JPH01152237A - エンジン部材用アルミニウム合金材 - Google Patents
エンジン部材用アルミニウム合金材Info
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- JPH01152237A JPH01152237A JP31096787A JP31096787A JPH01152237A JP H01152237 A JPH01152237 A JP H01152237A JP 31096787 A JP31096787 A JP 31096787A JP 31096787 A JP31096787 A JP 31096787A JP H01152237 A JPH01152237 A JP H01152237A
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Landscapes
- Shafts, Cranks, Connecting Bars, And Related Bearings (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
本発明はエンジン部材用アルミニウム合金材に関し、よ
り詳しくは自動車等のエンジン部材、特にコネクティン
グロッド用として好適な100〜180℃程度の温度て
使用されても疲労強度が低下しないアルミニウム合金材
に関する。
り詳しくは自動車等のエンジン部材、特にコネクティン
グロッド用として好適な100〜180℃程度の温度て
使用されても疲労強度が低下しないアルミニウム合金材
に関する。
(従来の技術)
自動車等のエンジンのコネクティングロッド(コンロッ
ト)はピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運
動に変換するロッドであり、これに使用される材料には
通常100〜180℃に達する温度における数千回7分
の往復一回転運動に耐える強度、耐摩耗性及び疲労強度
が要求される。従来、この種エンジン部材には主として
鋼材が使用されてきた。
ト)はピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運
動に変換するロッドであり、これに使用される材料には
通常100〜180℃に達する温度における数千回7分
の往復一回転運動に耐える強度、耐摩耗性及び疲労強度
が要求される。従来、この種エンジン部材には主として
鋼材が使用されてきた。
また、近年自動車の高性能化、軽量化への要望か強くな
り、特にエンジンの高性能化、高効率化か求められてい
る。エンジンの場合、駆動力を直接伝達するコンロッド
等の部材が軽量化されるとピストンの慣性重量が低減し
、エンジン出力の効率的な向上か可能となる。このよう
な理由からコンロット材等に対する軽量化の要求は強い
。そのため、鋼材に代る複合材の使用が試みられ一部量
産車に使用されている。
り、特にエンジンの高性能化、高効率化か求められてい
る。エンジンの場合、駆動力を直接伝達するコンロッド
等の部材が軽量化されるとピストンの慣性重量が低減し
、エンジン出力の効率的な向上か可能となる。このよう
な理由からコンロット材等に対する軽量化の要求は強い
。そのため、鋼材に代る複合材の使用が試みられ一部量
産車に使用されている。
(発明か解決しようとする問題点)
しかしながら、複合材は製造工程が複雑て安定した製品
が得にくいことやコストか高い等の理由により広く使用
されるまでにいたらなかった。−方、アルミニウム合金
材としては、上記の各種所要特性、特に長時間にわたる
100〜180℃の温度域ての使用に耐える強度及び疲
労強度を有するアルミニウム合金材は得られていなかっ
た。
が得にくいことやコストか高い等の理由により広く使用
されるまでにいたらなかった。−方、アルミニウム合金
材としては、上記の各種所要特性、特に長時間にわたる
100〜180℃の温度域ての使用に耐える強度及び疲
労強度を有するアルミニウム合金材は得られていなかっ
た。
したがって、本発明の目的は自動車のコンロット材とし
て使用可能なアルミニウム合金材を提供することにあり
コンロッド材等エンジン部材として高温で使用しても疲
労強度か低下しない高強度アルミニウム合金部材を提供
することにある。
て使用可能なアルミニウム合金材を提供することにあり
コンロッド材等エンジン部材として高温で使用しても疲
労強度か低下しない高強度アルミニウム合金部材を提供
することにある。
(問題点を解決するための手段)
本発明者らは、高力アルミニウム合金として知られるJ
IS 7000系(A l −Z n −M g系)
合金や高力かつ比較的耐熱性の良好な合金として知られ
るJIS 2000系(All −Cu −Mg系)
合金の使用について検討を重ねた。そして、これら合金
の疲労強度は素材強度、結晶粒径や金属間化合物等の金
属組織、さらにはより微細な析出物(原子同士の集合体
も含む)等が相互に影響し合って決定されるが、200
0系合金の高温域における組織、挙動に関し、材料中の
添加元素の固溶析出状態と金属間化合物のサイズを制御
することにより所望の疲労特性か得られることを見出し
た。本発明はかかる知見に基づいて得られたものである
。
IS 7000系(A l −Z n −M g系)
合金や高力かつ比較的耐熱性の良好な合金として知られ
るJIS 2000系(All −Cu −Mg系)
合金の使用について検討を重ねた。そして、これら合金
の疲労強度は素材強度、結晶粒径や金属間化合物等の金
属組織、さらにはより微細な析出物(原子同士の集合体
も含む)等が相互に影響し合って決定されるが、200
0系合金の高温域における組織、挙動に関し、材料中の
添加元素の固溶析出状態と金属間化合物のサイズを制御
することにより所望の疲労特性か得られることを見出し
た。本発明はかかる知見に基づいて得られたものである
。
すなわち本発明は、Si0.05〜0.30重量%(以
下合金組成における重量%を単に%と記す) 、 F
e 0.5〜2.0%、 Cu 1.O〜3.0%、M
g0.8〜2.0%及びNi0.5〜1.5%を含有し
、ざらにT i 0.005〜0.15%及びZ r
0.001〜0.25%のうち1種を含有し、残部か
Anと不可避不純物からなるアルミニウム合金を用い、
300℃以上で加工比か7以上の加工を施し、所定の溶
体化処理、焼入れ、人工時効処理を施すことにより導電
率(%IACSによる)を35〜40%、金属間化合物
の平均粒子径を30JLm以下としてなることを特徴と
するエンジン部材用アルミニウム合金材を提供するもの
である。
下合金組成における重量%を単に%と記す) 、 F
e 0.5〜2.0%、 Cu 1.O〜3.0%、M
g0.8〜2.0%及びNi0.5〜1.5%を含有し
、ざらにT i 0.005〜0.15%及びZ r
0.001〜0.25%のうち1種を含有し、残部か
Anと不可避不純物からなるアルミニウム合金を用い、
300℃以上で加工比か7以上の加工を施し、所定の溶
体化処理、焼入れ、人工時効処理を施すことにより導電
率(%IACSによる)を35〜40%、金属間化合物
の平均粒子径を30JLm以下としてなることを特徴と
するエンジン部材用アルミニウム合金材を提供するもの
である。
本発明におけるアルミニウム合金中の各成分の作用及び
組成限定理由は次の通りである。
組成限定理由は次の通りである。
Siの含有量は0.05〜0.30%とする。
SiはAn−Si系、An−Cu−3i系、AM−Mg
−3i系の析出物および金属間化合物を生成し、合金材
の強度向上に寄与する。Si含有量が0.05%未満で
はこれらの効果が十分でなく、0.30%を越えて含有
されると金属間化合物の粒子サイズが粗大化し疲労強度
を低下させる。
−3i系の析出物および金属間化合物を生成し、合金材
の強度向上に寄与する。Si含有量が0.05%未満で
はこれらの効果が十分でなく、0.30%を越えて含有
されると金属間化合物の粒子サイズが粗大化し疲労強度
を低下させる。
Feの含有量は0,5〜2.0%とする。Feは主とし
てAl−Fe−Ni系の金属間化合物として材料の高温
強度に寄与するとともに高温加熱時の組織変化を抑止す
る。Fe含有量が0.5%未満ではこれらの効果か十分
ではなく、2.0%を越えるとA l −Cu −F
e系の金属間化合物な生成し強度が低下する。
てAl−Fe−Ni系の金属間化合物として材料の高温
強度に寄与するとともに高温加熱時の組織変化を抑止す
る。Fe含有量が0.5%未満ではこれらの効果か十分
ではなく、2.0%を越えるとA l −Cu −F
e系の金属間化合物な生成し強度が低下する。
Cuの含有量は1.0〜3.0%とし、Mgの含有量は
0.8〜2.0%とし、Niの含有量は0.5〜1.5
%とする。Cu、Mg及びNiはそれぞれアルミニウム
合金の強度、高温強度及び疲労強度に最も大きな影響を
与える。これらの元素はそれぞれ母相中に固溶するとと
もにAl−Cu −M g系、A !;L−Cu −N
i系の析出物を生じ前記性能に寄与する。それぞれの
含有量が下限未満てはこれらの効果か十分ではなく、上
限を越えると粗大な化合物を生じ、疲労強度を低下させ
る。
0.8〜2.0%とし、Niの含有量は0.5〜1.5
%とする。Cu、Mg及びNiはそれぞれアルミニウム
合金の強度、高温強度及び疲労強度に最も大きな影響を
与える。これらの元素はそれぞれ母相中に固溶するとと
もにAl−Cu −M g系、A !;L−Cu −N
i系の析出物を生じ前記性能に寄与する。それぞれの
含有量が下限未満てはこれらの効果か十分ではなく、上
限を越えると粗大な化合物を生じ、疲労強度を低下させ
る。
Tiの含有量は0.005〜0.15%とし、Zr含有
量は0.001〜0.25%とする。
量は0.001〜0.25%とする。
Ti及びZrは組織、特に結晶粒径を均一にし、その結
果、材料の強度、高温強度及び疲労特性のいずれをも向
上させる。それぞれの含有量が下限未満ではこれら効果
が十分ではなく、上限を越えると鋳造時に粗大な晶出物
を生じ、疲労強度を低下させる危険性が高くなる。
果、材料の強度、高温強度及び疲労特性のいずれをも向
上させる。それぞれの含有量が下限未満ではこれら効果
が十分ではなく、上限を越えると鋳造時に粗大な晶出物
を生じ、疲労強度を低下させる危険性が高くなる。
次に本発明のアルミニウム合金材の製造工程について説
明する。
明する。
本発明方法においては先ず上記組成のアルミニウム合金
を常法によりDC鋳造して鋳塊を得、これを均質化処理
する。均質化処理は鋳造時の偏析等の不均質を解消する
ことを目的とするものて450〜530℃の温度範囲で
0〜96時間程度行えばよい。
を常法によりDC鋳造して鋳塊を得、これを均質化処理
する。均質化処理は鋳造時の偏析等の不均質を解消する
ことを目的とするものて450〜530℃の温度範囲で
0〜96時間程度行えばよい。
次に本発明方法においてはこのようにして得られた鋳塊
に300℃以上で、好ましくは300〜500℃て加工
比7以上の加工(例えば鍛造加工)を施す。このような
加熱下で加工を行うのは材料を適度な固溶、析出状態に
おいて加工することにより、材料中の転位密度を、後工
程の溶体化処理時における再結晶及び添加元素原子の拡
散、固溶に適した状態とし、最終的なコンロッド材にお
ける高温強度と疲労強度を向上させるためである。加工
温度が300℃未満ては転位(加工歪)が導入され過ぎ
、最終製品における強度低下をもたらす。著しい場合に
おいては加工時に割れを生ずる。加工温度が高すぎると
転位の導入か不十分となり、同様に最終製品の強度低下
をもたらす。
に300℃以上で、好ましくは300〜500℃て加工
比7以上の加工(例えば鍛造加工)を施す。このような
加熱下で加工を行うのは材料を適度な固溶、析出状態に
おいて加工することにより、材料中の転位密度を、後工
程の溶体化処理時における再結晶及び添加元素原子の拡
散、固溶に適した状態とし、最終的なコンロッド材にお
ける高温強度と疲労強度を向上させるためである。加工
温度が300℃未満ては転位(加工歪)が導入され過ぎ
、最終製品における強度低下をもたらす。著しい場合に
おいては加工時に割れを生ずる。加工温度が高すぎると
転位の導入か不十分となり、同様に最終製品の強度低下
をもたらす。
より好ましい加工温度範囲は350〜450℃である。
本発明において加工比を7以上に限定する理由は鋳造時
に生じた粗大な金属間化合物粒子を加工により細かくか
つ均一に分散させるとともに素材中に適度に転位を導入
させるためである。ここでいう加工比とは加工前の素材
の断面績とその断面に平行な面ての加工後の断面績の比
をいう。
に生じた粗大な金属間化合物粒子を加工により細かくか
つ均一に分散させるとともに素材中に適度に転位を導入
させるためである。ここでいう加工比とは加工前の素材
の断面績とその断面に平行な面ての加工後の断面績の比
をいう。
通常コンロッド材は鍛造により製造されるが、押出ある
いは圧延した材料を鍛造素材として、鍛造加工してもよ
い。この場合加工比は押出あるいは圧延における加工比
と鍛造における加工比を加算するものとする。また型鍛
造により製造された製品には各種断面か存在するが、加
工比が最も低い断面で7以上の加工比が加わっている必
要かある。通常の鍛造材における加工比(fl造比)は
2〜4以上であればよいとされているが、本発明方法に
おいては加工比7未満では十分な性能か得られない。好
ましい加工比範囲は9〜25である。
いは圧延した材料を鍛造素材として、鍛造加工してもよ
い。この場合加工比は押出あるいは圧延における加工比
と鍛造における加工比を加算するものとする。また型鍛
造により製造された製品には各種断面か存在するが、加
工比が最も低い断面で7以上の加工比が加わっている必
要かある。通常の鍛造材における加工比(fl造比)は
2〜4以上であればよいとされているが、本発明方法に
おいては加工比7未満では十分な性能か得られない。好
ましい加工比範囲は9〜25である。
本発明方法においては、上記条件の加工を行った後、溶
体化処理、焼入れ、人工時効を施すことにより材料の導
電率(%IACSによる)を35〜40%にし、かつ金
属間化合物の平均粒子径を30uLm以下とする。ここ
で行う溶体化処理の温度、時間は材料中の固溶元素が十
分に固溶するのに必要十分な条件のものであり、通常5
00〜540℃の温度で1〜8時間程度保持する。焼入
れは溶体化処理後直ちに水もしくは温水(沸騰水を含む
)を用いて行う。その後人工持効を行い、その導電率を
35〜40%(%lAC3による)にする。この場合の
人工時効条件は温度と時間が相互に関連して定まるもの
であり、温度が低温の場合は長時間、高温の場合は短時
間で達成される。導電率が35%(%lAC3による)
未満では疲労強度が十分でなく、40%(%lAC3に
よる)を越えると高温での使用時に強度低下が生ずる。
体化処理、焼入れ、人工時効を施すことにより材料の導
電率(%IACSによる)を35〜40%にし、かつ金
属間化合物の平均粒子径を30uLm以下とする。ここ
で行う溶体化処理の温度、時間は材料中の固溶元素が十
分に固溶するのに必要十分な条件のものであり、通常5
00〜540℃の温度で1〜8時間程度保持する。焼入
れは溶体化処理後直ちに水もしくは温水(沸騰水を含む
)を用いて行う。その後人工持効を行い、その導電率を
35〜40%(%lAC3による)にする。この場合の
人工時効条件は温度と時間が相互に関連して定まるもの
であり、温度が低温の場合は長時間、高温の場合は短時
間で達成される。導電率が35%(%lAC3による)
未満では疲労強度が十分でなく、40%(%lAC3に
よる)を越えると高温での使用時に強度低下が生ずる。
また本発明のアルミニウム合金材の金属間化合物の平均
粒子径は上記の条件を適宜選択して処理することにより
30JLm以下とすることかできる。金属間化合物の平
均粒子径が30JLmを越えると疲労強度及び高温使用
による強度、疲労強度の低下が大きくなる。なおここで
いう金属間化合物の平均粒子径は不特定多数の断面を観
察した場合の各金属間化合物粒子断面の最大長さの平均
値である。この金属間化合物の平均粒子径はより好まし
くは20p、m以下である。
粒子径は上記の条件を適宜選択して処理することにより
30JLm以下とすることかできる。金属間化合物の平
均粒子径が30JLmを越えると疲労強度及び高温使用
による強度、疲労強度の低下が大きくなる。なおここで
いう金属間化合物の平均粒子径は不特定多数の断面を観
察した場合の各金属間化合物粒子断面の最大長さの平均
値である。この金属間化合物の平均粒子径はより好まし
くは20p、m以下である。
なお本発明方法において上述の各工程の途中又は最終工
程後に加工もしくは熱処理による歪の除去又は材料のそ
り、曲がり等を整直する目的で冷間加工を行う必要か生
じた場合その加工度は5%以下とするのかよい。しかし
、可能ならばこのような加工は行わない方が好ましい。
程後に加工もしくは熱処理による歪の除去又は材料のそ
り、曲がり等を整直する目的で冷間加工を行う必要か生
じた場合その加工度は5%以下とするのかよい。しかし
、可能ならばこのような加工は行わない方が好ましい。
(実施例)
次に本発明を実施例に基づき詳細に説明する。
実施例
第1表に示す組成のアルミニウム合金を常法によりDC
鋳造し、厚さ400膳組幅1300mmの鋳塊を得た。
鋳造し、厚さ400膳組幅1300mmの鋳塊を得た。
この鋳塊に対し500℃X8時間の均質化処理を施した
後、200mmX200m謹の断面を持つブロックを切
り出しこのブロックを第1表に示す加工温度及び加工比
で熱間鍛造を行い47I1m×47I1m〜90■×9
0I1mlの正方形断面を有するロッド材とした。次い
でこのロッド材を520℃X4時間の条件で溶体化処理
を施し、室温で水焼入れを行った後、195℃において
それぞれ第1表に示す導電率となるまでの時間人工時効
を施した。各ロット材の金属間化合物の平均粒子径を第
1表に示す。
後、200mmX200m謹の断面を持つブロックを切
り出しこのブロックを第1表に示す加工温度及び加工比
で熱間鍛造を行い47I1m×47I1m〜90■×9
0I1mlの正方形断面を有するロッド材とした。次い
でこのロッド材を520℃X4時間の条件で溶体化処理
を施し、室温で水焼入れを行った後、195℃において
それぞれ第1表に示す導電率となるまでの時間人工時効
を施した。各ロット材の金属間化合物の平均粒子径を第
1表に示す。
このようにして得られたアルミニウム合金ロッド材試料
について、素材(そのまま)及び150’CX100O
時間加熱冷却後の機械的性質(引張強さ、耐力、伸び)
及び疲労強度をそれぞれ測定した。疲労試験はコンロッ
ド等のエンジン部品に使用される状況を考慮して軸力(
試料の長手方向と応力負荷方向が同一)の引張圧縮タイ
プの応力負荷を行う試験とし、応力比(最小応力/最大
応力)=0、試験周波数30Hzでそれぞれくりかえし
数106回、107回及び108回における破断強度を
求めた。得られた試験結果を第2表に示す。
について、素材(そのまま)及び150’CX100O
時間加熱冷却後の機械的性質(引張強さ、耐力、伸び)
及び疲労強度をそれぞれ測定した。疲労試験はコンロッ
ド等のエンジン部品に使用される状況を考慮して軸力(
試料の長手方向と応力負荷方向が同一)の引張圧縮タイ
プの応力負荷を行う試験とし、応力比(最小応力/最大
応力)=0、試験周波数30Hzでそれぞれくりかえし
数106回、107回及び108回における破断強度を
求めた。得られた試験結果を第2表に示す。
第2表の結果から明らかなように、本発明(実験No、
1〜3)によれば、素材、加a@のいずれにおいても機
械的性質、疲労強度に優れ、特に高くりかえし数(高寿
命側)での疲労強度が優れたアルミニウム合金材か得ら
れる。しかもこれらの材料は高温加熱によっても機械的
性質、疲労強度の低下が少ない。これに対し比較例では
疲労強、度、特に加熱後の疲労強度の劣る材料しか得ら
れず、また加工で割れが発生する(実験No−8)もの
も見られる。
1〜3)によれば、素材、加a@のいずれにおいても機
械的性質、疲労強度に優れ、特に高くりかえし数(高寿
命側)での疲労強度が優れたアルミニウム合金材か得ら
れる。しかもこれらの材料は高温加熱によっても機械的
性質、疲労強度の低下が少ない。これに対し比較例では
疲労強、度、特に加熱後の疲労強度の劣る材料しか得ら
れず、また加工で割れが発生する(実験No−8)もの
も見られる。
(発明の効果)
本発明によれば高温で使用されても疲労強度の低下が少
ない信頼性に優れたアルミニウム製のコンロッド等のエ
ンジン部材を製造でき、該部材の軽量化、ひいてはエン
ジンの効率化、高性能化に優れた効果を奏する。
ない信頼性に優れたアルミニウム製のコンロッド等のエ
ンジン部材を製造でき、該部材の軽量化、ひいてはエン
ジンの効率化、高性能化に優れた効果を奏する。
Claims (1)
- Si0.05〜0.30%、Fe0.5〜2.0%、C
u1.0〜3.0%、Mg0.8〜2.0%及びNi0
.5〜1.5%を含有し、さらにTi0.005〜0.
15%及びZr0.001〜0.25%(以上重量%)
のうち1種以上を含有し、残部がAlと不可避不純物か
らなるアルミニウム合金を用い、300℃以上で加工比
が7以上の加工を施し、所定の溶体化処理、焼入れ、人
工時効処理を施すことにより導電率(%IACSによる
)を35〜40%、金属間化合物の平均粒子径を30μ
m以下としてなることを特徴とするエンジン部材用アル
ミニウム合金材。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP31096787A JPH01152237A (ja) | 1987-12-10 | 1987-12-10 | エンジン部材用アルミニウム合金材 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP31096787A JPH01152237A (ja) | 1987-12-10 | 1987-12-10 | エンジン部材用アルミニウム合金材 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH01152237A true JPH01152237A (ja) | 1989-06-14 |
Family
ID=18011559
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP31096787A Pending JPH01152237A (ja) | 1987-12-10 | 1987-12-10 | エンジン部材用アルミニウム合金材 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH01152237A (ja) |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1987
- 1987-12-10 JP JP31096787A patent/JPH01152237A/ja active Pending
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