专利名称：用于切削加工的铝合金和由其制成的铝合金加工件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于切削加工的无铅铝合金，还涉及一种由上述铝合金制成的铝合金加工件。
背景技术：
在对铝合金材料的切削加工中，由于切削加工过程产生连续的切屑，因此需要一处理切屑的步骤。并且还需要一去除在车削加工中产生于工件角部和在钻削加工中产生于所钻孔的周向的毛刺的步骤。在这种情况下，需要提供一种切削加工性能良好并且切屑容易破碎从而减小毛刺产生的铝合金。
为提高铝合金的切削加工性能，通常向铝合金中添加低熔点的Pb元素。这种切削加工性能良好的含铅铝合金的一个示例为A2011合金(JIS(日本工业标准)H4040)。但是，从全球环境保护的观点来看，优选避免制造和使用这种包含有害元素Pb的铝合金。鉴于此，例如已经研制出Pb含量有限的铝合金或者不添加Pb而添加Bi或Sn的铝合金(参见例如JP H2-85331 A(权利要求1至3)、JP 2000-328168 A(权利要求1至4)和JP 2001-240931 A(权利要求1至4))。
但是，由于上述无铅铝合金达不到足够的切削加工性能，因此还需要进一步的改进。此外，由于切削的铝合金材料有时需要进行阳极氧化涂镀处理，因此除了切削加工性能外还需要提高诸如镀层生成效率等性能以便快速形成一均匀的阳极氧化层。
发明内容
考虑到上述技术背景，本发明的一个目的是提供一种切削加工性能和涂镀加工性能良好的无铅铝合金，并且还提供由上述铝合金制成的铝合金加工件。
为达到上述目的，本发明具有以下结构特征(1)一种用于切削加工的铝合金，该铝合金的基本成分包括1～6.5质量％的Cu、0.05～1质量％的Zn、0.1～1质量％的Bi、0.1～1质量％的Sn和100质量ppm或更少的B；(2)如上述第(1)项所述的用于切削加工的铝合金，还包括至少一种选自下列元素的附加元素0.05～1质量％的Fe、0.01～0.3质量％的Mg、0.05～1质量％的Si和0.01～0.5质量％的Ti；(3)如上述第(2)项所述的用于切削加工的铝合金，其中Mg的含量为0.01～0.1质量％；(4)如上述第(1)至(3)项之一所述的用于切削加工的铝合金，其中Cu的含量为4～6质量％；(5)如上述第(1)至(4)项之一所述的用于切削加工的铝合金，其中Zn的含量为0.1～0.5质量％；(6)如上述第(1)至(5)项之一所述的用于切削加工的铝合金，其中Bi的含量为0.2～0.8质量％；(7)如上述第(1)至(6)项之一所述的用于切削加工的铝合金，其中Sn的含量为0.2～0.8质量％；(8)如上述第(1)至(7)项之一所述的用于切削加工的铝合金，其中B的含量为3～10质量％；(9)一种由如上述(1)至(8)项之一所述的用于切削加工的铝合金制成的铝合金加工件；(10)如上述第(9)项所述的铝合金加工件，其中所述铝合金加工件为一挤出件；(11)如上述第(9)项所述的铝合金加工件，其中所述铝合金加工件为通过对一原材料进行切削而制成的切削件；(12)如上述第(9)至(11)项之一所述的铝合金加工件，其中所述铝合金加工件的一表面上形成有一阳极氧化层。
根据如上述第(1)项所述的用于切削加工的铝合金，不需要添加Pb就可获得良好的切削加工性能、机械性能和涂镀加工性能。此外，该铝合金对切削刀具的磨损和/或破坏较少。
根据上述第(2)项所述的用于切削加工的铝合金能进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的含量的专门工序。
根据上述第(3)项所述的用于切削加工的铝合金可获得极好的强度和切削加工性能。
根据上述第(4)项所述的用于切削加工的铝合金可获得极好的切削加工性能和机械性能。
根据上述第(5)项所述的用于切削加工的铝合金可获得极好的切削加工性能、机械性能和涂镀加工性能。
根据上述第(6)项所述的用于切削加工的铝合金可获得极好的切削加工性能。
根据上述第(7)项所述的用于切削加工的铝合金可获得极好的切削加工性能。
根据上述第(8)项所述的用于切削加工的铝合金可获得极好的切削加工性能。
根据上述第(9)项所述的铝合金加工件，由于该加工件由根据上述第(1)至(8)项之一所述的用于切削加工的铝合金制成，所以该加工件具有良好的切削加工性能、机械性能和涂镀加工性能。
根据上述第(10)项所述的铝合金加工件是一具有良好的切削加工性能、机械性能和涂镀加工性能的挤出件。
根据上述第(11)项所述的铝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质量。
根据上述第(12)项所述的铝合金加工件由于形成有均匀的阳极氧化层，所以具有良好的表面质量。
具体实施例方式
下面具体说明向根据本发明的用于切削加工的铝合金中添加每种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铝合金中的基本元素包括Cu、Zn、Bi、Sn和B。
Cu元素是作为固体弥散体溶入铝母相(mother phase)中而且还作为一沉积材料例如与Al结合生成的CuAl2弥散到铝母相中的，这提高合金的机械性能并且增强其切削加工性能。此外，Cu与其它固体弥散体型元素的协合作用进一步增强了上述作用。如果Cu的含量低于1质量％，上述作用会变差。相反地，如果含量超过6.5质量％，则可能损害耐蚀性。因此，Cu的含量应在1～6.5质量％之间。优选Cu的含量为4～6质量％。
Zn元素是作为固体弥散体溶入铝母相中而且还作为沉积材料例如与Mg结合生成的MgZn2弥散到铝母相中的，这提高合金的机械性能并增强其切削加工性能。此外，Zn与其它固体弥散体型元素的协合作用进一步增强了上述作用。此外，如果Zn的含量在本发明所指定的范围内，则可提高阳极氧化层的生成速率。因此，可优选将根据本发明的铝合金用作一进行阳极氧化以提高耐蚀性和装饰效果等的产品。如果Zn的含量低于0.05质量％，上述作用会变差。相反地，如果Zn的含量超过1质量％，则阳极氧化层的生成速率将趋于饱和。因此，Zn的含量应在0.05～1质量％之间。优选Zn的含量为0.1～0.5质量％。更优选地，所述含量大于0.2质量％，但不大于0.5质量％。
如果Bi和Sn共存则形成一低熔点的Bi-Sn化合物，并且该化合物弥散到铝母相中。切削加工过程中产生的热可使弥散的Bi-Sn化合物熔化，从而使切屑熔融脆化(fusion embrittlement)，这增强了切屑的易碎性。这些元素中Bi的含量应在0.1～1质量％之间，而Sn的含量应在0.1～1质量％之间。如果每种元素的含量低于其下限，则上述作用会变差。相反地，如果每种元素的含量高于其上限，则将显著损害铸造性能。优选地，Bi和Sn的含量均为0.2～0.8质量％。
B的作用是通过细化铸造结构从而形成细小的结晶体来提高合金的切削加工性能。可通过添加少量的B来实现上述作用。如果B的含量超过100质量ppm，则会因使刀具磨蚀或破损而损害刀具的寿命。因此，B的含量应为100质量ppm或更少。优选B的含量为3～10质量ppm。
在上述用于切削加工的铝合金中，为进一步提高合金的各种性能，可从Fe、Mg、Si、Ti这四种元素中选择任意一种或两种或更多种添加到包含上述五种基本元素的铝合金的基础成分中。
由于当Fe与Si共存时较少量的Fe可与Si结合，所以Fe可使作为单个微粒对切屑的易碎性起作用的Si弥散，这可使切屑具有良好的易碎性。此外，虽然铝合金中不可避免地包含有Fe，但如果Fe的含量在0.05～1质量％之间，则由于所述含量为正常制造品质所允许的量，所以不需要用于降低Fe的含量的专门工序。如果要使Fe的含量降到0.05质量％以下就要增加成本。相反地，如果Fe的含量超过1质量％，则铸造件例如坯料的铸造表面就会变差，而且Si化合物的量也会增加，从而减少了单个的Si微粒，这继而损害了切屑的易碎性。优选Fe的量为0.05～0.5质量％。
Mg元素是作为固体弥散体溶入合金母相中以及通过与共存的Cu或Si结合而弥散在合金母相中的，这进一步提高铝合金的强度和切削加工性能。如果Mg的含量低于0.01质量％，则上述作用变差。相反地，如果Mg的含量超过0.3质量％，则(铝合金的)热加工性能变差。因此，Mg的含量应为0.01～0.3质量％。优选Mg的含量为0.01～0.1质量％。
由于只有少量的Si溶入铝中，所以Si-除了形成化合物所需的以外-作为单个微粒弥散在合金母相中，这提高铝合金的强度和切削加工性能。特别地，Si通过与Mg共存形成Mg2Si以增加强度。此外，Si共晶体的弥散还增强了上述提高切削加工性能的作用。如果Si的含量低于0.05质量％，则上述作用会变差。相反地，如果Si的含量超过1质量％，则虽然可提高切削加工性能，但对刀具的磨蚀和损耗也变得明显，从而缩短了刀具的寿命并损害了(合金的)热加工性能。因此，Si的含量应为0.05～1质量％。优选Si的含量为0.05～0.5质量％。
Ti通过再结晶抑制作用(recrystallization restrain effect)细化锭的组织(ingot texture)并形成细小的结晶体，这提高铝合金的机械性能和切削加工性能。此外，Ti还有提高耐蚀性的作用。如果Ti的含量低于0.01质量％，则再结晶抑制作用变差，从而例如容易在一挤出件的表面形成粗糙的再结晶晶粒，这使切屑在截面方向上的易碎性变得不稳定。此外，如果Ti的含量低于0.01质量％，则对机械性能的提高作用和对耐蚀性的提高作用变差。相反地，如果Ti的含量超过0.5质量％，则可能损害挤出坯料等的铸造加工性能。因此，Ti的含量应在0.01～0.5质量％之间。优选Ti的含量为0.01～0.1质量％。
从上述四种元素中任意选出至少一种或多种添加到上述五种基本元素中，就可实现相应的作用。
根据本发明的用于切削加工的铝合金的其它成分为例如不可避免的杂质和铝。
根据本发明的切削铝合金可被熔化，从而铸造成一诸如一板坯或一方坯的锭块，接着进行表面切削、均热，然后通过塑性加工例如通过一通用工艺进行的挤出或轧制而形成一预定的形状。上述步骤中的热处理、时效处理、清洗等也可通过通用工艺进行。所形成的铝合金材料可根据需要通过切削或阳极氧化处理广泛用作各种产品。应用示例包括光学设备部件-例如镜头架、镜头隔离套筒(相机锥筒)、相机三角架固定螺钉，办公自动化设备部件或电子装置部件，例如电磁线圈法兰、连接器的方螺母或外螺纹管。可通过例如将一铝合金锭挤出为一棒形挤出件或一环形挤出件，然后将这些挤出件切断并进行切削加工，之后进行阳极氧化处理来制造上述光学设备部件。
根据本发明的铝合金加工件是通过将上述用于切削加工的铝合金形成一预定的构型或者为改善耐蚀性和装饰效果进一步在其上形成一阳极氧化层而得到的。如上所述，由于该铝合金材料的化学成分使其具有良好的机械性能、切削加工性能和表面处理加工性能，因此该铝合金加工件可优选地用于上述各种应用中。
可通过任何方法使该铝合金材料成形以获得铝合金加工件。示例包括一通过对一挤出件或一原材料进行切削而形成的切削件和一轧制件。可进行切削加工的材料类型不局限于某特定类型，而可为任何材料例如一挤出材料或一轧制材料。在切削加工时，毛刺的产生得到抑制，从而易于加工，这继而使加工件具有了良好的表面质量。
在铝合金加工件中，可在成形加工后对工件进行阳极氧化处理以在其一表面上形成阳极氧化层。由于加工件是由具有良好的涂镀加工性能的合金材料加工而成的，因此可快速形成一均匀的镀层。从而，可以最大程度地实现由于形成镀层而产生的诸如耐蚀性和/或装饰效果得到提高的作用，从而使加工件具有良好的表面质量。阳极氧化处理的条件不局限于所提出的那些，而是可采用任何已知的方法。
示例试验A制备表1中所示的具有A1至A30号成分的铝合金。根据本发明的成分的A1至A21号铝合金包含Cu、Zn、Bi、Sn、B和剩余部分-即Al和杂质。A22至A30号合金为用于进行成分比较的合金。
将表1中所示的A1至A30号铝合金用作铸造材料，通过通用工艺铸造得到每个直径都为200mm的挤出坯料，然后对所述坯料进行均质化处理。此后，将坯料挤出成每个直径都为30mm的棒材。接下来，在495℃下将这些棒材进行5个小时的固溶处理，然后进行淬火处理。随后拉拔这些棒材使其直径变为25mm，从而得到加工过的材料T3。接下来，将所得到的材料置于130℃下进行14小时的人工时效处理，从而得到加工过的材料T8。将加工过的材料T8作为试件。
在所获得的每个试件断裂后测量其机械性能中的0.2％的弹性极限应力、抗拉强度和延伸率等，并根据下面的方法检验切削加工性能、刀具的磨损、耐蚀性和涂镀加工性能。然后，将这些结果与由含Pb的A2011号合金(JIS(日本工业标准)H4040)制成的挤出件的性能进行比较，并用以下四个等级做相对性评价。
◎好○相当△较差×差切削加工性能对每个试件进行湿法切削，其中切削速度为150m/min、进给速度为0.2mm/rev、切削深度为1.0mm。然后以每100克切屑为单位检验切屑的易碎性，从而通过切屑的易碎性来评价切削加工性能。
刀具磨损对每个试件用高速钢单刃刀具(byte)连续进行5分钟的干法切削，其中切削速度为200m/min、进给速度为0.2mm/rev、切削深度为3mm。然后测量刀具刃侧的磨损宽度。
耐蚀性根据JIS(日本工业标准)Z2371进行中性盐雾试验，从而根据每个试件在1000小时的盐雾试验后的质量损失来评价其耐蚀性。
涂镀加工性能通过通用工艺使每个试件形成阳极氧化层，从而根据所生成的阳极氧化层的厚度来评价涂镀加工性能。
结果也在表1中示出。
表1
表1中所示的结果已经证实(1)根据本发明的用于切削加工的铝合金不添加Pb就可具有与A2011合金相当的或优于A2011合金的良好的切削加工性能和机械强度，(2)可减少因切削加工而对刀具造成的磨损，(3)该铝合金具有良好的耐蚀性和阳极氧化涂镀加工性。
试验B制备表2中所示的具有B1至B26号成分的铝合金。B1至B11号合金是通过将四种可选的元素(Fe、Mg、Si、Ti)添加到A3号合金的基本成分中而形成的。B12至B22号合金是通过将四种可选的元素添加到A19号合金的基本成分中而形成的。B23至B26号合金为进行成分比较的合金。
将这些铝合金用作铸造材料，并通过与上述试验A中相同的方法制造试件。然后，用与试验A中相同的方法检验每个试件的机械性能、切削加工性能、刀具的磨损、耐蚀性和涂镀加工性能。然后，将B1至B11号、B23至B26号合金的结果与作为比较材料的A3号合金的结果进行比较，将B12至B22号合金的结果与作为比较材料的A19号合金的结果进行比较。用以下四个等级做相对性评价。
◎好○相当△较差×差结果也在表2中示出。
表2
表2中所示的结果已经证实向基本成分中添加Fe、Mg、Si、Ti可以进一步提高切削加工性能和机械性能。此外，B1、B2、B12和B13号合金已经证实如果Fe的含量在本发明限定的范围内，则不需要专门工序就可以获得用于切削加工的铝合金。
相反地，在B23号合金中，铸造坯料的铸造表面质量差，而且挤出试件的质量也差。B24和B25号合金的挤出加工性能差，从而非常难以成形。此外，B25号合金对切削刀具的磨损很严重。B26号合金的坯料铸造加工性能差，从而很难铸造坯料。
此处采用的术语和措辞仅用于说明而没有限制性，所用的术语和措辞不排除任何与本文所示出和说明的特征等效的特征或部分，在本发明权利要求的范围内可进行各种变型。
工业实用性根据本发明的铝合金具有良好的切削加工性能、机械性能和涂镀加工性能，因此该铝合金可被广泛地用于制造各种铝制件。此外，由于该铝合金不合铅，因此从环保的角度推荐使用。
权利要求
1.一种用于切削加工的铝合金，该铝合金的基本成分包括1～6.5质量％的Cu、0.05～1质量％的Zn、0.1～1质量％的Bi、0.1～1质量％的Sn和100质量ppm或更少的B。
2.如权利要求1所述的用于切削加工的铝合金，其特征在于，还包括至少一种选自下列元素的附加元素0.05～1质量％的Fe、0.01～0.3质量％的Mg、0.05～1质量％的Si和0.01～0.5质量％的Ti。
3.如权利要求2所述的用于切削加工的铝合金，其特征在于，所述Mg的含量为0.01～0.1质量％。
4.如权利要求1至3之一所述的用于切削加工的铝合金，其特征在于，所述Cu的含量为4～6质量％。
5.如权利要求1至4之一所述的用于切削加工的铝合金，其特征在于，所述Zn的含量为0.1～0.5质量％。
6.如权利要求1至5之一所述的用于切削加工的铝合金，其特征在于，所述Bi的含量为0.2～0.8质量％。
7.如权利要求1至6之一所述的用于切削加工的铝合金，其特征在于，所述Sn的含量为0.2～0.8质量％。
8.如权利要求1至7之一所述的用于切削加工的铝合金，其特征在于，所述B的含量为3～10质量％。
9.一种由如权利要求1至8之一所述的用于切削加工的铝合金制成的铝合金加工件。
10.如权利要求9所述的铝合金加工件，其特征在于，所述铝合金加工件为一挤出件。
11.如权利要求9所述的铝合金加工件，其特征在于，所述铝合金加工件为一通过对一原材料进行切削而制成的切削件。
12.如权利要求9至11之一所述的铝合金加工件，其特征在于，所述铝合金加工件的一表面上形成有一阳极氧化层。
全文摘要
本发明公开了一种用于切削加工的铝合金，其基本成分包括1～6.5质量％的Cu、0.05～1质量％的Zn、0.1～1质量％的Bi、0.1～1质量％的Sn以及100质量ppm或更少的B，或者还包含下列附加元素中的至少一种0.05～1质量％的Fe、0.01～0.3质量％的Mg、0.05～1质量％的Si和0.01～0.5质量％的Ti。
文档编号C22C21/12GK1703528SQ20038010119
公开日2005年11月30日 申请日期2003年10月9日 优先权日2002年10月9日
发明者吉冈大贵, 山中雅树, 松冈秀明 申请人:昭和电工株式会社