JP3773914B2

JP3773914B2 - 切削性に優れたアルミニウム合金およびその鍛造方法とその鍛造品

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Publication number: JP3773914B2
Application number: JP2003117983A
Authority: JP
Inventors: 洋二平野; 了東海林
Original assignee: Furukawa Sky Aluminum Corp
Current assignee: Furukawa Sky Aluminum Corp
Priority date: 2002-04-25
Filing date: 2003-04-23
Publication date: 2006-05-10
Anticipated expiration: 2023-04-23
Also published as: JP2004003007A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、旋削や孔空け等の機械加工を施す部品等に用いる、Ｐｂを添加しない切削性に優れたアルミニウム合金ないしは合金材に関するものである。
また、本発明は、前記合金材を用いる鍛造品の製造方法に関するものである。
また、本発明は、前記方法によって得られる鍛造品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、切削性に優れたアルミニウム合金としては、ＪＩＳ２０１１合金やＪＩＳ６２６２合金等のＰｂを添加して調製されたアルミニウム系合金が使用されてきた。
しかし、近年環境問題に対する配慮の観点から、Ｐｂを添加しない、かつ、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。
ところで、ＪＩＳ２０１１合金（Ｐｂ−Ｂｉ添加）の代替として、Ｓｎ−Ｂｉ添加アルミニウム系合金材が提案されている（特許文献１等）が、切粉分断性はＰｂ−Ｂｉ添加材に及ばない場合があった。さらに、製品の表面粗さを従来よりも小さくするといった要求に対し、材料の回転速度を小さくしたり、刃物の送り速度を小さくした場合には、切粉分断性が不充分となった。
また、Ｓｎ添加材を用いて熱間鍛造を行うと、従来のＰｂ−Ｂｉ添加材では発生しない割れが、鍛造に引き続いて行う溶体化処理後の水焼き入れ時に発生する場合があった。
【０００３】
【特許文献１】
米国特許第２，０２６，５７５号明細書
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、Ａｌ−Ｃｕ系合金において、Ｐｂを添加しなくても、Ｐｂ添加材と同等以上の切削性を有するアルミニウム合金を提供することを目的とする。
また、本発明は、前記アルミニウム合金を用いる鍛造方法と、それにより得られる鍛造品を提供することを別の目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、下記の手段により達成された。
すなわち本発明は、
（１）Ｃｕ３〜６ｍａｓｓ％、Ｓｎ０．２〜１．２ｍａｓｓ％、Ｂｉ０．３〜１．５ｍａｓｓ％及びＺｎ０．５〜１．０ｍａｓｓ％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）前記（１）項記載の合金材を用いる鍛造加工工程を含んでなり、鍛造加工時の材料温度が３２０〜４５０℃であることを特徴とする鍛造品の製造方法、及び
（３）前記（２）項記載の方法によって得られる鍛造品
を提供するものである。
本発明で「Ｐｂを添加しない」とは、地金にＰｂを添加しないという意味であり、具体的にはアルミニウム合金中でのＰｂの含有量が０．０５ｍａｓｓ％以下であることをいう。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明のアルミニウム合金において、ＣｕはＣｕＡｌ_２等の化合物を形成して強度向上に寄与する。下限未満ではその効果が小さく、上限を超えると鋳塊外表面品質が低下する。Ｃｕの含有量は、好ましくは４．５〜５．５ｍａｓｓ％である。
Ｓｎ、Ｂｉの低融点元素は、切粉分断性を向上させる。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、切粉分断性が向上すると考えられる。Ｓｎ量、Ｂｉ量とも各々下限未満ではその効果が不十分であり、上限を超えると粒界腐食が発生し耐食性が低下する。融点は、単体Ｓｎ２３２℃、単体Ｂｉ２７１℃だが、Ｓｎ−Ｂｉ化合物となると１３９℃に低下するため、その効果は大きい。よって、Ｓｎ、Ｂｉの両者添加が好ましく、共晶組成となる重量比でＳｎ：Ｂｉ＝４３：５７近傍での添加が好ましい。Ｓｎの含有量は、好ましくは０．２〜０．８ｍａｓｓ％である。Ｂｉの含有量は、好ましくは０．３〜１．０ｍａｓｓ％である。
【０００７】
ところで、従来、Ｓｎ−Ｂｉ添加アルミニウム系合金材の切粉分断性は、Ｐｂ−Ｂｉ添加材に及ばない場合があった。その理由について本発明者らの鋭意検討の結果、以下のことが判明した。すなわち、Ｓｎ−Ｂｉ化合物はＰｂ−Ｂｉ化合物よりサイズが小さいため、切削条件によっては切粉が分断されるための充分なサイズのノッチが形成されない場合があることが判った。
そこで、化合物サイズを大きくすべく、Ｂｉ量を０．３ｍａｓｓ％以上としＺｎを添加するに至った。すなわち、Ｓｎ−Ｂｉ化合物がＺｎを含むようになり、Ｓｎ−Ｂｉ化合物サイズが大きくなることが判明した。例えば、後述する実施例において、比較例の試料９ではＳｎ−Ｂｉ化合物の平均粒径が５μｍであるのに対し、本発明品の試料２では８μｍと大きくなり、従来例の試料ＪＩＳ２０１１合金のＰｂ−Ｂｉ化合物サイズと同等になる。これにより、充分なサイズのノッチが形成され、切粉分断性が向上する。Ｓｎ−Ｂｉ化合物の平均粒径は、好ましくは８μｍ以上であり、さらに好ましくは１０μｍ以上である。Ｚｎ量について下限未満ではその効果が不十分であり、上限を超えると耐食性が劣化する。Ｚｎの含有量は、好ましくは０．５〜０．８ｍａｓｓ％である。
【０００８】
なお、本発明の合金では、その他の元素は特に制限は無い。本合金の強度、成形性、切削性、耐食性等の各種特性を阻害しない範囲であれば、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｉｎ、等の元素を含有しても構わない。
また、本発明の合金では、製造条件や調質は特に制限は無い。通常の製造条件で、用途に合った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、溶体化処理・人工時効を施したＴ６でも良いし、溶体化処理・冷間加工・人工時効を施したＴ８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、溶体化処理後に冷間加工や人工時効を施すＴ３、Ｔ８、Ｔ６、Ｔ９等の調質が好ましい。
【０００９】
また、本発明において、前記合金材を鍛造加工する場合は、鍛造時の材料温度を３２０〜４５０℃とすることが好ましく、３５０〜４２０℃とすることがさらに好ましい。
Ｓｎ添加材を用いて熱間鍛造を行うと、従来のＰｂ−Ｂｉ添加材では発生しない割れが、鍛造に引き続いて行う溶体化処理後の水焼き入れ時に発生する場合があった。その理由について本発明者らの鋭意検討の結果、以下のことが判明した。すなわち、４５０℃を超えるような高温で鍛造した場合、再結晶粒は粗大となる。溶体化処理後に行う水焼入れ時には、再結晶粒界に大きな応力が加わる。再結晶粒が粗大な材料における粒界の総面積は小さいため、粒界の単位面積当たりに加わる応力は大きくなり、割れが発生し易くなる。従来のＰｂ−Ｂｉ添加アルミニウム系合金材でも、さらに再結晶粒を粗大にした場合に割れは発生するが、本発明合金材等のＳｎ添加アルミニウム系合金材ほど割れは発生しない。
一方、鍛造時に材料を低温化すると、材料の変形抵抗が増加する。これにより、鍛造荷重がプレス機の容量を超えてしまうことも考えられる。しかし、本発明合金材は、従来のＰｂ−Ｂｉ添加アルミニウム合金材に比べ変形抵抗が小さいため、低温での鍛造が可能である。しかし、３２０℃よりも低温にすると鍛造形状によっては鍛造荷重が大きくなる。なお、鍛造時の材料温度を低温化することは、エネルギー的なコスト面でも有利である。
【００１０】
【実施例】
次に、本発明を実施例に基づき更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
実施例１
表１に示す組成の合金を溶解し、それぞれから直径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℃での押出により直径１２ｍｍの押出丸棒とした。次いで、５００℃で２時間の溶体化処理の後、直ちに水焼入れした。
これらの丸棒を用いて、外削による切削試験を行なった。切削条件は、回転数３０００ｒｐｍ、切込み量２ｍｍ、送り量０．１ｍｍ／ｒｅｖ．である。切粉分断性は、切粉１００個当たりの質量で評価した。評価基準は、Ａは２ｇ以下、Ｂは２ｇを超え４ｇ以下、Ｃは４ｇを超え６ｇ以下、Ｄは６ｇより大である。切粉質量が少ない程、切削性（切粉分断性）に優れる。
【００１１】
表１から明らかなように、比較例の試料９〜１２と従来例の試料１３（ＪＩＳ２０１７合金）は、Ｐｂを含まず、切削性が劣る。これに対し、Ｐｂを添加しない本発明の試料１〜８は、従来例であるＰｂ添加材（試料１４、ＪＩＳ２０１１合金）と同等以上の切粉分断性を有し、本発明に従ったＣｕ、Ｓｎ、Ｂｉ及びＺｎ同時添加材とすることで切粉分断性が特に優れることがわかった。
【００１２】
【表１】

【００１３】
実施例２
表２に示す本発明合金と従来合金ＪＩＳ２０１１合金の２種類の合金を用い、それぞれから直径３４０mm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℃での押出により直径３５mmの押出丸棒とした。この丸棒を長さ３５mmに切断して鍛造素材とし、表２に示した鍛造温度により、据込比８０％で、据込を行った。なお表２には、その鍛造温度での加工に必要とされた最小の鍛造荷重（ton）を示した。次いで、５００℃で２時間の溶体化処理の後、直ちに水焼入れした。評価は、（１）各鍛造温度における鍛造荷重の大小の程度と、（２）水焼入れ後にカラーチェック（染色浸透探傷試験）で観察した割れの有無とにより評価した。
【００１４】
カラーチェック（染色浸透探傷試験、例えばＭＩＬ−ＳＴＤ−６８６６参照のこと。）の試験法について説明する。得られた各鍛造品試料に対して、浸透液（赤色）をスプレーして約１５分放置した。浸透液を鍛造品表面から拭き取った後、現像液（白色）をスプレーした。もし試料に割れがあれば、浸透液が割れに浸透しているために現像液をスプレーした後で赤色の液が割れ部から染み出してくる。その染み出してくる赤色の液の有無を観察し、赤色が見られなければ割れ無し、見られれば割れありと評価した。
【００１５】
表２から明らかなように、従来合金ＪＩＳ２０１１合金を用いた場合、同一の鍛造温度下では、合金Ａの場合と比較して鍛造荷重が著しく大きかった。これに対し、本発明の規定を満たす合金Ａを用いて所定の鍛造温度（３２０〜４５０℃）で加工した場合は、鍛造荷重が著しく低く、鍛造品に割れも発生しなかった。なお、本発明の規定を満たす合金Ａを用いた場合、鍛造温度が高温では割れが発生し、低温ではより大きな鍛造荷重が必要であった。これより、本発明の合金を鍛造加工する場合には、鍛造時に所定の材料温度に調節することが好ましいことが分かる。
【００１６】
【表２】

【００１７】
【発明の効果】
本発明のアルミニウム合金は、Ａｌ−Ｃｕ系合金においてＰｂを添加しなくても、Ｓｎ、Ｂｉを所定量添加し、さらにＺｎを添加することにより、Ｐｂ添加材と同等以上の優れた切削性を有する。
本発明の鍛造品製造方法によれば、より低い温度、より低い荷重で鍛造加工することができ、省エネルギーな鍛造加工が達成でき、かつ鍛造品製造時（例えば鍛造後の溶体化処理後の水焼き入れ時）の割れの発生を防ぐことができる。

Claims

Ｃｕ３〜６ｍａｓｓ％、Ｓｎ０．２〜１．２ｍａｓｓ％、Ｂｉ０．３〜１．５ｍａｓｓ％及びＺｎ０．５〜１．０ｍａｓｓ％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。
請求項１記載の合金材を用いる鍛造加工工程を含んでなり、鍛造加工時の材料温度が３２０〜４５０℃であることを特徴とする鍛造品の製造方法。
請求項２記載の方法によって得られる鍛造品。