(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ：８．０〜１２．０wt％、Ｃｕ：８．０〜１２．０wt％およびＭｇ：０．１〜２．０wt％を含み、残部Ａｌおよび不純物からなり、共晶Ｓｉの平均粒径が５０μｍ以下であり、さらに共晶ＳｉおよびＣｕ系晶出物を合計４０％以下の面積率で含有することを特徴とするエンジンピストン用アルミニウム合金材。
【請求項２】
前記共晶Ｓｉの平均粒径が１０μｍ以下である請求項１に記載のエンジンピストン用アルミニウム合金材。
【請求項３】
前記共晶ＳｉおよびＣｕ系晶出物の合計の面積率が３５％以下である請求項１または２に記載のエンジンピストン用アルミニウム合金材。
【請求項４】
Ｓｉ：８．０〜１２．０wt％、Ｃｕ：８．０〜１２．０wt％およびＭｇ：０．１〜２．０wt％を含み、残部Ａｌおよび不純物からなるアルミニウム合金を所要形状に成形し、４９０〜５００℃で２〜４時間溶体化処理後焼入れし、さらに１７０〜２２０℃で２時間以上の時効処理を施すことを特徴とするアルミニウム合金製エンジンピストンの製造方法。
【請求項５】
前記溶体化処理温度が４９５〜５００℃である請求項４に記載のアルミニウム合金製エンジンピストンの製造方法。
【請求項６】
前記時効処理温度が１８０〜２００℃である請求項４または５に記載のアルミニウム合金製エンジンピストンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車のエンジンピストン用アルミニウム合金材およびアルミニウム合金製エンジンピストンの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のエンジンピストンは、シリンダ内壁と接触して摺動するために耐摩耗性や硬度を要求されるのみならず、摺動により２００℃以上に加熱されるために耐熱強度を要求される。一方、車輌の軽量化を図るために、ピストン材料としてアルミニウム合金、例えば４０３２等のＡｌ−Ｓｉ系合金の使用が検討されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来ピストン材料として用いられているアルミニウム合金は、硬度や耐熱強度が十分でなく使用中の変形が危惧されるものであった。また、熱膨張や材料中の溶質元素の析出による寸法増加が起こり、シリンダとの接触圧力が増加するという問題点もあった。
【０００４】
この発明は、このような技術背景に鑑み、高温下でも高い硬度を維持するとともに、寸法変化を抑制しうるエンジンピストン用アルミニウム合金材、およびこのアルミニウム合金材を用いたエンジンピストンの製造方法の提供を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明のエンジンピストン用アルミニウムニウム合金材は、Ｓｉ：８．０〜１２．０wt％、Ｃｕ：８．０〜１２．０wt％およびＭｇ：０．１〜２．０wt％を含み、残部Ａｌおよび不純物からなり、共晶Ｓｉの平均粒径が５０μｍ以下であり、さらに共晶ＳｉおよびＣｕ系晶出物を合計４０％以下の面積率で含有することを特徴とする。
【０００６】
また、この発明のアルミニウム合金製エンジンピストンの製造方法は、Ｓｉ：８．０〜１２．０wt％、Ｃｕ：８．０〜１２．０wt％およびＭｇ：０．１〜２．０wt％を含み、残部Ａｌおよび不純物からなるアルミニウム合金を所要形状に成形し、４９０〜５００℃で２〜４時間溶体化処理後焼入れし、さらに１７０〜２２０℃で２時間以上の時効処理を施すことを特徴とする。
【０００７】
この発明のエンジンピストン用アルミニウム合金材の化学組成において、各元素の添加意義と含有量の限定理由は次のとおりである。
【０００８】
即ち、Ｓｉは、母材硬度および耐摩耗性を向上させるとともに熱膨張係数を低下させて高温下における寸法増加を抑制するために添加される。これらの効果を得るために、Ｓｉは８wt％以上必要である。ただし、Ｓｉ初晶が粗大になったり多量になると機械的性質が低下したり、加工工具の摩耗による劣化が激しくなるおそれがあるため、Ｓｉ含有量は共晶点付近の８．０〜１２．０wt％とする。Ｓｉ含有量の好ましい下限値は１０．０wt％、好ましい上限値は１２．０wt％である。
【０００９】
Ｃｕは、母相に固溶して強度を向上させる効果がある。また、熱処理後にはＡｌ−Ｃｕ（−Ｍｇ）相を析出して母材強度を向上させる。ＣｕのＡｌへ最大固溶量は状態図から５．６５wt％であるが、所定形状への鋳物製造時または押出用ビレットの鋳造時にＣｕ系晶出物が生じる。このため、固溶・析出強化に有効に働くＣｕ量を十分に確保するために、Ｃｕ含有量は最大固溶量を超える８．０〜１２．０wt％とする。Ｃｕ含有量の好ましい下限値は９．０wt％、好ましい上限値は１１．０wt％である。
【００１０】
Ｍｇは、ＳｉとＭｇ2Ｓｉ化合物を形成して、析出により母材強度を向上させる。Ｍｇ含有量は、０．１wt％未満では前記効果が乏しく、２．０wt％を超えて多くなっても効果が飽和するため、０．１〜２．０wt％とする。Ｍｇ含有量の好ましい下限値は０．２wt％、好ましい上限値は１．０wt％である。
【００１１】
さらに、前記エンジンピストン用アルミニウム合金材は、化学組成を上述の範囲に規定した上で、金属組織においては、共晶Ｓｉの平均粒径を５０μｍ以下に制御して粗大Ｓｉ粒子を排除し、さらに共晶ＳｉおよびＣｕ系晶出物を合計４０％以下の面積率で含有することによって、機械的性質を向上させ、高温下における高い硬度の維持を実現している。共晶Ｓｉの好ましい平均粒径は１０μｍ以下であり、共晶ＳｉおよびＣｕ系晶出物の合計の好ましい面積率は３５％以下である。
【００１２】
この発明のエンジンピストンの製造方法は、前記組成のアルミニウム合金を材料として所定の熱処理を行うことにより、溶質元素の析出を制御し、材料の強度向上と寸法安定性を実現させるものである。
【００１３】
前記熱処理は、材料を所要のピストン形状に成形した後に行う。ピストン形状への成形は、鋳造、押出、鍛造等で行い、鋳造または押出後にさらに鍛造する場合も含む。
【００１４】
前記熱処理において、まず４９０〜５００℃で溶体化処理を行う。溶体化処理は、成形後の冷却過程で析出した溶質元素を十分に母材に再固溶させるためにできるだけ高温で処理することが好ましいが、温度が高すぎると共晶融解により材料中に膨れ等の欠陥ができるおそれがあるため、前記温度範囲で行う。溶体化処理温度の特に好ましい下限値は４９５℃、特に好ましい上限値は５００℃である。次いで、水または温水中に焼入れして過飽和固溶体を形成した後、１７０〜２２０℃で２時間以上の時効処理を行う。時効温度および時間は製品の要求値によって最適値が異なるが、１７０℃未満では所要硬度に達するまでに長時間を要し、また２２０℃．を超えると短時間で過時効となり硬度が低下するため処理時間の制御が困難である。時効温度の特に好ましい下限値は１８０℃、特に好ましい上限値は２００℃である。
【００１５】
【実施例】
次に、この発明のエンジンピストン用アルミニウム合金材およびアルミニウム合金製エンジンピストンの製造方法の具体的実施例について詳述する。
［実験例１］
後掲の表１に示す４種類の組成のアルミニウム合金について、８インチビレットを鋳造し、４７０±５℃で１０〜１２時間均質化処理した。次いで、該ビレットを３８０℃に加熱し、押出製品速度２〜２．５ｍ／ｍｉｎ、押出比９０で押出した。これらの押出材を４９５℃×２時間の溶体化処理後焼入れし、２００±２℃で、それぞれ２時間、４時間、６時間、８時間の時効処理を施して試験材とした。なお、比較例１のアルミニウム合金は、この発明の特徴的成分の一つであるＣｕ含有量が発明の範囲から外れている。
【００１６】
各試験材について、硬度（ＨＲＢ）および常温〜３００℃における熱膨張係数を測定した。また、各試験材のうち６時間時効材については、顕微鏡観察により共晶Ｓｉの平均粒径、共晶ＳｉおよびＣｕ系晶出物の面積率を測定した。これらの結果を表１に併せて示す。
【００１７】
【表１】
0004253414.tif 000002
【００１８】
さらに、各試験材のうち６時間時効材について、２００℃または２５０℃の高温下でそれぞれ２００時間保持して硬度変化を調べた。結果を表２に示す。
【００１９】
【表２】
0004253414.tif 000003
【００２０】
さらに、各試験材を２００℃で２００時間保持して寸法変化を調べた。寸法変化は、熱処理後常温で、長さ２９mm試験片に対する寸法変化量を測定し、永久伸び（％）として評価した。結果を表３に示す。
【００２１】
【表３】
0004253414.tif 000004
【００２２】
表１の結果より、この発明の実施例では熱膨張係数が小さくなって高温下における寸法増加を抑制しうること、ならびに高い硬度が得られることを確認した。また各実施例では、共晶Ｓｉの平均粒径はいずれも１０μｍ以下の微細なもので粗大結晶は認められず、共晶ＳｉおよびＣｕ系晶出物が合計が占める面積率は４０％以下となった。さらに、表２および表３の結果より、２００℃の高温で保持しても高い硬度を維持しうること、寸法変化も抑制しうることを確認した。この寸法変化は、母相中の溶質元素の過飽和度減少に伴い小さくなるので、本発明品を過時効処理として従来品と同様の硬度を確保しつつ寸法変化を抑制する効果も得られる。
【００２３】
〔実験例２〕
Ｓｉ：１０．０wt％、Ｃｕ：９．１wt％、Ｍｇ：０．７３wt％、残部Ａｌおよび不純物からなるアルミニウム合金で８インチビレットを鋳造し、４７０±５℃で１０〜１２時間均質化処理した。次いで、該ビレットを３８０℃に加熱し、押出製品速度２〜２．５ｍ／ｍｉｎ、押出比５で直径９０mmの丸棒に押出し、さらにピストン形状に鍛造した。この鍛造品を４９５℃×２．５時間の溶体化処理後焼入れし、２００±２℃で８時間の時効処理を施した。この熱処理鍛造品について、５つの部位から各４片の試験片を切り取り、硬度を測定した、また、比較例１１として一連の熱処理を行わない鍛造品についても硬度を測定した。測定結果を表４に示す。
【００２４】
【表４】
0004253414.tif 000005
【００２５】
表４の結果から、成形後に所定の熱処理を施すことにより高い硬度が得られることを確認した。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明のエンジンピストン用アルミニウム合金材は、Ｓｉ：８．０〜１２．０wt％、Ｃｕ：８．０〜１２．０wt％およびＭｇ：０．１〜２．０wt％を含み、残部Ａｌおよび不純物からなる組成を有することにより、熱膨張係数を小さくして高温下での寸法変化を抑制できる。また、その組織は、共晶Ｓｉの平均粒径が５０μｍ以下であり、さらに共晶ＳｉおよびＣｕ系晶出物を合計４０％以下の面積率で含有するものであり、粗大結晶を排除しているため、優れた機械的強度を持ち、高温下でも高い硬度を維持する。
【００２７】
また、この発明のアルミニウム合金製エンジンピストンの製造方法は、Ｓｉ：８．０〜１２．０wt％、Ｃｕ：８．０〜１２．０wt％およびＭｇ：０．１〜２．０wt％を含み、残部Ａｌおよび不純物からなるアルミニウム合金を所要形状に成形し、４９０〜５００℃で２〜４時間溶体化処理後焼入れし、さらに１７０〜２２０℃で２時間以上の時効処理を施すものであるから、溶質元素の固溶、析出を製品に要求値によって種々に制御し、高温下でも高い硬度を維持するとともに、溶出元素の析出に伴う寸法変化を抑制できる。