JP2007211325A - 半融合金鋳造用原料アルミニウム青銅合金 - Google Patents
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Abstract
【課題】撹拌することなく半融合金鋳造法により結晶粒が微細なアルミニウム青銅合金鋳物を製造するための原料アルミニウム青銅合金を提供する。
【解決手段】Ａｌ：５〜１０％、Ｚｒ：０．０００５〜０．０４％、Ｐ：０．０１〜０．２５％を含有し、さらに必要に応じてＳｉ：０．５〜３％を含有し、さらに必要に応じてＰｂ：０．００５〜０．４５％、Ｂｉ：０．００５〜０．４５％、Ｓｅ：０．０３〜０．４５％、Ｔｅ：０．０１〜０．４５％の内の１種または２種以上含有する残りがＣｕおよび不可避不純物からなる成分組成を有する。
【選択図】 なし
Description
この発明は、溶湯を撹拌処理することなく半融合金鋳造することにより結晶粒が微細なアルミニウム青銅鋳物を製造することができる半融合金鋳造用原料アルミニウム青銅合金に関するものである。
銅とアルミニウムを主成分とするＣｕ−Ａｌ系銅合金はアルミニウム青銅合金として知られている。このアルミニウム青銅合金はＣｕにＡｌ：１０．５質量％以下を添加することによって機械的性質、耐食性、耐摩耗性、耐疲労性、耐熱性を改善した銅合金であり、このＡｌ青銅合金は一般に鋳造性が悪いと言われている。しかし、Ａｌ青銅合金は機械的性質、耐食性、耐摩耗性、耐疲労性、耐熱性に優れているところから、船舶のスクリュー、スクリュー軸、ポンプ、化学装置、軸受、歯車などの材料として使用されている。
アルミニウム青銅合金は一般に鋳造性が悪いと言われており、その主な理由は成分組成によるところが大きいが、その他にアルミニウム青銅合金溶湯中に樹脂状のα初晶が晶出することが湯流れ性を悪くすることも理由の一つとされている。前記樹脂状のα初晶が晶出することによる鋳造性の悪化を改善する方法の一つとしてアルミニウム青銅合金溶湯を液相線温度と固相線温度の間の温度域で強く撹拌してスラリー状の半融アルミニウム青銅合金を作製し、この半融アルミニウム青銅合金を鋳造すると、前記撹拌により固液混合スラリー中に生成したデンドライトは分断され、固液混合スラリー中のα初晶固体は球状となり、そのために高い固相率まで流動性を保持することができ、それによって鋳造性が改善されかつ結晶粒が微細でかつ粒状晶を有する組織のアルミニウム青銅合金鋳物を製造することができる半融合金鋳造法が知られている（非特許文献１参照）。
「金属便覧 改訂５版」日本金属学会編、丸善（平成４年４月２０日発行）、Ｐ１０４１〜１０４２
「金属便覧 改訂５版」日本金属学会編、丸善（平成４年４月２０日発行）、Ｐ１０４１〜１０４２
しかし、溶湯を攪拌する半融合金鋳造法を実施するには、溶湯温度を制御しながら攪拌する必要があることから装置が大型化し、条件によって溶湯中に余分なガスを巻き込む恐れがあった。さらに金型の損耗を考慮した場合には、溶湯温度を下げる必要があるが、上記従来のアルミニウム青銅合金は半融状態で攪拌してもデンドライト組織の生成を完全に避けることができず、そのために溶湯の流動性が著しく悪くなり、最終的には鋳造不良につながる恐れもあった。
本発明者等は、液相中のデンドライトを分断して粒状化するための攪拌手段を施すことなく、半融アルミニウム青銅合金の流動性を向上させ、低温での半融アルミニウム青銅合金を鋳造しても鋳造不良がなく結晶粒が微細なアルミニウム青銅合金鋳物を製造すべく研究を行った。その結果、
（イ）従来のＡｌ：５〜１０質量％を含有しているアルミニウム青銅合金に、さらに、Ｚｒ：０．０００５〜０．０４％、Ｐ：０．０１〜０．２５％を添加したアルミニウム青銅合金を原料合金として、これをすべてが液相になるまで完全溶解したのち冷却して得られた半融アルミニウム青銅合金またはインゴットなどを再溶解して得られた半融アルミニウム青銅合金はいずれも流動性に優れ、この半融アルミニウム青銅合金を鋳造すると、結晶粒が微細なアルミニウム青銅合金鋳物を製造することができ、したがって、従来のように半融合金状態で撹拌処理を施す必要がない、
（ロ）質量％で、Ｚｒ：０．０００５−０．０４ｗｔ％, Ｐ：０．０１−０．２５ｗｔ％を含有する前記（イ）記載のアルミニウム青銅合金にさらにＳｉ：０．５〜３％含有せしめたアルミニウム青銅合金を原料合金として、これをすべてが液相になるまで完全溶解したのち冷却して得られた半融アルミニウム青銅合金またはインゴットなどを再溶解して得られた半融アルミニウム青銅合金はいずれも流動性に優れ、この半融アルミニウム青銅合金を鋳造すると、結晶粒が微細なアルミニウム青銅合金鋳物を製造することができ、したがって、従来のように半融合金状態で撹拌処理を施す必要がない、
（ハ）前記（イ）または（ロ）記載のアルミニウム青銅合金に、さらにＰｂ：０．００５〜０．４５％、Ｂｉ：０．００５〜０．４５％、Ｓｅ：０．０３〜０．４５％、Ｔｅ：０．０１〜０．４５％の内の１種または２種以上含有する成分組成を有するアルミニウム青銅合金についても同様の効果を奏する、
（ニ）前記（イ）〜（ハ）記載のアルミニウム青銅合金が半融合金状態で流動性が良い理由は、凝固過程においてデンドライトではなく粒状の微細なα初相が晶出することによるものである、などの研究結果が得られたのである。
（イ）従来のＡｌ：５〜１０質量％を含有しているアルミニウム青銅合金に、さらに、Ｚｒ：０．０００５〜０．０４％、Ｐ：０．０１〜０．２５％を添加したアルミニウム青銅合金を原料合金として、これをすべてが液相になるまで完全溶解したのち冷却して得られた半融アルミニウム青銅合金またはインゴットなどを再溶解して得られた半融アルミニウム青銅合金はいずれも流動性に優れ、この半融アルミニウム青銅合金を鋳造すると、結晶粒が微細なアルミニウム青銅合金鋳物を製造することができ、したがって、従来のように半融合金状態で撹拌処理を施す必要がない、
（ロ）質量％で、Ｚｒ：０．０００５−０．０４ｗｔ％, Ｐ：０．０１−０．２５ｗｔ％を含有する前記（イ）記載のアルミニウム青銅合金にさらにＳｉ：０．５〜３％含有せしめたアルミニウム青銅合金を原料合金として、これをすべてが液相になるまで完全溶解したのち冷却して得られた半融アルミニウム青銅合金またはインゴットなどを再溶解して得られた半融アルミニウム青銅合金はいずれも流動性に優れ、この半融アルミニウム青銅合金を鋳造すると、結晶粒が微細なアルミニウム青銅合金鋳物を製造することができ、したがって、従来のように半融合金状態で撹拌処理を施す必要がない、
（ハ）前記（イ）または（ロ）記載のアルミニウム青銅合金に、さらにＰｂ：０．００５〜０．４５％、Ｂｉ：０．００５〜０．４５％、Ｓｅ：０．０３〜０．４５％、Ｔｅ：０．０１〜０．４５％の内の１種または２種以上含有する成分組成を有するアルミニウム青銅合金についても同様の効果を奏する、
（ニ）前記（イ）〜（ハ）記載のアルミニウム青銅合金が半融合金状態で流動性が良い理由は、凝固過程においてデンドライトではなく粒状の微細なα初相が晶出することによるものである、などの研究結果が得られたのである。
この発明は、かかる研究結果に基づいてなされたものであって、
（１）質量％で、Ａｌ：５〜１０％、Ｚｒ：０．０００５〜０．０４％、Ｐ：０．０１〜０．２５％を含有し、残りがＣｕおよび不可避不純物からなる成分組成を有する半融合金鋳造用原料アルミニウム青銅合金、
（２）質量％で、Ａｌ：５〜１０％、Ｚｒ：０．０００５〜０．０４％、Ｐ：０．０１〜０．２５％を含有し、さらに、Ｓｉ：０．５〜３％を含有し、残りがＣｕおよび不可避不純物からなる成分組成を有する半融合金鋳造用原料アルミニウム青銅合金、
（３）さらに、Ｐｂ：０．００５〜０．４５％、Ｂｉ：０．００５〜０．４５％、Ｓｅ：０．０３〜０．４５％、Ｔｅ：０．０１〜０．４５％の内の１種または２種以上含有する成分組成を有する前記（１）または（２）記載の半融合金鋳造用原料アルミニウム青銅合金、に特徴を有するものである。
（１）質量％で、Ａｌ：５〜１０％、Ｚｒ：０．０００５〜０．０４％、Ｐ：０．０１〜０．２５％を含有し、残りがＣｕおよび不可避不純物からなる成分組成を有する半融合金鋳造用原料アルミニウム青銅合金、
（２）質量％で、Ａｌ：５〜１０％、Ｚｒ：０．０００５〜０．０４％、Ｐ：０．０１〜０．２５％を含有し、さらに、Ｓｉ：０．５〜３％を含有し、残りがＣｕおよび不可避不純物からなる成分組成を有する半融合金鋳造用原料アルミニウム青銅合金、
（３）さらに、Ｐｂ：０．００５〜０．４５％、Ｂｉ：０．００５〜０．４５％、Ｓｅ：０．０３〜０．４５％、Ｔｅ：０．０１〜０．４５％の内の１種または２種以上含有する成分組成を有する前記（１）または（２）記載の半融合金鋳造用原料アルミニウム青銅合金、に特徴を有するものである。
この発明の半融合金鋳造用原料アルミニウム青銅合金は、予め成分調整したインゴットを作製して貯蔵しておき、必要量を取り出し再溶解して半融アルミニウム青銅合金を作製し、この半融アルミニウム青銅合金を鋳造することにより結晶粒が微細な半融アルミニウム青銅合金鋳物を製造することができる。
この発明の半融合金鋳造用原料アルミニウム青銅合金において、その成分組成を前述の如く限定した理由を説明する。
Ａｌ：
ＡｌはＣｕに添加することにより機械的性質、耐食性、耐摩耗性、耐疲労性、耐熱性を向上させ、さらに脱酸作用を有するのでＺｒの酸化を防止する作用を有するが、その含有量が５質量％未満では十分な効果が得られないので好ましくなく、一方、１０％を越えて含有すると鋳造性が低下すると共に得られた鋳物が硬く脆くなって機械的強度が低下するようになるので好ましくない。したがって、この発明の半融合金鋳造用Ａｌ青銅合金に含まれるＡｌは５〜１０質量％に定めた。
Ｚｒ：
ＺｒはＰと共存することにより半融合金状態において微細な粒状α初相の晶出を促進させ、半融アルミニウム青銅合金の流動性を改善させるとともに鋳造したアルミニウム青銅合金鋳物の結晶粒を微細化させる作用を有するが、その含有量が０．０００５質量％未満では結晶粒の微細化に十分な効果を発揮することが無いので好ましくなく、一方、０．０４質量％を越えて含有すると、かえって鋳物の結晶粒が大きくなるので好ましくない。したがって、この発明の半融合金鋳造用原料アルミニウム青銅合金に含まれるＺｒは０．０００５〜０．０４質量％に定めた。
Ｐ：
ＰはＺｒと共存することにより半融合金状態において微細な粒状α初相の晶出を促進させ、半融アルミニウム青銅合金の流動性を改善させるとともに鋳造したアルミニウム青銅合金鋳物の結晶粒を微細化させる作用を有するが、その含有量が０．０１質量％未満では結晶粒の微細化効果を十分に発揮することがなく、一方、０．２５質量％を越えて含有すると、低融点の金属間化合物が形成され、脆くなるので好ましくない。したがって、この発明の半融合金鋳造用アルミニウム青銅合金に含まれるＰは０．０１〜０．２５質量％に定めた。
Ｓｉ：
Ｓｉは、半融アルミニウム青銅合金の流動性を一層改善させ、融点を下げ、さらに耐食性、強度、被削性を向上させる作用を有するので必要に応じて添加するが、その含有量は０．５質量％未満では所望の効果が得られず、一方、３質量％を超えて含有すると、かえって鋳物の流動性が低下するようになりまた脆くなるので好ましくない。したがって、この発明の半融合金鋳造用原料アルミニウム青銅合金に含まれるＳｉは０．５〜３質量％に定めた。
その他の成分：
この発明の半融合金鋳造用原料アルミニウム青銅合金にはさらにＰｂ、Ｂｉ、Ｓｅ、Ｔｅなどが必要に応じて含まれるが、これらの成分がアルミニウム青銅合金に含まれる場合にはＰｂ：０．００５〜０．４５％、Ｂｉ：０．００５〜０．４５％、Ｓｅ：０．０３〜０．４５％、Ｔｅ：０．０１〜０．４５％の範囲で含まれることが好ましい。
Ａｌ：
ＡｌはＣｕに添加することにより機械的性質、耐食性、耐摩耗性、耐疲労性、耐熱性を向上させ、さらに脱酸作用を有するのでＺｒの酸化を防止する作用を有するが、その含有量が５質量％未満では十分な効果が得られないので好ましくなく、一方、１０％を越えて含有すると鋳造性が低下すると共に得られた鋳物が硬く脆くなって機械的強度が低下するようになるので好ましくない。したがって、この発明の半融合金鋳造用Ａｌ青銅合金に含まれるＡｌは５〜１０質量％に定めた。
Ｚｒ：
ＺｒはＰと共存することにより半融合金状態において微細な粒状α初相の晶出を促進させ、半融アルミニウム青銅合金の流動性を改善させるとともに鋳造したアルミニウム青銅合金鋳物の結晶粒を微細化させる作用を有するが、その含有量が０．０００５質量％未満では結晶粒の微細化に十分な効果を発揮することが無いので好ましくなく、一方、０．０４質量％を越えて含有すると、かえって鋳物の結晶粒が大きくなるので好ましくない。したがって、この発明の半融合金鋳造用原料アルミニウム青銅合金に含まれるＺｒは０．０００５〜０．０４質量％に定めた。
Ｐ：
ＰはＺｒと共存することにより半融合金状態において微細な粒状α初相の晶出を促進させ、半融アルミニウム青銅合金の流動性を改善させるとともに鋳造したアルミニウム青銅合金鋳物の結晶粒を微細化させる作用を有するが、その含有量が０．０１質量％未満では結晶粒の微細化効果を十分に発揮することがなく、一方、０．２５質量％を越えて含有すると、低融点の金属間化合物が形成され、脆くなるので好ましくない。したがって、この発明の半融合金鋳造用アルミニウム青銅合金に含まれるＰは０．０１〜０．２５質量％に定めた。
Ｓｉ：
Ｓｉは、半融アルミニウム青銅合金の流動性を一層改善させ、融点を下げ、さらに耐食性、強度、被削性を向上させる作用を有するので必要に応じて添加するが、その含有量は０．５質量％未満では所望の効果が得られず、一方、３質量％を超えて含有すると、かえって鋳物の流動性が低下するようになりまた脆くなるので好ましくない。したがって、この発明の半融合金鋳造用原料アルミニウム青銅合金に含まれるＳｉは０．５〜３質量％に定めた。
その他の成分：
この発明の半融合金鋳造用原料アルミニウム青銅合金にはさらにＰｂ、Ｂｉ、Ｓｅ、Ｔｅなどが必要に応じて含まれるが、これらの成分がアルミニウム青銅合金に含まれる場合にはＰｂ：０．００５〜０．４５％、Ｂｉ：０．００５〜０．４５％、Ｓｅ：０．０３〜０．４５％、Ｔｅ：０．０１〜０．４５％の範囲で含まれることが好ましい。
この発明の半融合金鋳造用原料アルミニウム青銅合金を溶解して固液混合スラリー状態の半融アルミニウム青銅合金を作製し、この半融アルミニウム青銅合金を通常の方法で鋳造すると、半融アルミニウム青銅合金の液相中に微細な粒状α初相が晶出しあるいはα固相が共存しているため、攪拌処理装置を用いて撹拌を行わなくても半融アルミニウム青銅合金の流動性が損なわれることなく鋳造することができ、さらに得られた半融アルミニウム青銅合金を鋳造して得られたアルミニウム青銅合金鋳物は結晶粒が一層微細化されて機械的強度が一段と向上するという優れた効果を奏するものである。
実施例１
原料として通常の電気銅を用意し、この電気銅を電気炉に装入し、Ａｒガス雰囲気中にて溶解し、溶銅温度が１２００℃になった時点でＡｌおよびＰを添加し、さらに必要に応じてＳｉ，Ｐｂ、Ｂｉ、Ｓｅ、Ｔｅなどを添加し、最後にＺｒを添加することによりアルミニウム青銅合金溶湯を作製し、得られたアルミニウム青銅合金溶湯を鋳造して表１〜４に示される成分組成を有する本発明半融合金鋳造用原料アルミニウム青銅合金（以下、本発明原料Ａｌ青銅合金という）１〜４５および比較半融合金鋳造用原料アルミニウム青銅合金（以下、比較原料Ａｌ青銅合金という）１〜６からなるインゴットを作製した。
さらに、市販のＡｌ：９質量％を含有し、残部がＣｕおよび不可避不純物からなるアルミニウム青銅合金をＡｒガス雰囲気中にて溶解し、温度：１２００℃のアルミニウム青銅合金溶湯を作製し、得られたアルミニウム青銅合金溶湯を鋳造して表４に示される成分組成を有する従来半融合金鋳造用原料アルミニウム青銅合金（以下、従来原料Ａｌ青銅合金という）からなるインゴットを作製した。
得られた本発明原料Ａｌ青銅合金１〜４５、比較原料Ａｌ青銅合金１〜６および従来原料Ａｌ青銅合金からなるインゴットの一部をそれぞれ切り取り、切り取ったインゴットを固相線温度を越えかつ液相線温度未満の範囲内の所定の温度に加熱することにより再溶解して半融アルミニウム青銅合金溶湯を作製し、この半融アルミニウム青銅合金溶湯を超急冷することにより急冷試験片を作製した。この急冷試験片の組織を光学顕微鏡で観察することにより半融アルミニウム青銅合金溶湯において液相と共存するα固相の形状を推定し、さらにその平均粒径を求め、その結果を表１〜４に示した。
なお、α固相の平均粒径の測定は急冷試験片の切断面を硝酸でエッチングしたのち光学顕微鏡で観察し測定した。
原料として通常の電気銅を用意し、この電気銅を電気炉に装入し、Ａｒガス雰囲気中にて溶解し、溶銅温度が１２００℃になった時点でＡｌおよびＰを添加し、さらに必要に応じてＳｉ，Ｐｂ、Ｂｉ、Ｓｅ、Ｔｅなどを添加し、最後にＺｒを添加することによりアルミニウム青銅合金溶湯を作製し、得られたアルミニウム青銅合金溶湯を鋳造して表１〜４に示される成分組成を有する本発明半融合金鋳造用原料アルミニウム青銅合金（以下、本発明原料Ａｌ青銅合金という）１〜４５および比較半融合金鋳造用原料アルミニウム青銅合金（以下、比較原料Ａｌ青銅合金という）１〜６からなるインゴットを作製した。
さらに、市販のＡｌ：９質量％を含有し、残部がＣｕおよび不可避不純物からなるアルミニウム青銅合金をＡｒガス雰囲気中にて溶解し、温度：１２００℃のアルミニウム青銅合金溶湯を作製し、得られたアルミニウム青銅合金溶湯を鋳造して表４に示される成分組成を有する従来半融合金鋳造用原料アルミニウム青銅合金（以下、従来原料Ａｌ青銅合金という）からなるインゴットを作製した。
得られた本発明原料Ａｌ青銅合金１〜４５、比較原料Ａｌ青銅合金１〜６および従来原料Ａｌ青銅合金からなるインゴットの一部をそれぞれ切り取り、切り取ったインゴットを固相線温度を越えかつ液相線温度未満の範囲内の所定の温度に加熱することにより再溶解して半融アルミニウム青銅合金溶湯を作製し、この半融アルミニウム青銅合金溶湯を超急冷することにより急冷試験片を作製した。この急冷試験片の組織を光学顕微鏡で観察することにより半融アルミニウム青銅合金溶湯において液相と共存するα固相の形状を推定し、さらにその平均粒径を求め、その結果を表１〜４に示した。
なお、α固相の平均粒径の測定は急冷試験片の切断面を硝酸でエッチングしたのち光学顕微鏡で観察し測定した。
表１〜４に示される結果から、本発明原料Ａｌ青銅合金１〜４５は急冷試験片のα固相がいずれも微細な粒状を呈しているところから半融状態において粒状の微細なα固相が液相と共存していると推定され、一方、従来原料Ａｌ青銅合金の急冷試験片のα固相がいずれも樹枝状を呈しているところから従来原料Ａｌ青銅合金は半融状態においてデンドライトが生成していることが推定され、したがって本発明原料Ａｌ青銅合金１〜４５で作製した半融アルミニウム青銅合金は従来原料Ａｌ青銅合金で作製した半融アルミニウム青銅合金に比べて流動性が優れていること、本発明原料Ａｌ青銅合金１〜４５を溶解して得られた半融アルミニウム青銅合金は液相中に微細な粒状のα固相が生成しているので半融アルミニウム青銅合金を撹拌することなく鋳造しても微細な結晶粒を有する鋳物が得られること、この発明の条件から外れてＡｌ、ＺｒおよびＰを含む比較原料アルミニウム青銅合金１〜６は半融状態ではデンドライトが発生したり、結晶粒の微細化が不足したり脆くなったりするので好ましくないことなどがわかる。
実施例２
実施例１で作製した前記本発明原料Ａｌ青銅合金１〜４５、比較原料Ａｌ青銅合金１〜６および従来原料Ａｌ青銅合金からなるインゴットの一部をそれぞれ切り取り、切り取ったインゴットを完全溶解して全てが液相のアルミニウム青銅合金溶湯を作製し、その後冷却して固相線温度を越えかつ液相線温度未満の範囲内の所定の温度に保持された半融アルミニウム青銅合金溶湯を作製し、この半融アルミニウム青銅合金溶湯を超急冷することにより急冷試験片を作製した。この急冷試験片の組織を光学顕微鏡で観察することにより半融アルミニウム青銅合金溶湯に晶出ているα初晶の形状を推定し、さらにその平均粒径を求めた結果、実施例１とほぼ同じ結果が得られた。
実施例１で作製した前記本発明原料Ａｌ青銅合金１〜４５、比較原料Ａｌ青銅合金１〜６および従来原料Ａｌ青銅合金からなるインゴットの一部をそれぞれ切り取り、切り取ったインゴットを完全溶解して全てが液相のアルミニウム青銅合金溶湯を作製し、その後冷却して固相線温度を越えかつ液相線温度未満の範囲内の所定の温度に保持された半融アルミニウム青銅合金溶湯を作製し、この半融アルミニウム青銅合金溶湯を超急冷することにより急冷試験片を作製した。この急冷試験片の組織を光学顕微鏡で観察することにより半融アルミニウム青銅合金溶湯に晶出ているα初晶の形状を推定し、さらにその平均粒径を求めた結果、実施例１とほぼ同じ結果が得られた。
Claims (3)
- 質量％で、Ａｌ：５〜１０％、Ｚｒ：０．０００５〜０．０４％、Ｐ：０．０１〜０．２５％を含有し、残りがＣｕおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする半融合金鋳造用原料アルミニウム青銅合金。
- 質量％で、Ａｌ：５〜１０％、Ｚｒ：０．０００５〜０．０４％、Ｐ：０．０１〜０．２５％を含有し、さらに、Ｓｉ：０．５〜３％を含有し、残りがＣｕおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする半融合金鋳造用原料アルミニウム青銅合金。
- さらに、Ｐｂ：０．００５〜０．４５％、Ｂｉ：０．００５〜０．４５％、Ｓｅ：０．０３〜０．４５％、Ｔｅ：０．０１〜０．４５％の内の１種または２種以上含有する成分組成を有することを特徴とする請求項１または２記載の半融合金鋳造用原料アルミニウム青銅合金。
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