專利名稱：發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及耐磨損性和高溫特性優(yōu)異的鋁合金制發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯(毛坯型材；粗制型材；roughly shaped material)的制造方法以及發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯。
背景技術(shù)：
對(duì)搭載于汽車等的車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞，為了盡可能減小慣性力， 要求輕量性、在上升的最高溫度下的高溫強(qiáng)度、在上升的最高溫度下的耐久性，為了減少由熱膨脹引起的間隙變動(dòng)，要求低熱膨脹性，為了減少由活塞環(huán)的滑動(dòng)引起的環(huán)槽的磨損和由于裙部與汽缸面接觸從而產(chǎn)生的磨損，要求耐磨損性。因此，在通過鍛造制造了的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞中，作為構(gòu)成該活塞的鋁合金，在重視耐磨損性的情況下，使用Si添加量為共晶點(diǎn)以上的合金(例如，參照專利文獻(xiàn)1)，另一方面，在重視高溫強(qiáng)度和高溫疲勞強(qiáng)度的情況下，使用Si添加量為共晶點(diǎn)以下的合金(例如，參照專利文獻(xiàn)2)?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1 日本特開平6-279904號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 日本特開2001-181769號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
然而，在鋁合金制發(fā)動(dòng)機(jī)活塞中，為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，希望在維持耐磨損性的同時(shí)，提高高溫強(qiáng)度和高溫疲勞強(qiáng)度。本發(fā)明是鑒于上述的技術(shù)背景完成的，其目的是提供一種耐磨損性和高溫特性優(yōu)異的鋁合金制發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯的制造方法以及發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯。本發(fā)明的其他的目的和優(yōu)點(diǎn)，從以下的優(yōu)選實(shí)施方式明確。本發(fā)明提供以下的手段。[1] 一種發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯的制造方法，其特征在于，包括連鑄工序，上述連鑄工序通過將注入到連鑄模之前的熔液溫度設(shè)定在720°C以上并對(duì)熔液進(jìn)行連鑄，得到直徑為85mm以下的鑄造棒，上述熔液的組成含有Si :11. 0 13. 0 質(zhì)量％、Fe :0. 6 1. 0 質(zhì)量％、Cu :3. 5 4. 5 質(zhì)量％、Mn :0. 25 質(zhì)量％ 以下、Mg :0. 4 0. 6 質(zhì)量％、Cr :0. 15 質(zhì)量％ 以下、Zr :0. 07 0. 15 質(zhì)量％、P :0. 005 0. 010 質(zhì)量％、Ca :0. 002 質(zhì)量％以下，其余量由Al和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成；和鍛造工序，上述鍛造工序通過對(duì)鍛造用坯料進(jìn)行鍛造從而得到發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯，上述鍛造用坯料是將上述鑄造棒在370 500°C的溫度均質(zhì)化處理而得到的。[2]根據(jù)上述1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯的制造方法，其中，在上述熔液的組成中，P添加量滿足下式(1)，0.0025 X Si 添加量-0.025 SP 添加量< 0.0025 X Si 添加量-0.02···式(1)式中，P添加量和Si添加量的單位分別為質(zhì)量％。
[3]—種發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯，是采用上述1或2所述的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯的制造方法制造的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯，其特征在于，在型材坯中的至少裙部對(duì)應(yīng)部和活塞環(huán)槽部對(duì)應(yīng)部存在初晶Si，在型材坯整體中，不存在最大直徑為50 μ m以上的初晶Si，并且，不存在最大直徑為50 μ m以上的Al-Fe-Cr-Mn系巨大結(jié)晶物。[4] 一種發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯，是通過鍛造而制造的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯，其特征在于，型材坯的組成含有Si :11.0 13. 0質(zhì)量％、Fe :0. 6 1.0質(zhì)量％、01 :3. 5 4. 5 質(zhì)量％、Mn :0. 25質(zhì)量％以下、Mg :0. 4 0. 6質(zhì)量％、Cr :0. 15質(zhì)量％以下、Zr :0. 07 0. 15 質(zhì)量％、P :0. 005 0. 010質(zhì)量％、Ca :0. 002質(zhì)量％以下，其余量為Al和不可避免的雜質(zhì)。[5]根據(jù)上述4所述的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯，其中，在上述型材坯的組成中，P添加量滿足下式(1)，0. 0025 X Si 添加量-0. 025 ( P 添加量 < 0. 0025 X Si 添加量-0. 02···式(1)式中，P添加量和Si添加量的單位分別為質(zhì)量％。[6]根據(jù)上述4或5所述的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯，其中，在型材坯中的至少裙部對(duì)應(yīng)部和活塞環(huán)槽部對(duì)應(yīng)部存在初晶Si，在型材坯整體中，不存在最大直徑為50 μ m以上的初晶Si，并且，不存在最大直徑為50 μ m以上的Al-Fe-Cr-Mn系巨大結(jié)晶物。根據(jù)本發(fā)明，通過將熔液的組成元素調(diào)整為規(guī)定范圍，按照本發(fā)明中的制造方法制造發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯，可以得到耐磨損性和高溫特性優(yōu)異的鋁合金制發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯。因此，在由該型材坯制造的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞中，能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)的性能效率提高，能夠減少汽車和摩托車等的燃料使用量。此外，由于型材坯至少在裙部對(duì)應(yīng)部和活塞環(huán)槽部對(duì)應(yīng)部存在著初晶Si，因此至少這些部分耐磨損性優(yōu)異。因此，在由該坯料制造的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞中，至少對(duì)于裙部和活塞環(huán)槽部能夠抑制磨損。


圖1是本發(fā)明的一實(shí)施方式涉及的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯的仰視圖。圖2是該型材坯的主視圖。圖3是圖2中的X-X線截面圖。圖4是由該型材坯制造的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的主視圖。圖5是水平連鑄裝置的概略截面圖。圖6是熱頂連鑄裝置的概略截面圖。圖7是表示使用鍛造裝置對(duì)鍛造用坯料進(jìn)行鍛造的工序的一例的鍛造裝置的模具的截面圖。圖8是表示使用鍛造裝置對(duì)鍛造用坯料進(jìn)行鍛造的工序的另一例的鍛造裝置的模具的截面圖。圖9是鋁合金的熔液的分析試樣的立體圖。圖10是在顯微組織觀察下拍攝的實(shí)施例1的組織照片。
圖11是在顯微組織觀察下拍攝的比較例3的組織照片。圖12是表示在實(shí)施例8 11和比較例15 22中的P添加量和Si添加量的關(guān)系的圖。
具體實(shí)施例方式接著，參照附圖對(duì)于本發(fā)明的實(shí)施方式在下面進(jìn)行說明。另外，在本實(shí)施方式中，所謂「高溫特性優(yōu)異」，意指在250°C下的強(qiáng)度優(yōu)異，即，在 250°C下，抗拉強(qiáng)度(即高溫抗拉強(qiáng)度)為IlOMPa以上且疲勞強(qiáng)度(即高溫疲勞強(qiáng)度)為 60MPa以上。在圖1 3中，11是本發(fā)明的一實(shí)施方式涉及的鋁合金制發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯。在圖4中，1是由該型材坯11制造的鋁合金制發(fā)動(dòng)機(jī)活塞。再者，在以下的說明中，朝向圖1的紙面以上下方向作為「前后方向」、以左右方向作為「左右方向」，朝向圖2和3的紙面以上下方向作為「上下方向」進(jìn)行說明。如圖4所示，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞1 一體地具備俯視為圓形狀的冠面部2 ；形成于其下側(cè)的環(huán)槽脊部(land portion) 3 ；相互相對(duì)地配置于其下側(cè)的一對(duì)裙部4 ；一對(duì)的銷座部5和側(cè)壁部6。在環(huán)槽脊部3的外周面，形成有安裝有多個(gè)活塞環(huán)(例如壓力環(huán)、油環(huán))的多個(gè)活塞環(huán)槽部7。如圖1 3所示，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯11是通過鍛造制造的，與發(fā)動(dòng)機(jī)活塞1同樣地，一體地具備對(duì)應(yīng)于冠面部2的部分(即冠面部對(duì)應(yīng)部12)；形成于其下側(cè)的環(huán)槽脊部對(duì)應(yīng)部13 ；相互相對(duì)地配置于其下側(cè)的一對(duì)的裙部對(duì)應(yīng)部14、14 ；一對(duì)的銷座部對(duì)應(yīng)部 15、15和側(cè)壁部對(duì)應(yīng)部16、16。環(huán)槽脊部對(duì)應(yīng)部13的外周面和其內(nèi)部附近，是在最終精加工時(shí)形成多個(gè)活塞環(huán)槽部7的部位，即，構(gòu)成了活塞環(huán)槽部對(duì)應(yīng)部17。該型材坯11至少在裙部對(duì)應(yīng)部14和活塞環(huán)槽部對(duì)應(yīng)部17存在著初晶Si。此外， 在型材坯整體中，不存在最大直徑為50 μ m以上的初晶Si，并且，不存在最大直徑為50 μ m 以上的Al-Fe-Cr-Mn系巨大結(jié)晶物。此外，在型材坯整體中，沒有初晶Si的偏析。再者，在本實(shí)施方式中，所謂「存在著初晶Si」，具體地講，是指例如將試樣進(jìn)行鏡面研磨后，利用金屬顯微鏡對(duì)該鏡面研磨面進(jìn)行顯微組織觀察時(shí)，存在著灰褐色且塊狀的結(jié)晶物。在此，所謂初晶Si的最大直徑，是在初晶Si的成為最大的部分測(cè)定的直徑。所謂 Al-Fe-Cr-Mn系巨大結(jié)晶物的最大直徑，是在該巨大結(jié)晶物的成為最大的部分測(cè)定的直徑。作為初晶Si的最大直徑的具體的測(cè)定方法，例如，將試樣鏡面研磨后，使用金屬顯微鏡對(duì)該鏡面研磨面進(jìn)行顯微組織觀察時(shí)，將灰褐色且塊狀的結(jié)晶物作為初晶Si，使用圖像分析裝置測(cè)定該結(jié)晶物的最大長(zhǎng)度，由此可以得到初晶Si的最大直徑。作為圖像分析裝置，使用例如株式會(huì)社二 > 二公司制的LraEX。作為Al-Fe-Cr-Mn系巨大結(jié)晶物的最大直徑的具體的測(cè)定方法，例如，將試樣鏡面研磨后，使用金屬顯微鏡對(duì)該鏡面研磨面進(jìn)行顯微組織觀察時(shí)，將淺灰色的結(jié)晶物作為 Al-Fe-Cr-Mn系巨大結(jié)晶物，使用圖像分析裝置測(cè)定該巨大結(jié)晶物的最大長(zhǎng)度，由此可以得到Al-Fe-Cr-Mn系巨大結(jié)晶物的最大直徑。作為圖像分析裝置，使用例如株式會(huì)社二 > 二公司制的LraEX。
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在此，在本實(shí)施方式中，在各種大小的Al-Fe-Cr-Mn系結(jié)晶物之中，將最大直徑為50 μ m以上的Al-Fe-Cr-Mn系結(jié)晶物特別稱為Al-Fe-Cr-Mn系巨大結(jié)晶物。再者， Al-Fe-Cr-Mn系巨大結(jié)晶物也稱為Al-Fe-Cr-Mn系巨大金屬間化合物(巨大化合物；giant compound)。再者，在本發(fā)明中，初晶Si是否有偏析的判定基準(zhǔn)沒有特別限定。然而在本實(shí)施方式中，對(duì)于該判定基準(zhǔn)，在初晶Si聚集5個(gè)以上(優(yōu)選為3個(gè)以上)地形成、并且各初晶 Si的間隔的至少1個(gè)比初晶Si的粒徑短的初晶Si集合體存在的情況下，判為有初晶Si的偏析，在這樣的初晶Si集合體不存在的情況下，判為沒有初晶Si的偏析。接著，作為本發(fā)明的一實(shí)施方式涉及的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯的制造方法，在以下說明上述型材坯11的制造方法。型材坯11的制造方法包括通過對(duì)規(guī)定組成的熔液進(jìn)行連鑄，得到鑄造棒的連鑄工序；和通過鍛造將鑄造棒均質(zhì)化處理而得到的鍛造用坯料，得到型材坯的鍛造工序。在連鑄工序中，需要將注入到連鑄模之前的熔液溫度設(shè)定在720°C以上，來對(duì)熔液進(jìn)行連鑄。并且，在該連鑄工序中得到的鑄造棒的直徑必須為85mm以下。熔液的組成含有Si :11. 0 13. 0質(zhì)量％、Fe :0. 6 1. 0質(zhì)量％、Cu :3. 5 4. 5質(zhì)量％、]^ 0. 25 質(zhì)量％ 以下、Mg 0. 4 0. 6 質(zhì)量％、Cr :0. 15 質(zhì)量％ 以下、Zr :0. 07 0. 15 質(zhì)量％、P :0. 005 0. 010質(zhì)量％、Ca :0. 002質(zhì)量％以下，其余量為Al和不可避免的雜質(zhì)。在鍛造工序中，鍛造用坯料必須是將鑄造棒在370 500°C的溫度下均質(zhì)化處理了的坯料。以下，對(duì)于鋁合金的熔液的組成元素的添加意義和添加量(添加濃度)的限定理由、以及型材坯11的制造條件的限定理由進(jìn)行說明?！磳?duì)于Si :11. 0 13. 0 質(zhì)量％ >Si是抑制鋁合金的熱膨脹使其較小，并且使耐磨損性提高的元素。即，耐磨損性可以通過將初晶Si的結(jié)晶控制在適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)來提高。在此，適當(dāng)?shù)臒崤蛎浵禂?shù)由相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)活塞1的對(duì)象構(gòu)件的材質(zhì)、即汽缸體的材質(zhì)(鐵、鋁)來決定，但汽缸體由于一部分上升到高溫，作為整體也不成為高溫(并且，由于成為高溫也需要時(shí)間)，因此結(jié)果是熱膨脹系數(shù)盡可能小變得有利。一般在發(fā)動(dòng)機(jī)活塞 1的設(shè)計(jì)和活塞環(huán)的選定中，根據(jù)到達(dá)高溫時(shí)的尺寸來設(shè)計(jì)。因此，如果熱膨脹太大，則在低溫時(shí)裙部4的直徑變小，因此在起動(dòng)時(shí)容易發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)活塞1的搖動(dòng)。因此，Si的添加量盡量多，在能夠減小熱膨脹的方面是優(yōu)選的。優(yōu)選的熱膨脹系數(shù)在25 250°C的范圍為 (19 21) X 10_6/K，可得到這樣的熱膨脹系數(shù)的Si的添加量為11.0 13.0質(zhì)量％。另一方面，這樣的Si的添加量，以往如以下那樣通過連鑄進(jìn)行的初晶Si的結(jié)晶變得不穩(wěn)定。也就是說，由于通常Al-Si合金的共晶點(diǎn)為11. 7質(zhì)量％，因此在為其以下的 11.0質(zhì)量％時(shí)，初晶Si未結(jié)晶析出。因此，在添加夾著共晶點(diǎn)的前后的量的Si的情況下， 不能夠以初晶Si的結(jié)晶狀態(tài)穩(wěn)定的方式進(jìn)行連鑄。即，在Si的添加量為例如11. 7士0. 5 質(zhì)量％的范圍內(nèi)的情況下，以往通過連鑄進(jìn)行的初晶Si的結(jié)晶變得不穩(wěn)定。但是，本發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)了即使在添加了夾著共晶點(diǎn)的前后的量的Si的情況下，也維持耐磨損性，并且可得到高溫強(qiáng)度和高溫疲勞強(qiáng)度的特定的合金組成條件、制造條件，從而完成了本發(fā)明。
S卩，在本發(fā)明的熔液的組成中，通過添加后述的Ca和/或P，利用與它們的相互作用，即使是添加了夾著共晶點(diǎn)的前后的量的Si的情況下，初晶Si也穩(wěn)定地結(jié)晶，因此能夠使耐磨損性提高。更優(yōu)選的是Si的添加量超過12. 0質(zhì)量％。Si的添加量低于11.0質(zhì)量％時(shí)，熱膨脹變大，并且初晶Si的結(jié)晶被抑制，因此耐磨損性差，不優(yōu)選。另外，如果Si的添加量超過13質(zhì)量％，則結(jié)晶的初晶Si發(fā)生偏析，因此那里成為疲勞破壞的起點(diǎn)，使高溫疲勞強(qiáng)度降低，因此不優(yōu)選。特別是在將對(duì)鑄造棒在規(guī)定溫度下進(jìn)行均質(zhì)化處理得到的鍛造用坯料，鍛造成發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯時(shí)，優(yōu)選在與發(fā)動(dòng)機(jī)活塞1的裙部4和活塞環(huán)槽部7對(duì)應(yīng)的鑄造棒的外周部，初晶Si的分布狀態(tài)均勻且初晶Si的大小變得微細(xì)。〈對(duì)于Fe :0· 6 1. 0 質(zhì)量％ >Fe與Cr和Mn等一同作為Al-Fe-Cr-Mn系的金屬間化合物結(jié)晶析出，該結(jié)晶物成為即使在高溫下也穩(wěn)定的分散強(qiáng)化相，有助于高溫強(qiáng)度的提高。如果狗的添加量低于0. 6質(zhì)量％，則分散強(qiáng)化相的量少，高溫強(qiáng)度的提高較少，因此不優(yōu)選。另一方面，如果！^的添加量超過1. 0質(zhì)量％，則針狀的Al-Fe-Cr-Mn系巨大結(jié)晶物結(jié)晶析出，那里成為疲勞破壞的起點(diǎn)，使高溫疲勞強(qiáng)度降低，因此不優(yōu)選。再者，一般如果大量地添加狗、(> 和Mn，則Al-Fe-Cr-Mn系巨大結(jié)晶物結(jié)晶析出， 使高溫疲勞強(qiáng)度降低。但是，在本發(fā)明中，即使在Fe、Cr和Mn的總添加量多的情況下，若將 Cr和Mn相對(duì)于!^e的添加量抑制在40質(zhì)量％以下進(jìn)行添加，則即使！^的添加量多也能夠抑制巨大結(jié)晶物的結(jié)晶析出?！磳?duì)于Cu :3.5 4.5 質(zhì)量％ >Cu作為Al-Cu (-Mg)系的金屬間化合物析出，通過其存在而使在150°C以下的強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度(以下，分別簡(jiǎn)稱為常溫強(qiáng)度和常溫疲勞強(qiáng)度)提高。如果Cu的添加量低于3. 5質(zhì)量％，則Al-Cu (-Mg)系金屬間化合物的析出物的量少，常溫強(qiáng)度和常溫疲勞強(qiáng)度的提高較少，因此不優(yōu)選。Cu是重的元素，因此如果Cu的添加量多，則損害鋁合金本來具有的輕量性這一特性。而且，Cu的固溶極限為5. 65質(zhì)量％，但即使超過4.5質(zhì)量％地添加Cu，常溫強(qiáng)度和常溫疲勞強(qiáng)度的提高效果也少，因此Cu的添加量設(shè)定4. 5質(zhì)量％作為上限?！磳?duì)于Mn:0.25質(zhì)量％以下〉 Mn是與Fe和Cr 一同作為金屬間化合物結(jié)晶析出，成為分散強(qiáng)化相，有助于高溫強(qiáng)度的提高的元素，但與狗相比容易形成Al-Fe-Cr-Mn系巨大結(jié)晶物。因此，將Mn的添加量設(shè)為0.25質(zhì)量％以下。優(yōu)選Mn的添加量盡可能少，特別優(yōu)選為檢測(cè)極限以下。最優(yōu)選Mn 的添加量為0質(zhì)量％?！磳?duì)于Mg :0.4 0.6 質(zhì)量％ >Mg是通過與Si、Cu共存，使常溫強(qiáng)度和常溫疲勞強(qiáng)度提高的元素。Mg的添加量低于0. 4質(zhì)量％時(shí)上述效果缺乏，因此不優(yōu)選，即使超過0. 6質(zhì)量％地添加Mg，上述效果也飽和。因此Mg的添加量設(shè)為0.4 0.6質(zhì)量％。<對(duì)于Cr 0. 15質(zhì)量％以下>
Cr是與Fe、Mn 一同作為金屬間化合物結(jié)晶析出，成為分散強(qiáng)化相，有助于高溫強(qiáng)度的提高的元素，但與狗相比容易形成Al-Fe-Cr-Mn系巨大結(jié)晶物。因此，Cr的添加量設(shè)為0.15質(zhì)量％以下。優(yōu)選Cr的添加量盡可能少，特別優(yōu)選為檢測(cè)極限以下。最優(yōu)選的Cr 的添加量為0質(zhì)量％?！磳?duì)于Zr :0· 07 0. 15 質(zhì)量％ >Zr是在350°C以上的溫度析出AUr系金屬間化合物，使合金坯料的高溫強(qiáng)度提高的元素。ττ的添加量低于0. 07質(zhì)量％時(shí)上述效果缺乏，因此不優(yōu)選，即使超過0. 15質(zhì)量％地添加Zr，上述效果也飽和。因此，Zr的添加量設(shè)為0. 07 0. 15質(zhì)量％?！磳?duì)于P :0· 005 0. 010 質(zhì)量％ >P是將初晶Si結(jié)晶析出的Si添加量的下限值向低Si量側(cè)移動(dòng)，并且將初晶Si的結(jié)晶物的粒徑微細(xì)化的元素。在Si添加量高的情況下，如果不添加P，則初晶Si粗大化。P 的添加量低于0.005質(zhì)量％時(shí)，上述效果缺乏，因此不優(yōu)選。另一方面，如果P的添加量超過0.010質(zhì)量％，則上述效果飽和，并且，促進(jìn)共晶Si的針狀化，韌性降低，因此不優(yōu)選。因此，P的添加量設(shè)為0. 005 0. 010質(zhì)量％。通過這樣地設(shè)定，可以將初晶Si的最大直徑控制在50 μ m以下。特別優(yōu)選P的添加量滿足下式(1)。通過這樣設(shè)定，可以使采用連鑄的初晶Si的結(jié)晶切實(shí)地穩(wěn)定。由此，可以遍及型材坯整體地使初晶Si切實(shí)地存在，并可以切實(shí)地防止初晶Si的偏析，此外，可以使共晶Si切實(shí)地球狀化。其結(jié)果，可以切實(shí)地得到耐磨損性和高溫特性極其優(yōu)異的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯。0.0025 X Si 添加量-0.025 SP 添加量< 0.0025 X Si 添加量-0.02···式(1)其中，P添加量和Si添加量的單位分別是質(zhì)量％。再者，關(guān)于P，在為P單質(zhì)時(shí)P向熔液的溶入量(即P的添加量)少，并且操作麻煩。因此，為了使P的添加量增加并且使操作容易，優(yōu)選以P-Cu (8質(zhì)量％ P、92質(zhì)量％ Cu 的母合金)的形態(tài)向熔液中添加P。<對(duì)于Ca 0. 002質(zhì)量％以下>Ca是阻礙由P引起的初晶Si的微細(xì)化和硬化的元素。因此，通過將含有氯化鎂 (MgCl2)的助熔劑投入到熔液中并攪拌，使熔液中的Ca量減少，進(jìn)行控制使得Ca的添加量成為0.002質(zhì)量％以下。更優(yōu)選的是通過將Ca和P的添加量(單位質(zhì)量％)規(guī)定為 P>6XCa，即使在添加了夾著共晶點(diǎn)的前后的量的Si的情況下，P也不被Ca消耗。其結(jié)果， 生成A1P，該AlP作為初晶Si的不均質(zhì)核生成的核有效地發(fā)揮作用，由此可以使初晶Si微細(xì)均勻地結(jié)晶析出。由此，可以使耐磨損性提高。優(yōu)選Ca的添加量盡量少，特別優(yōu)選為檢測(cè)極限以下。最優(yōu)選的Ca的添加量為0質(zhì)量％。在連鑄工序中，將熔液溫度設(shè)定在720°C以上的理由如下。將凝固開始前的熔液保持在高溫狀態(tài)進(jìn)行鑄造，可抑制在凝固過程中的 Al-Fe-Cr-Mn系巨大結(jié)晶物的生成，并且有助于在鑄造棒中結(jié)晶析出的初晶Si的微細(xì)化和均勻的分布。因此，鑄造溫度設(shè)為720°C以上。這可以通過將注入到連鑄模之前的熔液溫度設(shè)為720°C以上來實(shí)現(xiàn)。特別優(yōu)選的熔液溫度是740°C以上。通過將熔液溫度設(shè)定在720°C 以上，在將均質(zhì)化處理鑄造棒得到的鍛造用坯料鍛造成發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯時(shí)，在對(duì)應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)活塞1的裙部4和活塞環(huán)槽部7的鑄造棒的外周部，可以使初晶Si的結(jié)晶狀態(tài)為微細(xì)且均勻。再者，熔液溫度的上限值不特別限定，例如為850°C (優(yōu)選為750°C)。在連鑄工序中，將鑄造棒的直徑設(shè)定在85mm以下的理由如下。如果鑄造棒的直徑(鑄造直徑)變大，則鑄塊中心部的冷卻速度變慢，因此 Al-Fe-Cr-Mn系巨大結(jié)晶物容易產(chǎn)生，并且在鑄造棒的中心部的初晶Si的微細(xì)化和均勻的分布被阻礙。在鑄造棒的直徑為85mm以下的情況下，可以將鑄造棒的中心部和外周部的冷卻速度之差抑制為較小，優(yōu)選可以將該冷卻速度差設(shè)為200°C /s以下，由此，能夠抑制 Al-Fe-Cr-Mn系巨大結(jié)晶物的生成。因此，將鑄造棒的直徑規(guī)定在85mm以下。通過這樣設(shè)定，在將均質(zhì)化處理鑄造棒得到的鍛造用坯料鍛造成發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯時(shí)，在對(duì)應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)活塞1的冠面部2的鑄造棒的中心部，不存在Al-Fe-Cr-Mn系巨大結(jié)晶物，可以使初晶 Si的結(jié)晶狀態(tài)變?yōu)樽畲笾睆降陀?0 μ m的微細(xì)且均勻。再者，鑄造棒的直徑的下限值沒有特別限定，例如為20mm。將鑄造棒在370 500°C均質(zhì)化處理的理由如下。Al-Si系結(jié)晶物和/或Al-Fe-Cr-Mn系結(jié)晶物與鋁基體的邊界面的面積越大，則 Al-Fe-Cr-Mn系結(jié)晶物就越成為在高溫下的塑性變形時(shí)的阻力，因此在高溫下的塑性變形難以發(fā)生。其結(jié)果，高溫強(qiáng)度和高溫疲勞強(qiáng)度提高。但是，一般為了鍛造性的改善而進(jìn)行的在固相線溫度緊下方的均質(zhì)化處理，處理溫度較高，將Al-Si系結(jié)晶物和/或Al-Fe-Cr-Mn系結(jié)晶物分隔、球狀化，因此使界面的面積減少。因此，在本發(fā)明中，將處理溫度的上限設(shè)為Al-Si系結(jié)晶物和/或Al-Fe-Cr-Mn系結(jié)晶物不被分隔的、不發(fā)生球狀化的溫度。但是，如果使均質(zhì)化處理溫度過于降低，則在鍛造時(shí)變形能不足，產(chǎn)生裂紋等的不良情況。因此，均質(zhì)化處理溫度設(shè)為370 500°C，更優(yōu)選相應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的形狀，在鍛造時(shí)坯料不開裂的范圍中設(shè)定在盡可能低的溫度。均質(zhì)化處理時(shí)間，優(yōu)選將保持時(shí)間設(shè)為4小時(shí)以上。通過在這樣的處理?xiàng)l件下將鑄造棒均質(zhì)化處理，Al-Si系結(jié)晶物和/或Al-Fe-Cr-Mn系結(jié)晶物可以保持不被分隔的、不發(fā)生球狀化的狀態(tài)。再者，均質(zhì)化處理時(shí)間的保持時(shí)間的上限值沒有特別限定，例如為M小時(shí)以內(nèi)。接著，對(duì)于在將熔液連鑄時(shí)所使用的連鑄裝置，在下面進(jìn)行說明。作為連鑄裝置，只要是在將熔液溫度維持在720°C以上的狀態(tài)下，可以得到直徑 85mm以下的鑄造棒的裝置即可，其方式?jīng)]有限定，例如可以使用立式半連鑄裝置、熱頂連鑄裝置、水平連鑄裝置、氣體加壓式連鑄裝置。圖5是表示進(jìn)行水平連鑄的水平連鑄裝置的一例的截面圖。該連鑄裝置20A具備儲(chǔ)存鋁合金的熔液30的熔液收容部21和具有熔液通路2 的凝固用連鑄水冷模(水冷鑄模)22。并且，在熔液收容部21，通過熔液注入口 23，模22以連通狀態(tài)且水平地配置。M 是形成于模22中的冷卻水通路。模22和從該模22引出的鑄造棒31被從該冷卻水通路M 噴出的冷卻水25冷卻。圖6是表示熱頂連鑄裝置的一例的截面圖。該連鑄裝置20B具備熔液收容部21 和配置于其下側(cè)并且具有熔液通路22a的凝固用連鑄水冷模22。并且，在熔液收容部21， 通過熔液注入口 23，模22以連通狀態(tài)并且使其熔液通路2 的出口朝向下方地配置。在該連鑄裝置20B中，熔液收容部21內(nèi)的鋁合金的熔液30從上方通過熔液注入口 23，導(dǎo)入到被冷卻了的模22內(nèi)。并且，導(dǎo)入到該模22內(nèi)的熔液30，一邊在與模22接觸的部分形成固化殼(凝固殼)一邊從模22向下方引出。從模22引出的鑄造棒31被從冷卻水通路M噴出
9的冷卻水25冷卻。在本發(fā)明中，在如以上那樣的各連鑄裝置20A、20B中，優(yōu)選以熔液30即將注入到模22內(nèi)之前的位置C的溫度作為熔液溫度，優(yōu)選該溫度為720°C以上。在后述的[實(shí)施例] 欄中，以熔液30的該位置C的溫度作為熔液溫度。接著，對(duì)于將鑄造棒均質(zhì)化處理時(shí)使用的均質(zhì)化處理爐在下面進(jìn)行說明。作為均質(zhì)化熱處理爐，只要是收容鑄造棒，并在370 500°C的處理溫度可以進(jìn)行均質(zhì)化處理的爐即可，在為以往廣泛使用的爐，例如熱風(fēng)循環(huán)式的爐的情況下，可以是直接加熱爐和輻射管爐的任一種，另外，在為運(yùn)送方式的爐的情況下，可以是連續(xù)爐和間歇爐的任一種。接著，對(duì)于在對(duì)鍛造用坯料進(jìn)行鍛造時(shí)所使用的鍛造裝置在下面進(jìn)行說明。作為鍛造裝置，只要是具備將鍛造用坯料鍛造成型為發(fā)動(dòng)機(jī)活塞形狀的型材坯的鍛造用模具的鍛造裝置即可，特別優(yōu)選是還具備預(yù)熱處理裝置和潤(rùn)滑材料涂布裝置的裝置。此外，鍛造用模具優(yōu)選為密封鍛造用模具。具體地例示，作為鍛造裝置，可以使用曲柄連桿式壓力機(jī)、曲柄式壓力機(jī)、摩擦壓力機(jī)、油壓壓力機(jī)、伺服壓力機(jī)。然后，本實(shí)施方式中的型材坯的制造方法如以下那樣進(jìn)行。使用連鑄裝置，將規(guī)定組成的熔液在720°C以上的熔液溫度下連鑄成直徑為85mm 以下的鑄造棒[連鑄工序]。該鑄造棒的截面形狀優(yōu)選為圓形狀，即鑄造棒優(yōu)選為圓棒形狀。接著，通過將鑄造棒在370 500°C的溫度均質(zhì)化處理，得到鍛造用坯料。然后，該坯料在均質(zhì)化處理后，根據(jù)需要坯料的外周面被剝皮處理(外周面切削處理)。其后，該坯料沿坯料的縱向被切斷成規(guī)定長(zhǎng)度(厚度)由此成為圓板狀或圓柱狀。在此，鑄造棒的切斷面成為坯料的上面和下面，鑄造棒的外周面或其內(nèi)部附近成為坯料的外周面。進(jìn)而，該坯料根據(jù)需要實(shí)施鐓鍛處理、潤(rùn)滑處理和預(yù)熱處理。接著，坯料利用鍛造裝置被鍛造成型為發(fā)動(dòng)機(jī)活塞形狀的型材坯[鍛造工序]。圖7和圖8是表示分別使用鍛造裝置鍛造坯料的鍛造工序的圖。圖7和圖8示出的鍛造裝置40的模具41都由上模具42和下模具43構(gòu)成，通過上下兩模具42、43嵌合，在密封的成型空間44內(nèi)鍛造出圓板狀或圓柱狀坯料32，得到發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用的型材坯11。在圖7中，32A是將鑄造棒31均質(zhì)化處理從而得到的長(zhǎng)的鍛造用棒狀坯料32A。將該棒狀坯料32A切斷為規(guī)定長(zhǎng)度(厚度)從而得到的圓板狀或圓柱狀坯料32被配置于鍛造裝置40的下模具43內(nèi)，其后，利用嵌合于下模具43內(nèi)的上模具42在坯料32的軸向擠壓，由此坯料32在密封成型空間44內(nèi)被鍛造成型為規(guī)定形狀，得到發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用的型材坯 11。圖7示出的鍛造裝置40的模具41，以裙部對(duì)應(yīng)部(未圖示)和銷座對(duì)應(yīng)部15、15被進(jìn)行前方擠壓成型的方式構(gòu)成。在圖8中，與上述圖7中示出的鍛造方法同樣地，坯料32被鍛造，得到發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用的型材坯11。圖8示出的鍛造裝置40的模具41，以裙部對(duì)應(yīng)部(未圖示)和銷座對(duì)應(yīng)部15、15被進(jìn)行后方擠壓成型的方式構(gòu)成。如圖7和圖8所示，坯料32以該坯料32的上面和下面成為型材坯11的冠面部對(duì)應(yīng)部12，并且該坯料32的外周部成為活塞環(huán)槽部對(duì)應(yīng)部17和裙部對(duì)應(yīng)部(未圖示)的方式，被配置在下模具43內(nèi)。在即將鍛造前進(jìn)行的預(yù)熱處理的處理溫度和鍛造時(shí)的坯料溫度優(yōu)選為470°C以下且為盡量短的時(shí)間，特別優(yōu)選為低于均質(zhì)化處理溫度的溫度。另外，作為加熱時(shí)間，也可以為坯料溫度能夠升溫到處理溫度(即470°C以下)的最短時(shí)間。通過這樣以低溫短時(shí)間進(jìn)行處理，在鍛造后也可以維持均質(zhì)化處理后的Al-Si系結(jié)晶物和/或Al-Fe-Cr-Mn系結(jié)晶物的狀態(tài)。這樣得到的型材坯11根據(jù)需要實(shí)施固溶處理和時(shí)效處理。固溶處理溫度優(yōu)選為固相線溫度以下。其理由是因?yàn)榭梢跃S持均質(zhì)化處理后的 Al-Si系結(jié)晶物和/或Al-Fe-Cr-Mn系結(jié)晶物的狀態(tài)。對(duì)于時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間，優(yōu)選通過調(diào)整溫度和時(shí)間使其處于稍微過時(shí)效側(cè)。通過這樣設(shè)定，可以抑制由制品使用時(shí)的時(shí)效引起的尺寸生長(zhǎng)。并且，該型材坯11通過機(jī)械加工等實(shí)施最終精加工，其后，安裝活塞環(huán)等的其他部件，成為發(fā)動(dòng)機(jī)活塞。如以上那樣按照本實(shí)施方式的型材坯的制造方法制造的型材坯11，在鍛造時(shí)在冠面部對(duì)應(yīng)部12不產(chǎn)生裂紋，至少在裙部對(duì)應(yīng)部14和活塞環(huán)槽部對(duì)應(yīng)部17適當(dāng)?shù)卮嬖诔蹙i，不存在最大直徑為50 μ m以上的初晶Si，不存在初晶Si的偏析，不存在最大直徑為 50 μ m以上的Al-Fe-Cr-Mn系巨大結(jié)晶物。因此，使用該型材坯11制造的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞1，成為耐磨損性優(yōu)異，并且常溫拉伸特性、高溫特性(即高溫拉伸特性和高溫疲勞特性)優(yōu)異的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞。以上說明了本發(fā)明的實(shí)施方式，但本發(fā)明不限定于上述實(shí)施方式，在不脫離本發(fā)明的要旨的范圍內(nèi)當(dāng)然可以進(jìn)行各種變更。實(shí)施例接著，表示本發(fā)明的具體的實(shí)施例和比較例。但是，本發(fā)明不限定于以下的實(shí)施例。<實(shí)施例1 7、比較例1 14>
權(quán)利要求
1.一種發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯的制造方法，其特征在于，包括連鑄工序，所述連鑄工序通過將注入到連鑄模之前的熔液溫度設(shè)定在720V以上并對(duì)熔液進(jìn)行連鑄，得到直徑為85mm以下的鑄造棒，所述熔液的組成含有Si :11. 0 13. 0質(zhì) fi%,Fe :0. 6 1. 0 質(zhì)量％、Cu :3. 5 4. 5 質(zhì)量％、Mn :0. 25 質(zhì)量％ 以下、Mg :0. 4 0. 6 質(zhì)量％、0 0. 15 質(zhì)量％ 以下、Zr 0. 07 0. 15 質(zhì)量％、P :0. 005 0. 010 質(zhì)量％、Ca :0. 002 質(zhì)量％以下，其余量由Al和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成；和鍛造工序，所述鍛造工序通過對(duì)鍛造用坯料進(jìn)行鍛造從而得到發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯， 所述鍛造用坯料是將所述鑄造棒在370 500°C的溫度均質(zhì)化處理而得到的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯的制造方法，其中，在所述熔液的組成中，P添加量滿足下式(1)，0. 0025 X Si 添加量-0. 025 ( P 添加量 < 0. 0025 X Si 添加量-0. 02···式(1)式中，P 添加量和Si添加量的單位分別為質(zhì)量％。
3.一種發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯，是采用權(quán)利要求1或2所述的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯的制造方法制造的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯，其特征在于，在型材坯中的至少裙部對(duì)應(yīng)部和活塞環(huán)槽部對(duì)應(yīng)部存在初晶Si，在型材坯整體中，不存在最大直徑為50 μ m以上的初晶Si，并且，不存在最大直徑為 50 μ m以上的Al-Fe-Cr-Mn系巨大結(jié)晶物。
4.一種發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯，是通過鍛造而制造的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯，其特征在于，型材坯的組成含有Si 11. 0 13. 0質(zhì)量％、佝0. 6 1. 0質(zhì)量％、Cu :3. 5 4. 5質(zhì)量％、]^ 0. 25 質(zhì)量％ 以下、Mg 0. 4 0. 6 質(zhì)量％、Cr :0. 15 質(zhì)量％ 以下、Zr :0. 07 0. 15 質(zhì)量％、P :0. 005 0. 010質(zhì)量％、Ca :0. 002質(zhì)量％以下，其余量為Al和不可避免的雜質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯，其中，在所述型材坯的組成中，P添加量滿足下式(1)，0. 0025 X Si 添加量-0. 025 < P 添加量;^ 0. 0025 X Si 添加量-0. 02···式(1)式中，P 添加量和Si添加量的單位分別為質(zhì)量％。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯，其中，在型材坯中的至少裙部對(duì)應(yīng)部和活塞環(huán)槽部對(duì)應(yīng)部存在初晶Si，在型材坯整體中，不存在最大直徑為50 μ m以上的初晶Si，并且，不存在最大直徑為 50 μ m以上的Al-Fe-Cr-Mn系巨大結(jié)晶物。
全文摘要
一種發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯的制造方法，包括連鑄工序，所述連鑄工序通過將鋁合金的熔液(30)在720℃以上的熔液溫度連鑄，得到直徑85mm以下的鑄造棒(31)；和鍛造工序，所述鍛造工序通過鍛造將鑄造棒(31)在370～500℃的溫度均質(zhì)化處理得到的鍛造用坯料(32)，得到發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用型材坯(11)。熔液(30)的組成含有Si11.0～13.0質(zhì)量％、Fe0.6～1.0質(zhì)量％、Cu3.5～4.5質(zhì)量％、Mn0.25質(zhì)量％以下、Mg0.4～0.6質(zhì)量％、Cr0.15質(zhì)量％以下、Zr0.07～0.15質(zhì)量％、P0.005～0.010質(zhì)量％、Ca0.002質(zhì)量％以下，其余量為Al和不可避免的雜質(zhì)。
文檔編號(hào)C22F1/043GK102482752SQ20108003920
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月3日
發(fā)明者村上寬秋, 竹村英貴 申請(qǐng)人:昭和電工株式會(huì)社