JP3669440B2 - 耐摩耗性アルミニウム合金 - Google Patents

Description

本発明は耐摩耗性に優れたアルミニウム合金に関するもので、特に自動車用制動部品等の摺動機能を必要とする分野に供されるアルミニウム押出成形形材に関するものである。

一般に、耐摩耗性を目的として使用されている合金としては、ＪＩＳＨ４１４０に規定される４０３２のように、多量のＳｉを添加することでアルミニウム中に硬質のＳｉ粒子を分散させたものであり、またＳｉ、Ｍｇを添加することでアルミニウム中にＭｇ_２Ｓｉを析出させることで耐摩耗性を維持しつつ、押出性の改善を図った合金が知られている。

確かに、４０３２合金のようにＳｉ添加量が６％を超えるアルミニウム合金に対して、Ｍｇを１．９％以上の添加により、耐摩耗性を維持しつつ押出性を改善する効果は認められる。
しかし、それは丸棒等の簡単な形状を有する押出製品についてのみの効果であり、異形断面形状を有する押出製品の場合にＭｇを１％以上添加すると、もはや押出成形することは非常に困難になるという課題を有していた。また、摩耗環境に関して、自動車用制動部品等における、いわゆるブレーキフルーイド等の潤滑油中下での耐摩耗性が要求される技術分野に関しては、単なる耐摩耗性のみならず、同時に耐圧強度・耐電位差腐食性等も要求され、さらには部品組付のための、かしめ加工時の材料ねばり性も必要とされる場合があり、かかる要求特性を満足するアルミニウム合金材料が所望されていた。

本発明者は、まずアルミニウム中に各種成分を添加し、押出加工により押出形材を成形し、各品質特性および押出成形について精意実験研究した。その結果、本発明に至ったものであり、以下実験により得られた知見とともに課題を解決するための手段を述べる。自動車用制御部品には各種多くの部品があり、アンチロックブレーキシステムアクチュエターボデー、ブレーキホイールシリンダー、クラッチマスターシリンダー、プロポーショニングバルブ等が代表例である。これらに供されるアルミニウム合金には、鋳造材、鍛造材、押出材があるが、本発明は特に押出材についてのものである。また、これらはいわゆるブレーキフルード等の各種の潤滑油中において摺動性が要求される。

Ｓｉを１．０％から順次添加量を増して耐摩耗性試験を実施すると、約２．０％から耐摩耗性が向上し始め、３．０％添加にて著しい耐摩耗性効果が認められ、さらにＳｉを添加していくと５．０％付近にて耐摩耗性効果の上昇が緩くなり、６．０％以上ではほぼ平衡に達することが判明した。また、Ｓｉを６．０％以上添加すると切削加工におけるバイト摩耗のみならず、Ｓｉ粒子による面粗度の悪化も認められた。従って、Ｓｉ添加量は３．０〜６．０％が妥当であり、理想的には３．５〜５．５％となる。Ｓｉ添加だけでは押出成形材としては強度が不充分であり、自動車制御部品に供するのはＭｇが０．４％以上必要であり、Ｍｇを１．０％以上添加すると押出成形性が急に低下し始めた。次に、切削性および電位差腐食性改善効果を目的にＭｎおよびＣｕの添加効果を実験研究した。

Ｍｎは０．１％以上添加すると、後述する押出加工条件との組み合わせにより結晶粒径を調整することが可能であり、切削性および電位差腐食性（以下、防食性という）を向上できることが明らかになった。ただし、Ｍｎを１．０％以上添加すると粒界腐食が発生しやすくなる欠点がある。また、Ｃｕはアルミニウム中の固溶硬化に寄与するとともに切削性も向上し、切削性を重視する場合には０．３〜２．０％の添加が良いが、Ｃｕの添加量が多いと防食性が低下するので、防食効果を重視する場合には０．１５〜１．０％の範囲が良い。従って、理想的にはＣｕ：０．３〜１．０％がかかる品質特性を両立させるのに効果的である。ＣｒおよびＴｉは結晶粒の微細化効果があり、必要に応じて添加される。Ｃｒが０．０５％以下ではかかる効果がなく、０．３０％以上では巨大な初晶生成物を成形し、伸びを悪化させる。Ｔｉが０．０１％以下では同様に微細化効果がなく、０．１０％以上ではその効果が飽和するのみならず、切削時の工具寿命を低下させる。Ｆｅ：０．１〜１．０％は結晶粒の微細化および被削性の改善効果があるが、１．０％を超えるとその効果が飽和し、０．１％以下ではその効果が不足する。
アルミニウム合金の特性を充分に発揮させるには、アルミニウム合金組成のみならず、成形加工条件も非常に重要な要素である。

特に、アルミニウム合金の押出成形においては、アルミニウムビレットの均質化処理条件、押出成形温度、および押出成形後の溶体化処理、人工時効条件が重要であり、以下詳述する。アルミニウムビレット鋳造後の均質化処理は添加成分の固溶化を充分に確保できるように４８０〜５９０℃×６時間以上保持の条件が望ましい。４８０℃以下では合金成分や組織の均質化、過飽和に固溶した成分の析出等、本来の均質化がなされないため、強度、結晶粒に悪影響を及ぼす。５９０℃以上では共晶融解を生じる恐れがあるため、強度、結晶粒に悪影響を及ぼす。押出成形時の温度は４５０℃以上５１０℃以下が望ましい。４５０℃以下では押出が困難であり、５１０℃以上では結晶粒が粗大化して５０μｍ以上になるために、防食性に悪影響を与えるからである。そのためには、ビレット温度のコントロールも重要であり、ビレット温度が４５０℃以下では押出時の加工熱の上昇により却って結晶粒を５０μｍ以上に粗大化させる要因となり、また５１０℃以上ではビレット温度が高く、押出成形時に表面にクラックを生じさせる原因となる。

押出成形後の溶体化処理も５００℃以下では溶体化不充分にて、その後の人工時効により強度確保が困難であり、５６０℃以上では結晶粒が粗大化してしまう。また、その後の人工時効条件は強度確保およびかしめ加工性を考慮して設定される。理想的には５１０〜５４０℃の範囲が望ましい。５１０℃以下では添加元素が充分に固溶しなく、最終製品において充分な性能が得られない。５４０℃以上では結晶粒が粗大化して５０μｍ以上になるため、防食性に悪影響を与え、強度、伸びを悪化させる。人工時効温度は１８０〜２００℃が望ましく、時効時間は製品に要求される強度および製造コストの観点から、人工時効温度とともに決定されるべきである。

表２−１に示す合金ＮＯ．１（合金Ａ）の組成の合金鋳塊を調製した。この８インチφの棒状鋳塊を４８０〜５９０℃で６時間以上均質化処理した後、４５０〜５１０℃に加熱して熱間押出加工を行った。押出形材は図１〜図３に示す異形形材とした。押出形材を１００ｍｍで切断後、溶体化を５００〜５６０℃×３時間保持後、４０℃水温に焼き入れを１０分間行う。その後、人工時効を１８０〜２００℃×３時間保持するＴ６処理を施した。このようにして得られた押出形材の押出加工性、機械的性質、結晶粒等を下記試験方法によって試験した。その結果を表３−１、３−２、３−３、３−４に示す。また、表２−１、２−２に示す種々の組成の合金鋳塊を調整した。この８インチφの棒状鋳塊を５１０℃で６時間均質化処理した後、４７０℃に加熱して押出形材を１００ｍｍで切断後、溶体化を５２０℃×３時間保持後の４０℃水温に焼き入れを１０分間行った。その後、人工時効を１９５℃×３時間保持するＴ６処理を施した。
このようにして得られた押出形材の熱間押出加工性、機械的性質、耐食性、摩耗性等を下記試験方法によって試験した。その結果を表４−１、４−２、４−３、４−４に示す。

〈試験方法〉（１）熱間押出加工性押出形材の表面に割れを生じさせないで押出すことができる最大押出速度を測定し、これによって前記各合金の押出加工性を評価した。
（２）機械的性質Ｔ６処理した押出形材よりＪＩＳ５号片相当の引張試験片を採取し、ＪＩＳＺ２２４１に準じ試験を行った。
（３）耐食性Ｔ６処理した押出形材を図４のように加工し、ネジ部にダクロボルトを組み付けしたのち、表１を基本サイクルとし、１０サイクル繰り返した。評価はダクロボルト接触面および近傍の腐食深さを測定した。

（４）摩耗性ＬＦＷ摩耗試験機にて下記条件の摩耗試験を行い、押出形材側の摩耗量を測定した。

本発明により得られた耐磨耗性アルミニウム合金を用いて押出成形した形材の断面形状の例を示す。 本発明により得られた耐磨耗性アルミニウム合金を用いて押出成形した形材の断面形状の例を示す。 本発明により得られた耐磨耗性アルミニウム合金を用いて押出成形した形材の断面形状の例を示す。 耐食性評価用試験片形状を示す。

符号の説明

１・・・アルミニウム押出形材
２・・・ダクロボルト

Claims (2)

1. Ｍｇ：０．４〜１．０重量％（０．５重量％以上を除く）、Ｓｉ：３．０〜６．０重量％、Ｍｎ：０．１〜１．０重量％を有し、さらにＣｕ：０．１５〜１．０重量％（１．０重量％を除く）、Ｃｒ：０．０５〜０．３０％、Ｔｉ：０．０１〜０．１０重量％、Ｆｅ：０．１〜１．０重量％のうち、１種または２種以上を有し、残りがＡｌおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする押出成形用アルミニウム合金。
2. Ｍｇ：０．４〜１．０重量％、Ｓｉ：３．０〜６．０重量％、Ｍｎ：０．１〜１．０重量％を有し、さらにＣｕ：０．１５〜１．０重量％（１．０重量％を除く）、Ｃｒ：０．０５〜０．３０％、Ｔｉ：０．０１〜０．１０重量％、Ｆｅ：０．１〜１．０重量％のうち、１種または２種以上を有し、残りがＡｌおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、かつ結晶粒径が５０μｍ以下であることを特徴とする押出成形形材。

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