JPH06142891A - 複合軽金属材料の鋳造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 異種材料を分散した複合軽金属材料の鋳造
時の溶湯の粘度を下げて鋳造時の生産性を上げる。 【構成】 アルミニウム合金にアルミナ粒子を含有させ
た複合アルミニウム合金のインゴットを７４０℃で再溶
解し、その溶湯を回転翼で撹拌する。インゴットが溶解
した初期の溶湯は高粘性であるが、撹拌により低粘度化
する。低粘度化した溶湯を用いて鋳造を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は輸送機械や家電製品など
の部品に使用されるアルミニウム合金やマグネシウム合
金などの軽金属材料の鋳造方法に関し、特にそのような
軽金属材料に異種材料としてセラミックス粒子などの強
化材を分散させた複合軽金属材料の鋳造方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウム合金やマグネシウム合金で
は耐摩耗性や耐熱性を向上させるための色々な改良がな
されている。例えば、アルミニウム合金では急冷粉末ア
ルミニウム合金による改良が試みられているが、これは
コストパフォーマンスの点からまだ問題が多い。別の改
良としてセラミックスのプリフォームを先に作成し、こ
れにスクイズなどでアルミニウム合金を含浸させる方法
が行なわれており、この方法はピストンなどに実用化さ
れている。しかし、この方法は、セラミックス短繊維か
らなるプリフォームを作る工程が不可欠であり、そのた
め費用が嵩み、アルミニウム合金の性能は著しく向上す
るものの、コスト高になるのは避けられない。

【０００３】他の改良方法として耐摩耗性や耐熱性の良
好な短繊維や粒子をアルミニウム合金に均一に分散する
方法である。この例としては、アルミニウム合金に最大
で２０体積％の炭化珪素などを分散させた複合合金であ
る Duralcan （Alcan（AsiaLimited）の登録商標）が市
販されようとしている。マグネシウムやマグネシウム合
金においても炭化珪素やセラミックスの粒子などを分散
させることによって耐摩耗性や耐熱性を向上させること
が検討されている。

【０００４】鋳造に用いる軽金属材料は、まずインゴッ
トメーカによってインゴットにされ、鋳造工程ではその
インゴットを溶解して鋳造する。鋳造工程では撹拌のよ
うに溶湯に積極的に外力を加えることはしない。例えば
前述の Duralcan では、溶湯温度を７００℃以上に上げ
ないことと撹拌しないことが注意説明されており、その
主な目的はアルミニウム合金と炭化珪素との反応を促進
しないためであるが、仮にそのような事情がないとして
もインゴットを溶解して鋳造するときは、撹拌などは行
なわず、単に加熱だけを施すのが一般的である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】セラミックスなどの強
化材をアルミニウム合金やマグネシウム合金に添加し分
散させた複合合金は、耐摩耗性などの特性が著しく向上
する反面、インゴットを溶解して得る溶湯の粘度が高く
なるため、鋳造方法に制約を受ける。例えばグラビティ
ー鋳造法では押し湯の径が大きくなり、しかも溶湯を押
す穴が３〜５箇所必要となり、リターン材が多くならざ
るを得ないという欠点がある。また溶湯粘度が高いこと
から生産性の高いダイキャスト鋳造法を適用することは
困難であると考えられている。溶湯温度が上がると粘度
は一般に下がるが、現在購入可能な唯一の複合合金とし
ての Duralcan では溶湯温度を７００℃以上に上げるこ
とは好ましくないし、仮にそのような事情がないとして
も溶湯温度の上昇に伴う溶湯粘度低下の程度は大きくは
ない。

【０００６】本発明者等はアルミニウム合金にセラミッ
クス粒子を分散させて複合合金とする実験において、次
の事実を見出した。アルミニウム合金の溶湯を撹拌しな
がらセラミックス粒子を順次投入し、所定量のセラミッ
クス粒子を投入して複合合金の溶湯とする。その状態の
溶湯粘度が比較的低い場合であっても、その溶湯を一度
インゴットとした後に再溶解したときは、小さいインゴ
ットで少量溶解させたときは溶解温度になってもインゴ
ット形状が一部保たれる程度に溶湯の粘度が高く、多量
のインゴットを溶解させたときはインゴットの形状は保
持されないが溶湯の粘度はインゴット製造時の撹拌状態
を続けたときの溶湯粘度よりも高くなっている。さら
に、再溶解してもインゴット形状を保持している溶湯や
インゴット製造時よりも高粘度になっている溶湯に撹拌
や気泡吹込みによって外力を加えることにより、インゴ
ット製造当初の溶湯粘度が再現される。この事実は前述
のDuralcan Rにおいても、マグネシウムやマグネシウム
合金にセラミックス粒子などの強化材を添加した複合金
属材料においても見られた。そこで、本発明は異種材料
を分散した複合軽金属材料の鋳造時の溶湯の粘度を下げ
て鋳造時の生産性を上げることを目的とするものであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明では、異種材料を
分散させた複合軽金属材料インゴットを溶解させ、その
溶湯に外力を加えて溶湯粘度を低下させた後に鋳造を行
なうようにする。本発明で、複合軽金属材料のマトリッ
クスとなる軽金属材料はアルミニウムやアルミニウム合
金、マグネシウムやマグネシウム合金である。マグネシ
ウムやマグネシウム合金は一般に大気中では燃焼する
が、カルシウムなどのアルカリ土類金属を添加すること
によって、大気中でも燃焼せず、大気開放下で鋳造を実
施できるようになることが本発明者等により見出されて
いる。したがって、そのような難燃化されたマグネシウ
ムやマグネシウム合金を用いるのが好ましい。

【０００８】耐摩耗性や耐熱性を向上させるために添加
し分散させる異種材料は、短繊維状や粒子状のものであ
る。短繊維状のものとしては、例えばシリカ、アルミ
ナ、アルミナシリカ、炭化珪素、これらのウィスカーな
どを使用することができる。短繊維の長さは１ｃｍ以
下、好ましくは０．５ｃｍ以下であり、短かい方に特に
制約はない。１ｃｍより長くなると繊維自体が絡まり合
って流動性が低下する。粒子状の異種材料としては、ア
ルミナ、アルミナシリカ、窒化アルミニウム、窒化硼
素、窒化タングステン、炭化珪素などの粒子を使用する
ことができる。粒子状の異種材料の粒子径としては０．
１μｍから３０００μｍ位までの範囲のものが可能であ
るが、粒子径がそれより大きくなると溶湯に外力を加え
ても低粘度化の効果は小さくなる。逆に、繊維が短かく
なったり粒子径が小さくなってくると、添加材料の表面
積が大きくなってくるため添加材料間の相互作用がより
強くなり、溶湯に外力を加えて粘度を低下させても粘度
低下の程度は小さくなる。

【０００９】異種材料の添加量は実用的観点から定める
ことができる。例えばアルミニウム合金では２５体積
％、マグネシウム合金では３５体積％が上限であり、そ
れ以上添加すると粘性が高くなり、外力によっても粘度
を大きく低下させることはできなくなる。これらの異種
材料の中にはマトリックス成分と反応するものがある。
例えば炭化珪素はアルミニウム合金と反応し、シリカは
マグネシウム合金と反応する。このような反応を生じる
場合は、添加材に適当なコーティングを施せばよく、ま
たマトリックスがマグネシウム合金の場合にはカルシウ
ムを添加すればよい。

【００１０】インゴットを溶解させた溶湯に外力を加え
て粘度を低下させる方法として種々の方法を採用するこ
とができる。外力を加える最も単純で有効な方法は撹拌
機による撹拌である。駆動方法はエアーでも電気でもよ
く、撹拌翼の大きさや回転数は坩堝の大きさによって適
宜選択すればよい。回転翼が小さい場合や回転速度が低
い場合は単に時間が長くかかるだけである。また溶湯全
体に同時に外力を加えなければならないというものでも
ない。溶湯を何箇所かに区分して外力を加え、最終的に
全体を低粘度化するようにしてもよい。一度低粘度化す
るとその状態が長く維持されるので、撹拌翼を移動させ
ても問題はない。具体的な例としては、坩堝内径が１０
０ｃｍの場合、撹拌翼の外形が１５ｃｍの撹拌装置を用
い、２００ｋｇの溶湯を約３０分間撹拌したところ全体
が低粘度化した。この場合溶湯を何箇所かに区分して順
次外力を加えた。撹拌による外力印加方法を概略的に述
べると、回転数は１０〜１０００ｒｐｍ、好ましくは５
０〜２００ｒｐｍであり、撹拌翼の直径は坩堝の１／１
０以上あればよい。撹拌翼の羽根の段数は１段でもよい
が、多段の方が効率的である。撹拌翼の材質は特に制約
されるものではないが、例えばアルミニウム合金の溶湯
は鉄と反応するので、アルミニウム合金の溶湯に鉄製撹
拌翼を用いる場合は撹拌翼にセラミックコーティングを
施したり、溶解しにくい金属製の撹拌翼を用いるように
すればよい。

【００１１】撹拌の方法は、連続撹拌でも非連続撹拌で
もよいが、連続撹拌の場合は添加した異種材料が均一に
分散化しやすい。ただし、非連続撹拌でも溶湯は一度低
粘度化すると元の高粘度状態には戻りにくい。したがっ
て溶湯の様子を見ながら適当な時間間隔で撹拌すればよ
い。外力を加える方法として、撹拌の他に、溶湯と反応
しない不活性なガスを吹き込む気泡吹込み法や、撹拌棒
を人手で操作する手漕ぎの方法も用いることができる。

【００１２】インゴットを製造する際に、異種材料をよ
り均一に分散させるためにカルシウムなどの濡れ改良剤
を添加するのが有効である。また、濡れ改良剤としては
カルシウムを添加する以外に、Ｂｉ，Ｓｎ，Ｃｄ，Ｓ
ｂ，Ｉｎ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｒａ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｇ，Ｖ，
Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｌｉ，Ｃｅ，Ｂｅなどを添加しても
よい（特開昭５７−１６９０３３号公報、特開昭５７−
１６９０３４号公報、特開昭６０−１５９１３７号公
報、特開昭６０−１９４０３９号公報などを参照）。ま
た、セラミックスなどの異種材料を一度アルコールなど
の溶媒に浸漬させると、嵩高性が減少するとともに、溶
湯との濡れや分散性がよくなる傾向にある。マトリック
ス材の種類、添加し分散させる異種材料の種類や形状、
大きさ、量、濡れ改良剤の有無や種類、外力の与え方な
どの条件は、溶湯の状態を目視で見て簡単に判断するこ
とができるので、予備評価が可能であり、その予備評価
結果から条件を設定すればよい。

【００１３】

【作用】セラミックスなどの異種材料が分散しているア
ルミニウム合金やマグネシウム合金のインゴットを溶解
させると、その溶解状態ではインゴットの形状が保持さ
れているか、仮りに形状が保持されていなくても高粘度
な状態の溶湯となっている。そこで、その溶湯に撹拌や
気泡吹込みなどの手段によって外力を加えると、溶湯の
粘度が低下する。例えば撹拌翼で外力を加える場合に
は、当初回転軸を中心に低粘度化が始まり、その流動化
した低粘度融体が撹拌翼の外形の外側の高粘度融体を次
第に侵食して低粘度化領域を広げていき、遂には全体が
低粘度化する。撹拌翼を移動させる場合は、すでに低粘
度化した融体は一度低粘度化するとその状態が維持され
るので、部分的に低粘度化が行なわれて溶湯全体が低粘
度化する。

【００１４】

【発明の効果】本発明の工業的利用の有利な点として次
の点を挙げることができる。 （１）異種材料を分散した複合軽金属材料の溶湯粘度を
低下させることができる。その結果、鋳造法としてグラ
ビティーを適用した場合には押し湯の径を小さくし数を
少なくすることができ、それだけリターン材が少なくな
るとともに切削加工が容易となって、生産性が上がり、
コストダウンが図れる。またこれまで複合軽金属材料で
は溶湯粘度が高すぎて困難であるとされているロストフ
ォーム法やダイキャスト法などの鋳造法も適用すること
ができるようになる。

【００１５】（２）溶湯粘度を低下させる設備も、現行
のインゴット溶解設備に単に撹拌装置を追加したり気泡
吹込み装置を追加するなど、簡単な外力印加手段を追加
するだけですむ。 （３）濡れ改良剤やマトリックス材、添加し分散させる
異種材料はその種類によらず本発明は一般的に適用する
ことができる。その結果、部品の要求性能によって特別
な材料を選択する必要がなく、一般の量産材料に必要な
異種材料を添加することによって要求性能を満たすこと
が可能になり、それだけコスト低減を図ることができ、
適用範囲が拡がる。 （４）生産性が向上することと、従来の軽金属材料より
特性が向上することにより、鉄材部品から複合軽金属部
品への置換が可能となる。その結果として、例えば車両
では軽量化を図ることができ、燃費の向上が期待され
る。

【００１６】

【実施例】

（実施例１〜４）アルミニウム合金ＡＣ８Ａにカルシウ
ムが２重量％になるように添加し溶解した。この溶湯
（合金重量は０．５ｋｇ）に、各種アルミナ（不二見研
磨材株式会社の製品）を表１に示す所定の含有量になる
ように、溶湯温度７４０℃で、約５分間かけて少量ずつ
投入して添加し、アルミナ粒子複合アルミニウム合金を
作成した。これを鋳造して直径４０ｍｍのインゴットと
した。その後、このインゴットをインゴット製造時と同
じ７４０℃で再溶解し、その溶湯をトルクメータの回転
翼で外力を加えながら低粘度化した。一連の操作の中で
必要な段階でトルクメータで粘度の変化を測定した。そ
の結果を表２に示す。ただし、インゴットの再溶解の初
期状態はインゴットの形状が維持されており、これにト
ルクメータの回転翼が当ると直ちにインゴット状の融体
構造が破壊するため、初期状態は写真（図１、図２）で
示している。実施例１〜３はアルミナ含有率がともに２
０体積％であり、そのアルミナ粒子径が異なっている。
実施例４はアルミナ粒子径が２５μｍで、含有率が１５
体積％である。図１で、（Ａ）は実施例３のインゴット
の加熱前の状態、（Ｂ）はそのインゴットを７４０℃に
加熱した直後の状態、（Ｃ）はそのインゴットを７４０
℃で１時間保持した状態を示している。図２で、（Ａ）
は実施例４のインゴットの加熱前の状態、（Ｂ）はその
インゴットを７４０℃に加熱した直後の状態を示してい
る。

【００１７】

【表１】

【００１８】

【表２】

【００１９】表３に参考例としてアルミニウム合金ＡＣ
８Ａと、それに２％のカルシウムを含有させたものの再
溶解溶湯の粘度を示す。

【００２０】

【表３】

【００２１】実施例と参考例を比較すると、次のことが
分かる。 （１）アルミナを添加し分散させたインゴットを７４０
℃の高温で再溶解しても、アルミナと溶湯の相互作用の
ため、図１、図２に示されるように、インゴットの形状
が一部保持されている。これをトルクメータの回転翼で
撹拌すると、直ちに形状が崩れ、かつインゴット鋳造時
の元の粘性（トルク値）を示すようになる。 （２）参考例に示したトルク例と複合合金のトルクメー
タ撹拌翼で撹拌した後の平衡トルク値を比較すると、複
合合金の方がトルク値がやや高くなっているだけで、流
動粘性が参考例のベース合金と近似しており、従来の鋳
造方法をそのまま適用できることが分かる。

【００２２】（実施例５）アルミニウム合金ＡＣ８Ａに
カルシウムが２重量％になるように添加して溶解させ、
それにアルミナＡＭ−２１（粒子径４μｍ）とＡＭ−２
８（粒子径７μｍ）（いずれも住友化学株式会社の製
品）をそれぞれ８．５体積％含有するインゴット１００
ｋｇずつを実施例１〜４で示した方法で作成した。その
合金をともに内径１００ｃｍの坩堝で溶解し、溶湯温度
を７００℃とした。このとき、溶湯はインゴットの形状
を保持せず、坩堝の表面はアルミニウム合金ＡＣ８Ａの
溶湯と同様な平面状態となった。しかし、酌で溶湯をゆ
っくり掻き回すと粘性が高いことが分かった。一方、電
気ドリルに４枚の羽根からなる直径１５ｃｍの１段の回
転翼をもつシャフトを取りつけ、約３０分間にわたって
溶湯の上部、下部、左右にを順次撹拌すると、溶湯の粘
性が低下し、高流動性となった。粘性の程度はアルミニ
ウム合金ＡＣ８Ａのそれに近かった。また、砂型に鋳造
するときの状態を観察していると、押し湯部の流動性も
アルミニウム合金ＡＣ８Ａと同様に勢いよく湧きでてき
て、低粘度化していることが分かる。

【００２３】（実施例６）アルミニウム合金に２０体積
％の炭化珪素等を分散させた複合合金 Duralcanを７０
０℃の溶湯とし、実施例１〜４と同様にトルクメータで
粘性挙動を比較評価した。その結果は表４に示すとおり
であった。

【００２４】

【表４】

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例３に関し、（Ａ）は加熱前のインゴット
の状態を示す写真、（Ｂ）はそのインゴットを７４０℃
に加熱した直後の状態を示す写真、（Ｃ）はそのインゴ
ットを７４０℃で１時間保持した状態を示す写真であ
る。

【図２】実施例４に関し、（Ａ）は加熱前のインゴット
の状態を示す写真、（Ｂ）はそのインゴットを７４０℃
に加熱した直後の状態を示す写真である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 忠義 大阪府池田市桃園２丁目１番１号 ダイハ ツ工業株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 異種材料を分散させた複合軽金属材料イ
   ンゴットを溶解させ、その溶湯に外力を加えて溶湯粘度
   を低下させた後に鋳造を行なうことを特徴とする鋳造方
   法。
2. 【請求項２】 複合軽金属材料のマトリックスはアルミ
   ニウム又はアルミニウム合金である請求項１に記載の鋳
   造方法。
3. 【請求項３】 複合軽金属材料のマトリックスはマグネ
   シウム又はマグネシウム合金である請求項１に記載の鋳
   造方法。
4. 【請求項４】 異種材料は強化材である請求項１に記載
   の鋳造方法。
5. 【請求項５】 低下させる溶湯粘度はインゴット製造時
   の溶湯粘度である請求項１に記載の鋳造方法。
6. 【請求項６】 外力を加える方法は撹拌機による撹拌で
   ある請求項１に記載の鋳造方法。