JP5300118B2 - アルミニウム合金鋳物の製造方法 - Google Patents
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Description
Si(ケイ素)は、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ものを鋳造する場合は、溶湯の流動性つまり鋳造品の成形性の観点からSiをある程度以上添加することが必要になる。すなわち、Siが4.0%より少ないと、溶湯の流動性が不十分となる。また、準固相域が広がり、引け巣が分散されてポロシティが発生すると共に引け割れが発生しやすくなる。Siは、また、鋳造材の機械的強度、耐摩耗性、防振性を向上させる作用を有する。
しかし、Siの増加と共に合金の熱伝導率と延性が低下し、熱疲労特性が悪化する。Si含有量が6.0%を超えると伸びの低下が顕著になり、また引け巣が集中する傾向を示し始めるため、ざく巣の発生を見ることがある。
なお、Si含有量としては、5.0〜6.0%の範囲内であることがより好ましい。
Cu(銅)は、アルミニウム合金の機械的強度を向上させる効果を有する。この効果は、Cuが0.5%以上含まれると顕著になるが、Cuの増加に伴って熱伝導率と展伸性が低下し、熱疲労特性が悪化する。また、Cuの増加に伴って凝固形態が粥状になり、引け巣が分散されてポロシティが発生するようになる。
図1から明らかなように、同じSi量であればCu量が増えるほど鋳造欠陥量が増え、これらの悪影響はCuが2.0%を超えることによって顕著になることから、0.5〜2.0%の範囲、さらに好ましくは0.8〜1.3%の範囲とする。
Mg(マグネシウム)を添加すれば、熱処理によって引張強度、硬さを増し、熱疲労強度、伸びが低下する傾向を示す。過剰に添加すれば、Mg2Siとして析出し、熱疲労強度と伸びを低下させるので、0.25〜0.5%、より好ましくは0.3〜0.4%の範囲で添加する。
この範囲で添加することによって、Mg2Siの中間相の時効析出によるマトリックス強化に寄与する。また、Mg含有量が0.5%を超えると、溶湯の表面酸化量が顕著に増え、介在物欠陥が増えるという不具合を生じる。
Fe(鉄)は、針状の鉄系化合物となって析出し、引張強度、疲労強度、熱疲労強度、伸びなど全般的に悪影響を及ぼすため、その上限値を0.5%とする。
なお、Feは上記のように有害な成分なので、少ないほど望ましく、0.2%以下とすることが好ましく、理想的には実質0%の場合をも含む。
Mn(マンガン)を添加することによって、Feを含む晶出物の形状を強度低下を招きやすい針状から、応力集中を起こしにくい塊状に形状を変えることができる。
Mn量が必要量以上に多くても鉄系化合物(Al−Fe、Mn−Si)の量が増加するので、0.5%以下、望ましくは0.2%以下とする。なお、Fe:Mn比が1:1〜2:1の割合となることが好ましい。
特に、シリンダーヘッド材については、その耐熱疲労性を向上させるために、Srを所定量添加し、鋳造組織のSi粒を微細化させることが望ましい。
このSi粒の改良処理によって、引張強度、伸び等の機械的特性が向上し、熱疲労強度も向上する。ただし、Srを大量に添加すると、オーバーモディフィケーションと呼ばれるバンド状の粗大Si相の晶出領域が発生し、強度が低下することがあるので、その添加量を0.002〜0.02%の範囲とする。なお、熱疲労強度が問題となる燃焼室面については、急冷凝固させ、デンドライトアームスペーシングを30μm以下にまで小さくすることが望ましい。
Tiは、鋳造組織の結晶粒微細化に有効な成分であることから、0.005〜0.2%の範囲で添加する。また、鋳造欠陥量の多い成分範囲では、Tiを添加することにより、ざく巣が分散し、引け巣が改善される。
Tiの添加量が0.005%未満では効果がなく、0.2%を超えた場合には結晶粒の核となるAl−Fe、TiB等が凝集して欠陥となる危険が高まる。
溶体化処理:500〜550℃にて2.0〜8.0時間保持後急冷
時効処理:190〜250℃にて2.0〜6.0時間保持後空冷
シリンダーヘッドにおいては、通常、強度を高めるために、T6処理(溶体化処理後、人工時効処理)又はT7処理が施されるが、本発明ではT6処理に比べて僅かに強度は劣るものの、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、T7処理(溶体化処理後、安定化処理)を行う。
具体的には、上記成分組成を有する本発明の鋳造用アルミニウム合金に対して、溶体化処理を500〜550℃で2.0〜8.0時間、時効処理を190〜250℃で2.0〜6.0時間の条件で行う。
溶体化処理時間を十分にとると、拡散によって共晶Siが丸みを備えた形状になり、これによって応力集中が緩和され靭性等の機械的特性が改善されることになる。
表1に示す組成のアルミニウム合金を電気炉によって溶解し、微細化処理、Si改良処理後に、190×40×25mmの舟型を鋳造し、T7処理(530℃×5時間の溶体化処理後、180〜260℃間の所定温度で4時間の時効処理)を施した後、疲労試験片及び引張試験片を切出し、それぞれ高サイクル疲労強度及び破断伸びを測定すると共に、Bスケールロックウェル硬さ(HRB)を測定した。
これらの結果を表1に併せて示す。これらの目標値としては、高サイクル疲労強度については100MPa以上、熱疲労強度の代替特性である伸びについては10.0%以上、硬さについては50HRB以上とする。
これに対して、合金成分あるいは時効温度が本発明の規定範囲を外れた比較例1〜10や、従来のシリンダーヘッド材料として用いられてきたAC4CH合金及びAC2A合金を用いた従来材1及び2においては、それぞれ疲労強度、破断伸び、硬さのうちの少なくともひとつの特性が低く、高性能エンジンのシリンダーヘッド材としては満足な強度が得られないことが判明した。
上記実施例及び比較例のうち、舟型鋳造試験の結果が比較的良好であった合金成分のものをピックアップしてシリンダーヘッド実体を金型鋳造し、該当するT7処理を施した後、燃焼室面の近傍位置から疲労試験片及び引張試験片を切出し、同様に高サイクル疲労強度及び破断伸びを測定すると共に、Bスケールロックウェル硬さ(HRB)を測定した。
これらの結果を表2に示す。この場合の目標値としては、高サイクル疲労強度は85MPa以上、硬さについては50HRB以上とする。
一方、舟型鋳造試験ではわずかに目標値を達成することができなかった比較例8−2については、実体試験においてもやはり強度が低く、これはSrによるSiの改良がなされていないことによるものと考えられる。
Claims (4)
- 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:0.5%以下、Mn:0.5%以下を含有し、残部がAl及び不可避的不純物であるアルミニウム合金から成るアルミニウム合金鋳物の製造方法であって、
上記アルミニウム合金鋳物に、500〜550℃の温度に2.0〜8.0時間保持した後急冷する溶体化処理と、190〜250℃の温度に2.0〜6.0時間保持した後冷却する時効処理を施すことを特徴とするアルミニウム合金鋳物の製造方法。 - 質量比で、Si:5.0〜6.0%、Cu:0.8〜1.3%、Mg:0.3〜0.4%、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るアルミニウム合金から成るアルミニウム合金鋳物の製造方法であって、
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上記アルミニウム合金鋳物に、500〜550℃の温度に2.0〜8.0時間保持した後急冷する溶体化処理と、190〜250℃の温度に2.0〜6.0時間保持した後冷却する時効処理を施すことを特徴とする内燃機関用シリンダーヘッド用途用アルミニウム合金鋳物の製造方法。
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