JP4665413B2 - 高剛性・低線膨張率を有する鋳造用アルミニウム合金 - Google Patents

高剛性・低線膨張率を有する鋳造用アルミニウム合金 Download PDF

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Description

本発明は、鋳造用アルミニウム合金に関し、特に自動車等各種車両のラダー型フレーム、ペリメータ型フレームやケース類のように、特に高剛性と低線膨張率を必要とされる部材の鋳造に好適に用いることができる鋳造用アルミニウム合金に関するものである。
従来、自動車のフレームのように特に高い剛性が必要とされる部材には鋳鉄が使用されてきたが、近年は、省エネルギーの観点から自動車の軽量化の要求が高まり、この要求に答えうる材料としてアルミニウム合金が注目されている。
高い剛性を有するアルミニウム合金としては、アルミニウム合金中に、強化材としてAl2O3やSiC等を複合させたアルミニウム合金複合材が知られているが、これらの複合材は、製造工程が複雑でコスト高になる問題がある。また、Al2O3やSiC等を含んでいるためにリサイクル時に制約が多い等の問題もある。
特開平１−１８０９３８号公報は、耐摩耗性を向上させたアルミニウム合金を開示したものであるが、ここに開示されたアルミニウム合金は、自動車のフレーム等に使用されている鋳鉄品と置換しようとした場合には、剛性が小さく、線膨張係数が大きすぎる問題が有る。また、特開平３−１９９３３６号公報も同様に耐摩耗性を向上させたアルミニウム合金を開示したものであるが、ここに開示されたアルミニウム合金もまた自動車のフレーム等に使用されている鋳鉄品と置換しようとした場合には、剛性が小さく、線膨張係数が大きすぎ、さらに金型への焼きつきが起こり易いという問題もある。
特開平１−１８０９３８号公報 特開平３−１９９３３６号公報
従来のアルミニウム合金が有する上記のような問題を解決するため、本発明は、Si：１３〜２５質量％、Cu：２〜８質量％、Fe：０．５〜３質量％、Mn：０．３〜３．５質量％、P：０．００１〜０．０２質量％を含み、残部がAlと不可避的不純物からなり、FeとMnの合計量が３．０質量％以上であることを特徴とする剛性に優れ、低線膨張率を有する鋳造用アルミニウム合金を提案する。
さらに、Fe、MnおよびNiの合計量が３．０質量％以上となるようにNi：０．５〜６質量％を加えても良い。
さらに、上記Niに代えて、あるいはNiに加えて、Cr：０．１〜１．０質量％、Mg：０．０５〜１．５質量％、Ti：０．０１〜１．０質量％、B:０．０００１〜１．０質量％、Zr：０．１〜１．０質量％、V：０．１〜１．０質量％、Mo：０．０１〜１．０質量％の何れか１種以上を含んでも良い。
本発明の合金は、冷却速度３０°Ｃ／秒以上で鋳造することが好ましく、高い冷却速度で鋳造するためにはダイカスト法で鋳造することが好ましい。
本発明の発明者は、アルミニウム合金について鋭意研究を行った結果、晶出物の面積率とアルミニウム合金の剛性および線膨張係数に相関があることを発見し、さらに研究を行った結果、上述の合金組成にすることにより、鋳造時にAl-Ni系、Al-Ni-Cu系、Al-Cu系、Al-Fe-Si系、Al-Fe-Mn系あるいはAl-Si-Fe-Mn系化合物の微細な晶出粒子を分散させることができ、必要とする高剛性および低線膨張率を実現できることを発見した。以下に、各成分の当該アルミニウム合金における作用について述べる。
Si：１３〜２５質量％
Siは、共晶Si、初晶Si、Al-Fe-Si系化合物として晶出し、剛性を向上させる作用がある。この効果は１３質量％以上で顕著となるが、２５質量％を超えると初晶Siが粗大化して、逆に剛性向上効果が低下する。また、鋳造温度を向上させる必要がある。更に、粗大Siによって切削加工性が著しく悪化する。Siには、線膨張率を低下させる作用、耐摩耗性を向上させる作用もある。Siのより好ましい範囲は、１３〜１７質量％である。
Cu：２〜８質量％
Cuは、Al-Cu系、Al-Ni-Cu系化合物として晶出し、剛性の向上に寄与する。この作用は４質量％以上の添加で顕著となるが、８質量％を超えると化合物が粗大化して逆に伸びが低下し、さらに耐食性も低下する。Cuのより好ましい範囲は３〜６質量％である。
Fe＋Mn（＋Ni）：３．０質量％以上
Fe、Mn、Niは、Al-Fe-Mn系、Al-Fe-Si系、Al-Ni系、Al-Ni-Cu系、Al-Ni-Fe-Mn系、Al-Si-Fe-Mn系化合物として晶出し、剛性の向上に寄与し、線膨張係数を低下させる作用がある。また、耐熱性を向上させる作用もある。この作用は、Fe＋Mn（＋Ni）が３質量％以上で顕著となるが、１２質量％を超えると晶出物が粗大化し、逆に剛性向上効果が小さくなるので、Fe＋Mn＋Niは合計で１２質量％以下にするのが好ましい。
P：０．００１〜０．０２
Pは、初晶Siを微細化して均一に分散させる作用を有する。この作用は、０．００１質量％以上で顕著であるが、０．０２質量％を超えると溶湯の粘性が増加し、鋳造性が悪くなる。
Mg：０．０５〜１．５質量％
Mgは、母相中に固溶し、剛性の向上に寄与する。この作用は、０．０５質量％以上で顕著であるが、１．５質量％を越えると伸びが低下し、鋳造性が著しく悪化する。さらに好ましくは、Mgは０．４質量％以下である。
Cr：０．１〜１．０質量％
Crは、Al-Si-Fe-Mn-Cr系化合物として晶出し、剛性の向上に寄与する。また、初晶Siを微細且つ均一に分散させる作用をも有する。当該作用は、Crが０．１質量％以上で顕著であるが、１．０質量％を超えると粗大な化合物が形成され、逆に伸びが低下する。
Ti：０．０１〜１．０質量％
Tiは、α相を微細化し、鋳造性の向上に寄与するとともに、Al-Ni系化合物の粗大かを防止する作用がある。その作用は、Tiが０．０１質量％以上で顕著となるが、１．０質量％を超えると粗大な化合物が形成され、逆に伸びが低下する。
B:０．０００１〜１．０質量％、V：０．１〜１．０質量％、Zr：０．１〜１．０質量％、Mo：０．０１〜１．０質量％
B、V、Zr、Moは、高剛性晶出物を形成し、剛性の向上に寄与する。何れの元素も上限を超えて添加すると粗大な晶出物を形成して、伸びが低下する。
本出願の発明者は、本発明にかかるアルミニウム合金を製造し、組成と結晶構造及び剛性と線膨張係数との関係について実験的に確認したので、その結果を以下に述べる。
実験に用いたアルミニウム合金の組成を表１に示す。実験に用いたアルミニウム合金は、PFダイカスト法により、鋳造温度７２０°Ｃで２００×２００×１０ｍｍの平板形状に鋳造した後、２００°Ｃで４時間保持して時効させた後、剛性（ヤング率）と線膨張係数（熱膨張係数）を測定した。合金Ｎｏ．１〜１７は本発明に基づくアルミニウム合金、合金Ｎｏ．１８〜２４は、組成の範囲のうちの少なくとも１つが上述の条件を満たさない比較例である。条件を満足していない組成には下線を引いて示した。
Figure 0004665413
上記の測定結果を、表１に、組成とともに示す。
ここでは、ヤング率に関しては基準値を９０ＧＰａとして、これ以上のものが基準を満足すると判断し、線膨張係数については基準値を１８×１０−６／°Ｃとして、これ未満のものが基準を満足すると判断した。
表１に示されているように、合金Ｎｏ．１８は、ヤング率が８０ＧＰａと基準値（９０ＧＰａ）を下回っており、同時に、線膨張係数は２０．０×１０−６／°Ｃと基準値（１８×１０−６／°Ｃ）より大きく、何れの値も基準を満足していない。これは、Si、Cu、Ni＋Fe＋Mnの含有量が何れも不十分である、つまり上述の範囲を下回っていることが原因であると考えられる。
合金Ｎｏ．１９もまた、合金Ｎｏ．１８と同様に、ヤング率、線膨張係数ともに基準を満足していない。これは、Cuについては上述の範囲に入っているものの、SiとNi＋Fe＋Mnの含有量が何れも不十分である（上述の範囲を下回っている）ことが原因であると考えられる。
合金Ｎｏ．２０は、ヤング率が基準値よりも低いが、これはNi＋Fe＋Mnの含有量が合計２．０質量％であって、上述の条件、Ni＋Fe＋Mn３．０質量％を下回っていることが原因と考えられる。
合金Ｎｏ．２１は、ヤング率と線膨張係数は基準を満足しているが、金型に焼きつきを生じた。これは、Feが実質的に添加されておらず、上述の条件を満足していなかったことが原因と考えられる。
合金Ｎｏ．２２は、延びが不十分で、弾性変形領域内で試験片が割れてしまったためにヤング率を測定することができなかった。これは、Mnが実質的に添加されておらず、組成に関する上述の条件を満足していないためと考えられる。
合金Ｎｏ．２３は、ヤング率、線膨張係数ともに基準を満足していない。これは、Cuが１質量％では不十分である（上述の範囲を下回っている）ことが原因であると考えられる。
合金Ｎｏ．２４もまた、ヤング率、線膨張係数ともに基準を満足していない。これは、Siが１２質量％では不十分である（上述の範囲を下回っている）ことが原因であると考えられる。
これに対して、上述の組成範囲を満足する本発明のアルミニウム合金Ｎｏ．１〜１７は、表１に示されている予に何れも、ヤング率および線膨張係数の値が基準を満足している。
本発明の鋳造用アルミニウム合金は、特に自動車等各種車両のラダー型フレーム、ペリメータ型フレームやケース類のように、特に高剛性と低線膨張率を必要とされる部材の鋳造に好適に用いることができる。

Claims (4)

  1. Si：１３〜２５質量％、Cu：２〜８質量％、Fe：０．５〜３質量％、Mn：０．３〜３．５質量％、P：０．００１〜０．０２質量％を含み、さらに、Cr：０．１〜１．０質量％、Mg：０．０５〜１．５質量％、Ti：０．０１〜１．０質量％、B:０．０００１〜１．０質量％、Zr：０．１〜１．０質量％、V：０．１〜１．０質量％、Mo：０．０１〜１．０質量％の何れか１種以上を含み、且つCr：０．１〜１．０質量％、Mg：０．０５〜１．５質量％のうち少なくとも一方を含み、残部がAlと不可避的不純物からなり、FeとMnの合計量が３．０質量％以上であることを特徴とする剛性に優れ、低線膨張率を有する鋳造用アルミニウム合金。
  2. Si：１３〜２５質量％、Cu：２〜８質量％、Fe：０．５〜３質量％、Mn：０．３〜３．５質量％、Ni：０．５〜６質量％、P:０．００１〜０．０２質量％を含み、さらに、Cr：０．１〜１．０質量％、Mg：０．０５〜１．５質量％、Ti：０．０１〜１．０質量％、B:０．０００１〜１．０質量％、Zr：０．１〜１．０質量％、V：０．１〜１．０質量％、Mo：０．０１〜１．０質量％の何れか１種以上を含み、且つCr：０．１〜１．０質量％、Mg：０．０５〜１．５質量％のうち少なくとも一方を含み、残部がAlと不可避的不純物からなり、Fe、MnおよびNiの合計量が３．０質量％以上であることを特徴とする剛性に優れ、低線膨張率を有する鋳造用アルミニウム合金。
  3. Si：１３〜２５質量％、Cu：２〜８質量％、Fe：０．５〜３質量％、Mn：０．３〜３．５質量％、P：０．００１〜０．０２質量％を含み、且つCr：０．１〜１．０質量％、Mg：０．０５〜１．５質量％のうち少なくとも一方を含み、残部がAlと不可避的不純物からなり、FeとMnの合計量が３．０質量％以上であることを特徴とする剛性に優れ、低線膨張率を有する鋳造用アルミニウム合金。
  4. Si：１３〜２５質量％、Cu：２〜８質量％、Fe：０．５〜３質量％、Mn：０．３〜３．５質量％、Ni：０．５〜６質量％、P:０．００１〜０．０２質量％を含み、且つCr：０．１〜１．０質量％、Mg：０．０５〜１．５質量％のうち少なくとも一方を含み、残部がAlと不可避的不純物からなり、Fe、MnおよびNiの合計量が３．０質量％以上であることを特徴とする剛性に優れ、低線膨張率を有する鋳造用アルミニウム合金。
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