JP4093221B2 - Aluminum alloy for casting, aluminum alloy casting and method for producing the same - Google Patents

Aluminum alloy for casting, aluminum alloy casting and method for producing the same Download PDF

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Description

本発明は、疲労強度、耐熱疲労性等の実用疲労特性に優れたアルミニウム合金鋳物とその製造方法およびその製造に適した鋳物用アルミニウム合金に関するものである。   The present invention relates to an aluminum alloy casting excellent in practical fatigue characteristics such as fatigue strength and heat fatigue resistance, a method for producing the same, and an aluminum alloy for casting suitable for the production.

各種部材が軽量化の要請等によってアルミニウム合金製へと移行しつつある。既にアルミニウム合金製となっている部材であっても、さらなる軽量化等のために、各部の薄肉化等が図られる。そのため、アルミニウム合金には、従来以上に、強度や耐疲労性等の点で高い信頼性が求められる。特に、自動車用のエンジン用部材等にアルミニウム合金を用いる場合、高温環境下で使用されることが多いため、単なる高温強度やクリープ特性等の耐熱性のみならず、冷熱サイクルにも対応した高い疲労特性(耐熱疲労性)が要求される。このような部材として、例えば、レシプロエンジンのシリンダヘッドがある。   Various members are shifting to aluminum alloys due to demands for weight reduction. Even if the member is already made of an aluminum alloy, the thickness of each part can be reduced for further weight reduction and the like. Therefore, the aluminum alloy is required to have higher reliability in terms of strength, fatigue resistance, and the like than before. In particular, when aluminum alloys are used for automobile engine parts, etc., they are often used in high-temperature environments, so not only heat resistance such as high-temperature strength and creep properties, but also high fatigue resistance for cold cycles. Characteristics (heat fatigue resistance) are required. An example of such a member is a cylinder head of a reciprocating engine.

シリンダヘッドは形状が複雑で大型であるため、通常、鋳造によって製造される。その鋳物用アルミニウム合金として、AC2A、AC2B、AC4B、AC4C(JIS)等もあるが、この他にも多数のアルミニウム合金が開発されており、例えば、下記の特許文献等にその開示がある。下記特許文献1〜4に開示された実施例のアルミニウム合金は、CuおよびMgを含有しているものが多い。CuおよびMgは、基地相を析出強化して、シリンダヘッドの強度を高めるからである。これに対し特許文献5では、高耐熱疲労性の鋳物を得る観点から、CuおよびMgを不純物扱いとして、それらの上限を0.2質量%に規制している。その理由として、CuおよびMgは熱的に不安定な析出物を生成させて、鋳物の使用中にその析出物が粗大化して鋳物の延性や靱性を低下させる結果、耐熱疲労性も低下するためであると考えられる。   Since the cylinder head is complicated and large in size, it is usually manufactured by casting. There are AC2A, AC2B, AC4B, AC4C (JIS), and the like as the aluminum alloy for castings, but many other aluminum alloys have been developed. For example, the following patent documents disclose the disclosure. Many of the aluminum alloys of Examples disclosed in the following Patent Documents 1 to 4 contain Cu and Mg. This is because Cu and Mg strengthen the precipitation of the matrix phase and increase the strength of the cylinder head. On the other hand, in Patent Document 5, Cu and Mg are treated as impurities from the viewpoint of obtaining a cast with high heat fatigue resistance, and their upper limit is restricted to 0.2% by mass. The reason for this is that Cu and Mg generate thermally unstable precipitates, and the precipitates become coarse during use of the casting to reduce the ductility and toughness of the casting, resulting in a decrease in thermal fatigue resistance. It is thought that.

特開平10−251790号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-251790 特開平11−199960号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-199960 特開2001−303163号公報JP 2001-303163 A 特許第3415346号公報Japanese Patent No. 3415346 特許第3164587号公報Japanese Patent No. 3164587

しかし、上記特許文献5に開示されたアルミニウム合金は、CuおよびMgを実質的に含有しないために、その硬さおよび強度が極端に低くなって、母材としての実用強度等が不十分となり易い。そこで特許文献5では、母材としては別の高強度鋳物用アルミニウム合金を使用しつつ、熱歪みが集中して高耐熱疲労性が要求される部分(例えば、シリンダヘッドのバルブブリッジ部や副燃焼室孔−バルブ孔間)に、上記アルミニウム合金を肉盛り接合している。すなわち、特許文献5に開示されたアルミニウム合金は、所詮、高耐熱疲労性が必要となる部分で限定的に使用されるに過ぎないものである。このように、部位によって使用するアルミニウム合金の種類を変更すると、シリンダヘッド等の鋳物の製造コストが非常に上昇して好ましくない。   However, since the aluminum alloy disclosed in Patent Document 5 does not substantially contain Cu and Mg, its hardness and strength are extremely low, and the practical strength as a base material tends to be insufficient. . Therefore, in Patent Document 5, while using another high-strength casting aluminum alloy as a base material, a portion where thermal strain is concentrated and high heat fatigue resistance is required (for example, a valve bridge portion of a cylinder head or a secondary combustion). The aluminum alloy is build-up bonded between the chamber hole and the valve hole. That is, the aluminum alloy disclosed in Patent Document 5 is only limitedly used in a portion where high heat fatigue resistance is necessary. Thus, changing the type of aluminum alloy to be used depending on the part is not preferable because the manufacturing cost of castings such as cylinder heads is very high.

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、シリンダヘッド等に求められる強度や耐疲労性等を確保しつつ、耐熱疲労性にも優れた鋳物用アルミニウム合金を提供することを目的とする。また、そのようなアルミニウム合金鋳物およびその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and provides an aluminum alloy for castings that is excellent in heat fatigue resistance while ensuring the strength and fatigue resistance required for a cylinder head and the like. With the goal. Moreover, it aims at providing such an aluminum alloy casting and its manufacturing method.

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、Mgを含有させて鋳物全体を高強度化した場合であっても、必ずしも鋳物の延性や靱性が低下するとは限らず、母材としての強度や耐疲労性と、高い耐熱疲労性とを両立させ得ることを新たに発見し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to solve this problem and repeated trial and error, the inventor does not necessarily reduce the ductility and toughness of the casting even when Mg is contained and the entire casting is strengthened. In addition, the inventors have newly discovered that strength and fatigue resistance as a base material and high heat fatigue resistance can both be achieved, and the present invention has been completed.

(鋳物用アルミニウム合金)
すなわち、本発明の鋳物用アルミニウム合金は、全体を100質量%としたときに、ケイ素(Si):4〜12質量%と、銅(Cu):0.2質量%以下と、マグネシウム(Mg):0.2質量%を超え0.5質量%以下と、ニッケル(Ni):0.2〜3質量%と、鉄(Fe):0.1〜0.7質量%と、チタン(Ti):0.15〜0.3質量%と、残部がアルミニウム(Al)および不可避的不純物とからなり、実用疲労特性に優れたアルミニウム合金鋳物が得られることを特徴とする。
(Aluminum alloy for casting)
That is, the aluminum alloy for castings of the present invention has silicon (Si): 4 to 12% by mass, copper (Cu): 0.2% by mass or less, and magnesium (Mg) when the total is 100% by mass. : More than 0.2% by mass and 0.5 % by mass or less ; nickel (Ni): 0.2-3% by mass; iron (Fe): 0.1-0.7% by mass; titanium (Ti) : 0.15 to 0.3 mass%, and the balance is aluminum (Al) and inevitable impurities, and an aluminum alloy casting excellent in practical fatigue characteristics is obtained.

この本発明の鋳物用アルミニウム合金を用いて鋳造したアルミニウム合金鋳物は、高強度、高疲労強度(耐疲労性)を有すると共に高い耐熱疲労性を発揮する。この鋳物用アルミニウム合金を用いれば、例えば、全体的に高強度等が要求されると共に部分的に高い耐熱疲労性が要求されるシリンダヘッド等の鋳物であっても、同一合金によって、鋳物全体の鋳造が可能となり、鋳物の製造コストを大幅に削減できる。例えば、ガソリンエンジン用高性能シリンダヘッドや高強度、高耐疲労性等が要求されるディーゼルエンジン用シリンダヘッドなどの鋳造に本発明の鋳物用アルミニウム合金は最適である。   The aluminum alloy casting cast using the casting aluminum alloy of the present invention has high strength and high fatigue strength (fatigue resistance) and also exhibits high heat fatigue resistance. If this aluminum alloy for castings is used, for example, a casting such as a cylinder head that requires high strength as a whole and partially requires high heat fatigue resistance, the same alloy can Casting becomes possible, and the manufacturing cost of the casting can be greatly reduced. For example, the aluminum alloy for casting of the present invention is optimal for casting of a high performance cylinder head for gasoline engines and a cylinder head for diesel engines that require high strength and high fatigue resistance.

(アルミニウム合金鋳物)
本発明は、上記鋳物用アルミニウム合金のみならず、実用疲労特性に優れたアルミニウム合金鋳物としても把握できる。
すなわち、本発明は、全体を100質量%としたときに、Si:4〜12質量%と、Cu:0.2質量%以下と、Mg:0.2質量%を超え0.5質量%以下と、Ni:0.2〜3質量%と、Fe:0.1〜0.7質量%と、Ti:0.15〜0.3質量%と、残部がAlおよび不可避的不純物とからなり、α−Alを主とする基地相と該基地相をネットワーク状に囲繞すべく晶出した骨格相とからなる金属組織を有し、該基地相がMgによって析出強化された実用疲労特性に優れることを特徴とするアルミニウム合金鋳物としても良い。
(Aluminum alloy casting)
The present invention can be grasped not only as an aluminum alloy for castings but also as an aluminum alloy casting excellent in practical fatigue characteristics.
That is, when the present invention is 100% by mass as a whole, Si: 4 to 12% by mass, Cu: 0.2% by mass or less, Mg: more than 0.2% by mass and 0.5 % by mass or less Ni: 0.2-3 mass%, Fe: 0.1-0.7 mass%, Ti: 0.15-0.3 mass%, and the balance consisting of Al and inevitable impurities, It has a metal structure composed of a base phase mainly composed of α-Al and a skeleton phase crystallized so as to surround the base phase in a network, and the base phase is excellent in practical fatigue characteristics by precipitation strengthening with Mg. It is good also as an aluminum alloy casting characterized by this.

(アルミニウム合金鋳物の製造方法)
本発明は、さらに、上記鋳物用アルミニウム合金の製造に好適な製造方法としても把握できる。
すなわち、本発明は、Alを主成分とするアルミニウム合金溶湯を鋳型に注入、凝固させてアルミニウム合金鋳物を得る鋳造工程と、該アルミニウム合金鋳物に溶体化熱処理および時効熱処理を施す熱処理工程とを備えてなり、
該熱処理工程後のアルミニウム合金鋳物は、全体を100質量%としたときに、Si:4〜12質量%と、Cu:0.2質量%以下と、Mg:0.2質量%を超え0.5質量%以下と、Ni:0.2〜3質量%と、Fe:0.1〜0.7質量%と、Ti:0.15〜0.3質量%と、残部がAlおよび不可避的不純物とからなり、α−Alを主とする基地相と該基地相をネットワーク状に囲繞すべく晶出した骨格相とからなる金属組織を有し、該基地相がMgを含有する析出物によって析出強化された実用疲労特性に優れることを特徴とするアルミニウム合金鋳物の製造方法としても良い。
(Aluminum alloy casting manufacturing method)
The present invention can also be grasped as a production method suitable for producing the above-described aluminum alloy for castings.
That is, the present invention includes a casting process in which an aluminum alloy molten metal containing Al as a main component is poured into a mold and solidified to obtain an aluminum alloy casting, and a heat treatment process in which the aluminum alloy casting is subjected to solution heat treatment and aging heat treatment. And
The aluminum alloy casting after the heat treatment step is Si: 4 to 12% by mass, Cu: 0.2% by mass or less, Mg: more than 0.2% by mass , and 0.1% when the whole is 100% by mass . 5 mass% or less , Ni: 0.2-3 mass%, Fe: 0.1-0.7 mass%, Ti: 0.15-0.3 mass%, the balance being Al and inevitable impurities And has a metal structure composed of a base phase mainly composed of α-Al and a skeleton phase crystallized so as to surround the base phase in a network shape, and the base phase is precipitated by a precipitate containing Mg. It is good also as a manufacturing method of the aluminum alloy casting characterized by being excellent in the strengthened practical fatigue characteristic.

(作用)
本発明のアルミニウム合金は、従来困難であった、アルミニウム合金鋳物の高強度または高疲労強度と、その高耐熱疲労性とを両立させた。これが可能となったメカニズムは必ずしも定かではないが、現状、次のように考えられる。なお、以降では、鋳物原料としての鋳物用アルミニウム合金、鋳造製品であるアルミニウム合金鋳物の両方を含めて、適宜、単にアルミニウム合金と呼ぶ。
従来、アルミニウム合金(鋳物)の疲労強度を高める際、先ず、その静的な引張強度の向上が考えられる。その手法として、CuやMg等の析出強化元素を含有させるのが一般的である。
(Function)
The aluminum alloy of the present invention has achieved both high strength or high fatigue strength of an aluminum alloy casting, which has been difficult in the past, and high heat fatigue resistance. The mechanism that makes this possible is not always clear, but it can be considered as follows. In the following description, both the aluminum alloy for casting as a casting raw material and the aluminum alloy casting that is a cast product are appropriately referred to simply as an aluminum alloy.
Conventionally, when increasing the fatigue strength of an aluminum alloy (casting), first, improvement of the static tensile strength can be considered. In general, a precipitation strengthening element such as Cu or Mg is included as a technique.

しかし、このような手法を単純に適用しただけでは、アルミニウム合金の高強度化を図れたとしても、その一方で、延性や靭性の低下を招く。その結果、応力集中や平均応力等が影響する疲労強度まで高めることはできないし、さらには、その延性や靭性の低下によって耐熱疲労性の低下をも招くこととなる。従って、従来、アルミニウム合金の強度、耐疲労性および耐熱疲労性を共にハイレベルで満たすことは極めて困難であった。例えば、前述した各特許文献の開示内容を観ても、それらを高次元で同時に満たすものはなく、いずれか一方の特性に優れるものにすぎない。   However, by simply applying such a method, even if the strength of the aluminum alloy can be increased, ductility and toughness are reduced. As a result, the fatigue strength affected by the stress concentration, average stress, etc. cannot be increased, and further, the heat fatigue resistance is also lowered due to the decrease in ductility and toughness. Therefore, conventionally, it has been extremely difficult to satisfy the strength, fatigue resistance and heat fatigue resistance of aluminum alloys at a high level. For example, even if the disclosure content of each patent document described above is viewed, there is no one that satisfies them in a high dimension at the same time, and only one of the characteristics is excellent.

これに対して本発明のアルミニウム合金は、Cuを実質的に含有させずに、Mgの含有量と共にNi、FeおよびTiの含有量を最適化することによって、強度、疲労強度および耐熱疲労性を両立させている。以下、各元素の作用について説明する。
先ず、本発明のアルミニウム合金は、Cuを実質的に含有していないので、基地相の組織が安定し、熱疲労環境下での基地相の脆化が抑止されて、耐熱疲労性の向上に寄与する。ちなみに、Cuによる基地相の脆化は、熱疲労環境下で基地相中に析出したCu化合物が粗大化することで生じると考えられる。
On the other hand, the aluminum alloy of the present invention does not substantially contain Cu, and optimizes the content of Ni, Fe and Ti together with the content of Mg, thereby improving the strength, fatigue strength and heat fatigue resistance. Both are compatible. Hereinafter, the action of each element will be described.
First, since the aluminum alloy of the present invention does not substantially contain Cu, the structure of the matrix phase is stabilized, and the brittleness of the matrix phase in a thermal fatigue environment is suppressed, thereby improving the heat fatigue resistance. Contribute. Incidentally, the embrittlement of the matrix phase by Cu is considered to be caused by the coarsening of the Cu compound precipitated in the matrix phase in a thermal fatigue environment.

ただ、本発明のアルミニウム合金は、Cuを実質的に含有しないため、Cuによる析出強化は期待できない。そこで本発明者は、アルミニウム合金中にMgを含有させて、その強度を高めることを考えた。なお、CuではなくMgを選択したのは耐蝕性を考慮したからでもある。   However, since the aluminum alloy of the present invention does not substantially contain Cu, precipitation strengthening by Cu cannot be expected. Therefore, the present inventor considered adding Mg into the aluminum alloy to increase its strength. The reason why Mg is selected instead of Cu is that corrosion resistance is taken into consideration.

このとき、Mgを従来のアルミニウム合金と同程度含有させると、母材としての強度向上は図れるとしても、前述したように、アルミニウム合金の延性や靱性の低下による疲労強度や耐熱疲労性の劣化は避けがたいと考えられる。しかし、本発明者が鋭意研究したところ、Mgの含有量を本発明の範囲内とすることで、アルミニウム合金の耐熱疲労性等をほとんど阻害しないで、その硬さ、強度、疲労強度等を高められることを新たに見いだした。勿論、Mgの含有量が増加すると、アルミニウム合金の延性や靱性が低下し、疲労強度や耐熱疲労性が僅かながら劣化することも考えられる。しかし、その劣化分は、NiやFe等の化合物が晶出して強化された骨格相により十分に補充されると考えられる。特に、Ni含有量を適切に調整することで、従来のアルミニウム合金と同等以上の高耐熱疲労性が得られる。この点をさらに説明すると次の通りである。   At this time, if Mg is contained to the same extent as a conventional aluminum alloy, the strength as a base material can be improved, but as described above, the fatigue strength and thermal fatigue resistance are deteriorated due to the decrease in ductility and toughness of the aluminum alloy. Inevitable. However, as a result of diligent research by the present inventors, by making the Mg content within the scope of the present invention, the hardness, strength, fatigue strength, etc. of the aluminum alloy are increased without substantially inhibiting the heat fatigue resistance of the aluminum alloy. I found something new. Of course, when the Mg content is increased, the ductility and toughness of the aluminum alloy are lowered, and the fatigue strength and heat fatigue resistance may be slightly deteriorated. However, it is considered that the deterioration is sufficiently supplemented by a skeletal phase strengthened by crystallization of a compound such as Ni or Fe. In particular, by appropriately adjusting the Ni content, high heat fatigue resistance equal to or higher than that of conventional aluminum alloys can be obtained. This point will be further described as follows.

骨格相はネットワーク状に展開して基地相を囲繞している。この骨格相により、合金に作用する応力や歪みは、局部に集中することなく、全体的に均一に分布し易くなる。その際、この骨格相中でのNi化合物やFe化合物の晶出物量が増加すると、その部分で応力集中が生じ易くなり、アルミニウム合金の疲労強度等の低下も懸念される。ところが、本発明のアルミニウム合金の場合、Cuを実質的に含有しないことで基地相は適度に軟らかくなっており、Mgの含有量も多くはないため、Ni化合物やFe化合物の晶出部分での応力集中はあまり問題とはならない。   The skeletal phase is networked and surrounds the base phase. By this skeletal phase, the stress and strain acting on the alloy are not easily concentrated locally but easily distributed uniformly. At this time, when the amount of crystallized Ni compound or Fe compound in the skeleton phase increases, stress concentration tends to occur in that portion, and there is a concern that the fatigue strength and the like of the aluminum alloy may decrease. However, in the case of the aluminum alloy of the present invention, the base phase is appropriately softened by substantially not containing Cu, and the content of Mg is not large, so in the crystallization part of the Ni compound or Fe compound. Stress concentration is not a problem.

本発明のアルミニウム合金は、さらに、Tiを含有している。このため、アルミニウム合金中の結晶粒が極めて微細となる。これに伴い、ネットワーク状の晶出物からなる骨格相の分布が等方的になり、印加された応力や歪みもより一層、均一に分散され易くなって、疲労強度や耐熱疲労性の向上に寄与する。また、Tiは、基地相に固溶して基地相を固溶強化するため、アルミニウム合金の強度向上にも有効となる。このように本発明のアルミニウム合金は、含有量が最適化され各合金元素が相乗的に作用し合うことによって初めて、従来達成困難であった、強度、疲労強度および耐熱疲労性をハイレベルで満たすことができるようになったと考えられる。   The aluminum alloy of the present invention further contains Ti. For this reason, the crystal grain in an aluminum alloy becomes very fine. Along with this, the distribution of the skeletal phase composed of network-like crystallized substances becomes isotropic, and the applied stress and strain are more easily dispersed evenly, improving the fatigue strength and heat fatigue resistance. Contribute. Moreover, since Ti dissolves in the matrix phase and strengthens the matrix phase, it is effective for improving the strength of the aluminum alloy. As described above, the aluminum alloy of the present invention satisfies the strength, fatigue strength, and heat fatigue resistance at a high level, which has been difficult to achieve conventionally, only by optimizing the content and synergistic action of each alloy element. It seems that they are now able to

なお、本発明のアルミニウム合金鋳物は、使用中のごく初期にその組織が部位によって多少変化することはあり得る。例えば、シリンダヘッドのように、部位によって曝される温度環境が異なる場合、シリンダヘッドの燃焼室付近は比較的高温となって、例えば、基地相中から析出したMg化合物が使用初期に粗大化することもあり得る。但し、本発明の場合、析出物の粗大化は早期に終了し、さらなる加熱により延性や靱性が回復する。また、使用初期にやや延性や靱性が低下したとしても、Ni化合物等の晶出した骨格相によって基地相が補強されるため、耐熱疲労性まで低下することはほとんどない。逆に、シリンダヘッドの中でも、さほど高温とならない部分は基地相がMg化合物により析出強化された状態となっており、母材として十分な強度や硬さを発揮する。このように、本発明のアルミニウム合金は、部材の部位によって要求される特性が異なるとしても、それらの要求を同時に満たすことができる。   It should be noted that the structure of the aluminum alloy casting of the present invention may slightly change depending on the site at the very beginning of use. For example, when the temperature environment that is exposed differs depending on the site, such as a cylinder head, the vicinity of the combustion chamber of the cylinder head becomes relatively high, and, for example, Mg compound precipitated from the base phase becomes coarse in the initial stage of use. It can happen. However, in the case of the present invention, the coarsening of the precipitates ends early, and the ductility and toughness are recovered by further heating. Even if the ductility and toughness are slightly reduced in the initial use, the base phase is reinforced by the crystallized skeletal phase of the Ni compound or the like, so that the thermal fatigue resistance is hardly lowered. On the other hand, the portion of the cylinder head that does not reach a high temperature is in a state where the matrix phase is precipitated and strengthened by the Mg compound, and exhibits sufficient strength and hardness as a base material. As described above, the aluminum alloy of the present invention can satisfy those requirements at the same time even if the required properties differ depending on the parts of the members.

ところで本明細書でいう「強度」とは、アルミニウム合金の使用初期の破断強度である。この強度は、室温〜150℃の温度範囲でほぼ維持される。この強度は、引張強度で指標しても良いが、合金全体の硬さによって指標しても良い。なお、後述の疲労強度が高い場合は、一般的にこの引張強度も高いと考えられる。   By the way, “strength” as used in the present specification is a breaking strength at the initial use of an aluminum alloy. This strength is substantially maintained in the temperature range of room temperature to 150 ° C. This strength may be indicated by tensile strength, but may be indicated by the hardness of the entire alloy. In addition, when the below-mentioned fatigue strength is high, it is generally considered that this tensile strength is also high.

「疲労」とは、一般的な高サイクル疲労に対する強度であり、「耐疲労性」とはその疲労に対する耐性である。「疲労強度」は、アルミニウム合金鋳物に所定温度で、繰返応力を付与したときの破断強度である。平均応力、応力振幅、繰返数(破断までの寿命)によって指標される。   “Fatigue” is the strength against general high cycle fatigue, and “fatigue resistance” is the resistance to fatigue. “Fatigue strength” is the breaking strength when a repeated stress is applied to an aluminum alloy casting at a predetermined temperature. It is indexed by average stress, stress amplitude, number of repetitions (life to break).

「熱疲労」とは、低サイクル疲労の1種であって、温度、歪みが周期的に変化する場合に生じる疲労であり、「耐熱疲労性」とはその疲労に対する耐性である。熱疲労は、より詳しくいうと、熱膨張および熱収縮が拘束されて、加熱時に圧縮方向または引張方向に歪みが生じると共に冷却時に引張方向または圧縮方向に歪みが生じる結果もたらされる疲労現象である。温度と歪みとの位相差によりout−of−phaseとin−phaseとがある。この熱疲労は熱疲労寿命によって指標される。その試験方法については後述する。特に、アルミニウム合金の場合、熱膨張係数が大きいので、熱膨張の拘束により加熱時に圧縮、冷却時に引張りの歪みが生じるout−of−phaseの熱疲労が生じ易く、これに対する耐性が必要とされる。なお、上記耐疲労性と、上記耐熱疲労性との両方を併せて、本明細書では「実用疲労特性」と呼んでいる。   “Thermal fatigue” is a type of low cycle fatigue, and is fatigue that occurs when temperature and strain change periodically. “Heat fatigue resistance” is resistance to fatigue. More specifically, thermal fatigue is a fatigue phenomenon that results from constraining thermal expansion and contraction to cause strain in the compression or tension direction during heating and strain in the tension or compression direction during cooling. There are out-of-phase and in-phase depending on the phase difference between temperature and strain. This thermal fatigue is indexed by the thermal fatigue life. The test method will be described later. In particular, in the case of an aluminum alloy, since the thermal expansion coefficient is large, out-of-phase thermal fatigue in which compression distortion occurs during heating and tensile strain occurs during cooling due to thermal expansion constraints, and resistance to this is required. . Note that both the fatigue resistance and the heat fatigue resistance are collectively referred to as “practical fatigue characteristics” in this specification.

発明の実施形態を挙げて、本発明をより詳しく説明する。なお、以下の実施形態を含め、本明細書で説明する内容は、本発明に係る鋳物用アルミニウム合金、アルミニウム合金鋳物およびその製造方法にも適宜適用されるものであることを断っておく。また、いずれの実施形態が最良であるか否かは、鋳造対象、鋳物の要求性能等によって異なることを断っておく。   The present invention will be described in more detail with reference to embodiments of the invention. It should be noted that the contents described in this specification, including the following embodiments, are applicable as appropriate to the aluminum alloy for castings according to the present invention, the aluminum alloy casting, and the manufacturing method thereof. In addition, it should be noted that which embodiment is the best depends on the casting object, the required performance of the casting, and the like.

(1)組成
本発明のアルミニウム合金中のSiは、4〜12質量%が好適である。Siが4質量%未満では、鋳造性が悪く、鋳物中に鋳造欠陥を生じやすい。また、鋳物の熱膨張係数が大きくなる。一方、Siが12質量%を超えると、合金溶湯が凝固する際に指向性が高まり、金属組織が不均質になる。また、鋳物の最終凝固部に多量の鋳造欠陥を生じるおそれもある。さらに、脆いSi粒子が増加して、鋳物の延性や靭性が低下するおそれもある。
(1) Composition As for Si in the aluminum alloy of this invention, 4-12 mass% is suitable. When Si is less than 4% by mass, castability is poor and casting defects are likely to occur in the casting. In addition, the thermal expansion coefficient of the casting is increased. On the other hand, when Si exceeds 12 mass%, directivity increases when the molten alloy solidifies, and the metal structure becomes inhomogeneous. In addition, a large amount of casting defects may occur in the final solidified portion of the casting. Furthermore, brittle Si particles increase and the ductility and toughness of the casting may be reduced.

Siが5〜9質量%であるとより好ましい。Si量がこの範囲内であると、最も安定した鋳造性が得られる。また、骨格相を形成する共晶Si量も適量となり、強度、延性に優れたアルミニウム合金鋳物が得られる。さらに、最適なSi量は、7〜8質量%である。Si量がこの範囲内であると、鋳造性がより安定し、強度、延性のバランスも最適になる。   More preferably, Si is 5 to 9% by mass. When the amount of Si is within this range, the most stable castability can be obtained. Moreover, the amount of eutectic Si forming the skeleton phase is also appropriate, and an aluminum alloy casting excellent in strength and ductility can be obtained. Furthermore, the optimal amount of Si is 7-8 mass%. When the amount of Si is within this range, the castability becomes more stable, and the balance between strength and ductility becomes optimum.

Cuは、0.2質量%以下とすると好適である。Cuが0.2質量%を超えると、シリンダヘッド等が使用される高温域で、熱的に不安定な析出物が合金中に多く生成される。その析出物は、アルミニウム合金鋳物の使用中に徐々に粗大化し、その延性や靭性の低下をもたらして、アルミニウム合金鋳物の耐熱疲労性を著しく低下させるおそれがある。また、Cuが0.2質量%を超えると、その析出強化によって基地相が過度に硬化する。特に、本発明のアルミニウム合金のように晶出物量が多い場合、応力集中に伴う疲労強度の低下が懸念される。このようなCuは、含有量が少ない程好ましく、その上限は0.1質量%さらには0.05質量%とする程良い。特に、不可避的不純物として存在する場合は別にして、Cuを0質量%にすると最適である。   Cu is preferably 0.2% by mass or less. When Cu exceeds 0.2% by mass, many thermally unstable precipitates are generated in the alloy in a high temperature range where a cylinder head or the like is used. The precipitates are gradually coarsened during use of the aluminum alloy casting, resulting in a decrease in ductility and toughness, and there is a risk that the heat fatigue resistance of the aluminum alloy casting will be significantly reduced. Moreover, when Cu exceeds 0.2 mass%, a base phase will harden | cure excessively by the precipitation strengthening. In particular, when the amount of crystallized material is large as in the aluminum alloy of the present invention, there is a concern that the fatigue strength is reduced due to stress concentration. The Cu content is preferably as low as possible, and the upper limit is preferably 0.1% by mass, and more preferably 0.05% by mass. In particular, when Cu is present as an unavoidable impurity, it is optimal that Cu is 0% by mass.

上述した延性や靱性の低下に伴う耐熱疲労性の低下傾向は、Cuに限らず後述するMgにも少しはある。しかし、少量のMg量であれば、使用初期に析出物がやや粗大化するものの、その後の加熱による組織変化は小さく延性や靱性は早期に回復する。Cuは、アルミニウム合金を腐蝕させる傾向が強い。従って、耐蝕性を確保する観点からも、Cu量は上記範囲とするのが好ましい。但し、リサイクル性や製造コスト等を考慮すれば、不純物程度のCuがアルミニウム合金中に存在することもある。そこで本発明では、Cu量の上限を実質的に0質量%とはせずに、0.2質量%としている。これにより、アルミニウム合金鋳物の製造コストが削減され、また、そのリサイクル性も向上する。   The above-described tendency of lowering thermal fatigue resistance due to lowering of ductility and toughness is not limited to Cu, but also to Mg described later. However, if the amount of Mg is small, the precipitate is slightly coarsened at the initial stage of use, but the structural change due to subsequent heating is small, and the ductility and toughness are recovered early. Cu has a strong tendency to corrode aluminum alloys. Therefore, from the viewpoint of ensuring corrosion resistance, the Cu amount is preferably within the above range. However, considering recyclability, manufacturing cost, etc., Cu having an impurity level may be present in the aluminum alloy. Therefore, in the present invention, the upper limit of the amount of Cu is not substantially 0% by mass, but is 0.2% by mass. Thereby, the manufacturing cost of an aluminum alloy casting is reduced, and the recyclability is also improved.

Mgは、その下限を0.1質量%、0.15質量%さらには0.2質量%とし、その上限を0.5質量%さらには0.4質量%とすると好適である。例えば、Mgが0.1〜0.5質量%さらには0.2〜0.4質量%であると好ましい。   It is preferable that the lower limit of Mg is 0.1% by mass, 0.15% by mass, further 0.2% by mass, and the upper limit is 0.5% by mass, further 0.4% by mass. For example, Mg is preferably 0.1 to 0.5 mass%, more preferably 0.2 to 0.4 mass%.

本発明のアルミニウム合金は、前述したように、析出強化元素であるCuを実質的に含有させてはいない。従って、シリンダヘッド等の母材となるアルミニウム合金の強度や疲労強度を確保する上で、Mgを適量含有させることが非常に重要となる。Mgが過少では基地相が軟らか過ぎてその効果が薄い。Mgが過多ではアルミニウム合金の延性や靱性を低下させることとなり、結果的に耐熱疲労性の低下を招く。   As described above, the aluminum alloy of the present invention does not substantially contain Cu, which is a precipitation strengthening element. Accordingly, it is very important to contain an appropriate amount of Mg in order to ensure the strength and fatigue strength of an aluminum alloy that is a base material for a cylinder head or the like. If Mg is too small, the base phase is too soft and its effect is weak. If Mg is excessive, the ductility and toughness of the aluminum alloy will be reduced, resulting in a decrease in thermal fatigue resistance.

Niは、0.2〜3質量%であると好適である。Niは、Ni化合物を晶出させて、ネットワーク状の骨格相を強固にする。Niが0.2質量%未満では、Ni化合物の生成量が少なく、晶出物からなるネットワーク状の骨格相の形成が不十分となり得る。Niが3質量%を超えると、粗大なNi化合物が生成され易くなり、延性や靭性が著しく低下するおそれがある。特に、Niが2質量%を超えるとNi化合物がやや大きくなり組織の均質性が低下し始める。そこで、Niを0.5〜2質量%とすると、Ni化合物の晶出量とその大きさが適度で均質な凝固組織が得られるので好ましい。さらに、最適なNi量は、0.7〜1.5質量%である。Ni量をこの範囲内とすると、Ni化合物の晶出量と大きさとが最適になり、耐熱疲労性が安定して高くなる。なお、Ni化合物とはNiを含む化合物の総称である。Ni化合物として、例えば、Al−Ni化合物、Al−Ni−Cu化合物、Al−Fe−Ni化合物等がある。   Ni is preferably 0.2 to 3% by mass. Ni crystallizes the Ni compound and strengthens the network-like skeleton phase. When Ni is less than 0.2% by mass, the amount of Ni compound produced is small, and the formation of a network-like skeleton phase composed of crystallized substances may be insufficient. When Ni exceeds 3 mass%, a coarse Ni compound is likely to be generated, and the ductility and toughness may be significantly reduced. In particular, when Ni exceeds 2% by mass, the Ni compound becomes slightly large and the homogeneity of the structure starts to deteriorate. Therefore, it is preferable to set Ni to 0.5 to 2% by mass, since a solidified structure with an appropriate amount of Ni crystallized and its size can be obtained. Furthermore, the optimum amount of Ni is 0.7 to 1.5% by mass. When the Ni content is within this range, the crystallization amount and size of the Ni compound are optimized, and the heat fatigue resistance is stably increased. The Ni compound is a general term for compounds containing Ni. Examples of the Ni compound include an Al—Ni compound, an Al—Ni—Cu compound, and an Al—Fe—Ni compound.

Feは、0.1〜0.7質量%であると好適である。Feが0.1質量%未満では、Fe化合物の生成が少なく、晶出物からなるネットワーク状の骨格相の形成が不十分となり得る。Feが0.7質量%を超えると、粗大なFe化合物が生成し易くなり、延性や靭性が著しく低下するおそれがある。Feが0.2〜0.6質量%であるとより好ましい。さらに、最適なFe量は、0.3〜0.5質量%である。Fe量をこの範囲内とすると、Fe化合物の晶出量と大きさとが最適になり、耐熱疲労性の向上効果が最大限に発揮される。なお、Fe化合物とはFeを含む化合物の総称である。その一例として、Al−Si−Fe−Mn化合物、Al−Si−Fe化合物、Al−Fe−Ni化合物等がある。   Fe is suitably 0.1 to 0.7% by mass. If Fe is less than 0.1% by mass, the formation of an Fe compound is small and the formation of a network-like skeletal phase composed of a crystallized product may be insufficient. If Fe exceeds 0.7% by mass, a coarse Fe compound is likely to be formed, and ductility and toughness may be significantly reduced. More preferably, Fe is 0.2 to 0.6 mass%. Furthermore, the optimum amount of Fe is 0.3 to 0.5% by mass. When the amount of Fe is within this range, the crystallization amount and size of the Fe compound are optimized, and the effect of improving heat fatigue resistance is maximized. The Fe compound is a generic name for compounds containing Fe. Examples thereof include an Al—Si—Fe—Mn compound, an Al—Si—Fe compound, and an Al—Fe—Ni compound.

Tiは、0.15〜0.3質量%であると好適である。Tiは、結晶粒を微細化させると共に基地相を固溶強化する。結晶粒が十分に微細化されると、晶出物からなるネットワーク状の骨格相も等方的となる。また、基地相中にTiが固溶することで、基地相が適度に硬化して、基地相における歪み集中が抑制され、歪みの分布がさらに均一化するようになる。こうして、鋳物に作用する応力や歪みの分布が均一化して、その疲労強度が向上する。Tiが0.15質量%未満では、結晶粒の微細化が不十分となり、鋳造組織特有のデンドライト組織が発達して、等方的なネットワーク状の骨格相が得られない。Tiが0.3質量%を超えると、基地相に固溶するTiが増加して、基地相が硬くなりすぎ、鋳物がせん断破壊を生じるおそれがある。また、基地相中に粗大なTi化合物を生成するようになり、鋳物の延性や靭性を著しく低下させるおそれもある。Tiは、0.2〜0.3質量%であるとより好適であり、さらに0.2〜0.25質量%であると最適である。   Ti is preferably 0.15 to 0.3% by mass. Ti refines crystal grains and strengthens the matrix phase in solid solution. When the crystal grains are sufficiently refined, the network-like skeletal phase composed of the crystallized material becomes isotropic. Further, since Ti dissolves in the matrix phase, the matrix phase is appropriately cured, strain concentration in the matrix phase is suppressed, and the strain distribution becomes more uniform. Thus, the stress and strain distribution acting on the casting is made uniform, and the fatigue strength is improved. If Ti is less than 0.15% by mass, refinement of crystal grains becomes insufficient, a dendrite structure peculiar to a cast structure develops, and an isotropic network-like skeleton phase cannot be obtained. When Ti exceeds 0.3% by mass, Ti dissolved in the matrix phase increases, the matrix phase becomes too hard, and the casting may cause shear fracture. In addition, a coarse Ti compound is generated in the matrix phase, which may significantly reduce the ductility and toughness of the casting. Ti is more preferably 0.2 to 0.3% by mass, and most preferably 0.2 to 0.25% by mass.

なお、Tiは、原料を溶解する最終工程で、Al−Ti合金、Al−Ti−B合金またはAl−Ti−C合金などを添加して含有させることができる。このようにTiを母合金(アルミニウム合金)として添加すると、Ti化合物の凝集等を抑制でき、結晶粒の十分な微細化や金属組織の等方化、均質化を図り易い。Tiの添加材として、Al−Ti−B合金等を用いた場合、ホウ素(B)等が合金中に混在する。Bが多くなると、アルミニウム合金の耐熱性が低下するので、その含有量は0.01質量%以下とするのが好ましい。
ちなみに、本発明のアルミニウム合金の結晶粒径dと二次デンドライトアーム間隔DASとの比d/DASは、例えば、5〜20程度となる。この結晶粒径dは、例えば、JlS−H−0501「伸銅品結晶粒度試験方法」に準じて測定して求められる。
Note that Ti can be contained by adding an Al—Ti alloy, an Al—Ti—B alloy, an Al—Ti—C alloy, or the like in the final step of melting the raw material. When Ti is added as a mother alloy (aluminum alloy) in this way, aggregation of Ti compounds and the like can be suppressed, and sufficient refinement of crystal grains, isotropic and homogenization of the metal structure can be easily achieved. When an Al—Ti—B alloy or the like is used as an additive for Ti, boron (B) or the like is mixed in the alloy. When B increases, the heat resistance of the aluminum alloy decreases, so the content is preferably 0.01% by mass or less.
Incidentally, the ratio d / DAS between the crystal grain size d of the aluminum alloy of the present invention and the secondary dendrite arm interval DAS is, for example, about 5 to 20. This crystal grain size d is obtained by measuring, for example, according to JlS-H-0501 “Method for testing grain size of copper-stretched products”.

本発明のアルミニウム合金は、さらに、マンガン(Mn)を0.1〜0.7質量%含有すると好適である。Mnは、Mn化合物として晶出し、骨格相をより強固にする。Mnが0.1質量%未満であると、その効果が薄い。Mnが0.7質量%を超えると、粗大なMn化合物が生成して、鋳物の延性や靭性が著しく低下するおそれがある。なお、Mnには、Fe化合物が粗大な針状になるのを抑止して鋳物の延性や靭性の低下を妨げる効果もある。Mnが0.2〜0.5質量%であるとより好ましい。さらに、最適なMn量は、0.3〜0.5質量%である。Mn量をこの範囲内とすると、上記効果を最大限に発揮させることができる。なお。Mn化合物とはMnを含む化合物の総称である。その一例として、Al−Si−Fe−Mn化合物、Al−Si−Mn化合物、Al−Mn化合物等がある。   The aluminum alloy of the present invention preferably further contains 0.1 to 0.7% by mass of manganese (Mn). Mn crystallizes as a Mn compound and strengthens the skeleton phase. If Mn is less than 0.1% by mass, the effect is small. If Mn exceeds 0.7% by mass, a coarse Mn compound is generated, and the ductility and toughness of the casting may be significantly reduced. Mn also has the effect of preventing the Fe compound from becoming coarse needles and hindering the reduction in ductility and toughness of the casting. It is more preferable that Mn is 0.2 to 0.5% by mass. Furthermore, the optimum amount of Mn is 0.3 to 0.5% by mass. When the amount of Mn is within this range, the above effect can be maximized. Note that. The Mn compound is a general term for compounds containing Mn. Examples thereof include an Al—Si—Fe—Mn compound, an Al—Si—Mn compound, and an Al—Mn compound.

本発明のアルミニウム合金は、さらに、0.03〜0.5質量%のジルコニウム(Zr)および0.02〜0.5質量%のバナジウム(V)の一方または両方を含有すると好ましい。両元素は、結晶粒を微細にし、デンドライトの整列を防止して、晶出物からなるネットワーク状の骨格相をより等方的にする効果がある。また、両元素は基地相を固溶強化し、基地相の高温強度を適度に向上させる。また、基地相への歪み集中を防止する効果もある。両元素の含有量が過少であるとこれらの効果が薄い。両元素の含有量が過多となると、粗大な初晶化合物が生成して鋳物の延性や靭性が著しく低下する。また、両元素の含有量が過多となると、溶湯の温度を高めないと、均一な溶解が難しくなる。さらに、両元素の含有量が0.5質量%を超えると、Tiを含有する粗大なTi化合物が生成されて、鋳物の延性や靭性の低下するのみならず、前述した結晶粒の微細化に有効なTi量が減少して、結晶粒が粗大化するおそれがある。その結果、鋳物の金属組織の等方性や均質性が阻害され得る。Zrは0.03〜0.15質量%、Vは0.02〜0.15質量%であるとより好ましく、両元素を共に含有すると一層好ましい。   The aluminum alloy of the present invention preferably further contains one or both of 0.03 to 0.5% by mass of zirconium (Zr) and 0.02 to 0.5% by mass of vanadium (V). Both elements have the effect of making crystal grains fine, preventing dendrite alignment, and making the network-like skeleton phase of crystallized substances more isotropic. Moreover, both elements strengthen the matrix phase in solid solution, and moderately improve the high-temperature strength of the matrix phase. It also has the effect of preventing strain concentration on the base phase. If the contents of both elements are too small, these effects are weak. If the contents of both elements are excessive, a coarse primary crystal compound is generated, and the ductility and toughness of the casting are significantly reduced. Moreover, when content of both elements becomes excessive, uniform melt | dissolution will become difficult unless the temperature of a molten metal is raised. Furthermore, if the content of both elements exceeds 0.5% by mass, a coarse Ti compound containing Ti is generated, which not only lowers the ductility and toughness of the casting, but also reduces the crystal grains described above. There is a possibility that the effective Ti amount decreases and the crystal grains become coarse. As a result, the isotropy and homogeneity of the metal structure of the casting can be hindered. Zr is more preferably 0.03 to 0.15% by mass, and V is preferably 0.02 to 0.15% by mass, and more preferably both elements are contained.

本発明のアルミニウム合金は、さらに、カルシウム(Ca)を0.0005〜0.003質量%を含有すると好適である。上述の範囲内のTi、ZrまたはVと共にCaが微量添加されると、結晶粒の微細化がより安定する。Caが0.0005質量%未満ではその効果がない。Caが0.003質量%を越えると、デンドライト組織が発達しやすく、晶出物からなるネットワーク状の骨格相の等方性が崩れ、鋳造組織が不均質になるおそれがある。また、Ca量が多くなると、鋳造欠陥であるポロシティも生じ易くなるため、その上限を0.002質量%とするとより好ましい。また、不可避的不純物は少ない方が好ましく、例えば、0.5質量%未満とするとよい。より好適には0.25質量%未満、さらには0.1質量%未満とすると最適である。   The aluminum alloy of the present invention preferably further contains 0.0005 to 0.003% by mass of calcium (Ca). When a small amount of Ca is added together with Ti, Zr or V within the above range, the refinement of crystal grains becomes more stable. If Ca is less than 0.0005 mass%, the effect is not obtained. When Ca exceeds 0.003 mass%, a dendrite structure is likely to develop, and the isotropic property of the network-like skeleton phase made of crystallized material is lost, and the cast structure may be inhomogeneous. Moreover, since the porosity which is a casting defect will also arise easily when Ca content increases, it is more preferable when the upper limit shall be 0.002 mass%. Moreover, it is preferable that there are few inevitable impurities, for example, it is good to set it as less than 0.5 mass%. More preferably, it is optimal to be less than 0.25% by mass, and further less than 0.1% by mass.

(2)組織
本発明のアルミニウム合金鋳物または本発明の鋳物用アルミニウム合金を用いて鋳造した鋳物(便宜上、両者を併せて「アルミニウム合金鋳物」または単に「鋳物」という。)は、基地相と骨格相とからなる。基地相は主にα−Alからなり、骨格相はこの基地相をネットワーク状に囲繞する晶出物からなる(図1参照)。このような金属組織は、例えば、基地相が初晶として凝固した後に、骨格相がその基地相の周囲に共晶反応によって晶出して得られる。この場合の金属組織は、主に、アルミニウム合金の溶湯が鋳型内で粥状凝固して得られた亜共晶組織となる。
(2) Structure The casting of the aluminum alloy casting of the present invention or the aluminum alloy for casting of the present invention (for convenience, the two are collectively referred to as “aluminum alloy casting” or simply “casting”) has a matrix phase and a skeleton. It consists of phases. The base phase is mainly composed of α-Al, and the skeletal phase is composed of a crystallized material surrounding the base phase in a network form (see FIG. 1). Such a metal structure is obtained, for example, by crystallizing a skeleton phase around the matrix phase by a eutectic reaction after the matrix phase is solidified as primary crystals. In this case, the metal structure is mainly a hypoeutectic structure obtained by melting the molten aluminum alloy in a mold.

基地相は、α−Alのみではなく、そこに固溶した各合金元素や析出した化合物粒子(例えば、Mg化合物の析出粒子)等も含む。骨格相も同様に、Al−Si共晶のみではなく、その共晶と共に晶出した化合物やそこに固溶した各合金元素等も含む。なお、骨格相中に晶出または析出して骨格相を強化する化合物粒子を、以降、骨格相の強化粒子と呼ぶ(図1参照)。このような強化粒子には、例えば、Al−Ni系化合物、Al−Si−Ni系化合物、Al−Fe系化合物、Al−Si−Fe系化合物、Al−Si−Fe−Mn化合物、共晶Si等がある。中でも、Ni化合物やFe化合物からなる晶出粒子は、強化粒子としての効果が大きい。この他、SiC粒子、Al2O3粒子、TiB2粒子等も強化粒子となり得る。   The matrix phase includes not only α-Al but also each alloy element dissolved therein, precipitated compound particles (for example, precipitated particles of Mg compound), and the like. Similarly, the skeletal phase includes not only the Al—Si eutectic but also a compound crystallized with the eutectic and each alloy element dissolved therein. The compound particles that recrystallize or precipitate in the skeletal phase to reinforce the skeletal phase are hereinafter referred to as skeletal phase reinforcing particles (see FIG. 1). Examples of such reinforcing particles include Al-Ni compounds, Al-Si-Ni compounds, Al-Fe compounds, Al-Si-Fe compounds, Al-Si-Fe-Mn compounds, and eutectic Si. Etc. Among these, crystallized particles made of Ni compounds or Fe compounds have a great effect as reinforcing particles. In addition, SiC particles, Al2O3 particles, TiB2 particles, and the like can be reinforcing particles.

ここで骨格相は、高弾性で降伏応力の高い晶出物や硬質の強化粒子からなる。これらがネットワーク状に連なって基地相を囲繞しており、その組織は微細で均一であるため、鋳物に作用する応力は骨格相で均一に分散されて、疲労亀裂の発生源となる基地相の応力分担は低下し易くなる。その結果、本発明のアルミニウム合金鋳物の耐疲労性や耐熱疲労性などの疲労特性が向上したと考えられる。   Here, the skeletal phase is composed of a crystallized substance having high elasticity and high yield stress or hard reinforcing particles. Since these are connected in a network and surround the base phase, and the structure is fine and uniform, the stress acting on the casting is uniformly distributed in the skeletal phase, and the base phase that is the source of fatigue cracks Stress sharing tends to decrease. As a result, the fatigue properties such as fatigue resistance and heat fatigue resistance of the aluminum alloy casting of the present invention are considered to have improved.

本発明のアルミニウム合金鋳物は、初晶Siの存在しない亜共晶組織であると好ましい。シリンダヘッドのように内部に空洞を有する複雑形状の大型鋳物を鋳造する場合、凝固の指向性を完全に制御して、ポロシティを鋳物外部にある押し湯部に逃がすことは困難である。そこで、溶湯を粥状凝固させて亜共晶組織からなる鋳物が得られれば、局部的なポロシティの集中が抑止されて、応力集中部分等にポロシティが集中して鋳物の疲労特性が低下するといった事態を回避できる。また亜共晶組織とすることで、晶出物がネットワーク状に分散生成し、少量の晶出物でも骨格相が有効に形成される。   The aluminum alloy casting of the present invention preferably has a hypoeutectic structure free of primary crystal Si. When casting a large casting having a complicated shape having a hollow inside such as a cylinder head, it is difficult to completely control the directivity of solidification and let the porosity escape to the feeder part outside the casting. Therefore, if a casting made of a hypoeutectic structure is obtained by solidifying the molten metal in the form of a hypoeutectic structure, local concentration of porosity is suppressed, and porosity is concentrated in stress concentration portions and the like, and the fatigue characteristics of the casting are reduced. The situation can be avoided. Further, by using a hypoeutectic structure, the crystallized substances are dispersed and formed in a network, and a skeleton phase is effectively formed even with a small amount of crystallized substances.

また、鋳物中の初晶Siは、疲労破壊の起点になり得る。特に、シリンダヘッドのような大型鋳物の場合、全体的な凝固が遅いため、凝固途中で生成した初晶Siは比重差によって、溶湯の上方に浮上して偏析することがあり、その部分は疲労破壊の起点となり易い。従って、初晶Siは実質的に存在しないのが好ましい。本発明の場合、Si量がAl−Si二元系合金の共晶点よりも少ないため、初晶Siは比較的晶出し辛い。しかし、Si以外の合金元素やその含有量によっては、共晶点が低Si側に移行して初晶Siが晶出することもあり得る。そのような場合は、鋳造性等を損なわない範囲でSi量を調整すると良い。   Moreover, primary Si in the casting can be a starting point for fatigue fracture. In particular, in the case of large castings such as cylinder heads, the overall solidification is slow, so the primary Si produced during solidification may float and segregate above the molten metal due to the difference in specific gravity. It tends to be the starting point of destruction. Therefore, it is preferable that primary Si is not substantially present. In the case of the present invention, since the Si amount is less than the eutectic point of the Al—Si binary alloy, primary Si is relatively difficult to crystallize. However, depending on the alloy element other than Si and the content thereof, the eutectic point may move to the low Si side and primary crystal Si may crystallize. In such a case, it is good to adjust Si amount in the range which does not impair castability.

また、本発明のアルミニウム合金溶湯中に、ストロンチウム(Sr)、ナトリウム(Na)、アンチモン(Sb)等の共晶Siを微細化させる元素を適量含有させて、アルミニウム合金鋳物を鋳造しても良い。これにより、その鋳物の延性や靭性がさらに改善され得る。Srは0.003〜0.03質量% 含有すると良い。Srの含有量が0.03質量%を超えると、共晶Si粒子の微細化効果が飽和するとともにガス吸収が激しくなる。また、Srの含有量が0.003質量%未満であれば、共晶Si粒子の微細化効果が十分に認められない。   An aluminum alloy casting may be cast by adding an appropriate amount of an element for refining eutectic Si, such as strontium (Sr), sodium (Na), and antimony (Sb), in the molten aluminum alloy of the present invention. . Thereby, the ductility and toughness of the casting can be further improved. Sr is good to contain 0.003-0.03 mass%. If the content of Sr exceeds 0.03% by mass, the effect of refining the eutectic Si particles is saturated and gas absorption becomes intense. Further, if the Sr content is less than 0.003 mass%, the effect of refining the eutectic Si particles is not sufficiently observed.

Sbは0.02〜0.3質量% 含有すると良い。Sbの含有量が0.3質量%を超えると溶湯の流動性が低下し湯周り不良が生じるおそれがある。また、Sbの含有量が0.02質量%未満であれば、共晶Si粒子の微細化効果が十分に認められない。   Sb is preferably contained in an amount of 0.02 to 0.3% by mass. If the Sb content exceeds 0.3% by mass, the fluidity of the molten metal is lowered, and there is a risk of poor hot water surroundings. Moreover, if content of Sb is less than 0.02 mass%, the refinement | miniaturization effect of eutectic Si particle | grains will not fully be recognized.

Naは0.003〜0.03質量% 含有すると良い。Naの含有量が0.03質量%を超えると靱性が低下する。また、Naの含有量が0.003質量%未満であれば、共晶Si粒子の微細化効果が十分に認められない。   Na is preferably contained in an amount of 0.003 to 0.03% by mass. If the Na content exceeds 0.03% by mass, the toughness decreases. Moreover, if content of Na is less than 0.003 mass%, the refinement | miniaturization effect of eutectic Si particle | grains will not fully be recognized.

ところで、本発明のアルミニウム合金鋳物は、適量のMgを含有することにより、上記骨格相のみならず、基地相も析出強化されて、耐熱疲労性のみならず、母材としての硬さ、強度、耐疲労性等も確保されている。基地相の使用時の初期硬さは、例えば、ビッカース硬さ(HV)で64HV以上であり、より好ましくは67HV以上である。この硬さの上限はMg量や熱処理条件等によって異なるが、概ね100HV程度である。ちなみに、「使用時の初期硬さ」とは、アルミニウム合金鋳物が熱履歴を受け前の硬さ(バージン状態の硬さ)である。アルミニウム合金鋳物の一例としてエンジンのシリンダヘッドを考えれば、「使用時の初期硬さ」とはそのエンジンの最初の運転前(つまり、火入れ前)の硬さである。   By the way, the aluminum alloy casting of the present invention contains not only the above skeleton phase but also the matrix phase by precipitation strengthening by containing an appropriate amount of Mg, not only heat fatigue resistance but also hardness, strength as a base material, Fatigue resistance is also ensured. The initial hardness when the base phase is used is, for example, 64 VHV or more, more preferably 67 HV or more in terms of Vickers hardness (HV). The upper limit of the hardness varies depending on the amount of Mg, heat treatment conditions, and the like, but is about 100 HV. Incidentally, the “initial hardness at the time of use” is the hardness before the aluminum alloy casting receives a heat history (hardness in a virgin state). Considering an engine cylinder head as an example of an aluminum alloy casting, the “initial hardness in use” is the hardness before the first operation of the engine (that is, before firing).

アルミニウム合金鋳物の使用環境が比較的低温(例えば、150℃以下)である場合や鋳物の特定部分の温度が低温である場合、そこでの基地相の硬さはほぼ上記の硬さが維持されると考えられる。この傾向は、合金全体としての硬さについても同様であり、その硬さは97HV以上より好ましくは105HV以上となる。   When the use environment of the aluminum alloy casting is relatively low (for example, 150 ° C. or less) or when the temperature of a specific part of the casting is low, the hardness of the base phase is maintained almost as above. it is conceivable that. This tendency is the same for the hardness of the entire alloy, and the hardness is 97 HV or higher, more preferably 105 HV or higher.

基地相をMg等によって析出強化する際、熱処理を施すのが有効である。アルミニウム合金鋳物の熱処理として、溶体化熱処理および時効(硬化)熱処理がある。溶体化熱処理は、鋳物を高温で保持した後に水冷等によって急冷し、過飽和固溶体を形成する処理である。時効熱処理は、その鋳物を比較的低温で加熱保持し、過飽和に固溶していた元素を析出させて、適度な硬さを付与する処理である。これらの熱処理によって、微細な析出物が均一に分散し、強度、延性および靭性が高度にバランスした鋳物が得られる。さらに、晶出物の角部も丸くなり、応力集中が低減されて実用疲労特性の向上が期待される。本発明の場合、それらの熱処理によって、基地相中のMgが化合物(主にAl−Mg−Si系化合物)として析出し、基地相の硬さが適度に高められる。   When the matrix phase is precipitation strengthened with Mg or the like, it is effective to perform heat treatment. As heat treatment of the aluminum alloy casting, there are solution heat treatment and aging (hardening) heat treatment. The solution heat treatment is a treatment for forming a supersaturated solid solution by holding a casting at a high temperature and then rapidly cooling it by water cooling or the like. The aging heat treatment is a treatment for imparting an appropriate hardness by heating and holding the casting at a relatively low temperature and precipitating an element that has been dissolved in supersaturation. By these heat treatments, fine precipitates are uniformly dispersed, and a casting in which strength, ductility and toughness are highly balanced can be obtained. Further, the corners of the crystallized material are rounded, and the stress concentration is reduced, so that the practical fatigue characteristics are expected to be improved. In the case of the present invention, Mg in the matrix phase is precipitated as a compound (mainly Al—Mg—Si compound) by these heat treatments, and the hardness of the matrix phase is moderately increased.

それらの熱処理条件は、鋳物の組成や所望特性に応じて適宜選択される。所望する処理温度や処理時間等によって、一般的にT6処理、T4処理、T5処理、T7処理等がある。一例を挙げると、溶体化熱処理は、例えば、450℃〜550℃、1〜10時間の加熱保持後に急冷すれば良い。また、時効熱処理は、例えば、140℃〜300℃、1〜20時間加熱保持して行えば良い。
また、本発明のアルミニウム合金鋳物の気孔率は、0.3vol%未満であることが好ましい。気孔率が0.3vol%以上であると、鋳物の耐熱疲労性を充分に発揮させることができない。気孔率が低いほど、合金本来の優れた耐熱疲労性が発揮される。このため、気孔率は、0.1vol%未満であることが好ましく、0.05vol%未満が最適である。このような気孔率の値は、例えば、シリンダヘッドの燃焼室の弁間部等、鋳物の耐熱疲労性が特に要求される部位で達成されていればよい。
These heat treatment conditions are appropriately selected according to the composition and desired characteristics of the casting. There are generally T6 processing, T4 processing, T5 processing, T7 processing, etc., depending on the desired processing temperature and processing time. For example, the solution heat treatment may be rapidly cooled after heating and holding at 450 ° C. to 550 ° C. for 1 to 10 hours, for example. In addition, the aging heat treatment may be performed by heating and holding at 140 ° C. to 300 ° C. for 1 to 20 hours, for example.
Moreover, it is preferable that the porosity of the aluminum alloy casting of this invention is less than 0.3 vol%. When the porosity is 0.3 vol% or more, the heat fatigue resistance of the casting cannot be sufficiently exhibited. The lower the porosity, the better the heat fatigue resistance inherent in the alloy. For this reason, the porosity is preferably less than 0.1 vol%, and optimally less than 0.05 vol%. Such a porosity value only needs to be achieved in a portion where the heat fatigue resistance of the casting is particularly required, such as an inter-valve portion of the combustion chamber of the cylinder head.

(3)用途
本発明の鋳物用アルミニウム合金は、当然ながらアルミニウム合金鋳物の原料として使用される。その鋳物用アルミニウム合金の形態は問わないが、通常、インゴット状態である。
(3) Use The aluminum alloy for castings of the present invention is naturally used as a raw material for aluminum alloy castings. Although the form of the aluminum alloy for casting is not ask | required, it is an ingot state normally.

本発明のアルミニウム合金鋳物は、そのサイズ、形状、使用環境等を問わないが、強度、耐疲労性および耐熱疲労性等が同時に要求される部材に好適である。例えば、エンジン用部材、モータ用部材、放熱用部材等がある。例えば、エンジン用部材には、シリンダヘッド、ターボロータ等がある。本発明のアルミニウム合金鋳物は、高い耐食性も有するため、排気系部材(排気管、排気管理バルブ等)にも適している。さらに、本発明のアルミニウム合金鋳物は、疲労強度および耐蝕性に優れるので、これら両性能が要求される部材、例えば、自動車の足回り部材、シャーシ部材等に好適であり、それらへの使用により、各部材の軽量化および性能向上を図れる。より具体的には、足回り部材として、例えば、ディスクホイール、アッパーアーム、ロワーアーム、サスペンションアーム、アクスルキャリア、アクスルビームなどがある。シャーシ部材には、例えば、サイドメンバー、クロスメンバーなどがある。また、エンジン用部材やその周辺部材を取付けるブラケット類やトランスミッションケースなどに使用して良い。さらに、自動車分野に限らず、それ以外の分野であっても、耐蝕性や疲労強度が要求される部材を本発明のアルミニウム合金鋳物で製造すると、それらの軽量化および性能向上を図れる。   The aluminum alloy casting of the present invention is suitable for a member that is required to have strength, fatigue resistance, heat fatigue resistance, and the like at the same time, regardless of its size, shape, usage environment, and the like. For example, there are engine members, motor members, heat radiating members, and the like. For example, the engine member includes a cylinder head, a turbo rotor, and the like. Since the aluminum alloy casting of the present invention has high corrosion resistance, it is also suitable for exhaust system members (exhaust pipes, exhaust management valves, etc.). Furthermore, since the aluminum alloy casting of the present invention is excellent in fatigue strength and corrosion resistance, it is suitable for members that require both of these performances, such as automobile underbody members, chassis members, and the like. Weight reduction and performance improvement of each member can be achieved. More specifically, examples of the suspension member include a disc wheel, an upper arm, a lower arm, a suspension arm, an axle carrier, and an axle beam. Examples of the chassis member include a side member and a cross member. Moreover, you may use for the brackets, transmission case, etc. which attach the member for engines, and its peripheral member. Furthermore, not only in the automobile field, but also in other fields, if a member requiring corrosion resistance and fatigue strength is manufactured with the aluminum alloy casting of the present invention, the weight reduction and performance improvement can be achieved.

本発明のアルミニウム合金鋳物は、特に、母材としての硬さ、強度等と共に耐熱疲労性が要求される高性能なレシプロエンジン用シリンダヘッドに好適である。シリンダヘッドは、過酷な冷熱環境に曝されて、繰返し熱歪みを受ける。特に、燃焼室の弁間部(バルブブリッジ部)には、極めて高い耐熱疲労性が求められる。一方、それ以外の母材材部分には耐熱疲労性よりもむしろ高強度や高耐疲労性が求められる。また、ウォータジャケット部では、腐食生成膜の形成による伝熱性能の低下、つまりは冷却効率の低下を長期的に抑止する観点から、高い耐蝕性も要求される。本発明のアルミニウム合金鋳物からなるシリンダヘッドは、これらの要求をいずれも高次元で満たすものである。また、シリンダヘッドなどは形状が複雑で大型であるが、本発明の鋳物用アルミニウム合金等は鋳造性も良いため、その原料合金として最適である。また、シリンダヘッドは、鋳造後の鋳物に切削、研磨等の機械加工を施して、組み付け面、カムシャフトの軸受け等が形成されるが、本発明のアルミニウム合金鋳物はこのような加工性を阻害することもない。   The aluminum alloy casting of the present invention is particularly suitable for a cylinder head for a high-performance reciprocating engine that requires heat fatigue resistance as well as hardness and strength as a base material. The cylinder head is exposed to a severe cold environment and is repeatedly subjected to thermal strain. In particular, extremely high heat fatigue resistance is required for the valve portion (valve bridge portion) of the combustion chamber. On the other hand, the other base material parts are required to have high strength and high fatigue resistance rather than heat fatigue resistance. Further, in the water jacket portion, high corrosion resistance is also required from the viewpoint of suppressing long-term deterioration in heat transfer performance due to formation of the corrosion-generated film, that is, reduction in cooling efficiency. The cylinder head made of the aluminum alloy casting according to the present invention satisfies all of these requirements at a high level. In addition, the cylinder head and the like are complex and large in size, but the aluminum alloy for castings of the present invention is optimal as a raw material alloy because of its good castability. In addition, the cylinder head is subjected to machining such as cutting and polishing on the cast product after casting to form an assembly surface, a camshaft bearing, etc., but the aluminum alloy casting of the present invention impedes such workability. I don't have to.

なお、本発明のアルミニウム合金鋳物の鋳造方法は特に拘らない。砂型鋳造でも金型鋳造でも良いし、重力鋳造、低圧鋳造または高圧鋳造でも良い。鋳物の量産性を考慮すれば、ダイキャスト鋳造、低圧鋳造が好適である。   In addition, the casting method of the aluminum alloy casting of the present invention is not particularly limited. Sand casting or die casting may be used, and gravity casting, low pressure casting or high pressure casting may be used. In consideration of mass production of castings, die casting and low pressure casting are suitable.

実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。
(第1実施例)
(1)試験片の製造
表1に示すように、組成の異なる鋳物用アルミニウム合金を溶解して溶湯を調製した後、JIS4号試験片作製用の金型にそれらを注湯し、放冷して凝固させた(鋳造工程)。得られた鋳物に、530℃x5.5hr加熱した後、50℃の温水中に入れて焼入れる溶体化熱処理を施した。その後、さらに、160℃x5hr加熱する時効熱処理を施した。この熱処理後の鋳物からφ4mmx長さ6mmの平行部を有する熱疲労試験片を採取し、表1に示す試験片No.1−1〜1−8を得た。
The present invention will be described more specifically with reference to examples.
(First embodiment)
(1) Manufacture of test pieces As shown in Table 1, after melting molten aluminum alloys for castings and preparing molten metal, they were poured into a mold for preparing JIS No. 4 test pieces and allowed to cool. And solidified (casting process). The obtained casting was heated at 530 ° C. for 5.5 hours, and then subjected to solution heat treatment by quenching in 50 ° C. warm water. Thereafter, an aging heat treatment was performed by heating at 160 ° C. for 5 hours. A thermal fatigue test piece having a parallel portion of φ4 mm × length 6 mm was taken from the cast product after the heat treatment, and the test piece Nos. 1-1 to 1-8 were obtained.

(2)耐熱疲労性の評価
各試験片の耐熱疲労性は次のように評価した。
(2) Evaluation of heat fatigue resistance The heat fatigue resistance of each test piece was evaluated as follows.

低熱膨張合金製の拘束ホルダに、上記各試験片を取り付けて、加熱・冷却を繰り返す方式で実施した。この試験温度範囲は50℃〜250℃、繰り返し速度は加熱2min、冷却3minの5min/サイクルとした。その他、熱疲労試験方法の詳細は、例えば、特開平7−20031合公報、「材料」、Vol.45(1996)、pp.125−130、「軽金属」、Vol.45(1995)、pp.671−676に示されている。   Each test piece was attached to a restraint holder made of a low thermal expansion alloy, and heating and cooling were repeated. This test temperature range was 50 ° C. to 250 ° C., and the repetition rate was 5 min / cycle of heating 2 min and cooling 3 min. In addition, the details of the thermal fatigue test method are described in, for example, JP-A-7-20031, “Materials”, Vol. 45 (1996), pp. 125-130, “Light Metal”, Vol. 45 (1995), p. 671-676.

上記の熱疲労試験で得られた各試験片の熱疲労寿命を表1に併せて示す。ちなみに、JIS−AC2Bのアルミニウム合金製試験片に、高温歪みゲージを貼付して測定した試験初期の全歪み範囲は約0.6%であった。   Table 1 also shows the thermal fatigue life of each test piece obtained in the thermal fatigue test. Incidentally, the total strain range at the initial stage of the test measured by attaching a high-temperature strain gauge to a JIS-AC2B aluminum alloy test piece was about 0.6%.

表1の各試験片を比較すれば解るように、Cuが0.2質量%以下で、かつ、適量のNi、Fe、Mn、Tiを含有する場合に、熱疲労寿命が著しく延びている。特に、試験片No.1−1〜1−6と試験片No.1−8とを比較すれば解るように、Cuが0.2質量%以下であっても、Niを0.2〜3質量%含有することで熱疲労寿命が大きく延びている。   As can be seen by comparing the test pieces in Table 1, the thermal fatigue life is remarkably extended when Cu is 0.2 mass% or less and contains appropriate amounts of Ni, Fe, Mn, and Ti. In particular, specimen no. 1-1 to 1-6 and test piece No. As can be seen from a comparison with 1-8, the thermal fatigue life is greatly extended by containing 0.2 to 3 mass% of Ni even if Cu is 0.2 mass% or less.

また、試験片No.1−1、1−5と、試験片No.1−2、1−6とを比較すれば解るように、適量のMn、ZrおよびVを含む試験片は、他の試験片よりも、その熱疲労寿命が大きく延びることも解った。   In addition, test piece No. 1-1, 1-5, and test piece No. As can be seen by comparing 1-2 and 1-6, it was also found that the test piece containing appropriate amounts of Mn, Zr and V has a significantly longer thermal fatigue life than the other test pieces.

(第2実施例)
表2に示すように、組成の異なる鋳物用アルミニウム合金を用いて、第1実施例と同様に、試験片No.2−1〜2−6を製作した。これらの試験片は、Mg量がそれぞれ異なる。
(Second embodiment)
As shown in Table 2, test pieces No. 2 were used in the same manner as in the first example, using aluminum alloys for castings having different compositions. 2-1 to 2-6 were produced. These test pieces have different amounts of Mg.

これらの試験片の硬さを測定した。硬さ測定は室温雰囲気でビッカース硬さ計またはマイクロビッカース硬さ計を用いて行った。表2中、「全体の平均硬さ」は、荷重10kgf、負荷時間30secで大きな圧痕を打って測定したものであり、試験片全体の平均的な硬さを示す。「初期の基地相の硬さ」は、加熱前の試験片に、荷重100g、負荷時間30secで基地相の中央に小さな圧痕を打って測定したものである。「加熱後の基地相の硬さ」は、250℃x100hrの加熱をした試験片の基地相の硬さを、上記「初期の基地相の硬さ」と同様の方法で測定したものである。   The hardness of these test pieces was measured. The hardness was measured using a Vickers hardness meter or a micro Vickers hardness meter in a room temperature atmosphere. In Table 2, “overall average hardness” is measured by placing a large indentation at a load of 10 kgf and a load time of 30 sec, and indicates the average hardness of the entire test piece. “Initial matrix phase hardness” is measured by placing a small indentation in the center of the matrix phase on a test piece before heating at a load of 100 g and a loading time of 30 sec. “Hardness of base phase after heating” is obtained by measuring the hardness of the base phase of a test piece heated at 250 ° C. × 100 hr by the same method as the above-mentioned “hardness of initial base phase”.

表2から解るように、Mg量が0.1質量%より多い試料で、全体の硬さおよび初期の基地相の硬さは大きい。特に、Mgが0.2質量%を超える試験片No.2−1〜2−3では、「全体の平均硬さ」がMg量にあまり依存しておらず、いずれも100HV以上と大きい。   As can be seen from Table 2, the overall hardness and the hardness of the initial matrix phase are large in a sample having a Mg content of more than 0.1% by mass. In particular, the test piece No. in which Mg exceeds 0.2% by mass. In 2-1 to 2-3, the “total average hardness” does not depend much on the amount of Mg, and both are as large as 100 HV or more.

逆に、Mg量が0.1質量%以下となる試験片No.2−4および2−5は、Mg量に依存せず、「全体の平均硬さ」が著しく低い。これらの傾向は、「初期の基地相の硬さ」についても同様である。
このため、Mg量が0.2質量%を超える鋳物は、高温に加熱される部位以外で、高硬度、高強度が維持されるので、例えば、シリンダヘッドや排気系部品等のエンジン用高強度部品の母材としても好ましいと考えられる。
On the contrary, test piece No. in which the Mg amount is 0.1% by mass or less. 2-4 and 2-5 do not depend on the amount of Mg, and “total average hardness” is extremely low. These tendencies are the same for “the hardness of the initial base phase”.
For this reason, castings whose Mg amount exceeds 0.2% by mass maintain high hardness and high strength other than those heated to high temperatures. For example, high strength for engines such as cylinder heads and exhaust system parts It is also considered preferable as a base material for parts.

「加熱後の基地相の硬さ」は、加熱前の「初期の基地相の硬さ」に比べて、いずれの試験片でも低下している。特に、Mg量が0.2質量%を超える試験片の場合、その低下量が大きい。しかし、「加熱後の基地相の硬さ」自体は、いずれの試験片でも、Mg量の多少に拘わらず同程度に落ち着いている。従って、Mgを適量含有する鋳物であっても、Mgを実質的に含有しない鋳物と同様に、基地相が十分に軟化して合金としての延性が向上している考えられる。言い換えるなら、母材としての硬さ、強度、疲労強度等を高めるために0.5質量%以下のMgを合金中に含有させたとしても、250℃もの高温に曝される部位の耐熱疲労性を大きく阻害する要因とはなり得ないと考えられる。例えば、Mgを0.2質量%〜0.5質量%含有するシリンダヘッドの場合、高温環境下に曝される部位では優れた耐熱疲労性を発揮すると共に、その周囲の比較的温度が低い部位では高い初期強度等を維持すると考えられる。
本発明のアルミニウム合金がこのような優れた特性を発揮するのは、表1および表2からも解るように、適量のMgおよびNiを含有させたことの相乗効果と考えられる。
The “hardness of the matrix phase after heating” is lower in any test piece than the “hardness of the initial matrix phase” before heating. In particular, when the amount of Mg exceeds 0.2% by mass, the amount of decrease is large. However, “the hardness of the base phase after heating” itself is settled to the same extent regardless of the amount of Mg in any test piece. Therefore, even in a casting containing an appropriate amount of Mg, it is considered that the base phase is sufficiently softened and the ductility as an alloy is improved as in the casting containing substantially no Mg. In other words, even if 0.5% by mass or less of Mg is included in the alloy in order to increase the hardness, strength, fatigue strength, etc. as a base material, the heat fatigue resistance of the part exposed to a high temperature of 250 ° C. It is thought that it cannot be a factor that greatly impedes. For example, in the case of a cylinder head containing 0.2 mass% to 0.5 mass% of Mg, it exhibits excellent heat fatigue resistance in a portion exposed to a high temperature environment, and a portion having a relatively low temperature around it. Then, it is thought that high initial strength etc. are maintained.
The fact that the aluminum alloy of the present invention exhibits such excellent characteristics is considered to be a synergistic effect of containing appropriate amounts of Mg and Ni, as can be seen from Tables 1 and 2.

(第3実施例)
表3に示すように、組成の異なる鋳物用アルミニウム合金を用いて、第1実施例と同様に、試験片No.3−1〜3−3を製作した。これらの試験片は、Cu量がそれぞれ異なるものである。
これらの試験片に対して塩水噴霧試験を行い、各試験片の耐蝕性を評価した。塩水噴霧試験は、JIS Z2371−1994に準拠しつつ、塩水濃度5%、噴霧塩水の温度35℃、試験時間100hrとして行った。なお、各試験片の表面は、#600の耐水研磨紙で試験前に均一に研磨しておいた。
(Third embodiment)
As shown in Table 3, using the casting aluminum alloys having different compositions, the test piece No. 3-1 to 3-3 were produced. These test pieces have different amounts of Cu.
These test pieces were subjected to a salt spray test to evaluate the corrosion resistance of each test piece. The salt spray test was conducted according to JIS Z2371-1994, with a salt water concentration of 5%, a sprayed salt water temperature of 35 ° C., and a test time of 100 hours. The surface of each test piece was polished uniformly with a # 600 water-resistant abrasive paper before the test.

塩水噴霧試験後に水洗した各試験片No.3−1〜3−3の表面写真を、それぞれ図2(a)〜(b)に示した。Cu量が多い試験片ほど腐蝕が激しく、Cu量が少ない試験片ほど腐蝕し難いことが解る。特に、Cuが0.2質量%以下の試験片No.3−1はほとんど腐蝕しておらず、極めて高い耐蝕性を示した。
従って、例えば、本発明のアルミニウム合金からなるシリンダヘッド等は、前述した高強度、高耐熱疲労性等と共に高耐蝕性を備えるものとなり、信頼性が非常に高いものといえる。
Each test piece No. 1 washed with water after the salt spray test. Surface photographs 3-1 to 3-3 are shown in FIGS. 2 (a) to 2 (b), respectively. It can be seen that the test piece having a larger amount of Cu is more corroded and the test piece having a smaller amount of Cu is less corroded. In particular, the test piece No. with Cu of 0.2% by mass or less was used. 3-1 was hardly corroded and showed extremely high corrosion resistance.
Therefore, for example, a cylinder head made of the aluminum alloy of the present invention has high corrosion resistance in addition to the above-described high strength, high heat fatigue resistance, etc., and can be said to have very high reliability.

(第4実施例)
表4に示すように、組成の異なる鋳物用アルミニウム合金を用いて、第1実施例と同様に、試験片No.4−1〜4−3を製作した。これらの試験片はB量がそれぞれ異なるものである。これらの試験片を150℃x100hr加熱した後に、それぞれのビッカース硬さを測定した。その結果を表4に併せて示す。なお、この硬さ測定は室温雰囲気で行った。
(Fourth embodiment)
As shown in Table 4, test pieces Nos. Were obtained in the same manner as in the first example, using aluminum alloys for castings having different compositions. 4-1 to 4-3 were produced. These test pieces have different B amounts. These test pieces were heated at 150 ° C. for 100 hours, and then their Vickers hardnesses were measured. The results are also shown in Table 4. This hardness measurement was performed in a room temperature atmosphere.

表4の結果から、B量が少ない程、長時間加熱後の硬さが大きいことが解る。従って、Bは不純物としてその上限を0.01質量%以下に規制するのが好ましいといえる。   From the results in Table 4, it can be seen that the smaller the amount of B, the greater the hardness after long-time heating. Therefore, it can be said that it is preferable to limit the upper limit of B to 0.01% by mass or less as an impurity.

(第5実施例)
表5に示すように、組成の異なる鋳物用アルミニウム合金を用いて、第1実施例と同様に、試験片No.5−1〜5−4を製作した。これらの試験片はCa量がそれぞれ異なるものである。
(5th Example)
As shown in Table 5, test pieces Nos. Were obtained in the same manner as in the first example, using aluminum alloys for castings having different compositions. 5-1 to 5-4 were produced. These test pieces have different Ca contents.

各試験片の凝固組織を光学顕微鏡で調べた。表5に組織の均質性を有無を○、△およびXで示した。晶出物からなる等方的なネットワーク組織が形成されている場合は○、デンドライト組織が発達している場合は×、一部に整列したデンドライトが認められる場合は△とした。   The solidified structure of each test piece was examined with an optical microscope. In Table 5, the presence or absence of the homogeneity of the structure is indicated by ○, Δ, and X. In the case where an isotropic network structure composed of crystallized substances is formed, the mark is given as ◯. When the dendrite structure is developed, the mark is marked as ◯.

Caが0.0005〜0.003質量%の試験片No.5−1、5−2は、晶出物による等方的なネットワーク状の骨格相が全体に形成された均質な組織であった。これに対し、Ca量が0.0005質量%未満の試験片No.5−3は、一部にデンドライトの整列が認められやや不均質な組織であった。Ca量が0.003質量%を超える試験片No.5−4は、デンドライトの整列が組織全体に認められる不均質な組織であった。従って、Ca量は0.0005〜0.003質量%とするのが好ましいといえる。   Test piece No. Ca with 0.0005 to 0.003 mass% Ca was obtained. 5-1 and 5-2 were homogeneous structures in which an isotropic network-like skeletal phase formed by crystallized substances was formed as a whole. On the other hand, test piece No. with a Ca content of less than 0.0005% by mass 5-3 was a slightly heterogeneous structure in which dendritic alignment was observed in part. Specimen with a Ca content exceeding 0.003 mass%. 5-4 was a heterogeneous structure in which dendrite alignment was observed throughout the structure. Therefore, it can be said that the Ca amount is preferably 0.0005 to 0.003 mass%.

Figure 0004093221
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本発明のアルミニウム合金鋳物の金属組織を模式的に示した説明図である。It is explanatory drawing which showed typically the metal structure of the aluminum alloy casting of this invention. Cu量を変化させたアルミニウム合金鋳物に塩水噴霧試験を施したときの腐蝕状況を示す写真であり、同図(a)はCu:0質量%、同図(b)はCu:0.5質量%、同図(c)はCu:5質量%のものである。It is a photograph which shows the corrosion condition when performing the salt spray test to the aluminum alloy casting which changed Cu amount, The figure (a) is Cu: 0 mass%, The figure (b) is Cu: 0.5 mass. %, (C) in the figure is Cu: 5% by mass.

Claims (12)

全体を100質量%としたときに、ケイ素(Si):4〜12質量%と、銅(Cu):0.2質量%以下と、マグネシウム(Mg):0.2質量%を超え0.5質量%以下と、ニッケル(Ni):0.2〜3質量%と、鉄(Fe):0.1〜0.7質量%と、チタン(Ti):0.15〜0.3質量%と、残部がアルミニウム(Al)および不可避的不純物とからなり、
実用疲労特性に優れたアルミニウム合金鋳物が得られることを特徴とする鋳物用アルミニウム合金。
When the whole is defined as 100% by mass, silicon (Si): 4 to 12% by mass, copper (Cu): 0.2% by mass or less, magnesium (Mg): more than 0.2% by mass and 0.5 % Mass% or less , nickel (Ni): 0.2-3 mass%, iron (Fe): 0.1-0.7 mass%, titanium (Ti): 0.15-0.3 mass% The balance consists of aluminum (Al) and inevitable impurities,
An aluminum alloy for castings characterized in that an aluminum alloy casting excellent in practical fatigue characteristics can be obtained.
さらに、マンガン(Mn):0.1〜0.7質量%を含有する請求項1に記載の鋳物用アルミニウム合金。   Furthermore, the aluminum alloy for castings of Claim 1 containing manganese (Mn): 0.1-0.7 mass%. さらに、ジルコニウム(Zr):0.03〜0.5質量%およびバナジウム(V):0.02〜0.5質量%の1種以上を含有する請求項1に記載の鋳物用アルミニウム合金。   Furthermore, the aluminum alloy for castings of Claim 1 containing 1 or more types of zirconium (Zr): 0.03-0.5 mass% and vanadium (V): 0.02-0.5 mass%. さらに、ホウ素(B):0.01質量%以下である請求項1に記載の鋳物用アルミニウム合金。   Furthermore, boron (B): The aluminum alloy for castings of Claim 1 which is 0.01 mass% or less. さらに、カルシウム(Ca):0.0005〜0.003質量%を含有する請求項1または3に記載の鋳物用アルミニウム合金。   Furthermore, the aluminum alloy for castings of Claim 1 or 3 containing calcium (Ca): 0.0005-0.003 mass%. 全体を100質量%としたときに、Si:4〜12質量%と、Cu:0.2質量%以下と、Mg:0.2質量%を超え0.5質量%以下と、Ni:0.2〜3質量%と、Fe:0.1〜0.7質量%と、Ti:0.15〜0.3質量%と、残部がAlおよび不可避的不純物とからなり、
α−Alを主とする基地相と該基地相をネットワーク状に囲繞すべく晶出した骨格相とからなる金属組織を有し、
該基地相がMgを含有する析出物によって析出強化された実用疲労特性に優れることを特徴とするアルミニウム合金鋳物。
When the whole is defined as 100% by mass, Si: 4 to 12% by mass, Cu: 0.2% by mass or less, Mg: more than 0.2% by mass and 0.5 % by mass or less , Ni: 0.00%. 2-3% by mass, Fe: 0.1-0.7% by mass, Ti: 0.15-0.3% by mass, the balance consisting of Al and inevitable impurities,
It has a metal structure composed of a base phase mainly composed of α-Al and a skeleton phase crystallized so as to surround the base phase in a network shape,
An aluminum alloy casting characterized in that the matrix phase is excellent in practical fatigue properties obtained by precipitation strengthening with a precipitate containing Mg.
前記骨格相は、少なくともNi化合物およびFe化合物からなる強化粒子によって強化されている請求項6に記載のアルミニウム合金鋳物。   The aluminum alloy casting according to claim 6, wherein the skeleton phase is strengthened by reinforcing particles made of at least a Ni compound and a Fe compound. 前記基地相の使用時の初期硬さは、ビッカース硬さ(HV)で64HV以上である請求項6に記載のアルミニウム合金鋳物。   The aluminum alloy casting according to claim 6, wherein the initial hardness when the base phase is used is 64 HV or more in terms of Vickers hardness (HV). 前記金属組織は、初晶Siを含まない請求項6に記載のアルミニウム合金鋳物。   The aluminum alloy casting according to claim 6, wherein the metal structure does not include primary crystal Si. 前記アルミニウム合金鋳物は、エンジン用部材である請求項6に記載のアルミニウム合金鋳物。   The aluminum alloy casting according to claim 6, wherein the aluminum alloy casting is an engine member. 前記エンジン用部材は、レシプロエンジンのシリンダヘッドである請求項10に記載のアルミニウム合金鋳物。   The aluminum alloy casting according to claim 10, wherein the engine member is a cylinder head of a reciprocating engine. Alを主成分とするアルミニウム合金溶湯を鋳型に注入、凝固させてアルミニウム合金鋳物を得る鋳造工程と、
該アルミニウム合金鋳物に溶体化熱処理および時効熱処理を施す熱処理工程とを備えてなり、
該熱処理工程後のアルミニウム合金鋳物は、全体を100質量%としたときに、Si:4〜12質量%と、Cu:0.2質量%以下と、Mg:0.2質量%を超え0.5質量%以下と、Ni:0.2〜3質量%と、Fe:0.1〜0.7質量%と、Ti:0.15〜0.3質量%と、残部がAlおよび不可避的不純物とからなり、
α−Alを主とする基地相と該基地相をネットワーク状に囲繞すべく晶出した骨格相とからなる金属組織を有し、
該基地相がMgを含有する析出物によって析出強化された実用疲労特性に優れることを特徴とするアルミニウム合金鋳物の製造方法。
A casting process in which an aluminum alloy molten metal mainly composed of Al is poured into a mold and solidified to obtain an aluminum alloy casting,
A heat treatment step for subjecting the aluminum alloy casting to solution heat treatment and aging heat treatment,
The aluminum alloy casting after the heat treatment step is Si: 4 to 12% by mass, Cu: 0.2% by mass or less, Mg: more than 0.2% by mass , and 0.1% when the whole is 100% by mass . 5 mass% or less , Ni: 0.2-3 mass%, Fe: 0.1-0.7 mass%, Ti: 0.15-0.3 mass%, the balance being Al and inevitable impurities And consist of
It has a metal structure composed of a base phase mainly composed of α-Al and a skeleton phase crystallized so as to surround the base phase in a network shape,
A method for producing an aluminum alloy casting, characterized in that the matrix phase is excellent in practical fatigue properties that are precipitation strengthened by precipitates containing Mg.
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