JP4341438B2 - 耐摩耗性に優れたアルミニウム合金及び同合金を用いた摺動部材 - Google Patents
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Description
本発明は耐摩耗性に優れたアルミニウム合金および同合金を用いた摺動部材に関し、特にコンプレッサー部品やオイルポンプカバー等のような摩擦環境下で使用可能な、耐摩耗性に優れたアルミニウム合金、および当該アルミニウム合金の摺動部材に関するものである。
近年、省エネの観点から車両の軽量化が強く要求されており、この要求に答えるために車両用のコンプレッサー部品やオイルポンプカバーにＡ３９０で代表される鋳造用アルミニウム合金が使用されることがある。このアルミニウム合金は、耐摩耗性に優れているために、エンジンその他の耐摩耗部品等として広く使用されている。
Ａ３９０系のアルミニウム合金は、Ｓｉ：１６．０〜１８．０質量％、Ｃｕ：４．０〜５．０質量％、Ｍｇ：０．４５〜０．６５質量％、Ｆｅ：０．５質量％未満、Ｍｎ：０．１質量％未満、Ｔｉ：０．２０質量％未満の組成をもち、必要とする耐摩耗性を確保するために多量のＳｉが添加されている点が特徴である。
しかし、Ｓｉ含有量の増加に伴ってアルミニウム合金の液相線温度が高くなるために、通常の合金よりもかなり高い温度で溶解、鋳造することが必要となる。その結果、ライニング耐火物として高価なものが要求されることは勿論、炉の寿命低下、燃料消費量の増加、ダイキャスト金型等の寿命低下など種々の不利益を生じる。また、初晶Ｓｉの分布が不均一になり、ヒケ巣等の鋳造欠陥が発生し易くなる問題もある。
また、上記の合金と同様の用途に、ダイカスト合金JIS ADC14のような耐摩耗性、耐焼付性に優れた過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金も用いられている。さらに、本出願の出願人も耐摩耗性合金として特開平５−７８７７０、特開平７-２５２５６７に開示されたアルミニウム合金を開発し、それぞれ、特許第２７０９６６３号および特許第３３７８３４２号が付与されている。
特開平５−７８７７０号公報
特開平７-２５２５６７号公報
上記の特許は、Ｓｉ：１４．０〜１６．０重量％、Ｃｕ：２．０〜５．０重量％、Ｍｇ：０．１〜１．０重量％、Ｍｎ：０．３〜０．８重量％、Ｃｒ：０．１〜０．３重量％、Ｔｉ：０．０５〜０．２０重量％、Ｐ：０．００３〜０．０２重量％、Ｆｅ：１．５重量％以下を含有し、Ｃａ含有量が０．００５重量％未満に規制され、且つ平均粒径１０〜５０μｍの初晶Ｓｉが均一に分散した組織をもっていることを特徴とする耐摩耗性に優れたアルミニウム鋳造合金、および、Ｓｉ：１４．０〜１６．０重量％、Ｃｕ：２．０〜５．０重量％、Ｍｇ：０．１〜１．０重量％、Ｍｎ：０．３〜０．８重量％、Ｃｒ：０．１〜０．３重量％、Ｔｉ：０．０１〜０．２０重量％、Ｐ：０．００３〜０．０２重量％及びＦｅ：１．５重量％以下を含み、Ｃａ含有量が０．００５重量％以下に規制され、且つ初晶Ｓｉ及びＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ系金属間化合物が共に粒径５〜３０μｍの晶出物として分散している組織をもつ耐摩耗性に優れたアルミニウム鋳造合金である。
上述のＡｌ合金は、何れも硬い初晶Ｓｉが分散しているために耐摩耗性に優れた合金であるが、これら過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金は、摺動相手材が軟らかすぎると、分散している初晶Ｓｉが相手材を摩耗させてしまうことがあり、そのような場合は、摺動相手材の表面を初晶Ｓｉより硬くする必要があった。
同様に過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金の軟らかいα相の部分に摩耗粉が埋没して、それが相手材を摩耗させてしまうことがあり、その場合も摺動相手材を硬くして使う必要があった。また、条件によっては、加工時の工具の摩耗量が多くなり、工具の寿命が短くなってしまう問題も有った。
そこで、本発明は、耐摩耗性に優れ、且つ相手材の摩耗を低減することができるアルミニウム合金を提供することを目的とする。
そこで、本発明は、耐摩耗性に優れ、且つ相手材の摩耗を低減することができるアルミニウム合金を提供することを目的とする。
本発明の耐摩耗性に優れたアルミニウム合金は、Ｓｉ：１２.０〜１４.０質量％、Ｃｕ：２.０〜５.０質量％、Ｍｇ：０.１〜１.０質量％、Ｍｎ：０.８〜１.３質量％、Ｃｒ：０.１０〜０.５質量％、Ｔｉ：０.０５〜０.２０質量％、Ｆｅ：０.５〜１.３質量％、Ｐ：０.００３〜０.０２質量％を含有するとともに、Ｃａ含有量を０.００５質量％未満に規制し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。当該合金は、さらに、Ｂ：０.０００１〜０．０１質量％およびＮｉ：０.３〜３.０質量％の内の１種又は２種を含有してもよい。
本発明はさらに、Ｓｉ：１２.０〜１４.０質量％、Ｃｕ：２.０〜５.０質量％、Ｍｇ：０.１〜１.０質量％、Ｍｎ：０.８〜１.３質量％、Ｃｒ：０.１０〜０.５質量％、Ｔｉ：０.０５〜０.２０質量％、Ｆｅ：０.５〜１.３質量％、Ｐ：０.００３〜０.０２質量％を含有するとともに、Ｃａ含有量を０.００５質量％未満に規制し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなり、粒径２０μｍ以上の初晶Ｓｉが２０個／ｍｍ２以下であることを特徴とする耐摩耗性に優れたアルミニウム合金製の摺動部材を提供する。当該アルミニウム合金製摺動部材は、さらに、Ｂ：０.０００１〜０．０１質量％およびＮｉ：０.３〜３.０質量％の内の１種又は２種を含有してもよい。
本発明のアルミニウム合金は、耐摩耗性に優れ、かつ相手材の摩耗を低減することができる。また、当該アルミニウム合金製のアルミニウム摺動部材は、上記同様の効果を有する。
本発明の発明者は、アルミニウム合金に関する調査および実験を重ねた結果、特に、粒径２０μｍ以上の初晶Ｓｉが、摺動相手材を摩耗させ、工具の損耗を増大させていることを発見した。さらに研究を進めたところ、粒径２０μｍ以上の初晶Ｓｉの数を２０個／ｍｍ２以下に規制することによって、摺動相手材の摩耗や工具の損耗を十分に抑制できることを発見した。さらに、初晶Ｓｉとは晶出開始温度が異なる金属間化合物を選ぶと、晶出物が均一に分散し、微細に分散した晶出物が軟らかいα相を微細に分断して、耐摩耗性の向上に好ましくない粗大なα相の発生を防止することができることを発見した。
本発明は上記の技術的な発見に端緒を得て合金設計として完成したものであって、摺動面に分散するＳｉを従来の過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金より細かくするとともに、軟らかいα相を微細にしたことを特徴とするアルミニウム合金に関するものである。
さらに研究を重ねた結果、アルミニウム合金の組成を、Ｓｉ：１２.０〜１４.０質量％、Ｃｕ：２.０〜５.０質量％、Ｍｇ：０.１〜１.０質量％、Ｍｎ：０.８〜１.３質量％、Ｃｒ：０.１０〜０.５質量％、Ｔｉ：０.０５〜０.２０質量％、Ｆｅ：０.５〜１.３質量％、Ｐ：０.００３〜０.０２質量％を含有するとともに、Ｃａ含有量を０.００５質量％未満に規制し、残部をＡｌおよび不可避的不純物とすることで上述の特性を有するアルミニウム合金が得られることを発見した。
以下に、各組成の作用を具体的に記載する。
（Ｓｉ：１２.０〜１４.０質量％）
Ｓｉはアルミニウム合金の耐摩耗性を向上させる元素である。Ｓｉの量が１２．０質量％未満では初晶Ｓｉが少なく、耐摩耗性が不十分であり、１４．０質量％を超えると粗大な初晶Ｓｉが多く分散するようになって、それが相手摺動部材を過度に摩耗させる。また、この粗大化によって初晶Ｓｉの分布が不均一になり、α相を微細に分断することができず、軟らかいα相も粗大化して耐摩耗性が低下してしまうので好ましくない。さらに、初晶Ｓｉの量が、１４質量％を超えると、初晶Ｓｉの晶出開始温度と後で述べる金属間化合物の晶出開始温度とが近くなるために、これらの硬質層が同じ位置に晶出してしまい、その結果硬質層が均一に分散せず、α相も粗大化するので好ましくない。また、Ｓｉには、機械的強度、鋳造性、防振性、低熱膨張性を向上させる作用もある。
（Ｓｉ：１２.０〜１４.０質量％）
Ｓｉはアルミニウム合金の耐摩耗性を向上させる元素である。Ｓｉの量が１２．０質量％未満では初晶Ｓｉが少なく、耐摩耗性が不十分であり、１４．０質量％を超えると粗大な初晶Ｓｉが多く分散するようになって、それが相手摺動部材を過度に摩耗させる。また、この粗大化によって初晶Ｓｉの分布が不均一になり、α相を微細に分断することができず、軟らかいα相も粗大化して耐摩耗性が低下してしまうので好ましくない。さらに、初晶Ｓｉの量が、１４質量％を超えると、初晶Ｓｉの晶出開始温度と後で述べる金属間化合物の晶出開始温度とが近くなるために、これらの硬質層が同じ位置に晶出してしまい、その結果硬質層が均一に分散せず、α相も粗大化するので好ましくない。また、Ｓｉには、機械的強度、鋳造性、防振性、低熱膨張性を向上させる作用もある。
（Ｃｕ：２.０〜５.０質量％）
Ｃｕはアルミニウム合金のマトリックスを強化する作用を有し、これによって耐摩耗性が向上する。この作用を得るには、２．０質量％以上のＣｕを含有させることが必要であるが、Ｃｕの含有量が５．０質量％を超えると引け巣の発生が多くなり、耐食性も低下するので好ましくない。
Ｃｕはアルミニウム合金のマトリックスを強化する作用を有し、これによって耐摩耗性が向上する。この作用を得るには、２．０質量％以上のＣｕを含有させることが必要であるが、Ｃｕの含有量が５．０質量％を超えると引け巣の発生が多くなり、耐食性も低下するので好ましくない。
（Ｍｇ：０.１〜１.０質量％）
Ｍｇはアルミニウム合金の耐摩耗性、強度を上昇させるために有用な合金元素である。Ｍｇを０．１質量％以上添加することで上記の効果が得られるが、１．０質量％を超えると粗大な化合物が形成され、靭性が低下するので好ましくない。
Ｍｇはアルミニウム合金の耐摩耗性、強度を上昇させるために有用な合金元素である。Ｍｇを０．１質量％以上添加することで上記の効果が得られるが、１．０質量％を超えると粗大な化合物が形成され、靭性が低下するので好ましくない。
（Ｍｎ：０.８〜１.３質量％、Ｃｒ：０.１０〜０.５質量％、Ｆｅ：０.５〜１.３質量％）
Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅは、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ系金属間化合物として分散し、硬質相として耐摩耗性を向上させる。また、この金属間化合物の晶出温度は初晶Ｓｉの晶出温度とは離れているので、組織中に微細かつ均一に分散する。微細かつ均一に分散することで、軟らかいα相を微細に分断して粗大化を防止する効果がある。さらに当該化合物は初晶Ｓｉほど硬くはないので、摺動相手材の摩耗を低減することができる。
Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅは、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ系金属間化合物として分散し、硬質相として耐摩耗性を向上させる。また、この金属間化合物の晶出温度は初晶Ｓｉの晶出温度とは離れているので、組織中に微細かつ均一に分散する。微細かつ均一に分散することで、軟らかいα相を微細に分断して粗大化を防止する効果がある。さらに当該化合物は初晶Ｓｉほど硬くはないので、摺動相手材の摩耗を低減することができる。
しかし、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅの量が上記の範囲を超えると鋳造性の低下が見られる。同時に金属間化合物が粗大化し、靭性が低下する。一方、上記の範囲よりも少ない場合は耐摩耗性の向上が不十分である。また、Ｆｅ、Ｍｎは、合金溶湯の金型への焼き付き防止効果がある
（Ｔｉ：０.０５〜０.２０質量％）
Ｔｉはアルミニウム合金の結晶粒を微細化する元素であり、機械的性質を向上させる効果を有する。当該効果は、Ｔｉが０．０５質量％を超えると明らかになるが、０．２０質量％を超えると逆に機械的性質の低下が生じる。
Ｔｉはアルミニウム合金の結晶粒を微細化する元素であり、機械的性質を向上させる効果を有する。当該効果は、Ｔｉが０．０５質量％を超えると明らかになるが、０．２０質量％を超えると逆に機械的性質の低下が生じる。
（Ｐ：０.００３〜０.０２質量％）
Ｐは初晶Ｓｉの核となり、初晶を微細かつ均一に分散させるのに寄与する。この効果はＰを０．００３質量％以上添加することで得られるが、Ｐが０．０２質量％を超えると溶湯の流動性、鋳造性が低下するので好ましくない。
Ｐは初晶Ｓｉの核となり、初晶を微細かつ均一に分散させるのに寄与する。この効果はＰを０．００３質量％以上添加することで得られるが、Ｐが０．０２質量％を超えると溶湯の流動性、鋳造性が低下するので好ましくない。
（Ｃａ：０.００５質量％未満）
Ｃａを０．００５質量％以上含むと、鋳造時に内引けが大きくなり、鋳造性が低下する。また、Ｐによる初晶Ｓｉ微細化効果が阻害される。
Ｃａを０．００５質量％以上含むと、鋳造時に内引けが大きくなり、鋳造性が低下する。また、Ｐによる初晶Ｓｉ微細化効果が阻害される。
（Ｂ：０.０００１〜０．０１質量％およびＮｉ：０.３〜３.０質量％）
任意成分として添加されるＢおよびＮｉは、アルミニウム合金の機械的性質をより一層向上させる作用を有する。特に、ＢとＮｉは何れも結晶粒を微細化して強度及び靭性の向上に寄与する。このような効果は、Ｂが０．０００１質量％以上含まれることによって明らかになるが、Ｂが０．０１質量％を超えると靭性の低下を生じる。Ｎｉは高温強度を向上させるが、３．０質量％を超えると粗大な化合物を形成して伸びの低下を生じる。
任意成分として添加されるＢおよびＮｉは、アルミニウム合金の機械的性質をより一層向上させる作用を有する。特に、ＢとＮｉは何れも結晶粒を微細化して強度及び靭性の向上に寄与する。このような効果は、Ｂが０．０００１質量％以上含まれることによって明らかになるが、Ｂが０．０１質量％を超えると靭性の低下を生じる。Ｎｉは高温強度を向上させるが、３．０質量％を超えると粗大な化合物を形成して伸びの低下を生じる。
（粒径２０μｍ以上の初晶Ｓｉの数を２０個／ｍｍ２以下に規制する）
粒径２０μｍ以上の初晶Ｓｉの数が２０個／ｍｍ２より多いと、工具や摺動相手材を摩耗させる傾向を生じる。なお、ダイカスト法のように高速で鋳造する方が、初晶Ｓｉを微細かつ均一に分散させるには適している。
粒径２０μｍ以上の初晶Ｓｉの数が２０個／ｍｍ２より多いと、工具や摺動相手材を摩耗させる傾向を生じる。なお、ダイカスト法のように高速で鋳造する方が、初晶Ｓｉを微細かつ均一に分散させるには適している。
表１に示す実施例１〜３、比較例１〜５の成分組成の合金インゴットを溶解後、実施例１〜３と比較例１、４、５は７２０°Ｃ（添加したＰの凝集を防ぐために高温で）、比較例２、３は６８０°Ｃで、型締力約３．５×１０６Ｎのダイカストマシンでダイカストし、厚さ１２ｍｍの板材を得た。
次に、各ダイカスト材から３５×３５×６ｍｍの摩耗試験片を削りだした。何れの試験片も鋳肌面から１．５ｍｍの面が摩耗試験面になるように加工した。
表２には、各試験片の摩耗試験面における初晶Ｓｉの平均粒径、粒径２０μｍ以上の初晶Ｓｉの個数を示した。粒径は、倍率１０００倍で観察した光学顕微鏡写真を用いて画像解析装置によって測定した。
（摩耗試験）
上記の手順で得られた摩耗試験片を用いて、リングオンプレート型の摩耗試験機によって、摩耗試験を行った。その際の条件を表３に、その結果を表４に示す。
表４に示す結果から明らかなように、本発明に基づくアルミニウム合金である実施例１〜３は、比較例１〜５に比べると、アルミニウム合金自体の摩耗量と相手材の摩耗量がともに低減されていることが分かる。
上記の手順で得られた摩耗試験片を用いて、リングオンプレート型の摩耗試験機によって、摩耗試験を行った。その際の条件を表３に、その結果を表４に示す。
これに対して、粒径２０μｍ以上の初晶Ｓｉを多く含む比較例１と３は（比較例１はＳｉ量が多いために初晶Ｓｉが多く、比較例３はＰの添加量が少なくＭｎの量が多いために初晶Ｓｉが多い）相手材の摩耗量が大きい。また、比較例２は、初晶Ｓｉを有しないために、アルミニウム合金の摩耗量が多い。さらに、比較例４、５については、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ系化合物として消費されるＳｉの量が少なく、初晶ＳｉとなるＳｉが増加するために粒径２０μｍ以上の初晶Ｓｉを多く含むが、硬質相全体の量は本発明合金より少なく、分散状態も均一でないので、アルミニウム合金の摩耗量及び相手材の摩耗量がともに本発明の場合よりも大きい。
Claims (4)
- Ｓｉ：１２.０〜１３.７質量％、Ｃｕ：２.０〜５.０質量％、Ｍｇ：０.１〜１.０質量％、Ｍｎ：０.８〜１.３質量％、Ｃｒ：０.１０〜０.５質量％、Ｔｉ：０.０５〜０.２０質量％、Ｆｅ：０.５〜１.３質量％、Ｐ：０.００３〜０.０２質量％を含有するとともに、Ｃａ含有量を０.００５質量％未満に規制し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなり、粒径２０μｍ以上の初晶Ｓｉが２０個／ｍｍ ２ 以下であることを特徴とする耐摩耗性に優れたアルミニウム合金。
- Ｓｉ：１２.０〜１４.０質量％、Ｃｕ：２.０〜５.０質量％、Ｍｇ：０.１〜１.０質量％、Ｍｎ：０.８〜１.３質量％、Ｃｒ：０.１０〜０.５質量％、Ｔｉ：０.０５〜０.２０質量％、Ｆｅ：０.５〜１.３質量％、Ｐ：０.００３〜０.０２質量％を含有するとともに、Ｃａ含有量を０.００５質量％未満に規制し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなり、粒径２０μｍ以上の初晶Ｓｉが２０個／ｍｍ２以下であることを特徴とする耐摩耗性に優れたアルミニウム合金製摺動部材。
- さらに、Ｂ：０.０００１〜０．０１質量％およびＮｉ：０.３〜３.０質量％の内の１種又は２種を含有する請求項１に記載の耐摩耗性に優れたアルミニウム合金。
- さらに、Ｂ：０.０００１〜０．０１質量％およびＮｉ：０.３〜３.０質量％の内の１種又は２種を含有する請求項２に記載の耐摩耗性に優れたアルミニウム合金製摺動部材。
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