JP3875338B2 - ピストン用アルミニウム合金 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に車両等に搭載される内燃機関のピストンとして使用される鋳造性，加工性，強度等に優れたアルミニウム合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ピストン用アルミニウム合金としては、ＪＩＳ ＡＣ８Ａ，ＡＣ８Ｂ，ＡＣ８Ｃで代表される亜共晶Ａｌ−Ｓｉ合金や共晶Ａｌ−Ｓｉ合金が従来から用いられている。特にＡＣ８Ａ合金は耐摩耗性，耐熱性，鋳造性，加工性のバランスが優れており、広く世界で使われている。
【０００３】
そして、エンジンのエミッション規制の要求からピストンのトップランドの高さを低くすることによって、トップランドとシリンダーボア壁面との間で形成させるクレビスボリュームを低減することによりＨＣ量を低減することが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、一般にピストンのトップランドの高さを低くするとピストンリング溝（特にトップリング溝）がピストン冠面に近づき、その結果としてピストンリング溝周囲のトップランドの温度が過上昇してしまう。このように、ピストンリング溝周壁の温度が上昇すると、ピストンリングから受ける荷重によってピストンリング溝の周壁が変形しやすくなる、といった問題がある。
【０００５】
そこで、従来アルミニウム合金の耐熱性を改善するための元素として鉄（Ｆｅ），クロム（Ｃｒ），マンガン（Ｍｎ），ニッケル（Ｎｉ），チタン（Ｔｉ）等の高融点金属の添加が有効であることは良く知られている（特開昭６１−２５９８２９号参照）が、高融点金属の大量添加は金属間化合物の制御が困難であると同時に機械的性質の均質な高温特性に優れたアルミニウム合金を得ることは困難であった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のピストン用アルミニウム合金は、前記従来の課題に鑑みて案出されたもので、請求項１記載の発明は、Ｓｉ：１０〜１４重量％，Ｃｕ：３〜５重量％，Ｍｇ：０.５〜２重量％，Ｎｉ：１〜３重量％，Ｐ：０.００２〜０.０２重量％，Ｔｉ：０.１〜０.３重量％，Ｆｅ：０.８重量％以下及びＭｎ：０.２〜１.０重量％に設定し、残部はＡｌ及び不可避的不純物からなり、
前記不可避的不純物のうち、Ｃａ及びＮａ，Ｓｒ，Ｓｂの元素の合計の含有量を０ . ００５重量％以下に設定すると共に、
前記Ｃａ及びＮａ，Ｓｒ，Ｓｂの含有量の合計をＰの含有量から０．００２重量％を差し引いた分の重量％以下に設定し、かつ
前記Ｓｉの初晶時の平均粒径を２０〜６０μｍに設定したことを特徴とするピストン用アルミニウム合金。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の発明者は、アルミニウム合金の耐熱性、ここでは加熱を受けた時の硬度低下を小さくするためにどのような元素をどのような割合で配合すべきかという点について精査研究した。特に、少ない添加量で耐熱特性を向上させる最適添加の組み合わせを研究した結果、次のようになった。
【０００９】
基本的には、アルミニウム（Ａｌ）はＪＩＳ ＡＣ８Ａ材を主成分とし、耐熱性（加熱による硬さ低下を最小限に押さえる）を向上させるために、他の元素の配合割合を以下のように設定した。
【００１０】
ケイ素（Ｓｉ）は、耐熱性には直接影響しないが、耐摩耗性の改善に有効な元素であり、特にＳｉ含有量１２.７％以上の過共晶領域において初晶Ｓｉ粒が晶出するとき、耐摩耗性が大幅に向上する。
【００１１】
また、Ａｌ−Ｓｉ合金の熱膨膨張率は、Ｓｉ含有量の増加に反比例して減少し、ピストン用として好適な低熱膨張率の材料が得られる。このようなＳｉの作用は、Ｓｉ含有量が１５％を超えるとき顕著なものとなる。しかし、同時に初晶Ｓｉ粒数が増大し、大きさも大きくなるため、加工性がきわめて悪化する。
【００１２】
更に、Ｓｉ含有量が過度に多くなると、Ａｌ−Ｓｉ合金融点が高く、しかも鋳造性が悪化する。したがって、Ｓｉ含有量を１０〜１４重量％、好ましくは１１〜１３重量％の範囲に設定した。また、Ｓｉの初晶時の平均粒径を２０〜６０μｍに設定した。
【００１３】
銅（Ｃｕ）は、常温及び高温域における合金の機械的強度及び耐摩耗性を向上させる上で、有用な元素である。このような作用を得るため、２％以上のＣｕを含有させることが必要である。しかし、６重量％を超えてＣｕを含有させると、合金の永久変形量が大きくなり、ピストン設計に問題を生じる。そこで、Ｃｕ含有量は２〜６重量％、好ましくは３〜５重量％の範囲に設定した。
【００１４】
マズネシウム（Ｍｇ）は、Ｃｕと同様に、常温及び高温域における合金の機械的強度及び耐摩耗性を向上させる上で、有用な元素である。このような作用を得るため、０.５重量％以上のＭｇを含有させることが必要である。しかし、２重量％を超えてＭｇを含有させると、金属間化合物の晶出量が多くなり、脆い材料となる。この点から、０.５〜２重量％、好ましくは０.５〜１.５重量％の範囲にＭｇ含有量を設定した。
【００１５】
ニッケル（Ｎｉ）は、高温強度及び耐摩耗性を向上させると共に、熱膨張係数を低下させる上で、０.５重量％以上を含有させることが必要であり、また、添加量の増加とともに耐熱性が向上する。しかし、Ｎｉ含有量が３重量％を超えると、金属間化合物の晶出量が多くなって、脆い材料となる。したがって、Ｎｉ含有量は、１〜３重量％、好ましくは１.５〜２.５重量％の範囲に設定した。
【００１６】
鉄（Ｆｅ）は、Ｎｉと同様に、高温強度及び耐摩耗性を向上させると共に、熱膨張係数を低下させる上で有用な元素である。しかし、Ｆｅ含有量が０.８重量％を超えると、Ｆｅを含む晶出量が多くなり、得られた合金材料の機械的性質の劣化が著しくなる。そこで、本発明にあっては、Ｆｅ含有量を０.８重量％以下に設定した。
【００１７】
リン（Ｐ）は、初晶Ｓｉ粒の微細化に不可決の元素であり、０.００２重量％以上を含有させることによって初晶Ｓｉ粒の粗大化が抑制される。ただし、０.０２％を超えて過剰にＰを含有させると、湯回り不良等の欠陥を発生し、鋳造性が劣化する。したがって、Ｐの含有量は０.００２〜０.０２重量％、好ましくは０.００５〜０.０１重量％の範囲に設定した。
【００１８】
カルシウム（Ｃａ）は、多量のＣａを含有するＡｌ−Ｓｉ系にあっては、初晶Ｓｉ粒を微細化するＰの作用を阻害して、粗大な初晶Ｓｉ粒を晶出させ、鋳造性，加工性等を悪化させる。
【００１９】
ナトリウム（Ｎａ）は、ストロンチウムＳｒ，アンチモンＳｂ，カルシウムＣａと同様にＰの作用を阻害するので、ＣａとＮａ，Ｓｒ，Ｓｂの含有量の合計を０.００５重量％以下に設定し、更に（Ｐ含有量−０.００２）重量％以下に抑えた。すなわち、前記Ｃａ及びＮａ，Ｓｒ，Ｓｂの元素の含有量の合計がＰの含有量から０．００２重量％を差し引いた分の重量％を下回る値となるように抑制した。
【００２０】
マンガン（Ｍｎ）は、Ａｌ相中に良く固溶し、Ａｌ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｆｅ系化合物、Ａｌ−Ｎｉ−ＣｕＭｎ−Ｆｅ系化合物を形成し高温における硬さの低下を押さえる重要な働きをする。しかし、その効果はＭｎが０.２重量％未満では認められず、１.５重量％を超えると鋳造性が悪化すると同時に伸びが著しく減少する。したがって、０.２〜１.０重量％、好ましくは０.３〜０.６重量％の範囲に設定した。
【００２１】
チタン（Ｔｉ）は、結晶粒の微細化効果のある公知の元素で鋳造性が向上すると同時に、先のＭｎ系化合物の分散を均一化する。０.１〜０.３重量％で効果を発揮する。それ以上添加しても効果はない。
【００２２】
また、初晶Ｓｉ粒は、必要とする耐摩耗性，機械的強度及び均質な鋳造組織を得る上で、平均粒径で２０〜６０μｍの範囲に調整した。すなわち、初晶Ｓｉ粒の粒径が２０μｍ未満になると、十分な耐摩耗性が得られない場合がある。逆に、粒径が６０μｍを超えるとき、機械的性質が劣化すると共に、初晶Ｓｉ粒の分布が不均一となり、耐摩耗性が悪化する。そこで、初晶Ｓｉ粒の平均粒径を２０〜６０μｍ、好ましくは２０〜４０μｍの範囲とした。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００２４】
表１に示した成分・組織をもつＡｌ−Ｓｉ合金（アルミニウム合金）を溶湯温度７５０℃で車両用内燃機関のピストン及びＪＩＳ舟型に鋳造し、試験片を用意した。この試験片に対して、５１０℃で１.５時間加熱した後、水冷し、２００℃で６時間加熱して空冷する熱処理を施した。熱処理後のＡｌ−Ｓｉ合金の特性等を表１に示す。尚、熱処理後の硬さとは、試験片を３５０℃に１００時間加熱した後、室温で測定したものである。
【００２５】
【表１】

【００２６】
この表１に示した鋳造性は、ピストン鋳造の難易度及び欠陥発生傾向で表し、鋳造が容易でかつ欠陥発生のないものを○、鋳造がやや困難、あるいは欠陥が散見されるのを△、鋳造が極めて困難、あるいは欠陥が多発するものを×で判定した。切削性は、バイト寿命が長く切削面も良好なものを●、バイト寿命及び切削面共にほぼ良好なものを○、バイト寿命及び切削面それぞれにやや難点があるものを△、バイト寿命が短く、切削面も粗いものを×で判定した。また、ピストンとしての評価は、総合的に優れたものを●、ほぼ満足できるものを△、何れかの特性に大きな問題があるものを×で判定した。
【００２７】
表１から明らかなように、本発明に従った試験片１９〜２１は、鋳造性，切削性において従来の代表的な合金であるＪＩＳ−ＡＣ８Ａと同等であり、しかも加熱による硬度低下がＡＣ８Ａと比べてきわめて小さな値を示している。このことから、高性能エンジンに組み込まれるピストンとして有用な材料であることが判る。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のピストン用アルミニウム合金にあっては、ＪＩＳ−ＡＣ８Ａのアルミニウムに対して銅（Ｃｕ），ニッケル（Ｎｉ），マンガン（Ｍｎ）を増量させて高温加熱による硬度の低下量を少なく押さえることができた。
【００２９】
また、硬度低下には直接関係しないが、チタン（Ｔｉ）の添加はマンガン（Ｍｎ）系の晶出物をきわめて均一に分散させる働きを有し、伸びや疲労強度の向上に寄与する。また、リン（Ｐ）の添加は、初晶のシリコンの微細化のみならず、共晶シリコンの均一分散化と改良に寄与し、耐摩耗性や強度の向上に効果がある。但し、その効果はカルシウム（Ｃａ），ナトリウム（Ｎａ），ストロンチュウム（Ｓｒ）などいわゆる改良元素によってその効果が減じられるため燐量から上記の改良元素の合計を減じた値が２０ｐｐｍ以上確保するよう成分調整をする必要がある。
【００３０】
このようなアルミニウム合金をピストンに使用すると、トップランドの高さを低くすることによるピストンリング溝周壁の温度上昇に伴うピストンリング溝周壁の変形をおさえることができる。したがって、エンジンのエミッションであるＨＣを低減することができる。

Claims (1)

1. Ｓｉ：１０〜１４重量％，
   Ｃｕ：３〜５重量％，
   Ｍｇ：０.５〜２重量％，
   Ｎｉ：１〜３重量％，
   Ｐ ：０.００２〜０.０２重量％，
   Ｔｉ：０.１〜０.３重量％，
   Ｆｅ：０.８重量％以下及び
   Ｍｎ：０.２〜１.０重量％
   に設定し、残部はＡｌ及び不可避的不純物からなり、
   前記不可避的不純物のうち、Ｃａ及びＮａ，Ｓｒ，Ｓｂの元素の合計の含有量を０ . ００５重量％以下に設定すると共に、
   前記Ｃａ及びＮａ，Ｓｒ，Ｓｂの含有量の合計をＰの含有量から０．００２重量％を差し引いた分の重量％以下に設定し、かつ
   前記Ｓｉの初晶時の平均粒径を２０〜６０μｍに設定したことを特徴とするピストン用アルミニウム合金。