JP4801343B2

JP4801343B2 - アルミニウム合金鋳塊の製造方法、アルミニウム合金鋳塊及びアルミニウム合金材

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Publication number: JP4801343B2
Application number: JP2004351228A
Authority: JP
Inventors: 克己村井; 勝桐生
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Showa Denko KK
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2004-12-03
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2024-12-03
Also published as: JP2005194625A

Description

この発明は、圧延等に用いられるアルミニウム合金鋳塊の製造方法、アルミニウム合金鋳塊及びアルミニウム合金材に関する。

良く知られているように、ＪＩＳ１０００系アルミニウム合金やＪＩＳ５０００系アルミニウム合金は、合金溶湯を半連続鋳造法等によって鋳造した場合に、得られた鋳塊内にしばしば、図２に示すように樅の木組織と称される特有の鋳造組織（Ａ）が発生する。

この樅の木組織とは、鋳造組織中に晶出するＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物の晶出状態の相違によって、鋳塊内に発生する組織ムラを指すものである。

そして、鋳塊内に一旦発生した樅の木組織は、その後の展伸加工、熱処理等の諸工程を経ても消滅せず、化成処理や陽極酸化処理等を施した場合には、その部分の色合いが異なるものとなって表面に模様が発生する。このため、化成処理や陽極酸化処理等を必要とする製品には使用できず、著しい材料損失を発生させたり、納期トラブルを生じさせるという問題があった。

そこで、樅の木組織の発生防止対策として、下記特許文献１及び２に示すように、適量のＣａ、Ｔｉ及びＢを添加することが、従来より行われている。
特公昭５８−３８５０２号公報特公昭５８−１０４５５号公報

しかしながら、Ｃａ、Ｔｉ及びＢの添加によってもなお樅の木組織が発生する場合があり、さらなる対策が望まれている。

この発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、樅の木組織の発生を安定的に抑制したアルミニウム合金鋳塊の製造方法、アルミニウム合金鋳塊及びアルミニウム合金材の提供を課題とする。

上記課題を解決するために、発明者は鋭意研究を重ねた結果、鋳塊の製造工程においてＣａ、Ｔｉ、Ｂを添加するときの操炉条件あるいは、添加から鋳造終了までの時間が、樅の木組織の発生に大きな影響を与えていることを知見し、この知見に基づいてこの発明を完成し得たものである。

すなわち、この発明は、下記に記載された構成を有する。
（１）Ｆｅ：０．０３〜２．５質量％、Ｓｉ：１．０質量％以下、Ｍｇ：５．５質量％以下、Ｃｕ：０．５質量％以下、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｃｒ：０．３５質量％以下、Ｃａ：０．０００５〜０．０５質量％、Ｔｉ：０．０００５〜０．１質量％、Ｂ：０．０００１〜０．０２質量％を含有し、内部にＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物が晶出しているアルミニウム合金鋳塊を、溶解工程、溶湯保持工程、鋳造工程を経て製造する方法であって、前記溶湯保持工程においてＣａ、Ｔｉ及びＢを溶湯へ添加するとともに、前記添加から鋳造終了までの時間を１６０分以内とすることを特徴とするアルミニウム合金鋳塊の製造方法。
（２）添加から鋳造終了までの時間を１３０分以内とする前項１に記載のアルミニウム合金鋳塊の製造方法。
（３）Ｆｅ：０．０３〜２．５質量％、Ｓｉ：１．０質量％以下、Ｍｇ：５．５質量％以下、Ｃｕ：０．５質量％以下、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｃｒ：０．３５質量％以下、Ｃａ：０．０００５〜０．０５質量％、Ｔｉ：０．０００５〜０．１質量％、Ｂ：０．０００１〜０．０２質量％を含有し、内部にＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物が晶出しているアルミニウム合金鋳塊を、溶解工程、溶湯保持工程、鋳造工程を経て製造する方法であって、前記溶湯保持工程においてＣａ、Ｔｉ及びＢを溶湯ヘ添加するに際し、添加するときの溶湯温度が６７５〜７４０℃であり、かつ、前記添加から鋳造終了までの時間を１６０分以内とすることを特徴とするアルミニウム合金鋳塊の製造方法。
（４）Ｃａ、Ｔｉ及びＢを添加するときの溶湯温度が７２０〜７３０℃であり、添加から鋳造終了までの時間を１３０分以内とする前項３に記載のアルミニウム合金鋳塊の製造方法。
（５）前項１〜４のいずれか一項に記載された製造方法を用いて製造されたアルミニウム合金鋳塊。
（６）請求項５に記載のアルミニウム合金鋳塊に圧延が施されてなるアルミニウム合金材。
（７）陽極酸化処理が施されることにより表面に陽極酸化皮膜が形成されてなる前項６に記載のアルミニウム合金材。

前項（１）に記載された発明によれば、樅の木組織を安定的に抑制したアルミニウム合金鋳塊を製造することができる。従って、樅の木組織が発生した不良品の材料歩留まりを低下でき、納品トラブルの発生を防止できる。

前項（２）に記載された発明によれば、樅の木組織をさらに安定的に抑制したアルミニウム合金鋳塊を製造することができる。

前項（３）に記載された発明によれば、樅の木組織をさらに安定的に抑制したアルミニウム合金鋳塊を製造することができる。

前項（４）に記載された発明によれば、樅の木組織を安定的に抑制したアルミニウム合金鋳塊を製造することができる。従って、樅の木組織が発生した不良品の材料歩留まりを低下でき、納品トラブルの発生を防止できる。

前項（５）に記載された発明によれば、樅の木組織をさらに安定的に抑制したアルミニウム合金鋳塊を製造することができる。

前項（６）に記載された発明によれば、樅の木組織をより一層安定的に抑制したアルミニウム合金鋳塊を製造することができる。従って、樅の木組織が発生した不良品の材料歩留まりを低下でき、納品トラブルの発生を防止できる。

前項（７）に記載された発明によれば、樅の木組織をさらに安定的に抑制したアルミニウム合金鋳塊を製造することができる。

前項（８）に記載された発明によれば、樅の木組織が抑制されたアルミニウム合金鋳塊となしうる。

前項（９）に記載された発明によれば、樅の木組織が抑制されたアルミニウム合金圧延材とすることができる。

前項（１０）に記載された発明によれば、樅の木組織が抑制された圧延材の表面に、陽極酸化皮膜が形成されているから、表面に樅の木組織に起因する模様（陽極酸化模様）のない商品価値の高いアルマイト材とすることができる。

この実施形態において製造されるアルミニウム合金鋳塊は、樅の木組織が発生する恐れがある組成のもの、すなわち鋳塊内部にＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物を晶出するアルミニウム合金鋳塊であり、このような合金鋳塊は、Ｆｅ：０．０３〜２．５質量％、Ｓｉ：１．０質量％以下、Ｍｇ：５．５質量％以下、Ｃｕ：０．５質量％以下、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｃｒ：０．３５質量％以下、Ｃａ：０．０００５〜０．０５質量％、Ｔｉ：０．０００５〜０．１質量％、Ｂ：０．０００１〜０．０２質量％を含有し、内部にＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物が晶出しているアルミニウム合金鋳塊である。

上記において、Ｆｅの含有量が０．０３質量％未満であると、樅の木組織は事実上発生しないから、本発明の適用意義がない。また、２．５質量％を越えるとたとえばＡｌ₃ＦｅのようなＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物の大きい一次結晶が晶出して、圧延等の加工性が劣化したり、あるいは圧延製品等の耐食性を損うことになるために圧延製品等を得る合金としては不適当となる。従って、鋳塊におけるＦｅの含有量は０．０３〜２．５質量％、好ましくは０．０５〜２．０質量％がよい。

Ｆｅ以外のＳｉ、Ｍｇ、Ｃｕ、ＭｎおよびＣｒの含有量は、製品の用途に合わせて、圧延性および深絞り性等の加工性、強度、耐食性、表面光輝度、陽極酸化皮膜の色調などを考慮して上記範囲内で決められる。

上記組成を有する好適な合金として、９９．０質量％以上９９．９質量％未満のアルミニウム純度を有するＪＩＳ１０００系合金及びＪＩＳ５００５合金を挙げることができる。

Ｃａは、これを上記アルミニウム合金鋳塊中に含有せしめることにより、樅の木組織の外部領域（Ｂ）（図２参照）を著しく大きくしうるとともに、樅の木組織の内部領域（Ａ）と外部領域（Ｂ）との色相のコントラストを小さくしうる性質を有する。外部領域が大きくなると、樅の木組織が消失するか、あるいは存在していたとしても圧延により表面に露出しないので、圧延後陽極酸化処理を施したとしても、陽極酸化模様は現われない。また、内部領域（Ａ）と外部領域（Ｂ）との色相のコントラストが小さくなると、陽極酸化模様が現われたとしても、この模様が目立たなくなる。ところが、Ｃａの含有量が０．０００５質量％未満、あるいは０．０５質量％を越えると、上記の効果は得られない。従って、Ｃａの含有量を０．０００５〜０．０５質量％の範囲内で選ぶべきであるが、特に０．００１〜０．０１質量％の範囲が好ましい。

ＴｉおよびＢは、これらを上記合金鋳塊に添加含有せしめることにより、鋳塊表面の粗大セル層の下層の結晶粒度を小さくする性質を有する。すなわち、結晶粒微細化材として機能する。この結晶粒度が小さくなって１５０μｍ以下となると、上記のＣａを含有せしめることにより生じる効果が―層高まる。Ｔｉの含有量が０．０００５質量％未満、ならびにＢの含有量が０．０００１質量％未満であれば上記結晶粒度を１５０μｍ以下にすることが困難であり、Ｔｉの含有量が０．１質量％、Ｂの含有量が０．０２質量％をそれぞれ越えると、コストアップにつながるとともに、結晶粒の微細化効果も飽和し、しかも合金を陽極酸化処理する場合には陽極酸化性をも阻害する。したがって、Ｔｉの含有量は０．０００５〜０．１質量％、Ｂの含有量は０．０００１〜０．０２質量％とする必要がある。

上記のような組成を有するアルミニウム合金鋳塊は、図２に示すように、溶解炉１による溶解工程、保持炉３による溶湯の保持工程、鋳造機５による鋳造工程を経て製造される。

前記溶解工程では、アルミニウム合金を溶解して、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒを上記組成範囲に有する溶湯を作製する。次いで、この溶湯を移送樋２を介して保持炉３に移送し、保持炉３で保持する。

この保持炉３において、溶湯にＣａ、Ｔｉ、Ｂを添加する。これらＣａ、Ｔｉ、Ｂの溶湯への添加方法は任意であり、単体を添加しても良いし、Ａｌ−Ｃａ母合金、Ａｌ−Ｔｉ母合金、Ａｌ−Ｂ母合金、Ａｌ−Ｔｉ−Ｂ母合金をワイヤー状その他の形状にして連続的に添加しても良い。好ましくは、Ａｌ−４〜６質量％Ｃａ母合金、Ａｌ−４〜６質量％Ｔｉ母合金、Ａｌ−４〜６質量％Ｔｉ−０．５〜２質量％Ｂ母合金を用いるのが良い。

Ｃａ、Ｔｉ、Ｂの添加後、鋳造樋４を介して溶湯を鋳造機５に供給する。この実施形態では、鋳造樋４の途中に脱ガス槽６を設けて、溶湯に対し公知の脱ガス処理を実施する。

鋳造機５に移送された溶湯は、公知の半連続鋳造あるいは連続鋳造によって鋳造される。

而してこの実施形態では、前記保持炉３におけるＣａ、Ｔｉ、Ｂの溶湯への添加時の溶湯温度が６７５〜７４０℃であるか、前記Ｃａ、Ｔｉ、Ｂの添加から鋳造終了までの時間を１６０分以内とするか、少なくともいずれかの条件を満足する必要がある。

保持炉３におけるＣａ、Ｔｉ、Ｂの溶湯への添加時の溶湯温度が６７５℃未満では、添加したＣａ、Ｔｉ、Ｂ、特にＡｌ−４〜６質量％Ｃａ母合金、Ａｌ−４〜６質量％Ｔｉ母合金、Ａｌ−４〜６質量％Ｔｉ−０．５〜２質量％Ｂ母合金が溶けにくくなるため溶湯の組成ひいては鋳塊の組成が不均一になり、その結果、Ｃａ、Ｔｉ、Ｂが有効に作用しにくくなり、樅の木組織が発生しやすくなる。また、Ｃａ等添加時の溶湯温度が７４０℃を超えると、Ｃａの酸化が激しくなり、有効な固溶Ｃａ量が減少するだけでなく、高温によりＴｉ、Ｂの結晶粒微細化能力自体も減少するため、樅の木組織が発生しやすくなる。Ｃａ、Ｔｉ、Ｂの添加時の好ましい溶湯温度の下限値は６８０、より好ましくは７１５℃であり、最も好ましくは７２０℃であり、好ましい溶湯温度の上限値は７３０℃である。特に７２０〜７３０℃の溶湯温度範囲が好ましい。

一方、Ｃａ、Ｔｉ、Ｂの添加から鋳造終了までの時間が１６０分を超えて長くなると、Ｔｉ、Ｂの結晶粒微細化能力が減少してＣａが有効に作用しなくなり、樅の木組織が発生しやすくなる。好ましくは、Ｃａ、Ｔｉ、Ｂの添加から鋳造終了までの時間を、１３０分以内とするのが良い。

前述したように、Ｃａ、Ｔｉ、Ｂの添加時の溶湯温度条件か、添加から鋳造終了までの時間条件のうち、いずれか一方を満足すれば、樅の木組織の発生抑止効果が得られるが、両方の条件を満足することにより、もっとも良好な樅の木組織の発生抑止効果を得ることができる。

鋳造機５により鋳造されたアルミニウム鋳塊は、圧延等の工程を経て所定の製品形状へと加工されたのち、必要に応じて陽極酸化処理等が実施される。圧延や陽極酸化処理等は、周知の条件にて行えば良い。

この実施形態によれば、アルミニウム合金鋳塊における樅の木組織の発生は抑制されているから、陽極酸化処理されても、樅の木組織に起因する陽極酸化模様の発生は抑制されたものとなる。

ＪＩＳ１０５０アルミニウム合金を用い、この合金を溶解炉１で溶解した後、移送樋２で保持炉３に移送し、保持炉３で保持した。そして、保持炉３において、Ｃａ、Ｔｉ、Ｂを添加した。この添加に際し、添加時の溶湯温度を表１の第１グループから第１１グループのように設定した。なお、添加は、Ａｌ−５質量％Ｃａ母合金及びＡｌ−５質量％Ｔｉ−１質量％Ｂ母合金をワイヤー状に成形したものを用いて行い、鋳塊中のＣａ、Ｔｉ、Ｂの最終含有量がＣａ：０．００６質量％、Ｔｉ：０．０３質量％、Ｂ：０．００２質量％となるように行った。

Ｃａ等の添加後、溶湯を鋳造樋４で鋳造機５に供給し、鋳造機５により半連続鋳造を行った。なお、鋳造樋４を移送中に常法による脱ガス処理を行った。

この処理において、保持炉３におけるＣａ、Ｔｉ、Ｂの添加から鋳造終了までの時間は、表１の第１グループから第１１グループのように設定した。

そして、表１の第１グループから第１１グループのそれぞれにつき、鋳造回数を表１のように設定して鋳造を行った。

鋳造後に、鋳塊における樅の木組織の発生の有無を調べた。鋳造回数に対して樅の木組織の発生した割合（発生率）は、表１に示すとおりであった。

表１の結果から理解されるように、保持炉３におけるＣａ、Ｔｉ、Ｂの溶湯への添加時の溶湯温度が６７５〜７４０℃であること、前記Ｃａ、Ｔｉ、Ｂの添加から鋳造終了までの時間を１６０分以内であること、の少なくともいずれかの条件を満足するグループ１〜１０は、いずれの条件をも逸脱するグループ１１よりも、樅の木組織の発生率が明らかに低く、従って、樅の木組織を抑制できることを確認し得た。

この発明の一実施形態に係る溶解鋳造工程を示す説明図である。従来のアルミニウム合金鋳塊の断面に現れる樅の木組織を示す説明図である。

符号の説明

１溶解炉
２移送樋
３保持炉
４鋳造樋
５鋳造機
６脱ガス槽
１０アルミニウム合金鋳塊

Claims

Ｆｅ：０．０３〜２．５質量％、Ｓｉ：１．０質量％以下、Ｍｇ：５．５質量％以下、Ｃｕ：０．５質量％以下、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｃｒ：０．３５質量％以下、Ｃａ：０．０００５〜０．０５質量％、Ｔｉ：０．０００５〜０．１質量％、Ｂ：０．０００１〜０．０２質量％を含有し、内部にＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物が晶出しているアルミニウム合金鋳塊を、溶解工程、溶湯保持工程、鋳造工程を経て製造する方法であって、
前記溶湯保持工程においてＣａ、Ｔｉ及びＢを溶湯へ添加するとともに、前記添加から鋳造終了までの時間を１６０分以内とすることを特徴とするアルミニウム合金鋳塊の製造方法。
添加から鋳造終了までの時間を１３０分以内とする請求項１に記載のアルミニウム合金鋳塊の製造方法。
Ｆｅ：０．０３〜２．５質量％、Ｓｉ：１．０質量％以下、Ｍｇ：５．５質量％以下、Ｃｕ：０．５質量％以下、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｃｒ：０．３５質量％以下、Ｃａ：０．０００５〜０．０５質量％、Ｔｉ：０．０００５〜０．１質量％、Ｂ：０．０００１〜０．０２質量％を含有し、内部にＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物が晶出しているアルミニウム合金鋳塊を、溶解工程、溶湯保持工程、鋳造工程を経て製造する方法であって、
前記溶湯保持工程においてＣａ、Ｔｉ及びＢを溶湯ヘ添加するに際し、添加するときの溶湯温度が６７５〜７４０℃であり、
かつ、前記添加から鋳造終了までの時間を１６０分以内とすることを特徴とするアルミニウム合金鋳塊の製造方法。
Ｃａ、Ｔｉ及びＢを添加するときの溶湯温度が７２０〜７３０℃であり、添加から鋳造終了までの時間を１３０分以内とする請求項３に記載のアルミニウム合金鋳塊の製造方法。
請求項１〜４のいずれか一項に記載された製造方法を用いて製造されたアルミニウム合金鋳塊。
請求項５に記載のアルミニウム合金鋳塊に圧延が施されてなるアルミニウム合金材。
陽極酸化処理が施されることにより表面に陽極酸化皮膜が形成されてなる請求項６に記載のアルミニウム合金材。