JPH0578770A - 耐摩耗性に優れたアルミニウム鋳造合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 Ｓｉ含有量を低下させ、Ｃｕ，Ｍｇ，Ｍｎ，
Ｃｒ，Ｔｉ，Ｐ，Ｆｅ，Ｐ等の含有量を規定することに
より、耐摩耗性を損なうことなく、溶解性，鋳造性，切
削性に優れたアルミニウム鋳造合金を得る。 【構成】 このアルミニウム鋳造合金は、Ｓｉ：１４．
０〜１６．０重量％，Ｃｕ：２．０〜５．０重量％，Ｍ
ｇ：０．１〜１．０重量％，Ｍｎ：０．３〜０．８重量
％，Ｃｒ：０．１〜０．３重量％，Ｔｉ：０．０５〜
０．２０重量％，Ｐ：０．００３〜０．０５重量％，Ｆ
ｅ：１．５重量％以下，必要に応じＢ：０．０００１〜
０．０１重量％及び／又はＮｉ：０．３〜３．０重量％
を含有し、Ｃａ含有量が０．００５重量％未満に規制さ
れている。また、初晶Ｓｉの平均粒径が１０〜５０μｍ
の範囲に調整されている。 【効果】 鋳造性，耐摩耗性，切削性に優れていること
を活用し、シリンダブロック，ピストン，コンプレッサ
部品，変速機部品等として使用される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シリンダブロック等と
して使用される耐摩耗性に優れたアルミニウム鋳造合金
に関する。

【０００２】

【従来の技術】車両用シリンダブロックとして、軽量化
を図ってＡ３９０で代表される鋳造用アルミニウム合金
が従来から使用されている。このアルミニウム合金は、
耐摩耗性に優れていることを活用して、実用エンジン，
耐摩耗部品等として広く使用されている。

【０００３】Ａ３９０系のアルミニウム合金は、Ｓｉ：
１６．０〜１８．０重量％，Ｃｕ：４．０〜５．０重量
％，Ｍｇ：０．４５〜０．６５重量％，Ｆｅ：０．５重
量％未満，Ｍｎ：０．１重量％未満，Ｔｉ：０．２０重
量％未満の組成をもち、必要とする耐摩耗性を確保する
ため多量のＳｉが添加されている。しかし、Ｓｉ含有量
の増加に伴って、アルミニウム合金の液相線温度が高く
なる。

【０００４】その結果、通常の合金よりもかなり高い温
度で溶解，鋳造することが必要となり、ライニング耐火
物として高価なものが要求されることは勿論、炉の寿命
低下，燃料消費量の増加，ダイキャスト金型等の寿命低
下が問題となる。また、初晶Ｓｉの分布が不均質にな
り、ヒケ巣等の鋳造欠陥が発生し易い。

【０００５】このＡ３９０系アルミニウム合金の欠点を
解消するため、特開昭５０−６４１０７号公報では、Ｓ
ｉ含有量を１３．５〜１６．０重量％と低めに設定して
鋳造性を確保すると共に、Ｃｕ，Ｍｇ，Ｚｎ等の添加に
よって高度及び耐摩耗性を向上させることが紹介されて
いる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、Ａ３９０系ア
ルミニウム合金の他の欠点である初晶Ｓｉの不均一分布
は、前掲公報の合金設計によっても未解決のままであ
る。そのため、依然として鋳造欠陥等が生じ易い材料と
して扱われている。また、不均一に分布した初晶Ｓｉ
は、特に急冷効果を受ける部分と徐冷される部分との間
でアルミニウム合金鋳物の性質に変動をきたし、材質に
対する信頼性を欠く原因となる。

【０００７】本発明は、このような問題を解消すべく案
出されたものであり、Ｓｉ含有量を１４．０〜１６．０
重量％に設定した合金系においてＣｕ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｃ
ｒ，Ｔｉ，Ｐ，Ｆｅ等の配合割合を特定することによっ
て、微細な初晶Ｓｉの均一分散を図り、耐摩耗性に優れ
鋳造欠陥のないアルミニウム鋳造合金を提供することを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のアルミニウム鋳
造合金は、その目的を達成するため、Ｓｉ：１４．０〜
１６．０重量％，Ｃｕ：２．０〜５．０重量％，Ｍｇ：
０．１〜１．０重量％，Ｍｎ：０．３〜０．８重量％，
Ｃｒ：０．１〜０．３重量％，Ｔｉ：０．０５〜０．２
０重量％，Ｐ：０．００３〜０．０５重量％，Ｆｅ：
１．５重量％以下を含有し、Ｃａ含有量が０．００５重
量％未満に規制され、且つ平均粒径１０〜５０μｍの初
晶Ｓｉが均一に分散した組織をもっていることを特徴と
する。

【０００９】また、このアルミニウム鋳造合金は、更に
Ｂ：０．０００１〜０．０１重量％及びＮｉ：０．３〜
３．０重量％の１種又は２種を含有することができる。

【００１０】

【作 用】本発明者等は、耐摩耗性，機械的性質，物理
的性質，切削性，鋳造性等にＳｉ，Ｃｕ，Ｍｇ，Ｍｎ，
Ｃｒ等の合金元素が与える影響について詳細に検討し
た。その結果、Ａ３９０合金の下限である１６重量％以
下にＳｉ含有量を下げても、初晶Ｓｉが微細で且つ均一
に分散している限り、耐摩耗性の確保が図られることを
見出した。

【００１１】すなわち、本発明のアルミニウム鋳造合金
においては、Ａ３９０系合金に比較してＳｉ含有量を１
６．０重量％以下と低めに設定しているので、溶解性及
び鋳造性が大幅に改善され、操業が容易になる。そし
て、シリンダーブロック等の耐摩耗部品に要求される切
削性，溶解性，鋳造性等に関するＡ３９０系合金の問題
点を、Ｓｉを始めとする合金元素の含有量の調整，マト
リックスの強化等によって、耐摩耗性の低下を伴うこと
なく解消したものである。

【００１２】初晶Ｓｉの微細化及び均一分散には、特に
Ｃｒの添加が有効である。Ｃｒは、初晶Ｓｉ中に混在す
る元素である。Ｃｒの混在によって初晶Ｓｉの比重が大
きくなり、鋳造中におけるＳｉの浮上が抑制されるもの
と推察される。併せて、微細なＡｌ−Ｃｒ系化合物が晶
出し、これによっても耐摩耗性が向上する。また、初晶
Ｓｉの微細化には、所定量のＰ含有も効果がある。

【００１３】以下、各合金元素の含有量及び作用等につ
いて説明する。Ｓｉ：耐摩耗性及び弾性係数を向上させ
る上で、重要な元素である。しかし、Ｓｉ含有量が１
６．０重量％を超えると、合金の液相線温度が上昇して
溶解性，鋳造性等が悪くなると共に、初晶Ｓｉの分散が
不均一になり易い。他方、１４．０重量％未満のＳｉ含
有量では、耐摩耗性が不足する。そこで、本発明におい
ては、Ｓｉ含有量を１４．０〜１６．０重量％の範囲に
規定した。

【００１４】また、Ｓｉ含有量が１６．０重量％以下に
なると、アルミニウム合金の切削性が急激に向上する。
その結果、摩耗に起因した工具寿命の低下がなくなり切
削コストの大幅な低減が可能となる。

【００１５】Ｃｕ：マトリックスを強化する作用を呈
し、これによって耐摩耗性が向上する。このような作用
を得るためには、２．０重量％以上のＣｕを含有させる
ことが必要である。しかし、Ｃｕ含有量が５．０重量％
を超えると、ヒケ巣の発生が多くなる。

【００１６】Ｍｇ：硬度，耐摩耗性，機械的強度等を上
昇させる上で有効な合金元素であり、０．１重量％以上
のＭｇ含有でこれらの作用が得られる。しかし、１．０
重量％を超えてＭｇを含有させると、靭性を低下させる
傾向が見られる。

【００１７】Ｍｎ：マトリックスを強化し、機械的性質
を改善する合金元素である。Ｍｎ含有量が０．３重量％
未満になると、耐摩耗性が低下する傾向が見られる。他
方、０．８重量％を超えるＭｎ含有量では、鋳造性が悪
くなり，逆に機械的性質の劣化を招く。

【００１８】Ｃｒ：初晶Ｓｉを微細且つ均一に分散させ
る上で重要な合金元素であり、硬度，機械的性質の向上
にも有効に作用する。このような作用は、０．１重量％
以上のＣｒ含有量で顕著となる。しかし、Ｃｒ含有量が
０．３重量％を超えると、鋳造性及び機械的性質が低下
する。また、多量のＣｒ含有は、Ａｌ−Ｃｒ系晶出物を
粗大化させる原因ともなる。

【００１９】Ｔｉ：機械的性質を向上させる作用を呈
し、組織を均一化させることにも有効である。これらの
作用を得るためには、０．０５重量％以上のＴｉを含有
させることが必要である。しかし、０．２０重量％を超
えるＴｉ含有量では、逆に機械的性質の低下を招く。

【００２０】Ｐ：Ｃｒと共に初晶Ｓｉを微細化し均一に
分散させる作用を呈する。この初晶Ｓｉに与える作用
は、０．００３重量％以上のＰ含有量で確保される。し
かし、Ｐ含有量が０．０５重量％を超えると、湯流れ等
の鋳造性が劣化する。そこで、本発明においては、０．
００３〜０．０５重量％の範囲にＰ含有量を設定した。
また、Ｐ含有量をこの範囲に維持するとき、溶湯の粘性
低下によって湯流れ性がよくなり、鋳造性の向上が図ら
れる。

【００２１】Ｆｅ：溶製過程でアルミニウム合金に取り
込まれる不純物である。多量のＦｅが混入すると、特に
徐冷部，ホットスポット部等にＡｌ−Ｆｅ系化合物，Ａ
ｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系化合物等が生成し、ミクロポロ
シティの発生原因となる。その結果、得られたアルミニ
ウム合金の靭性及び強度を低下させる。この欠点を防止
するため、本発明においては、Ｆｅ含有量を１．５重量
％以下に規定した。

【００２２】ただし、アルミニウム合金をダイキャスト
鋳造に使用するとき、高温の合金が金型内面に焼き付く
ことを防止する上で、Ｆｅは有効な合金元素である。そ
こで、ダイキャスト鋳物として使用する場合には、０．
１重量％以上のＦｅ含有量を確保することが好ましい。

【００２３】Ｃａ：Ｆｅと同様に、溶製過程でアルミニ
ウム合金に原料Ｓｉから混入する不純物である。Ｃａ含
有量が０．００５重量％を超えて多くなると、鋳造時に
内部ヒケが大きくなり、鋳造性の低下を招く。また、Ｐ
による初晶Ｓｉ微細化作用を阻害する。そこで、本発明
においては、Ｃａ含有量を０．００５重量％以下に規定
した。

【００２４】Ｂ：任意成分として添加されるＢは、Ｔｉ
と共に結晶粒を微細化させることに寄与する。この作用
は、Ｂ含有量０．０００１重量％でみられる。しかし、
多量のＢ含有は、アルミニウム合金の脆化を招くので、
上限を０．０１重量％に設定した。

【００２５】Ｎｉ：任意成分として添加されるＮｉは、
高温強度を向上し、硬度，耐摩耗性を改善する上で有効
な合金元素である。これらの作用は、Ｎｉ含有量０．３
重量％以上でみられる。しかし、高価なＮｉを多量に含
有させることは、アルミニウム合金のコストを上昇させ
るので好ましくない。また、Ｎｉ含有量の増加に伴い、
耐食性の低下もみられる。そこで、本発明においては、
Ｎｉ含有量の上限を３．０重量％に規定し、Ｎｉの作用
をＭｎで置換或いは補完する。

【００２６】初晶Ｓｉの粒径：耐摩耗性，切削性及び鋳
造性を確保するため、初晶Ｓｉの平均粒径を１０〜５０
μｍの範囲に調整することが必要である。初晶Ｓｉの平
均粒径が１０μｍ未満の場合に、耐摩耗性を向上させる
初晶Ｓｉの効果が小さくなる。逆に、初晶Ｓｉの平均粒
径が５０μｍを超えると、大きな初晶Ｓｉが存在するこ
とから、カジリ現象や機械的性質，切削性等の低下がみ
られる。

【００２７】このように合金設計された本発明のアルミ
ニウム鋳造合金は、金型重力鋳造，低圧鋳造，砂型鋳
造，ダイキャスト，溶湯鍛造等で目標とする鋳物に製造
することができる。また、Ｔ₅,Ｔ₆ 等の熱処理を施すこ
とも可能である。

【００２８】

【実施例】以下、実施例によって、本発明を具体的に説
明する。表１に示した成分・組成のアルミニウム合金を
溶製し、温度３５０℃に保持した舟金型を使用して鋳造
した。得られた鋳物を旋盤で切削し、その切削性を調査
した。また、耐摩耗性，溶解性，鋳造性，機械的性質等
を調べ、これらを表２にまとめて示した。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【表２】

【００３１】耐摩耗性は、フリクトロン式摩擦摩耗試験
機を使用し、摩擦速度を０．２３８ｍ／秒，摩擦距離を
６０００ｍ，摩擦荷重を１６０ｋｇ，相手材を硬質クロ
ムめっきしたＳＫ−４鋼とした摩耗条件で調べた。そし
て、摩耗量が０〜１００ｍｇのものを◎，１００〜３０
０ｍｇのものを○，３００〜５００ｍｇのものを△，５
００ｍｇ以上のものを×として相対評価し、表２に示し
た。

【００３２】表２から明らかなように、本発明で規定す
る範囲でＳｉ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｃｒ等を含有する合金にあ
っては、何れも摩耗量が１００ｍｇ以下の優れた耐摩耗
性を呈していることが判る。これに対し、たとえば試験
番号１１及び１３の合金にあっては、Ｓｉ含有量がそれ
ぞれ１３．０重量％及び１２．０重量％と低いため、初
晶Ｓｉの晶出量が少なく、耐摩耗性が悪くなっている。

【００３３】切削性試験は、超硬工具を使用し、切削速
度を２００ｍ／分，４００ｍ／分及び６００ｍ／分の３
段階、送り速度を０．０５ｍｍ／回転，０．１ｍｍ／回
転及び０．２ｍｍ／回転の３段階、切込み量を０．５ｍ
ｍ，１．０ｍｍ及び２．０ｍｍの３段階とした条件下で
行った。そして、切削長さが５０００ｍに達したときの
切削工具の逃げ面の摩耗幅，切削抵抗及び仕上げ面粗さ
について調べ、表３に掲げた基準で４段階評価した。

【００３４】

【表３】

【００３５】各試験項目についての評価点を合算し、合
計評価点が４点以下のものを◎，５〜７点のものを○，
８〜１０点のものを△，１０点を超えるものを×として
相対評価した。

【００３６】表２から明らかなように、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｍ
ｎ，Ｃｒ等の合金成分が本発明で規定されている範囲に
ある場合、何れも良好な切削性が得られている。一般的
にみて、切削性は、Ｓｉ含有量が高いものほど悪く、Ｓ
ｉ含有量の低下に従って切削性が向上している。たとえ
ば、試験番号１３の合金例では、Ｓｉ含有量が１２．０
重量％と低いことから、極めて優れた切削性が示されて
いる。

【００３７】しかし、試験番号１３の合金例は、初晶Ｓ
ｉの晶出がほとんど検出されず、耐摩耗性に劣ることは
前述した通りである。更に、硬質のＣｕ，Ｍｎ，Ｃｒ系
化合物等の晶出量が少ないものほど、切削性に優れてい
ることが判る。

【００３８】溶解性は、アルミニウム合金の液相線温度
を中心として、溶製時のガス吸収やライニング耐火物の
損傷等を取り込んで相対評価し、優れているものを◎，
良好なものを○，やや悪いものを△，悪いものを×とし
て表示した。一般的にみて、Ｓｉ含有量が１重量％増加
すると、アルミニウム合金の液相線温度が約１０℃上昇
する。また、Ｐも液相線温度を上昇させる元素であり、
Ｐ含有量が０．０５重量％を超えるようになると溶湯の
粘性が上昇し、湯回り性が低下する。

【００３９】鋳造性は、鋳造温度，初晶Ｓｉの粒径及び
分布，湯回り性等について、表４に示した評価基準で判
定した。なお、初晶Ｓｉの粒径及び分布は、温度２００
℃に保持した塗布無しのＪＩＳ４号舟型を使用して鋳造
した試料の中心部断面を観察することによって調べた。

【００４０】また、湯回り性は、３００℃に保持した塗
布なしのクサビ金型を使用した鋳造によって調べた。こ
のクサビ金型は、図１及び図２に示す平断面で矩形状，
側断面で傾斜状のキャビティをもつものであった。そし
て、キャビティに広がった溶湯の面積を図１の矩形面積
で除した面積率で表した。この湯回り性が良好なもの
は、製品のエッジや刻印が明瞭なものとなる。

【００４１】

【表４】

【００４２】各試験項目についての評価点を合算し、合
計評価点が４点以下のものを◎，５〜７点のものを○，
８〜１０点のものを△，１０点を超えるものを×として
鋳造性を相対評価した。

【００４３】表２に示されているように、Ｓｉ，Ｆｅ，
Ｐ等の含有量が本発明で規定した範囲にある合金例で
は、良好な鋳造性が得られていることが判る。これに対
して、Ｓｉ含有量が１９．０重量％と多い試験番号１４
の合金例では、鋳造可能な温度が７８０℃と高く、鋳造
性が悪くなっていた。そして、多数の鋳造欠陥が検出さ
れた。

【００４４】以上の説明から明らかなように、本発明に
従ったアルミニウム合金は、耐摩耗性，切削性，溶解
性，鋳造性の何れにおいても優れた特性を呈している。
そのため、得られたアルミニウム合金鋳物は、シリンダ
ブロック，ピストン，コンプレッサ部品，変速機部品等
として、優れた特性を示す材質として使用される。ま
た、切削性が良好なことから、必要形状に仕上げる加工
も容易なものとなる。

【００４５】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、Ｓｉ含有量を低下させて鋳造性を確保すると共に、
Ｃｕ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｐ等の合金成分を総合
的に規制することによって、耐摩耗性を損なうことな
く、溶解性，鋳造性，切削性等を改良している。そのた
め、溶解炉のライニング耐火物等に与える損傷を少なく
することができ、また金型の寿命も長くなる。しかも、
得られたアルミニウム合金鋳物を目標形状に機械切削す
るとき、切削工具の寿命も長くなる。このようにして、
シリンダブロック，ピストン，コンプレッサ部品，変速
機部品等として好適な材料が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明実施例において湯回り性を判定すると
きに使用した舟金型のキャビティを示す平面図

【図２】 同キャビティの側面図

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 北岡 山治 静岡県庵原郡蒲原町蒲原１丁目34番１号 株式会社日軽技研内 (72)発明者 渡辺 靖彦 東京都港区三田３丁目13番12号 日本軽金 属株式会社内 (72)発明者 鞘師 守 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 神戸 洋史 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 渡辺 浩児 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｓｉ：１４．０〜１６．０重量％，Ｃ
   ｕ：２．０〜５．０重量％，Ｍｇ：０．１〜１．０重量
   ％，Ｍｎ：０．３〜０．８重量％，Ｃｒ：０．１〜０．
   ３重量％，Ｔｉ：０．０５〜０．２０重量％，Ｐ：０．
   ００３〜０．０２重量％，Ｆｅ：１．５重量％以下を含
   有し、Ｃａ含有量が０．００５重量％未満に規制され、
   且つ平均粒径１０〜５０μｍの初晶Ｓｉが均一に分散し
   た組織をもっていることを特徴とする耐摩耗性に優れた
   アルミニウム鋳造合金。
2. 【請求項２】 Ｓｉ：１４．０〜１６．０重量％，Ｃ
   ｕ：２．０〜５．０重量％，Ｍｇ：０．１〜１．０重量
   ％，Ｍｎ：０．３〜０．８重量％，Ｃｒ：０．１〜０．
   ３重量％，Ｔｉ：０．０５〜０．２０重量％，Ｐ：０．
   ００３〜０．０５重量％，Ｆｅ：１．５重量％以下，
   Ｂ：０．０００１〜０．０１重量％を含有し、Ｃａ含有
   量が０．００５重量％未満に規制され、且つ平均粒径１
   ０〜５０μｍの初晶Ｓｉが均一に分散した組織をもって
   いることを特徴とする耐摩耗性に優れたアルミニウム鋳
   造合金。
3. 【請求項３】 Ｓｉ：１４．０〜１６．０重量％，Ｃ
   ｕ：２．０〜５．０重量％，Ｍｇ：０．１〜１．０重量
   ％，Ｍｎ：０．３〜０．８重量％，Ｃｒ：０．１〜０．
   ３重量％，Ｔｉ：０．０５〜０．２０重量％，Ｐ：０．
   ００３〜０．０５重量％，Ｆｅ：１．５重量％以下，Ｎ
   ｉ：０．３〜３．０重量％を含有し、Ｃａ含有量が０．
   ００５重量％未満に規制され、且つ平均粒径１０〜５０
   μｍの初晶Ｓｉが均一に分散した組織をもっていること
   を特徴とする耐摩耗性に優れたアルミニウム鋳造合金。