JPS6022055B2 - 非熱処理型切削用アルミニウム合金及びその製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、優れた切削性と耐食性を兼備した非熱処理型
アルミニウム合金及びその製造法に関するものである。

被切削加工用（以下切削用という）アルミニウム合金に
要求される最も重要な性質の１つとして切くず処理性（
切くずがピ細に分断する性質）が挙げられるが、近年自
動切削機械の改良が進み超高速切削が一般化するにつれ
て、工具磨耗の問題がクローズアップされてきた。また
、光学機器等を中心に精密切削用や高度の表面仕上り及
び耐食性が要求される様になり、切削用アルミニウム合
金に対する要求は益々高品位のものになる傾向がある。
従ってこれらの要求に応えるために、高度の切削用と耐
食性を兼備したアルミニウム合金の開発が急務になって
いる。ところで従来の切削用アルミニウム合金としては
、アメリカアルミニウム協会ＡＡ２０１１及びＡＡ６２
６２に代表される熱処理型合金が大半を占めており、こ
れらの合金功くず処理性に関する限り相当優れている。

しかし耐食性の点では不十分で、殊に前記ＡＡ２０１１
の耐食性は極めて劣悪である。しかもこれらの合金は熱
処理型であるから、溶体化処理や時効処理の為に極めて
高精度の熱処理設備を必要とし、また溶体化処理後の水
袷に伴なつて生じる雑留応力が工作時に変形となって寸
法精度を低下させる、等重大な欠点が指摘されている。
他方Ｓｎ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｃｄ，ｌｎ等の低融点金属がア
ルミニウム合金の切削用を著しく向上させることは知ら
れており、またアルミニウム合金中にＭｇ２ＳｎやＭｇ
２Ｐｂを含有させると、切削性が向上することも特閥昭
５３−５７１１１号に開示されている。

即ち、上記の元素はアルミニウム合金中で相互に共晶を
形成して基質中に分散しており、これらは切削時の温度
上昇によって溶融し、切くずの分断を容易にすると考え
られている。ところでＭｇを含むアルミニウム合金系に
おいては、ＭｇがＰｂ，Ｓｎ，Ｓｉと強い親和力を有し
ているため、大部分がＭｇ−Ｓｉ−Ｐｂ−Ｓｎ系金属間
化合物を形成し、一部Ｍ鞍ＰｂやＭ＆Ｓｎを形成してい
る。そのためＰｂやＳｎの絶対量が少ないとアルミニウ
ム合金系においては、ＰｂとＳｎとの共晶による切削性
向上効果は期待できず、切削性を高めるためには他の効
果を利用しなければならない。切くずが微細に分断する
ためには、第１に切くずが小さい曲率でカールすること
が不可欠の条件であって、たとえ前記した様な低融点金
属を含んでいたとしてもカールしなければ切削性は向上
しない。

第２に必要な条件は、カールした功くずが工具や被切削
材に衝突した際分断し易いことである。本発明者等は前
述の様な条件を満たすアルミニウム合金の開発に着手し
、殊にＡクーＭｇ系合金における切くずのカール特性及
び切くず分断性に及ぼす添加元素の影響及び組織因子の
影響を詳細に研究した。

その結果、■ ＡクーＭｇ系合金基質中にＳｉを固溶さ
せることにより、切くずのカール特性が飛躍的に向上し
小さな曲率の切くずになること。

■ Ｍｇ−Ｓｉ−Ｐｂ−Ｓｎ系金属間化合物は切くずの
分断を容易にするが、その効果を有意に発揮させるため
には、その大きさと数を所定値以上にすべきこと、を確
認した。

そしてかかる要件に合致し得る様、添加元素の配合率及
び合金中におけるＭｇ−Ｓｉ一Ｐｂ−Ｓｎ系金属間化合
物の大きさ並びに数等について研究を重ねた結果、つい
に本発明に到達した。即ち本発明に係る非熱処理切削用
アルミニウム合金とは、重量％でＭｇを２．０〜５．５
％、Ｓｉを０．２〜１．５％、Ｐｂを０．３〜１．５％
、Ｓｎを０．３〜１．５％、Ｃｕを０．０５〜０．８％
含有し、残部がＡ〆と不純物からなり、２駁２以上の断
面積のＭｇ−Ｓｉ−Ｐｂ−Ｓｎ系金属間化合物を、断面
１桝当り１０の固以上含んでなるところに要旨が存在す
る。

また本発明の他の構成は、上記発明のアルミニウム合金
を工業的有利に製造するための方法に関するものであっ
て、前記した範囲で合金元素を配合し鋳造したアルミニ
ウム合金銭塊を、特定の条件で均熱処理するところに要
旨が存在する。

更に上記で得た均熱処理物中のＭｇ−Ｓｉ−Ｐｂ−Ｓｎ
系金属間化合物の断面積及び数を、その後の押出し加工
や柚伸加工でも適正な範囲に維持するために、押出し条
件及び柚伸加工条件についても限定を加えている。以下
配合元素、金属間化合物の大きさ及び数、並びに製造条
件等を特定した理由を詳細に設明する。

Ｍｇはアルミニウム合金の強度と耐食Ｉ性を高めるため
、更にはＰｂ，Ｓｉ，Ｓｎと共に金属間化合物を形成す
るために不可欠の元素であり、そのアルミニウム合金合
量に対する配合率は２．０〜５．５％（重量％：以下同
機）にしなければならない。

しかして２．０％未満では強度が不十分になるほか、Ｍ
ｇ−Ｓｉ−Ｐｂ−Ｓｎ系金属間化合物の大きさ及び数が
不足して本発明の目的を達成できず、一方５．５％を超
えると押出し加工性が低下するから好ましくない。Ｓｉ
は切くずのカール特性を改善するのに不可欠で、この効
果を有意に発揮させるためには少なくとも０．２％以上
配合しなければならない。

そしてカール特性はＳｉの配合量を増加するほど改善さ
れるが、１．５％を越えると、凝固特に巨大なＭｇ２Ｓ
ｉとして晶出し工具寿命を阻害するのでこれ以下に抑え
るべきである。尚これらの効果は、製造工程中殊に均熱
処理条件を調節してＳｉを基質中に固落させることによ
り一段と高められる。Ｐｂ及びＳｎは、Ｍｇ，Ｓｉと共
にＭｇ−Ｓｉ−Ｐｂ−Ｓｎ系金属間化合物やＭｇ２Ｓｎ
，Ｍｇ２Ｐｂを形成し、基質中に分散して功〈ずの分断
を容易にする。

これらの効果を有意に発揮させるためにはＰｂ及びＳｎ
共全アルミニウム合金中に夫々０．３％以上配合しなけ
ればならない。しかし夫々が１．５％を越えると、切削
性は向上するものの熱間加工性が低下する傾向があるの
で注意しなければならない。上記Ｍｇ，Ｓｉ，Ｐｂ及び
Ｓｎは合金基質中で大部分がＭｇ−Ｓｉ−Ｐｂ−Ｓｎ系
金属間化合物として存在し、一部はＭｇ２ＰｂやＭｇぶ
ｎとして存在するが、本発明では、それらの大きさが断
面積にして２執２以上であることが必須で、且つこれら
が合金の適当部位を横断したときの断面１柵当り１０の
固以上存在しなければならない。なぜなら、上記金属間
化合物がアルミニウム合金中に形成されているとしても
、その断面積が２坪２未満の微細なものでは満足な切削
性向上効果を発揮せず、しかもその数が金の断面積１柵
当りＩＯＮ固未満では切削性を有意に改善できないから
である。これらの要件は本発明で最も重要なものの１つ
で、この要件を無視して本発明の目的を達成することは
できない。但し、部分的にＩＯＮ固未満のところがあっ
ても大部分のところがＩＯＮ固以上であればよく、この
大部分としては通常全断面の９０％を目安にすればよい
。次にＣｕは、アルミニウム合金の光輝性を高め商品価
値を一段と高めるのに有効で、これらの効果を確保する
ためには少なくとも０．０５％以上必要である。

しかしＣｕの配合量が多すぎると製品の耐食性が低下す
る傾向があるので、０．８以下に抑えるべきである。こ
のほか本発明のアルミニウム合金中には、切削性を阻害
しない限度においてＦｅ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｖ，Ｔｊ
，Ｔｉ−Ｂ等が不純物として含まれ、或は積極的に配合
することができる。

即ちＦｅ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｖは合金の機械的強度を
更に高める効果があり、夫々０．４％を限度として含有
させることができる。またＴｉやＴｉ−Ｂは結晶粒を微
細化して靭性を高める作用があり、０．２％を限度とし
て含有させることができる。しかしこれらの元素がすぎ
るとアルミニウム合金中で不溶性の金属間化合物を形成
し、工具寿命を阻害するので注意しなければならない。
また０．５％以下のＺｎが合まれてし、てもよいが、０
．５％を越えると耐食性が劣化する。以上の様に本発明
ではアルミニウム基質中に配合される元素の種類及び配
合率を袴定し、且つそれらの元によって形成されるＭｎ
−Ｓｉ−Ｐｂ−Ｓｎ系金属間化合物の大きさと分布数を
特定したところに特徴があるが、後者の如く特異な金属
組織を確保するためには、その製造法についても十分な
注意がなされるべきは当然である。

以下その製造について説明する。アルミニウム基質に対
して前記した種類及び量の元素を配合して鋳造した銭塊
には、ある程度の大きさと数のＭｇ−Ｓｉ−Ｐｂ‐Ｓｎ
系金属間化合物が形成されている。

しかしその大きさと数は前記本発明の要件に合致するも
のではなく、本発明の目的を達成するためには鏡塊を何
らかの後処理に付す必要がある。本発明者等はその後処
理について種々研究を重ねた結果、５００〜５９０ｑｏ
で２〜２少時間均熱処理することによりその目的が達成
できることを確認した。即ち上記の均熱処理によって、
共晶状態で晶出していたＳｉを基質中に固溶させること
ができ、またＭｇ−Ｓｉ−Ｐｂ−Ｓｎ系金属間化合物を
凝集粗大化させることができ、その大きさと数を前記要
件に合致させ得る。ここで均熱処理温度が低く且つ短か
すぎるとと、熱処理による上記の効果が殆んど発現しな
い。一方灼熱処理温度は高め或は時間を長くすればする
程上記の効果は大きくなるが、均熱処理条件が過度にな
るとＭｇ−Ｓｉ−Ｐｂ−Ｓｎ系金属間化合物の結晶粒が
粗大化し過ぎ、且つ局部的溶融を起こして、ＩＯＮ固／
１桝以上という要件を満足し得なくなる。しかし上記範
囲の灼熱処理条件を採用すれば、アルミニウム基質中に
おけるＭｇ−Ｓｉ−Ｐｂ−Ｓｎ系金属間化合物の大きさ
と数を確実に前記要件に合致させることができ、卓越し
た切削性のアルミニウム合金鏡塊を得ることができる。
ところでこの銭塊はそのまま切削用母材として使用でき
るが、これを一旦押出し加工して切削加工することも多
い。

ところが押出し加工条件によっては、前記均熱処理によ
って調整されるたＭｇ−Ｓｉ−Ｐｂ−Ｓｎ系金属間化合
物が押出し加工工程で微細に破壊され、本発明の要件か
ら外れることがある。従って本発明では押出し条件につ
いても考慮し、Ｍｇ−Ｓｉ−Ｐｂ−Ｓｎ系金属間化合物
の大ささ及び数が前記要件範囲から外れることのない様
、押出し条件についても一定の限定を付している。即ち
その押世しに際しては、温度：３２０〜５２０℃、押出
し比：７５以下の各条件を採用すべきである。更に押出
し物を袖伸加工する場合も同機で、柚伸加工工程でのＭ
ｇ−Ｓｉ−Ｐｂ−Ｓｎ系金属間化合物の破壊を防止する
ためには、６０％以下の加工率でなければならない。

しかし加工率が６０％を越えると、特に製品表層部のＭ
ｇ−Ｓｊ−Ｐｂ−Ｓｎ系金属間化合物が微細に破壊され
、切削性が極端に劣化するからである。このほか均熱処
理物、押出し物或は柚伸加工物の焼入れ−焼戻し処理や
安定化処理等については、切削性に殆んど悪影響を与え
ないから、必要に応じて実施することは何ら差支えない
が、特に安定化処理を行なう場合は、たとえば１２０〜
２８ぴ○で０．５〜６時間程度の比較的緩和な条件を採
用することが望まれる。

本発明は概略以上の様に構成されており、アルミニウム
基質中に配合する元素の種類と量を特定すると共に、こ
れら元素によって形成されるＭｇ−Ｓｉ−Ｐｂ−Ｓｎ系
金属間化合物の大きさ及び数を特定することによって、
切削性及び耐食性の卓越した非熱処理型切削用アルミニ
ウム合金を提供し得ることになった。

しかもその製造に際しては、鋳造後の均熱処理条件、押
出し加工条件及び柚伸加工条件を特定することにより、
前記要件に合致するアルミニウム合金が確実に得られる
様になったもので、アルミニウム合金自体として及びそ
の製造法として極めて有益なものである。次に実施例を
挙げて設明するが、下記はあくまで代表例にすぎず、前
・後記の趣旨に沿って変更実施することはすべて本発明
の範囲に含まれる。

実施例 １第１表に示す元素を含有するアルミニウム合
金銭塊を半連続鋳造法によって鋳造し、（直径２００職
）、これを５６０℃で４時間均熱処理する。

次いでこれを押出し比２２．７、温度４００午○で押出
し加工し（直径４２肌）、更に冷間加工率１８．１％で
柚伸加工し（直径３８肋）、得られた抽仲加工物の機械
的性質、切削性、耐食性及び２＆２以上のＭｇ−Ｓｉ−
Ｐｂ−Ｓｎ系金属間化合物の数を測定した。結果を第２
表に示す。また上記で得た抽伸加工物を２００℃で１時
間安定化処理し、その機械的性質、切削性等を測定した
。

結果を第３表に示す。但し試験及び測定の方法は下記の
通りである。

〔１〕 Ｍｇ−Ｓｉ−Ｐｂ−Ｓｎ系金属間化合物の大き
さ及じ数の測定：抽伸加工物の押出し平行断面を鏡面研
磨し、定量テレビジョン顕微鏡により倍率７５併音で任
意の箇所１０の堤野を観察し、２５仏２ 以上の断面積
を有する金属間化合物の数を測定する。

尚本発明の合金には、Ｍｇ−Ｓｉ−Ｐｂ−Ｓｎ系、Ｍ＆
Ｓｎ系及びＭｇ２Ｎｂ系化合物のほか、Ｍｇ２ＳｉやＡ
そ−Ｆｅも含まれているが、これらは予めＸ線マイクロ
アナライザーにより確認しておき、前三者とのコントラ
ストの相違を利用し、定量テレビジョン顕微鏡のコント
ラストコントロールによって計数しない様にした。０〕
切削試験： 切削性速度：３血／分又は３０血／分 送り：０．０４物／ｒｅｖ又は０．１２棚／ｒｅｖ切り
込み：２．物帆切削工具：超硬バイト、すくい角１０ｏ 切削油：使用 評価：肉眼判定による。

参考写真Ａ〜Ｃは合格、同Ｄ〜Ｅは不合格ｍ〕 引張り
試験： ＪＩＳ４号試験片を用し、引張り速度３．仇舷／分で測
定。

Ｗ〕 耐食性試験： ３％ＮａＣ夕＋日２０２水溶液に４８時間浸潰した後の
状態を観察する。

評価はＡ（殆んど腐食せず）〜Ｄ（全面腐食）の４段階
評価した。第１表 供試合金の化学組成（重量多） 残部はＡ〃と不純物 第２表 柚伸加工物の性能 第３表 安定化処理物の性能 第２表及び第３表の結果より下記の事実が確認される。

■ Ｓｉの含有量が多いほど切削性は良好になる。Ｍｇ
と共にＰｂ及びＳｎを含しでし、ても、Ｓｉが少ないと
切削性は低下してくる。■ ２秋２以上の金属間化合物
の数が多いほど切削性は良好になる（Ｍ．６は金属化合
物の数は多いが、Ｓｉ量が少なくこれが金属間化合物に
とられてＳｉ単独量が少なくなり、カール特性が低下す
るため切削性が乏しくなる）。

■ 強度につにてみると、本発明の合金（Ｍ．１〜５）
はＪＩＳ５０５２（舷．７）とＪＩＳ５０５６（Ｎｏ．
８）の中間に位置し、規格に合格している。

■ 耐食性についてみると、本発明の合金はＪＩＳ５０
５２及び同５０５６よりやや劣るが、実用上裕んど差支
えない。

■ Ｍｇの含有量が多いほど切削性は良好になる。

■ 安定化処理により高速送り側の切削性を一段と向上
することができる。

実施例 ２ アルミニウム合金の切削性に及ぼす均熱処理条件の影響
を確認するため、第１表におけるＭ．２組成の綾塊を、
熱処理なし及び熱処理条件４００℃×２餌時間で処理し
たものの切削性及び２＆２以上の金属間化合物の数を測
定した。

結果を第４表に示す。第４表 第４表の結果からも明らかな様に、均熱処理をせず、或
は熱処理条件が本発明の条件をはずれると、２５ム２以
上の断面横を有する金属間化合物の数が少なく、良好な
切削性が得られない。

実施例 ３アルミニウム合金の切削性に及ぼす押出し比
の影響を確認するため、第１表におけるＭ．４の組成の
銭塊（直径４０物舷）を実施例１を同一条件で均熱処理
したものについて、温度３５０℃、押出し比９０．２（
直径４２肋）で押出し加工し、得られたものの切削性及
び２坪２以上の化合物数を測定した。

結果を第５表に示す。第５表 第５表の結果からも明らかな様に押出し比が７５を越え
ると、均熱処理によって生成した所定の大きさと数の金
属間化合物が押出し加工工程で微細に破壊し、切削性の
乏しいものになってしまう。

実施例 ４！・ アルミニウム合金の切削性に及ぼす柚
伸条件の影響を確認するため、第１表におけるＮｏ．１
の組成の銭塊を同一の条件で均熱処理した後、温度５０
０℃、押出し比８２（直径７仇舷）で押出し加工したも
のについて、７０．５％（直径３８帆）の袷間加工率で
抽伸加工し、得られたものの切削性及び２軌２以上の金
属間化合物の数を測定した。

結果を第６表に示す。第６表 第６表の結果からも明らかな様に、押出し加工工程まで
所定の大きさと数の金属間化合物を保有していても、柚
伸加工時の加工率を高めすぎると柚伸加工工程で金属間
化合物が微細に破壊し、優れた切削性をを維持し得なく
なる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量％でＭｇを２．０〜５．５％、Ｓｉを０．２〜
   １．５％、Ｐｂを０．３〜１．５％、Ｓｎを０．３〜１
   ．５％、Ｃｕを０．０５〜０．８％含有し、残部がＡｌ
   と不純物からなる非熱処理切削用アルミニウム合金であ
   つて、２５μ＾２以上の断面積のＭｇ−Ｓｉ−Ｐｂ−Ｓ
   ｎ系金属間化合物を、断面１ｍｍ＾２当り１００個以上
   含むことを特徴とする非熱処理切削用アルミニウム合金
   。 ２ 重量％で、Ｍｇを２０〜５．５％、Ｓｉを０．２〜
   １．５％、Ｐｂを０．３〜１．５％Ｓｎを０．３〜１．
   ５％、Ｃｕを０．０５〜０．８％含有し、残部がＡｌと
   不純物からなるアルミニウム合金鋳塊を造り、該鋳塊を
   ５００〜５９０℃で２〜２４時間均熱処理し、２５μ＾
   ２以上の断面積のＭｇ−Ｓｉ−Ｐｂ−Ｓｎ系金属間化合
   物を、鋳塊の断面１ｍｍ＾２当り１００個以上形成させ
   ることを特徴とする、非熱処理切削用アルミニウム合金
   の製造法。 ３ 重量％で、Ｍｇを２．０〜５．５％、Ｓｉを０．２
   〜１．５％、Ｐｂを０．３〜１．５％、Ｓｎを０．３〜
   １．５％、Ｃｕを０．００５〜０．８％含有し、残部が
   Ａｌと不純物からなるアルミニウム合金鋳塊を造り、該
   鋳塊を５００〜５９０℃で２〜２５時陥均熱処理した後
   、押出し温度を３２０〜５２０℃、押出し比を７５以下
   にして押出し、２５μ＾２以上の断面積のＭｇ−Ｓｉ−
   Ｐｂ−Ｓｎ系金属間化合物を、押出し物の断面１ｍｍ＾
   ２当り１００個以上形させることを特徴とする、非熱処
   理切削用アルミニウム合金の製造法。 ４ 重量％でＭｇを２．０〜５．５％、Ｓｉを０．２〜
   １．５％、Ｐｂを０．３〜１．５％、Ｓｎを０．３〜１
   ．５％、Ｃｕを０．５〜０．８％含有し、残部Ａｌと不
   純物からなるアルミニウム合金鋳塊を造り、該鋳塊を５
   ００〜５９０℃で２〜２４時間均熱処理した後、押出し
   温度３２０〜５２０℃、押出し比７５以下で押出し、該
   押出し物を冷間加工率６０％以下で抽伸加工し、２５μ
   ＾２以上の断面積のＭｇ−Ｓｉ−Ｐｂ−Ｓｎ系金属間化
   合物を、抽伸加工物の断面１ｍｍ＾２当り１００個以上
   形成させるこを特徴とする、非熱処理切削用アルミニウ
   ム合金の製造法。