JP4238181B2 - 高靱性Ａｌ合金鋳物 - Google Patents

Description

本発明は、高靱性Ａｌ合金鋳物に係り、特に、種々の機械的特性に優れたＡｌ合金鋳物に関する。

Ａｌ合金鋳物は、車体、サスペンション部材、サブフレーム部材、各種継手部材、及びアルミホイール等のシャーシ構成部品等に使用して好適であり、このような合金については種々の技術が開示されている。

このようなＡｌ合金鋳物としては、伸び、衝撃値、引張強さ、耐力、及び耐食性を向上させることを目的として、質量比で、Ｓｉ：１．６５〜４．０％、Ｍｇ：０．２〜０．４％、Ｆｅ：０．２％以下であり、残部が実質的にＡｌ及び不可避的不純物の組成からなり、Ａｌ基地中の共晶Ｓｉの面積率が１５％以下、伸びが１５％以上、且つ衝撃値が３０〜４０×１０^４Ｊ／ｍ^２以上である高靱性Ａｌ鋳物が提案されている（特許文献１参照）。この高靱性Ａｌ鋳物は、Ｓｉ含有量を低く抑えた組成で、鋳造後、共晶温度近傍の高温に急冷する高温溶体化処理を行い、しかる後に時効処理を適切に施すことで、優れた伸び及び衝撃値を実現することができる。また、このＡｌ鋳物は、同様に、高温溶体化処理を行い、しかる後に長時間時効処理を行うことで、優れた引張強さ、耐力、及び耐食性を実現することができる。このような技術によれば、部品の薄肉化に伴う軽量化を図ることでき、しかも低圧鋳造又は重力鋳造を適用することができるため、生産性を向上させることができる。

また、優れた靱性を実現するとともに、金型への焼き付きの発生を防止することを目的として、質量比で、２％≦Ｓｉ≦４％、０．２％≦Ｍｇ≦０．５％、０．４％≦Ｃｕ≦０．８％、０．２％≦Ｆｅ≦０．５％、０．１％≦Ｔｉ≦０．３％、及び不可避的不純物を含み、残部がＡｌであり、金属組織におけるα相の粒径ｄが５０μｍ以下である高靱性Ａｌ合金鋳物が提案されている（特許文献２参照）。この技術では、高靱性Ａｌ鋳物の組成を上記特許文献１と同等の組成とした上で、Ｆｅの含有量を画期的な０．２質量％を超えるものとすることにより、優れた靱性と金型への焼き付き防止とを共に実現することができる。なお、特許文献２に記載の高靱性Ａｌ合金鋳物は、上記組成のＡｌ合金溶湯を加圧下で金型のキャビティに充填し、次いで溶湯の凝固が完了するまで冷却速度を５℃／Ｓに制御して得られるものであり、靱性等の物性は、特許文献１に記載の鋳物と同等であるが、生産性がさらに改善されている。

特開平９−２７２９４２号公報（要約書） 特願２００３−４２０４０５号

しかしながら、上記特許文献１、２に記載された技術では、得られる鋳物の機械的諸性質のうち、特に伸びや衝撃強度等の靱性について、十分な値が得られているとは言い難い。例えば、特許文献１の請求項４に記載の鋳物では、引張強さが２４０ＭＰａ以上であり、しかも０．２％耐力が１４０ＭＰａ以上であるが、衝撃値が１９×１０^４と低い。よって、近年においては、抗張力、０．２％耐力及び伸びの全てがバランス良く高いレベルで得られるＡｌ合金鋳物の技術開発が要請されていた。

本発明は、上記要請に鑑みてなされたものであり、抗張力、０．２％耐力及び伸びの全てがバランス良く高いレベルで得られる高靱性Ａｌ合金鋳物を提供することを目的としている。

本発明者らは、上記のように、抗張力、０．２％耐力及び伸びが、バランス良く高いレベルで得られる、高靱性Ａｌ合金鋳物について、鋭意、研究を重ねた。その結果、上記特許文献２に示すように合金成分中のＦｅ及びＴｉ含有量を限定する代わりに、Ｇｅ含有量を限定することで、上記課題を解決することができるとの知見を得た。本発明は、このような知見に鑑みてなされたものである。

即ち、本発明の高靱性Ａｌ合金鋳物は、質量比で、２％≦Ｓｉ≦５％、０．２％≦Ｍｇ≦０．５％、０．４％≦Ｃｕ≦０．８％、０．０５％≦Ｇｅ≦０．３％、及び不可避的不純物を含み、残部がＡｌであり、抗張力が２８０ＭＰａ以上、０．２％耐力が２２０ＭＰａ以上、且つ伸びが１２％以上であることを特徴としている。

また、このような高靱性Ａｌ合金鋳物においては、Ｚｒ、Ｔｉ、及びＢの少なくとも１種が含有されていることが望ましい。なお、本発明の高靱性Ａｌ合金鋳物には、Ｓｒ、Ｎａ等の共晶微細化剤を添加することもできる。また、Ｆｅ含有量は０．２質量％以下とすることが好ましいが、粒径を制御することにより０．５質量％まで含有させることができる。

本発明の高靱性Ａｌ合金鋳物によれば、合金中のＧｅ含有量の適正化を図ることで、Ａｌ合金鋳物の、優れた抗張力、０．２％耐力及び伸びをバランス良く高いレベルで実現することができる。

以下に、本発明の好適な実施形態を説明する。
本発明の高靱性Ａｌ合金鋳物は、質量比で、２％≦Ｓｉ≦５％、０．２％≦Ｍｇ≦０．５％、０．４％≦Ｃｕ≦０．８％、０．０５％≦Ｇｅ≦０．３％、及び不可避的不純物を含み、残部がＡｌであり、抗張力が２８０ＭＰａ以上、０．２％耐力が２２０ＭＰａ以上、且つ伸びが１２％以上である。このような合金中の各元素の含有理由、及びその含有量限定理由は、以下のとおりである。

Ｓｉは、溶湯の流動性を良好にし、またＡｌ合金鋳物の機械的特性を向上させる効果を有する。但し、Ｓｉ含有量が２質量％未満の場合には、溶湯の流動性が悪化するため、Ａｌ合金鋳物において鋳造欠陥の発生が著しく増大する。一方、Ｓｉ含有量が５質量％を超える場合には、α−Ａｌ相の結晶粒界に分布するＳｉ結晶の量が増大するため、Ａｌ合金鋳物の靱性が低下する。従って、Ｓｉの含有量は、２〜５質量％とした。

Ｍｇは、Ｔ６処理によりＭｇ_２Ｓｉを微細に分散析出させてＡｌ合金鋳物の強度を向上させる効果を有する。但し、Ｍｇ含有量が０．２質量％未満の場合には、上記効果が不十分である。一方、Ｍｇ含有量が０．５質量％を超える場合には、Ｍｇ_２Ｓｉの析出量が過多となるため、Ａｌ合金鋳物の靱性が低下する。従って、Ｍｇの含有量は、０．２〜０．５質量％とした。

Ｃｕは、Ａｌへの高い固溶限に基づいてＡｌ合金鋳物の金属組織を固溶強化し、また、Ｔ６処理による分散析出により上記金属組織を分散強化する効果を有する。但し、Ｃｕ含有量が０．４質量％未満の場合には、Ａｌ合金鋳物の強度向上効果が十分でない。一方、Ｃｕ含有量が０．８質量％を超える場合には、Ａｌ合金鋳物の耐応力腐食割れ性が低下するのみならず、耐食性も悪化する。従って、Ｃｕ含有量は、０．４〜０．８質量％とした。

Ｇｅは、固溶限が０．５ａｔｍ％以上であり、しかもＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇ及びＣｕと、析出時に化合物を生成しないので、溶湯の流動性を悪化させることなく、靱性を向上させる効果を有する。但し、Ｇｅの含有量が０．０５質量％未満の場合には、上記効果が不十分である。一方、Ｇｅの含有量が０．３質量％を超える場合には、Ｇｅ−Ｓｉ−Ｍｇ系又はＭｇ_２Ｇｅを生成し、伸びや強度が低下する。従って、Ｇｅの含有量は、０．０５〜０．３質量％とした。なお、Ｇｅの奏する上記効果と同様の効果は、Ｇｅの他に、Ｚｎ、Ａｇ、Ｌｉ、Ｓｃ及びＧａを含有させることによっても得られる。これらの元素は、Ａｌとの原子半径比等が上記範囲にあるからである。なお、これらの元素の中でもＬｉを含有させることが特に好ましい。

以上は、本発明の高靱性Ａｌ合金鋳物に含有させる必須元素であるが、以下に、Ａｌ合金鋳物に副次的に含有させることが好ましい各元素の含有理由を述べる。
Ｆｅは、金型に対する溶湯の焼き付きを防止する効果を有する。但し、過度に含有させた場合には、高温でα−ＦｅＡｌＳｉが晶出するため、Ａｌ合金鋳物の靱性の低下を招く。

Ｚｒ、Ｔｉ及びＢは、結晶粒を微細化する効果を有する。但し、Ｚｒ又はＴｉを過度に含有させた場合には、ＺｒＡｌ系高温晶出物であるＡｌ_３Ｚｒ又はＴｉＡｌ系高温晶出物であるＡｌ_３Ｔｉが生成されるため、溶湯の流動性が悪化して鋳造欠陥が生じ易くなる。なお、Ｂは、Ｚｒ又はＴｉと協働して複合微粒子化効果を発現すべく、Ｚｒ又はＴｉと併用すべき元素である。

さらに、本発明の高靱性Ａｌ合金鋳物の好適な製造方法について詳細に説明する。
即ち、上記高靱性Ａｌ合金鋳物の製造に際しては、質量比で、２％≦Ｓｉ≦５％、０．２％≦Ｍｇ≦０．５％、０．４％≦Ｃｕ≦０．８％、０．０５％≦Ｇｅ≦０．３％、及び不可避的不純物を含み、残部がＡｌであり、抗張力が２８０ＭＰａ以上、０．２％耐力が２２０ＭＰａ以上、且つ伸びが１２％以上である高靱性Ａｌ合金鋳物を製造するにあたり、上記組成の合金を鋳造後、４９０〜５４０℃の高温熱処理を施した後、急冷処理を施し、次いで１５５〜１９０℃の温度で時効処理を施す。

各合金元素の含有理由、及びその含有量限定理由は、上記の場合と同様である。鋳造法としては、例えば、金型重力鋳造や一般的なダイカストを適用することができ、鋳造温度は７２０〜７３０℃、金型温度は金型重力鋳造では２５０℃〜３００℃、ダイカストでは１５０℃〜２５０℃とすることが好ましい。

上記高温熱処理（溶体化処理）温度が４９０℃未満では、強化相と核サイト原子との均質化が十分進まない一方、５４０℃を超える場合には、部分的にバーニングが発生し、粒界強度が著しく低下するので好ましくない。従って、熱処理温度は４９０〜５４０℃とした。なお、この高温熱処理時間は、製品の寸法によるが、概して４〜１０時間で十分な均質化が実現される。

また、時効処理温度が１５５℃未満では、強化相の析出が十分に得られないばかりでなく、処理時間が増大するため、経済的でない一方、１９０℃を超える場合には、析出時の強化相が成長し過ぎて、Ｇｅで微細化核サイトを形成した効果がなくなるので好ましくない。従って、時効処理温度は１５５〜１９０℃とした。なお、時効処理時間は、概して５〜１４時間が好ましい。ちなみに、上記溶体化処理、急冷処理及び時効処理を順次行う処理は、いわゆるＴ６処理である。

以下、本発明を実施例により、さらに詳細に説明する。
Ａｌ−３Ｓｉ−０．２５Ｍｇ−０．６Ｃｕの組成中に、Ｇｅを０、０．０５、０．１、０．２、０．３及び０．４質量％それぞれ含有させて、Ｔ６処理（５２５℃で４時間の溶体化処理後、急冷処理し、次いで１７５℃で６時間の時効処理）により得られたＡｌ合金鋳物の抗張力、０．２％耐力及び伸びを測定した。その結果を図１及び図２に示す。

図１及び図２から明らかなように、本発明の範囲即ち、０．０５≦Ｇｅ≦０．３では、抗張力、０．２％耐力及び伸びのいずれについても、優れた結果が得られている。この理由は以下のとおりである。

即ち、一般に、Ｔ６熱処理が施されたＡｌ合金部材には強化相が析出し、優れた強度及び耐力を得ることができる。しかしながら、強化相の析出が過剰である場合や、偏析がある場合には、靭性が低下する。Ｇｅを微量含有させると、鋳造時や溶体化処理時に、Ｇｅが基地のα−Ａｌ相の粒界内に固溶し、同様に固溶しているＣｕ、Ｓｉ及びＭｇ等の強化元素が、時効熱処理時に析出の起点、即ち核となる。このため、Ａ１_２ＣｕやＭｇ_２Ｓｉ等の析出強化相の微細分散性が向上し、強度及び伸びが向上する。このような現象の下、図１及び図２から明らかなように、Ｇｅの含有量が０．０５質量％以上では、強度（抗張力及び０．２％耐力）及び伸びの向上が見られ、０．２質量％を超えると、Ｇｅ特有の化合物が析出し始めるため、機械的特性が低下が始まり、０．４質量％を超えると、Ｇｅを含有させない場合に比して強度及び伸びが低下する。強度等の低下は、ＧｅがＳｉと共析することで、Ｓｉ／Ｇｅ−Ｍｇ化合物が生じ、Ｍｇ_２Ｓｉの強化作用が低減するためである。以上により、本発明のＧｅの含有量についての限定根拠の有効性が実証された。

さらに、本発明の高靱性Ａｌ合金鋳物の構成元素である、Ｓｉ、Ｍｇ、及びＣｕについての好適範囲を実証する。
Ａｌ−０．４Ｍｇ−０．６Ｃｕの組成中に、Ｓｉを１．５、２、３、５、６、及び７質量％それぞれ含有させて、Ｔ６処理（５２５℃で４時間の溶体化処理後、急冷処理し、次いで１７５℃で６時間の時効処理）により得られたＡｌ合金鋳物の引張強度及びシャルピー衝撃値を測定した。その結果を図３に示す。図３から明らかなように、Ｓｉ含有量が２質量％未満では、溶湯の流動性が悪化し、加圧鋳造時に欠陥が著しく増大して、優れた機械的特性が得られない。また、Ｓｉ含有量が５質量％を超えると、Ｓｉ結晶が多くなり、勒性が低下する。この際の靱性は、一般規格材である７質量％Ｓｉ合金と同等レベルである。以上により、本発明のＡｌ合金鋳物中のＳｉ含有量の限定根拠の有効性が実証された。

Ａｌ−３Ｓｉ−０．６Ｃｕの組成中に、Ｍｇを０．１５、０．２、０．３、０．５、０．６、及び０．７質量％それぞれ含有させて、Ｔ６処理（５２５℃で４時間の溶体化処理後、急冷処理し、次いで１７５℃で６時間の時効処理）により得られたＡｌ合金鋳物の引張強度及びシャルピー衝撃値を測定した。その結果を図４に示す。図４から明らかなように、Ｍｇ含有量が０．２質量％未満では、Ｔ６熱処時のＭｇ_２Ｓｉの析出による強度向上の効果が得られていない。また、Ｍｇ含有量が０．５質量％を超えると、Ｍｇ_２Ｓｉの析出量が増大し、靱性が低下する。以上により、本発明のＡｌ合金鋳物中のＭｇ含有量の限定根拠の有効性が実証された。

Ａｌ−３Ｓｉ−０．４Ｍｇの組成中に、Ｃｕを０．３、０．４、０．６、０．８、０．９、及び１．１質量％それぞれ含有させて、Ｔ６処理（５２５℃で４時間の溶体化処理後、急冷処理し、次いで１７５℃で６時間の時効処理）により得られたＡｌ合金鋳物の引張強度及びシャルピー衝撃値を測定した。その結果を図５に示す。Ｃｕは、Ａｌ中の固溶限が高く、組織を固溶強化するだけでなく、溶体化処理と時効処理とを組み合わせて分散析出により強化を図る元素である。また、Ｃｕは、ある程度の含有量までは、靱性をあまり低下させないので、機械的特性の向上に著しく寄与する元素である。しかしながら、一般に、耐食性を低下させる元素であり、足回り部品等には適合性が低いことが知られている。このような知見に基づき、図５から明らかなように、Ｃｕ含有量を０．４質量％未満とした場合には、引張強度及びシャルピー衝撃値の向上効果を十分に実現することができず、また０．８質量％を超える場合には、応力腐食等が発生するため好ましくない。以上により、本発明のＡｌ合金鋳物中のＣｕ含有量の限定根拠の有効性が実証された。

以上説明したように、本発明の高靱性Ａｌ合金鋳物では、特に、Ｇｅの含有量の適正化を図ることにより、高靱性Ａｌ合金鋳物の、優れた抗張力、０．２％耐力及び伸びをバランス良く高いレベルで実現することができる。従って、本発明は、今後益々高度な機械的諸性質が要求されることが予想される、車体、サスペンション部材等に適用することができる点で、有用である。

Ａｌ合金鋳物の抗張力及び０．２％耐力と、Ｇｅ含有量との関係を示すグラフである。 Ａｌ合金鋳物の伸びとＧｅ含有量との関係を示すグラフである。 Ａｌ合金鋳物の引張強度及びシャルピー衝撃値と、Ｓｉ含有量との関係を示すグラフである。 Ａｌ合金鋳物の引張強度及びシャルピー衝撃値と、Ｍｇ含有量との関係を示すグラフである。 Ａｌ合金鋳物の引張強度及びシャルピー衝撃値と、Ｃｕ含有量との関係を示すグラフである。

Claims (2)

1. 質量比で、２％≦Ｓｉ≦５％、０．２％≦Ｍｇ≦０．５％、０．４％≦Ｃｕ≦０．８％、０．０５％≦Ｇｅ≦０．３％、及び不可避的不純物を含み、残部がＡｌであり、抗張力が２８０ＭＰａ以上、０．２％耐力が２２０ＭＰａ以上、且つ伸びが１２％以上であることを特徴とする高靱性Ａｌ合金鋳物。
2. Ｚｒ、Ｔｉ、及びＢの少なくとも１種が含有されていることを特徴とする請求項１に記載の高靱性Ａｌ合金鋳物。

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