JP5797360B1 - ダイカスト用アルミニウム合金およびこれを用いたアルミニウム合金ダイカスト - Google Patents

Abstract

ＡＤＣ１２と同等の鋳造性を有すると共に、高耐力および高延性を有するダイカスト用アルミニウム合金と、当該合金でダイカストされたアルミニウム合金ダイカストとを提供する。すなわち、本発明のダイカスト用アルミニウム合金は、Ｓｉ：６．００重量％より多く且つ６．５０重量％未満、Ｍｇ：０．１０〜０．５０重量％、Ｆｅ：０．３０重量％以下、Ｍｎ：０．３０〜０．６０重量％、Ｃｒ：０．１０〜０．３０重量％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物とからなることを特徴とする。

Description

本発明は、耐力と延性とを向上させたダイカスト用アルミニウム合金および当該合金を利用したアルミニウム合金ダイカストに関する。

アルミニウム合金は、軽量であると共に、成形性や量産性に優れることから、自動車や産業機械、航空機、家庭電化製品その他各種分野において、その構成部品素材として広く使用されている。
このうち、自動車用途においては、車体の軽量化を目的に、アルミニウム合金を用いた部品が数多く採用されて来ているが、その一方で、アルミニウム合金の適用を検討する部品の増加に伴い、既存合金ではかかる部品に要求される機械的性質を満足できなくなる事態も生じている。

そこで、そのような問題を解決する技術の一つとして、例えば、下記の特許文献１には、自動車のディスクホイールなどのような大きな伸びを必要とする部品に好適な材料として、５．０ないし１１．０％のケイ素、０．２ないし０．８％のマグネシウム、０．３ないし１．５％のクロム及び１．２％以下の鉄を含み、且つ高い伸び率を有する鋳造用アルミニウム合金が開示されている。
この技術によれば、不純物として鉄を含有する合金でありながら高い伸びを有する鋳造用アルミニウム合金を提供することができる。

特開昭５２−１２６６０９号公報

しかしながら、上記の先行技術では、さらに高い伸びや高耐力が必要な部品、例えばエンジンマウントなどへの適用が可能であるか定かではないし、エンジンマウントなどのような細かな部品の量産が可能なダイカスト適性を有しているとは言い難い。
それゆえに、この発明の主たる課題は、日本工業規格ＪＩＳ Ｈ５３０２にて規定されたＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系ダイカスト用合金のＡＤＣ１２（以下、単に「ＡＤＣ１２」と称する。）と同等の鋳造性を有すると共に、高耐力および高延性を有するダイカスト用アルミニウム合金と、当該合金でダイカストされたアルミニウム合金ダイカストとを提供することである。

本発明における第１の発明は、「Ｓｉ：６．００重量％より多く且つ６．５０重量％未満、Ｍｇ：０．１０〜０．５０重量％、Ｆｅ：０．３０重量％以下、Ｍｎ：０．３０〜０．６０重量％、Ｃｒ：０．１０〜０．３０重量％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物とからなる」ことを特徴とするダイカスト用アルミニウム合金である。

この発明では、主にＳｉを６．００重量％より多く且つ６．５０重量％未満含有させてダイカスト時の流動性を維持しつつ伸びの低下を最小限に留め、又、合金の伸びに著しい影響を及ぼすＦｅの含有割合を０．３０重量％以下に抑えると共に、ダイカスト時の耐焼付き性と合金の伸びを向上させる効果が有るＭｎを０．３０〜０．６０重量％含有させるようにしているので、ＡＤＣ１２並のダイカスト適性を有すると共に、ＡＤＣ１２に匹敵する耐力とＡＤＣ１２に比べて極めて高い伸びを持った合金を得ることができるようになる。
以上のように、本発明では、５種類の元素成分を所定の割合で含有させるだけで、ダイカスト鋳造性に加え、機械的特性とりわけ伸び(延性)と耐力とに優れたダイカスト用アルミニウム合金のインゴットを安全且つ簡便に製造することができる。

なお、本発明のダイカスト用アルミニウム合金では、Ｎａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種を３０〜２００ｐｐｍ添加することや、Ｓｂを０．０５〜０．２０重量％添加するのが好ましい。こうすることにより、共晶Ｓｉの粒子を細かくすることができ、アルミニウム合金の靱性や強度をより一層向上させることができる。
また、Ｔｉを０．０５〜０．３０重量％添加することや、Ｂを１〜５０ｐｐｍ添加することも好ましい。こうすることにより、特にＳｉ量が少ない場合や冷却速度の遅い鋳造方法を用いる場合であってもアルミニウム合金の結晶粒を微細化させることができ、その結果、当該アルミニウム合金の伸びを向上させることができる。

本発明における第２の発明は、上記第１の発明に記載のダイカスト用アルミニウム合金でダイカストされたことを特徴とするアルミニウム合金ダイカストである。
本発明のダイカスト用アルミニウム合金でダイカストされたアルミニウム合金ダイカストは、鋳造性よく量産できると共に、耐力や伸びに優れているため、例えば自動車用構造部品、とりわけエンジンマウントのような部品に最適である。

本発明によれば、ＡＤＣ１２と同等の鋳造性を有すると共に、高耐力および高延性を有するダイカスト用アルミニウム合金と、当該合金でダイカストされたアルミニウム合金ダイカストとを提供することができる。

本発明の実施例及び比較例のダイカスト用アルミニウム合金におけるＭｎ量と合金の機械的特性との関係を示すグラフで、Ｆｉｇ．１（ａ）はＭｎ量と合金の伸びとの関係を表し、Ｆｉｇ．１（ｂ）はＭｎ量と合金の０．２％耐力との関係を表すものである。

以下、本発明の実施の形態について具体例を示しながら詳述する。
本発明のダイカスト用アルミニウム合金(以下、単に「アルミニウム合金」とも云う。)は、主として６．００重量％より多く且つ６．５０重量％未満のＳｉ(シリコン；ケイ素)，０．１０〜０．５０重量％のＭｇ(マグネシウム)，０．３０重量％以下のＦｅ(鉄)，０．３０〜０．６０重量％のＭｎ(マンガン) ，０．１０〜０．３０重量％のＣｒ(クロム)を含有し、残部がＡｌ(アルミニウム)と不可避不純物とで構成されている。以下、各元素の特性について説明する。

Ｓｉ(シリコン；ケイ素)は、アルミニウム合金溶融時における流動性の向上や液相線温度の低下などに寄与して鋳造性を向上させる重要な元素である。
アルミニウム合金全体の重量に対するＳｉの含有割合は、上述したように６．００重量％より多く且つ６．５０重量％未満の範囲であることが好ましい。Ｓｉの含有割合が６．００重量％以下の場合には、アルミニウム合金の溶融温度および鋳造温度が高くなると共に、アルミニウム合金を溶融した際の流動性が低下するためダイカスト時に十分な湯流れ性が確保できず、逆に、Ｓｉの含有割合が６．５０重量％より多い場合にも、ダイカスト時の湯流れ性は十分に確保できるものの、得られる合金の伸びが低下するようになるからである。

Ｍｇ(マグネシウム)は、主としてアルミニウム合金中のＡｌ母材に固溶した状態又はＭｇ_２Ｓｉとして存在し、アルミニウム合金に０．２％耐力および引張強さを付与する一方で、過大量の含有により鋳造性と合金の伸びとに悪影響を及ぼす成分である。
アルミニウム合金全体の重量に対するＭｇの含有割合は、上述したように０．１０〜０．５０重量％以下の範囲であることが好ましい。かかる範囲内でのＭｇの存在は、鋳造性や合金の伸びに大きな影響を与えることなく、アルミニウム合金の耐力や引張強さと言った機械的特性を向上させることができる。なお、Ｍｇの配合割合が０．５０重量％より多い場合には、合金の伸びが低下し、かかる合金を用いて製造したアルミニウム合金ダイカストは品質が劣ったものとなる。

Ｆｅ(鉄)は、ダイカスト時の焼付き防止効果を有することが知られている。しかしながら、このＦｅは、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅからなる針状晶を晶出し、アルミニウム合金の伸びを著しく低下させると共に、大量に添加すると適温での溶解を困難にする。
アルミニウム合金全体の重量に対するＦｅの含有割合は、上述したように０．３０重量％以下であることが好ましい。Ｆｅの含有割合が０．３０重量％より多い場合には、上記焼付き防止効果は十分なものになるが、当該合金の伸びが顕著に低下するようになるからである。

Ｍｎ(マンガン)は、主として鋳造時におけるアルミニウム合金と金型との焼付きを防止するためのものである。
アルミニウム合金全体の重量に対するＭｎの配合割合は、上述したように０．３０〜０．６０重量％、より好ましくは０．４０〜０．６０重量％の範囲であることが好ましい。Ｍｎの配合割合が０．３０重量％未満の場合には、アルミニウム合金をダイカストする際にアルミニウム合金と金型との間で焼付きが生じるようになり、逆に、Ｍｎの配合割合が０．６０重量％より多い場合には、ダイカスト時に焼付きの問題は生じないものの、合金の伸びが低下するようになるからである。
なお、本発明のアルミニウム合金では、上述のようにＭｎの配合割合を合金全体の重量に対して最大で０．６重量％まで許容しているので、アルミ缶回収材料などＭｎ含有量が高いＡｌ−Ｍｎ系スクラップを合金原料の一部として使用することができる。

Ｃｒ(クロム)は、主としてアルミニウム合金が溶融している時には溶融状態で、また、固体の時にはＡｌ相に固溶した状態あるいはＡｌ−Ｓｉ−Ｃｒ相やＡｌ−Ｓｉ−Ｃｒ−Ｆｅ相として晶出した状態で存在し、ダイカスト時におけるアルミニウム合金と金型との焼付きを防止するためのものである。
アルミニウム合金全体の重量に対するＣｒの配合割合は、上述したように０．１０〜０．３０重量％の範囲であることが好ましい。Ｃｒの配合割合が０．１０重量％未満の場合には、アルミニウム合金をダイカストする際にアルミニウム合金と金型との間で焼付きが生じるようになり、逆に、Ｃｒの配合割合が０．３０重量％より多い場合には、ダイカスト時の焼付きは解消するものの、アルミニウム合金の伸びが急激に低下するようになるからである。

以上の含有割合に従って、Ｓｉ，Ｍｇ，Ｆｅ，Ｍｎ及びＣｒの含有割合を調整すると、ＡＤＣ１２と同等の鋳造性を有すると共に、高耐力および高延性を有するダイカスト用アルミニウム合金地金を得ることができる。
ここで、鋳放し状態の上記ダイカスト用アルミニウム合金において、その伸び(破断伸度)は１１％以上であるのが好ましく、同時に０．２％耐力は１２５ＭＰａ以上であるのが好ましい。かかる機械的性質を持ったダイカスト用アルミニウム合金であれば、自動車用エンジンマウントのダイカスト材料として特に好適となるからである。

なお、上述した各元素成分のほかに、Ｎａ（ナトリウム），Ｓｒ（ストロンチウム），Ｃａ（カルシウム）およびＳｂ（アンチモン）から選ばれる少なくとも１種を改良処理材として添加するようにしてもよい。このような改良処理材を添加することによって共晶Ｓｉの粒子を細かくすることができ、アルミニウム合金の靱性や強度をより一層向上させることができる。
ここで、アルミニウム合金全体の重量に対する改良処理材の添加割合は、当該改良処理材がＮａ，ＳｒおよびＣａの場合には３０〜２００ｐｐｍ、Ｓｂの場合には０．０５〜０．２０重量％の範囲であることが好ましい。改良処理材の添加割合が３０ｐｐｍ(Ｓｂの場合には０．０５重量％)未満の場合には、アルミニウム合金中の共晶Ｓｉの粒子を微細化するのが困難となり、逆に、改良処理材の添加割合が２００ｐｐｍ(Ｓｂの場合には０．２０重量％)より多い場合には、アルミニウム合金中の共晶Ｓｉの粒子は十分に微細化されており、これ以上添加量を増やしても添加効果が上がらなくなるからである。

また、上記改良処理材に代えて、或いは改良処理材と共に、Ｔｉ（チタン）およびＢ（硼素）の少なくとも一方を添加するようにしてもよい。このようにＴｉおよびＢの少なくとも一方を添加することによってアルミニウム合金の結晶粒が微細化され、当該合金の伸びを向上させることができる。なお、かかる効果は、特にＳｉ量が少ない場合や冷却速度の遅い鋳造方法を用いる場合に顕著となる。
アルミニウム合金全体の重量に対するＴｉおよびＢの添加割合は、Ｔｉの場合には０．０５〜０．３０重量％、Ｂの場合には１〜５０ｐｐｍの範囲であることが好ましい。Ｔｉの添加割合が０．０５重量％未満或いはＢの添加割合が１ｐｐｍ未満の場合には、アルミニウム合金中の結晶粒を微細化するのが困難となり、逆に、Ｔｉの添加割合が０．３０重量％より多い場合或いはＢの添加割合が５０ｐｐｍより多い場合には、アルミニウム合金中の結晶粒は十分に微細化されており、これ以上添加量を増やしても添加効果が上がらなくなるからである。

本発明のダイカスト用アルミニウム合金を製造する際には、まず、Ａｌ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｆｅ，Ｍｎ及びＣｒの各元素成分が上述した所定の割合となるように含有させた原料を準備する。続いて、この原料を前炉付溶解炉や密閉溶解炉などの溶解炉に投入し、これらを溶解させる。溶解させた原料すなわちアルミニウム合金の溶湯は、必要に応じて脱水素処理および脱介在物処理などの精製処理が施される。そして、精製された溶湯を所定の鋳型などに流し込み、固化させることによって、アルミニウム合金の溶湯を合金地金インゴットなどに成形する。

また、本発明のダイカスト用アルミニウム合金を用いてアルミニウム合金ダイカストを鋳造した後、必要に応じて溶体化処理及び時効処理などが施される。このようにアルミニウム合金ダイカストに溶体化処理および時効処理などを施すことによってアルミニウム合金ダイカストの機械的特性を改良することができる。

以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
なお、所定の実施例および比較例における各機械的特性(引張強さ，伸び，０．２％耐力)は、次の方法で測定した。すなわち、型締力１３５トンの通常のダイカストマシン(東芝機械(株)社製・ＤＣ１３５ＥＬ)を用いて、射出速度１．０ｍ／秒、鋳造圧力６０ＭＰａでダイカスト鋳造し、ＡＳＴＭ(American Society for Testing and Material)規格に準拠した丸棒試験片を作製した。そして、鋳放しの状態のかかる丸棒試験片について、(株)島津製作所社製の万能試験機(ＡＧ−ＩＳ １００ｋＮ)を用いて、引張強さ，伸び（破断伸度），０．２％耐力を測定した。
また、ダイカスト鋳造した丸棒試験片の成分分析には、サーモフィッシャーサイエンティフィック社製の固体発光分光分析装置（Thermo Scientific(登録商標) ARL 4460）を使用した。
さらに、各合金の鋳造性評価として、上記ダイカスト鋳造時における溶湯の流動性及び金型への焼き付きの有無(耐焼付き性)を目視により観察し、○(良)、△(可)、×(不可)の３段階で評価した。

表１は、本発明の対象となるアルミニウム合金の実施例１及び２と比較例１乃至３の元素組成、機械的特性及びダイカスト適性を示したものである。なお、比較例１はダイカスト用アルミニウム合金として広く使用されているＡＤＣ１２に相当するものである。

表１より、本発明合金である実施例１及び２と、ＡＤＣ１２に相当する比較例１とを比較すると、両者は同等の鋳造性(すなわちダイカスト適性)を有しているにもかかわらず、実施例１及び２の合金の伸びは、ＡＤＣ１２に相当する比較例１に比べて著しく高いことが窺える。

また、Ｍｎの含有割合のみが異なる実施例１及び２と比較例２及び３とを比較すると、図１及び表１に示すように、Ｍｎ量０．３重量％を境として、Ｍｎをそれ以上含有する実施例１及び２では、ダイカスト時の焼付きを効果的に防止することができると共に、合金の伸びや０．２％耐力が向上することが分かる。

Claims (6)

1. Ｓｉ：６．００重量％より多く且つ６．５０重量％未満、Ｍｇ：０．１０〜０．５０重量％、Ｆｅ：０．３０重量％以下、Ｍｎ：０．３０〜０．６０重量％、Ｃｒ：０．１０〜０．３０重量％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物とからなることを特徴とするダイカスト用アルミニウム合金。
2. Ｎａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種を３０〜２００ｐｐｍ添加したことを特徴とする請求項１に記載のダイカスト用アルミニウム合金。
3. Ｓｂを０．０５〜０．２０重量％添加したことを特徴とする請求項１又は２に記載のダイカスト用アルミニウム合金。
4. Ｔｉを０．０５〜０．３０重量％添加したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のダイカスト用アルミニウム合金。
5. Ｂを１〜５０ｐｐｍ添加したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のダイカスト用アルミニウム合金。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載のダイカスト用アルミニウム合金でダイカストされたことを特徴とするアルミニウム合金ダイカスト。