JPH11217646A

JPH11217646A - アルミニウム合金

Info

Publication number: JPH11217646A
Application number: JP5412198A
Authority: JP
Inventors: Harumichi Nakanishi; 治通中西; Yutaka Shimizu; 豊清水; Yuichi Takemoto; 裕一武本
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 1998-01-28
Filing date: 1998-01-28
Publication date: 1999-08-10

Abstract

(57)【要約】【課題】アルミニウム合金において、比較的高い温度
範囲において過時効を十分に抑制する。【解決手段】アルミニウム合金において、不可避不純
物を含むアルミニウムを主成分とし、少なくとも３〜６
重量％のＮｉと、１〜５重量％のＣｕと、４．５〜１０
重量％のＳｉとをさらに含ませた。好ましくは、Ｎｉの
重量割合を４〜５重量％とする。また、０．１〜１重量
％のＦｅ、０．００１〜０．５重量％のＭｎ、０．０１
〜１．２重量％Ｍｇ、０．１〜０．２重量％のＴｉ、お
よび０．０１〜０．３重量％のＳｂのうちの少なくとも
１つをさらに添加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は、輸送機械の各種
部品の他、様々な用途に幅広く用いられているアルミニ
ウム合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】たとえば、自動車エンジンのシリンダ、
シリンダヘッド、あるいはピストンなどは、エンジンの
起動・停止などによって生じる温度差によって熱応力や
熱ひずみを生じるが、これが繰り返された場合には熱疲
労という現象が起こり、亀裂を生じて破損に至ることが
ある。とくに、シリンダヘッドは、変形が拘束されてい
るため大きな熱応力や熱ひずみが生じやすく、吸気弁や
排気弁が設けられているためこれらの弁間において亀裂
が生じる場合がある。

【０００３】また、燃費向上などの観点から、エンジン
はもとより車体全体の軽量化が図られているが、この要
請に応じるべく自動車の各種の部品にはアルミニウム合
金が汎用されている。エンジンの各部材の材料としてア
ルミニウム合金を用いる場合には、上記した熱疲労に対
応すべく、アルミニウム合金の伸びを高くしたり、ある
いは高温強度を高くするなどの方策が講じられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、いずれ
の方策を講じたとしても、５０〜２３０℃程度の範囲に
おいて実使用期間内（１００００ｈｒ）で過時効（たと
えば硬さなどの性質が最高になる温度と時間よりも高い
温度または長い時間で起こる時効）が抑制されたアルミ
ニウム合金は存在するが、２５０℃を越える範囲におい
て実使用期間内で過時効が十分に抑制されたアルミニウ
ム合金の開発には至っていないのが現状である。このた
め、エンジンの各部材にアルミニウム合金を使用する場
合には、過時効が抑制された５０〜２３０℃程度の温度
範囲においてエンジン設計がなされており、この制約が
エンジンの性能向上、たとえば馬力アップなどの妨げと
なっている。

【０００５】本発明は、上記した事情のもとで考え出さ
れたものであって、アルミニウム合金において、比較的
高い温度範囲において過時効を十分に抑制することをそ
の課題としている。

【０００６】

【発明の開示】すなわち、本発明の第１の側面によれ
ば、不可避不純物を含むアルミニウムを主成分とし、少
なくも３〜６重量％のＮｉと、１〜５重量％のＣｕと、
４．５〜１０重量％のＳｉとをさらに含むことを特徴と
する、アルミニウム合金が提供される。

【０００７】通常のアルミニウム合金においては、Ｎｉ
を他の元素、たとえばＦｅと同時に添加し、また、これ
に加えてＳｉを添加することによって硬さが大きくなる
ことが知られている。このため、通常のアルミニウム合
金では、１重量％程度のＮｉが添加されることがあり、
多くともその添加量は２重量％とされている。

【０００８】ところで、ニッケル合金が耐熱性に優れる
ことから、アルミニウム合金へのＮｉ添加が耐熱性に寄
与しているかについても様々な研究がなされている。こ
の点について、「アルミニウムの組織と性質」（軽金属
学会．１９９１．Ｐ２０５）には、４重量％Ｃｕ−１．
５重量％Ｍｇ−（０〜４重量％）Ｎｉ系のアルミニウム
合金においては、「人工時効後の硬さは高Ｎｉ合金ほど
低下し、焼鈍後の硬さはＮｉ添加合金において無添加合
金よりも高くなることはなかったこと、また、Ｎｉ添加
により析出相の過時効による粗大化が抑制されることが
見出せなかったことから、Ｎｉ添加が合金の耐熱性に寄
与しないと結論している」、との研究発表が引用されて
おり、このことにも表れているように、アルミニウム合
金にＮｉを添加しても耐熱性を改善することができない
というのが通説となっているようである。

【０００９】しかしながら、本発明者らが鋭意検討した
結果、アルミニウム合金に比較的多量のＮｉを添加した
場合には、耐熱性（熱疲労特性）が改善されることを見
出し、本発明をするに至った。

【００１０】すなわち、本発明者らは、アルミニウム合
金としてＪＩＳ規格に規定されているＡＣ２Ｂを参考に
してＮｉ量の異なる種々の合金を作成し、各合金につい
て熱疲労試験を行うことによってＮｉ量がアルミニウム
合金の耐熱性（熱疲労特性）に与える影響について考察
した。その結果、Ｎｉ量が少ない範囲（２重量％以下）
では、従来からいわれていたように耐熱性の改善は図れ
なかった。ところが、Ｎｉ量が３重量％を越えたあたり
から熱疲労特性が向上しはじめ、Ｎｉ量が４〜５重量％
あたりでピークに達し、Ｎｉ量が６重量％あたりまで熱
疲労特性が向上することが分かった。

【００１１】また、Ｎｉ量が少ないアルミニウム合金お
よびＮｉ量が比較的多いアルミニウム合金のそれぞれに
ついて熱処理を行った後に、透過型電子顕微鏡（ＴＥ
Ｍ：ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｏｒｏｎ
Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）により組織観察を行った結果、
Ｎｉ量が比較的多いアルミニウム合金では、Ｇ．Ｐ．ゾ
ーン（合金の時効硬化の初期において、固溶体の溶質原
子が集まって形成された集合体）が確認され、また時効
析出物の粗大化が認められず、時効析出物の粗大化抑制
が確認された。このことは、Ｎｉ量が比較的多いアルミ
ニウム合金では、高温強度が高いことを示唆していると
思われる。

【００１２】このような事実から明らかなように、Ｎｉ
添加によってアルミニウム合金の耐熱性の改善を図るこ
とができないのではなく、Ｎｉ量が少ない範囲（２重量
％以下）ではその効果が顕著には表れず、一定量以上の
Ｎｉ添加によって耐熱性の改善を図ることができるので
ある。ただし、過剰量（７重量％以上）のＮｉを添加し
た場合には、ニッケル粒らしきものが大きく成長し、耐
熱性の向上が図れない。

【００１３】以上のことから、本発明では、Ｎｉ添加に
よってアルミニウム合金の耐熱性の改善を図るととも
に、その添加量を３〜６重量％のＮｉとしている。

【００１４】また、本発明に係るアルミニウム合金にお
いてＣｕを含ませるのは、常温および高温における強度
の向上を図るとともに、被削性の改善を図るためであ
る。この場合、Ｃｕの添加量があまりに小さいと、上記
した効果が十分に得られず、あまりに大きいと溶湯補給
性が悪化し、気泡を生じやすいため、Ｃｕの重量割合は
１〜５重量％とされる。

【００１５】さらに、アルミニウム合金においてＳｉを
含ませるのは、耐磨耗性を向上させるとともに、Ｃｕを
含有するアルミニウム合金の熱間割れを低減するためで
ある。この場合、Ｓｉの添加量があまりに小さいと十分
にその効果が得られず、あまりに大きいと針状共晶Ｓｉ
や塊状の初晶Ｓｉが成長して靭性や被削性が低下する
め、Ｓｉの重量割合は４．５〜１０重量％とされる。

【００１６】好ましくは、上記アルミニウム合金におけ
るＮｉの重量割合は、４〜５重量％とされる。後述する
ように、この範囲において、より顕著に熱疲労特性改善
が図られることが本発明者らによって確認されている。

【００１７】上記アルミニウム合金においては、０．１
〜１重量％のＦｅをさらに含んでいてもよい。この場
合、Ｆｅの添加量があまりに小さいと、ダイカスト成形
するときに金型との焼き付きが生じやすくなり、あまり
に大きいと針状化合物が晶析して靭性が低下する傾向が
あるため、Ｆｅの重量割合を０．１〜１重量％とするの
が好ましい。

【００１８】さらに、Ｆｅを添加することによる靭性と
耐食性の劣化を抑制すべく、０．００１〜０．５重量％
のＭｎを含ませてもよい。この場合、Ｍｎの添加量があ
まりに小さいとＦｅによる靭性と耐食性の劣化を抑制す
る効果が十分に得られず、あまりに大きいと化合物が粗
大となってハードスポットの原因となるため、Ｍｎの重
量割合を０．００１〜０．５重量％とするのが好まし
い。

【００１９】また、靭性と耐食性を向上させるべく、
０．０１〜１．２重量％のＭｇをさらに含ませてもよ
い。この場合、Ｍｇの添加量があまりに小さいとその効
果が十分に発揮できず、あまりに大きいとアルミニウム
合金溶湯の酸化が促進され、鋳物の内部にその酸化層が
混入して鋳物の品質が悪化するとともに、溶湯の流動性
や補給性が悪化して鋳造性が悪化するため、Ｍｇの重量
割合を０．０１〜１．２重量％とするのが好ましい。

【００２０】さらに、上記アルミニウム合金において
は、０．０１〜０．２重量％のＴｉおよび／または０．
０１〜０．３重量％のＳｂをさらに含んでいてもよい。
Ｔｉを含ませるのは、鋳物の結晶粒を微細化することに
よって鋳造割れ性を改善することができるからである。
この場合、Ｔｉの添加量があまりに小さいと鋳造割れ性
を十分に改善することができず、あまりに大きいと粗大
化合物が生成され、溶湯の流動性が低下して鋳造性が悪
化するため、Ｔｉの重量割合を０．０１〜０．２重量％
とするのが好ましい。一方、Ｓｂを含ませるのは、靭性
や被削性を低下させる針状共晶Ｓｉや塊状の初晶Ｓｉを
微細な短冊状の形態にして靭性や被削性低下を抑制する
ためである。この場合、Ｓｂの添加量があまりに小さい
とその効果が十分に発揮されないため、Ｓｂの重量割合
を０．０１〜０．３重量％とするのが好ましい。

【００２１】なお、本発明に係るアルミニウム合金にお
いては、上記した各成分以外はアルミニウムであり、こ
のアルミニウムには不可避不純物が含まれていてもよ
い。

【００２２】本願発明の第２の側面によれば、３〜６重
量％のＮｉと、１〜５重量％のＣｕと、４．５〜１０重
量％のＳｉと、０．１〜１重量％のＦｅと、０．００１
〜０．５重量％のＭｎと、０．０１〜１．２重量％のＭ
ｇと、０．０１〜０．２重量％のＴｉと、０．０１〜
０．３重量％のＳｂとを含み、残部が不可避不純物を含
むアルミニウムであることを特徴とする、アルミニウム
合金が提供される。

【００２３】なお、上記アルミニウム合金において上記
各成分を含ませる意義およびその重量割合の意義は、第
１の側面において記載した通りである。

【００２４】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例を比較例と
ともに説明する。

【００２５】

【実施例１〜５および比較例１〜４】本発明者らは、ア
ルミニウム合金としてＪＩＳ規格に規定されているＡＣ
２Ｂを参考にし、アルミニウム以外の成分ではＮｉのみ
がその添加量が異なる種々のアルミニウム合金を作成
し、各アルミニウム合金についてＴ６処理と称される熱
処理を行った後に熱疲労試験を行うことによってＮｉ量
がアルミニウム合金の熱疲労特性に与える影響について
考察した。その結果を図１に示す。なお、各実施例およ
び各比較例においては、同一組成の３つのテストピース
について、それぞれ熱疲労試験を行った。

【００２６】（アルミニウム合金の組成）アルミニウム
合金の組成は、表１に示した通りである。すなわち、各
アルミニウム合金は、５．８重量％のＳｉ、０．１３重
量％のＦｅ、２．７重量％のＣｕ、０．００２重量％の
Ｍｎ、０．３３重量％のＭｇ、０．０８重量％のＴｉ、
および０．１８重量％のＳｂを含むとともに、Ｎｉの添
加量が１〜１０重量％の範囲において設定されており、
残部が不可避不純物を含むアルミニウムである。実施例
１〜５においては、ニッケルの重量割合がそれぞれ３重
量％、４重量％、５重量％、５．２重量％、および６重
量％であり、比較例１〜４においては、ニッケルの重量
割合がそれぞれ１重量％、２重量％、７重量％、および
１０重量％である。

【００２７】（テストピース）テストピースは、長手方
向の全長が４６ｍｍとされており、長手方向の両端部が
長矩形断面（６ｍｍ×１０ｍｍ）とされているととも
に、中央部が円形断面（直径が４ｍｍ）とされている
（図２参照）。

【００２８】（Ｔ６処理）Ｔ６処理は、上記アルミニウ
ム合金を電気炉に搬入して５２０℃で３時間加熱した後
に、８０℃で水冷することによって溶体化処理を行い、
さらに１９０℃で３時間加熱した後に常温まで自然冷却
させることによってアルミニウム合金を時効硬化させる
ことによって行った。

【００２９】（熱疲労試験）まず、熱疲労試験に用いら
れた歪み発生装置の構成について、図２を参照して簡単
に説明する。図２に示すように、歪み発生装置１Ｘは、
テストピースＴＰを拘束・保持する拘束ホルダーＨ（線
膨張係数が３×１０^−６／Ｋ）と、上記テストピースＴ
Ｐおよび上記拘束ホルダＨを加熱・冷却するエアヒータ
ＡＨと、テストピースＴＰの温度を観測するサーモカッ
プルＴＣとを備えて構成されている。また、上記テスト
ピースＴＰには、これと同じ線膨張係数（線膨張係数が
２５×１０^−６／Ｋ）を有する歪みゲージＧ１が接着さ
れているとともに、上記拘束ホルダＨには、これと同じ
線膨張係数（線膨張係数が３×１０^−６／Ｋ）を有する
歪みゲージＧ２が接着されており、これらの歪みゲージ
Ｇ１，Ｇ２によって上記テストピースＴＰおよび上記拘
束ホルダＨの熱歪みが測定されるようになされている。
なお、上記テストピースＴＰおよび上記拘束ホルダＨの
熱歪みデータ、あるいは上記テストピースＴＰの温度デ
ータは、パーソナルコンピュータに取り込まれ、上記テ
ストピースＴＰの温度が所定の温度となるように上記エ
アヒータＡＨの出力が制御される。

【００３０】次に、上記歪み発生装置Ｘを用いた熱疲労
試験について説明する。まず、上記拘束ホルダＨによっ
てテストピースＴＰの長手方向の両端部を幅方向に拘束
した。この状態で、エアヒータＡＨによって平均加熱速
度１．６７Ｋ／ｓｅｃで２５０℃にまで加熱した後に、
平均冷却速度１．１１Ｋ／ｓｅｃで５０℃にまで冷却す
ることによってテストピースＴＰに熱歪みを発生させ
た。このきの総加熱時間を１２０秒、総冷却時間を１８
０秒として計３００秒を１サイクルとした。このとき、
テストピースＴＰの中央部に発生した熱歪みを次式によ
って熱応力に換算し、各サイクルにおける最大引っ張り
応力と最大圧縮応力を計算した。応力を縦軸、サイクル
数を横軸として各サイクル毎に最大引っ張り応力と最大
圧縮応力をプロットし、最大引っ張り応力が低下し始め
た点を熱疲労寿命として定義した。

【００３１】

【数１】

【００３２】

【実施例６】本実施例においては、実施例４と同組成の
アルミニウム合金、すなわち５．８重量％のＳｉ、０．
１３重量％のＦｅ、２．７重量％のＣｕ、０．００２重
量％のＭｎ、０．３３重量％のＭｇ、５．２重量％のＮ
ｉ、０．０８重量％のＴｉ、および０．１８重量％のＳ
ｂを含み、残部が不可避不純物を含むアルミニウムであ
るアルミニウム合金（以下、「Ｃ合金」という）を用
い、このアルミニウム合金を熱処理（Ｔ６処理および過
時効処理）した後に、ＴＥＭによって組織観察を行っ
た。Ｔ６処理したものの結果を図３に、Ｔ６処理した後
に過時効処理したものの結果を図４にそれぞれ示す。

【００３３】（熱処理）Ｔ６処理の方法については、上
述した通りである。一方、過時効処理は、Ｔ６処理を施
したアルミニウム合金を電気炉に搬入して２５０℃で１
６０時間加熱した後に、常温まで自然冷却させることに
よって行った。

【００３４】

【比較例５】本比較例においては、表１に示した組成の
アルミニウム合金、すなわち５．９重量％のＳｉ、０．
１３重量％のＦｅ、３．１重量％のＣｕ、０．００４重
量％のＭｎ、０．０２重量％のＭｇ、０．０２重量％の
Ｎｉ、０．１０重量％のＴｉ、および０．０１重量％の
Ｓｂを含むとともに、残部が不可避不純物を含むアルミ
ニウムであるアルミニウム合金（ＪＩＳ規格によって規
定されたＡＣ２Ｂ）を用い、これを実施例６において記
載された方法で熱処理した後に、ＴＥＭによって組織観
察を行った。Ｔ６処理したものの結果を図５に、Ｔ６処
理した後に過時効処理したものの結果を図６にそれぞれ
示す。

【００３５】

【表１】

【００３６】

【発明の効果】図１から明らかなように、３〜６重量％
のＮｉを添加した場合には、熱疲労寿命の改善がみら
れ、とくに４〜５重量％の範囲においてはそれが顕著で
ある。すなわち、本発明に係るアルミニウム合金は、適
当量のＮｉが添加されることによって従来のアルミニウ
ム合金に比べて熱疲労特性が改善されていることがわか
る。

【００３７】図３および図４から明らかなように、Ｃ合
金では、Ｔ６処理後および過時効処理後のいずれにおい
てもＧ．Ｐ．ゾーンが観察されている。一方、図５およ
び図６から明らかなように、ＡＣ２Ｂでは、Ｔ６処理後
においてはＧ．Ｐ．ゾーンが観察されているが、過時効
処理後においてはＧ．Ｐ．ゾーンから中間相析出物
（θ′）が形成されており、析出物が粗大化している。

【００３８】図４から明らかなように、過時効処理後の
Ｃ合金では、時効析出物の粗大化が認められないため、
Ｃ合金は高温強度が高いものと考えられる。

【００３９】以上のように、本発明に係るアルミニウム
合金は、３〜６重量％程度のＮｉを添加することによっ
て、時効析出物の粗大化が抑制されて過時効が抑制され
ていること分かる。したがって、本発明に係るアルミニ
ウム合金は、繰り返し熱応力や熱ひずみが生じさせられ
る部材、たとえば自動車エンジンのシリンダ、シリンダ
ヘッド、あるいはピストンなどに良好に使用することが
できる。もちろん、上記アルミニウム合金は、その他の
用途に幅広く利用できるのはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｎｉ量の異なる種々のアルミニウム合金、すな
わち実施例１〜５、および比較例１〜４に係るアルミニ
ウム合金について熱疲労試験を行った結果を表すグラフ
であり、縦軸が熱疲労寿命を表し、横軸がアルミニウム
合金におけるＮｉの含有量を表している。

【図２】テストピースに熱歪みを発生させる装置の構成
を説明するための概念図である。

【図３】Ｔ６処理した実施例６に係るアルミニウム合金
（Ｃ合金）をＴＥＭによって拡大した状態を表す組織観
察写真であり、（ａ）は６００００倍に、（ｂ）は１５
００００倍にそれぞれ拡大したものである。

【図４】Ｔ６処理した後に過時効処理した実施例６に係
るアルミニウム合金（Ｃ合金）をＴＥＭによって１５０
０００倍に拡大した状態を表す組織観察写真である。

【図５】Ｔ６処理した比較例５に係るアルミニウム合金
（Ｃ合金）をＴＥＭによって１５００００倍に拡大した
状態を表す組織観察写真である。

【図６】Ｔ６処理した後に過時効処理した比較例５に係
るアルミニウム合金（ＡＣ２Ｂ）をＴＥＭによって拡大
した状態を表す組織観察写真であり、（ａ）は６０００
０倍に、（ｂ）は１５００００倍にそれぞれ拡大したも
のである。

【符号の説明】

Ｘ熱歪み発生装置ＴＰテストピースＨ拘束ホルダＡＨエアヒータＧ１歪みゲージ（テストピースの）Ｇ２歪みゲージ（拘束ホルダの）ＴＣサーモカップル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】不可避不純物を含むアルミニウムを主成
分とし、少なくとも３〜６重量％のＮｉと、１〜５重量
％のＣｕと、４．５〜１０重量％のＳｉとをさらに含む
ことを特徴とする、アルミニウム合金。
【請求項２】Ｎｉの重量割合が４〜５重量％である、
請求項１に記載のアルミニウム合金。
【請求項３】０．１〜１重量％のＦｅをさらに含む、
請求項１または２に記載のアルミニウム合金。
【請求項４】０．００１〜０．５重量％のＭｎをさら
に含む、請求項１ないし３のいずれか１つに記載のアル
ミニウム合金。
【請求項５】０．０１〜１．２重量％のＭｇをさらに
含む、請求項１ないし４のいずれか１つに記載のアルミ
ニウム合金。
【請求項６】０．０１〜０．２重量％のＴｉおよび／
または０．０１〜０．３重量％のＳｂをさらに含む、請
求項１ないし５のいずれか１つに記載のアルミニウム合
金。
【請求項７】３〜６重量％のＮｉと、１〜５重量％の
Ｃｕと、４．５〜１０重量％のＳｉと、０．１〜１重量
％のＦｅと、０．００１〜０．５重量％のＭｎと、０．
０１〜１．２重量％のＭｇと、０．０１〜０．２重量％
のＴｉと、０．０１〜０．３重量％のＳｂとを含み、残
部が不可避不純物を含むアルミニウムであることを特徴
とする、アルミニウム合金。