JP2000504376A - 高温アルミニウム材料、特にピストン用のアルミニウム材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、アルミニウムの粉末および１種類以上のアルミニウム合金用元素（Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃ）を機械的に合金化し、その際にアルミニウムおよびアルミニウム合金用元素の粒度が約１００μｍまででありそして合金用元素の割合はアルミニウム成分の２５重量％より多くなく、この機械的合金が約５０μｍまでの粒度の１種類以上の分散質（Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＣ、ＳｉＯ、ＳｉＣ）を全量の７．５〜５０重量％の割合で含有し、この粉末混合物を冷間予備圧縮しそしてこの予備圧縮された粉末混合物を理論密度が達成されるまで等温圧縮することを特徴とする、高温アルミニウム材料、特に内燃機関用ピストンの製造に使用するための高温アルミニウム材料に関する。

Description

【発明の詳細な説明】 高温アルミニウム材料、特にピストン用のアルミニウム材料 本発明は内燃機関用のピストンの分野に関する。 例えば自動車の内燃機関の場合の様な、軽量のピストンは今日、熱硬化性アル ミニウム合金から製造するのが有利である。 これらの材料は熱伝導性、密度、熱膨張係数、切削加工性および経済性に関し ては十分に満足されているが、現代の自動車製造分野におけるピストンへの諸要 求の内の耐熱性に関して限界がある。高い圧縮率でのおよびまた鉛不含のガソリ ンの使用が、ピストン底部に高温を結果的に生ずる高い燃焼温度をもたらす。更 にこの材料は強靭性が低く、要するに脆弱である。 それ故にピストンについて上に挙げた他の重要な性質を出来るだけ失うことな く、かつ特に経済的に悪くなく、即ち比較的安価で、公知の軽量金属鋳造用合金 よりも高い耐熱性を示す材料が求められている。 非常に昔の提案（ＣＨ−ＰＳ ２５９，８７８）は、粉末粒子の少なくとも５ ０重量％が２μより小さい表面酸化された軽金属粉末を最初に冷間プレス成形し 、次いで熱間加工、例えば押出成形することによって、表面酸化された軽金属粉 末からピストンを製造するものである。更に冷間プレス成形に加えて追加的な焼 結段階を設けることも提案されている（ドイツ特許第８３７、４６７号明細書） 。 しかしながら追加的に焼結する場合でも密な材料を得るために、酸化物、そこ ではＡｌ₂Ｏ₃が焼結の際に濡れず、それ故に多量の残留孔が残るので、続いての 熱間加工が必要とされる。 これらの公知の方法に従って得られる材料は確かに顕著な耐熱性を示すが、ア ルミニウム粉末の微細度が高く、かつ製造の際の方法段階が多いので、この材料 は極めて高価であり、更に微細成分が多いことに起因する自然発火反応を避ける ために、全ての方法段階を不活性条件のもとで実施することも考慮しなければな らない。 本発明の課題は、通例のアルミニウム合金材料よりも高温で使用することがで き、通例のピストン関連の性質がピストンのために使用される公知のアルミニウ ム合金材料より悪くなく、かつ安価であるピストン材料を提供することである。 この課題は、請求項１および２に記載した通りの高耐熱性アルミニウム材料に よって解決される。 本発明の有利な別の実施態様は請求項３〜１０に記載してある。 本発明の対象は請求項１１のピストン底部並びに請求項１２に従うピストンの 製造方法にも関する。 本発明において機械的合金化とは、個々の成分の粉末の混合物、要するにアル ミニウム粉末および請求項２の場合のＡｌ₂Ｏ₃粉末あるいは請求項１の場合には 、アルミニウム粉末および請求項１に記載の別の合金用元素の１種以上の元素お よび上記の分散質の１種以上の粉末を混合することを意味する。次いで混合され た粉末を冷間に予備プレス成形してプレス成形体を得る。等温プレス成形は通例 の方法で行なう。即ち、予備プレス加工物をカプセル、好ましくはアルミニウム 製のカプセル中に入れ、該カプセルを減圧しそして密閉し、そして減圧密閉され たカプセルをその中に入れられた予備加工物と一緒にオートクレーブ中で通例の パラメーター、即ち７００〜１０００ｂａｒの圧力および４００〜６００℃の温 度で熱間等温圧縮する。保持時間は一般に４〜６時間である。こうして得られる 成形体は理論的密度および既に所望の材料特性を有している。 等温圧縮後の、例えば押出成形による後続成形加工は必要ない。それにもかか わらず後続成形加工を行なう場合には、スイス特許第２５９、９７８号明細書ま たはドイツ特許第８３７、４６７号明細書の場合の様に、この加工は材料の性質 の観点では再び決定的な影響を及ぼすことがない。 Ａｌ₂Ｏ₃はコランダムとしても良く知られており、溶融物からも電気化学的に 製造することができる。このものは高い純度を有している。更にコランダムは反 応性が小さく、それ故に個々の粒子の凝集化を避けられる。 この材料の高い耐熱性は、上述の二つの特許明細書に従う材料の場合もそうで ある様にＡｌ₂Ｏ₃成分に起因している。焼結する場合とは違って、酸化アルミニ ウムの濡れ性不足という問題は生じない。酸化アルミニウムの悪い濡れ性は表 面酸化されたアルミニウム合金粉末を焼結する場合の高い残留空隙率の原因に成 っている。それの解決のために部分的に行なわれる液相焼結の工程はアルミニウ ム合金についてだけ使用できるが、純粋なアルミについては使用できない。なぜ ならば、後者の場合だけ状態図に二つの相領域が存在し、材料特性に有益でない 不可逆的な混合物分離が生ずるからである。 以下の表１〜３は、１５％のＡｌ₂Ｏ₃、３０％のＡｌ₂Ｏ₃あるいは５０％のＡ ｌ₂Ｏ₃の含有量の場合の請求項１の材料の機械的データを示している（％は重量 ％である）： 表１： Ａｌ＋１５％のＡｌ₂Ｏ₃ 表２： Ａｌ＋３０％のＡｌ₂Ｏ₃ 表３： Ａｌ＋５０％のＡｌ₂Ｏ₃ 以下の表４は請求項１に従う一つの実施態様、即ち５％のＣｕ、３％のＮｉ、 残量のＡｌおよび３０％のＡｌ₂Ｏ₃を含有するアルミニウム合金マトリックスに 相応する機械的データを示す。この合金は理論的に硬化性である。データは完全 に硬化していない状態についてのものである： 表４： マトリックス：５％のＣｕ、３％のＮｉ、残量のＡｌ３０％のＡｌ₂Ｏ₃ 表１〜４に記載の値は時効(Alterung)の影響を受けていない。 添付の図１は請求項１に従う材料の引張強度を種々の温度についてＡｌ₂Ｏ₃の 重量割合との関係で示している。 図１は、あらゆる温度において材料の引張強度がＡｌ₂Ｏ₃の割合の増加に比例 して増加することを示している。室温[RT]、３００℃および４００℃での状態を 示しており、その際にそのそれぞれに描かれた曲線およびそれらの上に引かれた 曲線は分散幅を決めている。 図２は以下の公知のピストン鋳造用合金について試験温度で２００時間の時効 前または−後の引張強度の上限および下限を示している： ３２１０： Ａｌ Ｓｉ１１ Ｃｕ１ Ｍｇ１ Ｎｉ１ Ｓ２： Ａｌ Ｓｉ１１ Ｃｕ３．５Ｍｇ１ Ｎｉ２ Ｂ１： Ａｌ Ｓｉ１２ Ｃｕ５ Ｍｇ１ Ｎｉ２ 正方形に記載された点で示されている二つの曲線は、測定温度で２００時間時 効した後の引張強度について範囲の境界を示しており、三角形の点で示された残 りの二つの曲線は時効前の引張強度についての範囲の境界を示している。 時効に起因する、温度と比例して増す引張強度の低下が明らかに認められる。 この低下は２００℃の温度まで特に際立っている。 ３００℃では公知の合金の場合には時効の後に引張強度は平均して７５Ｎ／ｍ ｍ²である。３５０℃ではこの値は３０Ｎ／ｍｍ²である。 本発明の合金の場合には３０％のＡｌ₂Ｏ₃割合の場合に既に、引張強度は３ 時効する前に試験した公知の合金の図１に従う帯域の下部の値に相当する。本発 明の材料の有利なこの差は温度の上昇につれてますます増加する。 表２に従う 本発明の合金の場合には３００℃での破断点伸び率は約１０％である。これは公 知の合金の１０倍の値に相当する。表３および４の合金の場合には破断点伸び率 は公知の最も良い合金の値に確かに近いが、３００℃での引張強度は図２との比 較で判る通り、公知の合金のそれよりも明らかに高い。 別の長所は本発明の合金の熱伝導性が良いことである。この高い熱伝導性はピ ストンを通して燃焼熱を速やかに搬出するのに必要である。良好な鋳造性の理由 で選択される高い珪素含有量は慣用のピストン鋳造用合金の場合に熱伝導性を制 限してしまう。 ピストンの場合には製造技術的−におよび／または材料的理由から、ピストン 底部を本発明の材料で製造しそしてピストンシャフトを他の材料またはいずれに してもピストンと別に製造するのが有利である。ピストン底部とピストンシャフ トとの結合物は熱的な変換負荷のもとでも耐久性がなければならず、かつ燃焼熱 を搬出する理由からピストン底部とピストンシャフトとの間に高い熱抵抗が生じ てはならない。 本発明によればこれは以下の通り達成される：即ち、本発明の材料より成るデ ィスクの一方の面を好ましくは円筒状の基礎物体の相補的に対応する面の上に嵌 め込む。その後でディスクおよび基礎物体を、周回する縁部の所で互いに密に電 子線溶接する（減圧下で行なわれる工程）。こうして形成された物体をオートク レーブ中に導入し、そこにおいて圧力および温度について通例の値より下で、要 する例えば本発明の合金の製造のために冒頭に挙げた値で等温圧縮する。 この場合簡単な電子線溶接に着目すると、本発明のピストン底部材料を円筒状 のアルミニウムカプセル中で製造しそしてこのカプセルの残留物を本発明の材料 よりなるディスクの製造の際に取り除かないことが特に有利である。その時ディ スクはそれを取り囲む純アルミニウム製リングを有し、そのリングのところで基 礎物体およびピストン底部体を後から電子線溶接する。Ａｌ₂Ｏ₃不含の部分への 溶接は電子線溶接物の品質および密度を改善しそしてそれの実施を容易にする。 ピストンシャフトを造るための基礎物体中にピストンリングのためのノッチも 設ける、等温圧縮の後の切削仕上げ加工段階では、ピストン底部に成るディスク の周りの純アルミニウム製リングを一緒に旋盤で仕上げ加工する。 基礎物体とピストン底部との間の結合強度は例えば純アルミニウム／Ａｌ＋７ ．５％のＡｌ₂Ｏ₃の結合物の場合には純アルミニウム強度の８０％に達するとい う実験結果が得られている。 ピストン底部の表面から始まるピストンシャフトへの傾斜構造は、上記の方法 を本発明の材料よりなる色々の組成の複数のディスクを互いに重ね合わせて実施 することによって達成することができる。 本発明の方法によればピストン内部の冷却用溝（管）もピストン底部近くで簡 単に造ることができる。これは、ピストン底部ディスクが上に載せられている基 礎物体の前面を予めに相応して突き通すによって嵌め込まれている。基礎物体が 鋳造部材である場合には、鋳造用型を相応して形成した場合に冷却用溝が自動的 に生じる。この様に冷却用溝が存在する場合には、複合体の等温圧縮加工の際に 等温圧縮のためと同じその他のパラメーターのもとで圧力を約５０〜１００bar に下げるべきである。 放射状の傾斜構造は、ピストン底部ディスクの場合には、異なる組成の互いに 適合する円筒状予備プレス成形体を互いに内側に嵌め込みそしてこの構造物を等 温状態で圧縮することによって達成される。 ピストン底部の材料のピストンリングのためにノッチを造るべき場合には、ピ ストンシャフト部分の切り欠き部分の上に嵌められている、ピストン底部材料よ り成るリングはピストン底部とピストンシャフトとの連結部のために上に記載し たのと同じ方法で連結することができる。 等温プレス成形によって粉末冶金学的に得られる、特に分散質としてのＡｌ₂ Ｏ₃で強化されたアルミニウム材料は、その温度安定性および機械的性質、例え ば引張強度が、他のアルミニウム材料より優れている。 それ故に本発明の材料は、慣用のアルミニウム材料のための代用品として、特 にその耐熱性の極限範囲で使用されるような場所で代用品として有効である。 それ故に自動車および駆動装置において、本発明の材料はピストン底部だけで なく燃焼室、円筒状ヘッド、ジェットエンジンの圧縮用羽根、ガスタービンのパ ッキンおよびこれらの類似物に特に適している。その際に要求次第で本発明のア ルミニウム材料は関連する構成部材の表面にだけにまたは全体積にわたって通例 の様に使用することができる。 自動車の製造においては、重量の軽量化の理由でおよびまたディスクブレーキ のためのブレーキ効率を改善するためにアルミニウム材料より成るブレーキ用デ ィスクが使用されることは公知である。ブレーキ用ディスクは熱い状態で稼働さ れる。この場合にも本発明のアルミニウム材料を慣用のそれの代わりに用いるこ とがブレーキ用ディスクの耐熱性を改善する。ブレーキ用ディスクは、ブレーキ 用ブロックと接触するブレーキ用ディスク面の所が本発明のアルミニウム材料で 造られそしてその他は別のアルミニウム材料よりなる鋳造部材で造られた複合体 であるのが特に有利である。 高い耐蝕性および高い耐熱性のために、本発明の材料の別の有利な用途分野に は慣用のアルミニウム材料の代わりに熱交換器および高温用の導管の材料がある 。 アルミニウム材料はその高い導電性のために除氷装置において使用される。本 発明のアルミニウム材料の導電性も同様に高く、その耐熱性は公知のアルミニウ ム材料の場合よりも優れており、慣用の材料に比べてこれを使用するのがこの場 合にも有利である。 原子力発電所の場合にはアルミニウム材料よりなる中性子透過性部材を製造で きる。この部材には熱的負荷が掛かり、本発明のアルミニウム材料を通例の通り に代用するのが有利である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２２Ｃ 1/05 Ｃ２２Ｃ 1/10 Ｊ 1/10 21/00 Ｅ 21/00 Ｆ０２Ｆ 3/00 ３０２Ｚ Ｆ０２Ｆ 3/00 ３０２ Ｂ２２Ｆ 3/14 Ｍ // Ｂ２３Ｋ 103:10

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．アルミニウム粉末および１種類以上のアルミニウム合金用元素（Ｓｉ、Ｍｇ 、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃ）を機械的に合金化し、その際にアルミニウム およびアルミニウム合金用元素の粒度が約１００μｍまででありそして合金用 元素の割合がアルミニウム成分の２５重量％より多くなく、この機械的合金が 約５０μｍまでの粒度の１種類以上の分散質（Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＣ、ＳｉＯ、 ＳｉＣ）を全量の７．５〜５０重量％の重量割合で含有し、この粉末混合物を 冷間予備圧縮しそしてこの予備圧縮された粉末混合物を理論密度が達成される まで等温圧縮することを特徴とする、高温アルミニウム材料、特に内燃機関用 ピストンの製造用の高温アルミニウム材料。 ２．アルミニウム粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末を機械的に合金化し、その際にアル ミニウムの粒度が約１００μｍまででありそしてＡｌ_２Ｏ_３の粒度が約５０μ ｍまででありそして残量の１種類以上の分散質の粒度が約５０μＭでありそし てＡｌ_２Ｏ_３が全量の７．５〜５０重量％であり、この粉末混合物を冷間予備 圧縮しそしてこの予備圧縮された粉末混合物を等温圧縮する、請求項１に記載 の高温アルミニウム材料。 ３．分散質あるいはＡｌ_２Ｏ_３の割合が３０〜５０重量％である請求項１または ２に記載のアルミニウム材料。 ４．アルミニウムの粒度およびアルミニウム合金用元素の粒度が約５０μｍまで である請求項１〜３のいずれか一つに記載のアルミニウム材料。 ５．アルミニウムの粒度およびアルミニウム合金用元素の粒度が約２５μｍまで である請求項１〜３のいずれか一つに記載のアルミニウム材料。 ６．アルミニウムの粒度が約５０μｍまでである請求項２または３に記載のアル ミニウム材料。 ７．アルミニウムの粒度が約１５μｍまでである請求項２または３に記載のアル ミニウム材料。 ８．分散質の粒度が約２０μｍまでである請求項４または５に記載のアルミニウ ム材料。 ９．Ａｌ_２Ｏ_３の粒度が約２０μｍまでである請求項６または７に記載のアルミ ニウム材料。 １０．Ａｌ_２Ｏ_３がコランダムである請求項１〜９のいずれか一つに記載のアル ミニウム材料。 １１．ピストン底部が請求項１〜１０のいずれか一つに記載のアルミニウム材料 より成ることを特徴とする、内燃機関用ピストンの製造方法。 １２．以下の方法段階を含む複合構造のピストンの製造方法： 請求項１〜１０のいずれか一つに記載の材料からピストン底部ディスクを製 造し、その際にピストン底部ディスクがある前面を有し、 ピストン底部ディスクのその一方の面に対して相補的に対応する表面を有す るピストンシャフト部分を製造し、 ピストン底部ディスクおよびピストンシャフト部分を組み合わされた両方の 面の縁部に沿って電子線溶接し、 溶接された部材を等温圧縮して複合部材とし、 等温圧縮されたこの複合部材を仕上げ加工して複合ピストンを得る。 １３．請求項１〜１０のいずれか一つに記載のアルミニウム材料を自動車および 駆動装置の製造で大きな熱負荷の掛かる慣用のアルミニウム合金の代替物とし て使用する方法。 １４．アルミニウム材料より成る熱交換器および化学的または熱的負荷の掛かる 管状物のために請求項１〜１０のいずれか一つに記載のアルミニウム材料を用 いる方法。 １５．ディスクブレーキのためにブレーキ用ディスクのために請求項１〜１０の いずれか一つに記載のアルミニウム材料を用いる方法。 １６．アルミニウム材料より成る中性子透過性部材のために請求項１〜１０のい ずれか一つに記載のアルミニウム材料を用いる方法。 １７．除氷装置のために請求項１〜１０のいずれか一つに記載のアルミニウム材 料を用いる方法。