JP7131932B2 - アルミニウム合金部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明はアルミニウム合金部材の製造方法に関する。

Ｓｉを含有するアルミニウム合金からなる鋳物を、加圧環境下において固液共存温度域まで、加熱保持した後、焼入れするアルミニウム合金部材の製造方法がある。特許文献１には、開示されている。

特開２０１７－１５５２８８号公報

本発明者等は、以下のような課題を発見した。
図２０は、本発明が解決しようとする課題に係るアルミニウム合金部材の製造方法の温度チャートである。横軸は時間ｔを示し、縦軸は、温度Ｔを示し、さらに工程と時間ｔとの対応を示す。

図２０に示すように、上記したアルミニウム合金部材の製造方法の一例では、加熱保持した後、焼入れを行うまでに、鋳物を炉内において液相出現温度Ｔ_Ｓを下回る所定の温度Ｔ_Ｓ－ΔＴまで冷却する炉冷処理を行っている。この炉冷処理における鋳物の冷却速度が遅いため、アルミニウム合金部材の金属組織において、Ｓｉを含む析出物が粗大化したり、球状から塊状、例えば、略回転楕円体、又は略楕円体等に変化したり、初晶Ａｌの粒粗大化が進んだりすることが有った。このような場合、特にＳｉを含む析出物がへき開割れしやすくなり、アルミニウム合金部材の延性が低下するおそれがあった。

本発明は、アルミニウム合金部材の延性の低下を抑制するものとする。

本発明に係るアルミニウム合金部材の製造方法は、
質量％で、Ｃｕ：２．０～５．５％、Ｓｉ：４．０～７．０％を含有し、Ｍｇ：０．５％以下、Ｚｎ：１．０％以下、Ｆｅ：１．０％以下、Ｍｎ：０．５％以下に限定し、残部がＡｌと不可避的不純物とからなるアルミニウム合金鋳造材を用いたアルミニウム合金部材の製造方法であって、
前記アルミニウム合金鋳造材を固液共存温度域の範囲内において加熱保持する加熱保持工程と、
前記加熱保持工程の後、前記アルミニウム合金鋳造材を急冷する焼入れ工程と、を含み、
前記加熱保持工程から前記焼入れ工程に移行するまでの焼入れ準備工程において、
固液共存温度域から液相出現温度を下回る所定の温度まで前記アルミニウム合金鋳造材を冷却速度３℃／min以上で急冷する。

このような構成によれば、鋳造時に晶出した共晶Ｓｉが分断され球状化し、その後の合体や成長を抑制することができる。そのため、共晶Ｓｉが粗大化したり、塊状、例えば、略回転楕円体、又は略楕円体等に析出したりして、へき開割れしやすくなることを抑える。よって、アルミニウム合金部材の延性の低下を抑制することができる。

また、前記加熱保持工程及び前記焼入れ準備工程では、前記アルミニウム合金鋳造材を加圧炉の内側に配置することによって、加圧環境下に置くことを特徴としてもよい。

このような構成によれば、加熱保持工程では、アルミニウム合金鋳造材に圧縮応力をかけつつ、加熱することができる。焼入れ準備工程でも、アルミニウム合金鋳造材に圧縮応力をかけつつ、冷却することができる。よって、その内部に含まれ得る巣や空孔を着実に潰すことができる。そのため、アルミニウム合金部材の延性の低下を抑制することができる。

また、前記加圧炉の内側には、ノズルが設けられ、
前記焼入れ準備工程では、前記ノズルから前記アルミニウム合金鋳造材へ冷却用ガス媒体、或いはミストを噴射することによって、前記アルミニウム合金鋳造材を急冷することを特徴としてもよい。

このような構成によれば、冷却用ガス媒体によりアルミニウム合金鋳造材の熱を奪う、或いはミストがアルミニウム合金鋳造材に接触し気化して、熱を奪う。そのため、アルミニウム合金鋳造材を加圧環境下に置きつつ、冷却することができる。

また、前記加圧炉の内側には、前記アルミニウム合金鋳造材と接触する接触部が設けられ、
前記接触部は、前記アルミニウム合金鋳造材の形状に倣う形状を備え、
前記接触部の内部には、流路が設けられ、
前記焼入れ準備工程では、冷却媒体を前記流路に流すことによって、前記アルミニウム合金鋳造材を急冷することを特徴としてもよい。

このような構成によれば、冷却媒体が接触部を介してアルミニウム合金鋳造材から熱を奪うため、アルミニウム合金鋳造材を加圧環境下に置きつつ、急冷することができる。

本発明は、アルミニウム合金部材の延性の低下を抑制することができる。

実施の形態１に係るアルミニウム合金部材の製造方法のフローチャートである。 実施の形態１に係るアルミニウム合金部材の製造方法の温度チャートである。 実施の形態１に係るアルミニウム合金部材の製造方法の昇温工程及び加熱保持工程を示す模式図である。 実施の形態１に係るアルミニウム合金部材の製造方法の焼入れ準備工程の一例を示す模式図である。 実施の形態１に係るアルミニウム合金部材の製造方法の焼入れ準備工程の一変形例を示す模式図である。 実施の形態１に係るアルミニウム合金部材の製造方法の焼入れ準備工程の他の一変形例を示す模式図である。 焼入れ準備工程での経過時間に対するアルミニウム合金鋳造材の温度を示すグラフである。 焼入れ準備工程での経過時間に対するアルミニウム合金鋳造材の温度を示すグラフである。 加熱保持時間に対する0.2%耐力及び破断伸びを示すグラフである。 実施例の金属組織写真である。 炉内圧力に対する0.2%耐力及び破断伸びを示すグラフである。 実施例の金属組織写真である。 加熱保持温度に対する0.2%耐力及び破断伸びを示すグラフである。 実施例における金属組織におけるＣｕ含有量分布を示す分布図である。 冷却速度に対する0.2%耐力及び破断伸びを示すグラフである。 参考例の金属組織写真である。 参考例の金属組織写真である。 参考例における金属組織におけるＣｕ含有量分布を示す分布図である。 参考例の金属組織写真である。 本発明が解決しようとする課題に係るアルミニウム合金部材の製造方法の温度チャートである。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。図３～図６では、右手系３次元ｘｙｚ直交系座標を規定した。なお、当然のことながら、図３及びその他の図面に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｚ軸プラス向きが鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面であり、図面間で共通である。

（実施の形態１）
図１及び図２を参照しつつ実施の形態１に係るアルミニウム合金部材の製造方法について説明する。図１は、実施の形態１に係るアルミニウム合金部材の製造方法のフローチャートである。図２は、実施の形態１に係るアルミニウム合金部材の製造方法の温度チャートである。横軸は時間ｔを示し、縦軸は、温度Ｔを示し、さらに、時間ｔと圧力制御との対応と、図１に示す工程ＳＴ１～ＳＴ４と時間ｔとの対応とを示す。

まず、図１及び図２に示すように、アルミニウム合金鋳造材の温度が固液共存温度域Ｔ_Ｓ～Ｔ_Ｌの範囲内になるまで、アルミニウム合金鋳造材を加熱し、昇温させる（昇温工程ＳＴ１）。固液共存温度域Ｔ_Ｓ～Ｔ_Ｌは、言い換えると、液相出現温度Ｔ_Ｓ以上、液相線温度Ｔ_Ｌ以下の範囲の温度域である。また、この昇温工程ＳＴ１では、アルミニウム合金鋳造材が配置されている空間の圧力を高めることによって、アルミニウム合金鋳造材を加圧する。

続いて、アルミニウム合金鋳造材の温度Ｔ_１２を固液共存温度域Ｔ_Ｓ～Ｔ_Ｌの範囲内の所定の温度に維持するよう、アルミニウム合金鋳造材を加熱保持時間ｔ_１～ｔ_２の間、加熱保持する（加熱保持工程ＳＴ２）。また、この加熱保持工程ＳＴ２では、先の昇温工程ＳＴ１から引き続き、アルミニウム合金鋳造材を加圧する。

続いて、アルミニウム合金鋳造材を、固液共存温度域Ｔ_Ｓ～Ｔ_Ｌの範囲内の所定の温度から液相出現温度Ｔ_Ｓよりも所定の差分温度ΔＴ低い温度Ｔ_Ｓ－ΔＴになるまで、冷却速度Ｒｃで急冷する（焼入れ準備工程ＳＴ３）。最後に、アルミニウム合金鋳造材の配置されている空間を除圧し、常圧（大気圧）に到達させた後、アルミニウム合金鋳造材を常温Ｔ_Ｒまでさらに急冷する（焼入れ工程ＳＴ４）。

なお、上記した実施の形態１に係るアルミニウム合金部材の製造方法における焼入れ工程ＳＴ４では、焼入れ工程ＳＴ４の開始時点からアルミニウム合金鋳造材の配置されている空間を除圧し始めたが、その除圧の開始時点は、アルミニウム合金鋳造材が液相出現温度Ｔ_Ｓ以下になるまで急冷した焼入れ準備工程ＳＴ３の中途から焼入れ工程ＳＴ４の完了後までの範囲内であってもよい。

（実施の形態１に係るアルミニウム合金部材の製造方法の一具体例）
次に、図３～図６を参照して上記したアルミニウム合金部材の製造方法の一具体例について説明する。図３は、実施の形態１に係るアルミニウム合金部材の製造方法の昇温工程及び加熱保持工程を示す模式図である。図４は、実施の形態１に係るアルミニウム合金部材の製造方法の焼入れ準備工程を示す模式図である。図５は実施の形態１に係るアルミニウム合金部材の製造方法の焼入れ準備工程の一変形例を示す模式図である。なお、図３及び図５では、見易さのため、支持台４の記載を省略した。図６は、実施の形態１に係るアルミニウム合金部材の製造方法の焼入れ準備工程の他の一変形例を示す模式図である。

（昇温工程ＳＴ１の一具体例）
まず、図３を参照して昇温工程ＳＴ１の一具体例について説明する。図３に示すように、加圧炉１を用いて、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１を加熱して昇温させる。加圧炉１は、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１を収容可能な内側空間１ｃを備える本体１ａと、本体１ａを開閉する扉１ｂとを備える。

アルミニウム合金鋳造材Ｗ１は、アルミニウム合金を溶融し、鋳型に充填し固めることによって、形成される。アルミニウム合金鋳造材Ｗ１は、所定の形状を有し、例えば、車両に用いられる部品である。このような部品として、例えば、シリンダーヘッド等のエンジン部品に加え、足回り部材、ホイール部材等、多種多様な部品が挙げられる。このアルミニウム合金は、質量％で、Ｃｕ：２．０～５．５％、Ｓｉ：４．０～７．０％を含有し、Ｍｇ：０．５％以下、Ｚｎ：１．０％以下、Ｆｅ：１．０％以下、Ｍｎ：０．５％以下に限定し、残部がＡｌと不可避的不純物とからなる。アルミニウム合金の化学組成の詳細は、後述する。

具体的には、昇温工程ＳＴ１では、まず、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１を加圧炉１の内側空間１ｃ内の支持台４（図４参照）に配置したまま加圧炉１を密閉した後、昇温する。この昇温とともに、加圧を開始してもよい。内側空間１ｃが所定の炉内圧力Ｐｃになるまで加圧し、所定の炉内圧力Ｐｃに到達した後、炉内圧力Ｐｃを維持するとよい。炉内圧力Ｐｃを維持すると、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１は、所定の加圧環境下に置かれながら、加熱されて昇温する。所定の炉内圧力Ｐｃ［ＭＰａ］は、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１にバーニング（溶融）や鋳物表面において融液が噴出する発汗現象が発生しないような大きさであればよく、例えば、０．６ＭＰａ以上であるとよい。

（加熱保持工程ＳＴ２の一具体例）
引き続き、図３を参照して加熱保持工程ＳＴ２の一具体例について説明する。図３に示すように、加圧炉１を用いて、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１の温度Ｔ_１２を固液共存温度域Ｔ_Ｓ～Ｔ_Ｌの範囲内に維持するよう、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１を加熱保持時間ｔ_１～ｔ_２の間、加熱保持する（加熱保持工程ＳＴ２）。

具体的には、加熱保持工程ＳＴ２では、この加熱保持とともに、加圧炉１の内側空間１ｃの炉内圧力Ｐｃが所定の圧力値の範囲内に維持されるように、引き続き加圧する。アルミニウム合金鋳造材Ｗ１の温度Ｔ_１２を固液共存温度域Ｔ_Ｓ～Ｔ_Ｌの範囲内に維持されているため、液相を介して鋳巣に圧力が作用し、鋳巣内の水素がＡｌ相へ固溶し、鋳巣が縮小する。圧力が高くなると、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１が軟化し、炉内圧力Ｐｃによって圧縮応力を受けて、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１の内部欠陥が圧潰する。この内部欠陥は、例えば、空孔や巣である。アルミニウム合金鋳造材Ｗ１の温度Ｔ_１２は、固液共存温度域Ｔ_Ｓ～Ｔ_Ｌの範囲内にあり、かつ、一定の加熱保持温度Ｔ_ＳＬであるとよい。炉内圧力Ｐｃが、０．６ＭＰａ以上であり、又は、加熱保持温度Ｔ_ＳＬは、液相線温度Ｔ_Ｌ以下であると、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１においてバーニング（溶融）や鋳物表面において融液が噴出する発汗現象が発生し難くなり、好ましい。加熱保持温度Ｔ_ＳＬは、液相出現温度Ｔ_Ｓ以上であると、共晶Ｓｉが分断し、共晶Ｓｉの球状化が進むので、好ましい。

（焼入れ準備工程ＳＴ３の一具体例）
次に、図４を参照して焼入れ準備工程ＳＴ３の一具体例について説明する。図４に示すように、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１を、固液共存温度域Ｔ_Ｓ～Ｔ_Ｌの範囲内の所定の温度から液相出現温度Ｔ_Ｓよりも所定の差分温度ΔＴ低い温度Ｔ_Ｓ－ΔＴになるまで、冷却速度Ｒｃで急冷する（焼入れ準備工程ＳＴ３）。

冷却速度Ｒｃは、３℃／min以上である。差分温度ΔＴ［℃］は、０（零）℃より大きければよく、例えば、５℃、１０℃、１５℃、２０℃又は２５℃以下であればよい。アルミニウム合金鋳造材Ｗ１を、固液共存温度域Ｔ_Ｓ～Ｔ_Ｌの範囲内から液相出現温度Ｔ_Ｓよりも所定の差分温度ΔＴ低い温度Ｔ_Ｓ－ΔＴになるまで、冷却速度Ｒｃ３℃／min以上で冷却する。なお、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１の温度が固液共存温度域Ｔ_Ｓ～Ｔ_Ｌの範囲内を維持すると、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１の金属組織において、共晶Ｓｉは、粗大化したり、塊状化したりする傾向にある。一方、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１の温度が液相出現温度Ｔ_Ｓを下回る温度を維持すると、共晶Ｓｉは、粗大化や塊状化し難く、微細かつ球状を維持する傾向にある。そのため、上記した冷却速度を維持することによって、共晶Ｓｉが粗大化したり、塊状化したりする前に、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１の温度が液相出現温度Ｔ_Ｓを下回る温度に低下する。これによって、共晶Ｓｉが微細かつ球状であることを維持することができる。

具体的には、焼入れ準備工程ＳＴ３では、図４に示すように、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１を引き続き、加圧炉１の内側空間１ｃの支持台４に配置したまま、ミストＭ１をミストノズル２からアルミニウム合金鋳造材Ｗ１へ吹き付ける。ミストＭ１が気化し、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１の表面から熱を奪う。

また、焼入れ準備工程ＳＴ３では、加熱保持工程ＳＴ２から引き続いて、加圧炉１の内側空間１ｃの炉内圧力Ｐｃが所定の圧力値の範囲内に維持されるように、引き続き加圧するとよい。炉内圧力Ｐｃが、所定の値、例えば０．６ＭＰａ以上の値を維持すると、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１においてバーニング（溶融）や発汗現象によるアルミニウム合金鋳造材Ｗ１表面での欠陥発生が殆ど発生しなくなり、好ましい。

ミストノズル２は、この流体を貯蔵したタンク（図示略）等と、流路（図示略）を介して接続しており、適宜、この流体をバルブ（図示略）等を介して供給される。ミストノズル２と、このタンク、このバルブ、この流路とは、ミスト噴射装置（図示略）を用いて構成してもよい。

（焼入れ準備工程ＳＴ３の一変形例）
次に、図５を参照して焼入れ準備工程ＳＴ３の一変形例について説明する。図５に示す焼入れ準備工程ＳＴ３の一変形例が有る。図５に示すように、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１を支持台４（図４参照）に支持して、冷却用ガス媒体、例えば、空気を流体ノズル３からアルミニウム合金鋳造材Ｗ１に吹き付けてもよい。

具体的には、この焼入れ準備工程ＳＴ３の一変形例では、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１が、シリンダーヘッドである場合、空気をこのシリンダーヘッドのチャンバーの中心近傍に吹き付けるとよい。流体ノズル３は、冷却用ガス媒体として、空気、水、窒素（Ｎ_２）、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）等の流体を、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１に吹き付けることができる。支持台４（図４参照）は、ミストノズル２から噴射されたミストＷ１が支持台４を通過して、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１に当たるような構造を備えてもよい。また、必要に応じて、ミストノズル２によるミストＷ１の噴射を停止し、流体ノズル３による流体の噴射のみを行なってもよい。

（焼入れ準備工程ＳＴ３の他の一変形例）
次に、図６を参照して焼入れ準備工程ＳＴ３の他の一変形例について説明する。図６に示す焼入れ準備工程ＳＴ３の他の一変形例が有る。図６に示すように、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１を支持台４（図示略）に支持させて、冷却媒体ＣＭ１を支持台４の流路４ｃに流して、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１を冷却してもよい。

具体的には、この焼入れ準備工程ＳＴ３の他の一変形例では、支持台４は、接触部４ａと、接触部４ａを支持するベース４ｂと、冷却媒体ＣＭ１が通過可能な流路４ｃとを備える。接触部４ａは、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１に倣う形状を有するとよく、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１と面接触可能であると好ましい。支持台４は、加圧炉１の他の構成よりも熱伝導率の高い材料からなるとよい。このような材料として、例えば、Ｃｕ（銅）、又はＣｕ合金が挙げられる。

冷却媒体ＣＭ１として、例えば、水や油などを利用できる。冷却媒体ＣＭ１を流路４ｃに供給し、及び排出することができるように、タンク（図示略）や排出装置（図示略）等を流路４ｃに接続するとよい。

図６に示すアルミニウム合金鋳造材Ｗ１の一例が凹曲面部Ｗ１ａを有する場合、接触部４ａは、凹曲面部Ｗ１ａの倣い凸曲面部を有する。支持台４の流路４ｃは、支持台４の内部において、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１を横切るように延びるとよい。

アルミニウム合金鋳造材Ｗ１と支持台４の接触部４ａを面接触させると、接触部４ａがアルミニウム合金鋳造材Ｗ１から熱を奪い、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１を冷却する。また、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１と接触部４ａとを面接触させたまま、冷却媒体ＣＭ１を流路４ｃに供給すると、冷却媒体ＣＭ１がアルミニウム合金鋳造材Ｗ１から接触部４ａを介して熱を奪い、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１を冷却する。

なお、焼入れ準備工程ＳＴ３として、図４に示す焼入れ準備工程ＳＴ３の一具体例と、図５に示す焼入れ準備工程ＳＴ３の一変形例と、図６に示す焼入れ準備工程ＳＴ３の他の一変形例とを利用できることを述べた。焼入れ準備工程ＳＴ３として、必要に応じて、これらのうち、いずれか１つを用いてもよいし、２つ、又は全てを組み合わせて利用してもよい。

（焼入れ工程ＳＴ４の一具体例）
次に、焼入れ工程ＳＴ４の一具体例について説明する。アルミニウム合金鋳造材Ｗ１を、常温Ｔ_Ｒまでさらに急冷する（焼入れ工程ＳＴ４）。

具体的には、焼入れ工程ＳＴ４では、加圧炉１の内側空間１ｃの除圧を開始して、内側空間１ｃが常圧（大気圧）になったことを確認した後、扉１ｂを開放し、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１を加圧炉１の外側へ取出して、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１を水槽等に沈めて急冷する。

また、焼入れ工程ＳＴ４では、焼入れ準備工程ＳＴ３から引き続き、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１を加圧炉１の内側空間１ｃの支持台４に配置したまま、焼入れ準備工程ＳＴ３において利用した冷却方法を用いて冷却させてもよい。

なお、上記した焼入れ工程ＳＴ４の一具体例では、焼入れ工程ＳＴ４の開始時点から加圧炉１の内側空間１ｃを除圧し始めたが、焼入れ準備工程ＳＴ３の中途の時点から、加圧炉１の内側空間１ｃを除圧し始めてもよい。このように除圧すると、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１を早期にアルミニウム合金鋳造材Ｗ１を水槽等に沈めて急冷できるため、焼入れ工程ＳＴ４を短縮化して好ましい。なお、このように除圧すると、バーニングや発汗現象による欠陥が発生しやすくなるとが想起されるものの、アルミニウム合金部材は、所望するアルミニウム合金部材として必要な性質や形状等を維持し得ると考えられる。この理由の一つとして、液相出現温度Ｔ_Ｓにおいて出現した液相は、非平衡状態で凝固したものを多く含むため、加熱保持工程ＳＴ２を実施することによってその多くはＡｌ相に固溶するからである。すなわち、加圧炉１の内側空間１ｃを除圧し始める時点は、アルミニウム合金部材が、所望するアルミニウム合金部材として必要な性質や形状等を維持する焼入れ準備工程ＳＴ３の中途の時点であってもよく、特に、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１が液相出現温度Ｔ_Ｓの近傍であるとよい。

以上より、焼入れ準備工程ＳＴ３でのアルミニウム合金鋳造材Ｗ１の冷却速度が３℃／minであるため、共晶Ｓｉがアルミニウム合金鋳造材Ｗ１の金属組織において合体・粗大化することを抑制する。そのため、共晶Ｓｉが微細かつ球状であることを維持する。そのため、アルミニウム合金部材の延性が低下することを抑制することができる。

（化学組成）
次に、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１の化学組成における各成分の含有量について説明する。アルミニウム合金鋳造材Ｗ１の化学組成におけるＳｉの含有量が好適な範囲にあると、所定の鋳造性を確保することができる。そのため、割れや引け巣等の鋳造欠陥がアルミニウム合金鋳造材Ｗ１に発生し難い。一方、Ｓｉの含有量が多過ぎると、脆弱なＳｉ粒子がアルミニウム合金鋳造材Ｗ１に多量に晶出し、破断伸びや強度などの機械的性質が低下しやすくなる。そこで、Ｓｉの含有量は、４．０％～７．０％の範囲内にあるとよい。その上限値は、６．５％、６．０％、及び５．５％のいずれかであると好ましい。その下限値は、４．５％、５．０％、及び５．５％のいずれかであると好ましい。

また、Ｃｕの含有量が好適な範囲にあると、熱処理によって、ＣｕＡ１_２が、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１の金属組織に析出したり、ＭｇがＡｌに共存する場合、ＭｇＣｕ系化合物が析出したりする。これらによって、Ａｌの機械的強度、例えば、引張強さ、0.2%耐力等が向上し得る。一方、Ｃｕの含有量が多過ぎると、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１の延性や靱性が低下することがある。そこで、Ｃｕの含有量は、２．０～５．５％の範囲内にあるとよい。その上限値は、５．０％、４．５％、及び４．０％のいずれかであると好ましい。その下限値は、２．５％、３．０％、３．５％、４．０％及び４．５％のいずれかであると好ましい。

また、Ｍｇの含有量が好適な範囲にあると、Ｍｇ原子が、Ａｌ基地に固溶し、Ａｌ基地を強化され得る。また、Ｍｇは、熱処理によって、Ｍｇ_２Ｓｉとして析出し、アルミニウム合金部材の引張強さ、0.2%耐力等の機械的強度が向上し得る。Ｍｇの含有量が多過ぎると、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１の延性や靱性が低下するおそれがある。そのため、Ｍｇの含有量は、０．５％以下であるとよい。また、Ｍｇの含有量は、０．２～０．４％の範囲内であってもよい。

また、Ｚｎ、及びＦｅの含有量が多過ぎると、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１の延性や靱性が低下するおそれがある。そのため、Ｚｎの含有量が、１．０％以下であると好ましく、Ｆｅの含有量が、１．０％以下であると好ましい。

また、Ｍｎの含有量が好適な範囲にあると、Ｆｅによるアルミニウム合金鋳造材Ｗ１への悪影響を減少してよい。また、Ｍｎの含有量が多過ぎると、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１の延性や靱性が低下するおそれがある。そこで、Ｍｎの含有量が、０．５％以下であるとよい。また、Ｍｎの含有量は、０．２～０．４％の範囲内であってもよい。

なお、上記した成分の他に、例えば、Ｓｒ、Ｎａ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ｂ等を含有してもよい。これらの成分元素の含有によって、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１における共晶Ｓｉ又は初晶α-Ａｌ結晶を微細化させる等して、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１の機械的強度を向上し得る。また、適宜、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１は、これら以外の成分元素を含有することによって、金属組織の改質を図ってもよい。

上記したアルミニウム合金鋳造材Ｗ１の化学組成に該当するアルミニウム合金は、例えば、ＪＩＳ規格に定められるＡＣ２系合金である。このＡＣ２系合金は、例えば、ＡＣ２Ａ、ＡＣ２Ｂ、ＡＣ２Ｈ等である。

（冷却速度の検証実験１）
次に、冷却速度の検証実験について説明する。アルミニウム合金鋳造材として、ＡＣ２Ｂに相当する合金からなる直方体状試験片を用いた。直方体状試験片のサイズは、幅３０ｍｍ、奥行き９５ｍｍ、高さ３５ｍｍである。

実施例１では、上記した実施の形態１に係るアルミニウム合金部材の製造方法における、焼入れ準備工程ＳＴ３の一具体例（図４参照）と同じ構成の焼入れ準備工程で、この直方体状試験片を急冷した。具体的には、この焼入れ準備工程では、流体ノズル３（図４及び図５参照）と同じ構成のノズルのみを用いて、この直方体状試験片を急冷した。このノズルは、直方体状試験片の周りに包囲するように延びて、直方体状試験片へ噴射する複数の吹き付け口を有し、これら複数の吹き付け口から窒素（Ｎ_２）を吹き付ける。窒素の流量は、６５Ｌ／minであった。

比較例１では、ノズルを除いて実施例１と同じ構成の焼入れ準備工程で、この直方体状試験片を急冷した。比較例１で用いたノズルは、この直方体状試験片へ噴射する１つの吹き付け口を有し、１つの吹き付け口から窒素を吹き付ける。比較例１の窒素の流量は、それぞれ、３Ｌ／minであった。

図７は、焼入れ準備工程での経過時間に対するアルミニウム合金鋳造材の温度を示すグラフである。縦軸は、アルミニウム合金鋳造材の温度［℃］を示し、横軸は、焼入れ準備工程での経過時間［min］を示す。図７に示すように、実施例１では、冷却速度が、目標冷却速度３℃／minを大きく上回った一方、比較例１では、目標冷却速度３℃／minを大きく下回った。

（冷却速度の検証実験２）
次に、別の冷却速度の検証実験について説明する。アルミニウム合金鋳造材として、ＡＣ２Ｂに相当する合金からなるシリンダーヘッドを用いた。このシリンダーヘッドは、１気筒を有し、本検証実験用に用いられた。

実施例２では、上記した実施の形態１に係るアルミニウム合金部材の製造方法における、焼入れ準備工程ＳＴ３の他の一変形例（図６参照）と同じ構成の焼入れ準備工程で、このシリンダーヘッドを急冷した。具体的には、この焼入れ準備工程では、支持台４（図４及び図６参照）と同じ構成の支持台を用いて、このシリンダーヘッドを急冷した。この支持台は、Ｃｕ合金からなり、この支持台の接触部は、シリンダーヘッドのチャンバーに倣う形状を有する。このシリンダーヘッドをこの支持台に支持させると、このシリンダーヘッドとこの支持台とは面接触する。この支持台の流路に流す冷却媒体として、水を用いた。

比較例２では、支持台を除いて、実施例２と同じ構成の焼入れ準備工程で、このシリンダーヘッドを急冷した。比較例２で用いた支持台は、鋳鉄、具体的には、ＪＩＳ規格に定められるＦＣ２５０に相当する材料からなることを除いて、実施例２で用いた支持台と同じ構成を有する。

図８は、焼入れ準備工程での経過時間に対するアルミニウム合金鋳造材の温度を示すグラフである。縦軸は、アルミニウム合金鋳造材の温度［℃］を示し、横軸は、焼入れ準備工程での経過時間［min］を示す。図８に示すように、実施例２では、冷却速度が、目標冷却速度３℃／minよりも高かった。一方、比較例２では、冷却速度が、目標冷却速度３℃／minよりも低かった。

（各製造条件の検証実験）
次に、アルミニウム合金部材の製造方法を用いて、上記した実施の形態１に係るアルミニウム合金部材の製造方法において、好ましい製造条件を求めるために行った実験について説明する。この用いたアルミニウム合金部材の製造方法は、炉内圧力Ｐｃ、加熱保持工程ＳＴ２における加熱保持時間ｔ_１～ｔ_２、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１の温度Ｔ_１２、及び焼入れ準備工程ＳＴ３における冷却速度Ｒｃを除いて、上記した実施の形態１に係るアルミニウム合金部材の製造方法と同じ製造方法である。

具体的には、アルミニウム合金鋳造材として、ＡＣ２Ｂ合金を用いた。大気中において、ＡＣ２Ｂ合金からなる溶湯を、舟型状のキャビティを有する金型（ＪＩＳ７号）に注いだ後、自然冷却させて凝固させることによって、このアルミニウム合金鋳造材を形成した。加熱保持工程ＳＴ２に相当する加熱保持工程では、加熱保持時間ｔ_１～ｔ_２（図１及び図２参照）［min］を０～１５min、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１の温度Ｔ_１２は、所定の加熱保持温度Ｔ_ＳＬ［℃］とし、加熱保持温度Ｔ_ＳＬは、５１０～５６０℃とした。焼入れ準備工程ＳＴ３に相当する焼入れ準備工程では、冷却速度Ｒｃ［℃／min］を０～１５℃／minと設定した。昇温工程ＳＴ１に相当する昇温工程から焼入れ工程までにおける除圧開始時点までの炉内圧力Ｐｃ［ＭＰａ］を０．１～０．１．０ＭＰａとした。

製造した各アルミニウム合金部材試験片について、0.2%耐力、破断伸びを計測した。計測結果を図９、１１、１３、及び１５にそれぞれ示した。

具体的には、まず、加熱保持時間ｔ_１～ｔ_２に対する0.2%耐力、及び破断伸びを、図９に示した。図９は、加熱保持時間に対する0.2%耐力及び破断伸びを示すグラフである。縦軸は、アルミニウム合金部材試験片の0.2%耐力及び破断伸びを示し、横軸は、加熱保持工程での加熱保持時間ｔ_１～ｔ_２を示す。

また、炉内圧力に対する0.2%耐力、及び破断伸びを、図１１に示した。図１１は、炉内圧力に対する0.2%耐力及び破断伸びを示すグラフである。縦軸は、アルミニウム合金部材試験片の0.2%耐力及び破断伸びを示し、横軸は、昇温工程から焼入れ工程における除圧開始時点までの炉内圧力Ｐｃを示す。

また、アルミニウム合金鋳造材Ｗ１の加熱保持温度に対する0.2%耐力、及び破断伸びを、図１３に示した。図１３は、加熱保持温度に対する0.2%耐力及び破断伸びを示すグラフである。縦軸は、アルミニウム合金部材試験片の0.2%耐力及び破断伸びを示し、横軸は、加熱保持工程での加熱保持温度Ｔ_ＳＬを示す。

また、冷却速度に対する0.2%耐力、及び破断伸びを、図１５に示した。図１５は、冷却速度に対する0.2%耐力及び破断伸びを示すグラフである。縦軸は、アルミニウム合金部材試験片の0.2%耐力及び破断伸びを示し、横軸は、焼入れ準備工程での冷却速度Ｒｃを示す。

また、製造した各アルミニウム合金部材試験片の金属組織について、光学顕微鏡やＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）を用いて観察した。また、EPMA（電子プローブマイクロアナライザ）分析も行った。この観察により撮影した画像を図１０、１２、１４、１６～１９に示した。図１０、１２は、実施例の金属組織写真である。図１４は、実施例における金属組織におけるＣｕ含有量分布を示す分布図である。図１６、１７、及び１９は、参考例の金属組織写真である。図１８は、参考例における金属組織におけるＣｕ含有量分布を示す分布図である。なお、ここでは、0.2%耐力２７０ＭＰａ以上、及び破断伸び２％以上を、良好な値と判断した。

また、図１０、１６に示す加熱保持時間ｔ_１～ｔ_２以外の製造条件は、加熱保持温度Ｔ_ＳＬ５５０［℃］、冷却速度Ｒｃ５［℃／min］と、炉内圧力Ｐｃ０．９［ＭＰａ］と設定した。図１２、１７に示す炉内圧力Ｐｃ［ＭＰａ］以外の製造条件は、加熱保持時間ｔ_１～ｔ_２１０［min］、加熱保持温度Ｔ_ＳＬ５５０［℃］、冷却速度Ｒｃ５［℃／min］と、と設定した。図１４、１８に示す加熱保持時間ｔ_１～ｔ_２以外の製造条件は、加熱保持温度Ｔ_ＳＬ５４０～５５５［℃］、冷却速度Ｒｃ３［℃／min］と、炉内圧力Ｐｃ０．６［ＭＰａ］と設定した。図１９に示す冷却速度Ｒｃ以外の製造条件は、加熱保持時間ｔ_１～ｔ_２５［min］、加熱保持温度Ｔ_ＳＬ５４０～５５５［℃］、と、炉内圧力Ｐｃ０．６［ＭＰａ］と設定した。

図９に示すように、加熱保持時間ｔ_１～ｔ_２が５min未満では、0.2%耐力があまり変化しない一方、破断伸びが向上した。加熱保持時間ｔ_１～ｔ_２が５minを超えると、0.2%耐力も破断伸びもあまり変化することなく、良好な値を維持した。加熱保持時間ｔ_１～ｔ_２が３min以上、さらに５min以上であると、0.2%耐力、及び破断伸びが良好な値をとるため、好ましい。

図１０に示すように、加熱保持時間ｔ_１～ｔ_２が５minである場合のアルミニウム合金部材試験片の金属組織では、共晶Ｓｉの多くが分散しており、そのほとんどが球状である。一方、図１６に示すように、加熱保持時間ｔ_１～ｔ_２が０minである場合のアルミニウム合金部材試験片の金属組織では、共晶Ｓｉが偏在しており、その殆どが針状である。加熱保持時間ｔ_１～ｔ_２が５min以上であると、0.2%耐力、及び破断伸びが良好な値をとった理由の一つとして、アルミニウム合金部材試験片の金属組織において、共晶Ｓｉの多くはアスペクト比が小さくなっており、そのほとんどが球状であることが考えられる。

続いて、図１１に示すように、炉内圧力Ｐｃが０～０．７ＭＰａでは、炉内圧力Ｐｃが増加するにつれ、0.2%耐力、及び破断伸びが向上した。炉内圧力Ｐｃが０．７～１．０ＭＰａではと、0.2%耐力も破断伸びもあまり変化することなく、良好な値を維持した。炉内圧力Ｐｃが０．６～０．９ＭＰａであると、0.2%耐力、及び破断伸びが良好な値をとるため、好ましい。

図１２に示すように、炉内圧力Ｐｃが０．７ＭＰａである場合、アルミニウム合金部材試験片の金属組織では、巣や空孔が殆ど無かった。一方、図１７に示すように炉内圧力Ｐｃが０．５ＭＰａである場合、アルミニウム合金部材試験片の金属組織では、巣や空孔が残存している。炉内圧力Ｐｃが０．６～０．９ＭＰａであると、0.2%耐力、及び破断伸びが良好な値をとった理由の一つとして、アルミニウム合金部材試験片の金属組織において巣や空孔が圧潰されて、殆ど残存しなくなったことが考えられる。

続いて、図１３に示すように、加熱保持温度Ｔ_ＳＬが５３０℃以上で0.2％耐力と破断伸びが高く、５５０±５、即ち、５４５～５５５℃である場合、0.2%耐力、及び破断伸びがピークであった。すなわち、加熱保持温度Ｔ_ＳＬが５３０℃以上５６０℃以下、さらには、５４５～５５５℃であると、0.2%耐力、及び破断伸びが良好な値であるため、好ましい。

図１４に示すように、加熱保持温度Ｔ_ＳＬが５５０℃である場合、Ｃｕ原子が、アルミニウム合部材試験片の金属組織において均一に分散している。図１８に示すように、加熱保持温度Ｔ_ＳＬが５２０℃である場合、Ｃｕ原子が、アルミニウム合金部材試験片の金属組織において偏在している。加熱保持温度Ｔ_ＳＬが５３０℃以上５６０℃以下、さらには、５４５～５５５℃である場合、0.2%耐力、及び破断伸びが良好な値をとった理由の一つとして、Ｃｕ原子が、アルミニウム合金部材試験片の金属組織において均一に分散していることが考えられる。

続いて、図１５に示すように、冷却速度Ｒｃが０～５℃／minでは、冷却速度Ｒｃが高まるにつれ、0.2%耐力、及び破断伸びが向上した。冷却速度Ｒｃが５℃／min以上では、0.2%耐力、及び破断伸びが一定となった。すなわち、冷却速度Ｒｃが３℃／min以上、さらには、５℃／min以上であると、0.2%耐力、及び破断伸びが良好な値であるため、好ましい。

図１０に示すように、冷却速度Ｒｃが５℃／minである場合、アルミニウム合金部材試験片の金属組織において、共晶Ｓｉが微細かつ球状化している。図１９に示すように、冷却速度Ｒｃが０．８℃／minである場合のアルミニウム合金部材試験片の金属組織において、共晶Ｓｉは、図１０に示す共晶Ｓｉと比較して、粗大、かつ、塊状である。塊状とは、具体的には、略回転楕円体、又は略楕円体である。冷却速度Ｒｃが５℃／min以上である場合、0.2%耐力、及び破断伸びが良好な値をとった理由の一つとして、アルミニウム合金部材試験片の金属組織において、共晶Ｓｉが微細かつ球状化していることが考えられる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１ 加圧炉
１ａ 本体 １ｂ 扉
１ｃ 内側空間
２ ミストノズル ３ 流体ノズル
４ 支持台
４ａ 接触部 ４ｂ ベース
４ｃ 流路
ＣＭ１ 冷却媒体
Ｐｃ 炉内圧力 Ｒｃ 冷却速度
ＳＴ１ 昇温工程 ＳＴ２ 加熱保持工程
ＳＴ３ 焼入れ準備工程 ＳＴ４ 焼入れ工程
Ｔ_１２ 温度
ｔ_１-ｔ_２ 加熱保持時間
Ｔ_Ｓ 液相出現温度 Ｔ_Ｌ 液相線温度
Ｔ_Ｒ 常温
Ｔ_ＳＬ 加熱保持温度 Ｔ_Ｓ-Ｔ_Ｌ 固液共存温度域
Ｗ１ アルミニウム合金鋳造材 Ｗ１ａ 凹曲面部
ΔＴ 差分温度

Claims (2)

1. 質量％で、Ｃｕ：２．０～５．５％、Ｓｉ：４．０～７．０％を含有し、Ｍｇ：０．５％以下、Ｚｎ：１．０％以下、Ｆｅ：１．０％以下、Ｍｎ：０．５％以下に限定し、残部がＡｌと不可避的不純物とからなるアルミニウム合金鋳造材を用いたアルミニウム合金部材の製造方法であって、
   前記アルミニウム合金鋳造材を固液共存温度域の範囲内において加熱保持温度５３０℃以上、かつ、加熱保持時間３min以上で加熱保持する加熱保持工程と、
   前記加熱保持工程の後、前記アルミニウム合金鋳造材を急冷する焼入れ工程と、を含み、
   前記加熱保持工程から前記焼入れ工程に移行するまでの焼入れ準備工程において、
   固液共存温度域から液相出現温度を下回る所定の温度まで前記アルミニウム合金鋳造材を冷却速度３℃／min以上で急冷し、
   前記加熱保持工程及び前記焼入れ準備工程では、前記アルミニウム合金鋳造材を加圧炉の内側に配置することによって、前記加圧炉の内側空間の炉内圧力が０．６ＭＰａ以上である加圧環境下に置き、
   前記加圧炉の内側には、ノズルが設けられ、
   前記焼入れ準備工程では、前記ノズルから前記アルミニウム合金鋳造材へ冷却用ガス媒体、或いはミストを噴射することによって、前記アルミニウム合金鋳造材を急冷する、
   アルミニウム合金部材の製造方法。
2. 前記加圧炉の内側には、前記アルミニウム合金鋳造材と接触する接触部が設けられ、
   前記接触部は、前記アルミニウム合金鋳造材の形状に倣う形状を備え、
   前記接触部の内部には、流路が設けられ、
   前記焼入れ準備工程では、冷却媒体を前記流路に流すことによって、前記アルミニウム合金鋳造材を急冷する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金部材の製造方法。

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