JP2013066920A - アルミニウム合金鋳造素材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】不可避的に含有されている鉄系晶出物による二次的不具合を解消したアルミニウム合金鋳造素材の製造方法を提供する。
【解決手段】ＡＣ４Ｃ材のアルミニウム合金の溶湯Ｍを容器１に注湯して半溶融鋳造法のための素材（ビレット）を製造する方法である。容器１への溶湯Ｍの注湯後に、超音波振動付加装置４Ａ〜４Ｄにて複数の方向から超音波振動を付加する。超音波振動付加装置４Ａの振動子７のみを溶湯Ｍに浸漬させる。溶湯Ｍの中心部の鉄系晶出物粗大化領域Ｑに向けて複数方向から指向性をもって、且つ溶湯Ｍの液相線温度から固相線温度までの温度域にて超音波振動を付加するものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルミニウム合金の溶湯をステンレス製その他の所定の容器に注湯して、半溶融鋳造法（チクソ鋳造法またはチクソキャスティング法とも称される。）のためのいわゆるビレットと称されるアルミニウム合金鋳造素材を製造する方法に関する。

半溶融鋳造法に適したいわゆるビレットと称されるアルミニウム合金鋳造素材を製造する技術として、例えば特許文献１および特許文献２に記載されているように、温度管理された所定サイズの円筒状のステンレス容器にアルミニウム合金の溶湯を注湯するようにしたものが知られている。なお、半溶融鋳造法は、上記のようにして製造されたビレットを固相と液相とが共存する半溶融状態まで温めた上で所定の金型に充填して製品とするもので、一般的な溶湯鋳造法と比べて、冷却速度を速め、製品の機械的性質の向上に寄与できるとされている。

特許第４０８４８２１号公報 特開２０１０−１５５２６２号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載された技術では、製造されるビレットの大きさ、ひいては使用するステンレス容器の大きさに自ずと制約があり、生産性の向上および製造しようとする製品の大型化を図るべく大容量のビレットを製造しようとすると、内部に鉄（Ｆｅ）系晶出物の粗大化組織が生成されてしまう傾向がある。この傾向は例えばＡＣ４ＣＨ材よりもＡＣ４Ｃ材に顕著で、鉄分（Ｆｅ）の増加により破壊モードが変化し、最終製品の機械的性質である伸びが低下してしまうこととなって好ましくない。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、不可避的に含有されている鉄系晶出物による二次的不具合を解消したいわゆるビレットであるところのアルミニウム合金鋳造素材の製造方法を提供するものである。

本発明は、アルミニウム合金の溶湯を所定の容器に注湯して半溶融鋳造法のための素材（ビレット）を製造するにあたって、容器に注湯した溶湯に対して複数の方向から超音波振動を付加するようにしたものである。

本発明によれば、複数の方向から超音波振動を付加することによって、溶湯に含まれる鉄系晶出物が短時間で粒状化されるとともに微細化されることになるので、ビレットたるアルミニウム合金鋳造素材を大容量化しても、組織全体が均質のものを容易に得ることができる。

本発明の第１の実施の形態として本発明の実施に供される注湯設備の概略説明図。 注湯後の溶湯の温度変化を示す特性図。 溶湯の温度と各晶出物の晶出タイミングとの関係を示す説明図。 超音波振動を付加しない場合のビレットの組織の顕微鏡写真。 固相線線温度近傍にて超音波振動を付加した場合のビレットの組織の顕微鏡写真。 固相線温度から液相線温度までの温度域で超音波振動を付加した場合のビレットの組織の顕微鏡写真。 本発明の第２の実施の形態として本発明の実施に供される注湯設備の概略説明図。

図１は本発明に係るアルミニウム合金鋳造素材の製造方法を実施するためのより具体的な第１の形態を示す図である。

同図に示すように、耐熱性に優れた耐火煉瓦を底板２としてその上にステンレス製の円筒状のケーシング３を載置するとともに、底板２との継ぎ目に所定のシール性を確保して、耐火煉瓦製の底板２を含むケーシング３を注湯のための容器１とする。この容器１は製造しようとするビレット、すなわち半溶融鋳造のためのアルミニウム合金鋳造素材のサイズに対応しているものであり、後述するように図示外の溶解炉等で溶解されたアルミニウム合金の溶湯Ｍが容器１に注湯されることになる。

また、容器１とは別に複数（図１の例では４組）の超音波振動付加装置４Ａ〜４Ｄを用意する。これらの複数の超音波振動付加装置４Ａ〜４Ｄはいずれも同じ構造のもので、超音波振動付加装置４Ａ〜４Ｄは、超音波発振器５と冷却装置６および例えばチタン製の振動子（ホーン）７とからなり、各超音波振動付加装置４Ａ〜４Ｄごとに独立した操作盤８での条件設定および操作により所定周波数の超音波振動が振動子７から発せられる。なお、図１では一つの超音波振動付加装置４Ａの操作盤８のみを図示し、それ以外の超音波振動付加装置４Ｂ〜４Ｄの操作盤８は図示省略してある。また、各超音波振動付加装置４Ａ〜４Ｄごとに独立して条件設定および操作が可能であれば、操作盤８が単一のものとして集約化されていても良い。

そして、溶湯Ｍが注湯された容器１の軸心上において上側の超音波振動付加装置４Ａの振動子７と下側の超音波振動付加装置４Ｃの振動子７とが正対するようにそれぞれの超音波振動付加装置４Ａ，４Ｃを配置するとともに、溶湯Ｍが注湯された容器１の高さ方向中央部の直径方向において左右の超音波振動付加装置４Ｂ，４Ｄの振動子７同士が正対するようにそれぞれの超音波振動付加装置４Ｂ，４Ｄを配置してある。

さらに複数の超音波振動付加装置４Ａ〜４Ｄのうち上側の超音波振動付加装置４Ａの振動子７については溶湯Ｍに直接浸漬させるようになっているものの、それ以外の超音波振動付加装置４Ｂ〜４Ｃの振動子７については底板２またはケーシング３の穴に挿入するだけで、容器１内の溶湯Ｍには直接接触しないようにしてある。これよって、容器１に注湯された溶湯Ｍに対して複数の方向、すなわち容器１の軸心方向で正対する２方向と容器１の直径方向で正対する２方向の合計４方向からそれぞれに超音波振動を付加することができるようになっている。

ここでは、図示外の溶解炉で溶解されたＡＣ４Ｃ相当のアルミニウム合金の溶湯Ｍをラドル等を用いて所定量だけ容器１に注湯したならば、所定のタイミングで容器１内の溶湯Ｍに対して各超音波振動付加装置４Ａ〜４Ｄから所定周波数の超音波振動を直接的に付加するものとする。なお、この場合において、上側の超音波振動付加装置４Ａの振動子７のみを溶湯Ｍ中に浸漬させ、それ以外の各超音波振動付加装置４Ｂ〜４Ｄの振動子７については溶湯Ｍに直接接触していないことは先に述べたとおりである。

さらに、複数の方向から付加された超音波振動が重畳したり干渉したりして互いに逆位相の関係になると、それぞれの超音波振動が互いに打ち消し合って、特定の目的をもって付加した超音波振動が減衰してしまう可能性がある。そこで、このような超音波振動の減衰が発生しないように、言い換えるならばそれぞれの超音波振動付加装置４Ａ〜４Ｄから発せられる超音波振動の周波数が互いに異なるように、制御盤８の操作にてそれぞれの超音波振動付加装置４Ａ〜４Ｄからの発振周波数を予め個別に調整または制御するものとする。

ここで、容器１の大型化によって、製造するビレットの大容量化を図ろうとすると、相対的に凝固が遅れ気味となる溶湯Ｍの中心部で鉄（Ｆｅ）系晶出物の粗大化組織（領域）Ｑが生成される傾向にあることは先に述べた。このため、そのまま凝固が進行すると偏析により鉄系晶出物の組織が不均一になり、ビレットの組織としても均質のものが得られないことになる。

そこで、複数の超音波振動付加装置４Ａ〜４Ｄの振動子７から溶湯Ｍの中心部の鉄系晶出物の粗大化組織Ｑに向けて、複数の方向から指向性をもって超音波振動を直接的に付加するものとする。この場合、超音波同士の干渉によって超音波振動の減衰が発生しないように、各超音波振動の周波数が予め調整または制御さていることは先に述べたとおりである。超音波振動を溶湯Ｍに直接的に付加するのは、粗大化しようとする鉄系晶出物の組織Ｑを破壊して当該組織の粒状化および微細化を図り、もって製造されるビレットの組織を均一または均質なものとするためである。また、複数の方向から超音波振動を付加することで溶湯Ｍの振動を増幅させ、広範囲にわたって且つ短時間のうちに鉄系晶出物の粒状化および微細化を図ることができる。特に図１に示すように各振動子７の先端を半球状のものとしてあると、振動付加範囲を広域化する上で有利となる。

図２は溶湯Ｍの温度変化を、図３はＡＣ４Ｃ相当のアルミニウム合金の溶湯Ｍの温度と各晶出物の生成・晶出のタイミングとの関係をそれぞれ示している。同図から明らかなように、液相線温度よりもわずかに高い温度域で鉄系晶出物のうちでもα鉄の晶出が見られるようになり、同様に固相線温度よりもわずかに高い温度域で鉄系晶出物のうちでもβ鉄の晶出が見られるようになるので、超音波振動を付加する温度域としては、図３に示すように、共に鉄系晶出物の晶出タイミングに近い液相線温度、またはその近傍から固相線温度もしくはその近傍までの温度域とする。

また、鉄系晶出物のうちでもβ鉄の晶出物のみに着目した場合には、図３から明らかなように、β鉄の晶出物の晶出タイミングは固相線温度よりもわずかに高温側の温度域であることから、固相線温度の近傍の温度域、より望ましくは固相線温度近傍であって且つ固相線温度よりもわずかに高温側から固相線温度までの温度域で超音波振動を付加するものとする。

この固相線温度の近傍の温度域にて超音波振動を付加する場合には、その名のとおり溶湯Ｍの表層部では凝固が進行しているので、超音波振動付加装置４Ａの振動子７を溶湯Ｍに浸漬することなく、溶湯Ｍの上面の固相化層または凝固層に振動子７を当接させた状態で超音波振動を付加するものとする。こうすることにより振動子７の摩耗も抑制することができる。

このように溶湯Ｍの凝固が進行する過程で複数の方向から超音波振動を付加することにより、溶湯Ｍ内での鉄系晶出物の粗大化組織Ｑの生成が阻止されて、その鉄系晶出物の粒状化と微細化が促進されることになる。そのため、製造しようとするビレットの組織の中に粒状化と微細化とが図られた鉄系晶出物が均等に分散するかたちとなり、ビレットを大容量化しても組織全体の均一化と均質化が図れるようになる。なお、必要に応じて溶湯Ｍの温度低下に伴い各超音波振動付加装置４Ａ〜４Ｄの発振周波数を変更するようにしても良い。

そして、超音波振動の付加後はそのまま静置して自然凝固による固化を待てば、目的とする組成のアルミニウム合金鋳造素材たるビレットを得ることができる。

図４は超音波振動を付加しない場合のビレットの組織の顕微鏡写真を、図５は固相線線温度近傍にて超音波振動を付加した場合のビレットの組織の顕微鏡写真を、また図６は固相線温度から液相線温度までの温度域で超音波振動を付加した場合のビレットの組織の顕微鏡写真をそれぞれ示している。

図４では、同図の中央部に一番問題としている鉄（Ｆｅ）系晶出物の板状の形態が筋状に現れている。この形態では、製品の延性低下ひいては機械的特性に大きな影響を与えることになる。図５では、図４と異なり鉄系晶出物が粒状をなして分散している様子がうかがえる。この形態が最も望ましく、製品の機械的特性への影響は小さいものとなる。図６では、鉄系晶出物が比較的大きな粒状または球状に凝集した形態が現れており、図４に示した鉄系晶出物の板状の形態に比べて、製品の機械的特性への影響は小さいものとなる。ただし、機械加工時等に抜け落ちることで製品に空洞ができる可能性を残している。

なお、こうして得られたビレットは、電磁誘導加熱法等により再加熱して半溶融状態とした上で、例えばスクイズダイカスト法（ＳＤＣ法または層流充填ダイカスト法とも称される。）のもとで所定の金型に充填して、自動車部品等の製造に供されることになる。なお、ダイカスト鋳造法としてはスクイズダイカスト法に限らないことは言うまでもない。

本発明者等は、上記のようにして製造されたＡＣ４Ｃ材相当のビレット（アルミニウム合金鋳造素材）を用いて、自動車のステアリングナックルおよびリアアクスルハウジングをスクイズダイカスト法にて試作してみた。その結果、一般的なＡＣ４Ｃ材ではＡＣ４ＣＨ材等に比べてＦｅ量が多いことから製品の伸びが低下するとされているにもかかわらず、本発明のビレットを用いた場合には製品の延びの低下が抑制され、逆に製品の伸びが向上することを確認できた。

図７は本発明に係るアルミニウム合金鋳造素材の製造方法を実施するためのより具体的な第２の形態を示す図で、図１と共通する部分には同一符号を付してある。

この第２の形態では、単一の超音波振動付加装置４において一対の振動子７Ａ，７Ｂを互いに平行に並設し、これら一対の振動子７Ａ，７Ｂから溶湯Ｍ内の鉄系晶出物の粗大化組織（領域）Ｑに向けて、共に同じ周波数の超音波振動を付加するようにしたものである。この第２の形態においても図１に示した第１の形態のものと同等の効果が得られることになる。

１…容器
２…底板
３…ケーシング
４…超音波振動付加装置
４Ａ〜４Ｄ…超音波振動付加装置
７…振動子
７Ａ，７Ｂ…振動子
Ｍ…溶湯
Ｑ…鉄系晶出物の粗大化領域

Claims (9)

1. アルミニウム合金の溶湯を所定の容器に注湯して半溶融鋳造法のための素材を製造する方法であって、
   容器に注湯した溶湯に対して複数の方向から超音波振動を付加することを特徴とするアルミニウム合金鋳造素材の製造方法。
2. 容器に注湯した溶湯のうち中心部における鉄系晶出物の粗大化領域に向けて複数の方向から超音波振動を付加することを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金鋳造素材の製造方法。
3. 複数の方向から付加される超音波振動が互いに干渉して減衰することがないように、それぞれの方向からの超音波振動の周波数を個別に調整することを特徴とする請求項２に記載のアルミニウム合金鋳造素材の製造方法。
4. 複数の方向からの超音波振動はそれぞれに独立した超音波振動付加装置によって発せられるようになっていて、少なくともいずれか一つの超音波振動付加装置における振動子の先端形状を半球状のものとしてあることを特徴とする請求項３に記載のアルミニウム合金鋳造素材の製造方法。
5. 容器に注湯した溶湯の固相線温度近傍の温度域にて超音波振動を付加することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のアルミニウム合金鋳造素材の製造方法。
6. 上記溶湯の固相線温度が５５２℃であることを特徴とする請求項５に記載のアルミニウム合金鋳造素材の製造方法。
7. 容器に注湯した溶湯の液相線温度から固相線温度までの温度域にて超音波振動を付加することを特徴とする請求項６に記載のアルミニウム合金鋳造素材の製造方法。
8. 上記溶湯の液相線温度が６１５℃であることを特徴とする請求項７に記載のアルミニウム合金鋳造素材の製造方法。
9. アルミニウム合金がＡＣ４Ｃ材であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載のアルミニウム合金鋳造素材の製造方法。