切削性、填縫性和耐磨損性良好的鋁合金擠壓材的製作方法
2023-06-12 22:38:21 1
專利名稱：切削性、填縫性和耐磨損性良好的鋁合金擠壓材的製作方法
技術領域：
本發明是關於機械加工時的切削性能以及作為粘著(ねばり)性的填縫(カシメ)性俱佳並且強度高的耐磨損性鋁合金擠壓材。
背景技術：
在日本工業標準中規定了各種鋁合金材料，其中，4000系列合金是在鋁中添加Si，使金相組織中彌散析出硬質的Si粒子，從而獲得較高的耐磨損性能。
但是，如果金相組織中存在大量硬質的Si粒子，由於以這些Si粒子為起點的缺口效應，金屬材料的粘著性惡化。
在切削加工過程中，Si粒子具有使切屑斷開的效果，同時又是導致切削表面的光潔度惡化的主要原因之一。
將鋁合金擠壓材用於汽車的制動部件等時，要求相對於與之配合的滑動部件具有良好的耐磨損性，同時，在大多數情況下還要求高的切削加工精度和填縫加工精度。
例如，在汽車用防鎖死制動系統執行元件(以下簡稱ABS元件)中，內裝活塞和閥部件等的油缸部和油壓迴路溝等要進行切削加工，在部件組裝後進行填縫密封。
因此，不僅要求強度，還要求相對於與之配合的滑動部件的耐磨損性、加工成複雜形狀時的切削性以及填縫部對於液壓油等的耐壓性。
伴隨著汽車重量日趨減輕，要求ABS元件也要進一步小型、輕量化，但目前還沒有可以與此相適應的鋁合金擠壓材。
發明內容
本發明的目的是，提供能有效地同時提高彼此具有負的相關關係的強度、耐磨損性、切削性和填縫性等性能的鋁合金擠壓材。
本發明人對於能實現上述目的的合金組織進行了各種研究，結果得到含有Si3.0-6.0質量％、Mg0.1-0.45質量％、Cu0.01-0.5質量％、Mn0.01-0.5質量％，Fe控制在0.40-0.90質量％的範圍內，餘量由Al和不可避免的雜質組成的擠壓材(以下，為簡便起見將質量％表示為％)。
Si成分與Mg成分一起使得析出Mg2Si，通過時效硬化而獲得強度，同時通過Si粒子而確保耐磨損性，從這個角度考慮，規定Si3.0-6.0％、Mg0.1-0.45％。
其中，Si的一部分與Mg形成Mg2Si，因而對耐磨損性有貢獻的Si粒子受Mg添加量的影響很大。
因此，為了使擠壓材的強度和耐磨損性穩定，優選的是將Mg的含量控制在0.3-0.45％的範圍，最好是將Mg含量控制在0.3-0.4(0.4除外)％。
如果按以上所述將Mg的成分範圍控制在較窄的範圍內，可以使擠壓材的強度穩定在較高的水平，同時容易控制對耐磨損性有貢獻的Si粒子，如果將Si成分控制在4.1-5.1％範圍，則耐磨損性也會穩定。
另外，Si和Mg雖然對於通過Mg2Si析出效應產生的強度具有正面的影響，但對於填縫性產生很大的負面影響。
因此，從強度角度考慮，Mg最低需要含有0.1％，從穩定的角度考慮，如上所述其含量在0.3％或以上為宜，但為了確保填縫性(粘著性)，Mg含量在0.45％或以下為宜，優選的是0.4％以下。
作為確保填縫性同時提高強度的措施，可以添加0.01-0.5％的Cu。
Cu在一定程度上固溶，故通過固溶作用提高強度，同時還提高切削性能。
為了確保填縫性，將Mg含量限制在0.45％或以下，相對於材料要求來說強度稍顯不足，在這種情況下可以期待添加Cu所產生的效果。
但是，Cu的添加量增多時，有可能引起電位差腐蝕，因而希望將其含量控制在0.10-0.20％的範圍。
Mn具有使擠壓材的晶粒細化的作用，從提高切削性能的角度考慮，其添加量在0.01-0.5％就可以。
但是，當Mn在晶界析出時，有可能成為導電位差腐蝕的原因之一，同時還使填縫性降低，因而Mn的含量最好是控制在0.05-0.15％的範圍。
在本發明中，一個突出的特徵是控制了Fe的含量。
在擠壓材中，Fe成分一般被視為雜質。
另外，還已證實Fe具有細化晶粒的作用。
但是，迄今為止對於填縫性的影響還沒有充分研究後的報告實例。
本發明人對於將Fe含量作了微小改變的擠壓材進行了試驗評價，結果表明，添加Fe超過0.9％時，填縫性降低，但如果將Fe含量控制在0.40-0.90％的範圍，可以保持填縫性，同時提高切削性能。
Fe含量在0.4％或以下時，未發現切削性能提高，優選的是將Fe含量限制在0.50％以上、0.90％或以下。
經過對金相組織觀察推斷，Fe粒子分散於晶粒邊界處，在切削時形成的很薄的切屑容易以Fe粒子為起點而斷裂，因而切削性能得到提高。
因此推斷，Fe添加量超過0.9％時對填縫性(延伸率)產生不利的影響，是因為晶粒邊界上析出過多Fe粒子所致。
因此，擠壓材固溶處理後的人工時效處理條件，最好是對於填縫性和切削性能產生影響、稍微超過最高強度的過時效條件。
Cr具有細化晶粒的作用，可以根據需要添加，但添加超過0.5％時，有可能產生粗大的初晶生成物，致使填縫性降低，因而將Cr含量控制在0.01-0.5％為宜。
Ti也具有使晶粒細化的作用，含有微量的Ti時切削性能提高。
但是，其含量超過0.1％時，切削刀具的工作壽命縮短，因而添加時控制在0.01-0.1％的範圍。
圖1(表1)表示本發明的擠壓材和比較用擠壓材的鋁合金成分，餘量是鋁和不可避免的雜質。
圖2(表2)表示擠壓材的人工時效條件和機械性能。
圖3(表3)表示擠壓材的切削性能和填縫性的評價結果。
圖4(曲線圖)表示鐓粗率ε-約束因數f的關係。
具體實施例方式
澆鑄圖1(表1)所示合金成分的方坯(8英寸)，在460-590℃下進行6小時或以上的均勻化處理。
將該方坯降溫至450-510℃，擠壓成形為約35mm×80mm的矩形形狀的擠壓材。
進行固溶處理和人工時效處理等熱處理，固溶處理的方法也可以是在擠壓後重新加熱、急冷，不過，在本實施方式中是在擠壓模的附近擠壓之後立即急冷淬火，然後通過規定的人工時效進行回火處理。
人工時效的條件示於圖2(表2)中，時效一欄中的溫度單位是℃。
例如，№1擠壓材是在185℃進行4小時人工時效處理，其中所述時效處理的狀態，「穩定」表示顯示出該材料的大致最高抗拉強度的狀態，「亞時效」是指在不到該材料固有的最高抗拉強度的狀態下停止熱處理，「過時效」是指進行熱處理直至稍微超過該材料固有的最高抗拉強度的狀態。
表2中示出擠壓方向的抗拉強度、0.2％屈服強度以及擠壓材表面部的洛氏B硬度(HRB)的測定結果。
作為填縫性(粘著性)的評價，表2中示出擠壓方向的「延伸率」，表3中示出臨界鐓粗率和平均變形阻抗值。
這裡所說的臨界鐓粗率，是指從擠壓形材上沿擠壓方向切取直徑14mm×高21mm的試片，在冷狀態下將其在軸向上進行鐓鍛壓制，側面上開始產生微小裂紋時的鐓粗率。
臨界鐓粗率可以按下列公式求出。
εhc＝h0-hc/h0×100式中，εhc是臨界鐓粗率度(％)，h0是試片的原始高度，hc是產生裂紋時的試片高度。
試驗條件是室溫和10mm/s的壓縮速度，使用25噸的萬能精密試驗機。
所述的平均變形阻抗值是指試片的側面上產生裂紋時的材料的變形阻抗值，按照下列公式求出。
σ(hc)＝(P/A0)/f(N/mm2)式中，σ(hc)平均變形阻抗值P產生裂紋時的鐓粗載荷A0試片的初始斷面積f臨界鐓粗率時的約束因數f(ε(hc))根據圖4所示的曲線圖求出。
切削性能的評價在圖3(表3)中用「最大切屑長度」和「長切屑總長度」表示。
這裡所說的最大切屑長度是指在下列條件下產生的切屑中最大的切屑的長度，長切屑總長度是指產生的所有長切屑的長度的合計量。
切削試驗條件刀具φ4.2×φ6.8階梯複合鑽頭，轉速1200rpm，進給量0.05mm/rev，加工量15mm，加工孔數3孔，切削油使用。
考察表1的擠壓材的成分以及基於該成分的評價結果(表2、表3)。
擠壓材1、2和3的Fe含量按照0.38％、0.68％、0.92％的量遞增，與比較用的擠壓材15(Fe0.29％)、16(Fe1.20％)、17(Fe1.50％)相比，擠壓材15雖然延伸率較好，達到9.4％，但切屑長度較長，切削性能差。
擠壓材16和17雖然切屑長度較短，切削性能良好，但延伸率變差，分別為7.2％和5.4％。
另外，擠壓材16和17同樣，臨界鐓粗率也變差。
將擠壓材1和2比較，結果表明，延伸率和臨界鐓粗率，特別是平均變形阻抗差別很小，但切屑長度有差別，Fe含量高於0.38％者，可以確保填縫性，同時還可提高切削性能。
因此，擠壓材4-10著眼於Fe含量的變化和Mg含量的變化，比較填縫性(延伸率、臨界鐓粗率、平均變形阻抗)和切削性能(最大切屑長度、長切屑總長度)，擠壓材7、8、9和10的Mg含量大致相同，為0.39％，Fe含量以大約0.05％的量遞增，抗拉強度和臨界鐓粗率幾乎沒有差別，切削性能變好。
將擠壓材4、5和6進行比較，Fe的含量大致相同，為0.5％，Mg含量遞增，分別為0.31％、0.35％、0.44％，對於切屑長度和臨界鐓粗率幾乎沒有產生影響，抗拉強度和屈服強度提高了。
由此可知，為了穩定地確保強度並且提高切削性能和填縫性，Mg含量在0.3-0.45％、Fe含量在0.40-0.90％的範圍較為適宜。
為了使強度更穩定，保持填縫性良好並且提高切削性能，最好是將Mg含量控制在0.3％或以上-0.4％以下，將Fe含量控制在0.5％以上、0.90％或以下。
擠壓材11和12以及擠壓材13和14用於比較時效硬化的影響。
提高熱處理溫度、稍微過時效的擠壓材，臨界鐓粗率、平均變形阻抗大致相同，即，在不犧牲填縫性的情況下可以縮短切屑長度，提高切削性能。
表2所示的過時效條件是提高了回火溫度進行過時效，但也可以延長熱處理時間進行過時效。
另外，在擠壓材1-12中，將Si的含量在3.0-6.0％範圍內進一步控制在4.1-5.1％的範圍內，評價結果省略，不過耐磨損性能穩定。
以0.10-0.20％的範圍添加Cu，也能穩定得到較高的強度。
以0.05-0.15％的範圍添加Mn，對於提高切削性能也有貢獻。
產業上的應用與以往的耐磨損性材料相比，使用本發明的擠壓材，不僅同時具有耐磨損性、強度、硬度以及以往與這些性能相矛盾的填縫性(粘著性)，而且切削性能也很好，可以用來作為要求高耐壓性、填縫性和切削性能的製品的鋁合金擠壓材。
權利要求
1.鋁合金擠壓材，其特徵是，含有Si3.0-6.0質量％、Mg0.1-0.45質量％、Cu0.01-0.5質量％、Mn0.01-0.5質量％，Fe控制在0.40-0.90質量％的範圍，餘量由Al和不可避免的雜質組成，具有良好的切削性能、填縫性和耐磨損性。
2.鋁合金擠壓材，其特徵是，含有Si4.1-5.1質量％、Mg0.3-0.45質量％、Cu0.10-0.20質量％、Mn0.05-0.15質量％，Fe控制在0.40-0.90質量％的範圍，餘量由Al和不可避免的雜質組成，具有良好的切削性能、填縫性和耐磨損性。
3.鋁合金擠壓材，其特徵是，含有Si4.1-5.1質量％、Mg0.3-0.45質量％、Cu0.10-0.20質量％、Mn0.05-0.15質量％、以及Cr0.01-0.5質量％，Fe控制在0.40-0.90質量％的範圍，餘量由Al和不可避免的雜質組成，具有良好的切削性能、填縫性和耐磨損性。
4.鋁合金擠壓材，其特徵是，含有Si4.1-5.1質量％、Mg0.3-0.4(0.4除外)質量％、Cu0.10-0.20質量％、Mn0.05-0.15質量％、Cr0.01-0.5質量％，Fe控制在0.40-0.90質量％的範圍，餘量由Al和不可避免的雜質組成，具有良好的切削性能、填縫性和耐磨損性。
5.鋁合金擠壓材，其特徵是，含有Si4.1-5.1質量％、Mg0.3-0.4(0.4除外)質量％、Cu0.10-0.20質量％、Mn0.05-0.15質量％、Cr0.01-0.5質量％，Fe控制在0.50-0.90(0.50除外)質量％的範圍，餘量由Al和不可避免的雜質組成，具有良好的切削性能、填縫性和耐磨損性。
6.權利要求1-5中任一項所述的鋁合金擠壓材，其特徵是，經過擠壓和固溶處理，再進行過時效處理。
全文摘要
鋁合金擠壓材，其中，含有Si3.0－6.0質量％、Mg0.1－0.45質量％、Cu0.01－0.5質量％、Mn0.01－0.5質量％，Fe控制在0.40－0.90質量％的範圍內，餘量由Al和不可避免的雜質組成，具有良好的切削性能、填縫性和耐磨損性。特別優選的是，含有Si4.1－5.1質量％、Mg0.3－0.45質量％、Cu0.10－0.20質量％、Mn0.05－0.15質量％、Cr0.01－0.5質量％，Fe控制在0.50－0.90(0.50除外)質量％的範圍內。另外，如果經過擠壓和固溶處理，再進行過時效處理則更好。
文檔編號C22F1/043GK1820088SQ0382699
公開日2006年8月16日 申請日期2003年9月1日 優先權日2003年9月1日
發明者東信行, 橋本欣次 申請人:愛信輕金屬株式會社