(57)【要約】  本願発明は、アルミニウム合金が重力ダイキャストプロセスで鋳造される、エンジンコンポーネント、特に、内燃エンジン用のピストンを製造する方法に関し、当該アルミニウム合金は、７から１４．５重量％未満のシリコン、１．２から４重量％以下のニッケル、３．７から１０重量％未満の銅、１重量％までのコバルト、０．１から１．５重量％のマグネシウム、０．１から０．７重量％以下の鉄、０．１から０．７重量％以下のマンガン、０．１から０．５重量％未満のジルコニウム、０．１以上０．３重量％以下のバナジウム、０．０５から０．５重量％のチタン、０．００４から０．０５重量％以下のリン、および、残余アルミニウムおよび不可避的不純物を含む。当該アルミニウム合金は、任意で、ベリリウムを有し、カルシウムの含有量は、低レベルに制限される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金が重力ダイキャストプロセスで鋳造されて、エンジンコンポーネント、特に、内燃エンジン用のピストンを製造する方法であって、
前記アルミニウム合金は、合金元素として
シリコン：    ７重量％から１４．５重量％未満
ニッケル：    １．２重量％より大きく４重量％以下
銅；          ３．７重量％より大きく１０重量％未満
コバルト：    １重量％まで
マグネシウム：  ０．１重量％から１．５重量％
鉄：            ０．１重量％から０．７重量％以下
マンガン：      ０．１重量％から０．７重量％以下
ジルコニウム：    ０．１重量％より大きく０．５重量％未満
バナジウム：      ０．１重量％以上、０．３重量％以下
チタン：          ０．０５重量％から０．５重量％
リン：            ０．００４重量％から０．０５重量％以下
残余アルミニウムおよび不可避的不純物
を含む、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記アルミニウム合金は、さらに
ベリリウム：    ０．０００５重量％から０．５重量％
カルシウム：    ０．０００５重量％まで
を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記アルミニウム合金は、
シリコン：    ９重量％から１０．５重量％未満
ニッケル：    ２重量％より大きく３．５重量％未満
銅；          ５．２重量％より大きく１０重量％未満
コバルト：    １重量％まで
マグネシウム：  ０．５重量％から１．５重量％
鉄：            ０．１重量％から０．７重量％
マンガン：      ０．１重量％から０．４重量％
ジルコニウム：    ０．２重量％から０．４重量％未満
バナジウム：      ０．１重量％より大きく０．２重量％未満
チタン：          ０．０５重量％から０．２重量％未満
リン：            ０．００４重量％から０．００８重量％
残余アルミニウムおよび不可避的不純物
を含む、ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記アルミニウム合金は、
シリコン：    ９重量％から１０．５重量％未満
ニッケル：    １．２重量％より大きく２．０重量％未満
銅；          ５．２重量％より大きく１０重量％未満
コバルト：    １重量％まで
マグネシウム：  ０．５重量％から１．５重量％
鉄：            ０．１重量％から０．７重量％
マンガン：      ０．１重量％から０．４重量％
ジルコニウム：    ０．２重量％から０．４重量％未満
バナジウム：      ０．１重量％より大きく０．２重量％未満
チタン：          ０．０５重量％から０．２重量％未満
リン：            ０．００４重量％から０．００８重量％
残余アルミニウムおよび不可避的不純物
を含む、ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項５】
前記アルミニウム合金は、
シリコン：    ９重量％から１２重量％未満
ニッケル：    ２重量％から３．５重量％未満
銅；          ３．７重量％より大きく５．２重量％
コバルト：    １重量％まで
マグネシウム：  ０．５重量％から１．５重量％
鉄：            ０．１重量％から０．７重量％
マンガン：      ０．１重量％から０．４重量％
ジルコニウム：    ０．２重量％から０．４重量％
バナジウム：      ０．１重量％から０．３重量％
チタン：          ０．１重量％から０．５重量％
リン：            ０．００４重量％から０．００８重量％
残余アルミニウムおよび不可避的不純物
を含む、ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項６】
前記アルミニウム合金は、
シリコン：    ７重量％から１４．５重量％未満
ニッケル：    ４重量％以下
銅；          ５．５重量％以下
コバルト：    １重量％まで
マグネシウム：  ０．１重量％から１．２重量％
鉄：            ０．１重量％から０．７重量％以下
マンガン：      ０．１重量％から０．７重量％以下
ジルコニウム：    ０．１重量％より大きく０．５重量％未満
バナジウム：      ０．３重量％以下
チタン：          ０．２重量％以下
リン：            ０．０５重量％以下
ベリリウム：      ０．０００５重量％から０．５重量％
カルシウム：      ０．０００５重量％まで
残余アルミニウムおよび不可避的不純物
を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記アルミニウム合金内の鉄とマンガンの重量比は、約５：１以下であり、好適には、約２．５：１である、ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
ニッケルとコバルトの合計は、好適には、２．０重量％より大きく３．８重量％未満である、ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記アルミニウム合金は、特に、前記エンジンコンポーネントのボウルリム領域において、低含有量のポアおよび含有物および／または少量の一次シリコンを有する微細なミクロ構造を有し、気孔率は０．０１％未満であり、および／または、一次シリコンの含有量は１％未満であり、前記一次シリコンは、５μｍ未満の平均長および／または１０μｍ未満の最大長を有し、金属間相および／または一次沈殿物は３０μｍ未満の平均長および５０μｍ未満の最大長を有する、ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
少なくとも一部がアルミニウム合金からなる、エンジンコンポーネント、特に、内燃エンジン用のピストンであって、
前記アルミニウム合金は、合金元素として
シリコン：    ７重量％から１４．５重量％未満
ニッケル：    １．２重量％より大きく４重量％以下
銅；          ３．７重量％より大きく１０重量％未満
コバルト：    １重量％まで
マグネシウム：  ０．１重量％から１．５重量％
鉄：            ０．１重量％から０．７重量％以下
マンガン：      ０．１重量％から０．７重量％以下
ジルコニウム：    ０．１重量％より大きく０．５重量％未満
バナジウム：      ０．１重量％以上、０．３重量％以下
チタン：          ０．０５重量％から０．５重量％
リン：            ０．００４重量％から０．０５重量％以下
残余アルミニウムおよび不可避的不純物
を含む、ことを特徴とするエンジンコンポーネント。
【請求項１１】
前記アルミニウム合金は、さらに
ベリリウム：    ０．０００５重量％から０．５重量％
カルシウム：    ０．０００５重量％まで
を含む、ことを特徴とする請求項１０に記載のエンジンコンポーネント。
【請求項１２】
前記アルミニウム合金は、
シリコン：    ９重量％から１０．５重量％未満
ニッケル：    ２重量％より大きく３．５重量％未満
銅；          ５．２重量％より大きく１０重量％未満
コバルト：    １重量％まで
マグネシウム：  ０．５重量％から１．５重量％
鉄：            ０．１重量％から０．７重量％
マンガン：      ０．１重量％から０．４重量％
ジルコニウム：    ０．２重量％から０．４重量％未満
バナジウム：      ０．１重量％より大きく０．２重量％未満
チタン：          ０．０５重量％から０．２重量％未満
リン：            ０．００４重量％から０．００８重量％
残余アルミニウムおよび不可避的不純物
を含む、ことを特徴とする請求項１０または１１に記載のエンジンコンポーネント。
【請求項１３】
前記アルミニウム合金は、
シリコン：    ９重量％から１０．５重量％未満
ニッケル：    １．２重量％より大きく２．０重量％未満
銅；          ５．２重量％より大きく１０重量％未満
コバルト：    １重量％まで
マグネシウム：  ０．５重量％から１．５重量％
鉄：            ０．１重量％から０．７重量％
マンガン：      ０．１重量％から０．４重量％
ジルコニウム：    ０．２重量％から０．４重量％未満
バナジウム：      ０．１重量％より大きく０．２重量％未満
チタン：          ０．０５重量％から０．２重量％未満
リン：            ０．００４重量％から０．００８重量％
残余アルミニウムおよび不可避的不純物
を含む、ことを特徴とする請求項１０または１１に記載のエンジンコンポーネント。
【請求項１４】
前記アルミニウム合金は、
シリコン：    ９重量％から１２重量％未満
ニッケル：    ２重量％から３．５重量％未満
銅；          ３．７重量％より大きく５．２重量％
コバルト：    １重量％まで
マグネシウム：  ０．５重量％から１．５重量％
鉄：            ０．１重量％から０．７重量％
マンガン：      ０．１重量％から０．４重量％
ジルコニウム：    ０．２重量％から０．４重量％
バナジウム：      ０．１重量％から０．３重量％
チタン：          ０．１重量％から０．５重量％
リン：            ０．００４重量％から０．００８重量％
残余アルミニウムおよび不可避的不純物
を含む、ことを特徴とする請求項１０または１１に記載のエンジンコンポーネント。
【請求項１５】
前記アルミニウム合金は、
シリコン：    ７重量％から１４．５重量％未満
ニッケル：    ４重量％以下
銅；          ５．５重量％以下
コバルト：    １重量％まで
マグネシウム：  ０．１重量％から１．２重量％
鉄：            ０．７重量％以下
マンガン：      ０．７重量％以下
ジルコニウム：    ０．１重量％より大きく０．５重量％未満
バナジウム：      ０．３重量％以下
チタン：          ０．２重量％以下
リン：            ０．０５重量％以下
ベリリウム：      ０．０００５重量％から０．５重量％
カルシウム：      ０．０００５重量％まで
残余アルミニウムおよび不可避的不純物
を含む、ことを特徴とする請求項１０に記載のエンジンコンポーネント。
【請求項１６】
前記アルミニウム合金内の鉄とマンガンの重量比は、約５：１以下であり、好適には、約２．５：１である、ことを特徴とする請求項１０から１５のいずれか一項に記載のエンジンコンポーネント。
【請求項１７】
ニッケルとコバルトの合計は、好適には、２．０重量％より大きく３．８重量％未満である、ことを特徴とする請求項１０から１６のいずれか一項に記載のエンジンコンポーネント。
【請求項１８】
前記アルミニウム合金は、特に、前記エンジンコンポーネントのボウルリム領域において、低含有量のポアおよび含有物および／または少量の一次シリコンを有する微細なミクロ構造を有し、気孔率は０．０１％未満であり、および／または、一次シリコンの含有量は１％未満であり、前記一次シリコンは、５μｍ未満の平均長および／または１０μｍ未満の最大長を有し、金属間相および／または一次沈殿物は３０μｍ未満の平均長および５０μｍ未満の最大長を有する、ことを特徴とする請求項１０から１７のいずれか一項に記載のエンジンコンポーネント。
【請求項１９】
エンジンコンポーネント、特に、内燃エンジン用のピストンを製造するためのアルミニウム合金の使用であって、
前記アルミニウム合金は、合金元素として
シリコン：    ７重量％から１４．５重量％未満
ニッケル：    １．２重量％より大きく４重量％以下
銅；          ３．７重量％より大きく１０重量％未満
コバルト：    １重量％まで
マグネシウム：  ０．１重量％から１．５重量％
鉄：            ０．１重量％から０．７重量％以下
マンガン：      ０．１重量％から０．７重量％以下
ジルコニウム：    ０．１重量％より大きく０．５重量％未満
バナジウム：      ０．１重量％以上、０．３重量％以下
チタン：          ０．０５重量％から０．５重量％
リン：            ０．００４重量％から０．０５重量％以下
残余アルミニウムおよび不可避的不純物
を含む、ことを特徴とするアルミニウム合金の使用。
【請求項２０】
前記アルミニウム合金は、さらに
ベリリウム：    ０．０００５重量％から０．５重量％
カルシウム：    ０．０００５重量％まで
を含む、ことを特徴とする請求項１９に記載の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、アルミニウム合金が重力ダイキャストプロセスで鋳造される、エンジンコンポーネント、特に、内燃エンジン用ピストンを製造および使用する方法、少なくとも一部がアルミニウム合金からなるエンジンコンポーネント、および、このエンジンコンポーネントを製造するためのアルミニウム合金の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
過去数年において、輸送の分野で特に経済的で、エコロジーな手段に対する要求が高まってきた。それは、高い燃費要求を満たさなければならない。加えて、常に、最高の性能および燃料効率を有するエンジンを設計することのニーズが存在する。高い性能および低燃費の内燃エンジン開発のキーファクタは、上昇する内燃温度および内燃圧力において使用可能であるピストンである。それは、本質的に、より効率的なピストン材料によって作成される。
【０００３】
原理的に、内燃エンジン用のピストンは、できるだけ軽くかつ強くありつつ、高い耐熱性を示さなければならない。それゆえ、ミクロ構造分布、形態、成分および高い耐熱相の熱安定性をどのように設計するのかが非常に重要である。これに関する最適化によって、含まれるべきポアおよび酸化含有物の最小量がしばしばもたらされる。
【０００４】
求められる材料は、等温振動抵抗（ＨＦＣ）および熱機械疲労強度（ＴＭＦ）の両方に関して最適化されなければならない。最適なＴＭＦを達成するために、材料のできるだけ微細なミクロ構造を得なければならない。微細なミクロ構造は、比較的大きい一次相（特に一次シリコン沈殿物）でのミクロ塑性またはミクロクラックの生成リスクを減少させ、ひいては、クラック発生およびクラック伝搬のリスクを減少させる。
【０００５】
これらが、合金、すなわちマトリクスおよび一次相の個々の成分の異なる膨張係数によるＴＭＦ応力に晒されたとき、ピストン材料の製品寿命を著しく低下させるミクロ塑性またはミクロクラックは、比較的大きい一次相、特に、一次シリコン沈殿物において導入される。一次相は、製品寿命を増加させるためにできるだけ小さく維持すべきであることが周知である。
【０００６】
重力ダイキャストプロセスが使用される場合、合金元素が含まれる上限濃度が存在し、それを超えると合金の可鍛性が減少するか、鋳造が不可能になる。加えて、強度増強元素の過剰な濃度は、大きい板状の金属間相の生成を増加させ、それは疲労強度を大きく減少させる。
【０００７】
ドイツ国特許出願公開第４４０４４２０号には、高温および高い機械的負荷に晒されるピストンおよびコンポーネントに特に使用可能な合金が開示されている。説明されているアルミニウム合金は、８．０から１０．０重量％のシリコン、０．８から２．０重量％のマグネシウム、４．０から５．９重量％の銅、１．０から３．０重量％のニッケル、０．２から０．４重量％のマンガン、０．５重量％未満の鉄、および、アンチモン、ジルコニウム、チタン、ストロンチウム、コバルト、クロムおよびバナジウムから選択された少なくともひとつの元素を含み、これらの元素の少なくともひとつは、０．３重量％より多い量で存在し、これらの元素の合計は０．８重量％より少ない。
【０００８】
欧州特許第０９２４３１０号には、ピストン、特に、内燃エンジンピストンの製造に使用するアルミニウムシリコン合金が説明されている。アルミニウム合金は以下の成分、すなわち、１０．５から１３．５重量％のシリコン、２．０から４．０重量％の銅、０．８から１．５重量％のマグネシウム、０．５から２．０重量％のニッケル、０．３から０．９重量％のコバルト、少なくとも２０ｐｐｍのリン、および、０．０５から０．２重量％のチタンまたは０．２重量％未満のジルコニウムおよび／または０．２重量％未満のバナジウム、および、残余アルミニウムおよび不可避的不純物を含む。
【０００９】
国際公開第２０００／７１７６７号には、例えば、高負荷ピストンの高温応用または内燃エンジン内の他の応用で使用するのに適したアルミニウム合金が説明されている。当該アルミニウム合金は、成分として、６．０から１４．０重量％のシリコン、３．０から８．０重量％の銅、０．０１から０．８重量％の鉄、０．５から１．５重量％のマグネシウム、０．０５から１．２重量％のニッケル、０．０１から１．０重量％のマンガン、０．０５から１．２重量％のチタン、０．０５から１．２重量％のジルコニウム、０．０５から１．２重量％のバナジウム、０．００１から０．１０重量％のストロンチウム、および、残余アルミニウムを含む。
【００１０】
ドイツ国特許第１０３３３１０３号には、アルミニウム鋳造合金から形成されたピストンが開示され、当該アルミニウム鋳造合金は、０．２重量％以下のマグネシウム、０．０５から０．３重量％のチタン、１０から２１重量％のシリコン、２から３．５重量％の銅、０．１から０．７重量％の鉄、１から３重量％のニッケル、０．００１から０．０２重量％のリン、０．０２から０．３重量％のジルコニウム、および残余アルミニウムおよび不純物を含む。また、ピストン内に存在する非金属元素の大きさは１００μｍ未満であることが記載されている。
【００１１】
欧州特許第１９７５２６２号には、アルミニウム鋳造合金が記載されており、それは、６から９％のシリコン、１．２から２．５％の銅、０．２から０．６％のマグネシウム、０．２から３％のニッケル、０．１から０．７％の鉄、０．１から０．３％のチタン、０．０３から０．５％のジルコニウム、０．１から０．７％のマンガン、０．０１から０．５％のバナジウム、および、以下の元素、すなわち、０．００３から０．０５％のストロンチウム、０．０２から０．２％のアンチモン、および、０．００１から０．０３％のナトリウムのひとつ以上を含む。チタンおよびジルコニウムの合計は０．５％未満であり、総量が１００質量％であると考えられる場合に、残りはアルミニウムおよび不可避的不純物から成る。
【００１２】
国際公開第２０１０／０２５９１９号には、ピストンブランクが、銅が添加されたアルミニウムシリコン合金から鋳造され、その後フィニッシュされるところの内燃エンジンのピストンを製造する方法が記載されている。当該発明は、銅の含有量が、アルミニウムシリコン合金の５．５％を超えず、ある量のチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、クロム（Ｃｒ）および／またはバナジウム（Ｖ）がアルミニウムシリコン合金に混合され、すべての構成成分の合計が１００％となることを与える。
【００１３】
ドイツ国特許出願公開第１０２０１１０８３９６９号には、アルミニウム合金が重力ダイキャストプロセスで鋳造されるところのエンジンコンポーネント、特に、内燃エンジン用のピストンを製造する方法、少なくとも一部がアルミニウム合金から成るエンジンコンポーネント、および、エンジンコンポーネントを製造するためのアルミニウム合金の使用が説明されている。ここで、アルミニウム合金は、以下の合金元素、すなわち、６から１０重量％のシリコン、１．２から２重量％のニッケル、８から１０重量％の銅、０．５から１．５重量％のマグネシウム、０．１から０．７重量％の鉄、０．１から０．４重量％のマンガン、０．２から０．４重量％のジルコニウム、０．１から０．３重量％のバナジウム、０．１から０．５重量％のチタン、および、残余アルミニウムおよび不可避不純物を含む。この合金は好適には、３０ｐｐｍ未満のリンを含有する。
【００１４】
欧州特許第１３４０８２７号には、比較的低濃度のマグネシウムを有するアルミニウムシリコン鋳造合金内でのベリリウムの効果が説明されている。５から１００ｐｐｍのベリリウムの添加は、合金の流動性および短時間酸化特性を促進する有利な薄い化学量論的なＭｇＯ層の形成に寄与する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本願発明の目的は、アルミニウム合金が重力ダイキャストプロセスで鋳造されるところのエンジンコンポーネント、特に、内燃エンジン用のピストンの製造方法を与え、高耐熱エンジンコンポーネントが重力ダイキャストプロセスで製造されるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この目的を達成する方法は、請求項１に記載の方法によって与えられる。さらに、本願発明の好適な実施形態は、対応する従属項から理解できる。
【００１７】
本願発明の他の目的は、少なくとも一部がアルミニウム合金から作成された、高い耐熱性を有するエンジンコンポーネント、特に、内燃エンジン用のピストンを与えることである。
【００１８】
この目的は、請求項１０の主題によって達成され、さらに、好適実施形態は対応する従属項から理解できる。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本願発明に従う方法において、アルミニウム合金は、以下の合金元素を含む。
【００２０】
約７から、好適には、約９重量％から、約１４．５未満、好適には約１２未満、より好適には約１０．５未満、さらに好適には約１０重量％未満のシリコン（Ｓｉ）、
約１．２から、好適には約２重量％から、約４以下、好適には約３．５未満、より好適には約２重量％未満までのニッケル（Ｎｉ）、
約３．７から、好適には約５．２重量％から、より好適には約５．５重量％から、約１０未満、好適には約８未満、より好適には約５．５以下、さらに好適には約５．２重量％未満の銅（Ｃｕ）、
約１重量％まで、好適には、約０．２重量％から約１重量％までのコバルト（Ｃｏ）、
約０．１から、好適には約０．５から、より好適には約０．６から、さらに好適には約０．６５から、特に好適には約１．２以上で、約１．５まで、好適には約１．２重量％まで、より好適には約０．８重量％までのマグネシウム（Ｍｇ）、
約０．１から、好適には約０．４重量％から約０．７以下、好適には、約０．６重量％までの鉄（Ｆｅ）、
約０．１重量％から約０．７以下、好適には約０．４重量％までのマンガン（Ｍｎ）、
約０．１から、好適には約０．２重量％から、約０．５まで、好適には約０．４以下、より好適には約０．２重量％までのジルコニウム（Ｚｒ）、
約０．１重量％以上、約０．３以下、好適には約０．２重量％までのバナジウム（Ｖ）、
約０．０５から、好適には約０．１重量％から、約０．５まで、好適には約０．２重量％以下のチタン（Ｔｉ）、
約０．００４重量％から約０．０５以下、好適には約０．００８重量％までのリン（Ｐ）、および
残余アルミニウムおよび不可避的不純物を含む。上記していない他の元素も不純物として考慮することが可能である。不純物の量のレベルは、例えば、不純物元素あたり０．０１重量％まで、または、合計で０．２重量％までである。
【００２１】
選択されたアルミニウム合金は、重力ダイキャストプロセスでエンジンコンポーネントを製造することを可能にする。それは、多くの微細分散量を有し、高い耐熱性を有し、熱安定相および良好なミクロ構造を有する。本願発明に従う合金の選択は、ピストンおよび同様のエンジンコンポーネントを製造するための周知の方法に比べ、例えば、酸化または一次相においてクラック発生およびクラック伝搬に対する感受性を減少させ、ひいては、ＴＭＦ−ＨＣＦ寿命を増加させる。
【００２２】
本願発明に従って製造されるピストン、本願発明に従う合金において、特に比較的低いシリコン含有量は、ピストンのボウルリム領域において比較的少なくかつ微細な一次シリコンの存在を許す。それが高い熱負荷に晒され、その結果、合金は、本願発明に従って製造されるピストンの特に良好な特性を生じさせる。したがって、高い耐熱性のエンジンコンポーネントが重力ダイキャストプロセスで製造可能である。本願発明に従う、銅、ジルコニウム、バナジウムおよびチタンの含有量、特に、比較的高いジルコニウム、バナジウムおよびチタンの含有量は、強度増加沈殿物の有利な性質を生じさせるが、大きい板状の金属間相が生じることはない。本願発明に従う範囲内でＣｕ含有量を意図的に選択することによって特定のアプリケーションに対する合金特性を最適化することが可能である。より多くのＣｕ含有量は、特に、合金の耐熱性を改善する。一方、より少ないＣｕ含有量は、熱伝導性を増加させることができ、合金の密度を減少させることができる。さらに、本願発明に従うコバルトおよびリンの量は、コバルトが合金の硬度および熱強度を増加させ、および、一次シリコン沈殿用の核形成剤としてリンが特に微細でかつ均一に分散する方法でこれらが沈殿することに寄与するという点で有利である。ジルコニウムおよびコバルトはさらに、上昇した温度で、特にボウルリム領域において、強度の増加に寄与する。
【００２３】
有利な方法で、上述したアルミニウム合金は好適には０．６重量％から０．８重量％のマグネシウムを含む。それは、好適な濃度範囲において、過剰な酸化物が形成されることなく、強度増強二次相の効果的形成に特に寄与する。代替的または付加的に、合金は、好適に、０．４重量％から０．６重量％の鉄をさらに含み、それは、上述した濃度範囲において板状相の形成が制限された状態で、鋳造ダイに突き刺ささる合金の傾向を有利に減少させる。
【００２４】
上述したアルミニウム合金は、カルシウム含有量が約０．０００５重量％以下に制限された状態で、さらに約０．０００５から、好適には約０．００６から、より好適には約０．０１重量％から、約０．５まで、好適には約０．１重量％未満のベリリウム（Ｂｅ）を含む。ベリリウムの添加は、合金の特に良好な可鍛性を生じさせる。溶液にそれらを添加すると、溶液上に厚い酸化物被膜が生成され、それが拡散バリアとして機能して、溶液の酸化および水素取り込みを減少させる。また、アルミニウムおよびマグネシウムの外部への拡散を防止することも可能である。上記効果は、均熱炉が使用される際に特に関連性がある。付加的に、流動性を改善する微細／薄い酸化層は、例えばダイの内部で鋳造中に凝固先端で形成される。したがって、全体として、付加的な補助手段無しで、薄い壁および微細に成形された構造がよりよく充填され得る。付加的に、ベリリウムの添加は、全体として合金の強度特性を改善する。熟成中、より高い密度は強度増加沈殿物上で達成可能である。ベリリウムの添加は、溶液の酸化を減少させることにより存在するアルミニウム合金の有利な効果を補い、特に、重力ダイキャストプロセスにおいて改良された可鍛性に寄与し、合金の強度を改善する。同時に、カルシウムの含有量が上記低レベルに制限されることが好ましい。より多い量のカルシウムの同時存在は、ベリリウムの有利な効果を弱め、酸化を強化しうる。この点に関して、可能な最低含有量のカルシウムが有利である。
【実施例】
【００２５】
本願発明の特に好適なアルミニウム合金Ａ、Ｂ、ＣおよびＤが以下の表に示されている（表中の単位は重量％）
【表１】
2017519105.tif 000002
【００２６】
合金Ａ、Ｂ、ＣおよびＤは上述した技術的利点を実現する。加えて、合金Ａ中の比較的含有量の高いＣｕおよびＺｒは、強度増加沈殿物のレベルを増加させている点で有利であることを実証している。同様のことは、好適な合金Ｂについても言える。それは、減少したニッケル含有量を有するため、合金のコストをさらに削減することを助ける。合金Ｃ中の比較的含有量の高いＺｒ、ＶおよびＴｉは、強度増加沈殿物のレベルを増加させることに付加的に寄与している。増加した含有量のＺｒは概して強度のさらなる改善を生じさせる。合金Ｃにとって、１０．５重量％未満のＳｉ含有量を有することが特に好ましい。合金Ｄは、上記したように、ベリリウムの添加が溶液の酸化および流動性ならびに合金の強度を改善する点で有利である。この効果は、比較的低い含有量のＭｇおよび低レベルに制限された含有量のＣａによってさらに強化される。加えて、合金Ｄは以下の好適な濃度範囲の合金元素を含む。合金元素は、約２から約３．５重量％未満のニッケル（Ｎｉ）、約３．７から約５．２重量％までの銅（Ｃｕ）、約０．６５から、約０．８重量％未満のマグネシウム（Ｍｇ）、約０．４から約０．６重量％までの鉄（Ｆｅ）、約０．１から約０．４重量％までのマンガン（Ｍｎ）、および、上述した制限濃度のベリリウムを含む。合金Ａ、ＢおよびＣ内またはそれへのベリリウムの存在／添加は、酸化、流動性、強化特性を改善するべく、任意に実行可能である。ここで、カルシウムの含有量は、ベリリウムの有利な効果を弱めないように、特に低いレベルに制限されるべきである。全体として、合金Ａ、Ｂ、ＣおよびＤは、ある程度まで組みあわせ可能であり、したがって、その技術的効果はそれぞれ単独の合金内で一緒に実現される。
【００２７】
有利なことに、上述したアルミニウム合金内の鉄とマンガンの重量比は、５：１以下、好適には約２．５：１である。したがってこの実施形態において、アルミニウム合金は、１重量部のマンガンに対して、５重量部以下の鉄を含み、好適には、１重量部のマンガンに対して２．５重量部の鉄を含む。この比率により、エンジンコンポーネントの特に有利な強度特性が達成される。
【００２８】
ニッケルの含有量が、３．５重量％未満であることが特に好ましい。そうでないと過度に大きな板状（一次、ニッケルリッチ）相が構造体内に形成され、それはノッチ効果によって、強度および／または寿命を減少させる。１．２重量％以上の好適なニッケル濃度において、結合性および近接性を有する熱的に安定な一次相のネットワークが生成される。
【００２９】
上述したアルミニウム合金内のニッケルおよびコバルトの合計は、２．０重量％から３．８重量％未満であるのがさらに好ましい。下限値は、合金の有利な強度を保証し、上限値は、微細なミクロ構造を有利に保証しかつ強度を減少させる低質な板状相の形成を回避する。
【００３０】
アルミニウム合金は、特に、高負荷のボウルリム領域内において、低含有量のポアおよび含有物および／または少量の一次シリコンを有する微細なミクロ構造を有利に示す。この点に関して、低含有量のポアは、好適には気孔率が０．０１未満である意味に理解されるべきであり、少量の一次シリコンは１％未満の意味に理解されるべきである。さらに、微細なミクロ構造とは、一次シリコンの平均長が約５μｍ未満であり、その最大長が約１０μｍ未満であり、金属間相および／または一次沈殿物の平均長が約３０μｍ未満から５０μｍ以下であるとして記述可能である。微細なミクロ構造は、熱機械疲労強度を改善することに特に寄与する。一次相のサイズを制限することは、クラック発生およびクラック伝搬の感受性を減少させ、ひいては、ＴＭＦ−ＨＦＣ寿命を有意に増加させる。ポアまたは含有物のノッチ効果により、それらの含有量をできるだけ低く維持することは特に有利である。
【００３１】
本願発明に従うエンジンコンポーネントは、少なくとも部分的に、上記したアルミニウム合金の一つからなる。請求項１９および対応する従属項に従う本願発明の他の独立した態様は、エンジンコンポーネント、特に、内燃エンジンのピストンを製造するために上述したアルミニウム合金の使用である。アルミニウム合金は、特に、重力ダイキャストプロセスで処理される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３２】
【特許文献１】ドイツ国特許出願公開第４４０４４２０号明細書
【特許文献２】欧州特許第０９２４３１０号明細書
【特許文献３】国際公開第２０００／７１７６７号明細書
【特許文献４】ドイツ国特許第１０３３３１０３号明細書
【特許文献５】欧州特許第１９７５２６２号明細書
【特許文献６】国際公開第２０１０／０２５９１９号明細書
【特許文献７】ドイツ国特許出願公開第１０２０１１０８３９６９号明細書
【特許文献８】欧州特許第１３４０８２７号明細書
【手続補正書】
【提出日】平成29年1月16日(2017.1.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金が重力ダイキャストプロセスで鋳造されて、エンジンコンポーネントを製造する方法であって、
前記アルミニウム合金は、合金元素として
シリコン：    ７重量％から１４．５重量％未満
ニッケル：    １．２重量％より大きく４重量％以下
銅；          ３．７重量％より大きく１０重量％未満
コバルト：    １重量％まで
マグネシウム：  ０．１重量％から１．５重量％
鉄：            ０．１重量％から０．７重量％以下
マンガン：      ０．１重量％から０．７重量％以下
ジルコニウム：    ０．１重量％より大きく０．５重量％未満
バナジウム：      ０．１重量％以上、０．３重量％以下
チタン：          ０．０５重量％から０．５重量％
リン：            ０．００４重量％から０．０５重量％以下
残余アルミニウムおよび不可避的不純物
を含む、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記エンジンコンポーネントは、内燃エンジン用のピストンである、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記アルミニウム合金は、さらに
ベリリウム：    ０．０００５重量％から０．５重量％、および／または
カルシウム：    ０．０００５重量％まで
を含む、ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記アルミニウム合金は、
シリコン：    ９重量％から１０．５重量％未満
ニッケル：    ２重量％より大きく３．５重量％未満
銅；          ５．２重量％より大きく１０重量％未満
コバルト：    １重量％まで
マグネシウム：  ０．５重量％から１．５重量％
鉄：            ０．１重量％から０．７重量％
マンガン：      ０．１重量％から０．４重量％
ジルコニウム：    ０．２重量％から０．４重量％未満
バナジウム：      ０．１重量％より大きく０．２重量％未満
チタン：          ０．０５重量％から０．２重量％未満
リン：            ０．００４重量％から０．００８重量％
残余アルミニウムおよび不可避的不純物
を含む、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記アルミニウム合金は、
シリコン：    ９重量％から１０．５重量％未満
ニッケル：    １．２重量％より大きく２．０重量％未満
銅；          ５．２重量％より大きく１０重量％未満
コバルト：    １重量％まで
マグネシウム：  ０．５重量％から１．５重量％
鉄：            ０．１重量％から０．７重量％
マンガン：      ０．１重量％から０．４重量％
ジルコニウム：    ０．２重量％から０．４重量％未満
バナジウム：      ０．１重量％より大きく０．２重量％未満
チタン：          ０．０５重量％から０．２重量％未満
リン：            ０．００４重量％から０．００８重量％
残余アルミニウムおよび不可避的不純物
を含む、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記アルミニウム合金は、
シリコン：    ９重量％から１２重量％未満
ニッケル：    ２重量％から３．５重量％未満
銅；          ３．７重量％より大きく５．２重量％
コバルト：    １重量％まで
マグネシウム：  ０．５重量％から１．５重量％
鉄：            ０．１重量％から０．７重量％
マンガン：      ０．１重量％から０．４重量％
ジルコニウム：    ０．２重量％から０．４重量％
バナジウム：      ０．１重量％から０．３重量％
チタン：          ０．１重量％から０．５重量％
リン：            ０．００４重量％から０．００８重量％
残余アルミニウムおよび不可避的不純物
を含む、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記アルミニウム合金は、
シリコン：    ７重量％から１４．５重量％未満
ニッケル：    １．２重量％より大きく４重量％以下
銅；          ３．７重量％より大きく５．５重量％以下
コバルト：    １重量％まで
マグネシウム：  ０．１重量％から１．２重量％
鉄：            ０．１重量％から０．７重量％以下
マンガン：      ０．１重量％から０．７重量％以下
ジルコニウム：    ０．１重量％より大きく０．５重量％未満
バナジウム：      ０．１重量％以上０．３重量％以下
チタン：          ０．０５重量％から０．２重量％以下
リン：            ０．００４重量％から０．０５重量％以下
ベリリウム：      ０．０００５重量％から０．５重量％
カルシウム：      ０．０００５重量％まで
残余アルミニウムおよび不可避的不純物
を含む、ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項８】
前記アルミニウム合金内の鉄とマンガンの重量比は、５：１以下である、ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記アルミニウム合金内の鉄とマンガンの重量比は、２．５：１以下である、ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
ニッケルとコバルトの合計は、２．０重量％より大きく３．８重量％未満である、ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記アルミニウム合金は、低含有量のポアおよび含有物および／または少量の一次シリコンを有する微細なミクロ構造を有し、前記一次シリコンは、５μｍ未満の平均長および／または１０μｍ未満の最大長を有し、金属間相および／または一次沈殿物は３０μｍ未満の平均長および５０μｍ未満の最大長を有する、ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記エンジンコンポーネントのボウルリム領域における、前記アルミニウム合金の気孔率は０．０１％未満であり、および／または、一次シリコンの含有量は１％未満である、ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
少なくとも一部がアルミニウム合金からなる、エンジンコンポーネントであって、
前記アルミニウム合金は、合金元素として
シリコン：    ７重量％から１４．５重量％未満
ニッケル：    １．２重量％より大きく４重量％以下
銅；          ３．７重量％より大きく１０重量％未満
コバルト：    １重量％まで
マグネシウム：  ０．１重量％から１．５重量％
鉄：            ０．１重量％から０．７重量％以下
マンガン：      ０．１重量％から０．７重量％以下
ジルコニウム：    ０．１重量％より大きく０．５重量％未満
バナジウム：      ０．１重量％以上、０．３重量％以下
チタン：          ０．０５重量％から０．５重量％
リン：            ０．００４重量％から０．０５重量％以下
残余アルミニウムおよび不可避的不純物
を含む、ことを特徴とするエンジンコンポーネント。
【請求項１４】
前記エンジンコンポーネントは、内燃エンジン用のピストンである、ことを特徴とする請求項１３に記載のエンジンコンポーネント。
【請求項１５】
前記アルミニウム合金は、さらに
ベリリウム：    ０．０００５重量％から０．５重量％、および／または
カルシウム：    ０．０００５重量％まで
を含む、ことを特徴とする請求項１３または１４に記載のエンジンコンポーネント。
【請求項１６】
前記アルミニウム合金は、
シリコン：    ９重量％から１０．５重量％未満
ニッケル：    ２重量％より大きく３．５重量％未満
銅；          ５．２重量％より大きく１０重量％未満
コバルト：    １重量％まで
マグネシウム：  ０．５重量％から１．５重量％
鉄：            ０．１重量％から０．７重量％
マンガン：      ０．１重量％から０．４重量％
ジルコニウム：    ０．２重量％から０．４重量％未満
バナジウム：      ０．１重量％より大きく０．２重量％未満
チタン：          ０．０５重量％から０．２重量％未満
リン：            ０．００４重量％から０．００８重量％
残余アルミニウムおよび不可避的不純物
を含む、ことを特徴とする請求項１３から１５のいずれか一項に記載のエンジンコンポーネント。
【請求項１７】
前記アルミニウム合金は、
シリコン：    ９重量％から１０．５重量％未満
ニッケル：    １．２重量％より大きく２．０重量％未満
銅；          ５．２重量％より大きく１０重量％未満
コバルト：    １重量％まで
マグネシウム：  ０．５重量％から１．５重量％
鉄：            ０．１重量％から０．７重量％
マンガン：      ０．１重量％から０．４重量％
ジルコニウム：    ０．２重量％から０．４重量％未満
バナジウム：      ０．１重量％より大きく０．２重量％未満
チタン：          ０．０５重量％から０．２重量％未満
リン：            ０．００４重量％から０．００８重量％
残余アルミニウムおよび不可避的不純物
を含む、ことを特徴とする請求項１３から１５のいずれか一項に記載のエンジンコンポーネント。
【請求項１８】
前記アルミニウム合金は、
シリコン：    ９重量％から１２重量％未満
ニッケル：    ２重量％から３．５重量％未満
銅；          ３．７重量％より大きく５．２重量％
コバルト：    １重量％まで
マグネシウム：  ０．５重量％から１．５重量％
鉄：            ０．１重量％から０．７重量％
マンガン：      ０．１重量％から０．４重量％
ジルコニウム：    ０．２重量％から０．４重量％
バナジウム：      ０．１重量％から０．３重量％
チタン：          ０．１重量％から０．５重量％
リン：            ０．００４重量％から０．００８重量％
残余アルミニウムおよび不可避的不純物
を含む、ことを特徴とする請求項１３から１５のいずれか一項に記載のエンジンコンポーネント。
【請求項１９】
前記アルミニウム合金は、
シリコン：    ７重量％から１４．５重量％未満
ニッケル：    １．２重量％より大きく４重量％以下
銅；          ３．７重量％より大きく５．５重量％以下
コバルト：    １重量％まで
マグネシウム：  ０．１重量％から１．２重量％
鉄：            ０．１重量％から０．７重量％以下
マンガン：        ０．１重量％から０．７重量％以下
ジルコニウム：    ０．１重量％より大きく０．５重量％未満
バナジウム：      ０．１重量％以上０．３重量％以下
チタン：          ０．０５重量％から０．２重量％以下
リン：            ０．００４重量％から０．０５重量％以下
ベリリウム：      ０．０００５重量％から０．５重量％
カルシウム：      ０．０００５重量％まで
残余アルミニウムおよび不可避的不純物
を含む、ことを特徴とする請求項１３または１４に記載のエンジンコンポーネント。
【請求項２０】
前記アルミニウム合金内の鉄とマンガンの重量比は、５：１以下である、ことを特徴とする請求項１３から１９のいずれか一項に記載のエンジンコンポーネント。
【請求項２１】
前記アルミニウム合金内の鉄とマンガンの重量比は、２．５：１以下である、ことを特徴とする請求項２０に記載のエンジンコンポーネント。
【請求項２２】
ニッケルとコバルトの合計は、２．０重量％より大きく３．８重量％未満である、ことを特徴とする請求項１３から２１のいずれか一項に記載のエンジンコンポーネント。
【請求項２３】
前記アルミニウム合金は、低含有量のポアおよび含有物および／または少量の一次シリコンを有する微細なミクロ構造を有し、前記一次シリコンは、５μｍ未満の平均長および／または１０μｍ未満の最大長を有し、金属間相および／または一次沈殿物は３０μｍ未満の平均長および５０μｍ未満の最大長を有する、ことを特徴とする請求項１３から２２のいずれか一項に記載のエンジンコンポーネント。
【請求項２４】
前記エンジンコンポーネントのボウルリム領域における、前記アルミニウム合金の気孔率は０．０１％未満であり、および／または、一次シリコンの含有量は１％未満である、ことを特徴とする請求項２３に記載のエンジンコンポーネント。
【請求項２５】
エンジンコンポーネントを製造するためのアルミニウム合金の使用であって、
前記アルミニウム合金は、合金元素として
シリコン：    ７重量％から１４．５重量％未満
ニッケル：    １．２重量％より大きく４重量％以下
銅；          ３．７重量％より大きく１０重量％未満
コバルト：    １重量％まで
マグネシウム：  ０．１重量％から１．５重量％
鉄：            ０．１重量％から０．７重量％以下
マンガン：      ０．１重量％から０．７重量％以下
ジルコニウム：    ０．１重量％より大きく０．５重量％未満
バナジウム：      ０．１重量％以上、０．３重量％以下
チタン：          ０．０５重量％から０．５重量％
リン：            ０．００４重量％から０．０５重量％以下
残余アルミニウムおよび不可避的不純物
を含む、ことを特徴とするアルミニウム合金の使用。
【請求項２６】
前記エンジンコンポーネントは、内燃エンジン用のピストンである、ことを特徴とする請求項２５に記載の使用。
【請求項２７】
前記アルミニウム合金は、さらに
ベリリウム：    ０．０００５重量％から０．５重量％、および／または
カルシウム：    ０．０００５重量％まで
を含む、ことを特徴とする請求項２５または２６に記載の使用。
【国際調査報告】
2017519105.tif 000003
2017519105.tif 000004
2017519105.tif 000005
2017519105.tif 000006
2017519105.tif 000007
2017519105.tif 000008