JP6219563B2 - アルミニウム合金およびアルミニウム合金製鋳物 - Google Patents

Description

本発明は、鋳造に適したアルミニウム合金、およびこのアルミニウム合金を用いたアルミニウム合金製鋳物に関するものである。

自動車等の車両の製造分野では、そのドアやエンジンフードといった車体部品をアルミニウム合金板で構成することにより車両の軽量化を図ることが行われている。このような部品のアルミ化では、主にアルミニウムにマグネシウムおよびシリコンを添加したＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（ＪＩＳ６０００系）を用い、部品をプレス可能等の鍛造により製作することが行われている。例えば特許文献１には、この種の車両部品に適したＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金の一つとして、焼入れ性に優れ、高い引張強さが得られる高強度アルミニウム合金が開示されている。

特開平９−２０２９３３号公報

近年、車両等においては、より高度に燃費改善を図るべく、車体部品だけでなく、例えばナックル等、シャシ（車両の足回り）部品をアルミニウム合金で製造することが試みられている。ところが、アルミニウム合金を用いてこの種の部品を鍛造により製造すると、形状自由度のために歩留まりが悪く、コスト高となる傾向がある。そこで、ナックル等の特定の部品については、形状自由度が高く歩留まり向上が望める鋳造に切り替えて部品を製造することが検討されている。

しかし、特許文献１に開示されるような従来のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金を含め、鍛造で使用されるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金をそのまま鋳造で用いた場合には、鋳造後に凝固割れが発生し易く、また、十分な機械的特性（強度、耐力、伸び等）を得ることも難しい。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、鋳造後に凝固割れが発生し難く、かつ、十分な機械的特性を得ることが可能な鋳造用アルミニウム合金等を提供することを目的とする。

本件発明者らは、上記の課題を解決するために、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金の機械的特性および凝固割れ特性について、特に、鋳造に用いた場合の各合金元素が及ぼす影響について鋭意検討を行った結果、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｍｇ_２Ｓｉ量の最適化を図ることで、鋳造に用いた場合でも、十分な機械的特性（引張強度、０．２％耐力、伸び等）を確保し、かつ、凝固割れ特性を大幅に改善できる、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系のアルミニウム合金を提供できることを知見し、本発明に至った。

具体的には、本発明は、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系の鋳造用アルミニウム合金であって、質量％で、Ｍｇ：０．２％以上０．４％以下、Ｓｉ：１．２％以上０．５％以下を含有し、かつ、全Ｓｉ量からＭｇ_２Ｓｉに含まれるＳｉ量を減じた値を過剰Ｓｉ量とする下記の関係式を満足し、残部がＡｌ及び不可避的不純物よりなるものである。

７．７×［過剰Ｓｉ量］＋９×［Ｍｇ_２Ｓｉ量］≦１４
８０×［過剰Ｓｉ量］＋５５×［Ｍｇ_２Ｓｉ量］≧１１２
このアルミニウム合金によれば、上記の通り、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金において、引張強度、０．２％耐力および伸び等の機械的特性を十分に確保することができるとともに、凝固割れ特性を大幅に改善できる。

このアルミニウム合金においては、質量％で、Ｃｕ：０．４％以上０．６％以下、Ｔｉ：０．０２０％以上０．０３５％以下を、さらに含有するのが好適である。

このアルミニウム合金によれば、Ｃｕが添加されていることで、時効硬化を促進させて引張強度や０．２％耐力をより強化することができるとともに、伸びをさらに改善することができ、また、Ｔｉが添加されていることで、鋳造に際し、結晶粒微細化を促進させて凝固割れ特定をさらに改善することが可能となる。

そして、本発明のアルミニウム合金製鋳物は、質量％で、Ｍｇ：０．２％以上０．４％以下、Ｓｉ：１．２％以上５．０％以下を含有し、かつ、全Ｓｉ量からＭｇ _２ Ｓｉに含まれるＳｉ量を減じた値を過剰Ｓｉ量とする下記の関係式を満足し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系のアルミニウム合金からなり、引張強度が２７０ＭＰａ以上、０．２％耐力が２５０ＭＰａ以上、伸びが４．５％以上を有するものである。
７．７×［過剰Ｓｉ量］＋９×［Ｍｇ _２ Ｓｉ量］≦１４
８０×［過剰Ｓｉ量］＋５５×［Ｍｇ _２ Ｓｉ量］≧１１２

このアルミニウム合金製鋳物は、凝固割れを殆ど伴わない安定した鋳造性と、高い機械的特性を兼ね備えた鋳物であり、自動車部品用のアルミニウム合金として有用なものとなる。

以上説明したように、本発明によれば、鋳造に用いた場合でも、十分な機械的特性と高度な耐凝固割れ性を有するアルミニウム合金を提供でき、また、凝固割れを殆ど伴わない安定した鋳造性と高い機械的特性を兼ね備えた鋳物を提供することができる。

金型試験片鋳物型に鋳込んで鋳られた製品を示す図である。 リングモールド法に用いる試験片を鋳造するための金型を示す図である。 実際の引張強さとその相当値との関係を示すグラフである。 実際の０．２％耐力とその相当値との関係を示すグラフである。 実際の伸びとその相当値との関係を示すグラフである。 実際の凝固割れ長さとその相当値との関係を示すグラフである。 過剰Ｓｉ量とＭｇ_２Ｓｉ量との関係を示すグラフである。 Ｓｉ量とＭｇ量との関係を示すグラフである。 （ａ）〜（ｃ）は、Ｃｕ添加量と機械的特性（引張強度、０．２％耐力および伸び）との関係を示すグラフである。 （ａ）〜（ｃ）は、Ｔｉ添加量と機械的特性（引張強度、０．２％耐力および伸び）との関係を示すグラフである。

本発明のアルミニウム合金は、上記の通り、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系のアルミニウム合金であって、質量％で、Ｍｇ：０．２％以上０．４％以下、Ｓｉ：１．２％以上５．０％以下を含有し、かつ、全Ｓｉ量からＭｇ_２Ｓｉに含まれるＳｉ量を減じた値を過剰Ｓｉ量とする下記の式（１）、（２）を満足し、
７．７×［過剰Ｓｉ量］＋９×［Ｍｇ_２Ｓｉ量］≦１４ …（１）
８０×［過剰Ｓｉ量］＋５５×［Ｍｇ_２Ｓｉ量］≧１１２…（２）
残部がＡｌ及び不可避的不純物よりなることを特徴とするものである。以下、本発明が上記のように規定した理由について説明する。なお、以下の説明では、化学組成を表す「％」は、特に断らない限り「質量％」を意味する。

＜ Ｍｇ_２Ｓｉ量、過剰Ｓｉ量について ＞
本件発明者らは、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金の機械的特性（引張強さ、０．２％耐力、伸び）および凝固割れ特性（凝固割れ長さ）について、Ｍｇ_２Ｓｉおよび過剰Ｓｉが及ぼす影響について検討すべく、下記式（３）を設定し、
［特性値］＝ｋ１×［過剰Ｓｉ量］＋ｋ２×［Ｍｇ_２Ｓｉ量］＋ｋ３…（３）
実験に基づき、周知の重回帰処理（多変量解析）を行うことにより、上記係数ｋ１，ｋ２，ｋ３を決定し、過剰Ｓｉ量およびＭｇ_２Ｓｉ量を変数として上記特性値を算出するための式を作成した。なお、「特性値」とは、「引張強さ（ＭＰａ）」、「０．２％耐力（ＭＰａ）」、「伸び（％）」、および「凝固割れ長さ（ｍｍ）」の具体的な値である。

詳しく説明すると、まず、Ｍｇ_２Ｓｉ量、過剰Ｓｉ量が互いに異なる多数のアルミニウム合金について、各アルミニウム合金を電気炉によって溶解し、これを、溶融温度７４０°Ｃ、金型温度２００°Ｃの条件で、通常の金型重力鋳造法に基づき、ＪＩＳＨ５２０２に記載の金型試験片鋳型に鋳込んだ。次に、この方法により得られた各アルミニウム合金の鋳造製品１（図１参照）の中央からＪＩＳ１４Ａ号の引張試験片を引き出し、島津製作所製オートグラフを用いて、室温の下で試験速度３ｍｍ／ｍｉｎにて引張試験を実施し、引張強さ（ＭＰａ）、０．２％耐力（ＭＰａ）および伸び（％）を測定した。

そして、各引張試験片の引張強さの測定結果を上記「特性値」として、引張試験片の材料である各アルミニウム合金の過剰Ｓｉ量およびＭｇ_２Ｓｉ量に基づき、上記係数ｋ１，ｋ２，ｋ３を決定することにより、過剰Ｓｉ量およびＭｇ_２Ｓｉ量を変数として「引張強さ」に相当する値（相当値という）を求めるための下記式（４）を決定した。

［引張強さ相当値］＝７０×［過剰Ｓｉ量］＋５２×［Ｍｇ_２Ｓｉ量］ …（４）
同様に、各引張試験片の０．２％耐力、および伸びの測定結果をそれぞれ上記式（３）の「特性値」として、上記係数ｋ１，ｋ２，ｋ３を決定することにより、過剰Ｓｉ量およびＭｇ_２Ｓｉ量を変数として「０．２％耐力」および「伸び」の各相当値を求めるための下記式（５）、（６）を各決定した。

［０．２％耐力相当値］＝８１×［過剰Ｓｉ量］＋７６×［Ｍｇ_２Ｓｉ量］…（５）
［伸び相当値］ ＝７．７×［過剰Ｓｉ量］＋９×［Ｍｇ_２Ｓｉ量］…（６）
また、図２に示す金型２を用いて、溶融温度７２０°Ｃ、金型温度１８０°Ｃの条件で、通常の金型重力鋳造法によって、リング状の試験片を各アルミニウム合金について５ずつ鋳造し、冷却後、鋳造した各試験片の表面に生じた凝固割れ長さを測定し、さらに同一のアルミニウム合金で鋳造した試験片の１つ当たりの平均凝固割れ長さを算出した。

そして、試験片の平均凝固割れ長さを上記式（３）の「特性値」として、試験片の材料である各アルミニウム合金の過剰Ｓｉ量およびＭｇ_２Ｓｉ量に基づき、上記係数ｋ１，ｋ２，ｋ３を決定することにより、過剰Ｓｉ量およびＭｇ_２Ｓｉ量を変数として「凝固割れ長さ」の相当値を求めるための下記式（７）を決定した。

［凝固割れ長さ相当値］＝８０×［過剰Ｓｉ量］＋５５×［Ｍｇ_２Ｓｉ量］…（７）
このようにして決定した式（４）〜（７）により求められる相当値は、実施のアルミニウム合金の各特性値とは異なるももの当該特性値と高い相関を有するものである。

図３〜図６は、各アルミニウム合金の実際の特性値（引張強さ、０．２％耐力、伸び、凝固割れ長さの上記各測定値）と、上記式（４）〜（７）に基づき算出した各アルミニウム合金の各相当値との関係を示している。

これらの図に示すように、「引張強さ」及び「０．２％耐力」の値は、上記式（４）、（５）により求められる相当値の値が大きくなる、つまり過剰Ｓｉ量又はＭｇ_２Ｓｉ量の増加に伴い大きくなり、上記相当値が特定の値を超えると略一定の値となる。一方、「伸び」及び「凝固割れ長さ」は、上記式（６）、（７）により求められる相当値の値が大きくなるに伴い小さくなり、上記相当値が特定の値を超えると０又はそれに近い値に近づく。

ここで、例えばナックル等、自動車のシャシ（車両の足回り）部品を想定した場合には、アルミニウム合金の機械的特性は、「引張強さ」が２７０Ｐａ以上、「０．２％耐力」が２５０ＭＰａ以上、「伸び」が４．５％以上であるのが理想的であり、凝固割れ特性は、「凝固割れ長さ」が可及的に０に近いのが理想的である。従って、図３〜図６に基づき、これらの条件を満たす相当値の値を求めると次の通りとなる（図３〜図６中の矢印参照）。

７０×［過剰Ｓｉ量］＋５２×［Ｍｇ_２Ｓｉ量］≧６５……（４′）
８１×［過剰Ｓｉ量］＋７６×［Ｍｇ_２Ｓｉ量］≧１１０…（５′）
７．７×［過剰Ｓｉ量］＋９×［Ｍｇ_２Ｓｉ量］≦１４……（６′）
８０×［過剰Ｓｉ量］＋５５×［Ｍｇ_２Ｓｉ量］≧１１２…（７′）
つまり、これらの式（４′）〜（７′）を満たす過剰Ｓｉ量およびＭｇ_２Ｓｉ量を含有するアルミニウム合金は、上記の機械的特性および凝固割れ特性を有することとなる。

図７のグラフは、これらの関係を「過剰Ｓｉ量」と「Ｍｇ_２Ｓｉ量」との関係に書き替えたものである。

同図中の二点鎖線は、図３中に示した縦線（二点鎖線）、具体的には、上記式（４）により求められた、引張り強さ相当値の下限値に対応する「過剰Ｓｉ量」と「Ｍｇ_２Ｓｉ量」との関係を示している。つまり、「過剰Ｓｉ量」及び「Ｍｇ_２Ｓｉ量」が当該破線よりも上側の領域に属すれば、上記式（４′）を満足することになる。

同様に、図７中の実線は「０．２％耐力相当量」の下限値に対応する「過剰Ｓｉ量」と「Ｍｇ_２Ｓｉ量」との関係を、一点鎖線は「伸び相当量」の上限値に対応する「過剰Ｓｉ量」と「Ｍｇ_２Ｓｉ量」との関係を、破線は「凝固割れ長さ相当値」の下限値に対応する「過剰Ｓｉ量」と「Ｍｇ_２Ｓｉ量」との関係をそれぞれ示している。つまり、「過剰Ｓｉ量」及び「Ｍｇ_２Ｓｉ量」が実線よりも上側の領域に属すれば、上記式（５′）を満足し、「過剰Ｓｉ量」及び「Ｍｇ_２Ｓｉ量」が一点鎖線よりも下側の領域に属すれば、上記式（６′）を満足し、「過剰Ｓｉ量」及び「Ｍｇ_２Ｓｉ量」が破線よりも上側の領域にあれば、上記式（７′）を満足することとなる。

ここで注目すべき点は、同図からも明らかなように、「過剰Ｓｉ量」及び「Ｍｇ_２Ｓｉ量」が破線よりも上側の領域に属し、かつ、一点鎖線よりも下側の領域（同図中にハッチングで示す領域内）に属すれば上記式（４′）〜式（７′）の全てを満足することである。

つまりこれは、上記式（４′）〜（７′）のうち、式（６′）、（７′）を満足すれば、上述した機械的特性および凝固割れ特性を享受することを意味するものであり、この式（６′）、（７′）が、冒頭に記載した本発明の式（１）、（２）である。

＜ Ｍｇ量、Ｓｉ量について ＞
次に、Ｍｇ量とＳｉ量とについてさらに検討した。すなわち、Ｍｇは、Ｓｉと共存して熱処理によりＭｇ_２Ｓｉを析出し、アルミニウム合金の「引張強さ」及び「０．２％耐力」等の機械的強度を向上させる。しかし、その含有量が０．２％より少ないと、Ｍｇ_２Ｓｉの絶対量が不足して機械的強度の向上効果が少なく、逆に、０．４％を超えると、Ｍｇ_２Ｓｉの絶対量が過大となり、延性を低下させる析出相や粗大な晶出物が生成されて伸びを低下させてしまう。従って、Ｍｇ量は、０．２％以上０．４％以下であることが必要である。

図８は、図７に示した「過剰Ｓｉ量」と「Ｍｇ_２Ｓｉ量」との関係を、「Ｍｇ量」と「Ｓｉ量」との関係に書き替えたものである。図７及び図８中に同一の線種で示される線分は、互いに対応しており、従って、図８中のハッチングで示す領域が、図７中にハッチングで示した領域、つまり上記式（６′）、（７′）を満足する領域である。そして、この図８中、さらに上記Ｍｇ量の範囲（０．２％以上０．４％以下）を考慮した領域が、同図中に太枠で囲んだ台形の部分である。つまり、Ｍｇ量及びＳｉ量がこの台形の領域に属するアルミニウム合金は、上記式（６′）、（７′）を満足し、かつ、上記Ｍｇ量の範囲が０．２％以上０．４％以下の組成を有するものである。

なお、Ｓｉは、液相の流動性を増加させることによって、凝固収縮時の溶融補給性を向上させて、鋳造時の凝固割れを低減させる作用を有するが、Ｓｉ量が０．２％未満ではその効果が乏しい。一方、Ｓｉ量が５．０％を超えると、延性を低下させる析出相やＭｇ_２Ｓｉが過度に生成されて伸びを低下させる。従って、Ｓｉ量は、０．２％以上５．０％以下の範囲であるのが望ましい。但し、上記の通り、望ましいＭｇ量の範囲が０．２％以上０．４％以下であることを考慮すると、図６に示すように、Ｓｉ量の下限値は１．２％以上である必要がある。

以上の理由により、本発明のアルミニウム合金は、冒頭で説明した組成を規定した。このようなアルミニウム合金によれば、その鋳物製品（本発明のアルミニウム合金製鋳物に相当する）について、上記の通り、「引張強さ」が２７０Ｐａ以上、「０．２％耐力」が２５０ＭＰａ以上、「伸び」が４．５％以上という理想的な機械的特性を享受することができるとともに、高い耐凝固割れ性を享受することができる。従って、例えばナックル等、自動車のシャシ（車両の足回り）部品、すなわち苛酷な環境で使用される部品の製造に好適であり、当該部品の生産性と信頼性を高めることが可能となる。

なお、上述した本発明のアルミニウム合金は、さらにＣｕやＴｉが添加されているものであってもよい。すなわち、Ｃｕは、アルミニウム合金の「引張強さ」や「０．２％耐力」を向上させる上で有用な元素であり、Ｔｉは、結晶粒微細化を促進させて耐凝固割れ特性をさらに改善する上で有用な元素である。

図９（ａ）〜（ｃ）は、上述したアルミニウム合金、具体的には図８中の太枠で示した台形の領域に属する組成のアルミニウム合金に、さらにＣｕを添加した場合の機械的特性（引張強さ、０．２％耐力、伸び）とＣｕ量（％）との関係を示している。これらの図に示すように、Ｃｕの添加により「引張強さ」、「０．２％耐力」、「伸び」をさらに向上させることが可能であるが、Ｃｕ量が０．４％未満ではその効果が低く、０．６％を超えると、「伸び」が著しく阻害される。従って、Ｃｕ量は、０．４％以上０．６％以下であるのが望ましい。

また、図１０（ａ）〜（ｃ）は、図８中の太枠で示した台形の範囲内に属する組成を有するアルミニウム合金に、さらにＴｉを添加した場合の機械的特性（引張強さ、０．２％耐力、伸び）とＴｉ量（％）との関係を示している。この図に示すように、Ｔｉを添加した場合には、「伸び」を向上させることが可能である。また、上記のように結晶粒微細化を促進させて凝固割れを抑制することができる。但し、Ｔｉ量が０．０２０％未満ではその効果が低く、０．０３５％を超えるとその効果が飽和する。従って、Ｔｉ量は、０．０２０％以上０．０３５％以下であるのが望ましい。

１ 鋳造製品
２ 金型

Claims (4)

1. Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系の鋳造用アルミニウム合金であって、
   質量％で、Ｍｇ：０．２％以上０．４％以下、Ｓｉ：１．２％以上５．０％以下を含有し、かつ、全Ｓｉ量からＭｇ_２Ｓｉに含まれるＳｉ量を減じた値を過剰Ｓｉ量とする下記の関係式を満足し、残部がＡｌ及び不可避的不純物よりなることを特徴とする鋳造用アルミニウム合金、但しＢが含まれているものを除く。
   ７．７×［過剰Ｓｉ量］＋９×［Ｍｇ_２Ｓｉ量］≦１４
   ８０×［過剰Ｓｉ量］＋５５×［Ｍｇ_２Ｓｉ量］≧１１２
2. 請求項１に記載の鋳造用アルミニウム合金において、
   質量％で、Ｃｕ：０．４％以上０．６％以下、Ｔｉ：０．０２０％以上０．０３５％以下を、さらに含有することを特徴とする鋳造用アルミニウム合金。
3. Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系のアルミニウム合金からなるアルミニウム合金製鋳物であって、
   前記アルミニウム合金は、質量％で、Ｍｇ：０．２％以上０．４％以下、Ｓｉ：１．２％以上５．０％以下を含有し、かつ、全Ｓｉ量からＭｇ_２Ｓｉに含まれるＳｉ量を減じた値を過剰Ｓｉ量とする下記の関係式を満足し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなり、引張強度が２７０ＭＰａ以上、０．２％耐力が２５０ＭＰａ以上、伸びが４．５％以上であることを特徴とするアルミニウム合金製鋳物。
   ７．７×［過剰Ｓｉ量］＋９×［Ｍｇ_２Ｓｉ量］≦１４
   ８０×［過剰Ｓｉ量］＋５５×［Ｍｇ_２Ｓｉ量］≧１１２
4. 請求項３に記載のアルミニウム合金製鋳物において、
   前記アルミニウム合金は、質量％で、Ｃｕ：０．４％以上０．６％以下、Ｔｉ：０．０２０％以上０．０３５％以下を、さらに含有することを特徴とするアルミニウム合金製鋳物。

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