JPH0332403B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野 この発明は、特に耐摩耗性、切削性、高温強
度、加工性に優れた過共晶シリコン−アルミニウ
ム合金、特にAl−Si−Cu系の過共晶シリコン−
アルミニウム金押出材の製造方法に関する。 なお、この明細書において合金成分についての
「％」はいずれも「重量％」を示すものである。 従来の技術 従来、高温特性に優れたアルミニウム合金展伸
材として、Si11.0〜13.5％を含有したA4032合金
が知られている。このA4032合金展伸材は、耐熱
性、耐摩耗性に優れ、熱膨脹係数が小さい等の特
性があるが、本来この合金は鍛造用のものであつ
て、鍛造加工を経てはじめて上記の性質が得られ
るものであり、合金素材自体では上記特性を具備
せず、また切削性の点でも格別優れているものと
はいい難い。このため、その用途もピストンやシ
リンダーヘツド等の極く限られた分野に使用され
るにすぎなかつた。 而して、特に耐摩耗性が強く要求されるような
用途には、一般的にアルミニウム合金鋳物が使わ
れている。斯る耐摩耗性に優れたアルミニウム合
金鋳物としては、Siを10〜24％程度含有したAl
−Si系の例えばAC3A、AC8A〜Ｃ、AC9A〜Ｂ
等の合金が良く知られている。ところが、これら
の合金は、鋳物合金であるが故に、製品形状に制
約を受け、展伸材のように自由な製品形状を求め
ることが困難で、これが為にまた用途が限られる
という難点があつた。のみならず、これらの合金
材料は、鋳造によつて製造されるものであるため
に、それに含まれる主要な耐摩耗性向上要素であ
る切晶Si粒子及び共晶Si粒子がいずれも比較的粗
大でかつ異形を呈し、またその分布も不均一なも
のである。例えば初晶Si粒子は、粒径略150μにも
達する多きなものを含んで全体的に粗大であり、
共晶Si粒子も長さ略30μｍ程度のものを含んで針
状を呈し、しかもそれらがいずれも不均一に分布
する。このため、耐摩耗性、切削性のいずれにお
いても多きな満足度を得ることができなかつた。
初晶Si粒子の粒径は、改良処理によつて僅かに小
さくすることができるが、それでも100μ程度以
下の大きさにすることができるにとどまり、共晶
Si粒子の改良は不可能であるし、それ以上に、不
均一な分布状態を補正することができないため、
耐摩耗性に大きなばらつきを有するものしか得る
ことができなかつた。 一方、上記のような問題点の認識から、従来、
初晶及び共晶Si晶出粒子を微細化することについ
て種々研究がなされてきた。その１つの成果とし
て、例えば特公昭53−20242号公報等に示される
ように、鋳造時における溶湯の冷却速度を50℃／
secと極めて急速なものとすることにより、晶出
物の成長を抑え、初晶Si、共晶Siの各粒子径を極
めて微細なものとなしうることが提案されてい
る。即ち、この先行技術によれば、初晶Si粒子を
最大径において40μを越えないものとし、共晶Si
粒子を最大長において大半が20μをこえないもの
とすることが報告されている。 発明が解決しようとする課題 ところが、本発明者の研究によれば、合金組織
中に特に初晶Si粒子を可及的微小なものとするこ
とは、これによつて必ずしも合金の耐摩耗性を比
例的に向上することにはならないことを見出し
た。即ち、合金の耐摩耗性は、いうまでもなく晶
出Si粒子の個々が摩擦時の面圧を受け止めること
によつて実現されるものであるところ、マトリツ
クス中でSi粒子が過度に微細であると却つて摩擦
時の面圧を受け止める力が低下し、結果的に耐摩
耗性の向上に所期するほどには寄与し得ないもの
となることが、多くの実験結果から推認しうるに
至つた。 そこで、この発明は、このような知見から出発
し、耐摩耗性の向上に最大限に寄与しうる初晶Si
粒子及び共晶Si粒子の粒径分布状態を知ることに
ついて種々研究を行つた。然るところ、初晶Si粒
子は、最大径で80μ以下であり、しかも40〜80μ
程度の粒径範囲にその比較的多くが分布すること
により、最も優れた耐摩耗性が得られ、一方共晶
Si粒子は、針状結晶を破壊して可及的小さい粒状
のものとして均一に分布することにより、最も優
れた切削性を確保しうることを見出し得た。 従つて、この発明の主要な目的の１つは、合金
中に含む初晶Si粒子及び共晶Si粒子を上記のよう
な粒径範囲に制御しうるような過共晶シリコン−
アルミニウム合金の製造方法を提供すことにあ
る。 このような目的は、過共晶シリコン−アルミニ
ウム合金をいつたん鋳造し、次いでこの鋳塊を、
特定の押出条件を採用して押出し加工するものと
なすことによつてはじめて達成され得る。従来、
過共晶シリコン−アルミニウム合金の押出しは、
それ自体の変形抵抗が極めて大きいために一般的
には著しく困難とされ不適なものとされていた。
そして又、仮に押出し加工を行う場合にも、合金
の流動性を高めるために可及的押出温度を高く
し、かつ押出し速度を遅くしなければならないも
のと考えられていた。ところがこのような常識的
な押出し条件に従つて押出し加工を行うときは、
アルミニウム合金中の初晶Siおよび共晶Siの各粒
子の状態を前記のような好ましい範囲に制御する
ことができないし、また押出品に著しい表面割
れ、肌荒れ等の欠陥を生じて、到底実用に適する
材料を得ることはできない。 そこで、この発明の更に具体的な目的は、耐摩
耗性、切削性に優れた過共晶シリコン−アルミニ
ウム合金材料を得るための、該合金鋳塊の最好適
な押出し条件を掲示することにある。この押出し
条件は、従来の常識的な考え方からいえば、これ
とは全く逆に、押出温度を低く保持しながら、押
出速度を早くするものである。 課題を解決するための手段 上記において、この発明は、過共晶範囲にSiを
含有する過共晶シリコン−アルミニウム合金、特
にSi12〜30％3Cu0.3〜7.0％を含み、または更に
Mg0.3〜2.0％を含有して、残部がアルミニウム
及び不可避不純物からなる合金を用い、該合金を
ビレツトに鋳造したのち押出し加工することを必
須工程とし、しかも上記押出しを、 ベアリング長さ：５〜15mmのダイスを用いて、
かつ ビレツト温度：350〜420℃ 押出ラム速度：0.03〜0.2ｍ／min 押比：10〜40 の条件で行うことを特徴とする耐摩耗性アルミニ
ウム合金押出材の製造方法を提供するものであ
る。 この発明に用いる過共晶シリコン−アルミニウ
ム合金は、Siを過共晶組成範囲に含有するもので
あり、好適な組成として、例えばSi12〜30％、
Cu0.3〜7.0％を含み、または更にMg0.3〜2.0％を
含有し、残部がアルミニウム及び不可避不純物か
らなるものが挙げられる。上記の各成分元素以外
にも、有意義性のある各種の添加物が不可避不純
物としての含有量をこえて含まれることが許容さ
れる。例えばNi、Fe、Mnをそれぞれ0.5〜3.0％
の範囲で１種または２種以上含有することも好ま
しい。 上記の各合金成分の意義は次のとおりである。 Siは、周知のとおり耐摩耗性の向上成分として
有効なものであり、これが12％未満では耐摩耗性
に劣るものとなる一方、逆に30％をこえて過多に
含有されると、鋳造が困難になる。アルミニウム
−シリコンの２元系合金における共晶点は、シリ
コン11.7％に存するが、第３元素が加わると共晶
点は遷移する。従つてこの発明に係る合金に於て
は、少なくとも12％以上の過共晶範囲にSiを含有
することを要するものである。最も好適なSi含有
量は、16〜20％程度の範囲である。 Cu及びMgは、いずれも合金の強度の向上に寄
与するものであり、0.3％未満ではその効果が不
十分である。しかしCuが７％をこえるときは、
耐食性が著しく悪くなる。またMgが２％をこえ
る場合は、上記の効果を格別増大せず、むしろ粗
大な晶出物を生成して機械的性質を劣化する。実
験結果から得られた最も好適なCuの含有量は、
概ね４〜６％程度であり、またMgの含有量は
0.45〜0.65％程度である。 上記のような各成分のほかに、有意義性のある
各種の添加物を含むことも許容される。たとえ
ば、SrおよびＰの含有が許容される。これらの
元素はいずれも鋳造時に初晶Si粒子を微細化する
微細化剤として作用するものである点で均等物で
あり、いずれか少なくとも一方を含有すれば足る
が、それぞれ0.005％未満では上記効果に乏しく、
0.1％をこえても格別効果の増大を望めない。 更に他の任意的添加元素として用いうるものと
してNi、Fe、Mnを挙げることができる。これら
は、いずれも合金の耐久性の向上に有効に寄与す
るものであり、この作用の面からいずれも均等物
であつて、少なくとも１種または２種以上を含有
すれば足りるが各成分が0.5％未満では上記の効
果の実現性に乏しく、逆に３％をこえると切削性
が著しく悪くなる欠点を派生する。 上記のような成分範囲をもつこの発明に係る合
金押出材は、その組織を特定範囲に制御して製造
するために、鋳造後所定の押出し工程を経て製造
されるものである。即ち、先ず、上記のアルミニ
ウム合金を従来の常法に従う溶解鋳造によりアル
ミニウム合金鋳塊に製作する。この鋳造工程によ
つて得られる鋳塊に含まれる初晶Si粒子は、上記
Srおよび（または）Ｐの添加によりある程度微
細化されたものとなしうるが、それでもなおその
粒径は、100μｍ以上にも達するものを含んで全
体として未だ相当に大きいものである。また、共
晶Si粒子も、粒径30μｍ程度のものを含む全体と
してかなり大きいものであり、かつその形態も針
状を呈するものである。 そこで、この発明は、これらの比較的粗大な初
晶及び共晶Si粒子を含む鋳塊を更に熱間にて押出
し加工する。ここに、この熱間押し加工は、ベア
リング長さを５〜15mmに形成した押出ダイスを用
いて行い、かつ、ビレツト温度：350〜420℃、押
出ラム速度：0.03〜0.2ｍ／min、押比：10〜40の
条件に設定して行うことが必要であり、かゝる条
件で押出加工を行うことにより、鋳塊中に含む粗
大な初晶Si粒子の一部を破壊し、そのほとんどす
べての粒系が10〜80μｍの範囲で、かつ40μｍ以
上の粒子が比較的多くの割合を占める範囲に微細
化し、かつその分布を均一化せしめると共に、共
晶Si粒子も、針状結晶を長さ方向に分断して形状
を粒状化し、またこれをほとんどすべてが粒径
15μｍ以下の範囲で、かつ10μｍ以下の粒子が比
較的多くの割合を占める範囲に微細化せしめたも
のとすることができる。 ところで、上記押出条件の限定理由は次のとお
りである。 先ず、押出しに使用するダイスの形状も押出製
品の良否に重大な影響をもつ。従来、アルミニウ
ム合金展伸材の押出しに普通使用されているダイ
スは、ベアリング長さが３mm程度のものである
が、この発明の被加工物とするような過共晶シリ
コン−アルミニウム合金の場合、上記のようなダ
イスでは、押出品に著しい表面割れを発生する傾
向がみられ、良好な製品を得ることができない。
従つて、ベアリング長さが５mm以上のダイスを用
いることが必要である。しかしベアリング長さが
15mmを越えるような場合には、押出し抵抗が大と
なる不利益を生むだけで格別の利点を享受するこ
とはできない。従つて、ダイスはベアリング長さ
５〜15mmの範囲のものを用いるべきであり、最も
好適には６〜12mm程度のものを用いるのが良い。 ビレツト温度は、これが350℃未満では変形抵
抗の過大のために押出し操作が困難なものとな
り、逆に420℃を越える高温では、押出成形物に
表面割れを生じ、表面状態の良好な製品を得るこ
とができない。最も好ましいビレツト温度の範囲
は380〜400℃である。 ラム速度は、押比ないし押出速度との関係で調
整されるものであるが、0.03ｍ／min未満の遅い
速度では、合金中の初晶及び共晶のSi粒子を好適
範囲に微細化する効果が不充分なものとなる。逆
に0.2ｍ／minをこえると押出品に著しい割れを
発生する。最好適なラム速度は、0.05〜0.15ｍ／
min程度である。 更に、押比は、10未満では押出し加工の効果が
充分に得られず、合金の組織の改良効果が得られ
ない、逆に押比が40をこえると、合金の変形抵抗
が大きいことと相俟つて円滑な押出し操作が困難
になる。好適な押比範囲は概略20〜30程度であ
る。 発明の効果 上述のようなこの発明の製造方法によれば、耐
摩耗性、切削性、加工性において、従来展伸材と
して既知のA4032等の耐摩耗性合金に較べてはも
ちろん、前記耐摩耗性鋳物用合金に較べても一層
優れた性能を有し、しかも耐摩耗性にばらつきの
少ないアルミニウム合金押出材を得ることができ
る。更には、押出し加工によつて製造されるもの
であるから、合金鋳物では製作が困難であるよう
な種々の形状にも容易に製作することが可能であ
るし、鋳物と違つて伸びがあることにより加工
性、鍛造性にも一層優れたものとなる等の多くの
利点が実現される。 実施例 次に、この発明の実施例を比較例と対比して示
す。 Si18％、Cu4.5％、Mg0.5％、Sr0.04％を含有
し、残部アルミニウム及び不可避不純物からなる
過共晶シリコン−アルミニウム合金を先ず半連続
鋳造によつて直径120mmのビレツトに製造した。
この鋳造したままの状態で、その鋳塊に含む初晶
Si粒子の粒径は概ね10〜100μｍの範囲に属し、共
晶Si粒子の粒径は概ね30μｍ以下でかつ針状を呈
するものであつた。 次いで、このビレツトを、495℃×８時間の均
質化処理後、大気中で常温で冷却したのち、第１
表に示す各種押出条件で直径30mmの丸棒に押出し
た。

【表】 上記実施例１〜６によつて得られた押出材を供
試片として、その組織を調べたところ、それに含
む初晶Si粒子はすべてが10〜80μの粒径範囲に属
し、しかも40〜80μｍの範囲のものが大半を占め
て均一に分布しているものであつた。かつ共晶Si
粒子も微細化され、そのすべてが少なくとも15μ
以下の粒径範囲で、全共晶Si粒子中大半が10μ以
下のもので占められているものであつた。 そして、この実施例１〜６の供試片につき、回
転円板による大越式耐摩耗試験機を用いて耐摩耗
試験（試験条件…摩擦距離：600ｍ、摩擦速度：
２ｍ／min、相手材：FC−30）を行つたところ、
これらの比摩耗量は0.9〜1.1×10^-6mm／Kgであつ
た。 これに対し、比較例１〜４のものは、ビレツト
温度が高すぎること、あるいは押出速度が遅す
ぎ、または速すぎることに起因して、表面に著し
い肌荒れを起こし、あるいは材に割れを生じて、
いずれも到底実用に供しうるような押出材を得る
ことができなかつた。即ち、比較例１及び３のも
のでは、押出材に割れが発生し、また比較例２及
び４のものでは、押出材表面に著しい肌荒れを有
するものであつた。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 過共晶範囲にSiを含有する過共晶シリコン−
   アルミニウム合金を用い、該合金をビレツトに鋳
   造したのち押出し加工することを必須工程とし、
   しかも上記押出しを、 ベアリング長さ：５〜15mmのダイスを用いて、
   かつ ビレツト温度：350〜420℃ 押出ラム速度：0.03〜0.2ｍ／min 押比：10〜40 の条件で行うことを特徴とする耐摩耗性アルミニ
   ウム合金押出材の製造方法。 ２ Si12〜30％、Cu0.3〜7.0％を含み、残部アル
   ミニウム及び不可避不純物からなるアルミニウム
   合金を用い、該合金をビレツトに鋳造したのち押
   出し加工することを必須工程とし、しかも上記押
   出しを、 ベアリング長さ：５〜15mmのダイスを用いて、
   かつ ビレツト温度：350〜420℃ 押出ラム速度：0.03〜0.2ｍ／min 押比：10〜40 の条件で行うことを特徴とする耐摩耗性アルミニ
   ウム合金押出材の製造方法。 ３ Si12〜30％、Cu0.3〜7.0％、Mg0.3〜2.0％を
   含み、残部アルミニウム及び不可避不純物からな
   るアルミニウム合金を用い、該合金をビレツトに
   鋳造したのち押出し加工することを必須工程と
   し、しかも上記押出しを、 ベアリング長さ：５〜15mmのダイスを用いて、
   かつ ビレツト温度：350〜420℃ 押出ラム速度：0.03〜0.2ｍ／min 押比：10〜40 の条件で行うことを特徴とする耐摩耗性アルミニ
   ウム合金押出材の製造方法。