屑的可管理性较差，并且油环槽的内壁具有较大的表面粗糙度。在对比示例2中，由于包含在油环槽部分中的共晶硅晶粒和原生硅晶体晶粒的平均尺寸较小，从油环槽部分产生的碎屑具有一细长形状，碎屑的可管理性较差，油环槽的内壁具有较大的表面粗糙度，并且由油环槽部分获得的试样的磨损量较大。

对比示例3：

活塞预制件由表1所示的合金1和合金2通过金属(永久)型铸造生产。对比示例3应用了两种类型的铸模，即A类(对应于裙部的一部分的厚度：3.5mm)和B类(对应于裙部的一部分的厚度：6mm)。这两种模具在形状上与示例1中所应用的锻模相同。该A类和B类模具的内径和形状相同。

活塞预制件由该A类和B类模具在表13所示的铸造条件下通过铸造生产。对所形成的活塞预制件的裙部无缺陷性(soundness)进行评价。结果在表14中示出。表15示出了共晶硅晶粒和原生硅晶体晶粒的平均尺寸测量结果。

                      表13

	合金1	合金2
			1.铸造温度	720℃	810℃
2.模具温度	400℃	420℃
			3.模具涂层试剂	脱模剂(die coat)	同左
4.冒口高度	200mm	同左

               表14

裙部厚度	合金1	合金2
			3.5mm	×	×
6.0mm	○	○

说明：

○：在裙部没有未充满

×：由于裙部的浇铸不满而出现有缺陷

                                     表15

	测量位置	测量值	HEYWOOD直径		MAXLNG
							合金1	合金2	合金1	合金2
			共晶硅晶粒的平均尺寸μm	油环槽部分	A	3.6					5.1	6.4	8.8
裙部的前端部分	B	3.6					5.2	6.5	8.8
				比率		A/B				1.0	1.0	1.0	1.0

表14的结果表明，当通过金属(永久)型铸造由合金1和2中的任一合金形成一包括其厚度为3.5mm，即与锻造的活塞预制件的裙部的厚度相同的裙部的活塞预制件时，由于浇不足而在裙部的前端部发生未充满，并且所形成的预制件不具有与锻造的活塞预制件的质量相当的质量。该结果还表明，当裙部的厚度为6mm时，该裙部具有无缺陷性。如上所述，通过金属(永久)型铸造形成的活塞预制件不具有与锻造的活塞预制件的特征类似的特征。因为包含在对比示例3的活塞预制件的油环槽部分中的共晶硅晶粒和原生硅晶体晶粒的平均尺寸几乎等于包含在示例1或2的活塞预制件的油环槽部分中的共晶硅晶粒和原生硅晶体晶粒的平均尺寸，可认为对比示例3的活塞预制件的油环槽部分具有良好的可铣削性。然而，在对比示例3的情况下，由于裙部的厚度不能减小，并且需要较大量的铣削加工余量，所以不能获得高的生产率。

对比示例4：

将表1所示的合金2在一熔化装置中熔化，并且将所形成的熔融合金浇注到一圆柱形铁模(外径：300mm，全长：350mm，内径：115mm，深度：250mm)中，以从而形成一具有115mm外径的圆柱状的铸锭(该铸锭的不包含孔洞的无缺陷部分的长度：150mm)。在铸造期间，熔融合金的温度保持在800℃，并且将模具预先加热到300℃。将所形成的圆柱状铸锭在490℃下进行均匀化处理8个小时。然后，对铸锭的周边进行切削加工以除去有缺陷的部分，从而形成一具有110mm外径的圆棒。将该圆棒切制成具有30mm厚度的工件，并且将该形成的工件用作锻造材料。

用两种类型即C类(对应于裙部的一部分的厚度：4.0mm)和D类(对应于裙部的一部分的厚度：6mm)的锻模通过热锻造而生产活塞预制件，由此所获得的活塞具有相同的外径。在热锻造之前先将该锻造材料预加热至450℃。对所形成的活塞预制件的裙部的可成形性进行评价。在与表3所示的示例2中条件相同的条件下进行热锻造。结果在表16中示出。从各预制件的裙部的前端部获得一试样，并且观察该试样的金相结构，以由此测量共晶硅晶粒和原生硅晶体晶粒的平均尺寸。结果在表17中示出。

                     表16

裙部厚度	4mm	6mm
			裙部无缺陷性评价	×	○
注	在裙部处的裂缝

              表17

裙部的前端部分
		共晶硅晶粒的平均尺寸	8.7μm
原生硅晶体晶粒的平均尺寸	33.4μm

平均尺寸：HEYWOOD直径

结果表明，当共晶硅晶粒或者原生硅晶体晶粒的平均尺寸较大时，可锻性降低，并且不能生产一个有优良耐磨损性和碎屑易断裂性的成品。结果还表明，当共晶硅晶粒或者原生硅晶体晶粒的平均尺寸较大时，如同在金属(永久)型铸造的情况下，必须在锻造期间形成一较大厚度的裙部，并且然后必须对该裙部进行机加工以由此减小该裙部的厚度。

工业实用性

如上所述，根据本发明，可以生产一种包括一油环槽部分和一裙部的用于内燃发动机的锻造活塞，其中包含在裙部的前端部分中的共晶硅晶粒和原生硅晶体晶粒的平均尺寸较小，并且包含在油环槽部分中的这些晶粒的平均尺寸较大。该裙部具有与由一种小直径的连铸棒形成的活塞的裙部一样优良的可锻性，并因此可以减小该裙部的厚度。此外，油环槽部分在铣削期间具有与通过铸造形成的活塞的油环槽部分一样优良的碎屑可管理性，并且该油环槽具有较小的表面粗糙度并具有优良的耐磨损性。

不能通过使用传统的小直径连铸棒进行热锻造或者通过金属(永久)型铸造生产如上所述的锻造的活塞。然而，本发明可以提供一种具有由热锻造和金属(永久)型铸造而得到的优点的用于内燃发动机的锻造活塞。

通过一种结合热锻造和人工时效处理的制造方法由一种通过单向固化铸造获得的材料制造本发明的锻造活塞。

本发明中所应用的铝合金除了包含原始附加元素(即，Si、Cu和Mg)之外，还可以包含用于进一步改善人工时效硬化性能的元素，如Ag或者Sc，和一种用于改善耐热性的元素，如Fe、Ni、Ti、Cr、V、Zr、Mn、Co、Nb或者Mo。这些元素可以被单独地或结合地加入。通过加入这样一种元素，与其它部分相比，油环槽部分、裙部、头部表面和活塞销部分的特性可以得到更好的改善。

因此，可以提供一种便宜的高性能锻造活塞，并且可以提供品质均匀的高性能发动机。

Claims (8)

1.一种由包含质量比为6-25％的硅的铝合金制成的用于内燃发动机的锻造活塞，该活塞包括一油环槽部分和一裙部，其中包含在该油环槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)与包含在该裙部的前端部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)之比(A/B)至少为1.5，并且该平均尺寸(A)至少为4μm。

2.根据权利要求1所述的锻造活塞，其特征在于，包含在油环槽部分中的原生硅晶体晶粒的平均尺寸(C)与包含在裙部的前端部分中的原生硅晶体晶粒的平均尺寸(D)之比(C/D)至少为1.3，并且该平均尺寸(C)至少为15μm。

3.根据权利要求1或2所述的锻造活塞，其特征在于，所述铝合金包含质量比为0.3-7％的Cu和质量比为0.1-2％的Mg。

4.根据权利要求1或2所述的锻造活塞，其特征在于，所述铝合金包含质量比为0.1-2.5％的Ni。

5.一种制造用于内燃发动机的锻造活塞的方法，包括下述步骤：

对包含质量比为6-25％的硅的熔融铝合金进行单向固化铸造以由此生产一用作具有彼此相对的第一表面和第二表面的锻造材料的铸锭，其中包含在第一表面中的硅晶粒的平均尺寸不同于包括在第二表面中的硅晶粒的平均尺寸；

对该锻造材料进行预加热；

将该锻造材料置于一锻模中，使得包含较大平均尺寸的硅晶粒的表面面对该模的对应于活塞头部的表面，以由此将该锻造材料锻造成一活塞预制件；

对该活塞预制件进行人工时效处理；和

对形成的活塞预制件进行机加工，以由此制造一用于内燃发动机的锻造活塞。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，单向固化铸造包括为获得至少为1.5的包含在铸锭的上部中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)与包含在该铸锭的靠近一冷却板的部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)之比(A/B)及至少为4.0μm的平均尺寸(A)而进行的冷却。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，单向固化铸造包括：为获得为0.85或更小的、在从固化模的顶部向下5mm并且从固化模具的侧壁向里5mm的点e处测量的冷却速率(E)与在从固化模具的底部向上1mm并且从固化模具的侧壁向里5mm的点f测量的冷却速率(F)之比(E/F)而进行的冷却，其中冷却速率(E)至少为0.5℃/秒。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其特征在于，在一落于从350℃至从铝合金的固相线温度减去10℃所得的差值之间的范围内的温度进行所述预加热。

Images