(57)【要約】【目的】引張強さ３１０ＭＰａ以上、室温でのシャルピー衝撃値３０Ｊ／ｃｍ２以上、温度２００℃でのシャルピー衝撃値２５Ｊ／ｃｍ２以上の優れた強度、靭性をそなえたＡｌ−Ｃｕ系快削アルミニウム合金を提供する。【構成】Ｃｕ：４．０〜６．０％、Ｂｉ：０．１０〜２．０％、Ｐｂ：１０〜１９００ｐｐｍ、Ｆｅ：０．０４〜０．７％、Ｓｉ：０．０４〜０．４０％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ：４．０〜６．０％（重量％、以下同じ）、Ｂｉ：０．１０〜２．０％、Ｐｂ：１０〜１９００ｐｐｍ（重量ｐｐｍ、以下同じ）、Ｆｅ：０．０４〜０．７％、Ｓｉ：０．０４〜０．４０％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなることを特徴とする靭性に優れた高強度快削アルミニウム合金。
【請求項２】
Ｃｕ：４．０〜６．０％、Ｂｉ：０．１０〜２．０％、Ｓｎ：１０〜１１００ｐｐｍ、Ｆｅ：０．０４〜０．７％、Ｓｉ：０．０４〜０．４０％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなることを特徴とする靭性に優れた高強度快削アルミニウム合金。
【請求項３】
Ｃｕ：４．０〜６．０％、Ｂｉ：０．１０〜２．０％、Ｐｂ：１０〜１９００ｐｐｍ、Ｓｎ：１０〜１１００ｐｐｍ、Ｆｅ：０．０４〜０．７％、Ｓｉ：０．０４〜０．４０％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなることを特徴とする靭性に優れた高強度快削アルミニウム合金。
【請求項４】
Ｃｕ：４．０〜６．０％、Ｂｉ：０．６０〜２．０％、Ｆｅ：０．０４〜０．７％、Ｓｉ：０．０４〜０．４０％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなることを特徴とする靭性に優れた高強度快削アルミニウム合金。
【請求項５】
Ｍｇ：０．０３％以上０．２０％未満、Ｍｎ：０．２０％以下、Ｃｒ：０．２０％以下、Ｔｉ：０．２０％以下、Ｚｒ：０．２０％以下のうちの1種以上を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の靭性に優れた高強度快削アルミニウム合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、靭性に優れた高強度快削アルミニウム合金に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、切削性に優れたアルミニウム合金としては、Ａｌ−Ｃｕ系のＡ２０１１合金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系のＡＡ６２６２合金など、Ｐｂを添加したアルミニウム合金が使用されてきた（例えば、特許文献１参照）が、これらの合金は、１２５℃を超える温度環境において急激に靭性が低下するという問題があるとともに、近年、環境問題に配慮する観点から、Ｐｂを含まない快削アルミニウム合金が要求されるようになっており、Ａ２０１１合金の代替として、Ｐｂに代えてＳｎ、Ｂｉを添加したＡｌ−Ｃｕ合金（ＡＡ２１１１合金など）が提案され（例えば、特許文献２参照）、実用されるようになっている。
【０００３】
上記ＡＡ２１１１合金など、Ｓｎ、Ｂｉを添加したＡｌ−Ｃｕ合金は、切削時の切粉が微細に分断し良好な切り屑処理性が得られ、強度特性においてはＡ２０１１合金に相当する引張強さ、耐力が得られるが、靭性値が高温および室温ともに低いという問題点があり、改善が要求されている。
【特許文献１】特開平９−２７９２８５号公報
【特許文献２】特開２００１−２４０９３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記のＳｎ、Ｂｉを添加したＡｌ−Ｃｕ合金における問題点を解消するためになされたものであり、その目的は、高靭性を有するＡｌ−Ｃｕ系の高強度快削アルミニウム合金を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するための請求項１による靭性に優れた高強度快削アルミニウム合金は、Ｃｕ：４．０〜６．０％、Ｂｉ：０．１０〜２．０％、Ｐｂ：１０〜１９００ｐｐｍ、Ｆｅ：０．０４〜０．７％、Ｓｉ：０．０４〜０．４０％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなることを特徴とする。
【０００６】
請求項２による靭性に優れた高強度快削アルミニウム合金は、Ｃｕ：４．０〜６．０％、Ｂｉ：０．１０〜２．０％、Ｓｎ：１０〜１１００ｐｐｍ、Ｆｅ：０．０４〜０．７％、Ｓｉ：０．０４〜０．４０％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなることを特徴とする。
【０００７】
請求項３による靭性に優れた高強度快削アルミニウム合金は、Ｃｕ：４．０〜６．０％、Ｂｉ：０．１０〜２．０％、Ｐｂ：１０〜１９００ｐｐｍ、Ｓｎ：１０〜１１００ｐｐｍ、Ｆｅ：０．０４〜０．７％、Ｓｉ：０．０４〜０．４０％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなることを特徴とする。
【０００８】
請求項４による靭性に優れた高強度快削アルミニウム合金は、Ｃｕ：４．０〜６．０％、Ｂｉ：０．６０〜２．０％、Ｆｅ：０．０４〜０．７％、Ｓｉ：０．０４〜０．４０％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなることを特徴とする。
【０００９】
請求項５による靭性に優れた高強度快削アルミニウム合金は、請求項１〜４のいずれかにおいて、Ｍｇ：０．０３％以上０．２０％未満、Ｍｎ：０．２０％以下、Ｃｒ：０．２０％以下、Ｔｉ：０．２０％以下、Ｚｒ：０．２０％以下のうちの1種以上を含有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、引張強さ３１０ＭＰａ以上、室温でのシャルピー衝撃値３０Ｊ／ｃｍ２以上、温度２００℃でのシャルピー衝撃値２５Ｊ／ｃｍ２以上の優れた強度、靭性をそなえたＡｌ−Ｃｕ系快削アルミニウム合金が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に係る快削アルミニウム合金における各合金成分の意義および限定理由について説明すると、Ｃｕは、合金の強度を高めるよう機能する成分であり、熱処理により強度を向上させると共に、切り屑分断性を向上させる。Ｃｕの好ましい含有量は４．０〜６．０％の範囲であり、４．０％未満では時効処理における強度上昇効果が小さく、そのため切り屑の分断性も十分でない。６．０％を超えて含有するとＣｕの過飽和量が多くなり、強度の変化はないが靭性が低下する。Ｃｕのより好ましい含有範囲は４．５〜５．５％である。
【００１２】
Ｂｉは、アルミニウムへの固溶量が極めて少ないため、アルミニウムマトリックス中に分散して存在する。Ｂｉは低融点元素であるため、切削時の加工発熱により、アルミニウムマトリックス中に分散しているＢｉの強度が低下して切欠き効果が生じ、切り屑が分断する。ＰｂあるいはＳｎをＢｉと共に複合添加する場合において、Ｂｉの好ましい含有量は０．１０〜２．０％の範囲であり、０．１０％未満では切り屑を分断する効果が少なく、２．０％を超えると合金の靭性が低下する。Ｂｉのより好ましい含有範囲は０．２０〜１．５％である。また、ＰｂあるいはＳｎを添加せずにＢｉを添加する場合のＢｉの好ましい範囲は０．６０〜２．０％であり、０．６０％未満ではその効果が少なく、２．０％を超えると靭性が低下する。この場合のＢｉのより好ましい含有範囲は０．７０〜１．６％である。
【００１３】
Ｐｂは、Ｂｉと同様に低融点元素であり切り屑分断性を向上させるよう機能する。Ｐｂの好ましい含有量は１０〜１９００ｐｐｍで、１０ｐｐｍ未満では切り屑を分断させる効果が少なく、１９００ｐｐｍを超えると高温での靭性が低下する。Ｐｂのより好ましい含有範囲は２０〜１４００ｐｐｍである。
【００１４】
Ｓｎは、Ｂｉと同様に低融点元素であり切り屑分断性を向上させるよう機能する。Ｓｎの好ましい含有量は１０〜１１００ｐｐｍの範囲であり、１０ｐｐｍ未満では切り屑を分断させる効果が少なく、１１００ｐｐｍを超えると靭性が低下する。Ｓｎのより好ましい含有範囲は２０〜５００ｐｐｍである。
【００１５】
Ｓｉは、その一部がアルミニウム地金に不純物として含まれている元素であり、０．０４〜０．４％の範囲で含有させるのが好ましい。Ｓｉの含有量が０．０４％未満では、高純度のアルミニウム地金を使用する必要があるため地金コストの点で工業生産上問題である。０．４％を超えるとＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系化合物が発生し易くなり靭性が低下する。
【００１６】
Ｆｅは、その一部がアルミニウム地金に不純物として含まれている元素であり、０．０４〜０．７％の範囲で含有させるのが好ましい。Ｆｅの含有量が０．０４％未満では、高純度のアルミニウム地金を使用する必要があるため地金コストの点で工業生産上問題である。０．７％を超えると、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系化合物が発生し易くなり靭性が低下する。
【００１７】
Ｍｇは、アルミニウムマトリックス中に固溶あるいはＡｌ、Ｃｕと化合物を形成して析出し、合金の強度を高める。Ｍｇの好ましい含有量は０．０３％以上０．２０％未満の範囲であり、０．２０％以上含有するとＭｇとＢｉの化合物を形成し、低融点元素としてのアルミニウムマトリックス中の（単体）Ｂｉ量を減少させるため、切り屑分断性が低下する。Ｍｇのより好ましい含有範囲は０．０５〜０．１５％である。
【００１８】
Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒは、合金の結晶粒を微細化し強度を向上するよう機能し、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒは、それぞれ単体で０．２０％以下添加することにより結晶粒の微細化が得られる。それぞれ単体で０．２０％を超えると粗大な化合物が形成し靭性が低下する。Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒのより好ましい含有範囲は、Ｍｎ：０．０５〜０．１８％、Ｃｒ：０．０５〜０．１８％、Ｔｉ：０．００２〜０．０６％、Ｚｒ：０．０２〜０．２０％である。
【００１９】
本発明による快削性アルミニウム合金は、例えば、連続鋳造によりビレットに造塊し、得られたビレットを均質化処理した後、熱間押出加工を行い、溶体化処理した後、引抜き加工を施して棒状に加工し、時効処理を行うことにより製造される。
【実施例】
【００２０】
以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明し、その効果を実証する。なお、これらの実施例は、本発明の好ましい一実施態様を説明するためのものであって、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２１】
実施例１
連続鋳造により、表１に示す成分組成（Ｎｏ．０〜２１に示す組成）を有するアルミニウム合金ビレット（直径９０ｍｍ）を造塊し、得られたビレットを５００℃で８ｈ均質化処理を施した後、４５０℃の温度で熱間押出加工を行って直径２０ｍｍの押出棒を作製した。
【００２２】
得られた押出棒について、５２０℃の温度で溶体化処理を行った後、直径１７ｍｍまで引抜き加工し、時効処理を施して試験材（Ｎｏ．０〜２１）とし、以下に示す引張試験、シャルピー衝撃試験および切削試験を行った。試験結果を表２に示す。なお、試験材Ｎｏ．０は、引抜き加工後、室温で７日間自然時効を行ってＴ３材とし、試験材Ｎｏ．１〜２１は、引抜き加工後、１６０℃で２０ｈの時効処理を行ってＴ８材とした。
【００２３】
引張試験：ＪＩＳ  Ｚ  ２２０１の金属材料引張試験片４号試験片の備考２による試験片を作製し、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４１に準拠して引張試験を行った。
【００２４】
シャルピー衝撃試験：ＪＩＳ  Ｚ  ２２０２の金属材料衝撃試験片Ｕノッチ試験片を作製し、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４２に準拠してシャルピー衝撃試験（試験温度：室温）を行った。また、高温の靭性を測定するために、ＪＩＳ  Ｚ  ２２０２の金属材料衝撃試験片Ｕノッチ試験片を加熱炉内で２００℃の温度に３０分間保持した後、加熱炉から取出し、室温での保持５秒以内に、上記と同じシャルピー衝撃試験を行った。
【００２５】
切削試験：直径１７ｍｍの試験材を、直径１５ｍｍまで外削して、その際に排出される切り屑の長さを測定し、切り屑の排出され易さ（切り屑処理性）で切削性を評価した。具体的には、切削時の試験材の回転数１５００ｒｐｍ、送り０．１０ｍｍ／ｒｅｖ．、切り込み深さ１ｍｍとし、バイトはスローアウェイチップ（頂角６０°正三角形チップ、逃げ角０°、一般切削用勝手付き型ブレーカ、ＰＶＤコーティング）を用い、切削油を使用しない条件で切削試験を行い、切粉の長さが全て１００ｍｍ未満の場合は切削性良好（○）、長さ１００ｍｍ以上の切粉が発生した場合は切削性不良（×）と評価した。
【００２６】
【表１】
2007327115.tif 000002
【００２７】
【表２】
2007327115.tif 000003
【００２８】
表２にみられるように、本発明に従う試験材Ｎｏ．０は、従来の鉛入り快削合金棒Ａ２０１１−Ｔ３材のＪＩＳの規格である引張強さ３１０ＭＰａ以上を満足し、切り屑は微細に分断され良好な切削性が得られた。さらに、室温でのシャルピー衝撃値は３０Ｊ／ｃｍ２以上、温度２００℃でのシャルピー衝撃値は２５Ｊ／ｃｍ２以上であり高い靭性が得られた。
【００２９】
試験材Ｎｏ．１〜２１は、従来の鉛入り快削合金棒Ａ２０１１−Ｔ８材のＪＩＳの規格である引張強さ３７５ＭＰａ以上を満足し、また、切削性については、いずれも切り屑が微細に分断され良好な結果が得られた。さらに、室温でのシャルピー衝撃値は３０Ｊ／ｃｍ２以上、温度２００℃でのシャルピー衝撃値は２５Ｊ／ｃｍ２以上であり高い靭性が得られた。
【００３０】
比較例１
連続鋳造により、表３に示す成分組成（Ｎｏ．２２〜３４に示す組成）を有するアルミニウム合金ビレット（直径９０ｍｍ）を造塊し、得られたビレットを５００℃で８ｈ均質化処理を施した後、４５０℃の温度で熱間押出加工を行って直径２０ｍｍの押出棒を作製した。得られた押出棒について、５２０℃の温度で溶体化処理を行った後、直径１７ｍｍまで引抜き加工し、１６０℃で２０ｈの時効処理を行ってＴ８材とした。なお、表３において、本発明の条件を外れたものには下線を付した。
【００３１】
得られたＴ８材を試験材として、実施例１と同様の方法で引張試験、シャルピー衝撃試験および切削試験を行った。試験結果を表４に示す。
【００３２】
【表３】
2007327115.tif 000004
【００３３】
【表４】
2007327115.tif 000005
【００３４】
表４に示すように、試験材Ｎｏ．２２はＣｕ含有量が少ないため引張強さが低く、切り屑もつながり易かった。Ｎｏ．２３、Ｎｏ．２５、Ｎｏ．２９、Ｎｏ．３１、Ｎｏ．３２は、それぞれＣｕ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｓｉの含有量が多いため、Ｎｏ．３０はＰｂとＳｎの含有量が多いため、また、Ｎｏ．３４はＣｒ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｚｒの含有量が多いため、室温でのシャルピー衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ２未満、温度２００℃でのシャルピー衝撃値が２５Ｊ／ｃｍ２未満となり、靭性が劣っていた。
【００３５】
試験材Ｎｏ．２４、Ｎｏ．２６、Ｎｏ．２８は、それぞれＢｉ、Ｐｂ、ＰｂとＳｎの含有量が低いため切り屑分断性が劣っていた。Ｎｏ．２７はＰｂの含有量が多いため、２００℃でのシャルピー衝撃値が低かった。Ｎｏ．３３はＭｇ含有量が多いため切り屑分断性が劣っていた。