JP2008274403A - Aluminum alloy for casting, aluminum alloy casting, and method for manufacturing aluminum alloy casting - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、強度のみならず、疲労強度や耐熱疲労強度等の実用疲労特性に優れたアルミニウム合金鋳物とその製造方法およびその製造に適した鋳物用アルミニウム合金に関するものである。 The present invention relates to an aluminum alloy casting excellent in practical fatigue characteristics such as fatigue strength and heat fatigue strength as well as strength, a method for producing the same, and an aluminum alloy for casting suitable for the production.
各種部材が軽量化の要請等によってアルミニウム合金製へと移行しつつある。既にアルミニウム合金製となっている部材であっても、さらなる軽量化等のために、各部の薄肉化等が図られる。そのため、アルミニウム合金には、従来以上に、強度や耐疲労性等の点で高い信頼性が求められる。
特に、自動車用のエンジン用部材等にアルミニウム合金を用いる場合、高温環境下で使用されることが多いため、単なる室温強度のみならず、高温強度やクリープ特性等の耐熱性が要求され、さらには、冷熱サイクルにも対応した高い疲労強度(耐熱疲強度)が要求される。
Various members are shifting to aluminum alloys due to demands for weight reduction. Even if the member is already made of an aluminum alloy, the thickness of each part can be reduced for further weight reduction and the like. Therefore, the aluminum alloy is required to have higher reliability in terms of strength, fatigue resistance, and the like than before.
In particular, when an aluminum alloy is used for an automotive engine member, etc., it is often used in a high temperature environment, so that not only mere room temperature strength but also heat resistance such as high temperature strength and creep characteristics is required. In addition, high fatigue strength (heat-resistant fatigue strength) corresponding to the cold cycle is required.
このような部材として、例えば、レシプロエンジンのシリンダヘッドがある。シリンダヘッドは形状が複雑で大型であるため、通常、鋳造によって製造される。その鋳物用アルミニウム合金として、AC2A、AC2B、AC4B、AC4C(JIS)等もあるが、この他にも多数のアルミニウム合金が開発されており、例えば、下記の特許文献等にその開示がある。 An example of such a member is a cylinder head of a reciprocating engine. Since the cylinder head is complicated and large in size, it is usually manufactured by casting. There are AC2A, AC2B, AC4B, AC4C (JIS), and the like as the aluminum alloy for castings, but many other aluminum alloys have been developed. For example, the following patent documents disclose the disclosure.
上記特許文献1および2に開示された鋳造用アルミニウム合金は、含有するCuおよびMgにより析出強化されたものである。しかし、各特許文献の実施例を観れば明らかなように、いずれのアルミニウム合金もCuの含有量が3%を超えている。そこで開示されている組成では、Cuが熱的に不安定な析出物となって現れ、アルミニウム合金鋳物の使用中にその析出物が粗大化する。その結果、応力や歪みが局部に集中し易くなって、アルミニウム合金鋳物の延性や靱性が低下し、さらには耐熱疲労性も低下する。 The casting aluminum alloys disclosed in Patent Documents 1 and 2 are precipitation strengthened by the contained Cu and Mg. However, as is clear from the examples of each patent document, the content of Cu in any aluminum alloy exceeds 3%. In the composition disclosed there, Cu appears as a thermally unstable precipitate, and the precipitate becomes coarse during use of the aluminum alloy casting. As a result, stress and strain tend to concentrate on the local area, the ductility and toughness of the aluminum alloy casting are lowered, and the heat fatigue resistance is also lowered.
上記特許文献3〜5では、Cuの含有量を高々1%程度にして、析出強化による硬化を抑制し、鋳物の延性を改善して、強度や疲労強度を高めた鋳造用アルミニウム合金が開示されている。しかしながら、耐熱疲労強度を考えた場合、それら特許文献に開示されたアルミニウム合金では、冷熱サイクルによって振幅する歪みが作用した場合、アルミニウム合金鋳物の局部変形が抑制されず、結局、熱疲労寿命の点で大きな改善効果が得られていないのが実情であった。 Patent Documents 3 to 5 disclose an aluminum alloy for casting in which the content of Cu is at most about 1%, the hardening by precipitation strengthening is suppressed, the ductility of the casting is improved, and the strength and fatigue strength are increased. ing. However, when considering the heat fatigue strength, in the aluminum alloys disclosed in those patent documents, when a strain that is amplified by a cooling cycle is applied, local deformation of the aluminum alloy casting is not suppressed, and eventually the point of thermal fatigue life. However, the actual situation is that a large improvement effect has not been obtained.
さらに特許文献6は、Cuを実質的に含有せず(0.2質量%以下)、Mgの含有量と共にNi、FeおよびTiの含有量を最適化したアルミニウム合金を開示している。このアルミニウム合金を用いて鋳造した後、さらに溶体化熱処理および時効熱処理を施すことで、強度および疲労強度のみならず耐熱疲労強度にも優れるアルミニウム合金鋳物が得られる旨を特許文献6は開示している。ここで、特許文献6では溶体化熱処理として加熱後に(温)水冷する方法を採用している。 Further, Patent Document 6 discloses an aluminum alloy that does not substantially contain Cu (0.2 mass% or less) and optimizes the contents of Ni, Fe, and Ti together with the contents of Mg. Patent Document 6 discloses that, after casting using this aluminum alloy, an aluminum alloy casting excellent not only in strength and fatigue strength but also in heat resistance fatigue strength can be obtained by performing solution heat treatment and aging heat treatment. Yes. Here, in patent document 6, the method of (hot) water cooling after a heating is employ | adopted as solution heat treatment.
しかし、本発明者の研究によれば、シリンダヘッド等の複雑で大型の鋳物に対して、溶体化熱処理で水冷をした場合、冷却速度が速すぎるために鋳物の部位によって冷却状況が不均一となって、鋳物内部に残留歪を多く生じ易くなる。この残留歪は実用疲労強度(後述)の低下要因となることから、特許文献6のアルミニウム合金鋳物であっても、実働環境下での疲労強度と耐熱疲労強度の両立に関してさらに改善の余地があった。特に、高圧、高温、高振動等の過酷な状況下で使用され高い耐久性の要求されるディーゼルエンジンのシリンダーヘッドやエンジンブロックなどは、高い強度、疲労強度のみならず、相当長期にわたる高い耐熱疲労強度が要求される。従って、そのような部材にも対応できるような、強度、疲労強度および耐熱疲労強度等が一層優れたアルミニウム合金鋳物が得られる鋳物用アルミニウム合金が望まれていた。 However, according to the inventor's research, when water cooling is performed by solution heat treatment on a complicated and large casting such as a cylinder head, the cooling rate is too high depending on the part of the casting. As a result, a large amount of residual distortion is likely to occur inside the casting. Since this residual strain causes a decrease in practical fatigue strength (described later), even in the aluminum alloy casting of Patent Document 6, there is room for further improvement in terms of coexistence of fatigue strength and heat-resistant fatigue strength in the working environment. It was. In particular, the cylinder heads and engine blocks of diesel engines that are used under severe conditions such as high pressure, high temperature, and high vibration require high durability, not only high strength and fatigue strength, but also high heat fatigue over a considerable period of time. Strength is required. Therefore, there has been a demand for an aluminum alloy for castings that can provide an aluminum alloy casting that is more excellent in strength, fatigue strength, heat-resistant fatigue strength, and the like that can be applied to such members.
ちなみに、本発明者が種々の試験を行ったところ、特許文献6のアルミニウム合金を加熱後に空気冷却する溶体化熱処理を適用した場合、その冷却中に鋳物内部でMg2Si相の析出が進行し、十分な静的強度や疲労強度を備えた鋳物が得られなかった。
また、特許文献5および特許文献6のAl−Si−Cu−Mg系合金を溶体化熱処理で空気冷却した場合、相応の静的強度や疲労強度は得られるものの、その合金に冷熱サイクルを付与すると、歪み振幅によって局部的な不均一変形を起し耐熱疲労性が不足することが解った。
なお、これらの合金にNi、Ti、Zr等を添加して時効熱処理を施しても、十分な硬さが得られず、静的強度や疲労強度がむしろ低下する傾向を示すことも解った。
By the way, when the present inventor conducted various tests, when the solution heat treatment in which the aluminum alloy of Patent Document 6 is air-cooled after heating is applied, the precipitation of the Mg2Si phase proceeds inside the casting during the cooling, and is sufficiently Casting with a sufficient static strength and fatigue strength could not be obtained.
Moreover, when air-cooling the Al-Si-Cu-Mg alloy of Patent Document 5 and Patent Document 6 by solution heat treatment, although corresponding static strength and fatigue strength can be obtained, the alloy is subjected to a thermal cycle. It was found that the strain amplitude caused local non-uniform deformation and the heat fatigue resistance was insufficient.
It has also been found that even when Ni, Ti, Zr or the like is added to these alloys and subjected to an aging heat treatment, sufficient hardness cannot be obtained, and static strength and fatigue strength tend to decrease rather.
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものである。すなわち、強度や疲労強度のみならず耐熱疲労強度にも優れる鋳物が得られる鋳物用アルミニウム合金を提供することを目的とする。特に、ディーゼルエンジンのシリンダヘッド等のように、複雑で大型なアルミニウム合金鋳物であっても、溶体化熱処理および時効熱処理によって安定した耐熱疲労強度等が得られる鋳造用アルミニウム合金を提供することを目的とする。
併せて、そのアルミニウム合金鋳物およびその製造方法を提供することも目的とする。
The present invention has been made in view of such circumstances. That is, it aims at providing the aluminum alloy for castings from which the casting excellent in not only intensity | strength and fatigue strength but heat-resistant fatigue strength is obtained. In particular, an object of the present invention is to provide an aluminum alloy for casting that can obtain stable heat fatigue strength and the like by solution heat treatment and aging heat treatment even for a complex and large aluminum alloy casting such as a cylinder head of a diesel engine. And
In addition, another object of the present invention is to provide an aluminum alloy casting and a manufacturing method thereof.
本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、基本元素の一つであるCuの含有量を見直し、その他の元素およびその含有量を適切に設定することで、必ずしも溶体化熱処理において水冷等しなくても、十分な強度や疲労強度が得られ、しかも耐熱疲労強度も十分に高い、あらゆる面でバランスに優れたアルミニウム合金鋳物が得られる鋳物用アルミニウム合金を新たに見いだして、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to solve this problem and repeated trial and error, the present inventors reviewed the content of Cu, which is one of the basic elements, and appropriately set other elements and their contents, New aluminum alloy for castings that can provide sufficient strength and fatigue strength without requiring water cooling in solution heat treatment, and also has a sufficiently high heat-resistant fatigue strength and excellent balance in all aspects. As a result, the present invention has been completed.
(鋳物用アルミニウム合金)
すなわち、本発明の鋳物用アルミニウム合金は、全体を100質量%(以下単に「%」という。)としたときに、下記の元素および不可避的不純物からなり、実用疲労特性に優れたアルミニウム合金鋳物が得られることを特徴とする。
ケイ素(Si) :4〜12%、
銅(Cu) :1.0〜3.0%、
マグネシウム(Mg) :0.2〜0.6%、
ニッケル(Ni) :0.2〜3%、
鉄(Fe) :0.1〜0.7%、
チタン(Ti) :0.1〜0.3%、
ジルコニウム(Zr) :0.03〜0.5%
アルミニウム(Al) :残部
(Aluminum alloy for casting)
That is, the aluminum alloy for castings of the present invention is composed of the following elements and unavoidable impurities when the whole is 100% by mass (hereinafter simply referred to as “%”), and is an aluminum alloy casting excellent in practical fatigue characteristics. It is characterized by being obtained.
Silicon (Si): 4 to 12%,
Copper (Cu): 1.0-3.0%
Magnesium (Mg): 0.2-0.6%
Nickel (Ni): 0.2-3%,
Iron (Fe): 0.1-0.7%
Titanium (Ti): 0.1-0.3%
Zirconium (Zr): 0.03-0.5%
Aluminum (Al): balance
(作用効果)
本発明の鋳物用アルミニウム合金を用いれば、従来の鋳物用アルミニウム合金では達成困難であった、強度、疲労強度(耐疲労性)および耐熱疲労強度(耐熱疲労性)の各特性が高次元で併存したアルミニウム合金鋳物が得られる。このように優れた特性のアルミニウム合金鋳物は、上記の各元素全てが上記の各特定範囲内で相乗的に作用し合うことで初めて得られるものであり、本発明はそのような組成を新たに発見した点で画期的な価値を有する。
(Function and effect)
If the aluminum alloy for castings of the present invention is used, the properties of strength, fatigue strength (fatigue resistance) and heat fatigue strength (heat fatigue resistance), which have been difficult to achieve with conventional aluminum alloys for casting, coexist at a high level. An aluminum alloy casting is obtained. The aluminum alloy casting having such excellent characteristics is obtained for the first time when all of the above-mentioned elements all act synergistically within the above-mentioned specific ranges, and the present invention newly provides such a composition. It has epoch-making value in terms of discovery.
もっとも、本発明の鋳物用アルミニウム合金からなる鋳物が何故そのような優れた各特性を示すのか、その詳細な理由やメカニズムは現状必ずしも定かではない。そこで、本発明の鋳物用アルミニウム合金の金属組成に至った経緯および現状考えられる範囲でその理由やメカニズムについて以下説明する。なお、以降では、鋳物原料としての鋳物用アルミニウム合金、鋳造製品であるアルミニウム合金鋳物の両方を含めて、適宜、単に「アルミニウム合金」とも呼ぶ。 However, the detailed reason and mechanism why the casting made of the aluminum alloy for casting according to the present invention exhibits such excellent characteristics is not always clear at present. Therefore, the reason and mechanism will be described below in the background to the metal composition of the aluminum alloy for casting of the present invention and the presently conceivable range. Hereinafter, including both an aluminum alloy for casting as a casting raw material and an aluminum alloy casting that is a cast product, it is also simply referred to as “aluminum alloy” as appropriate.
(1)アルミニウム合金の強度や疲労強度を高める場合、鋳造後の鋳物に溶体化熱処理をし、さらには時効熱処理を施して、含有している析出強化元素であるCuやMg等を析出させて強化するのが一般的である。ここで溶体化熱処理といえば、CuやMg等の析出強化元素が固溶する溶解度線以上の高温に鋳物を加熱した後、水冷等によってに急冷して析出強化元素の過飽和固溶体をつくるのが一般的である。 (1) When increasing the strength and fatigue strength of an aluminum alloy, the cast casting is subjected to a solution heat treatment and further subjected to an aging heat treatment to precipitate the contained precipitation strengthening elements such as Cu and Mg. It is common to strengthen. Speaking of solution heat treatment, it is common to form a supersaturated solid solution of precipitation strengthening elements by heating the casting to a temperature higher than the solubility line where precipitation strengthening elements such as Cu and Mg are dissolved, and then rapidly cooling by water cooling or the like. Is.
しかし、前述したように、溶体化熱処理における加熱後の冷却工程(いわゆる焼入工程)を水冷とした場合、水に直接接触する部分は冷却速度が大きいものの、内部や水回りの悪い部分の冷却速度は小さく、加熱後の冷却状況が鋳物の部位によって不均一となりやすい。その結果、急冷によって急激に収縮する部分とそうでない部分とができ、鋳物内部に残留歪を多く生じ易くなる。この傾向は当然ながら、鋳物が大型化、複雑化する程大きくなる。 However, as described above, when the cooling process after heating in the solution heat treatment (so-called quenching process) is water-cooled, the part that directly contacts water has a high cooling rate, but the inside or the part with poor water circulation is cooled. The speed is small, and the cooling state after heating tends to be uneven depending on the part of the casting. As a result, a portion that rapidly shrinks due to rapid cooling and a portion that does not shrink are formed, and a large amount of residual strain tends to occur inside the casting. This tendency naturally increases as the casting becomes larger and more complicated.
本発明者は、この残留歪が実用疲労強度の大きな低下要因の一つではないかと考えた。そして、析出強化元素によって析出強化を図りつつも、その残留歪の発生自体を抑制し、残留歪や作用する応力が鋳物全体にほぼ均一に分散されるような金属組織が好ましいと考えて、本発明の鋳物用アルミニウム合金を開発するに至った。 The present inventor considered that this residual strain may be one of the factors that greatly reduce the practical fatigue strength. It is considered that a metal structure that suppresses generation of the residual strain itself and disperses the residual strain and acting stress almost uniformly throughout the casting is preferable, while precipitating and strengthening with the precipitation strengthening element. It came to develop the aluminum alloy for casting of invention.
(2)そこで先ず、溶体化熱処理の冷却を従来の水冷等よりも緩やかにすることで残留歪を軽減・抑制しまたは均一分布化することを考えた。もっとも、溶体化熱処理の冷却工程はいわゆる焼入工程であるから、単純に冷却速度を遅くしただけだと、その冷却過程で析出強化元素が粗大な化合物となって析出したりして十分な析出強化が望めないことも予想される。 (2) Therefore, first, it was considered to reduce or suppress the residual strain or make the distribution uniform by making the cooling of the solution heat treatment gentler than the conventional water cooling or the like. However, since the cooling process of the solution heat treatment is a so-called quenching process, if the cooling rate is simply slowed down, the precipitation strengthening element precipitates as a coarse compound during the cooling process, and sufficient precipitation occurs. It is also expected that strengthening cannot be expected.
ところが本発明の鋳物用アルミニウム合金は、適量のTi、Zr等の遷移元素を含有している。このTiやZr等の遷移元素は、鋳造後は基地相中に固溶状態にあるものの、その後の溶体化熱処理の加熱工程で微細に析出し始める。これは、Ti、Zr等の遷移元素の析出温度域がCuやMg等の析出温度域とは異なり、それよりも高温域にあるからである。そして、Ti、Zr等の遷移元素の析出物が誘因となって、溶体化熱処理の加熱工程で十分に固溶していたCuやMgが、それに続く冷却工程において、その冷却速度が緩やかであると、前段階である加熱工程で予め析出していたTiやZrの遷移元素を主体とする析出相を核として、先行的に、安定または準安定な析出を開始すると考えられる。 However, the aluminum alloy for castings of the present invention contains an appropriate amount of transition elements such as Ti and Zr. Although the transition elements such as Ti and Zr are in a solid solution state in the matrix phase after casting, they begin to precipitate finely in the heating process of the subsequent solution heat treatment. This is because the precipitation temperature region of transition elements such as Ti and Zr is different from the precipitation temperature region of Cu and Mg and is in a higher temperature region. Then, the precipitate of transition elements such as Ti and Zr is an incentive, and Cu and Mg that have been sufficiently dissolved in the heating step of the solution heat treatment have a slow cooling rate in the subsequent cooling step. Then, it is considered that stable or metastable precipitation is started in advance using a precipitation phase mainly composed of a transition element of Ti or Zr, which has been preliminarily precipitated in the heating step as the previous stage.
すなわち、本発明の鋳物用アルミニウム合金では、適量のCuやMg以外に、適量のTiやZrを含むため、溶体化熱処理の冷却速度が従来より緩やかな冷却工程において、既に析出しているTiやZrの析出物を核として、析出強化元素であるCuやMgの析出が可能になったと考えられる。
そしてこの溶体化熱処理後に時効熱処理を行うことで、さらに、溶体化熱処理で析出せずに凍結されていたCuやMgの残部が、さらに、本来的な析出を始める。この時効熱処理によって、CuやMg等の析出量(体積量)が十分に確保されることとなる。
That is, the casting aluminum alloy of the present invention contains an appropriate amount of Ti and Zr in addition to an appropriate amount of Cu and Mg. Therefore, in the cooling process where the cooling rate of the solution heat treatment is slower than before, Ti or It is considered that precipitation of strengthening elements such as Cu and Mg was made possible by using the precipitate of Zr as a nucleus.
Then, by performing an aging heat treatment after the solution heat treatment, the remaining Cu or Mg that has been frozen without being precipitated by the solution heat treatment further starts to be originally deposited. By this aging heat treatment, the precipitation amount (volume) of Cu, Mg, etc. is sufficiently ensured.
ここで、単にCuやMgの析出量を増加させるだけなら、Cuの含有量等を従来レベルまで増加させることも考えられる。しかし、それではアルミニウム合金の高強度化を図れたとしても、その一方で、その延性や靭性が低下して、応力集中や平均応力等が影響する疲労強度を高めることはできない可能性がある。さらには、その延性や靭性の低下によって耐熱疲労強度の低下をも招来し得る。そこで本発明では、アルミニウム合金中のCuやMgの含有量を適切に設定することでそのようは事態を回避している。
こうして本発明では、溶体化熱処理の冷却工程を空冷等により行った場合でも、適量のCuやMgによる析出強化を十分に進行させつつ、残留歪による耐熱疲労強度の低下を低減・抑制し、十分な強度や疲労強度を確保し、アルミニウム合金の強度や耐疲労強度のみならず耐熱疲労強度の各特定を高次元で満たすことに成功したと考えられる。
Here, if the precipitation amount of Cu or Mg is merely increased, it is conceivable to increase the Cu content or the like to the conventional level. However, even if the strength of the aluminum alloy can be increased, the ductility and toughness of the aluminum alloy may decrease, and the fatigue strength affected by stress concentration, average stress, or the like may not be increased. Furthermore, the heat resistance fatigue strength may be reduced due to the decrease in ductility and toughness. Therefore, in the present invention, such a situation is avoided by appropriately setting the contents of Cu and Mg in the aluminum alloy.
Thus, in the present invention, even when the cooling step of the solution heat treatment is performed by air cooling or the like, the precipitation strengthening with an appropriate amount of Cu or Mg is sufficiently advanced, and the decrease in the heat fatigue strength due to residual strain is reduced and suppressed. It is considered that the strength and fatigue strength were ensured, and each specification of not only the strength and fatigue strength of the aluminum alloy but also the heat fatigue strength was satisfied at a high level.
ちなみに、溶体化熱処理の冷却工程で既に析出していたCuやMgの析出物は、安定相の他に準安定相を含み、時効熱処理でCuやMgの析出物は粒成長し得る。このため、鋳造後の鋳物に上述のような溶体化熱処理さらには時効熱処理を施した場合、CuやMgの析出相には粒径の大きな析出相(第1析出相)と粒径の小さな析出相(第2析出相)とが出現し得る。従って、上述したような溶体化熱処理および時効熱処理を施した本発明のアルミニウム合金鋳物は、粒径の異なる第1析出相と第2析出相を少なくとも含む複相析出物を備えたものとなる。なお、第1析出相の粒径は例えば30〜300nmであり、第2析出相の粒径は例えば1〜20nmである。 Incidentally, Cu and Mg precipitates already precipitated in the cooling step of the solution heat treatment include a metastable phase in addition to the stable phase, and the Cu and Mg precipitates can grow by the aging heat treatment. For this reason, when the above-mentioned solution heat treatment and further aging heat treatment are applied to the cast product after casting, the precipitate phase of Cu and Mg has a precipitate phase having a large particle size (first precipitate phase) and a precipitate having a small particle size. Phase (second precipitated phase) may appear. Therefore, the aluminum alloy casting of the present invention subjected to the solution heat treatment and the aging heat treatment as described above is provided with a multiphase precipitate including at least a first precipitation phase and a second precipitation phase having different particle sizes. In addition, the particle size of a 1st precipitation phase is 30-300 nm, for example, and the particle size of a 2nd precipitation phase is 1-20 nm, for example.
(3)以上では主に、析出強化元素であるCuやMg(特にCu)の影響と、遷移元素であるTiやZrの作用について説明した。もっとも、本発明のアルミニウム合金が前述した各特性に優れる理由はそれだけではない。すなわち、α−Alを主とする基地相をネットワーク状に囲繞すべく晶出した骨格相が微細にかつほぼ等方的に分布してなる金属組織の影響も非常に大きい。そこで以下、この骨格相について主に説明する。 (3) In the foregoing, the effects of Cu and Mg (particularly Cu) as precipitation strengthening elements and the effects of Ti and Zr as transition elements have been mainly described. However, the reason why the aluminum alloy of the present invention is excellent in the above-mentioned characteristics is not the only reason. That is, the influence of the metal structure in which the skeleton phase crystallized so as to surround the base phase mainly composed of α-Al in a network shape is finely and substantially isotropically distributed is also very large. Therefore, this skeleton phase will be mainly described below.
骨格相は、Si、NiまたはFeを含む化合物が晶出してできたものであって、ネットワーク状に展開して基地相を囲繞している。本発明のアルミニウム合金は、この骨格相を適量備えることで作用する応力や歪みが局部に集中することなく全体的に分散され易くなる。骨格相が過少になると応力分散が不十分であり、過多になると延性が低下し、疲労強度の低下を招き、好ましくない。従って、骨格相を適量とすることで、高耐熱疲労強度と併せて高強度や高疲労強度をも発揮すると考えられる。 The skeletal phase is formed by crystallization of a compound containing Si, Ni, or Fe, and expands in a network to surround the base phase. In the aluminum alloy of the present invention, the stress and strain acting by providing an appropriate amount of this skeletal phase is easily dispersed without concentrating locally. When the skeletal phase is too small, the stress dispersion is insufficient, and when it is excessive, the ductility is lowered and the fatigue strength is lowered, which is not preferable. Therefore, it is considered that by setting the skeleton phase to an appropriate amount, high strength and high fatigue strength are exhibited together with high heat fatigue strength.
しかも本発明のアルミニウム合金は、さらに、TiやZrを含有している。このため、アルミニウム合金中の基地相およびそれを囲繞する骨格相も、等方的に分布した極めて微細な結晶粒からなる。従って、ネットワーク状に形成された骨格相によってアルミニウム合金に作用する応力や歪みが全体的に分散されるだけではなく、より一層等方的で均等に分布または分散するようになる。 Moreover, the aluminum alloy of the present invention further contains Ti and Zr. For this reason, the matrix phase in the aluminum alloy and the skeleton phase surrounding it are also composed of extremely fine crystal grains that are isotropically distributed. Therefore, not only the stress and strain acting on the aluminum alloy are dispersed as a whole by the skeleton phase formed in a network shape, but also isotropically and evenly distributed or dispersed.
なお、TiやZrは、その析出相が前述したようにCuやMgが析出する際の核となる他、基地相に固溶して、アルミニウム合金の強度向上にも有効に作用している。 Ti and Zr, as described above, serve as nuclei when Cu and Mg are precipitated as described above, and solidly dissolve in the matrix phase and effectively act to improve the strength of the aluminum alloy.
(4)このように本発明のアルミニウム合金では、Alの他、適量のSi、Cu、Mg、Ni、FeTiおよびZrの各合金元素が相乗的に作用し合うことによって初めて、強度、疲労強度および耐熱疲労強度が同時に従来レベルを凌ぐハイレベルに到達したと考えられる。 (4) In this way, in the aluminum alloy of the present invention, strength, fatigue strength, and the like can only be achieved by the synergistic action of each alloy element of Si, Cu, Mg, Ni, FeTi and Zr in addition to Al. It is thought that the heat fatigue strength has reached a high level that exceeds the conventional level at the same time.
なお、本発明のアルミニウム合金鋳物は、使用中のごく初期にその組織が部位によって多少変化することはあり得る。例えば、シリンダヘッドのように、部位によって曝される温度環境が異なる場合、シリンダヘッドの燃焼室付近は比較的高温となって、例えば、基地相中から析出したCuやMgの化合物が使用初期に粗大化することもあり得る。 It should be noted that the structure of the aluminum alloy casting of the present invention may slightly change depending on the site at the very beginning of use. For example, when the temperature environment to be exposed differs depending on the part, such as a cylinder head, the vicinity of the combustion chamber of the cylinder head becomes relatively high temperature. For example, Cu and Mg compounds precipitated from the base phase are in the initial stage of use. It may be coarse.
但し、本発明の場合、析出物の粗大化は早期に終了し、さらなる加熱により延性や靱性が回復する。また、使用初期にやや延性や靱性が低下したとしても、Ni化合物等が晶出した骨格相によって基地相が補強されるため、耐熱疲労強度が大きく低下することはほとんどない。 However, in the case of the present invention, the coarsening of the precipitates ends early, and the ductility and toughness are recovered by further heating. Even if the ductility and toughness are slightly reduced in the initial stage of use, the base phase is reinforced by the skeletal phase from which the Ni compound or the like has crystallized, so that the thermal fatigue strength is hardly greatly reduced.
勿論、基地相もCuやMgの化合物からなる複相析出物により析出強化された状態となっているから、母材として十分な強度や硬さを発揮する。
従って、例えば、ガソリンエンジン用高性能シリンダヘッドや特に過酷な使用環境下における高い耐久性が要求されるディーゼルエンジン用シリンダヘッドなどに本発明の鋳物用アルミニウム合金は最適である。もっとも、本発明のアルミニウム合金がシリンダヘッド以外の鋳物部材にも適することは言うまでもなく、その鋳物部材の使用環境(使用温度等)も問わない。
Of course, since the matrix phase is also strengthened by precipitation with a multiphase precipitate made of a compound of Cu or Mg, it exhibits sufficient strength and hardness as a base material.
Therefore, for example, the aluminum alloy for casting of the present invention is optimal for a high performance cylinder head for a gasoline engine or a cylinder head for a diesel engine that is required to have high durability under a severe environment. However, it goes without saying that the aluminum alloy of the present invention is suitable for cast members other than the cylinder head, and the use environment (use temperature, etc.) of the cast member is not questioned.
(アルミニウム合金鋳物)
本発明は、上記鋳物用アルミニウム合金のみならず、実用疲労特性に優れたアルミニウム合金鋳物としても把握できる。
すなわち、本発明は、Si:4〜12%、Cu:1.0〜3.0%、Mg:0.2〜0.6%、Ni:0.2〜3%、Fe:0.1〜0.7%、Ti:0.1〜0.3%、Zr:0.03〜0.5%を含み残部がAlと不可避不純物からなる組成からなり、α−Alを主とする基地相と、該基地相をネットワーク状に囲繞すべく晶出した骨格相と、粒径30〜300nmの第1析出相および粒径1〜20nmの第2析出相が該基地相中に析出した複相析出物を有する金属組織で構成された実用疲労特性に優れることを特徴とするアルミニウム合金鋳物としても把握できる。
(Aluminum alloy casting)
The present invention can be grasped not only as an aluminum alloy for castings but also as an aluminum alloy casting excellent in practical fatigue characteristics.
That is, the present invention is Si: 4-12%, Cu: 1.0-3.0%, Mg: 0.2-0.6%, Ni: 0.2-3%, Fe: 0.1 0.7%, Ti: 0.1 to 0.3%, Zr: 0.03 to 0.5%, the balance is composed of Al and inevitable impurities, and the base phase is mainly α-Al; , A skeleton phase crystallized to surround the matrix phase in a network, a first precipitation phase having a particle size of 30 to 300 nm, and a second precipitation phase having a particle size of 1 to 20 nm are precipitated in the matrix phase. It can also be grasped as an aluminum alloy casting characterized by excellent practical fatigue characteristics composed of a metal structure having an object.
(アルミニウム合金鋳物の製造方法)
さらに本発明は、そのアルミニウム合金鋳物に好適な製造方法としても把握できる。
すなわち、本発明は、Si:4〜12%、Cu:1.0〜3.0%、Mg:0.2〜0.6%、Ni:0.2〜3%、Fe:0.1〜0.7%、Ti:0.1〜0.3%、Zr:0.03〜0.5%を含み残部がAlと不可避不純物からなる組成を有するアルミニウム合金溶湯を鋳型に注入、凝固させてアルミニウム合金鋳物を得る鋳造工程と、該アルミニウム合金鋳物に溶体化熱処理および時効熱処理を施す熱処理工程とからなり、上記の本発明のアルミニウム合金鋳物が得られることを特徴とするアルミニウム合金鋳物の製造方法としても把握できる。
(Aluminum alloy casting manufacturing method)
Furthermore, this invention can be grasped | ascertained also as a manufacturing method suitable for the aluminum alloy casting.
That is, the present invention is Si: 4-12%, Cu: 1.0-3.0%, Mg: 0.2-0.6%, Ni: 0.2-3%, Fe: 0.1 A molten aluminum alloy having a composition containing 0.7%, Ti: 0.1-0.3%, Zr: 0.03-0.5% and the balance consisting of Al and inevitable impurities is poured into a mold and solidified. A method for producing an aluminum alloy casting, characterized by comprising a casting step for obtaining an aluminum alloy casting and a heat treatment step for subjecting the aluminum alloy casting to a solution heat treatment and an aging heat treatment. Can also be grasped.
ところで本明細書でいう「強度」とは、アルミニウム合金の使用初期の破断強度である。この強度は、室温〜150℃の温度範囲でほぼ維持される。この強度は、引張強度で指標しても良いが、合金全体の硬さによっても指標できる。なお、後述の疲労強度が高い場合は、一般的にこの引張強度も高いと考えられる。 By the way, “strength” as used in the present specification is a breaking strength at the initial use of an aluminum alloy. This strength is substantially maintained in the temperature range of room temperature to 150 ° C. This strength may be indicated by tensile strength, but can also be indicated by the hardness of the entire alloy. In addition, when the below-mentioned fatigue strength is high, it is generally considered that this tensile strength is also high.
「疲労」とは、一般的な高サイクル疲労に対する強度であり、「耐疲労性」とはその疲労に対する耐性である。「疲労強度」は、アルミニウム合金鋳物に所定温度で、繰返応力を付与したときの破断強度である。平均応力、応力振幅、繰返数(破断までの寿命)によって指標される。 “Fatigue” is the strength against general high cycle fatigue, and “fatigue resistance” is the resistance to fatigue. “Fatigue strength” is the breaking strength when a repeated stress is applied to an aluminum alloy casting at a predetermined temperature. It is indexed by average stress, stress amplitude, number of repetitions (life to break).
「熱疲労」とは、低サイクル疲労の1種であって、温度、歪みが周期的に変化する場合に生じる疲労であり、「耐熱疲労性」とはその疲労に対する耐性である。この耐熱疲労性と前述の耐疲労性の両方を併せて、本明細書では「実用疲労特性」と呼ぶ。また、疲労強度と耐熱疲労強度を後述の両方を併せて、本明細書では「実用疲労強度」と呼ぶ。
ちなみに、より詳しくいうと、熱疲労は、熱膨張および熱収縮が拘束されて、加熱時に圧縮方向または引張方向に歪みが生じると共に冷却時に引張方向または圧縮方向に歪みが生じる結果もたらされる疲労現象である。この疲労現象には、温度と歪みとの位相差によりout−of−phaseとin−phaseとがある。
“Thermal fatigue” is a type of low cycle fatigue, and is fatigue that occurs when temperature and strain change periodically. “Heat fatigue resistance” is resistance to fatigue. Both this heat fatigue resistance and the above-mentioned fatigue resistance are collectively referred to as “practical fatigue characteristics” in this specification. Further, the fatigue strength and the heat-resistant fatigue strength are referred to as “practical fatigue strength” in the present specification by combining both of those described later.
More specifically, thermal fatigue is a fatigue phenomenon that results from constraining thermal expansion and contraction, causing strain in the compression or tension direction during heating and strain in the tension or compression direction during cooling. is there. This fatigue phenomenon includes out-of-phase and in-phase depending on the phase difference between temperature and strain.
ところで、熱疲労は熱疲労寿命によって指標され、その試験方法については後述する。特に、アルミニウム合金の場合、熱膨張係数が大きいので、熱膨張の拘束により加熱時に圧縮、冷却時に引張りの歪みが生じるout−of−phaseの熱疲労が生じ易く、これに対する耐性が必要とされる。 By the way, thermal fatigue is indicated by the thermal fatigue life, and the test method will be described later. In particular, in the case of an aluminum alloy, since the thermal expansion coefficient is large, out-of-phase thermal fatigue in which compression distortion occurs during heating and tensile strain occurs during cooling due to thermal expansion constraints, and resistance to this is required. .
ここで、「耐熱疲労強度」は、アルミニウム合金鋳物に所定の拘束条件下(応力作用状況下)で加熱と冷却を周期的に繰返す冷熱サイクルを付与したときの破断強度である。しかし、熱疲労は本来、所定の拘束条件下における熱疲労寿命によって指標されるものであるから、それ自体を測定することは容易ではない。そこで、本明細書中では、破断強度自体のみならず、耐熱疲労性とをほぼ同義で、定性的に「耐熱疲労強度」という表現をしている場合もある。例えば、「耐熱疲労強度が高い」といった場合、具体的な破断強度が高いということではなく、単に「耐熱疲労性が高い」というに過ぎない場合もあることを断っておく。 Here, the “heat-resistant fatigue strength” is a breaking strength when an aluminum alloy casting is subjected to a cooling cycle in which heating and cooling are periodically repeated under predetermined restraint conditions (under stress action conditions). However, since thermal fatigue is inherently indicated by the thermal fatigue life under predetermined restraint conditions, it is not easy to measure itself. Therefore, in the present specification, not only the breaking strength itself but also the heat fatigue resistance is almost synonymous, and the expression “heat fatigue strength” may be expressed qualitatively. For example, in the case of “high heat fatigue strength”, it should be noted that the specific breaking strength is not high but it may simply be “high heat fatigue resistance”.
発明の実施形態を挙げて、本発明をより詳しく説明する。なお、以下の実施形態を含め、本明細書で説明する内容は、本発明に係る鋳物用アルミニウム合金、アルミニウム合金鋳物およびその製造方法にも適宜適用されるものである。また、いずれの実施形態が最良であるか否かは、鋳造対象、鋳物の要求性能等によって異なることも断っておく。 The present invention will be described in more detail with reference to embodiments of the invention. In addition, the content demonstrated by this specification including the following embodiment is suitably applied also to the aluminum alloy for castings concerning this invention, an aluminum alloy casting, and its manufacturing method. It should also be noted that which embodiment is the best depends on the casting object, the required performance of the casting, and the like.
(1)組成
本発明のアルミニウム合金の化学組成は次のような理由により決定されている。
<Si>
本発明のアルミニウム合金中のSiは、4〜12%であると好適である(以下「%」は質量%を意味する。)。
Siが過少であると、鋳造性が悪く、鋳物中に鋳造欠陥を生じやすい。また、鋳物の熱膨張係数が大きくなる。一方、Siが過多であると、合金溶湯が凝固する際に指向性が高まり、金属組織が不均質になる。また、鋳物の最終凝固部に多量の鋳造欠陥を生じるおそれもある。さらに、脆いSi粒子が増加して、鋳物の延性や靭性が低下し、ひいては疲労強度や耐熱疲労強度の低下を招来するおそれがある。
(1) Composition The chemical composition of the aluminum alloy of the present invention is determined for the following reason.
<Si>
Si in the aluminum alloy of the present invention is preferably 4 to 12% (hereinafter, “%” means mass%).
If Si is too small, castability is poor and casting defects are likely to occur in the casting. In addition, the thermal expansion coefficient of the casting is increased. On the other hand, when Si is excessive, directivity increases when the molten alloy solidifies, and the metal structure becomes inhomogeneous. In addition, a large amount of casting defects may occur in the final solidified portion of the casting. Further, brittle Si particles increase, the ductility and toughness of the casting decrease, and as a result, the fatigue strength and heat fatigue strength may decrease.
Siの下限は5%、6%、6.5%さらには7%であると好ましい。Siの上限は11%、10%、9%、8.5%さらには8%であると好ましい。なお、これらの下限および上限は任意に組合せることができる(このことは、以下の他の元素においても同様である。)。
なお、Siは本発明のアルミニウム合金でいう骨格相の形成にも寄与している。Siが例えば6〜9%内であると、骨格相を形成する共晶Si量も適量となって、強度、延性に優れたアルミニウム合金となる。特に、Siが7〜8%であると、鋳造性、各強度、延性のバランスにも優れたアルミニウム合金が得られて最適である。
The lower limit of Si is preferably 5%, 6%, 6.5% or even 7%. The upper limit of Si is preferably 11%, 10%, 9%, 8.5% or even 8%. In addition, these lower limits and upper limits can be combined arbitrarily (this also applies to the following other elements).
Si also contributes to the formation of the skeleton phase in the aluminum alloy of the present invention. When Si is within 6 to 9%, for example, the amount of eutectic Si forming the skeleton phase is also appropriate, and an aluminum alloy having excellent strength and ductility is obtained. In particular, when Si is 7 to 8%, an aluminum alloy having an excellent balance of castability, strength, and ductility is obtained, which is optimal.
<Cu>
Cuは、1〜3%であると好適である。
Cuが過少であると、Cuによる析出強化が不十分となり、所望するアルミニウム合金の強度や硬さが得られない。
一方、Cuが過多であると、その析出強化によって基地相が過度に硬化し得る。特に、本発明のように他の元素による晶出物量が多い場合、Cuが過多になると、応力集中による疲労強度が低下し易くなる。さらに、Cuが過多になると、鋳物中の気孔率が増加して、同様に疲労強度が低下し易くなる。
<Cu>
Cu is preferably 1 to 3%.
If Cu is too small, precipitation strengthening by Cu becomes insufficient, and the desired strength and hardness of the aluminum alloy cannot be obtained.
On the other hand, if the amount of Cu is excessive, the matrix phase can be excessively hardened due to precipitation strengthening. In particular, when the amount of crystallized substances by other elements is large as in the present invention, if Cu is excessive, the fatigue strength due to stress concentration tends to decrease. Further, when Cu is excessive, the porosity in the casting is increased, and the fatigue strength is likely to be lowered similarly.
Cuの下限は1.3%、1.4%さらには1.5%であると好ましい。Cuの上限は2.7%、2.6%さらには2.5%であると好ましい。例えば、Cuが1.4〜2.6%さらには1.5〜2.5%であるとより好ましい。 The lower limit of Cu is preferably 1.3%, 1.4%, and further 1.5%. The upper limit of Cu is preferably 2.7%, 2.6%, and further 2.5%. For example, Cu is more preferably 1.4 to 2.6%, and further preferably 1.5 to 2.5%.
〈Mg〉
Mgは、0.2〜0.6%であると好適である。Mgは析出強化元素である。母材であるアルミニウム合金の強度や疲労強度を確保する上で、適量のMgを含有することが非常に重要となる。
Mgが過少であると、アルミニウム合金の基地相が軟らか過ぎて十分な強度が得られない。Mgが過多であると、アルミニウム合金の延性や靱性が低下して十分な疲労強度や耐熱疲労強度が得られない。
Mgの上限は0.5%、0.4%さらには0.3%であると好ましい。例えば、Mgは0.2〜0.5%さらには0.2〜0.4%であると好ましい。
<Mg>
Mg is preferably 0.2 to 0.6%. Mg is a precipitation strengthening element. In order to secure the strength and fatigue strength of the aluminum alloy as the base material, it is very important to contain an appropriate amount of Mg.
If Mg is too small, the matrix phase of the aluminum alloy is too soft and sufficient strength cannot be obtained. When Mg is excessive, the ductility and toughness of the aluminum alloy are lowered, and sufficient fatigue strength and thermal fatigue strength cannot be obtained.
The upper limit of Mg is preferably 0.5%, 0.4%, and further 0.3%. For example, Mg is preferably 0.2 to 0.5%, more preferably 0.2 to 0.4%.
<Ni>
Niは、0.2〜3%であると好適である。NiはNi化合物を晶出させてネットワーク状の骨格相を強固にする。
Niが過少であると、Ni化合物の生成量が少なく、晶出物からなるネットワーク状の骨格相の形成が不十分となり得る。Niが過多であると、粗大なNi化合物が生成され易くなり、延性や靭性が著しく低下するおそれがある。いずれにしてもアルミニウム合金の疲労強度や耐熱疲労強度の低下を招来し得るため好ましくない。
<Ni>
Ni is preferably 0.2 to 3%. Ni crystallizes the Ni compound and strengthens the network-like skeleton phase.
When Ni is too small, the amount of Ni compound produced is small, and the formation of a network-like skeleton phase composed of crystallized substances may be insufficient. When Ni is excessive, coarse Ni compounds are likely to be produced, and ductility and toughness may be significantly reduced. In any case, it is not preferable because the fatigue strength and heat fatigue strength of the aluminum alloy can be lowered.
Niの下限は0.5%、0.7%さらには0.8%であると好ましい。Niの上限は2%、1.5%さらには1.2%であると好ましい。特に、Niが2%を超えるとNi化合物がやや大きくなり組織の均質性が低下し始める。Niが0.5〜2%であると、Ni化合物の晶出量とその大きさが適度で均質な凝固組織が得られてより好ましい。さらには、Niが0.7〜1.5%であると一層好ましく、安定した高い耐熱疲労性のアルミニウム合金となる。
なお、Ni化合物とはNiを含む化合物の総称である。例えば、Ni化合物として、Al−Ni化合物、Al−Ni−Cu化合物、Al−Fe−Ni化合物等がある。
The lower limit of Ni is preferably 0.5%, 0.7%, and further 0.8%. The upper limit of Ni is preferably 2%, 1.5%, and further 1.2%. In particular, when Ni exceeds 2%, the Ni compound becomes slightly large and the homogeneity of the structure starts to deteriorate. It is more preferable that Ni is 0.5 to 2%, since a solidified structure having an appropriate amount of Ni crystallized and its size can be obtained. Furthermore, it is more preferable that Ni is 0.7 to 1.5%, and a stable high heat fatigue resistant aluminum alloy is obtained.
The Ni compound is a general term for compounds containing Ni. For example, the Ni compound includes an Al—Ni compound, an Al—Ni—Cu compound, and an Al—Fe—Ni compound.
<Fe>
Feは、0.1〜0.7%であると好適である。
Feが過少であると、Fe化合物の生成が少なく、晶出物からなるネットワーク状の骨格相の形成が不十分となり得る。Feが過多であると、粗大なFe化合物が生成し易くなり、延性や靭性が著しく低下するおそれがある。いずれにしてもアルミニウム合金の疲労強度や耐熱疲労強度の低下を招来し得るため好ましくない。
<Fe>
Fe is suitably 0.1 to 0.7%.
If Fe is too small, the formation of an Fe compound may be small, and the formation of a network-like skeleton phase composed of crystallized substances may be insufficient. If Fe is excessive, a coarse Fe compound is likely to be produced, and ductility and toughness may be significantly reduced. In any case, it is not preferable because the fatigue strength and heat fatigue strength of the aluminum alloy can be lowered.
Feの下限は0.2%さらには0.3%であると好ましい。Feの上限は0.6質量さらには0.5%であると好ましい。例えば、Feが0.2〜0.6%さらには0.3〜0.5%であるとより好ましい。Feがこの範囲内であると、Fe化合物の晶出量と大きさとが最適になり一層高い耐熱疲労強度が得られる。
なお、Fe化合物とはFeを含む化合物の総称である。その一例として、Al−Si−Fe−Mn化合物、Al−Si−Fe化合物、Al−Fe−Ni化合物等がある。
The lower limit of Fe is preferably 0.2%, more preferably 0.3%. The upper limit of Fe is preferably 0.6 mass and further 0.5%. For example, Fe is more preferably 0.2 to 0.6%, more preferably 0.3 to 0.5%. When Fe is within this range, the crystallization amount and size of the Fe compound are optimized, and higher heat fatigue strength is obtained.
The Fe compound is a generic name for compounds containing Fe. Examples thereof include an Al—Si—Fe—Mn compound, an Al—Si—Fe compound, and an Al—Fe—Ni compound.
<Ti>
Tiは、0.1〜0.3%であると好適である。Tiは、結晶粒を微細化させると共に基地相を固溶強化または析出強化する。また、Tiが結晶粒を十分に微細化させることで、晶出物からなるネットワーク状の骨格相を一層等方的にする。
また、Tiが基地相中で固溶または析出することにより、基地相が適度に硬化し、基地相における歪み集中が抑制される。この結果、アルミニウム合金内の歪みの分布がさらに均一化するようになって疲労強度や耐熱疲労強度が向上するようになる。
さらに、TiはZrと共に、Cu、Mgを含む析出相の核としても作用する。このためCu、Mgを含む析出相は、Ti化合物やZr化合物の遷移元素を含む析出相を核として冷却過程の高温域で熱的に安定な相として析出するため、本発明のアルミニウム合金の耐熱疲労強度が向上すると考えられる。
<Ti>
Ti is preferably 0.1 to 0.3%. Ti refines crystal grains and strengthens the matrix phase by solid solution strengthening or precipitation strengthening. Further, Ti sufficiently refines the crystal grains to make the network-like skeletal phase made of crystallized material more isotropic.
Further, when Ti dissolves or precipitates in the matrix phase, the matrix phase is appropriately cured, and strain concentration in the matrix phase is suppressed. As a result, the strain distribution in the aluminum alloy becomes more uniform, and the fatigue strength and heat fatigue strength are improved.
Further, Ti, together with Zr, acts as a nucleus of a precipitation phase containing Cu and Mg. For this reason, since the precipitation phase containing Cu and Mg is precipitated as a thermally stable phase in the high temperature region of the cooling process with the precipitation phase containing the transition element of Ti compound or Zr compound as the nucleus, the heat resistance of the aluminum alloy of the present invention It is thought that the fatigue strength is improved.
Tiが過少であると、結晶粒の微細化が不十分となり、鋳造組織特有のデンドライト組織が発達し、等方的なネットワーク状の骨格相が得られ難くなる。
一方、Tiが過多であると、基地相に固溶するTiが増加して基地相が硬くなり過ぎ、鋳物がせん断破壊を生じるおそれもある。また、基地相中に粗大なTi化合物が生成されるようになり、鋳物の延性や靭性を著しく低下させるおそれもある。いずれにしても疲労強度や耐熱疲労強度の低下を招来して好ましくない。このようなTiは、0.15〜0.25%さらには0.18〜0.24%であるとより好ましい。
When Ti is excessively small, crystal grains are insufficiently refined, a dendrite structure peculiar to a cast structure is developed, and an isotropic network-like skeleton phase is hardly obtained.
On the other hand, when Ti is excessive, Ti dissolved in the matrix phase increases, the matrix phase becomes too hard, and the casting may be sheared. In addition, coarse Ti compounds are generated in the matrix phase, which may significantly reduce the ductility and toughness of the casting. In any case, the fatigue strength and heat fatigue strength are reduced, which is not preferable. Such Ti is more preferably 0.15 to 0.25% and further preferably 0.18 to 0.24%.
なお、Tiは、原料を溶解する最終工程で、Al−Ti合金などを添加して含有させることができる。このようにTiを母合金(アルミニウム合金)として添加すると、Ti化合物の凝集等を抑制でき、結晶粒の十分な微細化や金属組織の等方化、均質化を図り易い。 Note that Ti can be contained by adding an Al—Ti alloy or the like in the final step of melting the raw material. When Ti is added as a mother alloy (aluminum alloy) in this way, aggregation of Ti compounds and the like can be suppressed, and sufficient refinement of crystal grains, isotropic and homogenization of the metal structure can be easily achieved.
<Zr>
Zrは、0.03〜0.5%であると好適である。Zrは、結晶粒を微細にしデンドライトの整列を防止して晶出物からなるネットワーク状の骨格相をより等方的にする。
また、Tiは基地相に固溶または析出することにより、基地相の高温強度を適度に向上させ、また、基地相における歪み集中を抑制して歪みの分布を一層均一化する。
さらに、ZrはTiと共に、Cu、Mgを含む析出相の核としても作用する。このためCu、Mgを含む析出相は、Ti化合物、Zr化合物の遷移元素を含む析出相を核として冷却過程の高温で熱的に安定な相として析出するため、本発明のアルミニウム合金の耐熱疲労強度が向上する。
<Zr>
Zr is preferably 0.03 to 0.5%. Zr makes crystal grains fine and prevents dendrite alignment, thereby making the network-like skeletal phase of crystallized material more isotropic.
Further, Ti dissolves or precipitates in the matrix phase to appropriately improve the high-temperature strength of the matrix phase, and suppresses strain concentration in the matrix phase to make the strain distribution more uniform.
Further, Zr, together with Ti, acts as a nucleus of a precipitation phase containing Cu and Mg. For this reason, since the precipitation phase containing Cu and Mg is precipitated as a thermally stable phase at a high temperature in the cooling process with the precipitation phase containing the transition element of the Ti compound and Zr compound as the nucleus, the heat resistance fatigue of the aluminum alloy of the present invention Strength is improved.
Zrが過少であると上述した効果が十分には得られない。Zrが過多になると、粗大な初晶化合物が生成してアルミニウム合金の延性や靭性が著しく低下し、その疲労強度や耐熱疲労強度を低下させる。また、Zrが過多になると、溶湯温度を高めないと均一な溶解が困難となり好ましくない。
Zrの下限は0.05%、0.07%さらには0.08%であると好ましい。Zrの上限は0.4質量、0.3%、0.2%さらには0.15%であると好ましい。例えば、Zrが0.03〜0.3%さらには0.05〜0.15%であるとより好ましい。
If Zr is too small, the above-described effects cannot be obtained sufficiently. When Zr is excessive, a coarse primary crystal compound is generated, the ductility and toughness of the aluminum alloy are remarkably lowered, and the fatigue strength and heat fatigue strength are lowered. Further, if Zr is excessive, uniform melting becomes difficult unless the molten metal temperature is raised, which is not preferable.
The lower limit of Zr is preferably 0.05%, 0.07%, and further 0.08%. The upper limit of Zr is preferably 0.4 mass, 0.3%, 0.2%, and further 0.15%. For example, it is more preferable that Zr is 0.03 to 0.3%, more preferably 0.05 to 0.15%.
ちなみに、TiとZrは、両元素の合計含有量が0.5%を超えると、Tiを含有する粗大なTi化合物が生成される。このため、アルミニウム合金鋳物の延性や靭性が低下するのみならず、前述した結晶粒の微細化に有効なTi量が減少して、結晶粒が粗大化するおそれもある。その結果、鋳物の金属組織の等方性や均質性が阻害されて、アルミニウム合金の強度、疲労強度および耐熱疲労強度の低下を招来し得る。そこで、TiとZrの合計が0.5%未満となるように、例えばZrが0.03〜0.15%であると一層好ましい。 Incidentally, when the total content of both elements exceeds 0.5%, a coarse Ti compound containing Ti is generated. For this reason, not only the ductility and toughness of the aluminum alloy casting are lowered, but the amount of Ti effective for refining the crystal grains described above is reduced, and the crystal grains may be coarsened. As a result, the isotropy and homogeneity of the metal structure of the casting may be hindered, and the strength, fatigue strength, and thermal fatigue strength of the aluminum alloy may be reduced. Thus, for example, Zr is more preferably 0.03 to 0.15% so that the total of Ti and Zr is less than 0.5%.
<Mn>
Mnは、0.1〜0.7%であると好適である。Mnは、Mn化合物として晶出し骨格相をより強固にする。また、Mnは、Fe化合物が粗大な針状となるのを抑止し、鋳物の延性や靭性の低下を妨げる。さらに、Mnは、Zrやiと共に、Cu、Mgを含む析出相の核としても作用する。このためCu、Mgを含む析出相は、Ti化合物、Zr化合物の遷移元素を含む析出相を核として冷却過程の高温で熱的に安定な相として析出するため、本発明のアルミニウム合金の耐熱疲労強度が向上する。
<Mn>
Mn is preferably 0.1 to 0.7%. Mn strengthens the crystallized skeleton phase as a Mn compound. Further, Mn prevents the Fe compound from becoming coarse needles, and hinders the deterioration of the ductility and toughness of the casting. Further, Mn, together with Zr and i, acts as a nucleus of a precipitated phase containing Cu and Mg. For this reason, since the precipitation phase containing Cu and Mg is precipitated as a thermally stable phase at a high temperature in the cooling process with the precipitation phase containing the transition element of the Ti compound and Zr compound as the nucleus, the heat resistance fatigue of the aluminum alloy of the present invention Strength is improved.
Mnが過少であるとその効果が十分には得られない。Mnが過多であると、粗大なMn化合物が生成して、鋳物の延性や靭性が著しく低下し、アルミニウム合金の疲労強度や耐熱疲労強度を低下させるおそれがある。
Mnの下限は0.2%さらには0.25%であると好ましい。Mnの上限は0.6質量、0.5%さらには0.4%であると好ましい。例えば、Mnが0.2〜0.5%さらには0.25〜0.4%であると、上述の効果が最も発揮されて一層好ましい。
If Mn is too small, the effect cannot be obtained sufficiently. If Mn is excessive, a coarse Mn compound is generated, the ductility and toughness of the casting are remarkably lowered, and the fatigue strength and heat-resistant fatigue strength of the aluminum alloy may be lowered.
The lower limit of Mn is preferably 0.2%, more preferably 0.25%. The upper limit of Mn is preferably 0.6 mass, 0.5%, and further 0.4%. For example, if the Mn is 0.2 to 0.5%, more preferably 0.25 to 0.4%, the above-described effects are most exhibited and it is more preferable.
<V>
Vは、0.01〜0.5%であると好適である。Vは、アルミニウム合金の基地相を固溶強化し、基地相の高温強度を向上させる。
Vが過少であるとこの効果が十分には得られない。Vが過多になると、粗大な初晶化合物が生成して鋳物の延性や靭性が著しく低下し、アルミニウム合金の疲労強度や耐熱疲労強度を低下させるおそれがある。
<V>
V is preferably 0.01 to 0.5%. V strengthens the solid phase of the aluminum alloy base phase and improves the high temperature strength of the base phase.
If V is too small, this effect cannot be obtained sufficiently. When V is excessive, a coarse primary crystal compound is generated, the ductility and toughness of the casting are remarkably reduced, and the fatigue strength and heat fatigue strength of the aluminum alloy may be reduced.
Vの下限は0.015%、0.02%さらには0.05%であると好ましい。Vの上限は0.3質量さらには0.15%であると好ましい。例えば、Vが0.015〜0.3%さらには0.02〜0.15%であるとより好ましい。 The lower limit of V is preferably 0.015%, 0.02%, and more preferably 0.05%. The upper limit of V is preferably 0.3 mass and further 0.15%. For example, it is more preferable that V is 0.015 to 0.3%, more preferably 0.02 to 0.15%.
〈Sr、Sb、Na〉
ストロンチウム(Sr)、アンチモン(Sb)、ナトリウム(Na)等は、共晶Siを微細化させる。このような元素を適量含有させると、アルミニウム合金鋳物の熱疲労寿命すなわち耐熱疲労強度がさらに改善される。勿論、いずれの元素も含有量が過少であると、共晶Si粒子の微細化効果が十分には得られない。
<Sr, Sb, Na>
Strontium (Sr), antimony (Sb), sodium (Na), etc. refine eutectic Si. When an appropriate amount of such an element is contained, the thermal fatigue life, that is, the thermal fatigue strength of the aluminum alloy casting is further improved. Of course, if the content of any element is too small, the effect of refining the eutectic Si particles cannot be sufficiently obtained.
Srは、0.003〜0.05%であると好適である。Srが過多であると、共晶Si粒子の微細化効果が飽和し、ガス吸収も激しくなる。そこでSrは、0.003〜0.01%であるとより好ましい。
Sbは、0.02〜0.2%であると好適である。Sbが過多であると、Sb化合物が晶出してアルミニウム合金の延性を低下させ、疲労強度や耐熱疲労強度を劣化させ得る。そこでSbは、0.05〜0.12%であるとより好ましい。
Naは、0.001〜0.03%であると好適である。Naが過多であると、アルミニウム合金の靱性が低下し、疲労強度や耐熱疲労強度を劣化させ得る。そこでNaは、0.001〜0.01%であるとより好ましい。
Sr is preferably 0.003 to 0.05%. If the amount of Sr is excessive, the effect of refining the eutectic Si particles is saturated, and the gas absorption becomes intense. Therefore, Sr is more preferably 0.003 to 0.01%.
Sb is preferably 0.02 to 0.2%. If the amount of Sb is excessive, the Sb compound crystallizes to lower the ductility of the aluminum alloy, and the fatigue strength and heat fatigue strength can be deteriorated. Therefore, Sb is more preferably 0.05 to 0.12%.
Na is preferably 0.001 to 0.03%. When Na is excessive, the toughness of the aluminum alloy is lowered, and the fatigue strength and heat fatigue strength can be deteriorated. Therefore, Na is more preferably 0.001 to 0.01%.
(2)組織
本発明のアルミニウム合金鋳物または本発明の鋳物用アルミニウム合金を用いて鋳造した鋳物(便宜上、両者を併せて「アルミニウム合金鋳物」または単に「鋳物」という。)は、基地相と骨格相とからなる。基地相は主にα−Alからなり、骨格相はこの基地相をネットワーク状に囲繞する晶出物からなる(図1参照)。このような金属組織は、例えば、基地相が初晶として凝固した後に、骨格相がその基地相の周囲に共晶反応によって晶出して得られる。この場合の金属組織は、主に、アルミニウム合金の溶湯が鋳型内で粥状凝固して得られた亜共晶組織となる。
(2) Structure The casting of the aluminum alloy casting of the present invention or the aluminum alloy for casting of the present invention (for convenience, the two are collectively referred to as “aluminum alloy casting” or simply “casting”) has a matrix phase and a skeleton. It consists of phases. The base phase is mainly composed of α-Al, and the skeletal phase is composed of a crystallized material surrounding the base phase in a network form (see FIG. 1). Such a metal structure is obtained, for example, by crystallizing a skeleton phase around the matrix phase by a eutectic reaction after the matrix phase is solidified as primary crystals. In this case, the metal structure is mainly a hypoeutectic structure obtained by melting the molten aluminum alloy in a mold.
基地相は、α−Alのみではなく、そこに固溶した各合金元素(Ti、Zr、Cu、Mn等)や析出した化合物粒子(例えば、Cu化合物やMg化合物の析出粒子)等も含む。骨格相も同様に、Al−Si共晶のみではなく、その共晶と共に晶出した化合物やそこに固溶した各合金元素(Ni、Fe等)も含む。なお、骨格相中に晶出または析出して骨格相を強化する化合物粒子を、以降、骨格相の強化粒子と呼ぶ(図1参照)。 The matrix phase includes not only α-Al but also alloy elements (Ti, Zr, Cu, Mn, etc.) dissolved therein, precipitated compound particles (for example, precipitated particles of Cu compound or Mg compound), and the like. Similarly, the skeletal phase includes not only the Al—Si eutectic, but also a compound crystallized with the eutectic and each alloy element (Ni, Fe, etc.) dissolved therein. The compound particles that recrystallize or precipitate in the skeletal phase to reinforce the skeletal phase are hereinafter referred to as skeletal phase reinforcing particles (see FIG. 1).
このような強化粒子には、例えば、Al−Ni系化合物、Al−Si−Ni系化合物、Al−Fe系化合物、Al−Si−Fe系化合物、Al−Si−Fe−Mn化合物、共晶Si等がある。中でも、Ni化合物やFe化合物からなる晶出粒子は、強化粒子としての効果が大きい。この他、配合元素や使用原料によって、SiC粒子、Al2O3粒子、TiB2粒子等も強化粒子となり得る。 Examples of such reinforcing particles include Al-Ni compounds, Al-Si-Ni compounds, Al-Fe compounds, Al-Si-Fe compounds, Al-Si-Fe-Mn compounds, and eutectic Si. Etc. Among these, crystallized particles made of Ni compounds or Fe compounds have a great effect as reinforcing particles. In addition, SiC particles, Al2O3 particles, TiB2 particles, and the like can be strengthened particles depending on the compounding elements and the raw materials used.
ここで骨格相は、高弾性で降伏応力の高い晶出物や硬質の強化粒子からなる。これらがネットワーク状に連なって基地相を囲繞しており、その組織は微細で均一であるため、鋳物に作用する応力は骨格相で均一に分散されて、疲労亀裂の発生源となる基地相の応力分担が低下する傾向となる。その結果、本発明のアルミニウム合金鋳物の耐疲労性や耐熱疲労性などの疲労特性が向上したと考えられる。 Here, the skeletal phase is composed of a crystallized substance having high elasticity and high yield stress or hard reinforcing particles. Since these are connected in a network and surround the base phase, and the structure is fine and uniform, the stress acting on the casting is uniformly distributed in the skeletal phase, and the base phase that is the source of fatigue cracks The stress sharing tends to decrease. As a result, the fatigue properties such as fatigue resistance and heat fatigue resistance of the aluminum alloy casting of the present invention are considered to have improved.
本発明のアルミニウム合金鋳物は、初晶Siの存在しない亜共晶組織であると好ましい。シリンダヘッドのように内部に空洞を有する複雑形状の大型鋳物を鋳造する場合、凝固の指向性を完全に制御して、ポロシティを鋳物外部にある押し湯部に逃がすことは困難である。そこで、溶湯を粥状凝固させて亜共晶組織からなる鋳物が得られれば、局部的なポロシティの集中が抑止される。また、ポロシティの集中部に応力が集中等して鋳物の疲労特性が低下するといった事態も回避される。また亜共晶組織とすることで、晶出物がネットワーク状に分散生成し、少量の晶出物でも骨格相が有効に形成される。 The aluminum alloy casting of the present invention preferably has a hypoeutectic structure free of primary crystal Si. When casting a large casting having a complicated shape having a hollow inside such as a cylinder head, it is difficult to completely control the directivity of solidification and let the porosity escape to the feeder part outside the casting. Therefore, if the cast metal having a hypoeutectic structure is obtained by solidifying the molten metal in a bowl shape, local concentration of porosity is suppressed. Further, a situation in which the stress is concentrated at the porosity concentration portion and the fatigue characteristics of the casting are deteriorated is also avoided. Further, by using a hypoeutectic structure, the crystallized substances are dispersed and formed in a network, and a skeleton phase is effectively formed even with a small amount of crystallized substances.
また、鋳物中の初晶Siは、疲労破壊の起点になり得る。特に、シリンダヘッドのような大型鋳物の場合、全体的な凝固が遅いため、凝固途中で生成した初晶Siは比重差によって、溶湯の上方に浮上して偏析することがあり、その部分は疲労破壊の起点となり易い。従って、初晶Siは実質的に存在しないのが好ましい。
本発明の場合、Si量がAl−Si二元系合金の共晶点よりも少ないため、初晶Siは比較的晶出し難い。もっとも、Si以外の合金元素やその含有量によっては、共晶点が低Si側に移行して初晶Siが晶出することもあり得る。そのような場合は、鋳造性等を損なわない範囲でSi量を調整すると良い。
Moreover, primary Si in the casting can be a starting point for fatigue fracture. In particular, in the case of large castings such as cylinder heads, the overall solidification is slow, so the primary Si produced during solidification may float and segregate above the molten metal due to the difference in specific gravity. It tends to be the starting point of destruction. Therefore, it is preferable that primary Si is not substantially present.
In the case of the present invention, the amount of Si is less than the eutectic point of the Al—Si binary alloy, so that primary Si is relatively difficult to crystallize. However, depending on the alloy element other than Si and its content, the eutectic point may move to the low Si side and primary crystal Si may crystallize. In such a case, it is good to adjust Si amount in the range which does not impair castability.
ところで、本発明のアルミニウム合金鋳物は、適量のCuおよびMgを含有することにより、上記骨格相のみならず、基地相も析出強化されて、耐熱疲労性のみならず、母材としての硬さ、強度、耐疲労性等も確保されている。基地相の使用時の初期硬さは、例えば、ビッカース硬さ(HV)で80HV以上であり、より好ましくは85HV以上である。この硬さの上限はCu、Mg等の含有量さらには熱処理条件等によって異なるが、概ね120HV程度である。 By the way, the aluminum alloy casting of the present invention contains not only the above skeleton phase but also the matrix phase by precipitation strengthening by containing appropriate amounts of Cu and Mg, not only heat fatigue resistance but also hardness as a base material, Strength, fatigue resistance, etc. are also secured. The initial hardness when the base phase is used is, for example, 80 HV or higher, more preferably 85 HV or higher in terms of Vickers hardness (HV). The upper limit of the hardness is approximately 120 HV, although it varies depending on the content of Cu, Mg, etc., as well as the heat treatment conditions.
ちなみに、「使用時の初期硬さ」とは、アルミニウム合金鋳物が熱履歴を受ける前の硬さ(バージン状態の硬さ)である。アルミニウム合金鋳物の一例としてエンジンのシリンダヘッドを考えれば、「使用時の初期硬さ」とはそのエンジンの最初の運転前(つまり、火入れ前)の硬さである。 Incidentally, the “initial hardness at the time of use” is a hardness before the aluminum alloy casting receives a thermal history (hardness in a virgin state). Considering an engine cylinder head as an example of an aluminum alloy casting, the “initial hardness in use” is the hardness before the first operation of the engine (that is, before firing).
アルミニウム合金鋳物の使用環境が比較的低温(例えば、150℃以下)である場合や鋳物の特定部分の温度が低温である場合、そこでの基地相の硬さはほぼ上記の硬さが維持されると考えられる。この傾向は、合金全体としての硬さについても同様であり、その硬さは95HV以上より好ましくは100HV以上となる。 When the use environment of the aluminum alloy casting is relatively low (for example, 150 ° C. or less) or when the temperature of a specific part of the casting is low, the hardness of the base phase is maintained almost as above. it is conceivable that. This tendency is the same for the hardness of the entire alloy, and the hardness is 95 HV or higher, more preferably 100 HV or higher.
(3)製造方法
本発明のアルミニウム合金鋳物は、前述した鋳物用アルミニウム合金と同組成を有するアルミニウム合金溶湯を鋳型に注入、凝固させてアルミニウム合金鋳物を得る鋳造工程と、このアルミニウム合金鋳物に溶体化熱処理および時効熱処理を施す熱処理工程とから得られる。
(3) Manufacturing method The aluminum alloy casting of the present invention includes a casting step of injecting and solidifying a molten aluminum alloy having the same composition as the above-described aluminum alloy for casting into a mold to obtain an aluminum alloy casting, and a solution in the aluminum alloy casting. And a heat treatment step for performing an aging heat treatment and an aging heat treatment.
ここで溶体化熱処理は、鋳物を高温で保持した後に急冷し、過飽和固溶体を形成する処理である。時効熱処理は、その鋳物を比較的低温で加熱保持し、過飽和に固溶していた元素を析出させて、適度な硬さを付与する処理である。これらの熱処理によって、微細な析出物が均一に分散し、強度、延性および靭性が高度にバランスし、強度のみならず疲労強度や耐熱疲労強度に優れた鋳物が得られる。 Here, the solution heat treatment is a treatment in which a casting is held at a high temperature and then rapidly cooled to form a supersaturated solid solution. The aging heat treatment is a treatment for imparting an appropriate hardness by heating and holding the casting at a relatively low temperature and precipitating an element that has been dissolved in supersaturation. By these heat treatments, fine precipitates are uniformly dispersed, strength, ductility and toughness are highly balanced, and a casting having not only strength but excellent fatigue strength and heat fatigue strength can be obtained.
さらに、晶出物の角部も丸くなり、応力集中の低減による実用疲労特性の向上も期待される。本発明の場合、それらの熱処理によって、基地相中のCuが化合物(主にAl−Cu、Al−Cu−Si−Mg系化合物)として、Mgが化合物(主にAl−Mg−Si系化合物)としてそれぞれ析出し、基地相の硬さが適度に高められる。 Furthermore, the corners of the crystallized material are rounded, and it is expected that the practical fatigue characteristics will be improved by reducing the stress concentration. In the case of the present invention, by the heat treatment, Cu in the matrix phase is a compound (mainly Al-Cu, Al-Cu-Si-Mg-based compound), and Mg is a compound (mainly Al-Mg-Si-based compound). And the hardness of the matrix phase is moderately increased.
それらの熱処理条件は、鋳物の組成や所望特性に応じて適宜選択される。所望する処理温度や処理時間等によって、一般的にT6処理、T4処理、T5処理、T7処理等がある。一例を挙げると、溶体化熱処理は、例えば、450℃〜550℃、1〜10時間の加熱保持後に急冷すれば良い。溶体化熱処理の加熱工程中の温度は490〜530℃、その保持時間は1〜3時間であると、鋳物の各特性やコストの点でより好ましい。また、時効熱処理は、例えば、140℃〜300℃、1〜20時間加熱保持して行えば良い。時効熱処理の温度は160〜200℃、その保持時間は1〜5時間であると、鋳物の各特性やコストの点でより好ましい。 These heat treatment conditions are appropriately selected according to the composition and desired characteristics of the casting. There are generally T6 processing, T4 processing, T5 processing, T7 processing, etc., depending on the desired processing temperature and processing time. For example, the solution heat treatment may be rapidly cooled after heating and holding at 450 ° C. to 550 ° C. for 1 to 10 hours, for example. The temperature during the heating step of the solution heat treatment is more preferably 490 to 530 ° C., and the holding time is 1 to 3 hours, from the viewpoint of each characteristic and cost of the casting. In addition, the aging heat treatment may be performed by heating and holding at 140 ° C. to 300 ° C. for 1 to 20 hours, for example. The temperature of the aging heat treatment is 160 to 200 ° C., and the holding time is 1 to 5 hours, which is more preferable in terms of each characteristic and cost of the casting.
ここで本発明のアルミニウム合金鋳物の場合、溶体化熱処理の急冷工程を従来の水冷等に替えて、加熱工程後のアルミニウム合金鋳物を気体中で冷却する工程とすることが可能である。この気体は不活性ガス等も考えられるが、通常は空気であるから、急冷工程は空冷工程とすることができる。なお、本発明の鋳物用アルミニウム合金からなる鋳物に、水冷等の溶体化熱処理を施す場合が本発明の範囲から除かれるものでないことを断っておく。 Here, in the case of the aluminum alloy casting of the present invention, the rapid cooling step of the solution heat treatment can be replaced with conventional water cooling or the like, and the aluminum alloy casting after the heating step can be cooled in a gas. The gas may be an inert gas or the like, but since it is usually air, the rapid cooling process can be an air cooling process. It should be noted that the case where the casting made of the aluminum alloy for casting according to the present invention is subjected to solution heat treatment such as water cooling is not excluded from the scope of the present invention.
溶体化熱処理は本来固溶化処理であるから、焼鈍のような炉冷ではなく急冷すること自体は必要ではある。何故なら、加熱工程で基地相中に十分にかつ均一に固溶させた析出強化元素であるCuやMg等を一旦凍結させて、その後の時効熱処理でCuやMgの析出相を微細に均一に出現させるためである。もし炉冷のように長時間の冷却工程を溶体化熱処理で採用した場合、いわゆる焼きが入らず、CuやMg等が粗大な化合物として出現し、必要な特性を備えたアルミニウム合金が得られない。 Since the solution heat treatment is essentially a solid solution treatment, it is necessary to perform rapid cooling rather than furnace cooling like annealing. This is because the precipitation strengthening elements Cu and Mg, which are sufficiently and uniformly dissolved in the matrix phase in the heating process, are temporarily frozen, and then the precipitation phase of Cu and Mg is made fine and uniform in the subsequent aging heat treatment. This is to make it appear. If a long cooling process, such as furnace cooling, is employed in the solution heat treatment, so-called baking does not occur, Cu, Mg, etc. appear as coarse compounds, and an aluminum alloy with the necessary characteristics cannot be obtained. .
ただ本発明のアルミニウム合金の場合、上述してきた合金組成によって、溶体化熱処理における急冷工程の冷却速度を従来の水冷等より緩やかにしつつも、基地相中に高温で安定なCuやMg等からなる析出相を出現させることができる。これは、鋳造により基地相中に既に固溶していたTiやZrさらにはMn等の遷移元素が、その溶体化熱処理の加熱工程で先行して微細に析出を始めることに起因する。すなわち、溶体化熱処理の急冷工程の冷却速度が比較的緩やかであると、それらの遷移元素の先行析出相が核となる結果、Cu、Mg等はその冷却工程中の高温域で安定な相として析出し、それが先行相(主に第1析出相)となって基地相中に分散する。 However, in the case of the aluminum alloy of the present invention, the base phase is composed of Cu, Mg, etc., which are stable at high temperatures in the matrix phase, while the cooling rate of the rapid cooling process in the solution heat treatment is made slower than the conventional water cooling, etc. A precipitated phase can appear. This is due to the fact that transition elements such as Ti, Zr and Mn already dissolved in the matrix phase by casting begin to precipitate finely in advance in the heating step of the solution heat treatment. That is, if the cooling rate in the rapid cooling process of the solution heat treatment is relatively slow, the preceding precipitation phase of those transition elements becomes the nucleus, so that Cu, Mg, etc. are stable phases in the high temperature region during the cooling process. It precipitates and becomes a preceding phase (mainly the first precipitated phase) and is dispersed in the matrix phase.
もっとも、急冷工程中に、基地相中に含有されていたCuやMg等の全てが析出するとは限らず、急冷工程で凍結されていたCuやMg等の析出強化元素も存在する。そのような析出強化元素は、溶体化熱処理後の時効熱処理で、本来の析出を始める。この時効熱処理は、先の急冷工程よりも一般的に低温、長時間であるから、CuやMg等からなる微細な析出相が基地相中に分散した状態となる。その結果、サイズの大きな安定な第1析出相と微細な第2析出相とが分散してなる複相析出物が、基地相中に形成されるようになったと考えられる。 However, not all Cu, Mg, and the like contained in the matrix phase are precipitated during the rapid cooling process, but there are also precipitation strengthening elements such as Cu and Mg that have been frozen in the rapid cooling process. Such a precipitation strengthening element starts its original precipitation in the aging heat treatment after the solution heat treatment. Since this aging heat treatment is generally at a lower temperature and a longer time than the previous quenching step, a fine precipitated phase composed of Cu, Mg or the like is dispersed in the matrix phase. As a result, it is considered that a multiphase precipitate formed by dispersing a large-sized stable first precipitation phase and fine second precipitation phase is formed in the matrix phase.
こうして本発明のアルミニウム合金鋳物は、冷熱サイクルによる歪み振幅に対して、基地相中の応力が分散され、優れた耐熱疲労強度を発揮する。しかも、急冷工程中の冷却速度を比較的緩やかとしたので、溶体化熱処理中(特に急冷工程中)に、アルミニウム合金鋳物内に残留歪が発生し難いか、または、発生する残留歪が少ない。このため、アルミニウム合金鋳物に繰返し応力が印加されたとしても、十分な疲労強度も発揮するようになったと考えられる。
もっとも、既述のとおり、本発明のアルミニウム合金が上述のような優れた実用疲労特性を発現する理由やメカニズムは、現状必ずしも定かではないことを断っておく。
Thus, the aluminum alloy casting of the present invention exhibits excellent thermal fatigue strength because the stress in the matrix phase is dispersed with respect to the strain amplitude due to the thermal cycle. In addition, since the cooling rate during the rapid cooling process is relatively moderate, residual strain is hardly generated in the aluminum alloy casting during solution heat treatment (particularly during the rapid cooling process) or there is little residual strain generated. For this reason, even if a repeated stress is applied to the aluminum alloy casting, it is considered that sufficient fatigue strength is exhibited.
However, as described above, it should be noted that the reason and mechanism that the aluminum alloy of the present invention exhibits the above-described excellent practical fatigue characteristics is not necessarily clear at present.
溶体化熱処理の急冷工程は、その冷却手段を問わないが、上述したような金属組織が得られるためには、冷却速度が20〜200℃/minであると好ましい。冷却速度が過小であると、CuやMg等による微細な析出相が得られない。一方、冷却速度が過大であると、アルミニウム合金鋳物内の残留歪が多くなり、実用疲労特性の低下を招来する。冷却速度の下限は25℃/minさらには30℃/minであるとより好ましい。また冷却速度の上限は150℃/minさらには100℃/minであるとより好ましい。これらの上下限は任意に組合わせることが可能である。 The rapid cooling step of the solution heat treatment is not limited to the cooling means, but in order to obtain the metal structure as described above, the cooling rate is preferably 20 to 200 ° C./min. If the cooling rate is too low, a fine precipitate phase such as Cu or Mg cannot be obtained. On the other hand, if the cooling rate is excessive, the residual strain in the aluminum alloy casting increases, resulting in a decrease in practical fatigue characteristics. The lower limit of the cooling rate is more preferably 25 ° C./min, more preferably 30 ° C./min. The upper limit of the cooling rate is more preferably 150 ° C./min, further 100 ° C./min. These upper and lower limits can be arbitrarily combined.
このような冷却速度の急冷工程は、例えば、溶体化熱処理の加熱工程後のアルミニウム合金鋳物を強制流動させた空気や不活性ガス等の気体中に在置することで達成される。すなわち、本発明のアルミニウム合金鋳物の製造方法において、急冷工程を、溶体化熱処理中の加熱工程後のアルミニウム合金鋳物を気体中で冷却する工程とすると好適である。 Such a rapid cooling step with a cooling rate can be achieved, for example, by placing the aluminum alloy casting after the heating step of the solution heat treatment in a gas such as air or inert gas forcibly fluidized. That is, in the method for producing an aluminum alloy casting of the present invention, it is preferable that the rapid cooling step is a step of cooling the aluminum alloy casting after the heating step during the solution heat treatment in a gas.
その冷却速度は、作動流体である気体の温度、流速または密度(熱容量)等を調整することで適切に設定され得る。もっとも設備やコスト等の点で、急冷工程は、低温の空気中に加熱工程後のアルミニウム合金鋳物を在置したり、そのアルミニウム合金鋳物に空気を強制的に吹付け等する空冷工程とするのが好ましい。
また、溶体化熱処理で空冷等により冷却すると、溶体化熱処理の自由度が拡大し、アルミニウム合金鋳物を量産する際のコスト削減の点で著しく有利となる。
The cooling rate can be appropriately set by adjusting the temperature, flow rate or density (heat capacity) of the gas that is the working fluid. However, in terms of equipment, costs, etc., the rapid cooling process is an air cooling process in which the aluminum alloy casting after the heating process is placed in low-temperature air, or air is forcibly blown to the aluminum alloy casting. Is preferred.
In addition, cooling by solution heat treatment by air cooling or the like increases the degree of freedom of solution heat treatment, which is extremely advantageous in terms of cost reduction when mass-producing aluminum alloy castings.
(4)アルミニウム合金鋳物
本発明のアルミニウム合金鋳物は、前述のように、CuやMg等の析出強化元素による析出が溶体化熱処理中(具体的にはその急冷工程中)とその後の時効熱処理中において生じる。いずれの過程で生じる析出相も微細で均一に分布したものではあるが、溶体化熱処理中で先行して析出したものはその後の時効熱処理で多少、粒成長し得る。そこで、本発明のアルミニウム合金鋳物では、粒径30〜300nmの第1析出相および粒径1〜20nmの第2析出相が該基地相中に析出した複相析出物が出現した金属組織となる。すなわち、本発明のアルミニウム合金鋳物は、前述した鋳物用アルミニウム合金と同組成であって、α−Alを主とする基地相と、該基地相をネットワーク状に囲繞すべく晶出した骨格相と、粒径30〜300nmの第1析出相および粒径1〜20nmの第2析出相が該基地相中に析出した複相析出物を有する金属組織で構成されているものであり、実用疲労特性に優れたものとなる。
(4) Aluminum alloy casting As described above, the aluminum alloy casting of the present invention is subjected to precipitation by precipitation strengthening elements such as Cu and Mg during solution heat treatment (specifically during its rapid cooling process) and subsequent aging heat treatment. Occurs in. Although the precipitation phase generated in any process is finely and uniformly distributed, grains precipitated in advance during the solution heat treatment can grow to some extent in the subsequent aging heat treatment. Therefore, in the aluminum alloy casting of the present invention, the first precipitation phase having a particle size of 30 to 300 nm and the second precipitation phase having a particle size of 1 to 20 nm have a metal structure in which a multiphase precipitate is precipitated in the matrix phase. . That is, the aluminum alloy casting of the present invention has the same composition as the aluminum alloy for casting described above, and a base phase mainly composed of α-Al, and a skeleton phase crystallized so as to surround the base phase in a network shape. The first precipitation phase having a particle size of 30 to 300 nm and the second precipitation phase having a particle size of 1 to 20 nm are composed of a metal structure having a multiphase precipitate precipitated in the matrix phase, and have practical fatigue characteristics. It will be excellent.
ここで、第1析出相や第2析出相の粒径は、溶体化熱処理や時効熱処理の条件によって変化し得る。そこで、第1析出相の粒径が30〜250nmさらには30〜200nm程度に、第2析出相が1〜15nmさらには1〜10nm程度になるようにすると、強度のみならず実用疲労特性にも一層優れたものとなって好ましい。 Here, the particle sizes of the first precipitation phase and the second precipitation phase may vary depending on the conditions of the solution heat treatment and the aging heat treatment. Therefore, if the particle size of the first precipitated phase is about 30 to 250 nm, more preferably about 30 to 200 nm, and the second precipitated phase is about 1 to 15 nm, further about 1 to 10 nm, not only the strength but also the practical fatigue characteristics are obtained. It becomes more excellent and preferable.
もっとも、アルミニウム合金鋳物の各機械的特性は、析出相の粒径のみにより影響を受けるものではなく、第1析出相および第2析出相ぞれぞれの析出量自体によっても大きな影響を受ける。
第1析出相の析出量が過少であると、熱歪みに対する応力の分散状態が不均一となり好ましくない。第1析出相の析出量が過多であると、マトリックスの延性が低下して、強度や疲労強度の低下を招き好ましくない。
However, each mechanical property of the aluminum alloy casting is not influenced only by the particle size of the precipitated phase, but is also greatly influenced by the amount of precipitation of each of the first and second precipitated phases.
If the amount of precipitation of the first precipitation phase is too small, the state of stress distribution with respect to thermal strain is not uniform, which is not preferable. If the amount of precipitation of the first precipitation phase is excessive, the ductility of the matrix is lowered, leading to a decrease in strength and fatigue strength.
第2析出相の析出量が過少であると、強度や疲労強度の低下を招き好ましくない。第2析出相の析出量が過多であると、マトリックスの延性が低下して、強度や疲労強度の低下を招き好ましくない。 If the amount of precipitation of the second precipitation phase is too small, the strength and fatigue strength are lowered, which is not preferable. If the amount of precipitation of the second precipitation phase is excessive, the ductility of the matrix is lowered, leading to a decrease in strength and fatigue strength.
勿論、各析出相の析出量は、金属組成によって理論的上限が決定される。しかし、実際の析出量は、鋳造後の溶体化熱処理や時効熱処理の各処理条件によって大きな影響を受ける。そこで、上述のような各析出量を確保するために、溶体化熱処理や時効熱処理の各処理条件を決定するのが好ましい。 Of course, the theoretical upper limit of the precipitation amount of each precipitation phase is determined by the metal composition. However, the actual amount of precipitation is greatly influenced by each processing condition of solution heat treatment and aging heat treatment after casting. Therefore, in order to secure the respective precipitation amounts as described above, it is preferable to determine the respective treatment conditions for solution heat treatment and aging heat treatment.
ここで本発明のアルミニウム合金の場合、溶体化熱処理の急冷工程で、TiやZr等の遷移元素の析出相を核として析出してくるCuやMgの析出物は、安定相であると考えられる。この安定な析出相(第1析出相)は、従来のように溶体化熱処理で水冷した水冷材中に析出する準安定な微細析出物に比べて、アルミニウム合金鋳物の強度への寄与が小さいと考えられる。 Here, in the case of the aluminum alloy of the present invention, it is considered that the precipitate of Cu or Mg that precipitates with the precipitation phase of transition elements such as Ti and Zr as a nucleus in the rapid cooling step of the solution heat treatment is a stable phase. . This stable precipitation phase (first precipitation phase) has a small contribution to the strength of the aluminum alloy casting compared to the conventional metastable fine precipitates that precipitate in a water-cooled material that is water-cooled by solution heat treatment. Conceivable.
そこで、本発明のアルミニウム合金鋳物の強度を十分に確保するためには、溶体化熱処理後の時効熱処理によって、微細な析出物(第2析出相)の体積率を十分に高める必要がある。もっとも、熱疲労性の観点からいえば、第1析出相のような安定相レベルのサイズの析出相が基地相中に分散していることで、アルミニウム合金に作用する応力が緩和され、耐熱疲労強度が向上すると考えられる。 Therefore, in order to sufficiently secure the strength of the aluminum alloy casting of the present invention, it is necessary to sufficiently increase the volume fraction of fine precipitates (second precipitation phase) by aging heat treatment after solution heat treatment. However, from the viewpoint of thermal fatigue, the stress acting on the aluminum alloy is relieved by the fact that the precipitated phase of the size of the stable phase level such as the first precipitated phase is dispersed in the matrix phase, and heat fatigue It is thought that the strength is improved.
本発明のアルミニウム合金鋳物の鋳造工程に関連して、鋳物中に、凝固収縮に起因するミクロ主リンケージ、熔解ガスに起因するガスポロシティ、ピンホールなどの鋳巣が生じ得る。応力集中部分などに鋳巣等の空孔が存在すると、そこを起点として亀裂や破断が生じ易くなる。逆に、気孔率が低いアルミニウム合金鋳物ほど、疲労強度のみならず耐熱疲労強度等にも優れる。従って、鋳巣等の気孔は少ないほど好ましい。 In connection with the casting process of the aluminum alloy casting of the present invention, castings such as micro main linkage caused by solidification shrinkage, gas porosity caused by melting gas, and pinholes may occur in the casting. If there is a hole such as a cast hole in a stress concentration portion or the like, cracks and fractures are likely to occur from that point. Conversely, an aluminum alloy casting having a lower porosity is superior not only in fatigue strength but also in thermal fatigue strength. Therefore, it is preferable that the number of pores such as a cast hole is small.
しかし、その発生を完全に回避することは困難であるし、必ずしもその必要もない。そこで、アルミニウム合金鋳物中の気孔率を0.3体積%以下とすれば足る。勿論、気孔率を0.1体積%以下さらには0.05体積%以下とすれば一層好ましい。
なお、作用する応力が低い部分(応力集中部分以外)に鋳巣等があっても実用上問題ないことが多いので、例えば、シリンダヘッドの燃焼室の弁間部等、鋳物の耐熱疲労性が特に要求される部位で、上記の気孔率が達成されていれば十分な場合も多い。
However, it is difficult to avoid the occurrence completely, and it is not always necessary. Therefore, it is sufficient that the porosity in the aluminum alloy casting is 0.3% by volume or less. Of course, it is more preferable that the porosity is 0.1 volume% or less, further 0.05 volume% or less.
In many cases, there is no practical problem even if there is a cast hole or the like in a portion where the acting stress is low (other than the stress concentration portion). It is often sufficient that the above-described porosity is achieved at a particularly required site.
さらに上記鋳造工程に関連して、本発明のアルミニウム合金鋳物が、前述したような基地相とそれを囲繞する骨格相とが等方的にかつ均一に分散した金属組織となるには、二次デンドライトの大きさ(DASII)が40μm以下であると好ましく、35μm以下さらには30μm以下であると一層好ましい。この二次デンドライトアームが過大となると、晶出相で構成される強化相の骨格サイズが大きくなり、負荷応力を均一分散させるための組織として好ましくない。 Further, in relation to the above casting process, in order for the aluminum alloy casting of the present invention to have a metal structure in which the matrix phase and the skeletal phase surrounding it are isotropically and uniformly dispersed as described above, The size (DASII) is preferably 40 μm or less, more preferably 35 μm or less, and even more preferably 30 μm or less. If this secondary dendrite arm is excessive, the skeleton size of the strengthening phase constituted by the crystallization phase becomes large, which is not preferable as a structure for uniformly dispersing the load stress.
また、アルミニウム合金鋳物中の結晶粒径dと二次デンドライトアーム間隔DASIIとの比d/DASIIは、例えば、5〜20程度であると好ましい。これが過大であると、組織の均一性が損なわれ、局部的に応力集中が生じ不均一変形を招き好ましくない。
ちなみに、この結晶粒径dは、例えば、JlS−H−0501「伸銅品結晶粒度試験方法」に準じて測定して求められる。
The ratio d / DASII between the crystal grain size d in the aluminum alloy casting and the secondary dendrite arm interval DASII is preferably about 5 to 20, for example. If this is excessively large, the uniformity of the tissue is impaired, and stress concentration is locally generated, resulting in uneven deformation.
Incidentally, the crystal grain size d is obtained by measurement according to, for example, JlS-H-0501 “Copper grain size test method”.
本発明のアルミニウム合金鋳物は、鋳物内部の残留歪が1000με以下であると好ましく、800με以下さらには500με以下であると一層好ましい。残留歪が過多であると、実働時の応力振幅に加えて、残留歪分の相当応力が負荷されることにより、高い平均応力が作用し、実用疲労強度が低下すると考えられる。
ちなみに、本発明でいう鋳物内部の残留歪は、熱処理後のものである。また、この残留歪は、歪みゲージを鋳物表面に貼り付け、その鋳物を切断していく過程で歪みが開放されることで生じるゲージ信号を取り出す方法によって測定される。
In the aluminum alloy casting of the present invention, the residual strain inside the casting is preferably 1000 με or less, more preferably 800 με or less, and even more preferably 500 με or less. If the residual strain is excessive, it is considered that in addition to the stress amplitude during actual operation, the equivalent stress corresponding to the residual strain is applied, so that a high average stress acts and the practical fatigue strength decreases.
Incidentally, the residual strain inside the casting referred to in the present invention is after heat treatment. The residual strain is measured by a method in which a strain gauge is attached to the casting surface and a gauge signal generated by releasing the strain in the process of cutting the casting is taken out.
(5)用途
本発明の鋳物用アルミニウム合金は、当然ながらアルミニウム合金鋳物の原料として使用される。その鋳物用アルミニウム合金の形態は問わないが、通常、インゴット状態である。
(5) Use The aluminum alloy for castings of the present invention is naturally used as a raw material for aluminum alloy castings. Although the form of the aluminum alloy for casting is not ask | required, it is an ingot state normally.
本発明のアルミニウム合金鋳物は、そのサイズ、形状、使用環境等を問わないが、強度、耐疲労性および耐熱疲労性等が同時に要求される部材に好適である。例えば、エンジン用部材、モータ用部材、放熱用部材等がある。例えば、エンジン用部材には、シリンダヘッド、ターボロータ等がある。 The aluminum alloy casting of the present invention is suitable for a member that is required to have strength, fatigue resistance, heat fatigue resistance, and the like at the same time, regardless of its size, shape, usage environment, and the like. For example, there are engine members, motor members, heat radiating members, and the like. For example, the engine member includes a cylinder head, a turbo rotor, and the like.
本発明のアルミニウム合金鋳物は、高い耐食性も有するため、排気系部材(排気管、排気管理バルブ等)にも適している。さらに、本発明のアルミニウム合金鋳物は、疲労強度および耐蝕性に優れるので、これら両性能が要求される部材、例えば、自動車の足回り部材、シャーシ部材等に好適であり、それらへの使用により、各部材の軽量化および性能向上を図れる。より具体的には、足回り部材として、例えば、ディスクホイール、アッパーアーム、ロワーアーム、サスペンションアーム、アクスルキャリア、アクスルビームなどがある。シャーシ部材には、例えば、サイドメンバー、クロスメンバーなどがある。また、エンジン用部材やその周辺部材を取付けるブラケット類やトランスミッションケースなどに使用して良い。さらに、自動車分野に限らず、それ以外の分野であっても、耐蝕性や疲労強度が要求される部材を本発明のアルミニウム合金鋳物で製造すると、それらの軽量化および性能向上を図れる。 Since the aluminum alloy casting of the present invention has high corrosion resistance, it is also suitable for exhaust system members (exhaust pipes, exhaust management valves, etc.). Furthermore, since the aluminum alloy casting of the present invention is excellent in fatigue strength and corrosion resistance, it is suitable for members that require both of these performances, such as automobile underbody members, chassis members, and the like. Weight reduction and performance improvement of each member can be achieved. More specifically, examples of the suspension member include a disc wheel, an upper arm, a lower arm, a suspension arm, an axle carrier, and an axle beam. Examples of the chassis member include a side member and a cross member. Moreover, you may use for the brackets, transmission case, etc. which attach the member for engines, and its peripheral member. Furthermore, not only in the automobile field, but also in other fields, if a member requiring corrosion resistance and fatigue strength is manufactured with the aluminum alloy casting of the present invention, the weight reduction and performance improvement can be achieved.
本発明のアルミニウム合金鋳物は、特に、母材としての硬さ、強度等と共に耐熱疲労性が要求される高性能なレシプロエンジン用部材に好適である。特に、本発明のアルミニウム合金鋳物は、従来以上に優れた耐熱疲労強度を併せもつため、過酷な状況下で長期にわたる耐久性が要求されるディーゼルエンジン用として好適である。 The aluminum alloy casting of the present invention is particularly suitable for a high-performance reciprocating engine member that requires heat fatigue resistance as well as hardness and strength as a base material. In particular, the aluminum alloy casting of the present invention has a heat fatigue strength superior to that of the prior art, and is therefore suitable for diesel engines that require long-term durability under harsh conditions.
中でも、本発明のアルミニウム合金鋳物は、過酷な冷熱環境に曝されて、繰返し熱歪みを受けるシリンダヘッドやエンジンブロック等に好適である。特にシリンダヘッドの場合、燃焼室の弁間部(バルブブリッジ部)には極めて高い耐熱疲労性が求められるので、好都合である。もっとも、それ以外の母材部分には耐熱疲労性よりもむしろ、高強度や高耐疲労性が求められる。また、ウォータジャケット部では、腐食生成膜の形成による伝熱性能の低下、つまりは冷却効率の低下を長期的に抑止する観点から、高い耐蝕性も要求される。本発明のアルミニウム合金鋳物は、シリンダヘッドに要求されるそれらの特性をいずれも高次元で満たすものである。 Among these, the aluminum alloy casting of the present invention is suitable for a cylinder head, an engine block, or the like that is exposed to a severe cold environment and repeatedly receives thermal strain. In particular, in the case of a cylinder head, an extremely high heat fatigue resistance is required for the valve portion (valve bridge portion) of the combustion chamber, which is advantageous. However, the other base metal parts are required to have high strength and high fatigue resistance rather than heat fatigue resistance. Further, in the water jacket portion, high corrosion resistance is also required from the viewpoint of suppressing long-term deterioration in heat transfer performance due to formation of the corrosion-generated film, that is, reduction in cooling efficiency. The aluminum alloy casting of the present invention satisfies all of the characteristics required for the cylinder head at a high level.
また、シリンダヘッドなどは形状が複雑で大型であるが、本発明の鋳物用アルミニウム合金等は鋳造性も良く、その原料合金として最適である。さらに、シリンダヘッドは、鋳造後の鋳物に切削、研磨等の機械加工を施して、組み付け面、カムシャフトの軸受け等が形成されるが、本発明のアルミニウム合金鋳物はこのような加工性を阻害することもない。 The cylinder head and the like are complicated in shape and large in size, but the aluminum alloy for castings of the present invention has good castability and is optimal as a raw material alloy. Furthermore, the cylinder head is subjected to machining such as cutting and polishing on the cast product after casting to form an assembly surface, a camshaft bearing, etc., but the aluminum alloy casting of the present invention impedes such workability. I don't have to.
なお、本発明のアルミニウム合金鋳物の鋳造方法は特に拘らない。砂型鋳造でも金型鋳造でも良いし、重力鋳造、低圧鋳造または高圧鋳造でも良い。鋳物の量産性を考慮すれば、ダイキャスト鋳造、低圧鋳造が好適である。 In addition, the casting method of the aluminum alloy casting of the present invention is not particularly limited. Sand casting or die casting may be used, and gravity casting, low pressure casting or high pressure casting may be used. In consideration of mass production of castings, die casting and low pressure casting are suitable.
実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。
(第1実施例)
(1)試験片の製造
表1に示すように、組成の異なる鋳物用アルミニウム合金を溶解して溶湯を調製した後、金型温度を調節したJIS4号試験片作製用の金型にそれらを注湯し、放冷して凝固させた(鋳造工程)。
The present invention will be described more specifically with reference to examples.
(First embodiment)
(1) Manufacture of test pieces As shown in Table 1, after melting molten aluminum alloys for castings and preparing molten metal, they were poured into a mold for preparing JIS No. 4 test pieces whose mold temperature was adjusted. Hot water was allowed to cool and solidify (casting process).
得られた鋳物に、500℃x3hr加熱した後、30℃/minの空気冷却により焼入れる溶体化熱処理を施した。その後、さらに、170℃x3hr加熱する時効熱処理を施した(熱処理工程)。 The obtained casting was heated at 500 ° C. for 3 hours and then subjected to solution heat treatment by quenching by air cooling at 30 ° C./min. Thereafter, an aging heat treatment was further performed by heating at 170 ° C. for 3 hours (heat treatment step).
この熱処理後の鋳物からφ4mmx長さ6mmの平行部を有する熱疲労試験片および疲労試験片をそれぞれ採取し、表1に示す試験片No.1−1〜1−4を得た。なお、試験片No.1−4の熱疲労試験片と疲労試験片について測定した二次デンドライトの大きさ(DASII)はそれぞれ25μmと35μmであった。
ちなみに、二次デンドライトアームは、文献「軽金属学会 鋳造・凝固部会:38(1988)1.54」のデンドライトアームスペーシング測定手順に準じて測定した。
A thermal fatigue test piece and a fatigue test piece each having a parallel portion of φ4 mm × length 6 mm were sampled from the cast product after the heat treatment. 1-1 to 1-4 were obtained. The test piece No. The secondary dendrite size (DASII) measured for the 1-4 thermal fatigue test pieces and fatigue test pieces was 25 μm and 35 μm, respectively.
Incidentally, the secondary dendrite arm was measured in accordance with the dendrite arm spacing measurement procedure in the literature “Casting and Solidification Society of Light Metals: 38 (1988) 1.54”.
(2)耐熱疲労強度(耐熱疲労性)の評価
各試験片の耐熱疲労強度は次のように評価した。
低熱膨張合金製の拘束ホルダに、上記各試験片を取り付けて、加熱・冷却を繰り返す方式で実施した。この試験温度範囲は50℃〜250℃、繰り返し速度は加熱2min、冷却3minの5min/サイクルとした。その他、熱疲労試験方法の詳細は、例えば、特開平7−20031合公報、「材料」、Vol.45(1996)、pp.125−130、「軽金属」、Vol.45(1995)、pp.671−676に示されている。
(2) Evaluation of heat fatigue strength (heat fatigue resistance) The heat fatigue strength of each test piece was evaluated as follows.
Each test piece was attached to a restraint holder made of a low thermal expansion alloy, and heating and cooling were repeated. This test temperature range was 50 ° C. to 250 ° C., and the repetition rate was 5 min / cycle of heating 2 min and cooling 3 min. In addition, the details of the thermal fatigue test method are described in, for example, JP-A-7-20031, “Materials”, Vol. 45 (1996), pp. 125-130, “Light Metal”, Vol. 45 (1995), p. 671-676.
ちなみに、JIS−AC2Bのアルミニウム合金製試験片に、高温歪みゲージを貼付して測定した試験初期の全歪み範囲は約0.6%であった。この全歪み範囲は加熱冷却サイクルで作用する歪み振幅の巾を示すものであり、弾性歪みと塑性歪みとの和(弾性歪み+塑性歪み)である。 Incidentally, the total strain range at the initial stage of the test measured by attaching a high-temperature strain gauge to a JIS-AC2B aluminum alloy test piece was about 0.6%. This total strain range indicates the width of the strain amplitude acting in the heating / cooling cycle, and is the sum of elastic strain and plastic strain (elastic strain + plastic strain).
(3)疲労強度(耐疲労性)の評価
疲労強度を求める疲労試験は、試験温度:室温、繰り返し速度:100Hz、最低ひずみ=0.1%の条件で、油圧サーボ式軸応力負荷型疲労試験機を用いて、試験片を150℃に保持した環境下で行った。
なお、この試験に供した試験片は、φ4x長さ6mmの平行部を、#1000の耐水研磨紙で水を付けながら軸方向に均一に研磨したものを用いた。
(3) Evaluation of fatigue strength (fatigue resistance) The fatigue test for determining fatigue strength is a hydraulic servo axial stress load type fatigue test under the conditions of test temperature: room temperature, repetition rate: 100 Hz, minimum strain = 0.1%. The test piece was used in an environment in which the test piece was kept at 150 ° C.
In addition, the test piece used for this test used what grind | polished uniformly the axial direction, adding water with a water resistant abrasive paper of # 1000 about the parallel part of (phi) 4x length 6mm.
(4)強度(硬さ)の評価
硬さ測定は、明石製ビッカース硬度計を用いて行った。そして、試験片に荷重5Kgを30秒間負荷した後の圧痕サイズから、硬さを求めた。いずれも、室温雰囲気で行った。
(4) Evaluation of Strength (Hardness) Hardness was measured using an Akashi Vickers hardness meter. And hardness was calculated | required from the indentation size after applying 5 kg of loads to a test piece for 30 second. All were performed in a room temperature atmosphere.
(5)検討
各試験片について、上記の各試験から得られた結果を表1に併せて示す。
表1に示した各試験片の試験結果を比較すると次のことが解る。
先ず、本発明の組成範囲にある試験片No.1−4は、熱疲労寿命が2600サイクルと十分に長く、疲労強度(107回強度)も50MPa以上であり、かつ、硬さも90HVで十分な強度を備えることが解る。従って、試験片No.1−4は、各特性が高次元でバランスしたアルミニウム合金(鋳物)であることが解る。
(5) Investigation Table 1 shows the results obtained from the above tests for each test piece.
Comparing the test results of the test pieces shown in Table 1, the following can be understood.
First, test piece No. in the composition range of the present invention. It is understood that 1-4 has a sufficiently long thermal fatigue life of 2600 cycles, a fatigue strength (107 times strength) of 50 MPa or more, and a hardness of 90 HV. Therefore, test piece No. It can be seen that 1-4 is an aluminum alloy (casting) in which each characteristic is balanced in a high dimension.
一方、本発明の組成範囲外である試験片No.1−1〜1−3は、前述の3つの特性の全てを実用上満足するものはない。すなわち、試験片No.1−1および1−2では、NiやZr等を含まず、硬さや疲労強度は十分であっても、熱疲労寿命は2000サイクル以下であって、耐熱疲労強度が低いことが解る。また、試験片No.1−3では、Cuを実質的に含まず、熱疲労寿命は高いものの、硬さが低く強度不足である。なお、試験片No.1−3については、そもそも硬さが低いので、疲労試験を行っていない。 On the other hand, test piece No. which is out of the composition range of the present invention. None of 1-1 to 1-3 satisfy practically all of the above three characteristics. That is, test piece No. 1-1 and 1-2 do not contain Ni, Zr or the like, and even if the hardness and fatigue strength are sufficient, the thermal fatigue life is 2000 cycles or less, and the heat fatigue strength is low. In addition, test piece No. In 1-3, Cu is not substantially contained and the thermal fatigue life is high, but the hardness is low and the strength is insufficient. The test piece No. About 1-3, since the hardness is low in the first place, the fatigue test is not performed.
(第2実施例)
(1)試験片の製造と評価
表2に示すように、組成の異なる鋳物用アルミニウム合金を用いて、第1実施例と同様に試験片No.2−1〜2−5を製作した。それら各試験片について、第1実施例と同様に各特性を評価し、その結果を併せて表2に示した。なお、表2に示した各試験片の組成は、主にCu量が異なっている。
(Second embodiment)
(1) Manufacture and Evaluation of Test Specimen As shown in Table 2, test pieces No. 1 and No. 2 were prepared in the same manner as in the first example, using aluminum alloys for castings having different compositions. 2-1 to 2-5 were produced. About each of these test pieces, each characteristic was evaluated similarly to 1st Example, and the result was collectively shown in Table 2. In addition, the composition of each test piece shown in Table 2 mainly differs in the amount of Cu.
(2)検討
表2に示した各試験片の試験結果を比較すると次のことが解る。
先ず、Cu量が本発明の組成範囲にある試験片No.2−3と2−4は、熱疲労寿命が2400サイクル以上と十分に長く、疲労強度(107回強度)も50MPa以上であり、かつ、硬さも90HV以上であり十分な強度を備えることが解る。従って、試験片No.2−3および2−4は、各特性が高次元でバランスしたアルミニウム合金(鋳物)であることが解る。
(2) Examination When the test results of each test piece shown in Table 2 are compared, the following can be understood.
First, test piece No. in which the amount of Cu is within the composition range of the present invention. It is understood that 2-3 and 2-4 have a sufficiently long thermal fatigue life of 2400 cycles or more, a fatigue strength (107 times strength) of 50 MPa or more, and a hardness of 90 HV or more. . Therefore, test piece No. It can be seen that 2-3 and 2-4 are aluminum alloys (castings) in which each characteristic is balanced in a high dimension.
ところで、Cu量と硬さおよび疲労強度との関係を観ると、先ず、Cu量が増加する程、硬さも大きくなっている。Cuが1%未満の試験片No.2−1や2−2では、硬さが75HV以下であり強度不足である。一方、Cuが3%を超える試験片No.2−5では、硬さは100HVを超えて十分であるが、疲労強度が45MPa以下と逆に低下している。 By the way, when looking at the relationship between the amount of Cu, hardness, and fatigue strength, first, the hardness increases as the amount of Cu increases. Specimen No. 1 with less than 1% Cu In 2-1 and 2-2, the hardness is 75 HV or less and the strength is insufficient. On the other hand, the test piece no. In 2-5, the hardness is sufficient exceeding 100 HV, but the fatigue strength is reduced to 45 MPa or less.
なお、試験片No.2−1〜2−3を観ると、熱疲労寿命はCu量が多くなるほど短くなる傾向にあるようにも思える。しかし、試験片No.2−3〜2−5を観ると解るように、Cu量が1.5%以上になると、熱疲労寿命は2500サイクル前後で比較的安定しており、Cu量に対する依存性は小さいと考えられる。
表4には、各試験片について測定した鋳物中の気孔率を示した。Cuが3%を超えて過多になと、鋳物中の気孔率が上昇することが解る。
The test piece No. When 2-1 to 2-3 are observed, it seems that the thermal fatigue life tends to become shorter as the amount of Cu increases. However, specimen no. As seen from 2-3 to 2-5, when the Cu content is 1.5% or more, the thermal fatigue life is relatively stable around 2500 cycles, and the dependence on the Cu content is considered to be small. .
Table 4 shows the porosity in the casting measured for each specimen. It can be seen that if the Cu content exceeds 3%, the porosity in the casting increases.
ちなみに、気孔率は、試験鋳物の密度と別途銅製金型の急冷した欠陥を含まない鋳物との密度をアルキメデス法により測定し、両鋳物の差から求めた。
以上より、本発明の組成範囲内にあるアルミニウム合金鋳物であれば、強度、疲労強度および耐熱疲労強度のいずれにも優れ、それらが高次元でバランスしたものといえる。特に、Cuが1.5〜2.5%であるアルミニウム合金鋳物はいずれの特性にも優れ、エンジン等に使用される高強度部品の母材として最適であることが解る。
Incidentally, the porosity was determined from the difference between the two castings by measuring the density of the test castings and the density of the castings containing no separately quenched copper mold by the Archimedes method.
From the above, it can be said that an aluminum alloy casting within the composition range of the present invention is excellent in all of strength, fatigue strength and heat-resistant fatigue strength, and is balanced in a high dimension. In particular, it can be seen that an aluminum alloy casting in which Cu is 1.5 to 2.5% is excellent in all properties and is optimal as a base material for high-strength parts used in engines and the like.
(第3実施例)
(1)試験片の製造と評価
表3に示すように、上述した試験片と組成の異なる試験片No.3−1および3−2を第1実施例と同様に製作した。試験片No.3−1は、既述した試験片No.2−3に対して、さらにNaを含有するものである。このNa改良処理は、市販フラックスを用いて、添加方法に準じて行った。試験片No.3−2は、既述した試験片No.2−3に対して、さらにSrを含有するものである。このSr改良処理は、Al−10質量%Srの母合金を添加する方法により行った。試験片No.3−2は、既述した試験片No.2−3に対して、さらにSbを含有するものである。このSb改良処理は、Al−10質量%Sbの母合金を添加する方法により行った。
この試験片についても第1実施例と同様に各特性を評価しその結果を併せて表3に示した。なお、表3中には、参考のために、ベースとなる試験片No.2−3のデータも併せて示した。
(Third embodiment)
(1) Manufacture and evaluation of test piece As shown in Table 3, test piece No. different in composition from the test piece described above. 3-1 and 3-2 were manufactured in the same manner as in the first example. Specimen No. 3-1, test piece No. described above. In addition to 2-3, it further contains Na. This Na improvement treatment was performed according to the addition method using a commercially available flux. Specimen No. 3-2 is the test piece No. described above. In addition to 2-3, Sr is further contained. This Sr improvement treatment was performed by a method of adding a master alloy of Al-10 mass% Sr. Specimen No. 3-2 is the test piece No. described above. Further, it contains Sb with respect to 2-3. This Sb improvement treatment was performed by a method of adding a master alloy of Al-10 mass% Sb.
The characteristics of this test piece were also evaluated in the same manner as in the first example, and the results are also shown in Table 3. In Table 3, for reference, the test piece No. used as a base is shown. The data of 2-3 was also shown.
(2)検討
表3から解るように、Na、SrまたはSbの少なくとも一種をを添加し改良処理すると、硬さや疲労強度を高く維持したまま、アルミニウム合金鋳物の熱疲労寿命が著しく向上することが解る。従って、Na、SrまたはSbによる改良処理したアルミニウム合金鋳物は、特に高い耐熱疲労強度が要求されるディーゼルエンジン等の高強度部品の母材として最適であることが解る。
(2) Study As can be seen from Table 3, when at least one of Na, Sr, or Sb is added and improved, the thermal fatigue life of the aluminum alloy casting can be significantly improved while maintaining the hardness and fatigue strength high. I understand. Therefore, it can be seen that the aluminum alloy casting improved by Na, Sr or Sb is optimal as a base material for high strength parts such as diesel engines, which require particularly high heat fatigue strength.
(第4実施例)
(1)試験片の製造と評価
表4に示すように、上述した試験片と組成の異なる試験片No.4−1、4−2および4−3を第1実施例と同様に製作した。この場合の素材のDASIIは35μmである。それらの各試験片について硬さを評価し、その結果を表4に併せて示した。なお、表4に示した各試験片は、主にMg量に関する組成が異なっている。
(Fourth embodiment)
(1) Manufacture and evaluation of test piece As shown in Table 4, test piece No. different in composition from the test piece described above. 4-1, 4-2 and 4-3 were produced in the same manner as in the first example. The material DASII in this case is 35 μm. The hardness of each test piece was evaluated, and the results are also shown in Table 4. In addition, each test piece shown in Table 4 mainly differs in the composition regarding the amount of Mg.
(2)検討
表4から解るように、Mg量が本発明の組成範囲にある試験片No.4−1および4−2では十分な硬さが備わっており、Mg量の増加に伴い硬さが大きくなることが解る。もっとも、Mg量が0.6質量%を超える試験片No.4−3では、十分に大きな硬さが得られるものの、その硬さは試験片No.4−2と変わらない。従って、Mgを0.6質量%以上添加しても硬さへの寄与はほとんど認められないことが解る。
(2) Study As can be seen from Table 4, the test piece No. in which the amount of Mg is in the composition range of the present invention. It is understood that 4-1 and 4-2 have sufficient hardness, and the hardness increases as the amount of Mg increases. However, test piece No. in which the Mg amount exceeds 0.6% by mass. In 4-3, a sufficiently large hardness is obtained, but the hardness is the test piece No. 4-3. It is not different from 4-2. Therefore, it can be seen that even if Mg is added in an amount of 0.6 mass% or more, the contribution to the hardness is hardly recognized.
(金属組織)
本発明のアルミニウム合金鋳物に係る試験片No.2−4について観察した金属組織を図1Aおよび図1Bに示す。この金属組織は、第1実施例で述べた鋳造後の鋳物に溶体化熱処理および時効熱処理を施した後のものである。
ちなみに、図1Aは光学顕微鏡により、観察倍率400倍の条件で観察したものである。また図1Bは、電子顕微鏡により観察したTEM組織である。
(Metal structure)
Specimen No. 1 relating to the aluminum alloy casting of the present invention. The metal structure observed for 2-4 is shown in FIGS. 1A and 1B. This metal structure is the one after the solution heat treatment and the aging heat treatment are performed on the cast product described in the first embodiment.
Incidentally, FIG. 1A is observed with an optical microscope under an observation magnification of 400 times. FIG. 1B is a TEM structure observed with an electron microscope.
図1Aから、本発明のアルミニウム合金鋳物は、α−Alを主とする基地相が晶出物による等方的なネットワーク状の骨格相によって囲繞された、全体に均質な金属組織からなることが解る。
また、図1Bから、その基地相中には、粒径が大小の析出相、つまり第1析出相と第2析出相が出現していることが解る。
From FIG. 1A, the aluminum alloy casting of the present invention is composed of an entirely homogeneous metal structure in which the matrix phase mainly composed of α-Al is surrounded by an isotropic network-like skeleton phase formed of crystallized substances. I understand.
Moreover, it can be seen from FIG. 1B that a precipitated phase having a large particle size, that is, a first precipitated phase and a second precipitated phase appear in the matrix phase.
Claims (15)
ケイ素(Si) :4〜12%、
銅(Cu) :1.0〜3.0%、
マグネシウム(Mg) :0.2〜0.6%、
ニッケル(Ni) :0.2〜3%、
鉄(Fe) :0.1〜0.7%、
チタン(Ti) :0.1〜0.3%、
ジルコニウム(Zr) :0.03〜0.5%
アルミニウム(Al) :残部 An aluminum alloy for castings characterized in that, when the total is 100% by mass (hereinafter simply referred to as “%”), an aluminum alloy casting comprising the following elements and inevitable impurities and excellent in practical fatigue characteristics can be obtained. .
Silicon (Si): 4 to 12%,
Copper (Cu): 1.0-3.0%
Magnesium (Mg): 0.2-0.6%
Nickel (Ni): 0.2-3%,
Iron (Fe): 0.1-0.7%
Titanium (Ti): 0.1-0.3%
Zirconium (Zr): 0.03-0.5%
Aluminum (Al): balance
α−Alを主とする基地相と、
該基地相をネットワーク状に囲繞すべく晶出した骨格相と、
粒径30〜300nmの第1析出相および粒径1〜20nmの第2析出相が該基地相中に析出した複相析出物を有する金属組織で構成され、
実用疲労特性に優れることを特徴とするアルミニウム合金鋳物。 It has the same composition as the aluminum alloy for castings according to claim 1,
a base phase mainly composed of α-Al;
A skeleton phase crystallized to surround the base phase like a network;
A first precipitation phase having a particle size of 30 to 300 nm and a second precipitation phase having a particle size of 1 to 20 nm are composed of a metal structure having a multiphase precipitate precipitated in the matrix phase;
An aluminum alloy casting characterized by excellent practical fatigue characteristics.
前記第2析出相は、Cu化合物またはMg化合物とからなる請求項5に記載のアルミニウム合金鋳物。 The first precipitation phase comprises a Ti compound or Zr compound and a Cu compound or Mg compound,
The aluminum alloy casting according to claim 5, wherein the second precipitation phase comprises a Cu compound or an Mg compound.
該アルミニウム合金鋳物に溶体化熱処理および時効熱処理を施す熱処理工程とからなり、
請求項5に記載のアルミニウム合金鋳物が得られることを特徴とするアルミニウム合金鋳物の製造方法。 A casting step of injecting and solidifying a molten aluminum alloy having the same composition as the aluminum alloy for castings according to claim 1 to solidify the casting,
A heat treatment step of subjecting the aluminum alloy casting to solution heat treatment and aging heat treatment,
A method for producing an aluminum alloy casting, wherein the aluminum alloy casting according to claim 5 is obtained.
該急冷工程は、冷却速度が20〜200℃/minである請求項13に記載のアルミニウム合金鋳物の製造方法。 The solution heat treatment includes a heating step and a rapid cooling step after the heating step,
The method for producing an aluminum alloy casting according to claim 13, wherein the rapid cooling step has a cooling rate of 20 to 200 ° C./min.
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