JPS6261100B2 - - Google Patents
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- JPS6261100B2 JPS6261100B2 JP22639682A JP22639682A JPS6261100B2 JP S6261100 B2 JPS6261100 B2 JP S6261100B2 JP 22639682 A JP22639682 A JP 22639682A JP 22639682 A JP22639682 A JP 22639682A JP S6261100 B2 JPS6261100 B2 JP S6261100B2
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Classifications
-
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- F05C2201/00—Metals
- F05C2201/02—Light metals
- F05C2201/021—Aluminium
Landscapes
- Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
Description
本発明は耐熱衝撃性がすぐれ、繰返し受熱によ
る恒久的な容積変化が少なく、且つ剥離摩耗を起
し難いピストン用アルミニウム鋳物合金に関する
ものである。 従来より内燃機関用ピストン材としてはJIS
AC8AやJIS AC8B等のアルミニウム鋳物合金が
用いられていたが、近年内燃機関の高速化が進む
につれて、高度の耐熱衝撃性が要求されるように
なり、このような要望に沿うような合金として発
明者らは先に特開昭55−69234に見られるような
合金を開発した。 この特開昭55−69234の合金は6−13%の珪
素、3〜5%の銅、0.2%〜1%のマグネシウ
ム、0.03〜1%のアンチモンを含み残部アルミニ
ウムおよび不純物よりなる合金であつて、最高40
Kg/mm2におよぶ高い強度と最高6%におよぶ高い
伸びを有するなど強靭な機械的性質を有するばか
りでなく耐熱衝撃性も従来のこの種合金に比べて
遥かにすぐれた値を示すので内燃機関用ピストン
材の如く繰返し高温に曝されるような部材に適し
ているといえる。 しかしながら発明者らのその後の研究によると
上記合金をピストン材として長期間使用した場合
に受熱部分が通常の熱膨脹収縮とは別に恒久的な
容積収縮を起し、シリンダーとの間のクリヤラン
スが大きくなつてブローバイ、ピストンスラツプ
等の原因となり、その上上記合金は剥離摩耗を起
し易い欠点もあつて、ピストンリング嵌合溝部の
摩耗によるリング機能が低下するなどの欠点があ
ることが判つた。 発明者らは上記合金における優れた特性を保持
しつゝその欠点を改善することによつて受熱機械
部品として長期使用が可能な合金を提供すること
を目的として種々検討を加えた結果、合金中の銅
とマグネシウムの含有量比Cu/Mg3〜6の範囲
において合金中に0.1〜0.5%の範囲でNiを添加と
きは強靭性、耐熱衝撃性など従来の優れた特性を
殆んだ低下させることなしに受熱部分の容積収縮
を防止することができること、また耐剥離摩耗性
をも向上しうることが判明した。 即ち、本発明は重量で6%を超え13%までの珪
素、2%を超え5%までの銅、0.25%を超え1%
までのマグネシウム、0.1%を超え0.5%までのニ
ツケルおよび0.03%を超え1%までのアンチモン
を含み、さらに0.1%を超え0.5%までのジルコニ
ウムまたは0.1%を超え1%までのマンガンまた
はその両者を含み、残部アルミニウムおよび不純
物よりなり、且つ合金中の銅とマグネシウムの含
有比率が3〜6であるピストン用アルミニウム鋳
物合金である。 次に本発明合金における各成分組成の限定理由
について述べる。 珪素は合金基質を強化し、耐摩耗性を具えると
共に鋳造性を改善するために必須な元素であつ
て、6%以下ではその効果少なく、また13%以上
では靭性や耐熱衝撃性を低下させるので好ましく
ない。 銅は人工時効処理を施こすことによつて合金強
度を向上するものであるが、2%以下では十分な
強度向上効果は得られず、5%を超えると母相中
における未固溶のアルミニウム−銅金属間化合物
の残存量が多くなり、強靭性や耐疲労性を低下さ
せ、また鋳造割れ感受性も高くなるので実用上好
ましくない。 マグネシウムは人工時効処理を施すことによつ
てマグネシウム−珪素系やアルミニウム−銅−マ
グネシウム系の金属間化合物を析出し、合金強度
を向上させるが0.25%以下では析出物の形成量が
不十分であり、また1%を超えると靭性および耐
熱衝撃性が著しく低下するほか、アンチモンによ
る組成改善効果を著しく損うので好ましくない。 アンチモンは合金組織を改善することによつ
て、耐熱衝撃性を著しく向上する。0.03%以下で
はその効果少なく、また1%以上を添加してもそ
の効果に著しい変化はみられない。 ニツケルは合金を受熱部材として使用した場合
における材料の恒久的な収縮を防止し、また耐剥
離摩耗性を向上する。 ニツケル含有量が0.1%以下ではその効果が少
く、0.5%以上では耐熱衝撃性を著く低下させる
ので好ましくない。 またニツケルの上記した収縮防止効果は合金中
の銅とマグネシウムの含有量比3〜6の範囲にお
いて有効であり、この範囲を逸脱した場合には十
分な効果はない。 ジルコニウムおよびマンガンは合金の耐熱性を
向上させるものである。 ジルコニウム0.1%以下、マンガン0.1%以下で
は耐熱向上の効果が少なく、またジルコニウム
0.5%以上の添加を行つても、それ以上の効果の
増大が期待できないし、マンガン1%以上の添加
では合金中に粗大化合物を生じて靭性低下の原因
となる。 なお本発明合金において使用材料地金中に通常
含まれる程度の鉄、亜鉛、クロム等の不純物や溶
湯処理によつて合金中に必然的に混入する極く少
量のチタン、硼素、ベリリウム等の元素は本発明
合金の性能に何等悪影響をおよぼすことがないの
で差支えない。 殊にチタンの含有は本発明合金を鋳造するに際
して引け性を改善する効果がある。 次に本発明のピストン用アルミニウム鋳物合金
についてそのすぐれた特性を実証するために行つ
た一連の実施例について述べる。 実施例 1 機械的性質 第1表は実施例に供した合金の化学組成につい
て表示したものである。
る恒久的な容積変化が少なく、且つ剥離摩耗を起
し難いピストン用アルミニウム鋳物合金に関する
ものである。 従来より内燃機関用ピストン材としてはJIS
AC8AやJIS AC8B等のアルミニウム鋳物合金が
用いられていたが、近年内燃機関の高速化が進む
につれて、高度の耐熱衝撃性が要求されるように
なり、このような要望に沿うような合金として発
明者らは先に特開昭55−69234に見られるような
合金を開発した。 この特開昭55−69234の合金は6−13%の珪
素、3〜5%の銅、0.2%〜1%のマグネシウ
ム、0.03〜1%のアンチモンを含み残部アルミニ
ウムおよび不純物よりなる合金であつて、最高40
Kg/mm2におよぶ高い強度と最高6%におよぶ高い
伸びを有するなど強靭な機械的性質を有するばか
りでなく耐熱衝撃性も従来のこの種合金に比べて
遥かにすぐれた値を示すので内燃機関用ピストン
材の如く繰返し高温に曝されるような部材に適し
ているといえる。 しかしながら発明者らのその後の研究によると
上記合金をピストン材として長期間使用した場合
に受熱部分が通常の熱膨脹収縮とは別に恒久的な
容積収縮を起し、シリンダーとの間のクリヤラン
スが大きくなつてブローバイ、ピストンスラツプ
等の原因となり、その上上記合金は剥離摩耗を起
し易い欠点もあつて、ピストンリング嵌合溝部の
摩耗によるリング機能が低下するなどの欠点があ
ることが判つた。 発明者らは上記合金における優れた特性を保持
しつゝその欠点を改善することによつて受熱機械
部品として長期使用が可能な合金を提供すること
を目的として種々検討を加えた結果、合金中の銅
とマグネシウムの含有量比Cu/Mg3〜6の範囲
において合金中に0.1〜0.5%の範囲でNiを添加と
きは強靭性、耐熱衝撃性など従来の優れた特性を
殆んだ低下させることなしに受熱部分の容積収縮
を防止することができること、また耐剥離摩耗性
をも向上しうることが判明した。 即ち、本発明は重量で6%を超え13%までの珪
素、2%を超え5%までの銅、0.25%を超え1%
までのマグネシウム、0.1%を超え0.5%までのニ
ツケルおよび0.03%を超え1%までのアンチモン
を含み、さらに0.1%を超え0.5%までのジルコニ
ウムまたは0.1%を超え1%までのマンガンまた
はその両者を含み、残部アルミニウムおよび不純
物よりなり、且つ合金中の銅とマグネシウムの含
有比率が3〜6であるピストン用アルミニウム鋳
物合金である。 次に本発明合金における各成分組成の限定理由
について述べる。 珪素は合金基質を強化し、耐摩耗性を具えると
共に鋳造性を改善するために必須な元素であつ
て、6%以下ではその効果少なく、また13%以上
では靭性や耐熱衝撃性を低下させるので好ましく
ない。 銅は人工時効処理を施こすことによつて合金強
度を向上するものであるが、2%以下では十分な
強度向上効果は得られず、5%を超えると母相中
における未固溶のアルミニウム−銅金属間化合物
の残存量が多くなり、強靭性や耐疲労性を低下さ
せ、また鋳造割れ感受性も高くなるので実用上好
ましくない。 マグネシウムは人工時効処理を施すことによつ
てマグネシウム−珪素系やアルミニウム−銅−マ
グネシウム系の金属間化合物を析出し、合金強度
を向上させるが0.25%以下では析出物の形成量が
不十分であり、また1%を超えると靭性および耐
熱衝撃性が著しく低下するほか、アンチモンによ
る組成改善効果を著しく損うので好ましくない。 アンチモンは合金組織を改善することによつ
て、耐熱衝撃性を著しく向上する。0.03%以下で
はその効果少なく、また1%以上を添加してもそ
の効果に著しい変化はみられない。 ニツケルは合金を受熱部材として使用した場合
における材料の恒久的な収縮を防止し、また耐剥
離摩耗性を向上する。 ニツケル含有量が0.1%以下ではその効果が少
く、0.5%以上では耐熱衝撃性を著く低下させる
ので好ましくない。 またニツケルの上記した収縮防止効果は合金中
の銅とマグネシウムの含有量比3〜6の範囲にお
いて有効であり、この範囲を逸脱した場合には十
分な効果はない。 ジルコニウムおよびマンガンは合金の耐熱性を
向上させるものである。 ジルコニウム0.1%以下、マンガン0.1%以下で
は耐熱向上の効果が少なく、またジルコニウム
0.5%以上の添加を行つても、それ以上の効果の
増大が期待できないし、マンガン1%以上の添加
では合金中に粗大化合物を生じて靭性低下の原因
となる。 なお本発明合金において使用材料地金中に通常
含まれる程度の鉄、亜鉛、クロム等の不純物や溶
湯処理によつて合金中に必然的に混入する極く少
量のチタン、硼素、ベリリウム等の元素は本発明
合金の性能に何等悪影響をおよぼすことがないの
で差支えない。 殊にチタンの含有は本発明合金を鋳造するに際
して引け性を改善する効果がある。 次に本発明のピストン用アルミニウム鋳物合金
についてそのすぐれた特性を実証するために行つ
た一連の実施例について述べる。 実施例 1 機械的性質 第1表は実施例に供した合金の化学組成につい
て表示したものである。
【表】
第2表は上記第1表の合金について引張強さ、
耐力、伸びなどの機械的性質を測定した結果を示
したものである。なお引張強さについては常温、
150℃、200℃、250℃の四水準の温度について測
定を行なつた。 表中試料No.(1)乃至(3)は本発明合金、試料No.(4)は
ジルコニウム、マンガンの何れも添加しない比較
合金、試料No.5は従来よりピストン用合金として
実用されているJIS−AC8A合金についての測定
結果である。 第2表より明らかなように本発明合金および比
較合金は従来ピストン用合金として実用されてい
るJIS−AC8A合金よりすぐれた強度と伸びを有
すること、即ち強靭性が高いこと、またニツケル
含有量が少ないにかゝわらず、ジルコニウムまた
はマンガンの添加により高温における引張強さも
それほど低下しないことが判る。
耐力、伸びなどの機械的性質を測定した結果を示
したものである。なお引張強さについては常温、
150℃、200℃、250℃の四水準の温度について測
定を行なつた。 表中試料No.(1)乃至(3)は本発明合金、試料No.(4)は
ジルコニウム、マンガンの何れも添加しない比較
合金、試料No.5は従来よりピストン用合金として
実用されているJIS−AC8A合金についての測定
結果である。 第2表より明らかなように本発明合金および比
較合金は従来ピストン用合金として実用されてい
るJIS−AC8A合金よりすぐれた強度と伸びを有
すること、即ち強靭性が高いこと、またニツケル
含有量が少ないにかゝわらず、ジルコニウムまた
はマンガンの添加により高温における引張強さも
それほど低下しないことが判る。
【表】
実施例 2
合金中へのニツケルの添加の有無と合金中の銅
とマグネシウムの量比が合金鋳物材の長時間加
熱による永久変形量におよぼす影響。 第1図は珪素10%、アンチモン0.15%、マンガ
ン0.8%、銅2%、3%、4%を含む合金に銅/
マグネシウムの比率が3〜9になるようにマグネ
シウムを加えたアルミニウム合金についてニツケ
ル0.4%の有a無bによる高温永久変形試験を実
施した結果を示したものである。 試験に当つては被試合金をJIS4号舟型鋳型に鋳
込んで、500℃に10時間溶体化処理を施した後、
水焼入れし、次いで200℃に8時間焼戻処理を施
してから径200mm、長さ90mmの丸棒に精密加工し
たものを試料として、この試料を350℃の高温に
50時間の連続加熱を施し、空冷後その長さ方向の
寸法変化を測定した。 なお、合金中へのニツケルの添加量は銅2%含
有合金の場合には0.2%とし、他は0.4%と 第1図a,bから判るようにニツケルを添加し
ない合金においては350℃、50時間の長時間加熱
によつて材料に大巾の容積収縮が起り、その傾向
は銅含有量が多い程、また銅/マグネシウム含有
比が大きい程著しいが、ニツケルを適量添加した
本発明合金において、その永久変形量が著しく改
善されていることが判る。 実施例 3 耐剥離摩耗性 次に示す実施例は本発明合金を自動車エンジン
用ピストン材に使用した場合に生ずる剥離摩耗に
対する抵抗性を知るために行われた。 第2図はその結果を示す。 試験法としてはボールドウイン型試験機を用
い、10mmφの鋼球により最大荷重100Kg最小荷重
10Kgで繰り返し圧縮応力を高温に保持した試料に
与え、これによつて生じる圧痕深さを測定した。 試験温度は300℃、繰返し速度は毎分2700サイ
クルであつた。 被試試料としては珪素10%、銅3.5%、マグネ
シウム0.5%、ジルコニウム0.3%、マンガン0.7%
およびアンチモン0.15%を含み、これにニツケル
を0%、0.2%、0.5%、1.0%、2%と含有量を変
えて添加したアルミニウム合金をJIS4号舟型鋳型
に鋳込んで500℃に6時間溶体化処理を施した
後、水焼入れし、次いで200℃8時間焼戻し処理
を施したものを用いた。 第2図の結果より判るようにニツケル含有量が
ほゞ0.2%附近になると摩耗量が著しく低下し、
0.5%附近ではほゞ横ばい状態となること即ち合
金に耐剥離摩耗性を附与させるためには0.2%以
上のニツケルを含有せしめればよい。 実施例 4 耐熱衝撃性 第3図は本発明合金の有するすぐれた耐熱衝撃
性を示す試験結果を示したものである。 試験は本発明合金(珪素9.6%、銅3.0%、マグ
ネシウム0.6%、アンチモン0.15%、ニツケル0.41
%、ジルコニウム0.3%及残部アルミニウムおよ
び不純物)とこれと比較のため上記組成中ニツケ
ルを0.6%添加した合金および実施例1で用いた
試料No.(5)と同組成のAC8A実用合金を用いて、各
合金材を500℃に6時間溶体化処理した後水焼入
れし、これを200℃に8時間焼戻し処理したもの
について行つた。 試険は特開昭55−69234、188頁(13)乃至
(14)欄に示したと同様の試験法によつて行つ
た。 第3図より明らかなように本発明合金は従来の
この系の実用合金であるJIS−AC8A合金に較べ
て亀裂発生の時期が相当に高サイクル側に存在
し、且つ亀裂伝播速度も頗るゆるやかであつて著
しく耐熱衝撃性にすぐれていること、 またニツケル量が0.5%を越えると耐熱衝撃性
が著しく低下することが判る。 以上述べたように本発明の合金は熱的特性、特
に耐熱衝撃性や耐剥離摩耗性にすぐれると共に高
温長時間使用による恒久的な容積変化が少ないの
で、エンジン用ピストン材の使用に適している。
とマグネシウムの量比が合金鋳物材の長時間加
熱による永久変形量におよぼす影響。 第1図は珪素10%、アンチモン0.15%、マンガ
ン0.8%、銅2%、3%、4%を含む合金に銅/
マグネシウムの比率が3〜9になるようにマグネ
シウムを加えたアルミニウム合金についてニツケ
ル0.4%の有a無bによる高温永久変形試験を実
施した結果を示したものである。 試験に当つては被試合金をJIS4号舟型鋳型に鋳
込んで、500℃に10時間溶体化処理を施した後、
水焼入れし、次いで200℃に8時間焼戻処理を施
してから径200mm、長さ90mmの丸棒に精密加工し
たものを試料として、この試料を350℃の高温に
50時間の連続加熱を施し、空冷後その長さ方向の
寸法変化を測定した。 なお、合金中へのニツケルの添加量は銅2%含
有合金の場合には0.2%とし、他は0.4%と 第1図a,bから判るようにニツケルを添加し
ない合金においては350℃、50時間の長時間加熱
によつて材料に大巾の容積収縮が起り、その傾向
は銅含有量が多い程、また銅/マグネシウム含有
比が大きい程著しいが、ニツケルを適量添加した
本発明合金において、その永久変形量が著しく改
善されていることが判る。 実施例 3 耐剥離摩耗性 次に示す実施例は本発明合金を自動車エンジン
用ピストン材に使用した場合に生ずる剥離摩耗に
対する抵抗性を知るために行われた。 第2図はその結果を示す。 試験法としてはボールドウイン型試験機を用
い、10mmφの鋼球により最大荷重100Kg最小荷重
10Kgで繰り返し圧縮応力を高温に保持した試料に
与え、これによつて生じる圧痕深さを測定した。 試験温度は300℃、繰返し速度は毎分2700サイ
クルであつた。 被試試料としては珪素10%、銅3.5%、マグネ
シウム0.5%、ジルコニウム0.3%、マンガン0.7%
およびアンチモン0.15%を含み、これにニツケル
を0%、0.2%、0.5%、1.0%、2%と含有量を変
えて添加したアルミニウム合金をJIS4号舟型鋳型
に鋳込んで500℃に6時間溶体化処理を施した
後、水焼入れし、次いで200℃8時間焼戻し処理
を施したものを用いた。 第2図の結果より判るようにニツケル含有量が
ほゞ0.2%附近になると摩耗量が著しく低下し、
0.5%附近ではほゞ横ばい状態となること即ち合
金に耐剥離摩耗性を附与させるためには0.2%以
上のニツケルを含有せしめればよい。 実施例 4 耐熱衝撃性 第3図は本発明合金の有するすぐれた耐熱衝撃
性を示す試験結果を示したものである。 試験は本発明合金(珪素9.6%、銅3.0%、マグ
ネシウム0.6%、アンチモン0.15%、ニツケル0.41
%、ジルコニウム0.3%及残部アルミニウムおよ
び不純物)とこれと比較のため上記組成中ニツケ
ルを0.6%添加した合金および実施例1で用いた
試料No.(5)と同組成のAC8A実用合金を用いて、各
合金材を500℃に6時間溶体化処理した後水焼入
れし、これを200℃に8時間焼戻し処理したもの
について行つた。 試険は特開昭55−69234、188頁(13)乃至
(14)欄に示したと同様の試験法によつて行つ
た。 第3図より明らかなように本発明合金は従来の
この系の実用合金であるJIS−AC8A合金に較べ
て亀裂発生の時期が相当に高サイクル側に存在
し、且つ亀裂伝播速度も頗るゆるやかであつて著
しく耐熱衝撃性にすぐれていること、 またニツケル量が0.5%を越えると耐熱衝撃性
が著しく低下することが判る。 以上述べたように本発明の合金は熱的特性、特
に耐熱衝撃性や耐剥離摩耗性にすぐれると共に高
温長時間使用による恒久的な容積変化が少ないの
で、エンジン用ピストン材の使用に適している。
図面は本発明の技術内容を示すものであつて、
第1図は本発明合金系におけるニツケル有a、無
bと合金中の銅、マグネシウムの含有量比が、合
金鋳造物の長時間高温保持に際しての恒久的な容
積変化におよぼす影響を示す図面である。第2図
は本発明合金中へのニツケル添加量と、耐剥離摩
耗との関係を示す図面である。第3図は本発明合
金と従来合金(JIS AC8A合金)および比較合金
の耐熱衝撃性を比較して示した図面である。
第1図は本発明合金系におけるニツケル有a、無
bと合金中の銅、マグネシウムの含有量比が、合
金鋳造物の長時間高温保持に際しての恒久的な容
積変化におよぼす影響を示す図面である。第2図
は本発明合金中へのニツケル添加量と、耐剥離摩
耗との関係を示す図面である。第3図は本発明合
金と従来合金(JIS AC8A合金)および比較合金
の耐熱衝撃性を比較して示した図面である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 重量で6%を超え13%までの珪素、2%を超
え5%までの銅、0.25%を超え1%までのマグネ
シウム、0.1%を超え0.5%までのニツケルおよび
0.03%を超え1%までのアンチモンを含み、さら
に0.1%を超え0.5%までのジルコニウムまたは0.1
%を超え1%までのマンガンまたはその両者を含
み、残部アルミニウムおよび不純物よりなり、且
つ合金中の銅とマグネシウムの含有比率Cu/Mg
が3〜6であるピストン用アルミニウム鋳物合
金。 2 重量で6%を超え13%までの珪素、2%を超
え5%までの銅、0.25%を超え1%までのマグネ
シウム、0.1%を超え0.5%までのニツケル、0.03
%を超え1%までのアンチモンおよび0.03%を超
え2%までのチタンを含み、さらに0.1%を超え
0.5%までのジルコニウムまたは0.1%を超え1%
までのマンガンまたはその両者を含み、残部アル
ミニウムおよび不純物よりなり、且つ合金中の銅
とマグネシウムの含有比率Cu/Mgが3〜6であ
るピストン用アルミニウム鋳物合金。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP22639682A JPS59116354A (ja) | 1982-12-24 | 1982-12-24 | ピストン用アルミニウム鋳物合金 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP22639682A JPS59116354A (ja) | 1982-12-24 | 1982-12-24 | ピストン用アルミニウム鋳物合金 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS59116354A JPS59116354A (ja) | 1984-07-05 |
JPS6261100B2 true JPS6261100B2 (ja) | 1987-12-19 |
Family
ID=16844461
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP22639682A Granted JPS59116354A (ja) | 1982-12-24 | 1982-12-24 | ピストン用アルミニウム鋳物合金 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS59116354A (ja) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS62149839A (ja) * | 1985-12-23 | 1987-07-03 | Nippon Light Metal Co Ltd | 強度に優れた耐摩耗性加工用アルミニウム合金 |
JP5344527B2 (ja) * | 2007-03-30 | 2013-11-20 | 株式会社豊田中央研究所 | 鋳物用アルミニウム合金、アルミニウム合金鋳物およびその製造方法 |
DE102018117418A1 (de) * | 2018-07-18 | 2020-01-23 | Friedrich Deutsch Metallwerk Gesellschaft M.B.H. | Aluminiumdruckgusslegierung |
-
1982
- 1982-12-24 JP JP22639682A patent/JPS59116354A/ja active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS59116354A (ja) | 1984-07-05 |
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