JPH0472033A - 内燃機関用アルミニウム合金製ピストン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、特に車両等に搭載される内燃機関のピストン
として使用される鋳造性、加工性７強度等に優れたアル
ミニウム合金に関する。

［従来の技術］ ピストン用のアルミニウム合金としては、１ｉｉ１熱性
、耐摩耗性、低熱膨張率等を考慮して、ＪＩＳＡＣ８Ａ
、ＡＣ８Ｂ、ＡＣ８Ｃ等で代表される亜共晶Ａβ−Ｓｉ
合金や共晶Ａｆｆ−Ｓｉ合金が従来から使用されている
。

しかし、亜共晶或いは共晶Ａβ−３ｉ合金は、−船釣に
熱膨張係数が大きな材料である。そのため、この種の合
金を内燃機関のピストンとして使用すると、エンジンの
作動前と作動中の径に大きな変化が生じる。そこで、膨
張代を大きくして、径の変動に対応する手段が採用され
ている。ところが、膨張代を大きくすることに伴って、
低温側におけるシリンダボアとのクリアランスが大きく
なり、騒音、振動等の問題が増大する。

この問題を解消するため、Ｊ　Ｉ　５−ＡＣ９Ａ。

ＡＣ９Ｂ等の熱膨張係数の小さい過共晶ＡＪ２−Ｓｉ合
金が一部で使用されている。たとえば、特開昭５９−１
２６７５０号公報では、Ｓｉ　１０〜１７％のＡ℃−Ｓ
ｉ合金に、耐熱亀裂性を向上させるため０．０５〜０．
３％のｓｂを添加したものが紹介されている。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、比較的多量のＳｉを含有する過共晶Ａｌ２−
Ｓｉ合金は、初晶３１粒の発達が著しい。

また、溶融温度が高く、共晶或いは亜共晶Ａｌ２−３ｉ り、鋳造性も悪い。しかも、溶湯が凝固して製品形状と
なる鋳造過程における初晶３１粒の発達・成長のため、
粗大な結晶粒を含んだ組織となる。

特に、サイズが大きなピストンを鋳造すると、鋳造時の
冷却速度が遅くなることから、初晶３１粒が一層大きく
成長して、強度不足となり、また局部的に軟質の部分が
生じ耐摩耗性が劣化する。

このような問題のため、過共晶Ａ１２−Ｓｉ合金は、熱
膨張係数が小さく耐熱性に優れた材料であるにも拘らず
、軽自動車や自動二輪車等に搭載される小型エンジンの
ピストン材料として使用されるに留まっている。

本発明は、このような問題を解消するために案出された
ものであり、初晶３１粒の成長を抑制して、その粒径を
２０〜６０ｔｉｍと低く抑えることによって、過共晶Ａ
１２−Ｓｉ合金が有する低熱膨張係数，耐熱性，耐摩耗
性，高強度等の特性を活かしつつ、しかも鋳造性，加工
性に優れたピストン用材料を提供することを目的とする
。

［課題を解決するための手段］ 本発明のＡｌ２−Ｓｉ合金は、その目的を達成するため
、Ｓｉ：１５＋−１８重量％　Ｃｕ：２〜４重量％，Ｍ
ｇ：０．５〜２重量％，Ｎｉ：０．５〜２重量％，Ｐ：
０．００２〜０．０２重量％。

Ｆｅ：０．８重量％以下及びＭｎ：０．５重量％以下を
含有する過共晶組成をもち、初晶３１粒の平均粒径が２
０〜６０μｍであることを特徴とする。

また、Ａｌ２−Ｓｉ合金に不純物として含まれるＣａ及
びＮａの含有量を、それぞれ０．００３重量％以下及び
０．００１重量％以下に抑えることが好ましい。

［作　用］ Ａβ−Ｓｉ合金の熱膨張係数は、−船釣にＳｉ含有量の
増加に反比例して減少する。ところが、Ｓｉ含有量が増
加すると、初晶３１粒の発達のため鋳造性が劣化する。

そこで、本発明では、初晶３１粒の発達をＰ添加によっ
て抑えている。その結果、実用的な鋳造性を確保しなが
ら、過共晶Ａ℃−３ｉ合金がもつ低熱膨張係数，耐熱性
，耐摩耗性９強度等の優れた特性を活用することが可能
となる。

また、Ｐ添加による初晶Ｓｉ粒の微細化は、ピストンと
して使用するときの重要な特性である高温疲労強度の改
善にも有効である。この高温疲労強度は、Ｃｕ含有量の
増加によっても向上する。

更に、ピストンの特性として要求される低永久変形は、
Ｃｕ含有量及びＮｉ含有量を調節することによって安定
化できることを見い出した。

本発明の過共晶Ａｌ２−Ｓｉ合金は、このような知見に
基づき成分設計されたものである。以下、各成分の含有
量及び作用について説明する。

Ｓｉ：耐摩耗性の改善に有効な元素であり、特にＳｉ含
有量１２．７％以上の過共晶領域において初晶３１粒が
晶出するとき、耐摩耗性が大幅に向上する。また、Ａｌ
２−Ｓｉ合金の熱膨張率は、Ｓｉ含有量の増加に反比例
して減少し、ピストン用として好適な低熱膨張率の材料
が得られる。このようなＳｉの作用は、Ｓｉ含有量が１
５％を超えるとき顕著なものとなる。このＳｉ含有量を
１８％以下に抑えるとき、通常の金型重力鋳造法，溶湯
鍛造法等によって、引は巣等の鋳造欠陥がない鋳片を製
造することができる。ただし、Ｓｉ含有量が過度に多く
なると、ＡＡ−Ｓｉ合金融点が高く、しかも鋳造性が劣
化する。したがって、Ｓｉ含有量を、１５〜１８％、好
ましくは１６〜１７％の範囲に設定した。

Ｃｕ　：＃を温及び高温域における合金の機械的強度及
び耐摩耗性を向上させる上で、有用な元素である。この
ような作用を得るため、２％以上のＣｕを含有させるこ
とが必要である。しかし、４％を超えてＣｕを含有させ
ると、合金の永久変形量が大きくなり、ピストン設計に
問題を生じる。そこで、Ｃｕ含有量は、２〜４％、好ま
しくは２〜３％の範囲に設定した。

Ｍｇ　：　Ｃｕと同様に、常温及び高温域における合金
の機械的強度及び耐摩耗性を向上させる上で、有用な元
素である。このような作用を得るため、０．５％以上の
Ｍｇを含有させることが必要である。しかし、２％を超
えてＭｇを含有させると、金属間化合物の晶出量が多（
なり、脆い材料となる。この点から、０．５〜２％、好
ましくはＯ１５〜１．０％の範囲にＭｇ含有量を定めた
。

Ｎｉ：高温強度及び耐摩耗性を向上させると共に熱膨張
係数を低下させる上で、０．５％以上のＮｉを含有させ
ることが必要である。しかし、Ｎ１含有量が２％を超え
ると、金属間化合物の晶出量が多くなって、脆い材料と
なる。したがって、Ｎｉ含有量は、０．５〜２％、好ま
しくは０．５〜１．５％の範囲に設定した。

Ｆｅ：Ｎｉと同様に、高温強度及び耐摩耗性を向上させ
ると共に、熱膨張係数を低下させる上で有用な元素であ
る。しかし、Ｆｅ含有量が０．８％を超えると、Ｆｅを
含む晶出物が多くなり、得られた合金材料の機械的性質
の劣化が著しくなる。

そこで、本発明にあっては、Ｆｅ含有量を０．８％以下
とした。

Ｐ：初晶Ｓｉ粒の微細化に不可決の元素であり、０．０
０２％以上のＰを含有させることによって初晶Ｓｉ粒の
粗大化が抑制される。ただし、０゜０２％を超えて過剰
にＰを含有させると、湯回り不良等の欠陥を発生し、鋳
造性が劣化する６したかって、Ｐ含有量は、０．００２
〜０．０２％、好ましくは０．００５〜０．０１％の範
囲に定めた。

Ｃａ；多量のＣａを含有するＡｌ２−３ｉ系にあっては
、初晶Ｓｉ粒を微細化するＰの作用を阻害して、粗大な
初晶Ｓｉ粒を品出させ、鋳造性、加工性等を劣化させる
。そこで、Ｃａ含有量を００ＯＯ３％以下に抑制した。

Ｎａ：Ｃａと同様にＰの作用を阻害するので、その含有
量を０．００１％以下に抑えた。

また、初晶Ｓｉ粒は、必要とする耐摩耗性１機械的強度
及び均質な鋳造組織を得る上で、平均粒径で２０〜６０
％ｍの範囲に調整した。初晶Ｓｉ粒の粒径が２０μｍ未
満になると、十分な耐摩耗性が得られない場合がある。

逆に、粒径が６０μｍを超えるとき、機械的性質が劣化
すると共に、初晶Ｓｉ粒の分布が不均一となり、耐摩耗
性が劣化する。そこで、初晶Ｓｉ粒の平均粒径を２０〜
６０μｍ、好ましくは２０〜４０μｍの範囲とした。

「実施例］ 以下、実施例を説明する。

第１表に示した成分・組成をもつＡｆｆ−Ｓｉ合金を溶
湯温度７６０℃で乗用車用ピストン及びＪ１＄舟型に鋳
造し、試験片を用意した。この試験片に対して、５１０
℃で５時間加熱した後、水冷し、１８０℃に６時間加熱
して空冷する熱処理を施した６熱処理後のＡρ−Ｓｉ合
金の特性等を第２表に示す。

なお、機械的特性は、試験片を２５０℃に１００時間加
熱した後、２５０”Ｃで測定したものであり、回転曲げ
疲労強度Ｏｗは、ＪＩＳＺ２２７３に準拠して測定した
。また、摩耗量は、フリクトロン摩擦摩耗試験機を用い
、試験片をエンジンオイル中に浸漬し、荷重４０ｋｇ、
ｇ線速度１ｍ／秒、摩擦距離６ｋｍの条件下で測定した
。

鋳造性は、ピストン鋳造の難易度及び欠陥発生傾向で表
し、鋳造が容易で且つ欠陥発生のないものを○、鋳造が
やや困難、或いは欠陥が散見されるものを△、鋳造が極
めて困難、或いは欠陥が多発するものを×で判定した。

切削性は、バイト寿命が長く切削面も良好なものを０、
バイト寿命及び切削面共にほぼ良好なものを○、バイト
寿命及び切削面それぞれにやや難点があるものを△、バ
イト寿命が短く、切削面も粗いものを×で判定した。ま
た、ピストンとしての評価は、総合的に優れたものを０
、はぼ満足できるもめを△、何れかの特性に大きな問題
があるものを×で判定した。

第２表から明らかなように、本発明に従った試験片３は
、鋳造性９機械的性質及び永久変形量等において従来の
代表的な合金であるＪ　Ｉ　５−ＡＣ８Ａと同等であり
、しかも耐摩耗性及び熱膨張係数はＡＣ９Ｂに匹敵する
値を示している。このことから、高性能エンジンに組み
込まれるピストンとして有用な材料であることが判かる
。

［発明の効果］ 以上に説明したように、本発明のアルミニウム合金にお
いては、過共晶Ａε−５ｉ合金の凝固時に形成される初
晶Ｓｉ粒の成長をＰによって抑制し、亜共晶或いは共晶
Ａｆｆ−３ｉ合金が有する優れた鋳造性、且つ均質で微
細な鋳造組織をもち、しかも過共晶へ℃−３ｉ合金が有
する熱膨張係数が小さな鋳片とすることができる。その
ため、得られた鋳片を内燃機関用のピストンとして使用
するとき、シリンダボアとのクリアランスを小さく設計
できる。その結果、内燃機関稼動時に発生する騒音や振
動等が大幅に軽減される。しかも、機械的強度、耐摩耗
性、加工性等にも優れており、比較的大きなピストンと
して使用することも可能であり、大型のエンジンが搭載
される車両等に対しても、本発明のアルミニウム合金は
有用な材料となる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｓｉ：１５〜１８重量％、 Ｃｕ：２〜４重量％、 Ｍｇ：０．５〜２重量％、 Ｎｉ：０．５〜２重量％、 Ｐ：０．００２〜０．０２重量％、 Ｆｅ：０．８重量％以下及び Ｍｎ：０．５重量％以下 を含有する過共晶組成をもち、初晶Ｓｉ粒の平均粒径が
   ２０〜６０μｍであることを特徴とするピストン用アル
   ミニウム合金。
2. （２）Ｓｉ：１５〜１８重量％、 Ｃｕ：２〜４重量％、 Ｍｇ：０．５〜２重量％、 Ｎｉ：０．５〜２重量％、 Ｐ：０．００２〜０．０２重量％、 Ｆｅ：０．８重量％以下及び Ｍｎ：０．５重量％以下 を含有し、Ｃａ及びＮａをそれぞれ０．００３重量％以
   下及び０．００１重量％以下に抑えた過共晶組成をもち
   、初晶Ｓｉ粒の平均粒径が２０〜６０μｍであることを
   特徴とするピストン用アルミニウム合金。