JP2004076110A

JP2004076110A - ピストン用アルミニウム鋳造合金，ピストン及びその製造方法

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Publication number: JP2004076110A
Application number: JP2002239682A
Authority: JP
Inventors: Hajime Ikuno; 生野　元; Yoshihiko Sugimoto; 杉本　義彦; Hiroshi Hojo; 北條　浩
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2002-08-20
Filing date: 2002-08-20
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2022-08-20
Also published as: JP4075523B2

Abstract

【課題】従来よりも実用疲労特性に優れたピストン用アルミニウム鋳造合金，ピストン及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】Ｍｇ：０．３〜２重量％，Ｔｉ：０．１５〜０．４重量％，Ｚｒ：０〜０．３重量％，Ｖ：０〜０．３重量％，Ｓｉ：１０〜１７重量％，Ｃｕ：２．５〜３．５重量％，Ｆｅ：０．２〜１．０重量％，Ｍｎ：０．２〜１．０重量％，Ｎｉ：１．８〜３重量％，Ｐ：０．００１〜０．０１５重量％，残部Ａｌおよび不可避的不純物からなる。初晶Ｓｉが存在する過共晶組織を有し，かつ，略一方向に整列した５個以上のデンドライトセルを有するデンドライトが占める面積率が１０％以下であって実質的にデンドライト組織が無い。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は，ピストン用アルミニウム鋳造合金，ピストン及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
自動車のエンジン等の内燃機関においては，それを構成する部品としてピストンが不可欠であり，従来よりアルミニウム鋳造合金を用いて作製されている。このアルミニウム鋳造合金としては，種々のものが提案され改善がなされてきている。
例えば，特開平８−１０４９３７号公報の「高温強度に優れた内燃機関ピストン用アルミニウム合金及び製造方法」においては，Ｃｕ：３〜７重量％，Ｓｉ：８〜１３重量％，Ｍｇ：０．３〜１重量％，Ｆｅ：０．１〜１．０重量％，Ｔｉ：０．０１〜０．３重量％，Ｐ：０．００１〜０．０１重量％，Ｃａ：０．０００１〜０．０１重量％及び必要に応じてＮｉ：０．２〜２．５重量％を含み，Ｐ／Ｃａが重量比で０．５〜５０の範囲に調整されている合金が公開されている。
【０００３】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記公報に示された合金は，従来よりある合金に比べ優れた耐磨耗性を維持し，且つ高温強度が改善されるという特徴を有するが，より高出力のエンジン用ピストンとしては，まだピンボス部及び頂面部の疲労特性が十分でないという問題がある。また，ピストンの内部に気孔が発生し易く疲労特性のばらつきが大きいという問題もある。
【０００４】
また上記合金ではＣｕやＮｉなど耐熱性を高める成分の増量により高温強度をある程度高めているが，さらに添加量を高めると延性が低下し，それにより疲労強度が低下してしまうという問題が生じる。またＣｕ量が高いとＣｕ化合物が晶出する最終凝固部が材料内に点在し，その部分に凝固収縮により気孔が生じてしまう。
このように，耐熱成分を増量する従来の方法だけでは，ピストンとしての実用疲労特性をこれ以上向上できない限界に達している。
【０００５】
本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，従来よりも実用疲労特性に優れたピストン用アルミニウム鋳造合金，ピストン及びその製造方法を提供しようとするものである。
【０００６】
【課題の解決手段】
第１の発明は，Ｍｇ：０．３〜２重量％，Ｔｉ：０．１５〜０．４重量％，Ｚｒ：０〜０．３重量％，Ｖ：０〜０．３重量％，Ｓｉ：１０〜１７重量％，Ｃｕ：２．５〜３．５重量％，Ｆｅ：０．２〜１．０重量％，Ｍｎ：０．２〜１．０重量％，Ｎｉ：１．８〜３重量％，Ｐ：０．００１〜０．０１５重量％，残部Ａｌおよび不可避的不純物からなり，
初晶Ｓｉが存在する過共晶組織を有し，かつ，略一方向に整列した５個以上のデンドライトセルを有するデンドライト組織が占める面積率が１０％以下であって実質的にデンドライト組織が無いことを特徴とするピストン用アルミニウム鋳造合金にある（請求項１）。
【０００７】
上記第１の発明は，凝固組織の最適化を図ったものであり，これによりピストンとしての実用疲労特性を向上させたものである。この凝固組織の最適化は以下に示す各種合金成分の調整により初めて実現される。また各種合金成分の調整により晶出物の大きさと量を適正にし，これらの晶出物を均一に分散させて疲労強度を向上させている。晶出物が粗大またはその量が多すぎると，応力集中が生じて疲労強度が低下する。
【０００８】
そして，特に重要な点は，上記ピストン用アルミニウム鋳造合金には，実質的にデンドライト組織が無い点にある。ここで，実質的にデンドライト組織が無いことは，５個以上デンドライトセルが一方向に整列するデンドライト組織の面積が，組織全体の面積の１０％以下，即ち面積率が１０％以下であることを意味する。
【０００９】
上記デンドライト組織の割合が１０％を超えると実質的にデンドライトが目立つ組織になり，凝固細織に不均質を生じる。これに伴い組織内の応力集中が大きくなり，その結果疲労強度が低下する。好適な範囲は上記面積率が５％以下である。この範囲で凝固組織がさらに均質になり疲労強度のばらつきが小さくなる結果，疲労強度の下限値が高くなる効果が得られる。なお，上記のような凝固組織の均質化による疲労強度の向上は，単一合金元素の調整では不可能であり，上記のＳｉ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｍｇ，Ｐの複合的な成分調整により初めて可能となるものである。
【００１０】
以下に，各合金元素量と凝固組織形態の限定理由を記する。
Ｍｇ：０．３〜２重量％，
ＭｇはＭｇ_２Ｓｉ系の析出物を生成させ，その析出強化によって２００℃以下の低温での強度を改善する。またＭｇ_２Ｓｉの晶出物を生成し，晶出物による分散強化によって２００℃以下の低温から３５０℃程度の高温までの強度を改善する。Ｍｇ含有量が２重量％を超えると，Ｍｇ_２Ｓｉの晶出量が多すぎるため靭性が低下して，疲労強度が低くなるデメリットが生じる。Ｍｇ含有量が０．３重量％未満の場合には，Ｍｇ_２Ｓｉの析出量が少なく疲労強度が十分でない。
【００１１】
Ｔｉ：０．１５〜０．４重量％，
Ｔｉにはα−Ａｌ相の結晶粒を微細化して，デンドライトセルの整列を抑制し凝固組織を均質化する効果と，基地アルミ相内に固溶して特に高温での強度改善の効果がある。またこれらの効果は他の合金成分との併用により初めて十分な効果が発揮できる。Ｔｉ含有量が０．１５重量％未満の場合，凝固組織を均質化するに十分な結晶粒の微細化が達成できない。また，基地アルミ相中のＴｉ固溶量が低く，十分な固溶強化が得られない。Ｔｉ含有量が０．４重量％を超える場合，基地アルミ相がＴｉの固溶により硬くなりすぎてせん断破壊を生じるおそれがあるとともに，粗大なＴｉ化合物が生成し靭性が低下するおそれがある。
なお，Ｔｉの添加をＡｌ−Ｔｉ−Ｂ合金，Ａｌ−Ｔｉ−Ｃ合金などによって行う場合には，不純物としてＢおよびＣの含有を許容する。
Ｔｉ含有量の好ましい範囲は，０．１７〜０．３重量％である。０．１７重量％以上では十分な結晶粒の微細化によって組織の均質性が増し，疲労強度のばらつきが小さくなり，疲労強度の下限値が向上する。また，０．３重量％より多く含有させるには，鋳造温度を高くする必要があり，溶湯が酸化しやすいなどのデメリットが生じる場合がある。
【００１２】
Ｚｒ：０〜０．３重量％，
ＺｒもＴｉと同様にα−Ａｌ相の結晶粒を微細化して，デンドライトセルの整列を抑制し凝固組織を均質化する効果と，基地アルミ相内に固溶して特に高温での強度改善の効果がある。またこれらの効果は他の合金成分との併用により初めて疲労強度の改善を生むに十分な効果となる。Ｚｒ含有量は含有量０まで許容するが，０．０５重量％以上含有することが十分な凝固組織の均質化と固溶強化を得る上で好ましい。０．０５重量％未満の場合，凝固組織を均質化するに十分な結晶粒の微細化が達成できないおそれがある。また，基地アルミ相中の固溶量が低く，十分な固溶強化が得られないおそれがある。０．３重量％を超える場合，基地アルミ相が固溶により硬くなりすぎてせん断破壊を生じるおそれがあるとともに，粗大なＺｒ化合物が生成し靭性が低下するおそれがある。
【００１３】
Ｖ：０〜０．３重量％，
Ｖは主に基地アルミ相内に固溶して高温での強度改善に効果がある。Ｖ含有量は含有量０まで許容するが，０．０２重量％以上含有すると高温強度の改善が明確に現れるので好ましい。０．３重量％を超える場合には，溶解温度が高くなりガス吸収の問題などが生じるのて望ましくない。また，基地アルミ相が固溶により硬くなりすぎてせん断破壊を生じるおそれがあるとともに，粗大なＶ化合物が生成し靭性が低下するおそれがある。
【００１４】
Ｃｕ：２．５〜３．５重量％，
Ｃｕ含有量が２．５重量％未満の場合には，３５０℃付近の高温耐力が十分でなく，疲労強度も不足する。３．５重量％を超えると，Ｃｕ化合物が晶出する最終凝固部が点在して，凝固収縮によりこの部位に気孔が生成する。これにより疲労強度が低下する。好ましい範囲は２．８〜３．２重量％である。この範囲で，安定して高い疲労特性が得られる。
【００１５】
Ｓｉ：１０〜１７重量％，
Ｓｉ含有量が１０重量％未満の場合，Ｐを添加しても過共晶凝固させることができず，亜共晶凝固してしまうおそれがある。亜共晶凝固になると，凝固時に気孔の原因となるガスを放出する基地α−Ａｌ相が分散して凝固し，最終凝固部が点在するため気孔が生じやすい。Ｓｉ含有量が１７重量％を超えると，粗大な初晶Ｓｉが多量に生成して，低温での延性や靭性が著しく低下するおそれがある。また，被削性が著しく低下するおそれがある。Ｓｉ量が高いほど３５０℃付近の高温疲労強度は向上する。好ましい範囲は１１．５〜１６重量％である。この範囲において安定して過共晶凝固が得られるとともに，初晶Ｓｉの大きさ，量が適度であるため，高い疲労特性と適度な被削性を具備する。
【００１６】
Ｆｅ：０．２〜１．０重量％，
Ｆｅ含有により，Ｆｅ化合物が晶出物として生成する。この晶出物の分散強化により高温耐力が向上する。Ｆｅ含有量が０．２重量％未満では晶出物が少なく，高温耐力の向上が十分でない。Ｆｅ含有量が１．０重量％を超えると，粗大なＦｅ化合物を生成しやすく，応力集中により疲労特性が低下するおそれがある。好ましい範囲は０．２〜０．７重量％である。この範囲でＦｅ化合物の大きさ，量がより適度になるため，疲労強度が安定して高くなる。なお，Ｆｅ化合物とはＦｅを含む化合物の総称とする。
【００１７】
Ｍｎ：０．２〜１．０重量％，
ＭｎもＦｅと同様，化合物を晶出させ，分散強化による高温耐力の向上に寄与する。また，基地アルミ中に固溶して，固溶強化により高温耐力を向上させる効果もある。Ｍｎ含有量が１．０重量％を超えると，粗大なＭｎ化合物を生成しやすく，応力集中が生じて疲労特性が低下するおそれがある。好ましい範囲は０．２〜０．７重量％である。この範囲でＭｎ化合物の量および大きさが適当になるので，疲労強度が安定して高くなる。なお，Ｍｎ化合物とはＭｎを含む化合物の総称とする。Ｍｎはまた，Ｆｅ化合物中にも含有される。例えばＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｍｎ化合物は，ＦｅおよびＭｎを含むので，Ｆｅ化合物とＭｎ化合物の両方に属する。
【００１８】
Ｎｉ：１．８〜３重量％，
ＮｉもＦｅ，Ｍｎと化合物を晶出させ，分散強化による高温耐力の向上に寄与する。Ｎｉ含有量が１．８重量％未満では，Ｎｉ化合物の晶出が少なく，高温耐力の向上が不十分である。Ｎｉ含有量が３重量％を超えると粗大なＮｉ化合物が晶出し，応力集中により疲労特性が低下するおそれがある。
【００１９】
Ｐ：０．００１〜０．０１５重量％，
Ｐの添加により，安定した過共晶凝固を達成し，気孔発生を防止する。また初晶Ｓｉを微細化し，延性や靭性を確保する。Ｐ含有量が０．００１重量％未満の場合には，このような効果が十分に得られない。Ｐ含有量が０．０１５重量％を超えると，湯流れ性が悪化し，湯廻り不良が生じ易い。
Ｐの添加は，初晶Ｓｉの微細化用に供給されるＡｌ−Ｃｕ−Ｐ合金の形で行うのが好ましい。これにより，量産工程で初晶Ｓｉの平均粒径を４０μｍ以下に安定的に微細化できる。
【００２０】
第２の発明は，上記の第１の発明のピストン用アルミニウム鋳造合金を使用したことを特徴とするピストンにある（請求項２）。
本発明のピストンは，上述した優れた凝固組織を有しており，２００℃以下の低温から３５０℃程度の高温までのピストン各部が晒される広い温度範囲において，優れた実用疲労特性を発揮するものとなる。
【００２１】
第３の発明は，Ｍｇ：０．３〜２重量％，Ｔｉ：０．１５〜０．４重量％，Ｚｒ：０〜０．３重量％，Ｖ：０〜０．３重量％，Ｓｉ：１０〜１７重量％，Ｃｕ：２．５〜３．５重量％，Ｆｅ：０．２〜１．０重量％，Ｍｎ：０．２〜１．０重量％，Ｎｉ：１．８〜３重量％，Ｐ：０．００１〜０．０１５重量％，残部Ａｌおよび不可避的不純物からなるアルミニウム鋳造合金を用い，
該アルミニウム鋳造合金を鋳造してピストンを形成する鋳造工程と，
上記ピストンに切削加工を施す切削工程とを含むことを特徴とするピストンの製造方法（請求項４）。
【００２２】
上記第３の発明の製造方法においては，上記の各成分を上記特定の範囲に調整した合金を用いることによって，上記鋳造工程時に得られる凝固組織を，上述したデンドライト組織が実質的に存在しない均質な組織とすることができる。
そして，その後に上記切削工程を施すことによって，寸法精度の高いピストンを得ることができる。得られたピストンは，上述したごとく，２００℃以下の低温から３５０℃程度の高温までのピストン各部が晒される広い温度範囲において，優れた実用疲労特性を発揮するものとなる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
上記第２の発明においては，上記ピストンは，その使用開始前のビッカース硬さがＨＶ１００以上であることが好ましい（請求項３）。これにより，２００℃以下の状態における実用疲労特性をさらに向上させることができる。上記ビッカース硬さがＨＶ１００未満の場合には，２００℃以下の温度域での疲労強度が低下するので好ましくない。なお，硬さが高すぎるとピストンピンとの接触部や形状の不連続部において応力集中が大きくなり，実用疲労強度が低下するという理由から上記ビッカース硬さの上限はＨＶ１８０とすることが好ましい。
【００２４】
上記第３の発明においては，上記鋳造工程を施した直後に上記ピストンを焼き入れする焼き入れ工程を行い，次いで，上記ピストンを温度１８０〜２８０℃に１〜１２時間保持する時効工程を行うことが好ましい（請求項５）。上記焼き入れ工程の実施によって，ＭｇおよびＣｕが基地α−Ａｌ中に過飽和に固溶する過飽和固溶体が得られ，その後の時効工程の実施によってＭｇまたはＣｕを含む析出物が生成するため，硬さが高くなり疲労強度も高くなるという効果が得られる。
なお，上記焼き入れ工程は，過飽和固溶体を得るために高温から急冷する熱処理工程であり，例えば温水又は冷水中に焼き入れることにより行うことができる。また，上記焼き入れ処理は，鋳造後，４００℃以上の高温状態から行うことが好ましい。これにより十分な過飽和固溶体を得ることができる。
【００２５】
また，上記時効工程の実施によって，硬度がより高くなるとともに，析出物がより均一に分散し，安定して優れた実用疲労特性が得られる。
一方，上記時効温度が１８０℃未満の場合には時効時の析出速度が遅いという問題があり，一方，２８０℃を超える場合には時効時の析出が均一に生じなるという問題がある。
また，上記時効温度での保持時間が２時間未満の場合には，時効析出量が十分でないという問題があり，一方，１２時間を超える場合には，それ以上加熱しても効果に大きな変化はなく，コスト高になるという問題がある。また，時効温度が高い場合に１２時間以上加熱すると硬さが低下してしまうという問題がある。
【００２６】
また，上記鋳造工程を施した後，上記ピストンを温度４５０〜５１０℃に１〜１２時間保持する溶体化加熱工程を行い，次いで，上記ピストンを焼き入れする焼き入れ工程を行い，次いで，上記ピストンを温度１８０〜２８０℃に１〜１２時間保持する時効工程を行うことも好ましい（請求項６）。上記溶体化加熱工程の実施によって晶出物の角部が丸くなり応力集中が低減すると共に，ＭｇおよびＣｕが基地α−Ａｌ中に均一に固溶する効果が得られる。またＭｇおよびＣｕが均一に固溶するため，後の時効工程において析出がより均一に生じる効果もある。
【００２７】
上記溶体化加熱温度が４５０℃未満の場合には晶出物の角部が十分に丸くならず，また，析出物形成元素の均一な固溶が不十分であるという問題がある。一方，溶体化加熱温度が５１０℃を超える場合にはＣｕを含有する化合物が一部溶融し再凝固するときに気孔等の欠陥を生じるおそれがある。
また，上記溶体化加熱温度での保持時間が１時間未満の場合には，上記溶体化加熱温度が４５０℃未満の場合と同様の問題があり，一方，１２時間を超える場合には，熱処理コストが高くなると共に生産効率が悪くなるという問題がある。上記時効工程による作用効果及び時間及び温度の限定理由は上記と同様である。
【００２８】
また，上記鋳造工程により上記ピストンを形成した後，該ピストンを室温まで放冷することもできる（請求項７）。即ち，上記ピストンを鋳造後，熱処理を行うことなく放冷して鋳放し状態とすることもできる。この場合には，製造工程を合理化することができるだけでなく，鋳造後の放冷時に高温で安定な析出物が生成するため，組織の安定性が高まり，耐熱性の向上を図ることもできる。
なお，放冷の冷却速度は通常４００℃〜２００℃において平均で５０℃／ｍｉｎ以下である。上記４００℃〜２００℃における平均冷却速度の好ましい範囲は，１〜３０℃／ｍｉｎである。１℃／ｍｉｎより冷却速度が遅い場合には，冷却時間が長すぎて生産効率が低くなるデメリットがあり，一方，３０℃／ｍｉｎより速い場合には，高温で安定な析出物が十分に生成しないことがある。
【００２９】
また，上記ピストンの鋳造方法としては，低コストな重力鋳造が利用できる。但し，高圧鋳造，ダイキャストなどでも製造可能である。
【００３０】
【実施例】
本例では，表１及び表２に示すごとく，本発明の実施例に係る化学組成を有する１３種類の合金（実施例１〜１３）と，比較例としての７種類の合金（比較例１〜７）を作製し，その特性を評価した。
まず，表１および表２に示す各種アルミニウム合金を溶解して化学成分量を調整した。ここで，Ｐの添加はＡｌ−１９重量％Ｃｕ−１．４重量％Ｐ合金を他の成分を調整した７３０℃以上の溶湯中に最後に溶解して行った。その後７４０〜７６０℃でフラックス添加による脱酸処理を施した後，真空中で２０分間保持する真空脱ガス処理を施して鋳造用の溶湯を得た。その後，表面にＢＮを塗布した室温のＪＩＳ４号試験片採取用舟型に溶湯を鋳込んだ。注湯温度は７００℃である。なお舟型は予めバーナーで１５０℃以上に加熱し十分に水分を除去した後室温に冷却したものを用いた。得られた鋳造素材に，以下の各種熱処理を施した。各試料に適用した熱処理は，表１，表２に示す。
【００３１】
＜Ｔ６処理＞：４９５℃×３時間の加熱後，５０℃の温水中に焼き入れる溶体化処理を施し，次いで２１０℃×３時間の時効処理を実施。
＜Ｔ５処理＞：金型に鋳造後，室温まで放冷した後，２２０℃×６時間の時効処理を実施。
＜Ｆ処理＞：金型に鋳造後，室温まで放冷のみ。４００℃〜２００℃間の平均冷却速度は１０℃／ｍｉｎである。
＜Ｔ５Ｗ処理＞：金型に鋳造後，直ぐに，４００℃以上の高温状態から５０℃の温水中に焼き入れた後，２２０℃×６時間の時効処理を実施。
【００３２】
さらに，疲労試験片を採取する素材ついては，その試験温度と同じ２００℃または３５０℃で１００時間加熱する予備加熱処理を施した。この様に熱処理した鋳造素材から機械加工により疲労試験片，組織観察試料および硬さ測定試料を採取した。
疲労試験片の平行部はφ４ｍｍ×長さ６ｍｍとし，舟型底から１４ｍｍ高さの位置を試験片の軸中心として加工した。
硬さ測定試料は各種熱処理後，予備加熱前の素材から採取した。
２００℃または３５０℃での疲労試験はφ４×長さ６ｍｍの平行部を有する平滑試験片を用いて，電気油圧式疲労試験機により，引張−圧縮の５０Ｈｚの正弦波応力波形にて平均応力ゼロの条件で実施した。
ビッカース硬さは室温にて荷重１０ｋｇ×圧入時間３０ｓの条件で測定した。
【００３３】
表１及び表２に示す供試材について，ビッカース硬さ，デンドライトの面積率，および２００℃または３５０℃における疲労強度を調べた結果を表３及び表４に示す。表示した疲労強度はいずれも試験結果の応力振幅−破断寿命線図から求めた寿命が１０^７回となる疲労強度である。
【００３４】
ここで，デンドライトの面積率の求め方について説明する。
図１は本発明の過共晶合金で不均質の原因となるデンドライト（１）の模式図である。デンドライトとは樹枝状晶のことで，文字通り，凝固の際に樹木の枝状に成長した結晶をさす。この枝に当たる部分をデンドライトセル又はセル（１１）と呼び，その間隙には晶出物（１２）が点在する。デンドライト自身はα−Ａｌ相からなり，その境界は光学顕微鏡組織には現れないが，セル間隙およびデンドライトの周囲に晶出物１２が分散して存在するので，その存在を組織写真から判別できる。
また，一つのデンドライト１内ではセル１１はほぼ一方向に整列して形成される。デンドライトが小さいと整列するセル数が少なく，デンドライトと判別し難いが，通常５個以上整列していると明確にデンドライトと判別できるので，上記のような定義とした。デンドライトの占める面積は便宜上，図１に示す通り，デンドライト１の周囲を包絡線１９で囲んだ面積とする。
【００３５】
面積率の求め方としては，図２に示す様に光学顕微鏡写真上で，デンドライト１の部分を包絡線１９で囲み，その面積率を画像処理等の方法で算出する。観察領域の総面積は２ｍｍ^２以上が望ましい。観察場所によるばらつきが大きい場合は無作為に４個所以上の位置を抽出し，各位置につき２ｍｍ^２の観察領域についての面積率を求め，さらに全体の平均値を求めて代表値とすることが望ましい。例として，本発明の範囲に属する均質な組織を示す図面代用写真を図３，図４に，本発明に属さない不均質な組織の例を示す図面代表写真を図５，図６に示す。
【００３６】
図３では，上記の定義に当てはまる明確なデンドライトは存在しない。
図４では，ごく一部にデンドライトが認められるが，その面積率は１０％以下と小さいため，十分に均質な組織と判断できる。
一方，図５は，組織全体に明らかなデンドライトが認められた。その面積率は１０％を超えるため，不均質な組織と判断できる。
また，図６は，特に図の下半分が一方向にセルが整列したデンドライトにより占められており，全体に占めるデンドライトの面積率が１０％を超えるため，不均質な組織と判断できる。
また，図７に示す様に，セルが一方向に５０個以上整列したデンドライトは著しく均質性を乱すため，面積率に関わらずデンドライト組織を有する例と判断することができる。
【００３７】
そして，本例では，デンドライトの面積率としては，総面積が４ｍｍ^２以上となる複数の光学顕微鏡組織写真より，それぞれ，一方向に５個以上デンドライトセルが整列した明らかにデンドライトと判断できるものの面積率を求め，さらに，すべての平均をとって求めた平均面積率の値を用いた。
【００３８】
【表１】

【００３９】
【表２】

【００４０】
【表３】

【００４１】
【表４】

【００４２】
まず，表１に示された試料の評価結果を考察する。
実施例１，２の合金の熱処理はＴ５Ｗ，実施例３，４の合金の熱処理はＴ６であり，実施例１〜４の合金はすべて合金成分が本発明の範囲内に調整されている。そして，実施例１〜４の合金は，表３に示す様に，デンドライトの面積率が１０％以下となっており，凝固組織が均質である。
【００４３】
それに対し，比較例１，２の合金はＦｅ，Ｍｎ，Ｔｉ量が本発明から外れており，その結果，表３に示す様に，デンドライトの面積率が２０％以上であり，デンドライトが目立つ不均質な組織となっている。
また，実施例１〜４，比較例１〜２の合金の硬さはいずれもＨＶ１００以上である。
【００４４】
また，表３に示す通り，凝固組織が均質な実施例１〜４の合金は，凝固組織が不均質である比較例１，２の合金に比べて２００℃での疲労強度が明らかに高いことが分かる。
なお，実施例の中でもＺｒとＶを共に含有する実施例１〜３の合金が特に高い疲労強度を示している。
【００４５】
次に，表２に示された試料の評価結果を考察する。
実施例５〜９の合金の熱処理はＴ６，実施例１０の合金の熱処理はＴ５，実施例１１，１２の合金の熱処理はＴ５Ｗ，実施例１３の合金の熱処理はＦであり，実施例５〜１３の合金はいずれもその合金成分が本発明の範囲内に調整されている。
一方，比較例３〜７の合金は，合金成分範囲が本発明より外れる合金であり，熱処理は比較例３〜６がＴ６，比較例７がＴ５Ｗである。
【００４６】
表４に示す様に，実施例５〜１３の合金はデンドライトの面積率が１０％以下であり，実質的にデンドライトの無い均質な凝固組織を有する。
それに対し，比較例３〜７の合金はデンドライトの面積率が２０％以上であり，デンドライトが目立つ不均質な組織を呈している。一方，比較例７の合金はデンドライトの面積率は１０％以下であるが，Ｎｉ量が本発明の範囲より低い。
【００４７】
また，実施例５〜１３，比較例３〜７の硬さはいずれもＨＶ１００以上であった。
また，表４に示す様に，実施例５〜１３合金は，比較例３〜７の合金に比べて３５０℃における疲労強度が明らかに高いことが分かる。
なお，実施例の中でＺｒを含まない実施例５の合金はやや疲労強度が低いものの，ＺｒとＶを共に含有する実施例６〜１３の合金では比較例に対する疲労強度の優位性がより明確である。
【００４８】
また，過飽和固溶体を得るための焼き入れ工程を含む熱処理であるＴ６とＴ５Ｗの合金は，２００℃および３５０℃のいずれの温度域においても疲労強度が高く，幅広いピストンの用途に使用できる点で望ましい。
また，鋳造後放冷したＦ処理を施した実施例１３の合金も３５０℃で高い疲労強度を示しており，実質的に熱処理無しで高い高温疲労強度が得られることから，低コスト化という量産ピストンでは極めて望ましい付加的効果が得られる。
【００４９】
本発明の合金は上記の熱処理によりビッカース硬さが１００以上に調整しており，２００℃以下での疲労強度を確保している。焼鈍などによりビッカース硬さが１００未満になった場合には２００℃以下の温度域での疲労強度が著しく低下するので好ましくない。
以上の結果から，本発明に示す合金成分の調整により凝固組織を均質化した実施例１〜１３の合金が，ピストンに要求される２００℃〜３５０℃の疲労強度に優れることが分かった。
【００５０】
ピストンのピンボス部はピストンピンとの接触により内燃機関の動力を伝達する重要部位であり，高い応力が繰り返し負荷される。したがって，特にピンボス部にデンドライト面積率が１０％以下の合金を配したピストンが望ましい。
以上の供試合金はいずれもＡｌ−Ｃｕ−Ｐ合金の形でＰ添加を行っており，その結果初晶Ｓｉの平均長径はいずれも４０μｍ以下と微細であった。しかし，別の形でＰ添加を行った場合，およびＡｌ−Ｃｕ−Ｐを使用しても不純物の多い地金を用いた場合には初晶Ｓｉの平均長径が５０μｍ以上となる場合があり，その場合には，試験片加工時に表面の粗大初晶Ｓｉが割れて剥離し表面性状に異常を来したり，その結果２００℃以下での疲労強度が低下する場合が認められた。以上の結果から，Ｐの添加方法と地金純度の調整により初晶Ｓｉの平均長径は５０μｍ以下にすることが望ましい。
【００５１】
次に，参考までに，上記実施例１等のアルミニウム鋳造合金を用いて製造したピストンの一例を示す。
本例のピストン５は，図８に示すごとく，略円筒形状の本体部５０と，該本体部５０の一端を閉塞するように配設された頂面部５３０と，本体部５０を径方向に貫通するように設けられたピン穴５２０を設けたピンボス部５２を有している。各ピン穴５２０は，図示しないコンロッドを固定するためのピストンピンを挿入するように構成されている。
【００５２】
このピストン５を製造するに当たっては，上記実施例１〜１２の試験片を製造する場合と同様に鋳造工程と熱処理工程を行った後に，所望形状に切削する切削工程を施す。得られたピストン５は，使用する合金（実施例１〜１３）ごとに，それぞれ上述したような優れた作用効果を発揮する。
それ故，ピストン５は，過共晶凝固による気孔発生の防止，及び上記Ｓｉ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｍｇ，Ｐの複合的な成分調整によるデンドライトが実質的に存在しない均質化された凝固組織を有することによる実用疲労特性の向上を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例における，デンドライトの構成を示す説明図。
【図２】実施例における，デンドライト組織の面積率の求め方を説明するための金属組織を示す図面代用写真。
【図３】実施例における，実質的にデンドライト組織がない均質組織を有する例を示す図面代用写真。
【図４】実施例における，実質的にデンドライト組織がない均質組織を有する他の例を示す図面代用写真。
【図５】実施例における，デンドライトが目立つ不均質組織を有する例を示す図面代用写真。
【図６】実施例における，デンドライトが目立つ不均質組織を有する他の例を示す図面代用写真。
【図７】実施例における，デンドライトが目立つ不均質組織を有する他の例を示す図面代用写真。
【図８】実施例における，ピストンの一部切欠き斜視図。
【符号の説明】
１．．．デンドライト，
１１．．．デンドライトセル（セル），
１２．．．晶出物，
１９．．．包絡線，
５．．．ピストン，
５２．．．ピンボス部，
５２０．．．ピン穴，
５３０．．．頂面部，

Claims

Ｍｇ：０．３〜２重量％，Ｔｉ：０．１５〜０．４重量％，Ｚｒ：０〜０．３重量％，Ｖ：０〜０．３重量％，Ｓｉ：１０〜１７重量％，Ｃｕ：２．５〜３．５重量％，Ｆｅ：０．２〜１．０重量％，Ｍｎ：０．２〜１．０重量％，Ｎｉ：１．８〜３重量％，Ｐ：０．００１〜０．０１５重量％，残部Ａｌおよび不可避的不純物からなり，
初晶Ｓｉが存在する過共晶組織を有し，かつ，略一方向に整列した５個以上のデンドライトセルを有するデンドライトが占める面積率が１０％以下であって実質的にデンドライト組織が無いことを特徴とするピストン用アルミニウム鋳造合金。
請求項１に記載のピストン用アルミニウム鋳造合金を使用したことを特徴とするピストン。
請求項２において，上記ピストンは，その使用開始前のビッカース硬さがＨＶ１００以上であることを特徴とするピストン。
Ｍｇ：０．３〜２重量％，Ｔｉ：０．１５〜０．４重量％，Ｚｒ：０〜０．３重量％，Ｖ：０〜０．３重量％，Ｓｉ：１０〜１７重量％，Ｃｕ：２．５〜３．５重量％，Ｆｅ：０．２〜１．０重量％，Ｍｎ：０．２〜１．０重量％，Ｎｉ：１．８〜３重量％，Ｐ：０．００１〜０．０１５重量％，残部Ａｌおよび不可避的不純物からなるアルミニウム鋳造合金を用い，
該アルミニウム鋳造合金を鋳造してピストンを形成する鋳造工程と，
上記ピストンに切削加工を施す切削工程とを含むことを特徴とするピストンの製造方法。
請求項４において，上記鋳造工程を施した直後に上記ピストンを焼き入れする焼き入れ工程を行い，次いで，上記ピストンを温度１８０〜２８０℃に１〜１２時間保持する時効工程を行うことを特徴とするピストンの製造方法。
請求項４において，上記鋳造工程を施した後，上記ピストンを温度４５０〜５１０℃に１〜１２時間保持する溶体化加熱工程を行い，次いで，上記ピストンを焼き入れする焼き入れ工程を行い，次いで，上記ピストンを温度１８０〜２８０℃に１〜１２時間保持する時効工程を行うことを特徴とするピストンの製造方法。
請求項４において，上記鋳造工程により上記ピストンを形成した後，該ピストンを室温まで放冷することを特徴とするピストンの製造方法。