JP3949557B2

JP3949557B2 - 鋳造用耐摩耗性アルミニウム合金および同アルミニウム合金鋳物

Info

Publication number: JP3949557B2
Application number: JP2002295085A
Authority: JP
Inventors: 聡宮尻; 直人大城
Original assignee: Daiki Aluminium Industry Co Ltd
Current assignee: Daiki Aluminium Industry Co Ltd
Priority date: 2002-10-08
Filing date: 2002-10-08
Publication date: 2007-07-25
Anticipated expiration: 2022-10-08
Also published as: JP2004131762A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐摩耗性に優れ、低温での鋳造やリサイクルが可能な鋳造用アルミニウム合金および当該合金を利用した耐摩耗性アルミニウム合金鋳物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム合金は、軽量であるとともに、優れた熱伝導性および高い耐蝕性などの諸特性から、自動車や産業機械、航空機、家庭電化製品その他各種分野において、その構成部品素材として広く使用されている。このうち耐摩耗性を必要とする部材には、ＪＩＳＨ−２１１８によって規定されたＡＤ１４．１合金などのＳｉ含有量が１４重量％以上のＨｉ−Ｓｉ系アルミニウム合金（例えば、特許文献１参照。）や、Ａｌと炭化ケイ素および窒化ケイ素などの非金属硬質粒子との複合材であるＡｌ−硬質粒子複合材（例えば、特許文献２参照。）など耐摩耗性を備えたアルミニウム合金が用いられている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−２７９７７７号公報（第２−４頁）
【特許文献２】
特開平１１−６０２４号公報（第２−３頁）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの耐摩耗性アルミニウム合金では、鋳造性やリサイクル性に問題があった。すなわち、Ｈｉ−Ｓｉ系アルミニウム合金は、液相線温度つまりアルミニウム合金が完全に溶融する温度が高いため、鋳造する際に鋳造温度を高くしなければ湯流れ性が確保できない。したがって、金型への負担が大きくなり、金型寿命が低下するとともに、鋳造温度を上げる際にエネルギー消費量が増加するため、鋳物の製造コストが上昇すると言う問題があった。また、Ａｌ−硬質粒子複合材は、これをリサイクルに供しようとする場合、複合材中に数％〜数十重量％含まれる微細な非金属硬質粒子を除去する必要がある。しかし、非金属硬質粒子の除去には、多大なコストがかかるため、工業的にリサイクルができないと言う問題があった。
【０００５】
それゆえに、この発明の主たる課題は、耐摩耗性に優れ、低温での鋳造やリサイクルが可能な鋳造用アルミニウム合金と、当該合金で鋳造された耐摩耗性アルミニウム合金鋳物とを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載した発明の鋳造用耐摩耗性アルミニウム合金(10)は、「Ｃｕ：１４〜２０重量％，Ｚｎ:８．５〜１５重量％，Ｓｉ:５〜８重量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物とからなる」ものである。
【０００７】
この発明では、Ｃｕを１４〜２０重量％およびＺｎを８．５〜１５重量％配合することによって、アルミニウム合金(10)の耐摩耗性などの機械的強度を向上させることができる。また、Ｓｉを５〜８重量％配合することによって、アルミニウム合金(10)の流動性を向上させることができるとともに、アルミニウム合金(10)の耐摩耗性を向上させることができる。そして、Ｃｕ，ＺｎおよびＳｉを上述した所定の割合で配合することによって、Ｈｉ−Ｓｉ系アルミニウム合金に比べてアルミニウム合金(10)の液相線温度を下げることができ、耐摩耗性に優れ、低温での鋳造が可能な鋳造用アルミニウム合金を提供することができる。
【０００８】
また、炭化ケイ素および窒化ケイ素などの非金属硬質粒子が含まれないので、リサイクルに供する際、これら非金属硬質粒子を除去する必要がなく、容易にリサイクルすることができる。
【０００９】
請求項２に記載した発明の鋳物は、「請求項１に記載のアルミニウム合金で鋳造された」ことを特徴とするものである。
【００１０】
これにより量産された鋳造品は耐摩耗性に優れるため、車両用ブレーキディスク材などの摺動部材として最適である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施例のアルミニウム合金(10)の組織を模式的に示す説明図である。本発明のアルミニウム合金(10)は、Ａｌ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｓｉおよび不可避不純物によって構成され、かつ、これらの元素成分がＡｌ−Ｃｕ相(12)，Ａｌ−Ｚｎ相(14)およびＳｉ相(16)の３つの組織を形成するものである。
【００１２】
Ａｌ−Ｃｕ相(12)は、主に、Ａｌ母材中にＣｕが固溶した状態で構成された組織である。Ｃｕは、Ａｌ母材中に固溶することによって、アルミニウム合金(10)の機械的強度（特に高温引張強さ），硬度および耐摩耗性を向上させるとともに、アルミニウム合金(10)の液相線温度を低下させるためのものである。また、Ａｌ母材中に固溶したＣｕは、アルミニウム合金(10)に対して施される溶体化処理および時効処理によって、Ｃｕ−Ａｌ金属間化合物（例えば、ＣｕＡｌ₂化合物）の形で析出する。このＣｕ−Ａｌ金属間化合物は、アルミニウム合金(10)の引張強さをさらに向上させるものである。
【００１３】
アルミニウム合金(10)全体の重量に対するＣｕの配合割合は、１４〜２０重量％の範囲であることが好ましい。Ｃｕの配合割合が１４重量％未満の場合には、十分な耐摩耗性が確保できず、耐摩耗性アルミニウム合金としては不適格となり、逆に、Ｃｕの配合割合が２０重量％より多い場合には、アルミニウム合金(10)の比重が増大しアルミニウム合金を素材として使用する最も大きな動機である「軽量化」が達成できなくなるからである。
【００１４】
Ａｌ−Ｚｎ相(14)は、主に、Ａｌ母材中にＺｎが固溶した状態で構成された組織である。Ｚｎは、Ａｌ母材中に固溶することによって、アルミニウム合金(10)の硬度および耐摩耗性を向上させるとともに、アルミニウム合金(10)の液相線温度を低下させるためのものである。
【００１５】
アルミニウム合金(10)全体の重量に対するＺｎの配合割合は、８．５〜１５重量％の範囲であることが好ましい。Ｚｎの配合割合が８．５重量％未満の場合には、十分な耐摩耗性が確保できず耐摩耗性アルミニウム合金としては不適格となり、逆に、Ｚｎの配合割合が１５重量％より多い場合には、ＺｎはＡｌやＣｕに比べて融点が低いため高温引張強さが低下するとともに、アルミニウム合金(10)の比重が増大し当該合金を素材とする製品の軽量化が図れなくなるからである。
【００１６】
また、アルミニウム合金(10)全体の重量に対する上述のＣｕとＺｎの配合割合の合計は、２５〜３０重量％の範囲であることが好ましい。ＣｕとＺｎの配合割合の合計が２５重量％未満の場合には、十分な耐摩耗性が確保できず耐摩耗性アルミニウム合金としては不適格となり、逆に、ＣｕとＺｎの配合割合の合計が３０重量％より多い場合には、アルミニウム合金(10)の比重が増大し当該合金を素材とする製品の軽量化が図れなくなるからである。このように、ＣｕとＺｎの配合割合の合計を２５〜３０重量％の範囲内にすることによって、耐摩耗性に優れ、かつ、軽量性が維持されたアルミニウム合金(10)を得ることができ、このアルミニウム合金(10)を素材として用いることによって、製品に耐摩耗性と軽量性とを付与することができる。
【００１７】
さらに、ＣｕとＺｎの配合割合の合計が２５〜３０重量％の範囲内において、Ｃｕの配合割合がＺｎの配合割合よりも多いほうがより好ましい。上述したように、ＣｕとＺｎの配合割合の合計を２５〜３０重量％の範囲内にすることによって、耐摩耗性に優れ、かつ、軽量性が維持されたアルミニウム合金(10)を得ることができるが、この範囲内においてＺｎの配合割合が多くなるほど高温引張強さが低下するようになるからである。
【００１８】
Ｓｉ相(16)は、主にＳｉが単体で晶出して構成された組織である。Ｓｉは、アルミニウム合金(10)を溶融して鋳造する際に、その流動性を向上させるとともに、アルミニウム合金(10)の耐摩耗性を向上させるためのものである。
【００１９】
アルミニウム合金(10)全体の重量に対するＳｉの配合割合は、５〜８重量％の範囲であることが好ましい。一般にアルミニウム合金は、Ｓｉの含有量が１２重量％程度のときに液相線温度が最も低くなり、また、Ｓｉの含有量が１４重量％程度のときに流動性が最も高くなることが知られている。しかし、本発明のアルミニウム合金(10)では、上述したようにＣｕおよびＺｎが所定の量添加されているため、最も液相線温度の低い領域つまり共晶点が移動し、Ｓｉの配合割合が５〜８重量％の領域において最も低い液相線温度が得られるようになった。したがって、Ｓｉの配合割合が５重量％未満の場合にはアルミニウム合金(10)を溶融した際の流動性が低下するため鋳造時に十分な湯流れ性が確保できず、逆に、Ｓｉの配合割合が８重量％より多い場合には、アルミニウム合金(10)の液相線温度が上昇するため鋳造温度が高くなる。このようにＳｉの配合割合が５〜８重量％の範囲を超えると目的の品質のアルミニウム合金が得られなくなる。
【００２０】
以上の配合割合に従って、Ｃｕ，ＺｎおよびＳｉが配合されると、アルミニウム合金(10)は、一般に使用されているアルミニウム合金よりも液相線温度が低下するとともに、耐摩耗性などの機械的強度が向上する。
【００２１】
本発明のアルミニウム合金(10)を製造する際には、まず、Ａｌ，Ｓｉ，ＣｕおよびＺｎの各元素成分が上述した所定の配合割合となるように配合した原料を準備する。続いて、この原料を前炉付溶解炉や密閉溶融炉などの溶融炉に投入し、これらを溶解させる。溶解させた原料すなわちアルミニウム合金(10)の溶湯は、必要に応じて脱マグネシウム処理，脱水素処理および脱介在物処理などの精製処理が施される。そして、精製された溶湯を所定の鋳型などに流し込み、固化させることによって、アルミニウム合金(10)の溶湯を合金地金インゴットなどに成形する。
【００２２】
また、本発明のアルミニウム合金(10)を用いてアルミニウム合金鋳物を鋳造する際には、砂型鋳造法，金型鋳造法，低圧鋳造法およびダイカスト法などのあらゆる鋳造法を用いることができる。特に、ダイカスト法を用いると、本発明のアルミニウム合金(10)は液相線温度が低く、溶融時の流動性が高いことから、厚みが１ｍｍ程度と極めて薄く、かつ、耐摩耗性に優れた鋳物を量産することが可能である。そして、これらの鋳造法によって得られたアルミニウム合金鋳物は、必要に応じて溶体化処理および時効処理が施される。アルミニウム合金鋳物に溶体化処理および時効処理が施されると、Ｃｕ−Ａｌ金属間化合物などが析出し、鋳物の機械的強度をさらに向上させることができる。
【００２３】
【実施例】
以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【００２４】
なお、実施例および比較例における各物性は、アルミニウム合金の溶湯［溶湯試料］、もしくは、該溶湯を１２０℃±５℃に設定した舟金型に流し込み鋳造したもの［鋳造試料］を試料として、以下の方法で測定した。
（１）引張強さ、伸び：鋳造試料をＪＩＳ４号引張試験片に加工し、この試験片の引張強さと伸びとをＪＩＳＺ−２２０１に準拠して、(株)島津製作所製の万能試験機（ＵＭＨ−１０）で測定した。
（２）比摩耗量：大越式摩耗試験機を用い、所定の形状に加工した鋳造試料について、乾式の条件下、相手材ＦＣ−２５、摩耗距離１００ｍ、付加加重２．１ｋｇｆ、摩耗速度０．９６ｍ／ｓの条件で比摩耗量を測定した。
（３）比重：(株)エー・アンド・ディ製の電子天秤（ＨＦ２０００）を用いてアルミニウム合金の鋳造試料の空重量および水中重量を測定し、水の密度と合わせて次式(1)により比重を計算した。
合金の空重量／（合金の空重量−合金の水中重量）×水の密度 …(1)
（４）ロックウェル硬度：鋳造試料の硬度をＪＩＳＺ−２２４５に準拠して、ロックウェルＢスケールで測定した。
（５）流動長：図３に示すＭＩＴ試験機(20)を用いて流動長を測定した。具体的には、熱電対(22)での測定値が６４０℃となるように電気炉(24)で保温したアルミニウム合金の溶湯試料(26)に、内径５±０．２ｍｍのガラス管耐熱チューブ(28)を挿し、ガラス管耐熱チューブ(28)内の気圧が水銀マノメータ−(30)測定値で５６０±１Ｔｏｒｒとなるように真空ポンプ(32)とバルブ(34)とを操作して一気に減圧し、このときガラス管耐熱チューブ(28)内に吸引される溶湯(26)が凝固するまでの長さ(L)をスケール(36)で測定し、流動長とした。
（６）高温引張強さ：３００℃における鋳造試料の高温引張強さをＪＩＳＧ−０５６７に準拠して測定した。
（７）液相線温度：アルミニウム合金の溶湯試料が入った小型のるつぼにＫ熱電対を差し込み、るつぼ内のアルミニウム合金の溶湯が凝固する際の冷却凝固曲線を求め、この曲線より液相線温度を求めた。
【００２５】
（実施例１）
Ｃｕの配合割合を１６．２重量％，Ｚｎの配合割合を１０．２重量％（ＣｕとＺｎの配合割合の合計は２６．４重量％），Ｓｉの配合割合を６．１重量％そして残部をＡｌとすることによって、本発明におけるアルミニウム合金の元素組成の範囲内となるように配合した原料を３０ｋｇ準備した。この原料を電気式るつぼ溶解炉に投入し、これを溶解させてアルミニウム合金の溶湯を得た。そして、得られた合金の特性を表１に示した。
【００２６】
（実施例２）
Ｃｕの配合割合を１９．５重量％，Ｚｎの配合割合を１０．１重量％（ＣｕとＺｎの配合割合の合計は２９．６重量％），Ｓｉの配合割合を５．４重量％そして残部をＡｌとした以外は、実施例１と同じ条件にして、アルミニウム合金の溶湯を得た。そして、得られた合金の特性を表１に示した。
【００２７】
（実施例３）
Ｃｕの配合割合を１５．４重量％，Ｚｎの配合割合を１４．１重量％（ＣｕとＺｎの配合割合の合計は２９．５重量％），Ｓｉの配合割合を６．０重量％そして残部をＡｌとした以外は、実施例１と同じ条件にして、アルミニウム合金の溶湯を得た。そして、得られた合金の特性を表１に示した。
【００２８】
（実施例４）
Ｃｕの配合割合を１４．９重量％，Ｚｎの配合割合を１０．１重量％（ＣｕとＺｎの配合割合の合計は２５．０重量％），Ｓｉの配合割合を５．８重量％そして残部をＡｌとした以外は、実施例１と同じ条件にして、アルミニウム合金の溶湯を得た。そして、得られた合金の特性を表１に示した。
【００２９】
（実施例５）
Ｃｕの配合割合を１６．３重量％，Ｚｎの配合割合を８．８重量％（ＣｕとＺｎの配合割合の合計は２５．１重量％），Ｓｉの配合割合を６．０重量％そして残部をＡｌとした以外は、実施例１と同じ条件にして、アルミニウム合金の溶湯を得た。そして、得られた合金の特性を表１に示した。
【００３０】
（比較例１）
Ｃｕの配合割合を１０．５重量％，Ｚｎの配合割合を１０．５重量％（ＣｕとＺｎの配合割合の合計は２１．０重量％），Ｓｉの配合割合を７．４重量％そして残部をＡｌとすることによって、本発明におけるアルミニウム合金の元素組成の範囲外（Ｃｕの配合割合が少なく、Ｚｎの配合割合が範囲内下限側。）となるように配合した以外は、実施例１と同じ条件にして、アルミニウム合金の溶湯を得た。そして、得られた合金の特性を表１に示した。
【００３１】
（比較例２）
Ｃｕの配合割合を１６．８重量％，Ｚｎの配合割合を６．２重量％（ＣｕとＺｎの配合割合の合計は２３．０重量％），Ｓｉの配合割合を６．６重量％そして残部をＡｌとすることによって、本発明におけるアルミニウム合金の元素組成の範囲外（Ｚｎの配合割合が少ない。）となるように配合した以外は、実施例１と同じ条件にして、アルミニウム合金の溶湯を得た。そして、得られた合金の特性を表１に示した。
【００３２】
（比較例３）
Ｃｕの配合割合を１０．０重量％，Ｚｎの配合割合を１４．４重量％（ＣｕとＺｎの配合割合の合計は２４．４重量％），Ｓｉの配合割合を７．２重量％そして残部をＡｌとすることによって、本発明におけるアルミニウム合金の元素組成の範囲外（Ｃｕの配合割合が少なく、Ｚｎの配合割合が範囲内上限側。）となるように配合した以外は、実施例１と同じ条件にして、アルミニウム合金の溶湯を得た。そして、得られた合金の特性を表１に示した。
【００３３】
（比較例４）
Ｃｕの配合割合を１４．９重量％，Ｚｎの配合割合を８．１重量％（ＣｕとＺｎの配合割合の合計は２３．０重量％），Ｓｉの配合割合を６．０重量％そして残部をＡｌとすることによって、本発明におけるアルミニウム合金の元素組成の範囲外（Ｚｎの配合割合が少なく、Ｃｕの配合割合が範囲内上限側。）となるように配合した以外は、実施例１と同じ条件にして、アルミニウム合金の溶湯を得た。そして、得られた合金の特性を表１に示した。
【００３４】
（比較例５）
本発明のアルミニウム合金を市販の一般的なダイカスト用アルミニウム合金と比較するために、ＪＩＳＨ−２１１８に規定されるＡＤ１２．１合金を準備した。すなわち、表１に示す配合割合で各元素を配合した原料３０ｋｇを電気式るつぼ溶解炉に投入し、これを溶解させてアルミニウム合金の溶湯を得た。そして、得られた合金の特性を表１に示した。
【００３５】
（比較例６）
本発明のアルミニウム合金を市販の耐摩耗性ダイカスト用アルミニウム合金と比較するために、ＪＩＳＨ−２１１８に規定されるＡＤ１４．１合金を準備した。すなわち、表１に示す配合割合で各元素を配合した原料３０ｋｇを電気式るつぼ溶解炉に投入、溶解させてアルミニウム合金の溶湯を得た。そして、得られた合金の特性を表１に示した。
【００３６】
【表１】

【００３７】
表１より、実施例１〜５で得られた各アルミニウム合金（以下、「実施例合金」という。）は、比較例で得られたアルミニウム合金に比べて、比摩耗量が極めて低くなり、特に、市販の耐摩耗性ダイカスト用アルミニウム合金である比較例６と比較した場合、実施例合金の比摩耗量は、比較例６の比摩耗量のおよそ１０分の１となることがわかる。したがって、実施例合金は、極めて耐摩耗性に優れたアルミニウム合金であるといえる。
【００３８】
また、実施例合金は、比較例で得られた各アルミニウム合金に比べて、流動長が長くなるとともに、液相線温度が低くなることがわかる。特に市販の一般的なダイカスト用アルミニウム合金である比較例５と比較した場合でも、実施例合金は、その流動長が比較例５の流動長より１０％以上長くなるとともに、その液相線温度が比較例５の液相線温度より３２〜５９℃低くなる。このように、実施例合金は、従来の一般的な市販合金に比べて溶湯の流動性が高く、かつ、液相線温度が低い。したがって、鋳造温度を従来よりも下げることが可能であり、また、従来と同じ鋳造温度で鋳造する場合には、溶湯の湯流れ性が良いため、肉厚の極めて薄い鋳物の鋳造が可能となる。
【００３９】
なお、実施例合金は、炭化ケイ素および窒化ケイ素などの非金属硬質粒子を含んでいない。したがって、実施例合金をリサイクルに供したとしても、非金属硬質粒子の除去が不要であるため、簡単にリサイクルできることは容易に推測できる。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、耐摩耗性に優れ、低温での鋳造やリサイクルが可能な鋳造用アルミニウム合金および当該合金で鋳造された耐摩耗性アルミニウム合金鋳物を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアルミニウム合金における組織を模式的に示す説明図である。
【図２】本発明の実施例で用いた流動長測定用ＭＩＴ試験機を示す概略図である。
【符号の説明】
(10)…アルミニウム合金
(12)…Ａｌ−Ｃｕ相
(14)…Ａｌ−Ｚｎ相
(16)…Ｓｉ相
(20)…ＭＩＴ試験機
(22)…熱電対
(24)…電気炉
(26)…アルミニウム合金の溶湯
(28)…ガラス管耐熱チューブ
(30)…水銀マノメータ−
(32)…真空ポンプ
(34)…バルブ
(36)…スケール

Claims

Ｃｕ：１４〜２０重量％，Ｚｎ:８．５〜１５重量％，Ｓｉ:５〜８重量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物とからなることを特徴とする鋳造用耐摩耗性アルミニウム合金。
請求項１に記載のアルミニウム合金で鋳造されたことを特徴とするアルミニウム合金鋳物。