JP4126576B2

JP4126576B2 - 鋳造用アルミニウム合金

Info

Publication number: JP4126576B2
Application number: JP24528898A
Authority: JP
Inventors: 健二佐藤; 浩志萩元; 泰弘加藤
Original assignee: 地方独立行政法人東京都立産業技術研究センター; 株式会社サンリック
Priority date: 1998-08-31
Filing date: 1998-08-31
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2018-08-31
Also published as: JP2000080430A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳造用アルミニウム合金に関し、特にＡｌ-Ｔｉ−Ｃ系の鋳造用アルミニウム合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ａｌ-Ｔｉ系合金は、アルミニウム合金鋳物における金属組織の微細化を図ることを目的としてチタン（Ｔｉ）を添加するための母合金として使用されたり、蒸着膜作成用スパッタリングターゲットとして使用され、また高強度・高弾性・高温強度の軽量構造材料として注目されている。
他方、Ａｌ-Ｔｉ系合金は、凝固開始温度と凝固終了温度の幅が数百Ｋとかなり大きいため、凝固過程でチタン化アルミ（Ａｌ₃Ｔｉ）組織が粗大に成長しやすく、その結果、引け巣が多く発生し、鋳造製品の製造歩留まりが悪かった。
加えて、上記引け巣を押し潰すべく、鋳造した製品を熱間で塑性加工を行なう手間が掛かり、更には、粗大なＡｌ₃Ｔｉ組織の存在により塑性加工中に製品の割れが発生しやすいため、再加熱−再加工を何回か繰り返す必要があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような現状に鑑みてなされたものであり、凝固過程で生成されるＡｌ₃Ｔｉ組織が微細化され、以って引け巣を減少させて製造歩留まりを向上させることができると共に、塑性加工をほとんど必要とせず、塑性加工しても製品の割れが発生し難い鋳造用アルミニウム合金を提供せんとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
斯かる目的を達成する本発明の鋳造用アルミニウム合金は、不可避的不純物を含む純アルミニウムに対して、炭素組成量を０．１ｗｔ％〜１．５ｗｔ％とし、チタン組成量をチタン組成量（ｗｔ％）から４倍の炭素組成量（ｗｔ％）を差し引いた値が１．６ｗｔ％〜１３ｗｔ％となる範囲としてなる事を特徴としたものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施例を詳細に説明する。
Ａｌ-Ｔｉ系合金は、チタン化アルミ（Ａｌ₃Ｔｉ）からなる金属間化合物を強化相とするインサイチュ（Ｉｎ−ｓｉｔｕ）複合材料であり、弾性率が高く、高温強度特性に優れているが、反面、凝固過程でＡｌ₃Ｔｉ組織が粗大に成長しやすい。また、チタン（Ｔｉ）は鋳造した製品の金属組織を微細化する効果をもたらし、鋳造用アルミニウム合金の有効な添加成分である。
【０００６】
Ａｌ-Ｔｉ系合金において凝固過程で生成されるＡｌ₃Ｔｉ組織の制御には、凝固速度による制御と、合金元素の添加による手法が考えられる。
そこで、本発明者等は種々の元素添加によるＡｌ₃Ｔｉ組織の微細化効果について検証した。
【０００７】
高純度アルミニウム（99.999％）と高純度チタン（99.97％）に、添加元素としてジルコニウム（Ｚｒ），モリブデン（Ｍｏ），クロム（Ｃｒ），タンタル（Ｔａ），ホウ素（Ｂ），炭素（Ｃ）を配合し、Ａｌ-５ｗｔ％Ｔｉ-１ｗｔ％Ｍｅ（添加元素）を目標組成にして、高周波誘導溶解炉を用いてアルミナるつぼ中で溶解し、高純度アルゴンガスで脱ガス処理後、Ｖブロック状黒鉛鋳型に１４７３Ｋで鋳込んだ。
その結果、炭素（Ｃ）を添加した場合のＡｌ₃Ｔｉ組織の微細化に及ぼす影響がもっとも大きかった。
【０００８】
そこで、上記高純度アルミニウムと高純度チタンに高純度黒鉛（99.99％）を添加して、高周波誘導真空溶解炉を用いて減圧アルゴンガス雰囲気でアルミナるつぼ中で溶解し、炭素組成量が０．０７〜１ｗｔ％の範囲のＡｌ-５ｗｔ％Ｔｉ-Ｃ系合金を作製し、Ｖブロック状黒鉛鋳型に１４７３Ｋで鋳込んだ。
得られた試料は、試料底部から４５ｍｍの位置で切断し、切断面を鏡面研磨したのち光学顕微鏡で組織観察を行なうと共に、ＥＰＭＡ及びＸ線回折を用いて晶出相の同定を行なった。また、試料合金中の炭素（Ｃ）は、燃焼赤外線吸収法で定量した。ちなみに、試料底部から４５ｍｍの位置の凝固速度は、２０Ｋ／ｓ〜２５Ｋ／ｓである。
【０００９】
上記検証の結果、Ａｌ-５ｗｔ％Ｔｉ-Ｃ系合金中の炭素組成量が０．４ｗｔ％以上になるとＡｌ₃Ｔｉ組織の微細化に及ぼす影響が顕著となり、組成量の増加に伴ってＡｌ₃Ｔｉ組織の微細化が進む傾向にあった。
しかし乍ら、炭素組成量が１．０ｗｔ％以上になると、アルミニウム炭化物（Ａｌ₄Ｃ₃）が生成されてくるので、炭素組成量を１．０ｗｔ％以上にすることは好ましくない。
【００１０】
図１に、Ａｌ-５ｗｔ％Ｔｉ-Ｃ系合金の凝固組織を示す。この図１において、灰色針状に見えるのがＡｌ₃Ｔｉ組織であり、灰色粒状に見えるのがＴｉＣ組織である。ちなみに、図１の（ａ）は炭素を添加する前（Ａｌ-５ｗｔ％Ｔｉ）の凝固組織を示し、図１の（ｂ）はＡｌ-５ｗｔ％Ｔｉ-０．４ｗｔ％Ｃ合金の凝固組織を示す。この図１からも、炭素を添加することによりＡｌ₃Ｔｉ組織が顕著に微細化されることが良く理解される。
【００１１】
次に、Ａｌ-Ｔｉ-Ｃ系合金において炭素組成量が異なる鋳物の金属組織から、顕微鏡写真（図１参照）で針状に観察されるＡｌ₃Ｔｉの単位面積当りの個数と長さを調べた。顕微鏡写真で針状に観察されるＡｌ₃Ｔｉの単位面積当りの個数と長さは、Ａｌ-Ｔｉ-Ｃ系合金における金属組織の微細さを示す指標となる。
その結果を図２に示す。
この測定結果から、炭素組成量の増加に伴って、Ａｌ₃Ｔｉの単位面積当たりの個数は増加するが、Ａｌ₃Ｔｉ結晶の長さは短くなることが解った。
【００１２】
また、上記の得られた試料をＥＰＭＡ及びＸ線回折した結果から、Ａｌ₃Ｔｉの他にチタン炭化物（ＴｉＣ）の生成が認められた。この事から、チタン炭化物（ＴｉＣ）の生成がＡｌ₃Ｔｉの核生成ないしは成長に大きな影響を与えているものと推察される。
【００１３】
そこで次に、Ａｌ-Ｔｉ系合金と炭素（Ｃ）における反応生成物について検討した。
Ａｌ-Ｔｉ系合金と炭素（Ｃ）における反応生成物は、温度とチタン組成量によって異なり、下記の表１に示した通り、温度が高い（１２７３Ｋ）場合にはチタン組成量が少ない（０．５ｗｔ％）時に，逆に温度が低い（９７３Ｋ）場合にはチタン組成量が比較的多い（４．３ｗｔ％）時にそれぞれアルミニウム炭化物（Ａｌ₄Ｃ₃）が生成される。また、１１７３Ｋ以上の温度では、チタン組成量が２．０ｗｔ％未満ではアルミニウム炭化物（Ａｌ₄Ｃ₃）が生成され、チタン組成量が２．０ｗｔ％以上の時にチタン炭化物（ＴｉＣ）が生成される。この中で、アルミニウム炭化物（Ａｌ₄Ｃ₃）は、潮解性があり工業用材料として不都合であるが、チタン炭化物（ＴｉＣ）は有効である。
【００１４】
【表１】

【００１５】
ちなみに、Ａｌ-Ｔｉ系合金と炭素（Ｃ）が反応してチタン炭化物（ＴｉＣ）が生成される場合、その重量比はチタン（Ｔｉ）１に対して炭素（Ｃ）が４となるので、溶融したＡｌ-Ｔｉ系合金の残チタン組成量（ｗｔ％）は、チタン組成量（ｗｔ％）から４倍の炭素組成量（ｗｔ％）を差し引いた値となる。
他方、Ａｌ-５ｗｔ％Ｔｉ-Ｃ系合金の検証例では、炭素組成量が１．０ｗｔ％以上になるとアルミニウム炭化物（Ａｌ₄Ｃ₃）が生成され、炭素組成量が０．７６ｗｔ％以下ではチタン炭化物（ＴｉＣ）が生成される。
これより、４倍の炭素組成量（ｗｔ％）を差し引いたチタン組成量（ｗｔ％）は、炭素組成量が０．７６ｗｔ％の場合には１．９６ｗｔ％となり、炭素組成量が１．０ｗｔ％の場合には１．０ｗｔ％となるため、チタンの下限組成量を１．６ｗｔ％とした。
【００１６】
一方、チタンの組成量が２２ｗｔ％になると、組織全体に占めるＡｌ₃Ｔｉの割合が約５０ｖｏｌ％となり、チタンの組成量が２２ｗｔ％以上では凝固途中での溶融金属の補給性が悪くなって鋳造した製品の引け巣が大きくなるが、この鋳造性を考慮し固相線直上の固相率が３０ｖｏｌ％以下となりうるチタンの組成量の上限値を１３ｗｔ％未満とした。
【００１７】
また、Ａｌ-Ｔｉ合金において炭素を添加する場合、実際問題としてこの合金の溶解過程で２ｗｔ％以上の炭素（例えば黒鉛）を完全に溶解させるためには、長時間を要するだけでなく、（アルミナ）るつぼに溶浸が著しく進むので、炭素の上限組成量を、安全上１時間程度の保持時間内で溶解することが可能な量、すなわち１．５ｗｔ％とした。
【００１８】
次に、Ａｌ-５ｗｔ％Ｔｉ-Ｃ系合金において炭素組成量（ｗｔ％）が異なる鋳物の引け巣をＸ線透過試験により判定した。上記Ｖブロック状黒鉛鋳型で鋳造した試料を底部から５０ｍｍの位置で切断し、切断面における直径１０ｍｍの円内に存在する欠陥数をカウントした。測定結果を、下記の表２に示す。
【表２】

この測定結果から、Ａｌ-Ｔｉ-Ｃ系合金における炭素組成量が０．０７ｗｔ％以上になると、欠陥数すなわち引け巣が著しく減少し、０．１１ｗｔ％以上になると欠陥がなくなってしまうことが理解される。この検証結果から、炭素組成量の下限組成量を０．１ｗｔ％とした。
【００１９】
以上の検証結果から、純アルミニウムに対して、炭素組成量を０．１ｗｔ％〜１．５ｗｔ％とし、チタン組成量をチタン組成量（ｗｔ％）から４倍の炭素組成量（ｗｔ％）を差し引いた値が１．６ｗｔ％〜１３ｗｔ％となる範囲とした。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の鋳造用アルミニウム合金は以上説明したとおり、凝固過程で生成されるＡｌ₃Ｔｉ組織が微細化・均一化されるので、鋳造した製品の引け巣を大幅に減少させて製造歩留まりを向上させることができると共に、材料欠陥が少なく品質・強度が向上し、且つ塑性加工しても製品の割れが発生し難くくなり、加工工数の低減化と製品歩留まりの向上を期することが出来る。
【００２１】
しかも、鋳造した製品の引け巣を大幅に減少させることが出来るので、従来のように塑性加工をほとんど必要としないと同時に、棒状・板状・ブロック状或いはニアネット等、任意の形状に鋳造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は炭素を添加する前（Ａｌ-５ｗｔ％Ｔｉ）の凝固組織を示し、（ｂ）はＡｌ-５ｗｔ％Ｔｉ-０．４ｗｔ％Ｃ合金の凝固組織を示す。
【図２】Ａｌ-Ｔｉ-Ｃ系合金において炭素組成量が異なる鋳物の金属組織から、顕微鏡写真で針状に観察されるＡｌ₃Ｔｉの単位面積当りの個数と長さを調べた結果を示すグラフ。

Claims

不可避的不純物を含む純アルミニウムに対して、炭素組成量を０．１ｗｔ％〜１．５ｗｔ％とし、チタン組成量をチタン組成量（ｗｔ％）から４倍の炭素組成量（ｗｔ％）を差し引いた値が１．６ｗｔ％〜１３ｗｔ％となる範囲としてなる事を特徴とする鋳造用アルミニウム合金。