JP2022052437A

JP2022052437A - アルミニウム合金鋳物及びその製造方法

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Publication number: JP2022052437A
Application number: JP2020158839A
Authority: JP
Inventors: 敦也鈴木; Atsuya Suzuki; 修次井上; Shuji Inoue
Original assignee: Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2020-09-23
Filing date: 2020-09-23
Publication date: 2022-04-04
Also published as: US20220090235A1

Abstract

【課題】環境面で優れ、安価に靭性を高めることが可能なＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系のアルミニウム合金鋳物及びその製造方法を提供する。【解決手段】Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系のアルミニウム合金鋳物であって、少なくともホウ素とリンとを含有し、ホウ素（Ｂ）とリン（Ｐ）との重量％は、Ｂ／Ｐ≧８である。【選択図】図１

Description

本発明は、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系のアルミニウム合金鋳物及びその製造方法に関する。

従来、アルミニウムの機械的強度を高めるために、アルミニウムにマグネシウム及びケイ素を加えて合金化したＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系のアルミニウム合金鋳物が知られている（例えば、特許文献１参照）。このアルミニウム合金鋳物に不純物のリンが含まれていると、Ｍｇ－Ｓｉ系化合物の共晶物を微細化する作用を阻害することが知られている。

特許文献１に記載のアルミニウム合金鋳物は、鋳造の前に脱リン処理を行い、リンの含有量を０．０００２重量％以下まで低下させている。更に、特許文献１に記載のアルミニウム合金鋳物は、マンガンの含有量を０．２～２重量％とすることにより、微細なＡｌ－Ｍｎ－Ｓｉ系晶出物がＭｇ－Ｓｉ系晶出物の晶出核となり、Ｍｇ－Ｓｉ系晶出物を微細化するものである。これにより、靭性に優れたアルミニウム合金鋳物となっている。

従来の脱リン処理としては、特許文献２に記載の方法が挙げられる。特許文献２に記載の脱リン処理方法は、アルミニウム溶湯にマグネシウムを添加し且つ塩素ガスを吹き込むことにより、溶湯内のＭｇ_３Ｐ_２を吸収したＭｇＣｌ_２を浮上させ、溶湯表面からリンを除去している。

特開２０１７－２１０６５３号公報特開２００２－８０９２０号公報

特許文献１に記載のアルミニウム合金鋳物のように、鋳造前に脱リン処理を行う場合、特許文献２に記載の脱リン処理方法を用いる必要がある。しかしながら、塩素ガスは極めて強い毒性を有していることから取り扱いに注意を要し、オゾンホールの原因物質としても指摘されているため、環境面で問題がある。また、Ｍｇ_３Ｐ_２を吸収したＭｇＣｌ_２を浮上させて除去するため、マグネシウムが無駄になり、更に塩素ガスを無害化するための設備が別途必要となることから、製造コストの上昇を招いてしまう。さらに、一般的な溶湯設備には耐火材バインダーやラドルのコーティング剤にＰ_２О_５が含まれており、このＰ_２О_５に起因するリンが溶湯に混入することにより、Ｍｇ－Ｓｉ系晶出物の微細化が困難であった。

そこで、環境面で優れ、安価に靭性を高めることが可能なＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系のアルミニウム合金鋳物及びその製造方法が望まれている。

本発明に係るアルミニウム合金鋳物の特徴構成は、アルミニウム（Ａｌ）－マグネシウム（Ｍｇ）－ケイ素（Ｓｉ）系のアルミニウム合金鋳物であって、少なくともホウ素（Ｂ）とリン（Ｐ）とを含有し、前記ホウ素（Ｂ）と前記リン（Ｐ）との重量％は、Ｂ／Ｐ≧８を充足する点にある。

本発明者らは、鋳造前に脱リン処理を行うことなく、リンを無害化することにより、Ｍｇ－Ｓｉ系晶出物を微細化できるアルミニウム合金鋳物の組成を見出した。すなわち、本構成では、Ｂ／Ｐ≧８となるようにホウ素を加えることによりリンが無害化され、Ｍｇ－Ｓｉ系晶出物を微細化し、アルミニウム合金鋳物の靭性を高めることができる。これは、Ｍｇ－Ｓｉ系晶出物の晶出核となるＡｌＰ化合物よりもエネルギー的に安定したＢ－Ｐ系化合物（リンの無害化）が生成され、ＡｌＰ化合物を核としたＭｇ－Ｓｉ系晶出物の晶出及び成長を抑制しているためであると推測される。

本構成では、食塩と同程度の毒性であるホウ素を用いている。このホウ素は、リンを除去するのではなく無害化するため、マグネシウムを無駄にすることが無い。しかも、従来のように塩素ガスを無害化するための設備も必要としないため、環境面で優れ、安価にアルミニウム合金鋳物の靭性を高めることができる。

特に、本構成では、Ｂ／Ｐ≧８として、リンを無害化するためのホウ素の必要量を規定し、仮に溶湯設備にＰ_２О_５が含まれていたとしても、ホウ素のリン無害化機能を有効化させている。このように、環境面で優れ、安価に靭性を高めることが可能なＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系のアルミニウム合金鋳物を提供できた。

他の特徴構成は、チタン（Ｔｉ）を更に含有し、前記ホウ素（Ｂ）と前記リン（Ｐ）と前記チタン（Ｔｉ）との重量％は、（Ｂ－８Ｐ）／Ｔｉ≧０．１３を充足する点にある。

一般的にチタンとホウ素とを同時に添加すると初晶α（Ａｌ）相を微細化することが知られているが、本発明者らは、所定量を超えるチタンがホウ素のリン無害化機能を阻害することを見出した。そこで、本構成のように、（Ｂ－８Ｐ）／Ｔｉ≧０．１３とすれば、ホウ素によるリン無害化が機能してＭｇ－Ｓｉ系晶出物を微細化し、アルミニウム合金鋳物の靭性を更に高めることができる。

他の特徴構成は、前記ホウ素（Ｂ）：０．００５重量％以上０．０５重量％以下、前記リン（Ｐ）：０．０００３重量％以上０．００５重量％以下である点にある。

本構成のようなホウ素の範囲であれば、リンを確実に無害化しつつ、粗大なボロン化合物を形成することもない。

他の特徴構成は、前記マグネシウム（Ｍｇ）：２．０重量％以上８．０重量％以下、前記ケイ素（Ｓｉ）：１．０重量％以上５．０重量％以下、チタン（Ｔｉ）：０．２重量％以下であり、残部が前記アルミニウム（Ａｌ）及び不可避的不純物からなる点にある。

本構成のような組成であれば、鋳造性（湯流れ性、耐焼付き性、耐鋳造割れ性）や機械的特性に優れる。よって、環境面で優れ、安価に靭性を高めることが可能なＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系のアルミニウム合金鋳物を提供できる。

本発明に係るアルミニウム合金鋳物の製造方法の特徴は、上述の何れかに記載したアルミニウム合金鋳物の製造方法であって、前記アルミニウム合金鋳物の出発物質を溶解させて溶湯を生成する溶解工程と、前記溶解工程で生成された前記溶湯を５０℃／秒以上で冷却する冷却工程と、を含む点にある。

本方法のように、溶解工程で生成された溶湯を５０℃／秒以上で冷却すれば、過冷却が起こることによりＭｇ－Ｓｉ系晶出物の均質核生成が図られ、微細化効果を得ることができる。

鋳造試験の前提条件を示す図である。実施例１に係るアルミニウム合金鋳物の拡大写真である。実施例２に係るアルミニウム合金鋳物の拡大写真である。実施例３に係るアルミニウム合金鋳物の拡大写真である。実施例４に係るアルミニウム合金鋳物の拡大写真である。実施例５に係るアルミニウム合金鋳物の拡大写真である。比較例１に係るアルミニウム合金鋳物の拡大写真である。比較例２に係るアルミニウム合金鋳物の拡大写真である。比較例３に係るアルミニウム合金鋳物の拡大写真である。

以下に、本発明に係るＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系のアルミニウム合金鋳物及びその製造方法の実施形態について、図面に基づいて説明する。ただし、以下の実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。

本発明者らは、鋳造前に脱リン処理を行うことなく、リンを無害化することにより、Ｍｇ－Ｓｉ系晶出物を微細化できるアルミニウム合金鋳物の組成を見出した。すなわち、本実施形態では、Ｂ／Ｐ≧８となるようにホウ素を加えることによりリンが無害化され、Ｍｇ－Ｓｉ系晶出物を微細化し、アルミニウム合金鋳物の靭性を高めることができる。

本実施形態に係るアルミニウム合金鋳物は、マグネシウム（Ｍｇ）：２．０重量％以上８．０重量％以下、ケイ素（Ｓｉ）：１．０重量％以上５．０重量％以下、ホウ素（Ｂ）：０．００５重量％以上０．０５重量％以下、リン（Ｐ）：０．０００３重量％以上０．００５重量％以下であり、残部がアルミニウム（Ａｌ）及び不可避的不純物からなる。このアルミニウム合金鋳物は、Ｂ／Ｐ≧８を充足するようにホウ素とリンが含有されている。また、アルミニウム合金鋳物は、鉄（Ｆｅ）：０．３重量％以下、マンガン（Ｍｎ）：０．３重量％以上０．８重量％以下、チタン（Ｔｉ）：０．２重量％以下、ベリリウム（Ｂｅ）：０．００１重量％以上０．０１重量％以下を含有していても良い。このとき、（Ｂ－８Ｐ）／Ｔｉ≧０．１３を充足するようにチタンを添加することが好ましい。

［組成］
（Ｍｇ：２．０重量％以上８．０重量％以下）
Ｍｇは、アルミニウム合金鋳物の引張強度の向上に寄与する。Ｍｇが２．０重量％未満であると、Ｍｇ－Ｓｉ系晶出物の量が少なくなり、引張強度が低下する。一方、Ｍｇが８．０重量％を超えると、Ｍｇ－Ｓｉ系晶出物の量が過大となり、延性が低下する。また、Ｍｇが８．０重量％を超えると、溶湯の著しい酸化が発生するため、好ましくない。

（Ｓｉ：１．０重量％以上５．０重量％以下）
Ｓｉは、アルミニウム合金鋳物の引張強度の向上に寄与する。Ｓｉが１．０重量％未満であると、Ｍｇ－Ｓｉ系晶出物の量が少なくなり、引張強度が低下する。また、Ｓｉが１．０重量％未満であると、鋳造性（湯流れ性、耐焼付き性、耐鋳造割れ性）が低下し、好ましくない。一方、Ｓｉが５．０重量％を超えると、Ｍｇ－Ｓｉ系晶出物の量が過大となり、延性が低下する。

（Ｆｅ：０．３重量％以下）
Ｆｅは、アルミニウム合金鋳物の引張強度の向上に寄与する。一方、Ｆｅが０．３重量％を超えると、Ａｌ－Ｓｉ－Ｆｅ系晶出物が生成され、延性が低下する。

（Ｍｎ：０．３重量％以上０．８重量％以下）
Ｍｎは、鋳型の焼き付け性を向上させる。Ｍｎが０．３重量％未満であると、鋳型に対するアルミニウム合金鋳物の焼付き抑制効果が得られ難い。一方、Ｍｎが０．８重量％を超えると、Ａｌ－Ｓｉ－Ｍｎ系晶出物が生成され、延性が低下する。

（Ｂ：０．００５重量％以上０．０５重量％以下）
Ｂはリンを無害化し、Ｍｇ－Ｓｉ系晶出物を微細化させる。Ｂが０．００５重量％未満であると、リンの無害化機能が発揮できない。一方、Ｂが０．０５重量％を超えると、ＡｌＢ系の粗大な化合物が晶出し、延性が低下する。

（Ｐ：０．０００３重量％以上０．００５重量％以下）

Ｐは、０．０００３重量％以上であるとＭｇ－Ｓｉ系化合物の共晶物を微細化する作用を阻害する。Ｐを０．０００３重量％未満にするためには、事前に脱リン処理が必要となる。一方、Ｐが０．００５重量％を超えると、Ｍｇ－Ｓｉ系晶出物の晶出核となるＡｌＰ化合物が晶出し、延性が低下する。

（Ｂ／Ｐ≧８）
上述した範囲内にあるホウ素とリンの割合としてＢ／Ｐ≧８とする。この範囲にてホウ素を加えることによりリンが無害化され、Ｍｇ－Ｓｉ系晶出物を微細化し、アルミニウム合金鋳物の靭性を高めることができる。これは、Ｍｇ－Ｓｉ系晶出物の晶出核となるＡｌＰ化合物よりもエネルギー的に安定したＢ－Ｐ系化合物（リンの無害化）が生成され、ＡｌＰ化合物を核としたＭｇ－Ｓｉ系晶出物の晶出及び成長を抑制しているためであると推測される。

本実施形態では、食塩と同程度の毒性であるホウ素を用いている。このホウ素は、リンを除去するのではなく無害化するため、マグネシウムを無駄にすることが無い。しかも、従来のように塩素ガスを無害化するための設備も必要としないため、環境面で優れ、安価にアルミニウム合金鋳物の靭性を高めることができる。特に、本実施形態では、Ｂ／Ｐ≧８として、リンを無害化するためのホウ素の必要量を規定し、仮に溶湯設備にＰ_２О_５が含まれていたとしても、ホウ素のリン無害化機能を有効化させている。

（Ｔｉ：０．２重量％以下）

Ｔｉは初晶α（Ａｌ）相を微細化する物質として知られている。一方、Ｔｉが０．２重量％を超えると、ホウ素のリン無害化機能を阻害する。また、Ｔｉが０．２重量％を超えると、ＡｌＴｉ系の粗大な化合物が晶出し、延性が低下する。

（（Ｂ－８Ｐ）／Ｔｉ≧０．１３）
一般的にチタンとホウ素とを同時に添加すると初晶α（Ａｌ）相を微細化することが知られているが、本発明者らは、所定量を超えるチタンがホウ素のリン無害化機能を阻害することを見出した。そこで、Ｂ／Ｐ≧８を前提として、（Ｂ－８Ｐ）／Ｔｉ≧０．１３とすれば、ホウ素によるリン無害化が機能してＭｇ－Ｓｉ系晶出物を微細化し、アルミニウム合金鋳物の靭性を更に高めることができる。

（Ｂｅ：０．００１重量％以上０．０１重量％以下）
Ｂｅは、溶湯の酸化抑制効果を発揮する。Ｂｅが０．００１重量％未満であると、溶湯の酸化抑制効果が得られ難い。一方、Ｂｅが０．０１重量％を超えて含有されていても、溶湯の酸化抑制効果に変化がない。

［製造方法］
本実施形態におけるアルミニウム合金鋳物の製造方法は、アルミニウム合金鋳物の出発物質を溶解させて溶湯を生成する溶解工程と、溶解工程で生成された溶湯を鋳型で鋳造してアルミニウム合金鋳物を製造する鋳造工程とを含んでいる。この鋳造工程は、溶湯を５０℃／秒以上で冷却する冷却工程を含んでいる。このアルミニウム合金鋳物は、車体部品やエンジン部品等に用いられる。本方法のように、溶解工程で生成された溶湯を５０℃／秒以上で冷却すれば、過冷却が起こることによりＭｇ－Ｓｉ系晶出物の均質核生成が図られ、微細化効果を得ることができる。なお、本実施形態におけるアルミニウム合金鋳物の製造方法は、重力鋳造であっても良いし、ダイカストであっても良い。

図１には、本実施形態に係る実施例と比較例とのアルミニウム合金鋳物の組成、Ｂ／Ｐの比率、（Ｂ－８Ｐ）／Ｔｉの比率、及び冷却速度が示されている。図１に示す組成を有するアルミニウム合金鋳物の出発物質を坩堝に入れ、電気溶解炉を用いて溶解温度７６０℃～７８０℃にて溶解した（溶解工程）。このとき、坩堝内を５０回撹拌し、アルゴンガスを２Ｌ／ｍｉｎで１５分間バブリングした後、１５分静置した。溶解工程で生成された溶湯を銅鋳型に入れ、鋳造温度７２０℃にて鋳造してアルミニウム合金鋳物を得た（鋳造工程）。この鋳造工程では、図１に示す冷却速度で溶湯を冷却し、所定時間保持した（冷却工程）。

図２～図９には、夫々のアルミニウム合金鋳物の金属組織拡大写真が示されている。同写真中にある濃灰色の針状の組織がＭｇ－Ｓｉ系晶出物であり、薄灰色の部分がアルミニウムの母材部分である。

Ｔｉを含有しない場合において、Ｐが０．００１１質量％でＢが添加されていない比較例１(Ｂ／Ｐ＝０，（Ｂ－８Ｐ）/Ｔｉ＝∞，冷却速度：５０℃／ｓｅｃ)は、図７に示す通りＭｇ－Ｓｉ系共晶物が粗大である（濃灰色の針状組織が太く長い）のに対し、Ｐが０．００１０質量％でＢが０．００８０質量％添加されている実施例１(Ｂ／Ｐ＝８，（Ｂ－８Ｐ）/Ｔｉ＝∞，冷却速度：５０℃／ｓｅｃ)や、Ｐが０．００１１質量％でＢが０．０２００質量％添加されている実施例２(Ｂ／Ｐ＝１８，（Ｂ－８Ｐ）/Ｔｉ＝∞，冷却速度：５０℃／ｓｅｃ)では、図２～図３に示す通りＭｇ－Ｓｉ系共晶物が微細化されている（濃灰色の針状組織が細く短い）。また、Ｐが０．００１０質量％でＢが０．００６０質量％添加されている比較例２(Ｂ／Ｐ＝６，（Ｂ－８Ｐ）/Ｔｉ＝-∞，冷却速度：５０℃／ｓｅｃ)では、図８に示す通りＭｇ－Ｓｉ系共晶物が粗大である。このことから、Ｔｉを含有しない場合において、Ｂ／Ｐ≧８であれば、Ｍｇ－Ｓｉ系共晶物が微細化され、Ｔｉを含有する場合において、（Ｂ－８Ｐ）/Ｔｉ≧０．１３であれば、Ｍｇ－Ｓｉ系共晶物が微細化されることが理解できる。

Ｔｉを含有する場合において、Ｔｉが０．０４質量％，Ｐが０．００１７質量％でＢが０．０３７７質量％添加されている実施例３(Ｂ／Ｐ＝２２，（Ｂ－８Ｐ）/Ｔｉ＝０．６，冷却速度：５０℃／ｓｅｃ)や、Ｔｉが０．１３質量％，Ｐが０．００２１質量％でＢが０．０３３４質量％添加されている実施例４(Ｂ／Ｐ＝１６，（Ｂ－８Ｐ）/Ｔｉ＝０．１３，冷却速度：５０℃／ｓｅｃ)では、図４～図５に示す通りＭｇ－Ｓｉ系共晶物が微細化されている。また、Ｔｉが０．１３質量％，Ｐが０．００１８質量％でＢが０．０１４７質量％添加されている実施例５(Ｂ／Ｐ＝８，（Ｂ－８Ｐ）/Ｔｉ＝０．００２，冷却速度：５０℃／ｓｅｃ)では、図示しないアルミニウム合金鋳物のごく一部で粗大なＭｇ－Ｓｉ系共晶物があったが、図６に示す通りＭｇ－Ｓｉ系共晶物は概ね微細化されている。このことから、Ｔｉを含有する場合において、（Ｂ－８Ｐ）/Ｔｉ≧０．１３であれば、Ｍｇ－Ｓｉ系共晶物を確実に微細化できることが判明した。

また、冷却速度が１０℃／ｓｅｃと遅い比較例３は、冷却速度が５０℃／ｓｅｃの実施例１と同じ化学成分であるが、図９に示す通りＭｇ－Ｓｉ系共晶物は粗大である。つまり、冷却工程において、冷却速度が５０℃／ｓｅｃ以上であれば、Ｍｇ－Ｓｉ系共晶物が微細化されることが理解できる。

本発明は、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系のアルミニウム合金鋳物及びその製造方法に利用可能である。

Claims

アルミニウム（Ａｌ）－マグネシウム（Ｍｇ）－ケイ素（Ｓｉ）系のアルミニウム合金鋳物であって、
少なくともホウ素（Ｂ）とリン（Ｐ）とを含有し、
前記ホウ素（Ｂ）と前記リン（Ｐ）との重量％は、Ｂ／Ｐ≧８を充足するアルミニウム合金鋳物。
チタン（Ｔｉ）を更に含有し、
前記ホウ素（Ｂ）と前記リン（Ｐ）と前記チタン（Ｔｉ）との重量％は、（Ｂ－８Ｐ）／Ｔｉ≧０．１３を充足する請求項１に記載のアルミニウム合金鋳物。
前記ホウ素（Ｂ）：０．００５重量％以上０．０５重量％以下、前記リン（Ｐ）：０．０００３重量％以上０．００５重量％以下である請求項１又は２に記載のアルミニウム合金鋳物。
前記マグネシウム（Ｍｇ）：２．０重量％以上８．０重量％以下、前記ケイ素（Ｓｉ）：１．０重量％以上５．０重量％以下、チタン（Ｔｉ）：０．２重量％以下であり、残部が前記アルミニウム（Ａｌ）及び不可避的不純物からなる請求項３に記載のアルミニウム合金鋳物。
請求項１から４のいずれか一項に記載のアルミニウム合金鋳物の製造方法であって、
前記アルミニウム合金鋳物の出発物質を溶解させて溶湯を生成する溶解工程と、
前記溶解工程で生成された前記溶湯を５０℃／秒以上で冷却する冷却工程と、を含むアルミニウム合金鋳物の製造方法。