CN108929974A

CN108929974A - 铝合金材料

Info

Publication number: CN108929974A
Application number: CN201810492280.0A
Authority: CN
Inventors: 丸山匠
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Resonac Holdings Corp
Priority date: 2017-05-23
Filing date: 2018-05-22
Publication date: 2018-12-04
Also published as: US20210087654A1; US20180340243A1; JP6990527B2; JP2018197366A

Abstract

提供即使在高温环境下也具备高强度和低热膨胀率的铝合金材料。本发明的铝合金材料具有下述组成：包含Si：13质量％～15质量％、Cu：2.0质量％～6.0质量％、Mg：0.2质量％～1.5质量％、Fe：0.4质量％～0.8质量％、Ni：0.2质量％～0.8质量％、P：0.005质量％～0.015质量％，余量由Al和不可避免的杂质组成。

Description

铝合金材料

技术领域

本发明涉及例如适合用作为以汽车用发动机部件为代表的活塞和曲柄间的连结杆即连杆(以下也称作“连接杆”)的铝合金材料及其关联技术。

背景技术

在近年的汽车业界中强烈需要提高燃油经济性，与之相伴，在汽车中所使用的各种构件例如内燃机的活塞、连杆等的轻量化和高功能化的要求日益提高。

关于这样的汽车用各种构件，代替以往的钢铁材料、铸铁材料而使用强度相对于重量之比即比强度高的铝合金材料的倾向变高，其中，尤其是作为如以上述汽车用的各种构件所代表的、即使在高温氛围下等的严酷环境下也能耐受的构件，由具有高温高强度的Al－Si系合金等铝合金构成的锻造材料受到注目。

在制造这种铝合金制锻造材料时，如例如专利文献1所记载的那样，一般进行下述工序：对于利用雾化法等将规定的成分组成的铝合金熔液急冷凝固而得到的粉末，进行热挤压加工，对所得到的挤压材料进行模锻从而制成规定的制品形状。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平2－277751号

发明内容

但是，在如上述专利文献1所示的以往的铝合金制锻造材料的制造方法那样，将铝合金制的雾化粉末的挤压材料作为锻造原材料进行了热锻的情况下，由于变形阻力高，因此有可能模具寿命降低。

因此，为了避免模具寿命的降低，有时选择不使用铝合金制的雾化粉末的挤压材料而将以往的一般的铸造材料作为锻造原材料通过模锻来成形出连杆的方法。然而，在选择了该方法的情况下，存在下述课题：在连杆的使用环境下即在150℃的高温下的特性、尤其是疲劳强度等强度和低热膨胀率化比使用雾化粉末的挤压材料的情况低。

本发明的优选的实施方式是鉴于关联技术中的上述和/或其他的问题而完成的。本发明的优选的实施方式能够显著地改善已有的方法和/或装置。

本发明是鉴于上述的课题而完成的，其目的是提供不使用雾化粉末的挤压材料，即使在高温环境等严酷的使用环境下也具备高强度和低热膨胀率等所期望的特性的铝合金材料及其关联技术。

本发明的其他目的和优点可由以下的优选的实施方式来明确。

为了解决上述课题，本发明具备以下的方案。

[1]一种铝合金材料，其特征在于，具有以下组成：包含Si：13质量％～15质量％、Cu：2.0质量％～6.0质量％、Mg：0.2质量％～1.5质量％、Fe：0.4质量％～0.8质量％、Ni：0.2质量％～0.8质量％、P：0.005质量％～0.015质量％，余量由Al和不可避免的杂质组成。

[2]根据前项1所述的铝合金材料，包含Cu：4.2质量％～4.8质量％、Mg：0.4质量％～0.6质量％、Fe：0.4质量％～0.6质量％。

[3]根据前项1或2所述的铝合金材料，包含Mn：0.01质量％～0.50质量％、Ti：0.01质量％～0.30质量％和Zr：0.01质量％～0.30质量％之中的任一种以上的成分。

[4]一种车辆用连杆，其特征在于，采用前项1～3的任一项所述的铝合金材料构成。

[5]一种铝合金材料的制造方法，其特征在于，对铝合金熔液进行铸造来制作铸造材料，以该铸造材料为基础来制造铝合金材料，

所述铝合金熔液具有以下组成：包含Si：13质量％～15质量％、Cu：2.0质量％～6.0质量％、Mg：0.2质量％～1.5质量％、Fe：0.4质量％～0.8质量％、Ni：0.2质量％～0.8质量％、P：0.005质量％～0.015质量％，余量由Al和不可避免的杂质组成。

[6]根据前项5所述的铝合金材料的制造方法，上述铝合金熔液包含Cu：4.2质量％～4.8质量％、Mg：0.4质量％～0.6质量％、Fe：0.4质量％～0.6质量％。

[7]根据前项5或6所述的铝合金材料的制造方法，上述铝合金熔液包含Mn：0.01质量％～0.50质量％、Ti：0.01质量％～0.30质量％和Zr：0.01质量％～0.30质量％之中的任一种以上的成分。

[8]根据前项5～7的任一项所述的铝合金材料的制造方法，对上述铸造材料实施均质化处理，然后进行锻造来制造铝合金材料。

[9]根据前项5～7的任一项所述的铝合金材料的制造方法，

对上述铸造材料进行挤压加工来制作挤压材料，

对该挤压材料实施均质化处理，然后进行锻造来制造铝合金材料。

[10]根据前项5～7的任一项所述的铝合金材料的制造方法，

对上述铸造材料实施均质化处理，然后进行锻造来制作锻造材料，

对该锻造材料实施固溶处理、水淬火处理和人工时效处理来制造铝合金材料。

[11]根据前项5～7的任一项所述的铝合金材料的制造方法，

对该锻造材料实施固溶处理、水淬火处理和人工时效处理，然后实施喷丸硬化处理来制造铝合金材料。

[12]一种车辆用连杆的制造方法，其特征在于，使用采用前项5～11的任一项所述的制造方法制造出的铝合金材料来制造出车辆用连杆。

根据发明[1]～[3]的铝合金材料，由于具有特定的合金组成，因此即使在高温环境下也具备充分的强度和低的热膨胀率。

根据发明[4]的车辆用连杆，由于具有特定的合金组成，因此即使在高温环境下也具备充分的强度和低的热膨胀率。

根据发明[5]～[11]的铝合金材料的制造方法，能够制造即使在高温环境下也具备充分的强度和低的热膨胀率的铝合金材料。

根据发明[12]的车辆用连杆的制造方法，能够制造即使在高温环境下也具备充分的强度和低的热膨胀率的车辆用连杆。

附图说明

图1为表示本发明的实施方式的汽车用连杆的制造工艺的一例的流程图。

图2为表示基于实施例的铝合金材料的制造方法得到的铸造材料的立体图。

图3为表示基于实施例的铝合金材料的制造方法得到的锻造材料的立体图。

附图标记说明

W1：铸造材料(锻造原材料)

W2：锻造材料(镦锻材料)

具体实施方式

本发明的实施方式的汽车用连杆，采用规定的铝合金材料构成。再者，在本实施方式中，作为添加量(含量)的“％”以“质量％”的意思来使用。

本实施方式中的作为连杆的铝合金材料，具备以下组成：包含Si：13％～15％、Cu：4.2％～4.8％、Mg：0.4％～0.6％、Fe：0.4％～0.6％、Ni：0.2％～0.8％、P：0.005％～0.015％，余量由Al和不可避免的杂质组成。

在本实施方式中，铝合金材料的各组成成分(添加元素)的添加量(含量)及其效果如以下所示。

Si的添加量为13％～15％。Si具有提高高温强度的效果和降低热膨胀的效果。该效果在Si低于13％时难以体现，在Si为13％以上时特别显著地体现。若Si超过15％，则锻造加工性降低，而且初晶Si的结晶多，在室温下的伸长率降低，另外，有可能由于比铝硬的初晶Si的存在而导致切削加工的切削刃缺损。因此，Si需要设为13％～15％，优选设为13.5％～14.5％。

Cu的添加量为4.2％～4.8％。Cu具有提高高温强度、尤其是提高在处于连杆的实用温度区域的150℃下的强度的效果。该效果是通过Cu的析出而带来的，因此通过实施人工时效，能够得到上述效果。另外，通过与Ni同时添加，作为Al－Ni－Cu系化合物结晶出，得到弥散强化，具有高温强度进一步提高的效果。这两种效果在Cu低于4.2％时难以体现，在Cu为4.2％以上时显著地体现。另外，若超过4.8％，则难以显著体现上述效果，另外，有可能由于比重增加而导致比强度未提高。因此，Cu需要设为4.2％～4.8％，更优选设为4.4％～4.6％。

Mg的添加量为0.4％～0.6％。Mg具有提高高温强度的效果。Mg在连续铸造时固溶，在人工时效时与Si、Cu形成化合物而析出，由此具有提高在处于连杆的实用温度区域的150℃的温度下的强度的效果。该效果在Mg低于0.4％时难以体现，在Mg为0.4％以上时显著地体现。另外，若超过0.6％，则不会显著体现上述效果。因此，Mg需要设为0.4％～0.6％，更优选设为0.45％～0.55％。

Fe的添加量为0.4％～0.6％。Fe通过与Si同时添加，结晶出Al－Fe－Si系化合物而有助于弥散强化，具有提高在连杆的实用温度区域的强度的效果。该效果在Fe低于0.4％时难以体现，在Fe为0.4％以上时显著体现。另外，若超过0.6％，则粗大化的化合物结晶出，有可能造成延展性的降低。因此，Fe需要设为0.4％～0.6％，更优选设为0.45％～0.55％。

Ni的添加量为0.2％～0.8％。Ni具有提高高温强度的效果和降低导热率的效果。Ni通过与Cu同时添加，结晶出Al－Cu－Ni系化合物，具有通过弥散强化而提高在目标温度区域的强度的效果。该效果在Ni低于0.2％时难以体现，在Ni为0.2％以上时显著体现。另外，若超过0.8％，则结晶出粗大结晶物，有可能延展性降低。因此，Ni需要设为0.2～0.8％，更优选设为0.3～0.7％。

P的添加量为0.005％～0.015％。P形成AlP化合物而成为初晶Si的核，具有有助于初晶Si的微细化和均匀分散的效果。该效果在P低于0.005％时难以体现，在P为0.005％以上时显著体现。另外，若超过0.015％，则熔液流动性降低，有可能难以铸造。因此，P需要设为0.005％～0.015％，更优选设为0.007％～0.013％。

Mn优选以0.01～0.5％的范围添加。即，Mn通过与Si同时添加而结晶出Al－Mn－Si系化合物，有助于弥散强化，另外，在固溶处理时一部分固溶于Al母相，在人工时效处理时作为微细析出物析出，有助于提高在连杆的实用温度区域的疲劳强度。该效果在Mn低于0.01％时难以体现，在Mn为0.01％以上时显著地体现。另外，若超过0.5％，则比Al母相先结晶出，成为粗大结晶物，有可能造成延展性降低。因此，在添加Mn的情况下，优选设为0.01％～0.5％，更优选设为0.1～0.3％。

Ti优选以0.01％～0.3％的范围添加。即，Ti通过微细添加从而在铸造时固溶于Al母相中，在人工时效处理时浓化而引起基体强化，有助于提高在连杆的实用温度区域的疲劳强度。该效果在Ti低于0.01％时难以体现，在Ti为0.01％以上时显著地体现。另外，若超过0.3％，则含Ti的化合物粗大地结晶出，有可能造成延展性降低。因此，在添加Ti的情况下，优选设为0.01％～0.3％，更优选设为0.05％～0.10％。

Zr优选以0.01％～0.3％的范围添加。即，Zr通过微细添加从而在铸造时固溶于Al母相中，在人工时效处理时浓化从而引起基体强化。另外，通过与Ti同时添加，在人工时效处理时作为Al－(Ti、Zr)系生成具有L12结构的纳米级析出物，有助于提高在连杆的实用温度区域的疲劳强度。该效果在Zr低于0.01％时难以体现，在Zr为0.01％以上时显著地体现。另外，若超过0.3％，则含Zr的化合物粗大地结晶出，有可能延展性降低。因此，Zr优选设为0.01％～0.3％，更优选设为0.05～0.10％。

在本实施方式中，例如通过采用众所周知的方法进行熔炼，来制作具有上述的合金组成的铝合金熔液，并使用该熔液进行连续铸造，来制作连续铸造材料(坯)。进而，对该连续铸造材料进行热处理，然后进行锻造加工等塑性加工，由此得到本实施方式的连杆用的低热膨胀铝合金材料。

接着，参照图1对制造本实施方式中的连杆用铝合金材料的工艺的一例进行详细说明。

首先，通过进行熔炼，来制作如上述那样进行了成分调整的铝合金熔液。使用该熔液，如图1所示那样进行连续铸造，来制作连续铸造材料(步骤S1)。在本实施方式中，该连续铸造材料是作为锻造原材料用坯而构成的，例如以直径φ30mm～40mm的尺寸形成为圆棒状。

再者，在本发明中，也可以通过连续铸造来制作挤压用坯，对该挤压用坯进行挤压加工，成形出挤压材料，将该挤压材料作为锻造原材料使用。然而，在该情况下，由于进行挤压加工，因此相应地制造成本变高，因此通过连续铸造(铸造工序)来制作锻造原材料用坯较为有利。

所得到的连续铸造材料，由于有时在铸造时引起结晶物的偏析等，因此为了除去其不均匀的组织，如步骤S2所示实施均质化处理(均匀化处理)。在均质化处理中，优选将加热温度设为480～505℃、将处理时间设为0.5小时～6小时。

在均质化处理后，如步骤S3所示将连续铸造材料切断成规定的长度，制成锻造原材料。

对这样得到的锻造原材料，如步骤S4所示进行锻造加工，成形出锻造材料。在该锻造工序中，优选将模具温度设为100℃～250℃、将原材料温度设为370℃～450℃。

接着，对该锻造材料如步骤S5所示进行固溶处理。在该固溶处理中，优选将加热温度设为485℃～510℃、将处理时间设为1.0小时～5.0小时。

对进行固溶处理后的锻造材料如步骤S6所示进行水淬火处理，从而急冷。在该水淬火处理中，优选水温设定为10℃～80℃。

对进行水淬火处理后的锻造材料如步骤S7所示进行人工时效处理。在该人工时效处理中，优选将加热处理温度设为160℃～220℃、将处理时间设为1小时～18小时。

在进行人工时效处理后，对于人工时效处理过的锻造材料(锻造T6处理品)，通过机械加工来切削表面。在该切削后如步骤S8所示对锻造材料进行喷丸处理(喷丸硬化处理)。该喷丸处理是通过喷丸而对锻造材料的表面附近施以塑性变形，从而对表面给予压缩应力，由此使疲劳强度提高的处理。在该喷丸处理中，优选：丸粒介质的尺寸(磨粒尺寸)设为直径1mm以下的程度，磨粒种类设为SUS304(JIS材料标号)、氧化铝等，喷丸气体的压力设为1MPa以下。

这样地制造出本实施方式的连杆用铝合金材料(锻造材料)。使用这样得到的铝合金材料制作出的连杆，常温强度、高温强度优异，特别是具备通过与铁部件的接合而带来的低热膨胀性和针对负载交变载荷的情况的在高温下的高的疲劳强度，作为连杆能够得到高的性能。

实施例

以下，对于与本发明关联的实施例和与实施例进行对比的比较例进行详细说明。

表1

表1是表示实施例1～7和比较例8～20的铝合金材料(供试材料)的组成成分的表。在除了实施例7以外的例子中，分别熔炼具有表1所示的组成的铝合金熔液，使用各铝合金熔液，以铸造直径38mm进行连续铸造，得到了φ38mm的除了实施例7以外的实施例和比较例的连续铸造材料。将所得到的连续铸造材料以470℃×7小时实施均质化处理，并进行了空冷。

另外，在实施例7中，熔炼具有表1的实施例7所示的组成的铝合金熔液，使用该铝合金熔液，以铸造直径210mm进行连续铸造，得到了φ210mm的实施例7的挤压用坯。将该坯2加热至350℃来进行挤压加工，得到了φ38mm的实施例7的挤压材料。将所得到的挤压材料以470℃×7小时实施均质化处理，并进行了空冷。

将进行了空冷的上述连续铸造材料和挤压材料切断成长度(L)＝80mm，如图2所示那样得到实施例和比较例的锻造原材料W1。接着，对该锻造原材料W1在原材料温度420℃、模具温度180℃下进行了热锻。在该锻造中，在与连续铸造材料的轴向垂直的方向(LT方向)上进行50％的镦锻，如图3所示那样制成实施例和比较例的材料特性调查用的锻造材料(镦锻材料)W2。

将上述锻造材料以500℃×3小时加热从而进行固溶处理后，采用25℃的水进行水淬火，以170℃×8小时实施人工时效处理，得到了实施例和比较例的固溶处理过的锻造材料(锻造T6处理品)。

接着，为了进行常温拉伸试验，切取实施例和比较例的上述锻造T6处理品的一部分，得到了实施例和比较例的常温拉伸试样(供试材料)。该试样的形状采用JIS4号试样，对于各试样依据JIS Z2241的规定进行拉伸试验，测定了抗拉强度。

另外，为了进行高温拉伸试验，将实施例和比较例的上述锻造T6处理品以150℃×100小时预加热后，通过切削加工切取一部分，得到了实施例和比较例的高温拉伸试样(供试材料)。该试样形状采用JIS4号试样，对于各试样依据JIS Z2241的规定进行拉伸试验，测定了抗拉强度。

另外，为了进行高温疲劳试验，将实施例和比较例的上述锻造T6处理品以150℃×100小时预加热后，通过切削加工切取一部分，得到了实施例和比较例的规定形状的试样(供试材料)。然后，对各试样进行了疲劳试验。疲劳试验使用小野式旋转弯曲试验机，对各试样(合金)的每一个各测定8次，得到了S－N曲线。由所得到的S－N曲线求出在反复数10⁷次下的强度，并作为疲劳强度。

另外，为了进行热膨胀试验，通过切削加工从实施例和比较例的上述锻造T6处理品切取一部分，得到了实施例和比较例的规定形状的试样(供试材料)。然后，对各试样进行了热膨胀测定。关于热膨胀测定，使用理学(リガク)制线膨胀测定装置(Thermo plus EVO)，对各试样在30℃～150℃的范围进行了测定。

将如以上那样测定到的常温抗拉强度、150℃抗拉强度、150℃疲劳强度以及热膨胀率的结果示于表2。另外，在表2中，以各试验的测定结果为基础，将常温抗拉强度、150℃抗拉强度、150℃疲劳强度以及热膨胀率采用“◎(优)”、“○(良)”、“×(不可)”三个等级来评价。在该评价中，在常温抗拉强度上，将431MPa以上评价为“◎”，将400MPa～430MPa评价为“○”，将399MPa以下评价为“×”，在150℃抗拉强度上，将381MPa以上评价为“◎”，将350MPa～380MPa评价为“○”，将349MPa以下评价为“×”，在150℃疲劳强度上，将156MPa以上评价为“◎”，将150MPa～155Mpa评价为“○”，将149MPa以下评价为“×”，在热膨胀率上，将19.4×10^－6/K以下评价为“◎”，将超过19.4×10^－6/K且为19.9×10^－6/K以下评价为“○”，将20×10^－6/K以上评价为“×”。

表2

由表2所示的结果明确可知：Si、Cu、Mg、Fe、Ni、Mn、Ti、Zn的添加量适当调整为本发明的特定范围、优选范围内的实施例1～7的供试材料(试样)，能够得到常温抗拉强度、150℃抗拉强度、150℃疲劳强度、低热膨胀率均优异的评价。

与此相对，如比较例8、14、16所示，可知：有助于低热膨胀化的Si、Fe、Ni的添加量比本发明的特定范围少的供试材料的热膨胀率变高。

另外，可知：如比较例13那样，有助于高热膨胀化的Mg的添加量比本发明的特定范围多的供试材料的热膨胀率变高。

另外，可知：比较例9的供试材料，Si的添加量比本发明的特定范围多，因此初晶Si大量地结晶出，延展性低，疲劳强度低。

而且，可知：如比较例10、12那样，有助于提高在150℃区域的强度的Cu、Mg的添加量比本发明的特定范围少的供试材料，通过时效析出而带来的强度的提高较少，疲劳强度低。

而且，可知：比较例11的供试材料，Cu的添加量比本发明的特定范围多，因此因Al－Cu系化合物的结晶而导致延展性低，疲劳强度低。

另外，可知：比较例15的供试材料，Fe的添加量比本发明的特定范围多，因此粗大的Al－Fe－Si系化合物结晶出，机械特性低。

另外，可知：比较例16的供试材料，Ni的添加量比本发明的特定范围少，因此通过Al－Ni－Cu系化合物的结晶而带来的弥散强化弱，疲劳强度低。

而且，可知：比较例17的供试材料，Ni的添加量比本发明的特定范围多，因此粗大的Al－Ni－Cu系化合物结晶出，机械特性低。

另外，可知：比较例18的供试材料，Mn的添加量比本发明的规定范围多，因此粗大的Al－Mn－Si系化合物结晶出，使机械特性降低。

而且，可知：比较例19的供试材料，Ti的添加量比本发明的规定范围多，因此粗大的Ti系化合物结晶出，使机械特性降低。

而且，可知：比较例20的供试材料，Zr的添加量比本发明的规定范围多，因此粗大的Zr系化合物结晶出，使机械特性降低。

如以上那样，在包含本发明的要旨的实施例1～7的供试材料(铝合金材料)中，常温抗拉强度、150℃抗拉强度、150℃疲劳强度以及热膨胀率优异，即使是在高温环境等的严酷的使用环境下，也具备充分的疲劳强度和低热膨胀率，因此特别是能够很好地用作为车辆用连杆。

与此相对，如比较例8～20的供试材料那样脱离了本发明的要旨的铝合金材料，150℃抗拉强度、150℃疲劳强度和热膨胀率中的某项的结果比本发明差，认为本发明的铝合金材料适合于在高温环境下使用。

本申请要求在2017年5月23日提出的日本国专利申请即专利申请2017－101481号的优先权，其公开内容原样地构成本申请的一部分。

在此使用的术语和表达是为了说明而使用的，并不用于限定性地解释，并不排除在此示出且叙述了的特征事项的任何的均等物，必须认识到也允许在本发明的权利要求范围内的各种变形。

产业上的可利用性

本发明的铝合金材料能够很适合地用作为例如汽车的内燃机中的活塞和曲柄间的连结杆即连杆。

Claims

1.一种铝合金材料，其特征在于，具有以下组成：包含Si：13质量％～15质量％、Cu：2.0质量％～6.0质量％、Mg：0.2质量％～1.5质量％、Fe：0.4质量％～0.8质量％、Ni：0.2质量％～0.8质量％、P：0.005质量％～0.015质量％，余量由Al和不可避免的杂质组成。

2.根据权利要求1所述的铝合金材料，包含Cu：4.2质量％～4.8质量％、Mg：0.4质量％～0.6质量％、Fe：0.4质量％～0.6质量％。

3.根据权利要求1或2所述的铝合金材料，包含Mn：0.01质量％～0.50质量％、Ti：0.01质量％～0.30质量％和Zr：0.01质量％～0.30质量％之中的任一种以上的成分。

4.一种车辆用连杆，其特征在于，采用权利要求1～3的任一项所述的铝合金材料构成。

5.一种铝合金材料的制造方法，其特征在于，

对铝合金熔液进行铸造来制作铸造材料，以该铸造材料为基础来制造铝合金材料，

6.根据权利要求5所述的铝合金材料的制造方法，上述铝合金熔液包含Cu：4.2质量％～4.8质量％、Mg：0.4质量％～0.6质量％、Fe：0.4质量％～0.6质量％。

7.根据权利要求5或6所述的铝合金材料的制造方法，上述铝合金熔液包含Mn：0.01质量％～0.50质量％、Ti：0.01质量％～0.30质量％和Zr：0.01质量％～0.30质量％之中的任一种以上的成分。

8.根据权利要求5～7的任一项所述的铝合金材料的制造方法，对上述铸造材料实施均质化处理，然后进行锻造来制造铝合金材料。

9.根据权利要求5～7的任一项所述的铝合金材料的制造方法，

对上述铸造材料进行挤压加工来制作挤压材料，

10.根据权利要求5～7的任一项所述的铝合金材料的制造方法，

11.根据权利要求5～7的任一项所述的铝合金材料的制造方法，

12.一种车辆用连杆的制造方法，其特征在于，使用采用权利要求5～11的任一项所述的制造方法制造出的铝合金材料来制造出车辆用连杆。