JP5825990B2 - Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出材 - Google Patents

Description

本発明は、各種機械部品に用いられる表面性状及び切削加工性に優れたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出材に関する。

押出加工性に優れるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金として、ＪＩＳ Ａ ６０６１合金が知られているが、この６０６１合金の押出後の切削加工性の向上、特に切削時の切り屑分断性を向上させるために、特許文献１記載の押出材が提案されている。
この特許文献１記載の押出材は、Ｍｇ：０．４〜１．５％（重量％、以下同じ）、Ｓｉ：０．４〜１．５％、Ｃｕ：０．１〜０．６％、Ｆｅ：０．１〜０．５％を含有し、残部Ａｌおよび不純物よりなるアルミニウム合金の押出材であって、その組織中に晶出物あるいは析出物として形成されるＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系化合物のうち、β相の存在率が２０％以上であるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出材である。また、このβ相の存在率を２０％以上とするために、熱間押出加工前に５３０℃以下において均質化処理を施すか、または均質化処理を施さないようにして製造している。

特許第３３７９９０１号公報

この特許文献１記載の押出材は、切り屑の分断性向上のために従来必要とされていたＰｂやＢｉ等の低融点金属元素を添加含有させることなく、切り屑の分断性を向上させることができるが、この切削加工における加工精度が低くなり易く、改善の余地が残されていた。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、切り屑の分断性を向上させつつ、切削加工における加工精度も向上させることができる表面性状及び切削加工性に優れたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出材を提供することを目的とする。

本発明者はＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出材の切り屑分断性と加工精度との関係を鋭意研究した結果、以下の知見を得た。
特許文献１記載のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出材の場合、β相が２０％以上と多く存在しているため、切り屑の分断性には優れるものの、押出加工時に押出材の表面に肌荒れが生じ易い。この種の押出材を切削加工する場合、その表面の一部を工作機械の取付け面に固定する必要があるが、押出材の表面の肌荒れが大きいと、工作機械に取り付けたときの基準面が定まらず、その結果、加工精度が悪くなる。その改善策として、β相を少なくすることが考えられるが、β相を少なくすると切り屑の分断性を損なうことになる。そこで、このβ相を少なくする分、他の因子により切り屑分断性の向上を図ることを考え、その因子として合金組織に着目した。その結果、合金組織を繊維状にすると、切り屑分断性の向上に有効であり、表面性状も良好であることを見出した。
また、その製造方法としては、熱間押出加工時の押出比を所定範囲にすることが有効であり、さらに熱間押出加工前の均質化処理を高い温度で実施するとより有効である。
本発明はかかる知見の下、以下の解決手段とした。

本発明のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出材は、Ｍｇ：０．７５〜０．９５質量％、Ｓｉ：０．４３〜０．７３質量％、Ｆｅ：０．２２〜０．３８質量％、Ｃｕ：０．２０〜０．４０質量％、Ｍｎ：０．０１〜０．２１質量％、Ｃｒ：０．１７〜０．３５質量％、Ｔｉ：０．００１〜０．１０質量％、残部がＡｌと不可避不純物とからなり、Ｓｉ量−（Ｍｇ量／１．７３＋Ｆｅ量×０．２５）の計算式から得られる数値が−０．１０〜０．１０の範囲内であり、結晶粒の押出方向の長さと該押出方向に沿う厚さ方向の長さとのアスペクト比が３を超える繊維状組織の前記厚さ方向断面内での面積占有率が８５％以上であり、内部に存在するＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系金属間化合物のうち、β相の存在率が２０％未満であることを特徴とする。

このＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出材は、各成分の組成を上記の範囲内とし、そのうちのＦｅ、Ｍｇ、Ｓｉの含有量を上記の関係式を満たす範囲に設定することにより、β相の増加を抑えつつ押出材の表面性状を良好にすることができる。Ｆｅは鋳造組織を微細にする効果があるが、その含有量が多いとβ相が増えるおそれがあり、このＦｅを含めてＭｇとＳｉとの関係式により得られる数値が−０．１０未満であっても、０．１０を超えても、押出材の表面性状の悪化や押出材のコーナー割れを招く。
結晶粒の押出方向の長さと厚さ方向の長さとのアスペクト比が３を超える繊維状の粒子が多いと切り屑分断性が向上する。その面積占有率としては８５％以上が好ましい。アスペクト比が３以下のものが多いと、所望の繊維状組織を得られないため、切り屑が長くなって切削性が低下する。
前述したように、β相が２０％以上と多く存在していると、押出材の表面に肌荒れが生じ易くなり、切削時の加工精度が悪くなる。このβ相は１５％以下がより好ましい。

本発明のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出材の製造方法は、熱間押出加工の押出比が１５〜６０の範囲内であり、熱間押出加工前に５４０℃以上５７５℃以下の温度で均質化処理を施すとよい。
押出比は小さい方が繊維状組織になり易いが、１５未満では工業的に採算がとれにくい。押出比が６０を超えると結晶粒が粗大化して所望の繊維状組織が得られにくくなる。このため、押出比は１５〜６０とした。

また、熱間押出加工前の均質化処理を高い温度で実施すると、押出材の表面性状を良好にしかつ繊維状組織を得るのに有効であるが、５４０℃未満ではβ相が増えて押出材の表面性状が悪化し易く、５７５℃を超えると所望の繊維状組織が得られにくくなる。このため、均質化処理温度としては５４０〜５７５℃が好ましい。

本発明によれば、切り屑の分断性を向上させつつ、切削加工における加工精度も向上させることができる表面性状及び切削加工性に優れたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出材を得ることができる。

以下、本発明に係るＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出材及びその製造方法の実施形態を説明する。
実施形態のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出材は、車両等の油圧回路中に設けられるほぼ直方体断面のブロック状の油圧部品であり、その直方体断面形状で押出加工される。

＜成分組成＞
このＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出材は、Ｍｇ：０．７５〜０．９５質量％、Ｓｉ：０．４３〜０．７３質量％、Ｆｅ：０．２２〜０．３８質量％、Ｃｕ：０．２０〜０．４０質量％、Ｍｎ：０．０１〜０．２１質量％、Ｃｒ：０．１７〜０．３５質量％、Ｔｉ：０．００１〜０．１０質量％、残部がＡｌと不可避不純物とからなり、Ｓｉ量−（Ｍｇ量／１．７３＋Ｆｅ量×０．２５）の計算式から得られる数値が−０．１０〜０．１０の範囲内とされる。

Ｍｇは、合金の強度を向上させるための元素であり、好ましい含有量は０．７５〜０．９５質量％の範囲である。０．７５質量％未満ではその効果が十分でなく、０．９５質量％を超えると押出加工時のプレス圧力が上昇して、押出加工性が低下する。また、押出材表面性状も悪化する。
Ｓｉは、Ｍｇと結合することによって金属間化合物を形成し、合金の強度を向上させるとともに、Ａｌ及びＦｅと結合することによってＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系の金属間化合物を形成する。合金強度の向上のために好ましい含有量は０．４３〜０．７３質量％であり、０．４３質量％未満ではその効果が十分でなく、０．７３質量％を超えると押出加工時のプレス圧力が上昇して、押出加工性が低下する。また、押出材表面性状も悪化する。
Ｆｅは、鋳造組織を微細化する作用がある。また、ＡｌおよびＳｉと結合することによってＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系の金属間化合物を形成する。鋳造組織を微細化するために好ましい含有量は０．２２〜０．３８質量％であり、０．２２％未満ではその効果が十分でなく、また溶解原料としての繰返し材が使用できずコストアップする。０．３８質量％を超えると押出加工時のプレス圧力が上昇して、押出加工性が低下する。また、押出材表面性状も悪化する。

また、ＡｌとＦｅ、Ｓｉの化合物であるＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系金属間化合物のうち、β相が多いと、押出材の表面に肌荒れが生じるため、Ｆｅ、Ｓｉ及びＭｇの含有量（質量％）の関係について、Ｓｉ量−（Ｍｇ量／１．７３＋Ｆｅ量×０．２５）の計算式から得られる数値が−０．１０〜０．１０の範囲内であることが重要である。この関係式により得られる数値が−０．１０未満であっても、０．１０を超えても、押出材の表面性状の悪化を招く。

Ｃｕは，強度向上に寄与する元素であり、好ましい含有量は０．２０〜０．４０質量％である。０．２０質量％未満ではその効果が十分でなく、０．４０質量％を超えると押出加工時のプレス圧力が上昇して、押出加工性が低下する。
Ｍｎ、Ｃｒは、結晶粒を微細化するとともに強度を向上させる作用がある。好ましい含有量は、Ｍｎが０．０１〜０．２１質量％、Ｃｒが０．１７〜０．３５質量％である。いずれも下限値未満ではその効果が十分でなく、上限値を超えると焼入れ感受性が高まり、強度低下の原因となる。
Ｔｉは、結晶粒を微細化させる作用がある。好ましい含有量は０．００１〜０．１０質
量％である。０．００１質量％未満ではその効果が十分でなく、０．１０質量％を超えると、粗大な晶出物が形成され易くなり、押出材表面性状が悪化する。

＜結晶組織＞
このＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出材は、結晶粒の押出方向の長さと押出方向に沿う厚さ方向の長さとのアスペクト比が３を超える繊維状組織の厚さ方向断面内での面積占有率が８５％以上である。
３を超える繊維状の粒子が多いと切り屑分断性が向上する。その面積占有率としては８５％以上が好ましい。アスペクト比が３以下のものが多いと、所望の繊維状組織を得られないため、切削加工時の切り屑が長くなって切削性が低下する。
また、内部に存在するＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系金属間化合物のうち、β相の存在率が２０％未満である。
前述したように、β相が２０％以上と多く存在していると、押出材の表面に肌荒れが生じ易くなり、切削時の加工精度が悪くなる。

＜製造方法＞
このＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出材の製造方法は、上記の組成に調整されたアルミニウム合金を溶解し、半連続鋳造法により、所定の径のビレットを作製し、このビレットを５４０〜５７５℃の温度で均質化処理した後、熱間で押出比が１５〜６０の範囲内で押出加工する。

均質化処理を高い温度で実施すると、押出材の表面性状を良好にしかつ繊維状組織を得るのに有効であるが、５４０℃未満ではβ相が増えて押出材の表面性状が悪化し易く、５７５℃を超えると所望の繊維状組織を得にくくなる。このため、均質化処理温度としては５４０〜５７５℃が好ましい。処理時間としては２〜８時間程度でよい。
熱間押出加工は、例えば４８０〜５４０℃の温度で実施される。押出比は、押出加工前のビレットの断面積Ａ１と押出加工後の押出材の断面積Ａ２との比（Ａ１／Ａ２）であり、小さい方が繊維状組織になり易いが、１５未満では工業的に採算がとれにくい。押出比が６０を超えると結晶粒が粗大化して所望の繊維状組織を得にくくなる。このため、押出比は１５〜６０とした。
押出加工後、常法による時効処理等が施され、表面の全面又は一部の切削加工等、必要な機械加工がなされて製品となる。

以下、本発明の実施例について説明する。
表1に示す組成を有するアルミニウム合金を溶解し、半連続鋳造法により直径２２９ｍｍのビレットを作製した。このビレットを表１又は表２に示す温度で均質化処理を５時間実施した後、５１０℃で表１に示す押出比で押出加工し、押出後水冷した。表２の組成中の「−」はその元素を添加しなかったことを示す。

得られた押出材につき、アスペクト比が３を超える結晶粒の面積占有率、β相存在率を測定し、表面性状、切り屑分断性を評価した。
アスペクト比が３を超える結晶粒の面積占有率は、押出材の押出方向と平行な厚さ方向の断面を光学顕微鏡で観察して測定した。
β相は、Ｘ線回折の積分強度率により計算され、α相及びα´相はｄ＝３．９８Å、β相はｄ＝５．１９Åのピークを用い、各ピークの積分強度の比率を各相の存在率とすることにより求めた。
表面性状は、押出材のコーナー部の健全性を割れ発生有無で判断し、また、表面の十点平均粗さＲｚを測定した。Ｒｚが２０以下の場合を○、２０を超え３０以下の場合を△、３０を超えていたものを×とした。
切り屑分断性は、押出材に１０ｍｍ径のドリルで回転数３０００ｒｐｍ、送り速度０．２ｍｍ／回転により孔あけ加工した際の切り屑1個当たりの長さを１００個測定して、その平均値を求めた。その長さが４７ｍｍ以上であると、切り屑分断性に劣ると言える。
また、ＪＩＳ４号試験片を押出材中央部から採取し、引張試験で０．２％耐力、伸びを測定した。

これらの結果から明らかなように、実施例の押出材は、繊維状組織の占有率が高く、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系金属間化合物のうちのβ相の存在率が低く抑えられることにより、表面性状が良好で、コーナー割れがなく、切り屑分断性に優れている。したがって、切削加工における加工精度を向上させることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能であり、実施形態では車両の油圧回路中の部品を挙げたが、各種機械部品に本発明を適用することができる。

Claims (2)

1. Ｍｇ：０．７５〜０．９５質量％、Ｓｉ：０．４３〜０．７３質量％、Ｆｅ：０．２２〜０．３８質量％、Ｃｕ：０．２０〜０．４０質量％、Ｍｎ：０．０１〜０．２１質量％、Ｃｒ：０．１７〜０．３５質量％、Ｔｉ：０．００１〜０．１０質量％、残部がＡｌと不可避不純物とからなり、Ｓｉ量−（Ｍｇ量／１．７３＋Ｆｅ量×０．２５）の計算式から得られる数値が−０．１０〜０．１０の範囲内であり、結晶粒の押出方向の長さと該押出方向に沿う厚さ方向の長さとのアスペクト比が３を超える繊維状組織の前記厚さ方向断面内での面積占有率が８５％以上であり、内部に存在するＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系金属間化合物のうち、β相の存在率が２０％未満であることを特徴とするＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出材。
2. 請求項１記載のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出材の製造方法であって、熱間押出加工の押出比が１５〜６０の範囲内であり、熱間押出加工前に５４０℃以上５７５℃以下の温度で均質化処理を施すことを特徴とするＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出材の製造方法。