(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ：４．０〜６．０％（重量％、以下同じ）を含有し、条件式：３．０％＞Ｓｎ％＋Ｂｉ％＞１．０％、且つ２．３５≧Ｓｎ％／Ｂｉ％≧１．５を満足するＳｎ量およびＢｉ量を含有し、残部がＡｌおよび不純物からなり、不純物としてのＰｂを０．０５％以下に規制したことを特徴とする切削性および耐焼割れ性に優れたアルミニウム合金。
【請求項２】
さらにＩｎ：０．０１〜０．５％を含有することを特徴とする請求項１記載の切削性および耐焼割れ性に優れたアルミニウム合金。
【請求項３】
さらにＭｇ：０．１〜２．０％、Ｓｉ：０．１〜１．２％のうちの１種または２種を含有することを特徴とする請求項１または２記載の切削性および耐焼割れ性に優れたアルミニウム合金。
【請求項４】
さらにＭｎ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：０．１〜０．３％、Ｆｅ：０．１〜０．８％、Ｔｉ：０．０１〜０．２％、Ｚｒ：０．１〜０．３％、Ｎｉ：０．０５〜２．３％、Ｖ：０．００１〜０．２％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１〜３のいずれかに記載の切削性および耐焼割れ性に優れたアルミニウム合金。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、切削性および耐焼割れ性に優れたアルミニウム合金、詳しくは、公害問題を生じるおそれのあるＰｂを含有せず、とくに押出材および引抜き材として使用するのに適した切削性および耐焼割れ性に優れたアルミニウム合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
切削用アルミニウム合金としては、従来、Ａｌ−Ｃｕ系の２０１１合金が知られているが、この合金においては、切削性を向上させるために、低融点元素の鉛（Ｐｂ）やビスマス（Ｂｉ）が添加されている。近年、Ｐｂによる公害問題が採り上げられており、地球環境の観点から、有害物質のＰｂを含有しない切削用アルミニウム合金の開発が要請されるようになってきている。
【０００３】
このような要請から、Ｐｂの代わりにＳｎを使用し、ＳｎとＢｉとを組合わせて添加したアルミニウム合金が提案されている（アメリカ特許第５８０３９９４号）。しかしながら、このアルミニウム合金は、従来の２０１１合金より若干切削性が劣り、自動切削機による無人運転での切削を実施した際、切り屑が排出されず、自動切削機の停止に至ることがある。さらに、このアルミニウム合金は、製造工程中の焼入れの際、焼き割れが発生し易く、生産性の面でも２０１１合金より劣っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述の切削用Ａｌ−Ｃｕ系アルミニウム合金における従来の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、Ｐｂを含有することなく、従来の２０１１合金と同等以上の切削性および押出性を有し、同時に耐焼割れ性を向上させた切削性および耐焼割れ性に優れたアルミニウム合金を提供することにある。
【０００５】
【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本発明の請求項１記載の切削性および耐焼割れ性に優れたアルミニウム合金は、Ｃｕ：４．０〜６．０％を含有し、条件式：３．０％＞Ｓｎ％＋Ｂｉ％＞１．０％、且つ２．３５≧Ｓｎ％／Ｂｉ％≧１．５を満足するＳｎ量およびＢｉ量を含有し、残部がＡｌおよび不純物からなり、不純物としてのＰｂを０．０５％以下に規制したことを特徴とする。
【０００６】
本発明の請求項２記載の切削性および耐焼割れ性に優れたアルミニウム合金は、請求項１記載のアルミニウム合金に、さらにＩｎ：０．０１〜０．５％を含有することを特徴とし、請求項３記載の切削性および耐焼割れ性に優れたアルミニウム合金は、請求項１又は２記載のアルミニウム合金に、さらにＭｇ：０．１〜２．０％、Ｓｉ：０．１〜１．２％のうちの１種または２種を含有することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の請求項４記載の切削性および耐焼割れ性に優れたアルミニウム合金は、請求項１〜３記載のアルミニウム合金に、さらにＭｎ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：０．１〜０．３％、Ｆｅ：０．１〜０．８％、Ｔｉ：０．０１〜０．２％、Ｚｒ：０．１〜０．３％、Ｎｉ：０．０５〜２．３％、Ｖ：０．００１〜０．２％のうちの１種又は２種以上を含有することを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の切削性および耐焼割れ性に優れたアルミニウム合金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、アルミニウム合金中のＣｕは、合金マトリックス中に固溶あるいは析出することによって強度を向上させ、切削性を向上させるように機能する。Ｃｕの好ましい含有量は４．０〜６．０％の範囲であり、４．０％未満でその効果が小さく、６．０％を越えると押出性が低下する。Ｃｕのさらに好ましい含有範囲は４．５〜５．７％である。
【０００９】
Ｓｎは、Ｂｉと共存することによってＳｎとＢｉとの低融点化合物を形成し、切削性を向上させるように機能する。ＢｉもＳｎと同様に、ＳｎとＢｉとの低融点化合物を形成し、切削性を向上させるように機能する。ＳｎおよびＢｉの好ましい含有範囲は、３．０％＞Ｓｎ％＋Ｂｉ％＞１．０％の条件式を満足するＳｎ量及びＢｉ量である。Ｓｎ％＋Ｂｉ％≦１．０％ではその効果が少なく、Ｓｎ％＋Ｂｉ％≧３．０％では押出材に欠陥が生じ易くなる。
【００１０】
さらに、ＳｎとＢｉとの好ましい含有比率は、２．３５≧Ｓｎ％／Ｂｉ％≧１．５である。含有比率がＳｎ％／Ｂｉ％＜１．５では、製造工程の焼入れ時に割れが生じ易くなる。含有比率がＳｎ％／Ｂｉ％＞２．３５では、Ｓｎが単体で晶出し易くなり、焼入れ時に割れが生じ易くなることがある。Ｓｎの好ましい含有範囲は０．５〜２．２％であり、Ｂｉの好ましい含有範囲は０．３〜１．２％である。また、ＳｎとＢｉとのさらに好ましい含有比率は２．２≧Ｓｎ％／Ｂｉ％≧１．５である。
【００１１】
Ｉｎは、ＳｎおよびＢｉと共存することによって、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｉｎの低融点化合物を形成し、切削性を向上させるよう機能する。Ｉｎの好ましい含有範囲は０．０１〜０．５％であり、０．０１％未満ではその効果が十分でなく、０．５％を越えると製造工程の焼入れ時に割れが生じ易く、また、押出材に欠陥が生じ易くなる。Ｉｎのさらに好ましい含有範囲は０．０１〜０．３％である。
【００１２】
Ｍｇは、Ｓｉおよび／またはＣｕと共存することによって、強度及び切削性を向上させるよう機能する。Ｍｇの好ましい含有量は０．１〜２．０％の範囲であり、０．１％未満ではその効果が小さく、２．０％を越えると押出性が低下する。Ｍｇのさらに好ましい含有範囲は０．１〜１．５％である。
【００１３】
Ｓｉは、強度および切削性の向上に寄与し、特にＭｇと共存することにより、Ｍｇ2 Ｓｉを生成して強度を高め、さらに共晶Ｓｉを分散させることにより、切削性を向上させるよう機能する。Ｓｉの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十分でなく、１．２％を越えると押出性や切削工具寿命が低下する。Ｓｉのさらに好ましい含有範囲は０．１〜０．９％である。
【００１４】
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、切削性および耐焼割れ性を向上させるよう機能する。Ｍｎの好ましい含有範囲は０．１〜２．０％であり、０．１％未満ではその効果が十分でなく、２．０％を越えると押出性が低下する。Ｍｎのさらに好ましい含有範囲は０．１〜０．３％である。
【００１５】
Ｃｒは、再結晶粒の微細化に寄与し、切削性および耐焼割れ性を向上させるよう機能する。Ｃｒの好ましい含有範囲は０．１〜０．３％であり、０．１％未満ではその効果が小さく、０．３％を越えると粗大晶出物の晶出により押出材に欠陥が生じ易くなる。Ｃｒのさらに好ましい含有範囲は０．１〜０．２％である。
【００１６】
Ｆｅは切削性を高める。とくにＭｎと共存した場合、Ａｌ−Ｍｎ−Ｆｅ−Ｓｉ系の化合物粒子を析出し、再結晶粒を微細化し、切削性を向上させるよう機能する。Ｆｅの好ましい含有範囲は０．１〜０．８％であり、０．１％未満ではその効果が小さく、０．８％を越えると粗大化合物の晶出により、押出材に欠陥が生じ易くなる。Ｆｅのさらに好ましい含有範囲は０．１〜０．５％である。
【００１７】
Ｔｉ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よう機能する。Ｔｉの好ましい含有範囲は０．０１〜０．２％であり、０．０１％未満ではその効果が小さく、０．２％を越えると粗大化合物の晶出により、押出材に欠陥が生じ易くなる。Ｔｉのさらに好ましい含有範囲は０．０１〜０．１％である。
【００１８】
Ｚｒは、Ｃｒと同様、再結晶粒の微細化に寄与し、切削性を向上させるよう機能する。Ｚｒの好ましい含有範囲は０．１〜０．３％であり、０．１％未満ではその効果が小さく、０．３％を越えると粗大化合物の晶出により、押出材に欠陥が生じ易くなる。Ｚｒのさらに好ましい含有範囲は、０．１〜０．２％である。
【００１９】
Ｎｉは、Ｎｉ系の析出物を析出させ、強度および切削性を向上させるよう機能する。Ｎｉの好ましい含有範囲は０．０５〜２．３％であり、０．０５％未満ではその効果が小さく、２．３％を越えると切削性を低下させる。Ｎｉのさらに好ましい含有範囲は０．５〜１．２％である。
【００２０】
Ｖは、再結晶組織を微細化し、切削性および耐焼割れ性を向上させるよう機能する。Ｖの好ましい含有範囲は０．００１〜０．２％であり、０．００１％未満ではその効果が少なく、０．２％を越えると押出材に表面欠陥を生じ易い。
【００２１】
本発明のアルミニウム合金は、例えば、連続鋳造により上記の組成を有するアルミニウム合金ビレットを造塊し、均質化処理した後、押出加工を行い、得られた押出材を、溶体化処理後、水焼入れし、その後、引き抜き加工してＴ３処理材として使用する。その後更に人工時効処理してＴ８処理材として使用することもできる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明すると共に、それに基づいて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、これにより本発明が制限されることはない。
【００２３】
実施例１
連続鋳造により、表１に示す成分組成（Ｎｏ．１〜１３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、均質化処理を施した後、押出加工を行って、直径２７ｍｍの押出棒および厚さ７ｍｍ、幅３５ｍｍの押出形材をそれぞれ作製する。得られた厚さ７ｍｍ、幅３５ｍｍの押出形材の表面観察により押出性を評価した。
【００２４】
また、直径２７ｍｍの各押出棒を５２０℃の温度で１．５時間溶体化処理した後、水焼入れを行った。この水焼入れの結果から耐焼割れ性の評価を行った。さらに、直径２５ｍｍまで引き抜き加工してＴ３処理材を作製した。その後、さらに１７０℃で４時間の人工時効処理を行ってＴ８処理材を作製し、得られた各Ｔ３処理材及び各Ｔ８処理材について切削性を評価した。耐焼割れ性、切削性および押出性の評価は以下のようにして行った。
【００２５】
（１）耐焼割れ性
各押出材を５２０℃の温度で１．５時間保持後、水冷し各押出材の割れの有無を観察することで、耐焼割れ性を評価する。
（評価基準）
○：割れ無し
×：割れ有り
【００２６】
（２）切削性
各Ｔ３処理材および各Ｔ８処理材から採取した試験片について、下記条件で旋盤による外削を行い、外削する過程で排出された切削屑１００個あたりの重量（ｇ／１００個）を測定することにより切削性を評価する。
切削工具：超硬バイト（片刃、バイト角５度）
回転数  ：１０００ｒｐｍ
送り速度：５４ｍｍ／分
（評価基準）
○：２．０ｇ未満
△：２．０ｇ以上３．０ｇ未満
×：３．０ｇ以上
【００２７】
（３）押出性
押出温度：４００℃、押出速度：１ｍ／分で、上記の厚さ７ｍｍ、幅３５ｍｍの形状に押出した場合における押出形材の表面欠陥の発生を観察し、押出性を評価する。
○：表面欠陥無し
×：表面欠陥有り
以上の評価結果を表１に示す。
【００２８】
【表１】
0004138151.tif 000002
《表注》※１: Ｍｎ0.2 ％、Ｃｒ0.15％  ※２: Ｆｅ0.5 ％  ※３: Ｔｉ0.1 ％※４: Ｚｒ0.15％  ※５: Ｎｉ1.1 ％  ※６: Ｖ0.05％
【００２９】
表１にみられるように、本発明の条件を満たす実施例１の試験材（Ｎｏ．１〜１３）は、いずれも、耐焼割れ性、切削性および押出性の評価が全て○であり、従来の合金以上の耐焼割れ性が得られ、２０１１合金と同等若しくはそれ以上の切削性および押出性をそなえている。
【００３０】
比較例１
連続鋳造により、表２に示す成分組成（Ｎｏ．１４〜３０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、実施例１と同一工程で、各押出形材、各Ｔ３処理材及び各Ｔ８処理材を作製し、これらを試験材として、実施例１と同様に耐焼割れ性、切削性および押出性を評価した。評価結果を表２に示す。なお、表２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】
【表２】
0004138151.tif 000003
《表注》※７: Ｍｎ2.2 ％  ※８: Ｆｅ0.9 ％  ※９: Ｔｉ0.3 ％
※10: Ｚｒ0.4 ％  ※11: Ｃｒ0.4 ％  ※12: Ｎｉ2.4 ％  ※13: Ｖ0.4 ％
【００３２】
表２に示すように、本発明の条件を満たさない比較例１の試験材Ｎｏ．１４〜３０は、耐焼割れ性、切削性、押出性のいずれかが劣っている。試験材Ｎｏ．１４はＣｕ量が少ないため強度が低く、そのために切削性が劣る。試験材Ｎｏ．１５は逆にＣｕ量が多いため押出性が劣る。試験材Ｎｏ．１６はＳｎ量＋Ｂｉ量が少ないことにより切削性が劣る。試験材Ｎｏ．１７は逆にＳｎ量＋Ｂｉ量が多いため押出性が悪い。試験材Ｎｏ．１８、１９はＳｎ量とＢｉ量の含有比率の条件式を満たさないため耐焼割れ性が劣る。
【００３３】
試験材Ｎｏ．２０はＩｎ量が多いため耐焼割れ性、押出性が劣る。試験材Ｎｏ．２１はＭｇ量が多いため、試験材Ｎｏ．２２はＳｉ量が多いため、いずれも押出性が劣っている。また、試験材Ｎｏ．２３はＭｎ量が多く、試験材Ｎｏ．２４はＦｅ量が多く、試験材Ｎｏ．２５はＴｉ量が多く、試験材Ｎｏ．２６はＺｒ量が多いため、押出性が劣る。
【００３４】
試験材Ｎｏ．２７はＣｒ量が多いため押出性が劣り、試験材Ｎｏ．２８はＮｉ量が多いため切削性が低下している。また、試験材Ｎｏ．２９はＶ量が多いため、押出に問題がある。また、試験材Ｎｏ．３０は耐焼割れ性、切削性、押出性ともに良好であるが、有害物質のＰｂを含有するため、公害発生源となる恐れがあり、実用上問題がある。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、公害源となるＰｂを含有せず、従って、Ｐｂによる環境汚染を生じる恐れがなく、且つ優れた切削性、耐焼割れ性を備えたアルミニウム合金が提供される。