KR101340181B1

KR101340181B1 - 내고온 취화성이 뛰어난 쾌삭 알루미늄 합금 압출재

Info

Publication number: KR101340181B1
Application number: KR1020087006670A
Authority: KR
Inventors: 겐스케 모리; 가즈오 다구치
Original assignee: 후루카와 스카이 가부시키가이샤
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2013-12-10
Also published as: CN101278065A; EP1947204A4; JP2007100137A; EP1947204B1; WO2007037426A1; CN101278065B; US8454766B2; US20080187456A1; KR20080053472A; JP5049481B2; EP1947204A1

Abstract

Cu:3∼6mass% 및 Bi:0.9∼3mass%를 함유하고, 잔부가 Al과 불가피한 불순물로 이루어지고, 또한, 샤르피 충격시험치가 실온시의 반으로 저하하는 온도가 180℃ 이상인 것을 특징으로 하는 내고온 취화성이 뛰어난 쾌삭 알루미늄 합금 압출재.

Description

내고온 취화성이 뛰어난 쾌삭 알루미늄 합금 압출재{FREE-CUTTING ALUMINUM ALLOY EXTRUDATE WITH EXCELLENT BRITTLE RESISTANCE AT HIGH TEMPERATURE}

본 발명은, Pb를 함유하지 않는 절삭성이 뛰어난 쾌삭 알루미늄 합금 압출재에 관한 것이다.

알루미늄 합금은 절삭하기 쉽기 때문에, 이 특성을 살려 축받이·광학 부품·자동차 부품 등에 이용되고 있다. 알루미늄 합금의 절삭에 있어서는, 절삭 처리성이 중요시되어, 절삭분말이 연속한 긴 것이 되지 않고 가늘게 분단되는 것이 바람직하다고 여겨진다. 특히 근래에, 가로 이송 절삭에 있어서는, 제품의 표면 거칠기를 작게 하도록 절삭날에 경사각을 형성하도록 하였기 때문에, 절삭분말과 절삭날의 충돌이 느슨하게 되어, 절삭분말이 분단되기 어려워졌다.

종래, 절삭성이 뛰어난 알루미늄 합금으로서는, Al-Cu합금에 Pb, Bi를 첨가한 JIS2011 합금이나, Al-Mg-Si계 합금에 Pb, Bi를 첨가한 JIS6262 합금 등의 압출재가 사용되어 왔다. 그러나, 근래의 환경 문제에서, Pb를 첨가하지 않은 절삭성이 뛰어난 알루미늄 합금이 요구되게 되었다. 따라서, JIS2011 합금(Pb-Bi첨가)의 대체로서, Pb를 첨가하지 않은 Sn-Bi첨가 합금이 제안되어 있으며, 절삭성, 내식성 등에 있어서 JIS2011 합금과 거의 동등한 성능을 가진 쾌삭 알루미늄 합금이 유통 되고 있다(일본 특허 제 2726444호).

그러나, 이들 종래의 쾌삭합금에서는, 고속 절삭 등의 중절삭 조건하에서는 피가공체에 균열이 발생한다고 하는 문제가 있었다. 이 문제는, 피가공체가 절삭에 의한 발열로 예를 들어 135℃이상과 같은 고온이 되어, 합금의 취화(脆化)가 일어나는 것에 의한 것이다. 이러한 합금의 취화는, 첨가 원소간의 공정온도 부근에서 일어나, 예를 들어 샤르피(charpy) 충격시험치의 온도 의존성을 측정하는 것 등에 의해 확인된다. 또한, 절삭에 의해 성형된 제품이 고온하에서의 사용에서도 취성 파괴를 일으키는 것이 염려된다.

또한, Sn-Bi 함유계의 쾌삭 알루미늄 합금은, 절삭시 뿐만 아니라, 합금 제조 공정에서도 추신(抽伸)전의 스웨이징 가공이나 추신공정에서의 균열 등이 발생하는 경우가 있어, 생산성의 저하를 초래하고 있었다.

이러한 경향은, Pb-Bi 함유계의 쾌삭 알루미늄 합금에서도 보이지만, Pb를 사용하지 않는 Sn-Bi 함유계의 쾌삭 알루미늄 합금에 있어서 더 현저하였다.

상기의 사정에 비추어, 본 발명은, Al-Cu계 합금에 있어서, Pb를 함유하지 않아도, 일정한 절삭성을 유지하고, 또한 고온 취화를 억제할 수 있는 쾌삭 알루미늄 합금 압출재를 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명에 의하면, 이하의 수단이 제공된다:

(1) Cu:3∼6mass% 및 Bi:1∼3mass%를 함유하고, 잔부가 Al과 불가피한 불순물로 이루어지며, 또한, 샤르피(charpy) 충격시험치가 실온시의 반으로 저하하는 온도가 180℃ 이상인 것을 특징으로 하는 내고온 취화성이 뛰언 쾌삭 알루미늄 합금 압출재,

(2) 또한, Si:0.1∼1.5mass% 및 Fe:0.1∼2.0mass%로부터 선택되는 1종 또는 2종을 함유하는 것을 특징으로 하는 내고온 취화성이 뛰어난 쾌삭 알루미늄 합금 압출재.

본 발명의 상기 및 다른 특징 및 이점은, 적절히 첨부한 도면을 참조하여, 아래와 같은 기재로부터 보다 명백해질 것이다.

[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]

이하에서는, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명한다.

먼저, 본 발명의 쾌삭 알루미늄 합금에 있어서의 각 첨가 원소의 역할에 대하여 설명한다.

구리(Cu)는, CuAl₂ 등의 화합물에 의해 알루미늄 합금의 강도를 향상시키는 원소이다. 그 알루미늄 합금중의 함유량은, 3.0∼6.0mass%, 바람직하게는 5.0∼6.0mass%이다. 하한 미만이면 강도 향상의 효과가 작고, 상한을 넘으면 합금 주괴의 외표면 품질이 저하하기 때문에, 양호한 알루미늄 합금 압출재를 얻을 수 없다.

규소(Si)는, 본 발명에서는 필수의 첨가 원소는 아니지만, 합금의 강도를 향상시키기 위해서 함유시켜도 좋으며, 0∼1.5mass%가 바람직하다. 다만, 함유량이 1.5mass%를 넘으면, 합금 주괴의 외표면 품질이 저하하기 때문에, 양호한 알루미늄 합금 압출재를 얻을 수 없다.

철(Fe)도, 본 발명에서는 필수의 첨가 원소는 아니지만, 합금의 강도를 향상시키기 위해서 함유시켜도 좋다. Fe를 함유시킴으로써, 알루미늄 합금중에 Al-Fe계의 화합물이 형성되어 합금 강도가 상승하기 때문에, 압출재의 절삭성이 향상한다. 다만, 함유량이 2.0mass%를 넘으면 절삭 바이트의 열화를 촉진하기 때문에 바람직하지 않다. 0∼2.0mass%가 바람직하고, 0.05∼1.0mass%이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

비스무스(Bi)의 첨가는, 알루미늄 합금 압출재의 절삭 분말 분단성을 향상시킨다. 그 합금중의 함유량은, 0.9∼3.0mass%이고, 바람직하게는 1.0∼1.5mass%이다.

여기서, 종래의 Pb-Bi 함유 합금이나 Sn-Bi 함유 합금에서는, 함유되는 납(Pb), 주석(Sn), Bi 등의 저융점 금속은 알루미늄에 거의 고용하지 않기 때문에, 서로 화합물을 만들어 존재한다. 이들 화합물이, 절삭이나 천공 등의 날끝에서의 가공 발열에 의해 용융하여, 절삭분말에 노치가 생기기 때문에, 절삭분말 분단성이 향상한다고 생각되고 있다. 종래의 쾌삭 알루미늄 합금의 경우, Pb-Bi 화합물의 융점은 125℃, Sn-Bi 화합물의 융점은 139℃로 낮기 때문에, 가공 발열에 의해 용융하고, 용이하게 절삭분말 분단성을 발휘한다. 한편으로, 이들 화합물은, 융점이 낮기 때문에, 고온하에서 합금을 무르게 하는 기능을 가진다.

이에 대해, 본 발명의 쾌삭 알루미늄 합금 압출재에서는, Al-Cu계 합금에 있어서, Bi를 단독으로 함유시킨다. Bi의 융점은 271℃이며, Pb-Bi 화합물이나 Sn-Bi 화합물에 비하면 융점은 높기 때문에, 절삭분말 분단성은 Pb-Bi 함유 합금이나 Sn-Bi 함유 합금에는 미치지 않지만, 합금중에 Bi가 단체로 미세하게 분산한 상태로 존재하기 때문에 뛰어난 절삭분말 분단성을 나타내며, 쾌삭합금으로서는 충분히 사용에 견딜 수 있는 것이 된다. 또한, Bi의 융점이 높은 것에 의해, 고온에서도 합금을 취화시키기 어렵다. 따라서, 본 발명의 쾌삭 알루미늄 합금 압출재는, Pb를 사용하지 않는 쾌삭 알루미늄 합금으로서, 고온 취화의 문제가 있었던 Sn-Bi계 함유 합금에 대신하여 이용할 수 있는, 유용한 것이다. Bi의 함유량이 0.9% 미만이면 Bi의 분산량이 충분하지 않고, 절삭 분단성이 떨어진다. 또한 Bi를 많게 하면, Bi의 분산 효과에 의해 절삭분말 분단성이 향상하지만, 그 양이 3.0mass%를 넘으면, 주조성이 악화(주조 표면의 거칠기 발생 등)되기 때문에, 양호한 알루미늄 합금 압출재를 얻을 수 없다.

또한, 본 발명의 쾌삭 알루미늄 합금 압출재는, 고온 취화(脆化)가 일어나기 어렵다. 구체적으로는, 120∼200℃와 같은 고온에서, 종래의 Sn-Bi 또는 Pb-Bi 함유 쾌삭 알루미늄 합금과 같이 샤르피(charpy) 충격시험치가 급격하게 저하하는 경우가 없다.

구체적으로는, 본 발명의 쾌삭 알루미늄 합금 압출재는, 샤르피 충격시험치가 실온시의 반으로 저하하는 온도가 180℃이상이며, 300℃ 부근으로부터 샤르피 충격시험치가 실온시의 반으로 저하하는 것이 바람직하다.

본 명세서 및 청구의 범위에 있어서, 실온이란, 25℃를 말한다.

다음으로, 본 발명의 쾌삭 알루미늄 합금 압출재는, 그 발명의 효과를 손상하지 않는 범위에서, 니켈(Ni), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 망간(Mn) 중 1종 또는 2종 이상을 소량 포함해도 좋고, 아연(Zn), 티탄(Ti)을 소량 포함해도 좋다.

Ni 첨가는, 합금중에 화합물을 형성하여, 절삭분말 분단성을 향상시키지만, 첨가량이 너무 많으면, 거칠고 큰 화합물을 형성하기 쉽고, 강도 저하나 인성 저하를 초래한다.

Cr, Zr, Mn 첨가는, 합금의 재결정 입자를 미세하게 하여, 강도 향상, 인성 향상에 효과가 있지만, 첨가량이 너무 많으면 거칠고 큰 화합물을 형성하여, 강도 저하, 인성 저하를 초래한다. Ti 첨가는, 주조 조직을 미세화하여, 합금의 강도 향상, 인성 향상의 효과가 있지만, 함유량이 너무 많으면 거칠고 큰 화합물을 형성하여, 강도 저하, 인성 저하를 초래한다.

또한, 합금 강도의 향상을 위해서 마그네슘(Mg)을 첨가해도 좋지만, 그 경우는, 1.8mass% 이하인 것이 바람직하다. Mg는, 고융점의 Mg-Bi 화합물을 생성하기 때문에, Bi가 저융점 원소로서 유효하게 사용되지 않게 되어, 절삭분말 분단성을 저해하기 때문이다.

한편, 본 발명의 합금에서는, 제조 조건이나 조질(調質)에 대해서는, 통상의 제조 조건으로, 용도에 맞추어 조질을 선택하면 좋다. 예를 들면, 열간 가공 상승의 T1이라도 좋고, 용체화·인공 시효를 실시한 T6이라도 좋으며, 용체화·냉간 가공·인공 시효를 실시한 T8, T9라도 좋다. 한편, 강도가 큰 편이 절삭분말 분단성은 뛰어나기 때문에, 용체화 후에 냉간 가공이나 인공 시효를 실시하는 T3, T8, T9 등의 조질이 특히 바람직하다.

본 발명의 쾌삭 알루미늄 합금 압출재는, Al-Cu계 합금에 있어서, Pb를 함유시키지 않고 종래의 쾌삭합금, 예를 들면 JIS2011 합금 등과 동등한 절삭성을 얻을 수 있음과 동시에, 내고온 취화성이 뛰어나고, 또한 내식성도 뛰어난 것이다.

도 1은 실시예의 합금 및 비교예, 종래예의 각 합금에 대한, 온도와 샤르피 충격시험치의 관계를 나타내는 그래프,

도 2는, 본 발명 합금 및 종래의 쾌삭합금에 대한 염수 분무 시험 결과(중량 감소율)를 나타내는 그래프, 및

도 3은, 본 발명 합금 및 종래의 쾌삭합금에 대한 염수 분무 시험 결과(공식(孔食) 깊이)를 나타내는 그래프이다.

이하에서는, 실시예에 기초하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

표 1에 나타내는 조성의 합금을 용해하여, 직경 220㎜의 주괴를 얻었다. 이 주괴에 480℃에서 6시간의 균질화 처리를 실시했다. 이 주괴를 400℃의 압출에 의해 직경 35㎜의 압출환봉으로 제작했다. 그 각각을 500℃에서 2시간의 용체화 후에, 바로 물 담금질하였다. 계속해서 추신에 의해 30㎜의 환봉으로 한 후, 소정의 시효 처리를 행하여, 표 1에 나타내는 조질재로 했다. 한편, T8처리에 있어서의 시효 조건은, 160℃·14시간으로 했다.

이렇게 해서 얻어진 상기 시험 합금 압출재에 대해 절삭 시험, 내식 시험 및 샤르피 충격시험의 각 시험을 행하였다.

(1) 절삭 시험

상기의 시험 합금 압출재를 이용하여, 외삭에 의한 절삭 시험을 행하였다. 절삭 조건은, 회전수 2000rpm, 절입량 1㎜, 이송량 0.04㎜/rev.이다.

(2) 내고온 취화성

시험 합금 압출재를 이용하여, 실온으로부터 200℃까지의 소정 온도로 샤르피 충격시험을 실시했다.

(3) 내식 시험

시험 합금 압출재를 이용하여, JIS2371 염수 분무 시험을 200시간 행하여, 중량 감소율 및 공식(孔食) 깊이를 측정했다.

(4) 경도 측정

시험 합금 압출재를 이용하여 비커스 시험을 행하였다. 하중은 5㎏으로 하였다.

절삭 시험 결과를 표 1에 나타낸다. 절삭분말 분단성의 평가에 있어서는, 절삭분말 100개당의 중량 측정 및 절삭분말 형상의 시각적인 관찰 검사를 실시했지만, 최종적인 절삭분말 분단성의 판단은 절삭분말의 형상의 시각적인 관찰 검사의 결과로부터 행하였다. 시각적인 관찰 검사의 판단 기준은 다음과 같다.

「절삭분말이 가늘고 매우 양호한 것」은 ◎, 「절삭분말의 길이가 짧고 종래의 쾌삭합금에 근사한 것」은 ○, 「절삭분말의 길이가 비교적 긴 것」은 △, 「절삭분말이 분단되기 어렵게 연결되어 있는 것」은 ×로 했다. 표 1의 결과로부터 알 수 있듯이, Bi를 단독 첨가한 본 발명 합금 No.1∼7은, Sn-Bi 함유 합금(종래 쾌삭합금 8,8') 및 Pb-Bi 함유 합금(종래 쾌삭 합금 9,9')과 거의 손색없는 절삭분 말 분단성을 나타냈다. 한편, 본 발명 합금 4,4', 5,5'와 같이, Pb 또는 Sn이 미량 포함되어 버리는 경우에도, 0.01%정도 이하이면 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 한다.

한편, 비교 합금 No.10∼15,18,19에서는, Bi 함유량이 본 발명의 하한 규정량 0.9mass%을 만족하지 않기 때문에, 합금중의 Bi의 분산량을 충분히 얻을 수 없었으므로, 절삭분말 분단성이 떨어지고 있었다. 또한, 비교 합금 No.16∼18에서는, Cu 함유량이 본 발명의 하한 규정량 3.0%을 만족하지 않기 때문에, 합금 강도를 충분히 얻을 수 없었으므로, 절삭분말 분단성이 떨어지고 있었다.

다음으로, 샤르피 충격시험 결과를 도 1에 나타낸다. 종래의 쾌삭 합금(Sn-Bi 함유 합금, Pb-Bi 함유 합금)은, 모두 130℃ 전후에서, 샤르피 충격시험치가 급격하게 저하되고 있는데 비해, 본 발명 합금(Bi 단독 함유 합금) 및 비교 합금(Sn단독 함유 합금)은, 보다 고온까지 충격시험치의 현저한 저하를 볼 수 없었다. 또한, Sn 단독 함유 합금에 있어서는 샤르피 충격시험치가 실온시의 반으로 저하하는 온도는 약 170℃가 되었지만, Bi 단독 함유 합금에 대해서는, 시험을 실시한 200℃까지의 온도 범위에서는 샤르피 충격시험치는 실온시의 반까지 저하하지 않으므로, Bi 단독 함유 합금이 특히 고온 취화가 일어나기 어려운 것을 나타내고 있다.

다음으로, 내식 시험의 결과를 도 2 및 도 3에 나타낸다. 도 2는, 200시간 염수 분무 후의 중량 감소율이다. 도 2에 있어서, 본 발명 합금(Bi 단독 1.0% 함유 및 Bi 단독 1.5% 함유)은, 종래 쾌삭 합금(Sn-Bi 함유)과 동일한 정도, 즉 0.4% 정도의 중량 감소율을 나타내고 있다. 또한, 도 3은, 200시간 염수 분무 후의 공식 깊이이다. 도 3에 있어서, 본 발명 합금(Bi 단독 1.0% 함유 및 Bi 단독 1.5% 함유)는, 공식 깊이로서 300㎛이하의 값이 얻어지고 있다.

이상의 결과로부터, 본 발명의 쾌삭 알루미늄 합금 압출재가 종래의 쾌삭합금과 동등 또는 그 이상의 내식성을 가지는 것이 명확하다.

본 발명의 쾌삭 알루미늄 합금 압출재는, Pb를 사용하지 않는 쾌삭 알루미늄 합금으로서 절삭 발열에 의한 성형품의 취성 파괴, 합금 제조 공정에 있어서의 추신공정에서의 균열 발생 등의 고온 취화의 문제가 있던 Sn-Bi계 합금에 대신하여 이용할 수 있어, 유용하다.

본 발명을 그 실시형태와 함께 설명했지만, 우리는 특별히 지정하지 않는 한 우리의 발명을 설명의 어느 세부에 한정하고자 하는 것이 아니라, 첨부의 청구의 범위에 나타낸 발명의 정신과 범위에 반하지 않고 폭넓게 해석되어야 할 것이라고 생각한다.

Claims

Cu:3∼6mass%, Bi:0.9∼3mass%, Si:0.1∼1.5mass% 및 Fe:0.1∼2.0mass%를 포함하고, Cr: 0.04mass% 이하(0mass%를 포함한다), Zr: 0.05mass% 이하(0mass%를 포함한다), Mn: 0.4mass% 이하(0mass%를 포함한다)를 함유하며, Zn:0.06mass% 이하(0mass%를 포함한다), Ti:0.02mass% 이하(0mass%를 포함한다)를 함유하고, Pb 및Sn의 함유량을 각각 0.01 mass% 이하(0mass%를 포함한다)로 규제하며, 잔부가 Al과 불가피한 불순물로 이루어지고, 또한, 샤르피 충격시험치가 실온시의 반으로 저하하는 온도가 180℃ 이상인 것을 특징으로 하는 내고온 취화성이 뛰어난 쾌삭 알루미늄 합금 압출재.
제 1 항에 있어서, Cu:3.98∼5.80mass%, Bi:1.00∼2.65mass%, Si:0.12∼1.12mass%, Fe:0.12∼0.35mass%를 포함하는 것을 특징으로 하는 내고온 취화성이 뛰어난 쾌삭 알루미늄 합금 압출재.