JP5249583B2 - アルミニウムに基づいた合金ならびにその合金からなる成形品 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

この発明は、アルミニウムに基づいていて重量比で少なくとも約１５％ないし約３０％のケイ素と少なくとも１％のニッケルを含んでいる合金、ならびにその合金から形成された成形体に関する。

特に最新の自動車の内燃エンジンの分野において、使用される材料に対して軽量かつ高い耐熱性および機械的強度を求める要求が益々高まっている。これは主に高い燃焼圧力、燃焼温度、ならびにより小さなシリンダ間の間隔のためである。すでに実用化されている噴射圧縮（Ｓｐｒａｙ Ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇ）成形された例えばＡｌＳｉ２５Ｃｕ４Ｍｇ等の軽金属合金は、特にディーゼルエンジンにおいてそのシリンダライナの性能要求を満たすものではなくなっている。また、鋳造によってではなく機械加工および／または熱間成形工法によって製造されたその他の構成部品も益々高まっているエンジン構造への要求性能を満たすものではなくなっている。それらの部品は、特にピストンあるいはコンロッド等の高い性能が要求される部品である。

従って本発明の目的は、特に高い温度において良好な機械的特性を有するアルミニウムに基づいた合金を提供することである。本発明の目的はさらに、その種の合金から形成された成形体を提供することである。

前記の課題は、本発明に従って請求項１の特徴を有する冒頭に述べた合金によって解決される。

最低でも１％である高いニッケル含有率、ならびに鉄あるいはチタンのうちの少なくとも一方が存在し、またニッケル、鉄、およびチタンの合計含有率が少なくとも３％となる事実によって、一般的に微細に分散（拡散）して分離され構造内に含有された充分な量のアルミナイドを合金が有することが好適に達成される。このアルミナイドは極めて融点が高いことを特徴とし、合金の耐熱性が極めて良好になるように作用する。さらに、アルミナイドの低い溶解性のため合金の耐変形特性が向上する。

鉄、ニッケル、およびチタンの合計含有率は９％超にはならないことが好適である。ニッケル濃度は少なくとも２％となり、ニッケル、鉄およびチタンの合計含有率が４％ないし８％となることが極めて好適である。この数値範囲において本発明に係る合金は極めて良好な特性を有するものとなる。

さらに、ケイ素の含有率は２０％ないし２８％となり、特にケイ素含有率が２３％ないし２７％であることが極めて好適である。それによって本発明に係る合金が、その機械的および耐熱特性に関してさらに良好なものとなる。

さらに、合金が０．１％ないし１％の比率でマグネシウムを含んでいる。マグネシウムの含有率を０．２％ないし０．７％とすれば極めて好適である。マグネシウムもＭｇ_２Ｓｉ等の分離を形成し、合金の強度を増すように作用する。その他の分離物（例えばＡｌ_２ＣｕＭｇ）は例えば銅等のその他の要素が存在する場合に発生することができ、それによって高い耐熱性および長期間安定性等のその他の効果がもたらされる。

さらに、合金は０．５％ないし６％、好適には０．５％ないし２％、特に好適には０．７％ないし１．７％の比率で銅を含有する。他方、極めて良好な銅含有合金グループは、１％ないし３．５％、特に１％ないし３％の比率で銅を含有する。ここで、前記の濃度の銅の存在は特にマグネシウムの存在との組み合わせによって効果を発揮し、その際銅含有率とマグネシウム含有率の比は０ないし２とすることが好適である。別の好適な本発明に係る合金のグループにおいて、銅とマグネシウムの比率は２ないし６となる。本発明に係る合金においては、銅を含有しないことも可能であり、その場合合金は高い固相線温度が必要とされる使用分野に適したものとなる。

さらに、本発明に係る合金は０％ないし５％の比率で鉄を含んでいることが好適である。鉄の含有率が０％ないし４％であれば特に好適である。

さらに、本発明に係る合金において０％ないし１．８％、特に０％ないし１．２５％の比率でコバルトが含まれていれば好適である。本発明に係る合金の精密な最適化に従って、通常存在しているニッケルを少なくとも部分的に鉄および／またはコバルト成分によって代替することができる。

さらに、本発明に係る合金は、０．０５％ないし０．７％、好適には０．１％ないし０．５％、特に好適には０．１％ないし０．４％の比率でチタンを含有することによって合金の好適な特性が得られる。同様に、０％ないし０．７％、特に０．１％ないし０．５％の比率でジルコンを含有すれば極めて好適である。合金中におけるチタンとジルコンの相互作用のため、ジルコンとチタンの含有率の合計を０．１％ないし０．５％とすれば極めて好適である。

さらに、０％ないし１％、好適には０％ないし０．８％、特に好適には０％ないし０．５％の比率でクロムを含有すれば好適な合金の特性が得られる。一般的に、クロム、チタン、およびジルコンの要素が大抵アルミナイドの状態の分離物を形成し、それによって再結晶温度が上昇するとともに高温時における結晶粒界の運動性を抑制する。その結果より改善された耐熱性が得られる。ＣｒＡｌ_７等であるこの分離物も微細に分配された分離物（分散質）として存在する。さらに、本発明に係る合金は、０％ないし２．２％、好適には０％ないし１．５％、特に好適には０％ないし０．８％の比率でマンガンを含有することによって好適な合金の特性が得られる。コバルトと同様にマンガンも合金の耐熱性を増加させ、Ａｌ_３Ｆｅの球形状への形態硬化性に良好な影響をもたらす。一般的にマンガンおよびコバルトアルミナイド（Ａｌ_６ＭｎあるいはＣｏ_２Ａｌ_９）も分散して分離された状態で存在する。

極めて好適な特性を有する本発明に係る合金は、２５％のケイ素、２．５％の鉄、２．５％の銅、０．５％のマグネシウム、０．１５％のチタン、２．５％のニッケル、０．３％のコバルト、ならびにそれ以外のアルミニウムと一般的な不純物とからなる。

極めて好適な合金は、２５％のケイ素、２．５％の銅、０．５％のマグネシウム、０．１５％のチタン、７％のニッケル、ならびにそれ以外のアルミニウムと一般的な不純物とからなる。

さらに別の極めて好適な合金は、２５％のケイ素、４％の鉄、１．５％の銅、０．５％のマンガン、０．５％のマグネシウム、０．３％のクロム、０．２５％のチタン、３％のニッケル、ならびにそれ以外のアルミニウムと一般的な不純物とからなる。

さらに別の極めて好適な合金は、２５％のケイ素、２．５％の鉄、５％の銅、０．５％のチタン、２％のニッケル、０．５％のコバルト、０．４％のジルコン、ならびにそれ以外のアルミニウムと一般的な不純物とからなる。

さらに別の極めて好適な合金は、２５％のケイ素、１．５％の鉄、５％の銅、０．３％のクロム、０．２５％のチタン、２％のニッケル、０．３％のコバルト、０．４％のジルコン、０．４％のアンチモン、ならびにそれ以外のアルミニウムと一般的な不純物とからなる。

さらに別の極めて好適な合金は、２５％のケイ素、４％の鉄、０．５％のマグネシウム、０．３％のクロム、０．１５％のチタン、３％のニッケル、０．２％のジルコン、ならびにそれ以外のアルミニウムと一般的な不純物とからなる。

さらに別の極めて好適な合金は、２５％のケイ素、３．５％の鉄、１％の銅、０．５％のマグネシウム、０．３％のクロム、０．１５％のチタン、３％のニッケル、０．５％のコバルト、０．２％のジルコン、ならびにそれ以外のアルミニウムと一般的な不純物とからなる。

さらに別の極めて好適な合金は、２５％のケイ素、３．５％の鉄、１％の銅、０．５％のマンガン、０．５％のマグネシウム、０．３％のクロム、０．１５％のチタン、３％のニッケル、０．２％のジルコン、ならびにそれ以外のアルミニウムと一般的な不純物とからなる。

さらに別の極めて好適な合金は、２５％のケイ素、３．５％の鉄、１％の銅、０．５％のマンガン、０．３％のクロム、０．１５％のチタン、３％のニッケル、０．２％のジルコン、ならびにそれ以外のアルミニウムと一般的な不純物とからなる。

前述した本発明に係る合金は、その他の成分として技術上許容可能でかつ原則的に不可避である範囲内の不純物を含むことが好適である。ここで、不純物はその成分が金属特性に著しい影響を及ぼさない限りさらに高い濃度で存在することもできる。

本発明に係る合金は、高い冷却速度を有する製造を特徴とする。特に合金を噴射圧縮によって製造すれば極めて好適であり、この噴射圧縮方式によれば一般的に極めて高い冷却速度が得られる。しかしながら、これに代えて従来の粉末冶金方式あるいは鋳造方式を適用することができる。高い冷却速度による合金の高い硬化速度のために、低い硬化速度の場合に生じる針形状ではなく、球形状のアルミナイドの分離物が好適である。

その結果、合金を破損し易くすることなく、硬度を増加させることができる。

本発明の目的の１つである成形体は、その成形品を少なくとも部分的に請求項１ないし４３のいずれかに記載されている合金から形成することによって解決される。ここで成形体は極部分的に本発明に係る合金からなる部品とすることができ、これは例えばその後の工程において別の材料によって包囲して鋳造することができる。特にこの成形体は自動車のシリンダブロックとすることができ、それにおいては本発明に係る合金からシリンダライナを形成し、それを別の合金で包囲して鋳造することができる。特に、この成形体は噴射圧縮成形、ならびにその他の方式によって製造することができる。

本発明に係る合金および成形体のその他の特徴ならびに利点は、以下に記述する実施例の説明ならびに従属請求項によって明らかにされる。

以下に、本発明に係る合金の極めて好適な実施例について記述する。

本発明に係る合金Ｌ１ないしＬ９の多様な金属成分の質量の比率は以下の表によって示され、ここで比率はいずれも重量％で示されている：

各濃度はいずれも約１０％の相対確度、好適には５％未満の相対確度を保持するものとする。

これら極めて好適な合金は、以下に記述ならびに表記するような機械的および耐熱特性（静的強度、動的強度、弾性係数、および固相線温度）を示した。比較のために、シリンダライナ用の合金として商品名ＤＩＳＰＡＬ（登録商標）Ｌ２６０で知られている材料ＡｌＳｉ２５Ｃｕ４Ｍｇを併記した。

（１） 静的強度

ここで“プレスされた”とは、一般的な押出成形によって成形された材料を示す。“Ｔ６”は、規格（例えば、ＤＩＮ ＥＮ ５１５規格）に従って“最高強度に達するまで溶液アニーリングならびに高温熟成された”ものに相当する。測定された各材料特性は一般的な規準（例えばＤＩＮ ＥＮ １０００２−１）に従って以下のように定義される：
Ｒ_ｐ０，２：非比例伸張における降伏点、０．２降伏点
Ｒ_ｍ：引張強度（引張試験による）
Ａ_５：破断点伸び、短い比例引張試験片を使用した際の破損が生じるまでの合計の伸張

（２） 動的強度
軸方向の試験動作、Ｒ＝０．１
試験温度２００℃
５＊１０−６負荷変動における圧力振幅、
１０％の残存確率
状態 （ＭＰａ）
Ｓ２６０ Ｔ６ ３３．８
Ｌ１ プレスされた ６３．９
Ｌ２ Ｔ６ ７１．１
Ｌ６ Ｔ６ ５１．４
Ｌ７ Ｔ６ ６８．２
Ｌ８ Ｔ６ ６８．７

９個の合金の全てについて動的強度検査は実施されなかった。

（３） 弾性係数
合金 室温における弾性係数 ２００℃における弾性係数
（ＧＰａ） （ＧＰａ）
Ｓ２６０ ８９ ８３
Ｌ１ １０２ ９５
Ｌ２ １０４ ９８
Ｌ３ １１３ −
Ｌ４ １０８ ８９
Ｌ５ １０５ ７２
Ｌ６ １０２ ９６
Ｌ７ １０５ ９９
Ｌ８ １０５ ９９
Ｌ９ １０２ ９９

ここでＬ３，Ｌ４，Ｌ５およびＬ９に対する数値は引張試験のものであり、その他の数値は共振試験によるものである。

（４） 固相線温度
合金 固相線温度（℃）
Ｓ２６０ ５０５
Ｌ１ ５３２
Ｌ２ ５３４
Ｌ３ ５３５
Ｌ４ ５３３
Ｌ５ ５３１
Ｌ６ ５４９
Ｌ７ ５３２
Ｌ８ ５３３
Ｌ９ ５３２

特に固相線温度がＳ２６０に比較して著しく上方に変化することが示されている。唯一銅を含んでいない合金Ｌ６が極めて高い固相線温度を有し、それに従った性能要求に対して有効に適用することができる。

さらに、鋳込み試験において全ての合金がＳ２６０と比べて改善された変形特性を有することが示された。どの合金においても鋳込み部材の貫通熔融あるいは膨張は示されなかった。鋳込みに際して生じる温度上昇および／またはその後の別処理による不要なＳｉ粒子の拡大は効果的に低減することができた。

好適な合金の例に対しての鋳込み試験は、鋳造による内燃エンジンのシリンダライナにその合金を使用する目的のために実施された。しかしながら、良好な耐熱および機械的特性のため、特にコンロッド、ピストン、またはシリンダヘッド等のその他の内燃エンジンの領域においても好適に使用することができる。

Claims (6)

1. 内燃エンジンのシリンダライナとピストンとを製造するためのアルミニウム基合金であって、合金は、各金属成分が重量％で、
   

   

   と、残りのアルミニウムとからなる合金Ｌ１、Ｌ３ないしＬ９の群から選択され、その他の成分は最高でも不純物程度として存在することを特徴とする内燃エンジンのシリンダライナとピストンとを製造するためのアルミニウム基合金。
2. 溶射成形によってアルミニウム基合金を製造することを特徴とする請求項１に記載の合金。
3. 請求項１または２に記載のアルミニウム基合金からなる成形体。
4. 溶射成形を使用して成形体を製造することを特徴とする請求項３記載の成形体。
5. 複合鋳物が請求項３または４記載の成形体を含み、成形体が内燃エンジンのシリンダライナを形成することを特徴とする複合鋳物。
6. 複合鋳物が請求項３または４記載の成形体を含み、成形体が内燃エンジン用のピストンを含むことを特徴とする複合鋳物。