JP2014109045A

JP2014109045A - アルミニウム合金

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Publication number: JP2014109045A
Application number: JP2012263049A
Authority: JP
Inventors: Takeoki Iizuka; 建興飯塚
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2014-06-12
Anticipated expiration: 2032-11-30
Also published as: JP6028546B2

Abstract

【課題】合金にピストン等のリターン材を使用して鉄成分が混入するような場合であっても、マンガンを適正な量添加することにより、アルミニウム合金の固相線温度のレベルアップと、疲労強度の向上を維持したまま、破壊靱性及び高温強度の低下を防止できる耐熱高強度のアルミニウム合金を提供する。
【解決手段】アルミニウム合金を、％を質量％とし、Ｓｉ：１０．５〜１３％、Ｎｉ：１．５％〜３％、Ｃｕ：２〜５．５％、Ｍｇ：０．１〜０．６％、Ｐ：０．００２〜０．０２％、Ｔｉ：０．０５〜０．３％、Ｚｒ：０．０５〜０．２％、Ｖ：０．０５〜０．２％、Ｆｅ：０〜０．８％、Ｍｎ：０〜０．１％で、かつ、残部がＡｌと不可避不純物からなるように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ピストン等の自動車部品や他の広い分野で使用できる優れた機械的特性と耐摩耗性を備えた耐熱高強度のアルミニウム合金に関する。

自動車用エンジン等の内燃機関のピストンは、高温・高負荷の下で高速運動するため、このピストンの材料には、軽量でかつ高温における強度が優れている材料が要求される。従来は、ＪＩＳ（日本工業規格）−ＡＣ８Ａ（Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｍｇ系）合金を代表とするアルミニウム合金が使用されてきたが、最近、内燃機関の高燃費化、高出力化により、特にピストンには更なる耐熱性と高温強度が要求されるようになってきている。

ＡＣ８Ａ合金の成分は、アルミニウム（Ａｌ）に１２％のケイ素（Ｓｉ）と、１％の銅（Ｃｕ）と、１％のニッケル（Ｎｉ）と１％のマグネシウム（Ｍｇ）を添加したものであるが、このＡＣ８Ａ合金の耐熱性を更に向上させるために、このＡＣ８Ａ合金に対して、より多くの、銅（３〜５％程度）、マグネシウム（０．６〜１．５％程度）やニッケル（２〜３％程度）が添加されている。このアルミニウム合金の例として、ＭＡＨＬＥ−Ｍ１４２合金や、Ｍ１７４＋合金等があり、また、高温用途の為の高強度アルミニウム合金（例えば特許文献１参照）等も提案されている。

しかしながら、多量の銅、マグネシウムとニッケルを添加すると、アルミニウム合金が融け始める温度である固相線温度はＡＣ８Ａ合金の５３０℃程度から５１０℃近辺まで下がってしまう。一方、ディーゼルエンジンのような高出力エンジンの燃料室の最高温度は３７０℃に達しているため、固相線温度と燃焼室の最高温度との差は僅か１４０℃しかない。

また、より多くの銅、マグネシウムとニッケルを添加すると、金属間化合物のサイズが粗大化するだけではなく、融点の更なる低下を招くので、大量の銅、マグネシウムやニッケルの添加によってアルミニウム合金の強度を改善させる方法は限界に来ている。従って、高強度アルミニウム合金の開発では、銅、マグネシウム、ニッケルを多く添加して引張強度を増加しても、できるだけ固相線温度を下げないようにする方法を見出す必要がある。

従来のピストン用アルミニウム合金の開発においては、合金元素の添加によるアルミニウム合金そのものの固相線温度の低下及びそれに伴う高温強度の低下に関する研究は殆どなく、特に、アルミニウム合金中の主要元素である銅、ニッケル、マグネシウム、ケイ素のアルミニウム合金融点への複合作用については検討されていなかった。

特表２００５−５２２５８３号公報

そこで、本発明者は、アルミニウム−ケイ素系（Ａｌ−Ｓｉ系）のアルミニウム合金の高温強度を改善するために、アルミニウム合金の固相線温度に及ぼす、主要成分のケイ素（Ｓｉ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）の添加量の影響を把握した上で、銅（Ｃｕ）の添加量とマグネシウム（Ｍｇ）の添加量の関係を見つけ、各添加量を調整して適正化することにより、アルミニウム合金の固相線温度をできるだけ低下させないようにしつつ、アルミニウム合金の融点、強度、破断伸びを設計できる、耐熱高強度のアルミニウム合金を、特願２０１２−０６０６３３の特許出願において提案している。

この耐熱高強度のアルミニウム合金は、ケイ素が１０．５質量％（ｍａｓｓ％）以上１３質量％以下で、かつ、ニッケルが１．５質量％以上３質量％以下で、かつ、銅が２質量％以上５．５質量％以下で、かつ、マグネシウムが０．１質量％以上０．６質量％以下で、かつ、鉄が０質量％以上０．２５質量％以下で、かつ、リンが０．００２質量％以上０．０２質量％以下で、かつ、チタンが０．０５質量％以上０．３質量％以下で、かつ、ジルコニウムが０．０５質量％以上０．２質量％以下で、かつ、バナジウムが０．０５質量％以上０．２質量％以下で、かつ、残部がアルミニウムと不可避不純物からなる耐熱高強度のアルミニウム合金である。

しかしながら、合金にピストン等のリターン材を使用する場合には、このリターン材に含まれている鉄（Ｆｅ）成分の混入を避けることができないという問題がある。つまり、この鉄の含有量が０．３質量％以上になると、針状アルミニウム−ケイ素−鉄（Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ）金属間化合物が析出し、破壊靱性及び高温強度を低下させるので、通常は、鉄の含有量は０．３質量％以下とする必要がある。特に、本発明の耐熱高強度のアルミニウム合金はピストン用耐熱合金としての使用も目指しているので、鉄の含有量を０．２５質量％以下にする必要があるが、積極的に鉄を加えなくても、合金のピストン等のリターン材を使用する場合には、０．８（質量％）にならない程度ではあるが、ニッケル鋳鉄（ニジレスト）の耐磨環等に由来する鉄が混入してしまう。

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、合金にピストン等のリターン材を使用して鉄（Ｆｅ）成分が混入するような場合であっても、マンガン（Ｍｎ）を適正な量添加することにより、アルミニウム合金の固相線温度のレベルアップと、疲労強度の向上を維持したまま、破壊靱性及び高温強度の低下を防止できる耐熱高強度のアルミニウム合金を提供することにある。

上記の目的を達成するためのアルミニウム合金は、ケイ素が１０．５質量％（ｍａｓｓ％）以上１３質量％以下で、かつ、ニッケルが１．５質量％以上３質量％以下で、かつ、銅が２質量％以上５．５質量％以下で、かつ、マグネシウムが０．１質量％以上０．６質量％以下で、かつ、リンが０．００２質量％以上０．０２質量％以下で、かつ、チタンが０．０５質量％以上０．３質量％以下で、かつ、ジルコニウムが０．０５質量％以上０．２質量％以下で、かつ、バナジウムが０．０５質量％以上０．２質量％以下で、かつ、鉄が０質量％以上０．８質量％以下で、かつ、マンガンを０質量％以上０．１質量％以下で、かつ、残部がアルミニウムと不可避不純物からなるように構成される。

また、上記のアルミニウム合金において、マグネシウムの含有量をＣｍｇ質量％とし、銅の含有量をＣｃｕ質量％としたときに、「０．５１−０．１２×Ｃｃｕ≦Ｃｍｇ≦１．１１−０．１２×Ｃｃｕ」の関係を満足するように構成される。

また、上記のアルミニウム合金において、更に、鉄の含有量を０．４質量％以上０．５質量％以下の範囲に、かつ、マンガンの含有量を０．０８質量％以上０．１質量％以下の範囲にし、鉄の含有量が０．４質量％未満の場合には、マンガンを添加しないようにすると、より、アルミニウム合金の固相線温度と、疲労強度と、破壊靱性及び高温強度とがバランスよく向上できる。

この本発明は、本発明者が次の知見を得て想到したものである。つまり、内燃機関のピストン用のアルミニウム合金には、日本工業規格（ＪＩＳ）のＡＣ８Ａ合金のようなアルミニウム−ケイ素系合金を基にしてその成分組成を変更したアルミニウム合金を使用している。

このケイ素（Ｓｉ）の含有量と固相線温度との関係に関しては、アルミニウム−ケイ素系二元合金の共晶点におけるケイ素の含有量は１２．６質量％で、ピストン用アルミニウム合金中のケイ素の含有量は共晶点に近く、組織としては、亜共晶、共晶または過共晶の組織を有する。このアルミニウム−ケイ素系二元合金の共晶温度は５７７℃であり、ケイ素の含有量が１．６５％以下の場合では、アルミニウム−ケイ素系二元合金の固相線温度はケイ素の含有量の増加に従い、アルミニウム融点の６６０℃から低下する。しかし、ケイ素の含有量が１．６５％以上になると、固相線温度は共晶温度の５７７℃になる。つまり、アルミニウム−ケイ素系二元合金の場合は、１．６５％以上のケイ素を添加しても固相線温度に影響しない。

また、銅（Ｃｕ）の含有量と固相線温度との関係に関しては、アルミニウム−銅二元合金の共晶温度は５４８℃であり、銅の含有量が５．７質量％以下の場合では、アルミニウム−銅二元合金の固相線温度は銅の含有量に従い、アルミニウム融点の６６０℃から低下する。しかし、銅の含有量が５．７質量％以上になると、固相線温度は共晶温度の５４８℃になる。つまり、アルミニウム−銅二元合金では、銅の含有量が５．７質量％以下の場合には、１質量％の銅を添加すると、固相線温度は１９．６５℃位低下する。

また、マグネシウム（Ｍｇ）の含有量と固相線温度との関係に関しては、アルミニウム−マグネシウム二元合金の共晶温度は４５０℃であり、マグネシウムの含有量が１８．９％以下の場合は、アルミニウム−マグネシウム二元合金の固相線温度はマグネシウムの含有量に従い、アルミニウム融点の６６０℃から低下する。しかし、マグネシウムの含有量が１８．９％以上になると、固相線温度は共晶温度の４５０℃になる。つまり、アルミニウム−マグネシウム二元合金では、マグネシウムの含有量が１８．９％以下の場合には、１質量％のマグネシウムを添加すると、固相線温度は１１．１１℃位低下する。

また、ニッケル（Ｎｉ) の含有量と固相線温度との関係に関しては、アルミニウム−ニッケル二元合金の共晶温度は６４０℃である。微量のニッケルを添加しても固相線温度は６４０℃になるが、しかし、数十％以上添加しても固相線温度は変化しない。つまり、一旦微量のニッケルを添加した後、ニッケルの添加量を増加しても、固相線温度は変化しない。

また、少量のマグネシウムによる効果に関しては、鋳造性の良いアルミニウム−ケイ素系合金においては、少量のマグネシウムを添加することで、Ｍｇ₂Ｓｉの中間相の析出による熱処理効果で強度を高めている。また、アルミニウム−ケイ素系合金に銅を添加する場合は、α−Ａｌ（アルミニウム）への銅の固溶硬化とＣｕＡｌ₂の中間相の析出硬化を利用してアルミニウム合金の強度を向上させている。

また、銅とマグネシウムの添加量の関係に関しては、銅とマグネシウムの添加量を増やすと、引張強度は向上するが、破断伸びが小さくなるという問題がある。また、アルミニウム合金への強化効果においては、室温ではＭｇ₂Ｓｉによる効果はＣｕＡｌ₂による効果より大きいが、高温ではＭｇ₂Ｓｉによる効果はＣｕＡｌ₂による効果より劣る。そのため、アルミニウム合金の強度を向上させるためには、より多くの銅とマグネシウムを添加すればよいが、一定の添加量を超えると、晶出する金属間化合物が粗大化するため、強度は逆に低下する可能性がある。

これらの結果を踏まえて、アルミニウムとの二元合金においては、固相線温度への影響に関しては、ニッケルの添加とケイ素の添加と比較すると、銅の添加とマグネシウムの添加による固相線温度の低下が非常に大きいことが分かる。一般にピストン用アルミニウム合金中のケイ素の含有量は１２質量％で、ニッケルの含有量は１〜３質量％であるので、アルミニウム合金中でケイ素の含有量とニッケルの含有量を変化させてもアルミニウム合金の固相線温度への影響は非常に少ない。従って、アルミニウム合金の固相線温度への影響の大きい銅とマグネシウムの複合作用を見極めることで、先の特許出願の特願２０１２−０６０６３３で提案した耐熱高強度のアルミニウム合金を得ることができた。

本発明においては、更に、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、リン（Ｐ）の添加による疲労強度向上と、銅とマグネシウムの含有量の減少による固相線温度のレベルアップ及び疲労強度(ＳＮ曲線）の向上と、破壊靱性、耐摩耗性や強度の低下の防止を図るために鉄（Ｆｅ)とマンガン（Ｍｎ)との関係を加えている。

本発明者が行った実験結果によれば、チタン、バナジウム、ジルコニウム、リンの添加の有無による引張強度（２５℃）への影響は小さいが、疲労強度（３５０℃）への向上効果は大きい。特に、チタン、バナジウム、ジルコニウム、リンを添加していない合金の場合には、合金の組織で見た場合に、微量の初晶ケイ素粒子が析出されているが、組織は基本的に亜共晶で、デンドライト状のα−Ａｌ粒子は大きく成長しているという結果を得ているが、リンを僅か７０ｐｐｍ添加した合金の場合には、初晶ケイ素粒子が細かくなり、かつ、その数も多くなっている。そこで、リンに加えて、更に、微量のチタン、バナジウム、ジルコニウム、リンを添加した場合には、組織全体が細かくなり、最後に凝固する共晶部分は均一に分散され、更に細かくなっている。そのため、チタン、バナジウム、ジルコニウム、リンを添加した合金では、疲労強度向上が著しく向上している。

また、銅とマグネシウムの関係に関しては、上記に加えて、銅とマグネシウムの含有量を増やした場合は、固相線温度が下がるが、銅は疲労強度に最も貢献できる元素である。一方、マグネシウムも引張強度と疲労強度に貢献できる元素である。しかし、銅とマグネシウムの両方を同時に高いレベルに添加すると、固相線温度が急激に低下し、引張強度は向上するが、疲労強度は低下する傾向になる。一方、チタン、バナジウム、ジルコニウム、リンを添加した合金は、疲労強度が向上し、ＳＮ曲線の傾きはより穏やかになっている。

つまり、高温強度に最も貢献できる銅を多く添加する場合には、マグネシウムを減らすと、固相線温度を下げなくて済む。言い換えれば、銅を多く添加した場合、マグネシウムはある意味で過剰になるので、このマグネシウムを減らすことは、材料の固相線温度の向上につながり、材料の耐熱性を向上させる。特に、マグネシウムを減らすと、引張強度と疲労強度は共に向上する。また、銅を増やした場合には、マグネシウムを減らさないと、アルミニウム合金の高強度化はできない。銅とマグネシウムは似た効果があるので、銅を多く添加した場合、マグネシウムはアルミで過剰になり、それを減らすことは材料の固相線温度の向上にもつながり、材料の耐熱性を向上させることになる。

一方、鉄（Ｆｅ）の増加に対して、不純物の鉄を結合して破壊靱性、耐摩耗性や強度の低下を軽減するマンガン（Ｍｎ）を適量加えることにより、鉄の増加による破壊靱性、耐摩耗性や強度の低下を防止することができる。

本発明のアルミニウム合金によれば、銅とマグネシウムの添加量を調節することによりアルミニウム合金の固相線温度を最大限に高くすることができると共に、より耐熱性に優れ、高強度とすることができるので、優れた機械的特性と耐摩耗性を備えることができ、高強度軽量化部材としてピストンなどの自動車部品や他の広い分野に使用できるアルミニウム合金が得られる。

また、ニッケルを、高温強度の向上に寄与させるために、つまり、高温疲労係数を向上させるために添加するが、その含有量が１．５質量％未満では十分な高温強度を得ることができず、３質量％を超えるとその効果が次第に小さくなるので、ニッケルの含有量を１．５質量％以上３質量％以下とすることにより、ニッケルを効率良く利用して高温強度を向上できるという効果を奏することができる。

更に、チタン、バナジウム、ジルコニウム、リンの添加により高温の疲労強度（３５０℃）を向上させることができ、銅とマグネシウムの含有量を減らすことにより、固相線温度のレベルアップを図ることができる。また、高温強度に最も貢献できる銅を多く添加すると共に、過剰になったマグネシウムを減らすことで、材料の固相線温度の向上を図り、材料の耐熱性を向上させることができる。

特に、鉄の増加に対して、マンガンを適量加えることにより、不純物の鉄を結合して破壊靱性、耐摩耗性や強度の低下を防止することができる。

合金Ｈと合金ＧのＳＮ曲線を示す図である。合金Ｊ、比較合金２（Ｍ１７４＋）等のＳＮ曲線を示す図である。比較合金２（Ｍ１７４＋）、合金Ｃ、合金Ｂ、合金Ｄのアルミニウム合金の組織を示す図である。合金Ｋ、合金Ｍのアルミニウム合金の組織を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態のアルミニウム合金について説明する。この実施の形態のアルミニウム合金はアルミニウム−ケイ素系（Ａｌ−Ｓｉ系）合金であり、アルミニウム合金は、ケイ素（Ｓｉ）が１０．５質量％（ｍａｓｓ％）以上１３質量％以下で、かつ、ニッケル（Ｎｉ）が１．５質量％以上３質量％以下で、かつ、銅（Ｃｕ）が２質量％以上５．５質量％以下で、かつ、マグネシウム（Ｍｇ）が０．１質量％以上０．６質量％以下で、かつ、リン（Ｐ）が０．００２質量％以上０．０２質量％以下で、かつ、チタン（Ｔｉ）が０．０５質量％以上０．３質量％以下で、かつ、ジルコニウム（Ｚｒ）が０．０５質量％以上０．２質量％以下で、かつ、バナジウム（Ｖ）が０．０５質量％以上０．２質量％以下で、かつ、鉄が０質量％以上０．８質量％以下で、かつ、マンガンを０質量％以上０．１質量％以下で、かつ、残部がアルミニウム（Ａｌ）と不可避不純物からなるように構成される。

また、より好ましくは、更に、鉄の含有量を０．４質量％以上０．５質量％以下の範囲に、かつ、マンガンの含有量を０．０８質量％以上０．１質量％以下の範囲にし、鉄の含有量が０．４質量％未満の場合には、マンガンを添加しないようにする。これにより、アルミニウム合金の固相線温度と、疲労強度と、破壊靱性及び高温強度とをバランスよく向上させることができる。

更に、このアルミニウム合金の化学成分において、マグネシウム（Ｍｇ）の含有量をＣｍｇ質量％とし、銅（Ｃｕ）の含有量をＣｃｕ質量％としたときに、「０．５１−０．１２×Ｃｃｕ≦Ｃｍｇ≦１．１１−０．１２×Ｃｃｕ」の関係を満足するように、好ましくは、「Ｃｍｇ＝０．８１−０．１２×Ｃｃｕ」の関係式を有するように、構成される。

次に、本発明におけるアルミニウム合金の各成分元素の含有量の関係について説明する。

最初にケイ素（Ｓｉ）の含有量の１０．５質量％以上１３質量％以下に関しては、ピストン用アルミニウム合金においては、耐摩耗性と強度を向上させるため、微細な初晶ケイ素粒子の析出が望ましい。アルミニウム−ケイ素二元合金の共晶点のケイ素含有量は１２．６％であるが、本発明のアルミニウム−ケイ素多元合金では、後に説明する銅（Ｃｕ）、リン（Ｐ）の添加量により、共晶点は低ケイ素側にシフトし、ケイ素の含有量が１０．５質量％でも初晶ケイ素粒子が析出される。一方、ケイ素の添加量が１３質量％よりも高くなると、析出される初晶ケイ素粒子は大きくなり、アルミニウム合金の機械的特性は悪くなる。言い換えれば、下限の１０．５質量％は初晶ケイ素粒子が十分に析出され始める量であり、上限の１３質量％は析出される初晶ケイ素粒子が大きくなって機械的特性が不十分になり始める量である。

次にニッケル（Ｎｉ）の含有量の１．５質量％以上３質量％以下に関しては、ニッケルは高温強度の向上に寄与するが、その含有量は１．５質量％未満では十分な高温強度を得ることができず、一方、３質量％を超えると、その効果が次第に小さくなる。そのため、１．５質量％以上３質量％以下とする。

次に銅（Ｃｕ）の含有量の２質量％以上５．５質量％以下とマグネシウム（Ｍｇ）の０．１質量％以上０．６質量％以下に関しては、ピストン用アルミニウム合金には優れた耐熱性が求められるので、耐熱性を向上させるためには、銅は不可欠な元素で、銅の添加量が多い方が望ましく、銅の添加量は多ければ多いほどよいが、アルミニウム合金の固相線温度を大きく低下させることがあるので、最大でも５．５質量％とする。言い換えれば、下限の２質量％は耐熱性の向上に必要な量であり、上限の５．５質量％は固相線温度の低下の限界から決まる量である。

そして、銅とマグネシウムの両方とも、アルミニウム合金の固相線温度を大きく低下させる効果のある元素であるが、高温における強度を向上させるために、最大限に銅を添加する場合、固相線温度への影響を最小限にする方法としてマグネシウムの添加量を減らすことが重要である。また、銅を多く添加し、さらにマグネシウムの添加量を減らすと、共晶点を低ケイ素側にシフトさせるので、ケイ素が１０．５質量％の場合でも、組織的に過共晶アルミニウム−ケイ素系合金になり、初晶ケイ素が析出される。

そこで、アルミニウム合金中に多くの銅を添加した場合にはマグネシムを少なめに添加し、また、銅を少なめに添加した場合には、マグネシウムを多めに添加する。この両者の関係として、次に示す関係式（１）を発現した。なお、この（１）式は実験結果から導出している。
Ｃｍｇｃ＝０．８１−０．１２×Ｃｃｕ（１）

ここで、Ｃｍｇｃはマグネシウムの含有量（質量％）に対応する計算値で、Ｃｃｕは銅の含有量（質量％）である。また、マグネシウムの含有量（質量％）であるＣｍｇの添加量の範囲は（１）式による計算値のＣｍｇｃより±０．３（質量％）の範囲内であればよい。
つまり、
Ｃｍｇｃ１＝０．５１−０．１２×Ｃｃｕ（２）
Ｃｍｇｃ２＝１．１１−０．１２×Ｃｃｕ（３）
とした時に、
Ｃｍｇｃ１≦Ｃｍｇ≦Ｃｍｇｃ２（４）
の関係があればよい。

例えば、５．５質量％の銅を添加する場合には、０．１質量％のマグネシウムを添加すればよいが、２質量％の銅を添加する場合には、０．５２質量％のマグネシウムを添加する。具体的な例としては、表２に示す、引張強度が４２６ＭＰａで、疲労強度が４９ＭＰａであり両方とも優れている「合金Ｋ」では、Ｃｍｇ＝０．５１、Ｃｃｕ＝４．７３であり、（２）式、及び、（３）式に当てはめると「Ｃｍｇｃ１＝０．５１−０．１２×４．７３＝−０．０５７６」、及び、「Ｃｍｇｃ２＝１．１１−０．１２×４．７３＝０．５４２４」であり、（４）式の関係は、「−０．０５７６＜０．５１＜０．５４２４」、つまり、「Ｃｍｇｃ１＜Ｃｍｇ＜Ｃｍｇｃ２」となっており、上記の関係の範囲内に入っていることが分かる。

次に、鉄（Ｆｅ）に関しては、鉄の含有量が０．３質量％以上になると、針状アルミニウム−ケイ素−鉄（Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ）金属間化合物が析出し、破壊靱性及び高温強度を低下させるので、通常は、鉄の含有量は０．３質量％以下とする必要がある。特に、この成分のアルミニウム合金はピストン用耐熱合金なので、鉄の含有量は０．２５質量％以下にする必要がある。

しかしながら、積極的に鉄を加えなくても、合金のピストン等のリターン材を使用する場合には、０．５（質量％）にならない程度ではあるが、ニッケル鋳鉄（ニジレスト）の耐磨環等に由来する鉄が混入してしまう。そのため、本発明においては、鉄が０質量％以上０．８質量％以下の場合に、不純物の鉄を結合して破壊靱性、耐摩耗性や強度の低下を軽減するマンガンを０質量％以上０．１質量％以下の量で添加する。また、より好ましくは、鉄の含有量を０．４質量％以上０．５質量％以下の範囲に、かつ、マンガンの含有量を０．０８質量％以上０．１質量％以下の範囲にし、鉄の含有量が０．４質量％未満の場合には、マンガンを添加しないようにする。

次にリン（Ｐ）の０．００２質量％以上０．０２質量％以下に関しては、リンは耐摩耗性の向上に有効な初晶ケイ素の核生成に作用し、微細な初晶ケイ素の均一分散に寄与する。リンの含有量が２０ｐｐｍ未満であるとそのような効果が不十分となり、２００ｐｐｍを超えるとそれ以上の効果が見られない。よって、リンの含有量は２０〜２００ｐｐｍが好ましく、０．００２質量％以上０．０２質量％以下とする。

また、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びバナジウム（Ｖ）に関しては、それぞれチタンが０．０５質量％以上０．３質量％以下、ジルコニウムが０．０５質量％以上０．２質量％以下、バナジウムが０．０５質量％以上０．２質量％以下の含有量とする。チタン、ジルコニウム及びバナジウムの添加は、α−Ａｌ相の微細化や微細分散粒子の生成に寄与し、アルミニウム合金の耐熱性を向上させる効果がある。そして、上記の範囲の下限以下になると、その効果が不十分であり、上記の範囲の上限を超えて含有しても更なる効果の向上は望めない。

この表１と表２に示すアルミニウム合金は、ＡＣ４Ｃ合金またはＡＣ１Ｂ合金に、銅、ケイ素、マグネシウム、ニッケル、アルミニウム−チタン（Ａｌ−Ｔｉ）、アルミニウム−バナジウム（Ａｌ−Ｖ）、アルミニウム−ジルコニウム（Ａｌ−Ｚｒ）、アルミニウム−リン（Ａｌ−Ｐ）を添加して作製したものである。

そして、これらの合金に作製に関しては、溶湯アルミニウム合金を、７５０℃に加熱し、アルゴン（Ａｒ）ガスで２０分脱ガスし、さらに1時間以上静置した後、舟形試験片を鋳込んだ。鋳造後、この試験片を日本工業規格（ＪＩＳ）のＴ６（５１０℃×４ｈ、１７０℃×１０ｈ）の条件で熱処理を行った。

この熱処理した試験片を切断・研磨し、その組織を観察した。機械的特性としては、室温で引張強度を測定し、また、小野式回転曲げ疲労試験機でその疲労強度を測定した。小野式回転曲げ疲労試験機の回転数は３０００ｒｐｍ、試験中止繰り返し回数は１０⁷回とした。また、疲労試験は３５０℃で実施した。

表２の引張強度は室温で測定した強度で、疲労強度は３５０℃で測定した強度である。表１及び表２に示す合金Ａは合金Ｃ相当であるが、チタン、バナジウム、ジルコニウムとリンは添加していない。合金Ｂと合金Ｃと合金ＤはＭ１７４＋相当の合金で、大きな違いは、チタン、バナジウム、ジルコニウムとリンの添加の有無である。合金Ｇと合金Ｈは、比較合金２（Ｍ１７４＋）と比較して、銅とマグネシウムの現有量を減らしている。合金Ｇと合金Ｈとの差は、チタン、バナジウム、ジルコニウムとリンの添加の有無である。また、合金Ｋは、合金Ｍに対して、マンガンを増やしている。

これらの結果として、図１に、合金Ｇと合金Ｈの各合金のＳＮ曲線（測定温度：３５０℃）を示し、図２に、合金Ｊ、合金Ｋ、合金Ｌ、合金Ｍ、比較合金２、比較合金２で試作したピストンからの切り出し材（熱処理条件：Ｔ５）（「比較合金２＋Ｐ（Ｔ５）」と表示する）、比較合金１で試作したピストンからの切り出し材（熱処理条件：Ｔ５）（「比較合金１＋Ｐ（Ｔ５）と表示する」の各合金のＳＮ曲線（測定温度：３５０℃）を示す。また、図３に、合金Ｂ、合金Ｃ、合金Ｄ、比較合金２の各合金の光学顕微鏡写真による組織を示し、図４に、合金Ｋ、合金Ｍの各合金の光学顕微鏡写真による組織を示す。

表１及び表２のリン添加を添加した合金Ｂと、リンの添加無しの合金Ｃと、比較合金２相当の合金にチタン、バナジウム、ジルコニウム、リンを添加した合金Ｄとを比較すると、引張強度（２５℃）は、それぞれ４０２ＭＰａ、４０５ＭＰａ、３９６ＭＰａであり、疲労強度は、それぞれ３５ＭＰａ、３８ＭＰａ、４７ＭＰａであった。この結果から、チタン、バナジウム、ジルコニウムの添加による疲労強度向上は約３４％となるが、チタン、バナジウム、ジルコニウムの添加の有無による引張強度（２５℃）への影響は小さいことが分かった。

つまり、チタン、バナジウム、ジルコニウムの添加による疲労強度（３５０℃）への向上効果は大きく、チタン、バナジウム、ジルコニウム、リンを添加していない合金Ｂの場合には、合金の組織で見た場合に、微量の初晶Ｓｉ粒子が析出されているが、組織は基本的に亜共晶で、デンドライト状のα−Ａｌ粒子は大きく成長していることが分かった。

また、リンを僅か７０ｐｐｍ添加した合金Ｂの場合には、初晶Ｓｉ粒子が細かくなり、かつ、その数も多くなっている。また、リンに加えて、更に、微量のチタン、バナジウム（、ジルコニウムを添加すると、組織全体が細かくなり、最後凝固する共晶部分は均一に分散され、更に細かくなっていることが分かった。

また、比較合金２と比較して銅とマグネシウムの含有量を減らした合金Ｇと合金Ｈの場合は、固相線温度のレベルアップし、疲労強度(ＳＮ曲線）が７％向上した。また、銅とマグネシウムの両方を減らした合金Ｈの疲労強度は、比較合金２と略同じであった。

また、チタン、バナジウム、ジルコニウム、リンを添加した合金Ｈは、合金Ｇと比較して、疲労強度が約１８％向上した。また、ＳＮ曲線の傾きはより穏やかになった。なお、銅とマグネシウムの添加量を減らしたことで、引張強度は低くなったが、高温疲労強度は比較合金２と同じであった。

つまり、高温強度に最も貢献できる銅を多く添加しても、マグネシウムを減らすことで、固相線温度を下げない方法もあるが、銅を多く添加した場合、マグネシウムはある意味で過剰になり、このマグネシウムを減らすことは材料の固相線温度の向上につながり、材料の耐熱性を向上させることが分かった。

銅を４．８％に増加し、マグネシウムを０．１８％に減少した合金Ｍでは、引張強度（２５℃）は４３５ＭＰａで比較合金２より８％向上し、疲労強度（３５０℃）は５３ＭＰａで比較合金２より１１％向上した。

また、合金Ｍに対し、マグネシウムを０．３％増やして０．５％にした合金Ｋの場合は引張強度と疲労強度が低下した。つまり、マグネシウムを減らすと、引張強度と疲労強度は共に向上した。従って、銅を増やした場合に、マグネシウムを減らさないと、アルミニウム合金の高強度化はできないことが分かった。銅とマグネシウムは似た効果があるので、銅を多く添加した場合、マグネシウムはアルミニウムで過剰になり、それを減らすことは材料の固相線温度の向上にもつながり、材料の耐熱性を向上させることもできることが分かった。

従って、本発明のアルミニウム合金によれば、銅とマグネシウムの添加量を調節することによりアルミニウム合金の固相線温度を最大限に高くすることができると共に、より耐熱性に優れ、高強度とすることができるので、優れた機械的特性と耐摩耗性を備えることができ、高強度軽量化部材としてピストンなどの自動車部品や他の広い分野に使用できるアルミニウム合金が得られる。

また、ニッケルを、高温強度の向上に寄与させるために、つまり、高温疲労強度を向上させるために添加するが、その含有量が１．５質量％未満では十分な高温強度を得ることができず、３質量％を超えるとその効果が次第に小さくなるので、ニッケルの含有量を１．５質量％以上３質量％以下とすることにより、ニッケルを効率良く利用して高温強度を向上できるという効果を奏することができる。

また、チタン、バナジウム、ジルコニウム、リンの添加により疲労強度（３５０℃）が向上し、銅とマグネシウムの含有量を減らすことにより、固相線温度のレベルアップを図ることができ、高温強度に最も貢献できる銅を多く添加すると共に、過剰になったマグネシウムを減らすことで、材料の固相線温度の向上を図り、材料の耐熱性を向上させることができる。

更に、鉄の増加に対して、不純物の鉄を結合して破壊靱性、耐摩耗性や強度の低下を軽減するマンガンを適量加えることにより、鉄の増加による破壊靱性、耐摩耗性や強度の低下を防止することができる。

本発明のアルミニウム合金によれば、銅（Ｃｕ）とマグネシウム（Ｍｇ）の添加量を調節することによりアルミニウム合金の固相線温度を最大限に高くすることができると共に、より耐熱性に優れ、高強度とすることができ、優れた機械的特性と耐摩耗性を備えることができるので、高強度軽量化部材としてピストンなどの自動車部品や他の広い分野に使用できる。

Claims

ケイ素が１０．５質量％以上１３質量％以下で、
かつ、ニッケルが１．５質量％以上３質量％以下で、
かつ、銅が２質量％以上５．５質量％以下で、
かつ、マグネシウムが０．１質量％以上０．６質量％以下で、
かつ、リンが０．００２質量％以上０．０２質量％以下で、
かつ、チタンが０．０５質量％以上０．３質量％以下で、
かつ、ジルコニウムが０．０５質量％以上０．２質量％以下で、
かつ、バナジウムが０．０５質量％以上０．２質量％以下で、
かつ、鉄が０質量％以上０．８質量％以下で、かつ、マンガンを０質量％以上０．１質量％以下で、かつ、残部がアルミニウムと不可避不純物からなることを特徴とするアルミニウム合金。
マグネシウムの含有量をＣｍｇ質量％とし、銅の含有量をＣｃｕ質量％としたときに、「０．５１−０．１２×Ｃｃｕ≦Ｃｍｇ≦１．１１−０．１２×Ｃｃｕ」の関係を満足することを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金。
更に、鉄の含有量を０．４質量％以上０．５質量％以下の範囲に、かつ、マンガンの含有量を０．０８質量％以上０．１質量％以下の範囲にすることを特徴とする請求項１又は２に記載のアルミニウム合金。
鉄の含有量が０．４質量％未満の場合には、マンガンを添加しないことを特徴とする請求項１又は２に記載のアルミニウム合金。