JP2023542129A

JP2023542129A - アルミニウム鋳造合金

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Publication number: JP2023542129A
Application number: JP2023517279A
Authority: JP
Inventors: マン、ビクトル・フリスティアノビッチ; アラビン、アレクサンドル・ニコラエビッチ; クロヒン、アレクサンドル・ユーレビッチ; フォーキン、ドミトリー・オレゴビッチ
Original assignee: Obshchestvo S Ogranichennoj Otvetstvennost'yu 'institut Legkikh Materialov I Tekhnologij'
Current assignee: Obshchestvo S Ogranichennoj Otvetstvennost'yu 'institut Legkikh Materialov I Tekhnologij'
Priority date: 2020-09-16
Filing date: 2021-09-15
Publication date: 2023-10-05
Also published as: WO2022060253A1; KR20230069152A; EP4215634A1; MX2023003144A; US20230212717A1; CA3195581A1; RU2745595C1; CN116057193A

Abstract

本発明は、金属学の分野、特にアルミニウムベースの合金に関し、特に自動車部品、電子デバイス用パーツなどのために、金属型に鋳造することにより薄肉の複雑な鋳物を生産するために使用することができる。本発明のアルミニウムベースの鋳造合金は、１．５～５．１重量％のカルシウム；０．７重量％までの鉄；１．０重量％までのケイ素；０．１～１．８重量％の亜鉛；及び任意に、１種以上の０．２～２．５重量％のマンガン；０．００５～０．１重量％のチタン；０．０５～０．１４重量％のジルコニウム；０．０５～０．１５重量％のクロムを含有し、カルシウム及び亜鉛は、主に共晶粒子の形態で合金の構造内に存在する。技術的成果は、鋳造中の技術的特性の所望の組合せ、並びに耐食性を提供することである。

Description

本発明は、金属学の分野、特に、高い耐食性を特徴とするアルミニウムベースの合金について言及している。合金は、金属型に鋳造することにより、薄肉の複雑な形状の鋳物の製造に使用することができる。

先行技術

Ａ－Ｓｉ系の工業用非熱処理性合金、たとえば、Ａ４１３．２又はＡＫ１２ｐｃｈ（ＧＯＳＴ１５８３）は、鋳造した場合の高い加工性及び比較的低レベルの強度特性を特徴とする；特に、鋳物の厚さにもよるが、降伏耐力は普通６０～８０ＭＰａを超えない。鋳物のより高いレベルの強度特性は、鋳放し状態において、銅の添加によりすでに提供されている；特に、合金、たとえば、ＡＡ３８３．１又はＡＫ１２Ｍ２が公知である。この場合機械的特性の増加は、伸長率における著しい低減及び耐食性の悪化を伴う。

非熱処理性及び耐食性合金は、Ａｌ－Ｍｇ系に基づく固溶体合金、たとえば、ＡＭｇ６Ｌ、ＡＭｇ５Ｋ、ＡＭｇ５Ｍｚ（ＧＯＳＴ１５８３）、Ｍａｇｓｉｍａｌ（登録商標）５９（ＲｈｅｉｎｆｅｌｄｅｎＡｌｌｏｙｓ）並びに鋳造した場合の満足できる加工性、良好な耐食性、高レベルの強度特性及び伸長率を特徴とするその他の合金を含む。この系の合金の欠点として、薄肉鋳物の高い線収縮及び不十分な固さが挙げられる。

高レベルの強度特性、伸長率、及び耐食性の組合せが０．２～０．５重量％のマグネシウムを有するＡｌ－Ｓｉ合金において実行されている；特に、ＡＫ９（ＧＯＳＴ１５８３）、Ｓｉｌａｆｏｎｔ（登録商標）３６（ＲｈｅｉｎｆｅｌｄｅｎＡｌｌｏｙｓ）、ｔｒｉｍａｌ（登録商標）３７（Ｔｒｉｍｅｔ）、及び他の合金が公知である。焼入れは、鋳物のそり（特に水クエンチを使用する場合）、寸法変化、及び亀裂を引き起こす可能性があるので、鋳物生産サイクルをかなり複雑にする。

特許RU2660492に開示されたＮＩＴＵＭＩＳＩＳの発明が公知である。鋳放し状態での使用のための材料は、以下を含有する（重量％）：５．４～６．４％のカルシウム、０．３～０．６％のケイ素、及び０．８～１．２％の鉄。提案された発明の欠点として、相対的な伸長率の低さが挙げられ、これは２．６％を超えなかったため、重要な鋳造部品におけるこの材料の使用を限定してしまう。

自動車及び航空宇宙用途の構造用部品のためのＡｌ－Ｎｉ－Ｍｎ鋳造合金は、ブランド化されたシルミンの代替物として公知であり、Ａｌｃｏａにより開発され、特許US6783730B2（２００４年８月３１日公開）において開示されている。この合金は、（重量％）２～６％のＮｉ、１～３％のＭｎ、１％のＦｅ、１％未満のケイ素の場合、並びに他の回避不可能な不純物がある場合、鋳造及び機械的特性の良好な組合せを用いて、鋳物を生産するために使用することができる。提案された発明の欠点として、高レベルの鋳造及び機械的特性は、高純度のアルミニウム等級を使用することによって、及び高いニッケル含有量を用いて確実となることから、これが、生産される鋳物のコストを著しく増加させるという事実が挙げられる。加えて、提案された材料は全濃度範囲において非熱処理性であり、これがその使用を限定する。同時に、ニッケル濃度の高い領域では鋳物の耐食性は著しく低減する。

Ａｌ－Ｎｉ及びＡｌ－Ｎｉ－Ｍｎ系に基づく鋳造用アルミニウム合金並びにこれらから鋳造部品を生産する方法が公知であり、これらは、Ａｌｃｏａの発明US8349462B2（２０１３年１月８日公開）及びＲｈｅｉｎｆｅｌｄｅｎＡｌｌｏｙｓＧｍｂＨ＆Ｃｏ．ＫＧ．の出願EP2011055318に記載されている。この発明は鋳造の用途のための合金組成物を提案している。提案された発明に共通しているのは１～６％という高いニッケル含有量であり、これは主要な欠点、すなわち耐食性の著しい低減を確定する。比較的低いニッケル及びマンガン含有量では、鋳造用合金は低レベルの強度特徴を有する。

ＮＩＴＵＭＩＳＩＳにより提案され、２０１３年３月２７日に公開されたロシアの特許2478131C2で開示されたＡｌ－Ｎｉ－Ｍｎ系に基づく材料が公知である。材料は以下を含有する（重量％）：１．５～２．５％のＮｉ、０．３～０．７％のＦｅ、１～２％のＭｎ、０．０２～０．２％のＺｒ、０．０２％～０．１２％のＳｃ、及び０．００２～０．１％のＣｅ。アニーリング（クエンチ作業を使用することなく）後、合金で作製された鋳物は、少なくとも４％の伸長率と共に、少なくとも２５０ＭＰａの最終的な耐性を特徴とする。この合金の第１の欠点は、集中した小孔を形成する傾向がより高いことであり、これにより、高品質の、比較的大きな鋳物を達成することが困難となる。第２の欠点は、より高い鋳造温度を使用する必要があることであり、これは、鋳造所の条件で常に達成できるとは限らない。

提案された材料に最も近い材料は、ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１０１６／ｊ．ｍｓｅａ．２０１９．１３８４１０において入手可能な刊行物において開示された（重量％）Ａｌ－３．５％Ｃａ－０．９％Ｍｎ－０．５％Ｆｅ－０．１％Ｚｒ－０．１％Ｓｃを含有する材料である。刊行物の著者らは、変形合金としての材料について考慮しており、この処理連鎖は水クエンチを排除する。刊行物は、鋳物のために刊行物に記述された合金を使用すること及び鋳放し状態における使用の非自明性を示している。提案された発明の欠点として、高価なスカンジウムが存在すること並びにジルコニウム及びスカンジウムの共同添加の焼入れ効果を達成するために加熱処理を使用しなければならないことが挙げられる。
発明の開示
本発明の目的は、一連の処理及び腐食特徴に対して特定された必要条件を満たす、金属型へと鋳造する様々な方法、特にこれらに限定されないが、重力鋳造、高圧鋳造、低圧鋳造、溶湯鍛造により薄肉鋳物を生産するように設計された新規鋳造アルミニウム合金を作り出すことである。

本発明の技術的成果は、鋳造における方法の特徴の所与の組合せ、及び耐食性を提供することである。

技術的成果は、重量％で、合金元素の以下の濃度を有するアルミニウムベースの鋳造合金を提案することにより達成される：
カルシウム１．５～５．１
亜鉛０．１～１．８
鉄０．７まで
ケイ素１．０まで
任意に、以下の群から選択される少なくとも１種の元素
マンガン０．２～２．５
チタン０．００５～０．１
ジルコニウム０．０５～０．１４
クロム０．０５～０．１５
アルミニウム及び回避不可能な不純物残り。

特定のバージョンでは、カルシウム及び亜鉛は、共晶粒子の形態の構造で主に表される。合金は鋳物の形態で作製される。

最初の請求項により定義されているような本発明の範囲を超えない範囲にある様々な変化形及び改善が許容可能である。

合金元素の選択された組合せのおかげで、提案された合金は結晶化間隔が狭いことを特徴とし、これは多量の共晶相と組み合わせて、良好なレベルの鋳造特徴をもたらし、さらにアルミニウム固溶体に溶解した元素のおかげで、鋳放し状態で満足できるレベルの強度特性をもたらす。同時に、選択された合金元素の様々な組合せを用いて、特許請求された領域内の耐食性は良好なレベルで維持される。

合金元素の許容される選択に対する基本的判定基準は、粗い第１次結晶の存在及び／又は共晶相の粗大化を除外した、所望の構造の形成であった；濃度範囲の正当性は以下に付与されている。

１．５～５．１％の範囲のカルシウム及び０．１～１．８％の範囲の亜鉛の濃度（重量％）は、カルシウム及び亜鉛が十分な量の共晶相を主に形成するので、良好な鋳造特性を提供する。カルシウムと亜鉛の共同導入の主な作用は、共同の共晶相Ａｌ４（Ｃａ，Ｚｎ）の形成であり、共晶相では亜鉛原子はカルシウム原子で置きかえられている。その結果、強度特性のレベルはさらに増加する。カルシウム含有量が言明されたレベル未満である場合、鋳造特徴の低減をもたらす。亜鉛が言明されたレベル未満に減少した場合には、強度特性の著しい増加は観察されない。言明されたレベルより上のカルシウム及び亜鉛含有量は、粗い構造の形成及び機械的特性の著しい低減をもたらす。

鉄及びケイ素含有量は、合金を作製するために使用されるアルミニウムの純度により主に決定される。しかし、鉄及びケイ素は合金元素としても使用され得る。これは、１．０重量％までの量のケイ素は固溶体と共晶の間で再分布し、一方では、これが鋳放し状態における追加の固体－溶液焼入れにより強度特性の増加をもたらし、他方では、共晶を増加させることにより合金鋳造特徴に正の影響を与えるからである。より高いケイ素含有量は、共晶相の形態は劣化し、強度特徴を一般的に減少させる。０．５重量％までの量の鉄は、共晶起源の相を主に形成し、これは、共晶の量を増加させることにより、合金の鋳造特徴に正の影響を与える。鉄濃度が０．５重量％より上に増加すると、共晶相の粗大化をもたらし、結果として、機械的特性の低減をもたらし得る。

２．５重量％までの量のマンガンは、固体－溶液焼入れを提供することにより、主に鋳放し状態での強度特性を増加させるのに必要である。２．５重量％より上のマンガン含有量では、Ａｌ_６（Ｆｅ，Ｍｎ）相の第１次結晶が構造内に形成され得るので、これが機械的特徴の低減をもたらす可能性がある。０．２重量％未満のマンガン含有量では、著しい固体－溶液焼入れをもたらさず、結果として、強度特徴における増加は弱い。

言明された限界（重量％）、それぞれ０．０５～０．１４％及び０．０５～０．１５％のジルコニウム及びクロムが、固体－溶液焼入れを提供するのに必要である。より低い濃度でのこれらの元素は、鋳放し状態での強度特徴の著しい増加をもたらさない。量が多いほど典型的な温度より高い鋳造温度を必要とし、これは鋳造型の安定性を減少させる；さもなければ、Ａｌ_７ＣｒとＡｌ_３Ｚｒ相の第１次結晶が形成する確率は高く、これによって、これらの元素の導入から機械的特性のレベルを増加させることはない。

０．００５～０．１重量％の量のチタンが、アルミニウム固溶体を改変するために必要である。構造内のより高いチタン含有量は、第１次結晶の出現をもたらしてもよく、これは、機械的特性の全体的レベルを減少させるが、その一方でより低いチタン含有量では、この元素のプラス効果を発揮しない。チタンは多成分性リガチャー、たとえば、Ａｌ－Ｔｉ－Ｂ及び／又はＡｌ－Ｔｉ－Ｃとして導入することができ、これによって合金は、対応するリガチャーの含有量と比例した量のチタンと共に、化合物にホウ素及び炭素を含有してもよい。ホウ素及び炭素は、独立した元素として、対象範囲に対する機械的及び鋳造特性に対して有意な作用を有さなかった。また、ある場合には、チタンの存在下で、鋳造中の高温割れを形成する傾向が低減したことが観察された。

態様

以下の投入材料を使用して、合金を調製した（重量％）：アルミニウム等級Ａ９９及びＡ８、亜鉛等級Ｃ０、金属カルシウム及びリガチャーＡｌ－６Ｃａとしてのカルシウム、リガチャーＡｌ－１０％Ｍｎとしてのマンガン、リガチャーＡｌ－１０％Ｚｒ、Ａｌ－１０％Ｃｒ、Ａｌ－５％Ｔｉ。

例１
構造及び特性に対する合金元素の作用を評価するため、１３種の合金組成物を実験室条件下で調製した（表１）。

他の元素の含有量は典型的に０．０５重量％を超えなかった。合金の化学組成は、アルミニウム固溶体及び共晶成分からなる構造を得る条件から選択された。試料を金属型「別々に鋳造する試料」で重力によって鋳造した。型温度は２０～６０℃の範囲で変化させることができた。鋳造は予測される長さが５０ｍｍの、直径１０ｍｍの引張試料であり、機械加工なしの鋳造直後、これに引張試験を行った（降伏耐力、引張強度、及び伸長率の決定と共に）。試料の構造を試料先端から評価した。

表１の考慮された組成物の構造は、アルミニウム固溶体及び対応する元素により形成された共晶相から主になることを試験した合金の構造の分析が示した。同時に、すべての実験的合金におけるカルシウム及び亜鉛は共晶粒子の形態で主に表わされている。

組成物２、５、及び１２は、鋳放し状態での使用に対してこれらの降伏耐力対伸長率の比が良好なことから、好ましい。組成物５の例（表１）を使用した最も望ましい合金構造が図１に示されている。

例２：
特許請求され合金の組成物２、５、８、及び１１の例（表１）による耐食性を、以下のプログラムに従い中性塩水噴霧への曝露により行われた促進腐食試験の方法で評価した：１サイクル－５％ＮａＣｌ溶液を、温度２５±１℃で８時間噴霧する塩水噴霧チャンバーへ浸漬し、次いで溶液を噴霧することなく、３５±３℃で１６時間浸漬する、合計７サイクル行う。試料の表面外観及び腐食損傷の深さ（金属組織法）を変えることにより結果を評価した。ＡＤＣ６型合金を基準として使用した。この合金は、鋳造アルミニウム合金の中で最も耐食性の高いことを特徴とする。

結果の比較分析から、試験中、試験した組成物及び標準物質の表面の色は、銀から銀黄色に変化し、並びに有意な腐食損傷なしに１０ミクロンまでの単一の表面損傷が生じたことが分かる。

例３
「ハープ鋳造」を使用する高温脆性（ＨＢ）パラメーターを使用して鋳造特徴を評価した。ここで最も良い指標は、最大「ロッド」長を有する鋳物を得ることである（図２）。例として合金２、４、及び１２（表１）を使用して、高温割れに対する傾向を評価した。ＡＤＣ６型合金を比較として使用した。合金２、４、及び１２には亀裂がないことが示された（表１）。これは大部分のＡｌ－Ｓｉ合金のレベルにおいて良好な指標であり、ＡＤＣ６合金とは対照的である。ＡＤＣ６合金から得られた鋳物は、最大長から始まり、ロッドの約４０％が不具合を有していた。

例４
合金１２（表１）の機械的特性を評価するため、２ｍｍの厚さのプレートを射出成形（ＨＰＤＣ）により鋳造した。鋳造は型の真空化により行った。型温度は約１５０℃であった。融解温度は７１０℃であった。鋳造プレートから切断した試料の引張試験の結果が表３に示されている。

Claims

重量％で、合金元素の以下の分布を有するアルミニウムベースの鋳造合金：
カルシウム１．５～５．１
亜鉛０．１～１．８
鉄０．７まで
ケイ素１．０まで
任意に、以下の群から選択される少なくとも１種の元素
マンガン０．２～２．５
チタン０．００５～０．１
ジルコニウム０．０５～０．１４
クロム０．０５～０．１５
アルミニウム及び回避不可能な不純物残り。
重量％で、以下の再分布において合金元素を含有することを特徴とする、請求項１に記載の合金：
カルシウム２．８～５．０
マンガン０．２～１．２
鉄０．５まで
ケイ素１．０まで
亜鉛０．１～１．６。
カルシウム及び亜鉛がその中で主に共晶粒子の形態であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の合金。
鋳物の形態で作製されることを特徴とする、請求項１～３の何れか１項に記載の合金。