JPS6261100B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は耐熱衝撃性がすぐれ、繰返し受熱によ
る恒久的な容積変化が少なく、且つ剥離摩耗を起
し難いピストン用アルミニウム鋳物合金に関する
ものである。 従来より内燃機関用ピストン材としてはJIS
AC8AやJIS AC8B等のアルミニウム鋳物合金が
用いられていたが、近年内燃機関の高速化が進む
につれて、高度の耐熱衝撃性が要求されるように
なり、このような要望に沿うような合金として発
明者らは先に特開昭55−69234に見られるような
合金を開発した。 この特開昭55−69234の合金は６−13％の珪
素、３〜５％の銅、0.2％〜１％のマグネシウ
ム、0.03〜１％のアンチモンを含み残部アルミニ
ウムおよび不純物よりなる合金であつて、最高40
Kg/mm²におよぶ高い強度と最高６％におよぶ高い
伸びを有するなど強靭な機械的性質を有するばか
りでなく耐熱衝撃性も従来のこの種合金に比べて
遥かにすぐれた値を示すので内燃機関用ピストン
材の如く繰返し高温に曝されるような部材に適し
ているといえる。 しかしながら発明者らのその後の研究によると
上記合金をピストン材として長期間使用した場合
に受熱部分が通常の熱膨脹収縮とは別に恒久的な
容積収縮を起し、シリンダーとの間のクリヤラン
スが大きくなつてブローバイ、ピストンスラツプ
等の原因となり、その上上記合金は剥離摩耗を起
し易い欠点もあつて、ピストンリング嵌合溝部の
摩耗によるリング機能が低下するなどの欠点があ
ることが判つた。 発明者らは上記合金における優れた特性を保持
しつゝその欠点を改善することによつて受熱機械
部品として長期使用が可能な合金を提供すること
を目的として種々検討を加えた結果、合金中の銅
とマグネシウムの含有量比Cu／Mg3〜６の範囲
において合金中に0.1〜0.5％の範囲でNiを添加と
きは強靭性、耐熱衝撃性など従来の優れた特性を
殆んだ低下させることなしに受熱部分の容積収縮
を防止することができること、また耐剥離摩耗性
をも向上しうることが判明した。 即ち、本発明は重量で６％を超え13％までの珪
素、２％を超え５％までの銅、0.25％を超え１％
までのマグネシウム、0.1％を超え0.5％までのニ
ツケルおよび0.03％を超え１％までのアンチモン
を含み、さらに0.1％を超え0.5％までのジルコニ
ウムまたは0.1％を超え１％までのマンガンまた
はその両者を含み、残部アルミニウムおよび不純
物よりなり、且つ合金中の銅とマグネシウムの含
有比率が３〜６であるピストン用アルミニウム鋳
物合金である。 次に本発明合金における各成分組成の限定理由
について述べる。 珪素は合金基質を強化し、耐摩耗性を具えると
共に鋳造性を改善するために必須な元素であつ
て、６％以下ではその効果少なく、また13％以上
では靭性や耐熱衝撃性を低下させるので好ましく
ない。 銅は人工時効処理を施こすことによつて合金強
度を向上するものであるが、２％以下では十分な
強度向上効果は得られず、５％を超えると母相中
における未固溶のアルミニウム−銅金属間化合物
の残存量が多くなり、強靭性や耐疲労性を低下さ
せ、また鋳造割れ感受性も高くなるので実用上好
ましくない。 マグネシウムは人工時効処理を施すことによつ
てマグネシウム−珪素系やアルミニウム−銅−マ
グネシウム系の金属間化合物を析出し、合金強度
を向上させるが0.25％以下では析出物の形成量が
不十分であり、また１％を超えると靭性および耐
熱衝撃性が著しく低下するほか、アンチモンによ
る組成改善効果を著しく損うので好ましくない。 アンチモンは合金組織を改善することによつ
て、耐熱衝撃性を著しく向上する。0.03％以下で
はその効果少なく、また１％以上を添加してもそ
の効果に著しい変化はみられない。 ニツケルは合金を受熱部材として使用した場合
における材料の恒久的な収縮を防止し、また耐剥
離摩耗性を向上する。 ニツケル含有量が0.1％以下ではその効果が少
く、0.5％以上では耐熱衝撃性を著く低下させる
ので好ましくない。 またニツケルの上記した収縮防止効果は合金中
の銅とマグネシウムの含有量比３〜６の範囲にお
いて有効であり、この範囲を逸脱した場合には十
分な効果はない。 ジルコニウムおよびマンガンは合金の耐熱性を
向上させるものである。 ジルコニウム0.1％以下、マンガン0.1％以下で
は耐熱向上の効果が少なく、またジルコニウム
0.5％以上の添加を行つても、それ以上の効果の
増大が期待できないし、マンガン１％以上の添加
では合金中に粗大化合物を生じて靭性低下の原因
となる。 なお本発明合金において使用材料地金中に通常
含まれる程度の鉄、亜鉛、クロム等の不純物や溶
湯処理によつて合金中に必然的に混入する極く少
量のチタン、硼素、ベリリウム等の元素は本発明
合金の性能に何等悪影響をおよぼすことがないの
で差支えない。 殊にチタンの含有は本発明合金を鋳造するに際
して引け性を改善する効果がある。 次に本発明のピストン用アルミニウム鋳物合金
についてそのすぐれた特性を実証するために行つ
た一連の実施例について述べる。 実施例 １ 機械的性質 第１表は実施例に供した合金の化学組成につい
て表示したものである。

【表】 第２表は上記第１表の合金について引張強さ、
耐力、伸びなどの機械的性質を測定した結果を示
したものである。なお引張強さについては常温、
150℃、200℃、250℃の四水準の温度について測
定を行なつた。 表中試料No.(1)乃至(3)は本発明合金、試料No.(4)は
ジルコニウム、マンガンの何れも添加しない比較
合金、試料No.５は従来よりピストン用合金として
実用されているJIS−AC8A合金についての測定
結果である。 第２表より明らかなように本発明合金および比
較合金は従来ピストン用合金として実用されてい
るJIS−AC8A合金よりすぐれた強度と伸びを有
すること、即ち強靭性が高いこと、またニツケル
含有量が少ないにかゝわらず、ジルコニウムまた
はマンガンの添加により高温における引張強さも
それほど低下しないことが判る。

【表】 実施例 ２ 合金中へのニツケルの添加の有無と合金中の銅
とマグネシウムの量比が合金鋳物材の長時間加
熱による永久変形量におよぼす影響。 第１図は珪素10％、アンチモン0.15％、マンガ
ン0.8％、銅２％、３％、４％を含む合金に銅／
マグネシウムの比率が３〜９になるようにマグネ
シウムを加えたアルミニウム合金についてニツケ
ル0.4％の有ａ無ｂによる高温永久変形試験を実
施した結果を示したものである。 試験に当つては被試合金をJIS4号舟型鋳型に鋳
込んで、500℃に10時間溶体化処理を施した後、
水焼入れし、次いで200℃に８時間焼戻処理を施
してから径200mm、長さ90mmの丸棒に精密加工し
たものを試料として、この試料を350℃の高温に
50時間の連続加熱を施し、空冷後その長さ方向の
寸法変化を測定した。 なお、合金中へのニツケルの添加量は銅２％含
有合金の場合には0.2％とし、他は0.4％と 第１図ａ，ｂから判るようにニツケルを添加し
ない合金においては350℃、50時間の長時間加熱
によつて材料に大巾の容積収縮が起り、その傾向
は銅含有量が多い程、また銅／マグネシウム含有
比が大きい程著しいが、ニツケルを適量添加した
本発明合金において、その永久変形量が著しく改
善されていることが判る。 実施例 ３ 耐剥離摩耗性 次に示す実施例は本発明合金を自動車エンジン
用ピストン材に使用した場合に生ずる剥離摩耗に
対する抵抗性を知るために行われた。 第２図はその結果を示す。 試験法としてはボールドウイン型試験機を用
い、10mmφの鋼球により最大荷重100Kg最小荷重
10Kgで繰り返し圧縮応力を高温に保持した試料に
与え、これによつて生じる圧痕深さを測定した。 試験温度は300℃、繰返し速度は毎分2700サイ
クルであつた。 被試試料としては珪素10％、銅3.5％、マグネ
シウム0.5％、ジルコニウム0.3％、マンガン0.7％
およびアンチモン0.15％を含み、これにニツケル
を０％、0.2％、0.5％、1.0％、２％と含有量を変
えて添加したアルミニウム合金をJIS4号舟型鋳型
に鋳込んで500℃に６時間溶体化処理を施した
後、水焼入れし、次いで200℃８時間焼戻し処理
を施したものを用いた。 第２図の結果より判るようにニツケル含有量が
ほゞ0.2％附近になると摩耗量が著しく低下し、
0.5％附近ではほゞ横ばい状態となること即ち合
金に耐剥離摩耗性を附与させるためには0.2％以
上のニツケルを含有せしめればよい。 実施例 ４ 耐熱衝撃性 第３図は本発明合金の有するすぐれた耐熱衝撃
性を示す試験結果を示したものである。 試験は本発明合金（珪素9.6％、銅3.0％、マグ
ネシウム0.6％、アンチモン0.15％、ニツケル0.41
％、ジルコニウム0.3％及残部アルミニウムおよ
び不純物）とこれと比較のため上記組成中ニツケ
ルを0.6％添加した合金および実施例１で用いた
試料No.(5)と同組成のAC8A実用合金を用いて、各
合金材を500℃に６時間溶体化処理した後水焼入
れし、これを200℃に８時間焼戻し処理したもの
について行つた。 試険は特開昭55−69234、188頁（13）乃至
（14）欄に示したと同様の試験法によつて行つ
た。 第３図より明らかなように本発明合金は従来の
この系の実用合金であるJIS−AC8A合金に較べ
て亀裂発生の時期が相当に高サイクル側に存在
し、且つ亀裂伝播速度も頗るゆるやかであつて著
しく耐熱衝撃性にすぐれていること、 またニツケル量が0.5％を越えると耐熱衝撃性
が著しく低下することが判る。 以上述べたように本発明の合金は熱的特性、特
に耐熱衝撃性や耐剥離摩耗性にすぐれると共に高
温長時間使用による恒久的な容積変化が少ないの
で、エンジン用ピストン材の使用に適している。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の技術内容を示すものであつて、
第１図は本発明合金系におけるニツケル有ａ、無
ｂと合金中の銅、マグネシウムの含有量比が、合
金鋳造物の長時間高温保持に際しての恒久的な容
積変化におよぼす影響を示す図面である。第２図
は本発明合金中へのニツケル添加量と、耐剥離摩
耗との関係を示す図面である。第３図は本発明合
金と従来合金（JIS AC8A合金）および比較合金
の耐熱衝撃性を比較して示した図面である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量で６％を超え13％までの珪素、２％を超
   え５％までの銅、0.25％を超え１％までのマグネ
   シウム、0.1％を超え0.5％までのニツケルおよび
   0.03％を超え１％までのアンチモンを含み、さら
   に0.1％を超え0.5％までのジルコニウムまたは0.1
   ％を超え１％までのマンガンまたはその両者を含
   み、残部アルミニウムおよび不純物よりなり、且
   つ合金中の銅とマグネシウムの含有比率Cu／Mg
   が３〜６であるピストン用アルミニウム鋳物合
   金。 ２ 重量で６％を超え13％までの珪素、２％を超
   え５％までの銅、0.25％を超え１％までのマグネ
   シウム、0.1％を超え0.5％までのニツケル、0.03
   ％を超え１％までのアンチモンおよび0.03％を超
   え２％までのチタンを含み、さらに0.1％を超え
   0.5％までのジルコニウムまたは0.1％を超え１％
   までのマンガンまたはその両者を含み、残部アル
   ミニウムおよび不純物よりなり、且つ合金中の銅
   とマグネシウムの含有比率Cu／Mgが３〜６であ
   るピストン用アルミニウム鋳物合金。