耐高温脆性优异的易切削铝合金挤出材料

1.一种耐高温脆性优异的易切削铝合金挤出材料，其中，含有3～6质量％的Cu、
0.9～3质量％的Bi、0.1～1.5质量％的Si、0.1～2.0质量％的Fe以及1.8质量％以下的Mg，并任选含有少量的Cr、Zr和Mn中的一种或2种以上，还任选含有少量的Zn、Ti，且Pb或Sn为0.01质量％以下，余量为Al和不可避免的杂质，并且，该易切削铝合金挤出材料的摆锤式冲击试验值降低至室温测定值的一半时的温度为180℃以上。
2.权利要求1所述的耐高温脆性优异的易切削铝合金挤出材料，其中，Cu含量为
3.98～5.80质量％、Bi含量为1.00～2.65质量％、Si含量为0.12～1.12质量％、Fe含量为0.12～0.35质量％。

耐高温脆性优异的易切削铝合金挤出材料
技术领域
[0001] 本发明涉及一种易切削铝合金挤出材料，其为无铅易切削铝合金，且切削性优异。
背景技术
[0002] 铝合金由于具有容易切削的特性，因而常使用于轴承、光学零件、汽车部件等上。
在切削铝合金时，人们比较关注切屑的处理性，希望切屑为不连续的，并被切割得很细小。
尤其是最近几年，在利用横进刀进行切削的过程中，开始在切削刀具处设置前角以降低产品的表面粗糙度，因此切屑和切削刀具之间的冲突变小，切屑的切割变得困难。
[0003] 目前使用的切削性优异的铝合金包括，在Al-Cu合金中添加了Pb、Bi的JIS 2011合金，在Al-Mg-Si类合金中添加了Pb、Bi的JIS 6262合金等挤出材料。然而，随着近几年的对环境问题的关注，需要一种无铅易切削铝合金。因此，人们提出一种添加Sn-Bi的无铅合金来取代JIS 2011合金(添加Pb-Bi)使用的易切削铝合金，并且该易切削铝合金正在流通，其切削性、耐腐蚀性等方面几乎与JIS 2011合金是相当的(专利第2726444号)。
[0004] 然而，传统的这些易切削合金都具有在高速切削等的重切削条件下工件容易出现断裂的问题。这一问题是由工件因切削加工而生热，且达到例如135℃以上的高温，由此发生合金的脆化所引起的。在接近添加元素之间的共晶温度下，合金发生脆化，这一点可以通过摆锤式冲击试验值的温度依赖性测定中得以确认。此外，令人担心的是，通过切削加工成形的产品在高温下使用时也可能会发生脆性破坏。
[0005] 而且，含有Sn-Bi的易切削铝合金不仅在切削时出现断裂，在合金制备过程中，在拉伸前的制尖(口付け)或拉伸过程中出现断裂，导致产率下降。
[0006] 这些不仅发生在含Pb-Bi的易切削铝合金系中，而在含Sn-Bi的无铅易切削铝合金中表现更为突出。
发明内容
[0007] 鉴于上述情况，本发明的目的是要提供一种易切削铝合金挤出材料，在Al-Cu类合金中，即使不添加Pb也能够维持一定的切削性，且能够抑制高温脆化。
[0008] 本发明提供下述方案：
[0009] (1)一种耐高温脆性优异的易切削铝合金挤出材料，其中，含有3～6质量％的Cu以及1～3质量％的Bi，余量为Al和不可避免的杂质，摆锤式冲击试验值降低至室温测定值的一半时的温度为180℃以上。
[0010] (2)一种耐高温脆性优异的易切削铝合金挤出材料，其中，进一步含有选自0.1～
1.5质量％的Si和0.1～2.0质量％的Fe中的一种或两种。
[0011] 本发明的上述以及其他的特征和优点，可以通过适当参照附图，从下述记载中得到理解。
附图说明
[0012] 图1是表示实施例合金以及比较例、传统例的各合金的温度和摆锤式冲击试验值之间关系的曲线图。
[0013] 图2是表示本发明合金以及传统易切削合金的盐水喷雾试验结果(重量减少率)的柱状图。
[0014] 图3是表示本发明合金以及传统易切削合金的盐水喷雾试验结果(孔腐蚀深度)的柱状图。
具体实施方式
[0015] 下面对本发明的实施方案进行详细说明。
[0016] 首先，对本发明的易切削铝合金中添加的各元素的作用进行说明。
[0017] 铜(Cu)是以CuAl2等化合物的形式提高铝合金强度的元素。在铝合金中铜的含量为3.0～6.0质量％，优选5.0～6.0质量％。当铜含量小于下限值时，提高强度的效果不充分；当铜含量超过上限值时，合金铸锭的外表面品质降低，因此无法得到良好的铝合金挤出材料。
[0018] 硅(Si)不是本发明所必须添加的元素，但能够提高合金强度，因此可以添加，其含量优选0～1.5质量％。但是，当含量超过1.5质量％时，合金铸锭的外表面品质降低，因此无法得到良好的铝合金挤出材料。
[0019] 铁(Fe)不是本发明所必须添加的元素，但能够提高合金强度，因此也可以添加。
通过在铝合金中添加Fe，且在铝合金中以Al-Fe类化合物的形式存在，并提高合金强度，因此提高挤出材料的切削性。但是，当铁含量超过2.0质量％时，加速切削刀具的钝化，故不优选。因此，铁含量优选在0～2.0质量％，更优选在0.05～1.0质量％以下。
[0020] 通过添加铋(Bi)，可提高铝合金挤出材料切屑切断性。在合金中的铋含量为
0.9～3.0质量％，优选1.0～1.5质量％。
[0021] 在这里，传统的含Pb-Bi合金、含Sn-Bi合金中，由于铅(Pb)、锡(Sn)、Bi等低熔点金属几乎不固溶于铝中，所以彼此之间以形成化合物的形式而存在。这些化合物因切削、开孔等刀刃上的加工生热而发生熔融，切屑处出现切口，提高了切屑切断性。传统易切削铝合金，由于Pb-Bi化合物的熔点低至125℃，Sn-Bi化合物的熔点低至139℃，所以会因加工生热而熔融，可轻易发挥切屑切断性。而另一方面，这些化合物由于熔点低，在高温下会使合金发生脆化。
[0022] 相反，本发明的易切削铝合金挤出材料中，Al-Cu类合金是单独含有Bi的。Bi的熔点为271℃，与Pb-Si化合物、Sn-Bi化合物相比熔点要高，虽然其切屑切断性不及含Pb-Si合金和含Sn-Bi合金，但由于合金中Bi是以单质形式呈微细分散状态存在，因此表现出优异的切屑切断性，作为易切削合金是非常实用的。另外，Bi的熔点高，就使得即使在高温下合金也不易发生脆化。因此，本发明的易切削铝合金挤出材料作为无铅易切削铝合金，可以代替存在高温脆化问题的含Sn-Bi类合金，是非常有用的。当Bi的含量不足0.9％时，Bi的分散量不充分，切削断裂性变差。而Bi含量过多，其分散效果将会提高切屑切断性，当其含量超过3.0质量％时，铸造性变差(铸件表面变粗糙等)，因此无法得到良好的铝合金挤出材料。
[0023] 而且，本发明的易切削铝合金挤出材料很难发生高温脆化。具体来说，在120～
200℃的高温下，其摆锤式冲击试验值不会像传统的含有Sn-Bi或Pb-Bi的易切削铝合金那样急剧下降。
[0024] 具体而言，本发明的易切削铝合金挤出材料在摆锤式冲击试验值降低至室温测定值的一半所需的温度为180℃以上，优选在300℃附近使摆锤式冲击试验值降低至室温测定值的一半。
[0025] 本说明书以及权利要求中所说的室温是指25℃。
[0026] 其次，本发明的易切削铝合金挤出材料在不影响其发明效果的范围内，可以含有少量的镍(Ni)、铬(Cr)、锆(Zr)、锰(Mn)中的一种或两种以上，也可以含有少量的锌(Zn)、钛(Ti)。
[0027] 元素Ni在合金中形成化合物，因此，通过添加Ni而提高切屑切断性，但添加量过多，容易形成粗大化合物，导致强度降低、韧性降低。
[0028] 元素Cr、Zr、Mn使合金的重结晶粒细小化，因此，通过添加Cr、Zr、Mn而提高强度、韧性，但添加过量时会导致形成粗大化合物，因此导致强度、韧性的降低。元素Ti使铸造组织微小化，因此，通过添加Ti来提高合金的强度、韧性，但添加过多时会形成粗大化合物而导致强度、韧性的降低。
[0029] 另外，为提高合金强度也可以添加镁(Mg)，但优选添加1.8质量％以下。由于Mg形成高熔点的Mg-Bi化合物，Bi不能起到低熔点元素的作用，因此会阻碍切屑切断性。
[0030] 对于本发明合金的制备条件和热处理，在常规制备条件下，根据用途来选择热处理即可。例如，可选择热加工的T1，也可以选择进行固溶化、人工时效的T6，也可以选择进行固溶化、冷加工、人工时效的T8、T9。强度大的合金，其切屑切断性优异，因此特别优选固溶化后进行冷加工、人工时效的T3、T8、T9等调质处理。
[0031] 本发明的易切削铝合金挤出材料，Al-Cu类无铅合金的切削性与JIS2011合金等传统易切削合金相当，并具有优异的耐高温脆性和耐腐蚀性。
[0032] 实施例
[0033] 接下来基于实施例对本发明进行详细说明。
[0034] 将具有表1所示组成的合金熔融，得到直径为220mm的铸锭。在480℃下对该铸锭进行6小时的均质化处理。再通过400℃的挤出将该铸锭制成直径为35mm的挤出棒材。
将棒材分别在500℃下进行2小时的固溶化后，立即用水淬火。进一步通过拉伸将其制成
30mm的棒材，然后进行规定的时效处理，制成如表1所示的热处理材料。T8处理的时效条件为160℃、14小时。
[0035] 对由上获得的上述试验合金挤出材料进行切削试验、耐腐蚀试验以及摆锤式冲击试验等各种试验。
[0036] (1)切削试验
[0037] 使用上述试验合金挤出材料，进行外削的切削试验。切削条件为：转速2000rpm，切口量1mm，进给量0.04mm/rev.。
[0038] (2)耐高温脆性
[0039] 使用试验合金挤出材料，从室温至200℃的规定温度下进行摆锤式冲击试验。
[0040] (3)耐腐蚀试验
[0041] 使用试验合金挤出材料，进行JIS 2371盐水喷雾试验200小时，测定重量减少率以及孔腐蚀深度(孔食深さ)。
[0042] (4)硬度测定
[0043] 使用试验合金挤出材料进行维卡试验。负荷为5kg。
[0044] 切削试验结果如表1所示。对切屑切断性的评价是测定每100个切屑的重量以及用目视检查切屑的形状而做出的，但最终的切屑切断性的判断是从对切屑形状的目视检查结果来进行的。目视检查的判断基准如下：“切屑较细非常好”的评价为◎，“切屑长度较短接近传统易切削合金”的评价为○，“切屑长度较长”的评价为△，“切屑难切断、联结在一起”的评价为×。由表1的结果可知，单独添加Bi的本发明合金No.1～7的切屑切断性与含Sn-Bi合金(传统易切削合金8、8′)以及含Pb-Bi合金(传统易切削合金9、9′)相当。另外，如本发明合金4、4′，5、5′，即使含有微量的Pb或Sn，只要该含量在0.01％以下范围，则属于本发明的范围。
[0045] 另一方面，由于比较合金No.10～15、18、19的Bi含量不足本发明的下限规定量0.9质量％，Bi在合金中的分散量不充分，因此切屑切断性较差。此外，由于比较合金No.16～18的Cu含量不足本发明的下限规定量3.0％，不能得到足够的合金强度，因此切屑切断性较差。
[0046] 摆锤式冲击试验结果如图1所示。传统易切削合金(含有Sn-Bi的合金、含有Pb-Bi的合金)在130℃左右其摆锤式冲击试验值会急剧下降，而本发明合金(单独含有Bi的合金)以及比较合金(单独含有Sn的合金)至高温时冲击试验值未表现出明显下降。
另外，单独含有Sn的合金在摆锤式冲击试验值下降至室温测定值的一半所需的温度约为
170℃，而单独含有Bi的合金在至进行了试验的200℃的温度范围内，其摆锤式冲击试验值没有下降至室温测定值的一半，说明单独含有Bi的合金尤其难发生高温脆化现象。
[0047]
[0048] 耐腐蚀试验的结果如图2及图3所示。图2为200小时盐水喷雾后的重量减少率。
图2中，本发明合金(单独含有1.0％的Bi以及单独含有1.5％的Bi)的重量减少率与传统的易切削合金(含有Sn-Bi)相当，即重量减少率为0.4％。此外，图3表示200小时盐水喷雾后的孔腐蚀深度。图3中，本发明合金(单独含有1.0％的Bi以及单独含有1.5％的Bi)的孔腐蚀深度为300μm以下。
[0049] 以上结果显示，本发明的易切削铝合金挤出材料的耐腐蚀性与传统的易切削合金相当甚至更优异。
[0050] 工业实用性
[0051] 本发明的易切削铝合金挤出材料作为无铅易切削铝合金，是能够取代Sn-Bi系合金的非常有用的材料，其中，Sn-Bi系合金存在切削加工生热引起的成形品的脆性破坏、在合金制备工艺的拉伸过程中发生断裂等高温脆化的问题。
[0052] 以上对本发明及其实施方式进行了说明，在没有特别指定的情况下，不应用说明中的任何一个细节来限定本发明，不应违反所附的权利要求书所示的发明的精神和范围，而应在较宽范围内解释本发明。