JP2011038130A - 切削性および耐高温脆性に優れたアルミニウム合金 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な切削性と耐高温脆性とを有し、Ｐｂが無添加である、切削加工用のアルニウム合金を提供する。
【解決手段】Ｐｂが無添加である切削用アルミニウム合金において、合金中へのZn添加が耐高温脆性を低下させることに着目し、Ｃｕ：３〜６ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．０５〜０．１５ｍａｓｓ％、Ｂｉ：０．３〜１．５ｍａｓｓ％、Ｚｎ：０．０５ｍａｓｓ％未満を含み、残部がアルミニウムと不可避的不純物とからなる切削性に優れたアルミニウム合金とした。
【選択図】なし

Description

この発明は、切削性に優れた快削アルミニウム合金押出材、特にＰｂを添加することなく切削性を向上させ、耐高温脆性を向上させた快削アルミニウム合金押出材に関するものである。

周知のようにアルミニウム合金は一般に切削性が良好であるため、軸受け、光学部品、自動車部品など、切削加工が必要とされる部品、部材に従来から広く使用されている。このようなアルミニウム合金の切削加工においては、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、すなわち切粉分断性（以下、切削性という）が良好であることが望ましいとされている。

ところで従来、切削性に優れたアルミニウム合金材、いわゆる快削合金としては、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合金などの押出材が多用されている。しかしながら、近年は環境問題重視の観点から、Ｐｂを添加せずに切削性を向上させたアルミニウム合金が要求されるようになっている。そこで最近では、Ｐｂ−Ｂｉを添加したＪＩＳ２０１１合金（Ｐｂ−Ｂｉ添加）に代えて、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。

これら従来の快削合金においては、切削性を向上するためにＰｂ、Ｂｉ、Ｓｎなどの低融点金属を多く添加する傾向にあった。一方、低融点金属の多量の添加は、重切削加工下では被加工体に割れが生じるという問題が多々発生した。この傾向は、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。

特開２００６−０７７２９８公報 特開２００４−００３００７公報 特開２００４−００２９４７公報

２０１１合金は切削性の良いアルミニウム合金であり、電子機器部品、自動車部品、精密機械部品などの各種部品に広く使用されてきた。しかし、２０１１合金は切削性向上のためＰｂ、Ｂｉを添加した合金であり、環境問題からＰｂが無添加の切削性が向上された快削合金が開発されている。特に、Ｓｎ、Ｂｉを添加した快削合金は、今後主流になりつつある。しかし、Ｓｎが添加された快削合金は高温脆性が顕著で非常に割れやすい性質を持っている。一方、切削性を向上させるために、Ｓｎ、Ｂｉ添加量を多くすると同時にＺｎ添加による強度向上、切削性向上が試みられている。ところが、Ｚｎの添加はＺｎ無添加合金と比較し脆性が低下する傾向が見られ、特に高温化においてもその傾向は変らず、Ｓｎ−Ｂｉ添加合金と比べ、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｚｎ添加合金はより低い値を示す。

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、切削性を維持し、且つ高温脆性を軽減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。即ち、本発明は以下の通りである。

請求項１の発明は、Ｃｕ：３〜６ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．０５〜０．１５ｍａｓｓ％、Ｂｉ：０．３〜１．５ｍａｓｓ％、Ｚｎ：０．０５ｍａｓｓ％未満を含み、残部がアルミニウムと不可避的不純物とからなる切削性に優れたアルミニウム合金である。

請求項２の発明は、Ｓｉ：０．０５〜０．５ｍａｓｓ％、Ｆｅ：０．０５〜１．０ｍａｓｓ％を含む請求項１に記載の切削性に優れたアルミニウム合金である。

請求項３の発明は、Ｔｉ：０〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｂ：０〜０．０１ｍａｓｓ％を含む請求項１および２に記載の切削性に優れたアルミニウム合金である。

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、耐高温脆性に優れた快削アルミニウム合金である。

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％、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。

Ｓｎ、Ｂｉの低融点元素は、切削性を向上させる。すなわち、Ｓｎ、Ｂｉはアルミニウムにほとんど固溶しないため、化合物として存在する。この化合物が、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、切削性が向上すると考えられる。下限未満ではその効果が小さく、上限を超えると高温脆化による割れ感受性が高くなる。

Ｚｎは、合金中へのZn添加により耐食性が低下することが知られる。１２０℃以上の高温下においても２０１１の高温脆性と近いものとするためにはＺｎ含有量を０．０５ｍａｓｓ％未満とすることが好ましい。

Ｓｉは、本発明においては必須の添加元素ではないが、通常の不可避不純物レベルの量が含まれていてもよく、また、合金の強度を向上させるために意図的に添加してもよい。但し、添加量が０．５ｍａｓｓ％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。また押出性も低下する。より好ましくは、０．４％以下とするのがよい。

Ｆｅも、本発明においては必須の添加元素ではないが、通常の不可避不純物レベルの量が含まれていてもよく、また、合金の強度を向上させるために意図的に添加してもよい。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１．０ｍａｓｓ％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、０．７ｍａｓｓ％以下とするのがよい。

Ｔｉ含有量を０〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｂ含有量を０〜０．０１ｍａｓｓ％とするが、必要に応じて添加をすればよい。Tｉ、Ｂは、鋳造組織を微細化し、合金の強度、靭性を向上させる元素である。無添加ではこれらの効果がなく、０ｍａｓｓ％を超える添加により効果を発揮する。しかし、上限を超えると粗大化合物を形成し、強度低下、靭性低下を招く。好ましくは、Ｔｉを０．０５ｍａｓｓ％以下、Ｂを０．０１ｍａｓｓ％以下の範囲で添加することが好ましい。

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Ｍｇ、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。
Ｎｉ添加は、合金中に化合物を形成し、切削性を向上させるが、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。
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、０．５ｍａｓｓ％以下であることが望ましい。０．５％以上では熱間加工性を低下させるのみならず、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、切削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、強度が大きい方が切削性は優れるため、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、１６０℃×１４時間の時効処理を行い、T８とした。

切削試験：
このようにして得られた上記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。
切削試験結果を表１に示す。切削性の評価については、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（従来合金２０１１と同等以上）」は○、「切粉分断性が従来合金より劣るものの切粉が分断されているもの」は△、「切粉の長さが比較的長いもの、分断されにくく繋がっているもの」は×とした。
耐高温脆性結果を表１に示す。Ｓｎ、Ｂｉ、Ｐｂを添加した合金は高温下で高温脆化するが、ここではシャルピー衝撃試験による評価を行った。保持炉にて試験片温度を２００℃とした後、装置にセットし、評価を行った。「高温脆化が見られないもの（高温下においてもシャルピー衝撃値が急激に低下しないもの）」は○、「高温脆化が見られるものの従来合金２０１１と同程度のもの」は△、「高温脆性が従来合金２０１１より更に悪いもの」は×とした。
耐食試験は、塩水噴霧試験２００ｈｒによるピット深さにて評価を行った。ピット深さが「２０１１よりピット深さの浅いもの」を○、「２０１１とピット深さが同程度のもの」を△、「２０１１よりピット深さの深いもの」を×とした。ここでピット深さが同程度というのは、２０１１のピット深さに対し±１５％以内であることとした。
総合評価は、「切削性、耐高温脆性、耐食性の一つでも×がある」のものを×、「切削性、耐高温脆性、耐食性で×がなく切削性が△である」ものを△、「切削性、耐高温脆性、耐食性で×がなく切削性が○、耐高温脆性が△〜○、耐食性が○である」ものを○とした。
表１の結果から、請求項１〜３に示した成分で構成されたアルミニウム合金は、切削性、耐高温脆性、耐食性において、従来合金である２０１１と同等の特性を得ることを確認した。

Claims (3)

1. Ｃｕ：３〜６ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．０５〜０．１５ｍａｓｓ％、Ｂｉ：０．３〜１．５ｍａｓｓ％、Ｚｎ：０．０５ｍａｓｓ％未満を含み、残部がアルミニウムと不可避的不純物とからなる切削性に優れたアルミニウム合金。
2. Ｓｉ：０．０５〜０．５ｍａｓｓ％、Ｆｅ：０．０５〜１．０ｍａｓｓ％を含む請求項１に記載の切削性に優れたアルミニウム合金。
3. Ｔｉ：０〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｂ：０〜０．０１ｍａｓｓ％を含む請求項１または２に記載の切削性に優れたアルミニウム合金。