JP5284935B2 - 高温強度及び高温疲労特性に優れた耐熱アルミニウム合金押出材 - Google Patents
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Description
本発明は、自動車等のエンジン、コンプレッサー等の部材やインペラー（羽根車）部材に用いられるアルミニウム合金押出材に係り、特に高温強度及び高温疲労特性に優れ、押出材を切削してこれらの部材を製造する場合に用いられるアルミニウム合金押出材に関する。
従来のエンジン、コンプレッサー等の回転、直動部材は、Ａ２６１８合金（Ｃｕ：１．９〜２．７％（質量％、以下同じ）、Ｍｇ：１．３〜１．８％、Ｎｉ：０．９〜１．２％、Ｆｅ：０．９〜１．３％、Ｓｉ：０．１〜０．２５％、Ｔｉ：０．０４〜０．１％、Ａｌ：残部）の鋳造・鍛造品を切削して製造していたが、切削の高速化により、アルミニウム合金押出材の切削品化が進んできており、押出材について、切削性の向上、高温強度、及び疲労強度の改善が必要となってきた。
一方、特許文献１〜８には、エンジン、コンプレッサー等の部品の製造に適するＪＩＳ２０００（Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ）系アルミニウム合金押出材が記載されている。特許文献１〜８によれば、これらのＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金押出材は、Ｍｎ，Ｚｒ，Ｃｒ等の添加、Ｃｕ及びＭｇ含有量の増加、あるいは希土類，Ｂｅ等の添加により、Ａ２６１８合金に比べて耐熱性や疲労特性に優れるとされている。
エンジン、コンプレッサー等の回転、直動部材はより軽量化、高回転化が求められ、これに伴い、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金押出材の高温強度及び高温疲労強度のさらなる改善が求められている。
従って、本発明は、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金押出材の高温強度及び高温疲労強度をより改善することを目的とする。
従って、本発明は、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金押出材の高温強度及び高温疲労強度をより改善することを目的とする。
本発明に係るアルミニウム合金押出材は、Ｃｕ：３．４〜５．５％（質量％、以下同じ）、Ｍｇ：１．７〜２．３％、Ｎｉ：１．０〜２．５％、Ｆｅ：０．５〜１．５％、Ｍｎ：０．１〜０．４％、Ｚｒ：０．０５〜０．３％、Ｓｉ：０．１％未満、Ｔｉ：０．１％未満を含み、残部Ａｌ及び不可避不純物からなる。エンジン、コンプレッサー等の回転、直動部材がこの押出材を切削して製造される。また、ニアネット形状を得て歩留まりを上げたい場合は、鍛造（熱間、冷間）を行ってもよい。
本発明によれば、従来材以上に高温強度及び高温疲労強度が向上したＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金押出材を提供することができる。具体的には、本発明によれば、常温強度が５００Ｎ／ｍｍ２超、１６０℃での強度が３９５Ｎ／ｍｍ２超，１６０℃での高温疲労強度（１×１０７回で破断しない応力）で応力振幅１６０Ｎ／ｍｍ２超が達成できる。
また、本発明に係るＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金押出材は、Ａ２６１８押出材と同レベルの切削性を有し、押出材を鍛造することなく直接切削することにより、エンジン、コンプレッサー、インペラー等の回転、直動部材を製造することができる。また、この押出材を鍛造（熱間、冷間）してニアネット形状を得た後切削し、歩留まりを上げることもできる。
さらに、Ａ２６１８押出材を含め従来材では、高温不安定性（高い高温強度及び高温疲労強度が安定して得られないこと）がみられたが、本発明材では、安定して高い高温強度及び高温疲労強度が得られる利点がある。
また、本発明に係るＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金押出材は、Ａ２６１８押出材と同レベルの切削性を有し、押出材を鍛造することなく直接切削することにより、エンジン、コンプレッサー、インペラー等の回転、直動部材を製造することができる。また、この押出材を鍛造（熱間、冷間）してニアネット形状を得た後切削し、歩留まりを上げることもできる。
さらに、Ａ２６１８押出材を含め従来材では、高温不安定性（高い高温強度及び高温疲労強度が安定して得られないこと）がみられたが、本発明材では、安定して高い高温強度及び高温疲労強度が得られる利点がある。
以下、本発明に係るＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金押出材の合金組成について説明する。
（Ｃｕ：３．４〜５．５％）
Ｃｕは常温及び高温強度を向上させるのに必要不可欠の元素である。含有量が３．４％未満では強度向上の効果が少なく、５．５％を越えて含有すると押出加工性が劣化する。従って、Ｃｕ含有量は３．４〜５．５％とする。好ましくは３．６〜４．７％である。
（Ｍｇ：１．７〜２．３％）
ＭｇはＣｕと同様、常温及び高温強度を向上させるのに必要不可欠の元素である。含有量が１．７％未満では強度向上の効果が少なく、一方、２．３％を越えて含有すると押出加工性が劣化する。また、Ｍｇ含有量が１．７％以上となることで再結晶化が進む。さらに晶出物分布が均一化し、疲労強度の改善にもつながる。従って、Ｍｇ含有量は１．７〜２．３％とする。
（Ｃｕ：３．４〜５．５％）
Ｃｕは常温及び高温強度を向上させるのに必要不可欠の元素である。含有量が３．４％未満では強度向上の効果が少なく、５．５％を越えて含有すると押出加工性が劣化する。従って、Ｃｕ含有量は３．４〜５．５％とする。好ましくは３．６〜４．７％である。
（Ｍｇ：１．７〜２．３％）
ＭｇはＣｕと同様、常温及び高温強度を向上させるのに必要不可欠の元素である。含有量が１．７％未満では強度向上の効果が少なく、一方、２．３％を越えて含有すると押出加工性が劣化する。また、Ｍｇ含有量が１．７％以上となることで再結晶化が進む。さらに晶出物分布が均一化し、疲労強度の改善にもつながる。従って、Ｍｇ含有量は１．７〜２．３％とする。
（Ｎｉ：１．０〜２．５％）
Ｎｉは常温及び高温強度を向上させる元素である。含有量は１．０％未満では強度向上の効果が少なく、一方、２．５％を越えると合金中のＣｕと結びつき晶出物となるため、逆に強度は低下する。従って、Ｎｉ含有量は１．０〜２．５％とする。
（Ｆｅ：０．５〜１．５％）
Ｆｅは高温強度を向上させる元素である。含有量が０．５％未満ではその効果が少なく、一方、１．５％を越えて含有すると巨大晶出物が発生し、強度は低下する。従って、Ｆｅ含有量は０．５〜１．５％とする。好ましくは０．８〜１．２％である。
Ｎｉは常温及び高温強度を向上させる元素である。含有量は１．０％未満では強度向上の効果が少なく、一方、２．５％を越えると合金中のＣｕと結びつき晶出物となるため、逆に強度は低下する。従って、Ｎｉ含有量は１．０〜２．５％とする。
（Ｆｅ：０．５〜１．５％）
Ｆｅは高温強度を向上させる元素である。含有量が０．５％未満ではその効果が少なく、一方、１．５％を越えて含有すると巨大晶出物が発生し、強度は低下する。従って、Ｆｅ含有量は０．５〜１．５％とする。好ましくは０．８〜１．２％である。
（Ｍｎ：０．１〜０．４％）
Ｍｎは高温強度を向上させる元素である。含有量が０．１％未満では強度向上の効果が少なく、一方、０．４％を越えて含有すると巨大晶出物が発生し、強度は低下する。従って、Ｍｎ含有量は０．１〜０．４％とする。好ましくは０．２〜０．３５％である。
（Ｚｒ：０．０５〜０．３％）
Ｚｒは押出材を繊維組織化し、再結晶化を抑制する元素であり、常温から高温において強度を向上させる元素である。含有量が０．０５％未満ではその効果が小さく、一方、０．３％を越えて含有すると、巨大晶出物が発生して強度が低下する。従って、Ｚｒ含有量は０．０５〜０．３％とする。好ましくは０．１〜０．２５％である。
Ｍｎは高温強度を向上させる元素である。含有量が０．１％未満では強度向上の効果が少なく、一方、０．４％を越えて含有すると巨大晶出物が発生し、強度は低下する。従って、Ｍｎ含有量は０．１〜０．４％とする。好ましくは０．２〜０．３５％である。
（Ｚｒ：０．０５〜０．３％）
Ｚｒは押出材を繊維組織化し、再結晶化を抑制する元素であり、常温から高温において強度を向上させる元素である。含有量が０．０５％未満ではその効果が小さく、一方、０．３％を越えて含有すると、巨大晶出物が発生して強度が低下する。従って、Ｚｒ含有量は０．０５〜０．３％とする。好ましくは０．１〜０．２５％である。
（Ｓｉ：０．１％未満）
従来材では、ＳｉはＭｇと金属間化合物Ｍｇ２Ｓｉを生成し、強度を向上させる元素として０．１％以上含有され（特許文献１，２等参照）、あるいは不可避不純物として一般に０．１％以上含有されていた（特許文献８の表１参照）が、時効処理（１９０〜２００℃程度）で生成したＭｇ２Ｓｉは、高温での使用が続くうちに粗大化し、これにより特に高温強度及び疲労強度が低下する可能性がある。本発明では添加元素又は不可避不純物としてのＳｉ含有量を０．１％未満（０％を含む）に制限することにより、Ｍｇ２Ｓｉの生成そのものを抑えて高温使用に伴うＭｇ２Ｓｉの粗大化を回避し、エンジン、コンプレッサー等の回転、直動部材の高温強度及び疲労強度の低下（高温不安定性）を防止することができる。好ましくは０．０６％以下である。
従来材では、ＳｉはＭｇと金属間化合物Ｍｇ２Ｓｉを生成し、強度を向上させる元素として０．１％以上含有され（特許文献１，２等参照）、あるいは不可避不純物として一般に０．１％以上含有されていた（特許文献８の表１参照）が、時効処理（１９０〜２００℃程度）で生成したＭｇ２Ｓｉは、高温での使用が続くうちに粗大化し、これにより特に高温強度及び疲労強度が低下する可能性がある。本発明では添加元素又は不可避不純物としてのＳｉ含有量を０．１％未満（０％を含む）に制限することにより、Ｍｇ２Ｓｉの生成そのものを抑えて高温使用に伴うＭｇ２Ｓｉの粗大化を回避し、エンジン、コンプレッサー等の回転、直動部材の高温強度及び疲労強度の低下（高温不安定性）を防止することができる。好ましくは０．０６％以下である。
（Ｔｉ：０．１％未満）
Ｔｉは鋳塊組織を微細化して機械的性質を安定化させる元素である。しかし、含有量が０．１％以上では粗大なＡｌ−Ｔｉ系晶出物を生成し、強度を低下させる。従って、Ｔｉ含有量は０．１％未満とする。好ましくは０．００１％以上０．１％未満、さらに好ましくは０．０２〜０．０７％である。
（不可避不純物）
実操業のアルミニウム合金には、種々の不可避不純物元素が含まれるが、本発明に係るＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金でも、ＪＩＳ２０００系アルミニウム合金とほぼ同様に、Ｃｒ，Ｚｎが個々に０．０５％未満、Ｐｂ，Ｂｉ，Ｓｎが個々に０．０１％未満、その他の元素が個々に０．０５％未満、Ｓｉを除く不可避不純物トータルで０．１５％未満であれば特に問題は生じない。
Ｔｉは鋳塊組織を微細化して機械的性質を安定化させる元素である。しかし、含有量が０．１％以上では粗大なＡｌ−Ｔｉ系晶出物を生成し、強度を低下させる。従って、Ｔｉ含有量は０．１％未満とする。好ましくは０．００１％以上０．１％未満、さらに好ましくは０．０２〜０．０７％である。
（不可避不純物）
実操業のアルミニウム合金には、種々の不可避不純物元素が含まれるが、本発明に係るＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金でも、ＪＩＳ２０００系アルミニウム合金とほぼ同様に、Ｃｒ，Ｚｎが個々に０．０５％未満、Ｐｂ，Ｂｉ，Ｓｎが個々に０．０１％未満、その他の元素が個々に０．０５％未満、Ｓｉを除く不可避不純物トータルで０．１５％未満であれば特に問題は生じない。
（製造方法）
本発明に係るアルミニウム合金押出材は、ビレット造塊、ソーキング、押出加工、焼き入れ、焼き戻し（時効処理）という通常の製造方法で製造することができる。各工程の条件も通常のもので、ソーキングは４７０〜５００℃×４〜８時間、押出温度は３５０〜５００℃、焼き入れは５００〜５４０℃×２〜４時間保持後水冷、焼き戻しは１９０〜２００℃×５〜２５時間程度の条件で行えばよい。焼き入れはいわゆるプレス焼き入れでもよい。
本発明に係るアルミニウム合金押出材は、ビレット造塊、ソーキング、押出加工、焼き入れ、焼き戻し（時効処理）という通常の製造方法で製造することができる。各工程の条件も通常のもので、ソーキングは４７０〜５００℃×４〜８時間、押出温度は３５０〜５００℃、焼き入れは５００〜５４０℃×２〜４時間保持後水冷、焼き戻しは１９０〜２００℃×５〜２５時間程度の条件で行えばよい。焼き入れはいわゆるプレス焼き入れでもよい。
表１に示す組成のアルミニウム合金を直径１５５ｍｍのビレットに鋳造し、４８５℃×６ｈｒのソーキングを行い、押出温度４５０℃の条件で直径５０ｍｍの丸棒に押出加工した。この押出材を５２０℃×２ｈｒ加熱後、水冷して焼き入れした後、２００℃×５ｈｒの焼き戻しを行って供試材とした。
続いて、Ｎｏ．１〜１４の供試材を用いて、室温引張強さ、高温引張強さ及び高温疲労強度を，下記要領で測定した。その結果を同じく表１に示す。
（室温引張強さ）
供試材の直径の１／４深さの領域から押出方向に沿ってＪＩＳ４号試験片を切り出し、ＪＩＳＺ２２４１の規定に準拠して室温で引張試験を行い、引張強さを測定した。
（室温引張強さ）
供試材の直径の１／４深さの領域から押出方向に沿ってＪＩＳ４号試験片を切り出し、ＪＩＳＺ２２４１の規定に準拠して室温で引張試験を行い、引張強さを測定した。
（高温引張強さ）
前記したものと同領域から押出方向に沿ってＪＩＳ４号試験片を切り出し、１６０℃×１００ｈｒ保持後、同温度においてＪＩＳＺ２２４１の規定に準拠して引張試験を行い、引張強さを測定した。
（高温疲労強度）
前記したものと同領域から押出方向に沿ってＪＩＳＺ２２７４に規定された１号試験片を切り出し、１６０℃×１００ｈｒ保持後、同温度においてＪＩＳＺ２２７４に準拠して小野式回転曲げ疲労試験機で疲労試験を行い、高温疲労強度（１×１０７回で破断しない応力を高温疲労強度とした）を測定した。
前記したものと同領域から押出方向に沿ってＪＩＳ４号試験片を切り出し、１６０℃×１００ｈｒ保持後、同温度においてＪＩＳＺ２２４１の規定に準拠して引張試験を行い、引張強さを測定した。
（高温疲労強度）
前記したものと同領域から押出方向に沿ってＪＩＳＺ２２７４に規定された１号試験片を切り出し、１６０℃×１００ｈｒ保持後、同温度においてＪＩＳＺ２２７４に準拠して小野式回転曲げ疲労試験機で疲労試験を行い、高温疲労強度（１×１０７回で破断しない応力を高温疲労強度とした）を測定した。
表１において、Ｎｏ．１は耐熱アルミニウム合金の従来材（市販材）である。本発明材であるＮｏ．５，６，８，９，１１，１２は、強度を向上させるＳｉ含有量が従来材に比べて相当低いにも関わらず、室温引張強さは従来材と同等又はそれ以上で、高温引張強さ及び高温疲労強度は従来材を越える値であり、エンジン、コンプレッサー、インペラー等の回転、直動部材の素材として適している。
なお、Ｎｏ．５，６，８，９，１１，１２の切削性（押出材を旋盤で切削）は、Ａ２６１８合金やＮｏ．１の従来材と同レベルであった。
一方、本発明の規定を満たさないＮｏ．２〜４，７，１０，１３，１４は、室温引張強さ、高温引張強さ及び高温疲労強度のうちいずれかの特性が従来材より劣っている。
なお、Ｎｏ．５，６，８，９，１１，１２の切削性（押出材を旋盤で切削）は、Ａ２６１８合金やＮｏ．１の従来材と同レベルであった。
一方、本発明の規定を満たさないＮｏ．２〜４，７，１０，１３，１４は、室温引張強さ、高温引張強さ及び高温疲労強度のうちいずれかの特性が従来材より劣っている。
Claims (1)
- Ｃｕ：３．４〜５．５％（質量％、以下同じ）、Ｍｇ：１．７〜２．３％、Ｎｉ：１．０〜２．５％、Ｆｅ：０．５〜１．５％、Ｍｎ：０．１〜０．４％、Ｚｒ：０．０５〜０．３％、Ｓｉ：０．１％未満、Ｔｉ：０．１％未満を含み、残部Ａｌ及び不可避不純物からなることを特徴とする高温強度及び高温疲労特性に優れた耐熱アルミニウム合金押出材。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2009278479A JP5284935B2 (ja) | 2009-12-08 | 2009-12-08 | 高温強度及び高温疲労特性に優れた耐熱アルミニウム合金押出材 |
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| JP2009278479A JP5284935B2 (ja) | 2009-12-08 | 2009-12-08 | 高温強度及び高温疲労特性に優れた耐熱アルミニウム合金押出材 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| JP2011122180A JP2011122180A (ja) | 2011-06-23 |
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|---|---|---|---|---|
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| DE112021005383T5 (de) | 2020-10-12 | 2023-07-27 | Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki | Verdichterbauteil für fahrzeuge und verfahren zur herstellung desselben |
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|---|---|---|---|---|
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| JPH0681067A (ja) * | 1992-08-31 | 1994-03-22 | Mitsubishi Alum Co Ltd | 高強度耐熱アルミニウム合金 |
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