JP6975421B2

JP6975421B2 - アルミニウム合金の製造方法

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Publication number: JP6975421B2
Application number: JP2017189724A
Authority: JP
Inventors: 泰夫杉浦; 佳則上久保; 正詞高橋; 健介山本
Original assignee: Asanuma Giken Co Ltd
Current assignee: Asanuma Giken Co Ltd
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2021-12-01
Anticipated expiration: 2037-09-29
Also published as: JP2019063816A

Description

本発明は、強度が高く靱性に富んだアルミニウム合金の製造方法に関するものである。

近年、例えば車両の保安部品やホイール等、鉄系金属が主流をなしていた各種部材に対する軽量化の要求が増してきており、そのためこれらの部材にアルミニウム合金を適用する機運が高まっている。このため、車両の保安部品やホイール等に適用すべく高強度が得られる鋳造用のアルミニウム合金が求められており、このような高強度なアルミニウム合金として、例えばＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系の合金が知られている。

しかし、このＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系の合金では、鋳造及び凝固過程におけるアルミニウム（Ａｌ）素地への合金成分の固溶が少なくて非平衡な状態で凝固し易く、そのため大きな金属間化合物等が混在する組織的偏析を持った鋳造物ができてしまって、鋳造のままでは引張強度だけでなく伸びや靱性等の性能も大きく劣化した状態となっている。よって、要求される強度やその他の性能（伸びや靱性等）を確保するためには、高温度での熱処理（溶体化処理）により、析出している金属間化合物を分解してＡｌ素地中に合金成分を多く固溶させ、これにより十分な析出硬化がなされるようにして強度向上を図る必要があった。

このため、加熱により鋳物製品の変形が生じてしまうおそれがあるとともに、処理に長時間要してしまうといった不具合が生じてしまうことから、従来、例えば特許文献１にて開示されているように、Ｔ６処理（焼入れ後焼もどし時効）のような高温度での熱処理を施すことなく鋳造のままであっても高い強度（引張強さ２５０ＭＰａ以上）や良好な伸び（５％以上）が確保されたアルミニウム合金鋳造品が得られる鋳造性，材料特性に優れたアルミニウム合金について提案されている。

特開２０１１−１４４４４３号公報

しかしながら、上記従来技術においては、Ｔ６処理（焼入れ後焼もどし時効）のような高温度での熱処理を施すことなく鋳造のままであっても高い強度（引張強さ２５０ＭＰａ以上）や良好な伸び（５％以上）の機械的性質を有するアルミニウム合金鋳造品を得ることができると思われるものの、そのような機械的性質において有利なアルミニウム合金を安定して得るための条件が確立されていないという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、Ｔ６処理（焼入れ後焼もどし時効）のような高温度での熱処理を施すことなく鋳造のままであっても高い強度及び靱性を有したアルミニウム合金を安定して得ることができるアルミニウム合金の鋳造方法を提供することにある。

請求項１記載の発明は、アルミニウム合金溶湯を金型内に注湯した後、冷却して固化させることにより所望形状の成形品を得るアルミニウム合金の鋳造方法において、前記アルミニウム合金は、ケイ素（Ｓｉ）が５〜８重量％、マグネシウム（Ｍｇ）が０．４〜１．０重量％、銅（Ｃｕ）が０．５〜２．０重量％、残部がアルミニウム（Ａｌ）及び不可避な不純物から成る化学成分であって結晶組織が粒状とされたセミソリッド素材から成り、且つ、成形温度が５８０〜６００℃とされ、前記冷却時の冷却速度は、３００℃／ｓ以上とされたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のアルミニウム合金の鋳造方法において、前記冷却固化時の前記金型の温度は、１５０〜３００℃とされたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載のアルミニウム合金の鋳造方法において、前記冷却固化後、人工時効硬化処理（Ｔ５処理）を行うことを特徴とする。

本発明によれば、アルミニウム合金は、ケイ素（Ｓｉ）が５〜８重量％、マグネシウム（Ｍｇ）が０．４〜１．０重量％、銅（Ｃｕ）が０．５〜２．０重量％、残部がアルミニウム（Ａｌ）及び不可避な不純物から成る化学成分とされ、且つ、冷却時の冷却速度は、３００℃／ｓ以上とされたので、Ｔ６処理（焼入れ後焼もどし時効）のような高温度での熱処理を施すことなく鋳造のままであっても高い強度及び靱性を有したアルミニウム合金を安定して得ることができる。

本発明の実施例及び比較例の化学成分、注湯温度、金型温度及び冷却速度、並びに引張強さ、伸びの機械的性質を示す表

以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。
本実施形態に係るアルミニウム合金の鋳造方法は、アルミニウム合金溶湯を金型内に注湯した後、冷却して固化させることにより所望形状の成形品を得るもので、金型に注湯されるアルミニウム合金は、ケイ素（Ｓｉ）が５〜８重量％、マグネシウム（Ｍｇ）が０．４〜１．０重量％、銅（Ｃｕ）が０．５〜２．０重量％、残部がアルミニウム（Ａｌ）及び不可避な不純物から成る化学成分とされ、且つ、冷却時の冷却速度は、３００℃／ｓ以上とされる。

しかして、本実施形態におけるアルミニウム合金は、ケイ素（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）及び銅（Ｃｕ）が添加されたアルミニウム（Ａｌ）及び不可避な不純物から成る。ケイ素（Ｓｉ）は、加熱時に固液共存状態として半溶融成形を可能とし、湯流れ性（金型に対する溶湯の流動性）を向上するために必要とされるとともに、マグネシウム（Ｍｇ）は、成形品の強度を向上するために必要とされるが、従来のダイカスト合金に必要とされる鉄（Ｆｅ）の添加は必要ない。これは、ダイカスト合金に添加される鉄（Ｆｅ）は、アルミニウムの金型への焼き付き防止のために必要とされているが、特に半溶融成形の場合は、ダイカスト法と比べて鋳造温度が約１００℃低く、低速、低圧で半溶融素材を注入することができるため、鉄（Ｆｅ）の添加が必要ないからである。

ところで、半溶融素材とは、金属を固相と液相とが共存した状態まで溶融させて得られるもの（チクソキャスティング）と、溶湯を固相と液相とが共存した状態まで冷却させて得られるもの（レオキャスティング）との両者を含むが、本発明においては、何れの形態も含む（セミソリッド）ものとされる。かかる半溶融素材を用いた成形法（半溶融成形法）は、成形時の冷却速度が速く結晶が微細であることから、得られる成形品を高強度として機械的性質を向上させることができるとともに、低加圧で均一な組織が得られることから、得られる成形品を収縮孔や偏析が少なく、実体強度の低下のない高品質なものとすることができる。

本実施形態に係るセミソリッド素材は、溶湯を機械的や電磁的に攪拌する方法、歪みを与えて再結晶時に粒状にする方法、凝固制御による方法等から得られ、粒状化した初晶を有する。このセミソリッド素材を用いて成形すれば、固液共存域より成形し得ることから、冷却速度を速め、製品の機械的性質を向上させ得るという効果があるとともに、セミソリッド素材が粒状化した初晶を含有しているので、溶融金属に比べて流動性が良好とされており、低速及び低圧にて注入させても、金型内において良好に充填させることができる。すなわち、流動性が良好なセミソリッド素材を用いることで、複雑な形状の成形品や薄肉の成形品を精度よく成形することができるのである。

さらに、本実施形態において、冷却固化時の金型の温度は、１５０〜３００℃とされるとともに、成形温度は、５８０〜６００℃とされている。またさらに、本実施形態に係るアルミニウム合金について、冷却固化後、人工時効硬化処理（Ｔ５処理）（冷却固化後、焼き入れをせずにすぐ焼き戻し時効する処理）を行うことにより、引張強さ（ＭＰａ）及び伸び（％）といった機械的性質をより優位なものとすることができる。得られる鋳造成形品として、自動車等の車両における部品であって、例えばステアリングシステムを構成する重要保安部品であるナックル、ブラケット類の他、ホイール等が挙げられる。

次に、本発明に係る実施例１〜４及び比較例１〜５について、図１に基づいて説明する。なお、セミソリッド素材については、同図に示した成分を有するアルミニウム合金を加熱した後、所定の容器に注湯し、初晶α−Ａｌが粒状になるように凝固制御を行ってビレットを作製するとともに、その作製したビレットを半溶融状態まで再加熱して加圧成形（半溶融成形）した。

（実施例１）
ケイ素（Ｓｉ）が５．６重量％、マグネシウム（Ｍｇ）が０．７重量％、銅（Ｃｕ）が１．６重量％、残部がアルミニウム（Ａｌ）及び不可避な不純物から成る化学成分であって、結晶組織が粒状とされたセミソリッド素材から成るアルミニウム合金（成形温度５９２℃）を、プランジャ速度０．５ｍ／ｓ、鋳造圧力５５ＭＰａの条件にて１７６℃の金型に圧入し、５２０℃／ｓの冷却速度で冷却固化させて鋳造成形品を得た。このようにして得られた鋳造成形品の機械的性質（引張強さ及び伸び）を調べたところ、鋳造まま材において、引張強さ２８１（ＭＰａ）及び伸び１０．１（％）であった。また、鋳造成形品をＴ５処理したＴ５材については、引張強さ３１７（ＭＰａ）及び伸び５．１（％）であった。

（実施例２）
ケイ素（Ｓｉ）が７．０重量％、マグネシウム（Ｍｇ）が０．５重量％、銅（Ｃｕ）が１．０重量％、残部がアルミニウム（Ａｌ）及び不可避な不純物から成る化学成分であって、結晶組織が粒状とされたセミソリッド素材から成るアルミニウム合金（成形温度５８５℃）を、プランジャ速度０．５ｍ／ｓ、鋳造圧力５５ＭＰａの条件にて１７３℃の金型に圧入し、４７３℃／ｓの冷却速度で冷却固化させて鋳造成形品を得た。このようにして得られた鋳造成形品の機械的性質（引張強さ及び伸び）を調べたところ、鋳造まま材において、引張強さ２７０（ＭＰａ）及び伸び１１．７（％）であった。また、鋳造成形品をＴ５処理したＴ５材については、引張強さ３２５（ＭＰａ）及び伸び５．９（％）であった。

（実施例３）
ケイ素（Ｓｉ）が６．１重量％、マグネシウム（Ｍｇ）が０．９重量％、銅（Ｃｕ）が０．５重量％、残部がアルミニウム（Ａｌ）及び不可避な不純物から成る化学成分であって、結晶組織が粒状とされたセミソリッド素材から成るアルミニウム合金（成形温度５９０℃）を、プランジャ速度０．５ｍ／ｓ、鋳造圧力５５ＭＰａの条件にて１７５℃の金型に圧入し、４００℃／ｓの冷却速度で冷却固化させて鋳造成形品を得た。このようにして得られた鋳造成形品の機械的性質（引張強さ及び伸び）を調べたところ、鋳造まま材において、引張強さ２５３（ＭＰａ）及び伸び１３．０（％）であった。また、鋳造成形品をＴ５処理したＴ５材については、引張強さ３０５（ＭＰａ）及び伸び６．５（％）であった。

（実施例４）
ケイ素（Ｓｉ）が７．９重量％、マグネシウム（Ｍｇ）が０．４重量％、銅（Ｃｕ）が１．９重量％、残部がアルミニウム（Ａｌ）及び不可避な不純物から成る化学成分であって、結晶組織が粒状とされたセミソリッド素材から成るアルミニウム合金（成形温度５８３℃）を、プランジャ速度０．５ｍ／ｓ、鋳造圧力５５ＭＰａの条件にて１７８℃の金型に圧入し、３０３℃／ｓの冷却速度で冷却固化させて鋳造成形品を得た。このようにして得られた鋳造成形品の機械的性質（引張強さ及び伸び）を調べたところ、鋳造まま材において、引張強さ２６９（ＭＰａ）及び伸び８．４（％）であった。また、鋳造成形品をＴ５処理したＴ５材については、引張強さ３２５（ＭＰａ）及び伸び５．５（％）であった。

（比較例１）
ケイ素（Ｓｉ）が７．０重量％、マグネシウム（Ｍｇ）が０．５重量％、銅（Ｃｕ）が０重量％（Ｃｕの添加なし）、残部がアルミニウム（Ａｌ）及び不可避な不純物から成る化学成分であって、結晶組織が粒状とされたセミソリッド素材から成るアルミニウム合金（成形温度５８５℃）を、プランジャ速度０．５ｍ／ｓ、鋳造圧力５５ＭＰａの条件にて１７３℃の金型に圧入し、２８０℃／ｓの冷却速度で冷却固化させて鋳造成形品を得た。このようにして得られた鋳造成形品の機械的性質（引張強さ及び伸び）を調べたところ、鋳造まま材において、引張強さ２４４（ＭＰａ）及び伸び１９．５（％）であった。また、鋳造成形品をＴ５処理したＴ５材については、引張強さ２７８（ＭＰａ）及び伸び１１．６（％）であった。

（比較例２）
ケイ素（Ｓｉ）が７．０重量％、マグネシウム（Ｍｇ）が０．５重量％、銅（Ｃｕ）が１．０重量％、残部がアルミニウム（Ａｌ）及び不可避な不純物から成る化学成分のアルミニウム合金溶湯（注湯温度７００℃）を、プランジャ速度０．５ｍ／ｓ、鋳造圧力５５ＭＰａの条件にて１７０℃の金型に注湯し、２２０℃／ｓの冷却速度で冷却固化させて鋳造成形品を得た。このようにして得られた鋳造成形品の機械的性質（引張強さ及び伸び）を調べたところ、鋳造まま材において、引張強さ２４９（ＭＰａ）及び伸び６．３（％）であった。また、鋳造成形品をＴ５処理したＴ５材については、引張強さ２８４（ＭＰａ）及び伸び２．９（％）であった。

（比較例３）
ケイ素（Ｓｉ）が７．０重量％、マグネシウム（Ｍｇ）が０．５重量％、銅（Ｃｕ）が１．０重量％、残部がアルミニウム（Ａｌ）及び不可避な不純物から成る化学成分のアルミニウム合金溶湯（注湯温度７００℃）を、重力のみにて３０℃の金型に注湯し、３．０℃／ｓの冷却速度で冷却固化させて鋳造成形品を得た。このようにして得られた鋳造成形品の機械的性質（引張強さ及び伸び）を調べたところ、鋳造まま材において、引張強さ２４２（ＭＰａ）及び伸び５．７（％）であった。また、鋳造成形品をＴ５処理したＴ５材については、引張強さ２７９（ＭＰａ）及び伸び２．３（％）であった。

（比較例４）
ケイ素（Ｓｉ）が７．０重量％、マグネシウム（Ｍｇ）が０．５重量％、銅（Ｃｕ）が１．０重量％、残部がアルミニウム（Ａｌ）及び不可避な不純物から成る化学成分のアルミニウム合金溶湯（注湯温度７００℃）を、重力のみにて１５０℃の金型に注湯し、１．３℃／ｓの冷却速度で冷却固化させて鋳造成形品を得た。このようにして得られた鋳造成形品の機械的性質（引張強さ及び伸び）を調べたところ、鋳造まま材において、引張強さ２３１（ＭＰａ）及び伸び４．９（％）であった。また、鋳造成形品をＴ５処理したＴ５材については、引張強さ２５４（ＭＰａ）及び伸び２．０（％）であった。

（比較例５）
ケイ素（Ｓｉ）が７．０重量％、マグネシウム（Ｍｇ）が０．５重量％、銅（Ｃｕ）が１．０重量％、残部がアルミニウム（Ａｌ）及び不可避な不純物から成る化学成分のアルミニウム合金溶湯（注湯温度７００℃）を、重力のみにて４３０℃の金型に注湯し、０．６℃／ｓの冷却速度で冷却固化させて鋳造成形品を得た。このようにして得られた鋳造成形品の機械的性質（引張強さ及び伸び）を調べたところ、鋳造まま材において、引張強さ１７９（ＭＰａ）及び伸び３．１（％）であった。また、鋳造成形品をＴ５処理したＴ５材については、引張強さ２０２（ＭＰａ）及び伸び０．８（％）であった。

（結果）
上記実施例１〜４によれば、アルミニウム合金が、ケイ素（Ｓｉ）が５〜８重量％、マグネシウム（Ｍｇ）が０．４〜１．０重量％、銅（Ｃｕ）が０．５〜２．０重量％、残部がアルミニウム（Ａｌ）及び不可避な不純物から成る化学成分とされ、且つ、冷却時の冷却速度が３００℃／ｓ以上とされていることから、鋳造まま材において、引張強さ２５０ＭＰａ以上、伸び８％以上といった極めて有利な機械的性質（強度が高く靱性に富んだ性質）を有することができ、且つ、Ｔ５材において、引張強さ３００ＭＰａ以上、伸び５％以上といった有利な機械的性質を得ることができた。

これに対し、比較例１〜５によれば、冷却速度が３００℃／ｓより小さい（冷却速度が遅い）ため、実施例１〜４の如き有利な機械的性質（強度が高く靱性に富んだ性質）を有していない。これは、冷却速度３００℃／ｓ以上とすることにより、アルミニウム合金の組織が緻密化しつつＳｉ、Ｍｇ及びＣｕが組織内において均一に拡散させることができ、上記の如き有利な機械的性質（強度が高く靱性に富んだ性質）を有したアルミニウム合金を安定して得ることができたと考えられる。

このように、アルミニウム合金の化学成分を、ケイ素（Ｓｉ）が５〜８重量％、マグネシウム（Ｍｇ）が０．４〜１．０重量％、銅（Ｃｕ）が０．５〜２．０重量％、残部がアルミニウム（Ａｌ）及び不可避な不純物から成るものとし、且つ、冷却時の冷却速度を３００℃／ｓ以上に管理することによって、有利な機械的性質（強度が高く靱性に富んだ性質）を有したアルミニウム合金を安定して得ることができる。すなわち、本実施形態によれば、Ｔ６処理（焼入れ後焼もどし時効）のような高温度での熱処理を施すことなく鋳造のままであっても高い強度及び靱性を有したアルミニウム合金を安定して得ることができるのである。

以上、本実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばセミソリッド素材以外のアルミニウム合金を用いるようにしてもよく、成形温度（注湯温度）や金型温度が異なる条件にて鋳造するようにしてもよい。また、得られる成形品は車両用の部品に限らず、強度が高く且つ靱性に富んだアルミニウム合金であれば、他の成形品であってもよい。

アルミニウム合金は、ケイ素（Ｓｉ）が５〜８重量％、マグネシウム（Ｍｇ）が０．４〜１．０重量％、銅（Ｃｕ）が０．５〜２．０重量％、残部がアルミニウム（Ａｌ）及び不可避な不純物から成る化学成分であって結晶組織が粒状とされたセミソリッド素材から成り、且つ、成形温度が５８０〜６００℃とされ、冷却時の冷却速度は、３００℃／ｓ以上とされたアルミニウム合金の鋳造方法であれば、他の形態の方法であってもよい。

Claims

アルミニウム合金溶湯を金型内に注湯した後、冷却して固化させることにより所望形状の成形品を得るアルミニウム合金の鋳造方法において、
前記アルミニウム合金は、ケイ素（Ｓｉ）が５〜８重量％、マグネシウム（Ｍｇ）が０．４〜１．０重量％、銅（Ｃｕ）が０．５〜２．０重量％、残部がアルミニウム（Ａｌ）及び不可避な不純物から成る化学成分であって結晶組織が粒状とされたセミソリッド素材から成り、且つ、成形温度が５８０〜６００℃とされ、前記冷却時の冷却速度は、３００℃／ｓ以上とされたことを特徴とするアルミニウム合金の鋳造方法。
前記冷却固化時の前記金型の温度は、１５０〜３００℃とされたことを特徴とする請求項１記載のアルミニウム合金の鋳造方法。
前記冷却固化後、人工時効硬化処理（Ｔ５処理）を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のアルミニウム合金の鋳造方法。