KR20120092678A

KR20120092678A - 양극 산화 처리용 알루미늄 합금 및 알루미늄 합금제 부품

Info

Publication number: KR20120092678A
Application number: KR1020127016073A
Authority: KR
Inventors: 료오스께 시마오; 시게까즈 나가이
Original assignee: 쇼와 덴코 가부시키가이샤
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2012-08-21
Also published as: EP2518171A1; WO2011078080A1; EP2518171A4; KR101417549B1; CN102666894A; JP5705744B2; JPWO2011078080A1; EP2518171B1; US8962163B2; US20120298513A1; CN102666894B

Abstract

절삭성이 양호하면서 절삭 공구의 마모를 저감시키고, 또한 균열이 발생하기 어렵고 표면 평활성이 높은 양극 산화 피막을 갖는 알루미늄 합금제 부품을 제공한다. 알루미늄 합금으로 이루어지는 모재의 표면에 양극 산화 피막이 형성되어 이루어지는 알루미늄 합금제 부품(1)이며, 상기 알루미늄 합금은 Fe: 0.5 내지 2질량％, Cu: 0.35 내지 0.6질량％, Mg: 0.35 내지 1.3질량％, Si: 0.2 내지 1.3질량％, Cr: 0.005 내지 0.3질량％, Mn: 0.01 내지 0.3질량％, Ti: 0.005 내지 0.1질량％를 포함하고, Zn이 0.25질량％ 미만으로 규제되고, 잔량부가 Al 및 불가피 불순물로 이루어지며, 상기 양극 산화 피막 중에, 최대 입경 30㎛ 이하의 Al-Fe계 정출물 및 Al-Fe-Si계 정출물이 10 내지 100㎛의 평균 중심간 거리로 분산해서 존재하고, 또한 상기 양극 산화 피막에서의 Al-Fe계 정출물 및 Al-Fe-Si계 정출물의 합계 점유 면적의 비율이 5％ 이상이다.

Description

양극 산화 처리용 알루미늄 합금 및 알루미늄 합금제 부품{ALUMINUM ALLOY FOR ANODIZATION AND ALUMINUM ALLOY COMPONENT}

본 발명은 양극 산화 처리에 적합한 알루미늄 합금 및 양극 산화 피막을 갖는 알루미늄 합금제 부품에 관한 것이다.

최근 들어, 4륜차, 2륜차 등의 차량의 디스크 브레이크에 있어서, 고성능화, 혹은 저연비화를 위해서, 알루미늄 합금제의 브레이크 피스톤이 채용되고 있다. 도 1에 도시한 컵 형상의 브레이크 피스톤(1)은 그 일례이다(특허문헌 1 참조).

도 2a는 주행 시의 디스크 브레이크(10)를 도시하고, 도 2b는 제동 시의 디스크 브레이크(10)를 도시하고 있다. 상기 디스크 브레이크(10)에 있어서, 캘리퍼(11)의 실린더 내에 수용된 브레이크 피스톤(1)은 실린더 내에 액압이 걸리면, 브레이크 피스톤(1)의 개구 단부가 마찰 패드(12)의 뒤판(13)을 가압하고, 마찰 패드(12)를 브레이크 디스크(14)에 접촉시킴으로써 제동이 작용한다.

상기의 컵 형상의 브레이크 피스톤은, 예를 들어 빌렛(billet)을 압출한 후에 인발한 막대 형상 소재를 용체화 처리하고, 또한 시효 처리에 의해 필요한 기계적 강도를 얻은 후, 기계 가공에 의해 컵 형상으로 성형하거나, 혹은 알루미늄 합금으로 이루어지는 봉재를 주조하고, 소정의 두께로 절단한 소재를 컵 형상으로 단조하고, T6 처리를 실시한 단조품을, 치수 정밀도의 향상 및 용체화 처리 시에 발생한 왜곡부를 절제하기 위해서 추가적으로 기계 가공해서 제조된다(특허문헌 2 참조).

브레이크 피스톤은 미끄럼 이동 부품이며, 브레이크 작동 시의 변형을 방지할 수 있는 재료 강도와 내마모성이 요구되는 것은 물론이고, 제작 시에는 절삭 가공성이 요구되고, 사용 시에는 원활한 브레이킹을 위한 미끄럼 이동면의 평활성이 요구된다.

이러한 브레이크 피스톤의 재료로는 Al-Si계 합금 또는 Al-Mg-Si계 합금에 Cu, Mn, Cr 등의 원소를 첨가한 고강도 고내마모성 알루미늄 합금이 사용되고, 또한 내마모성 및 내식성을 향상시키기 위해서 양극 산화 피막이 형성된다(특허문헌 2 내지 4 참조). 또한, 양극 산화 처리에 적합한 알루미늄 합금으로서, 건축재, 음료용 용기의 캡재에 사용되는 Al-Fe계 합금이 알려져 있다(특허문헌 5 내지 7 참조).

또한, 특허문헌 2, 3에는 양극 산화 피막의 강도가 Si 입자의 존재 상태에 영향받는 것이 기재되어 있다.

일본 특허 공개 제2002-70902호 공보 일본 특허 공개 제2004-232087호 공보 일본 특허 공개 평10-204566호 공보 일본 특허 공개 제2001-59124호 공보 일본 특허 공개 제2003-277989호 공보 일본 특허 공개 제2003-282164호 공보 일본 특허 공개 제2005-248213호 공보

전술한 바와 같이, 브레이크 피스톤용 알루미늄 합금 또는 양극 산화 처리용 알루미늄 합금으로서 Al-Si계 합금, Al-Mg-Si계 합금, Al-Fe계 합금을 생각할 수 있다. 그러나, 이들 합금은 각각에 일장일단이 있다.

Al-Si계 합금은 시효성 합금으로서 재료 강도가 높고, 모재 중의 공정 Si 입자의 작용에 의해 절삭 가공 시의 칩의 분단성이 양호하다. 그러나, 모재 중의 공정 Si 입자에 의해 절삭 공구의 마모가 심하다. 또한, Si를 대량으로 첨가하면 양극 산화 피막의 균열 방지에는 효과가 있지만, 공정 Si 입자에 의해 피막의 균일한 성장이 방해받기 때문에 피막의 표면 평활성이 저하된다.

Al-Mg-Si계 합금은 시효성 합금으로서 재료 강도가 높고, 모재 중에 공정 Si 입자가 없으므로 Al-Si계 합금보다도 절삭 공구의 마모는 적지만, 칩(chip)의 분단성이 나쁘다. Al-Si계 합금보다도 양극 산화 피막의 평활성은 양호하지만, 피막 중에 공정 Si 입자가 존재하지 않는 점에서, 피막 표면으로부터 모재에 도달할 정도의 깊은 균열이 발생할 우려가 있다.

Al-Fe계 합금은 양극 산화 처리용 알루미늄 합금이지만, 시효성 합금은 아니기 때문에 Al-Si계 합금 및 Al-Mg-Si계 합금보다도 강도가 낮고, 브레이크 피스톤으로서의 강도를 만족시킬 수 없었다.

본 발명은 전술한 배경 기술을 감안하여, 종래의 Al-Fe계 합금보다도 강도를 향상시킴과 함께 절삭성이 양호하면서 절삭 공구의 마모를 저감시키고, 또한 균열이 발생하기 어렵고 표면 평활성이 높은 양극 산화 피막을 생성할 수 있는 알루미늄 합금 및 양극 산화 피막을 갖는 알루미늄 합금제 부품의 제공을 목적으로 한다.

즉, 본 발명은 하기 [1] 내지 [4]에 기재된 구성을 갖는다.

[1] Fe: 0.5 내지 2질량％, Cu: 0.35 내지 0.6질량％, Mg: 0.35 내지 1.3질량％, Si: 0.2 내지 1.3질량％, Cr: 0.05 내지 0.3질량％, Mn: 0.05 내지 0.3질량％, Ti: 0.005 내지 0.1질량％를 포함하고, Zn이 0.25질량％ 미만으로 규제되고, 잔량부가 Al 및 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 양극 산화 처리용 알루미늄 합금.

[2] 알루미늄 합금으로 이루어지는 모재의 표면에 양극 산화 피막이 형성되어 이루어지는 알루미늄 합금제 부품이며,

상기 알루미늄 합금은 Fe: 0.5 내지 2질량％, Cu: 0.35 내지 0.6질량％, Mg: 0.35 내지 1.3질량％, Si: 0.2 내지 1.3질량％, Cr: 0.05 내지 0.3질량％, Mn: 0.01 내지 0.3질량％, Ti: 0.005 내지 0.1질량％를 포함하고, Zn이 0.25질량％ 미만으로 규제되고, 잔량부가 Al 및 불가피 불순물로 이루어지며,

상기 양극 산화 피막 중에, 최대 입경 30㎛ 이하의 Al-Fe계 정출물 및 Al-Fe-Si계 정출물이 10 내지 100㎛의 평균 중심간 거리로 분산해서 존재하고, 또한 상기 양극 산화 피막에서의 Al-Fe계 정출물 및 Al-Fe-Si계 정출물의 합계 점유 면적의 비율이 5％ 이상인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금제 부품.

[3] 상기 미끄럼 이동 부품은 브레이크 피스톤인 전항 2에 기재된 알루미늄 합금제 부품.

[4] Fe: 0.5 내지 2질량％, Cu: 0.35 내지 0.6질량％, Mg: 0.35 내지 1.3질량％, Si: 0.2 내지 1.3질량％, Cr: 0.05 내지 0.3질량％, Mn: 0.05 내지 0.3질량％, Ti: 0.005 내지 0.1질량％를 포함하고, Zn이 0.25질량％ 미만으로 규제되고, 잔량부가 Al 및 불가피 불순물로 이루어지는 알루미늄 합금으로 구성된 모재를 시효 경화시킨 후, 양극 산화 처리를 실시해서 양극 산화 피막을 형성하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금제 부품의 제조 방법.

상기 [1]에 기재된 알루미늄 합금에 의하면, Al-Fe계 합금이면서 Cu, Mg, Si의 첨가에 의해 시효 경화가 가능하게 되고, 열처리에 의해 높은 강도가 얻어진다. 또한, 주조 응고 시에 정출하는 Al-Fe계 정출물 및 Al-Fe-Si계 정출물은 칩의 분단성을 양호하게 하는 경도를 갖지만, Al-Si계 합금에 정출하는 Si 입자보다도 경도가 낮으므로, Al-Si계 합금보다도 절삭 공구의 마모가 저감된다. 또한 양극 산화 처리를 실시하면, Al-Fe계 정출물 및 Al-Fe-Si계 정출물은 용해되지 않고 피막 중에 남기 때문에, 이들의 정출물이 분산해서 존재하여 균열이 발생하기 어려운 양극 산화 피막을 형성할 수 있다.

상기 [2]에 기재된 알루미늄 합금제 부품은 모재가 상기 [1]에 기재된 알루미늄 합금으로 구성되어 있으므로, 모재 합금의 화학 조성에 기초하여 시효 경화에 의한 높은 강도와, Al-Fe계 정출물 및 Al-Fe-Si계 정출물에 의한 양호한 절삭성과, 절삭 공구의 마모의 저감 효과가 얻어진다. 또한, 양극 산화 피막 중에, 최대 입경 30㎛ 이하의 미세한 Al-Fe계 정출물 및 Al-Fe-Si계 정출물이 10 내지 100㎛의 평균 중심간 거리로 균일하게 분산되고, 또한 피막에서의 점유 면적률이 5％ 이상이기 때문에, 이들의 정출물이 극산화 처리 시에 모재와 피막의 선팽창 계수의 차에 의해 발생한 응력을 완화시키고, 그 결과 균열의 발생이 저감된다. 또한, 정출물이 미세하고 균일하게 존재하는 점에서 막이 균일하게 성장하므로, 평활성이 높은 피막이 형성된다.

상기 [3]에 기재된 알루미늄 합금제 부품에 의하면, 브레이크 피스톤에서 상기 효과가 얻어진다.

상기 [4]에 기재된 알루미늄 합금제 부품의 제조 방법에 의하면, 모재의 시효 경화에 의해 높은 강도가 발현하고, 시효 경화 후에 양극 산화 처리를 실시함으로써, 상기 [2], [3]에 기재된 알루미늄 합금제 부품을 제조할 수 있다.

도 1은 브레이크 피스톤의 사시도이다.
도 2a는 디스크 브레이크의 주행 시의 상태를 도시하는 도면이다.
도 2b는 디스크 브레이크의 제동 시의 상태를 도시하는 도면이다.
도 3은 정출물의 중심간 거리를 설명하는 도면이다.
도 4는 알루미늄 합금제 부품의 제조 공정의 일례를 나타내는 흐름도이다.

본 발명의 알루미늄 합금은 그 화학 조성을 규정함으로써 모재의 특성을 높임과 함께, 양극 산화 처리 시에 모재에서 유래되는 미세한 Al-Fe계 정출물 및 Al-Fe-Si계 정출물을 피막 중에 분산시킴으로써 우수한 특성의 양극 산화 피막을 형성할 수 있는 양극 산화 처리용의 알루미늄 합금이다.

〔알루미늄 합금의 화학 조성〕

이하에, 알루미늄 합금에 첨가되는 원소의 첨가 의의 및 적정 농도에 대해서 상세하게 설명한다.

Fe는 주조 응고 시에 Al-Fe계 정출물 및 Al-Fe-Si계 정출물을 생성한다. 발명자들은 피막의 균열 발생 상태를 예의 검토한 결과, 피막 내에서 발생한 균열이 Al-Fe계 정출물, Al-Fe-Si계 정출물에 의해 그 전파가 멈추어져 있는 것을 해명하였다. 이에, Al-Fe계 정출물, Al-Fe-Si계 정출물의 생성 상태를 본 발명에 개시하는 바와 같이, 균열 전파를 멈추도록 함으로써 균열이 발생하기 어려운 양극 산화 피막으로 할 수 있다.

즉, 전술한 Al-Fe계 정출물 및 Al-Fe-Si계 정출물은 양극 산화 처리 시에 용해되지 않고 양극 산화 피막 중에 잔존하고, 피막의 균열 발생을 저감시킨다. 합금 중의 Fe 농도는 0.5 내지 2질량％로 한다. 0.5질량％ 미만이면 정출물의 생성량이 균열 발생을 저감시키는데도 불충분하고, 2질량％를 초과하면 모재의 주조 시에 조대한 정출물(예를 들어 최대 입경 100㎛)을 생성해서 모재의 기계적 성질(신장)에 악영향을 미친다. 또한, 주조 시에 생성된 정출물은 양극 산화 피막 중에 남기 때문에, 정출물이 조대하면 피막의 표면 평활성을 저하시키게 된다. 바람직한 Fe 농도는 0.7 내지 1.7질량％이다.

Cu는 모재의 강도 향상에 기여하는 원소이며, 합금 중의 Cu 농도는 0.35 내지 0.6질량％로 한다. 예를 들어, 브레이크 피스톤은 300N/㎟ 이상의 강도를 갖는 것이 바람직하고, Cu의 첨가에 의해 이러한 강도를 달성할 수 있다. Cu 농도가 0.35％ 미만이면 강도 기여의 효과가 작고, 0.6질량％를 초과하면 Fe와의 Al-Cu-Fe계 정출물을 형성하므로, 균열 발생의 저감에 유효한 Al-Fe계 정출물 및 Al-Fe-Si계 정출물의 생성량이 저감되게 된다. 한편, 그 Al-Cu-Fe 정출물은 양극 산화 처리 시에 용해되게 되므로, 균열 발생의 저감에 기여하지 않는다. 결과로서, 과잉량의 Cu는 피막의 균열 발생의 저감에 기여하는 정출물의 양을 감소시킨다. 바람직한 Cu 농도는 0.4 내지 0.5질량％이다.

Mg는 매트릭스에 Mg₂Si로서 석출시켜서 모재의 강도 향상을 위해서 첨가되는 원소이며, 합금 중의 Mg 농도를 0.35 내지 1.3질량％로 한다. Mg 농도가 0.35％ 미만이면 강도 향상 효과가 작고, 1.3질량％를 초과하면 Si와 정출물을 형성하고, 석출하는 Mg₂Si량이 적어지므로 강도 향상에 대한 기여가 저하된다. 바람직한 Mg 농도는 0.4 내지 1.2질량％이다.

Si는 매트릭스에 Mg₂Si로서 석출시켜서 모재의 강도 향상을 위해서 첨가되는 원소이며, 합금 중의 Si 농도를 0.2 내지 1.3질량％로 한다. Si 농도가 0.2질량％ 미만이면 강도 향상 효과가 작고, 1.3질량％를 초과하면 Mg와 정출물을 형성하고, 석출하는 Mg₂Si량이 적어지므로 강도 향상에 대한 기여가 저하된다. 또한, 정출물 중의 Mg가 양극 산화 처리 시에 용해되어 Si만이 피막 중에 잔존하기 때문에, 양극 산화 피막의 표면 평활성의 저하를 초래한다. 바람직한 Si 농도는 0.4 내지 1.2질량％이다.

Cr는 모재의 열간 가공(예를 들어 압출 가공) 후나 용체화 처리 시에 재결정립을 미세화시켜서 모재의 강도를 향상시키기 위해서 첨가된다. 합금 중의 Cr 농도를 0.05 내지 0.3질량％로 한다. Cr 농도가 0.05질량％ 미만이면 재결정립의 미세화 효과가 부족하고 강도 향상에 대한 기여가 작고, 0.3질량％를 초과해서 첨가해도 효과가 포화된다. 또한 매트릭스에서의 Al과의 화합물의 석출 밀도가 증가하므로, 담금질(quenching) 특성의 저하를 초래한다. 바람직한 Cr 농도는 0.1 내지 0.2질량％이다.

Mn은 Cr와 동일하게, 모재의 열간 가공 후나 용체화 처리 시에 재결정립을 미세화시켜서 모재의 강도를 향상시키기 위해서 첨가된다. 합금 중의 Mn 농도를 0.01 내지 0.3질량％로 한다. Mn 농도가 0.01질량％ 미만이면 재결정립의 미세화 효과가 부족하고 강도 향상에 대한 기여가 작고, 0.3질량％를 초과해서 첨가해도 효과가 포화된다. 또한 매트릭스에서의 Al과의 화합물의 석출 밀도가 증가하므로, 담금질 특성의 저하를 초래한다. 또한, Mn은 Fe, Si, Cu와의 정출물을 형성하므로, 균열 발생의 저감에 유효한 Al-Fe계 정출물 및 Al-Fe-Si계 정출물의 생성량이 저감되게 된다. 한편, 그 Fe, Si, Cu와의 정출물은 양극 산화 처리 시에 용해되게 되므로, 균열 발생의 저감에 기여하지 않는다. 결과로서, 과잉량의 Mn은 피막의 균열 발생의 저감에 기여하는 정출물의 양을 감소시키게 된다. 바람직한 Mn 농도는 0.01 내지 0.1질량％이다.

Ti는 모재의 주조 응고 시에 결정립을 미세화시키기 위해서 첨가되는 원소이며, 합금 중의 Ti 농도를 0.005 내지 0.1질량％로 한다. Ti 농도가 0.005％ 미만이면 미세화 효과가 부족하고, 0.1질량％를 초과해서 첨가해도 효과가 포화된다. 바람직한 Ti 농도는 0.01 내지 0.05질량％이다.

Zn은 재료 주괴에 불순물로서 포함되는 원소인데, 합금 중의 Zn 농도가 일정값을 초과하면 양극 산화 피막의 특성이 저하되고, 나아가서는 모재의 내식성을 저하시킬 우려가 있기 때문에, 그 농도는 0.25질량％ 미만으로 규제된다. Mg 및 Si를 함유하는 알루미늄 합금에서는, Zn의 전위가 낮아지므로, 양극 산화 처리 시에 Zn이 용해되어 피막이 보다 다공성(porous)화 된다. 이로 인해, Zn 농도가 0.25질량％ 이상이 되면 양극 산화 처리품이 산 부식 등을 일으킬 우려가 있다. 특히 바람직한 Zn 농도는 0.1 질량 미만이다. 또한, Zn 농도를 가급적 저감하고자 하면, 재료 주괴의 정제 비용이 높아지기 때문에, 본 발명에서는 비용면에서 Zn 농도를 0.25질량％ 미만으로 하고 있다.

〔알루미늄 합금제 부품〕

본 발명의 알루미늄 합금제 부품은 전술한 화학 조성의 알루미늄 합금으로 이루어지는 모재의 표면에 양극 산화 피막이 형성된 것이다.

상기 모재를 구성하는 알루미늄 합금은 Al-Fe계 합금인데, Cu, Mg, Si의 첨가에 의해 시효 경화가 가능하게 되고, 열처리에 의해 부품의 모재 강도를 향상시킬 수 있다. 이들의 원소가 첨가되지 않은 종래의 Al-Fe계 합금은 시효 경화가 발현되지 않고, 강도 부족에 의해 미끄럼 이동 부품으로서의 사용에 적합하지 않은 것이었지만, 본 발명에서 사용하는 합금은 Al-Fe계 합금이면서, 시효 경화가 가능하게 되어, 미끄럼 이동 부품으로서 요구되는 강도를 만족시키는 것이다.

또한, 모재 중에 정출하는 Al-Fe계 정출물 및 Al-Fe-Si계 정출물은 칩이 분단하는 기점이 되는데 있어서 충분히 견고한 입자이므로, 칩의 분단성이 양호하며 6000계 합금에 비해서 절삭성을 향상시키기에는 충분하다. 그러나, Al-Fe계 정출물 및 Al-Fe-Si계 정출물은 Al-Si계 합금에 정출하는 Si 입자보다도 경도가 낮으므로, Al-Si계 합금보다도 절삭 공구의 마모가 적다. 바꾸어 말하면, 본 발명의 알루미늄 합금의 절삭성 및 절삭 공구의 마모의 정도는 6000계 합금과 Al-Si계 합금의 중간에 있고 양자가 알맞게 균형 잡혀 있으므로 바람직하다.

상기 양극 산화 피막에는 미세한 Al-Fe계 정출물 및 Al-Fe-Si계 정출물이 분산해서 존재하고 있다. 상기 Al-Fe계 정출물 및 Al-Fe-Si계 정출물은 최대 입경 30㎛ 이하의 미세 입자이며, 10 내지 100㎛의 평균 중심간 거리로 균일하게 분산되어 있다. 정출물의 중심간 거리란, 도 3에 도시하는 바와 같이, 양극 산화 피막(20) 중에 분산되는 정출물 입자(21)의 중심으로부터 그 입자(21)의 주위에 존재하는 입자(21)의 중심까지의 거리 (L₁), (L₂)… (Ln)이며, 평균 중심간 거리란 그 평균값이다. 또한, 피막 중의 정출물의 양은 상기 양극 산화 피막에서의 Al-Fe계 정출물 및 Al-Fe-Si계 정출물의 합계 점유 면적의 비율이 5％ 이상이다. 또한, 정출하는 공정 Si 입자의 점유 면적은 거의 없고, 점유 면적률이 1％ 이하인 것이 바람직하다.

상기 점유 면적의 비율(점유 면적률)이란, 피막의 두께 방향의 단면을 관찰한 시야에서 정출물이 차지하는 비율이며, 하기 식으로 표현된다. 이 경우의 관찰 시야는 광학 현미경으로 100 내지 400배로 할 수 있다.

점유 면적률(％)=(정출물 면적/관찰 시야의 면적)×100

상기 Al-Fe계 정출물 및 Al-Fe-Si계 정출물은 모재에 유래되는 것으로, 양극 산화 처리 시에 용해되지 않고 피막 중에 남은 것이다. 이들의 정출물은 양극 산화 처리 시에 모재와 피막의 선팽창 계수의 차에 의해 발생한 응력을 완화시키고, 그 결과 균열의 발생이 저감되는 것으로 추측된다. 이러한 효과는, 최대 입경 30㎛ 이하라고 하는 미세한 정출물 입자가 10 내지 100㎛의 평균 중심간 거리로 균일하게 분산되고, 또한 피막에서의 점유 면적률이 5％ 이상인 것에 의해 얻어진다. 또한, 정출물 입자는 미세하고 균일하게 분산되어 있으므로, 피막의 성장이 균일해져, 표면 평활성이 높은 피막이 생성된다. 균열의 발생을 저감시키고 또한 표면 평활성이 높은 피막을 얻는 측면에서, Al-Fe계 정출물 및 Al-Fe-Si계 정출물의 바람직한 최대 입경은 25㎛ 이하이고, 보다 바람직하게는 3 내지 15㎛이다. 또한, Al-Fe계 정출물 및 Al-Fe-Si계 정출물의 바람직한 평균 중심간 거리는 20 내지 50㎛이고, 바람직한 점유 면적률은 5 내지 25％이다.

또한, 상기 양극 산화 피막의 두께는 한정되지 않지만, 브레이크 피스톤 등의 미끄럼 이동 부품으로서 요구되는 내마모성을 만족시키는 막 두께로서 30 내지 50㎛를 권장할 수 있다. 또한, 양극 산화 피막의 표면 평활성도 한정되지 않지만, 미끄럼 이동 부품의 바람직한 표면 조도 R(z)는 1.5㎛ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.2 내지 1.3㎛이다.

〔알루미늄 합금제 부품의 제조 방법〕

본 발명의 알루미늄 합금제 부품은 상기 조성의 알루미늄 합금을 사용해서 필요한 형상과 강도를 갖는 양극 산화 처리용의 모재를 제작하고, 이 모재에 양극 산화 처리를 실시해서 표면에 양극 산화 피막을 형성한다.

예를 들어, 도 1 내지 도 2b에 도시한 디스크 브레이크(10)에 내장하는 컵 형상의 브레이크 피스톤(1)은 도 4에 나타내는 일련의 포함되는 공정에 의해 제조된다.

우선, 재료 주괴를 용해해서 막대 형상으로 연속 주조하고, 소정 길이로 절단해서 빌렛을 제조한다. 빌렛을 균열 처리하고, 면삭한 후에 가열해서 압출하고, 또한 인발한다. 인발재는 교정 후에 슬라이스 절단해서 단조용 소재로 한다. 이 단조용 소재는 단조품 중량 상당의 체적을 갖는 것이다. 상기 단조용 소재는 전처리로서 예비 윤활을 행한다. 예비 윤활은 단조 시의 금형에 대한 베이킹을 방지해서 단조품의 표면을 평활하게 하기 위한 전처리이며, 예를 들어 인산염 처리와 같은 화성 피막 형성 처리를 행한다. 전처리한 소재를 냉간 단조해서 컵 형상으로 성형한다. 냉간 단조품에 용체화 처리하고, 또한 시효 경화에 의해 강도를 발현시킨다. 그리고, 소요 부분에 절삭에 의한 기계 가공을 실시해서 표면 평활성, 치수 정밀도를 향상시킨다. 이상의 공정에 의해, 필요한 형상과 강도를 갖는 양극 산화 처리용의 모재가 제조된다. 그리고, 이 모재에 양극 산화 처리를 실시해서 양극 산화 피막을 생성시킴으로써 알루미늄 합금제 부품이 얻어진다.

본 발명의 알루미늄 합금제 부품은 모재가 시효성 합금이기 때문에, 냉간 단조 후의 용체화 처리 및 그 후의 시효 경화에 의해 모재 강도가 높아진다. 시효 경화시킨 후에 양극 산화 피막 처리를 실시함으로써 모재의 경도가 높은 피막이 되므로, 브레이크 피스톤 등의 부품으로 했을 때의 강도의 점에서 바람직하다. 시효 경화를 얻기 위해서는, 예를 들어 용체화 처리, 담금질 처리, 인공 시효 처리를 실시한다. 브레이크 피스톤으로서의 강도를 얻기 위해서, 냉간 단조품에 대한 용체화 처리로서, 500 내지 580℃에서 1시간 이상, 바람직하게는 1.5 내지 5시간 유지한 후에 담금질 처리로서 수중으로의 투입이나 강제 공냉 등에 의해 급냉하는 것이 바람직하다. 또한, 그 후의 인공 시효에서는 170 내지 230℃에서 1시간 이상, 바람직하게는 1.5 내지 10시간 유지하는 것이 바람직하다.

또한, 양극 산화 피막 중의 Al-Fe계 정출물 및 Al-Fe-Si계 정출물은 모재의 조성과 그 정출물에서 유래되는 것이기 때문에, 이들의 입자를 피막 중에 미세하면서 또한 균일하게 분산시키기 위해서는, 모재 중에 Al-Fe계 정출물 및 Al-Fe-Si계 정출물이 미세하면서 또한 균일하게 분산되어 있을 필요가 있다. 양극 산화 피막 중의 정출물의 존재 상태에 영향을 주는 모재의 제조 조건은 연속 주조 시의 냉각 속도 및 압출 시의 압출비이다. 양극 산화 피막 중의 정출물의 최대 입경을 30㎛ 이하, 정출물의 평균 중심간 거리를 10 내지 100㎛, 정출물의 점유 면적률을 5％ 이상으로 하기 위한 적합 조건은 연속 주조 시의 냉각 속도가 3 내지 15℃/초, 압출비가 10 내지 70이다. 여기에서 압출비란 압출 장치의 컨테이너 단면적/제품 단면적의 비이다. 또한, 인발 공정을 마련하는 경우에는 하기 식으로 표현되는 단면적 감소율이 2 내지 15％인 것이 바람직하다.

단면적 감소율(％)=〔(A-B)/A〕×100

A: 인발 전의 단면적

B: 인발 후의 단면적

기타의 공정에서의 조건은 양극 산화 피막 중의 정출물의 존재 상태에 그다지 영향을 주지 않으므로 적절히 설정한다. 또한, 양극 산화 처리를 실시하는 모재는 필요한 강도를 갖고 또한 정출물이 미세하면서 또한 균일하게 분산되어 있으면 되므로, 모재의 제조 공정은 도 4의 플로우에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 인발을 생략하거나, 교정을 생략하거나 할 수 있다. 또는, 압출로부터 기계 가공 공정까지를 「압출」→ 「절단」→ 「용체화 처리」→ 「급냉」→ 「기계 가공에 의한 성형」의 공정으로 치환할 수 있다.

또한, 양극 산화 처리의 조건도 전혀 한정되지 않고, 부품의 용도에 따라서 주지의 조건 및 공정으로 행한다. 상기 브레이크 피스톤(1)은 미끄럼 이동 부품이기 때문에 경질의 양극 산화 피막을 형성한다. 예를 들어, 탈지, 에칭, 수세, 중화, 양극 산화 처리, 수세, 구멍 밀봉 처리를 순차 실시한다.

실시예

모재 재료로서 표 1에 나타내는 화학 조성의 각 알루미늄 합금을 사용하고, 도 4의 공정을 따라서 모재 표면에 양극 산화 피막을 갖는 컵 형상의 브레이크 피스톤을 제작하였다. 또한, 비교예 1, 2는 Al-Si계 합금, 비교예 3은 6061Al 합금, 비교예 4는 6082Al 합금, 비교예 5, 6은 Al-Fe계 합금이다.

각 공정에서의 조건은 이하와 같으며, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 6에서 공통이다. 기재가 없는 공정은 주지의 처리 조건을 따라서 행하였다. 또한, 공정은 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 6에서 공통이다.

〔연속 주조〕

핫탑(hot top) 연속 주조법에 의해, 주조 온도: 710℃+/-10℃, 주조 속도: 120㎜/min, 냉각 속도: 7℃/초로 직경 210㎜의 막대를 연속 주조하였다.

〔균질화 처리〕

540℃에서 7시간 유지하였다.

〔면삭〕

직경 210㎜를 203㎜로 면삭하고, 길이 800㎜로 절단한 것을 빌렛으로 하였다.

〔빌렛 가열〕

빌렛을 350℃에서 예비 가열하였다.

〔압출〕

압출 속도(제품 속도): 7.3m/min으로 직경 44㎜의 환봉을 압출하였다. 이 압출의 압출비는 22.7이다.

〔인발〕

직경 44㎜의 압출재를 43.2㎜가 되도록 인발하였다. 이 인발의 면적 감소율은 3.6％이다.

〔어닐링〕

370℃에서 4시간 어닐링하였다.

〔예비 윤활〕

인산염 처리에 의해 행하였다.

〔냉간 단조〕

밀폐 단조에 의해 1회의 프레스로 컵 형상으로 성형하였다.

〔용체화 처리 및 담금질 처리〕

540℃에서 3시간 유지한 후, 수냉에 의해 급냉하였다.

〔시효 경화〕

180℃에서 7시간 유지하였다.

〔기계 가공〕

절삭에 의해 행하였다.

〔양극 산화 처리〕

모재에 경질 양극 산화 처리를 행하였다. 처리는 산성욕 침지에 의한 탈지, 수세, 알칼리욕 침지에 의한 중화, 수세, 15％wt 황산욕 침지에 의한 양극 산화 처리, 수세, 열 수욕 침지에 의한 구멍 밀봉 처리를 순차 실시하였다. 이 양극 산화 처리에 의해 두께 37㎛의 양극 산화 피막이 생성되었다.

실시예 1, 2의 양극 산화 처리품에 대해서, 피막 중에 존재하는 Al-Fe계 정출물 및 Al-Fe-Si계 정출물의 최대 입자, 직경 정출물의 평균 중심간 거리, 정출물의 점유 면적률, 공정 Si 입자의 점유 면적률을 이하와 같이 조사하였다. 양극 산화 처리품으로부터 피막 단면 시료를 작성하고, 광학 현미경(400배)으로 그 단면의 마이크로 조직을 관찰하고, 그 관찰한 화상에서 정출물 및 공정 Si 입자를 무게 중심 위치 및 면적이 동일한 진원에 근사하여, 그것을 바탕으로 최대 입경, 정출물의 평균 중심간 거리, 정출물의 점유 면적률, 공정 Si 입자의 점유 면적률을 산출하였다.

또한, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 6에 대해서는, 모재의 강도, 절삭성 및 공구 마모성, 양극 산화 피막의 균열의 발생 및 표면 평활성을 조사하여, 하기의 기준으로 평가하였다. 이들의 결과를 표 1에 맞추어서 나타낸다.

〔모재 강도〕

모재의 인장 강도가 350N/㎟ 이상을 ◎, 300N/㎟ 이상 350N/㎟ 미만을 ○, 300N/㎟ 미만을 ×로 하였다.

〔절삭성〕

절삭 가공 시에 제품에 칩의 권취의 발생률이 10％ 이하를 ◎, 10 내지 30％를 ○, 30％초과를 △로 하였다.

〔공구 마모성〕

모재 중의 Si 농도가 1.0질량％ 이하를 ◎, 1.0질량％ 초과 1.5질량％ 이하를 ○, 1.5질량％ 초과 4.5질량％ 미만을 △, 4.5질량％ 이상을 ×로 하였다.

〔균열〕

○: 양극 산화 피막의 표면으로부터 모재에 도달하는 균열이 발생하지 않은 것을 ○, 모재에 도달하는 균열이 발생한 것을 ×로 하였다.

〔표면 평활성〕

브레이크 피스톤으로서 사용하기 위해서, 양극 산화 처리 후에 버프 연마 등의 후속 가공을 필요로 한 것을 ×, 후속 가공의 필요가 없고 그대로 사용할 수 있었던 것을 ○로 하였다.

또한, 표 2에 나타내는 바와 같이, 실시예 5, 6 및 비교예 7로서, 실시예 1과 동일한 조성의 알루미늄 합금을 사용하고, 연속 주조의 냉각 속도, 압출비, 인발의 단면적 감소율을 바꾸고, 기타는 실시예 1과 동일한 조건에서 브레이크 피스톤을 제조해서 양극 산화 처리를 하였다. 또한, 비교예 8로서, 알루미늄 합금의 조성 및 연속 주조의 냉각 속도, 압출비, 인발의 단면적 감소율을 바꾸고, 기타는 실시예 1과 동일한 조건에서 브레이크 피스톤을 제조해서 양극 산화 처리를 하였다.

실시예 5, 6 및 비교예 7, 8의 양극 산화 처리품에 대해서, 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 산화 피막 중의 Al-Fe계 정출물 및 Al-Fe-Si계 정출물의 최대 입경, 정출물의 평균 중심간 거리, 정출물의 점유 면적률을 조사하였다. 또한 실시예 1과 동일한 기준으로 균열의 발생을 평가하였다.

표 2에, 실시예 1, 2를 재게재함과 함께, 실시예 5, 6 및 비교예 7, 8의 제조 조건, 양극 산화 피막 중의 정출물, 균열의 평가를 나타낸다.

표 1, 2에 의해, 실시예 1 내지 4의 브레이크 피스톤은 강도가 높고 양호한 절삭성을 가지면서, 공구의 마모가 적은 것이었다. 또한, 양극 산화 피막에는 모재에 도달하는 정도의 균열은 발생하지 않고, 표면 평활성도 양호하였다. 또한 실시예 5, 6도 또한 양극 산화 피막에는 모재에 도달하는 정도의 균열은 발생하지 않았다.

한편, 비교예 1, 2는 경도가 높은 공정 Si 입자가 다량으로 존재하고 있으므로 견고한 입자가 밀한 상태가 되고, 공구 마모성, 표면 평활성이 떨어져 있었다. 비교예 3, 4는 정출물의 양이 적으므로, 절삭성이 떨어지고, 모재에 도달하는 큰 균열이 발생하였다. 비교예 5, 6은 시효 경화에 기여하는 원소(Cu, Mg)의 양이 적으므로 강도가 떨어져 있었다. 비교예 7은 정출물의 입자 직경이 작고, 피막 중에 잔존하는 양이 감소했으므로, 모재에 도달하는 큰 균열이 발생하였다. 비교예 8은 정출물의 최대 입경이 크고 또한 입자간 거리가 작기 때문에 모재에 도달하는 큰 균열이 발생하였다.

본원은 2009년 12월 22일에 출원된 일본 특허 출원 제2009-290876호의 우선권 주장을 수반하는 것으로, 그 개시 내용은 그대로 본원의 일부를 구성하는 것이다.

여기에 사용된 용어 및 표현은 설명을 위해서 사용된 것으로 한정적으로 해석하기 위해서 사용된 것은 아니고, 여기에 개시되고 또한 설명된 특징 사항의 어떤 균등물도 배제하는 것이 아니라, 본 발명의 클레임된 범위 내에서의 각종 변형도 허용하는 것이라고 인식되지 않으면 안된다.

<산업상 이용가능성>

본 발명의 알루미늄 합금은 강도와 내마모성이 요구되는 미끄럼 이동 부품의 제조에 이용할 수 있다.

1 : 브레이크 피스톤
20 : 양극 산화 피막
21 : Al-Fe계 정출물 및 Al-Fe-Si계 정출물의 입자

Claims

Fe: 0.5 내지 2질량％, Cu: 0.35 내지 0.6질량％, Mg: 0.35 내지 1.3질량％, Si: 0.2 내지 1.3질량％, Cr: 0.05 내지 0.3질량％, Mn: 0.05 내지 0.3질량％, Ti: 0.005 내지 0.1질량％를 포함하고, Zn이 0.25질량％ 미만으로 규제되고, 잔량부가 Al 및 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 양극 산화 처리용 알루미늄 합금.
알루미늄 합금으로 이루어지는 모재의 표면에 양극 산화 피막이 형성되어 이루어지는 알루미늄 합금제 부품이며,
상기 알루미늄 합금은 Fe: 0.5 내지 2질량％, Cu: 0.35 내지 0.6질량％, Mg: 0.35 내지 1.3질량％, Si: 0.2 내지 1.3질량％, Cr: 0.05 내지 0.3질량％, Mn: 0.01 내지 0.3질량％, Ti: 0.005 내지 0.1질량％를 포함하고, Zn이 0.25질량％ 미만으로 규제되고, 잔량부가 Al 및 불가피 불순물로 이루어지며,
상기 양극 산화 피막 중에, 최대 입경 30㎛ 이하의 Al-Fe계 정출물 및 Al-Fe-Si계 정출물이 10 내지 100㎛의 평균 중심간 거리로 분산해서 존재하고, 또한 상기 양극 산화 피막에서의 Al-Fe계 정출물 및 Al-Fe-Si계 정출물의 합계 점유 면적의 비율이 5％ 이상인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금제 부품.
제2항에 있어서, 상기 미끄럼 이동 부품은 브레이크 피스톤인 알루미늄 합금제 부품.
Fe: 0.5 내지 2질량％, Cu: 0.35 내지 0.6질량％, Mg: 0.35 내지 1.3질량％, Si: 0.2 내지 1.3질량％, Cr: 0.05 내지 0.3질량％, Mn: 0.05 내지 0.3질량％, Ti: 0.005 내지 0.1질량％를 포함하고, Zn이 0.25질량％ 미만으로 규제되고, 잔량부가 Al 및 불가피 불순물로 이루어지는 알루미늄 합금으로 구성된 모재를 시효 경화시킨 후, 양극 산화 처리를 실시해서 양극 산화 피막을 형성하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금제 부품의 제조 방법.