JP2008101264A - 耐熱性アルミニウム合金押し出し材料およびその熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
Ｔ６処理によりアルミニウム合金を効果的に析出強化させるには、溶体化処理において合金元素を基材のＡｌ固溶体相に完全に固溶させ、アルミニウム合金を均質な固溶体相とする必要がある。しかし、従来の２６１８合金では、溶体化処理が不十分のため、析出強化の効果を高めて、高温での強度を十分に向上させることができなかった。
【解決手段】
２６１８合金と重複する所定の組成のアルミニウム合金の押し出し材料の、中心部と端部の溶融開始温度を測定し、中心部の溶融開始温度よりも５〜１５℃低い温度Ｔｃｎと端部の溶融開始温度よりも５〜１０℃低い温度Ｔｅｎの２つの温度で溶体化処理を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車の内燃エンジンの部品等に用いられる高温強度および高温疲労強度に優れた高耐熱性アルミニウム合金押し出し材料の熱処理方法に関する。

自動車等の内燃エンジンの効率を高め、燃費を向上させるには、高速で運動するピストン等の機関部品を軽量化して、その慣性質量を減少させることが有効である。一方、内燃エンジンにおいてピストン等の部品は高温で運動するため、高温での耐久性が必要である。そこで、自動車等の内燃エンジン用のピストン等部品には、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｆｅ等を成分組成に含む比較的耐熱性の高いアルミニウム合金である２６１８合金等が使用されている。２６１８合金は、通常は規格温度である５２０℃で溶体化処理を行い、水冷した後、１７０〜１９０℃の温度で時効させるＴ６熱処理を施す。このＴ６熱処理により固溶強化および析出強化させることにより、耐熱強度を向上させている。

特許文献１および特許文献２では、２６１８合金のＣｕ、ＭｇおよびＳｉ量を改良した成分組成のアルミニウム合金を、５２５℃で２時間の溶体化処理を行い、水冷した後、１７５℃で２４時間時効させたアルミニウム合金が開示されている。これらのアルミニウム合金は特に１５０℃での強度向上を図るものである。
特許第３３２３１９２号公報 特許第３３５４９７２号公報

２６１８合金や２６１８合金を改良した前記アルミニウム合金は、確かに、比較的耐熱強度が高い。これらのアルミニウム合金の耐熱強度は、Ｔ６熱処理の析出強化によるものである。Ｔ６処理によりアルミニウム合金の析出強化を図るには、溶体化処理において合金元素を基材のＡｌ固溶体相に完全に固溶させ、アルミニウム合金を均質な固溶体相とする必要がある。

しかしながら、２６１８合金や前記した２６１８合金を改良した前記アルミニウム合金は、Ｔ６処理中の溶体化処理により、均質化されているはずであるが、従来のＴ６処理で必ずしも完全に合金元素が固溶された状態になっているわけではない。熱処理方法によっては、さらにこれらのアルミニウム合金の析出強化の効果を高め、耐熱強度を向上させ、これらアルミニウム合金からなる部品の高温耐久性を高めることができる可能性がある。

本発明は、前記したように従来よりも２６１８合金等のアルミニウム合金の耐熱強度を向上させる課題を解決するものである。２６１８合金等のアルミニウム合金の熱処理方法において、より均一な固溶体を形成することにより、アルミニウム合金材料全体にわたり均一に析出強化を生じさせて、前記課題の解決を図るものである。また、２６１８合金等のアルミニウム合金の耐熱強度、特に高温での疲労強度を従来よりも向上させ、アルミニウム合金部品の信頼性を向上させることを目的とする。

前記課題を解決するために請求項１に記載の発明は、成分組成が、Ｓｉ０．１〜０．３質量％、Ｆｅ０．８〜１．５質量％、Ｃｕ２．０〜３．０質量％、 Ｍｇ１．５〜２．５質量％、Ｎｉ０．８〜１．５質量％およびＴｉ０．０１〜０．２質量％並びに残部であるＡｌおよび不可避的不純物からなる耐熱性アルミニウム合金の押し出し材料の熱処理方法であって、前記耐熱性アルミニウム合金の押し出し材料を、その中心部の溶融開始温度よりも５〜１５℃低い温度である第１溶体化処理温度（以下「Ｔｃｎ」という）およびその端部の溶融開始温度よりも５〜１０℃低い温度である第２溶体化処理温度（以下「Ｔｅｎ」という）の２つの温度で溶体化処理を行い、水冷処理をした後、時効処理を行うことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、Ｔｃｎにおいては比較的低い温度で固溶される合金元素が拡散されて固溶され、Ｔｅｎにおいては、従来は完全に固溶させることができなかった合金元素をＡｌ基材中に固溶させることが可能になる。その結果、所定の成分組成のアルミニウム合金の押し出し材料において、従来の溶体化処理により形成される固溶体よりも均一な固溶体が形成される。その結果、水冷に続く時効処理において、前記アルミニウム合金の押し出し材料内において、転位の運動を妨げて析出強化を促進する析出物が合金材料全体により均一に析出するため、合金材料全体にわたり均一に析出強化されるとともに、合金材料全体として従来よりも大きな析出強化効果が得られる。したがって、耐熱強度、特に高温でのアルミニウム合金の押し出し材料の疲労強度の向上が図られる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の耐熱性アルミニウム合金の押し出し材料の熱処理方法であって、前記溶体化処理が、前記耐熱性アルミニウム合金の押し出し材料を、前記Ｔｃｎで２時間保持後、前記Ｔｅｎで１時間保持するものであることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の耐熱性アルミニウム合金の押し出し材料の熱処理方法であって、前記溶体化処理において、前記Ｔｃｎを５２３℃とし、さらに前記Ｔｅｎを５３０℃とし、前記時効処理において、前記耐熱性アルミニウム合金の押し出し材料を、１９０℃で保持することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、成分組成が、Ｓｉ０．１〜０．３質量％、Ｆｅ０．８〜１．５質量％、Ｃｕ２．０〜３．０質量％、 Ｍｇ１．５〜２．５質量％、Ｎｉ０．８〜１．５質量％およびＴｉ０．０１〜０．２質量％並びに残部であるＡｌおよび不可避的不純物からなる耐熱性アルミニウム合金の押し出し材料であって、請求項１乃至請求項３のいずれかの請求項に記載の熱処理方法を施したことを特徴とする。

請求項２乃至請求項４に記載の発明によれば、効果的に所定の成分組成のアルミニウム合金の押し出し材料全体にわたり均一な析出強化を生じさせることが可能である。その結果、高温でのこのアルミニウム合金押し出し材料の疲労強度の向上が図られる。

本発明によれば、所定の成分組成のアルミニウム合金の押し出し材料の耐熱強度を高めることができる。その結果、アルミニウム合金の押し出し材料の自動車の内燃エンジンの部品等の高温耐久性が必要な用途への応用を拡大することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
本実施形態の耐熱性アルミニウム合金の押し出し材料（以下「実施形態の押し出し材料」という）の熱処理方法は、表１の成分組成範囲にあるアルミニウム合金に適用されるものである。

本実施形態の耐熱性アルミニウム合金の押し出し材料の熱処理方法（以下「実施形態の熱処理方法」という）は、表１の成分組成に該当する成分組成を有する合金を鋳造した鋳塊を押し出し加工した材料を用いる。この押し出し材料は、棒材、角材等の形状である。実施形態の押し出し材料の形状は特に制限のあるものではない。

実施形態の熱処理方法では、前記押し出し材料を複数用意し、それぞれの押し出し材料について最先に押し出された部分の最先端部分の中心部および端部の材料を切り出し、示差熱分析により中心部および端部の材料それぞれの液相が発生し始める温度を測定する。ここで、液相が発生し始める温度とは、材料を加熱していったときに最初に液相が分離する温度である。実施形態の押し出し材料の場合、室温では単相の固溶体からなる材料であるから、液相が発生し始める温度は固溶体単相領域と固溶体と液相の複相領域の境界の温度に相当する。

複数の前記押し出し材料の前記中心部について、液相が発生し始める温度を測定し、測定された前記中心部の液相が発生し始める温度の最低温度を、前記中心部の溶融開始温度Ｔｃとする。また、複数の前記押し出し材料の前記端部について、液相が発生し始める温度を測定し、測定された前記中心部の液相が発生し始める温度の最低温度を、前記端部の溶融開始温度Ｔｅとする。

前記押し出し材料の最先端部分の中心部および端部の溶融開始温度である、溶融開始温度ＴｃおよびＴｅを基準として、実施形態の熱処理方法において、溶体化処理を行う温度を決定する。ここで実施形態の押し出し材料ではＴｅの方がＴｃよりも高い。
溶融開始温度Ｔｃよりも５〜１５℃低い温度をＴｃｎ、溶融開始温度Ｔｅよりも５〜１０℃低い温度をＴｅｎとする。実施形態の熱処理方法では、ＴｃｎおよびＴｅｎを用いた２段階の溶体化処理を行う。そのため、実際に溶体化処理を行う炉の温度分布を考慮し、溶体化処理において実施形態の押し出し材料の溶融がおきないようにするため、溶融開始温度ＴｃおよびＴｅよりも低い温度であるＴｃｎおよびＴｅｎを溶体化処理温度としている。

図１は、実施形態の熱処理方法の処理工程を示す図である。
実施形態の熱処理方法は、いわゆるＴ６処理と同じように、溶体化処理、水冷処理および時効処理からなる。これらの各熱処理工程のうち、水冷処理および時効処理は２６１８合金の通常のＴ６処理と同様のものである。時効処理は、人工時効処理であり自然時効は含まない。実施形態の熱処理方法の溶体化処理は、Ｔｃｎで所定時間保持した後、Ｔｅｎでさらに所定時間保持するものである。Ｔｅｎでの溶体化処理は、従来の２６１８合金の溶体化処理よりも高い温度での溶体化処理である。この溶体化処理では、Ｔｃｎの保持時間は２時間でＴｅｎの保持時間は１時間であることが好ましい。また、時効処理の温度は、１９０℃であることが好ましい。

本実施形態では、所定組成のアルミニウム合金の押し出し材料用いて、中心部および端部の溶融開始温度ＴｃおよびＴｅを決定している。しかし、所定の成分組成のアルミニウム合金の押し出し材料が十分に均一でばらつきが小さい材料である場合には、単一の所定組成のアルミニウム合金押し出し材料を用いて溶融開始温度ＴｃおよびＴｅを決定することができる。

本実施形態の熱処理方法の溶体化処理においては、Ｔｃｎでの保持を先に行い、Ｔｅｎでの保持をその後に行う。前記したように、実施形態の押し出し材料においては、溶融開始温度Ｔｃよりも溶融開始温度Ｔｅの方が高い。そこで、Ｔｅｎの方がＴｃｎよりも高くなるようにＴｅｎおよびＴｃｎを選択する。ここで、Ｔｅｎはできるだけ所定の成分組成において固溶限に近い温度が望ましい。Ｔｅｎにおいて、従来は完全に固溶させることができなかった合金元素をＡｌ基材の固溶体相に固溶させるためである。

実施形態の熱処理方法を表１に示す成分組成の実施形態の押し出し材料に適用すれば、従来の２６１８合金に比べて、材料全体にわたり均一に析出強化を生じさせることができるとともに、材料全体として析出強化の効果を高めることができる。その結果、実施形態の押し出し材料を従来の２６１８合金よりも、耐熱強度、特に耐熱疲労強度を向上させることができる。

実施形態の熱処理方法を施した所定の成分組成の実施形態の押し出し材料について、室温から３５０℃までの温度範囲での引張試験および２００℃での引張圧縮疲労試験を実施した。その結果について説明する。
まず、実施例１で用いた所定成分組成の実施形態の押し出し材料の作製方法について説明する。
実施例１の押し出し材料の成分組成は、表２に示すものである。

表２に示す押し出し材料の成分組成は、表１の成分組成の範囲内のものであり、２６１８合金に該当するものである。この成分組成のアルミニウム合金を連続鋳造し、アルミニウム合金の鋳塊を３個作製した。この３個の鋳塊に４５０℃にて１６時間保持する均質化処理を行なった後、押し出し加工を実施し、長さ５ｍの押し出し棒を１７本作製した。押し出し加工における、押し出し比は１７であった。

このようにして作製された各押し出し棒の最先に押し出された部分のうち押し出し加工が不安定な部分を除いた後の最先端部分の中心部および端部の材料を切り出し、示差熱分析により中心部および端部それぞれの液相が発生し始める温度を測定した。測定した１７本の押し出し棒の中心部の液相が発生し始める温度のうち、最低温度は５３３℃であった。また測定した１７本の押し出し棒の端部の液相が発生し始める温度のうち、最低温度は５３５℃であった。これらの中心部および端部の液相が発生し始める温度の最低温度を、それぞれ実施例１の押し出し材料の溶融開始温度Ｔｃ（５３３℃）およびＴｅ（５３５℃）とした。溶融開始温度Ｔｃから１０℃低い温度である５２３℃をＴｃｎとした。溶融開始温度Ｔｅより５℃低い温度である５３０℃をＴｅｎとした。溶体化処理においてＴｃｎおよびＴｅｎで、実施例１の押し出し材料を保持した場合に液相が発生することはない。Ｔｅｎでの溶体化処理は、従来の２６１８合金のＴ６処理の規格温度よりも高い温度での溶体化処理となる。

前記した押し出し棒に図２乃至図４に示す所定の熱処理を施して、実施例１、比較例１ａおよび比較例１ｂの押し出し棒を作製した。
図２は、実施例１の押し出し棒に施した熱処理方法の処理工程を示す図であり、Ｔｃｎ（５２３℃）で２時間保持し、さらにＴｅｎ（５３０℃）で１時間保持する溶体化処理がなされ、水冷処理がなされた後に、１９０℃で１８時間保持する時効処理がなされる。実施形態の熱処理方法に該当するものである。図３は、比較例１ａの押し出し棒に施した熱処理方法の処理工程を示す図であり、２６１８合金のＴ６処理に該当するものである。図２に示す熱処理方法との違いは、溶体化処理が５２０℃のみで行われる点である。図４は、比較例１ｂの押し出し棒に施した熱処理方法の処理工程を示す図である。図２に示す熱処理方法との違いは、溶体化処理がＴｅｎ（５３０℃）でのみ２時間保持される熱処理である点である。これら３種類の熱処理方法において、水冷処理および時効処理は、共通である。時効処理は、いずれも１９０℃で１８時間保持する処理である。

以上のようにして作製された実施例１、比較例１ａおよび比較例１ｂの各押し出し棒について、室温から３５０℃の範囲の引張試験および２００℃で応力振幅のレベルごとに引張圧縮疲労試験を実施した。引張試験は、押し出し棒から切り出した、中心部が３ｍｍ各の板形状の試験片を用いて行った。引張圧縮疲労試験は、押し出し棒から切り出した、中心部が直径３ｍｍの棒形状の試験片を用いて行った。
図５は、実施例および比較例の各押し出し材料に室温から３５０℃の範囲で行った引張試験の結果を示す図である。図５（ａ）は破断強度の結果を示す図である。図５（ｂ）は破断伸びを示す図である。また、図５（ｃ）は降伏応力（σ_0.2耐力）を示す図である。

図５（ａ）乃至（ｃ）から次のことがわかる。
実施例１およびＴｅｎ（５３０℃）で２時間保持する溶体化処理がなされた比較例１ｂの押し出し棒は、通常のＴ６処理を施した比較例１ａの押し出し棒に比べ、２００℃までの温度では、降伏応力および破断強度が高い。一方破断伸びは、実施例１に比べ比較例１ｂは低い。したがって、実施例１は、比較例１ａおよび比較例１ｂに比べて、高温での破断強度および破断伸びが優れる。

図６は、実施例および比較例の各押し出し材料に２００℃で応力振幅のレベルごとに引張圧縮疲労試験を実施した結果を示す図であり、縦軸は試験中の応力振幅を、横軸は破断までの引張・圧縮の応力負荷サイクルの繰り返し数を示す。この疲労試験において、試験片に印加される圧縮応力の引張応力に対する比は−１にした。
図６からわかるように、応力振幅が２００ＭＰａ以下においては、実施例１は比較例１ａおよび比較例１ｂのいずれよりも破断までの応力負荷サイクルの繰り返し数が多い。したがって、実施例１は比較例１ａおよび比較例１ｂに比べて、高温での疲労強度が優れる。

以上説明した実施例１、比較例１ａおよび比較例１ｂと同様の鋳造・押し出し工程により作製された押し出し工程より、アルミニウム合金の成分組成および熱処理方法を変えた押し出し材料である実施例２および３、比較例２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ、４乃至６を作製し、２００℃での疲労試験等を実施して評価した。これらの押し出し材料の成分組成および熱処理方法を表３に示す。実施例２と比較例２ａ、２ｂの成分組成は同一である。実施例３と比較例３ａ、３ｂの成分組成は同一である。比較例４および５は、ＣｕとＭｇの含有量が表１に示す成分組成からはずれている。比較例６は、Ｍｇの含有量が表１に示す成分組成からはずれている。実施例１および２の成分組成は、２６１８合金の成分組成の範囲内である（比較例１ａ、１ｂ、２ａおよび２ｂも同様である）。表３には比較のために、既に説明した実施例１、比較例１ａおよび比較例１ｂのデータも示す。

試験を実施した表３に示す試験片において、実施例１乃至３と比較例４乃至６については、実施形態の熱処理方法である図２に示す熱処理方法がなされた。比較例１ａ乃至３ａについては、図３に示す熱処理方法である、２６１８合金のＴ６処理がなされた。また、比較例１ｂ乃至３ｂについては、５３０℃のみで溶体化処理を行う図４に示す熱処理方法がなされた。表３に示す試験片について、２００℃での疲労試験および２０℃での引張試験を実施した。その結果を表４に示す。

表４から次のことがわかる。実施例１乃至３のいずれの試験片も、いずれの比較例よりも２００℃における疲労強度が高い。また、実施例１乃至３の試験片の２０℃における破断強度および破断伸びは、比較例に比べて低くなっているものではない。
以上から、実施形態の押し出し材料は、従来の２６１８合金等に比べて、２００℃までの高温での耐熱強度、特に疲労強度が向上している。

実施形態の熱処理方法の処理工程を示す図である。 実施例１の押し出し棒に施した熱処理方法の処理工程を示す図である。 比較例１ａの押し出し棒に施した熱処理方法の処理工程を示す図である。 比較例１ｂの押し出し棒に施した熱処理方法の処理工程を示す図である。 実施例および比較例の各押し出し材料に室温から３５０℃の範囲で行った引張試験の結果を示す図であり、図５（ａ）は破断強度の結果を示す図であり、図５（ｂ）は破断伸びを示す図であり、また、図５（ｃ）は降伏応力（σ_0.2耐力）を示す図である。 実施例および比較例の各押し出し材料に２００℃で応力振幅のレベルごとに引張圧縮疲労試験を実施した結果を示す図である。

符号の説明

Ｔｃ、Ｔｅ 溶融開始温度

Claims (4)

1. 成分組成が、Ｓｉ０．１〜０．３質量％、Ｆｅ０．８〜１．５質量％、Ｃｕ２．０〜３．０質量％、 Ｍｇ１．５〜２．５質量％、Ｎｉ０．８〜１．５質量％およびＴｉ０．０１〜０．２質量％並びに残部であるＡｌおよび不可避的不純物からなる耐熱性アルミニウム合金の押し出し材料の熱処理方法であって、
   前記耐熱性アルミニウム合金の押し出し材料を、その中心部の溶融開始温度よりも５〜１５℃低い温度である第１溶体化処理温度およびその端部の溶融開始温度よりも５〜１０℃低い温度である第２溶体化処理温度の２つの温度で溶体化処理を行い、水冷処理をした後、時効処理を行うことを特徴とする耐熱性アルミニウム合金の押し出し材料の熱処理方法。
2. 請求項１に記載の耐熱性アルミニウム合金の押し出し材料の熱処理方法であって、
   前記溶体化処理が、前記耐熱性アルミニウム合金の押し出し材料を、前記第１溶体化処理温度で２時間保持後、前記第２溶体化処理温度で１時間保持するものであることを特徴とする耐熱性アルミニウム合金の押し出し材料の熱処理方法。
3. 請求項２に記載の耐熱性アルミニウム合金の押し出し材料の熱処理方法であって、
   前記溶体化処理において、前記第１溶体化処理温度を５２３℃とし、さらに前記第２溶体化処理温度を５３０℃とし、
   前記時効処理において、前記耐熱性アルミニウム合金の押し出し材料を、１９０℃で保持すること
   を特徴とする耐熱性アルミニウム合金の押し出し材料の熱処理方法。
4. 成分組成が、Ｓｉ０．１〜０．３質量％、Ｆｅ０．８〜１．５質量％、Ｃｕ２．０〜３．０質量％、 Ｍｇ１．５〜２．５質量％、Ｎｉ０．８〜１．５質量％およびＴｉ０．０１〜０．２質量％並びに残部であるＡｌおよび不可避的不純物からなる耐熱性アルミニウム合金の押し出し材料であって、請求項１乃至請求項３のいずれかの請求項に記載の熱処理方法を施したことを特徴とする耐熱性アルミニウム合金の押し出し材料。

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