(57)【要約】【課題】被削時の切り粉分断性および耐割れ性に優れ、旋盤加工、フライス加工、ドリル加工等の切削加工時に有用なアルミニウム合金材を提供する。【解決手段】Ｃｕ：４．２〜５．８％（質量％、以下に同じ）、Ｓｎ：０．１０〜０．２４％、Ｂｉ：０．１３〜０．９０％を含み、さらにＢｉとＳｎの含有量がＢｉ＞５７／４３×Ｓｎの式を満たす関係であり、残部がアルミニウムと不可避不純物からなり、展伸方向に対して垂直方向の断面金属組織の平均結晶粒が５００μｍ以下であるアルミニウム合金とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ：４．２〜５．８％（質量％、以下に同じ）、Ｓｎ：０．１０〜０．２４％、Ｂｉ：０．１３〜０．９０％を含み、さらにＢｉとＳｎの含有量がＢｉ＞５７／４３×Ｓｎの式を満たす関係であり、残部がアルミニウムと不可避不純物からなるアルミニウム合金であって、展伸方向に対して垂直な方向の断面金属組織の平均結晶粒径が５００μｍ以下であることを特徴とする快削用アルミニウム合金。
【請求項２】
請求項１記載の組成のアルミニウム合金を４８０〜５４０℃で１〜８時間保持する均質化処理を行った後、３００〜４００℃まで加熱し、押出速度８〜２０ｍ／ｍｉｎで押出加工を行い、その後は５００〜５４０℃で溶体化処理、焼入れ後、引抜率で２０〜３０％の引抜加工を行い、次に１３０〜１６０℃で４〜８時間保持する時効処理を行うことを特徴とする快削用アルミニウム合金引抜材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に快削用アルミニウム合金に係り、より詳細には、塑性加工後に旋盤加工、フライス加工、ドリル加工等の切削加工を施される用途に用いられる被切削性に優れたアルミニウム合金に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
塑性加工後に多くの切削加工が施される展伸材には、アルミニウム合金にＰｂ、Ｂｉ、Ｓｎ等の低融点金属を含有させ、切削時の切り粉分断性を向上させたものが用いられてきた（特許文献１−７）。Ｐｂ、Ｂｉ、Ｓｎは、Ａｌに固溶しない元素であり、アルミニウム合金の結晶粒界に、Ａｌに固溶しない状態で存在する。そのため、切削の際、切り粉中のＰｂ、Ｂｉ、Ｓｎあるいはそれらの共晶組織が切り粉破断の起点となり、切り粉が細かく分断される。切り粉が細かく分断されると、切り粉が切削機械や材料にからみついたり、材料の切削面を傷つけることを防ぎ、また、切り粉の処理も容易となる。
【０００３】
このように切り粉分断性を向上させたアルミニウム合金の中でも比較的強度を必要とするものには、２０００系アルミニウム合金に低融点金属のＰｂ、Ｂｉを添加したＪＩＳ規格２０１１アルミニウム合金がよく利用されていた。しかし、Ｐｂによる環境汚染の問題から使用が制限され、近年Ｐｂを添加しないＳｎ、Ｂｉ添加によるＡｌ−Ｃｕ系の合金が提案されている（特許文献２−７）。
【０００４】
【特許文献１】特許第２７２６４４４号公報
【特許文献２】特開２００６−２１９７０７号公報
【特許文献３】特開２００６−７７２９８号公報
【特許文献４】特開２００４−１４３４７６号公報
【特許文献５】特開２００４−２９４７号公報
【特許文献６】特開２００１−２４０９３１号公報
【特許文献７】特許第３７７３９１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、切り粉分断性向上のためにＳｎ、Ｂｉを共存させたＡｌ−Ｃｕ系アルミニウム合金の切削加工において、特にドリル等による重切削の条件で薄肉形状に加工する場合、被削材に割れが生じる問題が発生した。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、Ｐｂを添加しないＳｎ、Ｂｉを共存させたＡｌ−Ｃｕ系アルミニウム合金において、被切削時の切り粉分断性を良好に維持しながら、耐割れ性にも優れたアルミニウム合金を提供することを目的とする。
本発明はまた上記アルミニウム合金からなる引抜材を製造する方法を提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第一の発明では、Ｃｕ：４．２〜５．８％（質量％、以下に同じ）、Ｓｎ：０．１０〜０．２４％、Ｂｉ：０．１３〜０．９０％を含み、さらにＢｉとＳｎの含有量がＢｉ＞５７／４３×Ｓｎの式を満たす関係であり、残部がアルミニウムと不可避不純物からなるアルミニウム合金であって、展伸方向に対して垂直な方向の断面金属組織の平均結晶粒径が５００μｍ以下であることを特徴とするアルミニウム合金が提供される。
ここで、アルミニウム合金の組成は、Ｃｕ：４．５〜５．８％、Ｓｎ：０．１０〜０．２４％、Ｂｉ：０．５６〜０．９０％とすると更に好ましい。
また、上記アルミニウム合金は好ましくは引抜材である。
【０００７】
第二の発明では、第一の発明の組成のアルミニウム合金、つまりＣｕ：４．２〜５．８％（好ましくは４．５〜５．８％）、Ｓｎ：０．１０〜０．２４％、Ｂｉ：０．１３〜０．９０％（好ましくは０．５６〜０．９０％）を含み、さらにＢｉとＳｎの含有量がＢｉ＞５７／４３×Ｓｎの式を満たす関係であり、残部がアルミニウムと不可避不純物からなるアルミニウム合金を、４８０〜５４０℃で１〜８時間保持する均質化処理を行った後、３００〜４００℃まで加熱し、好ましくは８〜２０ｍ／ｍｉｎの押出速度で、押出加工を行い、押出後は５００〜５４０℃で溶体化処理を行い、焼き入れ後、引抜率で２０〜３０％の引抜を行い、１３０〜１６０℃で４〜８時間保持する時効処理を行うことを特徴とする快削用アルミニウム合金引抜材の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のアルミニウム合金は、被切削時の切り粉分断性および耐割れ性に優れているため、旋盤加工、フライス加工およびドリル加工等の切削加工時、特にドリル等による重切削の条件で肉薄形状に加工する際に有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
アルミニウム合金をドリル等による重切削の条件で肉薄形状に加工する場合、被削材に割れが生じる現象は、被切削時に被削材が高温下に曝され、Ｓｎ、Ｂｉが溶融し、尚且つ被削材に引張応力が負荷された場合に生ずるものと考えられる。
本願発明者はアルミニウム合金の組成および製造条件の見直しにより、強度と被切削性を維持しつつ重切削条件でも耐割れ性を向上させるべく、鋭意検討した。その結果、被切削性を良好に保つために添加が不可欠のＳｎ、Ｂｉについて、被切削性と耐割れ性を両立できるＳｎ、Ｂｉ添加範囲があることを見出した。
【００１０】
すなわち、図１に示すＳｎ−Ｂｉの状態図から、Ｓｎ、Ｂｉの共晶点での比率はＳｎ：Ｂｉ＝４３：５７であるが、Ｓｎ、Ｂｉの比率から、Ｓｎ過剰タイプおよび共晶タイプの耐割れ性が劣り、過共晶Ｂｉタイプの耐割れ性が向上することが判った。そこで、Ｓｎ、Ｂｉの比率を、図２に示すＳｎ、Ｂｉの範囲とした。過剰Ｂｉタイプにおいては、ＢｉとＳｎ−Ｂｉの共晶組織となるが、ＳｎとＢｉでは溶融潜熱が大きく異なり、ＢｉはＳｎの約１．６倍の潜熱であることから、Ｓｎよりも融解しにくい。また、ＢｉはＳｎ−Ｂｉよりも融点が高い。そのため、切削の際に温度が上昇しても、Ｓｎ＋Ｓｎ−Ｂｉ共晶組織である過剰ＳｎタイプやＳｎ−Ｂｉ共晶組織である共晶タイプよりも過剰Ｂｉタイプは溶融しにくく、耐割れ性が高くなるものと考えられる。
【００１１】
また、割れの起点となりうる硬質な化合物粒子（Ａｌ２Ｃｕ、ＡｌＣｕＦｅ）を極力低減するために、ＪＩＳ規格２０１１アルミニウム合金−Ｔ８処理材の強度を維持できる最低限のＣｕ量を求めた。また、その他の硬質粒子（ＡｌＦｅＳｉ）も低減するためＳｉ、Ｆｅ量も規制した。
【００１２】
切削加工中の割れについては、切削加工熱により瞬間的にＳｎ−Ｂｉの共晶が溶融する１３９℃以上の高温となり、被削材が脆化した状態で引張応力が加わることで割れに至ると考えられる。そこでＳｎ―Ｂｉの共晶組織が溶融する高温（１５０℃）でのシャルピー試験を行い、耐割れ性との関係を調査した。その結果、シャルピー値が５Ｊ／ｃｍ2以上であると割れがほとんど発生しないことがわかった。そこで本発明では、シャルピー値が５Ｊ／ｃｍ2以上となるように合金設計を行った。
【００１３】
上記の検討の結果、本願発明者は、Ｃｕ：４．２〜５．８％、Ｓｎ：０．１０〜０．２４％、Ｂｉ：０．１３〜０．９０％を含み、さらにＢｉとＳｎの含有量がＢｉ＞５７／４３×Ｓｎの式を満たす関係であり、残部がアルミニウムと不可避不純物からなるアルミニウム合金であって、展伸方向に対して垂直な方向の断面金属組織の平均結晶粒径が５００μｍ以下であるアルミニウム合金を開発するに至った。このアルミニウム合金は好ましくは引抜材である。
以下、各成分等の限定理由について説明する。なお、本明細書中の数値限定は、特に断らない限りは、その上限値と下限値を範囲に含むものとする。
【００１４】
〔Ｃｕ量：４．２〜５．８％〕
Ｃｕは、アルミニウム合金中に固溶または析出してその強度を高める効果を有するが、４．２％未満では十分な強度を達成することができず、５．８％を越えると、割れの起点となるＡｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｃｕ−Ｆｅ系化合物が多くなり、耐割れ性（高温でのシャルピー値）が劣る。特に下限値を４．５％以上とすると、十分な強度が得られる。よって、好ましいＣｕ量は、４．５〜５．８％である。
【００１５】
〔Ｓｎ量：０．１０〜０．２４％〕
Ｓｎは、アルミニウム合金の結晶粒界に、アルミニウムに固溶しない状態で存在し、切り粉破断の起点となるため、切り粉分断性の点で重要である。０．１０％未満では十分な被切削性（切り粉分断性）が得られず、０．２４％を越えるとＳｎ−Ｂｉの共結晶組織が多くなり、耐割れ性（高温でのシャルピー値）が劣るようになる。同様の理由からより好ましい範囲は、０．１５〜０．２０％である。
【００１６】
〔Ｂｉ量：０．１３〜０．９０％〕
Ｂｉは、Ｓｎと同じく、アルミニウム合金の結晶粒界に、アルミニウムに固溶しない状態で存在し、切り粉破断の起点となるため、切り粉分断性の点で重要である。但し、Ｂｉの下限値はＳｎ量によって異なり、Ｂｉ量は図２のＢｉ＝５７／４３×Ｓｎの数式による。０．１３％未満では被切削性が劣り、０．９０％を越えるとＢｉの偏析および鋳造性が劣る。より好ましい範囲としては０．５６％〜０．９０％の範囲で切削性および耐割れ性（高温でのシャルピー値）が優れる。更に好ましくは０．５６〜０．７０％である。
【００１７】
〔Ｓｎ、Ｂｉの割合：Ｂｉ＞５７／４３×Ｓｎ〕
Ｓｎ、Ｂｉの割合としては図１の状態図に示す共晶組成（Ｓｎ：Ｂｉ＝４３：５７）とした場合とＢｉ過剰とした場合で耐割れ性（高温でのシャルピー値）が優れる一方、Ｓｎ過剰とすると耐割れ性（高温でのシャルピー値）が劣る。よって、標記のように設定した。Ｂｉ／Ｓｎは、好ましくは２以上、更に好ましくは３〜５である。
ここで、図２にＳｎ、Ｂｉの共晶組成と本発明に好適な範囲のグラフを示す。図２中、点線は本発明の組成範囲を示し、実線は好適な範囲を示す。
【００１８】
〔Ｆｅ量：０．３０％以下〕
Ｆｅは、不可避不純物であるが、０．３０％を越えると、強度に寄与しないＡｌＣｕＦｅ化合物を作り、強度低下を招く。よって、Ｆｅ量を０．３０％以下に抑えることが好ましく、最適には０．２０％以下とすることが望ましい。
【００１９】
〔Ｓｉ量：０．３０％以下〕
Ｓｉは、不可避不純物であるが、０．３０％を越えると、強度に寄与しないＡｌＦｅＳｉ化合物を作り、耐割れ性が劣る。よって、Ｓｉ量を０．３０％以下に抑えることが好ましく、最適には０．１０％以下とすることが望ましい。
【００２０】
〔Ｔｉ量：０．１０％以下〕
Ｔｉは、不可避不純物であるが、０．１０％を越えると、粗大な金属間化合物を作り、押出性と押出材の表面品位が劣る。よって、Ｔｉ量を０．１０％以下に抑えることが好ましく、最適には０．０５％以下とすることが望ましい。
【００２１】
〔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、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｚｎ等は不純物元素扱いとなるが、０．１０％未満であれば本発明のアルミニウム合金の特性を損なうものではない。ただし、同じく不純物元素であるＰｂに関しては、Ｐｂを減少させた快削用アルミニウム合金を提供することが本発明の主要な目的であるため、Ｐｂ含有量は０．０５％以下である。
【００２２】
〔結晶粒：展伸方向に対して垂直な方向の断面金属組織の平均結晶粒径が５００μｍ以下〕
押出方向等の展伸方向に対して垂直な方向の断面金属組織の平均結晶粒径が５００μｍを越えると切り粉分断性が低下。また、この場合、陽極酸化被膜処理等の表面処理を行うと、縞模様のようなものが見え、見た目も悪くなる。なお、本明細書における平均結晶粒径とは、展伸方向に対して垂直方向の断面金属組織の結晶粒の平均面積を求め、その平均面積と同じ面積を有する円の直径とした。
【００２３】
上述したアルミニウム合金は、その構造を達成できるならば如何なる方法で製造してもよいが、好適には、Ｃｕ：４．２〜５．８％（好ましくは４．５〜５．８％）、Ｓｎ：０．１０〜０．２４％、Ｂｉ：０．１３〜０．９０％（好ましくは０．５６〜０．９０％）を含み、さらにＢｉとＳｎの含有量がＢｉ＞５７／４３×Ｓｎの式を満たす関係であり、残部がアルミニウムと不可避不純物からなるアルミニウム合金を、４８０〜５４０℃で１〜８時間保持する均質化処理を行った後、３００〜４００℃まで加熱し、好ましくは８〜２０ｍ／ｍｉｎの押出速度で、押出加工を行い、押出後は５００〜５４０℃で溶体化処理を行い、焼き入れ後、引抜率で２０〜３０％の引抜を行い、１３０〜１６０℃で４〜８時間保持する時効処理を行うことによって、特に引抜材として製造される。
以下に、各工程の条件の限定理由について説明する。
【００２４】
〔均質化処理（ＨＯ処理）〕
所定の組成を有するアルミニウム合金を、４８０〜５４０℃で１〜８時間保持、好ましくは４〜８時間保持する。この条件であれば、強度に寄与するＡｌ−Ｃｕ化合物を充分固溶させることができるためである。
【００２５】
〔押出加工〕
均質化処理を行ったアルミニウム合金を、３００〜４００℃の温度まで加熱して８〜２０ｍ／ｍｉｎの押出速度で押出加工を行う。この押出条件であれば、微細な再結晶組織が得られ、本発明に適する大きさの平均結晶粒を有する合金が得られるためである。この際、押出比が１０以上になるように押出加工を行うと、より高強度の部材を得ることができ、好ましい。
【００２６】
〔溶体化処理、焼き入れ〕
押出加工後に、押出材を５００〜５４０℃で１〜４時間保持して溶体化処理を施し、ついで焼き入れする。この溶体化処理条件であれば、強度に寄与するＡｌ−Ｃｕ化合物を充分固溶させることができるためである。
【００２７】
〔引抜〕
引抜率は、２０％未満ではＪＩＳ規格２０１１アルミニウム合金に相当する強度や高温シャルピー値を得ることが難しく、３０％を越えると伸びが低下し、引抜加工の際に割れが生じる虞も増加するため、２０〜３０％が望ましい。
【００２８】
〔時効処理〕
引抜後、１３０〜１６０℃で４〜８時間保持する時効処理を行う。この条件であれば、２０１１アルミニウム合金−Ｔ８処理材強度規格を満たす強度が得られるためである。
【実施例】
【００２９】
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。
【００３０】
〔実施例１〕
表１に示す組成と表２に示す製造条件で、本発明に係るアルミニウム合金Ａ〜Ｈ及び比較例に係るアルミニウム合金Ｉ〜Ｓを作製した。また参考例としてＪＩＳ規格２０１１アルミニウム合金を用いた例も追加した。
得られた本発明に係るアルミニウム合金Ａ〜Ｈ及び比較例に係るアルミニウム合金Ｉ〜Ｓ並びにＪＩＳ規格２０１１アルミニウム合金について、マクロ組織、機械的特性、被切削性（切り粉分断性）、シャルピー値および耐割れ性を調べ、結果をまた表２に併せて示した。
【００３１】
【表１】
2008248370.tif 000002
【００３２】
【表２】
2008248370.tif 000003
【００３３】
以下、各評価項目について説明する。
１．マクロ組織
マクロ組織が粗くなると切削加工後または表面処理後に模様として現れるため、製造条件によるマクロ組織を評価の対象とした。Ｔ８処理材について縦断面および横断面のマクロ組織観察を行い、押出方向と直角の方向での断面金属組織の平均結晶粒径が５００μｍ以下のものを○、５００μｍを超えるものを×とした。
【００３４】
２．機械的特性
２０１１アルミニウム合金−Ｔ８処理材強度規格（σＢ＞３７５ＭＰａ、σ０．２＞２７５ＭＰａ、δ＞１０％）以上のものは○、２０１１アルミニウム合金−Ｔ８処理材強度規格以下のものは×とした。
【００３５】
３．被切削性（切り粉分断性）
以下の表３に示す切削条件で切り粉の数が５００個／１００ｇ以上のものを○、切り粉の数が５００個／１００ｇ以下のものを×とした。切削による切削条件を表３に示す。
【００３６】
【表３】
2008248370.tif 000004
【００３７】
４．シャルピー値
φ２０の引抜材の引抜方向から１０×１０×５５のＶノッチ試験片を採取した。耐割れ性の評価を、Ｓｎ−Ｂｉの共晶が溶融する１３９℃以上の１５０℃でのシャルピー値で比較した。１５０℃でのシャルピー値が５Ｊ／ｃｍ２以上のものを○、５Ｊ／ｃｍ２以下のもの×とした。
本発明に係るアルミニウム合金Ａ〜Ｈは、シャルピー値の目標値をすべて満足していた。
【００３８】
５．ドリル切削による割れ試験
被削材としてφ２０×３５ｍｍに端面仕上げしたものを表４に示す切削条件で孔あけ加工を行い、被削材表面の割れの有無を評価した。評価は割れが無いものを○、数十倍の倍率で光学顕微鏡観察して微割れが認められたものを△、目視で割れが認められたものを×とした。
【００３９】
【表４】
2008248370.tif 000005
【００４０】
表２から本発明の実施例であるＡ〜Ｈ合金は、ＪＩＳ規格２０１１アルミニウム合金と同等の機械的特性を有し、切削性および耐割れ性も優れていることがわかる。
それに対して、比較例のＩ〜Ｎ、Ｒ、Ｓ合金は、耐割れ性が低くなっている。これは次の理由により、耐割れ性が低くなったと思われる。
【００４１】
Ｉ合金：
Ｃｕ量が多いため、破壊の基点となるＡｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｃｕ−Ｆｅ系化合物が多いためと思われる。
Ｊ合金とＬ合金とＳ合金：
Ｃｕ量が多いため、破壊の基点となるＡｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｃｕ−Ｆｅ系化合物が多く、さらに、過剰Ｓｎタイプであり、またＳｎの含有量も多いので、融点の低いＳｎ−Ｂｉ共晶組織の量が多いためと思われる。
Ｋ合金：
Ｃｕ量が多いため、破壊の基点となるＡｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｃｕ−Ｆｅ系化合物が多く、また共晶タイプであるため、融点の低いＳｎ―Ｂｉ共晶組織となっているためと思われる。
Ｍ合金とＮ合金：
過剰Ｂｉタイプであるが、Ｃｕ量が多いため、破壊の基点となるＡｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｃｕ−Ｆｅ系化合物が多く、さらにＳｎ量が多いので、融点の低いＳｎ−Ｂｉ共晶組織の量が多いためと思われる。
Ｒ合金：
過剰Ｂｉタイプであるが、Ｓｎ量が多いので、融点の低いＳｎ−Ｂｉ共晶組織の量が多いためと思われる。
またＯ、Ｐ、Ｑ合金の被削性が悪いのは、高温で押出加工を行ったため平均結晶粒粗
大になったためであると思われる。さらにＰ合金は、Ｃｕの含有量が少ないため、十分
な機械的特性を得られていない。
【００４２】
以上の結果から、本発明のアルミニウム合金は、被切削性に優れ、かつ耐割れ性にも優れた合金であることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明のアルミニウム合金は切削性および耐割れ性に優れるため、電子機器部品、自動車部品、精密機械部品、光学機器部品等の切削加工材料として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】ＳｎとＢｎの状態図である。
【図２】Ｓｎ、Ｂｉの共晶組成と本発明に好適な範囲をグラフで表したものである。
【図１】
2008248370.tif 000006
【図２】
2008248370.tif 000007