JP6495246B2 - アルミニウム合金及びダイカスト鋳造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、アルミダイカスト用アルミニウム合金及び鋳造方法に関する。
ダイカスト鋳造方法は、生産性に優れ、自動車部品，機械部品等アルミ部品を用いる多くの分野にて採用されている。
このようなダイカスト鋳造に用いられるアルミニウム合金としては、日本工業規格ＪＩＳ ＡＤＣ１２相当の合金が一般的に使用されている。
ＪＩＳ ＡＤＣ１２合金は、鋳造に優れるものの、この合金を用いてダイカスト鋳造された製品は、金属のミクロ組織が粗大な針状組織になるためにこの析出物を起点に破壊しやすく、充分な強度を確保するのが難しい。
そのために安全設計せざるを得ず、厚肉にならざるを得ない。
また、強度向上を目的にＴ６処理をすると、コストアップになるだけでなく、部分的に肉厚さが大きい製品では熱歪みにて形状が変形する恐れがある。
このようなダイカスト鋳造に用いられるアルミニウム合金としては、日本工業規格ＪＩＳ ＡＤＣ１２相当の合金が一般的に使用されている。
ＪＩＳ ＡＤＣ１２合金は、鋳造に優れるものの、この合金を用いてダイカスト鋳造された製品は、金属のミクロ組織が粗大な針状組織になるためにこの析出物を起点に破壊しやすく、充分な強度を確保するのが難しい。
そのために安全設計せざるを得ず、厚肉にならざるを得ない。
また、強度向上を目的にＴ６処理をすると、コストアップになるだけでなく、部分的に肉厚さが大きい製品では熱歪みにて形状が変形する恐れがある。
特許文献１には、鋳造状態で高い伸び率を有するダイカスト用アルミニウム合金を開示するが、モリブデンの添加が必須となっている。
本発明は、内部品質に優れ、伸びが大きく強度が高いアルミダイカスト用合金及びその鋳造方法の提供を目的とする。
本発明に係るアルミニウム合金は、以下全て質量％にて、Ｓｉ：６．０〜９．０％，Ｍｇ：０．４〜０．８％，Ｃｕ：０．２５〜１．０％，Ｆｅ：０．０８〜０．２５％，Ｍｎ：０．６％以下，Ｔｉ：０．２％以下及びＳｒ，Ｓｂ，Ｃａ，Ｎａの群から選ばれる１つ以上を０．０１％以下の範囲で含有し、残部がＡｌと不可避的不純物であることを特徴とする。
また、本発明は、鋳造方法にも特徴があり、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系のアルミニウム合金の溶湯をダイカストマシンの射出スリーブに注湯し、センターゲート型の金型キャビティ内にゲート速度１ｍ／ｓｅｃ以下の速度で層流充填することを特徴とする。
ダイカスト鋳造時に金型キャビティ内等に離型剤を塗布するのが一般的であり、油性，水溶性等の溶液型離型剤を用いてもよい。
本発明においては、金型キャビティ内に粉体からなる離型剤を塗布するのが好ましい。
粉体からなる離型剤は、型温が低下するのを抑える。
ダイカスト鋳造時に金型キャビティ内等に離型剤を塗布するのが一般的であり、油性，水溶性等の溶液型離型剤を用いてもよい。
本発明においては、金型キャビティ内に粉体からなる離型剤を塗布するのが好ましい。
粉体からなる離型剤は、型温が低下するのを抑える。
本発明において合金組成を選定した理由は次の通りである。
＜Ｓｉ＞
Ｓｉ成分は、鋳造時の湯流れ性を確保するには、６質量％（以下単に％と表示する。）以上必要であり、本発明では亜共晶域である。
亜共晶域は、粗大な初晶Ｓｉが析出することが少なく、それを起点とした破壊が生じないことから、機械的性質を確保するために必要な伸びを確保することができる。
よって、Ｓｉは６．０〜９．０％の範囲がよい。
＜Ｍｇ＞，＜Ｃｕ＞
Ｍｇ及びＣｕは、強度を確保するのに必要であり、Ｍｇは０．４〜０．８％の範囲、Ｃｕは０．２５〜１．０％の範囲がよい。
＜Ｆｅ＞
Ｆｅ成分は、少量であれば靭性に対して優位に作用するが０．２５％を超えると延性が低下する。
Ｆｅ成分は、不純物としては混入しやすく、Ｆｅ成分を少なくするには母合金の純度を高くしなければならず、コストアップとなる。
そこで、Ｆｅは０．０８〜０．２５％の範囲が好ましい。
＜Ｍｎ＞
Ｍｎ成分は、ダイカスト鋳造において少量の添加により金型への焼き付きを防止するのに有効である。
したがって、Ｍｎ成分は添加する場合に０．６％以下が好ましい。
＜Ｓｒ＞，＜Ｓｂ＞，＜Ｃａ＞，＜Ｎａ＞
これらの成分は、改良処理剤として少量の添加により共晶シリコンの微細化に効果的である。
Ｓｒ，Ｓｂ，Ｃａ，Ｎａのいずれか１つ以上を０．０１％以下の範囲で添加するのが好ましい。
＜Ｔｉ＞
Ｔｉ成分は、鋳造時の結晶粒の微細化に効果があり、０．２％以下の範囲で添加してもよい。
Ｔｉは、母合金として添加するとＢが少量含まれる。
＜Ｓｉ＞
Ｓｉ成分は、鋳造時の湯流れ性を確保するには、６質量％（以下単に％と表示する。）以上必要であり、本発明では亜共晶域である。
亜共晶域は、粗大な初晶Ｓｉが析出することが少なく、それを起点とした破壊が生じないことから、機械的性質を確保するために必要な伸びを確保することができる。
よって、Ｓｉは６．０〜９．０％の範囲がよい。
＜Ｍｇ＞，＜Ｃｕ＞
Ｍｇ及びＣｕは、強度を確保するのに必要であり、Ｍｇは０．４〜０．８％の範囲、Ｃｕは０．２５〜１．０％の範囲がよい。
＜Ｆｅ＞
Ｆｅ成分は、少量であれば靭性に対して優位に作用するが０．２５％を超えると延性が低下する。
Ｆｅ成分は、不純物としては混入しやすく、Ｆｅ成分を少なくするには母合金の純度を高くしなければならず、コストアップとなる。
そこで、Ｆｅは０．０８〜０．２５％の範囲が好ましい。
＜Ｍｎ＞
Ｍｎ成分は、ダイカスト鋳造において少量の添加により金型への焼き付きを防止するのに有効である。
したがって、Ｍｎ成分は添加する場合に０．６％以下が好ましい。
＜Ｓｒ＞，＜Ｓｂ＞，＜Ｃａ＞，＜Ｎａ＞
これらの成分は、改良処理剤として少量の添加により共晶シリコンの微細化に効果的である。
Ｓｒ，Ｓｂ，Ｃａ，Ｎａのいずれか１つ以上を０．０１％以下の範囲で添加するのが好ましい。
＜Ｔｉ＞
Ｔｉ成分は、鋳造時の結晶粒の微細化に効果があり、０．２％以下の範囲で添加してもよい。
Ｔｉは、母合金として添加するとＢが少量含まれる。
上記のような組織のアルミニウム合金を用いると、ダイカスト鋳造後に空冷したＦ材又はその後に焼き戻し処理するＴ５材にて従来より強度が向上し、コストアップとなるＴ６処理が不要である。
また、鋳造品の内部欠陥を少なくすることも鋳物製品の薄肉化に有効である。
そこで、本発明においては、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系のアルミニウム合金の溶湯をダイカストマシンの射出スリーブに注湯し、センターゲート型の金型キャビティ内にゲート速度１ｍ／ｓｅｃ以下の速度で層流充填するのが好ましい。
金型にセンターゲートを設けることができれば、ダイカストマシンのタイプに制限はない。
薄肉製品を鋳造するには、金型の型温を維持するのが好ましいので、水溶性離型剤よりも粉体からなる断熱性の離型剤が好ましい。
また、本発明において、Ｚｎ，Ｎｉ，Ｓｎ，Ｃｒ成分及びその他の成分は不可避的不純物として取り扱われるが、０．０３％以下で許容される。
また、鋳造品の内部欠陥を少なくすることも鋳物製品の薄肉化に有効である。
そこで、本発明においては、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系のアルミニウム合金の溶湯をダイカストマシンの射出スリーブに注湯し、センターゲート型の金型キャビティ内にゲート速度１ｍ／ｓｅｃ以下の速度で層流充填するのが好ましい。
金型にセンターゲートを設けることができれば、ダイカストマシンのタイプに制限はない。
薄肉製品を鋳造するには、金型の型温を維持するのが好ましいので、水溶性離型剤よりも粉体からなる断熱性の離型剤が好ましい。
また、本発明において、Ｚｎ，Ｎｉ，Ｓｎ，Ｃｒ成分及びその他の成分は不可避的不純物として取り扱われるが、０．０３％以下で許容される。
本発明に係る化学組成からなるアルミニウム合金は、Ｓｉにより流動性を確保しつつ、Ｍｇ及びＣｕ成分の組み合せにより強度向上を図るとともに、Ｆｅ成分を従来より少なくし、Ｓｒ等による改良処理により伸びが向上するため、Ｔ６処理することなく強度が高い。
これにより、Ｔ６処理によるコストアップを低減できるだけなく、急冷処理による熱歪みの発生がなくなることで、薄肉製品の寸法精度が向上する。
また、層流ダイカストの採用により内部品質が向上し、金型設計においてセンターゲート方案を採用するとさらに内部品質が向上する。
なお、いわゆるアンダーカット製品の鋳造には可動型と固定型の間に中間型を設けるとよい。
これにより、Ｔ６処理によるコストアップを低減できるだけなく、急冷処理による熱歪みの発生がなくなることで、薄肉製品の寸法精度が向上する。
また、層流ダイカストの採用により内部品質が向上し、金型設計においてセンターゲート方案を採用するとさらに内部品質が向上する。
なお、いわゆるアンダーカット製品の鋳造には可動型と固定型の間に中間型を設けるとよい。
１１ 固定型
１１ａ センターゲート
１２ 可動型
１４ スリーブ
１５ 中間型
１１ａ センターゲート
１２ 可動型
１４ スリーブ
１５ 中間型
本発明に係るアルミニウム合金及び鋳造方法を以下説明する。
図１に示した各化学成分（組成）からなるアルミニウム合金の溶湯を調整し、製品をダイカスト鋳造した。
ＪＩＳ １４号比例試験片を製品から切り出し、機械的性質を評価した。
鋳造条件は、ゲート速度で１ｍ／ｓｅｃ以下の低速で層流ダイカストを行った。
次に、温度１８０℃，時間１８０分の熱処理（Ｔ５）を行った。
金型構造例を図６に示す。
評価結果を図１の表に示す。
表中、機械的性質に記載された引張強さ，耐力値（０．２％）及び伸びを目標とした。
実施例１〜１２は、化学成分が所定の目標の範囲にあり、機械的性質を確保できる。
また、Ｔ５処理でコストが低い。
比較例１〜３は、改良処理されていなく、伸びが低い。
比較例２は、Ｔ６処理にて強度があるものの伸びが悪いだけでなく、コストアップになる。
比較例４は、機械的性質を満足しているが、Ｔ６処理を実施しており、コストが高い。
比較例５は、Ｃｕが低いため、Ｔ５処理で機械的性質を満足しない。
比較例６は、改良処理を実施しておらず、また、Ｃｕ，Ｓｉが所定の範囲外のため伸びが低い。
Ｍｎが多く粗大な晶出物があり、伸びが低い。
また、Ｔ６処理のためコストが高い。
比較例７は、改良処理を実施しておらず、また、Ｃｕ，Ｓｉが所定の範囲外のため伸びが低い。
Ｍｎが多く粗大な晶出物があり、伸びが低い。
比較例８は、Ｃｕが所定の範囲外であり、Ｍｎが多く粗大な晶出物があり、伸びが低い。
比較例９は、Ｃｕが低く機械的性質を満足しない。
比較例１０は、Ｔ６処理のためコストが高い。
比較例１１は、Ｍｇが低く、機械的性質を満足しない。
比較例１２は、Ｔ６処理のため、コストが高い。
参考として、図２（ａ），（ｂ）に実施例１の金属組織写真を示し、図３に（ａ）比較例１、（ｂ）比較例２、（ｃ）に比較例３の金属組織写真を示す。
本発明に係るアルミニウム合金を用いると、共晶シリコンが微細化しているのが分かる。
図１に示した各化学成分（組成）からなるアルミニウム合金の溶湯を調整し、製品をダイカスト鋳造した。
ＪＩＳ １４号比例試験片を製品から切り出し、機械的性質を評価した。
鋳造条件は、ゲート速度で１ｍ／ｓｅｃ以下の低速で層流ダイカストを行った。
次に、温度１８０℃，時間１８０分の熱処理（Ｔ５）を行った。
金型構造例を図６に示す。
評価結果を図１の表に示す。
表中、機械的性質に記載された引張強さ，耐力値（０．２％）及び伸びを目標とした。
実施例１〜１２は、化学成分が所定の目標の範囲にあり、機械的性質を確保できる。
また、Ｔ５処理でコストが低い。
比較例１〜３は、改良処理されていなく、伸びが低い。
比較例２は、Ｔ６処理にて強度があるものの伸びが悪いだけでなく、コストアップになる。
比較例４は、機械的性質を満足しているが、Ｔ６処理を実施しており、コストが高い。
比較例５は、Ｃｕが低いため、Ｔ５処理で機械的性質を満足しない。
比較例６は、改良処理を実施しておらず、また、Ｃｕ，Ｓｉが所定の範囲外のため伸びが低い。
Ｍｎが多く粗大な晶出物があり、伸びが低い。
また、Ｔ６処理のためコストが高い。
比較例７は、改良処理を実施しておらず、また、Ｃｕ，Ｓｉが所定の範囲外のため伸びが低い。
Ｍｎが多く粗大な晶出物があり、伸びが低い。
比較例８は、Ｃｕが所定の範囲外であり、Ｍｎが多く粗大な晶出物があり、伸びが低い。
比較例９は、Ｃｕが低く機械的性質を満足しない。
比較例１０は、Ｔ６処理のためコストが高い。
比較例１１は、Ｍｇが低く、機械的性質を満足しない。
比較例１２は、Ｔ６処理のため、コストが高い。
参考として、図２（ａ），（ｂ）に実施例１の金属組織写真を示し、図３に（ａ）比較例１、（ｂ）比較例２、（ｃ）に比較例３の金属組織写真を示す。
本発明に係るアルミニウム合金を用いると、共晶シリコンが微細化しているのが分かる。
次に金型構造について説明する。
ダイカスト鋳造は、図５に模式図を示すように固定型１１と可動型１２とでキャビティ１３を形成し、スリーブ１４内に溶湯を注湯し、このキャビティ内に射出する工法である。
ダイカストマシンには、横型ダイカストマシンと縦型ダイカストマシンがあり、生産性等の観点から横型ダイカストマシンが現在主流になっている。
横型ダイカストマシンにおいても、図５に示したような湯口が下部にある湯口アンダー型ダイカストマシンと、湯口をセンターに配置した湯口センター型ダイカストマシンがある。
例えば、図４（ａ）〜（ｄ）に断面図を示した円筒形状等の製品の場合には、図６に金型構造を示すように製品の中央部から注湯（射出）する方が湯流れの偏析を抑制し、内部品質に優れる。
そこで本発明においては、センターゲート型の金型を用いてゲート速度（金型のランナーゲートを溶湯が通過する速度）１ｍ／ｓｅｃ以下の層流充填をするようにするのが好ましい。
この場合に図示を省略したが、湯口をセンターに配置したダイカストマシンを用いることもできるが、図６に示したような固定型１１と可動型１２との間に中間型１５を配置した金型構造にすると、湯口が下部にある湯口アンダー型ダイカストマシンであっても固定型１１と中間型１５の間にランナー部を設けることで、センターゲート１１ａを有するセンターゲート型の金型を構築することができる。
このように３分割型にすると、図４（ａ）〜（ｄ）に示すような各種形状の製品を鋳造することができる。
ダイカスト鋳造は、図５に模式図を示すように固定型１１と可動型１２とでキャビティ１３を形成し、スリーブ１４内に溶湯を注湯し、このキャビティ内に射出する工法である。
ダイカストマシンには、横型ダイカストマシンと縦型ダイカストマシンがあり、生産性等の観点から横型ダイカストマシンが現在主流になっている。
横型ダイカストマシンにおいても、図５に示したような湯口が下部にある湯口アンダー型ダイカストマシンと、湯口をセンターに配置した湯口センター型ダイカストマシンがある。
例えば、図４（ａ）〜（ｄ）に断面図を示した円筒形状等の製品の場合には、図６に金型構造を示すように製品の中央部から注湯（射出）する方が湯流れの偏析を抑制し、内部品質に優れる。
そこで本発明においては、センターゲート型の金型を用いてゲート速度（金型のランナーゲートを溶湯が通過する速度）１ｍ／ｓｅｃ以下の層流充填をするようにするのが好ましい。
この場合に図示を省略したが、湯口をセンターに配置したダイカストマシンを用いることもできるが、図６に示したような固定型１１と可動型１２との間に中間型１５を配置した金型構造にすると、湯口が下部にある湯口アンダー型ダイカストマシンであっても固定型１１と中間型１５の間にランナー部を設けることで、センターゲート１１ａを有するセンターゲート型の金型を構築することができる。
このように３分割型にすると、図４（ａ）〜（ｄ）に示すような各種形状の製品を鋳造することができる。
本発明に係るアルミニウム合金は、Ｔ５処理することなく高強度が得られるので、各種自動車部品，各種機械部品に適用でき、ダイカスト性に優れるので生産性が高い。
Claims (2)
- 以下全て質量％にて、Ｓｉ：６．０〜９．０％，Ｍｇ：０．４〜０．８％，Ｃｕ：０．２５〜１．０％，Ｆｅ：０．０８〜０．２５％，Ｍｎ：０．６％以下，Ｔｉ：０．２％以下及びＳｒを０．０１％以下の範囲で含有し、残部がＡｌと不可避的不純物であるアルミニウム合金の溶湯をダイカストマシンの射出スリーブに注湯し、
センターゲート型の金型キャビティ内にゲート速度１ｍ／ｓｅｃ以下の速度で層流充填することで、その後にＴ５処理からなる熱処理にて引張強さが２４０ＭＰａ以上有することを特徴とするアルミニウム合金の鋳造方法。 - 前記金型キャビティ内に粉体からなる離型剤を塗布することを特徴とする請求項１記載のアルミニウム合金の鋳造方法。
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