JP3237482B2 - 高耐熱性アルミニウム合金 - Google Patents
高耐熱性アルミニウム合金Info
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- JP3237482B2 JP3237482B2 JP22542395A JP22542395A JP3237482B2 JP 3237482 B2 JP3237482 B2 JP 3237482B2 JP 22542395 A JP22542395 A JP 22542395A JP 22542395 A JP22542395 A JP 22542395A JP 3237482 B2 JP3237482 B2 JP 3237482B2
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム合金
の高温特性の改善に関し、特に内燃機関用の高温強度に
優れた耐熱アルミニウム合金に関する。
の高温特性の改善に関し、特に内燃機関用の高温強度に
優れた耐熱アルミニウム合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、アルミニウム合金は高温構造用
としてはほぼ150 ℃以下で使用されることが多い。これ
以上の温度に使用する場合は、2000系合金、4000系合金
が使用されている。これらの合金においては、高温での
強度の低下が小さいことがその特性として望まれる。ま
た、高温で使用される場合には、一定の荷重下での歪み
と時間との関係から決められるクリープ特性が重要とな
ってくる。このクリープ強度は、一般的には高温強度が
高い材料ほど優れることが知られている。
としてはほぼ150 ℃以下で使用されることが多い。これ
以上の温度に使用する場合は、2000系合金、4000系合金
が使用されている。これらの合金においては、高温での
強度の低下が小さいことがその特性として望まれる。ま
た、高温で使用される場合には、一定の荷重下での歪み
と時間との関係から決められるクリープ特性が重要とな
ってくる。このクリープ強度は、一般的には高温強度が
高い材料ほど優れることが知られている。
【０００３】従来、ピストン等の高温環境で使用される
アルミニウム部品には、ＡＣ８Ａなどの高耐熱合金が用
いられてきた。この分野での公知技術として、応用機械
工学全書５「金属材料工学」１９７９．３．１５には、
Ａｌ−Ｓｉ系のＡｌ合金鋳物として、ＪＩＳ ＡＣ８Ｃ
が開示されている。このＡＣ８Ｃは、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ
−Ｍｇ系合金（例えばＳｉ９％−Ｃｕ３％−Ｍｇ１％−
残部Ａｌ）であり、耐熱用合金として知られており、熱
膨張係数が小さく、かつ熱伝導率が大きく、高温強度と
耐摩耗性が優れているので、自動車用エンジン等のピス
トン用合金として使用されている。しかし、近年自動車
等のエンジンの使用条件が益々厳しくなってきており、
高い温度で高強度を持つ合金に対するニーズが高くなっ
てきている。このため、従来材以上の高温強度を有する
アルミニウム合金鋳物の開発が望まれている。
アルミニウム部品には、ＡＣ８Ａなどの高耐熱合金が用
いられてきた。この分野での公知技術として、応用機械
工学全書５「金属材料工学」１９７９．３．１５には、
Ａｌ−Ｓｉ系のＡｌ合金鋳物として、ＪＩＳ ＡＣ８Ｃ
が開示されている。このＡＣ８Ｃは、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ
−Ｍｇ系合金（例えばＳｉ９％−Ｃｕ３％−Ｍｇ１％−
残部Ａｌ）であり、耐熱用合金として知られており、熱
膨張係数が小さく、かつ熱伝導率が大きく、高温強度と
耐摩耗性が優れているので、自動車用エンジン等のピス
トン用合金として使用されている。しかし、近年自動車
等のエンジンの使用条件が益々厳しくなってきており、
高い温度で高強度を持つ合金に対するニーズが高くなっ
てきている。このため、従来材以上の高温強度を有する
アルミニウム合金鋳物の開発が望まれている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、より
高温での使用に適したエンジンのピストン材料等の耐熱
合金を検討し、従来材を上回る高い高温強度を持つ高耐
熱性アルミニウム合金を提供する。また、本発明の目的
は、高温強度の材料特性を改善し、現状の市販材の組成
範囲での、耐熱分散粒子、すなわち化合物の分散状態を
改善した高温強度に優れた高耐熱性アルミニウム合金を
提供する。
高温での使用に適したエンジンのピストン材料等の耐熱
合金を検討し、従来材を上回る高い高温強度を持つ高耐
熱性アルミニウム合金を提供する。また、本発明の目的
は、高温強度の材料特性を改善し、現状の市販材の組成
範囲での、耐熱分散粒子、すなわち化合物の分散状態を
改善した高温強度に優れた高耐熱性アルミニウム合金を
提供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記の目的は、化学成分
が、一般的な化学構造式：Ａｌ100-(a+b+c) Ｃｕa Ｓｉ
b ＭｇC で表され、ａ、ｂ、ｃは、６wt％≦ａ≦１０wt
％，６wt％≦ｂ≦８wt％，０．５wt％≦ｃ≦１．５wt％
なる範囲であることを特徴とする高耐熱性アルミニウム
合金によって達成される。
が、一般的な化学構造式：Ａｌ100-(a+b+c) Ｃｕa Ｓｉ
b ＭｇC で表され、ａ、ｂ、ｃは、６wt％≦ａ≦１０wt
％，６wt％≦ｂ≦８wt％，０．５wt％≦ｃ≦１．５wt％
なる範囲であることを特徴とする高耐熱性アルミニウム
合金によって達成される。
【０００６】また、上記の目的は、前記合金において、
さらにＴｉを含有し、一般的な化学構造式：Ａｌ
100-(a+b+c+d) Ｃｕa Ｓｉb ＭｇC Ｔｉd で表され、
ａ、ｂ、ｃおよびｄは、６wt％≦ａ≦１０wt％，６wt％
≦ｂ≦８wt％，０．５wt％≦ｃ≦１．５wt％，０wt％＜
ｄ≦０．１wt％なる範囲であることを特徴とする高耐熱
性アルミニウム合金によっても達成される。
さらにＴｉを含有し、一般的な化学構造式：Ａｌ
100-(a+b+c+d) Ｃｕa Ｓｉb ＭｇC Ｔｉd で表され、
ａ、ｂ、ｃおよびｄは、６wt％≦ａ≦１０wt％，６wt％
≦ｂ≦８wt％，０．５wt％≦ｃ≦１．５wt％，０wt％＜
ｄ≦０．１wt％なる範囲であることを特徴とする高耐熱
性アルミニウム合金によっても達成される。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明は、自動車用等の内燃機関
のピストン材では強度向上のために、従来よりSiが比較
的多く含有され、耐熱性よりCuを高めていることに注目
し、鋳造性をある程度確保して、さらに高温強度を改善
するためになされた。すなわち、耐熱強度を確保するた
めに金属間化合物としてのCuAl2 の形態・分布が重要で
あり、この金属間化合物の量および分布をより適切にす
ることによって、さらに高温強度を改善できるとの知見
によって達成したものである。本発明によれば、Ｃｕと
Ｓｉを所定量配合したことにより、線膨張係数、熱伝導
率等の特性を従来材並を確保しつつ、高温強度を大幅に
向上させることができる。因に、本発明のＡｌ合金で
は、２００℃で３００MPa 以上、２５０℃で２５０MPa
以上であり、従来材の１．２〜１．３倍の強度が得られ
るものである。
のピストン材では強度向上のために、従来よりSiが比較
的多く含有され、耐熱性よりCuを高めていることに注目
し、鋳造性をある程度確保して、さらに高温強度を改善
するためになされた。すなわち、耐熱強度を確保するた
めに金属間化合物としてのCuAl2 の形態・分布が重要で
あり、この金属間化合物の量および分布をより適切にす
ることによって、さらに高温強度を改善できるとの知見
によって達成したものである。本発明によれば、Ｃｕと
Ｓｉを所定量配合したことにより、線膨張係数、熱伝導
率等の特性を従来材並を確保しつつ、高温強度を大幅に
向上させることができる。因に、本発明のＡｌ合金で
は、２００℃で３００MPa 以上、２５０℃で２５０MPa
以上であり、従来材の１．２〜１．３倍の強度が得られ
るものである。
【０００８】以下に、本発明における化学的合金成分の
限定理由について説明する。Siは、本発明アルミニウム
合金の溶解・鋳造時の流動性すなわち鋳造性、および凝
固収縮性において、重要な元素である。本来Al-Cu 系合
金では、鋳造性に問題があり、そのためにSiはある程度
増量して前記特性を改善することが考えられる。しか
し、13wt％以上にSiを増大していくと初晶Siもほぼ比例
して増大し、この板状結晶は機械的性質、特に靱性を劣
化するため量的に規制される。また、液相線温度が上昇
する。すなわち、Siが13wt% 超では、鋳造性等の前記特
性の改善効果が飽和するか、もしくは却って鋳造性を阻
害することになる。一方、Siは、6wt%未満では鋳造性等
の前記特性の改善効果が得られない。そのため、本発明
では、Siは8 〜13wt% に規定した。さらに、Siのより好
ましい範囲は、6 〜8wt%である。
限定理由について説明する。Siは、本発明アルミニウム
合金の溶解・鋳造時の流動性すなわち鋳造性、および凝
固収縮性において、重要な元素である。本来Al-Cu 系合
金では、鋳造性に問題があり、そのためにSiはある程度
増量して前記特性を改善することが考えられる。しか
し、13wt％以上にSiを増大していくと初晶Siもほぼ比例
して増大し、この板状結晶は機械的性質、特に靱性を劣
化するため量的に規制される。また、液相線温度が上昇
する。すなわち、Siが13wt% 超では、鋳造性等の前記特
性の改善効果が飽和するか、もしくは却って鋳造性を阻
害することになる。一方、Siは、6wt%未満では鋳造性等
の前記特性の改善効果が得られない。そのため、本発明
では、Siは8 〜13wt% に規定した。さらに、Siのより好
ましい範囲は、6 〜8wt%である。
【０００９】Cuは、マトリックスの強度向上には、必須
の元素であり、4.5wt%までは含有量の増加に伴って強度
が増大する。さらに金属間化合物であるCuAl2 の容量比
を増大していくと、これに伴って耐熱強度が向上するこ
とになる。しかし、余り多過ぎると靱性が減少する。そ
のため、本発明では、Cuは6 〜10wt% に限定する。も
し、Cuが10wt% 超では靱性が実用上の範囲を下まわるこ
とになり、一方、Cuが6wt%未満では従来の範囲となり、
特性の向上は期待されなくなる。Mgについては、極少量
の添加によって強度を向上させる効果を有するが、これ
はMg2Si 化合物の析出と考えられる。本発明ではMgは1.
5wt%超で、硬度が高く脆くなる傾向が認められ、一方、
Mgは0.5wt%未満では、前記強度向上効果は認められな
い。そのため、本発明では、Mgは0.5 〜1.5wt%の範囲に
限定する。
の元素であり、4.5wt%までは含有量の増加に伴って強度
が増大する。さらに金属間化合物であるCuAl2 の容量比
を増大していくと、これに伴って耐熱強度が向上するこ
とになる。しかし、余り多過ぎると靱性が減少する。そ
のため、本発明では、Cuは6 〜10wt% に限定する。も
し、Cuが10wt% 超では靱性が実用上の範囲を下まわるこ
とになり、一方、Cuが6wt%未満では従来の範囲となり、
特性の向上は期待されなくなる。Mgについては、極少量
の添加によって強度を向上させる効果を有するが、これ
はMg2Si 化合物の析出と考えられる。本発明ではMgは1.
5wt%超で、硬度が高く脆くなる傾向が認められ、一方、
Mgは0.5wt%未満では、前記強度向上効果は認められな
い。そのため、本発明では、Mgは0.5 〜1.5wt%の範囲に
限定する。
【００１０】Tiは、添加なしの場合でも、基本的特性は
前記他の成分によって確保される。Ti固有の作用とし
て、鋳造欠陥、例えば引け巣を分散して応力集中による
割れを防止する作用がある。本発明のTiの範囲は、より
好ましい範囲は、0wt%＜Ti≦0.1wt%以下であり、最も好
ましい範囲は0.05wt% ＜Ti≦0.1 である。なお、本発明
材においては、アルミニウム合金鋳物としての通常レベ
ルの不可避的不純物成分としてその他成分を含むことは
勿論である。
前記他の成分によって確保される。Ti固有の作用とし
て、鋳造欠陥、例えば引け巣を分散して応力集中による
割れを防止する作用がある。本発明のTiの範囲は、より
好ましい範囲は、0wt%＜Ti≦0.1wt%以下であり、最も好
ましい範囲は0.05wt% ＜Ti≦0.1 である。なお、本発明
材においては、アルミニウム合金鋳物としての通常レベ
ルの不可避的不純物成分としてその他成分を含むことは
勿論である。
【００１１】
【実施例】以下に、本発明について添付した実施例の図
面を参照してさらに詳述する 実施例 表１に示す化学成分のＡｌ合金を電気炉により溶解し、
六塩化エタンによる脱ガスの後、大気中にて室温のＪＩ
Ｓ舟金型（図６）に鋳造して、長さ１９５mm、高さ３９
mm、上辺３３mm、下辺２３mmの鋳造インゴットを作製し
た。
面を参照してさらに詳述する 実施例 表１に示す化学成分のＡｌ合金を電気炉により溶解し、
六塩化エタンによる脱ガスの後、大気中にて室温のＪＩ
Ｓ舟金型（図６）に鋳造して、長さ１９５mm、高さ３９
mm、上辺３３mm、下辺２３mmの鋳造インゴットを作製し
た。
【００１２】
【表１】
【００１３】上記により得られた鋳造インゴットは、保
持温度４８０℃で、保持３時間として均質化処理をし、
その後水焼入れをした後、析出処理として１８０℃に
て、６時間保持のＴ６熱処理を施した。次に、鋳造イン
ゴットより円柱状の引張試験片を作製し、インストロン
型試験機を用いて引張試験を行った。得られた結果を図
１に示す。図１に示されるように、本発明の組成の範囲
内にある本実施例のアルミニウム合金は、２００℃で３
００MPa 以上、２５０℃で２５０MPa 以上の高い高温強
度を示し、従来材のＡＣ８Ａ，ＡＣ８Ｃを上回わり、本
発明材が引張強度において従来材より優れていることが
わかる。
持温度４８０℃で、保持３時間として均質化処理をし、
その後水焼入れをした後、析出処理として１８０℃に
て、６時間保持のＴ６熱処理を施した。次に、鋳造イン
ゴットより円柱状の引張試験片を作製し、インストロン
型試験機を用いて引張試験を行った。得られた結果を図
１に示す。図１に示されるように、本発明の組成の範囲
内にある本実施例のアルミニウム合金は、２００℃で３
００MPa 以上、２５０℃で２５０MPa 以上の高い高温強
度を示し、従来材のＡＣ８Ａ，ＡＣ８Ｃを上回わり、本
発明材が引張強度において従来材より優れていることが
わかる。
【００１４】比較例 表２に示す化学成分のＡｌ合金を前記と同様の方法によ
り溶解し、同様の条件で鋳造した。
り溶解し、同様の条件で鋳造した。
【００１５】
【表２】
【００１６】図１よりＣｕを下限値以下の５wt% とした
比較材（No．５）では、強度が不十分であった。また、
各比較材について伸びを測定した結果では、Ｓｉを上限
値以上の１４wt% とした比較材（No．４）とＣｕを上限
値以上の１１wt% とした比較材（No．６）では、伸びが
不足することが確認できた。
比較材（No．５）では、強度が不十分であった。また、
各比較材について伸びを測定した結果では、Ｓｉを上限
値以上の１４wt% とした比較材（No．４）とＣｕを上限
値以上の１１wt% とした比較材（No．６）では、伸びが
不足することが確認できた。
【００１７】さらに鋳造性を測定する１つの方法とし
て、流動性試験鋳型を用いて、流動性試験を行い鋳造時
の流動性を測定した。その結果を図２に示す。図２より
Ｓｉを下限値以下の５wt% 以下とした比較材（No．３）
では流動性が悪く、鋳造欠陥発生など鋳物製品の製造に
適さないことが確認できた。以上の結果をまとめると次
のとおりである。
て、流動性試験鋳型を用いて、流動性試験を行い鋳造時
の流動性を測定した。その結果を図２に示す。図２より
Ｓｉを下限値以下の５wt% 以下とした比較材（No．３）
では流動性が悪く、鋳造欠陥発生など鋳物製品の製造に
適さないことが確認できた。以上の結果をまとめると次
のとおりである。
【００１８】Ｓｉが下限値外（No．３）の場合は、鋳造
性が劣る。一方、Ｓｉが上限値外（No．４）の場合に
は、伸びが低い。また、Ｃｕが下限値外（No．５）の場
合は、高温強度が低下し、一方、Ｃｕが上限値外（No．
６）の場合には、伸びが不足する。以上のことより、本
発明の範囲内の成分であるアルミニウム合金鋳造材を採
用するとピストンの軽量化やより過酷なエンジンへの適
応に応える高い耐熱強度が得られることがわかる。さら
に、その他の材料特性である２５０℃での１０7 サイク
ルでの疲労強度についての測定結果を図４に、線膨張係
数の結果を図５に、そして熱伝導率の結果を図６に示
す。２５０℃では、本発明材は従来材より高い疲労強度
を示し、その他の特性においても、本発明材は従来材と
遜色ない良好な結果を示している。なお、比較材につい
ては、基本的特性の流動性試験結果で、かなり低いこと
が判明したため、以降の試験は実施しなかった。
性が劣る。一方、Ｓｉが上限値外（No．４）の場合に
は、伸びが低い。また、Ｃｕが下限値外（No．５）の場
合は、高温強度が低下し、一方、Ｃｕが上限値外（No．
６）の場合には、伸びが不足する。以上のことより、本
発明の範囲内の成分であるアルミニウム合金鋳造材を採
用するとピストンの軽量化やより過酷なエンジンへの適
応に応える高い耐熱強度が得られることがわかる。さら
に、その他の材料特性である２５０℃での１０7 サイク
ルでの疲労強度についての測定結果を図４に、線膨張係
数の結果を図５に、そして熱伝導率の結果を図６に示
す。２５０℃では、本発明材は従来材より高い疲労強度
を示し、その他の特性においても、本発明材は従来材と
遜色ない良好な結果を示している。なお、比較材につい
ては、基本的特性の流動性試験結果で、かなり低いこと
が判明したため、以降の試験は実施しなかった。
【００１９】
【発明の効果】本発明によれば、良好な鋳造性を確保す
るとともに、ＡＣ８Ａなどの従来合金に比べ高温強度が
高く、すなわち２００℃で３００MPa 以上、２５０℃で
２５０MPa 以上の高耐熱鋳造合金が得られる。
るとともに、ＡＣ８Ａなどの従来合金に比べ高温強度が
高く、すなわち２００℃で３００MPa 以上、２５０℃で
２５０MPa 以上の高耐熱鋳造合金が得られる。
【図１】本発明に係る温度と引張強度の関係を、比較材
および従来材との比較で示す図である。
および従来材との比較で示す図である。
【図２】本発明材の流動性を、比較材および従来材との
比較で示す図である。
比較で示す図である。
【図３】本発明材の疲労強度を、従来材との比較で示す
図である。
図である。
【図４】本発明材の線膨張係数を、従来材との比較で示
す図である。
す図である。
【図５】本発明材の熱伝達率を、従来材との比較で示す
図である。
図である。
【図６】本実施例に使用したＪＩＳ舟金型の概要図であ
る。
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−70159（ＪＰ，Ａ) 特公 平３−53378（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭62−16264（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭49−22284（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C22C 21/00 - 21/18
Claims (2)
- 【請求項１】 化学成分が、一般的な化学構造式：Ａｌ
100-(a+b+c) ＣｕaＳｉb ＭｇC で表され、ａ、ｂ、ｃ
は、６wt％≦ａ≦１０wt％，６wt％≦ｂ≦８wt％，０．
５wt％≦ｃ≦１．５wt％なる範囲であることを特徴とす
る高耐熱性アルミニウム合金。 - 【請求項２】 請求項１において、さらにＴｉを含有
し、一般的な化学構造式：Ａｌ100-(a+b+c+d) Ｃｕa Ｓ
ｉb ＭｇC Ｔｉd で表され、ａ、ｂ、ｃおよびｄは、６
wt％≦ａ≦１０wt％，６wt％≦ｂ≦８wt％，０．５wt％
≦ｃ≦１．５wt％，０wt％＜ｄ≦０．１wt％なる範囲で
あることを特徴とする高耐熱性アルミニウム合金。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22542395A JP3237482B2 (ja) | 1995-09-01 | 1995-09-01 | 高耐熱性アルミニウム合金 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22542395A JP3237482B2 (ja) | 1995-09-01 | 1995-09-01 | 高耐熱性アルミニウム合金 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0971834A JPH0971834A (ja) | 1997-03-18 |
| JP3237482B2 true JP3237482B2 (ja) | 2001-12-10 |
Family
ID=16829146
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22542395A Expired - Fee Related JP3237482B2 (ja) | 1995-09-01 | 1995-09-01 | 高耐熱性アルミニウム合金 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3237482B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005065004A2 (de) * | 2004-01-12 | 2005-07-21 | Ks Kolbenschmidt Gmbh | Warmfeste aluminium-silizium-kolbenlegierung |
-
1995
- 1995-09-01 JP JP22542395A patent/JP3237482B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0971834A (ja) | 1997-03-18 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |