JP2019209362A - アルミニウム合金の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
このようなアルミニウム合金の製造方法は、アルミニウムスクラップ材を原料とした、いわゆるリサイクルアルミニウム合金の製造に適用すると、アルミニウム一次地金を得るアルミニウム製錬法の3%程度のエネルギ消費に低減することができる。また、この製造方法で得られたリサイクルアルミニウム合金は、前記のように結晶粒が微細化されることで、一般的なアルミニウム二次合金であるADC12と比べて1.5程度の強度を発揮することもできる。
本実施形態の製造方法は、アルミニウム溶湯に、当該アルミニウム溶湯が凝固する際に生成し得る金属間化合物の晶出核を添加する添加工程と、前記晶出核を含む前記アルミニウム溶湯を所定温度の下に所定時間保持する温度保持工程と、前記晶出核を含む前記アルミニウム溶湯を金型に注ぐ注型工程と、を有している。
晶出核が添加されるアルミニウム溶湯について説明する。
<アルミニウム溶湯>
晶出核を添加する前のアルミニウム溶湯は、Siと、Feと、Cuと、Mgと、Znと、を主に含んでいる。
Si含有量は、6.5〜8.5質量%とすることで、得られるアルミニウム合金の剛性、耐摩耗性を向上させ、熱膨張を低減させる。また、Si含有量は、8.5質量%以下とすることで液相線温度を適度に抑えることができ、原料の溶解、及びアルミニウム合金の鋳造が容易となる。
Fe含有量は、0〜0.9質量%とすることで、得られるアルミニウム合金の剛性、耐摩耗性を向上させ、熱膨張を低減させる。
Cu含有量は、0.15〜0.35質量%とすることで、得られるアルミニウム合金の高温での機械的強度を向上させるとともに、熱膨張を低減させる。
Mg含有量は、0.25〜0.45質量%とすることで、得られるアルミニウム合金の強度を向上させることができる。また、Mg含有量は、0.45質量%以下とすることで、アルミニウム合金に優れた靭性を付与することができる。
Zn含有量は、0.3〜0.6質量%とすることで、得られるアルミニウム合金の強度を向上させることができる。
アルミニウム溶湯は、前記のSi、Fe、Cu、Mg、及びZnを除いた残部が、Alと不可避的不純物とで構成されている。
Mnは、アルミニウム溶湯が凝固する際に、晶出するAlFeSi系金属間化合物を粒子状にすることができる。Mn配合量は、アルミニウム溶湯におけるFe含有量の0.6倍に設定することが望ましい。
アルミニウム溶湯に添加する晶出核としては、アルミニウム溶湯が凝固する際に生成し得る金属間化合物と結晶整合性が良好なものが選択される。
晶出核の添加量としては、アルミニウム溶湯の質量の1/10〜1/3程度に設定することができる。
不整合度δに基づいて選択される晶出核としては、下記のBramfittの式で示される不整合度δが10%以下であるものが挙げられる。
晶出核として選択される金属間化合物としては、例えば、MgSi系、AlFe系、AlMn系、AlNi系、AlCu系、AlFeSi系、AlFeMn系、AlFeMnSi系、AlFeMnSiCr系、AlFeNi系、AlMnNi系、AlFeMnNi系、AlCr系、AlTi系、AlZr系、AlFeNi系の金属間化合物などが挙げられるがこれに限定されるものではない。中でもFe系金属間化合物が好ましく、特にAlFeSi系金属間化合物が好ましい。これらの金属間化合物は、1種又は2種以上が選択されて晶出核として使用される。
本実施形態の製造方法の温度保持工程においては、前記晶出核を含む前記アルミニウム溶湯を所定温度の下に所定時間保持される。
本実施形態での所定温度は、アルミニウム溶湯の温度が低下していく過程で、アルミニウム溶湯内に初晶核が形成され得る温度を想定している。
この温度保持工程においてアルミニウム溶湯に初晶核が形成されると、添加された晶出核と一緒になってアルミニウム溶湯内の核密度は一挙に増加する。
また、アルミニウム溶湯は、所定温度の下に所定時間保持されることで、後記するようにアルミニウム溶湯内での核サイズは微小となる。
本実施形態の製造方法の注型工程では、温度保持工程後のアルミニウム溶湯が所定の金型内に注がれる。
アルミニウム溶湯は、金型内で増加した核(添加した晶出核及び初晶核)を起点に金属間化合物が成長する。この際、核が増加したことで、金属間化合物が一気に晶出し、アルミニウム溶湯が凝固して得られるアルミニウム合金中の金属間化合物は微細化する。また、温度保持工程によって核サイズが微小となることとも相俟って、アルミニウム合金中の金属間化合物は、さらに確実に微細化する。
次に、本実施形態に係るアルミニウム合金の製造方法の奏する作用効果について説明する。
本実施形態の製造方法は、アルミニウム溶湯に金属間化合物の晶出核を添加するので、アルミニウム溶湯が凝固して得られるアルミニウム合金中の金属間化合物が微細化する。
これにより得られたアルミニウム合金は、強度、伸び、疲労などの機械的特性や加工性(成形性)に優れたものとなる。
このような製造方法によれば、アルミニウム合金中に晶出する金属間化合物を粒子状にすることができ、金属間化合物をさらに微細化することができる。また、このような製造方法によれば、アルミニウム溶湯における成分酸化を抑制することができる。
このような製造方法によれば、アルミニウム合金中の金属間化合物を、より確実に微細化することができる。
前記実施形態では、アルミニウム溶湯としてSi、Fe、Cu、Mg、及びZnを含むものを例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、公知のアルミニウム合金に含まれる構成成分をさらに含むものを使用することができる。また、アルミニウム溶湯は前記の構成成分の全てを含む必要はなく、少なくとも公知の金属間化合物を構成することができる元素を所定量で含んでいればよい。
図1(a)は、実施例に係るアルミニウム合金の製造方法の工程説明図である。図1(b)は、比較例としての従来のアルミニウム合金の製造方法の工程説明図である。
≪添加工程≫
図1(a)に示すように、本実施例の製造方法では、その添加工程において、アルミニウム溶湯1(液相L)の冷却前に、アルミニウム溶湯1に対して晶出核2(固相S)を添加した。
アルミニウム溶湯1は、原料となる所定のアルミニウム素材を加熱溶融して調製した。アルミニウム素材は、Siが10質量%、Feが1質量%、残部がAlと0.01質量%未満の不可避成分であるものを使用した。晶出核2としては、α−AlFeSiを含むものを使用した。
アルミニウム溶湯の温度は、720℃であった。晶出核2の添加量は、アルミニウム溶湯の質量の3分の1に設定した。添加時の晶出核2の温度は、500℃であった。
図1(a)に示すように、本実施例の製造方法では、温度保持工程において、アルミニウム溶湯1(液相L)の温度を590℃まで徐々に低下させた。アルミニウム溶湯1の温度が低下していく過程で、アルミニウム溶湯1内には初晶核3が生成された。つまり、アルミニウム溶湯1(液相L)には、固相Sからアルミニウム溶湯1(液相L)に遊離した晶出核2と、生成した初晶核3とによって、高い核密度で核生成が行われた。
本実施例の製造方法においては、このような「核生成」が、アルミニウム溶湯1を所定温度の下に所定時間保持することで行われた。
図2に示すように、保持時間[sec]を0[sec]から増加させていくと、金属間化合物の大きさ[μm]は徐々に減少していくとともに極小値を迎える。その後、さらに保持時間[sec]を増加させていくと、金属間化合物の大きさ[μm]は極小値を境に逆に増加していく。
本実施例では、金属間化合物の大きさ[μm]が小さくなる保持時間[sec]の範囲(t1〜t2)を好適時間範囲として設定した。具体的には、本実施例の製造方法では、保持温度590℃の下に、保持時間[sec]を20〜90[sec]の範囲内になるように設定した。
次に、本実施例の製造方法は、図1(a)に示す温度保持工程後のアルミニウム溶湯1(液相L)を、所定の金型(図示省略)に注ぐことで注型工程を行った。
アルミニウム溶湯は、金型内で増加した核(添加した晶出核2及び初晶核3)を起点に金属間化合物4が成長した。この際、核が増加したことで、金属間化合物4が一気に晶出し、アルミニウム溶湯1(温度保持工程参照)が凝固して得られるアルミニウム合金5(固相S)中の金属間化合物4は微細化した。また、温度保持工程によって核サイズが微小となることとも相俟って、アルミニウム合金5中の金属間化合物4は、確実に微細化する。ちなみに、温度保持工程を経て得られたアルミニウム合金5は、この温度保持工程を行わないで得られたアルミニウム合金5と比べて、金属間化合物4の大きさ[μm]が23%減少した。
図3(b)に示すように、本実施例の製造方法で得られたアルミニウム合金5における金属間化合物4の大きさは、図3(a)のアルミニウム素材における金属間化合物4の大きさと比べて格段に小さくなっていたことが確認できた。
≪添加工程≫
図1(a)に示すように、本実施例の製造方法では、その添加工程において、アルミニウム溶湯1(液相L)の冷却前に、アルミニウム溶湯1に対してAl−TiC母合金(固相S)を添加した。
アルミニウム溶湯1としては、Siが7質量%、Feが0.5質量%、Cuが0.2質量%、Mgが0.4質量%、Znが0.5質量%、残部がAlと0.01質量%未満の不可避成分であるものを使用した。晶出核2としては、TiCを含むものを使用した。
アルミニウム溶湯の温度は、720℃であった。晶出核2の添加量は、アルミニウム溶湯の質量の10分の1に設定した。添加時の晶出核2の温度は、500℃であった。
図1(a)に示すように、実施例の製造方法では、温度保持工程において、アルミニウム溶湯1(液相L)の温度を590℃まで徐々に低下させた。アルミニウム溶湯1の温度が低下していく過程で、アルミニウム溶湯1内には初晶核3が生成された。つまり、アルミニウム溶湯1(液相L)には、固相Sからアルミニウム溶湯1(液相L)に遊離した晶出核2と、生成した初晶核3とによって、高い核密度で核生成が行われた。
この実施例の製造方法においては、このような「核生成」が、アルミニウム溶湯1を所定温度の下に所定時間保持することで行われた。
本実施例の製造方法では、保持温度590℃の下に、保持時間[sec]を20〜90[sec]の範囲内になるように設定した。
次に、本実施例の製造方法は、図1(a)に示す温度保持工程後のアルミニウム溶湯1(液相L)を、所定の金型(図示省略)に注ぐことで注型工程を行った。
アルミニウム溶湯は、金型内で増加した核(添加した晶出核2及び初晶核3)を起点に金属間化合物4が成長した。この際、核が増加したことで、金属間化合物4が一気に晶出し、アルミニウム溶湯1(温度保持工程参照)が凝固して得られるアルミニウム合金5(固相S)中の金属間化合物4は微細化した。また、温度保持工程によって核サイズが微小となることとも相俟って、アルミニウム合金5中の金属間化合物4は、確実に微細化する。ちなみに、温度保持工程を経て得られたアルミニウム合金5は、この温度保持工程を行わないで得られたアルミニウム合金5と比べて、金属間化合物4の大きさ[μm]が11%減少した。
図1(b)に示すように、比較例の製造方法は、本実施形態と異なって、冷却前のアルミニウム溶湯1(液相L)には、晶出核2(固相S)が存在しない。次いで、アルミニウム溶湯1が所定の温度に冷却されることで、アルミニウム溶湯1中には、初晶核3が成形する。さらにアルミニウム溶湯1が冷却されると、初晶核3周りに金属間化合物が成長して粗大化した金属間化合物4aが形成されるとともにアルミニウム溶湯1が凝固することでアルミニウム合金5(固相S)が形成される。
2 晶出核
3 初晶核
4 金属間化合物
4a 金属間化合物
5 アルミニウム合金
L 液相
S 固相
Claims (7)
- アルミニウム溶湯に、当該アルミニウム溶湯が凝固する際に生成し得る金属間化合物の晶出核を添加する添加工程と、
前記晶出核を含む前記アルミニウム溶湯を金型に注ぐ注型工程と、
を有することを特徴とするアルミニウム合金の製造方法。 - 前記添加工程と前記注型工程との間に、
前記晶出核を含む前記アルミニウム溶湯を所定温度下に所定時間保持する温度保持工程をさらに有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の製造方法。 - 前記添加工程においては、鉄を含む前記アルミニウム溶湯中にベリリウムとマンガンとを添加し、さらに前記晶出核を添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の製造方法。
- 前記晶出核は、前記金属間化合物から選択される1種又は2種以上であ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の製造方法。
- 前記晶出核は、AlFeSi系金属間化合物からな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の製造方法。
- 前記晶出核は、TiCからな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の製造方法。
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