JPH02232324A - 長時間高温に維持した後でも大きい疲れ強度を保持するアルミニウム合金製部品の製造方法 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、長時間高温に維持した後でも大きい疲れ強度
を示すアルミニウム合金からなる部品の製造方法に係わ
る． 周知のように，アルミニウムは重量が鋼の１７３であり
且つ優れた耐食性を有する．このアルミニウムを銅及び
マグネシウムのような金属を用いて合金にすると、機械
的強度がかなり向上する．また、ケイ素を加えると、耐
摩耗性の高い製品が得られる。これらの合令に、鉄、ニ
ッケル、コバル１・、クロｌ、及びマンガンのような別
の元素をドーブしたものは高温で大きな耐性を示す．従
って、これらの元素をバランス良く添加すれば、アルミ
ニウムはエンジンブロック、ビス１・ン、シリンダ等の
自動車部品を製造するのに極めて適した材料となる。

ＰＡえば、ＥＰ−＾−１４４　８９８には、ケイ素を１
０〜３６重！１１６、銅ｆｉ：１〜１２重景％、マグネ
シウムを０，１〜３Ｉ１ｔｆｉｔ％象み、更にＦｅ，　
Ｎｉ．Ｃｏ，　Ｃｒ及びＭｎから選択した少なくとも１
種類の元素を２〜１０重量％含むアルミニウム合金が開
示されている。

この先行技術のアルミニウム合金は、航空機産業及び自
動車産業の両方で使用される部品の製造に使用でき、こ
れらの部品は圧縮及び引抜きによる成形以外に２５０〜
５５０℃の中間加熱ステップも含む粉末冶金技術によっ
て製造される．これらの部品は前記した種々の特性を十
分に備えるが、疲れ強度だけは考慮されていない。

当業者には周知のように、金居疲労は金属措遣の局部的
且つ漸進的な永久変化に１１ｊ当する。この変化は一連
の断続的応力を受ける材ＰＩに生じ、通常はこれら応力
の強さが、材料に連続的に加えられて初めて引張り破断
を起こすような強さより明らかに小さいにも拘わらず、
前記応力が何回ものサイクルにわたって作用した場合に
は前記変１ヒが部品の亀裂及び破損にさえつながり得る
。従って、ＥＰ−＾−１４４　８９８に記述されている
ような弾性率、引張り強さ及び硬度の１直は、この先行
技術の合金の疲れ強度に関する適性を裏酊けることには
ならない。

しかるに、連接棒又はピストンロッドのような部品は動
力学的に作動し且つ周期的応力を受けるため、大きな疲
れ強度を有することが重要である．本出願人は、この問
題を追及した結果、前記先行特許の範囲内に含まれる合
金で形成した部品の疲れ強度が、用途によっては十分で
あるかもしれないが、組成を変えれば更に著しく改善さ
れ得ることを発見した。そこで本出願人は、１１〜２２
重量：１、一のケイ素と、２〜５重量％の鉄と、０．５
・〜４重量％の銅と、０．２〜１．５重量％のマグネシ
ウムとを含み、更に０．４〜１．５重量％のジルコニウ
ムも含むことを特徴とするアルミニウム合金の部品を開
発した．この発明は仏国特許出願第８７−１７６７４号
の対象になっている。

ところが本出願人はその後、ジルコニウムを加えると２
０℃の疲れ限度が明らかに改善されて１５０から１８５
ＭＰａに上昇するが、１０００時間１５０℃に維持した
後（エンジンの耐用時間の半分が経過した後のロッド作
動条件にほぼ対応する）では、この疲れ限度が１４３８
Ｐａに落ちる、即ち２２％以上も低下することを発見し
た． 研究を続けた結果、本出願人は、ジルコニウムの作用に
マンガンの作用を組合わせれば前記欠点が解消されるこ
とを発見した．そこで本発明では、長時間高温に維持し
た後でも大きな疲れ強度を保持するアルミニウム合金製
部品であって、１１〜２６重量％のケイ素と、２〜５重
景％の鉄と、０．５〜５重盪％の銅と、０．１〜２重量
％のマグネシウムとを含み、任意にニッケル及び／又は
コバルトからなる＠量添加剤を含み、更に０．１〜０．
４重量％のジルコニウムと０．５〜１．５重量％のマン
ガンとをも含むことを特徴とするアルミニウム合金製部
品の賀逍方法を提洪する． ジルコニウム及びマンガンの添加量は、前記範囲の値よ
り少ないと有意な効果が得られず、前記範囲の直より多
いと、ジルコニウムを添加しても決定的な影響が生じな
いことになるが、又はマンガンの添加によって部品が脆
弱化し、切込み又は刻みを有する部品、即ち表面がネジ
山、隅肉（ｆｉｌｌｅｔｓ）等によって凹凸になってい
る部品の疲れ限度が低下することになる。

７００℃以上の温度で溶融ずるらのが好ましい。

そこで、前出の特許出願明細書に記載されている組成の
ジルコニウムの一部分をマンガンに代えてみた．このよ
うにすれば、マンガンがジルコニウムより安価であるた
め原料費が節約され、またジルコニウムを１％含む二成
分合金の液相温度が８７５゜Ｃであるのに対してマンガ
ンを１％含む二成分＆金の液相温度が約６６０℃である
ため、合金の溶融ら容易になる． 本発明の特徴は、使用する合金の特定組成だけでなく、
溶融状態の合金を部品成形操作の前に高速凝固手段にか
けるという点にもある．即ち、鉄、ジルコニウム及びマ
ンガンのような元素が合金中にほとんど溶解しないため
、所望の特性を有する部品を得るには前記元素の粗い不
均一な析出を防止することが不可欠であり、そのために
これらの元素をできるだけ速く冷却するのである６また
、Ｖ期（ｐｒｅｍａｔｕｒｅ）析出現象を回避すべく、
合金はこの高速凝固を行うためには幾つかの方法かある
． （１）気体あるいは機織的噴霧によって溶融金属ｆ！：
霧化し、次いで気体（空気、ヘリウム、アルゴン）中で
冷却する方法か、又は遠心分離による霧化もしくは類似
の方法を用いることによって、溶融合金を微小滴形態に
分割する。その結果得られた粒度４００ｌＩＩＩ１以下
の粉末を、公知の粉末冶金技術に従って、一軸プレス又
は静定プレスで熱間又は冷間圧縮にかけ、次いで引抜き
及び／又は鍛造にかけることによって成形する。

（２）溶融合金を、例えば米国特許第４３８９２５８号
及び欧州特許第１３６５０８号に記載されているメルト
スビニング（Ｉ＋ｅｌＬ　ｓｐｉｎｎｉＢ）もしくはブ
レーナフローキャスティング（ｐｌａｎａｒ　ｆｌｏｗ
　ｃａＳｔｉｎｇ）、又はメルトオーバーフロー（論ｅ
ｆｔ　ｏｖｅｒ４１ｏｗ）もしくは想似の方法によって
冷却金属面に接触させる。

その結果得られた厚み１００μ一以下のストリップを前
記方法で成形する． （３》気体流中の霧化溶融金属を、例えば英国特許第１
　３　７　９　２　６　．１号に記載のスプレーデポジ
ション（ｓｐｒａｙ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ＞又はスプ
レーキャスティング（ｓｐｒａｙ　ｃａｓｅｉｎ）によ
り基板上に射出して、鍛造，引抜き又はダイ・イングに
よる成形に適した十分な展性を有する１１集性（ｃｏｈ
ｅｒｅｎｔ）デポジットを形成する． 勿論、これ以外の方法も使用し得る． 析出横遣を更に改善するためには、部品を任恵に機械加
工した後、４９０〜５２０℃の温度で１〜１０時１：′
Ａ熱処理し、次いで水焼入れし、更に１７０〜２１０℃
で２〜３２時間アニーリングにかける．その結果、部品
のＲ械的持性が改善される． 以下に、非限定的実施例を挙げて本発明をより詳細に説
明する． １８重量％のケイ素と、３重盪％の鉄と、１重量％の鋼
と、１重量％のマグネシウムと、残部に相当するアルミ
ニウムとを含む基体合金材料を約９００℃で，・ｄ融し
、次いでＮｏ．０がらＮｏ．７ｉでの８つのバッチに分
割した。バッチＮｏ．１〜Ｎｏ．７にジルコニウム及び
マンガンを異なる量で加え、バッチＮｏ，Ｏは対照とし
て使用した。

これらのバッチを粉末冶金法又はスプレーデポジション
のいずれかで処理した。

粉末冶金法（ＰＭ）の場合は、窒素雰囲気下での噴霧に
よって粒度２　０　０　ｐ　Ｉ＃以下の微粒子を形成し
、次いでこれらのは粒子を静定プレスにより３００ＭＩ
’ａの圧力で圧縮し、その後直径４ｏｌのバーの形態に
引抜く。

スプレーデポジションを用いる場合は、英国特許第１３
７９２６１号の方法で円筒形ビレ７　ｔ・形態のデポジ
ットを形成し、これを引抜きによって直径４ｏＩＩｌｌ
のバーにする． これらの部品を４９０〜５２０℃で２時間処理し、次い
で水焼入れし、更に１７０〜２００℃の温度で８時問加
熱する． このようにして形成した各部品の試験片を、公知の方法
で、下記の特性の測定にかけた：弾性率Ｅ　（（：Ｐａ
）、 通常の０．２％弾性限度Ｒ０．２（ＭＰａ）、破壊荷ｆ
ｆｉＲｉ＊（ＭＰａ）、仲びＡ（％）（これらの測定は
夫々２０℃で行い、次いで１５０℃に１００時間維持し
た後で行った）、 １０７サイクル後の２０℃での疲れ限度Ｌｆ（ＭＰａ）
（この測定は、＾ｌｕｍｉｎｉｕｅ＋　Ａｓｓｏｃｉａ
ｔｉｏｎ規格による状ｙＩｉＴ６の平滑試験片に回転た
わみ応力を加えて行った）、 １０００時間１５０℃に維持した後の試験に関する前記
と同じ疲れ限度、 ２０℃での耐久比Ｌｆ／ｈ＋、 ＫＬ・２．２で切込みを付けた試験片に関する前記と同
じ２０℃疲れ限度、 前記式中、Ｋ『は平滑試験片の疲れ限度測定値と切込み
付き試験片の疲れ限度測定値との比を表す（ｑが大きけ
れば大きいほど、合金は切込みに対して敏感になる）。

測定結果は総て次表に示す． これらの結果から明らかなように、１５０℃に１０００
時間維持した後の疲れ限度は、ジルコニウムらマンガン
も合まないｈ金（Ｎｏ．０）の場合には１２０８Ｐａで
あるが、ジルコニウムを１％含む合金（Ｎｏ．１＞の場
合は１　４　８　８　Ｐ　ａになり、ジルコニウムの量
を減らしてジルコニウムとマンガンとを同時に添加した
合金（Ｎｏ．５）では１７７ＨＰａに達する．更に、ジ
ルコニウムとマンガンを同時に存在させると、１５０℃
に維持した後に生じる疲れ限度の低下が大幅に改善され
る．実際、マンガンを含ｔない合金Ｎｏ．１ではＬ『が
１８５ＭＰａから１４３ＭＰａまで４２ＭＰＩ１低下し
ているが、マンガンを１．２％含む合金Ｎｏ．５の場合
はＬｆが１９３８ｒ’ａから１７７ＭＰａまで１６ＭＰ
ａ　Ｌが低下していない． これらの結果はまた、前記元素が切込み付部品の疲れ眼
度の改善に役立つものの、その量が過剰になると疲れ限
度に悪影響が生じ、脆弱性が増加することも示している
．例えば、この疲れ限度の値は、試験片Ｎｏ．０では１
００ＭＰａであるが試験片Ｎｏ．３（０．１％Ｚｒ　−
　０．６％Ｍｎ）では１２５ＭＰａに上昇しており、ジ
ルコニウム及びマンガンをより大量に含む試験片Ｎｏ．
７の場合には１０５８Ｐａに落ちている．このように、
ジルコニウム及びマンガンを本発明の割合で同時に添加
するとく合金Ｎｏ．５、４、３及び６》、対切込み感度
係数（夫々０．５１、０．４８、０．４３及び０．５１
）が先行技術の部品の係数（約０．６）より小さくなる
．尚、合金Ｎｏ．Ｏは機械的強度が小さ過ぎるため、使
用不可能である． このように本発明では、ジルコニウム及びマンガンを限
定された量で組合わせて使用し且つ得られた合金を高速
凝固させることによって、自動車工業で特に連接欅、ピ
ストンロツド及びピストンの製造に使用し得る凹凸面の
ある部品、例えばネジ山又は隅肉を有する部品の疲れ限
度を、高温又は低温に拘わりなく改善せしめる．

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）１１〜２６重量％のケイ素、２〜５重量％の鉄、
   ０．５〜５重量％の銅、０．１〜２重量％のマグネシウ
   ムを含み、任意にニッケル及び／又はコバルトを添加剤
   として微量含み、長時間高温に維持した後でも大きい疲
   れ強度を維持するアルミニウム合金製部品の製造方法で
   あって、前記成分以外に０．１〜０．４重量％のジルコ
   ニウム及び０．５〜１．５重量％のマンガンも含む合金
   を使用し、この合金を溶融状態で高速凝固手段にかけ、
   得られた物質を部品に成形することを特徴とする製造方
   法。
2. （２）高速凝固手段が溶融合金を微小滴形態に分割する
   ものであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. （３）高速凝固手段が溶融合金を低温金属面に接触させ
   るものであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. （４）高速凝固手段が気体流中の霧化合金を基板上に射
   出するものであることを特徴とする請求１項に記載の方
   法。
5. （５）部品を４９０〜５２０℃の温度で熱処理し、次い
   で水焼入れし、その後１７０〜２１０℃でアニーリング
   処理することを特徴とする請求項１に記載の方法。