(57)【特許請求の範囲】
【請求項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り、
かつ、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アルミニウム合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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、高温用途の為の高強度アルミニウム合金（例えば特許文献１参照）等が提案されている。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００５−５２２５８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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％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り、かつ、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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【発明の効果】
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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）
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
【表１】
0005910206.tif 000002
【００３４】
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。
【実施例】
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
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。