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機械部品の熱処理・表面処理基礎講座
機械部品にはいろいろありますが、その多くは熱処理によって機械的性質を制御されています。さらに表面処理を適用すれば、表面には新たな特性が追加されて高性能・長寿命化は当然であり、付加価値も飛躍的に高まります。
本講座(全8章50講座)では、機械部品に用いられている金属材料(主に鉄鋼材料)の種類と、それらに適用されている熱処理(焼なまし、焼入れなど)および表面処理(浸炭・窒化処理、めっき、PVD・CVDなど)について、概略と特徴を紹介します。
第5章 非鉄金属とその熱処理

5-1 アルミニウム合金とその熱処理

アルミニウムおよびアルミニウム合金には、展伸材と鋳物材があります。展伸材とは、圧延加工した板や条、展伸加工した棒や線のことをいいます。鋳物材としては、砂型または金型鋳造法によって造られているアルミニウム合金鋳物、高圧鋳造法で造られるアルミニウム合金ダイカストがあり、それぞれJISでも多種類のものを規定しています

(1) 展伸材の種類と用途

展伸材のJIS記号はAで表示し、それに続けて4桁の数字によって合金の種類を分類しています。合金の種類としては、1000系、2000系、3000系、5000系、6000系、7000系があり、最初の数字が合金系を示し、最後の2桁によってさらに細分類しています。

表1に、アルミニウムおよびアルミニウム合金展伸材の分類と主な用途を示します。1000系は純度99%以上の純Alで、その純度や微量の添加元素によって細分類されています。ジュラルミン(A2017)に代表される2000系(Al-Cu-Mg系)、6000系(Al-Mg-Si系)および7000系(Al-Zn-Mg系)は、熱処理(溶体化処理→時効処理)によって高強度が得られます。

表1 アルミニウムおよびアルミニウム合金展伸材の分類と主な用途

合金番号 合金系 主な用途
1000系 純Al系 装飾品、ネームプレート、印刷板、各種容器、照明器具
2000系※ Al-Cu-Mg系 航空機用材、各種構造材、航空宇宙機器、機械部品
3000系 Al-Mn-(Mg)系 一般用器物、建築用材、飲食缶、電球口金、各種容器
5000系 Al-Mg系 建築外装、車両用材、船舶用材、自動車用ホイール
6000系※ Al-Mg-Si系 船舶用材、車両用材、クレーン、建築用材、陸上構造物
7000系※ Al-Zn-Mg-(Cu)系 航空機用材、車両用材、陸上構造物、スポーツ用品
8000系 Al-Fe系 アルミニウムはく地、装飾用、電気通信用、包装用

※熱処理によって高強度が得られるもの

アルミニウム及びアルミニウム合金鍛造品〔JIS H 4140〕ではA4032が規定されている。

(2) アルミニウム合金鋳物の種類と用途

アルミニウム合金鋳物のJIS記号はACで表示し、表2に示すように、組成によって多くのものを規定しています。Al-Si系やAl-Cu-Si系は、Siの作用によって鋳造性が優れています。Al-Si-Mg系は、Mgの添加によってAl-Si系よりも強度を向上させたもので、ブレーキドラム、クランクケース、ギヤボックス、船舶用・車両用エンジン部品などに用いられています。Al-Mg系のAC7Aは鋳造性がよくありませんが、耐食性やじん性が優れているため、航空機や船舶用部品、架線金具などに用いられています。Al-Si-Cu-Ni-Mg系のAC8Aなどは、金型鋳造法によるもので、強度および耐熱性が優れ、熱膨張係数が小さいため、自動車用ピストン、プーリー、軸受などに用いられています。

表2 アルミニウム合金鋳物の分類と特徴・用途

種類の記号 合金系 特徴・用途
AC2A Al-Cu-Si 系 鋳造性が優れており引張強さは高いが、伸びが小さい。マニホールド、ポンプボディ、シリンダーヘッド、自動車用足回り部品など
AC3A Al-Si 系 シルミンと呼ばれ、12~14%Si(共晶)合金で、鋳造性が優れているが、 耐力が低い。用途は薄肉品に限られており、ケース類、カバー類など
AC4A Al-Si-Mg 系 改良型シルミンと呼ばれ、Mgの添加によって、強度を向上させたもの。ブレーキドラム、ギヤボックス、船舶・車両用エンジン部品など
AC4CH 不純物を極力抑えた高純度合金。自動用ホイールに多用
AC7A Al-Mg 系 鋳造性は良くないが、耐食性や靭性が優れている。航空機や船舶部品、架線金具など
AC8A Al-Si-Cu-Ni-Mg系 金型鋳造によって作られており、強度および耐熱性が優れ、熱膨張係数が小さい。自動車用ピストン、プーリー、軸受など
(3) アルミニウム合金ダイカストの特徴と用途

Al合金ダイカストのJIS記号はADCで表示し、鋳造性を強く要求されるため、一部を除いて多量のSiが添加されています。ダイカストは他の鋳造法に比べてはるかに冷却速度が速いため、組織の微細化や不純物元素の固溶が促進されて高強度が得られます。一例として図1に鋳造法の異なるADC12の顕微鏡組織を示します。精密鋳造品は、比較的粗大なAl-Siの共晶と種々の金属間化合物が観察されますが、ダイカスト品は共晶および金属間化合物が微細であり、急速冷却の効果は明らかです。

図1 SDC12(Al-Si-Cu系)の鋳造法の違い

図1 SDC12(Al-Si-Cu系)の鋳造法の違い

工業的によく用いられているものはAl-Si-Cu系のADC12で、生産性が高く、機械的性質も優れているため、自動車用のミッションケースなど各種部品、産業機械用部品、光学部品、家庭用器具など広範囲の分野で使用されています。

(4) アルミニウム合金鋳物の熱処理

Al-Cu-Si系のAC2A、Al-Si-Mg系のAC4A、Al-Si-Cu系のADC12などは溶体化処理→時効処理(T6処理)を施すことによって強度を高めることができます。この強化機構は固溶強化と析出強化であり、例えばAl-Si-Mg系の場合は溶体化処理後の時効処理によって硬質の金属間化合物であるMg2Si相が析出して時効硬化します。

時効処理には自然時効と人工時効とがあり、前者は室温に放置することによって自然に過飽和固溶体から微細な二次相を析出させる処理である。人工時効とは、室温以上の所定の温度に加熱することによって二次相を析出させる処理です。処理温度は合金の種類によって若干異なりますが、溶体化温度は500~530℃の範囲、時効処理温度は200℃前後です。

(5) アルミニウム合金の質別記号

アルミニウム合金は、焼なまし、溶体化処理、時効処理(自然時効、人工時効)、冷間加工などによって、強度やじん性を調整できます。そのため、JISでもマグネシウム合金も含めて、共通の質別記号を規定しています。表3に質別記号とその意味を概略示すように、加工硬化の記号はH、熱処理の記号はTで、その後ろに数字を付記して具体的な処理内容を区別しています。最もよく利用されている処理はT6処理で、これは溶体化処理後人工時効硬化するものです。

表3 アルミニウム、マグネシウムおよびそれらの合金の質別記号

基本記号 細分記号 意味
F:製造のまま
O:焼なまし(最も柔らかい状態)
H:加工硬化 H1 加工硬化だけ
H2 加工硬化後適度に軟化熱処理
H3 加工硬化後安定化処理
H4 加工硬化語塗装
W:溶体化処理(溶体化処理後常温で自然時効する合金だけに適用)    
T:熱処理 T1 高温加工から冷却後自然時効
T2 高温加工から冷却後冷間加工を行い、さらに自然時効
T3 溶体化処理後冷間加工を行い、さらに自然時効
T4 溶体化処理後自然時効
T5 高温加工から冷却後人工時効硬化処理
T6 溶体化処理後人工時効硬化処理
T7 溶体化処理後安定化処理
T8 溶体化処理後冷間加工を行い、さらに人工時効硬化処理
T9 溶体化処理後人工時効硬化処理を行い、さらに冷間加工
T10 高温加工から冷却後冷間加工を行い、さらに人工時効硬化処理
執筆:仁平技術士事務所 所長 仁平宣弘

『機械部品の熱処理・表面処理基礎講座』の目次

第1章 機械部品に用いられる材料

第2章 鉄鋼製品に実施されている熱処理の種類とその役割

第3章 機械構造用鋼の焼入れ・焼戻し

第4章 ステンレス鋼とその熱処理

第5章 非鉄金属材料とその熱処理

第6章 機械部品に対する表面処理の役割

第7章 機械部品を対象とした主な表面処理

第8章 機械部品の損傷と調査法

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