JP2004143511A - 耐摩耗性アルミニウム合金長尺体およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】耐摩耗性とシャー切断性に優れるとともに、鍛造性に優れ、膨れやブリスターの発生を防止することが可能な耐摩耗性アルミニウム合金長尺体およびその製造方法を提供することである。
【解決手段】耐摩耗性アルミニウム合金長尺体は、Ｓｉを４．５〜１３質量％、鉄を０．００１〜０．３質量％、Ｍｇを０．１〜２質量％、Ｍｎを０．００１〜０．３質量％、Ｃｒを０．００１〜０．３質量％、Ｔｉを０．００５〜０．０５質量％、Ｃａ、ＳｂおよびＰのうち少なくとも１種の元素を合計で０．００３〜０．５質量％以下含み、残部がＡｌと不可避不純物からなり、内部に存在するＳｉ粒子の大きさが平均値で５μｍ以下、最大値で２０μｍ以下であり、Ａｌ合金の結晶組織が熱間圧延組織、再結晶組織、または、熱間圧延組織と再結晶組織の混合組織からなる群より選ばれた１種の組織である。
【選択図】 なし
【解決手段】耐摩耗性アルミニウム合金長尺体は、Ｓｉを４．５〜１３質量％、鉄を０．００１〜０．３質量％、Ｍｇを０．１〜２質量％、Ｍｎを０．００１〜０．３質量％、Ｃｒを０．００１〜０．３質量％、Ｔｉを０．００５〜０．０５質量％、Ｃａ、ＳｂおよびＰのうち少なくとも１種の元素を合計で０．００３〜０．５質量％以下含み、残部がＡｌと不可避不純物からなり、内部に存在するＳｉ粒子の大きさが平均値で５μｍ以下、最大値で２０μｍ以下であり、Ａｌ合金の結晶組織が熱間圧延組織、再結晶組織、または、熱間圧延組織と再結晶組織の混合組織からなる群より選ばれた１種の組織である。
【選択図】 なし
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、シャー切断性と鍛造性に優れた耐摩耗性アルミニウム合金長尺体およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
機械的特性と冷間加工性に優れた耐摩耗性アルミニウム合金長尺体とその製造方法は、たとえば、特許文献１（特開２００１−２００３２６号公報）で提案されている。
【０００３】
上記の特許公開公報で提案された耐摩耗性アルミニウム合金長尺体は、シリコンを７〜１３重量％、鉄を０．００１〜０．２重量％、マンガンおよびクロムの少なくとも１つを０．００１〜０．２５重量％、ストロンチウムを０．００３〜０．０３重量％、チタンを０．００５〜０．０３重量％含み、残部がアルミニウムおよび不可避不純物であり、かつ、最大のシリコン粒の大きさが４０μｍ以下であり、さらに、結晶組織が熱間圧延組織、あるいは再結晶組織、あるいは熱間圧延組織と再結晶組織の混合組織からなることを特徴とする。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２００３２６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特許公開公報で提案されたアルミニウム合金では、シリコン粒子の微細化剤としてストロンチウムを添加している。すなわち、ストロンチウムの添加によってシリコン粒子が大きくなるのを抑制し、さらにシリコン粒子の粒径のばらつきを熱処理により緩和することによって、シリコン粒子の粒径と粒径分布を制御している。
【０００６】
アルミニウム合金の鋳造材中には、相対的に遅い冷却速度で鋳造された箇所と相対的に速い冷却速度で鋳造された箇所とが存在するので、シリコン粒子の大きさに分布が生じる。ところが、ストロンチウムの添加によって微細化したシリコン粒子は、熱処理を行なうと、小さいシリコン粒子ほど速く成長し、温度と時間に対する依存性が認められるとしても、粒径がある程度になると粒成長が鈍化する。このため、相対的に遅い冷却速度で鋳造された箇所と相対的に速い冷却速度で鋳造された箇所との間でシリコン粒子の大きさに差がなく、シリコン粒子の粒径が均一になる。
【０００７】
しかしながら、アルミニウム合金長尺体の表層と内部で微細化されたシリコン粒子が均一に存在するので、多量のシリコン粒子が中心近傍の領域まで存在することになる。その結果、上記のアルミニウム合金長尺体に鍛造加工を施すと、強加工された部分において鍛造割れ等の欠陥が生じるという問題があった。
【０００８】
また、上記の特許公開公報で提案されたアルミニウム合金には、限定された含有量でストロンチウムが添加されているが、ストロンチウムは本来的に溶湯中に水素を吸蔵する作用を果たす元素である。このため、アルミニウム合金鋳造材の熱処理時に鋳造材中の水素が気化し、膨れやブリスターが生じるという問題があった。
【０００９】
そこで、この発明の目的は、耐摩耗性とシャー切断性に優れるとともに、鍛造性に優れ、膨れやブリスターの発生を防止することが可能な耐摩耗性アルミニウム合金長尺体およびその製造方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明に従った耐摩耗性アルミニウム合金長尺体は、シリコン（Ｓｉ）を４．５質量％以上１３質量％以下、鉄（Ｆｅ）を０．００１質量％以上０．３質量％以下、マグネシウム（Ｍｇ）を０．１質量％以上２質量％以下、マンガン（Ｍｎ）を０．００１質量％以上０．３質量％以下、クロム（Ｃｒ）を０．００１質量％以上０．３質量％以下、チタン（Ｔｉ）を０．００５質量％以上０．０５質量％以下、カルシウム（Ｃａ）、アンチモン（Ｓｂ）およびリン（Ｐ）からなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を合計で０．００３質量％以上０．５質量％以下含み、残部がアルミニウム（Ａｌ）と不可避不純物からなり、内部に存在するシリコン粒子の大きさが平均値で５μｍ以下、最大値で２０μｍ以下であり、かつ、アルミニウム合金の結晶組織が熱間圧延組織、再結晶組織、および、熱間圧延組織と再結晶組織の混合組織からなる群より選ばれた１種の組織である。
【００１１】
この発明の耐摩耗性アルミニウム合金長尺体は、銅（Ｃｕ）を０．００１質量％以上、５質量％以下含むのが好ましい。
【００１２】
また、この発明の耐摩耗性アルミニウム合金長尺体において、アルミニウム合金の表面硬度がロックウエル硬さのＦスケールで８０以上であることが好ましい。
【００１３】
さらに、アルミニウム合金の表面粗さをＲｍａｘで１０μｍ以下にするのが好ましい。
【００１４】
この発明に従った耐摩耗性アルミニウム合金長尺体は、ダイス皮剥ぎ処理が施された表面を有するのが好ましい。
【００１５】
この発明に従った耐摩耗性アルミニウム合金長尺体において、好ましくは、アルミニウム合金長尺体の外周面から中心に向かってアルミニウム合金長尺体の外径の１０％に相当する深さまでの領域に存在するシリコン粒子の個数密度（個／ｍｍ２）が、アルミニウム合金長尺体の中心から外周面に向かってアルミニウム合金長尺体の外径の１０％に相当する距離隔てた箇所までの領域に存在するシリコン粒子の個数密度（個／ｍｍ２）に対して１．２５倍以上の比率を有する。
【００１６】
この発明に従った耐摩耗性アルミニウム合金長尺体の製造方法は、以下の工程を備える。
【００１７】
（ａ） シリコンを４．５質量％以上１３質量％以下、鉄を０．００１質量％以上０．３質量％以下、マグネシウムを０．１質量％以上２質量％以下、マンガンを０．００１質量％以上０．３質量％以下、クロムを０．００１質量％以上０．３質量％以下、チタンを０．００５質量％以上０．０５質量％以下、カルシウム、アンチモンおよびリンからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を合計で０．００３質量％以上０．５質量％以下含み、残部がアルミニウムと不可避不純物からなるアルミニウム合金を溶解することによって溶湯を得る工程。
【００１８】
（ｂ） デンドライトの２次枝間隔が４０μｍ以下となるように上記の溶湯を連続鋳造することによって鋳造体を得る工程。
【００１９】
（ｃ） ３５０℃以上５００℃以下の温度範囲で４０％以上の加工度で鋳造体を熱間圧延することによって圧延体を得る工程。
【００２０】
（ｄ） ３００℃以上４８０℃以下の温度範囲で２時間以上５０時間以下、圧延体を熱処理する工程。
【００２１】
この発明の耐摩耗性アルミニウム合金長尺体の製造方法においては、アルミニウム合金が銅を０．００１質量％以上、５質量％以下含むのが好ましい。
【００２２】
また、この発明の耐摩耗性アルミニウム合金長尺体の製造方法においては、アルミニウム合金の溶湯中に存在する水素量がアルミニウム１００ｇ当たり０．１５ｃｃ以下であるのが好ましい。
【００２３】
さらに、この発明の耐摩耗性アルミニウム合金長尺体の製造方法においては、熱処理する工程の後、圧延体の表面にダイス皮剥ぎ処理を施すのが好ましい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について詳細に述べる。
【００２５】
本発明の耐摩耗性アルミニウム合金長尺体は、たとえば、カーエアコンディショナ用ピストンのように、鍛造加工により成形され、耐摩耗性の要求特性の高い用途に適している。すなわち、連続鋳造圧延されることにより、得られたアルミニウム合金の表面部分を摺動面として配置することによって、耐摩耗性が飛躍的に向上する。
【００２６】
本発明のアルミニウム合金における各成分元素の含有量の限定理由は以下のとおりである。
【００２７】
マグネシウムの添加は強度を決定し、この量が少なすぎると強度が不足し、多すぎると脆化挙動を示す。たとえば、カーエアコンディショナ用ピストンのように高い耐摩耗性が要求される用途では、耐摩耗性とダイス皮剥ぎ性を考慮すると、マグネシウムの含有量が０．１質量％以上２質量％以下の範囲内である必要がある。
【００２８】
シリコンは、その添加量、粒径、粒径分布が耐摩耗性に影響を与える。粒径と粒径分布の制御は、製造方法に依存するところが大きい。本発明では、冷却速度の分布やばらつきを許容するため、晶出するシリコン粒子のサイズが大きくなる傾向がある。しかし、本発明では、カルシウム、アンチモンまたはリンのいずれか１種または２種以上の添加によってシリコン粒子のサイズが大きくなるのを抑制するとともに、冷却速度に応じてシリコン粒子の微細化の程度を制御することができる。すなわち、アルミニウム合金長尺体において、相対的に速い冷却速度で冷却された外周表層近傍部分では微細化されたシリコン粒子が比較的密に分布し、相対的に遅い冷却速度で冷却された中心近傍部分で微細化されたシリコン粒子が比較的疎に分布する。このように凝固時の冷却速度を最適化することによりシリコン粒子の粒径と粒径分布を制御することによって、シリコン粒子が中心近傍部分まで多量に存在することがなくなる。すなわち、凝固時の冷却速度を最適化することにより中心近傍領域でのα相の領域を比較的大きくすることによって、内部に存在するシリコン粒子の密度を低減させることができる。これにより、外周表層近傍においてシリコン粒子を高密度に分布させることによって耐摩耗性を確保するとともに、鍛造加工を施しても、鍛造割れ等の欠陥が生じるのを効果的に防止することができる。
【００２９】
良好な鍛造性を得るためには、アルミニウム合金長尺体の外周面から中心に向かってアルミニウム合金長尺体の外径の１０％に相当する深さまでの領域に存在するシリコン粒子の個数密度（個／ｍｍ２）は、アルミニウム合金長尺体の中心から外周面に向かってアルミニウム合金長尺体の外径の１０％に相当する距離隔てた箇所までの領域に存在するシリコン粒子の個数密度（個／ｍｍ２）に対して１．２５倍以上の比率を有するのが好ましい。
【００３０】
また、シリコン粒子の微細化剤としてのカルシウム、アンチモンまたはリンは、溶湯中に水素を吸蔵する作用を果たさないので、熱処理時に水素の気化による膨れやブリスターが生じるのを防止することができる。
【００３１】
なお、、カルシウム、アンチモンまたはリンは初晶シリコンの微細化に対して有効であるが、これらの元素の合計の添加量は０．００３質量％以上０．５質量％以下の範囲内とする。これらの元素の合計の含有量が０．５質量％を超えると、シリコン粒子の微細化効果が飽和する。また、これらの元素の合計の含有量が０．００３質量％未満であれば、シリコン粒子の微細化効果が認められない。
【００３２】
本発明のアルミニウム合金の場合には、シリコンの添加量の上限値は共晶組成に限られる。このため、非平衡状態の凝固においては共晶点の拡大が認められるので、シリコンの含有量の上限値は１３質量％とする。一方、シリコンの含有量が少ないと、アルミニウム合金初晶（α相）は粗大化するので、シリコンの含有量の下限値を４．５質量％とする。
【００３３】
チタンはα相を微細化するために必要である。チタンの含有量は０．００５質量％より少ない場合には、その微細化効果が小さく、また０．０５質量％を超えて添加してもその効果は小さい。
【００３４】
鉄の含有量は０．００１質量％以上０．３質量％以下、マンガンの含有量は０．００１質量％以上０．３質量％以下、クロムの含有量は０．００１質量％以上０．３質量％以下とする。
【００３５】
鉄の含有量が多すぎると、アルミニウム合金の凝固時に合金中の他の添加元素と粗大な晶出物を形成しやすくなり、合金の機械的特性を損なう可能性があるので、鉄の含有量を０．３質量％以下とする。したがって、鉄と粗大な晶出物を形成するマンガンやクロムの含有量についても、同じ理由で０．３質量％以下とする。
【００３６】
なお、銅を０．００１質量％以上、５質量％以下添加するのが望ましい。アルミニウム合金における添加元素として銅は、耐摩耗性と機械的特性、特に強度に影響を与える。銅の添加量が増加するに伴い、固溶体強化、析出強化により耐摩耗性と強度が向上する。しかし、本発明のアルミニウム合金に銅を添加すると、他の添加元素と複雑な化合物を形成する。特に、鋳造時に生成するアルミニウム−銅系やアルミニウム−鉄−マンガン−銅系の化合物は、本発明の製造方法では、銅を５質量％より多く添加すると粗大に晶析出し、加工性が低下し、鋳造後の熱間圧延工程において圧延割れを生じさせる。このため、銅を添加しない方が望ましいが、硬度を確保するために添加する場合には銅の添加量の上限値は５質量％とする。一方、銅の添加量の下限値については、インゴットの不純物レベルの０．００１質量％とする。添加元素としての銅は、所望の機械的特性、特に強度を得るために、必要に応じて添加する。
【００３７】
さらに、本発明では、シャー切断時のクラックの偏向現象を未然に防ぐために、また後述するダイス皮剥ぎ性を確保するために、内部に存在するシリコン粒子の大きさを平均値で５μｍ以下、最大値で２０μｍ以下とする。
【００３８】
このようにシリコン粒子のサイズを制御しなければ、本発明のアルミニウム合金組成の範囲内でも、銅とマグネシウムの含有量が、それぞれ５質量％、２質量％を超えると、優れたシャー切断性とともに優れたダイス皮剥ぎ性を兼ね備えたアルミニウム合金を得ることができない。その理由と本発明のアルミニウム合金の組織との関係については、以下のように考えられる。
【００３９】
アルミニウム合金の内部に２０μｍを超えるような大きなシリコン粒子が存在すると、シャー切断時においてクラックが偏向しやすくなる。さらに、シャー切断の初期の段階、すなわち表面に剪断力が負荷された時点で、適正なクラックを生じさせないと材料の変形が大きくなり、大きなシリコン粒子の周りに空隙が生じやすくなるとともに、シリコン粒子が破損し、クラックが偏向する。このため、クラック偏向と変形が互いに影響し合う現象が生じやすくなる。したがって、シャー切断時に適正なクラックを生じさせるためには、内部に存在するシリコン粒子の大きさを平均値で５μｍ以下、最大値で２０μｍ以下とする必要がある。
【００４０】
なお、このとき、シリコン粒子がマトリックスの結晶粒界に高密度に晶出した共晶組織であると、クラックは容易に結晶粒界に沿って、言い換えれば高密度なシリコン粒子の領域を伝って、偏向して進展するので切断破面の平滑性が失われる。したがって、シャー切断時にクラックの偏向を生じさせることなく、シャー切断を行なうために本発明のアルミニウム合金は、鋳造組織を解消した熱間圧延組織、再結晶組織、または、熱間圧延組織と再結晶組織の混合組織のいずれかの組織を備えるように制御される。
【００４１】
材料の硬度もシャー切断性に影響を与える。シャー切断の初期の段階でクラックが発生する前において材料の変形量が大きくなると、２０μｍよりも小さいシリコン粒子もクラックを偏向させるように作用する。このため、表面硬度はロックウエル硬さのＦスケールで８０以上であるのが好ましい。一方、表面硬度がロックウエル硬さのＦスケールで１０３より大きくなると、鍛造性が悪くなり、また材料の表層での初期クラックの発生が表面粗さに過敏になるため、表面硬度の範囲はロックウエル硬さのＦスケールで８０以上１０３以下であるのが好ましい。
【００４２】
材料の表面粗さもシャー切断性に影響を与えるため、Ｒｍａｘで１０μｍ以下であるのが好ましい。
【００４３】
本発明では、最もシャー切断性に優れるものとして、上述の特徴を有するアルミニウム合金長尺体をさらにダイス皮剥ぎ処理したものを提案する。ダイス皮剥ぎ処理は、表面欠陥を除去するとともに、ピーリング処理では必然的に生じる螺旋状の挽き目段差を生じさせないため、この段差に伴ってシャー切断時にクラックの偏向を引き起こさせない。
【００４４】
ダイス皮剥ぎ処理時に生じる材料の破断は、機械的な強度を高めるために添加される銅とマグネシウムを多量に含む場合に、これらの成分の加工硬化能が高いために、アルミニウム合金が加工限界に達して生じるものである。この破断を防止するためには、通常、軟化処理によって硬度を下げる必要がある。一方、軟化処理によって硬度が下がると、ダイス皮剥ぎ処理時に剥れが生じやすくなる。これらの相反する課題を克服するために、本発明では上述したようにシリコン粒子のサイズを制御する。
【００４５】
すなわち、本発明者らがダイス皮剥ぎ処理時の材料破断の改善と、剥れの発生の抑制に関して調査を進めた結果、まず、材料破断には、材料内部に存在するシリコン粒子の大きさが関与していることがわかった。すなわち、２０μｍを超える大きさのシリコン粒子が材料の内部に存在すると、材料は容易にカッピー破断する。このため、シリコン粒子の大きさを最大値でも２０μｍ以下にする。
【００４６】
また、剥れの発生を抑制するためには、材料の表面硬度を高めることが有効であり、ダイス皮剥ぎ時の加工硬化を考慮して、ダイス皮剥ぎ処理中に破断しない範囲内で表面硬度を向上させるのが望ましい。
【００４７】
なお、上記のシリコン粒子のサイズの制御は、鋳造組織をベースにして行なったとしても、本発明のような優れたシャー切断性とダイス皮剥ぎ性の材料を得ることはできない。すなわち、本発明のアルミニウム合金では、その結晶組織が熱間圧延組織、再結晶組織、または、熱間圧延組織と再結晶組織の混合組織のいずれかの組織から構成されるために、シャー切断性とダイス皮剥ぎ性の両者に優れたアルミニウム合金を得ることができる。
【００４８】
また、ダイス皮剥ぎ処理時の皮剥ぎ量も製造上の重要な条件の１つとなる。皮剥ぎ量が過大となると、皮剥ぎダイスにおいて抵抗が増大し、材料が破断するとともに、材料損失が多くなるので、１ｍｍ以下であるのが好ましい。さらに好ましくは、表面欠陥を除去するためには、皮剥ぎ量は０．０１ｍｍ以上１ｍｍ以下である。
【００４９】
上述のアルミニウム合金の内部組織を得るためには、基本的には可動鋳型方式の鋳造機と熱間圧延機とを組合せた連続鋳造圧延方式を用いて、アルミニウム合金長尺体を製造するのがよい。これは、バッチ方式の鋳造と圧延とを行なう方法を採用すると、再結晶粒子が大きくなりやすく、得られた材料の冷間加工が困難になるためである。
【００５０】
但し、鋳造時の冷却速度は、デンドライトの２次枝間隔が４０μｍ以下になるように制御されなければ、上述のように制御されたシリコン粒子のサイズを得ることはできない。このようにデンドライトの２次枝間隔を４０μｍ以下とした場合には、鋳造後に析出する鉄系の化合物のサイズも小さくなる。本発明のアルミニウム合金の基本成分からなる組成物を用いて本発明の連続鋳造圧延方式によって長尺体を製造する場合、鋳造において、このデンドライトの２次枝間隔を特別に制御しないと、鉄系の化合物のサイズは粗大化しやすくなる。したがって、デンドライトの２次枝間隔を制御しない場合には、鉄の含有量を０．２質量％以下に抑制しないと、本発明によるシャー切断性とダイス皮剥ぎ性を達成することができない。この場合、鋳造時に鉄と化合物を形成するマンガンとクロムも同様に０．２５質量％以下の含有量に抑制する必要がある。
【００５１】
しかしながら、本発明の製造方法においては、デンドライト２次枝間隔を４０ｍｍ以下に制御することによって、鉄の含有量を０．３質量％まで、マンガンとクロムの含有量を、それぞれ、０．３質量％まで高めることが可能となり、上述のように特に鉄の含有量が０．２質量％を超え、０．３質量％以下の領域でも、シャー切断性とダイス皮剥ぎ性の両者に優れた合金が得られるようになる。
【００５２】
但し、鉄の含有量が０．３質量％より多くなると、２０μｍを超える大きさの鉄系の化合物が生成し、粗大なシリコン粒子と同様に、ダイス皮剥ぎ処理時にカッピー破断の原因となる。
【００５３】
さらに、本発明の製造方法においては、鋳造後、圧延温度を３５０℃以上５００℃以下の範囲にして４０％以上の加工度で熱間圧延を行なう。この加工度は、鋳造組織を、熱間圧延組織、再結晶組織、または、熱間圧延組織と再結晶組織の混合組織にするために必要な加工度である。圧延温度を上記の範囲とするのは、３５０℃未満では加工硬化により圧延が困難となり、５００℃を超えると粒界割れにより圧延が困難となるためである。熱間圧延終了後のアルミニウム合金は、コイル状に巻き取っても、または定尺に切断して棒材にしてもよいが、ダイス皮剥ぎ処理の利点を生かすためにはコイル状に巻くのが好ましい。
【００５４】
コイル状または棒材のアルミニウム合金は、硬度調整、シリコン粒子の粒径の調整、結晶粒の制御のために、３００℃以上４８０℃以下の温度範囲で、２時間以上５０時間以下の範囲で熱処理が施される。熱処理温度が３００℃未満では、熱処理時間が極端に長くなり過ぎる。一方、熱処理温度が４８０℃を超えると、凝固時に非平衡状態で晶出した銅系化合物が平衡状態に移行する際に、物質収支の差により小さなボイドを生じさせるとともに、固溶する銅の量が増えるためである。ダイス皮剥ぎ処理時に生成したボイドは破壊の起点となり、また固溶した銅は加工硬化能を大きくするので、ダイス皮剥ぎ処理を困難にする。
【００５５】
本発明の製造方法において、アルミニウム合金を溶解した後、鋳造時のアルミニウム合金溶湯中のアルミニウム１００ｇ当たりの水素量を０．１５ｃｃ以下にすることが好ましい。これは、アルミニウム合金溶湯中に０．１５ｃｃ／１００ｇアルミニウム以上の水素を含むと、アルミニウム合金の機械的特性や冷間加工性が低下し、また、ブリスターの発生等の問題が生じやすくなるためである。
【００５６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００５７】
表１に示す本発明例の試料Ｎｏ．１〜１４と比較例の試料Ｎｏ．１５〜１９（単位：質量％）の各組成のアルミニウム合金を溶解した溶湯を用いて鋳造材を作製した。
【００５８】
プロペルチ連続鋳造機で作製される鋳造材の断面積は３５００ｍｍ２で、溶湯の鋳造機への鋳湯温度は６５０℃〜６９０℃とした。プロペルチ連続鋳造機で作製された鋳造材は、凝固完了後５分以内に４２０℃の温度で熱間圧延して、直径３０ｍｍの長尺体とした。この長尺体を直径１．７ｍのコイル状に巻き取った。このときの加工度は、減面率で８０％であった。その後、長尺体にコイルの状態で４５０℃の温度で８時間の熱処理を施した。この長尺体の外周表面から０．１ｍｍの深さまで、皮剥ぎダイスを用いて表面切削した。その後、シャー切断した。
【００５９】
表２は、表１に示す本発明例の試料Ｎｏ．１〜１４と比較例の試料Ｎｏ．１５〜１９について、ＤＡＳ（デンドライト２次枝間隔）、平均のシリコン粒子径、最大のシリコン粒子径、シリコン粒子の表面粒密度／中心粒密度の比率、ロックウエル硬さのＦスケール、表面粗さＲｍａｘ、水素量、シャー切断性、熱間圧延割れの発生の有無、鍛造性、膨れ・ブリスターの発生の有無、耐摩耗性、それぞれの測定結果または評価結果を示す。
【００６０】
ＤＡＳは、鋳造材を対象にして、軽金属協会「アルミニウムのデンドライトアームスペーシングと冷却速度の測定法」に準拠し、交線法により算出した。平均のシリコン粒子径、最大のシリコン粒子径、表面粒密度／中心粒密度の比率、ロックウエル硬さのＦスケールは、熱処理後の長尺体を対象にして測定した。
【００６１】
シリコン粒子の粒径は次のようにして測定した。アルミニウム合金長尺体の断面を倍率１０００倍で観察した光学顕微鏡写真を画像処理した。断面積が０．１μｍ２以上の個々のシリコン粒子の断面積を画像処理で算出した。この算出した個々のシリコン粒子の断面積から、個々のシリコン粒子の断面が円形であると仮定して、直径を算出した。この等価円の直径の値をシリコン粒子の粒径とした。
【００６２】
表面粒密度／中心粒密度の比率は、アルミニウム合金長尺体の中心から外周面に向かってアルミニウム合金長尺体の外径の１０％に相当する距離隔てた箇所までの領域に存在するシリコン粒子の個数密度（個／ｍｍ２）（中心粒密度とする）に対する、アルミニウム合金長尺体の外周面から中心に向かってアルミニウム合金長尺体の外径の１０％に相当する深さまでの領域に存在するシリコン粒子の個数密度（個／ｍｍ２）（表面密度とする）の比率とした。
【００６３】
表面粗さＲｍａｘは、皮剥ぎ処理後の長尺体を対象にして測定した。水素量は、溶湯の状態で測定した。
【００６４】
シャー切断性は、試料をシャー切断機により切断後、剪断面の凹凸を目視判定して評価した。シャー切断時の良不良の判断基準としては、試料外周面に生じる外形割れ、または試料切断面に生じる端面割れが観察された場合に不良（×）とし、それ以外を良（○）とした。
【００６５】
熱間圧延割れの発生は、熱間圧延後の長尺体を目視して判定した。
鍛造性は、皮剥ぎ処理後の長尺体を対象にして高さに対して６０％の圧縮率で圧縮試験を行ない、割れが発生したものを不良（×）とし、割れが発生しなかったものを良（○）とした。
【００６６】
膨れ・ブリスターの発生は、熱処理後の長尺体を対象にして外周面を目視して判定した。
【００６７】
耐摩耗性試験は、皮剥ぎ後の長尺体を対象にして、ピン／ディスク式の試験機を用い、毎分６００回転で回転するＳＵＪ２製のディスクに、長尺体から作製した直径２８ｍｍのピンを４９０Ｎの力で押し当てて３００時間経過後の摩耗量として重量の減少量を測定することによって行なった。重量の減少があったものを不良（×）とし、それ以外を良（○）とした。
【００６８】
【表１】
【００６９】
【表２】
【００７０】
表２からわかるように、本発明例の試料Ｎｏ．１〜１４においては、良好なシャー切断性と耐摩耗性を確保するとともに、熱間圧延割れや膨れ・ブリスターも発生せず、良好な鍛造性を有していることがわかる。
【００７１】
以上に開示された実施の形態や実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態や実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含む。
【００７２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、耐摩耗性とシャー切断性に優れるとともに、鍛造性に優れ、膨れやブリスターの発生を防止することが可能な耐摩耗性アルミニウム合金長尺体を得ることができ、たとえば、カーエアコンディショナ用ピストンのような耐摩耗性の要求特性の高い部材に適した材料を提供することができる。
【発明の属する技術分野】
この発明は、シャー切断性と鍛造性に優れた耐摩耗性アルミニウム合金長尺体およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
機械的特性と冷間加工性に優れた耐摩耗性アルミニウム合金長尺体とその製造方法は、たとえば、特許文献１（特開２００１−２００３２６号公報）で提案されている。
【０００３】
上記の特許公開公報で提案された耐摩耗性アルミニウム合金長尺体は、シリコンを７〜１３重量％、鉄を０．００１〜０．２重量％、マンガンおよびクロムの少なくとも１つを０．００１〜０．２５重量％、ストロンチウムを０．００３〜０．０３重量％、チタンを０．００５〜０．０３重量％含み、残部がアルミニウムおよび不可避不純物であり、かつ、最大のシリコン粒の大きさが４０μｍ以下であり、さらに、結晶組織が熱間圧延組織、あるいは再結晶組織、あるいは熱間圧延組織と再結晶組織の混合組織からなることを特徴とする。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２００３２６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特許公開公報で提案されたアルミニウム合金では、シリコン粒子の微細化剤としてストロンチウムを添加している。すなわち、ストロンチウムの添加によってシリコン粒子が大きくなるのを抑制し、さらにシリコン粒子の粒径のばらつきを熱処理により緩和することによって、シリコン粒子の粒径と粒径分布を制御している。
【０００６】
アルミニウム合金の鋳造材中には、相対的に遅い冷却速度で鋳造された箇所と相対的に速い冷却速度で鋳造された箇所とが存在するので、シリコン粒子の大きさに分布が生じる。ところが、ストロンチウムの添加によって微細化したシリコン粒子は、熱処理を行なうと、小さいシリコン粒子ほど速く成長し、温度と時間に対する依存性が認められるとしても、粒径がある程度になると粒成長が鈍化する。このため、相対的に遅い冷却速度で鋳造された箇所と相対的に速い冷却速度で鋳造された箇所との間でシリコン粒子の大きさに差がなく、シリコン粒子の粒径が均一になる。
【０００７】
しかしながら、アルミニウム合金長尺体の表層と内部で微細化されたシリコン粒子が均一に存在するので、多量のシリコン粒子が中心近傍の領域まで存在することになる。その結果、上記のアルミニウム合金長尺体に鍛造加工を施すと、強加工された部分において鍛造割れ等の欠陥が生じるという問題があった。
【０００８】
また、上記の特許公開公報で提案されたアルミニウム合金には、限定された含有量でストロンチウムが添加されているが、ストロンチウムは本来的に溶湯中に水素を吸蔵する作用を果たす元素である。このため、アルミニウム合金鋳造材の熱処理時に鋳造材中の水素が気化し、膨れやブリスターが生じるという問題があった。
【０００９】
そこで、この発明の目的は、耐摩耗性とシャー切断性に優れるとともに、鍛造性に優れ、膨れやブリスターの発生を防止することが可能な耐摩耗性アルミニウム合金長尺体およびその製造方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明に従った耐摩耗性アルミニウム合金長尺体は、シリコン（Ｓｉ）を４．５質量％以上１３質量％以下、鉄（Ｆｅ）を０．００１質量％以上０．３質量％以下、マグネシウム（Ｍｇ）を０．１質量％以上２質量％以下、マンガン（Ｍｎ）を０．００１質量％以上０．３質量％以下、クロム（Ｃｒ）を０．００１質量％以上０．３質量％以下、チタン（Ｔｉ）を０．００５質量％以上０．０５質量％以下、カルシウム（Ｃａ）、アンチモン（Ｓｂ）およびリン（Ｐ）からなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を合計で０．００３質量％以上０．５質量％以下含み、残部がアルミニウム（Ａｌ）と不可避不純物からなり、内部に存在するシリコン粒子の大きさが平均値で５μｍ以下、最大値で２０μｍ以下であり、かつ、アルミニウム合金の結晶組織が熱間圧延組織、再結晶組織、および、熱間圧延組織と再結晶組織の混合組織からなる群より選ばれた１種の組織である。
【００１１】
この発明の耐摩耗性アルミニウム合金長尺体は、銅（Ｃｕ）を０．００１質量％以上、５質量％以下含むのが好ましい。
【００１２】
また、この発明の耐摩耗性アルミニウム合金長尺体において、アルミニウム合金の表面硬度がロックウエル硬さのＦスケールで８０以上であることが好ましい。
【００１３】
さらに、アルミニウム合金の表面粗さをＲｍａｘで１０μｍ以下にするのが好ましい。
【００１４】
この発明に従った耐摩耗性アルミニウム合金長尺体は、ダイス皮剥ぎ処理が施された表面を有するのが好ましい。
【００１５】
この発明に従った耐摩耗性アルミニウム合金長尺体において、好ましくは、アルミニウム合金長尺体の外周面から中心に向かってアルミニウム合金長尺体の外径の１０％に相当する深さまでの領域に存在するシリコン粒子の個数密度（個／ｍｍ２）が、アルミニウム合金長尺体の中心から外周面に向かってアルミニウム合金長尺体の外径の１０％に相当する距離隔てた箇所までの領域に存在するシリコン粒子の個数密度（個／ｍｍ２）に対して１．２５倍以上の比率を有する。
【００１６】
この発明に従った耐摩耗性アルミニウム合金長尺体の製造方法は、以下の工程を備える。
【００１７】
（ａ） シリコンを４．５質量％以上１３質量％以下、鉄を０．００１質量％以上０．３質量％以下、マグネシウムを０．１質量％以上２質量％以下、マンガンを０．００１質量％以上０．３質量％以下、クロムを０．００１質量％以上０．３質量％以下、チタンを０．００５質量％以上０．０５質量％以下、カルシウム、アンチモンおよびリンからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を合計で０．００３質量％以上０．５質量％以下含み、残部がアルミニウムと不可避不純物からなるアルミニウム合金を溶解することによって溶湯を得る工程。
【００１８】
（ｂ） デンドライトの２次枝間隔が４０μｍ以下となるように上記の溶湯を連続鋳造することによって鋳造体を得る工程。
【００１９】
（ｃ） ３５０℃以上５００℃以下の温度範囲で４０％以上の加工度で鋳造体を熱間圧延することによって圧延体を得る工程。
【００２０】
（ｄ） ３００℃以上４８０℃以下の温度範囲で２時間以上５０時間以下、圧延体を熱処理する工程。
【００２１】
この発明の耐摩耗性アルミニウム合金長尺体の製造方法においては、アルミニウム合金が銅を０．００１質量％以上、５質量％以下含むのが好ましい。
【００２２】
また、この発明の耐摩耗性アルミニウム合金長尺体の製造方法においては、アルミニウム合金の溶湯中に存在する水素量がアルミニウム１００ｇ当たり０．１５ｃｃ以下であるのが好ましい。
【００２３】
さらに、この発明の耐摩耗性アルミニウム合金長尺体の製造方法においては、熱処理する工程の後、圧延体の表面にダイス皮剥ぎ処理を施すのが好ましい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について詳細に述べる。
【００２５】
本発明の耐摩耗性アルミニウム合金長尺体は、たとえば、カーエアコンディショナ用ピストンのように、鍛造加工により成形され、耐摩耗性の要求特性の高い用途に適している。すなわち、連続鋳造圧延されることにより、得られたアルミニウム合金の表面部分を摺動面として配置することによって、耐摩耗性が飛躍的に向上する。
【００２６】
本発明のアルミニウム合金における各成分元素の含有量の限定理由は以下のとおりである。
【００２７】
マグネシウムの添加は強度を決定し、この量が少なすぎると強度が不足し、多すぎると脆化挙動を示す。たとえば、カーエアコンディショナ用ピストンのように高い耐摩耗性が要求される用途では、耐摩耗性とダイス皮剥ぎ性を考慮すると、マグネシウムの含有量が０．１質量％以上２質量％以下の範囲内である必要がある。
【００２８】
シリコンは、その添加量、粒径、粒径分布が耐摩耗性に影響を与える。粒径と粒径分布の制御は、製造方法に依存するところが大きい。本発明では、冷却速度の分布やばらつきを許容するため、晶出するシリコン粒子のサイズが大きくなる傾向がある。しかし、本発明では、カルシウム、アンチモンまたはリンのいずれか１種または２種以上の添加によってシリコン粒子のサイズが大きくなるのを抑制するとともに、冷却速度に応じてシリコン粒子の微細化の程度を制御することができる。すなわち、アルミニウム合金長尺体において、相対的に速い冷却速度で冷却された外周表層近傍部分では微細化されたシリコン粒子が比較的密に分布し、相対的に遅い冷却速度で冷却された中心近傍部分で微細化されたシリコン粒子が比較的疎に分布する。このように凝固時の冷却速度を最適化することによりシリコン粒子の粒径と粒径分布を制御することによって、シリコン粒子が中心近傍部分まで多量に存在することがなくなる。すなわち、凝固時の冷却速度を最適化することにより中心近傍領域でのα相の領域を比較的大きくすることによって、内部に存在するシリコン粒子の密度を低減させることができる。これにより、外周表層近傍においてシリコン粒子を高密度に分布させることによって耐摩耗性を確保するとともに、鍛造加工を施しても、鍛造割れ等の欠陥が生じるのを効果的に防止することができる。
【００２９】
良好な鍛造性を得るためには、アルミニウム合金長尺体の外周面から中心に向かってアルミニウム合金長尺体の外径の１０％に相当する深さまでの領域に存在するシリコン粒子の個数密度（個／ｍｍ２）は、アルミニウム合金長尺体の中心から外周面に向かってアルミニウム合金長尺体の外径の１０％に相当する距離隔てた箇所までの領域に存在するシリコン粒子の個数密度（個／ｍｍ２）に対して１．２５倍以上の比率を有するのが好ましい。
【００３０】
また、シリコン粒子の微細化剤としてのカルシウム、アンチモンまたはリンは、溶湯中に水素を吸蔵する作用を果たさないので、熱処理時に水素の気化による膨れやブリスターが生じるのを防止することができる。
【００３１】
なお、、カルシウム、アンチモンまたはリンは初晶シリコンの微細化に対して有効であるが、これらの元素の合計の添加量は０．００３質量％以上０．５質量％以下の範囲内とする。これらの元素の合計の含有量が０．５質量％を超えると、シリコン粒子の微細化効果が飽和する。また、これらの元素の合計の含有量が０．００３質量％未満であれば、シリコン粒子の微細化効果が認められない。
【００３２】
本発明のアルミニウム合金の場合には、シリコンの添加量の上限値は共晶組成に限られる。このため、非平衡状態の凝固においては共晶点の拡大が認められるので、シリコンの含有量の上限値は１３質量％とする。一方、シリコンの含有量が少ないと、アルミニウム合金初晶（α相）は粗大化するので、シリコンの含有量の下限値を４．５質量％とする。
【００３３】
チタンはα相を微細化するために必要である。チタンの含有量は０．００５質量％より少ない場合には、その微細化効果が小さく、また０．０５質量％を超えて添加してもその効果は小さい。
【００３４】
鉄の含有量は０．００１質量％以上０．３質量％以下、マンガンの含有量は０．００１質量％以上０．３質量％以下、クロムの含有量は０．００１質量％以上０．３質量％以下とする。
【００３５】
鉄の含有量が多すぎると、アルミニウム合金の凝固時に合金中の他の添加元素と粗大な晶出物を形成しやすくなり、合金の機械的特性を損なう可能性があるので、鉄の含有量を０．３質量％以下とする。したがって、鉄と粗大な晶出物を形成するマンガンやクロムの含有量についても、同じ理由で０．３質量％以下とする。
【００３６】
なお、銅を０．００１質量％以上、５質量％以下添加するのが望ましい。アルミニウム合金における添加元素として銅は、耐摩耗性と機械的特性、特に強度に影響を与える。銅の添加量が増加するに伴い、固溶体強化、析出強化により耐摩耗性と強度が向上する。しかし、本発明のアルミニウム合金に銅を添加すると、他の添加元素と複雑な化合物を形成する。特に、鋳造時に生成するアルミニウム−銅系やアルミニウム−鉄−マンガン−銅系の化合物は、本発明の製造方法では、銅を５質量％より多く添加すると粗大に晶析出し、加工性が低下し、鋳造後の熱間圧延工程において圧延割れを生じさせる。このため、銅を添加しない方が望ましいが、硬度を確保するために添加する場合には銅の添加量の上限値は５質量％とする。一方、銅の添加量の下限値については、インゴットの不純物レベルの０．００１質量％とする。添加元素としての銅は、所望の機械的特性、特に強度を得るために、必要に応じて添加する。
【００３７】
さらに、本発明では、シャー切断時のクラックの偏向現象を未然に防ぐために、また後述するダイス皮剥ぎ性を確保するために、内部に存在するシリコン粒子の大きさを平均値で５μｍ以下、最大値で２０μｍ以下とする。
【００３８】
このようにシリコン粒子のサイズを制御しなければ、本発明のアルミニウム合金組成の範囲内でも、銅とマグネシウムの含有量が、それぞれ５質量％、２質量％を超えると、優れたシャー切断性とともに優れたダイス皮剥ぎ性を兼ね備えたアルミニウム合金を得ることができない。その理由と本発明のアルミニウム合金の組織との関係については、以下のように考えられる。
【００３９】
アルミニウム合金の内部に２０μｍを超えるような大きなシリコン粒子が存在すると、シャー切断時においてクラックが偏向しやすくなる。さらに、シャー切断の初期の段階、すなわち表面に剪断力が負荷された時点で、適正なクラックを生じさせないと材料の変形が大きくなり、大きなシリコン粒子の周りに空隙が生じやすくなるとともに、シリコン粒子が破損し、クラックが偏向する。このため、クラック偏向と変形が互いに影響し合う現象が生じやすくなる。したがって、シャー切断時に適正なクラックを生じさせるためには、内部に存在するシリコン粒子の大きさを平均値で５μｍ以下、最大値で２０μｍ以下とする必要がある。
【００４０】
なお、このとき、シリコン粒子がマトリックスの結晶粒界に高密度に晶出した共晶組織であると、クラックは容易に結晶粒界に沿って、言い換えれば高密度なシリコン粒子の領域を伝って、偏向して進展するので切断破面の平滑性が失われる。したがって、シャー切断時にクラックの偏向を生じさせることなく、シャー切断を行なうために本発明のアルミニウム合金は、鋳造組織を解消した熱間圧延組織、再結晶組織、または、熱間圧延組織と再結晶組織の混合組織のいずれかの組織を備えるように制御される。
【００４１】
材料の硬度もシャー切断性に影響を与える。シャー切断の初期の段階でクラックが発生する前において材料の変形量が大きくなると、２０μｍよりも小さいシリコン粒子もクラックを偏向させるように作用する。このため、表面硬度はロックウエル硬さのＦスケールで８０以上であるのが好ましい。一方、表面硬度がロックウエル硬さのＦスケールで１０３より大きくなると、鍛造性が悪くなり、また材料の表層での初期クラックの発生が表面粗さに過敏になるため、表面硬度の範囲はロックウエル硬さのＦスケールで８０以上１０３以下であるのが好ましい。
【００４２】
材料の表面粗さもシャー切断性に影響を与えるため、Ｒｍａｘで１０μｍ以下であるのが好ましい。
【００４３】
本発明では、最もシャー切断性に優れるものとして、上述の特徴を有するアルミニウム合金長尺体をさらにダイス皮剥ぎ処理したものを提案する。ダイス皮剥ぎ処理は、表面欠陥を除去するとともに、ピーリング処理では必然的に生じる螺旋状の挽き目段差を生じさせないため、この段差に伴ってシャー切断時にクラックの偏向を引き起こさせない。
【００４４】
ダイス皮剥ぎ処理時に生じる材料の破断は、機械的な強度を高めるために添加される銅とマグネシウムを多量に含む場合に、これらの成分の加工硬化能が高いために、アルミニウム合金が加工限界に達して生じるものである。この破断を防止するためには、通常、軟化処理によって硬度を下げる必要がある。一方、軟化処理によって硬度が下がると、ダイス皮剥ぎ処理時に剥れが生じやすくなる。これらの相反する課題を克服するために、本発明では上述したようにシリコン粒子のサイズを制御する。
【００４５】
すなわち、本発明者らがダイス皮剥ぎ処理時の材料破断の改善と、剥れの発生の抑制に関して調査を進めた結果、まず、材料破断には、材料内部に存在するシリコン粒子の大きさが関与していることがわかった。すなわち、２０μｍを超える大きさのシリコン粒子が材料の内部に存在すると、材料は容易にカッピー破断する。このため、シリコン粒子の大きさを最大値でも２０μｍ以下にする。
【００４６】
また、剥れの発生を抑制するためには、材料の表面硬度を高めることが有効であり、ダイス皮剥ぎ時の加工硬化を考慮して、ダイス皮剥ぎ処理中に破断しない範囲内で表面硬度を向上させるのが望ましい。
【００４７】
なお、上記のシリコン粒子のサイズの制御は、鋳造組織をベースにして行なったとしても、本発明のような優れたシャー切断性とダイス皮剥ぎ性の材料を得ることはできない。すなわち、本発明のアルミニウム合金では、その結晶組織が熱間圧延組織、再結晶組織、または、熱間圧延組織と再結晶組織の混合組織のいずれかの組織から構成されるために、シャー切断性とダイス皮剥ぎ性の両者に優れたアルミニウム合金を得ることができる。
【００４８】
また、ダイス皮剥ぎ処理時の皮剥ぎ量も製造上の重要な条件の１つとなる。皮剥ぎ量が過大となると、皮剥ぎダイスにおいて抵抗が増大し、材料が破断するとともに、材料損失が多くなるので、１ｍｍ以下であるのが好ましい。さらに好ましくは、表面欠陥を除去するためには、皮剥ぎ量は０．０１ｍｍ以上１ｍｍ以下である。
【００４９】
上述のアルミニウム合金の内部組織を得るためには、基本的には可動鋳型方式の鋳造機と熱間圧延機とを組合せた連続鋳造圧延方式を用いて、アルミニウム合金長尺体を製造するのがよい。これは、バッチ方式の鋳造と圧延とを行なう方法を採用すると、再結晶粒子が大きくなりやすく、得られた材料の冷間加工が困難になるためである。
【００５０】
但し、鋳造時の冷却速度は、デンドライトの２次枝間隔が４０μｍ以下になるように制御されなければ、上述のように制御されたシリコン粒子のサイズを得ることはできない。このようにデンドライトの２次枝間隔を４０μｍ以下とした場合には、鋳造後に析出する鉄系の化合物のサイズも小さくなる。本発明のアルミニウム合金の基本成分からなる組成物を用いて本発明の連続鋳造圧延方式によって長尺体を製造する場合、鋳造において、このデンドライトの２次枝間隔を特別に制御しないと、鉄系の化合物のサイズは粗大化しやすくなる。したがって、デンドライトの２次枝間隔を制御しない場合には、鉄の含有量を０．２質量％以下に抑制しないと、本発明によるシャー切断性とダイス皮剥ぎ性を達成することができない。この場合、鋳造時に鉄と化合物を形成するマンガンとクロムも同様に０．２５質量％以下の含有量に抑制する必要がある。
【００５１】
しかしながら、本発明の製造方法においては、デンドライト２次枝間隔を４０ｍｍ以下に制御することによって、鉄の含有量を０．３質量％まで、マンガンとクロムの含有量を、それぞれ、０．３質量％まで高めることが可能となり、上述のように特に鉄の含有量が０．２質量％を超え、０．３質量％以下の領域でも、シャー切断性とダイス皮剥ぎ性の両者に優れた合金が得られるようになる。
【００５２】
但し、鉄の含有量が０．３質量％より多くなると、２０μｍを超える大きさの鉄系の化合物が生成し、粗大なシリコン粒子と同様に、ダイス皮剥ぎ処理時にカッピー破断の原因となる。
【００５３】
さらに、本発明の製造方法においては、鋳造後、圧延温度を３５０℃以上５００℃以下の範囲にして４０％以上の加工度で熱間圧延を行なう。この加工度は、鋳造組織を、熱間圧延組織、再結晶組織、または、熱間圧延組織と再結晶組織の混合組織にするために必要な加工度である。圧延温度を上記の範囲とするのは、３５０℃未満では加工硬化により圧延が困難となり、５００℃を超えると粒界割れにより圧延が困難となるためである。熱間圧延終了後のアルミニウム合金は、コイル状に巻き取っても、または定尺に切断して棒材にしてもよいが、ダイス皮剥ぎ処理の利点を生かすためにはコイル状に巻くのが好ましい。
【００５４】
コイル状または棒材のアルミニウム合金は、硬度調整、シリコン粒子の粒径の調整、結晶粒の制御のために、３００℃以上４８０℃以下の温度範囲で、２時間以上５０時間以下の範囲で熱処理が施される。熱処理温度が３００℃未満では、熱処理時間が極端に長くなり過ぎる。一方、熱処理温度が４８０℃を超えると、凝固時に非平衡状態で晶出した銅系化合物が平衡状態に移行する際に、物質収支の差により小さなボイドを生じさせるとともに、固溶する銅の量が増えるためである。ダイス皮剥ぎ処理時に生成したボイドは破壊の起点となり、また固溶した銅は加工硬化能を大きくするので、ダイス皮剥ぎ処理を困難にする。
【００５５】
本発明の製造方法において、アルミニウム合金を溶解した後、鋳造時のアルミニウム合金溶湯中のアルミニウム１００ｇ当たりの水素量を０．１５ｃｃ以下にすることが好ましい。これは、アルミニウム合金溶湯中に０．１５ｃｃ／１００ｇアルミニウム以上の水素を含むと、アルミニウム合金の機械的特性や冷間加工性が低下し、また、ブリスターの発生等の問題が生じやすくなるためである。
【００５６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００５７】
表１に示す本発明例の試料Ｎｏ．１〜１４と比較例の試料Ｎｏ．１５〜１９（単位：質量％）の各組成のアルミニウム合金を溶解した溶湯を用いて鋳造材を作製した。
【００５８】
プロペルチ連続鋳造機で作製される鋳造材の断面積は３５００ｍｍ２で、溶湯の鋳造機への鋳湯温度は６５０℃〜６９０℃とした。プロペルチ連続鋳造機で作製された鋳造材は、凝固完了後５分以内に４２０℃の温度で熱間圧延して、直径３０ｍｍの長尺体とした。この長尺体を直径１．７ｍのコイル状に巻き取った。このときの加工度は、減面率で８０％であった。その後、長尺体にコイルの状態で４５０℃の温度で８時間の熱処理を施した。この長尺体の外周表面から０．１ｍｍの深さまで、皮剥ぎダイスを用いて表面切削した。その後、シャー切断した。
【００５９】
表２は、表１に示す本発明例の試料Ｎｏ．１〜１４と比較例の試料Ｎｏ．１５〜１９について、ＤＡＳ（デンドライト２次枝間隔）、平均のシリコン粒子径、最大のシリコン粒子径、シリコン粒子の表面粒密度／中心粒密度の比率、ロックウエル硬さのＦスケール、表面粗さＲｍａｘ、水素量、シャー切断性、熱間圧延割れの発生の有無、鍛造性、膨れ・ブリスターの発生の有無、耐摩耗性、それぞれの測定結果または評価結果を示す。
【００６０】
ＤＡＳは、鋳造材を対象にして、軽金属協会「アルミニウムのデンドライトアームスペーシングと冷却速度の測定法」に準拠し、交線法により算出した。平均のシリコン粒子径、最大のシリコン粒子径、表面粒密度／中心粒密度の比率、ロックウエル硬さのＦスケールは、熱処理後の長尺体を対象にして測定した。
【００６１】
シリコン粒子の粒径は次のようにして測定した。アルミニウム合金長尺体の断面を倍率１０００倍で観察した光学顕微鏡写真を画像処理した。断面積が０．１μｍ２以上の個々のシリコン粒子の断面積を画像処理で算出した。この算出した個々のシリコン粒子の断面積から、個々のシリコン粒子の断面が円形であると仮定して、直径を算出した。この等価円の直径の値をシリコン粒子の粒径とした。
【００６２】
表面粒密度／中心粒密度の比率は、アルミニウム合金長尺体の中心から外周面に向かってアルミニウム合金長尺体の外径の１０％に相当する距離隔てた箇所までの領域に存在するシリコン粒子の個数密度（個／ｍｍ２）（中心粒密度とする）に対する、アルミニウム合金長尺体の外周面から中心に向かってアルミニウム合金長尺体の外径の１０％に相当する深さまでの領域に存在するシリコン粒子の個数密度（個／ｍｍ２）（表面密度とする）の比率とした。
【００６３】
表面粗さＲｍａｘは、皮剥ぎ処理後の長尺体を対象にして測定した。水素量は、溶湯の状態で測定した。
【００６４】
シャー切断性は、試料をシャー切断機により切断後、剪断面の凹凸を目視判定して評価した。シャー切断時の良不良の判断基準としては、試料外周面に生じる外形割れ、または試料切断面に生じる端面割れが観察された場合に不良（×）とし、それ以外を良（○）とした。
【００６５】
熱間圧延割れの発生は、熱間圧延後の長尺体を目視して判定した。
鍛造性は、皮剥ぎ処理後の長尺体を対象にして高さに対して６０％の圧縮率で圧縮試験を行ない、割れが発生したものを不良（×）とし、割れが発生しなかったものを良（○）とした。
【００６６】
膨れ・ブリスターの発生は、熱処理後の長尺体を対象にして外周面を目視して判定した。
【００６７】
耐摩耗性試験は、皮剥ぎ後の長尺体を対象にして、ピン／ディスク式の試験機を用い、毎分６００回転で回転するＳＵＪ２製のディスクに、長尺体から作製した直径２８ｍｍのピンを４９０Ｎの力で押し当てて３００時間経過後の摩耗量として重量の減少量を測定することによって行なった。重量の減少があったものを不良（×）とし、それ以外を良（○）とした。
【００６８】
【表１】
【表２】
表２からわかるように、本発明例の試料Ｎｏ．１〜１４においては、良好なシャー切断性と耐摩耗性を確保するとともに、熱間圧延割れや膨れ・ブリスターも発生せず、良好な鍛造性を有していることがわかる。
【００７１】
以上に開示された実施の形態や実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態や実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含む。
【００７２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、耐摩耗性とシャー切断性に優れるとともに、鍛造性に優れ、膨れやブリスターの発生を防止することが可能な耐摩耗性アルミニウム合金長尺体を得ることができ、たとえば、カーエアコンディショナ用ピストンのような耐摩耗性の要求特性の高い部材に適した材料を提供することができる。
Claims (10)
- シリコンを４．５質量％以上１３質量％以下、鉄を０．００１質量％以上０．３質量％以下、マグネシウムを０．１質量％以上２質量％以下、マンガンを０．００１質量％以上０．３質量％以下、クロムを０．００１質量％以上０．３質量％以下、チタンを０．００５質量％以上０．０５質量％以下、カルシウム、アンチモンおよびリンからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を合計で０．００３質量％以上０．５質量％以下含み、残部がアルミニウムと不可避不純物からなり、内部に存在するシリコン粒子の大きさが平均値で５μｍ以下、最大値で２０μｍ以下であり、かつ、アルミニウム合金の結晶組織が熱間圧延組織、再結晶組織、および、熱間圧延組織と再結晶組織の混合組織からなる群より選ばれた１種の組織である、耐摩耗性アルミニウム合金長尺体。
- 銅を０．００１質量％以上、５質量％以下含む、請求項１に記載の耐摩耗性アルミニウム合金長尺体。
- 表面硬度がロックウエル硬さのＦスケールで８０以上である、請求項１または請求項２に記載の耐摩耗性アルミニウム合金長尺体。
- 表面粗さがＲｍａｘで１０μｍ以下である、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の耐摩耗性アルミニウム合金長尺体。
- ダイス皮剥ぎ処理が施された表面を有する、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の耐摩耗性アルミニウム合金長尺体。
- 当該アルミニウム合金長尺体の外周面から中心に向かって当該アルミニウム合金長尺体の外径の１０％に相当する深さまでの領域に存在するシリコン粒子の個数密度（個／ｍｍ２）が、当該アルミニウム合金長尺体の中心から外周面に向かって当該アルミニウム合金長尺体の外径の１０％に相当する距離隔てた箇所までの領域に存在するシリコン粒子の個数密度（個／ｍｍ２）に対して１．２５倍以上の比率を有する、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の耐摩耗性アルミニウム合金長尺体。
- シリコンを４．５質量％以上１３質量％以下、鉄を０．００１質量％以上０．３質量％以下、マグネシウムを０．１質量％以上２質量％以下、マンガンを０．００１質量％以上０．３質量％以下、クロムを０．００１質量％以上０．３質量％以下、チタンを０．００５質量％以上０．０５質量％以下、カルシウム、アンチモンおよびリンからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を合計で０．００３質量％以上０．５質量％以下含み、残部がアルミニウムと不可避不純物からなるアルミニウム合金を溶解することによって溶湯を得る工程と、
デンドライトの２次枝間隔が４０μｍ以下となるように前記溶湯を連続鋳造することによって鋳造体を得る工程と、
３５０℃以上５００℃以下の温度範囲で４０％以上の加工度で前記鋳造体を熱間圧延することによって圧延体を得る工程と、
３００℃以上４８０℃以下の温度範囲で２時間以上５０時間以下、前記圧延体を熱処理する工程とを備える、耐摩耗性アルミニウム合金長尺体の製造方法。 - 前記アルミニウム合金が銅を０．００１質量％以上、５質量％以下含む、請求項７に記載の耐摩耗性アルミニウム合金長尺体の製造方法。
- 前記アルミニウム合金の溶湯中に存在する水素量がアルミニウム１００ｇ当たり０．１５ｃｃ以下である、請求項７または請求項８に記載の耐摩耗性アルミニウム合金長尺体の製造方法。
- 前記熱処理する工程の後、前記圧延体の表面にダイス皮剥ぎ処理を施す工程をさらに備える、請求項７から請求項９までのいずれか１項に記載の耐摩耗性アルミニウム合金長尺体の製造方法。
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