JP2008127579A - アルミニウム合金 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】鋳型内径が50〜150mmで且つ鋳型の下端部に噴射した冷却水により下端部を局部的に冷却した断熱鋳型から出る鋳塊を鋳型の下端部から流下する水で冷却して製造したものであり、Si:8〜18質量%、Cu:0.5〜3質量%、Ni:1〜5質量%を含有し、NiをCuよりも多く含有しているとともに、Al−Ni系金属間化合物の最大長さは3〜100μmであることを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
内燃機関に用いられるピストンは、燃焼によるエネルギーを動力に変換するための部品であり、より軽量且つ耐熱性及び耐摩耗性に優れたものが求められる。
このような要求を満足するものとして、アルミニウム合金製の鍛造ピストンが注目されている。
また、これらの目的を達成するために、種々のピストン用のアルミニウム合金が提案されている(特許文献1〜3参照。)。
例えば、特許文献1では、Siにより耐摩耗性を付与すると共に、Cu、Mgの析出強化元素を含有し、さらにFe、Niの高温強度向上に寄与する元素、並びに高温での回復・再結晶抑制効果を有するMn、Ti、Zr、Vを共存させたアルミニウム合金が提案されている。
しかしながら、この場合の強度向上の効果は、最高でも250℃程度であるため、このようなアルミニウム合金からなるピストンの場合、高温でのピストン天井部における充分な強度を得ることはできない。
一方、特許文献2では、鍛造による晶出物の最大長を200μmに制御して、晶出物分散強化により更に高温での強度向上を図ったアルミニウム合金が提案されている。
しかしながら、この場合、金属間化合物を晶出させる遷移元素を多量に添加するため、比重が大きくなり、軽量化によるエンジン性能の向上を妨げてしまう。
また、粗大な晶出物は、内部欠陥や鍛造時の割れを引き起こすため、鍛造による材料の品質向上を図ることが困難となる。
一方、特許文献3では、ピストンに用いられるAl−Si系アルミニウム合金の各元素のうち、Niの含有量を2〜6質量%とすることで、250℃以上の高温強度を向上させることが提案されている。
しかしながら、この場合、Cu、Niを多量に含有するため、比重が大きくなり、重量が増加することによって、逆に強度を高めたメリットが失われてしまう。
また、粗大な晶出物は、鍛造時に欠陥を発生させ、強度を著しく低下させる原因となる。
さらに、鍛造ピストン用のアルミニウム合金としては、JIS規格のA4032やA2618等を挙げることができる。
しかしながら、A4032は、析出強化による材料であるため、高温に晒されるとピストンの強化が低下してしまう。
一方、A2618は、Siの含有量が少ないため、熱膨張率が高くなり、ピストンの摺動性が悪くなってしまう。
DC鋳造法は、上下貫通した鋳型の上部に溶湯を供給し、鋳型の下部から鋳塊を連続的に引き出す際に、鋳型を水冷してあるとともに鋳型の下部にて鋳塊の表面に冷却水を噴射して鋳塊を冷却する方法で、水冷鋳型による強力な一次冷却により比較的厚みのある凝固殻を形成するため、殻のブレークアウトが発生しにくいが、水冷鋳型による一次冷却と鋳型下部から噴射される冷却水による二次冷却との冷却幅が広いため、内部の金属間化合物の偏析が大きく、鋳塊表面の凹凸も激しいアルミニウム合金になるという技術的課題があった。
一方、断熱鋳型連続鋳造法は、断熱してある鋳型の下端から噴射した冷却水のみで鋳塊を冷却する方法で、鋳型による一次冷却を排除しているため均一な内部組織と平滑な鋳塊表面を得やすいという特徴があるものの、DC鋳造法に比較して表層の凝固殻が薄く形成されることから、凝固殻のブレークアウトが発生し易く、安定した凝固殻が得られない場合がある。
特に、アルミニウム合金の用途が内燃機関に用いられるピストン等の高い耐熱性及び耐摩耗性が要求されたり、優れた鍛造性が要求される場合には、Si、Ni、Cu等の添加成分量が多いために、従来の連続鋳造方法では、初晶シリコン、共晶シリコン及び金属間化合物の析出及び成長が複雑化し、凹凸等の表面欠陥を誘発しやすく、また、金属間化合物の著しい偏析が生じたり、金属間化合物の大きさが大きくなりやすく、必要とする材料特性が得られないという技術的課題があった。
また、Si、Ni、Cu等の添加成分量が多いアルミニウム合金の場合には、押出性が極端に悪いことから、従来の大径ビレットを押出材にしてその後に鍛造製品を得る方法の改善策として、小径ビレットの表面をピーリングしてそのまま鍛造する方法を採用するニーズが高い。
しかし、鋳塊の表面に偏析層が発生したり、凹凸ができるとそれだけピーリング代を多くとらざるを得ず、コスト高の一因となっていた。
このようなニーズに対応するためにはピーリング代を少なく抑えることができる表面欠陥や偏析の少ないアルミニウム合金が必要となっていた。
特許文献4には、断熱部と水冷ケースとを設けた鋳型を開示するが、上下方向の冷却域の幅が広い点ではDC鋳造法や断熱鋳型連続鋳造法と同様であり、添加合金成分量の多いアルミニウム合金の場合には表面欠陥を迎えるのが難しい。
請求項2記載の発明に係るアルミニウム合金は、鋳型内径が50〜150mmで且つ鋳型の下端部に噴射した冷却水により下端部を局部的に冷却した断熱鋳型から出る鋳塊を鋳型の下端部から流下する水で冷却して製造したものであり、Si:8〜18質量%、Cu:0.5〜3質量%、Ni:1〜5質量%、Fe:2.0質量%以下を含有し、Ni及びFeの合計がCuよりも多く且つNi及びFeの合計は5質量%以下であり、Al−Ni系金属間化合物の最大長さは3〜100μmであることを特徴とする。
請求項3記載の発明に係るアルミニウム合金は、請求項1又は2記載の合金組成に更に、Mgを2.0質量%以下含有していることを特徴とする。
請求項4記載の発明に係るアルミニウム合金は、請求項1〜3記載のいずれかの合金成分に対して更に、Zr,Tiのうち少なくとも1種以上を0.25質量%以下含有し、且つ、Zr及びTiの合計は0.3質量%以下であることを特徴とする。
請求項5記載の発明に係るアルミニウム合金は、請求項1〜4記載のいずれかの合金成分に対して更に、Mn,Crのうち少なくとも1種以上含有し、Fe及びMnの合計が2.0質量%以下、Fe及びCr×5の合計が、2.0質量%以下であることを特徴とする。
請求項6記載の発明は、請求項1〜5記載のいずれかのアルミニウム合金成分に対して金属組織における共晶Si及び初晶Siの平均粒径は、10〜100μmであることを特徴とする。
従って、鋳塊をビレット等にして鍛造素材等に用いる場合に鋳塊表面のピーリング代を少なく抑えることができるため、加工コストを抑えることができる。
また、アルミニウム合金組成において、Si:8〜18質量%、Cu:0.5〜3質量%、Ni:1〜5質量%を含有し、NiをCuよりも多く含有し、Al−Ni系金属化合物の最大長さを3〜100μmにしたことにより線膨張係数を抑えつつ、耐摩耗性及び高温強度を向上することができる。
請求項2記載に係るアルミニウム合金においては、更にFe:2.0質量%以下含有し、Ni及びFeの合計がCuよりも多く且つNi及びFeの合計は5質量%以下にしたことにより晶出物の粗大化を抑えつつ、Al−Fe化合物の晶出により高温強度を向上することができる。
請求項3記載に係るアルミニウム合金においては、Mgを2.0質量%以下含有したことにより、Alに対する固溶強化による生地の強度を向上することができる。
請求項4記載に係るアルミニウム合金においては、Zr、Tiのうち少なくとも1種以上を0.25質量%以下含有し、且つZn及びTiの合計は0.3質量%以下含有したことにより結晶粒の微細化により耐熱性が向上する。
請求項5記載に係るアルミニウム合金においては、Mn、Crのうち少なくとも1種以上含有し、Fe及びCr×5の合計が2.0質量%以下であることにより、組織を微細化し、高温強度が向上する。
請求項6記載に係るアルミニウム合金においては、金属組織における共晶Si及び初晶Siの平均粒径は、10〜100μmであることにより、摺動性を向上しつつ、鍛造時の割れを防止する。
よって、本発明に係るアルミニウム合金は、鍛造ピストン用の素材に適している。
図1に示した連続鋳造装置は、溶湯を流し込む受湯部1と、受湯部の下部に設けた上下に貫通した鋳型2を有している。鋳型の材質としては黒鉛鋳型を用いた。
鋳型の上部側壁には断熱層3を有し、下部側壁の周囲には水冷ジャケット4を設けてある。
水冷ジャケット4は、給水口4b、冷却水室4c及び冷却水噴射ノズル4aを有している。
冷却水噴射ノズル4aは、鋳型の外側の下端部2aに向けて冷却水が噴射するようになっていて鋳型の下端部を局部的に冷却するようになっている。
また、鋳型の下端部の局部的冷却効果を向上させる観点から、鋳型の下側の肉厚を上側に比較して薄くしてある。
溶湯Mは鋳型の上部から入り、鋳型の下端部内側2bで冷却され凝固界面Mcを形成しつつ、鋳型の下部からビレット等の連続した鋳塊Msとして先端底部を受台6にて受けながら連続鋳造する。
鋳型2の外側の下端部2aを局部的に冷却しているので、従来の断熱型連続鋳造法に比較して固液共存温度域の幅dが小さくなる。
また、鋳型2の下端部に噴射した冷却水5は鋳塊の表面に沿って下方向に流水部5aを形成しながら流下する。
本発明に用いる鋳型形状としては、図1に示したような鋳型内周径が鉛直方向に同じであるストレート型に限定されるものではなく、下側が径の大きいテーパー型でもよく、断面形状も円形のみならず異形断面でもよい。
なお、異形断面形状の場合には、最大内接円の径が50〜150mmであることをいう。
本発明の鋳型の下端部局部冷却による連続鋳造方法は、比較的小径のビレット鋳造に効果的であり、概ね、ビレット直径50〜150mmの範囲に適している。
150mmを超えると中心部の冷却が不充分となりやすい。
(Si:8〜18%)
Siは、線膨張係数を抑え、その寸法変化を最小限にするとともに、摩耗に耐えるために必要な元素である。
しかしながら、多量に添加すると粗大な初晶Siが晶出し、材料の靱性や加工性を低下させることになる。
従って、本発明では充分な効果を得るため、その下限を8%とし、充分な靱性及び加工性を確保するため、その上限を18%とする。
Cuは、固溶強化により室温から200℃程度まで材料強度を向上させる元素である。
しかしながら、多量に添加すると、Al−Ni系化合物の晶出を妨げ、250℃以上での材料強度の向上を妨げるとともに、材料の比重増加になる。
従って、Cuは、200℃において最低限必要な強度を得るため、その下限を0.5%とし、Al−Ni系化合物の晶出を妨げずに、比重の増加を抑えるため、その上限を3%とする。
Niは、Cuと共存させることによって、Al−Cu−Niの3元系化合物を晶出し、高温強度を向上させる元素である。
しかしながら、その効果は250℃までであり、250℃以上での強度向上を図るためには、Al−Ni系化合物を晶出させる必要がある。
また、Al−Ni系化合物を晶出させるためには、Cuよりも多く添加する必要がある。
しかしながら、多量に添加すると晶出物が粗大化し、材料の靱性が低下するとともに、鍛造時の割れや欠陥等が発生してしまう。
従って、Niは高温強度に必要なAl−Ni系化合物を晶出させるため、その下限を1%とし、粗大な化合物の晶出を抑えるため、その上限を5%とする。
さらに、NiをCuよりも多く添加する。
Feは、Niと同様にAlとの化合物を晶出し、高温強度を向上させる元素であり、任意に添加することができるが、晶出物の粗大化を抑えるため、最大2%を含むものとする。また、Fe及びNiを同時に添加した場合には、Al−Ni−Fe系化合物を晶出するため、これらNi及びFeの合計を5%以下とする。
さらに、Ni及びFeの合計をCuよりも多くする。
Mgは、固溶強化により生地の強度を向上させる元素であり、任意に添加することができるが、多量に添加すると、Mg2Siの晶出により材料の靱性を低下させるため、最大2.0%を含むものとする。
(Ti:0.25%以下)
Zr,Tiは、ともに結晶粒の微細化と耐熱性の向上に寄与する元素である。
しかしながら、多量に添加すると、いずれか一方又は両方がAlとの粗大な化合物を晶出させてしまう。従って、Zr及びTiは、粗大な晶出物の生成を抑制するため、最大0.25%を含むものとする。また、Zr及びTiの合計を0.3%以下とする。
(Cr:Fe及びCr×5の合計が2.0%以下)
Mn、Crは、高温強度を向上させ、組織を微細化させる元素であるが、Feと同時に添加すると、Al,Feと粗大な化合物を生じ、鍛造性が低下してしまう。
従って、これらMn、Crは、Feとの合計で上限を規定する。すなわち、Fe及びMnの合計を2.0%以下とし、Fe及びCr×5の合計を2.0%以下とする。
(金属間化合物)
AlとNi、Fe等の遷移元素との金属間化合物は、材料の変形を抑えることにより高温まで材料強度を向上させる。
しかしながら、金属間化合物は、微細になり過ぎると効果が減少してしまい、過大になり過ぎると、鍛造時の割れや欠陥等の原因となるが、本発明に係るアルミニウム合金では、金属間化合物の最大長さは、3μm〜100μmの範囲である。
共晶Si及び初晶Siは、摺動性を向上させるために有効となるが、その粒径が過大になり過ぎると、鍛造時の割れや欠陥等の原因となる。
これら共晶Si及び初晶Siの粒径は、3μm〜100μmの範囲である。
なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。
試料1のビレットの鋳塊表面写真を図3(a)に示し、従来の断熱鋳型連続鋳造方法にて鋳造した比較ビレットの鋳塊表面写真を図3(b)に示す。
本発明に係る鋳造方法によると、鋳塊の表面凹凸が50.0μm以下と平滑であったが、従来の断熱鋳型連続鋳造方法のものは表面凹凸が0.5mmを超えていてラッピング状の表面外観であった。
内部組織においても、試料1のものは表皮部から中心部にわたって金属間化合物の大きさが3〜40μmと均一であったのに対して、従来の断熱鋳型連続鋳造方法のものは、表皮部と中心部とでは金属間化合物の大きさが不均一であった。
よって、図1の連続鋳造装置を用いた鋳造方法では、鋳塊の表面凹凸が小さく、内部組織が均一であるので、従来の連続鋳造方法より少ないピーリング代で鍛造用素材を得ることができた。
そして、これら試料1〜12の鍛造ピストンについて、機械的特性および鍛造性の評価を行った。
このうち、試料1〜5は、本発明の条件を満足する実施例であり、試料6〜10は、本発明の条件を満足しない比較例である。
また、試料11は、JIS規格のA4032であり、試料12は、JIS規格AC8Aである。
表中、成分の欄で「−」と表示してあるのは、その成分は、不可避的不純物として取り扱い、故意には添加していない趣旨である。
また、鍛造性については、各試料1〜12を350℃以上に加熱し、ピストン形状に鍛造したときの割れの有無を調べた。
なお、表1中において、○は、割れが発生しなかった場合を示し、×は、割れが発生した場合を示す。
その結果、実施例1〜5で示した合金成分を有するアルミニウム合金の溶湯を用いて図1に示した方法で連続鋳造すると、金属間化合物のサイズが小さく、鍛造性に優れ、高温強度(抗張力)等の材料特性も良好であった。
さらに、詳細に考察すると、試料1〜5の実施例は、いずれもA4032より高い抗張力を示し、AC8Aよりも高い伸びを示していた。
試料1〜5は、鍛造性について問題が無く、比重も実際のピストンに影響を与えるほど増加していない。
試料2,3は、AC8Aよりも高い抗張力及び伸びを示した。
試料1,4,5は、抗張力がAC8Aより劣るものの、実際のピストンで重要な疲労強度に関しては、微細な組織と鍛造による内部品質の向上によりAC8Aよりも高い強度を示した。
これに対して、試料6,8,9,10の比較例は、機械的強度に関して高い値を示しているものの、いずれも鍛造時に割れが発生した。
また、金属組織を調べたところ、試料6はAl−Ni系の粗大化合物が晶出し、試料8はAl−Ni−Fe系の粗大化合物が晶出し、試料9はAl−Ni−Fe−Mn系の粗大化合物が晶出し、試料10はAl−Ni−Fe−Cr系の粗大化合物が晶出していて、これらの粗大化合物はいずれも100μmを超えていた。
試料7は、強度も高く、粗大な晶出物も無く、鍛造性も良好であったが、比重がA4032やAC8Aに比較して約5%も大きい。これに対して実施例は、いずれも比重が2.7以下であり、高い高温強度及び優れた鍛造性を維持しながら比重の増加を抑えることができる。
次に、試料4(本発明)、試料11(A4032)及び試料12(AC8A)の鍛造ピストンについて疲労強度試験を行った。
なお、本疲労強度試験では、300℃の雰囲気で実際のピストンに発生する応力に近い引張り片振りでの疲労曲線の測定を行った。
その測定結果を図5に示す。
次に、試料4(本発明)の鍛造ピストンのミクロ組織写真を図6に示す。
試料9(比較例)のミクロ組織写真を図7に示す。
これら図6及び図7に示すミクロ組織写真から、比較例の鍛造ピストンでは、金属組織内における金属間加工物の最大長さが100μm以上あるのに対して、本発明の鍛造ピストンでは、金属組織内における金属間加工物が微細且つ均質に分散しており、鍛造性を阻害しないレベルに制御されていることがわかる。
2 鋳型
3 断熱層
4a 冷却水噴射ノズル
5 冷却水
6 受台
Claims (6)
- 鋳型内径が50〜150mmで且つ鋳型の下端部に噴射した冷却水により下端部を局部的に冷却した断熱鋳型から出る鋳塊を鋳型の下端部から流下する水で冷却して製造したものであり、Si:8〜18質量%、Cu:0.5〜3質量%、Ni:1〜5質量%を含有し、NiをCuよりも多く含有しているとともに、Al−Ni系金属間化合物の最大長さは3〜100μmであることを特徴とするアルミニウム合金。
- 鋳型内径が50〜150mmで且つ鋳型の下端部に噴射した冷却水により下端部を局部的に冷却した断熱鋳型から出る鋳塊を鋳型の下端部から流下する水で冷却して製造したものであり、Si:8〜18質量%、Cu:0.5〜3質量%、Ni:1〜5質量%、Fe:2.0質量%以下を含有し、Ni及びFeの合計がCuよりも多く且つNi及びFeの合計は5質量%以下であり、Al−Ni系金属間化合物の最大長さは3〜100μmであることを特徴とするアルミニウム合金。
- 更に、Mgを2.0質量%以下含有していることを特徴とする請求項1又は2記載のアルミニウム合金。
- 更に、Zr,Tiのうち少なくとも1種以上を0.25質量%以下含有し、且つ、Zr及びTiの合計は0.3質量%以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のアルミニウム合金。
- 更に、Mn,Crのうち少なくとも1種以上含有し、Fe及びMnの合計が2.0質量%以下、Fe及びCr×5の合計が、2.0質量%以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のアルミニウム合金。
- 金属組織における共晶Si及び初晶Siの平均粒径は、10〜100μmであることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のアルミニウム合金。
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