JP7318283B2

JP7318283B2 - 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: JP7318283B2
Application number: JP2019072767A
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: JP2020169377A

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。

本明細書および特許請求の範囲において、「熱膨張率」の語は、線膨張率を意味するものである。

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場合、熱膨張率に課題を生じることがある。即ち、スクロールの相手材（例えばＡＤＣ１２やＡＤＣ１０等のアルミダイカスト）と異なる熱膨張率を有するために、高温環境下に晒された際に熱応力が発生し、スクロールに過剰な負荷がかかる場合がある。アルミニウム合金の熱膨張率はＳｉ添加量に強く依存するため、Ｓｉ添加量を従来のスクロールより低減させることが解決策として挙げられる。しかしながら、Ｓｉ添加量の減少に伴って縦弾性係数が小さくなり、スクロールが高温環境下の過酷な使用環境での負荷に耐えきれないという問題を生じる。スクロールタイプ以外のカーエアコンコンプレッサーにおいても、双頭ピストンのシリンダーカバー等がアルミニウムダイカストで作製されており、コンプレッサー摺動部品（スクロール等）としては、アルミニウムダイカストの代表合金であるＡＤＣ１２やＡＤＣ１０の熱膨張率に極力近い熱膨張率を有したもので構成されていることが重要である。

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、アルミニウムダイカスト部品との熱膨張率差を低減することができ、且つ縦弾性係数の大きい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、アルミニウムダイカスト部品との熱膨張率差を低減することができ、且つ高い縦弾性係数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：６．０質量％を超えて９．０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熱膨張率が２０．８×１０^-6／Ｋ～２１．８×１０^-6／Ｋであり、前記アルミニウム合金材料の縦弾性係数が７４．５ＧＰａ以上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、アルミニウムダイカスト部品との熱膨張率差を低減することができ、且つ縦弾性係数の大きい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、アルミニウムダイカスト部品との熱膨張率差を低減することができ、且つ縦弾性係数の大きいコンプレッサー摺動部品を提供できる。

［４］の発明では、アルミニウムダイカスト部品との熱膨張率差を低減することができ、且つ縦弾性係数の大きい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：６．０質量％を超えて９．０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熱膨張率が２０．８×１０^-6／Ｋ～２１．８×１０^-6／Ｋであり、前記アルミニウム合金材料の縦弾性係数が７４．５ＧＰａ以上であることを特徴とする。このような構成とすることで、アルミニウムダイカスト部品との熱膨張率差を低減することができ（ＡＤＣ１２やＡＤＣ１０等に代表されるダイカストアルミニウム合金相当の熱膨張率を有し）、且つ縦弾性係数の大きい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：６．０質量％を超えて９．０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、縦弾性係数を向上させる作用を有する。また、Ｓｉ添加量が増加すると、熱膨張率は低下する。Ｓｉが６．０質量％以下では、熱膨張率が増大して熱応力が発生するし、縦弾性係数も不十分となる。一方、Ｓｉが９．０質量％を超えると、ＡＤＣ１２やＡＤＣ１０の熱膨張率との差が大きくなるため、熱応力が発生する。従って、Ｓｉ含有率は、６．０質量％を超えて９．０質量％以下に設定する。中でも、Ｓｉ含有率は、７．５質量％～８．５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。合計の含有率が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以下とするのが好ましく、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、またアルミニウムダイカスト部品との熱膨張率差を低減することができ、且つ縦弾性係数が大きいものであり、カーエアコン用として好適である。

上記のとおり製造方法の一例として鍛造を例示したが、製造方法としては特にこれに限定されるものではなく、例えば、ダイカスト、鋳造等であってもよい。

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１～７＞
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。これらの評価結果を表１に示す。

＜熱膨張率測定法＞
得られた鍛造品に切削加工を行って所定の試験片形状（ＪＩＳＺ２２８５に規定される形状）に切り出して試験片を得た。この試験片について、押し棒式検出器（アドバンス理工社製の縦型熱膨張計ＤＬ－９６００型）を用いて、測定雰囲気をアルゴンガスとし、基準温度を２０℃とし、昇温速度を５℃／分に設定して、５０℃～４００℃まで５０℃刻みで熱膨張率を測定した。各温度での熱膨張率を測定した後、各温度での平均熱膨張係数を算出し、２０℃～１５０℃の熱膨張率より１５０℃での熱膨張率を求めた。表では、熱膨張率が２０．８×１０^-6／Ｋ～２１．８×１０^-6／Ｋの範囲内であるものを「○」（合格）とし、前記範囲を逸脱するものを「×」（不合格）と表記した。

＜縦弾性係数測定法＞
得られた鍛造品に切削加工を行って所定の試験片形状（長さ６０ｍｍ×幅１０ｍｍ×厚さ２ｍｍ）に切り出して試験片を得た。この試験片について、ヤング率測定装置（アグネ技術センター社製のＡＲＣ－Ｙ２型）を用いて、測定温度を２５℃とし、測定雰囲気を大気雰囲気として、縦弾性係数（ヤング率）を求めた。表では、縦弾性係数が７４．５ＧＰａ以上であるものを「○」（合格）とし、縦弾性係数が７４．５ＧＰａ未満であるものを「×」（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、熱膨張率が２０．８×１０^-6／Ｋ～２１．８×１０^-6／Ｋの範囲内であり、アルミニウムダイカストの代表合金であるＡＤＣ１２やＡＤＣ１０の熱膨張率に極めて近い熱膨張率を有していると共に、十分な縦弾性係数を備えている。

これに対し、本発明の規定範囲を逸脱する比較例１、２、４、５、７では、熱膨張率が前記の規定範囲を逸脱しており、比較例１、３、６では、縦弾性係数が小さく不十分であった。

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：７．５質量％を超えて８．５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１５０℃における熱膨張率（線膨張率）が２０．８×１０^-6／Ｋ～２１．８×１０^-6／Ｋであり、前記アルミニウム合金材料の縦弾性係数が７４．５ＧＰａ以上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。