JP2005530927A - すぐれた引張強さのアルミニウム合金製鋳造部品 - Google Patents
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Abstract
本発明の目的は、すぐれたクリープ強さの合金製の鋳造部品、とりわけエンジンのシリンダーヘッドおよびクランクケースであり、その合金の組成（重量％）は、Ｓｉは５〜１１好適には６．５〜７．５、Ｆｅは０．６未満、好適には０．３未満、Ｍｇは０．１５〜０．６好適には０．２５〜０．５、Ｃｕは０．３〜１．５好適には０．４〜０．７、Ｔｉは０．０５〜０．２５好適には０．０８〜０．２０、Ｚｒは０．０５〜０．２５好適には０．１２〜０．１８、Ｍｎは０．４未満、好適には０．１〜０．３、Ｚｎは０．３未満、好適には０．１未満、Ｎｉは０．４未満、好適には０．１未満、他の元素はそれぞれ０．１０未満で合計０．３０未満、残りはアルミニウムである。その部品を、好適には状態Ｔ６またはＴ７で、固溶体化熱処理し、焼き入れし、そして焼き戻しをすることにより処理するのが望ましい。
Description
発明の分野
本発明は、とりわけ内燃エンジンの、そしてより詳細にはガソリンまたはディーゼル式の渦給発動機の、シリンダーヘッドおよびクランクケースのような、高度の熱的及び機械的応力を受けるアルミニウム合金製鋳造部品に関するものである。同じようなタイプの応力を受ける部品は、自動車の他にも、例えば機械学や航空学の分野にも見いだされる。
本発明は、とりわけ内燃エンジンの、そしてより詳細にはガソリンまたはディーゼル式の渦給発動機の、シリンダーヘッドおよびクランクケースのような、高度の熱的及び機械的応力を受けるアルミニウム合金製鋳造部品に関するものである。同じようなタイプの応力を受ける部品は、自動車の他にも、例えば機械学や航空学の分野にも見いだされる。
従来技術
エンジンのシリンダーヘッドの製造において、通常、以下の二つの系統のアルミニウム合金を用いる。すなわち、
１）５％〜９％の珪素、３％〜４％の銅、およびマグネシウムを含む合金。それは、大抵の場合、二次溶解合金で、その鉄含有量は０．５％と１％の間に含まれ、そしてとりわけ、マンガン、亜鉛、鉛、錫あるいはニッケルといった不純物の含有量がかなり高い。そのような合金は、熱処理なしで（状態Ｆ）または単純に安定化させて（状態Ｔ５）一般的には用いる。そのような合金は、むしろ、熱の作用を受けることがかなり少ないガソリン・エンジンのシリンダーヘッド製造用のものである。ディーゼル・エンジンまたはターボ・ディーゼル・エンジン用のより大きな作用を受ける部品用には、一次溶解合金であり、その鉄含有量は０．３％未満で、（機械的強度のピークでの焼き戻し）状態Ｔ６または（過度の焼き戻し）Ｔ７で熱処理をしたものを用いる。
２）ターボ・ディーゼル・エンジン用のもののような最も大きな作用を受ける部品用の、状態Ｔ６またはＴ７で処理した、７％〜１０％の珪素とマグネシウムを含む一次溶解合金。
エンジンのシリンダーヘッドの製造において、通常、以下の二つの系統のアルミニウム合金を用いる。すなわち、
１）５％〜９％の珪素、３％〜４％の銅、およびマグネシウムを含む合金。それは、大抵の場合、二次溶解合金で、その鉄含有量は０．５％と１％の間に含まれ、そしてとりわけ、マンガン、亜鉛、鉛、錫あるいはニッケルといった不純物の含有量がかなり高い。そのような合金は、熱処理なしで（状態Ｆ）または単純に安定化させて（状態Ｔ５）一般的には用いる。そのような合金は、むしろ、熱の作用を受けることがかなり少ないガソリン・エンジンのシリンダーヘッド製造用のものである。ディーゼル・エンジンまたはターボ・ディーゼル・エンジン用のより大きな作用を受ける部品用には、一次溶解合金であり、その鉄含有量は０．３％未満で、（機械的強度のピークでの焼き戻し）状態Ｔ６または（過度の焼き戻し）Ｔ７で熱処理をしたものを用いる。
２）ターボ・ディーゼル・エンジン用のもののような最も大きな作用を受ける部品用の、状態Ｔ６またはＴ７で処理した、７％〜１０％の珪素とマグネシウムを含む一次溶解合金。
このような二つの大きな系統の合金により、機械的強度、可延性、クリープおよび疲労に対する強さなどの、使用上の多種多様な特性の間で、様々な折衷が生まれる。このような問題提起は、例えば、１９９０年３月のＲｅｖｕｅ ＳＩＡに掲載された「強い応力を受けるディーゼルのシリンダーヘッド用鋳造アルミニウム合金の選択」と題するＲ．ＣｈｕｉｍｅｒｔとＭ．Ｇａｒａｔの論文に記載されている。この論文によると、研究対象の３つの合金の特性は、そういうわけで、以下のように要約される。
・Ａｌ−Sｉ５Ｃｕ３ＭｇＦｅ０．１５Ｔ７：強度良好−可延性良好
・Ａｌ−Sｉ５Ｃｕ３ＭｇＦｅ０．７Ｆ：強度良好−可延性は弱い
・Ａｌ−Sｉ７Ｍｇ０．３Ｆｅ０．１５Ｔ６：強度は弱い−極度の可延性あり
・Ａｌ−Sｉ５Ｃｕ３ＭｇＦｅ０．１５Ｔ７：強度良好−可延性良好
・Ａｌ−Sｉ５Ｃｕ３ＭｇＦｅ０．７Ｆ：強度良好−可延性は弱い
・Ａｌ−Sｉ７Ｍｇ０．３Ｆｅ０．１５Ｔ６：強度は弱い−極度の可延性あり
合金と状態の組み合わせの第一および第三のものを、強い応力を受けるシリンダーヘッド用に使用することができる。しかしながら、強度と可延性の間の向上した折衷を追求し続けた。本出願人の名義で１９９２年に出願した、仏国特許第２６９０９２７号明細書に記載の、クリープに耐性を示すアルミニウム合金に含まれているのは、４％〜２３％の珪素、マグネシウム（０．１〜１％）、銅（０．３〜４．５％）およびニッケル（０．２〜３％）のうちの少なくとも一つ、０．１％〜０．２％のチタン、０．１％〜０．２％のジルコニウム、および０．２％〜０．４％のバナジウムである。３００℃でのクリープ強さに改善が見て取れ、しかも２５０℃で測定した伸びの目立つ損失はない。
Ｆ．Ｊ． Ｆｅｉｋｕｓの論文「Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｌ−Ｓｉ ｃａｓｔ ａｌｌｏｙｓ ｆｏｒ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｈｅａｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」ＡＦＳ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ９８−６１，ｐｐ．２２５−２３１の研究対象は、内燃エンジンのシリンダーヘッド製造用の合金ＡｌＳｉ７Ｍｇ０．３に、０．５％および１％の銅を添加することである。５２５℃で５時間固溶化熱処理し、続いて冷水で焼き入れして１６５℃で４時間焼き戻すという従来のＴ６処理の後では、伸縮性の限度にも室温での高度にも増加は観察されないが、１５０℃を越える使用温度では、銅を添加することにより、伸縮性限度およびクリープ強さに有意の増加がもたらされる。
１９９９年出願の欧州特許第１０５７９００号明細書（ＶＡＷ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ） は、同じ路線での発展であり、合金Ａｌ−Ｓｉ７Ｍｇ0．３Ｃｕ０．３５に、鉄（０．３５〜０．４５％）、マンガン（０．２５〜０．３０％）、ニッケル（０．４５〜０．５５％）、亜鉛（０．１０〜０．１５％）およびチタン（０．１１〜０．１５％）の、数量を厳格に制御したものを添加することを記載している。この合金には、状態Ｔ６およびＴ７で、良好なクリープ強さ、高度の熱伝導性、満足のいく可延性、および良好な腐食耐性がある。
仏国特許第２６９０９２７号明細書
欧州特許第１０５７９００号明細書
Ｒ．ＣｈｕｉｍｅｒｔとＭ．Ｇａｒａｔの論文「強い応力を受けるディーゼルのシリンダーヘッド用鋳造アルミニウム合金の選択」、Ｒｅｖｕｅ ＳＩＡ １９９０年３月
Ｆ．Ｊ． Ｆｅｉｋｕｓの論文「Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｌ−Ｓｉ ｃａｓｔ ａｌｌｏｙｓ ｆｏｒ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｈｅａｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」ＡＦＳ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ９８−６１，ｐｐ．２２５−２３１
本発明の目的は、温度が２５０℃〜３００℃の領域でのＡｌＳｉＣｕＭｇタイプの合金製鋳造部品の機械的強度およびクリープ強さを、それぞれの可延性を劣化させることなく、再利用に際して問題をもたらしかねない添加元素を増やすことを回避しつつ、更に改善することである。
発明の目的
本発明の目的は、高熱での機械的強度にすぐれ、クリープ強さが高く、組成（重量％）が以下である合金製の鋳造部品である。
Ｓｉ：５〜１１、好適には６．５〜７．５
Ｆｅ＜０．６、好適には＜０．３
Ｍｇ：０．１５〜０．６、好適には０．２５〜０．５
Ｃｕ：０．３〜１．５、好適には０．４〜０．７
Ｔｉ：０．０５〜０．２５、好適には０．０８〜０．２０
Ｚｒ：０．０５〜０．２５、好適には０．１２〜０．１８
Ｍｎ＜０．４、好適には０．１〜０．３
Ｚｎ＜０．３、好適には＜０．１
Ｎｉ＜０．４、好適には＜０．１
他の元素はそれぞれ＜０．１０で合計０．３０、残りはアルミニウムである。
本発明の目的は、高熱での機械的強度にすぐれ、クリープ強さが高く、組成（重量％）が以下である合金製の鋳造部品である。
Ｓｉ：５〜１１、好適には６．５〜７．５
Ｆｅ＜０．６、好適には＜０．３
Ｍｇ：０．１５〜０．６、好適には０．２５〜０．５
Ｃｕ：０．３〜１．５、好適には０．４〜０．７
Ｔｉ：０．０５〜０．２５、好適には０．０８〜０．２０
Ｚｒ：０．０５〜０．２５、好適には０．１２〜０．１８
Ｍｎ＜０．４、好適には０．１〜０．３
Ｚｎ＜０．３、好適には＜０．１
Ｎｉ＜０．４、好適には＜０．１
他の元素はそれぞれ＜０．１０で合計０．３０、残りはアルミニウムである。
その部品を、好適には状態Ｔ６またはＴ７で、固溶化熱処理し、焼き入れし、そして焼き戻しをすることにより処理する。
本発明の説明
本発明の基礎となった、本出願人が検証したことというのは、少なくとも１．５％の銅および少なくとも０．６％のマグネシウムを含むシリコン合金に僅かな量のジルコニウムを添加すると、状態Ｔ６またはＴ７で処理した鋳造部品において、２５０℃〜３００℃の領域での機械的強度とクリープ強さとを、可延性を損なわずに、良好なものにすることができたということである。この結果を得るには、再利用の際に問題をもたらすニッケルやバナジウムのような元素を用いることは必要なかった。更に、ニッケルの不都合なところは、部品の可延性を減少させることである。
本発明の基礎となった、本出願人が検証したことというのは、少なくとも１．５％の銅および少なくとも０．６％のマグネシウムを含むシリコン合金に僅かな量のジルコニウムを添加すると、状態Ｔ６またはＴ７で処理した鋳造部品において、２５０℃〜３００℃の領域での機械的強度とクリープ強さとを、可延性を損なわずに、良好なものにすることができたということである。この結果を得るには、再利用の際に問題をもたらすニッケルやバナジウムのような元素を用いることは必要なかった。更に、ニッケルの不都合なところは、部品の可延性を減少させることである。
エンジンのシリンダーヘッド製造用合金の大部分がそうであるように、合金には５％〜１１％の珪素が含まれており、そして好適には６．５％〜７．５％含まれている。鉄は０．６％を下回るように、好適には０．３％を下回るように維持する、というのはつまり、一次溶解の合金か、二次溶解の合金かということなのであるが、破断伸びを伸ばしたい場合には、一次溶解の方が望ましいということである。
マグネシウムは、シリンダーヘッド用合金の通常の添加元素であり、少なくとも０．１５％の含有量で銅と結合させた状態では、２０℃および２５０℃での機械的特性を改善することができる。０．６％を越えると、室温での可延性を低下させる恐れがある。
銅を０．３％〜１．５％、そして好適には０．４％〜０．７％添加すると、耐腐食性を損なうことなく機械的強度を改善することができる。更に、本出願人が、検証したところでは、そのような限度において、状態Ｔ６またはＴ７での部品の可延性と引張強さは低下しなかった。更に、驚くべきことに、％表示でのＣｕとＭｇの含有量が、０．３Ｃｕ＋０．１８＜Ｍｇ＜０．６という条件で、前述した限度内で一緒に増大する場合には、高熱での機械的強度と２５０℃でのクリープ強さが有意に改善されることが明らかになった。
０．１％を越える含有量では、マンガンもまた、２５０℃での機械的強度にプラスの効果があるが、この効果は含有量０．４％で頭打ちになる。チタン含有量は、０．０５％と０．２５％の間に維持されるが、それはこのタイプの合金についてはかなり通常のことである。チタンは固化の際の一次粒子の精錬に寄与するが、本発明による合金の場合には、ジルコニウムと結合した状態で、鋳造部品を固溶化熱処理する場合に、固体溶液α−Ａｌの核心部分に位置する非常に微細な（１μｍ未満の）分散質ＡｌＳｉＺｒＴｉの形成にも寄与し、該分散質は３００℃を越えると安定しており、それは１５０℃から融合するＡｌ2ＣｕＭｇ、ＡｌＣｕＭｇＳｉ、Ｍｇ2ＳｉおよびＡｌ2Ｃｕの諸相とは逆である。
そのような分散質の諸相は、脆弱ではなく、それは、サイズの大きな（２０μｍ〜１００μｍの）ＡｌＳｉＦｅおよびＡｌＳｉＭｎＦｅの鉄の諸相並びに、樹枝状結晶間の空間内での鋳造で形成されるニッケルの諸相とは逆である。
部品は、通常の鋳造方法、とりわけグラビティ金型鋳造とシリンダーヘッド用の低圧鋳造を用いて製造されるが、砂型鋳造、（特に複合材料を挿入する場合に）スクイージング鋳造、およびロストフォーム（ｌｏｓｔ ｆｏａｍ）鋳造も用いて製造される。
熱処理は、典型的には５００℃と５４５℃の間に含まれる温度で３〜１０時間固溶化熱処理し、好適には冷水での焼き入れし、焼き入れと焼き戻しの間において４〜１６時間待ち、そして１５０℃と２４０℃の間に含まれる温度で４〜１０時間の焼き戻しをすることを含む。焼き戻しの温度および継続時間は、機械的強度のピークでの焼き戻し（Ｔ６）か、または過度の焼き戻し（Ｔ７）を得られるよう調節する。
本発明による部品、そしてとりわけ、自動車または飛行機のエンジンのシリンダーヘッドおよびクランクケースには、高度の機械的強度、良好な可延性、高熱での機械的強度、およびクリープ強さが同時にあり、それらは先行技術の部品のものよりも優れている。
実施例
実施例１
電気炉の炭化珪素製坩堝の中で
組成が、Ｓｉ＝７．１０，Ｆｅ＝０．１５，Ｍｇ＝０．３７，Ｔｉ＝０．１４，Ｓｒ＝１７０ｐｐｍ（重量％）である１００ｋｇの合金Ａ、
同じ組成に０．４９％の銅を添加して補った１００ｋｇの合金Ｂ、
Ｂと同じ組成に０．１４％のジルコニウムを添加して補った１００ｋｇの合金Ｃ
を精錬した。
実施例１
電気炉の炭化珪素製坩堝の中で
組成が、Ｓｉ＝７．１０，Ｆｅ＝０．１５，Ｍｇ＝０．３７，Ｔｉ＝０．１４，Ｓｒ＝１７０ｐｐｍ（重量％）である１００ｋｇの合金Ａ、
同じ組成に０．４９％の銅を添加して補った１００ｋｇの合金Ｂ、
Ｂと同じ組成に０．１４％のジルコニウムを添加して補った１００ｋｇの合金Ｃ
を精錬した。
これらの組成は火花による発光分光分析法で測定し、ＣｕとＺｒについては誘導プラズマでの発光分光分析法で測定した。
各合金のフランス規格協会の規格による引張試験片を５０片鋳造した。そのような試験片を５４０℃で１０時間固溶化熱処理することを含む熱処理にかけるが、その固溶化熱処理前にまず、銅合金ＢおよびＣについては、焼き付きを起こさないように、５００℃で４時間安定させておき、冷水で焼き入れをし、室温で２４時間自然時効させ、２００℃で５時間焼き戻しする。
このような試験片から、引張試験片とクリープ試験片を加工し、それにより、室温、２５０℃、および３００℃での（ＭＰａ表示の破断耐性Ｒm、ＭＰａ表示の伸縮性限度Ｒp0.2、および％表示での破断伸びＡといった）機械的特性を測定するようにする。その結果を表１に示す。
合金Ａに銅を添加することは、低温においても高温においても伸び率を変えることなく機械的強度には都合がよいということ、および、Ｂにジルコニウムを添加することは機械的特性には実際上影響がないということが確認される。
つぎに、合金ＢおよびＣについてのクリープ試験片について、異なるレベルでの（ＭＰａ表示での）応力の下で、２５０℃および３００℃で１００時間置いた後の（％表示の）伸び率を測定した。その結果を表２に示す。
同じ温度および応力で、ジルコニウムを添加した合金Ｃのクリープでの挙動ははっきりと改善されており、一定の負荷の下での変形は、場合により、４０％から７５％まで減少している。
実施例２
実施例１の合金Ｃについてと同じ条件で、上記に挙げた望ましい組成限度内で、銅とマグネシウムの含有量を変化させつつ、５つの合金Ｄ〜Ｈのそれぞれの試験片１０片を用意した。合金の組成は、表３に示す。
実施例１の合金Ｃについてと同じ条件で、上記に挙げた望ましい組成限度内で、銅とマグネシウムの含有量を変化させつつ、５つの合金Ｄ〜Ｈのそれぞれの試験片１０片を用意した。合金の組成は、表３に示す。
２０℃および２５０℃での機械的特性を同様に測定した。各合金の試験片について得た数値の平均に対応した結果を、表４に示す。
試験した組成の限度内で確認されるのは、破断耐性および伸縮限度が増大するのは、ＣｕおよびＭｇの含有量が増大する場合であるということだが、伸び率はあまり損なわれないことも確認される。２５０℃では、Ｍｇの含有量が０．３％から０．４％に増えると、とりわけ銅の含有量が最も多い合金（Ｈ）について破断耐性と伸縮限度について非常に有益な効果がある。
他方、同じ銅含有量で、マグネシウム含有量が０．３から０．４％に増えることによって、２５０℃でのクリープ強さが改善され、そのことは４０ＭＰａの応力の下で、合金ＧおよびＨについて１００、２００、および３００時間後のクリープ試験の結果が示す通りであり、表５に示されている。
実施例３
実施例１の合金Ｃについて行ったのと同じように、表６に示された組成の６つの合金Ｉ〜Ｎの試験片を用意した。
実施例１の合金Ｃについて行ったのと同じように、表６に示された組成の６つの合金Ｉ〜Ｎの試験片を用意した。
２５０℃で機械的特性を測定し、その結果を表７を示す。
マンガンを０．１％〜０．３％添加すると、２５０℃での機械的強度が少なくとも５％増加することが確認される。逆に、０．１５％と０．２５％とでは増加はない。結局、銅の含有量の高い合金Ｎについては、マグネシウム含有量が０．３％から０．５％に増加すると高熱での機械的強度が目ざましく増加するが、その説明はつかない。
Claims (13)
- 合金の組成（重量％）が、Ｓｉは５〜１１、Ｆｅは０．６未満、Ｍｇは０．１５〜０．６、Ｃｕは０．３〜１．５、Ｔｉは０．０５〜０．２５、Ｚｒは０．０５〜０．２５、Ｍｎは０．４未満、Ｚｎは０．３未満、Ｎｉは０．４未満、他の元素はそれぞれ０．１０未満で合計０．３０未満、残りはアルミニウムである、クリープ強さの高い合金製の鋳造部品。
- 珪素含有量が６．５％と７．５％の間に含まれることを特徴とする、請求項１に記載の部品。
- 鉄含有量が０．３％未満であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の部品。
- 銅含有量が０．４％と０．７％の間に含まれることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか一つに記載の部品。
- マグネシウム含有量が０．２５％と０．５％の間に含まれることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載の部品。
- ％表示での銅およびマグネシウムの含有量が、０．３Ｃｕ＋０．１８＜Ｍｇ＜０．６となるようなものであることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれか一つに記載の部品。
- チタン含有量が０．０８％と０．２０％の間に含まれることを特徴とする、請求項１〜請求項６のいずれか一つに記載の部品。
- ジルコニウム含有量が、０．１２％と０．１８％の間に含まれることを特徴とする、請求項１〜請求項７のいずれか一つに記載の部品。
- マンガン含有量が、０．１％と０．３％の間に含まれることを特徴とする、請求項１〜請求項８のいずれか一つに記載の部品。
- 亜鉛含有量が０．１％未満であることを特徴とする、請求項１〜請求項９のいずれか一つに記載の部品。
- ニッケル含有量が０．１％未満であることを特徴とする、請求項１〜請求項１０のいずれか一つに記載の部品。
- 状態Ｔ６またはＴ７で、溶体化処理、焼き入れおよび焼き戻しをすることにより処理することを特徴とする、請求項１〜請求項１１のいずれか一つに記載の部品。
- 自動車または飛行機のエンジンのシリンダーヘッドまたはクランクケースであることを特徴とする、請求項１〜請求項１２のいずれか一つに記載の部品。
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