JP6415097B2 - 複合微細組織を有する耐摩耗性合金 - Google Patents

Description

本発明は、耐摩耗性および自己潤滑性が要求され、自動車用部品に用いられるアルミニウム合金およびその製造方法に係り、より詳しくは、耐摩耗性の硬質粒子および自己潤滑性の軟質粒子から構成された複合微細組織を有するアルミニウム合金に関する。

一般に、自動車部品用耐摩耗性アルミニウム合金としては、主にシリコン（Ｓｉ）１３．５〜１８ｗｔ％（すなわち、１２ｗｔ％以上）および銅（Ｃｕ）２〜４ｗｔ％を含む過共晶Ａｌ−Ｆｅ合金が使用されている。前記過共晶Ａｌ−Ｆｅ合金は、微細組織上に粒径３０〜５０μｍの初晶シリコン（Ｓｉ）粒子を生成し、一般のＡｌ−Ｆｅ合金に比べて優れた耐摩耗性を有し、自動車部品のうち耐摩耗性を要求する部品、例えばシフトフォーク、リアカバー、スワッシュプレートなどに多く用いられている。
代表的な商用合金としては、リヨービ株式会社のＲ１４合金、これと類似した韓国開発の合金であるＫ１４合金、およびモノブロックやアルミニウムライナーに使用されるＡ３９０合金などがある。

ところが、このような過共晶合金は、高いＳｉの含量により鋳造性に劣るうえ、Ｓｉ粒子のサイズおよび分布の調節に多くの困難を伴い、耐衝撃性にも劣るという欠点がある。さらに、特殊開発された合金であって、一般のアルミニウム合金に比べて価格が非常に高いという欠点もある。

次に、自動車部品用自己潤滑性アルミニウム合金としてはＡｌ−Ｓｎ系合金がある。この合金の場合、スズ（Ｓｎ）を８〜１５ｗｔ％も含有しており、微細組織上に自己潤滑性のスズ（Ｓｎ）軟質粒子を生成させて摩擦を低減させる特徴を持っているため、主に摩擦の激しいところに使用される金属系ベアリングの原素材として用いられている。

しかしながら、この合金の場合、シリコン（Ｓｉ）による強度補強効果にも拘らず、１５０ＭＰａ以下の低い強度を持っているため、構造用部品には使用できないという欠点がある。

韓国出願公開第１０−２００８−０１０２５６０号明細書 特開２００１−３１６６８８号公報

本発明は前記のような点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、過共晶Ａｌ−Ｆｅ系合金の耐摩耗性およびＡｌ−Ｓｎ系合金の自己潤滑特性を同時に有する新概念の自己潤滑特性を有する高強度耐摩耗性合金を得るために、微細組織上に硬質粒子および軟質粒子を同時に有する複合微細組織新合金を提供することにある。

このような目的を達成するための、本発明の一実施例に係る複合微細組織を有する耐摩耗性合金は、亜鉛（Ｚｎ）１９〜２７ｗｔ％、スズ（Ｓｎ）１〜３ｗｔ％、鉄（Ｆｅ）０．６〜２．０ｗｔ％、並びに残部のアルミニウム（Ａｌ）および不可避不純物からなる組成を持つことを特徴とする。

また、銅（Ｃｕ）１〜３ｗｔ％をさらに含む組成を持つことを特徴とする。

また、マグネシウム（Ｍｇ）０．３〜０．８ｗｔ％をさらに含む組成を持つことを特徴とする。

また、銅（Ｃｕ）１〜３ｗｔ％およびマグネシウム（Ｍｇ）０．３〜０．８ｗｔ％をさらに含む組成を持つことを特徴とする。

本発明の他の実施例に係る複合微細組織を有する耐摩耗性合金は、亜鉛（Ｚｎ）１９〜２７ｗｔ％、ビスマス（Ｂｉ）３〜５ｗｔ％、鉄（Ｆｅ）０．６〜２．０ｗｔ％、並びに残部のアルミニウム（Ａｌ）および不可避不純物からなる組成を持つことを特徴とする。

上述したような構造の複合微細組織を有する耐摩耗性合金によれば、過共晶Ａｌ−Ｆｅ系合金の耐摩耗性とＡｌ−Ｓｎ系合金の自己潤滑特性とを同時に有する、新概念の自己潤滑特性を有する高強度耐摩耗性合金を得ることができる。

本発明に係る複合微細組織を有する耐摩耗性合金の軟質粒子による低摩擦特性を確認するための実施例および比較例に関するグラフである。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施例に係る複合微細組織を有する耐摩耗性合金について説明する。

本発明は、アルミニウム基地組織内に硬質粒子と軟質粒子を同時に持つ、複合微細組織を有する新合金に関するものである。

一般に、アルミニウム合金において自己潤滑性粒子を生成させる合金元素としてはＳｎ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｚｎなどがある。これらの元素は、アルミニウムとの化学的反応性がないため、金属間化合物を生成せず、相分離される独特な特性を持っている。さらに、相対的に低融点を持っているため、摩擦の激しい条件で部分的に溶融しながら潤滑膜を形成する自己潤滑性を有するという独特な特性を持つ。

自己潤滑性およびコストの観点からみると、前述した４種の化学元素のうち、Ｐｂが最も良い自己潤滑性粒子の生成元素ではあるが、有害金属元素に分類され、自動車分野では使用が不可能な状況である。よって、ＳｎがＰｂの代替元素として最も広く用いられており、一部ではＢｉを同一の用途で使用している事例もある。これに対し、Ｚｎの場合、ＳｎとＢｉに比べて融点が高く自己潤滑特性が大きく劣るという欠点のため、相対的に多量を添加しなければならないという難点を有するが、価格が非常に低い利点を持っているので、素材のコスト競争力を確保するために、高価のＳｎまたはＢｉの含量を一部代替する軟質粒子生成元素として使用する。

次に、硬質粒子生成のための合金元素としてはＳｉとＦｅがある。ＳｉとＦｅは、Ａｌとの共晶反応（Ｅｕｔｅｃｔｉｃ ｒｅａｃｔｉｏｎ）特性を有し、特定の含量以上で添加する場合には角付き形状の硬質粒子を生成する特性を持っている。Ｓｉは、アルミニウム合金において最も代表的な硬質粒子生成元素であって、Ａｌ−Ｆｅ二元系合金において１２．６ｗｔ％以上で添加する場合は初晶Ｓｉ粒子を生成し、耐摩耗性を有する特性を持っている。ところが、軟質粒子生成元素であるＺｎと共に添加する場合には、硬質粒子の生成のためにＺｎの含量によってＳｉの含量が異なるが、例えばＺｎの含量が１０ｗｔ％内外であれば、Ｓｉの含量は最小７ｗｔ％〜最大１４ｗｔ％の範囲である。この際、最小量未満でＳｉを添加する場合には硬質粒子が生成しなくなり、最大量以上でＳｉを添加する場合には硬質粒子が非常に大きくなって機械的物性および耐摩耗性に悪影響を及ぼすという問題点が発生する。

Ｆｅの場合、一般にＡｌ−Ｆｅ系合金は不純物として知られているが、ＳｉのないＡｌ−Ｆｅ二元系合金は、０．５ｗｔ％以上３ｗｔ％未満で添加する場合には耐摩耗性を有するＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物粒子を形成し、耐摩耗性を有するようにできる反面、３ｗｔ％以上で添加する場合には金属間化合物が過度に生成して機械的性質が低下し、溶融点が上昇するという問題点がある。

アルミニウム合金の基本強度補強のための合金元素としてＣｕとＭｇがある。Ｃｕの場合、Ａｌとの化学反応を介して金属間化合物を形成しかつ強度を高める効果を持つが、Ｃｕの含量、合金の鋳造／冷却条件および熱処理条件によってその効果が異なる。Ｍｇの場合、Ｓｉ或いはＺｎとの化学反応を介して金属間化合物を形成しかつ強度を高める効果を持つが、Ｃｕと同様に、含量、合金の鋳造／冷却条件および熱処理条件によってその効果が異なる。

以下、本発明をより詳細に説明する。

本発明に係るアルミニウム合金は、アルミニウム（Ａｌ）を主成分とし、ここに亜鉛（Ｚｎ）１９〜２７ｗｔ％、スズ（Ｓｎ）３〜５ｗｔ％、銅（Ｃｕ）１〜３ｗｔ％、マグネシウム（Ｍｇ）０．３〜０．８ｗｔ％、および硬質粒子を生成する鉄（Ｆｅ）０．６〜２．０ｗｔ％を添加したものである。ここで、前記亜鉛（Ｚｎ）は、１９ｗｔ％以下で添加する場合には軟質粒子であるＺｎ相の生成量が少なくて十分な自己潤滑性を得ることが難しく、２７ｗｔ％以上で添加する場合には合金の固相線があまり低くなって鋳造の条件上不利である。

亜鉛（Ｚｎ）よりさらに強力な自己潤滑性を有するが価格は高いスズ（Ｓｎ）も、３ｗｔ％以下で添加する場合には軟質粒子たるＳｎ相の生成量が少なくてＺｎ相の足りない自己潤滑性を補完することが難しく、５ｗｔ％以上で添加する場合には得られる摩擦低減効果が駆動条件上であまり意味がない。よって、効率性の観点から、スズ（Ｓｎ）の量を最小化する。

硬質粒子を生成するための鉄（Ｆｅ）は、０．６ｗｔ％以下で添加する場合には硬質粒子たるＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物が十分に生成（０．５％未満）しないため耐摩耗性を確保することが難しく、２．０ｗｔ％以上で添加する場合にはＡｌ−Ｆｅ系硬質粒子が生成する液相線の温度が過度に高くなり（７５０℃超過）、銃造性も低下し、金属間化合物の粗大化による逆効果が懸念される。

機械的性質の向上のために添加する銅（Ｃｕ）は、適正の機械的性質を確保するために１ｗｔ％以上添加しなければならないが、３ｗｔ％を超えて添加すると、その他の元素と金属間化合物が生成し、機械的性質を低下させるおそれがあるので、その量を制限する。代りに、マグネシウム（Ｍｇ）を０．３ｗｔ％以上添加してさらなる機械的性質の向上を図ることができる。また、マグネシウム（Ｍｇ）も、０．８ｗｔ％添加する場合には機械的性質に不利な化合物を形成するおそれがあるので、その量を制限する。

本発明に係るＡｌ−Ｚｎ−Ｓｎ系合金における軟質粒子による低摩擦特性を確認するための実施例および比較例として、図１に示すように、ＺｎとＳｎの含量を変化させて合金を製造し、合金別摩擦係数の変化を観察した。その結果、３ｗｔ％Ｓｎの条件で、実施例である３Ｓｎ−１９Ｚｎ合金では要求する低摩擦特性（摩擦係数０．１５０以下）を得、比較例である３Ｓｎ−１７Ｚｎ合金では不満足な結果を得た。この結果より、最小Ｓｎ含量３ｗｔ％でＺｎが少なくとも１９ｗｔ％添加すれば所望の低摩擦特性を得ることができることを確認した。さらにＳｎ、Ｚｎの含量を高める場合にもすべて満足すべき低摩擦特性を得ることができた。

次に、耐摩耗性および機械的性質を評価するための比較例および実施例として、下記表１のようなＡｌ−２５Ｚｎ−４Ｓｎ−ｙＦｅ系合金を製造し評価を行った。

表１におけるＡｌ−２５Ｚｎ−４Ｓｎ−ｙＦｅ合金系をみると、Ｆｅの含量が０．４ｗｔ％である比較例の場合、硬質粒子たるＡｌ−Ｆｅ系粒子が少量（０．５％未満）しか生成しないため十分な摩耗性を得ることが難しく、これに対し、Ｆｅの含量が２．２ｗｔ％とあまり高い場合、Ａｌ−Ｆｅ系硬質粒子が生成する液相線の温度が過度に高くなるため（７５０℃超過）、銃造性も低下し金属間化合物の粗大化による逆効果が懸念される。

逆に、Ｆｅの含量が０．６〜２．０ｗｔ％の実施例の場合、適正水準の硬質粒子が生成し、強度も３２０〜３６０ＭＰａを示すことからみて、必要とする耐磨耗性および機械的性質を同時に確保できることが分かる。

本発明の他の実施例に係る複合微細組織を有する耐摩耗性合金は、亜鉛（Ｚｎ）１９〜２７ｗｔ％、ビスマス（Ｂｉ）３〜５ｗｔ％、鉄（Ｆｅ）０．６〜２．０ｗｔ％、並びに残部のアルミニウム（Ａｌ）および不可避不純物からなる組成を持つ。スズ（Ｓｎ）と同様に、ビスマス（Ｂｉ）の場合も、強力な自己潤滑性材料であって、スズ（Ｓｎ）の代用として使用できる。

本発明を特定の実施例に関連し図示および説明したが、特許請求の範囲により提供される本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、本発明に様々な改良および変化を加え得ることは、当該分野における当業者にとって自明である。

本発明は、自動車用部品に用いられ、複合微細組織を有するアルミニウム合金に関する分野に適用できる。

Claims (4)

1. 亜鉛（Ｚｎ）１９〜２７ｗｔ％、スズ（Ｓｎ）３〜５ｗｔ％、鉄（Ｆｅ）０．６〜２．０ｗｔ％、並びに残部のアルミニウム（Ａｌ）および不可避不純物からなる組成を持つことを特徴とする複合微細組織を有する耐摩耗性合金。
2. 銅（Ｃｕ）１〜３ｗｔ％をさらに含む組成を持つことを特徴とする請求項１に記載の複合微細組織を有する耐摩耗性合金。
3. マグネシウム（Ｍｇ）０．３〜０．８ｗｔ％をさらに含む組成を持つことを特徴とする請求項１に記載の複合微細組織を有する耐摩耗性合金。
4. 銅（Ｃｕ）１〜３ｗｔ％およびマグネシウム（Ｍｇ）０．３〜０．８ｗｔ％をさらに含む組成を持つことを特徴とする請求項１に記載の複合微細組織を有する耐摩耗性合金。
   

Images