JP2012132054A - アルミニウム合金製鋳物およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明のアルミニウム合金製鋳物は、全体を100質量%としたときに、9〜13質量%のSiと、1〜5質量%のCuと、残部であるAlおよび不可避不純物とからなると共に、AlとSiの二元共晶からなるAl−Si共晶粒とこのAl−Si共晶粒を囲繞しAl、SiおよびCuを含む多元共晶からなる多元共晶マトリックスとが網目状になった複合共晶組織によって構成され、そのAl−Si共晶粒の粒径が1.5mm以下と微細であることを特徴とする。この本発明のアルミニウム合金製鋳物は、通常なら表皮形成型凝固をする合金組成からなりつつも、微細に粥状凝固した複合共晶組織から構成され、粗大な鋳造欠陥の生成が抑制され、機械的性質に優れる。
【選択図】図4
Description
(1)本発明のアルミニウム合金製鋳物は、全体を100質量%としたときに、9〜13質量%のケイ素(Si)と、1〜5質量%の銅(Cu)と、残部であるアルミニウム(Al)と不可避不純物および/または改質元素とからなり、AlとSiの二元共晶からなるAl−Si共晶粒と該Al−Si共晶粒を囲繞しAl、SiおよびCuを含む多元共晶からなる多元共晶マトリックスとにより構成される網目状の複合共晶組織を有し、該Al−Si共晶粒は粒径が1.5mm以下であることを特徴とする。
(1)本発明は、アルミニウム合金製鋳物としてのみならず、その製造方法としても把握し得る。すなわち本発明は、アルミニウム合金の溶湯を調製する溶湯調製工程と、該溶湯を鋳型に注入する注入工程と、該注入された溶湯を冷却して凝固させる凝固工程とを備えるアルミニウム合金製鋳物の製造方法であって、前記溶湯調製工程は、初晶の晶出前の前記溶湯へ超音波振動を加える加振工程を有し、上述の鋳物が得られることを特徴とするアルミニウム合金製鋳物の製造方法であってもよい。
(1)Al−Si共晶粒や多元共晶マトリックスに関して本発明でいう「共晶」は、いわゆる学術的に定義されるただ1点の組成からなる共晶を意味せず、当業者が組織観察によって一般的に共晶と判断し得るものであれば足る。このような意味での共晶が形成される組成を本明細書では「共晶組成」という。
(1)Si
Siは、Al−Si共晶粒や多元共晶マトリックスの形成に必要な元素である。Siは鋳物全体を100質量%としたときに9〜13質量%さらには10〜12.5質量%含まれていると好ましい。Siが過少では亜共晶組成となり初晶Al(α−Al)が晶出し易くなる。Siが過多では過共晶組成となり初晶Siが晶出し易くなる。いずれも、本発明でいう複合共晶組織が形成され難くなる。但し、本発明でいう組成範囲は、厳密な共晶組成ではないので、多元共晶マトリックス中に初晶Al(α−Al)や初晶Siがわずかに点在してもよい。
Cuは、Al−Si共晶粒を微細に晶出させると共に、固溶強化により鋳物の機械的性質を向上させ得る。Cuは鋳物全体を100質量%としたときに1〜5質量%さらには1.5〜3.5質量%含まれていると好ましい。Cuが過少であるとその効果が乏しく、Cuが過多になると、Al−Si共晶粒の粒状化が阻害され得る。特にCuが過多になると、Sr等を加えた場合でも、粥状凝固にならず表皮形成型凝固が生じるので好ましくない。
Srは、溶湯中からのAl−Si共晶粒の晶出を促進する。つまり、鋳物の凝固形態を表皮形成型からが粥状に変え、複合共晶組織の形成を容易にする。Srは、鋳物全体を100質量%としたときに0.003〜0.3質量%(30〜3000ppm)さらには0.01〜0.1質量%(100〜1000ppm)含まれるように、原料や溶湯に含ませると好ましい。Srが過少ではその効果が乏しく、Srが過多ではAl−Si共晶が粒状に晶出せず、粗い針状組織となり、鋳物の機械的性質を低下させ得る。
(1)溶湯調製工程
本発明の溶湯調製工程は、アルミニウム合金の溶湯を調製する際に、初晶の晶出前の溶湯へ超音波振動を加える加振工程を有する。これにより、初晶に先行して凝固核となる微細なAlPが溶湯中に均一に晶出するようになる。この結果、AlPを核としてAl−Si共晶粒が粥状に晶出し易くなる。
溶湯を注入する鋳型は、金型でも砂型でも良く、溶湯の注入は加圧しても、しなくてもよい。また鋳型に注入された溶湯を冷却する方法は、自然冷却でも強制冷却でもよい。
(1)本発明の鋳物の用途は種々考えられる。例えば、自動車や二輪車の分野ではエンジンブロックやシリンダヘッド等のエンジン部材、ボディ構造用部材、シャシ部材、ホイール、スペースフレーム、ステアリングホイール(芯金)、シートフレーム、サスペンションメンバー、ミッションケース、プーリ、オイルパン、シフトレバー、インスツルメントパネル、ドアインパクトパネル、吸気用サージタンク、ペダルブラケット、フロントシュラウドパネル等がある。
《試料の製造》
(1)溶湯調製工程
原料(母合金)として、JIS ADC12合金(福岡アルミ工業株式会社製/成分組成:Al−11.26%Si−1.85%Cu−0.28%Mg−0.31%Mn−0.84%Fe−0.85%Zn)を1.5kg用意した。成分組成の単位(%)は、対象合金全体を100質量%としたときの質量%である(以下同様)。
上述のように調製したAl合金溶湯(溶湯温度:約600℃)を、鋳型である熱分析用シェルカップ(株式会社ナカヤマ製、SGカップ−A、内径φ30×深さ50mm)に注湯した。
このシェルカップを大気雰囲気で冷却してAl合金溶湯を凝固させた。凝固はいずれの試料も570℃から始まり、490℃で凝固完了した。
(1)各試料の鋳物の横断面を、X線CT(Computed Tomography)像により観察した。その一例として試料No.1のX線CT像(写真)を図1に示した。図1中、セル状の灰色部分がAl−Siの二元共晶からなるAl−Si共晶粒であり、それを囲繞する白色部分が多元共晶からなる多元共晶マトリックスであり、点在する黒色部分が鋳造欠陥(鋳巣)である。なお、多元共晶マトリックスが白く見えるのは、その構成要素であるCuAl2相がX線を透過しにくいためである。
上述した加振終了温度が異なる各試料について、試料縦断面中心部の20mm×20mmの測定部位について、鏡面研磨した後、光学顕微鏡写真を撮影した。この写真を画像解析して、測定部位に含まれるAl−Si共晶粒の数と総面積を計測することにより、平均粒径を特定した。なお、画像解析には、アメリカ国立衛生研究所(National Institute of Health)製のフリーソフト”ImageJ ”を用いた。
この結果から明らかなように、加振終了温度により、各鋳物中にできるAl−Si共晶粒の大きさは大きく変化することがわかった。具体的には、加振終了温度が650℃以上であると、超音波加振による効果は乏しく、共晶粒径の大きさは2.5mm前後であって、複合共晶組織の微細化は図れなかった。
Claims (7)
- 全体を100質量%としたときに、9〜13質量%のケイ素(Si)と、1〜5質量%の銅(Cu)と、残部であるアルミニウム(Al)と不可避不純物および/または改質元素とからなり、
AlとSiの二元共晶からなるAl−Si共晶粒と該Al−Si共晶粒を囲繞しAl、SiおよびCuを含む多元共晶からなる多元共晶マトリックスとにより構成される網目状の複合共晶組織を有し、
該Al−Si共晶粒は粒径が1.5mm以下であることを特徴とするアルミニウム合金製鋳物。 - 全体を100質量%としたときに、0.003〜0.3質量%のストロンチウム(Sr)を含む請求項1に記載のアルミニウム合金製鋳物。
- 前記不可避不純物または前記改質元素は、全体を100質量%としたときに、0.5質量%以下のマグネシウム(Mg)、1.2質量%以下の亜鉛(Zn)、1.5質量%以下の鉄(Fe)、0.7質量%以下のマンガン(Mn)、0.7質量%以下のニッケル(Ni)、0.5質量%以下のスズ(Sn)または0.1質量%以下のリン(P)のいずれか一種以上である請求項1または2に記載のアルミニウム合金製鋳物。
- アルミニウム合金の溶湯を調製する溶湯調製工程と、
該溶湯を鋳型に注入する注入工程と、
該注入された溶湯を冷却して凝固させる凝固工程とを備えるアルミニウム合金製鋳物の製造方法であって、
前記溶湯調製工程は、初晶の晶出前の前記溶湯へ超音波振動を加える加振工程を有し、
請求項1〜3のいずれかに記載の鋳物が得られることを特徴とするアルミニウム合金製鋳物の製造方法。 - 前記加振工程は、前記超音波振動による加振を終了するときの前記溶湯の温度である加振終了温度を、前記初晶の晶出が開始する温度である初晶開始温度(Ts)から、該初晶開始温度よりも70℃高い温度(Ts+70:℃)までの温度とする工程である請求項4に記載のアルミニウム合金製鋳物の製造方法。
- 前記加振終了温度は、590〜640℃である請求項5に記載のアルミニウム合金製鋳物の製造方法。
- 前記加振工程で印加する超音波振動は、周波数が60kHz以下である請求項4〜6のいずれかに記載のアルミニウム合金製鋳物の製造方法。
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