JP2018065160A - 鋳造品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アルミニウム合金展伸材を用いてセミソリッドダイキャスト法により良好な形状の鋳造品を成型すること。
【解決手段】
本発明の鋳造品の製造方法は、固液共存状態におけるアルミニウム合金のスラリーを、セミソリッドダイキャスト法を用いて成型する鋳造品の製造方法であって、前記アルミニウム合金は、アルミニウム合金展伸材とケイ素を含むアルミニウム合金とを混合および溶解して得ることを特徴とする。これにより、湯流れが良好、かつ混合前のアルミニウム合金展伸材の特性を維持した鋳造品を製造することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、アルミニウム合金のうち展伸材を材料として、セミソリッドダイキャスト法を用いて成型し鋳造品を製造する方法、および鋳造品に関する。

アルミニウムは、マグネシウムに次いで軽い金属であること、高い電気伝導度を有すること、加工や熱処理により機械的性質を向上させることができること、表面の酸化物形成による耐食性を有すること、など、実用金属として良好な物理的性質、機械的性質、化学的性質、を有する。そして、添加元素により様々な特性を持つ合金を得ることができることから、自動車用材料、航空機用材料、建築用材料、各種機械部品、スポーツ用具、等に幅広く用いられている。

このようなアルミニウム合金のうち展伸材は鍛造や機械加工により成型されることを前提とした合金である。展伸材は、発色性に優れていたり、高い強度特性を有していたりと、同じアルミニウム合金のうち鋳造用合金にはない性質を有する合金も多い。

しかし、鍛造や機械加工での成型は、１つの製品あたりに必要な工数（生産サイクル）、型の費用、等の要因から、材料から最終製品形態までの仕上げに時間とコストがかかるという問題を有していた。

一方、鋳造を用いた成型は、最終製品形態に近い物を鋳造により成型することができ、鍛造や機械加工での成型に比べ、最終製品形態までの仕上げの時間やコストはより低くなる。

近年、固相と液相が共存した半溶融状態の材料を用いてダイキャスト法により鋳造品を作るセミソリッドダイキャスト法が注目されている。セミソリッドダイキャスト法は、従来の溶融金属（液相）を材料としたダイキャスト法に比べ、空気巻き込みによる鋳巣・収縮凝固による割れ・引け巣・偏析などの鋳造欠陥が少ない、半溶融状態の材料を用いるので鋳込み温度が低く金型の寿命が長い、といった特徴を有する。

こうした状況の下、ダイキャスト法、あるいはセミソリッドダイキャスト法を用いてアルミニウム合金展伸材を鋳造プロセスにより成型する工夫が見られる。例えば、特許文献１、２、３はダイキャストマシンの構成に工夫を施したものであり、特許文献４、５、６、７は合金組成や熱処理等に工夫を施したものである。

特開２００３−１６４９５５号公報 ＷＯ２００９／０６６７７６号公報 特開平９−１９２８１１号公報 特開平９−１４３６０５号公報 特開平９−６７６３５号公報 特開２００４−１２４１８１号公報 特開２００５−１５４７８６号公報

しかし、特許文献４、５、６、７に記載されたような組成を有するアルミニウム合金は、インゴット作成時に組成を調整して特別に作成する必要があり、既存のアルミニウム合金展伸材のインゴットを使用することはできず、最終鋳造品のコストアップの要因になるという課題があった。

また、特許文献１，２，３に記載のダイキャストマシンは特別な仕様のため、従来のダイキャストマシンを用いてアルミニウム合金展伸材の鋳造品を製造することはできない。

本発明の目的は、セミソリッドダイキャスト法を用いて既存のアルミニウム合金展伸材を利用して鋳造品を成型することにある。

以下、本項において発明とは、出願時の特許請求の範囲に記載されている発明をいう。
第１の発明は、以下の発明である。
固液共存状態におけるアルミニウム合金のスラリーを、セミソリッドダイキャスト法を用いて成型する鋳造品の製造方法であって、
前記アルミニウム合金は、アルミニウム合金展伸材とケイ素を含むアルミニウム合金とを混合および溶解して得る、
鋳造品の製造方法。
「固液共存状態」とは、液相を冷却して液相に初晶が析出している状態や、固相の共晶合金を加熱して固相の一部が液相となっている状態など、一般的に液相と固相とが共存している状態をいう。
「スラリー」とは、懸濁体、泥状体の物質をいい、流動性の大小は問わず流動性のある状態であれば足りる。
「セミソリッドダイキャスト法」とは、固液共存状態の材料（スラリー）をダイキャスト法で成型する方法であり、ダイキャスト法とは、金属製鋳型に溶融金属を圧力注入する方法をいう。
「鋳造品」とは、セミソリッドダイキャスト法で成型した直後の鋳造品の他、当該鋳造品に対し機械的手段等を用いて加工後の、かつ／あるいは熱処理を加えた後の最終鋳造品を含む。
「アルミニウム合金展伸材」とは、アルミニウム合金のうち加工用、鍛造用に用いるものをいう。あるいは、アルミニウム合金のうち鋳造用に用いる鋳造用合金を除いたものをいう。
「混合および溶解」とは、固体のアルミニウム合金展伸材とケイ素を含む固体のアルミニウム合金を混合した後、加熱して両方を溶解する場合の他、どちらか一方のアルミニウム合金を溶解した後、他方の固体のアルミニウム合金を混合し溶解する場合、それぞれのアルミニウム合金を別々に溶解した後、両方の液体のアルミニウム合金を混合する場合、のいずれの場合も含む。

第２の発明は、以下の発明である。
前記アルミニウム合金展伸材として、合金番号６０００番代、あるいは合金番号７０００番代のアルミニウム合金を用いる第１の発明記載の鋳造品の製造方法。
「６０００番代」とは、アメリカアルミニウム規格（ＡＡ規格）の分類のうち、合金番号が６０００番代のアルミニウム合金（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金）をいう、例えば６０６１材、６０６３材、６１０１材、などが挙げられる。
「７０００番代」とは、アメリカアルミニウム規格（ＡＡ規格）の分類のうち、合金番号が７０００番代のアルミニウム合金（Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ合金、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金）をいう。例えば、７０７５材（超々ジュラルミン）、７Ｎ０１材、などが挙げられる。

第３の発明は、以下の発明である。
前記アルミニウム合金展伸材として、６０６１材、あるいは７０７５材を用いる第２の発明記載の鋳造品の製造方法。

第４の発明は、以下の発明である。
ケイ素を含む前記アルミニウム合金として、ハイシリコン系アルミダイキャスト合金を用いる第１の発明記載の鋳造品の製造方法。
「ハイシリコン系アルミダイキャスト合金」とは、シリコンを９．６重量％以上、望ましくは１４．０重量％含むダイキャスト用のアルミニウム鋳造材であり、ＡＤＣ１２材、ＡＤＣ１４材、あるいはＮＨ−４１材が例として挙げられる。

第５の発明は、以下の発明である。
前記鋳造品は、２．５〜３．５重量％のケイ素を含む第１の発明記載の鋳造品の製造方法。

第６の発明は、以下の発明である。
前記鋳造品は、２．７〜３．３重量％のケイ素を含む第１の発明記載の鋳造品の製造方法。

第７の発明は、以下の発明である。
前記鋳造品は、２．５〜３．５重量％のケイ素、銅、および鉄の合計を含む第１の発明記載の鋳造品の製造方法。

本発明の鋳造品の製造方法によれば、アルミニウム合金展伸材の有する性質を維持したまま、鋳造欠陥の発生を少なくするとともに、最終製品までにかかる時間及びコストを低減することができる。

セミソリッドダイキャスト法による本発明の鋳造品の製造プロセスの説明図 本発明で用いるアルミニウム合金展伸材を説明する説明図 本発明の実施例１，２における最終鋳造品の合金組成を説明する説明図 本発明の実施例１における最終鋳造品の引張試験等の結果を説明する説明図 本発明の実施例２における最終鋳造品の引張試験等の結果を説明する説明図 本発明の実施例１，２における最終鋳造品の良品率を説明する説明図 本発明の実施例１における鋳造品の外観図 本発明の実施例２における鋳造品の外観図 本発明の実施例１における最終鋳造品の外観図

以下、本発明の実施形態の鋳造品の製造方法について、図面を参照して説明する。

（１）本発明で用いたセミソリッドダイキャスト法の概要

図１は、セミソリッドダイキャスト法による本発明の鋳造品の製造プロセスの説明図である。
まず電気溶解炉１０１で、鋳込み材料であるアルミニウム合金展伸材のインゴットを溶解する。アルミニウム合金展伸材については（２）で詳述する。そして、溶解したアルミニウム合金展伸材の中に、ケイ素を含むアルミニウム合金のインゴットを加え溶解した。ケイ素を含むアルミニウム合金については（３）で詳述する。

混合・溶解したアルミニウム合金は、平衡状態図でいうところの液相線と固相線とで挟まれた領域である固液共存領域の温度に保持されることにより、固液共存状態のセミソリッドスラリー（以下、「スラリー」という。図中では「Ｓ」と表記する。）を生成する。

次に、スラリー化したアルミニウム合金は、電磁撹拌装置１０２のスラリーカップ１０３に移され、８秒から１０秒の間、電磁撹拌される。これにより、固相が約２０〜２５μｍの微細かつ粒状化されたスラリーが生成される。

電磁撹拌装置１０２で生成されたスラリーは、ダイキャストマシン１０４のスリーブ１０５に投入される。そして、スリーブ１０５に沿って移動するよう構成されたプランジャー１０６により、スリーブ１０５に投入されたスラリーは、固定金型１０７と移動金型１０８で構成された金型の空隙部１０９に射出される。

鋳込み終了後、移動金型１０８を移動させて、鋳造品１１０を取り出す。そして、機械加工で押し湯、および固定金型１０７と移動金型１０８との接触面に流れ出て形成されたバリ等を取り除き所定の形状に仕上げた後、所定の熱処理を施して最終鋳造品１１１を得る。熱処理は、Ａｌｃｏａで用いられる記号でＴ６相当の熱処理を行った。

（２）アルミニウム合金展伸材として用いることができる材料
図２は、本発明で用いることができるアルミニウム合金展伸材を例示した説明図である。本発明で用いるアルミニウム合金展伸材としては、アメリカアルミニウム規格（ＡＡ規格）の分類のうち、合金番号が６０００番代のアルミニウム合金（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金）、合金番号が７０００番代のアルミニウム合金（Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ合金、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金）、の他、合金番号が２０００番代のアルミニウム合金（Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ合金）が挙げられる。なお、いずれの材料も、ダイキャスト法やセミダイキャスト法を用いて鋳造プロセスにより成型することが困難な材料である。

６０００番代の合金としては、６０６１材、６０６３材、６１０１材、が挙げられる。６０６１材は強度が高く、また不純物が少なく純アルミニウムに近いため、アルマイト発色性に優れている。６１０１材は強度が高く、かつ電気伝導度に優れている。

７０００番代の合金としては、７０７５材、７Ｎ０１材、が挙げられる。７０７５材はアルミニウム合金中最高の強さを持つ超々ジュラルミンとして知られ、高い強度特性を有する。７Ｎ０１材も強高度材料であり、かつ溶接性に優れるという特徴を有する。

２０００番代の合金としては、２０１４材、２０１７材、２０２４材が挙げられる。このうち２０１７材はジュラルミン、２０２４材は超ジュラルミンとして知られ、強い引張強さを有する。

なお、これらの合金は例示であって、その他のアルミニウム合金展伸材を除く趣旨ではない。

（３）ケイ素を含むアルミニウム合金

アルミニウム合金展伸材に加えるケイ素を含むアルミニウム合金としては、例えばＡＤＣ１４、ＡＤＣ１２、あるいはＮＨ−４１材（日軽金アクト株式会社製）などのダイキャスト用鋳造合金が挙げられる。これらの合金はケイ素の含有率が９．６％以上と高いため、通常のダイキャスト法では使用可能であるが、セミソリッドダイキャスト法ではスラリーの生成が困難であり単体では使用が難しい合金であった。その他、アルミニウム合金展伸材である４０００番代のアルミニウム合金（Ａｌ−Ｓｉ合金）もケイ素を含むアルミニウム合金として使用可能である。

（４）混合・溶解後のアルミニウム合金
このように、アルミニウム合金展伸材とケイ素を含むアルミニウム合金とを混合、溶解する場合、ケイ素の含有率が２．５〜３．５重量％となるように両者の混合比を決める。ケイ素の含有率が２．５％を下回ると湯流れ性が悪くなり、３．５％を超えると混合前のアルミニウム合金展伸材の特性が変化又は失われる。なお、湯流れ性と混合前のアルミニウム合金展伸材の特性とが両立する範囲として、ケイ素の含有率が２．７〜３．３重量％となるように両者を混合するのがより望ましい。

また、ケイ素の他、銅、及び鉄も、湯流れ性を改善するのに役立つ元素である。したがって、ケイ素、銅、鉄の合計の含有率が２．５〜３．５重量％となるように、アルミニウム合金展伸材とケイ素を含むアルミニウム合金とを混合、溶解してもよい。合計含有率が２．５％を下回ると湯流れ性が悪くなり、３．５％を超えると混合前のアルミニウム合金展伸材の特性が変化又は失われる。

（５）鋳造品の実施例

（実施例１）
鋳込み材料であるアルミニウム合金展伸材について、本実施例では合金番号６０００番代の６０６１材を用いた。また、ケイ素を含むアルミニウム合金について、本実施例ではハイシリコン系アルミダイカスト合金であるＮＨ−４１材（日軽金アクト株式会社製）を用いた。混合比率は、６０６１材とＮＨ−４１材を重量比で５：１の割合とした。

そして、成型した鋳造品１１０に対し、Ｔ６相当の熱処理として、溶体化処理を５２０℃で４時間行った後、１６０℃で６時間の時効処理（焼き戻し）を行った。なお、Ｔ６相当の熱処理の後、アルマイト処理を行なった。

（実施例２）

鋳込み材料であるアルミニウム合金展伸材について、本実施例では合金番号７０００番代の７０７５材（超々ジュラルミン）を用いた。また、ケイ素を含むアルミニウム合金について、本実施例では実施例１と同様、ハイシリコン系アルミダイカスト合金であるＮＨ−４１材（日軽金アクト株式会社製）を用いた。混合比率は、７０７５材とＮＨ−４１材を重量比で５：１の割合とした。

そして、成型した鋳造品１１０に対し、Ｔ６相当の熱処理として、溶体化処理を４８０℃で８時間行った後、１２０℃で２４時間の時効処理（焼き戻し）を行った。

（６）各実施例の鋳造品の特性
実施例１、実施例２で成型し得られた最終鋳造品１１１について、それぞれの特性を説明する。

図３は、実施例１、実施例２で成型した最終鋳造品１１１の合金組成を説明する説明図である。合金組成は、ＩＣＰ発光分析装置を用いて分析を行なった。

図３（ａ）は、アルミニウム合金展伸材として６０６１材を用いた場合（実施例１）の合金組成表である。図３（ｂ）は６０６１材単体、図３（ｃ）はＮＨ−４１材の合金組成表である。図３（ａ）のように、実施例１のアルミニウム合金はケイ素３．２重量％を含有しているが、これはＮＨ−４１材に多く含まれるケイ素が６０６１材に加わったことにより、６０６１材に比べてケイ素の含有率が高まったものである。そして、このケイ素の効果として、実施例１の組成を有するスラリーは６０６１材に比べ湯流れ性が向上する。しかも、６０６１材の他の添加元素は実施例１と比較してさほど含有率が変わらないので、後述するように６０６１材の有する機械的性質や化学的性質は維持されていると考えられる。なお、ケイ素の含有率は前述の通り、２．５〜３．５重量％の範囲が望ましい。また、マグネシウムの含有量もケイ素の含有量に合わせ、０．８〜１．２重量％の範囲が望ましい。

図３（ｄ）は、アルミニウム合金展伸材として７０７５材を用いた場合（実施例２）の合金組成表である。図３（ｅ）は７０７５材単体、図３（ｆ）はＮＨ−４１材（図３（ｃ）と同じ）の合金組成表である。図３（ｄ）のように、実施例２のアルミニウム合金は、ケイ素２．６％を含有しているが、これは実施例１と同様、ＮＨ−４１材に多く含まれるケイ素が７０７５材に加わったことにより、７０７５材に比べてケイ素の含有率が高まったものである。そして、このケイ素の効果として、実施例２の組成を有するスラリーは７０７５材に比べ湯流れ性が向上する。しかも、７０７５材の他の添加元素は実施例２とさほど含有率が変わらないので、後述するように７０７５材の有する機械的性質は維持されていると考えられる。なお、ケイ素の含有率は前述の通り、２．５〜３．５重量％の範囲が望ましい。また、ケイ素の含有量に合わせ、亜鉛の含有率は４．５〜６．１重量％、マグネシウムの含有率は１．５〜２．９重量％の範囲が望ましい。

図４は、アルミニウム合金展伸材として６０６１材を用いた場合（実施例１）と６０６１材単体を用いた場合との引張強度及び表面硬度の比較表である。実施例１の材料について、５つのサンプルを作成し、引張試験および表面硬度試験を行ったところ、実施例１の合金では引張強度の平均値は３３３．９８１Ｎ／ｍｍ＾２となり、６０６１材の平均値の２３５．０３７Ｎ／ｍｍ＾２を約３０％上回る強度を有する。これは、湯流れ性向上による鋳造欠陥の減少、およびケイ素が増加することによる硬化が寄与していると考えられる。また、表面硬度についても、実施例１の合金では平均値で５６．０３ＨＲＢとなり、６０６１材の平均値の４５．０ＨＲＢを約２０％上回る硬度を有する。

図５は、アルミニウム合金展伸材として７０７５材を用いた場合（実施例２）と７０７５材単体を用いた場合との引張強度及び表面硬度の比較表である。実施例２の材料について、５つのサンプルを作成し、引張試験および表面硬度試験を行ったところ、実施例２の合金では引張強度の平均値は３１８．４７０Ｎ／ｍｍ＾２となり、７０７５材の平均値の３２６．２６６Ｎ／ｍｍ＾２とほぼ同等の強度を有する。また、表面硬度についても、実施例２の合金では平均値で６４．０６ＨＲＢとなり、７０７５材の平均値の５５．０ＨＲＢを約２０％上回る硬度を有する。

図６（ａ）は、アルミニウム合金展伸材として６０６１材を用いた場合（実施例１）の良品率の比較データである。実施例１のアルミニウム合金と６０６１材単体それぞれを、セミソリッドダイキャスト法を用いて約２５０回鋳造を行ったところ、６０６１材単体で鋳込んだ場合は約８０％に形状割れや充填不足が生じたのに対し、実施例１のアルミニウム合金では約２１％に低下している。

図６（ｂ）は、アルミニウム合金展伸材として７０７５材を用いた場合（実施例２）の良品率の比較データである。実施例２のアルミニウム合金と７０７５材単体それぞれを、セミソリッドダイキャスト法を用いて約２００回鋳造を行ったところ、７０７５材単体で鋳込んだ場合は約９０％に形状割れや充填不足が生じたのに対し、実施例２のアルミニウム合金では約２０％に低下している。

図７（ａ）は、アルミニウム合金展伸材として６０６１材を用いた場合（実施例１）の鋳造品の外観写真、図７（ｂ）は６０６１材単体の鋳造品の外観写真である。実施例１では三叉の両サイド部分（ランナー）の鋳肌はなめらかであるのに対し、６０６１材単体では荒れた鋳肌となっている。また、実施例１では中央部分（テストピース）に割れ等は見られないのに対し、６０６１材単体では所々に割れやひびが入っている。なお、中央部分について、実施例１では６０６１材単体に比べバリが多く張っていることからも、溶湯が良く伸びており湯流れが良好であったことを推認させる。

図８（ａ）は、アルミニウム合金展伸材として７０７５材を用いた場合（実施例２）の鋳造品の外観写真、図８（ｂ）は７０７５１材単体の鋳造品の外観写真である。実施例２では三叉の両サイド部分（ランナー）の鋳肌は平滑であり、かつ溶湯が型に良く充填されていのに対し、７０７５材単体ではやや細っており、溶湯の充填が完全ではなかったことが推認される。また、実施例２では中央部分（テストピース）に割れ等は見られないのに対し、７０７５材単体では根本が割れで切断されている。これは、型への充填が不完全であったため凝固収縮により溶湯が良く供給されず、割れとなって現れたものであると推認される。なお、中央部分のバリについては実施例１と同様、実施例２では７０７５１材単体に比べバリが多く張っていることからも、溶湯が良く伸びており湯流れが良好であったことを推認させる。

図９は、アルミニウム合金展伸材として６０６１材を用いた場合（実施例１）の外観写真である。実施例１のアルミニウム合金の鋳造品１１１に対してはアルマイト処理を行なっているが、従来の鍛造品による場合と同様にきれいな発色が見られた。これは、鍛造により成型されたアルミニウム合金展伸材では実現できていたが、従来のダイキャスト法や従来のセミダイキャスト法では実現できなかった発色性である。

以上、鋳造（セミダイキャスト法）によって作成された実施例１、実施例２のアルミニウム合金を用いた鋳造品１１１は、展伸材である６０６１材および７０７５材の有する機械的性質および化学的性質が向上又は維持されたまま、鋳造欠陥の発生を抑えることができているといえる。

（総括）

以上、本発明の実施形態における鋳造品の製造方法、およびそれによって成型された鋳造品の特徴について説明した。

本発明にかかる鋳造品の製造方法および鋳造品は、自動車用材料、航空機用材料、建築用材料、各種機械部品、スポーツ用具、等、従来の鋳造用アルミニウム合金を用いてダイキャスト法により製造されていたアルミニウム合金製の製品に応用が可能である。

１０１ 電気溶解炉
１０２ 電磁撹拌装置
１０３ スラリーカップ
１０４ ダイキャストマシン
１０５ スリーブ
１０６ プランジャー
１０７ 固定金型
１０８ 移動金型
１０９ 空隙部
１１０ 鋳造品
１１１ 最終鋳造品

Claims (7)

1. 固液共存状態におけるアルミニウム合金のスラリーを、セミソリッドダイキャスト法を用いて成型する鋳造品の製造方法であって、
   前記アルミニウム合金は、アルミニウム合金展伸材とケイ素を含むアルミニウム合金とを混合および溶解して得る、
   鋳造品の製造方法。
2. 前記アルミニウム合金展伸材として、合金番号６０００番代、あるいは合金番号７０００番代のアルミニウム合金を用いる請求項１記載の鋳造品の製造方法。
3. 前記アルミニウム合金展伸材として、６０６１材、あるいは７０７５材を用いる請求項２記載の鋳造品の製造方法。
4. ケイ素を含む前記アルミニウム合金として、ハイシリコン系アルミダイキャスト合金を用いる請求項１記載の鋳造品の製造方法。
5. 前記鋳造品は、２．５〜３．５重量％のケイ素を含む請求項１記載の鋳造品の製造方法。
6. 前記鋳造品は、２．７〜３．３重量％のケイ素を含む請求項１記載の鋳造品の製造方法。
7. 前記鋳造品は、２．５〜３．５重量％のケイ素、銅、および鉄の合計を含む請求項１記載の鋳造品の製造方法。