JP2007100137A - 耐高温脆化性に優れた快削アルミニウム合金 - Google Patents

Abstract

【課題】Ａｌ−Ｃｕ系合金において、Ｐｂを添加しなくても、一定の切削性を維持し、且つ高温脆化を抑制することのできる快削アルミニウム合金押出材を提供する。
【解決手段】Ｃｕ：３〜６ｍａｓｓ％、Ｂｉ：０．９〜３ｍａｓｓ％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物とからなり、かつ、シャルピー衝撃試験値が室温時の半分に低下する温度が180℃以上であることを特徴とする耐高温脆化性に優れた快削アルミニウム合金押出材。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｐｂを添加しない切削性に優れた快削アルミニウム合金押出材に関するものである。

アルミニウム合金は切削し易いため、この特性を生かして軸受け・光学部品・自動車部品などに用いられている。アルミニウム合金の切削においては、切屑処理性が重要視され、切粉が連続した長いものとならずに細かく分断されることが望ましいとされる。特に近年、横送り切削においては、製品の表面粗さを小さくするよう切削刃にすくい角を設けるようになったため、切粉と切削刃との衝突が緩やかになり、切粉が分断され難くなってきた。
従来、切削性に優れたアルミニウム合金としては、Al-Cu合金にPb、Biを添加したＪＩＳ２０１１合金や、Al-Mg-Si系合金にPb、Biを添加したＪＩＳ６２６２合金等の押出材が使用されてきた。しかし、近年の環境問題で、Ｐｂを添加しない切削性に優れたアルミニウム合金が要求されるようになった。そこで、ＪＩＳ２０１１合金（Ｐｂ−Ｂｉ添加）の代替として、Ｐｂを添加しないＳｎ−Ｂｉ添加合金が提案されており、切削性、耐食性などにおいてＪＩＳ２０１１合金とほぼ同等の性能を持つ快削アルミニウム合金が流通されつつある（特許文献１）。

しかしながら、これら従来の快削合金においては、高速切削等の重切削条件の下では被加工体に割れが生じるという問題があった。この問題は、被加工体が切削による発熱で例えば135℃以上といった高温になり、合金の脆化が起こることによる。この合金の脆化は、添加元素間の共晶温度付近で起こり、たとえばシャルピー衝撃試験値の温度依存性を測定することなどにより確かめられる。また、切削により成形した製品が高温下での使用においても脆性破壊を起こすことが懸念される。
さらに、Sn-Bi添加系の快削アルミニウム合金は、切削時のみならず、合金製造工程においても抽伸前の口付けや抽伸工程での割れなどが発生することがあり、生産性の低下を招いていた。
これらの傾向は、Pb-Bi添加系の快削アルミニウム合金でもみられていたが、Pbを使用しないSn-Bi添加系の快削アルミニウム合金においてさらに顕著であった。
特許第２７２６４４４号

上記の事情に鑑み、本発明は、Ａｌ−Ｃｕ系合金において、Ｐｂを添加しなくても、一定の切削性を維持し、且つ高温脆化を抑制することのできる快削アルミニウム合金押出材を提供することを目的とする。

本発明者らは鋭意検討の結果、下記手段により本発明の上記目的が達成されることを見出した。
すなわち、本発明は、

（１）Ｃｕ：３〜６ｍａｓｓ％、Ｂｉ：１〜３ｍａｓｓ％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物とからなり、かつ、シャルピー衝撃試験値が室温時の半分に低下する温度が180℃以上であることを特徴とする耐高温脆化性に優れた快削アルミニウム合金押出材、
（２）さらに、Ｓｉ：０．１〜１．５ｍａｓｓ％、Ｆｅ：０．１〜２．０ｍａｓｓ％のうち１種又は２種を含有することを特徴とする耐高温脆化性に優れた快削アルミニウム合金押出材、
によって上記課題を達成するものである。

本発明の快削アルミニウム合金押出材は、Ａｌ−Ｃｕ系合金において、Ｐｂを添加することなく従来の快削合金、例えばＪＩＳ２０１１合金等と同等の切削性を得ることができると共に、耐高温脆化性に優れ、かつ耐食性も優れたものである。

以下に、本発明の実施形態について説明する。
まず、本発明の快削アルミニウム合金における各添加元素の役割について説明する。
Ｃｕは、ＣｕＡｌ_２等の化合物によりアルミニウム合金の強度を向上させる元素である。そのアルミニウム合金中の含有量は、3.0〜6.0ｍａｓｓ％、好ましくは5.0〜6.0ｍａｓｓ％である。下限未満では強度向上の効果が小さく、上限を超えると合金鋳塊の外表面品質が低下するため、良好なアルミニウム合金押出材が得られない。
Ｓｉは、本発明においては必須の添加元素ではないが、合金の強度を向上させるために添加してもよい。但し、添加量が１．５ｍａｓｓ％を超えると、合金鋳塊の外表面品質が低下するため、良好なアルミニウム合金押出材が得られない。
Ｆｅも、本発明においては必須の添加元素ではないが、合金の強度を向上させるために添加してもよい。Ｆｅの添加により、アルミニウム合金中にＡｌ−Ｆｅ系の化合物が形成され、合金強度が上がるため、押出材の切削性が向上する。但し、添加量が2.0ｍａｓｓ％を超えると切削バイトの劣化を促進するため好ましくない。より好ましくは、1.0ｍａｓｓ％以下とするのがよい。
Ｂｉの添加は、アルミニウム合金押出材の切粉分断性を向上させる。その合金中の含有量は、0.9〜3.0ｍａｓｓ％、好ましくは1.0〜1.5ｍａｓｓ％である。
ここで、従来のPb-Bi添加合金やSn-Bi添加合金では、添加されるPb、Sn、Biなどの低融点金属はアルミニウムにほとんど固溶しないため、相互に化合物を作って存在する。これらの化合物が、切削や孔空け等の刃先での加工発熱により溶融し、切粉にノッチができるため、切粉分断性が向上すると考えられている。従来の快削アルミニウム合金の場合、Pｂ−Bi化合物の融点は１２５℃、Sn-Bi化合物の融点は１３９℃と低いため、加工発熱により溶融し、容易に切粉分断性を発揮する。一方で、これらの化合物は、融点が低いために、高温下で合金を脆くする働きを有する。

これに対し、本発明の快削アルミニウム合金押出材においては、Ｂｉを単独で添加する。Biの融点は２７１℃であり、Pb-Bi化合物やSn-Bi化合物に比べれば融点は高いので、切粉分断性はPb-Bi添加合金やSn-Bi添加合金には及ばないが、合金中にBiが単体で微細に分散した状態で存在するため優れた切粉分断性を示し、快削合金としては十分使用に耐えるものとなる。また、Biの融点が高いことによって、高温においても合金を脆化させにくい。従って、本発明の快削アルミニウム合金押出材は、Pbを使用しない快削アルミニウム合金として、高温脆化の問題のあったSn-Bi系添加合金に替えて用いることのできる、有用なものである。Ｂｉの含有量が０．９％未満ではBiの分散量が十分でなく、切削分断性に劣る。またＢｉを多くすると、Biの分散効果により切粉分断性が向上するが、その量が3.0ｍａｓｓ％を越えると、鋳造性が悪化するため、良好なアルミニウム合金押出材が得られない。
さらに、本発明の快削アルミニウム合金押出し材は、高温脆化が起こりにくい。具体的には、120〜200℃といった高温において、従来のSn-Bi又はPb-Bi添加快削アルミニウム合金のようにシャルピー衝撃試験値が急激に低下することがない。

次に、本発明の快削アルミニウム合金押出材は、その発明の効果を損なわない範囲でＮｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｍｎのうちの１種または２種以上を少量含んでも良いし、Ｚｎ、Ｔｉを少量含んでも良い。
Ｎｉ添加は、合金中に化合物を形成し、切粉分断性を向上させるが、添加量が多すぎると、粗大化合物を形成し易く、強度低下や靭性低下を招く。
Ｃｒ、Ｚｒ、Ｍｎ添加は、合金の再結晶粒を微細にし、強度向上、靭性向上に効果があるが、添加量が多すぎると粗大化合物を形成し強度低下や靭性低下を招く。Ｔｉ添加は、鋳造組織を微細化し、合金の強度向上、靭性向上の効果があるが、添加量が多すぎると粗大化合物を形成し、強度低下、靭性低下を招く。
また、合金強度向上のためにＭｇを添加してもよいが、その場合は、１．８ｍａｓｓ％以下であることが望ましい。Ｍｇは、高融点のＭｇ−Ｂｉ化合物を生成するため、Ｂｉが低融点元素として有効に使われないようになり、切粉分断性を阻害するためである。

なお、本発明合金では、製造条件や調質については、通常の製造条件で、用途に合わせて調質を選択すれば良い。例えば、熱間加工上がりのＴ１でも良いし、溶体化・人工時効を施したＴ６でも良いし、溶体化・冷間加工・人工時効を施したＴ８、T９でも良い。なお、強度が大きい方が切粉分断性は優れるため、溶体化後に冷間加工や人工時効を施すＴ３、Ｔ８、Ｔ９等の調質が特に望ましい。

次に実施例に基づき本発明を詳細に説明する。
表１に示す組成の合金を溶解し、直径２２０ｍｍの鋳塊を得た。この鋳塊に４８０℃で６時間の均質化処理を施した。この鋳塊を４００℃の押出により直径３５ｍｍの押出丸棒としたものを作製した。その各々を５００℃で２時間の溶体化の後、直ちに水焼入れした。さらに、抽伸により３０mmの丸棒としたのち、所定の時効処理を行い、表１に示す調質材とした。なお、Ｔ８処理における時効条件は、160℃・14時間とした。

このようにして得られた上記試験合金押出材について切削試験、耐食試験及びシャルピー衝撃試験の各試験を行った。
（１）切削試験
上記の試験合金押出材を用いて、外削による切削試験を行なった。切削条件は、回転数２０００ｒｐｍ、切込み量１ｍｍ、送り量０．０４ｍｍ／ｒｅｖ．である。
（２）耐高温脆化性
試験合金押出材を用いて、室温から200℃までの所定温度でシャルピー衝撃試験を行った。
（３）耐食試験
試験合金押出材を用いて、JIS2371塩水噴霧試験を200時間行い、重量減少率及び孔食深さを測定した。
（４）硬さ測定
試験合金押出材を用いてビッカース試験を行った。荷重は５ｋｇとした。

切削試験結果を表１に示す。切粉分断性の評価に当たっては、切粉100個当たりの重量測定及び切粉形状の目視検査を行ったが、最終的な切粉分断性の判断は切粉の形状の目視検査の結果から行った。目視検査の判断基準は次のとおりである。「切粉が細かく非常に良好なもの」は◎、「切粉の長さが短めで従来の快削合金に近いもの」は○、「切粉の長さが比較的長いもの」は△、「切粉が分断されにくく繋がっているもの」は×とした。表１の結果から判るように、Biを単独添加した本発明合金Ｎｏ．１〜７は、Sn-Bi添加合金（従来快削合金８、８‘）及びPb-Bi添加合金（従来快削合金９、９’）とほぼ遜色ない切粉分断性を示した。なお、本発明合金４、４‘、５、５’のように、Pb又はSnが微量含まれてしまう場合でも、0.01％程度以下であれば本発明の範囲に含まれるものとする。
一方、比較合金No.10〜15、18、19では、Bi添加量が本発明の下限規定量0.9mass％に満たないため、合金中のBiの分散量が十分に得られなかったことによって、切粉分断性に劣っていた。また、比較合金No.16〜18では、Cu添加量が本発明の下限規定量3.0%に満たないため、合金強度が十分に得られなかったことによって、切粉分断性に劣っていた。
次に、シャルピー衝撃試験結果を図１に示す。従来の快削合金（Sn-Bi添加合金、Pb-Bi添加合金）は、いずれも130℃前後で、シャルピー衝撃試験値が急激に低下しているのに対し、本発明合金（Bi単独添加合金）及び比較合金（Sn単独添加合金）は、より高温まで衝撃試験値の顕著な低下が見られなかった。また、Sn単独添加合金においてはシャルピー衝撃試験値が室温時の半分に低下する温度は約170℃となったが、Bi単独添加合金においては、試験を行った200℃までの温度範囲ではシャルピー衝撃試験値は室温時の半分まで低下しておらず、Bi単独添加合金が特に高温脆化が起こりにくいことを示している。

次に、耐食試験の結果を図２及び図３に示す。図２は、200時間塩水噴霧後の重量減少率である。図２において、本発明合金(Bi単独1.0%添加及びBi単独1.5%添加)は、従来快削合金(Sn-Bi添加)と同程度すなわち0.4%程度の重量減少率を示している。また、図３は、200時間塩水噴霧後の孔食深さである。図３において、本発明合金(Bi単独1.0%添加及びBi単独1.5%添加)は、孔食深さとして300μm以下の値が得られている。以上の結果より、本発明のBi単独添加快削合金が従来の快削合金と同等又はそれ以上の耐食性を持つことが示された。

図１は実施例の合金及び比較例、従来例の各合金についての、温度とシャルピー衝撃試験値との関係を示すグラフである。 図２は、本発明合金及び従来の快削合金についての塩水噴霧試験結果（重量減少率）を示すグラフである。 図３は、本発明合金及び従来の快削合金についての塩水噴霧試験結果（孔食深さ）を示すグラフである。

Claims (2)

1. Ｃｕ：３〜６ｍａｓｓ％、Ｂｉ：０．９〜３ｍａｓｓ％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物とからなり、かつ、シャルピー衝撃試験値が室温時の半分に低下する温度が180℃以上であることを特徴とする耐高温脆化性に優れた快削アルミニウム合金押出材。
2. さらに、Ｓｉ：０．１〜１．５ｍａｓｓ％、Ｆｅ：０．１〜２．０ｍａｓｓ％のうち１種又は２種を含有することを特徴とする請求項１に記載の耐高温脆化性に優れた快削アルミニウム合金押出材。
   

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