WO2013137095A1 - アルミニウム合金 - Google Patents

アルミニウム合金 Download PDF

Info

Publication number
WO2013137095A1
WO2013137095A1 PCT/JP2013/056234 JP2013056234W WO2013137095A1 WO 2013137095 A1 WO2013137095 A1 WO 2013137095A1 JP 2013056234 W JP2013056234 W JP 2013056234W WO 2013137095 A1 WO2013137095 A1 WO 2013137095A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
mass
aluminum alloy
copper
aluminum
content
Prior art date
Application number
PCT/JP2013/056234
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
建興 飯塚
Original Assignee
いすゞ自動車株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by いすゞ自動車株式会社 filed Critical いすゞ自動車株式会社
Publication of WO2013137095A1 publication Critical patent/WO2013137095A1/ja

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent

Definitions

  • the present invention relates to a heat-resistant and high-strength aluminum alloy having excellent mechanical properties and wear resistance that can be used in automotive parts such as pistons and other wide fields.
  • Pistons of internal combustion engines such as automobile engines move at high speeds under high temperatures and high loads, and therefore, materials for these pistons are required to be lightweight and have excellent strength at high temperatures.
  • aluminum alloys such as JIS (Japanese Industrial Standards) -AC8A (Al—Si—Cu—Ni—Mg) alloy have been used, but recently due to higher fuel consumption and higher output of internal combustion engines. In particular, further heat resistance and high-temperature strength are required for pistons.
  • the components of the AC8A alloy are aluminum (Al) with 12% silicon (Si), 1% copper (Cu), 1% nickel (Ni) and 1% magnesium (Mg).
  • the solidus temperature which is the temperature at which the aluminum alloy begins to melt, decreases from about 530 ° C. of the AC8A alloy to around 500 ° C.
  • the maximum temperature of the fuel chamber of a high-power engine such as a diesel engine has reached 370 ° C., the difference between the solidus temperature and the maximum temperature of the combustion chamber is only 130 ° C.
  • adding more copper, magnesium and nickel not only increases the size of the intermetallic compound, but also causes a further decrease in the melting point, so the addition of a large amount of copper, magnesium and nickel will increase the strength of the aluminum alloy. The way to improve is coming to a limit.
  • the present invention has been made in view of the above situation, and its purpose is to improve the solidus temperature of an aluminum alloy in order to improve the high-temperature strength of an aluminum-silicon (Al—Si) aluminum alloy.
  • the amount of addition of copper (Cu) and the amount of magnesium (Mg) after grasping the influence of the addition amount of main components silicon (Si), copper (Cu), nickel (Ni), magnesium (Mg) By adjusting each addition amount and optimizing it, it is possible to design the melting point, strength, and elongation at break of the aluminum alloy while minimizing the solidus temperature of the aluminum alloy as much as possible. It is to provide an aluminum alloy.
  • the aluminum alloy for achieving the above object is that silicon is 10.5% by mass (mass%) to 13% by mass, nickel is 1.5% by mass to 3% by mass, and copper is 2 mass% or more and 5.5 mass% or less, magnesium is 0.1 mass% or more and 0.6 mass% or less, iron is 0 mass% or more and 0.25 mass% or less, and phosphorus is 0.002 mass% or more and 0.02 mass% or less, titanium is 0.05 mass% or more and 0.3 mass% or less, and zirconium is 0.05 mass% or more and 0.2 mass% or less, And it is comprised so that vanadium may be 0.05 mass% or more and 0.2 mass% or less, and the remainder consists of aluminum and an unavoidable impurity.
  • the aluminum alloys for pistons of internal combustion engines are aluminum alloys whose component composition is changed based on aluminum-silicon alloys such as AC8A, AC8B, AC8C, AC9A, AC9B alloys of Japanese Industrial Standards (JIS). Is used.
  • the silicon content at the eutectic point of the aluminum-silicon binary alloy was 12.6% by mass, and the silicon in the aluminum alloy for pistons The content of is close to the eutectic point, and the structure has a hypoeutectic, eutectic or hypereutectic structure.
  • the eutectic temperature of this aluminum-silicon binary alloy is 577 ° C., and when the silicon content is 1.65% or less, the solidus temperature of the aluminum-silicon binary alloy is equal to the silicon content. As the temperature increases, the aluminum melting point decreases from 660 ° C.
  • the solidus temperature becomes the eutectic temperature of 577 ° C. That is, in the case of an aluminum-silicon binary alloy, even if 1.65% or more of silicon is added, the solidus temperature is not affected.
  • the eutectic temperature of the aluminum-copper binary alloy is 548 ° C.
  • the copper content is 5.7% by mass or less.
  • the solidus temperature of the aluminum-copper binary alloy decreases from the aluminum melting point of 660 ° C. according to the copper content.
  • the copper content is 5.7% by mass or more
  • the solidus temperature becomes the eutectic temperature of 548 ° C. That is, in the aluminum-copper binary alloy, when the copper content is 5.7% by mass or less, the addition of 1% by mass of copper lowers the solidus temperature by about 19.65 ° C.
  • the eutectic temperature of the aluminum-magnesium binary alloy is 450 ° C., and when the magnesium content is 18.9% or less, The solidus temperature of the aluminum-magnesium binary alloy decreases from the aluminum melting point of 660 ° C. according to the magnesium content. However, when the magnesium content is 18.9% or more, the solidus temperature becomes the eutectic temperature of 450 ° C. That is, in the aluminum-magnesium binary alloy, when the magnesium content is 18.9% or less, the addition of 1% by mass of magnesium lowers the solidus temperature by about 11.11 ° C.
  • the eutectic temperature of the aluminum-nickel binary alloy is 640 ° C. Even if a small amount of nickel is added, the solidus temperature becomes 640 ° C. However, even if several tens% or more is added, the solidus temperature does not change. That is, the solidus temperature does not change even if a small amount of nickel is added and then the amount of nickel added is increased.
  • an aluminum-silicon alloy having good castability a small amount of magnesium is added to increase the strength by the heat treatment effect due to the precipitation of the intermediate phase of Mg 2 Si.
  • the strength of the aluminum alloy is improved by utilizing solid solution hardening of copper in ⁇ -Al (aluminum) and precipitation hardening of an intermediate phase of CuAl 2 . .
  • the addition amount of copper and magnesium is increased, the tensile strength is improved, but there is a problem that the elongation at break is reduced.
  • the effect of Mg 2 Si is larger than the effect of CuAl 2 at room temperature, but the effect of Mg 2 Si is inferior to the effect of CuAl 2 at a high temperature. Therefore, in order to improve the strength of the aluminum alloy, more copper and magnesium may be added. However, if the amount exceeds a certain amount, the intermetallic compound crystallizes out, so the strength is reversed. May be reduced.
  • the solidus temperature due to the addition of copper and the addition of magnesium compared to the addition of nickel and silicon in terms of the effect on the solidus temperature. It can be seen that the temperature drop is very large.
  • the silicon content in the aluminum alloy for pistons is 12% by mass and the nickel content is 1 to 3% by mass. Therefore, even if the silicon content and the nickel content in the aluminum alloy are changed, the aluminum content The influence of the alloy on the solidus temperature is very small. Therefore, the heat-resistant and high-strength aluminum alloy of the present invention could be obtained by determining the composite action of copper and magnesium, which has a large influence on the solidus temperature of the aluminum alloy.
  • the solidus temperature of the aluminum alloy can be maximized by adjusting the addition amount of copper (Cu) and magnesium (Mg), and more excellent in heat resistance, Since the strength can be increased, excellent mechanical properties and wear resistance can be provided, and an aluminum alloy that can be used for automobile parts such as pistons and other wide fields as a high-strength lightweight member can be obtained.
  • Cu copper
  • Mg magnesium
  • Nickel is added to contribute to the improvement of high temperature strength, that is, to improve the high temperature fatigue coefficient. However, if its content is less than 1.5% by mass, sufficient high temperature strength cannot be obtained. When the content exceeds 3% by mass, the effect gradually decreases. Therefore, by setting the nickel content to 1.5% by mass or more and 3% by mass or less, the effect of improving the high-temperature strength by efficiently using nickel is obtained. Can play.
  • the aluminum alloy of this embodiment is an aluminum-silicon (Al—Si) alloy, and the aluminum alloy has silicon (Si) of 10.5 mass% (mass%) to 13 mass% and nickel.
  • Si silicon
  • (Ni) is 1.5 mass% or more and 3 mass% or less
  • copper (Cu) is 2 mass% or more and 5.5 mass% or less
  • magnesium (Mg) is 0.1 mass% or more and 0.00 mass% or less.
  • iron (Fe) is 0 mass% or more and 0.25 mass% or less
  • phosphorus (P) is 0.002 mass% or more and 0.02 mass% or less
  • titanium ( Ti) is 0.05 mass% or more and 0.3 mass% or less
  • zirconium (Zr) is 0.05 mass% or more and 0.2 mass% or less
  • vanadium (V) is 0.05 mass%. More than 0.2% by mass and the balance is aluminum ( l) and configured to be from the inevitable impurities.
  • the silicon (Si) content of 10.5 mass% or more and 13 mass% or less, in the aluminum alloy for pistons it is desirable to deposit fine primary silicon particles in order to improve wear resistance and strength.
  • the silicon content of the eutectic point of the aluminum-silicon binary alloy is 12.6%.
  • the eutectic point shifts to the low silicon side, and even if the silicon content is 10.5% by mass, primary silicon particles are precipitated.
  • the amount of silicon added is higher than 13% by mass, the precipitated primary silicon particles become large and the mechanical properties of the aluminum alloy deteriorate.
  • the lower limit of 10.5% by mass is the amount at which primary silicon particles begin to precipitate sufficiently, and the upper limit of 13% by mass causes the primary silicon particles to precipitate to become large, resulting in insufficient mechanical properties. The amount to start.
  • nickel (Ni) content of 1.5 mass% or more and 3 mass% or less
  • nickel contributes to the improvement of high-temperature strength, but if the content is less than 1.5 mass%, sufficient high-temperature strength is achieved.
  • it exceeds 3% by mass the effect is gradually reduced. Therefore, it is 1.5 mass% or more and 3 mass% or less.
  • the piston aluminum alloy has excellent heat resistance.
  • copper is an indispensable element, and it is desirable to add a large amount of copper. The higher the amount of copper added, the better. Since the temperature may be greatly reduced, the maximum content is 5.5% by mass.
  • the lower limit of 2% by mass is an amount necessary for improving the heat resistance
  • the upper limit of 5.5% by mass is an amount determined from the limit of the decrease in the solidus temperature.
  • both copper and magnesium are elements that have the effect of greatly reducing the solidus temperature of the aluminum alloy, but in order to improve the strength at high temperatures, when adding copper to the maximum, the solidus temperature It is important to reduce the amount of magnesium added as a method of minimizing the impact on the environment. In addition, if a large amount of copper is added and the addition amount of magnesium is further reduced, the eutectic point is shifted to the low silicon side. Therefore, even when silicon is 10.5% by mass, the hypereutectic aluminum-silicon system is systematically formed. An alloy is formed and primary silicon is deposited.
  • Cmg is the magnesium content (mass%)
  • Ccu is the copper content (mass%)
  • the range of the addition amount of Cmg should just be in the range of +/- 0.1 (mass%) from the calculated value by (1) Formula.
  • 0.1% by weight of magnesium may be added.
  • 2% by weight of copper 0.52% by weight of magnesium is added. Added.
  • iron (Fe) of 0 mass% or more and 0.25 mass% or less when the iron content is 0.3 mass% or more, acicular aluminum-silicon-iron (Al-Si-Fe) metal Since the intermetallic compound precipitates and lowers fracture toughness and high temperature strength, the iron content needs to be 0.3% by mass or less.
  • the aluminum alloy of the present invention is a heat-resistant alloy for pistons, the iron content must be 0.25% by mass or less.
  • manganese (Mn) is an element that combines the impurity iron to reduce fracture toughness, wear resistance, and strength reduction, but in the case of the present invention, because the iron content is suppressed, Manganese is contaminated and is not added specially.
  • phosphorus acts on nucleation of primary silicon effective in improving wear resistance, and uniform dispersion of fine primary crystal silicon. Contribute to. If the phosphorus content is less than 20 ppm, such an effect is insufficient, and if it exceeds 200 ppm, no further effect is observed. Therefore, the phosphorus content is preferably 20 to 200 ppm, and is 0.002 mass% or more and 0.02 mass% or less.
  • titanium is 0.05% by mass to 0.3% by mass
  • zirconium is 0.05% by mass to 0.2% by mass
  • the vanadium content is 0.05 mass% or more and 0.2 mass% or less.
  • the addition of titanium, zirconium and vanadium contributes to the refinement of the ⁇ -Al phase and the generation of finely dispersed particles, and has the effect of improving the heat resistance of the aluminum alloy. And if it becomes below the lower limit of said range, the effect is inadequate, and even if it contains exceeding the upper limit of said range, the improvement of the further effect cannot be expected.
  • Example 1 the alloy of No. 5 in Table 1 was melted at 765 ° C., degassed, allowed to stand for 60 minutes, and then a test piece was cast into a boat-shaped mold. The test piece was heat-treated at T6 of Japanese Industrial Standard (JIS) and then processed into a test piece for a tensile test and a fatigue test. The tensile strength of this test piece measured at room temperature was 428 MPa, and the elongation at break was 0.93%. Fatigue strength was measured with an Ono type rotating bending fatigue tester. In this Ono type rotating bending fatigue tester, the test rotation number was 3000 rpm, the number of repetitions of test suspension was 10 7 times, and the fatigue strength measured at 350 ° C. was 55 MPa.
  • JIS Japanese Industrial Standard
  • Example 2 the alloy of No. 13 in Table 1 was melted at 765 ° C., degassed, allowed to stand for 60 minutes, and then a test piece was cast into a boat-shaped mold. After heat-treating this test piece with Japanese Industrial Standard T6, it was processed into a test piece for a tensile test and a fatigue test.
  • the tensile strength of the test piece measured at room temperature was 395 MPa, and the elongation at break was 1.56%.
  • Fatigue strength was measured with an Ono type rotating bending fatigue tester. In this Ono type rotating bending fatigue tester, the number of revolutions in the test was 3000 rpm, the number of repetitions of the test suspension was 10 7 times, and the fatigue strength measured at 350 ° C. was 49 MPa.
  • Comparative Example 1 the alloy of No. 17 in Table 1 was melted at 765 ° C., degassed and allowed to stand for 60 minutes, and then a test piece was cast into a boat-shaped mold. After heat-treating this test piece with Japanese Industrial Standard T6, it was processed into a test piece for a tensile test and a fatigue test. The tensile strength of this test piece measured at room temperature was 432 MPa. Fatigue strength was measured with an Ono type rotating bending fatigue tester. In this Ono type rotating bending fatigue tester, the test rotation number was 3000 rpm, the number of repetitions of the test stop was 10 7 times, and the fatigue strength measured at 350 ° C. was 41 MPa.
  • a Japanese Industrial Standard AC8A alloy was melted at 765 ° C., degassed and allowed to stand for 60 minutes, and then a test piece was cast into a boat-shaped mold. After heat-treating this test piece with Japanese Industrial Standard T6, it was processed into a test piece for a tensile test and a fatigue test. The tensile strength of this test piece measured at room temperature was 405 MPa. Fatigue strength was measured with an Ono type rotating bending fatigue tester. In this Ono type rotating bending fatigue tester, the number of revolutions in the test was 3000 rpm, the number of repetitions of the test suspension was 10 7 times, and the fatigue strength measured at 350 ° C. was 35 MPa.
  • the solidus temperature of the aluminum alloy can be maximized by adjusting the addition amount of copper (Cu) and magnesium (Mg), and more excellent in heat resistance, Since it can be made high strength and can be provided with excellent mechanical properties and wear resistance, it can be used as a high-strength lightening member for automobile parts such as pistons and other wide fields.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Abstract

　アルミニウム合金を、％を質量％とし、Ｓｉ：１０．５～１３％、Ｎｉ：１．５％～３％、Ｃｕ：２～５．５％、Ｍｇ：０．１～０．６％、Ｆｅ：０～０．２５％、Ｐ：０．００２～０．０２％、Ｔｉ：０．０５～０．３％、Ｚｒ：０．０５～０．２％、Ｖ：０．０５～０．２％で、かつ、残部がＡｌと不可避不純物からなるように構成する。これにより、Ａｌ－Ｓｉ系のアルミニウム合金の高温強度を改善するために、アルミニウム合金の固相線温度に及ぼす、Ａｌ－Ｓｉ系のアルミニウム合金の主要成分であるＳｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｇの添加量の影響を把握した上で、Ｃｕの添加量とＭｇの添加量を調整して適正化することにより、アルミニウム合金の固相線温度をできるだけ低下させないようにしつつ、アルミニウム合金の融点、強度、破断伸びを設計できる、耐熱高強度のアルミニウム合金を提供する。

Description

アルミニウム合金
　本発明は、ピストン等の自動車部品や他の広い分野で使用できる優れた機械的特性と耐摩耗性を備えた耐熱高強度のアルミニウム合金に関する。
　自動車用エンジン等の内燃機関のピストンは、高温・高負荷の下で高速運動するため、このピストンの材料には、軽量でかつ高温における強度が優れている材料が要求される。従来は、ＪＩＳ（日本工業規格）－ＡＣ８Ａ（Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ－Ｎｉ－Ｍｇ系）合金を代表とするアルミニウム合金が使用されてきたが、最近、内燃機関の高燃費化、高出力化により、特にピストンには更なる耐熱性と高温強度が要求されるようになってきている。ＡＣ８Ａ合金の成分は、アルミニウム（Ａｌ）に１２％のケイ素（Ｓｉ）と、１％の銅（Ｃｕ）と、１％のニッケル（Ｎｉ）と１％のマグネシウム（Ｍｇ）を添加したものであるが、このＡＣ８Ａ合金の耐熱性を更に向上させるために、このＡＣ８Ａ合金に対して、より多くの、銅（３～５％程度）、マグネシウム（０．６～１．５％程度）やニッケル（２～３％程度）が添加されている。このアルミニウム合金の例として、例えば、日本の特許出願の特表２００５－５２２５８３号公報に記載されているような、高温用途の為の高強度アルミニウム合金等が提案されている。
　しかしながら、多量の銅、マグネシウムとニッケルを添加すると、アルミニウム合金が融け始める温度である固相線温度はＡＣ８Ａ合金の５３０℃程度から５００℃近辺まで下がってしまう。一方、ディーゼルエンジンのような高出力エンジンの燃料室の最高温度は３７０℃に達しているため、固相線温度と燃焼室の最高温度との差は僅か１３０℃しかない。
　また、より多くの銅、マグネシウムとニッケルを添加すると、金属間化合物のサイズが粗大化するだけではなく、融点の更なる低下を招くので、大量の銅、マグネシウムやニッケルの添加によってアルミニウム合金の強度を改善させる方法は限界に来ている。
　従来のピストン用アルミニウム合金の開発においては、合金元素の添加によるアルミニウム合金そのものの固相線温度の低下及びそれに伴う高温強度の低下に関する研究は殆どなく、特に、アルミニウム合金中の主要元素である銅、ニッケル、マグネシウム、ケイ素のアルミニウム合金融点への複合作用については検討されていない。
日本の特許出願の特表２００５－５２２５８３号公報
　本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、アルミニウム－ケイ素系（Ａｌ－Ｓｉ系）のアルミニウム合金の高温強度を改善するために、アルミニウム合金の固相線温度に及ぼす、主要成分のケイ素（Ｓｉ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）の添加量の影響を把握した上で、銅（Ｃｕ）の添加量とマグネシウム（Ｍｇ）の添加量の関係を見つけ、各添加量を調整して適正化することにより、アルミニウム合金の固相線温度をできるだけ低下させないようにしつつ、アルミニウム合金の融点、強度、破断伸びを設計できる、耐熱高強度のアルミニウム合金を提供することにある。
　上記の目的を達成するためのアルミニウム合金は、ケイ素が１０．５質量％（ｍａｓｓ％）以上１３質量％以下で、かつ、ニッケルが１．５質量％以上３質量％以下で、かつ、銅が２質量％以上５．５質量％以下で、かつ、マグネシウムが０．１質量％以上０．６質量％以下で、かつ、鉄が０質量％以上０．２５質量％以下で、かつ、リンが０．００２質量％以上０．０２質量％以下で、かつ、チタンが０．０５質量％以上０．３質量％以下で、かつ、ジルコニウムが０．０５質量％以上０．２質量％以下で、かつ、バナジウムが０．０５質量％以上０．２質量％以下で、かつ、残部がアルミニウムと不可避不純物からなるように構成される。
　また、上記のアルミニウム合金において、マグネシウムの含有量をＣｍｇ質量％とし、銅の含有量をＣｃｕ質量％としたときに、「０．７１－０．１２×Ｃｃｕ≦Ｃｍｇ≦０．９１－０．１２×Ｃｃｕ」の関係を満足するように構成される。
　この本発明は、本発明者が次の知見を得て想到したものである。つまり、内燃機関のピストン用のアルミニウム合金には、日本工業規格（ＪＩＳ）のＡＣ８Ａ、ＡＣ８Ｂ、ＡＣ８Ｃ、ＡＣ９Ａ、ＡＣ９Ｂ合金のようなアルミニウム－ケイ素系合金を基にしてその成分組成を変更したアルミニウム合金を使用している。
　このケイ素（Ｓｉ）の含有量と固相線温度との関係に関しては、アルミニウム－ケイ素系二元合金の共晶点におけるケイ素の含有量は１２．６質量％で、ピストン用アルミニウム合金中のケイ素の含有量は共晶点に近く、組織としては、亜共晶、共晶または過共晶の組織を有する。このアルミニウム－ケイ素系二元合金の共晶温度は５７７℃であり、ケイ素の含有量が１．６５％以下の場合では、アルミニウム－ケイ素系二元合金の固相線温度はケイ素の含有量の増加に従い、アルミニウム融点の６６０℃から低下する。しかし、ケイ素の含有量が１．６５％以上になると、固相線温度は共晶温度の５７７℃になる。つまり、アルミニウム－ケイ素系二元合金の場合は、１．６５％以上のケイ素を添加しても固相線温度に影響しない。
　また、銅（Ｃｕ）の含有量と固相線温度との関係に関しては、アルミニウム－銅二元合金の共晶温度は５４８℃であり、銅の含有量が５．７質量％以下の場合では、アルミニウム－銅二元合金の固相線温度は銅の含有量に従い、アルミニウム融点の６６０℃から低下する。しかし、銅の含有量が５．７質量％以上になると、固相線温度は共晶温度の５４８℃になる。つまり、アルミニウム－銅二元合金では、銅の含有量が５．７質量％以下の場合には、１質量％の銅を添加すると、固相線温度は１９．６５℃位低下する。
　また、マグネシウム（Ｍｇ）の含有量と固相線温度との関係に関しては、アルミニウム－マグネシウム二元合金の共晶温度は４５０℃であり、マグネシウムの含有量が１８．９％以下の場合は、アルミニウム－マグネシウム二元合金の固相線温度はマグネシウムの含有量に従い、アルミニウム融点の６６０℃から低下する。しかし、マグネシウムの含有量が１８．９％以上になると、固相線温度は共晶温度の４５０℃になる。つまり、アルミニウム－マグネシウム二元合金では、マグネシウムの含有量が１８．９％以下の場合には、１質量％のマグネシウムを添加すると、固相線温度は１１．１１℃位低下する。
　また、ニッケル（Ｎｉ) の含有量と固相線温度との関係に関しては、アルミニウム－ニッケル二元合金の共晶温度は６４０℃である。微量のニッケルを添加しても固相線温度は６４０℃になるが、しかし、数十％以上添加しても固相線温度は変化しない。つまり、一旦微量のニッケルを添加した後、ニッケルの添加量を増加しても、固相線温度は変化しない。
　そして、鋳造性の良いアルミニウム－ケイ素系合金においては、少量のマグネシウムを添加することで、Ｍｇ2Ｓｉの中間相の析出による熱処理効果で強度を高めている。また、アルミニウム－ケイ素系合金に銅を添加する場合は、α－Ａｌ（アルミニウム）への銅の固溶硬化とＣｕＡｌ2の中間相の析出硬化を利用してアルミニウム合金の強度を向上させている。
　しかし、銅とマグネシウムの添加量を増やすと、引張強度は向上するが、破断伸びが小さくなるという問題がある。また、アルミニウム合金への強化効果においては、室温ではＭｇ2Ｓｉによる効果はＣｕＡｌ2による効果より大きいが、高温ではＭｇ2Ｓｉによる効果はＣｕＡｌ2による効果より劣る。そのため、アルミニウム合金の強度を向上させるためには、より多くの銅とマグネシウムを添加すればよいが、一定の添加量を超えると、晶出する金属間化合物が粗大化するため、強度は逆に低下する可能性がある。
　上記の結果を踏まえて考えると、アルミニウムとの二元合金においては、固相線温度への影響に関しては、ニッケルの添加とケイ素の添加と比較すると、銅の添加とマグネシウムの添加による固相線温度の低下が非常に大きいことが分かる。一般にピストン用アルミニウム合金中のケイ素の含有量は１２質量％で、ニッケルの含有量は１～３質量％であるので、アルミニウム合金中でケイ素の含有量とニッケルの含有量を変化させてもアルミニウム合金の固相線温度への影響は非常に少ない。従って、アルミニウム合金の固相線温度への影響の大きい銅とマグネシウムの複合作用を見極めることで、本発明の耐熱高強度のアルミニウム合金を得ることができた。
　本発明のアルミニウム合金によれば、銅（Ｃｕ）とマグネシウム（Ｍｇ）の添加量を調節することによりアルミニウム合金の固相線温度を最大限に高くすることができると共に、より耐熱性に優れ、高強度とすることができるので、優れた機械的特性と耐摩耗性を備えることができ、高強度軽量化部材としてピストンなどの自動車部品や他の広い分野に使用できるアルミニウム合金が得られる。
　また、ニッケルを、高温強度の向上に寄与させるために、つまり、高温疲労係数を向上させるために添加するが、その含有量が１．５質量％未満では十分な高温強度を得ることができず、３質量％を超えるとその効果が次第に小さくなるので、ニッケルの含有量を１．５質量％以上３質量％以下とすることにより、ニッケルを効率良く利用して高温強度を向上できるという効果を奏することができる。
　以下、本発明に係る実施の形態のアルミニウム合金について説明する。この実施の形態のアルミニウム合金はアルミニウム－ケイ素系（Ａｌ－Ｓｉ系）合金であり、アルミニウム合金は、ケイ素（Ｓｉ）が１０．５質量％（ｍａｓｓ％）以上１３質量％以下で、かつ、ニッケル（Ｎｉ）が１．５質量％以上３質量％以下で、かつ、銅（Ｃｕ）が２質量％以上５．５質量％以下で、かつ、マグネシウム（Ｍｇ）が０．１質量％以上０．６質量％以下で、かつ、鉄（Ｆｅ）が０質量％以上０．２５質量％以下で、かつ、リン（Ｐ）が０．００２質量％以上０．０２質量％以下で、かつ、チタン（Ｔｉ）が０．０５質量％以上０．３質量％以下で、かつ、ジルコニウム（Ｚｒ）が０．０５質量％以上０．２質量％以下で、かつ、バナジウム（Ｖ）が０．０５質量％以上０．２質量％以下で、かつ、残部がアルミニウム（Ａｌ）と不可避不純物からなるように構成される。
　更に、このアルミニウム合金の化学成分において、マグネシウム（Ｍｇ）の含有量をＣｍｇ質量％とし、銅（Ｃｕ）の含有量をＣｃｕ質量％としたときに、「０．７１－０．１２×Ｃｃｕ≦Ｃｍｇ≦０．９１－０．１２×Ｃｃｕ」の関係を満足するように、好ましくは、「Ｃｍｇ＝０．８１－０．１２×Ｃｃｕ」の関係式を有するように、構成される。
　次に、本発明におけるアルミニウム合金の各成分元素の含有量と、銅とマグネシウムの添加量の関係について説明する。
　最初にケイ素（Ｓｉ）の含有量の１０．５質量％以上１３質量％以下に関しては、ピストン用アルミニウム合金においては、耐摩耗性と強度を向上させるため、微細な初晶ケイ素粒子の析出が望ましい。アルミニウム－ケイ素二元合金の共晶点のケイ素含有量は１２．６％であるが、本発明のアルミニウム－ケイ素多元合金では、後に説明する銅（Ｃｕ）、リン（Ｐ）の添加量により、共晶点は低ケイ素側にシフトし、ケイ素の含有量が１０．５質量％でも初晶ケイ素粒子が析出される。一方、ケイ素の添加量が１３質量％よりも高くなると、析出される初晶ケイ素粒子は大きくなり、アルミニウム合金の機械的特性は悪くなる。言い換えれば、下限の１０．５質量％は初晶ケイ素粒子が十分に析出され始める量であり、上限の１３質量％は析出される初晶ケイ素粒子が大きくなって機械的特性が不十分になり始める量である。
　次にニッケル（Ｎｉ）の含有量の１．５質量％以上３質量％以下に関しては、ニッケルは高温強度の向上に寄与するが、その含有量は１．５質量％未満では十分な高温強度を得ることができず、一方、３質量％を超えると、その効果が次第に小さくなる。そのため、１．５質量％以上３質量％以下とする。
　次に銅（Ｃｕ）の含有量の２質量％以上５．５質量％以下とマグネシウム（Ｍｇ）の０．１質量％以上０．６質量％以下に関しては、ピストン用アルミニウム合金には優れた耐熱性が求められるので、耐熱性を向上させるためには、銅は不可欠な元素で、銅の添加量が多い方が望ましく、銅の添加量は多ければ多いほどよいが、アルミニウム合金の固相線温度を大きく低下させることがあるので、最大でも５．５質量％とする。言い換えれば、下限の２質量％は耐熱性の向上に必要な量であり、上限の５．５質量％は固相線温度の低下の限界から決まる量である。
　そして、銅とマグネシウムの両方とも、アルミニウム合金の固相線温度を大きく低下させる効果のある元素であるが、高温における強度を向上させるために、最大限に銅を添加する場合、固相線温度への影響を最小限にする方法としてマグネシウムの添加量を減らすことが重要である。また、銅を多く添加し、さらにマグネシウムの添加量を減らすと、共晶点を低ケイ素側にシフトさせるので、ケイ素が１０．５質量％の場合でも、組織的に過共晶アルミニウム－ケイ素系合金になり、初晶ケイ素が析出される。
　そこで、アルミニウム合金中に多くの銅を添加した場合にはマグネシムを少なめに添加し、また、銅を少なめに添加した場合には、マグネシウムを多めに添加する。この両者の関係として、次に示す関係式（１）を発現した。なお、この（１）式は実験結果から導出している。
　　　Ｃｍｇ＝０．８１－０．１２×Ｃｃｕ　　　（１）
　ここで、Ｃｍｇはマグネシウムの含有量（質量％）で、Ｃｃｕは銅の含有量（質量％）である。また、Ｃｍｇの添加量の範囲は（１）式による計算値より±０．１（質量％）の範囲内であればよい。例えば、５．５質量％の銅を添加する場合には、０．１質量％のマグネシウムを添加すればよいが、２質量％の銅を添加する場合には、０．５２質量％のマグネシウムを添加する。
　次に鉄（Ｆｅ）が０質量％以上で０．２５質量％以下に関しては、鉄の含有量が０．３質量％以上になると、針状アルミニウム－ケイ素－鉄（Ａｌ－Ｓｉ－Ｆｅ）金属間化合物が析出し、破壊靱性及び高温強度を低下させるので、鉄の含有量は０．３質量％以下とする必要がある。しかし、本発明のアルミニウム合金はピストン用耐熱合金なので、鉄の含有量は０．２５質量％以下にする必要がある。また、従来、マンガン（Ｍｎ）は不純物の鉄を結合して破壊靱性、耐摩耗性や強度の低下を軽減する元素とされているが、本発明の場合は、鉄の含有量を抑えるので、マンガンはコンタミネーション程度で、特別に添加はしない。
　次にリン（Ｐ）の０．００２質量％以上０．０２質量％以下に関しては、リンは耐摩耗性の向上に有効な初晶ケイ素の核生成に作用し、微細な初晶ケイ素の均一分散に寄与する。リンの含有量が２０ｐｐｍ未満であるとそのような効果が不十分となり、２００ｐｐｍを超えるとそれ以上の効果が見られない。よって、リンの含有量は２０～２００ｐｐｍが好ましく、０．００２質量％以上０．０２質量％以下とする。
　また、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びバナジウム（Ｖ）に関しては、それぞれチタンが０．０５質量％以上０．３質量％以下、ジルコニウムが０．０５質量％以上０．２質量％以下、バナジウムが０．０５質量％以上０．２質量％以下の含有量とする。チタン、ジルコニウム及びバナジウムの添加は、α－Ａｌ相の微細化や微細分散粒子の生成に寄与し、アルミニウム合金の耐熱性を向上させる効果がある。そして、上記の範囲の下限以下になると、その効果が不十分であり、上記の範囲の上限を超えて含有しても更なる効果の向上は望めない。
　次に示す表１に、アルミニウムに、ケイ素を１１質量％、ニッケルを１．９質量％、鉄を０．１５質量％、リンを０．００６質量％（６０ｐｐｍ）、チタンを０．１質量％、ジルコニウムを０．１質量％、バナジウムを０．１質量％を添加したアルミニウム合金において、銅とマグネシウムの添加量を変えた場合の固相線温度を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　この表１で、銅の含有量が共に、５．５質量％である番号１と番号１６の試料の固相線温度を比較すると、番号１のマグネシウムの含有量が０．１質量％の試料の固相線温度は５１３℃で、番号１６（比較例１）のマグネシウムの含有量が１質量％の試料の固相線温度は５０３℃であった。つまり、マグネシウムの０．９質量％の含有量の差で固相線温度は１０℃違う。このように、銅を多く添加する場合には、マグネシウムの添加量を減らさないと、固相線温度が大きく低下することになる。このように、表１の結果により、銅とマグネシウムの添加量を調節することにより、より耐熱性に優れたアルミニウム合金が得られることが確認できた。
　次に、実施例１，２と比較例１、２について説明する。実施例１では、表１の番号５の合金を７６５℃で溶かし、脱ガス後、６０分静置した後、舟形形状の金型に試験片を鋳込んだ。この試験片を日本工業規格（ＪＩＳ）のＴ６で熱処理した後、引張試験と疲労試験用の試験片に加工した。室温で測定したこの試験片の引張強度は４２８ＭＰａで、破断伸びは０．９３％であった。また、疲労強度は小野式回転曲げ疲労試験機で測定した。この小野式回転曲げ疲労試験機での試験における試験回転数は３０００ｒｐｍ、試験中止繰り返し回数は１０7回であり、３５０℃で測定した疲労強度は５５ＭＰａであった。
　実施例２では、表１の番号１３の合金を７６５℃で溶かし、脱ガス後、６０分静置した後、舟形形状の金型に試験片を鋳込んだ。この試験片を日本工業規格のＴ６で熱処理した後、引張試験と疲労試験用の試験片に加工した。室温で測定したこの試験片の引張強度は３９５ＭＰａで、破断伸びは１．５６％であった。また、疲労強度は小野式回転曲げ疲労試験機で測定した。この小野式回転曲げ疲労試験機での試験における試験回転数は３０００ｒｐｍ、試験中止繰り返し回数は１０7回であり、３５０℃で測定した疲労強度は４９ＭＰａであった。
　また、比較例１では、表１の番号１７の合金を７６５℃で溶かし、脱ガス後、６０分静置した後、舟形形状の金型に試験片を鋳込んだ。この試験片を日本工業規格のＴ６で熱処理した後、引張試験と疲労試験用の試験片に加工した。室温で測定したこの試験片の引張強度は４３２ＭＰａであった。また、疲労強度は小野式回転曲げ疲労試験機で測定した。この小野式回転曲げ疲労試験機での試験における試験回転数は３０００ｒｐｍ、試験中止繰り返し回数は１０7回であり、３５０℃で測定した疲労強度は４１ＭＰａであった。
　また、比較例２として、日本工業規格のＡＣ８Ａ合金を７６５℃で溶かし、脱ガス後、６０分静置した後、舟形形状の金型に試験片を鋳込んだ。この試験片を日本工業規格のＴ６で熱処理した後、引張試験と疲労試験用の試験片に加工した。室温で測定したこの試験片の引張強度は４０５ＭＰａであった。また、疲労強度は小野式回転曲げ疲労試験機で測定した。この小野式回転曲げ疲労試験機での試験における試験回転数は３０００ｒｐｍ、試験中止繰り返し回数は１０7回であり、３５０℃で測定した疲労強度は３５ＭＰａであった。
　本発明のアルミニウム合金によれば、銅（Ｃｕ）とマグネシウム（Ｍｇ）の添加量を調節することによりアルミニウム合金の固相線温度を最大限に高くすることができると共に、より耐熱性に優れ、高強度とすることができ、優れた機械的特性と耐摩耗性を備えることができるので、高強度軽量化部材としてピストンなどの自動車部品や他の広い分野に使用できる。

Claims (2)

  1. 　ケイ素が１０．５質量％以上１３質量％以下で、
    かつ、ニッケルが１．５質量％以上３質量％以下で、
    かつ、銅が２質量％以上５．５質量％以下で、
    かつ、マグネシウムが０．１質量％以上０．６質量％以下で、
    かつ、鉄が０質量％以上０．２５質量％以下で、
    かつ、リンが０．００２質量％以上０．０２質量％以下で、
    かつ、チタンが０．０５質量％以上０．３質量％以下で、
    かつ、ジルコニウムが０．０５質量％以上０．２質量％以下で、
    かつ、バナジウムが０．０５質量％以上０．２質量％以下で、
    かつ、残部がアルミニウムと不可避不純物からなることを特徴とするアルミニウム合金。
  2. 　マグネシウムの含有量をＣｍｇ質量％とし、銅の含有量をＣｃｕ質量％としたときに、「０．７１－０．１２×Ｃｃｕ≦Ｃｍｇ≦０．９１－０．１２×Ｃｃｕ」の関係を満足することを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金。
PCT/JP2013/056234 2012-03-16 2013-03-07 アルミニウム合金 WO2013137095A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012-060633 2012-03-16
JP2012060633A JP5910206B2 (ja) 2012-03-16 2012-03-16 アルミニウム合金

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013137095A1 true WO2013137095A1 (ja) 2013-09-19

Family

ID=49161005

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2013/056234 WO2013137095A1 (ja) 2012-03-16 2013-03-07 アルミニウム合金

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP5910206B2 (ja)
WO (1) WO2013137095A1 (ja)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014209102A1 (de) * 2014-05-14 2015-11-19 Federal-Mogul Nürnberg GmbH Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, Motorbauteil und Verwendung einer Aluminiumlegierung

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002249840A (ja) * 2001-02-21 2002-09-06 Toyota Central Res & Dev Lab Inc ピストン用アルミニウム鋳造合金およびピストンの製造方法
JP2004068152A (ja) * 2002-07-22 2004-03-04 Toyota Central Res & Dev Lab Inc アルミニウム鋳造合金製ピストン及びその製造方法
WO2006056686A2 (fr) * 2004-11-26 2006-06-01 Ks Kolbenschmidt Gmbh Alliage d’aluminium pour piece a haute resistance mecanique a chaud

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102212726A (zh) * 2011-04-29 2011-10-12 于建华 高性能活塞制造材料
CN102181758B (zh) * 2011-06-17 2013-05-15 重庆协成汽车零部件有限公司 铸造铝合金及其制备方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002249840A (ja) * 2001-02-21 2002-09-06 Toyota Central Res & Dev Lab Inc ピストン用アルミニウム鋳造合金およびピストンの製造方法
JP2004068152A (ja) * 2002-07-22 2004-03-04 Toyota Central Res & Dev Lab Inc アルミニウム鋳造合金製ピストン及びその製造方法
WO2006056686A2 (fr) * 2004-11-26 2006-06-01 Ks Kolbenschmidt Gmbh Alliage d’aluminium pour piece a haute resistance mecanique a chaud

Also Published As

Publication number Publication date
JP5910206B2 (ja) 2016-04-27
JP2013194261A (ja) 2013-09-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5442961B2 (ja) 耐熱性アルミニウム合金
JP5300118B2 (ja) アルミニウム合金鋳物の製造方法
JP5007086B2 (ja) 高温アルミニウム合金
CN109868393B (zh) 用于气缸盖的高温铸造铝合金
WO2012026354A1 (ja) Ｃｏ基合金
JP4187018B2 (ja) 耐リラクセーション特性に優れた鋳造アルミニウム合金とその熱処理方法
JP2005530927A (ja) すぐれた引張強さのアルミニウム合金製鋳造部品
WO2013034001A1 (zh) 铝硅镁系铸造铝合金及铸造工艺
FR2857378A1 (fr) Piece moulee en alliage d'aluminium a haute resistance a chaud
WO2015144387A1 (en) Aluminum die-casting alloys
JP6028546B2 (ja) アルミニウム合金
JP5860873B2 (ja) 鋳造可能な耐熱性アルミニウム合金
JP6743155B2 (ja) 高強度アルミニウム合金、その合金からなる内燃機関用ピストン、および内燃機関用ピストンの製造方法
JPH01180938A (ja) 耐摩耗性アルミニウム合金
CN112313356B (zh) 铝合金、制造发动机组件的方法、发动机组件以及铝合金用以制造发动机组件的用途
JP5910206B2 (ja) アルミニウム合金
JP2001123239A (ja) 高強度鋳造用アルミニウム合金及び同アルミニウム合金鋳物
JP5660689B2 (ja) 鋳造用アルミニウム合金及びアルミニウム合金鋳物
CN106435290B (zh) 具有优良的弹性和耐磨性的过共晶铝-硅基合金
JP3303661B2 (ja) 耐熱高強度アルミニウム合金
JP2004225121A (ja) ダイカスト鋳造ピストン用合金
JPH04173935A (ja) 耐摩耗性アルミニウム合金
JPH07216487A (ja) 耐摩耗性、耐熱性に優れたアルミニウム合金およびその製造方法
JPH1017975A (ja) 鋳物用アルミニウム合金
US20170298480A1 (en) High thermal conductivity aluminum alloy

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13760284

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13760284

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1