JP2022072575A - 摺動部品用アルミニウム合金及び摺動部品 - Google Patents
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Abstract
Description
[3]上記[1]または[2]に記載の摺動部品用アルミニウム合金で構成された摺動部品。
[4]鍛造品である上記[3]に記載の摺動部品。
[5]表面に、ビッカース硬さが400HV以上であるアルマイト皮膜が備えられている上記[3]または[4]に記載の摺動部品。
[6]コンプレッサーの摺動部品である上記[3]から[5]のいずれか一つに記載の摺動部品。
[7]スクロール型コンプレッサーの摺動部品である上記[3]から[5]のいずれか一つに記載の摺動部品。
[8]電動スクロール型コンプレッサーの摺動部品である上記[3]から[5]のいずれか一つに記載の摺動部品。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を模式的に示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
本実施形態の摺動部品用アルミニウム合金は、Siを8.5質量%以上12.0質量%以下の範囲内、Cuを0.8質量%以上1.1質量%以下の範囲内、Mgを0.4質量%以上0.6質量%以下の範囲内、Mnを0.30質量%以上0.60質量%以下の範囲内、Feを0.10質量%以上0.30質量%以下の範囲内、Crを0.01質量%以上0.03質量%以下の範囲内、Caを0.0005質量%以上0.0050質量%以下の範囲内、Srを0.00005質量%以上0.03000質量%以下の範囲内で含有し、残部がAl及び不可避不純物とされている。また、本実施形態の摺動部品用アルミニウム合金は、Caの含有量に対するSrの含有量の比Sr/Caが0.01以上30以下の範囲内とされている。さらに、本実施形態の摺動部品用アルミニウム合金は、25℃における引張強さが330MPa以上380MPa以下の範囲内とされている。またさらに、本実施形態の摺動部品用アルミニウム合金は、Cuを1質量%以上含有し、円相当直径が5μmを超える晶出物を1182μm2あたり2個以上含まず、長さが8μm以上のCr含有金属間化合物を1182μm2あたり2個以上含まないとされている。また、本実施形態の摺動部品用アルミニウム合金は、円相当直径が10μmを超える初晶Si粒を4726μm2あたり2個以上含まなくてもよい。
Si(成分)は、アルミニウム合金の引張強さを向上させる作用を有する。ただし、アルミニウム合金にSiを過剰に添加すると、粗大な初晶Si粒が晶出することにより、アルミニウム合金の引張強さが低下するおそれがある。また、初晶Si粒は、アルマイト皮膜の形成性を低下させるおそれがある。
Si含有率が8.5質量%未満になると、Siによる引張強さの向上効果が得られにくくなるおそれがある。一方、Si含有率が12.0質量%を超えると、粗大な初晶Si粒が晶出しやすくなるおそれがある。以上の理由から、本実施形態では、Si含有率は8.5質量%以上10.5質量%以下の範囲内とされている。Si含有率は、9.0質量%以上10.5質量%以下の範囲内にあることがより好ましい。
Cu(成分)は、アルミニウム合金の引張強さを向上させる作用を有する。Cuは、アルミニウム合金中でG.P.ゾーンを形成する。このG.P.ゾーンが中間相となることによって、アルミニウム合金の引張強さの向上に寄与する。
Cu含有率が0.8質量%未満になると、Cuによる引張強さの向上効果が得られにくくなるおそれがある。一方、Cu含有率が1.1質量%を超えると、アルマイト皮膜の形成性が低下するおそれがある。以上の理由から、本実施形態では、Cu含有率は0.8質量%以上1.1質量%以下の範囲内とされている。Cu含有率は、0.9質量%以上1.0質量%以下の範囲内にあることが好ましい。
Mg(成分)は、Cuと同様にアルミニウム合金の引張強さを向上させる作用を有する。Mgは、アルミニウム合金中でSiやCuを含む化合物を形成する。この化合物がQ相として析出することで、アルミニウム合金の引張強さの向上に寄与する。
Mg含有率が0.4質量%未満になると、Mgによる引張強さの向上効果が得られにくくなるおそれがある。一方、Mg含有率が0.6質量%を超えると、Mgによる引張強さの向上効果が低下するおそれがある。このため、本実施形態では、Mg含有率は、0.4質量%以上0.6質量%以下の範囲内とされている。Mg含有率は0.45質量%以上0.55質量%以下の範囲内にあることが好ましい。
Mn(成分)は、アルミニウム合金の引張強さを向上させる作用を有する。Mnは、アルミニウム合金中でAl-Mn-Si金属間化合物等を含む微細な粒状の晶出物を形成することで、アルミニウム合金の引張強さの向上に寄与する。
Mn含有率が0.30質量%未満になると、Mnによる引張強さの向上効果が得られにくくなるおそれがある。一方、Mn含有率が0.60質量%を超えると、上記の金属間化合物が粗大な晶出物を形成してアルミニウム合金の引張強さを低下させるおそれがある。以上の理由から、本実施形態では、Mn含有率は、0.30質量%以上0.60質量%以下の範囲内とされている。Mn含有率は、0.35質量%以上0.55質量%以下の範囲内にあることが好ましい。
Cr(成分)は、アルミニウム合金の機械的特性を向上させる作用を有する。Crは、アルミニウム合金中でAl-Fe-Cr金属間化合物等を含む微細なCr含有金属間化合物として晶出することで、アルミニウム合金の機械的特性の向上に寄与する。
Cr含有量が0.01質量%未満になると、Crによる引張強さの向上効果が得られにくくなるおそれがある。一方、Cr含有量が0.03質量%を超えると、Cr含有金属間化合物が粗大な晶出物を形成してアルミニウム合金の引張強さを低下させるおそれがある。以上の理由から、本実施形態では、Cr含有率は0.01質量%以上0.03質量%以下の範囲内とされている。Cr含有量は、0.015質量%以上0.02質量%以下の範囲内にあることが好ましい。
Fe(成分)は、アルミニウム合金の引張強さを向上させる作用を有する。Feは、アルミニウム合金中でAl-Fe-Si金属間化合物、Al-Cu-Fe金属間化合物、Al-Mn-Fe金属間化合物等を含む微細な晶出物として晶出することで、アルミニウム合金の機械的特性の向上に寄与する。
Fe含有率が0.10質量%未満になると、Feによる引張強さの向上効果が得られにくくなるおそれがある。一方、Fe含有率が0.30質量%を超えると、上記金属間化合物が粗大な晶出物を形成してアルミニウム合金の引張強さを低下させるおそれがある。以上の理由から、本実施形態では、Fe含有率は0.10質量%以上0.30質量%以下の範囲内とされている。Fe含有量は、0.15質量%以上0.25質量%以下の範囲内にあることが好ましい。
Ca及びSrはそれぞれ、初晶Si粒の晶出を抑制する作用を有する。
CaとSrとを比較すると、共晶Si粒の晶出の抑制効果、すなわち耐腐食性の改良効果は、Srの方が高い。また、CaとSrを組み合わせて添加すると、Ca添加による改良効率が低下することがある。このため、Ca及びSrの含有量と共に、CaとSrの含有量の比を調整することが必要となる。以上の理由から、本実施形態では、Ca含有量は0.0005質量%以上0.0050質量%以下の範囲内、Srの含有量は0.00005質量%以上0.03000質量%以下の範囲内、Caの含有量に対するSrの含有量の比Sr/Caは0.01以上30以下の範囲内とされている。Ca含有量は0.0005質量%以上0.0020質量%以下の範囲内にあることが好ましい。Srの含有量は0.00005質量%以上0.0200質量%以下にあることが好ましい。Caの含有量に対するSrの含有量の比Sr/Caは0.01以上2.2未満の範囲内にあってもよいし、2.2以上25以下の範囲内にあってもよい。
不可避不純物は、アルミニウム合金の原料又は製造工程から不可避的にアルミニウム合金に混入する不純物である。本実施形態のアルミニウム合金において、Zn、Ni、Zr、Tiの各元素の混入量は、これらの各元素の合計の含有率で0.5質量%を超えないことが好ましい。上記の各元素の合計含有率が0.5質量%を超えると、その各元素がAl母相より先に晶出して、粗大な晶出物を形成することで、アルミニウム合金の延性が小さくなり、引張強さが低下するおそれがある。
本実施形態のアルミニウム合金は、25℃における引張強さが330MPa以上380MPa以下の範囲内にある。引張強さは、JIS4号引張試験片を用いて、JIS Z2241:2011(金属材料引張試験方法)の規定に準拠して測定した値である。
Cuを1質量%以上含有するCu系晶出物の円相当直径が5μmを超えると、陽極酸化処理によるアルマイト皮膜の形成を阻害するおそれがある。このため、本実施形態では、円相当直径が5μmを超える粗大なCu系晶出物を、1182μm2あたり2個以上含まないとされている。1182μm2あたりの粗大なCu系晶出物の数は1個以下であることが好ましく、粗大なCu系晶出物を含まないことがより好ましい。粗大なCu系晶出物を含まない場合、アルミニウム合金に含まれるCu系晶出物の最大円相当直径は、3μm以下であることが好ましく、1μm以下であることがより好ましい。
長さが8μm以上のCr含有金属間化合物は、アルミニウム合金の引張強さを低下させるおそれがある。このため、本実施形態では、長さが8μm以上の粗大なCr含有金属間化合物を、1182μm2あたり2個以上含まないとされている。1182μm2あたりの粗大なCr含有金属間化合物の数は1個以下であることが好ましく、粗大なCr含有金属間化合物を含まないことがより好ましい。粗大なCr含有金属間化合物を含まない場合、アルミニウム合金に含まれるCr含有金属間化合物の最大長さは、6μm以下であることが好ましく、4μm以下であることがより好ましい。
Cr含有金属間化合物の長さ及び個数は、上記のCu系晶出物の場合と同様に、アルミニウム合金の断面の1182μm2の範囲について、FE-SEM/EDSを用いて、Cr含有金属間化合物を検出し、検出されたCr含有金属間化合物の長さ及び個数をSEM画像により計測することによって測定することができる。
円相当直径が10μmを超える粗大な初晶Si粒は、陽極酸化処理によるアルマイト皮膜の形成を阻害するおそれがある。このため、本実施形態では、円相当直径が10μmを超える粗大な初晶Si粒を、4726μm2あたり2個以上含まないとされている。粗大な初晶Si粒の数は1以下であることが好ましく、粗大な初晶Si粒を含まないことがより好ましい。粗大な初晶Si粒を含まない場合、アルミニウム合金に含まれる初晶Si粒の最大円相当直径は、8μm以下であることが好ましく、4μm以下であることがより好ましい。
初晶Si粒の円相当直径及び個数は、アルミニウム合金の断面の60.9μm×77.6μm(=4726μm2)の範囲について、FE-SEM/EDSを用いて観察することによって測定することができる。
本実施形態の摺動部品は、前述の本実施形態の摺動部品用アルミニウム合金で構成されている。本実施形態の摺動部品は、鍛造品であってもよい。
本実施形態の摺動部品は、表面に、ビッカース硬さが400HV以上であるアルマイト皮膜が備えられていてもよい。アルマイト皮膜は、陽極酸化処理によって形成することができる。アルマイト皮膜の膜厚は、4μm以上100μm以下の範囲内にあることが好ましい。アルマイト皮膜のビッカース硬さは、400HV以上450HV以下の範囲内にあればよい。
図1は、本発明の一実施形態に係る摺動部品の製造方法を示すフロー図である。本実施形態の摺動部品の製造方法は、図1に示すように、アルミニウム合金の溶湯を得る溶湯形成工程S01と、溶湯を鋳造加工することによって鋳造品を得る鋳造工程S02と、鋳造品に鍛造を行なって鍛造品を得る鍛造工程S05とを有する。鋳造工程S02と鍛造工程S05との間に、均質化熱処理工程S03、切断工程S04を行なってもよい。また、鍛造工程S05の後に、溶体化処理工程S06、焼き入れ工程S07、時効処理工程S08、ショットピーニング工程S09を行なってもよい。
溶湯形成工程S01では、Al源、Si源、Cu源、Mg源、Mn源、Fe源、Cr源、Ca源、Sr源である原料を、上記の組成となるように混合し、得られた混合物を加熱して溶解させることによってアルミニウム合金溶湯を得る。Al源、Si源、Cu源、Mg源、Mn源、Fe源、Cr源、Ca源及びSr源はそれぞれ単一の金属材料であってもよいし、2種以上の金属を含む合金材料であってもよい。なお、原料となる金属材料は、Caを多量に含む場合がある。この場合、Caの含有量に対するSrの含有量の比Sr/Caが上記の範囲内となるように、予め原料の金属材料に対して脱Ca処理を行なってもよい。
鋳造工程S02では、溶湯形成工程S01で得られたアルミニウム合金溶湯を鋳造加工することによって鋳造品を得る。図2は、本発明の一実施形態に係る摺動部品用アルミニウム合金(鋳造品)の一例を示す斜視図である。鋳造工程では、図2に示すように、円柱状の鋳造品1を得る。鋳造加工の方法には、特に制限はない。鋳造加工の方法としては、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)等のアルミニウム合金の鋳造方法として従来より利用されている公知の方法を用いることができる。この鋳造工程により、Mnは、Al-Mn-Si金属間化合物を含む微細な粒状の晶出物を形成する。また、Feは、Al-Fe-Si金属間化合物、Al-Cu-Fe金属間化合物、Al-Mn-Fe金属間化合物等の微細な晶出物を形成する。また、Crは、Al-Fe-Cr金属間化合物等の微細なCr含有金属間化合物として晶出物を形成する。
均質化熱処理工程S03では、鋳造工程S02で得られた鋳造品1に対して均質化熱処理を行なう。この均質化熱処理により、鋳造時に発生する添加元素の偏析を解消して組成を均質化させ、また、鋳造時の凝固により発生した過飽和固溶体を析出させ、さらに鋳造時の凝固により形成された準安定相を平衡相へ相変化させる。均質化熱処理における加熱温度は、例えば、420℃以上500℃以下の範囲内である。
切断工程S04では、均質化熱処理工程S03で均質化熱処理を施した鋳造品1を所定のサイズに切断し、鍛造用の鋳造品を得る。すなわち、切断工程S04では、鋳造品1を平面に沿って切断することによって、鍛造用の鋳造品を得る。
鍛造工程S05では、切断工程S04で得られた鍛造用の鋳造品に鍛造加工を行なって鍛造品を得る。図2は、本発明の一実施形態に係る摺動部品(鍛造品)の一例を示す斜視図である。図2に示す鍛造品2は、スクロール型コンプレッサー用の摺動部品(スクロール)である。鍛造品2は、円板状の基部3と、渦巻き状の突起部4とを有する。鍛造加工の方法は、熱間鍛造を用いてもよいし、冷間鍛造を用いてもよい。熱間鍛造における加熱温度は、例えば、350℃以上450℃以下の範囲内である。
溶体化処理工程S06では、鍛造工程S05で得られた鍛造品2に溶体化処理を行なう。この溶体化処理によって、鍛造品2中のSi、Cu、Mgなどの元素がアルミニウム合金に再固溶した固溶状態を生成させる。溶体化処理における加熱温度は、例えば、150℃以上220℃以下の範囲内である。
焼き入れ工程S07では、溶体化処理工程S06で固溶状態とされた鍛造品2に焼き入れ処理を行なう。この焼き入れ処理によって、鍛造品2を急冷することにより、固溶状態が維持された過飽和固溶体を生成させる。
なお、鍛造工程S05において、鍛造加工を熱間鍛造で行なった場合、溶体化処理工程S06を行なわずに、熱間鍛造時の加熱を利用し、鍛造後そのまま焼き入れを行なう鍛造焼き入れを行なってもよい。
時効処理工程S08では、焼き入れ処理工程S07で過飽和固溶体とされた鍛造品2に時効処理を行なう。この時効処理によって、鍛造品2に対して低温で焼き戻しを行なう。この時効処理により、鍛造品2を構成するアルミニウム合金中にクラスタが生成し、このクラスタを核としてCuが析出してG.P.ゾーンが生成する。また、Mgは、SiやCuと化合物を形成して、Q相として析出する。時効処理における加熱温度は、例えば、150℃以上220℃以下の範囲内である。
ショットピーニング工程S09では、時効処理工程S08で時効処理を行なった鍛造品2を機械加工にて切削した後、ショット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。ショットピーニングで用いる砥粒のサイズは1mm以下とするのが好ましい。砥粒の材料としては、例えば、ステンレス鋼(例:SUS304)、アルミナ等を用いることができる。また、ピーニング圧力は1MPa以下とするのが好ましい。
Siを10.1質量%、Cuを1.0質量%、Mgを0.4質量%、Mnを0.4質量%、Crを0.03質量%、Feを0.19質量%、Caを0.0010質量%、Srを0.0010質量%(Sr/Ca=1.00)の割合で含有し、残部がAlからなるアルミニウム合金の溶湯を連続鋳造加工することによって、直径が82mmの鋳造品を得た。得られた鋳造品に均質化熱処理を施した後、鋳造品を空冷した。次いで、鋳造品を所定の長さに切断して、鍛造用の鋳造品を得た。得られた鋳造品に熱間鍛造を行なうことによって、鍛造品を得た。得られた鍛造品に溶体化処理を施した後、水焼き入れ処理を行なった。次に、水焼き入れ処理後の鋳造品に時効処理を施して、摺動部品用の鍛造品を得た。
アルミニウム合金(不可避不純物を含有する)のSi、Cu、Mg、Mn、Cr、Fe、Ca、Srの含有量を、表1に示す割合に変えたこと以外は、実施例1と同様にして、摺動部品用の鍛造品を得た。
実施例1~3及び比較例1~15で得られた摺動部品用の鍛造品について、以下の評価を行なった。
摺動部品用の鍛造品のSi、Cu、Mg、Mn、Cr、Fe、Ca、Srの各元素の含有率を、次のようにして測定した。摺動部品用の鍛造品を、酸塩酸と過酸化水素とを用いて溶解させる。得られた溶液中の各元素の含有量を、ICP発光分光装置を用いて測定し、その測定値を、鍛造品中の各元素の含有率に換算する。
この測定の結果、各実施例及び比較例で得られた鍛造品の各元素の含有率は、それぞれ表1に示す含有率と同じであった。
摺動部品用の鍛造品の組織を、次のようにして観察した。
摺動部品用の鍛造品を所定のサイズに切り出して観察用試料を作製する。観察用試料の鍛造方向に対して平行な面を、観察面加工して観察面とする。観察用試料の観察面を、FE-SEM/EDSを用いて観察する。FE-SEMの拡大倍率を3000倍に設定し、FE-SEMの観察視野(30.47μm×38.79μm=1182μm2)に対して、EDSを用いて元素分析を行なって、Cuを1質量%以上含むCu系晶出物とCr含有金属間化合物を特定する。特定されたCu系晶出物は円相当直径を算出し、「円相当直径が5μmを超えるCu系晶出物の個数」と「最大円相当直径」を求める。特定されたCr含有金属間化合物は長さを算出し、「長さが8μm以上のCr含有金属間化合物の個数」と「最大長さ」を求める。また、FE-SEMの拡大倍率を1500倍に設定し、FE-SEMの観察視野(60.9μm×77.6μm=4726μm2)に対して、EDSを用いて元素分析を行なって、初晶Si粒を特定する。特定された初晶Si粒は円相当直径を算出し、「円相当直径が10μmを超える初晶Si粒の個数」と「最大円相当直径」を求める。なお、Cu系晶出物、Cr含有金属間化合物及び初晶Si粒の観察は、4個の観察面に対して行なった。「円相当直径が5μmを超えるCu系晶出物の個数」、「長さが8μm以上のCr含有金属間化合物の個数」及び「円相当直径が10μmを超える初晶Si粒の個数」は、それらの観察面内で計測された個数の平均値である。また、Cu系晶出物と初晶Si粒の「最大円相当直径」及びCr含有金属間化合物の「最大長さ」は、それらの観察面内で計測された値の最大値である。その結果を、表2に示す。
摺動部品用の鍛造品の引張強さを、次のようにして測定した。
摺動部品用の鍛造品を所定のサイズに切り出してJIS4号引張試験片を作製する。得られたJIS4号引張試験片に対して、JIS Z2241:2011(金属材料引張試験方法)の規定に準拠して引張試験を行い、25℃における引張強さ(MPa)を測定する。
その果を、表2に示す。表2において、引張強さが330MPa以上380MPa以下の範囲内にあるものを「○」と記載し、引張強さが前記範囲を逸脱しているものを「×」と記載した。
摺動部品用の鍛造品を陽極酸化処理して、鍛造品の表面に厚さ20μmのアルマイト皮膜を形成した。そして、得られたアルマイト皮膜の硬度を測定した。
アルマイト皮膜は、次のようにして形成した。鍛造品を、遊離硫酸濃度が150g/Lで、液温5℃の電解液に浸漬する。次いで、鍛造品を陽極として、電流密度3A/dm2の電流を流して、鍛造品の表面にアルマイト皮膜を形成する。そして、アルマイト皮膜を形成した鍛造品を電解液から取り出して、アルマイト皮膜に対してバフ研磨にて鏡面仕上げを行なう。
アルマイト皮膜の硬度は、次のようにして測定した。アルマイト皮膜の硬度は、ビッカース硬度計を用いて測定する。硬度測定は、アルマイト皮膜の厚さ方向に対して実施し、荷重は0.01gとする。
測定結果を表2に示す。表2において、ビッカース硬さが400HV未満であったものを「×」と記載し、400HV以上であったものを「○」と記載した。
引張強さが「〇」で、アルマイト皮膜の硬度が「〇」のものについて、総合評価を合格(「〇」)とした。引張強さとアルマイト皮膜の硬度のどちらか一方でも「×」があったものについては、総合評価を不合格(「×」)とした。その結果を、表2に示す。
2 鍛造品
3 基部
4 突起部
Claims (8)
- Siを8.5質量%以上12.0質量%以下の範囲内、Cuを0.8質量%以上1.1質量%以下の範囲内、Mgを0.4質量%以上0.6質量%以下の範囲内、Mnを0.30質量%以上0.60質量%以下の範囲内、Crを0.01質量%以上0.03質量%以下の範囲内、Feを0.10質量%以上0.30質量%以下の範囲内、Caを0.0005質量%以上0.0050質量%以下の範囲内、Srを0.00005質量%以上0.03000質量%以下の範囲内で含有し、残部がAl及び不可避不純物であって、
Caの含有量に対するSrの含有量の比Sr/Caが0.01以上30以下の範囲内にあり、
25℃における引張強さが330MPa以上380MPa以下の範囲内にあって、
Cuを1質量%以上含有し、円相当直径が5μmを超える晶出物を1182μm2あたり2個以上含まず、
長さが8μm以上のCr含有金属間化合物を1182μm2あたり2個以上含まないことを特徴とする摺動部品用アルミニウム合金。 - 円相当直径が10μmを超える初晶Si粒を4726μm2あたり2個以上含まない請求項1に記載の摺動部品用アルミニウム合金。
- 請求項1または2に記載の摺動部品用アルミニウム合金で構成された摺動部品。
- 鍛造品である請求項3に記載の摺動部品。
- 表面に、ビッカース硬さが400HV以上であるアルマイト皮膜が備えられている請求項3または4に記載の摺動部品。
- コンプレッサーの摺動部品である請求項3から5のいずれか一項に記載の摺動部品。
- スクロール型コンプレッサーの摺動部品である請求項3から5のいずれか一項に記載の摺動部品。
- 電動スクロール型コンプレッサーの摺動部品である請求項3から5のいずれか一項に記載の摺動部品。
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