專利名稱：用于切削加工的鋁合金和由其制成的鋁合金加工件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于切削加工的無鉛鋁合金，還涉及一種由上述鋁合金制成的鋁合金加工件。
背景技術：
在對鋁合金材料的切削加工中，由于切削加工過程產(chǎn)生連續(xù)的切屑，因此需要一處理切屑的步驟。并且還需要一去除在車削加工中產(chǎn)生于工件角部和在鉆削加工中產(chǎn)生于所鉆孔的周向的毛刺的步驟。在這種情況下，需要提供一種切削加工性能良好并且切屑容易破碎從而減小毛刺產(chǎn)生的鋁合金。
為提高鋁合金的切削加工性能，通常向鋁合金中添加低熔點的Pb元素。這種切削加工性能良好的含鉛鋁合金的一個示例為A2011合金(JIS(日本工業(yè)標準)H4040)。但是，從全球環(huán)境保護的觀點來看，優(yōu)選避免制造和使用這種包含有害元素Pb的鋁合金。鑒于此，例如已經(jīng)研制出Pb含量有限的鋁合金或者不添加Pb而添加Bi或Sn的鋁合金(參見例如JP H2-85331 A(權利要求1至3)、JP 2000-328168 A(權利要求1至4)和JP 2001-240931 A(權利要求1至4))。
但是，由于上述無鉛鋁合金達不到足夠的切削加工性能，因此還需要進一步的改進。此外，由于切削的鋁合金材料有時需要進行陽極氧化涂鍍處理，因此除了切削加工性能外還需要提高諸如鍍層生成效率等性能以便快速形成一均勻的陽極氧化層。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述技術背景，本發(fā)明的一個目的是提供一種切削加工性能和涂鍍加工性能良好的無鉛鋁合金，并且還提供由上述鋁合金制成的鋁合金加工件。
為達到上述目的，本發(fā)明具有以下結(jié)構特征(1)一種用于切削加工的鋁合金，該鋁合金的基本成分包括1～6.5質(zhì)量％的Cu、0.05～1質(zhì)量％的Zn、0.1～1質(zhì)量％的Bi、0.1～1質(zhì)量％的Sn和100質(zhì)量ppm或更少的B；(2)如上述第(1)項所述的用于切削加工的鋁合金，還包括至少一種選自下列元素的附加元素0.05～1質(zhì)量％的Fe、0.01～0.3質(zhì)量％的Mg、0.05～1質(zhì)量％的Si和0.01～0.5質(zhì)量％的Ti；(3)如上述第(2)項所述的用于切削加工的鋁合金，其中Mg的含量為0.01～0.1質(zhì)量％；(4)如上述第(1)至(3)項之一所述的用于切削加工的鋁合金，其中Cu的含量為4～6質(zhì)量％；(5)如上述第(1)至(4)項之一所述的用于切削加工的鋁合金，其中Zn的含量為0.1～0.5質(zhì)量％；(6)如上述第(1)至(5)項之一所述的用于切削加工的鋁合金，其中Bi的含量為0.2～0.8質(zhì)量％；(7)如上述第(1)至(6)項之一所述的用于切削加工的鋁合金，其中Sn的含量為0.2～0.8質(zhì)量％；(8)如上述第(1)至(7)項之一所述的用于切削加工的鋁合金，其中B的含量為3～10質(zhì)量％；(9)一種由如上述(1)至(8)項之一所述的用于切削加工的鋁合金制成的鋁合金加工件；(10)如上述第(9)項所述的鋁合金加工件，其中所述鋁合金加工件為一擠出件；(11)如上述第(9)項所述的鋁合金加工件，其中所述鋁合金加工件為通過對一原材料進行切削而制成的切削件；(12)如上述第(9)至(11)項之一所述的鋁合金加工件，其中所述鋁合金加工件的一表面上形成有一陽極氧化層。
根據(jù)如上述第(1)項所述的用于切削加工的鋁合金，不需要添加Pb就可獲得良好的切削加工性能、機械性能和涂鍍加工性能。此外，該鋁合金對切削刀具的磨損和/或破壞較少。
根據(jù)上述第(2)項所述的用于切削加工的鋁合金能進一步提高切削加工性能，并且不需要用于降低必然含有的Fe的含量的專門工序。
根據(jù)上述第(3)項所述的用于切削加工的鋁合金可獲得極好的強度和切削加工性能。
根據(jù)上述第(4)項所述的用于切削加工的鋁合金可獲得極好的切削加工性能和機械性能。
根據(jù)上述第(5)項所述的用于切削加工的鋁合金可獲得極好的切削加工性能、機械性能和涂鍍加工性能。
根據(jù)上述第(6)項所述的用于切削加工的鋁合金可獲得極好的切削加工性能。
根據(jù)上述第(7)項所述的用于切削加工的鋁合金可獲得極好的切削加工性能。
根據(jù)上述第(8)項所述的用于切削加工的鋁合金可獲得極好的切削加工性能。
根據(jù)上述第(9)項所述的鋁合金加工件，由于該加工件由根據(jù)上述第(1)至(8)項之一所述的用于切削加工的鋁合金制成，所以該加工件具有良好的切削加工性能、機械性能和涂鍍加工性能。
根據(jù)上述第(10)項所述的鋁合金加工件是一具有良好的切削加工性能、機械性能和涂鍍加工性能的擠出件。
根據(jù)上述第(11)項所述的鋁合金加工件由于其材料具有良好的切削加工性能，所以具有良好的表面質(zhì)量。
根據(jù)上述第(12)項所述的鋁合金加工件由于形成有均勻的陽極氧化層，所以具有良好的表面質(zhì)量。
具體實施例方式
下面具體說明向根據(jù)本發(fā)明的用于切削加工的鋁合金中添加每種元素的原因以及限制所述元素含量的原因。
所述用于切削加工的鋁合金中的基本元素包括Cu、Zn、Bi、Sn和B。
Cu元素是作為固體彌散體溶入鋁母相(mother phase)中而且還作為一沉積材料例如與Al結(jié)合生成的CuAl2彌散到鋁母相中的，這提高合金的機械性能并且增強其切削加工性能。此外，Cu與其它固體彌散體型元素的協(xié)合作用進一步增強了上述作用。如果Cu的含量低于1質(zhì)量％，上述作用會變差。相反地，如果含量超過6.5質(zhì)量％，則可能損害耐蝕性。因此，Cu的含量應在1～6.5質(zhì)量％之間。優(yōu)選Cu的含量為4～6質(zhì)量％。
Zn元素是作為固體彌散體溶入鋁母相中而且還作為沉積材料例如與Mg結(jié)合生成的MgZn2彌散到鋁母相中的，這提高合金的機械性能并增強其切削加工性能。此外，Zn與其它固體彌散體型元素的協(xié)合作用進一步增強了上述作用。此外，如果Zn的含量在本發(fā)明所指定的范圍內(nèi)，則可提高陽極氧化層的生成速率。因此，可優(yōu)選將根據(jù)本發(fā)明的鋁合金用作一進行陽極氧化以提高耐蝕性和裝飾效果等的產(chǎn)品。如果Zn的含量低于0.05質(zhì)量％，上述作用會變差。相反地，如果Zn的含量超過1質(zhì)量％，則陽極氧化層的生成速率將趨于飽和。因此，Zn的含量應在0.05～1質(zhì)量％之間。優(yōu)選Zn的含量為0.1～0.5質(zhì)量％。更優(yōu)選地，所述含量大于0.2質(zhì)量％，但不大于0.5質(zhì)量％。
如果Bi和Sn共存則形成一低熔點的Bi-Sn化合物，并且該化合物彌散到鋁母相中。切削加工過程中產(chǎn)生的熱可使彌散的Bi-Sn化合物熔化，從而使切屑熔融脆化(fusion embrittlement)，這增強了切屑的易碎性。這些元素中Bi的含量應在0.1～1質(zhì)量％之間，而Sn的含量應在0.1～1質(zhì)量％之間。如果每種元素的含量低于其下限，則上述作用會變差。相反地，如果每種元素的含量高于其上限，則將顯著損害鑄造性能。優(yōu)選地，Bi和Sn的含量均為0.2～0.8質(zhì)量％。
B的作用是通過細化鑄造結(jié)構從而形成細小的結(jié)晶體來提高合金的切削加工性能。可通過添加少量的B來實現(xiàn)上述作用。如果B的含量超過100質(zhì)量ppm，則會因使刀具磨蝕或破損而損害刀具的壽命。因此，B的含量應為100質(zhì)量ppm或更少。優(yōu)選B的含量為3～10質(zhì)量ppm。
在上述用于切削加工的鋁合金中，為進一步提高合金的各種性能，可從Fe、Mg、Si、Ti這四種元素中選擇任意一種或兩種或更多種添加到包含上述五種基本元素的鋁合金的基礎成分中。
由于當Fe與Si共存時較少量的Fe可與Si結(jié)合，所以Fe可使作為單個微粒對切屑的易碎性起作用的Si彌散，這可使切屑具有良好的易碎性。此外，雖然鋁合金中不可避免地包含有Fe，但如果Fe的含量在0.05～1質(zhì)量％之間，則由于所述含量為正常制造品質(zhì)所允許的量，所以不需要用于降低Fe的含量的專門工序。如果要使Fe的含量降到0.05質(zhì)量％以下就要增加成本。相反地，如果Fe的含量超過1質(zhì)量％，則鑄造件例如坯料的鑄造表面就會變差，而且Si化合物的量也會增加，從而減少了單個的Si微粒，這繼而損害了切屑的易碎性。優(yōu)選Fe的量為0.05～0.5質(zhì)量％。
Mg元素是作為固體彌散體溶入合金母相中以及通過與共存的Cu或Si結(jié)合而彌散在合金母相中的，這進一步提高鋁合金的強度和切削加工性能。如果Mg的含量低于0.01質(zhì)量％，則上述作用變差。相反地，如果Mg的含量超過0.3質(zhì)量％，則(鋁合金的)熱加工性能變差。因此，Mg的含量應為0.01～0.3質(zhì)量％。優(yōu)選Mg的含量為0.01～0.1質(zhì)量％。
由于只有少量的Si溶入鋁中，所以Si-除了形成化合物所需的以外-作為單個微粒彌散在合金母相中，這提高鋁合金的強度和切削加工性能。特別地，Si通過與Mg共存形成Mg2Si以增加強度。此外，Si共晶體的彌散還增強了上述提高切削加工性能的作用。如果Si的含量低于0.05質(zhì)量％，則上述作用會變差。相反地，如果Si的含量超過1質(zhì)量％，則雖然可提高切削加工性能，但對刀具的磨蝕和損耗也變得明顯，從而縮短了刀具的壽命并損害了(合金的)熱加工性能。因此，Si的含量應為0.05～1質(zhì)量％。優(yōu)選Si的含量為0.05～0.5質(zhì)量％。
Ti通過再結(jié)晶抑制作用(recrystallization restrain effect)細化錠的組織(ingot texture)并形成細小的結(jié)晶體，這提高鋁合金的機械性能和切削加工性能。此外，Ti還有提高耐蝕性的作用。如果Ti的含量低于0.01質(zhì)量％，則再結(jié)晶抑制作用變差，從而例如容易在一擠出件的表面形成粗糙的再結(jié)晶晶粒，這使切屑在截面方向上的易碎性變得不穩(wěn)定。此外，如果Ti的含量低于0.01質(zhì)量％，則對機械性能的提高作用和對耐蝕性的提高作用變差。相反地，如果Ti的含量超過0.5質(zhì)量％，則可能損害擠出坯料等的鑄造加工性能。因此，Ti的含量應在0.01～0.5質(zhì)量％之間。優(yōu)選Ti的含量為0.01～0.1質(zhì)量％。
從上述四種元素中任意選出至少一種或多種添加到上述五種基本元素中，就可實現(xiàn)相應的作用。
根據(jù)本發(fā)明的用于切削加工的鋁合金的其它成分為例如不可避免的雜質(zhì)和鋁。
根據(jù)本發(fā)明的切削鋁合金可被熔化，從而鑄造成一諸如一板坯或一方坯的錠塊，接著進行表面切削、均熱，然后通過塑性加工例如通過一通用工藝進行的擠出或軋制而形成一預定的形狀。上述步驟中的熱處理、時效處理、清洗等也可通過通用工藝進行。所形成的鋁合金材料可根據(jù)需要通過切削或陽極氧化處理廣泛用作各種產(chǎn)品。應用示例包括光學設備部件-例如鏡頭架、鏡頭隔離套筒(相機錐筒)、相機三角架固定螺釘，辦公自動化設備部件或電子裝置部件，例如電磁線圈法蘭、連接器的方螺母或外螺紋管。可通過例如將一鋁合金錠擠出為一棒形擠出件或一環(huán)形擠出件，然后將這些擠出件切斷并進行切削加工，之后進行陽極氧化處理來制造上述光學設備部件。
根據(jù)本發(fā)明的鋁合金加工件是通過將上述用于切削加工的鋁合金形成一預定的構型或者為改善耐蝕性和裝飾效果進一步在其上形成一陽極氧化層而得到的。如上所述，由于該鋁合金材料的化學成分使其具有良好的機械性能、切削加工性能和表面處理加工性能，因此該鋁合金加工件可優(yōu)選地用于上述各種應用中。
可通過任何方法使該鋁合金材料成形以獲得鋁合金加工件。示例包括一通過對一擠出件或一原材料進行切削而形成的切削件和一軋制件?？蛇M行切削加工的材料類型不局限于某特定類型，而可為任何材料例如一擠出材料或一軋制材料。在切削加工時，毛刺的產(chǎn)生得到抑制，從而易于加工，這繼而使加工件具有了良好的表面質(zhì)量。
在鋁合金加工件中，可在成形加工后對工件進行陽極氧化處理以在其一表面上形成陽極氧化層。由于加工件是由具有良好的涂鍍加工性能的合金材料加工而成的，因此可快速形成一均勻的鍍層。從而，可以最大程度地實現(xiàn)由于形成鍍層而產(chǎn)生的諸如耐蝕性和/或裝飾效果得到提高的作用，從而使加工件具有良好的表面質(zhì)量。陽極氧化處理的條件不局限于所提出的那些，而是可采用任何已知的方法。
示例試驗A制備表1中所示的具有A1至A30號成分的鋁合金。根據(jù)本發(fā)明的成分的A1至A21號鋁合金包含Cu、Zn、Bi、Sn、B和剩余部分-即Al和雜質(zhì)。A22至A30號合金為用于進行成分比較的合金。
將表1中所示的A1至A30號鋁合金用作鑄造材料，通過通用工藝鑄造得到每個直徑都為200mm的擠出坯料，然后對所述坯料進行均質(zhì)化處理。此后，將坯料擠出成每個直徑都為30mm的棒材。接下來，在495℃下將這些棒材進行5個小時的固溶處理，然后進行淬火處理。隨后拉拔這些棒材使其直徑變?yōu)?5mm，從而得到加工過的材料T3。接下來，將所得到的材料置于130℃下進行14小時的人工時效處理，從而得到加工過的材料T8。將加工過的材料T8作為試件。
在所獲得的每個試件斷裂后測量其機械性能中的0.2％的彈性極限應力、抗拉強度和延伸率等，并根據(jù)下面的方法檢驗切削加工性能、刀具的磨損、耐蝕性和涂鍍加工性能。然后，將這些結(jié)果與由含Pb的A2011號合金(JIS(日本工業(yè)標準)H4040)制成的擠出件的性能進行比較，并用以下四個等級做相對性評價。
◎好○相當△較差×差切削加工性能對每個試件進行濕法切削，其中切削速度為150m/min、進給速度為0.2mm/rev、切削深度為1.0mm。然后以每100克切屑為單位檢驗切屑的易碎性，從而通過切屑的易碎性來評價切削加工性能。
刀具磨損對每個試件用高速鋼單刃刀具(byte)連續(xù)進行5分鐘的干法切削，其中切削速度為200m/min、進給速度為0.2mm/rev、切削深度為3mm。然后測量刀具刃側(cè)的磨損寬度。
耐蝕性根據(jù)JIS(日本工業(yè)標準)Z2371進行中性鹽霧試驗，從而根據(jù)每個試件在1000小時的鹽霧試驗后的質(zhì)量損失來評價其耐蝕性。
涂鍍加工性能通過通用工藝使每個試件形成陽極氧化層，從而根據(jù)所生成的陽極氧化層的厚度來評價涂鍍加工性能。
結(jié)果也在表1中示出。
表1

表1中所示的結(jié)果已經(jīng)證實(1)根據(jù)本發(fā)明的用于切削加工的鋁合金不添加Pb就可具有與A2011合金相當?shù)幕騼?yōu)于A2011合金的良好的切削加工性能和機械強度，(2)可減少因切削加工而對刀具造成的磨損，(3)該鋁合金具有良好的耐蝕性和陽極氧化涂鍍加工性。
試驗B制備表2中所示的具有B1至B26號成分的鋁合金。B1至B11號合金是通過將四種可選的元素(Fe、Mg、Si、Ti)添加到A3號合金的基本成分中而形成的。B12至B22號合金是通過將四種可選的元素添加到A19號合金的基本成分中而形成的。B23至B26號合金為進行成分比較的合金。
將這些鋁合金用作鑄造材料，并通過與上述試驗A中相同的方法制造試件。然后，用與試驗A中相同的方法檢驗每個試件的機械性能、切削加工性能、刀具的磨損、耐蝕性和涂鍍加工性能。然后，將B1至B11號、B23至B26號合金的結(jié)果與作為比較材料的A3號合金的結(jié)果進行比較，將B12至B22號合金的結(jié)果與作為比較材料的A19號合金的結(jié)果進行比較。用以下四個等級做相對性評價。
◎好○相當△較差×差結(jié)果也在表2中示出。
表2

表2中所示的結(jié)果已經(jīng)證實向基本成分中添加Fe、Mg、Si、Ti可以進一步提高切削加工性能和機械性能。此外，B1、B2、B12和B13號合金已經(jīng)證實如果Fe的含量在本發(fā)明限定的范圍內(nèi)，則不需要專門工序就可以獲得用于切削加工的鋁合金。
相反地，在B23號合金中，鑄造坯料的鑄造表面質(zhì)量差，而且擠出試件的質(zhì)量也差。B24和B25號合金的擠出加工性能差，從而非常難以成形。此外，B25號合金對切削刀具的磨損很嚴重。B26號合金的坯料鑄造加工性能差，從而很難鑄造坯料。
此處采用的術語和措辭僅用于說明而沒有限制性，所用的術語和措辭不排除任何與本文所示出和說明的特征等效的特征或部分，在本發(fā)明權利要求的范圍內(nèi)可進行各種變型。
工業(yè)實用性根據(jù)本發(fā)明的鋁合金具有良好的切削加工性能、機械性能和涂鍍加工性能，因此該鋁合金可被廣泛地用于制造各種鋁制件。此外，由于該鋁合金不合鉛，因此從環(huán)保的角度推薦使用。
權利要求
1.一種用于切削加工的鋁合金，該鋁合金的基本成分包括1～6.5質(zhì)量％的Cu、0.05～1質(zhì)量％的Zn、0.1～1質(zhì)量％的Bi、0.1～1質(zhì)量％的Sn和100質(zhì)量ppm或更少的B。
2.如權利要求1所述的用于切削加工的鋁合金，其特征在于，還包括至少一種選自下列元素的附加元素0.05～1質(zhì)量％的Fe、0.01～0.3質(zhì)量％的Mg、0.05～1質(zhì)量％的Si和0.01～0.5質(zhì)量％的Ti。
3.如權利要求2所述的用于切削加工的鋁合金，其特征在于，所述Mg的含量為0.01～0.1質(zhì)量％。
4.如權利要求1至3之一所述的用于切削加工的鋁合金，其特征在于，所述Cu的含量為4～6質(zhì)量％。
5.如權利要求1至4之一所述的用于切削加工的鋁合金，其特征在于，所述Zn的含量為0.1～0.5質(zhì)量％。
6.如權利要求1至5之一所述的用于切削加工的鋁合金，其特征在于，所述Bi的含量為0.2～0.8質(zhì)量％。
7.如權利要求1至6之一所述的用于切削加工的鋁合金，其特征在于，所述Sn的含量為0.2～0.8質(zhì)量％。
8.如權利要求1至7之一所述的用于切削加工的鋁合金，其特征在于，所述B的含量為3～10質(zhì)量％。
9.一種由如權利要求1至8之一所述的用于切削加工的鋁合金制成的鋁合金加工件。
10.如權利要求9所述的鋁合金加工件，其特征在于，所述鋁合金加工件為一擠出件。
11.如權利要求9所述的鋁合金加工件，其特征在于，所述鋁合金加工件為一通過對一原材料進行切削而制成的切削件。
12.如權利要求9至11之一所述的鋁合金加工件，其特征在于，所述鋁合金加工件的一表面上形成有一陽極氧化層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于切削加工的鋁合金，其基本成分包括1～6.5質(zhì)量％的Cu、0.05～1質(zhì)量％的Zn、0.1～1質(zhì)量％的Bi、0.1～1質(zhì)量％的Sn以及100質(zhì)量ppm或更少的B，或者還包含下列附加元素中的至少一種0.05～1質(zhì)量％的Fe、0.01～0.3質(zhì)量％的Mg、0.05～1質(zhì)量％的Si和0.01～0.5質(zhì)量％的Ti。
文檔編號C22C21/12GK1703528SQ20038010119
公開日2005年11月30日 申請日期2003年10月9日 優(yōu)先權日2002年10月9日
發(fā)明者吉岡大貴, 山中雅樹, 松岡秀明 申請人:昭和電工株式會社