JP2010163644A - Aluminum die casting alloy, cast compressor impeller made from the alloy and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば過給機に使用されるコンプレッサ羽根車などに好適な高強度と、ダイカストに好適な優れた耐焼付性とを有するアルミニウムダイカスト合金に関わる。また、このアルミニウムダイカスト合金からなる鋳造コンプレッサ羽根車およびその製造方法に関わる。 The present invention relates to an aluminum die casting alloy having high strength suitable for, for example, a compressor impeller used for a supercharger and excellent seizure resistance suitable for die casting. Further, the present invention relates to a cast compressor impeller made of this aluminum die-cast alloy and a manufacturing method thereof.
例えば自動車や船舶等の内燃機関に組み込まれる過給機は、内燃機関からの排気ガスを利用して排気側のタービン羽根車を回転させ、このタービン羽根車と同軸上にある吸気側のコンプレッサ羽根車を回転させて外気を吸気して圧縮する。そして、圧縮した空気を内燃機関に供給して内燃機関の出力向上を図る機能を有する。上述の過給機に使用されるタービン羽根車は、内燃機関から排出される高温の排気ガスに曝されるため、通常は耐熱強度に優れるニッケル合金やチタンアルミニウム合金等が使用される。一方、コンプレッサ羽根車は、外気を吸気する部分で利用されて高温に曝されることがないため、通常はアルミニウム合金等が使用される。 For example, a turbocharger incorporated in an internal combustion engine such as an automobile or a ship uses an exhaust gas from the internal combustion engine to rotate an exhaust-side turbine impeller, and an intake-side compressor blade coaxial with the turbine impeller. Rotate the car to take in outside air and compress it. The compressed air is supplied to the internal combustion engine to improve the output of the internal combustion engine. Since the turbine impeller used in the above-described supercharger is exposed to high-temperature exhaust gas discharged from the internal combustion engine, a nickel alloy, a titanium aluminum alloy, or the like that is excellent in heat resistance is usually used. On the other hand, since the compressor impeller is used in a portion that sucks outside air and is not exposed to high temperature, an aluminum alloy or the like is usually used.
従来、鋳造コンプレッサ羽根車に使用されるアルミニウム合金としては、例えば、米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）規定のＡｌ−９％Ｓｉ−１．８％Ｃｕ−０．５％Ｍｇ合金である３５４．０（以下、Ａ３５４という）やＡｌ−５％Ｓｉ−１．３％Ｃｕ−０．５％Ｍｇ合金である３５５．０（以下、Ａ３５５という）、ＪＩＳ−ＡＣ４Ｃ（Ａｌ−７％Ｓｉ−０．３％Ｍｇ合金）等が実用され、前記Ａ３５４からなる鋳造コンプレッサ羽根車は多く利用されている。また近年は、内燃機関の燃焼効率をさらに向上させる目的でタービン羽根車およびコンプレッサ羽根車をより高速回転させるための種々の検討がなされ、高速回転によってコンプレッサ羽根車の曝露温度が従来よりも上昇して１８０〜２００℃にも達すると予測され、常温に加え、１８０〜２００℃といった高温域においても高強度を有することが所望され始めている。 Conventionally, as an aluminum alloy used for a cast compressor impeller, for example, 354.0 which is an Al-9% Si-1.8% Cu-0.5% Mg alloy defined by the American Society for Testing and Materials (ASTM) ( Hereinafter referred to as A354), 355.0 (hereinafter referred to as A355) which is an Al-5% Si-1.3% Cu-0.5% Mg alloy, JIS-AC4C (Al-7% Si-0.3%). (Mg alloy) and the like are practically used, and the cast compressor impeller made of A354 is widely used. In recent years, various studies have been made to rotate the turbine impeller and the compressor impeller at higher speeds in order to further improve the combustion efficiency of the internal combustion engine. It is predicted that it will reach 180 to 200 ° C., and it has begun to be desired to have high strength in a high temperature region such as 180 to 200 ° C. in addition to normal temperature.
近年提案された従来のＡ３５４よりも高強度な材質を用いた鋳造コンプレッサ羽根車としては、例えば特許文献１に提案されるＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｎｉ−Ｆｅ系合金を用いたコンプレッサ羽根車が知られる。このコンプレッサ羽根車は、プラスターモールド鋳造法によって形成され、従来のＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金におけるＳｉに置換してＮｉおよびＦｅを各々２．０質量％以下の範囲で含有し、かつ、ＣｕとＭｇの含有関係をＣｕ＋０．５Ｍｇの観点から適正化することにより、羽根車の高強度化を実現するものである。 For example, a compressor impeller using an Al—Cu—Mg—Ni—Fe alloy proposed in Patent Document 1 is known as a cast compressor impeller using a material stronger than the conventional A354 proposed in recent years. It is done. The compressor impeller is formed by a plaster mold casting method, contains Ni and Fe in a range of 2.0% by mass or less by substituting Si in a conventional Al—Si—Cu—Mg based alloy, and The strength of the impeller is increased by optimizing the Cu and Mg content from the viewpoint of Cu + 0.5Mg.
上述したコンプレッサ羽根車は、例えば、ハブ軸部と、該ハブ軸部から半径方向に延在するとともにハブ面とディスク面を有するハブディスク部と、前記ハブ面に配列された複数の羽根部とを含み、各々の羽根部が複雑な空力学的曲面形状のブレード面を表裏に有する、複雑な形状を有している。このように複雑な形状を有するコンプレッサ羽根車であるので、従来、鍛造素材から削り出して形成された鍛造羽根車や、例えば上述した特許文献１に開示されるようにプラスターモールド鋳造法により鋳造して形成された鋳造羽根車が実用化された。そして、前記Ａ３５４からなる鋳造コンプレッサ羽根車もまた、プラスターモールド鋳造法により形成された鋳造羽根車として実用化されている。 The compressor impeller described above includes, for example, a hub shaft portion, a hub disk portion extending in a radial direction from the hub shaft portion and having a hub surface and a disk surface, and a plurality of blade portions arranged on the hub surface. And each blade portion has a complicated shape with a complicated aerodynamic curved blade surface on the front and back. Since it is a compressor impeller having such a complicated shape, it is conventionally cast by a forged impeller formed by cutting out from a forging material, for example, by a plaster mold casting method as disclosed in Patent Document 1 described above. The cast impeller formed in this way was put into practical use. The cast compressor impeller made of A354 is also put into practical use as a cast impeller formed by a plaster mold casting method.
前記プラスターモールド鋳造法は、製品と実質的に同一形状を有するゴム模型の周りに石膏などを被覆して鋳型を形成する鋳造方法である。鋳型の形成においてはゴム模型が内包されることとなるが、ゴム模型は大きく弾性変形させることができるため、上述した複雑な形状を有するコンプレッサ羽根車であっても、ゴム模型を鋳型から簡単に離型できる。よって、プラスターモールド鋳造法は、コンプレッサ羽根車のハブ部と複雑な形状を有する羽根部とを一体かつ一括で形成できる優れた製造方法である。しかしながら、ゴム模型や石膏鋳型の製作、鋳造後の石膏鋳型の解体やブラスト等による鋳型滓除去清浄など、製造工程が長いために生産性や製造コストの点では不利であり、改善が望まれている。 The plaster mold casting method is a casting method in which a mold is formed by coating gypsum around a rubber model having substantially the same shape as a product. In forming the mold, the rubber model is included. However, since the rubber model can be elastically deformed greatly, the rubber model can be easily removed from the mold even in the compressor impeller having the complicated shape described above. Can be released. Therefore, the plaster mold casting method is an excellent manufacturing method capable of integrally and collectively forming the hub portion of the compressor impeller and the blade portion having a complicated shape. However, it is disadvantageous in terms of productivity and manufacturing cost due to the long manufacturing process, such as the production of rubber models and plaster molds, dismantling of plaster molds after casting, and cleaning by removing mold blasts, etc., and improvements are desired. Yes.
また、アルミニウム合金に適用される鋳造方法のひとつとして、優れた生産性やコストパフォーマンスを有しているダイカスト（高圧射出鋳造）が知られている。ダイカストにおいては、高圧力での溶湯の射出に耐えられる鋳型として金型が使用される。そして、該金型のキャビティは、一般的にはＦｅ基合金材を用いて画成されるため、鋳造時の溶湯の凝固速度（冷却速度）が特段に速くなり、これにより含有元素に拠らなくとも微細で緻密な鋳造組織形態を形成することができる。よって、ダイカストによって形成した鋳物部材は引張強さなどの機械的特性の特段の向上が期待できる。 As one of casting methods applied to aluminum alloys, die casting (high pressure injection casting) having excellent productivity and cost performance is known. In die casting, a mold is used as a mold that can withstand the injection of a molten metal at a high pressure. Since the mold cavity is generally defined by using an Fe-based alloy material, the solidification rate (cooling rate) of the molten metal at the time of casting is remarkably increased, thereby depending on the contained elements. Even if it is not, a fine and dense cast structure form can be formed. Therefore, the casting member formed by die casting can be expected to have a special improvement in mechanical properties such as tensile strength.
アルミニウムダイカスト合金としては、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金であるＪＩＳ−Ｈ５３０２規定のＡＤＣ１２（質量％でＦｅ：１．３％以下、Ｍｎ：０．５％以下）が最もよく使用されるものの、前記ＡＤＣ１２は例えば鋳造コンプレッサ羽根車に適用できるだけの高強度を有さない。しかしながら、前記ＡＤＣ１２以外のアルミニウム合金は、Ｆｅ基合金との親和性が高いために金型に対する溶湯の固着や溶損といった焼付現象を生じやすい。このため、Ｆｅ基合金との親和性が高いアルミニウム合金に対し、耐焼付性向上効果を有することが知られるＦｅやＭｎを少量添加してダイカスト用途に使用する提案がなされている。 As the aluminum die-cast alloy, ADC12 of JIS-H5302 standard (Fe: 1.3% or less by mass%, Mn: 0.5% or less), which is an Al—Si—Cu based alloy, is most often used. The ADC 12 does not have a high strength that can be applied to, for example, a cast compressor impeller. However, since aluminum alloys other than the ADC 12 have a high affinity with the Fe-based alloy, seizure phenomena such as adhesion of the molten metal to the mold and erosion are likely to occur. For this reason, a proposal has been made to add a small amount of Fe or Mn, which is known to have an effect of improving seizure resistance, to an aluminum alloy having high affinity with an Fe-based alloy and to use it for die casting.
例えば、特許文献２が開示する実施例には、質量％でＳｉを８％含有するＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金に対し、質量％でＦｅ：０．１９〜０．３０％およびＭｎ：０〜０．４９％を添加することにより、耐焼付性の改善を図る提案がなされている。しかしながら、Ｆｅを含有することに関する欠点も知られており、例えば非特許文献１（Ｐ．３０９、図１．７ 試験片による鉄含有量と機械的性質（ＡＤＣ−１２））には、Ｆｅ含有量が０．５％違うだけで１３％もの引張強さの違いを生じ、Ｆｅ含有量によっては引張強さを大きく損ねてしまうことが開示されている。 For example, in the Example which patent document 2 discloses, with respect to the Al-Si-Cu-Mg type | system | group alloy containing 8% of Si by mass%, Fe: 0.19-0.30% and Mn: Proposals have been made to improve seizure resistance by adding 0 to 0.49%. However, defects related to containing Fe are also known. For example, Non-Patent Document 1 (P.309, Fig. 1.7 Iron content and mechanical properties (ADC-12) by test piece) contains Fe content. It is disclosed that a difference in tensile strength of 13% is produced only by a difference of 0.5%, and depending on the Fe content, the tensile strength is greatly impaired.
鋳造コンプレッサ羽根車に適用される上述の従来合金Ａ３５４は、Ｓｉ含有量を増し、さらにはＳｉ含有量が増すことで多く形成されて合金の強度を阻害する共晶Ｓｉを球状化するためにＳｒを添加し、０．２％耐力で言えば概ね３００ＭＰａ程度の常温強度を得ており、鋳造コンプレッサ羽根車に好適なアルミニウム鋳造合金である。しかしながら、優れた量産性やコストパフォーマンスを有する上述したダイカストを適用する場合、従来合金Ａ３５４はＦｅ基合金との親和性が高いため、金型への溶湯の固着や溶湯による金型の溶損といった焼付現象を生じてしまう問題がある。加えて、従来合金Ａ３５４は、上述したようにＳｉ含有量を増して常温強度を得ているものの、１８０〜２００℃といった高温域における高温強度についてはＳｉの作用効果だけでは不十分なものであった。 The above-mentioned conventional alloy A354 applied to a cast compressor impeller is formed to increase the Si content, and further to increase the Si content. In terms of 0.2% proof stress, a normal temperature strength of about 300 MPa is obtained, and it is an aluminum cast alloy suitable for a cast compressor impeller. However, when the above-described die casting having excellent mass productivity and cost performance is applied, since the conventional alloy A354 has high affinity with the Fe-based alloy, the molten metal is fixed to the mold or the mold is damaged by the molten metal. There is a problem that a seizure phenomenon occurs. In addition, although the conventional alloy A354 has a room temperature strength by increasing the Si content as described above, the effect of Si alone is not sufficient for the high temperature strength in a high temperature range of 180 to 200 ° C. It was.
上述した従来合金Ａ３５４の金型に対する耐焼付性の問題を解決できる可能性のある合金としては、上述した特許文献２が開示する合金がある。しかしながら、特許文献２が開示する合金は、金型に対する耐焼付性向上効果が期待できるＦｅやＭｎの含有量の総計が０．８質量％に満たない程度のものである。それ故に、該合金では、ダイカストの量産性やコストパフォーマンスといった利点が活用できるほどの実用的な耐焼付性は期待できず、加えて、実質的に多量のＳｉの含有により合金強度を得ているので高温域での合金強度については期待できなかった。 As an alloy that can possibly solve the problem of seizure resistance to the mold of the conventional alloy A354 described above, there is an alloy disclosed in Patent Document 2 described above. However, the alloy disclosed in Patent Document 2 is such that the total content of Fe and Mn that can be expected to improve the seizure resistance to the mold is less than 0.8% by mass. Therefore, in the alloy, practical seizure resistance that can take advantage of die casting mass productivity and cost performance cannot be expected, and in addition, the alloy strength is obtained by containing a substantial amount of Si. Therefore, the alloy strength at high temperature could not be expected.
また、上述した特許文献１が開示するＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｎｉ系合金もまた上述した耐焼付性の問題を解決できる可能性のある合金である。該合金は、Ｓｉに置換してＮｉやＦｅを含有することにより常温や高温域における高強度を得ており、Ｆｅ含有量が１．０〜２．０質量％と多いため耐焼付性向上が期待できる。なお、特許文献１は、プラスターモールド鋳造法によって鋳造コンプレッサ羽根車を形成する手段を開示するが、該合金がダイカストに適用可能であるかは不明であった。しかしながら、本発明者の検討によれば、特許文献１が開示する合金であっても、ダイカストの量産性やコストパフォーマンスといった利点が活用できるほどの実用的な耐焼付性は期待できないことが判った。 Further, the Al—Cu—Mg—Ni-based alloy disclosed in Patent Document 1 described above is also an alloy that can possibly solve the above-described problem of seizure resistance. This alloy has obtained high strength at normal temperature and high temperature by substituting Si and containing Ni and Fe. Since the Fe content is as high as 1.0 to 2.0% by mass, the seizure resistance is improved. I can expect. In addition, although patent document 1 discloses the means to form a cast compressor impeller by a plaster mold casting method, it was unknown whether this alloy is applicable to die casting. However, according to the inventor's study, it was found that even the alloy disclosed in Patent Document 1 cannot be expected to have practical seizure resistance enough to utilize advantages such as mass production and cost performance of die casting. .
本発明の目的は、Ｆｅ基材でなるダイカスト金型に対する実用的な耐焼付性を有すると同時に、例えば鋳造コンプレッサ羽根車に用いられる従来合金Ａ３５４と同等以上の常温強度を有し、さらには高温域でも高強度が期待できるアルミニウムダイカスト合金を提供し、また、前記アルミニウムダイカスト合金を用いてなる鋳造コンプレッサ羽根車およびその製造方法を提供することである。 The object of the present invention is to have practical seizure resistance to a die-casting die made of an Fe base material, and at the same time, has a room temperature strength equal to or higher than that of the conventional alloy A354 used for, for example, a cast compressor impeller, and further, a high temperature The present invention provides an aluminum die cast alloy that can be expected to have high strength even in the region, and a cast compressor impeller that uses the aluminum die cast alloy and a method for manufacturing the cast compressor impeller.
本発明者は、Ｓｉ含有量を抑制したＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金を基にして、常温（言い換えれば２５℃）において従来合金Ａ３５４と同等以上の合金強度を有し、同時に金型に対する耐焼付性を格段に向上させ、さらには１８０〜２００℃といった高温域における合金強度を向上させることを検討した。そして、基材であるＡｌに添加する各元素の含有量の適正化により、Ａｌマトリックスの結晶自体や結晶個々を結び付ける粒界が強化されて好適にバランスした鋳造組織形態が得られることを見出して本発明に到達した。 The inventor has an alloy strength equal to or higher than that of the conventional alloy A354 at room temperature (in other words, 25 ° C.) based on an Al—Cu—Mg alloy with suppressed Si content, and at the same time, is resistant to seizure to the mold. The present inventors have studied to significantly improve the properties and further to improve the alloy strength in a high temperature range of 180 to 200 ° C. And we found out that by optimizing the content of each element added to Al as the base material, the grain boundary connecting the Al matrix crystal itself and the individual crystal is strengthened, and a suitably balanced cast structure form can be obtained. The present invention has been reached.
すなわち、本発明のアルミニウムダイカスト合金は、質量％でＣｕ＋Ｍｇ＋Ｎｉ＋Ｆｅ：６．５〜８．０％を満足するように、Ｃｕ：２．５〜３．５％、Ｍｇ：０．５〜２．０％、Ｎｉ：０．５〜２．０％、Ｆｅ：２．０〜２．５％、さらにＴｉ：０．０５〜０．２０％、Ｓｉ：１．０％以下を含む、残部がＡｌおよび不可避的不純物でなるアルミニウムダイカスト合金である。 That is, the aluminum die cast alloy of the present invention satisfies Cu + Mg + Ni + Fe: 6.5-8.0% by mass%, Cu: 2.5-3.5%, Mg: 0.5-2.0% Ni: 0.5 to 2.0%, Fe: 2.0 to 2.5%, Ti: 0.05 to 0.20%, Si: 1.0% or less, the balance being Al and inevitable This is an aluminum die-casting alloy that is a typical impurity.
本発明のアルミニウムダイカスト合金は、質量％でＦｅ＋Ｍｎ：２．６％以下を満足するようにＭｎ：０．６％以下を含むことができる。 The aluminum die-cast alloy of the present invention can contain Mn: 0.6% or less so as to satisfy Fe + Mn: 2.6% or less by mass%.
そして、本発明においては、自動車等に使用され、ハブ軸部と、該ハブ軸部から半径方向に延在するとともにハブ面とディスク面を有するハブディスク部と、前記ハブ面に配設された複数の羽根部とを含む羽根車形状体である鋳造コンプレッサ羽根車に、前記本発明のアルミニウムダイカスト合金を用いることが好適である。
また、前記複数の羽根部が、長羽根と短羽根とが交互に配列されて成る鋳造コンプレッサ羽根車にも、前記本発明のアルミニウムダイカスト合金を用いることができる。
In the present invention, used in an automobile or the like, a hub shaft portion, a hub disk portion extending in a radial direction from the hub shaft portion and having a hub surface and a disk surface, and disposed on the hub surface The aluminum die casting alloy of the present invention is preferably used for a cast compressor impeller that is an impeller-shaped body including a plurality of impeller portions.
Moreover, the aluminum die-casting alloy of the present invention can also be used for a cast compressor impeller in which the plurality of blade portions are formed by alternately arranging long blades and short blades.
前記鋳造コンプレッサ羽根車は、ハブ軸部と、該ハブ軸部から半径方向に延在するとともにハブ面とディスク面を有するハブディスク部と、前記ハブ面に配設された複数の羽根部とを含む、前記本発明のアルミニウムダイカスト合金を用いて羽根車形状にダイカスト形成した成形体を用意し、該成形体に対して溶体化処理を施し、前記溶体化処理された前記成形体に対して時効処理を施すことで、機械特性を改善することができる。それ故に、優れた鋳造コンプレッサ羽根車を得ることができる。 The cast compressor impeller includes a hub shaft portion, a hub disk portion extending in a radial direction from the hub shaft portion and having a hub surface and a disk surface, and a plurality of blade portions disposed on the hub surface. A molded body die-cast into an impeller shape using the aluminum die-casting alloy of the present invention is included, solution treatment is performed on the molded body, and aging is performed on the solution-treated molded body By performing the treatment, the mechanical properties can be improved. Therefore, an excellent cast compressor impeller can be obtained.
本発明のアルミニウムダイカスト合金は、鋳造コンプレッサ羽根車等に用いられる従来合金Ａ３５４と同等の常温強度を有すると同時に、ダイカストに適用できる実用的な耐焼付性を有することが期待できる。さらには、１８０〜２００℃といった高温域における合金強度向上が期待できる。前記本発明のアルミニウムダイカスト合金を用いることにより、例えば自動車などに搭載される過給機用の鋳造コンプレッサ羽根車を安価に安定量産できるので、本発明は工業上極めて有益な技術となる。 The aluminum die-casting alloy of the present invention can be expected to have a practical seizure resistance applicable to die-casting as well as having a normal temperature strength equivalent to that of the conventional alloy A354 used for cast compressor impellers and the like. Furthermore, an improvement in alloy strength in a high temperature range of 180 to 200 ° C. can be expected. By using the aluminum die-casting alloy of the present invention, for example, a cast compressor impeller for a supercharger mounted on an automobile or the like can be stably mass-produced at a low cost, so that the present invention is an extremely useful technology in industry.
本発明のアルミニウムダイカスト合金の特徴は、Ｓｉ含有量を抑制したＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金を基にして、ＮｉおよびＦｅを適量添加し、さらには添加したＮｉおよびＦｅとＣｕおよびＭｇの各含有量を適正化したことにある。本発明においては、各元素の含有量を適正にバランスさせることが最も重要であって、具体的にはＣｕ＋Ｍｇ＋Ｎｉ＋Ｆｅ：６．５〜８．０％を満足するように各元素を添加することにより、母相となる結晶自体に対するＣｕやＭｇの固溶量を適正化し、同時に、ＣｕやＭｇ、ＮｉやＦｅが係って生成される各種金属間化合物の結晶粒界への晶出量もしくは析出量を適正化し、Ａｌマトリックスの結晶自体や結晶個々を結び付ける粒界が強化され好適にバランスした鋳造組織形態を得ている。それ故に、本発明のアルミニウムダイカスト合金は、金型に対する実用的な耐焼付性を有し、同時に、常温（言い換えれば２５℃）において従来合金Ａ３５４と同等以上の合金強度を有することができ、さらには含有するＮｉやＦｅの作用効果によって１８０〜２００℃といった高温域における合金強度の向上が期待できる、ダイカスト用途に好適な合金となる。 A feature of the aluminum die-cast alloy of the present invention is that an appropriate amount of Ni and Fe is added based on an Al—Cu—Mg alloy with suppressed Si content, and each of the added Ni, Fe, Cu and Mg is contained. It is in optimizing the amount. In the present invention, it is most important to appropriately balance the content of each element. Specifically, by adding each element so as to satisfy Cu + Mg + Ni + Fe: 6.5 to 8.0%, The amount of solid solution of Cu and Mg in the crystal as the parent phase is optimized, and at the same time, the amount of crystallization or precipitation at the grain boundaries of various intermetallic compounds produced by Cu, Mg, Ni and Fe. Thus, the Al matrix crystal itself and the grain boundary connecting the individual crystals are strengthened to obtain a suitably balanced cast structure. Therefore, the aluminum die casting alloy of the present invention has practical seizure resistance to the mold, and at the same time, can have an alloy strength equal to or higher than that of the conventional alloy A354 at room temperature (in other words, 25 ° C.). Is an alloy suitable for die casting which can be expected to improve the alloy strength in a high temperature range of 180 to 200 ° C. by the action effect of Ni or Fe contained.
本発明のアルミニウムダイカスト合金は、Ｆｅを２．０〜２．５％含有することによって実用的な耐焼付性を確保し、Ｎｉを０．５〜２．０％含有することによって常温における合金強度の向上を図っている。また、前記Ｆｅの含有により、高温域における合金強度の一層の向上が期待できる。しかしながら、単純に前記Ｆｅや前記Ｎｉの含有によるだけでは、常温において十分な合金強度が得られない。そこで、本発明においては、常温における合金強度を補償するために、前記Ｆｅや前記Ｎｉの含有量を考慮した上でＣｕを２．５〜３．５％、Ｍｇを０．５〜２．０％含有させた。そしてさらに、各元素の含有量の適正化を行うことにより、結晶への各元素の固溶量や結晶粒界における各種金属間化合物の晶出量もしくは析出量のバランスを適正化して結晶や結晶粒界を強化した。 The aluminum die-casting alloy of the present invention ensures practical seizure resistance by containing 2.0 to 2.5% of Fe, and alloy strength at room temperature by containing 0.5 to 2.0% of Ni. We are trying to improve. Moreover, the further improvement of the alloy strength in a high temperature range can be anticipated by containing Fe. However, sufficient alloy strength cannot be obtained at room temperature simply by containing Fe or Ni. Therefore, in the present invention, in order to compensate for the alloy strength at normal temperature, Cu is 2.5 to 3.5% and Mg is 0.5 to 2.0 in consideration of the content of Fe and Ni. % Content. Furthermore, by optimizing the content of each element, the balance of the solid solution amount of each element in the crystal and the crystallization amount or precipitation amount of various intermetallic compounds at the grain boundary is optimized. Strengthened grain boundaries.
例えばＣｕ、Ｆｅ、Ｎｉを含むアルミニウム合金を鋳造した場合、鋳造の凝固時に、ＡｌとＣｕの金属間化合物であるＣｕＡｌ２（θ相）や、ＡｌとＮｉとＣｕの金属間化合物であるＡｌ５ＮｉＣｕ（Ｙ相）や、ＡｌとＦｅとＣｕとの金属間化合物などの各種の晶出物が生成される。さらに、ＭｇおよびＳｉを含む場合は、鋳造の凝固時に、Ｍｇ２Ｓｉなどの晶出物が生成される。そして、生成される各金属間化合物のなかでも、Ｎｉを含む金属間化合物であるＡｌ５ＮｉＣｕ（Ｙ相）やＦｅを含む金属間化合物は、他の金属間化合物よりも優先的に晶出すると考えられる。これらＹ相やＦｅを含む金属間化合物は、晶出が適量であれば合金の高温強度を向上させる作用効果を発揮するが、一方、晶出が過剰であれば合金の伸びを低下させ脆化する欠点がある。また、前記Ｙ相に取り込まれなかったＣｕは主としてＣｕＡｌ２（θ相）を生成し、溶体化処理および時効処理を経て得られる析出強化に寄与する。 For example, when an aluminum alloy containing Cu, Fe, and Ni is cast, CuAl 2 (θ phase) that is an intermetallic compound of Al and Cu, or Al 5 that is an intermetallic compound of Al, Ni, and Cu at the time of solidification of casting. Various crystallized substances such as NiCu (Y phase) and an intermetallic compound of Al, Fe and Cu are generated. Further, when Mg and Si are included, a crystallized product such as Mg 2 Si is generated during solidification of casting. Among the generated intermetallic compounds, Al 5 NiCu (Y phase), which is an intermetallic compound containing Ni, or an intermetallic compound containing Fe crystallizes preferentially over other intermetallic compounds. Conceivable. These intermetallic compounds containing Y phase and Fe exhibit the effect of improving the high temperature strength of the alloy if the amount of crystallization is appropriate, whereas if the amount of crystallization is excessive, the elongation of the alloy is reduced and embrittlement occurs. There are drawbacks. Further, Cu that is not taken into the Y phase mainly forms CuAl 2 (θ phase), and contributes to precipitation strengthening obtained through solution treatment and aging treatment.
本発明においては、上述したような各種の金属間化合物の作用効果を勘案した上で、合金に含有させるＣｕやＭｇおよびＦｅやＮｉを適正化してθ相やＹ相およびＦｅを含む化合物等の生成形態を好適に調整することにより、結晶自体や結晶粒界が強化され好適にバランスした鋳造組織形態を形成することができる。それ故に、本発明のアルミニウムダイカスト合金は、実用的な耐焼付性を有し、同時に、合金の強度と伸びのバランスが好適となって、常温においては従来合金Ａ３５４と同等の合金強度を有し、さらには１５０〜２００℃といった高温域においても合金強度の向上が期待できる。 In the present invention, after taking into account the effects of various intermetallic compounds as described above, Cu, Mg, Fe and Ni contained in the alloy are optimized so that a compound containing θ phase, Y phase and Fe, etc. By suitably adjusting the generation form, it is possible to form a cast structure form in which the crystals themselves and the grain boundaries are strengthened and are suitably balanced. Therefore, the aluminum die cast alloy of the present invention has practical seizure resistance, and at the same time, the balance between the strength and elongation of the alloy is suitable, and has an alloy strength equivalent to that of the conventional alloy A354 at room temperature. Furthermore, improvement of the alloy strength can be expected even in a high temperature range of 150 to 200 ° C.
本発明において基材として採用したアルミニウムは、Ｔｉ系合金よりも軽量で実用的な強度を有するアルミニウム合金を得ることができる。そして、該アルミニウム合金は、様々な用途に適用され、上述したように例えば鋳造コンプレッサ羽根車にも適用されている。
以下、本発明のアルミニウムダイカスト合金について、基となるＡｌに対する添加元素と各元素の含有量の限定理由について詳細に説明する。また、各元素の含有量は、特に断らない場合には質量％で示す。
The aluminum employed as the base material in the present invention can provide an aluminum alloy that is lighter and more practical than Ti-based alloys. And this aluminum alloy is applied to various uses, and as above-mentioned, for example, it is applied also to the casting compressor impeller.
In the following, the aluminum die casting alloy of the present invention will be described in detail with respect to the additive elements with respect to the base Al and the reasons for limiting the content of each element. Further, the content of each element is expressed in mass% unless otherwise specified.
Ｆｅ：２．０〜２．５％
本発明のアルミニウムダイカスト合金においては、Ｆｅの含有量を２．０〜２．５％とする。本発明の合金がＦｅ基材でなるダイカスト用金型に対する実用的な耐焼付性を発揮するためには、Ｆｅは最も重要な元素となる。加えて、Ｆｅは、後述するＮｉと同様に、ＡｌやＣｕと金属間化合物を生成することによって特に高温域における合金強度を向上させる作用効果を有する。よって、本発明においては、合金強度向上効果を有する他のＣｕ、Ｍｇ、Ｎｉの含有バランスを考慮した上でＦｅを２．０％以上含有することによりダイカスト金型に対する実用に適う耐焼付性を得ることができ、金型への溶湯の固着や溶湯による金型の溶損を防止してダイカスト金型の長寿命化を図ることができる。一方、Ｆｅを２．５％以下の含有に抑えることにより、例えば鋳造コンプレッサ羽根車用途等では致命的となる脆化を抑止して合金強度を確保することができる。
Fe: 2.0 to 2.5%
In the aluminum die casting alloy of the present invention, the Fe content is set to 2.0 to 2.5%. In order for the alloy of the present invention to exhibit practical seizure resistance for die casting molds made of Fe base, Fe is the most important element. In addition, Fe, like Ni described later, has an effect of improving the alloy strength particularly in a high temperature region by generating an intermetallic compound with Al or Cu. Therefore, in the present invention, the seizure resistance suitable for practical use with respect to the die-casting die is obtained by containing Fe of 2.0% or more in consideration of the content balance of other Cu, Mg and Ni having an effect of improving the alloy strength. It can be obtained, and it is possible to prolong the life of the die casting mold by preventing the molten metal from adhering to the mold and preventing the mold from being melted by the molten metal. On the other hand, by suppressing Fe to 2.5% or less, for example, for casting compressor impeller applications, it is possible to suppress the embrittlement that becomes fatal and secure the alloy strength.
Ｎｉ：０．５〜２．０％
本発明のアルミニウムダイカスト合金においては、Ｎｉの含有量を０．５〜２．０％とする。本発明の合金が１５０〜１８０℃さらには１８０〜２００℃といった高温域において好適な合金強度を有するためには、上述したＦｅとともにＮｉを含有することが重要となる。Ｎｉは、ＡｌやＣｕと耐熱性向上効果を有する金属間化合物であるＹ相（Ａｌ５ＮｉＣｕ）を粒界に生成し、常温に限らず高温域においても合金強度を向上させる作用効果を有する。よって、本発明においては、合金強度向上効果を有する他のＣｕ、Ｍｇ、Ｆｅの含有バランスを考慮した上でＮｉを０．５％以上含有することにより、常温において従来合金Ａ３５４と同等な合金強度を得ることができ、さらには１８０〜２００℃といった高温域においても好適な合金強度を期待することができる。一方、Ｎｉを２．０％以下の含有に抑えることにより、他元素による必要効果を確保しながらＮｉ系の晶出物や析出物の過剰生成による合金の脆化を抑止して合金強度を確保することができる。なお、本発明のアルミニウムダイカスト合金において、より高い伸びを所望する場合は含有するＮｉを０．５〜１．５％とし、より高い耐焼付性を所望してＦｅを多目に添加する場合は含有するＮｉを０．５〜１．２％とすることが望ましい。
Ni: 0.5 to 2.0%
In the aluminum die casting alloy of the present invention, the Ni content is 0.5 to 2.0%. In order for the alloy of the present invention to have a suitable alloy strength in a high temperature range such as 150 to 180 ° C. or 180 to 200 ° C., it is important to contain Ni together with the above-described Fe. Ni produces the Y phase (Al 5 NiCu) which is an intermetallic compound having an effect of improving heat resistance with Al and Cu, and has an effect of improving the alloy strength not only at room temperature but also in a high temperature region. Therefore, in the present invention, the alloy strength equal to that of the conventional alloy A354 is obtained at room temperature by containing Ni in an amount of 0.5% or more in consideration of the content balance of other Cu, Mg, Fe having an effect of improving the alloy strength. Further, suitable alloy strength can be expected even in a high temperature range of 180 to 200 ° C. On the other hand, by suppressing the Ni content to 2.0% or less, the alloy strength is ensured by suppressing the embrittlement of the alloy due to excessive formation of Ni-based crystallized substances and precipitates while ensuring the necessary effects of other elements. can do. In addition, in the aluminum die-casting alloy of the present invention, when higher elongation is desired, the contained Ni is 0.5 to 1.5%, and when higher seizure resistance is desired and Fe is added more frequently It is desirable that the contained Ni be 0.5 to 1.2%.
Ｃｕ：２．５〜３．５％
Ｓｉを多量に含まない本発明の合金においては、ＣｕおよびＭｇは、Ａｌマトリックス内に固溶することで合金強度を向上させる固溶強化や、鋳造後に熱処理（Ｔ６処理：ＪＩＳ−Ｈ０００１）を施すことで合金強度を向上させる析出強化といった作用効果を発現することのできる重要な元素である。よって、本発明のアルミニウムダイカスト合金においては、上述した固溶強化や析出強化といった作用効果を得て合金強度を向上させるために、Ｃｕを２．５〜３．５％含有させる。Ｃｕを２．５％以上含有することにより、Ａｌマトリックス内へのＣｕの固溶量を確保して固溶強化効果を得ることができ、同時に、粒界に適量の金属間化合物ＣｕＡｌ２（θ相）およびＡｌやＦｅとの金属間化合物を晶出もしくは析出させて合金強度を向上させることができる。一方、Ｃｕを３．５％以下の含有に抑えることにより、他元素による必要効果を確保しながら金属間化合物の過剰生成を抑止して破断伸び（以下、伸びという）が低下しないようにすることができる。なお、望ましくは、Ｍｇを０．５〜１．２％の含有に抑えた上でＣｕを３．０〜３．５％含有することであり、これにより上述したＹ相とθ相とのバランスが一層好適化されて合金強度の向上が期待できる。
Cu: 2.5 to 3.5%
In the alloy of the present invention which does not contain a large amount of Si, Cu and Mg are subjected to solid solution strengthening to improve the alloy strength by dissolving in the Al matrix and heat treatment after casting (T6 treatment: JIS-H0001). Therefore, it is an important element that can exhibit the effect of precipitation strengthening that improves the alloy strength. Therefore, in the aluminum die-casting alloy of the present invention, Cu is contained in an amount of 2.5 to 3.5% in order to obtain the above-described effects such as solid solution strengthening and precipitation strengthening to improve the alloy strength. By containing 2.5% or more of Cu, the solid solution amount of Cu in the Al matrix can be secured to obtain a solid solution strengthening effect. At the same time, an appropriate amount of intermetallic compound CuAl 2 (θ Phase) and an intermetallic compound with Al or Fe can be crystallized or precipitated to improve the alloy strength. On the other hand, by suppressing the Cu content to 3.5% or less, excessive production of intermetallic compounds is suppressed while ensuring the necessary effects of other elements, so that elongation at break (hereinafter referred to as elongation) does not decrease. Can do. Desirably, Mg is contained in an amount of 0.5 to 1.2%, and Cu is contained in an amount of 3.0 to 3.5%, thereby balancing the Y phase and the θ phase described above. Can be further optimized to improve the strength of the alloy.
Ｍｇ：０．５〜２．０％
本発明のアルミニウムダイカスト合金においては、上述したＣｕと同様に固溶強化や析出強化といった作用効果を有するＭｇを０．５〜２．０％含有させる。Ｍｇを０．５％以上含有することにより、Ａｌマトリックス内へのＭｇの固溶量を確保でき、もしくはＳｉを含む場合にはＭｇとＳｉとで金属間化合物（Ｍｇ２Ｓｉ）を生成させて結晶に固溶させることができ、これにより伸びの向上効果を得ることができる。一方、Ｍｇを２．０％以下の含有に抑えることにより、他元素による必要効果を確保しながらＭｇを余剰させないようにすることができ、合金の脆化を防止できるるとともに鋳造性を著しく阻害しないようにすることができる。なお、望ましくは、上述したようにＭｇを０．５〜１．２％の含有に抑えた上でＣｕを３．０〜３．５％含有することである。
Mg: 0.5-2.0%
In the aluminum die-casting alloy of the present invention, 0.5 to 2.0% of Mg having an effect such as solid solution strengthening and precipitation strengthening is contained in the same manner as Cu described above. By containing 0.5% or more of Mg, the solid solution amount of Mg in the Al matrix can be secured, or when Si is included, an intermetallic compound (Mg 2 Si) is generated by Mg and Si. It can be made into a solid solution in a crystal | crystallization, and the improvement effect of elongation can be acquired by this. On the other hand, by suppressing the content of Mg to 2.0% or less, it is possible to prevent excessive Mg while ensuring the necessary effects of other elements, and it is possible to prevent embrittlement of the alloy and significantly impair the castability. You can avoid it. Desirably, as described above, Mg is contained in an amount of 0.5 to 1.2%, and Cu is contained in an amount of 3.0 to 3.5%.
Ｃｕ＋Ｍｇ＋Ｎｉ＋Ｆｅ：６．５〜８．０％
本発明のアルミニウムダイカスト合金は、Ａｌに対する各添加元素Ｃｕ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｆｅの総含有量を６．５〜８．０％の範囲に規制する。
本発明のアルミニウムダイカスト合金は、上述したように、実用的な耐焼付性の確保のため、常温での合金強度の確保のため、さらには高温域での合金強度向上のため、Ａｌに添加する各元素の含有量を適正化し、合金の結晶や粒界が強化されてバランスした好適な鋳造組織形態を形成することが重要となる。よって、本発明においては、各添加元素の総含有量の下限を６．５％とすることにより晶出物や析出物を必要量生成させて実用に適う耐焼付性と常温における合金強度を得ることができ、さらには高温域における合金強度向上が期待でき、一方、上限を８．０％とすることにより晶出物や析出物が過剰生成しないようにして合金の脆化を防止することができる。
Cu + Mg + Ni + Fe: 6.5-8.0%
The aluminum die casting alloy of the present invention regulates the total content of each additive element Cu, Mg, Ni, and Fe with respect to Al in the range of 6.5 to 8.0%.
As described above, the aluminum die cast alloy of the present invention is added to Al for ensuring practical seizure resistance, for ensuring alloy strength at room temperature, and for improving alloy strength at high temperatures. It is important to optimize the content of each element to form a suitable cast structure form in which the alloy crystals and grain boundaries are strengthened and balanced. Therefore, in the present invention, by setting the lower limit of the total content of each additive element to 6.5%, necessary amounts of crystallized substances and precipitates are generated to obtain seizure resistance suitable for practical use and alloy strength at room temperature. In addition, it can be expected to improve the strength of the alloy in the high temperature range, while the upper limit is set to 8.0% to prevent the formation of crystallized substances and precipitates and prevent the alloy from becoming brittle. it can.
次いで、上述したＦｅやＮｉおよびＣｕやＭｇ以外の添加元素について説明する。
Ｔｉ：０．０５〜０．２０％
本発明においては、Ｔｉ含有量を０．０５〜０．２０％とする。Ｔｉを含有することにより、Ａｌマトリックスが生成される過程でＴｉＡｌ３等の結晶核が結晶粒界に晶出し、これによりＡｌマトリックスの結晶粒の成長が抑制されてＡｌマトリックスの結晶粒を微細化することができ、合金強度の更なる向上が期待できる。例えばコンプレッサ羽根車をダイカスト形成する場合、急冷凝固によって薄肉である羽根部の凝固組織は微細化され、羽根部に比べて鋳造容量の大きいハブ部の凝固速度が極端に遅くなって凝固組織が粗大化されることが予測される。よって、適量のＴｉを添加して鋳造容量の大きいハブ部における結晶粒の粗大化を防止することにより、鋳造コンプレッサ羽根車の強度を向上させることができる。なお、従来のＡ３５４では、Ｔｉ含有量は０．２０％以下とされ、必ずしも含有しなくともよいとされる元素である。しかしながら、本発明においては、Ｔｉを０．０５％以上含有することにより結晶粒の微細化効果を確実に得ることができ、これにより例えば上述した羽根車のハブ部に十分な強度を持たせることができる。一方、Ｔｉを０．２０％以下の含有に抑制することにより、結晶粒の微細化に寄与しない余剰のＴｉが他元素とＴｉＡｌ３などの金属間化合物をＡｌマトリックスの結晶粒界に過剰に晶出することを抑制して合金の脆化を防止することができる。
Next, additive elements other than the above-described Fe, Ni, Cu, and Mg will be described.
Ti: 0.05-0.20%
In the present invention, the Ti content is 0.05 to 0.20%. By containing Ti, crystal nuclei such as TiAl 3 crystallize at the grain boundaries in the process of generating the Al matrix, which suppresses the growth of Al matrix crystal grains and refines the Al matrix crystal grains. And further improvement of the alloy strength can be expected. For example, when die-casting a compressor impeller, the solidification structure of the thin blade part is refined by rapid solidification, and the solidification rate of the hub part having a large casting capacity is extremely slow compared to the blade part, resulting in a coarse solidification structure. It is predicted that Therefore, the strength of the cast compressor impeller can be improved by adding an appropriate amount of Ti to prevent coarsening of crystal grains in the hub portion having a large casting capacity. In the conventional A354, the Ti content is 0.20% or less and is an element that is not necessarily contained. However, in the present invention, by containing 0.05% or more of Ti, the effect of refining crystal grains can be surely obtained, and thereby, for example, the hub portion of the above-described impeller can have sufficient strength. Can do. On the other hand, by suppressing the content of Ti to 0.20% or less, excessive Ti that does not contribute to the refinement of crystal grains excessively crystallizes other elements and intermetallic compounds such as TiAl 3 at the crystal grain boundaries of the Al matrix. It is possible to prevent embrittlement of the alloy by suppressing the release.
Ｓｉ：１．０％以下
Ｓｉは合金製造過程において不可避的に混入しやすい元素である。そして、Ｓｉは、Ｍｇと結び付いてＭｇ２Ｓｉを生成したり、共晶Ｓｉを生成したりする元素であり、これらの生成物を過多に生成してしまうと合金の伸びが劣化することがある。また、Ｓｉは、Ｍｇに対して優先的に結合するためＳｉが過多であるとＡｌマトリックス内に固溶するＭｇ量が減少し、これにより合金強度を低下させることがある。一方、少量のＳｉを添加すると、Ｍｇと結び付いて生成されたＭｇ２Ｓｉが溶体化処理によってＡｌマトリックス内へ固溶し、次いで時効処理によって粒界に均一かつ微細に析出するため、固溶強化や析出強化による合金強度向上が期待できる。また、Ｓｉの添加は、例えばコンプレッサ羽根車をダイカスト形成する場合に薄肉の羽根部に対する湯流れ性向上が期待できる。よって、本発明においては、Ｓｉを含有しなくてもよいが、合金の強度や伸びを阻害しないように１．０％以下とする。
Si: 1.0% or less Si is an element that inevitably tends to be mixed in the alloy manufacturing process. Si is an element that combines with Mg to generate Mg 2 Si or eutectic Si. If these products are excessively generated, the elongation of the alloy may deteriorate. . Further, since Si is preferentially bonded to Mg, if the amount of Si is excessive, the amount of Mg dissolved in the Al matrix decreases, which may lower the alloy strength. On the other hand, when a small amount of Si is added, Mg 2 Si formed in combination with Mg is solid-solved into the Al matrix by solution treatment, and then precipitates uniformly and finely at the grain boundaries by aging treatment. And the strength of the alloy can be improved by precipitation strengthening. Further, the addition of Si can be expected to improve the hot water flow property for a thin blade portion when, for example, die-casting a compressor impeller. Therefore, in the present invention, Si does not have to be contained, but is made 1.0% or less so as not to inhibit the strength and elongation of the alloy.
本発明のアルミニウムダイカスト合金においては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｇは積極的に添加することで上述した有効な作用効果を発揮するための重要な元素であり、Ｔｉは少量添加することで結晶粒を微細化して強化するための重要な元素である。また、前記Ｓｉは、Ｍｇ含有量を考慮して添加することで上述した作用効果が期待できる元素である。 In the aluminum die-casting alloy of the present invention, Fe, Ni, Cu, and Mg are important elements for exerting the above-mentioned effective effects by positively adding them, and Ti is added in a small amount as crystal grains. It is an important element for refining and strengthening. The Si is an element that can be expected to have the above-described effects by adding it in consideration of the Mg content.
また、本発明においては、Ｆｅには及ばないものの耐焼付性を改善する作用効果が知られているＭｎを、Ｆｅ含有量を考慮した上で少量添加してもよい。具体的には、ＦｅおよびＭｎの総含有量（言い換えればＦｅ＋Ｍｎ）が２．６％以下を満たす範囲内においてＭｎを０．６％以下含有することができる。但し、ＦｅおよびＭｎの総含有量が２．６％を超えると合金が脆化して合金強度を損ねてしまうことがある。また、Ｆｅ含有量を抑えてＭｎを０．６％を超えて含有しても実用的な耐焼付性を得ることは期待できない。 In the present invention, Mn, which does not reach Fe but has a known effect of improving seizure resistance, may be added in a small amount in consideration of the Fe content. Specifically, 0.6% or less of Mn can be contained within a range where the total content of Fe and Mn (in other words, Fe + Mn) satisfies 2.6% or less. However, if the total content of Fe and Mn exceeds 2.6%, the alloy may become brittle and the strength of the alloy may be impaired. Moreover, even if Fe content is suppressed and Mn is contained exceeding 0.6%, practical seizure resistance cannot be expected.
また、本発明においては、Ｔｉ含有量を考慮してＢを添加することでＴｉの結晶粒微細化の作用効果を促進させることもでき、原料としてＴｉＢを使用することで原料として純Ｔｉを使用するよりも合金の材料コスト面で格段に有利となる。 In the present invention, the effect of Ti crystal grain refinement can be promoted by adding B in consideration of the Ti content, and pure Ti is used as a raw material by using TiB as a raw material. This is much more advantageous in terms of the material cost of the alloy.
本発明のアルミニウムダイカスト合金においては、上述した各元素Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｓｉ、および、ＭｎやＢ以外の残部は、マトリックスとなるＡｌと、不可避的不純物であるといってよい。例えば、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｃ、Ｎ、Ｏといった元素は、製造過程において合金に混入する可能性のある不可避的不純物といってよい。 In the aluminum die-cast alloy of the present invention, it can be said that the above-described elements Fe, Ni, Cu, Mg, Ti, Si, and the remainder other than Mn and B are Al serving as a matrix and inevitable impurities. . For example, elements such as Zn, Pb, Sn, Cr, C, N, and O may be unavoidable impurities that may be mixed into the alloy during the manufacturing process.
本発明のアルミニウムダイカスト合金は、上述した通り、質量％でＣｕ＋Ｍｇ＋Ｎｉ＋Ｆｅ：６．５〜８．０％を満足するように、Ｃｕ：２．５〜３．５％、Ｍｇ：０．５〜２．０％、Ｎｉ：０．５〜２．０％、Ｆｅ：２．０〜２．５％、さらにＴｉ：０．０５〜０．２０％、Ｓｉ：１．０％以下を含む、残部がＡｌおよび不可避的不純物でなる合金組成とすることが重要である。この合金組成を有することにより、金型に対する耐焼付性を最大限に高めるために２．０〜２．５％含有させたＦｅと他元素とが好適にバランスされた合金とすることができる。そして、各元素を最適化した本発明の合金は、合金の結晶自体や結晶粒界が好適なバランスで形成された鋳造組織形態を有するダイカスト用途に好適なアルミニウムダイカスト合金となる。 As described above, the aluminum die casting alloy of the present invention satisfies Cu + Mg + Ni + Fe: 6.5-8.0% by mass%, Cu: 2.5-3.5%, Mg: 0.5-2. 0%, Ni: 0.5 to 2.0%, Fe: 2.0 to 2.5%, Ti: 0.05 to 0.20%, Si: 1.0% or less, the balance being Al It is important to have an alloy composition composed of inevitable impurities. By having this alloy composition, it is possible to obtain an alloy in which Fe contained in an amount of 2.0 to 2.5% and other elements are suitably balanced in order to maximize the seizure resistance to the mold. And the alloy of this invention which optimized each element turns into an aluminum die-casting alloy suitable for the die-casting use which has the casting structure form in which the crystal itself and the grain boundary of the alloy were formed in the suitable balance.
また、本発明においては、上述した合金組成によってダイカスト形成されたままの状態よりもさらに優れた機械特性を得るために、ＨＩＰ処理（熱間静水圧加圧処理）や、溶体化処理および時効処理（Ｔ６処理：ＪＩＳ−Ｈ０００１）を施すことができ、これにより常温において優れた合金強度を有し、さらには１５０℃、１８０℃、２００℃といった高温域においても優れた合金強度が期待できるアルミニウムダイカスト合金を得ることができる。 Further, in the present invention, in order to obtain further superior mechanical characteristics as compared with the state in which the die-cast is formed by the alloy composition described above, HIP treatment (hot isostatic pressing), solution treatment and aging treatment are performed. (T6 treatment: JIS-H0001), which has excellent alloy strength at room temperature, and can be expected to have excellent alloy strength even at high temperatures such as 150 ° C., 180 ° C., and 200 ° C. An alloy can be obtained.
よって、本発明のアルミニウムダイカスト合金は、従来合金Ａ３５４と同様に実用に適う常温での合金強度を有し、実用的な耐焼付性を有するダイカスト用途に好適なものとなり、さらには含有するＮｉやＦｅの作用効果によって１５０〜２００℃といった高温域においても合金強度向上が期待できるダイカスト用途に好適な合金となる。 Therefore, the aluminum die casting alloy of the present invention has an alloy strength at room temperature suitable for practical use like the conventional alloy A354, and is suitable for die casting applications having practical seizure resistance. Due to the effect of Fe, an alloy suitable for die casting can be expected in which the strength of the alloy can be improved even in a high temperature range of 150 to 200 ° C.
上述したＨＩＰ処理は、ダイカスト形成したままの状態において鋳造時の内部欠陥が存在する場合、この欠陥を押し潰して微小化することができ、上述の溶体化処理および時効処理を施す前に施すことが望ましい。ＨＩＰ条件は、高温環境下で軟化させて塑性変形させる処理であることから、合金を溶融させない程度の高温が望ましく４８０〜５５０℃が好適である。また、圧力もできる限り高圧力が望ましく９０ＭＰａ以上が好適である。そして、前記温度および前記圧力により１〜５時間で保持することが好適である。これにより、鋳造時の内部欠陥の微小化が期待できる。なお、ＨＩＰ処理は、溶体化処理の処理条件と同等であることから、コストや生産性を考慮すれば、溶体化処理と同時に実施することが望まれる。しかしながら、ＨＩＰ処理は、装置上の制約によって水冷等による急冷が難しく、ＨＩＰ処理によって一旦Ａｌマトリックス内に固溶した金属間化合物が徐冷されて析出してしまうため、溶体化処理と同等の効果を得ることは難しい。 When the above-mentioned HIP treatment has an internal defect at the time of casting in a state where the die-cast is formed, this defect can be crushed and miniaturized, and applied before the above solution treatment and aging treatment are performed. Is desirable. Since the HIP condition is a process of softening and plastically deforming in a high temperature environment, a high temperature that does not melt the alloy is desirable, and 480 to 550 ° C. is preferable. The pressure is preferably as high as possible and is preferably 90 MPa or more. And it is suitable to hold | maintain with the said temperature and the said pressure for 1 to 5 hours. Thereby, miniaturization of internal defects during casting can be expected. In addition, since the HIP process is equivalent to the process conditions of the solution treatment, it is desirable that the HIP process be performed simultaneously with the solution treatment in consideration of cost and productivity. However, HIP treatment is difficult to quench by water cooling or the like due to restrictions on the apparatus, and since the intermetallic compound once dissolved in the Al matrix by HIP treatment is gradually cooled and deposited, the same effect as solution treatment Hard to get.
また、上述した溶体化処理は、前記各種金属間化合物をＡｌマトリックス内へ固溶させるために実施するものであり、対象となる合金組成に好適な処理条件を選定することができる。例えば、保持する温度や時間の条件を、温度４８０〜５５０℃、時間：６〜１６ｈの範囲で幾つか変えて仮に溶体化処理を施し、各々の引張強さや伸びなどの機械特性を測定し、処理条件として好適な温度と時間を決定することができる。また、鋳造コンプレッサ羽根車などの用途に好適となる強度を確保するためには、次工程で施す時効処理による伸びの低下分を勘案し、処理条件を選定することが望ましい。 Moreover, the solution treatment mentioned above is implemented in order to make the said various intermetallic compound form a solid solution in Al matrix, and can select the process conditions suitable for the alloy composition used as object. For example, the temperature and time conditions to be held are changed to several temperatures in the range of 480 to 550 ° C. and time: 6 to 16 h, and a solution treatment is performed, and mechanical properties such as tensile strength and elongation are measured. A suitable temperature and time can be determined as processing conditions. Further, in order to ensure strength suitable for applications such as cast compressor impellers, it is desirable to select processing conditions in consideration of a decrease in elongation due to an aging treatment performed in the next step.
また、上述した時効処理は、先に選定した処理条件で溶体化処理を施した後に、前記各種の金属間化合物を析出させて、所望する０．２％耐力、伸び、引張強さなどの機械特性を確保するために実施する。時効処理条件は、対象となる合金組成に好適な処理条件を選定すればよく、例えば、保持する温度や時間の条件を、温度１５０〜２００℃、時間：３〜１６ｈの範囲で幾つか変えて仮に時効処理を施し、各々の引張強さや伸びなどの機械特性を測定し、処理条件として好適な温度と時間を決定することができる。また、鋳造コンプレッサ羽根車などの用途に好適となる強度や伸びが得られる処理条件を選定することができる。 Further, the aging treatment described above is performed by subjecting the various intermetallic compounds to precipitation after performing the solution treatment under the treatment conditions selected earlier, and then, for example, desired 0.2% proof stress, elongation, tensile strength, etc. Implemented to ensure characteristics. As the aging treatment conditions, treatment conditions suitable for the target alloy composition may be selected. For example, the temperature and time conditions to be held are changed in the range of 150 to 200 ° C. and time: 3 to 16 hours. Temporarily, an aging treatment is performed, and mechanical properties such as tensile strength and elongation are measured, and a suitable temperature and time can be determined as treatment conditions. Further, it is possible to select a processing condition that provides strength and elongation suitable for applications such as a cast compressor impeller.
次に、本発明の鋳造コンプレッサ羽根車について説明する。
本発明の鋳造コンプレッサ羽根車は、上述の本発明のアルミニウムダイカスト合金を用いてダイカスト形成することにより得られるものであり、ハブ軸部と、該ハブ軸部から半径方向に延在するとともにハブ面とディスク面を有するハブディスク部と、前記ハブ面に配設された複数の羽根部とを有してなる羽根車形状を有している。また、複数の羽根部は、長羽根と短羽根とが交互に配列されたものであってもよい。
Next, the cast compressor impeller of the present invention will be described.
The cast compressor impeller of the present invention is obtained by die-casting using the above-described aluminum die-cast alloy of the present invention, and has a hub shaft portion and a hub surface extending in the radial direction from the hub shaft portion. And a hub disk portion having a disk surface and a plurality of blade portions disposed on the hub surface. Further, the plurality of blade portions may be ones in which long blades and short blades are alternately arranged.
本発明の鋳造コンプレッサ羽根車の一例を、図１（ａ）および図１（ｂ）に模式的に示す。鋳造コンプレッサ羽根車１（以下、羽根車１という）は、ハブ軸部２と、該ハブ軸部２から半径方向に延在するとともにハブ面４とディスク面５を有するハブディスク部３、前記ハブ面４に配設された複数の羽根部とを含む羽根車形状を有している。また、この羽根車１の羽根部は、長羽根６と短羽根となるスプリッタ羽根７とが交互に配列され、各々が複雑な空力学的曲面形状のブレード面を表裏に有している。 An example of the cast compressor impeller of the present invention is schematically shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b). A cast compressor impeller 1 (hereinafter referred to as an impeller 1) includes a hub shaft portion 2, a hub disk portion 3 extending from the hub shaft portion 2 in the radial direction and having a hub surface 4 and a disk surface 5, and the hub. It has an impeller shape including a plurality of blade portions disposed on the surface 4. Further, the blade portion of the impeller 1 has long blades 6 and splitter blades 7 that are short blades alternately arranged, and each has a complicated aerodynamic curved blade surface on the front and back.
また、本発明の鋳造コンプレッサ羽根車は、上述の本発明のアルミニウムダイカスト合金と同じ化学成分を有することから、本発明のアルミニウムダイカスト合金と同等の機械特性を有することが期待できる。これとともに、ダイカスト形成によって得た鋳造コンプレッサ羽根車であることから、微細で緻密な鋳造組織が形成されており、従来合金Ａ３５４などのＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金を用いてプラスターモールド法によって得る鋳造コンプレッサ羽根車よりも、高強度を有する鋳造コンプレッサ羽根車となっていることが期待できる。 Moreover, since the cast compressor impeller of this invention has the same chemical component as the aluminum die-casting alloy of the above-mentioned this invention, it can anticipate having the mechanical characteristic equivalent to the aluminum die-casting alloy of this invention. At the same time, since it is a cast compressor impeller obtained by die casting, a fine and dense cast structure is formed, and by a plaster mold method using an Al-Si-Cu-Mg alloy such as a conventional alloy A354 It can be expected that the cast compressor impeller has higher strength than the obtained cast compressor impeller.
本発明の鋳造コンプレッサ羽根車を製造する方法としては、例えば以下のような手段を採用できる。
まず、ダイカスト成形装置により、上述の本発明のアルミニウムダイカスト合金からなる溶湯を用いてダイカスト形成することにより、コンプレッサ羽根車の形状を有する成形体を得る。次いで、得られた成形体に対して好適な条件で溶体化処理および時効処理を施す。具体的には、例えば、温度：４８０〜５５０℃、時間：６〜１６ｈで溶体化処理した後に、温度：１５０〜２００℃、時間：３〜１６ｈで時効処理を施すことが好適である。また、必要に応じてバリ取りや研磨等の後処理を施すといった手段である。また、ダイカスト形成後の成形体に対し、ＨＩＰ処理を施してもよい。
As a method for producing the cast compressor impeller of the present invention, for example, the following means can be adopted.
First, a die-casting apparatus is used to perform die-casting using the molten metal made of the above-described aluminum die-casting alloy of the present invention, thereby obtaining a compact having the shape of a compressor impeller. Next, a solution treatment and an aging treatment are performed on the obtained molded body under suitable conditions. Specifically, for example, after solution treatment at a temperature of 480 to 550 ° C. and a time of 6 to 16 h, it is preferable to perform an aging treatment at a temperature of 150 to 200 ° C. and a time of 3 to 16 h. Further, it is a means for performing post-processing such as deburring or polishing as necessary. Moreover, you may give a HIP process with respect to the molded object after die-casting formation.
また、前記成形体のダイカスト形成においては、溶湯の射出温度、射出圧力、射出速度、および溶湯を射出後の冷却パターン等のダイカスト条件は、コンプレッサ羽根車の形状や、溶湯やダイカスト成形装置等により適宜選択することができる。
また、溶体化処理は、Ａｌマトリックス内への金属間化合物の固溶量の確保や、固溶において金属間化合物を均一に分布させることを考慮し、より望ましくは、温度：５３０〜５５０℃、時間：８〜１２ｈで処理する。また、時効処理は、金属間化合物の析出量の確保や、析出において金属間化合物を均一に分布させることを考慮し、より望ましくは、温度：１７０〜１９０℃、時間：６〜１０ｈで処理する。
In the die casting formation of the molded body, the die casting conditions such as the injection temperature, the injection pressure, the injection speed, and the cooling pattern after injecting the molten metal are determined by the shape of the compressor impeller, the molten metal, the die casting apparatus, etc. It can be selected appropriately.
Further, in the solution treatment, considering the securing of the solid solution amount of the intermetallic compound in the Al matrix and the uniform distribution of the intermetallic compound in the solid solution, more preferably, the temperature: 530 to 550 ° C. Processing time: 8-12 h. The aging treatment is more preferably performed at a temperature of 170 to 190 ° C. and a time of 6 to 10 hours in consideration of securing the amount of precipitation of the intermetallic compound and uniform distribution of the intermetallic compound in the precipitation. .
また、本発明の鋳造コンプレッサ羽根車は、ダイカスト形成用の金型から離型可能な程度のアンダーカットを羽根部に有していてもよい。この場合、以下のような手段を採用すればよい。例えば、ダイカスト形成する羽根車形状を有する成形体の羽根部の形状を型開き可能な形状とし、ダイカスト形成後、例えば切削、押圧、曲げなどの機械加工を施すことにより、得られた成形体の羽根部を最終形状とするといった手段である。また例えば、鋳造コンプレッサ羽根車の隣接する各羽根間の空間形状を有するスライド金型を中心軸に向かって複数対向させ、これによって形成された空間に溶湯を射出充填して羽根車形状を有する成形体を形成後、スライド金型を回動させつつ中心軸の半径方向に移動させて型開きするといった手段である。 Moreover, the cast compressor impeller of this invention may have an undercut of the grade which can be released from the die-casting metal mold | die in a blade | wing part. In this case, the following means may be employed. For example, the shape of the blade portion of the molded body having an impeller shape to be die-casted is a shape that can be opened, and after the die casting is formed, for example, by machining such as cutting, pressing, bending, etc. This is a means for making the blade part into a final shape. Further, for example, a plurality of slide molds having a space shape between adjacent blades of a cast compressor impeller are made to face each other toward the central axis, and molten metal is injected and filled into the formed space to form an impeller shape. After the body is formed, the slide mold is rotated and moved in the radial direction of the central axis to open the mold.
上述の本発明のアルミニウムダイカスト合金からなる溶湯は、以下のような手段によって製造することができる。まず所要の原料を溶解して金型等のインゴットケースに鋳造してインゴットを形成し、上述の各合金元素を規定量だけ含むアルミニウムダイカスト合金のマスター合金を得る。次いで、得られたマスター合金を溶解し、鋳造羽根車のダイカスト形成に用いるといった手段である。また、溶解にはガス式や電気式等の直接加熱炉や間接加熱炉、鋳造装置に設けられた溶解坩堝等を用いることができ、攪拌や脱ガス処理を施す等ことが望ましい。また、溶湯は大気中や不活性ガス雰囲気中で取り扱うことが望ましい。 The molten metal comprising the above-described aluminum die cast alloy of the present invention can be produced by the following means. First, required raw materials are melted and cast into an ingot case such as a mold to form an ingot, thereby obtaining a master alloy of an aluminum die cast alloy containing a predetermined amount of each of the above alloy elements. Next, the obtained master alloy is melted and used for die casting formation of a cast impeller. For melting, a direct heating furnace such as a gas type or an electric type, an indirect heating furnace, a melting crucible provided in a casting apparatus, or the like can be used, and it is desirable to perform stirring or degassing treatment. Moreover, it is desirable to handle the molten metal in the air or in an inert gas atmosphere.
（常温におけるアルミニウムダイカスト合金強度）
第一に、本発明のアルミニウムダイカスト合金のアルミニウム鋳造用合金としての適用可能性を確認するために、本発明のアルミニウムダイカスト合金が上述した従来合金Ａ３５４と同等もしくはそれ以上の合金強度を有するものであるかを評価した。そしてまた、従来はＦｅ含有量が多くなると、合金の脆化が促進されて合金強度が劣化するとされていたことについて、後述するように溶体化および時効の各処理条件を同一としたときの合金の伸びを調べて評価した。
(Die-cast aluminum alloy strength at room temperature)
First, in order to confirm the applicability of the aluminum die casting alloy of the present invention as an aluminum casting alloy, the aluminum die casting alloy of the present invention has an alloy strength equal to or higher than that of the conventional alloy A354 described above. I evaluated it. Also, in the past, when the Fe content is increased, the embrittlement of the alloy is promoted and the strength of the alloy is deteriorated. As will be described later, the alloy when the solution treatment and aging treatment conditions are the same. The elongation of was examined and evaluated.
具体的は、表１に示す各化学成分を有する合金を用いて試験片Ｎｏ．１〜６を作製し、得られた各試験片を用いて常温（２５℃）における機械特性、具体的には０．２％耐力（ＪＩＳ−Ｚ２２４１）、引張強さ（ＪＩＳ−Ｚ２２４１）、伸び（ＪＩＳ−Ｚ２２４１：破断伸び）を測定して評価した。その結果を表１に併記して示す。但し、表１に示す試験片Ｎｏ．５、６については０．２％耐力のみを評価し、Ｎｏ．７については特許文献１が開示する０．２％耐力をそのまま記載している。
以下、各元素の含有量はすべて質量％で記載する。なお、各試験片Ｎｏ．１〜６には、当然のことながら不可避的不純物が含まれているが、表１においては不可避的不純物の記載を省略している。
Specifically, test pieces No. 1 using an alloy having each chemical component shown in Table 1 were used. 1 to 6 were prepared, and mechanical properties at room temperature (25 ° C.), specifically 0.2% yield strength (JIS-Z2241), tensile strength (JIS-Z2241), elongation, were obtained using each of the obtained test pieces. (JIS-Z2241: elongation at break) was measured and evaluated. The results are also shown in Table 1. However, the test piece No. shown in Table 1 was used. For Nos. 5 and 6, only 0.2% proof stress was evaluated. For No. 7, the 0.2% yield strength disclosed in Patent Document 1 is described as it is.
Hereinafter, the content of each element is described in mass%. In addition, each test piece No. Naturally, 1 to 6 contain unavoidable impurities, but in Table 1, the description of unavoidable impurities is omitted.
前記試験片Ｎｏ．１〜６は、具体的には以下の手段により作製した。
まず、大気雰囲気の電気溶解炉を用いて各々の溶湯を個別に製造し、温度７２０℃の試料となる溶湯をスプーンにより採取し、型温１００℃のＪＩＳ４号舟形金型（高さ４０ｍｍ、長さ１８０ｍｍ下部幅２０ｍｍ、上部幅３０ｍｍ）に大気中で鋳造形成することにより、各々複数の試供体を製作した。得られた各試供体に対して、温度５２５℃、加圧力１０３ＭＰａで２時間保持する条件でＨＩＰ処理を施し、次いで、温度５４０℃で１２時間保持した後に湯冷する溶体化処理を施し、さらに温度１８０℃で８時間保持した後に空冷する時効処理を施した。なお、溶体化および時効の各処理条件は、各試験片の諸特性を単純に比較するために各試験片の化学成分に拠らず全て同一の処理条件とし、一般に従来合金Ａ３５４に適用される処理条件を選定した。
The test piece No. Specifically, 1 to 6 were produced by the following means.
First, each molten metal was manufactured individually using an electric melting furnace in an air atmosphere, and a molten metal serving as a sample at a temperature of 720 ° C. was collected with a spoon, and a JIS No. 4 boat mold having a mold temperature of 100 ° C. (height 40 mm, long A plurality of specimens were manufactured by casting in the atmosphere to a width of 180 mm, a lower width of 20 mm, and an upper width of 30 mm. The obtained specimens were subjected to HIP treatment under the conditions of holding at a temperature of 525 ° C. and an applied pressure of 103 MPa for 2 hours, and then subjected to a solution treatment that was held at a temperature of 540 ° C. for 12 hours and then cooled with hot water, After holding at a temperature of 180 ° C. for 8 hours, an aging treatment was performed in which air cooling was performed. The solution treatment and aging treatment conditions are all the same treatment conditions regardless of the chemical composition of each specimen in order to simply compare the properties of each specimen, and are generally applied to the conventional alloy A354. Processing conditions were selected.
次に、機械加工によって、得られた各試供体から全長９５ｍｍ、外径１２．７ｍｍ、平行部長さ１８．５ｍｍで直径６．４ｍｍの試験片を切り出した。これにより、表１における試験片Ｎｏ．１〜６を得た。そして、上述した手段によって製作した試験片Ｎｏ．１〜６を用い、常温（２５℃）における０．２％耐力、伸び、引張強さを測定した。その結果を前記表１に併記して示す。
なお、表１において、本発明のアルミニウムダイカスト合金の実施例となるものは試験片Ｎｏ．１〜４（以下、本発明合金ともいう）、また、比較例となるものは、従来合金Ａ３５４成分に相当する試験片Ｎｏ．５と従来合金Ａ３５５成分に相当する試験片Ｎｏ．６、および、特許文献１の実施例に開示されている合金成分（以下、文献開示合金という）Ｎｏ．７である。
Next, a test piece having a total length of 95 mm, an outer diameter of 12.7 mm, a parallel part length of 18.5 mm and a diameter of 6.4 mm was cut out from each of the obtained specimens by machining. As a result, the test piece No. 1-6 were obtained. And the test piece No. manufactured by the means mentioned above. 1 to 6, 0.2% proof stress, elongation, and tensile strength at room temperature (25 ° C.) were measured. The results are shown together in Table 1.
In Table 1, what is an example of the aluminum die casting alloy of the present invention is a test piece No. 1 to 4 (hereinafter also referred to as an alloy of the present invention), and a comparative example is a test piece No. corresponding to the conventional alloy A354 component. No. 5 and test piece No. corresponding to the conventional alloy A355 component. 6 and the alloy component (hereinafter referred to as a literature disclosed alloy) No. 7.
上述のＪＩＳ４号舟形金型を用いて得た各々の試験片は、ダイカスト形成によって得た試験片よりも凝固組織が粗く形成される。このため、０．２％耐力、引張強さ、伸びなどの機械特性は、ダイカスト形成によって得た試験片よりも低下してしまう。しかしながら、それぞれの合金組成に係る機械特性を相対評価することは可能であり、このようなＪＩＳ４号舟型金型を用いる合金の特性評価手段は従来よく用いられている。なお、前記文献開示合金Ｎｏ．７は、特許文献１が記載するようにプラスターモールド鋳造法によって形成した試験片を用いた評価結果と思われる。 Each test piece obtained using the above-described JIS No. 4 boat-shaped mold has a solidified structure coarser than the test piece obtained by die casting. For this reason, mechanical properties such as 0.2% proof stress, tensile strength, and elongation are deteriorated as compared with a test piece obtained by die casting. However, it is possible to relatively evaluate the mechanical characteristics related to each alloy composition, and such an alloy characteristic evaluation means using a JIS No. 4 boat mold is often used. In addition, the above-mentioned literature disclosure alloy No. No. 7 seems to be an evaluation result using a test piece formed by a plaster mold casting method as described in Patent Document 1.
０．２％耐力
常温における０．２％耐力は、本発明合金（Ｎｏ．１〜４）は２９７〜３１１ＭＰａに達し、従来合金Ａ３５４（Ｎｏ．５）は３２６ＭＰａ、従来合金Ａ３５５（Ｎｏ．６）は２９６ＭＰａであった。この結果より、従来合金であるＡ３５４およびＡ３５５の０．２％耐力を斟酌し、３００ＭＰａ前後の耐力を有するアルミニウム合金であれば例えば鋳造コンプレッサ羽根車に適用可能であると判断できる。よって、本発明合金は、比較した従来合金と同等の３００ＭＰａ程度の０．２％耐力を有することが確認できたので、常温における０．２％耐力の点では、アルミニウム鋳造用合金として実用に適うものであることが判った。
0.2% proof stress 0.2% proof stress at room temperature reaches 297 to 311 MPa for the alloys of the present invention (No. 1 to 4), 326 MPa for the conventional alloy A354 (No. 5), and the conventional alloy A355 (No. 6). Was 296 MPa. From this result, it can be judged that an aluminum alloy having a proof stress of about 300 MPa and having a proof stress of 0.2% of A354 and A355, which are conventional alloys, can be applied to, for example, a cast compressor impeller. Therefore, since it was confirmed that the alloy of the present invention has a 0.2% proof stress of about 300 MPa equivalent to the conventional alloy compared, it is suitable for practical use as an aluminum casting alloy in terms of 0.2% proof stress at room temperature. It turned out to be a thing.
また、文献開示合金は、合金の耐熱性向上効果を有すると知られているＦｅを１．８０％、Ｎｉを０．８９％含有し、常温における０．２％耐力が４２１ＭＰａに達し、これは比較した従来合金の約１．４倍にもなる。この事実から推測すると、文献開示合金における０．２％耐力の向上は多量のＳｉに置換してＦｅやＮｉを含有した作用効果によるといえる。このような文献開示合金は、含有するＦｅやＮｉによってもたらされる作用効果により、従来合金に比べ、常温のみならず高温域においても合金強度に優れた合金であると推測することは容易である。よって、本発明合金は、文献開示合金と同等以上にＦｅやＮｉを含有する合金組成を有するので、文献開示合金と同様な作用効果を有するといってよく、従来合金に比べ、合金の０．２％耐力は常温では同等であっても高温域においては上回る可能性を有することが判った。 The alloy disclosed in the literature contains 1.80% Fe and 0.89% Ni, which are known to have an effect of improving the heat resistance of the alloy, and the 0.2% proof stress at room temperature reaches 421 MPa. It is about 1.4 times that of the conventional alloy compared. Presuming from this fact, it can be said that the improvement of 0.2% proof stress in the literature disclosed alloy is due to the action effect of substituting a large amount of Si and containing Fe or Ni. Such an alloy disclosed in the literature can be easily assumed to be an alloy excellent in alloy strength not only at room temperature but also at a high temperature range as compared with the conventional alloys due to the effects brought about by Fe and Ni contained therein. Therefore, since the alloy of the present invention has an alloy composition containing Fe or Ni at least equal to that of the literature-disclosed alloy, it can be said that the alloy of the present invention has the same effect as the alloy disclosed in the literature. It was found that the 2% proof stress is likely to exceed the high temperature range even if it is equivalent at room temperature.
引張強さ
本発明合金の常温における引張強さは、ＦｅとＮｉの総含有量が最も少ないＮｏ．４で３７０ＭＰａであり、ＦｅとＮｉの総含有量が増えるほどに引張強さが向上してＮｏ．１では４０８ＭＰａに達した。よって、例えば本発明合金でなる鋳物部材は、常温において３７０ＭＰａ程度の引張強さを有することができ、さらには製造条件等をより好適に選定することによって４００ＭＰａを超える引張強さを有することができ、実用に際し、該鋳物部材が容易に損壊したり亀裂を生じたりしない強度を有するものとなることが判った。
Tensile strength The tensile strength of the alloy of the present invention at room temperature is No. having the smallest total content of Fe and Ni. No. 4 and 370 MPa, and as the total content of Fe and Ni increases, the tensile strength improves and No. 4 increases. In 1, it reached 408 MPa. Thus, for example, a cast member made of the alloy of the present invention can have a tensile strength of about 370 MPa at room temperature, and can have a tensile strength exceeding 400 MPa by more suitably selecting manufacturing conditions and the like. In practical use, it has been found that the cast member has a strength that does not easily break or crack.
伸び（破断伸び）
前記表１に示すように、溶体化処理および時効処理をすべて同じ処理条件として実施したところ、ＦｅとＮｉの総含有量が最も多いために脆化しやすく伸びが低下するであろうと予測していた本発明合金Ｎｏ．１の常温における伸びは５．５％に達した。一方、ＦｅとＮｉの総含有量がＮｏ．１よりも少量である本発明合金Ｎｏ．２〜４の常温における伸びは１．８〜２．５％と低かった。しかしながら、本発明合金Ｎｏ．２〜４の伸びが低くなった原因が、実質的に合金強度を決することとなる溶体化処理および時効処理の各処理条件を上述したように各試験片の化学成分に拠らず全て同一の処理条件としたためであることは容易に推測でき、このことは同じ処理条件で溶体化処理および時効処理を施したＦｅ含有量が最も多く伸びが低下しやすい本発明合金Ｎｏ．１が５％を超える伸びを有することができたことからも容易に推測できた。
Elongation (breaking elongation)
As shown in Table 1, when the solution treatment and the aging treatment were all carried out under the same treatment conditions, it was predicted that the total content of Fe and Ni was most likely to cause embrittlement and decrease in elongation. Invention alloy No. The elongation at room temperature of 1 reached 5.5%. On the other hand, the total content of Fe and Ni is no. The present invention alloy No. 1 in a smaller amount than 1. The elongation at room temperature of 2-4 was as low as 1.8-2.5%. However, the present alloy No. The reason why the elongation of 2 to 4 is low is that the treatment conditions for solution treatment and aging treatment that substantially determine the alloy strength are all the same regardless of the chemical composition of each test piece as described above. It can be easily guessed that this is because of the treatment conditions. This is because the Fe content in the solution treatment and the aging treatment under the same treatment conditions is the largest and the elongation of the present invention alloy No. It could be easily estimated from the fact that 1 could have an elongation exceeding 5%.
よって、本発明合金Ｎｏ．２〜４において、個々の化学成分に応じて適正な処理条件を選定して溶体化処理および時効処理を施すことにより、伸びの向上が可能であることが推測できた。もっとも、上述した非特許文献１に記載されるようにＦｅ含有量が合金の伸びに及ぼす影響は大きく、Ｆｅ含有量が２．５％を超えるほどになれば、たとえ化学成分に応じた処理条件を用いて溶体化処理および時効処理を施したとしても、例えば鋳造コンプレッサ羽根車に適用できる５％以上の伸びを有することが難しくなることが推測できた。 Therefore, the present invention alloy No. In 2-4, it was speculated that elongation can be improved by selecting appropriate treatment conditions according to individual chemical components and performing solution treatment and aging treatment. However, as described in Non-Patent Document 1 described above, the influence of the Fe content on the elongation of the alloy is large. If the Fe content exceeds 2.5%, the processing conditions corresponding to the chemical components are required. Even if the solution treatment and aging treatment were performed using, it could be estimated that it would be difficult to have an elongation of 5% or more applicable to, for example, a cast compressor impeller.
ＦｅとＮｉの総含有量が、従来合金Ａ３５４やＡ３５５、文献開示合金よりも多く、本発明合金の中でも最も多い本発明合金Ｎｏ．１であっても、脆化せずに常温において５％を超える伸びを有することができた。よって、上述したように従来合金Ａ３５４と同等の０．２％耐力を有して５％を超える伸びを有することのできる本発明合金Ｎｏ．１は、常温において５％を超える伸びが所望されている例えば鋳造コンプレッサ羽根車に適用可能であることが確認できた。 The total content of Fe and Ni is higher than that of the conventional alloys A354 and A355, and the alloys disclosed in the literature. Even if it was 1, it could have elongation exceeding 5% at room temperature without embrittlement. Therefore, as described above, the present alloy No. 1 has a 0.2% proof stress equivalent to that of the conventional alloy A354 and can have an elongation exceeding 5%. It has been confirmed that No. 1 is applicable to, for example, a cast compressor impeller in which elongation exceeding 5% is desired at room temperature.
以上のことから、本発明のアルミニウムダイカスト合金は、常温（言い換えれば２５℃）において上述した従来合金Ａ３５４とほぼ同等の合金強度（０．２％耐力）を有しており、従来合金Ａ３５４と同様に実用に適う合金であることが確認できた。さらには、従来合金Ａ３５４は耐熱性向上効果を有すると知られているＦｅやＮｉを微量含有するにすぎないが、本発明合金はＦｅやＮｉを多く含有しているにもかかわらず脆化することがなかったので、従来合金Ａ３５４よりも１５０℃や１８０℃さらには２００℃といった高温域における合金強度の向上が期待できる。よって、本発明のアルミニウムダイカスト合金は、従来合金Ａ３５４と同様に、例えば鋳造コンプレッサ羽根車に用いるアルミニウム鋳造用合金に適用可能な合金組成を有することが確認できた。さらには、本発明のアルミニウムダイカスト合金を用いることにより、１８０〜２００℃といった高温域においても高強度を有する鋳造コンプレッサ羽根車の実用化が期待できることが判った。 From the above, the aluminum die cast alloy of the present invention has almost the same alloy strength (0.2% proof stress) as the above-described conventional alloy A354 at room temperature (in other words, 25 ° C.), and is similar to the conventional alloy A354. It was confirmed that the alloy was suitable for practical use. Furthermore, although the conventional alloy A354 contains only a small amount of Fe and Ni, which are known to have an effect of improving heat resistance, the alloy of the present invention becomes brittle despite containing a large amount of Fe and Ni. Therefore, the strength of the alloy at higher temperatures such as 150 ° C., 180 ° C., and 200 ° C. can be expected to be higher than that of the conventional alloy A354. Therefore, it was confirmed that the aluminum die casting alloy of the present invention has an alloy composition applicable to an aluminum casting alloy used for, for example, a casting compressor impeller, similarly to the conventional alloy A354. Furthermore, it has been found that by using the aluminum die casting alloy of the present invention, practical application of a cast compressor impeller having high strength even in a high temperature range of 180 to 200 ° C. can be expected.
（アルミニウムダイカスト合金の耐焼付性）
第二に、本発明のアルミニウムダイカスト合金のＦｅ基材でなる金型に対する耐焼付性に係る作用効果について評価した。具体的には、前記表１においてＮｏ．１〜７で示す各化学成分を有する溶湯を個別に準備し、該溶湯内にＦｅ基材でなる丸棒形状のＴＰを一定時間繰り返し浸漬する浸漬試験を実施し、該ＴＰに対する溶湯の固着の程度および該ＴＰの溶損の程度を目視で確認した。なお、前記ＴＰは、日立金属株式会社製ダイカスト金型用鋼ＤＡＣ（日立金属登録商標）（ＪＩＳ−ＳＫＤ６１相当材）を用い、機械加工によって丸棒形状としたものである。
(Seizure resistance of aluminum die-cast alloy)
Second, the effects of the seizure resistance to the mold made of the Fe base of the aluminum die casting alloy of the present invention were evaluated. Specifically, in Table 1, No. A melt having each chemical component indicated by 1 to 7 is individually prepared, and a dipping test in which a round bar-shaped TP made of an Fe base material is repeatedly immersed in the melt for a certain period of time is performed. The degree and the degree of melting of the TP were visually confirmed. The TP is a die cast metal steel DAC (Hitachi Metals registered trademark) (a material equivalent to JIS-SKD61) manufactured by Hitachi Metals, Ltd., and is formed into a round bar shape by machining.
上述の浸漬試験は、溶湯温度を７００℃で保持するように温度制御した個別の溶湯内に、前記ＴＰを浸漬したり引き上げたりを毎分９０回の速度で６０分間繰り返し行う手段によった。そして、前記浸漬試験後、ＴＰに対する溶湯の固着状態を観察した後に該ＴＰをＮａＯＨ（１０質量％）溶液に浸漬して固着物を除去し、この後に固着物を除去して清浄化したＴＰ表面の溶損状態を観察した。その結果を前記表１に併記して示す。なお、ＴＰに対する溶湯の固着状態は、その外観を定性的に判断し、なし（固着なし）、そして固着状態が軽微な順に、微（数箇所に点在する固着あり）、少（膜状に広がる固着あり）、多（表面を覆い隠す程の固着あり）とし、各々に該当する評価を示した。また、ＴＰの溶損状態は、その外観により、なし（滑らかな表面を有している状態）、もしくは、あり（表面に荒れなどが認められる状態）とし、各々に該当する評価を示した。 The above immersion test was performed by means of repeatedly immersing or pulling up the TP in an individual molten metal whose temperature was controlled to keep the molten metal temperature at 700 ° C. for 60 minutes at a rate of 90 times per minute. Then, after the immersion test, after observing the state of adhesion of the molten metal to TP, the TP was immersed in a NaOH (10% by mass) solution to remove the adhered matter, and then the adhered TP surface was removed and cleaned. The molten state of was observed. The results are shown together in Table 1. In addition, the adhesion state of the molten metal with respect to TP is qualitatively determined for its appearance, none (no adhesion), and in the order of light adhesion state, fine (there is adhesion scattered in several places), and small (in the form of a film) An evaluation corresponding to each of the above was given. Moreover, the melted state of TP was determined to be none (a state having a smooth surface) or present (a state where roughness was observed on the surface) depending on the appearance, and the evaluation corresponding to each was shown.
Ｆｅを０．１０％程度含有し、Ｍｎを０．０１％含有する従来合金Ａ３５４や従来合金Ａ３５５でなる溶湯にＴＰを浸漬した場合、いずれのＴＰに対しても溶湯がＴＰの浸漬個所全面に付着して凝固しており、指先で引っ掻いても剥離できなかったため、その評価を「多」とした。また、ＴＰから凝固物を除去した後のＴＰ表面は、いずれのＴＰにおいても溶損を受けており、筋模様のように見える幾つかの凹みがが確認された。よって、従来合金Ａ３５４やＡ３５５は、金型に対する耐焼付性に劣る合金組成を有していることが判った。これは、事前に予測していた通り、耐焼付性の作用効果が期待できるＦｅさらにはＭｎの含有がほとんどないことに起因するものと推測できた。 When TP is immersed in a molten metal made of conventional alloy A354 or conventional alloy A355 containing about 0.10% Fe and 0.01% Mn, the molten metal will cover the entire surface where the TP is immersed. Since it adhered and solidified and could not be peeled off even when scratched with a fingertip, the evaluation was "many". Moreover, the TP surface after removing the coagulated substance from TP was melted in any TP, and several dents that looked like streaks were confirmed. Therefore, it was found that the conventional alloys A354 and A355 have an alloy composition inferior in seizure resistance to the mold. This could be presumed to be due to the fact that there is almost no Fe or Mn content that can be expected to have seizure resistance, as previously predicted.
Ｆｅを１．８０％含有し、Ｍｎを含有しない文献開示合金でなる溶湯にＴＰを浸漬した場合、ＴＰに対して溶湯がＴＰの浸漬個所全面に付着して凝固していたが、指先で引っ掻くと凝固物の一部が剥離し、剥離しなかった個所は凝固物が膜状に広がって付着していたため、その評価を「少」とした。また、ＴＰから凝固物を除去した後のＴＰ表面は、従来合金よりも軽微ではあるが溶損を受けており、筋模様のように見える幾つかの凹みが確認された。よって、文献開示合金は、耐焼付性の作用効果が期待できるＦｅを比較的に多く含有するので、従来合金に比べると金型に対する耐焼付性は改善されているといえるものの、実用的な耐焼付性を有するまでの合金組成ではないことが判った。 When TP is immersed in a molten metal made of a literature disclosed alloy containing 1.80% Fe and not containing Mn, the molten metal adheres to the entire surface of the TP and solidifies, but scratches with the fingertip. The part of the coagulated material peeled off, and the part where the coagulated material did not peel was spread and attached in the form of a film. Further, the surface of the TP after removing the solidified material from the TP was slightly damaged as compared with the conventional alloy, but some dents that looked like a streak pattern were confirmed. Therefore, the alloy disclosed in the literature contains a relatively large amount of Fe, which can be expected to have an effect of seizure resistance. Therefore, although it can be said that the seizure resistance to the mold is improved as compared with the conventional alloy, practical resistance It was found that the alloy composition did not have seizure properties.
Ｆｅを２．０６〜２．２２％含有し、Ｍｎを０．０７〜０．４６％含有する本発明合金Ｎｏ．１〜４でなる溶湯にＴＰを浸漬した場合、いずれのＴＰに対しても溶湯がＴＰの浸漬個所全面に付着して凝固していたが、指先で引っ掻くと凝固物のほとんどが剥離し、剥離しなかった個所は凝固物が数箇所に点在する程度であったため、その評価を「微」とした。また、ＴＰから凝固物を除去した後のＴＰ表面は、いずれのＴＰにおいてもその表面は滑らかであることが確認され、溶損を受けていなかった。よって、いずれの本発明合金Ｎｏ．１〜４においても、上述した従来合金や文献開示合金に比べ、金型に対する耐焼付性が大幅に改善されており、それ故に、実用的な耐焼付性が期待できる合金組成であることが判った。 Alloy No. 1 of the present invention containing 2.06 to 2.22% Fe and 0.07 to 0.46% Mn. When TP was immersed in the molten metal consisting of 1 to 4, the molten metal adhered to the entire surface of the TP immersion area and solidified for any TP, but most of the solidified material peeled off when scratched with a fingertip. The places where the test was not carried out were only a few of the coagulated material scattered, so the evaluation was “Fine”. Moreover, it was confirmed that the surface of TP after removing the solidified substance from TP was smooth in any TP, and was not damaged. Therefore, any of the present alloy Nos. Also in 1-4, the seizure resistance to the mold is greatly improved as compared with the above-mentioned conventional alloys and alloys disclosed in the literature, and therefore, it is found that the alloy composition can be expected to have practical seizure resistance. It was.
（鋳造コンプレッサ羽根車）
次に、本発明のアルミニウムダイカスト合金を用いて、図１に示す鋳造コンプレッサ羽根車１（羽根車１）を製作した。
具体的には、まず、ハブ軸部２と、該ハブ軸部２から半径方向に延在するとともにハブ面４とディスク面５を有するハブディスク部３、前記ハブ面４に配設された複数の羽根部とを含む羽根車形状体である羽根車１と、実質的に同形状の空間からなるキャビティを６台のスライド金型を用いて画成したダイカスト形成用金型を準備した。次に、前記ダイカスト形成用金型を組み込んだダイカスト成形機に対して、前記表１に示すＦｅ含有量２．２２％のＮｏ．１相当の化学成分を有する溶湯を供給し、ダイカスト形成用金型のキャビティ内に溶湯を射出して充填した。そして、充填した溶湯が十分に凝固するまで放冷した。放冷後、ダイカスト形成用金型のキャビティを画成していたスライド金型を、ハブ軸部２の軸心から半径方向に移動しながら回転させて離型し、羽根車１と実質的に同形状にダイカスト形成された成形体を得た。離型の際、前記成形体は金型から滑らかに離型できた。また、前記成形体には、外観上、金型との焼付現象と考えられる疵等は認められず、溶湯の不廻り、ヒケ、ピンホールといった鋳造欠陥も認められなかった。
(Casting compressor impeller)
Next, a cast compressor impeller 1 (impeller 1) shown in FIG. 1 was manufactured using the aluminum die casting alloy of the present invention.
Specifically, first, a hub shaft portion 2, a hub disk portion 3 extending in a radial direction from the hub shaft portion 2 and having a hub surface 4 and a disk surface 5, a plurality of members disposed on the hub surface 4. A die casting forming mold was prepared, in which an impeller 1 including an impeller shaped body and a cavity formed of a substantially identical space were defined using six slide molds. Next, with respect to a die casting machine incorporating the die casting mold, a No. 2 Fe content 2.22% shown in Table 1 above. A molten metal having a chemical component equivalent to 1 was supplied, and the molten metal was injected and filled into the cavity of a die casting mold. And it was left to cool until the filled molten metal was sufficiently solidified. After cooling, the slide mold that has defined the cavity of the die casting mold is rotated while moving in the radial direction from the axis of the hub shaft portion 2 and is released from the mold. A molded body die-cast into the same shape was obtained. Upon release, the molded body could be released smoothly from the mold. In addition, in the molded body, no wrinkles or the like considered as a seizure phenomenon with the metal mold were observed in appearance, and casting defects such as non-circulation of molten metal, sink marks, and pinholes were not recognized.
この後に、得られた成形体に対し、５２５℃、１０３ＭＰａで２時間保持するＨＩＰ処理を施した。これにより、前記成形体において生じたミクロシュリンケージ等の鋳造欠陥を鋳造コンプレッサ羽根車として所望される機械特性を損ねない程度に微小化することができた。さらに、ＨＩＰ処理した前記成形体に対し、５４０℃で１２時間保持する溶体化処理を施した後に１８０℃で８時間保持する時効処理を施し、仕上げとして清浄化処理を行って、図１に示す形状のダイカスト形成された本発明の鋳造コンプレッサ羽根車１を得ることができた。 Thereafter, the obtained molded body was subjected to HIP treatment for 2 hours at 525 ° C. and 103 MPa. As a result, casting defects such as micro-shrinkage generated in the molded body could be miniaturized to such an extent that the desired mechanical properties as a cast compressor impeller were not impaired. Further, the HIP-treated molded body was subjected to a solution treatment that was held at 540 ° C. for 12 hours, and then an aging treatment that was held at 180 ° C. for 8 hours. The cast compressor impeller 1 of the present invention in which a die-cast shape was formed could be obtained.
１．鋳造コンプレッサ羽根車、２．ハブ軸部、３．ハブディスク部、４．ハブ面、５．ディスク面、６．長羽根、７．スプリッタ羽根 1. 1. Cast compressor impeller, 2. Hub shaft part Hub disk part, 4. 4. Hub surface, Disc surface, 6. Long feathers, 7; Splitter blade
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