JP2004359988A - 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 - Google Patents
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Abstract
【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,6.5wt%≦Si≦7.5wt%,0.5wt%≦Cu≦1.5wt%,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SS の体積分率Vfは40%≦Vf≦60%である。
【選択図】 図4
Description
【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,Si含有量が6.5wt%≦Si≦7.5wt%である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高強度な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Si濃度は6.5wt%≦Si≦7.5wt%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Si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Si濃度がSi≫11.7wt%(共晶点)となる結果として,その部分には多数の初晶Siが晶出し,これに起因して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のである。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初晶Si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,6.5wt%≦Si≦7.5wt%,0.5wt%≦Cu≦1.5wt%,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40%≦Vf≦60%であるAl−Si系合金鋳物が提供される。
【0008】
前記Al−Si系合金鋳物において,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る。またCu含有量を前記のように設定すると,液相中のAl濃度の減少が融液Cuにより補われてSi濃度の上昇が抑制される。つまり,初晶Siの晶出が全く無いか,在っても僅少量に抑えられる。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,液相中のSi濃度が上昇して初晶Si量が多く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<40%では初晶Siの晶出は無くなるが,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<6.5wt%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>7.5wt%では初晶Si量が多くなると共に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】
Cuは,前記のように初晶Siの晶出を抑制するために添加される。ただし,Cu含有量がCu>1.5wt%では耐応力腐食割れ性が低下し,一方,Cu<0.5wt%では添加の意義が無く,初晶Si量が多くなって鋳物の靱性が低下する。
【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,6.5wt%≦Si≦7.5wt%,0.5wt%≦Cu≦1.5wt%,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40%≦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,液相中のSi濃度が上昇して初晶Si量が多く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<40%では初晶Siの晶出は無くなるが,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SS と,それらの間を埋める,液相に対応した液相凝固領域SL とを有する。Al−Si系合金材料は,6.5wt%≦Si≦7.5wt%,0.5wt%≦Cu≦1.5wt%,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。また固相凝固領域SS の体積分率Vfは40%≦Vf≦60%である。
【0020】
前記Al−Si系合金鋳物において,固相凝固領域SS 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る。またCu含有量を前記のように設定すると,液相中のAl濃度の減少が融液Cuにより補われてSi濃度の上昇が抑制される。つまり,初晶Siの晶出が全く無いか,在っても僅少量に抑えられる。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】
以下,具体例について説明する。
【0022】
表1はAl−Si系合金材料の例(1)〜(5)に関する組成を示す。
【0023】
【表1】
【0024】
表1において,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。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Fe<0.1wt%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。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。
【0025】
表1の例(1)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S=45%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)を得た。次いで,表1の例(2)〜(5)を用いて,前記と同様の方法で,Al−Si系合金鋳物の例(2)〜(5)を得た。
【0026】
鋳物の例(1)〜(5)について,固相凝固領域SS の体積分率Vfおよび液相凝固領域SL のSi含有量を測定し,また液相凝固領域SL における初晶Siの有無および個数を調べた。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。Si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。初晶Siの有無および個数は顕微鏡写真観察によった。
【0027】
次いで,鋳物の例(1)〜(5)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,鋳物の例(1)〜(5)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,その試験片1を構成するAl−Si系合金材料の耐力の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CrO3 と,30gのK2 Cr2 O7 と,3gのNaClとを含有する。
【0028】
表2は前記測定および試験結果を示す。
【0029】
【表2】
【0030】
表2から明らかなように,鋳物の例(1)〜(5)において,Al−Si系合金材料の固相率Sと固相凝固領域SS の体積分率Vfとは等しく,したがって鋳物の例(1)〜(5)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。
【0031】
図3は,鋳物の例(4)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SL に1個の初晶Siが存在することが判る。
【0032】
図4は,表2に基づいて液相凝固領域SL のSi含有量と,シャルピー衝撃値および液相凝固領域SL における初晶Siの個数との関係をグラフ化したものである。表2,図4から明らかなように,鋳物の例(2)〜(4)のごとく,Al−Si系合金材料として,Si,MgおよびTiをそれぞれ特定量含有し,且つCu含有量を0.5wt%≦Cu≦1.5wt%に設定されたものを用いると,液相凝固領域SS における初晶Si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。
【0033】
【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。
【0034】
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】液相凝固領域のSi含有量と,シャルピー衝撃値および液相凝固領域における初晶Siの個数との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
SS ……固相凝固領域
SL ……液相凝固領域
Claims (2)
- 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,6.5wt%≦Si≦7.5wt%,0.5wt%≦Cu≦1.5wt%,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(SS )の体積分率Vfが40%≦Vf≦60%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。
- 6.5wt%≦Si≦7.5wt%,0.5wt%≦Cu≦1.5wt%,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40%≦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。
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