JP2012102369A

JP2012102369A - 鋳造用アルミニウム合金

Info

Publication number: JP2012102369A
Application number: JP2010251974A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Kimura; 貴広木村; Nobuyuki Oda; 信行小田
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2010-11-10
Filing date: 2010-11-10
Publication date: 2012-05-31

Abstract

【課題】０．２％耐力および引張強さ等の機械的特性に優れているとともに、鋳造時の凝固割れを低減することができ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：１．３％以上１．５％以下、Ｃｕ：１．４％以上１．６％以下、Ｆｅ：０．３５％以上０．４５％以下、Ｍｇ：０．２％以上０．４％以下、Ｔｉ：０．１％以上０．２％以下、Ｓｉ：１．５％以上５．０％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる鋳造用アルミニウム合金。
【選択図】図４

Description

本発明は、鋳造用アルミニウム合金に関し、特に、機械的特性および耐凝固割れ性に優れ、車体系部品等に用いられる、Ａｌ−Ｍｎ系の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、トランスミッションケース等の軽量化が望まれるパワートレーン系の自動車部品においてなされてきた。

また、近年では、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いる。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。

さらに、バンパレインフォースメントやクラッシュボックス（クラッシュカン）等といったエネルギー吸収性が要求されるフレーム部品にも、アルミニウム合金製の押出し材を適用したものが多数提案されている。

しかしながら、車体系部品の中には、押出しによる製法では形成し難い形状の部品も多いところ、そのような車体系部品にアルミニウム合金を用いる場合には金型を利用した鋳造法が有効となることから、鋳造法によって機械的な強度が大きい部品を製造することへの要求が高まっている。

ここで、鋳造用アルミニウム合金に関しては、例えば、特許文献１では、合金組成を、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％以下とすることによって、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得られるとされている。

また、特許文献２では、合金組成を、Ｍｎ：０．５重量％以上２．５重量％以下、Ｃｒ：０．２重量％以上１．０重量％以下、Ｔｉ：０．１重量％以上０．５重量％以下、Ｍｇ：０．１重量％以上０．５重量％未満とすることによって、ダイカスト性に優れ、高い硬度を有するとともに、表面をアルマイト処理することで、光輝性に優れるダイカスト用アルミニウム合金が得られるとされている。

さらに、特許文献３では、合金組成を質量比で、Ｓｉ：１０〜１２％、Ｍｇ：０．１５〜０．５０％、Ｍｎ：０．５〜１．０％、Ｆｅ：０．１５％以下、Ｔｉ：０．１％以下、Ｓｂ：０．０５〜０．２０％、Ｂ：０．００５〜０．０２％とすることによって、優れた強度と伸びとのバランスが確保されたダイカスト用アルミニウム合金が得られるとともに、かかるダイカスト用アルミニウム合金を車両ピラー、サスペンション取付部品等に用いることが開示されている。

特開２００８−２５００３号公報特開２００７−１１９９１４号公報特開２００３−２１３３５４号公報

ところで、鋳造用アルミニウム合金には、機械的な強度のみならず、製造歩留まりを高めるとともに安定した製造を可能とするべく、凝固割れ（凝固収縮による鋳造割れ）の低減が要求される。

そして、上記特許文献１では、Ｓｉの配合割合が４．０重量％未満の場合には、凝固収縮が大きくなり鋳造割れが起こり易くなると記載されているものの、耐凝固割れ性の具体的な改善効果については記載されておらず、また、上記特許文献２に記載のダイカスト用アルミニウム合金は、光輝性に優れるものの硬度及び耐凝固割れ性は十分とは言えず、さらに、上記特許文献３には凝固割れについて何ら記載されていない。

本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、０．２％耐力および引張強さ等の機械的特性に優れているとともに、鋳造時の凝固割れを低減することができ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、上記課題を解決するために、純アルミニウムのもつ延性を低下させずに強度を高くしたＡｌ−１．５％Ｍｎ系合金の機械的特性及び耐凝固割れ性に対して、各合金元素が及ぼす影響について鋭意検討した。その結果、（１）Ｃｕ、Ｍｇ等の含有量の最適化を図ることで０．２％耐力および引張強さに優れたアルミニウム合金を実現できること、（２）Ｆｅ、Ｔｉ、Ｓｉ等の含有量の最適化を図ることで耐凝固割れ性が大幅に向上できることを知見し、本発明に至った。

具体的には、第１の発明は、鋳造用アルミニウム合金を対象とし、質量％で、Ｍｎ：１．３％以上１．５％以下、Ｃｕ：１．４％以上１．６％以下、Ｆｅ：０．３５％以上０．４５％以下、Ｍｇ：０．２％以上０．４％以下、Ｔｉ：０．１％以上０．２％以下、Ｓｉ：１．５％以上５．０％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなることを特徴とするものである。

第１の発明によれば、純アルミニウムのもつ延性を低下させずに強度を高くした所謂Ａｌ−１．５％Ｍｎ系の鋳造用アルミニウム合金において、０．２％耐力および引張強さ等の機械的特性を向上させることができるとともに、耐凝固割れ性を大幅に向上させることができる。

第２の発明は、上記第１の発明の成分に加えてさらに、質量％で、Ｓｒ：０．１％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなることを特徴とするものである。

第２の発明によれば、さらにＳｒを含有することで、０．２％耐力および引張強さ等の機械的特性および耐凝固割れ性を維持しつつ、伸びを向上させることができる。

なお、残部としての「Ａｌ及び不可避的不純物」における「不可避的不純物」とは、アルミニウム合金を工業的に製造する際に、原料としての鉱石や、製造環境等から不可避的に混入するものを指す。

本発明に係る鋳造用アルミニウム合金によれば、純アルミニウムのもつ延性を低下させずに強度を高くした所謂Ａｌ−１．５％Ｍｎ系の鋳造用アルミニウム合金において、０．２％耐力および引張強さ等の機械的特性を向上させることができるとともに、耐凝固割れ性を大幅に向上させることができる。したがって、軽量なアルミニウム合金を、押出しによる製法では形成し難い形状の車体系部品等に好適に用いることができる。

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。リングモールド法に用いる試験片を鋳造するための金型を示す図である。合金の種類と０．２％耐力及び引張強さとの関係を示すグラフである。合金の種類と平均凝固割れ個数及び平均凝固割れ長さとの関係を示すグラフである。

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：１．３％以上１．５％以下、Ｃｕ：１．４％以上１．６％以下、Ｆｅ：０．３５％以上０．４５％以下、Ｍｇ：０．２％以上０．４％以下、Ｔｉ：０．１％以上０．２％以下、Ｓｉ：１．５％以上５．０％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなることを特徴とするものである。また、上記成分に加えてさらに、質量％で、Ｓｒ：０．１％以下を含有するのが好ましい。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。

Ｍｎ：１．３％以上１．５％以下
Ｍｎは、０．２％耐力および引張強さの向上に寄与するとともに、金型への耐焼きつき性の向上に寄与する元素である。これらの効果を確保するためには、１．３％以上の量のＭｎを含有させる必要があるが、Ｍｎの含有量が１．５％を超えると、延性を低下させる析出相や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１．３％以上１．５％以下の範囲としている。

Ｃｕ：１．４％以上１．６％以下
Ｃｕは、本発明の鋳造用アルミニウム合金の０．２％耐力および引張強さを向上させるために必要な元素である。こうした効果を得るには、１．４％以上のＣｕを含有させる必要がある。しかしながら、１．６％を超える量のＣｕを含有させると、延性を低下させる析出相や粗大な晶出物を生ぜしめて伸びを低下させてしまう。そのため、Ｃｕの含有量は１．４％以上１．６％以下とした。

Ｆｅ：０．３５％以上０．４５％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。また、Ｆｅは鋳造に際し核生成サイトとして働き、析出核の生成頻度を増加させることで結晶粒を微細化し、これによりその特性を向上させて鋳造時の凝固割れを低減させる効果がある。Ｆｅ成分の含有量が、０．３５％よりも少ないと、金型との焼き付き及び凝固割れが生じ易くなる反面、０．４５％よりも多いと、延性を低下させる析出相や粗大な晶出物を生ぜしめて伸びを従来の合金以下に低下させる。したがって、Ｆｅの含有量を０．３５％以上０．４５％以下の範囲としている。

Ｍｇ：０．２％以上０．４％以下、
Ｍｇは、Ｓｉと共存して熱処理によりＭｇ_２Ｓｉとして析出し、０．２％耐力および引張強さ等の機械的強度を向上させる。しかし、その含有量が０．２％よりも少ないと、その効果が少なく、逆に０．４％を超えると、延性を低下させる析出相や粗大な晶出物を生ぜしめて伸びを低下させてしまう。したがって、Ｍｇの含有量を０．２％以上０．４％以下の範囲としている。

Ｔｉ：０．１％以上０．２％以下
Ｔｉは、Ｆｅと同様に、鋳造に際し核生成サイトとして働き、析出核の生成頻度を増加させることで結晶粒を微細化し、これによりその特性を向上させて鋳造時の凝固割れを低減させることができる。しかし、その含有量が０．１％よりも少ないと、その効果が少なく、耐凝固割れ性を十分に改善させ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、延性を低下させる析出相や粗大な晶出物を生ぜしめて伸びを低下させ、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。

Ｓｉ：１．５％以上５．０％以下
Ｓｉは、液相の流動性を増加させることによって、凝固収縮時の溶湯補給性を向上させて、鋳造時の凝固割れを低減させる作用を有するが、Ｓｉの含有量が１．５％未満ではその効果に乏しい。一方、Ｓｉの含有量が５．０％を超えると、延性を低下させる析出相や粗大な晶出物、特に、Ｍｇ_２Ｓｉを過度に生ぜしめて伸びを低下させてしまう。このため、Ｓｉの下限を１．５％とし、その上限を５．０％とする。

Ｓｒ：０．１％以下
Ｓｒは、Ａｌ−Ｓｉ系の鋳物中に晶出する共晶Ｓｉ粒子を微細化し、伸びや靭性の向上に寄与する元素である。しかしながら、Ｓｒの含有量が０．１％を超えると、溶湯の流動性が低下したり、Ａｌ、Ｍｎ、Ｃｕ等と金属間化合物を形成して伸びや靭性が低下したりするので、その上限を０．１％とする。

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。

以上のように合金設計された本発明に係る鋳造用アルミニウム合金は、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｓｒの含有量を調整することによって、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鋳造法により、０．２％耐力および引張強さに優れる（具体的には、０．２％耐力が１００（ＭＰａ）超え且つ引張強さが１３０（ＭＰａ）以上の）鋳物を製造することが可能であるとともに、かかる鋳物を鋳造する際の耐凝固割れ性を向上させることができる。

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。なお、本実施形態の鋳造用アルミニウム合金は、エネルギー吸収性が要求されるフレーム部品として用いることも想定されているところ、機械的性質として、０．２％耐力が１００（ＭＰａ）超え且つ引張強さが１３０（ＭＰａ）以上であることを目標とした。

先ず、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１〜７の機械的特性を測定するために、各合金を電気炉によって溶解し、溶湯温度７４０（℃）、金型温度２００（℃）の条件で、通常の金型重力鋳造法によって、ＪＩＳＨ５２０２に記載の金型試験片鋳型に鋳込んだ（図１参照）。なお、表１中の合金１〜４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５〜７は、化学組成が本発明で規定する条件から外れたアルミニウム合金である。

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３（ｍｍ／ｍｉｎ）にて室温で引張試験を実施し、０．２％耐力（ＭＰａ）、引張強さ（ＭＰａ）等の機械的特性を測定した。その結果を、表２及び図３に示している。

次いで、上記各合金の耐凝固割れ性を調べるために、図２に示す金型２を用いて、溶湯温度７２０（℃）、金型温度２００（℃）の条件で、通常の金型重力鋳造法によって、リング状の試験片を各合金につき５つ鋳造した。そして、冷却後、鋳造した各試験片の表面に生じた凝固割れ個数と凝固割れ長さとを調べ、各合金について試験片１つ当たりの平均凝固割れ個数と平均凝固割れ長さとを算出して耐凝固割れ性を比較した。なお、平均凝固割れ個数と平均凝固割れ長さは、５つの試験片の平均値である。その結果を、表２及び図４に示している。

表２及び図３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では、いずれも０．２％耐力が１００（ＭＰａ）以上及び引張強さが１３０（ＭＰａ）以上であり、優れた機械的特性を有していることが確認された。したがって、本発明の鋳造用アルミニウム合金は、少なくともこれら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。

また、表２及び図４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では、いずれも試験片１つ当たりの平均凝固割れ個数が１（個）以下であり、且つ、平均凝固割れ長さが５０（ｍｍ）以下であることから、耐凝固割れ性が著しく向上していることが確認された。

以上により、本発明の鋳造用アルミニウム合金によれば、優れた機械的特性を有するのみならず、鋳造時の凝固割れを低減できることが裏付けられた。

また、Ｓｒを加えたことによる伸びの向上を確認すべく、本発明例の試験番号１〜４について、上記引張試験の際に伸び（％）を測定した。その結果を図３に示す。図３から、Ｓｒを０．０５％含有する合金３及び４を用いた本発明例の試験番号３及び４では、機械的特性および耐凝固割れ性を維持しつつ、Ｓｒを含有していない合金１及び２を用いた本発明例の試験番号１及び２に比して、伸びが倍近く向上することが確認された。

これに対して、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｆｅ及びＳｉの含有量がいずれも本発明で規定する条件を満たさない（特に、Ｃｕが含有されていない）合金５を用いた比較例の試験番号５では、試験片１つ当たりの平均凝固割れ個数が１（個）以下であり、且つ、平均凝固割れ長さが５０（ｍｍ）以下であることから、耐凝固割れ性が著しく向上していたものの、０．２％耐力および引張強さが本発明例に比して大きく劣っていることが確認された。

さらに、Ｃｕ、Ｆｅ及びＳｉの含有量がいずれも本発明で規定する条件を満たさない合金６を用いた比較例の試験番号６、及び、Ｓｉの含有量が本発明で規定する条件を満たさない合金７を用いた比較例の試験番号７では、０．２％耐力及び引張強さは本発明例と同等の値を示したものの、平均凝固割れ個数が２（個）以上であり、且つ、平均凝固割れ長さが２００（ｍｍ）を超えていることから、耐凝固割れ性が著しく悪化していることが確認された。

以上説明したように、本発明は、押出しによる製法では形成し難い形状の車体系部品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。

Claims

質量％で、Ｍｎ：１．３％以上１．５％以下、Ｃｕ：１．４％以上１．６％以下、Ｆｅ：０．３５％以上０．４５％以下、Ｍｇ：０．２％以上０．４％以下、Ｔｉ：０．１％以上０．２％以下、Ｓｉ：１．５％以上５．０％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなることを特徴とする鋳造用アルミニウム合金。
請求項１記載の成分に加えてさらに、質量％で、Ｓｒ：０．１％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなることを特徴とする鋳造用アルミニウム合金。