JPH05115954A

JPH05115954A - アルミニウム合金の製造方法

Info

Publication number: JPH05115954A
Application number: JP26114091A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiko Ozawa; 澤保彦小
Original assignee: Soken Kagaku KK
Current assignee: Soken Kagaku KK
Priority date: 1991-09-12
Filing date: 1991-09-12
Publication date: 1993-05-14

Abstract

(57)【要約】【構成】本発明のアルミニウム合金の製造方法では、異
種金属が配合されたアルミニウム合金を、この合金の融
点の１／２以上の温度に予熱された鋳型に溶融状態で充
填した後、充填されたアルミニウム合金と鋳型と界面に
おいてこの合金が液相および固相の両者を呈する温度±
１０℃の範囲内の温度で、少なくとも該アルミニウム合
金の処理面に、３０Kgf/cm²以上の圧力を０．００１〜
０．５秒間印加して、このアルミニウム合金の体積を
６．４〜７．６％減少させている。【効果】本発明の方法によれば、金属間化合物を層状に
生成させることができ、結晶粒が微細化し、添加金属が
合金表面に生成して遊離または分離を起しにくく、得ら
れる合金の傾斜機能、耐熱性および機械的特性が飛躍的
に向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は、ダイカスト法によりアル
ミニウム基地合金に金属間化合物を選択的に生成させる
アルミニウム合金の製造方法に関する。

【０００２】

【発明の技術的背景】近年、アルミニウムにＭｇ、Ｓ
ｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、ＣｕおよびＭ
ｏ等の金属を主添加、複合添加または複々合添加したア
ルミニウム合金が広汎に使用されている。

【０００３】このアルミニウム合金は、アルミニウム
（アルミニウム基地合金またはアルミニウム基地）に上
記金属を添加して溶融した被鋳造合金を、予め加熱した
鋳型（金型）に流し込み、次いで鋳型を冷却することに
より製造される。従来のアルミニウム合金の製造工程に
おいて、溶融状態にある被鋳造合金は、層流条件を維持
する程度の圧力を賦与して鋳型へ流し込まれており、ま
た鋳型の冷却速度も特に調整されていないのが一般的で
ある。

【０００４】一般に金属は、溶融状態から固体状態に移
行する際に受ける熱履歴により、金属表面の結晶組織が
種々変化することが知られている。例えば、従来から金
属材料は、焼入れ、焼なまし、焼もどしなどの方法によ
り金属材料の冷却条件を変えることにより、得られる金
属合金の結晶組織を改変する方法が採られており、こう
して冷却条件を変えることにより結晶組織を緻密して合
金の強度を上げることが可能になる。

【０００５】ところが、アルミニウム合金の製造工程に
おいては、上述のように冷却条件などを調整する操作は
採られていないため、液相から析出凝固する添加金属の
凝固界面での溶質濃度変化を調整することができない。
このためアルミニウム基地合金からなる被鋳造合金で
は、金属間化合物を層状に生成させることが困難であ
り、また、生成する結晶粒が大きくなりやすいため、添
加金属が鋳造物の表面に析出して遊離または分離が起り
やすくなる。そして、従来の被鋳造合金の製造方法で
は、これらが原因となって、機械的特性などの諸特性の
低下、さらに、表面電気特性の低下および表面処理性の
低下などの問題を招来していた。

【０００６】一方、アルミニウム合金のダイカスト成形
法において、液相状態から急冷することにより、1.結晶
粒の微細化、2.固溶液の上昇、3.新相の出現、4.非晶質
の実現などが期待できる。しかしながら、ダイカスト成
形法における急冷には限度があり、また鋳型設計にも制
約があり、実際には、ダイカスト成形法において、急冷
により得られる合金の特性を制御するのは非常に困難で
ある。

【０００７】ところで、アルミニウム合金を金型鋳造す
る際に、溶湯に金型機構を用いて加圧して、成型時の溶
湯金属内に生じた収縮ミクロポロシティー（鋳巣）を除
去する方法が知られている。この収縮ミクロポロシティ
ーを除去する方法で使用される金型には、溶湯中に含有
される気体を金型外に排出するためのスリットおよびオ
ーバーフロー部等が設けられているのが一般的であり、
従って、収縮ミクロポロシティーを除去ために溶湯に圧
力を加えても、溶湯の体積は殆ど変化しない。

【０００８】

【発明の目的】本発明は、優れた傾斜機能、耐熱および
機械的特性などを有する画期的なアルミニウム合金素材
を製造する方法を提供することを目的としている。

【０００９】

【発明の概要】本発明のアルミニウム合金の製造方法
は、アルミニウムに異種金属が配合されたアルミニウム
合金を、該アルミニウム合金の融点の１／２以上の温度
に予熱された鋳型に溶融状態で充填した後、充填された
アルミニウム合金と鋳型と界面において該アルミニウム
合金が液相および固相の両者を呈する温度±１０℃の範
囲内の温度で、少なくとも該アルミニウム合金の処理面
に、３０Kgf/cm²以上の圧力を０．００１〜０．５秒間
印加して、該アルミニウム合金の体積を６．４〜７．６
％減少させることを特徴としている。

【００１０】本発明のアルミニウム合金の製造方法によ
れば、被鋳造合金の凝固反応に際して、凝固界面におけ
る添加金属の溶質濃度変化を引き起こすことができると
共に、添加金属の結晶の生成位置を選択的に特定するこ
とができるので、合金の冷却特性に変化を与えることが
できる。

【００１１】従って、本発明によれば、従来技術では達
成できなかったアルミニウム基地合金からなる被鋳造合
金中において金属間化合物を層状に生成させることも可
能になると共に、生成する結晶粒が微細化する。さら
に、添加金属の結晶粒の生成位置を特定できるため、添
加金属が合金表面に生成して遊離または分離を起すこと
がなく、得られる合金の傾斜機能、耐熱性および機械的
特性などが飛躍的に向上する。

【００１２】

【発明の具体的説明】次に本発明のアルミニウム合金の
製造方法について具体的に説明する。本発明の方法で製
造される合金は、アルミニウムと、添加異種金属とから
なる合金である。

【００１３】ここで使用される添加異種金属としては、
従来からアルミニウム合金を製造する際に使用されてい
る種々の金属を用いることができる。具体的な例として
は、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、
ＣｕおよびＭｏを挙げることができる。これらの添加異
種金属は単独であるいは組み合わせて配合することがで
きる。

【００１４】これらの添加異種金属が配合されるアルミ
ニウムとしては、純度１００％のアルミニウムから、純
度８２％程度までのアルミニウムを使用することができ
る。純度１００％以外のアルミニウムには、通常は、Ｍ
ｇ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｕあ
るいはＭｏ等の金属が含有されている。

【００１５】本発明の方法は、上記のようなアルミニウ
ムおよび添加異種金属を配合したアルミニウム含有率が
９２〜８０重量％のアルミニウム合金を製造するのに適
している。従って、合金中に添加異種金属は、通常は８
〜２０重量％の範囲内の量で含有されている。さらに、
合金中におけるそれぞれの添加異種金属の含有率は、得
られる合金の用途などを考慮して適宜設定することがで
きるが、具体的には、通常、Ｍｇの含有率は０〜１２重
量％、Ｓｉの含有率は０〜１５重量％、Ｔｉの含有率は
０〜０．５重量％、Ｖの含有率は０〜０．５重量％、Ｃ
ｒの含有率は０〜０．５重量％、Ｍｎの含有率は０〜４
重量％、Ｚｎの含有率は０〜８．５重量％、Ｆｅの含有
率は０〜３重量％、Ｃｕの含有率は０〜５重量％、そし
てＭｏの含有率は０〜１重量％の範囲内に設定される。

【００１６】なお、本発明の方法により得られる合金中
に含有される添加異種金属は、上記のような異種金属を
アルミニウムに添加したものであってもよいし、異種金
属を積極的に添加する前のアルミニウム中に含有されて
いるものであってもよい。

【００１７】本発明においては、得られる合金の組成が
上記範囲内になるようにアルミニウムと異種金属とを配
合して混合した後、加熱溶融する。この加熱温度は、配
合される異種金属の種類により溶融温度が異なるため、
合金組成に対応させて適宜設定することができるが、通
常は６６０〜７２０℃の範囲内の温度に加熱される。

【００１８】こうして溶融状態になったアルミニウム合
金を予熱された鋳型に充填する。鋳型は、充填されるア
ルミニウム合金の融点の１／２以上の温度に加熱されて
いることが必要であり、アルミニウム合金の融点は通常
４７６〜６５７℃の範囲内にあるから、鋳型の予熱温度
は、通常は２３８〜３２９℃以上の温度である。

【００１９】このように予熱された鋳型に溶融状態のア
ルミニウム合金には、いずれの充填圧力条件でも充填す
ることができる。こうして鋳型に充填されたアルミニウ
ム合金に圧力を付加する。この圧力を付加する際のアル
ミニウム合金の温度は、鋳型と溶湯との界面におけるア
ルミニウム合金が液相および固相の両者を呈する温度±
１０℃の範囲内にあることが必要である。さらに、溶融
状態にあるアルミニウム合金が、液相から固相に転移す
る際に放出される熱によって上昇した溶湯の温度±３℃
の範囲内の温度で圧力を付加することが好ましい。

【００２０】そして、ここでアルミニウム合金に３０Kg
f/cm²以上、好ましくは４５〜４００Kgf/cm²、さらに好
ましくは４５〜２５０Kgf/cm²の範囲内の圧力を付加す
る。しかも、本発明においては、このような圧力を短時
間にかけることが必要であり、その時間は０．００１〜
０．５秒間、好ましくは０．００５〜０．４秒間、さら
に好ましくは０．０１〜０．５０秒間である。

【００２１】上記のような条件で溶湯に短時間に高い圧
力を付加して、液相および固相の両者を呈しているアル
ミニウム合金の体積を、６．４〜７．６％、好ましくは
６〜７％減少させる。従って、本発明で使用される鋳型
は、上記のようにして加えられる圧力によって、溶湯の
体積が効率よく減少するように設計されていることが望
ましく、従来の収縮ミクロポロシティーの除去に用いら
れている鋳型に設けられているようなスリットあるいは
オーバーフロー部などが形成されていないことが好まし
い。

【００２２】本発明の方法において、圧力はアルミニウ
ム合金の処理面、即ち特性を向上させようとする面に印
加される。この圧力は、処理面に直交する方向から加え
られることが必要である。例えば、図１において、Ｈ鋼
の１で示される横板部分の上部表面近傍の特性を改善し
ようとする場合には、図１に示される矢印３の方向から
圧力を加えることが必要である。このように圧力を加え
ることにより、主に、斜線を賦した部分２、特にＨ鋼の
表面に近い部分の特性が改善される。

【００２３】さらに、圧力は、上記矢印３で示された方
向から印加すると共に、この圧力と対抗する矢印４の方
向からも印加することにより、横板部分１の下部表面近
傍の特性をも改善することができるとともに、横板部分
１の表面からの処理深さが深くなる。

【００２４】本発明の方法においては、アルミニウム合
金が液相および固相の両者が共存し得る一定の温度条件
で、上記のような高圧力をパルス的に短時間印加して溶
湯の体積を減少させることにより、合金中における結晶
の析出状態を制御することができ、これによって得られ
る合金の特性が改善されるのである。

【００２５】圧力を賦与することによりアルミニウム／
シリコン系合金のダイカスト成形における固相発生時間
が短縮される例を表１に示す。

【００２６】

【表１】表１は型温度２８０℃において、成形品の厚さが１５mm
のＡｌ-Ｓｉ系合金のダイカスト成形における圧力によ
る固相発生時間を示した表であり、圧力を印加すること
により固相発生時間が大幅に短縮されることがわかる。

【００２７】金属には、それぞれ固有の結晶生成履歴が
あり、固相発生時間を短縮することにより合金中におけ
る結晶組織を自在に制御できる。すなわち、金属が液体
の状態においては、金属原子は無秩序に配列されてお
り、液体原子の運動エネルギーは固体の運動エネルギー
より大きく、金属原子を規則的に配列すべき結晶の格子
点となる位置に金属原子を固定させることができない程
原子は激しく運動している。

【００２８】この激しく運動する原子を一定の規則性を
有する配列状態に引き戻すのが凝固である。凝固温度付
近の液体は、構造的には、狭い範囲で比較的規則的な配
列に近い配列状態を有していると考えられる（ほぼ固体
に近似する状態）。

【００２９】この前提のもとに、拡散の活性エネルギー
Ｇ（Ｐ）は次式で示される。Ｇ（Ｐ）＝Ｇ（０）＋ＰＶａここでＧ（０）は外圧０のときの活性エネルギーであ
り、Ｖａは拡散のための活性化体積であり、Ｐは圧力で
ある。

【００３０】溶融状態にある合金を凝固させるには、合
金の温度を低下させる方法が一般的に採用されている
が、本発明の方法においては、温度を調整するだけでな
く、溶融合金に圧力を加えて溶湯の体積を減少させるこ
とにより、液相より固相に転移する際の潜熱放出時の溶
融状態にある合金の拡散の活性エネルギーを制御して合
金の結晶化を図っている。

【００３１】すなわち、被凝固合金に対する圧力伝達
（圧力分布）により被鋳造合金中に添加された各元素
（原子）の拡散の高活性化エネルギーを制御して凝固反
応において金属間化合物を生成させることができる。そ
して、この圧力を制御することにより生成する金属間化
合物の生成状態を変えることができるので、鋳造合金の
加圧表面からの深さ方向に対して合金の元素組成を変え
ることができる。凝固状態における固体の拡散速度は通
常は１０^-8cm²／sec程度であり、液体中における原子の
拡散速度は通常は１０^-5cm²／sec程度である。従って、
パルス的に高圧力を加えることにより生成した結晶は拡
散しにくいのに対して、溶融状態にある金属は相当の速
度で移動することができるので、付加する圧力および時
間を制御することにより、結晶の生成位置を選択的に調
整することができるとともに、生成する結晶粒の微細化
を図り、得られる合金の冷却特性を制御することができ
るのである。

【００３２】

【発明の効果】本発明のアルミニウム合金の製造方法に
よれば、被鋳造合金の凝固反応に際して、凝固界面にお
ける添加金属の溶質濃度変化を引き起こすことができる
と共に、添加金属の結晶の生成位置を選択的に特定する
ことができるので、合金の冷却特性に変化を与えること
ができる。

【００３３】従って、本発明によれば、従来技術では達
成できなかったアルミニウム基地合金からなる被鋳造合
金中において金属間化合物を層状に生成させることも可
能になると共に、生成する結晶粒が微細化する。さら
に、添加金属の結晶粒の生成位置を特定できるため、添
加金属が合金表面に生成して遊離または分離を起すこと
がなく、得られる合金の傾斜機能、耐熱性、機械的特性
および表面電気特性などが飛躍的に向上する。

【００３４】

【実施例】次に本発明の実施例を示して説明するが、本
発明はこれによって限定的に解釈されるべきではない。

【００３５】

【実施例１】アルミニウム基地合金Ａ６０６１にバナジ
ウム(V)を０.２重量％（金属換算重量）添加した被鋳造
合金を溶融して、３３０℃に予熱した鋳型に圧力充填し
た。この鋳型は図１に示すような断面Ｈ型の鋳型であ
る。

【００３６】被鋳造合金温度６６０℃±１０℃におい
て、被鋳造合金に２３０Kgf/cm²の圧力を図１に矢印
３，４で示す方向より１／１００秒間印加した後、被鋳
造合金（アルミニウム合金）を凝固させた。

【００３７】得られた鋳造合金の加工表面（圧力を印加
した部分の表面）から深さ方向に測定した距離0〜237μ
ｍ(Ｉ層)、237〜474μｍ(II層)、474〜711μｍ(III
層)、711〜948μｍ(IV層)、948〜1185μｍ(V層)、1185
〜1422μｍ(VI層)、1422μｍ〜(VII層）の各層における
各元素の百分率を測定した。結果を表２に示す。

【００３８】また、表２に記載した分析結果を基にして
作成した各層における組成を示すグラフを図２に示す。
このグラフにおいて、横軸に加圧表面からの距離、縦軸
に添加元素の百分率を示した。また、表２にアルミニウ
ム基地合金Ａ６０６１のＪＩＳ規格における組成を併せ
て記載する。

【００３９】上記図２および表２に示される効果から明
らかなように、アルミニウム基地合金Ａ６０６１の物
性、特性、耐食性に寄与するＭｇ₂Ｓｉを構成するＭｇ
およびＳｉの含有率は、表層部位で高くなり、逆に深部
に移行するにしたがって低減している。

【００４０】なお、本発明において、「AT%」は原子％
を表し、「wt%」は重量％を表す。

【００４１】

【表２】

【００４２】

【実施例２】実施例１において、バナジウムを添加せず
に、かつアルミニウム基地合金Ａ６０６１の代わりに、
アルミニウム基地合金ＡＣ４Ｃを使用した以外は同様に
してアルミニウム合金を調製した。

【００４３】得られた鋳造合金の加工表面（圧力を印加
した部分の表面）から深さ方向に測定した距離0〜237μ
ｍ(Ｉ層)、237〜474μｍ(II層)、474〜711μｍ(III
層)、711〜948μｍ(IV層)、948〜1185μｍ(V層)、1185
〜1422μｍ(VI層)、1422μｍ〜(VII層）の各層における
各元素の百分率を測定した。結果を表３に示す。

【００４４】また、表３に記載した分析結果を基にして
作成した各層における組成を示すグラフを図３に示す。
このグラフにおいて、横軸に加圧表面からの距離、縦軸
に添加元素の百分率を示した。また、表３にアルミニウ
ム基地合金ＡＣ４ＣのＪＩＳ規格おける組成を併せて記
載する。効果として、Ｓｉ成分が中深層部（III層およ
びIV層付近）に集中していることがわかる。

【００４５】図４、図５に上記のようにして得られた鋳
造品Ｈ鋼の断面の表面の顕微鏡写真を示す。図４は鋳造
品Ｈ鋼の圧力が加えられた部分のＨ鋼の中心部分（加圧
による影響が少ない部分）を４００倍の倍率で拡大した
顕微鏡写真であり、図５は表面近傍を１０００倍の倍率
で拡大した顕微鏡写真である。

【００４６】図４〜図５から明かなように効果として、
圧力が加えられたＨ鋼の横板部分の表面近傍（図１の２
で示される部位、即ち「Ｓｉ派生集中部間」）には、添
加されたＳｉと金属とにより形成された針状金属間化合
物が生成していることが確認され、この部位のＳｉの含
有率が多くなり凝集している。この部分は肉眼ではくも
って見える。

【００４７】

【表３】

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例で使用した鋳型の断面形状および圧力の
印加方向を示す図である。

【図２】実施例１で調製したアルミニウム合金Ｈ鋼の深
さ方向おける組成変化を示すグラフである。

【図３】実施例２で調製したアルミニウム合金Ｈ鋼の深
さ方向おける組成変化を示すグラフである。

【図４】実施例２で調製したアルミニウム合金Ｈ鋼の圧
力が加えられた顕微鏡写真である（倍率４００倍）。

【図５】実施例２で調製したアルミニウム合金Ｈ鋼の圧
力が加えられた部分の表面近傍の顕微鏡写真である（倍
率１０００倍）。

【手続補正書】

【提出日】平成４年１１月６日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図２】実施例１で調製したアルミニウム合金Ｈ鋼の深
さ方向における組成変化を示すグラフである。

【図３】実施例２で調製したアルミニウム合金Ｈ鋼の深
さ方向における組成変化を示すグラフである。

【図４】実施例２で調製したアルミニウム合金Ｈ鋼の圧
力が加えられた部分の金属組織の顕微鏡写真である（倍
率４００倍）。

【図５】実施例２で調製したアルミニウム合金Ｈ鋼の圧
力が加えられた部分の表面近傍の金属組織の顕微鏡写真
である（倍率１０００倍）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｂ２２Ｄ 27/20 Ｂ 7011−4ＥＣ２２Ｃ 1/02 Ｑ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウムに異種金属が配合されたア
ルミニウム合金を、該アルミニウム合金の融点の１／２
以上の温度に予熱された鋳型に溶融状態で充填した後、
充填されたアルミニウム合金と鋳型と界面において該ア
ルミニウム合金が液相および固相の両者を呈する温度±
１０℃の範囲内の温度で、少なくとも該アルミニウム合
金の処理面に、３０Kgf/cm²以上の圧力を０．００１〜
０．５秒間印加して、該アルミニウム合金の体積を６．
４〜７．６％減少させることを特徴とするアルミニウム
合金の製造方法。
【請求項２】印加圧力が４５〜４００Kgf/cm²の範囲
内にあることを特徴とする請求項第１項記載のアルミニ
ウム合金の製造方法。