JP2015071189A

JP2015071189A - Ａｌ粒子とＴｉ粒子を用いた鋳造Ａｌ用結晶粒微細化剤および当該微細化剤を用いた鋳造材の製造方法

Info

Publication number: JP2015071189A
Application number: JP2014153765A
Authority: JP
Inventors: 渡辺　義見; Yoshimi Watanabe; 義見渡辺; 佐藤　尚; Takashi Sato; 尚佐藤; 素子山田; Motoko Yamada
Original assignee: Nagoya Institute of Technology NUC
Current assignee: Nagoya Institute of Technology NUC
Priority date: 2013-09-05
Filing date: 2014-07-29
Publication date: 2015-04-16

Abstract

【課題】簡便かつ低コストで、結晶粒微細化効果の大きい、鋳造Ａｌ用あるいは鋳造Ａｌ合金用結晶粒微細化剤および当該微細化剤を用いた鋳造材の製造方法を提供することである。
【解決手段】Ａｌ粉末もしくはＡｌ合金粉末とＴｉ粉末とを焼結して得られるＡｌ用もしくはＡｌ合金用の結晶粒微細化剤。前記Ａｌ用もしくはＡｌ合金用の結晶粒微細化剤を溶解中のＡｌもしくはＡｌ合金に投入し、撹拌後に鋳込みを行う、Ａｌ鋳造材もしくはＡｌ合金鋳造材の製造方法。
【選択図】図８

Description

本発明は、Ａｌ粒子とＴｉ粒子との焼結によって作製した鋳造Ａｌ用の結晶粒微細化剤に関するものである。

金属および合金の代表的な加工法の一つに鋳造法がある。鋳造法は、複雑で滑らかな形状の製品が作製可能であることや比較的大きな部材を容易に製造できる特長を有する。しかし、鋳造材は、冷却速度の影響によって粗大な柱状晶を有する場合が多く、強度向上等のために、その組織微細化が必要とされている。Ａｌ鋳造材およびＡｌ合金鋳造材における組織微細化方法として、Ａｌ−Ｔｉ−Ｘ（Ｘ＝Ｂ，Ｃ）の組成を有する結晶粒微細化剤をＡｌ溶湯中に添加する方法がある。このような結晶粒微細化剤にはＡｌ_３Ｔｉ粒子やＴｉＢ_２粒子がＡｌ母相中に存在しており、特に金属間化合物であるＤ０_２２構造を有するＡｌ_３Ｔｉ粒子がＡｌ鋳造材の凝固における異質核として作用することでＡｌ鋳造材の結晶粒を微細化する。

ところで、このような凝固過程において有効な異質核となるためには，異質核物質と鋳造材との界面エネルギーが小さいことが必要である．また、非特許文献１に示すように異質核物質と鋳造材の結晶格子の低指数面における原子配列の不整合度δ（以下の数式１）により異質核物質の有効性が議論できる。

ここで、ａは不均質核物質の低指数面の格子定数、ａ_０は鋳造材の低指数面の格子定数である。δが小さいほど原子配列の整合性がよく、界面エネルギーが小さい。この値が１０％以下であると不均質核として有効に働く。さらに、Ａｌ_３Ｔｉ粒子とＡｌのような結晶系の異なる物質における不整合度を記述する方法として、非特許文献１では、より具体的に以下の数式２で算出できる平面不整合度を提案している。

ここで、（ｈｋｌ）_ｓは異質核粒子の低次指数面、［ｕｖｗ］_ｓは（ｈｋｌ）_ｓ面の低次指数方向、（ｈｋｌ）_ｎは核生成する金属の低次指数面、［ｕｖｗ］_ｎは（ｈｋｌ）_ｎ面の低次指数方向、ｄ［ｕｖｗ］_ｓは［ｕｖｗ］_ｓ方向に沿った原子間距離、ｄ［ｕｖｗ］_ｎは［ｕｖｗ］_ｎ方向に沿った原子間距離、θは［ｕｖｗ］_ｓと［ｕｖｗ］_ｎとの間の角度を表している。図１に純Ａｌのｆｃｃ構造およびＡｌ_３ＴｉのＤ０_２２構造を示す。また、ＡｌとＡｌ_３Ｔｉの低次指数面間の格子対応と、その結晶学的方位関係における平面不整合度を図２に示す。

Ａｌ_３Ｔｉは結晶の対称性が悪いため、面によって平面不整合度が異なる。これらの面の中では、最小の平面不整合度は｛１１２｝_{Ａｌ３Ｔｉ}における２．１７％であるものの、最大では（００１）_{Ａｌ３Ｔｉ}における４．８９％となり、この面における整合性は低い。しかしながら、従来の結晶粒微細化剤中のＡｌ_３Ｔｉ粒子は板面が（００１）_{Ａｌ３Ｔｉ}である板形状を有し，不整合度が一番大きい面が圧倒的な割合で占有していた。市販の結晶粒微細化剤における板状Ａｌ_３Ｔｉ粒子のアスペクト比は０．０８であり、このアスペクト比をもとに図３に示すような板状Ａｌ_３Ｔｉ粒子を考えた場合、その平均不整合度は４．７８％となる。仮に、図４に示す球状粒子を考えた場合、平均不整合度は２．９９％まで下がり、高い微細化能を有することが期待される。従来、特許文献１に示すように、結晶粒微細化剤に対して巨大ひずみ加工を施すことでＡｌ_３Ｔｉ粒子のアスペクトを1 に近づけているが、球状Ａｌ_３Ｔｉ粒子を得るには至っていない。

特開２００５−３２９４５９号公報

神尾彰彦, "アルミニウム合金の凝固", 軽金属, Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．２（１９８１）ｐｐ．１３６ −１４７．

本発明の課題は、上記点に鑑みて、簡便で、結晶粒微細化効果の大きい、鋳造Ａｌあるいは鋳造Ａｌ合金用結晶粒微細化剤および当該微細化剤を用いた鋳造材の製造方法を提供することである。

本発明者らは、単にＡｌ粒子とＴｉ粒子と焼結した複合粒子を結晶粒微細化剤とすることで、上記課題を解決しうることを見出した。すなわち、本発明によれば、以下の結晶粒微細化剤および当該結晶粒微細化剤を用いた鋳造材の製造方法が提供される。

［１］Ａｌ粉末もしくはＡｌ合金粉末とＴｉ粉末とを焼結して得られるＡｌ用もしくはＡｌ合金用の結晶粒微細化剤。

［２］前記Ａｌ粉末とＴｉ粉末との体積比が８０〜９５：２０〜５である、前記［１］に記載のＡｌ用もしくはＡｌ合金用の結晶粒微細化剤。

［３］Ａｌ粉末もしくはＡｌ合金粉末とＴｉ粉末との焼結がプラズマ焼結である、前記［１］または［２］に記載のＡｌ用もしくはＡｌ合金用の結晶粒微細化剤。

［４］前記［１］〜［３］に記載のＡｌ用もしくはＡｌ合金用の結晶粒微細化剤を溶解中のＡｌもしくはＡｌ合金に投入し、撹拌後に鋳込みを行う、Ａｌ鋳造材もしくはＡｌ合金鋳造材の製造方法。

純Ａｌのｆｃｃ構造およびＡｌ_３ＴｉのＤ０_２２構造を示す模式図である。ＡｌとＡｌ_３Ｔｉの低次指数面間の格子対応と、その結晶学的方位関係における平面不整合度を示す模式図である。市販の結晶粒微細化剤における板状Ａｌ_３Ｔｉの形状を示す模式図である。球状Ａｌ_３Ｔｉ粒子の模式図である。Ａｌ−１０ｖｏｌ％Ｔｉ結晶粒微細化剤の組織を示す電子顕微鏡写真である。Ａｌ−１０ｖｏｌ％Ｔｉ結晶粒微細化剤のＸ線回折ピークである。（a）結晶粒微細化剤を添加せずに作製したＡｌ鋳造材の顕微鏡写真である。（ｂ）アルミニウム粒子のみを焼結した材料を添加したＡｌ鋳造材の光学顕微鏡写真である。（ｃ）保持時間０分の条件で鋳造したＡｌ−１０ｖｏｌ％Ｔｉ結晶粒微細化剤を添加したＡｌ鋳造材の顕微鏡写真である。（ｄ）保持時間１５分の条件で鋳造したＡｌ−１０ｖｏｌ％Ｔｉ結晶粒微細化剤を添加したＡｌ鋳造材の顕微鏡写真である。（ｅ）保持時間３０分の条件で鋳造したＡｌ−１０ｖｏｌ％Ｔｉ結晶粒微細化剤を添加したＡｌ鋳造材の顕微鏡写真である。（ｆ）保持時間１２０分の条件で鋳造したＡｌ−１０ｖｏｌ％Ｔｉ結晶粒微細化剤を添加したＡｌ鋳造材の顕微鏡写真である。Ａｌ−１０ｖｏｌ％Ｔｉ結晶粒微細化剤を用いたＡｌ鋳造材の平均結晶粒径と保持時間の関係を示す図面である。６００℃で２４時間時効したＡｌ−１０ｖｏｌ％Ｔｉ結晶粒微細化剤の組織を示す電子顕微鏡写真である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。

Ａｌ粒子と粒状Ｔｉ粒子とを焼結することにより、本来Ａｌとは平衡に存在できない粒状Ｔｉ粒子が分散したＡｌ−Ｔｉ複合結晶粒微細化剤を作製し、この結晶粒微細化剤をＡｌ溶湯中に添加したのち鋳造を行えば、３Ａｌ＋Ｔｉ⇒Ａｌ_３Ｔｉなる反応により凝固核が鋳造中に形成するため、母相結晶粒の微細化が生じる。また、形成するＡｌ_３Ｔｉが粒状Ｔｉ粒子の形状を引き継ぎ、その際の平均不整合度が球状Ａｌ_３Ｔｉ粒子の平均不整合度２．９９％に近くなるため、従来の結晶粒微細化剤に比べて、より微細化性能に優れた結晶粒微細化剤を得ることができる。さらに本発明の結晶粒微細化剤はＡｌ粒子とＴｉ粒子との焼結のみで作製することができるため、従来の結晶粒微細化剤に比べて簡便で低コストである。

本発明のＡｌ用もしくはＡｌ合金用結晶粒微細化剤は、Ａｌ粉末もしくはＡｌ合金粉末とＴｉ粉末とを抵抗加熱もしくは赤外線加熱により４００〜５５０℃で焼結して得られるが、より簡便には同温度での放電プラズマによる焼結が好ましい。また、Ａｌ粉末とＴｉ粉末との体積比が８０〜９５：２０〜５であることが好ましい。なお、Ａｌ粉末の純度は９９．５％以上が好ましく、粉末粒径は３０μｍ〜３００μｍが好ましい。一方、Ｔｉ粉末は、純度９９．５％以上が好ましく、粉末粒径は３０μｍ〜３００μｍが好ましい。焼結により得られたＡｌ用もしくはＡｌ合金用の結晶粒微細化剤を７００〜８５０℃で溶解中のＡｌもしくはＡｌ合金に投入し、撹拌後に鋳込みを行う。また、鋳造するＡｌもしくはＡｌ合金に対する結晶粒微細化剤の重量比は０．１〜２．０％が好ましい。なお、鋳造Ａｌ合金として、Ａｌ‐Ｃｕ合金などに適用できる。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１：結晶粒微細化剤の作製）
タンブラーシェーカーミキサーによりＡｌ粉末とＴｉ粉末の混合粉末を作製した。ここで、Ａｌ粉末の純度は９９．５％以上であり、粒径が５３μｍ〜1５０μｍである。Ｔｉ粉末は、純度９９．９％、粒径が９０μｍ〜１５０μｍであった。また、作製した混合粉末中のＴｉ粒子の体積分率（ｖｏｌ％）は１０％である。また、使用したＴｉ粉末は粒状である。その後、作製した混合粉末に対し、放電プラズマ焼結法にて、５００℃、５分保持の条件で焼結を行い、結晶粒微細化剤を作製した。図５は、作製したＡｌ−１０ｖｏｌ％Ｔｉ結晶粒微細化剤の組織を示す電子顕微鏡写真であり、Ｔｉ粒子が均一に分散していることが分かる。さらに、図６に示すＡｌ−１０ｖｏｌ％Ｔｉ結晶粒微細化剤のＸ線回折ピークにはＡｌとＴｉのピークが存在しており、金属間化合物であるＡｌ_３Ｔｉのピークは観察されなかった。よって、放電プラズマ焼結中におけるＡｌとＴｉの反応は生じていない。

（実施例２：結晶粒微細化剤を投入したＡｌ鋳造材の作製）
作製した微細化剤の性能を確認するため、次の手順でＡｌ鋳造実験を行った。１４８．８ｇの純Ａｌインゴット（純度９９．９９％）をアルミナ坩堝に入れ、電気抵抗炉を用いて７５０℃で溶解し、１．２ｇのＡｌ−１０ｖｏｌ％Ｔｉ結晶粒微細化剤を添加した。その際、Ａｌ溶湯の酸化を防ぐため、アルゴン雰囲気中にて純Ａｌを溶解した。微細化剤を添加した後に３０秒間撹拌し、その後一定時間の保持を行った後に鋳型に鋳込み、空冷した。使用した鋳型は、鉄鋼製の金型であり、内径４５ｍｍ、外径７０ｍｍおよび高さ７０ｍｍの寸法を有する。なお、比較試料を得るため、結晶粒微細化剤の添加を行わないＡｌ鋳造材およびＡｌ粒子のみを焼結した材料を添加したＡｌ鋳造材も作製した。

（結晶粒微細化剤の効果の確認）
図７（ａ）は結晶粒微細化剤を添加せずに作製したＡｌ鋳造材の光学顕微鏡写真であり、図７（ｂ）はアルミニウム粒子のみを焼結した材料を添加したＡｌ鋳造材の光学顕微鏡写真である。粗大な結晶が観察され、結晶粒微細化剤を添加しないＡｌ鋳造材の平均結晶粒径は３．６０６ｍｍ、アルミニウム粒子のみを焼結した材料を添加したＡｌ鋳造材の平均結晶粒径は５．７３６ｍｍであった。これに対して、図７（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）および（ｆ）はＡｌ−１０ｖｏｌ％Ｔｉ結晶粒微細化剤を添加したＡｌ鋳造材の光学顕微鏡写真であり、保持時間がそれぞれ０分、１５分、３０分および１２０分である。Ａｌ−１０ｖｏｌ％Ｔｉ結晶粒微細化剤を用いたＡｌ鋳造材の平均結晶粒径を図８に示す。Ａｌ−１０ｖｏｌ％Ｔｉ結晶粒微細化剤を添加した鋳造材の方が均質で微細な組織を有しており、結晶粒微細化剤が有効に働いていることが分かる。アルミニウム粒子のみを焼結した材料を同量添加した鋳造材では図７（ｂ）に示すように微細化は全く認められなかったため、Ａｌ−１０ｖｏｌ％Ｔｉ結晶粒微細化剤の添加による微細化の原因は微細化剤中のＡｌ酸化物によるものでなく、ＴｉとＡｌとが反応し、球状あるいは粒状のＡｌ_３Ｔｉが形成することに起因する。ＴｉとＡｌとの反応を確認するため、Ａｌ−１０ｖｏｌ％Ｔｉ結晶粒微細化剤を６００℃で２４時間時効したところ、図９に示すようにＡｌ_３Ｔｉの形成が確認された。また、図９より、従来添加剤を同条件で鋳造した場合に比べて、フェーディングが遅く発生することがわかる。これは、ＴｉとＡｌとの反応に時間がかかることによる。したがって、本発明によりフェーディングが遅延して発生する微細化剤の提供が可能となった。

本発明はＡｌもしくはＡｌ合金の鋳造に利用できる。

Claims

Ａｌ粉末もしくはＡｌ合金粉末とＴｉ粉末とを焼結して得られるＡｌ用もしくはＡｌ合金用の結晶粒微細化剤。
前記Ａｌ粉末とＴｉ粉末との体積比が８０〜９５：２０〜５である、請求項１に記載のＡｌ用もしくはＡｌ合金用の結晶粒微細化剤。
Ａｌ粉末もしくはＡｌ合金粉末とＴｉ粉末との焼結がプラズマ焼結である、請求項１または２に記載のＡｌ用もしくはＡｌ合金用の結晶粒微細化剤。
請求項１〜３に記載のＡｌ用もしくはＡｌ合金用の結晶粒微細化剤を溶解中のＡｌもしくはＡｌ合金に投入し、撹拌後に鋳込みを行う、Ａｌ鋳造材もしくはＡｌ合金鋳造材の製造方法。