JP2004346408A

JP2004346408A - 優れた靱性と耐応力腐食割れ性を有するＡｌ−Ｓｉ系合金鋳物およびその製造方法

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Publication number: JP2004346408A
Application number: JP2003147850A
Authority: JP
Inventors: Takeyoshi Nakamura; 武義中村; Katsuhiro Shibata; 勝弘柴田; Takahiro Mizukami; 貴博水上
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-05-26
Filing date: 2003-05-26
Publication date: 2004-12-09

Abstract

【課題】液相に対応した液相凝固領域における針状Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系金属間化合物の存在量を極力減少させ，また偏析の発生を防止した，優れた靱性と耐応力腐食割れ性を有するＡｌ−Ｓｉ系合金鋳物を提供する。
【解決手段】Ａｌ−Ｓｉ系合金鋳物は，固相と液相とが共存したＡｌ−Ｓｉ系合金材料を凝固させたものである。Ａｌ−Ｓｉ系合金材料は，５．５ｗｔ％≦Ｓｉ≦８．０ｗｔ％，Ｆｅ＜０．１ｗｔ％，０．４ｗｔ％≦Ｍｇ≦０．５ｗｔ％，Ｔｉ＜０．２ｗｔ％および残部Ａｌ（不可避不純物を含む）よりなる。固相に対応した固相凝固領域Ｓ_Ｓの体積分率Ｖｆは３０％≦Ｖｆ≦６０％であり，液相に対応した液相凝固領域Ｓ_ＬのＦｅ含有量はＦｅ≦０．２ｗｔ％である。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，優れた靱性と耐応力腐食割れ性を有するＡｌ−Ｓｉ系合金鋳物，特に，固相と液相とが共存したＡｌ−Ｓｉ系合金材料を凝固させた鋳物およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は，先に，この種の鋳物として，Ｆｅ含有量が０．２ｗｔ％程度のＡｌ−Ｓｉ系合金材料を用い，チクソキャスティングの適用下で製造されたものを提案した（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−３１６７０９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記Ａｌ−Ｓｉ系合金材料を用いてチクソキャスティングを行うと，空孔部等の欠陥の無い鋳物を得ることができるのであるが，液相に対応した凝固領域について考察を加えた結果，次のような問題のあることが判明した。
【０００５】
即ち，Ａｌ−Ｓｉ系合金材料全体が融液状態にあるときはＦｅ濃度は０．２ｗｔ％程度であるが，固相と液相とが共存した状態，つまり，固液共存状態にあるときには固相がＡｌより構成されていることから液相中のＦｅ濃度はＡｌ濃度の低下に応じて上昇することになる。そして，液相に対応した液相凝固領域のＦｅ濃度が高くなる結果として，その部分には多数の針状Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系金属間化合物が晶出するため，鋳物における靱性の低下，応力腐食割れの発生等を招いた。このように多数の針状Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系金属間化合物を含む金属組織は熱処理によっても改善されない。一方，固相に対応した固相凝固領域の体積分率Ｖｆが低く過ぎると，これは液相が過多であったことから鋳物に偏析が発生してその靱性の低下を招来した。これらの問題はレオキャスティングについても当然に発生する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は，チクソキャスティングまたはレオキャスティングの適用下で得られたものであって，液相に対応した液相凝固領域における針状Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系金属間化合物の存在量を極力減少させ，また偏析の発生を防止した前記Ａｌ−Ｓｉ系合金鋳物を提供することを目的とする。
【０００７】
前記目的を達成するため本発明によれば，固相と液相とが共存したＡｌ−Ｓｉ系合金材料を凝固させた鋳物であって，前記Ａｌ−Ｓｉ系合金材料は，５．５ｗｔ％≦Ｓｉ≦８．０ｗｔ％，Ｆｅ＜０．１ｗｔ％，０．４ｗｔ％≦Ｍｇ≦０．５ｗｔ％，Ｔｉ＜０．２ｗｔ％および残部Ａｌ（不可避不純物を含む）よりなり，前記固相に対応した固相凝固領域の体積分率Ｖｆが３０％≦Ｖｆ≦６０％であり，前記液相に対応した液相凝固領域のＦｅ含有量がＦｅ≦０．２ｗｔ％であるＡｌ−Ｓｉ系合金鋳物が提供される。
【０００８】
前記鋳物において，固相凝固領域の体積分率Ｖｆを前記のように設定すると，偏析の発生を防止することができ，また液相凝固領域のＦｅ含有量を前記のように設定すると，その液相凝固領域における針状Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系金属間化合物の存在量を大いに減少することができるもので，これによりＡｌ−Ｓｉ系合金鋳物の靱性および耐応力腐食割れ性を大いに向上させることが可能である。この鋳物は，例えば自動車用サスペンション部品として好適である。
【０００９】
ただし，固相凝固領域の体積分率ＶｆがＶｆ＞６０％では，液相凝固領域のＦｅ含有量がＦｅ＞０．２ｗｔ％となるため鋳物の靱性および耐応力腐食割れ性が低下する。一方，Ｖｆ＜３０％では液相凝固領域のＦｅ含有量はＦｅ≦０．２ｗｔ％となるが，液相が過多であったことから鋳物に偏析が生じる。
【００１０】
各化学成分の添加理由および含有量限定理由は次の通りである。
【００１１】
Ｓｉは，共晶（Ａｌ＋Ｓｉ）を形成し，また湯流れ性を良好にするために添加される。さらにＳｉは，鋳物の強度向上元素として機能する。ただし，Ｓｉ含有量がＳｉ＜５．５ｗｔ％では共晶を形成する液相が少なすぎるため，Ａｌ−Ｓｉ系合金材料の流動が不均一となって鋳物に未充填箇所が生じ易くなる。一方，Ｓｉ＞８．０ｗｔ％では共晶を形成する液相が多すぎるため鋳物に偏析が生じて，その靱性が低下する。
【００１２】
Ｆｅは不純物であって，鋳物の耐応力腐食割れ性を改善すべく，その含有量は前記のように設定される。Ｆｅ含有量がＦｅ≧０．１ｗｔ％では鋳物の耐食性が低下し，またその耐応力腐食割れ性も低下する。
【００１３】
Ｍｇは，鋳物において，耐力と靱性を両立させるために添加調整される。ただし，Ｍｇ含有量がＭｇ＜０．４ｗｔ％では鋳物の耐力向上が不十分であり，一方，Ｍｇ＞０．５ｗｔ％では鋳物の耐力は向上するが靱性が低下する。
【００１４】
Ｔｉは，鋳物の金属組織を微細化してその靱性を向上させるために添加される。ただし，Ｔｉ含有量をＴｉ≧０．２ｗｔ％に設定しても効果は変わらない。なお，Ｔｉの過剰添加は金属間化合物の生成を促して鋳物の靱性低下を招来する。
【００１５】
本発明によれば，５．５ｗｔ％≦Ｓｉ≦８．０ｗｔ％，Ｆｅ＜０．１ｗｔ％，０．４ｗｔ％≦Ｍｇ≦０．５ｗｔ％，Ｔｉ＜０．２ｗｔ％および残部Ａｌ（不可避不純物を含む）よりなり，且つ固相と液相とが共存した固液共存状態を有すると共に固相率Ｓが３０％≦Ｓ≦６０％であるＡｌ−Ｓｉ系合金材料を調製し，次いで前記Ａｌ−Ｓｉ系合金材料を鋳型に注入して冷却し，前記固液共存状態に対応した凝固組織を得るＡｌ−Ｓｉ系合金鋳物の製造方法が提供される。
【００１６】
前記のような手段を採用すると，前記構成の鋳物を容易に量産することができる。
【００１７】
ただし，固相率ＳがＳ＞６０％では，液相凝固領域のＦｅ含有量がＦｅ＞０．２ｗｔ％となるため鋳物の靱性および耐応力腐食割れ性が低下する。一方，Ｓ＜３０％では液相凝固領域のＦｅ含有量はＦｅ≦０．２ｗｔ％となるが，液相が過多であったことから鋳物に偏析が生じる。
【００１８】
各化学成分の添加理由および含有量限定理由は前記の場合と同じである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
Ａｌ−Ｓｉ系合金鋳物は，固相と液相とが共存したＡｌ−Ｓｉ系合金材料を凝固させたものであり，図１に示すように，複数の島状をなす，固相に対応した固相凝固領域Ｓ_Ｓと，それらの間を埋める，液相に対応した液相凝固領域Ｓ_Ｌとを有する。Ａｌ−Ｓｉ系合金材料は，５．５ｗｔ％≦Ｓｉ≦８．０ｗｔ％，Ｆｅ＜０．１ｗｔ％，０．４ｗｔ％≦Ｍｇ≦０．５ｗｔ％，Ｔｉ＜０．２ｗｔ％および残部Ａｌ（不可避不純物を含む）よりなる。固相凝固領域Ｓ_Ｓの体積分率Ｖｆは３０％≦Ｖｆ≦６０％であり，また液相凝固領域Ｓ_ＬのＦｅ含有量はＦｅ≦０．２ｗｔ％である。
【００２０】
前記鋳物において，固相凝固領域Ｓ_Ｓの体積分率Ｖｆを前記のように設定すると，偏析の発生を防止することができ，また液相凝固領域Ｓ_ＬのＦｅ含有量を前記のように設定すると，その液相凝固領域Ｓ_Ｌにおける針状Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系金属間化合物の存在量を大いに減少することができるもので，これによりＡｌ−Ｓｉ系合金鋳物の靱性および耐応力腐食割れ性を大いに向上させることが可能である。
【００２１】
〔例−１〕
表１はＡｌ−Ｓｉ系合金材料の例ａ，ｂに関する組成を示す。
【００２２】
【表１】

【００２３】
表１において，Ｃｕは不純物であって，鋳物の応力腐食割れを防止すべく，その含有量はＣｕ＜０．２ｗｔ％に設定される。Ｃｕ含有量がＣｕ≧０．２ｗｔ％では鋳物の耐食性が低下し，また鋳物の応力腐食割れを惹起し易くなる。Ｍｎは不純物であって，鋳物の靱性低下を抑制すべく，その含有量はＭｎ＜０．１ｗｔ％に設定される。Ｚｎは不純物であって，鋳物の靱性および耐食性の低下を抑制すべく，その含有量はＺｎ＜０．１ｗｔ％に設定される。
【００２４】
表１の例ａを用いて，固相と液相とが共存した固液共存状態を有し，且つ固相率Ｓが１１％≦Ｓ≦９５％であるＡｌ−Ｓｉ系合金材料を調製し，次いでそのＡｌ−Ｓｉ系合金材料を鋳型としての金型に注入して冷却し，前記固液共存状態に対応した凝固組織を有するＡｌ−Ｓｉ系合金鋳物の例１〜１３を得た。
【００２５】
例１〜１３について，固相凝固領域Ｓ_Ｓの体積分率Ｖｆおよび液相凝固領域Ｓ_ＬのＦｅ含有量を測定した。体積分率Ｖｆの測定は，熱力学シュミレーションソフトと急冷による金属組織凍結法との整合によった。Ｆｅ含有量の測定は，熱力学シュミレーションソフトによる定量計算と実物金属組織観察とによった。
【００２６】
次いで，例１〜１３より，シャルピー衝撃試験用３号試験片を製作して，それらについて試験を行った。また耐応力腐食割れ性に関する試験を行うべく，図２に示すように，例１〜１３より，帯板をほぼ円形をなすように折曲げて両端部を対向させたような形状を有する試験片１を製作した。その試験片１の対向部分間に形成された２つの貫通孔２にボルト３を通し，一方の貫通孔２から突出した雄ねじ部４にナット５をねじ込んで，例ａの耐力の９５％分を試験片１に付与した。そして，試験片１を９８〜９９℃のクロム酸試験液中に８０時間浸漬し，その浸漬期間における割れの有無を目視により検査した。クロム酸試験液は，純水１Ｌ当り，３６ｇのＣｒＯ_３と，３０ｇのＫ_２Ｃｒ_２Ｏ_７と，３ｇのＮａＣｌとを含有する。
【００２７】
表２は前記測定および試験結果を示す。
【００２８】
【表２】

【００２９】
表２から明らかなように，鋳物の例１〜１３において，Ａｌ−Ｓｉ系合金材料の固相率Ｓと固相凝固領域Ｓ_Ｓの体積分率Ｖｆとは等しく，したがって鋳物の例１〜１３において固液共存状態に対応した凝固組織が得られていることが判る。
【００３０】
図３は，鋳物の例６の金属組織を示す顕微鏡写真の写図であって，本図より液相凝固領域Ｓ_Ｌに２個の針状Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系金属間化合物Ｉ_Ｍが存在することが判る。一方，図４は，鋳物の例８の金属組織を示す顕微鏡写真の写図であって，本図より液相凝固領域Ｓ_Ｌに１１個の針状Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系金属間化合物Ｉ_Ｍが存在することが判る。
【００３１】
図５の線Ａ_１は，表２に基づいて固相凝固領域Ｓ_Ｓの体積分率Ｖｆと液相凝固領域Ｓ_ＬのＦｅ含有量との関係をグラフ化したものである。表２，図５の線Ａ_１から明らかなように，鋳物の例３〜８のごとく，固相凝固領域Ｓ_Ｓの体積分率Ｖｆを３０％≦Ｖｆ≦６０％に設定すると，液相凝固領域Ｓ_ＳのＦｅ含有量をＦｅ≦０．２ｗｔ％に抑制して針状Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系金属間化合物Ｉ_Ｍの存在量を極力減少させ，靱性および耐応力腐食割れ性を向上させることができるものである。
【００３２】
図６の線Ａ_２は，表２に基づいて鋳込温度Ｔと液相凝固領域Ｓ_ＬのＦｅ含有量との関係をグラフ化したものである。表２，図６の線Ａ_２から明らかなように，鋳物の例３〜８のごとく固相凝固領域Ｓ_Ｓの体積分率Ｖｆ，つまり固相率Ｓを３０％≦Ｓ≦６０％に規定すべく，鋳込温度Ｔは５９０℃≧Ｔ≧５７２．５℃に設定される。
【００３３】
図５，６の線Ｂ_１，Ｂ_２は，表１のＡｌ−Ｓｉ系合金材料の例ｂ，つまりＦｅ含有量が０．１３ｗｔ％，したがってＦｅ＜０．１ｗｔ％ではないものを用いて，前記と同様の方法で複数の鋳物を製造し，それらについて，固相凝固領域Ｓ_Ｓの体積分率Ｖｆと液相凝固領域Ｓ_ＬのＦｅ含有量との関係および鋳込温度と液相凝固領域Ｓ_ＬのＦｅ含有量との関係をそれぞれグラフ化したものである。この場合，液相凝固領域Ｓ_ＬのＦｅ含有量をＦｅ≦０．２ｗｔ％にするためには，固相凝固領域Ｓ_Ｓの体積分率ＶｆをＶｆ＜３０ｗｔ％に設定しなければならないが，これは，表２の例２のごとく，応力腐食割れは生じないものの靱性の低下を招来する。
【００３４】
〔例−ＩＩ〕
表２の鋳物の例７と同様の複数の鋳物の例７ａ〜７ｄを用意し，それら例７ａ〜７ｄについて溶体化処理，それに次ぐ時効処理を行い，その後シャルピー衝撃値を測定した。加熱には，被処理物をアルミナ粉末により直接加熱する，市販の流動層を使用した。この流動層によれば被処理物を短時間で効率良く加熱することが可能であるから，Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系金属間化合物の成長を抑制することができ，また加熱温度の幅を狭く管理し得るので，所定の高温から焼入れを行うことができ，これによりＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系金属間化合物が小さく，且つ少ない場合にはそれを消失させることが可能である。シャルピー衝撃試験に当っては，前記同様に３号試験片を用いた。
【００３５】
表３は，例７ａ〜７ｄに関する溶体化処理条件，時効処理条件およびシャルピー衝撃値を示す。
【００３６】
【表３】

【００３７】
表３の例７ａ〜７ｄと表２の例７とを比べると，溶体化処理および時効処理によって靱性が向上していることが判る。また例７ａ〜７ｄにおいては，加熱時間が長くなると靱性が低下する傾向にあることが判る。
【００３８】
〔例−ＩＩＩ〕
表４は，Ａｌ−Ｓｉ系合金材料に関する組成を示す。この材料においては，Ｍｇ含有量が０．２５ｗｔ％≦Ｍｇ≦０．７ｗｔ％の範囲で変更されており，その他の化学成分およびそれらの含有量は表１の例ａと同じである。
【００３９】
【表４】

【００４０】
前記範囲のＭｇ含有量を有し，且つ固相率ＳがＳ＝５０％のＡｌ−Ｓｉ系合金材料を調製し，次いでその材料を金型に注入して鋳物を製造し，これを繰返して６種の鋳物を得た。各鋳物において，固相凝固領域Ｓ_Ｓの体積分率Ｖｆは，固相率Ｓと同じであって，Ｖｆ＝５０％であり，また液相凝固領域Ｓ_ＬのＦｅ含有量はＦｅ＝０．１７ｗｔ％であった。
【００４１】
各鋳物から引張試験用１３Ｂ号試験片を製作して，それらについて試験を行い，またシャルピー衝撃試験用３号試験片を製作して，それらについて試験を行った。
【００４２】
図７は，前記試験結果において，Ｍｇ含有量と，耐力およびシャルピー衝撃値との関係を示す。図７から明らかなように，Ｍｇ含有量を０．４ｗｔ％≦Ｍｇ≦０．５ｗｔ％に設定すると，鋳物の耐力を２４５〜２７１ＭＰａに，またシャルピー衝撃値を８〜９Ｊ／ｃｍ^２にして，耐力と靱性を両立させることができる。また図８から明らかなように，Ｍｇ含有量を０．４ｗｔ％≦Ｍｇ≦０．５ｗｔ％に設定すると，鋳物の引張強さを３１６〜３３２ＭＰａにし，また伸びを１０〜１４％にすることができる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば，前記のように構成することによって，靱性および耐応力腐食割れ性を大いに向上させたＡｌ−Ｓｉ系合金鋳物を提供することができる。
【００４４】
本発明によれば，前記のような手段を採用することによって，前記構成のＡｌ−Ｓｉ系合金鋳物を量産することが可能な製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】金属組織の説明図である。
【図２】応力腐食割れ試験の説明図である。
【図３】金属組織の一例を示す顕微鏡写真の写図である。
【図４】金属組織の他例を示す顕微鏡写真の写図である。
【図５】固相凝固領域の体積分率Ｖｆと液相凝固領域のＦｅ含有量との関係を示すグラフである。
【図６】鋳込温度Ｔと液相凝固領域のＦｅ含有量との関係を示すグラフである。
【図７】Ｍｇ含有量と，耐力およびシャルピー衝撃値との関係を示すグラフである。
【図８】Ｍｇ含有量と，引張強さおよび伸びとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
Ｓ_Ｓ……固相凝固領域
Ｓ_Ｌ……液相凝固領域

Claims

固相と液相とが共存したＡｌ−Ｓｉ系合金材料を凝固させた鋳物であって，前記Ａｌ−Ｓｉ系合金材料は，５．５ｗｔ％≦Ｓｉ≦８．０ｗｔ％，Ｆｅ＜０．１ｗｔ％，０．４ｗｔ％≦Ｍｇ≦０．５ｗｔ％，Ｔｉ＜０．２ｗｔ％および残部Ａｌ（不可避不純物を含む）よりなり，前記固相に対応した固相凝固領域（Ｓ_Ｓ）の体積分率Ｖｆが３０％≦Ｖｆ≦６０％であり，前記液相に対応した液相凝固領域（Ｓ_Ｌ）のＦｅ含有量がＦｅ≦０．２ｗｔ％であることを特徴とする優れた靱性と耐応力腐食割れ性を有するＡｌ−Ｓｉ系合金鋳物。
５．５ｗｔ％≦Ｓｉ≦８．０ｗｔ％，Ｆｅ＜０．１ｗｔ％，０．４ｗｔ％≦Ｍｇ≦０．５ｗｔ％，Ｔｉ＜０．２ｗｔ％および残部Ａｌ（不可避不純物を含む）よりなり，且つ固相と液相とが共存した固液共存状態を有すると共に固相率Ｓが３０％≦Ｓ≦６０％であるＡｌ−Ｓｉ系合金材料を調製し，次いで前記Ａｌ−Ｓｉ系合金材料を鋳型に注入して冷却し，前記固液共存状態に対応した凝固組織を得ることを特徴とする優れた靱性と耐応力腐食割れ性を有するＡｌ−Ｓｉ系合金鋳物の製造方法。