JP3878069B2

JP3878069B2 - 高温強度に優れたアルミニウム合金およびその製造方法

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Publication number: JP3878069B2
Application number: JP2002187582A
Authority: JP
Inventors: 和宏織田; 豊石田; 勝男長橋; 隆彰猪狩; 昭人谷畑; 白石　　隆
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2022-06-27
Also published as: JP2004027316A

Description

【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジン，ガソリンエンジン等の内燃機関に使用されるピストン等として好適な高温強度に優れたアルミニウム合金及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｓｉを約１０質量％以上含有する共晶及び過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金は、熱膨張係数が小さく、耐摩耗性に優れている。このため、高温強度や耐摩耗性が要求される内燃機関のピストン等の各種機械部品としてＡｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金が使用されている。
しかし、最近の内燃機関では、エネルギー資源の有効利用から燃焼効率を上昇させる傾向にある。燃焼効率を向上させようとすると燃焼温度が上昇し、これに伴って内燃機関に組み込まれている各種部品、特にピストンの材質として２００℃以上の温度域で高い高温強度が要求されるようになってきた。
【０００３】
そこで、本出願人は特開平８−１３４５７７号公報，特開平８−１３４５７８号公報において、ベースとなるＡｌ−Ｓｉ―Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金に高融点成分であるＮｉ、Ｍｎ、Ｆｅを添加し、さらに晶出物の平均長径及び鋳造時の冷却速度を規制することにより、高温強度と耐磨耗性に優れたアルミニウム合金を提案した。
また、特開２０００−２０４４２８号公報において、Ａｌ−Ｓｉ―Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金中の吸蔵ガス量を少なくするとともに、初晶ＳｉとＡｌ−Ｎｉ系及びＡｌ−Ｎｉ−Ｃｕ系晶出物の大きさを調整することにより高温疲労強度を高めたダイカスト製ピストンを提案した。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、より高性能の内燃機関が求められ、燃焼温度の高温化や軽量化が要求されるようになってきた。それにともないピストンについてもより高温強度に優れた、例えば２５０℃での引張り強度が２００ＭＰａ以上のものが要求されるようになってきた。
そのため、上記各技術のように、Ｎｉを添加し、Ｎｉを含んで比較的高温に強い晶出物を均一微細に分散させて高温強度を高めた合金を得ようとしている。しかしながら、Ｆｅ，Ｍｎ，Ｎｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系のアルミニウム合金では鋳造時に晶出するＡｌ₃(Ｎｉ，Ｍｎ，Ｆｅ)系の晶出物が粗大化しやすく、そのために十分な高温強度が発現できていない。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、Ｎｉを含有させ、しかも晶出物を均一微細に分散させて高温強度を高めたアルミニウム合金を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の高温強度に優れたアルミニウム合金は、その目的を達成するため、Ｓｉ：１１．０〜１３．０質量％，Ｎｉ：４．５〜６．０質量％，Ｃｕ：３．５〜４．５質量％，Ｍｇ：０．８〜１．２質量％，Ｆｅ：０．２〜０．６５質量％，Ｍｎ：０．１０〜０．４０質量％、Ｐ：０．００３〜０．０１５質量％及びＣａ：０．００２質量％以下を含み、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなり、含有ＦｅとＮｉの間でＦｅ≦−０．２５Ｎｉ＋１．７５の関係を満たすとともに、晶出物の平均粒径が５μｍ以下であることを特徴とする。
含有ＦｅとＭｎの間でＭｎ≦０．６Ｆｅの関係を満たすように調整することが好ましい。
更に、Ｔｉ：０．０１〜０．３質量％，Ｂ：０．０００１〜０．０３質量％，Ｃｒ：０．０１〜０．３質量％，Ｚｒ：０．０１〜０．３質量％の少なくとも１種以上を含んだものでもよい。
上記組成を有するアルミニウム合金溶湯を３０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却すれば、確実に晶出物の平均粒径を５μｍ以下にすることができる。
上記組成を有するアルミニウム合金溶湯を３０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で鋳造すれば、晶出物の平均粒径が５μｍ以下になった高温強度の優れたピストンが得られる。
【０００６】
【作用】
本発明合金のようなＡｌ−Ｓｉ−Ｎｉ−Ｃｕ系のアルミニウム合金では、金属組織は主にα相と晶出物からなっている。α相は晶出物と比較して、高温強度が低い。このため、高温になった際にα相が軟化し、機械的強度が低下することになる。この高温時での強度低下を抑えるには、α相の軟化の影響を少なくすることが必要で、比較的高温に強い晶出物を均一微細に分散させ、晶出物によりα相を細かく分断させることが有効である。
【０００７】
本発明者等は、本発明合金組成において、粗大な晶出物を晶出させずに晶出物を均一微細に分散させる方法について、鋭意検討を重ねた結果、「ＦｅとＮｉ」及び「ＦｅとＭｎ」の量的関係を調整すると、晶出物が粗大化せず、均一微細に分散されることを見出した。
すなわち、含有Ｎｉ量に対してＦｅ，Ｍｎ量が多すぎるとＡｌ₃Ｎｉ中のＮｉがＦｅやＭｎで置換されたＡｌ₃(Ｎｉ，Ｍｎ，Ｆｅ)が晶出することになる。この晶出物が粗大化しやすいのであるが、含有Ｎｉ，Ｆｅ，Ｍｎ量を所定の関係になるように調整すると、粗大化しやすいＡｌ₃(Ｎｉ，Ｍｎ，Ｆｅ)の晶出が抑えられる。この関係が、Ｆｅ≦−０．２５Ｎｉ＋１．７５、さらにはＭｎ≦０．６Ｆｅであることを確認したものである。
さらに、上記関係式の範囲では、液相線温度が６００℃以下になり、Ａｌ−Ｆｅ系或いはＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系晶出物の晶出開始温度も低くなる。そのため、キャビティ充填前に晶出し、粗大化する晶出物量を少なくすることもできる。
【０００８】
【実施の態様】
まず、本発明合金の成分組成について説明する。
Ｓｉ：１１．０〜１３．０質量％
Ｓｉは、耐熱性及び耐摩耗性を向上させ，熱膨張係数を小さくする作用を有している。さらに、湯流れを良好にする作用や防振性を向上させる作用も呈する。また、共存しているＭｇと反応し、時効硬化に有効なＭｇ₂Ｓｉも生成する。Ｓｉ含有量が１１．０質量％に達しないと、耐摩耗性や高温強度が目標値よりも低くなり、熱膨張係数が大きくなる。逆に、１３．０質量％を超えるＳｉ含有量では、初晶Ｓｉのサイズが大きくなり、かつ分布量も多くなる。その結果、応力集中による高温強度の低下を招く。また伸びの低下も招く。
【０００９】
Ｎｉ：４．５〜６．０質量％
Ｎｉは高融点のＡｌＮｉ系の晶出物を形成し、２００〜３５０℃付近における耐熱性，高温強度を改善する。またＮｉは焼付きを抑え、鋳造性を向上させる作用もある。Ｎｉ添加の効果は、４．５質量％以上で顕著になる。しかし、６．０質量％を超える多量のＮｉを含ませると、Ａｌ−Ｎｉ−Ｆｅ−Ｍｎ系の粗大な金属間化合物が成長し、伸びが低下する。しかも、粗大金属間化合物の周囲では、高温強度向上に必要なα相の微細な分断も得られない。さらに、鋳造温度を高くする必要が生じる。
【００１０】
Ｃｕ：３．５〜４．５質量％
ＣｕはＮｉとの共存によりＡｌ₃(ＮｉＣｕ)₂が析出して、２００〜３５０℃の高温強度向上に寄与する。また時効処理でＡｌ₂Ｃｕが析出し、２００℃までの温度域での強度向上にも寄与する。Ｃｕ含有量が３．５質量％未満では、この効果は十分でない。しかし、４．５質量％を超えるとＡｌ₂Ｃｕが粗大化しやすくなり、そのために伸びが低下しやすくなる。
【００１１】
Ｍｇ：０．８〜１．２質量％
Ｓｉとの共存により、時効処理でＭｇ₂Ｓｉを析出させて強度を向上させる。Ｍｇ含有量が０．８質量％に満たないと、十分な時効作用が得られない。逆に１．２質量％を超えると、粗大なＭｇ₂Ｓｉが生成し、強度の低下を招く。また伸びが低下し、鋳造割れも起こしやすくなる。
【００１２】
Ｆｅ：０．２〜０．６５質量％
種々の金属間化合物を生成し高温強度の向上に有効な合金元素であり、０．２質量％以上のＦｅ含有量で効果が顕著となる。しかも、ダイカスト時における金型への焼付きを防止する作用も有している。しかし、Ｎｉ：４．５質量％以上の高Ｎｉ合金で０．６５質量％を超えるＦｅを含有すると、Ｍｎとともに粗大なＡｌ−Ｎｉ−Ｆｅ−Ｍｎ系の金属間化合物が生成するため、α相の細かい分断が失われ、却って高温強度を低下することになる。
【００１３】
Ｍｎ：０．１０〜０．４０質量％
Ａｌ−Ｍｎ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系等の金属間化合物として晶出し、耐摩耗性及び防振性を向上させる。また、Ｍｎ添加によって粗大針状Ａｌ−Ｆｅ系晶出物の生成を抑制する。目標の高温強度を得るためには、０．１０質量％以上のＭｎが必要である。しかし、４．５質量％以上の高Ｎｉ合金で０．４０質量％以上のＭｎを含有させると、Ｆｅとともに粗大なＡｌ−Ｎｉ−Ｆｅ−Ｍｎ系の金属間化合物を生成し、α相の細かい分断が失われ、高温強度を低下することになる。
【００１４】
Ｐ：０．００３〜０．０１５質量％
高温強度の向上、耐摩耗性の向上に有効な初晶Ｓｉの生成に寄与する。また、耐摩耗性に有効な平均長さ２〜５μｍの共晶Ｓｉの生成に寄与する。これらの効果を発揮させるには、少なくとも０．００３質量％必要である。しかし、０．０１５質量％を超えると、湯流れ性が悪くなり、湯まわり不良等の鋳造欠陥を発生しやすくなり、また鋳造組織が不均一になりやすい。
Ｃａ：０．００２質量％以下
Ｃａは不可避的に混入される不純物であり、湯流れ性を悪化させる。また共晶Ｓｉを過度に微細化させて耐摩耗性を低下させる。したがって０．００２質量％以下に規制する必要がある。
【００１５】
Ｔｉ：０．０１〜０．３質量％，Ｂ：０．０００１〜０．０３質量％，Ｃｒ：０．０１〜０．３質量％，Ｚｒ：０．０１〜０．３質量％の少なくとも１種以上
Ｔｉ，Ｂ，Ｚｒは結晶粒を微細化する作用を有し、高温強度の向上に寄与する。また、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｚｒは包晶系添加元素であり、Ａｌ中の拡散係数が小さく、高温で安定な固溶体を形成させ、高温強度の向上に寄与する。更にＣｒ添加により、硬質粒子が微細に分散し、耐摩耗性が向上する。
所望の特性に応じて、上記元素を所要量添加することもできる。
【００１６】
Ｎｉ，Ｆｅ，Ｍｎ含有量の関係
いずれの元素も種々の金属間化合物を生成し、高温強度を向上させる作用を有している。
含有ＮｉとＭｎが粗大金属間化合物生成に及ぼす影響をみるために、Ｓｉ：１２．０質量％，Ｃｕ：４．０質量％，Ｍｇ：１．０質量％，Ｍｎ＝０．６Ｆｅで、Ｆｅ量およびＮｉ量を各種変えたアルミニウム合金用途を温度７２０℃で鋳造した後、冷却速度３０℃／ｓｅｃで冷却した試料について粗大晶出物の晶出数を数えた。図１は、視野１．５８１５ｍｍ²の範囲内の、長さ１００μｍ以上の晶出物の個数を数え表記したもので、図中、●は粗大晶出物が全くなかったものを示す。また、図中、△，×の添字がその個数を表すものである。そして、図中に引いた線を近似計算すると、Ｆｅ＝−０．２５Ｎｉ＋１．７５となり、Ｆｅ含有量がこの線を上回ると、粗大なＡｌ−Ｎｉ−Ｆｅ−Ｍｎ系金属間化合物が生成しやすくなることがわかる。
【００１７】
含有ＭｎとＦｅの比率が粗大金属間化合物生成に及ぼす影響をみるために、Ｓｉ：１２．０質量％，Ｎｉ：５．５質量％（ただし、Ｆｅ：０．５質量％の合金においては、４．５質量％），Ｃｕ：４．０質量％，Ｍｇ：１．０質量％で、Ｆｅ量とＭｎ量の比率を各種各種変えたアルミニウム合金用途を温度７２０℃で鋳造した後、冷却速度３０℃／ｓｅｃで冷却した試料について粗大晶出物の晶出状況を観察した。視野１．５８１５ｍｍ²の範囲内に、長さ１００μｍ以上の晶出物があるか否かを観察し、晶出物があるものを×、ないものを●で図示した（図２参照）。
この結果から、Ｍｎ≦０．６Ｆｅを満たさないとわずかながら粗大なＡｌ−Ｎｉ−Ｆｅ−Ｍｎ系金属間化合物が形成されるので、Ｍｎ≦０．６Ｆｅとすることが好ましい。
粗大な金属間化合物が形成されると、α相が十分に分断されず、高温強度が低下することになる。また、粗大な金属間化合物は、それ自身が破断の起点となるので伸びも低下することになる。
【００１８】
冷却速度３０℃／ｓｅｃ以上
晶出物の大きさは、合金組成の他に鋳造時の冷却速度にも影響される。本発明合金組成にあっても、冷却速度が遅いと晶出物は粗大化し易い。本発明の合金組成で具体的に５μｍ以下の微細な晶出物を得るためには、冷却速度３０℃／ｓｅｃ以上にすることが好ましい。
【００１９】
【実施例】
表１に示す組成のアルミニウム合金溶湯を、冷却速度３０℃／ｓｅｃ以上と未満の２条件で平板状に鋳造し、得られた鋳物について２５０℃で引張り試験を行った。その結果を表２に示す。
なお、表１中、Ｐは０．００７質量％，Ｃａは０．００２質量％未満であった。
【００２０】

【００２１】

【００２２】
表２に示す結果から、本発明の実施例である合金番号１〜５では、２５０℃での引張り強度にすぐれていることがわかる。実施例のうち、合金番号３は、Ｍｎ＞０．６Ｆｅであったため、強度の点でわずかに低くなっていることがわかる。
これに対して、合金番号６は、成分組成の点では十分であるが、冷却速度が遅かったために、晶出物の平均粒径が５μｍよりも大きくなり、α相を十分に分断できず、高温強度が低下する結果となっている。合金番号７及び８は、Ｆｅ含有量がＮｉ含有量に対して所定の関係式を満たしていないために、粗大晶出物が形成され、高温強度が低下していた。合金番号９は、Ｆｅ含有量及びＭｎ含有量が少ないために所望の強度が得られていない。さらに、合金番号１０は、Ｆｅ含有量がＮｉ含有量に対して所定の関係式を満たしていないばかりでなく、冷却速度も遅かったため、粗大晶出物が形成され、しかも晶出物の平均粒径が５μｍよりも大きくなっており、高温強度は低かった。
図３ａ，ｂ及び図４ａ，ｂに、それぞれ合金番号４及び７のミクロ組織を示す。図３では、均一微細な組織になっているのに対して、Ｆｅ含有量が多い合金番号７の図４は粗大晶出物が晶出していることを表している。
【００２３】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ−Ｃｕ系アルミニウム合金において、含有Ｎｉ，Ｆｅ，Ｍｎ量を調整することにより、Ａｌ−Ｎｉ−Ｆｅ−Ｍｎ系の粗大な金属間化合物の晶出を抑制し、これらの金属間化合物を均一微細に晶出させることにより、α相を微細に分断することができ、結果的に高温強度を著しく向上させることができる。
このため、例えば２５０℃以上での高温高強度が必要となっているピストン等の素材として最適なアルミニウム合金を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】含有ＮｉとＭｎの量が粗大金属間化合物生成に及ぼす影響をみたグラフ
【図２】含有ＭｎとＦｅの量率が粗大金属間化合物生成に及ぼす影響をみたグラフ
【図３】合金番号４のアルミニウム合金のミクロ組織観察画面（ａ）及びその二値化像（ｂ）
【図４】合金番号７のアルミニウム合金のミクロ組織観察画面（ａ）及びその二値化像（ｂ）

Claims

Ｓｉ：１１．０〜１３．０質量％，Ｎｉ：４．５〜６．０質量％，Ｃｕ：３．５〜４．５質量％，Ｍｇ：０．８〜１．２質量％，Ｆｅ：０．２〜０．６５質量％，Ｍｎ：０．１０〜０．４０質量％、Ｐ：０．００３〜０．０１５質量％及びＣａ：０．００２質量％以下を含み、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなり、含有ＦｅとＮｉの間でＦｅ≦−０．２５Ｎｉ＋１．７５の関係を満たすとともに、晶出物の平均粒径が５μｍ以下であることを特徴とする高温強度に優れたアルミニウム合金。
含有ＦｅとＭｎの間でＭｎ≦０．６Ｆｅの関係を満たす請求項１に記載の高温強度に優れたアルミニウム合金。
更にＴｉ：０．０１〜０．３質量％，Ｂ：０．０００１〜０．０３質量％，Ｃｒ：０．０１〜０．３質量％，Ｚｒ：０．０１〜０．３質量％の少なくとも１種以上を含む請求項１または２に記載の高温強度に優れたアルミニウム合金。
請求項１〜３のいずれか１に記載された組成を有するアルミニウム合金溶湯を３０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却することを特徴とする高温強度に優れたアルミニウム合金の製造方法。
請求項１〜３のいずれか１に記載されたアルミニウム合金からなる内燃機関用ピストン。