JP4359231B2 - Method for producing aluminum alloy molded product, and aluminum alloy molded product - Google Patents
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本発明は、アルミニウム合金からなる連続鋳造棒を素材として用いた鍛造成形工程を有するアルミニウム合金成形品の製造方法、およびアルミニウム合金成形品に関するものである。 The present invention relates to a continuous cast bar of an aluminum alloy method for producing an aluminum alloy molded article having a forging process using as a material, and the aluminum alloy shaped article.
近年、四輪、二輪自動車等の車両（以下、単に「自動車」という。）では、高性能化のため、また環境問題に対応するために、内燃機関ピストンにアルミニウム鍛造製のものの採用が検討されてきている。ピストンなどの内燃機関の駆動部品を軽量化することができ、内燃機関を運転した時の負荷の低減、出力向上、燃費低減が図られるからである。アルミニウム合金製の内燃機関ピストンには、従来から鋳造品が多く採用されているが、鋳造品では鋳造時に発生する内部欠陥を抑えることが困難であり、強度を安全設計するために余肉を設ける必要があり、軽量化が困難であった。そこで、内部欠陥の発生を抑えることができるアルミニウム合金鍛造品によるピストンの軽量化が検討されてきた。 In recent years, for vehicles such as four-wheeled vehicles and two-wheeled vehicles (hereinafter simply referred to as “automobiles”), the use of forged aluminum pistons for internal combustion engine pistons has been studied in order to improve performance and respond to environmental problems. It is coming. This is because the driving parts of the internal combustion engine such as the piston can be reduced in weight, and the load, the output and the fuel consumption when the internal combustion engine is operated can be reduced. For internal combustion engine pistons made of aluminum alloy, many cast products have been conventionally used. However, it is difficult to suppress internal defects that occur during casting, and an extra wall is provided to safely design the strength. It was necessary and weight reduction was difficult. Then, weight reduction of the piston by the aluminum alloy forgings which can suppress generation | occurrence | production of an internal defect has been examined.
従来のアルミニウム合金鍛造用素材の製造方法は、通常の溶製法にてアルミニウム合金溶湯を調製する工程と、続いてこのアルミニウム合金溶湯を連続鋳造法、半連続鋳造法（ＤＣ鋳造法）、ホットトップ鋳造法等のいわゆる連続鋳造法のうち、いずれかの方法によって鋳造し、アルミニウム合金の鋳塊を製造する工程と、その後、この鋳塊に均質化熱処理を施して、アルミニウム合金結晶の均質化を行なう工程とからなっていた。そして、アルミニウム合金鍛造素材（鋳塊）に、鍛造を施し、さらに、Ｔ６処理を施すことにより、アルミニウム合金鍛造成形品が製造されることとなる。 A conventional method for producing a raw material for forging an aluminum alloy includes a step of preparing a molten aluminum alloy by an ordinary melting method, followed by a continuous casting method, a semi-continuous casting method (DC casting method), and a hot top. Of the so-called continuous casting methods such as the casting method, casting is performed by any method to produce an aluminum alloy ingot, and then the ingot is subjected to homogenization heat treatment to homogenize the aluminum alloy crystals. It consisted of a process to be performed. And an aluminum alloy forge molded product will be manufactured by forging to an aluminum alloy forging raw material (ingot), and also giving T6 process.
なお、６０００系合金に関するもので、均質化処理の温度を抑制したり省略したりしているものが、下記の特許文献１に開示がある。しかし、ここには高温時の機械的特性についての検討はなされていない。
ところで、近年さらなる内燃機関の効率向上や出力の向上が求められ、その結果、そこに用いられる部品にはより高温での機械的強度が求められるようになってきた。 By the way, in recent years, further improvement in efficiency and output of an internal combustion engine has been demanded, and as a result, parts used therein have been required to have higher mechanical strength at higher temperatures.
しかし、上記従来の工法で得られたアルミニウム鍛造品は、内部欠陥が抑制されているため予肉を設ける必要がなく、アルミニム鋳物に比べ、軽量化ができるものの、一方で、晶出物が凝集球状化されているため、３００℃以上での高温引張強度が、鋳造時の晶出物のネットワーク組織又は針状晶出物のままとなっているアルミニウム鋳物に比べて低くなっていた。したがって、より軽量化を狙えるアルミニウム鍛造品において、従来のアルミニウム鍛造品より高温時の機械的強度を向上させたアルミニウム合金成形品の製造方法が求められている。 However, the aluminum forgings obtained by the above-mentioned conventional method do not require pre-meshing because internal defects are suppressed and can be reduced in weight compared to aluminum castings. Since it is spheroidized, the high-temperature tensile strength at 300 ° C. or higher was lower than that of an aluminum casting that remained as a crystal structure or a needle-like crystallized product during casting. Accordingly, there is a need for a method for producing an aluminum alloy molded product that has improved mechanical strength at high temperatures compared to conventional aluminum forged products in aluminum forged products that can be further reduced in weight.
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、従来のアルミニウム鍛造より高温での機械的強度の優れたアルミニウム合金成形品の製造方法、およびアルミニウム合金成形品を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a method for producing an aluminum alloy molded article having superior mechanical strength at a higher temperature than conventional aluminum forging, and an aluminum alloy molded article .
１）上記目的を達成するために、第１の発明は、アルミニウム合金からなる連続鋳造棒を素材として用いた鍛造成形工程を有するアルミニウム合金成形品の製造方法において、上記アルミニウム合金は、１０．５〜１３．５質量％のＳｉ、０．１５〜０．６５質量％のＦｅ、２．５〜５．５質量％のＣｕ、および０．３〜１．５質量％のＭｇを含むと共に、０．８〜３質量％のＮｉ、０．００３〜０．０２質量％のＰ、０．００３〜０．０３質量％のＳｒ、０．１〜０．３５質量％のＳｂ、０．１〜１．０質量％のＭｎ、０．０４〜０．３質量％のＺｒ、０．０１〜０．１５質量％のＶ、０．０１〜０．２質量％のＴｉの何れか１種、あるいは２種以上の組み合わせを含み、少なくともＣｒが０．５質量％以下、Ｎａが０．０１５質量％以下、Ｃａが０．０２質量％以下に抑えられていて、残余がアルミニウムおよび不可避的不純物であり、製造方法には素材に対する前熱処理工程、素材に対する鍛造加工時加熱工程、成形品に対する後熱処理工程からなる熱処理・加熱工程を含み、前熱処理工程が２００〜４８０℃に２〜６時間保持する処理を含む、ことを特徴としている。 1) In order to achieve the above object, according to a first aspect of the present invention, there is provided a method for producing an aluminum alloy molded article having a forging process using a continuous casting rod made of an aluminum alloy as a material. -13.5 wt% Si, 0.15-0.65 wt% Fe, 2.5-5.5 wt% Cu, and 0.3-1.5 wt% Mg, 0.8-3 mass% Ni, 0.003-0.02 mass% P, 0.003-0.03% mass Sr, 0.1-0.35 mass% Sb, 0.1-1 0.0% by mass of Mn, 0.04 to 0.3% by mass of Zr, 0.01 to 0.15% by mass of V, 0.01 to 0.2% by mass of Ti, or 2 look including a combination of more species, at least Cr, 0.5 wt% or less, Na is 0.015 mass% Ca is not suppressed to 0.02 mass% or less, the balance is aluminum and unavoidable impurities, the step before the thermal treatment for the materials to the manufacturing process, forging during the heating step for the material, consisting of post heat treatment step for the molded article It includes a heat treatment / heating step, and the pre-heat treatment step includes a treatment of holding at 200 to 480 ° C. for 2 to 6 hours.
２）第２の発明は、上記した１）項に記載の発明の構成に加えて、上記後熱処理工程が、溶体化処理を施すことなく１７０〜２３０℃に１〜１０時間保持する、ことを特徴としている。 2 ) The second invention is that, in addition to the configuration of the invention described in the above item 1), the post-heat treatment step is maintained at 170 to 230 ° C. for 1 to 10 hours without performing a solution treatment. It is a feature.
３）第３の発明は、上記した１）項又は２）項に記載の発明の構成に加えて、上記鍛造成形工程における、耐高温疲労強度の要求される部位の加工率が９０％以下である、ことを特徴としている。 3 ) In addition to the configuration of the invention described in 1) or 2) above, the third invention has a processing rate of 90% or less at a site where high temperature fatigue resistance is required in the forging process. It is characterized by that.
４）第４の発明は、上記した１）項から３）項の何れかに記載の発明の構成に加えて、上記鍛造成形工程における、加工時熱処理温度が３８０〜４８０℃である、ことを特徴としている。 4) In addition to the structure of the invention described in any one of 1) to 3 ) above, the fourth invention is that the heat treatment temperature during processing in the forging process is 380 to 480 ° C. It is a feature.
５）第５の発明は、上記した１）項から４）項の何れかに記載の発明の構成に加えて、上記連続鋳造棒は、溶湯の平均温度が液相線＋４０℃〜＋２３０℃のアルミニウム合金を鋳造速度が８０〜２０００ｍｍ／分で連続鋳造法により鋳造して得られたものである、ことを特徴としている。 5 ) In addition to the structure of the invention described in any one of items 1) to 4 ), the fifth invention is characterized in that the continuous casting rod has an average molten metal temperature of liquidus + 40 ° C to + 230 ° C. It is obtained by casting an aluminum alloy by a continuous casting method at a casting speed of 80 to 2000 mm / min.
６）第６の発明は、１）項から５）項に記載された製造方法で製造されたアルミニウム合金成形品であって、組織において連続鋳造時に形成された晶出物のネットワーク組織又は針状晶出物又は晶出物の集合体が成形・熱処理後にも部分的に残留する、ことを特徴としている。 6 ) A sixth invention is an aluminum alloy molded product manufactured by the manufacturing method described in the items 1) to 5 ), and is a network structure or needle-like structure of a crystallized product formed during continuous casting in the structure. It is characterized in that a crystallized product or an aggregate of crystallized products partially remains after molding and heat treatment.
７）第７の発明は、１）項から５）項に記載された製造方法で製造されたアルミニウム合金成形品であって、共晶Ｓｉの面積占有率が８％以上、共晶Ｓｉの平均粒径が５μｍ以下、共晶Ｓｉ針状比１．４以上のものが２５％以上、金属間化合物の面積占有率が１．２％以上、金属間化合物の平均粒径が１．５μｍ以上、金属間化合物の長さまたは接触する金属間化合物の集合体の長さが３μｍ以上のものが３０％以上となる、ことを特徴としている。 7 ) The seventh invention is an aluminum alloy molded article manufactured by the manufacturing method described in the items 1) to 5 ), wherein the area occupancy of the eutectic Si is 8% or more, and the average of the eutectic Si The particle size is 5 μm or less, the eutectic Si needle ratio of 1.4 or more is 25% or more, the area occupation ratio of the intermetallic compound is 1.2% or more, the average particle size of the intermetallic compound is 1.5 μm or more, The length of the intermetallic compound or the length of the aggregate of the intermetallic compounds in contact is 3 μm or more, which is 30% or more.
本発明では、上記アルミニウム合金が、１０．５〜１３．５質量％のＳｉ、０．１５〜０．６５質量％のＦｅ、２．５〜５．５質量％のＣｕ、および０．３〜１．５質量％のＭｇを含むと共に、０．８〜３質量％のＮｉ、０．００３〜０．０２質量％のＰ、０．００３〜０．０３質量％のＳｒ、０．１〜０．３５質量％のＳｂ、０．１〜１．０質量％のＭｎ、０．０４〜０．３質量％のＺｒ、０．０１〜０．１５質量％のＶ、０．０１〜０．２質量％のＴｉの何れか１種、あるいは２種以上の組み合わせを含み、少なくともＣｒが０．５質量％以下、Ｎａが０．０１５質量％以下、Ｃａが０．０２質量％以下に抑えられていて、残余がアルミニウムおよび不可避的不純物であり、前熱処理工程において２００℃〜４８０℃に２〜６時間保持する処理を含むようにしたので、製造されたアルミニウム合金成形品には、その組織において連続鋳造時に形成された晶出物のネットワーク組織又は針状晶出物又は晶出物の集合体が、成形と熱処理の後にも少なくとも部分的に残留するようになり、したがって、２５０℃より高温時（好ましくは２５０℃超、４００℃以下）であっても優れた機械的強度を有するアルミニウム合金成形品を得ることができる。 In the present invention, the aluminum alloy contains 10.5 to 13.5% by mass of Si, 0.15 to 0.65% by mass of Fe, 2.5 to 5.5% by mass of Cu, and 0.3 to It contains 1.5 mass% Mg, 0.8-3 mass% Ni, 0.003-0.02 mass% P, 0.003-0.03% mass Sr, 0.1-0 .35 wt% Sb, 0.1 to 1.0 wt% Mn, 0.04 to 0.3 wt% Zr, 0.01 to 0.15 wt% V, 0.01 to 0.2 Including any one kind of Ti or 2% or more combinations of Ti by mass, at least Cr is suppressed to 0.5% by mass or less, Na is 0.015% by mass or less, and Ca is suppressed to 0.02% by mass or less. The remainder is aluminum and inevitable impurities, and is kept at 200 ° C. to 480 ° C. for 2 to 6 hours in the pre-heat treatment step. In the manufactured aluminum alloy molded product, a network structure of crystallized substances or acicular crystallized substances or aggregates of crystallized substances formed during continuous casting in the structure is formed. Thus, an aluminum alloy molded article having excellent mechanical strength is obtained even at a temperature higher than 250 ° C. (preferably higher than 250 ° C. and 400 ° C. or lower). be able to.
２５０℃より高温での引張特性（σＢ（ＭＰａ））および疲労強度σｗ（ＭＰａ）の両方を高めた成形品を製造することができるので好ましい。より具体的には例えば３００℃、１００時間保持後の３００℃での、引張強度が６５ＭＰａ以上で疲労強度が４０ＭＰａ以上となる。これらの特性は、例えば、高温雰囲気に接する内燃機関ピストンの冠面部位に求められる特性である。したがって、本発明方法によるアルミニウム合金成形品を用いることにより、従来の内燃機関ピストンよりも薄肉化することができ、内燃機関ピストンの軽量化が可能になる。そして、市場から求められている軽量化に答えることができ、内燃機関の燃費低減、出力向上が実現することができる。 It is preferable because a molded article having both tensile properties (σB (MPa)) and fatigue strength σw (MPa) at a temperature higher than 250 ° C. can be produced. More specifically, for example, the tensile strength is 65 MPa or more and the fatigue strength is 40 MPa or more at 300 ° C. after being held at 300 ° C. for 100 hours. These characteristics are required for, for example, a crown surface portion of an internal combustion engine piston that is in contact with a high-temperature atmosphere. Therefore, by using the aluminum alloy molded product according to the method of the present invention, it is possible to make the wall thinner than the conventional internal combustion engine piston, and to reduce the weight of the internal combustion engine piston. And it can answer the weight reduction requested | required from the market, and can implement | achieve the fuel consumption reduction and output improvement of an internal combustion engine.
以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図１は本発明の製造工程を実現する生産ラインの一例である鍛造生産システムを示す図である。図において、鍛造品の生産システムは、溶湯から連続鋳造棒を水平に鋳造して所定の長さに切断する連続鋳造装置８１と、この連続鋳造装置８１で鋳造した連続鋳造棒に熱処理を施す前熱処理装置８２と、この前熱処理装置８２で熱処理されて曲がった場合に連続鋳造棒の曲がりを矯正する矯正装置８３と、この矯正装置８３で曲がりを矯正された連続鋳造棒の外周部分を除去するピーリング装置８４と、このピーリング装置８４で外周部分が除去された連続鋳造棒を、成形品を鍛造するのに必要な長さの切断片に切断する切断装置８５と、この切断装置８５で切断された切断片を予備加熱し据え込み加工する据え込み装置（図示省略）と、この据え込みされた素材に潤滑材を被服する為に予備加熱した素材に黒鉛系潤滑剤を塗布又は予備加熱した素材を黒鉛系潤滑剤に浸漬する、または、被服させる潤滑装置８６ａ，８６ｂと、さらに予備加熱装置８７で加熱された潤滑剤を付着させた素材から鍛造製品（素形材）を鍛造する鍛造装置８８と、この鍛造装置８８で鍛造した鍛造済品に後熱処理を施す後熱処理装置８９，９０，９１と、で構成されている。 FIG. 1 is a diagram showing a forging production system as an example of a production line that realizes the production process of the present invention. In the figure, the forged product production system includes a continuous casting device 81 that horizontally casts a continuous casting rod from a molten metal and cuts it to a predetermined length, and before the heat treatment is performed on the continuous casting rod cast by the continuous casting device 81. A heat treatment device 82, a straightening device 83 that corrects the bending of the continuous casting rod when it is bent by the heat treatment device 82, and a peripheral portion of the continuous casting rod that has been bent by the straightening device 83 are removed. A peeling device 84, a cutting device 85 that cuts the continuous cast bar from which the outer peripheral portion has been removed by the peeling device 84 into a cut piece having a length necessary for forging a molded product, and the cutting device 85 A preheating device (not shown) for preheating and cutting the cut pieces, and applying or preliminarily applying a graphite-based lubricant to the preheated material in order to apply the lubricant to the installed material. Forging a forged product (original material) from a material to which a lubricant heated by a preheating device 87 and a lubrication device 86a, 86b for immersing or covering the finished material in a graphite-based lubricant The apparatus 88 includes post-heat treatment apparatuses 89, 90, and 91 for performing post-heat treatment on the forged products forged by the forging apparatus 88.
後熱処理装置８９，９０，９１は、例えば、鍛造済品に溶体化処理を施す溶体化加熱装置８９と、この溶体化加熱装置８９で加熱した鍛造製品を焼入れする焼入れ装置９０と、この焼入れ装置９０で焼入れした鍛造製品に時効処理を施す時効処理装置９１とで構成することができる。溶体化処理を省略する場合は、溶体化加熱装置８９と、焼入れ装置９０を設けず、鍛造装置８８の後に、時効処理装置９１を設けることが好ましい。 The post heat treatment devices 89, 90, 91 include, for example, a solution heating device 89 that performs a solution treatment on the forged product, a quenching device 90 that quenches the forged product heated by the solution heating device 89, and the quenching device. And an aging treatment apparatus 91 that performs an aging treatment on the forged product quenched at 90. When the solution treatment is omitted, it is preferable to provide the aging treatment device 91 after the forging device 88 without providing the solution heating device 89 and the quenching device 90.
なお、ピーリング装置８４、据え込み装置は省略することができる。また、各装置間の搬送は自動搬送装置で行うことができる。また潤滑装置８６ａ，８６ｂにおける潤滑材被服処理は、ボンデ処理（りん酸塩皮膜処理）８６ｃに置きかえることができる。 The peeling device 84 and the upsetting device can be omitted. Moreover, the conveyance between each apparatus can be performed by an automatic conveyance apparatus. The lubricant coating process in the lubrication devices 86a and 86b can be replaced with a bonde process (phosphate film process) 86c.
ここで、前熱処理装置８２は、素材温度を−１０℃〜４８０℃に２〜６時間保持する機能を有している。予備加熱装置８７は、素材温度を３８０℃〜４８０℃とする機能を有している。後熱処理装置８９，９０，９１の、溶体化加熱装置８９および焼入れ装置８９は、鍛造済品（成形品）の溶体化の為の温度を４８０〜５２０℃とした後に焼き入れする機能を有している。後熱処理装置８９，９０，９１の、時効処理装置９１は、鍛造済品（成形品）の温度を、１７０℃〜２３０℃に保持する機能を有している。 Here, the pre-heat treatment apparatus 82 has a function of maintaining the material temperature at −10 ° C. to 480 ° C. for 2 to 6 hours. The preheating device 87 has a function of setting the material temperature to 380 ° C. to 480 ° C. The solution heat-heating device 89 and the quenching device 89 of the post-heat treatment devices 89, 90, 91 have a function of quenching after setting the temperature for solution treatment of the forged product (molded product) to 480-520 ° C. ing. The aging treatment device 91 of the post heat treatment devices 89, 90, 91 has a function of maintaining the temperature of the forged product (molded product) at 170 ° C to 230 ° C.
本発明の生産システムを用いた製造方法は、アルミニウム合金を連続鋳造法により鋳造して得られた丸棒に、前熱処理を施す工程、前熱処理したものを素材として熱間塑性加工により素形材を成形する工程、塑性加工後に後熱処理する工程、を含む成形品の製造方法であって、前熱処理の温度が−１０℃〜４８０℃、熱間塑性加工時の素材温度が３８０℃〜４８０℃、後熱処理工程では、溶体化加熱は素形材温度を４８０〜５２０℃に、または溶体化処理を施さず直接の１７０℃〜２３０℃の温度条件を満足する温度管理をして、成形品を鋳造工程から各熱処理工程を含めて一貫して製造する。その結果、好ましい機械的強度を有する成形品を安定して製造することができる。 The manufacturing method using the production system of the present invention includes a step of performing a pre-heat treatment on a round bar obtained by casting an aluminum alloy by a continuous casting method, and a shape material by hot plastic working using the pre-heated material as a raw material. Is a method for producing a molded product, including a step of post-heat treatment after plastic working, wherein the temperature of pre-heat treatment is -10 ° C to 480 ° C, and the material temperature during hot plastic working is 380 ° C to 480 ° C In the post-heat treatment step, the solution heat is controlled to a temperature of the raw material temperature of 480 to 520 ° C. or directly to 170 ° C. to 230 ° C. without solution treatment. We manufacture consistently from the casting process to each heat treatment process. As a result, a molded product having preferable mechanical strength can be stably produced.
熱処理工程が終了した鍛造製品は、旋盤、マシニングセンターを用いた機械加工を実施して最終製品の形状に仕上る。 Forged products that have undergone the heat treatment process are machined using a lathe and a machining center, and finished into the final product shape.
塑性加工として鍛造加工を挙げることができるが、本発明の製造方法は、前熱処理の温度、熱間塑性加工時の素材温度、後熱処理の温度の条件を満たすものであれば転造加工、押出し加工と組み合わせることもできる。何れの場合も、組織や晶出物のネットワークの制御において、本発明の作用効果を得ることができるからである。 Forging can be mentioned as plastic working, but the manufacturing method of the present invention can be rolled or extruded as long as it satisfies the conditions of pre-heat treatment temperature, material temperature during hot plastic working, and post-heat treatment temperature. It can also be combined with processing. In any case, the effect of the present invention can be obtained in the control of the structure and the network of crystallized substances.
成形品の例としては、高温時の機械的強度を要求される部品を挙げることができるが、具体的には例えば、エンジンピストン、バルブリフター、バルブリテーナー、シリンダーライナーを挙げることができる。 Examples of molded products include parts that require high mechanical strength at high temperatures, and specific examples include engine pistons, valve lifters, valve retainers, and cylinder liners.
本発明で用いる製造方法の、基本的な凝固方法の部分には、公知のホットトップ連続鋳造法、縦型連続鋳造法、水平連続鋳造法、ＤＣ鋳造法の何れかを用いることができる。例えば、中心軸が横方向になるように保持された強制冷却を有した筒状鋳型の内壁面に気体、液体潤滑材、その加熱分解気体から選ばれるいずれか１種または２種以上の流体を供給し、該筒状鋳型の一端にＳｉを含有するアルミニウム合金溶湯を供給して柱状金属溶湯本体を形成し、該柱状金属溶湯本体を該筒状鋳型にて凝固させて形成した鋳塊を、該筒状鋳型の他端から引き抜く水平連続鋳造法とすることができる。以下に、本発明を水平連続鋳造法に適用した場合について説明する。 For the basic solidification method part of the production method used in the present invention, any of the known hot top continuous casting method, vertical continuous casting method, horizontal continuous casting method and DC casting method can be used. For example, any one or more fluids selected from gas, liquid lubricant, and thermally decomposed gas are applied to the inner wall surface of a cylindrical mold having forced cooling held so that the central axis is in the horizontal direction. Supplying an aluminum alloy melt containing Si to one end of the cylindrical mold to form a columnar metal melt main body, and ingot formed by solidifying the columnar metal melt main body with the cylindrical mold, A horizontal continuous casting method in which the cylindrical mold is pulled out from the other end can be employed. Below, the case where this invention is applied to a horizontal continuous casting method is demonstrated.
図２は本発明に用いる連続鋳造装置の鋳型付近の一例を示すものである。タンディッシュ２５０中に貯留された合金溶湯２５５が耐火物製板状体２１０を経て筒状鋳型２０１に供給されるように、タンディッシュ２５０、耐火物製板状体２１０、筒状鋳型２０１が配置されている。筒状鋳型２０１は中心軸２２０がほぼ水平になるように保持されている。合金溶湯が凝固鋳塊２１６となるように、筒状鋳型の内部には鋳型の強制冷却手段、筒状鋳型の出口には鋳塊の強制冷却手段が配設されている。図２では、鋳塊を強制冷却する手段の例として、冷却水シャワー装置２０５が設けられている。筒状鋳型の出口の近くには、鋳塊の強制冷却された凝固鋳塊２１６が一定速度で引き出され連続的に鋳造されるように駆動装置（図示せず）が設置されている。さらに引き出された鋳造棒を所定の長さに切断する同調切断機（図示せず）が配設されている。 FIG. 2 shows an example of the vicinity of the mold of the continuous casting apparatus used in the present invention. The tundish 250, the refractory plate 210, and the cylindrical mold 201 are arranged so that the molten alloy 255 stored in the tundish 250 is supplied to the cylindrical mold 201 through the refractory plate 210. Has been. The cylindrical mold 201 is held so that the central axis 220 is substantially horizontal. Forced cooling means for the mold is disposed inside the cylindrical mold, and forced cooling means for the ingot is disposed at the outlet of the cylindrical mold so that the molten alloy becomes the solidified ingot 216. In FIG. 2, a cooling water shower device 205 is provided as an example of means for forcibly cooling the ingot. In the vicinity of the outlet of the cylindrical mold, a drive device (not shown) is installed so that the solidified ingot 216 forcibly cooled ingot is drawn out at a constant speed and continuously cast. Further, a synchronized cutting machine (not shown) for cutting the drawn cast bar into a predetermined length is provided.
本発明に用いる装置の鋳型付近の別の一例を図３を用いて説明する。図３において、ＤＣ鋳造機の一例が概略的な断面図で示されている。このＤＣ鋳造機においては、溶湯１が樋２，ディップ・チューブ３，およびフロート分配器４を介してアルミニウム合金製または銅製の固定の水冷鋳型５内に導入される。水冷鋳型５は、冷却水５Ａによって冷却されている。水冷鋳型溝内に導入されたアルミニウム合金溶湯６は、水冷鋳型５に接する部分において凝固殻７を形成して収縮し、凝固したアルミニウム合金鋳塊７Ａは下型９によって水冷鋳型５から下方に引出される。このとき、アルミニウム合金鋳塊７Ａは水冷鋳型５から供給される水冷ジェット８によってさらに冷却されて、完全に凝固させられる。下型９が動き得る下端部に達すれば、鋳塊７Ａは所定の位置で切断されて取出される。 Another example near the mold of the apparatus used in the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 3, an example of a DC casting machine is shown in a schematic cross-sectional view. In this DC casting machine, the molten metal 1 is introduced into a fixed water-cooled mold 5 made of aluminum alloy or copper via a tub 2, a dip tube 3, and a float distributor 4. The water cooling mold 5 is cooled by cooling water 5A. The molten aluminum alloy 6 introduced into the water-cooled mold groove forms a solidified shell 7 at the portion in contact with the water-cooled mold 5 and contracts, and the solidified aluminum alloy ingot 7A is drawn downward from the water-cooled mold 5 by the lower mold 9. Is done. At this time, the aluminum alloy ingot 7A is further cooled by the water-cooled jet 8 supplied from the water-cooled mold 5, and is completely solidified. If the lower die 9 reaches the lower end where it can move, the ingot 7A is cut at a predetermined position and taken out.
図２に戻って説明を続けると、筒状鋳型２０１は、中心軸２２０がほぼ水平状になるように保持され、鋳型冷却水キャビティ２０４内に冷却水２０２を通して鋳型壁面を冷却することにより、鋳型内に充満した柱状金属溶湯２１５の熱を鋳型壁に接触する面から奪ってその表面に凝固殻を形成する鋳型の強制冷却手段と、鋳型出口側端末において鋳塊に直接冷却水を当てるように冷却水シャワー装置２０５から冷却水を放出して鋳型内の溶湯を凝固させる強制冷却手段を有した筒状鋳型２０１である。さらに、筒状鋳型は、その冷却水シャワー装置の噴出口と反対側の一端は耐火物製板状体２１０を介してタンディッシュ２５０に接続されている。 Referring back to FIG. 2, the description will be continued. The cylindrical mold 201 is held so that the central axis 220 is substantially horizontal, and the mold wall surface is cooled through the cooling water 202 in the mold cooling water cavity 204, thereby The mold is forced to cool the columnar metal melt 215 from the surface contacting the mold wall to form a solidified shell on the surface, and the cooling water is directly applied to the ingot at the mold outlet side terminal. This is a cylindrical mold 201 having forced cooling means for discharging cooling water from the cooling water shower device 205 to solidify the molten metal in the mold. Further, one end of the cylindrical mold opposite to the jet port of the cooling water shower device is connected to the tundish 250 via a refractory plate-like body 210.
図２では、冷却水供給管２０３を介して鋳型の強制冷却のための冷却水、鋳塊の強制冷却のための冷却水を供給しているが、それぞれ別々に冷却水を供することもできる。 In FIG. 2, cooling water for forced cooling of the mold and cooling water for forced cooling of the ingot are supplied via the cooling water supply pipe 203, but cooling water can also be provided separately.
冷却水シャワー装置の噴出口の中心軸の延長線が鋳造された鋳塊表面に当たる位置から、鋳型と耐火物製板状体との接触面までの長さを有効モールド長（図４の符合Ｌ参照）と言い、１５ｍｍ〜７０ｍｍであるのが好ましい。この有効モールド長が１５ｍｍ未満では良好な皮膜が形成されない等から鋳造不可となる、７０ｍｍを超えると強制冷却の効果が無く、鋳型壁による凝固が支配的になって、鋳型と溶湯もしくは凝固殻との接触抵抗が大きくなって、鋳肌に割れが生じたり、鋳型内部で千切れたりする等、鋳造が不安定になるので好ましくはない。 The length from the position where the extension line of the central axis of the outlet of the cooling water shower unit hits the cast ingot surface to the contact surface between the mold and the refractory plate-like body is the effective mold length (matching L in FIG. 4). Reference) and is preferably 15 mm to 70 mm. If the effective mold length is less than 15 mm, it becomes impossible to cast because a good film is not formed. If it exceeds 70 mm, there is no effect of forced cooling, solidification by the mold wall becomes dominant, and the mold and molten metal or solidified shell This is not preferable because the casting resistance becomes unstable and the casting becomes unstable, such as cracking in the casting surface or tearing inside the mold.
鋳型の材質はアルミニウム、銅、もしくはそれらの合金から選ばれる１種または２種以上の組み合わせであるのが好ましい。熱伝導性、耐熱性、機械強度の点から材質の組み合わせを選ぶことができる。 The material of the mold is preferably one or a combination of two or more selected from aluminum, copper, or alloys thereof. A combination of materials can be selected in terms of thermal conductivity, heat resistance, and mechanical strength.
さらに鋳型の溶湯と接触する面にリング状に、自己潤滑性を保有した浸透性多孔質材２２２を装填した鋳型であるのが好ましい。リング状とは、筒状鋳型内壁面の円周方向の全体に装着した状態である。浸透性多孔質材の通気度が０．００５〜０．０３［リットルＬ／（ｃｍ2／ｍｉｎ）］、より好ましくは０．０７〜０．０２［Ｌ／（ｃｍ2／ｍｉｎ）］であるのが好ましい。装着する浸透性多孔質材の厚さは特に限定されないが、２〜１０ｍｍｍ、より好ましくは３〜８ｍｍであることが好ましい。浸透性多孔質材として、例えば通気度が０．００８〜０．０１２［Ｌ／（ｃｍ2／ｍｉｎ）］の黒鉛を用いることができる。ここで通気度とは５ｍｍの厚さの試験片に対して圧力２［ｋｇ／ｃｍ2］の空気の毎分の通気量を測定したものである。 Further, a mold in which a permeable porous material 222 having a self-lubricating property is loaded in a ring shape on the surface that contacts the molten metal of the mold is preferable. The ring shape is a state where the entire inner wall surface of the cylindrical mold is mounted in the circumferential direction. The permeability of the permeable porous material is 0.005 to 0.03 [liter L / (cm 2 / min)], more preferably 0.07 to 0.02 [L / (cm 2 / min)]. Is preferred. The thickness of the permeable porous material to be mounted is not particularly limited, but is preferably 2 to 10 mm, more preferably 3 to 8 mm. For example, graphite having an air permeability of 0.008 to 0.012 [L / (cm 2 / min)] can be used as the permeable porous material. Here, the air permeability is obtained by measuring the air flow rate per minute of air having a pressure of 2 [kg / cm 2 ] with respect to a test piece having a thickness of 5 mm.
有効モールド長のうち５〜１５ｍｍに浸透性多孔質材が装着されている筒状鋳型を用いることが好ましい。耐火物製板状体、筒状鋳型、浸透性多孔質材の合わせ面にはＯリング２１３を介して配設するのが好ましい。 It is preferable to use a cylindrical mold in which a permeable porous material is mounted in an effective mold length of 5 to 15 mm. It is preferable to dispose the refractory plate-like body, the cylindrical mold, and the permeable porous material through the O-ring 213 on the mating surfaces.
筒状鋳型の半径方向断面の内壁の形状は、円状以外に、三角形や矩形断面形状もしくは対称軸や対称面を持たない異形断面形状を有した形状でも良い。あるいは、中空鋳塊を成形する場合は、鋳型内部に中子を保持したものでも良い。そして筒状鋳型は、両端が開放された筒状鋳型であって、耐火物製板状体に穿設された注湯口を介して一端から筒状内部へ溶湯が進入し、他端から凝固した鋳塊が押し出、または引き出される。 In addition to the circular shape, the shape of the inner wall of the cylindrical mold in the radial cross section may be a triangle, a rectangular cross-sectional shape, or a shape having an irregular cross-sectional shape having no symmetry axis or symmetry plane. Or when forming a hollow ingot, what hold | maintained the core inside the casting_mold | template may be used. The cylindrical mold is a cylindrical mold whose both ends are open, and the molten metal enters the cylindrical interior from one end through a pouring hole formed in the refractory plate-shaped body and solidifies from the other end. The ingot is extruded or pulled out.
鋳型内壁面は鋳塊の引出し方向に向けて鋳型中心軸２２０と０〜３度、より好ましくは０〜１度の仰角で形成されている。仰角０度未満では鋳塊が鋳型から引き出される際に鋳型出口で抵抗を受けるために鋳造が不可能となり、一方３度を越えると、鋳型内壁面の溶湯柱への接触が不充分になり、溶湯や凝固殻から鋳型への抜熱効果が低下することによって凝固が不十分となる。その結果、鋳塊表面に再溶融肌が生じるまたは鋳型端部から未凝固の溶湯が噴出するなどの鋳造トラブルにつながる可能性が高くなるので好ましくない。 The inner wall surface of the mold is formed at an elevation angle of 0 to 3 degrees, more preferably 0 to 1 degree with the mold center axis 220 in the ingot drawing direction. If the elevation angle is less than 0 degrees, casting is impossible due to resistance at the mold exit when the ingot is pulled out of the mold, while if it exceeds 3 degrees, the inner wall surface of the mold becomes insufficiently in contact with the molten metal column, Solidification becomes inadequate because the heat removal effect from the molten metal or solidified shell to the mold is reduced. As a result, there is a high possibility that remelting skin will be generated on the surface of the ingot or unsolidified molten metal will be ejected from the end of the mold.
タンディッシュは、外部の溶解炉等によって規定の合金成分に調整されたアルミニウム合金溶湯を受ける溶湯流入部２５１、溶湯保持部２５２、鋳型への流出部２５３から構成されている。タンディッシュは、溶湯の液面レベル２５４を鋳型上面より高い位置に維持し、かつ多連鋳造の場合には、各鋳型に溶湯を安定的に分配するものである。タンディッシュ内の溶湯保持部に保持された溶湯は耐火物製板状体に設けられた注湯口２１１から鋳型に注湯されている。 The tundish is composed of a molten metal inflow portion 251 that receives molten aluminum alloy adjusted to a prescribed alloy component by an external melting furnace or the like, a molten metal holding portion 252, and an outflow portion 253 to the mold. The tundish maintains the liquid level 254 of the molten metal at a position higher than the upper surface of the mold, and stably distributes the molten metal to each mold in the case of multiple casting. The molten metal held in the molten metal holding part in the tundish is poured into the mold from a pouring port 211 provided in the refractory plate-like body.
耐火物製板状体２１０はタンディッシュと鋳型とを隔てるためのものである。耐火断熱性を備えている材質のものを用いることができ、例えば、（株）ニチアス製ルミボード、フォセコ（株）製インシュラル、イビデン（株）製ファイバーブランケットボードを挙げることができる。耐火物製板状体は注湯口を形成できるような形状を有している。注湯口は耐火物製板状体が筒状鋳型の内壁面より内側に張り出した部分に１個または１個以上形成することができる。 The refractory plate 210 is for separating the tundish from the mold. A material having fireproof and heat insulating properties can be used, and examples thereof include Nichias Lumi board, Fosseco Insular, and Ibiden fiber blanket board. The refractory plate-like body has a shape that can form a pouring gate. One or more pouring gates can be formed in a portion where the refractory plate-like body projects inward from the inner wall surface of the cylindrical mold.
符号２０８は流体を供給する流体供給管である。流体としては潤滑流体を挙げることができる。流体は、気体、液体潤滑材から選ばれるいずれか1種または２種以上の流体とすることができる。気体、液体潤滑材の供給管は別々に設けることが好ましい。 Reference numeral 208 denotes a fluid supply pipe for supplying fluid. The fluid can include a lubricating fluid. The fluid may be any one or two or more fluids selected from gas and liquid lubricant. The gas and liquid lubricant supply pipes are preferably provided separately.
流体供給管２０８から加圧供給された流体は環状通路２２４を通って筒状鋳型と耐火物製板状体との間の隙間に供給される。鋳型が耐火物製板状体に面する部位に２００μｍ以下の隙間が形成されているのが好ましい。この隙間は、溶湯が差し込まない程度で、流体が、鋳型内壁面へ流出できる程度の大きさである。図２に示した形態では、環状通路２２４は筒状鋳型に装着された浸透性多孔質材２２２の外周面側に対峙して穿設され、流体はかけられた圧力によって浸透性多孔質材の内部に浸透して溶湯と接触する浸透性多孔質の全面に送られ、筒状鋳型の内壁面２２１に供給される。液体潤滑材は加熱されて分解気体となって、筒状鋳型の内壁面に供給される場合もある。 The fluid pressurized and supplied from the fluid supply pipe 208 is supplied to the gap between the cylindrical mold and the refractory plate-like body through the annular passage 224. It is preferable that a gap of 200 μm or less is formed at a site where the mold faces the refractory plate. This gap is of such a size that the fluid can flow out to the inner wall surface of the mold so that the molten metal is not inserted. In the form shown in FIG. 2, the annular passage 224 is formed on the outer peripheral surface side of the permeable porous material 222 mounted on the cylindrical mold, and the fluid is made of the permeable porous material by the applied pressure. It is fed to the entire surface of the permeable porous material that penetrates the inside and contacts the molten metal, and is supplied to the inner wall surface 221 of the cylindrical mold. The liquid lubricant may be heated to be decomposed gas and supplied to the inner wall surface of the cylindrical mold.
その結果、筒状鋳型の浸透性多孔質面と、金属の柱状溶湯本体外周面及び凝固殻外周面と間の潤滑を良くすることができる。浸透性多孔質材をリング状に装着することにより、より良好な潤滑効果が得られ、アルミニウム合金連続鋳造棒を容易に鋳造することができる。 As a result, it is possible to improve the lubrication between the permeable porous surface of the cylindrical mold and the outer peripheral surface of the metal columnar molten metal main body and the outer peripheral surface of the solidified shell. By mounting the permeable porous material in a ring shape, a better lubricating effect can be obtained, and an aluminum alloy continuous casting rod can be easily cast.
供給された気体、液体潤滑材、液体潤滑材の分解した気体から選ばれるいずれか１種または２種以上により、隅部空間２３０が形成される。 The corner space 230 is formed by any one or more selected from the supplied gas, the liquid lubricant, and the gas obtained by decomposing the liquid lubricant.
本発明の製造方法に含まれる鋳造工程について説明する。 The casting process included in the manufacturing method of the present invention will be described.
図２においてタンディッシュ２５０中の合金溶湯は耐火物製板状体２１０を経て、中心軸がほぼ水平になるように保持された筒状鋳型２０１に供給され鋳型の出口にて強制冷却されて凝固鋳塊２１６となる。凝固鋳塊２１６は鋳型の出口近くに設置された駆動装置により一定速度で引き出されるため連続的に鋳造されて鋳造棒になる。引き出された鋳造棒は同調切断機によって所定の長さに切断される。すなわち、連続鋳造棒は、溶湯の平均温度が液相線＋４０℃〜＋２３０℃のアルミニウム合金を鋳造速度が３００〜２０００ｍｍ／分で連続鋳造法により鋳造して得られる。この条件範囲にすると晶出物が微細分散し、鍛造成形性に優れ、かつ高温機械的強度に優れた成形品となる。ホットトップ連続鋳造法、縦型連続鋳造法、ＤＣ鋳造法の場合は鋳造速度８０〜４００ｍｍ／分が好ましい。 In FIG. 2, the molten alloy in the tundish 250 passes through a refractory plate-like body 210, is supplied to a cylindrical mold 201 held so that the central axis is substantially horizontal, and is forcibly cooled at the mold outlet to solidify. It becomes an ingot 216. Since the solidified ingot 216 is pulled out at a constant speed by a driving device installed near the outlet of the mold, it is continuously cast into a cast bar. The drawn cast bar is cut into a predetermined length by a synchronous cutting machine. That is, the continuous casting rod is obtained by casting an aluminum alloy having an average molten metal temperature of liquidus + 40 ° C. to + 230 ° C. by a continuous casting method at a casting speed of 300 to 2000 mm / min. Within this condition range, the crystallized product is finely dispersed, resulting in a molded product having excellent forging formability and excellent high-temperature mechanical strength. In the case of the hot top continuous casting method, the vertical continuous casting method, and the DC casting method, a casting speed of 80 to 400 mm / min is preferable.
タンディッシュ内に貯留するアルミニウム合金の溶湯２５５の組成について説明する。 The composition of the molten aluminum alloy 255 stored in the tundish will be described.
溶湯２５５は、Ｓｉを１０．５〜１３．５質量％（好ましくは１１．５〜１３．０質量％）含み、Ｆｅを０．１５〜０．６５質量％（好ましくは０．３〜０．５質量％）含み、Ｃｕを２．５〜５．５質量％（好ましくは３．５〜４．５質量％）含み、Ｍｇを０．３〜１．５質量％（好ましくは０．５〜１．３質量％）含むアルミニウム合金である。 The molten metal 255 contains 10.5 to 13.5 mass% (preferably 11.5 to 13.0 mass%) of Si, and 0.15 to 0.65 mass% (preferably 0.3 to 0.005 mass%) of Fe. 5 to 5% by mass), Cu to 2.5 to 5.5% by mass (preferably 3.5 to 4.5% by mass), and Mg to 0.3 to 1.5% by mass (preferably 0.5 to 1.3 mass%) containing aluminum alloy.
Ｓｉは共晶Ｓｉの分布により高温機械的強度、耐摩耗性を高め、Ｍｇと共存してＭｇ2Ｓｉ粒子を析出して高温機械的強度を向上させる。１０．５％未満ではその効果が小さく、１２％を超えると初晶Ｓｉの晶出が多くなり、高温疲労強度、延性、靱性を低下させる。 Si increases the high-temperature mechanical strength and wear resistance due to the distribution of eutectic Si, and coexists with Mg to precipitate Mg 2 Si particles to improve the high-temperature mechanical strength. If it is less than 10.5%, the effect is small, and if it exceeds 12%, crystallization of primary Si increases, and high temperature fatigue strength, ductility, and toughness are reduced.
Ｆｅは、Ａｌ−Ｆｅ系やＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系の粒子を晶出させ、高温機械的強度を向上させる。０．１５％未満ではこの効果が小さく、０．６５％を超えるとＡｌ−Ｆｅ系やＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系の粗大晶出物が増加して鍛造性や高温疲労強度、延性、靱性を低下させる。 Fe crystallizes Al-Fe-based and Al-Fe-Si-based particles and improves high-temperature mechanical strength. If the content is less than 0.15%, this effect is small, and if it exceeds 0.65%, coarse crystals of Al-Fe and Al-Fe-Si increase and forgeability, high-temperature fatigue strength, ductility, and toughness decrease. Let
ＣｕはＣｕＡｌ2粒子を析出して高温機械的強度を向上させる。２．５％未満ではこの効果は小さく、５．５％を超えるとＡｌ−Ｃｕ系の粗大晶出物が増加して鍛造性や高温疲労強度、延性、靱性を低下させる。 Cu precipitates CuAl 2 particles to improve high temperature mechanical strength. If it is less than 2.5%, this effect is small, and if it exceeds 5.5%, coarse Al-Cu coarse crystals are increased and forgeability, high-temperature fatigue strength, ductility, and toughness are lowered.
ＭｇはＳｉと共存してＭｇ2Ｓｉ粒子を析出して高温機械的強度を向上させる。０．３％未満ではこの効果は小さく、１．５％を超えるとＭｇ2Ｓｉの粗大晶出物が増加して鍛造性や高温疲労強度、延性、靱性を低下させる。 Mg coexists with Si and precipitates Mg 2 Si particles to improve high temperature mechanical strength. If it is less than 0.3%, this effect is small, and if it exceeds 1.5%, the coarse crystals of Mg 2 Si increase and forgeability, high-temperature fatigue strength, ductility, and toughness are lowered.
この溶湯２５５は、０．１〜１．０質量％（好ましくは０．２〜０．５質量％）のＭｎ、０．０５〜０．５質量％（好ましくは０．１〜０．３質量％）のＣｒ、０．０４〜０．３質量％（好ましくは０．１〜０．２質量％）のＺｒ、０．０１〜０．１５質量％（好ましくは０．０５〜０．１質量％）のＶ、０．０１〜０．２質量％（好ましくは０．０２〜０．１質量％）のＴｉ、のうちの１種又は２種以上を含有することが好ましい。Ｍｎ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｖ，Ｔｉの含有は、Ａｌ−Ｍｎ系やＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系，Ａｌ−Ｃｒ系やＡｌ−Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｚｒ系，Ａｌ−Ｖ系、Ａｌ−Ｔｉ系の化合物が晶出又は析出して、アルミニウム合金の高温機械的強度を向上させるからである。Ｍｎが０．１％未満、Ｃｒが０．０５％未満、Ｚｒが０．０４％未満、Ｖが０．０１％未満、Ｔｉが０．０１％未満ではこの効果は小さく、Ｍｎが１．０％を、Ｃｒが０．５％を、Ｚｒが０．３％を、Ｖが０．１５％を、Ｔｉが０．２％を超えると粗大な晶出物が増加して、鍛造性、高温疲労強度、靱性を低下させる。 The molten metal 255 is 0.1 to 1.0% by mass (preferably 0.2 to 0.5% by mass) of Mn, 0.05 to 0.5% by mass (preferably 0.1 to 0.3% by mass). %) Cr, 0.04 to 0.3 mass% (preferably 0.1 to 0.2 mass%) Zr, 0.01 to 0.15 mass% (preferably 0.05 to 0.1 mass%) %) V and 0.01-0.2 mass% (preferably 0.02-0.1 mass%) Ti, it is preferable to contain one or more of them. The contents of Mn, Cr, Zr, V, and Ti include Al—Mn, Al—Fe—Mn—Si, Al—Cr, Al—Fe—Cr—Si, Al—Zr, and Al—V. This is because the Al—Ti based compound crystallizes or precipitates to improve the high temperature mechanical strength of the aluminum alloy. When Mn is less than 0.1%, Cr is less than 0.05%, Zr is less than 0.04%, V is less than 0.01%, and Ti is less than 0.01%, this effect is small, and Mn is 1.0 %, Cr is 0.5%, Zr is 0.3%, V is 0.15%, and Ti exceeds 0.2%, coarse crystals are increased, and forgeability, high temperature Reduces fatigue strength and toughness.
さらに、Ｎｉを０．８〜３質量％（好ましくは１．５〜２．５質量％）含むことが好ましい。Ａｌ−Ｎｉ系，Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｕ系，Ａｌ−Ｎｉ−Ｆｅ系晶出物を発生させ、それによって高温機械的強度を向上させる。０．８％未満ではこの効果は小さく、３％を超えると粗大な晶出物が増加して鍛造性や高温疲労強度、延性、靱性を低下させる。 Furthermore, it is preferable that Ni is contained in an amount of 0.8 to 3% by mass (preferably 1.5 to 2.5% by mass). Al-Ni-based, Al-Ni-Cu-based, and Al-Ni-Fe-based crystallized substances are generated, thereby improving high-temperature mechanical strength. If it is less than 0.8%, this effect is small, and if it exceeds 3%, coarse crystallized substances increase and forgeability, high-temperature fatigue strength, ductility, and toughness are lowered.
また、Ｐを０．００３〜０．０２質量％（好ましくは０．００７〜０．０１６質量％）含むことが好ましい。Ｐは初晶Ｓｉを発生させるので、耐摩耗性を優先する場合に好ましく、また、初晶Ｓｉの微細化効果があり、発生した初晶Ｓｉよる鍛造性や延性や高温疲労強度の低下を抑制する働きをする。０．００３％未満では初晶Ｓｉの微細化効果が少なく、鋳塊の中心に粗大な初晶Ｓｉが発生し、鍛造性や高温疲労強度、延性、靱性を低下させる。０．０２％を超えると初晶Ｓｉの発生が多くなり、鍛造性や高温疲労強度、延性、靱性を低下させる。 Moreover, it is preferable to contain 0.003-0.02 mass% (preferably 0.007-0.016 mass%) of P. P generates primary crystal Si, so it is preferable when prioritizing wear resistance. Also, it has the effect of miniaturizing primary crystal Si and suppresses forging, ductility, and high temperature fatigue strength due to the generated primary crystal Si. To work. If it is less than 0.003%, the effect of refining the primary crystal Si is small, coarse primary crystal Si is generated at the center of the ingot, and the forgeability, high temperature fatigue strength, ductility, and toughness are reduced. If it exceeds 0.02%, the generation of primary crystal Si increases and forgeability, high-temperature fatigue strength, ductility, and toughness are reduced.
また、０．００３〜０．０３質量％（好ましくは０．０１〜０．０２質量％）のＳｒ、０．１〜０．３５質量％（好ましくは０．１５〜０．２５質量％）のＳｂ、０．０００５〜０．０１５質量％（好ましくは０．００１〜０．０１質量％）のＮａ、０．００１〜０．０２質量％（好ましくは０．００５〜０．０１質量％）のＣａのうちの１種又は２種以上を含有することが、共晶Ｓｉの微細化効果があり好ましい。Ｓｒが０．００３％未満、Ｓｂが０．１％未満、Ｎａが０．０００５％未満、Ｃａが０．００１％未満ではその効果が小さく、Ｓｒが０．０３％を、Ｓｂが０．３５％を、Ｎａが０．０１５％を、Ｃａが０．０２％を超えると粗大な晶出物が増加又は鋳造欠陥が発生し、鍛造性、高温疲労強度、靱性を低下させる。 Moreover, 0.003-0.03 mass% (preferably 0.01-0.02 mass%) Sr, 0.1-0.35 mass% (preferably 0.15-0.25 mass%) Sb, 0.0005 to 0.015 mass% (preferably 0.001 to 0.01 mass%) Na, 0.001 to 0.02 mass% (preferably 0.005 to 0.01 mass%) It is preferable to contain one or more of Ca because of the effect of refining eutectic Si. When Sr is less than 0.003%, Sb is less than 0.1%, Na is less than 0.0005%, and Ca is less than 0.001%, the effect is small, Sr is 0.03%, and Sb is 0.35. If Na exceeds 0.015% and Ca exceeds 0.02%, coarse crystals are increased or casting defects are generated, and forgeability, high temperature fatigue strength, and toughness are reduced.
また、Ｍｇを０．５〜１．３質量％（好ましくは０．８〜１．２質量％）含むことが好ましい。ＳｉがＭｇと共存してＭｇ2Ｓｉ粒子を析出しアルミニウム合金の高温機械的強度を向上させるからである。 Moreover, it is preferable to contain Mg 0.5-1.3 mass% (preferably 0.8-1.2 mass%). This is because Si coexists with Mg and precipitates Mg 2 Si particles to improve the high temperature mechanical strength of the aluminum alloy.
鋳塊の合金成分の組成比は、例えば、ＪＩＳ Ｈ １３０５に記載されているような光電測光式発光分光分析装置（装置例：島津製作所製ＰＤＡ−５５００）による方法により確認できる。 The composition ratio of the alloy components of the ingot can be confirmed, for example, by a method using a photoelectric photometric emission spectroscopic analyzer (device example: PDA-5500 manufactured by Shimadzu Corporation) as described in JIS H 1305.
タンディッシュ内に貯留された溶湯の液面２５４の高さと鋳型内壁上面との高さの差を０〜２５０ｍｍ、より好ましくは５０〜１７０ｍｍとする。鋳型内に供給される溶湯の圧力と潤滑油および潤滑油が気化したガスとが好適にバランスするため鋳造性が安定し、アルミニウム合金連続鋳造棒を容易に製造できるからである。タンディッシュに溶湯の液面の高さを測定しモニターするためにレベルセンサーを設けることにより精度良くこの差を管理し所定の値に維持することができる。 The difference between the height of the liquid level 254 of the molten metal stored in the tundish and the upper surface of the mold inner wall is set to 0 to 250 mm, more preferably 50 to 170 mm. This is because the pressure of the molten metal supplied into the mold and the lubricating oil and the gas vaporized from the lubricating oil are suitably balanced, so that the castability is stable and an aluminum alloy continuous cast bar can be easily manufactured. By providing a level sensor in the tundish to measure and monitor the level of the molten metal, the difference can be accurately controlled and maintained at a predetermined value.
液体潤滑材は、潤滑油である植物油を用いることができる。例えば菜種油、ひまし油、サラダ油を挙げることができる。環境への悪影響が小さいので好ましい。 As the liquid lubricant, vegetable oil which is a lubricating oil can be used. For example, rapeseed oil, castor oil, salad oil can be mentioned. It is preferable because it has a small adverse effect on the environment.
潤滑油供給量は０．０５〜５ｍＬ／分（より好ましくは０．１〜１ｍＬ／分）であるのが好ましい。供給量が過少だと潤滑不足により鋳塊のブレークアウトが発生し、過多だと余剰分が鋳塊中に混入し結晶粒径分布の均一を妨げるおそれがあるためである。 The lubricating oil supply amount is preferably 0.05 to 5 mL / min (more preferably 0.1 to 1 mL / min). If the supply amount is too small, breakage of the ingot may occur due to insufficient lubrication, and if it is excessive, the excess may be mixed into the ingot and hinder the uniformity of the crystal grain size distribution.
鋳型から鋳塊を引抜く速度である鋳造速度は３００〜２０００ｍｍ／分（より好ましくは６００〜２０００ｍｍ／分）であるのが好ましい。鋳造で形成される晶出物のネットワーク組織が均一微細となり、高温下でのアルミニウム生地の変形に対する抵抗が増し、高温機械的強度が向上するため好ましい。勿論、本発明の作用効果は鋳造速度に限定されないが、鋳造速度を速くしたときにその効果が顕著になる。 The casting speed, which is the speed at which the ingot is drawn from the mold, is preferably 300 to 2000 mm / min (more preferably 600 to 2000 mm / min). It is preferable because the network structure of the crystallized product formed by casting becomes uniform and fine, resistance to deformation of the aluminum material at high temperature increases, and high-temperature mechanical strength improves. Of course, the effect of the present invention is not limited to the casting speed, but the effect becomes remarkable when the casting speed is increased.
冷却水シャワー装置から放出される冷却水量は鋳型当り５〜３０Ｌ／分（より好ましくは２５〜３０Ｌ／分）であるのが好ましい。冷却水量が過少だとブレークアウトが生じたり、鋳塊表面が再溶融し不均一な組織が形成され結晶粒径分布の均一を妨げる恐れがある。一方、冷却水量が過多だと鋳型の抜熱が大き過ぎて鋳造不可になるためである。勿論、本発明の作用効果は冷却水量に限定されないが、冷却能を大きくして凝固界面からモールド内への温度勾配を大きくしたときにその効果が顕著になる。 The amount of cooling water discharged from the cooling water shower device is preferably 5 to 30 L / min (more preferably 25 to 30 L / min) per mold. If the amount of cooling water is too small, breakout may occur, or the ingot surface may be re-melted to form a non-uniform structure and hinder the uniformity of the crystal grain size distribution. On the other hand, if the amount of cooling water is excessive, the heat removal from the mold is too large and casting becomes impossible. Of course, the effect of the present invention is not limited to the amount of cooling water, but the effect becomes significant when the cooling ability is increased to increase the temperature gradient from the solidification interface into the mold.
タンディッシュ内から鋳型へ流入する溶湯の平均温度は液相線＋４０℃〜＋２３０℃（より好ましくは液相線＋６０℃〜＋２００℃、さらに好ましくは液相線＋６０℃〜＋１５０℃）であるのが好ましい。溶湯の温度が低すぎると鋳型およびそれ以前で粗大な晶出物を形成し結晶粒径分布の均一を妨げるおそれがある。一方、溶湯の温度が高すぎると、溶湯中に大量の水素ガスが取り込まれ、鋳塊中にポロシティーとして取り込まれ、結晶粒径分布の均一を妨げるおそれがあるからである。 The average temperature of the molten metal flowing into the mold from the tundish is the liquidus + 40 ° C. to + 230 ° C. (more preferably the liquidus + 60 ° C. to + 200 ° C., more preferably the liquidus + 60 ° C. to + 150 ° C.). preferable. If the temperature of the molten metal is too low, coarse crystallization products may be formed in the mold and before, and the uniformity of the crystal grain size distribution may be hindered. On the other hand, when the temperature of the molten metal is too high, a large amount of hydrogen gas is taken into the molten metal and taken into the ingot as porosity, which may hinder the uniformity of the crystal grain size distribution.
本発明では、これらの鋳造条件は、鋳造品の組織の共晶Ｓｉや金属間化合物がほとんど凝集球状化せず、連続鋳造に形成された晶出物のネットワーク組織又は針状晶出物又は晶出物の集合体となるように制御されるので、この後の各熱処理の効果が有効に発揮されるので好ましい。 In the present invention, these casting conditions are such that the eutectic Si or intermetallic compound in the structure of the cast product is hardly agglomerated and spheroidized, and the network structure or needle-like crystallized product or crystal of the crystallized product formed in continuous casting Since it is controlled so as to be an aggregate of extracts, the effect of each subsequent heat treatment is effectively exhibited, which is preferable.
本発明では、鋳造後の鋳造棒は、素材として鍛造成形工程に投入する前に前熱処理として−１０〜４８０℃（好ましくは−１０〜４００℃、より好ましくは−１０〜３７０℃）に２〜６時間保持することが肝要である。温度条件は室温であるのがより好ましいが、それ以下であってもその効果を得ることができる。また、複雑形状へ成形するために良好な鍛造成形性が必要な場合は３７０〜４８０℃が好ましい。 In the present invention, the cast rod after casting is subjected to a preheat treatment at −10 to 480 ° C. (preferably −10 to 400 ° C., more preferably −10 to 370 ° C.) as a raw material before being put into the forging process. It is important to hold for 6 hours. The temperature condition is more preferably room temperature, but the effect can be obtained even if the temperature is less than that. Moreover, 370-480 degreeC is preferable when favorable forge formability is required in order to shape | mold into a complicated shape.
前熱処理を上記のようにすると、組織において連続鋳造時に形成された晶出物のネットワーク組織又は針状晶出物又は晶出物の集合体が成形・熱処理後にも部分的に残留するアルミニウム成形品となり、これらの形状の晶出物が高温下でのアルミ生地の変形に対する抵抗として働き、その結果、２５０℃を超えた４００℃以下の高温時であっても優れた機械的強度が得られる。すなわち、アルミニウム生地が軟化する高温下でネットワーク状又は針状又は集合体となった晶出物が変形に対する抵抗となるため、高温機械的強度に優れたアルミニウム成形品となる。一方、前熱処理温度が高く、成形率が高いと晶出物がネットワーク状針状又は集合体が分断され、粒状に凝集し、晶出物が高温下で軟化したアルミニウム生地中に均一に分散している状態となる。このため、高温下でのアルミニウム生地の変形に対する晶出物の抵抗力が低下し、高温機械的強度も上げられなくなる。 When the pre-heat treatment is performed as described above, an aluminum molded product in which a network structure of crystallized substances or acicular crystallized substances or aggregates of crystallized substances formed at the time of continuous casting in the structure partially remain after molding and heat treatment. Thus, the crystallized material of these shapes acts as a resistance to deformation of the aluminum fabric at a high temperature, and as a result, excellent mechanical strength can be obtained even at a high temperature exceeding 250 ° C. and 400 ° C. or less. That is, since the crystallized material that is network-like, needle-like, or aggregated at a high temperature at which the aluminum fabric softens becomes a resistance to deformation, an aluminum molded article having excellent high-temperature mechanical strength is obtained. On the other hand, when the pre-heat treatment temperature is high and the forming ratio is high, the crystallized product is divided into network-like needles or aggregates and aggregates into particles, and the crystallized product is uniformly dispersed in the aluminum fabric softened at high temperature. It will be in the state. For this reason, the resistance of the crystallized substance to the deformation of the aluminum dough at a high temperature is lowered, and the high temperature mechanical strength cannot be increased.
本発明は、前述した合金組成であって、アルミニウム生地が軟化し、非常に変形しやすくなる２５０℃を超えた４００℃以下の更なる高温域でアルミニウム生地の変形に抵抗する晶出物のネットワーク組や針状組織や集合体を部分的に残留させることによって高温機械的強度を高めているものである。 The present invention has the above-described alloy composition, and a network of crystallized substances that resists deformation of the aluminum material at a further high temperature range of more than 250 ° C. and over 400 ° C., where the aluminum material is softened and easily deformed. High temperature mechanical strength is enhanced by partially leaving a set, needle-like structure or aggregate.
晶出物のネットワークや針状組織があまり見られない比較的晶出物の少ない低濃度合金である６０００系合金などで、均質化処理を抑制したり省略する場合、それは再結晶の抑制や工程の簡素化を図るものであり、本発明のような晶出物が多く、鋳造時にネットワークや針状組織が見られる高Ｓｉ系合金で、ネットワークや針状組織をなるべく維持して高温の改良を図るものとは異なる。 When a homogenization treatment is suppressed or omitted, such as a 6000 series alloy, which is a low-concentration alloy with a relatively small amount of crystallized material, with little crystallized network or needle-like structure, it is necessary to suppress recrystallization or process. This is a high Si-based alloy that has many crystallized materials as in the present invention and can show a network and a needle-like structure at the time of casting. It is different from what is planned.
上記の背景技術の欄で述べたように、特開２００２−２９４３８３号公報に開示されているものは、６０００系合金に関するものであり、均質化処理の温度を抑制したり省略しているのは、高温特性を得るためではなく、再結晶を抑制して常温の機械的特性を改良するためである。もともと合金系も異なり、比較的晶出物の少ない低濃度合金で、晶出物のネットワーク組織や針状組織はあまり見られない。均質化処理を低温化し抑制することで、再結晶を抑制するＡｌ−Ｍｎ，Ａｌ−Ｃｒ系化合物を、微細に析出させるためのものである。本発明のような晶出物が多く、鋳造時にネットワーク組織や針状組織が見られる高Ｓｉ系合金で、ネットワーク組織や針状組織をなるべく維持して高温の改良を図るものとは異なっている。 As described in the background section above, what is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-294383 is related to a 6000 series alloy, and the temperature of the homogenization treatment is suppressed or omitted. This is not for obtaining high temperature characteristics but for improving mechanical properties at room temperature by suppressing recrystallization. Originally, the alloy system is different, and it is a low-concentration alloy with relatively few crystallized substances, and the network structure and needle-like structure of the crystallized substances are not so much seen. This is for finely precipitating the Al—Mn, Al—Cr-based compound that suppresses recrystallization by reducing the temperature of the homogenization treatment. This is a high Si-based alloy that has many crystallized materials as in the present invention and has a network structure and needle-like structure at the time of casting, and is different from one that maintains the network structure and needle-like structure as much as possible to improve the temperature. .
特に、素材の高温機械的強度を高め、鍛造性を向上させる場合には、前熱処理の保持温度が２００℃〜３７０℃であることが好ましい。この温度範囲にすると前熱処理時の共晶Ｓｉや金属間化合物の凝集球状化が進み難く、連続鋳造に形成された晶出物のネットワーク組織又は針状晶出物又は晶出物の集合体が鍛造成形、後熱処理後でも部分的に残存しており、高温機械的強度に優れたアルミニウム成形品となる。 In particular, when increasing the high-temperature mechanical strength of the material and improving forgeability, it is preferable that the holding temperature of the pre-heat treatment is 200 ° C. to 370 ° C. When this temperature range is adopted, it is difficult for agglomeration spheroidization of eutectic Si and intermetallic compounds during pre-heat treatment to proceed, and a network structure of crystallized substances formed in continuous casting or acicular crystallized substances or aggregates of crystallized substances Even after forging and post-heat treatment, it remains partially, resulting in an aluminum molded product with excellent high-temperature mechanical strength.
また特に、素材の高温機械的強度をより高める場合には、前熱処理の保持温度が−１０℃〜２００℃であることが好ましい。この温度範囲にすると前熱処理時の共晶Ｓｉや金属間化合物がほとんど凝集球状化せず、連続鋳造に形成された晶出物のネットワーク組織又は針状晶出物又は晶出物の集合体が鍛造成形、後熱処理後でも部分的に残存しており、高温機械的強度に優れたアルミニウム成形品となる。 In particular, in order to further increase the high-temperature mechanical strength of the material, it is preferable that the holding temperature of the pre-heat treatment is −10 ° C. to 200 ° C. In this temperature range, the eutectic Si and the intermetallic compound at the time of the pre-heat treatment are hardly agglomerated and spheroidized, and the network structure of the crystallized product formed in the continuous casting or the acicular crystallized product or the aggregate of crystallized product. Even after forging and post-heat treatment, it remains partially, resulting in an aluminum molded product with excellent high-temperature mechanical strength.
前熱処理工程は、鋳造後から鍛造工程の間に設ければ良く、たとえば鋳造後１日以内に処理する、または処理後１週間以内に鍛造工程に投入すれば良い。その間に矯正処理、ピーリング処理を施すことができる。 The pre-heat treatment process may be provided between the forging process after casting, and may be performed, for example, within one day after casting, or may be put into the forging process within one week after processing. In the meantime, correction treatment and peeling treatment can be performed.
次に、本発明に含まれる鍛造工程の一例を説明する。
１）連続鋳造丸棒を所定の長さに切断する工程と、
２）切断した素材を予備加熱して据え込みする工程と
３）据え込んだ素材を潤滑する工程と
４）素材を金型に投入して鍛造成形する工程と
５）ノックアウト機構により鍛造製品を金型内から排出する工程と
を含む製造方法である。
Next, an example of the forging process included in the present invention will be described.
1) cutting a continuous cast round bar into a predetermined length;
2) Preheating and cutting the cut material; 3) Lubricating the loaded material; 4) Forging the material into the mold and forging; and 5) Forging the product with the knockout mechanism. And a step of discharging from the mold.
鍛造用素材に潤滑材を塗布しさらに据え込み処理に投入前に加熱しておくこともできる。なお、据え込み工程を省略することができる。 Lubricant can be applied to the forging material and further heated before being put into the upsetting process. The upsetting process can be omitted.
潤滑材処理は水溶性潤滑材の塗布、またはボンデ処理とすることができる。例えば、素材にボンデ処理を施した後、予備加熱として３８０〜４８０℃に加熱して鍛造装置に投入するのが好ましい。３８０〜４８０℃に予備加熱すると、素材の変形態が向上し、複雑な形状に成形するのが容易になる。 Lubricant treatment can be water-soluble lubricant application or bond treatment. For example, it is preferable that the raw material is subjected to a bond treatment and then heated to 380 to 480 ° C. as a preheating and put into a forging apparatus. Preheating to 380 to 480 ° C. improves the deformation of the material and facilitates forming into a complicated shape.
潤滑材として水性潤滑材が好ましく水溶性黒鉛潤滑材を用いるのがより好ましい。黒鉛が素材に良く焼き付くからである。この場合は、例えば、素材温度７０〜３５０℃で潤滑材の塗布を施した後、常温に冷ました後（例えば２〜４時間保持した後）、３８０〜４８０℃に加熱して鍛造装置に投入するのが好ましい。潤滑材として水性潤滑材が好ましく水溶性黒鉛潤滑材を用いるのがより好ましい。黒鉛が素材に良く焼き付くからである。 A water-based lubricant is preferable as the lubricant, and a water-soluble graphite lubricant is more preferably used. This is because graphite is well baked on the material. In this case, for example, after applying a lubricant at a raw material temperature of 70 to 350 ° C., after cooling to room temperature (for example, holding for 2 to 4 hours), heating to 380 to 480 ° C. and feeding into a forging device It is preferable to do this. A water-based lubricant is preferable as the lubricant, and a water-soluble graphite lubricant is more preferably used. This is because graphite is well baked on the material.
素材を投入する前に、金型表面へ潤滑材を塗布する。潤滑量はスプレー量を吹き付け時間を調整することで、上金型とダイスの組み合わせに合わせてより適切な状態にすることができる。潤滑材として油性潤滑材を用いるのが好ましい。たとえば、鉱物油を用いることができる。水性潤滑油では金型温度が下がることがあるが、それを抑えることができるからである。油性潤滑材が黒鉛と鉱物油混合物であるのが潤滑効果がたかまるのでより好ましい。 Lubricant is applied to the mold surface before loading the material. The amount of lubrication can be brought into a more appropriate state according to the combination of the upper die and the die by adjusting the spray amount and the spraying time. It is preferable to use an oil-based lubricant as the lubricant. For example, mineral oil can be used. This is because the mold temperature may be lowered with water-based lubricating oil, but this can be suppressed. It is more preferable that the oil-based lubricant is a mixture of graphite and mineral oil because the lubricating effect is increased.
金型の加熱温度は１５０〜２５０℃とするのが好ましい。充分な塑性流動を得ることができるからである。 The heating temperature of the mold is preferably 150 to 250 ° C. It is because sufficient plastic flow can be obtained.
本発明では、鍛造成形における、耐高温疲労強度の要求される部位の加工率が９０％以下（好ましくは７０％以下）であることが好ましい。この加工率以下にすると晶出物ネットワーク又は針状晶出物又は晶出物の集合体の分断を抑制し、高温機械的強度に優れた成形品となる。 In the present invention, it is preferable that the processing rate of the portion requiring high temperature fatigue strength in forging is 90% or less (preferably 70% or less). When the processing rate is lower than this, the crystallized substance network, the acicular crystallized substance, or the aggregate of crystallized substances is prevented from being divided, and a molded article having excellent high-temperature mechanical strength is obtained.
なお、成形品において、高温機械的強度が要求される部位がこの加工率を満たしていれば良い。 In the molded product, it is only necessary that the portion where high temperature mechanical strength is required satisfies this processing rate.
なお、鍛造前に据え込み工程などの塑性加工が施された場合は、加工率はそれらのトータルとして考えるのが好ましい。例えば、複雑な形状を有する成形品の場合、１回の加工当たりの加工率１０〜８０％（より好ましくは１０〜５０％）で、複数回（好ましくは２回）とするのが好ましい。例えば、１回目１０〜５０％（より好ましくは１０〜３０％）とするのが好ましい。 In addition, when plastic processing, such as an upsetting process, is performed before forging, it is preferable to consider a processing rate as those total. For example, in the case of a molded product having a complicated shape, it is preferable that the processing rate per processing is 10 to 80% (more preferably 10 to 50%), and a plurality of times (preferably twice). For example, the first time is preferably 10 to 50% (more preferably 10 to 30%).
ここで加工率とは、次のように定義する。加工率＝（塑性加工前の厚さ−塑性加工後の厚さ）／（塑性加工前の厚さ）×１００％ Here, the processing rate is defined as follows. Processing rate = (thickness before plastic processing−thickness after plastic processing) / (thickness before plastic processing) × 100%
鍛造済品に後熱処理を施す。後熱処理としては、溶体化処理、時効処理を組み合わせて用いることができる。後熱処理は、加工後１週間以内とすることができる。 Post-heat treatment is applied to the forged product. As post-heat treatment, a solution treatment and an aging treatment can be used in combination. The post heat treatment can be performed within one week after processing.
溶体化の条件は、４８０〜５２０℃（好ましくは４９０〜５１０℃）、３時間保持とすることができる。 The solution treatment can be performed at 480 to 520 ° C. (preferably 490 to 510 ° C.) for 3 hours.
本発明では、取り出した鍛造製品を溶体化、焼入れを施すことなく、時効処理として１７０〜２３０℃（好ましくは１９０〜２２０℃）に１〜１０時間保持することが好ましい。晶出物ネットワーク又は針状晶出物又は晶出物の集合体の分断、凝集を抑えることができ、高温機械的強度に優れた成形品となるので好ましい。 In this invention, it is preferable to hold | maintain at 170-230 degreeC (preferably 190-220 degreeC) for 1 to 10 hours as an aging treatment, without solution-forming and quenching the taken out forged product. It is preferable because the crystallized substance network, the acicular crystallized substance, or the aggregate of crystallized substances can be prevented from being divided and agglomerated, and the resulting molded article has excellent high-temperature mechanical strength.
このような方法で製造された、成形品の合金組織は、共晶Ｓｉや金属間化合物の凝集球状化が進み難く、連続鋳造に形成された晶出物のネットワーク組織又は針状晶出物又は晶出物の集合体が鍛造成形、後熱処理後でも部分的に残存しており、高温機械的強度に優れたアルミニウム成形品となる。 The alloy structure of the molded product produced by such a method is less likely to proceed with agglomeration and spheroidization of eutectic Si and intermetallic compounds, and the crystal structure or needle-like crystallized product formed in continuous casting or The aggregate of crystallized substances remains partially even after forging and post-heat treatment, resulting in an aluminum molded product having excellent high-temperature mechanical strength.
また、合金組成は、Ｓｉを１０．５〜１３．５質量％（好ましくは１１．０〜１３．０質量％）含み、Ｆｅを０．１５〜０．６５質量％（好ましくは０．３〜０．５質量％）含み、Ｃｕを２．５〜５．５質量％（好ましくは３．５〜４．５質量％）含み、Ｍｇを０．３〜１．５質量％（好ましくは０．５〜１．３質量％）含むアルミニウム合金である。 Further, the alloy composition contains 10.5 to 13.5% by mass of Si (preferably 11.0 to 13.0% by mass), and 0.15 to 0.65% by mass of Fe (preferably 0.3 to 0.5 to 5.5% by mass), Cu to 2.5 to 5.5% by mass (preferably 3.5 to 4.5% by mass), and Mg to 0.3 to 1.5% by mass (preferably 0.8% by mass). 5 to 1.3% by mass).
また、０．１〜１．０％（好ましくは０．２〜０．５質量％）のＭｎ、０．０５〜０．５％（好ましくは０．１〜０．３質量％）のＣｒ、０．０４〜０．３％（好ましくは０．１〜０．２質量％）のＺｒ、０．０１〜０．１５％（好ましくは０．０５〜０．１質量％）のＶ、０．０１〜０．１５％（好ましくは０．０５〜０．１質量％）のＴｉ、のうちの１種又は２種以上を含有することが好ましい。 Further, 0.1 to 1.0% (preferably 0.2 to 0.5% by mass) of Mn, 0.05 to 0.5% (preferably 0.1 to 0.3% by mass) of Cr, 0.04 to 0.3% (preferably 0.1 to 0.2% by mass) of Zr, 0.01 to 0.15% (preferably 0.05 to 0.1% by mass) of V, 0.0. It is preferable to contain one or more of 01 to 0.15% (preferably 0.05 to 0.1% by mass) of Ti.
さらに、アルミニウム合金が、Ｎｉを０．８〜３質量％（好ましくは１．６〜２．４質量％）含むことが好ましい。 Furthermore, the aluminum alloy preferably contains 0.8 to 3% by mass (preferably 1.6 to 2.4% by mass) of Ni.
また、Ｐを０．００３〜０．０２質量％（好ましくは０．００７〜０．０１６質量％）含むことが好ましい。 Moreover, it is preferable to contain 0.003-0.02 mass% (preferably 0.007-0.016 mass%) of P.
また、０．００３〜０．０３質量％（好ましくは０．０１〜０．０２質量％）のＳｒ、０．１〜０．３５質量％（好ましくは０．１５〜０．２５質量％）のＳｂ、０．００１〜０．０２質量％（好ましくは０．００５〜０．０１５質量％）のＮａ、のうちの１種又は２種以上を含有することが好ましい。 Moreover, 0.003-0.03 mass% (preferably 0.01-0.02 mass%) Sr, 0.1-0.35 mass% (preferably 0.15-0.25 mass%) It is preferable to contain one or more of Sb and 0.001 to 0.02% by mass (preferably 0.005 to 0.015% by mass) of Na.
また、Ｍｇを０．５〜１．３質量％（好ましくは０．８〜１．２質量％）含むことが好ましい。 Moreover, it is preferable to contain Mg 0.5-1.3 mass% (preferably 0.8-1.2 mass%).
このような方法で製造された成形品の合金組織は、共晶Ｓｉや金属間化合物の凝集球状化が進み難く、連続鋳造に形成された晶出物のネットワーク組織又は針状晶出物又は晶出物の集合体が鍛造成形、後熱処理後でも部分的に残存している。その結果、共晶Ｓｉの面積占有率が８％以上（好ましくは８〜１８％、より好ましくは９〜１４％）、共晶Ｓｉの平均粒径が５μｍ以下（好ましくは１〜５μｍ、より好ましくは１．５〜４μｍ）、共晶Ｓｉ針状比１．４以上（好ましくは１．４〜３、より好ましくは１．６〜２．５）のものが２５％以上（好ましくは２５〜８５％、より好ましくは３０〜７５％）、金属間化合物の面積占有率が１．２％以上（好ましくは１．２〜７．５％、より好ましくは１．５〜６％）、金属間化合物の平均粒径が１．５μｍ以上（好ましくは１．５〜５μｍ、より好ましくは１．８〜４μｍ）、金属間化合物の長さまたは接触する金属間化合物の集合体の長さが３μｍ以上（好ましくは３〜３０μｍ、より好ましくは４〜２０μｍ）のものが３０％以上（好ましくは３０〜７５％、より好ましくは３５〜６５％）となる、アルミニウム成形品となる。その結果、高温機械的強度に優れたアルミニウム成形品となる。 The alloy structure of the molded article produced by such a method is less likely to progress in the coagulation spheroidization of eutectic Si and intermetallic compounds, and is a network structure of crystallized substances or needle-like crystallized substances or crystals formed in continuous casting. The aggregate of the product remains partially after forging and post heat treatment. As a result, the area occupancy of the eutectic Si is 8% or more (preferably 8 to 18%, more preferably 9 to 14%), and the average grain size of the eutectic Si is 5 μm or less (preferably 1 to 5 μm, more preferably 1.5 to 4 μm), and eutectic Si needle ratio of 1.4 or more (preferably 1.4 to 3, more preferably 1.6 to 2.5) is 25% or more (preferably 25 to 85). %, More preferably 30 to 75%), and the area occupation ratio of the intermetallic compound is 1.2% or more (preferably 1.2 to 7.5%, more preferably 1.5 to 6%). Has an average particle size of 1.5 μm or more (preferably 1.5 to 5 μm, more preferably 1.8 to 4 μm), and the length of the intermetallic compound or the aggregate of the intermetallic compounds in contact is 3 μm or more ( 30% or more (preferably 3 to 30 μm, more preferably 4 to 20 μm) Is properly 30 to 75%, more preferably between 35% to 65%), and aluminum moldings. As a result, an aluminum molded product having excellent high-temperature mechanical strength is obtained.
なお、アルミニウム合金成形品の晶出物は、共晶Ｓｉと金属間化合物とそれらの集合体から構成され、網状のネットワーク組織をなしていたり、針状となっていたり、集合体となっている。また、共晶Ｓｉの針状比は図５に示すように、最大長Ｍを最大長Ｍの垂直方向幅Ｂで割ったＭ／Ｂとする。また、金属間化合物の集合体は図６に示すように、２個以上の金属間化合物が接して連なっている状態とする。 The crystallized product of the aluminum alloy molded article is composed of eutectic Si, an intermetallic compound, and an aggregate thereof, and has a network network structure, a needle shape, or an aggregate. . Further, as shown in FIG. 5, the eutectic Si needle ratio is M / B obtained by dividing the maximum length M by the vertical width B of the maximum length M. Further, as shown in FIG. 6, the aggregate of intermetallic compounds is in a state where two or more intermetallic compounds are in contact with each other.
以下、実施例により、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention concretely, this invention is not limited to these Examples.
図１に示す生産システムを用いてアルミニウム合金成形品を製造した。 An aluminum alloy molded product was manufactured using the production system shown in FIG.
［製造条件］ 図７に鋳造機を示す。ホットトップ連続鋳造機を用いてμ８５ｍｍの丸棒素材を鋳造した。丸棒を２０ｍｍ、又は８０ｍｍの厚さに切断して素材とし、４２０℃に予備加熱した後、厚さ１０ｍｍにまで据え込んだ。この据込による加工率は、２０ｍｍの丸棒に対しては５０％、８０ｍｍの丸棒に対しては８７．５％であった。 [Production Conditions] FIG. 7 shows a casting machine. Using a hot top continuous casting machine, a round bar material of μ85 mm was cast. A round bar was cut into a thickness of 20 mm or 80 mm to obtain a raw material, preheated to 420 ° C., and then installed to a thickness of 10 mm. The processing rate by this upsetting was 50% for a 20 mm round bar and 87.5% for an 80 mm round bar.
各実施例および比較例における組成、熱処理条件、据込加工率等を表１に、評価結果を表２にそれぞれ示す。
［評価方法］ 金属組織：据込品の縦断面中央部から組織観察サンプルを切り出し、ミクロ研磨し、ミクロ写真から晶出物のネットワーク組織の評価を実施した。組織の評価基準を図８、図９に示している。図８の上段に示す水準であれば、ネットワーク組織が見られるとして○を付し、図８の下段に示す水準であれば、ネットワーク組織が見られないとして×を付し、図９に示す水準であれば部分的にネットワーク組織が幾分分断されていると見なして△を付す。この評価基準に基づいて各実施例、比較例を評価し、その結果を表２に示している。表２中、○△は○と△の中間的なもの、△×は△と×の中間的なものである。 [Evaluation Method] Metallographic structure: A structure observation sample was cut out from the center of the vertical cross section of the upset product, micropolished, and the network structure of the crystallized product was evaluated from the microphotograph. The evaluation criteria for the organization are shown in FIGS. If the level shown in the upper part of FIG. 8 is marked with a circle indicating that the network organization can be seen, and if the level shown in the lower part of FIG. If it is, the network organization is considered to be partly partly divided, and Δ is attached. Each example and comparative example were evaluated based on this evaluation standard, and the results are shown in Table 2. In Table 2, ◯ △ is an intermediate between ◯ and △, and △ × is an intermediate between △ and ×.
強度：据込品から試験片を機械加工で製作し、オートグラフ（島津製作所製）により試験片が３００℃となる環境下で引張試験を実施した。 Strength: A test piece was manufactured from an upsetting product by machining, and a tensile test was performed by an autograph (manufactured by Shimadzu Corporation) in an environment where the test piece was 300 ° C.
疲労強度：据込品から試験片を機械加工で製作し、小野式回転曲げ疲労試験機により試験片が３００℃となる環境下で疲労試験を実施した。１０００万回の繰り返し応力を付与して、破損しない応力を調査した。 Fatigue strength: A test piece was produced from an upsetting product by machining, and a fatigue test was performed in an environment where the test piece was 300 ° C. using an Ono-type rotary bending fatigue tester. A stress that did not break was investigated by applying a stress of 10 million times.
なお、強度試験、疲労強度試験は、試験片に３００℃、１００時間の予備加熱を施した後に、引張試験を実施した。 In the strength test and fatigue strength test, a tensile test was performed after preheating the test piece at 300 ° C. for 100 hours.
表１、表２より、以下のことが分かる。比較例１、１−１と実施例１、２、２−１、２−２、２−３、２−４を比較すると、前熱処理の温度が４９０℃未満であるのが良いことが分かる。 From Tables 1 and 2, the following can be understood. Comparing Comparative Examples 1 and 1-1 with Examples 1, 2, 2-1, 2-2, 2-3, 2-4, it can be seen that the temperature of the pre-heat treatment should be less than 490 ° C.
実施例１、２、２−１、２−２、２−３、２−４を比較すると前熱処理の温度が室温に近いほどより良いことが分かる。 Comparing Examples 1, 2, 2-1, 2-2, 2-3, 2-4, it can be seen that the closer the temperature of the pre-heat treatment is to room temperature, the better.
実施例１と実施例３、実施例２と実施例４を比較すると「溶体化処理、焼入れ処理無し」の実施例３、４がより良いことが分かる。 When Example 1 and Example 3, Example 2 and Example 4 are compared, it turns out that Examples 3 and 4 of "no solution treatment and quenching process" are better.
実施例１と実施例５、７、９を比較すると、Ｍｇ、Ｎｉを添加した実施例５、７、９の方がより良い。 When Example 1 is compared with Examples 5, 7, and 9, Examples 5, 7, and 9 to which Mg and Ni are added are better.
実施例１と実施例１０、１１を比較すると、Ｎｉを添加した実施例１０、１１の方がより良い。 When Example 1 is compared with Examples 10 and 11, Examples 10 and 11 to which Ni is added are better.
実施例９と実施例１４を比較すると、Ｐ入りの実施例９の方がより良いことが分かる。 Comparing Example 9 and Example 14, it can be seen that Example 9 containing P is better.
実施例１と実施例１５比較するとＣｕ、Ｍｇを増量し、Ｎｉを添加した実施例１５の方がより良い。 Comparing Example 1 and Example 15, Example 15 in which the amount of Cu and Mg is increased and Ni is added is better.
実施例１６，１７，１８，１９を比較すると、均質化処理の温度が低いほど良いことがわかる。また実施例２０，２１，２３を比較すると、均質化処理の温度が低いほど良いことがわかる。 When Examples 16, 17, 18, and 19 are compared, it can be seen that the lower the homogenization temperature, the better. Moreover, when Example 20, 21, 23 is compared, it turns out that it is so good that the temperature of a homogenization process is low.
各実施例について、金属組織を観察した結果、共晶Ｓｉの面積占有率が８％以上、共晶Ｓｉの平均粒径が５μｍ以下、共晶Ｓｉ針状比１．４以上のものが２５％以上、金属間化合物の面積占有率が１．２％以上、金属間化合物の平均粒径が１．５μｍ以上、金属間化合物の長さまたは接触する金属間化合物の集合体の長さが３μｍ以上のものが３０％以上となっていた。 As a result of observing the metallographic structure of each example, the area occupancy of eutectic Si is 8% or more, the average grain size of eutectic Si is 5 μm or less, and the eutectic Si needle ratio is 1.4 or more is 25%. As described above, the area occupation ratio of the intermetallic compound is 1.2% or more, the average particle size of the intermetallic compound is 1.5 μm or more, the length of the intermetallic compound or the length of the aggregate of the intermetallic compounds in contact is 3 μm or more. Was over 30%.
観察した共晶Ｓｉ、金属間化合物についてのデータを表３に示す。
本発明は、好適には内燃機関ピストンに使用され、高温高引張強度、高温疲労強度に優れたアルミニウム合金鍛造品及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an aluminum alloy forged product preferably used for an internal combustion engine piston and excellent in high temperature and high tensile strength and high temperature fatigue strength, and a method for producing the same.
１ 溶湯
２ 樋
３ ディップ・チューブ
４ フロート分配器
５ 水冷鋳型
５Ａ 冷却水
６ アルミニウム合金溶湯
７ 凝固殻
７Ａ アルミニウム合金鋳塊
８ 水冷ジェット
９ 下型
８１ 連続鋳造装置
８２ 前熱処理装置
８３ 矯正装置
８４ ピーリング装置
８５ 切断装置
８６ａ，８６ｂ，８６ｃ 潤滑装置
８７ 予備加熱装置
８８ 鍛造装置
８９ 溶体化加熱装置（後熱処理装置）
９０ 焼き入れ装置（後熱処理装置）
９１ 時効処理装置（後熱処理装置）
２０１ 筒状鋳型
２０２ 冷却水
２０３ 冷却水供給管
２０４ 鋳型冷却水キャビティ
２０５ 冷却水シャワー装置
２０８ 流体供給管
２１０ 耐火物製板状体
２１１ 注湯口
２１３ Ｏリング
２１５ 柱状金属溶湯
２１６ 凝固鋳塊
２２０ 鋳型中心軸
２２１ 内壁面
２２２ 浸透性多孔質材
２２４ 環状通路
２３０ 隅部空間
２５０ タンディッシュ
２５１ 溶湯流入部
２５２ 溶湯保持部
２５３ 流出部
２５４ 液面レベル
２５５ 合金溶湯
Ｌ 有効モールド長
1 Molten metal 2 ３ 3 Dip tube 4 Float distributor 5 Water-cooled mold 5A Cooling water 6 Aluminum alloy molten metal 7 Solidified shell 7A Aluminum alloy ingot 8 Water-cooled jet 9 Lower mold 81 Continuous casting device 82 Pre-heat treatment device 83 Straightening device 84 Peeling device 85 Cutting device 86a, 86b, 86c Lubrication device 87 Preheating device 88 Forging device 89 Solution heating device (post heat treatment device)
90 Quenching equipment (post heat treatment equipment)
91 Aging equipment (post heat treatment equipment)
201 Cylindrical mold 202 Cooling water 203 Cooling water supply pipe 204 Mold cooling water cavity 205 Cooling water shower device 208 Fluid supply pipe 210 Refractory plate-like body 211 Pouring port 213 O-ring 215 Columnar metal melt 216 Solid ingot 220 Mold center Shaft 221 Inner wall 222 Permeable porous material 224 Annular passage 230 Corner space 250 Tundish 251 Molten inflow portion 252 Molten holding portion 253 Outflow portion 254 Liquid level 255 Alloy molten metal L Effective mold length
Claims (7)
上記アルミニウム合金は、１０．５〜１３．５質量％のＳｉ、０．１５〜０．６５質量％のＦｅ、２．５〜５．５質量％のＣｕ、および０．３〜１．５質量％のＭｇを含むと共に、０．８〜３質量％のＮｉ、０．００３〜０．０２質量％のＰ、０．００３〜０．０３質量％のＳｒ、０．１〜０．３５質量％のＳｂ、０．１〜１．０質量％のＭｎ、０．０４〜０．３質量％のＺｒ、０．０１〜０．１５質量％のＶ、０．０１〜０．２質量％のＴｉの何れか１種、あるいは２種以上の組み合わせを含み、少なくともＣｒが０．５質量％以下、Ｎａが０．０１５質量％以下、Ｃａが０．０２質量％以下に抑えられていて、残余がアルミニウムおよび不可避的不純物であり、
製造方法には素材に対する前熱処理工程、素材に対する鍛造加工時加熱工程、成形品に対する後熱処理工程からなる熱処理・加熱工程を含み、前熱処理工程が２００〜４８０℃に２〜６時間保持する処理を含む、
ことを特徴とするアルミニウム合金成形品の製造方法。 In the method for producing an aluminum alloy molded article having a forging process using a continuous cast rod made of an aluminum alloy as a material,
The aluminum alloy comprises 10.5 to 13.5 wt% Si, 0.15 to 0.65 wt% Fe, 2.5 to 5.5 wt% Cu, and 0.3 to 1.5 wt% % Mg, 0.8 to 3 mass% Ni, 0.003 to 0.02 mass% P, 0.003 to 0.03 mass% Sr, 0.1 to 0.35 mass% Sb, 0.1 to 1.0% by mass of Mn, 0.04 to 0.3% by mass of Zr, 0.01 to 0.15% by mass of V, 0.01 to 0.2% by mass of Ti any one, or looking contains a combination of two or more of, at least Cr, 0.5 wt% or less, Na is 0.015 mass% or less, though Ca is suppressed to 0.02 mass% or less, residual Is aluminum and inevitable impurities
The manufacturing method includes a pre-heat treatment step for the raw material, a heat treatment / heating step consisting of a pre-heat treatment step for the raw material, and a post-heat treatment step for the molded product, and the pre-heat treatment step holds the treatment at 200 to 480 ° C. for 2 to 6 hours. Including,
The manufacturing method of the aluminum alloy molded article characterized by the above-mentioned.
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