JP2005522583A - 高温用途の為の高強度アルミニウム合金 - Google Patents
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Abstract
Description
ここに開示された発明は、NASAの契約の下で、米国政府の従業員による研究行為で為されたものであり、法律96−517〈35U.S.C.§202)の条項に該当し、それについて、或いはそれに対して何らのロイヤリティーの支払い無しに、行政目的の為の政府機関によって、又は政府機関の為に製造及び使用できる。
本発明は、一般的に、アルミニウム−ケイ素(Al−Si)合金に関し、特に、ピストン、シリンダーヘッド、シリンダーライナー、結合ロッド、ターボチャージャー、インペラー、アクチュエイター、ブレーキキャリパー及びブレーキローターの様な鋳造部品の為の高温用途に適した高強度のAl−Siをベースとした合金に関する。
残念ながら、これらMMC及びCMC技術を採用する製造コストは通常のAl−Si鋳造を使用するよりも実質的に高く、高温の内燃エンジン部品及びブレーキ用途の大量生産においてAl−Si合金と競合的に価格設定されるべきそれらの性能を妨げている。
本発明の合金は、独特の化学と微細構造組成によって、従来の合金よりも高温(260℃(500°F)以上)において高い強度を維持する。本発明において合金を強化する方法は、1)夫々に、Al2Cu、Al2CuMgで与えられる化学組成を持つ、合金中での主たる強化θ′とS′相の形成を最大限にする事、2)Cu/Mg比を調節し、チタン(Ti)、バナジウム(V)及びジルコニウム(Zr)元素を同時添加する事によって高温で強化相を安定化する事、3)高温での更なる強化メカニズムの為にLl2結晶構造を持つAl3X化合物(X=Ti、V、Zr)を形成する事を含む。
合金組成及び微細構造に加えて、合金内での合金強化メカニズムと相形成の為の行為を最適化する為に独特の熱処理方法が用意される。本発明の利点は、その記述が進むにつれて明らかとなる。
本発明は、通常の鋳造方法による詳細な組成の観点、微細構造の観点及び加工処理の観点を含むものである。本発明のAl−Si合金は、高温用途に適する鋳造形態での実施能力によって特徴付けられる。本発明のAl−Si合金は、以下の元素から構成される(質量%)。
銅 5.0−8.0
鉄 0.05−1.2
マグネシウム 0.5−1.5
ニッケル 0.05−0.9
マンガン 0.05−1.2
チタン 0.05−1.2
ジルコニウム 0.05−1.2
バナジウム 0.05−1.2
亜鉛 0.05−0.9
ストロンチウム 0.001−0.1
燐 0.001−0.1
アルミニウム 残部。
ケイ素は、高い弾性率と低い熱膨張係数の合金を与える。ケイ素の添加は、熔融アルミニウムの流動性を改善して、本発明のAl−Si合金の鋳造性を高めるためには必須のものである。高いケイ素水準では、合金は優れた表面硬度と耐摩耗性を示す。
銅はマグネシウムと共存してアルミニウムマトリックス中で固溶体を形成し、合金に熟成硬化性を与え、それによって、高温強度を改善する。又、銅は、θ′相化合物(Al2Cu)を形成し、この新規な合金における最も強力な強化元素である。高温における高められた高強度は、銅の質量%水準が守られない場合は影響を受ける。更に、合金強度は、銅とケイ素の元素に関連する、合金中へのマグネシウムの適当な添加を使用してθ′(Al2Cu)とS′(Al2CuMg)の金属化合物の両方の同時形成によってのみ有効に最大化する事ができる。実験的に、著しく高水準のマグネシウムの合金は、θ′が不充分な量で、主にS′相を形成する。一方、低水準のマグネシウムの合金は、S′相の不充分な量を持ち、主にθ′相を含む。
ストロンチウムは、Al−Siの共融相を変性する為に使用される。12質量%以下のケイ素を有するAl−Si合金の強度と柔軟性は、Al−Si変性剤としてストロンチウムを使用する事によって、更に細かい粒子を伴い実質的に改善される。燐は、ケイ素濃度が12質量%を超え、好ましくは14〜20質量%の時に、ケイ素の一次粒径を変性する為に使用される。有効な変性は極めて低い添加水準において達成されるが、0.001〜0.1質量%の回収されたストロンチウムと燐の範囲が一般的に使用される。
合金内で適切に機能するこれらの強度化のメカニズムの為には、鋳造製品は、化学組成と加熱処理履歴の独特な組合せを持たなければならない。熱処理は、独特な化学組成の性能を最大限にする為に特別に設計される。上で検討された様に、本発明の合金の例外的な性能は、独特の熱処理手順による次の強度化メカニズムの組合せによって達成される。本発明の合金に対する熱処理は、合金中のθ′とS′相の形成を最大限にし、Cu/Mg比を調節する事により高温でのθ′相を安定化させ、且つ、Ti、V及びZrの同時添加メカニズムで更なる強度化の為のAl3(Ti、V、Zr)化合物の形成を最大限にする為に開発された。
本発明の合金は、260℃(500°F)〜371℃(700°F)での引張り強度の劇的な改善を達成する為に、外部の加圧の手助け無しに、718℃〜787℃(約1325°F〜1450°F)の温度範囲で通常の重力鋳造を使用して加工される。然しながら、本発明の合金が、高圧鋳造法の様な加圧鋳造技術を使用して鋳造される時は、引張り強度の更なる改善が得られる事が期待される。
溶解後、鋳造製品は、48℃〜148℃(120°F〜300°F)、最も好ましくは76℃〜121℃(170°F〜250°F)の範囲内で、急冷媒体中で急冷される。最も好ましい急冷媒体は水である。急冷後、鋳造製品は218℃〜251℃(425°F〜485°F)の温度で6〜12時間熟成される。
図7は、本発明により製造された鋳造製品の高温における極限引張り強度(UTS)における劇的な改善を示す図表である。これは、本発明の合金と、三つの周知の従来の合金(332、390及び413)の比較を示す図表である。この図表は、全ての試験片を、それぞれ100時間、260℃(500°F)、315℃(600°F)、371℃(700°F)の温度に暴露した後の(260℃(500°F)、315℃(600°F)及び371℃(700°F)でテストされた)極限引張り強度を比較するものである。本発明により調製された鋳造製品の引張り強度は、371℃(700°F)でテストした場合、従来の共晶413.0合金で調製されたものの3倍以上、亜共晶332.0及び390.0合金で調製されたものの4倍以上である。
混合インペラーがゆっくりした速度で回転するにつれて、強化粒子を表面から溶融体中へ引き込む渦が発生する。インペラーは、粒子の表面から吸着されたガスを除去する助けとなる高水準の剪断力を創り出す様に設計される。又、高剪断は、粒子を熔融アルミニウム合金中に巻き込み、粒子の濡れを促進して、MMC内での充填材料の均質な分散を高める。
アルミニウム金属マトリックス複合体を作る為の適当な強化材料としては、炭化ケイ素(SiC)、酸化アルミニウム(Al2O3)、炭化ホウ素(B4C)、窒化ホウ素(CN)、炭化チタン(TiC),酸化イットリウム(Y2O3)、黒鉛、ダイヤモンド粒子及びそれらの混合物が挙げられる。これらの強化材料は、約60容量%まで、更に好ましくは5〜35容量%の体積分率で存在する。
本発明は、その特定の好ましい実施態様に関して詳細に述べられている。この詳細の変化及び変更は、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の精神と範囲から逸脱する事無しに行われても良い事が理解される。
Claims (14)
- 高温における改善された機械的性質を有する、アルミニウム合金の鋳造製品であって、以下の組成(質量%)、
ケイ素 6.0−25.0
銅 5.0−8.0
鉄 0.05−1.2
マグネシウム 0.5−1.5
ニッケル 0.05−0.9
マンガン 0.05−1.2
チタン 0.05−1.2
ジルコニウム 0.05−1.2
バナジウム 0.05−1.2
亜鉛 0.05−0.9
ストロンチウム 0.001−0.1
燐 0.001−0.1
アルミニウム 残部、
を有し、ケイ素/マグネシウム(Si/Mg)比が10〜25であり、銅/マグネシウム(Cu/Mg)比が4〜15である事を特徴とする鋳造製品。 - Ll2の結晶構造とアルミニウムマトリックス格子に一致する格子パラメーターを有するAl3X化合物粒子(X=Ti、V、Zr)の三つのタイプの同時分散体を含むアルミニウム固溶体マトリックスを含む、請求項1記載の鋳造製品。
- アルミニウム固溶体マトリックスが、約100nm未満の直径の平均粒径のAl3X化合物粒子(X=Ti、V、Zr)の三つのタイプの同時分散体を含む、請求項2記載の鋳造製品。
- アルミニウム固溶体マトリックスが、θ′とS′相の粒子の2つのタイプの同時分散体を含み、θ′相の平均粒径が、室温で、直径で300nm未満である、請求項2記載の鋳造製品。
- θ′粒子相の平均粒径が、315℃(600°F)で100時間の灼熱後で250nm未満である、請求項4記載の鋳造製品。
- θ′相が、315℃(600°F)〜371℃(700°F)で100時間の灼熱後に、マトリックに対して半密着性を残す、請求項4記載の鋳造製品。
- 高温における改善された機械的性質を有する、アルミニウム合金の鋳造製品を製造する方法であって、
(a)以下の組成(質量%)、
ケイ素 6.0−25.0
銅 5.0−8.0
鉄 0.05−1.2
マグネシウム 0.5−1.5
ニッケル 0.05−0.9
マンガン 0.05−1.2
チタン 0.05−1.2
ジルコニウム 0.05−1.2
バナジウム 0.05−1.2
亜鉛 0.05−0.9
ストロンチウム 0.001−0.1
燐 0.001−0.1
アルミニウム 残部、
(ここで、ケイ素/マグネシウム(Si/Mg)比が10〜25であり、銅/マグネシウム(Cu/Mg)比が4〜15である)を有するアルミニウム合金から製品を鋳造する工程、
(b)鋳造製品を、15分〜4時間の間、482℃〜537℃(900°F〜1000°F)の範囲内の温度に暴露して、鋳造製品を溶解工程に暴露する工程、次いで、
(c)204℃(400°F)〜260℃(500°F)の範囲内の温度で4〜16時間の範囲内の時間で鋳造製品を熟成する工程、
を含む事を特徴とする方法。 - 鋳造製品が、218℃〜251℃(425°F〜485°F)の範囲内の温度で6〜12時間熟成される、請求項7記載の方法。
- 溶解工程に続いて、48℃〜148℃(120°F〜300°F)の範囲内の温度の媒体中で急冷が行われる、請求項7記載の方法。
- 急冷媒体温度が76℃〜121℃(170°F〜250°F)の範囲内である、請求項9記載の方法。
- 金属マトリックス複合体であって、以下の組成(質量%)、
ケイ素 6.0−25.0
銅 5.0−8.0
鉄 0.05−1.2
マグネシウム 0.5−1.5
ニッケル 0.05−0.9
マンガン 0.05−1.2
チタン 0.05−1.2
ジルコニウム 0.05−1.2
バナジウム 0.05−1.2
亜鉛 0.05−0.9
ストロンチウム 0.001−0.1
燐 0.001−0.1
アルミニウム 残部、
(ここで、ケイ素/マグネシウム(Si/Mg)比が10〜25であり、銅/マグネシウム(Cu/Mg)比が4〜15である)を有するアルミニウム合金を含み、アルミニウム合金が、アルミニウム固溶体においてLl2結晶構造を持つAl3X化合物(X=Ti、V、Zr)を含み、粒子、ホイスカー、チョップト繊維又は長繊維から成る群から選ばれる形状を有する二次充填材料を約60容量%まで含むマトリックスとして貢献する事を特徴とする複合体。 - 二次充填材料が、炭化ケイ素(SiC)、酸化アルミニウム(Al2O3)、炭化ホウ素(B4C)、窒化ホウ素(BN)、炭化チタン(TiC)、酸化イットリウム(Y2O3)、黒鉛、ダイヤモンド粒子から成る群から選ばれ、5容量%〜35容量%の体積分率で存在する、請求項11記載の複合体。
- アルミニウム合金であって、以下の組成(質量%)、
ケイ素 6.0−25.0
銅 5.0−8.0
鉄 0.05−1.2
マグネシウム 0.5−1.5
ニッケル 0.05−0.9
マンガン 0.05−1.2
チタン 0.05−1.2
ジルコニウム 0.05−1.2
バナジウム 0.05−1.2
亜鉛 0.05−0.9
ストロンチウム 0.001−0.1
燐 0.001−0.1
アルミニウム 残部、
(ここで、ケイ素/マグネシウム(Si/Mg)比が10〜25であり、銅/マグネシウム(Cu/Mg)比が4〜15である)を有するアルミニウム合金。 - Ll2の結晶構造とアルミニウムマトリックス格子に一致する格子パラメーターを有するAl3X化合物粒子(X=Ti、V、Zr)の三つのタイプの同時分散体を含むアルミニウム固溶体マトリックスを含む、請求項13記載のアルミニウム合金。
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