JP2012224920A

JP2012224920A - アルミニウム合金材及びその製造方法

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Publication number: JP2012224920A
Application number: JP2011094290A
Authority: JP
Inventors: Yuji Okada; 裕二岡田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2011-04-20
Publication date: 2012-11-15
Anticipated expiration: 2031-04-20
Also published as: JP5699774B2

Abstract

【課題】耐溶損性および機械的特性に優れたＡｌ合金材およびその製造方法を提供する。
【解決手段】Ａｌ合金材は、９．５〜１２．０ｗｔ％のＳｉと、０．０５〜０．５ｗｔ％のＭｇと、０．５〜１．５ｗｔ％のＦｅと、０．０５〜０．５ｗｔ％のＭｎと、０．１〜０．５ｗｔ％のＣｒとを含み、残部がＡｌおよび不可避不純物である。このＡｌ合金材は、Ａｌ−Ｍｇ_２Ｓｉの擬二元系状態図の固体相線温度から３００℃までの冷却速度が５℃／ｓｅｃ以上という条件で、前記アルミニウム合金材の原料溶湯を冷却することによって製造される。
【選択図】なし

Description

本願は、アルミニウム（Ａｌ）合金材とその製造方法に関する。

Ａｌ合金の溶湯を鉄（Ｆｅ）系金属製の金型で鋳造成形してＡｌ合金材を製造する場合、ＡｌとＦｅが反応して金型が溶損することがある。従来、Ａｌ合金溶湯中のＦｅの含有量が多いほど金型の溶損が起こり難いことが知られている。例えば、Ｆｅ含有量が約１．３ｗｔ％であるＡｌ合金材料ＡＤＣ１０（ＪＩＳＨ５３０２アルミニウム合金ダイカスト）は溶損が発生し難く、Ｆｅ含有量が０．２ｗｔ％以下であるＡｌ合金材料ＡＣ４ＣＨ（ＪＩＳＨ５２０２アルミニウム合金鋳物）は溶損が発生し易いことが知られている。

一方で、Ａｌ合金材に含有されるＦｅが多いほど、Ａｌ合金材中に多くのＦｅとＡｌの化合物（Ｆｅ−Ａｌ化合物）が含まれ得る。Ｆｅ−Ａｌ化合物は針状または板状の化合物であり、Ａｌ合金材の機械的特性を大幅に低下させる可能性がある。特許文献１〜５には、ＡＤＣ１０と同様に、Ｓｉ，Ｆｅ，Ｍｇ等を含有するＡｌ合金材の組成が開示されている。さらに、Ａｌ合金材の機械的性質を改善するために、特許文献１，２では、マンガン（Ｍｎ）を添加しており、特許文献２〜５では、クロム（Ｃｒ）を添加している。

特開平８−１９９２７７号公報特開平１０−２９８６８８号公報特開２００６−３１６３４１号公報特開２００６−３２２０６２号公報特開２００７−７０７１６号公報

近年、Ａｌ合金製の鋳造品は、より薄く大きい鋳造品が製造される傾向にあり、高精度な鋳造品を、生産性よく製造することが求められている。このため、溶湯の湯流れ性を確保するために、溶湯温度を高くする傾向がある。溶湯温度を高くすると、溶損が起こり易くなるため、従来よりもさらに溶損性に優れたＡｌ合金が求められている。しかしながら、耐溶損性を高めるためにＭｎ，Ｃｒ等を添加し過ぎると、針状化合物等が形成されてしまい、Ａｌ合金材の機械的特性を十分には確保できない。

本発明者は鋭意研究の結果、Ａｌ合金において、合金金属元素量を調整することにより、より耐溶損性に優れたＡｌ合金が得られることを見出した。さらに、この合金溶湯を用いて所定の方法でＡｌ合金材を製造すると、Ａｌ合金材の機械的特性を低下させる針状または板状の化合物の形成が抑制されることを見出した。かかる知見に基づき、本願は、耐溶損性および機械的特性に優れたＡｌ合金材およびその製造方法を提供することを目的とする。

本願は、９．５〜１２．０ｗｔ％のケイ素（Ｓｉ）と、０．０５〜０．５ｗｔ％のマグネシウム（Ｍｇ）と、０．５〜１．５ｗｔ％の鉄（Ｆｅ）と、０．０５〜０．５ｗｔ％のマンガン（Ｍｎ）と、０．１〜０．５ｗｔ％のクロム（Ｃｒ）とを含み、残部がアルミニウム（Ａｌ）および不可避不純物であるアルミニウム合金材を提供する。このアルミニウム合金材は、Ａｌ−Ｍｇ_２Ｓｉの擬二元系状態図の固体相線温度から３００℃までの冷却速度が５℃／ｓｅｃ以上という条件で、前記アルミニウム合金材の原料溶湯を冷却することによって製造される。

なお、本明細書においては、「Ａ〜Ｂ」との記載は、その上限および下限を含む。「ｗｔ％」の表記は「重量パーセント」を意味する。また、本明細書にいう「不可避不純物」は、原料粉末中に含まれる不純物や各工程時に混入等する不純物などであって、コスト的または技術的な理由等により除去することが困難な微量成分である。

上記のＡｌ合金材は、耐溶損性に優れた組成を有しており、さらに、上記の条件で製造されることによって、優れた機械的特性をも有している。本願によれば、耐溶損性および機械的特性に優れたＡｌ合金材およびその製造方法を提供することができる。

Ａｌ−Ｍｇ_２Ｓｉの擬二元系状態図である。実施例１に係るＡｌ合金材の顕微鏡写真である。実施例２に係るＡｌ合金材の顕微鏡写真である。実施例３に係るＡｌ合金材の顕微鏡写真である。実施例４に係るＡｌ合金材の顕微鏡写真である。実施例５に係るＡｌ合金材の顕微鏡写真である。実施例６に係るＡｌ合金材の顕微鏡写真である。比較例１に係るＡｌ合金材の顕微鏡写真である。比較例２に係るＡｌ合金材の顕微鏡写真である。比較例３に係るＡｌ合金材の顕微鏡写真である。比較例４に係るＡｌ合金材の顕微鏡写真である。

本願が開示するＡｌ合金材は、９．５〜１２．０ｗｔ％のＳｉと、０．０５〜０．５ｗｔ％のＭｇと、０．５〜１．５ｗｔ％のＦｅと、０．０５〜０．５ｗｔ％のＭｎと、０．１〜０．５ｗｔ％のＣｒとを含み、残部がＡｌおよび不可避不純物である。さらに、本願が開示するＡｌ合金材は、Ａｌ−Ｍｇ_２Ｓｉの擬二元系状態図の固体相線温度から３００℃までの冷却速度が５℃／ｓｅｃ以上という条件で、Ａｌ合金材の原料溶湯を冷却することによって製造される。Ｓｉ含有量は、１０．７３〜１１．８５ｗｔ％であることが好ましい。Ｍｇ含有量は、０．１３〜０．３５ｗｔ％であることが好ましい。Ｆｅ含有量は、０．８１〜１．３５ｗｔ％であることが好ましい。Ｍｎ含有量は、０．２９〜０．４７ｗｔ％であることが好ましい。Ｃｒ含有量は、０．１５〜０．４２ｗｔ％であることが好ましい。

本願に係るＡｌ合金材は、Ｓｉ，Ｍｇ，Ｆｅ，ＭｎおよびＣｒを改質成分として含有している。ここで、改質成分とは、Ａｌ合金またはＡｌ合金材の特性改善に有効な微量の金属成分を意味する。改善される特性の種類は、特に限定されないが、硬さ、強度、靱性、延性、耐溶損性、流動性等が挙げられる。

Ｓｉは、Ａｌ合金の溶湯の流動性を向上させる等の目的で添加される。Ｍｇは、Ｍｇ_２Ｓｉとして析出し、Ａｌ合金材の強度を向上させる等の目的で添加される。Ｆｅは、Ａｌ合金材の耐溶損性を向上させる等の目的で添加される。ＭｎおよびＣｒは、Ａｌ合金材の機械的特性を向上させる等の目的で添加される。Ｃｒは、特許文献３〜５に記載されているように、Ａｌ合金材の耐溶損性を向上させる目的で添加されることもある。

一方で、Ｓｉ含有量が１２ｗｔ％を超える場合には、特許文献２にも記載されているように、過共晶のＡｌ−Ｓｉ系合金となり、初晶Ｓｉの分散性が低下することによりＡｌ合金材の機械的特性が低下してしまう可能性がある。また、Ｆｅ含有量が多過ぎると、針状または板状のＦｅ−Ａｌ化合物が析出し、Ａｌ合金材の機械的特性が低下してしまう可能性がある。さらに、ＦｅとＭｎ，またはＦｅとＣｒを組成として含む場合、粗大なＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ化合物または粗大なＡｌ−Ｆｅ−Ｃｒ化合物等が形成されて、Ａｌ合金材の機械的特性が低下してしまう可能性がある。このため、Ｆｅの含有量を多くすることができず、Ａｌ合金の耐溶損性を犠牲にせざるを得ない。例えば、Ｓｉ，Ｍｇ，ＦｅおよびＣｒを含むＡｌ合金材に係る特許文献３〜５では、Ｆｅ含有量は、０．８ｗｔ％以下の範囲に抑えられており、Ａｌ合金の耐溶損性が十分に得られない。

本発明者は、上記の技術を考慮してＳｉ，Ｍｇ，Ｆｅ，ＭｎおよびＣｒを含むＡｌ合金材について鋭意研究を行った結果、Ｓｉ含有量が亜共晶のＡｌ−Ｓｉ系合金領域となる含有量である場合、すなわち、Ｓｉ含有量が９．５〜１２．０ｗｔ％である場合には、Ｆｅ含有量が多い組成を有するＡｌ合金を用いても、所定の冷却条件で冷却することによって、製造されるＡｌ合金材の機械的強度を確保できることを見出した。即ち、本願の発明者は、Ａｌ−Ｍｇ_２Ｓｉの擬二元系状態図の固体相線温度から３００℃までの冷却速度が５℃／ｓｅｃ以上という条件でＡｌ合金材の原料溶湯を冷却することによって、機械的強度を従来よりも向上したＡｌ合金材が製造できることを見出した。

図１は、Ａｌ−Ｍｇ_２Ｓｉの擬二元系状態図であり、固体相線は、Ｍｇ_２Ｓｉの重量分率を示す横軸に略平行に伸びている。固体相線温度は、Ｍｇ_２Ｓｉが１．８５ｗｔ％の場合に５９５℃であり、Ｍｇ_２Ｓｉ組成比が１．８５ｗｔ％以上の範囲で、６００℃程度となっている。本願に係るＡｌ合金材の製造に際しては、Ａｌ−Ｍｇ_２Ｓｉの擬二元系状態図の固体相線温度から３００℃までの冷却速度が５℃／ｓｅｃ以上という条件で冷却されればよく、これよりも広い温度範囲においても同様に冷却速度が５℃／ｓｅｃ以上という条件で冷却してもよい。この固体相線温度から３００℃までの冷却速度は、５．２℃／ｓｅｃ以上であることが好ましく、７．１℃／ｓｅｃ以上であることがより好ましい。なお、製造コストの観点から、冷却速度は、２０℃／ｓｅｃ以下であることが好ましい。冷却速度を２０℃／ｓｅｃよりも大きくするためには、一般的なダイカスト金型の冷却構造を大幅に変更する必要があり、コストが増大して工業的なメリットが少なくなる。

本願に係るＡｌ合金材に含まれ得る不可避不純物は、金属であってもよく、炭素等の非金属であってもよい。不可避不純物金属としては、特に限定されないが、例えば、銅（Ｃｕ），亜鉛（Ｚｎ），ニッケル（Ｎｉ），錫（Ｓｎ），鉛（Ｐｂ），チタン（Ｔｉ）等が挙げられる。

（合金溶湯の製造）
実施例１では、予熱した５ｋｇの黒鉛坩堝の中に、それぞれ秤量したＡｌ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｆｅ，ＭｎおよびＣｒ原料を投入して溶解させ、表１に示す金属成分組成を有するＡｌ合金の溶湯１を製造した。表１に示す金属成分は、主成分であるＡｌ以外の金属成分を重量％（ｗｔ％）で示すのものであり、表１に示す組成の残部はＡｌである。溶湯１は、Ｓｉ，Ｍｇ，Ｆｅ，ＭｎおよびＣｒの含有量が本願に規定する範囲内であるＡｌ合金溶湯である。

（Ａｌ合金材の製造）
表１に示す溶湯１を、Ａｌ−Ｍｇ_２Ｓｉの擬二元系状態図の固体相線温度である６００℃程度から３００℃までの冷却速度が５．２℃／ｓｅｃとなる条件で冷却し、Ａｌ合金材を製造した。

実施例２では、溶湯１をＡｌ−Ｍｇ_２Ｓｉの擬二元系状態図の固体相線温度である６００℃程度から３００℃までの冷却速度が７．１℃／ｓｅｃとなる条件で冷却し、Ａｌ合金材を製造した。それ以外の条件は、実施例１と同様であった。

実施例３では、表１に示す金属成分組成を有するＡｌ合金の溶湯２を製造した。溶湯２は、溶湯１の製造方法において、組成比に応じてＡｌ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｆｅ，ＭｎおよびＣｒ原料を変更したのみで、後は溶湯１の製造方法に準じて製造した。溶湯２を、Ａｌ−Ｍｇ_２Ｓｉの擬二元系状態図の固体相線温度である６００℃程度から３００℃までの冷却速度が７．１℃／ｓｅｃとなる条件で冷却し、Ａｌ合金材を製造した。

実施例４では、表１に示す金属成分組成を有するＡｌ合金の溶湯３を製造した。溶湯３は、溶湯１の製造方法において、組成比に応じてＡｌ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｆｅ，ＭｎおよびＣｒ原料を変更したのみで、後は溶湯１の製造方法に準じて製造した。溶湯３を、Ａｌ−Ｍｇ_２Ｓｉの擬二元系状態図の固体相線温度である６００℃程度から３００℃までの冷却速度が７．１℃／ｓｅｃとなる条件で冷却し、Ａｌ合金材を製造した。

実施例４では、表１に示す金属成分組成を有するＡｌ合金の溶湯４を製造した。溶湯４は、溶湯１の製造方法において、組成比に応じてＡｌ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｆｅ，ＭｎおよびＣｒ原料を変更したのみで、後は溶湯１の製造方法に準じて製造した。溶湯４を、Ａｌ−Ｍｇ_２Ｓｉの擬二元系状態図の固体相線温度である６００℃程度から３００℃までの冷却速度が７．１℃／ｓｅｃとなる条件で冷却し、Ａｌ合金材を製造した。

実施例６では、表１に示す金属成分組成を有するＡｌ合金の溶湯５を製造した。溶湯５は、溶湯１の製造方法において、組成比に応じてＡｌ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｆｅ，ＭｎおよびＣｒ原料を変更したのみで、後は溶湯１の製造方法に準じて製造した。溶湯５を、Ａｌ−Ｍｇ_２Ｓｉの擬二元系状態図の固体相線温度である６００℃程度から３００℃までの冷却速度が７．１℃／ｓｅｃとなる条件で冷却し、Ａｌ合金材を製造した。

（溶湯組成の比較）
溶湯１〜５と組成の異なる溶湯１１〜２３を調製した。表１に示すように、溶湯１〜５は、Ｓｉ，Ｍｇ，Ｆｅ，ＭｎおよびＣｒの含有量が本願に規定する範囲内であるＡｌ合金溶湯であり、溶湯１１〜２３は、Ｓｉ，Ｍｇ，Ｆｅ，ＭｎおよびＣｒの含有量の少なくとも１つが本願に規定する範囲外となっているＡｌ合金溶湯である。なお、溶湯１１の組成は、ＡＤＣ１０の組成に等しい。

（耐溶損性試験）
耐溶損性試験では、溶湯１〜５，１１〜２３の溶湯温度を７００℃に保持し、ＳＫＤ６１製の丸棒状の試験片（直径１４ｍｍ）を、所定長さ（２５ｍｍ）溶湯に浸漬し、９分間保持した。その後、エアブローおよび水酸化ナトリウム水溶液浴を行って、試験片に付着した溶湯を除去し、試験片の重量を測定した。表１に、耐溶損性試験前の試験片の重量を１００ｗｔ％とした場合の耐溶損試験前後の試験片の重量減少量を、「溶損量」として、ｗｔ％で示す。

表１に示すように、溶湯１〜５の溶損量は０．０１〜０．４２ｗｔ％であるのに対して、溶湯１１〜２３の溶損量は、０．８５〜２．８４ｗｔ％であり、溶湯１８以外では、溶損量は１．５ｗｔ％以上であった。この結果より、実施例に係る溶湯１〜５は、耐溶損性に優れていることが明らかになった。

（比較例）
比較例１，２では、表１に示す溶湯１を、Ａｌ−Ｍｇ_２Ｓｉの擬二元系状態図の固体相線温度である６００℃程度から３００℃までの冷却速度がそれぞれ３．１℃／ｓｅｃ，４．５℃／ｓｅｃとなる条件で冷却し、Ａｌ合金材を製造した。

比較例３では、溶湯２を、Ａｌ−Ｍｇ_２Ｓｉの擬二元系状態図の固体相線温度である６００℃程度から３００℃までの冷却速度が４．５℃／ｓｅｃとなる条件で冷却し、Ａｌ合金材を製造した。比較例４では、溶湯３を、Ａｌ−Ｍｇ_２Ｓｉの擬二元系状態図の固体相線温度である６００℃程度から３００℃までの冷却速度が４．５℃／ｓｅｃとなる条件で冷却し、Ａｌ合金材を製造した。

（Ａｌ合金材の顕微鏡観察）
図２〜１１は、それぞれ実施例１〜６および比較例１〜４に係るＡｌ合金材の顕微鏡写真である。溶湯１を用いた実施例１，２と比較例１，２を比較すると、図８，９に示すように、比較例１，２に係るＡｌ合金材では、矢印で示すような針状または板状の粗大な化合物が観察された。これは、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ化合物，Ａｌ−Ｆｅ−Ｃｒ化合物，Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ化合物等であると考えられる。このような針状または板状の粗大な化合物は、Ａｌ合金材の機械的特性を低下させる原因となる。これに対して、図２，３では、図８，９に観察されたような針状または板状の粗大な化合物が殆ど観察されていない。実施例１，２に係るＡｌ合金材は、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ化合物，Ａｌ−Ｆｅ−Ｃｒ化合物，Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ化合物等のＡｌ合金材の機械的特性を低下させる針状または板状の粗大な化合物を殆ど含んでおらず、機械的特性に優れている。

同様に、溶湯２，３を用いた比較例３，４に係る合金材では、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ化合物，Ａｌ−Ｆｅ−Ｃｒ化合物，Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ化合物等であると考えられる、針状または板状の粗大な化合物が観察された。これに対して、溶湯２〜５を用いた実施例３〜６では、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ化合物，Ａｌ−Ｆｅ−Ｃｒ化合物，Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ化合物等であると考えられる、針状または板状の粗大な化合物が殆ど観察されなかった。

上記のとおり、本願の実施例によれば、耐溶損性および機械的特性に優れたＡｌ合金材およびその製造方法を提供することができる。上記のとおり、溶湯１〜５を用いることによって、耐溶損性を確保することができた。さらに溶湯１〜５をＡｌ−Ｍｇ_２Ｓｉの擬二元系状態図の固体相線温度から３００℃までの冷却速度が５℃／ｓｅｃ以上という条件で冷却した結果、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ化合物，Ａｌ−Ｆｅ−Ｃｒ化合物，Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ化合物等のＡｌ合金材の機械的特性を低下させる針状または板状の粗大な化合物を殆ど含んでおらず、機械的特性に優れているＡｌ合金材を得ることができた。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

Claims

９．５〜１２．０ｗｔ％のケイ素と、０．０５〜０．５ｗｔ％のマグネシウムと、０．５〜１．５ｗｔ％の鉄と、０．０５〜０．５ｗｔ％のマンガンと、０．１〜０．５ｗｔ％のクロムとを含み、残部がアルミニウムおよび不可避不純物であるアルミニウム合金材であって、
Ａｌ−Ｍｇ_２Ｓｉの擬二元系状態図の固体相線温度から３００℃までの冷却速度が５℃／ｓｅｃ以上という条件で、前記アルミニウム合金材の原料溶湯を冷却することによって製造される、アルミニウム合金材。
９．５〜１２．０ｗｔ％のケイ素と、０．０５〜０．５ｗｔ％のマグネシウムと、０．５〜１．５ｗｔ％の鉄と、０．０５〜０．５ｗｔ％のマンガンと、０．１〜０．５ｗｔ％のクロムとを含み、残部がアルミニウムおよび不可避不純物であるアルミニウム合金材の製造方法であって、
前記アルミニウム合金材の原料溶湯を、Ａｌ−Ｍｇ_２Ｓｉの擬二元系状態図の固体相線温度から３００℃までの冷却速度が５℃／ｓｅｃ以上という条件で冷却する、アルミニウム合金材の製造方法。