JPH0819496B2

JPH0819496B2 - 長時間高温に維持した後でも大きい疲れ強度を保持するアルミニウム合金製部品の製造方法

Info

Publication number: JPH0819496B2
Application number: JP1246233A
Authority: JP
Inventors: ジヤン―フランソワ・フオウル
Original assignee: ペシネ・ルシエルシユ・グルプマン・ダンテレ・エコノミーク
Priority date: 1988-09-26
Filing date: 1989-09-21
Publication date: 1996-02-28
Anticipated expiration: 2011-02-28
Also published as: US4992242A; FI894499A0; ATE90397T1; EP0362086B1; IL91738A0; DD284904A5; HUT53680A; JPH02232324A; ES2042048T3; FR2636974A1; FR2636974B1; DE68906999D1; DK468489D0; BR8904844A; DK468489A; FI894499A; DE68906999T2; KR900004951A; US4963322A; EP0362086A1

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、長時間高温に維持した後でも大きい疲れ強
度を示すアルミニウム合金からなる部品の製造方法に係
わる。

周知のように、アルミニウムは重量が鋼の1/3であり
且つ優れた耐食性を有する。このアルミニウムを銅及び
マグネシウムのような金属を用いて合金にすると、機械
的強度がかなり向上する。また、ケイ素を加えると、耐
摩耗性の高い製品が得られる。これらの合金に、鉄、ニ
ッケル、コバルト、クロム及びマンガンのような別の元
素をドープしたものは高温で大きな耐性を示す。従っ
て、これらの元素をバランス良く添加すれば、アルミニ
ウムはエンジンブロック、ピストン、シリンダ等の自動
車部品を製造するのに極めて適した材料となる。

例えば、EP−Ａ−144 898には、ケイ素を10〜36重量
％、銅を１〜12重量％、マグネシウムを0.1〜３重量％
含み、更にFe、Ni、Co、Cr及びMnから選択した少なくと
も１種類の元素を２〜10重量％含むアルミニウム合金が
開示されている。

この先行技術のアルミニウム合金は、航空機産業及び
自動車産業の両方で使用される部品の製造に使用でき、
これらの部品は圧縮及び引抜きによる成形以外に250〜5
50℃の中間加熱ステップも含む粉末冶金技術によって製
造される。これらの部品は前記した種々の特性を十分に
備えるが、疲れ強度だけは考慮されていない。

当業者には周知のように、金属疲労は金属構造の局部
的且つ漸進的な永久変化に相当する。この変化は一連の
断続的応力を受ける材料に生じ、通常はこれら応力の強
さが、材料に連続的に加えられて初めて引張り破断を起
こすような強さより明らかに小さいにも拘わらず、前記
応力が何回ものサイクルにわたって作用した場合には前
記変化が部品の亀裂及び破損にさえつながり得る。従っ
て、EP−Ａ−144 898に記述されているような弾性率、
引張り強さ及び硬度の値は、この先行技術の合金の疲れ
強度に関する適性を裏付けることにはならない。

しかるに、連接棒又はピストンロッドのような部品は
動力学的に作動し且つ周期的応力を受けるため、大きな
疲れ強度を有することが重要である。

本出願人は、この問題を追及した結果、前記先行特許
の範囲内に含まれる合金で形成した部品の疲れ強度が、
用途によっては十分であるかもしれないが、組成を変え
れば更に著しく改善され得ることを発見した。そこで本
出願人は、11〜22重量％のケイ素と、２〜５重量％の鉄
と、0.5〜４重量％の銅と、0.2〜1.5重量％のマグネシ
ウムとを含み、更に0.4〜1.5重量％のジルコニウムも含
むことを特徴とするアルミニウム合金の部品を開発し
た。この発明は仏国特許出願第87−17674号の対象にな
っている。

ところが本出願人はその後、ジルコニウムを加えると
20℃の疲れ限度が明らかに改善されて150から185MPaに
上昇するが、1000時間150℃に維持した後（エンジンの
耐用時間の半分が経過した後のロッド作動条件にほぼ対
応する）では、この疲れ限度が143MPaに落ちる、即ち22
％以上も低下することを発見した。

研究を続けた結果、本出願人は、ジルコニウムの作用
にマンガンの作用を組合わせれば前記欠点が解消される
ことを発見した。即ち、本発明は、11〜26重量％のケイ
素、２〜５重量％の鉄、0.5〜５重量％の銅、0.1〜２重
量％のマグネシウムを含む、任意にニッケル及び／又は
コバルトを添加剤として微量含み、長時間高温に維持し
た後でも大きい疲れ強度を維持するアルミニウム合金製
部品の製造方法であって、前記成分以外に0.1〜0.4重量
％のジルコニウム及び0.5〜1.5重量％のマンガンを含む
合金を使用し、この合金を溶融状態で高温凝固手段にか
け、得られた物質を部品に成形し、150℃で1000時間維
持した後の疲れ限度が20％未満の損失である部品を得る
ことを特徴とする製造方法である。

その損失は、150℃で1000時間維持する前の疲れ限度
の値からその後の疲れ限度を引き、それを維持前の値で
割って100をかけたものである。

ジルコニウム及びマンガンの添加量は、前記範囲の値
より少ないと有意な効果が得られず、前記範囲の値より
多いと、ジルコニウムを添加しても決定的な影響が生じ
ないことになるか、又はマンガンの添加によって部品が
脆弱化し、切込み又は刻みを有する部品、即ち表面がネ
ジ山、隅肉（fillets）等によって凹凸になっている部
品の疲れ限度が低下することになる。

そこで、前出の特許出願明細書に記載されている組成
のジルコニウムの一部分をマンガンに代えてみた。この
ようにすれば、マンガンがジルコニウムより安価である
ため原料費が節約され、またジルコニウムを１％含む二
成分合金の液相温度が875℃であるのに対してマンガン
を１％含む二成分合金の液相温度が約660℃であるた
め、合金の溶融も容易になる。

本発明の特徴は、使用する合金の特定組成だけでな
く、溶融状態の合金を部品成形操作の前に高速凝固手段
にかけるという点にもある。即ち、鉄、ジルコニウム及
びマンガンのような元素が合金中にほとんど溶解しない
ため、所望の特性を有する部品を得るには前記元素の粗
い不均一な析出を防止することが不可欠であり、そのた
めにこれらの元素をできるだけ速く冷却するのである。
また、早期（premature）析出現象を回避すべく、合金
は700℃以上の温度で溶融するものが好ましい。

この高速凝固を行うためには幾つかの方法がある。

（１）気体あるいは機械的噴霧によって溶融金属を霧化
し、次いで気体（空気、ヘリウム、アルゴン）中で冷却
する方法か、又は遠心分離による霧化もしくは類似の方
法を用いることによって、溶融合金を微小滴形態に分割
する。その結果得られた粒度400μｍ以下の粉末を、公
知の粉末冶金技術に従って、一軸プレス又は静定プレス
で熱間又は冷間圧縮にかけ、次いで引抜き及び／又は鍛
造にかけることによって成形する。

（２）溶融合金を、例えば米国特許第4389258号及び欧
州特許第136508号に記載されているメルトスピニング
（melt spinning）もしくはプレーナフローキャスティ
ング（planar flow casting）、又はメルトオーバーフ
ロー（melt overflow）もしくは類似の方法によって冷
却金属面に接触させる。その結果得られた厚み100μｍ
以下のストリップを前記方法で成形する。

（３）気体流中の霧化溶融金属を、例えば英国特許第13
79261号に記載のスプレーデポジション（spray deposit
ion）又はスプレーキャスティング（spray casting）に
より基板上に射出して、鍛造、引抜き又はダイイングに
よる成形に適した十分な展性を有する凝集性（coheren
t）デポジットを形成する。

勿論、これ以外の方法も使用し得る。

析出構造を更に改善するためには、部品を任意に機械
加工した後、490〜520℃の温度で１〜10時間熱処理し、
次いで水焼入れし、更に170〜210℃で２〜32時間アニー
リングにかける。その結果、部品の機械的特性が改善さ
れる。

以下に、非限定的実施例を挙げて本発明をより詳細に
説明する。

18重量％のケイ素と、３重量％の鉄と、１重量％の銅
と、１重量％のマグネシウムと、残部に相当するアルミ
ニウムとを含む基体合金材料を約900℃で溶融し、次い
でNo.0からNo.7までの８つのバッチに分割した。バッチ
No.1〜No.7にジルコニウム及びマンガンを異なる量で加
え、バッチNo.0は対照として使用した。

これらのバッチを粉末冶金法又はスプレーデポジショ
ンのいずれかで処理した。

粉末冶金法（PM）の場合は、窒素雰囲気下での噴霧に
よって粒度200μｍ以下の微粒子を形成し、次いでこれ
らの微粒子を静定プレスにより300MPaの圧力で圧縮し、
その後直径40mmのバーの形態に引抜く。

スプレーデポジションを用いる場合は、英国特許第13
79261号の方法で円筒形ビレット形態のデポジットを形
成し、これを引抜きによって直径40mmのバーにする。

これらの部品を490〜520℃で２時間処理し、次いで水
焼入れし、更に170〜200℃の温度で８時間加熱する。

このようにして形成した各部品の試験片を、公知の方
法で、下記の特性の測定にかけた： − 弾性率Ｅ（GPa）、 − 通常の0.2％弾性限度R0.2（MPa）、破壊荷重Rm（MP
a）、伸びＡ（％）（これらの測定は夫々20℃で行い、
次いで150℃に100時間維持した後で行った）、 − 10⁷サイクル後の20℃での疲れ限度Lf（MPa）（この
測定は、Aluminium Association規格による状態T6の平
滑試験片に回転たわみ応力を加えて行った）、 − 1000時間150℃に維持した後の試験に関する前記と
同じ疲れ限度、 − 20℃での耐久比Lf/Rm、 − Kt＝2.2で切込みを付けた試験片に関する前記と同
じ20℃疲れ限度、 − 前記式中、Kfは平滑試験片の疲れ限度測定値と切込み付
き試験片の疲れ限度測定値との比を表す（ｑが大きけれ
ば大きいほど、合金は切込みに対して敏感になる）。

測定結果は総て次表に示す。その表から計算すると、
150℃で1000時間維持した後の疲れ限度の損失は、比較
例である合金No.0、１、２、７は、順に、20.0、22.7、
20.4、22.2％であり、本願発明の合金No.3、４、５、６
は、順に、11.5、11.4、8.2、10.2％である。

これらの結果から明らかなように、150℃に1000時間
維持した後の疲れ限度は、ジルコニウムもマンガンも含
まない合金（No.0）の場合には120MPaであるが、ジルコ
ニウムを１％含む合金（No.1）の場合は148MPaになり、
ジルコニウムの量を減らしてジルコニウムとマンガンと
を同時に添加した合金（No.5）では177MPaに達する。

更に、ジルコニウムとマンガンを同時に存在させる
と、150℃に維持した後に生じる疲れ限度の低下が大幅
に改善される。実際、マンガンを含まない合金No.1では
Lfが185MPaから143MPaまで42MPa低下しているが、マン
ガンを1.2％含む合金No.5の場合はLfが193MPaから177MP
aまで16MPaしか低下していない。

これらの結果はまた、前記元素が切込み付部品の疲れ
限度の改善に役立つものの、その量が過剰になると疲れ
限度に悪影響が生じ、脆弱性が増加することも示してい
る。例えば、この疲れ限度の値は、試験片No.0では100M
Paであるが試験片No.3（0.1％Zr−0.6％Mn）では125MPa
に上昇しており、ジルコニウム及びマンガンをより大量
に含む試験片No.7の場合には105MPaに落ちている。

このように、ジルコニウム及びマンガンを本発明の割
合で同時に添加すると（合金No.5、４、３及び６）、対
切込み感度係数（夫々0.51、0.48、0.43及び0.51）が先
行技術の部品の係数（約0.6）より小さくなる。尚、合
金No.0は機械的強度が小さ過ぎるため、使用不可能であ
る。

このように本発明では、ジルコニウム及びマンガンを
限定された量で組合わせて使用し且つ得られた合金を高
速凝固させることによって、自動車工業で特に連接棒、
ピストンロッド及びピストンの製造に使用し得る凹凸面
のある部品、例えばネジ山又は隅肉を有する部品の疲れ
限度を、高温又は低温に拘わりなく改善せしめる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】11〜26重量％のケイ素、２〜５重量％の
鉄、0.5〜５重量％の銅、0.1〜２重量％のマグネシウム
を含む、任意にニッケル及び／又はコバルトを添加剤と
して微量含み、長時間高温に維持した後でも大きい疲れ
強度を維持するアルミニウム合金製部品の製造方法であ
って、前記成分以外に0.1〜0.4重量％のジルコニウム及
び0.5〜1.5重量％のマンガンを含む合金を使用し、この
合金を溶融状態で高温凝固手段にかけ、得られた物質を
部品に成形し、150℃で1000時間維持した後の疲れ限度
が20％未満の損失である部品を得ることを特徴とする製
造方法。
【請求項２】高速凝固手段が溶融合金を微小滴形態に分
割するもの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】高速凝固手段が溶融合金を低温金属面に接
触させるものであることを特徴とする請求項１に記載の
方法。
【請求項４】高速凝固手段が気体流中の霧状化合金を基
板上に射出するものであることを特徴とする請求項１に
記載の方法。
【請求項５】部品を490〜520℃の温度で熱処理し、次い
で水焼入れし、その後170〜210℃でアニーリング処理す
ることを特徴とする請求項１に記載の方法。