JP5049481B2 - 耐高温脆化性に優れた快削アルミニウム合金 - Google Patents
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Description
従来、切削性に優れたアルミニウム合金としては、Al-Cu合金にPb、Biを添加したJIS2011合金や、Al-Mg-Si系合金にPb、Biを添加したJIS6262合金等の押出材が使用されてきた。しかし、近年の環境問題で、Pbを添加しない切削性に優れたアルミニウム合金が要求されるようになった。そこで、JIS2011合金(Pb−Bi添加)の代替として、Pbを添加しないSn−Bi添加合金が提案されており、切削性、耐食性などにおいてJIS2011合金とほぼ同等の性能を持つ快削アルミニウム合金が流通されつつある(特許文献1)。
さらに、Sn-Bi添加系の快削アルミニウム合金は、切削時のみならず、合金製造工程においても抽伸前の口付けや抽伸工程での割れなどが発生することがあり、生産性の低下を招いていた。
これらの傾向は、Pb-Bi添加系の快削アルミニウム合金でもみられていたが、Pbを使用しないSn-Bi添加系の快削アルミニウム合金においてさらに顕著であった。
すなわち、本発明は、
によって上記課題を達成するものである。
まず、本発明の快削アルミニウム合金における各添加元素の役割について説明する。
Cuは、CuAl2等の化合物によりアルミニウム合金の強度を向上させる元素である。そのアルミニウム合金中の含有量は、3.0〜6.0mass%、好ましくは5.0〜6.0mass%である。下限未満では強度向上の効果が小さく、上限を超えると合金鋳塊の外表面品質が低下するため、良好なアルミニウム合金押出材が得られない。
Siは、合金の強度を向上させるために添加する。但し、添加量が1.5mass%を超えると、合金鋳塊の外表面品質が低下するため、良好なアルミニウム合金押出材が得られない。
Feも、合金の強度を向上させるために添加する。Feの添加により、アルミニウム合金中にAl−Fe系の化合物が形成され、合金強度が上がるため、押出材の切削性が向上する。但し、添加量が2.0mass%を超えると切削バイトの劣化を促進するため好ましくない。より好ましくは、1.0mass%以下とするのがよい。
Biの添加は、アルミニウム合金押出材の切粉分断性を向上させる。その合金中の含有量は、0.9〜3.0mass%、好ましくは1.0〜1.5mass%である。
ここで、従来のPb-Bi添加合金やSn-Bi添加合金では、添加されるPb、Sn、Biなどの低融点金属はアルミニウムにほとんど固溶しないため、相互に化合物を作って存在する。これらの化合物が、切削や孔空け等の刃先での加工発熱により溶融し、切粉にノッチができるため、切粉分断性が向上すると考えられている。従来の快削アルミニウム合金の場合、Pb−Bi化合物の融点は125℃、Sn-Bi化合物の融点は139℃と低いため、加工発熱により溶融し、容易に切粉分断性を発揮する。一方で、これらの化合物は、融点が低いために、高温下で合金を脆くする働きを有する。
さらに、本発明の快削アルミニウム合金押出し材は、高温脆化が起こりにくい。具体的には、120〜200℃といった高温において、従来のSn-Bi又はPb-Bi添加快削アルミニウム合金のようにシャルピー衝撃試験値が急激に低下することがない。
Ni添加は、合金中に化合物を形成し、切粉分断性を向上させるが、添加量が多すぎると、粗大化合物を形成し易く、強度低下や靭性低下を招く。
Cr、Zr、Mn添加は、合金の再結晶粒を微細にし、強度向上、靭性向上に効果があるが、添加量が多すぎると粗大化合物を形成し強度低下や靭性低下を招く。Ti添加は、鋳造組織を微細化し、合金の強度向上、靭性向上の効果があるが、添加量が多すぎると粗大化合物を形成し、強度低下、靭性低下を招く。
また、合金強度向上のためにMgを添加してもよいが、その場合は、1.8mass%以下であることが望ましい。Mgは、高融点のMg−Bi化合物を生成するため、Biが低融点元素として有効に使われないようになり、切粉分断性を阻害するためである。
表1に示す組成の合金を溶解し、直径220mmの鋳塊を得た。この鋳塊に480℃で6時間の均質化処理を施した。この鋳塊を400℃の押出により直径35mmの押出丸棒としたものを作製した。その各々を500℃で2時間の溶体化の後、直ちに水焼入れした。さらに、抽伸により30mmの丸棒としたのち、所定の時効処理を行い、表1に示す調質材とした。なお、T8処理における時効条件は、160℃・14時間とした。
(1)切削試験
上記の試験合金押出材を用いて、外削による切削試験を行なった。切削条件は、回転数2000rpm、切込み量1mm、送り量0.04mm/rev.である。
(2)耐高温脆化性
試験合金押出材を用いて、室温から200℃までの所定温度でシャルピー衝撃試験を行った。
(3)耐食試験
試験合金押出材を用いて、JIS2371塩水噴霧試験を200時間行い、重量減少率及び孔食深さを測定した。
(4)硬さ測定
試験合金押出材を用いてビッカース試験を行った。荷重は5kgとした。
一方、比較合金No.10〜15、18、19では、Bi添加量が本発明の下限規定量0.9mass%に満たないため、合金中のBiの分散量が十分に得られなかったことによって、切粉分断性に劣っていた。また、比較合金No.16〜18では、Cu添加量が本発明の下限規定量3.0%に満たないため、合金強度が十分に得られなかったことによって、切粉分断性に劣っていた。
次に、シャルピー衝撃試験結果を図1に示す。従来の快削合金(Sn-Bi添加合金、Pb-Bi添加合金)は、いずれも130℃前後で、シャルピー衝撃試験値が急激に低下しているのに対し、本発明合金(Bi単独添加合金)及び比較合金(Sn単独添加合金)は、より高温まで衝撃試験値の顕著な低下が見られなかった。また、Sn単独添加合金においてはシャルピー衝撃試験値が室温時の半分に低下する温度は約170℃となったが、Bi単独添加合金においては、試験を行った200℃までの温度範囲ではシャルピー衝撃試験値は室温時の半分まで低下しておらず、Bi単独添加合金が特に高温脆化が起こりにくいことを示している。
Claims (1)
- Cu:3〜6mass%、Si:0.1〜1.5mass%、Fe:0.1〜2.0mass%、Bi:0.9〜3.0mass%を含有し、PbおよびSnを含有せず、残部がAlと不可避的不純物とからなり、かつ、シャルピー衝撃試験値が室温時の半分に低下する温度が180℃以上である耐高温脆化性に優れたことを特徴とする快削アルミニウム合金押出材。
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