JP5391986B2

JP5391986B2 - Ａｌ−Ｃｕ系アルミニウム合金部材

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Publication number: JP5391986B2
Application number: JP2009233908A
Authority: JP
Inventors: 張弓小菅; 昇沼田; 政仁谷津倉
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 2009-10-07
Filing date: 2009-10-07
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2029-10-07
Also published as: JP2011080119A

Description

本発明は、切削性に優れたアルミニウム合金部材、特に低融点金属元素の添加量が少なく切削性に優れたアルミニウム合金部材に関する。

アルミニウム合金のバルク材から切削加工によって、各種電気部品、電子部品、自動車部品などを製造する場合、長く連なった切り屑が発生すると、切削加工面に圧痕疵などの表面欠陥の発生、連続無人作業性の阻害など切削加工時の各種の不具合が発生する。したがって、精密加工を要求される製品を切削加工する場合、この様な不具合が発生し難い高切削性を有するアルミニウム合金が考案され、使用されてきた。

従来の高切削性アルミニウム合金は、展伸材分野ではＡ２０１１合金（Ｃｕ：５．０〜６．０％、Ｐｂ：０．２〜０．６％、Ｂｉ：０．２〜０．６％、残部Ａｌ）およびＡ６２６２合金（Ｓｉ：０．４〜０．８％、Ｍｇ：０．８〜１．２％、Ｃｕ：０．１５〜０．４％、Ｐｂ：０．４〜０．７％、Ｂｉ：０．４〜０．７％、残部Ａｌ）に代表されるように、有効添加元素としてＰｂ、Ｂｉ、Ｓｎ等の低融点金属を含有する。これら低融点金属はアルミニウム中にほとんど固溶せず、アルミニウム合金中に粒状粒子としてミクロ偏析し、その低融点金属粒子が切削加工時の加工発熱により溶融して切粉を分断し、アルミニウム合金の切削性を向上させる（例えば、特許文献１−４）。

しかしながら、近年、地球温暖化および環境保護の要求が高まり、国内では「品目別廃棄物処理・再資源化ガイドライン」が設定され、更に環境配慮設計に関する法規制が進められている。欧州では欧州連合ＥＵが２００６年７月に施行した有害物質規制ＲｏＨＳ指令によって、Ｐｂの使用が規制されている。そのような背景から近年、Ｐｂを使用せず、ＳｎおよびＢｉを添加した合金が開発されている（例えば、特許文献５および６）。

アルミニウム合金部材をリサイクルする場合、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｓｎ等を必要とする合金種は限られているため、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｓｎ等の低融点金属元素の添加されたアルミニウム合金部材は、リサイクル性において、不利となる。さらに、これらの低融点金属元素が添加されたアルミニウム合金には、耐食性の低下などの問題も存在する。それらの欠点を解決する方法の一つとして、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｓｎ等の低融点金属元素に代わって、ＳｉおよびＳｉ系化合物などの第２相硬質粒子を形成させる合金（Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金）が開発された（例えば、特許文献７−１０）。このような第２相硬質粒子は、切削時に切粉に発生する結晶すべりを止め、ここにすべり線が集積して微小な空洞をつくり、これが切粉の分断の起点となるため、優れた切削性が得られる。

特開昭５４−１４３７１４特開昭５７−１７４４３２特開昭６２−３７３３８特開平１０−２６５８８４特許第３９６９６７２号特許第４０１７１０５号特開平１１−２１７６４７特開２００１−１３１７２０特開２００２−２０６１３２特開２００３−１３１６４

従来の低融点金属元素添加アルミニウム合金におけるＳｎ、Ｂｉ、Ｐｂなどの低融点金属元素の添加量は、０．２〜０．８質量％である。この量の低融点金属元素の添加により、切削性が向上する半面、アルマイト性の低下（酸化皮膜の形成の困難さによる仕上がり表面の不均一な光沢、色調）、耐食性の低下並びにスクラップのリサイクルの困難性などの問題点が存在した。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｐｂなどの添加量を従来よりも遥かに低減することで優れたリサイクル性を達成しつつ、切削性に優れたアルミニウム合金部材を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するため、鋭意研究開発を行った結果、切削性を向上させるために添加されていたＳｎ、Ｂｉ、Ｐｂなどの低融点金属元素が従来の添加量よりも遥かに低い値で添加されているにも関わらず、合金組成の最適化により、優れた切削性を達成したアルミニウム合金部材を完成するに至った。

本発明によれば、Ｃｕ：４．０〜８．０質量％、Ｂｉ：０．０１〜０．０５質量％、Ｓｎ：０．０１〜０．０４質量％、Ｔｉ：０．０１〜０．１５質量％、およびＢ：０．０００５〜０．０１質量％を含有し、Ｍｇが０．００２質量％未満に規制され、残部がＡｌおよび不可避不純物からなるＡｌ−Ｃｕ系アルミニウム合金部材が提供される。このＡｌ−Ｃｕ系アルミニウム合金部材は、特定の組成の元素を含むことにより、切削性に優れる。また、このＡｌ−Ｃｕ系アルミニウム合金部材は、特定の組成の元素を含むことにより、耐食性に優れる。また、このＡｌ−Ｃｕ系アルミニウム合金部材は、特定の組成の元素を含むことにより、アルマイト性に優れる。また、このＡｌ−Ｃｕ系アルミニウム合金部材は、特定の組成の元素を含むことにより、冷間加工性（かしめ性）に優れる。また、このＡｌ−Ｃｕ系アルミニウム合金部材は、低融点金属元素の添加量が従来よりも遥かに低い値であるため、リサイクル性に優れる。

本発明に係るアルミニウム合金部材は、低融点金属元素の添加量が少ないにも関わらず、優れた切削性を有しており、さらに良好な冷間加工性（かしめ性）、耐食性、アルマイト性およびリサイクル性を有している。

図１は、Ｂｉ−Ｓｎ系の状態図である。

本発明者は、鋭意研究開発を行なった結果、切削性を向上させるために添加されるＳｎ、Ｂｉなどの低融点金属元素は、特定の他の元素の組成と組み合わせることで、従来添加されていた０．２〜０．８質量％ではなく、例えば０．０１〜０．０４質量％のような微量の添加でも充分に良好な切削性を達成できることを見出した。

例えば、合金にＭｇが含有されていると、例えば０．０１〜０．０４質量％のような微量のＳｎ、ＢｉはＭｇと反応して各々ＳｎＭｇ_２、Ｂｉ_２Ｍｇ_３化合物を形成する。その結果、未反応のＳｎ、Ｂｉなどが存在しないため、充分に良好な切削性が得られない。これらの知見をもとに、Ｍｇ量を規制する（例えば、０．００２質量％未満）ことによって、良好な切削性を達成できることを見出した。

また、本発明に係るアルミニウム合金は、Ｓｉなどの脆い粒子を形成する元素が添加されていないため、かしめ加工などの冷間加工性が劣化しない。さらに、Ｓｎ、Ｂｉなどの低融点金属元素の添加量を微量（例えば、０．０１〜０．０４質量％）に限定しているので、リサイクル性、アルマイト性、耐食性にも優れる。

本発明に係るアルミニウム合金部材は、特定の組成の元素の組み合わせにより、低融点金属元素の添加量が少ないにも関わらず、優れた切削性を有しており、さらに良好な冷間加工性（かしめ性）、耐食性、アルマイト性およびリサイクル性を有している。本発明に係るアルミニウム合金部材は、その良好な切削性、かしめ加工時の割れの発生のし辛さ、および優れたリサイクル性およびアルマイト性等により、特に、鋳造または加工されたバルク材から各種電気部品、電子部品、自動車部品などを切削加工する際に好適に用いることができる。

以下に各元素の添加理由および添加量の限定理由を説明する。なお、本明細書において、「〜」という記号は「以上」および「以下」を意味し、例えば、「Ａ〜Ｂ」なる記載は、Ａ以上でありＢ以下であることを意味する。

〔Ｃｕ量：４．０〜８．０質量％〕
Ｃｕは、人工時効硬化性能を増大させ、切削性と強度を向上させる効果を有するが、本発明の組成においては、４．０質量％以上で特に高い効果を有し、８．０質量％を越えるとその効果は飽和する。したがって、強度、切削性に与える影響も考慮した本発明の合金におけるＣｕ量は、４．０〜８．０質量％である。同様の理由から、Ｃｕ量のより好ましい範囲は、５．０〜７．０質量％であり、さらに好ましい範囲は、５．０〜６．０質量％である。

〔Ｓｎ量：０．０１〜０．０４質量％〕
Ｓｎは、溶体化処理後の水焼き入れによって凍結された原子空孔と結合して、優先的に結晶粒界に拡散し、その結果、結晶粒界にミクロ偏析する。Ｓｎは、Ｂｉと同時に結晶粒界にミクロ偏析すると、その溶融開始温度はＳｎ−Ｂｉ系二元共晶温度となり、切削加工時に優先的に結晶粒界を局部溶融させることで、切削性を向上させる。その効果は、０．０１質量％以上で特に高い。他方、０．０４質量％を越えて添加すると切削性は向上するものの、リサイクル性において不利となり、耐食性およびアルマイト性にも有害な影響を与え得る。したがって、本発明の合金におけるＳｎ量は、０．０１〜０．０４質量％とする。同様の理由から、Ｓｎ量のより好ましい範囲は、０．０２〜０．０４質量％であり、さらに好ましい範囲は、０．０３〜０．０４質量％である。

〔Ｂｉ量：０．０１〜０．０５質量％〕
Ｂｉは、溶体化処理後の水焼き入れによって凍結された原子空孔と結合して、優先的に結晶粒界に拡散し、その結果、結晶粒界にミクロ偏析する。Ｂｉは、Ｓｎと同時に結晶粒界にミクロ偏析すると、その溶融開始温度はＳｎ−Ｂｉ系二元共晶温度となり、切削加工時に優先的に結晶粒界を局部溶融させることで、切削性を向上させる。その効果は、０．０１質量％以上で特に高い。他方、０．０５質量％を越えて添加すると切削性は向上するものの、リサイクル性において不利となり、耐食性およびアルマイト性にも有害な影響を与え得る。したがって、本発明の合金におけるＢｉ量は、０．０１〜０．０５質量％とする。同様の理由から、Ｂｉ量のより好ましい範囲は、０．０３〜０．０５質量％であり、さらに好ましい範囲は、０．０４〜０．０５質量％である。

また、Ｂｉ、Ｓｎは、共晶となるように添加した方がより有効に作用するため、さらに好ましく、例えば、Ｓｎ：Ｂｉ＝４３：５７の割合に近いほど好ましい。

〔Ｔｉ量：０．０１〜０．１５質量％〕
Ｔｉは、Ｂと共存して、鋳塊の結晶粒微細化に効果を奏し、０．０１質量％以上で十分な微細化効果を奏する。他方、０．１５質量％を越えると、この効果は飽和するため、本発明の合金におけるＴｉ量は、０．０１〜０．１５質量％とする。より好ましくは、０．０５質量％以上添加すると、耐食性の向上効果も得られる。

〔Ｂ量：０．０００５〜０．０１質量％〕
Ｂは、Ｔｉと共存して、鋳塊の結晶粒微細化に効果を奏し、０．０００５質量％以上で十分な微細化効果を奏する。他方、０．０１質量％を越えると、この効果は飽和するため、本発明の合金におけるＢ量は、０．０００５〜０．０１質量％とする。

〔Ｍｇ量：０．００２質量％未満に規制〕
０．００２質量％以上のＭｇが不純物として存在すると、ＳｎおよびＢｉと各々金属間化合物ＳｎＭｇ_２およびＢｉ_２Ｍｇ_３を形成し、切削性に有効な固溶状態で結晶粒界に偏析するＳｎおよびＢｉ量が有効なレベル未満となるため望ましくない。したがって、本発明の合金におけるＭｇ量は、（０質量％以上）０．００２質量％未満とする。同様の理由から、Ｍｇ量のより好ましい範囲は、０．００１質量％未満であり、さらに好ましい範囲は、０．０００５質量％未満である。

〔Ｐｂ量：０．０１質量％未満に規制〕
Ｐｂは切削性には有効な元素であるが、環境負荷物質であることから、０．０１質量％未満とする。同様の理由から、Ｐｂ量のより好ましい範囲は、０．００５質量％未満であり、さらに好ましい範囲は、０．００１質量％未満である。

〔その他の不純物元素〕
原料等から混入する不可避的不純物も含め、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ等は不純物元素扱いとなるが、それぞれ、Ｓｉ：０．１５質量％未満、Ｆｅ：０．２５質量％未満、Ｃｒ：０．１質量％未満、Ｍｎ：０．１質量％未満であれは、本発明に係るアルミニウム合金の強度、切削性、冷間加工性、アルマイト性、リサイクル性の点から許容される。

上述した組成のアルミニウム合金からなる合金部材は、本発明の効果が損なわれない限り、如何なる方法で製造してもよい。一例としては、例えば、本発明の組成のアルミニウム合金（例えば、Ｃｕ：４．０〜８．０質量％、Ｂｉ：０．０１〜０．０５質量％、Ｓｎ：０．０１〜０．０４質量％、Ｔｉ：０．０１〜０．１５質量％、およびＢ：０．０００５〜０．０１質量％を含有し、Ｍｇが０．００２質量％未満に規制され、残部がＡｌおよび不可避不純物）からなるビレットを４８０〜５４０℃で１〜８時間保持して均質化処理する工程と、前記ビレットを加熱温度４００℃以下、押出速度８〜２０ｍ／ｍｉｎで押出する工程と、さらに５００〜５４０℃で溶体化処理する工程と、焼入れ後に引抜率で２０〜３０％の引抜加工を行う工程と、１３０〜１６０℃で４〜８時間の時効処理する工程とによって、引抜材として製造される。

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

表１に示す合金番号１〜１３の合金組成を有する直径９８ｍｍのビレットをＤＣ鋳造法により半連続鋳造した。次に５２０℃で４時間の均質化処理を行い、熱間押出加工により直径２４ｍｍ棒に押出し、次いで５４０℃で２時間の溶体化処理し、水焼き入れした。更に直径２１ｍｍに冷間引抜加工し、最後に１６５℃で４時間の人工時効をした。

これらの合金部材に対し、表２に示す条件で切削性（切粉分断性）を測定した。さらに、引張試験によって、０．２％耐力、引張強さ、伸びなどの機械的性質を測定した。また、直径２０ｍｍ、厚さ２ｍｍのパイプ状に切削した部材をかしめ加工してかしめ性を評価した。さらに、ＪＩＳＺ２３７１に準拠し、塩水噴霧５００時間後の腐食減量を測定して、耐食性を評価した。さらに、硫酸水溶液中でアルマイト処理し、アルマイト処理表面の状態から皮膜厚さと皮膜外観の均一性（色むら、異常模様等）を評価した。評価条件および評価基準を表２〜表５に示す。

本実施例で製造した合金部材の特性評価結果を表６に示す。本発明の合金組成を有する合金部材１〜６は、優れた切削性、冷間かしめ性、耐食性およびアルマイト性を合わせ持っていた。これに対して本発明の合金組成を有さない比較例７〜１３は、良好な冷間かしめ性、切削性、耐食性およびアルマイト性をあわせ持っていなかった。

以上の結果から、本発明に係るアルミニウム合金部材は、低融点金属元素の添加量が少ないにも関わらず、優れた切削性、冷間かしめ性、耐食性およびアルマイト性を有する合金部材であることが確認された。

Claims

Ｃｕ：４．０〜８．０質量％、Ｂｉ：０．０１〜０．０５質量％、Ｓｎ：０．０１〜０．０４質量％、Ｔｉ：０．０１〜０．１５質量％、およびＢ：０．０００５〜０．０１質量％を含有し、Ｍｇが０．００２質量％未満に規制され、残部がＡｌおよび不可避不純物からなる、切削性に優れたＡｌ−Ｃｕ系アルミニウム合金部材。