JP5482899B2

JP5482899B2 - 高温強度と熱伝導率に優れたアルミニウム合金及びその製造方法

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Publication number: JP5482899B2
Application number: JP2012524567A
Authority: JP
Inventors: ▲カツ▼ ▲ケイ▼; 泉実山元; 和宏織田; 豊石田; 宏堀川
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 2010-07-16
Filing date: 2011-07-06
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2031-07-06
Also published as: US9222151B2; CN103003458B; US20130115129A1; CN103003458A; WO2012008470A1; JPWO2012008470A1

Description

本発明は、自動車用ピストン等に用いられる高温強度と熱伝導率に優れたアルミニウム合金及びその製造方法に関するものである。

アルミニウム合金は一般的に温度が高いほど強度が低下する。そのため自動車用ピストンなど高温下で使用されるアルミニウム合金は、高温強度を維持するために、従来よりＳｉ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｇ，Ｆｅ，及びＭｎなどの添加量を増やし、第二相粒子などの晶出物を増加させてきた。
これらの高温強度向上のための添加元素の中で、ＭｎはＦｅ系化合物の改良のために添加されている。Ｆｅ系化合物は高温強度向上に有効であるが、針状に粗大化する傾向があり、粗大化すると機械的性質が低下する。このため、Ｍｎを添加してＦｅ系化合物のα化を図っている（例えば、特許第４０７５５２３号公報および特許第４０２６５６３号公報を参照）。
また一方、添加量を増加させた場合、晶出物が粗大化しこれを起点として破壊が起きやすくなり室温強度が低下する。そこで、例えば特開２００７−２１６２３９号公報に見られるように、室温強度の低下を低減するために、アルミニウム合金の鋳造時にアルミニウム合金溶湯に液相線以上の温度で超音波を照射して粗大な金属間化合物の生成を抑制、すなわち組織の微細化を図っている。

しかしながら、特許第４０７５５２３号公報または特許第４０２６５６３号公報で提案されているように、アルミニウムの高温強度を向上させる目的でＭｎを添加させる場合は、一部がアルミニウムへ固溶してアルミニウム合金の熱伝導率を低下させてしまう。このような合金をピストンなどの高温下で使用される部品に適用するとアルミニウム合金部材の温度が高くなってしまい、強度が低下した状態で使用されることになるといった問題点がある。
また、特開２００７−２１６２３９号公報では強度を向上させるため液相線以上で超音波照射をすることで組織微細化を図っているが、高温強度および熱伝導率に優れた組成に調整したアルミニウム合金の具体的な提案は行われていない。
本発明は、このような課題を解決するために案出されたものであり、高温強度の低下を抑制する組成に調整するとともに、Ｍｎ含有量を極力少なくしてアルミニウムへの固溶を減らすことによって高温強度と熱伝導率に優れたアルミニウム合金を提供することを目的とするものである。
本発明の高温強度と熱伝導に優れたアルミニウム合金は、その目的を達成するために、Ｓｉを１２〜１６質量％、Ｎｉを０．１〜２．５質量％、Ｃｕを３〜５質量％、Ｍｇを０．３〜１．２質量％、Ｆｅを０．３〜１．５質量％、Ｐを０．００４〜０．０２質量％を含み、残部がＡｌと不可避不純物から成る成分組成を有していることを特徴とする。
また、Ｓｉを１２〜１６質量％、Ｎｉを０．１〜２．５質量％、Ｃｕを３〜５質量％、Ｍｇを０．３〜１．２質量％、Ｆｅを０．３〜１．５質量％、Ｐを０．００４〜０．０２質量％、さらに０．１質量％以下のＭｎを以下含み、残部がＡｌと不可避不純物から成る成分組成を有するものであっても良い。
さらに、０．０１〜０．１質量％のＶ、０．０１〜０．６質量％のＺｒを１種類以上含む成分組成であっても良い。
さらにまた、０．０１〜０．２質量％のＣｒ、０．０１〜０．２質量％のＴｉを１種類以上含む成分組成であっても良い。
そして、０．２ｍｍ^２の観察視野をとったとき、晶出物の長手方向のサイズで大きい方から１０個の晶出物の平均が２３０μｍ以下である金属組織を有しているものが好ましい。
このような成分組成を有するアルミニウム合金溶湯に、液相線以上の温度で超音波を照射し、超音波照射終了後１００秒以内に鋳造することで室温特性を向上させ加工性に優れたアルミニウム合金を得ることができる。
本発明のアルミニウム合金は、比重の小さいＳｉと強化元素の組合せで高温強度を向上させており、軽量で比強度が優れている。一方で、アルミニウム中に固溶して熱伝導率を下げるＭｎの添加を無くす、或いはその添加量を０．１質量％以下に抑えることで添加したＭｎをＦｅ系金属間化合物中に取り込むことによって当該Ｆｅ系金属間化合物を塊状に変えて高温強度に優れるとともに熱伝導率に優れたアルミニウム合金を得ることができる。
さらに本発明のアルミニウム合金は、鋳造時にアルミニウム溶湯に液相線以上で超音波処理を施すことにより、晶出物を微細化して分散することができるため、室温強度を向上させ加工性に優れたアルミニウム合金を得ることができる。

図１は、超音波ホーンを用いた超音波処理装置の概要を説明する。
図２は、アルミニウム合金溶湯を超音波処理する態様を説明する。
図３は、実施例５、６で製造されたアルミニウム合金の金属組織を示す図であり、（ａ）超音波なしの実施例５、（ｂ）超音波ありの実施例６である。

本発明者等は、自動車用ピストン等に使用可能なアルミニウム合金材として、高温強度と熱伝導率に優れたものを低コストで得るべく鋭意検討した。その過程で、Ｓｉと強化元素添加量を細かく調整して組み合わせることで高温強度を向上させることができ、しかも、アルミニウム中に固溶して熱伝導率を下げるＭｎの添加を止める、或いは添加量を極力少なくすることにより、熱伝導率に優れたアルミニウム合金を得ることができたものである。
より具体的に説明する。Ｆｅを多量に添加したＡｌ‐Ｓｉ系合金にあっては、針状のＡｌ‐Ｆｅ‐Ｓｉ系晶出物が粗大化して強度が低下しやすくなる。このため、通常はＭｎを添加して晶出物を塊状に改良している。晶出物を塊状化することによって強度の低下を抑制しようとするものである。ただし添加したＭｎのすべてがＡｌ‐Ｆｅ‐Ｍｎ‐Ｓｉ系晶出物として晶出するわけではなく、アルミニウム中に固溶する分があるので熱伝導率を低下させてしまう。
一方、針状のＡｌ‐Ｆｅ‐Ｓｉ系晶出物を微細に分散できれば、塊状のＡｌ‐Ｆｅ‐Ｍｎ‐Ｓｉ系晶出物が分散したものよりも高温強度が高いものが得られる。しかもＭｎの添加を無くせば、アルミニウム中へのＭｎの固溶もないので熱伝導率の低下も抑制できる。そこで、本発明ではＡｌ‐Ｆｅ‐Ｓｉ系晶出物の粗大化抑制をＦｅ添加量の抑制等の成分組成の調整で図ることの他に、Ｍｎの添加を止める、若しくは添加量を最小限に抑制してアルミニウム中へのＭｎの固溶をなくし、熱伝導率の低下を防いだものである。
また、鋳造時に超音波を照射することにより、晶出物の微細化を図ったものである。
以下にその詳細を説明する。
まず、用いるアルミニウム合金溶湯の成分・組成について説明する。
Ｓｉ：１０〜１６質量％
Ｓｉは高温強度を向上させる作用を有する。この効果はＳｉが１０質量％以上で特に効果を発揮し、１６質量％を超えると熱伝導率が低下する。また晶出量が多くなると室温での伸びが低下して加工性が悪化する。したがって１６質量％を超えない範囲で添加する。
Ｎｉ：０．１〜２．５質量％
Ｎｉは熱伝導率に悪影響を与えずに高温強度を向上させる作用を有する。Ｃｕと同時に添加すると、Ａｌ‐Ｎｉ‐Ｃｕ系化合物として晶出して分散強化により高温強度を向上させる。０．１質量％に満たないとこのような効果が期待できず、２．５質量％を超えると合金密度が高くなり、比強度の向上が得られなくなる。
Ｃｕ：３〜５質量％
Ｃｕは高温強度を向上させる作用がある。Ｎｉと同時に添加させるとＡｌ‐Ｎｉ‐Ｃｕ系化合物として分散強化により高温強度を向上させる。この作用は３質量％以上の添加で顕著となるが、５質量％を超えると熱伝導率を低下させてしまう。また，合金密度が高くなって比強度の向上が得られなくなる。そこでＣｕの添加量は３〜５質量％とする。
Ｍｇ：０．３〜１．２質量％
Ｍｇは高温強度向上に有効である。特に超音波照射する際に、Ｍｇの添加によってキャビテーション（微細な泡）が発生しやすくなるため、微細化効果を発揮する。この作用は０．３質量％以上の添加で顕著となるが、１．２質量％を超えると熱伝導率を低下させる。また伸びが低下して鋳造割れが生じやすくなる。したがって、Ｍｇの添加量は０．３％〜１．２質量％の範囲とする。
Ｆｅ：０．３〜１．５質量％
ＦｅはＳｉと同時に添加させるとＡｌ‐Ｆｅ‐Ｓｉ系晶出物を形成して分散強化に寄与し高温強度を向上させる。この効果はＦｅの添加量が０．３質量％以上で発揮されるが、１．５質量％を超えるほどに多く添加すると粗大化するために機械的性質はかえって低下する。さらにＦｅ添加量が多いと熱伝導率が急激に低下する。晶出物の粗大化を抑制しつつその効果を発揮させるためには、Ｆｅ含有量は０．３〜１．５質量％に調整する必要がある。
Ｐ：０．００４〜０．０２質量％
ＰはＡｌＰ化合物を形成してＳｉの異質核として作用する。これによって、単体Ｓｉを微細化して均一に分散させる作用がある。この作用は０．００４質量％以上で特に効果を発揮し、０．０２質量％を超えると湯流れ性が悪くなり、鋳造性が低下してしまう。そこでＰの添加量は０．００４〜０．０２質量％の範囲にする。
Ｍｎ：０〜０．１質量％
ＭｎはＡｌ‐Ｆｅ‐Ｓｉ系金属間化合物からなる晶出物に取り込まれて当該晶出物を塊状化する作用を有する。しかし多量に添加すると全量が前記晶出物に取り込まれることはなく、過剰分がアルミニウムに固溶して合金全体の熱伝導率を低下させることになる。そこで、Ｍｎの添加量は０質量％、若しくは０．１質量％以下とする必要がある。
Ｖ：０．０１〜０．１質量％、Ｚｒ：０．０１〜０．６質量％
ＶとＺｒはマクロ組織を微細化し均一に分散させることに寄与するが、熱伝導率を低下させるので、必要に応じて添加する。なお、Ｖ、Ｚｒは１種類以上の添加で効果を発揮するが、Ｖを添加した場合、格子ひずみ量が大きく熱伝導率を低下させやすいことからＶの添加量は０．１質量％以下とする。一方Ｚｒを添加した場合、格子ひずみ量はＶよりも小さく、Ｚｒ系の晶出物が晶出するため固溶量が低減し、熱伝導率が低下しにくいことからＺｒは０．６質量％まで添加することができる。
Ｃｒ：０．０１〜０．２質量％，Ｔｉ：０．０１〜０．２質量％
ＣｒおよびＴｉはＡｌ‐Ｆｅ‐Ｓｉ系化合物を改良すると同時にＡｌ‐Ｆｅ‐Ｓｉ系化合物の異質核にもなり分散強化による高温強度向上に寄与する。ただし、熱伝導率を低下させるので、微量のみの添加にすることが好ましい。なお、Ｃｒ、Ｔｉは１種類以上の添加で効果を発揮する。
上記合金組成からなるアルミニウム合金では、Ｆｅ添加量を抑制し、また必要によりＡｌ‐Ｆｅ‐Ｓｉ系晶出物を微細化する元素を添加しているため、Ａｌ‐Ｆｅ‐Ｓｉ系晶出物の粗大化を防止し、室温引張特性の低下を低減することができる。この効果は特に、０．２ｍｍ^２の観察視野をとったとき、晶出物の長手方向のサイズで大きい方から１０個の晶出物の平均が２３０μｍ以下、好ましくは１５０μｍ以下である場合に発揮される。
本発明のアルミニウム合金は、上記の添加元素と不可避不純物からなる組成のアルミニウム溶湯を重力鋳造法などの一般的に用いられる鋳造方法によって鋳造することで得られる。
なお、必要により鋳造の際にアルミニウム合金溶湯に液相線以上の温度で超音波処理を施す。これにより、核生成を促進し組織を微細化することができ、アルミニウム合金の室温特性を向上させることができる。室温伸びを確保することによって加工時の割れを防止する狙いがあり、さらに晶出を促進させてその分固溶量が減少し、熱伝導率が向上する。
使用する超音波処理用装置は、図１に示すように超音波ジェネレータ１、振動子２、ホーン３と制御ユニット５から構成する。
一例として、磁歪振動子を構成した超音波発生装置の操作原理を説明する。超音波ジェネレータ１により発生した交流強力電流を超音波振動子２に印加し、超音波振動子によって発生した超音波振動はネジ方式接続４を介してホーン３によってホーン先端に伝達し、先端からアルミ溶湯中に導入する。共振条件を保つために、共振周波数自動制御ユニット５を備える。このユニットは、振動子に流れる電流値を周波数の関数として測定し、電流値が最大値を保持するように、周波数を自動調整する。
この際に用いる超音波ホーンは、高耐熱性を有しアルミニウム溶湯中で超音波照射させてもエロージョンされにくい材料を用い、例えばセラミックス材料，耐熱性の高い金属性ホーンとしてはＮｂ‐Ｍｏ合金などを選択することができる。なお付与する振動としては振幅１０〜７０μｍ（ｐ‐ｐ）、周波数２０〜２７ｋＨｚ、出力２〜４ｋＷ程度の超音波を５〜３０秒程度付与することで微細化を達成することができる。ここで、ｐ‐ｐはピーク‐ｔｏ‐ピークであり、例えばサイン波の場合は最大値と最低値との差のことをさす。
超音波照射の位置として、重力鋳造の際溶解炉内で超音波照射した例を図２に示す。なお、超音波照射位置はこれに限られることはないが、超音波照射を終了してから１００秒以内で鋳造をすることで超音波照射の効果が高まるため、超音波照射を終了してから１００秒以内で鋳造を開始できる位置ならどこでもよい。例えば図示はしないがラドル内，湯溜り内などでもよい。
また、重力鋳造法に限らず、ＤＣ鋳造法、ダイカスト法やその他の鋳造法においても、所定の位置で超音波照射することによって、アルミニウム溶湯の微細化効果を得ることができる。
１００秒以内で鋳造を開始するための超音波照射位置としては例えば、ＤＣ鋳造では、樋内、鋳型内，ダイカストでは溶解炉内，ラドル内，湯溜り内，スリーブ直上，スリーブ内で超音波を照射することができる。
このように、超音波照射終了から鋳造までの時間を１００秒以内にすることで、分散させた異質核が元の状態に戻り微細化効果が消失してしまうのを防ぐことができる。
なお、超音波照射時の合金溶湯温度は液相線から１００℃以内にすることが好ましい。これにより超音波照射から鋳造までの時間を短縮することができる。溶湯温度が高すぎると溶湯中のガス量が増え、溶湯品質が低下する。また炉材，ホーンなどの寿命が低下する危険がある。
以下、具体的な製造事例を実施例によって説明する。

実施例１〜４、７、８
表１に示す組成に調整したアルミニウム合金溶湯を溶製した。アルミニウム合金溶湯を、注湯温度７４０℃から２００℃に加熱したＪＩＳ４号舟型に重力鋳造により鋳込んだ。なお、この時の冷却速度は液相線までが２４℃／ｓ、液相線から固相線までの冷却速度が５．９℃／ｓであった。
得られた金型鋳造材には２２０℃×４時間の時効処理を施し、空冷した。
３５０℃引張試験及び室温引張試験を行うために、熱処理した各合金から、切削加工により高温引張試験片及び室温引張試験片を切り出した。高温引張試験は、３５０℃に１００時間予備加熱した後の試験片を対象とした。
熱伝導率の評価は、これと比例関係にある導電率を熱処理された各合金から測定することで評価した。
このときの３５０℃引張特性、室温引張特性、熱伝導率を表２に示す。
実施例５
表１に示す組成に調整したアルミニウム合金溶湯を溶製した。アルミニウム合金溶湯を、注湯温度７００℃から、１６０℃に加熱したＪＩＳ４号舟型に重力鋳造により鋳込んだ。なお、それ以外は実施例１〜４と同様の方法で鋳造を行った。
得られた金型鋳造材には２２０℃×４時間の時効処理を施し、空冷した。その後、実施例１と同様に３５０℃引張試験及び室温引張試験、熱伝導率の評価を行った。
このときの３５０℃引張特性、室温引張特性、熱伝導率を併せて表２に示す。
実施例６
表１に示すように、実施例５と同一組成のアルミニウム溶湯を溶解炉内に配置した坩堝内に用意した。次に、Ｎｂ‐Ｍｏ合金製の超音波ホーンを予熱炉内で予熱した後、坩堝内のアルミ二ウム溶湯中にホーンを浸漬させて超音波を照射した。
この時使用した超音波発生装置は、ＶＩＡＴＥＣＨ社製の超音波発生装置であり、周波数２０〜２２ｋＨｚ、音響出力２．４ｋＷに設定し超音波照射を行った。ホーンの振動振幅は２０μｍ（ｐ‐ｐ）とした。坩堝を取り出し、超音波照射終了から２０秒後に、注湯温度７００℃から、１６０℃に加熱したＪＩＳ４号金型に重力鋳造した。このときの溶湯の液相線は６４０℃に対して超音波終了温度が７００℃であり鋳造性に問題はなかった。なお、冷却速度は実施例１〜５と同様である。
得られた金型鋳造材には２２０℃×４時間の時効処理を施し、空冷した。その後、実施例１と同様に３５０℃引張試験及び室温引張試験、熱伝導率の評価を行った。このときの３５０℃引張特性、室温引張特性、熱伝導率を併せて表２に示す。
組成は実施例５と同じであるが超音波照射により、室温引張特性が向上していることがわかる。
比較例
比較例１〜５
同様に、アルミニウム合金の組成を表１のように調整し、実施例と同様の方法で鋳造を行った。超音波処理の有無、超音波処理温度、冷却速度、注湯温度、舟型温度は表３に示す通りである。なお、比較例３、５は超音波処理を施しており、超音波処理の方法は実施例６と同様である。
得られた金型鋳造材には２２０℃×４時間の時効処理を施し、空冷した。その後、実施例１と同様に３５０℃引張試験及び室温引張試験、熱伝導率の評価を行った。
このときの３５０℃引張特性、室温引張特性、熱伝導率を併せて表２に示す。
表１に示す結果から明らかなように、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｇ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｐ、或いはさらにＶ，Ｚｒ，Ｃｒ，Ｔｉ含有量を適切に調整した供試材では、所望の３５０℃引張特性、室温引張特性及び熱伝導率が得られている（実施例１〜８）。しかも、超音波照射を行った実施例６では、超音波照射を行わなかった実施例５と比べて、室温引張特性が大幅に向上していることがわかる。
図３は、それぞれ上記実施例５、６で製造されたアルミニウム合金の金属組織を示す顕微鏡写真である。白色部分がα相であり、灰色部分がＡｌ‐Ｎｉ‐Ｃｕ系またはＡｌ‐Ｆｅ‐Ｓｉ系の化合物、黒色部分は初晶Ｓｉの結晶である。これらの写真より超音波によって針状粗大な晶出物がなくなっていることが認められる。この針状粗大な晶出物の有無により室温引張特性が変化していると理解される。
これに対して添加合金成分が請求項に規定した範囲を外れた供試材では、所望の３５０℃引張特性、室温引張特性及び熱伝導率が得られていない（比較例１〜５）。
すなわち、比較例１では、３５０℃引張特性、室温引張特性は良好であったが、Ｍｎ添加量が多すぎるために熱伝導率が低くなっていることがわかる。
比較例２、３では、金属間化合物を形成する元素の添加量が少ないため、晶出物の量が少なく３５０℃引張特性、室温引張特性の基準を満たさなかった。比較例３では超音波照射をしたため室温特性が比較例２と比べて上昇したが、それでもなお３５０℃引張特性、室温引張特性ともに満足のいくものではなかった。
比較例４、５ではＦｅの添加量が多く３５０℃引張特性は良好であったが、室温引張特性が低かった。Ｆｅ添加量が多すぎたために晶出した金属間化合物が粗大化し、機械的性質が低下したものと考えられる。また過剰のＭｎを添加しているために熱伝導率が低かった。比較例５は超音波を照射しているが超音波照射によっても室温引張特性を改善しきれなかった。

本発明によれば、高温強度の低下を抑制する組成に調整するとともに、Ｍｎ含有量を極力少なくしてアルミニウムへの固溶を減らすことによって高温強度と熱伝導率に優れたアルミニウム合金が提供される。

１：超音波ジェネレータ
２：振動子
３：ホーン
４：ネジ方式接続
５：制御ユニット
６：電気炉
７：るつぼ
８：熱電対
９：溶湯

Claims

Ｓｉを１２〜１６質量％、Ｎｉを０．１〜２．５質量％、Ｃｕを３〜５質量％、Ｍｇを０．３〜１．２質量％、Ｆｅを０．３〜１．５質量％、Ｐを０．００４〜０．０２質量％を含み、残部がＡｌと不可避不純物から成る成分組成を有していることを特徴とする高温強度と熱伝導に優れたアルミニウム合金。
Ｓｉを１２〜１６質量％、Ｎｉを０．１〜２．５質量％、Ｃｕを３〜５質量％、Ｍｇを０．３〜１．２質量％、Ｆｅを０．３〜１．５質量％、Ｐを０．００４〜０．０２質量％、さらに０．１質量％以下のＭｎを以下含み、残部がＡｌと不可避不純物から成る成分組成を有する高温強度と熱伝導に優れたアルミニウム合金。
さらに、０．０１〜０．１質量％のＶ、０．０１〜０．６質量％のＺｒを１種類以上含む成分組成を有する請求項１又は２に記載の高温強度と熱伝導に優れたアルミニウム合金。
さらに、０．０１〜０．２質量％のＣｒ、０．０１〜０．２質量％のＴｉを１種類以上含む成分組成を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の高温強度と熱伝導に優れたアルミニウム合金。
０．２ｍｍ^２の観察視野をとったとき、晶出物の長手方向のサイズで大きい方から１０個の晶出物の平均が２３０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の高温強度と熱伝導に優れたアルミニウム合金。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の成分組成を有するアルミニウム合金溶湯に、液相線以上の温度で超音波を照射し、超音波照射終了後１００秒以内に鋳造することを特徴とする高温強度および熱伝導性に優れたアルミニウム合金の製造方法。