JP2006077298A - 切削性に優れたアルミニウム合金材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【目的】 ＳｎとＢｉを共存させたＡｌ−Ｃｕ系合金材、とくに棒材、管材または線材において、さらに優れた切削性をそなえ、過酷な切削条件を負荷する重切削時においても割れを生じることなく、良好な切削性を得ることを可能とする切削性に優れたアルミニウム合金材およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 Ｃｕ：３．５〜６．０％、Ｓｎ：０．０５〜１．０％、Ｂｉ：０．０５〜１．５％を含有するＡｌ−Ｃｕ−Ｓｎ−Ｂｉ系合金材であって、該合金を５１５℃で溶体化処理後、水焼入れし、加工度１５％の冷間引き抜き加工を行い、ついで１６０℃で４時間の時効処理を施した場合に得られる耐力の９５〜６０％の耐力を有する。溶体化処理、水焼入れ後、冷間引き抜き加工を行い、ついで１７０〜２４０℃で１〜１５時間の過時効処理を施す。
【選択図】 なし

Description

本発明は、切削性に優れたアルミニウム合金材、詳しくは、切削加工時に切り屑が細かく分断され、重切削しても割れが生じ難い切削加工性に優れたＡｌ−Ｃｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金材およびその製造方法に関する。

従来、切削用高強度アルミニウム合金として広く使用されているＡｌ−Ｃｕ系の２０１１合金には、切削性を向上させる目的で、低融点元素のＰｂ、Ｂｉが添加されているが、近年、Ｐｂによる公害問題が採り上げられ、地球環境問題の観点から、有害物質とされるＰｂを含有しない切削用アルミニウム合金の開発が要請され、Ｐｂに代えてＳｎを添加し、ＳｎとＢｉを共存させたＡｌ−Ｃｕ系の切削用アルミニウム合金が提案されている（特許文献１、特許文献２参照）。

これらのアルミニウム合金は、押出加工、引き抜き加工により棒材、管材、線材とし、通常、溶体化処理、焼入れ後、冷間引き抜き加工などの冷間加工を行い、ついで、例えば１５５〜１６５℃で１〜１５時間の時効処理を施したＴ８調質材として使用されており、従来の２０１１合金に相当する強度と、切削性において２０１１合金と同等の切り屑の分断性をそなえている。

しかしながら、重切削、とくに切削時に被削材の温度が上昇したり、大きな切削応力が負荷される切削条件の場合に、被削材に割れが生じ易いという問題があり、割れの発生を防止するために、切削時のバイトの送り速度を遅くしたり、被削材の冷却を多くしたり、切削条件を調整するなどの対応策を講じている。また、ＳｎとＢｉを共存させたアルミニウム合金の切削性をさらに高めるために、押出加工の押出比を規定し、溶体化処理前に２０％以上の冷間加工を行い、溶体化処理後１０％以上の冷間加工を行い、ついで時効処理を施す手法も提案されている（特許文献３参照）。
アメリカ特許第５，８０３，９９４号明細書 アメリカ特許第６，１１３，８５０号明細書 特許第２，７２６，４４４号公報

発明者らは、ＳｎとＢｉを共存させたＡｌ−Ｃｕ系合金の成分組成、製造条件を見直し、切削性との関係についてさらに検討を加えた結果としてなされたものであり、その目的は、一層優れた切削性が与えられ、過酷な切削条件を負荷する重切削時においても割れを生じることなく、良好な切削性を得ることを可能とする切削性に優れたアルミニウム合金材およびその製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための請求項１による切削性に優れたアルミニウム合金材は、Ｃｕ：３．５〜６．０％、Ｓｎ：０．０５〜１．０％、Ｂｉ：０．０５〜１．５％を含有するＡｌ−Ｃｕ−Ｓｎ−Ｂｉ系合金材であって、該合金を５１５℃で溶体化処理後、水焼入れし、加工度１５％の冷間引き抜き加工を行い、ついで１６０℃で４時間の時効処理を施した場合に得られる耐力の９５〜６０％の耐力を有することを特徴とする。

請求項２による切削性に優れたアルミニウム合金材は、請求項１において、前記Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｎ−Ｂｉ系合金が、Ｃｕ：３．５〜６．０％、Ｓｎ：０．０５〜１．０％、Ｂｉ：０．０５〜１．５％を含有し、残部Ａｌおよび不純物からなり、該不純物中のＦｅが０．７０％以下、Ｓｉが０．４０％以下に制限されていることを特徴とする。

請求項３による切削性に優れたアルミニウム合金材は、請求項１において、前記Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｎ−Ｂｉ系合金が、Ｃｕ：３．５〜６．０％、Ｓｎ：０．０５〜１．０％、Ｂｉ：０．０５〜１．５％を含有し、さらにＭｇ：１．０％以下、Ｚｎ：０．６％以下、Ｔｉ：０．３％以下、Ｍｎ：０．３％以下、Ｃｒ：０．３％以下、Ｚｒ：０．３％以下、Ｖ：０．３％以下のうちの１種または２種以上を含有し、残部Ａｌおよび不純物からなり、該不純物中のＦｅが０．７０％以下、Ｓｉが０．４０％以下に制限されていることを特徴とする。

請求項４による切削性に優れたアルミニウム合金材の製造方法は、請求項１〜３のいずれかに記載のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｎ−Ｂｉ系合金材を、溶体化処理、水焼入れ後、冷間引き抜き加工を行い、ついで１７０〜２４０℃で１〜１５時間の過時効処理を施すことを特徴とする。

本発明によれば、ＳｎとＢｉを共存させたＡｌ−Ｃｕ系合金材、とくに棒材、管材または線材において、さらに優れた切削性をそなえ、過酷な切削条件を負荷する重切削時においても割れを生じることなく、良好な切削性を得ることを可能とする切削性に優れたアルミニウム合金材およびその製造方法が提供される。

本発明における合金成分の意義および限定理由について説明すると、Ｃｕは、合金マトリックス中に固溶あるいは析出することによって、強度を高め、それによって切削性を向上させるよう機能する。Ｃｕの好ましい含有量は３．５〜６．０％の範囲であり、３．５％未満では過時効処理の効果が小さく、６．０％を超えて含有すると、析出が多くなるため過度の過時効処理が必要となる。

ＳｎおよびＢｉは、ＳｎとＢｉの低融点化合物を形成し、切削性を向上させるよう機能する。ＳｎおよびＢｉの好ましい含有量は、それぞれＳｎ：０．０５〜１．０％、Ｂｉ：０．０５〜１．５％の範囲であり、それぞれ下限値未満では切削時の切り屑の分断性が劣り、上限値を超えると、割れ感受性が高くなって過時効処理の効果が得難くなる。

選択成分としてのＴｉは鋳塊組織を微細化するよう作用する。Ｔｉの好ましい含有量は０．３％以下の範囲であり、０．３％を超えると粗大な化合物を生成し易くなり、靱性が低下する。下限値は０．００５％とするが好ましい。

Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖは、均質化処理時に合金マトリックス中に金属間化合物として析出し、熱間加工時の再結晶粒を微細化し、切削性を向上させるよう機能する。好ましい含有量はそれぞれ０．３％以下の範囲であり、０．３％を超えると粗大な化合物を生成し易くなり、靱性が低下する。

Ｚｎ、Ｍｇは、合金マトリックス中に固溶して強度を高め、それによって切削性を向上させるよう機能する。ＺｎおよびＭｇの好ましい含有量は、それぞれＺｎ：０．６％以下、Ｍｇ：１．０％以下の範囲であり、Ｚｎ：０．６％、Ｍｇ：１．０％を超えると、押出性が低下する。

本発明のアルミニウム合金材において、切削性の観点から、不純物のうち、Ｆｅは０．７０％以下、Ｓｉは０．４０％以下、その他の不純物はそれぞれ０．０５％以下の範囲に制限することが必要である。

本発明の好ましい形態において、アルミニウム合金材は、押出加工、引き抜き加工により、棒材、管材または線材として供給され、例えば５００〜５４０℃の温度で溶体化処理し、焼入れ（水冷）後、加工度５〜３０％、好ましくは加工度１０〜２０％の冷間引き抜き加工を行い、ついで１７０〜２４０℃の温度で１〜１５時間、好ましくは１〜１０時間の過時効処理を施す。

上記の処理により、Ａｌ₂ Ｃｕ相が微細に析出した後、この相が粗大に成長して、通常の熱処理条件（５１５℃で溶体化処理後、水焼入れし、加工度１５％の冷間引き抜き加工を行い、ついで１６０℃で４時間の時効処理を施す）で得られる最高強度に比べて強度低下が生じ、その耐力は最高強度における耐力の９５〜６０％（１９０〜３１５ＭＰａ程度の耐力）となる。

上記の強度低下により重切削時に割れが生じなくなる理由は、従来の熱処理条件で得られる最高強度材は、合金マトリックスの結晶粒内も結晶粒界も共に硬化状態となるから、重切削した場合、結晶粒界に応力が集中して結晶粒界から割れが発生するが、過時効処理により結晶粒内の硬度を低下させることによって、切削時の負荷応力は結晶粒内でも吸収され割れが防止されるものと推定される。耐力を最高強度における耐力の９５〜６０％とすることにより、割れを防止するとともに、十分な強度を与えることができる。

過時効処理の温度が１７０℃未満では過時効となって強度低下が生じるまでに長時間を要するため生産能率の点で好ましくない。過時効処理の温度が２４０℃を超えると、短時間で耐力低下が生じるため強度が安定せず、工業生産上好ましくない。過時効処理の時間が１時間未満では、工業生産において熱処理温度の均一性が劣るため得られる強度が安定せず、１５時間を超えると生産能率が低下し、工業生産上好ましくない。

以下、本発明の実施例を説明する。この実施例は、本発明の一実施態様であり、本発明はこれに限定されるものではない。

実施例１、比較例１
連続鋳造により、表１に示す組成を有するアルミニウム合金を押出用ビレット（直径：９０ｍｍ）に造塊し、常法に従って均質化処理を施した後、熱間押出加工を行って、直径２０ｍｍの押出棒を作製した。

この押出棒について、５１５℃の温度で溶体化処理、水焼入れ後、直径１８．４ｍｍまで冷間引き抜き加工を行い、ついで表２に示す条件で時効処理（過時効処理）を施し、この時効処理材を試験材として、以下の方法で切削性（切り屑の分断性、切削割れの有無）を評価した。結果を表２に示す。

切削性の評価：長さ５０ｍｍに切断した試験材を、直径１６ｍｍの汎用ドリル（先端角：１２０°）で回転数１２００ｒｐｍ、送り速度１６０ｍｍ／分の条件で、切削油無しで、押出方向と平行な方向に穴あけ加工し、切り屑の分断性を評価し、切削割れの有無を観察した。切り屑の分断性は、切り屑がすべて２０ｍｍ未満のものは良好（○）、２０ｍｍを超える切り屑が生じたものは不良（×）とし、切削割れが認められなかったものは○、切削割れが認められたものは×とした。

表２にみられるように、本発明に従う試験材Ｎｏ．１〜１１はいずれも、切削試験において、切り屑が微細に分断され、切削割れも認められなかった。これに対して、試験材Ｎｏ．１２は従来の時効処理を施した最高耐力材、試験材Ｎｏ．１３は亜時効材であるため、切り屑が微細に分断されたが、いずれも切削割れが認められた。試験材Ｎｏ．１４は過時効処理の温度が高いため、耐力の低化が大きく切り屑の分断性が劣っている。

Claims (4)

1. Ｃｕ：３．５〜６．０％（質量％、以下同じ）、Ｓｎ：０．０５〜１．０％、Ｂｉ：０．０５〜１．５％を含有するＡｌ−Ｃｕ−Ｓｎ−Ｂｉ系合金材であって、該合金を５１５℃で溶体化処理後、水焼入れし、加工度１５％の冷間引き抜き加工を行い、ついで１６０℃で４時間の時効処理を施した場合に得られる耐力の９５〜６０％の耐力を有することを特徴とする切削性に優れたアルミニウム合金材。
2. 前記Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｎ−Ｂｉ系合金が、Ｃｕ：３．５〜６．０％、Ｓｎ：０．０５〜１．０％、Ｂｉ：０．０５〜１．５％を含有し、残部Ａｌおよび不純物からなり、該不純物中のＦｅが０．７０％以下、Ｓｉが０．４０％以下に制限されていることを特徴とする請求項１記載の切削性に優れたアルミニウム合金材。
3. 前記Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｎ−Ｂｉ系合金が、Ｃｕ：３．５〜６．０％、Ｓｎ：０．０５〜１．０％、Ｂｉ：０．０５〜１．５％を含有し、さらにＭｇ：１．０％以下、Ｚｎ：０．６％以下、Ｔｉ：０．３％以下、Ｍｎ：０．３％以下、Ｃｒ：０．３％以下、Ｚｒ：０．３％以下、Ｖ：０．３％以下のうちの１種または２種以上を含有し、残部Ａｌおよび不純物からなり、該不純物中のＦｅが０．７０％以下、Ｓｉが０．４０％以下に制限されていることを特徴とする請求項１記載の切削性に優れたアルミニウム合金材。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｎ−Ｂｉ系合金材を、溶体化処理、水焼入れ後、冷間引き抜き加工を行い、ついで１７０〜２４０℃で１〜１５時間の過時効処理を施すことを特徴とする切削性に優れたアルミニウム合金材の製造方法。