JPS6233302B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野 本発明は、耐熱性、熱間鍛造性に優れたアルミ
ニウム合金に係り、特に、内燃機関用部品である
ピストン、コンロツドに適用して軽量化を企図し
得る材料に関するものである。 従来技術 近時、内燃機関用部品材料として、運動部品の
軽量化を計るべく、軽合金材料、特にアルミニウ
ム合金が広く使用されている。就中、粉末冶金法
により、大きな自由度をもつて各種合金元素を添
加して耐熱性、強度、ヤング率の向上を企図した
アルミニウム合金製機関構成部品は、機関性能の
向上に大きく貢献している。 本出願人は、先に、特願昭59−166979号におい
て、耐熱性、耐摩耗性、断熱性およびヤング率の
向上を計つた粉末冶金用アルミニウム合金を提案
した。 発明が解決しようとする問題点 その後、鉄含有量の多い該合金について種々検
討を加えた結果、特に、Fe≧６重量％の範囲
で、鍛造用素材（予備成形品）の熱間鍛造性、構
造部材の密度および150〜200℃における強度の各
点について、さらに改良を加える必要のあること
が判明した。 すなわち、前記鍛造用素材（Fe≧６重量％）
には、ジユラルミンの場合と同等の高速熱間鍛造
加工（加工速度70mm／sec以上）を施すことが困
難であるから、熱間鍛造加工性向上のために加工
速度の低減化、金型温度の高温化等の鍛造方案上
の諸対策を講じなければならず、量産性が損なわ
れ、部品製造費が高価になる。 また、Fe＜６重量％の範囲において、前記構
造部材は、300℃付近では、公知合金（JIS
AC8A、AC8B、AC8C材）製のものに比して大
きな強度を有するが、150〜200℃の温度範囲で
は、より一層の強度の向上が望まれている。 さらに、前記合金の密度が公知合金に比べて大
きいため、構造部材の軽量化を計る上での障害と
になつている。 問題点を解決するための手段および作用 本発明の目的は、高速熱間鍛造によつて鍛造用
素材の加工を行うことが可能で、該素材の鍛造加
工により、150〜200℃の温度範囲において強度が
高く、かつ公知合金に近い密度の耐熱高強度アル
ミニウム合金を提供する点にある。 本出願の第一の発明に係る耐熱高強度アルミニ
ウム合金は、10≦Si≦30％、４≦Fe≦33％、0.8
≦Cu≦7.5％、0.5≦Mg≦3.5％、0.5≦Co≦3.0％
なる組成範囲（いずれも重量％）のSi、Fe、
Cu、Mg、Co各元素と、不可避不純物と、Alとで
形成され、 本出願の第二の発明に係る耐熱高強度アルミニ
ウム合金は、10≦Si≦30％、４≦Fe≦33％、0.8
≦Cu≦7.5％、0.5≦Mg≦3.5％、0.5≦Co≦3.0
％、1.5≦Mn≦5.0％、0.5≦Zn≦10.0％、1.0≦Li
≦5.0％なる組成範囲（いずれも重量％）のSi、
Ee、Cu、Mg、Co各元素およびMn、Zn、Liなる
群より選択される少なくとも一種の元素と、不可
避不純物と、Alとで形成される。 Al中にFeおよびSiを添加すると、高温強度、
ヤング率の向上を企図し得るが、針状のAl₃Fe、
Al₁₂Fe₃Si、Al₉Fe₂Si₂等の化合物が析出して熱間
鍛造加工性が阻害され、焼結性が悪化する。そこ
で、Coを添加することによつて強度を維持しな
がらFe量を減らし、かつCu、Mgを添加して熱間
鍛造加工性と焼結性を向上させるのが有効な手段
となる。 また、Mnを添加することによつて、針状晶の
発生を抑えて熱間鍛造加工性を改善し、Znを添
加することによつて時効硬化現象を促進させ、あ
るいはLiを添加することによつて合金密度の上昇
を抑えることが可能である。 本発明のアルミニウム合金において、添加され
る各元素の機能は、下記の通りである。 (1) Siについて： Siは、Feの単独添加による耐摩耗性の不足
を補い、かつヤング率を向上させる上で有効で
ある。但し、10重量％を下回ると、耐摩耗性を
改善することができず、30重量％を上回ると、
前記鍛造加工性が悪化して構造部材にクラツク
が発生し易い。ヤング率は、Feと同様にSiの
添加量の増加に応じて向上するが、加工性を考
慮して前記上限値に制限される。 (2) Feについて： Feは、高温強度、断熱性およびヤング率を
向上させるために必要である。但し、４重量％
を下回ると、高温強度はある程度確保できるも
のの、断熱性において難点があり、33重量％を
上回ると、密度が増して軽量化が損なわれ、そ
の上、熱間押出し加工、熱間鍛造加工性等にお
いて加工性が悪化する。また、ヤング率は、
Feの添加量の増加に応じて向上するが、前記
密度を考慮して、Feの添加量は前記上限値に
制限される。 (3) Cuについて： Cuは、Fe、Si添加による焼結性および前記
加工性の悪化に補うために添加される。但し、
0.8重量％を下回ると、焼結性の改善および熱
処理による強度改善の効果がなく、7.5重量％
を上回ると、高温強度が阻害される。 (4) Mgについて： Mgは、Cuと同様の目的で添加されるもの
で、0.5重量％を下回ると、焼結性の改善およ
び熱処理による強度改善の効果がなく、3.5重
量％を上回ると、高温強度が阻害される。 (5) Coについて： Coは、鍛造加工性を改善するために鉄含有
量を減少させた場合の高温強度改善に有効であ
り、伸び特性を損することなく、引張り強さ、
耐力、疲労強度を向上させることができ、耐応
力腐蝕割れ特性と鍛造加工性を悪化させること
なく、高温強度を向上させることが可能であ
る。但し、0.5重量％を下回ると、効果が少な
く、3.0重量％を上回ると、改善効果が、添加
量の増加ほどには顕著でなくなり、しかも、
Coは高価であることから、3.0重量％以下に制
限される。 (6) Mnについて： アトマイズ粉末製造においては、アルミニウ
ム合金粉末の冷却速度が最も大きくなるように
設定する必要があるが、量産性を考慮した場合
10³〜10⁵℃／secが限度である。 この冷却速度の範囲において、Fe≦６重量
％では、Al−Fe−Si系金属間化合物が熱間押
出し加工工程で十分に分断されると共にその化
合物の析出状態も塊状であることから、ある程
度の高速熱間鍛造が可能である。 一方、Fe＞６重量％では、前記金属間化合
物の析出状態が針状となり、熱間変形抵抗が増
大するため、高速熱間鍛造加工が不可能とな
る。 Mnは、前記金属間化合物の析出状態をコン
トロールするために有効である。すなわち、
Mnを前記特定量添加することによつて、針状
のAl₃Fe相およびβ−Al₅FeSi相に変えて塊状
のAl₆（Fe、Mn）相およびα−Al₁₂（Fe、
Mn）₃Si相を優先的に析出させ、これにより高
速熱間鍛造加工性を良好にし、構造部材の強度
を向上させることができる。 但し、1.5重量％を下回ると、前記効果が得
られず、5.0重量％を上回ると、熱間変形抵抗
が増大し、高速熱間鍛造加工が困難となる。 (7) Znについて： 200℃以下の温度条件下で使用される部材の
強度を向上させるためには、その部材にT6
（溶体化後時効）処理を施して、Si、Cu、Mg
の添加で生じる金属間化合物の析生による硬化
現象を利用することが有効であるが、Znは、
その時効析出を促進させる機能を有する。 但し、0.5重量％を下回ると、前記効果が得
られず、一方、10重量％を上回ると、熱間変形
抵抗が増大し、高速熱間鍛造加工が困難とな
る。 従来、Znを有効元素として添加する場合
は、アルミニウム合金に含まれるSiは不純物と
して扱われるが、本発明合金においては、その
製造に当たり、粉末冶金法を適用することによ
つてZnとSiとを積極的に共存させ、初晶Siによ
る耐摩耗性の向上および熱膨張率の低下を計
り、またZn化合物の析出による硬化現象を利
用して材料強度を向上させることが可能であ
る。 このように、Znを添加することによつて、
T6処理後における構造部材の強度を向上させ
ることができるので、Feの添加量を抑えて構
造部材の密度を小さくし、かつ熱間鍛造加工性
を良好にすることが可能となる。 (8) Liについて： Liは、Fe添加による合金の密度の上昇を抑
えるために用いられ、その抑制効果はLiの添加
量の増加に応じて向上する。また、Liは、ヤン
グ率を向上させて高い剛性を付与する効果をも
有する。但し、1.0重量％を下回ると、密度の
上昇効果が少なく、5.0重量％を上回ると、Li
が活性であることから、製造工程が複雑になる
といつた問題がある。 次に、本発明によるアルミニウム合金の好まし
い組成例を、下記に示す。 15≦Si≦18重量％、４≦Fe≦６重量％、４
≦Cu≦５重量％、１≦Mg≦２重量％、１≦Co
≦２重量％： この例では、Feを、６重量％以下に抑え
て、密度の低下を計るとともに鍛造加工性を確
保し、Coを、加工性に悪影響を及ぼさない１
〜２重量％にして、Fe添加量を減らした場合
の高温強度を補い、Cu、Mgを、焼結性の改善
と、熱処理効果とを狙つた最適範囲に定め、か
つSiを、耐摩耗性、ヤング率、切削性を満足す
る最適範囲に定めている。 15≦Si≦18重量％、４≦Fe≦８重量％、４
≦Cu≦５重量％、１≦Mg≦２重量％、0.5≦
Co≦1.5重量％、1.5＜Mn≦2.5重量％： この組成範囲において、Mnは、Feの増加に
伴う成形性の悪化を改善し、かつ部材強度を向
上させることができる。Mnを添加することに
よつて、Fe量を減らさなくても良いため、Co
量を抑えても、前記における合金組成に比し
て、より優れた高温強度を得ることができる。 15≦Si≦18重量％、４≦Fe≦８重量％、４
≦Cu≦５重量％、１≦Mg≦２重量％、0.5≦
Co≦1.5重量％、2.0≦Zn≦4.0重量％： この組成範囲において、Znは、熱処理（T6
またはT7）を行うことにより、150〜200℃に
おける強度を向上させることができる。 15≦Si≦18重量％、４≦Fe≦８重量％、４
≦Cu≦５重量％、１≦Mg≦２重量％、0.5≦
Co≦1.5重量％、２≦Li≦４重量％： この組成範囲において、Liは、Feの添加に
伴なう合金の密度上昇の抑制に効果を有する。 15≦Si≦18重量％、４≦Fe≦８重量％、４
≦Cu≦５重量％、１≦Mg≦２重量％、0.5≦
Co≦1.5重量％、1.5≦Mn≦2.5重量％、2.0≦
Zn≦4.0重量％、２≦Li≦４重量％： この組成範囲の合金は、高温強度、150〜200
℃における強度、鍛造加工性に優れ、相対的に
軽量（低密度）である。 試験例 第一段階：表１に示した組成の各Al合金粉末
（比較例ａ、ｂ、ｃ、本発明例、、、
、）を用いて、冷間静水圧プレス成形法
（C.I.P法）または金型圧縮成形法により、密度
比75％、直径225mm、長さ300mmの押出し加工用
素材を成形する。 冷間静水圧プレス成形法においては、ゴム製
チユーブ内に合金粉末を入れ、1.5〜3.0t／cm²
程度の静水圧下で成形を行い、金型圧縮成形に
おいては、金型内に合金粉末を入れて、常温大
気中で、1.5〜3.0t／cm²程度の圧力下で成形を
行う。 第二段階：各押出し加工用素材を、炉内温度350
℃の均熱炉に設置して10時間保持し、次いで、
各押出し加工用素材に熱間押出し加工を施して
鍛造加工用素材を製造する。 この場合の押出し方法は、直接押出し（前方
押出し）、間接押出し（後方押出し）のいずれ
でもよいが押出し比は５以上を必要とする。押
出し比が５以下では、強度のばらつきが大きく
なるので好ましくない。押出し加工用素材の温
度は、300〜400℃に設定される。300℃を下回
ると、素材の変形抵抗が大きくなつて押出し加
工性が悪化し、400℃を上回ると、組織の粗大
化がおこり、高強

【表】 度品が得られない。押出し加工後においては、
鍛造加工用素材を、空冷または水冷により、所
定の冷却速度で冷却する。 第三段階：その後、各鍛造用素材を460〜470℃に
加熱して、加工速度75mm／sec（ジユラルミン
鍛造加工とほぼ同一加工速度）のクランクプレ
スを用いて、高速熱間鍛造加工を施した。 このようにして得られた各鍛造成形品につ
き、

【表】

【表】 鍛造によるクラツクの有無、空冷後の硬度を調
べるとともに、溶体化時効処理（T6）を行
い、その後、条件：200℃×48時間、300℃×48
時間にて、試験片を高温に暴露し、その残存硬
度を室温にて測定した。また、試験片ａ、に
ついては、密度を測定し、これ等の結果を表２
に示した。 評価： 表１、２から明らかな様に、合金ｂ、ｃ（比
較例）では、熱間鍛造加工によつてクラツクが
生じ、満足すべき鍛造成形品を得ることができ
ない。 合金ａ、の比較により、Co添加が、高温
加熱による硬度劣化の改善、就中300℃に加熱
した場合での硬度劣化改善に有効であることが
判る（表２、第４、５欄参照）。 合金、の比較により、Mnを添加すれ
ば、Feを減少させることなく鍛造加工が可能
であつて、結果として、高温加熱による硬度劣
化を避け得ることが判る。 合金、の比較により、Znを添加すれ
ば、特に200℃に加熱した場合での硬度上昇が
顕著であることが判る。 合金ａ、、の比較により、合金、
は、高温加熱による硬度劣化（表２、第４、５
欄参照）が少ないこと、およびLiが密度を低下
させる機能を有することが判る。 発明の効果 以上の説明から明らかな様に、鍛造加工性が良
好で、強度が高い耐熱高強度アルミニウム合金が
提供された。本発明においては、Al中にFe、Si
を添加することによつて高温強度、ヤング率の向
上を企図し、Fe、Siの添加による熱間鍛造加工
性および焼結性の低下を抑えるべく、Fe量を減
らしてCoを添加するとともにCu、Mgを添加す
る。また、熱間鍛造加工性を改善すべくMnを添
加し、時効硬化現象を利用して強度上昇を計るた
めにZnを添加し、合金密度を低下させるために
Liを添加する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Si、Fe、Cu、Mg、Coを、それぞれ、組成
   範囲（重量％）：10≦Si≦30％、４≦Fe≦33
   ％、0.8≦Cu≦7.5％、0.5≦Mg≦3.5％、0.5≦Co
   ≦3.0％で含有し、 残部が、不可避不純物とAlより成る耐熱高強
   度アルミニウム合金。 ２ Si、Fe、Cu、Mg、Coの他に、Mn、Zn、Li
   なる群より選択される少なくとも一種の元素を、
   それぞれ、 組成範囲（重量％）：10≦Si≦30％、４≦Fe
   ≦33％、0.8≦Cu≦7.5％、0.5≦Mg≦3.5％、0.5
   ≦Co≦3.0％、1.5≦Mn≦5.0％、0.5≦Zn≦10.0
   ％、1.0≦Li≦5.0％で含有し、 残部が、不可避不純物とAlよりなる耐熱高強
   度アルミニウム合金。