JP2004292847A - 切削加工用アルミニウム合金押出材、アルミニウム合金製切削加工品及び自動車部品用バルブ材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】この発明の切削加工用アルミニウム合金押出材1は、押出加工後の組織において、全面微細な再結晶組織を有している。さらに、この押出材1は、Si:0.3〜1.0質量%、Fe:0.35質量%以下、Cu:0.1〜0.5質量%、Mn:0.07質量%以下、Mg:0.6〜1.5質量%、Cr:0.10質量%以下、Zn:0.30質量%以下、Ti:0.20質量%以下を含有し、残部Al及び不純物からなる。この押出材1を切削加工することにより、優れた寸法精度を有する切削加工品を製作することができる。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、切削加工用アルミニウム合金押出材、アルミニウム合金製切削加工品及び自動車部品用バルブ材に関し、詳述すると、優れた寸法精度を有する切削加工品を製作することのできる切削加工用アルミニウム合金押出材、これを用いて製作されたアルミニウム合金製切削加工品、及び自動車部品用バルブ材に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば自動車部品や電機部品等の機械部品は、高効率化や省エネ化の要求により、鉄系材料ではなくアルミニウム合金によって製作することが検討されている。このような機械部品のうち、切削加工により製作される部品は、切屑分断性の改善等のために、従来、Pb(鉛)等の低融点金属元素を含有したアルミニウム合金から製作されていた。
【0003】
しかるに、Pbを含有したアルミニウム合金は、Pbによる環境汚染を防止するために、将来的にその使用が禁止される方向にある。そのため、様々な種類のアルミニウム合金のうちPbを含有していないものとして、JIS A6061のアルミニウム合金が用いられてきており、特に製造コストを引き下げるために、その押出材が切削加工用素材として用いられている(例えば、特許文献1参照。)。
【0004】
ところで、一般的に切削加工用押出材は、全面微細な再結晶組織を有していることが、切削加工品の寸法精度を向上させ得るようになる点で、望ましい。そのため、押出材がJIS A6061のアルミニウム合金押出材である場合には、押出材が全面微細な再結晶組織を有するものとなるように、従来、この押出材に対してその押出加工後に引抜加工→焼入加工→引抜加工の順に加工を施し、その度必要し応じて矯正加工→エージングの順に加工を施していた。すなわち、押出材に2回の引抜加工を施していた。
【0005】
【特許文献1】
特開平11−323472号公報(請求項1)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
而して、上述したように、従来では、JIS A6061のアルミニウム合金押出材に2回の引抜加工を施していたので、押出材に施す加工工程が複雑であり、製造コストが高く付いていた。
【0007】
この発明は、上述した技術背景に鑑みてなされたもので、その目的は、優れた寸法精度を有する切削加工品を製作することができる上、加工工程を簡素化することができる切削加工用アルミニウム合金押出材、これを用いたアルミニウム合金製切削加工品及び自動車部品用バルブ材を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、以下の手段を提供する。
【0009】
[1] 押出加工後の組織において、全面微細な再結晶組織を有し、且つ、Si:0.3〜1.0質量%、Fe:0.35質量%以下、Cu:0.1〜0.5質量%、Mn:0.07質量%以下、Mg:0.6〜1.5質量%、Cr:0.10質量%以下、Zn:0.30質量%以下、Ti:0.20質量%以下を含有し、残部Al及び不純物からなることを特徴とする切削加工用アルミニウム合金押出材。
【0010】
[2] 結晶粒が最大粒径2mm以下及び平均粒径1mm以下である前項1記載の切削加工用アルミニウム合金押出材。
【0011】
[3] 押出加工後に引抜加工が施された前項1又は2記載の切削加工用アルミニウム合金押出材。
【0012】
[4] Mn:0.04質量%以下、Cr:0.07質量%以下を含有している前項1〜3のいずれか1項記載の切削加工用アルミニウム合金押出材。
【0013】
[5] Fe:0.2質量%以下を含有している前項4記載の切削加工用アルミニウム押出材。
【0014】
[6] 前項1〜5のいずれか1項記載の押出材が切削加工されることにより、製作されていることを特徴とするアルミニウム合金製切削加工品。
【0015】
[7] 前項1〜5のいずれか1項記載の押出材が切削加工されることにより、製作されていることを特徴とする自動車部品用バルブ材。
【0016】
ここで、本発明者が本発明を完成するに至った経緯について説明する。
【0017】
本発明者は、JIS A6000系合金の押出材を切削加工すると、切削加工品の寸法バラツキが大きくなる原因について、様々な研究調査を行った。その調査の具体例を示すと、次のとおりである。
【0018】
すなわち、JIS A6000系合金の押出材を準備し、該押出材の組織と切削加工性との関係、及び該押出材の組織と切削加工品の寸法バラツキとの関係について、それぞれ調査した。その結果、押出材の横断面において再結晶組織と繊維組織とが非対称に混在している場合には、切削加工品の寸法バラツキが大きくなること判明した。これとは反対に、押出材の組織がその横断面全面に亘って微細な再結晶組織になっている場合には、切削加工品の寸法バラツキが小さくなることが判明した。さらに、押出材の組織をこのような組織にするためには、アルミニウム合金に含有される複数の元素を所定の含有率に設定すれば良いことが判明した。しかも、この場合には、押出材に施す加工工程を簡素化できることが判明し、もって本発明を完成させた。
【0019】
次に、上記各項の発明について説明する。
【0020】
[1]の発明では、アルミニウム合金の化学成分において、Si(ケイ素)、Fe(鉄)、Cu(銅)、Mn(マンガン)、Mg(マグネシウム)、Cr(クロム)、Zn(亜鉛)及びTi(チタン)の含有率がそれぞれ所定の範囲に設定されることにより、押出材がその横断面全面に亘って微細な再結晶組織を有するものとなる。これにより、切削加工品の寸法バラツキが小さくなる。
【0021】
また、[1]の発明に係る押出材は、押出加工後の組織において、すでにその横断面全面に亘って微細な再結晶組織を有していることから、この押出材に施す加工工程数を減らすことができる。すなわち、この押出材に施す加工工程について具体的に例示すると、この押出材には、通常、押出加工後に、引抜加工を施し、その必要に応じて矯正加工→エージングの順に加工が施される。したがって、この押出材によれば、従来では押出加工後に引抜加工→焼入加工→引抜加工、その後必要に応じて矯正加工→エージングの順に施していた押出材への加工のうち、1回の引抜加工と焼入加工とを省略することができる。そのため、加工工程を簡素化することができて、製作コストを引き下げることができる。
【0022】
なお本発明において、押出材の形状は限定されるものではない。押出材の具体的な形状としては、棒状(例えば丸棒状、角棒状)、筒状(例えば円筒状、角筒状)、管状(例えば円管状、角管状)、板状(例えば平板状)が例示される。
【0023】
[2]の発明では、結晶粒が最大粒径2mm以下及び平均粒径1mm以下であることにより、切削加工品の寸法バラツキを更に小さくすることができる。
【0024】
なお、[2]の発明において、結晶粒は最大粒径1mm以下及び平均粒径500μm以下であることが特に望ましい。
【0025】
[3]の発明では、押出加工後に引抜加工が施されることにより、押出材の組織をその横断面全面に亘って確実に微細な再結晶組織にすることができる。そのため、切削加工品の寸法バラツキを確実に小さくすることができる。なお、この押出材には、通常、引抜加工後に矯正加工及びエージング加工が順に施される。
【0026】
[4]の発明では、Mn及びCr含有率がそれぞれ所定の範囲に設定されることにより、押出材の組織をその横断面全面に亘って更に確実に微細な再結晶組織にすることができる。これにより、切削加工品の寸法バラツキを更に確実に小さくすることができる。
【0027】
[5]の発明では、Fe含有率が所定の値に設定されることにより、押出材の組織をその横断面全面に亘ってより一層確実に微細再結晶組織にすることができる。そのため、切削加工品の寸法バラツキをより一層確実に小さくすることができる。
【0028】
[6]の発明では、優れた寸法精度を有する切削加工品を得ることができる。
【0029】
なお、[6]の発明において、切削加工品の種類や形状は限定されるものではなく、切削加工品の種類として、例えば、トランスミッション用バルブ材等の自動車部品、コネクタ材等の電気部品、光学機器の筒材等の機械部品をはじめ、様々の種類の部品や部材が挙げられる。また、切削加工品の形状具体的な形状としては、棒状(例えば丸棒状、角棒状)、筒状(例えば円筒状、角筒状)、管状(例えば円管状、角管状)、板状(例えば平板状)が例示される。また、切削加工手段は限定されるものでなく、切削加工手段として、旋削加工、平削り加工、フライス削り加工、穴開け加工、研削加工等の様々な切削加工が用いられる。
【0030】
[7]の発明では、優れた寸法精度を有する自動車部品用バルブ材を得ることができる。
【0031】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の好ましい実施形態の一例を図面を参照して説明する。
【0032】
図1は、本発明の一実施形態に係る切削加工用アルミニウム合金押出材(1)の斜視図である。図2は、前記押出材(1)が切削加工されることにより、製作された棒状切削加工品(2)の斜視図である。この切削加工品(2)は、自動車部品用バルブ材として、自動車のトランスミッション用スプール弁に用いられるものである。
【0033】
押出材(1)は、図1に示すように、所定の長さを有する棒状(詳述すると長尺な丸棒状)に形成されている。
【0034】
この押出材(1)の製造方法について説明すると、次のとおりである。
【0035】
まず、押出用ビレットを鋳造により製造する。次いで、このビレットに均質化処理を施す。次いで、このビレットを押出機のコンテナに装填し、押出加工を行うことにより、前記押出材(1)を得る。その後、この押出材(1)に引抜加工、矯正加工及びエージングを順に施す。なお本発明では、押出材(1)の加工方法は、上述した方法に限定されるものではない。
【0036】
本発明では、この押出材(1)の構成材料であるアルミニウム合金の化学成分において、Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Cr、Zn及びTiの含有率をそれぞれ下記の範囲に設定する。
【0037】
Si:0.3〜1.0質量%
Fe:0.35質量%以下
Cu:0.1〜0.5質量%
Mn:0.07質量%以下
Mg:0.6〜1.5質量%
Cr:0.10質量%以下
Zn:0.30質量%以下
Ti:0.20質量%以下
Al及び不純物:残部
【0038】
各元素の含有率を上記の範囲に設定することにより、押出材(1)の組織がその横断面全面に亘って微細な再結晶組織になる。その結果、切削加工品の寸法バラツキが小さくなる。なお、前記不純物としては、製造上不可避の不純物が例示される。
【0039】
而して、上記押出材(1)は、Pbを実質的に含有していないので、Pbによる環境汚染を引き起こす虞はないという利点を有している。
【0040】
さらに、上記押出材(1)は、押出加工後の組織において、すでにその横断面全面に亘って微細な再結晶組織を有している。そのため、押出材(1)に施す加工工程を簡素化することができて、製作コストを引き下げることができる。
【0041】
上記押出材(1)において、各元素の作用及び各元素の含有率の限定理由について以下に説明する。
【0042】
<Siの作用>
Al中へのSi固溶量は少ないため、化合物形成に要する添加量以外のSiは、Si単体粒子として材料中に分散する。また、SiはMgと共存することにより、Mg2Si等の析出物を生成して合金の強度を高め、更に共晶Siが分散されることにより、切削加工性を向上させる。
【0043】
<Si含有率の限定理由>
Si含有率が0.3質量%未満の場合には、上記作用が少なく、切削加工性が低下する。一方、Si含有率が1.0質量%を超える場合には、塑性加工性(押出性)が低下し、また切削工具の寿命が低下する。
【0044】
<Feの作用>
Feは合金基地に固溶して、組織の再結晶化を抑制する。
【0045】
<Fe含有率の限定理由>
Feが0.35質量%を超える場合には、不均一な組織を生じる。そのため、切削加工を行った場合、切削加工品の寸法バラツキが大きくなる。
【0046】
<Cuの作用>
Cuは合金基地に固溶するとともに、Alと結合してCuAl2等の析出物として材料中に分散する。Cu添加は、機械的特性を向上させ、また他の固溶型元素との相乗効果により、切削加工性を一層向上させる。
【0047】
<Cu含有率の限定理由>
Cu含有率が0.1質量%未満の場合には、上記作用が少なく、切削加工性が低下する。一方、Cu含有率が0.5質量%を超える場合には、塑性加工性(押出性)や耐食性が低下する。
【0048】
<Mnの作用>
Mnは合金基地に固溶して、組織の再結晶化を抑制する。
【0049】
<Mn含有率の限定理由>
Mn含有率が0.07質量%を超える場合には、不均一な組織を生じる。そのため、切削加工を行った場合、切削加工品の寸法バラツキが大きくなる。
【0050】
<Mgの作用>
Mgは合金基地に固溶するとともに、過剰Si等と結合してMg2Si等の析出物として材料中に分散する。Mg添加は、機械的特性、特に耐力を向上させ、また他の固溶型元素との相乗効果により、切削加工性を一層向上させる。
【0051】
<Mg含有率の限定理由>
Mg含有率が0.6質量%未満では、上記作用が少なく、切削加工性が低下する。一方、Mg含有率が1.5質量%を超える場合には、合金溶湯の酸化がMgによって促進され、また塑性加工性(押出性)が低下する。
【0052】
<Crの作用>
Crは合金基地に固溶して、組織の再結晶化を抑制する。
【0053】
<Cr含有率の限定理由>
Cr含有率が0.10質量%を超える場合には、不均一な組織を生じる。そのため、切削加工を行った場合、切削加工品の寸法バラツキが大きくなる。
【0054】
<Znの作用>
Znは合金基地に固溶するとともに、Mgと結合してMgZn2等の析出物として材料中に分散する。Zn添加は、機械的特性を向上させ、また他の固溶型元素との相乗効果により、切削加工性を向上させる。
【0055】
<Zn含有率の限定理由>
Zn含有率が0.30質量%を超える場合には、塑性加工性(押出性)や耐食性が低下する。
【0056】
<Tiの作用>
Tiは鋳造組織を微細化し、微細な晶出物を形成して切削加工性を向上させる。
【0057】
<Ti含有率の限定理由>
Tiが0.20質量%を超える場合には、ビレット鋳造時の鋳造性が低下し、また粗大化合物の晶出により押出材に欠陥が生じ易くなる。
【0058】
特に、本発明では、Mn及びCr含有率をそれぞれ下記の範囲に設定することが望ましい。
【0059】
Mn:0.04質量%以下
Cr:0.07質量%以下
【0060】
Mn及びCr含有率を上記の範囲に設定することにより、押出材(1)の組織がその横断面全面に亘って確実に微細な再結晶組織になる。そのため、切削加工品(2)の寸法バラツキを確実に小さくすることができる。
【0061】
なお、Mn及びCr含有率の下限値は、限定されるものではないが、それぞれMn:0.005質量%及びCr:0.005質量%であることが望ましい。その理由は、Mn及びCr含有率がこの値未満である場合には、押出材(1)の材料として高純度塊を使用しなければならなくなるため、製造コストが高く付いてしまうからである。また、一部返り材を使用する等を考慮すると、Mn及びCr含有率の特に望ましい範囲は、それぞれMn:0.02〜0.04質量%及びCr:0.02〜0.07質量%である。
【0062】
さらに、本発明では、Fe含有率を下記の範囲に設定することが望ましい。
【0063】
Fe:0.2質量%以下
【0064】
Fe含有率を上記の範囲に設定することにより、押出材(1)の組織がその横断面全面に亘って更に確実に微細な再結晶組織になる。そのため、切削加工品(2)の寸法バラツキを更に確実に小さくすることができる。
【0065】
なお、Fe含有率の下限値は、限定されるものではないが、Fe:0.005質量%であることが望ましい。その理由は、Fe含有率がこの値未満である場合には、押出材(1)の材料として高純度塊を使用しなければならなくなるため、製造コストが高く付いてしまうからである。また、一部返り材を使用する等を考慮すると、Fe含有率の特に望ましい範囲は、Fe:0.1〜0.2質量%である。
【0066】
さらに、本発明では、Si、Cu、Mg、Zn及びTi含有率をそれぞれ下記の範囲に設定するのが望ましい。
【0067】
Si:0.40〜0.8質量%
Cu:0.15〜0.40質量%
Mg:0.8〜1.2質量%
Zn:0.25質量%以下
Ti:0.15質量%以下
【0068】
さらに、本発明では、不純物中にZrが含有されている場合には、Zr含有率を0.1質量%以下(好ましくは0.05質量%以下)に設定することが望ましい。こうすることにより、切削加工品(2)の寸法バラツキをより一層確実に小さくすることができる。
【0069】
而して、上記押出材(1)を切削加工することにより、図2に示した切削加工品(2)が製作される。切削加工手段としては、本実施形態では旋削加工が用いられる。この旋削加工は、NC旋盤等の様々な旋盤により行われる。
【0070】
なお本発明では、押出材(1)の切削加工手段は限定されるものではなく、加工手段として、前記の旋削加工をはじめ、平削り加工、フライス削り加工、穴開け加工、研削加工等の様々な切削加工が用いられる。
【0071】
以上で、本発明の好ましい一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではないことは言うまでもない。
【0072】
【実施例】
次に、本発明の具体的な実施例及び比較例を説明する。
【0073】
表1に示した組成(化学成分)を有するアルミニウム合金からなる押出用ビレットを常法に従い鋳造により製造した。このビレットの直径は200mmである。次いで、このビレットに均質化処理を施した。
【0074】
【表1】
【0075】
なお、同表中の化学成分において、その他の不純物としては、Zr等が挙げられる。これらの不純物元素の含有率は、いずれも0.05質量%以下に設定されている。
【0076】
次いで、これらのビレットを押出機のコンテナに装填し、押出温度510℃及び押出速度25m/分の押出条件で、押出加工を行うことにより、直径15mmの長尺な丸棒状押出材を得た。この場合における押出性、押出材の組織の状態、結晶粒の最大粒径及び結晶粒の平均粒径をそれぞれ調査した。押出性の評価方法、押出材の組織の評価方法、結晶粒の最大粒径の測定方法及び結晶粒の平均粒径の測定方法は、それぞれ次のとおりである。
【0077】
<押出性の評価方法>
押出材の表面欠陥の発生状況を調べ、押出性を評価した。
[評価基準]
○:表面欠陥なし
×:表面欠陥あり
【0078】
<押出材の組織の評価方法>
押出材の横断面における組織の状態を目視にて観察した。
[評価基準]
○:全面微細な再結晶組織
×:再結晶組織と繊維組織とが混在した組織
【0079】
<結晶粒の最大粒径の測定方法>
押出材の横断面を目視で観察し、最も大きいと思われる結晶粒5点を選択してそれらの粒径を測定した。そして、これらの測定値のうち最大値を結晶粒の最大粒径とした。
【0080】
<結晶粒の平均粒径の測定方法>
押出材の横断面にその直径となる仮想直線を引いたとき、該直線上に1mm間隔で存在する結晶粒の断面積についての円相当直径を算出した。そして、これらの円相当直径の平均値を結晶粒の平均粒径とした。
【0081】
次いで、これらの押出材に、直径が12.5mmになるように引抜加工を施してT3処理を行い、次いでこの押出材に人工時効処理を施してT8処理を行った。
【0082】
これらの押出材を試験片とし、切削加工性及び切削加工品の寸法精度をそれぞれ調査した。切削加工性の試験方法及び切削加工品の寸法精度の評価方法は、それぞれ次のとおりである。
【0083】
<切削加工性の試験方法>
超硬チップを用い、切削速度150m/min、送り速度0.25mm/rev及び切込み量1.0mmの切削条件で湿式切削を行った。この場合における切屑分断性(切屑100g当たりの切屑個数)を調べ、この切屑分断性をもって切削加工性を評価した。
[評価基準]
○:5000個以上
×:5000個未満
【0084】
<切削加工品の寸法精度の評価方法>
各試験片を旋削加工することにより、図2に示した棒状切削加工品(2)をそれぞれ30個ずつ製作した。次いで、切削加工品(2)の振れを測定し、この振れの精度(バラツキ)についての工程能力指数を算出し、この工程能力指数をもって切削加工品(2)の寸法精度を評価した。なお、この切削加工品(2)の寸法は、L=10mm、φ1=8.2mm、φ2=12.2mmである。
[評価基準]
切削加工品の振れの規格幅:20μm以下
◎:工程能力指数1.33以上
○:工程能力指数1.00以上1.33未満
×:工程能力指数1.00未満
【0085】
以上の評価結果を表2に示した。
【0086】
【表2】
【0087】
同表に示すように、押出材の組成において、Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Cr、Zn及びTi含有率が所定の範囲に設定されている場合には、該押出材はその横断面全面に亘って微細な再結晶組織を有するものとなるし、押出性が良く、また高い切削加工性を有していることを確認し得た。更には、この押出材を切削加工することにより、切削加工品の振れの精度(バラツキ)についての工程能力指数が高くなり、すなわち優れた寸法精度を有する切削加工品を製作できることを確認し得た。特に、Mn、Cr及びFe含有率が、それぞれ、Mn:0.04質量%、Cr:0.07質量%及びFe:0.2質量%以下である場合には、切削加工品の振れの精度が極めて高くなることを確認し得た。
【0088】
【発明の効果】
上述の次第で、各項の発明は以下の効果を奏する。
【0089】
[1]の発明によれば、優れた寸法精度を有する切削加工品を製作することができる押出材を提供できる。さらに、押出材に施す加工工程を簡素化することができて、製作コストを引き下げることができる。もとより、この押出材は、Pbを含有していないので、Pbによる環境汚染を防止することができる。
【0090】
[2]〜[5]の発明によれば、更に優れた寸法精度を有する切削加工品を製作することができる押出材を提供できる。
【0091】
[6]の発明によれば、優れた寸法精度を有するアルミニウム合金製切削加工品を提供できる。
【0092】
[7]の発明によれば、優れた寸法精度を有するアルミニウム合金製自動車部品用バルブ材を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る切削加工用アルミニウム合金押出材の斜視図である。
【図2】同押出材が切削加工されることにより、製作された切削加工品の斜視図である。
【符号の説明】
1…押出材
2…切削加工品
Claims (7)
- 押出加工後の組織において、全面微細な再結晶組織を有し、且つ、
Si:0.3〜1.0質量%、
Fe:0.35質量%以下、
Cu:0.1〜0.5質量%、
Mn:0.07質量%以下、
Mg:0.6〜1.5質量%、
Cr:0.10質量%以下、
Zn:0.30質量%以下、
Ti:0.20質量%以下
を含有し、残部Al及び不純物からなることを特徴とする切削加工用アルミニウム合金押出材。 - 結晶粒が最大粒径2mm以下及び平均粒径1mm以下である請求項1記載の切削加工用アルミニウム合金押出材。
- 押出加工後に引抜加工が施された請求項1又は2記載の切削加工用アルミニウム合金押出材。
- Mn:0.04質量%以下、Cr:0.07質量%以下を含有している請求項1〜3のいずれか1項記載の切削加工用アルミニウム合金押出材。
- Fe:0.2質量%以下を含有している請求項4記載の切削加工用アルミニウム押出材。
- 請求項1〜5のいずれか1項記載の押出材が切削加工されることにより、製作されていることを特徴とするアルミニウム合金製切削加工品。
- 請求項1〜5のいずれか1項記載の押出材が切削加工されることにより、製作されていることを特徴とする自動車部品用バルブ材。
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