CN101535515A - 可加工性优异的耐磨性铝合金材料及其制造方法 - Google Patents

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CN101535515A CNA2007800416335A CN200780041633A CN101535515A CN 101535515 A CN101535515 A CN 101535515A CN A2007800416335 A CNA2007800416335 A CN A2007800416335A CN 200780041633 A CN200780041633 A CN 200780041633A CN 101535515 A CN101535515 A CN 101535515A
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Abstract

本发明提供兼备可加工性和耐磨性的耐磨性铝合金材料。耐磨性铝合金材料由下述铝合金构成，所述铝合金含有Si：13～15质量％、Cu：5.5～9质量％、Mg：0.2～1质量％、Ni：0.5～1质量％以及P：0.003～0.03质量％，其余量由Al以及不可避免的杂质构成，初晶Si粒子的平均粒径为10～30μm，截面中的初晶Si粒子的面积占有率为3～12％，金属间化合物的平均粒径为1.5～8μm，截面中的金属间化合物的面积占有率为4～12％。

Description

可加工性优异的耐磨性铝合金材料及其制造方法
技术领域
本发明涉及耐磨性铝合金材料，特别是涉及可加工性优异的耐磨性铝合金材料。
背景技术
例如汽车的发动机气缸垫和活塞环，在其工作中遭受苛刻的滑动摩擦，同时反复地受到压缩应力和拉伸应力。因此，这些构件要求具有优异的耐磨性以及耐热粘着性。
作为用于这样的用途的铝合金，以往一直使用含有约17％的Si的A390，而且，曾提出了含有该值以上的Si的铝合金(参照专利文献1和2)。
另外，曾提出了作为转子的材料，通过规定合金组成，并且规定Si粒子的粒径，来谋求耐磨性的提高的方案(参照专利文献3)。
专利文献1：日本特开昭62-196350号公报
专利文献2：日本特开昭62-44548号公报
专利文献1：日本特开平-111531号公报
发明内容
然而，A390和专利文献1和2所述的铝合金，尽管耐磨性优异，但由于Si浓度高，存在切割等的可加工性差、工具寿命也短的问题。
另外，专利文献3所述的铝合金材料，Si浓度比A390等低，可加工性得到改善，但即使如此，仍然要求得到使耐磨性和可加工性这对相反特性同时提高的铝合金。
本发明鉴于上述的背景技术，其目的在于，通过规定铝合金组成，并控制初晶Si粒子以及金属间化合物的粒径和分布状态，提供兼备可加工性和耐磨性的铝合金材料。
即，本发明的可加工性优异的耐磨性铝合金材料，具有下述[1]～[6]所述的构成。
[1]一种可加工性优异的耐磨性铝合金材料，其特征在于，由下述铝合金构成，所述铝合金含有Si：13～15质量％、Cu：5.5～9质量％、Mg：0.2～1质量％、Ni：0.5～1质量％以及P：0.003～0.03质量％，其余量由Al以及不可避免的杂质构成，
初晶Si粒子的平均粒径为10～30μm，截面中的初晶Si粒子的面积占有率为3～12％，金属间化合物的平均粒径为1.5～8μm，截面中的金属间化合物的面积占有率为4～12％。
[2]根据前项1所述的可加工性优异的耐磨性铝合金材料，在上述铝合金中，含有Mn：0.15～0.5质量％、Fe：0.1～0.5质量％之中的至少一种。
[3]根据前项1或2所述的可加工性优异的耐磨性铝合金材料，上述初晶Si粒子的平均粒径为10～20μm。
[4]根据前项1～3的任何一项所述的可加工性优异的耐磨性铝合金材料，截面中的上述初晶Si粒子的面积占有率为5～8％。
[5]根据前项1～4的任一项所述的可加工性优异的耐磨性铝合金材料，上述金属间化合物的平均粒径为2～5μm。
[6]根据前项1～5的任一项所述的可加工性优异的耐磨性铝合金材料，截面中的上述金属间化合物的面积占有率为5～8％。
另外，本发明的可加工性优异的耐磨性铝合金材料的制造方法，具有在下述[7]～[12]中记载的构成。
[7]一种可加工性优异的耐磨性铝合金材料的制造方法，其特征在于，对铝合金铸锭在450～500℃实施3～12小时的均质化处理，所述铝合金铸锭含有Si：13～15质量％、Cu：5.5～9质量％、Mg：0.2～1质量％、Ni：0.5～1质量％以及P：0.003～0.03质量％，其余量由Al以及不可避免的杂质构成。
[8]根据前项7所述的可加工性优异的耐磨性铝合金材料的制造方法，在上述铝合金铸锭中，含有Mn：0.15～0.5质量％、Fe：0.1～0.5质量％之中的至少一种。
[9]根据前项7或8所述的可加工性优异的耐磨性铝合金材料的制造方法，在470℃以上且不到500℃、4～8小时的条件下进行上述均质化处理。
[10]根据前项7～9的任一项所述的可加工性优异的耐磨性铝合金材料的制造方法，对实施了上述均质化处理的铝合金铸锭，实施机械加工和塑性加工中的至少一方的加工。
[11]根据前项10所述的可加工性优异的耐磨性铝合金材料的制造方法，上述机械加工是切割。
[12]根据前项10或11所述的可加工性优异的耐磨性铝合金材料的制造方法，上述塑性加工是锻造。
发明效果
上述[1]所述的可加工性优异的耐磨性铝合金材料，在合金组成上，通过降低Si浓度，可加工性提高，通过由添加Cu和Ni而形成的金属间化合物，可以弥补耐磨性和耐热粘着性。另外，通过添加Cu和Ni，可以得到优异的抗软化性。而且，在金属组织方面，初晶Si粒子以及金属间化合物的平均粒径、面积占有率被规定在规定范围内，因此能够得到优异的可加工性、耐磨性、耐热粘着性、抗软化性。此外，通过添加P，能够抑制锻造性、延性以及疲劳强度的降低。
根据上述[2]、[3]、[4]、[5]、[6]中所述的各可加工性优异的耐磨性铝合金材料，能够得到特别优异的耐磨性和耐热粘着性。
根据上述[7]中所述的可加工性优异的耐磨性铝合金材料的制造方法，能够制造初晶Si粒子以及金属间化合物的平均粒径、面积占有率为上述[1]所述的范围，具有优异的可加工性、耐磨性、耐热粘着性、抗软化性，且可抑制锻造性、延性以及疲劳强度的降低的铝合金材料。
根据上述[8]和[9]中所述的各可加工性优异的耐磨性铝合金材料的制造方法，能够制造尤其具有优异的耐磨性和耐热粘着性的耐磨性铝合金材料。
根据上述[10]、[11]、[12]中所述的各耐磨性铝合金材料的制造方法，能够制造具有优异的可加工性、耐磨性、耐热粘着性、抗软化性，且可抑制锻造性、延性以及疲劳强度的降低的所要求形状的耐磨性铝合金材料。
附图说明
图1A是表示块-环(Block-on-Ring)试验方法的立体图。
图1B是表示块-环试验方法的耐磨性的评价方法的立体图。
附图标号说明
1...试件
2...环
3...磨痕
具体实施方式
本发明的可加工性优异的耐磨性铝合金材料(以下简称为铝合金材料)，规定合金组成，并且在金属组织上控制初晶Si粒子以及金属间化合物的粒径和分布状态，是可加工性和耐磨性均优异的合金材料。
铝合金，比以往的耐磨性铝合金降低Si浓度，使可加工性提高，同时利用通过添加Cu和Ni而形成的金属间化合物，弥补伴随着Si浓度的降低而降低的耐磨性。
在上述铝合金组成中，作为必需元素含有Si、Cu、Mg、Ni以及P，而且任意地含有Mn、Fe。以下对于构成铝合金材料的铝合金中的各元素的添加意义以及浓度的限定原因进行详细说明。
Si：是通过初晶Si、共晶Si的分布而提高耐磨性、耐热粘着性，并且与Mg共存而析出Mg2Si粒子，使机械强度提高的元素，其浓度确定为13～15质量％。在不到13质量％时，上述效果较小，在超过15质量％时，初晶Si的结晶增多，延性、韧性降低，可加工性变差，另外，有可能使疲劳强度降低。优选的Si浓度为13.5～14.5质量％。
Cu：是形成Al-Cu系结晶物，并且与Ni共存而形成Al-Ni-Cu系结晶物，提高耐磨性、耐热粘着性、抗软化性，并且析出CuAl2粒子，使机械强度提高的元素，其浓度确定为5.5～9质量％。在Cu浓度不到5.5质量％时，上述效果较小，在超过9质量％时，Al-Cu系、Al-Ni-Cu系的粗大结晶物增加，锻造性、延性、韧性降低，可加工性变差，并且有可能使疲劳强度降低。优选的Cu浓度为7～9质量％。
Mg：是通过与Si的共存而析出Mg2Si粒子，使机械强度提高的元素，其浓度确定为0.2～1质量％。在Mg浓度不到0.2质量％时，上述效果较小，在超过1质量％时，Mg2Si的粗大结晶物增加，锻造性、延性、韧性降低，可加工性变差，并且有可能使疲劳强度降低。优选的Mg浓度为0.3～0.7质量％。
Ni：是形成Al-Ni系结晶物，而且与Cu共存形成Al-Ni-Cu系结晶物，提高耐磨性、耐热粘着性、抗软化性的元素，其浓度确定为0.5～1质量％。在Ni浓度不到0.5质量％时，上述效果较小，在超过1质量％时，粗大的结晶物增加，锻造性、延性、韧性降低，可加工性变差，而且存在使疲劳强度降低的危险性。优选的Ni浓度为0.65～0.85质量％。
P：是使初晶Si微细化，提高耐磨性、耐热粘着性，同时起着抑制锻造性、延性、疲劳强度的降低的作用的元素，其浓度确定为0.003～0.03质量％。在P浓度不到0.003质量％时，初晶Si的微细化效果较小，在超过0.03质量％时AlP粒子增加，锻造性、延性、韧性降低，存在可加工性变差的危险性。优选的P浓度为0.003～0.02质量％。
Mn和Fe：是通过结晶出Al-Mn系粒子、Al-Fe-Mn-Si系粒子、Al-Fe系粒子、Al-Fe-Si系粒子、Al-Ni-Fe系粒子结晶来提高耐磨性、耐热粘着性的元素，通过添加其中的至少一种元素，能够得到上述效果，Mn浓度确定为0.15～0.5质量％、Fe浓度确定为0.1～0.5质量％。在Mn浓度不到0.15质量％或者Fe浓度不到0.1质量％时，上述效果较小，在Mn浓度或Fe浓度超过0.5质量％时，粗大的结晶物增加，锻造性、延性、韧性降低，可加工性变差，而且存在使疲劳强度降低的危险性。优选的Mn浓度为0.15～0.3质量％，优选的Fe浓度为0.1～0.3质量％。
此外，通过添加Cu以及Ni，即使将铝合金材料置于高温状态，仍然能够抑制硬度的降低。并且，由于高温时的抗软化性得到提高，即使实施高温表面处理，也能够抑制铝合金构件的硬度降低。
在上述铝合金组成中，上述元素的其余部分是Al以及杂质。
在本发明的铝合金材料的金属组织中，初晶Si粒子以及金属间化合物，对可加工性、耐磨性、耐热粘着性造成影响。以下对于在铝合金材料的任意截面上观察到的初晶Si粒子以及金属间化合物的粒径和面积占有率进行详述。
初晶Si粒子，其平均粒径确定为10～30μm。在平均粒径不到10μm时，耐磨性、耐热粘着性降低，在超过30μm时，锻造性、切割性降低，可加工性变差。优选的初晶Si粒子的平均粒径为10～20μm。另外，初晶Si粒子的面积占有率确定为3～12％。在面积占有率不到3％时，耐磨性、耐热粘着性降低，在超过12％时，锻造性、切割性降低，可加工性变差。优选的初晶Si粒子的面积占有率为5～8％。
在铝合金材料中，对可加工性、耐磨性、耐热粘着性造成影响的金属间化合物是Al-Ni系化合物、Al-Cu-Ni系化合物、Al-Ni-Fe系化合物、CuAl2、Al-(Fe，Mn)-Si系化合物，规定这些金属间化合物的平均粒径以及面积占有率。
上述金属间化合物的平均粒径为1.5～8μm。在平均粒径不到1.5μm时，耐磨性、耐热粘着性降低，在超过8μm时，锻造性、切割性降低，可加工性变差。优选的金属间化合物的平均粒径为2～5μm。另外，上述金属间化合物的面积占有率确定为4～12％。在面积占有率不到4％时，耐磨性、耐热粘着性降低，在超过12％时，锻造性、切割性降低，可加工性变差。优选的金属间化合物的面积占有率为5～8％。
再者，在本发明的铝合金材料中也形成Mg2Si，但在Mg为上述浓度范围时，结晶量较少，相比于上述的金属间化合物，对可加工性、耐磨性、耐热粘着性造成的影响较小。
上述的本发明的铝合金材料，可通过在规定条件下对上述的化学组成的铝合金铸锭实施均质化处理来制造。换言之，初晶Si粒子以及金属间化合物的粒径和面积占有率，可通过均质化处理来控制。
铸锭的制造方法没有限定，除了热顶连铸法、水平连铸等的连续铸造以外，在铸模内凝固的铸锭也包括在本发明内。
在铸造中，从铸模拉出铸锭的速度即铸造速度优选为80～1000mm/分钟(更优选为200～1000mm/分钟)。这是为了初晶Si粒子变得微细均匀，锻造性、切割性、耐磨性、耐热粘着性提高。当然，本发明的作用效果，并不由铸造速度限定，但铸造速度快时，其效果显著。另外，流入铸模的熔融液的平均温度，优选设定为比液相线高60～230℃(更优选比液相线高80～200℃)。在熔融液温度过低时，会形成粗大的初晶Si粒子，存在锻造性、切割性降低的危险性。熔融液温度过高时，大量的氢气会进入熔融液中，在铸锭中作为气孔而存在，存在锻造性、切割性降低的危险性。
通过将铝合金铸锭在450～500℃的温度保持3～12小时来进行均质化处理，在处理温度不到450℃时，金属间化合物的平均粒径小，耐磨性、耐热粘着性降低，在超过500℃时，存在共晶熔化的危险性。另外，在处理时间不到3小时时，金属间化合物的平均粒径小，耐磨性、耐热粘着性降低，在超过12小时时，制造费用增加。优选的均质化处理条件是470℃以上且不到500℃×4～8小时。
实施了上述均质化处理的铸锭，通过机械加工和/或塑性加工，成形为所希望的形状。这些加工方法不作限定，作为机械加工，可以例举切割、切削；作为塑性加工，可以例举锻造、挤压、轧制等，通过单独地进行这些加工、或者将这些加工任意组合，来成形为所希望的形状。对于铸锭的金属组织，由于初晶Si粒子和金属间化合物的粒径以及面积占有率形成为上述范围，因此可加工性良好，可以降低加工所需要的能量，并且成形品的尺寸精度也良好。另外，在机械加工中，能够延长工具寿命。
成形为所希望的形状的成形品，根据需要实施固溶处理、淬火、时效处理等的热处理，使铝合金材料的特性提高。优选的固溶处理条件是在480～500℃保持1～3小时，优选的淬火条件是采用水温60℃以下的水进行的水冷，优选的时效条件是在150～230℃保持1～16小时。
通过上述的热处理，初晶Si粒子的粒径以及面积占有率基本不变化，另外，金属间化合物的粒径以及面积占有率的变化很小，通过上述的金属组织，可以得到优异的耐磨性、耐热粘着性、抗软化性。因此，本发明的铝合金材料包括：均质化处理后成形加工前的铝合金材料、已成形加工为所希望的形状的铝合金材料、进一步实施了热处理的铝合金材料。铝合金材料的形状也不作限定。
另外，在从铸锭制造到成形为最终形状的期间，可以任意地插入众所周知的工序。例如，可以任意地实施矫正连铸材料的直度、圆度的工序、去除外周部的不均匀层、内部缺陷的工序、检查铸锭的表面以及内部的工序。
本发明的铝合金材料，由于耐磨性、耐热粘着性优异，因此适合作为容易引起粘着现象的滑动部件、尤其是在作为润滑剂未充分流动的起动时容易引起胶着现象的滑动构件。具体地讲，可以例举自动变速器的滑阀(valve spool)以及阀套、制动器钳活塞(brake caliper piston)、制动器钳、动力转向装置用泵盖(pump cover)、发动机气缸套、车空调用压缩机的斜板。
实施例
对于表1所示的组成的铝合金，用热顶连铸机连铸出直径80mm的圆棒，切割成规定尺寸，在表1所示的条件下实施均质化处理。然后，将均质化处理后的连铸圆棒用硬质合金锯片切割成厚度30mm。接着，将该30mm厚的坯材预热到420℃后，镦锻成15mm厚。然后，对该镦锻品在495℃下实施3小时的固溶处理，进行水冷，再在190℃下实施6小时的时效处理。
表1
Figure A200780041633D00121
在上述工序中，对于均质化处理后的连铸圆棒以及时效处理后的镦锻品，由下述方法测定初晶Si粒子以及金属间化合物的平均粒径、面积占有率。另外，对于均质化处理后的连铸圆棒，由下述方法评价切割性以及锻造性。而且，对于时效处理后的镦锻品，由下述方法评价耐热粘着性、耐磨性、抗软化性。这些评价结果分别示于表2和表3。
[初晶Si粒子以及金属间化合物的平均粒径、面积占有率]
在均质化处理后的连铸圆棒上，从纵截面外周部与中央部的中间部切取组织观察用样品。另外，在镦锻品上，从厚度方向的截面外周部与中央部的中间部切取组织观察用样品。将这些样品微细研磨，将采用金属显微镜观察到的微观组织，利用图象处理装置测定初晶Si粒子以及金属间化合物的平均粒径和面积占有率。
[切割性]
将均质化处理后的连铸圆棒用硬质合金锯片切割成厚度30mm时，用电动机传感器(motor sensor)测定切割中的最大负荷功率值(W)。
[锻造性]
均质化处理后，从连铸圆棒切取直径15mm、高度2mm的试件，将试件加热至350℃，用630吨机械式压力机将试件镦锻成各种厚度。在该试验中，调查试件上不发生裂纹的极限镦锻率(％)。
[耐热粘着性]
根据图1A所示的块-环试验进行评价。
试件(1)是从镦锻品的外周部、和径向以及高度方向的中间部切取长15.76mm×宽6.36mm×高10mm的块，将其作为试件。环(2)由高铬钢(JISG4805SUJ2)制成，外径为35mm，宽度为8.7mm，内周部带有锥度(taper)，一端侧的内径为31.2mm，另一端侧的内径为25.9mm。
试验气氛为室温下的大气中，在上述试件(1)和环(2)上涂布作为润滑剂的制动液(brake fluid)，将试件(1)靠在环(2)上施加载荷，并使环(2)旋转，使试件(1)和环(2)滑动。上述环(2)的转速在340rpm下恒定，以200N的载荷开始试验，每隔5分钟使载荷增加200N，直到1400N，调查转矩(torque)急剧上升的热粘着载荷。
[耐磨性]
与上述耐热粘着性试验同样地由镦锻品制作试件(1)，使用相同的环(2)，浸渍在制动液中直到环(2)的2/3的高度，进行块-环试验。在该试验中，伴随着上述环(2)的旋转，制动液被卷扬到试件(1)的高度。在环(2)的转速340rpm、试验载荷1300N下进行10分钟磨损试验，测定在试件(1)上形成的磨痕(3)的宽度(W)(参照图1B)。
[耐软化性]
将实施例2和3以及比较例1的镦锻品在240℃以及280℃下加热60分钟或120分钟后，测定硬度(HRB)，与加热前(表中的加热0分钟)的硬度进行比较。
表2
Figure A200780041633D00151
由表2以及表3所示的结果确认，通过规定合金组成、初晶Si粒子的平均粒径以及面积占有率、金属间化合物的平均粒径以及面积占有率，可得到优异的可加工性、耐磨性、耐热粘着性、抗软化性。
本申请要求在2006年11月10日申请的日本国专利申请的特愿2006-305169号的优先权，其公开的内容原样地构成本申请的一部分。
在此使用的用语以及表述是为了说明而使用的，并不是为了限定性地解释而使用，在此表示和叙述的特征事项也不排除任何均等物，必须认识到也容许本发明的请求保护的范围内的各种变形。
产业上的利用可能性
本发明的耐磨性铝合金材料，可加工性良好，因此加工成所要求的形状，可以很好地作为各种滑动部件使用。
本发明中表示数值范围的“以上”和“以下”均包括本数。

Claims (12)

1.一种可加工性优异的耐磨性铝合金材料，其特征在于，由下述铝合金构成，所述铝合金含有Si：13～15质量％、Cu：5.5～9质量％、Mg：0.2～1质量％、Ni：0.5～1质量％以及P：0.003～0.03质量％，其余量由Al以及不可避免的杂质构成，
初晶Si粒子的平均粒径为10～30μm，截面中的初晶Si粒子的面积占有率为3～12％，金属间化合物的平均粒径为1.5～8μm，截面中的金属间化合物的面积占有率为4～12％。
2.根据权利要求1所述的可加工性优异的耐磨性铝合金材料，在所述铝合金中，含有Mn：0.15～0.5质量％、Fe：0.1～0.5质量％之中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的可加工性优异的耐磨性铝合金材料，所述初晶Si粒子的平均粒径为10～20μm。
4.根据权利要求1或2所述的可加工性优异的耐磨性铝合金材料，截面中的所述初晶Si粒子的面积占有率为5～8％。
5.根据权利要求1或2所述的可加工性优异的耐磨性铝合金材料，所述金属间化合物的平均粒径为2～5μm。
6.根据权利要求1或2所述的可加工性优异的耐磨性铝合金材料，截面中的所述金属间化合物的面积占有率为5～8％。。
7.一种可加工性优异的耐磨性铝合金材料的制造方法，其特征在于，对铝合金铸锭在450～500℃实施3～12小时的均质化处理，所述铝合金铸锭含有Si：13～15质量％、Cu：5.5～9质量％、Mg：0.2～1质量％、Ni：0.5～1质量％以及P：0.003～0.03质量％，其余量由Al以及不可避免的杂质构成。
8.根据权利要求7所述的可加工性优异的耐磨性铝合金材料的制造方法，在所述铝合金铸锭中，含有Mn：0.15～0.5质量％、Fe：0.1～0.5质量％之中的至少一种。
9.根据权利要求7或8所述的可加工性优异的耐磨性铝合金材料的制造方法，在470℃以上且不到500℃、4～8小时的条件下进行所述均质化处理。
10.根据权利要求7或8所述的可加工性优异的耐磨性铝合金材料的制造方法，对实施了所述均质化处理的铝合金铸锭，实施机械加工和塑性加工中的至少一方的加工。
11.根据权利要求10所述的可加工性优异的耐磨性铝合金材料的制造方法，所述机械加工是切割。
12.根据权利要求10所述的可加工性优异的耐磨性铝合金材料的制造方法，所述塑性加工是锻造。
CNA2007800416335A 2006-11-10 2007-11-08 可加工性优异的耐磨性铝合金材料及其制造方法 Pending CN101535515A (zh)

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PB01 Publication
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