JP2019501777A - 軽金属鋳造部材の製造方法および軽金属鋳造部材 - Google Patents
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Abstract
本発明は、質量を基準としてそれぞれ、ケイ素３．５〜５．０％、マグネシウム０．２〜０．７％、チタン０．０７〜０．１２％、ホウ素最大０．０１２％、任意に他の合金元素まとめて１．５％未満、残部アルミニウムおよび不可避的不純物を含むアルミニウム鋳造合金からなる溶融物から軽金属鋳造部材を製造する方法に関し、ここで、この溶融物は、基礎溶融物と、アルミニウム−ケイ素合金からなる第１の結晶粒微細化剤と、アルミニウム−チタン合金からなる第２の結晶粒微細化剤とから製造され、ここで、この溶融物は、全質量を基準として、第１の結晶粒微細化剤および第２の結晶粒微細化剤合計で０．１〜５．０％の量を含み、ここで、鋳造を低圧法で行い、かつこの溶融物に鋳造後に圧力を印加する。
Description
本発明は、亜共晶アルミニウム鋳造合金から製造されている、ことに自動車用の軽金属鋳造部材に関する。本発明は、さらに、このような軽金属鋳造部材の製造方法に関する。
特に自動車工業において存在する、軽量構造および搭乗者保護の方向に向かうトレンドは、少なくとも同じ強度特性で従来の部材よりも重量が低い、高強度または最高強度の部材の開発の増加につながっている。自動車用の軽金属ホイールを、鋳造または鍛造によって製造できることは公知である。鋳造型および使用される合金の要件は、鍛造の場合と鋳造の場合とで異なる。
鍛造した軽金属ホイールは、同等のスチールホイールの場合よりもスリムでかつ軽量な構造を可能にする優れた強度を有している。高い強度により、さらに比較的薄い内壁およびスポークを構成することができ、これは重量の軽減につながる。その製造は通常、鍛造用合金からの金型鋳造によって行われる。金型は一般に平坦であり、かつ直径だけが最終製品にほぼ一致している。鋳造後に、ブランクは約５００℃で、二千トンまでの圧力によって型内で段階的にプレスされる。それにより本来のリムボウルが完成する。引き続き、リムベースを圧延により製造し、かつ切削加工を行う。鍛造ホイールは、鋳造ホイールと比べて、マグネシウム、ケイ素およびチタンのような強度を向上させる合金元素と遙かにより強く合金化される。
鋳造の際に、金型の形状は製造されるべき部材の最終形状に似せて形成されている。１つの可能性によると、この鋳造は低圧鋳造で約１ｂａｒで下から上に向けて行うことができる。あるいはこのために、液状の溶融物を約１０〜２００ＭＰａの高圧下で予熱した金型内でプレスし、その金型内で溶融物を凝固させるダイカスト法を使用することもできる。溶融物は、金型中に存在する空気を追い出し、凝固工程の間に加圧下で保持される。部材は金型から離れた後に切削加工される。鋳造ホイールは大抵、鍛造されたホイールと比べて、チタンのような異種金属の割合が極めて低い。
鋳造法の過程で製造される部材の場合、金属合金の鋳造特性および仕上がった部材の機械特性は、本質的に結晶粒度に依存する。結晶粒微細化する溶融処理により、鋳造物中の静的および動的な強度値、ならびに型内への溶融物の供給能力ならびにその流動能力を改善することができる。多くの金属合金の凝固は、隣接結晶粒または金型壁に突き当たるまで結晶核サイトから全方面に成長する結晶の形成から始まる。
製造されるべき部材の高い強度のために、結晶粒の大きさをできる限り均一に、もしくは可能な限り微細に調節することが望ましい。このために、いわゆる結晶粒微細化が頻繁に実施されるが、この場合、凝固する溶融物にできる限り多くの核生成剤（異種核）が提供される。
特開平１１−２９３４３０号公報（JP H11 293430 A）からは、高強度アルミニウム鋳造品の製造方法が公知である。アルミニウム鋳造品は、鋳造後に、質量を基準としてそれぞれ、ケイ素３．５〜５．０％、マグネシウム０．１５〜０．４％、銅１．０％まで、鉄０．２％まで、処理剤および残部アルミニウムの組成を有する。鋳造後に鋳造部材を５５０℃〜５７５℃で２〜４時間の期間加熱し、引き続き急冷し、その後に１６０℃〜１８０℃で１〜３時間の期間さらに熱処理する。
特開平０５−１７１３２７号公報（JP H05 171327 A）からは、質量を基準としてそれぞれ、ケイ素４．０〜６．０％、マグネシウム０．３〜０．６％、鉄０．５％まで、チタン０．０５〜０．２％の組成を含む高圧鋳造用のアルミニウム鋳造合金が公知である。この合金は、車両用ホイールを鋳造するために使用することができる。
特開２００１−２８８５４７号公報（JP 2001 288547 A）からは、質量を基準としてそれぞれ、ケイ素０．２〜６．０％、マグネシウム０．１５〜０．３４％、鉄０．２％まで、ストロンチウム０．０００３〜０．０１％、残部アルミニウムおよび不可避的不純物の組成を有し、かつ場合によりチタン０．０１〜０．２５％およびホウ素０．０００１〜０．００１％を有するアルミニウム鋳造物が公知である。鋳造後に、この部材を５４０℃〜５７０℃で１５〜６０分間溶体化処理し、かつ急冷する。
欧州特許出願公開第０４８８６７０号明細書（EP 0 488 670 A1）からは、質量を基準としてそれぞれ、ケイ素２．４〜４．４％、銅１．５〜２．５％、マグネシウム０．２〜０．５％、および残部アルミニウムを有する、高い強度を有するアルミニウム鋳造物が公知であり、ここでアルミニウム鋳造物のマトリックスは、３０マイクロメートル以下の結晶粒度を有する樹枝状結晶を含む。
独国特許発明第１０２００６０３９６８４号明細書（DE 10 2006 039 684 B4）からは、アルミニウム−ケイ素−ダイカスト鋳造から製造されている自動車製造用のアルミニウム***材が公知である。ダイカスト合金は、ケイ素１．０〜５．０質量％、クロム０．０５〜１．２質量％、残部アルミニウムおよび不可避的不純物を有する。クロムにより、改善された鋳造性および成形性が達成されるとされている。ダイカスト合金は、さらにチタンを０．０１〜０．１５質量％の含有率で含んでいてもよく、この場合、チタンは、特にホウ素と一緒に使用される場合、結晶粒微細化剤として作用する。
欧州特許出願公開第０６０１９７２号明細書（EP 0 601 972 A1）からは、結晶粒微細化剤として母合金を含む亜共晶アルミニウム−ケイ素鋳造合金が公知である。この鋳造合金は、５〜１３質量％のケイ素含有率を含み、かつさらにマグネシウムを０．０５〜０．６質量％の割合で含むことができる。この母合金は、チタン１．０〜２．０質量％、およびホウ素１．０〜２．０質量％を含む。アルミニウム−ケイ素鋳造合金は、低圧金型鋳造による自動車用のリムの製造のために使用される。母合金の添加は、溶融物の全体量を基準として、０．０５〜０．５質量％の量で行われる。
DE 692 33 286 T2からは、例えば、固体のケイ素−ホウ素合金を、溶融したアルミニウムまたは溶融したアルミニウム合金に添加する、アルミニウムおよびアルミニウム合金の結晶粒微細化方法が公知である。得られる溶融物は、ケイ素約９．６質量％およびホウ素少なくとも５０ｐｐｍを含む。溶融物から製造された部材は、３００マイクロメートルの範囲内の結晶粒度を有する。
欧州特許第１２４４８２０号明細書（EP 1 244 820 B1）からは、１２５マイクロメートル未満の結晶粒度を有する鋳造製品を達成するために、高強度アルミニウム鋳造合金の結晶粒微細化方法が公知である。このために、多様な合金、例えば銅３．８質量％超、ケイ素最大０．１質量％、およびマグネシウム０．２５〜０．５５質量％を有する合金、または亜鉛４．５質量％超〜６．５質量％未満、ケイ素最大０．３質量％、およびマグネシウム０．２〜０．８質量％を有する合金が提案される。結晶粒微細化のために、溶融物に、１２５マイクロメートル未満の結晶粒度を有する溶解したチタンを０．００５〜０．１質量％の量で、ならびにホウ化物を添加する。
国際公開第２００１／０４２５２１号（WO 2001 042521 A1）からは、チタンおよびホウ素含有の出発材料をアルミニウム溶融物中に導入してＴｉＢ２粒子を形成させ、かつこの母合金溶融物を凝固させることによるアルミニウム−チタン−ホウ素母合金を基礎とする結晶粒微細化剤の製造方法が公知である。この文献中に引用された出典には、Ａｌ−Ｔｉ−Ｂ母合金、例えばＡｌＴｉ５Ｂ１の添加によるアルミニウム合金の結晶粒微細化の際の現象の経過についての理論が記載されている。それにより、アルミニウム溶融物中に不溶のＴｉＢ２粒子の表面が、少なくとも部分的にＡｌ３Ｔｉ相からなる層で覆われる場合に、最良の結晶粒微細化結果が生じる。アルファ−アルミニウム相の核生成は、Ａｌ３Ｔｉ層に接して行われ、その作用は層厚が低下するにつれて増大する。
欧州特許出願公開第２８４８３３３号明細書（EP 2 848 333 A1）からは、工程：溶融物を第１の圧力で鋳造型または成形型内へ鋳造すること、この型内で凝固する溶融物に、より高い第２の圧力で圧力印加すること、および溶融物から凝固した部材を、この型内でより高い第３の圧力で圧縮することを有する鋳造型または成形型を用いた金属部材の製造方法が公知である。
本発明の基礎となる課題は、良好な強度特性を有し、かつ簡単に製造可能である微細粒の組織を有する軽金属鋳造部材を提案することである。さらに、この課題は、このような軽金属鋳造部材の相応する製造方法を提案することにある。
一つの解決策は、亜共晶アルミニウム鋳造合金から製造されている軽金属鋳造部材にあり、この軽金属鋳造部材は、ケイ素３．５〜５．０質量％およびマグネシウム０．２〜０．７質量％を含み、かつこの軽金属鋳造部材は、最大５００マイクロメートルの平均結晶粒度を有する。ことに、この軽金属鋳造部材は、記載された割合のケイ素およびマグネシウムの他に、さらにチタン０．０７〜０．１２質量％、ホウ素最大０．０１２質量％、任意に他の合金元素まとめて１．５質量％未満、残部アルミニウムならびに不可避的不純物を含むことが予定されている。
この軽金属鋳造部材の利点は、比較的低いケイ素割合に基づき、低圧鋳造の手法で製造可能であり、かつ微細粒の組織に基づき、ことに強度、延性、破断点伸びおよび気孔率の観点で良好な機械特性を有することである。
軽金属鋳造部材の引張強さ（Ｒｍ）は、好ましくは少なくとも２７０Ｎ／ｍｍ2、ことに少なくとも３００Ｎ／ｍｍ2、もしくは少なくとも３２０Ｎ／ｍｍ2である。
５質量％未満の比較的低いケイ素割合により、亜共晶アルミニウム−ケイ素合金が生じる。この合金から製造された軽金属鋳造部材は、高い延性および破断点伸びを有する。軽金属鋳造部材の破断点伸び（Ａ５）は、少なくとも５％、ことに少なくとも８％である。破断点伸びは、鍛造部材のために通常の破断点伸びを下回る、ことに１２％を下回ることができる。
軽金属鋳造部材は、好ましくは少なくとも２２０Ｎ／ｍｍ2、ことに少なくとも２５０Ｎ／ｍｍ2、もしくは少なくとも２８０Ｎ／ｍｍ2の降伏点（Ｒｐ０．２）を有する。
好ましくは、軽金属鋳造部材は、０．５％未満の、ことに０．１％未満の最大気孔率を有する。低い気孔率は、同様に良好な強度特性および靭性に寄与する。軽金属鋳造部材は、５０マイクロメートル未満の、ことに２０マイクロメートル未満の表面粗さを有することができる。
５０マイクロメートル未満の低い表面粗さは、部材の表面品質の特に良好な機械特性値に寄与する。好ましい態様によれば、軽金属鋳造部材は、鋳放し表面領域内で、少なくとも２８０Ｎ／ｍｍ2の降伏点（Ｒｐ０．２）、少なくとも８％の破断点伸び（Ａ５）、ならびに少なくとも３２０Ｎ／ｍｍ2の引張強さ（Ｒｍ）を有する。この場合、鋳放し表面領域とは、部材表面の１．０ｍｍまでの深さを有する、鋳造後に未処理の鋳放し部材の領域を意味する。
軽金属鋳造部材は、凝固後に、熱処理し、ことに溶体化処理し、引き続き時効処理することもできる。
熱処理は、既知の材料特性値の改善に、ことに強度の向上に寄与する。上述の材料特性値は、ことに熱処理が行われた後の状態に関する。
軽金属鋳造部材の製造のために使用される鋳造合金の主要な合金元素は、アルミニウムとケイ素である。その点で、鋳造合金は、アルミニウム−ケイ素鋳造合金ということもできる。
この鋳造合金は、アルミニウム、ケイ素およびマンガンの他に、さらに他の合金元素、もしくは不可避的不純物を含んでいてよい。他の合金元素および不可避的不純物の割合は、軽金属鋳造部材の全質量を基準として、ことに１．５質量％未満、好ましくは１．０質量％未満である。したがって、アルミニウム−ケイ素鋳造合金は、ことにアルミニウムを少なくとも９３質量％、好ましくは少なくとも９５質量％有する。
原則として、製造されるべき軽金属鋳造部材は、良好な機械特性、ことに高い強度を有することが望ましい。他方で、強度を向上させる合金元素は、腐食傾向を高めることがあり、これもまた望ましくない。
したがって、ことに、強度を向上させる合金元素の割合はできる限り低くし、それにより軽金属鋳造部材が高い耐腐食性を有することが予定される。耐腐食性は、それぞれの軽金属鋳造部材について関連する腐食試験を満たす程度に高いことが好ましい。規格化された腐食試験は、例えばEN ISO 9227またはASTM B117に記載されている。部材に応じて、車両用ホイールの場合に、例えばＣＡＳＳ試験（copper accelerated salt spray test＝促進式の銅−塩水噴霧試験）または糸状試験のような、自動車の外部荷重に関する腐食試験を満たすことが好ましい。ＣＡＳＳ試験は、ことに被覆された、または塗装された部材の場合に実施される。この場合、試験されるべき部材は、長持状の装置中で、持続的に多様な高腐食性の塩霧に曝される。糸状腐食の試験は、例えばDIN EN 3665または同等の規格にしたがって行うことができる。
強度向上合金元素の臨界未満量は、それぞれの合金組成および使用した腐食試験に依存するため、絶対的もしくは具体的な手法で述べることができない。したがって、ここでは、例示的に、例えば銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）およびチタン（Ｔｉ）のような、強度を向上させる合金元素の量の割合は、全体として、部材の全質量を基準として１質量％未満であってもよいことを述べるにとどめる。
一実施態様では、アルミニウム鋳造合金は、銅（Ｃｕ）を１．０質量％、ことに最大０．５質量％、ことに５５０ｐｐｍ（百万分率）までの最大含有率で含むことができる。鋳造合金もしくはこの鋳造合金から製造された部材は、銅を２５０ｐｐｍ未満含むか、または銅を全く含まないことを予定することもできる。
一実施態様では、アルミニウム鋳造合金は、亜鉛（Ｚｎ）を５５０ｐｐｍ（百万分率）の最大含有率で含むことができる。鋳造合金もしくはこの鋳造合金から製造された部材は、亜鉛を２５０ｐｐｍ未満含むか、または亜鉛を全く含まないことを予定することもできる。
一実施態様では、アルミニウム鋳造合金は、チタン（Ｔｉ）を０．１２質量％の最大含有率で含むことができる。ことに、チタン０．０７〜０．１２質量％の割合が、鋳造合金もしくはこの鋳造合金から製造された部材中に含まれていることを予定することができる。
一実施態様では、アルミニウム鋳造合金は、ホウ素（Ｂ）を０．１２質量％、ことに最大０．０１２質量％、ことに最大０．０６質量％の最大含有率で含むことができる。チタンも存在する場合には、ホウ素の割合がチタンの割合より低くてよい。チタンおよびホウ素は、一実施態様によれば、アルミニウム鋳造合金またはこのアルミニウム鋳造合金から製造された部材中でホウ化チタンの形で予定されていてもよい。特にアルミニウム鋳造合金は、ホウ化チタン（ＴｉＢｏｒ）を３０ｐｐｍ未満の割合で含んでいてもよい。
一実施態様によれば、アルミニウム鋳造合金は、ストロンチウム（Ｓｒ）を１００ｐｐｍ〜１５０ｐｐｍの割合で含んでいることができる。
一実施態様によれば、アルミニウム鋳造合金は、スズ（Ｓｎ）を２５０ｐｐｍ未満の割合で含んでいることができる。
一実施態様によれば、アルミニウム鋳造合金は、ニッケル（Ｎｉ）を５５０ｐｐｍ未満の割合で含んでいることができる。
一実施態様によれば、アルミニウム鋳造合金は、マンガン（Ｍｎ）を０．５質量％未満の割合で含んでいることができる。
一実施態様によれば、アルミニウム鋳造合金は、クロム（Ｃｒ）を５００ｐｐｍ未満、好ましくは２００ｐｐｍ未満の割合で含んでいることができる。これは特に、アルミニウム鋳造合金またはこのアルミニウム鋳造合金から製造された部材中に、クロムは含まれない可能性も含む。このことは、その他の点で、残りの上述の合金元素にも該当する。
一実施態様によれば、アルミニウム鋳造合金は、鉄（Ｆｅ）を０．７質量％未満の割合で含んでいることができる。
一実施態様によれば、アルミニウム鋳造合金は、マンガン（Ｍｎ）を０．１５質量％未満の割合で含んでいることができる。
前記の合金元素は全て、単独でもよいし、または１つ以上の他の元素と組み合わせることも予定することができると解釈される。アルミニウム鋳造合金の残部は、アルミニウム、ケイ素、マグネシウム、さらにことにチタンおよびホウ素、ならびに不可避的不純物からなる。残りの合金元素、つまりアルミニウム、ケイ素、マグネシウム、チタン、およびホウ素の他に存在する合金元素の質量割合は、好ましくは１．５質量％未満、ことに１．０質量％未満である。
本発明による軽金属鋳造部材の利点は、本発明による軽金属鋳造部材が、従来の軽金属鋳造部材および鍛造軽金属部材よりも大きな設計自由度を有していることである。例えば、部材の比較的小さな横断面を実現することができるか、または手間のかかる変形技術的な後加工を省略することもできる。一実施態様によれば、軽金属鋳造部材は、製造し終えた状態で、鋳造後に機械的に加工されていない、ことに機械的に硬化されていない部分を有していてもよい。この機械的に加工されていない部分は、少なくとも部分領域で、３．０ミリメートル未満の壁厚を有していてもよい。
考えられる実施態様によれば、軽金属鋳造部材は、***材または構造部材、特に自動車などのための車両用ホイール、または車両用リムであることができる。この場合、軽金属鋳造部材は、自動車とは別の形態でまたは別の用途のために、例えば建築工業のために構成されていてもよいことは自明である。好ましくは、***材または構造部材は、少なくとも５００グラム、ことに少なくとも３０００グラムの質量を有する。
上述の課題の解決策は、さらに、アルミニウムの他に、少なくともケイ素３．５〜５．０質量％、およびマグネシウム０．２〜０．７質量％、ならびに不可避的不純物を含むアルミニウム鋳造合金からなる溶融物を準備する工程；この溶融物を低い第１の圧力（Ｐ１）で鋳造型または成形型内に鋳造する工程；鋳造型または成形型に完全に充填した後、鋳造型または成形型内で凝固する溶融物に、第１の圧力（Ｐ１）よりも高い第２の圧力（Ｐ２）で圧力印加する工程；およびこの溶融物が少なくとも大部分部材に凝固されている場合に、溶融物から少なくとも大部分凝固した部材を鋳造型および成形型内で、第２の圧力（Ｐ２）よりも高い第３の圧力（Ｐ３）で圧縮する工程を有する、軽金属鋳造部材の製造方法にある。
記載された鋳造方法の利点は、この方法により、特に高い強度および特に微細な組織を有する部材を短時間で製造することができる点にある。特にこの方法では、５００マイクロメートル未満の、ことに２００〜５００マイクロメートルの平均結晶粒度を有する軽金属鋳造部材を製造することができる。この点では、この方法の利点と、この方法により製造された部材の利点とは重なり合う。この関連で、この製品との関連で述べられた全ての特徴および利点は、方法についても当てはまり、かつその逆も同様に当てはまることは自明である。
この方法の別の利点は、圧縮により製造された部材がニアネットシェープの形状を有しており、従って優れた原材料有効利用につながることである。さらに、上述の方法により製造された製品は、高い寸法精度および表面品質を有する。型のコストは低い、それというのも１つの型を用いて多様なプロセス工程を実施することができるためである。この方法は、ことに、自動車用のホイールリムの製造のために適しているが、もちろん他の部材の製造を排除するものではない。
好ましい方法管理によれば、溶融物の鋳造は、液相線温度を明らかに越える温度で、ことに液相線温度を少なくとも１０％越える鋳造温度で行われる。例えば、アルミニウム鋳造合金からなる溶融物を、６２０℃〜８００℃の温度で、ことに６５０℃〜７８０℃の温度で鋳造することができる。鋳型または金型とも呼ばれる鋳造型は、それに対して、例えば３００℃未満の低い温度を有することができる。
鋳造型内で溶融物を鋳造するために必要な圧力は鋳造方法に依存し、この場合、例えば重力鋳造または低圧鋳造が挙げられる。重力鋳造を使用する場合、第１の圧力は、例えば周囲圧力、つまり約０．１ＭＰａ（１ｂａｒ）であってもよい。それに対して、低圧鋳造を使用する場合の第１の圧力は相応して、溶融物が上昇管を通して鋳造型の金型キャビティ内へ上昇することができるほど高い。例えば、低圧鋳造の場合の圧力は、０．３ＭＰａ〜０．８ＭＰａ（相応して３〜８ｂａｒ）であってもよい。第１の圧力は、最大で、低圧鋳造のために必要な程大きく、かつ好ましくは１ＭＰａ未満であるのが好ましい。
鋳造型に充填した後に予定される圧力印加は、より高い第２の圧力で実施され、この第２の圧力は例えば５ＭＰａ（５０ｂａｒ）超、ことに９ＭＰａ（９０ｂａｒ）超であることができる。第２の圧力での圧力印加は、鋳造型が完全に溶融物で満たされた後で、特に溶融物が部材へと凝固し始める間に、もしくは溶融物が半固体状態に移行し始める際に始まる。鋳造型の完全に充填された状態は、低圧法の場合に、例えば充填ピストンでの衝撃により感知することができる。
凝固する溶融物の圧力印加は、例えば軽金属合金の液相線より低くかつ／または固相線より高い部材−表面殻温度（Bauteil-Randschalen-Temperatur）で行うことができる。しかしながら、このプロセスを、液相線に達する前に、例えば液相線より３％上で開始することも考えられる。部材−表面殻温度とは、この関連で、部材が表面層領域で有する温度、もしくは溶融物から凝固するか、または凝固した表面殻の温度であると解釈される。凝固は外側から内側に行われるため、凝固する部材の温度は表面層よりも内部の方が高い。圧力印加は、第１の圧力より高く、かつ例えば上部の自重により溶融物に及ぼすことができる第２の圧力で実施される。
圧縮のためには、もう一度、より高い第３の圧力が形成され、かつワークピースに及ぼされ、この第３の圧力は、好ましくは１５ＭＰａ（１５０ｂａｒ）より高くてよい。この圧縮は、好ましくは、既に部分的に、もしくは大部分が凝固した軽金属合金の第２の温度よりも低い部材−表面殻温度で行われる。圧縮を実施するための第３の温度の下限は、好ましくは、金属合金の固相線温度の半分である。部材の部分領域は、この温度外にあってもよい。圧縮の間に、部材または金型下部および／もしくは金型上部の温度を、相応する温度センサによって監視することもできる。変形プロセスの終了は、上部の下部に対する相対運動が最終位置に達することによるか、または所定の温度に達することにより定義することができる。
考えられる方法管理により、少なくともアルミニウムを含む基礎溶融物と、結晶粒微細化剤とから溶融物を製造することができる。結晶粒微細化剤は、軽金属溶融物の結晶化の際に核生成剤として作用する。この核生成剤は、鋳造される軽金属溶融物よりも高い融点を有しているため、冷却時にまず先に凝固する。結晶粒微細化剤には、溶融物から形成された結晶が容易に堆積する。成長の際に妨げ合う結晶が可能な限り多く生じるので、全体として微細で均一な組織が生じる。結晶粒微細化剤は、最大で１２．５質量％のケイ素の割合を含むアルミニウム−ケイ素合金からなる結晶粒微細化剤、および／または合金元素として少なくともチタンおよびホウ素を含むアルミニウムチタン合金からなる結晶粒微細化剤を有することができる。特に両方の結晶粒微細化剤が異なる合金から構成されていることが予定される。特に良好な結晶粒微細化作用は、１２．５質量％までのケイ素を含有する第１の結晶粒微細化剤、ならびにチタンおよびホウ素を含有する第２の結晶粒微細化剤が使用される場合に達成される。これは、鋳造性の明らかな改善、およびこの溶融物により製造された部材の強度の明らかな改善を引き起こす。
具体的に説明すると、溶融物は、鋳造し終えた溶融物またはこの溶融物から製造された部材の全質量を基準として、アルミニウム−ケイ素合金からなる結晶粒微細化剤およびアルミニウム−チタン合金からなる結晶粒微細化剤全体で０．１〜５．０質量％の量を含むことができる。
特にアルミニウム鋳造合金の溶融物、もしくはこの溶融物から製造された軽金属鋳造部材は、ケイ素３．５〜５．０質量％、マグネシウム０．２〜０．７質量％、チタン０．０７〜０．１２質量％、ホウ素最大０．０１２質量％、任意に他の合金元素まとめて１．５質量％未満、残部アルミニウムならびに不可避的不純物を含むことが予定されている。
ケイ素、チタン、ホウ素等のような合金元素が挙げられている限り、本開示の範囲内で、純粋な合金元素を使用することができるだけでなく、それぞれ挙げられた合金元素を含む化合物も含まれると解釈することができる。最大１２．５質量％という前記のケイ素の割合は、第１の結晶粒微細化剤の全質量を基準とする。
一実施態様では、第１の結晶粒微細化剤は、ケイ素３．０〜７．０質量％、マグネシウム０．２〜０．７質量％、チタン０．０７〜０．１２質量％、ホウ素最大で０．０１２質量％、任意に他の合金元素まとめて１．５質量％未満、残部アルミニウムならびに不可避的不純物を含むことができる。この場合、これらの上述の値は、第１の結晶粒微細化剤の全質量を基準とする。第１の結晶粒微細化剤は、基礎溶融物と同じであるか、または異なる合金組成を有していてもよい。考えられる実施態様によると、第１の結晶粒微細化剤は、溶融した状態で超音波により処理されるので、凝固の際に球状に成形された混晶が生じる。つまり、アルミニウム中に溶解したケイ素の割合は、球状に成形された混晶を形成する。この結晶粒微細化剤の加熱は、特に固体と液体との間の（半固体の）転移温度までで、またはそれ以上で行われる。超音波処理の他の効果は、結晶粒微細化溶融物中に含まれるホウ素またはホウ化物を核として利用し、この核にＡｌ３Ｔｉが堆積することである。冷却時に、こうして形成されたＡｌ３Ｔｉ粒子は球状の組織で凝固する。好ましくは、第１の結晶粒微細化溶融物は、できる限り急速に、つまり例えば１０秒までの間に凝固させられる。Ａｌ３Ｔｉ粒子に接して、後に基礎溶融物中へ攪拌混入する際に、核生成が行われる。
アルミニウム−チタン合金を基礎とする第２の結晶粒微細化剤は、特に例えばＡｌ５Ｔｉ１Ｂのような市販の結晶粒微細化剤であってよい。
第１の結晶粒微細化剤および第２の結晶粒微細化剤は、個々に、または構成された結晶粒微細化系として基礎溶融物中に導入することができ、この場合、核生成する第１の結晶粒微細化剤および核生成する第２の結晶粒微細化剤は、溶融物中で完全に溶解される。引き続き、基礎溶融物とその中に溶解した結晶粒微細化剤から構成された、こうして得られた溶融物を鋳造型または成形型中に鋳造する。
考えられる方法管理によると、第１の結晶粒微細化剤および第２の結晶粒微細化剤を、それぞれの鋳造部材を流し込む直前に基礎溶融物に供給する。具体的に説明すると、特に溶融物を鋳造型中へ流し込むことは、第１の結晶粒微細化剤および／または第２の結晶粒微細化剤を基礎溶融物中へ攪拌混入した後の、特に最大５分間の間に行われることを予定することができる。この方式で、攪拌混入された結晶粒微細化剤のＡｌ３Ｔｉ粒子は、少なくともほぼ固体の形で存在するので、結晶粒微細化効果は高められる。
好ましい方法管理を、次に図面を用いて説明する。
図１および２を次に一緒に説明する。図１は、複数の方法工程Ｓ１０〜Ｓ５０中で、鋳造型および成形型を用いた軽金属鋳造部材の製造方法を示す。
原材料として、少なくとも次の合金成分：ケイ素３．５〜５．０質量％、マグネシウム０．２〜０．７質量％、チタン０．０７〜０．１２質量％、ホウ素の測定可能な割合０．０１２質量％まで、アルミニウム少なくとも９３．０質量％、および不可避的不純物を含む軽金属合金を使用する。この合金は、さらに、微量の他の元素、例えば銅、マンガン、ニッケル、亜鉛、スズおよび／またはストロンチウムを少量で含んでよい。
例示的な合金は、ことにケイ素４．０質量％、マグネシウム０．４質量％、チタン０．０８質量％、ホウ素０．０１２質量％、銅（Ｃｕ）約４００ｐｐｍ、亜鉛（Ｚｎ）約４００ｐｐｍ、ストロンチウム（Ｓｒ）約１００ｐｐｍ、スズ（Ｓｎ）約２００ｐｐｍ、ニッケル（Ｎｉ）約４００ｐｐｍ、マンガン（Ｍｎ）約４００ｐｐｍ、さらに不可避的不純物、および残部アルミニウム（Ａｌ）を有することができる。
第１の方法工程Ｓ１０において、軽金属鋳造部材を製造するために溶融物を製造する。このために、基礎合金から基礎溶融物を製造する。基礎合金中には、結晶化の際に核生成剤として作用する少なくとも１つの結晶粒微細化剤を導入することができる。具体的には、一例では、アルミニウム−ケイ素合金からなる第１の結晶粒微細化剤を使用することができ、この合金は、第１の結晶粒微細化合金の全質量を基準として最大１２．５質量％のケイ素の割合を含む。付加的に、アルミニウム−チタン合金からなる第２の結晶粒微細化剤を使用することができ、この合金は主成分としてアルミニウムを含み、かつ付加的合金元素として少なくともチタンおよびホウ素を含む。これらの結晶粒微細化剤を基礎合金の溶融物中に導入し、この場合、結晶粒微細化剤は溶融される。量の割合に関して、特に製造されるべき部材の全質量を基準として、第１の結晶粒微細化剤および第２の結晶粒微細化剤の合計で０．１〜５．０質量％の量を導入することが予定されている。
第２の方法工程Ｓ２０では、軽金属鋳造合金からなる溶融物を、低い第１の圧力（Ｐ１）で鋳造型および成形型中に鋳造する。この鋳造は、重力鋳造または低圧鋳造により行うことができ、この場合、第１の圧力（Ｐ１）は、好ましくは１．０ＭＰａより低い。溶融物は、液相線温度より高い温度（Ｔ１）で、特に６５０℃〜７８０℃の温度で鋳造される。鋳型または金型ともいわれる鋳造型は、それよりも低い、例えば３００℃より低い温度を有していてもよい。
引き続く方法工程Ｓ３０では、金型キャビティ内に存在する軽金属合金に圧力印加が行われる。このために、鋳造型の下部と上部との間に、５ＭＰａ（５０ｂａｒ）よりも高い圧力Ｐ２が構築される。この圧力は、例えば上部の自重によって作り出すことができる。この圧力印加の前に、材料が不所望にも型から押し出されないために、鋳造型または成形型の全ての開口部が閉じられていなければならない。溶融物の圧力印加は、金属合金の液相線ＴＬの付近から固相線ＴＳを越えるまでの部材−表面殻温度Ｔ２で行うことができ、つまりＴＳ＜Ｔ２＜ＴＬである。圧力印加の前には、この材料はまだ液状である。圧力印加の完了時に、この材料は少なくとも部分的に凝固されていて、つまり半固体の状態で存在する。
圧力印加（Ｓ３０）後に、引き続く方法工程Ｓ４０で、溶融物から少なくとも大部分凝固したワークピースの圧縮が行われる。この圧縮は、方法工程Ｓ３０中の第２の圧力Ｐ２よりも高い第３の圧力Ｐ３で、下部の上部に対する相対運動により実施される。この圧縮は、高い力で下部を上部の方向に押圧することにより行われる。この圧縮は、好ましくは、金属合金が少なくとも大部分凝固されているか、または半固体の状態である場合に初めて開始される。この圧縮は、方法工程の圧力印加Ｓ３０の場合の金属合金の温度Ｔ２よりも低い部材−表面殻温度Ｔ３で行うことができる。温度Ｔ３の下限として、金属合金の固相線温度ＴＳの半分が設定され、つまりＴ２＞Ｔ３＞０．５ＴＳである。変形プロセスの終了は、下部に対する上部の相対運動の終了位置の達成および所定の温度の達成により定義される。圧縮の際に、部材は１５％未満、特に１０％未満、または５％未満の比較的低い変形率を被るだけである。圧縮の際に、部材中の気孔が閉じられるので、組織構造が改善される。
部材が完全に凝固された後に、部材を鋳造型から離型する。引き続きこの状態で鋳放し部材とも言われるワークピースを、方法工程Ｓ５０で機械的に後加工する。この機械的後加工は、例えば切削加工、例えば旋削またはフライス加工、または変形する加工、例えばしごき加工であってよい。
軽金属鋳造部材は、凝固後で、機械的後加工前または機械的後加工後に、熱処理してよい。例えば、軽金属鋳造部材は、溶体化処理し、引き続き焼き戻してよい。この熱処理により、特に部材の強度特性を高めることができる。
これに、例えばＸ線を用いた品質管理、ならびに塗装のような別の通常の方法工程を続けることができる。
本発明による方法を用いて、鋳造ブランクを複数の工程で同一の下型において、鋳造（Ｓ２０）、引き続く圧力印加（Ｓ３０）、および引き続く圧縮／変形（Ｓ４０）により製造することができる。この圧力印加は、それぞれ使用された合金の固相線温度（液状〜半固体状態）より上で行われる。
図２は、本発明による方法による部材を製造するための軽金属合金についての状態図（相図）を示す。Ｘ軸には、金属ＡＸA％および金属ＢＸB％を含む金属合金（ＷL）の割合関係が示されている。ここでは、金属Ａはアルミニウムであり、金属Ｂはケイ素である。アルミニウムおよびケイ素の前記の割合により、これらから形成される軽金属合金は亜共晶であり、つまり、軽金属合金（ＷL）中のアルミニウム（金属Ａ）に対するケイ素（金属Ｂ）の割合は、共融混合物（ＷEu）の左側の組織が生じる程少ない。
Ｙ軸には、温度（Ｔ）が示されている。鋳造は、液相線温度ＴＬまたは液相線ＬＬを明らかに越える温度Ｔ１で行われる。この温度Ｔ１は、一点鎖線で示されている。液相線温度（ＴＬ）より下で、かつ固相線温度ＴＳより上にある、圧力印加のための温度領域Ｔ２（ＴＬ＞Ｔ２＞ＴＳ）は、図２中では、左下から右上に向かう斜線で示されている。圧力印加（Ｓ２０）の際のプロセス時間に依存して、引き続く圧縮のために、１５％未満の残留変形率が残る。圧縮（Ｓ３０）は、特に温度Ｔ２と半分の固相線温度０．５ＴＳの間の温度範囲Ｔ３で行われる（Ｔ２＞Ｔ３＞０．５ＴＳ）。この領域は、図２において、左上から右下に向かう斜線で示されている。任意に、機械的後加工（Ｓ４０）が、固相線温度より低い温度Ｔ４（Ｔ４＜ＴＳ）で行われる。
上述の方法により製造された軽金属鋳造部材は、わずかな気孔率、および特に強度、延性および破断点伸びに関して良好な機械特性を有する特に微細粒の組織を有する。軽金属鋳造部材は、０．５％未満、特に０．１％未満の最大気孔率を有し、かつ５０マイクロメートル未満、特に２０マイクロメートル未満の表面粗さ（Ｒａ）を有する。軽金属鋳造部材の引張強さ（Ｒｍ）は、熱処理を行った後で、少なくとも２７０Ｎ／ｍｍ2、特に少なくとも３２０Ｎ／ｍｍ2である。破断点伸び（Ａ５）は、少なくとも５％、特に少なくとも８％である。降伏点（Ｒｐ０．２）は、少なくとも２２０Ｎ／ｍｍ2、特に少なくとも２８０Ｎ／ｍｍ2である。
軽金属鋳造部材は、自動車用の***材または構造部材の形に、特に車両用ホイールまたは車両用リムとして形成されてよい。この方法は特に、少なくとも５００グラム、特に少なくとも３０００グラムの重量を有する***材または構造部材を製造するために適しているが、これに限定されるものではない。
これまで説明した方法の利点は、この方法を用いて製造された部材が、特に微細粒の気孔が少ない組織を有していることである。これにより、全体として部材の強度が向上する。例えば、試験により、本発明により製造された部材の引張強さ（Ｒｍ）が、従来の方式で製造された部材よりも、２０％以上向上されたことが示されている。降伏点（Ｒｐ０．２）は、それどころか４０％以上向上することができた。全体として、同じ材料使用の際に、本質的により高い強度を有する部材を作製することができるか、またはより少ない材料使用によってより軽量の部材を製造することができる。
Claims (18)
- 次の工程：
− ケイ素３．５〜５．０質量％、マグネシウム０．２〜０．７質量％、チタン０．０７〜０．１２質量％、ホウ素最大０．０１２質量％、任意に他の合金元素まとめて１．５質量％未満、残部アルミニウム、および不可避的不純物を含むアルミニウム鋳造合金からなる溶融物を準備すること、ここで、前記溶融物は、アルミニウムを含む基礎溶融物と、最大１２．５質量％のケイ素の割合およびアルミニウムを含むアルミニウム−ケイ素合金からなる第１の結晶粒微細化剤と、合金元素としてチタン、ホウ素およびアルミニウムを含むアルミニウム−チタン合金からなる第２の結晶粒微細化剤とから製造され、ここで、前記溶融物は、全質量を基準として、前記アルミニウム−ケイ素合金からなる前記結晶粒微細化剤と前記アルミニウム−チタン合金からなる前記結晶粒微細化剤合計で０．１〜５．０質量％の量を含み；
− 前記溶融物を低圧法で、低い第１の圧力（Ｐ１）で、ことに重力鋳造または低圧鋳造を用いて、鋳造型および成形型中へ鋳造すること、
− 前記鋳造型および成形型を完全に満たした後に、凝固する溶融物を前記鋳造型および成形型内で、前記第１の圧力（Ｐ１）よりも高い第２の圧力（Ｐ２）で圧力印加し、かつ
− 前記溶融物は少なくとも大部分が部材に凝固されている場合に、前記溶融物から少なくとも大部分が凝固した部材を、前記鋳造型および成形型中で、前記第２の圧力（Ｐ２）よりも高い第３の圧力（Ｐ３）で圧縮すること
を有する、軽金属鋳造部材の製造方法。 - 前記溶融物は、他の合金元素として、
ストロンチウム（Ｓｒ）１００〜１５０ｐｐｍ、
スズ（Ｓｎ）２５０ｐｐｍ未満、
銅（Ｃｕ）１．０質量％未満、ことに５５０ｐｐｍ未満、
ニッケル（Ｎｉ）５５０ｐｐｍ未満、
ホウ化チタン（ＴｉＢｏｒ）３０ｐｐｍ未満、
亜鉛（Ｚｎ）５５０ｐｐｍ未満、
クロム（Ｃｒ）５００ｐｐｍ未満、
鉄（Ｆｅ）０．７質量％未満、および
マンガン（Ｍｎ）０．１５質量％未満
の少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。 - 前記アルミニウム−ケイ素合金から結晶粒微細化溶融物を製造し、かつ前記結晶粒微細化溶融物を、凝固後に球状に成形されたアルファ混晶が存在するように超音波で処理することにより、前記第１の結晶粒微細化剤を製造することを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
- 前記第１の結晶粒微細化剤および前記第２の結晶粒微細化剤を、ことに少なくとも部分的に時間的に重複して、前記基礎溶融物中へ攪拌混入することにより導入することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
- 前記第１の結晶粒微細化剤および／または前記第２の結晶粒微細化剤を導入してから遅くとも５分で、前記溶融物を鋳造することを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
- 前記鋳造を、６２０℃〜８００℃の第１の温度（Ｔ１）、ことに６５０℃〜７８０℃の第１の温度で行うことを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
- 前記第２の圧力（Ｐ２）での前記圧力印加を、前記第１の温度より低くかつ液相線より下にある第２の温度（Ｔ２）で実施し、ここで、前記第３の圧力（Ｐ３）での前記圧縮を、前記第２の温度（Ｔ２）よりも低くかつ前記アルミニウム鋳造合金の固相線温度の少なくとも半分である第３の温度（Ｔ３）で実施することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
- 前記軽金属鋳造部材を、凝固後に熱処理する、ことに溶体化処理し、引き続き時効処理することを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
- 請求項１から８までのいずれか１項記載の方法により製造された、ことに自動車用の軽金属鋳造部材であって、前記軽金属鋳造部材は、ケイ素３．５〜５．０質量％、マグネシウム０．２〜０．７質量％、チタン０．０７〜０．１２質量％、ホウ素最大０．０１２質量％、任意に他の合金元素まとめて１．５質量％未満、残部アルミニウムおよび不可避的不純物を含み、
かつ前記軽金属鋳造部材は、最大５００マイクロメートルの平均結晶粒度を有する、軽金属鋳造部材。 - 前記軽金属鋳造部材は、０．５％未満、ことに０．１％未満の最大気孔率を有することを特徴とする、請求項９記載の軽金属鋳造部材。
- 前記軽金属鋳造部材は、少なくとも５％、ことに少なくとも８％の破断点伸び（Ａ5）を有することを特徴とする、請求項９または１０記載の軽金属鋳造部材。
- 前記軽金属鋳造部材は、少なくとも２２０Ｎ／ｍｍ2、好ましくは少なくとも２５０Ｎ／ｍｍ2、ことに少なくとも２８０Ｎ／ｍｍ2の降伏点（Ｒｐ0.2）を有することを特徴とする、請求項９から１１までのいずれか１項記載の軽金属鋳造部材。
- 前記軽金属鋳造部材は、少なくとも２７０Ｎ／ｍｍ2、好ましくは少なくとも３００Ｎ／ｍｍ2、ことに少なくとも３２０Ｎ／ｍｍ2の引張強さ（Ｒｍ）を有することを特徴とする、請求項９から１２までのいずれか１項記載の軽金属鋳造部材。
- 前記軽金属鋳造部材は、５０マイクロメートル未満、ことに２０マイクロメートル未満の表面粗さ［Ｒａ］を有することを特徴とする、請求項９から１３までのいずれか１項記載の軽金属鋳造部材。
- 前記軽金属鋳造部材は、鋳放し表面の範囲内で、少なくとも２８０Ｎ／ｍｍ2の降伏点（Ｒｐ0.2）、少なくとも８％の破断点伸び（Ａ5）、および少なくとも３２０Ｎ／ｍｍ2の引張強さ（Ｒｍ）を有することを特徴とする、請求項９から１４までのいずれか１項記載の軽金属鋳造部材。
- 前記軽金属鋳造部材は、製造し終えた状態で、鋳造後に機械的に加工されていない部分、ことに機械的に硬化されていない部分を有し、ここで、前記機械的に加工されていない部分は、３．０ミリメートル未満の壁厚を有することを特徴とする、請求項９から１５までのいずれか１項記載の軽金属鋳造部材。
- 前記軽金属鋳造部材は、***材または構造部材、ことに自動車の車両用ホイールであることを特徴とする、請求項９から１６までのいずれか１項記載の軽金属鋳造部材。
- 前記***材または構造部材は、少なくとも５００グラム、ことに少なくとも３０００グラムの重量を有することを特徴とする、請求項９から１７までのいずれか１項記載の軽金属鋳造部材。
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