JPH04198451A

JPH04198451A - 内燃機関の動弁系部材

Info

Publication number: JPH04198451A
Application number: JP2325327A
Authority: JP
Inventors: Fumio Kiyota; 清田　文夫; Tatsuo Fujita; 藤田　達生; Hironori Hanaoka; 花岡　広典
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1990-11-29
Filing date: 1990-11-29
Publication date: 1992-07-17
Anticipated expiration: 2016-06-25
Also published as: JP3179094B2

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
ことは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ＡＡ７０
９１材やＡＡ２６１８材が従来用いられてきた。ＡＡ２
６１８材の組成はＳｉ　：　０．１〜０．２５％、Ｆｅ
：０．９〜１．３％、Ｃｕ　：　１．’Ｉｌｌ〜２．７
％、Ｍｇ：１．２〜１．８％、Ｃｒ：０．１％以下、Ｎ
ｉ：１．７〜２．３％、Ｚｎ：０．２５％以下、Ｔｉ：
０．０５％以下、残余Ａｌ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：Ｏ１２〜５　ｗ　ｔ％又はＭｎ
：０１２〜８ｗｔ％の何れが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：１〜１
０ｗｔ％を含有し、残余がＡｌ及び不純物からなる合金
粉末を塑性加工して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。

［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、Ｓｉの添加によ
り生じるＭ　ｇ　２　Ｓ　ｉ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。

〔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、Ｓｉ：０．１〜０．５ｗｔ％、Ｃｕ　：
　４．５〜７．０ｗｔ％、Ｍｇ：０５〜１．０ｗｔ％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
塑性加工して得たことを特徴とする常温強度、高温強度
及び耐衝撃強度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。

Ｓ　ｉ　：Ｓｉは、Ｍｇの存在のもとて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、Ｓｉ添加量の０．５ｗ
ｔ％以下にする必要がある。また’Ｊ度のためには、Ｏ
，１ｗｔ％以上のＳｉは必要であるため、Ｓｉ添加量の
範囲としては０１〜０．５ｗｔ％、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℃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、加工性及び靭性な劣化するので、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を助長し、強度
の増加に寄与するものであるが、０゜５ｗｔ％未満では
、それらの効果が乏しく、１゜０ｗｔ％を超えると靭性
の低下を生じるので、Ｍｇの添加量は０．５〜１．０ｗ
ｔ％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に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。

上記合金は、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。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、熱間押出し格好後、５００　’ＣＸ　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。

さらに、これを第１図に引張強度、第２図に伸びを遷移
金属添加量との関係で示し、第３図に引張強度、第４図
に伸びをＳｉ添加量との関係で示した。

尚、急冷凝固法と鋳造材の比較として鋳造法で得たＡＡ
２６１８材の引張特性と伸び特性も表１及び第１図〜第
４図に示す。

（以下余白）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第１表、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、Ｃ
ｕ効果が著しく、その他の遷移金属の添加は全添加量が
３ｗｔ％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）、Ｓｉ添加量と強度の関係は希薄にな
る。したがって、従来はＭ　ｇ　２　Ｓ　ｉ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Ｓｉ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５ｉ＝１．２％とＳｉ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、Ｎ００７．８．９．１１．１３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　’Ｃへの昇温に伴う引張強度の減少）を示す
。

（以下余白）常温での強度は充分でも動弁界が使用される高温では強
度が不充分になる場合があり、又設計の償却性が低くな
るので、強度低下の抑制が重要になる。本発明十Ａ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３表を検討すると、Ｎｏ、１１は
強度低下が著しいことが分かる。これは、Ｎｏ、１１は
Ｓｉ添加量が高く、Ｍｇ２Ｓｉが多量に発生しており、
Ｍｇ２Ｓｉ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、１１以外の材料（ＮＯ８７〜９．１３）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合金は、Ｓｉ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−８１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、Ｆｅ、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１５〜
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。以上のような組
成により、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説明する。

第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メツシユに分級して圧粉成
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℃×１０時間
の時効処理を加えて目的とする部材を得た。

この部材より所定の形状に切り出した各試験片による引
張強度、疲労強度及び衝撃値を第４表に示す。

第３表、第４表から明らかなように本発明材は、常温に
おける引張強度はＡ２６１８材よりも優れ、１５０℃の
高温下においては強度低下が少な（、Δ７０９１材以−
］−の引張強度及び疲労強度を有する。又、本発明材の
伸び及び衝撃値はＡ７０９１材より優れ、Ａ２６１８材
と同等である。さらに、高Ｓｉ−高遷移金属組成をもつ
比較材３は、Ａ△７０９１材に比べ、高温での引張強度
の低下は少ないが、ΔΔ２６１８材に比べ、伸び及び衝
撃値は著しく低い。一方、本発明材は、常温から２００
℃程度の高温域の強度はＡ２６１８材以上の性能を示し
、Ａ７０９１材のような高温域での強度の著しい低下は
ない。又、耐衝撃性能もＡ２６１８材と同等に近いもの
となっている。

〔発明の効果〕

以上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：４．５〜
７．０ｗｔ％、Ｍｇ　：　０．５〜］、　０ｗｔ％と、
トｃ、Ｎｉ、Ｍｎ及びＣｒ等の遷移金属　Ｇ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からなる合金粉末を塑性加工して得たこと
を特徴とする高温強度及び耐衝撃強度に優れた内燃機関
の動弁系部材としたため、内燃機関の動弁系部材が使用
される常温ないし２００　’Ｃ程度の高温域下において
、優れた強度特性を示し、さら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つい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。特許出願人　　　株式会社リケン

Claims

【特許請求の範囲】

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塑性加工して
得たことを特徴とする常温強度、高温強度及び耐衝撃強
度に優れた内燃機関の動弁系部材。