(57)【要約】【課題】  Ｐｂを添加することなく良好な切削性を有するとともに、良好な皮膜処理性を有する切削加工用アルミニウム合金を提供する。【解決手段】  切削加工用アルミニウム合金は、Ｃｕ：１〜６．５質量％、Ｚｎ：０．０５〜１質量％、Ｂｉ：０．１〜１質量％、Ｓｎ：０．１〜１質量％、Ｂ：１００質量ｐｐｍ以下を含む。あるいはさらに、選択的添加元素として、Ｆｅ：０．０５〜１質量％、Ｍｇ：０．０１〜０．３質量％、Ｓｉ：０．０５〜１質量％、Ｔｉ：０．０１〜０．５質量％の範囲の元素を少なくとも１種以上を含有する組成である。【選択図】    なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ：１〜６．５質量％、Ｚｎ：０．０５〜１質量％、Ｂｉ：０．１〜１質量％、Ｓｎ：０．１〜１質量％、Ｂ：１００質量ｐｐｍ以下を含むことを特徴とする切削加工用アルミニウム合金。
【請求項２】
さらに、選択的添加元素として、Ｆｅ：０．０５〜１質量％、Ｍｇ：０．０１〜０．３質量％、Ｓｉ：０．０５〜１質量％、Ｔｉ：０．０１〜０．５質量％の範囲の元素を少なくとも１種以上を含有する請求項１に記載の切削加工用アルミニウム合金。
【請求項３】
Ｍｇ含有量が、０．０１〜０．１質量％である請求項２に記載の切削加工用アルミニウム合金。
【請求項４】
Ｃｕ含有量が、４〜６質量％である請求項１〜３のいずれか１項に記載の切削加工用アルミニウム合金。
【請求項５】
Ｚｎ含有量が、０．１〜０．５質量％である請求項１〜４のいずれかに記載の切削加工用アルミニウム合金。
【請求項６】
Ｂｉ含有量が、０．２〜０．８質量％である請求項１〜５のいずれかに記載の切削加工用アルミニウム合金。
【請求項７】
Ｓｎ含有量が、０．２〜０．８質量％である請求項１〜６のいずれかに記載の切削加工用アルミニウム合金。
【請求項８】
Ｂ含有量が、３〜１０質量ｐｐｍである請求項１〜７のいずれかに記載の切削加工用アルミニウム合金。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の切削加工用アルミニウム合金により構成されていることを特徴とするアルミニウム合金加工品。
【請求項１０】
アルミニウム合金加工品は押出材である請求項９に記載のアルミニウム合金加工品。
【請求項１１】
アルミニウム合金加工品は素材を切削加工してなる切削加工材である請求項９に記載のアルミニウム合金加工品。
【請求項１２】
表面に陽極酸化皮膜が形成されてなる請求項９〜１１のいずれか１項に記載のアルミニウム合金加工品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、Ｐｂを添加することなく優れた切削性を有する切削加工用アルミニウム合金、および該切削加工用アルミニウム合金により構成されたアルミニウム合金加工品に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム合金材の切削加工においては、切屑が連続するために切屑処理の工程が必要となり、また旋削時の製品コーナー部や穴空け加工時のドリル穴周囲に生成するバリを除去する工程が必要となる。このため、切屑の分断性が良好でバリ生成を抑制しうる快削性合金が求められている。
【０００３】
アルミニウム合金に快削性を付与するために、従来は低融点元素であるＰｂの添加が行われていた。Ｐｂを添加した快削性アルミニウム合金としては、例えばＡ２０１１合金（ＪＩＳ  日本工業規格  Ｈ４０４０）が知られている。しかし、有害元素であるＰｂを含有する快削性アルミニウム合金を製造し使用することは、地球環境の保護という観点から回避したい事柄である。このため、例えば、Ｐｂ含有量を規制したアルミニウム合金や、Ｐｂに代えてＢｉやＳｎを添加したアルミニウム合金が開発されている（例えば特許文献１、２、３参照）。
【特許文献１】特開平２−８５３３１号公報（請求項１〜３）
【特許文献２】特開２０００−３２８１６８号公報（請求項１〜４）
【特許文献３】特開２００１−２４０９３１号公報（請求項１〜４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述したＰｂを含有しないアルミニウム合金においては十分な快削性が得られないため、さらなる改善が求められている。また、切削したアルミニウム合金材は陽極酸化皮膜処理がなされて使用されることもあり、陽極酸化皮膜を均一かつ速やかに生成させるべく、皮膜生成効率の改善といった快削性以外の特性も求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明は、上述の技術背景に鑑み、Ｐｂを添加することなく良好な切削性を有するとともに、良好な皮膜処理性を有する切削加工用アルミニウム合金およびアルミニウム合金加工品の提供を目的とする。
前記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。即ち、
（１）  Ｃｕ：１〜６．５質量％、Ｚｎ：０．０５〜１質量％、Ｂｉ：０．１〜１質量％、Ｓｎ：０．１〜１質量％、Ｂ：１００質量ｐｐｍ以下を含むことを特徴とする切削加工用アルミニウム合金。
（２）  さらに、選択的添加元素として、Ｆｅ：０．０５〜１質量％、Ｍｇ：０．０１〜０．３質量％、Ｓｉ：０．０５〜１質量％、Ｔｉ：０．０１〜０．５質量％の範囲の元素を少なくとも１種以上を含有する前項１に記載の切削加工用アルミニウム合金。
（３）  Ｍｇ含有量が、０．０１〜０．１質量％である前項２に記載の切削加工用アルミニウム合金。
（４）  Ｃｕ含有量が、４〜６質量％である前項１〜３のいずれかに記載の切削加工用アルミニウム合金。
（５）  Ｚｎ含有量が、０．１〜０．５質量％である前項１〜４のいずれかに記載の切削加工用アルミニウム合金。
（６）  Ｂｉ含有量が、０．２〜０．８質量％である前項１〜５のいずれかに記載の切削加工用アルミニウム合金。
（７）  Ｓｎ含有量が、０．２〜０．８質量％である前項１〜６のいずれかに記載の切削加工用アルミニウム合金。
（８）  Ｂ含有量が、３〜１０質量ｐｐｍである前項１〜７のいずれかに記載の切削加工用アルミニウム合金。
（９）  前項１〜８のいずれか１項に記載の切削加工用アルミニウム合金により構成されていることを特徴とするアルミニウム合金加工品。
（１０）  アルミニウム合金加工品は押出材である前項９に記載のアルミニウム合金加工品。
（１１）  アルミニウム合金加工品は素材を切削加工してなる切削加工材である前項９に記載のアルミニウム合金加工品。
（１２）  表面に陽極酸化皮膜が形成されてなる前項９〜１１のいずれか１項に記載のアルミニウム合金加工品。
【発明の効果】
【０００６】
（１）の切削加工用アルミニウム合金によれば、Ｐｂを添加することなく優れた切削性が得られ、かつ機械的特性および皮膜処理性にも優れたアルミニウム合金となし得る。また、切削工具の摩耗や損傷も少い。
【０００７】
（２）の切削加工用アルミニウム合金によれば、さらに切削性が優れ、また不可避的に含有されるＦｅの低減のために格別の工程を必要としない。
【０００８】
（３）の切削加工用アルミニウム合金によれば、特に優れた強度および切削性が得られる。
【０００９】
（４）の切削加工用アルミニウム合金によれば、特に優れた切削性および機械的特性が得られる。
【００１０】
（５）の切削加工用アルミニウム合金によれば、特に優れた切削性、機械的特性、皮膜処理性が得られる。
【００１１】
（６）の切削加工用アルミニウム合金によれば、特に優れた切削性が得られる。
【００１２】
（７）の切削加工用アルミニウム合金によれば、特に優れた切削性が得られる。
【００１３】
（８）の切削加工用アルミニウム合金によれば、特に優れた切削性が得られる。
【００１４】
（９）のアルミニウム合金加工品は、（１）〜（８）のいずれか１項に記載の切削加工用アルミニウム合金により構成されているため、切削性、機械的性質、皮膜処理性に優れている。
【００１５】
（１０）のアルミニウム合金加工品は、切削性、機械的性質、皮膜処理性に優れた押出材である。
【００１６】
（１１）  アルミニウム合金加工品は、良好に切削されて優れた表面品質を有する。
【００１７】
（１２）のアルミニウム合金加工品は、均一な陽極酸化皮膜が形成されて優れた表面品質を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明の切削加工用アルミニウム合金における各元素の含有義および含有量の限定理由について詳述する。
【００１９】
切削加工用アルミニウム合金の組成において、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｂの５元素は必須元素である。
【００２０】
Ｃｕは、合金母相中に固溶されるとともに、Ａｌと結合してＣｕＡｌ2等の析出物として合金母相中に分散され、合金の機械的特性を向上させ、切削性を向上させる。また、他の固溶型元素との相乗効果により、これらの効果はさらに高められる。Ｃｕ含有量は、１質量％未満では前記効果が乏しく、一方６．５質量％以上になると耐食性が低下するおそれがあるため、１〜６．５質量％とする。好ましいＣｕ含有量は４〜６質量％である。
【００２１】
Ｚｎは、合金母相中に固溶されるとともに、Ｍｇと結合してＭｇＺｎ2等の析出物として母相中に分散され、合金の機械的特性を向上させ、切削性を向上させる。また、他の固溶型元素との相乗効果により、これらの効果はさらに高められる。さらに、本発明の含有量であれば陽極酸化皮膜生成速度を向上させる効果があり、切削部品に耐摩耗性や装飾性等の向上を目的として陽極酸化処理される製品に好適に使用できる。Ｚｎ含有量は、０．０５質量％未満では前記効果が乏しく、一方１質量％を越えると、陽極酸化皮膜生成速度が飽和する傾向があるため、０．０５〜１質量％とする必要がある。好ましいＺｎ含有量は０．１〜０．５質量％であり、さらには０．２質量％を越え０．５質量％以下が好ましい。
【００２２】
ＢｉおよびＳｎは、これらが共存することで低融点のＢｉ−Ｓｎ化合物を形成し、合金母相中に分散される。分散されたＢｉ−Ｓｎ化合物は切削加工熱によって溶融し、切屑が溶融脆化することで優れた切屑分断性が得られる。これらの元素の含有量は、Ｂｉ：０．１〜１質量％、Ｓｎ：０．１〜１質量％とする。それぞれ下限値未満では上記効果に乏しく、上限値を越えると鋳造性が著しく低下する。これらの元素の好ましい含有量は、Ｂｉ：０．２〜０．８質量％、Ｓｎ：０．２〜０．８質量％である。
【００２３】
Ｂは、鋳造組織を微細化し、微細な晶出物を形成して切削性を向上させる効果がある。前記効果は微量のＢを添加することによって得られる。一方、Ｂ含有量が１００質量ｐｐｍを越えると、工具の摩耗や破損によって工具寿命が低下するおそれがあるため、１００質量ｐｐｍ以下とする。Ｂ含有量の好ましい範囲は３〜１０質量ｐｐｍである。
【００２４】
また、切削加工用アルミニウム合金においては、合金の諸特性のさらなる向上を目的として、上述の必須５元素を含むアルミニウム合金を基本組成に、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｔｉの４元素のうちから任意の１種または任意に組み合わせた２種以上の元素が添加されることがある。
【００２５】
Ｆｅは、Ｓｉとの共存時においてＳｉとの結合量が比較的少ないために、Ｓｉを切屑分断性に効果のあるＳｉを単独粒子として分散させることができ、優れた切屑分断性を維持することができる。また、Ｆｅはアルミニウム合金に不可避的に含有される元素であるが、その含有量が０．０５〜１質量％の範囲であれば、通常の製造品質で含有される量であるから、Ｆｅの低減を図るための格別の工程を必要としない。Ｆｅ含有量は、０．０５質量％未満に低減しようとすればコストが増大し、１質量％を越えるとビレット等の鋳造品の鋳肌品質が低下するとともに、Ｓｉとの化合物が増えてＳｉ単独粒子が減少して切屑分断性が低下する。特に好ましいＦｅ含有量は、０．０５〜０．５質量％である。
【００２６】
Ｍｇは、合金母相に固溶するとともに、Ｃｕと共存し、あるいはＳｉと共存することによってこれらと結合して母相中に分散し、強度および切削性を一層向上させる効果がある。Ｍｇ含有量は、０．０１質量％未満では前記効果が乏しく、一方０．３質量％を越えると熱間加工性が低下するため、０．０１〜０．３質量％とする。好ましいＭｇ含有量は０．０１〜０．１質量％である。
【００２７】
Ｓｉは、アルミニウム中への固溶量が少ないために化合物形成に要する量を除いて、Ｓｉの単体粒子として合金母相中に分散され、強度および切削性を向上させる効果がある。特に、Ｍｇとの共存によりＭｇ2Ｓｉを形成して強度を向上させる。さらに共晶Ｓｉの分散によっても切削性向上効果が助長される。Ｓｉ含有量は、０．０５質量％未満では上記効果に乏しく、一方１質量％を越えると切削性は向上するものの、工具の摩耗や損傷が著しくなって工具寿命が低下するとともに、熱間加工性が低下するため、０．０５〜１質量％とする必要がある。特に好ましいＳｉ含有量は０．０５〜０．５質量％である。
【００２８】
Ｔｉは、鋳塊組織を微細化させるとともに再結晶抑制効果により微細な晶出物の形成し、機械的特性および切削性を向上させる効果がある。また、耐食性向上効果がある。Ｔｉ含有量は、０．０１質量％未満では再結晶抑制効果が低下し、例えば押出材表面に粗大再結晶粒が形成され易くなって、断面方向における切屑分断性が不安定となる。また、０．０１質量％未満では、機械的特性や耐食性向上効果も乏しい。一方、０．５質量％を越えると押出ビレット等の鋳造性を低下させるおそれがある。従って、Ｔｉ含有量は、０．０１〜０．５質量％が好ましい。特に好ましいＴｉ含有量は０．０１〜０．１質量％である。
【００２９】
上述した任意に選択する４元素は、必須５元素に少なくとも１種また任意に組み合わせた２種以上を添加すれば対応する効果が得られる。
【００３０】
また、本発明の切削加工用アルミニウム合金の残部組成は、例えば不可避不純物とＡｌである。
【００３１】
本発明の切削加工用アルミニウム合金は、常法により、材料の溶解、スラブやビレットの鋳塊鋳造、面削、均熱処理が施され、さらに押出や圧延等の塑性加工によって所望形状に成形される。これらの工程における熱処理、時効処理、洗浄等も常法により適宜行われる。成形したアルミニウム合金材は、要すれば切削し、あるいは陽極酸化処理を施して種々の製品に加工して広く使用される。用途例として、レンズ枠、レンズ間隔管（鏡胴）、カメラの三脚固定ネジ部材等の光学機器部品、マグネットロール用フランジ、コネクタの角状ナット、外ネジ管等のＯＡ機器および電子機器部品を例示できる。例えば前記光学機器部品は、アルミニウム合金鋳塊から棒状押出品または環状押出品を製作し、これらの押出品を切断し切削加工した後に、陽極酸化処理を施して製作される。
【００３２】
本発明のアルミニウム合金加工品は、上記切削加工用アルミニウム合金を所要形状に成形し、あるいはさらに耐摩耗性や装飾性等の向上を目的として陽極酸化皮膜を形成したものである。上述したように、材料合金はその化学組成により機械的性質、切削性、表面処理性に優れているから、上述した各種用途に好適に用いることができる。
【００３３】
前記アルミニウム合金加工品は、材料合金をいかなる方法によって成形しても良く、押出材、素材を切削加工してなる切削加工材、圧延材等を例示できる。切削加工に供する素材の種類は限定されず、押出材、圧延材などの任意の素材を対象とする。切削加工に際してはバリ生成が抑制されて良好に加工でき、ひいては優れた表面品質の加工品となし得る。
【００３４】
また、前記アルミニウム合金加工品は、成形後に陽極酸化処理を施して表面に陽極酸化皮膜を形成することもできる。皮膜処理性に優れた材料合金で構成されているために速やかに均一な皮膜が形成され、耐摩耗性や装飾性の向上といった皮膜形成による効果を最大限に享受でき、優れた表面品質の加工品となし得る。陽極酸化処理の条件は限定されず、周知の方法により適宜処理することができる。
【実施例】
【００３５】
〔試験Ａ〕
表１に示す合金No.Ａ１〜Ａ３０の各組成のアルミニウム合金を用意した。合金No.Ａ１〜Ａ２１は、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｂを含み、残部がＡｌおよび不純物からなる本発明組成である。合金No.Ａ２２〜Ａ３０はその比較組成である。
【００３６】
表１の合金No.Ａ１〜Ａ３０に示す各組成アルミニウム合金を鋳造材料として、常法によりそれぞれ直径２００mmの押出ビレットを鋳造し、均質化処理を施した後、押出加工を行って直径３０mmの押出棒を作製した。次いでこれらの押出棒を４９５℃で５時間溶体化処理した後、水焼入れを行った。その後、直径２５mmまで引抜加工してＴ３処理材を作製し、さらに１３０℃で１４時間の人工時効処理を行ってＴ８処理材を作製し、これらのＴ８処理材を試験材とした。
【００３７】
作製した各試験材について、０．２％耐力、引張強さ、破断伸びの機械的特性を測定するとともに、切削性、工具の摩耗、耐食性、皮膜処理性を下記の方法で調べた。そして、Ｐｂ含有のＡ２０１１合金（ＪＩＳ  日本工業規格  Ｈ４０４０）からなる押出材の諸特性と比較して下記の４段階で相対的に評価した。
◎  ：優れている
○  ：同等である
△  ：やや劣っている
×  ：劣っている
〔切削性〕
超硬チップを用い、切削速度１５０ｍ／min、送り速度０．２mm／rev、切り込み１．０mmで湿式切削を行い、切屑個数／１００ｇにより切屑分断性を調べ、切屑分断性をもって切削性を評価した。
〔工具の摩耗〕
高速度鋼片刃バイトを用いた乾式切削により、切削速度２００ｍ／min、送り速度０．２mm／rev、切り込み３mmの条件にて５分間の連続切削を行い、バイトの逃げ面の摩耗幅を測定した。
〔耐食性〕
ＪＩＳ（日本工業規格）  Ｚ２３７１に基づく塩水噴霧試験を行い、１０００時間噴霧による腐食減量により評価した。
〔皮膜処理性〕
常法により、硫酸による陽極酸化皮膜処理を施し、生成した陽極酸化皮膜の厚さにより評価した。
これらの結果を表１に併せて示す。
【００３８】
【表１】
2004149918.tif 000002
【００３９】
表１の結果から、本発明組成の切削加工用アルミニウム合金は、Ｐｂを添加することなくＡ２０１１合金と同等またはそれ以上の優れた切削性および機械的強度を有し、また切削時の工具の摩耗も抑制され、かつ優れた耐食性、陽極酸化皮膜処理性を有することを確認できた。
〔試験Ｂ〕
表２に示す合金No.Ｂ１〜Ｂ２６の各組成のアルミニウム合金を用意した。合金No.Ｂ１〜Ｂ１１は合金No.Ａ−３の基本組成に４種の任意選択加元素（Ｆｅ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｔｉ）を添加したものであり、合金No.Ｂ１２〜Ｂ２２は合金No.Ａ１９の基本組成に４種の任意選択加元素を添加したものである。合金No.Ｂ２３〜Ｂ２６は、これらの比較組成である。
【００４０】
これらのアルミニウム合金を鋳造材料として、上述の試験Ａと同じ方法で試験材を作製し、各試験材について、試験Ａと同じ方法で機械的特性、切削性、工具の摩耗、耐食性、皮膜処理性を調べた。そして、合金No.Ｂ１〜Ｂ１１、Ｂ２３〜Ｂ２６は合金No.Ａ３を対照材とし、合金No.Ｂ１２〜Ｂ２２は合金No.Ａ１９を対照材として、下記の４段階で相対的に評価した。
◎  ：優れている
○  ：同等である
△  ：やや劣っている
×  ：劣っている
これらの結果を表２に併せて示す。
【００４１】
【表２】
2004149918.tif 000003
【００４２】
表２の結果から、基本組成にＦｅ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｔｉを添加することにより、切削性および機械的特性をさらに向上させ得ることを確認した。また、合金No.Ｂ１、Ｂ２、Ｂ１２、Ｂ１３より、Ｆｅ含有量が本発明範囲内であれば格別の工程を必要とせず、切削加工用アルミニウム合金となし得ることを確認した。
【００４３】
一方、合金No.Ｂ２３は、鋳造したビレットの鋳肌品質が品質が悪く、押出した試験材の品質も悪いものであった。合金No.Ｂ２４、Ｂ２５は押出時の加工性が悪く、成形に多大な困難を伴うものであった。しかも合金No.Ｂ２５は切削工具の摩耗が激しいものであった。合金No.Ｂ２６はビレットの鋳造性が悪く、ビレット鋳造に多大な困難を伴うものであった。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の切削加工用アルミニウム合金は、切削性に優れ、かつ機械的特性および皮膜処理性にも優れたものであるから、各種アルミニウム部材の材料として広く用いることができる。またＰｂを含まない合金であるから、環境保護の観点からも推奨される。