JP2005329459A - 鋳造用結晶粒微細化剤及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】少量の添加で結晶粒の微細化の効果をより効果的に得られる結晶粒微細化剤及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明による結晶粒微細化剤は、溶融した金属中に与えられて溶湯中に化合物粒子を形成・分散させる所定組成の合金系の合金からなる結晶粒微細化剤であって、溶融・凝固後にせん断変形を与えられて幾何学的に規則性を有さない不定形状の内部組織からなることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

発明の詳細な説明

本発明は、鋳造材の結晶粒の大きさを微細化するための結晶粒微細化剤及びその製造方法に関し、特に、鋳造前の溶湯に添加して金属又は合金からなる鋳造材の結晶粒の大きさを微細化するための鋳造成形用結晶粒微細化剤及びその製造方法に関する。

鋳造法は、鍛造法、プレス加工法、溶接法、粉末冶金法などと並ぶ代表的な金属加工法の１つである。かかる鋳造法の特徴として、形状付与性が大であること、加工重量の制限が少ないこと、利用可能な金属・合金の幅が広いこと、得られる加工品の個数の制限が少ないこと、及び、材料のリサイクリングが容易であることなどを挙げることが出来る。その一方で、鋳造時の溶融金属のガスの吸収や粘性の影響、溶融金属の凝固時の体積変化、合金成分による偏析などに起因して、鋳造材の内部に欠陥を生じ易いといった特徴もある。内部欠陥は、亀裂の基点ともなり、鋳造品の機械強度を低下させ得るのである。

内部欠陥を消滅させたり、組織を調整して素材の機械強度を向上させる目的で、塑性変形を利用した鍛錬が行われている。しかしながら、鋳造法において、一旦成形加工した鋳造品の形状を崩すことは好ましくなく、鍛錬が鋳造材の機械強度の向上のために用いられることは少ない。そこで、鋳造材の機械強度の向上のためには、微細な結晶粒からなる鋳造組織を得られるように、鋳造条件などを制御する方法が一般的に行われている。結晶粒が微細化されるほど、結晶粒界の密度は高くなり、析出物が細かく分散し易くなる。従って、熱処理によって容易に溶体化処理をすることができて、鋳造材の機械強度を向上させることが出来るのである。また、結晶粒の微細化によって、高温でのき裂の発生も低減出来て、鋳造割れの改善にも大きな効果を示すのである。

鋳造法において、鋳型に溶湯を鋳込んだ後の冷却速度が大きいほど、鋳造材の結晶粒は微細化する。しかしながら、冷却速度を大とすると、鋳造欠陥が発生し易くなる。また、所望とする鋳造品の大きさや形状によっては、冷却速度を上げることができない場合もある。そこで、鋳造材の結晶粒を微細化させる他の方法として、溶湯中に結晶粒微細化剤を添加して鋳造材の結晶粒を微細化する方法がある。結晶粒微細化剤は、溶融金属の凝固に先だって、溶湯中に多数の微細な結晶核を供給して、鋳造材の結晶粒を微細化させる添加剤である。例えば、アルミニウム合金のα固溶体の結晶粒は、結晶粒微細加剤としてチタンを添加することによって、著しく微細化される。これは、主に、Ａｌ_３Ｔｉ、ＴｉＢ_２、ＴｉＣなどの微細な化合物粒子がα固溶体の凝固に先だって溶湯中に析出し、α固溶体結晶析出のための異質核として働くことによる。例えば、特許文献１では、アルミニウム鋳造合金において、鋳造材の結晶粒を微細化させるためにＡｌ−Ｔｉ系結晶粒微細化剤を添加することが開示されている。また、例えば、特許文献２では、Ａｌ−Ｔｉ−Ｂ系結晶粒微細化剤において、Ａｌ_３ＴｉやＴｉＢ_２等の化合物が結晶粒微細化剤中に微細且つ均一に分散しているほど、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる鋳造材の結晶粒微細化効果が向上することを開示している。
特表平２−５０４４０４号公報 特開平１０−３１７０８３号公報

鋳造材の機械強度を向上させる目的で、結晶粒をより微細化するためには、溶湯中により微細な化合物粒子を大量に析出させることが好ましい。そこで、結晶粒微細化剤を溶湯中に大量に添加する必要が生ずる。しかしながら、結晶粒微細化剤の溶湯中への大量の添加は、鋳造品のコストの上昇を招来するとともに、省資源の観点から好ましくない。また、結晶粒微細化剤の添加による鋳造材本来の組成への影響をできるだけ小さくするためにも結晶粒微細化剤の添加量はできるだけ少ない方が望ましい。
そこで、本発明の目的は、少量の添加で結晶粒の微細化の効果をより効果的に得られる結晶粒微細化剤及びその製造方法を提供することにある。

本発明による結晶粒微細化剤は、溶融した金属中に与えられて溶湯中に化合物粒子を形成・分散させる所定組成の合金系の合金からなる結晶粒微細化剤であって、溶融・凝固後にせん断変形を与えられて幾何学的に規則性を有さない不定形状の内部組織を有することを特徴とする。

すなわち、本発明による結晶粒微細化剤は、溶融した金属中に添加されて溶湯中に化合物粒子を形成・分散させる所定組成の合金系の合金、つまり公知の結晶粒微細化剤と同じ組成であっても良く、幅広い組成の合金からなる。溶融・凝固後のかかる合金にせん断変形を与えて、幾何学的に規則性を有さない不定形状の内部組織を有するのである。本発明による結晶粒微細化剤は、同組成の従来の結晶粒微細化剤と比較して、鋳造材に更なる結晶粒微細化効果を与えるのである。また、幅広い組成の合金において、高い結晶粒微細化効果を得られるため、結晶粒微細化剤の添加による鋳造材本来の組成への影響をできるだけ小さくすることができるのである。

また、本発明による結晶粒微細化剤の製造方法は、溶融した金属中に与えられて溶湯中に化合物粒子を形成・分散させる所定組成の合金系からなる合金を与えるステップと、前記合金に複数回のせん断変形を与える結晶粒微細化ステップと、を含むことを特徴とする。

発明を実施するための形態

本発明の実施例による結晶粒微細化剤について詳述する。
図１に示すように、本発明の１つの実施例による結晶粒微細化剤は、Ａｌ合金鋳造用の結晶粒微細化剤であって、例えば、Ａｌ−Ｔｉ−Ｃ三元系のＡｌ−５Ｗｔ％Ｔｉ−０．２５ｗｔ％Ｃからなる合金を高度に塑性変形加工、すなわち強加工して、その内部組織を破砕したものである。一般的に、溶解・凝固工程を経て得られるＡｌ合金の内部組織は、デンドライトなどの粗大結晶を多数含んでいる。本発明による合金の内部組織においては、デンドライトアームが機械的に破砕されており、断面観察によってデンドライト組織特有の分枝状の結晶組織や、円や楕円といった幾何学的に規則性を有する形状の結晶組織を有していないのである。また、一方向に塑性変形加工された合金の内部組織は、加工方向に伸張した結晶組織を一般的に有しているが、本発明による結晶粒微細化剤は、多軸応力の付加による少なくとも２方向以上のすべり変形からなる塑性変形を与えられて、又は、１軸応力の付加による１方向のすべり変形を、そのすべり方向を変えて複数回繰り返して塑性変形加工を与えられて得られるので、内部組織は特定の方向性を有していない。以上のように、本発明による結晶粒微細化剤の内部組織は、きわめて不定形状の内部組織を有するのである。また、複雑形状に破砕されて微細化されたＡｌ_３Ｔｉ１０粒子やＴｉＣ粒子１２などの化合物粒子も、上記した内部組織の中に観察されている。

かかる破砕された内部組織及び／又は複雑形状に破砕されて微細化された化合物粒子を含む結晶粒微細化剤は、溶湯中に投入されると速やかに溶解して、均一に拡散するのである。そして、溶湯の凝固時においては、溶湯の凝固に先立って微細な化合物が溶湯全体に均一に分散、析出して、鋳造材の凝固のための異質核として働くのである。結果として、得られる鋳造材の結晶粒子は、鋳造材全体に亘って均一に微細化すると考えられるのである。

なお、本発明による結晶粒微細化材は、破砕された内部組織及び／又は複雑形状に破砕されて微細化された化合物粒子に特徴を有すると考えられる故に、成分組成は上記したものに限定されない。公知の結晶粒微細化剤と同じ成分組成であっても、破砕された内部組織及び／又は複雑形状に破砕されて微細化された化合物粒子をその内部に含有するものであればよい。例えば、Ａｌ合金系鋳造材の結晶粒微細化剤として公知のＡｌ−Ｔｉ二元系合金であるＡｌ−１〜１５質量％Ｔｉ合金などを挙げることができる。また、これにＢやＣを適宜、添加した化合物粒子を含む結晶粒微細化剤についても同様である。更に、鉄鋼及び鉄合金、マグネシウム及びその合金、亜鉛及びその合金、銅及びその合金、錫及びその合金、ニッケル及びその合金、チタン及びその合金など、種々の金属及び合金を鋳造材料として用いる場合にあって、各種の公知の結晶粒微細化剤があるが、これらについても同様である。特に、金属間化合物からなり、複雑形状に破砕されて微細化された化合物粒子を含む結晶粒微細化剤に大きな効果が確認される。

次に、本発明の実施例による結晶粒微細化剤の製造方法について詳述する。
本発明の１つの実施例による結晶粒微細化剤の製造方法は、溶解、鋳造して得られた母合金を、ＥＣＡＰ（Ｅｑｕａｌ−Ｃｈａｎｎｅｌ Ａｎｇｕｌａｒ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）加工法によって繰り返しせん断変形を与えて、複雑形状に破砕された内部組織及び／又は微細な化合物を母合金中に与える製造方法である。

具体的には、まず、結晶粒微細化剤のための母合金として、Ａｌ−５ｗｔ％Ｔｉ−０．２５ｗｔ％Ｃの成分組成を有する合金を溶解して、インゴットを鋳造した。インゴットを旋盤によって切削加工して、長さ５５ｍｍ、直径１０ｍｍの断面略円形の棒状体１４（図２参照）に加工した。

図２に示すように、ＥＣＡＰ加工用の金型２０は、略直方体であって、その中央部で直角に屈曲した断面略円形の貫通孔２１を有している。貫通孔２１は、金型２０の隣接する２面に、開口２１ａ及び２１ｂを有する。貫通孔２１の屈曲部２２において、外角側の角部にＲが形成されている。貫通孔２１の直径は、約１０ｍｍである。

開口２１ａから貫通孔２１に棒状体１４を嵌入する。開口２１ａから屈曲部２２までの距離は、棒状体１４の長さよりも長いため、棒状体１４は、開口２１ａと屈曲部２２の間に位置することができる。開口２１ａには、プランジャー２３が嵌入されて、その一端部２３ａが棒状体１４の一端部に当接している。プランジャー２３の他端部２３ｂには、図示しない万能試験機の応力負荷部が接続しており、プランジャー２３は、一定速度で屈曲部２２に向けて貫通孔２１に押し込まれる。典型的には、押し込み速度は、２０ｍｍ／ｍｉｎである。棒状体１４は、その一端部から順に屈曲部２２を通過しながら貫通孔２１に沿って屈曲させられて、せん断変形を与えられる。棒状体１４を１回だけ屈曲部２２を通過させる押出し加工によって、棒状体１４には約１００％の塑性ひずみを導入することができると見積もられた。金型２０を用いた加工法では、押出加工の前後で棒状体１４の断面形状が変化しない。故に、棒状体１４に繰り返し変形加工を施すことが容易に出来て、きわめて大きな加工ひずみを与えることができるのである。実施例ではＥＣＡＰ加工を室温で行っているが、適宜、加熱してもよい。

翻って図１に示すように、上記した室温におけるＥＣＡＰ加工では、内部組織が破砕され、特に、略球状であった合金中のＡｌ_３Ｔｉ及びＴｉＣ粒子などの化合物粒子が複雑形状に破砕されて、微細化されていることが確認された。なお、ＥＣＡＰ加工の前後において、化合物の合金中に占める総体積分率は変化しない故に、破砕により化合物が微細化して粒子数が増加している。

図３に示すように、上記したＥＣＡＰ加工における押出しを２回行うと、Ａｌ_３Ｔｉ粒子の平均直径は、約３４μｍから約２４μｍに約３０％減少し、ＴｉＣ粒子の平均直径は、約１．５５μｍから約０．４５μｍに約７０％減少する。なお、上記したＥＣＡＰ加工における押出しを２回行うと、棒状体１４には全体として２００％の塑性変形歪みを与えられると見積もられる。

次に、本発明の１つの実施例による結晶粒微細化剤を用いて鋳造を行った結果を示す。
結晶粒微細化剤は、Ａｌ−５ｗｔ％Ｔｉ−０．２５ｗｔ％Ｃの組成の母合金に対して上記したＥＣＡＰ加工を行うことによって製造された。なお、ＥＣＡＰ加工の回数を変化させた幾つかの種類の結晶粒微細化剤を作成した。鋳造材料は、純度９９．９９３％のアルミニウムである。

まず、鋳造材料としてのアルミニウムを７５０℃まで加熱して、結晶粒微細化剤を０．５ｗｔ％だけ添加した。この溶湯をステンレス製の鋳型に流し込み、空冷した。なお、この空冷による溶湯の冷却速度は、他の実験によって、約３．５℃／秒と見積もられた。十分な時間の経過後、得られた鋳造材を切断し、断面を観察するとともに、ビッカース硬度試験器で硬度を測定した。

図４に示すように、ＥＣＡＰ加工を行わない結晶粒微細化剤を添加した鋳造材中のα−Ａｌの平均結晶粒子径は、約２１０μｍであった。一方、ＥＣＡＰ加工を２回以上行って得られた本発明による結晶粒微細化剤を添加した鋳造材中のα−Ａｌの平均結晶粒子径は、約１２０μｍであった。つまり、本発明による結晶粒微細化剤を用いれば、鋳造材の結晶粒径を大幅に微細化することが出来るのである。

また、ＥＣＡＰ加工を行わない結晶粒微細化剤を添加した鋳造材のビッカース硬さは、約５０ＭＰａ程度である。一方、ＥＣＡＰ加工を２回以上行って得られた本発明による結晶粒微細化剤を添加した鋳造材のビッカース硬さは、約７０ＭＰａ程度であって、約４０％程度、硬度が上昇していた。なお、結晶粒微細化剤を添加しない鋳造材のビッカース硬さは２０ＭＰａであった。つまり、本発明による結晶粒微細化剤を用いれば、鋳造材の機械強度を大幅に高めることが出来るのである。

なお、上記した如く、ＥＣＡＰ加工は、母合金に複雑形状に破砕された内部組織及び／又は微細な化合物を与える工程であって、同じ目的を達成することの出来る加工法であれば、他の加工法を用いても良い、例えば、摩耗、Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｔｏｒｓｉｏｎ（ＨＰＴ）、連続繰り返し曲げ、繰り返し重ね接合圧延（ＡＲＢ）、ボールミル、ショットピーニング、粒子衝撃、落錘、多軸鍛造、ドリル加工、繰り返し鍛造、又は、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）、あるいはそれらの組み合わせなどであってもよい。つまり、少なくとも２軸以上の方向から同時にせん断変形を与える工程を繰り返し行っても良いし、所定の方向にせん断変形を与える工程とその所定の方向とは異なる方向にせん断変形を与える工程とを繰り返し行っても良い。

本発明の１つの実施例による結晶粒微細化材の組織を示す写真である。 本発明の１つの実施例による結晶粒微細化剤の製造に使用されるＥＣＡＰ加工用金型を示す図である。 図２のＥＣＡＰ加工用金型におけるＡｌ−５ｗｔ％Ｔｉ−０．２５ｗｔ％Ｃ母合金の押出し回数に対するＡｌ_３Ｔｉ及びＴｉＣ粒子の平均直径を示すグラフである。 図２のＥＣＡＰ加工用金型におけるＡｌ−５ｗｔ％Ｔｉ−０．２５ｗｔ％Ｃ母合金の押出し回数に対するα−Ａｌ結晶粒子の平均直径及びビッカース硬さの関係を示す図である。

符号の説明

１０ Ａｌ_３Ｔｉ粒子
１２ ＴｉＣ粒子
１４ 棒状体１４
２０ ＥＣＡＰ加工用金型
２１ 貫通孔
２１ａ、２１ｂ 開口
２２ 屈曲部
２３ プランジャー

Claims (11)

1. 溶融した金属中に与えられて溶湯中に化合物粒子を形成・分散させる所定組成の合金系の合金からなる結晶粒微細化剤であって、溶融・凝固後にせん断変形を与えられて幾何学的に規則性を有さない不定形状の内部組織を有することを特徴とする結晶粒微細化剤。
2. 前記合金系は、Ａｌ−Ｔｉ−Ｃ系、Ａｌ−Ｔｉ−Ｂ系又はＡｌ−Ｔｉ系のいずれか１又は複数からなることを特徴とする請求項１記載の結晶粒微細化剤。
3. 前記合金は、ＴｉＣ、ＴｉＢ_２又はＡｌ_３Ｔｉ化合物の少なくとも１を含むことを特徴とする請求項１記載の結晶粒微細化剤。
4. 平均粒子径が１０μｍ以下のＴｉＣ化合物を含むことを特徴とする請求項３記載の結晶粒微細化剤。
5. 平均粒子径が１．２μｍ以下のＡｌ_３Ｔｉ化合物を含むことを特徴とする請求項３記載の結晶粒微細化剤。
6. 溶融した金属中に与えられて溶湯中に化合物粒子を形成・分散させる所定組成の合金系からなる合金を与えるステップと、
   前記合金に複数回のせん断変形を与える結晶粒微細化ステップと、を含むことを特徴とする鋳造材用の結晶粒微細化剤の製造方法。
7. 前記結晶粒微細化ステップは、所定の方向にせん断変形を与えるステップと、前記所定の方向とは異なる方向にせん断変形を与えるステップと、を含むことを特徴とする請求項６記載の結晶粒微細化剤の製造方法。
8. 前記結晶粒微細化ステップは、多軸応力によるせん断変形を与えるステップを含むことを特徴とする請求項６記載の結晶粒微細化剤の製造方法。
9. 前記結晶粒微細化ステップは、繰り返し押出し加工（ＥＣＡＰ）、摩耗、ＨＰＴ、連続繰り返し曲げ加工、繰り返し重ね接合圧延（ＡＲＢ）、ボールミル、ショットピーニング、粒子衝撃、落錘、多軸鍛造、ドリル加工、繰り返し鍛造、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）のいずれか１又はいくつかの組み合わせにより加工するステップを含むことを特徴とする請求項６乃至８のうちの１に記載の結晶粒微細化剤の製造方法。
10. 前記合金系は、Ａｌ−Ｔｉ−Ｃ系、Ａｌ−Ｔｉ−Ｂ系又はＡｌ−Ｔｉ系のいずれか１又は複数からなることを特徴とする請求項６記載の結晶粒微細化剤の製造方法。
11. 前記合金は、ＴｉＣ、ＴｉＢ_２又はＡｌ_３Ｔｉ化合物の少なくとも１を含むことを特徴とする請求項６記載の結晶粒微細化剤。

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