JP4084821B2 - アルミニウム合金鋳造素材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム合金溶湯をステンレス容器内に注湯することにより、半溶融成形に適した素材を得るアルミニウム合金鋳造素材の製造方法に関するものである。

半溶融成形法は、固相と液相とが共存状態となった半溶融素材（例えばアルミニウム合金鋳造素材）を金型内に充填した後、冷却固化して製品を得る方法であり、一般に、液状のものから冷却固化して半溶融素材を得るレオキャスティング法と、凝固したものを再加熱して半溶融素材を得るチクソキャスティング法とに大別される。かかる半溶融成形法は、固液共存域より成形し得ることから、冷却速度を速め、製品の機械的性質を向上させ得るという効果があり、近年注目されるに至っている。

然るに、冷却速度が速くなれば、当然、成形時の凝固も速くなることから、素材を短時間で金型内に充填しないと、成形が困難となる虞がある。従って、金型への流動性（即ち、充填性）が良好であり、短時間で金型内に充填され得る半溶融素材が半溶融成形に適しており、そのような特性を得るには、粒状化した固相（初晶）を持つ半溶融素材とする必要である。

かかる半溶融素材を得るべく、従来は溶湯を機械的や電磁的に撹拌して、発生する樹枝状晶（デンドライト）を剪断することにより等軸晶で粒状化した初晶を得る方法や粒状化迄はいかないが、樹枝状晶を分断させながら凝固させることによって内部歪を発生させるか、材料に塑性加工を加えることにより内部歪を発生させ、それらの材料を再加熱して半溶融状態にするとき、歪による再結晶現象を利用して固相を粒状化させる方法が提案されている。具体的には、溶湯を内在したステンレス容器の外側から電磁撹拌させながら半溶融状態にしたり、連続鋳造装置のジャケット部の外側から電磁力を加えて溶湯を強制撹拌しながらビレットを製造し、再加熱によって半溶融状態にする方法で半溶融成形法に適したアルミニウム合金鋳造素材（半溶融素材）を得ていたのである。尚、かかる先行技術は、文献公知発明に係るものでないため、記載すべき先行技術文献情報はない。

しかしながら、上記従来のアルミニウム合金鋳造素材の製造方法においては、撹拌にて樹枝状の固相を剪断する必要があったため、撹拌のための装置（電磁撹拌装置など）が必要となり、製造装置が大がかりなものとなって製造コストが嵩んでしまうという問題があった。しかして、本出願人は、結晶核が凝固に伴って成長する際、所定の条件下で冷却をコントロールすることにより固相が粒状化することを見出し、半溶融成形法に適したアルミニウム合金鋳造素材をより簡易に且つ低コストで製造すべく鋭意検討するに至った。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、大がかりな製造装置を用いることなく、簡易に且つ低コストで半溶融成形法に適した素材を得ることができるアルミニウム合金鋳造素材の製造方法を提供することにある。

請求項１記載の発明は、アルミニウム合金溶湯をステンレス容器内に注湯することにより、半溶融成形に適した素材を得るアルミニウム合金鋳造素材の製造方法において、円筒状の前記ステンレス容器へのアルミニウム合金溶湯の注湯温度がそのアルミニウム合金溶湯における凝固開始温度以上６４０℃以下、当該ステンレス容器の温度が３００℃以下及びその内径が５インチ以下の条件に設定し、単に前記アルミニウム合金溶湯を前記ステンレス容器に充填させるだけで、粒状化した初晶を得ることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、アルミニウム合金溶湯をステンレス容器内に注湯することにより、半溶融成形に適した素材を得るアルミニウム合金鋳造素材の製造方法において、円筒状の前記ステンレス容器へのアルミニウム合金溶湯の注湯温度がそのアルミニウム合金溶湯における凝固開始温度以上６４０℃以下、当該ステンレス容器の温度が４００℃以下及びその内径が６インチ、且つ、その肉厚が７ｍｍ以上の条件に設定し、単に前記アルミニウム合金溶湯を前記ステンレス容器に充填させるだけで、粒状化した初晶を得ることを特徴とする。

請求項１及び請求項２の発明によれば、単にステンレス容器に注湯するアルミニウム合金溶湯の温度、当該ステンレス容器の大きさ（内径）及びその温度を所定条件に設定するだけで、等軸晶で粒状化した初晶を得ることができるので、大がかりな製造装置を用いることなく、簡易に且つ低コストで半溶融成形法に適したアルミニウム合金鋳造素材を得ることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら具体的に説明する。
本実施形態に係るアルミニウム合金鋳造素材の製造方法は、所定条件下にてアルミニウム合金溶湯をステンレス容器内に注湯するものであり、図１に示すように、加熱により得られた保持炉２内のアルミニウム合金溶湯を、内径Ｄ及び肉厚Ｌとされた円筒状のステンレス容器１内に導入して半溶融成形法に適したアルミニウム合金鋳造素材を得ようとするものである。

製造過程における所定条件は、内径Ｄが５インチ以下のステンレス容器１を用いる場合、当該ステンレス容器１に注湯されるアルミニウム合金溶湯の温度が６４０℃以下とされるとともに、ステンレス容器１の温度が３００℃以下である。即ち、注湯するアルミニウム合金溶湯の温度と、ステンレス容器の温度及び内径とを上記条件とすれば、単に保持炉２内のアルミニウム合金溶湯をステンレス容器１に充填させるだけで、等軸晶で粒状化した初晶を持った素材が得られるのである。

また、内径Ｄが６インチのステンレス容器１を用いる場合は、当該ステンレス容器１に注湯されるアルミニウム合金溶湯の温度が６４０℃以下、当該ステンレス容器１の温度が４００℃以下、且つ、ステンレス容器１の肉厚Ｌが７ｍｍ以上である。即ち、この場合も、注湯するアルミニウム合金溶湯の温度と、ステンレス容器の温度、内径及び肉厚を上記条件とすれば、単に保持炉２内のアルミニウム合金溶湯をステンレス容器１に充填させだけで、等軸晶で粒状化した初晶を持った素材が得られるのである。然るに、上記製法にて得られたアルミニウム合金鋳造材（半溶融素材）を一旦自然凝固させて保存するとともに、再加熱して半溶融状態とした後、金型のキャビティ内に押圧しつつ充填させ、製品を得るものとしている。

以下に、本実施形態の技術的優位性を立証し得る実験について説明する。かかる実験結果においては、実施例及び比較例に係るアルミニウム合金鋳造素材をそれぞれ所定条件下にて製造し、自然冷却させた後、半溶融温度領域まで再加熱したときの組織を顕微鏡写真にて比較したものである。

まず、内径Ｄが３インチのステンレス容器を用いた場合における当該ステンレス容器の温度の影響について実験した。勿論、他の条件については略同一（特に、注湯温度は６３５℃以下）としてある。
（実施例１）ステンレス容器の温度が３００℃、その肉厚Ｌが１０ｍｍ
（実施例２）ステンレス容器の温度が３００℃、その肉厚Ｌが６ｍｍ
（実施例３）ステンレス容器の温度が３００℃、その肉厚Ｌが４ｍｍ
（実施例４）ステンレス容器の温度が３００℃、その肉厚Ｌが０．５ｍｍ
（比較例１）ステンレス容器の温度が４００℃、その肉厚Ｌが４ｍｍ
（比較例２）ステンレス容器の温度が４００℃、その肉厚Ｌが２ｍｍ
（比較例３）ステンレス容器の温度が４００℃、その肉厚Ｌが０．５ｍｍ
（比較例４）ステンレス容器の温度が５００℃、その肉厚Ｌが１０ｍｍ
（比較例５）ステンレス容器の温度が５００℃、その肉厚Ｌが６ｍｍ

上記実施例１〜実施例４、及び比較例１〜比較例５における顕微鏡写真を図２及び図３に示す。尚、実施例１が図２（ａ）、実施例２が同図（ｂ）、実施例３が同図（ｃ）及び実施例４が同図（ｄ）でそれぞれ示されており、比較例１が図３（ａ）、比較例２が同図（ｂ）、比較例３が同図（ｃ）、比較例４が同図（ｄ）及び比較例５が同図（ｅ）でそれぞれ示されている。

これら顕微鏡写真によれば、固相（図中相対的に白い箇所）の形状を比較することができ、実施例１〜実施例４のものは、等軸晶で粒状化した固相（初晶）が得られたことが分かる一方、比較例１〜比較例５のものは、アメーバー（いびつな形）状の固相であることが分かる。従って、実施例１〜実施例４のものは、金型への流動性（即ち、充填性）が良好であり、短時間で金型内に充填され得るアルミニウム合金鋳造素材であると認められる。

同様に、ステンレス容器の温度及び肉厚Ｌを他の条件下にて行った同様の実験結果を以下の表１に示す。尚、表中の丸印は、図１の如く等軸晶で粒状化した固相（初晶）が得られたものであり、バツ印は、図２の如くアメーバー（いびつな形）状の固相となったものである。

上記表からも分かるように、内径Ｄが３インチのステンレス容器を用いた場合、ステンレス容器の温度を３００℃以下としてアルミニウム合金溶湯を注湯すれば、等軸晶で粒状化した固相（初晶）が形成され、金型への流動性（即ち、充填性）が良好であり、短時間で金型内に充填され得るアルミニウム合金鋳造素材を得ることができる。

次に、内径Ｄが４インチのステンレス容器を用いた場合における当該ステンレス容器の温度の影響について実験した。勿論、他の条件については略同一（特に、注湯温度は６３５℃以下）としてある。
（実施例５）ステンレス容器の温度が３００℃、その肉厚Ｌが１０ｍｍ
（実施例６）ステンレス容器の温度が３００℃、その肉厚Ｌが７ｍｍ
（実施例７）ステンレス容器の温度が３００℃、その肉厚Ｌが５ｍｍ
（実施例８）ステンレス容器の温度が３００℃、その肉厚Ｌが０．５ｍｍ
（比較例６）ステンレス容器の温度が４００℃、その肉厚Ｌが１０ｍｍ
（比較例７）ステンレス容器の温度が４００℃、その肉厚Ｌが０．５ｍｍ
（比較例８）ステンレス容器の温度が５００℃、その肉厚Ｌが５ｍｍ

上記実施例５〜実施例８、及び比較例６〜比較例８における顕微鏡写真を図４及び図５に示す。尚、実施例５が図４（ａ）、実施例６が同図（ｂ）、実施例７が同図（ｃ）及び実施例８が同図（ｄ）でそれぞれ示されており、比較例６が図５（ａ）、比較例７が同図（ｂ）及び比較例８が同図（ｃ）でそれぞれ示されている。

これら顕微鏡写真によれば、固相（図中相対的に白い箇所）の形状を比較することができ、実施例５〜実施例８のものは、等軸晶で粒状化した固相（初晶）が得られたことが分かる一方、比較例６〜比較例８のものは、アメーバー（いびつな形）状の固相であることが分かる。従って、実施例５〜実施例８のものは、金型への流動性（即ち、充填性）が良好であり、短時間で金型内に充填され得るアルミニウム合金鋳造素材であると認められる。

同様に、ステンレス容器の温度及び肉厚Ｌを他の条件下にて行った実験結果を以下の表２に示す。尚、表中の丸印は、図４の如く等軸晶で粒状化した固相（初晶）が得られたものであり、バツ印は、図５の如くアメーバー（いびつな形）状の固相となったものである。

上記表からも分かるように、内径Ｄが４インチのステンレス容器を用いた場合、ステンレス容器の温度を３００℃以下としてアルミニウム合金溶湯を注湯すれば、等軸晶で粒状化した固相（初晶）が形成され、金型への流動性（即ち、充填性）が良好であり、短時間で金型内に充填され得るアルミニウム合金鋳造素材を得ることができる。

次に、内径Ｄが５インチのステンレス容器を用いた場合における当該ステンレス容器の温度の影響について実験した。勿論、他の条件については略同一（特に、注湯温度は６３５℃以下）としてある。
（実施例９）ステンレス容器の温度が３００℃、その肉厚Ｌが１０ｍｍ
（実施例１０）ステンレス容器の温度が３００℃、その肉厚Ｌが５ｍｍ
（実施例１１）ステンレス容器の温度が３００℃、その肉厚Ｌが０．５ｍｍ
（比較例９）ステンレス容器の温度が４００℃、その肉厚Ｌが１０ｍｍ
（比較例１０）ステンレス容器の温度が４００℃、その肉厚Ｌが５ｍｍ
（比較例１１）ステンレス容器の温度が４００℃、その肉厚Ｌが０．５ｍｍ

上記実施例９〜実施例１１、及び比較例９〜比較例１１における顕微鏡写真を図６及び図７に示す。尚、実施例９が図６（ａ）、実施例１０が同図（ｂ）及び実施例１１が同図（ｃ）でそれぞれ示されており、比較例９が図７（ａ）、比較例１０が同図（ｂ）及び比較例１１が同図（ｃ）でそれぞれ示されている。

これら顕微鏡写真によれば、固相（図中相対的に白い箇所）の形状を比較することができ、実施例９〜実施例１１のものは、等軸晶で粒状化した固相（初晶）が得られたことが分かる一方、比較例９〜比較例１１のものは、アメーバー（いびつな形）状の固相であることが分かる。従って、実施例９〜実施例１１のものは、金型への流動性（即ち、充填性）が良好であり、短時間で金型内に充填され得るアルミニウム合金鋳造素材であると認められる。

同様に、ステンレス容器の温度及び肉厚Ｌを他の条件下にて行った実験結果を以下の表３に示す。尚、表中の丸印は、図６の如く等軸晶で粒状化した固相（初晶）が得られたものであり、バツ印は、図７の如くアメーバー（いびつな形）状の固相となったものである。

上記表からも分かるように、内径Ｄが５インチのステンレス容器を用いた場合、ステンレス容器の温度を３００℃以下としてアルミニウム合金溶湯を注湯すれば、等軸晶で粒状化した固相（初晶）が形成され、金型への流動性（即ち、充填性）が良好であり、短時間で金型内に充填され得るアルミニウム合金鋳造素材を得ることができる。

次に、内径Ｄが６インチのステンレス容器を用いた場合における当該ステンレス容器の温度の影響について実験した。勿論、他の条件については略同一（特に、注湯温度は６３５℃以下）としてある。
（実施例１２）ステンレス容器の温度が常温、その肉厚Ｌが７ｍｍ
（実施例１３）ステンレス容器の温度が４００℃、その肉厚Ｌが１０ｍｍ
（実施例１４）ステンレス容器の温度が４００℃、その肉厚Ｌが７ｍｍ
（比較例１２）ステンレス容器の温度が常温、その肉厚Ｌが５ｍｍ
（比較例１３）ステンレス容器の温度が４００℃、その肉厚Ｌが５ｍｍ
（比較例１４）ステンレス容器の温度が５００℃、その肉厚Ｌが１０ｍｍ

上記実施例１２〜実施例１４、及び比較例１２〜比較例１４における顕微鏡写真を図８及び図９に示す。尚、実施例１２が図８（ａ）、実施例１３が同図（ｂ）及び実施例１４が同図（ｃ）でそれぞれ示されており、比較例１２が図９（ａ）、比較例１３が同図（ｂ）及び比較例１４が同図（ｃ）でそれぞれ示されている。

これら顕微鏡写真によれば、固相（図中相対的に白い箇所）の形状を比較することができ、実施例１２〜実施例１４のものは、等軸晶で粒状化した固相（初晶）が得られたことが分かる一方、比較例１２〜比較例１４のものは、アメーバー（いびつな形）状の固相であることが分かる。従って、実施例１２〜実施例１４のものは、金型への流動性（即ち、充填性）が良好であり、短時間で金型内に充填され得るアルミニウム合金鋳造素材であると認められる。

同様に、ステンレス容器の温度及び肉厚Ｌを他の条件下にて行った実験結果を以下の表４に示す。尚、表中の丸印は、図８の如く等軸晶で粒状化した固相（初晶）が得られたものであり、バツ印は、図９の如くアメーバー（いびつな形）状の固相となったものである。

上記表からも分かるように、内径Ｄが６インチのステンレス容器を用いた場合、ステンレス容器の温度を４００℃以下とし、且つ、当該ステンレス容器の肉厚を７ｍｍ以上のものを用いてアルミニウム合金溶湯を注湯すれば、等軸晶で粒状化した固相（初晶）が形成され、金型への流動性（即ち、充填性）が良好であり、短時間で金型内に充填され得るアルミニウム合金鋳造素材を得ることができる。

次に、内径Ｄが３インチのステンレス容器を用いた場合における注湯温度（注湯するアルミニウム合金溶湯の温度）の影響について実験した。勿論、他の条件については略同一としてある。
（実施例１５）ステンレス容器の温度が１００℃、注湯温度が６３５℃
（比較例１５）ステンレス容器の温度が１００℃、注湯温度が６８０℃
（比較例１６）ステンレス容器の温度が１００℃、注湯温度が６６５℃
（比較例１７）ステンレス容器の温度が１００℃、注湯温度が６４５℃

上記実施例１５、及び比較例１５〜比較例１７における顕微鏡写真を図１０に示す。尚、実施例１５が同図（ａ）で示されており、比較例１５が同図（ｂ）、比較例１６が同図（ｃ）及び比較例１７が同図（ｄ）でそれぞれ示されている。

これら顕微鏡写真によれば、固相（図中相対的に白い箇所）の形状を比較することができ、実施例１５のものは、等軸晶で粒状化した固相（初晶）が得られたことが分かる一方、比較例１５〜比較例１７のものは、樹枝状の固相であることが分かる。従って、実施例１５のものは、金型への流動性（即ち、充填性）が良好であり、短時間で金型内に充填され得るアルミニウム合金鋳造素材であると認められる。

同様に、ステンレス容器の温度及び肉厚Ｌを他の条件下にて行った実験結果を以下の表５に示す。尚、表中の丸印は、図１０（ａ）の如く等軸晶で粒状化した固相（初晶）が得られたものであり、バツ印は、同図（ｂ）〜（ｄ）の如く樹枝状の固相となったものである。

上記表からも分かるように、ステンレス容器の温度を３００℃以下とし、且つ、注湯温度を６４０℃以下としてアルミニウム合金溶湯を注湯すれば、等軸晶で粒状化した固相（初晶）が形成され、金型への流動性（即ち、充填性）が良好であり、短時間で金型内に充填され得るアルミニウム合金鋳造素材を得ることができる。

上記実験における実施例１〜実施例１５から明らかなように、ステンレス容器に注湯されるアルミニウム合金溶湯の温度が６４０℃以下、当該ステンレス容器の温度が３００℃以下及びその内径が５インチ以下の条件、或いは、ステンレス容器に注湯されるアルミニウム合金溶湯の温度が６４０℃以下、当該ステンレス容器の温度が４００℃以下及びその内径が６インチ、且つ、その肉厚が７ｍｍ以上の条件に設定した後、単に保持炉２内のアルミニウム合金溶湯をステンレス容器１に充填させるだけで、等軸晶で粒状化した初晶を得ることができるので、大がかりな製造装置を用いることなく、簡易に且つ低コストで半溶融成形法に適したアルミニウム合金鋳造素材を得ることができる。

ここで、本発明においては、上記の如く本製法にて得られたアルミニウム合金鋳造材（半溶融素材）を一旦自然凝固させて保存するとともに、再加熱して半溶融状態とした後、金型のキャビティ内に押圧しつつ充填させ、製品を得るもの（チクソキャスティング）の他、当該本製法にて得られたアルミニウム合金鋳造材（半溶融素材）を金型のキャビティ内に押圧しつつ充填させ、製品を得る（レオキャスティング）ものの両者に適用することができる。即ち、当該条件において容器に注湯されたアルミニウム合金溶湯を半溶融温度領域まで冷却し、そのまま保持した場合においても、自然冷却および固化した後、再加熱した場合と同様に結果が得られることから、チクソキャスティング及びレオキャスティングに拘わらず、上記製造条件とすれば、半溶融成形法に適したアルミニウム合金鋳造素材を得ることができるのである。

円筒状のステンレス容器へのアルミニウム合金溶湯の注湯温度がそのアルミニウム合金溶湯における凝固開始温度以上６４０℃以下、当該ステンレス容器の温度が３００℃以下及びその内径が５インチ以下の条件、或いは円筒状のステンレス容器へのアルミニウム合金溶湯の注湯温度がそのアルミニウム合金溶湯における凝固開始温度以上６４０℃以下、当該ステンレス容器の温度が４００℃以下及びその内径が６インチ、且つ、その肉厚が７ｍｍ以上の条件に設定し、単に前記アルミニウム合金溶湯を前記ステンレス容器に充填させるだけで、粒状化した初晶を得るアルミニウム合金鋳造素材の製造方法であれば、他の製造工程等を付加したもの等にも適用することができる。

本発明の実施形態に係るアルミニウム合金鋳造素材の製造方法を説明するための模式図 本発明の実施例１〜実施例４の顕微鏡写真 本発明の比較例１〜比較例５の顕微鏡写真 本発明の実施例５〜実施例８の顕微鏡写真 本発明の比較例６〜比較例８の顕微鏡写真 本発明の実施例９〜実施例１１の顕微鏡写真 本発明の比較例９〜比較例１１の顕微鏡写真 本発明の実施例１２〜実施例１４の顕微鏡写真 本発明の比較例１２〜比較例１４の顕微鏡写真 本発明の実施例１５及び比較例１５〜比較例１７の顕微鏡写真

符号の説明

１ ステンレス容器
２ 保持炉
Ｄ 内径
Ｌ 肉厚

Claims (2)

1. アルミニウム合金溶湯をステンレス容器内に注湯することにより、半溶融成形に適した素材を得るアルミニウム合金鋳造素材の製造方法において、
   円筒状の前記ステンレス容器へのアルミニウム合金溶湯の注湯温度がそのアルミニウム合金溶湯における凝固開始温度以上６４０℃以下、当該ステンレス容器の温度が３００℃以下及びその内径が５インチ以下の条件に設定し、単に前記アルミニウム合金溶湯を前記ステンレス容器に充填させるだけで、粒状化した初晶を得ることを特徴とするアルミニウム合金鋳造素材の製造方法。
2. アルミニウム合金溶湯をステンレス容器内に注湯することにより、半溶融成形に適した素材を得るアルミニウム合金鋳造素材の製造方法において、
   円筒状の前記ステンレス容器へのアルミニウム合金溶湯の注湯温度がそのアルミニウム合金溶湯における凝固開始温度以上６４０℃以下、当該ステンレス容器の温度が４００℃以下及びその内径が６インチ、且つ、その肉厚が７ｍｍ以上の条件に設定し、単に前記アルミニウム合金溶湯を前記ステンレス容器に充填させるだけで、粒状化した初晶を得ることを特徴とするアルミニウム合金鋳造素材の製造方法。