JP2020100863A - コンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金、コンプレッサー摺動部品鍛造品およびその製造方法 - Google Patents

コンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金、コンプレッサー摺動部品鍛造品およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】優れたアルマイト性を有し、十分な引張強さを備えるコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金を提供する。【解決手段】Si:8.0質量%〜12.0質量%、Cu:0.6質量%〜1.2質量%、Mg:0.2質量%〜0.8質量%、Mn:0.05質量%〜0.8質量%を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなるアルミニウム合金であって、25℃における引張強さが330MPa〜380MPaであり、円相当直径が0.5μm〜5μmの大きさのAl−Mn−Si金属間化合物の面積が、円相当直径が0.5μm以上であるAl−Mn−Si金属間化合物の面積に対して90%以上であり、Cuを1質量%以上含有し、且つ円相当直径が5μmより大きい晶出物が存在しない構成とする。【選択図】図2

Description

本発明は、自動車エアコン用コンプレッサー(圧縮機)に代表される摺動部品、とりわけスクロールおよび電動スクロールに好適に使用できるアルミニウム合金に関する。
近年の自動車業界における燃費向上の要求から、自動車に使用される各種部材、例えばカーエアコン用のコンプレッサーには軽量化、高機能化の要求が高まってきている。カーエアコン用コンプレッサーには種々の形式が存在するが、上述の背景に伴い小型コンプレッサーとしてスクロール型が普及している。このような部材については、鉄鋼材料や鋳鉄材料に代えて、重量に対する強度の比である比強度の大きいアルミニウム合金が使用されてきている。特に上記カーエアコン用コンプレッサーに代表されるような、高温雰囲気下の過酷な環境でも使用し得る高温下高強度を有し、且つ摺動時の耐摩耗性に優れたAl−Si系合金等のアルミニウム合金からなる鍛造材が注目されている。
この種のアルミニウム合金鍛造材を製造するに際しては、例えば特許文献1に記載されているように、所定の金属組成のアルミニウム合金を金型鋳造にて成形し、所定の熱処理を施すことによってカーエアコン用スクロールを製造することが行われている。
ところで、上記のようなアルミニウム合金を用いてスクロールを製造する際、最終工程としてアルマイト処理を行うが、素地となるアルミニウム合金の機械的特性を確保するためにアルミニウムにSi、Cu、Mg等の添加金属を高濃度で添加しているので、これらの添加金属、とりわけCuがアルマイトの成長を阻害し、アルマイト膜厚の不均一性、アルマイト膜の硬度低下をもたらすという問題がある。
上記問題の解決のために、例えば特許文献2に記載されているように、Cuの添加量を抑制したスクロール用アルミニウム合金を製造することが行われている。特許文献2では、アルマイト成長を阻害するCuの添加量を抑制することで、アルマイト膜厚の均一性向上、アルマイト膜の硬度向上を図ってアルマイト性を向上させている。
特開2005−281742号公報 特開2005−330560号公報
しかしながら、特許文献2では、強度の向上に寄与の大きいCu元素の添加を抑制しているので、特許文献1に記載のアルミニウム合金等と比べて強度で劣るという問題があった。
本発明は、かかる技術的背景に鑑みてなされたものであって、優れたアルマイト性を有し、十分な引張強さを備えるコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金を提供することを目的とする。
前記目的を達成するために、本発明者は鋭意研究の結果、Si、Cu、Mg、とりわけCu元素の添加量を低濃度に抑制することで良好なアルマイト性を確保できると共に、アルマイト性を阻害しない程度の他元素添加により引張強さを向上させることができることを見出すに至り、本発明を完成した。即ち、本発明は以下の手段を提供する。
[1]Si:8.0質量%〜12.0質量%、Cu:0.6質量%〜1.2質量%、Mg:0.2質量%〜0.8質量%、Mn:0.05質量%〜0.8質量%を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなるアルミニウム合金であって、
25℃における引張強さが330MPa〜380MPaであり、
円相当直径が0.5μm〜5μmの大きさのAl−Mn−Si金属間化合物の面積が、円相当直径が0.5μm以上であるAl−Mn−Si金属間化合物の面積に対して90%以上であり、
Cuを1質量%以上含有し、且つ円相当直径が5μmより大きい晶出物が存在しないことを特徴とするコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金。
[2]初晶Siが存在しないことを特徴とする前項1に記載のコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金。
[3]前記コンプレッサー摺動部品は、コンプレッサースクロール部品である前項1または2に記載のコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金。
[4]前項1または2に記載のコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金で構成されたコンプレッサー摺動部品鍛造品。
[5]前項1または2に記載のコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金で構成されたコンプレッサー摺動部品鍛造品の表面に、ビッカース硬さが400以上であるアルマイト皮膜が形成されてなるコンプレッサー摺動部品鍛造品。
[6]前項1または2に記載のコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金で構成されたコンプレッサースクロール部品鍛造品の表面に、ビッカース硬さが400以上であるアルマイト皮膜が形成されてなるコンプレッサースクロール部品鍛造品。
[7]前項1または2に記載のコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金で構成された電動コンプレッサースクロール部品鍛造品の表面に、ビッカース硬さが400以上であるアルマイト皮膜が形成されてなる電動コンプレッサースクロール部品鍛造品。
[8]Si:8.0質量%〜12.0質量%、Cu:0.6質量%〜1.2質量%、Mg:0.2質量%〜0.8質量%、Mn:0.05質量%〜0.8質量%を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなるアルミニウム合金の溶湯を得る溶湯形成工程と、
前記得られた溶湯を鋳造加工することによって鋳造材を得る鋳造工程と、
前記鋳造材を470℃〜500℃の温度に0.5時間〜6.0時間保持する均質化熱処理を行う均質化熱処理工程と、
前記均質化熱処理後の鋳造材に鍛造加工を施して鍛造物を得る鍛造工程と、
前記鍛造物に500℃〜545℃の温度で溶体化処理を行う溶体化処理工程と、
前記溶体化処理を経た鍛造物に焼き入れを行う焼き入れ工程と、
前記焼き入れ後の鍛造物を160℃〜220℃の温度で1時間〜18時間加熱する時効処理工程と、を含むことを特徴とするコンプレッサー摺動部品鍛造品の製造方法。
[1]の発明によれば、優れたアルマイト性を有し、十分な引張強さを備えるコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金が提供される。
[2]の発明によれば、アルマイト性により優れたコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金が提供される。
[3]の発明によれば、優れたアルマイト性を有し、十分な引張強さを備えるコンプレッサースクロール部品用アルミニウム合金が提供される。
[4]の発明によれば、優れたアルマイト性を有し、十分な引張強さを備えるコンプレッサー摺動部品鍛造品が提供される。
[5]の発明によれば、膜厚が均一で膜強度に優れたアルマイト皮膜を有し、十分な引張強さを備えたコンプレッサー摺動部品鍛造品が提供される。
[6]の発明によれば、膜厚が均一で膜強度に優れたアルマイト皮膜を有し、十分な引張強さを備えたコンプレッサースクロール部品鍛造品が提供される。
[7]の発明によれば、膜厚が均一で膜強度に優れたアルマイト皮膜を有し、十分な引張強さを備えた電動コンプレッサースクロール部品鍛造品が提供される。
[8]の発明によれば、優れたアルマイト性を有し、十分な引張強さを備えるコンプレッサー摺動部品鍛造品を製造することができる。
鍛造前の鋳造材を示す斜視図である。 本発明に係るコンプレッサー摺動部品鍛造品の一例を示す斜視図である。
本発明に係るコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金は、Si:8.0質量%〜12.0質量%、Cu:0.6質量%〜1.2質量%、Mg:0.2質量%〜0.8質量%、Mn:0.05質量%〜0.8質量%を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなるアルミニウム合金であって、25℃における引張強さが330MPa〜380MPaであり、円相当直径が0.5μm〜5μmの大きさのAl−Mn−Si金属間化合物の面積が、円相当直径が0.5μm以上であるAl−Mn−Si金属間化合物の面積に対して90%以上であり(FE−SEMでの5000倍での観察視野において)、Cuを1質量%以上含有し、且つ円相当直径が5μmより大きい晶出物が存在しないことを特徴とする。このような構成であることにより、優れたアルマイト性を有し、十分な引張強さを備えるコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金が提供される。
上記コンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金で構成されたコンプレッサー摺動部品鍛造品の表面に、ビッカース硬さ(HV)が400以上であるアルマイト皮膜が形成されてなるコンプレッサー摺動部品鍛造品は、膜厚が均一で膜強度に優れたアルマイト皮膜を有し、十分な引張強さを備えたものとなる。
本発明では、FE−SEMでの組織観察において、円相当直径が0.5μm〜5μmの大きさのAl−Mn−Si金属間化合物の面積が、円相当直径が0.5μm以上であるAl−Mn−Si金属間化合物の面積に対して90%以上であることで、25℃における引張強さを向上させることができるという効果が得られる。また、Cuを1質量%以上含有し、且つ円相当直径が5μmより大きい晶出物が存在しないことにより、アルマイト性の低下を抑制できるという効果が得られる。
次に、本発明に係る、コンプレッサー摺動部品鍛造品の製造方法について説明する。本製造方法では、Si:8.0質量%〜12.0質量%、Cu:0.6質量%〜1.2質量%、Mg:0.2質量%〜0.8質量%、Mn:0.05質量%〜0.8質量%を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなるアルミニウム合金の溶湯を得る溶湯形成工程と、前記得られた溶湯を鋳造加工することによって鋳造材を得る鋳造工程と、を含む。
(溶湯形成工程)
前記溶湯形成工程では、Si:8.0質量%〜12.0質量%、Cu:0.6質量%〜1.2質量%、Mg:0.2質量%〜0.8質量%、Mn:0.05質量%〜0.8質量%を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなる組成となるように溶解調製されたアルミニウム合金溶湯を得る。
(鋳造工程)
次に、前記得られた溶湯を鋳造加工することによって鋳造材10を得る(図1参照)。鋳造方法としては、特に限定されるものではなく、従来公知の方法を用いればよく、例えば、連続鋳造圧延法、ホットトップ鋳造法、フロート鋳造法、半連続鋳造法(DC鋳造法)等が挙げられる。例えば直径60mm〜90mmの鋳造材を得る。
以下、順に、均質化熱処理工程、切断工程、鍛造工程、溶体化処理工程、焼き入れ工程、時効処理工程、ショットピーニング工程を実施するのがよい。
(均質化熱処理工程)
得られた鋳造材に対して均質化熱処理を行う。即ち、鋳造材を470℃〜500℃の温度で0.5時間〜6.0時間保持する均質化熱処理を行うのがよい。
(切断工程)
前記均質化熱処理を施した鋳造材を所定の長さに切断し、鍛造用鋳造材を得る。
(鍛造工程)
前記鋳造材に鍛造を行って鍛造物20を得る(図2参照)。鍛造工程では、金型温度を100℃〜300℃に設定し、素材温度(鋳造材温度)を370℃〜510℃とするのが良い。
(溶体化処理工程)
次に、溶体化処理を行うが、この溶体化処理の温度は、500℃〜545℃に設定するのが良い。また、溶体化処理の処理時間は、0.5時間〜6時間とするのが良い。
(焼き入れ工程)
次いで、焼き入れ処理を行う。この焼き入れ処理は、15℃〜60℃の水で急冷するのが良い。
(時効処理工程)
次に、前記焼き入れ処理を経た鍛造品を160℃〜220℃の温度で1時間〜18時間加熱して時効処理を行う。
(ショットピーニング工程)
このショットピーニング工程では、前記時効処理を施した鍛造品を機械加工にて切削した後、ピーニングして表面近傍に塑性加工を加えることで疲労強度を向上させるが、砥粒サイズは1mm以下とするのが好ましい。砥粒種としては、例えば、SUS304、アルミナ等が挙げられる。また、ピーニング圧力は1MPa以下とするのが好ましい。
このようにして得られた鍛造品は、優れたアルマイト性を有し、十分な引張強さを備えているので、自動車エアコン用摺動部品として好適に使用できる。上記の製造方法により、25℃における引張強さが330MPa〜380MPaであり、円相当直径が0.5μm〜5μmの大きさのAl−Mn−Si金属間化合物の面積が、円相当直径が0.5μm以上であるAl−Mn−Si金属間化合物の面積に対して90%以上であり、Cuを1質量%以上含有し且つ円相当直径が5μmより大きい晶出物が存在しない構成の鍛造品を得ることができる。
次に、上述した本発明に係るコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金およびコンプレッサー摺動部品鍛造品の製造方法における「アルミニウム合金」の組成について以下詳述する。前記アルミニウム合金は、Si:8.0質量%〜12.0質量%、Cu:0.6質量%〜1.2質量%、Mg:0.2質量%〜0.8質量%、Mn:0.05質量%〜0.8質量%を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなるアルミニウム合金である。
前記Si(成分)は、強度を向上させる作用を有する。しかし、過剰添加すると、粗大な初晶Si粒が晶出することにより強度が低下してしまう。また初晶Siは陽極酸化の進行を阻害するため、アルマイト性も低下する。Si含有率が8.0質量%未満になると、十分な引張強さが得られない。一方、Si含有率が12.0質量%を超えると、粗大な初晶Si粒の晶出により引張強さが低下し、かつアルマイト性も悪化する。従って、Si含有率は、8.0質量%〜12.0質量%の範囲とする。
前記Cu(成分)は、引張強さを向上させる作用を有する。引張強さを向上させる作用はCuの析出によるもので、溶体化処理で過飽和固溶体を得た後に、時効処理を施すことによって上記効果が得られる。しかし、Cu系晶出物が存在すると、アルマイト処理時にCu系晶出物が陽極酸化の進行を阻害するため、アルマイト性が低下する。Cu含有率が0.6質量%未満になると、十分な析出強化が得られず強度が向上しない。一方、Cu含有率が1.2質量%を超えると、アルマイト性が著しく低下する。従って、Cu含有率は、0.6質量%〜1.2質量%の範囲とする。中でも、Cu含有率は、0.8質量%〜1.1質量%の範囲とするのが好ましい。
前記Mg(成分)は、Cuと同様に引張強さを向上させる作用を有する。Mgは鋳造時に固溶し、時効処理時にSiやCuと化合物を形成し析出することで、引張強さ向上に寄与する。このような引張強さ向上効果は、Mg含有率が0.2質量%以上で顕著に表れ、Mg含有率が0.8質量%を超えると、前記効果が顕著に表れなくなる。従って、Mg含有率は、0.2質量%〜0.8質量%の範囲とする。中でも、Mg含有率は、0.4質量%〜0.6質量%の範囲とするのが好ましい。
前記Mn(成分)は、引張強さを向上させる作用を有する。Mnは鋳造時にAl−Mn−Si金属間化合物として粒状に晶出し、引張強さ向上に寄与する。このような引張強さ向上効果は、Mn含有率が0.05質量%未満では効果が少なく、Mn含有率が0.8質量%を超えると、粗大晶出物を形成して強度の低下を招く。従って、Mn含有率は、0.05質量%〜0.8質量%の範囲とする。中でも、Mn含有率は、0.3質量%〜0.6質量%の範囲とするのが好ましい。
なお、本発明のアルミニウム合金において、Cr、Zn、Fe、Ni、Co、V、Mo、Zr、Sc、Hf、Ce、Nb、Er、Ybは、これらの合計の含有率で最大0.5質量%までとするのが望ましい。0.5質量%を超えると、Al母相より先に晶出され粗大晶出物となり、延性の低下をもたらし、引張強さが低下する。
本発明において、前記Al−Mn−Si金属間化合物の円相当直径とは、前記アルミニウム合金材の断面のSEM写真(画像)におけるAl−Mn−Si金属間化合物の面積と同じ面積を有する円の直径として換算した値である。
次に、本発明の具体的実施例について説明するが、本発明はこれら実施例のものに特に限定されるものではない。
<実施例1>
Si:10.0質量%、Cu:0.9質量%、Mg:0.3質量%、Mn:0.5質量%を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなるアルミニウム合金溶湯を連続鋳造加工することによって直径が82mmの鋳造材(鋳造材)を得た。鋳造時の冷却速度は15℃/秒で実施した。得られた鋳造材を470℃×7時間加熱する均質化熱処理を行った後、空冷した。
上記鋳造材を長さ30mmに切断した後、素材温度420℃、金型温度180℃で鍛造を行った。鍛造においては、スクロール鍛造品の底部を想定し、鋳造材の軸方向と平行な方向に80%の据え込みを行い鍛造材を得た。
鍛造材を510℃で3時間加熱し溶体化処理を行った後、25℃の水で水焼き入れ処理を行った。次に、180℃で8時間加熱して人工時効処理を施し、鍛造品を得た。
<実施例2、3>
表1に示す合金組成(不可避不純物を含有する)のアルミニウム合金溶湯を用いた以外は、実施例1と同様にして、鍛造品を得た。
<実施例4>
表1に示す合金組成(不可避不純物を含有する)のアルミニウム合金溶湯を用い、溶体化処理温度を540℃に設定した以外は、実施例1と同様にして、鍛造品を得た。
<比較例1〜8>
表1に示す合金組成(不可避不純物を含有する)のアルミニウム合金溶湯を用いた以外は、実施例1と同様にして、鍛造品を得た。
<比較例9>
表1に示す合金組成(不可避不純物を含有する)のアルミニウム合金溶湯を用い、溶体化処理温度を550℃に設定した以外は、実施例1と同様にして、鍛造品を得た。
<比較例10>
表1に示す合金組成(不可避不純物を含有する)のアルミニウム合金溶湯を用い、溶体化処理温度を490℃に設定した以外は、実施例1と同様にして、鍛造品を得た。
Figure 2020100863
Figure 2020100863
上記のようにして得られた各鍛造品について下記評価法に基づいて評価を行った。
<アルマイト皮膜の硬度評価法>
アルマイト皮膜の硬度測定を行うために、鍛造品にアルマイト処理を行った。アルマイト処理は、電解液濃度は遊離硫酸150g/L、電流密度3A/dm2、浴温5℃で実施し、厚さ20μmのアルマイト皮膜を形成せしめた。得られたアルマイト処理品を切り出し、バフ研磨にて鏡面仕上げを行った後、島津製作所製 MICRO HARDNESS TESTER HMVを用いてアルマイト皮膜のビッカース硬度測定を行った。硬度測定は、アルマイト皮膜の厚さ方向で実施し、荷重は0.01gで実施した。測定結果を表2に示す。表2では、ビッカース硬度(HV)が400未満であったものを評価「×」と表記し、400以上であったものを評価「○」と表記した。
<引張強さ試験法>
引張試験を行うため、鍛造品から所定サイズに切り出し加工を行い、JIS4号引張試験片を得た。得られた試験片に対しJIS Z2241の規定に準拠して島津製作所製のAG100kNXplusを用いて引張試験を行い、25℃における引張強さ(MPa)を測定した。測定結果を表2に示す。表2では、引張強さが330MPa〜380MPaであるものを評価「○」と表記する一方、引張強さが前記範囲を逸脱しているものを評価「×」と表記した。
<組織観察方法>
組織観察を行うため、鍛造品を所定サイズに切り出した。観察面は、鍛造方向に対し平行な面とした。切り出したサンプルに対し観察面加工(日本電子社製CROSS SECTOION POLISHER IB−19530CP)を行った後、FE−SEM(日本電子社製JSM−7900F)で5000倍にて観察を行った。観察視野に対してEDS分析(OXFORD INSTRUMENTS社製 マルチプルエネルギー分散型X線マイクロアナライザ AZtec Energy Advanced X−MAXN80)を実施することにより、「Cuを1質量%以上含む晶出物の最大円相当直径」、「初晶Siの有無」、「0.5μm以上のAl−Mn−Si金属間化合物のうちの0.5μm〜5μmのものが占める面積率」を求めた。これらの結果を表2に示す。
表から明らかなように、本発明の実施例1〜4の鍛造品は、アルマイト皮膜の硬度が大きい上に十分な引張強さを備えている。
これに対し、本発明の範囲を逸脱する比較例1〜10では、アルマイト皮膜硬度(アルマイト性)および引張強さのうち少なくともいずれか一方の特性に劣っていた。
なお、比較例9では、溶体化処理温度が高いために固相線温度を超え、溶け込み(部分溶融)が発生したため以後の上記諸評価は行わなかった。また、比較例10では、溶体化処理温度が低いため、十分な過飽和固溶体が得られず、室温における引張強さが不十分であった。
本発明に係るコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金で構成されたコンプレッサー摺動部品、本発明の製造方法で得られたコンプレッサー摺動部品鍛造品は、自動車エアコン用コンプレッサー(圧縮機)に代表される摺動部品、とりわけスクロール、電動スクロールとして好適に使用できる。
10…鋳造材
20…コンプレッサー摺動部品鍛造品

Claims (8)

  1. Si:8.0質量%〜12.0質量%、Cu:0.6質量%〜1.2質量%、Mg:0.2質量%〜0.8質量%、Mn:0.05質量%〜0.8質量%を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなるアルミニウム合金であって、
    25℃における引張強さが330MPa〜380MPaであり、
    円相当直径が0.5μm〜5μmの大きさのAl−Mn−Si金属間化合物の面積が、円相当直径が0.5μm以上であるAl−Mn−Si金属間化合物の面積に対して90%以上であり、
    Cuを1質量%以上含有し、且つ円相当直径が5μmより大きい晶出物が存在しないことを特徴とするコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金。
  2. 初晶Siが存在しないことを特徴とする請求項1に記載のコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金。
  3. 前記コンプレッサー摺動部品は、コンプレッサースクロール部品である請求項1または2に記載のコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金。
  4. 請求項1または2に記載のコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金で構成されたコンプレッサー摺動部品鍛造品。
  5. 請求項1または2に記載のコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金で構成されたコンプレッサー摺動部品鍛造品の表面に、ビッカース硬さが400以上であるアルマイト皮膜が形成されてなるコンプレッサー摺動部品鍛造品。
  6. 請求項1または2に記載のコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金で構成されたコンプレッサースクロール部品鍛造品の表面に、ビッカース硬さが400以上であるアルマイト皮膜が形成されてなるコンプレッサースクロール部品鍛造品。
  7. 請求項1または2に記載のコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金で構成された電動コンプレッサースクロール部品鍛造品の表面に、ビッカース硬さが400以上であるアルマイト皮膜が形成されてなる電動コンプレッサースクロール部品鍛造品。
  8. Si:8.0質量%〜12.0質量%、Cu:0.6質量%〜1.2質量%、Mg:0.2質量%〜0.8質量%、Mn:0.05質量%〜0.8質量%を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなるアルミニウム合金の溶湯を得る溶湯形成工程と、
    前記得られた溶湯を鋳造加工することによって鋳造材を得る鋳造工程と、
    前記鋳造材を470℃〜500℃の温度に0.5時間〜6.0時間保持する均質化熱処理を行う均質化熱処理工程と、
    前記均質化熱処理後の鋳造材に鍛造加工を施して鍛造物を得る鍛造工程と、
    前記鍛造物に500℃〜545℃の温度で溶体化処理を行う溶体化処理工程と、
    前記溶体化処理を経た鍛造物に焼き入れを行う焼き入れ工程と、
    前記焼き入れ後の鍛造物を160℃〜220℃の温度で1時間〜18時間加熱する時効処理工程と、を含むことを特徴とするコンプレッサー摺動部品鍛造品の製造方法。
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