JP2746390B2 - 引張および疲労強度にすぐれたアルミニウム合金の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、特に内燃機関のコネクティングロッド（コ
ンロッド）その他バルブリフタ、バルブスプリングリテ
ーナー、ロッカーアーム、シンクロナイザリング等に適
した、引張および疲労強度にすぐれたアルミニウム合金
の製造方法に関する。

［従来の技術］ 自動車やオートバイなどの省エネルギー対策としてそ
の軽量化の要望が高い。特に内燃機関の部品なかんづく
コンロッドを軽量化すれば、エンジンの性能が大幅に向
上するため、このコンロッドを中心に他の部品とともに
アルミニウム化したいという要望が高い。

ところで、コンロッドは常温から200℃で用いられ
る。このため、コンロッド材料には常温〜200℃におけ
る引張強度、疲労強度が必要とされ、また縦弾性係数が
高いこと、線膨脹係数が低いことも重要である。

従来、高温強度にすぐれたアルミニウム合金としては
A2218、A2618などが知られている。

又、急冷凝固粉末を成形したアルミニウム合金材が提
案されており、本出願人もさらに特願昭62−263657号、
特願昭62−263658号を提案した。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来の高温強度にすぐれたアルミニウム合金とさ
れている合金であっても、その引張強度、疲労強度、切
欠疲労強度は150℃以上においては未だ十分ではない。

そこで本出願人は上記の発明をさきに出願したが引張
および疲労強度を重視すると靭性が劣り、靭性を重視す
ると強度が十分でないなど、未だ改良の余地がある。

本発明は、高強度（例えば54kgf/mm²以上）を維持し
たままその靭性をも改良した合金を提供せんとするもの
である。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、重量％で、Si:15.5〜18.5％、Fe:4〜７
％、Cu:1〜６％、Mg 0.3〜３％、Ti:0.01〜２％あるい
はさらにMn:0.3〜３％［ただしFe＋Mn≦８％］を含み、
残り不可避不純物とAlとからなる合金材料を、溶解後、
平均冷却速度10³℃/sec以上で冷却する粉末製造工程、
粉末をアルミニウム缶に詰めて400〜520℃における脱ガ
ス工程、300〜500℃において押出比４以上に押出す押出
工程、400〜500℃における熱間鍛造工程および熱処理工
程に付することを特徴とする引張および疲労強度にすぐ
れたアルミニウム合金の製造方法である。

本発明における合金材料の組成の限定理由は下記のと
おりである。

Si:Feと共存してAl−Si−Fe系化合物として分散し、疲
労強度、切欠疲労強度を高める。また、弾性係数を高
め、線膨脹係数を下げる。その量が15.5％未満では疲労
強度、切欠疲労強度が低くなり、線膨脹係数が大きくな
る。18.5％を越えると靭性が劣ってくる。

Fe:Siと共存してAl−Si−Fe系化合物として分散し、ま
たSi粒子を微細にする。これらにより引張強度、疲労強
度、切欠疲労強度を高める。また、弾性係数を高め、線
膨脹係数を下げる。その量が４％未満では引張強度、疲
労強度、切欠疲労強度が不足する。７％を越えると靭性
が著しく低下する。また、鍛造性も劣ってくる。

Cu:Mgと共存し、時効硬化性を付与する。時効硬化によ
り引張強度、疲労強度、切欠疲労強度が向上する。その
量が１％未満では効果が十分でなく、６％を越えると靭
性が劣る。

Mg:Cuと共存し、時効効果を生じ、引張強度、疲労強
度、切欠疲労強度が向上する。その量が0.3％未満では
効果が十分でなく、３％を越えると効果が飽和するばか
りでなく、靭性も低下する。

Ti:Al−Ti、Al−Si−Ti系化合物として分散し、靭性の
向上に寄与する。その量が0.01％未満では効果が十分で
なく、２％を越えると逆に靭性が低下する。

Mn:Al−Si−Mn系化合物として分散し、靭性をほとんど
低下させることなく、引張強度、疲労強度、切欠疲労強
度を向上させる。その量が0.3％未満では効果が十分で
なく、３％を越えると靭性が低下する。また、Fe＋Mn量
が８％を越えるとやはり靭性が低下し、鍛造性も劣って
くる。

次に製造工程の限定理由について説明する。

粉末製造工程：ガスアトマイズ、単ロール法、双ロール
法、噴霧ロール法などの急冷凝固法をもいる。平均冷却
速度は10³℃/sec以上とすることが、強度および靭性向
上のために必要である。

脱ガス工程：靭性の向上のために脱ガスは重要である。
脱ガス温度が400℃未満では脱ガス効果が不十分となっ
て靭性が低くなり、520℃を越えると化合物粒子の成長
が生じて強度が低下する。脱ガスは粉末を缶に詰めて行
う。脱ガス時の雰囲気は、真空、N₂ガス、不活性ガスな
どとしたり、場合によっては空気中加熱後短時間真空引
きをしたりする。

押出工程：押出によりメタルフローを与えることは靭性
の向上に重要である。押出比４未満では粉末同士の結合
が不十分であり、靭性が不足する。押出温度が300℃未
満では変形抵抗が大きく押出が困難となり、又押出温度
が500℃を越えると、押出割れが生じる。

熱間鍛造：熱間鍛造によって所望形状とする。鍛造温度
が400℃未満では変形能が十分でなく割れを生じる。ま
た、500℃を越えても鍛造割れを生じる。

熱処理工程：溶体化処理、焼入れ、焼戻しにより時効硬
化を生じさせ、強度を向上させる。通常焼入れは水冷に
よって行い、焼戻しは最高強度が得られる条件で行う。
ただし、焼入れ歪みや残留応力を緩和するために温水焼
入れや比較的高温での過時効焼戻しも行われる。

本発明は上記各工程を必須の要件とするが、必要に応
じて工程を付加することができる。例えば、脱ガス工程
の前に粉末を予備圧縮しておいたり、脱ガス後真空を保
持したままホットプレスによって緻密化し、それから押
出を行うなどの工程を採用することができる。さらに
は、粉末やフレーク、リボンの粉砕、分級なども適宜実
施する。

［実施例］ 実施例１ 第１表に示す組成の各種合金を溶解後、エアアトマイ
ズにより粉末を製造した。そして149μｍ以下に分級し
た。こうして得た粉末の平均粒径は60μｍであり、平均
冷却速度は６×10³℃/secであった。

この粉末をCIP（Cold Isostatic Pressing）により予
備圧縮し、アルミニウム缶の中に装入して真空脱ガスを
行った。脱ガス温度は490℃とした。その後、アルミニ
ウム缶を密封し、押出用ビレットとした。この後、400
℃において押出を行い、断面形状30×110mmの角棒を得
た。このとき押出比は15であった。この押出棒を鍛造素
材として、第１図に示すようなコンロッド形状に鍛造し
た。鍛造温度は450℃であった。この後、490℃×1hr→
水冷→175℃×6hrの熱処理を行った。

第１図中の中央部（棹部）１より丸棒試験片を切り出
し、各種試験を行った。すなわち、常温および150℃に
おける引張試験（150℃の場合は100hr保持後）、常温に
おける切欠引張試験（切欠の形状係数2.4）を行い、
又、常温において形状係数3.1の切欠を持つ試験片を用
いて応力振幅11kgf/mm²による疲労試験（小野式回転曲
げ試験）を行い、破断までの繰返し数（寿命）を測定し
た。靭性は切欠耐力比（切欠引張強さ／平滑試験での耐
力）の大きさにより評価した。

結果は第２表に示す通りであった。本発明により得ら
れた合金No.1〜８の場合、常温および150℃における強
度が高く、切欠耐力比も0.91以上とかなり大きく、靭性
がかなり高いとみなされる。また、疲労試験における寿
命も長い。比較例合金No.9はSi量が少ないため強度が低
い。No.10合金はSi量が多いため切欠耐力比（靭性）が
低い。No.11合金はFe量が少ないため強度が低い。No.12
合金はFe量が多いため切欠耐力比（靭性）が小さい。N
o.13合金はCuが少ないため強度、寿命が小さい。No.14
合金はCuが多いため切欠耐力比（靭性）が小さい。No.1
5合金はMgが少ないため強度が低い。No.16合金はMgが多
いため強度向上効果がみられないばかりか、切欠耐力比
（靭性）もやや低い。No.17合金はTiを含まないため靭
性がやや低い。No.18合金はTi量が多いため靭性が低
い。No.19合金はMnが多く、また、No.20合金はFe＋Mnが
多いため、靭性が低い。

実施例２ Al−17.0Si−5.5Fe−4.5Cu−0.6Mg−0.20Ti−0.5Mn合
金を用いて製造条件の影響について検討した。すなわ
ち、第３表に示す条件でコンロッドを製造した。この後
490℃×1hr→水冷→175℃×6hrの熱処理を行った。No.2
1、No.22は本発明による方法であり、No.23〜28は製造
条件のいずれかが本発明方法と異なる比較例である。な
お熱処理条件はいずれも同一とした。

試験結果は第４表に示す通りである。No.21、22は強
度および疲労寿命ともにすぐれ、靭性もかなり高い。N
o.23は冷却速度が小さいために、強度、靭性が低い。N
o.24は脱ガス温度が低いために靭性が低い。No.25は脱
ガス温度が高いために強度が低い。No.26は押出温度が
高いために押出割れを生じたものである。No.27は押出
比が低いために靭性が低い。No.28は鍛造温度が高いた
めに鍛造割れが生じたものである。

［発明の効果］ 本発明によれば、引張および疲労強度にすぐれ、靭性
もかなり高いアルミニウム合金が得られる。このもの
は、特に内燃機関のコンロッドに適用して、その軽量化
とエンジンの出力増加、高効率化、騒音減少を可能にす
る。その他、ロッカーアーム、バルブリフタ、バルブス
プリングリテーナー、シンクロナイザーリング等にも適
用して、それらの軽量化を可能にする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によって得られるコンロッドの正面図で
ある。 １……中央部（棹部）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西村 嘉彦 愛知県名古屋市港区千年３丁目１番12号 住友軽金属工業株式会社技術研究所内 (72)発明者 菊池 昭雄 愛知県名古屋市港区千年３丁目１番12号 住友軽金属工業株式会社技術研究所内 (72)発明者 福田 康廣 愛知県名古屋市港区千年３丁目１番12号 住友軽金属工業株式会社技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−42344（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−188739（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−188738（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、Si:15.5〜18.5％、Fe:4〜７
   ％、Cu:1〜６％、Mg0.3〜３％、Ti:0.01〜２％を含み、
   残り不可避不純物とAlとからなる合金材料を、溶解後、
   平均冷却速度10³℃/sec以上で冷却する粉末製造工程、
   粉末をアルミニウム缶に詰めて400〜520℃における脱ガ
   ス工程、300〜500℃において押出比４以上に押出す押出
   工程、400〜500℃における熱間鍛造工程および熱処理工
   程に付することを特徴とする引張および疲労強度にすぐ
   れたアルミニウム合金の製造方法。
2. 【請求項２】重量％で、Si:15.5〜18.5％、Fe:4〜７
   ％、Cu:1〜６％、Mg0.3〜３％、Ti:0.01〜２％さらにM
   n:0.3〜３％［ただしFe＋Mn≦８％］を含み、残り不可
   避不純物とAlとからなる合金材料を、溶解後、平均冷却
   速度10³/sec以上で冷却する粉末製造工程、粉末をアル
   ミニウム缶に詰めて400〜520℃における脱ガス工程、30
   0〜500℃において押出比４以上に押出す押出工程、400
   〜500℃における熱間鍛造工程および熱処理工程に付す
   ることを特徴とする引張および疲労強度にすぐれたアル
   ミニウム合金の製造方法。