JP6028546B2 - Aluminum alloy - Google Patents
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Description
本発明は、ピストン等の自動車部品や他の広い分野で使用できる優れた機械的特性と耐摩耗性を備えた耐熱高強度のアルミニウム合金に関する。 The present invention relates to a heat-resistant and high-strength aluminum alloy having excellent mechanical properties and wear resistance that can be used in automobile parts such as pistons and other wide fields.
自動車用エンジン等の内燃機関のピストンは、高温・高負荷の下で高速運動するため、このピストンの材料には、軽量でかつ高温における強度が優れている材料が要求される。従来は、ＪＩＳ（日本工業規格）−ＡＣ８Ａ（Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｍｇ系）合金を代表とするアルミニウム合金が使用されてきたが、最近、内燃機関の高燃費化、高出力化により、特にピストンには更なる耐熱性と高温強度が要求されるようになってきている。 Since pistons of internal combustion engines such as automobile engines move at high speeds under high temperature and high load, materials for the pistons are required to be lightweight and have excellent strength at high temperatures. Conventionally, aluminum alloys represented by JIS (Japanese Industrial Standards) -AC8A (Al-Si-Cu-Ni-Mg) alloy have been used, but recently due to higher fuel consumption and higher output of internal combustion engines. In particular, further heat resistance and high-temperature strength are required for pistons.
ＡＣ８Ａ合金の成分は、アルミニウム（Ａｌ）に１２％のケイ素（Ｓｉ）と、１％の銅（Ｃｕ）と、１％のニッケル（Ｎｉ）と１％のマグネシウム（Ｍｇ）を添加したものであるが、このＡＣ８Ａ合金の耐熱性を更に向上させるために、このＡＣ８Ａ合金に対して、より多くの、銅（３〜５％程度）、マグネシウム（０．６〜１．５％程度）やニッケル（２〜３％程度）が添加されている。このアルミニウム合金の例として、ＭＡＨＬＥ−Ｍ１４２合金や、Ｍ１７４＋合金等があり、また、高温用途の為の高強度アルミニウム合金（例えば特許文献１参照）等も提案されている。 The components of the AC8A alloy are aluminum (Al) with 12% silicon (Si), 1% copper (Cu), 1% nickel (Ni) and 1% magnesium (Mg). However, in order to further improve the heat resistance of this AC8A alloy, more copper (about 3 to 5%), magnesium (about 0.6 to 1.5%), nickel ( About 2-3%) is added. Examples of this aluminum alloy include MAHLE-M142 alloy, M174 + alloy, and the like, and a high-strength aluminum alloy for high-temperature applications (see, for example, Patent Document 1) has also been proposed.
しかしながら、多量の銅、マグネシウムとニッケルを添加すると、アルミニウム合金が融け始める温度である固相線温度はＡＣ８Ａ合金の５３０℃程度から５１０℃近辺まで下がってしまう。一方、ディーゼルエンジンのような高出力エンジンの燃料室の最高温度は３７０℃に達しているため、固相線温度と燃焼室の最高温度との差は僅か１４０℃しかない。 However, when a large amount of copper, magnesium and nickel are added, the solidus temperature, which is the temperature at which the aluminum alloy begins to melt, decreases from about 530 ° C. to about 510 ° C. of the AC8A alloy. On the other hand, since the maximum temperature of the fuel chamber of a high-power engine such as a diesel engine has reached 370 ° C., the difference between the solidus temperature and the maximum temperature of the combustion chamber is only 140 ° C.
また、より多くの銅、マグネシウムとニッケルを添加すると、金属間化合物のサイズが粗大化するだけではなく、融点の更なる低下を招くので、大量の銅、マグネシウムやニッケルの添加によってアルミニウム合金の強度を改善させる方法は限界に来ている。従って、高強度アルミニウム合金の開発では、銅、マグネシウム、ニッケルを多く添加して引張強度を増加しても、できるだけ固相線温度を下げないようにする方法を見出す必要がある。 In addition, adding more copper, magnesium and nickel not only increases the size of the intermetallic compound, but also causes a further decrease in the melting point, so the addition of a large amount of copper, magnesium and nickel will increase the strength of the aluminum alloy. The way to improve is coming to a limit. Therefore, in the development of a high-strength aluminum alloy, it is necessary to find a method for preventing the solidus temperature from being lowered as much as possible even if the tensile strength is increased by adding a large amount of copper, magnesium and nickel.
従来のピストン用アルミニウム合金の開発においては、合金元素の添加によるアルミニウム合金そのものの固相線温度の低下及びそれに伴う高温強度の低下に関する研究は殆どなく、特に、アルミニウム合金中の主要元素である銅、ニッケル、マグネシウム、ケイ素のアルミニウム合金融点への複合作用については検討されていなかった。 In the development of conventional aluminum alloys for pistons, there has been little research on the decrease of the solidus temperature of the aluminum alloy itself due to the addition of alloying elements and the accompanying decrease in high-temperature strength, and in particular, copper, the main element in aluminum alloys The combined action of nickel, magnesium and silicon on the melting point of aluminum alloys has not been studied.
そこで、本発明者は、アルミニウム−ケイ素系（Ａｌ−Ｓｉ系）のアルミニウム合金の高温強度を改善するために、アルミニウム合金の固相線温度に及ぼす、主要成分のケイ素（Ｓｉ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）の添加量の影響を把握した上で、銅（Ｃｕ）の添加量とマグネシウム（Ｍｇ）の添加量の関係を見つけ、各添加量を調整して適正化することにより、アルミニウム合金の固相線温度をできるだけ低下させないようにしつつ、アルミニウム合金の融点、強度、破断伸びを設計できる、耐熱高強度のアルミニウム合金を、特願２０１２−０６０６３３の特許出願において提案している。 Therefore, in order to improve the high temperature strength of an aluminum-silicon (Al—Si) aluminum alloy, the present inventor has the main components of silicon (Si) and copper (Cu) that affect the solidus temperature of the aluminum alloy. ), The effect of nickel (Ni) and magnesium (Mg) additions, and the relationship between copper (Cu) additions and magnesium (Mg) additions were found and adjusted appropriately. In the patent application of Japanese Patent Application No. 2012-060633, a heat-resistant and high-strength aluminum alloy capable of designing the melting point, strength, and elongation at break of an aluminum alloy while preventing the solidus temperature of the aluminum alloy from being lowered as much as possible. is suggesting.
この耐熱高強度のアルミニウム合金は、ケイ素が１０．５質量％（ｍａｓｓ％）以上１３質量％以下で、かつ、ニッケルが１．５質量％以上３質量％以下で、かつ、銅が２質量％以上５．５質量％以下で、かつ、マグネシウムが０．１質量％以上０．６質量％以下で、かつ、鉄が０質量％以上０．２５質量％以下で、かつ、リンが０．００２質量％以上０．０２質量％以下で、かつ、チタンが０．０５質量％以上０．３質量％以下で、かつ、ジルコニウムが０．０５質量％以上０．２質量％以下で、かつ、バナジウムが０．０５質量％以上０．２質量％以下で、かつ、残部がアルミニウムと不可避不純物からなる耐熱高強度のアルミニウム合金である。 In this heat-resistant and high-strength aluminum alloy, silicon is 10.5% by mass (mass%) to 13% by mass, nickel is 1.5% by mass to 3% by mass, and copper is 2% by mass. 5.5% by mass or less, magnesium 0.1% by mass or more and 0.6% by mass or less, iron 0% by mass or more and 0.25% by mass or less, and phosphorus 0.002% or less. Mass% or more and 0.02 mass% or less, titanium is 0.05 mass% or more and 0.3 mass% or less, zirconium is 0.05 mass% or more and 0.2 mass% or less, and vanadium. Is a heat-resistant and high-strength aluminum alloy consisting of 0.05 mass% and 0.2 mass% with the balance being aluminum and inevitable impurities.
しかしながら、合金にピストン等のリターン材を使用する場合には、このリターン材に含まれている鉄（Ｆｅ）成分の混入を避けることができないという問題がある。つまり、この鉄の含有量が０．３質量％以上になると、針状アルミニウム−ケイ素−鉄（Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ）金属間化合物が析出し、破壊靱性及び高温強度を低下させるので、通常は、鉄の含有量は０．３質量％以下とする必要がある。特に、本発明の耐熱高強度のアルミニウム合金はピストン用耐熱合金としての使用も目指しているので、鉄の含有量を０．２５質量％以下にする必要があるが、積極的に鉄を加えなくても、合金のピストン等のリターン材を使用する場合には、０．８（質量％）にならない程度ではあるが、ニッケル鋳鉄（ニジレスト）の耐磨環等に由来する鉄が混入してしまう。 However, when a return material such as a piston is used for the alloy, there is a problem that it is impossible to avoid mixing of iron (Fe) components contained in the return material. That is, when the iron content is 0.3 mass% or more, acicular aluminum-silicon-iron (Al-Si-Fe) intermetallic compounds are precipitated, and the fracture toughness and high-temperature strength are reduced. The iron content must be 0.3% by mass or less. In particular, since the heat-resistant and high-strength aluminum alloy of the present invention is also aimed to be used as a heat-resistant alloy for pistons, it is necessary to keep the iron content to 0.25% by mass or less. However, when a return material such as an alloy piston is used, iron derived from nickel cast iron (nizirest) wear-resistant ring or the like is mixed, although it does not reach 0.8 (mass%). .
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、合金にピストン等のリターン材を使用して鉄（Ｆｅ）成分が混入するような場合であっても、マンガン（Ｍｎ）を適正な量添加することにより、アルミニウム合金の固相線温度のレベルアップと、疲労強度の向上を維持したまま、破壊靱性及び高温強度の低下を防止できる耐熱高強度のアルミニウム合金を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above situation, and the object of the present invention is manganese (Mn) even in the case where an iron (Fe) component is mixed into the alloy using a return material such as a piston. ) Is added in an appropriate amount to provide a heat-resistant and high-strength aluminum alloy capable of preventing the fracture toughness and high-temperature strength from being lowered while maintaining the level of solidus temperature of the aluminum alloy and improving the fatigue strength. There is.
上記の目的を達成するためのアルミニウム合金は、ケイ素が１０．５質量％（ｍａｓｓ％）以上１３質量％以下で、かつ、ニッケルが１．５質量％以上３質量％以下で、かつ、銅が２質量％以上５．５質量％以下で、かつ、マグネシウムが０．１質量％以上０．６質量％以下で、かつ、リンが０．００２質量％以上０．０２質量％以下で、かつ、チタンが０．０５質量％以上０．３質量％以下で、かつ、ジルコニウムが０．０５質量％以上０．２質量％以下で、かつ、バナジウムが０．０５質量％以上０．２質量％以下で、かつ、鉄が０質量％以上０．８質量％以下で、かつ、マンガンを０質量％以上０．１質量％以下で、かつ、残部がアルミニウムと不可避不純物からなるように構成される。 The aluminum alloy for achieving the above object is that silicon is 10.5% by mass (mass%) to 13% by mass, nickel is 1.5% by mass to 3% by mass, and copper is 2 mass% or more and 5.5 mass% or less, magnesium is 0.1 mass% or more and 0.6 mass% or less, phosphorus is 0.002 mass% or more and 0.02 mass% or less, and Titanium is 0.05 mass% or more and 0.3 mass% or less, Zirconium is 0.05 mass% or more and 0.2 mass% or less, and Vanadium is 0.05 mass% or more and 0.2 mass% or less. In addition, it is configured such that iron is 0% by mass or more and 0.8% by mass or less, manganese is 0% by mass or more and 0.1% by mass or less, and the balance is made of aluminum and inevitable impurities.
また、上記のアルミニウム合金において、マグネシウムの含有量をＣｍｇ質量％とし、銅の含有量をＣｃｕ質量％としたときに、「０．５１−０．１２×Ｃｃｕ≦Ｃｍｇ≦１．１１−０．１２×Ｃｃｕ」の関係を満足するように構成される。 In the above aluminum alloy, when the magnesium content is C mg mass% and the copper content is Ccu mass%, “0.51-0.12 × Ccu ≦ Cmg ≦ 1.11-0. It is configured to satisfy the relationship of “12 × Ccu”.
また、上記のアルミニウム合金において、更に、鉄の含有量を０．４質量％以上０．５質量％以下の範囲に、かつ、マンガンの含有量を０．０８質量％以上０．１質量％以下の範囲にし、鉄の含有量が０．４質量％未満の場合には、マンガンを添加しないようにすると、より、アルミニウム合金の固相線温度と、疲労強度と、破壊靱性及び高温強度とがバランスよく向上できる。 In the above aluminum alloy, the iron content is further in the range of 0.4 mass% to 0.5 mass%, and the manganese content is 0.08 mass% to 0.1 mass%. When the iron content is less than 0.4% by mass, if the manganese content is not added, the solidus temperature, fatigue strength, fracture toughness and high temperature strength of the aluminum alloy can be further increased. The balance can be improved.
この本発明は、本発明者が次の知見を得て想到したものである。つまり、内燃機関のピストン用のアルミニウム合金には、日本工業規格（ＪＩＳ）のＡＣ８Ａ合金のようなアルミニウム−ケイ素系合金を基にしてその成分組成を変更したアルミニウム合金を使用している。 The present invention has been conceived by the inventor with the following knowledge. That is, as an aluminum alloy for a piston of an internal combustion engine, an aluminum alloy whose component composition is changed based on an aluminum-silicon alloy such as an AC8A alloy of Japanese Industrial Standard (JIS) is used.
このケイ素（Ｓｉ）の含有量と固相線温度との関係に関しては、アルミニウム−ケイ素系二元合金の共晶点におけるケイ素の含有量は１２．６質量％で、ピストン用アルミニウム合金中のケイ素の含有量は共晶点に近く、組織としては、亜共晶、共晶または過共晶の組織を有する。このアルミニウム−ケイ素系二元合金の共晶温度は５７７℃であり、ケイ素の含有量が１．６５％以下の場合では、アルミニウム−ケイ素系二元合金の固相線温度はケイ素の含有量の増加に従い、アルミニウム融点の６６０℃から低下する。しかし、ケイ素の含有量が１．６５％以上になると、固相線温度は共晶温度の５７７℃になる。つまり、アルミニウム−ケイ素系二元合金の場合は、１．６５％以上のケイ素を添加しても固相線温度に影響しない。 Regarding the relationship between the silicon (Si) content and the solidus temperature, the silicon content at the eutectic point of the aluminum-silicon binary alloy is 12.6% by mass. The content of is close to the eutectic point, and the structure has a hypoeutectic, eutectic or hypereutectic structure. The eutectic temperature of this aluminum-silicon binary alloy is 577 ° C., and when the silicon content is 1.65% or less, the solidus temperature of the aluminum-silicon binary alloy is equal to the silicon content. As the temperature increases, the aluminum melting point decreases from 660 ° C. However, when the silicon content is 1.65% or more, the solidus temperature becomes the eutectic temperature of 577 ° C. That is, in the case of an aluminum-silicon binary alloy, the addition of 1.65% or more of silicon does not affect the solidus temperature.
また、銅（Ｃｕ）の含有量と固相線温度との関係に関しては、アルミニウム−銅二元合金の共晶温度は５４８℃であり、銅の含有量が５．７質量％以下の場合では、アルミニウム−銅二元合金の固相線温度は銅の含有量に従い、アルミニウム融点の６６０℃から低下する。しかし、銅の含有量が５．７質量％以上になると、固相線温度は共晶温度の５４８℃になる。つまり、アルミニウム−銅二元合金では、銅の含有量が５．７質量％以下の場合には、１質量％の銅を添加すると、固相線温度は１９．６５℃位低下する。 Regarding the relationship between the copper (Cu) content and the solidus temperature, the eutectic temperature of the aluminum-copper binary alloy is 548 ° C., and the copper content is 5.7% by mass or less. The solidus temperature of the aluminum-copper binary alloy decreases from the aluminum melting point of 660 ° C. according to the copper content. However, when the copper content is 5.7% by mass or more, the solidus temperature becomes the eutectic temperature of 548 ° C. That is, in the aluminum-copper binary alloy, when the copper content is 5.7% by mass or less, the addition of 1% by mass of copper lowers the solidus temperature by about 19.65 ° C.
また、マグネシウム（Ｍｇ）の含有量と固相線温度との関係に関しては、アルミニウム−マグネシウム二元合金の共晶温度は４５０℃であり、マグネシウムの含有量が１８．９％以下の場合は、アルミニウム−マグネシウム二元合金の固相線温度はマグネシウムの含有量に従い、アルミニウム融点の６６０℃から低下する。しかし、マグネシウムの含有量が１８．９％以上になると、固相線温度は共晶温度の４５０℃になる。つまり、アルミニウム−マグネシウム二元合金では、マグネシウムの含有量が１８．９％以下の場合には、１質量％のマグネシウムを添加すると、固相線温度は１１．１１℃位低下する。 Further, regarding the relationship between the magnesium (Mg) content and the solidus temperature, the eutectic temperature of the aluminum-magnesium binary alloy is 450 ° C., and when the magnesium content is 18.9% or less, The solidus temperature of the aluminum-magnesium binary alloy decreases from the aluminum melting point of 660 ° C. according to the magnesium content. However, when the magnesium content is 18.9% or more, the solidus temperature becomes the eutectic temperature of 450 ° C. That is, in the aluminum-magnesium binary alloy, when the magnesium content is 18.9% or less, the addition of 1% by mass of magnesium lowers the solidus temperature by about 11.11 ° C.
また、ニッケル（Ｎｉ) の含有量と固相線温度との関係に関しては、アルミニウム−ニッケル二元合金の共晶温度は６４０℃である。微量のニッケルを添加しても固相線温度は６４０℃になるが、しかし、数十％以上添加しても固相線温度は変化しない。つまり、一旦微量のニッケルを添加した後、ニッケルの添加量を増加しても、固相線温度は変化しない。 Regarding the relationship between the nickel (Ni) content and the solidus temperature, the eutectic temperature of the aluminum-nickel binary alloy is 640 ° C. Even if a small amount of nickel is added, the solidus temperature becomes 640 ° C. However, even if several tens% or more is added, the solidus temperature does not change. That is, the solidus temperature does not change even if a small amount of nickel is added and then the amount of nickel added is increased.
また、少量のマグネシウムによる効果に関しては、鋳造性の良いアルミニウム−ケイ素系合金においては、少量のマグネシウムを添加することで、Ｍｇ2Ｓｉの中間相の析出による熱処理効果で強度を高めている。また、アルミニウム−ケイ素系合金に銅を添加する場合は、α−Ａｌ（アルミニウム）への銅の固溶硬化とＣｕＡｌ2の中間相の析出硬化を利用してアルミニウム合金の強度を向上させている。 As for the effect of a small amount of magnesium, in an aluminum-silicon alloy having good castability, the strength is increased by adding a small amount of magnesium due to the heat treatment effect due to the precipitation of an intermediate phase of Mg 2 Si. Moreover, when adding copper to an aluminum-silicon alloy, the strength of the aluminum alloy is improved by utilizing solid solution hardening of copper in α-Al (aluminum) and precipitation hardening of an intermediate phase of CuAl 2 . .
また、銅とマグネシウムの添加量の関係に関しては、銅とマグネシウムの添加量を増やすと、引張強度は向上するが、破断伸びが小さくなるという問題がある。また、アルミニウム合金への強化効果においては、室温ではＭｇ2Ｓｉによる効果はＣｕＡｌ2による効果より大きいが、高温ではＭｇ2Ｓｉによる効果はＣｕＡｌ2による効果より劣る。そのため、アルミニウム合金の強度を向上させるためには、より多くの銅とマグネシウムを添加すればよいが、一定の添加量を超えると、晶出する金属間化合物が粗大化するため、強度は逆に低下する可能性がある。 Regarding the relationship between the amounts of copper and magnesium added, increasing the amount of copper and magnesium added increases the tensile strength, but reduces the elongation at break. Further, in the strengthening effect on the aluminum alloy, the effect of Mg 2 Si is larger than the effect of CuAl 2 at room temperature, but the effect of Mg 2 Si is inferior to the effect of CuAl 2 at a high temperature. Therefore, in order to improve the strength of the aluminum alloy, more copper and magnesium may be added. However, if the amount exceeds a certain amount, the intermetallic compound crystallizes out, so the strength is reversed. May be reduced.
これらの結果を踏まえて、アルミニウムとの二元合金においては、固相線温度への影響に関しては、ニッケルの添加とケイ素の添加と比較すると、銅の添加とマグネシウムの添加による固相線温度の低下が非常に大きいことが分かる。一般にピストン用アルミニウム合金中のケイ素の含有量は１２質量％で、ニッケルの含有量は１〜３質量％であるので、アルミニウム合金中でケイ素の含有量とニッケルの含有量を変化させてもアルミニウム合金の固相線温度への影響は非常に少ない。従って、アルミニウム合金の固相線温度への影響の大きい銅とマグネシウムの複合作用を見極めることで、先の特許出願の特願２０１２−０６０６３３で提案した耐熱高強度のアルミニウム合金を得ることができた。 Based on these results, in the binary alloy with aluminum, regarding the effect on the solidus temperature, compared to the addition of nickel and the addition of silicon, the solidus temperature due to the addition of copper and the addition of magnesium It can be seen that the decline is very large. Generally, the silicon content in the aluminum alloy for pistons is 12% by mass and the nickel content is 1 to 3% by mass. Therefore, even if the silicon content and the nickel content are changed in the aluminum alloy, the aluminum content The influence of the alloy on the solidus temperature is very small. Therefore, by determining the composite action of copper and magnesium having a large influence on the solidus temperature of the aluminum alloy, it was possible to obtain the heat-resistant and high-strength aluminum alloy proposed in Japanese Patent Application No. 2012-060633 of the previous patent application. .
本発明においては、更に、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、リン（Ｐ）の添加による疲労強度向上と、銅とマグネシウムの含有量の減少による固相線温度のレベルアップ及び疲労強度(ＳＮ曲線）の向上と、破壊靱性、耐摩耗性や強度の低下の防止を図るために鉄（Ｆｅ)とマンガン（Ｍｎ)との関係を加えている。 In the present invention, the fatigue strength is improved by adding titanium (Ti), vanadium (V), zirconium (Zr), and phosphorus (P), and the solidus temperature is increased by reducing the contents of copper and magnesium. In addition, the relationship between iron (Fe) and manganese (Mn) is added to improve fatigue strength (SN curve) and prevent fracture toughness, wear resistance, and strength reduction.
本発明者が行った実験結果によれば、チタン、バナジウム、ジルコニウム、リンの添加の有無による引張強度（２５℃）への影響は小さいが、疲労強度（３５０℃）への向上効果は大きい。特に、チタン、バナジウム、ジルコニウム、リンを添加していない合金の場合には、合金の組織で見た場合に、微量の初晶ケイ素粒子が析出されているが、組織は基本的に亜共晶で、デンドライト状のα−Ａｌ粒子は大きく成長しているという結果を得ているが、リンを僅か７０ｐｐｍ添加した合金の場合には、初晶ケイ素粒子が細かくなり、かつ、その数も多くなっている。そこで、リンに加えて、更に、微量のチタン、バナジウム、ジルコニウム、リンを添加した場合には、組織全体が細かくなり、最後に凝固する共晶部分は均一に分散され、更に細かくなっている。そのため、チタン、バナジウム、ジルコニウム、リンを添加した合金では、疲労強度向上が著しく向上している。 According to the results of experiments conducted by the present inventor, the influence on the tensile strength (25 ° C.) due to the presence or absence of addition of titanium, vanadium, zirconium, and phosphorus is small, but the improvement effect on the fatigue strength (350 ° C.) is large. In particular, in the case of an alloy not added with titanium, vanadium, zirconium, or phosphorus, a small amount of primary silicon particles are precipitated when viewed in the structure of the alloy, but the structure is basically hypoeutectic. The results show that the dendritic α-Al particles are growing greatly, but in the case of an alloy with only 70 ppm of phosphorus, the primary silicon particles become finer and the number thereof increases. ing. Therefore, when a small amount of titanium, vanadium, zirconium, or phosphorus is added in addition to phosphorus, the entire structure becomes finer, and the eutectic portion that solidifies at the end is uniformly dispersed and made finer. Therefore, the fatigue strength improvement is remarkably improved in the alloy added with titanium, vanadium, zirconium, and phosphorus.
また、銅とマグネシウムの関係に関しては、上記に加えて、銅とマグネシウムの含有量を増やした場合は、固相線温度が下がるが、銅は疲労強度に最も貢献できる元素である。一方、マグネシウムも引張強度と疲労強度に貢献できる元素である。しかし、銅とマグネシウムの両方を同時に高いレベルに添加すると、固相線温度が急激に低下し、引張強度は向上するが、疲労強度は低下する傾向になる。一方、チタン、バナジウム、ジルコニウム、リンを添加した合金は、疲労強度が向上し、ＳＮ曲線の傾きはより穏やかになっている。 Moreover, regarding the relationship between copper and magnesium, in addition to the above, when the content of copper and magnesium is increased, the solidus temperature decreases, but copper is an element that can contribute most to fatigue strength. On the other hand, magnesium is an element that can contribute to tensile strength and fatigue strength. However, when both copper and magnesium are simultaneously added to a high level, the solidus temperature rapidly decreases and the tensile strength increases, but the fatigue strength tends to decrease. On the other hand, the alloy added with titanium, vanadium, zirconium, and phosphorus has improved fatigue strength, and the slope of the SN curve becomes gentler.
つまり、高温強度に最も貢献できる銅を多く添加する場合には、マグネシウムを減らすと、固相線温度を下げなくて済む。言い換えれば、銅を多く添加した場合、マグネシウムはある意味で過剰になるので、このマグネシウムを減らすことは、材料の固相線温度の向上につながり、材料の耐熱性を向上させる。特に、マグネシウムを減らすと、引張強度と疲労強度は共に向上する。また、銅を増やした場合には、マグネシウムを減らさないと、アルミニウム合金の高強度化はできない。銅とマグネシウムは似た効果があるので、銅を多く添加した場合、マグネシウムはアルミで過剰になり、それを減らすことは材料の固相線温度の向上にもつながり、材料の耐熱性を向上させることになる。 That is, when adding a large amount of copper that can contribute most to the high-temperature strength, if the amount of magnesium is reduced, the solidus temperature need not be lowered. In other words, when a large amount of copper is added, magnesium becomes excessive in a sense, so reducing this magnesium leads to an increase in the solidus temperature of the material and improves the heat resistance of the material. In particular, when magnesium is reduced, both tensile strength and fatigue strength are improved. Moreover, when copper is increased, the strength of the aluminum alloy cannot be increased unless magnesium is reduced. Since copper and magnesium have similar effects, if a large amount of copper is added, magnesium will be excessive in aluminum, and reducing it will also increase the solidus temperature of the material and improve the heat resistance of the material It will be.
一方、鉄（Ｆｅ）の増加に対して、不純物の鉄を結合して破壊靱性、耐摩耗性や強度の低下を軽減するマンガン（Ｍｎ）を適量加えることにより、鉄の増加による破壊靱性、耐摩耗性や強度の低下を防止することができる。 On the other hand, with respect to the increase in iron (Fe), by adding an appropriate amount of manganese (Mn) that binds impurity iron and reduces the decrease in fracture toughness, wear resistance and strength, fracture toughness and resistance due to increase in iron are increased. Abrasion and strength reduction can be prevented.
本発明のアルミニウム合金によれば、銅とマグネシウムの添加量を調節することによりアルミニウム合金の固相線温度を最大限に高くすることができると共に、より耐熱性に優れ、高強度とすることができるので、優れた機械的特性と耐摩耗性を備えることができ、高強度軽量化部材としてピストンなどの自動車部品や他の広い分野に使用できるアルミニウム合金が得られる。 According to the aluminum alloy of the present invention, the solidus temperature of the aluminum alloy can be maximized by adjusting the addition amounts of copper and magnesium, and more excellent in heat resistance and high strength. As a result, excellent mechanical properties and wear resistance can be provided, and an aluminum alloy that can be used for automobile parts such as pistons and other wide fields as a high-strength and lightweight member can be obtained.
また、ニッケルを、高温強度の向上に寄与させるために、つまり、高温疲労係数を向上させるために添加するが、その含有量が１．５質量％未満では十分な高温強度を得ることができず、３質量％を超えるとその効果が次第に小さくなるので、ニッケルの含有量を１．５質量％以上３質量％以下とすることにより、ニッケルを効率良く利用して高温強度を向上できるという効果を奏することができる。 Nickel is added to contribute to the improvement of high temperature strength, that is, to improve the high temperature fatigue coefficient. However, if its content is less than 1.5% by mass, sufficient high temperature strength cannot be obtained. When the content exceeds 3% by mass, the effect gradually decreases. Therefore, by setting the nickel content to 1.5% by mass or more and 3% by mass or less, the effect of improving the high-temperature strength by efficiently using nickel is obtained. Can play.
更に、チタン、バナジウム、ジルコニウム、リンの添加により高温の疲労強度（３５０℃）を向上させることができ、銅とマグネシウムの含有量を減らすことにより、固相線温度のレベルアップを図ることができる。また、高温強度に最も貢献できる銅を多く添加すると共に、過剰になったマグネシウムを減らすことで、材料の固相線温度の向上を図り、材料の耐熱性を向上させることができる。 Furthermore, the addition of titanium, vanadium, zirconium, and phosphorus can improve high-temperature fatigue strength (350 ° C.), and the level of solidus temperature can be increased by reducing the contents of copper and magnesium. . Further, by adding a large amount of copper that can contribute most to high-temperature strength and reducing excess magnesium, the solidus temperature of the material can be improved, and the heat resistance of the material can be improved.
特に、鉄の増加に対して、マンガンを適量加えることにより、不純物の鉄を結合して破壊靱性、耐摩耗性や強度の低下を防止することができる。 In particular, by adding an appropriate amount of manganese to the increase in iron, impurities such as iron can be bonded to prevent fracture toughness, wear resistance, and strength from being lowered.
以下、本発明に係る実施の形態のアルミニウム合金について説明する。この実施の形態のアルミニウム合金はアルミニウム−ケイ素系（Ａｌ−Ｓｉ系）合金であり、アルミニウム合金は、ケイ素（Ｓｉ）が１０．５質量％（ｍａｓｓ％）以上１３質量％以下で、かつ、ニッケル（Ｎｉ）が１．５質量％以上３質量％以下で、かつ、銅（Ｃｕ）が２質量％以上５．５質量％以下で、かつ、マグネシウム（Ｍｇ）が０．１質量％以上０．６質量％以下で、かつ、リン（Ｐ）が０．００２質量％以上０．０２質量％以下で、かつ、チタン（Ｔｉ）が０．０５質量％以上０．３質量％以下で、かつ、ジルコニウム（Ｚｒ）が０．０５質量％以上０．２質量％以下で、かつ、バナジウム（Ｖ）が０．０５質量％以上０．２質量％以下で、かつ、鉄が０質量％以上０．８質量％以下で、かつ、マンガンを０質量％以上０．１質量％以下で、かつ、残部がアルミニウム（Ａｌ）と不可避不純物からなるように構成される。 Hereinafter, an aluminum alloy according to an embodiment of the present invention will be described. The aluminum alloy of this embodiment is an aluminum-silicon (Al—Si) alloy, and the aluminum alloy has silicon (Si) of 10.5 mass% (mass%) to 13 mass% and nickel. (Ni) is 1.5 mass% or more and 3 mass% or less, copper (Cu) is 2 mass% or more and 5.5 mass% or less, and magnesium (Mg) is 0.1 mass% or more and 0.00 mass% or less. 6 mass% or less, phosphorus (P) is 0.002 mass% or more and 0.02 mass% or less, titanium (Ti) is 0.05 mass% or more and 0.3 mass% or less, and Zirconium (Zr) is 0.05 mass% or more and 0.2 mass% or less, vanadium (V) is 0.05 mass% or more and 0.2 mass% or less, and iron is 0 mass% or more and 0.0 mass% or less. 8% by mass or less and 0% by mass to 0.1% manganese % Or less, and configured to balance being aluminum (Al) from inevitable impurities.
また、より好ましくは、更に、鉄の含有量を０．４質量％以上０．５質量％以下の範囲に、かつ、マンガンの含有量を０．０８質量％以上０．１質量％以下の範囲にし、鉄の含有量が０．４質量％未満の場合には、マンガンを添加しないようにする。これにより、アルミニウム合金の固相線温度と、疲労強度と、破壊靱性及び高温強度とをバランスよく向上させることができる。 More preferably, the iron content is in the range of 0.4 mass% to 0.5 mass%, and the manganese content is in the range of 0.08 mass% to 0.1 mass%. In the case where the iron content is less than 0.4% by mass, manganese is not added. Thereby, the solidus temperature, fatigue strength, fracture toughness, and high temperature strength of the aluminum alloy can be improved in a balanced manner.
更に、このアルミニウム合金の化学成分において、マグネシウム（Ｍｇ）の含有量をＣｍｇ質量％とし、銅（Ｃｕ）の含有量をＣｃｕ質量％としたときに、「０．５１−０．１２×Ｃｃｕ≦Ｃｍｇ≦１．１１−０．１２×Ｃｃｕ」の関係を満足するように、好ましくは、「Ｃｍｇ＝０．８１−０．１２×Ｃｃｕ」の関係式を有するように、構成される。 Further, in the chemical composition of this aluminum alloy, when the content of magnesium (Mg) is Cmg mass% and the content of copper (Cu) is Ccu mass%, “0.51-0.12 × Ccu ≦ In order to satisfy the relationship of “Cmg ≦ 1.11−0.12 × Ccu”, it is preferably configured to have a relational expression of “Cmg = 0.81−0.12 × Ccu”.
次に、本発明におけるアルミニウム合金の各成分元素の含有量の関係について説明する。 Next, the relationship of the content of each component element of the aluminum alloy in the present invention will be described.
最初にケイ素（Ｓｉ）の含有量の１０．５質量％以上１３質量％以下に関しては、ピストン用アルミニウム合金においては、耐摩耗性と強度を向上させるため、微細な初晶ケイ素粒子の析出が望ましい。アルミニウム−ケイ素二元合金の共晶点のケイ素含有量は１２．６％であるが、本発明のアルミニウム−ケイ素多元合金では、後に説明する銅（Ｃｕ）、リン（Ｐ）の添加量により、共晶点は低ケイ素側にシフトし、ケイ素の含有量が１０．５質量％でも初晶ケイ素粒子が析出される。一方、ケイ素の添加量が１３質量％よりも高くなると、析出される初晶ケイ素粒子は大きくなり、アルミニウム合金の機械的特性は悪くなる。言い換えれば、下限の１０．５質量％は初晶ケイ素粒子が十分に析出され始める量であり、上限の１３質量％は析出される初晶ケイ素粒子が大きくなって機械的特性が不十分になり始める量である。 First, regarding the silicon (Si) content of 10.5 mass% or more and 13 mass% or less, in the aluminum alloy for pistons, it is desirable to deposit fine primary silicon particles in order to improve wear resistance and strength. . The silicon content of the eutectic point of the aluminum-silicon binary alloy is 12.6%, but in the aluminum-silicon multicomponent alloy of the present invention, depending on the amount of copper (Cu) and phosphorus (P) to be described later, The eutectic point shifts to the low silicon side, and even if the silicon content is 10.5% by mass, primary silicon particles are precipitated. On the other hand, when the amount of silicon added is higher than 13% by mass, the precipitated primary silicon particles become large and the mechanical properties of the aluminum alloy deteriorate. In other words, the lower limit of 10.5% by mass is the amount at which primary silicon particles begin to precipitate sufficiently, and the upper limit of 13% by mass causes the primary silicon particles to precipitate to become large, resulting in insufficient mechanical properties. The amount to start.
次にニッケル（Ｎｉ）の含有量の１．５質量％以上３質量％以下に関しては、ニッケルは高温強度の向上に寄与するが、その含有量は１．５質量％未満では十分な高温強度を得ることができず、一方、３質量％を超えると、その効果が次第に小さくなる。そのため、１．５質量％以上３質量％以下とする。 Next, with respect to the nickel (Ni) content of 1.5 mass% or more and 3 mass% or less, nickel contributes to the improvement of high-temperature strength, but if the content is less than 1.5 mass%, sufficient high-temperature strength is achieved. On the other hand, when it exceeds 3% by mass, the effect is gradually reduced. Therefore, it is 1.5 mass% or more and 3 mass% or less.
次に銅（Ｃｕ）の含有量の２質量％以上５．５質量％以下とマグネシウム（Ｍｇ）の０．１質量％以上０．６質量％以下に関しては、ピストン用アルミニウム合金には優れた耐熱性が求められるので、耐熱性を向上させるためには、銅は不可欠な元素で、銅の添加量が多い方が望ましく、銅の添加量は多ければ多いほどよいが、アルミニウム合金の固相線温度を大きく低下させることがあるので、最大でも５．５質量％とする。言い換えれば、下限の２質量％は耐熱性の向上に必要な量であり、上限の５．５質量％は固相線温度の低下の限界から決まる量である。 Next, with respect to the copper (Cu) content of 2% by mass to 5.5% by mass and magnesium (Mg) of 0.1% by mass to 0.6% by mass, the piston aluminum alloy has excellent heat resistance. In order to improve heat resistance, copper is an indispensable element, and it is desirable to add a large amount of copper. The higher the amount of copper added, the better. Since the temperature may be greatly reduced, the maximum content is 5.5% by mass. In other words, the lower limit of 2% by mass is an amount necessary for improving the heat resistance, and the upper limit of 5.5% by mass is an amount determined from the limit of the decrease in the solidus temperature.
そして、銅とマグネシウムの両方とも、アルミニウム合金の固相線温度を大きく低下させる効果のある元素であるが、高温における強度を向上させるために、最大限に銅を添加する場合、固相線温度への影響を最小限にする方法としてマグネシウムの添加量を減らすことが重要である。また、銅を多く添加し、さらにマグネシウムの添加量を減らすと、共晶点を低ケイ素側にシフトさせるので、ケイ素が１０．５質量％の場合でも、組織的に過共晶アルミニウム−ケイ素系合金になり、初晶ケイ素が析出される。 And both copper and magnesium are elements that have the effect of greatly reducing the solidus temperature of the aluminum alloy, but in order to improve the strength at high temperatures, when adding copper to the maximum, the solidus temperature It is important to reduce the amount of magnesium added as a method of minimizing the impact on the environment. Further, when a large amount of copper is added and the addition amount of magnesium is further reduced, the eutectic point is shifted to the low silicon side. Therefore, even when silicon is 10.5% by mass, the hypereutectic aluminum-silicon system is systematically formed. An alloy is formed and primary silicon is deposited.
そこで、アルミニウム合金中に多くの銅を添加した場合にはマグネシムを少なめに添加し、また、銅を少なめに添加した場合には、マグネシウムを多めに添加する。この両者の関係として、次に示す関係式（１）を発現した。なお、この（１）式は実験結果から導出している。
Ｃｍｇｃ＝０．８１−０．１２×Ｃｃｕ （１）
Therefore, when a large amount of copper is added to the aluminum alloy, a small amount of magnesium is added. When a small amount of copper is added, a large amount of magnesium is added. As a relationship between the two, the following relational expression (1) was expressed. This equation (1) is derived from the experimental results.
Cmgc = 0.81-0.12 × Ccu (1)
ここで、Ｃｍｇｃはマグネシウムの含有量（質量％）に対応する計算値で、Ｃｃｕは銅の含有量（質量％）である。また、マグネシウムの含有量（質量％）であるＣｍｇの添加量の範囲は（１）式による計算値のＣｍｇｃより±０．３（質量％）の範囲内であればよい。
つまり、
Ｃｍｇｃ１＝０．５１−０．１２×Ｃｃｕ （２）
Ｃｍｇｃ２＝１．１１−０．１２×Ｃｃｕ （３）
とした時に、
Ｃｍｇｃ１≦Ｃｍｇ≦Ｃｍｇｃ２ （４）
の関係があればよい。
Here, Cmgc is a calculated value corresponding to the magnesium content (mass%), and Ccu is the copper content (mass%). Moreover, the range of the addition amount of Cmg which is content (mass%) of magnesium should just be in the range of +/- 0.3 (mass%) from Cmgc of the calculated value by Formula (1).
That means
Cmgc1 = 0.51−0.12 × Ccu (2)
Cmgc2 = 1.11−0.12 × Ccu (3)
When
Cmgc1 ≦ Cmg ≦ Cmgc2 (4)
If there is a relationship.
例えば、５．５質量％の銅を添加する場合には、０．１質量％のマグネシウムを添加すればよいが、２質量％の銅を添加する場合には、０．５２質量％のマグネシウムを添加する。具体的な例としては、表２に示す、引張強度が４２６ＭＰａで、疲労強度が４９ＭＰａであり両方とも優れている「合金Ｋ」では、Ｃｍｇ＝０．５１、Ｃｃｕ＝４．７３であり、（２）式、及び、（３）式に当てはめると「Ｃｍｇｃ１＝０．５１−０．１２×４．７３＝−０．０５７６」、及び、「Ｃｍｇｃ２＝１．１１−０．１２×４．７３＝０．５４２４」であり、（４）式の関係は、「−０．０５７６＜０．５１＜０．５４２４」、つまり、「Ｃｍｇｃ１＜Ｃｍｇ＜Ｃｍｇｃ２」となっており、上記の関係の範囲内に入っていることが分かる。 For example, when adding 5.5% by weight of copper, 0.1% by weight of magnesium may be added. When adding 2% by weight of copper, 0.52% by weight of magnesium is added. Added. As a specific example, in “Alloy K” shown in Table 2 where tensile strength is 426 MPa, fatigue strength is 49 MPa, and both are excellent, Cmg = 0.51, Ccu = 4.73, When applied to the formulas 2) and (3), “Cmgc1 = 0.51−0.12 × 4.73 = −0.0576” and “Cmgc2 = 1.11−0.12 × 4.73 = 0.5424 ", and the relationship of the expression (4) is" -0.0576 <0.51 <0.5424 ", that is," Cmgc1 <Cmg <Cmgc2 ", and the range of the above relationship You can see that it is inside.
次に、鉄（Ｆｅ）に関しては、鉄の含有量が０．３質量％以上になると、針状アルミニウム−ケイ素−鉄（Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ）金属間化合物が析出し、破壊靱性及び高温強度を低下させるので、通常は、鉄の含有量は０．３質量％以下とする必要がある。特に、この成分のアルミニウム合金はピストン用耐熱合金なので、鉄の含有量は０．２５質量％以下にする必要がある。 Next, regarding iron (Fe), when the iron content is 0.3 mass% or more, acicular aluminum-silicon-iron (Al-Si-Fe) intermetallic compounds are precipitated, and fracture toughness and high temperature strength are obtained. In general, the iron content should be 0.3% by mass or less. In particular, since the aluminum alloy of this component is a heat-resistant alloy for pistons, the iron content must be 0.25% by mass or less.
しかしながら、積極的に鉄を加えなくても、合金のピストン等のリターン材を使用する場合には、０．５（質量％）にならない程度ではあるが、ニッケル鋳鉄（ニジレスト）の耐磨環等に由来する鉄が混入してしまう。そのため、本発明においては、鉄が０質量％以上０．８質量％以下の場合に、不純物の鉄を結合して破壊靱性、耐摩耗性や強度の低下を軽減するマンガンを０質量％以上０．１質量％以下の量で添加する。また、より好ましくは、鉄の含有量を０．４質量％以上０．５質量％以下の範囲に、かつ、マンガンの含有量を０．０８質量％以上０．１質量％以下の範囲にし、鉄の含有量が０．４質量％未満の場合には、マンガンを添加しないようにする。 However, even when iron is not actively added, when using a return material such as an alloy piston, it does not become 0.5 (mass%), but it is a nickel cast iron (nizirest) wear resistant ring, etc. Iron derived from is mixed. Therefore, in the present invention, when the iron content is 0% by mass or more and 0.8% by mass or less, 0% by mass or more and 0% by mass of manganese, which combines the impurity iron to reduce deterioration in fracture toughness, wear resistance, and strength, Add in an amount of 1% by weight or less. More preferably, the iron content is in the range of 0.4 mass% to 0.5 mass%, and the manganese content is in the range of 0.08 mass% to 0.1 mass%, When the iron content is less than 0.4% by mass, manganese is not added.
次にリン（Ｐ）の０．００２質量％以上０．０２質量％以下に関しては、リンは耐摩耗性の向上に有効な初晶ケイ素の核生成に作用し、微細な初晶ケイ素の均一分散に寄与する。リンの含有量が２０ｐｐｍ未満であるとそのような効果が不十分となり、２００ｐｐｍを超えるとそれ以上の効果が見られない。よって、リンの含有量は２０〜２００ｐｐｍが好ましく、０．００２質量％以上０．０２質量％以下とする。 Next, regarding 0.002% by mass or more and 0.02% by mass or less of phosphorus (P), phosphorus acts on nucleation of primary silicon effective in improving wear resistance, and uniform dispersion of fine primary crystal silicon. Contribute to. If the phosphorus content is less than 20 ppm, such an effect is insufficient, and if it exceeds 200 ppm, no further effect is observed. Therefore, the content of phosphorus is preferably 20 to 200 ppm, and is 0.002% by mass or more and 0.02% by mass or less.
また、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びバナジウム（Ｖ）に関しては、それぞれチタンが０．０５質量％以上０．３質量％以下、ジルコニウムが０．０５質量％以上０．２質量％以下、バナジウムが０．０５質量％以上０．２質量％以下の含有量とする。チタン、ジルコニウム及びバナジウムの添加は、α−Ａｌ相の微細化や微細分散粒子の生成に寄与し、アルミニウム合金の耐熱性を向上させる効果がある。そして、上記の範囲の下限以下になると、その効果が不十分であり、上記の範囲の上限を超えて含有しても更なる効果の向上は望めない。 Regarding titanium (Ti), zirconium (Zr), and vanadium (V), titanium is 0.05% by mass to 0.3% by mass, zirconium is 0.05% by mass to 0.2% by mass, The vanadium content is 0.05 mass% or more and 0.2 mass% or less. The addition of titanium, zirconium and vanadium contributes to the refinement of the α-Al phase and the generation of finely dispersed particles, and has the effect of improving the heat resistance of the aluminum alloy. And if it becomes below the lower limit of said range, the effect is inadequate, and even if it contains exceeding the upper limit of said range, the improvement of the further effect cannot be expected.
この表１と表２に示すアルミニウム合金は、ＡＣ４Ｃ合金またはＡＣ１Ｂ合金に、銅、ケイ素、マグネシウム、ニッケル、アルミニウム−チタン（Ａｌ−Ｔｉ）、アルミニウム−バナジウム（Ａｌ−Ｖ）、アルミニウム−ジルコニウム（Ａｌ−Ｚｒ）、アルミニウム−リン（Ａｌ−Ｐ）を添加して作製したものである。 The aluminum alloys shown in Table 1 and Table 2 are AC4C alloy or AC1B alloy, copper, silicon, magnesium, nickel, aluminum-titanium (Al-Ti), aluminum-vanadium (Al-V), aluminum-zirconium (Al -Zr) and aluminum-phosphorus (Al-P).
そして、これらの合金に作製に関しては、溶湯アルミニウム合金を、７５０℃に加熱し、アルゴン（Ａｒ）ガスで２０分脱ガスし、さらに1時間以上静置した後、舟形試験片を鋳込んだ。鋳造後、この試験片を日本工業規格（ＪＩＳ）のＴ６（５１０℃×４ｈ、１７０℃×１０ｈ）の条件で熱処理を行った。 With respect to the production of these alloys, the molten aluminum alloy was heated to 750 ° C., degassed with argon (Ar) gas for 20 minutes, and allowed to stand for 1 hour or more, and then a boat-shaped test piece was cast. After casting, this test piece was heat-treated under the conditions of Japanese Industrial Standard (JIS) T6 (510 ° C. × 4 h, 170 ° C. × 10 h).
この熱処理した試験片を切断・研磨し、その組織を観察した。機械的特性としては、室温で引張強度を測定し、また、小野式回転曲げ疲労試験機でその疲労強度を測定した。小野式回転曲げ疲労試験機の回転数は３０００ｒｐｍ、試験中止繰り返し回数は１０7回とした。また、疲労試験は３５０℃で実施した。 The heat-treated specimen was cut and polished, and the structure was observed. As mechanical properties, the tensile strength was measured at room temperature, and the fatigue strength was measured with an Ono type rotating bending fatigue tester. Rotational speed of the Ono-type rotary bending fatigue testing machine 3000 rpm, test aborted number of repetitions was 10 7 times. The fatigue test was conducted at 350 ° C.
表２の引張強度は室温で測定した強度で、疲労強度は３５０℃で測定した強度である。表１及び表２に示す合金Ａは合金Ｃ相当であるが、チタン、バナジウム、ジルコニウムとリンは添加していない。合金Ｂと合金Ｃと合金ＤはＭ１７４＋相当の合金で、大きな違いは、チタン、バナジウム、ジルコニウムとリンの添加の有無である。合金Ｇと合金Ｈは、比較合金２（Ｍ１７４＋）と比較して、銅とマグネシウムの現有量を減らしている。合金Ｇと合金Ｈとの差は、チタン、バナジウム、ジルコニウムとリンの添加の有無である。また、合金Ｋは、合金Ｍに対して、マンガンを増やしている。 The tensile strength in Table 2 is the strength measured at room temperature, and the fatigue strength is the strength measured at 350 ° C. Alloy A shown in Tables 1 and 2 is equivalent to Alloy C, but titanium, vanadium, zirconium and phosphorus are not added. Alloys B, C, and D are alloys corresponding to M174 +, and the major difference is the presence or absence of addition of titanium, vanadium, zirconium, and phosphorus. Alloy G and Alloy H have reduced current amounts of copper and magnesium compared to Comparative Alloy 2 (M174 +). The difference between the alloy G and the alloy H is the presence or absence of addition of titanium, vanadium, zirconium and phosphorus. Further, the alloy K increases manganese compared to the alloy M.
これらの結果として、図１に、合金Ｇと合金Ｈの各合金のＳＮ曲線（測定温度：３５０℃）を示し、図２に、合金Ｊ、合金Ｋ、合金Ｌ、合金Ｍ、比較合金２、比較合金２で試作したピストンからの切り出し材（熱処理条件：Ｔ５）（「比較合金２＋Ｐ（Ｔ５）」と表示する）、比較合金１で試作したピストンからの切り出し材（熱処理条件：Ｔ５）（「比較合金１＋Ｐ（Ｔ５）と表示する」の各合金のＳＮ曲線（測定温度：３５０℃）を示す。また、図３に、合金Ｂ、合金Ｃ、合金Ｄ、比較合金２の各合金の光学顕微鏡写真による組織を示し、図４に、合金Ｋ、合金Ｍの各合金の光学顕微鏡写真による組織を示す。
As a result of these, FIG. 1 shows SN curves (measurement temperature: 350 ° C.) of the alloys G and H, and FIG. 2 shows alloy J, alloy K, alloy L, alloy M,
表１及び表２のリン添加を添加した合金Ｂと、リンの添加無しの合金Ｃと、比較合金２相当の合金にチタン、バナジウム、ジルコニウム、リンを添加した合金Ｄとを比較すると、引張強度（２５℃）は、それぞれ４０２ＭＰａ、４０５ＭＰａ、３９６ＭＰａであり、疲労強度は、それぞれ３５ＭＰａ、３８ＭＰａ、４７ＭＰａであった。この結果から、チタン、バナジウム、ジルコニウムの添加による疲労強度向上は約３４％となるが、チタン、バナジウム、ジルコニウムの添加の有無による引張強度（２５℃）への影響は小さいことが分かった。
When comparing Alloy B with the addition of phosphorus in Table 1 and Table 2, Alloy C without the addition of phosphorus, and Alloy D with the addition of titanium, vanadium, zirconium and phosphorus to an alloy equivalent to
つまり、チタン、バナジウム、ジルコニウムの添加による疲労強度（３５０℃）への向上効果は大きく、チタン、バナジウム、ジルコニウム、リンを添加していない合金Ｂの場合には、合金の組織で見た場合に、微量の初晶Ｓｉ粒子が析出されているが、組織は基本的に亜共晶で、デンドライト状のα−Ａｌ粒子は大きく成長していることが分かった。 In other words, the effect of improving the fatigue strength (350 ° C.) by adding titanium, vanadium, and zirconium is large. In the case of alloy B to which titanium, vanadium, zirconium, and phosphorus are not added, the structure of the alloy is used. Although a small amount of primary crystal Si particles are precipitated, it is found that the structure is basically hypoeutectic, and the dendritic α-Al particles are growing greatly.
また、リンを僅か７０ｐｐｍ添加した合金Ｂの場合には、初晶Ｓｉ粒子が細かくなり、かつ、その数も多くなっている。また、リンに加えて、更に、微量のチタン、バナジウム（、ジルコニウムを添加すると、組織全体が細かくなり、最後凝固する共晶部分は均一に分散され、更に細かくなっていることが分かった。 Further, in the case of the alloy B to which only 70 ppm of phosphorus is added, the primary crystal Si particles are finer and the number thereof is increased. Further, it was found that when a small amount of titanium, vanadium (, zirconium) was added in addition to phosphorus, the entire structure became finer, and the eutectic part solidified at the end was uniformly dispersed and made finer.
また、比較合金２と比較して銅とマグネシウムの含有量を減らした合金Ｇと合金Ｈの場合は、固相線温度のレベルアップし、疲労強度(ＳＮ曲線）が７％向上した。また、銅とマグネシウムの両方を減らした合金Ｈの疲労強度は、比較合金２と略同じであった。
Further, in the case of Alloy G and Alloy H in which the copper and magnesium contents were reduced as compared with
また、チタン、バナジウム、ジルコニウム、リンを添加した合金Ｈは、合金Ｇと比較して、疲労強度が約１８％向上した。また、ＳＮ曲線の傾きはより穏やかになった。なお、銅とマグネシウムの添加量を減らしたことで、引張強度は低くなったが、高温疲労強度は比較合金２と同じであった。
In addition, the alloy H to which titanium, vanadium, zirconium, and phosphorus were added improved the fatigue strength by about 18% compared to the alloy G. In addition, the slope of the SN curve became gentler. In addition, although the tensile strength became low by reducing the addition amount of copper and magnesium, the high temperature fatigue strength was the same as that of the
つまり、高温強度に最も貢献できる銅を多く添加しても、マグネシウムを減らすことで、固相線温度を下げない方法もあるが、銅を多く添加した場合、マグネシウムはある意味で過剰になり、このマグネシウムを減らすことは材料の固相線温度の向上につながり、材料の耐熱性を向上させることが分かった。 In other words, even if you add a lot of copper that can contribute most to high-temperature strength, there is a way to reduce the solidus temperature by reducing magnesium, but if you add a lot of copper, magnesium will be excessive in a sense, It has been found that reducing this magnesium leads to an increase in the solidus temperature of the material and improves the heat resistance of the material.
銅を４．８％に増加し、マグネシウムを０．１８％に減少した合金Ｍでは、引張強度（２５℃）は４３５ＭＰａで比較合金２より８％向上し、疲労強度（３５０℃）は５３ＭＰａで比較合金２より１１％向上した。
In Alloy M with copper increased to 4.8% and magnesium decreased to 0.18%, the tensile strength (25 ° C.) was 435 MPa, an 8% improvement over
また、合金Ｍに対し、マグネシウムを０．３％増やして０．５％にした合金Ｋの場合は引張強度と疲労強度が低下した。つまり、マグネシウムを減らすと、引張強度と疲労強度は共に向上した。従って、銅を増やした場合に、マグネシウムを減らさないと、アルミニウム合金の高強度化はできないことが分かった。銅とマグネシウムは似た効果があるので、銅を多く添加した場合、マグネシウムはアルミニウムで過剰になり、それを減らすことは材料の固相線温度の向上にもつながり、材料の耐熱性を向上させることもできることが分かった。 Further, in the case of alloy K in which magnesium was increased by 0.3% to 0.5% with respect to alloy M, the tensile strength and fatigue strength were lowered. In other words, when magnesium was reduced, both tensile strength and fatigue strength were improved. Therefore, it was found that when the copper is increased, the strength of the aluminum alloy cannot be increased unless the magnesium is reduced. Copper and magnesium have similar effects, so if you add a lot of copper, magnesium will be excess in aluminum, and reducing it will also increase the solidus temperature of the material and improve the heat resistance of the material I knew that I could do it too.
従って、本発明のアルミニウム合金によれば、銅とマグネシウムの添加量を調節することによりアルミニウム合金の固相線温度を最大限に高くすることができると共に、より耐熱性に優れ、高強度とすることができるので、優れた機械的特性と耐摩耗性を備えることができ、高強度軽量化部材としてピストンなどの自動車部品や他の広い分野に使用できるアルミニウム合金が得られる。 Therefore, according to the aluminum alloy of the present invention, the solidus temperature of the aluminum alloy can be maximized by adjusting the addition amounts of copper and magnesium, and more excellent in heat resistance and high strength. Therefore, excellent mechanical properties and wear resistance can be provided, and an aluminum alloy that can be used for automobile parts such as pistons and other wide fields as a high-strength and lightweight member can be obtained.
また、ニッケルを、高温強度の向上に寄与させるために、つまり、高温疲労強度を向上させるために添加するが、その含有量が１．５質量％未満では十分な高温強度を得ることができず、３質量％を超えるとその効果が次第に小さくなるので、ニッケルの含有量を１．５質量％以上３質量％以下とすることにより、ニッケルを効率良く利用して高温強度を向上できるという効果を奏することができる。 Nickel is added to contribute to the improvement of high temperature strength, that is, to improve high temperature fatigue strength. However, if its content is less than 1.5% by mass, sufficient high temperature strength cannot be obtained. When the content exceeds 3% by mass, the effect gradually decreases. Therefore, by setting the nickel content to 1.5% by mass or more and 3% by mass or less, the effect of improving the high-temperature strength by efficiently using nickel is obtained. Can play.
また、チタン、バナジウム、ジルコニウム、リンの添加により疲労強度（３５０℃）が向上し、銅とマグネシウムの含有量を減らすことにより、固相線温度のレベルアップを図ることができ、高温強度に最も貢献できる銅を多く添加すると共に、過剰になったマグネシウムを減らすことで、材料の固相線温度の向上を図り、材料の耐熱性を向上させることができる。 In addition, the addition of titanium, vanadium, zirconium, and phosphorus improves fatigue strength (350 ° C), and by reducing the content of copper and magnesium, the solidus temperature can be raised and the highest in high-temperature strength. By adding a large amount of copper that can contribute and reducing excess magnesium, the solidus temperature of the material can be improved and the heat resistance of the material can be improved.
更に、鉄の増加に対して、不純物の鉄を結合して破壊靱性、耐摩耗性や強度の低下を軽減するマンガンを適量加えることにより、鉄の増加による破壊靱性、耐摩耗性や強度の低下を防止することができる。 In addition to the increase in iron, by adding an appropriate amount of manganese to reduce the deterioration of fracture toughness, wear resistance and strength by combining impurities iron, the decrease in fracture toughness, wear resistance and strength due to increase in iron Can be prevented.
本発明のアルミニウム合金によれば、銅（Ｃｕ）とマグネシウム（Ｍｇ）の添加量を調節することによりアルミニウム合金の固相線温度を最大限に高くすることができると共に、より耐熱性に優れ、高強度とすることができ、優れた機械的特性と耐摩耗性を備えることができるので、高強度軽量化部材としてピストンなどの自動車部品や他の広い分野に使用できる。 According to the aluminum alloy of the present invention, the solidus temperature of the aluminum alloy can be maximized by adjusting the addition amount of copper (Cu) and magnesium (Mg), and more excellent in heat resistance, Since it can be made high strength and can be provided with excellent mechanical properties and wear resistance, it can be used as a high-strength lightening member for automobile parts such as pistons and other wide fields.
Claims (4)
かつ、ニッケルが１．５質量％以上３質量％以下で、
かつ、銅が２質量％以上５．５質量％以下で、
かつ、マグネシウムが０．１質量％以上０．６質量％以下で、
かつ、リンが０．００２質量％以上０．０２質量％以下で、
かつ、チタンが０．０５質量％以上０．３質量％以下で、
かつ、ジルコニウムが０．０５質量％以上０．２質量％以下で、
かつ、バナジウムが０．０５質量％以上０．２質量％以下で、
かつ、鉄が０質量％以上０．８質量％以下で、かつ、マンガンを０質量％以上０．１質量％以下で、かつ、残部がアルミニウムと不可避不純物からなることを特徴とするアルミニウム合金。 Silicon is 10.5 mass% or more and 13 mass% or less,
And nickel is 1.5 mass% or more and 3 mass% or less,
And copper is 2 mass% or more and 5.5 mass% or less,
And magnesium is 0.1 mass% or more and 0.6 mass% or less,
And phosphorus is 0.002 mass% or more and 0.02 mass% or less,
And titanium is 0.05 mass% or more and 0.3 mass% or less,
And zirconium is 0.05 mass% or more and 0.2 mass% or less,
And vanadium is 0.05 mass% or more and 0.2 mass% or less,
And aluminum is 0 mass% or more and 0.8 mass% or less, Manganese is 0 mass% or more and 0.1 mass% or less, and the remainder consists of aluminum and an unavoidable impurity.
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