JP3179094B2 - 内燃機関の動弁系部材 - Google Patents
内燃機関の動弁系部材Info
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- Powder Metallurgy (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、常温強度のみならず動弁系部品に要求さ
れる200℃程度の高温強度もすぐれ、さらに耐衝撃強度
にも優れたアルミニウム合金からなる内燃機関の動弁系
部材に関する。
れる200℃程度の高温強度もすぐれ、さらに耐衝撃強度
にも優れたアルミニウム合金からなる内燃機関の動弁系
部材に関する。
近年、自動車等の内燃機関の部品においては、省エネ
ルギー等の要求に基づき、軽量化が進んでいる。このよ
うな見地から内燃機関の部品にアルミニウム合金を用い
ることは軽量化の点で有利であるので次第にアルミニウ
ム合金製部品が普及してきている。
ルギー等の要求に基づき、軽量化が進んでいる。このよ
うな見地から内燃機関の部品にアルミニウム合金を用い
ることは軽量化の点で有利であるので次第にアルミニウ
ム合金製部品が普及してきている。
ところで、内燃機関の動弁系部材として、アルミニウ
ム合金では常温から200℃程度の高温までの広い温度域
で強度及び耐衝撃強度に優れた材料が要求される。この
ような性能を有するアルミニウム合金としてAA7091材や
AA2618材が従来用いられてきた。AA2618材の組成はSi:
0.1〜0.25％、Fe:0.9〜1.3％、Cu:1.9〜2.7％、Mg:1.2
〜1.8％、Cr:0.1％以下、Ni:1.7〜2.3％、Zn:0.25％以
下、Ti:0.05％以下、残余Alである。
ム合金では常温から200℃程度の高温までの広い温度域
で強度及び耐衝撃強度に優れた材料が要求される。この
ような性能を有するアルミニウム合金としてAA7091材や
AA2618材が従来用いられてきた。AA2618材の組成はSi:
0.1〜0.25％、Fe:0.9〜1.3％、Cu:1.9〜2.7％、Mg:1.2
〜1.8％、Cr:0.1％以下、Ni:1.7〜2.3％、Zn:0.25％以
下、Ti:0.05％以下、残余Alである。
一方、特開昭62−142741号では、Si:0.5〜9.4wt％、C
u:2〜8wt％、Mg:0.5〜4wt％とFe:0.2〜5wt％又はMn:0.2
〜8wt％の何れか１種もしくは２種を必須元素として含
有すると共に、任意元素としてNi:1〜10wt％を含有し、
残余がAl及び不純物からなる合金粉末を塑性加工して得
たことを特徴とする耐疲労強度の優れた高強度アルミニ
ウム合金が提案されている。
u:2〜8wt％、Mg:0.5〜4wt％とFe:0.2〜5wt％又はMn:0.2
〜8wt％の何れか１種もしくは２種を必須元素として含
有すると共に、任意元素としてNi:1〜10wt％を含有し、
残余がAl及び不純物からなる合金粉末を塑性加工して得
たことを特徴とする耐疲労強度の優れた高強度アルミニ
ウム合金が提案されている。
しかしながら、このような従来のアルミニウム合金は
動弁系部材の性能は十分ではない。すなわち、AA7091材
は、常温下では高い強度を有しているが、動弁系部品の
ように200℃程度の高温域に達する場合、強度が急激に
低下する。また、AA2618材は高温強度及び耐衝撃強度に
おいては優れているが、常温における強度が劣るので動
弁系部品としての利用目的に適さない。
動弁系部材の性能は十分ではない。すなわち、AA7091材
は、常温下では高い強度を有しているが、動弁系部品の
ように200℃程度の高温域に達する場合、強度が急激に
低下する。また、AA2618材は高温強度及び耐衝撃強度に
おいては優れているが、常温における強度が劣るので動
弁系部品としての利用目的に適さない。
さらに、特開昭62−142741号の合金はCu及びMg等の添
加元素により時効硬化性能を高め常温強度を高めること
を一つの特長としているが、Siの添加により生じるMg2S
i系時効析出物は靭性や高温における強度の低下の点で
は望ましくないことが分かった。
加元素により時効硬化性能を高め常温強度を高めること
を一つの特長としているが、Siの添加により生じるMg2S
i系時効析出物は靭性や高温における強度の低下の点で
は望ましくないことが分かった。
この発明は、このような従来の問題点に着目してなさ
れたものであり、Si:0.1〜0.5wt％、Cu:4.5〜7.0wt％、
Mg:0.5〜1.0wt％と、Fe、Ni、Mn及びCrからなる群の遷
移金属元素の何れか１種以上、但しCrは必須成分とする
を合計量で1.5〜2.5wt％と、を含んでなり、残余が不純
物とAlからなる合金粉末を塑性加工して得たことを特徴
とする常温強度、高温強度及び耐衝撃強度に優れた内燃
機関の動弁系部材に関する。
れたものであり、Si:0.1〜0.5wt％、Cu:4.5〜7.0wt％、
Mg:0.5〜1.0wt％と、Fe、Ni、Mn及びCrからなる群の遷
移金属元素の何れか１種以上、但しCrは必須成分とする
を合計量で1.5〜2.5wt％と、を含んでなり、残余が不純
物とAlからなる合金粉末を塑性加工して得たことを特徴
とする常温強度、高温強度及び耐衝撃強度に優れた内燃
機関の動弁系部材に関する。
以下、本発明合金の組成限定理由を説明する。
Si: Siは、Mgの存在のもとでMg2Siの化合物を生成し、ア
ルミニウム合金の時効硬化性能を増し、強度を高めるの
に役立つ。しかし、その量が増大すると靭性を急激に低
下させ、伸び及び耐衝撃性を著しく低下させる。従っ
て、Siの添加量としては、Si添加量の0.5wt％以下にす
る必要がある。また強度のためには、0.1wt％以上のSi
は必要であるため、Si添加量の範囲としては0.1〜0.5wt
％、好ましくは、0.1〜0.3wt％とする。
ルミニウム合金の時効硬化性能を増し、強度を高めるの
に役立つ。しかし、その量が増大すると靭性を急激に低
下させ、伸び及び耐衝撃性を著しく低下させる。従っ
て、Siの添加量としては、Si添加量の0.5wt％以下にす
る必要がある。また強度のためには、0.1wt％以上のSi
は必要であるため、Si添加量の範囲としては0.1〜0.5wt
％、好ましくは、0.1〜0.3wt％とする。
Cu: Cuの添加は、アルミニウム合金に時効硬化性を付与
し、常温及び200℃程度の高温下の強度向上に有益であ
る。Cuの添加量が4.5wt％未満では、その効果は不十分
であり又7.0wt％を超えても強度の向上は認められず、
加工性及び靭性を劣化するので、Cuの添加量は4.5〜7.0
wt％とし、好ましくは4.5〜5.5wt％とする。
し、常温及び200℃程度の高温下の強度向上に有益であ
る。Cuの添加量が4.5wt％未満では、その効果は不十分
であり又7.0wt％を超えても強度の向上は認められず、
加工性及び靭性を劣化するので、Cuの添加量は4.5〜7.0
wt％とし、好ましくは4.5〜5.5wt％とする。
Mg: Mgは、Siの存在のもとで時効硬化性を助長し、強度の
増加に寄与するものであるが、0.5wt％未満では、それ
らの効果が乏しく、1.0wt％を超えると靭性の低下を生
じるので、Mgの添加量は0.5〜1.0wt％とし、好ましく
は、0.7〜0.8wt％とする。
増加に寄与するものであるが、0.5wt％未満では、それ
らの効果が乏しく、1.0wt％を超えると靭性の低下を生
じるので、Mgの添加量は0.5〜1.0wt％とし、好ましく
は、0.7〜0.8wt％とする。
Fe、Ni、Mn及びCr等の遷移金属： 上記遷移金属は、高温強度を増加させるのに有効な元
素であるが、これらの合計添加量が1.5wt％より少ない
と、そのような効果を得ることができず、2.5wt％より
多いと脆い晶出物が生じ、靭性を害するので、遷移金属
の添加量は1.5〜2.5wt％とし、好ましくは、2.0〜2.2wt
％とする。又、強度特性の向上を重視すると、耐熱合金
元素であるFe、Ni、Mn、Cr等を多量に添加するのが望ま
しく高温強度及び耐疲労強度の点において優れた性能が
得られるが、引張特性の一つである伸びが犠牲になるた
め耐衝撃強度が劣り、動弁系部材としては適さないの
で、添加量の上限は2.5％とする。
素であるが、これらの合計添加量が1.5wt％より少ない
と、そのような効果を得ることができず、2.5wt％より
多いと脆い晶出物が生じ、靭性を害するので、遷移金属
の添加量は1.5〜2.5wt％とし、好ましくは、2.0〜2.2wt
％とする。又、強度特性の向上を重視すると、耐熱合金
元素であるFe、Ni、Mn、Cr等を多量に添加するのが望ま
しく高温強度及び耐疲労強度の点において優れた性能が
得られるが、引張特性の一つである伸びが犠牲になるた
め耐衝撃強度が劣り、動弁系部材としては適さないの
で、添加量の上限は2.5％とする。
なお、添加遷移金属はAl中での拡散係数が小さく、高
温強度を高めることができるならば上記以外のものも使
用することができる。
温強度を高めることができるならば上記以外のものも使
用することができる。
上記合金は、空気アトマイズ法等で急冷凝固の粉体を
製造し、−100メッシュ以下の微細なものとする。さら
に所定の動弁系部品の形状を得るために、このAl合金粉
末は、圧粉成形体とし、さらに押出または鍛造され、必
要に応じて適当な熱処理を施される。得られた製品の組
織は、急冷凝固のため微細であり、又金属間化合物も微
細に均一分散されており、これらの組織が材料の強度及
び耐衝撃強度向上に貢献している。
製造し、−100メッシュ以下の微細なものとする。さら
に所定の動弁系部品の形状を得るために、このAl合金粉
末は、圧粉成形体とし、さらに押出または鍛造され、必
要に応じて適当な熱処理を施される。得られた製品の組
織は、急冷凝固のため微細であり、又金属間化合物も微
細に均一分散されており、これらの組織が材料の強度及
び耐衝撃強度向上に貢献している。
通常、動弁系部品を所定の形状に塑性加工して得るに
は熱間押出し及び鍛造を行う。上記鍛造は、コスト的に
冷間鍛造が適しているが、強度向上を重視したアルミニ
ウム合金では、伸びの低下が生じるため、熱間鍛造によ
り所定の形状を得なければならない。しかし、本発明部
材においては、強度に加え、伸びもあるため、鍛造性に
優れているため、冷間鍛造により所定の形状を得ること
ができ、コスト的にも優れている。
は熱間押出し及び鍛造を行う。上記鍛造は、コスト的に
冷間鍛造が適しているが、強度向上を重視したアルミニ
ウム合金では、伸びの低下が生じるため、熱間鍛造によ
り所定の形状を得なければならない。しかし、本発明部
材においては、強度に加え、伸びもあるため、鍛造性に
優れているため、冷間鍛造により所定の形状を得ること
ができ、コスト的にも優れている。
第１表に示す組成のアルミニウム合金を空気アトマイ
ズ法により粉末とし、−100メッシュに分級して圧粉成
形体とし、熱間押出し加工後、500℃×２時間の溶体化
処理を施してから水冷し、その後175℃×10時間の時効
処理を加えて目的とする部材を得た。これより、所定の
形状に切り出した各試験片による引張強度及び伸びを求
めた。
ズ法により粉末とし、−100メッシュに分級して圧粉成
形体とし、熱間押出し加工後、500℃×２時間の溶体化
処理を施してから水冷し、その後175℃×10時間の時効
処理を加えて目的とする部材を得た。これより、所定の
形状に切り出した各試験片による引張強度及び伸びを求
めた。
さらに、これを第１図に引張強度、第２図に伸びを遷
移金属添加量との関係で示し、第３図に引張強度、第４
図に伸びをSi添加量との関係で示した。
移金属添加量との関係で示し、第３図に引張強度、第４
図に伸びをSi添加量との関係で示した。
尚、急冷凝固法と鋳造材の比較として鋳造法で得たAA
2618材の引張特性と伸び特性も第１表及び第１図〜第４
図に示す。
2618材の引張特性と伸び特性も第１表及び第１図〜第４
図に示す。
本発明者らは、動弁系部材の要求特性として、引張強
度50kgf/mm2以上（常温）でありかつ伸びが８％以上
（常温）を達成することを目標とした。
度50kgf/mm2以上（常温）でありかつ伸びが８％以上
（常温）を達成することを目標とした。
このことを念頭において第１表、第１図〜第４図の結
果を検討すると、強度特性を高める添加元素としては、
Cu効果が著しく、その他の遷移金属の添加は全添加量が
3wt％以上になっても引張強度向上にそれ程効果なく
（第１図参照）、伸びを低下させるだけである（第２図
参照）。又、遷移金属の全添加量が１％程度以下では、
引張強度向上の効果がない。
果を検討すると、強度特性を高める添加元素としては、
Cu効果が著しく、その他の遷移金属の添加は全添加量が
3wt％以上になっても引張強度向上にそれ程効果なく
（第１図参照）、伸びを低下させるだけである（第２図
参照）。又、遷移金属の全添加量が１％程度以下では、
引張強度向上の効果がない。
Siは添加量が多いと強度が高くなる傾向があるが、0.
4％未満の低添加量では強度のばらつきが極めて大きく
（第３図参照）、Si添加量と強度の関係は希薄になる。
したがって、従来はMg2Siの十分な析出によらなければ
高強度は得られないとの考え方もあったが、このような
考え方により合金組成設計をする必要はないことが分か
った。
4％未満の低添加量では強度のばらつきが極めて大きく
（第３図参照）、Si添加量と強度の関係は希薄になる。
したがって、従来はMg2Siの十分な析出によらなければ
高強度は得られないとの考え方もあったが、このような
考え方により合金組成設計をする必要はないことが分か
った。
一方、伸びはSi添加量を低下することにより増大する
傾向がある（第４図参照）。
傾向がある（第４図参照）。
なお、No.13はSi＝1.2％とSi添加量が比較的多いにも
かかわらず遷移金属添加量が少ないため高い伸びとなっ
ている。したがってNo.13を除外して検討すると、本発
明目標値の伸びを得るためにはSi含有量を0.6％以上に
することはできないことが第４図より分かる。
かかわらず遷移金属添加量が少ないため高い伸びとなっ
ている。したがってNo.13を除外して検討すると、本発
明目標値の伸びを得るためにはSi含有量を0.6％以上に
することはできないことが第４図より分かる。
第２表に、No.7、８、９、11、13の150℃における引
張強度及び伸びならびに強度低下値（常温から150℃へ
の昇温に伴う引張強度の減少）を示す。
張強度及び伸びならびに強度低下値（常温から150℃へ
の昇温に伴う引張強度の減少）を示す。
常温での強度は充分でも動弁品が使用される高温では
強度が不充分になる場合があり、又設計の信頼性が低く
なるので、強度低下の抑制が重要になる。本発明材の特
性の目標として200℃での強度低下が少ないことを本発
明者は目標として設定した。
強度が不充分になる場合があり、又設計の信頼性が低く
なるので、強度低下の抑制が重要になる。本発明材の特
性の目標として200℃での強度低下が少ないことを本発
明者は目標として設定した。
このような観点から第３表を検討すると、No.11は強
度低下が著しいことが分かる。これは、No.11はSi添加
量が高く、Mg2Siが多量に発生しており、Mg2SiはCu系析
出物に比較して粗大化し易いなどの点から大幅な強度低
下を招いていることを示す。
度低下が著しいことが分かる。これは、No.11はSi添加
量が高く、Mg2Siが多量に発生しており、Mg2SiはCu系析
出物に比較して粗大化し易いなどの点から大幅な強度低
下を招いていることを示す。
No.11以外の材料（No.7〜９、13）の強度低下は小さ
いので、Si添加量を抑制することが強度低下防止に重要
であることが分かる。
いので、Si添加量を抑制することが強度低下防止に重要
であることが分かる。
以上説明したように本発明合金は、Siを0.1〜0.5wt
％、Mgを0.5〜1.0wt％含有している時効硬化性合金に属
するが、Mg−Siによる時効硬化はできるだけ少なくし、
Cuを4.5〜7.0wt％とし、高温強度を高め、Fe、Ni、Mn及
びCrの遷移金属元素の何れか１種もしくは２種の合計添
加量が1.5〜2.5wt％とすることで伸びの低下を防ぎつ
つ、さらに高温強度を高めたことを特徴とする。以上の
ような組成により、引張特性の一つである伸びを損なう
ことなく耐衝撃強度に優れ、さらに常温及び200℃程度
の高温下での強度を高めることができる。
％、Mgを0.5〜1.0wt％含有している時効硬化性合金に属
するが、Mg−Siによる時効硬化はできるだけ少なくし、
Cuを4.5〜7.0wt％とし、高温強度を高め、Fe、Ni、Mn及
びCrの遷移金属元素の何れか１種もしくは２種の合計添
加量が1.5〜2.5wt％とすることで伸びの低下を防ぎつ
つ、さらに高温強度を高めたことを特徴とする。以上の
ような組成により、引張特性の一つである伸びを損なう
ことなく耐衝撃強度に優れ、さらに常温及び200℃程度
の高温下での強度を高めることができる。
以下に、実施例及び比較例を示し説明する。
第３表に示す組成のアルミニウム合金を空気アトマイ
ズ法により粉末とし、−100メッシュに分級して圧粉成
形体とし、熱間押出し加工後、500℃×２時間の溶体化
処理を施してから水冷し、その後175℃×10時間の時効
処理を加えて目的とする部材を得た。
ズ法により粉末とし、−100メッシュに分級して圧粉成
形体とし、熱間押出し加工後、500℃×２時間の溶体化
処理を施してから水冷し、その後175℃×10時間の時効
処理を加えて目的とする部材を得た。
この部材より所定の形状に切り出した各試験片による
引張強度、疲労強度及び衝撃値を第４表に示す。
引張強度、疲労強度及び衝撃値を第４表に示す。
第３表、第４表から明らかなように本発明材は、常温
における引張強度はA2618材よりも優れ、150℃の高温下
においては強度低下が少なく、A7091材以上の引張強度
及び疲労強度を有する。又、本発明材の伸び及び衝撃値
はA7091材より優れ、A2618材と同等である。さらに、高
Si−高遷移金属組成をもつ比較材３は、AA7091材に比
べ、高温での引張強度の低下は少ないが、AA2618材に比
べ、伸び及び衝撃値は著しく低い。一方、本発明材は、
常温から200℃程度の高温域の強度はA2618材以上の性能
を示し、A7091材のような高温域での強度の著しい低下
はない。又、耐衝撃性能もA2618材と同等に近いものと
なっている。
における引張強度はA2618材よりも優れ、150℃の高温下
においては強度低下が少なく、A7091材以上の引張強度
及び疲労強度を有する。又、本発明材の伸び及び衝撃値
はA7091材より優れ、A2618材と同等である。さらに、高
Si−高遷移金属組成をもつ比較材３は、AA7091材に比
べ、高温での引張強度の低下は少ないが、AA2618材に比
べ、伸び及び衝撃値は著しく低い。一方、本発明材は、
常温から200℃程度の高温域の強度はA2618材以上の性能
を示し、A7091材のような高温域での強度の著しい低下
はない。又、耐衝撃性能もA2618材と同等に近いものと
なっている。
以上説明してきたように、この発明によれば、その構
成をSi:0.1〜0.5wt％、Cu:4.5〜7.0wt％、Mg:0.5〜1.0w
t％と、Fe、Ni、Mn及びCr等の遷移金属元素の何れか１
種もしくは２種を必須元素として添加し、その合計添加
量が1.5〜2.5wt％とし、残余が不純物とAlからなる合金
粉末を塑性加工して得たことを特徴とする高温強度及び
耐衝撃強度に優れた内燃機関の動弁系部材としたため、
内燃機関の動弁系部材が使用される常温ないし200℃程
度の高温域下において、優れた強度特性を示し、さらに
動弁系部品の異常運動等により過度の応力がかかった場
合においても耐衝撃性能の優れた本発明部材では何ら問
題無いといえる。
成をSi:0.1〜0.5wt％、Cu:4.5〜7.0wt％、Mg:0.5〜1.0w
t％と、Fe、Ni、Mn及びCr等の遷移金属元素の何れか１
種もしくは２種を必須元素として添加し、その合計添加
量が1.5〜2.5wt％とし、残余が不純物とAlからなる合金
粉末を塑性加工して得たことを特徴とする高温強度及び
耐衝撃強度に優れた内燃機関の動弁系部材としたため、
内燃機関の動弁系部材が使用される常温ないし200℃程
度の高温域下において、優れた強度特性を示し、さらに
動弁系部品の異常運動等により過度の応力がかかった場
合においても耐衝撃性能の優れた本発明部材では何ら問
題無いといえる。
第１図は、Cu、Mg及び種々の遷移金属元素を添加したア
ルミニウム合金の引張強度と遷移金属添加量との関係に
ついてまとめた結果を示すグラフであり、 第２図は、本発明部材を得るにあたり、Cu、Mg及び種々
の遷移金属元素を添加したアルミニウム合金の伸びと遷
移金属添加量との関係についてまとめた結果を示すグラ
フであり、 第３図はSi添加量との関係を示す第１図と同様のグラフ
であり、 第４図はSi添加量との関係を示す第２図と同様のグラフ
である。
ルミニウム合金の引張強度と遷移金属添加量との関係に
ついてまとめた結果を示すグラフであり、 第２図は、本発明部材を得るにあたり、Cu、Mg及び種々
の遷移金属元素を添加したアルミニウム合金の伸びと遷
移金属添加量との関係についてまとめた結果を示すグラ
フであり、 第３図はSi添加量との関係を示す第１図と同様のグラフ
であり、 第４図はSi添加量との関係を示す第２図と同様のグラフ
である。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−294446（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C22C 21/12 B22F 3/10 C22C 1/04
Claims (2)
- 【請求項１】Si:0.1〜0.5wt％、Cu:4.5〜7.0wt％、Mg:
0.5〜1.0wt％と、Crを1.5〜2.5wt％と、を含んでなり、
残余が不純物とAlからなる合金粉末を塑性加工して得た
ことを特徴とする常温強度、高温強度及び耐衝撃強度に
優れた内燃機関の動弁系部材。 - 【請求項２】Crの他にFe、Ni及びMnの少なくとも１種を
Crとの合計量で1.5〜2.5wt％含有する請求項１記載の内
燃機関の動弁部材。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32532790A JP3179094B2 (ja) | 1990-11-29 | 1990-11-29 | 内燃機関の動弁系部材 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32532790A JP3179094B2 (ja) | 1990-11-29 | 1990-11-29 | 内燃機関の動弁系部材 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04198451A JPH04198451A (ja) | 1992-07-17 |
| JP3179094B2 true JP3179094B2 (ja) | 2001-06-25 |
Family
ID=18175578
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32532790A Expired - Fee Related JP3179094B2 (ja) | 1990-11-29 | 1990-11-29 | 内燃機関の動弁系部材 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3179094B2 (ja) |
-
1990
- 1990-11-29 JP JP32532790A patent/JP3179094B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04198451A (ja) | 1992-07-17 |
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