专利名称：切削性、填缝性和耐磨损性良好的铝合金挤压材的制作方法
技术领域：
本发明是关于机械加工时的切削性能以及作为粘着(ねばり)性的填缝(カシメ)性俱佳并且强度高的耐磨损性铝合金挤压材。
背景技术：
在日本工业标准中规定了各种铝合金材料，其中，4000系列合金是在铝中添加Si，使金相组织中弥散析出硬质的Si粒子，从而获得较高的耐磨损性能。
但是，如果金相组织中存在大量硬质的Si粒子，由于以这些Si粒子为起点的缺口效应，金属材料的粘着性恶化。
在切削加工过程中，Si粒子具有使切屑断开的效果，同时又是导致切削表面的光洁度恶化的主要原因之一。
将铝合金挤压材用于汽车的制动部件等时，要求相对于与之配合的滑动部件具有良好的耐磨损性，同时，在大多数情况下还要求高的切削加工精度和填缝加工精度。
例如，在汽车用防锁死制动系统执行元件(以下简称ABS元件)中，内装活塞和阀部件等的油缸部和油压回路沟等要进行切削加工，在部件组装后进行填缝密封。
因此，不仅要求强度，还要求相对于与之配合的滑动部件的耐磨损性、加工成复杂形状时的切削性以及填缝部对于液压油等的耐压性。
伴随着汽车重量日趋减轻，要求ABS元件也要进一步小型、轻量化，但目前还没有可以与此相适应的铝合金挤压材。
发明内容
本发明的目的是，提供能有效地同时提高彼此具有负的相关关系的强度、耐磨损性、切削性和填缝性等性能的铝合金挤压材。
本发明人对于能实现上述目的的合金组织进行了各种研究，结果得到含有Si3.0-6.0质量％、Mg0.1-0.45质量％、Cu0.01-0.5质量％、Mn0.01-0.5质量％，Fe控制在0.40-0.90质量％的范围内，余量由Al和不可避免的杂质组成的挤压材(以下，为简便起见将质量％表示为％)。
Si成分与Mg成分一起使得析出Mg2Si，通过时效硬化而获得强度，同时通过Si粒子而确保耐磨损性，从这个角度考虑，规定Si3.0-6.0％、Mg0.1-0.45％。
其中，Si的一部分与Mg形成Mg2Si，因而对耐磨损性有贡献的Si粒子受Mg添加量的影响很大。
因此，为了使挤压材的强度和耐磨损性稳定，优选的是将Mg的含量控制在0.3-0.45％的范围，最好是将Mg含量控制在0.3-0.4(0.4除外)％。
如果按以上所述将Mg的成分范围控制在较窄的范围内，可以使挤压材的强度稳定在较高的水平，同时容易控制对耐磨损性有贡献的Si粒子，如果将Si成分控制在4.1-5.1％范围，则耐磨损性也会稳定。
另外，Si和Mg虽然对于通过Mg2Si析出效应产生的强度具有正面的影响，但对于填缝性产生很大的负面影响。
因此，从强度角度考虑，Mg最低需要含有0.1％，从稳定的角度考虑，如上所述其含量在0.3％或以上为宜，但为了确保填缝性(粘着性)，Mg含量在0.45％或以下为宜，优选的是0.4％以下。
作为确保填缝性同时提高强度的措施，可以添加0.01-0.5％的Cu。
Cu在一定程度上固溶，故通过固溶作用提高强度，同时还提高切削性能。
为了确保填缝性，将Mg含量限制在0.45％或以下，相对于材料要求来说强度稍显不足，在这种情况下可以期待添加Cu所产生的效果。
但是，Cu的添加量增多时，有可能引起电位差腐蚀，因而希望将其含量控制在0.10-0.20％的范围。
Mn具有使挤压材的晶粒细化的作用，从提高切削性能的角度考虑，其添加量在0.01-0.5％就可以。
但是，当Mn在晶界析出时，有可能成为导电位差腐蚀的原因之一，同时还使填缝性降低，因而Mn的含量最好是控制在0.05-0.15％的范围。
在本发明中，一个突出的特征是控制了Fe的含量。
在挤压材中，Fe成分一般被视为杂质。
另外，还已证实Fe具有细化晶粒的作用。
但是，迄今为止对于填缝性的影响还没有充分研究后的报告实例。
本发明人对于将Fe含量作了微小改变的挤压材进行了试验评价，结果表明，添加Fe超过0.9％时，填缝性降低，但如果将Fe含量控制在0.40-0.90％的范围，可以保持填缝性，同时提高切削性能。
Fe含量在0.4％或以下时，未发现切削性能提高，优选的是将Fe含量限制在0.50％以上、0.90％或以下。
经过对金相组织观察推断，Fe粒子分散于晶粒边界处，在切削时形成的很薄的切屑容易以Fe粒子为起点而断裂，因而切削性能得到提高。
因此推断，Fe添加量超过0.9％时对填缝性(延伸率)产生不利的影响，是因为晶粒边界上析出过多Fe粒子所致。
因此，挤压材固溶处理后的人工时效处理条件，最好是对于填缝性和切削性能产生影响、稍微超过最高强度的过时效条件。
Cr具有细化晶粒的作用，可以根据需要添加，但添加超过0.5％时，有可能产生粗大的初晶生成物，致使填缝性降低，因而将Cr含量控制在0.01-0.5％为宜。
Ti也具有使晶粒细化的作用，含有微量的Ti时切削性能提高。
但是，其含量超过0.1％时，切削刀具的工作寿命缩短，因而添加时控制在0.01-0.1％的范围。
图1(表1)表示本发明的挤压材和比较用挤压材的铝合金成分，余量是铝和不可避免的杂质。
图2(表2)表示挤压材的人工时效条件和机械性能。
图3(表3)表示挤压材的切削性能和填缝性的评价结果。
图4(曲线图)表示镦粗率ε-约束因数f的关系。
具体实施例方式
浇铸图1(表1)所示合金成分的方坯(8英寸)，在460-590℃下进行6小时或以上的均匀化处理。
将该方坯降温至450-510℃，挤压成形为约35mm×80mm的矩形形状的挤压材。
进行固溶处理和人工时效处理等热处理，固溶处理的方法也可以是在挤压后重新加热、急冷，不过，在本实施方式中是在挤压模的附近挤压之后立即急冷淬火，然后通过规定的人工时效进行回火处理。
人工时效的条件示于图2(表2)中，时效一栏中的温度单位是℃。
例如，№1挤压材是在185℃进行4小时人工时效处理，其中所述时效处理的状态，“稳定”表示显示出该材料的大致最高抗拉强度的状态，“亚时效”是指在不到该材料固有的最高抗拉强度的状态下停止热处理，“过时效”是指进行热处理直至稍微超过该材料固有的最高抗拉强度的状态。
表2中示出挤压方向的抗拉强度、0.2％屈服强度以及挤压材表面部的洛氏B硬度(HRB)的测定结果。
作为填缝性(粘着性)的评价，表2中示出挤压方向的“延伸率”，表3中示出临界镦粗率和平均变形阻抗值。
这里所说的临界镦粗率，是指从挤压形材上沿挤压方向切取直径14mm×高21mm的试片，在冷状态下将其在轴向上进行镦锻压制，侧面上开始产生微小裂纹时的镦粗率。
临界镦粗率可以按下列公式求出。
εhc＝h0-hc/h0×100式中，εhc是临界镦粗率度(％)，h0是试片的原始高度，hc是产生裂纹时的试片高度。
试验条件是室温和10mm/s的压缩速度，使用25吨的万能精密试验机。
所述的平均变形阻抗值是指试片的侧面上产生裂纹时的材料的变形阻抗值，按照下列公式求出。
σ(hc)＝(P/A0)/f(N/mm2)式中，σ(hc)平均变形阻抗值P产生裂纹时的镦粗载荷A0试片的初始断面积f临界镦粗率时的约束因数f(ε(hc))根据图4所示的曲线图求出。
切削性能的评价在图3(表3)中用“最大切屑长度”和“长切屑总长度”表示。
这里所说的最大切屑长度是指在下列条件下产生的切屑中最大的切屑的长度，长切屑总长度是指产生的所有长切屑的长度的合计量。
切削试验条件刀具φ4.2×φ6.8阶梯复合钻头，转速1200rpm，进给量0.05mm/rev，加工量15mm，加工孔数3孔，切削油使用。
考察表1的挤压材的成分以及基于该成分的评价结果(表2、表3)。
挤压材1、2和3的Fe含量按照0.38％、0.68％、0.92％的量递增，与比较用的挤压材15(Fe0.29％)、16(Fe1.20％)、17(Fe1.50％)相比，挤压材15虽然延伸率较好，达到9.4％，但切屑长度较长，切削性能差。
挤压材16和17虽然切屑长度较短，切削性能良好，但延伸率变差，分别为7.2％和5.4％。
另外，挤压材16和17同样，临界镦粗率也变差。
将挤压材1和2比较，结果表明，延伸率和临界镦粗率，特别是平均变形阻抗差别很小，但切屑长度有差别，Fe含量高于0.38％者，可以确保填缝性，同时还可提高切削性能。
因此，挤压材4-10着眼于Fe含量的变化和Mg含量的变化，比较填缝性(延伸率、临界镦粗率、平均变形阻抗)和切削性能(最大切屑长度、长切屑总长度)，挤压材7、8、9和10的Mg含量大致相同，为0.39％，Fe含量以大约0.05％的量递增，抗拉强度和临界镦粗率几乎没有差别，切削性能变好。
将挤压材4、5和6进行比较，Fe的含量大致相同，为0.5％，Mg含量递增，分别为0.31％、0.35％、0.44％，对于切屑长度和临界镦粗率几乎没有产生影响，抗拉强度和屈服强度提高了。
由此可知，为了稳定地确保强度并且提高切削性能和填缝性，Mg含量在0.3-0.45％、Fe含量在0.40-0.90％的范围较为适宜。
为了使强度更稳定，保持填缝性良好并且提高切削性能，最好是将Mg含量控制在0.3％或以上-0.4％以下，将Fe含量控制在0.5％以上、0.90％或以下。
挤压材11和12以及挤压材13和14用于比较时效硬化的影响。
提高热处理温度、稍微过时效的挤压材，临界镦粗率、平均变形阻抗大致相同，即，在不牺牲填缝性的情况下可以缩短切屑长度，提高切削性能。
表2所示的过时效条件是提高了回火温度进行过时效，但也可以延长热处理时间进行过时效。
另外，在挤压材1-12中，将Si的含量在3.0-6.0％范围内进一步控制在4.1-5.1％的范围内，评价结果省略，不过耐磨损性能稳定。
以0.10-0.20％的范围添加Cu，也能稳定得到较高的强度。
以0.05-0.15％的范围添加Mn，对于提高切削性能也有贡献。
产业上的应用与以往的耐磨损性材料相比，使用本发明的挤压材，不仅同时具有耐磨损性、强度、硬度以及以往与这些性能相矛盾的填缝性(粘着性)，而且切削性能也很好，可以用来作为要求高耐压性、填缝性和切削性能的制品的铝合金挤压材。
权利要求
1.铝合金挤压材，其特征是，含有Si3.0-6.0质量％、Mg0.1-0.45质量％、Cu0.01-0.5质量％、Mn0.01-0.5质量％，Fe控制在0.40-0.90质量％的范围，余量由Al和不可避免的杂质组成，具有良好的切削性能、填缝性和耐磨损性。
2.铝合金挤压材，其特征是，含有Si4.1-5.1质量％、Mg0.3-0.45质量％、Cu0.10-0.20质量％、Mn0.05-0.15质量％，Fe控制在0.40-0.90质量％的范围，余量由Al和不可避免的杂质组成，具有良好的切削性能、填缝性和耐磨损性。
3.铝合金挤压材，其特征是，含有Si4.1-5.1质量％、Mg0.3-0.45质量％、Cu0.10-0.20质量％、Mn0.05-0.15质量％、以及Cr0.01-0.5质量％，Fe控制在0.40-0.90质量％的范围，余量由Al和不可避免的杂质组成，具有良好的切削性能、填缝性和耐磨损性。
4.铝合金挤压材，其特征是，含有Si4.1-5.1质量％、Mg0.3-0.4(0.4除外)质量％、Cu0.10-0.20质量％、Mn0.05-0.15质量％、Cr0.01-0.5质量％，Fe控制在0.40-0.90质量％的范围，余量由Al和不可避免的杂质组成，具有良好的切削性能、填缝性和耐磨损性。
5.铝合金挤压材，其特征是，含有Si4.1-5.1质量％、Mg0.3-0.4(0.4除外)质量％、Cu0.10-0.20质量％、Mn0.05-0.15质量％、Cr0.01-0.5质量％，Fe控制在0.50-0.90(0.50除外)质量％的范围，余量由Al和不可避免的杂质组成，具有良好的切削性能、填缝性和耐磨损性。
6.权利要求1-5中任一项所述的铝合金挤压材，其特征是，经过挤压和固溶处理，再进行过时效处理。
全文摘要
铝合金挤压材，其中，含有Si3.0－6.0质量％、Mg0.1－0.45质量％、Cu0.01－0.5质量％、Mn0.01－0.5质量％，Fe控制在0.40－0.90质量％的范围内，余量由Al和不可避免的杂质组成，具有良好的切削性能、填缝性和耐磨损性。特别优选的是，含有Si4.1－5.1质量％、Mg0.3－0.45质量％、Cu0.10－0.20质量％、Mn0.05－0.15质量％、Cr0.01－0.5质量％，Fe控制在0.50－0.90(0.50除外)质量％的范围内。另外，如果经过挤压和固溶处理，再进行过时效处理则更好。
文档编号C22F1/043GK1820088SQ0382699
公开日2006年8月16日 申请日期2003年9月1日 优先权日2003年9月1日
发明者东信行, 桥本欣次 申请人:爱信轻金属株式会社