JP2021528563A - アルミニウム合金、エンジン構成要素を製造する方法、エンジン構成要素、及びエンジン構成要素を製造するためのアルミニウム合金の使用 - Google Patents
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Abstract
本発明は、アルミニウム合金、特に鋳造アルミニウム合金；エンジン構成要素、特に内燃機関用のピストンを製造する方法であって、アルミニウム合金が重力永久金型鋳造法で鋳造される、方法；エンジン構成要素、特に少なくとも一部がアルミニウム合金からなる内燃機関用のピストン；及びエンジン構成要素、特に内燃機関用のピストンを製造するためのアルミニウム合金の使用に関する。アルミニウム合金は、以下の合金元素、ケイ素：１０．０質量％から＜１３．０質量％、ニッケル：最大＜０．６質量％、銅：１．５質量％から＜３．６質量％、マグネシウム：０．５質量％から１．５質量％、鉄：０．１質量％から０．７質量％、マンガン：０．１から０．４質量％、ジルコニウム：＞０．１から＜０．３質量％、バナジウム：＞０．０８から＜０．２質量％、チタン：０．０５から＜０．２質量％、リン：０．００２５から０．００８質量％、並びに残部としてアルミニウム及び不可避不純物からなる。
Description
本発明は、アルミニウム合金、特に鋳造アルミニウム合金と、エンジン構成要素、特に内燃機関用のピストンを製造する方法であって、アルミニウム合金が重力金型鋳造法を用いて鋳造される方法と、少なくとも一部がアルミニウム合金からなるエンジン構成要素と、そうしたエンジン構成要素を製造するためのアルミニウム合金の使用とに関する。
近年、特に経済的で、したがって環境に配慮した輸送手段への需要が高まっており、そうした輸送手段は、消費及び排出の高い要件を満たさなければならない。更には、できるだけ高性能及び低消費となるようにエンジンを設計する必要が常にある。ますます高くなる燃焼温度及び燃焼圧力で使用することができ、そのことがますます高性能なピストン材料によって本質的に可能になるピストンは、高性能及び低排出である内燃機関の開発において、決定的な要因である。これは、ピストン材料、及びますます高性能なピストン用材料の開発が、決定的に重要であることを意味する。
内燃機関用のピストンは、基本的に、高い耐熱性を有していなければならず、それと同時に、できるだけ軽量かつ頑丈でなければならない。ピストンの特性を維持又は更には改善しながら、ピストンを軽量化することが、特に望ましい。この点において、高い耐熱性を有する相のミクロ構造分布、形態、組成、及び熱安定性がどのように設計されるかが、特に重要である。この点における最適化では、細孔及び酸化物系介在物の最小含有量が一般に考慮される。
求められる有利なピストン材料は、等温疲労強度（「高サイクル疲労」ＨＣＦ）及び熱機械的疲労強度（「熱機械的疲労」ＴＭＦ）の両方の観点から、最適化されなければならない。ＴＭＦ特性をできるだけ最適に設計するために、材料が可能な限り微細なミクロ構造であることを、常に目指すべきである。微細なミクロ構造は、比較的大きな初晶において（特に初晶ケイ素析出物において）微小塑性又は微小亀裂が発生するリスクを低減させ、したがって、亀裂の開始及び亀裂の成長のリスクも低減させる。
ＴＭＦ負荷下では、ピストン材料の寿命を相当に減少させ得る微小塑性及び／又は微小亀裂は、合金の個々の成分、すなわちマトリックス及び初晶の膨張係数が異なるため、比較的大きな初晶において、特に初晶ケイ素析出物において発生する。ＴＭＦ−ＨＣＦ寿命を延長させるためには、初晶をできるだけ小さくかつ微細に保つことが知られている。
特に高合金、ほぼ共晶又は過共晶アルミニウム／ケイ素合金は、高い操作温度において、好適な機械的特性を有する。この点で、相のサイズは、初晶ケイ素及び結果として生じる金属間相に関して、制限されなければならない。
これに関連して、独国特許出願公開第１０ ２０１１ ０８３ ９６９号は、エンジン構成要素、特に内燃機関用のピストンを製造する方法であって、アルミニウム合金が重力金型鋳造法を用いて鋳造される、方法を開示している。アルミニウム合金は、以下の合金元素、ケイ素：６質量％から１０質量％、ニッケル：１．２質量％から２質量％、銅：８質量％から１０質量％、マグネシウム：０．５質量％から１．５質量％、鉄：０．１質量％から０．７質量％、マンガン：０．１質量％から０．４質量％、ジルコニウム：０．２質量％から０．４質量％、バナジウム：０．１質量％から０．３質量％、チタン：０．１質量％から０．５質量％を含む。ここで、高耐熱性の合金を製造するためには、高価な元素の銅が、高濃度である必要がある。
同様に、高い熱負荷に耐え得るエンジン構成要素において、従来の鋳造アルミニウム合金には、強度を高める合金元素として、合金元素の合計に対して５から７質量％の間の銅及びニッケル、並びに１１から１３質量％のケイ素が、一般に必要である。高価かつ重い元素である銅及びニッケルを比較的大量に添加すると、ピストン材料の密度、そしてピストンの質量を特に増加させる。したがって、上記の試みから、質量、強度、及びコストの間での妥協点を見つけることが必要である。
したがって、本発明の目的の１つは、重力金型鋳造によって鋳造することができ、低密度であるにも関わらず、微細に分散され、耐熱性が高く、熱的に安定した相の割合が増加したアルミニウム合金を用意することである。
圧力金型鋳造と同様に、重力金型鋳造においても、合金元素が導入されるべき最大上限濃度があり、それを超えると、合金の鋳造性が困難又は不可能になる。更には、強度を高める元素の濃度が高すぎると、大きな板状の金属間相が形成され、疲労強度を大幅に低下させる。このことは、本発明において考慮される。
この目的は、請求項１に記載の合金によって解決される。合金の好ましい実施形態は、それに関する従属項に見出されてよい。
アルミニウム合金、特に鋳造アルミニウム合金であって、合金元素、
ケイ素（Ｓｉ）：１０．０質量％から＜１３．０質量％、
ニッケル（Ｎｉ）：＜０．６質量％、
銅（Ｃｕ）：１．５質量％から＜３．６質量％、
マグネシウム（Ｍｇ）：０．５質量％から１．５質量％、
鉄（Ｆｅ）：０．１質量％から０．７質量％、
マンガン（Ｍｎ）：０．１から０．４質量％、
ジルコニウム（Ｚｒ）：＞０．１から＜０．３質量％、
バナジウム（Ｖ）：＞０．０８から＜０．２質量％、
チタン（Ｔｉ）：０．０５から＜０．２質量％、
リン（Ｐ）：０．００２５から０．００８質量％、
並びに残部としてアルミニウム及び不可避不純物を含み、又は任意選択によりそれらからなり、したがって、耐熱性の観点で、特に好適な特性を更に有し、先行技術と比較して密度が低下するために、内燃機関用の軽量かつ丈夫なピストンの製造に適している、アルミニウム合金。本発明によるアルミニウム合金は、ニッケルを含まないことが好ましく、したがって、有意な量のニッケル（Ｎｉ）を含まない。
ケイ素（Ｓｉ）：１０．０質量％から＜１３．０質量％、
ニッケル（Ｎｉ）：＜０．６質量％、
銅（Ｃｕ）：１．５質量％から＜３．６質量％、
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鉄（Ｆｅ）：０．１質量％から０．７質量％、
マンガン（Ｍｎ）：０．１から０．４質量％、
ジルコニウム（Ｚｒ）：＞０．１から＜０．３質量％、
バナジウム（Ｖ）：＞０．０８から＜０．２質量％、
チタン（Ｔｉ）：０．０５から＜０．２質量％、
リン（Ｐ）：０．００２５から０．００８質量％、
並びに残部としてアルミニウム及び不可避不純物を含み、又は任意選択によりそれらからなり、したがって、耐熱性の観点で、特に好適な特性を更に有し、先行技術と比較して密度が低下するために、内燃機関用の軽量かつ丈夫なピストンの製造に適している、アルミニウム合金。本発明によるアルミニウム合金は、ニッケルを含まないことが好ましく、したがって、有意な量のニッケル（Ｎｉ）を含まない。
一方で、先行技術と比較して、銅及びニッケルの含有量が著しく低減すると、合金製造の全体的なコストが有利に削減される。その理由は、それらは最も高価な合金元素に属するからであり、したがって、これらの２つの元素の含有量を、任意に（部分的に）置換又は低減させることは、相当なコスト節約をもたらす。一方で、このことはアルミニウム材料の密度を低下させる。本発明は、マグネシウム、鉄、マンガン、ジルコニウム、バナジウム、及びチタンといった合金元素を最適に調整することにより、さもなければ高い熱負荷に耐えるために必要な銅及びニッケルといった元素の含有量の著しい低減にも関わらず、それでも良好かつ十分な強度が保証されることを特徴とする。本発明によるケイ素の含有量は、アルミニウム材料の良好な鋳造性を実現するのに役立つ。
本発明による上記の合金は、好ましくは収載された成分からなり、収載された成分のみを含むが、その他に、不可避不純物、すなわち機能性成分として意図的に添加されたのではない低濃度の成分のみを含む。その場合、本発明による合金は、更なる元素を含まないことが好ましく、特にベリリウム（Ｂｅ）及び／又はカルシウム（Ｃａ）を含まないことが好ましい。
更には、本発明によるアルミニウム合金又は鋳造アルミニウム合金は、１１．０から＜１２．５質量％のケイ素及び／又は１．８から＜２．６質量％の銅及び／又は０．８質量％から１．２質量％のマグネシウム及び／又は０．４質量％から０．６質量％の鉄を含むことが好ましい。有利には、本発明によるアルミニウム合金又は鋳造アルミニウム合金は、鉄／マンガンの比率が２：１、好ましくは２：１から５：１の間であり、並びに／又は鉄及びマンガンの含有量の合計が、０．９質量％を超えない。
発見されたアルミニウム合金は、重力金型鋳造法を用いて、本発明にしたがって、有利に製造又は処理される。
本発明によるエンジン構成要素、特に内燃機関用のピストンは、好ましくは、少なくとも一部が本発明による前述のアルミニウム合金の１種からなる。本発明によるそうしたエンジン構成要素は、高い耐熱性を有する。更には、本発明にしたがって製造されるピストンには、熱的に高負荷であるボウルの縁領域又はその底部領域に、許容可能なサイズの初晶ケイ素及びケイ素析出物が少量しかないため、合金は特に、本発明にしたがって製造されるピストンに非常に高い耐熱性をもたらす。
本発明の更なる一態様は、エンジン構成要素、特に内燃機関のピストンの製造のための、上記の本発明によるアルミニウム合金の好ましい使用である。
Claims (10)
- アルミニウム合金、特に鋳造アルミニウム合金であって、以下の合金元素、
ケイ素：１０．０質量％から＜１３．０質量％、
ニッケル：＜０．６質量％、
銅：１．５質量％から＜３．６質量％、
マグネシウム：０．５質量％から１．５質量％、
鉄：０．１質量％から０．７質量％、
マンガン：０．１から０．４質量％、
ジルコニウム：＞０．１から＜０．３質量％、
バナジウム：＞０．０８から＜０．２質量％、
チタン：０．０５から＜０．２質量％、
リン：０．００２５から０．００８質量％、
並びに残部としてアルミニウム及び不可避不純物を含むことを特徴とする、アルミニウム合金。 - １１．０から＜１２．５質量％のケイ素を含むことを特徴とする、請求項１に記載のアルミニウム合金。
- １．８から＜２．６質量％の銅を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載のアルミニウム合金。
- ０．８質量％から１．２質量％のマグネシウムを含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のアルミニウム合金。
- ０．４質量％から０．６質量％の鉄を含むことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のアルミニウム合金。
- 鉄とマンガンの比率が２：１、好ましくは２：１から５：１の間であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のアルミニウム合金。
- 鉄及びマンガンの含有量の合計が、０．９質量％を超えないことを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のアルミニウム合金。
- エンジン構成要素、特に内燃機関用のピストンを製造する方法であって、請求項１から７のいずれか一項に記載のアルミニウム合金が、重力金型鋳造法を用いて鋳造されることを特徴とする、方法。
- エンジン構成要素、特に内燃機関用のピストンであって、少なくとも一部が請求項１から７のいずれか一項に記載のアルミニウム合金からなることを特徴とする、エンジン構成要素。
- エンジン構成要素、特に内燃機関用のピストンを製造するためのアルミニウム合金の使用であって、請求項１から７のいずれか一項に記載のアルミニウム合金が使用されることを特徴とする、使用。
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