JP2003293067A - 快削性の共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 快削性と耐磨耗性に優れ、熱処理過程によっ
て高強度を保持することが可能な共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金
を提供すること。 【解決手段】 共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金において、Ｃｕ
３.０〜５.０ｗｔ％、Ｓｉ１０.０〜１３.０ｗｔ％、Ｆ
ｅ０.２〜０.５ｗｔ％、Ｂｉ２.５〜５.０ｗｔ％、Ｓｂ
０.１〜０.３ｗｔ％、Ｍｇ０.１ｗｔ％以下、Ｎｉ０.１
ｗｔ％以下、その他の元素の合計が０.５ｗｔ％以下で
あり、残りがＡｌである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は快削性と耐磨耗性に
優れた共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金に関する。なお、本発明に
おいて、快削性とは被削性(machinability)に優れるこ
とを意味する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金は、車両
用または家電用エアコン向けコンプレッサのスクロール
やピストンなどのように成形性、加工性及び耐磨耗性が
要求される用途に有用に用いられる。スクロールやピス
トンなどの摩擦面には持続的に潤滑剤が供給されなけれ
ばならないが、潤滑剤の供給が円滑でない場合は摩擦金
属間で焼着現象(seizure)が発生するので、このような
用途の材質としては成形性、加工性及び耐磨耗性に優れ
た材質の金属が用いられる。

【０００３】一方、車両や家電製品などの軽量化のため
には低比重の金属が求められるが、耐磨耗性に優れる低
比重の金属であっても、被削性など加工性に優れなけれ
ば、製造コストを上昇させることになる。鋳鉄や青銅な
どの金属は耐磨耗性及び被削性には優れるが、比重が高
いという問題があり、最近はＡｌ系合金が多く用いられ
ている。一般に、金属においては、延性に優れると、成
形性が改善される。

【０００４】耐磨耗性に優れるし、軽量化にも対応した
成形性及び加工性を有し、さらに比較的優れる従来の共
晶Ａｌ−Ｓｉ系合金として代表的なものを表１に示す。

【０００５】

【表１】 従来の耐磨耗性共晶Ａｌ−Ｓｉ系合成の組成

【０００６】この分野では、前記表１の組成からなる合
金を、「Ａ４０３２合金」と呼んでいる。また、２種以
上の金属からなる合金では、溶融状態又は固溶体状態で
一つの金属に他の金属が溶解されて「合致化合物」(con
gruent compound)を成し得る金属の量は一定である。こ
の際、合致化合物を形成した合金を「平衡状態にある合
金」と言う。合致化合物を形成する組成で成される合金
を「共晶合金」(eutectic alloy)というが、これを合金
の平衡状態図(equilibrium diagram)で表示すると、共
晶合金は共晶点に位置する合金である。合金の平衡状態
図において、共晶点の左側に位置する合金を「亜共晶合
金」(hypo-eutectic alloy)といい、共晶点の右側に位
置する合金を「過共晶合金」(hyper-eutectic alloy)と
いう。Ａｌ−Ｓｉ系合金においては、Ｓｉ含量１２.５
ｗｔ％のものが合致化合物に該当するが、一般にＳｉ含
量１１〜１３ｗｔ％のものを「共晶合金」といい、Ｓｉ
含量がそれより低いものを「亜共晶合金」といい、Ｓｉ
含量がそれより高いものを過共晶合金という。

【０００７】従来、この分野で代表的に用いられている
「Ａ４０３２共晶合金」は、車両エアコン用コンプレッ
サのピストンに使用する場合、耐磨耗性を向上させるた
めに表面に陽極酸化処理(anodizing)やＳｎ鍍金処理の
ような表面処理を行なって使用しており、摩擦面への潤
滑剤の供給が円滑でない場合、金属間焼着現象(seizur
e)が発生するだけでなく、切削加工性に良好でないため
切削工具の磨耗率が非常に高くて製造コストが高くなる
という問題点がある。従って、従来のＡ４０３２合金に
比べて被削性と耐磨耗性に一層優れる素材の開発が求め
られる実状である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、快削
性と耐磨耗性に優れ、熱処理過程によって高強度を保持
することが可能な共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金を提供すること
にある。本発明者は、共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金を組成する
にあたり、Ｂｉとの反応性が大きいＳｒを使用すること
なく、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉの組成量を最小化した条件で、
Ｂｉと共にＢｉとの反応性のないＳｂを添加してＡｌ−
Ｓｉ−Ｃｕ−Ｂｉ系合金を組成することにより、従来の
共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金より快削性、耐磨耗性及び延性に
優れ、且つ熱処理過程によって高強度を保持することが
可能な共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金が得られることを確認し、
本発明を完成するに至った。従来の共晶Ａｌ−Ｓｉ系合
金において、組成成分としてＳｂを含有する合金はなか
った。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る快削性の共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金は次のと
おりである。 (１) 共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金において、Ｃｕ３.０〜５.
０ｗｔ％、Ｓｉ１０.０〜１３.０ｗｔ％、Ｆｅ０.２〜
０.５ｗｔ％、Ｂｉ２.５〜５.０ｗｔ％、Ｓｂ０.１〜
０.３ｗｔ％、その他の元素の合計が０.５ｗｔ％以下で
あり、残りがＡｌであることを特徴とする快削性の共晶
Ａｌ−Ｓｉ系合金。 (２) 共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金において、Ｃｕ３.０〜５.
０ｗｔ％、Ｓｉ１０.０〜１３.０ｗｔ％、Ｆｅ０.２〜
０.５ｗｔ％、Ｂｉ２.５〜５.０ｗｔ％、Ｓｂ０.１〜
０.３ｗｔ％、Ｍｇ０.１ｗｔ％以下、Ｎｉ０.１ｗｔ％
以下、その他の元素の合計が０.５ｗｔ％以下であり、
残りがＡｌであることを特徴とする快削性の共晶Ａｌ−
Ｓｉ系合金。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明は、共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金
に適正量のＳｂ、Ｃｕ、Ｂｉ及びＦｅ成分を添加して合
金を組成することにより、快削性、耐磨耗性及び延性に
優れると共に熱処理によって高強度を保持することが可
能な共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金に関する。Ａｌ−Ｓｉ合金に
おいてＢｉを添加して合金を組成すると、金属間焼着現
象を改善させることができると知られている。

【００１１】基体組織(base structure)内に均一に分散
されたＢｉ相は、切削加工中に発生するチップを細かく
分離させて排出を容易にし、切削加工中に発生する熱に
よって切削面の表面に染み出て（bleeding現象）切削面
の潤滑作用を助けて加工面を滑らかにして、加工面の平
滑度を向上させる。このため、切削加工を必要とするＡ
ｌ−Ｓｉ系合金において、Ｂｉを構成成分とすると、金
属間焼着現象を改善させることができると知られてい
る。

【００１２】Ａｌ−Ｓｉ系合金ではＳｉ相の改良化が要
求される。ここで、「改良化」(Modification)とは、も
ともと粗大で粗い針状(Coarse acicular)の共晶Ｓｉ相
を微細な繊維相(fine fiber phase)として基体組織内で
均一に分散させることをいう。ところが、Ａｌ−Ｓｉ系
合金においてＢｉを添加して合金を組成すると、Ｂｉが
反応性の大きい元素であって、Ｓｉ相の改良化に寄与す
る元素Ｓｒ、Ｎａ、Ｃａだけでなく、強度を強化させる
ために使用される元素Ｎｉ、Ｍｇと反応を起こしてこれ
ら元素の機能を低下させるうえ、反応結果として得られ
る不純物によって合金の機械的性質を低下させる。従っ
て、Ｂｉと反応する金属元素を組成成分とするＡｌ−Ｓ
ｉ合金では、反応によって損失されるＢｉ量を考慮して
過量のＢｉを添加しなければならない。

【００１３】合金は組成成分として含有された金属間の
金属結合で金属間化合物(intermetallic compound)を形
成しなければ所望の物理的性質を示すことができない
が、Ｂｉ相は、Ａｌと金属間化合物を形成せず独立的に
分布するため、Ａｌ−Ｓｉ系合金組織内に均一に分布せ
ず偏析(segregation)及び粗大化を生ずる。これによ
り、Ｓｉ相の改良化に寄与する元素の機能低下で、Ｓｉ
相も粗大化してＡｌ−Ｓｉ系合金の延性が低下するとい
う問題があり、特にＳｉ相の改良化の阻害によってＳｉ
の添加量の制限を受けるので、合金の耐磨耗性を増大さ
せるのに制限が伴う。ここで、粗大化とはＳｉ粒子のサ
イズが大きくて、粗い形状を有し、不均一に分布する状
態を指す。

【００１４】本発明は、Ａｌ−Ｓｉ系合金を組成するに
際して、Ｓｂと共にＣｕ、Ｂｉ、Ｆｅを適正量添加して
合金を組成することにより、被削性、耐磨耗性及び延性
を改善し且つ熱処理によって強度を増進させることが可
能な共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金に関する。Ｓｂは、Ｂｉと同
族（周期率表上５ｂ族）の元素であって、Ｂｉとは互い
に反応しない。Ｓｂは反応性の強いＢｉと反応せずＳｉ
相を改良化させる特性を示す。本発明の共晶Ａｌ−Ｓｉ
系合金は、ＳｂまたはＢｉとの反応性の大きいＳｒを使
用せず、Ｍｇ、Ｎｉの組成量を最小化した条件下でＳｂ
を構成成分として添加することにより、Ｓｉ相を改良化
させることができ、Ｂｉ相の偏析と粗大化を改善してＢ
ｉの特性を最大限得ることができるという特徴を有す
る。

【００１５】従って、本発明の共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金
は、Ｂｉの特性を豊富に備えることができるため、従来
のＡ４０３２合金に比べて優れた快削性と耐磨耗性を備
えることができ、Ｓｂによって改良化されたＳｉ相は切
削加工中に切削工具の磨耗量を減少させ、基体組織に均
一に分布したＢｉ相は切削加工中に発生する切削片を細
かく分離させて排出容易にし、切削加工中に発生する熱
によって低融点のＢｉが切削面に染み出て、切削加工中
の潤滑作用に助けて切削面の平滑度を大幅向上させるこ
とができる。本発明の合金において、ＣｕはＣｕＡｌ₂
相を形成して熱処理過程によって高引張強度を維持でき
るようにする。Ｆｅは２次樹枝状晶の枝と枝との間隔
（SecondDendrite Arm Spacing)を減らす役割をして合
金の靭性を増加させる。

【００１６】本発明の合金は、従来のＡ４０３２合金と
同様に、陽極酸化処理やＳｎ鍍金などの表面処理をしな
くても、車両エアコン用コンプレッサのピストンの材質
として使用することができる。特に、ＳｂがＢｉとは反
応を起こさず、Ｂｉ相をＡｌ基体組織内に均一に分布さ
せることにより、比較的高い比重（９.８ｇ/ｃｍ³）と
低い融点（２７１℃）を有するＢｉが相対的に低い比重
（２.７ｇ/ｃｍ³）と高い融点（６６０℃）を有するＡ
ｌの基地組織内で発生する偏析と不均一な分布による焼
着現象による機械的性質の低下を防止して、従来の共晶
Ａｌ−Ｓｉ系合金の欠点である低い延性を向上させるこ
とができる。また、金属間摩擦の際、低融点のＢｉが摩
擦表面の潤滑作用を助けて摩擦熱による金属間焼着(sei
zure)現象を防止することができるため、耐磨耗性を増
大させることができる。

【００１７】以下、実施例によって本発明を具体的に説
明する。

【実施例１】Ｃｕ４４.５ｋｇ、Ｓｉ１１８ｋｇ、Ｆｅ
３.５ｋｇ、Ｂｉ３２ｋｇ、Ｓｂ２.２ｋｇを秤で計って
溶解炉に投入した。これらの金属は合金製造用高純度の
ものを使用した。約７００℃で３〜４時間加熱溶融させ
た後、連続鋳造工法を用いて直径１３０ｍｍのビレット
(billet)を得、直径２８ｍｍに押出された試片を分光分
析器(モデル名OBLF・QSN#750)を使用して成分を分析した
結果、ここで得られた合金が表２に記載の組成からなる
ことを確認することができた。実施例１から得られたＡ
ｌ−Ｓｉ系合金と従来のＡ４０３２合金（対照）との組
成比を比較すれば、次の表２の通りである。

【００１８】

【表２】

【００１９】次の表３は実施例１から得られた本発明の
合金と前記従来のＡ４０３２合金をＴ ₆熱処理した後、
機械的性質を対比して示したものである。

【００２０】

【表３】

【００２１】次の表４は実施例１から得られたＡｌ−Ｓ
ｉ系合金とＡ４０３２合金で製造した車両エアコン用ピ
ストンを万能試験機（モデル名TIRA.TT.27100）を用い
て破断強度を試験した結果を示す。

【００２２】

【表４】

【００２３】＜焼着試験＞車両エアコン用コンプレッサ
に、実施例１から得られた合金で製造したピストン（何
らの表面処理もしないもの）を装着したものと、従来の
Ａ４０３２合金で製造されたピストン（表面にＳｎ鍍金
処理をしたもの）を装着したものとの焼着現象を次のよ
うに比較実験した。

【００２４】＜実験条件＞コンプレッサの内部オイルを
全部除去し、Ｒ１３４ａ冷媒(coolant)のみを供給しな
がらＲＰＭ１５００で回転させ、ピストンに焼着現象が
発生する時点を測定した。その結果、Ａ４０３２合金で
製造しＳｎ鍍金で表面処理を行なったピストンは僅か９
分後に焼着現象が現れたが、本発明の合金で製造された
ピストン（表面処理をしないもの）は２００時間経過す
るまで焼着現象が現れなかった。

【００２５】図１は、実施例１から得られた共晶Ａｌ−
Ｓｉ系合金を光学顕微鏡でみた組織写真である。写真に
おいて黒点で表示される部分は共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金で
共晶Ｓｉ相を示す。図１によれば、共晶Ｓｉ相が微細で
均一に分布されている。これはＳｉ相の改良化が良好に
行なわれたことを示す。

【００２６】図２は、実施例１から得られたＡｌ−Ｓｉ
系合金においてＢｉ相部分のみをエッチングして除去し
た後、光学顕微鏡でみた組織写真である。図２では、Ｂ
ｉ相が基地組織内で均一に分布した後、エッチングで除
去されたことを示している。

【００２７】図３は、実施例１から得られた合金の切削
片の状態を示す写真である。これは７８０ＲＰＭで試片
を回転させながら切削工具を用いて切削した時に得られ
た切削片である。ここでは切削片が良く分離されて排出
されたことを確認させるもので、この切削片は平均０.
８μｍの粗度(roughness)を有し、切削面の平滑度が非
常に優れることを示す。

【００２８】図４は、Ａ４０３２合金の切削片の状態を
示す写真である。７８０ＲＰＭで試片を回転させながら
切削工具を用いて切削した時に得られた切削片である。
切削片が良く分離されないで連続的な状態を維持してい
ることを示しており、この切削片の粗度は平均１.３μ
ｍであった。これは切削面の平滑度が本発明の合金に比
べて劣ることを示す。

【００２９】本発明者は、実施例１から得られた合金の
各構成成分の組成を一定の範囲内で増減させる一方、実
施例１の方法で類似した組成の合金を製造してみた結
果、Ｃｕ３.０〜５.０ｗｔ％、Ｓｉ１０.０〜１３.０ｗ
ｔ％、Ｆｅ０.２〜０.５ｗｔ％、Ｂｉ２.５〜５.０ｗｔ
％、Ｓｂ０.１〜０.３ｗｔ％、Ｍｇ０.１ｗｔ％以下、
Ｎｉ０.１ｗｔ％以下、その他の元素の合計が０.５ｗｔ
％以下であり、残りがＡｌの場合、実施例１から得られ
たＡｌ−Ｓｉ系合金と極めて類似した機械的強度と優れ
た延伸率を有するＡｌ−Ｓｉ系合金が得られることを確
認することができた。

【００３０】

【発明の効果】本発明の共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金は、被削
性に優れて切削作業を容易にするだけでなく、切削工具
の寿命を延長させると共に切削加工面の平滑度を向上さ
せることができるという利点がある。また、車両エアコ
ン用コンプレッサのピストンとして使用できるほどの衝
撃強度、引張強度、降伏強度、硬度などの機械的性質を
維持しながらも、延伸率、耐磨耗性及び成形加工性に優
れて、陽極酸化処理やＳｎ鍍金などの表面処理をしなく
ても、車両エアコン用コンプレッサのピストンの如き耐
磨耗性が要求される用途に使用することができるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１から得られた共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金を
光学顕微鏡でみた組織写真である。

【図２】実施例１から得られた共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金の
Ｂｉ相部分のみをエッチングして除去した後光学顕微鏡
でみた組織写真である。

【図３】実施例１から得られた合金の切削片の状態を示
す写真である。

【図４】Ａ４０３２合金の切削片の状態を示す写真であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヨウング セク ヤング コーリア、キュンギ、アヤンシティー、ヒ ューンチョン、206−1304、エーピーティ ー、ヒュンダイ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金において、Ｃｕ
   ３.０〜５.０ｗｔ％、Ｓｉ１０.０〜１３.０ｗｔ％、Ｆ
   ｅ０.２〜０.５ｗｔ％、Ｂｉ２.５〜５.０ｗｔ％、Ｓｂ
   ０.１〜０.３ｗｔ％、その他の元素の合計が０.５ｗｔ
   ％以下であり、残りがＡｌであることを特徴とする快削
   性の共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金。
2. 【請求項２】 共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金において、Ｃｕ
   ３.０〜５.０ｗｔ％、Ｓｉ１０.０〜１３.０ｗｔ％、Ｆ
   ｅ０.２〜０.５ｗｔ％、Ｂｉ２.５〜５.０ｗｔ％、Ｓｂ
   ０.１〜０.３ｗｔ％、Ｍｇ０.１ｗｔ％以下、Ｎｉ０.１
   ｗｔ％以下、その他の元素の合計が０.５ｗｔ％以下で
   あり、残りがＡｌであることを特徴とする快削性の共晶
   Ａｌ−Ｓｉ系合金。