JP2001064743A - 改良された鋳造合金 - Google Patents

改良された鋳造合金

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    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D21/00—Casting non-ferrous metals or metallic compounds so far as their metallurgical properties are of importance for the casting procedure; Selection of compositions therefor
    • B22D21/002—Castings of light metals
    • B22D21/007—Castings of light metals with low melting point, e.g. Al 659 degrees C, Mg 650 degrees C

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アルミニウムおよびアルミニウム合金製鋳造
インゴットにおいて、外観性を改善し、表面欠陥をなく
して酸化を減少させる。 【解決手段】 アルカリ土類金属、特にストロンチウム
をアルミニウムおよびアルミニウム合金に添加する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】本発明は、少量のストロンチウムおよび／
またはアルカリ土類、希土類、および／または遷移金属
の組合せを添加することによる、アルミニウムおよびア
ルミニウム合金の鋳造における改良と、鋳造製品に関す
るものである。
【０００２】ホール法およびその後継法の導入以来、ア
ルミニウムおよびアルミニウム合金（合金等）の商業化
は、一つの巨大産業を創出した。合金等の商業化におい
て、強度、靭性、および疲労割れ成長速度などの材料特
性が、製品の用途に応じて、最終製品における重要な考
慮事項である。
【０００３】多くの産業において、合金等に関して物性
と同様に重要なことは、最終製品の物理的外観である。
家内工業が、単に合金等を見た目に良いものとするため
だけに、合金産業の周囲に成長している。そのような補
助的な業種の例として、製造状態のインゴットの表面を
削除してインゴットの表面欠陥を取り除くために創出さ
れた業種、および／または、インゴットのエッジ欠陥を
取り除くためのエッジカッターを作るために創出された
業種などが挙げられる。
【０００４】合金等の鋳造において、化粧直しをしても
直すことのできない種類の欠陥が存在する。或るは、鋳
造片に加工前の割れを生じさせる。これらは、当業者に
よって種々に呼ばれており、それらの欠陥に対して、各
会社は会社独自の呼び名をつけている。そのような欠陥
として、中実インゴットの表面に埋めこまれた、縦襞
(ひだ)、襞、酸化物斑点、酸化物または酸化物集合体を
挙げることができるが、これらに限定されるものではな
い。縦襞は、インゴットの長さ方向に指向する、圧延イ
ンゴットの表面におけるＶ字型の凹みである。或る種の
縦襞は、インゴットの割れの起点となる。割れの入った
インゴットは、それ以上加工すること、あるいは川下の
取引先に販売したりすることができないため、再溶融、
再鋳造する必要がある。インゴットを再溶融、再鋳造す
ることは、手間がかかるのみならず、経費増であり、合
金製造所の効率を低下させる。しかしながら、全部でな
いまでも大部分のインゴットを或る方法で加工するなら
ば、割れたインゴットの修復はできない。その他の表面
欠陥もまた、割れの引き金として働くだろう。以上から
明らかなように、インゴットの表面欠陥は、合金技術の
問題点として残っている。
【０００５】合金業界で知られるようになった加工とい
う表現は、限定的ではないが、例えば熱間圧延、冷間圧
延、押出し、鍛造、引き抜き、アイアニング、熱処理、
時効処理、成形、および延伸等々の他、多くの異なる事
項を意味することができる。合金等の加工または成形に
おいて、エネルギーが被加工品に加えられるが、それは
必ずしも均一に分配されない。
【０００６】合金等の鋳造は、当業者に公知の多くの方
法のうちのいずれによっても促進される。鋳造方法の例
として、直接チル（ＤＣ）、電磁鋳造（ＥＭＣ）、水平
直接チル（ＨＤＣ）、ＦＤＣ鋳造、押湯鋳造、連続鋳
造、半連続鋳造、ダイカスト、圧延鋳造、および砂型鋳
造がある。これらの鋳造方法は、それぞれ特有の問題を
抱えているが、各技術については、表面欠陥が依然とし
て問題になるだろう。縦襞は、ＤＣおよびＥＭＣ鋳造の
問題点である。
【０００７】合金等には、１ｘｘｘ、２ｘｘｘ、３ｘｘ
ｘ、４ｘｘｘ、５ｘｘｘ、６ｘｘｘ、７ｘｘｘ、および
８ｘｘｘ系列の合金のような、アルミニウム協会登録合
金が含まれる。本発明は、鋳造合金のいずれにも非常に
有用である。本発明は、２ｘｘｘ、３ｘｘｘ、４ｘｘ
ｘ、５ｘｘｘ、６ｘｘｘ、および７ｘｘｘ系列の合金に
特に有用であることが判った。特に、ストロンチウム、
およびストロンチウムと、他のアルカリ土類金属、希土
類元素、遷移元素との混合物の添加について、２０２
４，２５２４、３００４、５０４２、５０８３、５１８
２、６０１３、６０６３、７０７５、７ｘ５５、および
７ｘ５０等のような合金等に、０.５重量％以下の少量
の添加で利点が得られることが判った。これらの合金等
への添加は、合金等が箔、シート、厚さが１／２インチ
（１．２７ｃｍ）よりも大きく約８インチを超える板で
ある素材板、航空機外皮、缶体素材、末端素材、および
／または押出し品のいずれであるかにかかわらず、合金
等の加工後に有益である。鋳造表面が加工前に金属部材
から取り除かれない場合には、その少量の添加が、加工
製品中に残る他の外観性向上効果をもインゴットに与え
ることが判った。
【０００８】本発明に係るストロンチウムの添加によっ
て、インゴット表面における酸化物の生成が少なくなる
ことが判った。インゴットに或る種の欠陥が生成するこ
とを十分に防止すると、表面の削取深さが小さくなり、
あるいは多分表面の削取が不要になる。表面削取（スカ
ルピング）とは、インゴットが凝固した後、その正面お
よび側面の表面層を取り去るプロセスのことである。本
発明は、もしも、より薄いスカルピングで十分であれ
ば、インゴットからの廃合金をより少なくすることに寄
与する。
【０００９】米国特許５,４６９,９１１号明細書では、
インゴットモールドに装入する前の溶融アルミニウム合
金に少量のカルシウムを添加して、ＥＭ鋳造における表
面品質問題の解決を図っている。米国特許４,３７７,４
２５号明細書では、同様な量のカルシウムを用いること
によって、ＤＣ鋳造における問題に取組んでいる。両者
は、鋳造インゴットに通常付随する多数の表面欠陥を有
しない表面の提供を請求の範囲で述べているが、いずれ
も、広範な鋳造技術について有効であることを請求の範
囲で述べていない。従来技術に打撃を与え鋳造技術にお
ける広汎な改良が本件の方法である。
【００１０】驚くべきことに、合金等における少量のス
トロンチウムが、多くの表面欠陥、特に縦襞および穴を
排除するのみならず、合金等の反射率を向上させること
が、本発明によって明らかにされた。ストロンチウム、
およびその組合せの添加によって、溶融合金等の酸化が
低減化されることも判った。表面欠陥を排除することお
よび酸化を少くすることは、各種プロセス工程における
製品の回収率が増大するため、製造コストが低下すると
ともに、製造設備の生産性が向上する。酸化が減少する
と、溶融、保熱、および鋳造中における金属の損失が減
少する。これは溶融損失として知られている。本発明
は、金属の外観が公衆用の消費に有利であると思われる
ので、缶等の容器構造物、航空機、列車、ボート、およ
び自動車のような輸送体に有用であることが判った。
【００１１】本発明は、アルミニウムおよびアルミニウ
ム合金の鋳造インゴットにおける外観性を向上させ、お
よび／または実質的に表面欠陥を排除し、および／また
は表面酸化を減少させるために、溶融物としてのアルミ
ニウムおよびアルミニウム合金に組み合わせて、少量の
ストロンチウムと、必要に応じて最高約０.２５重量％
の結晶粒微細化剤、残部としてのアルカリ土類金属、遷
移金属、および／または希土類金属とを添加することに
関するものである。少量のこれらの添加剤を添加するこ
とにより、驚くべきことに、１以上の鋳造法において、
縦襞、穴およびインゴットの割れが実質的になくなるこ
とが判った。この添加により、反射率を含めたインゴッ
トの外観性も改善された。その結果、インゴットは、例
えばスカルピングによって表面を初めに調整することな
く、本質的に鋳造状態のままで減厚または加工すること
ができる。前記添加は、ＤＣ鋳造インゴット上の重なり
部分深さを減少させる。ストロンチウムの添加量は、
０.５０、０.４０、０.３０、０.２９、０.２５または
０.１５重量％にすることができるが、他の金属および
／または結晶粒微細化剤と組み合わせる場合には、０.
０００１重量％程度の少量にすることができる。ストロ
ンチウムの添加範囲は、限定されるものではないが、
０.００１重量％あるいはそれ以上（例えば、０.００１
１、０.００１２、０.００１３等）であってよく、ま
た、限定されるものではないが、０.０１と０.１重量％
の増加が挙げられる。ストロンチウムと遷移金属（例え
ば、チタン、スカンジウムおよび銀）との少ない組合せ
と同様に、ストロンチウムとアルカリ土類元素（例え
ば、マグネシウム、カルシウム、バリウム、またはベリ
リウム）との任意的な組合せは、希土類金属（例えば、
ホルミウム、セリウム、エルビウム、ランタン、および
他のランタニドと希土類系列の元素）、さらにはそれら
のある組合せの添加と同じく、有用であることが判っ
た。ストロンチウムと他の前記金属とを組み合わせる場
合には、ストロンチウムを組み合わせた添加剤は、スト
ロンチウムを他の混合成分金属より多く含むことが好ま
しい。例えば、ストロンチウムは、添加物の少なくとも
５０％よりも多く存在することが好ましい。このことが
好ましいとは言え、ストロンチウムを更に少量添加して
も、有効な改良が得られる。
【００１２】結晶粒微細化剤または「結晶粒微細化剤を
組合せたもの」と共に、あるいはそれら無しで、ストロ
ンチウムまたはカルシウムを添加した場合、アルカリ土
類、ベリリウムを鋳造物から省くことができるという発
見により、驚くべき利点が判った。添加剤としてのベリ
リウムは、有害なものとなってきており、アルミニウム
合金の鋳造プロセスを安全にするために、プロセスから
ベリリウムを排除する必要があると決定された。
【００１３】本発明の予期し得ない重要な発見は、スカ
ルピングで必要とされる深さが減少することである。通
常、インゴット表面でＶ−ノッチが発生することによ
り、スカルピング深さ０.３〜０.７インチ（０.７６〜
１.８ｍｍ）が必要である。スカルピング深さを決める
ときには、カリパスまたはレーザーを用いるようなある
種の測定手段がインゴット表面の最も低いポイントを測
定するために用いられる。典型的には、このポイント
は、うまく作成されなかったインゴットの、通常、中間
部のポイントにあるＶ−ノッチである。本発明では、Ｖ
−ノッチの生成は防止され、および／または、インゴッ
ト面から実質的に排除されている。結果として、表面削
取層は、かなり少なくなる。表面削取層は、今や、０．
７６ｃｍ（０.３インチ）、０．５１ｃｍ（０.２イン
チ）、０．２５ｃｍ（０.１インチ）未満であるか、ま
たは完全に排除される。さらに、酸化物の表面層が実質
的に少なくなっているため、インゴット表面を改良する
ためのスカルピングの必要性が更に少なくなっている。
【００１４】本実施態様を述べるが、本発明は特許請求
の範囲に包含されるその他の実施態様であってもよい。
ＤＣ鋳造の間に、５０８３系列の合金にストロンチウム
を加えた。最初の一連の例では、１回の鋳造を無添加で
行い、四回の鋳造でストロンチウムの添加を行った。４
０．６４×１５２．４ｃｍ横断面（１６×６０インチ）
のインゴットを、直接チル法またはＤＣ鋳造により、垂
直に鋳造した。インゴットは、５．０８ｃｍ（２イン
チ）／分の速度で鋳造し、典型的には、４５７．２ｃｍ
（１８０インチ）の長さに鋳造した。溶融アルミニウム
合金は、保持炉から樋を通って、Ａ６２２プロセスとし
て知られている、単一ライン中の単一段階の脱気ユニッ
トに流入した。次に、この合金は、穴数３０／２．５４
ｃｍ（１インチ）のセラミックフィルターを通過した。
鋳造の最終工程で、溶融合金は吐出口（スパウト）を通
って、インゴットモールドに流入した。１回の鋳造では
ストロンチウムを金属に添加しなかったが、他の４回の
鋳造では、鋳造の間、脱気ユニットに（すなわち、溶融
金属に）連続的にストロンチウムを供給した。ストロン
チウムは、１５重量％のストロンチウムと８５重量％の
アルミニウムを含む棒材の形で混合される。溶融物が供
給樋を通って流れるときに、ストロンチウム棒が添加さ
れる。１５重量％のストロンチウムを含む棒材は、溶融
アルミニウム合金の流れの中に、１０．１６ｃｍ（４イ
ンチ）、２０．３２ｃｍ（８インチ）、５８．４２ｃｍ
（２３インチ）、および１１６．８４ｃｍ（４６イン
チ）／分の速度で供給された。これらの数字で表された
添加レベルによって、アルミニウム合金中に０.００３
５重量％、０.００７０重量％、０.０２００重量％、お
よび０.０４００重量％のストロンチウムを含む４つの
鋳造物が得られた。
【００１５】表１に、これらの鋳造の間に得られたイン
ゴットをまとめて示し、またインゴット表面外観性の定
性的な評価を示す。
【００１６】
【表１】
【００１７】これらの試験鋳造は、わずか０.００２３
重量％のＳｒを添加しただけで、大きな縦襞の生成が防
止され、それによりインゴットの割れがなくなったこと
を示している。より多量のストロンチウムは、襞の数と
大きさを更に減少させたが、添加されたストロンチウム
の量に対しての効果としては低くなった。
【００１８】表１において、鋳造合金は、合金５０８３
（アルミニウム協会の指定表示）であった。表１のコメ
ントから判るように、極めて少量のストロンチウムを５
０８３合金に添加することにより、襞の発成を防止し、
これによりインゴットが割れる危険を少なくするという
劇的な効果が得られる。ストロンチウムが添加されたイ
ンゴットの表面は、図１と図２の比較で明らかなよう
に、大いに改善されている。図１はストロンチウムを含
まないものであり、長手方向の軸に沿って、多数の深い
襞が見られる。図１のインゴットの表面を、図２のイン
ゴットの表面と比較すると、劇的な違いが歴然としてい
る。図２のインゴットにストロンチウムが存在する点を
除き、図２は、図１と同じ５０８３合金である。
【００１９】試験鋳造の第２シリーズは、５０４２合金
を用い、ＥＭＣ鋳造法により鋳造された。鋳造は、スト
ロンチウムの有無、２通りで行われた。このシリーズに
おけるストロンチウム量は、０.００３５重量％、０.０
１５０重量％、０.０２００重量％、および０.０４００
重量％であった。溶融５０４２合金は、単一ライン中の
脱気ユニットおよび充填床フィルターで処理した。表２
は、このシリーズの試験鋳造のまとめを示す。
【００２０】
【表２】
【００２１】これらの結果は、０.００１８重量％のス
トロンチウムがＥＭＣ鋳造で発生する可能性のある安定
状態の襞の生成を防止し、より多いストロンチウムの添
加は、ＥＭＣ鋳造で発生する可能性のある襞、つまり安
定状態の襞および開始襞の生成を実質的に全て防止し
た。安定状態の襞は、インゴットの長さの大部分に亘っ
て存在する襞であり、一般に、インゴットの幅の中央付
近に発生する。開始襞はインゴット長の最初の７６．２
ｃｍ（３０インチ）以内に発生し、その幅を横切って殆
んど至るところに発生する可能性があり、通常は、イン
ゴットの端から７６．２ｃｍ（３０インチ）を超えては
広がらない。インゴットにおいて、固定状態の襞から割
れへ進む傾向は、開始襞から割れへ進む傾向よりも大き
い。
【００２２】第３シリーズの試験鋳造では７０５０合金
を用いた。インゴットは、ＤＣ鋳造法を用いて製造され
た。これらの鋳造においては、溶融合金は単一段階の脱
気ユニットで処理され、セラミック溶融金属フィルター
を通過した。幾つかの鋳造が、ストロンチウムの添加な
しに行われた。それらのインゴットには、その表面に小
さな深い襞または穴が見られ、両インゴットに、穴また
は襞の結果として、鋳造中に割れが発生した。ストロン
チウムを連続的に、１５重量％のストロンチウムと残部
がアルミニウムの棒材として添加して、同じ７０５０合
金の鋳造物を作成した。ストロンチウムの計算上の重量
％は０.０２２であった。このインゴットの化学分析か
ら、インゴット中のストロンチウムは０.０２７重量％
であることが判った。これらの鋳造において同じく、少
量のストロンチウムの添加が表面上の全ての穴や襞の生
成を防ぎ、これによって７０５０合金の表面で割れの生
成が防止されることが示された。
【００２３】図３は、ストロンチウムを全く添加してい
ないインゴットの表面上の割れを示す。図４は、ストロ
ンチウムを添加した７０５０インゴットでは割れおよび
穴が存在しないことを示している。少量添加した場合、
ストロンチウムは鋳造状態のインゴットの表面に劇的な
効果をもたらすことが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】添加剤変更のない５０８３アルミニウム合金製
ＤＣ鋳造インゴットの写真。
【図２】０.００２３重量％のストロンチウムを添加し
た５０８３アルミニウム合金製ＤＣ鋳造インゴットの写
真。
【図３】添加剤変更のない、７０５０アルミニウム合金
製ＤＣ鋳造インゴットの写真。
【図４】０.０２７重量％のストロンチウムを添加した
７０５０アルミニウム合金製ＤＣ鋳造インゴットの写
真。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ２２Ｄ 27/18 Ｂ２２Ｄ 27/18 Ｚ 27/20 27/20 Ｂ (72)発明者 マーク ジェイ、ダンレイ アメリカ合衆国 インディアナ、ニューバ ーグ、 ステイト ロード 66、ピー、オ ー、ボックス 10

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 約０.０００１〜０.５０重量％のストロ
    ンチウムと、アルカリ土類、希土類、遷移金属および結
    晶粒微細化剤から成る群から選択される最高約０.２５
    重量％の、選択成分としての添加剤と、残部としてのア
    ルミニウムまたはアルミニウム合金を含む、単一または
    複数のアルミニウムおよびアルミニウム合金製鋳造イン
    ゴットにおいて、 前記ストロンチウムおよび添加剤が、表面外観性を改善
    し、表面欠陥を実質的に防止し、かつ前記インゴットの
    表面酸化を減少させることを特徴とするインゴット。
  2. 【請求項２】 前記表面欠陥が、Ｖ−ノッチ、襞、縦
    襞、穴、酸化物斑点およびインゴットの割れであること
    を特徴とする請求項１に記載されたインゴット。
  3. 【請求項３】 前記インゴットが、ＤＣ、ＥＭＣ、ＨＤ
    Ｃ、ＦＤＣ鋳造、丸形インゴット鋳造、シート状インゴ
    ット鋳造、連続鋳造、半連続鋳造、ダイカスト、および
    砂型鋳造から成る群から選択される鋳造法によって鋳造
    されることを特徴とする請求項１に記載されたインゴッ
    ト。
  4. 【請求項４】 前記合金が、１ｘｘｘ、２ｘｘｘ、３ｘ
    ｘｘ、４ｘｘｘ、５ｘｘｘ、６ｘｘｘ、７ｘｘｘ、８ｘ
    ｘｘ系列の合金、および鋳造合金のいずれかから成る群
    から選択されることを特徴とする請求項１に記載された
    インゴット。
  5. 【請求項５】 前記合金が、２０２４、２５２４、３０
    ０４、５０４２、５０８３、５１８２、６０１３、７０
    ５０、７０７５、７ｘ５５、および７ｘ５０系列の合金
    から成る群から選択されることを特徴とする請求項１に
    記載されたインゴット。
  6. 【請求項６】 前記インゴットが、０.００１〜０.５重
    量％のストロンチウムを含むことを特徴とする請求項１
    に記載されたインゴット。
  7. 【請求項７】 前記インゴットが、０.０１〜０.１重量
    ％のストロンチウムを含むことを特徴とする請求項１に
    記載されたインゴット。
  8. 【請求項８】 前記インゴットが、少なくとも０.２５
    重量％のストロンチウムを含むことを特徴とする請求項
    １に記載されたインゴット。
  9. 【請求項９】 前記インゴットが、約０.０２６〜約０.
    ００４７重量％のストロンチウムを含むことを特徴とす
    る請求項１に記載されたインゴット。
  10. 【請求項１０】 前記アルカリ土類が、ベリリウム、マ
    グネシウム、カルシウムおよびバリウムから成る群から
    選択されることを特徴とする請求項１に記載されたイン
    ゴット。
  11. 【請求項１１】 前記希土類金属が、セリウム、ホルミ
    ウム、エルビウム、ランタンまたはそれらの組合せから
    成る群から選択されることを特徴とする請求項１に記載
    されたインゴット。
  12. 【請求項１２】 前記遷移金属が、チタン、スカンジウ
    ムおよび銀から成る群から選択されることを特徴とする
    請求項１に記載されたインゴット。
  13. 【請求項１３】 前記合金が、０.１重量％を超えるマ
    グネシウムを含むことを特徴とする請求項１に記載され
    たインゴット。
  14. 【請求項１４】 インゴットの表面が０．７６ｃｍ
    （０.３インチ）未満削り取られていることを特徴とす
    る請求項１に記載されたインゴット。
  15. 【請求項１５】 インゴットの表面が０．５１ｃｍ
    （０.２インチ）未満削り取られていることを特徴とす
    る請求項１に記載されたインゴット。
  16. 【請求項１６】 インゴットの表面が０．２５ｃｍ
    （０.１インチ）未満削り取られていることを特徴とす
    る請求項１に記載されたインゴット。
  17. 【請求項１７】 インゴットの表面が削り取られていな
    いことを特徴とする請求項１に記載されたインゴット。
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