(57)【要約】【課題】熱疲労寿命の一層の向上を図り得、耐熱性の向上に有利な高耐熱アルミニウム合金鋳物を提供する。【解決手段】高耐熱アルミニウム合金鋳物は、質量比で、シリコン：８．０〜１２．０％、銅：０．５〜１．１％、マグネシウム：０．２〜０．４％を含み、残部実質的にアルミニウムおよび不可避の不純物からなり、鋳巣の最大径が６００μｍ以下、マトリックス中の二次デンドライトの大きさが４０μｍ以下である。シリコンを増加させることで材料の熱膨張係数を小さくでき、熱歪みの繰り返しにより材料が受けるダメージが小さくなり、熱疲労寿命が向上するものと推察される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量比で、シリコン：８．０〜１２．０％、銅：０．５〜１．１％、マグネシウム：０．２〜０．４％を含み、残部実質的にアルミニウムおよび不可避の不純物からなり、鋳巣の最大径が６００μｍ以下、マトリックス中の二次デンドライトの大きさが４０μｍ以下であることを特徴とする高耐熱アルミニウム合金鋳物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高耐熱アルミニウム合金鋳物に関する。本発明は例えば内燃機関のシリンダヘッド等のように高温雰囲気で使用されるアルミニウム部品に適用できる。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高温領域で使用される耐熱アルミニウム合金鋳物として、一般的にはＪＩＳ−ＡＣ２Ｂが使用されている。ＡＣ２Ｂの基本組成は、質量比で、アルミニウム−６％シリコン−３％銅−０．３％マグネシウムである。一般的には、シリコンは５．０〜７．０％、銅は２．０〜４．０％、マグネシウムは０．５０％以下含まれている。二次地金の使用を基本とするため、この程度のマグネシウムが含有されている。
【０００３】
また類似の規格として、ＡＳＴＭ規格３０８．０では４．０〜５．０％銅、５．０〜６．０％シリコン、０．１０％以下マグネシウムのアルミ合金、ＡＳＴＭ規格３１９．０では３．０〜４．０％銅、５．５〜６．５％シリコン、０．１０％以下マグネシウムのアルミニウム合金が規定されている。
【０００４】
また特許文献１には、質量比で、シリコン：５．０〜７．０％、銅：５％越〜６．０％、マグネシウム：０．２〜０．４％を含み、残部実質的にアルミニウムおよび不可避の不純物からなり、鋳巣の最大径が６００μｍ以下、マトリックス中の二次デンドライトの大きさが４０μｍ以下であることを特徴とする高耐熱アルミニウム合金鋳物が開示されている。
【０００５】
また特許文献２には、質量比で、シリコン：４．０〜１３．０％、銅：４．５％以下、マグネシウム：１．５％以下を含み、残部実質的にアルミニウムおよび不可避の不純物からなり、内部に生成される気孔の平均円形度を０．６以上とし、気孔の平均円相当径を３００μｍ以下に小さくした気密性に優れたアルミニウム合金鋳物が開示されている。
【０００６】
また特許文献３には、質量比で、シリコン：３〜２４％、銅：０．２〜２％、鉄：０．２５％以下、マンガン：０．２５質量％以下、残部実質的にアルミニウムからなり、基地中にアルミニウムと銅とを主要成分とする１μｍ以下の微細粒子が０．４〜４質量％分散している耐熱疲労アルミニウム合金が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特許第３２７１５５０号
【特許文献２】特開平７−２４２９７４号公報
【特許文献３】特開平９−８７７８９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
耐熱アルミニウム合金鋳物では、近年、さらなる高耐熱性が要請されている。しかしながら上記した従来材（ＡＣ２Ｂ）によれば、後述する図１の○印のデ−タから理解できるように、１６０°Ｃを越えると熱疲労寿命が急激に低下する傾向がある。従って、上記した従来材（ＡＣ２Ｂ）は、過酷な高温領域で使用するには、耐熱性は必ずしも充分ではない。
【０００９】
特許第３２７１５５０号に係る耐熱アルミニウム合金鋳物によれば、後述する図１の△印のデ−タから理解できるように、従来材（ＡＣ２Ｂ）に比較し、熱疲労寿命を増加させることができ、過酷な高温領域で使用する適する。しかし産業界では耐熱アルミニウム合金鋳物の使用条件がますます過酷となりつつあり、更に優れた熱疲労寿命等の高耐熱性が要請されている。例えば、燃焼室を形成し高温となりがちのシリンダヘッドのような内燃機関の構成品では、内燃機関の近年の高出力化に伴い、更に優れた熱疲労寿命等の高耐熱性が要請されている。
【００１０】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、熱疲労寿命の一層の向上を図り得、耐熱性の向上に有利な高耐熱アルミニウム合金鋳物を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は高耐熱アルミニウム合金鋳物について鋭意開発を進めている。そして本発明者は、質量比で、シリコン：８．０〜１２．０％、銅：０．５〜１．１％、マグネシウム：０．２〜０．４％を含み、残部実質的にアルミニウムおよび不可避の不純物からなり、鋳巣の最大径が６００μｍ以下、マトリックス中の二次デンドライトの大きさが４０μｍ以下とすれば、上記したアルミニウム合金鋳物材料の本来の高耐熱性が発現され易いことを知見し、耐熱性の一層の向上を図り得ることを試験で確認し、本発明に係る高耐熱アルミニウム合金鋳物を完成した。
【００１２】
即ち、本発明に係る高耐熱アルミニウム合金鋳物によれば、従来材（ＡＣ２Ｂ）に比較してシリコンを増加させることで材料の熱膨張係数を小さくでき、材料が拘束下で高温に曝されたときに発生する熱歪みが小さくなり、従って、熱歪みの繰り返しにより材料が受けるダメージが小さくなり、熱疲労寿命が向上するものと推察される。但し、シリコン増量の改善効果は、鋳巣が大きいとき、ミクロ組織が粗いときには、疲労亀裂の発生までの寿命が短くなるため、消失してしまう。このため本発明材の効果を引き出すためには、アルミニウム合金鋳物の組成だけでなく、鋳巣の大きさ、組織における２次デンドライトの大きさを規定する必要がある。
【００１３】
即ち、請求項１に係る高耐熱アルミニウム合金鋳物は、質量比で、シリコン：８．０〜１２．０％、銅：０．５〜１．１％、マグネシウム：０．２〜０．４％を含み、残部実質的にアルミニウムおよび不可避の不純物からなり、鋳巣の最大径が６００μｍ以下、マトリックス中の二次デンドライトの大きさが４０μｍ以下であることを特徴とするものである。なお本明細書では、特に断らない限り、％は質量％を意味する。
【００１４】
【発明の実施形態】
高耐熱アルミニウム合金鋳物は、高温環境下に晒される高温部品、例えば内燃機関の構成部品、具体的にはシリンダヘッドに適用することができる。殊に、シリンダヘッド燃焼室面用の高耐熱アルミニウム合金鋳物に適用することができる。本発明に係るアルミニウム合金鋳物は、一般的には人工時効を図るべく熱処理される。熱処理としては、溶体化処理、急冷処理、時効処理を含むものを採用できる。代表的な熱処理としてはＴ６処理を例示できる。
【００１５】
次に組成をもつ限定理由について説明を加える。
【００１６】
（シリコン）
シリコンは熱疲労寿命に影響を及ぼす。すなわち、シリコンの添加量が過少であれば熱疲労寿命が低いが、７．０〜８．０％を越えると、熱疲労寿命が臨界的に向上し（図２参照）、熱疲労特性が改善される。しかしシリコン含有量が過多（１２．０％越）であると、粗大な初晶シリコンが晶出し、伸び等の延性を低下させる傾向がある（図３参照）。従ってシリコン含有量を８．０〜１２．０％とした。
【００１７】
殊に、上記特性を考慮し、シリコン含有量としては例えば８．２〜１２．０％、９．０〜１２．０％、１０．０〜１２．０％とすることができる。またシリコン含有量の下限としては例えば８．０％越、８．１％越、８．３％越、８．５％越とすることができる。このような下限と組み合わせ得るシリコン含有量の上限としては例えば０．９０％未満、０．９５％未満、１．０％未満とすることができる。なおシリコンの下限及び上限は特性の重視の度合に応じて適宜選定することができる。
【００１８】
（銅）
銅含有量が過少（０．５％未満）であれば、高温強度が低下する。また銅含有量が過剰（１．１％越）であると、延性が低下し、伸びが低下する傾向がある。従って銅含有量としては０．５〜１．１％としている。殊に上記特性を考慮し、銅含有量としては、例えば、０．５〜１．０％、０．６〜１．０％、０．６〜０．９％、０．７〜１．１％とすることができる。また銅の下限としては例えば０．５５％越、０．６０％越、０．６５％越とすることができる。このような下限と組み合わせ得る銅の上限としては例えば０．９０％未満、０．９５％未満、１．０％未満とすることができる。なお銅の下限及び上限は特性の重視の度合に応じて適宜選定することができる。
【００１９】
（マグネシウム）
マグネシウムは、アルミニウム合金鋳物の常温強度の向上に有効な材料である。しかしマグネシウムの含有量が過少（０．２％未満）では強度向上の効果が少ない。またマグネシウムの含有量が過剰（０．４％越）であると、延性を低下させる傾向がある。したがってマグネシウムは０．２〜０．４％とする。殊に、上記特性を考慮し、マグネシウムは例えば０．２〜０．３％、０．３〜０．４％とすることができる。またマグネシウムの下限としては例えば０．２２％越とすることができる。このような下限と組み合わせ得るマグネシウムの上限としては例えば０．３８％未満とすることができる。なおマグネシウムの下限及び上限は特性の重視の度合に応じて適宜選定することができる。
【００２０】
（他の元素）
本発明に係るアルミニウム合金鋳物は、必要に応じて、ＴｉまたはＴｉ−Ｂを質量％で０．０２〜０．２５％含有することができる。この場合、初晶αの微細化を期待できる。また本発明に係るアルミニウム合金鋳物は、必要に応じて、ナトリウム、ストロンチウム及びアンチモンのうちの少なくとも１種を質量比で５０ｐｐｍ〜０．１５％含有することができる。この場合、共晶シリコンを微細化することで、材料の延性を改善でき、更に良好な熱疲労特性を得ることができる。
【００２１】
（鋳巣の最大径、２次デンドライトの大きさ）
代表的な鋳巣としては、一般的には、凝固収縮に起因するミクロシュリンケ−ジ、溶解ガスに起因するガスポロシティ、ピンホールが挙げられる。本発明に係るアルミニウム合金鋳物について熱疲労試験を実行し、熱疲労破壊の起点となった鋳巣の最大径を測定した。熱疲労破壊の起点となった鋳巣の最大径（試験片の破面観察により測定）に対し、熱疲労寿命のサイクル数をプロットした結果を図４に示す。図４から理解できるように、鋳巣の最大径が６００μｍを越えている場合には熱疲労寿命は充分ではなく、従って耐熱性は充分ではない。しかし鋳巣の最大径が６００μｍ以下であれば、本発明に係る高耐熱アルミニウム合金鋳物が本来有する熱疲労寿命性が得られ、耐熱性の向上の効果が現れる。特に鋳巣の最大径が５５０μｍ以下、５００μｍ以下、４５０μｍ以下であれば、更に良好なる熱疲労寿命が得られる。殊に４００μｍ以下、または３００μｍ以下であれば、一層良好なる熱疲労寿命が得られる。したがって、本発明に係るアルミニウム合金鋳物では鋳巣の最大径は６００μｍ以下に規定する。鋳巣の最大径とは、直線で測定した鋳巣の最大内径をいう。
【００２２】
マトリックス中の２次デンドライトの大きさ（＝ＤＡＳ２）については、図５に示す試験結果から理解できるように、ＤＡＳ２が４０μｍ以下で、本発明に係る高耐熱アルミニウム合金鋳物の本来の耐熱性向上の効果が現れる。したがって本発明に係るアルミニウム合金鋳物ではＤＡＳ２は４０μｍ以下とする。好ましくは、ＤＡＳ２としては３５μｍ以下，３０μｍ以下，２５μｍ以下とすることができる。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
【００２４】
▲１▼発明材の組成に相当する溶解材を秤量した。発明材Ｉに係る鋳物は、質量比で、シリコン：１０．０％、銅：０．８％、マグネシウム：０．３％を含み、残部実質的にアルミニウムおよび不可避の不純物からなる組成をもつアルミニウム合金である。
【００２５】
発明材の組成に相当する溶湯を溶解炉（溶湯温度：７４０℃）で得た。溶湯に対して脱ガス処理を実行した。脱ガス処理では、アルゴン（Ａｒ）ガス（圧力：０．４ｋｇｆ／ｃｍ２）を用い、２（ＮＬ／ｍｉｎ）の割合で、溶湯にアルゴンガスを吹き込む処理を約２０分間実施した。（ＮＬ／ｍｉｎ）とは、１分間あたり吹き込まれる標準状態のガスのリットル体積を意味する。
【００２６】
溶湯温度が７４０°Ｃの溶湯を鋳型（金型、型温：２００°Ｃ）のキャビティに注湯し、シリンダヘッドを鋳造した。鋳造の際、鋳型中の冷却パイプに水を流し、水冷を行なった。冷却速度は８．６℃／ｓｅｃであった。その後、熱処理（Ｔ６処理）を実行した。この熱処理では、加熱温度５１０°Ｃで３時間加熱保持した後に、強制空冷し（溶体化処理）、その後、１７０°Ｃで３時間加熱保持（時効処理）した。そして、シリンダヘッドのうち燃焼室を形成する部位から切り出し、発明材に係る熱疲労試験片を形成した。発明材に係る熱疲労試験片の平行部の鋳巣の最大径は約３００μｍであった。発明材に係る熱疲労試験片の平行部のＤＡＳ２は約３０μｍであった。
【００２７】
特許文献１に係るアルミニウム合金鋳物を比較材とし、比較材についても同様に試験を行ない、熱疲労試験片を作成した。比較材に係る鋳物は、質量比で、シリコン：６．０％、銅：５．５％、マグネシウム：０．３％を含み、残部実質的にアルミニウムおよび不可避の不純物からなる組成をもつアルミニウム合金である。比較材についての脱ガス条件及び鋳造条件は発明材と同様である。そしてシリンダヘッドから、比較材に係る熱疲労試験片を切り出した。比較材に係る熱疲労試験片の平行部の鋳巣の最大径は約３００μｍであった。比較材に係る熱疲労試験片の平行部のＤＡＳ２は約３０μｍであった。
【００２８】
更に従来材についても、発明材と同様に熱疲労試験片を作成した。従来材に係る鋳物は、質量比で、シリコン：６．０％、銅：３．０％、マグネシウム：０．３％を含み、残部実質的にアルミニウムおよび不可避の不純物からなる組成をもつアルミニウム合金である。溶湯温度については発明材と同じ条件とした。溶湯の脱ガスは行わなかった。故に、従来材に係る熱疲労試験片の平行部の鋳巣の最大径は約７００μｍであった。従来材に係る熱疲労試験片ついては、鋳造時に鋳型（金型）の冷却は行わなかった。故に冷却速度は１．９℃／ｓｅｃであった。故に、従来材に係る熱疲労試験片の平行部の組織についてはＤＡＳ２は約５０μｍと大きかった。熱処理は発明材と同じ条件とした。
【００２９】
そして上記した各試験片について熱疲労試験を実施した。熱疲労試験では、保持温度である１００°Ｃに常温から１分間で昇温し、その保持温度で３分間保持し、その後、１分間で常温まで試験片を冷却した。この冷熱サイクルを１サイクルとし、熱疲労破壊が発生するまで冷熱サイクルを多数回繰り返した。
【００３０】
試験結果を図１〜図５に示す。図１は試験温度と熱疲労寿命との関係を示す。●印は発明材（組成：アルミニウム−１０％シリコン−０．８％銅−０．３％マグネシウム）は示し、△印は比較材（組成：アルミニウム−６％シリコン−５．５％銅−０．３％マグネシウム）を示し、○印は従来材（組成：アルミニウム−６％シリコン−３％銅−０．３％マグネシウム）を示す。図１に示すように、発明材、比較材、従来材ともに１００〜１６０℃では熱疲労寿命が良好であるが、１６０〜１７０℃を越えると熱疲労寿命が大きく低下する。しかし発明材は、１６０〜１７０℃を越えたとしても、比較材及び従来材よりも熱疲労寿命が高いレベルにある。即ち、図１に示すように、熱疲労寿命について、１００〜１６０℃の温度領域では、比較材と発明材との差はＡ１であったが、２００℃を越えた温度領域では、比較材と発明材との差は増大してＡ２（Ａ２＞Ａ１）であった。このように発明材は、２００℃以上の高温領域における熱疲労寿命の向上について特に有効である。
【００３１】
図２は、発明材相当材（組成：アルミニウム−ｘ％シリコン−０．８％銅−０．３％マグネシウム）を用い、シリコン含有量を変化させたときにおけるシリコン含有量と熱疲労寿命との関係を示す。図２に示すように、発明材相当材においては、シリコン含有量が７％を越えた当たりから、熱疲労寿命が臨界的に急激に増加する（図２の矢印Ｂ１）。前述したように、シリコンを増加させることで材料の熱膨張係数を小さくでき、材料が拘束下で高温に曝されたときに発生する熱歪みが小さくなり、従って、熱歪みの繰り返しにより材料が受けるダメージが小さくなり、熱疲労寿命が向上するものと推察される。なおシリコン含有量が１２％付近から、シリコンによる熱疲労寿命改善効果は飽和状態に近づく。
【００３２】
図３は、発明材相当材（組成：アルミニウム−ｘ％シリコン−０．８％銅−０．３％マグネシウム）を用い、シリコン含有量を変化させたときにおけるシリコン含有量と伸びとの関係を示す。図３に示すように、発明材相当材においては、シリコン含有量が１２％を越えると、熱疲労寿命が急激に減少する特性が得られる（図３の矢印Ｃ１）。
【００３３】
図４は、発明材、比較材、従来材を用い、破壊の起点となった鋳巣の最大径とと熱疲労寿命との関係を示す。図４に示すように、発明材、比較材、従来材共に鋳巣の最大径が６００μｍ以下であれば、材料の本来の特性を発揮でき、疲労寿命が急激に増加する特性が得られる。更に図４に示すように、鋳巣の最大径が６００μｍ以下であれば、比較材（△印）は従来材（○印）に比較して、疲労寿命の増加率が高い。更に鋳巣の最大径が６００μｍ以下であれば、発明材（●印）は比較材（△印）よりも疲労寿命の増加率が一層高い。
【００３４】
即ち図４に示すように、熱疲労寿命について、鋳巣の最大径が６００μｍ程度の領域では、比較材と発明材との差はほとんど認められなかった。鋳巣の最大径が５００μｍ程度の領域では、比較材と発明材との差はＥ１であったが、鋳巣の最大径が２００μｍ程度の領域では、比較材と発明材との差は増大してＥ２（Ｅ２＞Ｅ１）であった。このように発明材は鋳巣の最大径の規定は有効である。
【００３５】
図５は、発明材、比較材、従来材を用い、組織におけるＤＡＳ２と熱疲労寿命との関係を示す。図５に示すように、発明材、比較材、従来材共にＤＡＳ２が４０μｍ以下であれば、疲労寿命が急激に増加する特性が得られる。即ち図５に示すように、ＤＡＳ２が４０μｍ以下であれば、比較材（△印）は従来材（○印）に比較して、疲労寿命の増加率が高い。換言すれば、ＤＡＳ２が４０μｍ程度の領域では比較材と発明材との差はＦ１であったが、ＤＡＳ２が１５μｍ程度の領域では、比較材と発明材との差は増大してＦ２（Ｆ２＞Ｆ１）であった。このように発明材は鋳巣の最大径の規定は有効である。
【００３６】
ＤＡＳ２は次のようにして測定した。即ち、図６から理解できるように、２次アームが複数本（５本以上）実質的に平行に成長しているデンドライトアームを顕微鏡組織において探し、そのデンドライトアームとほぼ直交するように任意の長さの直線Ｐを引き、直線Ｐの距離Ｌｉを、デンドライトアームを横切るアーム本数（ｎｉ−１）で除し、これをＤＡＳ２とする。つまり二次デンドライトの大きさ＝ＤＡＳ２＝Ｌｉ／（ｎｉ−１）とする。なお本例では５視野選択し、５視野の平均値をＤＡＳ２とした。
【００３７】
図７はアルミニウム−シリコンの合金の状態図を示す。図７において、準固相の領域は、固相と液相との共存状態において、固相の割合が多く、流動性がかなり減少している領域を示す。図７において、準液相の領域は、固相と液相との共存状態において、液相の割合が多く、流動性がまだかなり存在している領域を示す。準固相の領域であれば鋳造性は低下している。従来材及び比較材は前記したようにシリコン６．０％を含有するアルミニウム系合金である。この状態図を参照すれば、シリコン６．０％における準液相の領域の温度範囲よりも、シリコン８．０〜１２．０％（本発明材に対応するシリコン含有量）における準液相の領域の温度範囲が狭いため、溶湯の流動性が良好となり、鋳物における鋳巣量を低減させるのに有利である。即ち、本発明材相当合金においてシリコン６．０％に対してシリコン（８．０〜１２．０％）を増量させることが、鋳巣低減に有効であるといえる。
【００３８】
（適用例）
図８は、上記したアルミニウム鋳物を内燃機関のシリンダヘッドに適用した適用した一例を示す。図８は、シリンダヘッド３０を内燃機関に搭載した状態を示す。シリンダヘッド３０は、シリンダブロック３２の上面に装備され、ピストンやシリンダブロックと共に燃焼室３４を形成する。内燃機関の燃焼室３４は高温となるため、シリンダヘッド３２には熱疲労性等を向上させる高耐熱性が要請される。シリンダヘッド３０は吸気ポート３６と排気ポート３７と冷却ポート３８とをもつ。シリンダヘッド３０には、吸気ポート３６を開閉する吸気弁４６、排気ポート３７を開閉する排気弁４８が搭載されている。シリンダヘッド３２は発明材に相当するアルミニウム合金で形成されているため、熱疲労性に優れている。
【００３９】
上記した適用例はシリンダヘッドに適用した例であるが、本発明に係る高耐熱アルミニウム合金鋳物はシリンダヘッドのみに限定されるものではなく、その他、耐熱性が要請される部品、例えばピストン、シリンダブロック等のアルミニウム系鋳物に適用できる。本発明は上記した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
・請求項１に係る熱処理型の高耐熱アルミニウム合金鋳物。
・請求項１に係る高耐熱アルミニウム合金鋳物から形成された熱疲労寿命に優れた内燃機関用シリンダヘッド。
・質量比で、シリコン：８．０〜１２．０％、銅：０．５〜１．１％、マグネシウム：０．２〜０．４％を含み、残部実質的にアルミニウムおよび不可避の不純物からなり、鋳巣の最大径が６００μｍ以下、マトリックス中の二次デンドライトの大きさが４０μｍ以下であることを特徴とする熱疲労寿命に優れた高耐熱アルミニウム合金鋳物。
【００４０】
【発明の効果】
本発明に係る高耐熱アルミニウム合金鋳物によれば、熱疲労寿命の向上を図り得、耐熱性の向上に有利である。従って内燃機関に搭載されるシリンダヘッドに適する。特に、高出力化に伴い燃焼室が高温となり一層の耐熱性が要請されるシリンダヘッドに適する。
【図面の簡単な説明】
【図１】試験温度と熱疲労寿命との関係を示すグラフである。
【図２】シリコン含有量と熱疲労寿命との関係を示すグラフである。
【図３】シリコン含有量と伸びとの関係を示すグラフである。
【図４】破壊の起点となった鋳巣の最大径と熱疲労寿命との関係を示すグラフである。
【図５】ＤＡＳ２Ｓと熱疲労寿命との関係を示すグラフである。
【図６】ＤＡＳ２の求め方を模式的に示す構成図である。
【図７】アルミニウム−シリコン合金の状態図である。
【図８】適用例を示し、内燃機関のシリンダヘッド付近を示す構成図である。
【符号の説明】
図中、３０はシリンダヘッドを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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