JP6863005B2 - Ａｌ−Ｓｉ合金、鋳造部品製造方法、及びバルブボディ - Google Patents

Description

本発明は、Ａｌ−Ｓｉ合金、並びにそれを用いた鋳造部品製造方法及びバルブボディに関する。

例えば車両に備えられる自動変速機の油圧制御用バルブのバルブボディを製造するのに、アルミニウム合金が用いられる場合がある。例えば日本工業規格ＪＩＳＨ５３０２（非特許文献１）に定められるＡＤＣ１０やＡＤＣ１２等のアルミニウムシリコン合金（Ａｌ−Ｓｉ合金）は、鋳造性が良好であるため、鋳造によってバルブボディを製造する場合に好ましく利用される。これらのＡｌ−Ｓｉ合金にはリサイクルの観点からＭｇの含有が許容されており、このＭｇの含有により、副次的に強度向上がなされている。しかし、ＡＤＣ１０（Ｓｉ；７．５〜９．５％）やＡＤＣ１２（Ｓｉ；９．６〜１２％）は、過共晶合金と比較すると、耐摩耗性が低いという欠点がある。

耐摩耗性の向上が図られたＡｌ−Ｓｉ合金としては、過共晶組成を有するＡＤＣ１４（Ｓｉ；１６〜１８％）も存在する。しかし、過共晶合金の場合には、Ｓｉの含有量が多くなるにつれて液相線温度が大きく上昇し、しかも溶湯温度を液相線温度よりもかなり高くしなければならないため、溶湯が酸化しやすいという欠点がある。加えて、強度向上のために添加されるＭｇが、溶湯中でスピネル構造を有するＭｇＡｌ_２Ｏ_４に変態するため、鋳造後の機械加工時に、高硬度のＭｇＡｌ_２Ｏ_４が加工用工具を損傷させる可能性もある。

日本工業規格ＪＩＳＨ５３０２

耐摩耗性及び機械的性質に優れ、鋳造する場合に溶湯の酸化が抑制され、機械加工を行う場合に加工用工具を損傷させにくいＡｌ−Ｓｉ合金の実現が望まれる。

本開示に係るＡｌ−Ｓｉ合金は、
Ａｌと、１３重量％以上１５重量％以下のＳｉと、０．２重量％以上０．５重量％以下のＣｕと、０．０５重量％以下のＭｇと、を含有する。

この構成によれば、Ｓｉの含有量が共晶点（１２．６重量％）を超える過共晶組成のＡｌ−Ｓｉ合金とすることで、耐摩耗性の向上を図ることができる。このとき、過共晶組成としつつＳｉの含有量を共晶点付近の１３重量％以上１５重量％以下の範囲に抑えているので、液相線温度の上昇が抑えられ、溶湯温度を比較的低く抑えることができる。よって、鋳造する場合に溶湯の酸化を抑制することができる。また、Ｍｇの含有量が０．０５重量％以下とかなり低く抑えられているので、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４やＭｇＯ等の硬質の酸化物が生じにくく、機械加工を行っても加工用工具を損傷させにくい。さらに、Ｍｇの含有量が低く抑えられる場合であってもそれに代えてＣｕが０．２重量％以上含有されているので、強度の向上を図ることができる。
従って、耐摩耗性及び機械的性質に優れ、鋳造する場合に溶湯の酸化が抑制され、機械加工を行う場合に加工用工具を損傷させにくいＡｌ−Ｓｉ合金を提供することができる。

本開示に係る技術のさらなる特徴と利点は、図面を参照して記述する以下の例示的かつ非限定的な実施形態の説明によってより明確になるであろう。

Ａｌ−Ｓｉ二元系の平衡状態図 耐摩耗性を示すグラフ ヤング率を示すグラフ バルブボディを示す模式図

Ａｌ−Ｓｉ合金の実施形態について説明する。

なお、以下の説明においては、特に明記しない限り、２つの数値（下限値・上限値）を“〜”で結んで示す数値範囲は、「（下限値）以上（上限値）以下」の範囲を示すものとする。また、特に明記しない限り、「％」は「重量％」を示すものとする。例えば「１３〜１５％」は、「１３重量％以上１５重量％以下」を表す。

本実施形態のＡｌ−Ｓｉ合金は、概略的には、第１元素としてのＡｌ（アルミニウム）と、第２元素としてのＳｉ（ケイ素）とを主要な構成成分として含むアルミニウムシリコン合金である。このＡｌ−Ｓｉ合金は、他の構成成分としてＰ（リン）とＭｇ（マグネシウム）とＣｕ（銅）とをさらに含んでいる。これら以外に、Ａｌ−Ｓｉ合金には、微量の不可避不純物が含まれていても良い。

本実施形態のＡｌ−Ｓｉ合金において、全体を１００％としたとき、Ｓｉの含有量は１３〜１５％とされる。Ａｌ−Ｓｉの二元系においては、Ｓｉの含有量が１２．６％となる組成が共晶点であることが知られている。本実施形態のＡｌ−Ｓｉ合金は、Ｓｉの含有量が共晶点（１２．６％）よりも多い「過共晶組成」を有し、当該過共晶組成の中でも特に、共晶点に比較的近い１３〜１５％の範囲の組成を有する。

過共晶組成とすることで、Ａｌ−Ｓｉ合金の鋳造時、凝固に伴って平衡状態図（図１を参照）において液相から液相線を超えて固液共存域に移行する際に、塊状の初晶Ｓｉが晶出する。この初晶Ｓｉにより、得られるＡｌ−Ｓｉ合金の耐摩耗性を向上させることができる。Ｓｉ含有量が１３％未満（１２．６％超〜１３％未満）であれば、初晶Ｓｉとして晶出可能なＳｉの量が十分ではなく、耐摩耗性を十分に確保することができない。一方、Ｓｉ含有量が１５％を超えると、Ｓｉ自体が脆性を有するため、得られるＡｌ−Ｓｉ合金の靱性が損なわれやすくなる。

また、過共晶領域では液相線の傾きが大きく、Ｓｉ含有量の増加に伴って液相線温度が比較的大きく上昇する。また、アルミニウム合金は一般的に溶湯温度が７５０℃以上となると著しく酸化が進むことが知られている。アルミニウム合金を鋳造に使用する場合、溶湯温度が液相線温度付近では鋳造が困難となることから、通常、溶湯温度を液相線温度よりも１００±２０℃高く設定するため、Ｓｉ含有量が１５％を超えると、溶湯が酸化しやすくなる。例えばＳｉ含有量が１８％程度に達するＡＤＣ１４では、液相線温度がおよそ６６０℃に達するため、溶湯温度を７４０℃〜７８０℃程度まで上昇させることによって溶湯が酸化しやすくなる。これに対して、本実施形態のＡｌ−Ｓｉ合金では、Ｓｉ含有量が１５％以下であり、液相線温度は６２０℃程度にとどまるため、溶湯温度を７００℃〜７４０℃程度まで上昇させても溶湯の酸化が抑えられる。さらにＳｉ含有量を１４％以下に抑えれば、液相線温度を６００℃程度にとどめ、溶湯温度を７２０℃以下にとどめることができるのでより好ましい。すなわち、好ましい一態様によれば、Ａｌ−Ｓｉ合金は、１３〜１４％のＳｉを含む。

Ｐは、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金において、初晶Ｓｉの晶出を促進する効果を有する。Ｐは、溶湯中、Ａｌと結合してＡｌＰとして存在する。このＡｌＰは、溶湯中においてシードとして機能し、初晶Ｓｉを不均質核生成させる。特に、溶湯温度をＳｉ含有量に応じた液相線温度よりも８０℃以上１２０℃以下だけ高い温度とすれば、高温の溶湯中でＰ（ＡｌＰ）を均一に分散させることができる。よって、初晶Ｓｉを微細化して分散させることができ、初晶Ｓｉの晶出を促進することができる。よって、効果的に耐摩耗性の向上を図ることができる。

Ｐ含有量は、０．００３〜０．００６％であることが好ましい。Ｐ含有量が０．００３％未満であれば、シードとしてのＡｌＰの生成量が十分ではなく、初晶Ｓｉの微細化効果が小さくなる。一方、Ｐ含有量が０．００６％を超えると、ざく巣やガスポロシティ等の鋳造欠陥が現れやすくなる。

上述した不可避不純物の一種として、例えばＮａ（ナトリウム）等のアルカリ金属や、例えばＣａ（カルシウム）やＳｒ（ストロンチウム）等のアルカリ土類金属が、Ａｌ−Ｓｉ合金に含まれる。これらは、溶湯中でＰと結合してＡｌＰの生成を阻害する。このため、本実施形態のＡｌ−Ｓｉ合金では、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の合計含有量が０．００１重量％未満に規制されている。このような極微量であれば、溶湯中でアルカリ金属又はアルカリ土類金属と結合するＰが極めて少なく抑えられるので、Ｐの添加による初晶Ｓｉの微細化効果の実効性を担保することができる。

Ｍｇは、通常、Ａｌ−Ｓｉ合金において、０．１〜１％添加されて機械的性質等を向上させる効果を有する。しかし、本実施形態のように過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金において初晶Ｓｉの晶出を促進するために０．００３〜０．００６％のＰを添加し、Ｐを均一に分散させるために溶湯温度をかなり高くする場合には、Ｍｇの酸化が問題となり得る。すなわち、Ｍｇは、高温の溶湯中でＭｇＡｌ_２Ｏ_４に変態し得る。ＭｇＡｌ_２Ｏ_４は、スピネル構造を有するために非常に硬く、このようなＭｇＡｌ_２Ｏ_４がＡｌ−Ｓｉ合金に残留すると、鋳造後の機械加工時に、高硬度のＭｇＡｌ_２Ｏ_４が加工用工具を損傷させる原因となる。

このため、本実施形態のＡｌ−Ｓｉ合金では、Ｍｇ含有量が０．０５％以下に規制されている。Ｍｇ含有量がかなり低く抑えられているので、溶湯中で硬質のＭｇＡｌ_２Ｏ_４が生じにくく、機械加工を行っても加工用工具を損傷させにくい。

本実施形態のＡｌ−Ｓｉ合金では、含有量がかなり低く抑えられるＭｇに代替するように、Ｍｇと同様の強度向上効果を有するＣｕが添加されている。Ｃｕは、固溶強化及び時効硬化により、Ａｌ−Ｓｉ合金の常温強度及び高温強度を向上させる。このような強度の向上は、鋳造によって得られた鋳物に熱処理を施すことによって実現することができる。この場合の熱処理は、例えば１４０℃以上２２０℃以下で０．５時間以上２４時間以下保持する処理（Ｔ５処理）とすることができる。或いは、熱処理は、例えば４５０℃以上５５０℃以下で０．１時間以上１０時間以下保持する処理（Ｔ６処理）と、クエンチ（急冷）と、その後のＴ５処理との組み合わせであっても良い。

Ｃｕ含有量は、０．２〜０．５％とされている。Ｃｕ含有量が０．２％未満であれば、機械的性質の向上効果が限定的となる。一方、Ｃｕ含有量が０．５％を超えると、比較的低融点のＡｌ_２Ｃｕの晶出が顕著となって耐食性が悪化し、また、逆偏析も生じやすくなる。

不可避不純物としては、上述したアルカリ金属及びアルカリ土類金属以外に、例えばＦｅ（鉄）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｍｎ（マンガン）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｔｉ（チタン）、及びＳｎ（スズ）等が例示される。なお、不可避不純物は、原料中に含まれる不純物や製造時に混入する不純物等であって、技術的又はコスト的な理由（例えば、除去することが技術的に不可能、又は、除去することに著しく過大な経済的支出や時間を要する等の理由）により、除去することが困難な成分である。これらは、鋳造性に好ましくない影響を与える可能性があるため、低含有量に規制されていることが好ましい。例えば、Ｆｅであれば０．９％未満に、Ｚｎ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｔｉであれば０．２％未満に、Ｓｎであれば０．０５％未満に、それぞれの含有量が規制されていると好適である。

本実施形態のＡｌ−Ｓｉ合金は、例えば、石英製、陶磁製、又は金属製等のるつぼに各成分元素の原料（例えば高純度のインゴット又は他の合金）を投入し、るつぼ内で原料を溶解することによって得ることができる。また、上述したＡｌ−Ｓｉ合金を用いて製造される鋳物（鋳造部品）は、上記のようにして溶解させたＡｌ−Ｓｉ合金（溶湯）を、例えば砂型や金型等の鋳型に流し込んで凝固させることによって得ることができる。

本実施形態のＡｌ−Ｓｉ合金は、例えば輸送機器（自動車・船舶・鉄道車両・飛行機等）、産業機器（設備機器・生産ラインシステム等）、又は民生機器（家電製品・電子機器・通信機器等）等の用途に利用することができる。より具体的な用途の一例としては、例えばエンジン用構造部材（シリンダブロック・シリンダヘッド等）やケース部材（トランスミッションケース・ポンプボディ・ポンプカバー・バルブボディ等）等の自動車関連部品が例示される。本実施形態のＡｌ−Ｓｉ合金は、耐摩耗性及び機械的性質に優れるため、シリンダブロックやシリンダヘッド、バルブボディ等、摺動部を有する自動車関連部品にも好適に適用することができる。

〔実施例〕
以下、Ａｌ−Ｓｉ合金について、実施例及び比較例を示しつつより詳細に説明する。但し、本発明はこれらの実施例に限定される訳ではない。

下記の表１に示す組成の材料をるつぼ内で溶解させ、鋳造用の溶湯を用意した。溶湯温度は、それぞれのＳｉ含有量に応じた液相線温度＋１００℃とした。溶湯を所定形状の鋳型に流し込んだ後、１８０℃で４時間保温する熱処理を施した。その後、冷却して凝固させた。なお、表１においては、各成分の含有量を百分率（％）で表示している。比較例１はＪＩＳＨ５３０２に定められるＡＤＣ１２相当品であり、比較例２はＡＤＣ１４相当品である。

実施例１、実施例２、比較例１、比較例２の各供試材について、耐摩耗性及び機械的特性の評価を行った。

耐摩耗性は、高千穂精機社製のデュアルマイクロテスター（型番；μ−１００Ｎ）を用いて、加速条件にてピンオンディスク型の摩耗試験を行うことによって実施した。各供試材は、それぞれ直径５０ｍｍ×厚さ５ｍｍの３枚のディスクに形成した。ピンは、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金の一種である６０６１−Ｔ６を硬質アルマイトで表面処理したものを用い、直径４ｍｍ×長さ１５ｍｍに形成し、先端をＲ３０ｍｍに仕上げた。３００ＭＰａの面圧となるように荷重をかけてピンの先端を各供試材のディスク表面に押し付け、潤滑油（Automatic transmission fluid；ＡＴＦ）を供給しながら、２５０ｍｍ／秒の速度で一方向にディスクを回転させた。ディスクの累積回転距離が９００ｍに達した後、各供試材のディスクを取り出して摩耗断面積を測定した。

図２に示すように、実施例１（ＥＸ１）、実施例２（ＥＸ２）、及び比較例２（ＣＥ２）の各供試材は、摩耗断面積がいずれも０．０１ｍｍ^２未満に抑えられており、耐摩耗性に優れることが確認された。これらは、試験片によるばらつきもほとんど見られなかった。一方、比較例１（ＣＥ１）の供試材は、摩耗断面積が０．０１ｍｍ^２以上であり、試験片によっては０．０４ｍｍ^２を超えるものもあり、耐摩耗性が低く試験片によるばらつきも大きかった。

機械的特性は、島津製作所社製の引張試験機（型番；ＡＧＳ−５０ＮＸ）を用いて、引張試験を行うことによって実施した。各供試材は、それぞれＪＩＳ１４Ａ号試験片となるように機械加工を施した。標点間距離を２４ｍｍとし、室温にて０．３ｍｍ／分の一定速度で引張試験に試供した。歪み量を伸び計で測定して、ヤング率を算出した。

図３に示すように、実施例１（ＥＸ１）、実施例２（ＥＸ２）、及び比較例１（ＣＥ１）の各供試材は、ヤング率がいずれも７５ＧＰａ未満に抑えられており、剛性が比較的高く、機械的特性に優れることが確認された。一方、比較例２（ＣＥ２）の供試材は、ヤング率が８０ＧＰａを超えていた。

これらの試験結果を総合すると、実施例１，２は、比較例２に比べて遜色なくかつ比較例１に比べて明らかに優れた耐摩耗性を有するとともに、比較例１に比べて遜色なくかつ比較例２に比べて明らかに優れた機械的特性を有することが分かる。すなわち、本実施形態のＡｌ−Ｓｉ合金は、従来から多用されているＪＩＳＨ５３０２のＡＤＣ１２よりも耐摩耗性が高く、かつ、ＡＤＣ１４よりも高剛性であることが分かる。本実施形態のＡｌ−Ｓｉ合金は、例えば自動車関連部品に用いる場合に適した、バランスの良い特性を有していると言える。

例えば図４に示す、自動変速機の油圧制御用バルブのバルブボディ１０を本実施形態のＡｌ−Ｓｉ合金で製造したところ、バルブボディ１０内で油圧制御用バルブが断続的に摺動しても、長期間に亘って当初の性能を維持できることが確認された。

〔実施形態の概要〕
以上をまとめると、本開示に係るＡｌ−Ｓｉ合金は、好適には、以下の各構成を備える。

Ａｌ−Ｓｉ合金であって、
Ａｌと、１３重量％以上１５重量％以下のＳｉと、０．２重量％以上０．５重量％以下のＣｕと、０．０５重量％以下のＭｇと、を含有する。

この構成によれば、Ｓｉの含有量が共晶点（１２．６重量％）を超える過共晶組成のＡｌ−Ｓｉ合金とすることで、耐摩耗性の向上を図ることができる。このとき、過共晶組成としつつＳｉの含有量を共晶点付近の１３重量％以上１５重量％以下の範囲に抑えているので、液相線温度の上昇が抑えられ、溶湯温度を比較的低く抑えることができる。よって、鋳造する場合に溶湯の酸化を抑制することができる。また、Ｍｇの含有量が０．０５重量％以下とかなり低く抑えられているので、溶湯中で硬質のＭｇＡｌ_２Ｏ_４が生じにくく、機械加工を行っても加工用工具を損傷させにくい。さらに、Ｍｇの含有量が低く抑えられる場合であってもそれに代えてＣｕが０．２重量％以上含有されているので、強度の向上を図ることができる。
従って、耐摩耗性及び機械的性質に優れ、鋳造する場合に溶湯の酸化が抑制され、機械加工を行う場合に加工用工具を損傷させにくいＡｌ−Ｓｉ合金を提供することができる。

一態様として、
０．００３重量％以上０．００６重量％以下のＰをさらに含有することが好ましい。

この構成によれば、０．００３重量％以上のＰが初晶Ｓｉを微細化して分散させるので、初晶Ｓｉの晶出を促進することができる。よって、効果的に耐摩耗性の向上を図ることができる。Ｐの含有量が０．００６重量％以下であれば、ざく巣やガスポロシティ等の鋳造欠陥が現れることもほとんどない。

一態様として、
アルカリ金属又はアルカリ土類金属の合計含有量が０．００１重量％未満であることが好ましい。

この構成によれば、溶湯中のＰのうち、アルカリ金属又はアルカリ土類金属と結合するＰが少なく抑えられるので、初晶Ｓｉの微細化効果の実効性を担保することができる。よって、さらに効果的に耐摩耗性の向上を図ることができる。

また、本開示に係る鋳造部品製造方法は、好適には、以下の各構成を備える。

上述したＡｌ−Ｓｉ合金からなる鋳造部品を製造する鋳造部品製造方法であって、
各成分を溶融させて溶湯を生成する工程を、Ｓｉの含有量に応じた液相線温度よりも８０℃以上１２０℃以下だけ高い溶湯温度で行う。

この構成によれば、高温の溶湯中でＰを均一に分散させることができるので、初晶Ｓｉを微細化することができ、初晶Ｓｉの晶出を促進することができる。この場合において、Ｓｉの含有量が１３重量％以上１５重量％以下の範囲であれば液相線温度が比較的低いので、Ｐを均一に分散させるために溶湯温度を上昇させつつ、その上昇後の温度を比較的低く抑えることができる。よって、溶湯の酸化を抑制することができ、鋳造欠陥の少ない鋳造部品を得ることができる。

一態様として、
溶湯を鋳型に流し込んで鋳造した後、得られた鋳物を１４０℃以上２２０℃以下で０．５時間以上２４時間以下保持する工程を含むことが好ましい。

この構成によれば、固溶強化及び時効硬化により、高強度の鋳造部品を得ることができる。

また、本開示に係るバルブボディは、好適には、以下の構成を備える。

バルブボディであって、
上述したＡｌ−Ｓｉ合金からなり、自動変速機の油圧制御用バルブと共に用いられる。

この構成によれば、耐摩耗性及び機械的性質に優れたバルブボディを得ることができる。よって、バルブボディ内で油圧制御用バルブが断続的に摺動しても、長期間に亘って当初の性能を維持することができる。

本開示に係るＡｌ−Ｓｉ合金、鋳造部品製造方法、及びバルブボディは、上述した各効果のうち、少なくとも１つを奏することができれば良い。

Claims (5)

1. Ａｌと、１３重量％以上１５重量％以下のＳｉと、０．２重量％以上０．５重量％以下のＣｕと、０．０５重量％以下のＭｇと、０．００３重量％以上０．００６重量％以下のＰと、アルカリ金属及び／又はアルカリ土類金属を含む不可避不純物と、からなり、アルカリ金属とアルカリ土類金属との合計含有量が０．００１重量％未満である、自動車用部品の鋳造用のＡｌ−Ｓｉ合金。
2. 前記不可避不純物として、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｔｉ、及びＳｎのうちの少なくとも１種が含まれ、Ｆｅが含まれる場合にはその含有量が０．９重量％未満であり、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｎｉ、又はＴｉが含まれる場合にはその含有量がそれぞれ０．２重量％未満であり、Ｓｎが含まれる場合にはその含有量が０．０５重量％未満である請求項１に記載のＡｌ−Ｓｉ合金。
3. 請求項１又は２に記載のＡｌ−Ｓｉ合金からなる自動車用鋳造部品を製造する鋳造部品製造方法であって、
   各成分を溶融させて溶湯を生成する工程を、Ｓｉの含有量に応じて、Ａｌ−Ｓｉ二元系平衡状態図における液相線温度よりも８０℃以上１２０℃以下だけ高い溶湯温度で行う鋳造部品製造方法。
4. 溶湯を鋳型に流し込んで鋳造した後、得られた鋳物を１４０℃以上２２０℃以下で０．５時間以上２４時間以下保持する工程を含む請求項３に記載の鋳造部品製造方法。
5. 請求項１又は２に記載のＡｌ−Ｓｉ合金からなる、自動変速機の油圧制御用バルブのバルブボディ。

Images