JP2011208178A - 鋳造用アルミニウム合金 - Google Patents

Abstract

【課題】高い成形加工性を有する所謂Ａｌ−１．５％Ｍｎ系合金において、引張強さ、０．２％耐力及び伸びに優れる鋳造用アルミニウム合金を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｍｎ：１．４％以上１．６％以下、Ｓｉ：０．２％以上０．６％以下、Ｍｇ：０．２％以上１．０％以下、Ｆｅ：０．４％以上０．７％以下、Ｔｉ：０．１％以上０．２％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなり、鋳造後にＴ５熱処理が施され、引張強さが１４５ＭＰａ以上であり、０．２％耐力が８９ＭＰａ以上であり、破断伸びが６．４％以上である機械的性質を備える鋳造用アルミニウム合金。
【選択図】なし

Description

本発明は、アルミニウム合金に関し、特に、車体系部品等に好適に使用可能な、引張強さ、０．２％耐力および伸びに優れる鋳造用アルミニウム合金に関するものである。

従来から、アルミニウム合金の自動車への適用は、エンジンのシリンダヘッドやシリンダブロック、ミッションケース等においてなされてきた。かかるアルミニウム合金は、加工性がよく軽量であるといったアルミニウムの優れた特性を活かしつつ、硬度や強度等の機械的性質や耐熱性等の化学的性質を改善するために、種々の成分組成を有するものが提案されている。

一方、今日では、これまで以上に自動車の燃費向上を実現するための取組がなされており、具体的には、軽量なアルミニウム合金を、ルーフパネル、ドアパネル、ボンネット等のパネル部品に適用する技術が開発されている。加えて、バンパレインフォースメントやクラッシュカン等といったエネルギ吸収性が要求されるフレーム部品にも、アルミニウム合金を適用することが知られている。

ここで、車体系部品には引張強さや伸びが要求されるところ、高強度及び高靭性を有するアルミニウム合金としてはＪＩＳ規格Ｈ５３０２に規定されているＡＤＣ６のようなＡｌ−Ｍｇ系合金があり、かかるＡｌ−Ｍｇ系合金は熱処理を行わなくても高い強度と靭性とを有することが知られている。

しかしながら、Ａｌ−Ｍｇ系合金は、高Ｍｇ含有Ａｌ合金であり、Ａｌ合金をリサイクルする場合、Ｍｇ含有量が多いため他の合金に転用し難く、リサイクル性において不利になるという問題がある。また、自動車ボディパネル材において、Ａｌ−Ｍｇ系合金が主として用いられてきたが、プレス成形時にストレッチャーストレインマークが発生する等の問題もある。

そこで、近年では、リサイクル性が良好であり且つ優れた延性が得られるＡｌ−Ｍｎ系合金が着目されている。例えば、特許文献１には、Ｓｉ：４．０〜６．５重量％、Ｍｇ：０．４〜１．２重量％、Ｍｎ：０．３〜１．１重量％、Ｆｅ：０．７重量％以下を含有し、鋳造時における金型との焼付きを防止できるとともに、耐力および伸びに優れたアルミニウム合金が開示されている。

また、特許文献２には、Ｓｉ：１０〜１２質量％、Ｍｇ：０．１５〜０．５０質量％、Ｍｎ：０．５〜１．０質量％、Ｆｅ：０．１５質量％以下、Ｔｉ：０．１質量％以下、Ｓｂ：０．０５〜０．２０質量％、Ｂ：０．００５〜０．０２質量％を含み、高い強度と高い伸びが得ることが可能なダイカスト用アルミニウム合金が開示されている。

特開２００８−２５００３号公報 特開２００３−２１３３５４号公報

ところで、Ｍｎは、アルミニウム合金の金型への耐焼き付き性及び延性を向上させるが、上記特許文献１のものではＭｎが１．１重量％以下であり、また、特許文献２のものでは１．０質量％以下であることから、所謂Ａｌ−１．５％Ｍｎ系合金（Ｍｎを１．４質量％以上１．６質量％以下含有するアルミニウム合金）に比して、これらの効果が十分に発揮されないおそれがある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、金型焼き付き防止性及び延性を有するＡｌ−１．５％Ｍｎ系合金において、引張強さ、０．２％耐力および伸びに優れる鋳造用アルミニウム合金を提供することにある。

本発明者らは、上記の課題を解決するために、種々の検討と実験を行った。その結果、次の（ａ）に示す知見を得た。

（ａ）所謂Ａｌ−１．５％Ｍｎ系合金では、時効処理によるＭｇ_２Ｓｉの析出硬化によって強度が向上する反面、Ｍｇ_２Ｓｉの粒子が過剰に形成されてアルミニウム合金の延性及び疲労強度を低下させるおそれがあるが、Ｍｇ及びＳｉの含有量を適切に調整するとともに鋳造後にＪＩＳのＴ５熱処理を施すことにより、強度が高いＭｇ_２Ｓｉの金属間化合物をマトリックス中に分散析出させることが可能となり、Ａｌ−１．５％Ｍｎ系合金の延性及び疲労強度を低下させることなく、その引張強さ、０．２％耐力および伸びを、Ａｌ−Ｍｇ系合金であるＡＤＣ６に比べて向上させることが可能となる。

本発明に係る鋳造用アルミニウム合金は、このような知見に基づいて完成されたものである。

ここに、本発明の要旨は、下記に示す鋳造用アルミニウム合金にある。

質量％で、Ｍｎ：１．４％以上１．６％以下、Ｓｉ：０．２％以上０．６％以下、Ｍｇ：０．２％以上１．０％以下、Ｆｅ：０．４％以上０．７％以下、Ｔｉ：０．１％以上０．２％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなり、鋳造後にＴ５熱処理が施され、引張強さが１４５ＭＰａ以上であり、０．２％耐力が８９ＭＰａ以上であり、破断伸びが６．４％以上である機械的性質を備えることを特徴とする鋳造用アルミニウム合金。

本発明によれば、Ａｌ−１．５％Ｍｎ系合金において、Ｍｇを０．２質量％以上１．０質量％以下、Ｓｉを０．２質量％以上０．６質量％以下に調整するとともに鋳造後にＴ５熱処理を施すことにより、強度が高いＭｇ_２Ｓｉの金属間化合物をマトリックス中に分散析出させることが可能となる。これにより、金型焼き付き防止性及び延性を有するＡｌ−１．５％Ｍｎ系合金において、Ａｌ−Ｍｇ系合金であるＡＤＣ６に比べて、引張強さ、０．２％耐力及び伸びに優れる鋳造用アルミニウム合金を提供することが可能となる。

実施例３で得られた試験片の内部の状態を示す光学顕微鏡写真である。 金型試験片鋳型に鋳込んで得られた製品を示す図である。

本発明の鋳造用アルミニウム合金は、上述の如く、質量％で、Ｍｎ：１．４％以上１．６％以下、Ｓｉ：０．２％以上０．６％以下、Ｍｇ：０．２％以上１．０％以下、Ｆｅ：０．４％以上０．７％以下、Ｔｉ：０．１％以上０．２％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなり、鋳造後にＴ５熱処理が施され、引張強さが１４５ＭＰａ以上であり、０．２％耐力が８９ＭＰａ以上であり、破断伸びが６．４％以上である機械的性質を備えることを特徴とするものである。以下に、本発明を上記のように規定した理由及び好ましい範囲について説明する。なお、以下の説明において、化学組成を表す「％」は、特に断らない限り、「質量％」を意味する。
（１）化学組成
Ｍｎ：１．４％以上１．６％以下
Ｍｎは金型焼き付き防止性の向上に寄与する元素である。また、ＭｎはＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系化合物を形成し、かかるＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系化合物の適正分布によって、延性も向上させる。これらの効果を確保するためには、１．４％以上の量のＭｎを含有させる必要があるが、Ｍｎの含有量が１．６％を超えると、鋳造時に粗大な晶出物を生ぜしめて伸びを低下させる。したがって、Ｍｎの含有量を１．４％以上１．６％以下の範囲としている。

Ｓｉ：０．２％以上０．６％以下
Ｓｉは、ＭｇとともにＭｇ_２Ｓｉとして析出して、最終製品使用時の耐力を付与するために必須の元素である。Ｓｉの０．２％未満の含有では十分な強度が得られず、高い耐力が得られない。一方、０．６％を超えて含有されると、延性など機械的性質の低下を招く。

Ｍｇ：０．２％以上１．０％以下
Ｍｇは、０．２％以上含有することにより、Ｓｉと共存して熱処理によりＭｇ_２Ｓｉとして析出し、引張強さ，耐力等の機械的強度を向上させる。しかし、１．０％よりも多いと、アルミニウム合金溶湯の酸化が促進され、鋳物内部にその酸化層が混入して鋳物の品質が悪化するとともに、溶湯の流動性や補給性も低下して鋳造性が悪化する。さらに、化合物が過剰且つ粗大に析出し、伸びが大きく低下する。したがって、Ｍｇの含有量を０．２％以上１．０％以下の範囲としている。

Ｆｅ：０．４以上０．７％以下
Ｆｅは鋳造に際し、合金溶湯の金型への焼き付きを防止する効果がある。Ｆｅ成分の含有量は、０．４％よりも少ないと、金型との焼き付きが生じ易くなる反面、０．７％よりも多いと、Ｍｎ成分と同様に伸びを低下させるので、０．５以上０．７％以下の範囲としている。

Ｔｉ：０．１％以上０．２％以下
Ｔｉは、鋳物の結晶粒を微細化することによりその特性を向上させて鋳造割れ性を改善することができるが、その含有量が０．１％よりも少ないと、その効果が少なく、鋳造割れ性を十分に改善することが困難となる。一方、Ｔｉの含有量が０．２％よりも多いと、粗大化合物が生成されて伸びが低下し、溶湯の流動性も低下させるので、０．１％以上０．２％以下の範囲としている。

Ａｌは自動車用部品などの軽量化に寄与する元素であるので、不純物およびその他の必要な合金元素と共に残部とした。
（２）Ｔ５熱処理
Ｔ５熱処理（時効処理）は、アルミニウム合金の強度を向上させるＭｇ_２Ｓｉを析出硬化させるために必要な処理である。なお、後述する実施例では、２００℃で５時間のＴ５熱処理を行ったが、処理温度及び処理時間は、１６０℃〜２５０℃且つ４時間〜１０時間の範囲で適宜調整可能である。

以上のように合金設計された本発明に係るアルミニウム合金は、金型焼き付き防止性及び延性を有しつつ、Ｍｇを０．２質量％以上１．０質量％以下、Ｓｉを０．２質量％以上０．６質量％以下に調整するとともに鋳造後にＴ５熱処理を施すことによって、重力鋳造法、低圧鋳造法、ダイカスト鋳造法、スクイズ製法など既知の方法により、引張強さ、０．２％耐力および伸びに優れる鋳物を製造することが可能である。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

下記の表１に示す化学組成を有する各種のアルミニウム合金１〜８を電気炉によって溶解し、通常の金型重力鋳造法によって、溶湯温度７４０℃、金型温度２００℃で、ＪＩＳＨ５２０２に記載の金型試験片鋳型に鋳込んだ（図２参照）。そして、合金１〜４及び合金８は、得られた鋳造材をＴ５熱処理（２００℃×５時間）した後、空冷を施した。

上記の方法で得られた鋳造製品１の中央からＪＩＳ１４Ａ号の引張試験片を切出し、島津製作所製オートグラフを用いて、試験速度３ｍｍ／ｍｉｎにて室温で引張試験を実施し、引張強さ（ＭＰａ）、０．２％耐力（ＭＰａ）、伸び（％）等の機械的特性を測定するとともに、引張強さが１４５（ＭＰａ）以上、０．２％耐力が８９（ＭＰａ）以上及び伸びが６．４（％）以上を基準として評価を行った。その結果を、表２に示している。なお、表２中の合金１〜７は、化学組成が本発明で規定する範囲内にあるアルミニウム合金である。一方、合金８及び９は、化学組成が本発明で規定する条件から外れたＪＩＳのＡＤＣ６合金である。さらに、合金５〜７及び合金９は、本発明で規定する鋳造後のＴ５熱処理を行っていない合金である。

表２から、本発明で規定する条件を満たす合金１〜４をそれぞれ用いた本発明例の試験番号１〜４の場合は、いずれも引張強さが１４５（ＭＰａ）以上、０．２％耐力が８９（ＭＰａ）以上及び伸びが６．４（％）以上であり、優れた機械的性質を有していることが確認された。したがって、本発明合金は、少なくともこれらの３つの機械的特性について、実用上十分な性能を備えていることが裏付けられた。

そして、本発明例の試験番号３に用いられた合金３を光学顕微鏡で観察したところ、図１に示すように、マトリックス中にＭｇ_２Ｓｉの金属間化合物が分散析出していることが確認された。なお、表２から、本発明例の試験番号１〜４の場合は、Ｍｇ_２Ｓｉの金属間化合物の含有量が０．１３〜０．５６ａｔｏｍ％であることが確認された。

これに対して、熱処理を施していない合金５〜７をそれぞれ用いた比較例の試験番号５〜７の場合、Ｍｇの含有量が０．２５％以下である試験番号５及び６では、引張強さ及び０．２％耐力が本発明例に比して大きく劣っていることが、また、Ｍｇの含有量が０．２５％を超える試験番号７では、伸びが本発明例に比して劣っていることが確認された。

一方、Ｍｇ及びＳｉの含有量が本発明で規定する条件から外れた合金８及び９（ＡＤＣ６）の場合、熱処理を施した合金８では、伸びが本発明例に比して大きく劣っていることが、また、熱処理を施していない合金９では、０．２％耐力が本発明例に比して劣っていることが確認された。

以上により、化学組成が本発明で規定する条件を満たさない、及び、化学組成が本発明で規定する条件を満たしても鋳造後のＴ５熱処理を行っていないこれら比較例は、本発明と同じＡｌ−１．５％Ｍｎ系合金であっても、耐久性などの信頼性の問題から、使用することが出来ないことが分かる。

以上説明したように、本発明は、サスペンションメンバ、ピラー類、継ぎ手部材、サスタワー、クラッシュカンなどの車体系部品等に用いられる鋳造用アルミニウム合金等について有用である。

１ 鋳造製品

Claims (1)

1. 質量％で、Ｍｎ：１．４％以上１．６％以下、Ｓｉ：０．２％以上０．６％以下、Ｍｇ：０．２％以上１．０％以下、Ｆｅ：０．４％以上０．７％以下、Ｔｉ：０．１％以上０．２％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなり、鋳造後にＴ５熱処理が施され、引張強さが１４５ＭＰａ以上であり、０．２％耐力が８９ＭＰａ以上であり、破断伸びが６．４％以上である機械的性質を備えることを特徴とする鋳造用アルミニウム合金。