JPH0328341A - アルミニウム―ストロンチウム母合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、アルミニウム−ストロンチウム母合金の調製
方法、この方法で得られる母合金並びに溶融アルミニウ
ム−シリコン合金の固化中の組織調質材（ｓｔｒｕｃｔ
ｕｒｅ　ｒｅｆｉｎｅｒ）としての、これらの母合金の
使用に間する． アルミニウム−シリコン合金は、航空機部品、ピストン
やバルブスリーブなどの内燃機関部品としての鋳造製品
の製造に広く用いられている．好適なく高度な〉品質の
鋳造製品を得るには、固化中に比較的小さなシリコン結
晶の形戒を誘発するために、溶融合金に組織調質材を添
加することが重要である。このようにして得られた鋳造
製品は、組織調質材を使用しない場合と比較して、機械
的特性、延性及び強度が増加する． この明細書中で組織調質材という用語は、溶融金属若し
くは合金に添加並びに混合及び／又は溶解後、それ自身
あるいは新規に形成される化合物のいずれかが、組織調
質材が用いられなかった場合よりも固化中により小さい
結晶の形戒を誘発する化合物あるいは組成物に対して用
いられる．現在まで、ナトリウムが前述したアルミニウ
ム−シリコン合金用の組織調質材として、特に共晶若し
くは，亜共晶アルミニウム−シリコン合金、つまり、１
２重景％以下のシリコンを含む合金用に使用されてきた
。特に最近では、ストロンチウムがナトリウムのかわり
に使用されてきている。何故ならば、ナトリウムよりも
良好な組織調質効果があり、しかもより経済的で（ナト
リウムと比較ｌト すると燃え廚きロスが少ない）、危険性の低い工程であ
るからである． 亜共晶アルミニウム−シリコン合金の固化中では、まず
、共晶組成物が得られるまで最初にアルミニウム結晶が
形成し、その後同時にシリコン結晶とともにアルミニウ
ム結晶が形戒する。シリコン結晶は針状形態で、組ｍ調
質材を使用しない場合には、かなり大きい結晶である．
組織調質材を用いると、これらのシリコン結晶は比較的
小さく，なり、！ｌ維様の特性を示し、上記の改良され
た特性をもたらす． アルミニウム−ストロンチウム母合金を溶解すると、ア
ルミニウム−ストロンチウム金属間化合物（＾Ｚ．Ｓｒ
）の小粒子が遊離し、次いで溶解して溶液中にストロン
チウムが供給される．その後、固化巾にストロンチウム
はシリコン結晶数を実質的に増加させ、少数の大きな結
晶の代わりに多数の微結晶を与えると考えられる。

ストロンチウムは純金属として、あるいは母合金として
、アルミニウム−シリコン溶融物に添加しうる．金属ス
トロンチウムの添加は結構厄介なので、ストロンチウム
は主に母合金の形態で添加される。この関連文献として
、米国特許第４．００！ＩＪ；０２Ｂ号にはストロンチ
ウムーシリコンーアルミニウム母合金が記載されており
、米国特許第３，５６７，４２９号にはストロンチウム
ーシリコン母合金について述べられている．上記の特許
で述べられている母合金の調製方法は、しかしながら、
相当困難で割高である．更にこのようにして得られた母
合金は、調質効果が十分に得られる前に、５〜３０分の
間の接触時間を有する．これらの合金は、特に八〇　ｌ
ｂ丸い微細組織を有している．この粒子の粗乎 さは長い接触時間を宥する結果をもたらし、更に製品の
延性に害を及ぼす。インーラインフィーディング（ｍ　
（ｌａｕｎｄｅｒ）中で添加）が出来るよう番こ迅速に
溶解するアルミニウム−ストロンチウム母合金をｒｌＩ
Ｉ！！する試みがなされており、これによりコイル状に
巻き取ったり、コイルから取り出すことが可能となるの
に十分な延性を有するものとなる。

しかしながら、従来法で鋳造されたアルミニウム−スト
ロンチウム母合金の溶解速度は、特に合金中のストロン
チウム量が５重量％以上では遅い．更にはこれらの合金
は通常大変脆く、従来のコイルフィーダーを使用できな
い程である．例えば、米国特許第４，５７６，７９１号
を参照されたい．特にストロンチウムの酸化速度が大き
いことを考慮すると、母合金は好ましくは鋳造直前に添
加されるので、溶解速度が遅いと明らかに不利である。

このことは、特に樋フィーダーの場合に当てはまる．Ｊ
ｅｋｃ的多量のストロンチウムを含む極めて好適なアル
ミニウム−ストロンチウム母合金が溶融合金のアトマイ
ジングによる微粒子化、次いで例えば押出による得られ
た固体粒子の強化によって得うることが、ここに見いだ
された。このようにして得られた母合金は、液状アルミ
ニウム中に急速に溶解し、共晶及び亜共晶アルミニウム
−シリコン合金の効果的な組織調質材としての使用に非
常に適している。これらが高延性（伸び率〉５〜１０％
）を有することから、従来のコイルフィーダーを用いる
インーラインフィーディングが可能である．本発明は、
従って、３〜３０重量％のストロンチウムを含み残余が
アルミニウムである溶融合金をアトマイジングして微粒
子化すること、固体粒子を得るために微粒子化された小
滴の急冷並びに、得られた固体粒子を強化すること（ｃ
ｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ）からなる、溶融アルミニウ
ム−シリコン合金の固化における組織調質材としての使
用（３）途）に適したアルミニウム−ストロンチウム母
合金の調製方法に関する。

上述方法により得られる母合金は、アルミニウム−シリ
コン合金用、特に共晶並びに亜共晶合金用に非常に効率
的な組織調質材である．鋳造合金中に取り込まれるスト
ロンチウムの量は、極めて高く、一般的に９５〜１００
％である。通常の条件下では、添加の際にガスのピック
アップはなく、またドロス形成が極度に少ないか、また
はないこともある．母合金は、活性でなければならない
アルミニウム−シリコン合金中で、冷却速度が速くても
遅くても効果的である．溶解速度は速い（通常２分以下
）．ストロンチウム含量の少ない従来の鋳造アルミニウ
ム−ストロンチウム母合金と比較して、温度損失が比較
的少ない．得られた合金は非常に延性があるので，合金
はワイヤーあるいは、コイル状に製造されても良く、こ
のようにして、従来のコイルフィーダーを用いて合金を
フィードすることが可能になった． ストロンチウム量は好ましくは５〜２５重量％であり、
より好ましくは７．５〜１５重量％である。更に、母合
金中には１種以上の少量の元素、例えば鉄及びシリコン
が存在してもよい。通常のｌｆｉＪｔの不純物も存在し
うる． 晶に対して非常に良好な組織調質作用を示し、得られた
アルミニウム−シリコン鋳造合金はより改良された特性
を有するので、好ましい実施態様では、母合金はこれら
の元素を含む．チタン量は適切には０．５〜５重量％で
、ホウ素量は適切には０．０２〜２重量％である．好ま
しくはチタン量は１〜３重景％で、ホウ素量は０，０５
〜ｌ重量％である．溶融合金のアトマイジングによる微
粒子化（ａｔｏａｉｓａｔｉｏｎ）は、当業界で公知の
方法で行いうる．一般的には、この微粒子化工程は液状
金属流のいずれかの粉末化工程として述べられており、
溶融金属流は小液滴に、通常は球状、長円形、楕円型、
円い円筒状などの形に崩壊する．ガスの高圧ジェットの
衝突によって引き起こされる液体流の崩壊は、通常ｒガ
スアトマイゼーション』と言われる．液体流を崩壊させ
るために遠心力を用いる場合は、ｒ遠心アトマイゼーシ
ョン１として知られている。

真空中での微粒子化は、『真空アトマイゼーション』と
して知られている。崩壊のために超音波エネルギーを用
いたものは、ｒ超音波アトマイゼーション１と称される
。微粒子化工程中に形戒された液滴は冷却されて、飛行
中に固化し、固体粒子ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｖｏｌｕｍｅ　
７，Ｐｏｗｄｅｒ　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ，ｐ２５〜５
１並びにその中の記載文献を参照されたい。特にアルミ
ニウムの微粒子化に関する総説として、同上文献の１２
５〜１３０ページ及びそこに引用された文献を参照され
たい． 本発明中の方法で使用しうる非常に適切な微粒子化工程
はガスアトマイゼーションである。液状合金流がノズル
を通過すると、それは小液滴に微粒子化されて、いわゆ
る微粒子化チャンバー（ａｔｏｓｉｓａｔｉｏｎ　ｃｈ
ａｍｂｅｒ）の中を通っての飛行中にこの液滴は冷却さ
れる．適切な微粒子化ガスは、空気である。窒素及びア
ルゴンを使用しても良い．一般的な金属流の速度は、５
〜６０ｋｇ／ｓｉｎの間で、特に１０〜４５ｋｇ／ｗｉ
ｎの奸苓ｔ変動しうる。一般的にガス流速は２〜１２ｍ
’／ｓｉｎの間で、特に４〜８−／餉ｉｎの間で変動し
うる。ガス圧は、好適には５００〜５０００ｋＰａの範
囲から選択される．溶融合金の温度は、適切には合金の
融点から、融点より５０〜２５０℃、特に１００〜１５
０℃高い温度までの範囲から選択される。

微粒子化した液滴は冷却されて、微粒子化チャンバー中
を飛んでいる間に固化する。このチャンバーは不活性ガ
スでパージされる．粉体は、乾燥粒子として集められる
か、あるいはチャンバーの底で水で冷却される．乾燥収
集法では、収集チャンバーの底に到達する前に粉体粒子
が完全に固化するようにするために、微粒子化チャンバ
ーは通常かなり大きく、例えば少なくとも６〜１０メー
トルである．微粒子化工程は垂直方向に（上向きあるい
は下向き〉あるいは、水平方向に行われてもよい 上述のガス微粒子化工程での冷却速度は、適切には５０
〜１０４℃／Ｓで、好ましくは１００〜１０１Ｃ／ｓで
あり、この速度は例えば直冷鋳造のような従来の鋳造工
程における冷却速度（０．００１〜１０゜Ｃ　／ｓ）よ
りもかなり速い． 本発明の方法に好ましい微粒子化工程は、遠心アトマイ
ゼーションである．この工程では溶融金属流を微粒子化
チャンバーの上部にある、急速回転ディスクあるいはカ
ップ上に衝突させる。液状金属は、機械的に微粒子化さ
れて、ディスクあるあるいは穴を有してもよい。回転体
は飼えば金属あるいはセラミック材から作られる。一般
的な金搬菖Ｃは、４　〜６０ｋｇ／ｍ　ｉ　ｎの間、特
に８　〜４５ｋｇ／ｍ　ｉｎの間を変動しうる。溶融合
金の温度は、適切には合金の融点から、融点より５０〜
２５０℃高い温度、特に１００〜１５０℃高い温度まで
の範囲から選択される．微粒子化された液滴は、冷却さ
れて微粒子化チャンベー中を飛んでいる間に固化する。

微粒子化チャンバーの高さは、底に到達する前に粉体粒
子が完全に固化するようにするために通常かなり大きく
、例えば、６〜１０メートルである．得られた粒子の直
径は、通常５０〜５０００Ｂ、好ましくは１０（１−４
０００ｕｍｌある。この工程での冷却速度は、適切には
５０〜１０４℃／Ｓ、好ましくは１０２〜１０’℃／Ｓ
である。

得られた粉体の強化は、従来の機械的な手法を用いて行
いうる。この点については、Ｍｅｔａｌｓ　Ｈａｎｄｂ
ｏｏｋ，９ｔｈ　ｅｄｉｔｉｏｎ，特に’Ｖｏｔｕｍｅ
　７、ＣｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎｏｆＭｅｔａｌ　Ｐ
ｏｗｄｅｒｓ，２９３ベージｆｒを参照されたいや強化
工程では、コヒーレントな金属構造が得られる。網状物
も製造しうるが、通常はビレット、ロッド、ストリップ
、ワイヤ、並びにチューブ製品が製造される。好ましい
強化手法は押出であり、金属粒子は適当な形のオリフィ
スやダイを通って押出される。冷間押出が通常適切であ
るが、しかし熱間押出も用いうる． 鋳造合金に添加される母合金の量は、一般的に望ましい
程度の組織調質が得られるように選択される．実際の量
は、処理される特定のアルミニウム−シリコン合金の構
造、冷却速度及び望ましい組織調質処理の度合によって
各々の場合毎に決定しうる．一般的に母合金は、合金中
に少なくともストロンチウム０．００２％（ｗ／ｗ）、
好ましくは０．０１〜０．１％（ｗ／ｗ＞、より好まし
くは０．０１５　〜０．０５％（ｗ／ｗ）を導入する量
で、溶融アルミニウム−シリコン合金中に添加される． 前記母合金の使用は、共晶及び亜共晶アルミニウム−シ
リコン合金の場合に特に適切である。この合金中のシリ
コン量は３〜１２％、特に６〜ｌ１％の間で変動する、
更に、合金中には、少量の他の元素、例えば鉄（３％以
下）、銅（６％以下）、マンガン（１％以下）、マグネ
シウム（２％以下）、ニッケル（３％以下）、クロム（
１％以下）、亜鉛（３％以下）並びに、錫（１％以下）
が存在してもよい．よむ た、通常の微量不純物が存在してもよい。

本発明は、更に上記方法により得られる母合金、及びア
ルミニウム−シリコン鋳造合金の固化中での組織調質に
おけるこれらの母合金の使用に関する．本発明はまた、
アルミニウム−シリコン合金、特に共晶及び亜共晶アル
ミニウム−シリコン合金の固化における組織調質方法並
びに、これらの合金から製造された製品及び、このよう
にして調製されたアルミニウム−シリコン合金にも関す
る．誘導炉中８９０℃の温度で、１０重量％のストロン
チウムを含有し残余がアルミニウム（９９．７％）の溶
融合金を、８ｍの高さを有する微粒子化チャンバーの頂
部に５４０ｋｇ／ｈの速度で注いだ．小さな固体粒子を
微粒子化チャンバーの底から収集して、冷間押出プレス
にフィードした。公称直径１０１の＾ｌ１０Ｓｒロッド
が得られ、これを組織調質実験に使用する．ロッドはコ
イルに巻かれてもよく、あるいはカットしてから使用し
ても良い．ミクロ組織を図１に示す． 夏東ＬＬ ８％のストロンチウム、１％のチタン、０．２％不−７ のネ＃掌を含み残余がアルミニウム（９９．７％冫であ
る溶融合金を用いて、９５０℃で、実施例１を繰り返し
た．押出後、延性のあるロッドが得られた。

Ｘ遍１ １０％のストロンチウム、１％のチタン、０．２％牛覧
／ の≠＃祷を含み残余がアルミニウム（９９．７％）であ
る溶融合金を用いて、９５０℃で、実施例】を繰り返し
た．押出後、延性のあるロッドが得られた。

及東燵上 ３．５％のストロンチウム、１％のチタン、０．２％叶
・−ゾ のキ＃黍を含み残余がアルミニウム（９９．７％）であ
る溶融合金用いて、８７５℃で、実施例１を繰り返した
．押出後、延性のあるロツドが得られた。

え１燵ｉ １５重景％のストロンチウムを含むアルミニウム−スト
ロンチウム合金を用いて、実施例１を繰り返した．押出
後、延性のあるロッドが得られた．鋳造温度は９９０℃
であった． 及尤燵Ｌ 実施例１〜５で製造された母合金を、アルミニウム−７
％シリコン−０．４％マグネシウム合金の結晶粒調質用
に用いた．ストロンチウムの添加量は最終合金の０．０
３重量％であった．鋳造合金の冷却速度は８℃−／Ｓで
あった．処理鋳造合金と未処理鋳造合金の顕微鏡検査に
おいて、明らかな組織調質が生起したことが認められた
．図２ａと図２ｂに、実施例ｌで冷却速度５００℃／Ｓ
で調製された母合金の場合についての、処理合金と未処
理合金の組織が示されている（倍率　５００倍）。

ールした＾ｆ−３．５％Ｓｒロッドと比較した。＾１−
１０％Ｓｒロッドの溶解速度は明らかに速く（約２倍）
、より高含量の、より少量の母合金から、等量のストロ
ンチウムを含む鋳造合金が得られた。アルミニウム−ス
トロンチウムインゴットの溶解にかかった時間は、かな
り長かった．結果を図３に、溶解時間（＋＋＋）に対す
るストロンチウム添加収量（％）としてグラフの形で示
す。この図のＬＡ１は＾ｌ−１０％Ｓｒロッド（実施例
１）の溶解速度を、線２は従来の鋳造しロールした＾１
−３．５％Ｓｒロッドの溶解速度を、線３は＾１−５％
Ｓｒインゴットの溶解速度を、Ｉ１４は＾ｉ−１０％Ｓ
ｒ−１４％Ｓｉインゴットの溶解速度を表す．

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例１の１０重量％のストロンチウムを含
有する溶融合金のミクロ組織を示す図である。 第２ａ図は、実施例６における冷却速度５００’Ｃ／ｓ
で調製された母合金を用いた処理合金のミクロ組織を示
す図である。 第２ｂ図は、実施倒６における未処理合金のミクロ組織
を示す図である。

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. （１）３〜３０重量％のストロンチウムを含み、残余が
   アルミニウムである溶融合金をアトマイジングして微粒
   子化すること、微粒子化した液滴を急冷して固体粒子を
   得ること並びに得られた固体粒子を強化することからな
   る、溶融アルミニウム−シリコン合金の固化における組
   織調質材としての使用に適した、アルミニウム−ストロ
   ンチウム母合金の調製方法。
2. （２）アルミニウム−ストロンチウム母合金が、５〜２
   ５重量％のストロンチウムを含む、請求項１記載の方法
   。
3. （３）アルミニウム−ストロンチウム母合金が、７．５
   〜１５重量％のストロンチウムを含む、請求項２記載の
   方法。
4. （４）アルミニウム−ストロンチウム母合金がアルミニ
   ウムとストロンチウムに加えて１〜１０重量％のチタン
   及び／または０．０２〜４重量％のホウ素を含む、請求
   項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. （５）アルミニウム−ストロンチウム母合金が２〜５重
   量％のチタン及び／または０．０５〜２重量％のホウ素
   を含む、請求項４記載の方法。
6. （６）微粒子化工程がガスアトマイゼーション工程であ
   る、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. （７）微粒子化工程が真空アトマイゼーション工程であ
   る、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
8. （８）微粒子化工程が超音波アトマイゼーション工程で
   ある、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
9. （９）微粒子化工程が遠心アトマイゼーション工程であ
   る、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
10. （１０）遠心アトマイゼーション工程が、急速回転ディ
    スクまたはカップを用いて行われる、請求項９記載の方
    法。
11. （１１）急速回転ディスクまたはカップに、羽根または
    穴が備えられている、請求項１０記載の方法。
12. （１２）微粒子化工程中の冷却速度が１０＾２〜１０＾
    ５℃／ｓである、請求項１〜１１のいずれかに記載の方
    法。
13. （１３）冷却速度が１０＾２〜１０＾４℃／ｓである、
    請求項１２記載の方法。
14. （１４）強化工程が押出工程である、請求項１〜１３の
    いずれかに記載の方法。
15. （１５）押出工程が冷間押出工程である、請求項１４記
    載の方法。
16. （１６）実質的に上記され、特定的に実施例に記載され
    た、請求項１記載の方法。
17. （１７）請求項１〜１６に記載された方法のいずれか１
    つまたは２つ以上の方法によって調製されたアルミニウ
    ム−ストロンチウム母合金。
18. （１８）溶融アルミニウム−シリコン合金の固化中の組
    織調質における、請求項１７記載のアルミニウム−スト
    ロンチウム母合金の使用。
19. （１９）請求項１〜１６のいずれか１項以上に従って調
    製されるアルミニウム−ストロンチウム母合金を添加す
    ることを含んでなる溶融アルミニウム−シリコン合金の
    固化中の組織調質方法。
20. （２０）請求項１９記載の方法により調製されるアルミ
    ニウム−シリコン合金から製造された製品。