JP6937663B2 - かしめ性及び疲労強度に優れた耐摩耗性アルミニウム合金押出材及びそれに用いるアルミニウム合金 - Google Patents
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Description
本発明は耐摩耗性のみならず、かしめ性及び疲労強度にも優れたアルミニウム合金押出材、それに用いるアルミニウム合金及び鋳造ビレットに関する。
自動車部品や機械部品等におけるバルブやピストン等の摺動部品を内蔵する製品においては、耐摩耗性のみならず、製作における切削性、摺動部品等の組み込みにおけるかしめ性、作動油等の圧力に耐えられる疲労強度等、総合的な特性が要求される。
このような部品としては、自動車の横滑り防止装置（ＥＳＣ）等に用いられるアンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）のボディ等が代表例である。
また、各種油圧制御用のバルブボディ部品等も例として挙げられる。
このような部品としては、自動車の横滑り防止装置（ＥＳＣ）等に用いられるアンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）のボディ等が代表例である。
また、各種油圧制御用のバルブボディ部品等も例として挙げられる。
例えば特許文献１等には、切削性に優れたアルミニウム合金を開示するが、かしめ性や疲労強度が不充分である。
本発明は、耐摩耗性や切削性を確保しつつ、かしめ性、疲労強度の改善を図ったアルミニウム合金押出材及びそれに用いるアルミニウム合金，押出用鋳造ビレットの提供を目的とする。
本発明は、かしめ性及び疲労強度に優れた耐摩耗性アルミニウム合金押出材を得るのが目的であり、そのために適した押出材用アルミニウム合金は、以下全て質量％にて、Ｓｉ：３．０〜６．０％，Ｍｇ：０．２〜０．５％，Ｃｕ：０．１〜０．５％，Ｆｅ：０．０１〜０．５％，Ｔｉ：０．０１〜０．１％を含有し、Ｍｎ，Ｃｒ，Ｚｒのうち１種以上を合計で０．０１〜０．６％含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物であることを特徴とする。
ここで、Ｍｎ：０．０１〜０．５％，Ｃｒ：０．０１〜０．５％，Ｚｒ：０．５％以下であって、Ｍｎ，Ｃｒ及びＺｒの合計が０．０１〜０．６％の範囲であるのが好ましい。
ここで、Ｍｎ：０．０１〜０．５％，Ｃｒ：０．０１〜０．５％，Ｚｒ：０．５％以下であって、Ｍｎ，Ｃｒ及びＺｒの合計が０．０１〜０．６％の範囲であるのが好ましい。
上記のアルミニウム合金（溶湯）を用いて、鋳造したビレットであって、金属組織中のＤＡＳが５０μｍ以下であるのが好ましい。
ここでＤＡＳとは、金属組織中のデントライト相におけるデントライトアームスペーシングをいい、２次アームの間隔を測定する。
鋳造条件を制御することでＤＡＳが平均５０μｍ以下となる。
ここでＤＡＳとは、金属組織中のデントライト相におけるデントライトアームスペーシングをいい、２次アームの間隔を測定する。
鋳造条件を制御することでＤＡＳが平均５０μｍ以下となる。
上記のアルミニウム合金ビレットを用いて押出加工を行い、押出材の結晶粒の平均粒径が５０μｍ以下で、析出したＳｉ粒子径の平均が５０μｍ以下であるのが好ましい。
このような押出材は、押出条件を制御することで得られる。
このような押出材は、押出条件を制御することで得られる。
アルミニウム合金の成分範囲を選定した理由を、以下説明する。
＜Ｓｉ，Ｍｇ＞
Ｓｉ成分及びＭｇ成分は、金属組織中にＭｇ２Ｓｉを検出させることで時効効果による強度が得られるとともに、過剰のＳｉ成分はＳｉ粒子として組織中に析出し、耐摩耗性と切削性が向上する。
本発明においては、Ｍｇ：０．２〜０．５％に設定し、下限０．２％以上により強度を確保しつつ、上限を０．５％以下とすることで、かしめ性を確保した。
Ｓｉ成分は上記Ｍｇの範囲を考慮して、Ｓｉ：３．０〜６．０％の範囲とした。
好ましくは、Ｓｉ：３．５〜５．０％の範囲である。
＜Ｃｕ＞
Ｃｕ成分は、固溶効果による強度向上を図りながら、かしめ性を確保しやすい成分である。
添加効果を発揮するには、０．０１％以上必要であり、０．５％を超えると電位差による一般耐食性が低下する恐れがある。
そこで本発明は、Ｃｕ：０．０１〜０．５％に設定した。
高耐食性を確保するには、Ｃｕ：０．１０〜０．２０％の範囲が好ましい。
＜Ｆｅ＞
Ｆｅ成分は、結晶粒界に分散して析出しやすく、このＦｅ粒子を起点にして切削クズが破断しやすく、切削性が向上する。
しかし、添加量が多くなると、かしめ性が低下する原因となる。
そこで、Ｆｅ：０．０１〜０．５％に設定した。
好ましくは、Ｆｅ：０．１〜０．４％の範囲である。
＜Ｍｎ，Ｃｒ，Ｚｒ＞
Ｍｎ，Ｃｒ，Ｚｒ成分は押出材の再結晶を抑制し、結晶粒の微細化に効果が認められるとともに、Ｓｉ粒子の微細化にも寄与し、疲労伝播抑制により疲労強度が向上し、切削性も向上させる。
Ｍｎ，Ｃｒ，Ｚｒは１種以上の添加で効果があり、その合計では（Ｍｎ＋Ｃｒ＋Ｚｒ）：０．０１〜０．６％の範囲に設定した。
個々の成分については、次のとおりである。
Ｍｎ成分は、添加量が多くなると結晶粒界に析出し、電位差腐食の恐れとかしめ性低下の原因となるので、添加する場合にはＭｎ：０．０１〜０．５％の範囲が好ましい。
Ｃｒ成分は添加量が多くなると、初晶生成物が生じやすくなり、かしめ性を低下させるので、添加する場合にはＣｒ：０．０１〜０．５％の範囲が好ましい。
Ｚｒ成分も添加量が多くなると、初晶生成物を生じやすくなるので、添加する場合でも０．５％以下が好ましい。
＜Ｔｉ＞
ビレット鋳造時に結晶粒の微細化効果があり、微量であれば切削性も向上する。
ただし、０．１％を超えると切削工具の寿命を短くするので、Ｔｉ：０．０１〜０．１％の範囲が好ましい。
＜Ｓｉ，Ｍｇ＞
Ｓｉ成分及びＭｇ成分は、金属組織中にＭｇ２Ｓｉを検出させることで時効効果による強度が得られるとともに、過剰のＳｉ成分はＳｉ粒子として組織中に析出し、耐摩耗性と切削性が向上する。
本発明においては、Ｍｇ：０．２〜０．５％に設定し、下限０．２％以上により強度を確保しつつ、上限を０．５％以下とすることで、かしめ性を確保した。
Ｓｉ成分は上記Ｍｇの範囲を考慮して、Ｓｉ：３．０〜６．０％の範囲とした。
好ましくは、Ｓｉ：３．５〜５．０％の範囲である。
＜Ｃｕ＞
Ｃｕ成分は、固溶効果による強度向上を図りながら、かしめ性を確保しやすい成分である。
添加効果を発揮するには、０．０１％以上必要であり、０．５％を超えると電位差による一般耐食性が低下する恐れがある。
そこで本発明は、Ｃｕ：０．０１〜０．５％に設定した。
高耐食性を確保するには、Ｃｕ：０．１０〜０．２０％の範囲が好ましい。
＜Ｆｅ＞
Ｆｅ成分は、結晶粒界に分散して析出しやすく、このＦｅ粒子を起点にして切削クズが破断しやすく、切削性が向上する。
しかし、添加量が多くなると、かしめ性が低下する原因となる。
そこで、Ｆｅ：０．０１〜０．５％に設定した。
好ましくは、Ｆｅ：０．１〜０．４％の範囲である。
＜Ｍｎ，Ｃｒ，Ｚｒ＞
Ｍｎ，Ｃｒ，Ｚｒ成分は押出材の再結晶を抑制し、結晶粒の微細化に効果が認められるとともに、Ｓｉ粒子の微細化にも寄与し、疲労伝播抑制により疲労強度が向上し、切削性も向上させる。
Ｍｎ，Ｃｒ，Ｚｒは１種以上の添加で効果があり、その合計では（Ｍｎ＋Ｃｒ＋Ｚｒ）：０．０１〜０．６％の範囲に設定した。
個々の成分については、次のとおりである。
Ｍｎ成分は、添加量が多くなると結晶粒界に析出し、電位差腐食の恐れとかしめ性低下の原因となるので、添加する場合にはＭｎ：０．０１〜０．５％の範囲が好ましい。
Ｃｒ成分は添加量が多くなると、初晶生成物が生じやすくなり、かしめ性を低下させるので、添加する場合にはＣｒ：０．０１〜０．５％の範囲が好ましい。
Ｚｒ成分も添加量が多くなると、初晶生成物を生じやすくなるので、添加する場合でも０．５％以下が好ましい。
＜Ｔｉ＞
ビレット鋳造時に結晶粒の微細化効果があり、微量であれば切削性も向上する。
ただし、０．１％を超えると切削工具の寿命を短くするので、Ｔｉ：０．０１〜０．１％の範囲が好ましい。
本発明に係るアルミニウム合金の組成は、これを用いてビレットを鋳造速度５０ｍｍ／ｍｉｎ以上の速度で連続鋳造することでＤＡＳが平均５０μｍ以下になり、この鋳造ビレットを用いて押出加工すると、結晶粒の平均粒径が５０μｍ以下で析出Ｓｉ粒子の平均粒径が５０μｍ以下の押出材を得ることができ、これによりかしめ性及び疲労強度に優れた耐摩耗性を有する押出材が得られる。
図１の表に示した組成のアルミニウム合金の溶湯を用いて、８インチの円柱ビレットを鋳造した。
その鋳造条件を図１の表に示した。
実施例のように鋳造速度５０ｍｍ／ｍｉｎ以上の８５ｍｍ／ｍｉｎで連続鋳造を行うと、ＤＡＳ平均が５０μｍ以下に抑えられる。
この円柱ビレットを４６０〜５８０℃，３〜２４時間の均質化処理を行った。
次に、このビレットを４６０〜５８０℃に余熱し、約４０ｍｍ×１００ｍｍの断面矩形形状の押出材を押出成形した。
その際の製造条件を図２の表に示す。
なお、押出直後にダイス端焼入れを行った後に、図２の表に示す熱処理を実施した。
その評価結果を、図３の表に示す。
図３の表には、本発明の目標値を記載した。
その鋳造条件を図１の表に示した。
実施例のように鋳造速度５０ｍｍ／ｍｉｎ以上の８５ｍｍ／ｍｉｎで連続鋳造を行うと、ＤＡＳ平均が５０μｍ以下に抑えられる。
この円柱ビレットを４６０〜５８０℃，３〜２４時間の均質化処理を行った。
次に、このビレットを４６０〜５８０℃に余熱し、約４０ｍｍ×１００ｍｍの断面矩形形状の押出材を押出成形した。
その際の製造条件を図２の表に示す。
なお、押出直後にダイス端焼入れを行った後に、図２の表に示す熱処理を実施した。
その評価結果を、図３の表に示す。
図３の表には、本発明の目標値を記載した。
評価した特性及びその評価方法は次のとおりである。
＜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、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た。
＜引張特性＞
押出材よりＪＩＳ−１３Ｂ号引張試験片を採取して、ＪＩＳ−Ｚ２２４１に準拠した引張試験を実施した。
＜ＨＲＢ硬度＞
ロックウエルＢスケール硬度計にてＪＩＳ−Ｚ２２４５に準拠して押出材の表面硬度を測定した。
＜かしめ性＞
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／ｓｅｃとし、試験機は２５トンのオートグラフを使用した。
＜耐摩耗性＞
摩擦摩耗試験機（オリエンテック製ＥＦＭ−３−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。
＜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倍の光輝顕微鏡により金属組織を観察した。
＜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倍の光輝顕微鏡により金属組織を観察した。
＜ＤＡＳ＞
ビレットからサンプルを切出し、ビレット表面を鏡面研磨仕上げを行い、その後ケラー試薬（０．５％ＨＦ）によりエッチングし、顕微鏡により測定した。
＜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、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た。
＜引張特性＞
押出材よりＪＩＳ−１３Ｂ号引張試験片を採取して、ＪＩＳ−Ｚ２２４１に準拠した引張試験を実施した。
＜ＨＲＢ硬度＞
ロックウエルＢスケール硬度計にてＪＩＳ−Ｚ２２４５に準拠して押出材の表面硬度を測定した。
＜かしめ性＞
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／ｓｅｃとし、試験機は２５トンのオートグラフを使用した。
＜耐摩耗性＞
摩擦摩耗試験機（オリエンテック製ＥＦＭ−３−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。
＜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倍の光輝顕微鏡により金属組織を観察した。
＜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倍の光輝顕微鏡により金属組織を観察した。
＜ＤＡＳ＞
ビレットからサンプルを切出し、ビレット表面を鏡面研磨仕上げを行い、その後ケラー試薬（０．５％ＨＦ）によりエッチングし、顕微鏡により測定した。
図３の表に示した評価結果から実施例１〜９は全て、かしめ性、疲労強度、耐摩耗性の目標をクリアしていた。
これに対して比較例１０はＣｕ成分が少なく、疲労強度、耐力が目標未達であった。
比較例１１は、Ｍｎ，Ｃｒが含まれていなく、ビレットの鋳造速度が遅く、ＤＡＳが目標未達であったため、疲労強度、かしめ性が目標未達であった。
図４には、この比較例１１と実施例１との組織の比較写真を示す。
比較例１２は、Ｃｕ成分が多く、強度はあったが、かしめ性が劣っていた。
比較例１３はＳｉが少なく、耐摩耗性が目標未達であった。
これに対して比較例１０はＣｕ成分が少なく、疲労強度、耐力が目標未達であった。
比較例１１は、Ｍｎ，Ｃｒが含まれていなく、ビレットの鋳造速度が遅く、ＤＡＳが目標未達であったため、疲労強度、かしめ性が目標未達であった。
図４には、この比較例１１と実施例１との組織の比較写真を示す。
比較例１２は、Ｃｕ成分が多く、強度はあったが、かしめ性が劣っていた。
比較例１３はＳｉが少なく、耐摩耗性が目標未達であった。
本発明に係るアルミニウム押出材は、耐摩耗性，切削性に優れるとともに高い疲労強度とかしめ性を有するので、加工性と耐圧性を有する各種油圧部品等に適用できる。
Claims (1)
- 以下全て質量％にて、Ｓｉ：３．０〜６．０％，Ｍｇ：０．２〜０．５％，Ｃｕ：０．１〜０．５％，Ｆｅ：０．０１〜０．４％未満，Ｔｉ：０．０１〜０．１％を含有し、
Ｍｎ：０．０１〜０．５％，Ｃｒ：０．０１〜０．５％，Ｚｒ：０．５％以下であって、Ｍｎ，Ｃｒ及びＺｒの合計が０．０１〜０．６％の範囲であり、残部がＡｌ及び不可避的不純物であるアルミニウム合金を用いて鋳造速度５０ｍｍ／ｍｉｎ以上にて連続鋳造を行うことでＤＡＳが平均５０μｍ以下の金属組織からなる円柱ビレットが得られ、
前記円柱ビレットを４６０〜５８０℃，３〜２４時間の均質化処理を行った後に４６０〜５８０℃に余熱し、押出成形し、
前記押出直後に冷却速度７０℃／ｍｉｎ以上にてダイス端焼入れを行い、次に１５０〜２００℃，２〜１２時間の熱処理を行うことで押出材の結晶粒の平均粒径が５０μｍ以下、析出Ｓｉ粒子の平均粒径が５０μｍ以下であることを特徴とするかしめ性及び疲労強度に優れた耐摩耗性アルミニウム合金押出材の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017205683A JP6937663B2 (ja) | 2017-10-25 | 2017-10-25 | かしめ性及び疲労強度に優れた耐摩耗性アルミニウム合金押出材及びそれに用いるアルミニウム合金 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017205683A JP6937663B2 (ja) | 2017-10-25 | 2017-10-25 | かしめ性及び疲労強度に優れた耐摩耗性アルミニウム合金押出材及びそれに用いるアルミニウム合金 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2019077919A JP2019077919A (ja) | 2019-05-23 |
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| JP2017205683A Active JP6937663B2 (ja) | 2017-10-25 | 2017-10-25 | かしめ性及び疲労強度に優れた耐摩耗性アルミニウム合金押出材及びそれに用いるアルミニウム合金 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6937663B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112522555A (zh) * | 2020-11-24 | 2021-03-19 | 华南理工大学 | 一种高强韧挤压铸造铝硅合金及其制备方法 |
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2017
- 2017-10-25 JP JP2017205683A patent/JP6937663B2/ja active Active
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