(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ：１．５〜７．０％（質量％、以下同じ）、Ｍｇ：０．５〜１．０％、Ｃｕ：０．１〜１．２％、Ｔｉ：０．０１〜０．２％、及びＭｎ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｆｅの１種又は２種以上を各々０．０５〜１％含有し、残部Ａｌ及び不可避不純物からなり、プレス焼き入れ後、時効処理して得られる耐力の最高値（σ0.2max）の０．７倍以上の耐力を持ち、かつ圧縮の残留応力が−１００Ｎ／ｍｍ２以下となるように過時効処理がされていることを特徴とする切削用Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、製造の過程で切削加工を多用する機械部品等に適する切削用Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の切削用Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金は、ＡＡ６２６２合金（Ｓｉ：０．４〜０．８％、Ｍｇ：０．８〜１．２％、Ｃｕ：０．１５〜０．４％、Ｐｂ：０．４〜０．７％、Ｂｉ：０．４〜０．７％、残部Ａｌ）に代表されるように、有効添加元素としてＰｂ、Ｂｉ、Ｓｎ等の低融点金属を含有する。これら低融点金属はアルミニウム中にほとんど固溶せず、アルミニウム合金中に粒状にミクロ偏析し、その低融点金属粒子が切削加工時の加工発熱により溶融して切粉を分断し、アルミニウム合金の切削性を向上させる。このＡＡ６２６２合金は、製造の過程で切削加工、特にドリル加工が多用される機械部品、例えば自動車のアンチスキッド・ブレーキ・システム（ＡＢＳ）のハウジングの素材として従来より使用されている
【０００３】
ところが、低融点金属が添加されたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金は、切削性が向上する反面耐食性が低下し、また、低融点金属は熱脆性を引き起こす欠点もあり、使用環境に十分な注意を払う必要があった。さらに、合金をスクラップとしてリサイクルする場合、Ｐｂ、Ｂｉ等を必要とする比較的少ない合金種にしか転用ができず、転用範囲が狭まるためにリサイクル性に不利であるという問題を有していた。
また、機械構造部品は耐食性、耐摩耗性又は装飾効果を高めるために、表面にアルマイト処理を施す場合があるが、ＰｂやＢｉが添加されたアルミニウム合金の場合、表面にＰｂやＢｉが露出した箇所において酸化皮膜が形成されず、不均質で光沢のないアルマイト皮膜しか得られないという問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、従来切削性を向上させる目的で添加されていたＰｂ、Ｂｉ、Ｓｎなどの低融点金属を添加せずに切削性を高めたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材の開発が進められ、それは、例えば特開平９−２４９９３１号公報、特開平１０−８１７５号公報、特開平１１−１８９８３７号公報、特開平１１−３２３４７２号公報等に開示されている。
上記公報に記載された発明は、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材の切削性と組成及び析出組織の関係を調べ、優れた切削性を示す範囲を特定したものであるが、一方でＡＢＳ等の部品の小型、軽量化が進み、それに伴い小型の切削ドリル、例えば直径２ｍｍ程度のものも使用されるようになり、さらに高いレベルの切削性が要求されるようになってきた。
従って、本発明は、切削用Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材において、さらに切削性の向上を図ることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、実用的な押出性及び機械的性質を示す組成のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材について、その切削性を詳しく調査する過程で、焼入れ後、過時効処理を行った場合に切削性が向上することを見いだした。本発明は、この知見に基づいてなされたものである。
すなわち、本発明に係る切削用Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材は、Ｓｉ：１．５〜７．０％、Ｍｇ：０．５〜１．０％を含有し、時効処理して得られる耐力の最高値（σ0.2max）の０．７倍以上の耐力を持ち、かつ圧縮の残留応力が−１００Ｎ／ｍｍ２以下となるように過時効処理がされていることを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明でいう過時効処理とは、最高強度（耐力：σ0.2max）が得られる時効処理条件より高い温度又は長い時間時効処理を行うことである。具体的には、例えば、処理温度Ｔ１℃で時効処理した場合にＨ１ｍｉｎでＴ１℃での最高強度が得られるとすれば、Ｔ１℃×（Ｈ１＋α）ｍｉｎの処理条件を施す。また、処理時間Ｈ２で時効処理した場合にＴ２℃でＨ２ｍｉｎでの最高強度が得られるとすれば、（Ｔ２＋β）℃×Ｈ２ｍｉｎの処理条件を施す。ここで、α、βは正の値である。あるいは、例えば最高強度を得たところでいったん時効処理を停止し、再度加熱して時効処理を行った場合も、本発明でいう過時効処理になる。
【０００７】
本発明では、この過時効処理により、過時効処理後の耐力が、アルミニウム合金押出材を時効処理して得られる耐力の最高値（σ0.2max）の約０．７倍以上になるように調整することが望ましい。これ以上過時効処理を行うと強度の低下が大きくなり、素材が本来発揮し得る強度を大きく犠牲にする材料設計となる。一方、残留応力の低減及び切り屑分断性の向上を安定して達成するには、一般に過時効処理後の耐力を上記σ0.2maxの約０．９倍以下になるように調整するのが望ましい。
【０００８】
Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材に対し、上記のとおり過時効処理を行うことにより、材料強度（耐力）は多少低下するが、切削性が大きく向上する。その理由は次のとおりである。
▲１▼押出材は焼入れ時等に残留応力が発生するが（特にプレス焼入れを行ったときに顕著）、残留応力があると、製品にドリルで穴あけ加工を行う際、製品がドリルを締め付け、特に細径のドリルの場合に折損の不安がある。また、過度の発熱が起き、その熱によりアルミニウム合金の溶着が発生する（ドリルの刃にアルミニウム合金が付着する）。過時効処理を行うことにより、過度に材料強度を下げることなく、その残留応力を低減することができる。
▲２▼過時効処理を行うとマトリックス中の析出物（Ｍｇ２Ｓｉ等）が比較的大きく成長する。これにより、析出物粒子の脆性破壊及び粒子間（マトリックス中）をクラックが伝播するクラッキングパス（Craking Path；「軽金属」第51巻、第4号(2001)、P.238-241参照）が容易に発生し、切粉分断がスムーズに起こる。
【０００９】
ところで、過時効処理は温度と時間の兼ね合いで決まるため、低温であっても時間さえ長くすれば一応過時効とすることができ、押出材の切削性を向上させることができる。しかし、残留応力を低減させる意味からは、処理温度を２００℃以上に設定することが望ましい。これは、２００℃未満では、処理時間が長くなっても残留応力の低減が十分に行われないためである。
先に述べたように、残留応力が高いとドリルで穴あけ加工を行う際に製品がドリルを締め付け、過度の発熱が起きてアルミニウム合金の溶着が発生したり、さらに細径のドリルであれば使用中に折損することもあり得る。その可能性を安定的に排除するためには、圧縮の残留応力が−１００Ｎ／ｍｍ２以下（残留応力の絶対値が１００Ｎ／ｍｍ２以下）になるように過時効処理することが望ましい。なお、数値のマイナスは圧縮の残留応力を意味する。
上記組成のアルミニウム合金押出材において、過時効後にσ0.2maxの０．７倍以上の耐力、かつ−１００Ｎ／ｍｍ２以下の残留応力を工業的に実現するには、概ね２００〜２４０℃の範囲から適宜選択すればよい。
【００１０】
本発明に係るＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金は、上記範囲のＳｉ、Ｍｇのほか、さらに、Ｃｕ：０．１〜１．２％、Ｔｉ：０．０１〜０．２％と、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｆｅの１種又は２種以上を各々０．０５〜１．０％を含み、残部Ａｌと不純物からなる。
本発明における組成範囲の限定理由は次の通りである。
【００１１】
Ｓｉ、Ｍｇ
ＳｉとＭｇは共存することによりＭｇ２Ｓｉとして析出し、強度を高める効果がある。しかし、Ｓｉが１．５％未満又はＭｇが０．５％未満ではその効果が得られず、一方、Ｓｉが７．０％を越えるとＳｉ系化合物の生成により押出性が低下し、Ｍｇが１．０％を越えるとＭｇ単体の固溶強化により変形抵抗が増加し、同じく押出性が低下する。従って、Ｓｉの添加量は１．５〜７．０％、Ｍｇの添加量は０．５〜１．０％の範囲とする。Ｓｉのより望ましい範囲は１．７〜５．０％、さらに望ましくは１．７〜４．０％であり、Ｍｇのより望ましい範囲は０．６〜０．８％である。
【００１２】
Ｃｕ
Ｃｕは熱処理により強度を高める効果があり必要に応じて添加されるが、０．１％未満ではその効果に乏しく、一方、１．２％を越えて添加すると耐食性が低下し、また押出性も低下する。従って、Ｃｕの添加量は０．１〜１．２％の範囲とする。より望ましくは０．１〜１．０％、さらに望ましくは０．２〜０．８％の範囲である。
Ｔｉ
Ｔｉは鋳造組織を微細化して機械的性質を安定化するため、必要に応じて添加されるが、０．０１％未満ではその効果が得られず、一方、０．２％を越えて添加してもそれ以上微細化効果は向上しない。従って、Ｔｉの添加量は０．０１〜０．２％の範囲とする。より望ましくは、０．０１〜０．１％の範囲である。
【００１３】
Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｆｅ
Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｆｅはそれぞれ固溶体化して素材の強度を高める効果があり、１種又は２種以上が必要に応じて添加されるが、それぞれ０．０５％未満では充分な効果が得られず、一方、１．０％を越えて添加しても効果が飽和し、押出性も低下する。従って、各元素の添加量はそれぞれ０．０５〜１．０％の範囲とする。より望ましくはそれぞれ０．０５〜０．５％、さらに望ましくは０．１５〜０．３５％の範囲である。なお、Ｆｅはアルミニウム合金に通常最も多く含まれる不純物であり、不純物として混入してもよいが積極的に添加してもよい。
【００１４】
不純物
アルミニウム合金を鋳造する際には地金、添加元素の中間合金等様々な経路より不純物が混入する。混入する元素は様々であるが、Ｆｅ以外の不純物は単体で０．０５％以下、総量で０．１５％以下であれば前記アルミニウム合金の特性にほとんど影響を及ぼさない。従って、これらの不純物は単体で０．０５％以下、総量で０．１５％以下とする。なお、不純物のうちＢについては、Ｔｉの添加に伴い合金中にＴｉの１／５程度の量で混入するが、より望ましい範囲は０．０２％以下、さらに０．０１％以下が望ましい。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、比較例と比較して具体的に説明する。
表１に示した化学組成の合金を溶解し半連続鋳造により１６０ｍｍ径の押出ビレットを作成し、５００℃で４時間均質化熱処理を施した後、５００℃の押出温度で６０ｍｍ×６０ｍｍの角形断面に押し出し、押出中に押出材を水冷することにより焼入れを行った（プレス焼入れ）。焼入れ後の各押出材に対し、表１に示す種々の条件で人工時効処理を行った。これを供試材とし、引張特性、切削性及び残留応力を下記要領で測定した。その結果を表２に示す。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
引張特性；押出方向に採取したＪＩＳ４号引張試験片を用い、ＪＩＳＺ２２４１に規定する金属材料試験方法に準じ、引張強さ、耐力、及び伸びを測定した。なお、各組成についてＮｏ．６とＮｏ．９の耐力をσ0.2max（ピーク耐力）とした。
切削性；市販の高速度鋼製の２ｍｍ径ドリルを用い、回転数３０００ｒｐｍ、送り速度６００ｍｍ／分の条件にて切削し、ドリルへの巻き付き発生の有無を観察するとともに、切り屑分断性を調べるために切り屑１００ｇ当りの切り屑個数を測定した。２５００個／１００ｇ以上を合格とした。
【００１８】
残留応力；残留応力の測定法は切断法により次の手順で行った。図１に示すように、６０ｍｍ×６０ｍｍ角断面押出材１の押出表面幅方向中心位置で、▲１▼表面をサンドペーパーで研磨後、アセトン洗浄し、▲２▼研磨部位に歪みゲージ２を瞬間接着剤で接着し、２４時間室温放置後、▲３▼歪みゲージ２のリード線３を歪み計に接続してゼロ点設定をし、▲４▼歪みゲージ２の周囲を金属のこぎりで１０ｍｍ角、深さ２ｍｍに切断して応力開放し、▲５▼切断後の歪み量εを計測し、▲６▼次式にて残留応力値σを算出した。
σ＝−Ｅ×ε（Ｅ；ヤング率）
Ｅ＝６８８９４Ｎ／ｍｍ２
【００１９】
【表２】
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【００２０】
過時効処理を行ったＮｏ．１〜５、８、１１は、いずれもピーク時効処理を行ったＮｏ．６、９に比べて切削性が改善されていた。そのうち、特に耐力／ピーク耐力比が０．７以上になるように過時効処理を行ったＮｏ．１〜４は、残留応力も小さく、切削性に優れている。しかし、耐力／ピーク耐力比が０．７に満たないＮｏ．５とＮｏ．８は強度が低い。切り屑個数の数値、すなわち切り屑分断性もＮｏ．１〜４に比べてやや劣る。また、耐力／ピーク耐力比が０．７以上だが、処理温度が１９０℃と比較的低いＮｏ．１１は、残留応力が−１００Ｎ／ｍｍ２を越えている。巻き付きこそ発生しなかったが、切り屑分断性がＮｏ．１〜４に比べてかなり劣り、細径のドリルを用いるときなどには折損の不安が残る。一方、過時効処理を行っていないＮｏ．６〜７、９〜１０は、いずれもＮｏ．１〜４に比べて残留応力が高く、また切削性が劣る。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、切り屑分断性に優れ、切り屑のドリルへの巻き付きが防止される切削用Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材を得ることができる。
この切削用Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材は、小型化及び軽量化の進展が著しいＡＢＳのハウジンブやピストン、コンプレッサー用サービスバルブやトルクコンバーターバルブ等のバルブ類、ハードディスク用モーターハブ、オーディオ部品のボリューム軸、ブレーキマスターシリンダー等のピストン類、カメラや顕微鏡の筒材のような光学機器、その他の機械部品などに好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  残留応力の測定方法を説明する図である。
【図１】
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