(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
合金元素としてＦｅ、Ｔｉ、ＳｉおよびＭｇを含有し、残部がＡｌよりなるＡｌ合金であって、Ｆｅ、Ｔｉ、ＳｉおよびＭｇの含有量がそれぞれ
４原子％≦Ｆｅ≦６．８原子％、
０．５原子％≦Ｔｉ≦１．２原子％、
１．５原子％≦Ｓｉ≦２．５原子％、
０．１原子％≦Ｍｇ≦２．５原子％
であり、Ｆｅ含有量とＴｉ含有量との間に５．６≦Ｆｅ／Ｔｉ≦８の関係が成立することを特徴とする高疲労強度Ａｌ合金。
【請求項２】
合金元素としてＦｅ、Ｔｉ、ＳｉおよびＭｇを含有し、残部がＡｌよりなるＡｌ合金であって、Ｆｅ、Ｔｉ、ＳｉおよびＭｇの含有量がそれぞれ
４原子％≦Ｆｅ≦６．８原子％、
０．５原子％≦Ｔｉ≦１．２原子％、
１．５原子％≦Ｓｉ≦２．５原子％
０．１原子％≦Ｍｇ≦２．５原子％
であり、Ｆｅ含有量とＴｉ含有量との間に５．６≦Ｆｅ／Ｔｉ≦８の関係が成立し、またマトリックスを構成するＡｌ結晶粒の平均粒径Ｄ１  がＤ１  ≦１μｍであり、さらに金属間化合物の平均粒径Ｄ２  がＤ２  ≦０．５μｍであることを特徴とする高疲労強度Ａｌ合金。
【請求項３】
エンジン用コンロッドの構成材料である、請求項１または２記載の高疲労強度Ａｌ合金。
【請求項４】
平均粒径Ｄ３  が１．５μｍ≦Ｄ３  ≦１０μｍのセラミック粒子を含有し、そのセラミック粒子の体積分率Ｖｆが０．５％≦Ｖｆ≦１０％である、請求項１または２記載の高疲労強度Ａｌ合金。
【請求項５】
エンジン用バルブスプリングリテーナの構成材料である、請求項４記載の高疲労強度Ａｌ合金。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高疲労強度Ａｌ合金、特に高温下における疲労強度の高いＡｌ合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、耐熱強度および靱延性の両立を図るべく、非晶質相の結晶化により金属組織の微細均一化を狙ったＡｌ合金が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
自動車用軽量エンジン部品の構成材料に要求される最重要要件は、その構成材料がエンジン運転中の高温下において優れた疲労強度を有することであるが、従来のＡｌ合金は未だ前記要件を充足するに至っていない。
【０００４】
本発明は前記に鑑み、組成、または組成および金属組織を特定することにより、高温下において優れた疲労強度を発揮することのできる、前記Ａｌ合金を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る高疲労強度Ａｌ合金は、合金元素としてＦｅ、Ｔｉ、ＳｉおよびＭｇを含有し、残部がＡｌよりなるＡｌ合金であって、Ｆｅ、Ｔｉ、ＳｉおよびＭｇの含有量がそれぞれ４原子％≦Ｆｅ≦６．８原子％、０．５原子％≦Ｔｉ≦１．２原子％、１．５原子％≦Ｓｉ≦２．５原子％、０．１原子≦Ｍｇ≦２．５原子％、であり、Ｆｅ含有量とＴｉ含有量との間に５．６≦Ｆｅ／Ｔｉ≦８の関係が成立することを特徴とする。
【０００６】
また高疲労強度Ａｌ合金は、マトリックスを構成するＡｌ結晶粒（面心立方構造）の平均粒径Ｄ１  がＤ１  ≦１μｍであると共に金属間化合物の平均粒径Ｄ２  がＤ２  ≦０．５μｍである、といった金属組織を有することを特徴とする。
【０００７】
さらに高疲労強度Ａｌ合金は、平均粒径Ｄ３  が１．５μｍ≦Ｄ３  ≦１０μｍのセラミック粒子を含有し、そのセラミック粒子の体積分率Ｖｆが０．５％≦Ｖｆ≦１０％であることを特徴とする。
【０００８】
合金元素であるＦｅ、Ｔｉ、ＳｉおよびＭｇの含有量を前記のように特定し、またＦｅ／Ｔｉの関係を前記のように特定すると、この組成が高い非晶質相形成能を持つことからＡｌ合金の金属組織が均一で、且つ微細となり、これによりＡｌ合金は優れた耐熱強度および靱延性を有すると共に高温下において高い疲労強度を有する。
【０００９】
合金元素において、Ｆｅは耐熱強度向上に寄与する。ただし、Ｆｅ含有量がＦｅ＜４原子％では耐熱強度が低くなり、一方、Ｆｅ＞６．８原子％では靱延性が大幅に低下する。
【００１０】
ＴｉおよびＳｉは非晶質相形成能の向上に寄与する。ただし、Ｓｉ含有量がＳｉ＜１．５原子％であるか、Ｓｉ＞２．５原子％であると、非晶質相形成能が低下するため靱性および高温下における疲労強度が低下する。
【００１１】
Ｍｇは高温下での特性を損うことなく、常温強度を向上させる効果を有する。ただし、Ｍｇ含有量がＭｇ＜０．１原子％では前記効果を得ることができず、一方、Ｍｇ＞２．５原子％では靱延性、高温下における疲労強度等が低下する。
【００１２】
Ｆｅ含有量が４原子％≦Ｆｅ≦６．８原子％、Ｓｉ含有量が１．５原子％≦Ｓｉ≦２．５原子％およびＭｇ含有量が０．１原子％≦Ｍｇ≦２．５原子％であるとき、Ｆｅ含有量とＴｉ含有量との間に５．６≦Ｆｅ／Ｔｉ≦８の関係を成立させることによって、前記のように優れた特性を持つＡｌ合金を構成することができ、このことからＴｉ含有量は０．５原子％≦Ｔｉ≦１．２原子％に設定される。
【００１３】
前記のように組成を特定すると共に前記のように金属組織を特定することによって、前記のように優れた特性を有するＡｌ合金を構成することができる。
【００１４】
ただし、Ａｌ結晶粒の平均粒径Ｄ１  がＤ１  ＞１μｍであるか、金属間化合物の平均粒径Ｄ２  がＤ２  ＞０．５μｍであると、耐熱強度、または耐熱強度および高温下における疲労強度が低下する。
【００１５】
セラミック粒子の平均粒径Ｄ３  およびその体積分率Ｖｆを前記のように特定すると、Ａｌ合金の前記特性を損うことなく、耐摩耗性を向上させることができる。ただし、セラミック粒子の平均粒径Ｄ３  がＤ３  ＜１．５μｍでは前記効果が得られず、一方、Ｄ３  ＞１０μｍでは高温下における疲労強度が低下すると共に相手部材の摩耗量が増加する。またセラミック粒子の体積分率ＶｆがＶｆ＜０．５％では前記効果が得られず、一方、Ｖｆ＞１０％では高温下における疲労強度が低下すると共に相手部材の摩耗量が増加する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
〔Ａ〕  ＦｅおよびＳｉ含有量を設定すべく、次のような方法で各種Ａｌ合金を製造した。
（ａ）  各種組成の溶湯を調製し、次いで各溶湯を用い、エアアトマイズ法の適用下で各種粉末を製造し、その後各粉末に分級処理を施して粒径が９０μｍ以下の粉末を得た。
（ｂ）  各粉末（粒径９０μｍ以下）を用い、圧力４０００ｋｇｆ／ｃｍ２  の条件で冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）を行うことにより、直径７８ｍｍ、長さ８０ｍｍの複数の短柱状ビレットを成形した。
（ｃ）  各ビレットを５００℃のマッフル炉内に設置し、Ａｒフロー雰囲気中に３０分間保持して脱ガス処理を行うと共にそのビレットを押出し温度である５００℃まで昇温した。
（ｄ）  各ビレットに直接押出し加工を施して押出し材であるＡｌ合金を得た。加工条件は、コンテナ温度４００℃、ダイス温度４００℃、コンテナの内径８０ｍｍ、ダイス孔直径２２ｍｍ、押出し比１３．２に設定された。
【００１７】
各Ａｌ合金より各種試験片を作製し、それら試験片を用いて、室温における引張り試験、シャルピー衝撃試験、２００℃における引張り試験および２００℃における疲労試験を行った。ただし、シャルピー衝撃試験用の試験片はノッチ無しの平滑なものであり、また疲労試験は試験片に一定の引張り−圧縮繰返し応力を付与し、応力繰返し数１０７  回で破断したときの引張り−圧縮繰返し応力を疲労耐久強度とした。これらは以下同じである。
【００１８】
表１は各種Ａｌ合金の組成を示し、また表２は各種試験結果を示す。表１において、Ａｌ合金の例１〜５はＴｉおよびＳｉ含有量を一定にしてＦｅ含有量を変化させたものであり、またＡｌ合金の例６〜１０はＦｅおよびＴｉ含有量を一定にしてＳｉ含有量を変化させたものである。表２の評価の欄において、「○」は要求特性を満たしていることを、「×」は要求特性を満たしていないことをそれぞれ意味する。これは、以下の各表において同じである。
【００１９】
【表１】
0003605494.tif 000002
【００２０】
【表２】
0003605494.tif 000003
【００２１】
表２から明らかなように、Ａｌ合金の例３，４，７〜９は、優れた耐熱強度および靱延性を有し、また高温下において優れた疲労強度を有する。このことから、Ｆｅ含有量は４原子％≦Ｆｅ≦６．８原子％に、またＳｉ含有量は１．５原子％≦Ｓｉ≦２．５原子％にそれぞれ設定される。Ｆｅの下限値である４原子％は以下の例において実証される。
【００２２】
〔Ｂ〕  Ｆｅ／ＴｉおよびＴｉ含有量を設定すべく、前記と同様の方法で各種Ａｌ合金を製造した。そして各Ａｌ合金より各種試験片を作製し、それら試験片を用いて前記同様の各種試験を行った。
【００２３】
表３は各種Ａｌ合金の組成を示し、また表４は各種試験結果を示す。表３において、Ａｌ合金の例１１〜２５はＳｉ含有量を一定にしてＦｅおよびＴｉ含有量を変化させたものである。ただし、Ｆｅ含有量は複数の例毎に一定に設定されている。
【００２４】
【表３】
0003605494.tif 000004
【００２５】
【表４】
0003605494.tif 000005
【００２６】
表４から明らかなように、Ａｌ合金の例１２，１３，１６，１７，２０，２３，２４は、優れた耐熱強度および靱延性を有し、また高温下において優れた疲労強度を有する。このことから、Ｆｅ／Ｔｉは５．６≦Ｆｅ／Ｔｉ≦８に、またＴｉ含有量は０．５原子％≦Ｔｉ≦１．２原子％にそれぞれ設定される。さらにＦｅ含有量の下限値は例１２，１３より４原子％であることが判る。
【００２７】
〔Ｃ〕  Ｍｇ含有量を設定すべく、前記と同様の方法で各種Ａｌ合金を製造した。そして各Ａｌ合金より各種試験片を作製し、それら試験片を用いて前記同様の各種試験を行った。
【００２８】
表５は各種Ａｌ合金の組成を示し、また表６は各種試験結果を示す。表５において、Ａｌ合金の例２６〜３８はＳｉ含有量を一定にしてＦｅ、ＴｉおよびＭｇ含有量を変化させたものである。ただし、ＦｅおよびＴｉ含有量は複数の例毎に一定に設定されている。
【００２９】
【表５】
0003605494.tif 000006
【００３０】
【表６】
0003605494.tif 000007
【００３１】
表６から明らかなように、Ａｌ合金の例２６，２８〜３０，３２〜３５，３７は、優れた耐熱強度および靱延性を有し、また高温下において優れた疲労強度を有する。このことから、Ｍｇ含有量は０．１原子％≦Ｍｇ≦２．５原子％に設定される。また、Ｍｇの添加に伴い表６の例３２〜３５は表２の例８に比べて室温強度が向上しており、これは表６の例２８〜３０と表３の例１６の場合についても同じである。
【００３２】
以上の事実を総括すると、好適なＡｌ合金においては、Ｆｅ、Ｔｉ、ＳｉおよびＭｇの含有量がそれぞれ４原子％≦Ｆｅ≦６．８原子％、０．５原子％≦Ｔｉ≦１．２原子％、１．５原子％≦Ｓｉ≦２．５原子％、０．１原子％≦Ｍｇ≦２．５原子％であり、Ｆｅ含有量とＴｉ含有量との間に５．６≦Ｆｅ／Ｔｉ≦８の関係が成立するのである。
【００３３】
また例２６，２８〜３０，３２〜３５，３７について、それらの金属組織を調べたところ、表７の結果を得た。
【００３４】
【表７】
0003605494.tif 000008
【００３５】
マトリックスを構成するＡｌ結晶粒の平均粒径Ｄ１  および金属間化合物の平均粒径Ｄ２  は、それぞれ透過型電子顕微鏡画像において１００個の粒子の粒径を測定し、それらを平均したものである。
【００３６】
表７から明らかなように、前記組成上の要件を満たし、またＡｌ結晶粒の平均粒径Ｄ１  がＤ１  ≦１μｍで、且つ金属間化合物の平均粒径Ｄ２  がＤ２  ≦０．５μｍである、といった金属組織上の微細化要件を満たすことによって、例２６，２８〜３０，３２〜３５，３７のように優れた機械的特性、特に高温下において優れた疲労強度を有するＡｌ合金が得られる。
〔実施例２〕
〔Ａ〕  セラミック粒子としての球状Ａｌ２  Ｏ３  粒子の体積分率Ｖｆを設定すべく、実施例１と同様の方法で粒径が９０μｍ以下のＡｌ９０Ｆｅ６  Ｔｉ１  Ｓｉ２  Ｍｇ１  合金（表６の例３３、数値の単位は原子％、以下同じ）よりなる粉末を得た。次いで、その粉末とＡｌ２  Ｏ３  粒子とをＶ型ブレンダを用いて充分に混合し、その後混合粉末を用い実施例１と同様の方法で各種Ａｌ合金を製造した。そして各Ａｌ合金より各種試験片を作製し、前記同様のシャルピー衝撃試験、２００℃における引張り試験および２００℃における疲れ試験を行うと共にチップオンディスク摩耗試験を行った。
【００３７】
摩耗試験条件は次の通りである。試験片の寸法  縦１０ｍｍ、横１０ｍｍ（したがって摺動面の面積１ｃｍ２  ）、厚さ５ｍｍ、ディスクの材質  シリコンクロム鋼（ＪＩＳ  ＳＷＯＳＣ、浸炭材）、ディスクの直径  １３５ｍｍ、ディスクの回転速度２５ｍ／ｓｅｃ  、試験片の押圧力  ２００ｋｇｆ、潤滑油供給量  ５ｃｃ／ｍｉｎ  、摺動距離  １８ｋｍ。摩耗量として試験片の厚さ減少量を測定した。
【００３８】
表８は各種Ａｌ合金の組成を示し、また表９は各種試験結果を示す。
【００３９】
【表８】
0003605494.tif 000009
【００４０】
【表９】
0003605494.tif 000010
【００４１】
表９から明らかなように、Ａｌ合金の例４０〜４３は、優れた耐熱強度および靱延性を有すると共に高温下において優れた疲労強度を有し、その上耐摩耗性も優秀である。例４４は試験片の摩耗量は少ないが、高温下における疲労強度が低い。このことから、Ａｌ２  Ｏ３  粒子の体積分率Ｖｆは０．５％≦Ｖｆ≦１０％に設定される。なお、Ａｌ２  Ｏ３  粒子を含まないＡｌ９０Ｆｅ６  Ｔｉ１  Ｓｉ２  Ｍｇ１  合金の摩耗量は１８μｍであった。
【００４２】
〔Ｂ〕  Ａｌ２  Ｏ３  粒子の平均粒径Ｄ３  を設定すべく、Ａｌ合金粉末として、便宜上、Ａｌ９１Ｆｅ６  Ｔｉ１  Ｓｉ２  合金（表１の例８）よりなるものを用いて、前記と同様の方法で各Ａｌ合金を製造した。そして各Ａｌ合金より各種試験片を作製し、それら試験片を用いて前記同様の各種試験を行った。
【００４３】
表１０は各種Ａｌ合金の組成を示し、また表１１は各種試験結果を示す。
【００４４】
【表１０】
0003605494.tif 000011
【００４５】
【表１１】
0003605494.tif 000012
【００４６】
表１１から明らかなように、Ａｌ合金の例４６〜４９は、優れた耐熱強度および靱延性を有すると共に高温下において優れた疲労強度を有し、その上耐摩耗性も優秀であり、また相手部材であるディスクの摩耗量も少ない。このことから、Ａｌ２  Ｏ３  粒子の平均粒径Ｄ３  は１．５μｍ≦Ｄ３  ≦１０μｍに設定される。
〔応用例１〕
この応用例ではエンジン用コンロッドの製造について述べる。
【００４７】
表５の例３４と同一組成（Ａｌ８９．５Ｆｅ６  Ｔｉ１  Ｓｉ２  Ｍｇ１．５  ）の粉末および表３の例１９と同一組成（Ａｌ９１．９Ｆｅ５．５  Ｔｉ０．６  Ｓｉ２  ）の粉末を選定した。
（ａ）  各粉末を金型のキャビティに充填した。
（ｂ）  各粉末に、室温下、成形圧力５０００ｋｇｆ／ｃｍ２  の条件で圧縮成形加工を施して、図１に示すようにコンロッドの形状に近似する形状を有する粉末プレフォーム１を成形した。
【００４８】
この粉末プレフォーム１において、大端部に対応する部分２にはクランクピン孔３が形成されているが、小端部に対応する部分４にはピストンピン孔は形成されていない。
（ｃ）  各粉末プレフォーム１を高周波加熱により約４分間で５５０℃まで昇温し、次いでその粉末プレフォーム１に、金型温度２００℃、鍛造圧力６０００ｋｇｆ／ｃｍ２  の条件で粉末鍛造加工を施し、コンロッドと略同形の鍛造部材を得た。
（ｄ）  各鍛造部材に、その大端部に対応する部分２を二分割する切断加工を含む所定の機械加工等を施して図２に示すコンロッド５を得た。このコンロッド５は、クランクピン孔３の半部およびピストンピン孔６を有するコンロッド本体７と、大端部に対応する部分２の半体より形成されてクランクピン孔３の半部を持つキャップ１０とを備え、そのキャップ１０はコンロッド本体７に２本のボルト８および２個のワッシャ９を用いて固着される。ボルト８およびワッシャ９を含むコンロッド５の全重量は約３２０ｇであった。
【００４９】
次に、各コンロッド５について、単体疲労試験を行った。この試験は、図２に示すように、コンロッド５のピストンピン孔６およびクランクピン孔３にそれぞれロッド１１，１２を貫通させ、各ロッド１１，１２の両端部を油圧式疲労試験機に支持させて、コンロッド５にその温度１５０℃、Ｒ＝０．１にて繰返し引張り荷重を加えることによって行われた。この単体疲労試験において、実用コンロッドには、１０７  回耐久荷重が３５００ｋｇｆであることが要求される。
【００５０】
表１２は単体疲労試験結果を示す。
【００５１】
【表１２】
0003605494.tif 000013
【００５２】
表１２から明らかなように、表５の例３４を構成材料とするコンロッドの例１は実用コンロッドに要求される特性を充足しているが、表３の例１９を構成材料とするコンロッドの例２は前記特性を備えていない。このことから、表５の例３４等はコンロッド用構成材料として好適であることが判る。
〔応用例２〕
この応用例ではエンジン用バルブスプリングリテーナの製造について述べる。
【００５３】
表８の例４１、即ち、マトリックスの組成がＡｌ９０Ｆｅ６  Ｔｉ１  Ｓｉ２  Ｍｇ１  であり、Ａｌ２  Ｏ３  粒子の平均粒径Ｄ３  ＝３．５μｍ、その体積分率Ｖｆ＝３％のものと、表５の例３３、即ち、組成が前記マトリックスと同一のＡｌ９０Ｆｅ６  Ｔｉ１  Ｓｉ２  Ｍｇ１  であるものを選定した。
【００５４】
例４１，３３にそれぞれ機械加工を施して図３に示すバルブスプリングリテーナ１３を製作した。
【００５５】
各バルブスプリングリテーナ１３をエンジンに組込んで、油温  １２０℃、エンジン回転数  ７０００ｒｐｍ  、エンジン運転時間  １５時間の条件で耐久試験を行った。その後、各バルブスプリングリテーナ１３におけるバルブスプリング当接部１４の摩耗量を測定したところ、表１３の結果を得た。摩耗量は、バルブスプリング当接部１４の厚さｔの減少量として示されている。
【００５６】
【表１３】
0003605494.tif 000014
【００５７】
表１３から明らかなようにバルブスプリングリテーナの例１は、Ａｌ２  Ｏ３  粒子を前記範囲内において含有することから、例２に比べて優れた耐摩耗性を有する。このことから表９の例４１等はバルブスプリングリテーナ用構成材料として好適であることが判る。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、前記のように組成、または組成および金属組織を特定することによって、常温強度が高く、また高温下において優れた疲労強度を発揮することが可能なＡｌ合金を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】粉末プレフォームの平面図である。
【図２】コンロッドの平面図である。
【図３】バルブスプリングリテーナの正面図である。
【符号の説明】
１      粉末プレフォーム
５      コンロッド
１３    バルブスプリングリテーナ
【図１】
0003605494.tif 000015
【図２】
0003605494.tif 000016
【図３】
0003605494.tif 000017