JP5164548B2

JP5164548B2 - 連続鋳造用アルミニウム合金及び該合金からなる鍛造成形品

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Publication number: JP5164548B2
Application number: JP2007320418A
Authority: JP
Inventors: 智也早川; 伸二照田; 政志福田
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Showa Denko KK
Priority date: 2007-12-12
Filing date: 2007-12-12
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2027-12-12
Also published as: JP2009144184A

Description

この発明は、高比重で高剛性であると共に耐摩耗性にも優れた連続鋳造用アルミニウム合金及び該アルミニウム合金の鍛造成形品に関する。

自動車等の車両用空調システムの圧縮機としては容量制御を正確に行うことができる片側斜板式可変容量型圧縮機が多く用いられている。この片側斜板式可変容量型圧縮機で斜板を回転させると斜板には自重による遠心力とピストン重量による往復動慣性力が働く。片側斜板式可変容量型圧縮機では高速回転時に吐出流量が増加するため、容量を減少させるように斜板傾角を小さくすることが望ましいが、高速回転時には斜板に働くピストンの慣性力が増大してしまうために圧縮機が必要以上の大容量で運転されてしまうことがある。上記問題を解決し、容量制御を正確に行うために斜板に働く遠心力を増大させることを目的として斜板材にはピストンよりも比重の大きな材料（鉄系、銅系材料等）が選定されている（特許文献１参照）。また、ピストンの往復動慣性力により斜板材には高い剛性も必要と考えられる。
特開２００２−８１３７２号公報

しかしながら、上記鉄又は銅系からなる斜板の場合、前者は材料コスト、後者は切削加工等の加工コストが高いという問題があった。

本発明者は、斜板の材料として、両頭ピストン式固定容量型圧縮機で使用されている耐摩耗性に優れたＡ３９０系アルミニウム合金を用いることを着想したが、このようなアルミニウム合金は、鉄又は銅と比較して比重が小さ過ぎるという問題があった。即ち、従来公知のアルミニウム合金では、耐摩耗性に優れていて且つ高比重で高剛性のものはなかったのが実状である。

この発明は、かかる技術的背景に鑑みてなされたものであって、高比重で高剛性であると共に耐摩耗性にも優れた連続鋳造用アルミニウム合金及びアルミニウム合金の鍛造成形品を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。

［１］Ｓｉ：１３〜１６質量％、Ｃｕ：１０〜１８質量％、Ｆｅ：０．２〜１質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなることを特徴とする連続鋳造用アルミニウム合金。

［２］さらに、Ｚｎを１〜３質量％含有する前項１に記載の連続鋳造用アルミニウム合金。

［３］さらに、Ｍｇを０．４質量％以下含有する前項１または２に記載の連続鋳造用アルミニウム合金。

［４］さらに、Ｐを０．００３〜０．０１５質量％含有する前項１〜３のいずれか１項に記載の連続鋳造用アルミニウム合金。

［５］前項１〜４のいずれか１項に記載のアルミニウム合金を連続鋳造して得られた鋳造物をさらに鍛造することによって得られた鍛造成形品。

［６］前記鍛造成形品は、空調機器用部材として用いられるものである前項５に記載の鍛造成形品。

［７］前記鍛造成形品は、片側斜板式可変容量型圧縮機の斜板として用いられるものである前項５に記載の鍛造成形品。

［１］の発明に係る連続鋳造用アルミニウム合金は、Ｓｉを１３〜１６質量％含有するので十分な耐摩耗性が得られると共に、Ｃｕを１０〜１８質量％含有するので高比重で高剛性（高強度）である。また、Ｆｅを０．２質量％以上含有するので比重を高める効果を得ることができ、Ｆｅの含有率の上限が１質量％以下であるので連続鋳造時の鋳塊割れの発生を十分に低減できる。

［２］の発明に係る連続鋳造用アルミニウム合金は、さらに、Ｚｎを１〜３質量％含有する組成である。Ｚｎを１質量％以上含有することで比重及び剛性をさらに向上させることができると共に、Ｚｎの含有率が３質量％以下であることで鋳塊割れの発生を十分に抑制できる。

［３］の発明に係る連続鋳造用アルミニウム合金は、さらに、Ｍｇを０．４質量％以下含有する組成であるので、硬度を向上させることができる。

［４］の発明に係る連続鋳造用アルミニウム合金は、さらに、Ｐを０．００３〜０．０１５質量％含有する組成であるので、溶湯流動性を悪化させることなく、初晶Ｓｉを微細化（例えば平均粒径２０μｍ以下に微細化）させることができる。

［５］の発明に係る鍛造成形品は、高比重で高剛性であると共に耐摩耗性にも優れているので、空調機器用部材、中でも片側斜板式可変容量型圧縮機の斜板として好適に用いられる。

［６］の発明に係る空調機器用部材（鍛造成形品）は、高比重で高剛性であると共に耐摩耗性にも優れている。

［７］の発明に係る、片側斜板式可変容量型圧縮機の斜板（鍛造成形品）は、高比重で高剛性であると共に耐摩耗性にも優れている。

この発明に係る連続鋳造用アルミニウム合金は、Ｓｉ：１３〜１６質量％、Ｃｕ：１０〜１８質量％、Ｆｅ：０．２〜１質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなることを特徴とする。このような組成からなるアルミニウム合金は、高比重で高剛性であると共に耐摩耗性にも優れたものとなる。また、連続鋳造時に鋳塊割れの発生を十分に低減できる。

この発明の鋳造用アルミニウム合金において、Ｓｉの含有率は１３〜１６質量％の範囲に設定される。１３質量％未満では十分な耐摩耗性が得られ難くなるし、１６質量％を超えると粗大晶出物の発生の抑制が難しくなる。中でも、Ｓｉの含有率は１３〜１５質量％の範囲に設定されるのが好ましい。

また、Ｃｕの含有率は１０〜１８質量％の範囲に設定される。１０質量％未満では十分に高い強度及び高い比重が得られないし、１８質量％を超えると鋳塊割れが発生しやすい。中でも、Ｃｕの含有率は１０〜１４質量％の範囲に設定されるのが好ましい。

また、Ｆｅの含有率は０．２〜１質量％の範囲に設定される。Ｆｅを０．２質量％以上含有せしめることで比重及び剛性をさらに向上させることができると共に、Ｆｅの含有率を１質量％以下とすることで鋳塊割れの発生を十分に防止できるし、悪影響を及ぼし得るＡｌ−Ｃｕ−Ｆｅ系の晶出物の発生を十分に防止できる。中でも、Ｆｅを０．５〜１質量％含有するのが好ましい。

この発明の鋳造用アルミニウム合金は、さらに、Ｚｎを１〜３質量％含有するのが好ましい。Ｚｎを１質量％以上含有せしめることで比重及び剛性をさらに向上させることができると共に、Ｚｎの含有率を３質量％以下とすることで鋳塊割れの発生を十分に防止することができる。中でも、Ｚｎを２〜３質量％含有するのが特に好ましい。

また、この発明の鋳造用アルミニウム合金は、さらに、Ｍｇを０．４質量％以下含有するのが好ましい。Ｍｇを０質量％を超えて含有せしめることで硬度を向上させることができる。なお、Ｍｇの含有率が０．４質量％を超えても更なる強度向上は僅かでしかない。中でも、Ｍｇを０．３〜０．４質量％含有するのが特に好ましい。

また、この発明の鋳造用アルミニウム合金は、さらに、Ｐを０．００３〜０．０１５質量％含有するのが好ましい。Ｐを０．００３質量％以上含有せしめることで初晶Ｓｉを十分に微細化することができる。なお、Ｐの含有率が０．０１５質量％を超えてもこれ以上の微細化効果は期待できない。鍛造時あるいは製品として使用時に粗大な初晶Ｓｉが割れや破壊の起点となることがあるため、微細化された方が、鍛造成形性を向上できる点で、また製品の耐久性を向上できる点で、好ましい。

この発明に係る連続鋳造用アルミニウム合金は、上記特定組成とすることで高比重で高剛性であるものが得られるが、前記高比重としては２．８５ｇ／ｃｍ³以上であるのが好ましく、また前記高剛性としては８５ｋＮ／ｍｍ²以上であるのが好ましい。

上記鋳造用アルミニウム合金を用いて鋳造を行う際には、水平連続鋳造法、ＤＣ鋳造法、ホットトップ連続鋳造法、縦型連続鋳造法等の公知の鋳造法を用いることができる。なお、連続鋳造法では鋳造しながら鋳塊を引き抜く工法を採っているために、凝固点が高速に移動していく、即ち鋳造速度が速い（例えば５０〜１５００ｍｍ／分）ので、鋳塊割れが発生しやすく、合金の組成設計において、鋳塊割れの発生を抑えることが安定した運転、安定した品質を得るために肝要である。よって本発明の合金の効果は、連続鋳造法で鋳造する際に顕著である。

水平連続鋳造法で鋳造を行う例について説明する。図１は、水平連続鋳造を行う連続鋳造装置（３）の一例を示す図である。この連続鋳造装置（３）において、（３１）は、前記連続鋳造用アルミニウム合金の溶湯（Ｍ）を溜めるタンディッシュであり、該タンディッシュ（３１）の側壁に開口部（３２）が設けられている。（３３）は、耐火性板状体であり、該耐火性板状体（３３）は、タンディッシュ（３１）の外側に開口部（３２）を囲むように取り付けられ、該開口部（３２）に連通する注湯孔（３４）が形成されている。（３５）は、筒状の鋳型であり、該鋳型（３５）は、中心軸がほぼ水平となるように耐火性板状体（３３）に取り付けられ、鋳型（３５）と溶湯（Ｍ）との間に耐火性板状体（３３）と鋳型（３５）との間から気体を供給する気体供給路（３６）と、鋳型（３５）と連続鋳造棒（４１）との間へ潤滑剤を供給する潤滑油供給路（３７）と、出口で連続鋳造棒（４１）の周囲へ冷却水（３９）を供給する冷却水供給路（３８）とが設けられている。

前記冷却水供給路（３８）の吐出口（３８ａ）は、連続鋳造棒（４１）を囲む環状に形成され、かつ連続鋳造棒（４１）の鋳出方向に向けて設けられている。しかして、前記冷却水供給路（３８）の吐出口（３８ａ）から噴出した冷却水（３９）は、連続鋳造棒（４１）の周方向全体に供給され、連続的に鋳出される鋳造棒（４１）の表面上を鋳出方向に流れて、連続鋳造棒（４１）を冷却する。このような冷却を経て連続鋳造棒（４１）が鋳造される。

次に、ＤＣ鋳造法で鋳造を行う例について説明する。図２は、ＤＣ鋳造を行う連続鋳造装置（１）の一例を示す図である。この連続鋳造装置（１）では、樋（１７）に貯留されていた連続鋳造用アルミニウム合金の溶湯（Ｍ）が、フロート（１６）を介して水冷鋳型（１３）内に導入される。水冷鋳型（１３）は、冷却水（１４）によって冷却されている。この水冷鋳型（１３）内に導入されたアルミニウム合金溶湯（Ｍ）は、水冷鋳型（１３）に接する部分において凝固シェル（凝固殻）を形成して収縮し、凝固したアルミニウム合金鋳塊（１１）は、下型（ボトムブロック）（１２）によって水冷鋳型（１３）から下方に引き出される。この時、アルミニウム合金鋳塊（１１）は、水冷鋳型（１３）からスプレーされるスプレー冷却水（１５）によってさらに冷却されて、完全に凝固する。下型（１２）が下降し得る最下端に到達したときにアルミニウム合金鋳塊（連続鋳造棒）（１１）は所定位置で所定長さに切断される。

次に、ホットトップ連続鋳造法で鋳造を行う例について説明する。図３は、ホットトップ連続鋳造を行う連続鋳造装置（２）の一例を示す図である。この連続鋳造装置（２）では、上方に貯留されていた連続鋳造用アルミニウム合金の溶湯（Ｍ）が、水冷鋳型（２３）内に導入される。水冷鋳型（２３）は、冷却水（２４）によって冷却されている。この水冷鋳型（２３）内に導入されたアルミニウム合金溶湯（Ｍ）は、水冷鋳型（２３）に接する部分において凝固シェル（凝固殻）を形成して収縮し、凝固したアルミニウム合金鋳塊（２１）は、水冷鋳型（２３）から下方に引き出される。この時、アルミニウム合金鋳塊（２１）は、水冷鋳型（２３）からスプレーされるスプレー冷却水（２５）によってさらに冷却されて、完全に凝固する。下方に引き出されたアルミニウム合金鋳塊（連続鋳造棒）（２１）は所定位置で所定長さに切断される。なお、図３において、（２６）は、気体供給路であり、（２７）は、潤滑油供給路である。

しかして、上記連続鋳造装置（１）（２）（３）を用いて鋳造された連続鋳造棒（４１）（１１）（２１）は、上述したように所定長さに切断した後、予備加熱して据え込みする工程、潤滑剤を塗布する工程、金型に入れて鍛造成形する工程等を順に経て、鍛造成形品に成形される。こうして得られた鍛造成形品は、出発原料の連続鋳造用アルミニウム合金として上記特定組成のアルミニウム合金を用いていることにより、高比重で高剛性であると共に耐摩耗性にも優れているので、空調機器用部材、中でも片側斜板式可変容量型圧縮機の斜板（図４参照）として好適に用いられる。

次に、この発明の具体的実施例について説明するが、本発明はこれら実施例のものに特に限定されるものではない。

＜実施例１＞
Ｓｉ：１４．５質量％、Ｃｕ：１１．８質量％、Ｆｅ：１．００質量％、Ｚｎ：２．８４質量％、Ｍｇ：０．０１質量％、Ｍｎ：０．００９質量％、Ｔｉ：０．０１３質量％、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金溶湯（Ｍ）を、図１に示す連続鋳造装置（３）を用いて連続鋳造することによって、鋳塊割れのない連続鋳造棒（４１）を得た。なお、溶湯の平均温度が液相線８０〜２００℃のアルミニウム合金を鋳造速度８０〜２５０ｍｍ／分で連続鋳造した。本組成からなるアルミニウム合金を用いてさらに２回同様の連続鋳造を行ったところ、いずれも鋳塊割れを生じることなく連続鋳造棒を得ることができた。

＜実施例２＞
アルミニウム合金（溶湯）として、Ｓｉ：１３．６質量％、Ｃｕ：１２．１質量％、Ｆｅ：０．９４質量％、Ｚｎ：２．８０質量％、Ｍｇ：０．３８質量％、Ｐ：０．００７質量％、Ｍｎ：０．０１４質量％、Ｔｉ：０．０１３質量％、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金を用いた以外は、実施例１と同様にして鋳造を行うことによって、鋳塊割れのない連続鋳造棒を得た。なお、本組成からなるアルミニウム合金を用いてさらに２回同様の連続鋳造を行ったところ、いずれも鋳塊割れを生じることなく連続鋳造棒を得ることができた。

＜比較例１＞
アルミニウム合金（溶湯）として、Ｓｉ：１３．９質量％、Ｃｕ：４．２９質量％、Ｆｅ：０．１０質量％、Ｚｎ：０．０１質量％、Ｍｇ：０．４９質量％、Ｐ：０．００５質量％、Ｍｎ：０．０１４質量％、Ｔｉ：０．０１０質量％、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金を用いた以外は、実施例１と同様にして鋳造を行うことによって、鋳塊割れのない連続鋳造棒を得た。

＜比較例２＞
アルミニウム合金（溶湯）として、Ｓｉ：１４．０質量％、Ｃｕ：１２．３質量％、Ｆｅ：２．０５質量％、Ｚｎ：２．８０質量％、Ｍｇ：０．４０質量％、Ｍｎ：０．０１０質量％、Ｔｉ：０．０１０質量％、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金を用いた以外は、実施例１と同様にして鋳造を行ったところ、鋳塊割れが発生した。

＜実施例３＞
実施例２で得られた連続鋳造棒をその外周面を面削し、所定長さに切断した後、鍛造成形することによって、図４に示す片側斜板式可変容量型圧縮機の斜板（鍛造成形品）（５０）を得た。

上記のようにして得られた各連続鋳造棒（実施例１、実施例２、比較例１）について、下記測定法に基づいて諸特性の評価を行った。これら評価結果を表２に示す。

＜比重測定法＞
ＪＩＳＺ８８０７−１９７６に準拠して比重（ｇ／ｃｍ³）を測定した。

＜ヤング率測定法＞
ＪＩＳＺ２２４１−１９９８に準拠してヤング率（ｋＮ／ｍｍ²）を測定した。

＜線膨張係数測定法＞
ＪＩＳＺ２２８５−２００３に準拠して線膨張係数（１／Ｋ）を測定した。

＜硬度測定法＞
ＪＩＳＺ２２４５−２００５に準拠して硬度（ＨＲＢ）を測定した。

表から明らかなように、この発明の実施例１、２の連続鋳造用アルミニウム合金を鋳造して得られた鍛造用材料は、従来のアルミニウム合金よりも高比重であると共に、高剛性であり、線膨張性係数も低いものであった。また、実施例１、２ともに耐摩耗性も良好であった。

また、Ｍｇを０．３〜０．４質量％含有した実施例２の連続鋳造用アルミニウム合金を鋳造して得られた鍛造用材料は、ＨＲＢ９０を超える高い硬度が得られた。また、Ｐを０．００３〜０．０１５質量％含有した実施例２の連続鋳造用アルミニウム合金を鋳造して得られた鍛造用材料は、Ｐを含有しない実施例１と比べて、初晶Ｓｉの平均粒径をより小さくすることができた。

これに対し、この発明の範囲を逸脱する比較例１では、十分に高い比重が得られないし、十分に高い剛性も得られなかった。また、Ｆｅの含有率がこの発明の規定範囲の上限を超える比較例２では、鋳塊割れが発生した。

この発明の連続鋳造用アルミニウム合金は、高比重で高剛性であると共に耐摩耗性にも優れているから、このアルミニウム合金を用いて鋳造、鍛造されてなる鍛造成形品は、空調機器用部材、中でも片側斜板式可変容量型圧縮機の斜板として好適に用いられる。

この発明の連続鋳造用アルミニウム合金を鋳造するのに用いられる連続鋳造装置の一例を示す図である。この発明の連続鋳造用アルミニウム合金を鋳造するのに用いられる連続鋳造装置の他の例を示す図である。この発明の連続鋳造用アルミニウム合金を鋳造するのに用いられる連続鋳造装置のさらに他の例を示す図である。この発明の連続鋳造用アルミニウム合金を連続鋳造して得られた連続鋳造棒をさらに鍛造して得られた鍛造成形品（片側斜板式可変容量型圧縮機の斜板）を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。

符号の説明

Ｍ…アルミニウム合金溶湯
１１、２１、４１…連続鋳造棒（鋳造物）
５０…鍛造成形品（斜板）

Claims

Ｓｉ：１３〜１６質量％、Ｃｕ：１０〜１４質量％、Ｆｅ：０．２〜１質量％、Ｚｎ：１〜３質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなることを特徴とする連続鋳造用アルミニウム合金。
さらに、Ｍｇを０．４質量％以下含有する請求項１に記載の連続鋳造用アルミニウム合金。
さらに、Ｐを０．００３〜０．０１５質量％含有する請求項１または２に記載の連続鋳造用アルミニウム合金。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のアルミニウム合金を連続鋳造して得られた鋳造物をさらに鍛造することによって得られた鍛造成形品。
前記鍛造成形品は、空調機器用部材として用いられるものである請求項４に記載の鍛造成形品。
前記鍛造成形品は、片側斜板式可変容量型圧縮機の斜板として用いられるものである請求項４に記載の鍛造成形品。