JP2015030856A - 切削用アルミニウム合金押出材 - Google Patents
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Abstract
Description
一方、特許文献1〜7には、エンジン、コンプレッサー等の部品の製造に適するJIS2000(Al−Cu−Mg)系アルミニウム合金押出材が記載されている。特許文献1〜7によれば、これらのAl−Cu−Mg系アルミニウム合金押出材は、Mn,Zr,Cr等の添加、Cu及びMg含有量の増加、あるいは希土類,Be等の添加により、A2618合金に比べて耐熱性や疲労特性に優れるとされている。
上記押出材がターボチャージャーインペラー等の回転部材の製造に用いられる場合には、押出材(丸棒)から押出方向と回転部材の軸方向が平行になるように削り出される。従って、インペラー等の高速回転部品には、押出材の押出方向に対し垂直方向(LT方向)に、遠心力による繰り返し荷重が発生する。このため、押出材の押出方向に対し垂直方向(LT方向)の強度及び疲労特性が問題となる。
一方、インペラー等の高速回転部品では、疲労強度の低い押出材の半径方向に対し繰り返し荷重が発生するため、部品の耐疲労特性を確保するには、半径方向に肉厚を増加させる必要がある。しかし、それは部品の重量増につながり、軽量化が求められる自動車部品として望ましくない。
σWLT/TSLT>σWL/TSL ・・・(1)
ここで、σWLT:LT方向(押出方向に対し垂直方向)の疲労強度、
σWL:L方向(押出方向)の疲労強度、
TSLT:LT方向の引張強度、
TSL:L方向の引張強度である。
このAl−Cu−Mg系アルミニウム合金押出材は、上記化学組成及び上記式(1)を満たすことで、押出方向に対し垂直方向(LT方向)に、140MPa以上の高い疲労強度を示す。
本発明に係る切削用アルミニウム合金押出材を切削してインペラーなどの回転部材を製造する場合、使用時に遠心力がかかる方向が押出材のLT方向となる。本発明に係る切削用アルミニウム合金押出材はLT方向に高い疲労強度を有し、一方、切削加工により製造される部材では切削前の強度異方性が維持されるから、本発明に係る切削用アルミニウム合金押出材を使用することで、A2618等の従来材に比べ回転部材の疲労特性を改善することができる。
また、本発明に係る切削用アルミニウム合金押出材は、高い高温強度を有するとともに、160℃でのLT方向の高温疲労強度(1×107回で破断しない応力)で、応力振幅90N/mm2超が達成できる。
[合金組成]
Cu:2.9〜5.5質量%
Cuは、Al−Cu−Mg系アルミニウム合金押出材の常温及び高温強度を向上させるのに必要不可欠の元素である。Cuの含有量が2.9質量%未満では強度向上の効果が少なく、5.5質量%を越えて含有すると押出加工性が劣化する。従って、Cu含有量は2.9〜5.5質量%とする。好ましくは3.0〜4.5質量%、さらに好ましくは3.4〜4.5質量%である。
MgはCuと同様、Al−Cu−Mg系アルミニウム合金押出材の常温及び高温強度を向上させるのに必要不可欠の元素である。Mgの含有量が1.0質量%未満では強度向上の効果が少なく、一方、2.5質量%を越えて含有すると押出加工性が劣化する。また、Mg含有量が1.0質量%以上となることで再結晶化が進む。さらに晶出物分布が均一化し、疲労強度の改善にもつながる。従って、Mg含有量は1.0〜2.5質量%とする。好ましくは、1.2〜2.2質量%である。
Niは、Al−Cu−Mg系アルミニウム合金押出材の常温及び高温強度を向上させる元素である。Niの含有量が0.5質量%未満では強度向上の効果が少なく、一方、3.0質量%を越えると合金中のCuと結びつき晶出物となるため、逆に強度が低下する。従って、Ni含有量は0.5〜3.0質量%とする。好ましくは、0.9〜1.5質量%である。
Feは、Al−Cu−Mg系アルミニウム合金押出材の高温強度を向上させる元素である。Feの含有量が0.5質量%未満ではその効果が少なく、一方、1.5質量%を越えて含有すると巨大晶出物が発生し、強度は低下する。従って、Fe含有量は0.5〜1.5質量%とする。好ましくは0.8〜1.2質量%である。
Cr:0.05〜0.3質量%
Zr:0.05〜0.3質量%
V:0.05〜0.3質量%
Mn,Cr,Zr,Vは、アルミニウム合金押出材を繊維組織化し、再結晶化を抑制する元素であり、常温から高温においてアルミニウム合金押出材の強度を向上させ、また、後述するように押出材の疲労強度を高くするために必須の元素である。Mn,Cr,Zr,Vの個々の含有量が、上記範囲の下限値未満では強度向上の効果が少なく、一方、上記範囲の上限値を越えて含有すると巨大晶出物が発生し、押出材の強度は低下する。また、Mn,Cr,Zr,Vの1種又は2種以上の合計含有量が0.7質量%を超えると、同様に巨大晶出物が発生し、押出材の強度が低下する。従って、Mn,Cr,Zr,Vの含有量は上記範囲とし、これらの1種又は2種以上の合計含有量は0.7質量%以下とする。Mn,Cr,Zr,Vの好ましい含有量は、Mn含有量が0.15〜0.35質量%、Cr含有量が0.1〜0.25質量%、Zr含有量が0.1〜0.25質量%、V含有量が0.1〜0.25%である。
Siは、時効処理(190〜200℃程度)でMgと金属間化合物Mg2Siを生成し、強度を向上させる元素であり、本発明合金に必要に応じて添加され、又は不可避不純物として含有される。一方、Mg2Siは高温での使用が続くうちに粗大化し、これにより特に高温強度及び疲労強度が低下する可能性がある。添加元素又は不可避不純物としてのSi含有量を0.4%以下に制限することにより、Mg2Siの生成そのものを抑え、高温使用に伴うMg2Siの粗大化を回避し、エンジン、コンプレッサー等の回転、直動部材の高温強度及び疲労強度の低下(高温不安定性)を防止することができる。Si含有量は、好ましくは0.30質量%以下である。
Tiは、鋳塊組織を微細化して機械的性質を安定化させる元素である。しかし、含有量が0.15%質量以上では粗大なAl−Ti系晶出物を生成し、強度を低下させる。また含有量が0.005%以下では効果が得られない。従って、Ti含有量は0.005〜0.15質量%であり、好ましくは0.01〜0.1質量%である。
不可避不純物
実操業のアルミニウム合金には、種々の不可避不純物元素が含まれるが、本発明に係るAl−Cu−Mg系アルミニウム合金でも、JIS2000系アルミニウム合金とほぼ同様に、Znが0.05質量%未満、Pb,Bi,Snが個々に0.01質量%未満、その他の元素が個々に0.05質量%未満、Siを除く不可避不純物トータルで0.15質量%未満であれば特に問題は生じない。
疲労比とは、疲労強度と引張強度の比である。
本発明のAl−Cu−Mg系アルミニウム合金押出材は、前記式(1)に示すように、押出方向に垂直な方向(LT方向)の疲労比(σWLT/TSLT)が、押出方向(L方向)の疲労比(σWL/TSL)よりも高い。本発明のAl−Cu−Mg系アルミニウム合金押出材は、前記式(1)を満たすことで、押出方向に対し垂直方向(LT方向)に、140MPa以上の高い疲労強度を示す。
前記組成のアルミニウム合金を溶解し、DC鋳造によりビレットに造塊する。
得られたビレットについて、450〜520℃の温度で1〜20hの均質化処理を行う。450℃未満の温度では十分な均質化が得られない。また、520℃を超える温度では、偏在するミクロ偏析が共晶融解を起こすため、疲労強度低下の原因となる。均質化処理時間が1h未満では十分な均質化が得られず、20hを超える均質化処理は、熱処理炉の占有時間が長くなり製造コストを増大させる。好ましくは450〜520℃、5〜15hの均質化処理を行う。
押出温度が320℃未満では、加工ひずみが材料内部に蓄積され、溶体化処理を行う際に結晶粒の粗大化が生じ強度が低下する。押出温度が500℃を超えると、加工変形中の加工発熱が加わり、部分的に共晶融解が発生して疲労強度が低下する。望ましい押出温度は350〜450℃である。
押出速度が2m/sec未満では、生産性が低く実用的ではない。押出速度が8m/secを超えると、加工発熱のため結晶粒の粗大化が生じるため、疲労強度が低下する。望ましい押出速度は2.5〜5m/secである。
押出比が20未満では、導入される加工ひずみが小さいため、微細な結晶粒が得られない。押出比が40を超えると、加工ひずみが大きく、加工発熱で結晶粒の粗大化が生じ疲労強度が低下する。望ましい押出比は25〜35である。
押出温度、押出速度及び押出比の3つの条件を上記のとおり組合せたとき、LT方向の疲労比がL方向の疲労比より高いAl−Cu−Mg系アルミニウム合金押出材を得ることができる。ただし、その理由は明確ではない。
溶体化処理後、焼き入れを行い、その後、人工時効処理を行う。人工時効処理は、190〜200℃×5〜25h程度の通常の条件で行えばよい。
前記組成のAl−Cu−Mg系アルミニウム合金に、以上説明した製造方法を適用することにより、LT方向の疲労比(σWLT/TSLT)を高め、とL方向の疲労比(σWL/TSL)が前記式(1)の関係を有するアルミニウム合金押出材を得ることができる。
供試材から、長手方向が押出方向に平行方向(L方向)の引張試験片と、押出方向に垂直方向(LT方向)の引張試験片を採取し、常温にて、クロスヘッドスピード2mm/分で引張試験を実施した。
供試材から、長手方向が押出方向に平行方向(L方向)の疲労試験片と、押出方向に垂直方向(LT方向)の疲労試験片を採取し、小野式回転曲げ疲労試験を実施した。試験片は押出材の中心部から機械加工により採取した後、試験片中央部の表面をエメリー紙で研磨し、最後に#2400番のエメリー紙で研磨して平滑とした。疲労試験は、小野式回転曲げ小型試験機を用いて室温(20℃)、大気中で行った。応力振幅は両振り(応力比R=−1)の正弦波で実施した。
一方、アルミニウム合金の組成(特にMn,Cr,Zr,Vの合計含有量)が本発明の規定を外れるNo.13,14と、製造方法(特に押出条件)が本発明の規定を外れるNo.15〜20は、いずれもLT方向の疲労比がL方向の疲労比より低く、LT方向の疲労強度が140N/mm2に達していない。
Claims (3)
- Cu:2.9〜5.5質量%、Mg:1.0〜2.5質量%、Ni:0.5〜3.0質量%、Fe:0.5〜1.5質量%、Si:0.4質量%以下、Ti:0.005〜0.15質量%を含み、さらにMn:0.05〜0.6質量%、Cr:0.05〜0.3質量%、Zr:0.05〜0.3質量%、V:0.05〜0.3質量%の1種又は2種以上を合計で0.7質量%以下含み、残部Al及び不可避不純物からなり、下記式(1)を満たすことを特徴とする切削用アルミニウム合金押出材。
σWLT/TSLT>σWL/TSL ・・・(1)
ここで、σWLT:LT方向の疲労強度、
σWL:L方向の疲労強度、
TSLT:LT方向の引張強度、
TSL:L方向の引張強度である。 - 請求項1に記載された切削用アルミニウム合金押出材を用いて切削加工を行ったアルミニウム合金部材。
- Cu:2.9〜5.5質量%、Mg:1.0〜2.5質量%、Ni:0.5〜3.0質量%、Fe:0.5〜1.5質量%、Si:0.4質量%以下、Ti:0.005〜0.15質量%を含み、さらにMn:0.05〜0.6質量%、Cr:0.05〜0.3質量%、Zr:0.05〜0.3質量%、V:0.05〜0.3質量%の1種又は2種以上を合計で0.7質量%以下含み、残部Al及び不可避不純物からなるアルミニウム合金ビレットに対し、450〜520℃の温度で1〜20時間の均質化処理を行った後、押出温度320〜500℃、押出速度2〜8m/sec、押出比20〜40の条件で押出成形し、得られた押出材に対し480〜540℃で0.5〜4時間の溶体化処理を行った後、時効処理を行うことを特徴とする切削用アルミニウム合金押出材の製造方法。
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