JPH10226840A

JPH10226840A - ピストン用アルミニウム合金

Info

Publication number: JPH10226840A
Application number: JP3448397A
Authority: JP
Inventors: Masato Sasaki; 正登佐々木
Original assignee: Unisia Jecs Corp
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-02-19
Filing date: 1997-02-19
Publication date: 1998-08-25
Anticipated expiration: 2017-02-19
Also published as: JP3875338B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高温加熱による硬度の低下を抑制すると共
に、耐摩耗性を向上させることのできるピストン用アル
ミニウム合金を提供する。【解決手段】ＡｌをベースとしてＳｉ,Ｃｕ,Ｍｇ,Ｎ
ｉ,Ｐ,Ｔｉ,Ｆｅ,Ｍｎの組成物を含有するピストン用ア
ルミニウム合金であって、前記組成物の配合割合を以下
のように設定したものである。すなわち、Ｓｉを１０〜
１４重量％，Ｃｕを３〜５重量％，Ｍｇを０.５〜２重
量％，Ｎｉを１〜３重量％，Ｐを０.００２〜０.０２重
量％，Ｔｉを０.１〜０.３重量％，Ｆｅを０.８重量％
以下及びＭｎを０.１〜１.０重量％に設定した。また、
前記初晶Ｓｉ粒の平均粒径を２０〜６０μｍに設定し
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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，強度等に優れたアルミニウム合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】ピストン用アルミニウム合金としては、
ＪＩＳＡＣ８Ａ，ＡＣ８Ｂ，ＡＣ８Ｃで代表される亜
共晶Ａｌ−Ｓｉ合金や共晶Ａｌ−Ｓｉ合金が従来から用
いられている。特にＡＣ８Ａ合金は耐摩耗性，耐熱性，
鋳造性，加工性のバランスが優れており、広く世界で使
われている。

【０００３】そして、エンジンのエミッション規制の要
求からピストンのトップランドの高さを低くすることに
よって、トップランドとシリンダーボア壁面との間で形
成させるクレビスボリュームを低減することによりＨＣ
量を低減することが知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、一般にピスト
ンのトップランドの高さを低くするとピストンリング溝
（特にトップリング溝）がピストン冠面に近づき、その
結果としてピストンリング溝周囲のトップランドの温度
が過上昇してしまう。このように、ピストンリング溝周
壁の温度が上昇すると、ピストンリングから受ける荷重
によってピストンリング溝の周壁が変形しやすくなる、
といった問題がある。

【０００５】そこで、従来アルミニウム合金の耐熱性を
改善するための元素として鉄（Ｆｅ），クロム（Ｃ
ｒ），マンガン（Ｍｎ），ニッケル（Ｎｉ），チタン
（Ｔｉ）等の高融点金属の添加が有効であることは良く
知られている（特開昭６１−２５９８２９号参照）が、
高融点金属の大量添加は金属間化合物の制御が困難であ
ると同時に機械的性質の均質な高温特性に優れたアルミ
ニウム合金を得ることは困難であった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のピストン用アル
ミニウム合金は、前記従来の課題に鑑みて案出されたも
ので、請求項１記載の発明は、とりわけ、組成物の成分
配合をＳｉ：１０〜１４重量％，Ｃｕ：３〜５重量％，
Ｍｇ：０.５〜２重量％，Ｎｉ：１〜３重量％，Ｐ：
０.００２〜０.０２重量％，Ｔｉ：０.１〜０.３重量
％，Ｆｅ：０.８重量％以下及びＭｎ：０.１〜１.０重
量％に設定すると共に、前記初晶Ｓｉ粒の平均粒径を２
０〜６０μｍに設定したことを特徴としている。

【０００７】請求項２記載の発明は、同じく組成物の成
分配合をＳｉ：１０〜１４重量％，Ｃｕ：３〜５重量
％，Ｍｇ：０.５〜２重量％，Ｎｉ：１〜３重量％，Ｐ
：０.００２〜０.０２重量％，Ｔｉ：０.１〜０.３重
量％，Ｆｅ：０.８重量％以下及びＭｎ：０.１〜１.０
重量％に設定する共に、Ｃａ及びＮａ，Ｓｒ，Ｓｂの合
計を０.００５重量％以下で、更に、（Ｐ含有量−０.０
０２）重量％以下に設定し、かつ前記初晶Ｓｉ粒の平均
粒径を２０〜６０μｍに設定したことを特徴としてい
る。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の発明者は、アルミニウム
合金の耐熱性、ここでは加熱を受けた時の硬度低下を小
さくするためにどのような元素をどのような割合で配合
すべきかという点について精査研究した。特に、少ない
添加量で耐熱特性を向上させる最適添加の組み合わせを
研究した結果、次のようになった。

【０００９】基本的には、アルミニウム（Ａｌ）はＪＩ
ＳＡＣ８Ａ材をベースとし、耐熱性（加熱による硬さ
低下を最小限に押さえる）を向上させるために、他の組
成物の配合割合を以下のように設定した。

【００１０】炭化ケイ素（Ｓｉ）は、耐熱性には直接影
響しないが、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Ｓ
ｉ粒が晶出するとき、耐摩耗性が大幅に向上する。

【００１１】また、Ａｌ−Ｓｉ合金の熱膨膨張率は、Ｓ
ｉ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１５％を超えるとき顕著なものと
なる。しかし、同時に初晶Ｓｉ粒数が増大し、大きさも
大きくなるため、加工性がきわめて悪化する。

【００１２】更に、Ｓｉ含有量が過度に多くなると、Ａ
ｌ−Ｓｉ合金融点が高く、しかも鋳造性が悪化する。し
たがって、Ｓｉ含有量を１０〜１４重量％、好ましくは
１１〜１３重量％の範囲に設定した。

【００１３】銅（Ｃｕ）は、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、２％以上のＣ
ｕを含有させることが必要である。しかし、６重量％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２〜６重量％、好ましくは３〜５重量％の範囲に設
定した。

【００１４】マズネシウム（Ｍｇ）は、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重量％以上のＭｇを含有させること
が必要である。しかし、２重量％を超えてＭｇを含有さ
せると、金属間化合物の晶出量が多くなり、脆い材料と
なる。この点から、０.５〜２重量％、好ましくは０.５
〜１.５重量％の範囲にＭｇ含有量を設定した。

【００１５】ニッケル（Ｎｉ）は、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重量％以上を含有させることが必要であり、ま
た、添加量の増加とともに耐熱性が向上する。しかし、
Ｎｉ含有量が３重量％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、１〜３重量％、好ましくは１.５〜２.５重量％
の範囲に設定した。

【００１６】鉄（Ｆｅ）は、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
重量％を超えると、Ｆｅを含む晶出量が多くなり、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重量％以下
に設定した。

【００１７】リン（Ｐ）は、初晶Ｓｉ粒の微細化に不可
決の元素であり、０.００２重量％以上を含有させるこ
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。したがって、
Ｐの含有量は０.００２〜０.０２重量％、好ましくは
０.００５〜０.０１重量％の範囲に設定した。

【００１８】カルシウム（Ｃａ）は、多量のＣａを含有
するＡｌ−Ｓｉ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粒を晶出させ、鋳
造性，加工性等を悪化させる。

【００１９】ナトリウム（Ｎａ）は、ストロンチウムＳ
ｒ，アンチモンＳｂ，カルシウムＣａと同様にＰの作用
を阻害するので、ＣａとＮａ，Ｓｒ，Ｓｂの含有量の総
和を０.００５重量％とし更に（Ｐ含有量−０.００２）
重量％以下に抑えた。

【００２０】マンガン（Ｍｎ）は、Ａｌ相中に良く固溶
し、Ａｌ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｆｅ系化合物、Ａｌ−Ｎｉ−Ｃ
ｕＭｎ−Ｆｅ系化合物を形成し高温における硬さの低下
を押さえる重要な働きをする。しかし、その効果はＭｎ
が０.２重量％未満では認められず、１.５重量％を超え
ると鋳造性が悪化すると同時に伸びが著しく減少する。
したがって、０.２〜１.０重量％、好ましくは０.３〜
０.６重量％の範囲に設定した。

【００２１】チタン（Ｔｉ）は、結晶粒の微細化効果の
ある公知の元素で鋳造性が向上すると同時に、先のＭｎ
系化合物の分散を均一化する。０.１〜０.３重量％で効
果を発揮する。それ以上添加しても効果はない。

【００２２】また、初晶Ｓｉ粒は、必要とする耐摩耗
性，機械的強度及び均質な鋳造組織を得る上で、平均粒
径で２０〜６０μｍの範囲に調整した。すなわち、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、耐摩耗性が悪化する。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。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。

【００２４】表１に示した成分・組織をもつＡｌ−Ｓｉ
合金（アルミニウム合金）を溶湯温度７５０℃で車両用
内燃機関のピストン及びＪＩＳ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１.５時間
加熱した後、水冷し、２００℃で６時間加熱して空冷す
る熱処理を施した。熱処理後のＡｌ−Ｓｉ合金の特性等
を表１に示す。尚、熱処理後の硬さとは、試験片を３５
０℃に１００時間加熱した後、室温で測定したものであ
る。

【００２５】

【表１】

【００２６】この表１に示した鋳造性は、ピストン鋳造
の難易度及び欠陥発生傾向で表し、鋳造が容易でかつ欠
陥発生のないものを○、鋳造がやや困難、あるいは欠陥
が散見されるのを△、鋳造が極めて困難、あるいは欠陥
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●、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●、ほぼ満足できるもの
を△、何れかの特性に大きな問題があるものを×で判定
した。

【００２７】表１から明らかなように、本発明に従った
試験片１９〜２１は、鋳造性，切削性において従来の代
表的な合金であるＪＩＳ−ＡＣ８Ａと同等であり、しか
も加熱による硬度低下がＡＣ８Ａと比べてきわめて小さ
な値を示している。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
る。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のピストン
用アルミニウム合金にあっては、ＪＩＳ−ＡＣ８Ａのア
ルミニウムに対して銅（Ｃｕ），ニッケル（Ｎｉ），マ
ンガン（Ｍｎ）を増量させて高温加熱による硬度の低下
量を少なく押さえることができた。

【００２９】また、硬度低下には直接関係しないが、チ
タン（Ｔｉ）の添加はマンガン（Ｍｎ）系の晶出物をき
わめて均一に分散させる働きを有し、伸びや疲労強度の
向上に寄与する。また、リン（Ｐ）の添加は、初晶のシ
リコンの微細化のみならず、共晶シリコンの均一分散化
と改良に寄与し、耐摩耗性や強度の向上に効果がある。
但し、その効果はカルシウム（Ｃａ），ナトリウム（Ｎ
ａ），ストロンチュウム（Ｓｒ）などいわゆる改良元素
によってその効果が減じられるため燐量から上記の改良
元素の合計を減じた値が２０ｐｐｍ以上確保するよう成
分調整をする必要がある。

【００３０】このようなアルミニウム合金をピストンに
使用すると、トップランドの高さを低くすることによる
ピストンリング溝周壁の温度上昇に伴うピストンリング
溝周壁の変形をおさえることができる。したがって、エ
ンジンのエミッションであるＨＣを低減することができ
る。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＡｌをベースとしてＳｉ,Ｃｕ,Ｍｇ,Ｎ
ｉ,Ｐ,Ｔｉ,Ｆｅ,Ｍｎの組成物を含有するピストン用ア
ルミニウム合金であって、前記組成物の配合割合をＳｉ：１０〜１４重量％，Ｃ
ｕ：３〜５重量％，Ｍｇ：０.５〜２重量％，Ｎｉ：１
〜３重量％，Ｐ：０.００２〜０.０２重量％，Ｔｉ：
０.１〜０.３重量％，Ｆｅ：０.８重量％以下及びＭ
ｎ：０.１〜１.０重量％に設定すると共に、前記初晶Ｓ
ｉ粒の平均粒径を２０〜６０μｍに設定したことを特徴
とするピストン用アルミニウム合金。
【請求項２】ＡｌをベースとしてＳｉ,Ｃｕ,Ｍｇ,Ｎ
ｉ,Ｐ,Ｔｉ,Ｆｅ,Ｍｎの組成物を含有するピストン用ア
ルミニウム合金であって、前記組成物の配合割合をＳｉ：１０〜１４重量％，Ｃ
ｕ：３〜５重量％，Ｍｇ：０.５〜２重量％，Ｎｉ：１
〜３重量％，Ｐ：０.００２〜０.０２重量％，Ｔｉ：
０.１〜０.３重量％，Ｆｅ：０.８重量％以下及びＭ
ｎ：０.１〜１.０重量％に設定すると共に、Ｃａ及びＮ
ａ，Ｓｒ，Ｓｂの合計を０.００５重量％以下に設定
し、更に、（Ｐ含有量−０.００２）重量％以下に設定
し、かつ前記初晶Ｓｉ粒の平均粒径を２０〜６０μｍに
設定したことを特徴とするピストン用アルミニウム合
金。