JP3394698B2

JP3394698B2 - 高強度かつ良好な切削性を有する高成形性アルミニウム合金板

Info

Publication number: JP3394698B2
Application number: JP32699997A
Authority: JP
Inventors: 野口修
Original assignee: スカイアルミニウム株式会社
Priority date: 1997-11-12
Filing date: 1997-11-12
Publication date: 2003-04-07
Anticipated expiration: 2017-11-12
Also published as: JPH11140578A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、板材をプレス成形
により形作り、熱処理で高強度化すると同時に切削性を
良好にし、しかる後に切削加工により高い寸法精度に仕
上げ加工して使用する、高強度かつ良好な切削性を有す
る成形性に優れたアルミニウム合金板ならびにそれを用
いた製品に関する。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウム合金は非磁性、軽量という
基本的性質を有し、熱処理により高強度、高硬度の特性
を得ることができる。コンピューターやＶＴＲの様に磁
気を利用する装置の構造部材には非磁性であることが重
要であり、また弱電機器なども含め軽量、高強度である
ことは装置の軽量化、縮小化に極めて有効な材料であ
る。例えば、コンピュータのハードディスクモーターハ
ブなど非磁性、軽量で高強度という特性故にアルミニウ
ム合金が使われている。

【０００３】これらの部品は比較的難加工形状をしてい
る場合が多く、従来、鋳造、熱間鍛造あるいは冷間鍛造
などにより成形され、切削加工により仕上げ加工し、機
械部品としての寸法精度を確保している。使用されるア
ルミニウム合金はＡＣ５Ａ、ＡＣ８Ａ、ＡＣ８Ｂなどの
鋳造用合金、ＡＤＣ１２などのダイカスト用合金あるい
はＡ２０１４、Ａ２０２４、Ａ２２１９などの鍛造用合
金などである。

【０００４】上記の鋳造、熱間鍛造あるいは冷間鍛造な
どの加工方法は歩留まりが悪く、大量生産によるコスト
削減効果が小さいため生産コストが比較的高い。しか
し、寸法精度の確保に必要な切削加工性を重視するた
め、Ｓｉ、Ｃｕなどの合金成分を多く含有するアルミニ
ウム合金を使用するので、これらの方法でなければ形状
を形造るのが困難である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】２０００番系合金、例
えばＡ２０１４、Ａ２０２４などは高強度で良好な切削
性を有しており、圧延により板材としても製造できる。
従って、これら２０００系合金の圧延板材をプレス成形
し、仕上げの切削加工をおこなう方法もある。この方法
は大量生産が容易なため量産効果が大きく、歩留まりも
良いため生産コストも安くできる。ところが、これらの
合金は伸びが２０％程度しかなく、延性不足により成形
性が劣るため、形状が簡素でプレス成形が容易な部品に
しか適用できないという問題がある。

【０００６】本発明は上記従来技術の問題点を鑑みてな
されたもので、従来の２０００番系合金、例えばＡ２０
１４、Ａ２０２４などと同等の高強度と良好な切削性を
備え、延性が大きく、優れた成形性を有するアルミニウ
ム合金板を得ることを目的とし、もって従来は鋳造や鍛
造でのみ製造可能であった製品をプレス成形により製造
することを可能とし生産効率を向上させるものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】板材をプレス成形し、仕
上げ切削加工を行う生産方法を詳細に検討すると以下の
ような工程となる。アルミニウム合金は完全に再結晶し
たＯ材の状態でプレス成形に供される。Ｏ材でプレス成
形するのは種々のアルミニウム合金の調質の中でＯ材が
最も伸びが大きく、成形性に優れるためである。プレス
成形された成型品は強度向上、剛性向上、耐摩耗性向
上、切削性向上などの目的でＪＩＳにＴ６処理と規定さ
れる熱処理を行う。しかる後、切削加工により所定の形
状、寸法精度に加工する。本発明者らは上記の生産工
程、特にプレス成形にどの様な特性が必要かを詳細に検
討し、その特性を満足させるための材料を考え本発明に
至った。

【０００８】すなわち、本第一発明はＣｕを２．０wt％
以上６．０wt％以下、Ｍｇを０．２wt％以上２．０wt％
以下、Ｓｉを０．０５wt％以上０．５wt％以下、Ｃｒを
０．０５wt％以上０．３wt％以下、残部アルミニウムと
不可避の不純物からなるアルミニウム合金で、板厚方向
平均結晶粒径が８０μｍ以下であり、かつ、圧延方向お
よび圧延直角方向の平均結晶粒径が１５０μｍ以下であ
り、かつ、板厚方向平均結晶粒径に対する圧延方向およ
び圧延直角方向の平均結晶粒径の比がともに１：０．３
以上、１：３以下であることを特徴とする高強度かつ良
好な切削性を有する高成形性アルミニウム合金板であ
る。さらに、本発明は請求項１記載のアルミニウム合金
板を用いることを特徴とする電気電子機器用摺動部材、
電気電子機器用筐体、ジョイント部材である。

【０００９】

【発明の実施の形態】板材のプレス成形時の成形性が良
好であるためには種々の条件があるが、一定水準以上の
延性保持が必須条件である。しかるに２０００系合金板
はＯ材の伸びが２０％程度と延性に乏しく、プレス成形
時には延性不足に起因する亀裂や割れが発生し易かっ
た。本発明者らは成分と製造方法を工夫することで延性
の大きい、従って成形性が良好であり、しかも２０００
系合金の特徴である高強度と良好な切削性が劣化しない
組織を持つアルミニウム合金板の製造に成功した。

【００１０】まず本発明の各添加成分の作用について説
明する。

【００１１】Ｃｕを２．０wt％（以下wt％は重量％を表
すものとする）以上６．０wt％以下とする。Ｃｕは熱処
理により強度、硬度を高めひずみ硬化能を良くし切削性
を向上させる。また、Ｍｇと共に金属間化合物ＣｕＭｇ
Ａｌ₂を形成し、強度を向上させる。２．０wt％未満で
は熱処理をした場合の強度、硬度が十分ではなくなり切
削性を劣化させる。６．０wt％を超えて添加すると伸び
が極端に小さくなり、成形性が悪化する。また、圧延性
も非常に悪くなる。

【００１２】Ｍｇは０．２wt％以上２．０wt％以下とす
る。Ｍｇの添加はＯ材の強度バランスを改善し、ｎ値を
大きくするため、伸びを向上させる。また、Ｓｉと共に
化合物Ｍｇ₂Ｓｉを形成し、溶体化処理時の焼き入れ感
受性を改善し、Ｃｕと共に金属間化合物ＣｕＭｇＡｌ₂
を形成し、強度を向上させる。０．２wt％未満では伸び
の向上に効果が無く、また、焼き入れ感受性も改善され
ない。２．０wt％を超て添加すると切削性を劣化させ
る。

【００１３】Ｓｉは０．０５wt％以上０．５wt％以下と
する。ＳｉはＭｇと共に化合物Ｍｇ₂Ｓｉを形成し、溶
体化処理時の焼き入れ感受性を改善する。０．０５wt％
未満の添加では焼き入れ感受性効果がなく、０．５wt％
以上添加すると伸びを劣化させる。

【００１４】Ｃｒは０．０５wt％以上０．３wt％以下と
する。Ｃｒ添加は組織中にＣｒ系化合物を形成する。こ
れら化合物はＯ材とするための焼鈍時に再結晶発生核サ
イトとなり、結晶粒を微細化させる効果により伸びの向
上をもたらす。０．０５wt％未満の添加量では結晶粒が
微細化せず伸びの向上効果がない。０．３wt％を越えて
添加すると鋳造過程で巨大な化合物が晶出し破断の起点
となるため、かえって伸びが低下する。

【００１５】Ｆｅは０．５wt％以下の含有なら特性の劣
化はなく、更には０．３wt％以下が望ましい。Ｍｎは
１．０wt％以下の含有ならば巨大な金属間化合物の晶出
はなく本発明の特性を劣化させない。

【００１６】次に組織について説明する。本発明の結晶
粒径は、板厚方向平均結晶粒径が８０μｍ以下であり、
かつ、圧延方向および圧延直角方向（いわゆるコイル状
に巻いた板で言う板幅方向）の平均結晶粒径が大きくと
も１５０μｍ以下であり、かつ板厚方向平均結晶粒径に
対する圧延方向および圧延直角方向の平均結晶粒径の比
が１：０．３から１：３の間にあり望ましくは１：０．
８〜１：２である。材料の延性は結晶粒内の延性と結晶
粒界の延性があり、どちらかが限界に達すると材料が破
断する。結晶粒が大きいと結晶粒界での破断限界で延性
の大きさが決まるため、大きな延性を得るためには結晶
粒の大きさが一定の大きさより小さくなければならな
い。また、結晶粒の形状は球形に近い等方的形状が最も
良く、扁平な楕円形になるほど変形により結晶が回転し
た場合のひずみの集中が起こり易くなる。従って結晶粒
の大きさを上記の条件とした。このように規定すること
で延性が向上する。

【００１７】次に製造方法について説明する。熱間圧延
に先立ち鋳塊を４００℃以上溶融温度以下の温度で保持
時間０．５ｈｒ以上、４８ｈｒ以下の加熱を行う。ま
た、加熱より前に同条件で均熱を行っても良い。熱間圧
延の後、冷間圧延の前もしくは冷間圧延と冷間圧延の間
に３５０℃以上、溶融温度以下の温度で保持時間０．５
ｈｒ以上２４ｈｒ以下の中間焼鈍を行い、５０℃／ｈｒ
以下、望ましくは３５℃／ｈｒ以下の冷却速度で徐冷す
る。５０℃／ｈｒより速い冷却速度では冷却中の金属間
化合物の析出が不十分である。中間焼鈍後、２０％以
上、望ましくは３５％以上の冷間圧延に付す。冷間圧延
率が２０％より少ないと中間焼鈍時に析出した金属間化
合物のまわりに十分なひずみが蓄積せず、最終焼鈍時の
再結晶の核発生サイトとならない。冷間圧延後、３５０
℃以上４５０℃以下の温度でかつ中間焼鈍温度以下の温
度で、保持時間０．５ｈｒ以上２４ｈｒ以下の最終焼鈍
を行い３０℃／ｈｒ以下の冷却速度で徐冷しＯ材とす
る。最終焼鈍温度が３５０℃より低いと再結晶が起こら
ず、４５０℃より高いと再結晶粒が成長し巨大な結晶粒
となり成形性を低下させる。

【００１８】上記の製造方法により中間焼鈍での徐冷時
に粒界に２μｍ以上の金属間化合物を析出させ、冷間圧
延後の再結晶の核発生サイトとすることで再結晶後の結
晶粒径を小さくし、成形性を向上させる。また最終焼鈍
後の徐冷時には粒界への析出がなくなり、その結果、粒
界破壊を起こし難くなる。さらに、中間焼鈍では合金成
分が２μｍ以上の比較的大きい金属間化合物として析出
するため、最終焼鈍を中間焼鈍以下の温度で行うことに
より金属間化合物からの合金成分の再固溶は少なく、そ
の結果、粒内への微細な（１μｍ以下）金属間化合物の
析出は極めて少なくなるため、従って結晶粒内の延性も
向上する。

【００１９】上記の製造方法により、中間焼鈍を施して
金属間化合物を析出させ、続く冷間圧延で十分なひずみ
を蓄積させ、最終焼鈍を上記の条件で行うことにより微
細で板厚方向平均結晶粒径に対する圧延方向および圧延
直角方向の平均結晶粒径の比が１：０．３から１：３の
望ましい組織を得ることができる。

【００２０】以上のように、本発明のＯ材結晶組織は結
晶粒が小さく、粒界に金属間化合物が少ないことで粒界
延性が向上し、また粒内に微細な金属間化合物が少ない
ことで粒界の延性も向上するため、全体として延性が大
きく向上する。

【００２１】一般に弱電機器などの部品は難成形形状で
はあるが絞りは比較的浅い。一般的にプレス成形の材料
の変形状態は絞り変形と張り出し変形の組み合わされた
変形状態であり、絞りが浅いということは張り出し変形
が支配的な変形状態となる。また、本発明で造られる部
品は切削仕上げを行うため比較的厚い板、具体的には薄
い場合でも板厚２ｍｍ以上、ほとんどの場合３ｍｍ以上
の厚い板を成形の対象とする。従って、金型の肩部での
変形は曲げ変形の因子が強い。同時に、本発明で造られ
る部品は切削しろを少なくするために最終形状寸法に近
い形に成形加工する。その為、金型と金型の間にアルミ
ニウム合金をはさみ圧縮により流動変形させる鍛造変形
の要素を一部取り込んだ手法が用いらる。更に、回転部
材も多数あり、中心に軸受けの穴をもつ形状の場合が多
く、穴広げ変形も行われる。これらの変形では延性の大
きな材料が有利である。本発明のアルミニウム合金板は
上記したように優れた延性を示し、従って難成形形状で
あっても、アルミニウム合金に張り出し変形、曲げ変
形、鍛造変形、穴広げ変形などの変形を加えて成形する
プレス成形を用いて十分に形造ることが可能となる。従
って、従来はプレス成形では成形困難でそのため鋳造や
鍛造によって製造していた形状であっても、本発明によ
ればプレス成形により成形することが可能となる。

【００２２】上述した本発明の板材を用いてプレス成形
により形作った後、Ｔ６処理で熱処理して高強度化する
のが通常である。Ｔ６処理のための溶体化処理は溶融温
度直下の温度で行われる。従って、中間焼鈍温度以上で
あり、中間焼鈍時あるいは最終焼鈍時に析出した金属間
化合物は再固溶するので、人工時効時に生成する微細な
析出物の量は本発明の処理により変わらない。このた
め、その後の工程で高強度で良好な切削性を有する。

【００２３】このＴ６処理後に所定の形状・寸法精度と
なるよう切削加工を施すが、本発明材は前述のように強
度、ひずみ硬化能が高く切削性に優れており、従って高
精度が得られるとともに、切削時の切粉が分断されるこ
とから高速度の加工を施すことが可能である。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の実施例について、比較例と比
較して具体的に説明する。表１に示した化学組成の合金
を溶解し半連続鋳造によりスラブを作成し、４８０℃で
４時間の加熱を行った後、熱間圧延により板厚７ｍｍの
熱間圧延コイルとした。この熱間圧延コイルに４００℃
で保持時間２時間、冷却速度３５℃／ｈｒの条件で中間
焼鈍を行い、冷間圧延で板厚４ｍｍの冷間圧延板とし、
３７５℃で２時間の最終焼鈍後３０℃／ｈｒの冷却速度
で徐冷し、Ｏ材とした。

【００２５】このようにして得た板材を基に次の試験を
行い評価した。伸び；圧延直角方向に採取したＪＩＳ５号試験片を用
い、ＪＩＳＺ２２４１に規定する金属材料試験法に準
じ、伸びを測定した。成形性；直径３２ｍｍ、肩Ｒ２ｍｍのポンチを用い、直
径４２ｍｍの円ブランクをプレス成形し、肩Ｒの部分に
破断あるいは亀裂等の欠陥が生じた場合を×（劣る）、
破断や欠陥が生じず成形できた場合を○（優れる）とし
て成形性を評価した。切削性；供試材にＴ６処理をした後、切削性を評価し
た。Ｔ６処理は４８５℃で１時間保持の後水冷し１９５
℃で９日間の人工時効を施した。その後、市販の高速度
鋼製チップを用い、切削速度３ｍ／ｓ、工具送り速度
０．１ｍｍ／回、切り込み量１ｍｍの条件で旋盤切削
し、切り屑が分断された場合を○（優れる）、連続的に
なった場合を×（劣る）とした。

【００２６】

【表１】

【００２７】表に示すように、本発明の条件を満たすも
のはいずれも伸びの値が大きくまた成形性の評価でも良
好な結果を示し、また切削性にも優れている。これに対
して、比較例は伸び・成形性に優れたものでは切削性に
問題があり、切削性が優れたものでは成形性が不充分と
なっている。なお、強度に関しては発明例はいずれもＴ
６後で引張強さ４５０Ｎ／ｍｍ² 以上の高強度を示し
た。

【００２８】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば高強
度、良好な切削性を有するとともに高成形性をも有する
アルミニウム合金板を得ることができる。従って、従来
は難加工形状であるため鋳造、熱間鍛造、冷間鍛造など
で製造されていたものであっても、高い成形性を有する
ことからプレス成形により製造することが可能となり、
歩留まりが向上しまた大量生産によるコスト低減の効果
もある。また、切削性にも優れていることから製品の寸
法精度の要求を充分満たすことができ、また強度も高
い。以上のように本発明によればは鋳造、鍛造という従
来の製造方法をプレス成形という効率的な製造方法に換
えることが可能となる。また本発明材を用いた製品は生
産効率が高く歩留まりも良好なプレス成形により製造す
ることができることから、量産が可能となりまた生産コ
ストを低く抑えることができ、しかも強度は従来と遜色
の無いものとすることができる。特にモーターハブなど
のジョイント部材、ＶＴＲシリンダなどの電気電子機器
用摺動部材、電気電子機器用筐体などに好適な材料なら
びにこれらの製品を提供できる。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃｕを２．０wt％以上６．０wt％以下、Ｍ
ｇを０．２wt％以上２．０wt％以下、Ｓｉを０．０５wt
％以上０．５wt％以下、Ｃｒを０．０５wt％以上０．３
wt％以下、残部アルミニウムと不可避の不純物からなる
アルミニウム合金で、板厚方向平均結晶粒径が８０μｍ
以下であり、かつ、圧延方向および圧延直角方向の平均
結晶粒径が１５０μｍ以下であり、かつ、板厚方向平均
結晶粒径に対する圧延方向および圧延直角方向の平均結
晶粒径の比がともに１：０．３以上、１：３以下である
ことを特徴とする高強度かつ良好な切削性を有する高成
形性アルミニウム合金板。
【請求項２】請求項１記載のアルミニウム合金板を用い
ることを特徴とする電気電子機器用摺動部材。
【請求項３】請求項１記載のアルミニウム合金板を用い
ることを特徴とする電気電子機器用筐体。
【請求項４】請求項１記載のアルミニウム合金板を用い
ることを特徴とするジョイント部材。