JP2018516310A

JP2018516310A - アルミニウム鋳造合金、エンジン部品の製造方法、エンジン部品、及び、アルミニウム鋳造合金のエンジン部品の製造への使用

Info

Publication number: JP2018516310A
Application number: JP2017549409A
Authority: JP
Inventors: ラデス，クラウス; モルゲンシュテルン，ローマン
Original assignee: フェデラル−モグルニュルンベルクゲーエムベーハー
Priority date: 2015-04-01
Filing date: 2016-03-21
Publication date: 2018-06-21
Also published as: DE102015205895A1; US20180094337A1; EP3277854A1; WO2016156084A1; PL3277854T3; EP3277854B1; KR20170132196A; ES2717520T3; HUE043248T2; MX2017012330A; BR112017021093A2; CN107532244A

Abstract

本発明は、アルミニウム鋳造合金と、重力ダイキャスト方法においてアルミニウム鋳造合金が鋳造される、エンジン部品、特に内燃機関のためのピストンを製造する方法と、少なくとも部分的にアルミニウム鋳造合金から形成されるエンジン部品、特に内燃機関のためのピストンと、エンジン部品、特に内燃機関のためのピストンの製造のためのアルミニウム鋳造合金の使用とに関する。アルミニウム鋳造合金は以下の合金元素からなる。ケイ素：９．０重量％から＜１０．５重量％、ニッケル：０．８重量％から＜１．９重量％、銅：１．８重量％から＜３．６重量％、マグネシウム：０．５重量％から１．８重量％まで、鉄：０．９重量％から＜１．４重量％、ジルコニウム及び／又はバナジウム：各０．０５から≦０．３又は０．２重量％、マンガン：≦０．４重量％、チタン：≦０．１５重量％、及び、リン：≦０．０５重量％、さらに、残余としてのアルミニウム及び不可避な不純物。

Description

本発明は、アルミニウム鋳造合金と、重力ダイキャスト方法においてアルミニウム鋳造合金が鋳造される、エンジン部品、特に内燃機関のためのピストンを製造する方法と、少なくとも部分的にアルミニウム鋳造合金から形成されるエンジン部品と、そのようなエンジン部品の製造のためのアルミニウム鋳造合金の使用とに関する。

近年、特に経済的な、かつ、したがってエコロジカルな交通手段への需要が高まっており、高い消費及び排出ガス規制を満たさなければならない。さらに、できるだけ高性能及び低消費なエンジンを設計することは、常に必要とされている。よりいっそう高い燃焼温度及び燃焼圧で使用できるピストンは、高性能及び低排出な内燃機関の開発のための決定的な要因であり、実質的に、よりいっそう高性能なピストン材料によって、可能になる。

内燃機関のためのピストンは、基本的に高耐熱を有しなければならず、同時に、可能な限り軽量で、堅固でなければならない。その際、最高耐熱相（hoechstwarmfeste Phasen）のミクロ構造的分布、モルフォロージ、組成及び熱的安定性がどのように構成されているかは、特に重要である。これに関する最適化は、通常、孔及び酸化物の巻込み（oxidischen Einschluessen）の最小含有量を考慮に入れる。

求められている材料は、等温性サイクル強度（isotherme Schwingfestigkeit）（ＨＣＦ）に関して、及び、熱機械性疲労強度（thermomechanische Ermuedungsfestigkeit）（ＴＭＦ）に関して、の両方について最適化されなければならない。ＴＭＦを可能な限り良好に調整するために、材料の可能な限り微細なミクロ構造を得ようと、常に努力されている。微細ミクロ構造は、比較的大きいプライマリー相、特にプライマリーケイ素析出物（Silizlumausscheidungen）でのミクロ塑性又はミクロクラックの発生の危険性を低下させ、したがって、クラックの発生及び成長の危険性も低下させる。

ＴＭＦ負荷の下、比較的大きなプライマリー相、特に、プライマリーケイ素析出物において、合金の個別の成分の、詳しくはマトリックス及びプライマリー相の、異なる膨張係数に基づいて、ピストン材料の寿命を大幅に低下させ得る、ミクロ塑性又はミクロクラックが生じる。
寿命の向上のために、プライマリー相をできるだけ小さく保つことが知られている。

特に高合金の、近共晶又は過共晶アルミニウム／ケイ素合金は、高い動作温度における好ましい機械的性質を有する。その際、プライマリーケイ素及び発生する金属間相に関して、相サイズは制限を受けている。

ＤＥ１０２０１１０８３９６９Ａ１は、これに関連して、エンジン部品、特に内燃機関のためのピストンを製造する方法を開示し、その際、アルミニウム合金は重力ダイキャスト方法により鋳造される。その際アルミニウム合金は、以下の合金元素を含む。
ケイ素：６重量％〜１０重量％、
ニッケル：１．２重量％〜２重量％、
銅：８重量％〜１０重量％、
マグネシウム：０．５重量％〜１．５重量％、
鉄：０．１重量％〜０．７重量％、
マンガン：０．１重量％〜０．４重量％、
ジルコニウム：０．２重量％〜０．４重量％、
バナジウム：０．１重量％〜０．３重量％、
チタン：０．１重量％〜０．５重量％。
ここで、高耐熱合金の製造のためには、高価な元素、銅が高濃度で必要となる。

同様に、熱耐性の高いエンジン部品のための従来のアルミニウム鋳造合金は、通常、合計５〜７重量％の銅及びニッケルと、１１〜１３重量％のケイ素を合金元素に必要とする。高いケイ素含有量は、その際、大きな多数のプライマリーケイ素析出物の危険性を高める。

独国特許公開公報第１０２０１１０８３９６９号公報

本発明の課題は、割安に（kostenguenstig）製造できる、極めて高い耐熱性のアルミニウム鋳造合金を提供することにある。

この課題は、請求項１による合金により解決される。本発明の好ましい実施形態は、関連する下位請求項に示される。

アルミニウム鋳造合金は、
ケイ素：９．０重量％から＜１０．５重量％、
ニッケル：０．８重量％から＜１．９重量％、
銅：１．８重量％から＜３．６重量％、
マグネシウム：０．５重量％から１．８重量％まで、
鉄：０．９重量％から＜１．４重量％、
ジルコニウム及び／又はバナジウム：各０．０５から≦０．３又は０．２重量％、
マンガン：≦０．４重量％、
チタン：≦０．１５重量％、
リン：≦０．０５重量％、
の合金元素を含み、
さらに、残余を構成する、アルミニウム及び不可避な不純物を有し、耐熱性に関して特に好ましい特性を有する。ジルコニウム及びバナジウムのうち少なくとも一方が存在し、より詳しくは、ジルコニウムの場合は０．３重量％以下の濃度、バナジウムの場合には０．２重量％以下の濃度であり、これらは、上記のリスト及び請求項１において、「ジルコニウム≦０．３重量％、バナジウム≦０．２重量％」と置き換えられることが可能である。

合金元素、鉄の、本発明による濃度は、金属間相の高い割合へと導く。しかしながら、更なる合金元素、特に銅及びニッケルに関する精密な調整によって、大きな板状の金属間相の形成は防止される。後者は、可鋳性と、この材料から製造された部品の強度及び耐久性を制限する。その代り、形成された金属間相は、微細に分配されており、高耐熱であり、熱的に安定し、従って強度向上析出物（festigkeitssteigernde Ausscheidungen）として機能する。これは、等温性サイクル強度及び熱機械性疲労強度に関する好ましい特性をもたらす。

さらにまた、従来のアルミニウム／ケイ素合金に比べて高い、鉄に対する許容閾値は、使用可能な原材料についてのフレキシブルさを導く。従って、本発明による合金の製造のためには、これまではその鉄含有量のためにリサイクルすることができなかった、割安な（kostenguenstige）くず鉄を使用できる。

銅及びニッケルのより低い含有量は、同様に合金製造の総コストを好適に低下させる。それらが最もコストのかかる合金元素に数えられるからである。従って、両元素のそれぞれの（部分的な）置き換えは相当なコスト削減につながる。
従来のアルミニウム／ケイ素合金に対するケイ素濃度の低下は、さらに、より少なくより小さいケイ素相を有する合金へ有利に導き、従ってクラックの発生及び成長に対する脆弱性が、とりわけTMF負荷の下で、非常に低減される。

本発明によれば、このようなアルミニウム鋳造合金が、重力ダイキャスト方法において、有利に用いられることが可能である。

エンジン部品、特に内燃機関のためのピストンは、少なくとも部分的に、本発明によるアルミニウム鋳造合金の１つから構成される。本発明によるそのようなエンジン部品は、高い耐熱性を有する。本発明により製造されたピストンでは、その熱的に高い負荷がかかる凹縁領域において、さらに、わずかなプライマリーケイ素しか存在せず、従って、合金は特に、本発明により製造されたピストンの非常に高い耐熱性へ導く。

本発明のさらなる態様は、エンジン部品、特に内燃機関のピストンの製造のための上述のアルミニウム鋳造合金の有利な使用にある。

Claims

アルミニウム鋳造合金において、
該アルミニウム鋳造合金は以下の合金元素、
ケイ素：９．０重量％から＜１０．５重量％、
ニッケル：０．８重量％から＜１．９重量％、
銅：１．８重量％から＜３．６重量％、
マグネシウム：０．５重量％から１．８重量％まで、
鉄：０．９重量％から＜１．４重量％、
ジルコニウム及び／又はバナジウム：各０．０５から≦０．３又は０．２重量％、
マンガン：≦０．４重量％、
チタン：≦０．１５重量％、及び、
リン：≦０．０５重量％、
を含み、さらに、残余を構成する、アルミニウム及び不可避な不純物、
を含むことを特徴とする、アルミニウム鋳造合金。
９．０重量％から９．５重量％まで、又は、９．５重量％から＜１０．５重量％のケイ素を含む。
ことを特徴とする、請求項１記載のアルミニウム鋳造合金。
１．０重量％から＜１．５重量％のニッケルを含む。
ことを特徴とする、請求項１又は２記載のアルミニウム鋳造合金。
＞３．０重量％から＜３．６重量％の銅を含む。
ことを特徴とする、請求項１乃至３いずれか１項記載のアルミニウム鋳造合金。
＞０．５重量％から＜０．９重量％のマグネシウムを含む。
ことを特徴とする、請求項１乃至４いずれか１項記載のアルミニウム鋳造合金。
０．９重量％から１．１重量％までの鉄を含む。
ことを特徴とする、請求項１乃至５いずれか１項記載のアルミニウム鋳造合金。
０．２重量％から０．４重量％までのマンガンを含む。
ことを特徴とする、請求項１乃至５いずれか１項記載のアルミニウム鋳造合金。
重力ダイキャスト方法を使用して、エンジン部品、特に内燃機関のためのピストンを製造する方法において、
請求項１乃至７いずれか１項記載のアルミニウム鋳造合金が鋳造される、
ことを特徴とする、製造方法。
少なくとも部分的に、請求項１乃至７いずれか１項記載のアルミニウム鋳造合金から形成される、
ことを特徴とする、エンジン部品又は内燃機関のためのピストン。
請求項１乃至７いずれか１項記載のアルミニウム鋳造合金を使用する、
ことを特徴とする、エンジン部品、特に内燃機関のためのピストンの製造方法へのアルミニウム鋳造合金の使用。