JPH09111385A - 実質的にPbを含まないねじ加工材用Al合金 - Google Patents

実質的にPbを含まないねじ加工材用Al合金

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JPH09111385A
JPH09111385A JP8221982A JP22198296A JPH09111385A JP H09111385 A JPH09111385 A JP H09111385A JP 8221982 A JP8221982 A JP 8221982A JP 22198296 A JP22198296 A JP 22198296A JP H09111385 A JPH09111385 A JP H09111385A
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イー.ファーラー,ジュニア ラリー
Ii Norman Leroy Coats
ルロイ コーツ,ザ セカンド ノーマン
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 実質的にPbを含まないねじ加工材用合金の
製造。 【解決手段】 鋳造状態のAlインゴットを準備し、こ
のインゴットを少なくとも1時間、約900〜1060
°F(約482〜571℃)の範囲の温度で合金を均質
化処理し、室温に冷却し、インゴットをビレットに切断
し、ビレットを加熱しおよび所望の形状に押出し加工
し、さらに、この押出し加工された合金の形材を熱機械
的に処理する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、Pbを含まないね
じ加工材用Al合金に係り、特に、実質的にPbを含ま
ない、SnおよびBiを含むねじ加工材用Al合金およ
び該Al合金を製造する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】ねじ加工材に使用される従来のAl合金
は、他の合金元素とりわけPbを含んでいる。当業者
は、合金のチッピング(chipping)特性を高めるという理
由から、従来のねじ加工材用Al合金にPbを添加して
いる。しかし、従来のねじ加工材用Al合金中でのPb
の存在を含む、多くの材料中でのPbの存在により生じ
る健康の危険に関し関心が増している。その結果、当業
者は、実質的にPbを含まないねじ加工材用Al合金の
開発を試みている。
【0003】例えば、ボーリング、ドリリングまたは旋
盤加工のような機械切削作業用に用いられるAl合金中
でのSnの使用は、長年にわたって知られている。例え
ば、Kempf 他の米国特許第2026571号明細書は、
Cu、SiおよびSnを含有する快削Al合金を記載し
ている。このCu含有切削用合金は、Cu:3〜12重
量%と、Si:0.5〜2.0重量%と、Sn:0.0
05〜0.1重量%とを含む。また、この切削用合金
は、Bi、Tl(タリウム)、CdまたはPbの1種以
上を0.05〜6重量%含有してもよい。この合金の切
削特性を改善するために、Kempf 他は、この合金に溶体
化熱処理および冷間引抜き加工を施すことを提案してい
る。
【0004】双方共、Kempf 他の米国特許第20265
75号および第2026576号明細書は、Cu:4〜
12重量%と、Sn:0.01〜2重量%と、Bi:
0.05〜1.5重量%とを含む快削Al合金を記載し
ている。物理的特性を変えるために、これらの合金に
「通常の熱処理」を施すことができることが記載されて
いるが、この60年経過の古い特許は、望ましい物理的
特性を得るのを助ける特定の熱機械的工程を特定してい
ない。さらに、これらの特許の双方は、「1種を超える
快削成分の同時存在は、全体で同じ量のこれらの成分の
いずれかを別個に使用する場合より有利である」ことを
教示している。(Kempf 他の第2026576特許の第
2欄、42〜45行参照)。特に、Kempf 他は、「1.
5%の1種の成分を単独で添加することより、Pb、B
iまたはTl(タリウム)の1種より多くの成分を使用
して、この1.5%を組成するほうがより有利である」
ことを記載している。(Kempf 他の第2026576特
許の第2欄、51行以降参照)。したがって、これらの
2つの特許は、合金組成から最良の快削特性を得るため
に、1を超える快削成分をAlCu合金に添加すべきこ
とを示唆している。
【0005】より現在の参考例である、Alabi の米国特
許第5122208号明細書は、SnおよびBiを比較
的多く添加した耐摩耗性および自己潤滑性を有するAl
合金を開示している。この合金は、0.5〜3重量%の
Snと対応する量のBiとを含む。しかし、この合金
は、きわめて多量のSiと、ねじ加工材用合金として使
用するのを不適当とするきわめて少量のCuとを有して
いる。SnおよびBiを含有するAl合金は、犠牲アノ
ードの製造にも用いられるが、従来のAl合金製犠牲ア
ノードの組成はねじ加工材として使用するのを不適当と
する。
【0006】ねじ加工材用Al合金は、Pbを含まない
だけでなく、この合金はPbを含むものと同等の機械的
および物理的特性も有しなければならない。したがっ
て、Pbを含有するねじ加工材用合金と同等の機械的お
よび物理的特性を維持しつつ、Pbを含まないねじ加工
材用合金が必要とされている。したがって、本発明の目
的は、この合金を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、実質的に、S
i:約0.40〜0.8重量%と、Fe:約0.7重量
%以下と、Cu:約0.15〜0.40重量%と、M
n:約0.15重量%以下と、Mg:約0.8〜1.2
重量%と、Cr:約0.04〜0.14重量%と、Z
n:約0.25重量%以下と、Ti:約0.15重量%
以下と、Sn:約0.10〜0.7重量%と、Bi:約
0.20〜0.8重量%と、残部としてのAlおよび不
可避不純物とから成る、実質的にPbを含まない押出し
加工された後に溶体化熱処理されたねじ加工材用Al合
金を包含する。
【0008】この合金を製造する方法は、温度約900
〜1060°F(約482〜571℃)で少なくとも1
時間インゴットを均質化処理し、冷却し、このインゴッ
トをビレットに切断し、このビレットを加熱しおよび所
望の形状に押出し加工し、この押出し加工された合金の
形材を熱機械的に処理する工程を含む。
【0009】本発明の上記および他の目的、特徴および
利点は、図面を参照して説明されている好ましい実施例
の下記詳細な説明からより容易に明らかとなるであろ
う。
【0010】
【発明の実施の形態】本発明は、Pbを含まないねじ加
工材用Al合金およびこの合金を製造する方法に関す
る。特に、本発明は、実質的にPbを含まない、Snお
よびBiを含有するねじ加工材用Al合金およびこの合
金を製造する方法に関する。ねじ加工材用の従来のAl
合金に含有されるPbを所定量のSnで代え、その後、
この合金に熱機械的処理を施せば、従来のPb含有合金
が生じさせる可能性がある重大な健康に対する危険に直
面することなく、Pbを含有するねじ加工材用Al合金
と少なくとも同等の物理的および機械的特性を有する合
金が得られることを見出した。
【0011】Al製ねじ加工材は、一般的に、ねじ切り
機で使用されるロッドまたはバーの形態で製造される。
Al合金のねじ加工材は、その特定の合金の可能な最良
の機械加工性およびチップ破断特性を呈しなければなら
ない。この材料は、優れた機械加工性およびチップ破断
特性だけでなく、最終使用製品に要求される物理的およ
び機械的特性を満足させなければならない。これらの特
性は、過去においては、概ね約0.50重量%のPbを
含み、Al協会によりAA6262合金と指定されたP
b含有合金をねじ加工材用Al合金を製造するために用
いるときに得られた。
【0012】しかし、たとえば、AA6262のよう
な、Pbを含有するねじ加工材に長時間にわたって晒さ
れる作業者は有害な健康上の影響を受ける可能性がある
という心配があった。これらの心配は、Pbを含有する
ものに代わる、Pbを含まないねじ加工材用合金の必要
性を生じた。Pbを含まないねじ加工材用Al合金の機
械的、物理的および比較特性は、従来のPbを含む62
62ねじ加工材用Al合金と少なくとも同等の態様で作
用しなければならない。
【0013】本発明のAl合金は、従来合金中に含まれ
るPbにより生じる潜在的な問題を生じることなく、従
来の6262合金の好適な代替合金を提供する。また、
本発明の合金は、合金の物理的、機械的および比較特性
のいずれも犠牲にすることなく、Pbを含有するねじ加
工材用Al合金に期待されるチップ破断特性において所
定の機械加工性を呈する。この合金の物理的特性は、以
下に規定する特定の限度内で厳格に制御された化学組成
と、注意深く制御されかつ連続するプロセス工程とに依
存する。組成限界またはプロセスパラメータが以下に規
定する限界から外れる場合、Pbを含まないことおよび
重要な機械加工特性との所望の組合わせは達成されな
い。
【0014】我々の発明の合金は、実質的に、Si:約
0.40〜0.8重量%と、Fe:約0.7重量%以下
と、Cu:約0.15〜0.40重量%と、Mn:約
0.15重量%以下と、Mg:約0.8〜1.2重量%
と、Cr:約0.04〜0.14重量%と、Zn:約
0.25重量%以下と、Ti:約0.15重量%以下
と、Sn:約0.10〜0.7重量%と、Bi:約0.
20〜0.8重量%と、残部としてのAlおよび不可避
不純物とから成る。好ましい合金は、実質的に、Si:
約0.55〜0.7重量%と、Fe:約0.45重量%
以下と、Cu:約0.30〜0.4重量%と、Mn:約
0.15重量%以下と、Mg:約0.8〜1.1重量%
と、Cr:約0.08〜0.14重量%と、Zn:約
0.25重量%以下と、Ti:約0.07重量%以下
と、Sn:約0.15〜0.25重量%と、Bi:約
0.50〜0.74重量%と、残部としてのAlおよび
不可避不純物とから成る。
【0015】合金が0.10重量%未満のSnを含む場
合、チッピング特性が良好でないことを見出した。しか
し、合金が0.7重量%より多くのSnまたは0.8重
量%より多くのBiを含有する場合、有利な効果はある
にしても僅かである。さらに、Snのレベルが高くなる
と、チッピングおよび工具寿命が低下する。
【0016】さらに、BiおよびSnの範囲をさらに狭
めることにより、他の利点を得ることができることを見
出した。したがって、我々の最も好ましい合金は、約
0.50〜0.74重量%のBiと、約0.10〜0.
7重量%、さらに好ましくは約0.15〜0.25重量
%のSnとを含んでいる。BiおよびSnの範囲をさら
に限定することにより、合金の最適なチッピングおよび
工具寿命が得られることを見出した。
【0017】最初、合金をインゴットに鋳造し、少なく
とも1時間であるが、概ね24時間以下の時間にわたっ
て、温度約1000〜1170°F(約538〜632
℃)でインゴットを均質化処理し、その後、ファンでの
冷却または空冷が続く。好ましくは、このインゴットを
約4時間にわたって、約1020°F(約549℃)で
均熱化し、その後室温に冷却する。次に、インゴットを
より短いビレットに切断し、これを約600〜720°
F(約316〜382℃)の範囲の温度に加熱し、その
後これらのビレットを所望の形状、概略ロッド形状また
はバー形状に押出し加工する。
【0018】その後、所望の機械的および物理的特性を
得るために、押出し加工された合金形材を熱機械的に処
理する。たとえば、質別T8の機械的および物理的特性
を得るために、温度約930〜1030°F(約499
〜554℃)、好ましくは約1000°F(約538
℃)で、約0.5〜2時間にわたって、溶体化熱処理
し、この熱処理された形材を室温に迅速焼入れし、この
形材を冷間加工し、この冷間加工された形材を約300
〜380°F(約149〜193℃)の範囲の温度で約
4〜12時間にわたって、人工時効する。
【0019】質別T4を得るために、この形材を冷間加
工し、押出し加工された合金形材を温度約930〜10
30°F(約499〜554℃)で約0.5〜2時間溶
体化熱処理し、この熱処理された形材を室温に迅速焼入
れし、その後、たとえば、約1〜3%の応力緩和引張り
のような公知の真直化作業を使用して真直化し、この冷
間加工された形材を自然時効させる。質別T6またはT
651を付与するために、T4またはT451真直化形
材をさらに人工時効処理する。この人工時効処理サイク
ルは約4〜12時間、温度約300〜380°F(約1
49〜193℃)で実施されるだろう。
【0020】質別T4またはT4511を得るために、
温度約930〜1030°F(約499〜554℃)で
約0.5〜2時間にわたって、溶体化熱処理し、この熱
処理された形材を室温に迅速焼入れし、その後、この形
材は、たとえば、約1〜3%の応力緩和引張りのような
公知の真直化作業を使用して真直化することができ、こ
の形材を自然時効可能とする。質別T6またはT651
1を付与するために、T4またはT4511形材をさら
に人工時効処理する。この人工時効サイクルは約4〜1
2時間、温度約300〜380°F(約149〜193
℃)で実施されるであろう。
【0021】質別T6511のT6の特性を得るため
に、押出し加工前に、ビレットを温度約950〜105
0°F(約510〜566℃)に加熱し、その後、これ
らのビレットをロッドまたはバーの形態のほぼ所望の大
きさに押出し加工する。押出し加工プロセス後、合金成
分の制御されない析出を最小限にするために合金を室温
に迅速焼入れする。この後、ロッドまたはバーは、たと
えば、約1〜3%の応力緩和のような公知の真直化作業
を使用して真直化する。その物理的および機械的特性を
さらに改善するために、合金をさらに熱処理して析出人
工時効硬化させる。この熱処理工程は、温度約300〜
380°F(約149〜193℃)、約4〜12時間で
概ね完了する。
【0022】質別T9を得るために、押出し加工された
材料に、約0.5〜2時間にわたって、温度約930〜
1030°F(約499〜554℃)で溶体化熱処理を
施し、この熱処理された材料を室温に迅速焼入れし、約
4〜12時間の範囲の時間にわたって、温度約300〜
380°F(約149〜193℃)でこの材料を人工時
効し、その後、この材料を冷間加工し、たとえば、圧延
真直化(roll straightening)のような公知の真直化作業
が続く。
【0023】
【実施例】本発明を実証するために、鋳造状態のインゴ
ットとして表1に示す組成の合金をまず準備し、その
後、これらのインゴットを1040°F(560℃)で
4時間均質化処理し、室温に冷却し、ビレットに切断
し、600°F(316℃)に再加熱し、1.188イ
ンチ(約3cm)の径の材料に押出し加工し、1000
°F(約538℃)で30分間溶体化熱処理し、その
後、水を使用して迅速焼入れし、350°F(約177
℃)で8時間時効させる(質別T8)。
【0024】
【表1】 (*)合金を製造するために主材料に添加された微量元
素 (**)この合金は典型的なAA6262を表す。
【0025】これらの合金のそれぞれの機械的特性をテ
ストし、その結果を表2に示した。
【0026】
【表2】 このデータは、6つの合金が同等の機械的特性を有して
いることを示している。このデータの分布は6262.
T8製品において典型的である。
【0027】表3は各合金に実施した機械加工試験の結
果を示している。
【0028】
【表3】 (注1)チップの分類は定量化することが困難であるた
めに、チップは互いに比較することにより評価した。合
金No.1のチップは十分破断されていた。合金No.
2およびNo.4のチップは合金No.1のものより僅
かに大きいが、非常に近似している。合金No.3,N
o.5およびNo.6のチップは合金No.1よりサイ
ズが大きく小片ではない。
【0029】6つの合金の全てについて陽極酸化特性を
テストした。表4はこの作業結果を示している。
【0030】
【表4】 これらのデータは、これらの合金が同等の陽極酸化品質
を有していることおよび冶金構造の異常は見出だせなか
ったことを示している。
【0031】本発明の原理をその好ましい実施例で図示
しかつ説明したが、本発明が、この原理から逸脱するこ
となく、調整および詳細において変更可能であることは
当業者には容易に明らかであろう。私は添付特許請求の
範囲の精神および範囲内の全ての変更について権利付与
を請求する。

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 実質的に、約0.40〜0.8重量%の
    Siと、約0.7重量%以下のFeと、約0.15〜
    0.40重量%のCuと、約0.15重量%以下のMn
    と、約0.8〜1.2重量%のMgと、約0.04〜
    0.14重量%のCrと、約0.25重量%以下のZn
    と、約0.15重量%以下のTiと、約0.10〜0.
    7重量%のSnと、約0.20〜0.8重量%のBi
    と、残部としてのAlおよび不可避不純物とから成る、
    実質的にPbを含まない押出し加工後に溶体化熱処理さ
    れたねじ加工材用Al合金。
  2. 【請求項2】 実質的に、約0.55〜0.70重量%
    のSiと、約0.15〜0.45重量%のFeと、約
    0.30〜0.40重量%のCuと、約0.08〜0.
    15重量%のMnと、約0.80〜1.10重量%のM
    gと、約0.08〜0.14重量%のCrと、約0.2
    5重量%以下のZnと、約0.007〜0.07重量%
    のTiと、約0.20〜0.8重量%のBiと、約0.
    15〜0.25重量%のSnと、残部としてのAlおよ
    び不可避不純物とから成る請求項1に記載されたAl合
    金。
  3. 【請求項3】 実質的に、約0.55〜0.70重量%
    のSiと、約0.15〜0.45重量%のFeと、約
    0.30〜0.40重量%のCuと、約0.08〜0.
    15重量%のMnと、約0.80〜1.10重量%のM
    gと、約0.08〜0.14重量%のCrと、約0.2
    5重量%以下のZnと、約0.007〜0.07重量%
    のTiと、約0.50〜0.74重量%のBiと、約
    0.10〜0.7重量%のSnと、残部としてのAlお
    よび不可避不純物とから成る請求項1に記載されたAl
    合金。
  4. 【請求項4】 Sn量が約0.15〜0.25重量%で
    ある請求項3に記載されたAl合金。
  5. 【請求項5】 実質的にPbを含まないねじ加工材用A
    l合金を製造する方法であって、(a)実質的に、約
    0.40〜0.8重量%のSiと、約0.7重量%以下
    のFeと、約0.15〜0.40重量%のCuと、約
    0.15重量%以下のMnと、約0.8〜1.2重量%
    のMgと、約0.04〜0.14重量%のCrと、約
    0.25重量%以下のZnと、約0.15重量%以下の
    Tiと、約0.10〜0.7重量%のSnと、約0.2
    0〜0.8重量%のBiと、残部としてのAlおよび不
    可避不純物とから成る組成を有する鋳造Alインゴット
    を準備し、(b)温度約900〜1060°F(約48
    2〜571℃)で少なくとも1時間前記インゴットを均
    質化処理し、(c)冷却し、(d)前記インゴットをビ
    レットに切断し、(e)前記ビレットを加熱して所定の
    形材に押出し加工し、(f)押出し加工された合金形材
    を熱機械的処理する、以上の各工程を含む実質的にPb
    を含まないねじ加工材用Al合金の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記熱機械的処理する工程が、(i)温
    度約930〜1030°F(約499〜554℃)、約
    0.5〜2時間の溶体化熱処理と、(ii)熱処理され
    た形材の室温への迅速焼入れと、(iii)焼入れされ
    た形材の冷間加工と、(iv)冷間加工された形材を人
    工時効処理して質別T8を付与すること、以上の各工程
    を含む請求項5に記載のAl合金の製造方法。
  7. 【請求項7】 前記熱機械的処理する工程が、(i)形
    材の冷間加工と、(ii)冷間加工された形材に対す
    る、温度約930〜1030°F(約499〜554
    ℃)、約0.5〜2.0時間の溶体化熱処理と、(ii
    i)熱処理された形材の室温への迅速焼入れと、(i
    v)焼入れされた熱処理済形材を自然時効させて質別T
    4を付与すること、以上の各工程を含む請求項5に記載
    のAl合金の製造方法。
  8. 【請求項8】 自然時効させる前に引張り処理を施して
    質別T451を付与する工程をさらに含む請求項7に記
    載のAl合金の製造方法。
  9. 【請求項9】 人工時効処理を施して質別T6を付与す
    る工程をさらに含む請求項7に記載のAl合金の製造方
    法。
  10. 【請求項10】 人工時効処理工程が、約300〜38
    0°F(約149〜193℃)で約4〜12時間加熱す
    る工程を含む請求項9に記載のAl合金の製造方法。
  11. 【請求項11】 人工時効処理を施して質別T651を
    付与する工程をさらに含む請求項8に記載のAl合金の
    製造方法。
  12. 【請求項12】 前記熱機械的処理工程が、(i)温度
    約930〜1030°F(約499〜554℃)、約
    0.5〜2.0時間の溶体化熱処理と、(ii)熱処理
    された形材の室温への迅速焼入れと、(iii)自然時
    効させて質別T4を付与すること、以上の各工程を含む
    請求項5に記載のAl合金の製造方法。
  13. 【請求項13】 前記人工時効処理工程が、約300〜
    380°F(約149〜194℃)で約4〜12時間加
    熱する工程を含む請求項11に記載のAl合金の製造方
    法。
  14. 【請求項14】 自然時効させる前に真直化して質別T
    4511を付与する工程をさらに含む請求項12に記載
    のAl合金の製造方法。
  15. 【請求項15】 人工時効処理工程が、約300〜38
    0°F(約149〜194℃)で約4〜12時間加熱し
    て質別T6を付与する工程を含む請求項7に記載のAl
    合金の製造方法。
  16. 【請求項16】 人工時効処理工程が、約300〜38
    0°F(約149〜194℃)で約4〜12時間加熱し
    て質別T6511を付与する工程を含む請求項14に記
    載のAl合金の製造方法。
  17. 【請求項17】 前記熱機械的工程が、(i)温度約9
    30〜1030°F(約499〜554℃)、約0.5
    〜2.0時間の溶体化熱処理と、(ii)熱処理された
    形材の室温への迅速焼入れと、(iii)人工時効処理
    と、(iv)冷間加工と、(v)真直化して質別T9を
    付与すること、以上の各工程を含む請求項5に記載のA
    l合金の製造方法。
  18. 【請求項18】 請求項5に記載されたAl合金の製造
    方法で製造された製品。
  19. 【請求項19】 請求項6に記載されたAl合金の製造
    方法で製造された製品。
  20. 【請求項20】 請求項7に記載されたAl合金の製造
    方法で製造された製品。
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