JP2006283124A - 耐磨耗性冷間鍛造用アルミニウム合金 - Google Patents
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Abstract
【課題】機械的性質および耐磨耗性にすぐれたアルミニウム合金であって、押出し性および冷間鍛造性のよい合金材の提供。
【解決手段】Ｓｉ：７．５〜１１．７ｗｔ％、Ｃｕ：１．０〜３．２ｗｔ％、Ｍｇ：０．１５〜１．０ｗｔ％およびＦｅ：０．０５〜０．５ｗｔ％を含有し、残部がＡｌおよび不可避の不純物から成り、Ｓｉ系晶出物の平均粒径が１．０μｍ〜２．０μｍおよび同晶出物の面積率が８％〜１５％の合金組織を有することを特徴とする耐磨耗性冷間鍛造用アルミニウム合金。
【解決手段】Ｓｉ：７．５〜１１．７ｗｔ％、Ｃｕ：１．０〜３．２ｗｔ％、Ｍｇ：０．１５〜１．０ｗｔ％およびＦｅ：０．０５〜０．５ｗｔ％を含有し、残部がＡｌおよび不可避の不純物から成り、Ｓｉ系晶出物の平均粒径が１．０μｍ〜２．０μｍおよび同晶出物の面積率が８％〜１５％の合金組織を有することを特徴とする耐磨耗性冷間鍛造用アルミニウム合金。
Description
本発明は、押出性、鍛造性および機械的性質がすぐれた耐磨耗性冷間鍛造用アルミニウム合金に関する。
たとえば、自動車エンジン用のピストンやシリンダー等の鍛造部品に要求される軽量性および耐磨耗性のような材料特性を有する素材としては、耐磨耗性のある冷間鍛造用のアルミニウム合金が使用されている。よく知られているこの種合金には、Ａｌ−Ｓｉ共晶合金（ＪＩＳ・Ａ４０３２）および過共晶合金（アルジル、ＪＩＳ・Ａ３９０）のふたつのタイプがあるが、つぎのような問題がある。
Ａ４０３２の共晶合金は、鍛造性はよいが、押出し加工が困難であり、しかも材料の耐磨耗性および引張り強さが劣る。また、Ａ３９０の過共晶合金は、耐磨耗性はよいが、鍛造性、引っ張り強さおよび疲労強度が劣り、押出しも困難である。
これらのＡｌ−Ｓｉ合金とはべつに、下記特許文献は、改良されたアルミニウム合金を提案するが、いずれも冷間鍛造性がよくないため、冷間鍛造法によりアルミニウム合金を製造する場合には実用性に欠ける。特許文献１は、Ａｌ−Ｓｉ（シルミン）共晶合金が鋳造適正に欠ける点に注目し、Ｍｇ、Mｎ、W、Ｔｉ等の合金元素を添加し、大型鋳造品の製造を可能にしようとしている。また、特許文献２は、軽量、高温強度、熱伝導および耐磨耗性を満足させるピストン用のＡＣ８Ｂ系のアルミニウム合金に、Ｍｎを添加するが、Ｎｉなしの材料を提案している。さらに、別の特許文献３は、耐磨耗性および熱間鍛造性に優れたアルミニウム合金を提案しているが、高温強度および耐磨耗性を重視し、Cu、Fe、Mn等の合金元素を多く添加している。
しかし、これらのアルミニウム合金は、いずれも冷間鍛造性がよくないか、あるいはこの点についての進歩した改良がなされていないので、当業界で要求度がますます高まって来ている耐磨耗性があり、しかも冷間鍛造性のよいアルミニウム合金の提供に対応できない。
特公昭４８−４１４０７号公報
特公昭４９−２２２８４号公報
特開昭６０−１９７８３８号公報
本発明は、したがって、機械的性質および耐磨耗性にすぐれたアルミニウム合金であって、押出し性および冷間鍛造性のよい合金材の提供を課題とする。
本発明は、上記課題を解決するために、
（１）Ｓｉ：７．５〜１１．７ｗｔ％、Ｃｕ：１．０〜３．２ｗｔ％、Ｍｇ：０．１５〜１．０ｗｔ％およびＦｅ：０．０５〜０．５ｗｔ％を含有し、残部がＡｌおよび不可避の不純物から成り、Ｓｉ系晶出物の平均粒径が１．０μｍ〜２．０μｍおよび同晶出物の面積率が８％〜１５％の合金組織を有することを特徴とする耐磨耗性冷間鍛造用アルミニウム合金、
（２）Ｃｒ、Ｍｎ、ＺｒまたはＶの１種または２種以上をそれぞれ０．０５〜０．２５ｗｔ％の範囲で追加的に含有することを特徴とする上記（１）に記載された耐磨耗性冷間鍛造用アルミニウム合金、
（３）Ｔｉ：０．００３〜０．２ｗｔ％を追加的に含有することを特徴とする上記（１）又は（２）に記載された耐磨耗性冷間鍛造用アルミニウム合金、
（４）Ｎｉ：０．３〜２ｗｔ％を追加的に含有することを特徴とする上記（１）〜（３）に記載された耐磨耗性冷間鍛造用アルミニウム合金、
（１）Ｓｉ：７．５〜１１．７ｗｔ％、Ｃｕ：１．０〜３．２ｗｔ％、Ｍｇ：０．１５〜１．０ｗｔ％およびＦｅ：０．０５〜０．５ｗｔ％を含有し、残部がＡｌおよび不可避の不純物から成り、Ｓｉ系晶出物の平均粒径が１．０μｍ〜２．０μｍおよび同晶出物の面積率が８％〜１５％の合金組織を有することを特徴とする耐磨耗性冷間鍛造用アルミニウム合金、
（２）Ｃｒ、Ｍｎ、ＺｒまたはＶの１種または２種以上をそれぞれ０．０５〜０．２５ｗｔ％の範囲で追加的に含有することを特徴とする上記（１）に記載された耐磨耗性冷間鍛造用アルミニウム合金、
（３）Ｔｉ：０．００３〜０．２ｗｔ％を追加的に含有することを特徴とする上記（１）又は（２）に記載された耐磨耗性冷間鍛造用アルミニウム合金、
（４）Ｎｉ：０．３〜２ｗｔ％を追加的に含有することを特徴とする上記（１）〜（３）に記載された耐磨耗性冷間鍛造用アルミニウム合金、
本発明は、上記の合金組成としたことを特徴とするので、前記のＡ４０３２共晶合金よりも耐磨耗性を向上する効果があり、同時に前記のＡ３９０過共晶合金の弱点を克服する効果がある。すなわち、本発明合金の機械的性質はもとより、押出し性および冷間鍛造性が同Ａ３９０合金より確実に改善される。
本発明の耐磨耗性冷間鍛造用アルミニウム合金は、Ｓｉ：７．５〜１１．７ｗｔ％、Ｃｕ：１．０〜３．２ｗｔ％、Ｍｇ：０．１５〜１．０ｗｔ％およびＦｅ：０．０５〜０．５ｗｔ％を必須成分として含有する点が基本的特徴である。なお、不可避の不純物が許容されるのはいうまでもない。
まず、Ｓｉは合金材に耐磨耗性を与えるために不可欠であり、７．５ｗｔ％未満ではその作用効果が期待できない。１１．７ｗｔ％を超えて含有すると、多量の初晶Ｓｉを生成して合金の鍛造性および機械的性質、とくに靭性および疲労強度が悪化する。
Ｃｕは合金の機械的性質を向上するとともに、焼付を防止して耐磨耗性を向上し、１．０ｗｔ％未満ではこの作用効果が少なく、３．２ｗｔ％以上の含有は、鍛造性を阻害する。
Ｍｇは合金の機械的性質を向上するとともに、析出物Ｍｇ2Ｓｉを生成して合金に耐磨耗性を与えるが、０．１５ｗｔ％未満ではこの作用効果が少なく、１．０ｗｔ％を超えると、合金の押出し性および鍛造性を阻害する。
最後に、Ｆｅは合金中における微細な共晶およびＳｉ系析出物の生成を促進し、合金の耐磨耗性を向上するが、０．０５ｗｔ％未満ではこの作用効果が少なく、１．０ｗｔ％を超えると、巨大化合物（Ａｌ-Ｆｅ-Ｓｉ）を生成して合金の機械的性質を劣化するので、０．５ｗｔ％を超えないように限定した。
上記４種の合金元素は、本発明のアルミニウム合金に必須の基本成分であるが、Ｃｒ、Ｍｎ、ＺｒまたはＶの１種もしくは２種以上を、０．０５〜０．２５ｗｔ％の範囲で追加的に含有させることができる。すなわち、ＣｒおよびＶは、合金にさらに耐磨耗性を与えるが、０．０５ｗｔ％未満では、期待できる作用効果が得られず、０．２５ｗｔ％を超えると、粗大化合物（CrAl7など）を生成し機械的性質を低下させる。
また、ＭｎおよびＺｒは、合金の熱処理時に形成する組織の粗大化を抑制するが、０．０５ｗｔ％未満では、この作用効果が少なく、０．２５ｗｔ％を超えると、粗大化合物（Ａｌ-Ｍｎ-Ｓｉなど）を形成し、合金の機械的性質を低下する。
本発明は、上記４種の必須の基本成分Ｓｉ、Ｃｕ、ＭｇおよびＦｅに加えて、Ｔｉを０．００３〜０．２ｗｔ％の範囲で追加的に含有させることができる。Ｔｉは合金材の熱処理時に形成する組織の粗大化を有効に抑制するが、０．００３ｗｔ％未満ではそのような作用効果が期待できず、０．２ｗｔ％を超えると同作用が飽和するので無用である。
また、本発明は、さらにＮｉを０．３〜２ｗｔ％の範囲で追加的に含有させることができる。Ｎｉは本発明のアルミニウム合金材を、たとえば２００℃以上の高温条件下で使用するような場合に、耐熱性すなわち高温強度を与えるように機能し、０．３ｗｔ％未満ではこの作用効果が期待できず、２ｗｔ％を超えると同作用は飽和する。さらに、Ｎｉは合金中にＡｌ−Ｃｕ−Ｎｉ化合物およびＡｌ３Ｎｉ化合物を生成し、合金に耐磨耗性を与える機能をも合わせ持つが、本機能も０．３ｗｔ％未満では効果が少なく、２ｗｔ％を超えると上記化合物が粗大化して耐磨耗性の効果を減殺する。
本発明は、上記成分に加えて、Ｂ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｓｂ、Ｎｂ、ＰｂもしくはＢｉの１種もしくは２種以上を０．５ｗｔ％以下またはＺｎを１ｗｔ％以下含有させることにより、合金の耐磨耗性を補うことができるので、仕様に応じてこの成分にしてよい。
本発明の耐磨耗性冷間鍛造用アルミニウム合金は、成分面で既述のとおりであるが、合金組織の面から、Ｓｉ系晶出物の平均粒径を１．０μｍ〜２．０μｍ、またその面積率を８％〜１５％の範囲になるような限定された合金組織に制御する必要がある。こうした組織とすることによって、アルミニウム合金の耐磨耗性および機械的性質はさらに一層改善される。このためには、既述した成分の合金材を連続鋳造により棒材とし、これを適当な条件下で溶体化処理後水冷し、さらに熱処理することにより、容易に上記組織を有する高品質の合金材を得ることができる。なお、Ｓｉ系晶出物とは共晶Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｃｒ−Ｓｉ、Ｍｎ−Ｓｉ、Ｚｒ−Ｓｉ、Ｍｇ−Ｓｉ等の金属間化合物のことである。
（実施例）
本発明の実施例合金を表１に、また比較例の合金を表２にそれぞれ示すが、比較例の合金は、各合金成分の含有量を合理的に本発明の規定範囲から外した配合成分として、その性能を本発明と比較することにした。各合金は、１．０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で連続鋳造してφ３０ｍｍの鋳造棒を製作し、これを４９０℃×１ｈｒの溶体化処理後水冷し、１８０℃×６時間の熱処理をほどこして試験片とした。ここで、冷間鍛造用試料のみ380℃×6hrの焼鈍処理を行なった。そして、各試験片について下記条件下で試験および評価をおこなった。
（実施例）
本発明の実施例合金を表１に、また比較例の合金を表２にそれぞれ示すが、比較例の合金は、各合金成分の含有量を合理的に本発明の規定範囲から外した配合成分として、その性能を本発明と比較することにした。各合金は、１．０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で連続鋳造してφ３０ｍｍの鋳造棒を製作し、これを４９０℃×１ｈｒの溶体化処理後水冷し、１８０℃×６時間の熱処理をほどこして試験片とした。ここで、冷間鍛造用試料のみ380℃×6hrの焼鈍処理を行なった。そして、各試験片について下記条件下で試験および評価をおこなった。
Ｓｉ系晶出物の平均粒径：断面ミクロ写真（７２．５ｍｍ×９４．５ｍｍ）の撮影をし、観察された全Ｓｉ系晶出物の平均粒径を測定し、その平均値を求めた。
Ｓｉ系晶出物の面積：同ミクロ写真上のＳｉ系晶出物粒の全面積を測定し、そのマトリックス中の晶出物が占める面積の比率を表示した。
Ｈｖ：試験片の断面をビッカース硬度計で計測した。
耐磨耗性：大越式磨耗試験機により、磨耗速度１．０ｍ／秒および過重３．２ｋｇで試験し、試験片の比磨耗量（ｍｍ2／ｋｇ×１０2）で比較した。
冷間鍛造性：１０φ×２０ｈの焼鈍された試験片を冷間鍛造し、試験片の割れ状況をつぎの４段階に分けて評価した。
１．加工率４０％まで割れが発生しないもの ◎
２．加工率３５％まで割れず、４０％で割れる ○
３．加工率３０％まで割れず、３５％で割れる △
４．加工率３０％で割れる ×
（表３）から明らかなように、合金成分はもとより、Ｓｉ系晶出物の平均粒径および面積率も前記数値範囲に属するように調整された本発明の実施例になるアルミニウム合金Ｎｏ．１〜２２は、機械的性質ならびに冷間鍛造性が一様にすぐれている。すなわち、いずれも硬度は満足すべき範囲におさまり、同時に耐磨耗性は、比磨耗量が１４から１６のよい範囲に収斂して満足できるし、また冷間鍛造性は全試験片が４０％の加工率でも割れないでよく鍛造できている。
２．加工率３５％まで割れず、４０％で割れる ○
３．加工率３０％まで割れず、３５％で割れる △
４．加工率３０％で割れる ×
（表３）から明らかなように、合金成分はもとより、Ｓｉ系晶出物の平均粒径および面積率も前記数値範囲に属するように調整された本発明の実施例になるアルミニウム合金Ｎｏ．１〜２２は、機械的性質ならびに冷間鍛造性が一様にすぐれている。すなわち、いずれも硬度は満足すべき範囲におさまり、同時に耐磨耗性は、比磨耗量が１４から１６のよい範囲に収斂して満足できるし、また冷間鍛造性は全試験片が４０％の加工率でも割れないでよく鍛造できている。
本発明の実施になる試験片に対し、比較例の各試験片Ｎｏ．２３〜４３の場合は、Ｓｉ系晶出物の平均粒径および面積率がおおむね本発明の規定範囲に近似しているにもかかわらず、その合金成分が本発明を逸脱することから、冷間鍛造性が一様に不良である。
Claims (4)
- Ｓｉ：７．５〜１１．７ｗｔ％、Ｃｕ：１．０〜３．２ｗｔ％、Ｍｇ：０．１５〜１．０ｗｔ％およびＦｅ：０．０５〜０．５ｗｔ％を含有し、残部がＡｌおよび不可避の不純物から成り、Ｓｉ系晶出物の平均粒径が１．０μｍ〜２．０μｍおよび同晶出物の面積率が８％〜１５％の合金組織を有することを特徴とする耐磨耗性冷間鍛造用アルミニウム合金。
- Ｃｒ、Ｍｎ、ＺｒまたはＶの１種または２種以上をそれぞれ０．０５〜０．２５ｗｔ％の範囲で追加的に含有することを特徴とする請求項１に記載された耐磨耗性冷間鍛造用アルミニウム合金。
- Ｔｉ：０．００３〜０．２ｗｔ％を追加的に含有することを特徴とする請求項１又は２に記載された耐磨耗性冷間鍛造用アルミニウム合金。
- Ｎｉ：０．３〜２ｗｔ％を追加的に含有することを特徴とする請求項１〜３に記載された耐磨耗性冷間鍛造用アルミニウム合金。
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