(57)【要約】【課題】高温強度に優れたアルミニウム合金部品を提供する。【解決手段】アルミニウム合金部品は、Ｓｉ：４．５〜５．５質量％、Ｃｕ：２．５〜３．５質量％、Ｍｇ：１．２〜１．５質量％、Ｎｉ：０．３質量％未満（但し、０質量％を含む）、Ｆｅ：０．５質量％未満（但し、０質量％を含む）を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなるとともに、Ｃｕ含有量に対するＭｇ含有量の比率［Ｍｇ／Ｃｕ］が０．４〜０．７であるアルミニウム合金を用いて巣の量が５vol％以下となるように所定形状に作製されている。また、アルミニウム合金部品は、加熱温度：５２５〜５３５℃、加熱時間：８〜１０時間の溶体化処理が施され、溶体化処理後に沸騰している水で焼入され、さらにその後に時効処理が施されている。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ：４．５〜５．５質量％、Ｃｕ：２．５〜３．５質量％、Ｍｇ：１．２〜１．５質量％、Ｎｉ：０．３質量％未満（但し、０質量％を含む）、Ｆｅ：０．５質量％未満（但し、０質量％を含む）を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなるとともに、Ｃｕ含有量に対するＭｇ含有量の比率［Ｍｇ／Ｃｕ］が０．４〜０．７であるアルミニウム合金を用いて巣の量が５vol％以下となるように所定形状に作製されており、かつ溶体化処理が施された後に時効処理が施されて強化されている高温強度に優れたアルミニウム合金部品。
【請求項２】
溶体化処理時の加熱温度が５２５〜５３５℃、加熱時間が８〜１０時間であり、溶体化処理後の焼入が沸騰している水で行われている請求項１記載の高温強度に優れたアルミニウム合金部品。
【請求項３】
２３０℃における引張強さが、１６０ＭＰａ以上である請求項１または２記載の高温強度に優れたアルミニウム合金部品。
【請求項４】
２３０℃における繰り返し数１０７での疲労強度が６５ＭＰａ以上である請求項１〜３のうちのいずれかに記載の高温強度に優れたアルミニウム合金部品。
【請求項５】
Ｓｉ：４．５〜５．５質量％、Ｃｕ：２．５〜３．５質量％、Ｍｇ：１．２〜１．５質量％、Ｎｉ：０．３質量％未満（但し、０質量％を含む）、Ｆｅ：０．５質量％未満（但し、０質量％を含む）を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなるとともに、Ｃｕ含有量に対するＭｇ含有量の比率［Ｍｇ／Ｃｕ］が０．４〜０．７であるアルミニウム合金を用いて、減圧鋳造法または高圧鋳造法により巣の量が５vol％以下である所定形状の鋳物を鋳造し、当該鋳物に、５２５〜５３５℃で８〜１０時間加熱する溶体化処理を施した後沸騰している水で焼入し、さらに１６０〜１７０℃で７〜１０時間加熱する時効処理を施すことを特徴とする高温強度に優れたアルミニウム合金部品の製造方法。
【請求項６】
Ｓｉ：４．５〜５．５質量％、Ｃｕ：２．５〜３．５質量％、Ｍｇ：１．２〜１．５質量％、Ｎｉ：０．３質量％未満（但し、０質量％を含む）、Ｆｅ：０．５質量％未満（但し、０質量％を含む）を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなるとともに、Ｃｕ含有量に対するＭｇ含有量の比率［Ｍｇ／Ｃｕ］が０．４〜０．７であるアルミニウム合金を用いて、重力鋳造法により所定形状の鋳物を鋳造し、当該鋳物に熱間据え込み加工を施すことにより巣の量が５vol％以下である鍛造品を得、当該鍛造品に、５２５〜５３５℃で８〜１０時間加熱する溶体化処理を施した後沸騰している水で焼入し、さらに１６０〜１７０℃で７〜１０時間加熱する時効処理を施すことを特徴とする高温強度に優れたアルミニウム合金部品の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜４のうちのいずれかに記載のアルミニウム合金部品からなり、ターボチャージャー用コンプレッサインペラー、エンジン用ヘッドカバー、オイルパンおよびＥＧＲパイプのうちの１種として用いられる高温高強度部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、たとえばターボチャージャー用コンプレッサインペラー、エンジン用ヘッドカバー、オイルパン、ＥＧＲパイプのような部品温度が１５０℃を超えて最高で２３０℃に達する部品に好適に用いられる高温強度に優れたアルミニウム合金部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば自動車や船舶の内燃機関に用いられるターボチャージャーは、排気エネルギによって回転させられるタービンインペラーと、タービンインペラーと同軸に設けられ、高速回転によって空気を圧縮して内燃機関に供給するコンプレッサインペラーとを備えている。
【０００３】
従来、ターボチャージャー用コンプレッサインペラーとしては、１５０℃程度の温度域での使用を想定したものが用いられていた。たとえば、自動車に用いられるターボチャージャー用コンプレッサインペラーとしては、JIS ＡＣ４Ｃ、JIS ＡＣ４Ｄ、ＡＳＴＭ−３５４．０などの材料を用いて低圧鋳造法、減圧鋳造法、重力鋳造法などにより所定形状の鋳物を鋳造し、当該鋳物に、溶体化処理を施した後焼入し、さらに時効処理を施すことにより製造されたものが用いられていた。
【０００４】
ところで、近年、この種のターボチャージャーにおいては、内燃機関の高出力化を目的として空気の高圧縮化が要求されており、一層の高速回転が求められている。その結果、ターボチャージャー用のタービンインペラーおよびコンプレッサインペラーの温度は、１８０℃を超えるような高温になるので、上述したような従来の材料からなるものでは、使用中に変形し、疲労破壊を起こす問題がある。
【０００５】
このような問題を解決し、１８０℃を超えるような高温域においても使用可能な高温強度に優れたターボチャージャー用コンプレッサインペラーとして、Ｃｕ：１．４〜３．２質量％、Ｍｇ：１．０〜２．０質量％、Ｎｉ：０．５〜２．０質量％、およびＦｅ：０．５〜２．０質量％を含有し、さらにＴｉ：０．０１〜０．３５質量％、Ｚｒ：０．０１〜０．３０質量％、Ｓｃ：０．０１〜０．８質量％、およびＶ：０．０１〜０．５質量％のうち１種または２種以上を含有し、残部がＡｌおよび不純物からなり、かつ（Ｃｕ含有量）＋０．５（Ｍｇ含有量）が３．８質量％以下であり、二次デンドライトアーム間隔が５０μｍ以下であり、溶体化処理し、時効処理により強化された高温強度に優れたアルミニウム合金鋳物製ターボチャージャー用コンプレッサインペラーが提案されている（特許文献１参照）。
【０００６】
しかしながら、特許文献１記載のターボチャージャー用コンプレッサインペラーは、高温強度が十分ではなく、しかもＳｃやＺｒなどの希少金属を含有させる必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２０６９２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この発明の目的は、上記問題を解決し、特許文献１記載のターボチャージャー用コンプレッサインペラーに比較して高温強度に優れ、しかもＳｃやＺｒなどの希少金属を含有させる必要のないアルミニウム合金部品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。
【００１０】
1)Ｓｉ：４．５〜５．５質量％、Ｃｕ：２．５〜３．５質量％、Ｍｇ：１．２〜１．５質量％、Ｎｉ：０．３質量％未満（但し、０質量％を含む）、Ｆｅ：０．５質量％未満（但し、０質量％を含む）を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなるとともに、Ｃｕ含有量に対するＭｇ含有量の比率［Ｍｇ／Ｃｕ］が０．４〜０．７であるアルミニウム合金を用いて巣の量が５vol％以下となるように所定形状に作製されており、かつ溶体化処理が施された後に時効処理が施されて強化されている高温強度に優れたアルミニウム合金部品。
【００１１】
2)溶体化処理時の加熱温度が５２５〜５３５℃、加熱時間が８〜１０時間であり、溶体化処理後の焼入が沸騰している水で行われている上記1)記載の高温強度に優れたアルミニウム合金部品。
【００１２】
3)２３０℃における引張強さが、１６０ＭＰａ以上である上記1)または2)記載の高温強度に優れたアルミニウム合金部品。
【００１３】
4)２３０℃における繰り返し数１０７での疲労強度が６５ＭＰａ以上である上記1)〜3)のうちのいずれかに記載の高温強度に優れたアルミニウム合金部品。
【００１４】
5)Ｓｉ：４．５〜５．５質量％、Ｃｕ：２．５〜３．５質量％、Ｍｇ：１．２〜１．５質量％、Ｎｉ：０．３質量％未満（但し、０質量％を含む）、Ｆｅ：０．５質量％未満（但し、０質量％を含む）を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなるとともに、Ｃｕ含有量に対するＭｇ含有量の比率［Ｍｇ／Ｃｕ］が０．４〜０．７であるアルミニウム合金を用いて、減圧鋳造法または高圧鋳造法により巣の量が５vol％以下である所定形状の鋳物を鋳造し、当該鋳物に、５２５〜５３５℃で８〜１０時間加熱する溶体化処理を施した後沸騰している水で焼入し、さらに１６０〜１７０℃で７〜１０時間加熱する時効処理を施すことを特徴とする高温強度に優れたアルミニウム合金部品の製造方法。
【００１５】
6)Ｓｉ：４．５〜５．５質量％、Ｃｕ：２．５〜３．５質量％、Ｍｇ：１．２〜１．５質量％、Ｎｉ：０．３質量％未満（但し、０質量％を含む）、Ｆｅ：０．５質量％未満（但し、０質量％を含む）を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなるとともに、Ｃｕ含有量に対するＭｇ含有量の比率［Ｍｇ／Ｃｕ］が０．４〜０．７であるアルミニウム合金を用いて、重力鋳造法により所定形状の鋳物を鋳造し、当該鋳物に熱間据え込み加工を施すことにより巣の量が５vol％以下である鍛造品を得、当該鍛造品に、５２５〜５３５℃で８〜１０時間加熱する溶体化処理を施した後沸騰している水で焼入し、さらに１６０〜１７０℃で７〜１０時間加熱する時効処理を施すことを特徴とする高温強度に優れたアルミニウム合金部品の製造方法。
【００１６】
7)上記1)〜4)のうちのいずれかに記載のアルミニウム合金部品からなり、ターボチャージャー用コンプレッサインペラー、エンジン用ヘッドカバー、オイルパンおよびＥＧＲパイプのうちの１種として用いられる高温高強度部品。
【００１７】
上記1)の高温強度に優れたアルミニウム合金部品、ならびに上記5)および6)の高温強度に優れたアルミニウム合金部品の製造方法において、用いるアルミニウム合金における各合金成分の限定理由は次の通りである。
【００１８】
アルミニウム合金中のＣｕおよびＭｇは、Ａｌマトリックス中に固溶して固溶強化によりアルミニウム合金の機械的強度を向上させる。また、アルミニウム合金中にＣｕおよびＭｇが共存していると、巣の量が５vol％以下となるように所定形状に作製されたもの、たとえば減圧鋳造法もしくは高圧鋳造法により鋳造された鋳物、または重力鋳造法により鋳造された鋳物に熱間据え込み加工を施すことにより得られた鍛造品に、溶体化処理および時効処理を施すことによって、Ｓ相（Ｃｕ２ＭｇＡｌ）が析出し、析出強化作用によりアルミニウム合金の機械的強度を向上させる。しかしながら、ＣｕおよびＭｇの含有量が少なすぎると、上述した効果が得られない。また、ＣｕおよびＭｇの含有量の上限値は、上述したアルミニウム合金中での固溶限である。
【００１９】
アルミニウム合金中にＣｕおよびＭｇとともにＳｉを含有していると、Ｃｕの含有量が２．５〜３．５質量％であるとともに、Ｍｇの含有量が１．２〜１．５質量％であり、かつＣｕ含有量に対するＭｇ含有量の比率［Ｍｇ／Ｃｕ］が０．４〜０．７である場合に、巣の量が５vol％以下となるように所定形状に作製されたもの、たとえば減圧鋳造法もしくは高圧鋳造法により鋳造された鋳物、または重力鋳造法により鋳造された鋳物に熱間据え込み加工を施すことにより得られた鍛造品に、溶体化処理および時効処理を施すことによって、Ｓ相（Ｃｕ２ＭｇＡｌ）と、β相（Ｍｇ２Ｓｉ）とが析出し、この両者の析出強化の働きによって高温領域において求められる機械的強度を得ることができる。しかしながら、Ｓｉ、ＣｕおよびＭｇの含有量が少なすぎると、上述した効果が得られない。また、ＣｕおよびＭｇの含有量が上記下限値以上になると、鋳造性が著しく低下するが、Ｓｉの含有量が上記下限値以上であれば、この鋳造性の低下を抑制することができる。一方、Ｓｉの含有量が多すぎると、ＡｌとＣｕを含む粗大な金属間化合物が生成し、かえって高温強度が低下する。
【００２０】
上記アルミニウム合金中には種々の不可避不純物が含まれるが、その中のＮｉおよびＦｅが含まれていると、巣の量が５vol％以下となるように所定形状に作製されたもの、たとえば減圧鋳造法もしくは高圧鋳造法により鋳造された鋳物、または重力鋳造法により鋳造された鋳物に熱間据え込み加工を施すことにより得られた鍛造品に、溶体化処理および時効処理を施すことによって、Ａｌとともに金属間化合物を形成し、高温強度を向上させる。しかしながら、ＮｉおよびＦｅの含有量が上記上限値を超えると、粗大な金属間化合物が形成され、高温強度が低下する。なお、ＮｉおよびＦｅの含有量は０質量％の場合がある。
【００２１】
上記1)の高温強度に優れたアルミニウム合金部品、ならびに上記5)および6)の方法により製造された高温強度に優れたアルミニウム合金部品において、巣の量を５vol％以下としたのは、巣の量が多すぎると高温強度に大きく影響を与えて当該高温強度を低下させるからである。
【００２２】
上記1)の高温強度に優れたアルミニウム合金部品において、Ｓｉ：４．５〜５．５質量％、Ｃｕ：２．５〜３．５質量％、Ｍｇ：１．２〜１．５質量％、Ｎｉ：０．３質量％未満（但し、０質量％を含む）、Ｆｅ：０．５質量％未満（但し、０質量％を含む）を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなるとともに、Ｃｕ含有量に対するＭｇ含有量の比率［Ｍｇ／Ｃｕ］が０．４〜０．７であるアルミニウム合金を用いて巣の量が５vol％以下となるように所定形状に作製されたものに、溶体化処理が施された後に時効処理が施されることによって、２００℃を超える温度領域で使用可能な高温強度に優れたアルミニウム合金部品を得ることができる。
【００２３】
上記2)のアルミニウム合金部品において、溶体化処理温度時の加熱温度が５２５〜５３５℃、加熱時間が８〜１０時間であり、溶体化処理後の焼入が沸騰している水で行わることとしたのは、溶体化処理の温度および時間、溶体化処理後の焼入の条件、ならびに時効処理の温度および時間が上述した範囲外になると、上述した金属間化合物が粗大化して結果的に高温強度が低下するからである。
【００２４】
上記1)および2)のアルミニウム合金部品は、たとえば上記3)のように２３０℃における引張強さが１６０ＭＰａ以上であり、上記4)のように２３０℃における繰り返し数１０７での疲労強度が６５ＭＰａ以上である。
【００２５】
上記1)〜4)のアルミニウム合金部品は、そのままの状態で高温強度部品として使用される場合と、切削加工、研削加工、研磨加工などの仕上げ加工が施されて高温強度部品として使用される場合がある。
【００２６】
上記5)および6)の高温強度に優れたアルミニウム合金部品の製造方法において、巣の量が５vol％以下である所定形状の鋳物および鍛造品に、５２５〜５３５℃で８〜１０時間加熱する溶体化処理を施した後沸騰している水で焼入し、さらに１６０〜１７０℃で７〜１０時間加熱する時効処理を施すことによって、上記1)で述べた理由により、製造されたアルミニウム合金部品の高温強度を向上させることができる。溶体化処理の温度および時間、溶体化処理後の焼入の条件、ならびに時効処理の温度および時間が上述した範囲外になると、上述した金属間化合物が粗大化して結果的に高温強度が低下する。
【発明の効果】
【００２７】
上記1)〜4)のアルミニウム合金部品は、特許文献１記載のターボチャージャー用コンプレッサインペラーに比べて高温強度に優れているので、ターボチャージャー用コンプレッサインペラー、エンジン用ヘッドカバー、オイルパンおよびＥＧＲパイプなどの使用温度域が２００℃を超えるような高温強度部品に用いることが可能になる。しかも、特許文献１記載のターボチャージャー用コンプレッサインペラーのようにＳｃやＺｒなどの希少金属を含有させる必要がなくなる。
【００２８】
上記5)および6)の方法によれば、ターボチャージャー用コンプレッサインペラー、エンジン用ヘッドカバー、オイルパンおよびＥＧＲパイプなどの使用温度域が２００℃を超えるような高温強度部品に好適に使用しうる高温強度に優れたアルミニウム合金部品を製造することが可能になる。また、上記5)および6)の方法によれば、巣の量が５vol％以下のアルミニウム合金部品を、比較的簡単に製造することができる。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、この発明の具体的実施例を比較例とともに説明する。
【００３０】
実施例１〜３および比較例１〜５
表１に示す組成を有する６種のアルミニウム合金Ａ〜Ｆを用意した。
【表１】
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【００３１】
表１において、合金Ａが、この発明によるアルミニウム合金部品を構成するアルミニウム合金、すなわちＳｉ：４．５〜５．５質量％、Ｃｕ：２．５〜３．５質量％、Ｍｇ：１．２〜１．５質量％、Ｎｉ：０．３質量％未満（但し、０質量％を含む）、Ｆｅ：０．５質量％未満（但し、０質量％を含む）を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなるとともに、Ｃｕ含有量に対するＭｇ含有量の比率［Ｍｇ／Ｃｕ］が０．４〜０．７となっているアルミニウム合金である。なお、表１の合金ＡにおけるＭｎ、Ｚｎ、ＴｉおよびＣｒは不可避不純物である。
【００３２】
そして、各アルミニウム合金を用いて、次の３つの方法により鍛造品および鋳物を作製した。
【００３３】
作製方法１・・・重力鋳造法により鋳造した後に５０％の熱間据え込み加工を施す方法
作製方法２・・・減圧鋳造法により鋳造する方法
作製方法３・・・高圧鋳造法により鋳造する方法
なお、上記作製方法１の重力鋳造法は、鋳型を３５０℃に予熱して行った。
【００３４】
ついで、作成方法１で得られた鍛造品、ならびに作成方法２および２で得られた鋳物に、５３０℃で１０時間加熱する溶体化処理を施した後沸騰している水で焼入し、さらに１７０℃で１０時間加熱する時効処理を施した。
【００３５】
その後、上記鍛造品および鋳物の中心部から丸棒型引張試験片を切り出し、２３０℃にて１００時間保持した後に、２３０℃で引張試験を行って引張強さを測定した。
【００３６】
また、上記鍛造品および鋳物の中心部から回転曲げ試験片を切り出し、高温小野式回転曲げ試験機を用いて２０３℃にて回転曲げ試験を行って、１０７サイクル（繰り返し数１０７）の疲労強度を測定した。
【００３７】
合金の種類、作製方法、巣の量、引張強さおよび疲労強度を表２に示す。巣の量は、異なる位置の断面を光学顕微鏡により写真撮影をして５つの画像を得、オリンパス社製の画像解析ソフトウェアのwinROOFを用いて測定した。
【表２】
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【００３８】
表２に示す結果から、本発明の実施例１〜３のアルミニウム合金部品によれば、２００℃を超える高温強度に優れていることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
この発明による高温強度に優れたアルミニウム合金部品は、ターボチャージャー用コンプレッサインペラーのような部品温度が最高で２３０℃に達する部品に好適に用いられる。