JPS61104043A - 耐熱高強度アルミニウム合金粉末焼成品 - 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】 【ｌ二匹皿皿次１ 本発明は、耐熱性、熱間鍛造性および耐応力腐蝕割れ性
に優れたアルミニウム合金に係り、特に、内燃機関用部
品であるピストン、コンロッドに適用して軽（６）化を
企図し得る材料に関するものである。

え来及韮 近時、内燃機関用部品材料として、運動部品の軽量化を
計るべく、軽合金材料、特にアルミニウム合金が広く使
用されている。就中、粉末冶金法により５、大ぎな自由
度をもって各゛種合金うＬ累を添加して耐熱性１強度、
ヤング率の向上を企図したアルミニウム合金Ｈ幾閏構成
部品は、機関性□能の向上に大ぎく貢献している。

本出願人が、特願昭５９−１６６９７９号において捉閑
した材料も、耐熱性、耐摩耗性、断熱性およびＡ７ング
率の向上を計った粉末冶金用アルミニウム合金である。

口が　゛しよ　とする口　占 しかるに、４≦Ｆｅ≦３３＠吊％の範囲の鉄を含む該ア
ルミニウム合金につき、その後種々検討を加えた結果、
特にＦｅ≧６重准％の範囲で鍛造用素材（予備成形品）
の熱間鍛造性、Ｊ３よび最終成形品の耐応力腐蝕割れ特
性を改善する必要のあることが判明した。

すなわち、前記鍛造用素材（Ｆｃ≧６重徂％）は、これ
を高速熱間鍛造加工（加工速度＝　７５ｍｍ／　Ｓｅｃ
　）で成形すると、割れ等の欠陥が生じ易く、この不具
合を解消するには、加工速度の低減化、金ヤ温度の高温
化等の鍛造法案上の諸対策を講じな【プれけばならず、
量産性が損なわれ、部品製造費が高画になる。

また、連接棒におけるピン・ボス部（小端部）、あるい
はベアリング・キャップ締結部（大端部）の様に常時応
力が作用する箇所に応力腐蝕割れ（ＪＩＳ応力腐蝕割れ
試験による）を生ずるおそれがあり、近年における機関
の高速化に伴なって機関構成部品の耐久性低下要因とな
る。

ｐ　　を　゛するための　　および 本発明の目的は、高速熱間鍛造によって鍛造用素材の加
工を行うことが可能で、鍛造形成量の応力腐蝕割れが生
じ難い耐熱高強度アルミニウム合金を提供する点にある
。

本発明による耐熱高強度アルミニウム合金は、Ｓｉ、　
Ｆｅの他に、Ｍｎ、　Ｃｏ、　Ｌｉなる群より選択され
る少なくとも一種の元素を、それぞれ組成範囲（中量％
）：１０≦Ｓｉ≦３０％、４≦Ｆｅ≦３３％、１５≦Ｈ
ｎ≦５．０％、０．５≦ＣＯ≦３，０％、１０≦Ｌｉ≦
５０％で含有する。

アルミニウム中に鉄（Ｆｅ）を添加すると、ＦｅＡ　Ｉ
３なる針状晶の化合物を生じ、展延性と耐蝕性が阻害さ
れることは、良く知られており、本発明のアルミこラム
合金では、高鉄含有量範囲において、マンガ・ン、（Ｈ
ｎ）を添加することにより、前記針状晶の発生を抑えて
高速熱間＠造船工性を改善し、かつ焼結性の向上をもた
らすものの耐応力腐蝕割れ特性に対し悪影響を及ぼすこ
とが確認された銅（Ｃｕ）およびマグネシウム（Ｈａ）
の含有量を不純物程度（０，１０重ｆｆｉ％未満）に抑
えることによって、該応力腐蝕割れ特性を改善すること
とした。

本発明のアルミニウムー合金で添加される珪素（Ｓｉ）
　、鉄（Ｆｅ）　、マンガン（Ｈｎ）　、］バルト（Ｃ
ｏ）、リチウム（Ｌｉ）の機能は、下記の通りである。

（ａ）Ｓｉ：珪素は、鉄単独添加による耐摩耗性の不足
を補い、またヤング率を向上させる上に有効である。但
し、１０ψ量％を下回ると、耐摩耗性を改善することが
できず、３０重量％を上回ると、成形性が悪化し、構造
部材にクラックが発生し易い。

ヤング率は、鉄と同様に、珪素添加縫の増加に応じて向
にするが、成形性を考慮して前記Ｆ限値にゐり限される
。

（ｂ）　Ｆｅ：鉄は高温強度、断熱性およびヤング率を
向１−させるために必要である。但し、４重量％を下回
ると、高温強度はある程度確保できるものの、高温強度
が不足し、３３重量％を上回ると、密度が増して軽舟化
が損なわれ、その土、熱間押出し加工、熱間鍛造加工等
において成形性が悪化する。また、Ａ７ング率は、鉄の
添加…の増加に応じて向上するが、前記密度を考慮して
、鉄の添加量は前記上限値に制限される。

（ｃ）Ｈｎ：アトマイズ粉末製造においては、アルミニ
ウム合金粉末の冷却速度が最も大きくなるように設定す
る必要があるが、量産性を考慮した場合１０３〜１０”
Ｃ／ｓｅｃが限度である。この冷却速度の範囲において
、Ｆｅ≦６重山％では、Ａｌ−Ｆｅ−３ｉ系金属間化合
物が熱間押出加工工程で充分に分断されると共にその化
合物の析出状態も塊状であることから、ある程度の高速
熱間鍛造加工が可能であり、Ｆｅ＞６重塁％では、前記
金属間化合物の析出形曝が針状となり、熱間変形抵抗が
増大するため高速熱間鍛造加工が不可能となる。

マンガンは、前記金属間化合物の析出形態をコントロー
ルするために有効である。すなわち、マンガンを前記特
定量添加することによって、針状のＡｌ３１”ｃ相およ
びβ−ＡＩ５　ＦｅＳｉ相に代えて、塊状の＾１．　（
Ｆｅ、Ｈｎ）相およびＣＩ　−ＡＬ＋ｚ（Ｆｅ、Ｈｎ）
＊　Ｓｉ相を。

優先的に析出させ、これにより高速熱間ｔＲ造加工性を
良好にし、構造部材の強度を向トさせることができる。

但し、１，５重量％を下回ると前記効果が１Ｓられす、
５．０重量％を上回ると熱間変形抵抗が増大し、高速熱
間鍛造加工が困靴となる。

（ｄ）Ｃｏ：コバルトは鍛造加工性を改善するために鉄
含有量を減少させた場合の高温偏向改善に右効であり、
伸び特性を損することなく、引張強さ、耐力、疲労強度
を向ヒさせることができ、耐応力腐蝕割れ特性と鍛造加
工性を悪化させることなく高温強度を向上させることが
可能である。但し、０．５重量％を下回ると、効果が少
なく、３０重ρ％を上回ると、改善効果が添加量の増加
はどに顕著ではなくなり、特にコバルトは高価であるこ
とから、３．０重量％に制限される。

（ｅ）Ｌｉ：リチウムは、鉄添加−による合金の密度の
上昇を抑えるために用いられ、その抑制効果はリチウム
の添加量の増加に応じて向」−する。またリチウムはヤ
ング率を向ヒさせて高い剛性を付与する効果をも有する
。但し、１．０型部％を下回ると、密度の上昇抑制効果
が少なく、５．０゛重看％を上回ると、リチウムが活性
であることから製造工程が複雑となるといった問題があ
る。

なお、アルミニウム合金中の銅（Ｃｕ）、マグネシウム
（Ｈａ）は、耐応力腐蝕割れ特性を考慮し不可避不純物
程度に抑え、銅（Ｃｕ）は０．８重１％未満、マグネシ
ウム（Ｈａ）は０５重量％未満とする。

耐応力腐蝕割れ特性を特に改善する必要がある構造部材
にあっては銅（Ｃｕ）、マグネシウム（ｈ）ともに０１
重量％未満に抑える口とが望ましい。

また、本発明によるアルミニウム合金の好ントシい組成
は下記の通りである。

■１５　≦Ｓｉ≦１８重ω％、４≦「ｅ≦８重二％、１
．５＜Ｈｎ≦２．５重量％： この範囲のマンガン（Ｈｎ）は、鉄（Ｆｅ）の増加に伴
う成形性の悪化を改善し、かつ部材強度を向にさせるこ
とができる。

■　１５≦Ｓｉ≦１８重量％、４≦Ｆｅ≦８Φ量％、２
≦［ｉ≦４重口％： この範囲のリチウム（［ｉ）は、鉄（Ｆｅ）の添加に伴
う合金密度のに昇を抑制することができる。

■１５≦Ｓｉ≦１８重量％、４≦Ｆｅ≦６重量％、１．
５＜Ｈｎ≦　２．５重量％、２≦［ｉ≦４明帛％：この
組成範囲の合金は、密向上昇が抑制され、強度、成形性
に優れている。

■　１５≦Ｓｉ≦１８重量％、４≦「ｅ≦６手量％、１
≦ＣＯ≦２重ω％： この範囲のコバルト（ＣＯ）は、鉄（Ｆｅ）添加率を、
成形性に悪影響をおよぼさない範囲に抑えた場合の高温
強度を改善することができる。

■１５≦Ｓｉ≦１８重９％、４≦Ｆｅ≦６重量％１．５
＜Ｈｎ≦　２．５重ｆｆｉ％、−２≦［ｉ≦４重岱％１
≦ＣＯ≦２重量％： この組成範囲の合金は、密度上昇が抑υ１されるととも
に強度、特に高温強度が改善され、伸び特性および成形
性に優れている。

隨腋旦 第一段階：表１に示した組成の各合金粉末を用いて、冷
間静水圧プレス成形法（Ｃ１１，Ｐ、法）または金型圧
縮成形法により、密度比７５％、直径２２５ｍｍ、長さ
３００ＩＲＩＲの押出し加工用素材を成形する。

冷間静水圧プレス成形法においては、ゴム性チューブ内
に合金粉末を入れ、１，５〜３．Ｏｔ／Ｃｉ稈度の静水
圧下で成形を行い、金型圧縮成形においては、金型内に
合金粉末を入れて、常温大気中で、１．５〜３．０ｔ／
ｉ程度の圧力下で成形を行う。

第二段階：各押出し加工用素材を、炉内温度３５０℃の
均熱炉°に設置して１０時間保持し・、次いで、各押出
し加工用素材に熱間押出し加工を施して鍛造用素材を製
造するっ この場合の押出し方法は、直接押出しく　ｎｒｒ　ｉ）
押出し）、間接押出しく後方押出し）のいずれでもよい
が、押出し比は５以上を必要とする。°押出し比が５以
下では、強度のばらつきが大きくなるので好ましくない
。押出し加工用素材の温度は、３００〜４００℃に設定
される。３００℃を下回ると、素材の変形抵抗が大きく
なり押出し加工性が悪化し、４００℃を上回ると、ｌ１
ｉｉ！の粗大化が起り、高強度品が得られない。押出し
加工後においては、＆ｉ造用素材を、空冷または水冷に
より所定の冷却速度で冷却する。

第三段階：その後、各ｔＲ造用素材を４６０〜４７０℃
に加熱しで、加工速度７５ｍｍ／ｓｅｃ　　（ジュラル
ミンの鍛造加工とほぼ同一加工速度）のクランクプレス
を用いて、高速熱間鍛ｌ：ｚ加工を施した。

表　　　１ 斯くしてＩＩられた各Ｒ造成形量につき、鍛造クラック
（割れ）の有無、空冷後の硬度を調べるとともに応力腐
蝕割れ試験を実施し、その結果を表１に示した。

なお、応力腐蝕割れ試験は、Ｊ　Ｉ　Ｓ　Ｈ８７１１に
より行った。すなわち、各＠造成形量から長さａ　ｏ　
ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ２Ｍの板状試験片を切り出し、
負荷応力をσ、、ＪＬｘ　Ｏ，９（但し、σ１．２は各
合金ａ−ｄ、Ｔ〜Ｖの０．２％耐力１直である）として
、液温３０℃、濃度３，５％の塩化ナトリウム水溶液中
で２８日間放置した後、クラック発生の有無を確認した
。

表１から明らかな様に、本発明による合金（Ｔ〜Ｖ）で
は、鍛造加工性、硬度共に優れ、応力＋１７！。

蝕割れが生じ難い。

なお、サンプルｄ、■を比較すると、マグネシウム（ｈ
＞および銅（Ｃｕｒ＠が低いためクラックが発生せず、
コバルト（ＣＯ）添加量を増すことによって硬度が増大
することが判る。

また、サンプルｂ１■の比較によって、マンガン（Ｈｎ
）を添加しない場合、鉄量が６重量％を越えると鍛造加
工性が損なわれることが判り、ｌｊ−ンプルａ、Ｔの比
較によって、鉄量が多くどし、マンガン（Ｈｎ）を添加
することによってＷｆｉ　ｉｌｌ、加工ｆ１が改善され
ることが判る。

さらにサンプルＶについてみると、鍛造加工性、硬度共
゛に優れており、耐応力腐蝕割れ特例が改善されている
ことが判る。

１且立激１ 以上の説明から明らかな様に１本発明によるアルミニウ
ム合金では、鉄添加による鍛造加工性の低下をマンガン
添加によって改善し、！ｌｌｉ造加工性を向上させるた
めに鉄添加吊を抑制した場合の高温強度の低下をコバル
トの添加によって補い、かつ銅、マグネシウム含有看を
不可避不純物程度に留めることによって耐応力腐蝕割れ
特性を改善したので、高速熱間鍛造加工を実施すること
ができ、耐熱性、耐久性良好なる高強度構造部材を得る
ことが可能である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｓｉ、Ｆｅの他に、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｌｉなる群より
   選択される少なくとも一種の元素を、それぞれ 組成範囲（重量％）：１０≦Ｓｉ≦３０％、４≦Ｆｅ≦
   ３３％、１．５≦Ｍｎ≦５．０％、０．５≦Ｃｏ≦３．
   ０％、１．０≦Ｌｉ≦５．０％で含み、 残部が、不可避不純物を含むＡｌより成る耐熱高強度ア
   ルミニウム合金。
2. （２）前記不可避不純物中のＣｕ量が０．８ｗｔ％未満
   であり、Ｍｇ量が０．５ｗｔ％未満であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載された耐熱高強度アル
   ミニウム合金。