【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウムまたはアルミニウム合金のマトリックス中に、微細な初晶が球状に分散したアルミニウムまたはアルミニウム合金を製造するレオキャスト鋳造法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種製品について軽量化が要請されており、従来、鋳鉄製であった製品も、軽量なアルミニウム合金製に急速に移行しつつある。特に、自動車等の場合、軽量化は燃費向上に非常に有効であり、環境改善にも役立つ。自動車分野を例にとれば、種々の部品をアルミニウム合金化することが検討されており、従来なら比較的、強度や延性への要求が緩やかであった薄型または大型の鋳物、特にダイカスト鋳物においても、高強度、高延性が要求されてきている。そして、高強度、高延性の薄肉大型鋳物等を製作する方法として、例えば、鋳型内を真空引きして鋳造した後や、逆に鋳型内に酸素を充満させて鋳造した後（特殊ダイカスト後）に、熱処理する方法等が従来から提案されている。しかし、熱処理により鋳物に歪み（ふくれ、変形等）が発生し、これを抑制することは難い。また、薄肉で、大型な鋳物になるほど、その熱処理時の歪みが大きくなり、別途、その歪を矯正する必要があり、コスト高となる。
【０００３】
一方、アルミニウムまたはアルミニウム合金のマトリックス中に強化粒子として炭化チタンを分散させたアルミニウム複合材料が知られている。この複合材料は、例えば下記特許文献１に開示されているように、Ｔｉ粉末若しくはＺｒ粉末と黒鉛粉末とＡｌ粉末又はＡｌ合金粉末とよりなる成形体を形成し、前記成形体中にＡｌ又はＡｌ合金の溶湯を含浸させ、前記成形体を不活性雰囲気中にて１０００〜１８００℃に加熱して前記成形体中にＴｉＣ粒子若しくはＺｒＣ粒子を生成させ、しかる後前記成形体をＡｌ又はＡｌ合金の溶湯中に溶解させることにより製造される。これにより、生成するＴｉＣ粒子若しくはＺｒＣ粒子の粗大化や凝集が抑制されるので、ＴｉＣ粒子若しくはＺｒＣ粒子が微細で均一に分散された良好な複合材料を製造することができ、またＴｉＣ粒子若しくはＺｒＣ粒子生成前の予含浸工程に於てはＴｉ若しくはＺｒのゲッター効果により成形体中にＡｌ又はＡｌ合金の溶湯が迅速に浸透すると共に、マトリックスとしてのＡｌ又はＡｌ合金の溶湯を機械的に激しく撹拌しなくても複合材料母材は容易に溶湯中に溶解するので、複合材料を容易に且能率よく製造することができる。
【０００４】
また、本出願人は、下記特許文献２に開示されているように、チタンを含有するアルミニウム合金の溶湯に炭素粉末を添加し、溶湯中でｉｎ−ｓｉｔｕ 反応により炭化チタンを生成させた後、溶湯を凝固する方法を行った。しかし、この方法では、炭素粒子はアルミニウム合金溶湯との濡れ性が低いため、溶湯中に取り込まれ難く、溶湯と均一に混合し難い。その結果、溶湯体積内に均一に炭化チタン粒子が生成し難いため、凝固により得られる複合材料は炭化チタン粒子が均一に分散しておらず、所期の分散強化作用が十分に得られない。例え長時間の渦流攪拌を行っても、均一性の高い分散を達成することは非常に困難であり、その上、長時間を要するため生産性も低く実用的ではない。
【０００５】
その解決策として、本出願人は、下記特許文献３において、チタンを含有するアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯に炭素粒子を添加しつつ該溶湯に超音波振動を付与し且つ渦流攪拌を行う方法を提案した。この方法によれば、溶湯に付与した超音波振動のエネルギーにより個々の炭素粒子と溶湯との界面が活性化されることで、濡れ性が高まると共に化学反応が促進されて、溶湯中への炭素粒子の取り込みと混合が促進され同時に炭化チタンの生成が促進される。更に、渦流攪拌により炭素粒子が、そして生成した炭化チタン粒子が、溶湯体積全体に渡って均一に分散される。
【０００６】
また、本出願人は、下記特許文献４において、アルミニウムまたはアルミニウム合金から成る金属マトリクス中に炭化チタン粒子が分散している金属基複合材料の製造方法において、チタンの粉末と、炭素またはその化合物の各粉末と、アルミニウムまたはアルミニウム合金粉末とから成る成形体に、該アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を含浸させた後、成形体の全体を不活性雰囲気中にて急速加熱することにより成形体中で発熱反応である該チタンとまたはアルミニウム合金との化合反応を生じさせ、この化合反応の発熱により該成形体を自動的に急速昇温させて該成形体中で前記化合物粒子の生成反応を生じさせる方法を提案した。
【０００７】
しかし、これらの方法で鋳造されるアルミニウムまたはアルミニウム合金の組織構造は、初晶がデンドライト構造と呼ばれる樹脂状であり、引張強さや伸び率において十分なものではなかった。
【０００８】
他方、金属の半溶融加工法としては、レオキャスト鋳造法とチクソキャスト鋳造法が知られており、どちらも溶融状態の金属（液相）と固体状態の金属（固相）とが混在する固液共存状態の金属スラリーを用いて鋳造する点で共通するが、両者は次の点で相違する。即ち、レオキャスト鋳造法では、溶融金属を固液共存域まで冷却して半凝固状態となった金属をダイカスト機の加圧スリーブに装填して鋳造するのに対して、チクソキャスト鋳造法では、金属ビレットと称される固体の金属塊を固液共存域まで加熱して半溶融状態となした金属をダイカスト機の加圧スリーブに装填して鋳造するものである。そのため、レオキャスト鋳造法はセミソリッド（半凝固）鋳造法とも称され、またチクソキャスト鋳造法は半溶融鋳造法とも称されている。
【０００９】
レオキャスト鋳造に用いる半凝固金属は、初晶（１次粒子）が液状マトリックスにより互いに分離した状態に維持し、その結晶粒子ができるだけ微細で且つ均一な非樹枝状（好ましくは球状）であることが望ましい。そうすれば、高固相率で低粘度の半凝固金属となった状態で鋳造成形することが可能となり、鋳造された製品の収縮巣の発生を抑制し得ると共に鋳造製品の機械的強度を向上させることができることが知られている。
【００１０】
そこで従来では、例えば下記特許文献５に開示された如く、レオメーカーを用い、レオメーカー中で溶融金属を撹拌しながら冷却して半凝固金属を製造していた。しかし乍ら、レオメーカー中で撹拌されている溶融金属には温度分布にばらつきが生じやすく、そのために安定した固相率でしかも１次粒子（初晶）を良好な粒径に球形状化することが非常に難しく、従って性状が安定した半凝固金属を連続して得ることが出来ない不具合があった。
【００１１】
【特許文献１】
特開平６−１７１６５号公報
【特許文献２】
特開２０００−１１９７９１号公報
【特許文献３】
特開平１０−２５１７７６号公報
【特許文献４】
特開２０００−１４４２８１号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本出願人が提案した上記の方法により、アルミニウムまたはアルミニウム合金のマトリックス中に強化材である炭化チタン粒子を均一に分散させたアルミニウム基複合材料を、実用的な短時間の処理で安定して製造できるようになった。このように炭化チタン粒子による所期の分散強化作用を発揮できるある程度均一な分散が達成されたが、強度特性のうち特に引張強さや伸び率を更に向上させる要請が高まっている。
【００１３】
本発明は、強度特性のうち特に引張強さや伸び率を更に向上させたアルミニウムまたはアルミニウム合金や、炭化チタン粒子分散強化型アルミニウム基複合材料の新規な製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、アルミニウムまたはアルミニウム合金の製造法として、レオキャスト鋳造法が採用される。
【００１５】
即ち、第１に、本発明は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を溶解容器に入れ、炭化チタンの介在の下、該溶湯を撹拌し、アルミニウムまたはアルミニウム合金の初晶の核を生成し、該初晶の核を溶湯中に分散してアルミニウムまたはアルミニウム合金の初晶を形成しつつ、該溶湯を半凝固状態とし、鋳造することを特徴とするアルミニウムまたはアルミニウム合金のレオキャスト鋳造法である。
【００１６】
本発明においては、単にアルミニウムまたはアルミニウム合金の製造法としてレオキャスト鋳造法を採用しただけでなく、炭化チタンの介在の下、アルミニウムまたはアルミニウム合金の初晶の核を生成し、該初晶の核を溶湯中に分散してアルミニウムまたはアルミニウム合金の初晶を形成しつつ、該溶湯を半凝固状態とし、鋳造することを特徴としている。ここで、炭化チタンを介在させるとは、炭化チタンを初晶の核の生成を促す触媒的物質として用いることを意味し、該炭化チタンは、アルミニウムまたはアルミニウム合金中に残存しない場合と、アルミニウムまたはアルミニウム合金中の初晶中に残存する場合の両者を含む。
【００１７】
本発明において、アルミニウム及びアルミニウム合金は制限されず、従来より知られたものを広く用いることが出来る。
【００１８】
本発明により、アルミニウムまたはアルミニウム合金中の初晶を球状かつ微細にすることにより、鋳造材の特性を向上させることができた。
【００１９】
第２に、本発明は、炭化チタンを介在させる手段を、表面に炭化チタンコーティングを施した撹拌子を用いて撹拌することに限定するものである。即ち、アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を溶解容器に入れ、該溶解容器中で該溶湯を表面に炭化チタンコーティングを施した撹拌子を用いて撹拌し、該炭化チタンの介在の下、アルミニウムまたはアルミニウム合金の初晶の核を生成し、該初晶の核を溶湯中に分散してアルミニウムまたはアルミニウム合金の初晶を形成しつつ、該溶湯を半凝固状態とし、鋳造することを特徴とするアルミニウムまたはアルミニウム合金のレオキャスト鋳造法である。
【００２０】
ここで、撹拌子の材質、形状、大きさは特に限定されないが、耐久性、耐熱性等の点から、セラミック製の棒状で先端に撹拌用のふくらみを有し、表面をＣＶＤコーティングでＴｉＣ層が設けられたものが好ましく例示される。
【００２１】
図１は本発明の溶湯の撹拌を示す模式図である。図１（ａ）に示すように、炭化チタンコーティングを施した撹拌子を用いて撹拌することにより、撹拌子の表面で初晶が形成され、溶湯中へと分散していく。
【００２２】
撹拌子にＴｉＣコーティングを施し、撹拌子表面で初晶の核生成を生じさせることにより、以下のような作用・効果が奏される。
▲１▼アルミの凝固核となるＴｉＣ層を撹伴子にコーティングすることにより、固液共存域での撹拌子上における初晶の核生成を促進する。
▲２▼生成した初晶を撹拌子の回転により溶湯中に分散させる。
▲３▼溶湯の撹拌により初晶の粗大化を抑制する。
▲４▼微細かつ球状の初晶が所定の量に達する温度で鋳造（圧力鋳造もしくはダイカスト）することが出来る。
【００２３】
第３に、本発明は、炭化チタンを介在させる手段を、内部表面に炭化チタンコーティングを施した溶解容器を用いることに限定するものである。即ち、アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を内部表面に炭化チタンコーティングを施した溶解容器に入れ、該溶解容器中で該溶湯を撹拌し、該炭化チタンの介在の下、アルミニウムまたはアルミニウム合金の初晶の核を生成し、該初晶の核を溶湯中に分散してアルミニウムまたはアルミニウム合金の初晶を形成しつつ、該溶湯を半凝固状態とし、鋳造することを特徴とするアルミニウムまたはアルミニウム合金のレオキャスト鋳造法である。
【００２４】
ここで、内部表面に炭化チタンコーティングを施した溶解容器（坩堝）の材質、形状、大きさは特に限定されないが、耐久性、耐熱性等の点から、セラミック製の坩堝の内部表面にＣＶＤコーティングでＴｉＣ層が設けられたものが好ましく例示される。
【００２５】
図１（ｂ）に示すように、内部表面に炭化チタンコーティングを施した坩堝を用いて撹拌することにより、坩堝の表面で初晶が形成され、溶湯中へと拡散していく。
【００２６】
溶解容器（坩堝）の内部表面にＴｉＣコーティングを施し、溶解容器（坩堝）の内部表面（壁面）で初晶の核生成を生じさせることにより、以下のような作用・効果が奏される。
▲１▼アルミの凝固核となるＴｉＣ層を坩堝などの溶解容器の炉壁にコーティングすることにより、固液共存域での炉壁における初晶の核生成を促進する。
▲２▼生成した初晶を撹伴により溶湯中に分散させる。（ここで、撹拌法は、機械撹拝、電磁撹拌等が用いられる。）
▲３▼溶湯の撹拌により初晶の粗大化を抑制する。
▲４▼微細かつ球状の初晶が所定の量に達する温度で鋳造（圧力鋳造もしくはダイカスト）することが出来る。
【００２７】
第４に、本発明は、炭化チタンを介在させる手段を、表面に炭化チタンコーティングを施した撹拌子を用い、かつ内部表面に炭化チタンコーティングを施した溶解容器にて撹拌することに限定するものである。即ち、アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を表面に炭化チタンコーティングを施した溶解容器に入れ、該溶解容器中で該溶湯を表面に炭化チタンコーティングを施した撹拌子を用いて撹拌し、該炭化チタンの介在の下、アルミニウムまたはアルミニウム合金の初晶の核を生成し、該初晶の核を溶湯中に分散してアルミニウムまたはアルミニウム合金の初晶を形成しつつ、該溶湯を半凝固状態とし、鋳造することを特徴とするアルミニウムまたはアルミニウム合金のレオキャスト鋳造法である。
【００２８】
図１（ｃ）に示すように、炭化チタンコーティングを施した撹拌子と内部表面に炭化チタンコーティングを施した坩堝を用いて撹拌することにより、撹拌子の表面と坩堝の表面で初晶が形成され、溶湯中へと拡散していく。
【００２９】
表面に炭化チタンコーティングを施した撹拌子と、内部表面に炭化チタンコーティングを施した溶解容器を併用することで奏される作用・効果は、上記第２及び第３の発明と同様である。
【００３０】
第５に、本発明は、炭化チタンを介在させる手段を、該溶湯中に炭化チタン粒子を添加することに限定するものである。即ち、アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を溶解容器に入れ、該溶湯中に炭化チタン粒子を添加し、該溶解容器中で該溶湯を撹拌し、該炭化チタンの介在の下、アルミニウムまたはアルミニウム合金の初晶の核を生成し、該初晶の核を溶湯中に分散してアルミニウムまたはアルミニウム合金の初晶を形成しつつ、該溶湯を半凝固状態とし、鋳造することを特徴とするアルミニウムまたはアルミニウム合金のレオキャスト鋳造法である。
【００３１】
溶湯中に添加される炭化チタン粒子の形状、大きさに限定はなく、上記各特許文献に記載されたような、炭化チタン粒子の成形体（ペレット）などが好ましく例示される。
【００３２】
このように、溶湯にＴｉＣ微粒子を添加した後、撹拌をしながら固液共存状態まで溶湯温度を低下させ鋳造する。ＴｉＣの添加量は、アルミ合金溶湯に０．０１〜３ｗｔ％のＴｉＣ粒子を添加するのが好ましい。ＴｉＣ粒子の平均粒子径は５μｍ以下が望ましい。また、ＴｉＣ粒子の添加手法としては反応生成により作製したＡｌ−ＴｉＣペレットの添加が望ましい。
【００３３】
図１（ｄ）に示すように、炭化チタン粒子を添加することにより、炭化チタン粒子が核となって初晶が形成され、溶湯中へと拡散していく。
【００３４】
溶湯中に炭化チタン粒子を添加することによって奏される作用・効果は以下のものである。
▲１▼ＴｉＣ粒子により、固液共存域での初晶の核生成を促進する。
▲２▼生成した初晶を撹伴によりにより溶湯中に分散させる。（ここで、撹拌法は、機械撹拝、電磁撹拌等が用いられる。）
▲３▼溶湯の撹拌により初晶の粗大化を抑制する。
▲４▼微細かつ球状の初晶が所定の量に達する温度で鋳造（圧力鋳造もしくはダイカスト）することが出来る。
【００３５】
上記、第３及び第５の発明において、溶湯を撹拌する手段は制限されず、機械的撹拌及び／または非機械的撹拌を用いることができる。この中で、撹拌子を用いて、溶解容器中の溶湯を機械的に撹拌する方法、及び高周波撹拌法又は超音波振動付与法を用いて、溶解容器中の溶湯を非機械的に撹拌する方法が好ましく例示される。超音波振動は、溶湯の撹拌を促進させる効果が得られる周波数であればよく、特に限定する必要はないが、一般に２０ｋＨｚ程度あるいはそれ以上の周波数を用いる。
【００３６】
第６に、本発明は、表面に炭化チタンコーティングを施した撹拌子と、内部表面に炭化チタンコーティングを施した溶解容器を併用するとともに、溶湯中に炭化チタン粒子を添加するものである。即ち、アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を内部表面に炭化チタンコーティングを施した溶解容器に入れ、該溶湯中に炭化チタン粒子を添加し、該溶解容器中で該溶湯を表面に炭化チタンコーティングを施した撹拌子を用いて撹拌し、該炭化チタンの介在の下、アルミニウムまたはアルミニウム合金の初晶の核を生成し、該初晶の核を溶湯中に分散してアルミニウムまたはアルミニウム合金の初晶を形成しつつ、該溶湯を半凝固状態とし、鋳造することを特徴とするアルミニウムまたはアルミニウム合金のレオキャスト鋳造法である。
【００３７】
【実施例】
以下、本発明の実施例と比較例を示す。
［実施例１］
撹拌子にＴｉＣコーティングを施し、撹拌子表面で初晶の核生成を生じさせる。
ＡＣ４ＣＨ合金（Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金）３ｋｇを７００℃で溶解し、坩堝に入れた。長さ１７０ｍｍ、直径１５ｍｍ、先端に直径５０ｍｍの半球状を有するセラミックス製撹拌にＣＶＤコーティングで厚さ２０μｍのＴｉＣ層をコーティングした。この撹拌子を溶湯中に挿入し、撹拌子を１００ｒｐｍで回転させながら、溶湯温度を低下させる。
【００３８】
溶湯温度が５９３℃（固層率約５０％）まで低下した時点で、鋳造溶湯をφ１００の金型に移し、２００ＭＰａの圧力を２分間加えて鋳造材を得た。
【００３９】
得られた鋳造材の内部組織の模式図は図２（ａ）のようであった。図２（ａ）に示されるように、得られた鋳造材の初晶は球状であり、粒径７０μｍであった。また、斜線部は共晶であった。なお、下記比較例２（図２（ｃ））に示すように、一般のＡＣ４Ｈレオキャスト材では粒径１００μｍであった。
【００４０】
［実施例２］
坩堝（内壁）にＴｉＣコーティングを施し壁面で初晶の核生成を生じさせる。
ＡＣ４ＣＨ合金３ｋｇを７００℃で溶解した。溶解に使用した黒鉛坩堝内壁には２０μｍ厚でＴｉＣをコーティングした。セラミック製撹拌子を１００ｒｐｍで回転させながら溶湯温度を低下させた。
【００４１】
溶湯温度が５９３℃（固層率約５０％）まで低下した時点で鋳造溶湯をφ１００の金型に移し、２００ＭＰａの圧力を２分間加えて鋳造材を得た。
図２（ａ）に示されるように、得られた鋳造材の初晶は球状であり、粒径７５μｍであった。
【００４２】
［実施例３］
溶湯にＴｉＣ微粒子を添加した後、撹拌をしながら固液共存状態まで溶湯温度を低下させ鋳造する。
ＡＣ４ＣＨ合金を８００℃で溶解した。Ａｌ−５０ＴｉＣペレットを予めＴｉＣ量１０％まで希釈したＡｌ−１０ＴｉＣ母合金とし、これを所定量のＡＣ４ＣＨ合金溶湯に添加した。（なお、ＴｉＣ：０．０１〜３ｗｔ％であり、ＴｉＣ：０．０１ｗｔ％未満では初晶の微細化効果は得られず、ＴｉＣ：３ｗｔ％を越えると溶湯の粘度が高くなり過ぎ、均一なスラリーを得ることはできなかった。）
【００４３】
撹拌子を１０００ｒｐｍで回転させながら上記溶湯温度を低下させる。溶湯温度が５９３℃（固層率約５０％）まで低下した時点で鋳造溶湯をφ１００の金型に移し、２００ＭＰａの圧力を２分間加えて鋳造材を得た。
【００４４】
図２（ｂ）に示されるように、得られた鋳造材の初晶は球状であり、初晶中に微細なＴｉＣ粒子が分散していた。初晶の粒径は５０〜７０μｍであった。斜線部は共晶であった。
【００４５】
［比較例１］
重力鋳造とした以外は実施例１と同様に行った。図２（ｃ）に示されるように、得られた鋳造材の初晶はデンドライト構造（樹脂状）であり、斜線部は共晶であった。
【００４６】
［比較例２］
撹拌子も坩堝表面もＴｉＣコーティングしなかった以外は実施例１と同様に行った。得られた鋳造材の初晶の粒径は１００μｍであった。
【００４７】
［引張試験］
実施例１〜３、比較例１，２で得られた鋳造材について、引張試験を行った。試験片はＪＩＳ１４Ａ号に従い、平行部（φ５）、標点距離（２５ｍｍ）とし、１ｍｍ／ｍｉｎのクロスヘッドスピードで引張った。引張試験は５回行い、その平均を求めた。結果を表１に示す。
【００４８】
【表１】
【００４９】
表１の結果より、本発明の方法によって得られた鋳造材は、重力鋳造法や、炭化チタンを介在させない単なるレオキャスト方法によって得られた鋳造材に比べて、何れも、引張強さと伸び率が大幅に向上したことが分る。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を、炭化チタンの介在の下、レオキャスト鋳造法を行うことにより、微細な粒径の初晶が偏析することなく均一に分散し、強度特性のうち特に引張強さや伸び率を更に向上させたアルミニウムまたはアルミニウム合金や、炭化チタン粒子分散強化型アルミニウム基複合材料が製造することが出来る。
【００５１】
また、これに付随して、以下のような効果が奏される。（１）装置が小型であり、低コストである。（２）大物の鋳造が容易である。（３）初晶のサイズが微細である。（４）温度コントロールが容易であるため、展伸材合金等の固液共存領域が狭い合金への適用が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の溶湯の撹拌を示す模式図である。図１（ａ）は炭化チタンコーティングを施した撹拌子を用いて撹拌。図１（ｂ）は内部表面に炭化チタンコーティングを施した坩堝を使用。図１（ｃ）は炭化チタンコーティングを施した撹拌子を用い、かつ内部表面に炭化チタンコーティングを施した坩堝を使用。図１（ｄ）は溶湯に炭化チタン粒子を添加。
【図２】得られた鋳造材の内部組織の模式図。図２（ａ）は実施例１及び２の鋳造材。図２（ｂ）は実施例３の鋳造材。図２（ｃ）は比較例１の鋳造材。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a rheocasting method for producing aluminum or an aluminum alloy in which fine primary crystals are dispersed spherically in a matrix of aluminum or an aluminum alloy.
[0002]
[Prior art]
In recent years, there has been a demand for weight reduction of various products, and products that were conventionally made of cast iron are rapidly shifting to lightweight aluminum alloy products. In particular, in the case of automobiles and the like, reducing the weight is very effective for improving fuel efficiency and is also useful for improving the environment. Taking the automotive field as an example, aluminum alloys for various components have been studied.Conventionally, demands for strength and ductility have been relatively low, even in thin or large castings, especially die castings. , High strength and high ductility have been required. As a method of manufacturing a high-strength, high-ductility thin-walled large casting, for example, after evacuation of the inside of the mold and casting, or conversely, after filling the inside with oxygen and casting (after special die casting) Conventionally, a heat treatment method and the like have been proposed. However, distortion (blistering, deformation, etc.) occurs in the casting due to the heat treatment, and it is difficult to suppress this. In addition, as the casting becomes thinner and larger, the distortion during the heat treatment increases, and it is necessary to correct the distortion separately, which increases the cost.
[0003]
On the other hand, an aluminum composite material in which titanium carbide is dispersed as reinforcing particles in a matrix of aluminum or an aluminum alloy is known. As disclosed in Patent Document 1 below, for example, this composite material forms a compact including Ti powder or Zr powder, graphite powder, Al powder, or Al alloy powder, and Al or Al is contained in the compact. The molded body is impregnated with a molten metal, and the molded body is heated to 1000 to 1800 ° C. in an inert atmosphere to generate TiC particles or ZrC particles in the molded body. Thereafter, the molded body is made of Al or Al alloy. It is manufactured by dissolving in molten metal. As a result, coarsening and agglomeration of the generated TiC particles or ZrC particles are suppressed, so that a good composite material in which the TiC particles or ZrC particles are finely and uniformly dispersed can be manufactured. In the pre-impregnation step before particle generation, the molten metal of Al or Al alloy rapidly permeates into the compact due to the getter effect of Ti or Zr, and the molten metal of Al or Al alloy as a matrix is vigorously mechanically stirred. Even without this, the composite material base material is easily dissolved in the molten metal, so that the composite material can be manufactured easily and efficiently.
[0004]
Further, as disclosed in Patent Document 2 below, the present applicant added carbon powder to a molten aluminum alloy containing titanium, and generated titanium carbide by an in-situ reaction in the molten metal. A method of solidifying the molten metal was performed. However, in this method, since the carbon particles have low wettability with the molten aluminum alloy, they are difficult to be taken into the molten metal and are difficult to uniformly mix with the molten metal. As a result, it is difficult to uniformly generate titanium carbide particles in the volume of the molten metal. Therefore, in the composite material obtained by solidification, the titanium carbide particles are not uniformly dispersed, and the intended dispersion strengthening effect cannot be sufficiently obtained. Even if vortex stirring is carried out for a long time, it is very difficult to achieve a highly uniform dispersion, and furthermore, a long time is required, so that productivity is low and not practical.
[0005]
As a solution to this problem, the present applicant has proposed in Patent Document 3 below a method of imparting ultrasonic vibration to a molten aluminum or aluminum alloy containing titanium while adding carbon particles to the molten metal and performing vortex stirring. did. According to this method, the interface between the individual carbon particles and the molten metal is activated by the energy of the ultrasonic vibration applied to the molten metal, so that the wettability is enhanced and the chemical reaction is promoted, so that the carbon in the molten metal is promoted. The incorporation and mixing of the particles is promoted, and at the same time the formation of titanium carbide is promoted. Further, the carbon particles and the generated titanium carbide particles are uniformly dispersed throughout the volume of the molten metal by the vortex stirring.
[0006]
In addition, the present applicant discloses in Patent Document 4 below that in a method for producing a metal matrix composite material in which titanium carbide particles are dispersed in a metal matrix made of aluminum or an aluminum alloy, titanium powder and carbon or a compound thereof are mixed. After impregnating a molded body composed of each powder and aluminum or aluminum alloy powder with a melt of the aluminum or aluminum alloy, the entire molded body is rapidly heated in an inert atmosphere to generate heat in the molded body. A method of causing a compounding reaction between the titanium and the aluminum alloy, which is a reaction, and automatically raising the temperature of the molded body rapidly by the heat generated by the compounding reaction, thereby causing a forming reaction of the compound particles in the molded body. Suggested.
[0007]
However, the microstructure of aluminum or aluminum alloy cast by these methods is such that the primary crystal is a resin-like structure called a dendrite structure, and the tensile strength and elongation are not sufficient.
[0008]
On the other hand, rheocasting and thixocasting are known as semi-solid processing methods for metal. In both cases, solid state metal (solid phase) and molten metal (liquid phase) are mixed. Although they are common in that they are cast using a metal slurry in a liquid coexisting state, they differ in the following points. That is, in the rheocasting method, the molten metal is cooled to the solid-liquid coexistence region and the metal in a semi-solid state is loaded into the pressure sleeve of the die casting machine and cast, whereas in the thixocast casting method, In this method, a solid metal mass called a metal billet is heated to a solid-liquid coexistence region, and the metal in a semi-molten state is loaded into a pressure sleeve of a die casting machine and cast. Therefore, the rheocasting method is also called a semi-solid (semi-solidification) casting method, and the thixocasting method is also called a semi-solid casting method.
[0009]
The semi-solid metal used in the rheocast casting must be such that the primary crystals (primary particles) are separated from each other by a liquid matrix, and the crystal particles are as fine and uniform as possible non-dendritic (preferably spherical). Is desirable. By doing so, it is possible to cast in a state of a semi-solid metal with a high solid fraction and a low viscosity, it is possible to suppress the occurrence of shrinkage cavities in the cast product and improve the mechanical strength of the cast product It is known that it can be done.
[0010]
Therefore, conventionally, as disclosed in Patent Document 5, for example, a semi-solid metal has been produced by cooling a molten metal in a rheometer while stirring the molten metal. However, the temperature distribution of the molten metal being stirred in the rheomaker tends to vary, so that the primary particles (primary crystals) have a stable solid phase ratio and are formed into spherical particles having a good particle size. It is very difficult to obtain a semi-solid metal with stable properties.
[0011]
[Patent Document 1]
JP-A-6-17165 [Patent Document 2]
JP 2000-119791 A [Patent Document 3]
JP-A-10-251776 [Patent Document 4]
JP 2000-144281 A
[Problems to be solved by the invention]
By the above method proposed by the present applicant, an aluminum-based composite material in which titanium carbide particles as a reinforcing material are uniformly dispersed in a matrix of aluminum or an aluminum alloy can be stably produced in a practical short-time process. Now you can. As described above, the titanium carbide particles have achieved a certain degree of uniform dispersion capable of exerting the intended dispersion strengthening action. However, there is a growing demand for further improving the tensile strength and elongation rate among the strength properties.
[0013]
An object of the present invention is to provide a novel method for producing aluminum or an aluminum alloy and a titanium carbide particle dispersion-strengthened aluminum-based composite material in which the tensile strength and elongation rate among the strength characteristics are further improved.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, a rheocast casting method is employed as a method for producing aluminum or an aluminum alloy.
[0015]
That is, first, according to the present invention, a molten metal of aluminum or an aluminum alloy is put into a melting vessel, and the molten metal is agitated with the intervention of titanium carbide to generate nuclei of primary crystals of aluminum or an aluminum alloy. This is a rheocast casting method of aluminum or an aluminum alloy, in which a crystal nucleus is dispersed in a molten metal to form a primary crystal of aluminum or an aluminum alloy, and the molten metal is semi-solidified and cast.
[0016]
In the present invention, not only rheocasting is employed as a method for producing aluminum or an aluminum alloy, but also a primary crystal nucleus of aluminum or an aluminum alloy is generated with the intervention of titanium carbide, and the primary crystal nucleus is formed. Is dispersed in a molten metal to form a primary crystal of aluminum or an aluminum alloy, and the molten metal is semi-solidified and cast. Here, to interpose titanium carbide means to use titanium carbide as a catalytic substance that promotes the formation of nuclei of primary crystals.The titanium carbide does not remain in aluminum or an aluminum alloy; This includes both cases where it remains in the primary crystal of the aluminum alloy.
[0017]
In the present invention, aluminum and aluminum alloys are not limited, and conventionally known ones can be widely used.
[0018]
According to the present invention, the properties of the cast material can be improved by making the primary crystals in aluminum or aluminum alloy spherical and fine.
[0019]
Secondly, the present invention limits the means for interposing titanium carbide to stirring using a stirrer having a surface coated with titanium carbide. That is, a molten metal of aluminum or an aluminum alloy is placed in a melting vessel, and the molten metal is stirred in the melting vessel using a stirrer having a surface coated with titanium carbide. Forming a primary crystal nucleus of, and forming the primary crystal of aluminum or an aluminum alloy by dispersing the nucleus of the primary crystal in the molten metal, bringing the molten metal into a semi-solid state, and casting the aluminum or aluminum. This is a rheocast casting method of aluminum alloy.
[0020]
Here, the material, shape, and size of the stirrer are not particularly limited, but from the viewpoint of durability, heat resistance, and the like, the stirrer has a ceramic rod-like shape and has a bulge for stirring at the tip, and the surface is coated with a TiC layer by CVD coating. Is preferably exemplified.
[0021]
FIG. 1 is a schematic view showing stirring of a molten metal according to the present invention. As shown in FIG. 1 (a), by stirring using a stirrer coated with titanium carbide, primary crystals are formed on the surface of the stirrer and dispersed into the molten metal.
[0022]
By applying a TiC coating to the stirrer and causing nucleation of primary crystals on the surface of the stirrer, the following operations and effects are achieved.
{Circle around (1)} The nucleation of primary crystals on the stirrer in the solid-liquid coexisting region is promoted by coating the TiC layer serving as the solidification nucleus of aluminum on the stirrer.
(2) The generated primary crystals are dispersed in the molten metal by rotating a stirrer.
{Circle around (3)} The primary crystal is prevented from becoming coarse by stirring the molten metal.
{Circle over (4)} Casting (pressure casting or die casting) can be performed at a temperature at which fine and spherical primary crystals reach a predetermined amount.
[0023]
Third, the present invention limits the means for interposing titanium carbide to the use of a melting vessel having a titanium carbide coating on the inner surface. That is, a molten metal of aluminum or an aluminum alloy is placed in a melting vessel having a titanium carbide coating on the inner surface, and the molten metal is stirred in the melting vessel, and a primary crystal of aluminum or an aluminum alloy is formed with the intervention of the titanium carbide. Forming a nucleus, dispersing the nucleus of the primary crystal in the molten metal to form a primary crystal of aluminum or an aluminum alloy, setting the molten metal in a semi-solid state, and casting the molten metal. It is a cast casting method.
[0024]
Here, the material, shape, and size of the melting vessel (crucible) having a titanium carbide coating on the inner surface are not particularly limited, but from the viewpoint of durability, heat resistance, and the like, the inner surface of the ceramic crucible is subjected to CVD coating. The one provided with a TiC layer is preferably exemplified.
[0025]
As shown in FIG. 1 (b), by stirring using a crucible having a titanium carbide coating on the inner surface, primary crystals are formed on the surface of the crucible and diffuse into the molten metal.
[0026]
By applying a TiC coating to the inner surface of the melting vessel (crucible) and causing nucleation of primary crystals on the inner surface (wall surface) of the melting vessel (crucible), the following operations and effects are achieved.
{Circle around (1)} By coating the furnace wall of a melting vessel such as a crucible with a TiC layer serving as a solidification nucleus of aluminum, nucleation of primary crystals on the furnace wall in a solid-liquid coexistence region is promoted.
{Circle around (2)} The generated primary crystals are dispersed in the molten metal by stirring. (Here, mechanical stirring, electromagnetic stirring, etc. are used as the stirring method.)
{Circle around (3)} The primary crystal is prevented from becoming coarse by stirring the molten metal.
{Circle over (4)} Casting (pressure casting or die casting) can be performed at a temperature at which fine and spherical primary crystals reach a predetermined amount.
[0027]
Fourthly, the present invention limits the means for interposing titanium carbide to using a stirrer with a titanium carbide coating on the surface and stirring in a melting vessel with a titanium carbide coating on the inner surface. It is. That is, a molten metal of aluminum or an aluminum alloy is placed in a melting vessel having a surface coated with titanium carbide, and the molten metal is stirred in the melting vessel using a stirrer having a surface coated with titanium carbide to form the titanium carbide. With the interposition, nuclei of primary crystals of aluminum or an aluminum alloy are generated, and the nuclei of the primary crystals are dispersed in a molten metal to form primary crystals of aluminum or an aluminum alloy, while the molten metal is in a semi-solid state. This is a rheocast casting method of aluminum or an aluminum alloy.
[0028]
As shown in FIG. 1 (c), by stirring using a stir bar coated with titanium carbide and a crucible coated with titanium carbide on the inner surface, primary crystals are formed on the surface of the stir bar and the surface of the crucible. And diffuses into the molten metal.
[0029]
The operation and effect achieved by using a stirrer with a titanium carbide coating on the surface and a dissolution vessel with a titanium carbide coating on the inner surface are the same as in the second and third inventions.
[0030]
Fifth, the present invention limits the means for interposing titanium carbide to adding titanium carbide particles to the molten metal. That is, a molten metal of aluminum or an aluminum alloy is placed in a melting vessel, titanium carbide particles are added to the molten metal, and the molten metal is stirred in the melting vessel. Forming a nucleus of a crystal, dispersing the nucleus of the primary crystal in a molten metal to form a primary crystal of aluminum or an aluminum alloy, forming the molten metal in a semi-solid state, and casting. Is a rheocast casting method.
[0031]
The shape and size of the titanium carbide particles added to the molten metal are not limited, and preferred examples include titanium carbide particle formed bodies (pellets) described in the above-mentioned patent documents.
[0032]
In this way, after adding the TiC fine particles to the molten metal, the temperature of the molten metal is lowered to a solid-liquid coexistence state while stirring, and the molten metal is cast. The amount of TiC added is preferably 0.01 to 3 wt% of TiC particles added to the molten aluminum alloy. The average particle size of the TiC particles is desirably 5 μm or less. As a method of adding TiC particles, it is preferable to add Al-TiC pellets produced by reaction generation.
[0033]
As shown in FIG. 1 (d), by adding the titanium carbide particles, primary crystals are formed with the titanium carbide particles as nuclei and diffuse into the molten metal.
[0034]
The functions and effects achieved by adding titanium carbide particles to the molten metal are as follows.
{Circle around (1)} TiC particles promote nucleation of primary crystals in the solid-liquid coexistence region.
(2) The generated primary crystals are dispersed in the molten metal by stirring. (Here, mechanical stirring, electromagnetic stirring, etc. are used as the stirring method.)
{Circle around (3)} The primary crystal is prevented from becoming coarse by stirring the molten metal.
{Circle over (4)} Casting (pressure casting or die casting) can be performed at a temperature at which fine and spherical primary crystals reach a predetermined amount.
[0035]
In the third and fifth aspects, the means for stirring the molten metal is not limited, and mechanical stirring and / or non-mechanical stirring can be used. Among them, a method of mechanically stirring the molten metal in the melting vessel using a stirrer, and a method of non-mechanically stirring the molten metal in the melting vessel using a high-frequency stirring method or an ultrasonic vibration applying method. Are preferably exemplified. The ultrasonic vibration may be any frequency at which an effect of accelerating the stirring of the molten metal is obtained, and is not particularly limited. Generally, a frequency of about 20 kHz or more is used.
[0036]
Sixth, the present invention is to use a stirrer having a surface coated with titanium carbide and a melting vessel having a titanium carbide coating on the inner surface, and to add titanium carbide particles to the molten metal. That is, a molten metal of aluminum or an aluminum alloy was placed in a melting vessel having a titanium carbide coating on its inner surface, titanium carbide particles were added into the molten metal, and the surface of the molten metal was coated with titanium carbide in the melting vessel. Stirring using a stirrer, nuclei of primary crystals of aluminum or aluminum alloy are generated with the intervention of titanium carbide, and nuclei of primary crystals are dispersed in the molten metal to form primary crystals of aluminum or aluminum alloy. While casting the molten metal in a semi-solid state and casting the aluminum or aluminum alloy.
[0037]
【Example】
Hereinafter, examples of the present invention and comparative examples will be described.
[Example 1]
Apply a TiC coating to the stir bar to cause primary crystal nucleation on the stir bar surface.
3 kg of AC4CH alloy (Al-Si-Mg based alloy) was melted at 700 ° C and put into a crucible. A 20 μm-thick TiC layer was coated by CVD coating on a ceramic agitator having a length of 170 mm, a diameter of 15 mm, and a hemisphere with a diameter of 50 mm at the tip. The stirring bar is inserted into the molten metal, and the temperature of the molten metal is lowered while rotating the stirring bar at 100 rpm.
[0038]
When the temperature of the molten metal dropped to 593 ° C. (solidification rate: about 50%), the casting molten metal was transferred to a φ100 mold, and a pressure of 200 MPa was applied for 2 minutes to obtain a cast material.
[0039]
A schematic diagram of the internal structure of the obtained cast material was as shown in FIG. As shown in FIG. 2 (a), the primary crystals of the obtained cast material were spherical and had a particle size of 70 μm. Further, the hatched portions were eutectic. In addition, as shown in the following Comparative Example 2 (FIG. 2 (c)), a general AC4H recast material had a particle size of 100 μm.
[0040]
[Example 2]
The crucible (inner wall) is coated with TiC to generate nucleation of primary crystals on the wall surface.
3 kg of the AC4CH alloy was melted at 700 ° C. The inner wall of the graphite crucible used for melting was coated with TiC to a thickness of 20 μm. The temperature of the molten metal was lowered while rotating the ceramic stirrer at 100 rpm.
[0041]
When the temperature of the molten metal dropped to 593 ° C. (solidification rate: about 50%), the molten casting was transferred to a φ100 mold, and a pressure of 200 MPa was applied for 2 minutes to obtain a cast material.
As shown in FIG. 2A, the primary crystals of the obtained cast material were spherical and had a particle size of 75 μm.
[0042]
[Example 3]
After adding the TiC fine particles to the molten metal, the temperature of the molten metal is lowered to a solid-liquid coexistence state while stirring to perform casting.
The AC4CH alloy was melted at 800 ° C. The Al-50TiC pellet was used as an Al-10TiC master alloy diluted in advance to a TiC content of 10%, and this was added to a predetermined amount of molten AC4CH alloy. (Note that TiC: 0.01 to 3 wt%, the effect of refining the primary crystal cannot be obtained if the TiC is less than 0.01 wt%, and if the TiC exceeds 3 wt%, the viscosity of the molten metal becomes excessively high and uniform. No slurry could be obtained.)
[0043]
The temperature of the molten metal is lowered while rotating the stirrer at 1000 rpm. When the temperature of the molten metal dropped to 593 ° C. (solidification ratio about 50%), the molten casting was transferred to a φ100 mold, and a pressure of 200 MPa was applied for 2 minutes to obtain a cast material.
[0044]
As shown in FIG. 2B, the primary crystals of the obtained cast material were spherical, and fine TiC particles were dispersed in the primary crystals. The primary crystal had a particle size of 50 to 70 μm. The shaded area was eutectic.
[0045]
[Comparative Example 1]
It carried out like Example 1 except having carried out gravity casting. As shown in FIG. 2 (c), the primary crystal of the obtained cast material had a dendrite structure (resin-like), and the hatched portion was a eutectic.
[0046]
[Comparative Example 2]
The procedure was performed in the same manner as in Example 1 except that neither the stirrer nor the crucible surface was coated with TiC. The primary crystals of the obtained cast material had a particle size of 100 μm.
[0047]
[Tensile test]
The cast materials obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 were subjected to a tensile test. According to JIS 14A, the test piece was pulled at a crosshead speed of 1 mm / min with a parallel part (φ5) and a gauge length (25 mm). The tensile test was performed five times, and the average was obtained. Table 1 shows the results.
[0048]
[Table 1]
From the results shown in Table 1, the cast material obtained by the method of the present invention has a higher tensile strength and elongation rate than the cast material obtained by gravity casting or simple rheocasting without titanium carbide. It can be seen that has greatly improved.
[0050]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a melt of aluminum or an aluminum alloy is subjected to a rheocasting method with the interposition of titanium carbide, so that primary crystals having a fine particle size are uniformly segregated without segregation. Aluminum or an aluminum alloy which is dispersed and further improved particularly in tensile strength and elongation among the strength characteristics, and a titanium carbide particle dispersion strengthened aluminum-based composite material can be produced.
[0051]
In addition, the following effects are produced. (1) The apparatus is small and low-cost. (2) Large castings are easy. (3) The size of the primary crystal is fine. (4) Since the temperature control is easy, it can be easily applied to alloys having a narrow solid-liquid coexistence region, such as wrought alloys.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing stirring of a molten metal of the present invention. FIG. 1 (a) shows stirring using a stirrer coated with titanium carbide. Fig. 1 (b) uses a crucible whose inner surface is coated with titanium carbide. Fig. 1 (c) uses a stirrer coated with titanium carbide and uses a crucible coated with titanium carbide on the inner surface. FIG. 1 (d) shows the addition of titanium carbide particles to the molten metal.
FIG. 2 is a schematic view of the internal structure of the obtained cast material. FIG. 2A shows the cast materials of Examples 1 and 2. FIG. 2B shows a cast material according to the third embodiment. FIG. 2C shows a cast material of Comparative Example 1.
