JPH0699787B2 - 耐熱アルミニウム合金製部材の製造方法 - Google Patents

耐熱アルミニウム合金製部材の製造方法

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JPH0699787B2
JPH0699787B2 JP58235293A JP23529383A JPH0699787B2 JP H0699787 B2 JPH0699787 B2 JP H0699787B2 JP 58235293 A JP58235293 A JP 58235293A JP 23529383 A JP23529383 A JP 23529383A JP H0699787 B2 JPH0699787 B2 JP H0699787B2
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【発明の詳細な説明】 A.発明の目的 (1)産業上の利用分野 本発明は、熱間寸法安定性に優れた耐熱アルミニウム合
金製部材の製造方法に関する。
(2)従来の技術 従来、上記部材を得る場合には、展伸材用耐熱アルミニ
ウム合金体、又は連続鋳造により得られた鋳造体に熱間
鍛造を施して部材を成形し、その後、部材の熱間寸法安
定性および強度を向上させるため溶体化時効処理を施す
ことが行われている。
(3)発明が解決しようとする課題 上記時効処理は部材の使用温度以上の高温下で行わなけ
れば、部材の使用時にそれが加熱されることによって組
織が変化し、それに伴い寸法成長が発生することにな
る。例えば、内燃機関用ピストンの場合、それは機関運
転中約280℃に加熱されるが、一般に時効処理は合金組
織からくる制約により前記温度以下(T7処理においては
約230℃)で行われているため前記寸法成長の問題があ
る。これは、JIS AC8A,AC8B,AC8C等の鋳物用アルミニウ
ム合金を用いて金型鋳造により得られたピストンについ
ても同様である。この問題を回避するためには高温安定
化処理に耐え得る耐熱アルミニウム合金が必要となる。
そこで熱間寸法安定性に優れ且つ高温強度の高い耐熱ア
ルミニウム合金を得るために、アルミニウム合金溶湯
に、その溶湯を急冷凝固させる粉末化処理(所謂アトマ
イズ)を施して、添加元素を過飽和に固溶しているアル
ミニウム合金粉末を得るようにし、この合金粉末を用い
て押出しや鍛造等の加工を施すことにより所定形状の部
材を成形するようにしたものが、例えば特公昭55-35463
号公報に開示される如く既に提案されているが、この提
案のものでは、上記溶湯の急冷凝固により組織中に生じ
た過飽和固溶体、準安定相、微細分散物等の粒子がその
後の加工処理によって分解粗大化して急冷凝固の性質を
劣化させることのないように、特に“400℃以下の比較
的低い温度域で”その後の成形加工処理を行うようにし
ているため、その処理の際の成形加工性が悪く、生産性
が良好でない問題がある。
また上記粉末化処理(アトマイズ)に伴う組織中の粒子
の析出分布には、少なからず片寄りやばらつきを生じる
ことがあるが、上記提案のものの如く、その後の粒子の
析出・粗大化を抑えるべく特に“400℃以下の比較的低
い温度域で”成形加工処理を行うようにした場合には、
その処理中も上記析出分布の片寄りやばらつきがそのま
ま維持されるため、たとえその後の処理の過程に鍛造工
程を入れて析出粒子の粉砕、微細化を図ったとしても、
その微細粒子を組織全体に亘り均一に分散させることが
困難で組織の偏析を生じてしまい、これが部材の強度
(特に高温強度)を低下させる原因となる。
本発明は、上記従来の問題を解決することができる、耐
熱アルミニウム合金製部材の製造方法を提供することを
目的とする。
B.発明の構成 (1)課題を解決するための手段 上記目的を達成するために本発明は、アルミニウム合金
溶湯に、その溶湯を冷却速度103℃/sec以上にて急冷凝
固させる粉末化処理を施して、添加元素を過飽和に固溶
しているアルミニウム合金粉末を得る粉末製造工程と、
前記アルミニウム合金粉末に対し、400℃よりも高く且
つ520℃よりも低い温度にて押出加工を施して鍛造用素
材を製造し、次いで該鍛造用素材に温度300℃以上にて
熱間鍛造を施してアルミニウム合金製部材を成形し、そ
の後該部材を冷却速度100℃/sec以上で急冷する成形工
程と、前記部材を温度550℃以下に30分間以上保持する
安定化処理工程とを含むことを特徴とする。
アルミニウム合金としては、Al−Si、Al−Si−Fe、Al−
Fe系合金等が該当する。
粉末製造工程において、冷却速度を103℃/sec以上105
/sec未満に設定することにより組織中に添加元素を過飽
和に固溶させると共に品質の安定した粉末を得ることが
できる。また冷却速度を105℃/sec以上107℃/sec以下に
設定すると、添加元素の過飽和固溶度が向上し、またF
e、Ni、Cr等の高温強度を改善する元素を大幅に添加し
てそれら添加元素をより多く金属間化合物として析出さ
せることが可能となり、これにより部材の高温強度をよ
り一層向上させることができる。冷却速度が103℃/sec
を下回ると添加元素が過度に粗大化した金属間化合物と
して析出するため、組織上の欠陥となり易く強度劣化を
招く。一方、冷却速度が107℃/secを上回ると、製造工
程が複雑化して量産性が損われ、その上均一特性の粉末
を得ることが困難となる。
成形工程における熱間押出加工時、アルミニウム合金粉
末よりなる保形性を有する素材の温度を400℃よりも高
く且つ520℃よりも低い、比較的高い温度域に設定する
ことにより、その押出し加工の際の成形加工性が良好で
ある。またこのような高温度域では、その前の粉末化処
理で組織中に過飽和に固溶し析出した粒子(添加元素)
が組織全体に亘り均一に分散し且つ多少とも粗大化する
傾向にあるが、これら粗大化した粒子を、引き続く熱間
鍛造により機械的に粉砕して微細化し、且つその微細化
の後は粒子が再び粗大化しないよう急冷することによ
り、組織の偏析を伴うことなく組織中に微細粒子を均一
に分散させることができ、これにより高温強度が高めら
れる。
また特に粉末製造工程において、Fe、Ni、Cr等の元素の
大量添加を可能にすべく、溶湯の冷却速度を105℃/sec
以上に設定した場合には、得られた粉末の硬度が高くな
るので押出加工時の素材温度も高くする必要がある。素
材温度が400℃を下回ると、変形抵抗が大きくなって成
形加工性が悪くなり、一方、素材温度が520℃を上回る
と結晶粒が粗大化し過ぎて高温強度が低下する。
ただし、押出速度および押出比を小さく、また押出圧を
大きくすることにより、より低温下において押出加工を
行うことが可能である。この場合、 と定義され、一般に押出比5以上20以下程度が実用域と
されている。押出比が20を上回ると、巨大な押出設備が
必要となり、工業性が悪化する。一方、押出比が5を下
回ると、押出加工後の製品の心部と外周部における硬
度、強度等の性能のばらつきが大きくなるが、押出加工
後に熱間鍛造が行われるて、その鍛錬により結晶粒子の
均一、且つ微細化が図られるので、押出比は2程度でも
実用上問題はない。
また鍛造加工時、鍛造用素材温度を300℃以上に設定す
ることにより素材の鍛造成形性が良好となり、得られた
部材に亀裂や鍛造割れを生じることはないが、素材温度
が300℃を下回ると鍛造成形性が悪化し、部材に亀裂や
鍛造割れを生じる。粉末製造工程において、冷却速度10
5℃/sec以上で得られた前記粉末よりなる鍛造用素材の
場合には、その硬度が高くなることに伴い素材温度も高
くするのが望ましい。
さらに鍛造後の冷却速度を100℃/sec以上に設定するこ
とにより、結晶粒の粗大化を抑制して高温強度および硬
度を向上させることができるが、冷却温度が100℃/sec
を下回ると組織が回復して再結晶が起こり、これにより
結晶粒の粗大化を招き、高温強度が低下する。この冷却
操作は一般に水冷で行われるが粉末製造工程において、
冷却速度105℃/sec以上で得られた前記粉末よりなる素
材の場合、添加元素の大量添加に伴い高温安定性に優れ
た金属間化合物が大量に析出し、それら金属間化合物に
より鍛造後の組織の回復、再結晶が阻止されるので、上
記冷却操作を必ずしも水冷で行う必要はない。
安定化処理工程において、部材を温度550℃以下に30分
間以上保持することにより、その熱間寸法安定性を向上
させることができる。要するに、安定化処理温度は部材
の使用温度以上であることが必要で、安定化処理温度が
使用温度を下回ると部材が寸法成長を発生し熱間寸法安
定性が悪化する。温度が550℃を上回ると前記アルミニ
ウム合金の高温強度が劣化し、また処理時間が30分間を
下回ると組織の均質化が図られず、安定した品質のもの
が得られない。
(2)実施例 次に、本発明を内燃機関用ピストンの製造に適用した実
施例について説明する。
表1は、本発明において用いられる耐熱アルミニウム合
金F〜Hおよび比較例としてのJISAC8C材Eの組成を示
す。
前記合金F〜Hを用いる場合は、冷却速度105℃/sec以
上の条件下でアトマイゼーションを適用して3種類の合
金粉末を製造し、各合金粉末より直径225mmの保形性を
有する押出加工用素材を成形する。各押出加工用素材を
炉内温度420℃の均熱炉内に設置して10時間保持し、次
いでその押出加工用素材に押出加工を施して直径70mmの
丸棒状鍛造用素材を製造する。
その後、各鍛造用素材に熱間鍛造を施してピストン素材
を成形する。この場合、合金F〜Hからなる素材は470
℃にそれぞれ加熱される。熱間鍛造後、各ピストン素材
を冷却速度660℃/secにて水冷する。
比較例としての合金Eを用いた場合には、金型を使用し
てピストン素材を鋳造する。
第1図は各ピストン素材に安定化処理を施した場合の硬
度(HRB)変化を示すもので、各硬度は各ピストン素材
を各温度に48時間保持した後室温で測定されるものであ
る。f1〜h1は合金F〜Hよりなるピストン素材をそれぞ
れ示し、またe1は前記比較例を示す。
ピストンはその使用温度が約280℃であるから、安定化
処理はそれ以上の高温、例えば300℃以上で行うのが良
い。第1図から明らかなように合金F〜Hよりなるピス
トン素材f1〜h1の場合は安定化処理温度が500℃でもそ
れ程硬度の低下は認められず、リング溝の耐久性を保持
させるためにHRB 60以上とすることが十分に可能であ
る。これに対しピストン素材e1の場合は、安定化処理温
度が300℃以上であると硬度が大幅に低下してピストン
としての機能を果たさなくなる虞れがある。
直噴タイプを採用したエンジンのディーゼル化等に伴い
ピストンの使用温度は400〜450℃と高くなる傾向にある
が、このような使用環境においても前記ピストンf1〜h1
は十分な高温強度を有するもので、これは粉末製造工程
において、冷却速度を105℃/sec以上に設定することに
より達成し得るものである。
第2図は、各ピストン素材f1〜h1に450℃、3時間の安
定化処理を施し、その後機械加工によりヘッド部外径が
73.55mmのピストンf2〜h2を削成し、それを400℃に所定
時間保持した場合の寸法成長変化を示す。
この場合の寸法成長変化はヘッド部の外径変化として示
されており、 である。また基準値ゼロを境としてプラス側が膨脹によ
る永久変形、マイナス側が収縮による永久変形の場合で
ある。
合金Eよりなるピストンe2は、T7処理を施した素材e1
機械加工を施して前記と同一のヘッド部外径を持つよう
に削成されたものである。
第2図から明らかなように、合金F〜Hよりなるピスト
ンf2〜h2の場合は寸法成長変化率が極めて少ないが、合
金Eよりなるピストンe2の場合は寸法成長変化率が経時
的に増加する。このことから前記合金F〜Hよりなるピ
ストンは熱間寸法安定性に優れていることが明らかであ
る。
機関運転中に発生するピストンの寸法成長は不可逆変化
であるため、ピストンが膨脹による永久変形を起こした
場合にはシリンダスリーブに対するピストンの摩擦力が
増大して出力の損失をもたらし、また前記変形の程度が
大きいとピストンとシリンダスリーブ間に焼付きを発生
するおそれがある。一方、ピストンが収縮による永久変
形を起こした場合にはピストンによる打音の増大、オイ
ル消費量およびブローバイガスの増加等の不具合を発生
する。
前記合金F〜Hよりなるピストンf2〜h2においては、そ
れらが機関運転中に起こす永久変形量が極めて少なく、
したがってピストンとシリンダスリーブ間のクリアラン
スの変化に伴う前記不具合を全て解消し得るものであ
る。
C.発明の効果 以上のように本発明によれば、アルミニウム合金溶湯に
それを急冷凝固させる粉末化処理を施して得たアルミニ
ウム合金粉末に対し、成形加工性に着目して400℃より
も高い高温度域で押出し加工を施すようにしたから、そ
の押出し加工の際の成形加工性が良好であり、生産性の
向上に大いに寄与することができる。
またこのよりに押出し加工が上記のような比較的高い温
度域で行われると、組織中に過飽和に固溶し析出する添
加元素の粒子を、それらが粗大化する傾向を伴いながら
も組織全体に亘り均一に分散させることができるので、
これらの粗大粒子を、上記押出し加工に引き続く熱間鍛
造を以て機械的に粉砕して微細化し、且つその微細化し
た粒子が再び粗大化しないように100℃/sec以上で急冷
し、且つまたその急冷したものを安定化処理するように
したことにより、微細な析出粒子を組織全体に亘り均一
に分散させることができて、組織の偏析が効果的に回避
され、以上の結果、成形加工が容易で、しかも熱間寸法
安定性と高温強度に優れた極めて高品質の耐熱アルミニ
ウム合金製部材が得られるものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例におけるピストン素材に対す
る安定化処理温度と硬度の関係を示すグラフ、第2図は
同実施例におけるピストンを400℃に保持した場合の保
持時間と寸法成長変化率の関係を示すグラフである。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】アルミニウム合金溶湯に、その溶湯を冷却
    速度103℃/sec以上にて急冷凝固させる粉末化処理を施
    して、添加元素を過飽和に固溶しているアルミニウム合
    金粉末を得る粉末製造工程と、前記アルミニウム合金粉
    末に対し、400℃よりも高く且つ520℃よりも低い温度に
    て押出加工を施して鍛造用素材を製造し、次いで該鍛造
    用素材に温度300℃以上にて熱間鍛造を施してアルミニ
    ウム合金製部材を成形し、その後該部材を冷却速度100
    ℃/sec以上で急冷する成形工程と、前記部材を温度550
    ℃以下に30分間以上保持する安定化処理工程とを含むこ
    とを特徴とする、熱間寸法安定性に優れた耐熱アルミニ
    ウム合金製部材の製造方法。
JP58235293A 1983-12-14 1983-12-14 耐熱アルミニウム合金製部材の製造方法 Expired - Lifetime JPH0699787B2 (ja)

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