JP3219290B2

JP3219290B2 - Ａｌ合金溶湯への添加材接種方法

Info

Publication number: JP3219290B2
Application number: JP31773691A
Authority: JP
Inventors: 茂三大崎
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1991-12-02
Filing date: 1991-12-02
Publication date: 2001-10-15
Anticipated expiration: 2016-10-15
Also published as: KR960009173B1; KR930013181A; JPH05156383A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、Ａl（アルミニウ
ム）合金溶湯への添加材接種方法、特に、Ａl−Ｓi系あ
るいはＡl−Ｓi系を主体としたＡl合金溶湯に、共晶Ｓi
の針状化および初晶Ｓiの微細化を促進する添加材とし
てのＣu−Ｐ合金粒子を接種する際の添加材接種方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、Ａl−Ｓi系合金は、溶融
状態において流動性に富みしかも凝固時の収縮量が少な
いなど、鋳造性に優れていることから鋳物用Ａl合金と
して一般に広く用いられている。特に、Ｓi含有量が比
較的高いものにあっては、熱膨張係数が小さくかつ高温
強度が大でしかも軽量で耐摩耗性も優れていることか
ら、自動車等の車両用エンジンなどにおいても、例えば
ピストンなどの摺動部を有する部品用の材料として採用
されている。

【０００３】ところで、自動車用エンジンでは、特に近
年、より一層の高出力化および高速回転化が求められて
おり、ピストン等に対する熱負荷が従来にも増して高く
なる傾向にある。そして、この熱負荷が余りに高く、特
にピストンのピストンリング用リング溝が高温にさらさ
れた場合には、ピストンの作動に伴ってピストントップ
リングの側面にＡlが摩耗・凝集し、ピストンのトップ
リング溝の摩耗が促進される結果その上下面のへたりを
招くこととなり、シール性が損なわれるという問題が生
じる可能性がある。

【０００４】かかる問題に対する対策として、従来よ
り、ピストン素材を鋳造する際に、上記トップリング溝
部分に、ニレジスト鋳鉄トレーガをアルフィン処理した
ものを鋳ぐるむ、またはＮi発泡体を溶湯鍛造法にて鋳
ぐるむ、あるいは硬質アルマイト処理を施すなどの方法
が考えられているが、いずれの方法についても、コスト
高となる上、十分な信頼性を得ることが一般に難しいと
いう問題がある。

【０００５】ところで、Ａl−Ｓi系合金の場合、金属組
織的には、粒状Ｓi・初晶Ｓiとα相よりなる共晶組織
と、針状Ｓi・初晶Ｓiとα相よりなる共晶組織の二通り
があり、耐摩耗性は一般に後者の方が優れていることが
知られている。そこで、後者の共晶組織を得るために、
Ａl−Ｓi系合金溶湯にリン(Ｐ)を添加することが従来よ
り行なわれている(例えば、特開昭６３−２４３２０８
号公報参照)。すなわち、微量のＰを例えばＣu−Ｐ合金
粒子としてＡl−Ｓi系合金溶湯に添加することにより、
そのイノキュレーション作用によって共晶Ｓiの針状化
および初晶Ｓiの微細化を達成することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来で
は、Ａl溶湯にＣu−Ｐ合金(例えばＣu₃Ｐ)粒子を添加す
る場合、所謂ショット状(ほぼ球に近い塊状)の粒子を溶
湯中に直接に投入するのが一般的であり、この場合に
は、Ｐを溶湯内で均一に分散させることが難しく、ま
た、Ｐの添加量に比して十分な歩留まりが得られないと
いう問題があった。すなわち、ほぼ球状をなすショット
状粒子の場合には、容積の割に表面積が(つまり溶湯と
の接触面積が)小さく、溶湯中に投入された際の熱吸収
性が低くて溶解しにくくなる関係上、溶湯との比重差に
よってその一部が未溶解のままで沈降し、Ｐの歩留まり
が悪くなるとともに均一分散性が損なわれることにな
る。

【０００７】また、上記ショット状粒子は、Ｃu₃Ｐを一
旦溶融させた後に急冷することによって所定サイズの略
球状の粒子としたものであるが、この粒子形成時に表面
が酸化するとともに内部にはガスが含まれ、Ａl溶湯中
に投入された際にはフローティングが生じ易く、Ｐの歩
留まり及び均一分散性を高める上で不利になる。

【０００８】特に、Ｐの添加量は溶湯量に対してその比
率が著しく低いため、溶湯を十分に撹拌したとしても、
Ｃu₃Ｐ粒子の一部沈降,濃度の偏り,Ｐの酸化あるいはフ
ローティング等を十分には回避し難く、溶湯全体に渡っ
て共晶Ｓiの針状化および初晶Ｓiの微細化を十分に安定
して達成することは、なかなかに難しいという問題があ
った。

【０００９】この発明は、上記問題点に鑑みてなされた
もので、Ａl合金溶湯中におけるＰの歩留まり及び均一
分散性を高めることができるＡl合金溶湯への添加材接
種方法を提供することを目的とする。

【００１０】

【００１１】

【００１２】

【課題を解決するための手段】このため、本願発明に係
るＡl合金溶湯への添加材接種方法は、Ｃu−Ｐ合金粒子
を非酸化性雰囲気中で焼きなまし処理によって軟化させ
た後、この軟化されたＣu−Ｐ合金粒子に加圧成形を施
して該粒子を板状粒子に成形し、その後に該板状粒子を
Ａl合金溶湯に添加し、この板状粒子が添加されたＡｌ
合金溶湯を攪拌するようにしたものである。

【００１３】

【００１４】

【００１５】

【発明の効果】本願発明に係るＡl合金溶湯への添加材
接種方法によれば、Ｃu−Ｐ合金粒子は、Ａl合金溶湯へ
の添加に先立って、非酸化性雰囲気中で焼きなまし処理
によって軟化された後に、加圧成形を施して板状粒子に
成形されるので、非酸化性雰囲気中での焼きなまし処理
に伴う加熱還元により、粒子表面への酸化物の付着が防
止された状態で粒子内部のガスが放散され、添加材とし
ての純度が向上し、Ａl合金溶湯中に添加した場合のフ
ローティング量を少なくしてＰの歩留まりを高めること
ができる。その上、Ｃu−Ｐ合金粒子は、板状粒子に成
形されることによって、従来ショット状であった場合に
比べて、容積の割に表面積が大きくなり、Ａl合金溶湯
中に投入された際には、溶湯との接触面積が大きくなっ
て熱吸収性が向上し溶解し易くなる。この結果、Ｃu−
Ｐ合金粒子の沈降を防止し、Ｐの歩留まり及び均一分散
性を高めることができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を、例えば自動車エン
ジンのピストンのＡl合金鋳物素材の鋳造に適用した場
合について、図１の工程フローチャートを参照しながら
説明する。まず、ＡlーＳi系合金溶湯に添加する添加材
として、直径１〜５mmのショット状のＣu₃Ｐ粒子を準備
し、このＣu₃Ｐ粒子に非酸化性雰囲気中で焼きなまし処
理を施した(ステップＳ１)。この焼きなまし処理は、例
えば真空炉中で行なわれ、Ｃu₃Ｐ粒子を８００±１００
℃の温度範囲に加熱した上で炉冷した。また、この焼き
なまし処理の前後でのＣu₃Ｐ粒子の硬さを比較測定した
ところ、焼きなまし前ではＨv２１９であったが、焼き
なまし後ではＨv１５８であり、大幅に硬度が低下し軟
化していた。

【００１７】尚、上記焼きなまし処理された後のＣu₃Ｐ
粒子の金属組織の顕微鏡写真を図２(倍率１００倍)及び
図３(倍率４００倍)に、また、焼きなまし処理を施して
いないＣu₃Ｐ粒子の金属組織の顕微鏡写真を図４(倍率
１００倍)及び図５(倍率４００倍)に示す。焼きなまし
処理を施さない場合には、Ｃu₃Ｐ粒子はショット状に形
成される際に急冷凝固したままの硬い組織であり、結晶
粒界もほとんど認められない。一方、焼きなまし処理を
施したものの場合には、結晶粒が比較的大きくてその粒
界もはっきりと表れ、焼きなまし処理によって結晶粒が
粗大化し柔らかい組織になったことが分かる。

【００１８】次に、上記Ｃu₃Ｐを、例えばプレス機等に
よる加圧成形によって板状粒子に形成(ステップＳ２)し
た後、Ｐの歩留まりを例えば７０％として配合計算を行
い、Ａl箔にて包装し添加材として準備した(ステップＳ
３)。

【００１９】一方、Ａl−Ｓi系のＡl合金地金として
は、例えば、ＪＩＳＡＣ８Ａ地金を準備し、この地金
を７５０℃に溶解し(ステップＳ１１)、出湯後、保持炉
にて脱ガス処理(ステップＳ１２)を行った。この脱ガス
処理後、非ナトリウム(Ｎa)系フラックスにて脱滓処理
を行い鎮静した(ステップＳ１３及びＳ１４)。そして、
上記ステップＳ３で用意した添加材、つまり板状に成形
したＣu₃Ｐ粒子を溶湯中に接種(ステップＳ１５)し、撹
拌した上で所定時間鎮静した(ステップＳ１６及びＳ１
７)。上記溶湯を、鋳込み温度７５０℃にてピストン用
金型に注湯(ステップＳ１８)してピストンの鋳造素材を
製作し、所定の熱処理を施した上で機械加工を行った
(ステップＳ１９及びＳ２０)。

【００２０】その後、保持炉の上湯,中湯,下湯付近の溶
湯で各々作成した各ピストンのＰ量をＩＣＰ分析法にて
分析した。その結果、目標値４０ppmに対して、上湯ピ
ストンで４４ppm,中湯ピストンで４２ppm,下湯ピストン
で３８ppmであり、いずれについても上記目標値に非常
に近い値が得られ、また溶湯内における上下のバラツキ
も小さく、目標値を達成するに足るＰの歩留まりと、溶
湯内におけるＰの均一な分散性が確保されていることが
確認できた。また、上記各ピストンの金属組織を調べた
ところ、いずれについても微細な初晶Ｓi,針状Ｓiによ
る良好な共晶組織が得られた。

【００２１】次に、従来通りショット状のＣu₃Ｐ粒子を
添加材として用いた比較例について説明する。まず、上
記実施例の場合と同様に、ＡlーＳi系合金溶湯に添加す
る添加材として、直径１〜５mmのショット状のＣu₃Ｐ粒
子を準備する。次に、Ｐの歩留まりを例えば７０％とし
て配合計算を行い、Ａl箔にて包装し添加材として準備
した。本比較例では、Ｃu₃Ｐ粒子は、焼きなまし及び加
圧成形を行うことなく、ショット状のままで用いた。そ
して、上記実施例の場合と同様のＡl合金地金を用い、
図１のステップＳ１１〜ステップＳ２０と同様の工程に
従ってピストンを製作した。

【００２２】この比較例について、保持炉の上湯,中湯,
下湯付近の溶湯で各々作成した各ピストンのＰ量をＩＣ
Ｐ分析法にて分析したところ、目標値４０ppmに対し
て、上湯ピストンで７２ppm,中湯ピストンで５１ppm,下
湯ピストンで３９ppmであり、上下のバラツキがかなり
大きく、溶湯全体に渡ってＰ量が均一で安定したピスト
ンを得ることはできなかった。

【００２３】次に、Ｃu₃Ｐ粒子に非酸化性雰囲気中で熱
処理を施す際の温度条件を異ならせた比較例について説
明する。上記実施例の場合と同様に、ＡlーＳi系合金溶
湯に添加する添加材として、直径１〜５mmのショット状
のＣu₃Ｐ粒子を準備する。次に、本比較例では、このＣ
u₃Ｐ粒子を非酸化性雰囲気(真空炉)中で６００℃に加熱
した後、炉内で徐冷した。

【００２４】この熱処理(焼きなまし処理)後のＣu₃Ｐ粒
子の硬さを測定したところ、Ｈv２０３であった。熱処
理前の硬さは、前述したようにＨv２１９であり、若干
軟化していた。一方、８００±１００℃の加熱温度条件
で焼きなまし処理を施した本発明実施例の場合には、前
述したようにＨv１５８まで硬さが低下しており、これ
に比べると十分な軟化は得られなかった。上記熱処理後
のＣu₃Ｐ粒子を加圧成形したところ、粒子は複数に分砕
され、板状に変形させることができなかった。

【００２５】以上、説明したことから明らかなように、
本発明実施例によれば、Ｃu−Ｐ合金(Ｃu₃Ｐ)粒子は、
Ａl合金溶湯への添加に先立って、非酸化性雰囲気(真空
炉)中で焼きなまし処理された後に板状粒子に成形され
るので、非酸化性雰囲気中での焼きなまし処理に伴う加
熱還元により、粒子表面への酸化物の付着が防止された
状態で粒子内部のガスが放散され、添加材としての純度
が向上し、Ａl合金溶湯中に添加した場合のフローティ
ング量を少なくしてＰの歩留まりを高めることができ
る。その上、Ｃu₃Ｐ合金粒子は、板状粒子に成形される
ことによって、従来ショット状であった場合に比べて、
容積の割に表面積が大きくなり、Ａl合金溶湯中に投入
された際には、溶湯との接触面積が大きくなって熱吸収
性が向上し溶解し易くなる。この結果、Ｃu−Ｐ合金粒
子の沈降を防止し、Ｐの歩留まり及び均一分散性を高め
ることができる。すなわち、共晶Ｓiの針状化および初
晶Ｓiの微細化を、溶湯全体に渡って均一に、またより
安定して達成することができるのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るＡl合金鋳物製のピス
トンの製造工程を説明するためのフローチャートであ
る。

【図２】焼きなまし処理後のＣu₃Ｐ粒子の金属組織を
示す倍率１００倍の顕微鏡写真である。

【図３】焼きなまし処理後のＣu₃Ｐ粒子の金属組織を
示す倍率４００倍の顕微鏡写真である。

【図４】焼きなまし処理を施していないＣu₃Ｐ粒子の
金属組織を示す倍率１００倍の顕微鏡写真である。

【図５】焼きなまし処理を施していないＣu₃Ｐ粒子の
金属組織を示す倍率４００倍の顕微鏡写真である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃu−Ｐ合金粒子を非酸化性雰囲気中で
焼きなまし処理によって軟化させた後、この軟化された
Ｃu−Ｐ合金粒子に加圧成形を施して該粒子を板状粒子
に成形し、その後に該板状粒子をＡl合金溶湯に添加
し、この板状粒子が添加されたＡｌ合金溶湯を攪拌する
ことを特徴とするＡl合金溶湯への添加材接種方法。