JP2014152375A - 内燃機関用ピストン材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱伝導性が高く、温度の影響による強度の低下を防止した高強度で軽量な内燃機関用ピストン材料及びその製造方法を提供する。
【解決手段】内燃機関用ピストンに用いられるＡｌ−Ｓｉ系合金材料であって、導電率（％ＩＡＣＳ）が１８以上であるように構成して上記課題を解決した。このとき、サイズが１μｍ以下のＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物が均一に析出していることが好ましく、切断断面におけるＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物とＡｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物の合計面積率が１０％以下であることが好ましい。また、Ｃｕが１．２質量％以上５質量％以下の範囲内で含有し、Ｃｒが０．０５質量％以上含有することが好ましい。このピストン材料は、Ｃｕを１．２質量％以上５質量％以下の範囲内で含有し、Ｃｒを０．０５質量％以上含有するＡｌ−Ｓｉ系合金を鋳造し、鋳造したＡｌ−Ｓｉ系合金を時効処理することにより製造できる。
【選択図】なし

Description

本発明は、熱伝導性が高い内燃機関用ピストン材料及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、熱伝導性が高く、温度の影響による強度の低下を防止した高強度で軽量な内燃機関用ピストン材料及びその製造方法に関する。

環境問題が大きく取り上げられる中、自動車エンジンを中心とした内燃機関は、高効率化や排出ガスの低減化が求められているとともに、エンジンの高出力化も求められている。このような中で、自動車エンジン等の内燃機関で用いられるピストンは、燃焼効率をより向上させた高効率化を実現するために、シリンダ内の高温高圧の過酷な環境下で使用される。そのため、そうした高温高圧の環境下でも使用可能な高強度の内燃機関用ピストン材料が求められている。

こうした要求に対し、材料成分等を調整することにより強度を高くしたピストンが種々提案されている。例えば、特許文献１に記載の内燃機関ピストン用アルミニウム合金は、含有量が特定された成分及び組成をもつＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金に含まれるＰ含有量、Ｃａ含有量及びＰ／Ｃａ重量比を調整することにより、共晶Ｓｉを大きく成長させると共に、初晶Ｓｉを微細化している。これにより、高温強度、耐摩耗性等が改善され、内燃機関のピストン材料として好適なアルミニウム合金を得ている。

また、特許文献２に記載のダイカスト用アルミニウム合金も同様、含有量が特定された成分及び組成をもつＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｆｅ−Ｍｎ（−Ｎｉ）系合金に含まれるＰ含有量、Ｃａ含有量及びＰ／Ｃａ重量比を調整することにより、共晶Ｓｉ及び初晶Ｓｉを微細化し、更に凝固時の冷却速度を規制することによりＦｅ−Ｍｎ−Ｎｉ系晶出物も微細化している。これにより、高温強度、耐摩耗性、防振性等が改善され、ダイカスト用内燃機関部品として好適なアルミニウム合金を得ている。

また、特許文献３に記載の鋳物用アルミニウム合金は、合金成分の含有量を調整して凝固時の固液共存領域の温度範囲を狭くし、晶出物をほとんど同時に晶出させるようにすることにより、冷却速度（凝固速度）を速くしなくても晶出物を均一微細に分布させ、マトリックスであるα−Ａｌ相が細かく分断された金属組織としている。こうすることで、鋳造方法に影響されることなく高温強度に優れた鋳造用Ａｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金を得ている。

特開平８−１０４９３７号公報 特開平８−１３４５７７号公報 特開２００４−２５６８７３号公報

上記した各特許文献に記載の技術は、材料成分を調整することにより内燃機関用ピストンを構成するアルミニウム合金を高強度化している。しかしながら、最近のエンジンの高効率化の要求に伴い、ピストンの温度は上昇傾向にある。内燃機関用ピストンを構成するアルミニウム合金は、そのアルミニウム材料の特性により、その温度上昇によって結果的に強度が低下してしまい、アルミニウム合金の強度向上を図ることができていないという難点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、熱伝導性が高く、温度の影響による強度の低下を防止した高強度で軽量な内燃機関用ピストン材料及びその製造方法を提供することにある。

（１）上記課題を解決するための本発明に係る内燃機関用ピストン材料は、内燃機関用ピストンに用いられるＡｌ−Ｓｉ系合金材料であって、導電率（％ＩＡＣＳ）が１８以上であることを特徴とする。

この発明によれば、Ａｌ−Ｓｉ系合金の導電率（％ＩＡＣＳ）が１８以上であるので、そうした導電率を持つＡｌ−Ｓｉ系合金は高い熱伝導性を示す。その結果、温度の影響による強度の低下を抑制できるので、高強度で軽量な内燃機関用ピストンを提供できる。

なお、本発明に係る内燃機関用ピストン材料は、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ及びＭｎを含有するように構成されている。これらの元素は高強度で軽量な内燃機関用ピストン材料としてのＡｌ−Ｓｉ系合金に含まれている。

本発明に係る内燃機関用ピストン材料において、サイズが１μｍ以下のＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物が均一に析出していることが好ましい。

この発明によれば、サイズが１μｍ以下のＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物が均一に析出しているので、１８％（ＩＡＣＳ）以上の高い導電率と高い熱伝導性を示す。その結果、ピストンの温度上昇を抑制でき、強度の低下を抑制できる。

本発明に係る内燃機関用ピストン材料において、切断断面におけるＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物とＡｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物の合計面積率が１０％以下であることが好ましい。

この発明によれば、それら両晶出物の合計面積率が１０％以下であるので、Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物の生成が抑えられていることを意味している。その結果、その晶出物に捕られないより多くのＣｕが、Ａｌ−Ｓｉ系合金のマトリックス中に過飽和に固溶するものとなり、その後の時効処理によってＣｕの微細な析出物（Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物）が均一に析出するので、高い導電性を示すと共に高い熱伝導性を示すものとなる。

本発明に係る内燃機関用ピストン材料において、Ｃｕが１．２質量％以上５質量％以下の範囲内で含有し、Ｃｒが０．０５質量％以上含有することが好ましい。

この発明によれば、Ｃｕが１．２質量％以上５質量％以下の範囲内含有し且つＣｒが０．０５質量％以上含有するので、そのＣｒの作用によってＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物が生成されたものとなる。そして、その晶出物の生成により、Ｎｉがその晶出物に捕られるので、Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物の生成が抑えられるものとなる。その結果、より多くのＣｕが、Ａｌ−Ｓｉ系合金のマトリックス中に過飽和に固溶し、その後の時効処理によってＣｕの微細な析出物（Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物）が均一に析出するので、高い導電性を示すと共に高い熱伝導性を示すことができる。

（２）上記課題を解決するための本発明に係る内燃機関用ピストン材料の製造方法は、Ｃｕを１．２質量％以上５質量％以下の範囲内で含有し、Ｃｒを０．０５質量％以上含有する内燃機関用ピストン材料であるＡｌ−Ｓｉ系合金を鋳造する工程と、鋳造した前記Ａｌ−Ｓｉ系合金を時効処理する工程とを有することを特徴とする。

この発明によれば、Ｃｕを１．２質量％以上５質量％以下の範囲内で含有し、Ｃｒを０．０５質量％以上含有する内燃機関用ピストン材料であるＡｌ−Ｓｉ系合金を鋳造するので、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物が生成される。そして、その晶出物の生成により、Ａｌ−Ｓｉ系合金に含まれるＮｉがその晶出物に捕られるので、Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物の生成が抑えられ、その結果、より多くのＣｕが、Ａｌ−Ｓｉ系合金のマトリックス中に過飽和に固溶する。こうした鋳造合金をその後の時効処理することにより、過飽和に固溶したＣｕは、サイズが１μｍ以下の微細なＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物として均一に析出する。こうして得られた内燃機関用ピストン材料は、１８％（ＩＡＣＳ）以上の高い導電率と高い熱伝導性を示すので、ピストンの温度上昇を抑制でき、強度の低下を抑制できる。

本発明に係る内燃機関用ピストン材料によれば、Ａｌ−Ｓｉ系合金の導電率（％ＩＡＣＳ）が１８以上のＡｌ−Ｓｉ系合金は熱伝導性が高いので、従来のＡｌ−Ｓｉ系合金と比較して、内燃機関から発生する熱によるピストンの温度上昇を抑制することができる。その結果、ピストンの温度上昇による強度の低下を抑制できる高強度で軽量な内燃機関用ピストン材料とすることができる。

実施例２の測定サンプルの金属組織を示すＳＥＭ像（Ａ）とＴＥＭ像（Ｂ）である。 比較例１の測定サンプルの金属組織を示すＳＥＭ像（Ａ）とＴＥＭ像（Ｂ）である。

本発明に係る内燃機関用ピストン材料及びその製造方法について詳しく説明する。なお、以下の実施形態は一例であり、本発明の技術的範囲の属する他の形態も本発明に包含される。

［内燃機関用ピストン材料］
本発明に係る内燃機関用ピストン材料は、高強度で軽量な内燃機関用ピストンに用いられるＡｌ−Ｓｉ系合金材料であり、その導電率（％ＩＡＣＳ）が１８以上であることに特徴がある。導電率（％ＩＡＣＳ）が１８以上のＡｌ−Ｓｉ系合金は、高い熱伝導性を示すので、温度の影響による強度の低下を抑制できる高強度で軽量な内燃機関用ピストンを提供できる。

ここで、ＩＡＣＳは、国際焼きなましＣｕ線標準（International Annealed Copper Standard）の略であり、標準焼きなましＣｕ線を１００％とした場合、それに比べて何％の導電性をもつかという比較値で表したものである。なお、標準焼きなましＣｕ線の体積抵抗率は、１．７２４１×１０^−２μΩｍ（導電率１００％ＩＡＣＳ）と規定されている。

本発明者は、内燃機関用ピストン材料として、熱伝導性に優れた高強度で軽量なＡｌ−Ｓｉ系合金鋳物を開発する過程で、電気抵抗が低いほど熱伝導性が優れることを見出し、更に詳しくは、導電率（％ＩＡＣＳ）が１８以上であるときに熱伝導率が１２０（ｗ／ｍ・ｋ）以上であることを見出した。さらに、透過型電子顕微鏡を用いて金属組織を観察する中で、Ａｌ−Ｓｉ系合金のＡｌマトリックス中に、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物が析出する場合には熱伝導性が優れ（導電率が高い）、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物が析出しない場合には熱伝導性が悪い（導電性が低い）ことを見出した。

また、Ａｌ−Ｓｉ系合金の晶出物に着目すると、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｍｇ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｆｅ及びＭｎを含有する高強度で軽量なＡｌ−Ｓｉ系合金鋳物において、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物の量とＡｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物の量が少ないとき、すなわち、任意の切断断面におけるそれらの晶出物の面積率が小さいときに、熱伝導性が良くなることを見出した。更に詳しくは、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物とＡｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物の合計面積率が１０％以下のときに、熱伝導率が１２０（ｗ／ｍ・ｋ）以上であることを見出した。こうした結果は、高強度で軽量なＡｌ−Ｓｉ系合金に含まれるＣｕとＣｒの含有量を制御することで実現でき、詳しくは、Ｃｕが１．２質量％以上５質量％以下の範囲内で含有し、かつＣｒが０．０５質量％以上含有するときに熱伝導率が１２０（ｗ／ｍ・ｋ）以上になることを見出した。

本発明に係る内燃機関用ピストン材料は、こうした知見に基づいたものであり、以下に詳しく説明する。

（Ａｌ−Ｓｉ系合金）
Ａｌ−Ｓｉ系合金は、内燃機関用ピストン材料として用いられる高強度で軽量なＡｌ−Ｓｉ系合金である。こうしたＡｌ−Ｓｉ系合金であれば特に限定されず、各種のものを用いることができ、例えば、アルミニウムにケイ素が５質量％程度含有するＡｌ−Ｓｉ系合金であってもよいし、アルミニウムにケイ素が２５質量％程度含有するＡｌ−Ｓｉ系合金であってもよいし、後述する実施例に示すように、アルミニウムにケイ素が１１〜１３質量％程度含有するＡｌ−Ｓｉ系合金であってもよい。

Ａｌ−Ｓｉ系合金の主要元素であるケイ素は、鋳造時の湯流れ性を向上させることができ、また、耐摩耗性を向上させるように作用する。ケイ素の含有量は、湯流れ性や耐摩耗性を含めた全体の特性を考慮して、上記のように任意に設定されている。

Ａｌ−Ｓｉ系合金を高強度で軽量な内燃機関用ピストン材料として用いる場合には、そのＡｌ−Ｓｉ系合金は、通常、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ及びＭｎを含有するように構成されている。これらの元素を含むことにより、高強度で軽量な内燃機関用ピストン材料となる。

Ｃｕは、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系析出物を形成して、強度を向上させるように作用する。Ｍｇは、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系析出物を形成して、強度を向上させたり、固溶強化により強度を向上させたりするように作用する。Ｎｉは、Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物を形成して、耐熱性を向上させるように作用する。Ｃｒは、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物を形成するように作用する。Ｆｅは、結晶粒を微細化するように作用する。Ｍｎも、結晶粒を微細化するように作用する。

これらの金属元素のうち、本発明では、Ａｌ−Ｓｉ系合金に含まれるＣｕとＣｒが特に重要な作用を示す。詳細は、「Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ化合物の析出機構」の説明欄で詳しく説明するが、本発明に係る内燃機関用ピストン材料は、従来は強度の向上を主作用として含むＣｕを、Ａｌマトリクス中に析出物（Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物）として均一に析出させて導電率と熱伝導率を高めるように作用させている点に特徴がある。さらに、従来はＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物の生成を主作用とするＣｒを、Ｃｕを過飽和に固溶させて時効処理後に析出物（Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物）として均一析出させるための成分として作用させている点に特徴がある。こうした作用を奏するＣｕとＣｒによって、内燃機関用ピストン材料の導電率と熱伝導率を向上させている。

Ａｌ−Ｓｉ系合金は、上記したＣｕ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎ等を、本発明のメカニズムを少なくとも実現できる範囲で含んでいる。さらにこれら以外の元素が必要に応じて含まれていてもよい。例えば、Ｐ：０．００３〜０．１質量％、Ｔｉ：０．００５〜０．３質量％、Ｚｒ：０．０２〜０．３質量％、Ｖ：０．０２〜０．３質量％、Ｂ：０．００１〜０．１質量％の少なくとも１種以上が含まれていてもよい。また、これらの元素は、不可避不純物として含まれていてもよい。なお、不可避不純物としては、さらに、Ｓ、Ｏ等がいずれも０．０５質量％以下程度の含有量で含まれていてもよい。

（Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物）
Ａｌ−Ｓｉ系合金には、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物が析出している。析出形態としては、Ａｌ−Ｓｉ系合金のマトリックスに均一に析出しており、そのＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物の大きさ（サイズ）は、１μｍ以下であることが好ましい。１μｍ以下の微細なＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物がマトリックス中に均一に析出していることにより、Ａｌ−Ｓｉ系合金の導電率を１８％（ＩＡＣＳ）以上の高い導電率とすることができる。このＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物は、導電性の高いＣｕ合金であり、図１（Ｂ）に示すように、そのＣｕ合金の微粒子がＡｌマトリックス中に均一に分散していることにより、良好な導電性を示している。導電性の向上は、高い熱伝導性を示すので、温度の影響による強度の低下を抑制できる高強度で軽量な本発明に係る内燃機関用ピストン材料を提供することができる。

Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物が不均一に析出している場合は、図２（Ｂ）の従来例に示すように、導電率を１８％（ＩＡＣＳ）以上に顕著に向上させることができず、熱伝導性も高めることができない。その結果、温度の影響による強度が低下しやすい。なお、「均一」とは、電子顕微鏡で１μｍ×１μｍ程度の視野を任意に選択した際に、析出物が目視で均一に観察できて特定される場合であり、「不均一」とは、そのように特定できず、電子顕微鏡で１μｍ×１μｍ程度の視野を任意に選択した際に、析出物が観察される視野と観察されない視野とが存在する場合である。

Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物のサイズが１μｍを超える場合は、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物がＡｌマトリックス中に偏析した態様になりやすい。その結果、そのＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物の微粒子がＡｌマトリックス中に均一に分散しているとは言いにくく、導電性を高めることができないことがある。

なお、「大きさ（サイズ）」は、内燃機関用ピストン材料の任意の断面で測定されるＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物の大きさであり、そのＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物が球状である場合にはその直径であり、楕円形、長方形又は針状である場合には、その長径の大きさ（サイズ）のことである。また、大きさ（サイズ）の下限は特に限定されず、例えば、０．０１μｍ程度であってもよい。

（晶出物の面積率）
Ａｌ−Ｓｉ系合金には、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物とＡｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物が現れているが、それらの合計の面積率は、１０％以下であることが好ましい。こうした面積率を持つＡｌ−Ｓｉ系合金は、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物とＡｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物の生成が抑えられていることを意味している。そのため、晶出物に捕られるＣｕ量が少なくなっているので、より多くのＣｕがＡｌ−Ｓｉ系合金のマトリックス中に過飽和に固溶するものとなり、その後の時効処理によって、過飽和に固溶したマトリックス中のＣｕが微細な析出物（Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物）として均一に析出する。その結果、その析出物（Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物）の均一な分散析出に基づいた高い導電性を示すと共に、高い熱伝導性を示すものとなる。

Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物は、凝固中の液相が熱力学的に安定な状態になるように（エネルギ−が最も低い状態になるように）、Ａｌ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｉ及びＣｒが結合することにより生成（晶出）する。このＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物の生成量は、Ｃｒ含有量の増減により制御することができる。こうした制御によって、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物の面積率を４％以上、７％以下の範囲内にすることができる。

一方、Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物は、凝固中の液相が熱力学的に安定な状態になるように（エネルギ−が最も低い状態になるように）、Ａｌ、Ｃｕ及びＮｉが結合することにより生成（晶出）する。このＡｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物の生成量も、上記同様、Ｃｒ含有量の増減によって制御することができる。すなわち、Ｃｒは、上記したＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物を増減させるように作用するので、Ｃｒを増すとＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物の生成量が増してＮｉが多く捕られてしまい、Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物の生成が抑えられる。こうした制御によって、Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物の面積率を２％以上、４％以下の範囲内にすることができる。

なお、「面積率」とは、Ａｌ−Ｓｉ系合金を切断して任意の断面を観察し、特定寸法で囲まれた面積を１００％としたとき、その面積内に現れるＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物の面積とＡｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物の面積との合計値（％）である。なお、その面積は、ＳＥＭ観察とＥＤＸ分析によって測定して評価できる。特にＥＤＸ分析は、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物とＡｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物との組成の違いに基づいたコントラストが顕著に相違するので、そのコントラストの相違によってそれぞれの晶出物の面積を特定できる。

（Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物の析出）
上記したＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ化合物の析出は、Ａｌ−Ｓｉ系合金に含まれるＣｕとＣｒによって制御することができる。本発明では、Ａｌ−Ｓｉ系合金に含まれる金属元素のうち、ＣｕとＣｒがＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ化合物の析出に影響する。Ｃｕの含有量は、１．２質量％以上、５質量％以下の範囲内であることが好ましく、Ｃｒの含有量は、０．０５質量％以上であることが好ましい。これらの範囲内になるように、ＣｕとＣｒを制御することにより、導電率（％ＩＡＣＳ）が１８以上のＡｌ−Ｓｉ系合金を得ることができる。

Ｃｕの含有量が上記範囲内であることにより、Ａｌ−Ｓｉ系合金はＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系析出物を形成して強度を向上させるように作用するが、本発明では、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物の析出形態に特徴があり、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物がＡｌマトリクス中に均一析出している（実施例２の図１（Ｂ）を参照）。一方、同じＣｕ含有量であっても、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物がＡｌマトリクス中に均一に析出していない場合（比較例１の図２（Ｂ）を参照）は、強度向上の点では均一析出した前記の場合と同様であるが、本発明の効果（導電率と熱伝導率の顕著な向上）は奏しない。こうした結晶状態（結晶構造）の違いは、既述したＣｒの作用による。

なお、Ｃｕ含有量が１．２質量％未満では、Ａｌ−Ｓｉ系合金の強度向上に十分に寄与せず、Ｃｕ含有量が５質量％を超えると、比重が大きくなって重くなるとともに、鋳造性が悪くなることから、上記した１．２質量％以上５質量％以下の範囲内であることが好ましい。

本発明では、上記したＣｕ含有量の範囲内でＣｒ含有量を０．０５質量％以上にしている。こうすることにより、既述したＣｒの作用によってＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物が生成する。そして、その晶出物の生成により、Ｎｉがその晶出物に捕られるので、Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物の生成が抑えられる。そのため、Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物に含まれるはずであったＣｕの多くが、Ａｌ−Ｓｉ系合金のマトリックス中に過飽和に固溶する。その結果、その後の時効処理によってＣｕの微細な析出物（Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物）が均一に析出し、高い導電性を示すと共に高い熱伝導性を示すものとなる。

なお、Ｃｕの含有量が変わらない場合であっても、結晶状態（結晶構造）を変化させることにより熱伝導率を変化させることができる。すなわち、Ａｌマトリックス中にＣｕが固溶しただけでは熱伝導率は変化しないが、同じＣｕ含有量であっても、Ａｌマトリックス中に固溶したＣｕが時効処理によって容易に析出できるようにした場合は、熱伝導性が向上する。これは、析出したＣｕ化合物が微細粒子として分散することによって熱伝導性が向上したためである。０．０５質量％以上含有させたＣｒはＡｌマトリックス中に固溶したＣｕが時効処理によって微細粒子状のＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物として容易に析出できるように作用する。その結果、そのＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物の均一分散によって、熱伝導性を高めることができる。

Ｃｕの固溶の程度は、Ｃｒの含有量によって制御することができる。Ｃｒの含有量を０．０５質量％以上にすることにより、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物が生成し、生成したＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物にＮｉが捕られてしまう。そのため、Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物の生成が抑えられ、そのＡｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物に捕られるはずであったＣｕが溢れてしまい、ＣｕをＡｌマトリクス中に過飽和に固溶させることができる。

Ｃｒの含有量が０．０５質量％未満では、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物を十分に生成できず、生成したＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物にＮｉが捕られない。そのため、Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物の生成を抑えることができず、そのＡｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物にＣｕが捕らえられてしまい、ＣｕをＡｌマトリクス中に過飽和に固溶させることができない。その結果、その後の時効処理によってＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物を十分に析出させることができない。

Ｃｕ含有量は１．２質量％以上５質量％以下の範囲内であるが、その範囲内でＣｕ含有量が少ない場合（例えば１．２質量％〜２．５質量％程度の場合）は、上記範囲内のＣｒ含有量が少ない傾向であることが好ましい。例えば、Ｃｒ含有量が０．０５質量％〜０．１５質量％程度である場合は、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物の生成もあまり多くなく、その晶出物に捕られてしまうＮｉもあまり多くない。そのため、Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物の生成の抑制効果も小さい。そのため、Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物に捕られるはずであったＣｕも少なくなるが、そもそもＣｕ含有量自体が上記のように少ないので、ある程度のＣｕは溢れる。その結果、溢れたＣｕはＡｌマトリクス中に過飽和に固溶し、時効処理後のＡｌマトリクス中にＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物を均一析出させることができる。

一方、上記範囲内でＣｕ含有量が多い場合（例えば２．５質量％〜５質量％程度の場合）は、上記範囲内のＣｒ含有量が多くなっても効果を維持できる。例えば、Ｃｒ含有量が０．１５質量％〜０．２５質量％等又はそれ以上である場合は、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物の生成が多く、その晶出物に捕られてしまうＮｉも多い。そのため、Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物の生成の抑制効果が大きくなる。そのため、Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物に捕られるはずであったＣｕも多くなるが、そもそもＣｕ含有量自体が上記のように多いので、ある程度のＣｕは溢れる。その結果、溢れたＣｕはＡｌマトリクス中に過飽和に固溶し、時効処理後のＡｌマトリクス中にＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物を均一析出させることができる。

なお、Ｃｒ含有量の上限は特に限定されないが、Ｃｒ自体は熱伝導性を悪くするので、その上限は通常、１質量％以下、好ましくは０．５質量％以下とすることができる。

こうして説明したメカニズムによって、本発明に係る内燃機関用ピストン材料は、熱伝導性が高く、温度の影響による強度の低下を防止した高強度で軽量な内燃機関用ピストン材料になる。したがって、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物やＡｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物の生成に関わる元素及びＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物の析出に関わる元素であるＣｕ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ及びＭｎを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金であれば、上記同様のメカニズムによって本発明に係る内燃機関用ピストン材料の効果を奏することができる。よって、例えばＳｉ含有量が５質量％〜２５質量％の範囲内のＡｌ−Ｓｉ系合金のいずれであっても、本発明に係る内燃機関用ピストン材料に包含されるということができる。

以上説明したように、本発明に係る内燃機関用ピストン材料によれば、導電率（％ＩＡＣＳ）が１８以上のＡｌ−Ｓｉ系合金は熱伝導率が高いので、従来のＡｌ−Ｓｉ系合金と比較して、内燃機関から発生する熱によるピストンの温度上昇を抑制することができる。その結果、ピストンの温度上昇による強度の低下を抑制できる。

本発明では、Ｃｕの含有量とＣｒ含有量とを特定することにより、Ａｌ−Ｓｉ系合金の材料強度を大きく変化させないで、その導電率と熱伝導率を調整できる点に特徴がある。そして、導電率や熱伝導率の調整は、ＣｕとＣｒの含有量を調整し、Ａｌ−Ｓｉ系合金の組織を特定したことにより、高い熱が加わる内燃機関の環境下で使用されるピストンの強度を実質的に上げている。

［内燃機関用ピストン材料の製造方法］
本発明に係る内燃機関用ピストン材料の製造方法は、Ｃｕを１．２質量％以上５質量％以下の範囲内で含有し、Ｃｒを０．０５質量％以上含有する内燃機関用ピストン材料であるＡｌ−Ｓｉ系合金を鋳造する工程と、鋳造した前記Ａｌ−Ｓｉ系合金を時効処理する工程とを有することに特徴がある。

鋳造工程は、Ｃｕを１．２質量％以上５質量％以下の範囲内で含有し、Ｃｒを０．０５質量％以上含有する内燃機関用ピストン材料であるＡｌ−Ｓｉ系合金を鋳造する工程である。鍛造は、従来公知の各種の鍛造手段を適用することができる。例えば、７００℃〜８００℃の範囲内の溶融状態にしたＡｌ−Ｓｉ系合金を所定の鋳型に鋳込んで鋳造する。

時効処理工程は、鋳造したＡｌ−Ｓｉ系合金を時効処理する工程である。時効処理は、例えば１７０℃〜２５０℃で、２４０分間〜６００分間の熱処理を大気環境中で施して行うことができる。この時効処理によって、上記したＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物を均一に析出することができる。

以上、本発明に係る内燃機関用ピストン材料の製造方法によれば、Ｃｕを１．２質量％以上５質量％以下の範囲内で含有し、Ｃｒを０．０５質量％以上含有する内燃機関用ピストン材料であるＡｌ−Ｓｉ系合金を鋳造するので、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物が生成される。そして、その晶出物の生成により、Ａｌ−Ｓｉ系合金に含まれるＮｉがその晶出物に捕られるので、Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物の生成が抑えられ、その結果、より多くのＣｕが、Ａｌ−Ｓｉ系合金のマトリックス中に過飽和に固溶する。こうした鋳造合金をその後に時効処理することにより、過飽和に固溶したＣｕは、サイズが１μｍ以下の微細なＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物として均一に析出する。こうして得られた内燃機関用ピストン材料は、１８％（ＩＡＣＳ）以上の高い導電率と高い熱伝導率を示すので、ピストンの温度上昇を抑制でき、強度の低下を抑制できる。

以下、実施例と比較例により、本発明をさらに詳しく説明する。

［実験１］
先ず、表１に示す成分のＡｌ−Ｓｉ系合金を準備し、そのＡｌ−Ｓｉ系合金を７５０℃±１０℃に溶融し、２５０℃に加温した縦２２ｍｍ×横１９０ｍｍ×高さ４５ｍｍの舟形状の鋳型に通常の重力鋳造で鋳込み、Ａｌ−Ｓｉ系合金鋳物サンプルを作製した。なお、冷却速度は０．５〜５℃／秒の範囲内で行った。作製した鋳物サンプルに、２２０℃、４時間の時効処理を施して、供試材である実施例１〜５及び比較例１，２の測定サンプルを作製した。

［測定］
測定サンプルについて、引張強さ、導電率（％ＩＡＣＳ）、熱伝導率を測定した。また、金属組織の観察は、測定サンプルを切断、樹脂埋込、研磨した後、オスミウムコーティングを施した測定サンプルを準備して析出物と晶出物を観察した。

引張強さは、全長８０ｍｍ×平行部長さ２５ｍｍ×平行部径φ６ｍｍの測定サンプルを準備し、引張試験機（株式会社島津製作所製のオートグラフ）で測定して評価した。

導電率は、電気抵抗測定装置（アルバック理工株式会社製、型名：ＴＥＲ２０００ＲＨ／Ｌ型）を用い、真空中（１×１０^−５ｔｏｒｒ）にて直流四端子法で測定した。５つの測定点の結果のうち、最大値と最小値を除いた３点の結果を平均した。

熱伝導率は、熱伝導率計（ＮＥＴＺＳＣＨ社製、型名：ＤＳＣ４０４Ｃ）で測定して評価した。

Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物のサイズは、ＴＥＭ（電界放出形透過電子顕微鏡、日立製作所製、型名：ＨＦ−２０００）を用い、電解薄膜法（ツインジェット法）で測定試料を準備し、得られたＴＥＭ像から測定した。このＴＥＭ像の例を、図１（Ｂ）及び図２（Ｂ）に示した。

晶出物の面積率は、ＳＥＭ（日本電子株式会社製、電界放出形走査電子顕微鏡、型名：ＪＳＭ−７００１Ｆ、加速電圧：１０ｋＶ、撮影方法：反射電子像）でＳＥＭ像を撮影し、そのＳＥＭ像を、ＥＤＸ分析装置（Ｋｅｖｅｘ社製、型名：Ｓｉｇｍａ（ＨＦ−２０００付属）、加速電圧：２００ｋＶ、観察方向：＜１００＞方向）で撮像した。得られたＳＥＭ像を画像解析して晶出物の面積率を測定した。画像解析は、画像解析装置（ナノシステム株式会社製、型名：ＮａｎｏＨｕｎｔｅｒ ＮＳ２Ｋ−Ｐｒｏ）を用い、低倍ＳＥＭ写真中の白色晶出物及び灰色晶出物の面積率を算出した。算出は、先ず、白色晶出物及び灰色晶出物の面積率を計測し、次いで、白色晶出物の面積率を計測し、次いで、灰色晶出物の面積率を、白色晶出物及び灰色晶出物の面積率から白色晶物の面積率を引いて、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物とＡｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物の合計面積率を求めた。

［結果］
表１に示す実施例１〜５の測定サンプルと、比較例１，２の測定サンプルから得られた結果を表２に示した。また、図１には、実施例２の測定サンプルの金属組織を示すＳＥＭ像（Ａ）とＴＥＭ像（Ｂ）を示し、図２には、比較例１の測定サンプルの金属組織を示すＳＥＭ像（Ａ）とＴＥＭ像（Ｂ）を示した。

図１（Ｂ）に示すＴＥＭ観察結果より、Ｃｒを０．１質量％含む実施例２の測定サンプルには、微細な析出物が均一に分布していた。この微細な析出物は、ＥＤＸ分析により解析した結果、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物であった。なお、この測定サンプルは、導電率が１９％ＩＡＣＳであった。また、図１（Ａ）に示すＳＥＭ写真の画像解析より、晶出物の合計面積率は８．５％であり、白色のＡｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物の面積率は３．５％であり、灰色のＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物の面積率は５％であった。

図２（Ｂ）に示すＴＥＭ観察結果より、Ｃｒを０．０１質量％含む比較例１の測定サンプルには、微細な析出物が均一に分布していなかった。なお、不均一な微細析出物は、ＥＤＸ分析により解析した結果、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物であった。なお、この測定サンプルは、導電率が１６％ＩＡＣＳであった。また、図２（Ａ）に示すＳＥＭ写真の画像解析より、晶出物の合計面積率は１４％であり、白色のＡｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物の面積率は５．３％であり、灰色のＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物の面積率は８．７％であった。

以上、表２及び図１，２の結果より、実施例１〜５では導電率が高く、熱伝導率も高くなった。また、導電率は、１μｍ以下のＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物の存在と、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物とＡｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物の合計面積率が１０％以下であることによって、１８％ＩＡＣＳ以上の高い導電率と、相対値が１１３以上の高い熱伝導性を示した。

この実験結果から、Ｃｒを所定量含むことによって、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系の晶出物が安定化し、その結果、ＮｉがＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系の晶出物にとられるため、Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系の晶出物が減少する。そうすると、より多くのＣｕがＡｌマトリックスに過飽和に固溶し、その結果、時効処理時にＣｕ化合物（Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物）が微細析出物となって析出し、熱伝導性と導電性が高くなったといえる。

こうした現象は、Ａｌ−Ｓｉ系合金系の内燃機関用ピストン用材料について同様に言えることである。この実施例で例示したような、少なくとも、Ｓｉ：１１〜１３質量％、Ｃｕ：１．２〜５質量％、Ｍｇ：０．５〜１．３質量％、Ｎｉ：０．８〜３質量％、Ｃｒ：０．０５質量％以上、Ｆｅ：１．０質量％以下、Ｍｎ：１．０質量％以下を含み、残部がＡｌであるＡｌ−Ｓｉ系合金も同様であり、同じ結果を確認した。また、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ化合物の析出を、Ａｌ−Ｓｉ系合金に含まれるＣｕとＣｒによって制御することができる内燃機関用ピストン用材料であれば、同様のメカニズムによって本発明の技術思想を適用でき、上記の例では、特定のＡｌ−Ｓｉ系合金で評価しているが、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物やＡｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物の生成に関わる元素及びＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物の析出に関わる元素であるＣｕ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ及びＭｎを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金であれば、上記同様のメカニズムによって本発明に係る内燃機関用ピストン材料の効果を奏することができる。よって、例えばＳｉ含有量が５質量％〜２５質量％の範囲内のＡｌ−Ｓｉ系合金のいずれであっても、本発明に係る内燃機関用ピストン材料に包含されるということができる。

Claims (6)

1. 内燃機関用ピストンに用いられるＡｌ−Ｓｉ系合金材料であって、導電率（％ＩＡＣＳ）が１８以上であることを特徴とする内燃機関用ピストン材料。
2. Ｃｕ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ及びＭｎを含有する、請求項１に記載の内燃機関用ピストン材料。
3. サイズが１μｍ以下のＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物が均一に析出している、請求項１又は２に記載の内燃機関用ピストン材料。
4. 切断断面におけるＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ系晶出物とＡｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系晶出物の合計面積率が１０％以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関用ピストン材料。
5. Ｃｕが１．２質量％以上５質量％以下の範囲内で含有し、Ｃｒが０．０５質量％以上含有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関用ピストン材料。
6. Ｃｕを１．２質量％以上５質量％以下の範囲内で含有し、Ｃｒを０．０５質量％以上含有する内燃機関用ピストン材料であるＡｌ−Ｓｉ系合金を鋳造する工程と、
   鋳造した前記Ａｌ−Ｓｉ系合金を時効処理する工程と、を有することを特徴とする内燃機関用ピストン材料の製造方法。