(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ：３．５〜１１％（重量％、以下同じ）、Ｆｅ：０．０２〜０．３％、Ｍｇ：０．６０％を超え０．８０％以下を含有し、さらにＭｎ：０．１〜１．０％、Ｔｉ：０．０１〜０．３％のうちの１種または２種を含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなることを特徴とする鍛造用アルミニウム合金。
【請求項２】
Ｓｉ：３．５〜１１％、Ｆｅ：０．０２〜０．３％、Ｍｇ：０．６０％を超え０．８０％以下、Ｃｕ：０．１〜１．２％を含有し、さらにＭｎ：０．１〜１．０％、Ｔｉ：０．０１〜０．３％のうちの１種または２種を含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなることを特徴とする鍛造用アルミニウム合金。
【請求項３】
さらにＣｒ：０．０１〜０．３％、Ｚｒ：０．０１〜０．３％、Ｖ：０．０１〜０．１％、Ｂ：０．０８％以下のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１または２記載の鍛造用アルミニウム合金。
【請求項４】
さらにＳｒ：０．０５〜０．１％、Ｎａ：０．００１〜０．０１％、Ｃａ：０．０１〜０．０５％、Ｓｂ：０．０１％以上０．０５％未満のうちのいずれか１種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鍛造用アルミニウム合金。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鍛造用アルミニウム合金、とくに切削性に優れ、耐食性が良好な鍛造用Ａｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車部品、産業機械用部品、ＯＡ機器部品などのうち、鍛造加工を伴う部品の素材として、4000系のＡｌ−Ｓｉ合金が多く使用されている。代表的な合金として、Ｓｉ:11.0 〜13.5％、Ｃｕ:0.50 〜1.3 ％、Ｍｇ:0.8〜1.3 ％、Ｎｉ:0.50 〜1.3 ％を含有するＪＩＳ4032合金が知られている。この合金はＴ６処理後優れた強度をそなえ、優れた耐磨耗性を有するが、部品形状が複雑な場合、鍛造加工においてシワ、割れなどの鍛造欠陥が生じることがあり、切削性についても、マトリックス中に晶出している初晶Ｓｉが切削工具の寿命を短くするという難点がある。
【０００３】
4000系アルミニウム合金の切削性を改善するために、少量のＰｂ、Ｓｎを添加した合金（特開昭60-138038/号公報) 、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｂｉを添加した合金（特開平4-2740号公報) が提案されているが、これらの低融点元素は結晶粒界に偏在している場合が少なくないため、鍛造加工時の加熱、鍛造加工、および切削時の発熱により部分的に融解が生じ、割れ発生の原因となる。
【０００４】
4000系アルミニウム合金において、共晶組織のＳｉを微細化して耐磨耗性を高め、鍛造性、切削性を改善することを目的として、Ｓｂ:0.05 〜0.25％を含有させた合金（特開平2-107738号公報) 、Ｓｂ:0.1〜0.5 ％を添加した合金（特開平4-2740号公報) 、Ｓｂ:0.05 〜0.15％を含有させた合金（特開平5-311306号公報) も提案されている。しかしながら、これらの4000系アルミニウム合金においても、加工度の大きい複雑な製品形状のものにおいては必ずしも熱間鍛造性が十分でない場合があり、さらに、鍛造加工後に陽極酸化処理を施すと、微細化された共晶Ｓｉ相の部分では陽極酸化時の電流密度が不均一となるため、陽極酸化皮膜の生成が抑制されて、全体として皮膜厚さが不均一になるという難点もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、4000系アルミニウム合金における上記従来の問題点を解消するために、合金成分の組合わせ、当該組合わせに基づく組織性状と諸性能との関連性について再検討を加えた結果としてなされたものであり、その目的は、優れた鍛造性、とくに熱間鍛造性、および耐食性をそなえ、Ｔ６処理後の切削性を向上させた鍛造用アルミニウム合金を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための請求項１による鍛造用アルミニウム合金は、Ｓｉ：３．５〜１１％、Ｆｅ：０．０２〜０．３％、Ｍｇ：０．６０％を超え０．８０％以下を含有し、さらにＭｎ：０．１〜１．０％、Ｔｉ：０．０１〜０．３％のうちの１種または２種を含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなることを特徴とし、請求項２による鍛造用アルミニウム合金は、Ｓｉ：３．５〜１１％、Ｆｅ：０．０２〜０．３％、Ｍｇ：０．６０％を超え０．８０％以下、Ｃｕ：０．１〜１．２％を含有し、さらにＭｎ：０．１〜１．０％、Ｔｉ：０．０１〜０．３％のうちの１種または２種を含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
【０００７】
また、請求項３による鍛造用アルミニウム合金は、請求項１または２において、さらにＣｒ：０．０１〜０．３％、Ｚｒ：０．０１〜０．３％、Ｖ：０．０１〜０．１％、Ｂ：０．０８％以下のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とし、請求項４による鍛造用アルミニウム合金は、請求項１〜３のいずれかにおいて、さらにＳｒ：０．０５〜０．１％、Ｎａ：０．００１〜０．０１％、Ｃａ：０．０１〜０．０５％、Ｓｂ：０．０１％以上０．０５％未満のうちのいずれか１種を含有することを特徴とする。
【０００８】
本発明における合金成分の意義およびその限定理由について説明すると、Ｓｉは、Ｍｇと共存してＭｇ2 Ｓｉ粒子を形成し、この粒子の析出により合金の強度を高め、合金マトリックス中に共晶Ｓｉを分布させることにより切削性を向上させる。好ましい含有範囲は3 〜11％であり、3 ％未満ではその効果が小さく、11％を越えて含有すると粗大な初晶Ｓｉが晶出して熱間鍛造性が低下し易くなる。Ｓｉのさらに好ましい含有範囲は4 〜8 ％である。
【０００９】
Ｆｅは、Ｍｎと共存してＡｌ−Ｍｎ−Ｆｅ系およびＡｌ−Ｍｎ−Ｆｅ−Ｓｉ系の化合物粒子を析出させて、再結晶粒を微細化し、熱間鍛造性、切削性を向上する。好ましい含有範囲は0.02〜0.5 ％であり、0.02％未満ではその効果が十分でなく、0.5 ％を越えるとＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系の粗大な晶出物が増加し、熱間鍛造性が阻害される、Ｆｅのさらに好ましい含有量は0.1 〜0.3 ％の範囲である。
【００１０】
Ｍｇは、ＳｉあるいはＳｉ、Ｃｕと共存して合金の強度を高め、切削性を向上させる。好ましい含有量は0.5 〜1.5 ％の範囲であり、0.5 ％未満ではその効果が小さく、1.5 ％を越えて含有すると、熱間鍛造性、耐食性を低下させる。Ｍｇのさらに好ましい含有範囲は0.60％を超え1.40％以下、最も好ましくは0.60％を超え0.80％以下の範囲である。
【００１１】
Ｃｕは、Ｍｇと共存することによってＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系の化合物粒子を析出させ、合金の強度および切削性を向上させる機能を有する。好ましい含有範囲は0.1 〜1.2 ％であり、0.1 ％未満ではその効果が小さく、1.2 ％を越えると熱間鍛造性を阻害し、耐食性を低下させる。Ｃｕのさらに好ましい含有量は0.1 〜0.5 ％の範囲である。
【００１２】
Ｍｎは、Ａｌ−Ｍｎ系およびＡｌ−Ｍｎ−Ｆｅ−Ｓｉ系の化合物粒子を析出して再結晶粒を微細化し、合金の熱間鍛造性および切削性を向上させる。好ましい含有量は0.1 〜1.0 ％の範囲であり、0.1 ％未満ではその効果が十分でなく、1.0 ％を越えると、熱間での変形抵抗が増加して熱間鍛造性が阻害され、切削性も低下する。Ｍｎのさらに好ましい含有量は0.1 〜0.4 ％の範囲である。
【００１３】
Ｔｉは、溶湯中のＡｌ−Ｔｉ系の微細な化合物粒子により鋳造組織を微細化し、熱間鍛造性を向上させる。Ｔｉの好ましい含有範囲は0.01〜0.3 ％であり、0.01％未満ではその効果が小さく、0.3 ％を越えると粗大な化合物が形成され、熱間鍛造性が低下し易くなる。Ｔｉのさらに好ましい含有量は0.03〜0.15％の範囲である。
【００１４】
Ｃｒ、Ｚｒ、ＶおよびＢは、再結晶粒の微細化に寄与し、合金の熱間鍛造性を向上させる作用を有する元素であり、これらの１種または２種以上を含有させることにより効果が得られる。それぞれの好ましい含有範囲は、Ｃｒ:0.01 〜0.3 ％、Ｚｒ:0.01 〜0.3 ％、Ｖ:0.01 〜0.1 ％、Ｂ:0.08 ％以下であり、それぞれ下限値未満では効果が十分でなく、上限値を越えると粗大な晶出物が生成して熱間鍛造性が低下し易くなる。これらの成分のさらに好ましい含有範囲は、Ｃｒ:0.01 〜0.15％、Ｚｒ:0.01 〜0.15％、Ｖ:0.01 〜0.05％およびＢ:0.02 ％以下である。
【００１５】
Ｓｒ、Ｎａ、ＣａおよびＳｂは、共晶Ｓｉを微細化して、合金の熱間鍛造性、切削性を向上させ、押出性、耐磨耗性を改善する元素であり、このうちの１種を選択添加することにより効果が得られる。複合添加した場合には、それぞれの元素の効果が消失するおそれがある。それぞれの好ましい含有範囲は、Ｓｒ:0.005〜0.1 ％、Ｎａ:0.001〜0.01％、Ｃａ:0.01 〜0.05％およびＳｂ:0.01 ％以上0.05％未満であり、それぞれ下限値未満ではその効果が小さく、上限値を越えて含有しても効果が低下する傾向がある。これらの元素のさらに好ましい含有範囲は、Ｓｒ:0.005〜0.05％、Ｎａ:0.001〜0.005 ％およびＣａ:0.02 〜0.04％である。
【００１６】
なお、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｂｉなどの低融点金属は合金の特性を低下させるため、それぞれ0.01％以下に制限するのがより好ましいが、これらの元素がそれぞれ0.05％以下の範囲で含まれていても、合金の熱間鍛造性、切削性、その他の諸特性に実質的な影響を与えることはない。また、溶湯酸化防止、鍛造材の変色防止などを目的として、Ｂｅ200ppmを添加することができ、この場合にも本発明の特性に影響することはない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明のアルミニウム合金は、通常の連続鋳造方式に従って、例えば棒材に鋳造したのち、得られた鋳造棒の表面を切削して鍛造用素材とする。またはビレットに造塊したのち、熱間で押出加工を行って棒材を製造して鍛造用素材とし、熱間鍛造加工後、溶体化処理、水焼入れ、人工時効処理（Ｔ６処理）を行い、ついで所定形状に仕上げ切削して最終製品とする。
【００１８】
本発明のアルミニウム合金においては、特定の合金元素の組合わせと、その結果として得られる組織性状により、優れた熱間鍛造性、切削性、良好な耐食性が達成される。共晶Ｓｉの微細化のために添加するＳｒ、Ｎａ、ＣａおよびＳｂの含有量は、他の成分の含有量との組合わせに基づいて、合金材に対して上記の諸特性をバランスよく付与するよう調整されているから、共晶組織のＳｉ相は最適の微細化範囲のものとなり、鍛造後に陽極酸化処理を行った場合、部分的に共晶Ｓｉ相が集まった部分が形成されたとしても、陽極酸化皮膜に不均一が生じることはない。
【００１９】
【実施例】
実施例１
連続鋳造により、表１に示す組成のアルミニウム合金のビレット（直径１０インチ）を鋳造し、均質化処理を施したのち、間接押出機を使用して熱間押出加工を行い、直径５０ｍｍの押出棒材を作製した。得られた押出棒材を鍛造用素材とし、以下に示す方法により、熱間鍛造性、切削性、耐食性の評価を行った。結果を表２に示す。表２にみられるように、本発明に従う試験材（試験材Ｎｏ．１〜３、５、７、９〜１２）はいずれも、優れた鍛造性、耐食性を示し、切削試験においても割れを生じることがなく、切削屑の排出性にも優れていた。なお、試験材Ｎｏ．４、６、８、１３〜１４は参考例として示すものである。
【００２０】
熱間鍛造性：鍛造素材（直径50mm) の中心部から、直径20mm、高さ20mmの据え込み試験片を切り出し、400 ℃、450 ℃および500 ℃の温度で加工度80％の据え込み試験を行い、試験片の割れ発生状況を観察した。
【００２１】
切削性：鍛造素材に、400 ℃の温度で60％の据え込み鍛造加工を行い、試験材（直径30mm) とした。この試験材に、500 ℃で2hの溶体化処理後、水焼入れし、170 ℃で8hの人工時効処理を行うＴ６処理を施したのち、切断して試験片とし、これらの試験片について切削試験を行った。切削性は、試験片の中心部にドリルで穴をあけ、切削屑の排出性を調べ、切削後の割れの有無を観察することにより評価した。
【００２２】
切削屑の排出性については、切削屑100 個当たりの重量を測定し、重量の少ないものを排出性良好とした。なお、切削条件は、切削工具としてストレートドリル（標準ＪＩＳドリル、高速度鋼製、直径10mm) を使用し、回転数1500rpm 、送り150mm/min 、潤滑油はエマルションタイプのものとした。
【００２３】
耐食性：鍛造素材に、400 ℃の温度で鍛造加工を行い、試験材（幅50mm、厚さ5mm)とした。この試験材に、500 ℃で2hの溶体化処理後、水焼入れし、170 ℃で8hの人工時効処理を行うＴ６処理を施したのち、試験片（幅50mm、長さ50mm、厚さ5mm ）を採取し、耐食試験を行った。耐食性は、各試験片をＡＳＴＭ  Ｂ117 の準拠して塩水噴霧試験を1000h 行ったのちの重量減少により評価した。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
【表２】
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【００２６】
比較例１
連続鋳造により、表３に示す組成を有するアルミニウム合金のビレット（直径10インチ) を造塊し、均質化処理後、実施例１と同様、間接押出機を用いて直径50mmの押出棒材を作製した。得られた押出棒材を鍛造素材として、実施例１と同一の方法で、熱間鍛造性、切削性および耐食性の評価を行った。評価結果を表５に示す。また、同様にして造塊、均質化処理、押出加工したJIS 2011合金、6262合金、6061合金および4032合金についても、実施例１と同一の方法で熱間鍛造性、切削性および耐食性を評価した。これらの合金の組成を表４に、評価結果を表６に示す。なお、表３、表４において、本発明の条件を外れたものには下線を付した。
【００２７】
【表３】
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【００２８】
【表４】
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【００２９】
【表５】
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【００３０】
【表６】
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【００３１】
表５、表６に示すように、試験材No.15 、試験材No.17 はそれぞれＳｉ含有量、Ｆｅ含有量が少なく、試験材No.19 はＭｇ含有量が少なく、また試験材No.21 、試験材No.23 はそれぞれＭｎおよびＴｉの含有量が少ないため、いずれも切削屑の排出性が劣る。試験材No.16 、試験材No.18 はそれぞれＳｉ含有量、Ｆｅ含有量が多く、試験材No.20 はＭｇの含有量が多過ぎ、試験材No.22 、試験材No.24 はそれぞれＭｎおよびＴｉの含有量が多く、試験材No.25 はＣｕの含有量が多いため、いずれも鍛造性が劣り、熱間鍛造試験で割れが生じた。試験材No.22 は切削性も劣り、試験材No.20 、試験材No.25 は耐食性も劣っている。試験材No.26 および試験材No.27 はＰｂなどの低融点金属を含むため、鍛造性がわるく、切削時に割れも発生した。
【００３２】
試験材No.28 は多量のＣｕを含有し、Ｐｂ、Ｂｉを含むため、熱間鍛造性が劣る。試験材No.29 はＰｂ、Ｂｉを含み、Ｓｉの含有量も少ないため、鍛造性がわるく、切削性にも劣る。試験材No.30 はＳｉ量が少なく、Ｆｅを含有せず、またＭｎまたはＴｉを含まないため、切削性が劣る。試験材No.31 は、Ｓｉ含有量が多く、Ｆｅを含有せず、ＭｎまたはＴｉを含まないため、鍛造性がわるい。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、熱間鍛造性に優れ、複雑な形状に鍛造加工を行った場合にも割れを生じることがなく、Ｔ６処理後の切削性に優れ、耐食性も良好が鍛造用アルミニウム合金が提供される。車両、産業機械、ＯＡ機器などの部品の材料として有効に使用される。