JP2006241531A - 連続鋳造アルミニウム合金鋳塊及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ダイカスト鋳造にて製造されるAl-Si-Cu-Mg系アルミニウム合金鋳造品の所望物性に適合し、切削加工することが出来る素材としてのアルミニウム合金鋳塊、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】
Si:8.0~11.0wt%、Cu:2.5~4.5wt%、Mg:0.2~0.8wt%、Mn:0.1~0.5wt%、Fe≦0.25wt%、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなる合金に、更にCr:0.02~0.20wt%、Ti:0.02~0.20wt%、V:0.02~0.20wt%の内の１種又は２種以上の元素を含有させてなる合金の連続鋳造による鋳塊を熱処理して得た鋳塊であって、該連続鋳造後のアルミニウム合金鋳塊の0.2%耐力が145~170MPaであり、且つ熱伝導率が110~125W/m・℃である連続鋳造アルミニウム合金鋳塊、及びその製造法。

Description

本発明は、ダイカスト鋳造により製造されるアルミニウム合金鋳造品の物性に適合する素材としてのアルミニウム合金鋳塊、及びその鋳塊を連続鋳造にて製造する方法に関するものである。詳しくは、ダイカスト鋳造により製造されるＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金鋳造品の物性に適合し、且つ容易に切削加工できる素材としてのＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金鋳塊、およびその鋳塊の製造方法に関するものである。

自動車エンジンの主要部品であるシリンダーブロック等の自動車部品には、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金のダイカスト鋳造品が主に使われている。これらの鋳造品に使用されるアルミニウム合金としては、ＡＤＣ１２、ＡＤＣ１０が代表的である。
ダイカスト鋳造品の開発における初期試作テスト段階では、通常、ダイカスト金型が用いられるが、金型製作にはコスト、時間がかかり、設計変更の度に金型を作成する必要があるため、開発コスト及び時間の増加をもたらす問題があった。また、ダイカスト鋳造品は少量使用製品の場合、コストが高く使用出来なかった。
この様な問題は、試作テスト品を、素材の鋳塊を切削加工により製造することが出来れば解決し得るが、市販されている一般材では切削加工により、ダイカスト鋳造品と同等の特性を持ち、且つ内部欠陥の少ない試作テスト品を製造するのには適さなかった。そこで、切削加工によりダイカスト鋳造品と同等の試作品を製作することができる素材としてのアルミニウム合金が求められている。

本発明の目的は、ダイカスト鋳造にて製造されるＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金鋳造品の所望物性に適合し、切削加工することが出来る素材としてのＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金鋳塊、およびその鋳塊の製造方法を提供することにある。

本発明者らは、従来のダイカスト鋳造品が有する特性、即ち０．２％耐力及び熱伝導率を有し、切削加工し得るアルミニウム合金鋳塊を、所定の組成のＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金ブロックを連続鋳造にて製造し、該鋳塊を所定の条件で熱処理することにより製造し得ることを見出し、本発明に達した。

即ち、本発明の第１の要旨は、Ｓｉ、Ｃｕ及びＭｇを主元素として含むアルミニウム合金の連続鋳造による鋳塊を熱処理して得た鋳塊であって、該連続鋳造後のアルミニウム合金鋳塊の０．２％耐力が１４５〜１７０ＭＰａであり、且つ熱伝導率が１１０〜１２５Ｗ／ｍ・℃であることを特徴とする連続鋳造アルミニウム合金鋳塊に存する。

本発明の第２の要旨は、Ｓｉ、Ｃｕ及びＭｇを主元素として含むアルミニウム合金の連続鋳造による鋳塊であり、その０．２％耐力が１４５〜１７０ＭＰａであり、且つ熱伝導率が１１０〜１２５Ｗ／ｍ・℃である鋳塊を、温度４００〜５００℃、熱処理時間４時間以上で溶体化熱処理後、温度２００〜２６０℃、熱処理時間３〜７時間で時効熱処理を施すことを特徴とする連続鋳造アルミニウム合金鋳塊の製造方法に存する。

本発明の上記連続鋳造アルミニウム合金鋳塊及びその製造方法における好適な態様として、連続鋳造後の鋳塊のアルミニウム合金が、Ｓｉ：８．０〜１１．０ｗｔ％、Ｃｕ：２．５〜４．５ｗｔ％、Ｍｇ：０．２〜０．８ｗｔ％、Ｍｎ：０．１〜０．５ｗｔ％、Ｆｅ≦０．２５ｗｔ％、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなる合金に、更にＣｒ：０．０２〜０．２０ｗｔ％、Ｔｉ：０．０２〜０．２０ｗｔ％、Ｖ：０．０２〜０．２０ｗｔ％の内の１種又は２種以上の元素を含有させてなる合金であることが挙げられる。

本発明により得られる連続鋳造アルミニウム合金鋳塊は、ダイカスト鋳造を行うことなく、ダイカスト鋳造品と同等の物性の製品を製造することが出来、しかも切削加工をすることが出来るので、ダイカスト鋳造品の開発初期において鋳塊からの削り出しで性能把握することができ、ダイカスト金型の再製作等のコスト、時間を大幅に節約し、また、少量使用製品は鋳塊からの削り出しにて対応できる。本発明のアルミニウム合金鋳塊は、シリンダーブロック等エンジン回りの部品にとって重要な０．２％耐力、熱伝導率の物性値に適合しており、極めて有用な素材である。

以下、本発明の構成について詳細に説明するが、これらは代表例でありこれらに制約されるものではない。なお、本明細書中における、合金中の金属元素量単位の％は重量％を意味する。
シリンダブロック等ある程度の強度が要求されるダイカスト鋳造品には、従来ＡＤＣ１２、ＡＤＣ１０或いはこれらに類似するＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金が使用されてきたが、これらの合金は、切削加工により試作品を製造するのには適していなかった。
本発明のアルミニウム合金は、これらＡＤＣ１２、ＡＤＣ１０等のダイカスト鋳造品と同等の物性を有し、切削加工し得る、素材としての連続鋳造によるアルミニウム合金鋳塊である。

本発明は、連続鋳造によりこれらのＡＤＣ１２、ＡＤＣ１０等と同等の物性を有するアルミニウム合金鋳塊を製造するために、合金に要求される特性である０．２％耐力につき検討し、Ｓｉ、Ｃｕ．Ｍｇ、Ｍｎ、Ｆｅ量を所定範囲内とすることで、０．２％耐力をダイカスト鋳造品の物性に合わせ得ることが可能であること、及び熱伝導率は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｖの含有量を少量の範囲内に制御することにより従来のダイカスト鋳造品の物性に合致させ得ることが可能であることを見出した。更に、連続鋳造にて製造した鋳塊を鋳造のまま切削加工すると、残留応力が高く歪みが発生するが、鋳塊に所定の条件下熱処理を施すことによりこの残留応力を除去することが可能であることを知得し、本発明はこれらの知見に基づくのである。

本発明の連続鋳造アルミニウム合金は、Ｓｉ、Ｃｕ及びＭｇを主元素として含むアルミニウム合金の連続鋳造による鋳塊を熱処理して得られるものであり、熱処理前の連続鋳造後のアルミニウム合金鋳塊は、その０．２％耐力が１４５〜１７０ＭＰａであり、且つ熱伝導率が１１０〜１２５Ｗ／ｍ・℃である。
そして、この連続鋳造後のアルミニウム合金鋳塊は、Ｓｉ：８．０〜１１．０ｗｔ％、Ｃｕ：２．５〜４．５ｗｔ％、Ｍｇ：０．２〜０．８ｗｔ％、Ｍｎ：０．１〜０．５ｗｔ％、Ｆｅ≦０．２５ｗｔ％、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなる合金に、更にＣｒ：０．０２〜０．２０ｗｔ％、Ｔｉ：０．０２〜０．２０ｗｔ％、Ｖ：０．０２〜０．２０ｗｔ％の内の１種又は２種以上の元素を含有させた合金からなるものである。

本発明のアルミニウム合金において、Ｓｉ、Ｃｕ．Ｍｇ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｖの含有量は、熱伝導率及び強度（０．２％耐力）に影響するが、従来のＡＤＣ１２，ＡＤＣ１０に比べ、Ｆｅ量が減じられ、Ｔｉ、Ｃｒ量は増しており、これらの元素が所定量含有することによる相乗作用で、本発明合金の特性が発現するのである。
Ｓｉ含有量は、８．０〜１１．０％、好ましくは９．０〜１０．０％の範囲内に定める。８．０％未満では熱伝導率が高くなり、熱伝導率の調整が困難となる。また、１１．０％を超えると素材としての靱性が低下する。

Ｃｕ含有量は、２．５〜４．５％、好ましくは３．０〜４．０％の範囲内に定める。２．５％未満では熱伝導率が高くなり、熱伝導率の調整が困難となる。また、４．５％を超えると素材としての靱性が低下する。
Ｍｇ含有量は、０．２〜０．８％、好ましくは０．４〜０．６％の範囲内に定める。０．２％未満では熱伝導率が高くなり、熱伝導率の調整が困難となる。また、０．８％を超えると素材としての靱性が低下する。

Ｍｎは添加により耐力を向上させる効力があり、０．１〜０．５％、好ましくは０．２〜０．４％の範囲内で添加する。０．１％未満では耐力向上効果が得られず、一方、０．５０％を超えると素材としての靱性が低下する。
Ｆｅの含有量は、不純物としてＦｅ≦０．２５％、好ましくは≦０．２０％に制御する。０．２５％を超えると素材としての靱性が低下する。

Ｓｉ、Ｃｕ．Ｍｇ、Ｍｎ、Ｆｅを上記含有量の範囲で含むアルミニウムの連続鋳造を行うことでＡＤＣ１２，ＡＤＣ１０に相当する０．２％耐力を有する合金鋳塊を製造できるが、熱伝導率はダイカスト鋳造品よりも高くなる傾向がある。ＡＤＣ１２，ＡＤＣ１０に相当する熱伝導率に制御し、合致させるために少量のＣｒ，Ｔｉ、Ｖの１種又は２種以上を含有させる。これらの元素は少量の添加で熱伝導率を下げる効果が大きく、また、それぞれ所定量の上限値である０．２０％以下の含有量であれば素材としての物性である０．２％耐力に影響を与えない。

これらの元素のいずれかが０．２０％を超えて含有された場合、晶出物が増えて素材としての靱性を低下させる。また、０．０２％未満の含量では熱伝導率がＡＤＣ１２，ＡＤＣ１０のダイカスト鋳造品より高くなってしまう。このためＣｒ，Ｔｉ、Ｖの少なくとも１種を含有させるが、その含有量はそれぞれ０．０２〜０．２０％、好ましくは０．１０〜０．１５％の範囲に定める。

上記のＳｉ、Ｃｕ．Ｍｇ、Ｍｎ、Ｆｅ、並びにＴｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｖから選ばれる少なくとも１種を所定範囲内の含有量で含む、連続鋳造されたアルミニウム合金鋳塊は、その０．２％耐力が１４５〜１７０ＭＰａであり、且つ熱伝導率が１１０〜１２５Ｗ／ｍ・℃である。この鋳塊の０．２％耐力は、従来のＡＤＣ１２，ＡＤＣ１０の０．２％耐力±１０ＭＰａに相当し、熱伝導率は、ＡＤＣ１２，ＡＤＣ１０の熱伝導率±５Ｗ／ｍ・℃に匹敵する。

上記連続鋳造により製造したアルミニウム合金鋳塊は、鋳造のままで切削加工すると、残留応力が高く歪みが発生し寸法精度を維持することができない。そこで、本発明では、この連続鋳造されたアルミニウム合金鋳塊に対して熱処理を施し、残留応力を除去し歪みの発生を防止する。
歪みの発生を防止するためには、アルミニウム鋳造合金を温度４００〜５００℃、熱処理時間４時間以上で溶体化熱処理した後、温度２００〜２６０℃、熱処理時間３〜７時間で時効熱処理するのが適している。

溶体化熱処理温度は、通常、４００〜５００℃であり、４００℃未満では、０．２％耐力がＡＤＣ１２，ＡＤＣ１０ダイカスト鋳造品を下回り、また、５００℃を超えるとバーニングを起こし０．２％耐力がＡＤＣ１２，ＡＤＣ１０ダイカスト鋳造品を下回る。好ましい溶体化熱処理温度は、４３０〜４７０℃である。
溶耐化熱処理時間は、４時間以上、好ましくは５〜７時間であり、４時間未満では、残留応力除去が十分ではなく切削加工後歪みが発生する。

時効熱処理温度は、通常、２００〜２６０℃、好ましくは、２２０〜２４０℃である。温度が２００℃未満では、残留応力除去が十分でなく切削加工後歪みが発生し、また、２６０℃を超えると０．２％耐力がＡＤＣ１２，ＡＤＣ１０ダイカスト鋳造品を下回る。
時効熱処理時間は、通常３〜７時間、好ましくは４〜６時間であり、３時間未満では、０．２％耐力がＡＤＣ１２，ＡＤＣ１０ダイカスト鋳造品を下回る。また、７時間を超えると過時効が進み０．２％耐力がＡＤＣ１２，ＡＤＣ１０ダイカスト鋳造品を下回る。

本発明のアルミニウム合金には上記元素以外に物性を損なわない範囲で、鋳塊組織の制御のため０．２０％以下のＳｂ、０．０２％以下のＳｒを含んでいてもよい。また、鋳造時の溶湯酸化膜生成抑止のため０．０１％以下のＢｅを含んでもよい。

以下に本発明を、実施例により更に詳細に説明するが、本発明はその要旨を超えない限りこれら実施例に限定されるものではない。
実施例
下記表１に記載の組成からなるアルミニウム合金（合金Ｎｏ．１〜４）及び一般材（市販品：５０００系）用いて連続鋳造により鋳塊を製造した。連続鋳造は、断面１５０×３００ｍｍのスラブ形状で実施した。また、合金調整用のアルミニウムとしては９９．８％の純度のものを用いた。
目標基準を示す為に、ＡＤＣ１２及びＡＤＣ１０を用い、ダイカスト鋳造品（目標例）を製造した。

連続鋳造により得られた鋳塊及びダイカスト鋳造品の０．２％耐力、伸び及び導電率を測定し評価した。熱伝導率は、導電率測定値より換算した値を示す。これらの結果を纏めて表１に示す。
なお、０．２％耐力及び伸び試験は、ＪＩＳ Ｚ２２４１により行い、導電率測定は、渦電流式導電率測定装置により行った。

表１から明らかな様に、比較例の市販されている５０００系一般材では、目標例より０．２％耐力が低く、伸び及び熱伝導率が高くなっている。
比較例の合金Ｎｏ．１では目標例に対して０．２％耐力が低く、熱伝導率が高い。また、合金Ｎｏ．２では熱伝導率が目標例より高くなってしまう。
本発明の実施例合金Ｎｏ．３はＡＤＣ１０と、Ｎｏ．４はＡＤＣ１２と同等の物性値を示している。このことは、本発明により、引張強度及び０．２％耐力の値をそれぞれ目標とするＡＤＣ１０及びＡＤＣ１２の０．２％耐力±１０ＭＰａ、熱伝導率を±５Ｗ／ｍ・℃の範囲内で十分制御が可能であることを表す。

表１に記載の実施例合金Ｎｏ．４の連続鋳造により製造した鋳塊を、４６０℃で６時間溶体化熱処理し、その後２３０℃で５時間時効熱処理を行った。熱処理を施した鋳塊（Ｎｏ．６）と熱処理を行わなかった鋳塊（Ｎｏ．５）について歪み量を測定し、その結果を表２に示す。熱処理による残留応力の除去効果は、残留応力により発生する歪み量を測定し、その量を比較することで評価した。
表２から明らかなように、熱処理を実施していない比較例Ｎｏ．５に対し、熱処理を実施した実施例Ｎｏ．６は残留応力が除去され歪み量の発生が１／２０に小さくなっている。これにより、切削加工時に歪みが発生することなく、良好な寸法精度を確保できる。

Claims (5)

1. Ｓｉ、Ｃｕ及びＭｇを主元素として含むアルミニウム合金の連続鋳造による鋳塊を熱処理して得た鋳塊であって、該連続鋳造後のアルミニウム合金鋳塊の０．２％耐力が１４５〜１７０ＭＰａであり、且つ熱伝導率が１１０〜１２５Ｗ／ｍ・℃であることを特徴とする連続鋳造アルミニウム合金鋳塊。
2. 連続鋳造による鋳塊のアルミニウム合金は、Ｓｉ：８．０〜１１．０ｗｔ％、Ｃｕ：２．５〜４．５ｗｔ％、Ｍｇ：０．２〜０．８ｗｔ％、Ｍｎ：０．１〜０．５ｗｔ％、Ｆｅ≦０．２５ｗｔ％、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなる合金に、更にＣｒ：０．０２〜０．２０ｗｔ％、Ｔｉ：０．０２〜０．２０ｗｔ％、Ｖ：０．０２〜０．２０ｗｔ％の内の１種又は２種以上の元素を含有させてなる合金であることを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造アルミニウム合金鋳塊。
3. 連続鋳造によるアルミニウム合金鋳塊の熱処理は、温度４００〜５００℃、熱処理時間４時間以上で溶体化熱処理した後、温度２００〜２６０℃、熱処理時間３〜７時間で時効熱処理を施すことよりなることを特徴とする請求項１又は２に記載の連続鋳造アルミニウム合金鋳塊。
4. Ｓｉ、Ｃｕ及びＭｇを主元素として含むアルミニウム合金の連続鋳造による鋳塊であり、その０．２％耐力が１４５〜１７０ＭＰａであり、且つ熱伝導率が１１０〜１２５Ｗ／ｍ・℃である鋳塊を、温度４００〜５００℃、熱処理時間４時間以上で溶体化熱処理後、温度２００〜２６０℃、熱処理時間３〜７時間で時効熱処理を施すことを特徴とする連続鋳造アルミニウム合金鋳塊の製造方法。
5. 連続鋳造による鋳塊のアルミニウム合金が、請求項２に記載のアルミニウム合金であることを特徴とする請求項４に記載の連続鋳造アルミニウム合金鋳塊の製造方法。