(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ：１１．０〜１３．０％
Ｆｅ：≦０．３％
Ｍｇ：０．３〜２．０％
Ｃｕ：２．０〜５．０％
Ｎｉ：３．０〜４．０％
Ｍｎ：０．２〜１．０％
Ｃｒ：０．０５〜０．４％
Ｖ：０．０５〜０．４％
を含み、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からなり、熱伝導度が１３５Ｗ／（Ｋ・ｍ）以上であることを特徴とするアルミニウム合金製内燃機関用ピストン。
【請求項２】
Ｔｉ：０．０５〜０．４％
Ｚｒ：０．０５〜０．４％
Ｐ：０．０００５〜０．０１５％
を更に含有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からなり、熱伝導度が１３５Ｗ／（Ｋ・ｍ）以上であることを特徴とするアルミニウム合金製内燃機関用ピストン。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の組成を有することを特徴とする内燃機関用ピストン用アルミニウム合金からなり、熱伝導度が１３５Ｗ／（Ｋ・ｍ）以上であることを特徴とするアルミニウム合金製内燃機関用ピストン。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の組成を有するアルミニウム合金を鋳造し、時効処理を施すことを特徴とする、アルミニウム合金の熱伝導度が１３５Ｗ／（Ｋ・ｍ）以上であることを特徴とする内燃機関用ピストンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のエンジン等の内燃機関のピストンは、繰り返し高温に晒されながら使用されている。そのため、高温での強度や疲労強度が求められる。そこでピストン用合金には、高温での機械的強度を得るためにＡｌ母相中に高温でも軟化しにくい晶出物を形成させるために、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｎ等の元素を添加し、高温での軟化を抑制し、更にＡｌ母相組織を微細化することにより、疲労強度を向上させている（特許文献１）。また、Ａｌ‐Ｃｕ‐Ｍｇ系化合物を析出させることにより、ピストンの熱伝導性を向上させ、高温に晒されても、ピストン自体が高温にならないようにすることも行われている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４‐０７６１１０号公報
【特許文献２】特開２０１４‐１５２３７５号公報
【発明の概要】
【０００４】
近年、自動車用エンジンの高出力化が、よりいっそう要求されるようになり、エンジンの燃焼温度も高くなる傾向にある。そのため、ピストンの使用環境も過酷になってきている。そこで、本発明では、高温での繰り返しの使用に耐える内燃機関用ピストン用アルミニウム合金、具体的には耐熱性および熱伝導性に優れたアルミニウム合金を提供することを目的とする。
【０００５】
本発明によれば、Ｓｉ：１１．０〜１３．０％、Ｆｅ：≦０．３％、Ｍｇ：０．３〜２．０％、Ｃｕ：２．０〜５．０％、Ｎｉ：３．０〜４．０％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｃｒ：０．０５〜０．４％、Ｖ：０．０５〜０．４％、を含み、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が提供される。
【０００６】
本発明の一態様によれば、Ｔｉ：０．０５〜０．４％、Ｚｒ：０．０５〜０．４％、Ｐ：０．０００５〜０．０１５％、を更に含有することを特徴とする上記のアルミニウム合金が提供される。
【０００７】
本発明の一態様によれば、上記の組成を有することを特徴とする内燃機関用ピストン用アルミニウム合金が提供される。
【０００８】
本発明の一態様によれば、上記組成を有するアルミニウム合金からなり、熱伝導度が１３５Ｗ／（ｋ・ｍ）以上であることを特徴とするアルミニウム合金製内燃機関用ピストンが提供される。
【０００９】
また、本発明によれば、上記の組成を有するアルミニウム合金を鋳造し、時効処理を施すことを特徴とする内燃機関用ピストンの製造方法が提供される。
【００１０】
また、本発明によれば、アルミニウム合金の熱伝導度が１３５Ｗ／（ｋ・ｍ）以上であることを特徴とする内燃機関用ピストンの製造方法が提供される。
【００１１】
本発明によれば、高温強度および熱伝導性に優れたアルミニウム合金およびその合金からなる内燃機関用ピストンを提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を説明するが、本発明がこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。なお、下記の説明において「Ａ〜Ｂ」は「Ａ以上かつＢ以下」を意味する。
【００１３】
本実施形態に係るアルミニウム合金は、Ｓｉ：１１．０〜１３．０％、Ｆｅ：≦０．３％、Ｍｇ：０．３〜２．０％、Ｃｕ：２．０〜５．０％、Ｎｉ：３．０〜４．０％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｃｒ：０．０５〜０．４％、Ｖ：０．０５〜０．４％、を含み、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。このアルミニウム合金は、高温強度および熱伝導性に優れる。
【００１４】
＜Ｓｉ（シリコン）＞
Ｓｉは共晶Ｓｉや、他の添加元素と化合物（Ｍｇ‐Ｓｉ系、Ａｌ‐Ｓｉ‐（Ｍｎ、Ｃｒ）Ｆｅ系等）を形成し、特に高温での機械的強度ならびに疲労強度性を向上させる。Ｓｉの含有量が１１．０％以上でこの作用は顕著となる。Ｓｉの含有量が１３％以下であることで、破壊の起点となる初晶Ｓｉが粗大化することが抑制され、常温での機械的強度の低下を抑制することができる。
【００１５】
＜Ｆｅ（鉄）＞
Ｆｅは、原料となるスクラップ等から混入する不可避的不純物であるが、他の添加元素と化合物（Ａｌ−Ｓｉ−（Ｍｎ、Ｃｒ）Ｆｅ系、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系、等）を形成し、常温及び高温（特に高温）での強度を向上させる。また金型への焼き付き防止の作用も有する。
Ｆｅの含有量が０．３％以下であることで、破壊の起点となる化合物が粗大化することが抑制され、常温で機械的特性が低下して疲労強度が低下することを抑制できる。また、Ｆｅの含有量が多いと熱伝導性が低下するため、この点からもＦｅ含有量は０．３％以下に規制することが好ましい。より好ましくは０．２％以下に規制することが好ましい。
【００１６】
本実施形態に係るアルミニウム合金では、熱伝導性を向上させるために従来耐熱強度を向上させる目的で添加されていたＦｅを、熱伝導性減の要因の一つであるということで、その量を規制している。本実施形態に係るアルミニウム合金では、耐熱性を向上させるために、Ｃｕ，Ｎｉ、Ｍｎの添加量を増やし、耐熱性に寄与する化合物の形成量を多くすると共に、Ｔｉ，Ｖ，ＺｒをＡｌ相中に固溶させることにより、耐熱性の向上を図っている。
【００１７】
＜Ｍｇ（マグネシウム）＞
Ｍｇは、他の添加元素と化合物（Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系  Ｍｇ−Ｓｉ系等）を形成し、常温および高温（特に高温）での強度を向上させる。この効果は、Ｍｇの含有量が０．３％以上の添加で顕著となる。Ｍｇの含有量が２．０％以下であることで、熱伝導度の低下を抑制できる。
【００１８】
＜Ｃｕ（銅）＞
Ｃｕは、他の添加元素と化合物（Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系等）を形成し、常温及び高温（特に高温）での強度を向上させる。この効果は、Ｃｕの含有量が２．０％以上で顕著となり、Ｃｕの含有量が３．０％以上でこの効果がさらに顕著となる。Ｃｕの含有量が５．０％以下であると、破壊の起点となる化合物の粗大化が抑制され、機械的特性（引張強度、伸び）の低下を抑えることができる。そのため、疲労強度の低下や耐食性の低下を抑制できる。
なお、Ａｌ母相中へのＣｕの固溶量が多いと熱伝導性が低下するため、Ｃｕ含有量は４．０％以下であることがより好ましい。
【００１９】
＜Ｎｉ（ニッケル）＞
Ｎｉは、他の添加元素と化合物（Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系等）を形成し、常温及び高温（特に高温）での強度を向上させる。この効果は、Ｎｉの含有量が３．０％以上の添加で顕著となる。Ｎｉの含有量が４．０％以下であれば、破壊の起点となる化合物の粗大化が抑制され、常温での機械的特性の低下や熱伝導度の低下を抑制できる。
【００２０】
＜Ｍｎ（マンガン）＞
Ｍｎは、Ａｌ母相中に固溶することで、常温及び高温での機械的特性を向上させる。この効果は、Ｍｎの含有量が０．２％以上の添加で顕著となり、０．４％以上でより効果が顕著となる。さらに、針状化し粗大化しやすいＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系化合物を、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｎ，−Ｆｅ系Ａｌ−Ｓｉ−（Ｍｎ，Ｃｒ）−Ｆｅ系化合物として、粒状化させる作用がある。針状の晶出物組織が粒状になると破壊の起点になりにくくなり、機械的特性が向上し、疲労強度も向上する。Ｍｎの含有量が１．０％以下であることで、破壊の起点となる化合物の粗大化を抑制でき、機械的特性が低下して疲労強度が低下することを抑制できる。なお、Ａｌ母相中へのＭｎの含有量が多いと熱伝導性が低下しやすいため、Ｍｎの含有量は０．５％以下であることがより好ましい。
【００２１】
＜Ｃｒ（クロム）＞
Ｃｒは、Ｍｎとともに、針状化しやすいＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系化合物を、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｎ−Ｆｅ系Ａｌ−Ｓｉ−（Ｍｎ，Ｃｒ）−Ｆｅ系化合物として、粒状化させる作用がある。針状の晶出物組織が粒状になると破壊の起点になりにくくなり、機械的特性が向上する。疲労強度も向上する。Ａｌ−Ｓｉ−（Ｍｎ，Ｃｒ）−Ｆｅ系化合物として晶出し、常温及び高温での強度を向上させる作用を有するとともに、Ｍｎ，ＦｅのＡｌ母相中への固溶量を低減させ、熱伝導性を向上させる作用を有する。この効果は、Ｃｒの含有量が０．２％以上の添加で顕著となり、Ｃｒの含有量が０．４％以下であることで、破壊の起点となる化合物の粗大化が抑制され、常温での機械的特性の低下や熱伝導性の低下を抑制できる。
【００２２】
また、本発明の他の実施形態によれば、上記実施形態のアルミニウム合金において、Ｔｉ：０．０５〜０．４％、Ｖ：０．０５〜０．４％、Ｚｒ：０．０５〜０．４％、Ｐ：０．０００５〜０．０１５％、を更に含有してもよい。
【００２３】
＜Ｔｉ（チタン）＞
Ｔｉは、鋳造の際にＡｌ母相を微細化させ、伸びおよび疲労強度を向上させる作用を有するとともに、Ａｌ母相中に固溶し、高温強度を上げる作用も有する。この作用は、Ｔｉの含有量が０．０５％以上で顕著となる。Ｔｉの含有量が０．４％以下で、破壊の起点となるＴｉ系化合物の粗大化を抑制でき、機械的特性の低下を抑制できる。なお、Ａｌ母相中へのＴｉの固溶量が多いと熱伝導性が低下するので、Ｔｉ含有量は、０．１５％未満がより好ましい。
【００２４】
＜Ｖ（バナジウム）＞
Ｖは、Ａｌ母相中に固溶し、高温強度を上げる作用も有する。この作用は、Ｖの含有量が０．０５％以上で顕著となる。Ｖの含有量が０．４％以下であることで、Ａｌ母相中の固溶量が大きくなることが抑制され、熱伝導性の低下が抑制される。Ｖの含有量は０．１５％未満が粗大な化合物生成抑制による靱性低下の観点からより好ましい。
【００２５】
＜Ｚｒ（ジルコニウム）＞
Ｚｒは、鋳造の際にＡｌ母相を微細化させる作用を有するとともに、Ａｌ母相中に固溶し、高温強度を上げる作用も有する。この作用は、Ｚｒの含有量が０．０５％以上で顕著となり、Ｚｒの含有量が０．４％以下であることで、鋳造の際に粗大なＡｌ−Ｚｒ系化合物が晶出し、破壊の起点となる鋳造欠陥となり、機械的特性が低下することを抑制できる。なお、Ａｌ母相中へのＺｒの固溶量が多いと熱伝導性が低下するため、Ｚｒの含有量は０．２％未満がより好ましい。
【００２６】
＜Ｐ（リン）＞
Ｐは初晶Ｓｉを微細化させる作用を有する。この作用は、Ｐの含有量が０．０００５％以上で顕著となる。Ｐは０．０１５％を超えて添加しても作用の向上が見られない。
【００２７】
また、本発明の他の実施形態によれば、上記の実施形態に係るアルミニウム合金を鋳造し、時効処理を施すことを特徴とする内燃機関用ピストンの製造方法が提供される。
【００２８】
本発明の合金の鋳造方法は、特定の鋳造方法に限定されるものではないが、鋳造時の冷却速度が速いほど、Ａｌ母相および晶出物が微細になり、伸びおよび疲労強度が向上しやすい。
【００２９】
しかし、鋳造時の冷却速度が速すぎると添加元素の固溶量が多くなり、熱伝導性が低下する虞があるので、鋳造速度は５〜２７℃／ｓの範囲であることが好ましい。
【００３０】
鋳造時に、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｚｒの一部はＡｌ母相中に固溶される。Ａｌ母相中に固溶したこれらの元素は、熱伝導性を阻害する作用を呈する。時効処理を施すことにより、それら元素が、析出物として析出することにより、熱伝導性が向上するとともに機械的特性も向上する。時効処理は固溶量を十分に減らすために過時効に行うのが好ましい。なお、鋳造後時効処理の前に溶体化処理を行うとより好ましい。
【００３１】
上記の実施形態で説明したアルミニウム合金は、高温強度および熱伝導性に優れた高強度アルミニウム鋳造合金に関するものであり、この合金は特に高温に晒される内燃機関用ピストンに適している。内燃機関用ピストンとは、具体的には、自動車エンジン用ディゼルピストンおよびガソリンピストン等（ピストンのヘッド部など）の部材を意味する。
【実施例】
【００３２】
以下に、本発明に係る実施例を示す。本発明の内容はこれらの実施例によって限定して解釈されるものではない。【００３３】
［表１］に示す組成のアルミニウム合金を、重力金型鋳造（鋳造速度１０℃／Ｓ）により、φ１５０ｍｍ、高さ２００ｍｍの円筒形状に鋳込み、保持温度２２０℃×保持時間２４０ｍｉｎで、時効処理を行った。［表１］の組成の単位は重量％である。【００３４】
【表１】
0006743155.tif 000002
【００３５】
得られた鋳物の常温および３５０℃での引張強度，３５０℃での疲労強度と熱伝導度を測定した。［表２］に各実験例の特性評価の結果を示す。【００３６】
【表２】
0006743155.tif 000003
【００３７】
［表２］の結果によると、比較例１では、Ｆｅが多いため、引張強度、熱伝導度が低いことがわかる。また、比較例２では、Ｎｉが少ないため、３５０℃での引張強度，疲労強度低い。比較例３では、Ｎｉが多いため、引張強度が低い。【００３８】
比較例４では、Ｃｒが少ないため、熱伝導度が低い。比較例５では、Ｍｇが少ないため、３５０℃での引張強度、疲労強度が低い。比較例６では、Ｍｇが多いため、熱伝導度が低い。比較例７では、Ｓｉが少ないため、３５０℃での引張強度、疲労強度が低い。【００３９】
比較例８では、Ｓｉが多いため、引張強度が低い。比較例９では、Ｃｕが少ないため、３５０℃での引張強度、疲労強度が低い。比較例１０では、Ｃｕが多いため、引張強度熱伝導度が低い。比較例１１では、Ｍｎが少ないため、引張強度、疲労強度が低い。比較例１２では、Ｍｎが多いため、引張強度、疲労強度、熱伝導度が低い。比較例１３では、Ｃｒが多いため、熱伝導度が低い。【００４０】
［表２］のように合否基準を定めているが、本発明に係る実施例１から３の合金では、この合否基準を満たしているが、比較例の合金ではこの基準を満たしていないことがわかる。