JP2020132893A

JP2020132893A - 鋳造用アルミニウム合金及び内燃機関のシリンダーヘッド

Info

Publication number: JP2020132893A
Application number: JP2019023117A
Authority: JP
Inventors: 芳明野々山; Yoshiaki Nonoyama; 杏菜鶴岡; Anna Tsuruoka; 洋介野村; Yosuke Nomura; 誠徳野; Makoto Tokuno; 隆志西迫; Takashi Nishisako
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2019-02-13
Filing date: 2019-02-13
Publication date: 2020-08-31

Abstract

【課題】本発明の少なくとも一つの実施形態は、疲労強度に優れるとともに、鋳造性及び機械的強度を向上することができる鋳造用アルミニウム合金及び内燃機関のシリンダーヘッドを提供することを目的とする。【解決手段】鋳造用アルミニウム合金は、質量比で、Ｓｉ：６．５〜８．０％、Ｃｕ：０．６〜０．８％、Ｍｇ：０．３〜０．４％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物であり、引張強度：２５０ＭＰａ以上、０．２％耐力：２００ＭＰａ以上、伸び０．５〜０．７％であることを特徴とする。【選択図】なし

Description

本開示は、鋳造用アルミニウム合金及び内燃機関のシリンダーヘッドに関する。

エンジンの高出力化に伴い、シリンダーヘッドに用いられる鋳造用アルミニウム合金は、高い疲労強度が求められる。特に、燃焼室弁間部は、高温の燃焼熱に晒されるため熱変形する。そして、加熱と水冷却が繰り返されることによって、疲労亀裂が発生する問題がある。そのため、熱疲労強度の向上と熱変形を低減するために高い熱伝導率が要求される。また、燃焼爆発で発生する応力に耐えられる高サイクル疲労強度の向上が求められる。しかし、従来からシリンダーヘッドに使われるＪＩＳ材料のＡＣ２Ｂは、疲労強度、熱伝導率が十分ではない。

また一方で、シリンダーヘッドに用いられる鋳造用アルミニウム合金においては、鋳造品を成形する際の溶湯の流動性つまり鋳造性の向上、及び軽量化やボルト座面等における座屈強度の観点より機械的強度の向上が要求される。

鋳造用アルミニウム合金の先行技術としては、例えば、特許文献１、２が知られている。特許文献１には、高サイクル疲労強度及び熱疲労強度の代替特性である伸びに優れる内燃機関のシリンダーヘッドに用いられる鋳造用アルミニウム合金が示されている。具体的には、質量比で、Ｓｉ：４．０〜６．０％、Ｃｕ：０．５〜２．０％、Ｍｇ：０．２５〜０．５％、Ｓｒ：０．００２〜０．０２％、Ｔｉ：０．００５〜０．２％、Ｆｅ：０．２％以下、Ｍｎ：０．２％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物であり、高サイクル疲労強度：１００ＭＰａ以上、伸び：１０％以上、硬さ：５０ＨＲＢ以上であることを特徴とする鋳造用アルミニウム合金について示されている。

また、特許文献２には、熱疲労強度に優れるアルミニウム合金鋳物が示されている。具体的には、重量比率で、Ｓｉ：４〜１０％、Ｃｕ：０〜５％、Ｍｇ：０〜１．０％、残部がＡｌおよび不可避的不純物の組成からなるアルミニウム合金であって、該アルミニウム合金鋳物のミクロ組織が、交線法で測定した２次デンドライトアームスペーシング４５μｍ以下、平均円相当径が１０μｍ以下で、かつ平均円形度７０％以上の共晶Ｓｉを有することを特徴とするアルミニウム合金鋳物について示されている。

特許第５６６０６８９号公報特開平１０−２５７１９０号公報

前述したように、エンジンのシリンダーヘッドに用いられる鋳造用アルミニウム合金は、疲労強度に優れ高い熱伝導率を有することが求められるばかりでなく、鋳造品を成形する際の溶湯の流動性つまり鋳造性及び機械的強度の向上が要求される。また、前記特許文献１、２にあっては、鋳造性及び機械的強度の向上が十分であるとは言えない。

そこで、上記課題に鑑み、本発明の少なくとも一つの実施形態は、疲労強度に優れるばかりでなく、鋳造性及び機械的強度を向上することができる鋳造用アルミニウム合金及び内燃機関のシリンダーヘッドを提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために発明されたものであり、本発明の鋳造用アルミニウム合金は、質量比で、Ｓｉ：６．５〜８．０％、Ｃｕ：０．６〜０．８％、Ｍｇ：０．３〜０．４％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物であり、引張強度：２５０ＭＰａ以上、０．２％耐力：２００ＭＰａ以上、伸び：５．０〜７．０％であることを特徴とする。

このような構成によれば、疲労強度に優れるとともに、鋳造性及び機械的強度を向上することができる鋳造用アルミニウム合金を得ることができる。

また、質量比でＦｅを０．２％以下さらに含むことを特徴とする。このように、質量比でＦｅを０．２％以下さらに含むことによって、Ｆｅによって作用する引張強度、伸び、靱性を低下させるなど全般的に悪影響を抑えつつ、Ｆｅによる鋳造のひけや、離れを良くする作用を得ることができる。

また、質量比でＴｉを０．２％以下さらに含むことを特徴とし、さらに、前記Ｔｉが０．１４％含まれることを特徴とする。Ｔｉを添加することで、鋳造組織の結晶粒を微細化する効果が得られる。添加量が多くなると熱伝導率が低下するので、質量比でＴｉを０．２％以下の範囲とする。また、添加量が少なくなると伸びが低下するので、Ｔｉが０．１４％程度含まれることが好ましい。

また、前記Ｃｕの０．６〜０．８の範囲において、Ｃｕが０．７％程度含まれることを特徴とする。図１（Ａ）の高サイクル疲労強度を測定した結果及び、図１（Ｂ）の低サイクル疲労強度を測定した結果に示すように、Ｃｕ含有量が０．６〜０．８％の範囲では疲労強度が高く、約０．７％で最も高くなることが分かる。

また、本発明は、前記の鋳造用アルミニウム合金によって成形された内燃機関のシリンダーヘッドを特徴とする。これによって、疲労強度に優れるばかりでなく、鋳造性及び機械的強度を向上した鋳造用アルミニウム合金によって成形された内燃機関のシリンダーヘッドを得ることができる。

本発明によれば、疲労強度に優れ高い熱伝導率を有するとともに、鋳造性及び機械的強度を向上することができる鋳造用アルミニウム合金及び内燃機関のシリンダーヘッドを得ることができる。

本発明の鋳造用アルミニウム合金の疲労強度の試験結果を示すグラフであり、Ｃｕ含有量との関係を示す。（Ａ）は高サイクル疲労強度を示し、（Ｂ）は低サイクル疲労強度を示す。本発明の鋳造用アルミニウム合金の疲労強度の試験結果を示すグラフであり、伸びとの関係を示す。（Ａ）は高サイクル疲労強度を示し、（Ｂ）は低サイクル疲労強度を示す。本発明の鋳造用アルミニウム合金の機械的強度の試験結果を示すグラフであり、Ｃｕ含有量との関係を示す。（Ａ）は引張強度を示し、（Ｂ）は０．２％耐力を示し、（Ｃ）は伸びを示す。

以下、本発明の実施形態について表及び図面を参照して詳細に説明する。なお、合金成分の含有量表記における「％」は、特記しない限り質量百分率を表すものとする。

本発明の一実施形態に係る鋳造用アルミニウム合金は、自動車用の内燃機関（エンジン）のシリンダーヘッドに用いられるものである。この鋳造用アルミニウム合金は、質量比で、Ｓｉ：６．５〜８．０％、Ｃｕ：０．６〜０．８％、Ｍｇ：０．３〜０．４％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物である。そして、機械的強度として、引張強度：２５０ＭＰａ以上、０．２％耐力：２００ＭＰａ以上、伸び：５．０〜７．０％であることを特徴とする。以下合金成分の含有量の限定理由について説明する。

＜合金成分＞
（１）Ｓｉ（ケイ素）：６．５〜８．０％としたのは、Ｓｉは、鋳造品を成形する際の溶湯の流動性つまり鋳造性を向上させる作用を有するため、シリンダーヘッドのような複雑な形状や薄肉部を有する鋳造品に対して、ある程度添加することが必要になるためである。添加量が増加するに従って引張強度及び０．２％耐力を向上させる作用を有する。しかし、添加量が増加して８．０％を超えると伸び、及び熱膨張係数を低下させる作用を有し、引け巣分散効果が悪くなり、鋳造欠陥が増加する。

従って、鋳造品のシリンダーヘッドの形状等から鋳造性を確保するには６．５％より少ないと溶湯の流動性が確保されず不十分となり、８．０％を超えると伸び、及び熱膨張係数を低下させる作用が顕著になることから、６．５〜８．０％の範囲とした。

（２）Ｃｕ（銅）：０．６〜０．８％としたのは、Ｃｕは、添加量が増加するに従って、ＣｕＡｌ_２中間層の析出強化で引張強度及び０．２％耐力といった機械的強度を向上させるが、伸びが低下し疲労強度を悪化させる作用を有するためである。

図１（Ａ）、（Ｂ）は、Ｃｕ含有量と疲労強度との関係を示す試験結果のグラフであり、図１（Ａ）は、高サイクル疲労強度を測定した結果を示し、図１（Ｂ）は、低サイクル疲労強度を測定した結果を示す。この図１（Ａ）、（Ｂ）に示すＣｕ含有量と疲労強度との関係は、表１、２に示す実施例のデータ値に基づき、Ｃｕ：０．１％の点は「比較例４」のデータであり、Ｃｕ：０．７％の点は「実施例２」のデータであり、Ｃｕ：１．２％の点は「比較例５」のデータであり、Ｃｕ：２．９％の点は「比較例６」のデータの値に基づく。

図１（Ａ）及び図１（Ｂ）より、Ｃｕ含有量の増加に伴って高サイクル疲労強度及び低サイクル疲労強度のそれぞれは増加後低下する傾向が示される。Ｃｕ含有量が０．６〜０．８％の範囲では他の含有量に比べて高くなり、約０．７％で最も高くなることが分かる。

なお、これら各Ｃｕ点でのＳｉは、表１の「実施例２」、「比較例４〜６」に示すように、６．１〜７．０％の範囲であり、Ｔｉは０．１４％、Ｓｒは０．００５％の場合である。

図２（Ａ）、（Ｂ）は、伸びと疲労強度との関係を示す試験結果のグラフであり、図２（Ａ）は、高サイクル疲労強度を測定した結果を示し、図２（Ｂ）は、低サイクル疲労強度を測定した結果を示す。

この図２（Ａ）及び図２（Ｂ）より、高サイクル疲労強度及び低サイクル疲労強度は、それぞれ伸びと相関関係があることが分かる。そして、Ｃｕが約０．７％で最も高くなることが分かる。このＣｕ：０．７％点は、表１、２に示す「実施例２」であるので、実施例２の伸び５．９％を基に、その前後を伸びの目標範囲として、伸びが５．０〜７．０％の範囲とした。この伸びの範囲では高サイクル疲労強度及び低サイクル疲労強度が共に高くなり疲労強度が高まることが分かる。

（３）Ｍｇ（マグネシウム）：０．３〜０．４％としたのは、Ｍｇは、添加量が増加するに従って、Ｍｇ_２Ｓｉ中間層の析出強化で引張強度及び０．２％耐力といった機械的強度を向上させるが、伸びが低下し疲労強度を悪化させる作用を有するからである。従って、０．３〜０．４％の範囲で添加することによって、機械的強度と疲労強度のバランスを図っている。

（４）Ｆｅ：０．２％以下としたのは、Ｆｅは、添加量が増加するに従って、針状ＦｅＡｌ_３やＳｉ化合物の晶出により、引張強度、伸び、靱性を低下させるなど悪影響を及ぼすため０．２％以下とする。また、実質的にゼロ％も含む。

（５）Ｔｉ：０．２％以下としたのは、Ｔｉは、添加量が増加するに従って、結晶粒を微細化し引けが改善されるが、熱伝導率を低下させるため、０．２％を超えると熱伝導率の低下が顕著になるためである。従って、熱伝導率を考慮すると０．２％以下とすることが好ましい。

一方、図３は、Ｔｉ及びＳｒの含有量の変化に対する機械的強度の変化を示す試験結果である。図３（Ａ）は、引張強度を示し、図３（Ｂ）は、０．２％耐力を示し、図３（Ｃ）は、伸びを示す。

Ｔｉ及びＳｒの含有量が変化しても、引張強度、０．２％耐力はほとんど変化しないが、Ｔｉ量が減ると伸びが低下する傾向が得られた。例えば、図３（Ｃ）に示すようにＴｉの含有量を０．１４％→０．０３％に低減すると伸びは５．９％→３．９％、３．３％に低減する。

従って、Ｔｉ含有量については、熱伝導率を考慮すると０．２％以下とすることが好ましいが、Ｔｉ含有量が低下すると伸びが低減するため、Ｔｉについては約０．１４％とすることが好ましい。

＜熱処理＞
本発明の鋳造用アルミニウム合金を用いてシリンダーヘッドを生成する際の熱処理としては、シリンダーヘッドに必要な熱疲労強度向上と残留応力の低減、及び寸法安定性を得るために、ＪＩＳの識別記号でＴ７処理（溶体化処理後、安定化処理：溶体化処理後特別の性質に調整するため、最大強さを得る人工時効硬化処理条件を超えて過剰時効処理したもの）を施している。

なお、このＴ７処理は、Ｔ６処理（溶体化処理後、人口時効効果処理）よりも強さは低いが、靱性は高く、また、寸法は安定し、耐食性も改善される。

本実施形態では、一例として、溶体化処理は、５００±５℃で６．５時間保持後水冷、時効硬化処理は、２５０±５℃で２．５時間保持後空冷を行う。

以上の熱処理によって、鋳造用アルミニウム合金の機械的強度としての引張強度が２５０ＭＰａ以上、０．２％耐力が２００ＭＰａ以上の目標値、さらに、伸びが５．０〜７．０％の目標値が達成される。

表１、２の「実施例１」〜「実施例４」に示すように、引張強度が２５０ＭＰａ以上、０．２％耐力が２００ＭＰａ以上の強度が得られる。また、伸びについては、Ｓｉ及びＣｕの含有量に大きく影響されるため、Ｓｉが６．５〜８．０％の範囲、及びＣｕが０．６〜０．８％では、伸びは５．０〜７．０％の範囲となる。

＜試験方法＞
鋳造用アルミニウム合金の機械的強度（引張強度、０．２％耐力、伸び）、または、熱伝導率については、次の試験方法又は測定方法によって行う。

高サイクル疲労試験は、ＪＩＳＺ２２７４、Ｚ２２８６に規定される疲労試験方法に準じて行われる。
・小野式回転曲げ疲労試験機
・試験温度：１５０℃
・繰返し速度：３６００ｒｐｍ
・繰返し回数：１０^５〜１０^７回になるように応力条件を設定。最大１０^７回で破断しない場合は試験終了とする。１０^７回時の応力条件を疲労強度とする。

低サイクル疲労試験は、ＪＩＳＺ２２７９に規定される疲労試験方法に準じて行われる。
・試験温度：２２０℃
・ひずみ制御：軸方向ひずみ制御
・全ひずみ範囲：０．５〜１．０％
・繰返し波形、速度：三角波形、０．１％／ｓ
・繰返し回数：１００〜５０００回、疲労寿命中期の７５％に低下した時点、または破断時を破断回数とする。ひずみ（Δεｔ）０．５５％のときの破断回数を疲労強度とする。

引張試験は、ＪＩＳＺ２２４１に規定される試験方法に準じて行われる。
・温度：常温

熱伝導率測定は、レーザーフラッシュ法、または、キセノンフラッシュ法によって行われる。
・温度：常温

以上説明した、合金成分及び機械的強度等を有する本発明の鋳造用アルミニウム合金について表１、表２に示す。表１には、合金成分を示し、表２には、鋳造後の熱処理、引張り強度、０．２％耐力、伸び、高サイクル疲労強度、低サイクル疲労強度、熱伝導率、及び気孔率を示す。本発明は実施例１〜４に示し、本発明の規定範囲を外れた比較合金を比較例１〜８に示す。

実施例１〜４において、Ｓｉが６．５〜８．０％、Ｃｕが０．６〜０．８％、Ｍｇが０．３〜０．４％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物であり、引張強度が２５０ＭＰａ以上、０．２％耐力が２００ＭＰａ以上、伸びが５．０〜７．０％であることが確認された。さらに、Ｆｅが０．２％以下の０．１０％、Ｔｉが０．２％以下の０．１４％をさらに含むことも確認された。

比較例１においては、Ｓｉ及びＣｕが本発明のＳｉ：６．５〜８．０％、Ｃｕ：０．６〜０．８％より共に少なく、Ｓｉ：５．０％、Ｃｕ：０．５％である。このため、伸びは６．７％と本発明の５．０〜７．０％を満たすが、引張強度及び０．２％耐力が本発明の引張強度：２５０ＭＰａ以上、０．２％耐力：２００ＭＰａ以上を満たさない。

比較例２においては、Ｓｉが本発明のＳｉ：６．５〜８．０％より多く、Ｓｉ：８．５％であり、Ｃｕが本願発明のＣｕ：０．６〜０．８％より少ないＣｕ：０．５％である。このため、０．２％耐力：２００ＭＰａ以上を満たさず不十分である。

比較例３においては、Ｓｉ及びＣｕが本発明のＳｉ：６．５〜８．０％、Ｃｕ：０．６〜０．８％より共に多く、Ｓｉ：８．５％、Ｃｕ：０．９％である。このため、本発明の引張強度：２５０ＭＰａ以上、０．２％耐力：２００ＭＰａ以上を満たすものの、伸びが４．３％しかなく本発明の５．０〜７．０％を満たさず不十分である。

比較例４においては、Ｓｉ及びＣｕが本発明のＳｉ：６．５〜８．０％、Ｃｕ：０．６〜０．８％より共に少なく、Ｓｉ：６．１％、Ｃｕ：０．１％である。このため、伸びは６．４％と本発明の５．０〜７．０％を満たすが、引張強度及び０．２％耐力は本発明の引張強度：２５０ＭＰａ以上、０．２％耐力：２００ＭＰａ以上を共に満たさない。この比較例４のＳｉとＣｕの含有量が本発明に対して共に少なく、引張強度及び０．２％耐力をともに本発明を満たさない傾向は上記比較例１と同様である。

比較例５においては、Ｓｉが本発明のＳｉ：６．５〜８．０％を満たす７．０％であり、Ｃｕが本発明のＣｕ：０．６〜０．８％より多い１．２％である。このため、引張強度：２５０ＭＰａ以上は満たすが、０．２％耐力：２００ＭＰａ以上を満たすが、伸びが３．８％であり本発明の５．０〜７．０％を満たさず不十分である。

比較例６においては、Ｓｉが本発明のＳｉ：６．５〜８．０％を満たす６．８％であり、Ｃｕが本発明のＣｕ：０．６〜０．８％より多い２．９％である。このため、引張強度：２５０ＭＰａ以上及び、０．２％耐力：２００ＭＰａ以上を満たすが、伸びが１．８％しかないため、本発明の５．０〜７．０％を満たさず不十分である。

比較例７においては、Ｓｉが本発明のＳｉ：６．５〜８．０％を満たす７．０％であり、Ｃｕが本発明のＣｕ：０．６〜０．８％を満たす０．７％である。この比較例７は、Ｔｉを０．１４％→０．０３％に低減した場合を示している。比較例７は、引張強度：２５０ＭＰａ以上及び、０．２％耐力：２００ＭＰａ以上を満たすが、伸びが５．９％→３．９％に低下するため、本発明の伸び：５．０〜７．０％を満たさない（図３（Ｃ）参照）。

比較例８においては、Ｓｉが本発明のＳｉ：６．５〜８．０％を満たす７．０％であり、Ｃｕが本発明のＣｕ：０．６〜０．８％を満たす０．７％である。この比較例８は、Ｔｉを０．１４％→０．０３％に低減し、さらに、Ｓｒを０．００５％→０％（ゼロ）に低減した場合を示している。比較例８は、比較例７と同様に、引張強度：２５０ＭＰａ以上及び、０．２％耐力：２００ＭＰａ以上を満たすが、伸びが３．３％に低下するため、本発明の伸び：５．０〜７．０％を満たさない。

比較例７、８から、Ｔｉ、Ｓｒの含有量が変化しても、引張強度及び０．２％耐力は変わらないことが分かる（図３（Ａ）、（Ｂ）参照）。

以上の実施例１〜４、及び比較例１〜８に示す成分含有量及び機械的強度及び疲労強度等から明らかなように、本願発明の疲労強度に優れるとともに、鋳造性及び機械的強度を向上することができる鋳造用アルミニウム合金が得られることが確認された。

本発明の一実施形態によれば、疲労強度に優れ高い熱伝導率を有するとともに、鋳造性及び機械的強度を向上することができる鋳造用アルミニウム合金を得ることができるので、車両用の内燃機関のシリンダーヘッドの成形に適している。

Claims

質量比で、Ｓｉ：６．５〜８．０％、Ｃｕ：０．６〜０．８％、Ｍｇ：０．３〜０．４％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物であり、引張強度：２５０ＭＰａ以上、０．２％耐力：２００ＭＰａ以上、伸び：５〜７％であることを特徴とする鋳造用アルミニウム合金。
質量比でＦｅを０．２％以下さらに含むことを特徴とする請求項１に記載の鋳造用アルミニウム合金。
質量比でＴｉを０．２％以下さらに含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の鋳造用アルミニウム合金。
前記Ｔｉが０．１４％含まれることを特徴とする請求項３に記載の鋳造用アルミニウム合金。
前記Ｃｕが０．７％含まれることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の鋳造用アルミニウム合金。
前記請求項１から５の何れか１項に記載の鋳造用アルミニウム合金によって成形されたことを特徴とする内燃機関のシリンダーヘッド。