JPH05345945A - アルミニウム合金 - Google Patents

アルミニウム合金

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JPH05345945A
JPH05345945A JP3016125A JP1612591A JPH05345945A JP H05345945 A JPH05345945 A JP H05345945A JP 3016125 A JP3016125 A JP 3016125A JP 1612591 A JP1612591 A JP 1612591A JP H05345945 A JPH05345945 A JP H05345945A
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piston
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ディー．スコット ジェラルド
S Shabell Barry
エス．シャベル バリー
Morales Anthony
モラレス アンソニー
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 内燃機関のピストンで使用するに適したアル
ミニウム合金の提供。 【構成】 少なくとも９．０重量％のＳｉと、３．０〜
７．０重量％のＮｉと、１．５〜６．０重量％のＣｕ
と、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｓｃ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｓｒ、Ｚｎ、
Ｂ及びＣｒから選ばれた元素の少なくとも１つと、残部
としてのアルミニウム及び不純物とからなる高温用アル
ミニウム合金。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はアルミニウム合金に係
り、特にピストンあるいは他の内燃機関部品のような高
温度利用に適するアルミニウム合金に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】ピストンにアルミニウムを使用すること
について、幾つかの合金が提案されている。例えば、
Ｊ．Ｅ．ハナフィーは、１９６３年１０月のモダン・キ
ャスティングズ誌における「アルミニウム−ケイ素合金
の高温硬さに及ぼすニッケルの影響」と題する論文中
で、亜共晶および過共晶合金を提案している。ハナフィ
ーは過共晶のもとで、重量％でＮｉ４．７０、Ｓｉ１
０．２、Ｃｕ１．１２、Ｍｇ１．１６、Ｆｅ０．５３、
Ｔｉ０．１８、残部アルミニウムからなる合金を提案し
ている。ハナフィーは、より複雑な合金にニッケルを加
えることが安定な硬質粒子の量を増すことによって室温
及び高められた温度での硬さを改善することを期待でき
ると提案している。しかしながら、彼は、３１５．５℃
（６００°Ｆ）まで加熱する際に、合金が硬さの初期急
速減少を受け、次にニッケル含有量に依存してその硬さ
を５時間までの間温度で維持したことに注目した。加え
て、カースカーほか（米国特許第４，６８１，７３６
号）は、本質的におよそ次のパーセンテージの材料から
なるアルミニウム合金を開示している。Ｓｉ＝１４〜１
８、Ｆｅ＝０．４〜２、Ｃｕ＝４〜６、Ｍｇ＝１以下、
Ｎｉ＝４．５〜１０、Ｐ＝０．００１〜０．１（回収さ
れた量）、残部が粒度調製剤、Ａ１及び付随的な不純
物。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】それ故、新しいアルミ
ニウム合金を提供することが、本発明の目的である。内
燃機関のピストンで使用するに適する新しいアルミニウ
ム合金を提供することが、本発明の別の目的である。内
燃機関のような高温度用に適する新しいアルミニウム合
金を提供することが、本発明の更に別の目的である。本
発明の更に別の目的は、鍛造ピストンに適する新しいア
ルミニウム合金を提供することである。更に、鋳造ピス
トンに適する新しいアルミニウム合金を提供すること
が、本発明の別の目的である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明のこの目的並びに
他の目的は、本明細書を読むこと及び特許請求の範囲を
検証することから明らかになろう。従って、高温度用と
して好適なアルミニウム合金は、少なくとも９．０重量
％のＳｉと、３．０〜７．０重量％のＮｉと、１．０〜
６．０重量％のＣｕと、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｓｃ、Ｆｅ、
Ｔｉ、Ｓｒ、Ｚｎ、Ｂ及びＣｒから選ばれた少なくとも
１つの元素と、残部としてのアルミニウム及び不純物と
からなる
【０００５】
【実施例】本発明合金は、少なくとも９．０重量％のＳ
ｉと、３．０〜７．０重量％のＮｉと、１．５〜６．０
重量％のＣｕと、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｓｃ、Ｆｅ、Ｔｉ、
Ｓｒ、Ｚｎ、Ｂ及びＣｒから選ばれた少なくとも１つの
元素と、残部としてのアルミニウム、付随的元素及び不
純物とを含むことができる。不純物は好ましくはそれぞ
れ約０．０５重量％以下に制限され、不純物の化合物は
０．３５重量％を超えるべきではない。
【０００６】本発明による好適な合金は９．０〜１４．
０重量％（好ましくは９．０〜１３．０重量％）のＳｉ
と、３．０〜６．０重量％のＮｉと、１．５〜５．０重
量％（好ましくは３．０〜５．０重量％）のＣｕと、最
大０．８重量％（好ましくは０．５重量％）のＭｇと、
最大１．０重量％のＭｎと、最大０．３重量％のＶとを
含むことができる。合金中にＳｃ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｓｒ、
Ｚｎ、Ｂ及びＣｒの選択された添加がなされ得る。例え
ば、これらの元素は次のように添加されることができ
る。０．３重量％以下のＳｃ、最大０．３重量％（好ま
しくは０．１重量％）のＳｒ、０．２重量％以下のＢ及
びＣｒ、最大０．６重量％のＦｅ、最大０．２５重量％
のＴｉ、及び最大０．５重量％のＺｎ。
【０００７】典型的な合金は、１０〜１１重量％のＳｉ
と、４〜６重量％のＮｉと、２〜５重量％のＣｕと、
０．１〜０．８重量％のＭｇと、０．０５〜０．２重量
％のＭｎと、０．０１〜０．１重量％のＶと、随意的に
０．０５〜０．１重量％のＳｃと、０．０５〜０．８重
量％のＦｅと、０．０３〜０．１２重量％のＴｉと、
０．００５〜０．０５重量％のＳｒと、０．０５〜０．
２重量％のＺｎと、最大０．１重量％のＢと、最大０．
２０重量％のＣｒとを含むことができる。
【０００８】Ｍｇは、Ｍｇを含まない同様な組成物と比
較して高められた温度における高い強さに寄与する。Ｎ
ｉはアルミ化ニッケルの生成を導き、かつまた高温強度
に寄与する。準安定な形Ａｌ3Ｎｉ2が最初に生じ、３４
３．３℃（６５０°Ｆ）及び３７１．１℃（７００°
Ｆ）で１０００時間後、安定なＡｌ3Ｎｉが生じ始め
る。
【０００９】Ｍｎ、Ｖ、Ｓｃ、Ｂ、Ｃｒ及びＴｉは粒度
調製剤として与えられる。Ｍｎ及びその他は、この特別
の合金で追加の粒度調製を行うために添加される。Ｓｃ
は、使用時に若干の粒度調製を行う作用を有するが、高
温において析出を提供する能力を有し、このため高温用
としての合金の強度に寄与する。即ち、Ｓｃは析出を生
じるために高温時効を必要とする。Ｓｒは、延性を増や
すため及びより良い特性を提供するためにＳｉ粒子を改
良し且つ調製する。Ｚｎ及びＭｇは、低温適用時におけ
る強度を与える。しかしながら、Ｍｇの量は、インゴッ
ト鋳造中の高温割れを回避するために、そして高温度に
おいてそれが特性に有害なより大きな粒子を生じる作用
を有する故に、比較的低く保たれるべきであることは重
要である。また、Ｆｅは制御され、かつインゴット鋳造
を促進するためのものである。Ｂは、典型的には、特に
合金がＴｉ−Ｂ母合金を用いて製造された場合にＴｉと
共に存在する。
【００１０】Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｕの存在はＡｌ−Ｆｅ−
Ｎｉ−ＣｕまたはＡｌ−Ｆｅ−Ｎｉなる二次相を提供
し、それは極めて安定であり、かつまた高められた温度
での強度に寄与する。本発明の合金は、高温度において
鋳造された形で機能する能力によって注目される。しか
しながら、最良の特性は鍛造され且つ熱処理された状態
で得られる。１つの応用は、内燃機関、特に機関動作温
度が通常よりも高比出力機関のための鋳造又は鍛造ピス
トンである。合金の他の応用は、エンジン−ブロック、
シリンダヘッド、圧縮機本体及び高温度での運転が特定
された他の機器であることができる。合金は高温度ディ
ーゼル機関で特に良好な運転を与えることができる。
【００１１】合金は、鋳造のままの状態（アズキャス
ト）及び加工され又は鍛造された状態から使用のために
熱処理されることができる。例えば、Ｔ５焼戻しが、ア
ズキャストの製品を２０４．４℃（４００°Ｆ）〜２６
０℃（５００°Ｆ）の範囲で６〜１２時間加熱すること
によって達成され、好適なＴ５焼戻しはアズキャストの
製品を２１８．３℃（４２５°Ｆ）〜２４６．１℃（４
７５°Ｆ）で７〜１０時間処理することによって達成さ
れる。室温におけるＴ５状態での硬さは、ほぼＲ B６６
〜６７であり、それはほぼ１２０ＢＨＮに相当する。
【００１２】本発明合金は、鋳造用合金である以外に、
粉末冶金応用のための粉末の形での使用に適する。この
ため、本発明による合金は改善された高温度強度を与え
ると同時に摩耗抵抗及び満足し得る鋳造性及び加工性を
保持する利益を有することは理解されよう。更に、Ｓｃ
及びＮｉによる安定な分散強化が、改善された疲労抵抗
と強度を与える。本発明合金は、２６０℃（５００°
Ｆ）〜３１５．５℃（６００°Ｆ）の範囲の温度で改善
された強度を与える利点を有し、更に熱間亀裂を生ずる
ことなく、鍛造ピストンを得るために十分押出可能であ
り、かつ鍛造可能である。
【００１３】上述したように、制御された合金元素量を
有する合金を提供することと同様に、合金が最も望まし
い特性を提供するために特別の方法の段階に従って調製
されることは好ましい。このため、ここで説明される合
金は連続鋳造が好ましい当業界で現在採用されている技
術によって適当な加工された製品に二次加工するための
インゴット又はビレットとして提供得る。鋳造インゴッ
トは、その後の加工作業のために適する素材を提供する
ように予備的に加工され又は成形され得る。主加工作業
に先立って、合金素材は好ましくは均質化の作用を受
け、かつ好ましくは少なくとも１時間の間、約３７１．
１℃（７００°Ｆ）〜５３７．７℃（１０００°Ｆ）の
金属温度において、マグネシウム及び珪素又は他の可溶
性元素を溶解させ、且つ金属の内部組織を均質化する。
好適な時間は、前記均質化温度で２時間以上である。通
常、昇温及び均質化処理は２４時間より長くなってはい
けないが、より長い時間は通常は有害ではない。均質化
温度において３〜１２時間が極めて適当であることが判
明している。
【００１４】均質化処理の後、金属は圧延又は押出され
ることができ、または別に加工作業の作用を受けること
ができ、最終製品への成形に適する平らな圧延製品また
は押出加工物または他の素材のような素材を作る。例え
ば、ピストンを鍛造するために適する押出加工物を作る
ために、ビレットは好ましくは約３７１．１℃（７００
°Ｆ）〜５１０℃（９５０°Ｆ）の間の温度まで加熱さ
れ、押出加工はこの温度範囲で開始される。典型的な押
出速度は２．７〜３．６メートル／分（９〜１２フィー
ト／分）であってよい。次に、押出加工物は切断材さ
れ、かつピストンに鍛造される。鍛造のために、押出加
工物は３１５．５℃（６００°Ｆ）〜５１０℃（９５０
°Ｆ）まで、好ましくは３９８．８℃（７５０°Ｆ）〜
４５４．４℃（８５０°Ｆ）まで加熱され得る。その
後、鍛造製品は溶体化熱処理され、焼入れされ、かつ時
効処理される。溶体化熱処理は、４８２．２℃（９００
°Ｆ）〜５３７．７℃（１０００°Ｆ）の温度範囲で、
好ましくは５１０℃（９５０°Ｆ）〜５３５℃（９９５
°Ｆ）の温度範囲で行われ得る。その後、製品は急冷さ
れ、例えば水中焼入れされる。時効は、自然時効であっ
てよいが、好ましくは人工的時効であり、それは数段階
で行われることができ、または製品に６５．５℃（１５
０°Ｆ）〜２８７．７℃（５５０°Ｆ）、好ましくは１
４８．８℃（３００°Ｆ）〜２０４．４℃（４００°
Ｆ）で少なくとも３時間、典型的には１０〜３０時間処
理することによって単一の段階で行われ得る。Ｓｃを含
む合金については、時効温度は２６０℃（５００°Ｆ）
〜４２１．１℃（７９０°Ｆ）であることができ、典型
的には２６０℃（５００°Ｆ）〜３７１．１℃（７００
°Ｆ）である。製品は適当な寸法に機械加工され得る。
【００１５】重量パーセントで次の組成、即ちＳｉ１
２．４、Ｆｅ０．４１と、Ｃｕ１．９、Ｍｎ０．０６
と、Ｍｇ０．０２と、Ｎｉ３．８と、Ｃｒ０．１３と、
Ｔｉ０．１１および、Ｓｒ０．０３とを有する合金が、
インゴットに鋳造された。インゴットは、若干の表面多
孔性を除去するために機械加工され、押出加工に先立っ
て約４２６．６℃（８００°Ｆ）まで加熱された。イン
ゴットは約４２６．６℃（８００°Ｆ）で開始して直径
１０５．６ｍｍ（４．１６インチ）に押出された。押出
された合金はピストンに鍛造され、それは５２０℃（９
６８°Ｆ）で溶体化熱処理され、Ｔ６焼戻しまで１９
０．５℃（３７５°Ｆ）で１０時間時効処理を受けた。
Ｔ６状態における本発明による合金のピストンの機械的
特性は、表１に示される。
【００１６】
【表１】 表１ 315.5 ℃（600 °F)で 室温 (100時間暴露後) YS TS % E1(% RA) YS TS % E1(% RA) AA4032 45.8 52.2 4.8 (10) 5.9 7.4 34.3 (67.8) ピストン 合 金 20.6 39.0 6.0 (7.9) 6.5 8.4 27.0 (50.9)
【００１７】また、ピストンのために使用されるＴ６状
態のＡＡ４０３２の典型的な機械的特性が比較のために
示されている。本発明による合金は、３１５．５℃（６
００°Ｆ）において降伏強さ（ＹＳ）及び引張強さ（Ｔ
Ｓ）のかなりの向上を与えることができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アンソニー モラレス アメリカ合衆国 アイオワ州，ベッテンド ーフ，ハンター ロード 2570

Claims (47)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも９．０重量％のＳｉと、３．
    ０〜７．０重量％のＮｉと、１．５〜６．０重量％のＣ
    ｕと、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｓｃ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｓｒ、Ｚ
    ｎ、Ｂ及びＣｒから選ばれた少なくとも１つの元素と、
    残部としてのアルミニウム及び不純物とからなる高温度
    用アルミニウム合金。
  2. 【請求項２】 Ｓｉが９．０〜１４．０重量％の範囲内
    である請求項１に記載されたアルミニウム合金。
  3. 【請求項３】 Ｓｉが９．０〜１３．０重量％の範囲内
    である請求項１に記載されたアルミニウム合金。
  4. 【請求項４】 Ｎｉが３．０〜６．０重量％の範囲内で
    ある請求項１に記載されたアルミニウム合金。
  5. 【請求項５】 Ｃｕが３．０〜５．０重量％の範囲内で
    ある請求項１に記載されたアルミニウム合金。
  6. 【請求項６】 Ｍｇが最大で０．８重量％である請求項
    １に記載されたアルミニウム合金。
  7. 【請求項７】 Ｍｎが最大で１．０重量％である請求項
    １に記載されたアルミニウム合金。
  8. 【請求項８】 Ｖが最大で０．３重量％である請求項１
    に記載されたアルミニウム合金。
  9. 【請求項９】 Ｓｃが最大で０．３重量％である請求項
    １に記載されたアルミニウム合金。
  10. 【請求項１０】 Ｆｅが最大で０．６重量％である請求
    項１に記載されたアルミニウム合金。
  11. 【請求項１１】 Ｔｉが最大で０．２５重量％である請
    求項１に記載されたアルミニウム合金。
  12. 【請求項１２】 Ｓｒが最大で０．３重量％である請求
    項１に記載されたアルミニウム合金。
  13. 【請求項１３】 Ｓｒが最大で０．１重量％である請求
    項１に記載されたアルミニウム合金。
  14. 【請求項１４】 Ｚｎが最大で０．５重量％である請求
    項１に記載されたアルミニウム合金。
  15. 【請求項１５】 Ｂが最大で０．２重量％である請求項
    １に記載されたアルミニウム合金。
  16. 【請求項１６】 Ｃｒが最大で０．２０重量％である請
    求項１に記載されたアルミニウム合金。
  17. 【請求項１７】 少なくとも９．０〜１３．０重量％の
    Ｓｉと、３．０〜６．０重量％のＮｉと、３．０〜５．
    ０重量％のＣｕと、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｓｃ、Ｆｅ、Ｔ
    ｉ、Ｓｒ、Ｚｎ、Ｂ及びＣｒから選ばれた少なくとも１
    つの元素と、残部としてのアルミニウム及び不純物とか
    らなる高温度用アルミニウム合金。
  18. 【請求項１８】 少なくとも９．０重量％のＳｉと、
    ３．０〜７．０重量％のＮｉと、１．５〜６．０重量％
    のＣｕと、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｓｃ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｓｒ、
    Ｚｎ、Ｂ及びＣｒから選ばれた少なくとも１つの元素
    と、残部としてのアルミニウム及び不純物とからなるア
    ルミニウム合金で形成されたピストン。
  19. 【請求項１９】 Ｓｉが９．０〜１３．０重量％の範囲
    内である請求項１８に記載されたピストン。
  20. 【請求項２０】 Ｎｉが３．０〜６．０重量％の範囲内
    である請求項１８に記載されたピストン。
  21. 【請求項２１】 Ｃｕが３．０〜５．０重量％の範囲内
    である請求項１８に記載されたピストン。
  22. 【請求項２２】 Ｍｇが最大で０．８重量％である請求
    項１８に記載されたピストン。
  23. 【請求項２３】 Ｍｎが最大で１．０重量％である請求
    項１８に記載されたピストン。
  24. 【請求項２４】 Ｖが最大で０．３重量％である請求項
    １８に記載されたピストン。
  25. 【請求項２５】 Ｓｃが最大で０．３重量％である請求
    項１８に記載されたピストン。
  26. 【請求項２６】 Ｆｅが最大で０．６重量％である請求
    項１８に記載されたピストン。
  27. 【請求項２７】 Ｔｉが最大で０．２５重量％である請
    求項１８に記載されたピストン。
  28. 【請求項２８】 Ｓｒが最大で０．３重量％である請求
    項１８に記載されたピストン。
  29. 【請求項２９】 Ｓｒが最大で０．１重量％である請求
    項１８に記載されたピストン。
  30. 【請求項３０】 Ｚｎが最大で０．５重量％である請求
    項１８に記載されたピストン。
  31. 【請求項３１】 Ｂが最大で０．２重量％である請求項
    １８に記載されたピストン。
  32. 【請求項３２】 Ｃｒが最大で０．２０重量％である請
    求項１８に記載されたピストン。
  33. 【請求項３３】 少なくとも９．０〜１３．０重量％の
    Ｓｉと、３．０〜６．０重量％のＮｉと、３．０〜５．
    ０重量％のＣｕと、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｓｃ、Ｆｅ、Ｔ
    ｉ、Ｓｒ、Ｚｎ、Ｂ及びＣｒから選ばれた少なくとも１
    つの元素と、残部としてのアルミニウム及び不純物とか
    らなるアルミニウム合金で形成されたピストン。
  34. 【請求項３４】 少なくとも９．０重量％のＳｉと、
    ３．０〜７．０重量％Ｎｉと、１．５〜６．０重量％の
    Ｃｕと、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｓｃ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｓｒ、Ｚ
    ｎ、Ｂ及びＣｒから選ばれた少なくとも１つの元素と、
    残部としてのアルミニウム及び不純物とからなるアルミ
    ニウム合金で形成されたピストンを有する内燃機関。
  35. 【請求項３５】 Ｓｉが９．０〜１４．０重量％の範囲
    内である請求項３４に記載された内燃機関。
  36. 【請求項３６】 Ｓｉが９．０〜１３．０重量％の範囲
    内である請求項３４に記載された内燃機関。
  37. 【請求項３７】 Ｎｉが３．０〜６．０重量％の範囲内
    である請求項３４に記載された内燃機関。
  38. 【請求項３８】 Ｃｕが３．０〜５．０重量％の範囲内
    である請求項３４に記載された内燃機関。
  39. 【請求項３９】 少なくとも９．０〜１３．０重量％の
    Ｓｉと、３．０〜６．０重量％のＮｉと、３．０〜５．
    ０重量％のＣｕと、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｓｃ、Ｆｅ、Ｔ
    ｉ、Ｓｒ、Ｚｎ、Ｂ及びＣｒから選ばれた少なくとも１
    つの元素と、残部としてのアルミニウム及び不純物とか
    らなるアルミニウム合金で形成されたピストンを有する
    内燃機関。
  40. 【請求項４０】 ピストンが鍛造品である請求項１８に
    記載されたピストン。
  41. 【請求項４１】 ピストンが鋳造品である請求項１８に
    記載されたピストン。
  42. 【請求項４２】 高温度用として好適なアルミニウム合
    金製品であって、少なくとも９．０重量％のＳｉと、
    ３．０〜７．０重量％のＮｉと、１．５〜５．０重量％
    のＣｕと、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｓｃ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｓｒ、
    Ｚｎ、Ｂ及びＣｒから選ばれた少なくとも１つの元素
    と、残部としてのアルミニウム及び不純物とからなるア
    ルミニウム合金で形成された製品。
  43. 【請求項４３】 高温度用として好適なアルミニウム合
    金製品であって、少なくとも９．０〜１１．０重量％の
    Ｓｉと、３．０〜６．０重量％のＮｉと、１．５〜５．
    ０重量％のＣｕと、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｓｃ、Ｆｅ、Ｔ
    ｉ、Ｓｒ、Ｚｎ、Ｂ及びＣｒから選ばれた少なくとも１
    つの元素と、残部としてのアルミニウム及び不純物とか
    らなるアルミニウム合金で形成された製品。
  44. 【請求項４４】 製品が鍛造品である請求項４２に記載
    されたアルミニウム合金で形成された製品。
  45. 【請求項４５】 製品が鋳造品である請求項４２に記載
    されたアルミニウム合金で形成された製品。
  46. 【請求項４６】 製品が鍛造品である請求項４３に記載
    されたアルミニウム合金で形成された製品。
  47. 【請求項４７】 製品が鋳造品である請求項４３に記載
    されたアルミニウム合金で形成された製品。
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