JP3911118B2 - 鋳造用アルミニウム合金、アルミニウム合金鋳物およびかご形回転子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度の鋳造用アルミニウム合金並びにそれを用いた鋳物及びかご形回転子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、アルミニウム鋳物の機械的強度は、展伸用アルミニウム材料に比べて劣る。展伸用アルミニウム材料を鋳造に用いた場合、鋳造割れ・偏析等の欠陥が発生し、高品質の鋳造品を得ることが困難である。そこで、高強度展伸材に添加元素を加えることによって、鋳造性を改良した高強度の鋳造用アルミニウム合金が開発されている。
【０００３】
特開昭６３−１４５７４１号公報には、高温強度特性に優れたＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系高力アルミニウム合金に少量のＶとＷを添加した、疲労強度および鋳造割れの少ない鋳造用アルミニウム合金が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に記載された鋳造用アルミニウム合金は、湯道の途中にキャビティ面積の狭い部分を有する形状の鋳造品に用いた場合に、最終充填域の溶湯補給性が悪くなり、鋳造割れが発生するという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記のような問題を解決するものであり、機械的強度が高く、かつ、湯道の途中にキャビティ面積の狭い部分を有する形状の鋳造品に用いた場合にも、鋳造割れの発生を抑制することができる鋳造用アルミニウム合金を提供し、この合金を用いて高強度、高品質のアルミニウム合金鋳物及びかご形回転子を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る鋳造用アルミニウム合金は、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金であり、Ｃｕを１．５〜６．８質量％、Ｍｇを０．０２〜１．８質量％、およびＳｉを１．０〜３．０質量％含有し、Ｚｒ、ＴｉＢ、ＨｆおよびＶより選択された１つを０．３質量％以下含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなるものである。
【０００７】
本発明に係るかご形回転子は、磁性材によって回転軸孔を中心として円筒状に形成されている回転子コアと、上記回転軸に沿って上記回転子コアの一方の端面から他方の端面に貫通している複数のスロットバーと、上記回転子コアの両端面それぞれに対向し且つ複数の上記スロットバーの端部と接続されている一対のエンドリングとを備えているかご形回転子において、上記スロットバーおよびエンドリングが、上記本発明に係る鋳造用アルミニウムを用いた加圧鋳造品であるものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
本発明の高強度の鋳造用アルミニウム合金は、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金にＳｉおよびＺｒを添加して改良処理を行ったものであり、例えば、ＪＩＳ Ａ２０２４合金をベース合金とし、このベース合金にＳｉおよびＺｒを添加して、Ｃｕを３．８〜４．９質量％、Ｍｇを１．２〜１．８質量％、Ｓｉを１．０〜３．０質量％、Ｚｒを０．０００５〜０．３質量％含有させた高強度鋳造用アルミニウム合金である。
【０００９】
Ａ２０２４に結晶微細化剤として知られているＺｒを添加することによって結晶が微細化され、固液共存領域温度における流動性が向上するため、デンドライト間への残留液相の補給が容易になり、さらに、Ｓｉを１．０〜３．０質量％添加することにより固液共存温度範囲が狭化し、流動性・溶湯補給性が向上し鋳造割れの発生が減少するとともに機械的強度が大きくなる。この鋳造割れ発生の減少は、特に、かご形回転子の他、溶湯が注入されるキャビティの途中に湯道の狭い部分がある製品に対して有効である。
【００１０】
Ｚｒの添加量は、０．３質量％を越えると初晶微細化剤として作用しないＺｒのフラックスが溶湯中に残存し、溶湯の品質が低下して溶湯歩留まりの低下を招き、０．０００５質量％より少ないと初晶微細化効果が得られない。従って、Ｚｒの添加量は０．０００５質量％以上、０．３質量％以下とする。また、十分な微細化効果を発揮させるためには０．０５質量％以上とするのが望ましい。
【００１１】
Ｓｉの含有量は、増加するとともに鋳造割れは減少する傾向にある一方、Ｓｉの含有量の増加とともに静的強度が減少する。したがって、強度を確保するためには、Ｓｉ量は３質量％以下とし、鋳造割れの発生を防止するためには１質量％以上とするのが好ましい。
【００１２】
ベース合金には、Ａ２０２４の他、Ａ２Ｎ０１、Ａ２２１９等、ＪＩＳに規格されたＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金を用いることができる。これらのＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金にＳｉおよびＺｒを添加して得られた、Ｓｉを１．０〜３．０質量％、Ｚｒを０．０００５〜０．３質量％含有する鋳造用アルミニウム合金は、上記Ａ２０２４にＳｉおよびＺｒを添加して得られた高強度鋳造用アルミニウム合金と同様、流動性・溶湯補給性が向上し鋳造割れの発生が減少するとともに機械的強度が大きなものとなる。この鋳造用アルミニウム合金は、特に、かご形回転子の他、溶湯が注入されるキャビティの途中に湯道の狭い部分がある製品に対して有効である。
【００１３】
結晶微細化剤としては、Ｚｒの他、ＴｉＢ、Ｈｆ、Ｖを用い、Ｚｒと同様の効果が得られる。このうち、初晶α相と結晶格子の整合性の良いＺｒＡｌ３、ＴｉＡｌ３を形成する、Ｚｒが結晶微細化剤として望ましい。
【００１４】
また、本発明の実施の形態の鋳造用アルミニウム合金を用いてかご形回転子を鋳造する場合、７０ＭＰａ以上の高圧下で鋳造することが望ましい。７０ＭＰａ以上の圧力で鋳造することによって、凝固時にデンドライト間への溶湯補給が十分達成でき、鋳造割れの発生をより確実に防止することができる。
【００１５】
また、上記本発明の実施の形態において、ＪＩＳに規格されたＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金をベース合金として、ＳｉおよびＺｒを添加して改良処理を行った例を示したが、純アルミニウムをベースにして、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｓｉ、結晶微細化剤を添加して所望の組成の鋳造用アルミニウム合金を作製して、この鋳造用アルミニウム合金を鋳造に用いてもよい。
【００１６】
【実施例】
以下に、より具体的な実施例により本発明の効果を示すが、本発明がこれら実施例により限定されるものではない。
実施例１．
実施例１においては、ＪＩＳ Ａ２０２４合金に微少量のＳｉおよびＺｒを添加し、Ｓｉを１．４質量％、Ｃｕを４．２質量％、Ｍｇを１．４質量％、Ｚｒを０．１２質量％含むアルミニウム合金となるように原料を溶解し、溶湯鍛造法によって丸棒状鋳物を成形した。このとき、溶解温度は８５０℃とし、溶湯鍛造の加圧力は１００ＭＰａとした。次いで、この丸棒状鋳物を５００℃付近で溶体化処理し、次いで、３０℃の水中に急冷して焼入れを行い、さらに、２００℃付近で人工時効処理を施した。
【００１７】
本実施例の効果を確認するための比較材として、ＪＩＳ Ａ２０２４合金（比較例１Ａ）およびおよびＪＩＳ ＡＣ８Ｃ合金（比較例１Ｂ）に相当する化学成分を有するアルミニウム合金を用いて、同様の方法により丸棒状鋳物を製造した。鋳造後、Ａ２０２４合金については５００℃付近で溶体化処理を行い、次いで、３０℃の水中に急冷して焼入れを行い、さらに、２００℃付近で人工時効処理を施した。ＡＣ８Ｃ合金については熱処理を施さず鋳放しのままとした。
【００１８】
本実施例の組成からなるアルミニウム合金の疲労強度に及ぼす効果を確認するため、前記の方法により得た実施例および比較例の組成を有する丸棒状鋳物より、ＪＩＳ４号引張試験片および疲労試験片を採取し、室温において引張試験および片振り疲労試験を行った。
【００１９】
図１は、室温における片振り疲労試験により得られた疲労特性を示すものである。図１に示されているように、本実施例１のアルミニウム合金の疲労特性は、比較例１Ａおよび比較例１Ｂの合金に比べて疲労強度が増大していることが分かる。疲労強度の増加率は、Ａ２０２４に対しては１０５回で８％、１０６回で１０％である。この疲労強度の増加は、Ｚｒの添加による初晶の結晶粒微細化効果に加えて、Ｓｉの添加による固液共存温度範囲の狭化によって鋳造割れ・偏析が減少したことによるものである。
【００２０】
次に、本実施例１の組成を有するアルミニウム合金と、比較例１Ａのアルミニウム合金を８５０℃で溶解し、この溶湯それぞれを、渦巻型流動性測定金型中に注湯した。各合金の流動長を表１に示す。
【００２１】
【表１】
【００２２】
表１に示すように、本実施例１における組成のアルミニウム合金の流動長は、比較例１Ａのアルミニウム合金に対して１０％向上していることが確認された。
【００２３】
実施例２．
本実施例２においては、上記実施例１の組成のアルミニウム合金を溶解し、溶湯鍛造法によって、図３に示す、ゲート１１、湯道１６，１７、幹部１２、枝Ａ部１３、枝Ｂ部１４、枝Ｃ部１５から構成される枝状鋳物を成形した。ここで、幹部１２の断面積は、枝Ａ部１３の断面積および枝Ｂ部１４の断面積および枝Ｃ部１５の断面積それぞれに対して３０％である。このときの溶解温度は８５０℃とし、溶湯鍛造の加圧力は１２０ＭＰａとした。次いで、この枝状鋳物を５００℃付近で溶体化処理を行い、次いで、３０℃の水中に急冷して焼入れを行い、２００℃付近で人工時効処理を施した。
【００２４】
比較例２として、上記比較例１Ａのアルミニウム合金を用いて、同様の方法により枝状鋳物を製造した。鋳造後、溶体化処理を行い、次いで、３０℃の水中に急冷して焼入れを行い、２００℃付近で人工時効処理を施した。
【００２５】
上記のようにして得た枝状鋳物の枝Ａ部１３、枝Ｂ部１４、および枝Ｃ部１５から、ＪＩＳ４号引張試験片を各３本ずつ採取し、室温において引張試験を実施した。引張試験結果を表２に示す。
【００２６】
【表２】
【００２７】
表２に示すように、比較例２の合金においては、枝Ａ部、枝Ｂ部、および枝Ｃ部の引張強さのばらつきが大きく、枝Ｃ部の引張強さは枝Ａ部の引張強さに対して１０％程度低下している。ゲートから最も遠い枝Ｃ部では、固液共存温度領域における溶湯補給性が低下するため、鋳造割れが観察された。一方、本実施例２のアルミニウム合金においては、いずれの枝部においても鋳造割れは観察されず、引張強さにおいても１％以内のばらつきに納まっており、Ｓｉ、Ｚｒの添加による流動性向上の効果が確認された。
【００２８】
実施例３〜９．
本実施例においては、表３に示す実施例３、参考例、及び実施例５から実施例９の化学組成を有するアルミニウム合金と比較例３から比較例６の化学組成を有するアルミニウム合金を用いて、かご形回転子を製造した。
【００２９】
【表３】
【００３０】
図３は、本実施例のかご形回転子の断面図を示すものである。図３において、１は回転子コアであって、磁性材によって形成された回転子コア片２を積層させることによって円筒状に形成されている。３は導体かご形であって、導体かご形３は、回転子コア１の一方の端面から他方の端面へ貫通しているスロットバー４および回転子コア１の両端面に対向し且つ複数のスロットバー４の端部と接続されている一対のエンドリング５によって構成されている。
【００３１】
鋳造には図４に示す鋳造装置を用いた。金型には回転子コア片２を積層した回転子コア１が装填されており、ゲート２１、下部エンドリング５ｂ、スロットバー４ａ、上部エンドリング５ａから形成されるキャビティ部分を有する。この金型を１００〜２００℃に昇温、保持し、７５０〜９００℃で溶融させたアルミニウム合金を、所定量湯溜り２５に注湯後、アルミニウム溶湯をキャビティ内に充填させ、１００ＭＰａの圧力で加圧し、導体かご形３を形成した。この時、アルミニウム溶湯は、ゲート２１を通って下部エンドリング部５ｂを充填し、湯道が狭いスロットバー４ａを充填した後、上部エンドリング部５ａを充填する。
【００３２】
表３に示した、実施例３、参考例、実施例５から実施例９、および比較例３から比較例６までのアルミニウム合金を用いて鋳造したかご形回転子について、５００℃付近で溶体化処理を行い、ついで、３０℃の水中へ焼き入れを行い、２００℃付近で人工時効処理を施して、Ｔ６処理を行った。
【００３３】
このようにして得られた実施例３、参考例、実施例５〜９及び比較例３〜６のかご形回転子のエンドリング部分について鋳造割れの総長、および偏析状態について比較した。
【００３４】
また、高温での強度を確認するためエンドリング部よりＪＩＳ４号引張試験片を採取し、ＪＩＳに準拠し１５０℃において引張試験を行った。エンドリング部の割れ長さ、偏析状態および引張強さについて比較した結果を表４に示す。
【００３５】
【表４】
【００３６】
以下、実施例の効果について、比較例の組成を有する合金による成形品と比較して説明する。
【００３７】
実施例３は、ＪＩＳ Ａ２０２４合金にＳｉおよびＺｒを添加して作製した、Ｃｕを４．２％、Ｍｇを１．４％、Ｓｉを１．２質量％、Ｚｒを０．１３質量％含有するアルミニウム合金である。比較例３は、ＪＩＳ Ａ２０２４合金に相当し、比較例４は、Ａ２０２４合金にＺｒを添加してＺｒを０．１４質量％としたものである。
【００３８】
表４に示されているように、比較例３は、エンドリング部に鋳造割れおよび偏析が発生する。比較例４は、結晶が微細化されることによって、固液共存領域温度における流動性が向上するため、デンドライト間への残留液相の補給が容易になり、比較例３に比べて下部エンドリング部の鋳造割れの発生は減少した。しかしながら、上部エンドリング部については依然鋳造割れが残存している。一方、実施例３は、下部エンドリング部および上部エンドリング部ともに鋳造割れの発生はなかった。
【００３９】
実施例３の良好な結果は、Ｚｒに加えてＳｉを添加してＳｉを１．２質量％としたことにより固液共存温度範囲が狭化し、流動性・溶湯補給性が向上したためである。本実施例のかご形回転子のように、キャビティ途中に湯道断面積の狭い部分がある製品に対して、固液共存温度領域が広い材料では充填中に流動性が低下し、最終充填域への溶湯補給が不充分になり、鋳造割れ等の欠陥が生じやすくなる。したがって、かご形回転子のようにキャビティ途中に湯道の狭い部分がある場合には実施例３のようにＺｒとＳｉの微量添加が有効である。
【００４０】
かご形回転子においては、スロットバーが一定の角度をもって非軸対称にエンドリングと接続しているため、エンドリング部の冷却速度は周方向に均一ではなく、最終凝固域となるスロットバー上部の上部エンドリング部に偏析が発生しやすい。したがって、固液共存温度範囲の大きい合金では機械的強度および導電率において不均一を生じる。偏析についても、固液共存温度範囲が狭い方が発生しにくい。従って、固液共存温度範囲を狭くするＳｉの添加が有効である。しかしながら、強度を確保する必要がある場合には、Ｓｉ量は３質量％以下とするのが好ましい。
【００４１】
なお、かご形回転子の他、キャビティ途中に湯道面積の狭い部分を有する製品についても本実施例の組成をもつ鋳造用アルミニウム合金は有効である。
【００４２】
また、実施例３は、結晶微細化剤としてＺｒを添加したが、実施例５から実施例７に示すように、Ａ２０２４合金にＳｉとＴｉＢ、ＶまたはＨｆを添加してもＺｒの場合と同様の効果が確認された。このうち、初晶α相と結晶格子の整合性の良いＺｒＡｌ ３ を形成するＺｒが微細化剤としては望ましい。なお、上記いずれの元素についても添加量としては０．３０％以下とするのが好ましい。
【００４３】
実施例８は、ＪＩＳ Ａ２２１９のアルミニウム合金にＳｉおよびＺｒを添加して作製したものであり、Ｃｕを６．８質量％、Ｍｇを０．０２質量％、Ｓｉを１．４質量％、Ｚｒを０．１８質量％含有するアルミニウム合金である。比較例５はＪＩＳ Ａ２２１９相当のＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金である。
【００４４】
表４に示されているように、比較例５は、エンドリング部に大きな鋳造割れおよび偏析が発生する。一方、実施例８は、比較例５に比べて、下部エンドリング部および上部エンドリング部ともに鋳造割れが小さくなっている。
【００４５】
実施例９は、ＪＩＳ Ａ２Ｎ０１のアルミニウム合金にＳｉおよびＺｒを添加して作製したものであり、Ｃｕを１．５質量％、Ｍｇを０．０２質量％、Ｓｉを１．４質量％、Ｚｒを０．１８質量％含有するアルミニウム合金である。比較例６はＪＩＳ Ａ２Ｎ０１相当のＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系の合金である。
【００４６】
表４に示されているように、比較例６は、エンドリング部に大きな鋳造割れおよび偏析が発生する。一方、実施例９は、比較例６に比べて、下部エンドリング部および上部エンドリング部ともに鋳造割れが小さくなった。
【００４７】
また、実施例３、実施例５〜９のエンドリング部から採取した引張り試験片の１５０℃における引張強さは、各比較例よりも低下するが、エンドリングとして要求される強度を満たすものである。
【００４８】
なお、実施例３、実施例５から実施例９においては、１００ＭＰａで鋳造したが、７０ＭＰａ以上の高圧下で鋳造することが望ましい。７０ＭＰａ未満の圧力では凝固時にデンドライト間への溶湯補給が十分達成できず、鋳造割れが残存する確率が高くなる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明に係る鋳造用アルミニウム合金によれば、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金であり、Ｃｕを１．５〜６．８質量％、Ｍｇを０．０２〜１．８質量％、およびＳｉを１．０〜３．０質量％含有し、Ｚｒ、ＴｉＢ、ＨｆおよびＶより選択された１つを０．３質量％以下含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなるものであるので、流動性・溶湯補給性が向上し鋳造割れの発生が減少するとともに機械的強度が大きくなる。
【００５０】
本発明に係るかご形回転子によれば、磁性材によって回転軸孔を中心として円筒状に形成されている回転子コアと、上記回転軸に沿って上記回転子コアの一方の端面から他方の端面に貫通している複数のスロットバーと、上記回転子コアの両端面それぞれに対向し且つ複数の上記スロットバーの端部と接続されている一対のエンドリングとを備えているかご形回転子において、上記スロットバーおよびエンドリングが、上記本発明に係る鋳造用アルミニウム合金を用いた加圧鋳造品であるので、スロットバーおよびエンドリングを鋳造により成形し、鋳造割れの発生が少なく、機械的強度が大きなアルミニウム合金鋳物が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１における鋳造用アルミニウム合金の、室温における片振り疲労試験により得られた疲労特性を示す図である。
【図２】 実施例２における鋳造用アルミニウム合金の枝状鋳物の構成を示す平面図である。
【図３】 実施例３ないし９におけるかご形回転子を示す断面図である。
【図４】 実施例３ないし９に用いた鋳造装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 回転子コア、２ 回転子コア片、３ 導体かご型、４ スロットバー、
５ エンドリング、５ａ 上部エンドリング、５ｂ 下部エンドリング、１１ ゲート、
１２ 幹、１３ 枝Ａ、１４ 枝Ｂ、１５ 枝Ｃ、１６ 湯道Ａ、１７ 湯道Ｂ、
２１ ゲート、２５ 湯溜り。
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度の鋳造用アルミニウム合金並びにそれを用いた鋳物及びかご形回転子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、アルミニウム鋳物の機械的強度は、展伸用アルミニウム材料に比べて劣る。展伸用アルミニウム材料を鋳造に用いた場合、鋳造割れ・偏析等の欠陥が発生し、高品質の鋳造品を得ることが困難である。そこで、高強度展伸材に添加元素を加えることによって、鋳造性を改良した高強度の鋳造用アルミニウム合金が開発されている。
【０００３】
特開昭６３−１４５７４１号公報には、高温強度特性に優れたＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系高力アルミニウム合金に少量のＶとＷを添加した、疲労強度および鋳造割れの少ない鋳造用アルミニウム合金が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に記載された鋳造用アルミニウム合金は、湯道の途中にキャビティ面積の狭い部分を有する形状の鋳造品に用いた場合に、最終充填域の溶湯補給性が悪くなり、鋳造割れが発生するという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記のような問題を解決するものであり、機械的強度が高く、かつ、湯道の途中にキャビティ面積の狭い部分を有する形状の鋳造品に用いた場合にも、鋳造割れの発生を抑制することができる鋳造用アルミニウム合金を提供し、この合金を用いて高強度、高品質のアルミニウム合金鋳物及びかご形回転子を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る鋳造用アルミニウム合金は、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金であり、Ｃｕを１．５〜６．８質量％、Ｍｇを０．０２〜１．８質量％、およびＳｉを１．０〜３．０質量％含有し、Ｚｒ、ＴｉＢ、ＨｆおよびＶより選択された１つを０．３質量％以下含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなるものである。
【０００７】
本発明に係るかご形回転子は、磁性材によって回転軸孔を中心として円筒状に形成されている回転子コアと、上記回転軸に沿って上記回転子コアの一方の端面から他方の端面に貫通している複数のスロットバーと、上記回転子コアの両端面それぞれに対向し且つ複数の上記スロットバーの端部と接続されている一対のエンドリングとを備えているかご形回転子において、上記スロットバーおよびエンドリングが、上記本発明に係る鋳造用アルミニウムを用いた加圧鋳造品であるものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
本発明の高強度の鋳造用アルミニウム合金は、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金にＳｉおよびＺｒを添加して改良処理を行ったものであり、例えば、ＪＩＳ Ａ２０２４合金をベース合金とし、このベース合金にＳｉおよびＺｒを添加して、Ｃｕを３．８〜４．９質量％、Ｍｇを１．２〜１．８質量％、Ｓｉを１．０〜３．０質量％、Ｚｒを０．０００５〜０．３質量％含有させた高強度鋳造用アルミニウム合金である。
【０００９】
Ａ２０２４に結晶微細化剤として知られているＺｒを添加することによって結晶が微細化され、固液共存領域温度における流動性が向上するため、デンドライト間への残留液相の補給が容易になり、さらに、Ｓｉを１．０〜３．０質量％添加することにより固液共存温度範囲が狭化し、流動性・溶湯補給性が向上し鋳造割れの発生が減少するとともに機械的強度が大きくなる。この鋳造割れ発生の減少は、特に、かご形回転子の他、溶湯が注入されるキャビティの途中に湯道の狭い部分がある製品に対して有効である。
【００１０】
Ｚｒの添加量は、０．３質量％を越えると初晶微細化剤として作用しないＺｒのフラックスが溶湯中に残存し、溶湯の品質が低下して溶湯歩留まりの低下を招き、０．０００５質量％より少ないと初晶微細化効果が得られない。従って、Ｚｒの添加量は０．０００５質量％以上、０．３質量％以下とする。また、十分な微細化効果を発揮させるためには０．０５質量％以上とするのが望ましい。
【００１１】
Ｓｉの含有量は、増加するとともに鋳造割れは減少する傾向にある一方、Ｓｉの含有量の増加とともに静的強度が減少する。したがって、強度を確保するためには、Ｓｉ量は３質量％以下とし、鋳造割れの発生を防止するためには１質量％以上とするのが好ましい。
【００１２】
ベース合金には、Ａ２０２４の他、Ａ２Ｎ０１、Ａ２２１９等、ＪＩＳに規格されたＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金を用いることができる。これらのＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金にＳｉおよびＺｒを添加して得られた、Ｓｉを１．０〜３．０質量％、Ｚｒを０．０００５〜０．３質量％含有する鋳造用アルミニウム合金は、上記Ａ２０２４にＳｉおよびＺｒを添加して得られた高強度鋳造用アルミニウム合金と同様、流動性・溶湯補給性が向上し鋳造割れの発生が減少するとともに機械的強度が大きなものとなる。この鋳造用アルミニウム合金は、特に、かご形回転子の他、溶湯が注入されるキャビティの途中に湯道の狭い部分がある製品に対して有効である。
【００１３】
結晶微細化剤としては、Ｚｒの他、ＴｉＢ、Ｈｆ、Ｖを用い、Ｚｒと同様の効果が得られる。このうち、初晶α相と結晶格子の整合性の良いＺｒＡｌ３、ＴｉＡｌ３を形成する、Ｚｒが結晶微細化剤として望ましい。
【００１４】
また、本発明の実施の形態の鋳造用アルミニウム合金を用いてかご形回転子を鋳造する場合、７０ＭＰａ以上の高圧下で鋳造することが望ましい。７０ＭＰａ以上の圧力で鋳造することによって、凝固時にデンドライト間への溶湯補給が十分達成でき、鋳造割れの発生をより確実に防止することができる。
【００１５】
また、上記本発明の実施の形態において、ＪＩＳに規格されたＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金をベース合金として、ＳｉおよびＺｒを添加して改良処理を行った例を示したが、純アルミニウムをベースにして、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｓｉ、結晶微細化剤を添加して所望の組成の鋳造用アルミニウム合金を作製して、この鋳造用アルミニウム合金を鋳造に用いてもよい。
【００１６】
【実施例】
以下に、より具体的な実施例により本発明の効果を示すが、本発明がこれら実施例により限定されるものではない。
実施例１．
実施例１においては、ＪＩＳ Ａ２０２４合金に微少量のＳｉおよびＺｒを添加し、Ｓｉを１．４質量％、Ｃｕを４．２質量％、Ｍｇを１．４質量％、Ｚｒを０．１２質量％含むアルミニウム合金となるように原料を溶解し、溶湯鍛造法によって丸棒状鋳物を成形した。このとき、溶解温度は８５０℃とし、溶湯鍛造の加圧力は１００ＭＰａとした。次いで、この丸棒状鋳物を５００℃付近で溶体化処理し、次いで、３０℃の水中に急冷して焼入れを行い、さらに、２００℃付近で人工時効処理を施した。
【００１７】
本実施例の効果を確認するための比較材として、ＪＩＳ Ａ２０２４合金（比較例１Ａ）およびおよびＪＩＳ ＡＣ８Ｃ合金（比較例１Ｂ）に相当する化学成分を有するアルミニウム合金を用いて、同様の方法により丸棒状鋳物を製造した。鋳造後、Ａ２０２４合金については５００℃付近で溶体化処理を行い、次いで、３０℃の水中に急冷して焼入れを行い、さらに、２００℃付近で人工時効処理を施した。ＡＣ８Ｃ合金については熱処理を施さず鋳放しのままとした。
【００１８】
本実施例の組成からなるアルミニウム合金の疲労強度に及ぼす効果を確認するため、前記の方法により得た実施例および比較例の組成を有する丸棒状鋳物より、ＪＩＳ４号引張試験片および疲労試験片を採取し、室温において引張試験および片振り疲労試験を行った。
【００１９】
図１は、室温における片振り疲労試験により得られた疲労特性を示すものである。図１に示されているように、本実施例１のアルミニウム合金の疲労特性は、比較例１Ａおよび比較例１Ｂの合金に比べて疲労強度が増大していることが分かる。疲労強度の増加率は、Ａ２０２４に対しては１０５回で８％、１０６回で１０％である。この疲労強度の増加は、Ｚｒの添加による初晶の結晶粒微細化効果に加えて、Ｓｉの添加による固液共存温度範囲の狭化によって鋳造割れ・偏析が減少したことによるものである。
【００２０】
次に、本実施例１の組成を有するアルミニウム合金と、比較例１Ａのアルミニウム合金を８５０℃で溶解し、この溶湯それぞれを、渦巻型流動性測定金型中に注湯した。各合金の流動長を表１に示す。
【００２１】
【表１】
表１に示すように、本実施例１における組成のアルミニウム合金の流動長は、比較例１Ａのアルミニウム合金に対して１０％向上していることが確認された。
【００２３】
実施例２．
本実施例２においては、上記実施例１の組成のアルミニウム合金を溶解し、溶湯鍛造法によって、図３に示す、ゲート１１、湯道１６，１７、幹部１２、枝Ａ部１３、枝Ｂ部１４、枝Ｃ部１５から構成される枝状鋳物を成形した。ここで、幹部１２の断面積は、枝Ａ部１３の断面積および枝Ｂ部１４の断面積および枝Ｃ部１５の断面積それぞれに対して３０％である。このときの溶解温度は８５０℃とし、溶湯鍛造の加圧力は１２０ＭＰａとした。次いで、この枝状鋳物を５００℃付近で溶体化処理を行い、次いで、３０℃の水中に急冷して焼入れを行い、２００℃付近で人工時効処理を施した。
【００２４】
比較例２として、上記比較例１Ａのアルミニウム合金を用いて、同様の方法により枝状鋳物を製造した。鋳造後、溶体化処理を行い、次いで、３０℃の水中に急冷して焼入れを行い、２００℃付近で人工時効処理を施した。
【００２５】
上記のようにして得た枝状鋳物の枝Ａ部１３、枝Ｂ部１４、および枝Ｃ部１５から、ＪＩＳ４号引張試験片を各３本ずつ採取し、室温において引張試験を実施した。引張試験結果を表２に示す。
【００２６】
【表２】
表２に示すように、比較例２の合金においては、枝Ａ部、枝Ｂ部、および枝Ｃ部の引張強さのばらつきが大きく、枝Ｃ部の引張強さは枝Ａ部の引張強さに対して１０％程度低下している。ゲートから最も遠い枝Ｃ部では、固液共存温度領域における溶湯補給性が低下するため、鋳造割れが観察された。一方、本実施例２のアルミニウム合金においては、いずれの枝部においても鋳造割れは観察されず、引張強さにおいても１％以内のばらつきに納まっており、Ｓｉ、Ｚｒの添加による流動性向上の効果が確認された。
【００２８】
実施例３〜９．
本実施例においては、表３に示す実施例３、参考例、及び実施例５から実施例９の化学組成を有するアルミニウム合金と比較例３から比較例６の化学組成を有するアルミニウム合金を用いて、かご形回転子を製造した。
【００２９】
【表３】
図３は、本実施例のかご形回転子の断面図を示すものである。図３において、１は回転子コアであって、磁性材によって形成された回転子コア片２を積層させることによって円筒状に形成されている。３は導体かご形であって、導体かご形３は、回転子コア１の一方の端面から他方の端面へ貫通しているスロットバー４および回転子コア１の両端面に対向し且つ複数のスロットバー４の端部と接続されている一対のエンドリング５によって構成されている。
【００３１】
鋳造には図４に示す鋳造装置を用いた。金型には回転子コア片２を積層した回転子コア１が装填されており、ゲート２１、下部エンドリング５ｂ、スロットバー４ａ、上部エンドリング５ａから形成されるキャビティ部分を有する。この金型を１００〜２００℃に昇温、保持し、７５０〜９００℃で溶融させたアルミニウム合金を、所定量湯溜り２５に注湯後、アルミニウム溶湯をキャビティ内に充填させ、１００ＭＰａの圧力で加圧し、導体かご形３を形成した。この時、アルミニウム溶湯は、ゲート２１を通って下部エンドリング部５ｂを充填し、湯道が狭いスロットバー４ａを充填した後、上部エンドリング部５ａを充填する。
【００３２】
表３に示した、実施例３、参考例、実施例５から実施例９、および比較例３から比較例６までのアルミニウム合金を用いて鋳造したかご形回転子について、５００℃付近で溶体化処理を行い、ついで、３０℃の水中へ焼き入れを行い、２００℃付近で人工時効処理を施して、Ｔ６処理を行った。
【００３３】
このようにして得られた実施例３、参考例、実施例５〜９及び比較例３〜６のかご形回転子のエンドリング部分について鋳造割れの総長、および偏析状態について比較した。
【００３４】
また、高温での強度を確認するためエンドリング部よりＪＩＳ４号引張試験片を採取し、ＪＩＳに準拠し１５０℃において引張試験を行った。エンドリング部の割れ長さ、偏析状態および引張強さについて比較した結果を表４に示す。
【００３５】
【表４】
以下、実施例の効果について、比較例の組成を有する合金による成形品と比較して説明する。
【００３７】
実施例３は、ＪＩＳ Ａ２０２４合金にＳｉおよびＺｒを添加して作製した、Ｃｕを４．２％、Ｍｇを１．４％、Ｓｉを１．２質量％、Ｚｒを０．１３質量％含有するアルミニウム合金である。比較例３は、ＪＩＳ Ａ２０２４合金に相当し、比較例４は、Ａ２０２４合金にＺｒを添加してＺｒを０．１４質量％としたものである。
【００３８】
表４に示されているように、比較例３は、エンドリング部に鋳造割れおよび偏析が発生する。比較例４は、結晶が微細化されることによって、固液共存領域温度における流動性が向上するため、デンドライト間への残留液相の補給が容易になり、比較例３に比べて下部エンドリング部の鋳造割れの発生は減少した。しかしながら、上部エンドリング部については依然鋳造割れが残存している。一方、実施例３は、下部エンドリング部および上部エンドリング部ともに鋳造割れの発生はなかった。
【００３９】
実施例３の良好な結果は、Ｚｒに加えてＳｉを添加してＳｉを１．２質量％としたことにより固液共存温度範囲が狭化し、流動性・溶湯補給性が向上したためである。本実施例のかご形回転子のように、キャビティ途中に湯道断面積の狭い部分がある製品に対して、固液共存温度領域が広い材料では充填中に流動性が低下し、最終充填域への溶湯補給が不充分になり、鋳造割れ等の欠陥が生じやすくなる。したがって、かご形回転子のようにキャビティ途中に湯道の狭い部分がある場合には実施例３のようにＺｒとＳｉの微量添加が有効である。
【００４０】
かご形回転子においては、スロットバーが一定の角度をもって非軸対称にエンドリングと接続しているため、エンドリング部の冷却速度は周方向に均一ではなく、最終凝固域となるスロットバー上部の上部エンドリング部に偏析が発生しやすい。したがって、固液共存温度範囲の大きい合金では機械的強度および導電率において不均一を生じる。偏析についても、固液共存温度範囲が狭い方が発生しにくい。従って、固液共存温度範囲を狭くするＳｉの添加が有効である。しかしながら、強度を確保する必要がある場合には、Ｓｉ量は３質量％以下とするのが好ましい。
【００４１】
なお、かご形回転子の他、キャビティ途中に湯道面積の狭い部分を有する製品についても本実施例の組成をもつ鋳造用アルミニウム合金は有効である。
【００４２】
また、実施例３は、結晶微細化剤としてＺｒを添加したが、実施例５から実施例７に示すように、Ａ２０２４合金にＳｉとＴｉＢ、ＶまたはＨｆを添加してもＺｒの場合と同様の効果が確認された。このうち、初晶α相と結晶格子の整合性の良いＺｒＡｌ ３ を形成するＺｒが微細化剤としては望ましい。なお、上記いずれの元素についても添加量としては０．３０％以下とするのが好ましい。
【００４３】
実施例８は、ＪＩＳ Ａ２２１９のアルミニウム合金にＳｉおよびＺｒを添加して作製したものであり、Ｃｕを６．８質量％、Ｍｇを０．０２質量％、Ｓｉを１．４質量％、Ｚｒを０．１８質量％含有するアルミニウム合金である。比較例５はＪＩＳ Ａ２２１９相当のＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金である。
【００４４】
表４に示されているように、比較例５は、エンドリング部に大きな鋳造割れおよび偏析が発生する。一方、実施例８は、比較例５に比べて、下部エンドリング部および上部エンドリング部ともに鋳造割れが小さくなっている。
【００４５】
実施例９は、ＪＩＳ Ａ２Ｎ０１のアルミニウム合金にＳｉおよびＺｒを添加して作製したものであり、Ｃｕを１．５質量％、Ｍｇを０．０２質量％、Ｓｉを１．４質量％、Ｚｒを０．１８質量％含有するアルミニウム合金である。比較例６はＪＩＳ Ａ２Ｎ０１相当のＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系の合金である。
【００４６】
表４に示されているように、比較例６は、エンドリング部に大きな鋳造割れおよび偏析が発生する。一方、実施例９は、比較例６に比べて、下部エンドリング部および上部エンドリング部ともに鋳造割れが小さくなった。
【００４７】
また、実施例３、実施例５〜９のエンドリング部から採取した引張り試験片の１５０℃における引張強さは、各比較例よりも低下するが、エンドリングとして要求される強度を満たすものである。
【００４８】
なお、実施例３、実施例５から実施例９においては、１００ＭＰａで鋳造したが、７０ＭＰａ以上の高圧下で鋳造することが望ましい。７０ＭＰａ未満の圧力では凝固時にデンドライト間への溶湯補給が十分達成できず、鋳造割れが残存する確率が高くなる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明に係る鋳造用アルミニウム合金によれば、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金であり、Ｃｕを１．５〜６．８質量％、Ｍｇを０．０２〜１．８質量％、およびＳｉを１．０〜３．０質量％含有し、Ｚｒ、ＴｉＢ、ＨｆおよびＶより選択された１つを０．３質量％以下含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなるものであるので、流動性・溶湯補給性が向上し鋳造割れの発生が減少するとともに機械的強度が大きくなる。
【００５０】
本発明に係るかご形回転子によれば、磁性材によって回転軸孔を中心として円筒状に形成されている回転子コアと、上記回転軸に沿って上記回転子コアの一方の端面から他方の端面に貫通している複数のスロットバーと、上記回転子コアの両端面それぞれに対向し且つ複数の上記スロットバーの端部と接続されている一対のエンドリングとを備えているかご形回転子において、上記スロットバーおよびエンドリングが、上記本発明に係る鋳造用アルミニウム合金を用いた加圧鋳造品であるので、スロットバーおよびエンドリングを鋳造により成形し、鋳造割れの発生が少なく、機械的強度が大きなアルミニウム合金鋳物が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１における鋳造用アルミニウム合金の、室温における片振り疲労試験により得られた疲労特性を示す図である。
【図２】 実施例２における鋳造用アルミニウム合金の枝状鋳物の構成を示す平面図である。
【図３】 実施例３ないし９におけるかご形回転子を示す断面図である。
【図４】 実施例３ないし９に用いた鋳造装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 回転子コア、２ 回転子コア片、３ 導体かご型、４ スロットバー、
５ エンドリング、５ａ 上部エンドリング、５ｂ 下部エンドリング、１１ ゲート、
１２ 幹、１３ 枝Ａ、１４ 枝Ｂ、１５ 枝Ｃ、１６ 湯道Ａ、１７ 湯道Ｂ、
２１ ゲート、２５ 湯溜り。
Claims (2)
- Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金であり、Ｃｕを１．５〜６．８質量％、Ｍｇを０．０２〜１．８質量％、およびＳｉを１．０〜３．０質量％含有し、Ｚｒ、ＴｉＢ、ＨｆおよびＶより選択された１つを０．３質量％以下含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなることを特徴とする鋳造用アルミニウム合金。
- 磁性材によって回転軸孔を中心として円筒状に形成されている回転子コアと、上記回転軸に沿って上記回転子コアの一方の端面から他方の端面に貫通している複数のスロットバーと、上記回転子コアの両端面それぞれに対向し且つ複数の上記スロットバーの端部と接続されている一対のエンドリングとを備えているかご形回転子において、上記スロットバーおよびエンドリングが、上記請求項1記載の鋳造用アルミニウム合金を用いた加圧鋳造品であることを特徴とするかご形回転子。
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