JPH04198445A - 内燃機関の動弁系部材 - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明は、常温強度のみならず動弁系部品に要求され
る２００℃程度の高温強度もすぐれ、さらに耐衝撃強度
にも優れたアルミニウム合金からなる内燃機関の動弁系
部材に関する。

〔従来の技術〕

近年、自動車等の内燃機関の部品においては、省エネル
ギー等の要求に基づき、軽量化が進んでいる。このよう
な見地から内燃機関の部品にアルミニウム合金を用いる
ことば軽量化の点で有利であるので次第にアルミニウム
合金製部品が普及してきている。

ところで、内燃機関の動弁系部材として、アルミニウム
合金では常温から２００　’Ｃ程度の高温までの広い温
度域で強度及び耐衝撃強度に優れた材料が要求される。

このような性能を有するアルミニウム合金としてＡＡ７
０９１材やＡＡ２６１８材が従来用いられてきた。ＡＡ
２６１８材の組成はＳｉ　：０．１〜０．２５％、Ｆｅ
：０．９〜１．３％、Ｃｕ　：　１．９〜２．７％、Ｍ
ｇ：１．２〜１．８％、Ｃｒ：０．１％以下、Ｎｉ：１
．７〜２．３％、Ｚｎ：０．２５％以下、Ｔｉ：０．０
５％以下、残余Ａ］である。

一方、特開昭６２−１４２７４１号では、Ｓｉ：　　０
．　５〜９．　４ｗｔ％、　Ｃｕ　：　２〜８ｗｔ％、
Ｍｇ　：　０．５〜４ｗｔ％とＦｅ　：　０．２〜５ｗ
ｔ％又はＭｎ：０．２〜８ｗｔ％の何れか１種もしくは
２種を必須元素として含有すると共に、任意元素として
Ｎｉ：１〜１０ｗｔ％を含有し、残余がＡｌ及び不純物
からなる合金粉末を塑性加工しで得たことを特徴とする
耐疲労強度の優れた高強度アルミニウム合金が提案され
ている。

さらには、耐摩耗性を得るために、急冷凝固アルミニウ
ム粉末にセラミック粒子等の硬質粒子を配合させること
も種々おこなわれてきた。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このような従来のアルミニウム合金は動
弁系部材の性能は十分ではない。すなわち、ＡＡ７０９
１材は、常温下では高い強度を有しているが、動弁系部
品のように２００℃程度の高温域に達する場合、強度が
急激に低下する。また、ＡＡ２６１８材は高温強度及び
耐衝撃強度においては優れているが、常温における強度
が劣るので動弁系部品としての利用目的に適さない。

さらに、特開昭６２−１４２７４１号の合金はＣｕ及び
Ｍｇ等の添加元素により時効硬化性能を高め常温強度を
高めることを一つの特長としているが、Ｓｊの添加によ
り生じるＭｇ２Ｓｉ系時効析出物は靭性や高温における
強度の低下の点では望ましくないことが分かった。

耐摩耗性を高める上で、このようなアルミニウム合金粉
末中にセラミック粒子を添加し、分散させることも行わ
れているが、通常セラミック粒子の添加は、この粒子が
材料内部で切り欠き効果として作用するため、耐熱衝撃
性を著しく低下させ、又引張強度及び伸びの低下も生じ
るので、上記動弁系部品の使用条件に適さない場合が多
かった。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、このような従来の問題点に着目してなされ
たものであり、本発明者らは、本発明部材を得るに至る
過程の中で、アルミニウム合金の急冷凝固法の利点であ
る合金元素の組合わせ自由度の拡大、さらには、粉末で
あることから、金属以外の粉末を混合することによる複
合化が容易であることに着目し、強度特性を増す元素で
あるＳｉ、Ｃｕ、Ｍｇあるいは、Ａｌ中での拡散係数の
小さなＦｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒの遷移金属を添加したア
ルミニウム合金材である。

この発明は、Ｓｉ：０．１〜０．５ｗｔ％、Ｃｕ　：　
４．５〜７．０ｗｔ％、Ｍｇ：０．５〜１．０ｗｔ％と
、Ｆｅ％Ｎｉ、Ｍｎ及びＣｒからなる群の遷移金属元素
の何れか１種以上を合計量で１．５〜２．５ｗｔ％と、
を含んでなり、残余が不純物とＡｌからなる合金粉末を
１００容量部に対して平均粒径２．５〜５．０μｍであ
るセラミック粉末２．５〜５．０容量部混合した混合粉
末を塑性加工して得たことを特徴とする常温強度、高温
強度、耐衝撃強度及び耐摩耗性に優れた内燃機関の動弁
系部材に関する。

以下、本発明合金の組成限定理由を説明する。

Ｓｉ： Ｓｉは、Ｍｇの存在のもとでＭｇ２Ｓｉの化合物を生成
し、アルミニウム合金の時効硬化性能を増し、強度を高
めるのに役立つ。しかし、その量が増大すると靭性を急
激に低下させ、伸び及び耐衝撃性を著しく低下させる。

従って、Ｓｉの添加量としては、０．５ｗｔ％以下にす
る必要がある。また強度を確保するためには、Ｏ，１ｗ
ｔ％以上のＳｉは必要であるため、Ｓｉの添加量範囲と
しては０．１〜０．．５ｗｔ％、好ましくは、０．１〜
０．３ｗｔ％とする。

Ｃｕ　： Ｃｕの添加は、アルミニウム合金に時効硬化性を付与し
、常温及び２００　’Ｃ程度の高温下の強度向上に有益
である。Ｃｕの添加量が４．５ｗｔ％未満では、その効
果は不十分であり又７．Ｏｗｔ％を超えても強度の向上
は認められず、加工性及び靭性を劣化するので、Ｃｕの
添加量は４．５〜７．０ｗｔ％とし、好ましくは４．５
〜５．５ｗｔ％とする。

Ｍｇ： Ｍｇは、Ｓｉの存在のもとて時効硬化性な助長し、強度
の増加に寄与するものであるが、０゜５　ｗ　ｔ％未満
では、それらの効果が乏しく、１゜０　ｗ　ｔ％を超え
ると靭性の低下を生じるので、Ｍｇの添加量は０．５〜
１．０ｗｔ％とし、好ましくは、０．７〜０．８ｗｔ％
とする。

Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ及びＣｒ等の遷移金属：上記遷移金属
は、高温強度を増加させるの番こ有効な元素であるが、
これらの合計添加量が１．５ｗｔ％より少ないと、その
ような効果を得ることができず、２．５ｗｔ％より多い
と脆い晶出物が生じ、靭性を害するので、遷移金属の添
加量は１．５〜２．５ｗｔ％とし、好ましくは、２゜０
〜２．２ｗｔ％とする。又、強度特性の向上を重視する
と、耐熱合金元素であるＦｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒ等を多
量に添加するのが望ましく高温強度及び耐疲労強度の点
において優れた性能が得られるが、引張特性の一つであ
る伸びが犠牲になるため耐衝撃強度が劣り、動弁系部材
としては適さないので、添加量の上限は２．５％とする
。

なお、添加遷移金属はＡｌ中での拡散係数が小さく、高
温強度を高めることができるならば上記以外のものも使
用することができる。

次に上記アルミニウム合金粉末に配合するセラミック粉
末量の限定理由について説明する。このセラミック粒子
は、耐摩耗性向上を目的としており、アルミニウム合金
粒子中に分散した硬質相となり、その存在量に対応して
摩耗による材料の脱落が少な（なる。したがってセラミ
ックとしては通常の高硬度のもの、例えば５ｉＣ１また
はＡｌ□０３等であればよい。ここでは、Ａｌ□０３を
選び、組成限定理由を説明する。

Ａｌ２Ｏ３： Ａｌ□０３粉末は、上記アルミニウム合金粉末に配合さ
せ、混粉、成形及び熱間押出することにより、アルミニ
ウム合金基地中に硬質粒子が均−分赦し、耐摩耗性向上
に有効となる。その際、Ｓ　ｉ　：　０．１〜０．５ｗ
ｔ％、Ｃｕ：３．Ｃ１〜７、Ｏｗ　ｔ％、Ｍｇ　；　０
．５〜１．０ｗｔ％と、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ及びＣｒ等の
遷移金属元素の何れか１種もしくは２種を必須元素とし
て添加し、その合計添加量が１．５〜２．５ｗｔ％とし
、残余が不純物とＡＩからなる合金粉末１００容量部に
対して、２．５容量部よりもＡｌ□０３が少ないと耐摩
耗性向上の効果がな（又、５．０容量部を越えても、そ
れ以上の耐摩耗性の向上は望めず、かえって、セラミッ
クからなる硬質粒子が内部切り欠きのとして作用し、引
張特性の−っである伸びを著しく低下させ、耐衝撃性も
低下する。

よって、Ａｌ□０３添加量は２．５〜５．０容量部とす
る。

上記アルミニウム合金粉末に２．５〜５．０容量部配合
されるＡｌ２Ｏ３粉末は平均粒径が２゜５μｍ未満であ
ると、耐摩耗性向上の効果を得ることができず、かえっ
て配合、混粉時に凝集を生じる。又、Ａｌ２Ｏ３粉末の
平均粒径が５．０μｍを越えても、５．０μｍ以下の耐
摩耗性を向上させることは望めず、Ａｌ２Ｏ３粉末の硬
質粒子が内部切り欠きとして作用し、引張特性のひとつ
である伸びを著しく低下させ、耐衝撃性も低下する。さ
らには相手材の摩耗量も増す。よって、添加されるＡｌ
□０３粉末平均粒径としては、２゜５〜５．ＯＩＬｍと
する。

上記アルミニウム合金は、空気アトマイズ法等で急冷凝
固の粉体を製造し、−１００メツシユ以下の微細なもの
とする。この合金粉末に、平均粒径が２．５〜５．０ミ
クロンであるセラミック粉末をこのアルミニウム合金粉
末１００容量部に対し、２．５〜５．０容量部を配合さ
せ、混粉する。さらに所定の動弁系部品の形状を得るた
めに、このＡｌ合金粉末とセラミック粉末の混合粉は、
圧粉成形体とし、さらに押出または鍛造され、必要に応
じて適当な熱処理を施される。得られた製品の組織は急
冷凝固のため微細であり、又金属間化合物も微細に均一
分散されており、これらの組織が材料の強度及び耐衝撃
強度向上に貢献している。

通常、動弁系部品を所定の形状に塑性加工して得るには
熱間押出し及び鍛造を行う。上記鍛造は、コスト的に冷
間鍛造が適しているが、強度向上を重視したアルミニウ
ム合金では伸びの低下が生じるため、熱間鍛造により所
定の形状を得なければならない。しかし、本発明部材に
おいては、強度に加え、伸びもあるため、鍛造性に優れ
ているため、冷間鍛造により所定の形状を得ることがで
き、コスト的にも優れている。

［作用］ 第１表に示す組成のアルミニウム合金を空気アトマイズ
法により粉末とし、−１００メツシユに分級して圧粉成
形体とし、熱間押出加工後、５００℃×２時間の溶体化
処理を施してから水冷し、その後１７５℃×１０時間の
時効処理を加えて目的とする部材を得た。これより、所
定の形状に切り出した各試験片による引張強度及び伸び
を求めた。

第１表に常温での引張強度及び伸びを、第２表に１５０
’Ｃでの引張強度及び伸びを示す。又第１図に引張強度
、第２図に伸びをそれぞれ遷移金属添加量との関係で示
し、第３図、第４図にそれぞれ引張強度、伸びをＳｉ添
加量との関係で示す。

本発明者らは、動弁系部材の要求特性として、引張強度
５０ｋｇｆ／ｍｍ２以上（常温）でありかつ伸びが８％
以上（常温）を達成することを目標とした。

このことを念頭において表１、第１図〜第４図の結果を
検討すると、強度特性を高める添加元素としては、Ｃｕ
効果が著しく、その他の遷移金属の添加は全添加量が３
　ｗ　ｔ％以上になっても引張強度向上にそれ程効果な
く（第１図参照）、伸びを低下させるだけである（第２
図参照）。又、遷移金属の全添加量が１％程度以下では
、引張強度向上の効果がない。

Ｓｉは添加量が多いと強度が高くなる傾向があるが、０
．４％未満の低添加量では強度のばらつきが極めて大き
く　（第３図参照）、ＳＬ添加量と強度の関係は希薄に
なる。したがって、従来はＭｇ２Ｓｉの十分な析出によ
らなければ高強度は得られないとの考え方もあったが、
このような考え方により合金組成設計をする必要はない
ことが分かった。

一方、伸びはＳＬ添加量を低下することにより増大する
傾向がある（第４図参照）。

なお、Ｎｏ、１３は５Ｌ＝１．２％とＳＬ添加量が比較
的多いにもかかわらず遷移金属添加量が少ないため高い
伸びとなっている。したがってＮｏ、１３を除外して検
討すると、本発明目標値の伸びを得るためにはＳｉ含有
量を０．６％以上にすることはできないことが第４図よ
り分かる。

第２表に、Ｎｏ、７．８．９．１１．１３の１５０°Ｃ
における引張強度及び伸びならびに強度低下値（常温か
ら１５０℃への昇温に伴う引張強度の減少）を示す。

（以下余白） 常温での強度自体はある程度あっても強度の低下が大き
いと、動弁部品が使用される高温では強度が不充分とな
る場合があり、また設計の信頼性が低くなるため、強度
低下の抑制が重要になる。

よって本発明材の特性の目標として２００℃での強度低
下が少ないことを本発明者は目標として設定した。

このような観点から第２表を検討すると、Ｎ０１１１は
強度低下が著しいことが分かる。これは、Ｎ０９１１は
Ｓｉ添加量が高く、Ｍｇ２Ｓｉが多量に発生しており、
Ｍ　ｇ　２　Ｓ　ｉはＣｕ系析出物に比較して粗大化し
易いなどの点から大幅な強度低下を招いていることを示
す。

Ｎｏ、１］以外の材料（Ｎｏ、７〜９．１３）の強度低
下は小さいので、Ｓｉ添加量を抑制することが強度低下
防止に重要であることが分かる。

以上説明したように本発明材料のアルミニウム合金粒子
（相）は、Ｓｊを０，１〜０．５ｗｔ％、Ｍｇを０．５
〜１．．０ｗｔ％含有している時効硬化性合金に属する
が、Ｍｇ−５ｊによる時効硬化はできるだけ少なくし、
Ｃｕを４．５〜７゜０ｗｔ％とし、高温強度を高め、Ｆ
ｅ、Ｎｉ、Ｍｎ及びＣｒの遷移金属元素の何れか１種も
しくは２種の合計添加量が１．５〜２．５ｗｔ％とする
ことで伸びの低下を防ぎつつ、さらに高温強度を高めた
ことを特徴とする。

本発明部材は、このような高温強度および耐衝撃強度に
優れたアルミニウム合金粉末中に硬質のセラミック粒子
を混合しているため、硬質粒子による内部切り欠き効果
の影響が少なくなっており、その結果強度特性の低下は
余りなく、また優れた耐摩耗性を示す。

さらに、上記のアルミニウム合金粉末は、空気アトマイ
ズ法等により急冷凝固させて合金粉末を塑性加工して得
られるため、組織は均一微細であり、晶出する金属間化
合物も微細である。そのため、強度及び伸び等の材料特
性がすぐれている。

以上のような組成および組織により、引張特性の一つで
ある伸びを損なうことなく耐衝撃強度に　Ｇ 優れ、さらに常温及び２００°Ｃ程度の高温下での強度
を高めることができる。

〔実施例〕

以下に、実施例及び比較例を示し、本発明をより詳しく
説明する。

表３表に示す組成のアルミニウム合金を空気アトマイズ
法により粉末とし、−１００メツシユに分級した。さら
に、このアルミニウム合金粉末に平均粒径及び容量部を
変えたＡｌ□０３粉末を添加、混合し、圧粉成形体とし
、熱間押出し加工後、５００℃×２時間の溶体化処理を
施してから水冷し、その後１７５°Ｃ×１０時間の時効
処理を加えて目的とする最終材料を得た。

この材料より所定の形状に切り出した各試験片による常
温における引張強度、疲労強度及び衝撃値を第３表に示
し、さらに第５図にはＡｌ２Ｏ。

粉末平均粒径及び容量部とシャルピー衝撃値の関係を示
す。第４表には１５０℃における比較材の伸び、引張強
度及び疲労強度を示す。

第３．４表より本発明部材を得るためのアルミニウム合
金基地（Ｎｏ、ｉ４）は、１５０℃及び常温における引
張強度はＡＡ２６１８材よりも優れ１５０°Ｃの高温下
においては強度低下が少な（，１５０℃ではＡＡ７０９
１材以上の引張強度及び疲労強度を有することが分かる
。又、本発明部材を得るための合金基地は伸び及び衝撃
値がＡＡ７０９１材より優れ、ＡＡ２６１８材と同等で
ある。よって、本発明部材を得るためのアルミニウム合
金基地は、常温から２００℃程度の高温域において強度
ではＡＡ２６１８材以上の性能を示し、ＡＡ７０９１材
のような高温域での強度の著しい低下やＡｌ２Ｏ３によ
る衝撃値の著しい低下はない。このように高温強度、伸
び及び耐衝撃強度に優れたアルミニウム合金基地にＡｌ
２Ｏ３粉末を添加した本発明部材は、基地中に均一分散
したＡｌ２Ｏ３粉末による内部切り欠き効果の影響は殆
どなく、上記合金基地の特性を損なうことな（優れた特
性を示している（第３表参照）。

次に第５図からＡｌ２Ｏ３粉末の平均粒径及び容量部が
増すと、その内部切り欠き効果のために衝撃値は低下し
ているのがわかる。また、Ａｌ２Ｏ３粉末平均粒径で１
０．０μｍ、又は容量部で１０ｖｏ　１％については、
衝撃値で１．０ｋｇｆ・ｍ　／　ｃ　ｍ　２以下と著し
く低下している。さらに、ＡＡ７０９１材（Ｎｏ、２４
．２５）においては、その基地の耐衝撃性が劣り、内部
切り欠き効果の影響が大きいことからＡｌ゜０３粉末を
少量添加しても衝撃値は著しく低下する。それに対し、
本発明部材は、衝撃値で１．５ｋｇｆ−ｍ／ａｍ２以上
あり、耐衝撃性能としては、動弁系部材として何ら問題
ない。

第６図に摩耗試験の結果を示す。ビン−ドラム型の摩耗
試験機を使い、ビンに本発明部材及び比較材を、ドラム
に相手材としてＦｅ１２材を用いた。条件は第６図に合
わせて示す。

これより、Ａｌ□０３粉末を添加しない部材では、摩耗
量は多く、Ａｌ□０３粉末添加は耐摩耗性に有効である
ことがわかる。又、Ａｌ゜０３粉末容量部を１０．０ｖ
ｏ１％にしても、摩耗量は変わらず、さらにＡ　１２０
　ｇ粉末平均粒径を１０．０ｕｍにすると相手材の摩耗
を増す。

以上のように、本発明部材は、高温強度、伸び、耐疲労
性及び耐衝撃性に優れ、さらに耐摩耗性にも優れている
ことがわかる。

［発明の効果］ 以」二説明してきたように、この発明によれば、その構
成をＳ　ｉ　：　０．１〜０．５ｗｔ％、Ｃｕ：３．０
〜７．０ｗｔ％、Ｍｇ　：　０．５〜１．０ｗｔ％と、
Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ及びＣｒ等の遷移金属元素の何れか１
種もしくは２種を必須元素として添加し、その合計添加
量が１．５〜２．５ｗｔ％とし、残余が不純物とＡｌか
らなる合金粉末に、平均粒径２．５〜５．０μｍである
セラミック粉末を上記ＡＩ粉末１００容量部に対し、２
．５〜５．０容量部を混合し、塑性加工して得たことを
特徴とする高温強度、耐衝撃強度及び耐摺動特性に優れ
た内燃機関の動弁系部材としたため、耐摩耗性等が要求
される内燃機関の動弁系部イｆｌにおいて、耐摩耗性は
もちろん、その部材が使用される常温ないし２００℃程
度の高温域下において、優れた強度特性を示し、されに
動弁系部品の異常運動等により過度の応力がかかった場
合においても耐衝撃性能の優れた本発明部材では何ら問
題無いといえる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、Ｃｕ、Ｍｇ及び種々の遷移金属元素を添加し
たアルミニウム合金の引張強度と遷移金属添加量との関
係についてまとめた結果を示すグラフであり、 第２図は、本発明部材を得るにあたり、Ｃｕ、Ｍｇ及び
種々の遷移金属元素を添加したアルミニウム合金の伸び
と遷移金属添加量との関係にってまとめた結果を示すグ
ラフであり、 第３図はＳｉ添加量との関係を示す第１図と同様のグラ
フであり、 第４図はＳｉ添加量との関係を示す第２図と同様のグラ
フである。 第５図は、本発明部材の一例及び比較材を用い、Ａｌ□
０３粉末平均粒径及び容量部とシャルピー衝撃値の関係
についてまとめたものである。 第６図は、本発明部材の一例及び比較材を用い、Ａ　１
２０　ａ粉末平均粒径及び容量部と摩耗量の関係にって
まとめたものである。 特許出願人　　　株式会社リケン

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、Ｓｉ：０．１〜０．５ｗｔ％、Ｃｕ：４．５〜７．
   ０ｗｔ％、Ｍｇ：０．５〜１．０ｗｔ％と、Ｆｅ、Ｎｉ
   、Ｍｎ及びＣｒからなる群の遷移金属元素の何れか１種
   以上を必須元素として添加し、その合計量を１．５〜２
   ．５ｗｔ％とし、残余が不純物とＡｌからなる合金粉末
   に、平均粒径が２．５〜５．０μｍであるセラミック粉
   末を上記Ａｌ合金粉末１００容量部に対し、２．５〜５
   ．０容量部を混合した混合粉末を、塑性加工して得たこ
   とを特徴とする常温強度、高温強度、耐衝撃強度及び耐
   摩耗性に優れた内燃機関の動弁系部材。