JP2007522348A - アルミニウム合金系の材料、その製造方法並びにその使用 - Google Patents

Abstract

本発明は５．５〜１３．０質量％のケイ素の含有量と、式
Ｍｇ［質量％］＝１．７３×Ｓｉ［質量％］＋ｍ
（ｍ＝１．５〜６．０質量％マグネシウム）によるマグネシウムの含有量、並びに１．０〜４．０質量％の銅の含有量を有するアルミニウム−ベース合金を製造し、前記ベース合金をその後で少なくとも１回熱間加工し、並びに次いで固溶化熱処理、焼き入れ及び熱時効処理からなる熱処理を行う、材料の製造方法に関する。マグネシウムは、上記の式によりそれぞれの所望のケイ素含有量に依存して添加される。本発明による方法により得られた材料は、低密度及び高強度により優れている。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載のアルミニウム合金系の材料の製造方法、前記方法を用いて得られた材料並びに前記材料の使用に関する。

ここ数年において、自動車用の内燃機関において、向上された比効率を有する、より軽量でかつよりコンパクトな装置に向かう傾向が観察されることが多くなっている。これにより、特にこのために使用されるピストンの負荷は次第に高まることになる。前記傾向を、構造の変更によっても、また特に新規の適当な材料の開発によっても考慮することができる。この場合、高耐熱性で比較的軽量の材料に対する要望が特に重要視される。

今までには、ピストンは通常ではアルミニウム−ケイ素−鋳造合金から製造されている。良好な鋳造特性のために、アルミニウム−ケイ素−合金系のピストンは比較的安価でかつダイカスト鋳造法で簡単に製造される。

この材料は、一般に１２〜１８質量％、特殊な場合には２４質量％までのケイ素含有量で、並びに１〜１．５質量％のマグネシウム、１〜３質量％の銅及び頻繁に１〜３質量％のニッケルを混入して合金化される。このような合金の耐熱性を改善するために、例えばUS 6 419 769 A1によると、５．６〜８．０質量％の銅含有量に調節することが推奨される。FR 2 690 957 A1によると、この種の合金の強度はチタン、ジルコニウム及びバナジウムの元素の添加により付加的に向上する。もちろん、前記の強度を増す元素の合金化によって前記材料の密度は高くなってしまう。

低減された比重を有する耐熱性合金は、特許明細書DE 747 355において、ピストン用に特に有利であることが記載されている。この材料は、４〜１２質量％のマグネシウム含有量及び０．５〜５質量％のケイ素含有量を特徴とし、その際、前記ケイ素含有量は、マグネシウム含有量の半分よりも常に低い。さらに、０．２〜５質量％の銅及び／又はニッケルも合金化されている。この材料は、強度を増す成分を合金化せずにも改善された耐熱性により優れている。

DE 38 42 812 A1には、５〜２５質量％のケイ化マグネシウムを有するアルミニウム合金系の鋳造軽量材料が記載されている。ケイ化マグネシウムの他に、さらにケイ素の過剰量（１２質量％まで）並びにマグネシウムの過剰量（１５質量％まで）が有利であるとされている。さらに、銅、ニッケル、マンガン及びコバルトを５質量％まで合金化することもできる。引用形式請求項５には、付加的に三元系Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇにおいて＜７００℃の液相線温度を制限限界として挙げている。マグネシウムもしくはケイ素の過剰量から得ることができる機械的特性の利点もしくは欠点は詳細には記載されていない。

これらの公知の材料は例外なく鋳造材料である。もちろん、さらに低い密度を有しかつさらに高い強度を有する材料の需要もあり、この材料は鋳造法だけを使用することによって今までには製造できない。

従って、本発明の主題は、５．５〜１３．０質量％のケイ素の含有量と、付加的に式Ｍｇ［質量％］＝１．７３×Ｓｉ［質量％］＋ｍ （ｍ＝１．５〜６．０質量％マグネシウム）のマグネシウムの含有量と、１．０〜４．０質量％の銅の含有量（残りアルミニウム）を有するアルミニウム−ベース合金を溶融させ、鋳造するか又は溶射成形（Spruehkompaktieren）により予備圧縮し、かつこのベース合金を引き続き少なくとも１回熱間加工し、並びに次いで固溶化熱処理、焼き入れ及び熱時効処理からなる熱処理を行う、材料の製造方法である。

マグネシウムは、つまり、上記の式によりそれぞれの所望のケイ素含有量に依存して添加される。この場合、マグネシウムの一部（１．７３×Ｓｉ含有量）は、ケイ素と直接反応してケイ化マグネシウムになり、残りの１．５〜６．０質量％のマグネシウムはアルミニウム結晶中に溶解し、かつ適当な熱処理の後に銅と一緒に材料の強度向上を生じさせる。この材料はアルミニウム合金中に通常の不純物を含有していてもよい。付加的に、さらなる強度向上の目的のために、他の合金元素を合金化することも有効であると考えられる。例えば、僅かな添加物量（０．０５〜０．２％のチタン、ジルコニウム又はバナジウム（FR 2 690 957A1））の強度を増す効果は公知であり、同様にＡｌＣｕ合金の場合に耐熱特性に有利に作用する０．１〜０．５％の銀の作用も公知である。多くのアルミニウム−銅−マグネシウム合金について付加的に使用される他の合金元素、例えばニッケル、コバルト又はマンガン又は鉄の少量（０．２〜２％）の添加は、機械特性についての欠点なしに行われる。しかしながら、前記の元素の添加により、大抵は必要とされる軽量構造材料の密度を高めてしまう。

本発明による方法により得られる材料は、その低い密度の他に優れた強度特性を特徴とし、前記強度特性は高温でも通常使用されているピストン合金と比較して優れていることが判明した。

有利な実施態様は、引用形式請求項に記載されている。

前記ベース合金は、全ての公知の熱間加工、例えば押出成形、熱間圧延又は鍛造で処理することができる。前記熱間加工は、５倍より大きな変形度で実施することが好ましい。

材料の品質に悪影響を与えないために、使用したアルミニウムもしくはベース合金は、異種元素を僅かな割合で、つまり異種原子あたりそれぞれ１質量％以下で含有するのが好ましい。

最大強度特性の達成のために、有利に熱間加工の後で熱処理を実施する。これは、自体公知の方法で、固溶化熱処理、焼き入れ及び熱時効処理により行うことができる。

本発明による材料は、全ての種類の部材、特に内燃機関用のピストンの製造のために適している。

実施例１：
次の組成：
ケイ素 ８．１質量％
マグネシウム １７．２質量％
銅 １．７質量％
鉄 ０．３質量％
ベリリウム ５０ｐｐｍ
残りアルミニウム
の合金Ａを、前記の個々の元素を通常の方法で合金化し、溶射成形法を用いて円柱状のブロックに成形することによって製造した。生じた出発材料を４００〜５００℃に予熱し、押出加工により１０倍に変形し、引き続き硬化させた。さらに、５００℃で２時間の固溶化熱処理、水中での焼き入れ及び２１０℃で１０時間の熱時効処理を有する熱処理を実施した。

ベリリウムを添加し、融液の酸化傾向を低下させた。鉄が不純物として分析された。

実施例２：
次の組成：
ケイ素 ６．０質量％
マグネシウム １２．５質量％
銅 ２．１質量％
鉄 ０．２質量％
ベリリウム ５０ｐｐｍ
リン酸マグネシウム １．０質量％
残りアルミニウム
の合金Ｂを、前記の個々の元素を通常の方法で合金化し、連続鋳造法を用いて円柱状のブロックに鋳造することによって製造した。生じた出発材料を４００〜５００℃に予熱し、押出加工により１０倍に変形し、引き続き硬化させた。さらに、５００℃で２時間の固溶化熱処理、水中での焼き入れ及び２１０℃で１０時間の熱時効処理を有する熱処理を実施した。

ベリリウムを添加し、融液の酸化傾向を低下させ、リン酸マグネシウムは最初に凝固するケイ酸マグネシウムの細粒化のために用いた。鉄が不純物として分析された。

実施例３：
次の組成：
ケイ素 １２．９質量％
マグネシウム ２５．１質量％
銅 １．９質量％
鉄 ０．１５質量％
ベリリウム ５０ｐｐｍ
リン酸マグネシウム ０．９質量％
残りアルミニウム
の合金Ｃを、前記の個々の元素を通常の方法で合金化し、連続鋳造法を用いて円柱状のブロックに鋳造することによって製造した。生じた出発材料を４００〜５００℃に予熱し、押出加工により１０倍に変形し、引き続き硬化させた。さらに、５００℃で２時間の固溶化熱処理、水中での焼き入れ及び２１０℃で１０時間の熱時効処理を有する熱処理を実施した。

ベリリウムを添加し、融液の酸化傾向を低下させ、リン酸マグネシウムは最初に凝固するケイ酸マグネシウムの細粒化のために用いた。鉄が不純物として分析された。

製造された材料は次の特性を示した：

本発明による材料は、英国アルミニウム標準２６１８と比較して、より低い密度及びより高いＥモジュラスを特徴としていた。達成された静的強度特性は、高強度鍛錬用合金２６１８に匹敵する。測定された疲労強度は、前記鍛錬用合金２６１８で達成された値を明らかに上回った。US 6 419 769 Aからの鋳造合金に対して、本発明による材料は静的試験も動的試験も上回った。本発明による材料は、前記の特性の組合せに基づき特に内燃機関用のピストンの製造のために適している。

Claims (13)

1. ５．５〜１３．０質量％のケイ素の含有量と、式
   Ｍｇ［質量％］＝１．７３×Ｓｉ［質量％］＋ｍ
   （ｍ＝１．５〜６．０質量％マグネシウム）によるマグネシウムの含有量と、並びに１．０〜４．０質量％の銅の含有量とを有するアルミニウム−ベース合金を製造し、前記ベース合金をその後で少なくとも１回熱間加工し、並びに次いで固溶化熱処理、焼き入れ及び熱時効処理からなる熱処理を行う、材料の製造方法。
2. ベース合金が溶射成形法を用いて製造されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. ベース合金が連続鋳造法を用いて製造されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
4. ベース合金がダイカスト鋳造法を用いて製造されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
5. ベース合金は、形成される一次ケイ化マグネシウムの細粒化の目的で、リン酸マグネシウム０．５〜１．５質量％を含有することを特徴とする、請求項３又は４記載の方法。
6. ベース合金を、押出成形、熱間圧延又は鍛造により熱間加工することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 熱間加工を５倍より大きい変形度で実施することを特徴とする、請求項３記載の方法。
8. １．５〜０．３質量％の銅を合金化することを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 使用されたアルミニウムはそれぞれ１質量％より多くない異種元素を含有することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 材料を５００℃で２時間十分に加熱し、水中で急冷し、引き続き２００℃で１０時間焼き戻すことを特徴とする、請求項１記載の方法。
11. 請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法により得られたアルミニウム合金系の材料。
12. 部材を製造するための、請求項１１記載の材料の使用。
13. 請求項１２記載の部材、つまり内燃機関用のピストン。