JP4269761B2

JP4269761B2 - 耐摩耗性に優れた半凝固金属の成形方法

Info

Publication number: JP4269761B2
Application number: JP2003121387A
Authority: JP
Inventors: 充安達; 智佐藤
Original assignee: Ube Machinery Corp Ltd
Current assignee: Ube Machinery Corp Ltd
Priority date: 2003-04-25
Filing date: 2003-04-25
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2023-04-25
Also published as: JP2004322161A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半凝固金属の成形方法に係り、特に非金属物質を含む合金を固液共存状態で高圧成形することにより、成分偏析の少ない成形体を得るようにした耐摩耗性に優れた半凝固金属の成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スクイズ鋳造法やダイキャスト鋳造法において、非金属物質が混合された合金を成形する場合、融点を超える温度に保持して完全液体の状態で加圧成形するか、固液共存状態で加圧成形するかのいずれかの方法をとる。いずれの場合においても、工業的にはあらかじめ非金属物質を混合した合金インゴットを再溶解後、非金属物質が沈降、あるいは浮上しないように撹拌しながら得られた液体状態の合金を鋳造するのが一般的である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１９２３０１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者の方法では、外観は一見問題のないように見受けられても内部では成分偏析が発生し、非金属物質を混合しない場合であっても均一な組織の成形体が得られ難い。一方、目標とする液相率を有する固液共存状態の合金を成形する場合、液中に含まれる初晶の形態が球状であったとしても非金属物質を含有することで粘性の高い合金となってしまい、ますます成形が難しくなる。
【０００５】
また、固液共存状態の合金を炉内に保持する場合、凝固物質が炉内壁面に付着、成長することにより凝固層が発生して連続運転の妨げとなるばかりでなく、一般的に非金属物質が含まれる場合は、液相の割合を高くしないと粘性が高くなってしまい成形が難しいといった問題があった。
【０００６】
本発明では、上記問題点に鑑みてなされたものであり、非金属物質を添加した溶湯で半凝固金属を製造する、耐摩耗性に優れた半凝固金属の成形方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【発明を解決するための手段】
本発明においては、上述の課題を解決するため、第１の発明では、非金属物質を含有するアルミニウム合金溶湯を保持容器に直接注湯することにより微細な初晶を有する半凝固金属を得た後、半凝固金属を成形用金型に供給して加圧成形する半凝固金属の成形方法において、アルミニウム合金への非金属物質の混合割合（Ｘ）を５〜４０重量％とし、混合割合（Ｘ）と冷却に伴って溶湯中で生成される半凝固金属の固相率（Ｙ）とがＹ＝５０−Ｘの関係式で表され、混合割合（Ｘ）と関係式Ｙ＝５０−ＸとＹ＝２とで囲まれる範囲に入る半凝固金属を得るようにした。
【０００８】
また、第１の発明を主体とする第２の発明では、非金属物質が酸化物、窒化物および炭化物の中から少なくとも一つを含むようにした。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる耐摩耗性に優れた半凝固金属の成形方法の具体的な実施形態を図面を参照して詳細に説明する。図１はアルミニウム合金溶湯から直接、半凝固金属を製造するまでのプロセスを示す説明図、図２は合金中の固相率（Ｙ）と非金属物質の混合割合（Ｘ）との関係を示す関係図である。
【００１１】
図１を用いて溶湯から直接、半凝固状態のアルミニウム合金を成形するプロセスについて説明する。
【００１２】
図１において、符号１はラドル、２は保持容器、３はアルミニウム合金溶湯、４は断熱材、５はエアー、６は半凝固金属、７は高周波誘導コイルを示す。
【００１３】
このプロセスによれば、保持容器２にラドル１からアルミニウム合金溶湯３を注湯した後、保持容器２の上部と下部をそれぞれ断熱材４で保温しながら、保持容器２の外周部をエアー５で冷却することで、保持容器２内のアルミニウム合金溶湯３の温度の均一化を図り、さらに最終的に保持容器２からの該合金の排出を容易にするために、高周波誘導コイル７で、さらにアルミニウム合金溶湯３の温度の均一化を図った後、アルミニウム合金の半凝固金属６を保持容器２からスリーブに排出し、次いで成形金型（図示略）中で成形する。なお、保持冷却に要する時間は、例えば液相率５０％の場合で約２〜１０分の間である。
【００１４】
【表１】

【００１５】
表１に、非金属物質の量と、冷却により生成した固相量の総和に占める各種の固相割合を有する合金性状と各種アルミニウム合金の成形体の品質との関係を示す。
【００１６】
表１において、比較例Ｎｏ．１は、炉内に保持された非金属物質を含むアルミニウム合金溶湯３をそのまま金型内に充填して加圧成形した。そのために、鋳造された成形体（製品）の外観も良くしかも内部の収縮巣もなく緻密な製品が得られた。しかしながら、高圧で成形したために内部にＳｉが濃縮した、いわゆる成分偏析が観察された。
【００１７】
比較例Ｎｏ．２は、炉内のアルミニウム合金溶湯３中の固相率が２０重量％になるまで溶湯温度を下げた。このために、炉内において炉壁および湯面に凝固層が大量に発生し、連続運転を行うことが困難であった。また、単にアルミニウム合金溶湯３の温度を下げただけであるため、溶湯中に樹枝状結晶が発生してその後の成形において良好な外観の製品を得ることができなかった。
【００１８】
比較例のＮｏ．３〜Ｎｏ．６においては、偏析は発生していなかったが非金属物質の混合割合（Ｘ）と、アルミニウム合金溶湯３中に生成した固相率の割合との総和の固相率（Ｙ）が、Ｙ＝５０−Ｘで表す関係式よりも多いために粘性が著しく高くなり、良好な外観を有した成形体（製品）を得ることができなかった。比較例７においては、非金属物質の混合割合（Ｘ）が４重量％と少ないために相手材鋳鉄を用いた耐摩耗性試験（接触圧５０ｋｇ／ｃｍ２、摩擦速度１ｍ／ｓ、摩擦距離１００ｍ）では、耐摩耗性が無いことが判明した。この結果、表１中の本発明例８〜２０の摩耗量の値と比較して約２倍以上の磨耗量があった。
【００１９】
表１における本発明例のＮｏ．８〜Ｎｏ．２０においては、炉内でアルミニウム合金溶湯３を保持した後、保持容器２中に注ぎ該アルミニウム合金溶湯３を保持冷却するために凝固層が炉内に発生することもないので連続運転に適しており、さらに良好な外観を有した成形体（製品）を得ることができた。
【００２０】
また、保持容器２中に保持することにより、非樹枝状結晶あるいは球状結晶が生成するために成形時に粘性が小さく、しかも、非金属物質の混合割合（Ｘ）と冷却に伴ってアルミニウム合金溶湯３中に生成した固相とアルミニウム合金溶湯との混合割合（Ｙ）が、Ｙ＝５０−Ｘよりも低い位置にあるためにアルミニウム合金溶湯３の粘性も低く、このために成形性も良い。
【００２１】
ここで、本発明のアルミニウム合金溶湯３中に含まれる非金属物質の混合割合（Ｘ）と冷却に伴ってアルミニウム合金溶湯３中に生成した固相と半凝固金属全体との混合割合（Ｙ）が、Ｙ＝５０−Ｘで表される関係式と、固相率Ｙ＝２％とで囲まれた範囲に入るようにして半凝固金属６を得るようにした限定理由について述べる。
【００２２】
本発明においては、良好な外観を有する成形体を得るためには、成形時のアルミニウム合金溶湯３中の固相率（Ｙ）の上限値はＹ＝５０−Ｘの関係式で表される固相率よりも低いほうが好ましい。一方、アルミニウム合金溶湯３中の固相率（Ｙ）の下限値が、Ｙ＝２％未満のアルミニウム合金溶湯３であれば、加圧成形時に成形体（製品）の内部に成分偏析が発生することになる。このため、アルミニウム合金溶湯３中の固相率（Ｙ）の下限値を、Ｙ＝２％以上の固相率にする必要がある。
【００２３】
また、成形時のアルミニウム合金溶湯３中の固相率（Ｙ）が、Ｙ＝５０−Ｘの関係式で表される固相率よりも低いのは、非金属物質がアルミニウム合金溶湯３中で発生する初晶と同じように、すなわちアルミニウム合金溶湯３の液相中に非金属物質の固相が多く存在するために、見かけ上の粘性が増大すると考えられるためである。
【００２４】
次に、非金属物質の混合比率（Ｘ）を５〜４０重量％とした理由について述べる。
該保持容器２中に保有した該アルミニウム合金溶湯３の保有量（Ａ）に対する該非金属物質の混合割合（Ｘ）を、４０重量％以上にすると冷却に伴ってアルミニウム合金溶湯３中に生成する固相がまったく生成しない場合でも、すなわち固相率が０％のアルミニウム合金溶湯でもアルミニウム合金溶湯３の粘性が高くなってしまい成形ができないからである。なお、非金属物質としては、例えばアルミナ、シリカなどの酸化物、ＳｉＣ、黒鉛などの炭化物、ＡｌＮなどの窒化物がある。
【００２５】
この場合は、限定されるものではないが、繊維（例えば、短繊維）の場合においては長さが、また粒径の場合においては直径が、１μｍ〜１０００μｍの範囲に入ることが望ましい。ここで、１μｍ以下であると、アルミニウム合金溶湯３との混合が難しく、また１０００μｍを超えると均一な複合材を得るのが難しい。
【００２６】
従って、非金属物質のアルミニウム合金に対する混合割合を５重量％以上とするのは、それよりも少ないと耐摩耗性を十分に確保できないからである。また、非金属物質のアルミニウム合金に対する混合割合を４０重量％未満にするのは、非金属物質が４０重量％を超えると、固相率に関係なく非金属物質の混合アルミニウム合金溶湯３の粘性が高いために、成形および取り出しが難しくなるからである。
【００２７】
溶解炉において、半凝固状態の合金溶湯を長時間保持した場合、炉中のアルミニウム合金溶湯３中で非金属物質が沈降したり、浮上したりする。また溶湯表面が固化し易いために、常時撹拌を行うことが必要である。しかし、アルミニウム合金溶湯３を保持容器２中に前述のとおり比較的早く、例えば、１〜１０分、好ましくは２〜６分間保持冷却している間に、冷却に伴ってアルミニウム合金溶湯３中に生成する固相が増えるために、非金属物質が溶湯中で沈降、浮上し難くなり、均一で耐摩耗性に優れた半凝固金属が得られることになる。なお、非金属物質としては、粒子状、繊維状など形態にとらわれることなく、どのような形状でもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明では、非金属物質の混合率（Ｘ）を一定値以下になるように混合して半凝固金属を成形する場合であって、成形時に半凝固金属中に含有される固相率Ｙを決められた範囲に収めた状態で半凝固金属を得た後、該合金を成形用金型に供給して加圧成形するようにしたため、従来の液体からの鋳造法では得られない耐摩耗性に優れた成形体が容易に得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるアルミニウム合金溶湯から直接、半凝固金属を製造するまでのプロセスを示す説明図である。
【図２】合金中の固相率（Ｙ）と非金属物質の混合割合（Ｘ）との関係を示す関係図である。
【符号の説明】
１ラドル
２保持容器
３アルミニウム合金溶湯
４断熱材
５エアー
６半凝固金属
７高周波誘導コイル

Claims

非金属物質を含有するアルミニウム合金溶湯を保持容器に直接注湯することにより微細な初晶を有する半凝固金属を得た後、該半凝固金属を成形用金型に供給して加圧成形する半凝固金属の成形方法において、該アルミニウム合金への該非金属物質の混合割合（Ｘ）を５〜４０重量％とし、該混合割合（Ｘ）と冷却に伴って溶湯中で生成される半凝固金属の固相率（Ｙ）とがＹ＝５０−Ｘの関係式で表され、該混合割合（Ｘ）と該関係式Ｙ＝５０−ＸとＹ＝２とで囲まれる範囲に入る半凝固金属を得るようにしたことを特徴とする耐摩耗性に優れた半凝固金属の成形方法。
請求項１に記載の該非金属物質が酸化物、窒化物および炭化物の中から少なくとも一つを含むようにしたことを特徴とする半凝固金属の成形方法。