JP5116951B2

JP5116951B2 - 鍛造ピストン

Info

Publication number: JP5116951B2
Application number: JP2005153740A
Authority: JP
Inventors: 知生岡; 秀紀藤井
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-05-26
Filing date: 2005-05-26
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2025-05-26
Also published as: US20060266443A1; JP2006328482A

Description

本発明は、アルミニウム合金製の鍛造ピストンに関する。

内燃機関に用いられるピストンは、燃焼によるエネルギーを動力に変換するための部品であり、より軽量且つ耐熱性及び耐摩耗性に優れたものが求められる。このような要求を満足するものとして、アルミニウム合金製の鍛造ピストンが注目されている。また、これらの目的を達成するために、種々のピストン用のアルミニウム合金が提案されている（特許文献１〜３を参照。）。

例えば、特許文献１では、Ｓｉにより耐摩耗性を付与すると共に、Ｃｕ、Ｍｇの析出強化元素を含有し、さらにＦｅ、Ｎｉの高強度向上に寄与する元素、並びに高温での回復・再結晶抑制効果を有するＭｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖを共存させたアルミニウム合金が提案されている。しかしながら、この場合の強度向上の効果は、最高でも２５０℃程度であるため、このようなアルミニウム合金からなるピストンの場合、高温でのピストン天井部における充分な強度を得ることはできない。

一方、特許文献２では、鋳造による晶出物の最大長を２００μｍに制御して、晶出物分散強化により更に高温での強度向上を図ったアルミニウム合金が提案されている。しかしながら、この場合、金属間化合物を晶出させる遷移元素を多量に添加するため、比重が大きくなり、軽量化によるエンジン性能の向上を妨げてしまう。また、粗大な晶出物は、内部欠陥や鍛造時の割れを引き起こすため、鍛造による材料の品質向上を図ることが困難となる。

一方、特許文献３では、ピストンに用いられるＡｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金の各元素のうち、Ｎｉの含有量を２〜６ｗｔ％とすることで、２５０℃以上の高温強度を向上させることが提案されている。しかしながら、この場合、Ｃｕ、Ｎｉを多量に含有するため、比重が大きくなり、重量が増加することによって、逆に強度を高めたメリットが失われてしまう。また、粗大な晶出物は、鍛造時に欠陥を発生させ、強度を著しく低下させる原因となる。

さらに、鍛造ピストン用のアルミニウム合金としては、ＪＩＳ規格のＡ４０３２やＡ２６１８等を挙げることができる。しかしながら、Ａ４０３２は、析出強化による材料であるため、高温に晒されるとピストンの強度が低下してしまう。一方、Ａ２６１８は、Ｓｉの含有量が少ないため、熱膨張率が高くなり、ピストンの摺動性が悪くなってしまう。
特開平７−２１６４８７号公報特開２０００−５４０５３号公報特開平８−２６００８９号公報

本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、耐熱性及び耐摩耗性に優れ且つ軽量なアルミニウム合金製の鍛造ピストンを提供することを目的とする。

上記課題の解決手段として、請求項１に記載の発明は、重量％で、Ｓｉ：８〜１８％、Ｃｕ：０．５〜３％、Ｎｉ：１〜５％、Ｍｇ：２．０％以下、Ｚｒ：０．２５％以下、Ｔｉ：０．２５％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金であって、ＮｉがＣｕよりも多く含有されると共に、Ｚｒ及びＴｉの合計が重量％で０．３％以下であり、且つ、このアルミニウム合金を３５０℃以上に加熱し、ピストン形状に鍛造したときに鍛造に耐え得るように、Ａｌ及びＮｉにより形成される金属間化合物の最大長さが３〜１００μｍであることを特徴とするアルミニウム合金製の鍛造ピストンである。
請求項２に記載の発明は、重量％で、Ｓｉ：８〜１８％、Ｃｕ：０．５〜３％、Ｎｉ：１〜５％、Ｆｅ：２．０％以下、Ｍｇ：２．０％以下、Ｚｒ：０．２５％以下、Ｔｉ：０．２５％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金であって、Ｎｉ及びＦｅの合計がＣｕよりも多く、且つ、重量％で５％以下であると共に、Ｚｒ及びＴｉの合計が重量％で０．３％以下であり、且つ、このアルミニウム合金を３５０℃以上に加熱し、ピストン形状に鍛造したときに鍛造に耐え得るように、Ａｌ及びＮｉ、Ｆｅにより形成される金属間化合物の最大長さが３〜１００μｍであることを特徴とするアルミニウム合金製の鍛造ピストンである。
請求項３に記載の発明は、前記アルミニウム合金が、重量％で更に、Ｍｎ：Ｆｅ及びＭｎの合計が２．０％以下、Ｃｒ：Ｆｅ及びＣｒ×５の合計が２．０％以下のうち少なくとも１種以上を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の鍛造ピストンである。

以上のように、本発明によれば、靭性及び生産性を確保しながら、高温強度を向上させたアルミニウム合金により耐熱性及び耐摩耗性に優れ且つ軽量のアルミニウム合金製鍛造ピストンとすることができる。

以下、本発明を適用した鍛造ピストンについて、図面を参照して詳細に説明する。
鍛造ピストンは、例えば図１に示すように、内燃機関のシリンダ内で爆発荷重を受け止めるピストンヘッド１と、ピストンをシリンダ内で滑らかに往復運動させるためのスカート２と、ピストンにシリンダの内壁と摺接されるピストンリングを組み込むための複数のリング溝３と、ピストンをコンロッドに結合するピストンピンを挿入するためのピン孔４とを備えた構造を有している。

本発明を適用した鍛造ピストンは、重量％で、Ｓｉ：８〜１８％、Ｃｕ：０．５〜３％、Ｎｉ：１〜５％、Ｍｇ：２．０％以下、Ｚｒ：０．２５％以下、Ｔｉ：０．２５％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金であって、ＮｉがＣｕよりも多く含有されると共に、Ｚｒ及びＴｉの合計が重量％で０．３％以下であり、且つ、このアルミニウム合金を３５０℃以上に加熱し、ピストン形状に鍛造したときに鍛造に耐え得るように、Ａｌ及びＮｉにより形成される金属間化合物の最大長さが３〜１００μｍであることを特徴とするものである。

また、本発明を適用した鍛造ピストンは、重量％で、Ｓｉ：８〜１８％、Ｃｕ：０．５〜３％、Ｎｉ：１〜５％、Ｆｅ：２．０％以下、Ｍｇ：２．０％以下、Ｚｒ：０．２５％以下、Ｔｉ：０．２５％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金であって、Ｎｉ及びＦｅの合計がＣｕよりも多く、且つ、重量％で５％以下であると共に、Ｚｒ及びＴｉの合計が重量％で０．３％以下であり、且つ、このアルミニウム合金を３５０℃以上に加熱し、ピストン形状に鍛造したときに鍛造に耐え得るように、Ａｌ及びＮｉ、Ｆｅにより形成される金属間化合物の最大長さが３〜１００μｍであることを特徴とするものである。

本発明を適用した鍛造ピストンでは、Ｓｉにより、高温のシリンダ内で往復運動するピストンの線膨張係数を抑制し、その寸法変化を最小限に抑えることができる。また、高速での摺動耐久性を向上させることができる。
また、本発明を適用した鍛造ピストンでは、Ｃｕにより、室温から２００℃までの材料強度を向上させることができる。
また、本発明を適用した鍛造ピストンでは、アルミニウム合金がＡｌ−Ｃｕ−Ｎｉの３元化合物を晶出し、２５０℃までの材料強度を向上させる。
また、本発明を適用した鍛造ピストンでは、アルミニウム合金内のＡｌ−Ｎｉ系化合物が、２５０℃以上での高温強度を向上させ、また、粗大な晶出物の生成を抑制し、内部欠陥や鍛造時の割れ等を防ぐ。
また、本発明を適用した鍛造ピストンでは、アルミニウム合金内のＡｌ−Ｎｉ系化合物が、２５０℃以上での高温強度を向上させ、また、粗大な晶出物の生成を抑制し、内部欠陥や鍛造時の割れ等の発生を防ぐ。

したがって、本発明を適用した鍛造ピストンでは、靭性及び生産性を確保しながら、高温強度を向上させたアルミニウム合金により耐熱性及び耐摩耗性に優れ且つ軽量のアルミニウム合金製鍛造ピストンとすることができる。

また、本発明を適用した鍛造ピストンでは、上記アルミニウム合金に、更にＭｇを含有させることができる。この場合、Ｍｇの含有量は、２．０重量％以下とする。これにより、固溶強化により生地の強度を向上させることができる。

また、本発明を適用した鍛造ピストンでは、上記アルミニウム合金に、Ｚｒ、Ｔｉのうち少なくとも１種以上含有させることができる。この場合、Ｚｒの含有量は、０．２５重量％以下、Ｔｉの含有量は、０．２５重量％以下とする。さらに、Ｚｒ及びＴｉを含有させた場合には、これらＺｒ及びＴｉの合計を０．３重量％以下とする。これにより、粗大な晶出物の生成を抑制しつつ、結晶粒の微細化及び耐久性の向上を図ることができる。

また、本発明を適用した鍛造ピストンでは、上記アルミニウム合金に、Ｍｎ、Ｃｒのうち少なくとも１種以上を含有させることができる。この場合、Ｍｎの含有量は、Ｆｅ及びＭｎの合計を２．０重量％以下、Ｃｒの含有量は、Ｆｅ及びＣｒ×５の合計を２．０重量％以下とする。これにより、粗大な化合物が生じない範囲で、組織を微細化させて鍛造性を向上させることができる。

また、本発明を適用した鍛造ピストンでは、上記アルミニウム合金の金属組織における共晶Ｓｉ及び初晶Ｓｉの粒径を１０〜１００μｍとする。これにより、充分な靭性と生産性を確保すると共に、ピストンの摺動性を向上させることができる。

以下、本発明を適用した鍛造ピストンのアルミニウム合金に添加された各元素及びその添加量等を規定した理由、並びにアルミニウム合金の金属組織について説明する。
（Ｓｉ：８〜１８％）
Ｓｉは、高温で使われるピストンの線膨張係数を抑え、その寸法変化を最小限にすると共に、高速での摺動に耐えるために必要な元素である。しかしながら、多量に添加すると粗大な初晶Ｓｉが晶出し、材料の靭性や加工性を低下させることになる。したがって、本発明では、充分な効果を得るため、その下限を８％とし、ピストンとして充分な靭性及び加工性を確保するため、その上限を１８％とする。

（Ｃｕ：０．５〜３％）
Ｃｕは、固溶強化により室温から２００℃程度まで材料強度を向上させる元素である。しかしながら、多量に添加すると、Ａｌ−Ｎｉ系化合物の晶出を妨げ、２５０℃以上での材料強度の向上を妨げると共に、材料の比重増加により軽量なピストンが得られなくなる。
したがって、Ｃｕは、２００℃において最低限必要な強度を得るため、その下限を０．５％とし、Ａｌ−Ｎｉ系化合物の晶出を妨げずに、比重の増加を抑えるため、その上限を３％とする。

（Ｎｉ：１〜５％）
Ｎｉは、Ｃｕと共存させることによって、Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉの３元系化合物を晶出し、高温強度を向上させる元素である。しかしながら、その効果は２５０℃までであり、２５０℃以上での強度向上を図るためには、Ａｌ−Ｎｉ系化合物を晶出させる必要がある。また、Ａｌ−Ｎｉ系化合物を晶出させるためには、Ｃｕよりも多く添加する必要がある。しかしながら、多量に添加すると、晶出物が粗大化し、材料の靭性が低下すると共に、鍛造時の割れや欠陥等が発生してしまう。したがって、Ｎｉは、高温強度に必要なＡｌ−Ｎｉ系化合物を晶出させるため、その下限を１％とし、粗大な化合物の晶出を抑えるため、その上限を５％とする。さらに、ＮｉをＣｕよりも多く添加する。

（Ｆｅ：２．０％以下）
Ｆｅは、Ｎｉと同様にＡｌとの化合物を晶出し、高温強度を向上させる元素であり、任意に添加することができるが、晶出物の粗大化を押さえるため、最大２％を含むものとする。また、Ｆｅ及びＮｉを同時に添加した場合には、Ａｌ−Ｎｉ−Ｆｅ系化合物を晶出するため、これらＮｉ及びＦｅの合計を５％以下とする。さらに、Ｎｉ及びＦｅの合計をＣｕよりも多くする。

（Ｍｇ：２．０％以下）
Ｍｇは、固溶強化により生地の強度を向上させる元素であり、任意に添加することができるが、多量に添加すると、Ｍｇ_２Ｓｉの晶出により材料の靭性を低下させるため、最大２．０％を含むものとする。

（Ｚｒ：０．２５％以下）
（Ｔｉ：０．２５％以下）
Ｚｒ，Ｔｉは、ともに結晶粒の微細化と耐熱性の向上に寄与する元素である。しかしながら、多量に添加すると、何れか一方又は両方がＡｌとの粗大な化合物を晶出させてしまう。したがって、Ｚｒ及びＴｉは、粗大な晶出物の生成を抑制するため、最大０．２５％を含むものとする。また、Ｚｒ及びＴｉの合計を０．３％以下とする。

（Ｍｎ：Ｆｅ及びＭｎの合計が２．０％以下）
（Ｃｒ：Ｆｅ及びＣｒ×５の合計が２．０％以下）
Ｍｎ、Ｃｒは、高温強度を向上させ、組織を微細化させる元素であるが、Ｆｅと同時に添加すると、Ａｌ，Ｆｅと粗大な化合物を生じ、鍛造性が低下してしまう。したがって、これらＭｎ、Ｃｒは、Ｆｅとの合計で上限を規定する。すなわち、Ｆｅ及びＭｎの合計を２．０％以下とし、Ｆｅ及びＣｒ×５の合計を２．０％以下とする。

次に、上記アルミニウム合金の金属組織について説明する。
（金属間化合物）
ＡｌとＮｉ、Ｆｅ等の遷移元素との金属間化合物は、材料の変形を抑えることにより高温まで材料強度を向上させる。しかしながら、金属間化合物は、微細になり過ぎると効果が減少してしまうため、その最大長さの下限を３μｍとする。一方、金属間化合物は、過大になり過ぎると、鍛造時の割れや欠陥等の原因となるため、鍛造に耐え得るように、その最大長さの上限を１００μｍとする。

（共晶Ｓｉ，初晶Ｓｉ）
共晶Ｓｉ及び初晶Ｓｉは、摺動性を向上させるために有効となるが、その粒径が過大になり過ぎると、鍛造時の割れや欠陥等の原因となる。したがって、これら共晶Ｓｉ及び初晶Ｓｉの粒径は、充分な効果を得るため、その下限を３μｍとし、鍛造に耐え得るように、その上限を１００μｍとする。

以下、実施例により本発明の効果を明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。
先ず、表１に示す各添加元素を含有したアルミニウム合金をピストン形状に鍛造し、試料１〜１２の鍛造ピストンを作製した。そして、これら各試料１〜１２の鍛造ピストンについて、機械的特性及び鍛造性の評価を行った。このうち、試料１〜３は、本発明の参考例であり、試料４，５は、本発明の条件を満足する実施例であり、試料６〜１０は、本発明の条件を満足しない比較例である。また、試料１１は、ＪＩＳ規格のＡ４０３２であり、試料１２は、ＪＩＳ規格のＡＣ８Ａである。

なお、表１中に示す評価結果のうち、機械的特性については、各試料１〜１２の鍛造ピストンから試験片を切り出し、これを３００℃で１００時間保持した後に、３００℃の雰囲気にて引張試験を行い、各試験片の抗張力及び伸びを測定した。また、鍛造性については、各試料１〜１２を３５０℃以上に加熱し、ピストン形状に鍛造したときの割れの有無を調べた。なお、表１中において、○は、割れが発生しなかった場合を示し、×は、割れが発生した場合を示す。

表１に示す評価結果から、試料１〜６（参考例及び実施例）は、何れもＡ４０３２より高い抗張力を示し、ＡＣ８Ａよりも高い伸びを示していることがわかる。また、試料１〜６は、鍛造性について問題はなく、比重についても実際のピストンに影響を及ぼす程の増加は見られない。さらに、試料２，３は、ＡＣ８Ａよりも高い抗張力及び伸びを示している。一方、試料１，４，５は、抗張力がＡＣ８Ａより劣るものの、実際のピストンで重要な疲労強度に関して、微細な組織と鍛造による内部品質の向上によって、ＡＣ８Ａよりも高い強度を示している。

これに対して、試料６，８，９，１０（比較例）は、機械的強度に関して高い値を示しているものの、何れも鍛造時に割れが発生した。また、これら試料６，８，９，１０の金属組織を調べたところ、比較例６では、Ａｌ−Ｎｉ系の粗大化合物が晶出し、比較例８では、Ａｌ−Ｎｉ−Ｆｅ系の粗大化合物が晶出し、比較例９では、Ａｌ−Ｎｉ−Ｆｅ−Ｍｎ系の粗大化合物が晶出し、比較例１０では、Ａｌ−Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｒ系の粗大化合物が晶出していることがわかった。また、これら粗大化合物は、何れも１００μｍを超えるものである。

なお、上記特許文献２には、Ｍｎによる晶出物の微細化効果が示されており、晶出物の形態を針状から塊状に変えることにより最大長さが短くなることが示されている。しかしながら、これは、個々の晶出物の体積自体を減少させたものではなく、その最大長さも１００μｍレベルである。したがって、本発明のような鍛造性を向上させるほどの微細化効果は認められない。

試料７（比較例）は、強度も高く、粗大な晶出物もなく、鍛造性も良好である。しかしながら、従来のＡ４０３２やＡＣ８Ａに比べて比重が５％程度大きくなる。これは、本来の目的である軽量なピストンを作るという目的に反するものである。これに対して、試料１〜６（参考例及び実施例）は、何れも比重が２．７５以下であり、高い高温強度及び優れた鍛造性を維持しながら、比重の増加を抑えることによって、更なる軽量化が可能である。

次に、試料４（本発明）、試料１１（Ａ４０３２）及び試料１２（ＡＣ８Ａ）の鍛造ピストンについて疲労強度試験を行った。なお、本疲労強度試験では、３００℃の雰囲気で実際のピストンに発生する応力に近い引張り片振りでの疲労曲線の測定を行った。その測定結果を図２に示す。

図２に示す測定結果から、試料４は、上述した抗張力がＡＣ８Ａより低いにも関わらず、疲労強度についてはＡＣ８Ａよりも１０％以上高い強度を示した。また、Ａ４０３２に対しても４０％以上高い強度を示しており、強度が大幅に向上したことがわかる。

次に、試料４（本発明）の鍛造ピストンのミクロ組織写真を図３に示し、試料９（比較例）のミクロ組織写を真図４に示す。これら図３及び図４に示すミクロ組織写真から、比較例の鍛造ピストンでは、金属組織内における金属間加工物の最大長さが１００μｍ以上あるのに対して、本発明の鍛造ピストンでは、金属組織内における金属間加工物が微細且つ均質に分散しており、鍛造性を阻害しないレベルに制御されていることがわかる。

図１は、鍛造ピストンの一例を示す斜視図である。図２は、本発明の鍛造ピストンと従来の鍛造ピストンとの疲労強度を測定した測定結果を示すグラフである。図３は、本発明の鍛造ピストンにおける金属組織を示す写真である。図４は、比較例の鍛造ピストンにおける金属組織を示す写真である。

符号の説明

１…ピストンヘッド
２…スカート
３…リング溝
４…ピン孔

Claims

重量％で、
Ｓｉ：８〜１８％、
Ｃｕ：０．５〜３％、
Ｎｉ：１〜５％、
Ｍｇ：２．０％以下、
Ｚｒ：０．２５％以下、
Ｔｉ：０．２５％以下
を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金であって、ＮｉがＣｕよりも多く含有されると共に、Ｚｒ及びＴｉの合計が重量％で０．３％以下であり、且つ、このアルミニウム合金を３５０℃以上に加熱し、ピストン形状に鍛造したときに鍛造に耐え得るように、Ａｌ及びＮｉにより形成される金属間化合物の最大長さが３〜１００μｍであることを特徴とするアルミニウム合金製の鍛造ピストン。
重量％で、
Ｓｉ：８〜１８％、
Ｃｕ：０．５〜３％、
Ｎｉ：１〜５％、
Ｆｅ：２．０％以下、
Ｍｇ：２．０％以下、
Ｚｒ：０．２５％以下、
Ｔｉ：０．２５％以下
を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金であって、Ｎｉ及びＦｅの合計がＣｕよりも多く、且つ、重量％で５％以下であると共に、Ｚｒ及びＴｉの合計が重量％で０．３％以下であり、且つ、このアルミニウム合金を３５０℃以上に加熱し、ピストン形状に鍛造したときに鍛造に耐え得るように、Ａｌ及びＮｉ、Ｆｅにより形成される金属間化合物の最大長さが３〜１００μｍであることを特徴とするアルミニウム合金製の鍛造ピストン。
前記アルミニウム合金は、重量％で更に、Ｍｎ：Ｆｅ及びＭｎの合計が２．０％以下、
Ｃｒ：Ｆｅ及びＣｒ×５の合計が２．０％以下のうち少なくとも１種以上を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の鍛造ピストン。