JP4755725B2

JP4755725B2 - 疲労強度及び切削性に優れた耐摩耗性アルミニウム合金押出材

Info

Publication number: JP4755725B2
Application number: JP2010542442A
Authority: JP
Inventors: 果林柴田
Original assignee: Aisin Keikinzoku Co Ltd
Current assignee: Aisin Keikinzoku Co Ltd
Priority date: 2009-06-29
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2030-06-23
Also published as: JPWO2011001870A1; US20120045359A1; EP2450462A1; CN102459672A; EP2450462A4; WO2011001870A1; EP2450462B1

Description

本発明は、切削性のみならず疲労強度にも優れた耐摩耗用のアルミニウム合金押出材に関する。

アルミニウム合金押出材を自動車等における制動部品等に適用する場合に、組み込まれた摺動部品に対する耐摩耗性が要求されるが、それと共に高い切削加工精度やカシメ加工精度が必要となる場合が多い。
例えば、自動車用アンチロックブレーキシステムに用いられるアクチュエーターボデー部品（ＡＢＳボデー）あるいは、横滑り防止装置に用いられるエレクトロニックスタビリティコントロール（ＥＳＣ）ボデー部品等は、シリンダー部や油圧回路溝等が切削加工され、部品組み込み後にカシメシール等が施される。
従って、近年は、強度のみならず摺動部品に対する耐摩耗性、複雑な加工形状に対する切削性が要求されるだけでなく、カシメ部の作動油等に対する耐圧性及び、くり返し荷重に対する高い疲労強度も要求される。
しかし、従来、この種の部品に適用するアルミニウム合金押出材は、Ｓｉ粒子、Ｆｅ粒子を金属組織中に分散させ、耐摩耗性と切削性を両立させたものであり、疲労強度が不十分であった。
特に近年、自動車の軽量化に伴い、ＡＢＳボデーもさらなる小型、軽量化が求められているが、それに対応できるだけのアルミニウム合金押出材がなかった。
例えば、特許文献１には、切削性及び耐食性に優れた耐摩耗用のアルミニウム合金押出材を開示するが、カシメ性及び疲労強度等が未だ不十分であった。

特許第３８８６２７０号公報

本発明は、疲労強度及び切削性に優れた耐摩耗性アルミニウム合金押出材の提供を目的とする。

本発明に係る耐摩耗性アルミニウム合金押出材は疲労強度及び切削性に優れ、質量％で、Ｓｉ：３．０〜８．０％、Ｍｇ：０．１〜０．５％、Ｃｕ：０．０１〜０．５％、Ｚｒ：０．１〜０．５％、Ｆｅ：０．４〜０．９％を有し、さらにＭｎ：０．０１〜０．５％、Ｃｒ：０．０１〜０．５％、Ｔｉ：０．０１〜０．１％を有し、残りがＡｌおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金を用いたことを特徴とする。

従来からＺｒ、Ｍｎ、Ｃｒ成分は、少量添加すると押出材の結晶粒が微細化することは知られていた。
しかし、本発明者が詳細に検討した結果、結晶粒の微細化だけでは、疲労強度が期待した程向上しなかった。
そこで、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｃｒ各成分の影響を詳細に比較検討したところ、Ｍｎ及びＣｒには、さほど認められないがＺｒのみに大きく認められる効果として、このＺｒを所定量添加すると金属組織中のＳｉ粒子が微細化することが明らかになった。
その結果として疲労伝播を抑制することができ、疲労強度が向上した。
従って、平均Ｓｉ粒子径が２０μｍ以下であるのが好ましく、押出材における結晶粒の平均粒径が３０μｍ以下であるのが望ましい。

次に、本発明において成分範囲を制御した理由を説明する。
＜Ｓｉ及びＭｇ成分＞
Ｓｉ成分はＭｇ成分とＭｇ_２Ｓｉを析出させることで時効硬化による強度を得る目的の他に、金属組織中のＳｉ粒子による耐摩耗性を確保するねらいがある。
従って、強度を確保するには、Ｍｇ成分の添加が必要であるが、Ｓｉの一部がＭｇによりＭｇ_２Ｓｉとなるので、耐摩耗性に寄与するＳｉ粒子はＭｇの添加量に影響を大きく受ける。
これらを考慮すると、強度的には最低Ｍｇを０．１％以上必要とし、強度を高めに設定するには０．３％以上がよい。
Ｍｇ成分が多すぎるとカシメ性が低下し、押出性も低下するので、０．５％以下、好ましくは０．４５％以下がよい。
Ｍｇ成分範囲をこのように設定した場合に、Ｓｉ成分は、３．０％以上必要であり、安定した耐摩耗性を確保するには、Ｓｉ成分４．１〜６．１％の範囲が好ましい。
また、金属組織中に硬質の微細なＳｉ粒子が多く存在するとこのＳｉ粒子を起点として切屑が分散する効果からは８．０％以下が良い。
しかし、Ｓｉ粒子が疲労亀裂の起点になるので、後述するように微細化する必要がある。
＜Ｃｕ成分＞
Ｃｕ成分は、カシメ性を確保しつつ強度を向上させるのに有効であり、Ｃｕはある程度固溶するので固溶効果により強度が向上するとともに切削性も向上する。
これらの効果を考慮すると、０．０１％以上必要であり、Ｃｕ添加量が多くなると電位差腐食が生じやすくなるので０．５０％以下が良く、好ましくは０．１０〜０．２０％の範囲が良い。
さらに好ましくは、上限を０．１４％以下にするのが良い。
＜Ｆｅ成分＞
Ｆｅ成分を添加すると、Ｆｅ粒子が結晶粒界に分散し、このＦｅ粒子が起点になり切り屑が破断するので切削性が向上する。
その効果を得るにはＦｅ成分０．４０％以上が良く、０．９％を超えると、Ｆｅ粒子が結晶粒界に多く析出し過ぎるため、材料に粘りが少なくなり、カシメ性が低下する。
従って、Ｆｅ成分は、０．４〜０．９％の範囲が良く、好ましくは０．５〜０．８％の範囲である。
＜Ｚｒ成分＞
Ｚｒ成分は、再結晶を抑制し結晶粒を微細化するだけでなく、Ｓｉ粒子の微細化により疲労伝播が抑制され、疲労強度向上及び切削性向上に寄与する。
その効果を得るにはＺｒ成分は、０．１％以上が良く、０．５％を超えると、Ｚｒは初晶生成物を生じさせる恐れがあり、カシメ性が低下する。
従って、Ｚｒ成分は０．１０〜０．５％の範囲が良く、Ｓｉ粒子をより微細にするには０．１４％以上が好ましく、カシメ性の観点からは０．３％以下が好ましい。
＜Ｍｎ成分＞
Ｍｎ成分は、Ｓｉ粒子の微細化には効果が少ないが再結晶を抑制し結晶粒の微細化には効果がある。
従って、結晶粒の微細化による疲労強度向上及び切削性向上には寄与する。
その効果を得るにはＭｎ成分が０．０１％以上必要で、Ｍｎは結晶粒界に析出すると電位差腐食の恐れとともにカシメ性を低下させる原因になるので、０．５％以下がよい。
好ましくは０．０５〜０．１５％の範囲である。
＜Ｃｒ成分＞
Ｃｒ成分も、Ｓｉ粒子の微細化には効果が少ないが再結晶を抑制し結晶粒の微細化には効果がある。
その効果を得るにはＣｒ成分が０．０１％以上必要で、Ｃｒは初晶生成物を生じさせる恐れがあり、カシメ性を低下させる原因になるので、０．５％以下がよい。
好ましくは０．０５〜０．１５％の範囲である。
＜Ｔｉ成分＞
Ｔｉ成分は、結晶粒の微細化の効果があり、微量であれば切削性も向上するが、０．１％を超えると切削工具の寿命を短くする。
従って、Ｔｉ成分は、０．０１〜０．１％の範囲が良い。

本発明に係る耐摩耗性アルミニウム合金押出材にあっては、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ成分の調整により耐摩耗性を維持しつつ、カシメ性と切削性の両立を図ることができ、さらにＺｒ成分の調整によりＳｉ粒子を微細化し、疲労強度を向上させることができる。

評価に用いた押出材の合金組成を示す。評価結果を示す。本発明に係る押出材と比較押出材とのＳ−Ｎ曲線の比較例を示す。結晶粒径及びＳｉ粒子径を測定した顕微鏡写真例を示す。表面再結晶の深さを測定した顕微鏡写真例を示す。耐食性の評価条件を示す。

図１の表に示した各化学成分及び残部がアルミと不可避的不純物からなる組成の溶湯を用いて８インチビレットを図１の表に示した鋳造速度７０〜１００ｍｍ／ｍｉｎで鋳造し、４６０℃〜５９０℃にて６時間以上の均質化処理をした。
なお、図１の表中、Ｚｎは不純物であり、０．０５％以下であれば影響がない。
ビレットを４５０〜５１０℃に余熱し、約４０ｍｍ×１００ｍｍの矩形形状の押出材を押出スピード５〜１０ｍ／ｍｉｎにて押出成形した。
Ｔ６熱処理は、押出直後に水冷することによるダイス端焼入れを施し、その後に１６０〜１９５℃に２〜８時間加熱処理を行い人工時効処理を施した。
このようにして得られた押出材を用いて次のような条件でそれぞれ評価した結果を図２の表に示す。

＜疲労特性＞
ＪＩＳ−Ｚ２２７４に基づいて押出材よりＪＩＳ−１号（１−８）回転曲げ疲労試験片を作製し、ＪＩＳ規格に準拠した小野式回転曲げ疲労試験機にて疲労試験を実施し、そのＳ−Ｎ曲線から疲労強度を求めた。
＜引張特性＞
ＪＩＳ−Ｚ２２４１に基づいて押出材よりＪＩＳ−１３Ｂ号引張試験片を作製し、ＪＩＳ規格に準拠した引張試験機で引張試験を実施し、引張強さ、０．２％耐力、破断伸びを測定した。
＜ＨＲＢ硬度＞
ロックウエルＢスケール硬度計にて押出材の表面硬度を測定した。
＜カシメ性＞
冷間据込み性試験方法を用いた。
押出材より径１４ｍｍ×高さ２１ｍｍの試験片を採取し、これを冷間で軸方向に据込みプレスを行い側面に微小割れが発生し始める時の限界据込み率を求めた。
限界据込み率は次の式により求めた。
εｈｃ＝［（ｈ０−ｈｃ）／ｈ０］×１００
εｈｃ：限界据込み率（％）、ｈ０：試験片の元の高さ、ｈｃ：割れ発生時の試験片の高さ。
試験条件は、室温、圧縮速度は１０ｍｍ／ｓとし、試験機は２５トンのオートグラフ（島津製作所）を使用した。
＜切削性＞
表中切削長さ２０ｍｍ以下とは最大切屑長をいい、この最大切屑長は下記の試験条件で発生した切屑の中で最大の切屑の長さとした。
切屑試験条件刃具：φ４．２×φ６．８段付ドリル、回転数：１２００ｒｐｍ、送り：０．０５ｍｍ／ｒｅｖ、加工量：１５ｍｍ、加工穴数：３穴、切削油：使用。
＜耐摩耗性＞
摩擦摩耗試験機（オリエンテック製ＥＦＭ−三−Ｆ型）を用いた。
試験方法は、異なる二つの円筒試料（ピンと試験片ディスク）をその中心線上に一致して回転させ、ピンに一定荷重を負荷して押し付けることにより、摩擦摩耗を生じさせる。
ピンは、径５ｍｍ×高さ８ｍｍのＳＣｒ２０（浸炭焼入れ）材とした。
試験片ディスクは押出材より切り出し、径６０ｍｍ×高さ５ｍｍ、面粗さ１．６Ｚ以下、平面度０．０１以下に加工した。
潤滑液としてブレーキフルードを用い、回転数１６０ｒｐｍ、試験期間５０ｈｒ、加圧荷重２０ＭＰａとした。
摩耗量は、試験片ディスクの摩耗部を粗さ測定機にて測定した。
＜耐食性＞
図６に示すように、押出材よりＬ３５×Ｗ３５×Ｈ３５の試験片を切り出し、中心部のネジ部にダクロボルトを組み付けしたのち、図６に示した試験条件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。
＜結晶粒径、Ｓｉ粒子径＞
押出材の中央部より試料を切り出し、鏡面研磨仕上げを行い、その後エッチングして４００倍の光学顕微鏡により観察しモニター上で、平均的な部位の結晶粒径とＳｉ粒子径をｎ＝２０点測定し、その平均値を求めた。
なお、結晶粒径及びＳｉ粒子径の値は楕円形状や細長い形状をしている場合には、長い方向の測定値を採用した。
＜表面再結晶深さ＞
押出材の表面部より試料を切り出し、鏡面研磨仕上げを行い、その後エッチングして５０倍の光学顕微鏡にて平均的部分を観察測定した。

＜考察＞
図２の表中に示した各特性に対する目標値は、自動車用ＡＢＳボデーに供するのに、小型軽量化を充分に図るのに必要であろうと予想された値を示した。
本発明に係る押出材は、疲労強度が１３０ＭＰａ以上と、比較例に比べ高い値を示した。
これは、比較例１〜７のいずれにもＭｎ，Ｃｒを添加しても平均結晶粒径が３０μｍ以下にならず、平均Ｓｉ粒子径が２０μｍ以下にならなかったのに対して実施例１〜３は、Ｍｎ，Ｃｒの他にＺｒを添加した結果、平均結晶粒径３０μｍ以下、平均Ｓｉ粒子径が２０μｍ以下になり、疲労伝播が抑制されたので疲労強度が向上したものと推定される。
例えば、比較例６はＭｎ成分を０．５０％添加したが、平均Ｓｉ粒子径が目標未達であり、比較例５，６はＣｒ成分を０．３０％添加したものであるが、平均Ｓｉ粒子径が目標未達であった。
参考として、実施例１の押出材と、比較例１の押出材をそれぞれ比較し、図３にＳ−Ｎ曲線測定結果を示し、図４に平均結晶粒径、平均Ｓｉ粒子径の測定結果、図５に表面の再結晶深さ測定結果をそれぞれ示す。
また、図２の表の評価結果から本発明に係る押出材は切削性も向上していることが明らかになった。
なお、比較例１，２，５，６，７はＦｅ成分が０．４％未満であり、切削性に劣っていた。
比較例７はＳｉが少なく、Ｍｇが多いために耐摩耗性に劣っていた。
比較例３，４はＺｒ成分が添加されていない点以外は実施例に近い配合であるが、疲労強度が目標未達であった。

本発明に係るアルミニウム合金押出材は、耐摩耗性、カシメ性、切削性及び疲労強度に優れるので自動車の制動部品や各種産業機械の油圧制御部品等に利用できる。

Claims

質量％で、Ｓｉ：３．０〜８．０％、Ｍｇ：０．１〜０．５％、Ｃｕ：０．０１〜０．５％、Ｚｒ：０．１〜０．５％、Ｆｅ：０．４〜０．９％を有し、さらにＭｎ：０．０１〜０．５％、Ｃｒ：０．０１〜０．５％、Ｔｉ：０．０１〜０．１％を有し、残りがＡｌおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金を用いたことを特徴とする疲労強度及び切削性に優れた耐摩耗性アルニウム合金押出材。
金属組織中の平均Ｓｉ粒子径が２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の疲労強度及び切削性に優れた耐摩耗性アルミニウム合金押出材。
押出材における結晶粒の平均粒径が３０μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の疲労強度及び切削性に優れた耐摩耗性アルミニウム合金押出材。