CN104342590B - 切削用铝合金挤压材 - Google Patents

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Abstract

本发明得到相对于挤压材的挤出方向垂直的方向(LT方向)的疲劳强度高的切削用铝合金挤压材。一种铝合金挤压材，其中，含有Cu：2.9～5.5质量％、Mg：1.0～2.5质量％、Ni：0.5～3.0质量％、Fe：0.5～1.5质量％、Si：0.4质量％以下、Ti：0.005～0.15质量％，还含有Mn：0.05～0.6质量％、Cr：0.05～0.3质量％、Zr：0.05～0.3质量％、V：0.05～0.3质量％的一种或两种以上合计で0.7质量％以下，余量由Al和不可避免的杂质构成，设σWLT：LT方向的疲劳强度、σWL：L方向(挤出方向)的疲劳强度、TSLT：LT方向的抗拉强度、TSL：L方向的抗拉强度时，满足下式(1)。σWLT/TSLT＞σWL/TSL…(1)。

Description

切削用铝合金挤压材
技术领域
本发明涉及汽车等的发动机、压缩机等的构件和涡轮(叶轮)构件所使用的切削用铝合金挤压材，特别是涉及相对于挤出方向为垂直方向(LT方向)的疲劳强度高，适于切削挤压材而制造这些构件的切削用铝合金挤压材。
背景技术
现有的发动机、压缩机等的旋转、直动构件，是切削A2618合金的铸造·锻造品而制造的，但由于近年的切削加工技术的提高，铝合金挤压材的切削品化推进，关于挤压材，需要切削性的提高，强度和疲劳强度的改善。
另一方面，专利文献1～7中记载有适于发动机、压缩机等的零件制造的JIS2000(Al－Cu－Mg)系铝合金挤压材。根据专利文献1～7，这些Al－Cu－Mg系铝合金挤压材，通过Mn、Zr、Cr等的添加，Cu和Mg含量的增加，或稀土类、Be等的添加，与A2618合金相比，认为耐热性和疲劳特性更优异。
【专利文献】
【专利文献1】日本特开昭63－11643号公报
【专利文献2】日本特开昭63－161137号公报
【专利文献3】日本特开平08－144002号公报
【专利文献4】日本特开平08－144003号公报
【专利文献5】日本特开2008－101264号公报
【专利文献6】日本特开2008－202121号公报
【专利文献7】日本特开2011－122180号公报
在发动机、压缩机等的旋转、直动构件中，要求进一步轻量化、高旋转化，随之而来的，是要求Al－Cu－Mg系铝合金挤压材的强度和疲劳强度的进一步改善。
上述挤压材用于涡轮充电器涡轮等的旋转构件的制造时，是从挤压材(圆棒)上，以使挤出方向与旋转构件的轴向平行的方式被进行削切。因此，涡轮等的高速旋转零件中，在相对于挤压材的挤出方向垂直的方向(LT方向)上，会发生因离心力造成的反复载荷。因此，相对于挤压材的挤出方向为垂直方向(LT方向)的强度和疲劳特性成为问题。
挤压材通常在挤出方向和相对于挤出方向垂直的方向(如果是圆棒则是半径方向)上，机械性质不同的情况很多。大部分情况下，挤出方向的强度(静强度、疲劳强度)比挤压材的半径方向的强度高，这是由于经挤出加工而产生的微观组织的取向引起的。
另一方面，在涡轮等的高速旋转零件中，对于疲劳强度低的挤压材的半径方向来说，会发生反复载荷，在此为了确保零件的耐疲劳特性，需要在半径方向上使壁厚增加。但是，这会带来零件的重量增加，作为要求轻量化的汽车零件是不合需要的。
发明内容
因此，本发明其目的在于，改善相对于Al－Cu－Mg系铝合金挤压材的挤出方向的垂直方向(LT方向)的疲劳强度。
本发明的切削用铝合金挤压材，其特征在于，含有Cu：2.9～5.5质量％、Mg：1.0～2.5质量％、Ni：0.5～3.0质量％、Fe：0.5～1.5质量％、Si：0.4质量％以下、Ti：0.005～0.15质量％，还含有Mn：0.05～0.6质量％、Cr：0.05～0.3质量％、Zr：0.05～0.3质量％、V：0.05～0.3质量％的一种或两种以上，合计0.7质量％以下，余量由Al和不可避免的杂质构成，满足下式(1)。
σWLT/TSLT＞σWL/TSL…(1)
在此，σWLT：LT方向(相对于挤出方向的垂直方向)的疲劳强度，
σWL：L方向(挤出方向)的疲劳强度，
TSLT：LT方向的抗拉强度，
TSL：L方向的抗拉强度。
该Al－Cu－Mg系铝合金挤压材，满足上述化学组成和上述式(1)，在相对于挤出方向的垂直方向(LT方向)上，显示出140MPa以上的高疲劳强度。
为了使Al－Cu－Mg系铝合金挤压材拥有上述特性，除了上述化学组成，还需要选择适当的制造条件(特别是均质化温度、挤出温度、挤出速度、挤压比)。即，本发明的切削用铝合金挤压材，能够通过如下方式制造：对于由上述化学组成构成的铝合金坯锭，以450～520℃的温度进行1～20小时的均质化处理后，以挤出温度320～500℃、挤出速度2～8m/sec、挤压比20～40的条件进行挤出成形，对于所得到的挤压材，以480～540℃进行0.5～4小时的固溶处理后，进行时效处理。
根据本发明，能够提供高抗拉强度，和相对于挤出方向的垂直方向(LT方向)上，显示出140MPa以上的高疲劳强度的切削用铝合金挤压材。
切削本发明的切削用铝合金挤压材而制造涡轮等的旋转构件时，使用时离心力作用的方向为挤压材的LT方向。由于本发明的切削用铝合金挤压材在LT方向上具有高疲劳强度，另一方面，在通过切削加工制造的构件中，切削前的强度各向异性得到维持，所以使用本发明的切削用铝合金挤压材，与A2618等的现有材相比，能够改善旋转构件的疲劳特性。
另外，本发明的切削用铝合金挤压材，具有高的高温强度，并且160℃下的LT方向的高温疲劳强度(经1×107次不会断裂的应力)，能够达成超过90N/mm2的应力振幅。
本发明的切削用铝合金挤压材，具有与A2618挤压材同水平的切削性，不对挤压材进行锻造而是通过直接切削加工，就能够制造发动机、压缩机、涡轮等的旋转、直动构件。另一方面，对该挤压材进行锻造(热态、冷态)而得到近净形状后进行切削，也能够制造所述构件，这种情况下，与对于挤压材直接进行切削加工相比，能够提高成品率。
具体实施方式
以下，对于本发明的切削用铝合金挤压材及其制造方法，更具体地加以说明。
[合金组成]
Cu：2.9～5.5质量％
Cu是用于使Al－Cu－Mg系铝合金挤压材的常温和高温强度提高所需的不可欠缺的元素。Cu的含量低于2.9质量％时，强度提高的效果少，若含有超过5.5质量％，则挤出加工性劣化。因此，Cu含量为2.9～5.5质量％。优选为3.0～4.5质量％，更优选为3.4～4.5质量％。
Mg：1.0～2.5质量％
Mg与Cu同样，是使Al－Cu－Mg系铝合金挤压材的常温和高温强度提高所需要的不可欠缺的元素。Mg的含量低于1.0质量％时，强度提高的效果少，另一方面，若含有超过2.5质量％，挤出加工性劣化。另外，Mg含量为1.0质量％以上，再结晶化进展。此外还带来结晶物分布均匀化、疲劳强度的改善。因此，Mg含量为1.0～2.5质量％。优选为1.2～2.2质量％。
Ni：0.5～3.0质量％
Ni是使Al－Cu－Mg系铝合金挤压材的常温和高温强度提高的元素。Ni的含量低于0.5质量％时，强度提高的效果少，另一方面，若超过3.0质量％，则成为与合金中的Cu结合的结晶物，因此强度反而降低。因此，Ni为含量为0.5～3.0质量％。优选为0.9～1.5质量％。
Fe：0.5～1.5质量％
Fe是使Al－Cu－Mg系铝合金挤压材的高温强度提高的元素。Fe的含量低于0.5质量％时，该效果少，另一方面，若含有超过1.5质量％，则形成巨大结晶物，强度降低。因此，Fe含量为0.5～1.5质量％。优选为0.8～1.2质量％。
Mn：0.05～0.6质量％、Cr：0.05～0.3质量％、Zr：0.05～0.3质量％、V：0.05～0.3质量％
Mn、Cr、Zr、V使铝合金挤压材纤维组织化，是抑制再结晶化的元素，从常温至高温下使铝合金挤压材的强度提高，另外，如后述是用于提高挤压材的疲劳强度所必须的元素。Mn、Cr、Zr、V各自的含量在低于上述范围的下限值时，强度提高的效果少，另一方面，若超过上述范围的上限值含有，则形成巨大结晶物，挤压材的强度降低。另外，若Mn、Cr、Zr、V的一种或两种以上的合计含量超过0.7质量％，则同样会形成巨大结晶物，挤压材的强度降低。因此，Mn、Cr、Zr、V的含量为上述范围，其一种或两种以上的合计含量为0.7质量％以下。Mn、Cr、Zr、V优选的含量为，Mn含量为0.15～0.35质量％，Cr含量为0.1～0.25质量％，Zr含量为0.1～0.25质量％，V含量为0.1～0.25％。
Si：0.4质量％以下
Si经时效处理(190～200℃左右)而与Mg生成金属间化合物Mg2Si，是使强度提高的元素，根据需要添加到本发明合金中，或作为不可避免的杂质含有。另一方面，Mg2Si在高温下的使用持续时会粗大化，由此特别是存在高温强度和疲劳强度降低的可能性。通过将作为添加元素或不可避免的杂质的Si含量限制在0.4％以下，能够抑制Mg2Si的生成本身，避免伴随高温使用的Mg2Si的粗大化，防止发动机、压缩机等的旋转、直动构件的高温强度和疲劳强度的降低(高温不稳定性)。Si含量优选为0.30质量％以下。
Ti：0.005～0.15质量％
Ti使铸块组织微细化，是使机械性质稳定化的元素。但是，含量在0.15％质量以上时生成粗大的Al－Ti系结晶物，使强度降低。另外含量在0.005％以下时得不到效果。因此，Ti含量为0.005～0.15质量％，优选为0.01～0.1质量％。
不可避免的杂质
在实际操作的铝合金中，含有各种不可避免的杂质元素，但是本发明的Al－Cu－Mg系铝合金，也与JIS2000系铝合金大致同样，如果Zn低于0.05质量％，Pb、Bi、Sn分别低于0.01质量％，其他的元素分别低于0.05质量％，除了Si以外的不可避免的杂质总计低于0.15质量％，则没有特别问题。
[疲劳比]
所谓疲劳比就是疲劳强度与抗拉强度的比。
本发明的Al－Cu－Mg系铝合金挤压材，如前述式(1)所示，相对于挤出方向垂直的方向(LT方向)的疲劳比(σWLT/TSLT)，比挤出方向(L方向)的疲劳比(σWL/TSL)高。本发明的Al－Cu－Mg系铝合金挤压材，满足前述式(1)，在相对于挤出方向的垂直方向(LT方向)上，显示出140MPa以上的高疲劳强度。
本发明的Al－Cu－Mg系铝合金挤压材，含有Mn、Cr、Zr、V的一种或两种以上而得到纤维组织化。由于疲劳而发生的疲劳龟裂，一般来说，结晶粒界会妨碍疲劳开裂传播，所以使挤压材纤维组织化在提高疲劳强度上是有效的手段。另一方面，特别是为了使LT方向的疲劳比提高，得到LT方向的疲劳比比L方向的疲劳比高的Al－Cu－Mg系铝合金挤压材，不只需要仅仅使该挤压材纤维组织化，还需要以下面所示的特定的挤出条件(挤压比、挤出速度、挤出温度)进行挤出成形。
[制造方法]
熔化所述组成的铝合金，通过DC铸造成坯锭。
对于所得到的坯锭，以450～520℃的温度进行1～20h的均质化处理。在低于450℃的温度下得不到充分的均质化。另外，在超过520℃的温度下，因为不均的显微偏析发生共晶熔化，因此成为疲劳强度降低的原因。均质化处理时间低于1h时，得不到充分的均质化，超过20h的均质化处理，热处理炉的占用时间变长，使制造成本增大。优选为以450～520℃、5～15h进行均质化处理。
均质化处理后，将坯锭直接冷却到挤出温度，或先冷却至室温后再加热至挤出温度，进行挤出加工。挤出加工以挤出温度320～500℃，挤出速度：2～8m/sec，挤压比20～40进行。
挤出温度低于320℃时，加工应变蓄积在材料内部，进行固溶处理时发生结晶粒的粗大化，强度降低。若挤出温度超过500℃，则加工变形中的加工放热增加，部分性地发生共晶熔化，疲劳强度降低。优选的挤出温度为350～450℃。
挤出速度低于2m/sec时，生产率低，不实用。若挤出速度超过8m/sec，则因为加工放热而产生晶粒的粗大化，因此疲劳强度降低。优选的挤出速度为2.5～5m/sec。
挤压比低于20时，所导入的加工应变小，因此得不到微细的晶粒。若挤压比超过40，则加工应变大，因加工放热而产生晶粒的粗大化，疲劳强度降低。优选的挤压比为25～35。
使挤出温度、挤出速度和挤压比这3个条件以上述方式组合时，能够得到LT方向的疲劳比高于L方向的疲劳的Al－Cu－Mg系铝合金挤压材。但是，其理由尚不明确。
挤出加工后，以480～540℃、0.5～4h进行固溶处理。固溶温度低于480时，因为固溶不足，所以得不到规定的强度。若固溶温度超过540℃，则部分性地发生共晶熔化，疲劳强度降低。
固溶处理后，进行淬火，其后，进行人工时效处理。人工时效处理，以190～200℃×5～25h左右的通常的条件进行即可。
对于所述组成的Al－Cu－Mg系铝合金，通过应用以上说明的制造方法，能够提高LT方向的疲劳比(σWLT/TSLT)与L方向的疲劳比(σWL/TSL)具有所述式(1)的关系的铝合金挤压材。
【实施例】
DC铸造表1所示的组成的Al－Cu－Mg系铝合金，得到各组成是相同直径的挤出坯锭后，以表2所示的条件实施均质化处理。将经过均质化处理的挤出坯锭再加热至表2的示的挤出温度，接着以表2所示的挤出速度和挤压比挤出。挤压材为圆棒，挤压比通过改变圆棒的直径进行调整。其后，以表2所示的条件进行固溶处理，在温度20℃的水槽内进行淬火。其后，实施200℃×5h的人工时效处理。
表1
*含量不足或过剩位置
以所得到的挤压材作为供试材，按下述要领进行拉伸试验和疲劳试验，测量与挤出方向平行的方向(L方向)的抗拉强度(TSL)和疲劳强度(σWL)，以及与挤出方向垂直的方向(LT方向)的抗拉强度(TSLT)和疲劳强度(σWLT)。另外，根据这些测量值，计算与挤出方向平行的方向(L方向)的疲劳比(σWL/TSL)，和与挤出方向垂直的方向(LT方向)的疲劳比(σWLT/TSLT)，满足所述式(1)的为评价为○，不满足的评价为×。这些结果显示在表2中。
表2
*本发明规定范围外的位置
(拉伸试验)
从供试材上提取纵长方向与挤出方向平行的方向(L方向)的拉伸试验片，和与挤出方向垂直的方向(LT方向)的拉伸试验片，在常温下，以2mm/分的十字头速度实施拉伸试验。
(疲劳试验)
从供试材上提取纵长方向与挤出方向平行的方向(L方向)的疲劳试验片，和与挤出方向垂直的方向(LT方向)的疲劳试验片，实施小野式旋转弯曲疲劳试验。试验片从挤压材的中心部通过机械加工提取之后，用砂纸研磨试验片中央部的表面，最后以#2400号的砂纸研磨而达到平滑。疲劳试验，使用小野式旋转弯曲小型试验机，在室温(20℃)、大气中进行。以应力振幅交变(应力比R＝－1)的正弦波实施。
如表2所示，No.1～12，铝合金的组成和制造方法在本发明的范围内，LT方向的疲劳比均比L方向的疲劳比高，LT方向的疲劳强度为140N/mm2以上。另外，L方向的抗拉强度(TSL)能够达到500MPa以上，LT方向的抗拉强度(TSLT)能够达到400MPa以上。
另一方面，铝合金的组成(特别是Mn、Cr、Zr、V的合计含量)脱离发明的规定的No.13、14，和制造方法(特别是挤出条件)脱离本发明的规定的No.15～20，LT方向的疲劳比均比L方向的疲劳比低，LT方向的疲劳强度达不到140N/mm2。

Claims (2)

1.一种切削用铝合金挤压材，其特征在于，含有Cu：2.9～5.5质量％、Mg：1.0～2.5质量％、Ni：0.5～3.0质量％、Fe：0.5～1.5质量％、Si：0.4质量％以下、Ti：0.005～0.15质量％，还含有合计为0.7质量％以下的Mn：0.05～0.6质量％、Cr：0.05～0.3质量％、Zr：0.05～0.3质量％、V：0.05～0.3质量％中的一种或两种以上，余量由Al和不可避免的杂质构成，并满足下式(1)，
σWLT/TSLT＞σWL/TSL…(1)
其中，σWLT：LT方向的疲劳强度，σWL：L方向的疲劳强度，TSLT：LT方向的抗拉强度，TSL：L方向的抗拉强度。
2.一种铝合金构件，其使用权利要求1所述的切削用铝合金挤压材进行切削加工而成。
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