JPWO2005024079A1

JPWO2005024079A1 - 切削性・かしめ性・耐摩耗性に優れたアルミニウム合金押出材

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Publication number: JPWO2005024079A1
Application number: JP2005508764A
Authority: JP
Inventors: 信行東; 欣次橋本
Original assignee: Aisin Keikinzoku Co Ltd
Current assignee: Aisin Keikinzoku Co Ltd
Priority date: 2003-09-01
Filing date: 2003-09-01
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2023-09-01
Also published as: US7648594B2; WO2005024079A1; US20050252581A1; JP4189974B2; CN100371485C; US7175719B2; CN1820088A; CN101220429A; US20070107812A1

Abstract

アルミニウム合金押出材において、Ｓｉ：３．０〜６．０質量％、Ｍｇ：０．１〜０．４５質量％、Ｃｕ：０．０１〜０．５質量％、Ｍｎ：０．０１〜０．５質量％を有し、Ｆｅ：０．４０〜０．９０質量％の範囲に制御し、残りがＡＩおよび不可避的不純物からなる切削性・かしめ性・耐摩耗性に優れたことを特徴とするアルミニウム合金押出材。特にＳｉ：４．１〜５．１質量％、Ｍｇ：０．３〜０．４５質量％、Ｃｕ：０．１０〜０．２０質量％、Ｍｎ：０．０５〜０．１５質量％、Ｃｒ：０．０１〜０．５質量％を有し、Ｆｅ：０．５０〜０．９０（０．５０を除く）質量％の範囲に制御するのが効果的である。また、押出及び溶体化処理し、さらに過時効処理すると良い。

Description

本発明は、機械加工における切削性と、ねばり性としてのかしめ性とが共に優れた強度の高い耐摩耗性アルミニウム合金押出材に関する。

日本工業規格には、各種アルミニウム合金材料が規定されている。この中で４０００糸合金は、アルミニウム中にＳｉを添加することで、金属組織中に硬質Ｓｉ粒子を分散析出させることで比較的高い耐摩耗性が得られる。
しかし、金属組織中に硬質のＳｉ粒子が多量に存在すると、このＳｉ粒子を起点にした切り欠き効果により金属材料としてのねばり性が悪化することになる。
切削加工において、Ｓｉ粒子は切屑を分散させる効果があるが切削面の面粗度を悪化させる要因の１つになる。
アルミニウム合金押出材を自動車用制動部品等に適用する場合に、相手摺動部品に対する耐摩耗性が要求されるが、それとともに高い切削加工精度やかしめ加工精度が必要となる場合が多い。
例えば、自動車用アンチロックブレーキシステムアクチュエーターボデー部品（以下ＡＢＳボデーという）においては、ピストンやバルブ部品等を内蔵するシリンダー部や油圧回路溝等が切削加工され、部品組み込み後にかしめシール等が施される。
従って、強度のみならず摺動部品に対する耐摩耗性、複雑な加工形状に対する切削性及びかしめ部の作動油等に対する耐圧性が要求される。
自動車の軽量化に伴い、ＡＢＳボデーもさらなる小型、軽量化が求められているが、それに対応出来るだけのアルミニウム合金押出材がなかった。

本発明は、相互に負の相関関係があるとされている強度、耐摩耗性、切削性及び、かしめ性の品質を共に向上させるのに効果的なアルミニウム合金押出材の提供を目的とする。
上記目的を達成する合金組織を種々研究した結果、Ｓｉ：３．０〜６．０質量％、Ｍｇ：０．１〜０．４５質量％、Ｃｕ：０．０１〜０．５質量％、Ｍｎ：０．０１〜０．５質量％を有し、Ｆｅ：０．４０〜０．９０質量％の範囲に制御し、残りがＡｌおよび不可避的不純物からなる押出材を得た（以下、質量％を単に％と表示する）。
Ｓｉ成分はＭｇ成分とでＭｇ_２Ｓｉを析出させることで時効硬化による強度を得るとともに、Ｓｉ粒子による耐摩耗性を確保する点から、Ｓｉ：３．０〜６．０％、Ｍｇ：０．１〜０．４５％とした。
ここで、Ｓｉの一部がＭｇによりＭｇ_２Ｓｉとなるので、耐摩耗性に寄与するＳｉ粒子はＭｇの添加量の影響を大きく受けることになる。
従って、押出材の強度と耐摩耗性を安定させる意味で、Ｍｇを０．３〜０．４５％の範囲に制御するのが良く、理想的にはＭｇを０．３〜０．４（０．４を除く）％に制御するのが良い。
このようにＭｇの成分範囲を狭く制御すると、押出材の強度を比較的高強度に安定させることが出来るとともに、耐摩耗性に寄与するＳｉ粒子の制御がしやすく、Ｓｉ成分を４．１〜５．１％の範囲に制御すると耐摩耗性も安定する。
また、Ｓｉ及びＭｇはＭｇ_２Ｓｉ析出効果による強度への正の影響を与えるが、かしめ性に対しては負の大きな影響を与える。
従って、強度的にはＭｇが最低でも０．１％を必要とし、安定的には上述のように０．３％以上が良いことになるが、かしめ性（ねばり性）を確保するにはＭｇを０．４５％以下理想的には０．４％未満が良い。
かしめ性を確保しつつ強度を向上させる手段として、Ｃｕを０．０１〜０．５％添加するのが良い。
Ｃｕはある程度固溶するので、固溶効果により強度が向上するとともに切削性も向上する。
かしめ性を確保するために、Ｍｇ成分を０．４５％以下に抑えたために強度が材料要求に対して少し不足する場合にはＣｕの添加効果が期待できる。
しかし、Ｃｕは添加量が多くなると電位差腐食の原因になる恐れがあるので、０．１０〜０．２０％の範囲に制御するのが望ましい。
Ｍｎは押出材の結晶粒を微細化する効果があるので、切削性向上の観点から０．０１〜０．５％添加するとよい。
しかし、Ｍｎは結晶粒界に析出すると電位差腐食の原因の１つになる恐れがあるとともに、かしめ性を低下させるので理想的にはＭｎは０．０５〜０．１５％の範囲に制御するのがよい。
本発明において、特に特徴的なのはＦｅ成分を制御した点にある。
押出材においてＦｅ成分は、一般的に不純物として捉えられている。
また、結晶粒の微細化効果も確認されている。
しかし、これまでかしめ性については充分には検討された報告例がない。
本願発明者等は、Ｆｅ成分量を細かく変化させた押出材を試験評価した結果、Ｆｅを０．９％超えて添加するとかしめ性が低下するが、Ｆｅを０．４０〜０．９０％の範囲に制御するとかしめ性を維持しつつ、切削性が向上することが明らかになった。
ここで、Ｆｅ０．４以下では切削性の向上が認められず、理想的にはＦｅを０．５０％を超え０．９０％以下に抑えるとよい。
金属組織観察によると、Ｆｅ粒子は結晶粒界に分散していて切削時に薄く削られた切屑は、Ｆｅ粒子を起点に破断し易くなるために切削性が向上すると推定される。
従って、Ｆｅを０．９％を超えて添加すると、かしめ性（伸び）に悪い影響を与えるのは結晶粒界に多く析出するためと推定される。
従って、押出材の溶体化後の人工時効処理条件も、かしめ性及び切削性に影響を与え、最高強度を少し超えた過時効条件の方がよい。
Ｃｒは結晶粒の微細化効果があり、必要に応じて添加されるが０．５％を超えると大きな初晶生成物を生じさせる恐れがあり、かしめ性を低下させるのでＣｒ成分を０．０１〜０．５％に制御するのが良い。
Ｔｉも結晶粒の微細化に効果があり、微量であれば切削性も向上する。
しかし、０．１％を超える切削工具の寿命を短くするので添加する際には０．０１〜０．１％の範囲に制御する。

第１図（表１）は、本発明に係るもの及び比較用の押出材のアルミニウム合金成分を示し、残部がアルミニウム及び不可避的不純物となる。
第２図（表２）は、押出材の人工時効条件及び機械的性質を示す。
第３図（表３）は、押出材の切削性及びかしめ性の評価結果を示す。
第４図（グラフ）は、据込率ε−拘束係数ｆとの関係を示す。

第１図（表１）に示す合金組成のビレット（８インチ）を鋳造し、４６０〜５９０℃にて６時間以上均質化処理を行った。
このビレットを４５０〜５１０℃に余熱し、約３５ｍｍ×８０ｍｍの矩形形状の押出材を押出成形した。
熱処理は、溶体化、人工時効処理をするが、溶体化の方法は押出後改めて、加熱し、急冷しても良いが、本実施の形態では、押出ダイスの近傍にて、押出直後急冷焼き入れをし、所定の人工時効により焼き戻し処理した。
人工時効条件は第２図（表２）に示し、時効の欄の温度の単位は℃である。
例えば、Ｎｏ．１の押出材は、１８５℃にて４時間人工時効処理をしたことを示し、その時効処理の状態とは、その材料のほぼ最高引張り強度を示す状態を「安定」と表示し、「亜時効」とはその材料の本来有する最高引張り強度に至らない状態で熱処理をやめたことをいい、「過時効」はその材料の本来有する最高引張り強度をやや超えた状態まで、熱処理をしたことをいう。
表２に押出方向の引張強度、０．２％耐力値、及び押出材表面部のロックウエルＢスケール（ＨＲＢ）硬度の測定結果を示す。
かしめ性（ねばり性）の評価として、表２に押出方向の「伸び」を示し、表３に限界据込率と平均変形抵抗値を示す。
ここで、限界据込率とは、押出形材より押出方向に径１４ｍｍ×高さ２１ｍｍの試験片を採取し、これを冷間で軸方向に据込みプレスを行い側面に微小割れが発生し始める時の据込み率をいう。
限界据込み率は次の式により求めた。
εｈｃ＝ｈ０−ｈｃ／ｈ０×１００
εｈｃ：限界据込み率（％）、ｈ０：試験片の元の高さ、ｈｃ：割れ発生時の試験片の高さである。
試験条件は、室温、圧縮速度１０ｍｍ／ｓとし、試験機２５トンのオートグラフを使用した。
平均変形抵抗値とは試験片の側面に割れが発生時の材料の変形抵抗値をいい、下記の式で求めた。
σ（ｈｃ）＝（Ｐ／Ａ０）／ｆ（Ｎ／ｍｍ^２）
σ（ｈｃ）：平均変形抵抗値、
Ｐ：割れ発生時の据込荷重、
Ａ０：試験変片の初期断面積
ｆ：限界据込率時の拘束係数・・・ｆ（ε（ｈｃ））第４図に示すグラフから求めた。
切削性の評価としては、第３図（表３）に「最大切屑長」及び、「長切屑総長」で示した。
ここで、最大切屑長は下記の試験条件で発生した切屑の中で最大の切屑の長さをいい、長切屑総長は発生した長い切屑の長さを全て合計したものをいう。
切削試験条件
刃具：φ４．２×φ６．８段付ドリル、回転数：１２００ｒｐｍ、送り：０．０５ｍｍ／ｒｅｖ
加工量：１５ｍｍ、加工穴数：３穴、切削油：使用
表１の押出材の成分とそれに基づく、評価結果（表２、表３）を考察する。
押出材１、２、３はＦｅ成分を０．３８％，０．６８％，０．９２％と増加させたものであり、比較用の押出材１５（Ｆｅ：０．２９％）、１６（Ｆｅ：１．２０％）、１７（Ｆｅ：１．５０％）と比較すると、押出材１５は伸びが９．４％といいが、切屑長さが長く切削性が悪い。
押出材１６、１７は切屑長さが短く切削性が良いが、伸びが、７．２％，５．４％と悪くなっている。
また、押出材１６、１７は同様に限界据込率も悪くなっている。
押出材１と２を比較すると、伸び及び限界据込率、特に平均変形抵抗に差が少ない割に、切屑長さに差があり、Ｆｅは０．３８％より多い方がかしめ性を確保しながら切削性を向上させることが出来ることを示唆している。
そこで、押出材４〜１０まで、Ｆｅ成分の変化量とＭｇ成分の変化量に着目して、かしめ性（伸び、限界据込率、平均変形抵抗）と切削性（最大切屑長、長切屑総長）を比較すると、押出材７、８、９、１０はＭｇ成分が０．３９％とほぼ同じで、Ｆｅ成分が約０．０５％ずつ増加しているが、引張り強度、限界据込率にほとんど差が無く、切削性が良くなっている。
押出材４、５、６を比較すると、Ｆｅ成分は約０．５％とほぼ同じで、Ｍｇ成分が０．３１％，０．３５％，０．４４％と増加していて、切屑長さや限界据込率にほとんど影響を与えることなく、引張り強度及び耐力が向上している。
従って強度を安定的に確保し、切削性、かしめ性を向上させるにはＭｇは０．３〜０．４５％、Ｆｅは０．４０〜０．９０％の範囲がよいことが分かる。
強度をより安定させ、かしめ性を良好に保ちつつ、切削性を向上させるには、Ｍｇを０．３％以上〜０．４％未満で、Ｆｅを０．５％を超え、０．９０％以下に制御するのが理想的である。
押出材１１と１２、及び押出材１３と１４は、時効硬化の影響を比較したものである。
熱処理温度を高くして、少し過時効にした方が、限界据込率、平均変形抵抗がほぼ同じで、即ちかしめ性を犠牲にすることなく、切屑長さを短くでき、切削性が向上している。
表２に示した過時効条件は焼き戻し温度を高温にして行ったが、熱処理時間を長くして過時効にしても良いことは言うまでもない。
なお、押出材１〜１２においてＳｉ成分を３．０〜６．０％の範囲でもさらに４．１〜５．１％の範囲にはいるように制御したので評価結果は省略するが、耐摩耗性が安定していた。
Ｃｕ成分を０．１０〜０．２０％の範囲で添加したことによっても比較的高い強度が安定して得られている。
Ｍｎ成分を０．０５〜０．１５％の範囲にて添加したことも切削性の向上に寄与している。

本発明に係る押出材を用いると、従来の耐摩耗性材に比較して、耐摩耗性、強度、硬度とこれらの特性と従来相反するとされていた、かしめ性（ねばり性）を両立させるだけでなく、切削性にも優れ、高い耐圧性、かしめ性及び切削性が要求される製品向のアルミニウム合金押出材として利用できる。

Claims

Ｓｉ：３．０〜６．０質量％、Ｍｇ：０．１〜０．４５質量％、Ｃｕ：０．０１〜０．５質量％、Ｍｎ：０．０１〜０．５質量％を有し、Ｆｅ：０．４０〜０．９０質量％の範囲に制御し、残りがＡｌおよび不可避的不純物からなる切削性・かしめ性・耐摩耗性に優れたことを特徴とするアルミニウム合金押出材。
Ｓｉ：４．１〜５．１質量％、Ｍｇ：０．３〜０．４５質量％、Ｃｕ：０．１０〜０．２０質量％、Ｍｎ：０．０５〜０．１５質量％を有し、Ｆｅ：０．４０〜０．９０質量％の範囲に制御し、残りがＡｌおよび不可避的不純物からなる切削性・かしめ性・耐摩耗性に優れたことを特徴とするアルミニウム合金押出材。
Ｓｉ：４．１〜５．１質量％、Ｍｇ：０．３〜０．４５質量％、Ｃｕ：０．１０〜０．２０質量％、Ｍｎ：０．０５〜０．１５質量％を有し、さらにＣｒ：０．０１〜０．５質量％を有し、Ｆｅ：０．４０〜０．９０質量％の範囲に制御し、残りがＡｌおよび不可避的不純物からなる切削性・かしめ性・耐摩耗性に優れたことを特徴とするアルミニウム合金押出材。
Ｓｉ：４．１〜５．１質量％、Ｍｇ：０．３〜０．４（０．４を除く）質量％、Ｃｕ：０．１０〜０．２０質量％、Ｍｎ：０．０５〜０．１５質量％、Ｃｒ：０．０１〜０．５質量％を有し、Ｆｅ：０．４０〜０．９０質量％の範囲に制御し、残りがＡｌおよび不可避的不純物からなる切削性・かしめ性・耐摩耗性に優れたことを特徴とするアルミニウム合金押出材。
Ｓｉ：４．１〜５．１質量％、Ｍｇ：０．３〜０．４（０．４を除く）質量％、Ｃｕ：０．１０〜０．２０質量％、Ｍｎ：０．０５〜０．１５質量％、Ｃｒ：０．０１〜０．５質量％を有し、Ｆｅ：０．５０〜０．９０（０．５０を除く）質量％の範囲に制御し、残りがＡｌおよび不可避的不純物からなる切削性・かしめ性・耐摩耗性に優れたことを特徴とするアルミニウム合金押出材。
押出及び溶体化処理し、さらに過時効処理したことを特徴とする請求の範囲１〜５記載のアルミニウム合金押出材。