JP7318282B2

JP7318282B2 - コンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金およびコンプレッサー摺動部品鍛造品

Info

Publication number: JP7318282B2
Application number: JP2019072766A
Authority: JP
Inventors: 匠丸山
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd; Showa Denko Materials Co Ltd; Resonac Corp
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2019-04-05
Filing date: 2019-04-05
Publication date: 2023-08-01
Anticipated expiration: 2039-04-05
Also published as: JP2020169376A

Description

本発明は、自動車エアコン用コンプレッサー（圧縮機）に代表される摺動部品、とりわけスクロールおよび電動スクロールに好適に使用できるアルミニウム合金に関する。

近年の自動車業界における燃費向上の要求から、自動車に使用される各種部材、例えばカーエアコン用のコンプレッサーには軽量化、高機能化の要求が高まってきている。カーエアコン用コンプレッサーには種々の形式が存在するが、上述の背景に伴い小型コンプレッサーとしてスクロール型が普及している。このような部材については、鉄鋼材料や鋳鉄材料に代えて、重量に対する強度の比である比強度の大きいアルミニウム合金が使用されてきている。特に上記カーエアコン用コンプレッサーに代表されるような、高温雰囲気下の過酷な環境でも使用し得る高温下高強度を有し、且つ摺動時の耐摩耗性に優れたＡｌ－Ｓｉ系合金等のアルミニウム合金からなる鍛造材が注目されている。

この種のアルミニウム合金鍛造材を製造するに際しては、例えば特許文献１に記載されているように、所定の金属組成のアルミニウム合金を金型鋳造にて成形し、所定の熱処理を施すことによってカーエアコン用スクロールを製造することが行われている。

特開平１０－１２１２１５号公報

ところで、上記のようなアルミニウム合金を用いてスクロールを製造する際、機械加工を施すが、その際の切削性に課題がある。即ち、スクロールの渦巻き状の溝を切削加工で形成する際に、切粉が１本に繋がり、細かく分断されない場合、この長い切粉が、切削バイトに巻き込まれて、製品（スクロール）に傷が生じる。このような傷が発生しないようにするためには、切粉分断性を向上させる、即ち切粉を細かくする必要がある。Ｓｉを多量添加することで、切粉分断性を向上させることは可能であるが、その一方で、Ｓｉ多量添加により切削バイトの摩耗量が多くなってしまい、切削バイトの寿命を低下させるという問題があった。

本発明は、かかる技術的背景に鑑みてなされたものであって、切削時の切粉分断性に優れると共に、バイト摩耗量を低減することができ、且つ十分な引張強さを確保できるコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金及びコンプレッサー摺動部品鍛造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、本発明者は鋭意研究の結果、アルミニウム合金においてＳｉ、Ｃｕ、Ｍｇをそれぞれ特定の含有率範囲に制御することにより、切削時の切粉分断性に優れると共に、バイト摩耗量を低減することができ、且つ十分な引張強さを確保できることを見出すに至り、本発明を完成したものである。即ち、本発明は以下の手段を提供する。

［１］Ｓｉ：４．０質量％を超えて６．０質量％以下、Ｃｕ：１．５質量％～３．５質量％、Ｍｇ：０．１質量％～０．８質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金であって、
前記アルミニウム合金材料の引張強さが３６０ＭＰａ～４５０ＭＰａであることを特徴とするコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金。

［２］前記アルミニウム合金は、さらにＴｉ：０．００１質量％～０．１質量％を含有する前項１に記載のコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金。

［３］前項１または２に記載のコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金で構成されたコンプレッサー摺動部品鍛造品。

［４］前項１または２に記載のコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金で構成された電動コンプレッサー摺動部品鍛造品。

［１］の発明では、切削時の切粉分断性に優れると共に、バイト摩耗量を低減することができ、且つ十分な引張強さを確保できるコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金を提供できる。

［２］の発明では、Ｔｉを特定含有率で含有するので、鋳造品の結晶粒微細化に寄与できる。

［３］の発明では、切削時の切粉分断性に優れる（製品に傷がない）と共に、バイト摩耗量を低減することができ、且つ十分な引張強さを確保できるコンプレッサー摺動部品を提供できる。

［４］の発明では、切削時の切粉分断性に優れる（製品に傷がない）と共に、バイト摩耗量を低減することができ、且つ十分な引張強さを確保できる電動コンプレッサー摺動部品を提供できる。

鍛造前の鋳造材を示す斜視図である。鍛造材の一例を示す斜視図である。本発明に係るコンプレッサー摺動部品鍛造品の一例を示す斜視図である。

本発明に係るコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金は、Ｓｉ：４．０質量％を超えて６．０質量％以下、Ｃｕ：１．５質量％～３．５質量％、Ｍｇ：０．１質量％～０．８質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金であって、前記アルミニウム合金材料の引張強さが３６０ＭＰａ～４５０ＭＰａであることを特徴とする。このような構成とすることで、切削時の切粉分断性に優れると共に、バイト摩耗量を低減することができ、且つ十分な引張強さを確保できるコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金を提供できる。

次に、上述した本発明に係るコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金における「アルミニウム合金」の組成について以下詳述する。前記アルミニウム合金は、Ｓｉ：４．０質量％を超えて６．０質量％以下、Ｃｕ：１．５質量％～３．５質量％、Ｍｇ：０．１質量％～０．８質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金である。

前記Ｓｉ（成分）は、高温強度を向上させる作用を有する他に、切削時の切粉分断性を向上させる作用（切削時の切粉を細かくする作用）を有する。しかしながら、過剰に添加すると、切削バイトの摩耗量が増加し、切削バイトの工具寿命を短縮させてしまう。Ｓｉが４．０質量％以下では、切削時の切粉分断性が不十分になり（切削時の切粉の平均長さが長くなり）、製品（スクロール）に傷が生じる。一方、Ｓｉが６．０質量％を超えると、切削バイトの摩耗量が増加し、切削バイトの工具寿命を短縮させる。従って、Ｓｉ含有率は、４．０質量％を超えて６．０質量％以下に設定する。中でも、Ｓｉ含有率は、４．５質量％～５．５質量％に設定するのが好ましい。

前記Ｃｕ（成分）は、高温強度を向上させる作用を有する。高温強度を向上させる作用はＣｕの析出によるものであり、人工時効処理を施すことによって上記効果が得られる。Ｃｕが１．５質量％未満では、十分な析出強化が得られず、強度を向上できない。一方、Ｃｕが３．５質量％を超えると、十分な強度が得られない。従って、Ｃｕ含有率は、１．５質量％～３．５質量％に設定する。中でも、Ｃｕ含有率は、２．１質量％～２．９質量％に設定するのが好ましい。

前記Ｍｇ（成分）は、高温強度を向上させる作用を有する。Ｍｇは鋳造時に固溶し、人工時効処理時にＳｉやＣｕと化合物を形成して析出することで、高温における強度向上に寄与する。このような効果は、Ｍｇ含有率が０．１質量％以上で顕著に表れ、Ｍｇ含有率が０．８質量％を超えると上記効果が顕著に表れなくなる。従って、Ｍｇ含有率は、０．１質量％～０．８質量％に設定する。中でも、Ｍｇ含有率は、０．４質量％～０．７質量％に設定するのが好ましい。

前記アルミニウム合金は、さらにＴｉ：０．００１質量％～０．１質量％を含有するのが好ましい。Ｔｉは、微細添加することで鋳造品の結晶粒微細化に寄与する。この効果は、Ｔｉ含有率が０．００１質量％以上になると顕著に表れるが、０．１質量％を超えると、Ｔｉを含む化合物が粗大に晶出して、延性低下をもたらす。従って、Ｔｉは、０．００１質量％～０．１質量％含有せしめるのが好ましい。中でも、Ｔｉは、０．０１質量％～０．０８質量％含有せしめるのがより好ましい。また、Ｔｉを含有させる場合は、Ａｌ－Ｔｉ母合金やＴｉＢ₂の添加剤の形態で添加してもよい。

その他の金属元素として、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｖ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｓｃ、Ｈｆ、Ｃｅ、Ｎｂ、Ｅｒ、Ｙｂは、不可避不純物として、これらの合計量で最大０．５質量％まで許容できる。０．５質量％を超えると、Ａｌ母相より先に晶出されて粗大晶出物となり、延性低下をもたらす。

上述した組成のアルミニウム合金を例えば周知の方法で溶製することによって上記合金組成の連続鋳造材（ビレット）を製作し、その連続鋳造材に熱処理を行い、さらに鍛造加工等の塑性加工を行った後、切削加工等を行うことによって、コンプレッサー摺動部品を得ることができる（図３参照）。なお、図３に示すものは、カーエアコン用スクロールであり、５２は底板、５１は、渦巻き状の羽根部である。

次に、本発明の一態様であるカーエアコン用摺動部品の製造方法の一例について説明する。

まず上述したように成分調整されたアルミニウム合金溶湯を連続鋳造する。電動スクロールの製造を想定した場合、例えば直径６０ｍｍ～８０ｍｍ程度の寸法で鋳造する。押出を用いて上記直径の鍛造用ビレットを得ることもできるが、製造コストが高価になるので、鋳造加工により鍛造用ビレットを得るのが好ましい。

得られた鋳造材は、鋳造時に晶出物の偏析等が起きているため、均質化熱処理を施すが、この均質化熱処理では加熱温度を４６０℃～５１０℃に設定し、処理時間を０．５時間～６時間に設定するのが好ましい。

次に、鋳造材を所定の長さに切断し、鍛造用ビレットを得る。鍛造工程では、金型温度を１００℃～３００℃とし、素材温度を３７０℃～５１０℃に設定するのが好ましい。

次いで、前記鍛造用ビレットに溶体化処理を行う。この溶体化処理では、加熱の温度を４５０℃～５１０℃に設定し、処理時間を０．５時間～８．０時間に設定するのが好ましい。

次に、焼入れ処理を行う。この焼入れ処理は、１０℃～８０℃の水で急冷するのが好ましい。

次いで、人工時効処理を行う。この人工時効処理は、加熱処理温度を１６０℃～２２０℃とし、加熱処理時間を１時間～１８時間に設定するのが好ましい。

次に、人工時効処理を施した鍛造品を機械加工にて切削した後、ピーニングし表面近傍に塑性加工を加えて疲労強度を向上させる。このショットピーニング工程では、砥粒サイズは１ｍｍ以下とし、砥粒種はＳＵＳ３０４、アルミナ等を用い、ピーニング圧力は１ＭＰａ以下とするのが好ましい。

以上のようにして製造された本発明に係るコンプレッサー摺動部品鍛造品は、常温強度、高温強度に優れており、かつ切削時の切粉分断性に優れると共にバイト摩耗量を低減することができて、カーエアコン用として好適である。

次に、本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１～６、比較例１～８＞
表１に示す合金組成（不可避不純物を含む）に調製したアルミニウム合金溶湯を、連続鋳造にて鋳造して直径８２ｍｍの鋳造材１０を得た（図１参照）。鋳造時の冷却速度は１５℃／秒とした。得られた鋳造材に対し４７０℃で７時間の均質化熱処理を行った後、空冷した。前記鋳造材を長さ３０ｍｍに切断した後、素材温度４２０℃、金型温度１８０℃で鍛造した。鍛造においては、スクロール鍛造品の底板５２を想定し鋳造材の軸方向と平行な方向に８０％の据え込みを行って鍛造材２０を得た（図２参照）。次に、前記鍛造材に４９５℃で３時間加熱して溶体化処理を行った後、２５℃の水にて水焼入れ処理を行った。次いで、加熱処理温度１８０℃で８時間加熱する人工時効処理を行って、Ｔ６鍛造品を得た。

上記のようにして得られたＴ６鍛造品について下記評価法に基づいて評価した。これら評価結果を表１に示す。

＜引張強度測定法＞
鍛造品から切り出し加工を行い、ＪＩＳＺ２２４１に規定の４号引張試験片を得た。前記４号引張試験片に対しＪＩＳＺ２２４１の規定に準拠して引張試験を実施し、引張強度を測定した。表では、引張強度が３６０ＭＰａ以上であるものを「○」（合格）とし、引張強度が３６０ＭＰａ未満であるものを「×」（不合格）と表記した。

＜切粉分断性評価法＞
切削時の切粉分断性は、連続鋳造材（鋳造棒）を用いて実施した。連続鋳造材を旋盤にチャックし、回転数１０３０ｒｐｍで回転させた状態で、ダイヤモンドバイトを用いて削り量１．０ｍｍ、送り速度３ｍｍ／秒にて連続鋳造棒の端面を切削した。切削した際に発生した切粉１００ｍｇを回収し、切粉の数を調べた。切粉１００ｍｇ中の切粉の数が多ければ、切粉は細かくなっていて切粉分断性に優れており、一方、切粉１００ｍｇ中の切粉の数が少なければ、切粉は大きく切粉分断性は低いことがわかる。表では、切粉１００ｍｇ中の切粉の数が５０個以上であるものを「○」（合格）と表記し、切粉１００ｍｇ中の切粉の数が５０個未満であるものを「×」（不合格）と表記した。

＜バイト摩耗量評価法＞
上述した切削（回転数１０３０ｒｐｍ、削り量１．０ｍｍ、送り速度３ｍｍ／秒）を５０回繰り返し行った後、ダイヤモンドバイトの先端部の摩耗量を計測した。ダイヤモンドバイトの先端部の摩耗が進行している箇所のバイト長手方向の距離を計測し、これを摩耗量（ｍｍ）とした。表では、バイト摩耗量が０．２０ｍｍ未満であるものを「○」（合格）と表記し、バイト摩耗量が０．２０ｍｍ以上であるものを「×」（不合格）と表記した。

表から明らかなように、本発明に係る実施例１～６のアルミニウム合金を用いた鍛造品は、優れた引張強度を有すると共に、切削時の切粉分断性に優れ、かつバイト摩耗量が少ないことがわかる。

これに対し、本発明の規定範囲を逸脱する比較例１、４、６、８では、引張強度が不十分であり、比較例１、２では切削時の切粉分断性に劣っており、比較例３、５、７、８ではバイト摩耗量が多いという問題があった。

本発明に係るコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金で構成されたコンプレッサー摺動部品は、自動車エアコン用コンプレッサー（圧縮機）に代表される摺動部品、とりわけスクロール、電動スクロールとして好適に使用できる。

１０…鋳造材
２０…鍛造材
５０…コンプレッサー摺動部品鍛造品

Claims

Ｓｉ：４．０質量％を超えて６．０質量％以下、Ｃｕ：１．５質量％～３．５質量％、Ｍｇ：０．１質量％～０．８質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金であって、
前記アルミニウム合金材料の引張強さが３６０ＭＰａ～４５０ＭＰａであることを特徴とするコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金。
前記アルミニウム合金は、さらにＴｉ：０．００１質量％～０．１質量％を含有する請求項１に記載のコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金。
請求項１または２に記載のコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金で構成されたコンプレッサー摺動部品鍛造品。
請求項１または２に記載のコンプレッサー摺動部品用アルミニウム合金で構成された電動コンプレッサー摺動部品鍛造品。