JPH07113136B2 - 快削性アルミニウム合金鋳造材およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は超高速切削および重切削に対応しうる快削性ア
ルミニウム合金鋳造材およびその製造方法の改良に関す
るものである。

（従来の技術およびその問題点） 快削性アルミニウム合金は、Al−CuにSi、Fe、Zn、Mn、
Mgなどの元素を含有し、さらにPb、Biなどの低融点金属
を含有する合金である。

従来の快削性アルミニウム合金の製造方法は低融点金属
を均一に分散させた溶湯を縦型半連続鋳造により外径
８″以上の押出用ビレットを製造し熱間押出、場合によ
ってはその後冷間加工を行なうことにより、希望するサ
イズ、形状を得る工程が一般的であった。こうした快削
性アルミニウム合金材料は更に鋳造加工を経て最終切削
加工を行うケースもある。

低融点金属を含有するこうした快削性アルミニウム合金
において良好な切削加工性、微細な切削切粉が得られる
のは、主には添加された低融点金属が、更には金属間化
合物など第二相粒子がマトリックス中に分散しているた
めである。しかし従来の工程「縦型半連続鋳造により製
造した押出用ビレットを熱間及び冷間で塑性変形させる
工程」では快削性に寄与する低融点金属及び金属間化合
物の、微細化分散には限界があった。

最近の自動切削化工機では従来200〜500m/min程度の切
削速度であったものが1000m/min前後の超高速切削が行
なわれるようになり、従来工程による快削性アルミニウ
ム合金では超高速切削時に切粉が連続してしまい切粉処
理性が切削加工機の仕様を満足していないケースがみら
れるようになった。

（発明が解決しようとする問題点） 低融点金属を含有する快削性アルミニウム合金におい
て、良好な切削加工性、微細な切削切粉が得られるの
は、添加された低融点金属や金属間化合物などの第二相
粒子がミクロ組織上マトリックス中に分散しているため
である。こうしたマトリックス中の低融点金属や金属間
化合物の粒子径や分散度合により、切削時の切粉形状、
大きさなど材料の切削加工性が支配される。添加される
低融点金属はそれ自体、アルミニウム溶湯を固溶せず凝
固過程においてはデンドライト二次アーム間の最終凝固
部に存在する。また金属間化合物などの第二相粒子も添
加された合金組成が凝固過程でデンドライト二次アーム
間に濃化されて晶出したものである。いずれも最終凝固
部であるデンドライト二次アーム間に偏在する。

本発明は上記の知見に基いてなされたもので、低融点金
属や金属間化合物の粒子径、分散度合およびデンドライ
ト二次アーム間隔を適当に調整することにより、快削性
に優れたアルミニウム合金鋳造材が得られることを見出
し本発明に至ったものである。

（問題点を解決するための手段および作用） 本発明は上記の問題に鑑みなされたものでその第１発明
はCu3〜６％、Si0.1〜1.5％、Fe0.1〜2.0％を含みかつP
b、Bi、Snのいずれか２種以上の元素を総量で0.5〜２％
含み残部がアルミニウムとその不純物とからなりAu−Cu
の金属間化合物の第二相粒子径が平均15μｍ以下、最大
25μｍ以下であり、またデンドライト二次アーム間隔が
25μｍ以下の微細組織を有し、かつ低融点金属粒子径が
平均15μｍ以下、最大25μｍ以下に均一微細に分散して
いることを特徴とする快削性アルミニウム合金鋳造材で
ある。

また第２発明は、第１発明の合金組成にMg0.3〜1.8％、
およびMn0.05〜1.2％を添加した快削性アルミニウム合
金鋳造材であり、さらに第３発明は上記の第２発明の合
金組成にZn0.05〜0.3％、Cr0.05〜0.2％、Ti0.001〜0.1
％のうち少くとも１種の元素を添加した快削性アルミニ
ウム合金鋳造材である。

しかして第４〜第６発明は上記の第１〜第３発明の組成
を有するアルミニウム合金を水平方向に配置した鋳型に
710℃以上の高温溶湯を供給し、鋳型内での溶湯冷却速
度を35℃/sec以上の急冷凝固とし、かつ鋳型の直前で溶
湯を撹拌しながら鋳塊を水平方向に引出すことを特徴と
する快削性アルミニウム合金鋳造材の製造方法である。

本発明の合金組成範囲について各添加元素の含有量を上
記の如く限定したのは以下の理由によるものである。す
なわちCuはAl−Cuの金属間化合物を生成し材料の熱処理
性と基地組織を強化させるための元素であるが３％未満
では強度向上に不充分であり６％をこえると鋳塊の多表
面品質を劣化させる。SiはCuと同様基地組織の強化に寄
与するものであるがSi0.1％未満ではその効果が小さく
1.5％をこえるとCuの場合と同様に鋳造性を劣化させ
る。Feは切削性向上に寄与するが0.1％未満ではその効
果が少く、2.0％をこえると切削バイトの劣化を促進さ
せてしまう。

またPb、BiおよびSnは２種以上の添加により、いずれも
切削性、切粉処理性を改善するがその総量が0.5％未満
では、あまり効果がなく、２％をこえると強度および切
削表面を劣化させる。次にMgはCuと同様に基地組織の強
化に寄与し、またAl−Cu−Mg、Al−Mg−Siの金属間化合
物の生成により切削加工性を向上させるものであるが0.
3％未満ではあまり効果がなく1.8％をこえると鋳造性を
劣化させる。MnはAl−Mn−Feの金属間化合物を生成する
ことにより切削性の向上に寄与するものであるが0.05％
未満ではその効果が少なく1.2％をこえると切削バイト
を劣化させてしまう。さらにZn、Cr、Tiの微量添加はい
ずれも耐食性、耐孔食性を改善させる働きをなすもので
あるが、その下限未満ではその効果がなく上限をこえる
と切削性が悪くなる。

本発明は上記のアルミニウム合金のAl−Cu、Al−Cu−M
g、Al−Mg−Si、Al−Mn−Feなどの金属間化合物の第二
相粒子径が平均15μｍ以下、最大25μｍ以下であり、ま
たデンドライト二次アーム間隔が25μｍ以下の微細組織
を有し、かつ低融点粒子径が平均15μｍ以下、最大25μ
ｍ以下に均一微細に分散しているものである。

上記の金属間化合物の第二粒子径が平均15μｍをこえ、
また最大が25μｍをこえた粗大粒子ではこれが微細に分
散しても切削性向上に寄与しないからであり、またデン
ドライト二次アーム間隔が25μｍをこえ、また低融点粒
子径が平均15μｍ、最大25μｍをこえても切削性の向上
効果が少くなるものである。

しかしてこれらの金属間化合物の第二相粒子径、デンド
ライト二次アーム間隔および低融点金属粒子径を微細化
するには、比較的に冷却速度が大きくとれる水平連続鋳
造方式により高温溶湯を撹拌しながら鋳塊を急冷凝固す
ることにより達成されるものであるが、この際溶湯の温
度は710℃以上の高温で鋳型に供給し、鋳型内での溶湯
冷却速度を35℃/sec以上の急冷凝固とするものである。
このようにするのは溶湯の温度が710℃未満でも冷却速
度が35℃/sec未満でも全体的なミクロ組織の粗大化を招
き、また溶湯の撹拌を行わない場合は鋳塊横断面の局部
的なミクロ組織の大きなバラツキを阻止できないからで
ある。

次に本発明の製造方法について説明する。

上記の水平連続鋳造方式には種々なものがあるが例えば
第１図に示すものが本発明に使用される。すなわちタン
ディッシュ（１）内のアルミニウム合金溶湯（２）は71
0℃以上に保持され撹拌用カーボンシャフト（３）の先
端に取付けられたインペラー（４）により撹拌される。
所定の温度に達したアルミニウム合金溶湯はヘッダープ
レート（５）の下部に設けられた溶湯流入口（６）より
出湯し水例鋳型（７）に導入された冷却水（８）により
急冷凝固し、鋳塊（９）が製出され図示しない引取機に
より水平に引出される。なお（10）は冷却水出入口であ
る。

このような水平連絡鋳造方式により溶湯温度を710℃以
上の高温で鋳型に供給し、鋳型内での溶湯冷却速度を35
℃/sec以上の急冷凝固とし、かつ溶湯を撹拌しながら鋳
造することにより、金属間化合物の第二相粒子径、デン
ドライト二次アーム間隔、低融点粒子径などを所定のも
のに調整し得るものである。

（実施例） 以下に本発明の一実施例について説明する。

実施例1. 第１図に示す水平連続鋳造方式により溶湯温度715〜720
℃、冷却速度を40〜45℃/secと変えて本発明の合金組成
につき65mmφの鋳塊を製造した。また比較のため本発明
の組成で溶湯撹拌のないもの、冷却速度の遅いものを製
造し、従来例としては縦型半連続鋳造法により外型９イ
ンチφのビレットを製造した。これらを均質化処理後、
冷間引抜による塑性加工を加え、更にT6熱処理を行なっ
て切削加工性を評価した。切削加工性の評価は切削条件
を通常の切削速度300m/minおよび1000m/minの超高速切
削速度の２水準とし、切込み量0.2mm、送り速度0.025〜
0.1mm/revで潤滑油を使用せずに切削したときの切粉100
個当りの重量で評価した。これらの合金組成、鋳造条
件、鋳塊のミクロ組織、切削加工性などを第１表に示
す。

第１表より明らかなように本発明の製造条件によりミク
ロ組織は微細化される。溶湯を撹拌しながら鋳造するこ
とにより、第二相粒子、低融点金属粒子のバラツキが少
くなりDASも小さい。このような微細化されたミクロ組
織を有する本発明のものは超高速切削度域においても切
粉は細かく分断され、従来工程のものに比べて切削加工
性に優れていることが認められる。

実施例2. 実施例1.と同じ水平連続鋳造方式により本発明の合金組
成を、溶湯温度715〜725℃、冷却速度40〜50℃/secで溶
湯撹拌を行ないながら、外径65φ鋳塊を製造した。この
鋳塊のミクロ組織は第二相粒径Max.6〜13μｍ、デンド
ライト二次アーム間隔（DAS）８〜15μｍ、低融点金属
粒径Max.12〜18μｍであった。比較材としてJIS合金、2
011、2014、2017、2218を従来工程、すなわち縦型半連
続鋳造法により外径９″φビレットを製造し均質化処理
後に押出加工したT6材丸棒を素材とした。切削加工性は
実施例1.と同様切削速度による切粉の微細化度合を切粉
100個当りの重量で評価した。

第２表に供試材の合金組成と切削加工性評価結果を示
す。

第２表から明らかなように押出加工による従来合金は超
高速切削速度域で切粉が連続してしまい自動加工機での
切削に難点があることがわかる。これに比べて本発明の
合金は切粉が分断して明らかに切削加工性に優れている
ことが認められる。

（効 果） 本発明によればアルミニウム合金組成を本発明の如く規
定し、しかも連続鋳造条件を本発明の如くして行うこと
により微細ミクロ組織を有する快削性アルミニウム合金
鋳造材を得ることを可能としたもので、苛酷な条件での
自動切削を行なう光学部品、自動車部品として広く利用
できるもので工業的価値が極めて大きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いる水平連続鋳造方式の一例を示す
断面図である。 １……タンディッシュ、２……溶湯、３……撹拌用カー
ボンシャフト、４……インペラー、５……ヘッダープレ
ート、６……溶湯流入口、７……水冷鋳型、８……冷却
水、９……鋳塊、10……冷却水出入口

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Cu3〜６％、Si0.1〜1.5％、Fe0.1〜2.0％
   を含みかつPb、Bi、Snのいずれか２種以上の元素を総量
   で0.5〜２％含み残部がアルミニウムとその不純物とか
   らなりAl−Cuの金属間化合物の第二相粒子径が平均15μ
   ｍ以下、最大25μｍ以下であり、またデンドライト二次
   アーム間隔が25μｍ以下の微細組織を有し、かつ低融点
   金属粒子径が平均15μｍ以下、最大25μｍ以下に均一微
   細に分散していることを特徴とする快削性アルミニウム
   合金鋳造材。
2. 【請求項２】Cu3〜６％、Si0.1〜1.5％、Fe0.1〜2.0
   ％、Mg0.3〜1.8％、Mn0.05〜1.2％を含みかつ、Pb、B
   i、Snのいずれか２種以上の元素を総量で0.5〜２％含み
   残部がアルミニウムとその不純物とからなり、Al−Cu、
   Al−Cu−Mg、Al−Mg−Si、Al−Mn−Feなどの金属間化合
   物の第二相粒子径が平均15μｍ以下、最大25μｍ以下で
   あり、またデンドライト二次アーム間隔が25μｍ以下の
   微細組織を有し、かつ低融点金属粒子径が平均15μｍ以
   下、最大25μｍ以下に均一微細に分散していることを特
   徴とする快削性アルミニウム合金鋳造材。
3. 【請求項３】Cu3〜６％、Si0.1〜1.5％、Fe0.1〜2.0
   ％、Mg0.3〜1.8％、Mn0.05〜1.2％を含みPb、Bi、Snの
   いずれか２種以上の元素を総量で0.5〜２％含み、更にZ
   n0.05〜0.2％、Cr0.05〜２％、Ti0.001〜0.1％のうち少
   くとも１種の元素を含み残部がアルミニウムとその不純
   物とからなり、Al−Cu、Al−Cu−Mg、Al−Mg−Si、Al−
   Mn−Feなどの金属間化合物の第二相粒子径が平均15μｍ
   以下、最大25μｍ以下であり、またデンドライト二次ア
   ーム間隔が25μｍ以下の微細組織を有し、かつ低融点金
   属粒子が平均15μｍ以下、最大25μｍ以下に均一微細に
   分散していることを特徴とする快削性アルミニウム合金
   鋳造材。
4. 【請求項４】Cu3〜６％、Si0.1〜1.5％、Fe0.1〜2.0％
   を含みかつPb、Bi、Snのいずれか２種以上の元素を総量
   で0.5〜２％含み残部がアルミニウムとその不純物とか
   らなるアルミニウム合金を水平方向に配置した鋳造に71
   0℃以上の高温溶湯を供給し、鋳型内の溶湯冷却速度を3
   5℃/sec以上の急冷凝固とし、かつ鋳型の直前で溶湯を
   撹拌しながら鋳塊を水平方向に引出すことを特徴とする
   快削性アルミニウム合金鋳造材の製造方法。
5. 【請求項５】Cu3〜６％、Si0.1〜1.5％、Fe0.1〜2.0
   ％、Mg0.3〜1.8％、Mn0.05〜1.2％を含みかつPb、Bi、S
   nのいずれか２種以上の元素を総量で0.5〜２％含み残部
   がアルミニウムとその不純物とからなるアルミニウム合
   金を水平方向に配置した鋳型に710℃以上の高温溶湯を
   供給し、鋳型内での溶湯冷却速度を35℃/sec以上の急冷
   凝固とし、かつ鋳型の直前で溶湯を撹拌しながら鋳塊を
   水平方向に引出すことを特徴とする快削性アルミニウム
   合金鋳造材の製造方法。
6. 【請求項６】Cu3〜６、Si0.1〜1.5％、Fe0.1〜2.0％、M
   g0.3〜1.8％、Mn0.05〜1.2％を含みPb、Bi、Snのいずれ
   か２種以上の元素を総量で0.5〜２％含み、さらにZn0.0
   5〜0.2％、Cr0.05〜２％、Ti0.001〜0.1％のうち少くと
   も１種の元素を含み残部がアルミニウムとその不純物と
   からなるアルミニウム合金を水平方向に配置した鋳型に
   710℃以上の高温溶湯を供給し、鋳型内での溶湯冷却速
   度を35℃/sec以上の急冷凝固とし、かつ鋳型の直前で溶
   湯を撹拌しながら鋳塊を水平方向に引出すことを特徴と
   する快削性アルミニウム合金鋳造材の製造方法。