(57)【要約】      （修正有）【課題】略共晶組成のＳｉをベースとするアルミニウム合金（Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金）の熱間塑性加工品からなるコンプレッサーのピストンにおいて、その高温疲労特性を改善することが可能なピストン用アルミニウム合金の提供。【解決手段】Ｓｉ：１０．０〜１２．０質量％、Ｃｕ：２．５〜４．５質量％、Ｍｇ：１．０〜２．０質量％、Ｆｅ：０．１５〜０．４質量％、Ｍｎ：０．１５〜０．４質量％、Ｔｉ：０．０１〜０．０５質量％を含み、残部Ａｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金鋳造棒に対し、４６０〜５００℃で４〜８時間保持する均質化熱処理を行い、３８０〜４４０℃で熱間塑性加工を加えた後、５０５〜５１５℃で０．５〜２時間保持する溶体化処理、及び１７５〜２００℃で０．５〜２時間保持する時効処理を行い、さらに切削加工後、表面に耐熱樹脂をコーティングし、焼成するピストン用アルミニウム合金。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ：１０．０〜１２．０質量％、Ｃｕ：２．５〜４．５質量％、Ｍｇ：１．０〜２．０質量％、Ｆｅ：０．１５〜０．４質量％、Ｍｎ：０．１５〜０．４質量％、Ｔｉ：０．０１〜０．０５質量％を含み、残部Ａｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金鋳造棒に対し、４６０〜５００℃で４〜８時間保持する均質化熱処理を行い、３８０〜４４０℃で熱間塑性加工を加えた後、５０５〜５１５℃で０．５〜２時間保持する溶体化処理、及び１７５〜２００℃で０．５〜２時間保持する時効処理を行い、さらに切削加工後、表面に耐熱樹脂をコーティングし、焼成することを特徴とするコンプレッサーのアルミニウム合金製ピストンの製造方法。
【請求項２】
Ｓｉ：１０．０〜１２．０質量％、Ｃｕ：２．５〜４．５質量％、Ｍｇ：１．０〜２．０質量％、Ｆｅ：０．１５〜０．４質量％、Ｍｎ：０．１５〜０．４質量％、Ｔｉ：０．０１〜０．０５質量％を含み、残部Ａｌ及び不可避不純物からなり、１５０℃で繰り返し曲げ回数１×１０７で測定される高温疲労強度が１３５ＭＰａ以上であることを特徴とする表面に耐熱樹脂被覆層を有するコンプレッサーのピストン用アルミニウム合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンプレッサーのアルミニウム合金製ピストンの製造方法、及び前記ピストン用アルミニウム合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーエアコン等に用いられるコンプレッサーのピストンとして、軽量性、強度及び耐摩耗性の観点から、略共晶組成のＳｉをベースとして含有し、数質量％のＣｕ及び１質量％以下程度のＭｇを含有するＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金の鍛造品が用いられている。特許文献１〜１０には、そのようなＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金、及び鍛造品の製造方法が記載されている。上記鍛造品は、アルミニウム合金の鋳造棒又は押出棒の切断材を素材とし、冷間又は熱間鍛造後、Ｔ６処理（溶体化処理及び時効処理）し、切削加工で所定のピストン形状に仕上げられる。その後、性能安定化のため、表面に耐熱樹脂コーティング及び焼成を行って、製品化される。            
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−９２１２５号公報
【特許文献２】特開２００７−７０６６６号公報
【特許文献３】特開２００４−２７７７６２号公報
【特許文献４】特開２００３−２９３０６７号公報
【特許文献５】特開２００１−２００４７号公報
【特許文献６】特開平１１−２８６７５８号公報
【特許文献７】特開平８−２０９２７８号公報
【特許文献８】特開平８−１７０１３７号公報
【特許文献９】特表平７−５０７５９９号公報
【特許文献１０】特開平４−２７２１４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
自動車の省燃費化及び軽量化の進展に伴い、カーエアコン等のコンプレッサーのピストンのような部材でも、さらなる軽量化及び小型化が要求されるようになった。一方、ピストンを小型化すると、ピストンが受ける負荷が大きくなり、単位質量当たりの発熱量及び単位時間当たりの作動回数も増えるため、現状以上に優れた高温疲労特性が必要となる。
本発明は、略共晶組成のＳｉをベースとするアルミニウム合金（Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金）の鍛造品からなるコンプレッサーのピストンにおいて、その高温疲労特性を改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、コンプレッサーのアルミニウム合金製ピストンの製造方法に関するもので、Ｓｉ：１０．０〜１２．０質量％、Ｃｕ：２．５〜４．５質量％、Ｍｇ：１．０〜２．０質量％、Ｆｅ：０．１５〜０．４質量％、Ｍｎ：０．１５〜０．４質量％、Ｔｉ：０．０１〜０．０５質量％を含み、残部Ａｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金鋳造棒に対し、４６０〜５００℃で４〜８時間保持する均質化熱処理を行い、３８０〜４４０℃で熱間塑性加工を加えた後、５０５〜５１５℃で０．５〜２時間保持する溶体化処理、及び１７５〜２００℃で０．５〜２時間保持する時効処理を行い、さらに切削加工後、表面に耐熱樹脂をコーティングし、焼成することを特徴とする。なお、上記熱間塑性加工には熱間鍛造、熱間押出加工等が含まれる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明に係るアルミニウム合金は、一般耐食性、鋳造性及び高温塑性加工性（鍛造性、押出性）に問題はなく、本発明に係る製造方法で製造されたアルミニウム合金製ピストンは、高い硬度を有するとともに、優れた高温疲労特性を有する。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明に係る製造方法について、以下、詳細に説明する。
［アルミニウム合金組成］
本発明に係るアルミニウム合金は、Ｓｉ：１０．０〜１２．０質量％、Ｃｕ：２．５〜４．５質量％、Ｍｇ：１．０〜２．０質量％、Ｆｅ：０．１５〜０．４質量％、Ｍｎ：０．１５〜０．４質量％、Ｔｉ：０．０１〜０．０５質量％を含み、残部Ａｌ及び不可避不純物からなる組成を有する。以下、個々の合金元素について説明する。
【０００８】
（Ｓｉ：１０．０〜１２．０質量％）
Ｓｉは略共晶組成の範囲で添加され、アルミニウム合金の強度及び耐摩耗性の向上に寄与する。強度の高いアルミニウム合金は、一般的に疲労特性も優れる。しかし、Ｓｉ含有量が１０質量％に満たないと上記効果が少ない。一方、Ｓｉ含有量が１２質量％を超えると、粗大な初晶が発生して、高温疲労特性が低下する。従って、Ｓｉ含有量は１０．０〜１２．０質量％とする。好ましくは、Ｓｉ含有量の下限値は１０．５質量％、上限値は１１．５質量％である。
【０００９】
（Ｃｕ：２．５〜４．５質量％）
Ｃｕは時効処理によりＡｌ−Ｃｕ系及びＭｇと共にＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系析出物として析出し、アルミニウム合金の高温強度及び高温疲労特性の向上に寄与する。しかし、Ｃｕ含有量が２．５質量％に満たないと上記効果が少ない。一方、Ｃｕ含有量が４．５質量％を超えると、焼き入れ性が低下して上記効果が飽和又は低下するほか、一般耐食性が低下し、変形抵抗が大きくなって熱間塑性加工性（鍛造性、押出性）が低下する。従って、Ｃｕ含有量は２．５〜４．５質量％とする。好ましくは、Ｃｕ含有量の下限値は３．０質量％、上限値は４．０質量％である。
【００１０】
（Ｍｇ：１．０〜２．０質量％）
Ｍｇは時効処理によりＳｉと共にＭｇ２Ｓｉ及びＣｕと共にＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系析出物として析出し、アルミニウム合金の強度及び高温疲労特性の向上に寄与する。しかし、Ｍｇ含有量が１．０質量％に満たないとその効果が少ない。一方、Ｍｇ含有量が２．０質量％を超えると、鋳造性が低下（鋳肌の荒れ）する。従って、Ｍｇ含有量は１．０〜２．０質量％とする。
【００１１】
（Ｆｅ：０．１５〜０．４質量％）
Ｆｅは高温強度の向上に寄与する。しかし、Ｆｅ含有量が０．１５質量％に満たないとその効果が少ない。一方、Ｆｅ含有量が０．４質量％を超えると、粗大な晶出物が発生して高温疲労特性が低下する。従って、Ｆｅ含有量は０．１５〜０．４質量％とする。好ましくは、Ｆｅ含有量の下限値は０．２質量％、上限値は０．３質量％である。
【００１２】
（Ｍｎ：０．１５〜０．４質量％）
Ｍｎは結晶粒を微細化する作用があり、高温疲労特性の向上に寄与する。また、過時効による強度低下を緩和する作用がある。しかし、Ｍｎ含有量が０．１５質量％に満たないとその効果が少ない。一方、Ｍｎ含有量が０．４質量を超えると、結晶粒の微細化効果が飽和し、粗大な晶出物が発生して高温疲労特性が低下し、さらに熱間塑性加工性及び鋳造性が低下する。従って、Ｍｎ含有量は０．１５〜０．４質量％とする。好ましくは、Ｍｎ含有量の下限値は０．２質量％、上限値は０．３質量％である。
【００１３】
（Ｔｉ：０．０１〜０．０５質量％）
Ｔｉは鋳塊組織の微細化に寄与する。しかし、Ｔｉ含有量が０．０１質量％に満たないとその効果が少ない。一方、Ｔｉ含有量が０．０５質量％を超えると、粗大な晶出物が発生して高温疲労特性が低下する。従って、Ｔｉ含有量は０．０１〜０．０５質量％とする。好ましくは、Ｔｉ含有量の上限値は０．０３質量％である。
【００１４】
（不可避不純物）
不可避不純物のうちＣｒは０．１質量％以下、Ｚｎは０．２質量％以下に制限され、この範囲内の含有量であれば、本発明に係るアルミニウム合金の特性が損なわれない。また、その他の不可避不純物は、ＪＩＳ４０００系（Ａｌ−Ｓｉ系）アルミニウム合金とほぼ同様に、個々に０．０５質量％未満、トータルで０．１５質量％未満に制限される。
【００１５】
［製造方法］
本発明に係る製造方法は、前記組成を有するアルミニウム合金鋳造棒を素材とし、均質化熱処理、熱間塑性加工、溶体化処理、時効処理、切削加工、耐熱樹脂のコーティング及び焼成の工程からなる。以下、各工程について説明する。
（鋳造）  
前記組成を有するアルミニウム合金が、例えば半連続鋳造又は水平連続鋳造により円形断面（例えば直径２０〜３５ｍｍ）又は最終製品形状に見合った断面形状に鋳造され、アルミニウム合金鋳造棒が作製される。
【００１６】
（均質化熱処理）
アルミニウム合金鋳造棒に対し、４６０〜５００℃で４〜８時間保持する均質化熱処理が行われる。均質化処理の保持時間は、アルミニウム合金鋳造棒が均質化処理の温度に達し、同温度に保持された時間である。均質化熱処理の温度が４６０℃未満では十分な均質化が得られず、５００℃を超える温度では偏在するミクロ偏析が共晶融解を起こし、これが高温疲労特性が低下する原因となる。また、均質化熱処理の保持時間が４時間未満では十分な均質化が得られず、８時間を超える均質化処理は、熱処理炉の占有時間が長くなり製造コストを増大させる。
【００１７】
（熱間塑性加工）
均質化熱処理が行われたアルミニウム合金鋳造棒は、そのまま熱間塑性加工が行われる温度まで冷却され、又はいったん室温まで冷却された後、熱間塑性加工が行われる温度まで再加熱され、熱間塑性加工が開始される。熱間塑性加工は典型的には熱間鍛造であり、その場合、素材（アルミニウム合金鋳造棒）は製品に近い形状まで熱間鍛造される。熱間鍛造に代えて熱間押出加工が行われる場合もある。熱間塑性加工の開始温度は３８０〜４４０℃とする。本発明に係るアルミニウム合金はＣｕ含有量が多いことから、この温度が３８０℃未満では変形抵抗が大きく、加工が困難又は型寿命が短くなる。一方、この温度が４４０℃を超えると、熱間塑性加工後の材料の表面組織が粗大化し、エネルギーコストも増加する。
【００１８】
（溶体化処理）
熱間塑性加工後の材料に対し、５０５〜５１５℃で０．５〜２時間保持する溶体化処理が行われる。溶体化処理の保持時間は、熱間塑性加工後の材料が溶体化処理の温度に達し、同温度に保持された時間である。溶体化処理の温度が５０５℃未満又は保持時間が０．５時間未満のとき、溶体化が不十分であり、製品の強度及び高温疲労特性が向上しない。一方、溶体化処理の温度が５１５℃を超えるとバーニング（局部的な共晶融解）が発生して、高温疲労特性が低下する。また、溶体化処理の時間は２時間を超えても意味はなく、生産性が低下し、エネルギーコストが増加するだけである。溶体化処理後の材料は、常法に従い急冷される。
【００１９】
（時効処理）
溶体化処理後の材料に対し、１７５〜２００℃で０．５〜２時間保持する時効処理が行われる。時効処理の保持時間は、溶体化処理後の材料が時効処理の温度に達し、同温度に保持された時間である。時効処理の温度が１７５℃未満又は保持時間が０．５時間未満のとき、時効処理が不足し（亜時効）、製品（時効処理及び焼成後の材料）の強度及び高温疲労特性が十分に向上しない。一方、時効処理の温度が２００℃を超え又は保持時間が２時間を超えると、時効処理が過剰であり（過時効）、製品の強度及び高温疲労特性が低下する。
【００２０】
（耐熱樹脂コーティング・焼成）
時効処理後の材料を切削加工して製品形状とした後、周知の方法で表面に耐熱樹脂がコーティングされる。この耐熱樹脂としては、例えば、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）（商品名：テフロン（登録商標））をポリアミドイミド系樹脂等のバインダ樹脂と配合した樹脂が挙げられる。
耐熱樹脂をコーティング後、塗膜の焼成が行われる。
【実施例】
【００２１】
表１に示す組成のＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金を水平連続鋳造して、それぞれ直径１５５ｍｍの鋳造棒を製造した。
各鋳造棒に対し４８０℃で６時間の均質化熱処理を施した後、鋳造棒を所定長さに切断して押出ビレットを得て、４２０℃の押出温度で押出加工し、直径２９ｍｍの押出材を得た（押出比：約２８）。なお、本実施例において熱間塑性加工として熱間押出を選択したのは、熱間鍛造に比べて特性（高温疲労強度）の評価が行いやすいからである。また、本実施例では、熱間塑性加工として熱間押出を選択したことに伴い、押出ビレットとして用いることができる大きめの径の鋳造棒を製造した。
【００２２】
Ｎｏ．１〜１９の各押出材に対し、表１に示す温度で１時間保持する溶体化処理を行い、急冷した後、表１に示す温度で１時間保持する時効処理を行った。時効処理後の各押出材に対し、耐熱樹脂コーティング後の焼成に相当する熱処理を加えた。
上記熱処理後の押出材を供試材として、ビッカース硬さ及び高温疲労強度を、下記要領で測定した。
【００２３】
（ビッカース硬さ）
供試材を押出方向に垂直な断面で切断し、断面を鏡面研磨して、断面の中心と、断面の半径の１／２の位置の４箇所でビッカース硬さを測定した（計５箇所）。ビッカース硬さの測定は、荷重を４９Ｎ（５ｋｇｆ）にして、ＪＩＳＺ２２４４の規定に準じて行った。各供試材のビッカース硬さ（５箇所の平均値）を表１に示す。ビッカース硬さはＨＶ１５０以上を合格と評価した。
【００２４】
（高温疲労強度）
供試材の中心部から、長手方向が押出方向に平行方向になるように、平行部直径が８ｍｍの円径断面で、平行部長さが１５．４ｍｍの試験片（１号試験片相当）を採取し、この試験片を用いて、ＪＩＳＺ２２７４に準拠して小野式回転曲げ疲労試験機で疲労試験を行った。測定条件は、試験回転数を２０００ｒｐｍ、試験温度（試験片の温度）を１５０℃とし、繰り返し回数が１×１０７に達したときに破断しない最大応力を高温疲労強度とした。高温疲労強度が１３５ＭＰａ以上のものを合格と評価し、１３５ＭＰａ未満のものを不合格と評価した。
【００２５】
【表１】
2019019373.tif 000002
【００２６】
試験結果を表１に示す。総合評価の欄で合格（○）のものは、硬さ及び高温疲労強度が合格で、鋳造性、一般耐食性及び熱間塑性加工性にも問題がない。一方、総合評価の欄で不合格（×）のものは、硬さ又は高温疲労強度のいずれかが不合格か、鋳造性、一般耐食性又は熱間塑性加工性の１つ以上が劣る。
Ｎｏ．１９は、現行ピストン材料の組成及び熱処理条件である。Ｎｏ．１９はＭｇ含有量が少なく、硬さ及び高温疲労強度が劣る。
一方、アルミニウム合金組成及び熱処理条件が本発明の規定を満たすＮｏ．１〜１０（本発明例）は、硬さ及び高温疲労強度が優れ、総合評価でも合格である。
【００２７】
また、アルミニウム合金組成又は熱処理条件のいずれか１つ以上が本発明の規定を満たさないＮｏ．１１〜１８（比較例）は、総合評価が不合格である。
Ｎｏ．１１は、溶体化処理の温度が低かったため溶体化が不十分で、硬さ及び高温疲労強度が劣る。
Ｎｏ．１２は、溶体化処理の温度が高かったためバーニングが生じ、高温疲労強度が劣る。
Ｎｏ．１３は、時効処理の温度が低かったため、材料が亜時効の状態であり、硬さ及び高温疲労強度が劣る。
Ｎｏ．１４は、時効処理の温度が高かったため、材料が過時効となり、硬さ及び高温疲労強度が劣る。
【００２８】
Ｎｏ．１５は、Ｃｕ含有量が少なく、材料の硬さ及び高温疲労強度が劣る。
Ｎｏ．１６は、Ｃｕ含有量が多すぎ、硬さ及び高温疲労強度は合格であるが、一般耐食性及び熱間塑性加工性が劣る。
Ｎｏ．１７は、Ｍｇ含有量が少なく、材料の硬さ及び高温疲労強度が劣る。
Ｎｏ．１８は、Ｍｇ含有量が多すぎ、硬さ及び高温疲労強度は合格であるが、鋳造性が劣る（鋳肌の荒れがあった）。