JPS6338541B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、粉末治金により得られたケイ素含量
12乃至25％のアルミニウム―ケイ素合金から成る
デイーゼルエンジンピストン用インサートに係
る。前記の如きインサートは、高温強度と機械加
工性との双方が改良されており同時に摩擦適性が
良い。 自動車業界に於いては燃料節約を配慮して軽量
材が使用される傾向になりつつあることはよく知
られている。このため、アルミニウム及びアルミ
ニウム合金が、遥かに密度の高い鉄材料に代る重
要な位置を占めるようになつてきた。 特にエンジンに関しては、ジヤケツト及びピス
トンの如き摩擦を受ける部材の製造には現在では
アルミニウム―ケイ素合金が使用される場合が多
い。これは、周知の如くケイ素が耐摩耗性の極め
て大きい元素であるためである。これらの合金は
一般に、ある種の機械的特性の改良に役立つ別の
元素、例えば、銅、マグネシウム、ニツケル、コ
バルトと、潤滑剤例えば、グラフアイト、二硫化
モリブデンとを含有している。 しかし乍ら、昨今の傾向としてデイーゼル業界
では特にエンジンの比出力が大きくなり、従つ
て、エンジン構成材料に作用する熱応力が次第に
高くなつている。特にピストンの第一リングみぞ
と上縁又は燃焼室を構成すべくピストンに配設さ
れ温度400℃に達するようなある種の付加部材即
ちインサートに於いて熱応力の増加が見られる。 このような状況のもとで、前記の如きインサー
トの製造にこれまで使用され得たＡ―S12UN，
Ａ―S18UNG，Ａ―S22UNKの如きアルミニウ
ム―ケイ素合金では機械的強度の低下が生じる。
この機械的強度は経時的に減少して遂には十分で
ない値に至ることが判明した。 アルミニウム―ケイ素合金により得られる明白
な利点、即ち軽量性及び摩擦適性を失なわせるこ
と無く前記の欠点を除去するために、出願人は研
究を続け、均質で微細な相の沈澱を生じさせる程
度の鉄を前記合金に添合して該合金の高温強度を
向上させ得ることを知見した。 このような合金の製造条件に関する詳細なテス
トの結果より出願人は、鉄濃度２乃至８重量％が
最適であることを確認した。即ち、２重量％未満
では高温強度は殆んど変らない。また８重量％よ
り多い量でも大した改良は得られない。 アルミニウム中での鉄の溶解度が低いので、沈
殿物の所望の粉未度及び均質性を得るために、出
願人は、一括して粉末治金なる指称で知られる急
凝固法、即ち分割状態の金属が得られる方法を利
用した。 即ち、適当量の鉄を予め添加したアルミニウム
―ケイ素合金を溶融し、早過ぎる沈殿現象を完全
に阻止するように900℃より高温に加熱し、次に
粒子への分割を確保する適当な装置に於いて処理
する。粒子への分割は微粉砕によつて行なわれ、
この微粉砕には、ガスによる噴霧化、又は機械的
噴霧化とガス（空気、ヘリウム、アルゴン）内で
の凝固とを順次行なう処理が用いられる。これに
より、粒度400μm未満の粉末が得られる。しかし
乍ら、凝固が生じる速度が、溶融合金を冷却金属
面に吹付けて噴霧化する場合よりも高いので厚み
100μm未満の偏平粒子（Paillette）が形成され
る。このように製造された粒子を冷間及び／又は
熱間圧縮し次に熱間鍛造及び／又は押出処理して
緻密な状態の合金を得、この合金からインサート
を製造する。 前記の如く製造された合金の高温強度の測定値
を更に詳細に検討した結果出願人は、これらの値
にある程度のムラがあることを確認し、これによ
り、粒子の粒度と厚みとが沈殿物の粉末度に影響
を与え従つて高温での機械的強度に影響を与える
ことを知見した。即ち、冷却速度が高い程、粒子
が小さいか又は薄く、比表面積が大きい。従つて
沈殿物の粉末度が増す。この関係は顕微鏡観察に
よつても確認された。その結果、高温強度にどの
程度の向上を望むかに従つて、分級を行なうか又
は冷却速度の調整を行なつて粒子を選択する。 粒子の果す役割に関する研究を更に継続して出
願人は、超共融合金の場合、一次ケイ素グレーン
の大きさが粒子の大きさと同じ方向に変わる、即
ち粒子が小さくなる程ケイ素グレーンも小さくな
ることを知見した。また、一次ケイ素グレーンの
粉末度の増加に伴なつてアルミニウム―ケイ素合
金の加工が容易になることも公知である。 従つて本発明は、製造される合金の高温強度と
機械加工性とを同時に向上させ得る。 本発明に従つて粉末冶金により得られるピスト
ンインサートは350乃至400℃の範囲の温度に対し
ても耐性を有しており、耐熱性の点で極めてすぐ
れた性能を有する例として選択された例えばＡ―
U6MTの如き鋳造合金より遥かにすぐれている。 出願人は、アルミニウム―ケイ素合金の高温強
度を鉄の添加によつてかなり改良することに成功
し、更に、鉄より遥かに少量のジルコニウムを同
時に添加すると効果の増進が得られることを知見
した。この場合、0.2乃至1.5重量％の濃度が最も
有効であることが判明した。 前記の２種の元素が添加された本発明の合金の
特徴は、350℃に500時間維持した後にも高温強度
の経時的変化を実質的に生じないことである。 更に、アルミニウム中での溶解度と拡散率が小
さい別の元素、例えばニツケル、コバルト、セリ
ウム、モリブデン、クロム、チタン、バナジウム
は、所望の特性に有利に作用するので、ジルコニ
ウムと代用又は併用してもよい。ジルコニウムと
併用するときは、各々の濃度が２重量％を超えな
いようにする。 実施例を用いて本発明を以下に説明する。 重量組成 Fe 2.80％ Si 22.10％ Cu 1.07％ Ni 1.05％ Zr 0.59％ Mg 0.80％ を有するＡ―S25UN Ｇ Fe₃Zrタイプの合金イ
ンゴツトを溶融し、950℃乃至1000℃の範囲の温
度で空気中で噴霧化して粉末を収集した。収集さ
れた粉末は、少くとも90重量％が粒度400μm未満
であり顕微鏡で見ると鋳造の場合よりも遥かに微
細で均質な構造を有していた。 この粉末を粒度400―180μm及び63―20μmの２
つのロツトに分け、別々にプレスの直径95mmの材
料収納シリンダ内で冷間圧縮してブルームを形成
した。このブルームを熱処理し、350℃に近い温
度範囲で熱間押出処理し、裁断及び加工して最終
的に本発明のインサートを製造した。製造された
インサートを添付の第１図に示す。 第１図は、ピストン半体１の軸を通る平面に沿
つた断面図である。ピストンの第１リングみぞと
上縁とを形成するインサート２と燃焼室を形成す
るインサート３とがピストン１と一体的に配置さ
れている。 これらのインサートに対して、顕微鏡観察、加
工性テスト、摩擦テスト及び引張テストを実施し
た。 添付の第２図及び第３図は、倍率400倍の顕微
鏡写真を示す。第２図は粒度400―180μmの粉末
から得られた製品を示しており、一次ケイ素粒子
の粒径は10μm未満である。これに対して第３図
は63―20μmの粉末に関する写真であり、粒子は
より微細で粒径は5μm未満である。電子顕微鏡観
察によつても、63―20μmの粉末の方が鉄に富む
相の粉末度が高いことが判明する。 加工性テストの結果はここでは示さないが、微
細粒度の粉末が合金の加工適性に有利な影響を与
えることが確認された。 摩擦テストの結果もまた、鉄及び／又はジルコ
ニウム及び／又は別の元素の添加によつて高温合
金の摩擦適性が改良されることを示した。 引張テストは、温度350℃で長手方向に行なつ
た。製造をこの温度で夫々１時間及び500時間維
持し、双方の場合の0.2％伸び抵抗：R0.2と最大
抵抗：Rmとを測定した。これと同時に比較のた
めに、すぐれた高温強度を有することが知られて
おり鋳造及び押出の順次処理で製造された合金Ａ
―U6MTに対して同じ測定を実施した。 テスト結果を以下の表に示す。

【表】 本発明の合金は、350℃に１時間維持した後に
はＡ―U6MTと同等の高温強度を有する。この
強度は350℃に維持する時間を500時間まで延長し
ても低下しない。これに反してＡ―U6MTでは
強度が半減する。 更にこの表より、使用粉末の粒度が微細な程高
温強度が高いことが明らかである。 本発明によれば、高温で長期間使用するための
エンジンのピストンインサートをより好ましい加
工条件下で製造することができ、しかも得られた
ピストンが経時的に安定な高い強度と良好な摩擦
適性とを有する。本発明のインサートはデイーゼ
ルエンジンピストンに特に適している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従つて製造されたインサート
を含むピストンの断面図、第２図及び第３図は本
発明に従つて製造されたインサートの金属組識を
示す顕微鏡写真である。 １…ピストン半体、２，３…インサート。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 粉末治金により得られ12乃至25重量％のケイ
   素及び２乃至８重量％の鉄を含有するアルミニウ
   ム―ケイ素―鉄合金から成ることを特徴とするデ
   イーゼルエンジンのピストン用インサート。 ２ 0.2乃至1.5重量％のジルコニウムを含有する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   インサート。 ３ 銅、ニツケル及びマグネシウムから成る群に
   属する少なくとも一つの元素を夫々２重量％未満
   で含有することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項又は第２項に記載のインサート。