(57)【要約】本発明は、熱に対する高機械的強度、および２３０−３８０℃の温度域での高クリープ抵抗を持つ鋳造部品を対象としており、該部品は、以下の組成（重量％）のアルミニウム合金から成る：Ｍｇ＜０．１および好適には＜０．０３、Ｓｉ：４．５−１０、Ｃｕ：２．０−５．０好適には３．０−４．０、Ｎｉ＜０．４および好適には＜０．１、Ｔｉ：０．０５−０．２５および好適には０．０８−０．２０、Ｚｒ：０．０５−０．２５および好適には０．１２−０．２０、Ｆｅ＜０．９および好適には＜０．３、Ｚｎ＜０．３および好適には＜０．１、場合によってはＶ：０．０２−０．３０好適には０．０４−０．２０、Ｍｎ：０．１−０．５好適には０．１５−０．４０、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏおよび／またはＷ：０．０３−０．３０、他の元素の各々＜０．１０かつ合計で＜０．３０、アルミニウム平衡。【特許請求の範囲】
【請求項１】
高クリープ抵抗を持つ鋳造部品であって、組成が（重量％）：
Ｍｇ＜０．１、
Ｓｉ：４．５−１０、
Ｃｕ：２．０−５．０、
Ｎｉ＜０．４、
Ｆｅ＜０．９、
Ｚｎ＜０．３、
Ｔｉ：０．０５−０．２５、
Ｚｒ：０．０５−０．２５、
場合によっては、Ｖ：０．０２−０．３０、Ｍｎ：０．１−０．５、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏおよび／またはＷ：０．０３−０．３０、
他の元素の各々＜０．１０かつ合計で０．３０、残りはアルミニウムである合金製の高クリープ抵抗を持つ鋳造部品。
【請求項２】
マグネシウムの含有量が０．０３％未満であることを特徴とする、請求項１に記載の鋳造部品。
【請求項３】
銅の含有量が３と４％の間に含まれることを特徴とする、請求項１または２に記載の鋳造部品。
【請求項４】
ニッケルの含有量が０．１％未満であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の鋳造部品。
【請求項５】
鉄の含有量が０．３％未満であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載の鋳造部品。
【請求項６】
亜鉛の含有量が０．１％未満であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載の鋳造部品。
【請求項７】
ジルコニウムの含有量が０．１２と０．２０％の間に含まれることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の鋳造部品。
【請求項８】
チタンの含有量が０．０８と０．２０％の間に含まれることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載の鋳造部品。
【請求項９】
バナジウムの含有量が、０．０４と０．２０％の間に含まれることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つに記載の鋳造部品。
【請求項１０】
マンガンの含有量が０．１５と０．４０％の間に含まれることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一つに記載の鋳造部品。
【請求項１１】
鋳造部品の熱い部分のための挿入物であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一つに記載の鋳造部品。
【請求項１２】
内燃エンジンのシリンダヘッドであることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一つに記載の鋳造部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い熱応力および機械的応力にかけられるアルミニウム合金製の鋳造部品、とりわけ内燃エンジンの、より詳細にはガソリンまたはディーゼルで過給されるエンジンのシリンダヘッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エンジンのシリンダヘッドの製造において、通常、以下のアルミニウム合金の二つの系列を用いる：
１）５〜９％のケイ素、３〜４％の銅およびマグネシウムを含む合金。多くの場合は二次溶解の合金のことであり、鉄の含有量が０．５と１％の間に含まれ、とりわけマンガン、亜鉛、鉛、すず、またはニッケルといった不純物の含有量がかなり高いものである。これらの合金を一般的には、熱処理なしで用いる（状態Ｆ）か、あるいは単に安定させる（状態Ｔ５）。該合金はむしろ、熱的な外力をほとんど加えられないガソリンエンジンのシリンダヘッドの製造を目的としたものである。ディーゼルエンジンまたはターボディーゼル用の、より外力を加えられる部品のために用いるのは、鉄の含有量が０．３％未満の一次溶解の合金であり、状態Ｔ６（機械的強度のピークで焼戻し）または状態Ｔ７（または重畳焼戻し）で熱処理したものである。
２）７〜１０％のケイ素およびマグネシウムを含む一次溶解の合金であって、状態Ｔ６またはＴ７で処理され、ターボディーゼルエンジン用の部品のようなもっとも外力を加えられる部品のためのものである。
【０００３】
これら合金の二大系列により、様々な使用特性間の異なった妥協点が導かれる：機械的強度、延性、耐クリープ性、および疲労耐性。この問題は、例えば１９９０年３月のＲｅｖｕｅ  ＳＩＡに掲載された、Ｒ．Ｃｈｕｉｍｅｒｔ  およびＭ．Ｇａｒａｔの論文「Ｃｈｏｉｘ  ｄ’ａｌｌｉａｇｅｓ  ｄ’ａｌｕｍｉｎｉｕｍ  ｄｅ  ｍｏｕｌａｇｅ  ｐｏｕｒ  ｃｕｌａｓｓｅｓ  Ｄｉｅｓｅｌ  ｆｏｒｔｅｍｅｎｔ  ｓｏｌｌｉｃｉｔｅｅｓ（強く外力を加えられるディーゼルシリンダヘッドのための鋳造用アルミニウム合金の選択）」において記述されている。この論文は、研究された３つの合金の特性を次のように要約している。
−Ａｌ−Ｓｉ５Ｃｕ３ＭｇＦｅ０．１５  Ｔ７：良好な強度−良好な延性
−Ａｌ−Ｓｉ５Ｃｕ３ＭｇＦｅ０．７  Ｆ：良好な強度−弱い延性
−Ａｌ−Ｓｉ７Ｍｇ０．３Ｆｅ０．１５  Ｔ６：弱い強度−極度の延性
【０００４】
合金−状態の第一および第三の組み合わせは、強く外力を加えられるシリンダヘッドに用いることが可能である。しかしながら、強度と延性の間の改良された妥協点を探求し続けた。本出願人の名で１９９２年に出願された仏国特許発明第２６９０９２７号明細書には、クリープに抵抗するアルミニウム合金が記述されており、該合金は４〜２３％のケイ素と、マグネシウム（０．１〜１％）、銅（０．３〜４．５％）およびニッケル（０．２〜３％）の少なくとも一つの元素と、０．１〜０．２％のチタンと、０．１〜０．２％のジルコニウムと、０．２〜０．４％のバナジウムとを含んでいる。３００℃で耐クリープ性の向上が観察されたが、２５０℃で測定した伸びに著しい損失はみられなかった。
【０００５】
Ｆ．  Ｊ．  Ｆｅｉｋｕｓの論文「Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ａｌ−Ｓｉ  ｃａｓｔ  ａｌｌｏｙｓ  ｆｏｒ  ｃｙｌｉｎｄｅｒ  ｈｅａｄ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ（シリンダヘッド応用のためのＡｌ−Ｓｉ鋳造合金の最適化）」ＡＦＳ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ９８−６１，  ｐｐ．２２５−２３１では、内燃エンジンのシリンダヘッドを製造するために、合金ＡｌＳｉ７Ｍｇ０．３に０．５％と１％の銅を添加することを研究している。５２５℃で５時間の溶体化熱処理を含む従来の処理Ｔ６の後に、冷水での焼入れおよび１６５℃で４時間の焼戻しが続いて、弾性限界においても環境温度での剛性においてもいっさいの利得は観察されなかったが、１５０℃を超える使用温度での銅の添加は、弾性限界とクリープ抵抗の顕著な利得をもたらした。
【０００６】
本出願人によって２００２年６月２５日に出願された特許出願０２−０７８７３は、高クリープ抵抗の鋳造部品、とりわけシリンダヘッドまたはクランクケースについて記述しており、該部品は、以下の組成（重量％）の合金から成る：
Ｓｉ：５−１１  好適には６．５−７．５、
Ｆｅ＜０．６  好適には＜０．３、
Ｍｇ：０．１５−０．６  好適には０．２５−０．５、
Ｃｕ：０．３−１．５  好適には０．４−０．７、
Ｔｉ：０．０５−０．２５  好適には０．０８−０．２０、
Ｚｒ：０．０５−０．２５  好適には０．１２−０．１８、
Ｍｎ＜０．４  好適には０．１−０．３、
Ｚｎ＜０．３  好適には＜０．１、
Ｎｉ＜０．４  好適には＜０．１。
【特許文献１】仏国特許発明第２６９０９２７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、局部的に高温にかけられる部品、特にシリンダヘッド（ｐｏｎｔｅｔｓ  ｉｎｔｅｒｓｏｕｐａｐｅｓ）の、２３０−３８０℃の温度域での機械的強度および耐クリープ性をさらに改善することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、熱に対する高機械的強度、および２３０−３８０℃の温度域での高クリープ抵抗を持つ鋳造部品を対象としており、該部品は、以下の組成（重量％）のアルミニウム合金から成る：
Ｍｇ＜０．１  好適には＜０．０３、
Ｓｉ：４．５−１０、
Ｃｕ：２．０−５．０  好適には３．０−４．０、
Ｎｉ＜０．４  好適には＜０．１、
Ｔｉ：０．０３−０．２５  好適には０．０８−０．２０、
Ｚｒ：０．０５−０．２５  好適には０．１２−０．２０、
Ｆｅ＜０．９  好適には＜０．３、
Ｚｎ＜０．３  好適には＜０．１、
場合によっては、Ｖ：０．０２−０．３０  好適には０．０４−０．２０、Ｍｎ：０．１−０．５  好適には０．１５−０．４０、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏおよび／またはＷ：０．０３−０．３０、
他の元素の各々＜０．１０かつ合計で＜０．３０、アルミニウム平衡。
【０００９】
本発明が基づくのは、本出願人による次のような確認であり、それは、Ａｌ−Ｓｉ系の鋳造合金において組織硬化を関連付けることで、延性を損失することなく現存する合金と比べてはっきりと改良された、熱に対する、とりわけ２３０℃と３８０℃の間での耐性の特性を得ることができるというものであり、該組織硬化は、マグネシウムなしで２〜５％の銅を添加すること、および０．０５〜０．２５％のジルコニウムを添加することに基づくものである。
【００１０】
本発明人らが述べる仮定とは、熱処理された部品の熱に対する良好な機械的特性が、溶体化熱処理の際に形成されたジルコニウムの分散相と、析出物Ａｌ2Ｃｕの系統から誘導された銅の準安定相θ’−θ’’とを同時に有するミクロ組織から生じるというものである。これらの相は、焼戻しの際にマグネシウムの存在下で形成される、Ｍｇ2Ｓｉを主成分とした二元の相β’β‘’およびＡｌＣｕＭｇＳｉの四元の相λ’λ’’よりも、熱を受けても安定している。
【００１１】
銅の含有量を選択することによって、熱に対する機械的特性と延性の間の異なる妥協点に至ることができる。たとえば、本発明による合金を用いて、銅の含有量を２−５％の間隔の下に制限することによって、Ａ−Ｓ７Ｇのような非常に可延性のある合金の延性と同じくらい良好な延性を得ることが可能である。
【００１２】
エンジンのシリンダヘッドの製造用の合金の大多数と同様に、鉄は０．９％未満に維持され、それは一次溶解または二次溶解の合金でありうることを意味する；この制限は０．３％未満に下げることができ（一次溶解）、および高い破断伸びを望む時には、好適には０．２％未満に下げることができる。
【００１３】
合金は、０．０５と０．２５％の間に含まれる含有量、好適には０．１２と０．２０％の間に含まれる含有量のジルコニウムを含まなければならず、それにより熱処理後に分散質の最適な含有量を得ることができる。
【００１４】
チタン含有量は、０．０３と０．２５％の間に維持され、このことはこのタイプの合金にはかなり習慣的なものである。チタンは、固体化の際の一次粒子の精錬に貢献するが、本発明による合金の場合においては、ジルコニウムと連携して、鋳造部品の溶体化熱処理の際に、非常に細かな（＜１μｍ）分散質ＡｌＳｉＺｒＴｉの形成にも貢献し、該分散質は、固溶体α−Ａｌの中に位置し、銅での組織硬化の相に反して３００℃を越える温度で安定し、その融合は、マグネシウムでの相のものより少ないにもかかわらず、この温度レベルに一致するようになる。
【００１５】
合金は、０．０２と０．３０％の間、好適には０．０４と０．２０％の間に含まれる含有量のバナジウムも有し、同様に、たとえばハフニウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデンあるいはタングステンのようなその他の包晶の元素を０．０３と０．３０％の間に含まれる含有量で有する。これらの元素はまた、アルミニウムにおけるそれらの溶解度曲線および少ない拡散係数のために、溶体化熱処理の際に、高温で安定する分散質も形成する。０．１％を超える含有量で、マンガンは２５０℃と３８０℃の間で機械的強度についてポジティブな効果をもつが、この効果は０．５％の含有量を超えると頭打ちになる。
【００１６】
マグネシウムの存在が通常、所望のものであるか許容されたものであるシリンダヘッド用の合金とは反対に、本発明による部品の合金は、５０７℃を超える固相温度および燃焼温度を有する。該合金は、したがって、銅の含有量にしたがって５１５と５２５℃の間に含まれる溶体化熱処理の温度をもって状態Ｔ６またはＴ７で熱処理され、これは特別な用心なしに、すなわち遅い温度上昇または中間の安定期の必要性がなく行われ、一方で、マグネシウムが０．２％を超える同タイプの合金は５０７℃で燃焼するおそれと共に変化しない四元の共晶を形成する。
【００１７】
５１５℃を超える熱処理を実行する可能性は、複数の利点を有する：銅の相のより精密な均質化、ケイ素の相のより優れた球状化、およびジルコニウムとその他の包晶元素の相のより完全な析出である。
【００１８】
つまり、このタイプの組成のその他の利点は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金およびＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金よりも、溶体化熱処理後の焼入れ速度に対して感受性が弱いことである。事実、通常の技術により水での焼入れが可能であるにもかかわらず、これらの合金は、緩やかな焼入れ（噴霧された水、流動層での焼入れ、送風による焼入れ）の可能性を増大させ、それはマグネシウムのある従来の合金のものよりもかなり低い機械的特性の相対的な損失を伴う。
【００１９】
部品は、従来の鋳造方法により製造され、該方法は、シリンダヘッドについてはとりわけ重量ダイキャスティングおよび低圧力鋳造であるが、砂型鋳造、スクイズ鋳造（とくに混合物の挿入の場合）およびロストフォーム鋳造（ｌｏｓｔ  ｆｏａｍ）でもある。
【００２０】
これらの部品は、従来の合金製の部品の熱い部分用の挿入物として、または二つの異なる合金で製造された部品（「ｄｕａｌ  ｃａｓｔｉｎｇ」）の熱い部分のための挿入物として用いられることもできる。
【００２１】
熱処理は、典型的には５１５℃と５２５℃の間に含まれる温度で１〜１０時間の溶体化熱処理、好適には冷水での焼入れまたは緩やかな焼入れ、および１５０℃と２５０℃の間に含まれる温度で０．５〜１０時間の焼戻しを含む。焼戻しの温度および持続時間は、調節されることによって、機械的強度のピークでの焼戻し（Ｔ６）か、エンジンのシリンダヘッドのために頻繁に用いられる重畳焼戻し（Ｔ７）が得られるようになっている。
【００２２】
本発明による部品、およびとりわけ、自動車または飛行機のエンジンのシリンダヘッド、ケーシング、ボリュートおよび、高温をかけられるその他の航空用の器材は、熱に対する優れた機械的強度、２３０〜３８０℃の温度域において先行技術の部品のものより優れたクリープ抵抗を有し、銅の含有量に制限がある場合、優れた延性を有することができる。反対に、環境温度または穏やかな温度での機械的性能は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ合金のものよりわずかに低いものである。
【実施例】
【００２３】
電気炉の炭化ケイ素製の炉床において、１０の合金を１００ｋｇ製造し、該合金の組成（重量％）を、表１に示した。これらの組成を、銅とジルコニウムを除いて、火花による発光分析法で測定し、銅とジルコニウムを誘導プラズマ発光分析法で測定した。
【００２４】
【表１】
2007516344.tif 000002
【００２５】
各合金の、ＡＦＮＯＲの引張チル鋳造試験片を鋳造した。これらの試験片は、表２に示された条件での溶体化熱処理、冷水での焼入れ、環境温度で２４時間のエージング、および１６０℃または２００℃で５時間の焼戻しを含む熱処理にかけられた。
【００２６】
これらの試験片から、機械的特性（ＭＰａ単位の破断耐性Ｒｍ、ＭＰａ単位の弾性限界ＲP0.2、および％単位の破断伸びＡ）を環境温度、２５０℃および３００℃で測定するように、引張試験片およびクリープの試験片を加工した。結果を表２に示した。
【００２７】
【表２】
2007516344.tif 000003
【００２８】
銅におけるおよびマグネシウムをともなう従来の合金１および２は、５０７℃で燃焼するおそれがあるために、４９５℃程度の温度でしか熱処理をすることができず、それとは反対に、本発明による合金７、８および９は銅をともなうが、マグネシウムはなく、ジルコニウムを含むものであり、５１５℃で溶体化熱処理によって処理することができる。
【００２９】
これらの合金７〜９については、先行技術の合金１および２の合金のものを明らかに非常に上回る２５０℃および３００℃での弾性限界および破断耐性のレベルを、結果が示している。たとえば、合金７〜９の試験片の弾性限界は５０ＭＰａを超え、一方で合金１〜６の試験片の弾性限界はこのレベルを非常に下回るものである。
【００３０】
係数δ0.1%100hを用いた、２５０℃と３００℃でのクリープ試験の結果において、同じ効果が明らかになっており、該係数は、これらの温度に１００時間さらした後に０．１％の変形にいたる応力（単位ＭＰａ）を表すものである。結果は、表３に示された。
【００３１】
【表３】
2007516344.tif 000004
【００３２】
試験片７における３００℃でのクリープ試験は、３２ＭＰａのクリープ抵抗を示し、それはマグネシウムを含む合金１〜６の試験片で測定されたものをはるかに上回っている。
【００３３】
４９５℃の同一の熱処理において、試験片７ｂｉｓが２９ＭＰａのクリープ抵抗に達することが確認されるが、該値は、マグネシウムをともない、ジルコニウムを含むまたは含まない合金１および２のレベルを既にわずかに超えたレベルである。試験片７における５１５℃での熱処理は、３ＭＰａの追加の増加を可能にする。
【００３４】
最後に、耐熱性の優れたレベルに加えて、試験片８の結果が示すのは、３％程度の銅の含有量をもって破断伸びの高い値が得られ、該値は、もっとも延性のあるマグネシウムの合金３〜６をもって得られるものと同じレベル、および優れていることさえあるということである。等しい延性では、本発明による試験片は、２５０℃で約２０％および３００℃で約３０％の弾性限界Ｒp0.2の増加を表している。
【国際調査報告】
2007516344.tif 000005
2007516344.tif 000006
2007516344.tif 000007
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2007516344.tif 000009
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