JP2010077477A

JP2010077477A - 快削アルミニウム合金

Info

Publication number: JP2010077477A
Application number: JP2008246007A
Authority: JP
Inventors: Hidechika Hatta; 秀周八太; Haruo Watakabe; 陽雄渡壁
Original assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2010-04-08

Abstract

【目的】加熱により素材表面に厚い酸化膜層が生じることがなく接着剤や塗膜の耐剥がれ性が優れ、且つ切削性にも優れたＡｌ-Ｃｕ系の快削アルミニウム合金を提供する。
【構成】Ｃｕ：４．０〜６．０％、Ｂｉ：０．３０〜２．０％、Ｆｅ：０．０４〜０．７０％、Ｓｉ：０．０４〜０．７０％、Ｚｎ：０．０８〜０．８０％、Ｔｉ：０．００２〜０．１０％を含み、Ｓｎの含有量を０．０４％以下に規制し、残部Ａｌおよび不可避不純物からなることを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、快削アルミニウム合金に関する。

従来、切削性に優れたアルミニウム合金としては、Ａ２０１１合金、ＡＡ６２６２合金など、Ｐｂを添加したアルミニウム合金が使用されてきたが（例えば、特許文献１参照）、近年環境問題に配慮する観点から、Ｐｂを含まない快削アルミニウム合金が要求されるようになっており、Ａ２０１１合金の代替として、Ｐｂを添加せず、Ｓｎ-Ｂｉを添加した合金が開発されている（例えば、特許文献２参照）。

上記の代替合金においては、Ｐｂを添加しなくても、Ｐｂ添加合金と同等以上の切削性を有し、引張強さおよび耐力はＡ２０１１合金相当の値を得ることができる。しかしながら、接着剤を塗ったり塗膜を形成して加熱するような用途、例えば、携帯電子機器や家電製品の内部部品などに適用する場合において、接着剤や塗膜が剥がれ易いという問題がある。また、Ｓｎを添加しないＰｂフリー合金も開発されているが（例えば、特許文献３参照）、このものにおいても、切削条件によっては切り屑が繋がり易く切削性に問題がある。
特開平９-２７９２８５号公報アメリカ特許第６、１１３、８５０号明細書特開２００７-１００１３７号公報

本発明は、接着剤や塗膜の剥がれは、素材を加熱した際に表面に形成される酸化膜が厚い場合に生じていることを見出し、当該知見に基づいて厚い酸化膜が形成されることなく且つ切削性にも優れたＡｌ-Ｃｕ系合金を得るための成分組成を解明した結果としてなされたものであり、その目的は、加熱により素材表面に厚い酸化膜層が生じることがなく接着剤や塗膜の耐剥がれ性が優れ、且つ切削性にも優れたＡｌ-Ｃｕ系の快削アルミニウム合金を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための請求項１による快削アルミニウム合金は、Ｃｕ：４．０〜６．０％、Ｂｉ：０．３０〜２．０％、Ｆｅ：０．０４〜０．７０％、Ｓｉ：０．０４〜０．７０％、Ｚｎ：０．０８〜０．８０％、Ｔｉ：０．００２〜０．１０％を含み、Ｓｎの含有量を０．０４％以下に規制し、残部Ａｌおよび不可避不純物からなることを特徴とする。

請求項２による快削アルミニウム合金は、請求項１において、Ｍｎ：０．０２〜０．２０％、Ｃｒ：０．０２〜０．２０％、Ｚｒ：０．０２〜０．２０％、Ｍｇ：０．０２％〜０．５０％のうちの１種以上を含有することを特徴とする。

請求項３による快削アルミニウム合金は、請求項１または２において、１３９℃以上の温度に加熱した場合でも、表面の酸化膜厚さが４００ｎｍ以下であることを特徴とする。

本発明によれば、加熱により素材表面に厚い酸化膜層が生じることがなく接着剤や塗膜の耐剥がれ性が優れ、且つ切削条件によらず切り屑が分断される優れた切削性を有するＡｌ-Ｃｕ系の快削アルミニウム合金が提供される。

本発明による快削アルミニウム合金の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、Ｃｕは、合金の強度を高めるために添加される成分であり、熱処理により強度を高めると共に切り屑分断性を向上させる。Ｃｕの好ましい含有範囲は４．０〜６．０％であり、４．０％未満では時効処理における強度上昇が小さく、そのため切り屑も微細に分断されない。６．０％を超えて含有すると耐食性が低下する。Ｃｕのより好ましい含有範囲は４．５〜５．８％である。

Ｂｉは、切り屑分断性の向上のために添加される元素であり、好ましい含有範囲は０．３０〜２．０％である。Ｂｉのアルミニウムへの固溶量は極めて少ないため、アルミニウムマトリックス中に分散して存在する。Ｂｉは低融点元素であり、切削時の加工発熱により、アルミニウムマトリックス中に分散している粒子の強度が低下し、切欠き効果となり切り屑が分断する。Ｂｉの含有量が０．３０％未満ではその効果が小さく、２．０％を超えると耐食性が低下する。Ｂｉのより好ましい含有範囲は０．４０〜１．５％である。

Ｆｅの一部はアルミ地金の不純物として含まれている。Ｆｅの含有量が０．０４％未満では高純度のアルミ地金を使用する必要があるため地金コストが高くなり工業生産上問題である。０．７０％を超えて含有すると粗大なＡｌＳｉＦｅ系化合物を形成し耐食性が低下する。従って、Ｆｅの好ましい含有量は０．０４〜０．７０％の範囲である。

Ｓｉの一部はアルミ地金の不純物として含まれている。Ｓｉの含有量が０．０４％未満では高純度のアルミ地金を使用する必要があるため地金コストが高くなり工業生産上問題である。０．７０％を超えて含有すると粗大なＡｌＳｉＦｅ系化合物を形成し耐食性が低下する。従って、Ｓｉの好ましい含有量は０．０４〜０．７０％の範囲である。

Ｚｎは、切り屑分断性を向上するよう機能する。Ｂｉ粒子がＺｎを含むようになり、Ｂｉ粒子サイズが大きくなる。これにより、充分なサイズのノッチが形成され、切り屑分断性が向上する。Ｚｎの好ましい含有範囲は０．０８〜０．８０％であり、０．０８％未満ではその効果が小さく、０．８０％を超えて含有すると耐食性が低下する。Ｚｎのより好ましい含有範囲は０．２０〜０．６０％である。

Ｓｎは、リサイクル材を用いて製造する場合に混入する可能性のある元素であるが、発明者らは、接着剤や塗膜が剥がれ易くなる原因について検討する過程において、Ｓｎの存在が加熱による厚い酸化膜の形成に影響することを見出し、さらに試験、検討を重ねた結果、Ｓｎが存在した場合、ＳｎとＢｉの共晶温度である１３９℃以上に加熱すると、素材表面に厚い酸化膜が形成され、またＳｎが表面に濃縮し、このことに起因して接着剤や塗膜が剥がれ易くなること、許容できる酸化膜の厚さは、１３９℃以上の温度に加熱した場合においても４００ｎｍ以下であること、そのためには、Ｓｎの含有量を０．０４％以下に規制することが重要であることを解明した。

Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒは、結晶粒を微細化し強度を向上するために添加される。好ましい含有量はそれぞれ０．０２〜０．２０％の範囲である。それぞれ０．２０％を超えて含有すると粗大な化合物を形成し耐食性が低下する。

Ｔｉは、結晶粒を微細化し強度を向上するために添加される。Ｔｉの好ましい含有量は０．００２〜０．１０％の範囲であり、０．００２未満ではその効果が小さく、０．１０％を超えて含有すると粗大な化合物を形成し耐食性が低下する。

Ｍｇは、マトリックス中に固溶し、あるいはＡｌ、Ｃｕと化合物を形成して析出し、強度を高めるよう機能する。Ｍｇの好ましい含有範囲は０．０２〜０．５０％であり、０．５０％を超えて含有するとＭｇとＢｉの化合物を形成し、低融点元素としてのマトリックス中の(単体)Ｂｉ量が減少することから、切り屑分断性が低下する。Ｍｇのより好ましい含有範囲は０．０２〜０．３５％である。

素材表面の酸化膜厚さは、１３９℃以上の温度に加熱した場合でも４００ｎｍ以下であることが重要である。接着剤や塗膜と素材との界面に４００ｎｍを超える厚さの酸化膜が存在すると，接着強度が低くなり剥がれ易くなる。

本発明による快削アルミニウム合金の形態は、鋳造材、押出材、引抜き材、圧延材、鍛造材のいずれの形態でもよく、さらに用途に合わせて熱処理および冷間加工などの調質を行うこともできる。例えば引抜き材であれば、鋳造、押出、溶体化処理、引抜き工程を経て得られるＴ３調質材として使用することもでき、その後さらに人工時効処理されるＴ８調質材として使用することもできる。

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、本発明はこれらに限定されるものではない。

実施例１
表１に示す成分組成を有するアルミニウム合金（合金１〜１８）のビレット（直径９０ｍｍ）を造塊し、得られたビレットを５３０℃で１５ｈの均質化処理した後、４１０℃で押出加工を行って直径２０ｍｍの押出棒を作製した。その後、５３０℃の温度で溶体化処理を行い、次に直径１７ｍｍまで引抜き加工を行い試験材とした。なお、試験材１は、引抜き加工後、室温で７日間自然時効を行ってＴ３調質材とし、試験材２〜１８は、引抜き加工後に１６０℃で２０ｈの時効処理を行いＴ８調質材とした。

得られた試験材について、以下の方法に従って引張試験、耐食性試験、表面の酸化膜厚さの測定、切削試験を行った。結果を表２に示す。
引張試験：ＪＩＳＺ２２４１に準拠した引張試験（試験片はＪＩＳＺ２２０１、金属材料引張試験片４号試験片の備考２．による試験片)を行い、引張強さを測定した。

耐食性試験：ＪＩＳＺ２３７１に準拠した塩水噴霧試験を行い、質量減少量を測定して耐食性を評価した。塩水噴霧試験においては、試験材を６０ｍｍ×１０ｍｍ×３ｍｍに切削加工し、評価面を６０ｍｍ×１０ｍｍの１面として、その他の面は腐食しないようにマスキングした評価サンプルを用いた。
表面の酸化膜厚さの測定：試験材を１５ｍｍ×５０ｍｍ×３ｍｍに切削加工したサンプルを用い、２００℃で１ｈ保持の熱処理を行った後、グロー放電発光表面分析装置を用いて、元素の濃度比(質量％）を測定して酸素が全元素の６０％以上検出される場合を酸化膜と判定し、表層からの酸化膜厚さを測定した。

切削試験：直径１７ｍｍの試験材を、直径１６ｍｍまで外削を行って切粉の分断性にて評価した。なお、切削時の回転数は１５００ｒｐｍ、送り０．０５ｍｍ／ｒｅｖの条件とし、バイトはスローアウェイチップ(頂角６０°正三角形チップ、逃げ角０°、一般切削用勝手付き型ブレーカ、ＰＶＤコーティング)を用い、切粉がすべて１０mm未満の場合を良好（○）、１０mm以上の切粉が発生した場合を不良（×）とした。

表２にみられるように、本発明に従う試験材１は、従来の鉛入り快削合金棒２０１１−Ｔ３調質材のＪＩＳの規格である引張強さ３１０ＭＰａ以上を満足し、切削性は切り屑が微細に分断され良好な結果が得られた。

試験材２〜１８は、従来の鉛入り快削合金棒２０１１−Ｔ８調質材のＪＩＳの規格である引張強さ３７５ＭＰａ以上を満足し、また塩水噴霧試験（試験時間２４時間）による質量減少量は３．０ｍｇ/ｃｍ^２以下であり、良好な耐食性をそなえており、表層の酸化膜厚さはいずれも４００ｎｍ以下であった。さらに、切削性については、いずれも切り屑が微細に分断され良好な結果を示した。

比較例１
表３に示す成分組成を有するアルミニウム合金（合金２１〜３６）のビレット（直径９０ｍｍ）を造塊し、得られたビレットを実施例１と同様に処理して、引抜き加工材（直径１７ｍｍ）を製造し、さらに、引抜き加工後に１６０℃で２０ｈの時効処理を行いＴ８調質材とし、試験材とした。なお、表３において、本発明の条件を外れたものには下線を付した。

得られた試験材について、実施例１と同じ方法に従って引張試験、耐食性試験、表面の酸化膜厚さの測定、切削試験を行った。結果を表４に示す。なお、表４において、本発明の条件を外れたものには下線を付した。

表４に示すように、試験材２１は、Ｃｕ含有量が少ないため引張強さが低く、切り屑分断性も劣っていた。試験材２９は、Ｔｉ含有量が少ないため引張強さが低かった。試験材２２、２４、２５、２６、２８、３０、３２、３３および３４は、それぞれＣｕ、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒの含有量が多いため耐食性が劣っていた。

試験材３５は、ＭｎおよびＣｒの含有量が多いため耐食性が劣っていた。試験材２３および２７は、それぞれＢｉおよびＺｎの含有量が低いため切り屑分断性が劣った。試験材３１は、Ｓｎ含有量が多いため酸化膜厚さが大きくなった。試験材３６は、Ｍｇ含有量が多いため切り屑分断性が劣った。

Claims

Ｃｕ：４．０〜６．０％（質量％、以下同じ）、Ｂｉ：０．３０〜２．０％、Ｆｅ：０．０４〜０．７０％、Ｓｉ：０．０４〜０．７０％、Ｚｎ：０．０８〜０．８０％、Ｔｉ：０．００２〜０．１０％を含み、Ｓｎの含有量を０．０４％以下に規制し、残部Ａｌおよび不可避不純物からなることを特徴とする快削アルミニウム合金。
Ｍｎ：０．０２〜０．２０％、Ｃｒ：０．０２〜０．２０％、Ｚｒ：０．０２〜０．２０％、Ｍｇ：０．０２％〜０．５０％のうちの１種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の快削アルミニウム合金。
１３９℃以上の温度に加熱した場合でも、表面の酸化膜厚さが４００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の快削アルミニウム合金。