(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ３.０〜５.０ｗｔ％、Ｓｉ１０．０〜１３．０ｗｔ％、Ｆｅ０.２〜０.５ｗｔ％、Ｂｉ２.５〜５.０ｗｔ％、Ｓｂ０.１〜０.３ｗｔ％であり、残りがＡｌからなり、基体組織内に共晶Ｓｉ相が微細な繊維相として均一に分散しているとともに、Ｂｉ相が均一に分布していることを特徴とする快削性の共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金から作成された車両用または家電用エアコン向けコンプレッサのスクロールやピストンから選ばれた製品。
【請求項２】
Ｃｕ３.０〜５.０ｗｔ％、Ｓｉ１０．０〜１３．０ｗｔ％、Ｆｅ０.２〜０.５ｗｔ％、Ｂｉ２.５〜５.０ｗｔ％、Ｓｂ０.１〜０.３ｗｔ％、Ｍｇ０.１ｗｔ％以下、Ｎｉ０.１ｗｔ％以下であり、残りがＡｌからなり、基体組織内に共晶Ｓｉ相が微細な繊維相として均一に分散しているとともに、Ｂｉ相が均一に分布していることを特徴とする快削性の共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金から作成された車両用または家電用エアコン向けコンプレッサのスクロールやピストンから選ばれた製品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は快削性と耐磨耗性に優れた共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金に関する。なお、本発明において、快削性とは被削性(machinability)に優れることを意味する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金は、車両用または家電用エアコン向けコンプレッサのスクロールやピストンなどのように成形性、加工性及び耐磨耗性が要求される用途に有用に用いられる。
スクロールやピストンなどの摩擦面には持続的に潤滑剤が供給されなければならないが、潤滑剤の供給が円滑でない場合は摩擦金属間で焼着現象(seizure)が発生するので、このような用途の材質としては成形性、加工性及び耐磨耗性に優れた材質の金属が用いられる。
【０００３】
一方、車両や家電製品などの軽量化のためには低比重の金属が求められるが、耐磨耗性に優れる低比重の金属であっても、被削性など加工性に優れなければ、製造コストを上昇させることになる。鋳鉄や青銅などの金属は耐磨耗性及び被削性には優れるが、比重が高いという問題があり、最近はＡｌ系合金が多く用いられている。一般に、金属においては、延性に優れると、成形性が改善される。
【０００４】
耐磨耗性に優れるし、軽量化にも対応した成形性及び加工性を有し、さらに比較的優れる従来の共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金として代表的なものを表１に示す。
【０００５】
【表１】
0004045130.tif 000002
従来の耐磨耗性共晶Ａｌ−Ｓｉ系合成の組成
【０００６】
この分野では、前記表１の組成からなる合金を、「Ａ４０３２合金」と呼んでいる。
また、２種以上の金属からなる合金では、溶融状態又は固溶体状態で一つの金属に他の金属が溶解されて「合致化合物」(congruent compound)を成し得る金属の量は一定である。この際、合致化合物を形成した合金を「平衡状態にある合金」と言う。
合致化合物を形成する組成で成される合金を「共晶合金」(eutectic alloy)というが、これを合金の平衡状態図(equilibrium diagram)で表示すると、共晶合金は共晶点に位置する合金である。合金の平衡状態図において、共晶点の左側に位置する合金を「亜共晶合金」(hypo-eutectic alloy)といい、共晶点の右側に位置する合金を「過共晶合金」(hyper-eutectic alloy)という。
Ａｌ−Ｓｉ系合金においては、Ｓｉ含量１２.５ｗｔ％のものが合致化合物に該当するが、一般にＳｉ含量１１〜１３ｗｔ％のものを「共晶合金」といい、Ｓｉ含量がそれより低いものを「亜共晶合金」といい、Ｓｉ含量がそれより高いものを過共晶合金という。
【０００７】
従来、この分野で代表的に用いられている「Ａ４０３２共晶合金」は、車両エアコン用コンプレッサのピストンに使用する場合、耐磨耗性を向上させるために表面に陽極酸化処理(anodizing)やＳｎ鍍金処理のような表面処理を行なって使用しており、摩擦面への潤滑剤の供給が円滑でない場合、金属間焼着現象(seizure)が発生するだけでなく、切削加工性に良好でないため切削工具の磨耗率が非常に高くて製造コストが高くなるという問題点がある。
従って、従来のＡ４０３２合金に比べて被削性と耐磨耗性に一層優れる素材の開発が求められる実状である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、快削性と耐磨耗性に優れ、熱処理過程によって高強度を保持することが可能な共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金を提供することにある。
本発明者は、共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金を組成するにあたり、Ｂｉとの反応性が大きいＳｒを使用することなく、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉの組成量を最小化した条件で、Ｂｉと共にＢｉとの反応性のないＳｂを添加してＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｂｉ系合金を組成することにより、従来の共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金より快削性、耐磨耗性及び延性に優れ、且つ熱処理過程によって高強度を保持することが可能な共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金が得られることを確認し、本発明を完成するに至った。
従来の共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金において、組成成分としてＳｂを含有する合金はなかった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る快削性の共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金は次のとおりである。
(１)  共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金において、Ｃｕ３.０〜５.０ｗｔ％、Ｓｉ１０.０〜１３.０ｗｔ％、Ｆｅ０.２〜０.５ｗｔ％、Ｂｉ２.５〜５.０ｗｔ％、Ｓｂ０.１〜０.３ｗｔ％、その他の元素の合計が０.５ｗｔ％以下であり、残りがＡｌであることを特徴とする快削性の共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金。
(２)  共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金において、Ｃｕ３.０〜５.０ｗｔ％、Ｓｉ１０.０〜１３.０ｗｔ％、Ｆｅ０.２〜０.５ｗｔ％、Ｂｉ２.５〜５.０ｗｔ％、Ｓｂ０.１〜０.３ｗｔ％、Ｍｇ０.１ｗｔ％以下、Ｎｉ０.１ｗｔ％以下、その他の元素の合計が０.５ｗｔ％以下であり、残りがＡｌであることを特徴とする快削性の共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金に適正量のＳｂ、Ｃｕ、Ｂｉ及びＦｅ成分を添加して合金を組成することにより、快削性、耐磨耗性及び延性に優れると共に熱処理によって高強度を保持することが可能な共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金に関する。
Ａｌ−Ｓｉ合金においてＢｉを添加して合金を組成すると、金属間焼着現象を改善させることができると知られている。
【００１１】
基体組織(base structure)内に均一に分散されたＢｉ相は、切削加工中に発生するチップを細かく分離させて排出を容易にし、切削加工中に発生する熱によって切削面の表面に染み出て（bleeding現象）切削面の潤滑作用を助けて加工面を滑らかにして、加工面の平滑度を向上させる。このため、切削加工を必要とするＡｌ−Ｓｉ系合金において、Ｂｉを構成成分とすると、金属間焼着現象を改善させることができると知られている。
【００１２】
Ａｌ−Ｓｉ系合金ではＳｉ相の改良化が要求される。ここで、「改良化」(Modification)とは、もともと粗大で粗い針状(Coarse acicular)の共晶Ｓｉ相を微細な繊維相(fine fiber phase)として基体組織内で均一に分散させることをいう。
ところが、Ａｌ−Ｓｉ系合金においてＢｉを添加して合金を組成すると、Ｂｉが反応性の大きい元素であって、Ｓｉ相の改良化に寄与する元素Ｓｒ、Ｎａ、Ｃａだけでなく、強度を強化させるために使用される元素Ｎｉ、Ｍｇと反応を起こしてこれら元素の機能を低下させるうえ、反応結果として得られる不純物によって合金の機械的性質を低下させる。従って、Ｂｉと反応する金属元素を組成成分とするＡｌ−Ｓｉ合金では、反応によって損失されるＢｉ量を考慮して過量のＢｉを添加しなければならない。
【００１３】
合金は組成成分として含有された金属間の金属結合で金属間化合物(intermetallic compound)を形成しなければ所望の物理的性質を示すことができないが、Ｂｉ相は、Ａｌと金属間化合物を形成せず独立的に分布するため、Ａｌ−Ｓｉ系合金組織内に均一に分布せず偏析(segregation)及び粗大化を生ずる。これにより、Ｓｉ相の改良化に寄与する元素の機能低下で、Ｓｉ相も粗大化してＡｌ−Ｓｉ系合金の延性が低下するという問題があり、特にＳｉ相の改良化の阻害によってＳｉの添加量の制限を受けるので、合金の耐磨耗性を増大させるのに制限が伴う。
ここで、粗大化とはＳｉ粒子のサイズが大きくて、粗い形状を有し、不均一に分布する状態を指す。
【００１４】
本発明は、Ａｌ−Ｓｉ系合金を組成するに際して、Ｓｂと共にＣｕ、Ｂｉ、Ｆｅを適正量添加して合金を組成することにより、被削性、耐磨耗性及び延性を改善し且つ熱処理によって強度を増進させることが可能な共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金に関する。
Ｓｂは、Ｂｉと同族（周期率表上５ｂ族）の元素であって、Ｂｉとは互いに反応しない。
Ｓｂは反応性の強いＢｉと反応せずＳｉ相を改良化させる特性を示す。
本発明の共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金は、ＳｂまたはＢｉとの反応性の大きいＳｒを使用せず、Ｍｇ、Ｎｉの組成量を最小化した条件下でＳｂを構成成分として添加することにより、Ｓｉ相を改良化させることができ、Ｂｉ相の偏析と粗大化を改善してＢｉの特性を最大限得ることができるという特徴を有する。
【００１５】
従って、本発明の共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金は、Ｂｉの特性を豊富に備えることができるため、従来のＡ４０３２合金に比べて優れた快削性と耐磨耗性を備えることができ、Ｓｂによって改良化されたＳｉ相は切削加工中に切削工具の磨耗量を減少させ、基体組織に均一に分布したＢｉ相は切削加工中に発生する切削片を細かく分離させて排出容易にし、切削加工中に発生する熱によって低融点のＢｉが切削面に染み出て、切削加工中の潤滑作用に助けて切削面の平滑度を大幅向上させることができる。
本発明の合金において、ＣｕはＣｕＡｌ2相を形成して熱処理過程によって高引張強度を維持できるようにする。Ｆｅは２次樹枝状晶の枝と枝との間隔（Second Dendrite Arm Spacing)を減らす役割をして合金の靭性を増加させる。
【００１６】
本発明の合金は、従来のＡ４０３２合金と同様に、陽極酸化処理やＳｎ鍍金などの表面処理をしなくても、車両エアコン用コンプレッサのピストンの材質として使用することができる。
特に、ＳｂがＢｉとは反応を起こさず、Ｂｉ相をＡｌ基体組織内に均一に分布させることにより、比較的高い比重（９.８ｇ/ｃｍ3）と低い融点（２７１℃）を有するＢｉが相対的に低い比重（２.７ｇ/ｃｍ3）と高い融点（６６０℃）を有するＡｌの基地組織内で発生する偏析と不均一な分布による焼着現象による機械的性質の低下を防止して、従来の共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金の欠点である低い延性を向上させることができる。
また、金属間摩擦の際、低融点のＢｉが摩擦表面の潤滑作用を助けて摩擦熱による金属間焼着(seizure)現象を防止することができるため、耐磨耗性を増大させることができる。
【００１７】
以下、実施例によって本発明を具体的に説明する。
【実施例１】
Ｃｕ４４.５ｋｇ、Ｓｉ１１８ｋｇ、Ｆｅ３.５ｋｇ、Ｂｉ３２ｋｇ、Ｓｂ２.２ｋｇを秤で計って溶解炉に投入した。これらの金属は合金製造用高純度のものを使用した。約７００℃で３〜４時間加熱溶融させた後、連続鋳造工法を用いて直径１３０ｍｍのビレット(billet)を得、直径２８ｍｍに押出された試片を分光分析器(モデル名OBLF・QSN#750)を使用して成分を分析した結果、ここで得られた合金が表２に記載の組成からなることを確認することができた。
実施例１から得られたＡｌ−Ｓｉ系合金と従来のＡ４０３２合金（対照）との組成比を比較すれば、次の表２の通りである。
【００１８】
【表２】
0004045130.tif 000003
【００１９】
次の表３は実施例１から得られた本発明の合金と前記従来のＡ４０３２合金をＴ6熱処理した後、機械的性質を対比して示したものである。
【００２０】
【表３】
0004045130.tif 000004
【００２１】
次の表４は実施例１から得られたＡｌ−Ｓｉ系合金とＡ４０３２合金で製造した車両エアコン用ピストンを万能試験機（モデル名TIRA.TT.27100）を用いて破断強度を試験した結果を示す。
【００２２】
【表４】
0004045130.tif 000005
【００２３】
＜焼着試験＞
車両エアコン用コンプレッサに、実施例１から得られた合金で製造したピストン（何らの表面処理もしないもの）を装着したものと、従来のＡ４０３２合金で製造されたピストン（表面にＳｎ鍍金処理をしたもの）を装着したものとの焼着現象を次のように比較実験した。
【００２４】
＜実験条件＞
コンプレッサの内部オイルを全部除去し、Ｒ１３４ａ冷媒(coolant)のみを供給しながらＲＰＭ１５００で回転させ、ピストンに焼着現象が発生する時点を測定した。
その結果、Ａ４０３２合金で製造しＳｎ鍍金で表面処理を行なったピストンは僅か９分後に焼着現象が現れたが、本発明の合金で製造されたピストン（表面処理をしないもの）は２００時間経過するまで焼着現象が現れなかった。
【００２５】
図１は、実施例１から得られた共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金を光学顕微鏡でみた組織写真である。写真において黒点で表示される部分は共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金で共晶Ｓｉ相を示す。図１によれば、共晶Ｓｉ相が微細で均一に分布されている。これはＳｉ相の改良化が良好に行なわれたことを示す。
【００２６】
図２は、実施例１から得られたＡｌ−Ｓｉ系合金においてＢｉ相部分のみをエッチングして除去した後、光学顕微鏡でみた組織写真である。
図２では、Ｂｉ相が基地組織内で均一に分布した後、エッチングで除去されたことを示している。
【００２７】
図３は、実施例１から得られた合金の切削片の状態を示す写真である。
これは７８０ＲＰＭで試片を回転させながら切削工具を用いて切削した時に得られた切削片である。ここでは切削片が良く分離されて排出されたことを確認させるもので、この切削片は平均０.８μｍの粗度(roughness)を有し、切削面の平滑度が非常に優れることを示す。
【００２８】
図４は、Ａ４０３２合金の切削片の状態を示す写真である。７８０ＲＰＭで試片を回転させながら切削工具を用いて切削した時に得られた切削片である。
切削片が良く分離されないで連続的な状態を維持していることを示しており、この切削片の粗度は平均１.３μｍであった。これは切削面の平滑度が本発明の合金に比べて劣ることを示す。
【００２９】
本発明者は、実施例１から得られた合金の各構成成分の組成を一定の範囲内で増減させる一方、実施例１の方法で類似した組成の合金を製造してみた結果、Ｃｕ３.０〜５.０ｗｔ％、Ｓｉ１０.０〜１３.０ｗｔ％、Ｆｅ０.２〜０.５ｗｔ％、Ｂｉ２.５〜５.０ｗｔ％、Ｓｂ０.１〜０.３ｗｔ％、Ｍｇ０.１ｗｔ％以下、Ｎｉ０.１ｗｔ％以下、その他の元素の合計が０.５ｗｔ％以下であり、残りがＡｌの場合、実施例１から得られたＡｌ−Ｓｉ系合金と極めて類似した機械的強度と優れた延伸率を有するＡｌ−Ｓｉ系合金が得られることを確認することができた。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金は、被削性に優れて切削作業を容易にするだけでなく、切削工具の寿命を延長させると共に切削加工面の平滑度を向上させることができるという利点がある。また、車両エアコン用コンプレッサのピストンとして使用できるほどの衝撃強度、引張強度、降伏強度、硬度などの機械的性質を維持しながらも、延伸率、耐磨耗性及び成形加工性に優れて、陽極酸化処理やＳｎ鍍金などの表面処理をしなくても、車両エアコン用コンプレッサのピストンの如き耐磨耗性が要求される用途に使用することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１から得られた共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金を光学顕微鏡でみた組織写真である。
【図２】実施例１から得られた共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金のＢｉ相部分のみをエッチングして除去した後光学顕微鏡でみた組織写真である。
【図３】実施例１から得られた合金の切削片の状態を示す写真である。
【図４】Ａ４０３２合金の切削片の状態を示す写真である。
【図１】
0004045130.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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