JP3832774B2 - 冷間鍛造性に優れた切削用アルミニウム合金および切削用アルミニウム合金冷間鍛造材の製造方法 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、冷間鍛造性に優れた切削用アルミニウム合金、とくに溶体化処理および焼入れ処理を必要とせず、鋳造材を均質化処理後冷間鍛造した状態で、十分な強度が得られる切削性、冷間鍛造性に優れたアルミニウム合金、および当該アルミニウム合金冷間鍛造材の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、光学機器部品などに使用される切削用アルミニウム合金としては、Al−Cu系の2011合金、Al−Mg−Si系の6262合金などの熱処理型アルミニウム合金が知られている。これら合金は強度および切削性に優れているが、熱処理型合金であるため、強度、切削性など所望の特性を得るためには、高温での溶体化処理および焼入れ処理を必要とする。従ってコスト高となるとともに、焼入れ処理に際しては高温から材料を急冷するため、焼入れ歪や残留応力が生じ易く、切削加工後、高精度の寸法公差を有する製品が得難いという難点がある。また、これらのアルミニウム合金は冷間での鍛造性が劣るから、光学機器部品などの形状に成形加工する場合には350 ℃以上の高温において鍛造加工を行わなければならない。
【0003】
一方、冷間鍛造に適用されるアルミニウム合金としては、Al−Mn系の3003合金、Al−Mg系の5056などの非熱処理型アルミニウム合金があり、鍛造時の加工硬化によって所定の強度を得ているが、これらの合金材は、切削加工した場合、切削屑が長くつながり、工具にからまるなどの不都合が生じるため、ドリル加工など、切削屑の排出性が要求される切削加工には適していない。
【0004】
上記の非熱処理型アルミニウム合金をベースとして合金組成を調整することによって、冷間鍛造性を保持するとともに、切削性を向上させた非熱処理型アルミニウムとして、例えばMn:0.5〜1.5 %、Mg:0.2〜0.9 %、Cu:0.15 〜0.9 %、Fe:0.10 〜0.5 %、Si:0.05 〜0.2 %、Pb:0.15 〜1.0 %、Sn:0.6〜1.5 %を含み、残部Alと不可避的不純物からなる快削アルミニウム合金が開発されており(特公昭62-33301号公報) 、Si:0.3〜1.0 %、Fe:0.1〜1.0 %、Cu:0.1〜0.5 %、Mg:2〜5 %、Zr:0.05 〜0.2 %、およびPb、Snを合計で0.5 〜2.5 %またはPb、Bi、Snを合計で0.5 〜2.5 %含有し、残部Alと不可避的不純物からなる非熱処理型の切削用アルミニウム合金も提案されている。(特開平6-49575 号公報)
【0005】
これらのアルミニウム合金は、良好な切削性をそなえ、切削加工後の歪発生も少ないが、高速の切削加工における切削屑の排出性や切削加工面の平滑性に対する最近の厳しい切削要求水準を満足させるには問題がある。またコスト的要求から、熱間押出を行うことなしに、鋳造棒などの鋳造材を直ちに冷間鍛造して製品形状とすることが行われているが、前記の切削用アルミニウム合金の製造は、いずれも熱間押出工程を必須とするものであり、鋳造材をそのまま冷間鍛造加工した場合には、強度面で必ずしも十分な特性が得難い。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、切削用アルミニウム合金における上記従来の問題点を解消するために、上記の切削用アルミニウム合金、とくに特公昭62-33301号公報において提案されたアルミニウム合金をベースとして、含有成分の組合わせおよびそれらの含有範囲と強度、冷間鍛造性、切削性との関連について再検討を行った結果としてなされたものであり、その目的は、鋳造材をそのまま冷間鍛造した場合にも、優れた冷間鍛造性を有するとともに、冷間鍛造において加工硬化して、冷間鍛造後、溶体化処理および焼入れ処理することなしに十分な強度が得られ、高速切削加工において優れた切削性をそなえた冷間鍛造性に優れた切削用アルミニウム合金および当該アルミニウム合金冷間鍛造材の製造方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための請求項1による冷間鍛造性に優れた切削用アルミニウム合金は、Si:0.2%を越え0.8%以下、Cu:0.2〜1.0%、Mg:0.3〜0.9%、Mn:0.3〜1.5%、Fe:0.25〜0.7%を含有し、さらにPb、BiおよびSnのうちの1種または2種以上を合計量で0.5〜2.5%含み、残部Alおよび不可避的不純物からなり、鋳造材を冷間鍛造することにより加工硬化させ、溶体化処理および焼入れ処理を行うことなしに使用することを特徴とし、また、請求項3による冷間鍛造性に優れた切削用アルミニウム合金は、請求項1において、上記の成分に加え、Cr:0.01〜0.3%、Zr:0.01〜0.3%、V:0.01〜0.1%、Ti:0.1%以下およびB:0.08%以下のうちの1種または2種以上を含むことを特徴とする。
【0008】
請求項2による切削用アルミニウム合金冷間鍛造材の製造方法は、Si:0.2%を越え0.8%以下、Cu:0.2〜1.0%、Mg:0.3〜0.9%、Mn:0.3〜1.5%、Fe:0.25〜0.7%を含有し、さらにPb、BiおよびSnのうちの1種または2種以上を合計量で0.5〜2.5%含み、残部Alおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金鋳造材を、均質化処理後、冷間鍛造することを特徴とし、また、請求項4による切削用アルミニウム合金冷間鍛造材の製造方法は、請求項2において、アルミニウム合金が上記の成分に加え、さらにCr:0.01〜0.3%、Zr:0.01〜0.3%、V:0.01〜0.1%、Ti:0.1%以下およびB:0.08%以下のうちの1種または2種以上を含むことを特徴とする。
【0009】
本発明における合金成分の意義および限定範囲について説明すると、Siは、Mgと共存することによって合金マトリックス中にMg2 Si化合物粒子を析出、分散させ、強度を高め、切削性を向上させる。好ましい含有範囲は0.2 %を越え0.8 %以下であり、0.2 %以下ではその効果が十分でなく、0.8 %を越えて含有すると、粗大なMg2 Si粒子が生成して強度および切削性を低下させる。
【0010】
Cuは、Mgと共存することによってAl−Cu−Mg系化合物粒子が析出し、強度を高めるとともに切削性を向上させる。Cuの好ましい含有範囲は0.2 〜1.0 %であり、0.2 %未満ではその効果が小さく、1.0 %を越えると冷間鍛造性が劣化する。
【0011】
Mgは、Al中に固溶することにより冷間鍛造時の加工硬化を促進し、さらにSi、Cuと共存することによって、強度を高めるとともに切削性を向上させる。Mgの好ましい含有範囲は0.3 〜0.9 %の範囲であり、0.3 %未満ではその効果が不十分であり、0.9 %を越えると粗大なMg2 Si粒子が析出して、強度を低下させ、切削性を害する。
【0012】
Mnは、合金マトリックス中にAl−Mn系化合物粒子を析出、分散させることにより、冷間鍛造時の加工硬化を促進し、切削加工性を向上させる。好ましい含有範囲は0.3〜1.5%であり、0.3%未満ではその効果が小さく、1.5%を越えて含有されると冷間鍛造性が劣化し易くなる。
【0013】
Feは、合金マトリックス内に固溶することによって強度を上昇させる。また、Mnとの共存によりAl−Mn−Fe系の化合物の析出を促進し、さらに加工硬化による冷間鍛造後の強度上昇にも効果がある。好ましい含有範囲は0.05〜0.7 %であり、0.05%未満ではその効果が十分ではなく、0.7 %を越えると冷間鍛造性が低下する。Feのより好ましい含有範囲は0.25〜0.55%である。
【0014】
Pb、Bi、Snは合金の切削性を向上させる元素であり、これらの元素のうちの1種または2種以上を合計量で0.5 〜2.5 %の範囲で含有させるのが好ましい。合計量が0.5 %未満ではその効果が小さく、2.5 %を越えると粗大な化合物が生成して冷間鍛造性が低下し易くなる。Pb、BiおよびSnを共存させると、一層安定した切削性が与えられる。
【0015】
Cr、Zr、V、TiおよびBは、合金の結晶粒を微細化し、冷間鍛造性を向上させる。好ましい含有量は、Cr:0.01 〜0.3 %、Zr:0.01 〜0.3 %、V:0.01 〜0.1 %、Ti:0.1%以下、B:0.08 %以下の範囲であり、これらの成分が上限を越えると、粗大な晶出物が生成し冷間鍛造性が害される。
【0016】
本発明のアルミニウム合金は、常法に従って溶解、鋳造し、棒材等に鋳造された鋳造材を、均質化処理後、所定の長さに切断し、冷間鍛造を行って所定の形状に成形し、切削加工により最終製品とする。好ましい均質化処理温度は500 〜600 ℃であり、この温度範囲の均質化処理によって、鋳造時に固溶されたMnをAl−Mn系化合物粒子として析出させ、冷間鍛造時の加工硬化を促進する。均質化処理時間は2 時間以上が好ましい。
【0017】
本発明のアルミニウム合金においては、冷間鍛造加工後、例えば160 〜190 ℃の温度で2 〜10時間人工時効処理を施すことによって、Mg2 Si化合物粒子、Al−Cu−Mg系化合物粒子の微細析出を促進し、さらに強度を高め、切削性を向上させることができる。
【0018】
【作用】
本発明においては、とくに、特定範囲のSi、CuおよびMgの組合わせ、およびこれらの成分の共存効果に基づく、Mg2 Si化合物粒子、Al−Cu−Mg系化合物粒子の析出、分散により強度、切削性が向上し、特定量のMnの含有に基づくAl−Mn系化合物粒子の析出により冷間鍛造時の加工硬化が促進されて、鋳造材を冷間鍛造加工し、必要に応じて人工時効処理するのみで、所望の強度特性、切削性を得ることが可能となる。
【0019】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明する。
実施例1
常法により溶解、鋳造して得た表1に示す組成のアルミニウム合金鋳造棒を、580 ℃の温度で10時間均質化処理したのち、加工度70%の冷間据え込みによる鍛造試験を行い、鍛造後の割れの有無を観察して鍛造性を評価した。
【0020】
その後、鍛造された各試験材に、170 ℃の温度で4 時間の人工時効処理を施し、試験材の中心部をドリルを用いて穿孔し、切削性を評価した。なお、切削性は、以下に示す基準で(1) 切削屑の排出性、および(2) 切削面の表面粗度の2項目について判定した。
【0021】
(1)切削屑の排出性
切削屑100 個当たりの重量(g/100個) を測定し、以下の基準で評価する。
◎:20未満、○:20以上50未満、△:50以上100 未満、×:100 以上
なお、切削条件は以下のとおりである。
切削工具:ストレートドリル(標準JIS ドリル、高速度鋼、10mm径) 、回転数:1500rpm 、送り速度:150mm/分、潤滑油:エマルション型。
【0022】
(2)切削面の表面粗度
切削面の最大粗さRmax( μm)を測定し、以下の基準で評価する。
◎:5 未満、○:5 以上15未満、△:15以上30未満、×:30以上
なお、切削条件は以下のとおりである。
切削工具:ストレートドリル(標準JIS ドリル、超硬合金、15mm径) 、回転数:2000rpm 、送り速度:600mm/分、潤滑油:エマルション型。
【0023】
鍛造性、切削性の評価結果、および人工時効処理後の硬さの測定結果を表2に示す。表2示すように、本発明に従う試験材No.2〜10、No.12はいずれも、冷間据え込みで割れを生じることがなく、切削屑の排出性、切削面の平滑性は良好であり、強度特性にも優れていた。なお、Fe含有量が0.1%の試験材No.11は参考例として示すものである。
【0024】
【表1】
【0025】
【表2】
【0026】
比較例1
実施例1と同様に溶解、鋳造し、表3に示す組成を有する鋳造棒を得た。これらの鋳造棒を、実施例1と同様、580 ℃の温度で10時間均質化処理したのち、加工度70%の冷間据え込み試験を行って鍛造性を評価した。鍛造後の各試験材を、170 ℃で4 時間人工時効処理し、実施例1と同一の方法で切削性を評価した。また、人工時効処理後の各試験材の硬さを測定した。結果を表4に示す。なお、表3において、本発明の条件を外れたものには下線を付した。
【0027】
【表3】
【0028】
【表4】
【0029】
表4に示すように、試験材No.13 はSi量が低く、試験材No.15 はCu量が低く、試験材No.17 はMg含有量が低く、試験材No.19 はMn含有量は低いため、試験材No.28 はFe含有量が少ないため、いずれも強度が十分でなく、切削性が劣っている。試験材No.14 、No.16 、No.18 、No.20 および試験材No.29 は、それぞれSi、Cu、Mg、MnおよびFeの含有量が多過ぎるため、冷間鍛造試験で割れが生じた。
【0030】
試験材No.21 はPb、Bi、Snの合計含有量が少ないため、切削性が十分でなく、試験材No.22 はPb、Bi、Snの合計含有量が多過ぎるため、鍛造時に割れが発生した。試験材No.23 はSi量が少ないため、強度が低く、切削性も劣っている。試験材No.24 は従来の2011合金、試験材No.25 は6262合金であり、ともに鍛造時に割れが生じた。試験材No.26 、No.27 はそれぞれ3003合金、3004合金で、本発明の組成条件を外れるものであり、冷間鍛造性は良好であったが、切削性がわるい。
【0031】
実施例2
実施例1において、冷間据え込み試験後、人工時効処理を施すことなしに、各試験材の切削性を評価した。切削性の評価結果、および試験材の硬さの測定結果を表5に示す。表5に示すように、本発明に従う各試験材は、鋳造材を冷間鍛造するのみで、十分な強度特性をそなえ、切削性についても、人工時効処理後の試験材に比べて若干劣るのみで、光学機器部品などの切削性水準および切削面精度を満足する十分に優れた切削性を示した。
【0032】
【表5】
【0033】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、冷間鍛造性、および切削時の切削屑の排出性、切削後の切削面の平滑性に優れ、鋳造材を直接冷間鍛造した場合にも十分な強度が得られ、良好な切削性をそなえたアルミニウム合金が供給され、当該アルミニウム合金は、冷間鍛造、切削加工され、光学機器部品などとして好適に使用される。
Claims (4)
- Si:0.2%を越え0.8%以下(重量%、以下同じ)、Cu:0.2〜1.0%、Mg:0.3〜0.9%、Mn:0.3〜1.5%、Fe:0.25〜0.7%を含有し、さらにPb、BiおよびSnのうちの1種または2種以上を合計量で0.5〜2.5%含み、残部Alおよび不可避的不純物からなり、鋳造材を冷間鍛造することにより加工硬化させ、溶体化処理および焼入れ処理を行うことなしに使用することを特徴とする冷間鍛造性に優れた切削用アルミニウム合金。
- Si:0.2%を越え0.8%以下、Cu:0.2〜1.0%、Mg:0.3〜0.9%、Mn:0.3〜1.5%、Fe:0.25〜0.7%を含有し、さらにPb、BiおよびSnのうちの1種または2種以上を合計量で0.5〜2.5%含み、残部Alおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金鋳造材を、均質化処理後、冷間鍛造することを特徴とする切削用アルミニウム合金冷間鍛造材の製造方法。
- Cr:0.01 〜0.3 %、Zr:0.01 〜0.3 %、V:0.01 〜0.1 %、Ti:0.1%以下、B:0.08 %以下のうちの1種または2種以上を含むことを特徴とする請求項1記載の冷間鍛造性に優れた切削用アルミニウム合金。
- Cr:0.01 〜0.3 %、Zr:0.01 〜0.3 %、V:0.01 〜0.1 %、Ti:0.1%以下、B:0.08 %以下のうちの1種または2種以上を含むことを特徴とする請求項2記載の切削用アルミニウム合金冷間鍛造材の製造方法。
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